JP4719221B2 - マグナス型風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、各回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により水平回転軸を回転させて発電機構部を駆動させるマグナス型の風力発電装置に関する。

効率型風力発電装置として、サボニウス風車を用いたものが実用化されているが、サボニウス風車の翼は風速以上に回転することができず、発電能力も小さいことから、大電力発電には不向きであり、一方、比較的発電能力の高い実用的風力発電装置としてプロペラ型風車を用いたものがあるが、風車効率を比較的低風速域で高めることができないという問題がある。

これら方式の他には、水平回転軸に対して放射状に所要数配設した回転円柱にマグナス揚力を発生させ、水平回転軸を回転させて発電を行うマグナス型風力発電装置もすでに公知である（例えば、特許文献１、２参照）。

米国特許第４３６６３８６号明細書 ロシア連邦特許第２１８９４９４Ｃ２号明細書

特許文献１に示すようなマグナス型風力発電装置は、回転円柱を回転させることでマグナス揚力を発生させ、水平回転軸を回転させて発電を行っているため、発電量を上げるためには、回転円柱の回転速度を上げてマグナス揚力を強める必要がある。しかし、回転円柱を高速で回転させるためには、多くのエネルギーが消費されてしまい発電効率が悪くなる。

また、特許文献２に記載のマグナス型風力発電装置は、風力により回転するサボニウスロータを用いて回転円柱を回転させているので、回転円柱の伝動機構を省略でき、かつ回転円柱を回転させるための駆動モータ等を設ける必要がないが、サボニウスロータは風速以上に回転することができず、回転円柱の回転速度を上げることができないため、大きなマグナス揚力を発生できず、効率のよい発電には不向きとなる。

本発明は、このような問題を一挙に解決し、低風速域から比較的高風速域にかけて効率よく発電できるマグナス型風力発電装置を提供するものである。

前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のマグナス型風力発電装置は、
発電機構部に回転トルクを伝達する水平回転軸と、該水平回転軸から略放射状に所要数配設された回転円柱とを備え、該各回転円柱がこれら回転円柱の軸周りに回転することで、該各回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により前記水平回転軸を回転させて前記発電機構部を駆動するマグナス型風力発電装置であって、
前記回転円柱の外周表面の少なくとも一部に、凸状若しくは凹状に形成されたスパイラル条が設けられ、該スパイラル条により前記回転円柱の外周表面に、少なくとも該回転円柱の軸方向を向く空気の流れ成分を発生させる構造を有し、かつ前記スパイラル条の少なくともその一部の断面形状が、前記回転円柱の軸周りの予め決められた回転方向の回転時に生じる空気抵抗を低減させる形状となっていることを特徴としている。
この特徴によれば、凸状若しくは凹状に形成されたスパイラル条が、その各断面において大きな空気抵抗を受けず、回転円柱の軸周りの回転抵抗が少なくなり、より効率的に回転円柱が回転する。更に、この回転円柱の回転に基づいて、スパイラル条による回転円柱の軸方向への空気の流れが増大することになる。従って、回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力が増大し、発電機構部を駆動する水平回転軸の回転トルクを増大させることで、風力発電装置の発電効率を低風速域から比較的高風速域にかけて格段に上昇させることができる。尚、スパイラル条は、少なくともその一部の断面形状が空気抵抗を低減させるようになっていればよく、スパイラル条の全てが空気抵抗を低減させるようになっている必要はない。

本発明の請求項２に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項１に記載のマグナス型風力発電装置であって、
前記スパイラル条は、所定の風力に対してそれぞれ異なる空気抵抗を有する少なくとも第１面と第２面とが形成され、前記第１面が前記第２面よりも空気抵抗が少なくなるように、前記第１面と前記第２面とは、前記スパイラル条が、その断面形状において非対称の形状となっていることを特徴としている。
この特徴によれば、第１面と第２面とを適正に配置（交互に配置）したスパイラル条とすることにより、回転円柱の軸周りの予め決められた回転方向の回転に対してスパイラル条の空気抵抗を低減させることができ、かつ回転円柱に所定方向から自然風が加わった場合、その風力によって回転円柱が軸周りの予め決められた回転方向に回転し易くなり、自然風が回転円柱の回転を促進させることができる。更に、回転円柱を他の駆動モータの動力で回転させる場合には、この回転動力の低減を図れるばかりか、駆動モータをできる限り利用しないような自己回転型のマグナス型風力発電装置の稼動も可能となる。尚、異なる空気抵抗を有する第１面と第２面とは、同じ風速の空気をそれぞれの面に当てた際のそれぞれの面の空気抵抗を定義している。

本発明の請求項３に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項２に記載のマグナス型風力発電装置であって、
前記スパイラル条は、１つの回転円柱に対し、少なくとも３条以上の複数条が設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、スパイラル条が３条以上の複数条が設けられることで、より多くの空気流を回転円柱の軸方向に流すことができ、かつ自然風の風力をスパイラル条がより効率よく受けることができ、回転円柱が軸周りにスムーズに回転する。

本発明の請求項４に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項３に記載のマグナス型風力発電装置であって、
前記スパイラル条は、前記回転円柱の断面視において等間隔に奇数条設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、自然風の風力を受けているスパイラル条に、常に不釣り合いの状態をもたらすことができ、回転円柱の自己回転力をより高めることができる。

本発明の請求項５に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項２ないし４のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置であって、
前記回転円柱が、少なくとも円弧面と凸状スパイラル条とから構成され、前記凸状スパイラル条の第１面は、前記回転円柱の回転時に、該回転円柱の円弧面上から第１面に空気が流れる際の空気抵抗を減少できるように、第１面が円弧面の接線方向に近接して延びていることを特徴としている。
この特徴によれば、円弧面から第１面にかけて、滑らかに空気が移動されるため、回転円柱上の空気流の剥離が抑えられ、マグナス揚力を効果的に維持できる。また、凸状スパイラル条の第１面が、揚力発生をもたらす円弧面の働きも兼ねることになり、マグナス揚力の増大効果も期待できる。尚、前述の「第１面が円弧面の接線方向に近接して延びる」とは、回転円柱における回転方向の上流側からの空気流が大きな抵抗を受けることがない程度の傾きであることであり、当業者が適宜設計できる程度の傾きを意味している。

本発明の請求項６に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項５に記載のマグナス型風力発電装置であって、
前記凸状スパイラル条の第１面の突端部には、空気攪乱部が形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、空気攪乱部が、凸状スパイラル条の第１面の突端部付近の空気の表層流を攪乱することによって、その下流側に渦流が形成され、凸状スパイラル条の回転とともに、回転円柱の円弧面に、比較的短時間に安定した空気流が復帰し、マグナス揚力が効果的に発生する。

本発明の請求項７に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項５または６に記載のマグナス型風力発電装置であって、
前記凸状スパイラル条の第２面には、窪み部が形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、回転円柱が軸周りの予め決められた回転方向に回転した際に、第２面が凸状スパイラル条の背面となり、ここに窪み部が形成されているため、この窪み部に負圧が生じ、この負圧部分に空気流が吸気されることによって、凸状スパイラル条の回転とともに第２面の下流側に続く回転円柱の円弧面に、比較的短時間に安定した空気流が復帰し、マグナス揚力が効果的に発生する。また、第２面に窪み部を形成することによって、第２面の下流側に続く円弧面の面積を広く確保できるようになり、マグナス揚力の増大効果も期待できる。

本発明の請求項８に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項２ないし４のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置であって、
前記回転円柱が、少なくとも円弧面と凹状スパイラル条とから構成され、前記凹状スパイラル条の第１面は、前記回転円柱の回転時に、第１面から回転円柱の円弧面に空気が流れる際の空気抵抗を減少できるように、第１面が円弧面の接線方向に近接して延びていることを特徴としている。
この特徴によれば、第１面から円弧面にかけて、滑らかに空気が移動されるため、回転円柱上の空気流の剥離が抑えられ、マグナス揚力を効果的に維持できる。また、凹状スパイラル条の第１面が、揚力発生をもたらす円弧面の働きも兼ねることになり、マグナス揚力の増大効果も期待できる。尚、前述の「第１面が円弧面の接線方向に近接して延びる」とは、回転円柱における回転方向の上流側からの空気流が大きな抵抗を受けることがない程度の傾きであることであり、当業者が適宜設計できる程度の傾きを意味している。

