JP2023018466A - 振動発電装置及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率をより向上させることができる。【解決手段】振動発電装置１０は、壁面２６に沿って流れる流体に起因して振動が生じる振動励起体１１と、振動励起体１１に接続された揺動可能なフレーム１２のアーム部１２ｃと、アーム部１２ｃの揺動に起因して発電する磁歪板１３及びコイル１４と、を備え、振動励起体１１は壁面２６に近接して配置される。【選択図】図１

Description

新規性喪失の例外適用申請有り

本発明は、振動発電装置及び移動体に関する。

近年、振動を利用した電磁誘導や圧電現象によって発電を行う種々の振動発電装置が開発されている。例えば、コイルを巻回した磁歪棒の先端に錘を設け、錘の振動によって磁歪棒を振動させることにより、磁歪棒を部分的に伸縮させ、逆磁歪効果によって発電を行う振動発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、このような振動発電装置において錘を振動させる方法として、錘を流体中に配置してカルマン渦を生じさせ、錘を自励振動させることが考えられる。この場合、カルマン渦によって生じる錘の振動周波数（渦放出周波数）と、錘や磁歪棒からなる振動系の固有振動数が一致するとロックイン現象が生じ、錘が大きく振動するため、振動発電装置の発電効率を向上させることができる。

国際公開第２０１１／１５８４７３号

しかしながら、例えば、錘が円柱からなる場合、ストローハル数がほぼ一定であることが知られており、流体の流速が変化すると渦放出周波数も変化する。その結果、渦放出周波数と錘や磁歪棒からなる振動系の固有振動数が一致する状態を維持するのは困難であり、振動発電装置の発電効率が低下することがある。したがって、従来の振動発電装置は依然として発電効率の面で改善の余地がある。

本発明は、発電効率をより向上させることを目的とする。

この発明の一態様による振動発電装置は、壁面に沿って流れる流体に起因して振動が生じる振動励起体と、前記振動励起体に接続された揺動可能な被振動体と、前記被振動体の揺動に起因して発電する発電部と、を備え、前記振動励起体は前記壁面に近接して配置される。

この構成によれば、振動励起体が壁面に近接して配置されることにより、振動励起体の振動が助長されるため、ロックイン現象が伴う流速範囲以外においても、振動励起体の振動を大きくすることできる。すなわち、振動励起体の渦放出周波数と、振動励起体及び被振動体からなる振動系の固有振動数とを一致させなくても、振動励起体を十分に振動させることができるため、発電効率をより向上させることができる。

本発明によれば、発電効率をより向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る振動発電装置の構成を説明するための図である。 図１の振動発電装置による発電を説明するための側面図である。 振動発電装置の振動励起体を壁面に近接した場合に生じる流体振動現象を観測するための実験に用いられた回流水槽の構成を概略的に示す図面である。 円柱状部材を柱状体として用いた場合の流体振動現象の観測結果を説明するための図である。 四角柱状部材を柱状体として用いた場合の流体振動現象の観測結果を説明するための図である。 四角柱状部材を柱状体として用いた場合の流体振動現象の観測結果を説明するための図である。 振動発電装置が適用された風向追従板を示す図である。 振動発電装置が適用された航空機を示す図である。 振動発電装置が適用された列車の一部を示す図である。 振動発電装置が適用された自動車を示す図である。 振動発電装置が適用された鞍乗り型車両としての二輪車を示す図である。 振動発電装置が適用された船舶を示す図である。 振動発電装置が適用された船外機を示す図である。 振動発電装置が適用された船舶の一部を示す図である。 振動発電装置が適用された船舶のダクトプロペラ機構を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。まず、本発明の実施の形態に係る振動発電装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る振動発電装置の構成を説明するための図である。なお、図１（Ａ）は振動発電装置の側面図であり、図１（Ｂ）は振動発電装置の平面図であり、図１（Ｃ）は振動発電装置の変形例の側面図である。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）において、振動発電装置１０は、長尺状の錘である振動励起体１１と、該振動励起体１１に一端が接続された長板状の２つのフレーム１２とを有する。各フレーム１２は平面視において互いに平行に配置される。また、各フレーム１２には、棒状の磁歪板１３が取り付けられ、さらに、フレーム１２と磁歪板１３へコイル１４が巻回される。なお、磁歪板１３とコイル１４は発電部を構成する。

