专利名称：垂直轴风车的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如像达里厄斯(Darrieus)型风车那样的旋转轴方向与空气流(风)大致垂直的垂直轴风车。
背景技术：
垂直轴风车的旋转轴向垂直方向延伸。在对这种旋转轴进行支承的垂直轴风车中，用推力轴承来支承旋转轴最下部，其上方由向心轴承进行支承。
在此，为了用向心轴承来支承作为旋转体的旋转轴，必须将其固定和设置在作为固定构件的壳体内。
过去，向心轴承仅设置在由壳体罩住的区域内。并且，设置在壳体内侧的向心轴承，用壳体来固定外环侧，其内环侧对旋转轴进行轴支承。并且，壳体对臂杆下方的区域进行遮盖，以免妨碍对叶片和旋转轴进行连接的臂杆。
这里，在没有被壳体遮盖的区域(壳体上方的区域)即所谓“外伸区域(オ-バ-ハング领域)”中，旋转轴没有向心轴承进行支承。
但是，在没有被向心轴承支承的外伸区域内，向垂直方向延伸的旋转轴不稳定。在此情况下(在旋转轴不稳定的情况下)，旋转轴“摆动”，进行旋进运动，叶片和臂杆有可能妨碍其他构件或设备等。
不仅如此，荷重集中在最上部的向心轴承上，所以存在该最上部向心轴承破损的危险性。
另一方面，若缩短外伸部，则能改善上述不稳定性。但是叶片的长度也缩短，受风旋转的面积也减小，作为风车的基本功能受到阻碍。
发明内容
本发明是针对上述现有技术存在的问题而提出的解决方案，其目的在于提供不减小受风的面积、不与其他构件发生干涉、且能够消除外伸区域的不稳定状态的垂直轴风车。
本发明例如图1～图5所示，其目的在于提供一种垂直轴风车3，包括叶片4，受风而获得旋转力；多个臂杆5L、5M、5U，配置在上下方向上，支承叶片4；旋转轴6，配置在垂直方向上，通过臂杆5M、5U接受叶片4的旋转力；壳体7，收容旋转轴6，并延伸到多个臂杆5L、5M、5U中的配置在最下面的臂杆5L的上方；以及向心轴承B1，被固定在壳体7的外部，把配置在最下方的臂杆5L可旋转自如地安装到壳体7上。
若采用这种结构，其具有壳体，收容旋转轴，并延伸到多个臂杆中的配置在最下方的臂杆的上方；以及向心轴承，被固定在壳体的外部，把配置在多个臂杆中最下方的臂杆可旋转自如地安装到壳体上。所以，能够不减小受风的叶片面积，并消除叶片和旋转轴的不稳定状态。
例如图5、图6所示，垂直轴风车3也可以具有在向心轴承B1的半径方向外侧配置的遮盖构件9。
若采用这种结构，由于具有在向心轴承BI的半径方向外侧配置的遮盖构件9，所以，能够防止向心轴承上容易发生的生锈、或者向该轴承内的异物混入等。
例如图7、图8、图9所示，该垂直轴风车3还具有臂杆结合用构件10，其介于向心轴承B1和臂杆5M、5U之间，其上形成具有半径方向内侧大、而半径方向外侧小的锥形体的的凹部10e，臂杆5M、5U的半径方向内侧端部也可以形成与凹部10e互补的形状。
并且，垂直轴风车3，例如图10所示，臂杆5L、5M、5U形成空心状，也可以具有加强构件55M，其利用与臂杆5L、5M、5U的材料不同的、比重小于等于3.0的轻质材料形成，配置成其一部分在上述臂杆5L、5M、5U的半径方向内侧端部插入到臂杆5L、5M、5U内的状态。
并且，垂直轴风车3，例如图12、图13所示，也可以具有覆盖壳体7的最上端7C的盖状构件20，被盖状构件20遮盖的部位采用迷宫结构。
再者，以上的垂直轴风车中，例如图16、图19所示，也可以具有由旋转轴6的旋转力驱动的发电机GM，旋转轴6同发电机GM的旋转轴构成一体。
另外，例如图18所示，也可以具有安装在壳体7的外侧周围的太阳能电池板110。
此外，例如图16、图19所示，发电机GM也可以具有作为马达动作的结构，在作为发电机运转时向商用电源供给电力，而在作为马达运转时，从商用电源获得电力。
并且，例如图19所示，也可以是，在作为马达运转时，从蓄电池供应电力，在作为发电机运转时，向上述蓄电池内贮存电力，并根据需要从上述蓄电池向商用电源供给电力、或者作为单位内部电源而供给电力。
该专利申请基于2002年3月1日在日本提出的特愿2002-055328号专利申请，其内容形成本申请内容的一部分。
