专利名称：：立轴式风车的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种风车(windengine)，尤指一种可有效避免相关零件在强风及高速运转下受损的立轴式(verticalaxis)风车结构。
背景技术：
：传统上，风车结构依其叶片中心轴方向的不同，可概分为横轴式(horizontalaxis)风车及立轴式风车两种，其中该立轴式风车上所设的复数个叶片，分别可自由转动地枢设在一支撑架上，该支撑架则固定在一垂直轴上，其动力输出机构可较靠近于地面，而非如横轴式风车，必需将枢设叶片的一水平轴高高地竖立在地面上。此外，由于立轴式风车上所设的复数个叶片，可在迎风面状况下，提供一最宽广的外形轮廓，以完全承受风力，产生较大扭力，且在逆风面状况下，提供一最狭窄的外形轮廓，以减少风阻，有效地利用风力产生动力，令风车转动。基于此原因，多年来，许多商业用途的发电业者，对于立轴式风车的研究及开发，始终具有极大的兴趣。Saccone于1880年4月6日获准公告了一编号为226,357的美国专利，参阅图1所示，该项专利描述了一早期设计的立轴式风车10，该立轴式风车10的复数个叶片11均呈平板状，分别枢设(pivotally)在一支撑结构12外缘，以在叶片11受风吹动时，可使支撑结构12旋转，并令各该叶片11分别绕着一立轴13所形成的轨道运转，在迎风面状况下，提供一最宽广的外形轮廓，作为承受较大推力的迎风面，在逆风面状况下，则提供一最狭窄的外形轮廓，以降低所承受的风阻。在该种传统的立轴式风车10中，由于其叶片11并无空气动力及性能设计上的考量，故该立轴式风车10运作时是呈急动状态，其旋转动作较为粗糙、不平顺，且叶片11受离心力的连续拉扯影响。造成该立轴式风车10呈间歇转动，导致其速度减缓，令该支撑结构12及立轴13的转速无法较风速快。Zonoski于1936年4月21日获准公告了一编号为2,038,467的美国专利，参阅图2所示，该项专利描述了另一种立轴式风车20，该立轴式风车20将复数个扁平状的叶片21设置在一可旋转(rotatable)的框架22上，由于各该叶片21分别于一枢轴211上旋转及绕着一立轴23的轨道运转，且其双相位(two-phrase)被平衡得很好，故各该叶片21在一高推力的迎风向状态及一低阻力的逆风向状态间，其旋转角度大约为170度。理论上，虽然该立轴式风车20的框架22在每旋转一圈的状态下，迎风相位(draftphrase)具有超过180度的潜能，但由于风影(windshadow)及叶片21本身的干扰，降低了总体效能，导致有关的迎风相位均降低至180度以下。Pryor于1983年5月17日获准公告了一编号为4,383,801的美国专利，参阅图3所示，该项专利描述了又一立轴式风车30，该立轴式风车30将复数个依空气动力学设计的翼板(airfoils)31枢接在一可旋转的框架32上，各该翼板31在承受风力时，可驱动该框架32旋转，该框架32上尚设有一风向标34，以根据风向，控制各该翼板31的迎风角度，该立轴式风车30的机构设计颇为复杂，且仅在各该翼板31处于直接迎风(upwind)及逆风(leeward)的位置下，始能被控制在较佳的迎风角度，至于，在侧风或其它位置则不尽理想，故经常会发生无法自行启动运转的窘境。