JP2005214304A - エネルギー変換・供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギー源として振動エネルギーを用い、これを流体エネルギーに変換して、他の駆動装置のエネルギー源として利用する経済性、効率性に優れたエネルギー変換・供給システムを提供する。
【解決手段】 建物の免震層に液圧シリンダ１を設置し、地震時に生じる免震層の振動による液圧シリンダ１内の流体を加圧し、第１のアキュムレータ２に高圧の圧力流体を蓄積する。蓄積された圧力流体は頂部に設置されたアクティブマスダンパの駆動装置である液圧アクチュエータ３へ送られる。液圧アクチュエータ３をサーボ弁７により制御し、建物の揺れを低減するよう重り１２を駆動する。駆動源として用いられた流体は低圧となって第２のアキュムレータ４へ送られ、液圧シリンダ１への流体の供給のために蓄積される。
【選択図】 図４

Description

本願発明は、振動エネルギーをエネルギー変換装置で流体エネルギーに変換し、他の駆動装置のエネルギー源として利用するエネルギー変換・供給システムに関するものであり、例えば地震時の構造物の揺れによる振動エネルギーを流体エネルギーに変換して制震装置のエネルギー源として利用したり、あるいは流体エネルギーで駆動される駆動装置でさらに電気エネルギーなど他の形態のエネルギーを製造する場合などに利用することができる。

特許文献１には、地震等の振動外力によって振動する構造物自身あるいは構造物の内外に設置した所定の質量を有する物体または構造体の振動エネルギーを、エネルギー変換装置によって変換し、構造物に設置した能動型制震装置の駆動エネルギーとして利用することが記載されている。

また、特許文献２には変換したエネルギーを複数の制震装置に供給することが記載され、特許文献３には一方向の振動エネルギーを他方向の振動制御に利用することが記載されている。

特許文献４には、内部に流体を有するピストンとシリンダにより橋梁等を支持した構造物において、走行時の荷重や振動によるシリンダ内圧力を機械的、電気的エネルギーに変換することが記載されている。

この他、機械分野の研究として、例えば非特許文献１には、電気・電磁系のエネルギー変換装置が記載されている。
特許第３０２８０３５号掲載公報 特開平０９−３２４５５２号公報 特開平１１−２４７４８９号公報 実開平０６−０２２５７５号公報 特開平１１−３０３９２６号公報 斎藤他、「機械振動のエネルギー変換に関する研究」、機械力学・計測制御講演論文集、１９９２年７月

上述の従来技術において、電気・電磁系のエネルギー変換においては、エネルギーの蓄積を蓄電池に頼るなど電気的な貯蔵を対象としており、エネルギー供給の自由度が十分とは言いがたい。また、電気・電磁系の装置は、自動車の振動制御での活用をねらったものであるが、例えば土木・建築構造物などの大型構造物を対象とした振動制御に供する場合には、十分なエネルギーとパワーを得るのが困難である。

これに対し、流体を用いたエネルギー変換は振動エネルギーを効率よく変換することができる可能性を有しており、システム全体の構成および変換されたエネルギーの利用方法を工夫することで、非常に大きなエネルギーを経済的、効率的に生み出し、有効に利用することが期待できる。

本願発明はこのような課題を解決するものであり、エネルギー源として振動エネルギーを用い、これを流体エネルギーに変換して、他の駆動装置のエネルギー源として利用する経済性、効率性に優れたエネルギー変換・供給システムを提供することを目的としている。

請求項１に係るエネルギー変換・供給システムは、振動エネルギーを流体エネルギーに変換するための液圧シリンダと、前記液圧シリンダにより液圧が上昇した流体を蓄積するための第１のアキュムレータと、前記第１のアキュムレータに蓄積された流体の液圧を駆動エネルギーとして利用する液圧アクチュエータと、前記液圧アクチュエータの駆動により液圧が低下した流体を蓄積し、前記液圧シリンダに戻すための第２のアキュムレータとを備えてなることを特徴とするものである。

本発明において、液圧シリンダは、エネルギー変換装置として機能するものであり、振動エネルギーを流体エネルギーに変換し、液圧が上昇した流体を第１のアキュムレータに供給する。

液圧アクチュエータは駆動装置として機能するものであり、第１のアキュムレータに蓄積された流体エネルギーの供給を受け、用途に応じた駆動力を発生させる。

流体の液圧は液圧アクチュエータの作動により低下し、第２のアキュムレータに蓄積され、液圧シリンダに供給されることで、流体の流れのループが形成されている。

なお、液圧アクチュエータによる駆動力の用途としては、請求項２に係る発明のような制震装置における駆動力の他、流体エネルギーをさらに電気的エネルギーに変換するための発電機の駆動力等としての用途が考えられる。

