JP2008208766A - 回転機構一体型発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流量と圧力が大きく変化する状況でも損失が少ない回転機構一体型発電装置を提供し、また、その回転機構一体型発電装置を用いることで人間の日常生活の何気ない動作の中で意識的な作業なしに発電可能とすること。
【解決手段】ケーシング１１の内部にローター１２を偏心状態で配置し、ローター１２に設けたベーンによって吸入口１５から入る流体と排出口１６から出る流体との間を隔絶し、吸入口側と排出口側との圧力差をベーンに与えることでローターを回転させる。このベーンに磁石を設け、コイルとフェライトをケーシング１１に設けることで、流体エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を一体化させる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、水や空気など流体の持つエネルギーを回転エネルギーに変換して発電する回転気候一体型発電装置、特に歩行などの日常動作から携帯機器に電力を供給する回転機構一体型発電装置に関するものである。

近年、携帯機器に搭載される機能が増加し消費電力が増加していることから、携帯電話や、音楽プレーヤーなどの電源が外出時に切れてしまうことがある。この問題を解決するには、機器に搭載される電池の容量が十分に大きいこと、もしくは外出時にもどこでも充電が出来ること、もしくは発電によって電力を得ることが必要である。

しかし、現在の電池技術では電池の容量を大きくしようとすると、電池の大きさと重さが増えてしまい、携帯性が悪くなる。また外出時にどこでも充電ができるようなシステムは今のところない。また、手回し充電器など、携帯性の発電機は存在するが、十分な発電量を得るには、意識的に力を入れて充電しなければならず疲れるという問題がある。

そこで、意識せずに発電を行うものとして、歩行発電が考案されている。例えば、特許文献１は、踵などの靴内部の稼動部分に圧電素子を配置し、歩行による応力により圧電素子にひずみを発生させ電力を得る方法を開示しており、特許文献２は、歩行運動により靴内部に取り付けられた磁石とコイルとの距離を変化させて電磁誘導により電力を得る方法を開示している。

また、歩行運動により、靴内部のハンドルを体重により押し込み、その仕事によって発電機を回転させて電力を得る方法や、靴内部にポンプを配置し、歩行による圧力によって外部から空気を取り込み、タービンを回して発電機を回転させることで電力を得る方法なども考案されている。

特開２００４−９６９８０号公報 特許第２８７０３３０号公報

しかしながら、上述した従来の技術はその実用性に問題があった。例えば、圧電素子を用いる方法は、歩行時の違和感がほとんどないことが利点であるが、現状の技術では、靴底に入る大きさで出力はせいぜい数十ｍＷである。例えば携帯電話などの通信機器の消費電力は１Ｗ以上であるが、１Ｗ以上を出力できるような材料は実用的なものはまだない。

また、電磁誘導を用いる方法については、電磁誘導の起電圧は磁石とコイルの距離の変化の微分に比例するが、通常の歩行速度では１Ｗ以上の出力は期待できない。

ハンドルを体重で押し込む方法は１Ｗ以上の出力を期待できるが、効率をあげるためには増速機構が必要である。そのため、従来の方法ではギアを用いているが、ギアから稼動時に騒音が発生するので、歩いているときに常に足元から音がすることとなり、利用者に不快感を与える。また、ギア部分は摩擦により劣化しやすく耐久性に問題がある。また、発電量を高めるためにストロークを大きくすると歩行時に違和感が生じるという問題もある。

また、外部から取り込んだ空気圧でタービンを回す方法は、１Ｗ以上の出力を期待でき、増速機構として気体の圧力変化を利用するので騒音も無い。しかし、靴底近くの空気は地面に近いため、塵や、雨水などをとりこみやすい。そのため、タービンなどの稼動部分が磨耗もしくは劣化しやすくなる。また、タービンは、プロペラ型、フランシス型、ペルトン型、ターボ型など、様々な形式があるが、一般的に発電に用いられるものはどれも流体に対して安定した流量と圧力が求められ、定格回転数から外れると効率が悪くなってしまう。特に定格よりも回転数が下回ったときには著しく効率は低下する。歩行時には、足は地面に着いたり離れたりを繰り返すので、歩行によって得られる圧力は大きく変動し、一般的なタービンを用いたのでは極めて非効率である。また、靴底という限られた体積の中にタービンや発電機など様々な部品を組み込むのは難しく、靴が大きくなってしまったり、靴の形が奇抜になってしまったりと、実用的ではなかった。