Boatner于2004年2月10日获准公告了一编号为6,688,842的美国专利，参阅图4所示，该项专利所揭露的立轴式风车40包括一转子42(rotor)，该转子42上枢设有复数个可自由旋转的翼板41，各该翼板41可根据其上所施加的动态风力状况，自行改变其位置，以承受风力，令该转子42转动，并将风力转换成旋转动能，并透过该转子42上垂直设置的一立轴43，输出至其它适合产生电力的装置。在该发明中，需特别注意，各该翼板41虽可自由旋转，但被限位在第一限位元件441及第二限位元件442间，此一限位设计，令各该翼板41能针对风向的角度，改变其位置，并绕着该立轴43所形成的轨迹转动，如此，利用各该翼板41低速时的升力(lift)及拖曳力(drag)特性组合，即可在该转子42速度达到或超过风速时，将其转化为仅有升力特性，使得风力能被更有效率地转变成有用的旋转动能。有鉴于前述传统立轴式风车长久以来存在的诸多缺点，发明人针对传统立轴式风车在将风力转变成旋转动能上效率不彰的问题，及在急风或飓风环境下易发生毁损的缺失等，进行研究改良，而开发出本发明的一种立轴式风车。
发明内容本发明的目的在于提出一种立轴式风车，在强风或飓风环境下，当叶片承受风力，超过一预定大小时，该弹性叶闩可自动松开，释放各该叶片，令其位移至仅提供最狭窄外形轮廓的位置，以迅速降低风车所承受的风压，有效避免风车的支撑架、叶片及相关零件在强风及高速运转下受损。本发明的另一目的在于提供一种立轴式风车，所述支撑架上在邻近各该叶片枢轴，但远离该主轴的位置处，分别枢设有一防逆转元件，以防止各该叶片逆向转动，有效避免叶片翻转至无法在迎风面状况下，提供其最宽广外形轮廓，以完全承受风力的状态，且在各该叶片承受强风，而被该弹性叶闩释放后，允许各该叶片沿顺向转动，回复至可提供其最宽广外形轮廓的正常状态。本发明的又一目的在于提供一种立轴式风车，该叶片容置空间内可同时枢设复数个叶片，以有效缩小单一叶片的体积及分散单一叶片所需承受的最大风力，令各该叶片在制作、收藏、运送及组装上更为简单、快速及方便。本发明的又另一目的在于提供一种立轴式风车，沿该主轴的轴向固设有复数个支撑架，各该支撑架上平行于该主轴的位置，可分别对称地设置复数个叶片容置空间，各该叶片容置空间上可枢设复数个可自由转动的叶片，如此，设计者即可视实际需要，沿该主轴的轴向位置及平行于该主轴的位置，在各该支撑架上扩充出所需的叶片数目。本发明的又另一目的在于提供一种立轴式风车，在各该叶片上较邻近各该叶片枢轴的一端，在其迎风面上，设有至少一副叶片，该副叶片垂直地枢设在该叶片的迎风面上，以在迎风状况下，垂直竖立在迎风面上，有效利用各该叶片端缘的风力，提升微风状况下的效能，在逆风状况下，则变成平贴在迎风面上，以有效降低风阻。本发明的又另一目的在于提供一种立轴式风车，该支撑架在各该容置空间位置的横剖面，可被设计成符合空气动力学设计的翼板状，以有效降低该支撑架在转动时所承受的风阻，进而提升整体的运转效能。本发明的又另一目的在于提供一种立轴式风车，相邻的任二支撑架间，可分别由一缆索将各该支撑架邻近对应叶片枢轴的一端连接起来，以增强各该支撑架在强风及高速运转状态下的整体结构强度。本发明的又另一目的在于提供一种立轴式风车，在各该叶片上邻近对应叶片枢轴的一端，分别设有一配重元件，令各该叶片的重心位移至对应叶片枢轴上，以有效提升各该叶片转动时的稳定度。