JP2010209786A - 車載用風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車載用風力発電装置の効率を高め、車載に適する小型の風車によって実用的な発電容量を有する発電機の駆動を可能とする。
【解決手段】 走行風を導入することによって内部に円滑な空気流を形成することができるエアダクト１０内に抗力型の風車２０を偏らせて設置し、逃げ場のないエアダクト１０内において風車２０の片方側の羽根板２３…に対して導入した空気流を強制的に作用させ、空気流のエネルギーを効率よく風車２０のトルクに変換する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気自動車（燃料電池車を除く）を対象とし、車両の走行に伴って相対的に生じる走行風を利用して発電を行い、これを走行モータ用のバッテリに補充電することを目的とする車載用風力発電装置に関する。

自動車は、内燃機関のみを原動機とする方式から、内燃機関と電気モータを併用するハイブリッド方式へと進化し、今日においては、小形乗用車を対象として電気モータのみを原動機とする電気自動車が市場に提供されるに至っている。

電気自動車は、いわゆるゼロエミッションビークルであり、環境性能の点では理想的な乗り物ではある。しかし、１充電当たりの航続距離が短いという根本的な問題がある。この問題は、バッテリ容量を増大することによって解決する問題ではある。しかし、バッテリ容量を増大に伴うコスト増加の問題や、大容量バッテリの重量自体が走行用モータの負荷になるという問題との兼ね合いにおいて、１充電当たりの航続距離を延長する目的でバッテリ容量を増大することには、自ずと制約がある。

上記問題に対しては、電気自動車に限らず、車両の走行に伴って相対的に生じる走行風を利用して発電を行い、これを走行モータ用のバッテリに補充電する手段によって航続距離を延長しようとする対応策が提案されている（下記特許文献参照）。この際、車両の走行風を利用して発電するための具体的手段としては、抗力型の風車（特許文献１，２，４参照）または揚力型の風車（特許文献３参照）が用いられることとなるが、いずれも実用化には至っていない。

走行風を利用して発電を行うという提案が実用化されない理由としては、車両用のバッテリに補充電することができる程度の発電容量を有する実用的な発電機を駆動するに足るサイズの風車を、車両の機能を発揮する上で必要不可欠とされる機械スペースや居住スペースを犠牲にすることなく車両に搭載することが困難であることによる（特許文献１参照）。空気流の有するエネルギー密度は、水流のエネルギー密度の約８００分の１に過ぎず、しかも流体としての粘性が希薄で補足しにくい空気流から実用的なエネルギーを得るためには、通常、相当に大形の風車が必要とされるためである。

風車を車両に搭載可能とするためには、風車の高効率化および小型化が必要とされるとともに、搭載スペースが確保されなければならない。この点、大きな機械スペースを必要とする内燃機関を搭載しない純粋な電気自動車においては、風車搭載スペースを確保することができる余地がある。

一方、風車の高効率化に関しては、揚力型の風車と抗力型の風車とでは、対応が異なる。揚力型の風車は、いわゆるプロペラ型といわれるものであり、風車回転軸を空気流に沿って風上方向に向けて使用され、風車の前方には、少なくとも風車回転軸を中心として旋回運動をするブレードの掃引面積以上の大きな開口部を設ける必要がある。逆に言えば、大きな開口部を確保できない場合においては、実用的とは思えない極めて小形の風車しか搭載できないこととなる（特許文献３参照）。この方式の風車においては、基本的に風車を大口径化する他高効率化する方法はないと考えられる。

一方、抗力型の風車は、いわゆる水車型といわれるものであり、風車回転軸を空気流に対して直交する向きにして使用され、空気流の風上方向から風車を見た場合において、風車回転軸を挟んでその一方の側方に位置する羽根板に生じる抗力と、風車回転軸の他方の側方に位置する羽根板に生じる効力との抗力差によって回転運動をする。この際の抗力差は、風車回転軸の一方側に位置する羽根板にカバーを付ける等し、空気流による抗力が生じないようにすることによって最大とすることができる。つまり、空気流は、風車の全ての羽根板に当たる必要性はなく、したがって、風車の前方には、風車回転軸の一方側に位置する羽根板の面積程度の開口部を設けることによって十分に能力を引き出すことができる。

