JP2008506064A

JP2008506064A - エネルギー回収デバイス

Info

Publication number: JP2008506064A
Application number: JP2007519851A
Authority: JP
Inventors: ジャン−ジャックシャルロット; ジスレンデスペセ; トマジャガー; アンドレアヴァシレ
Original assignee: コミツサリアタレネルジーアトミーク
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2005-07-05
Publication date: 2008-02-28
Also published as: DE602005013668D1; ATE427422T1; WO2006005886A1; FR2872868A1; US20070188046A1; EP1766233B1; EP1766233A1

Abstract

【課題】モバイル支持体及び／又は流動中の液体（４４）から機械的エネルギーを回収するデバイス（１０）が開示される。
【解決手段】デバイス（１０）は、支持体または液体に固定されるパーツ（２２）と懸垂状態のモバイルパーツ（１２）とを備える。本発明に係るデバイスにおいて、固定パーツ（18、２２）はモバイルパーツ（１２、２４）により小さい質量を有する。特に、モバイルパーツは、デバイス（１０）のケース（１２）を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、懸垂状態の塊体がシステムの環境に対して相対運動をする原理に基づき、その環境における運動(振動、衝撃、流動等)から由来するエネルギーを回収できるシステムに関する。

二つの装置の間の相対運動によるエネルギー発生の原理は、例えば特許文献１により開示されている。

前記原理は、例えば特許文献２において、モバイルシステムからエネルギーを回収することにすでに適用されている。前記モバイルシステムにおいて、通常外部にある重いパーツは、運動中の支持体に剛性的に固定され（ねじ締め、または接着等）、通常内部にある軽いモバイルパーツは、可撓リンクを介して前記固定パーツに連結される。

懸垂状態の前記モバイルパーツは、自身の慣性により、前記固定パーツ、従って支持体に対し、相対運動を生じる。コンバータが、任意タイプの変換により、回収された機械的エネルギーを任意の所要のエネルギー（電気、熱、機械等）形態に変換する。例えば、電気コンバータの場合において、その変換原理は、電磁気、容量性、静電気、圧電性の変換原理、またはその他の変換原理であっても良い。

図１は、容量性原理を用いて機械的エネルギーを電気エネルギーへの変換に関する特定の例を示す。

デバイス１は、振動される支持体３に固定されたケース２を備える。二つの電極４及び５を有するエネルギー変換システムは、ケース２内に設置される。第一電極４は、前記ケース２に剛性的に取り付けられる。第二電極５は、バネ６を介して前記ケースに可撓に取り付けられる。前記二つの電極４及び５の相対運動によって電容値は変更され、コネクタ７を用いて、操作システム８において電気エネルギーを生成することができる。

しかしながら、エネルギーコンバータの本質及び性能に関係なく、現在のデバイスのモバイルパーツが通常、固定パーツに含まれているので、接続される支持体以外の運動から生じるエネルギーを回収することはできない。従って、例えば、周囲の流体の運動は、エネルギーに変換することができない。

また、これらの周知デバイスの回収効率は、非常に低い。このようなタイプのデバイスによる回収可能のエネルギーが、実際にモバイルパーツの質量に制限されることは認められた。

例として、図１の容量性原理を用いる電気コンバータの前後関係を考慮する場合、実際にその運動方程式は、下記の形式を有する：
m・z” + f(b_e, b_m, z’, z”) + k_m・z = −m・a(t)

式中、ｍはモバイルパーツ５の質量、ｚは前記モバイルパーツと振動する支持体との間の相対運動、a(t)は振動する支持体の加速度、k_mは伸縮バネ６の硬さ、b_eは電極４と５との間の電気力減衰、b_mは粘着性の機械的減衰（存在する場合）である。

そして、下記の式によって、回収可能のエネルギーは、モバイルパーツの質量の運動エネルギーに対応する：
E_recup = 1/2・m・z’²

従って、下流システムにおけるエネルギーの回収が電気源の機械的減衰の形式をとる（係数b_e）。そのため、周知のシステムに関して、モバイルパーツの質量が固定パーツの質量より軽い。よって、前記システムの質量的または体積的なエネルギーはそれほど優れてない。
EP-A-0 008 237 GB-A-2 311 171

本発明の課題は、周知のデバイスの欠点を克服し、懸垂デバイス、特に一定体積を有する懸垂デバイスを用いてより多くのエネルギーを回収することにある。

この課題を達成するために、本発明の一つの特徴は、本発明に係るデバイスは相互に連結されかつ相互に運動可能な二つのパーツを備えると共に、その二つのパーツの一つは支持体に剛性的に連結されるための剛性連結手段が設置されている。前記剛性連結手段を有するパーツは、前記デバイスのもう一つのパーツより軽い質量を有する。従って、回収されたモバイルパーツの質量に直接に関連するエネルギーは増加される。