フレーム１２は、磁性材料で構成され、例えば、炭素鋼（ＳＳ４００材、ＳＣ材やＳＫ材）やフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０等）からなる。また、フレーム１２は、側面視においてＵ字状を呈する。フレーム１２では、屈曲部１２ａを挟んで対向する各部がそれぞれベース部１２ｂとアーム部１２ｃ（被振動体）を構成する。ベース部１２ｂは構造体や移動体に取り付けられて固定される。なお、本実施の形態では、ベース部１２ｂが取り付けられる構造体や移動体は積極的に振動しない。アーム部１２ｃの先端には振動励起体１１が取り付けられ、さらに、アーム部１２ｃには、振動励起体１１とフレーム１２の屈曲部１２ａの間において上述した磁歪板１３やコイル１４が取り付けられるが、アーム部１２ｃは構造体や移動体へ固定されない。したがって、フレーム１２では、アーム部１２ｃが屈曲部１２ａ側を固定端とし、振動励起体１１側を自由端とする片持ち梁として機能する。したがって、振動励起体１１が、図１（Ａ）中において上下方向に振動すると、振動励起体１１の振動に起因して、アーム部１２ｃは固定端を中心として図１（Ａ）中の上下方向に揺動する。なお、フレーム１２は側面視でコ字状やＶ字状を呈してもよい。

磁歪板１３は、延性を有する磁歪材料で構成され、例えば、鉄ガリウム合金、鉄コバルト合金、Ｆｅ－Ａｌ合金やＦｅ－Ｓｉ－Ｂ合金からなる。さらには、磁歪板１３を構成する材料として予め応力焼きなまし処理を施すことによって圧縮応力を付加した磁歪材料を用いてもよい。磁歪板１３を構成する磁歪材料は、結晶状態だけでなく、アモルファス状態であってもよい。また、磁歪板１３は、アーム部１２ｃの外面（図１（Ａ）においてアーム部１２ｃの図中上面）へ、例えば、はんだ接合、蝋付け、抵抗溶接、レーザー溶接、若しくは、超音波接合によって取り付けられる。

振動励起体１１を構成する材料は特に限定されないが、低い流速から振動励起体１１を振動させるためには、高比重材、例えば、アンビロイを用いるのが好ましい。振動励起体１１は円柱状部材からなるが、複数のフレーム１２を取り付けられる長尺状部材であればよく、例えば、四角柱状部材（図１（Ｃ））であってもよい。

図２は、図１の振動発電装置１０による発電を説明するための側面図である。図２において、振動励起体１１が図中上下方向に振動する際、図２（Ａ）に示すように、振動励起体１１が上方向に移動すると、アーム部１２ｃは上方へ反り、アーム部１２ｃの上面に取り付けられた磁歪板１３はアーム部１２ｃの長手方向に圧縮される（図中矢印参照）。また、図２（Ｂ）に示すように、振動励起体１１が下方向に移動すると、アーム部１２ｃは下方へ反り、アーム部１２ｃの上面に取り付けられた磁歪板１３はアーム部１２ｃの長手方向に伸長される（図中矢印参照）。すなわち、振動励起体１１が上下方向に振動すると、磁歪板１３の伸縮が繰り返される。このとき、磁歪板１３には圧縮応力と引っ張り応力が交互に作用するため、逆磁歪効果によって磁歪板１３を流れる磁束の変化が繰り返される。これにより、コイル１４を貫く磁束の変化が継続し、コイル１４に起電力が生じて発電が行われる。

ところで、振動励起体１１を上下方向に振動させる方法としては種々の方法が考えられるが、振動励起体１１を流体中に配置して下流にカルマン渦を生じさせ、振動励起体１１を渦振動（渦励振）させる方法が考えられる。しかしながら、流体中において振動励起体１１を構造体等の壁面に近接して配置した場合、振動励起体１１にどのような流体振動現象が生じるかは知られていない。一方、物体を壁面等へ近接させて物体と壁面の間の流路を狭くすると、様々な流体的効果が得られることが知られている。

そこで、本発明者等は、流体中において振動励起体１１を壁面に近接して配置した場合、振動励起体１１にどのような流体振動現象が生じるかを解明すべく、回流水槽を用いて実験を行った。

