JP2013040601A - 動力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】錘付き回転板の重力および慣性力を利用して発電機を回すことのできる高効率の動力発生装置を提案すること。
【解決手段】重量と慣性力を利用した動力発生装置１は、４５度の角度を張る扇形回転体１０に第１、第２錘１５、１６が取り付けられており、停止位置ｐ１からは自重による回転モーメントによって自動的に回転を始め、回転が始まると回転補助機構２０によって回転補助力が与えられながら回転し、その重心位置ｐ（ｗ）が回転中心１０ａの真下から真上の位置に戻るまでは十分な慣性力によって回転が継続する。これにより扇形回転体１０が継続回転し、これと一体となって回転する水平回転軸３の回転が増速されて発電機７が回転駆動されて発電動作が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、錘を取り付けた回転体を、その重力および慣性力を利用して継続回転させることで発電動作を行う発電用の動力発生装置に関する。

発電装置としては、風力および太陽光などの自然エネルギを利用したものが一般に知られている。風力発電装置、太陽光発電装置は、風力、太陽光が得られない状況下では電力を得ることができないので、これらを併用するなどの対策が必要である。特許文献１には、風力、太陽光を利用する代わりに、錘を取り付けた回転板の振り子運動を利用して発電機を回して発電を行う発電装置が提案されている。ここに開示の発電装置では、回転板の振り子運動から一方向への回転力を取り出して弾み車を回転させ、当該弾み車の回転力によって発電機を回転駆動して発電を行うようになっている。また、加速モータを用いて錘付きの回転板に補助駆動力を付与して、その振り子運動を継続させるようにしている。

特開２０１０−２４２７３２号公報

特許文献１に開示の発電装置では、錘付き回転板の振り子運動を一方向回転運動に変換しているので、振り子運動から取り出すことのできる回転運動エネルギが少なく極めて効率が悪い。また、振り子運動から一方向回転を取り出すための機構、この機構を介して取り出した回転力によって弾み車を回転させるための伝達機構が必要であり、構成部品が多く、これらを経由して取り出される回転力の損失が多い。このため、大容量の加速モータを用いて錘付き回転板の振り子運動を継続させる必要があり、発生電力に対する消費電力の割合が高く、実用的ではない。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、錘付き回転板の重力および慣性力を利用して発電用の回転力を効率良く発生させることのできる動力発生装置を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の動力発生装置は、
回転式の発電機と、
前記発電機を回転駆動するための水平回転軸と、
前記水平回転軸を中心として予め定めた正回転方向に当該水平回転軸と一体回転するように当該回転軸に垂直に取り付けた９０度以下の角度θを張る扇形の輪郭形状をした扇形回転体と、
前記扇形回転体の回転中心から半径方向に離れた位置に取り付けられている錘と、
前記扇形回転体が前記正回転方向に１回転する毎に、前記錘が取り付けられている当該扇形回転体の重心位置が前記回転中心の真上から真下に至るまでの間の設定回転角度範囲において、当該扇形回転体に対して前記正回転方向への補助回転力を与える回転補助部材と、
前記重心位置が前記回転中心の真上を通り過ぎた位置から９０度回転した位置までの間の回転角度位置に、前記扇形回転体を強制停止させるための回転停止部材とを有していることを特徴としている。

本発明の動力発生装置の停止状態においては、偏心した位置に錘の付いている扇形回転体が、回転停止部材によって、その重心位置が回転中心の真上から正回転方向に回転した位置に止められている。錘付きの扇形回転体にはその自重によって発生する正回転方向の回転モーメントが作用している。よって、回転停止部材による停止状態を解除すると、正回転方向に自動的に回転を開始する。

錘付きの扇形回転体は、その重心位置が回転中心の真下に至るまで自重による回転モーメントが作用して回転力が付与される。重心位置が回転中心の真下を通り過ぎた後は、錘付きの扇形回転体は慣性力によって正回転方向に継続して回転するものの、自重による回転モーメントが逆向きに作用するので、回転速度が徐々に低下する。また、軸受部分などの摩擦ロスによっても回転速度が低下するので、重心位置が真上に至る前に錘付き扇形回転体の回転が止まってしまう可能性がある。