請求項２に係るエネルギー変換・供給システムは、外乱により構造物に生じる振動エネルギーを流体エネルギーに変換するための液圧シリンダと、前記液圧シリンダにより液圧が上昇した流体を蓄積するための第１のアキュムレータと、前記第１のアキュムレータに蓄積された流体の液圧を利用して構造物の振動を抑制する液圧アクチュエータと、前記液圧アクチュエータの駆動により液圧が低下した流体を蓄積し、前記液圧シリンダに戻すための第２のアキュムレータとを備えてなることを特徴とするものである。

この請求項２に係るエネルギー変換・供給システムは、制震構造物を適用対象としたものであり、ここでいう外乱とは主に地震や風などの振動外力である。また、この場合、液圧アクチュエータを制震装置の駆動装置として機能させることができる。

請求項３は、請求項２に係るエネルギー変換・供給システムにおいて、前記液圧アクチュエータがサーボ弁を備えた能動制御型の制震装置である場合を限定したものである。

能動制御型の制震装置は、例えば検知した地震や風などの外乱、あるいは構造物の振動等を基に、コンピュータあるいは電気的な制御回路などにより、制震装置が設けられた構造物の振動を抑制するものであり、その制御力として液圧アクチュエータの駆動力を用い、その駆動力をサーボ弁で制御することができる。

なお、請求項２に係る発明としては、請求項３のようなサーボ弁を用いず、液圧アクチュエータ部分の状態量等に基づいて開閉弁を２段階に切り換えて制御するものなども含まれる（例えば、特許文献５参照）。

請求項４は、請求項１、２または３に係るエネルギー変換・供給システムにおいて、前記第２のアキュムレータから前記液圧シリンダへの流体の流路および該液圧シリンダから前記第１のアキュムレータへの流路にチェック弁を設けてある場合を限定したものである。

チェック弁は逆流を防止し、流体の流れを１方向に限定するためのものであり、このようなチェック弁の配置により本願発明のエネルギー変換・供給システムの高い効率が確保できる。

本願発明は、流体を用いたエネルギー変換により振動エネルギーを高い変換効率で変換し、有効利用するものであり、エネルギーの蓄積を従来一般的な蓄電池に頼るなど電気的な貯蔵のみならず、流体エネルギーでも貯蔵することができるため、エネルギー供給の自由度が向上する。

特に、土木・建築構造物などの大型構造物を対象とした振動制御に供するための大きなエネルギーとパワーを得ることが可能となり、この場合、地震等の外乱により構造物に生じるエネルギーを利用することで、外からのエネルギー供給量を大幅に減らすことができ、経済的である。

図１は、本願の請求項１に係るエネルギー変換・供給システムの概念を示したものである。本発明のシステムの原理は、振動により液圧シリンダ１内の圧力が上昇した流体を第１のアキュムレータ２に蓄積し、その流体圧力により液圧アクチュエータ３を駆動して動力源として利用し、使用した流体を第２のアキュムレータ４に戻し、液圧シリンダ１の流体として供給するものである。

図２は、本願の請求項４に係るエネルギー変換・供給システムの概念を示したものである。ここで、液圧シリンダ１は、両ロッド型のシリンダ（図中、符号１ａはシリンダ、１ｂはピストン、１ｃはロッド、１ｄ，１ｅは液圧室を示す）であり、第１のアキュムレータに圧力流体を供給するためのチェック弁５を設けている。

第１のアキュムレータ２は、振動により液圧シリンダ１内で加圧された流体を蓄積するものであり、高圧な流体を蓄えられることが要求される。チェック弁５は、液圧シリンダ１から第１のアキュムレータ２の方向へのみ圧力流体が流れるよう設置する。

その高圧な流体をエネルギー源として用い、液圧アクチュエータ３（図中、符号３ａはシリンダ、３ｂはピストン、３ｃはロッド、３ｄ，３ｅは液圧室を示す）を駆動する。この液圧アクチュエータ３の制御のためにサーボ弁７を用いる。

液圧アクチュエータ３の駆動に使用した圧力流体は低圧となって排出され、低圧の第２のアキュムレータ４に回収される。そして、この流体を液圧シリンダ１に供給するため、チェック弁６を介して第２のアキュムレータ４と液圧シリンダ１がつながれる。このチェック弁６は、第２のアキュムレータ４から液圧シリンダ１の方向へのみ流体が流れるように設置する。

図３は、これらを圧力流体の流れによってまとめた作動のフロー図である。本システムは、エネルギー変換システムとして、力学エネルギーの一つである圧力流体エネルギー相互間の変換であるため、変換効率が高く、大きなエネルギーを蓄積・利用することに優れている。

