JP2020122390A - 動力発生装置及びそれを用いた動力発生方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】重力又は浮力により物体が移動する力を利用して動力を効率良く発生させる。【解決手段】動力発生装置10は、動力を出力するための水平回転軸21と、水平回転軸を中心として水平回転軸と別に回転する回転体31と、回転体に直径方向に延びて設けられたレール36と、レールに往復移動可能に設けられた移動体41と、移動体の移動により水平回転軸を予め定めた正回転方向に回転させる駆動手段51とを備える。駆動手段が、水平回転軸に内輪52aが嵌着された一方向クラッチ52と、レールに対する移動体の移動を一方向クラッチ52の外輪52bの回転に転換する伝達手段53とを備え、伝達手段が、外輪に嵌着されたピニオンギア53aと、移動体に設けられピニオンギアに歯合するラックギア53bとを備える。レールが回転体に水平回転軸を中心として等角度に少なくとも三本設けられ、移動体が錘43又は浮きを備える。【選択図】 図1
Description
本発明は、重力又は浮力により物体が移動する力を利用して動力を発生させる動力発生装置及びそれを用いた動力発生方法に関するものである。
従来、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。このため、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(例えば、特許文献1参照。)。
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。
しかし、上記従来の発電装置では、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、錘付き回転板が他方向に回転する振り子運動からエネルギを取り出すことができずに、その錘付き回転板の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は少なく極めて効率が悪いという不具合があった。
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。
本発明の目的は、重力又は浮力により物体が移動する力を利用して動力を効率良く発生させることのできる動力発生装置及びそれを用いた動力発生方法を提供することにある。
本発明は、動力を出力するための水平回転軸と、水平回転軸を中心として水平回転軸と別に回転する回転体と、回転体に直径方向に延びて設けられたレールと、レールに往復移動可能に設けられた移動体と、移動体の移動により水平回転軸を予め定めた正回転方向に回転させる駆動手段とを備えた動力発生装置である。
この場合の駆動手段は、水平回転軸に内輪が嵌着された一方向クラッチと、レールに対する移動体の移動を一方向クラッチの外輪の回転に転換する伝達手段とを備えることが好ましく、その伝達手段は、外輪に嵌着されたピニオンギアと、移動体に設けられピニオンギアに歯合するラックギアとを備えることが好ましい。
また、移動体が錘又は浮きを備えることが好ましく、レールが回転体に水平回転軸を中心として等角度に少なくとも三本設けられることが好ましい。その場合、一のレールにおいて移動体の移動が完了する前に別のレールにおける移動体の移動が新たに開始し、その別のレールにおける移動体の移動が開始した後に、一のレールにおける移動体の移動が完了する回転速度で回転体を回転させることが好ましい。
本発明の動力発生装置の停止状態において、移動体は、重力又は浮力によりレールの鉛直方向下方又は上方に位置することになるが、レールと共に回転体が水平回転軸を中心に回転すると、移動体が位置するレールの一端部が他端部より鉛直方向上位又は下位に達する様にレールが傾斜した段階で、重力又は浮力により移動体はレールの一端部から他端部に向けて移動を開始する。
移動体が移動すると、駆動手段により水平回転軸を予め定めた正回転方向に回転させることになる。回転体の回転によりレールの傾斜は徐々に大きくなるので、レールに対する移動体の重力又は浮力により移動しようとする力も増大し、そのレールが鉛直になった状態で最大と成る。このため、レールが鉛直に近くなった段階で水平回転軸を正回転方向に回転させようとする力も最大となり、水平回転軸をより効果的に回転させることができる。