为此，本发明提出了一种立轴式风车，包括一主轴，垂直于地面，其下方的一端由一传动机构连接至一动力输出轴；至少一支撑架，该支撑架的中心位置固定在该主轴上，该支撑架上平行于该主轴的位置，对称地设有复数个叶片容置空间；至少一叶片，该叶片的一端两对应位置处分别设有一叶片枢轴，该二枢轴可自由转动地枢设在该容置空间内远离该主轴的对应位置处；至少一弹性叶闩，设于该叶片与该支撑架间，远离该叶片枢轴的位置处，用以限制该叶片转动，并可在该叶片承受风力超过一预定大小时，自动松开，释放叶片。较佳的，各该叶片在逆风面状况下，可位移至提供最狭窄的外形轮廓，以降低风阻。较佳的，各该叶片在迎风面状况下，可位移至该弹性叶闩的限定位置，以提供最宽广的外形轮廓，完全承受风力。较佳的，该支撑架上在邻近各该叶片枢轴，但远离该主轴的位置处，分别枢设有一防逆转元件，该防逆转元件可于受力后单向转动，并于受力解除后回复原状，以在各该叶片逆向转动时，挡住各该叶片，有效避免叶片翻转至在迎风面状况下无法提供其最宽广外形轮廓的状态，并在各该叶片承受强风而被该弹性叶闩释放后，允许各该叶片沿顺向转动，推顶并通过该防逆转元件，回复至可提供其最宽广外形轮廓的正常状态。较佳的，该弹性叶闩设在该叶片上邻近该支撑架的位置，其长度恰可抵靠在该支撑架的侧缘，以限制各该叶片转动，并在该叶片承受风力，超过一预定大小时，自动向该叶片缩回，释放该叶片。较佳的，该弹性叶闩设在该支撑架上邻近该叶片的位置，其长度恰可抵靠在该叶片的侧缘，以限制各该叶片转动，并在该叶片承受风力，超过一预定大小时，自动向该支撑架缩回，释放该叶片。较佳的，该叶片上邻近其枢轴的一端，在其迎风面上，垂直设有至少一副叶片，该副叶片垂直地枢设在该叶片的迎风面上，以在迎风状况下，垂直竖立在迎风面上，在逆风状况下，则变成平贴在迎风面上。较佳的，该支撑架在各该容置空间位置的横剖面，可为符合空气动力学设计的翼板状。较佳的，各该叶片上邻近对应叶片枢轴的一端，分别设有一配重元件，令各该叶片的重心位移至对应叶片枢轴上。较佳的，相邻的任二支撑架间，可分别由一缆索，将各该支撑架上邻近对应叶片枢轴的一端连接起来。综上所述，本发明提出的立轴式风车，包括一主轴，该主轴垂直设于地面上，其下方一端由一传动机构连接至一动力输出轴，以将所产生的动能输出至一适合产生电力的装置；至少一支撑架，各该支撑架的中心位置固定在该主轴上，使得该支撑架被转动时，可同时带动该主轴旋转，该支撑架上平行于该主轴的位置，对称地设有复数个叶片容置空间；至少一叶片，各该叶片的两对应位置所设的枢轴，分别可自由转动地枢设在该支撑架的容置空间内远离该主轴的位置处，各该叶片与支撑架间，在远离各该叶片枢轴的位置处，分别设有一弹性叶闩，用于限制叶片转动，使得部份叶片在迎风面状况下，可提供最宽广的外形轮廓，完全承受风力，另一部份叶片在逆风面状况下，则提供狭窄的外形轮廓，以降低风阻，如此，即可有效地将叶片所承受的风力，转换成机械力矩，令风车转动。图1是第226,357号美国专利的立轴式风车的主视图；图2是第2,038,467号美国专利的立轴式风车的主视图；图3是第4,383,801号美国专利的立轴式风车的立体图；图4是第6,688,842号美国专利的立轴式风车的立体图；图5是本发明的立轴式风车的一最佳实施例的结构示意图；图6是图5所示实施例在定向气流作用下的结构示意图；图7是本发明的另一最佳实施例中立轴式风车的支撑架上一容置空间的结构示意图；图8是本发明的又一最佳实施例中立轴式风车的支撑架上一容置空间的结构示意图；图9是本发明的立轴式风车上所设副叶片的结构示意图。