并且，通过以下的详细说明，可以进一步完全理解本发明。本发明的进一步的应用范围，可以通过以下的详细说明得到理解。但是，详细的说明和特定的实例是本发明的所期望的实施方式，只是为了说明的目的而记载的。从上述的详细说明，本领域的人员可以知道，在本发明的精神和范围内，可以进行各种变更及改变。
申请人无意向公众奉献所有的记载的实施方式，在公开的更改、代替方案中，也许是从语言文字来看不包括在权利要求书内的内容，也同等地被看作是本发明的一部分。
图1是表示适用了本发明的达里厄斯型风车的正面剖视图。
图2是用图1的标记F2来表示的部分的放大图。
图3是本发明实施方式的下层臂杆连结兼轴承支承构件的俯视图。
图4是图3的A-A线剖视图。
图5是本发明实施方式的遮盖构件的剖视图。
图6是与图5相对应的俯视图。
图7是用图1的标记F7来表示的部分的放大图。
图8是本发明实施方式的上部联节器的俯视图。
图9是图8的C-C线剖视图。
图10是本发明实施方式的下层臂杆的半径方向内侧端部的俯视图。
图11是用图1的标记11来表示的部分的放大图。
图12是本发明实施方式的盖状构件的纵向剖视图。
图13是与图12对应的俯视图。
图14是本发明实施方式的壳体最上端部的纵向剖视图。
图15是与图14对应的俯视图。
图16是本发明实施方式的发电机-马达的发电机功能-马达功能的切换控制装置的结构框图。
图17是本发明实施方式的发电机-马达的发电机功能-马达功能的切换控制方法的控制流程图。
图18是图1的B-B向剖视图。
图19是本发明实施方式的发电机-马达的发电机功能-马达功能的切换控制装置的结构框图。
具体实施例方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。
在图1中，在通过固定件1牢固地被固定在地上的机座2上，设置着作为垂直轴风车的达里厄斯型风车3。
在该达里厄斯型风车3中，迎风获得旋转力的叶片4，由多个臂杆(在图示的例中，设置成上、中、下3层上层臂杆用标记5U表示，中层臂杆用5M表示，下层臂杆用5L表示)被支承在旋转轴6和壳体7上。
在此，若是过去的垂直轴风车，则旋转轴在壳体内部被支承，在半径方向上由向心轴承进行轴支承；在轴向上由最下面的推力轴承进行轴支承。
并且，在过去的轴承中，为了避免臂杆和壳体之间的干涉，壳体具有包围最下方臂杆(在图1中，则为下层臂杆5L)的下方区域的结构，而不位于最下方臂杆(下层臂杆)的上方。
对此，在图示的实施方式中，利用内环固定向心轴承B1及其附近的结构，使壳体7一直延伸到最下方臂杆即下层臂杆5L的上方区域，使外伸部分(未被壳体7遮盖的部分)相应地减小。
也就是说，采用下述的内环固定向心轴承B1及其附近的结构，使下层臂杆5L以旋转自如的状态被支承在壳体7上，所以，能防止下层臂杆5L和壳体7的干涉。
并且，防止下层臂杆5L和壳体7的干涉的结果，能够使壳体7在上层臂杆5L的上方区域内延伸到中层臂杆5M附近，最上方向心轴承BR也能设置在中层臂杆5M附近的位置。
其结果，将延伸到最上方向心轴承BR的上方的的旋转轴区域即“外伸部分”，缩短的量相当于到下层臂杆5L的向心轴承B1为止的距离，能够提高垂直轴风车3整体的稳定性。
而且，在图1中，标记BS表示设置在旋转轴6的下端部、支承向下的荷重且旋转自如的推力轴承。
以下，也参照图2～图6说明内环固定向心轴承B1及其附近的结构。
从图1和图2(内环固定向心轴承B1附近的局部放大图)，尤其从图2中可以看出，关于下层臂杆5L向半径方向延伸的部分，壳体7形成向半径方向内侧凹陷的形状，在壳体7的该凹陷部分7A内，设置了整体为圆环状且形成凹陷状的内环固定向心轴承设置构件7B。
并且，在内环固定向心轴承设置构件7B的外侧设置了内环固定向心轴承BI。在此，内环固定向心轴承设置构件7B构成壳体7的一部分，上述内环固定向心轴承B1设置在壳体外部，其内环侧被固定在作为壳体7一部分的内环固定向心轴承设置构件7B上。
以下进一步详细说明内环固定向心轴承设置构件7B，也包括内环固定向心轴承B1的安装要点。
上述壳体7由位于上述下层臂杆5L的下方的下壳体70和位于下层臂杆5L的上方的上壳体75构成。