以上のように、現状において無意識に発電をする技術は、得られる電力が小さい、利用者に不快感を与える、壊れやすい、エネルギーロスを生じる、体積が大きいなどの問題点を有しており、どれも実用的ではなかった。

本発明は、上述した従来技術における問題点を解消し、課題を解決するためになされたものであり、流量と圧力が大きく変化する状況でも損失が少ないタービンと発電機を一体化することにより、従来の発電装置の体積が大きかったという課題を解決し、人間の日常生活の何気ない動作の中で意識的な作業なしに携帯機器を充電し、携帯機器の電池切れを予防することのできる、実用的な発電装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明に係る回転機構一体型発電装置は、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、前記外筒部材の内側に設けられた回転自在のローターと、前記ローターに対して突没自在に設けられたベーンと、を備え、前記ベーンの先端が前記外筒部材の内壁に接して前記吸入口側と前記排出口側とを隔絶し、前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差をベーンに受けて前記ローターの回転に変換する回転機構において、前記ベーンは着磁されているか、もしくは前記ベーン内部に磁石を備え、前記外筒部材内部に、導線コイルを巻いたフェライトコアを備え、前記ローターの回転によって生じた交番磁界によって前記フェライトコア内の磁束密度を変化させ、前記導線コイルに電圧を発生させることを特徴とする。

また、請求項２の発明に係る回転機構一体型発電装置は、請求項１に記載の発明において、前記着磁された、もしくは内部に磁石を有するベーンと、前記外筒部材内部のフェライトコアとの間の磁力が前記ベーンを突出させる方向に働くように前記フェライトコアを配置したことを特徴とする。

また、請求項３の発明に係る回転機構一体型発電装置は、請求項１に記載の発明において、複数のベーンの間に働く磁力が、当該ベーンを突出させる方向に作用するようにベーンに対する着磁、もしくは磁石の配置を行なうことを特徴とする。

また、請求項４の発明に係る回転機構一体型発電装置は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の発明において、外部からの加重によって内容積が変化する２以上の流体用タンクと、前記内容積の変化に基づき前記２以上の流体用タンクの間で流体を流動させる流動経路と、をさらに備え、前記流動経路上に前記外筒部材を設けたことを特徴とする。

また、請求項５の発明に係る回転機構一体型発電装置は、請求項４に記載の発明において、前記流動経路を複数備え、かつ前記複数の流動経路が逆流防止弁を有するパイプであることにより、前記流体用タンクのいずれに圧力をかけた場合にも、流動する流体は前記ローターを同一方向に回転させることを特徴とする。

また、請求項６の発明に係る回転機構一体型発電装置は、請求項４または５に記載の発明において、利用者の動作に伴って前記流体用タンクに対する加重が変化するように前記利用者の体に装着するための装着手段をさらに備え、前記利用者の行動によって発電することを特徴とする。

また、請求項７の発明に係る回転機構一体型発電装置は、請求項６に記載の発明において、前記装着手段は靴であり、前記利用者の足の爪先近傍に体重がかかる状態と踵近傍に体重がかかる状態とで異なる流体用タンクに加重が加わることを特徴とする。

請求項１の発明によれば回転機構一体型発電装置は、流体のエネルギーを機械エネルギーに変換する回転機構と機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構とを一体化し、外筒部材の内部の最外周部分に位置するベーンによって交番磁界を作ることにより、ベーンの磁荷が移動する速度を最大化する、すなわち磁界の変化量を大きくすることができる。このため、タービンと発電機を個別に備えて軸を連結する構成に比して小型、軽量で、得られる電圧の高い発電効率の高い発電装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項２の発明によれば回転機構一体型発電装置は、磁性を有するベーンがフェライトコアとの間の磁力によって引き付けられて外筒部材内壁に接しながら回転する。そのため、ベーンを押し出す機構（例えばバネなど）が不要となり、装置をさらに小型化することができるという効果を奏する。