図３は、振動発電装置１０の振動励起体１１を壁面に近接した場合に生じる流体振動現象を観測するための実験に用いられた回流水槽の構成を概略的に示す図面である。図３において、図中矢印で示す水の一様流が生じている回流水槽１５の平面状の壁面１６へ、振動発電装置１０を模した振動実験装置１７を固定した。振動実験装置１７は、振動励起体１１を模した柱状体１８と、フレーム１２を模した２つのＵ字形フレーム１９と、を備える。振動実験装置１７では、各Ｕ字形フレーム１９が柱状体１８へ直接取り付けられず、柱状体１８には２つのアーム２０が取り付けられ、各アーム２０と各Ｕ字形フレーム１９の間にブロック状の高さ調整治具２１が挟み込まれた。振動実験装置１７は、柱状体１８の長手方向が水流に対して直交し、柱状体１８が壁面１６に対して平行となり、且つ各Ｕ字形フレーム１９の長手方向が水流と平行になるように、回流水槽１５へ配置された。なお、本実験は流体振動現象を観測することが目的であったため、振動実験装置１７には磁歪板１３やコイル１４に相当する構成要素は設けられなかった。また、回流水槽１５の壁面１６は振動しないため、柱状体１８に生ずる振動は、壁面１６の振動によって生じたものではなく、渦の発生等、流体の作用のみによって生じたものである。

実験では、複数の高さが異なる高さ調整治具２１が準備され、高さ調整治具２１を交換することにより、柱状体１８と壁面１６の間の距離Ｓが変更された。さらに、柱状体１８として、円柱状部材（試料１）と、断面の縦横比が互いに異なる３種類の四角柱状部材（試料２～４）が準備され、試料１～４のそれぞれについて、柱状体１８と壁面１６の間の距離Ｓが変更されたときに振動実験装置１７へ生じる振動が観測された。なお、試料１と試料４はステンレスで構成され、試料２と試料３はアンビロイで構成された。

回流水槽１５は、レーザー変位計２２と、レーザードップラー流速計（ＬＤＶ）２３と、ピトー管２４とを備える。レーザー変位計２２は、壁面１６に対する柱状体１８の振動変位を計測し、ＬＤＶ２３は柱状体１８の後方における水流の速度変動を計測し、ピトー管２４は水の壁面１６に対する流速Ｕを計測した。また、コンピュータ２５は、レーザー変位計２２、ＬＤＶ２３及びピトー管２４の計測結果を集計し、柱状体１８に生じる振動の振れ角θ、渦放出周波数ｆ_ｗや後述する換算流速Ｖ_ｒを算出した。

（実験１）
まず、図４に示すように、試料１である円柱状部材を柱状体１８として用いた。柱状体１８の長手方向の長さは２００ｍｍであり、水の流れの方向に平行であり且つ壁面１６に直交する断面形状は円形であり、その直径Ｈは２０ｍｍであった。また、柱状体１８、Ｕ字形フレーム１９のアーム部、高さ調整治具２１及びアーム２０で構成される振動系（以下、「実験振動系」という。）の全長ｒ（図４（Ａ）参照）は１４２ｍｍであった。

実験１では、水の流速Ｕを０．４ｍ／ｓ～２．６ｍ／ｓの範囲で変化させるとともに、壁面１６及び柱状体１８の間の隙間Ｓを段階的に変化させ、柱状体１８に生じる振動を観測し、具体的には、隙間間隔比Ｓ／Ｈを０．５、１．０、２．０及び３．０の４段階に変化させ、振動の観測結果を、図４（Ｂ）のグラフに示した。ここでは、振動角θが０．０５ｄｅｇ以上となる波形の振動が観測されたとき、柱状体１８に振動が生じていると判定した。

図４（Ｂ）のグラフの横軸は換算流速Ｖｒであり、縦軸は実験振動系の振動角θ（図２（Ａ）及び図２（Ｂ）参照）である。換算流速Ｖｒは、壁面１６と柱状体１８の間を流れる水のブロッケージの影響を補正した水の無次元流速である。実験振動系の固有振動数をｆｃとすると、換算流速Ｖｒは下記式（１）で示される。

Ｖｒ＝Ｕ／（ｆｃ×Ｈ） … （１）
また、隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝３．０において柱状体１８に振動が生じていないときの渦放出周波数ｆ_ｗから共振換算流速を算出し、約５．３という値を得た。共振換算流速の近傍では渦励振により、柱状体１８の振動が大きくなることが期待されるが、共振換算流速は、図４（Ｂ）のグラフにおいて、破線で示される。

観測の結果、図４（Ｂ）のグラフに示すように、いずれの隙間間隔比Ｓ／Ｈにおいても、共振換算流速の近傍である換算流速Ｖｒ≒４．０から柱状体１８に振動が生じていることから、円柱状部材では主として渦励振によって振動が生じることが分かった。