また、レールが回転体に水平回転軸を中心として等角度に少なくとも三本設ければ、レールと共に回転体が回転し、その内の一つレールにおいて移動体の移動が終了しても、他のレールにおける移動体の移動が新たに開始し、水平回転軸を常に回転させることができる。
更に、移動体が錘又は浮きを備えるようであれば、錘又は浮きの取り外しにより移動体の重量又は浮力を変化させることができ、その移動体の重力又は浮力により移動しようとする力により回転する水平回転軸の回転力(トルク)を変更調節することもできる。
このように、本発明によれば、移動体の重力又は浮力により移動しようとする力を利用しているので、水平回転軸の比較的大きな回転力を得ることができる。その一方、従来の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、機構が簡単になる。
また、移動体の往動時と復動時の双方において水平回転軸を予め定めた正回転方向に回転させる駆動手段であれば、動力損失量も極めて少いので、効率の良い動力発生装置を実現できる。
次に、本発明を実施するための形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図1に本発明における動力発生装置10を示す。図における動力発生装置10は、動力を出力するための水平回転軸21と、その水平回転軸21を中心として水平回転軸21と別に回転する回転体31を備える。
水平回転軸21は水平方向に間隔を開けて設けられた一対の枢支台11a,11bに両端が枢支されて水平に設けられる。この実施の形態では、発生した動力により発電機12を駆動するものとして説明し、一方の枢支台11aの近傍には発電機12が設けられる。そして、一方の枢支台11aに枢支された水平回転軸21の一方の端部にはスプロケット13が設けられ、そのスプロケット13と発電機12の回転軸12aに設けられたスプロケット14の間にはチェーン15が架設されて、この水平回転軸21と発電機12はチェ−ン15で連結されるものとする。
水平回転軸21を回転中心として回転する回転体31は、その重心が水平回転軸21に一致するものであって、この実施の形態における回転体31は、水平回転軸21に回転自在に嵌挿されて一対の枢支台11a,11bにそれぞれ枢支される一対の筒体32a,32bと、水平回転軸21を中央にしてその水平回転体31を包囲する六角状の外枠33と、一対の筒体32a,32bから放射状に延びて外枠33と一対の筒体32a,32bを連結する複数の支持片34とを備える。
この実施の形態では、回転体31を発動機22により回転させるものとして説明し、他方の枢支台11bの近傍には発動機22が設けられる。そして、他方の枢支台11bに枢支された回転体31における他方の筒体32bにはスプロケット23が設けられ、そのスプロケット23と発動機22の出力軸22aに設けられたスプロケット24の間にはチェーン25が架設されて、この回転体31と発動機22はチェ−ン25で連結されるものとする。
図1及び図4に示すように、回転体31における外枠33は、水平回転体31を包囲して一対の筒体32a,32bに支持片34を介してそれぞれ連結される一対の六角状枠材33a,33bと、水平方向に所定の間隔を開けて設けられた一対の六角状枠材33a,33bを連結するように水平回転軸21と平行に設けられた複数の幅部材33cとを有する。この幅部材33cは、一対の六角状枠材33a,33bに水平回転軸21を中心として60度毎にそれぞれ一対設けられ、水平回転軸21を中心とする対向位置に存在する一対の幅部材33cには、それらの幅部材33cを連結するようなレール36が回転体31の直径方向に延びて設けられる。
レール36は、水平回転軸21を通過する回転体31の直径方向に延びて設けられるが、この実施の形態では、その回転体31に水平回転軸21を中心として等角度に三本設けられる場合を示す。即ち、回転体31が六角状枠材33a,33bを有するこの実施の形態では、図5〜図7に示すように、三本のレール36が水平回転軸21を中心として60度毎に設けられるものとする。これらのレール36は同一構造であるので、その内の1つのレール36を代表して説明し、その他のレール36の説明を省略する。
