JP2002369487A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】圧縮空気を利用した発電装置における、発電効
率の向上及び空気汚染の低減 【解決手段】第1実施形態に係る発電装置は、圧縮空気
の膨張エネルギを利用して駆動する2つの駆動シリンダ1
1、12と、クランク機構13と、駆動シリンダ11、12への給
気と排気のタイミングを制御する動弁機構14、15と、リ
ニア発電部16、17と、駆動シリンダ11、12に圧縮空気を供
給する圧縮空気供給手段18を備え、圧縮空気の膨張エネ
ルギで駆動してリニア発電部16、17において発電するも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発電装置に関し、特
に圧縮空気を利用して発電する発電装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】圧縮空気を利用した発電装置としては、
一般に圧縮空気ガスタービンで発電するものが知られて
いる。また、このような発電装置は、例えば、水力発電
所などの夜間の余剰電力でコンプレッサを作動させて作
成した圧縮空気を貯蔵し、貯蔵した圧縮空気を利用して
圧縮空気ガスタービンで発電して昼間の電力需要に対応
しようとするシステム等に利用することが考えられてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】圧縮空気ガスタービン
は発電効率がそれほど良くないため、発電効率の向上が
求められている。

【０００４】また、圧縮空気ガスタービンはタービン内
に潤滑油が使われているために、圧縮空気が潤滑油で汚
染されて、そのまま排気することができないという問題
がある。

【０００５】そこで、本発明は圧縮空気ガスタービンに
替わる新しいタイプの発電装置を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発電装
置は、シリンダヘッドを互いに外側に向けて同一のシリ
ンダ軸線に沿って対向配置した2つのシリンダ本体と、
前記２つのシリンダ本体にそれぞれ装着したピストン
と、前記2つのピストンを連結するコンロッドと、前記2
つのシリンダ本体にそれぞれ吸気行程で圧縮空気を供給
する圧縮空気供給手段と、前記２つのシリンダ本体にそ
れぞれ排気行程で圧縮空気を排気するようにした排気口
と、前記シリンダ本体に配設した発電用固定子と、前記
ピストンに配設した発電用可動子とを備えることを特徴
とする。なお、発電用固定子と発電用可動子は対になっ
てシリンダ本体とピストンに配設されるものである。発
電用固定子と発電用可動子は、２つのシリンダの両方に
配設しても良いし、また２つのシリンダのうちいずれか
一方のみに配設しても良い。

【０００７】請求項２に記載の発電装置は、請求項１に
記載の発電装置において、コンロッドに取り付けたクラ
ンクピンと、クランクピンの往復動を受けて回転する回
転部材を備えたクランク機構を備えていることを特徴と
する。

【０００８】請求項３に記載の発電装置は、シリンダヘ
ッドを互いに外側に向けて同一のシリンダ軸線に沿って
対向配置した2つのシリンダ本体と、前記２つのシリン
ダ本体にそれぞれ装着したピストンと、前記2つのピス
トンを連結するコンロッドと、前記2つのシリンダ本体
にそれぞれ吸気行程で圧縮空気を供給する圧縮空気供給
手段と、前記２つのシリンダ本体にそれぞれ排気行程で
圧縮空気を排気するようにした排気口と、前記コンロッ
ドに取り付けたクランクピンと、コンロッドに取り付け
たクランクピンと、クランクピンの往復動を受けて回転
する回転部材を備えたクランク機構と、前記回転部材よ
り回転駆動力を受けて発電する発電手段とを備えること
を特徴とする。

【０００９】請求項４に記載の発電装置は、シリンダ本
体とピストンとがオイルフリーシリンダで構成されてい
ることを特徴とする。ここで「オイルフリーシリンダ」
とは、シリンダ本体とピストンの摺動性を高めて構成し
たもので、潤滑油を用いないオイルフリーな状態で、或
いは、極少量の潤滑油で運転可能なシリンダをいう。