前記モバイルパーツはケースからなる。前記固定パーツは、前記ケースに設置される。剛性リンクは、前記デバイスを支持体に固定するために、前記ケースを貫通することができる。前記剛性リンクの貫通場所にシーリング材料を設けることができる。特にこの場合において、運動状態のパーツは、支持体以外の運動にも敏感である。

前記モバイルパーツは、例えば前記ケース以外に、変換システム、エネルギー蓄積システム等の要素を備えることが有利であり、従って、前記二つのパーツ間の重量差はさらに増加される。特に、前記ケースの外側にアンテナを設けることができる。

本発明に係るデバイスは、機械的／機械的変換、機械的／熱的変換、圧電性原理を用いる機械的／電気的変換、容量性原理を用いる機械的／電気的変換等の内、任意種類に設計することができる。

本発明によれば、本発明のデバイスは、例えば振動を受けるモバイル支持体に連結することができる。また、前記デバイスは、流動中の液体に囲まれる環境において使用することもできる。この際に、運動によって発生する機械的エネルギーは回収及び変換されることもできる。

図２Ａに示されたように、周知のエネルギー回収装置１は、パーツ２、４、８の一つが、モバイル支持体３に取り付けられ、前記固定パーツ２ともう一つの要素５との間に可撓リンク６が設置され、前記要素５が前記固定パーツ２及び前記支持体に対して移動可能であるとの原理に基づいている。

通常、懸垂状態の要素５は、釣合い錘または安定抵抗で構成される。固定パーツがしばしばエネルギー輸送システム４、８と同様にケース２を備える。この従来システム１では、回収されるエネルギーを増加するために、固定パーツ２、４、８は質量で、モバイルパーツ５よりはるかに大きく、また、前記モバイルパーツ５は無用な荷重によってより重くさせられる。

回収されるエネルギーは直接に機能する質量の関数であるので、デバイスと釣合い錘の機械的な役割を逆にすることが提案されている。現行方式と異なって、現行方式における移動する物体に固定されたパーツは解放され、現行方式における懸垂状態のパーツは、移動する物体に固定される。

従って、図２Bに示されたように、本発明に係るデバイス１０は、第一リンク手段１６により可動態様でリンクされた第一パーツ１２と第二パーツ１４とを備える。また、第二パーツ１４は第二手段１８を備え、この第二手段１８により支持体３に固定状態で連結される。本発明によれば、前記第一パーツ１２は、第二パーツ１４により大きい質量を有する。

図示された好ましい方法において、前記第一パーツはケース１２を備え、前記第二パーツ１４がケース１２の内部に設置される。この構成において、前記第二リンク手段は、ケース１２を貫通する機械的な回転軸１８であっても良い。この剛性的なリンクは、他の任意の手段、特に磁気または静電気の連結のような非機械的手段で形成することができる。前記デバイス１０の使用によって、例えば前記デバイス１０の内部を保護する及び／又は第一パーツ１２と第二パーツ１４との間の相対運動を導くために、前記モバイルパーツと固定回転軸１８との間に、可撓膜のようなシーリングシステム２を設けることは好ましい。

本発明によれば、前記支持体３に固定されたパーツ１４は、エネルギー転換システムの能動要素の１つしか含まないので、運動する質量がデバイス１０の内部寸法に制限されることはない。相対運動における質量が大きければ大きいほど、回収可能のエネルギーが大きくなる。従って、モバイルパーツ１２におけるすべての付加的な質量が回収可能のエネルギーに有利に寄与する。

完全でない態様においては、前記第一パーツのケース１２の付加的な質量は、エネルギーを変換及び／又は利用システムの電子部であっても良い。前記エネルギーを変換及び／又は利用システムの電子部は、エネルギーバッファとして機能するエネルギー蓄積ユニットを有し、その制御電子部品が前記システムの全体に対して蓋として用いられる。更に、前記エネルギーを変換及び／又は利用システムの電子部は、無線通信方式を有する完全なセンサー、例えば時にはデバイス１０の近傍部分または任意部分で測定された温度を送信する温度センサーであっても良い。

従って、運動における質量は数桁増加でき、その結果、エネルギーコンバータ１０には寸法変化せず、同一寸法のままで、回収できるエネルギーの量が同じ比率で増加することもできる。

本発明に係るデバイス１０は、すべて周知の機械的なエネルギーの変換原理に関することができる。

例えば、図３Ａに示されたように、図１に示された前記原理を使用することができる。デバイス１０Ａの第二固定パーツは、もう一つの電極２４とともにエネルギー転換システムを形成する電極２２を含む。前記電極２４は、ケース１２に取り付けられる。また、前記ケースは前記電極２４にリンクされた電気操作システム２６を含む。第一パーツ１２、２４、２６は、バネ１６として機能するシステムを介して、第二パーツ２２に可動方法で連結される。