また、請求項３の発明に係る回転機構一体型発電装置は、複数のベーンの磁荷同士の反発によって、ベーンがローターから押し出されて外筒部材内壁に接しながら回転する。そのため、ベーンを押し出す機構（例えばバネなど）が不要となり、装置をさらに小型化することができるという効果を奏する。

また、請求項４の発明によれば回転機構一体型発電装置は、外部からの加重によって内容積が変化する２以上の流体用タンクと、前記内容積の変化に基づき前記２以上の流体用タンクの間で流体を流動させる流動経路と、をさらに備え、前記流動経路上に前記外筒部材を設けたことによって、圧力もしくは加重が変化する場所が２箇所以上あれば、圧力と流量が大きく変化する状況でも効率よく発電することができるという効果を奏する。

また、請求項５の発明に係る回転機構一体型発電装置は、常に同一方向に回転装置か回転することによって、回転装置が惰性によって回るのを止めることなく回転力を供給することができ、発電効率が向上するという効果を奏する。

また、請求項６の発明に係る回転機構一体型発電装置は、利用者の動作に伴って前記流体用タンクに対する加重が変化するように前記利用者の体に装着するための装着手段をさらに備え、利用者の行動によって発電することによって、利用者の動作によって流体を流動させ、流動の圧力と運動量を効率的に利用して発電するので、人間の日常生活の何気ない動作の中で意識的な作業なしに効率的に発電することができるという効果を奏する。

また、請求項７の発明に係る回転機構一体型発発電装置は、利用者の体重移動によって流体を流動させ、流動の圧力と運動量を効率的に利用して発電するので、歩行や走行などの日常動作で、効率的に発電することができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る回転機構一体型発電装置の好適な実施例について詳細に説明する。

本発明は、流速や流量が大きく変化するエネルギー源から回転エネルギーを取り出すものであるが、本実施例では、人間の歩行から流動を発生させ、かかる流動をエネルギー源として取り出した回転エネルギーを発電に利用する場合について説明する。

まず、図１に本発明の前提となる回転装置の概要構成を示す。同図には、回転装置であるタービン１の上面図と、Ａ−Ａ線断面図を示している。タービン１は、内壁が円形のケーシング（外筒）１１の中にローター１２が偏芯されて配置されている。ローター１２には複数のベーン（同図ではベーン１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの６枚）が収納されていて、各ベーンはバネによって押されて常にケーシング１１の内壁と接触している。バネは、ベーンに対してそれぞれ設け、例えばベーン１３ｄにはバネ１４ｄを対応させる。

吸入口１５の部分の流体と排出口１６の部分の流体に圧力差が発生すると、各ベーンに断面積×圧力の力がかかり、その力がローター１２の回転力となる。例えば、吸入口１５の圧力が高くなった時、各ベーンに圧力がかかるが、ローターはケーシングに対して中心が偏心の位置にあるため、ローターから突出している長さがそれぞれ異なり、力を受ける断面積も異なる。ローターは各ベーンにかかる力の回転方向成分の総和によって回転するため、結果として図では時計回りに回りだす。

ローター１２内部には、磁石（同図では磁石１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆ）が埋め込まれている。ケーシング１１には、磁石を上面と下面から挟むようにコの字型のフェライトコアが着いており、フェライトコアにはコイルが巻かれている。ローターの磁石のＮ極からフェライトコアを通ってコイルの中を通りローターの磁石のＳ極に帰るという磁路を形成することができるように設置されている。例えば磁石１７ａから出た磁束は、フェライトコア１８ａを通って、コイルの１９ａの中を通り再び磁石１７ａに戻る。