【００１０】請求項５に記載の発電装置は、直線往復動
可能に配設した2つの移動体と、前記2つの移動体を連結
するコンロッドと、前記コンロッドに取り付けたクラン
ク機構と、前記クランク機構のクランク軸に回転駆動を
付与する動力源と、前記移動体に配設した発電用可動子
と、前記移動体の直線往復軌道の周りに配設した発電用
固定子とを備えることを特徴とする。なお、発電用固定
子と発電用可動子は対になって配設されるものである。
発電用固定子と発電用可動子は、２つの移動体の両方に
配設しても良いし、また２つの移動体のうちいずれか一
方のみに配設しても良い。

【００１１】請求項６に記載の発電装置は、クランク機
構が、２つのシリンダ本体間でシリンダ軸線に直交する
線を中心として固定的に配設した内周太陽歯車と、前記
内周太陽歯車のピッチ円の半径に対してピッチ円半径が
１/２であって、内周太陽歯車と噛み合って自転及び公
転する遊星歯車と、前記遊星歯車の自転軸に回転自在に
軸支された軸部と前記コンロッド側の一端において半径
方向に延在してクランクピンに連結した腕部を有する歯
車軸と、前記歯車軸の軸部を公転且つ自転自在に軸支す
るとともに前記内周太陽歯車の中心に回転自在に配設し
た回転部材とを備えていることを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
発電装置を図面に基づいて説明する。

【００１３】第1実施形態に係る発電装置は、図１及び
図２に示すように、圧縮空気の膨張エネルギを利用して
駆動する2つの駆動シリンダ11、12と、クランク機構13
と、駆動シリンダ11、12への給気と排気のタイミングを
制御する動弁機構14、15と、リニア発電部16、17と、駆動
シリンダ11、12に圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段1
8を備え、圧縮空気の膨張エネルギで駆動してリニア発
電部16、17において発電するものである。

【００１４】2つの駆動シリンダ11、12は同じシリンダ軸
線Ｌ上にシリンダヘッドを互いに外側に向けて対向配置
したものであって、それぞれシリンダ本体21、31と、シ
リンダ本体21、31内に往復動可能に収容したピストン22、
32と、ピストン22、32を連結するコンロッドとしてのピ
ストンロッド24、34とを備えている。２つの駆動シリン
ダ11、12のピストンロッド24、34は、２つの駆動シリンダ
11、12のピストン22、32が互いに１８０°の位相差で往復
動するように連結ピン25で枢支連結している。連結され
たピストンロッド34には、クランク機構13を連結するた
めのクランクピン26が取り付けてある。

【００１５】駆動シリンダ11、12は、シリンダ本体21、31
とピストン22、32がオイルフリーで摺動するオイルフリ
ーシリンダで構成し、潤滑油を用いずに（オイルフリ
ー）運転することができる。このようなオイルフリーシ
リンダとしての駆動シリンダ11は、例えば、図３に示す
ように、シリンダ本体21の少なくとも内周面21aを硬質
で耐磨耗性に優れたアルマイトで作成し、シリンダ本体
21の内周面21aを摺動するピストン22のピストンリング2
2a及びライダーリング22bを、フッ素樹脂製或いはフッ
素樹脂（例えば、四フッ化エチレン）でコーティングし
たものとし、シリンダ本体21に対するピストン22の摺動
性を高めたものである。なお、駆動シリンダ12は、駆動
シリンダ11と同様の構成であり、図1及び図２におい
て、32aはピストンリングを示し、32bはライダーリング
を示している。

【００１６】シリンダ本体21、31のヘッド部には、図１
に示すように、それぞれ圧縮空気供給手段18の圧縮空気
供給配管18aと、圧縮空気を排気する排気管19が取り付
けてあり、それぞれ、駆動シリンダ本体11、12の圧縮空
気の吸気を制御する給気弁27と、駆動シリンダ11、12の
圧縮空気の排気を制御する排気弁28とが配設されてい
る。この給気弁27および排気弁28は、後述する動弁機構
14、15により所定のタイミングで開閉操作されるように
なっており、吸気される圧縮空気の空気圧を受けてピス
トン22、32、及び、ピストンロッド24、34が一体となって
直線往復動するようになっている。