附图标号说明立轴式风车50、70、80叶片51、71、81、91主轴53、73、83叶片枢轴511、711、811、911配重元件512一部份叶片51A另一部份叶片51B支撑架52、72、82叶片容置空间521、721、821弹性叶闩522防逆转元件54缆索55传动机构60副叶片95具体实施例方式本发明提供一种立轴式风车，在本发明的一最佳实施例中，参阅图5所示。该立轴式风车50包括一主轴53，该主轴53垂直地设于地面上，其下方的一端由一传动机构60连接至一动力输出轴(图中未示)，以将所产生的动能输出至一适合产生电力的装置(图中未示)。该主轴53上设有一支撑架52，该支撑架52的中心位置固定在该主轴53上，使得该支撑架52被转动时，可同时带动该主轴53旋转，该支撑架52上平行于该主轴53的位置，对称地设有复数个叶片容置空间521，各该容置空间521用以枢设一叶片51，并令该叶片51可于该容置空间521内自由转动。该支撑架52在各该容置空间521位置的横剖面，可为平板状或其它符合空气动力学设计的翼板状，惟为降低该支撑架52在转动时所承受的风阻，其横剖面形状以翼板状为较佳。在该实施例中，各该叶片51的一端两对应位置处分别设有一枢轴511，该二枢轴511可自由转动地枢设在该支撑架52的容置空间521内远离该主轴53的对应位置处。各该叶片51与该支撑架52间，在远离各该叶片枢轴511的位置处，分别设有一弹性叶闩522。本发明的该实施例中，复参阅图5所示，该弹性叶闩522设计在该支撑架52上，邻近该叶片51的位置，其长度恰可抵靠在该叶片51的侧缘，用以限制该叶片51转动，如此，当该立轴式风车50被暴露在一风向稳定的气流中时，该支撑架52上的部份叶片51A在迎风面状况下，参阅图6所示，可提供其最宽广的外形轮廓，以完全承受风力，另一部份叶片51B则在逆风面状况下，位移至仅提供其狭窄的外形轮廓，以降低风阻，如此，各该叶片51所承受的风力，即可转换成机械力矩，而依序令该支撑架52及主轴53转动，在强风或飓风环境下，当部份叶片51承受风力，超过一预定大小时，该弹性叶闩522将因该叶片51的推抵，而向该支撑架52退缩，自动释开对各该叶片51的限制，令其位移至仅提供最狭窄外形轮廓的位置，以迅速降低风车50所承受的风压，有效避免风车50的支撑架52、叶片51及相关零件在强风及高速运转下受损。在此需特别注意，本发明在实际施作时，并不局限于此，该弹性叶闩522亦可设计在该叶片51上，邻近该支撑架52的位置，其长度恰可抵靠在该支撑架52的侧缘，以限制该叶片51转动，仅在叶片51承受风力，超过一预定大小时，该弹性叶闩522始向该叶片51退缩，自动释开对各该叶片51的限制，以迅速降低风车50所承受的风压，避免相关零件在强风及高速运转下受损。此外，在该实施例中，参阅图5及6所示，该支撑架52上在邻近各该叶片枢轴511，但远离该主轴53的位置处，分别枢设有一防逆转元件54，该防逆转元件54可于受力后单向转动，并于受力解除后回复原状，如此，即可在各该叶片51逆向转动时，挡住各该叶片51，有效避免叶片51翻转至在迎风面状况下无法提供其最宽广外形轮廓的状态，并在各该叶片51承受强风而被该弹性叶闩522释放后，可允许各该叶片51沿顺向转动，推顶并通过该防逆转元件54，回复至可提供其最宽广外形轮廓的正常状态。另，各该叶片51上邻近对应叶片枢轴511的一端，分别设有一配重元件512，令各该叶片51的重心位移至对应叶片枢轴511上，以有效提升各该叶片51转动时的稳定度。此外，相邻的任二支撑架52间，可分别由一缆索55将各该支撑架52上邻近对应叶片枢轴511的一端连接起来，以增强各该支撑架52在强风及高速运转状态下的整体结构强度。