この構成でローターが回転すると、ローターに埋め込まれた磁石も回転し、ローターの上部と下部に交番磁界が発生する。この交番磁界により、フェライトコアの中の磁束密度が変化し、コイルに誘導起電力が発生し、電力を取り出すことが出来る。

このように流体エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を一体化させることにより、小型化が実現でき、例えば靴底などの狭い場所に組み込むのに最適になる。また、流体の満たされたタービン内部から外部の空気中に動力軸を取り出す必要が無いため、ローターをケーシングの中に完全に密閉することができ、Ｏリングなどのシーリングに係る損失を無くすことが出来る。

ここで、コイルに生ずる誘導起電力を大きくするためには、磁界の変化量を大きくする必要がある。そこで、本発明では、図２に示すように、ベーン内部に磁石を組み込むことによって発電するように構成する。

これより、ローター内部に磁石を埋め込む構成よりも、長い半径で磁石が回転するので、タービンの回転数が同じだとすると、より高速で磁石が回転することになる。そのため、コイルに誘導される電圧がより高くなり、電力を得やすくなる。

なお、ここではベーンに磁石を埋め込む構成を例に説明を行なっているが、ベーンに対して着磁しても同様の効果を得ることができる。

また、このようにベーン内部に磁石を持たせた（もしくはベーン自体を着磁した）構成では、ベーンとフェライトコイルとの間に引力が働く。この力を利用すると、ベーンを突出させるためのバネを取り外してしまってもベーンをローターの外へ引き出すことが出来る。この場合の構成例を図３に示す。

同図に示す様に、磁力によってベーンを引き出す構成では、ちょうどベーンがケーシング内壁に接するまで、もしくはケーシング内壁よりも少し外側までベーンが引き出される力が働くように、フェライトコアの位置を調節する。

このように磁力によってベーンの先端が常にケーシング内壁に接するように構成することで、縮んだバネに押し付けられることによって発生するベーンとケーシングとの間の摩擦、及びバネを伸縮させるために必要な弾性エネルギー分の損失を無くすことができる。また、バネを収納するスペースが要らなくなるため、小型化できる。

ところで、図２，３の構成では磁石がベーン内部に上面から下面に向かう方向でＳ極とＮ局が配置されているが、流体の圧力が比較的高い場合、流体がベーンとケーシングの内壁との間を押し広げて入り込み、効率が低下してしまうという問題が起きる場合がある。

そこで、もっと強い力でベーンとケーシング内壁を接しさせ、流体がベーンとケーシングの隙間から漏れてしまうことがないようにするためには、図４のようにベーン内部でローターの半径方向にＳ極とＮ極を配置することが効果的である。

この場合、フェライトコアは、ケーシング内部の側面から、下面もしくは上面まで伸びるように配置される。これにより、磁石とフェライトコアの間に働く引力は、ローター半径方向となり、図２，３の構成よりも強くなる。また、全てのベーンに磁石の内側の極が同一になるようにすれば、ベーン内の磁石は別のベーン内の磁石と反発しあう。この反発力も、ベーンを外側へ押し出し、ケーシング内壁に接しさせる力となる。そのため、バネを使うことなく、ベーンをケーシングに押し付けることができるため、小型で漏れ損失の少ないタービンを作ることが出来る。

タービンに導入する流体としては、水でも油でも空気でもよく、圧力差さえあれば発電することができる。また、流体を閉じ込めた２つ以上のタンクとパイプを使いタービンに流体を供給することで、圧力差や加重が交互に変化する状況さえあれば発電をすることができるようになる。

例えば図５に示す構成では、２つのタンク３１，３２がパイプ３３によってつながっていて、その中間にタービン３４がある。タンク３１とタンク３２に交互に圧力が加わると、パイプ３３内を流体が移動する。この移動系路上にタービン３４を設け、発電を行なうことができる。

このタービン３４で発生した電力は、充電回路３５を通して、蓄電素子３６へ送られて蓄えられる。充電回路３５は、タービン３４と蓄電素子３６の間にあり、タービン３４で発生する交流電流を整流する機能と蓄電素子３６の電圧を調整する機能を有する。