また、隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝０．５では換算流速Ｖｒが５．０を超えたあたりから振動角θが急激に増えて柱状体１８が壁面１６へ衝突したため、実験を中止した。隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝１．０では、換算流速Ｖｒが６．５となるまで振動角θが増加し、その後、振動角θは減少するものの、換算流速Ｖｒが８．０を超えても柱状体１８には振動が生じていた。隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝２．０では、換算流速Ｖｒが６．８となるまで振動角θが増加し、その後、振動角θは減少するものの、換算流速Ｖｒが８．０を超えても柱状体１８には振動が生じていた。隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝３．０では、換算流速Ｖｒが６．８となるまで振動角θが増加し、その後、振動角θは減少するものの、換算流速Ｖｒが８．０となるまで柱状体１８には振動が生じていた。

図４（Ｂ）のグラフから分かるように、隙間間隔比Ｓ／Ｈが小さくなるほど、振動角θは大きくなり、且つ柱状体１８に振動が生じる換算流速Ｖｒの範囲が広くなるが、これは、円柱状部材である柱状体１８を壁面１６に近づけるほど、下記式（２）で示される最大隙間Ｓｍａｘに対する最大隙間Ｓｍａｘと最小隙間Ｓｍｉｎの差分の比である隙間変動比が大きくなるため、柱状体１８へ作用する水流の圧力の変動も大きくなり、振動が助長されるためだと考えられた。
隙間変動比＝（Ｓｍａｘ－Ｓｍｉｎ）／Ｓｍａｘ … （２）
なお、最大隙間Ｓｍａｘは柱状体１８が壁面１６から最も離れたときの隙間Ｓであり、最小隙間Ｓｍｉｎは柱状体１８が壁面１６へ最も接近したときの隙間Ｓである。

（実験２）
次に、図５に示すように、試料２である四角柱状部材を柱状体１８として用いた。柱状体１８の長手方向の長さは２００ｍｍであり、水の流れの方向に平行であり且つ壁面１６に直交する断面形状は矩形であった。また、図５（Ａ）に示す、壁面１６と直交する方向に関する柱状体１８の長さＨは２０ｍｍであり、水の流れの方向に平行な方向に関する長さＤは４ｍｍであった。すなわち、柱状体１８の縦横比Ｄ／Ｈは０．２に設定された。また、実験振動系の全長ｒは１７２ｍｍであった。

実験２でも、実験１と同様に、水の流速Ｕを０．４ｍ／ｓ～２．６ｍ／ｓの範囲で変化させるとともに、隙間間隔比Ｓ／Ｈを０．５、１．０、２．０及び３．０の４段階に変化させ、柱状体１８に生じる振動を観測した。また、実験２でも、振動角θが０．０５ｄｅｇ以上となる波形の振動が観測されたとき、柱状体１８に振動が生じていると判定した。

図５（Ｂ）は、柱状体１８の縦横比Ｄ／Ｈが０．２である場合の柱状体１８の振動の観測結果を示すグラフである。図５（Ｂ）の縦軸及び横軸は、図４（Ｂ）のグラフの縦軸及び横軸と同じである。なお、実験２における共振換算流速は約７．３であり、図５（Ｂ）のグラフにおいて、破線で示される。

図５（Ｂ）のグラフに示すように、隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝０．５では、換算流速Ｖｒが２．０を超えると柱状体１８に振動が発生し、その後、振動角θが急激に増えて柱状体１８が壁面１６へ衝突したため、実験を中止した。隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝１．０では、換算流速Ｖｒが２．０を超えると柱状体１８に振動が発生し、その後、換算流速Ｖｒが６．８となるまで振動角θが急激に増加し、さらに、換算流速Ｖｒが８．５となるまで振動角θはほぼ維持された。隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝２．０では、換算流速Ｖｒが２．０を超えると柱状体１８に振動が発生し、その後、換算流速Ｖｒが５．０を超えると振動角θが急激に増え、さらに、換算流速Ｖｒが７．０を超えると振動角θが減少し、換算流速Ｖｒが９．０を超えると柱状体１８に振動が生じなくなった。隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝３．０でも、換算流速Ｖｒが２．０を超えると柱状体１８に振動が発生し、その後、換算流速Ｖｒが７．０を超えると振動角θが急激に増え、さらに、換算流速Ｖｒが８．０を超えると振動角θが急激に減少し、換算流速Ｖｒが９．５を超えると柱状体１８に振動が生じなくなった。

