JP2016187302A - 電気接続アセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】エラストマーシート上の繰返し伸張可能な電極等と変形不可能な導体との間の確実な電気的接続を可能にする電気接続アセンブリを提供する。【解決手段】エラストマー材料のシート３０の表面に存在する第２の電極３４，８０に硬質の導体８２，９０を接続するための電気接続アセンブリ７０であって、第１の電極３２は第２の電極に対向するシートの表面に存在し、第１および第２電極間の電圧はシートが伸縮により変化する。電気接続アセンブリは、空洞７６を形成する、撓むことができる壁７２，３４，８０を含み、空洞の壁は第２の電極に接続され、電気接続アセンブリ７０は、空洞を満たす量の電気伝導性流動可能材料８４を含む。硬質の導体８２，９０は導電性流動可能材料と電気的に接触して存在し、シートは中空の筒の形状に延在し、ループ７２は筒の上にあり、空洞７６は、ループの下に存在して流動可能材料を保持する。【選択図】図５

Description

発明の背景
ある種類の装置は、繰返す海の波動などの繰返す行ったり来たりする動きの現象から電気エネルギを得る。動きは、エラストマーシートの繰返される伸張および緩和、ならびにシートの対向面に存在する電極の対応する近づくまたは遠ざかる動きを生じさせる。電極は電荷を含有するため、電極がともに近づいたり離れたりするように動くと、電極間の電圧が変化し、装置を発電に用いることができる。

銅線などは電気を搬送して電極を充電し、装置が発電する電力を運び去る。しかしながら、エラストマーシート上の電極などの一部が繰返し伸びるおよび緩む一方でステンレス鋼導体などの他の一部が電極とともに動かなければ、電極およびステンレス鋼導体を一定の低電圧の電気的係合に保つことは困難である。また、ステンレス鋼導体の形状が繰返し変化すると、その結果疲労破壊が生じる可能性がある。エラストマーシート上の電極などの繰返し伸張可能な一部とステンレス鋼導体などの変形不可能な導体との間に確実な電気的接続を設けた電気接続アセンブリに価値があるであろう。

発明の概要
発明の１つの実施形態に従うと、繰返し伸びるおよび緩むまたは行ったり来たりして動く第１の部分を、伸びるおよび緩むことがないまたは第１の部分とともに動かない剛性の第２の部分に電気的に接続する電気接続アセンブリを提供する。１つの例では、第１の部分は、繰返し伸びるおよび緩むエラストマー材料のシートに結合される一方で、第２の部分は、銅またはステンレス鋼から作られるものなどの変形不可能な硬いケーブル導体である。

出願人は、エラストマーシートの表面に対して存在する電極によって形成される空洞壁を含む空洞を形成し、空洞の中にステンレス鋼のケーブルを置き、電解質などの電気伝導性流体を空洞の中に置く。エラストマー材料のシートが撓むと、空洞壁が撓み、導電性流体が空洞の中で動くが、空洞の壁およびステンレス鋼ケーブルの両者と接したままである。

発明の新規の特徴を特に添付の請求項で述べる。添付の図面と関連して読むと、以下の説明から発明が最もよく理解されるであろう。

波のエネルギを電気に変換するシステムの側面立面図である。 図１の線２−２に沿って取った断面図である。 図２の区域３−３の図である。 伸張可能な電極を硬い非移動導体に接続する接続アセンブリを示す、図１のシステムの管の部分等角断面図である。 図４のシステムの部分の断面図である。 図５と同様であるが、管が拡張した図である。 図１と同様であるが、管の異なる電極に接続する２つの接続アセンブリを有する管の断面図である。 図４と同様であるが、弾性管の外側の周りに延在する２つのコネクタを有する接続アセンブリの部分等角断面図である。 図８のアセンブリの部分の断面図である。 発明の別の実施形態のシステムインターフェイスの断面等角図である。 図１０のシステムの袋の断面側面図である。 図１０の空洞を形成する壁の断面図である。 別の接続アセンブリの断面図である。 図１３の線１４−１４に沿って取った断面図である。 図１４から変形したシステムの部分の拡大図である。 図１５のシステムから変形したシステムの断面図である。