本発明の請求項９に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項８に記載のマグナス型風力発電装置であって、
前記凹状スパイラル条の第２面と、前記回転円柱の円弧面との境界付近には、空気攪乱部が形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、空気攪乱部が、回転円柱の円弧面と凹状スパイラル条の第２面との境界付近の空気の表層流を攪乱することによって、その下流側に渦流が形成され、凹状スパイラル条の回転とともに、凹状スパイラル条の第１面に比較的短時間に安定した空気流が復帰し、マグナス揚力が効果的に発生する。

本発明の請求項１０に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項８または９に記載のマグナス型風力発電装置であって、
前記凹状スパイラル条の第２面には、窪み部が形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、回転円柱が軸周りの予め決められた回転方向に回転した際に、第２面に窪み部が形成されているため、この窪み部に負圧が生じ、この負圧に空気流が吸気されることによって、凹状スパイラル条の回転とともに凹状スパイラル条の第２面の下流側に続く第１面に、比較的短時間に安定した空気流が復帰し、マグナス揚力が効果的に発生する。また、第２面に窪み部を形成することによって、第２面の下流側に続く第１面の面積を広く確保できるようになり、マグナス揚力の増大効果も期待できる。

マグナス揚力の説明図である。 実施例１におけるマグナス型風力発電装置を示す正面図である。 実施例１におけるマグナス型風力発電装置を示す側面図である。 実施例１におけるスパイラル条が設けられた回転円柱を示す正面図である。 図４における回転円柱を示すＡ−Ａ断面図である。 スパイラル条を示す拡大断面図である。 実施例２におけるスパイラル条が設けられた回転円柱を示す正面図である。 図７における回転円柱を示すＢ−Ｂ断面図である。 実施例３におけるスパイラル条が設けられた回転円柱を示す正面図である。 実施例４におけるスパイラル条が設けられた回転円柱を示す正面図である。 実施例５におけるスパイラル条が設けられた回転円柱を示す正面図である。 実施例６におけるスパイラル条が設けられた回転円柱を示す正面図である。 実施例７におけるマグナス型風力発電装置を示す正面図である。 実施例７におけるマグナス型風力発電装置を示す側面図である。

符号の説明

１ マグナス型風力発電装置
３ 発電機構部
５ 回転体（水平回転軸）
７、２６、２９ 回転円柱
３１、３３、３５ 回転円柱
７ａ、２６ａ 円弧面
８、３０、３２ 凸状スパイラル条
３４、３６ 凸状スパイラル条
２７ 凹状スパイラル条
８ａ、２７ａ 傾斜面（第１面）
３０ａ、３２ａ 傾斜面（第１面）
３４ａ、３６ａ 傾斜面（第１面）
８ｂ、２７ｂ 湾曲凹面（第２面、窪み部）
３０ｂ、３２ｂ 湾曲凹面（第２面、窪み部）
３４ｂ、３６ｂ 湾曲凹面（第２面、窪み部）
１０ アウターシャフト（水平回転軸）
１５ 発電機
１８ 駆動モータ
２５ 微小凹条（空気攪乱部）
２８ 微小凸条（空気攪乱部）

本発明に係るマグナス型風力発電装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下に説明する。

本発明の実施例に係るマグナス型風力発電装置を図面に基づいて説明すると、先ず図１は、マグナス揚力の説明図であり、図２は、実施例１におけるマグナス型風力発電装置を示す正面図であり、図３は、実施例１におけるマグナス型風力発電装置を示す側面図であり、図４は、実施例１におけるスパイラル条が設けられた回転円柱を示す正面図であり、図５は、図４における回転円柱を示すＡ−Ａ断面図であり、図６は、スパイラル条を示す拡大断面図である。以下、図２および図４の紙面手前側をマグナス型風力発電装置の正面側（前方側）とし、図３、図５、図６の右側をマグナス型風力発電装置の正面側（前方側）として説明する。

一般的なマグナス揚力の発生メカニズムについて説明すると、図１の円筒形状を成す回転円柱Ｃの断面図に示すように、回転する回転円柱Ｃに当たった空気の流れは、図１のような回転円柱Ｃの回転方向（左回り）と空気流Ｎ_０の向きでは、回転円柱Ｃの回転とともに上方に流れるようになり、このとき回転円柱Ｃの上方側を流れる空気が、回転円柱Ｃの下方側を流れる空気の速度よりも速く流れるので、回転円柱Ｃの上方側の負圧と下方側の正圧とで空気圧に差が生じるマグナス効果が生じるようになり、回転円柱Ｃには、空気の流れＮ_０と垂直をなす方向にマグナス揚力Ｙ_０が発生するようになっている。

図２および図３に示す符号１は、本発明の適用されたマグナス型風力発電装置であり、このマグナス型風力発電装置１は、地面に立設された支台２の上部に、水平方向に旋回自在に軸支される発電機構部３を有しており、この発電機構部３は、内部に配置された鉛直モータ４を駆動させることで水平方向に旋回できるようになっている。

図２および図３に示すように、発電機構部３の正面側には、回転の軸心が水平方向を向く本実施例における水平回転軸としての回転体５が配置されており、この回転体５は図２を参照すると正面視で右回りに回転するように軸支されている。回転体５の正面側には、フロントフェアリング６が取り付けられており、回転体５の外周には、５本の略円筒形状の回転円柱７が放射状に配置されている。各々の回転円柱７は、これら回転円柱７の軸周りの予め決められた回転方向に回転自在に軸支されている。

更に、回転円柱７の外周表面には、スパイラル（螺旋）状に形成された凸状スパイラル条８が一体に巻き回して形成されており、この凸状スパイラル条８は、回転円柱７の外周表面から突出するように略凸状に形成されている。また、凸状スパイラル条８は、１つの回転円柱７の表面に３条（奇数条）設けられている。尚、この凸状スパイラル条８は合成樹脂等の材質、若しくは耐候性軽量合金等の材質などで製作することができる。

この凸状スパイラル条８について説明すると、図４に示すように、所要幅、所要高さの３重螺旋をなす凸状スパイラル条８は、回転円柱７の長手方向の全体に渡って設けられ、回転円柱７の先端側から見たときに右ネジ状の右螺旋状をなすように固着されている。更に、この凸状スパイラル条８の突端部に沿って延び、かつ凸状スパイラル条８の表面から若干凹むように略凹状に形成された本実施例における空気攪乱部としての微小凹条２５（ウインドリップ）が設けられている。

図５に示す回転円柱７の回転方向は左回りとなっており、凸状スパイラル条８は、断面視で略フィン形状を成し、回転円柱７が回転したときに生じる空気抵抗を低減させるような形状となっている。この凸状スパイラル条８の断面形状は、凸状スパイラル条８の長手方向全体に渡って同一になるように形成されている。

また、この凸状スパイラル条８には、回転円柱７の回転方向と逆方向に傾く本実施例における第１面としての傾斜面８ａが形成されるとともに、凸状スパイラル条８における傾斜面８ａの裏側には、凸状スパイラル条８の内部側に所定の曲率で凹むように形成された本実施例における第２面および窪み部としての湾曲凹面８ｂが形成されている。それぞれの凸状スパイラル条８の傾斜面８ａは回転円柱７の回転方向側に面しているとともに、湾曲凹面８ｂは回転円柱７の回転方向と逆方向側に面しており、傾斜面８ａと湾曲凹面８ｂとが、回転円柱７の予め決められた方向に回転し易いように交互に適正に配置されている。尚、この傾斜面８ａの突端部近傍に略凹状の微小凹条２５が形成されている。

更に、図４に示すように、回転円柱７の先端面には、回転円柱７の直径よりも大きな直径を有する円盤状のエンドキャップ９が取り付けられており、このエンドキャップ９の外方側には、所定曲率を有するラウンド面９ａが形成されている。

また図３に示すように、発電機構部３の内部には、長手方向が水平方向を向く本実施例における水平回転軸としてのアウターシャフト１０が配置されており、アウターシャフト１０は発電機構部３内部に配置されたベアリング１１を介して垂直方向に回動自在に支持されている。このアウターシャフト１０の軸内は貫通されており、アウターシャフト１０の軸内には、インナーシャフト１２が挿設されている。

図３に示すインナーシャフト１２はアウターシャフト１０内部に配置されたベアリング１３を介して垂直方向に回動自在に軸支されている。アウターシャフト１０およびインナーシャフト１２は互いに独立して回動することができ、互いの回転方向が同じで回転速度が異なっていてもよいし、互いの回転方向が異なっていても回動できるようになっている。

図３に示すように、アウターシャフト１０の後端には、ギア１４が固着されており、このギア１４は、発電機構部３内の発電機１５に接続されているギア１６と係合されている。アウターシャフト１０の前端には、発電機構部３の外方に突出されており、このアウターシャフト１０の前端に回転体５が固着されている。