図５（Ｂ）のグラフから分かるように、実験２では、隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝３．０の場合を除き、共振換算流速より随分と低い換算流速から柱状体１８に大きな振動が発生している。これは、四角柱状部材である柱状体１８を壁面１６に近づけるほど、上述した壁面１６及び柱状体１８の間の隙間変動比が大きくなるため、柱状体１８へ作用する水流の圧力の変動が大きくなり、その結果、低速ギャロッピング振動が発生しやすくなったためだと考えられた。また、比較的、壁面１６から離れて柱状体１８が配置される隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝３．０の場合、低速ギャロッピング振動が発生していないことは、この考察を裏付けるものと考えられた。

（実験３）
次に、試料３である四角柱状部材を柱状体１８として用いた。柱状体１８の長手方向の長さは２００ｍｍであり、水の流れの方向に平行であり且つ壁面１６に直交する断面形状は矩形であった。また、図５（Ａ）に示す、柱状体１８の長さＨは２０ｍｍであり、長さＤは１０ｍｍであった。すなわち、柱状体１８の縦横比Ｄ／Ｈは０．５に設定された。また、実験振動系の全長ｒは１４２ｍｍであった。

実験３でも、実験１と同様に、水の流速Ｕを０．４ｍ／ｓ～２．６ｍ／ｓの範囲で変化させるとともに、隙間間隔比Ｓ／Ｈを０．５、１．０、２．０及び３．０の４段階に変化させ、柱状体１８に生じる振動を観測した。また、実験３でも、振動角θが０．０５ｄｅｇ以上となる波形の振動が観測されたとき、柱状体１８に振動が生じていると判定した。

図６（Ａ）は、柱状体１８の縦横比Ｄ／Ｈが０．５である場合の柱状体１８の振動の観測結果を示すグラフである。図６（Ａ）の縦軸及び横軸は、図４（Ｂ）のグラフの縦軸及び横軸と同じである。なお、実験３における共振換算流速は約７．２であり、図６（Ａ）のグラフにおいて、破線で示される。

図６（Ａ）のグラフに示すように、隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝０．５では、換算流速Ｖｒが３．０を超えると柱状体１８に振動が発生し、さらに、換算流速Ｖｒが８．０を超えると一旦振動角θが減少するものの、そこから振動角θは大きく減少することなく、換算流速Ｖｒが１０．０となるまで微増した。隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝１．０では、換算流速Ｖｒが３．０を超えると柱状体１８に振動が発生し、その後、換算流速Ｖｒが１０となるまで振動角θが増加した。隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝２．０では、換算流速Ｖｒが４．０を超えると柱状体１８に振動が発生し、その後、換算流速Ｖｒが１１．０となるまで振動角θが増加した。隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝３．０でも、換算流速Ｖｒが４．０を超えると柱状体１８に振動が発生し、その後、換算流速Ｖｒが９．０となるまで振動角θが増加し、換算流速Ｖｒが９．０を超えると、振動角θは急減した。

図６（Ａ）のグラフから分かるように、実験３では、いずれの隙間間隔比でも、共振換算流速より随分と低い換算流速から柱状体１８に振動が発生している。これは、実験２と同様、四角柱状部材である柱状体１８の壁面１６への近接により、低速ギャロッピング振動が発生しやすくなったためだと考えられた。図６（Ａ）のグラフに示すように、隙間間隔比Ｓ／Ｈが小さくなり、柱状体１８が壁面１６へ近接するほど、換算流速Ｖｒが低い領域から低速ギャロッピング振動が励起されることは、この考察を裏付けるものと考えられた。また、隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝１．０や隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝２．０では、共振換算流速を超えた後も振動角θが減少することが無かったが、これは、渦励振が支配的になる共振換算流速の近傍を超えると、高速ギャロッピング振動が発生したためだと考えられた。

（実験４）
次に、試料４である四角柱状部材を柱状体１８として用いた。柱状体１８の長手方向の長さは２００ｍｍであり、水の流れの方向に平行であり且つ壁面１６に直交する断面形状は正方形であった。すなわち、図５（Ａ）に示す、柱状体１８の長さＨと長さＤはともに２０ｍｍであり、柱状体１８の縦横比Ｄ／Ｈは１．０に設定された。また、実験振動系の全長ｒは１４２ｍｍであった。