なお、ここでは発生した電力をいったん蓄電素子３６に蓄積する場合の構成を例に説明を行なっているが、例えばタービン３４で発生した電力を直接外部に出力する構成にすることもできる。

ところで、図５に示す構成では、タンク３１，３２を交互に押したとき、タービン３４に流れる流体の向きは逆になる。すなわち、タービンは時計回りと反時計回りとを交互に繰り返すことになる。これは回転しているタービンを一旦止めて逆に回転させるということを繰り返すため、タービンの回転を止めるための損失と大きな静止摩擦による損失が生まれてしまう。

そこで、タービンの回転を一方向のみにすることで、タービンの回転を止めない構造例について、図６を用いて説明する。同図に示すように、タンク４１，４２はパイプ４３，４４によって繋がれている。さらにパイプ４５がパイプ４３，４４と接続し、逆止弁４６，４７，４８，４９により、パイプ４３には常に一方向にしか流体は流れない。

例えば、タンク４１に圧力をかけたときは、逆止弁４７，４８が閉じて逆止弁４６からパイプ４５を通り逆止弁４９へ液体が流れる。同様に、タンク４２に圧力を掛けた場合には、逆止弁４６，４９が閉じて逆止弁４７からパイプ４５を通り逆止弁４８へ液体が流れる。パイプ４５の途中にあるタービン５０は、パイプ４５に流れる液体の圧力と運動量によって回転する。

これにより２つのタンクに交互に圧力がかかるとき、タービンには同じ向きに連続して流体が流れ込み、タービンは同一方向に回転を続けることができ、回転数が落ちることはない。そして、発生した電力は充電回路５１を通して充電素子５２に電力が蓄えられる。

この発電装置を使う場所は、圧力差を交互に作ることができるところならどこでもよいが、例えば図７に示すように靴の中の圧力がかかる点、例えば、踵と足の指の付け根の部分の下にタンクを配置し、歩行時に伴う重心の変化を利用して発電を行なうことも可能である。

そして、本発明では、歩行時、走行時のみならず、重心を移動させるだけでも発電をすることが出来る。例えば、揺れる電車の中で立っているだけで電車の揺れによって重心がずらされ、発電をすることができる。

なお、図７に示した構成はあくまで一例であり、適宜変更して実施することが出来るものである。設置場所も靴の中に限らず、圧力差を生じさせる場所、例えば図８に示したように股関節など設置し、股関節を曲げたり伸ばしたりする動作によって発電をすることも可能である。

上述してきたように、本発明にかかる回転機構一体型発電装置は、ベーンがケーシングの内壁に接しながら回ることにより、吸入側と排出側とが繋がることなく完全に隔てられている。これにより、流量や圧力が少なく、極低回転でも流体がタービンの隙間を流れてしまうことがなく、流体のもつ圧力が静止摩擦を上回れば、確実にタービンを回転させることができる。

また、流体の圧力差を利用して回転するため、流体の速度は遅くすることができるため、回転装置の大きさを小型にしても損失は従来のタービンに比べれば少ない。

そのため、安定した流速、流量が得られないために利用することができなかった様々なエネルギーを利用できるようになる。それは例えば、人の運動などに起因する力である。

また、本発明に係る発電装置は、タービンの中に発電機能を組み込んでいるため、装置全体を小型にすることができる。そのため、体に装着しやすく、日常生活の中の、例えば歩行など、圧力をかける動作により効率よく電力を得ることが出来る。

また、二つのタンクの中に閉じ込めた流体によってタービンを回すことにより、内部に塵などの不純物が入り、タービンやタンクなどが劣化することを防ぐことができる。この流体は、タービンを回しやすい最適な材料の流体を用いることが出来、タービンの効率を上げることができる。