本発明では、自重による回転モーメントが正回転方向に作用している間において、回転補助部材によって錘付きの扇形回転体に対して正回転方向の補助回転力が付与される。このため、錘付きの扇形回転体は正回転方向に勢い良く回転する。したがって、重心位置が回転中心の真上を通り過ぎる手前で止まってしまうことなく、錘付きの扇形回転体を正回転方向に継続して回転させることができる。

このように、本発明によれば、錘付きの扇形回転体に作用する重力による回転モーメント、回転モーメントによって回転を始めた錘付きの扇形回転体の回転方向への慣性力を利用しているので、錘付き扇形回転体の回転を継続させるための補助の回転力としては小さなものでよい。また、振り子運動する錘付きの回転板から回転力を取り出す場合に比べて、機構が簡単になり、回転力伝達経路上での回転力損失量も極めて少ないので、効率の良い動力発生装置を実現できる。さらに、風力発電、太陽光発電とは異なり、天候に影響されずに安定した発電動作を行うことができる。

本発明の動力発生装置において、前記扇形回転体は、当該扇形回転体の一方の第１縁端部を規定している矩形断面の第１枠板と、他方の第２縁端部を規定している矩形断面の第２枠板と、前記第１枠板および前記第２枠板の外端部の間に架け渡した矩形断面の円弧状枠板とを備えており、
前記錘は、前記第１枠板に取り付けた第１錘と、前記第２枠板に取り付けた第２錘とを備えており、
前記回転補助部材は、電動モータによって回転駆動される駆動輪と、従動輪とを備えており、
前記駆動輪および前記従動輪は、前記設定回転角度範囲内を回転する前記円弧状枠板を両側から挟み込み可能な位置に配置されていることを特徴としている。

この構成によれば、扇形回転体の円弧状枠板が駆動輪と従動輪の間に挟み込まれた状態で正方向への回転力が効率良く付与される。また、円弧状枠板の円周方向の長さを調整することによって、電動モータ側から回転力が付与される回転角度範囲を簡単に増減できる。

また、本発明の動力発生装置において、前記回転停止部材による前記扇形回転体の停止位置は、前記円弧状枠板における前記正回転方向の側に位置する端部が前記駆動輪および前記従動輪の間に挟み込まれる回転角度位置あるいは挟み込まれる前の回転角度位置であることを特徴としている。

この構成によれば、回転停止部材による停止を解除すると、扇形回転体はその自重によって正方向に回転を開始すると同時、あるいはその直後に、電動モータによって回転駆動力が与えられる。したがって、始動後に、扇形回転体の回転を速やかに必要な速度まで高めることができる。また、扇形回転体の自重によって作用する回転モーメントの方向が正回転方向に切り替わった後の時点で、重心位置がなるべく高い位置にある状態において、電動モータによる補助回転力を扇形回転体に与えることができるので、扇形回転体には回転方向に大きな慣性力が発生する。

次に、本発明の動力発生装置において、前記第１錘が前記第１縁端部に沿って半径方向にスライド可能に取り付けられており、前記第２錘が前記第２縁端部に沿って半径方向にスライド可能に取り付けられており、前記第１錘は半径方向に伸縮可能な第１バネ部材によって半径方向へのスライドが規制されており、前記第２錘は半径方向に伸縮可能な第２バネ部材によって半径方向へのスライドが規制されていることを特徴としている。

扇形回転体の回転速度が増すと、第１錘、第２錘に作用する遠心力も増すので、第１バネ部材、第２バネ部材によるバネ力に逆らって第１錘、第２錘が半径方向の外方に移動する。したがって、回転速度が増加するとより大きな遠心力が作用するので扇形回転体を高速回転させて発生電力量を増加させることができる。

この代わりに、前記第１縁端部に対する前記第１錘の取り付け位置を、前記回転中心からの距離が異なる位置に変更可能であり、前記第２縁端部に対する前記第２錘の取り付け位置を、前記回転中心からの距離が異なる位置に変更可能としておき、必要とされる電力が得られる位置に第１、第２錘のそれぞれを取り付けておいても良い。

