JP2004112935A - 流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の落下エネルギ−を利用した振動発電機構に係わり、更に詳しくは、水、油等の液体の落下エネルギ−、粉体、あるいはパチンコ玉のような粒体の落下エネルギー等を効率よく回収して発電することが出来る新規な機構を提供する。
【解決方法】落下する流体を衝突させて振動板を振動させ、該振動を振動発電機に伝達して発電することを特徴とする流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構に係わり、更に詳しくは、水、油等の液体の落下エネルギー、粉体、粒体の落下エネルギーを利用した振動発電機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
河川の流水の落下エネルギーで水車を回して発電することは既に行われている。水車を回して発電する方式は多量の水が落下する場合に限られている。少量の水が落下する場合、あるいは液滴の状態で落下する場合は発電に利用できないが現状である。
一方パチンコ玉のような粒体が落下するエネルギーで小電力を発電する試みは過去に存在する。これは圧電素子の表面にパチンコ玉を落下させて素子を振動させて発電するものであるが、素子が高価な上に壊れやすく、未だ経済的に小電力を回収する方法は確立していないのが現状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、少量の流水あるいは液滴の落下エネルギー、粉体、あるいはパチンコ玉のような粒体の落下エネルギー等を効率よく回収して発電することが出来る新規な機構を提供せんとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は下記（１）〜（１１）の手段で解決できる。
（１）落下する流体を衝突させて振動板を振動させ、該振動を振動発電機に伝達して発電することを特徴とする流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
（２）支点を中心に上死点、下死点の間を上下自在に回動するアームの一端に重力方向の加重を印加して該アームの一端を下方に押し下げて該アームのもう一方の端を押し上げて、該端に上から落下する流体を落下衝突させて、該端を該加重に抗して下方に押し下げ、該端が下死点まで押し下げられて該流体と該端の距離が離れて該流体の衝突力が減少して、該加重が該流体の押し下げ力に優った時点で該端が再び上死点まで上昇する機構をもつ該アームの、該加重印加側の端が上死点、下死点の間を上下するとき描く軌跡の水平方向の繰り返しの変位で振動を誘発して、該振動を振動発電機に伝達して発電することを特徴とする流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
（３）上記アームの流体衝突側に流体を貯留する受け皿を設けて、該受け皿の中に貯められた流体の重量が重力方向の加重に優った時点で該受け皿側が下方に押し下げられ、下死点で該皿の中の流体が外に排出されて該受け皿側が再び上死点まで上昇する機構であることを特徴とする上記（２）に記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
（４）上記受け皿の容量を調節することによって上記振動の周期を調整することを特徴とする上記（３）に記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
（５）支点を中心にして上下に回動するアームの一端に上向きの弾性力を作用させて該アームの一端を上向きに押し上げて、該端に上から落下する流体を落下衝突させて、該端を該押上力に抗して下方に押し下げ、該端が下死点まで押し下げられて該流体と該端の距離が離れて該流体の衝突力が減少して、該加重が該流体の押し下げ力に優った時点で該端が再び上死点まで上昇する機構をもつ該アームが上下に回動するときの振動を振動発電機に伝達して発電することを特徴とする流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
（６）上記アームの流体衝突側に流体を貯留する受け皿を設けて、該受け皿の中に貯められた流体の重量が上記押上力に優った時点で該受け皿側が下方に押し下げられ、下死点で該皿の中の流体が外に排出されて該受け皿側が再び上死点まで上昇する機構であることを特徴とする上記（５）に記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
（７）上記受け皿の容量を調節することによって上記振動の周期を調整することを特徴とする上記（６）に記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
