JP2014169687A - 振動回転変換発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両のサスペンションの振動や波、高架橋の揺れや振動からエネルギーを取り出す効率の高い発電装置の提供。
【解決手段】上下振動を伝えるロッド１と、ロッド１の動きを回転運動に換えるクランクレバー２を備え、クランクレバー２の上下回転振動を一組の噛み合った歯車３ａ，３ｂ、一組のワンウエイクラッチ４ａ，４ｂ、クランクレバー５ａ，５ｂを介して回転運動として取り出すことにより、クランクレバー２の往復運動をどちらか一方の向きだけの回転運動に変換することができる振動回転変換装置を用いて、この回転を発電機１１の回転軸に連結して発電する発電装置。
【選択図】図１

Description

本発明は車両のサスペンション上下振動や波の上下振動などを利用して発電を行う発電装置に関するものである。

自動車や電車などの車両では走行中に様々な路面や線路の凹凸を車輪とサスペンションで吸収しているが、その力を利用して直接磁石とコイルによって発電を行うものが提案されている。たとえば特開１９９２−７５１１２号公報（特許文献１）に開示されている。

また、サスペンションの動きを制御する機構に電磁式作動機を具備し、その電磁式作動機が発電する電力を電源に回生可能に構成した車両用サスペンションシステムが提案されている。例えば特開２００７−３０２１９４号公報（特許文献２）の請求項１１に開示されている。

また、サスペンションの上下運動をそのまま往復運動として発電機を接触させ発電機の軸を正逆回転させて電力を取り出そうとするものもある。例えば実用新案登録第３０６４０２３号公報（特許文献３）に開示されている。

また、サスペンションに取り付けた油圧シリンダーを用い、このシリンダーから吐出した作動油の力で油圧モータを回転させ、これに接続した発電機を回して発電するものもある。たとえば特開２０１１−２５９０１号公報（特許文献４）に開示されている。

しかし、これらの方法では効率良くサスペンションの動きを電気エネルギーに変換することはできなかった。

特許文献１ではサスペンション可動部（ピストン等）に磁石を取付けたものとその固定部（シリンダー等）周囲に取り付けた起電力発電用コイルを備えた電磁誘導式のサスペンション発電機構である。

この機構ではサスペンションの動きから発生するエネルギー量に関係なく、コイルと磁石の強さにより発電量が決定される。車両の走行時発生するサスペンションの動きとパワーに見合ったエネルギーを取り出し大きな発電量を得ようとすると、大きなコイルと磁石の組み合わせが必要となり車載不可能な現実とはかけ離れた構想と言える。

またこの機構では、実際にサスペンション搭載可能な大きさの発電装置では小さな起電力しか生成できず、装置の構成に掛かるコストに対しその発電量は微量に過ぎず、コストを掛ける価値は無く、このため実装された車両もない。

また、特許文献２では本来の目的はサスペンションの制御にあり、発電を目的とした機構ではなく、発生する電力も前記同様微量であり、文献中の表現もサスペンション制御に使用した電力の回生起電力としてバッテリーに返すものであり、サスペンションの上下運動から主に発電を目的とした機構とは言えない。同文献からも多くの電力を発生するには発電機のローターを大きくする必要があり、ローターのイナーシャが大きくなるためサスペンションの高周波振動を吸収できなくなるなど、大きな発電機は直接サスペンションに装着できないとしている。

また、特許文献３ではサスペンション取付アームから棒を出し、これに発電機の回転軸をあてがってこの棒の上下運動を取り入れて発電するとある。この棒と発電機とは接触摩擦だけを頼りにしているが、発電機に負荷が掛かると大きな抵抗となりスリップが生じサスペンションの上下運動の力が発電機に伝達しない。

しかも上下運動をそのまま回転軸に伝えると発電機のローターも正逆回転となり発電機内部コイルの磁場に於けるヒステリシス残留磁界により発電機の回転軸がロック状態となり容易に正逆の反転はしない。場合によっては正逆回転切替時このヒステリシス残留磁場により電気的に短絡状態となり大変危険である。機械的にも瞬時の反転はローターのイナーシャにより過大ストレスが軸や継手に掛かり破損を招く可能性もあることから全く実用とはならない。