在下壳体70的上端部固定安装着下方连结法兰70F；在上壳体75的下端部固定安装着上方连结法兰75F。
并且，上述内环固定向心轴承设置构件7B由下法兰70B和上法兰75B构成。
下法兰70B由法兰部70Ba、以及形成了穿插上述旋转轴6的插入孔70Bh的圆筒状的毂部70Bb构成。并且，在该毂部70Bb的外周侧形成了由小径部70Bs和大径部构成的台阶部70Bd。该小径部70Bs例如以中间嵌合的嵌合条件插入到上述内环固定向心轴承B1的内环的内径内。
另一方面，在上法兰75B的中央形成用于插入上述旋转轴6的插入孔75Bh，在下面侧的中心设置了带台阶孔75Ba，用于与上述下法兰70B的毂部70Bb的端部(小径部70Bs)相嵌合。
并且，在上述下法兰70B的毂部70Bb端面和上述上法兰75B的插入孔75Bh附近，设置了互相安装用的安装孔，利用螺栓B1把内环固定向心轴承设置构件7B组装成一个整体。
当把内环固定向心轴承B1固定(装配)到上述内环固定向心轴承设置构件7B上时，首先，在按照下述方法将内环固定向心轴承B1组装在下层臂杆5L上的状态的内环固定向心轴承BI的内环(内径)中，插入下法兰70B的毂部70Bb的小径部70Bs，此时，旋转轴6插入到插入孔70Bh内，该法兰被临时固定在下壳体70的下方连结法兰70F上。
然后，把下法兰70B的毂部70Bb的小径部70Bs插入上述上法兰75B的内径侧。插入后，使上述小径部70Bs的端面抵接到上述上法兰75B的带台阶孔75Ba的底部上。
在抵接的状态下安装上述螺栓B1，把下法兰70B和上法兰75B组装到成一体化的内环固定向心轴承设置构件7B上。
以下参照图3和图4，详细说明下层臂杆连结兼轴承支承构件(以下简称为连结兼支承构件)8。
该连结兼支承构件8具有圆筒状的轴承支承用毂部80，其具有由小径孔82a和大径孔82b形成的带台阶孔82；以及下层臂杆连结用法兰85，从该轴承支承用毂部80的外周向半径方向外侧延伸。
上述带台阶孔82中插入上述内环固定向心轴承BI，并支承内环固定向心轴承BI。
上述下层臂杆连结用法兰部85从上述轴承支承用毂部8的外周向半径方向延伸，在与上述轴承支承用毂部80的大径孔82b开放侧相同的一侧，具有半径方向内侧大、半径方向外侧小的锥体的多个(图示为3个)凹部87，从毂部80的中心起以等间隔角度形成放射状。
并且，与该凹部87形成互补形状的下述的下层臂杆5L的半径方向最内侧端部插入到上述凹部87内，利用连结用螺栓B2(参见图2)来连结上述下层臂杆连结用法兰部85和臂杆结合构件89(参见图2)，形成夹持下层臂杆5L的最内侧端部的状态。
再者，在图4中，在由标记82c表示的环状的润滑油槽的槽内充填润滑油，以便对插入到带台阶孔82内的内环固定向心轴承进行润滑。
采用图2～图4所示的结构，利用内环固定向心轴承B1能够把旋转的下层臂杆5L支承在不旋转的壳体7(7B)上，并使其旋转自如。
再次说明在图2中的内环固定向心轴承BI附近的上下位置上，在垂直方向上延伸的遮盖构件(用于防止异物混入的遮盖构件)9的概要。
遮盖构件9希望是耐气候性好、长年老化较小的材料，在图示的实施方式中是金属制。但是也可以是硬质橡胶等树脂制。
在设置遮盖构件9时，需要以下注意事项。
从下层臂杆5L到内环固定向心轴承BI的外轮(下层臂杆5L和连结兼支承构件8)以旋转轴6为中心进行旋转。希望上述遮盖构件9与下层臂杆5L及连结兼支承构件8没有接触阻力。因此，在图示的实施方式中，在遮盖前端和下层臂杆5L以及连结兼支承构件8之间设置了若干的间隙(非接触)。
但是，如果该接触阻力比较小，则(例如用隔膜构成)的遮盖构件9和下层臂杆5L以及连结兼支承构件8也可以接触。
以下参照图5和图6详细说明遮盖构件9。而且，图2所示的上下2个遮盖构件9是同一形状。
遮盖构件9如图5所示，包括具有多个安装孔9c的环状法兰部9a和设立在该法兰部9a的1个面上的较薄的圆筒部9b。
内环固定向心轴承BI没有被壳体7(7B)遮盖，而是直接曝露在外部环境中，但因设置了上述遮盖构件9，所以能完全防止因异物混入而造成卡住等现象。
在图1中，采用参照图2～图6说明的结构，能够使壳体7延伸到中层臂杆M附近的区域。