図３に示すように、インナーシャフト１２の後端は、アウターシャフト１０から突出されてギア１７が固着されており、このギア１７は、発電機構部３内の駆動モータ１８と連動されているギア１９と係合される。また、インナーシャフト１２の前端は、アウターシャフト１０から突出されており、このインナーシャフト１２の前端には、大径のベベルギア２０が固着されている。

図３に示す駆動モータ１８とギア１９との間には、駆動モータ１８の回転力を一方向に伝達するワンウェークラッチ２２が配置されており、ギア１９の回転によって駆動モータ１８に逆方向の回転力が加わっても、ワンウェークラッチ２２によって駆動モータ１８の逆回転を防止できるようになっている。更に、発電機構部３内部には、駆動モータ１８の起動用の電力を蓄えるバッテリー２３が配置されている。尚、鉛直モータ４や駆動モータ１８は、マグナス型風力発電装置１の周囲環境の風向や風速を観測する風向計（図示略）や風速計（図示略）に接続された制御回路２４によって制御されるようになっている。

図２に示すように、インナーシャフト１２に固着された大径のベベルギア２０は、アウターシャフト１０に固着された正面側の回転体５内部の中心に配置されるとともに、このベベルギア２０は前方側に向かって窄まるように（前方側の直径が後方側の直径よりも小さくなるように）配置されている。このようにベベルギア２０を配置することで、ベベルギア２０の回転方向と回転体５の回転方向とを逆向きにすることができる。更に、この大径のベベルギア２０には、５つの小径のベベルギア２１が係合されており、５つの小径のベベルギア２１は、回転体５の外周に配置された５本の回転円柱７の基部に連結されている。

図３に示す発電機構部３内部の駆動モータ１８を駆動させるとインナーシャフト１２を介して駆動モータ１８の動力が大径のベベルギア２０に伝達され、このベベルギア２０に係合される５つの小径のベベルギア２１が回転され、各々のベベルギア２１に連結された５本の回転円柱７が、該回転円柱７の軸回りに回転されるようになっている。

マグナス型風力発電装置１を用いて発電する際には、先ず風向計（図示略）によって風向きを検出し、制御回路２４が鉛直モータ４を駆動させて、回転体５の正面側から風が当たるように、風向きに合わせて発電機構部３を旋回させる。すると図３に示すように、マグナス型風力発電装置１の正面側から自然風Ｎが当たるようになる。

そして、発電機構部３内部のバッテリー２３に蓄えられている起動用の電力を駆動モータ１８に供給し、駆動モータ１８を駆動させる。インナーシャフト１２およびベベルギア２０、２１を介して駆動モータ１８の動力が伝達され、各々の回転円柱７が回転しはじめる。各々の回転円柱７の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力Ｙによって、回転円柱７および回転体５は、アウターシャフト１０を軸心として回転されるようになる。

図５を参照して回転円柱７の回転方向と凸状スパイラル条８の巻き方について詳述すると、回転円柱７の先端側から見たときに、回転円柱７の凸状スパイラル条８の巻き方が右ネジ状の右螺旋状をなす場合、回転円柱７の回転方向は左回りとなっている。凸状スパイラル条８の巻き方向が回転円柱７の回転方向に対して逆向きとなっているため、図２および図４に示すように、回転円柱７の外周表面を流れる空気を回転体５に近づく方向に向けて流すことができる。

図４に示すように、凸状スパイラル条８が回転円柱７に施されることにより、回転円柱７の回転時に、凸状スパイラル条８によって、空気の流れＦが発生する。この際、回転円柱７の外周表面に、自然風Ｎや回転円柱７と伴に回転する回転円柱７の表層の空気の動きとは別に、回転円柱７の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖ（ベクトル成分Ｖ）を発生させることができる。図２に示すように、この空気の流れ成分Ｖは、回転円柱７の先端側から回転体５に向けて流れるようになっている。

図４および図５に示すように、回転円柱７の外周の空気流、すなわち回転円柱７の外周表面に空気流動Ｆを発生させることで、自然風Ｎと、回転円柱７と伴に回転する回転円柱７の表層の空気の動きとで形成される三次元的な空気流が形成される。

そして図５に示すように、各々の回転円柱７の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力Ｙが増大される。ここで言う凸状スパイラル条８で与えられる空気の流れＦは、全てが回転円柱７の軸方向を向いている必要はなく、少なくとも回転円柱７の軸と平行なベクトル成分Ｖがあれば十分効果がある。発明者の１つの考察であるが、マグナス揚力Ｙが高まる理由として、回転円柱７に加わる負圧と正圧との差圧が高まる現象や、揚力発生面が拡大する現象等が発生していると考えられる。

また、エンドキャップ９を利用すると、マグナス効果が向上するようになっている。すなわちエンドキャップ９が回転円柱７の先端面に設けられることによって、このエンドキャップ９が空気流Ｆに好影響を与え、マグナス揚力Ｙの向上が見られる。

更に図５に示すように、凸状スパイラル条８は、回転円柱７の断面円周上において、等間隔に奇数条（本実施例では３条）設けられており、そのため回転円柱７が軸周りにスムーズに回転できるようになっている。

奇数条の凸状スパイラル条８について具体的に説明する。例えば、回転円柱７に設けられる凸状スパイラル条８が、回転円柱７の断面円周上に等間隔に偶数条設けられた場合には、回転円柱７の軸心を介して対向する位置に配置される各々の凸状スパイラル条８に均等に自然風Ｎの風力が加わり、回転円柱７の回転の釣り合いが取れてしまい、回転円柱７の回転が停滞してしまう場合がある。

しかし、凸状スパイラル条８を等間隔に奇数条設けることによって、各々の凸状スパイラル条８が回転円柱７の軸心を介して対向する位置に配置されないようになり、各々の凸状スパイラル条８に不均等に自然風Ｎの風力が加わるようになるので、常に回転円柱７を不釣り合いの状態にすることができ、回転円柱７の自己回転力をより高めることができる。

尚、凸状スパイラル条８は、１つの回転円柱７に対し、少なくとも３条以上の複数条設けられていればよく、このようにすれば、より多くの空気流Ｖを回転円柱７の軸方向に流すことができ、かつ自然風の風力を凸状スパイラル条８がより効率よく受けることができ、回転円柱７が軸周りにスムーズに回転する。

また、本実施例では、凸状スパイラル条８が回転円柱７に３条設けられていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、凸状スパイラル条８が回転円柱７に５条や７条、或いはそれ以上の奇数条の凸状スパイラル条８を回転円柱７に設けてもよい。

更に図６を参照して凸状スパイラル条８について詳述すると、この凸状スパイラル条８に設けられた傾斜面８ａと湾曲凹面８ｂとが、それぞれ異なる空気抵抗を有するように、凸状スパイラル条８は、その断面形状において非対称の形状となっている。凸状スパイラル条８の傾斜面８ａは、回転円柱７の回転時に、回転円柱７の円弧面７ａ上から傾斜面８ａに空気が流れる際の空気抵抗を減少できるように、円弧面７ａ上の所定の点αの位置から接線方向に近接して延びるように傾けられており、円弧面７ａを流れる空気の流れ成分Ｋを、回転円柱７の軸心から離れる方向に滑らかに流すことができる。

尚、ここで言う回転円柱７の断面視の円弧面７ａの接線方向に流れる空気の流れ成分Ｋとは、回転円柱７を回転させたときに、回転円柱７の表面（円弧面７ａ）を回転円柱７に対して相対的に流れる空気の流れのことである。この空気の流れ成分Ｋが、凸状スパイラル条８の傾斜面８ａによって回転円柱７の軸心から離れる方向に流されることで、凸状スパイラル条８に発生する空気抵抗（回転抗力）が低減されるようになっている。かつ円弧面７ａから傾斜面８ａにかけて、滑らかに空気が移動されるため、回転円柱７上の空気流の剥離が抑えられ、マグナス揚力Ｙを効果的に維持できる。

また、本実施例では、凸状スパイラル条８の傾斜面８ａが、回転円柱７の円弧面７ａ上の所定の点αの位置における接線方向に近接して延びるように傾けられているが、傾斜面８ａは必ずしも点αにおける接線方向に近接している必要はなく、回転円柱７上の空気の流れ成分Ｋを、回転円柱７の軸心から離れる方向に直角以下の角度で変化させる傾きの傾斜面８ａであれば、凸状スパイラル条８に発生する空気抵抗が低減されるようになっている。