【００１７】クランク機構13は、図４に簡略的に示すよ
うに、クランクピン26によりピストンロッド24、34に連
結され、ピストンロッド24、34の直線往復動を受けて回
転し、回転慣性力を蓄積してピストンロッド24、34の直
線往復動を補助するものである。

【００１８】以下、クランク機構13を説明する。クラン
ク機構13は、図２に示すように、クランクケース41と、
内周太陽歯車42と、クランク軸43と、遊星軸44と、遊星
歯車45を有する。

【００１９】クランクケース41は、2つの駆動シリンダ1
1、12の中間において、シリンダ軸線Lから直交する線
（例えば、シリンダ本体21、31の垂直二等分線）をクラ
ンク機構13の中心線Tを中心として配設した円筒形状の
ケースである。

【００２０】内周太陽歯車42はその中心をクランク機構
13の中心線Tに一致させてクランクケース41の内周面に
固定的に配設している。

【００２１】クランク軸43は、その回転中心をクランク
機構13の中心線Tに一致させて、ベアリング46、47を介し
てクランクケース41内に回転自在に収容している。クラ
ンクケース41内において、クランク軸43は内周太陽歯車
42の内周歯面に非接触状態で収容されている。クランク
軸43の偏心位置には、遊星軸44及び遊星歯車45を収容す
るための収容空間48が形成してある。クランク軸43に
は、この収容空間48に向けて半径方向に突設した腕部43
aが設けられており、この腕部43aに遊星軸44を軸支して
いる。

【００２２】遊星軸44の外周面には、ベアリング49、50
を介して遊星歯車45を回転自在に装着している。遊星歯
車45は内周太陽歯車42に噛合している。

【００２３】遊星軸44のピストンロッド24、34側の側面
にはカウンターバランサ51を設けてあり、このカウンタ
ーバランサ51の側面における遊星歯車17の外周ピッチ円
17cとシリンダ軸線Lとの公転に対応する位置に軸受を介
してピストンロッドのクランクピン26を連結している。
図４に示すように、遊星歯車45のピッチ円17cの半径r1
と内周太陽歯車42のピッチ円42cの半径r2との比は、ｒ
１：ｒ２＝１：２の関係となっている。これにより遊星
歯車45は内周太陽歯車42と噛合しながら公転及び自転
し、1回公転する毎に２回自転するようになっている。
また、クランク軸43は、遊星軸44の公転を受けてクラン
クピン26の直線往復動と同周期で回転するようになる。

【００２４】クランク軸43には、フライホイール54が取
り付けてある。このフライホイール54は、クランク機構
13の回転慣性力を蓄積するものである。

【００２５】クランク軸43は、ピストンロッド24、34の
反対側においてクランク機構13の中心線Tに沿ってクラ
ンクケース41の外側に延在しており、動弁機構14、15を
作動させる作動プーリ52、53が取り付けてある。

【００２６】上記のクランク機構13は、ピストンロッド
24、34を水平な状態で直線往復動させるので、ピストン
のサイドスラストなどによる損失が少なくエネルギ効率
がよい。また、駆動シリンダを水平対向状態に配設して
いるので、ピストンの往復動において重力の作用による
損失が少なくエネルギ効率がよい。

【００２７】次に、図中左側の動弁機構14を説明する。

【００２８】動弁機構14は図１及び図２に示すように、
右側の駆動シリンダ11の給気弁27と排気弁28を開閉操作
する機構で、タイミングベルト61によりクランク軸43側
の作動プーリ52と同周期で回転するように連結された第
1及び第2のタイミングプーリ63、64と、第1及び第2のタ
イミングプーリ63、64の回転軸65、66にそれぞれ取り付け
たカム67、68と、カム67と給気弁27との間に配設した第1
のロッカーアーム69と、カム68と排気弁28との間に配設
した第2のロッカーアーム70とを備えている。

