JP2011074709A

JP2011074709A - 発光枕木

Info

Publication number: JP2011074709A
Application number: JP2009229383A
Authority: JP
Inventors: Mikio Kaneko; 三樹男金子
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2011-04-14

Abstract

【課題】発光機能を枕木に付加するとともに、構造が簡単でコストが易く、容易に発光できる発光枕木を提供する。
【解決手段】発光枕木1は、レール7を支持する枕木本体2と、枕木本体2の発電装置設置部3に設けられて振動を電気エネルギーに変換する発電装置4と、発電装置4からの電力供給を受けて発光するＬＥＤ5と、枕木本体2表面に塗布されてＬＥＤ5が発光する光を吸収して発光する蛍光材料6とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道軌道に用いられる枕木に関し、特に、発光機能を有する枕木に関するものである。

ＣＯ_２削減等のために、化石エネルギーを使用しない発電方法が注目されている。振動エネルギーを用いた発電もその一つであり、鉄道の分野においてそのような発電を行う方法として、線路の枕木に設置された圧電部材を備え、前記圧電部材上を人、車両、又は列車を含む移動物体が通過することにより前記圧電部材で生じた電力を取り出す発電システムが、特許文献１に開示されている。そしてこの発電システムが道路標識、道路の照明など様々な用途に利用できることが記載されている。

特開２００６−１９７７０４号公報

枕木の機能を高めるために、上記の発電システムと組み合わせることが考えられるが、上記特許文献１に開示されている発明では、枕木が一般的に受ける振動は、通常はそれのみで発電するには、振幅が小さすぎて、発電量が小さいため、それを生かすことが難しいという問題や、直接列車が通過する部位の圧電部材は、その荷重に耐え切れず破壊されるという問題があった。

本発明は、従来なかった発光機能を枕木に付加するとともに、構造が簡単でコストが安く、容易に発光できる発光枕木を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための請求項１の発明は、レールを支持する枕木本体と、枕木本体のレールに接しない上面、側面、及び直接路盤に接しない底面の少なくともいずれか一部に設けられて振動を電気エネルギーに変換する発電装置と、発電装置からの電力供給を受けて発光する発光素子と、枕木本体表面に塗布されて発光素子が発光する光を吸収して発光する蛍光材料とを備えていることを特徴とするものである。

枕木本体の形状および配置位置は、特に限定されるものではなく、例えば、一般的な横枕木と同じ形状および配置位置とされてもよく、各レールの下に枕木を敷く短枕木や縦方向に枕木を配置する縦枕木と同じ形状および配置位置とされてもよい。また、枕木本体の支持面がコンクリート構造でもよく、枕木本体をバラストに埋めて使用してもよい。また、鉄橋のような鋼桁上に枕木本体を設置してもよい。発電装置は、枕木本体の振動が大きい部分でかつ耐久性が確保しやすい適宜な位置に設置される。枕木本体は、一般に使用されている枕木をそのまま使用してももちろんよいが、好ましくは、例えば端部における振動エネルギーが大きくなるような形状とされて、この端部が発電装置設置部とされる。

発電装置において、振動を電気エネルギーに変換する変換素子としては、圧電素子、電場応答性高分子などが使用される。発光素子としては、例えばＬＥＤが使用される。蛍光材料としては、例えば硫化亜鉛、アルミン酸ストロンチウムなどがあげられる。変換素子および発光素子は、枕木本体の各端部に少なくとも１つずつ配置される。蛍光材料は、枕木本体の表面（上面、底面および４つの側面）全面に塗布されてもよく、一部にだけ塗布されてもよい。

一般にＬＥＤを初めとする発光素子は、電圧が低い間は電圧を上げていってもほとんど電流が増えず、発光もしない。ある電圧を越えると電圧上昇に対する電流の増え方が急になり、電流量に応じて光を発するようになる。したがって、所望の電圧を得るために、例えば圧電素子を使用する発電装置では、圧電素子を複数使用して、振動により得られた電圧が直列になるように配置することが好ましい。出力電流自体は、発電装置からのエネルギーにより決まる。

請求項１の発明によると、列車がレール上を走行するのに伴って枕木本体に生じる振動が発電装置によって電気エネルギーに変換され、この電気エネルギーを使用して発光素子を発光させ、さらに、この発光素子を光源として、蛍光材料が発光する。ここで、発電装置の設置位置を枕木本体のレールに接しない上面、側面、及び直接路盤に接しない底面の少なくともいずれか一部とすることで、列車通過時の荷重から発電装置を保護することができる。