なお、抗力型の風車においては、羽根板に衝突した空気流が羽根板の側方から後方に容易に逃げないように囲う方法、例えば、エアダクトを設けることによって羽根板に生じる効力を強め、風車の高効率化を図ることもできる。ただし、この場合においては、エアダクトの取り回し方が極めて重要であり、エアダクトが明確な角度をなして階段状に屈曲するような構成である場合には、屈曲部分に生じる乱流によって空気流のエネルギーが大きく減殺されることとなる（特許文献２参照）。また、エアダクトを設けても、空気流が羽根板の側方に簡単に逃げるサイズでは、抗力を強める効果は希薄となる（特許文献４参照）。

実開平７−１６５０４号公報 特開２０００−２１７５号公報 特開２００８−２１５２０８号公報 特開２００８−２８３８４２号公報

上記技術背景を前提として、本発明は、搭載スペースの確保が容易な電気自動車を適用対象とするとともに、風車として改善の余地が大きい抗力型のものを採用し、この風車に対して小形高効率化のための複数の手段を講ずることによって、バッテリに補充電するのに必要な現実的な出力容量の発電機を駆動することができる車載用風力発電装置を提供することを目的とする。また、１基の風車によっては駆動できない容量の発電機を複数の風車によって駆動可能とする手段を提供することを併せて目的とする。

上記目的を達成するための本発明の請求項１に記載の車載用風力発電装置は、車両の進行方向に向かって開口するインテークポートと、車両の進行方向に対して側方または後方に向けて開口するアウトレットポートとを備えるエアダクトの中間部に、エアダクト内を前記インテークポートからアウトレットポートに向けて流れる空気流によって回転動作をする風車を設置するとともに、エアダクトの外部に風車によって回転駆動する発電機を設置してなり、この際のエアダクトは、空気流の流れを阻害しない円滑な曲面によって屈曲形成されるとともに、風車は、空気流に対して直交する向きに配置する風車回転軸と、風車回転軸に径方向に向けて放射状に取り付ける複数枚の羽根板とからなる抗力型の風車であって、風車回転軸は、エアダクトの側方に片寄せて配置され、空気流の風上方向から風車回転軸を見た場合に複数枚の羽根板のうちの風車回転軸の一方側に属する羽根板のみが空気流を遮るようにエアダクト内に位置することを特徴とする。

上記構成による車載用風力発電装置は、エアダクトを備える。エアダクトは、一端側にエアダクトの開口部であるインテークポートを備えるとともに、他端側にアウトレットポートを備える。インテークポートからアウトレットポートに至るエアダクトの中間部は、円滑な曲面によって屈曲形成されている。

この際、エアダクトは、インテークポートを車両の進行方向、つまり、風上方向に向けたときにアウトレットポートが車両の進行方向に対して側方または後方に向けて開口するように屈曲している。この結果、車両が走行することによって生じる走行風は、インテークポートからエアダクト内に導入され、エアダクトによって進路を規制されながら勢いを減殺されることなく円滑にエアダクト内を通過し、アウトレットポートから外部に排出される。つまり、エアダクト内部には、エアダクトの屈曲形状に従って流れる空気流が形成される。

発電機を駆動するための風車は、空気流の風上方向から風車回転軸を見た場合に複数枚の羽根板のうちの風車回転軸の一方側に属する羽根板によって空気流を遮る状態となるようにエアダクト内に配置されている。つまり、風車回転軸は、エアダクトの中央位置ではなく、エアダクトの側方に片寄せて配置されている。

この結果、エアダクト内部に形成された空気流は、風車回転軸の一方側に属する羽根に衝突して抗力を生じさせる。エアダクトは、この際に空気流の進路を規制し、羽根板側方から後方に抜けるのを防止し、抗力の発生効率を高める。一方、風車回転軸の他方側に属する羽根板は、エアダクトの空気流を遮る姿勢をとらないので、その羽根板には抗力は生じない。風車回転軸には、この抗力差に基づいて回転トルクが発生し、発電機を回転駆動することができる。

本発明の請求項２に記載の車載用風力発電装置は、エアダクト内に設置される特定の風車に対して、その風車と同一構成の別の風車を空気流に対して対象配置するとともに、対称配置した１対の風車の風車回転軸を互いに反対方向に同期回転する向きに歯車連結してなり、この際、歯車連結された１対の風車における羽根板は、空気流の風上方向から見た場合に互いにオーバラップしてエアダクト内に位置するとともに、1対の風車は、互いの羽根板を干渉させることなく同期回転することを特徴とする。