（８）上記流体をタンクに貯めて、該タンクから流量制御しながら落下させて上記振動の周期を調整することを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
（９）上記振動発電機の構造が、転動あるいは回転する永久磁石と該永久磁石の磁束を横切る位置に配置された電磁誘導コイルの組合せからなり、該永久磁石を上記振動によって転動あるいは回転させて発電させることを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
（１０）上記永久磁石は上記振動によって振動する非磁性材料からなるガイドの凹曲面の上に載置され、該ガイドの振動によって該永久磁石が該凹曲面の上を左右に転動することを特徴とする上記（９）に記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
（１１）上記発電機を複数組直列に接続するに際して、各発電機の誘起電流を直流あるいは並列に整流して、極性を整合させて接続することを特徴とする上記（１）〜（１０）のいずれかに記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明で、振動発電機とは、永久磁石と、この永久磁石の磁束を横切る位置に配置された電磁誘導コイルの組合せからなり、振動によって永久磁石とコイルの一方が振動することによってコイルを横切る磁束に変化が起こって電磁誘導コイルに電圧を誘起する発電機全般を意味するものである。具体的には下記構造の発電機である。
（１）　凹曲面を持つ非磁性ガイドとガイドの凹曲面の上を転動する永久磁石と該永久磁石の磁束を横切る位置に配置された電磁誘導コイルの組合せからなり、振動によってこの非磁性ガイドが振動し、ガイドの振動で永久磁石が凹曲面の上を転動してコイルを横切る磁束に変化が起こって電磁誘導コイルに電圧が誘起する発電機（図１の構造）。
（永久磁石が転動する機構）
（２）　電磁誘導コイルと、このコイルに差込まれた棒磁石との組合せからなり、振動によってこの棒磁石とコイルのいずれか一方が振動してコイルを横切る磁束に変化が起こって電磁誘導コイルに電圧が誘起する発電機。
（３）　ラックとピニオンを使って振動の直線運動を回転運動に変換し、この回転軸に永久磁石を連結してコイルの中で回転させて、コイルに起電力を誘起させる発電機。（永久磁石が回転する機構）
（４）上記（１）〜（３）の折衷構造
（５）上記（１）〜（３）でコイルと磁石が両方動く構造の発電機。
【０００６】
上記した（１）〜（５）の構造の振動発電機は、周波数の低い振動で発電するのに適した構造であるが、とりわけ永久磁石がガイドの上を転動する構造の発電機は最も適した構造である。
本構造では、周波数が高すぎると、左右のストロークの大きな転動が得られず、大きな電力を取りだすことが出来ない。また永久磁石がガイドの上を転動する構造の発電機では、左右の振動のみならず上下振動でも永久磁石が有効に転動するので、全方位の振動を拾って発電することができる。
【０００７】
図１で、１は凹局面を持つガイドであり、樹脂、非磁性金属等の非磁性材料からなる。永久磁石２は車輪のように丸く加工されており、凹局面の上をコロのように左右に自在に転動する。
ガイドの凹局面の曲面半径は、凹局面底部での磁石の転動周期が流体の落下周期と一致するように決定することによって、永久磁石の転動速度と転動距離を最大にすることが出来、コイルに誘起される起電力が最大になる。
磁石が転動時、凹局面から外に逸脱しないように、凹局面を挟むように二枚の横板３が取付けられている。
【０００８】
２枚の横板の外側には、電磁誘導用のコイルが配置されている。
コイルは磁石の軸方向に対向させて配置する。コイルの数は２枚の横板を挟んで左右に一個づつ、合計二個配置しても良いが、好ましくは複数個のコイルを隙間なく並べて配置するほうがよい。
電磁誘導で誘起される電圧は、コイル内部の総磁束数の変化量に比例するので，コイルは、横板を挟んで左右に隙間なく配置するほうが良い。
横板を挟んで左右に配置されたコイルと，同一横板上の隣同士のコイルには逆の電流が誘起されるので、電流が打ち消されないようにコイルを接続する。コイルの誘起起電力と電流は接続方法（直列、並列）によって適宜調節することができる。図ではコイルは片面にのみ配置されているが、永久磁石を両面から挟むように左右一対配置しても良いし、またコイルの巻き線方向はガイドと永久磁石を包み込むように巻回しても良い。
【０００９】
本発明で流体とは、水、油、その他の液体および粉体一般およびパチンコ玉のような粒体の流れも包含する。
【００１０】
本願発明は大量の流体の連続流にも適用できるが、流体の間歇的な流れ、雨水等の液滴の落下、帰還するパチンコ玉の流れ等の比較的低い周波数の振動を誘発するものに最も効果的に適応できる。流体の連続流あるいはそれに近い流れでは振幅が小さく、周波数が高くなり、上記した振動発電機では効率的な発電が難しくなる。このような場合、周波数を調整する必要がある。
【００１１】