次に、本発明の動力発生装置では、前記発電機として、第１発電機および第２発電機を備えており、前記第１発電機の回転入力軸には、前記水平回転軸の回転が増速機構を介して伝達され、前記第２発電機の回転入力軸は前記水平回転軸によって直接に回転駆動され、前記第２発電機を前記回転補助部材を回転駆動するための電動モータの駆動電源として用いることを特徴としている。

また、本発明の動力発生装置は、減圧状態の雰囲気を維持可能なケーシングを有しており、前記ケーシング内に、前記水平回転軸、前記錘が取り付けられている前記扇形回転体、前記回転補助部材および前記回転停止部材が配置されていることを特徴としている。

減圧雰囲気中あるいは真空雰囲気中において各部を駆動することにより空気抵抗を低減でき、効率良く扇形回転体を回転駆動できる。よって、発電効率を高めることができるので望ましい。

本発明を適用した動力発生装置を示す概略構成図である。 図１の動力発生装置の正面図である。 図１の動力発生装置の扇形回転体を示す正面図である。 図１の動力発生装置の回転補助機構を示す正面図および側面図である。

以下に、図面を参照して本発明を適用した発電用の動力発生装置の実施の形態を説明する。まず、図１および図２を参照して発電用の動力発生装置（発電装置）の全体構成を説明する。動力発生装置１は、偏平な直方体形状をしたケーシング２を備えており、ケーシング２は例えば金属製の細長い枠材を組み立てることで構成することができる。このケーシング２の内部の中央部分には、前後方向に水平に延びる状態に架け渡した水平回転軸３が前後の軸受部４、５を介して回転自在の状態で支持されている。水平回転軸３には駆動側プーリ６が同軸状態に固定されている。

ケーシング２の内部における下端の一方の隅には回転式の発電機７が配置されている。発電機７の回転入力軸７ａには同軸状態に従動側プーリ８が固定されている。従動側プーリ８は駆動側プーリ６よりも小径であり、これら従動側プーリ８および駆動側プーリ６の間には駆動ベルト９が架け渡されている。かかるプーリ・ベルト式の増速機構を介して、水平回転軸３の回転が増速されて発電機７に伝達される。

水平回転軸３には、全体として扇形の輪郭形状をした扇形回転体１０が当該水平回転軸３と一体回転するように垂直に固定されている。図１〜図３を参照して説明すると、扇形回転体１０は、水平回転軸３に同軸状態に固定された円盤状のボス１１を備えており、このボス１１には、扇形回転体１０の回転中心１０ａから４５度の角度で半径方向に延びる状態で、第１枠板１２および第２枠板１３が取り付けられている。これら第１、第２枠板１２、１３の外端部１２ａ、１３ａの間に円弧状枠板１４が架け渡されている。

第１枠板１２、第２枠板１３は矩形断面をした直線状の金属板からなり、円弧状枠板１４は４５度の角度を張る矩形断面をした一定幅の金属板からなる。この円弧状枠板１４の表面１４ａおよび裏面１４ｂには、その金属素材に比べて耐摩耗性が高く、しかも、摩擦係数が高くなるように表面処理が施されている。この代わりに、このような素材を表面１４ａ、裏面１４ｂに積層してもよい。なお、第１枠板１２、第２枠板１３の代わりに、円形断面あるいは多角形断面の棒材を用いることも可能である。

第１枠板１２には、その長さ方向の途中の位置に第１錘１５が取り付けられている。同様に、第２枠板１３にも、その長さ方向の途中位置に第２錘１６が取り付けられている。本例では２個ずつの錘が取り付けられている。これら第１、第２錘１５、１６は、回転中心１０ａから同一の距離の位置にある同一質量の錘である。第１枠板１２、第２枠板１３には、それらの長さ方向に沿って複数の箇所に錘取り付け用のネジ穴１２ｂ、１３ｂが形成されており、第１、第２錘１５、１６の取り付け位置を変更できるようになっている。