上記構成による車載用風力発電装置は、エアダクト内に２基の風車を備える。２基の風車は、同一の構成を有し、２基を１対として使用される。１対の風車の風車回転軸は、互いに反対方向に同期回転する向きに歯車連結され、連結された１対の風車の羽根板は、互いにオーバラップしている。ただし、1対の風車は、互いの羽根板を干渉させることなく同期回転することができるように同期が設定されている。つまり、１対の風車は、１：１の回転比率で歯車連結され、連結する際に互いに干渉しない位置関係に調節した当初の羽根板の位置関係を維持しながら回転することができる。

１対の風車は、互いにオーバラップした羽根板によってエアダクト内の空気流を遮るようにエアダクト内に対称配置されている。したがって、エアダクト内の空気流がアウトレットポートに至るためには、一方の風車の羽根板を通過するのみではなく他方の風車の羽根板をも通過しなければならず、いわば、２重の障害物である羽根板に大きな抗力を発生させることができ、１対の風車のそれぞれの風車回転軸に大きな回転トルクを与えることができる。

本発明の請求項３に記載の車載用風力発電装置は、上記車載用風力発電装置のような 歯車連結された前記1対の風車を備える構成において、１対の風車によって単一の発電機を回転駆動することを特徴とする。

上記構成による車載用風力発電装置においては、歯車連結された１対の風車のいずれか一方の風車回転軸に負荷としての発電機を連結した場合、発電機には、発電機を連結した風車の風車回転軸からのトルクが伝達される他、他方の風車の風車回転軸からも連結している歯車を介してトルクが重畳的に伝達される。すなわち、１基では有効に回転駆動することができない容量の大きな発電機を駆動すること可能である。

本発明の車載用風力発電装置は、エアダクト内に風車を設置し、車両の走行風を逃げ場のないエアダクト内において強制的に風車に作用させるとともに、エアダクトの形状に空気流のエネルギーを減殺しない円滑な屈曲形状を採用することによって、抗力型の小形風車の高効率運転を実現し、車両への搭載性を改善するほか、実用的な発電容量を有する発電機を駆動することを可能とした。

また、本発明の車載用風力発電装置においては、エアダクト内に1対の風車を互いの羽根板をオーバラップさせて空気流を遮るように組み合わせて配置するとともに、風車相互の羽根板が互いに干渉しないように1対の風車を同期運転する手段により、流体としての粘性が低く捕捉し難い空気流を効率よく捕捉することを可能とし、車載可能な小形風車の高効率化を実現した。

さらに、本発明の車載用風力発電装置は、1対の風車の風車回転軸を機械的に連結し、連結した1対の風車の合力によって単一の発電機を駆動する手段によって、1基では駆動不能な大容量の発電機を駆動することを可能とした。

本発明の車載用風力発電装置の車両搭載状態における一実施の形態を示す斜視図である。 上記実施の形態における車載用風力発電装置の側面図である。 上記実施の形態における車載用風力発電装置の要部の断面図である。 本発明の車載用風力発電装置の車両搭載状態における他の実施の形態を示す斜視図である。 上記実施の形態における車載用風力発電装置の要部の断面図である。 上記実施の形態における車載用風力発電装置の図５のＡ矢視図である。 本発明の車載用風力発電装置の車両搭載状態における他の実施の形態を示す側面図である。 上記実施の形態における車載用風力発電装置の要部の平面図である。 上記実施の形態における車載用風力発電装置の断面視図である。

以下、図面を引用しながら本発明の車載用風力発電装置の実施の形態を説明する。

本発明の車載用風力発電装置５０を搭載するための車両Ｍのデザイン形式は、特に限定されるものではないが（図１）、電気自動車における航続距離を延長するという本発明の基本的趣旨からは、電気自動車を対象とすることが好ましい。図１には、キャビンＭ１の前方にボンネットＭ２を備えるワンボックスタイプの車両Ｍを例示している。この種の車両Ｍは、今日における車両デザインの主流といえる一般的なものである。ボンネットＭ２内部には、独立した２基の車載用風力発電装置５０，５０が組み込まれている。２基の車載用風力発電装置５０，５０は、実質的に同一構造であり、以下では、その１基について説明する。