実験４でも、実験１と同様に、水の流速Ｕを０．４ｍ／ｓ～２．６ｍ／ｓの範囲で変化させるとともに、隙間間隔比Ｓ／Ｈを０．５、１．０、２．０及び３．０の４段階に変化させ、柱状体１８に生じる振動を観測した。また、実験４でも、振動角θが０．０５ｄｅｇ以上となる波形の振動が観測されたとき、柱状体１８に振動が生じていると判定した。

図６（Ｂ）は、柱状体１８の縦横比Ｄ／Ｈが１．０である場合の柱状体１８の振動の観測結果を示すグラフである。図６（Ｂ）の縦軸及び横軸は、図４（Ｂ）のグラフの縦軸及び横軸と同じである。なお、実験４における共振換算流速は約７．３であり、図６（Ｂ）のグラフにおいて、破線で示される。

図６（Ｂ）のグラフに示すように、隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝０．５では、換算流速Ｖｒが４．０を超えると柱状体１８に振動が発生したものの、換算流速Ｖｒが６．４を超えるまで振動角θが増加することが無く、共振換算流速付近で振動角θが多少増加するものの、その後は換算流速の増加に伴って振動角θは減少した。一方、隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝１．０，２．０及び３．０のいずれでも、換算流速Ｖｒが４．０を超えると柱状体１８に振動が発生し、その後、換算流速Ｖｒが１０を超えても振動角θが増加した。

図６（Ｂ）のグラフから分かるように、実験４でも、いずれの隙間間隔比において、四角柱状部材である柱状体１８の壁面１６への近接により、低速ギャロッピング振動が励起されることが確認された。また、隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝０．５では、共振換算流速を超えた後に振動角θが減少しており、実験３の隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝０．５でも同様の傾向が観察される一方、隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝１．０，２．０や３．０では、共振換算流速を超えた後も振動角θが増加しており、実験３の隙間間隔比Ｓ／Ｈ＝１．０や２．０でも同様の傾向が観察されたことから、高速ギャロッピング振動を発生させるためには、柱状体１８を壁面１６へ近接させすぎるのは好ましくないことも分かった。

実験１～４の観測結果から、水流中に存在する柱状体１８を壁面１６へ近接して配置することにより、隙間変動比が大きくなり、柱状体１８へ作用する水流の圧力の変動も大きくなるため、共振換算流速付近で生じる渦励振だけでなく、低い換算流速から低速ギャロッピング振動を発生させることができ、さらに、条件によっては、換算流速が共振換算流速を超えても、高速ギャロッピング振動を発生させることができ、その結果、水の流速が変化しても、柱状体１８の振動を維持することができるという知見を得た。

この知見を振動発電装置１０に適用し、本発明の実施の形態では、気体や水等の流体の流れの中において、振動励起体１１を、フレーム１２のベース部１２ｂが取り付けられる構造体や移動体の壁面２６へ近接して配置する。特に、壁面２６及び振動励起体１１の間の距離を隙間Ｓとし、壁面２６と直交する方向に関する振動励起体１１の長さを長さＨとしたとき、実験１～４の観測結果から、隙間間隔比Ｓ／Ｈが３．０以下とすることにより、隙間変動比が大きくなり、柱状体１８へ作用する流体の圧力の変動も大きくなるため、低い換算流速から低速ギャロッピング振動を発生させることができ、流体の流速が変化しても、振動励起体１１の振動を維持することができる。その結果、振動発電装置１０の発電効率をより向上させることができる。

より具体的に、本発明の実施の形態では、振動励起体１１の流体の流れの方向に平行であり且つ壁面に直交する断面の形状が円形である場合、実験１の観測結果に示すように、流体の換算流速Ｖｒを４．０以上に保つことにより、振動励起体１１に振動を生じさせることができ、振動発電装置１０の発電効率をより向上させることができる。

また、振動励起体１１の流体の流れの方向に平行であり且つ壁面に直交する断面の形状が矩形であり、当該断面の縦横比Ｄ／Ｈが０．２である場合、実験２の観測結果に示すように、流体の換算流速Ｖｒを２．０以上に保つことにより、振動励起体１１に振動を生じさせることができ、振動発電装置１０の発電効率をより向上させることができる。

さらに、上述した振動励起体１１の断面の形状が矩形であり、当該断面の縦横比Ｄ／Ｈが０．５である場合、実験３の観測結果に示すように、流体の換算流速Ｖｒを３．０以上に保つことにより、振動励起体１１に振動を生じさせることができ、振動発電装置１０の発電効率をより向上させることができる。