請求項２の発明は、前記枕木本体が樹脂によって成形されることを特徴とする請求項１に記載の発光枕木である。

枕木本体は、繊維強化硬質樹脂発泡体を素材とする合成木材で成されるのがより好ましい。

発泡樹脂の種類としては、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化樹脂であって硬質のものや、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂等の熱可塑性樹脂等が好適に使用される。なお、樹脂には固体の充填材が混合されていてもよいし、補強繊維で補強されていても構わない。即ち、発泡樹脂中に、圧縮強度の向上や低コスト化を図るために、炭酸カルシウム、石膏、タルク、水酸化アルミニウム、クレーなどの無機充填材や、シラスバルーン、パーライト、ガラスバルーン等の軽量骨材が添加されても良い。板材の硬質樹脂発泡材を補強する繊維としては、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維などの無機質繊維や、芳香族ポリアミド繊維等の合成繊維や天然繊維等の有機質繊維の何れかであればよいが、強度や経済性の面からガラス繊維が適している。繊維の形態は、ヤーン、クロス、ロービング、ロービングクロス、クロスマット等の長繊維形態のものが好適であり、必要に応じてチップ、ミドルファイバー等の短繊維やシラスバルーン等の中空充填材を併用しても良い。ガラス繊維としては、ガラスロービング、ガラスロービングクロス、ガラスマット、コンティニュアスストランドマット等の形態のものが挙げられる。この繊維は単独で使用しても良いし、２層以上積層して使用しても良く、また、長繊維と短繊維を混ぜて使用しても良い。最も好適な材料としては硬質ウレタン樹脂を長手方向へ引き揃えられたガラス長繊維で補強した発泡体である。

本発明の発光枕木では、枕木本体が樹脂によって成形されるため、木製の枕木を用いる場合より耐用年数を長くすることができる。また、コンクリート製の枕木に比べて弾性率が小さいため振動エネルギーへの変換が容易で、発電効率も高い。

請求項３の発明は、枕木本体の端部は、同部における振動を大きくするための切欠き部が設けられることで形成された複数の片持ち状板部からなり、発電装置は、少なくとも１つの片持ち状板部に取り付けられている請求項２に記載の発光枕木である。

枕木本体を樹脂製とすると、端部での振動を大きくするための形状に成形することが容易となり、発電効果を高めることができる。切欠き部は、片持ち状板部が上下に１つずつ形成されるように、１つだけとしてもよく、２つ（片持ち状板部が上下に１つずつとそれらの中間にも１つ形成される）としてもよく、それ以上としてもよい。この場合に、発電装置を構成する圧電素子又は電場応答性高分子は、発電効率を高めるためにすべての片持ち状板部に設けられてもよく、１つの片持ち状板部に設けられてもよい。片持ち状板部における圧電素子等の設置位置は、片持ち状板部の上面であってもよく、下面であってもよく、側面であってもよい。

請求項４の発明は、前記発電装置が、圧電素子からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発光枕木である。

圧電素子には、水晶・ロシェル塩・チタン酸バリウム等の任意の結晶が使用される。

本発明の発光枕木では、発電装置に圧電素子を使用することにより無駄であった枕木振動を活用して発電する事ができると共に、外部に伝わる振動も減少させることが出来る。本発明の発光枕木では、振動を効率良く圧電素子に作用させることができるため、発電効率が良い。

請求項５の発明は、前記発電装置が、電場応答性高分子からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発光枕木である。

本発明の発光枕木では、発電装置に電場応答性高分子を用いるため、無駄であった枕木振動を活用して発電する事ができると共に、外部に伝わる振動も減少させることが出来る。本発明の発光枕木では、振動を効率的に電場応答性高分子に作用させて、効率の高い発電を行う事が出来る。

電場応答性高分子は、人工筋肉とも称せられており、通常は、誘電性エラストマーに電圧を印加して、これを伸縮させる形態で使用されるが、この発明では、電極間に挟まれた誘電性エラストマーに電極間方向に圧縮歪みを発生させる事により電圧が生じる形態で使用される。電場応答性高分子は、ゴム状の薄い高分子膜を伸び縮み可能な電極で挟んだ構造で、電極間に電位差を与えると、両方の電極が引き合い、その結果、高分子膜が厚さ方向に収縮し、面方向に伸縮する。これを発電用として使用する形態は、圧電素子と類似しているが、誘電性エラストマーの方が大きな歪みにより発電する特徴を有している。誘電性エラストマーとしては、シリコンやアクリル、ウレタンのエラストマーなどが使用される。

本発明の発光枕木によると、レールを支持する枕木本体と、枕木本体のレールに接しない上面、側面、及び直接路盤に接しない底面の少なくともいずれか一部に設けられて振動を電気エネルギーに変換する発電装置と、発電装置からの電力供給を受けて発光する発光素子と、枕木本体表面に塗布されて発光素子が発光する光を吸収して発光する蛍光材料とを備えているので、簡単な構造として、列車がレール上を通行することで生じる枕木本体の振動を電気エネルギーに変換して有効に利用することができ、発光機能を有した枕木を容易にかつ低コストで得ることができる。

図１は、本発明の発光枕木の１実施形態の斜視図である。図２は、要部の断面図である。図３は、本発明の発光枕木の回路構成を示す図である。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。

本発明による発光枕木(1)は、図１に示される様に、１対のレール(7)を支持する枕木本体(2)と、枕木本体(2)のレール支持部外側の発電装置設置部(3)に設けられて振動を電気エネルギーに変換する発電装置(4)と、発電装置(4)からの電力供給を受けて発光するＬＥＤ（発光素子）(5)と、枕木本体(2)表面に塗布されてＬＥＤ(5)が発光する光を吸収して発光する蛍光材料(6)とを備えている。