また、凸状スパイラル条８の傾斜面８ａが、揚力発生をもたらす円弧面７ａの働きも兼ねることになり、マグナス揚力Ｙの増大効果も期待できる。尚、前述の「傾斜面８ａが、回転円柱７の円弧面７ａ上の所定の点αの位置における接線方向に近接して延びる」とは、回転円柱７における回転方向の上流側からの空気流Ｋが大きな抵抗を受けることがない程度の傾きであることであり、当業者が適宜設計できる程度の傾きを意味している。

また図６に示すように、凸状スパイラル条８の湾曲凹面８ｂは、その一部の面が回転円柱７の軸心から径方向に延びる直線βよりも、回転円柱７の回転方向と逆方向に傾けられており、かつ湾曲凹面８ｂにおける凸状スパイラル条８と回転円柱７の接合部付近が、凸状スパイラル条８の内部側に窪むように湾曲している。

この凸状スパイラル条８に形成された湾曲凹面８ｂには、回転円柱７が回転した際に、湾曲凹面８ｂが凸状スパイラル条８の背面となり、ここに窪み部が形成されることにより、この湾曲凹面８ｂに負圧が生じ、この負圧に空気流が吸気されることによって、湾曲凹面８ｂに沿って流れる空気流Ｋが、湾曲凹面８ｂの下流側に続く回転円柱７の円弧面７ａに流れるようになり、回転円柱７の円弧面７ａに、比較的短時間に安定した空気流Ｋが復帰する。そのため図４に示すように、凸状スパイラル条８の回転とともに回転円柱７の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖを効率よく発生させることができる。また、湾曲凹面８ｂが窪み部を兼ねることによって、湾曲凹面８ｂの下流側に続く円弧面７ａの面積を広く確保できるようになり、マグナス揚力Ｙの増大効果も期待できる。

発明者の１つの考察であるが、凸状スパイラル条８の傾斜面８ａによって空気を押圧して移動させ、回転円柱７の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖを発生させるよりも、凸状スパイラル条８の湾曲凹面８ｂに発生する負圧によって空気を吸気させて移動させる方が、より強い力で空気を移動させることができ、回転円柱７の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖを効率よく発生させることができるものと考えられる。

更に、図６に示す湾曲凹面８ｂは、回転円柱７の回転方向と逆方向に傾けられているので、湾曲凹面８ｂに自然風Ｎが当たったとき、湾曲凹面８ｂが自然風Ｎの風力を効率よく受けることができる。その湾曲凹面８ｂが、凸状スパイラル条８の傾斜面８ａの裏側に形成されることによって、回転円柱７が予め決められた回転方向に回転し易くなり、自然風Ｎが回転円柱７の回転を促進させることができる。

尚、凸状スパイラル条８に設けられる傾斜面８ａと湾曲凹面８ｂとは、所定の風力に対してそれぞれ異なる空気抵抗を有するように、かつ傾斜面８ａが湾曲凹面８ｂよりも空気抵抗が少なくなるように、その断面形状が形成してあればよい。尚、異なる空気抵抗を有する傾斜面８ａと湾曲凹面８ｂとは、同じ風速の空気を傾斜面８ａと湾曲凹面８ｂにそれぞれの方向から当てた際の傾斜面８ａと湾曲凹面８ｂの空気抵抗を定義している。

また、湾曲凹面８ｂは回転円柱７の軸心から径方向に延びる直線βよりも、回転円柱７の回転方向に傾いていてもよく、少なくとも湾曲凹面８ｂに所定の風力が当たった場合に、その空気抵抗が傾斜面８ａよりも大きければよい。更に、湾曲凹面８ｂは所定の曲率を有しない平面状であってもよい。

図６に示すように、凸状スパイラル条８の傾斜面８ａの突端部に、傾斜面８ａの一部を切り欠いて形成した微小凹条２５が設けられていることで、傾斜面８ａの突端部付近の空気の表層流を攪乱し、凸状スパイラル条８によって空気流Ｋが回転円柱７の円弧面７ａから剥離することを抑えることができる。

微小凹条２５について更に詳しく説明すると、傾斜面８ａによって回転円柱７の軸心から離れる方向に流される空気流Ｋは、凸状スパイラル条８の突端部から更に回転円柱７から離れる方向に流れようとするが、傾斜面８ａの突端に設けられた微小凹条２５によって、この空気流Ｋに小さな攪乱を発生させて凸状スパイラル条８の湾曲凹面８ｂ側（下流側）に小さな渦流Ｗを発生させる。この渦流Ｗが湾曲凹面８ｂ側に巻き込まれるように流れることで、空気流Ｋが回転円柱７の円弧面７ａに沿って流れるようになり、比較的短時間に安定した空気流Ｋが円弧面７ａに復帰し、回転円柱７のマグナス揚力Ｙが付加的に増えるようになっている。

尚、微小凹条２５が凸状スパイラル条８に設けられることによって、凸状スパイラル条８の空気抵抗は若干大きくなるが、マグナス揚力Ｙが付加的に増えるので、マグナス型風力発電装置１の発電能力は向上するようになっている。また、本実施例では、凸状スパイラル条８の突端部に沿って空気攪乱部としての微小凹条２５が形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、微小なデンプルのような凹部を、凸状スパイラル条８の突端部に沿って複数配列させることによって空気攪乱部を形成してもよい。

図３に示すように、回転体５が回転すると、アウターシャフト１０の後端に連結された発電機１５が駆動されて発電が行われる。凸状スパイラル条８が回転円柱７に設けられ、この凸状スパイラル条８が、その各断面において大きな空気抵抗を受けないので、回転円柱７の軸周りの回転抵抗が少なくなり、より効率的に回転円柱７が回転するようになっている。更に、この回転円柱７の回転に基づいて、凸状スパイラル条８による回転円柱７の軸方向への空気の流れが増大するので、回転円柱７のマグナス揚力Ｙが増大され、発電機１５を駆動するアウターシャフト１０の回転トルクが増大されるようになる。従って、マグナス型風力発電装置１の発電効率を上げることができるようになっている。

尚、発電機１５によって発電が開始されると、この発電された電力の一部を、回転円柱７を回転させるための駆動モータ１８に供給させて補助電力として利用でき、かつ次回の起動用の電力としてバッテリー２３に蓄えることもできる。

また、ベベルギア２０、２１を用いて回転円柱７の本数（本実施例では５本）よりも少ない個数（本実施例では１個）の駆動モータ１８を用いて各回転円柱７を回転させているため、駆動モータ１８を駆動させるための電力を節約できるようになり、マグナス型風力発電装置１の発電効率を上げることができるようになっている。

尚、５つの小径のベベルギア２１が係合される大径のベベルギア２０が前方側に向かって窄まるように配置されており、このベベルギア２０の回転方向と回転体５の回転方向とが逆向きになっていることで、最小限度の駆動モータ１８の回転数（回転トルク）で回転円柱７を効率的に回転させることができる。

また、湾曲凹面８ｂにおける凸状スパイラル条８と回転円柱７の接合部付近が、所定の曲率で凹むように湾曲された形状を成していることで、湾曲凹面８ｂに雪などが付着し難くなっており、かつ風雨によって湾曲凹面８ｂに付着した水分が氷結しても、氷の膨張とともに剥がれ落ちるようになっており、寒冷地にマグナス型風力発電装置１を設置した場合であっても、凸状スパイラル条８が破壊されないようになっている。

尚、エンドキャップ９が所定曲率のラウンド面９ａを有していることで、空気流をスムーズに回転円柱７の先端面から回転円柱７の外周表面に流すことができる。そのため回転円柱７がアウターシャフト１０を軸心として回転した際に、回転円柱７の先端で発生するカルマン渦等の発生を低減でき、回転円柱７の先端に加わる空気流による抗力が低減される。

従来用いられているプロペラ型風力発電装置では、発電を開始できる自然風の風速が比較的高速（５ｍ以上）である必要があり、年間を通じて平均して発生することが最も多い風速が低速域（５ｍ以下）の自然風において、効率よく発電することができなかった。尚、低速域（５ｍ以下）の自然風にて発電可能なプロペラ型風力発電装置も存在するが、その発電効率は悪く、実用化には適していなかった。本発明のマグナス型風力発電装置１は、回転円柱７を回転させるための電力が必要になっているが、風速が比較的高速域（５ｍ以上）の自然風のみならず、風速が低速域（５ｍ以下）の自然風であっても、プロペラ型風力発電装置よりも高い効率で発電でき、本実施例のマグナス型風力発電装置１を用いれば、従来のプロペラ型風力発電装置に比べて、より多くの年間発電量を確保できるようになっている。