この代わりに、第１錘１５を第１枠板１２に対して回転中心１０ａに接近および離れる方向（半径方向）にスライド可能に取り付け、半径方向に架け渡した圧縮コイルバネあるいは引張コイルバネによって、当該第１錘１５の半径方向の初期位置を規定しておいてもよい。同様に、第２錘１６を第２枠板１３に対して回転中心１０ａに接近および離れる方向（半径方向）にスライド可能に取り付け、半径方向に架け渡した圧縮コイルバネあるいは引張コイルバネによって、当該第２錘１６の半径方向の初期位置を規定しておいてもよい。このようにすれば、各錘１５、１６に作用する遠心力の大きさに応じて、各錘１５、１６がバネ力に逆らって半径方向にスライドする。なお、第１、第２錘１５、１６は図においては直方体形状のものを示しているが、球形など異なる形状のものであってもよいことは勿論である。

次に、図１、図２、図４に示すように、ケーシング２の内部の上端部分における一方の角には、回転補助機構２０が取り付けられている。回転補助機構２０は扇形回転体１０に補助回転力を付与するためのものであり、扇形回転体１０の回転中心１０ａに向かう状態に配置されている電動モータ２１と、この電動モータ２１の回転軸２１ａに固定した駆動輪２２と、従動輪２３とを備えている。従動輪２３は、その回転中心線が駆動輪２２の回転中心線と平行となる状態に配置されている。また、従動輪２３は、扇形回転体１０の円弧状枠板１４の厚さよりも僅かに狭い間隔で、その外周面が駆動輪外周面に対峙している。この代わりに、従動輪２３を駆動輪２２に対して接近および離れる方向に移動可能な状態に支持し、不図示の弾性部材によって、その外周面を駆動輪２２の外周面に対して押し付けておいてもよい。

また、本例では、回転補助機構２０は、水平回転軸３に同軸状態に組み込まれている第２発電機２４を備えている。この第２発電機２４の回転入力軸（図示せず）は水平回転軸３と一体回転して発電を行う。基本的に、第２発電機２４から得られる電力によって電動モータ２１が回転駆動されるようになっている。

駆動輪２２と従動輪２３の対峙位置は、扇形回転体１０の円弧状枠板１４の回転軌跡上に位置しており、これらの間を通って円弧状枠板１４が駆動輪２２の外周面に押し付けられた状態で移動する。したがって、円弧状枠板１４が通過する際に駆動輪２２を回転駆動させることにより、駆動輪２２と従動輪２３の間に挟み込まれた状態で通過する円弧状枠板１４には駆動輪２２によって、回転中心１０ａ回りの補助回転力が付与される。

次に、図１、図２に示すように、ケーシング２の内部における水平回転軸３の上方の位置には、扇形回転体１０を待機位置に保持すると共に、回転している扇形回転体１０を強制停止させるための回転停止機構３０が取り付けられている。回転停止機構３０は、たとえば、扇形回転体１０の第１、第２錘１５、１６の回転軌跡上に突出した突出位置と当該回転軌跡上の位置から退避した退避位置の間を往復移動可能な回転停止部材３１と、この回転停止部材３１を移動させるためのプランジャなどの駆動機構３２と、予め定めた回転角度位置を通過する扇形回転体１０を検出する検出器（図示せず）とを備えている。検出器の検出信号に基づき駆動機構３２が駆動して回転停止部材３１が移動して扇形回転体１０を所定位置に停止させることができるようになっている。

一方、ケーシング２の内部下端部分には、発電機７の隣接位置にバッテリ４１が配置されている。発電機７で発生した電力がバッテリ４１に蓄えられる。バッテリ４１から引き出される給電線４２を介して外部に電力が供給される。また、バッテリ４１からは電動モータの駆動電力が供給され、制御盤４３にも駆動電力が供給される。

制御盤４３には、各種の操作スイッチが配列されており、スイッチ操作に応じて、制御盤４３は回転補助機構２０、回転停止機構３０の動作制御、バッテリ４１からの給電動作の制御等を行う。

次に、図２を参照して各部の配置関係を説明する。まず、扇形回転体１０は図において時計回りである正回転方向Ａに回転する。回転停止機構３０による扇形回転体１０の停止位置ｐ１は、第１、第２枠板１２、１３のうち正回転方向Ａとは反対側に位置する第２枠板１３が垂直な姿勢になった回転角度位置である。回転補助機構２０の駆動輪２２および従動輪２３による円弧状枠板１４の挟み込み位置ｐ２は、停止位置ｐ１から正回転方向Ａに４５度回転した位置である。したがって、停止位置ｐ１においては、円弧状枠板１４における正回転方向Ａの端が、駆動輪２２と従動輪２３の挟み込み位置の直前に位置している。