在中层臂杆5M的上方，臂杆(图1的中层臂杆5M、上层臂杆5U)通过下述的联接器与旋转轴6连接。
在图7中，由上部联接器10和下部联接器12构成的联接器14，其上部联接器10和下部联接器12夹着中层臂杆5M的半径方向内侧的端部。
上部联接器10和下部联接器12的形状是类似的，所以，参照图8和图9仅对上部联接器10进一步详细说明。
如图8和图9所示，上部联接器10由圆盘状法兰10a和设立在该圆盘状法兰10a的一个面上的毂部10b构成，在该上部联接器10的中心形成具有键槽10c且与上述旋转轴6相结合的结合孔10d。
在直立设置了该圆盘状法兰10a的上述毂部10b的相反一侧的面上，形成了从圆盘状法兰10a的外周向中心部(半径方向内侧)的宽度逐渐扩大的锥状的多个槽或凹部10e。
而且，在图8的实施方式中，凹部为3处，在中央凹部连成一个，但也可以使各凹部分离开。并且，在上述凹部10e的区域内，穿通设置了多个(安装部一处有6个)具有如图所示的2个节圆的安装用孔10f。
连结在上部联接器10上的中层臂杆5M，其端部和上述凹部10e一样地形成其安装端部朝着半径方向内侧宽度逐渐增大的锥体状。
所以，如果把中层臂杆5M的锥体状的端部嵌合到上述上部联接器10和下部联接器12(锥体状的凹部与上部联接器10的凹部10e的形状相同)的凹部10e中，对中层臂杆5M进行夹持，并利用连结用螺栓螺母B3连结，那么可由上下联接器10、12来连结中层臂杆5M。此外，联接器14(上下联接器10、12的组合体)和上述旋转轴6通过未图示的键和上述键槽10c固定。
以下参照图10，详细说明中层臂杆5M(尤其是半径方向内侧的端部)的结构和形状。中层臂杆5M由臂杆主体50M和位于半径方向内侧端部且与该臂杆主体50M相连结的加固构件55M构成。
如图10所示，在中层臂杆5M的半径方向内侧端部附近，与图8所示的上、下联接器10、12的凹部10e相配合的部分，由上述加固构件55M(铝制)构成。这样的加固构件55M的向半径方向外侧延伸的部分，在臂杆主体50M的半径方向最内侧的区域内插入到臂杆主体50M的内侧。
为了连接上述旋转轴6和较薄的臂杆主体50M，需要一定强度，希望利用富有韧性的金属材料来加固。另一方面，为了提高风车效率，必须减轻重量，所以，在图示的实施方式中，采用比重小的铝作为加固构件55M的材料。
过去，具有仅用FRP形成的臂杆，但在价格和制作周期方面有问题；在仅用铝形成的情况下，存在总重量过大的问题。
但是，若采用结合图10说明的结构，则能使结构在价格、制作周期和强度方面均没有问题。
铝制的加固构件55M和作为臂杆主体的FRP制的较薄的空心形状的臂杆主体50M的结合，仅在结合部位涂敷粘接剂即可获得充分的强度。但是，在图示的实施方式中，为了提高安全性(防止铝和FRP的分离)，用密配合螺栓B4进行接合。
在此，在加固构件55M和臂杆主体50M的连接部设置了安装孔，使密配合螺栓B4配置成交错状。若把密配合螺栓B4配置成一排，则FRP制的壁薄的空心形状的臂杆主体部50M有可能沿密配合螺栓4B排列方向产生断裂，所以交错配置是为了防止这种断裂。
而且，在图10中，密配合螺栓B4的配置对于图10的左右方向是非对称的。这是为了根据臂杆截面形状(是透镜形状且左右厚度非对称)，使左右的被紧固厚度达到相同，防止一边太薄造成破损。
在图2～图6中说明的内环固定向心轴承BI的半径方向外方结合下层臂杆5L时，也可以利用与图7～图10中说明的大致相同的方式来进行。
在图2～图6中，利用下层臂杆连结兼轴承支承构件8和臂杆固定构件89将下层臂杆5L在上下方向上进行夹持。但在图7～图10中，是利用上下联接器10、12进行夹持。
从这一点来看两者相同。例如图3所示，在下层臂杆连结兼轴承支承构件8上构成带有锥度的凹部87，与该凹部87相对应的形状的臂杆的半径方向最内侧部分与该凹部87嵌合。
该结构与图8所示的结构相同。
若返回到图1且参照图11，则旋转轴6的上端部分(上层臂杆5U和旋转轴6的结合部位)与图7所示的结构不同，是利用下方的联接器16和上方的平板状构件18(图11)来连结上层臂杆5U，在上方未设置联接器。
而且，上层臂杆5U的半径方向最外侧的结合构造，即上层臂杆5U和叶片4的结合构造是与参照图7～图10说明的构造不同的方式。