また、上述した振動励起体１１の断面の形状が矩形であり、当該断面の縦横比Ｄ／Ｈが１．０である場合、実験４の観測結果に示すように、流体の換算流速Ｖｒを４．０以上に保つことにより、振動励起体１１に振動を生じさせることができ、振動発電装置１０の発電効率をより向上させることができる。

なお、本実施の形態は、縦横比Ｄ／Ｈが１．０以下の柱状体１８を用いて行われた実験１～４の知見に基づくため、振動励起体１１の縦横比Ｄ／Ｈも１．０以下であることが好ましい。また、本実施の形態は、回流水槽１５の壁面１６が振動しない実験１～４の知見に基づくため、フレーム１２のベース部１２ｂが取り付けられる構造体や移動体の壁面は振動しないことを前提とする。

本実施の形態によれば、上述したように、振動励起体１１を壁面へ近接して配置することにより、低い換算流速から低速ギャロッピング振動を発生させることができるため、固有振動数が低下する大型の振動発電装置１０においても、振動励起体１１を振動させることができる。その結果、大型の振動発電装置１０を用いることにより、振動発電装置１０の大型化と振動励起体１１が振動する換算流速の範囲の拡大との相乗効果からさらに発電効率を向上させることができる。

また、本実施の形態では、振動発電装置１０が２つのフレーム１２を有するが、フレーム１２の数は２つに限られず、１つであってもよく、３つ以上であってもよい。なお、フレーム１２の数が３つ以上である場合、各フレーム１２に磁歪板１３とコイル１４を設けることにより、発電効率を向上させることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、振動発電装置１０ではアーム部１２ｃの揺動を利用して磁歪板１３を伸縮させて発電を行ったが、磁歪板１３の代わりに圧電素子を設け、アーム部１２ｃの揺動を利用して圧電素子を変形させることにより発電を行ってもよく、磁歪板１３の代わりに磁性材を設け、アーム部１２ｃの揺動を利用して磁性材をコイルに対して相対移動させるように構成し、電磁誘導によって発電を行ってもよい。なお、振動発電装置１０のアーム部１２ｃそのものを磁歪材で構成し、磁歪板１３を廃してもよい。

また、振動発電装置１０の振動励起体１１は、断面が円形や矩形の柱状体に限られず、断面が四角形以外の多角形を呈する柱状体であってもよい。

さらに、実験１～４では、Ｕ字形フレーム１９の屈曲部が水流の下流側に配置されるように、振動実験装置１７が壁面１６に取り付けられたが、屈曲部の配置箇所は特に限られず、例えば、振動発電装置１０において、フレーム１２の屈曲部１２ａが振動励起体１１よりも流体の上流側に配置されてもよい。

なお、本実施の形態では、図１に示すように、フレーム１２のアーム部１２ｃを壁面２６に対して平行に配置するが、振動励起体１１が壁面２６に近接して配置され、且つアーム部１２ｃが揺動可能であれば、アーム部１２ｃを壁面２６に対して平行に配置しなくてもよい。また、同様に、アーム部１２ｃを流体の流れの方向に対して平行に配置しなくてもよい。

次に、本実施の形態に係る振動発電装置１０の適用例について説明する。

図７は、振動発電装置１０が適用された風向追従板を示す図である。図７（Ａ）において、風向追従板２７は、円板状のベース２８に対して垂直に立設され、ベース２８の中心軸周りに回動可能に構成される。風向追従板２７の回転軸は、風向追従板２７の中心からオフセットして設定されるため、風向追従板２７を流体の流れ、例えば、大気の流れの中に配置した際、風向追従板２７は、その表面が大気の流れ（図中の白矢印参照）の方向と平行となるように向きを変更する。すなわち、風向追従板２７は大気の流れに追従して向きを変更する。風向追従板２７の両面のそれぞれに、振動励起体１１の長手方向が大気の流れに対して略直交し、振動励起体１１が風向追従板２７の表面に対して略平行となり、且つ各フレーム１２の長手方向が大気の流れと略平行になるように、振動発電装置１０が配置される。

風向追従板２７は大気の流れに追従するため、風向追従板２７の表面に大気の流れが存在する確率を高めることができる。これにより、振動発電装置１０の振動励起体１１が振動する頻度を向上させることができ、もって、振動発電装置１０による発電効率をさらに向上させることができる。