また、本発明のマグナス型風力発電装置１は、自然風の風速が所定の風速以上になったときに、駆動モータ１８の動力を使用しなくても回転体５を回転させることができる。具体的に説明すると、例えば、回転体５の中心に配置される大径のベベルギア２０を固定させた状態で回転体５が回転されると、大径のベベルギア２０に係合されている小径のベベルギア２１が回転するようになっている。つまり自然風が有しているエネルギーが、回転体５が回転するときの摩擦抵抗と、回転円柱７が回転するときの摩擦抵抗とを合わせた抵抗を上回り、かつ回転円柱７を所定の回転数（マグナス揚力Ｙを発生させる回転数）で回転させるエネルギーを有していれば、回転体５が自然風のエネルギーのみで回転を持続できるようになっている。

更に詳述すると、本発明のマグナス型風力発電装置１の制御回路２４は、自然風の風速や、回転体５の回転数に合わせて駆動モータ１８の回転数（回転トルク）を任意に変化させることができる。制御回路２４は、自然風の風速が所定の風速以上の場合に、発電開始時に駆動モータ１８を駆動させて回転円柱７を回転させた後、回転体５が回転し始めたら駆動モータ１８の駆動を停止させて自然風のエネルギーのみで発電をさせるように制御する。

尚、自然風のエネルギーのみで回転体５を回転させようとすると、ベベルギア２１の回転力によってベベルギア２０が逆回転する場合があるが、駆動モータ１８と、この駆動モータ１８に接続されているギア１９との間に、ワンウェークラッチ２２が配置されていることで、駆動モータ１８を停止させても、ベベルギア２０が逆回転しないようになる。

また、回転円柱７の軸周りの回転摩擦抵抗が低くなるように製作した場合には、自然風が回転円柱７に加わったときに、自然風が凸状スパイラル条８の湾曲凹面８ｂを押圧し、その風力によって回転円柱７を軸周りに回転させることができる。そのため駆動モータ１８を駆動させる起動用の電力を節約できるばかりか、駆動モータ１８を搭載しない（若しくは駆動モータ１８をできる限り利用しないような）自己回転型のマグナス型風力発電装置１の製作も可能になる。

次に、実施例２に係る回転円柱２６について、図７および図８を参照して説明する。尚、実施例１に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図７は、実施例２における凹状スパイラル条２７が設けられた回転円柱２６を示す正面図であり、図８は、図７における回転円柱２６を示すＢ−Ｂ断面図である。以下、図７の紙面手前側を回転円柱２６の正面側（前方側）とし、図８の右側を回転円柱２６の正面側（前方側）として説明する。

図７に示すように、回転体５の外周に設けられた略円筒形状の回転円柱２６は、これら回転円柱２６の軸周りの予め決められた回転方向に回転自在に軸支されている。また、回転円柱２６の外周表面には、スパイラル（螺旋）状に形成された凹状スパイラル条２７が形成されており、この凹状スパイラル条２７は、回転円柱２６の外周表面から凹むように略凹状に形成されている。尚、凹状スパイラル条２７は、１つの回転円柱２６の表面に３条（奇数条）設けられている。

この凹状スパイラル条２７について説明すると、図７に示すように、所要幅、所要深さの３重螺旋をなす凹状スパイラル条２７は、回転円柱２６の先端側から見たときに右ネジ状の右螺旋状をなすように形成されている。また、この凹状スパイラル条２７の近傍に沿って延び、かつ回転円柱２６の外周表面から若干突出するように略凸状に形成された本実施例における空気攪乱部としての微小凸条２８（ウインドリップ）が設けられている。更に、回転円柱２６の先端面には、円盤状のエンドキャップ９が取り付けられており、このエンドキャップ９には、所定曲率を有するラウンド面９ａが形成されている。

図８に示す回転円柱２６の回転方向は左回りとなっており、凹状スパイラル条２７は、断面視で略凹形状を成している。この凹状スパイラル条２７には、回転円柱２６の回転方向と逆方向に傾く本実施例における第１面としての傾斜面２７ａが形成されるとともに、凹状スパイラル条２７内において傾斜面２７ａと向かい合うように、所定の曲率で凹むように形成された本実施例における第２面および窪み部としての湾曲凹面２７ｂが形成されている。

また図８に示すように、それぞれの凹状スパイラル条２７の傾斜面２７ａは回転円柱２６の回転方向側に面しているとともに、湾曲凹面２７ｂは回転円柱２６の回転方向と逆方向側に面しており、傾斜面２７ａと湾曲凹面２７ｂとが、回転円柱２６の予め決められた方向に回転し易いように交互に適正に形成されている。尚、回転円柱２６の円弧面２６ａと湾曲凹面２７ｂとの境界付近の回転円柱２６の円弧面２６ａ上に、略凸状の微小凸条２８が形成されている。

図８を参照して回転円柱２６の回転方向と凹状スパイラル条２７の巻き方について詳述すると、回転円柱２６の先端側から見たときに、回転円柱２６の凹状スパイラル条２７の巻き方が右ネジ状の右螺旋状をなす場合、回転円柱２６の回転方向は左回りとなっている。凹状スパイラル条２７の巻き方向が回転円柱２６の回転方向に対して逆向きとなっているため、図７に示すように、回転円柱２６の外周表面を流れる空気を回転体５に近づく方向に向けて流すことができる。

図７に示すように、凹状スパイラル条２７が回転円柱２６に施されることにより、回転円柱２６の回転時に、凹状スパイラル条２７によって、空気の流れＦが発生する。この際、回転円柱２６の外周表面に、自然風Ｎや回転円柱２６と伴に回転する回転円柱２６の表層の空気の動きとは別に、回転円柱２６の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖ（ベクトル成分Ｖ）を発生させることができる。図７に示すように、この空気の流れ成分Ｖは、回転円柱２６の先端側から回転体５に向けて流れるようになっている。

図７および図８に示すように、回転円柱２６の外周の空気流、すなわち回転円柱２６の外周表面に空気流動Ｆを発生させることで、自然風Ｎと、回転円柱２６と伴に回転する回転円柱２６の表層の空気の動きとで形成される三次元的な空気流が形成され、各々の回転円柱２６の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力Ｙが増大される。

更に図８に示すように、凹状スパイラル条２７は、回転円柱２６の断面円周上において、等間隔に奇数条（本実施例では３条）設けられており、そのため自然風の風力を受けている回転円柱２６に、常に不釣り合いの状態をもたらすことができ、回転円柱２６の自己回転力をより高めることができ、回転円柱２６が軸周りにスムーズに回転できるようになっている。

更に図８に示すように、凹状スパイラル条２７に設けられた傾斜面２７ａと湾曲凹面２７ｂとが、それぞれ異なる空気抵抗を有するように、凹状スパイラル条２７は、その断面形状において非対称の形状となっている。尚、回転円柱２６の回転時に、傾斜面２７ａから円弧面２６ａに空気が流れる際の空気抵抗を減少できるように、凹状スパイラル条２７の傾斜面２７ａが、湾曲凹面２７ｂから円弧面２６ａ上の所定の点α’の位置まで、点α’における接線方向に近接して延びるように傾けられている。そのため傾斜面２７ａから円弧面２６ａにかけて、滑らかに空気が移動されるようになり、回転円柱２６の表面を回転円柱２６に対して相対的に流れる空気流の剥離が抑えられ、マグナス揚力Ｙを効果的に維持できる。

また、凹状スパイラル条２７の傾斜面２７ａが、揚力発生をもたらす円弧面２６ａの働きも兼ねることになり、マグナス揚力Ｙの増大効果も期待できる。尚、前述の「傾斜面２７ａが、湾曲凹面２７ｂから円弧面２６ａ上の所定の点α’の位置まで、点α’における接線方向に近接して延びるように傾けられている」とは、回転円柱２６における回転方向の上流側からの空気流が大きな抵抗を受けることがない程度の傾きであることであり、当業者が適宜設計できる程度の傾きを意味している。

また図８に示すように、凹状スパイラル条２７の湾曲凹面２７ｂは、回転円柱２６の軸心から径方向に延び、湾曲凹面２７ｂの突端部を通る直線β’よりも、回転円柱２６の回転方向側に窪むように湾曲しており、かつその一部の傾斜は回転円柱２６の回転方向と逆方向に傾けられている。