在图示的实施方式中，旋转轴6和臂杆(5U、5M、5L)是不同的材料，但臂杆(5U、5M、5L)和叶片是相同的材料(FRP)。
以下说明叶片4的形状的一部分。在图1所示的叶片4的下端4e，设置了未图示的排水用的排水孔。
该排水孔既可以直接利用除了空心叶片4的壁部之外的空洞，也可以设置临时堵塞叶片下端且比空洞截面小的孔。
再者在图7中，在作为非旋转构件的壳体最上端部7C的上方覆盖着盖状构件20，覆盖该盖状构件20的部位利用壳体最上端部7c和盖状构件20来形成迷宫结构。
盖状构件20被固定在上述旋转轴6上，构成旋转构件。
该盖状构件20如图12和图13所示，壳体最上端部7C示于图14和图15。
以下结合图7和图12～15来说明上述迷宫结构。
首先参照图14和图15，详细说明作为非旋转构件的壳体最上端部7C。
壳体最上端部7C由以下构成部分园盘状的法兰7Cf，其外周附近具有多个安装孔7Ca，在中央具有孔部7Cb；以及园锥状屋顶部7Cd，它在该法兰7Cf的上面从上述孔部7Cb的上端向中心沿斜上方延伸，在中央具有旋转轴插入用的孔7Cc。
在上述圆锥状屋顶部7Cd的旋转轴插入用孔7Cc中，沿铅直方向突出地设置了内径大致与旋转轴插入用孔7Cc相等的内侧圆筒状隔板21。并且，直径比该内侧圆筒状隔板21大、且配置成与内侧圆筒状隔板21同心的外侧圆筒状隔板23，被固定在上述圆锥状屋顶部7Cd上。
以下参照图12和图13，详细说明作为旋转构件的上述盖状构件20。
上述盖状构件20由以下两部分构成毂部20b，它具有在中心与上述旋转轴相嵌合的嵌合孔20a；以及圆锥体部20c，它从该毂部20b的下端外周部向斜下方且向外方延伸。
而且，在上述毂部20b上的半径方向上切削加工了用于拧合螺栓的内螺纹20d，以便把该盖状构件20固定到旋转轴6上。
在上述圆锥体部20c的下面，固定安装了中心轴与圆锥体部20c相同的内侧圆筒状隔板22、以及中心轴相同的外侧圆筒状隔板24，并使其垂直向下延伸。
在此，希望上述壳体最上端部7C的内侧圆筒状隔板21、外侧圆筒状隔板23、上述盖状构件20的内侧圆筒状隔板22、以及外侧圆筒状隔板24的尺寸关系是上述盖状构件20的内侧圆筒状隔板22位于壳体最上端部7C的内侧圆筒状隔板21和外侧圆筒状隔板23的中央附近；上述壳体最上端部7C的外侧圆筒状隔板23位于上述盖状构件20的内侧圆筒状隔板22和外侧圆筒状隔板24的中央附近，从而构成迷宫结构。
如上所述采用以下迷宫结构使壳体最上端部7C与隔板(内侧圆筒状隔板21和外侧圆筒状隔板23)形成一个整体，而且，作为旋转体的盖状构件20也和隔板(内侧圆筒状隔板22和外侧圆筒状隔板24)形成一个整体。
通过采用这种迷宫结构，在壳体内进行的发电时(或者作为马达使用时)的发热、或者各轴承的滚动磨擦所造成的发热均容易被排出，而且能防止雨水浸入。
返回到图1，在壳体7内设置了一种发电机GM，它作为把旋转轴6的旋转转换成电力的旋转力—电力转换装置。在此，上述发电机GM在向线圈部分供给电流的场合作为马达使用。
在图示的实施方式中，在风速不能克服静止滚动阻力时，向发电机GM的线圈内供应电流(商用电力)，作为马达动作。
若风车3旋转，则以能克服滚动阻力的风速充分旋转。并且，若旋转到能克服滚动阻力的速度，则可停止马达，作为发电机动作。
以下参照图16和图17，详细说明发电机—马达的切换控制装置及其控制。
图16所示的发电机—马达切换控制装置具有利用垂直轴风车3的旋转轴6的旋转力来产生电力的发电机—马达GM、通过电力线L1与该发电机—马达GM连接的电流切换开关60、通过电力线L2与该电流切换开关60连接的整流器80、以及通过电力线L3与上述电流切换开关60相连接的商用电源(外部电力)100，并且，利用输入信号线Li接收从风力计W来的输入信号的控制装置90，根据该输入信号通过输出信号线Lo向上述电流切换开关60发送输出信号，以便把发电机—马达GM的功能切换到发电机功能上、或者马达功能上。
以下利用图17并参照图16，详细说明发电机—马达的功能切换控制方法。
在步骤S1，控制装置90读取从风力计W来的信号，进入步骤S2。