【００２９】第１のロッカーアーム69は、中間部69aを
揺動可能に取り付け、一端69bを給気弁27の外端に枢支
連結するとともに、内蔵したばね（図示省略）の付勢力
で他端69cを第１のタイミングプーリ63のカム67のカム
面に当接させている。給気弁27は、第1のタイミングプ
ーリ63のカム67と第1のロッカーアーム69に内蔵したば
ねの作用により、ピストン22がシリンダヘッド側に位置
する上死点から下死点に至るまでの間の吸気行程におい
て開かれ、ピストン22が下死点から上死点に至るまでの
間の排気行程において閉じられる。

【００３０】第2のロッカーアーム70は、同様に、中間
部70aを揺動可能に取り付け、一端70bを排気弁28の外端
に枢支連結するとともに、内蔵したばね（図示省略）の
付勢力で他端70cを第１のタイミングプーリ64のカム68
のカム面に当接させている。排気弁28は、第2のタイミ
ングプーリ64のカム68及び第2のロッカーアーム70に内
蔵したばねの作用により、ピストン22がシリンダヘッド
側に位置する上死点から下死点に至るまでの間の吸気行
程において閉じられ、下死点から上死点に至るまでの間
の排気行程において開かれる。

【００３１】左側の第２の駆動シリンダ12に取り付けた
動弁機構15は、上記の動弁機構14と同様の構成であっ
て、対応する部材に動弁機構14と同一の符号を付してい
る。この動弁機構15はタイミングベルト62によりクラン
ク軸43の作動プーリ53と同周期で回転するように連結さ
れており、左側の動弁機構15は右側の動弁機構14に対し
て180°の位相差をもって動作するようになっている。

【００３２】上記のクランク機構13は、図２に示すよう
に、ピストンロッド24、34が直線往復動するので、サイ
ドスラストなどが生じず潤滑油が無くても駆動するよう
になっている。このため、排気される圧縮空気が潤滑油
で汚染されるということもない。

【００３３】次に、リニア発電部16、17を説明する。

【００３４】リニア発電部16は、ピストン22に取り付け
た発電用可動子としての永久磁石71と、シリンダ本体21
に取り付けた発電用固定子としてのコイル部72とを備え
ている。永久磁石71は圧縮空気の膨張エネルギを受けて
直線往復動するピストン22に装着されており、シリンダ
本体21に取り付けたコイル部72に電磁誘導を生じさせる
ようになっている。リニア発電部17も同様の構成であ
り、永久磁石及びコイル部に同一の符号を付している。
これにより、ピストンの往復動に伴ってリニア発電部1
6、17で発電することができる。

【００３５】上記の発電装置を利用した発電システム
は、電気から圧縮空気を作成して再び圧縮空気で発電す
るのでは効率的でない。そこで、この発電装置の駆動源
となる圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段としては、
例えば、ダムの放流水や川の流れ等の自然エネルギを利
用して連続的に圧縮空気を供給できる水力作動コンプレ
ッサ等のような手段が好ましい。

【００３６】以上、本発明に係る発電装置の一実施形態
を説明したが、本発明は上記に限定されるものではな
い。

【００３７】例えば、上記のリニア発電部は、ピストン
に発電用可動子としての永久磁石を配設するとともに、
シリンダ本体に発電用固定子としてのコイル部を配設し
ているが、ピストンに発電用可動子としてのコイル部を
配設するとともに、シリンダ本体に発電用固定子として
の永久磁石を配設しても良い。また、発電部は、上記の
リニア発電部に換えてクランク軸から回転駆動力を取り
出して、発電用回転子を回転させて発電するものにして
もよい。なお、クランク機構は上記の形態に限定されな
い。