好ましい実施形態の説明
図１は、海１２の波の作用から発電するシステム１０を示す。システムは、電気活性ポリマーなどのエラストマー（弾性）または伸張可能材料の管１４を含む。図２に示すように、管は軸１６を有して主に円筒形であり、これは１４Ｅのように広がりまたは伸び、１４Ｃまで縮む。水の量２０は図示する特定の管を完全に満たし、浮揚性のために外側に何らかの発泡体を用いることができる。図３は、管の壁が、エラストマー材料の（端が合流した管の形態の）シート３０と、シートの対向する面に対して存在する第１および第２のまたは内側および外側の電極３２、３４と、電極の上に存在する保護層４０、４２とを含む。各電極の上には電荷が存在する。好ましくは、各々がシート３０と、電極３２、３４と、保護層４０、４２とから作られる複数の層が存在する。１枚の非常に長い丸まったシート３０からそのような複数層配置を形成して、その表面に電極を有する弾性材料の小型の円筒を形成することができる。

図１では、波５２の峰５０は大きく距離Ｄを空けて管の端の上方に存在する一方で、５４では、わずかな距離しかあけずに波が管の中間部上方に存在する。海の波による、管の壁の外側の海水の振動圧力は、管の内側の海水に対して、管の壁にわたって局所化された圧力勾配を作り出す。管の壁は高い弾性を有するので、それらは圧力勾配に応答して広がることができ、こうして管の中で波の膨らみ（bulge wave）を誘発する。

図４−図６は、電気接続アセンブリ７０を有する、図１の管１４の部分を示す。接続アセンブリは、それらの間に空洞７６を形成する上側および下側壁７２、７４（図５）を含む。上側壁は好ましくは上向きに撓むループを形成する。下側壁７４は、電極の一部となり、管の中に延在するエラストマーシート３０の外側に存在する電気伝導性膜８０（図５）を含む。別の電極３２はシート３０の内側に存在する。ステンレス鋼導体８２は空洞の中に突出する。空洞は、エラストマーシートの外側に存在する電極３４と電気的に接続したままであり、一部の相対的な動きが限られているにも拘わらずステンレス鋼導体８２と接触したままである電解質、ゲル、または液体金属を備えることができるある量の電気伝導性流体８４を保持する。導電性シール８０は、電荷の移動を許しつつ電極３４を保護し、電極の一部と考えられ得る。導電性シールは電極に係るいずれの化学反応も防止し、短絡を防止する。電気伝導性流体は液体金属などの液体の形態にある。

管１４の直径が拡大または縮小すると、接続アセンブリ７０は、図５の構成と図６の構成との間など、構成を変える。特定の上側壁７２は、曲がることができる可撓性のある固体（流動不能）材料から形成され、必ずしもエラストマー材料から形成されるわけではない（エラストマー材料は５０，０００ｐｓｉ以下のヤング弾性率を有する）。（出願人は、「硬い」材料を、少なくとも５００，０００ｐｓｉのヤング率を有するものとして規定する）。エラストマーシート３０が形成する管の壁は、伸びるおよび緩むようにエラストマー材料から形成されなければならない。図６では、空洞７６の幅は図５の幅から約２０％増加している。