在步骤S2，控制装置90判断现在的风速是否是能够克服风车3整体的滚动阻力的风速。若是能克服阻力的风速(在步骤S2为“是”)，则进入步骤S3，否则返回到步骤S1。
在步骤S3，控制装置90从商用电源100向发电机—马达GM投入商用电力，以便把上述电流切换开关60从发电机功能切换到马达功能。
在下面的步骤S4，控制装置90判断发电机—马达GM的旋转数是否达到了规定值以上。
若达到规定值以上(在步骤S4为“是”)，则进入下一步骤S5；若未达到规定值以上(在步骤S4为“否”)，则返回到步骤S3。
在步骤S5，控制装置90向上述切换开关发送控制信号，使发电机—马达GM功能从马达功能切换到发电机功能上，然后结束控制。
采用这种结构，即使风速是不能克服静止滚动阻力的程度，也能使风车3旋转进行发电。放宽可利用风车的条件，可提高风车3的效率(运转率)。
以下，在图18中(图1中的B-B向观看状态示于图18)，在对未图示的旋转轴进行包围的壳体7的外周面上，安装着太阳能电池板110。安装该太阳能电池板110时，对具有挠性的板用分配给每块板的2个支柱120安装到壳体7的整个外周面上。这样，在整个外周面上贴满了该板，所以，不管太阳的位置如何，均能进行太阳能发电。
以下参照图19，说明本发明的另一实施方式。本实施方式中说明的是具有太阳能发电和风力发电两种发电功能的垂直轴风车的一例。本实施方式是在图16中说明的垂直轴风车上增加了存储电力的蓄电池91、把太阳能变换成直流电力的太阳能电池单元92、控制太阳能电池的控制器93、变换器A94和变换器B95而构成。控制器93尤其控制太阳能电池的发电量。
变换器A、B是包含有源开关结构的变换器。这里所说的有源开关包括可控硅、GTO、MOS FET、IGBT等电力用半导体器件等，它们具有从直流到交流或者从交流到直流的变换功能。
具有多个切换机构的切换开关60，通过变换器A94并利用线路L1而连接到发电机/马达上。并且，切换开关60通过线路L4与蓄电池91相连接，通过线路L2与太阳能电池单元92相连接，通过线路L3经变换器B95连接到商用电源100上。并且如图16的说明那样，风力计W利用信号线Li与控制装置90相连接。控制装置90利用输出信号线Lo与切换开关60连接。在这种结构中，切换开关60由控制装置90控制。
向发电机GM的线圈供应电力，而作为马达使用，这样，即使风速较慢也能克服轴承磨擦等的阻力而进行旋转，这一点和图16中说明的实施方式相同。
另一方面，作为马达运转时的电源由商用电源100供给；作为发电机运转时能够向商用电源100供应电力。并且，通过切换开关60的操作而作为马达运转时的电源也可以由蓄电池91供给，发电时在该蓄电池91内贮存电力，根据需要能够向本单位电力(未图示)或商用电源100供应电力。再者，通过切换开关60的操作，可以把太阳能电池单元92产生的电力通过控制器93而贮存到蓄电池91中。
而且，从商用电源100到变换器B95、从变换器A94到发电机/马达GM是交流。从变换器B95通过SW60到变换器A94是直流。并且，线路L2、L4也是直流。
如以上说明的那样，本发明的实施方式的垂直轴风车，使壳体7延伸到最下方的臂杆5L的上方，在壳体7外部固定向心轴承BI，并利用该向心轴承BI把臂杆5L安装成能相对于壳体7进行自如的旋转(参见图1～图5)。
若采用具有该结构的本发明实施方式，则把向心轴承(内环固定向心轴承BI)的内环侧设置在作为非旋转构件的壳体7部分上，通过将外轮侧与臂杆5L连接，臂杆5L相对于壳体7旋转自如。
所以，即使把壳体7延伸到最下方的臂杆5L的上方，也不会同最下方的臂杆5L发生干涉。并且，把壳体7延伸到最下方的臂杆5L的上方的结果，外伸部分缩短，风车3稳定。
在本发明实施方式中，希望在壳体7外部固定的向心轴承(内环固定向心轴承BI)的半径方向外侧，配置遮盖构件(防止异物混入的盖子9)(参见图1、图2、图5、图6)。
在上述壳体7的外部固定的向心轴承(内环固定向心轴承BI)曝露在外部环境中，所以直接受风雨侵袭，可能发生生锈、缺油造成的烧伤、混入异物造成卡住等，可能破坏精度。