また、特許文献４ではサスペンションの動きを油圧シリンダーに伝えて油圧の吐出力で発電機を回すものであるが、複雑な油圧配管内を油が通るため油圧の圧損が大きく、サスペンションの上下運動から発生する力の大半をこの圧損で消費してしまい、車の重量から来るエネルギーを効率よく取り出すことはできない。

特開１９９２−７５１１２号公報 特開２００７−３０２１９４号公報 実用新案登録第３０６４０２３号公報 特開２００７−３０２１９４号公報

発明が解決しようとする課題

したがって、本発明の目的は、車両が走行中の路面から発生する強大なエネルギーを持つ上下往復振動を、伝達ロスを少なく機械的に一方方向の回転力に変換し滑らかに発電機を回転させることにより効率の高い、大きな発電量を得る発電装置を提供することを目的とする。

また、車両のみならず往復運動の大きなエネルギーを発生するものとして波の力を利用し、岸壁や船舶に装着した浮きの上下運動や、道路や高架橋などの上下振動を一方方向の回転力に変換し発電機を回転させる装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

本発明の振動回転変換発電装置は、車両の場合を例にして説明すると一組の歯数の同じ歯車を噛み合わせ、片方の歯車にクランクレバーを装着し走行中に路面の凹凸を吸収するサスペンションの動きによって上下運動するロアアーム２５にロッド１の片側を連結し、このロッドのもう片側を回転軸のクランクレバー２に連結し、サスペンションの上下運動をクランクレバーの軸に往復回転運動として力を伝達する。

このクランクレバーから伝達された上下振動はこの一組の歯車を介して２本の軸に正逆の回転運動として伝わる。

この一組の歯車と軸の間に伝達方向を反対に組み合わせたワンウエイクラッチを装備し、それぞれの歯車の回転方向に対して２本の軸の回転方向が同じ回転方向となるようにワンウエイクラッチの伝達方向を合わせて装着することにより、クランクレバーの上下の動きを方向が同じ回転力として取り出すことができる。

この回転方向が同じ歯車を連結し発電機に接続することにより、サスペンションから得られた往復振動から、回転方向が一定（ここでは順方向と呼ぶ）の回転力が得られ発電機を回して発電することが可能となる。

舗装道路など整地されたところを車やバイクが走行する場合、小刻み且つ高速の高周波微振動として取り入れることになる反面、突然の突き上げピーク振動（ここでは突入振動と呼ぶ）も発生する場合が多い。

本発明である振動回転変換発電装置では好ましくは、前記回転方向が同じ２本の回転軸を繋いだ出力軸にダンパー９を設け、このダンパーを介して発電機に接続することにより、衝撃を吸収しつつ効率良く伝達しながら発電を行う。

作用として、特にワンウエイクラッチが作動していない軸では前記連結された歯車の作用でワンウエイクラッチが装備されている歯車と軸とでは反対方向の回転になる。

この場合、各々のワンウエイクラッチは作動側の回転方向以外には力が伝達されないため軸や歯車の全ての回転物は慣性を持ったフライホイールの役目となり、且つクランクレバーから伝達された駆動側の力はこの慣性で回るフライホイール状の回転を後押しするような動きで出力軸の回転に伝え滑らかさを保っている。

また、例えば高周波微振動や突入振動が入っても、微振動の場合は小刻みながら順方向に軸の回転が積算されて伝わり、突入振動の場合ダンパーのバネが一時的にこの急激な大入力を吸収しつつ、それぞれのワンウエイクラッチの作用で全体として逆転方向には回転できないため順方向へ回転しながらゆっくりと出力軸に伝達し、発電機に滑らかな回転を伝える。

この点は圧縮空気を使用するアクチュエータを利用した他の振動発電装置のように微振動は圧縮空気のクッションに吸収されて出力に反映されなく効率の悪い機構とは違い好ましくは、高精度ベアリングと同じ構造の高剛性高精度のワンウエイクラッチの特性上かなり細かい往復の微振動も確実に回転力に反映する。

ワンウエイクラッチそのものは公知の機構であるため本発明の請求項目には含まれないが、本発明に於ける重要な機構であるためその動きを改めて説明すると、図３のように外形は通常のニードルベアリングユニットの形をしている。