なお、車両Ｍが内燃機関を必要としない電気自動車である場合においても、ボンネットＭ２内部には、走行用モータ、その電源となるバッテリパック、ＤＣ−ＤＣコンバータないしＤＣ−ＡＣインバータ等の電源変換装置、電気制御ユニット、空調用のコンプレッサ等の機器が収納されるスペースを確保しておかなければ、実用性を担保することができない。したがって、本発明の車載用風力発電装置５０は、これらの機器の設置スペースを確保するため、全体として下方にスペースを確保することができるアーチ状にデザインされている（図１，図２）。

上記のような設置環境を前提とし、本発明の車載用風力発電装置５０は、エアダクト１０と、抗力型の風車２０と、発電機４０とからなる。

エアダクト１０は、上下１対の側版１１，１１と左右１対の側板１２，１２とからなる角筒を円滑なアーチ状をなすように屈曲形成したものであり、その１端にはインテークポート１Ａが、また、他端にはアウトレットポート１Ｂが形成されている。また、エアダクト１０の中間部には、半円筒状の風車室１０Ｒが側方に突出する形態で形成されている。このようなエアダクト１０は、ＦＲＰ等の樹脂製品として、または板金加工製品として形成することができる。

エアダクト１０は、インテークポート１Ａを車両ＭのフロントバンパＭ３に形成する開口部に一致させるとともに、アウトレットポート１ＢをボンネットＭ２の後方下部位置において斜め後方に向ける姿勢で車両Ｍのボディにボルトオンまたはクランプ金具を利用してエアダクト１０全体を簡単に取り外すことができるように固定される。車載用風力発電装置５０自体、またはボンネットＭ２内に収納される他の機器のメンテナンス性を確保するためである。

車両Ｍとの関係におけるエアダクト１０のインテークポート１Ａは、車両Ｍの進行方向Ｄ１に向けられており、アウトレットポート１Ｂは、車両Ｍの進行方向に対して、斜め後方を向いている。したがって、エアダクト１０内部には、車両Ｍの運転に伴う走行風によってインテークポート１Ａからアウトレットポート１Ｂに向かって勢いを低下することなく流れる空気流が形成されることになる。

風車２０は、風車回転軸２１にハブ２２を介して８枚ないし１２枚の羽根板２３…を径方向に向けて放射状に取り付けた羽根車構造であり（図２，図３）、エアダクト１０の中間部に設けた風車室１０Ｒ内に風車回転軸２１を上下方向に向けて収納されている。なお、風車回転軸２１は、エアダクト１０の上下の側板１１、１１に図示しないベアリングを介して支持される。風車２０は、ハブ２２と羽根板２３…とを一体構造とした樹脂成型または金属性のハブ２２にアルミニウム合金やジュラルミン製の羽根板２３…を後付けする組立て式で製作することができる。

風車室１０Ｒに収納される風車２０のサイズは、空気流の風上方向Ｄ２から見て、風車回転軸２１の一方側に位置する羽根板２３…が風車室１０Ｒに収納されて隠れた状態になるとともに、風車回転軸２１の他方側に位置する羽根板２３…が対向するエアダクト１０の側板に近接するサイズに設定されている。すなわち、風車２０は、風車回転軸２１の一方側に位置する羽根板２３…によってエアダクト１０内の空気流を遮断する姿勢をとることができる。

換言すれば、風車回転軸２１は、エアダクト１０の一方側に片寄せて配置され、風車室１０Ｒを設けるのは、そのための手段であるということができる。

発電機４０は、風車室１０Ｒの下側に配置され、軸用カップリングを用いて風車回転軸２１に直結されている。ただし、抗力型の風車２０においては、旋回運動をする羽根板２３…の周速度は、空気流の速度によって決定し、空気流の速度を一定とした場合においては、小径の風車２０に対して大径の風車２０を用いる場合の方がトルクが増加する反面において風車２０の回転速度が低くなるという関係がある。そこで、発電機４０の容量や風車２０の回転速度との等との関係で必要に応じ、減速機または増速機を介して発電機４０と風車２０を連結することもできる。