针对该情况，把上述遮盖构件(防止异物混入的盖子9)配置在向心轴承(内环固定向心轴承BI)的半径方向外侧，能防止上述各种不良情况。
在此，希望上述遮盖构件9利用耐气候性强、长年老化小的材料(例如金属)来构成。也可用硬质橡胶等树脂材料来构成上述遮盖构件。
并且，希望在上述遮盖构件9和臂杆5L之间形成小的间隙，以免和臂杆5L之间产生接触阻力。但是，如果该接触阻力较小(例如隔膜或树脂材料等)，那么，也可以使遮盖构件9和臂杆5L接触。
并且，本发明实施方式的垂直轴风车，在与向心轴承(配置在壳体7内部的向心轴承BR和配置在壳体7外部的内环固定向心轴承BI)两者成一体的臂杆结合构件(从上下方向夹持臂杆的联接器10、12或图11的平板状构件18)上，形成具有半径方向内侧大、半径方向外侧小的锥形体的凹部10e，臂杆5L的半径方向内侧端部构成与上述凹部10e互补的形状(参见图1～图4、图10)。
若采用具有该结构的本发明，则臂杆结合构件(从上下方向夹持臂杆的联接器10、12，或者图11的平板状构件18)的凹部10e和臂杆5L的半径方向内侧端部，形成具有半径方向内侧大、半径方向外侧小的锥形体的形状。所以，即使在臂杆5L上有离心力作用，也由于该锥体对离心力产生反作用力，所以，能防止臂杆5L从臂杆结合用构件10、12中脱落。
再者，本发明的实施方式的垂直轴风车，臂杆5L形成空心(希望是薄壁且空心的形状)，由比重与臂杆材料(例如为强化树脂FRP)不同的3.0以下的轻质材料(例如铝)构成的加固构件55M，在臂杆5L的半径方向内侧(旋转轴侧)端部被配置成一部分插入到臂杆5L的状态(参见图1、图10)。
在此，上述臂杆5L最好是例如FRP性的空心薄壁的叶片形状。
构成加固构件55M的材料，不一定是铝，只要是比重小、韧性好的材料即可。可以采用钛等铝以外的金属材料或其他强度高的材料。
当把该加固构件55M配置在臂杆5L的半径方向内侧端部上时，把加固构件55M的一部分插入到臂杆5L内而形成一体，仅用粘合剂也可达到充分的强度。但是，为了提高安全性(防止臂杆5L和加固构件55M的分离)，希望用密配合螺栓B4进行连结。
这时，若密配合螺栓B4被配置成一排，则在臂杆5L壁薄时会产生断裂，所以，为防止断裂，希望把密配合螺栓B4配置成交错状。
再者，本发明实施方式的垂直轴风车3，在壳体最上端7C上覆盖盖状构件20，覆盖该盖状构件20的部位形成迷宫结构(参照图1、图7、图12～图15)。
在壳体7内产生的热(由发电机、轴承等产生的热)必须要排放出来。并且，风车3设置在室外，所以，直射的日光使壳体7内升温，非常需要把壳体7内的热散出来。
但是，如果仅仅在壳体7上设置散热用孔，则通过该散热孔会使雨水侵入到壳体7内。也就是说，用现有技术不能既防止雨水的侵入又使壳体7内产生的热量散出。
与此相比，若采用具有上述结构的本发明，则在壳体最上端7C覆盖盖状构件20的部位上采用迷宫结构。利用该迷宫结构，能够提供容易排出壳体7内的热量且雨水也难于侵入的结构。
在此，迷宫结构可以是在壳体最上端7C上成一体地形成沿垂直方向向上延伸的隔板21、23，利用双方的隔板(盖状构件20的隔板22、24和壳体最上端部7C的隔板21、23)构成该迷宫结构。
在本发明的实施方式中，希望在风速不能克服静止滚动阻力时，向收容在壳体7内的发电机GM的线圈供应电流(例如商用电力100)，而作为马达使用。
若采用这种结构，即使是只能克服滚动阻力的较慢的风速，也完全可以使风车3连续旋转。
并且，希望是，若风车3旋转到能克服滚动阻力的程度，则停止向线圈供给电流，结束作为马达的动作，使其作为发电机工作。
再者，在本发明的实施方式中，希望在包围旋转轴6的壳体7的外周面上(最好是整个外周面上)安装太阳能电池板110。希望这时的太阳能电池板110是具有挠性的。因为若使用这种板110，则不管太阳位置如何，均能稳定地进行太阳能发电。
图示的实施方式归根结底只是示例，并不是对本发明技术范围的限定。
例如，图示的实施方式中仅说明了达里厄斯型风车，但本发明也可以适用于萨伏纽斯型风车、以及其他垂直轴风车。
若采用以上说明的实施方式的垂直轴风车，则(a)把向心轴承的内环侧设置在作为非旋转构件的壳体部分，使外轮侧与臂杆相连接，这样，臂杆相对于壳体能自如地旋转。所以，能把壳体延伸到最下方的臂杆向的上方，其结果使外伸部分缩短，风车稳定。