即ち、この実施の形態におけるレール36は、断面がL字状の等辺アングル鋼又は不等辺アングル鋼から構成されるものとし、図3に示すように、4本のアングル鋼36a,36b,36c,36dにより単一のレール36が構成される場合を示す。この4本のアングル鋼36a,36b,36c,36dは、断面において方形の角部に位置するように互いに平行に配置されて、水平回転軸21を中心とする対向位置に存在する一対の幅部材33cにそれぞれが架設される。
そして、三本のレール36には、これらのレール36を構成する4本のアングル鋼36a,36b,36c,36dにより囲まれる空間に重力又は浮力により移動する移動体41がそれぞれ長手方向に往復移動可能に挿入される。
この実施の形態では、重力により移動する移動体41がレール36に挿入される場合を示す。そして、この実施の形態における移動体41は、4本のアングル鋼36a,36b,36c,36dにより囲まれる空間に挿入される直方体状の本体42と、この本体42に取り外し可能に設けられた錘43とを備える。本体42は水平回転軸21を挟むように設けられた2枚の平板42aと、その2枚の平板42aをそれらの端部において連結する連結具42bを備える。
平板42aの幅Aは、幅部材33cに端部が取付けられた2本のアングル鋼の間(36aと36bの間及び36cと36dの間)に挿入可能に構成され、連結具42bの高さHは、一対の幅部材33cに端部が取付けられた2本のアングル鋼の間(36aと36cの間及び36bと36dの間)に2枚の平板42aが挿入可能な高さに構成される。これにより、この本体42は4本のアングル鋼36a,36b,36c,36dにより囲まれる空間に挿入可能に構成される。なお、図示しないが、この本体42には、4本のアングル鋼36a,36b,36c,36dに対する移動の際の抵抗を低減するベアリングが設けられるものとする。
2枚の平板42aには、本体42の外側に取付片42cが取付けられ、それらの取付片42cに錘43がそれぞれ取付けられる。この実施の形態における錘43は、複数枚の鋼板であって、それら複数の鋼板は取付片42cにボルト44により取付けられる。このため、この錘43は、ボルト44を取り外して、錘43を構成する鋼板の枚数を増減させ、再びボルト44によりそれらを取付片42cに取付けることにより、移動体41の重量を変更可能に構成される。
また、本発明の動力発生装置10は、移動体41の移動により水平回転軸21を予め定めた正回転方向に回転させる駆動手段51を備える。三本のレール36が60度毎に設けられるこの実施の形態では、駆動手段51もそれぞれのレール36に設けられる。それら駆動手段51はそれぞれ同一構造であるので、その内の1つのレール36に設けられた駆動手段51を代表して説明し、他のレール36に設けられた駆動手段51の説明を省略する。
図2及び図3に示すように、この実施の形態における駆動手段51は、水平回転軸21に内輪52aが嵌着された一方向クラッチ52と、レール36に対する移動体41の移動を一方向クラッチ52の外輪52bの回転に転換する伝達手段53とを備え、この伝達手段53は、一方向クラッチ52の外輪52bに嵌着されたピニオンギア53aと、移動体41に設けられてピニオンギア53aに歯合するラックギア53bとを備える場合を示す。
一方向クラッチ52は、同軸上の内輪52aと外輪52bの間で一方向のトルクを伝達するものであって、移動体41における一対の平板42a,42aにより挟まれた水平回転軸21に、二つの一方向クラッチ52,52がトルクの伝達方向を同じにして嵌着される。そして、それら二つの一方向クラッチ52,52の外輪52bにはピニオンギア53aがそれぞれ嵌着され、一方のピニオンギア53aに歯合するラックギア53bが一方の平板42aに取付けられ、他方のピニオンギア53aに歯合するラックギア53bが、その一方の平板42aと共に水平回転軸21を挟む他方の平板42aに取付けられる。
このように、水平回転軸21を挟む一対の平板42a,42にラックギア53bをそれぞれ取付けるので、レール36に対して移動体41が移動すると、それらに歯合するピニオンギア53aはそれぞれ逆方向に回転することになる。けれども、ピニオンギア53aが外輪52bに嵌着された一方向クラッチ52は、水平回転軸21の予め定めた正回転方向の外輪52bの回転を内輪52aに伝達し、外輪52bの逆方向の回転は内輪52aに伝達せずに、空転させることになる。