なお、発電機４０自体の形式は、任意であり、自励式または他励式の交流発電機または直流発電機であり、充電対象となるバッテリとの関係で必要とされるボルテージレギュレータや整流器等を介してバッテリに接続される。

上記車載用風力発電装置５０においては、エアダクト１０内の空気流は、インテークポート１Ａからアウトレットポート１Ｂに向けて流れる以外の通路をとることができないため、風車２０の回転によって順次にエアダクト１０を遮断する姿勢をとる羽根板２３…に対して逃げ場がない状態で衝突し、羽根板２３…に大きな抗力を発生させることができる。したがって、風車２０に大きなトルクを発生させることができる。

次いで、本発明の車載用風力発電装置５０の他の実施の形態を説明する。

車載用風力発電装置５０は、歯車連結された２基の風車２０，２０を内蔵している（図４，図５）。エアダクト１０の中間部には、１対の風車室１０Ｒ，１０Ｒが対称姿勢で形成されている。エアダクト１０は、大量の走行風を取り入れることができるようにインテークポート１Ａ側に向かって拡大するように形成されている。

各風車２０は、前記実施の形態における風車２０と同様の構成によるものであり、２基の風車２０，２０は、それぞれ風上方向Ｄ２から見て風車回転軸２１の片方側を風車室１０Ｒ内に収めるようにして横並び姿勢で配置されている。この際、２基の風車２０，２０の羽根板２３…は、互いにオーバラップしている（図５）。

２基の風車２０，２０の風車回転軸２１，２１は、エアダクト１０の上に抜けており、この部分に同期用のギヤ３１，３１が取り付けられている（図５，図６）。各ギヤ３１，３１は、ポリアミド系、ポリアセタール系のエンジニアリングプラスチック材料からなる樹脂製ギヤであり、重量軽減孔を設けることにより軽量化が図られている。

風車回転軸２１，２１に取り付けられた２個のギヤ３１，３１は、ギヤ比率１：１で互いに噛合し、一方のギヤ３１が時計回りＦ１に回転する場合には、他方のギヤ３１は反時計回りＦ２に回転する。ギヤ比率が１：１であることにより、互いに隣接する羽根板２３…の位置関係は、設定当初の位置関係に維持され、互いに干渉することはない。２個のギヤ３１，３１は、エアダクト１０の上面に付設するカバー３２によって保護され、発電機４０は、一方の風車２０の風車回転軸２１の下端に連結されている。

２基の風車２０，２０の羽根板２３…がエアダクト１０内においてオーバラップしていることにより、エアダクト１０内に生じた空気流からみた進路は、羽根板２３…によって塞がれた状態になっている（図６）。したがって、２基の風車２０，２０の羽根板２３…には、空気流の衝突による大きな抗力が発生する。

羽根板２３…に生じる抗力は、２基の風車２０，２０のそれぞれの風車回転軸２１，２１に同等のトルクを発生させる。発電機４０を備える風車２０によるトルクは、そのまま発電機４０に伝達され、また、発電機４０を有しない風車２０によるトルクは、ギヤ３１，３１を介して発電機４０を備える風車２０に伝達される。すなわち、２基の風車２０，２０に発生したトルクは、いずれも同一の発電機４０に伝達されるのである。

本実施の形態に示す車載用風力発電装置５０は、２基の風車２０，２０の羽根板２３…の組合せによって空気流を遮ることから、空気流を捕捉する効率が高められ、しかも、２基の風車２０，２０の回転力を結合して利用することができるため、実用可能な現実的な発電容量を有する発電機４０を回転駆動することができる。また、車両Ｍの運転速度との関係においては、発電可能な運転速度の限界を引き下げることができる。つまり、低速走行の場合の発電可能性が高められるということである。

なお、駆動対象となる発電機４０が小容量である場合には、２基の風車２０，２０に、それぞれ発電機４０を取り付けて利用することもできる。

円滑な空気流を確保することができる限り、車両Ｍにおけるエアダクト１０の断面形状や取り回しは自由であり、したがって、車両Ｍにおける風車２０の設置位置も自由である。また、風車２０と発電機４０との連結は、直結とする以外に、動力の断続要素や伝達要素を介在させて連結することもできる。このような観点から、次の実施の形態を説明する。