周波数の調整は、流体を一旦受け皿に貯めて、貯めた流体の重量で受け皿が沈下して下まで下がり、ここで流体が受け皿から外に排出されて受け皿が空になって、上にあがるシーソーのような機構を採用して周波数の調整が出来る。受け皿が下に沈んで上にあがるまでの周期は受け皿の容量を変えることによって可能になる。
また一坦タンクに貯めてタンクから流量を制御しながら落下させることで振動の周波数を任意自在に調整できる。天然の流水、降雨を利用して、そのまま流すと一定した流量が確保し難い場合、一坦タンクに貯めることは有効な手段になる。
【００１２】
図２は、コイルの振動機構と受け皿を利用した周波数調整機構を説明した図である。
アームの一端には支点が取付けられ、アームは支点を中心にして上下に回動する。アームのもう一方の端には受け皿が取付けられている。
受け皿は中に雨滴が溜まって重たくなると下に沈む。雨水が溜まって重心の位置がずれると受け皿は反転し中の水は外に排出され、空になり、アームはバネの反力で再び上に戻る。この運動を繰り返してアームの上に載置された振動発電機を振動させることとなる。
受け皿の容量とバネの強さ（バネ定数）を変えることにより受け皿が沈下するまでの時間を調整することが可能になり、振動の周期（周波数）を調整することが可能になる。
【００１３】
図３は別の振動発生機構を説明した図であり、パチンコ玉に応用した例である。
帰還落下するパチンコ玉がアームの衝突面に衝突すると、アームは支点を中心にして回動して上に押し上げられる。アームの端にはＡで示した回転する重錘が取付けられており、押し上げられる途中、振動発電機の先端に取付けられた摺動車Ｂと接触してＢを回しながら図面右方向に押圧して、振動発電機は直線ガイドの上を転がりながら図面右方向に移動する。
Ａが水平の位置まで上がったときに振動発電機の右側方向への変位は最大になる。
ここでＡとＢの接触が外れて、発電機は反発バネが伸び切るところまで移動する。バネが伸びきったときに、左側方向への変位が最大に成る。
Ａが上死点に到達して、アーム衝突面の位置がずれてパチンコ玉が衝突しなくなると、アームは重錘Ａの重さで下に下降を始めて、下降途中で、重錘Ａと摺動車Ｂが再び接触して、発電機を図面右方向に押圧して移動させる。
受け部が下死点に到達すると再びパチンコ玉が衝突する。
この運動を繰り返して、発電機は振動して発電する。
【００１４】
図４はアームの重錘Ａの軌跡と発電機の移動するストロークを説明した図である。
Ａの軌跡は点線で示した円弧となる。水平位置で右方向最大の変位となる。ＡとＢの接触が外れて発電機は反発ばねの伸びきるところまで図面左方向へ変位する。ここが左方向最大の変位となる。
右と左、最大変位の間で振動を繰り返して発電することとなる。
【００１５】
図では説明を簡単にするために発電機の数は、一組のみ記載しているが、必要に応じて適宜増設して発電電力を大きく出来る。
【００１６】
本発明の振動発電機では交流電圧が誘起される。従ってコイルの最終端末に整流器を接続して直流に変換し、変換した直流は更にレギュレーターで電圧を昇圧して電池に充電する。また発電機を複数組合せて発電電力を高くする場合、一坦各発電機で直流に変換して、直流電圧の極性を整合させて、直列あるいは並列に接続する。
【００１７】
本発明に使用するコイルは巻き線型のコイルからシート状のコイルまで形状に何ら制約を受けることなく使用できる。また永久磁石は、鋳造磁石、焼結磁石、永久磁石粒子をプラスチックで固めた磁石等、いかなる製法のものでも使用することができる。
【００１８】
【実施例】
実施例１
振動発電機（図３、４のパチンコ玉の例）
図１に示した構造の発電機を１０組試作した。
ガイド部分
［ガイド部分］
凹曲面の幅が９　ｍｍ、凹面の長さが　１００　ｍｍの凹曲面（半径１１０ｍｍ）を持つガイドをアクリルで試作し、凹曲面の両面には厚さ１ｍｍのアクリル製の横板を接着した。
【００１９】
［磁石］
直径１８ｍｍ，長さ８ｍｍの小さな永久磁石を上記ガイド部の溝の中に装入した。
【００２０】
［コイル］
Ф０．２　ｍｍの銅線で外径９ｍｍ、巻き回数１００回の銅線によるコイルを４本試作した。コイルをガイドの横板の両端にそれぞれ２個づつ密に並べて接着剤で固定した。コイルはお互いの誘導電圧を打ち消さないように接続し、小型の昇圧形チョッパを使用して、整流および昇圧を行い、電池の充電に使用した。
［装置の組立］
上記した振動発電機を図３に示したパチンコ玉の落下部に取付けた。
図４に示した左右のストロークは５０ｍｍとした。
周期は１秒、つまり５０ｍｍ／１秒で振動させた。
【００２１】
パチンコの玉を落下させて発電性能のテストをした。
【００２２】
１０組の平均発電電圧は０．３Ｖであった。
この電圧を昇圧，整流して充電を行うことができた。
平均発電電力は６．０ｍＷであった。
【００２３】
直列接続
１０組の発電機を各々直流に整流した後、極性を整合させて直列に接続した。平均３Ｖの発電電圧を得ることが出来た。