この凹状スパイラル条２７に形成された湾曲凹面２７ｂには、回転円柱２６が回転した際に、湾曲凹面２７ｂに窪み部が形成されることにより、この湾曲凹面２７ｂに負圧が生じ、この負圧に空気流が吸気されることによって、湾曲凹面２７ｂに沿って流れる空気流が、凹状スパイラル条２７の湾曲凹面２７ｂの下流側に続く傾斜面２７ａに流れるようになり、凹状スパイラル条２７の傾斜面２７ａに、比較的短時間に安定した空気流が復帰する。そのため図７に示すように、凹状スパイラル条２７の回転とともに回転円柱２６の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖを効率よく発生させることができる。また、湾曲凹面２７ｂが窪み部を兼ねることによって、湾曲凹面２７ｂの下流側に続く円弧面２６ａの面積を広く確保できるようになり、マグナス揚力Ｙの増大効果も期待できる。

尚、図８に示す湾曲凹面２７ｂに自然風Ｎが当たったとき、湾曲凹面２７ｂが自然風Ｎの風力を効率よく受けることができる。その湾曲凹面２７ｂが、凹状スパイラル条２７内で傾斜面２７ａと向かい合うように形成されることによって、回転円柱２６が予め決められた回転方向に回転し易くなり、自然風Ｎが回転円柱２６の回転を促進させることができる。

図８に示すように、回転円柱２６の円弧面２６ａと湾曲凹面２７ｂとの境界付近の回転円柱２６の円弧面２６ａ上に、略凸状の微小凸条２８が設けられていることで、回転円柱２６の円弧面２６ａと湾曲凹面２７ｂとの境界付近の空気の表層流を攪乱し、回転円柱２６の表面上を流れる空気流が、凹状スパイラル条２７の傾斜面２７ａから剥離することを抑えるので、比較的短時間に安定した空気流が傾斜面２７ａおよび円弧面２６ａに復帰して回転円柱２６のマグナス揚力Ｙが付加的に増える。

尚、微小凸条２８が回転円柱２６の円弧面２６ａに設けられることによって、回転円柱２６の空気抵抗は若干大きくなるが、マグナス揚力Ｙが付加的に増えるので、マグナス型風力発電装置１の発電能力は向上するようになっている。また、実施例２では、回転円柱２６の円弧面２６ａと凹状スパイラル条２７の境界付近に沿って、空気攪乱部としての微小凸条２８が形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、微小な突起を回転円柱２６の円弧面２６ａと凹状スパイラル条２７の境界付近に沿って複数配列させることによって、空気攪乱部を形成してもよい。

図７に示すように、凹状スパイラル条２７が回転円柱２６に設けられ、その凹状スパイラル条２７は各断面において大きな空気抵抗を受けない形状であることによって、回転円柱２６の軸回りの回転抗力が低減されるので、マグナス型風力発電装置１の発電効率を上げることができるようになっている。

次に、実施例３に係る回転円柱２９について、図９を参照して説明する。尚、実施例１に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図９は、実施例３における凸状スパイラル条３０が設けられた回転円柱２９を示す正面図である。

図９に示すように、回転体５の外周に設けられた略円筒形状の回転円柱２９は、これら回転円柱２９の軸周りの予め決められた回転方向に回転自在に軸支されている。また、回転円柱２９の外周表面には、スパイラル（螺旋）状に形成された凸状スパイラル条３０が一体に巻き回して形成されており、この凸状スパイラル条３０は、回転円柱２９の外周表面から突出するように略凸状に形成されている。

また、回転円柱２９に設けられた凸状スパイラル条３０は、その巻き密度が回転円柱２９の基端側よりも先端側が大きくなるように形成されている。図９に示すように、凸状スパイラル条３０同士の間の幅は、回転円柱２９の先端側よりも基端側が幅広になっている。

この凸状スパイラル条３０について説明すると、図９に示すように、回転円柱２９の先端側から見たときに右ネジ状の右螺旋状をなすように固着されている。また、この凸状スパイラル条３０の突端部に沿って延び、かつ回転円柱２９の外周表面から若干凹むように略凹状に形成された本実施例における空気攪乱部としての微小凹条２５（ウインドリップ）が設けられている。更に、回転円柱２９の先端面には、円盤状のエンドキャップ９が取り付けられており、このエンドキャップ９には、所定曲率を有するラウンド面９ａが形成されている。

図９に示す回転円柱２９の回転方向は、回転円柱２９の先端側から見た場合、左回りとなっており、凸状スパイラル条３０は断面視で略フィン形状を成し、回転円柱２９が回転したときに生じる空気抵抗を低減させるような形状となっている。この凸状スパイラル条３０には、回転円柱２９の回転方向と逆方向に傾く本実施例における第１面としての傾斜面３０ａが形成されるとともに、凸状スパイラル条３０における傾斜面３０ａの裏側には、凸状スパイラル条３０の内部側に所定の曲率で凹むように形成された本実施例における第２面および窪み部としての湾曲凹面３０ｂが形成されている。

図９に示すように、凸状スパイラル条３０が回転円柱２９に施されることにより、回転円柱２９の回転時に、凸状スパイラル条３０によって、空気の流れＦが発生する。この際、回転円柱２９の外周表面に、自然風Ｎや回転円柱２９と伴に回転する回転円柱２９の表層の空気の動きとは別に、回転円柱２９の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖ（ベクトル成分Ｖ）を発生させることができる。図９に示すように、この空気の流れ成分Ｖは、回転円柱２９の先端側から回転体５に向けて流れるようになっている。

回転円柱２９は回転体５を中心として回転した場合に、基端側よりも先端側がより広い範囲の風を受けるようになっており、実施例３における回転円柱２９にあっては、凸状スパイラル条３０の巻き密度を基端側よりも先端側を大きくすることで、回転円柱２９の先端側により大きなマグナス揚力Ｙを発生させることができる。このように構成された凸状スパイラル条３０は、年間平均風速が低い地域にマグナス型風力発電装置を設置する場合などに有効である。

次に、実施例４に係る回転円柱３１について、図１０を参照して説明する。尚、実施例１に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図１０は、実施例４における凸状スパイラル条３２が設けられた回転円柱３１を示す正面図である。

図１０に示すように、回転体５の外周に設けられた略円筒形状の回転円柱３１は、これら回転円柱３１の軸周りの予め決められた回転方向に回転自在に軸支されている。また、回転円柱３１の外周表面には、スパイラル（螺旋）状に形成された凸状スパイラル条３２が一体に巻き回して形成されており、この凸状スパイラル条３２は、回転円柱３１の外周表面から突出するように略凸状に形成されている。

また、回転円柱３１に設けられた凸状スパイラル条３２は、その巻き密度が回転円柱３１の先端側よりも基端側が大きくなるように形成されている。図１０に示すように、凸状スパイラル条３２同士の間の幅は、回転円柱３１の基端側よりも先端側が幅広になっている。

この凸状スパイラル条３２について説明すると、図１０に示すように、回転円柱３１の先端側から見たときに右ネジ状の右螺旋状をなすように固着されている。また、この凸状スパイラル条３２の突端部に沿って延び、かつ回転円柱３１の外周表面から若干凹むように略凹状に形成された本実施例における空気攪乱部としての微小凹条２５（ウインドリップ）が設けられている。更に、回転円柱３１の先端面には、円盤状のエンドキャップ９が取り付けられており、このエンドキャップ９には、所定曲率を有するラウンド面９ａが形成されている。

図１０に示す回転円柱３１の回転方向は、回転円柱３１の先端側から見た場合、左回りとなっており、凸状スパイラル条３２は断面視で略フィン形状を成し、回転円柱３１が回転したときに生じる空気抵抗を低減させるような形状となっている。この凸状スパイラル条３２には、回転円柱３１の回転方向と逆方向に傾く本実施例における第１面としての傾斜面３２ａが形成されるとともに、凸状スパイラル条３２における傾斜面３２ａの裏側には、凸状スパイラル条３２の内部側に所定の曲率で凹むように形成された本実施例における第２面および窪み部としての湾曲凹面３２ｂが形成されている。

図１０に示すように、凸状スパイラル条３２が回転円柱３１に施されることにより、回転円柱３１の回転時に、凸状スパイラル条３２によって、空気の流れＦが発生する。この際、回転円柱３１の外周表面に、自然風Ｎや回転円柱３１と伴に回転する回転円柱３１の表層の空気の動きとは別に、回転円柱３１の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖ（ベクトル成分Ｖ）を発生させることができる。図１０に示すように、この空気の流れ成分Ｖは、回転円柱３１の先端側から回転体５に向けて流れるようになっている。