ステンレス鋼導体８２との導電性流体またはゲル８４の接触面積を増大するため、出願人は、空洞の中に存在するステンレス鋼導体８２の部分９０（図４）を平らにすることをより好む。元々円筒形であったステンレス鋼導体については、出願人は、その元の幅の２倍よりも大きな幅を有するように、これを平らにする。導体８２は空洞の長さに沿って延在する。導体にステンレス鋼を用いる代わりに、他の硬質のまたは硬い導体を用いることができる。すなわち、繰返される曲げから容易に疲労破壊を被るとしても、高い導電性の電気的導体を用いることができる。空洞７６を満たすのに、電解質、室温で流動性のある金属合金、導電性微細粒子を有する流体、液体金属、およびガリンスタンなどの共晶合金を含むさまざまな導電性流体またはゲル８４を用いることができる。すべてのそのような流体およびゲルを、本明細書中では、流動可能材料もしくは流体または液体と称することがある。低抵抗（１０オーム未満）接続は、各々液体を係合する要素間の液体を通じてなされる。

図７は、エラストマー材料の管１００と、管上の離間した場所に２つの空洞１０２、１０４を形成する１対の可撓性の（しかし必ずしも弾性でない）壁とを図示する。各々の空洞は壁の中のループ１０６、１０８の下に存在する。ループ１０６は、図５と同様のループ端１０５、１０７を有する。一方の空洞１０２を用いて外側電極３４（図５）との接触を確立する一方で、他方の空洞１０４を用いて内側電極８２との接触を確立する。各々が空洞のうち１つの中の導電性液体１２０、１２２の１つと電気的接触を確立する１対の伸張不能剛性導体１１４，１１６を設ける。

図８は、１対の電気伝導性エラストマーリング１３２、１３４がエラストマー材料の管１４０に搭載される別のシステム１３０を図示する。一方のリング１３２は管の外側または外部電極（３４、図３）に接続され、他方のリングは管上の内部電極（３２）に接続される。両者の接続は対応の空洞の中の導電性流体を通してなされる。図９は、外部電極１４２が波型の薄いシートであり得ることを示す。別の代替策は、弾性シートの表面領域に導電性粒子を含浸させ得ることである。

図１０−図１２は、管１５４の外側表面上に電極１５２を含む電気的インターフェイスを有するシステム１５０を図示する。システムは、電極１５２を係合する、導電性流体などの導電性流動可能媒体１６２（図１２）を満たした空洞１６０を形成する。システムは、圧力下で導電性流体１６２を含有する袋（pouch）１７０（図１１）を含む。袋は、導
電性流体で満たされる可撓性管１７２を通して空洞１６０に接続される。硬質の導体は、流体との直接接触により、袋および／または袋中の導電性流体に接続する。図１１は、袋の中に存在し、流体と直接に接触するケーブル導体の平らにされた端１７４を示す。流体に圧力を加えるための手段は、流体に圧力を加えて流体が袋および空洞１６０を完全に満たすのを確実にする、弾力性のある袋または袋の中の拡張可能な気嚢（envelope）１８０を含むことができる。

図１３−図１５は、導電性流体２２２を用いてエラストマー部と剛性部との間に低抵抗電気接続を確立する別の接続アセンブリ２２０を図示する。エラストマー材料の１対のシート２２４、２２６は各々円筒形状であり、内側筒２２４は外側筒２２６と同心に存在する。エラストマー材料の複数の層２３０（図１５）が筒２２４、２２６の間に存在し、複数の電極２３２、２３４が層２３０の間に存在する。

接続アセンブリ２２０は、軸方向に対向する端２２５、２２７を有する。交互の第１の電極２３２は、取付具２３６によって、空洞２２５中に存在する電気伝導性流体２２２に接続される。導電性流体２２２は管２４２の中に存在し、チャンバ２４７の中に存在するマウント２４５を有する、ステンレス鋼から作られるものなどの導電性ワイヤ２４４と直
接に接触して存在する。非導電性シリコーンなどの弾性シール２４６が取付具２３６を封止する。好ましい実施形態では、取付具２３６は、導電性流体２２２を通さない導電性エラストマー材料から形成されるが、導電性流体へおよび導電性流体から電流を搬送する。交互の第２の電極２３４は、接続アセンブリの第２の端２２７にある取付具などを通して接続される第２の軸方向端を有する。