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明発電機はパチンコ玉のような粒体の流れ、流水、雨滴、液滴の落下エネルギーを利用して簡便、安価に発電することが出来るものであり、省エネに多大な貢献をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、永久磁石が転動する構造の発電機の説明図である。
【図２】図２は、受け皿を利用して周波数を調整する説明図である。
【図３】図３は、パチンコ玉の落下エネルギーを利用して発電する機構の説明図である。
【図４】図４は図３の振動のストロークを説明する図である。
【符号の説明】
１…ガイド
２…永久磁石
３…横板
４…コイル

Claims (11)

1. 落下する流体を衝突させて振動板を振動させ、該振動を振動発電機に伝達して発電することを特徴とする流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
2. 支点を中心に上死点、下死点の間を上下自在に回動するアームの一端に重力方向の加重を印加して該アームの一端を下方に押し下げて該アームのもう一方の端を押し上げて、該端に上から落下する流体を落下衝突させて、該端を該加重に抗して下方に押し下げ、該端が下死点まで押し下げられて該流体と該端の距離が離れて該流体の衝突力が減少して、該加重が該流体の押し下げ力に優った時点で該端が再び上死点まで上昇する機構をもつ該アームの、該加重印加側の端が上死点、下死点の間を上下するとき描く軌跡の水平方向の繰り返しの変位で振動を誘発して、該振動を振動発電機に伝達して発電することを特徴とする流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
3. 上記アームの流体衝突側に流体を貯留する受け皿を設けて、該受け皿の中に貯められた流体の重量が重力方向の加重に優った時点で該受け皿側が下方に押し下げられ、下死点で該皿の中の流体が外に排出されて該受け皿側が再び上死点まで上昇する機構であることを特徴とする請求項２に記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
4. 上記受け皿の容量を調節することによって上記振動の周期を調整することを特徴とする請求項３に記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
5. 支点を中心にして上下に回動するアームの一端に上向きの弾性力を作用させて該アームの一端を上向きに押し上げて、該端に上から落下する流体を落下衝突させて、該端を該押上力に抗して下方に押し下げ、該端が下死点まで押し下げられて該流体と該端の距離が離れて該流体の衝突力が減少して、該加重が該流体の押し下げ力に優った時点で該端が再び上死点まで上昇する機構をもつ該アームが上下に回動するときの振動を振動発電機に伝達して発電することを特徴とする流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
6. 上記アームの流体衝突側に流体を貯留する受け皿を設けて、該受け皿の中に貯められた流体の重量が上記押上力に優った時点で該受け皿側が下方に押し下げられ、下死点で該皿の中の流体が外に排出されて該受け皿側が再び上死点まで上昇する機構であることを特徴とする請求項５に記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
7. 上記受け皿の容量を調節することによって上記振動の周期を調整することを特徴とする請求項６に記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
8. 上記流体をタンクに貯めて、該タンクから流量制御しながら落下させて上記振動の周期を調整することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
9. 上記振動発電機の構造が、転動あるいは回転する永久磁石と該永久磁石の磁束を横切る位置に配置された電磁誘導コイルの組合せからなり、該永久磁石を上記振動によって転動あるいは回転させて発電させることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
10. 上記永久磁石は上記振動によって振動する非磁性材料からなるガイドの凹曲面の上に載置され、該ガイドの振動によって該永久磁石が該凹曲面の上を左右に転動することを特徴とする請求項９に記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。
11. 上記発電機を複数組直列あるいは並列に接続するに際して、各発電機の誘起電流を直流に整流して、極性を整合させて接続することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の流体の落下エネルギーを利用した振動発電機構。

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