この構成の動力発生装置１の発電動作を説明する。停止位置ｐ１においては、第１、第２錘１５、１６の付いている扇形回転体１０の重心位置ｐ（ｗ）が、回転中心１０ａの真上から正回転方向に２２．５度だけ回転した位置にある。よって、錘付きの扇形回転体１０にはその自重によって発生する正回転方向Ａの回転モーメントが作用している。

回転停止部材３１による停止状態を解除すると、扇形回転体１０はその自重によって正回転方向Ａに自動的に回転を開始する。扇形回転体１０は、その重心位置ｐ（ｗ）が回転中心１０ａの真下に至るまで自重ｗによる回転モーメントが作用して回転力が付与された状態にある。

また、回転を開始した直後から、回転開始と同時に駆動される回転補助機構２０の駆動輪２２と従動輪２３の間に挟まれて、駆動輪２２によって正回転方向Ａへの回転補助力が加えられる。この状態は、扇形回転体１０が回転開始位置から４５度回転するまで継続する。すなわち、扇形回転体１０の円弧状枠板１４が駆動輪２２と従動輪２３の挟み込み位置を通過し終えるまで継続する。この結果、自重ｗによる回転力と、電動モータ２１による回転補助力によって、扇形回転体１０は、その重心位置ｐ（ｗ）が回転中心１０ａの真下に位置するまでの間において十分に加速されて大きな回転力で回転する。

重心位置ｐ（ｗ）が回転中心１０ａの真下を通り過ぎた後は、錘付きの扇形回転体１０には自重ｗによる回転モーメントが正回転方向Ａとは逆向きに作用して回転速度が低下する。しかるに、扇形回転体１０には十分な慣性力が付与されているので、正回転方向Ａに継続して回転して、その重心位置ｐ（ｗ）が回転中心１０ａの真上を通過することができる。

このようにして扇形回転体１０の回転が繰り返され、扇形回転体１０と一体となって回転する水平回転軸３の回転が増速されて発電機７に伝達されて発電が行われる。また、回転開始時以外の動作状態においては、水平回転軸３に組み込まれている第２発電機２４から得られる電力によって回転補助機構２０の電動モータ２１が駆動されるので、外部から電力供給を行うことなく扇形回転体１０の回転が継続して、発電機７による発電動作が継続して行われ、電力がバッテリ４１に蓄えられる。本発明者の実験によれば、錘付きの扇形回転体１０は回転直後においては１回転内における回転速度が変動するものの、或る程度の回転速度に到達した後は振動を伴うことなく定速回転状態を形成できることが確認され、発電機７から充分な電力が発生することが確認された。

なお、回転補助機構２０の電源として、ソーラーパネルを用いることも可能である。ソーラーパネルをケーシング２の外部に配置しておき、ソーラーパネルから得られる電力をバッテリ４１に蓄えておく。動力発生装置１の始動時には、バッテリ４１に蓄えられている電力を用いて回転補助機構２０を駆動する。始動後は第２発電機２４の電力により回転補助機構２０を継続して駆動することができる。

（その他の実施の形態）
上記の実施の形態は本発明を発電用の動力発生装置に適用したものであるが、本発明は発電以外の動力発生装置として利用可能である。例えば、産業機械の動力源（回転力発生源）としても利用可能である。

１・・動力発生装置
２・・ケーシング
３・・水平回転軸
４，５・・軸受部
６・・駆動側プーリ
７・・発電機
８・・従動側プーリ
９・・駆動ベルト
１０・・扇形回転体
１０ａ・・回転中心
１１・・ボス
１２・・第１枠板
１２ａ・・外端部
１２ｂ・・ネジ穴
１３・・第２枠板
１３ａ・・外端部
１３ｂ・・ネジ穴
１４・・円弧状枠板
１５・・第１錘
１６・・第２錘
２０・・回転補助機構
２１・・電動モータ
２２・・駆動輪
２３・・従動輪
２４・・第２発電機
３０・・回転停止機構
３１・・回転停止部材
３２・・駆動機構
４１・・バッテリ
４２・・給電線
４３・・制御盤
ｐ１・・停止位置
ｐ２・・挟み込み位置
ｐ（ｗ）・・重心位置
ｗ・・自重