してみると、レール36に対して移動体41が一方に移動すると、一方の平板42aに取付けられたラックギア53bにピニオンギア53aが歯合する一方の一方向クラッチ52により水平回転軸21を正回転方向に回転させ、レール36に対して移動体41が他方に移動すると、他方の平板42aに取付けられたラックギア53bにピニオンギア53aが歯合する他方の一方向クラッチ52により水平回転軸21を正回転方向に回転させることになる。このため、この駆動手段51は、移動体41の往動時及び復動時の双方において、水平回転軸21を正回転方向に回転させるものとなる。
次に、このように構成された動力発生装置を用いた動力発生方法を説明する。
図5に示すように、本発明の動力発生装置10の停止状態において、重力により移動する移動体41は、自重によりレール36の下部、即ち、水平回転軸21より鉛直方向下方に位置することになる。
この動力発生装置10を駆動させるためには、先ず、水平回転軸21を回転中心として、回転体31を比較的ゆっくりと回転させる。駆動手段51が一方向クラッチ52を備えるこの実施の形態では、その一方向クラッチ52がトルクを伝達して水平回転軸21を回転させようとする方向と同一の方向に回転体31を回転させる。
具体的には、図1に示す発動機22を始動させて、その出力軸22aを回転させ、その出力軸22aとチェーン25を介して他方の筒体32bが連結された回転体31を回転させる。
回転体31が水平回転軸21を中心に回転すると、レール36も回転体31と共に回転し、図6に示すように、移動体41が位置するレール36の一端部が他端部より鉛直方向上位に達する様にレール36が傾斜すると、その段階で、移動体41は重力によりレール36の一端部から他端部に向けて実線矢印で示すように降下するような移動を開始する。
移動体41が移動すると、駆動手段51により水平回転軸21を予め定めた正回転方向、即ち、一方向クラッチ52がトルクを伝達して水平回転軸21を回転させようとする方向であって、回転体31の回転と同一の方向にその水平回転軸21を回転させることになる。
水平回転軸21が回転すると、図1に示す様に、水平回転軸21に発電機12を連結したこの実施の形態では、その水平回転軸21の回転がチェーン15を介して発電機12に伝達され、発電機12の回転軸12aが回転することにより発電が成されることになる。
回転体31の回転によりレール36の傾斜は徐々に大きくなるので、レール36に対する移動体41の自重により降下しようとする力もその傾斜と共に増大し、そのレール36が鉛直になった状態で最大と成る。このため、レール36が鉛直に近くなった段階で水平回転軸21を正回転方向に回転させようとする力も最大となり、水平回転軸21の回転により生じる動力も最大となる。
一方、移動体41がレール36の下端にまで達して、その移動体41のレール36に対する移動が停止すると、その移動体41が水平回転軸21を回転させることは無い。けれども、レール36を回転体31に水平回転軸21を中心として60度毎に三本設けているので、図7に示すように、レール36と共に回転体31が回転し、その内の一つレール36において移動体41の実線矢印で示す降下が終了しても、その一つのレール36と60度において交差する別のレール36における移動体41の降下が、破線矢印で示す様に新たに開始することになる。
よって、レール36を回転体31に水平回転軸21を中心として等角度に少なくとも三本設けることにより、回転体31の回転が継続する限り、移動体41の移動による水平回転軸21の回転を常に継続させることが可能となる。
ここで、一つレール36において移動体41の降下が終了した後に、別のレール36における移動体41の降下が開始するような、かなり遅い回転体31の回転速度であると、水平回転軸21を回転させる力が途中で途絶えることになり、水平回転軸21の回転速度にムラが生じて滑らかな回転が困難となる。