【００３８】また、給気弁27と排気弁28の開閉のタイミ
ングを制御する制御手段を別途設け、クランク機構13を
省略した形態としても良い。

【００３９】また、本発明者らは、本発明に係る発電装
置と同様の構成において、図５に示すような発電装置の
発明をした。

【００４０】この発電装置は、同一の軸線Ｌ’に沿って
対向配置した2つの筒体81、82と、これら２つの筒体81、8
2内にそれぞれ収容し、軸線Ｌ’に沿って直線往復動可
能に配設した移動体83、84と、2つの移動体83、84を連結
するコンロッド85と、コンロッド85に取り付けたクラン
クピン86に上記のクランク機構13を取り付け、クランク
機構13のクランク軸43に回転駆動を付与する動力源87
と、前記2つの筒体81、82において移動体83、84の直線往
復軌道周りに配設した発電用固定子88と、前記移動体8
3、84に配設した発電用可動子89とを備えることを特徴と
する。動力源87は水車や風車を介して得られる回転駆動
力がタイミングベルト90を介してクランク軸43に伝達さ
れるようにとしても良い。

【００４１】この発電装置は、圧縮空気を必要とせず、
水車や風車などから直接回転駆動力を得て、移動体83、8
4を直線往復動させて発電することができる。

【００４２】

【発明の効果】請求項１に記載の発電装置は、シリンダ
ヘッドを互いに外側に向けて同一のシリンダ軸線に沿っ
て対向配置した2つのシリンダ本体と、前記２つのシリ
ンダ本体にそれぞれ装着したピストンと、前記2つのピ
ストンを連結するコンロッドと、前記2つのシリンダ本
体にそれぞれ吸気行程で圧縮空気を供給する圧縮空気供
給手段と、前記２つのシリンダ本体にそれぞれ排気行程
で圧縮空気を排気するようにした排気口と、前記シリン
ダ本体に配設した固定子と、前記ピストンに配設した可
動子とを備えているので、ピストンの往復動に伴って効
率よく発電することができる。

【００４３】請求項２に記載の発電装置は、請求項１に
記載の発電装置において、コンロッドに取り付けたクラ
ンクピンと、クランクピンの往復動を受けて回転する回
転部材を備えたクランク機構を備えているので、回転部
材に回転慣性力が蓄積されてピストンの直線往復動を補
助する。

【００４４】請求項３に記載の発電装置は、クランク機
構の回転部材より回転駆動力を受けて発電する発電手段
とを備えているので、ピストンの往復動に伴って効率よ
く発電することができる。また、シリンダはオイルフリ
ーで構成することが可能であり、圧縮空気の汚染を低減
させることができる。

【００４５】請求項４に記載の発電装置は、シリンダ本
体とピストンとがオイルフリーシリンダで構成されてい
るので、圧縮空気の汚染を低減させることができる。

【００４６】請求項５に記載の発電装置は、直線往復動
可能に配設した2つの移動体と、前記2つの移動体を連結
するコンロッドと、前記コンロッドに取り付けたクラン
ク機構と、前記クランク機構のクランク軸に回転駆動を
付与する動力源と、前記移動体に配設した発電用可動子
と、前記移動体の直線往復軌道の周りに配設した発電用
固定子とを備えるので、圧縮空気を必要とせず、水車や
風車などから直接回転駆動力を得て、移動体を直線往復
動させて発電することができる。

【００４７】請求項６に記載の発電装置は、クランク機
構が、２つのシリンダ本体間でシリンダ軸線に直交する
線を中心として固定的に配設した内周太陽歯車と、前記
内周太陽歯車のピッチ円の半径に対してピッチ円半径が
１/２であって、内周太陽歯車と噛み合って自転及び公
転する遊星歯車と、前記遊星歯車の自転軸に回転自在に
軸支された軸部と前記コンロッド側の一端において半径
方向に延在してクランクピンに連結した腕部を有する歯
車軸と、前記歯車軸の軸部を公転且つ自転自在に軸支す
るとともに前記内周太陽歯車の中心に回転自在に配設し
た回転部材とを備えているので、クランク機構の回転に
おける損失が少ないから発電効率がより良くなる。