本发明的另一最佳实施例所提供的一种立轴式风车70，参阅图7所示，包括一主轴73，该主轴73沿其轴向位置设有至少一个以上的支撑架72，各该支撑架72的中心位置固定在该主轴73上，使得该等支撑架72被转动时，可同时带动该主轴73旋转，该等支撑架72上平行于该主轴73的位置，对称地设有复数个叶片容置空间721，各该容置空间721用以枢设一叶片71，并令该叶片71可于该容置空间721内自由转动，该叶片71与支撑架72间，在远离各该叶片枢轴711的位置处，分别设有一弹性叶闩(图中因被叶片71挡住，而未显示)，用以限制该叶片71转动。如此，当该立轴式风车70被暴露在一风向稳定的气流中时，部份叶片71在迎风面状况下，将提供最宽广的外形轮廓，以完全承受风力，另一部份叶片71则在逆风面状况下，位移至仅提供狭窄的外形轮廓，以降低风阻，在强风或飓风环境下，当部份叶片71承受风力，超过一预定大小时，该弹性叶闩可自动松开，释放各该叶片71，令其位移至仅提供最狭窄外形轮廓的位置，以迅速降低风车70所承受的风压，有效避免风车70的支撑架72、叶片71及相关零件在强风及高速运转下受损。本发明的又一最佳实施例所提供的一种立轴式风车80，参阅图8所示，包括一主轴83，该主轴83上设有一支撑架82，该支撑架82的中心位置固定在该主轴83上，使得该支撑架82被转动时，可同时带动该主轴83旋转，该支撑架82上平行于该主轴83的位置，对称地设有复数个叶片容置空间821，各该容置空间821用以枢设至少一个以上的叶片81，并令该等叶片81可于该容置空间821内自由转动，该等叶片81与支撑架82间，在远离各该叶片枢轴811的位置处，分别设有一弹性叶闩(图中因被叶片81挡住，而未显示)，用以限制各该叶片81转动。如此，当该立轴式风车80被暴露在一风向稳定的气流中时，各该叶片81在迎风面状况下，可提供最宽广的外形轮廓，以完全承受风力，在逆风面状况下，则位移至仅提供狭窄的外形轮廓，以降低风阻，当各该叶片81在强风环境下所承受的风力，超过一预定大小时，该弹性叶闩即自动释放各该叶片81，令其位移至仅提供最狭窄外形轮廓的位置，以迅速降低风车所承受的风压，有效避免相关零件在强风及高速运转下受损。因此，根据前述实施例，该叶片容置空间821内可同时枢设复数个叶片81，以有效缩小单一叶片81的体积及分散单一叶片81所需承受的最大风力，令各该叶片81在制作、收藏、运送及组装上更为简单、快速及方便。该主轴83上亦可沿其轴向固定复数个支撑架82，各该支撑架82上平行于该主轴83的位置，可对称地设置复数个叶片容置空间821，各该叶片容置空间821上并可枢设有复数个叶片81，令立轴式风车80的设计者可沿该主轴83的轴向位置及平行于该主轴83的位置，依实际设计需要，弹性地在各该支撑架82上扩充出所需的叶片81数目。在此需特别一提，在本发明的前述实施例中，该等叶片81的形状可为平板状或其它符合空气动力学设计的翼板，并无论是何种形状，参阅图9所示，各该叶片91上较邻近其叶片枢轴911的一端，在其迎风面上，设有至少一副叶片95，该副叶片95垂直地枢设在该叶片91的迎风面上，以在迎风状况下，垂直竖立在迎风面上，有效利用各该叶片91端缘的风力，提升微风状况下的效能，在逆风状况下，则变成平贴在迎风面上，以有效降低风阻。以上所述，仅为本发明最佳具体实施例，惟本发明的构造特征并不局限于此，任何熟悉该项技艺者在本发明领域内，可轻易思及的变化或修饰，皆可涵盖在本发明的专利范围。