図３Ｂに示された支持体３の機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する他の方法は、圧電性原理に関する。

ここで、固定パーツは接続用の回転軸１８の末端から構成される。この回転軸は部分的または完全に圧電性材料で構成されたアーム３０によってケース１２に接続される。前記ケース１２と前記回転軸１８との間の相対運動によって作られた電気エネルギーは、電気コネクタで電気操作システム２６に転送される。

ここで、デバイス１０Ｂの固定パーツとモバイルパーツとの間の質量差が最適であり、また圧電性アーム３０に安定抵抗の存在が高い電圧の回復に必要でないことは分かる。しかし、この圧電性アーム３０は、図形２Ａに示された周知の原理によって機能するデバイスの場合には必須である。

また、二つのデバイス１０Ａと１０Ｂに関しては、回収された電気エネルギーをすぐに使用するのではなく、それを電池、蓄電器等のシステムによって蓄積することも可能である。前記の電池、蓄電器等のシステムは、固定パーツとモバイルパーツとの間の質量差を更に増大するために、前記ケース１２に取り付けられる。

また、本発明に係るデバイスは、例えば流体をポンプすることによって、機械的なエネルギーを機械的なエネルギーに変換することもできる。

図３Ｃにおいて、ここで再び、第二パーツは、剛性的な回転軸１８によって支持体３に取り付けられた釣合い錘１４からなる。固定パーツ１４とモバイルパーツとの間の第一リンク手段は、関節接合されたまたは可撓アーム３２からなる。このアーム３２は運動を、ピストン３６を作動する第二アーム３４に伝送する。このピストン３６は、二つの進入弁を有し、図面に示されたケースの中のチェンバー３８に内側に配置される。

ピストン３６が上昇するときに、進入弁を閉じてチェンバー３８で流体を圧縮し、その結果、排出弁を開けて流体を噴出する。ピストン３６が降下するときに、チェンバー３８内の圧力は減少して、その結果、流体進入弁が開けられて流体がチェンバー３８に入る。従って、このようなデバイス10Ｃは、支持体３に対するモバイルパーツの相対運動によって、流体をポンプすることに使用することができる。

ここで再び、前記モバイルパーツは、例えばケース１２、関節接合した接合要素３４、ピストン３６、チェンバー３８等を備える。その質量は、支持体３に取り付けられた釣合い錘１４及び回転軸１８により構成されたパーツの質量より大きい。

図３Ｄは熱エネルギー変換を示している。デバイス１０Ｄは、ビーム４０によって第二固定パーツ１８に連結された第一モバイルパーツ１２を備える。前記ビーム４０は、自身の両端における運動に起因して、可撓運動にさらされる。この可撓運動は、前記ビームを構成する材料の加熱度合いに変化を与える。この加熱を検出することには、例えば赤外線カメラを用いることが可能である。この場合、好ましくは、ケース１２の一部または全体の壁までも、赤外線を透過することのできる物質４２で構成される。

ビーム４０によって発せられたエネルギーを増加するために、端部に底荷を付けて、特に例えばエネルギー蓄積システムを用いてケース１２を荷重すること、またはビーム４０を作る材料を選択することが、可能である。特に、より堅い材料は、より多くの熱を消失する。

本発明に係るデバイスでは、モバイル支持体３への取り付けによる作用及び不動の環境における作用も示されているが、変動環境、特にケース１２を囲む運動流体を含む変動環境で使用することもできる。

事実上、デバイスの外に位置したモバイルパーツは、それ自体を囲む流体（空気、水等）の可能な変動（層流、乱流等）に敏感であって、支持体が運動してもしなくても、前記デバイスが前記流体の移動に由来する機械的なエネルギーを回収することを可能にする。

デバイス１０の全表面を使用できるので、デバイスの外部に機能的に役に立たないフィン、または他の要素を加えなくても、回収可能のエネルギーを著しく増加させることができる。

例えば、デバイスが、それ自体へまたはそれ自体からのデータを伝達するシステムを含み場合において、この機能に使用される簡単なアンテナが単独で、システムを囲む流体から由来する力を得るかなり大きい表面積を表す。

図４に示されたように、図３Ａに示されたものと似ている容量型のデバイスには、ケース１２が運動する液体または気体流体４４に置かれている。

固定されているパーツ１８、２２は、支持体４６に取り付けられる。また、この支持体４６は前記流体４４に対して固定されている。

モバイルパーツは、電気エネルギーを取り扱う操作システム４８を含み、その操作システムは示めされた場合において、ケース１２の壁に組み入れられる。

更に、前記操作システム４８は、蝶形アンテナ５０による遠く離れた基地に、電磁波形式で測定値を発信する測量ステーションとして機能する。

デバイス１０を囲む流体４４の運動は、データ伝送用の蝶形アンテナ５０によって可変静電容量のモバイルパーツに伝えられる。該蝶形アンテナ５０は、前記モバイルパーツに取り付けられている。