回転円柱３１は回転体５を中心として回転した場合に、基端側よりも先端側に凸状スパイラル条３２による空気流の乱れが発生し易くなっており、実施例４における回転円柱３１にあっては、凸状スパイラル条３２の巻き密度を先端側よりも基端側を大きくすることで、回転円柱３１の先端側で発生する凸状スパイラル条３２による空気流の乱れを減らすことができる。このように構成された凸状スパイラル条３２は、マグナス型風力発電装置を大型化するときなどに有効である。

次に、実施例５に係る回転円柱３３について、図１１を参照して説明する。尚、実施例１に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図１１は、実施例５における凸状スパイラル条３４が設けられた回転円柱３３を示す正面図である。

図１１に示すように、回転体５の外周に設けられた略円筒形状の回転円柱３３は、これら回転円柱３３の軸周りの予め決められた回転方向に回転自在に軸支されている。回転円柱３３の直径は、基端側よりも先端側が大きくなるように形成されている。また、回転円柱３３の外周表面には、スパイラル（螺旋）状に形成された凸状スパイラル条３４が一体に巻き回して形成されており、この凸状スパイラル条３４は、回転円柱３３の外周表面から突出するように略凸状に形成されている。

この凸状スパイラル条３４について説明すると、図１１に示すように、回転円柱３３の先端側から見たときに右ネジ状の右螺旋状をなすように固着されている。また、この凸状スパイラル条３４の突端部に沿って延び、かつ回転円柱３３の外周表面から若干凹むように略凹状に形成された本実施例における空気攪乱部としての微小凹条２５（ウインドリップ）が設けられている。更に、回転円柱３３の先端面には、円盤状のエンドキャップ９が取り付けられており、このエンドキャップ９には、所定曲率を有するラウンド面９ａが形成されている。

図１１に示す回転円柱３３の回転方向は、回転円柱３３の先端側から見た場合、左回りとなっており、凸状スパイラル条３４は断面視で略フィン形状を成し、回転円柱３３が回転したときに生じる空気抵抗を低減させるような形状となっている。この凸状スパイラル条３４には、回転円柱３３の回転方向と逆方向に傾く本実施例における第１面としての傾斜面３４ａが形成されるとともに、凸状スパイラル条３４における傾斜面３４ａの裏側には、凸状スパイラル条３４の内部側に所定の曲率で凹むように形成された本実施例における第２面および窪み部としての湾曲凹面３４ｂが形成されている。

図１１に示すように、凸状スパイラル条３４が回転円柱３３に施されることにより、回転円柱３３の回転時に、凸状スパイラル条３４によって、空気の流れＦが発生する。この際、回転円柱３３の外周表面に、自然風Ｎや回転円柱３３と伴に回転する回転円柱３３の表層の空気の動きとは別に、回転円柱３３の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖ（ベクトル成分Ｖ）を発生させることができる。図１１に示すように、この空気の流れ成分Ｖは、回転円柱３３の先端側から回転体５に向けて流れるようになっている。

また図１１に示すように、回転円柱３３は回転体５を中心として回転した場合に、基端側よりも先端側がより広い範囲の自然風を受けるようになっており、実施例５における回転円柱３３にあっては、回転円柱３３の直径を基端側よりも先端側を大きくすることで、回転円柱３３がより多くの自然風を受けられるようになる。このように構成された回転円柱３３は、年間平均風速が低い地域にマグナス型風力発電装置を設置する場合などに有効である。

次に、実施例６に係る回転円柱３５について、図１２を参照して説明する。尚、実施例１に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図１２は、実施例６における凸状スパイラル条３６が設けられた回転円柱３５を示す正面図である。

図１２に示すように、回転体５の外周に設けられた略円筒形状の回転円柱３５は、これら回転円柱３５の軸周りの予め決められた回転方向に回転自在に軸支されている。回転円柱３５の直径は、先端側よりも基端側が大きくなるように形成されている。また、回転円柱３５の外周表面には、スパイラル（螺旋）状に形成された凸状スパイラル条３６が一体に巻き回して形成されており、この凸状スパイラル条３６は、回転円柱３５の外周表面から突出するように略凸状に形成されている。

この凸状スパイラル条３６について説明すると、図１２に示すように、回転円柱３５の先端側から見たときに左ネジ状の左螺旋状をなすように固着されている。また、この凸状スパイラル条３６の突端部に沿って延び、かつ回転円柱３５の外周表面から若干凹むように略凹状に形成された本実施例における空気攪乱部としての微小凹条２５（ウインドリップ）が設けられている。

図１２に示す回転円柱３５の回転方向は、回転円柱３５の先端側から見た場合、左回りとなっており、凸状スパイラル条３６は断面視で略フィン形状を成し、回転円柱３５が回転したときに生じる空気抵抗を低減させるような形状となっている。この凸状スパイラル条３６には、回転円柱３５の回転方向と逆方向に傾く本実施例における第１面としての傾斜面３６ａが形成されるとともに、凸状スパイラル条３６における傾斜面３６ａの裏側には、凸状スパイラル条３６の内部側に所定の曲率で凹むように形成された本実施例における第２面および窪み部としての湾曲凹面３６ｂが形成されている。

回転円柱３５の回転方向と凸状スパイラル条３６の巻き方について詳述すると、回転円柱３５の先端側から見たときに、回転円柱３５の凸状スパイラル条３６の巻き方が左ネジ状の左螺旋状をなす場合、回転円柱３５の回転方向は左回りとなり、凸状スパイラル条３６の巻き方向が回転円柱３５の回転方向に対して同じ向きとなっているため、回転円柱３５の外周表面を流れる空気を回転体５から離れる方向に流すことができる。

図１２に示すように、凸状スパイラル条３６が回転円柱３５に施されることにより、回転円柱３５の回転時に、凸状スパイラル条３６によって、空気の流れＦが発生する。この際、回転円柱３５の外周表面に、自然風Ｎや回転円柱３５と伴に回転する回転円柱３５の表層の空気の動きとは別に、回転円柱３５の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖ（ベクトル成分Ｖ）を発生させることができる。図１２に示すように、この空気の流れ成分Ｖは、回転円柱３５の基端側から回転体５から離れるように回転円柱３５の先端側に向けて流れるようになっている。

尚、回転円柱３５の外周表面の空気の流れ成分Ｖが、回転体５から離れる方向に向けて流す際には、回転円柱３５の先端面に前記実施例１〜５のようなエンドキャップ９を設けない方が、空気流をスムーズに回転円柱３５の先端から外方に流すことができる。

また図１２に示すように、回転円柱３５は回転体５を中心として回転した場合に基端側よりも先端側に大きな抗力（空気抵抗）が加わるようになっており、実施例６における回転円柱３５にあっては、回転円柱３５の直径を先端側よりも基端側を大きくすることで、回転円柱３５の先端側に加わる抗力を減らせるようになる。このように構成された回転円柱３５は、マグナス型風力発電装置を大型化するときなどに有効である。

次に、実施例７に係るマグナス型風力発電装置１’について、図１３および図１４を参照して説明する。尚、実施例１に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図１３は、実施例７におけるマグナス型風力発電装置１’を示す正面図であり、図１４は、実施例７におけるマグナス型風力発電装置１’を示す側面図である。以下、図１３の紙面手前側をマグナス型風力発電装置１’の正面側（前方側）とし、図１４の右側をマグナス型風力発電装置１’の正面側（前方側）として説明する。

図１３に示すように、実施例７におけるマグナス型風力発電装置１’の回転体５（水平回転軸）は、図２に示す実施例１におけるマグナス型風力発電装置１と同様に、正面視で右回りに回転するように軸支されている。更に、実施例７における回転円柱７’には、実施例１と同様に、傾斜面８ａと湾曲凹面８ｂが形成された凸状スパイラル条８が設けられている。この凸状スパイラル条８によって、回転円柱７’の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖを発生させることができ、回転円柱７’の外周表面を流れる空気を回転体５に近づく方向に向けて流すことができる。

また、実施例７における回転円柱７’は、回転円柱７’の先端面が回転体５の回転方向を向くように傾けられおり、この回転円柱７’の軸心γは、回転体５の軸心δに交差しないように、回転体５の軸心δに交差する線分Ｌから所定角度θ_１（本実施例ではθ_１≒３０°）開くように回転体５の回転方向に傾けられている。

尚、本発明における放射状とは、線状のものが中心から四方に延びた状態を示すのみならず、図１３の回転円柱７’に示すように、中心から四方に延びた線状のものが途中で傾斜された状態であっても放射状と称する。

更に、大径のベベルギア２０に係合される５つの小径のベベルギア２１と、５本の回転円柱７’の基部とは、ユニバーサルジョイント（図示略）によって連結されており、回転円柱７’が傾けられていても、ベベルギア２１の回転力が伝達されるようになっている。