車両Ｍには、独立した２基の車載用風力発電装置５０が組み付けられ、２基の車載用風力発電装置５０の風車２０，２０は、いずれも取り外し可能なリヤシートＭ５の直下に配置されている（図７，図８）。これは、風車２０，２０のメンテナンスを容易化する趣旨である。

２基の車載用風力発電装置５０のエアダクト１０、１０は、車両Ｍの車幅方向の左右に振り分けて配置され、各エアダクト１０は、フロントバンパＭ３の側方位置のインテークポート１Ａからフロントホイールのホイールハウスの内側を経由してフロントシートＭ４の側方を通り、リヤシートＭ５下の風車２０を通過して、車両Ｍの後部のアウトレットポート１Ｂに至るように円滑に屈曲させて取り回されている。

この際、エアダクト１０の断面形状は、取り回しに都合のよいように変化させることができ、例えば、図８のＸ−Ｘ線矢視断面においては、円形断面形状が、また、同図のＹ−Ｙ線矢視断面においては、角形断面形状が採用されている（図示せず）。

また、発電機４０は、風車室１０Ｒの側方に配置され、風車２０と組み合わせた状態における全高Ｔ１をリヤシートＭ５下のスペースに収まる高さに抑える構成とされている（図８，図９）。

発電機４０は、取り付け用のブラケット４１を用いて風車室１０Ｒに横付けされ、風車回転軸２１に取り付けるタイミングプーリ３５と発電機４０の入力軸に取り付けるタイミングプーリ３５との間にタイミングベルト３３を掛けて連結されている（図９）。また、風車回転軸２１とタイミングプーリ３５との間には、電磁クラッチ３０が介装され、車両Ｍのバッテリが十分に充電されている状態であるような場合においては、重ねて充電しないようにするため電磁クラッチ３０によって風車２０と発電機４０とを切り離すことができるようにされている。

なお、事故発生等による道路渋滞においては、走行風を利用することができないため車載用風力発電装置５０は稼動し得ない。したがって、電気自動車において遠出をする場合等においてバッテリ上がりが懸念される場合には、小型のエンジン発電機を持参するようにすることが好ましい。家庭用電源から充電することを予定したプラグイン方式の電機自動車においては、専用のコンセントが常設されているので、これを利用してエンジン発電機と簡単に接続することができる。

Ｍ 車両、
Ｄ１ 進行方向
Ｄ２ 風上方向
１０ エアダクト、
１Ａ インテークポート、
１Ｂ アウトレットポート、
２０ 風車、
２３ 羽根板、
４０ 発電機、
５０ 車載用風力発電装置

Claims (3)

1. 車両の進行方向に向かって開口するインテークポートと、車両の進行方向に対して側方または後方に向けて開口するアウトレットポートとを備えるエアダクトの中間部に、該エアダクト内を前記インテークポートからアウトレットポートに向けて流れる空気流によって回転動作をする風車を設置するとともに、前記エアダクトの外部に前記風車によって回転駆動する発電機を設置してなり、
   前記エアダクトは、空気流の流れを阻害しない円滑な曲面によって屈曲形成されるとともに、前記風車は、空気流に対して直交する向きに配置する風車回転軸と、該風車回転軸に径方向に向けて放射状に取り付ける複数枚の羽根板とからなる抗力型の風車であって、
   前記風車回転軸は、前記エアダクトの側方に片寄せて配置され、空気流の風上方向から前記風車回転軸を見た場合に前記複数枚の羽根板のうちの前記風車回転軸の一方側に属する羽根板のみが空気流を遮るように前記エアダクト内に位置することを特徴とする車載用風力発電装置。
2. 前記風車に対して前記風車と同一構成の別の風車を空気流に対して対象配置するとともに、対称配置した１対の風車の風車回転軸を互いに反対方向に同期回転する向きに歯車連結してなり、
   歯車連結された前記１対の風車における前記羽根板は、空気流の風上方向から見た場合に互いにオーバラップして前記エアダクト内に位置するとともに、前記1対の風車は、互いの羽根板を干渉させることなく同期回転することを特徴とする請求項１に記載の車載用風力発電装置。
3. 歯車連結された前記1対の風車によって単一の発電機を回転駆動することを特徴とする請求項２に記載の車載用風力発電装置。
   
   

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