従って、本発明に係るデバイスは、機械的に起因するエネルギーを回収して、任意の変換原理を用いて所望のエネルギー形式に変換することができる。示されたデバイスは可能なオプションの例にすぎない。

更に、本発明に係るデバイスは、支持体及び／又は該デバイスを囲む流体の運動から由来するエネルギーを回収することもできる。

例えば、シリコンに基づいた構造では、以下を有することは可能である：
− 従来の構造には、内部のモバイルパーツの重さは2.1gである。運動する質量を増加するために、それを0.1gのシリコンと2gのタングステンとに分ける。少なくともケース及び電子部を含む外部の固定パーツは10gである。
− 本発明に従って実施された構造では、タングステンを添加する必要がもうないので、内部の固定パーツの重さは現在0.1gだけである。外部のモバイルパーツは、重さ及び構成要素において従来の構造と類似である。

従って、少なくとも５倍のエネルギーを回収できる上に、新しい構造は2gも軽くなり、またはモバイルの重さの比率は増大される。

機械的な起源を有するエネルギーの回収原理は、最大質量を有するパーツの懸垂移動に関係がある。

また、操作に無用である無駄の質量を追加することなしで、懸垂されているパーツを、前記デバイスを構成するすべてまたは一部の他の要素の内側及び上に置くことにより、回収デバイスの総質量または体積を増大せず、運動する質量を増大することも可能である。

同じように、デバイスを囲む流体における力の捕捉に関して、デバイスの有効構成要素を使用することによって、役に立たないフィン型の要素を付加することなしで捕捉面積を増強できる。

上記記載の構成要素及び実施方法は、様々な形式で組み合わせることはでき、異なる構成要素に対する変更も本発明の範囲に属される。

添付された図面は、本発明をより明確に理解するために提供されたものであり、本発明を制限するものではない。
容量性原理を用いて機械的エネルギーを電気エネルギー回収する周知デバイスを示す図面である。従来のエネルギー回収デバイスの作用原理を示す図面である。本発明に係るエネルギー回収デバイスの作用原理を示す図面である。本発明に係るエネルギー回収デバイスの原理に関する異なる応用例を示す図面である。本発明に係るエネルギー回収デバイスの原理に関する異なる応用例を示す図面である。本発明に係るエネルギー回収デバイスの原理に関する異なる応用例を示す図面である。本発明に係るエネルギー回収デバイスの原理に関する異なる応用例を示す図面である。流動中の液体環境における本発明を実施する一つの方法に係る本発明のデバイスの使用を示す図面である。

Claims

相互に自由に運動可能な第一パーツと第二パーツ（１２、１４）と、
前記第一パーツを前記第二パーツに可動態様で連結させる第一手段（１６）と、
前記第二パーツ（１４）を支持体（３、４６）に固定態様で連結させる第二手段（１８）とを備える
運動状態の環境（３、４４）からエネルギーを回収するデバイス（１０）であって、
前記第一パーツ（１２）は、第二パーツ（１４）よりも大きい質量を有し、及び
前記第一パーツは、第二パーツ（１４）を収容するケース（１２）を有することを特徴とするエネルギー回収デバイス。
前記第二手段は、前記ケース（１２）を貫通する剛性リンク（１８）を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
前記ケース（１２）と前記剛性リンク（１８）との間にシーリング膜（２０）を備えることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
前記ケース（１２）の外側に位置するアンテナ（５０）を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイス。
前記第一手段は接合システム（３２、３４）を備え、前記第一パーツはピストン（３６）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
第一手段は、変形により熱エネルギーを発生するビーム（４０）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
前記第一パーツと第二パーツはそれぞれ電極（２２、２４）を有すると共に、前記第一手段はバネ（１６）として機能する要素を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
前記第一手段は、少なくとも一部が圧電材料を有する（３０）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
前記第一パーツは、前記第一パーツと第二パーツとの相対運動から変換された電気エネルギーを取り扱う電子要素（２６）を備えていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のデバイス。
前記第一パーツは、エネルギーを蓄積する手段を備えていることを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載のデバイス。
前記第一パーツは、センサー及び／又はエネルギー管理システムを備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のデバイス。
前記第二手段（１８）は、モバイル支持体（３）に連結されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
前記デバイス（１０）は、流動中の液体（４４）に位置されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
前記第二手段（１８）は、前記液体（４４）に固定された支持体（４６）に連結されることを特徴とする請求項１３に記載の使用。