また図１４に示すように、回転円柱７’は、回転円柱７’の先端面が風上方向、すなわちマグナス型風力発電装置１’の正面側（前方側）を向くように傾けられおり、この回転円柱７’の軸心γは、側面視において鉛直方向を向く線分Ｔから所定角度θ_２（本実施例ではθ_２≒１５°）開くように正面側に傾けられている。

図１３に示す符号Ｅは、各々の回転円柱７’が回転体５の軸心δを中心として回転したときに、回転体５の軸心δに交差する線分Ｌに対して垂直方向に流れる空気流であり、例えば回転円柱７’の軸心γが、回転体５の軸心δに交差している場合には、回転円柱７’の外周表面に対して空気流Ｅが垂直に当たるようになっている。

本実施例では、回転円柱７’の軸心γが、回転体５の軸心δと交差しないように、回転円柱７’の先端面が回転体５の回転方向に向くように傾けられていることで、回転円柱７’に当たる空気流Ｅが回転円柱７’の外周表面に対して斜め方向から当たるようになる。そのため回転円柱７’に加わる空気流Ｅによる抗力が低減され、発電機１５を駆動する回転体５およびアウターシャフト１０の回転トルクが向上されるようになる。

また図１３に示すように、回転円柱７’の先端面が回転体５の回転方向に向くように傾けられていることで、回転円柱７’の外周表面の空気の流れ成分Ｖが、回転円柱７の先端から回転体５の方向に向けて流れ易くなり、空気の流れ成分Ｖの流速を速めることができる。更に、回転円柱７’と回転体５が回動したときの正面視での直径を小さく構成できる。すなわち回転円柱７’を傾けた分だけ回転円柱７’の長さを長く構成できることを示しており、そのためマグナス型風力発電装置１’の全体の大きさを変えずに、回転円柱７’に当たる自然風の量を増大させることができる。

更に図１４に示すように、回転円柱７’は先端面が風上方向（正面側）を向くように傾けられているため、マグナス型風力発電装置１’の正面側から流れる自然風Ｎが、回転円柱７’の外周表面に対して斜め方向から当たるようになり、回転円柱７’の外周表面の空気の流れ成分Ｖが回転体５に近づく方向に向けて流れ易くなり、空気の流れ成分Ｖの流速を速めることができる。

実施例７におけるマグナス型風力発電装置１’にあっては、回転円柱７’の先端面が回転体５の回転方向に向くように傾けられ、かつ回転円柱７’の先端面が風上方向（正面側）を向くように傾けられているが、このように回転円柱７’が傾けられていても、実施例１と同様な傾斜面８ａと湾曲凹面８ｂが形成された凸状スパイラル条８が、その各断面において大きな空気抵抗を受けないので、回転円柱７’の軸周りの回転抵抗が少なくなり、より効率的に回転円柱７’が回転するようになっている。

尚、本実施例７における回転円柱７’は、その先端面が回転体５の回転方向に向くように傾けられ、かつ風上方向（正面側）に向くように傾けられているが、凸状スパイラル条８によって発生させる回転円柱７’の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖを回転体５から離れる方向に向けて流す場合には、回転円柱７’を、その先端面が回転体５の回転方向と逆方向に向くように傾け、かつ回転円柱７’を、その先端面が風下方向（背面側）に向くように傾けるようにすればよい。このようにすれば、本実施例７と同様な効果を得ることができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、スパイラル条が、回転円柱の長手方向の全体に渡って設けられることで、回転円柱の外周表面に回転円柱の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖを発生させているが、本発明はこれに限定されるものではなく、回転円柱の長手方向の一部（回転円柱の先端部／中央部／基端部）に、スパイラル条を設け、回転円柱の軸方向を向く空気の流れ成分Ｖを発生させるようにしてもよい。

また、前記実施例３〜７では、回転円柱の外周表面から突出するように形成された凸状スパイラル条を適用して説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、実施例２に用いた回転円柱２６の外周表面から凹むように略凹状に形成された凹状スパイラル条２７を実施例３〜７に適用してもよい。

更に、前記実施例では、回転円柱に設けられたスパイラル条の所要幅、所要高さ／深さが、回転円柱における先端側から基端側まで同じになるように形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、スパイラル条の所要幅、所要高さ／深さが、回転円柱における先端側と基端側とで異なるように形成してもよい。例えば、スパイラル条は回転円柱の先端側から基端側に行くに従いその所要幅が異なるように形成してもよいし、凸状スパイラル条にあっては、その高さが回転円柱の先端側と基端側とで異なっていてもよく、凹状スパイラル条にあっては、その深さが回転円柱の先端側と基端側とで異なっていてもよい。

尚、前記実施例では、回転円柱に設けられたスパイラル条の断面形状が、回転円柱における先端側から基端側まで同じになるように形成され、スパイラル条の全ての部位が、空気抵抗を低減させる形状となっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、スパイラル条は、少なくともその長手方向の一部の断面形状が空気抵抗を低減させるようになっていればよく、回転円柱における先端側から基端側までのスパイラル条の長手方向の全ての部位が、空気抵抗を低減させるようになっている必要はない。

尚、前記実施例１および実施例３〜７では、凸状スパイラル条が、断面視で略フィン形状を成していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、断面視で直線状をなす板状の凸状スパイラル条を回転円柱の表面に設け、この板状をなす凸状スパイラル条を回転円柱の回転方向と逆方向に傾けたようなものであってもよく、このようにすれば凸状スパイラル条に傾斜面と湾曲凹部（窪み部）を容易に形成できる。

本発明のマグナス型風力発電装置によれば、大型風力発電から家庭用の小型風力発電に及んで活用できるようになり、風力発電業界に多大に貢献するようになる。更に、本発明のマグナス型の揚力発生メカニズムを、ロータ船、ロータビークル等に利用すれば、乗物における運動効率も向上すると考えられる。

Claims (10)

1. 発電機構部に回転トルクを伝達する水平回転軸と、該水平回転軸から略放射状に所要数配設された回転円柱とを備え、該各回転円柱がこれら回転円柱の軸周りに回転することで、該各回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により前記水平回転軸を回転させて前記発電機構部を駆動するマグナス型風力発電装置であって、
   前記回転円柱の外周表面の少なくとも一部に、凸状若しくは凹状に形成されたスパイラル条が設けられ、該スパイラル条により前記回転円柱の外周表面に、少なくとも該回転円柱の軸方向を向く空気の流れ成分を発生させる構造を有し、かつ前記スパイラル条の少なくともその一部の断面形状が、前記回転円柱の軸周りの予め決められた回転方向の回転時に生じる空気抵抗を低減させる形状となっていることを特徴とするマグナス型風力発電装置。
2. 前記スパイラル条は、所定の風力に対してそれぞれ異なる空気抵抗を有する少なくとも第１面と第２面とが形成され、前記第１面が前記第２面よりも空気抵抗が少なくなるように、前記第１面と前記第２面とは、前記スパイラル条が、その断面形状において非対称の形状となっていることを特徴とする請求項１に記載のマグナス型風力発電装置。
3. 前記スパイラル条は、１つの回転円柱に対し、少なくとも３条以上の複数条が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のマグナス型風力発電装置。
4. 前記スパイラル条は、前記回転円柱の断面視において等間隔に奇数条設けられていることを特徴とする請求項３に記載のマグナス型風力発電装置。
5. 前記回転円柱が、少なくとも円弧面と凸状スパイラル条とから構成され、前記凸状スパイラル条の第１面は、前記回転円柱の回転時に、該回転円柱の円弧面上から第１面に空気が流れる際の空気抵抗を減少できるように、第１面が円弧面の接線方向に近接して延びていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置。
6. 前記凸状スパイラル条の第１面の突端部には、空気攪乱部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のマグナス型風力発電装置。
7. 前記凸状スパイラル条の第２面には、窪み部が形成されていることを特徴とする請求項５または６に記載のマグナス型風力発電装置。
8. 前記回転円柱が、少なくとも円弧面と凹状スパイラル条とから構成され、前記凹状スパイラル条の第１面は、前記回転円柱の回転時に、第１面から回転円柱の円弧面に空気が流れる際の空気抵抗を減少できるように、第１面が円弧面の接線方向に近接して延びていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置。
9. 前記凹状スパイラル条の第２面と、前記回転円柱の円弧面との境界付近には、空気攪乱部が形成されていることを特徴とする請求項８に記載のマグナス型風力発電装置。
10. 前記凹状スパイラル条の第２面には、窪み部が形成されていることを特徴とする請求項８または９に記載のマグナス型風力発電装置。

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