その一方で、回転体31の回転速度が比較的速いと、レール36の一端から他端への移動体41の降下が開始した後に、その降下が完了する以前に、レールの他端が一端より鉛直方向上位となって、レールの他端から一端への移動体41の移動が生じることになる。このように、かなり速い回転体31の回転速度であると、移動体41の降下するエネルギから、水平回転軸21を回転させようとするエネルギを十分に取り出すことができずに、エネルギ効率を悪くすることになる。
よって、エネルギ効率を向上させると共に、水平回転軸21の滑らかな回転を得るために、回転体31の回転速度は、一つレール36において移動体41の降下が完了する前に別のレール36における移動体41の降下が新たに開始し、その別のレール36における移動体41の降下が開始した後に、一つレール36における移動体41の降下が確実に完了するような回転速度に調整することが好ましい。
そして、水平回転軸21を回転させるようとする力(トルク)は、移動体41の降下しようとする重さにより変化することになる。この実施の形態では、移動体41が取り外し可能な錘43を備えているので、錘43の取り外しにより移動体41の重量を変化させることができる。このため、移動体41の重量を変更調整することにより、その移動体41の自重により降下しようとする力により回転する水平回転軸21の回転力、即ちトルクを変更調節することもできる。
このように、本発明によれば、移動体41の自重により降下しようとする力を利用しているので、移動体41の重さを重くすることにより、水平回転軸21の比較的大きな回転力を得ることができる。その一方、従来の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、機構が簡単になる。
また、移動体41の往動時と復動時の双方において水平回転軸21を予め定めた正回転方向に回転させる駆動手段51を備えているので、動力損失量も極めて少いので、効率の良い動力発生装置10を実現することができるのである。
なお、上述した実施の形態では、回転体31を発動機22により回転させ、水平回転軸21に発電機12を連結して出力された動力により発電する場合を説明した。けれども、図示しないが、回転体31をモータにより回転させるようにしても良く、可能であれば、その回転体31を人力により回転させるようにしても良い。また、水平回転軸21の回転により出力された動力により発電機12以外の装置を駆動させるようにしても良い。
また、上述した実施の形態では、六角状枠材33a,33bを有する回転体31を用い、そこに三本のレール36が60度毎に設けられる場合を説明した。けれども、外枠33は、6角形状のものに限られるものではなく、レール36も三本に限られるものではない。例えば、円形の外枠や六角以外の多角形から成る外枠を有するような回転体を用いても良く、八角状の外枠であれば、レールを45度毎に四本設けるようにしても良い。
また、上述した実施の形態では、4本のアングル鋼36a,36b,36c,36dにより単一のレール36が構成される場合を例示した。けれども、レール36は、移動体41を往復移動可能に支持しうる限り、アングル鋼から成るものに限られずに、どのようなものであっても良い。例えば、断面がコ字状を成すチャンネル鋼を用い、移動体41を両側から挟むようにしても良い。
また、上述した実施の形態では、駆動手段51が一方向クラッチ52と伝達手段53とを備え、その伝達手段53がピニオンギア53aとラックギア53bとを備え場合を説明したが、移動体41の移動により水平回転軸21を予め定めた正回転方向に回転させ得る限り、駆動手段は一方向クラッチ52を用いなくても良い。また、一方向クラッチ52を用いる場合であっても、その伝達手段は、レール36に対する移動体41の移動を一方向クラッチ52の外輪52bの回転に転換しうる限り、ギアではなく別のもの、例えば、スプロケットとチェーンを用いるようなものであっても良い。
更に、上述した実施の形態では、重力により移動する移動体41がレール36に挿入される場合を説明した。けれども、浮力により移動する移動体41をレール36に挿入しても良い。この場合、本装置10をプールに貯留された液体や浜辺における海水に沈めて、回転体31を回転させることにより、浮力により移動する移動体41により水平回転軸21を回転させることが可能となる。
一方、本装置10の全体を液体に沈めることが困難である場合には、例えば、図8に示す様に、移動体41の移動方向の本体42の両側にロッド46を介して浮き47をそれぞれ設け、その浮き47が内部で移動可能なタンク48をレール36の両端に設けるようにしても良い。