ベアリングのケーシング２１に図３のようにニードルベアリング２０が収まる溝が形成されており、軸２２が矢印Ｃ及び矢印Ｄの様に正逆の回転を行うとき、例えば矢印Ｃの回転方向の場合ニードルベアリング２０は軸の回転に沿って矢印Ａの方向に移動しケーシング２１の溝が狭くなる位置に軸２２と嵌まり込む状態を形成し、軸の円周上のニードルベアリング２０の全てがこの状態であるため軸２２とケーシング２１とはロック状態となり、軸２２の回転はケーシング２１に伝達する。

また反面、軸２２が矢印Ｄの方向に回転するとニードルベアリング２０はケーシング２１の隙間に余裕のある位置に収まり、自由に回転することができ通常のベアリングのように滑らかに回転し軸２２の回転力をケーシング２１に伝達しない。

ワンウエイクラッチはベアリングとほぼ同じ精度で製作してあるため、サスペンションから発生する高周波微振動もロス無く順方向に回転力を積算して伝達することができる。

発明の効果

上記振動回転変換発電装置では構造上、一般的な小型変速機の形状を有し製作が容易なため安価に提供できる。このことは好ましくは、自動車のみならず電動バイクなど相対的に安価な乗り物に装着することも可能となる。

電動バイクでは一人乗りの原動機付バイクの場合、駆動モータは０．６ｋｗ以下と決められているため本発明の振動回転変換発電装置を装着すると、バイクの重量＋人の体重から発生する上下振動エネルギーと伝達ロスを含めたトルク計算から０．７５ｋｗ相当の発電機が装着可能となり好ましくは、悪路走行では自車両の電力消費に近い位の発電量が期待できる。

電気自動車の場合も、本発明である振動回転変換発電装置を車輪４輪とも装着することにより好ましくは、電動バイクと同様に走行しながらその走行に対してエネルギーの消費をしないシステムからのエネルギー供給が叶うため、相対的に１回の充電で航続距離が伸びることとなる。

また、上記の如く本発明における振動回転変換発電装置では、発電量はその搭載する車両の車体重量と走行速度に関係しているため、重量の重い大型車やトレーラ、貨物列車や高速列車など車輪が多数搭載した重車両ほど発電量は大きくなる。

また、本発明における振動回転変換発電装置では車両のみならず往復運動するものは全てエネルギーを取り込むことができ、例えば波の力を浮きなどを利用して船舶や岸壁などに本装置を装着した発電装置を設置することにより、再生可能エネルギーの一つとして安定した電力を発生させることができる。

本発明の実施の形態１における振動回転変換発電装置の動作原理を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１における振動回転変換発電装置のダンパーの断面を表した説明図である。 本発明の実施の形態１における振動回転変換発電装置に使用した公知の機構であるワンウエイクラッチの動作原理を説明する参考図である。 本発明の実施の形態１における振動回転変換発電装置を自動車のフロントサスペンションに装着する例を表す説明図である。 本発明の実施の形態１における振動回転変換発電装置を船に装着する例を表す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

（実施の形態１）

図１で、サスペンションから伝達した上下運動の動きはロッド１を介してクランクレバー２の矢印▲１▼及び▲２▼の往復運動となる。

一組の噛み合った歯車３ａ及び３ｂはクランクレバー２によって矢印▲１▼及び▲２▼の方向に回転し、この歯車３ａ及び３ｂの軸５ａ及び５ｂとの間にワンウエイクラッチ４ａ及び４ｂを、軸５ａ及び５ｂの回転方向が同じ方向に伝達するように向きを選んで装備する。

同図で、回転力の伝達方向を説明するとクランクレバー２の往復運動の矢印▲１▼の動きは歯車３ａでは矢印▲１▼の動きとなり、この動きは噛み合った歯車３ｂに伝達し、同じく歯車３ｂは矢印▲１▼の回転となり、歯車３ｂに装着したワンウエイクラッチ４ｂのロック状態から軸５ｂに伝達しこの軸の矢印▲１▼の回転力となり、この力は歯車６ｂを矢印の方向に回転する。