Claims (7)

1. 回転式の発電機と、
   前記発電機を回転駆動するための水平回転軸と、
   前記水平回転軸を中心として予め定めた正回転方向に当該水平回転軸と一体回転するように当該回転軸に垂直に取り付けた９０度以下の角度θを張る扇形の輪郭形状をした扇形回転体と、
   前記扇形回転体の回転中心から半径方向に離れた位置に取り付けられている錘と、
   前記扇形回転体が前記正回転方向に１回転する毎に、前記錘が取り付けられている当該扇形回転体の重心位置が前記回転中心の真上から真下に至るまでの間の設定回転角度範囲において、当該扇形回転体に対して前記正回転方向への補助回転力を与える回転補助部材と、
   前記重心位置が前記回転中心の真上を通り過ぎた位置から９０度回転した位置までの間の回転角度位置に、前記扇形回転体を強制停止させるための回転停止部材とを有していることを特徴とする重力および慣性力を利用した動力発生装置。
2. 請求項１において、
   前記扇形回転体は、当該扇形回転体の一方の第１縁端部を規定している矩形断面の第１枠板と、他方の第２縁端部を規定している矩形断面の第２枠板と、前記第１枠板および前記第２枠板の外端部の間に架け渡した矩形断面の円弧状枠板とを備えており、
   前記錘は、前記第１枠板に取り付けた第１錘と、前記第２枠板に取り付けた第２錘とを備えており、
   前記回転補助部材は、電動モータによって回転駆動される駆動輪と、従動輪とを備えており、
   前記駆動輪および前記従動輪は、前記設定回転角度範囲内を回転する前記円弧状枠板を両側から挟み込み可能な位置に配置されていることを特徴とする重力および慣性力を利用した動力発生装置。
3. 請求項２において、
   前記回転停止部材による前記扇形回転体の停止位置は、前記円弧状枠板における前記正回転方向の側に位置する端部が前記駆動輪および前記従動輪の間に挟み込まれる回転角度位置あるいは挟み込まれる前の回転角度位置であることを特徴とする重力および慣性力を利用した動力発生装置。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれかの項において、
   前記第１錘は前記第１縁端部に沿って半径方向にスライド可能に取り付けられており、
   前記第２錘は前記第２縁端部に沿って半径方向にスライド可能に取り付けられており、
   前記第１錘は半径方向に伸縮可能な第１バネ部材によって半径方向へのスライドが規制されており、
   前記第２錘は半径方向に伸縮可能な第２バネ部材によって半径方向へのスライドが規制されていることを特徴とする重力および慣性力を利用した動力発生装置。
5. 請求項１ないし３のうちのいずれかの項において、
   前記第１縁端部に対する前記第１錘の取り付け位置を、前記回転中心からの距離が異なる位置に変更可能であり、
   前記第２縁端部に対する前記第２錘の取り付け位置を、前記回転中心からの距離が異なる位置に変更可能であることを特徴とする重力および慣性力を利用した動力発生装置。
6. 請求項１ないし５のうちのいずれかの項において、
   前記発電機として、第１発電機および第２発電機を備えており、
   前記第１発電機の回転入力軸には、前記水平回転軸の回転が増速機構を介して伝達され、
   前記第２発電機の回転入力軸は前記水平回転軸によって直接に回転駆動され、
   前記第２発電機を前記回転補助部材を回転駆動するための電動モータの駆動電源として用いることを特徴とする重力および慣性力を利用した動力発生装置。
7. 請求項１ないし６のうちのいずれかの項において、
   減圧状態の雰囲気を維持可能なケーシングを有しており、
   前記ケーシング内に、前記水平回転軸、前記錘が取り付けられている前記扇形回転体、前記回転補助部材および前記回転停止部材が配置されていることを特徴とする重力および慣性力を利用した動力発生装置。

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