权利要求1.一种立轴式风车，包括一主轴，垂直于地面，其下方的一端由一传动机构连接至一动力输出轴；至少一支撑架，该支撑架的中心位置固定在该主轴上，该支撑架上平行于该主轴的位置，对称地设有复数个叶片容置空间；至少一叶片，该叶片的一端两对应位置处分别设有一叶片枢轴，该二枢轴可自由转动地枢设在该容置空间内远离该主轴的对应位置处；至少一弹性叶闩，设于该叶片与该支撑架间，远离该叶片枢轴的位置处，用以限制该叶片转动，并可在该叶片承受风力超过一预定大小时，自动松开，释放叶片。2.如权利要求1所述的立轴式风车，其特征是，各该叶片在逆风面状况下，可位移至提供最狭窄的外形轮廓，以降低风阻。3.如权利要求2所述的立轴式风车，其特征是，各该叶片在迎风面状况下，可位移至该弹性叶闩的限定位置，以提供最宽广的外形轮廓，完全承受风力。4.如权利要求3所述的立轴式风车，其特征是，该支撑架上在邻近各该叶片枢轴，但远离该主轴的位置处，分别枢设有一防逆转元件，该防逆转元件可于受力后单向转动，并于受力解除后回复原状，以在各该叶片逆向转动时，挡住各该叶片，有效避免叶片翻转至在迎风面状况下无法提供其最宽广外形轮廓的状态，并在各该叶片承受强风而被该弹性叶闩释放后，允许各该叶片沿顺向转动，推顶并通过该防逆转元件，回复至可提供其最宽广外形轮廓的正常状态。5.如权利要求4所述的立轴式风车，其特征是，该弹性叶闩设在该叶片上邻近该支撑架的位置，其长度恰可抵靠在该支撑架的侧缘，以限制各该叶片转动，并在该叶片承受风力，超过一预定大小时，自动向该叶片缩回，释放该叶片。6.如权利要求4所述的立轴式风车，其特征是，该弹性叶闩设在该支撑架上邻近该叶片的位置，其长度恰可抵靠在该叶片的侧缘，以限制各该叶片转动，并在该叶片承受风力，超过一预定大小时，自动向该支撑架缩回，释放该叶片。7.如权利要求5或6所述的立轴式风车，其特征是，该叶片上邻近其枢轴的一端，在其迎风面上，垂直设有至少一副叶片，该副叶片垂直地枢设在该叶片的迎风面上，以在迎风状况下，垂直竖立在迎风面上，在逆风状况下，则变成平贴在迎风面上。8.如权利要求5或6所述的立轴式风车，其特征是，该支撑架在各该容置空间位置的横剖面，可为符合空气动力学设计的翼板状。9.如权利要求5或6所述的立轴式风车，其特征是，各该叶片上邻近对应叶片枢轴的一端，分别设有一配重元件，令各该叶片的重心位移至对应叶片枢轴上。10.如权利要求5或6所述的立轴式风车，其特征是，相邻的任二支撑架间，可分别由一缆索，将各该支撑架上邻近对应叶片枢轴的一端连接起来。全文摘要一种立轴式风车，包括垂直地面的主轴，其下方由一传动机构将产生的动能输出至产生电力的装置；至少一支撑架，其中心位置固定该主轴上，支撑架可带动主轴旋转，支撑架上平行于主轴位置对称设多个叶片容置空间；至少一叶片，其上两对应位置的枢轴，分别可自由转动地枢设在该支撑架的容置空间内远离主轴位置处，叶片与支撑架间在远离各该叶片枢轴位置处，分别设至少一弹性叶闩，叶片在迎风面状况下可提供最宽广外形轮廓，在逆风面状况下提供狭窄外形轮廓，令风车转动，当叶片承受风力超过定值，弹性叶闩可自动松开释放叶片，令其位移至提供最狭窄外形轮廓的位置，来降低风车承受的风压，避免风车支撑架、叶片及相关零件在强风及高速运转下受损。文档编号F03D3/06GK1786462SQ20041009856公开日2006年6月14日申请日期2004年12月9日优先权日2004年12月9日发明者时继光申请人:时继光