この時、歯車３ａに装着したワンウエイクラッチ４ａはフリー状態であり軸５ａにはクランクレバー２の力は伝達しない。

同様にしてクランクレバー２の矢印▲２▼の動きでは、今度は歯車３ａのワンウエイクラッチ４ａがロック状態になり、軸５ａを矢印▲２▼の方向に回転させ、歯車６ａを矢印の方向に回転する。

この時も歯車３ａと噛み合った歯車３ｂに装着してあるワンウエイクラッチ４ｂはフリー状態であることからクランクレバー２の力は伝達しない。

以上のようにそれぞれ相反する回転方向の動きを取付方向を逆にしたワンウエイクラッチにより回転方向を同じ向きに合わせた歯車６ａ及び６ｂを連結して歯車７に双方の回転力を伝え、この回転力を発電機に連結することにより効率良く発電することができる。

また、歯車７の回転はサスペンションから来る高周波微振動や突入振動が含まれ、発電機にとっては好ましくない回転であるため歯車７と発電機の間にダンパー９を装備して、このダンパーからの出力を滑らかな回転に換えている。

図２にこのダンパーの断面構造を示し、この図を基に説明すると歯車７より入力した回転は入力軸８に力が伝達され、この入力軸８に装備した爪でバネ１２を押し縮め突入振動を軽減し、バネの弛緩でゆっくり出力軸１０側のケースを回転させる。

この動作により小刻みの振動回転や突入回転を弛緩させ発電機のローターを滑らかに回転することができ、またこのダンパー機構を歯車７の中に構成しても良いしトーションバーのように出力軸そのものが弾性変形を与える構造でも良い。

上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ロッド、２クランクレバー、３ａ歯車、３ｂ歯車、４ａワンウエイクラッチ、４ｂワンウエイクラッチ、５ａ軸、５ｂ軸、６ａ歯車、６ｂ歯車、７歯車、８入力軸、９ダンパー、１０出力軸、１１発電機、１２バネ、２０ニードルベアリング、２１ケーシング、２２軸、２５ロアアーム、２６振動回転変換器、３１浮き、３２船、３３波

Claims (4)

1. 車両のサスペンションの上下振動を伝えるロッド１と、このロッドの動きを回転運動に換えるクランクレバー２を備え、クランクレバーの上下回転振動を一組の噛み合った歯車３ａ及び３ｂと、この歯車をそれぞれの軸に回転運動として伝える。この伝達に於いて、まずクランクレバー側の歯車３ａの上下回転振動の下方向の回転だけを軸に伝えるようにワンウエイクラッチ４ａの向きを調整して設置した歯車３ａを備え、次にクランクレバーからの回転運動を歯車の連結により反対に回転した回転運動から、クランクレバーの上方向の回転だけを軸に伝えるようにワンウエイクラッチ４ｂの向きを調整して設置した歯車３ｂを備え、クランクレバーの下方向の回転と上方向の回転力それぞれを取り出した２本の軸５ａと５ｂを連結して上下双方向の回転力をそれぞれ取り出すことにより、クランクレバーの往復運動をどちらか一方の向きだけの回転運動に変換することができる振動回転変換装置であり、この回転を発電機の回転軸に連結して発電する発電装置である。
2. 請求項１の振動回転変換装置のクランクレバーの振動に於いて、サスペンションの動きが高周波微振動の場合や瞬時の突入振動を吸収しながら発電機の回転に伝えるため振動回転変換機と発電機の軸の連結装置にバネ等を用いた衝撃吸収装置を備えた請求項１の振動回転変換発電装置。
3. 請求項１の振動回転変換装置を船や岸壁などの構造物に設置し、波の力を浮きなどを使い上下振動として取り出しクランクレバーを介して往復回転運動に変換し、この往復運動を一方方向の回転運動に変換し発電機を回す請求項１の振動回転変換発電装置。
4. 請求項１の振動回転変換装置を道路や高架橋、橋などに設置し、自動車や列車などの通過の際に発生する上下振動を取り込み、クランクレバーを介して往復回転運動に変換し、この往復運動を一方方向の回転運動に変換し発電機を回す請求項１の振動回転変換発電装置。

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