さらに、流体の入った柔らかいタンクは、歩行、走行時の足への衝撃を吸収する役割も果たすため、靴本来の足を保護する機能を失うこともない。

本発明により、既存の携帯機器の電池切れを予防できる。また、これまでその消費電力の高さのため、実用的ではなかった様々な携帯機器も本発明と組み合わせることにより実用的に使用することが可能になる可能性がある。また、使用者は発電装置を使用することで、ＣＯ２を排出することにより生成させる商用電力、もしくは乾電池などを使用しないことによる、電気代、乾電池代の削減と、環境への貢献が出来る。また、電力を得るために積極的に歩行などの運動をするようになり、健康効果も期待できる。

以上のように、本発明に係る回転機構一体型発電装置は、流体の持つエネルギーを効率よく回転エネルギーに変換して発電する装置として有用であり、人力による発電、特に歩行などの日常動作による発電に適している。

本発明の前提となる回転装置の概要構成を示す概要構成図である。 本発明の実施例である回転機構一体型発電装置の概要構成を示す概要構成図である。 磁力でベーンを引き出す回転機構一体型発電装置の概要構成を示す概要構成図である。 ベーン間の磁力でベーンを押し出す回転機構一体型発電装置の概要構成を示す概要構成図である。 タンク間の流体移動経路に回転機構一体型発電装置を設置する場合について説明する説明図である。 タービンを同一方向に回転させる構成の一例について説明する説明図である。 本発明を靴に適用する例を説明する説明図である。 本発明を腰に装着する場合について説明する説明図である。

符号の説明

１，３４，５０ タービン
１１ ケーシング
１２ ローター
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ ベーン
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，２７ バネ
１５ 吸入口
１６ 排出口
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ 磁石
３１，３２，４１，４２ タンク
３３，４３，４４，４５ パイプ
３５，５１ 充電回路
３６，５２ 蓄電素子
４６，４７，４８，４９ 逆止弁

Claims (7)

1. 流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、前記外筒部材の内側に設けられた回転自在のローターと、前記ローターに対して突没自在に設けられたベーンと、を備え、前記ベーンの先端が前記外筒部材の内壁に接して前記吸入口側と前記排出口側とを隔絶し、前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差をベーンに受けて前記ローターの回転に変換する回転機構において、
   前記ベーンは着磁されているか、もしくは前記ベーン内部に磁石を備え、
   前記外筒部材内部に、導線コイルを巻いたフェライトコアを備え、
   前記ローターの回転によって生じた交番磁界によって前記フェライトコア内の磁束密度を変化させ、前記導線コイルに電圧を発生させることを特徴とする回転機構一体型発電装置。
2. 前記着磁された、もしくは内部に磁石を有するベーンと、前記外筒部材内部のフェライトコアとの間の磁力が前記ベーンを突出させる方向に働くように前記フェライトコアを配置したことを特徴とする請求項１に記載の回転機構一体型発電装置。
3. 複数のベーンの間に働く磁力が、当該ベーンを突出させる方向に作用するようにベーンに対する着磁、もしくは磁石の配置を行なうことを特徴とする請求項１に記載の回転機構一体型発電装置。
4. 外部からの加重によって内容積が変化する２以上の流体用タンクと、
   前記内容積の変化に基づき前記２以上の流体用タンクの間で流体を流動させる流動経路と、
   をさらに備え、
   前記流動経路上に前記外筒部材を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転機構一体型発電装置。
5. 前記流動経路を複数備え、かつ前記複数の流動経路が逆流防止弁を有するパイプであることにより、前記流体用タンクのいずれに圧力をかけた場合にも、流動する流体は前記ローターを同一方向に回転させることを特徴とする請求項４に記載の回転機構一体型発電装置。
6. 利用者の動作に伴って前記流体用タンクに対する加重が変化するように前記利用者の体に装着するための装着手段をさらに備え、前記利用者の行動によって発電することを特徴とする請求項４または５に記載の回転機構一体型発電装置。
7. 前記装着手段は靴であり、前記利用者の足の爪先近傍に体重がかかる状態と踵近傍に体重がかかる状態とで異なる流体用タンクに加重が加わることを特徴とする請求項６に記載の回転機構一体型発電装置。

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