枕木本体(2)は、繊維強化硬質樹脂発泡体を素材とする合成木材で形成されており、その形状は、通常使用されている四角柱状の枕木の両端部にそれぞれ切欠き部(12)が設けられたものとされている。繊維強化硬質樹脂発泡体としては、例えば、商品名「エスロンネオランバーＦＦＵ」積水化学工業株式会社製が適している。

レール(7)は、従来周知のレール締結用タイプレートや板バネ式締結装置等のレール支持部材(8)によって、枕木本体(2)の適宜の位置に固定される。

発電装置設置部(3)は、枕木本体(2)に一体に設けられており、枕木本体(2)の各端部に同部における振動を大きくするための上記切欠き部(12)が設けられることで形成された複数（図示は、上下および中間の３つ）の片持ち状板部(11)からなる。発電装置設置部(3)の断面積は、枕木本体(2)の他の部分の断面積より小さくなっている。各片持ち状板部(11)は、長手方向に延び、板部(11)の最も面積の大きな面は、枕木本体(2)の上面及び下面と平行となっている。

発電装置(4)は、振動エネルギーを電力エネルギーに変換するもので、図２に拡大して示すように、上側の片持ち状板部(11)の下面に設けられている。発電装置(4)は、圧力又は振動を加えることによってこれに応じた電力を取り出すことのできる性質を持つ１又は複数の変換素子(4a)を有している。変換素子(4a)としては、圧電素子、電場応答性高分子などが使用される。

発電装置(4)の変換素子(4a)は、２本のリード線(13)を介してＬＥＤ(5)に接続されている。ＬＥＤ(5)は、固有の閾値を越えた電圧がかかると発光するので、変換素子(4a)の仕様、配置位置および数などは、予め必要な電圧となるように設定される。

蛍光材料(6)は、ＺｎＳ（硫化亜鉛）とされて、枕木本体(2)の表面に塗布されている。この蛍光材料(6)により、ＬＥＤ(5)から発光された微弱な光は、長波長側にシフトした状態で、周囲を十分に視認できる程度の蛍光（燐光）を放出する。

変換素子(4a)によって生成される電圧は、片持ち状板部(11)の振動に従い、極性が変化するので、ＬＥＤ(5)は、２つ使用されて、図３（ａ）に示すように、２つのＬＥＤ(5)が互いに極性が逆になるように発電装置(4)と接続されている。図３（ｂ）に示すように、整流素子(14)およびコンデンサ(15)からなる平滑回路を設けて、ＬＥＤ(5)を１つとすることもできる。

上記発光枕木(1)によると、列車の通行などにより、レール(7)から枕木本体(2)に振動が伝わった際に、各片持ち状板部(11)に上下方向に振幅の大きな振動が発生する。そのことにより、発電装置(4)に大きな振動が伝わり、同じ振動で発電量の大きな効率のよい発電を行うことができる。そして、列車がレール(7)上を通行することで生じる枕木本体(2)の振動が電気エネルギーに変換され、この電気エネルギーがＬＥＤ(5)の発光に使用され、蛍光材料(6)によって発光効率が高められることにより、優れた発光機能を有した発光枕木(1)が得られる。

なお、発電装置設置部(3)の断面積は、枕木本体(2)の他の部分の断面積より小さいことが好ましいが、このようにするための発電装置設置部(3)の形状は、図示した例に限定されるものではない。発電装置(4)は、雨や雪等による発電装置(4)の劣化を軽減するという点からは、片持ち状板部(11)の下面に設けられることが好ましいが、片持ち状板部(11)の上面に設けてもよいし、片持ち状板部(11)の側面に設けてもよい。要は、片持ち状板部(11)の振動が発電装置(4)に伝達されればよい。また、発電装置(4)は、任意に取り付け、または取り外し可能であり、その変換素子(4a)は、１つの片持ち状板部(11)に複数取り付けてもよく、その配置位置や数は、片持ち状板部(11)の数や発電量等に応じて任意に変更してよい。

(1) 発光枕木
(2) 枕木本体
(3) 発電装置設置部
(4) 発電装置
(5) ＬＥＤ（発光素子）
(6) 蛍光材料
(7) レール
(11) 片持ち状板部
(12) 切欠き部

Claims

レールを支持する枕木本体と、枕木本体のレールに接しない上面、側面、及び直接路盤に接しない底面の少なくともいずれか一部に設けられて振動を電気エネルギーに変換する発電装置と、発電装置からの電力供給を受けて発光する発光素子と、枕木本体表面に塗布されて発光素子が発光する光を吸収して発光する蛍光材料とを備えていることを特徴とする発光枕木。
前記枕木本体が樹脂によって成形されることを特徴とする請求項１に記載の発光枕木。
枕木本体の端部は、同部における振動を大きくするための切欠き部が設けられることで形成された複数の片持ち状板部からなり、発電装置は、少なくとも１つの片持ち状板部に取り付けられている請求項２に記載の発光枕木。
前記発電装置が、圧電素子からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発光枕木。
前記発電装置が、電場応答性高分子からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発光枕木。