(b)把遮盖构件配置在向心轴承的半径方向外侧，能避免风雨的直接侵袭，可防止生锈、断油造成的烧伤、异物混入造成卡住等不良现象。
(c)臂杆结合用构件的凹部和臂杆的半径方向内侧端部的凸部，构成具有半径方向内侧大、而半径方向外侧小的锥形体的形状，所以，即使离心力作用于臂杆上，由于处于凹部、凸部互相咬合的状态，该锥体产生与离心力相反的作用力，所以，能防止臂杆从臂杆结合用构件中脱落。
(d)把臂杆主体例如制成FRP制的空心薄壁叶片状，在臂杆的半径方向内侧端部，例如把铝制的加固构件配置在臂杆的半径方向内侧端部上，这样，能实现价格低而制作周期短、强度和重量也没有问题的良好结构。也就是说，能实现具有必要强度，重量轻而且发电效率高的风车。
(e)在壳体最上端成一体地形成向垂直方向的上方延伸的隔板，在该最上端安装盖状构件，在盖状构件上也成一体地形成向垂直方向的下方延伸的隔板，把双方的隔板在半径方向上配置成互不相同的状态，形成迷宫结构，所以，能提供可以容易地排放出壳体内的热量且雨水难于侵入的结构。
(f)当风速是不能克服静止滚动阻力的程度时，向收容在壳体内的发电机的线圈供应电流(例如商用电力)，而作为马达使用，采用这种结构，即使是只能克服滚动阻力的较慢的风速，风车也可以充分地连续旋转。
(g)在包围旋转轴的壳体外周面(最好是整个外周面)上安装太阳能电池板，不管太阳位置如何，都能稳定地进行太阳能发电。
权利要求
1.一种垂直轴风车，其特征在于，包括叶片，受风而获得旋转力；多个臂杆，配置在上下方向上，支承上述叶片；旋转轴，配置在垂直方向上，通过上述臂杆来接受上述叶片的旋转力；壳体，收容上述旋转轴，其延伸到上述多个臂杆中的配置在最下方的臂杆的上方；以及向心轴承，被固定在上述壳体的外部，把配置在上述最下方的臂杆可旋转自如地安装到上述壳体上。
2.如权利要求1所述的垂直轴风车，其特征在于具有在上述向心轴承的半径方向外侧配置的遮盖构件。
3.如权利要求1或2所述的垂直轴风车，其特征在于具有臂杆结合用构件，其介于上述向心轴承和上述臂杆之间，并形成具有半径方向内侧大、而半径方向外侧小的锥形体的凹部；上述臂杆的半径方向内侧端部形成与上述凹部互补的形状。
4.如权利要求1至3中任一项所述的垂直轴风车，其特征在于上述臂杆形成空心状，并具有一种加强构件，该加强构件利用与上述臂杆的材料不同的、比重小于等于3.0的轻质材料形成，配置成其一部分在上述臂杆的半径方向内侧端部插入到臂杆内的状态。
5.如权利要求1至4中任一项所述的垂直轴风车，其特征在于具有覆盖上述壳体的最上端的盖状构件，覆盖上述盖状构件的部位构成迷宫结构。
6.如权利要求1至5中任一项所述的垂直轴风车，其特征在于具有由上述旋转轴的旋转力驱动的发电机，上述旋转轴同上述发电机的旋转轴构成一体。
7.如权利要求6所述的垂直轴风车，其特征在于具有在上述壳体的外侧周围安装的太阳能电池板。
8.如权利要求6或7所述的垂直轴风车，其特征在于上述发电机具有也可以作为马达动作的结构。
9.如权利要求8所述的垂直轴风车，其特征在于在作为发电机运转时向商用电源供给电力；在作为马达运转时，从商用电源获得电力。
10.如权利要求8所述的垂直轴风车，其特征在于还具有贮存电力的蓄电池；当上述发电机作为马达运转时，从蓄电池供给电力，作为发电机运转时向上述蓄电池贮存电力，并根据需要从上述蓄电池向商用电源供给电力、或者作为单位内部电源而供给电力。
全文摘要
本发明涉及一种垂直轴风车，使壳体(7)延伸到最下方的臂杆(5L)的上方，在壳体(7)的外部固定向心轴承(BI)，利用该向心轴承(BI)把臂杆(5L)安装成可相对于壳体(7)旋转自如。不减小受风面积，不与其它构件发生干涉，能够消除外伸区域的不稳定状态。
文档编号F03D3/00GK1639460SQ0380494
公开日2005年7月13日 申请日期2003年2月28日 优先权日2002年3月1日
发明者木村克己, 安藤嘉彦, 今福贤明, 丸田芳幸后藤正典, 平田和也, 市原坚治, 杉山和彦, 樱井希美, 铃木幸雄 申请人:株式会社荏原制作所