【００４８】

【図面の簡単な説明】

【図１】 発電装置の横断面正面図。

【図２】 発電装置の横断面平面図。

【図３】 オイルフリーシリンダを示す横断正面図。

【図４】 クランク機構の概略図。

【図５】 他の実施形態に係る発電装置。

【符号の説明】

11、12 駆動シリンダ 13 クランク機構 14、15 動弁機構 16、17 リニア発電部 18 圧縮空気供給手段 18a 圧縮空気供給配管 19 排気管 21、31 シリンダ本体 22、32 ピストン 24、34 ピストンロッド 25 連結ピン 26 クランクピン 27 給気弁 28 排気弁 41 クランクケース 42 内周太陽歯車 43 クランク軸 44 遊星軸 45 遊星歯車 46、47 ベアリング 48 収容空間 43a 腕部 49、50 ベアリング 51 カウンターバランサ 52、53 作動プーリ 54 フライホイール 61 タイミングベルト 63、64 タイミングプーリ 65、66 回転軸 67、68 カム 69、70 ロッカーアーム 71 永久磁石 72 コイル部 L シリンダ軸線 T クランク機構の中心線

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H607 BB02 BB08 BB22 CC05 CC09 DD19 EE50 EE60 FF07 FF30 FF36 JJ09 JJ10

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダヘッドを互いに外側に向けて同一
   のシリンダ軸線に沿って対向配置した2つのシリンダ本
   体と、前記２つのシリンダ本体にそれぞれ装着したピス
   トンと、前記2つのピストンを連結するコンロッドと、
   前記2つのシリンダ本体にそれぞれ吸気行程で圧縮空気
   を供給する圧縮空気供給手段と、前記２つのシリンダ本
   体にそれぞれ排気行程で圧縮空気を排気するようにした
   排気口と、前記シリンダ本体に配設した発電用固定子
   と、前記ピストンに配設した発電用可動子とを備えるこ
   とを特徴とする発電装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の発電装置において、 コンロッドに取り付けたクランクピンと、クランクピン
   の往復動を受けて回転する回転部材を備えたクランク機
   構を備えていることを特徴とする発電装置。
3. 【請求項３】シリンダヘッドを互いに外側に向けて同一
   のシリンダ軸線に沿って対向配置した2つのシリンダ本
   体と、前記２つのシリンダ本体にそれぞれ装着したピス
   トンと、前記2つのピストンを連結するコンロッドと、
   前記2つのシリンダ本体にそれぞれ吸気行程で圧縮空気
   を供給する圧縮空気供給手段と、前記２つのシリンダ本
   体にそれぞれ排気行程で圧縮空気を排気するようにした
   排気口と、 前記コンロッドに取り付けたクランクピンと、 コンロッドに取り付けたクランクピンと、クランクピン
   の往復動を受けて回転する回転部材を備えたクランク機
   構と、 前記回転部材より回転駆動力を受けて発電する発電手段
   とを備えることを特徴とする発電装置。
4. 【請求項４】請求項１乃至請求項３に記載の発電装置に
   おいて、シリンダ本体とピストンとがオイルフリーシリ
   ンダで構成されていることを特徴とする発電装置。
5. 【請求項５】直線往復動可能に配設した2つの移動体
   と、前記2つの移動体を連結するコンロッドと、前記コ
   ンロッドに取り付けたクランク機構と、前記クランク機
   構のクランク軸に回転駆動を付与する動力源と、前記移
   動体に配設した発電用可動子と、前記移動体の直線往復
   軌道の周りに配設した発電用固定子とを備えることを特
   徴とする発電装置。
6. 【請求項６】請求項２、請求項３及び請求項５のうちい
   ずれかに記載の発電装置において、クランク機構が、２
   つのシリンダ本体間でシリンダ軸線に直交する線を中心
   として固定的に配設した内周太陽歯車と、前記内周太陽
   歯車のピッチ円の半径に対してピッチ円半径が１/２で
   あって、内周太陽歯車と噛み合って自転及び公転する遊
   星歯車と、前記遊星歯車の自転軸に回転自在に軸支され
   た軸部と前記コンロッド側の一端において半径方向に延
   在してクランクピンに連結した腕部を有する歯車軸と、
   前記歯車軸の軸部を公転且つ自転自在に軸支するととも
   に前記内周太陽歯車の中心に回転自在に配設した回転部
   材とを備えていることを特徴とする発電装置。