浮き47はタンク48に貯留された液体よりも比重が軽いものであって、図8に示す様な浮き47が設けられた移動体41では、タンク48に貯留された液体に対して浮き47が浮力により浮上しようとするので、その浮力により移動体41はレール36の上部、即ち、水平回転軸21より鉛直方向上方に移動しようとすることになる。
このため、移動体41がレールの上位に位置する状態で、回転体31が水平回転軸21を中心に回転すると、レール36も回転体31と共に回転し、移動体41が位置するレール36の一端部が他端部より鉛直方向下位に達する様にレール36が傾斜すると、その段階で、移動体41は浮き47の浮力によりレール36の一端部から他端部に向けて上昇するような移動を開始する。
このように移動体41が移動すると、駆動手段51により水平回転軸21を予め定めた正回転方向、即ち、一方向クラッチ52がトルクを伝達して水平回転軸21を回転させようとする方向であって、回転体31の回転と同一の方向にその水平回転軸21を回転させることになる。
そして、浮き47の浮力を変化させれば、その移動体41の浮力により回転する水平回転軸21の回転力、即ちトルクを変更調節することもできる。
ここで、浮き47の浮力の変更は、浮き47の種類又は体積を変えるか、或いは液体の比重を変えるか、若しくは、タンク48内の液体を加圧することにより変更することができる。図8の符号49は、タンク48内の液体を加圧するコンプレッサ49である場合を例示するものとする。
10 動力発生装置
21 水平回転軸
31 回転体
36 レール
41 移動体
43 錘
47 浮き
51 駆動手段
52 一方向クラッチ
52a 内輪
52b 外輪
53 伝達手段
53a ピニオンギア
53b ラックギア
21 水平回転軸
31 回転体
36 レール
41 移動体
43 錘
47 浮き
51 駆動手段
52 一方向クラッチ
52a 内輪
52b 外輪
53 伝達手段
53a ピニオンギア
53b ラックギア
Claims (6)
- 動力を出力するための水平回転軸(21)と、
前記水平回転軸(21)を中心として前記水平回転軸(21)と別に回転する回転体(31)と、
前記回転体(31)に直径方向に延びて設けられたレール(36)と、
前記レール(36)に往復移動可能に設けられた移動体(41)と、
前記移動体(41)の移動により前記水平回転軸(21)を予め定めた正回転方向に回転させる駆動手段(51)と
を備えた動力発生装置。 - 駆動手段(51)が、水平回転軸(21)に内輪(52a)が嵌着された一方向クラッチ(52)と、レール(36)に対する移動体(41)の移動を前記一方向クラッチ(52)の外輪(52b)の回転に転換する伝達手段(53)とを備えた請求項1記載の動力発生装置。
- 伝達手段(53)が、外輪(52b)に嵌着されたピニオンギア(53a)と、移動体(41)に設けられ前記ピニオンギア(53a)に歯合するラックギア(53b)とを備えた請求項2記載の動力発生装置。
- 移動体(41)が錘(43)又は浮き(47)を備える請求項1ないし3いずれか1項に記載の動力発生装置。
- レール(36)が回転体(31)に水平回転軸(21)を中心として等角度に少なくとも三本設けられた請求項1ないし4いずれか1項に記載の動力発生装置。
- 請求項5に記載の動力発生装置を用いた動力発生方法であって、
一のレール(36)において移動体(41)の移動が完了する前に別のレール(36)における移動体(41)の移動が新たに開始し、前記別のレール(36)における前記移動体(41)の移動が開始した後に、前記一のレール(36)における前記移動体(41)の移動が完了する回転速度で回転体(31)を回転させることを特徴とする動力発生方法。
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JP2017100570A JP2020122390A (ja) | 2017-05-22 | 2017-05-22 | 動力発生装置及びそれを用いた動力発生方法 |
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