図４は、本システムの有効利用の一形態である制震システムとしての本願の請求項２〜４に係るエネルギー変換・供給システムの概念を示したものである。

この例では、積層ゴム１１に支持された免震層に液圧シリンダ１を設置し、地震時に生じる免震層の振動による液圧シリンダ１内の流体を加圧して第１のアキュムレータ２に送ることで、高圧の圧力流体を蓄積する。蓄積された圧力流体は頂部に設置されたアクティブマスダンパの駆動装置である液圧アクチュエータ３へ送られる。

液圧アクチュエータ３は、制御信号をもとにサーボ弁７を駆動することで制御され、建物の揺れを低減するよう重り１２を駆動する。駆動源として用いられた流体は低圧となって第２のアキュムレータ４へ送られ、液圧シリンダ１への流体の供給のために蓄積される。

これにより、圧力流体は、外部との出入りがなく、循環させて常に再利用することができ、制御に必要な電力は、サーボ弁７への制御信号のみであるため、省エネルギーとなる。

また、図４の実施形態を従来のアクティブマスダンパと比較した場合、本発明では免震層で液圧シリンダ１によりダンパとして吸収されるエネルギーを再利用できる形に変換し、制震装置を構成する液圧アクチュエータ３の駆動力として用いることで、外部からのエネルギーの供給を必要としないため、エネルギー効率が高く、非常時の信頼性が格段に向上する。

さらに、本システムは、大型構造物において、大地震などの大きなエネルギーを持つ外乱に対する振動を制御するための大きな制御力を必要とするシステムに適したものである。

本発明のシステムは、図４のような実施形態に限らず、制震装置として柱梁架構内にブレースなどを介して制震装置を設置するなど、各種の制震手法への適用が可能である。

図５は、本願発明において振動エネルギーから流体エネルギーに変換されたエネルギーをさらに電気エネルギーに変換する場合の本システムの概念を示したものである。

これは、図４に示すような振動を変換した結果生じる第１のアキュムレータ２の圧力流体により液圧アクチュエータ３を駆動し、それにより発電機を稼働させて電力を供給するシステムである。

このように液圧アクチュエータ３を用いて発電するシステムの他に、第１のアキュムレータ２に蓄積された圧力流体を直接発電機の駆動に用いることもできる。その場合には、発電機として圧力流体を動力源とする装置を用いることになる。

本システムでは、振動エネルギーを流体エネルギーとして蓄積することで、電気エネルギーを比較的自由な時間に、必要に応じた適量を供給することができたため、エネルギー供給システムとして、時間的、及びエネルギー量的に高い自由度を有するものである。

本願の請求項１に係るシステムの原理を示す概念図である。 本願の請求項４に係るシステムの概念図である。 本願発明を圧力流体の流れによってまとめたフロー図である。 本願の請求項２〜４に係るシステムの概念図である。 本願発明において振動エネルギーから流体エネルギーに変換されたエネルギーをさらに電気エネルギーに変換する場合のシステムの概念図である。

符号の説明

１…液圧シリンダ、２…第１のアキュムレータ、３…液圧アクチュエータ、４…第２のアキュムレータ、５，６…チェック弁、７…サーボ弁、１１…積層ゴム、１２…重り

Claims (4)

1. 振動エネルギーを流体エネルギーに変換するための液圧シリンダと、前記液圧シリンダにより液圧が上昇した流体を蓄積するための第１のアキュムレータと、前記第１のアキュムレータに蓄積された流体の液圧を駆動エネルギーとして利用する液圧アクチュエータと、前記液圧アクチュエータの駆動により液圧が低下した流体を蓄積し、前記液圧シリンダに戻すための第２のアキュムレータとを備えてなることを特徴とするエネルギー変換・供給システム。
2. 外乱により構造物に生じる振動エネルギーを流体エネルギーに変換するための液圧シリンダと、前記液圧シリンダにより液圧が上昇した流体を蓄積するための第１のアキュムレータと、前記第１のアキュムレータに蓄積された流体の液圧を利用して構造物の振動を抑制する液圧アクチュエータと、前記液圧アクチュエータの駆動により液圧が低下した流体を蓄積し、前記液圧シリンダに戻すための第２のアキュムレータとを備えてなることを特徴とするエネルギー変換・供給システム。
3. 前記液圧アクチュエータは、サーボ弁を備えた能動制御型の制震装置である請求項２記載のエネルギー変換・供給システム。
4. 前記第２のアキュムレータから前記液圧シリンダへの油路および該液圧シリンダから前記第１のアキュムレータへの油路にチェック弁を設けてある請求項１、２または３記載のエネルギー変換・供給システム。
   

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