図１６は、図１５のアセンブリから変形される接続アセンブリ２５０を示す。アセンブリ２５０は、導電性液体２５６で満たした空洞２５４を形成する、エラストマーのかつ電気伝導性の第１のシール２５２を含む。第１の電極２３２は、導電性シール２５２の一部２６０を、当該一部へのはんだ付け、クランプなどによって係合する。第２の電気伝導性エラストマーシール２７０は、導電性液体を含有する空洞２７２を有する。第２のシールは第２の電極２３４に接する。電極は伸びた（または圧縮された）弾性材料の層２８０の間に存在する。層２８０、電極２３２、２３４、およびシール２５２、２７０は、枠２８２の中に、枠と圧縮嵌合した状態で存在する。層の伸び（または圧縮）が増減されると、電極２３２、２３４は近づいてまたは離れて動き、隣接する電極同士の間の電圧を変化させる。これにより、より高電圧の電極から負荷を通したより低電圧の電極の中への電流の流れによって発電が可能になる。

このように、発明は、ステンレス鋼または他の硬質の材料の１つなどの剛性の導体がエラストマー材料のシートの表面上に存在する薄い拡張可能／収縮可能電極に電気的に接続される電気接続アセンブリを備える。アセンブリは、繰返し形状を変え、そうしてその幅および／または高さがその最小幅および高さの少なくとも１２０％に拡大することができかつ形状を変えることができる空洞を形成する壁を含む。ある量の電気伝導性液体が空洞の中に存在し、形状の変化にも拘わらず、剛性の導体および電極の両方との電気的接触を維持する。

発明の特定の実施形態を本明細書中で説明しかつ図示したが、当業者には修正例および変形が容易に想到され得ることが認められ、その結果、そのような修正例および均等物を包含するように請求項が解釈されることが意図される。

３０ シート、３２ 第１の電極、３４，８０ 第２の電極、７０ 電気接続アセンブリ、７２，３４，８０ 壁、７６ 空洞、８２，９０ 硬質の導体、８４ 電気伝導性流動可能材料、１０５，１０７ ループ端、１０６ ループ、１０９ ループ中間部。

Claims (4)

1. 伸びるおよび緩むことができるエラストマー材料のシート（３０）の表面に存在する第２の電極（３４，８０）に硬質の導体（８２，９０）を接続するための電気接続アセンブリ（７０）であって、第１の電極（３２）は前記第２の電極に対向する前記シートの表面に存在し、前記電極間の電圧は前記シートが伸びるおよび緩むと変化し、
   前記電気接続アセンブリ（７０）は、空洞（７６）を形成する、撓むことができる壁（７２，３４，８０）を含み、前記空洞の壁は前記第２の電極（３４，８０）に接続され、前記電気接続アセンブリ（７０）は、
   前記空洞を満たすある量の電気伝導性流動可能材料（８４）を含み、
   前記硬質の導体（８２，９０）は導電性流動可能材料と電気的に接触して存在し、
   前記シートは中空の筒の形状に延在し、ループ（７２）は前記筒の上にあり、前記空洞（７６）は、前記ループの下に存在して前記流動可能材料を保持する、アセンブリ。
2. 空洞を形成する前記壁は、弾性材料の前記シート上に存在する前記第２の電極（３４，８０）を備える下側壁（７４）と、前記下側壁と係合しかつこれに対して封止される、対向するループ端（１０５，１０７）を有するループ（１０６）の中に延在する上側壁（７２）とを含み、かつ、前記下側壁の伸張とともに変化する距離だけ前記下側壁から離間するループ中間部（１０９）を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記筒の中に径方向内向きに延在して第２の空洞（１０４）を形成する第２のループ（１０８）を形成する壁を含む、請求項１に記載のアセンブリ。
4. 袋（１７０）と、前記袋を前記空洞に接続する管（１７２）とを含み、前記導電性流動可能材料は、前記袋の中、前記管（１７２）の中、および前記空洞の中に存在する量の導電性流体を含む、請求項１に記載のアセンブリ。

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