各振動発電装置１０が有するフレーム１２やコイル１４の数は２つに限られず、図７（Ｂ）に示すように、各振動発電装置１０は３つ以上のフレーム１２やコイル１４を有していてもよい。なお、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）では、磁歪板１３の図示が省略される。

図８は、振動発電装置１０が適用された航空機を示す図である。図８において、振動発電装置１０は航空機２９の両主翼３０の表面に配置される。なお、図８では、磁歪板１３やコイル１４の図示が省略される。

航空機２９では、振動励起体１１が、その長手方向が主翼３０の前縁に沿うように、主翼３０の前縁の近傍に配置される。また、振動発電装置１０は、振動励起体１１が主翼３０の表面に対して略平行となり、且つ各フレーム１２の長手方向が大気の流れと略平行になるように、主翼３０へ配置される。航空機２９の飛行中、両主翼３０の表面には常時大気の流れが存在するため、振動励起体１１を常時振動させることができ、もって、振動発電装置１０による発電効率をさらに向上させることができる。また、長尺状の振動励起体１１が主翼３０の前縁の近傍に配置されるため、振動励起体１１はボルテックスジェネレーターとしても機能し、大気の抵抗を低下させることもできる。なお、振動発電装置１０が配置される位置は両主翼３０の表面に限られず、飛行や離着陸に支障がない位置であれば、航空機２９のいずれの表面にも配置することができる。

図９は、振動発電装置１０が適用された列車の一部を示す図である。図９において、振動発電装置１０は、列車３１のパンタグラフ３２の風切り音を遮音する遮音板３３の表面に配置される。なお、図９では、磁歪板１３やコイル１４の図示が省略される。

列車３１では、振動励起体１１の長手方向が列車３１の運行中に生じる大気の流れに対して略直交し、振動励起体１１が遮音板３３の表面に対して略平行となり、且つ各フレーム１２の長手方向が上記大気の流れと略平行になるように、遮音板３３へ配置される。列車３１の運行中、遮音板３３の表面には常時大気の流れが存在するため、振動励起体１１を常時振動させることができ、もって、振動発電装置１０による発電効率をさらに向上させることができる。なお、振動発電装置１０が配置される位置は遮音板３３の表面に限られず、運行に支障がない位置であれば、列車３１の車両表面のいずれにも配置することができる。

図１０は、振動発電装置１０が適用された自動車を示す図である。図１０において、振動発電装置１０は、自動車３４の車両表面に配置される。なお、図１０では、磁歪板１３の図示が省略される。また、振動励起体１１、フレーム１２やコイル１４の符号も省略される。

自動車３４では、振動励起体１１の長手方向が自動車３４の走行中に生じる大気の流れに対して略直交し、振動励起体１１が車両表面に対して略平行となり、且つ各フレーム１２の長手方向が上記大気の流れと略平行になるように、車両表面へ配置される。自動車３４の走行中、車両表面には常時大気の流れが存在するため、振動励起体１１を常時振動させることができ、もって、振動発電装置１０による発電効率をさらに向上させることができる。なお、自動車３４は図１０に示すような四輪車に限られず、三輪車やその他の多輪車であってもよい。

図１１は、振動発電装置１０が適用された鞍乗り型車両としての二輪車を示す図である。図１１において、振動発電装置１０は、二輪車３５の車両表面に配置される。なお、図１１では、磁歪板１３の図示が省略される。また、振動励起体１１、フレーム１２やコイル１４の符号も省略される。

二輪車３５では、振動励起体１１の長手方向が二輪車３５の走行中に生じる大気の流れに対して略直交し、振動励起体１１が車両表面に対して略平行となり、且つ各フレーム１２の長手方向が上記大気の流れと略平行になるように、車両表面へ配置される。二輪車３５の走行中も、車両表面には常時大気の流れが存在するため、振動励起体１１を常時振動させることができ、もって、振動発電装置１０による発電効率をさらに向上させることができる。なお、振動発電装置１０が適用される鞍乗り型車両は、図１１に示すような二輪車３５に限られず、三輪車やＡＴＶ（All Terrain Vehicle）であってもよい。

図１２は、振動発電装置１０が適用された船舶を示す図である。図１２において、振動発電装置１０は、船舶３６の船体３７や船室３８の表面に配置される。なお、図１２では、磁歪板１３の図示が省略される。また、振動励起体１１、フレーム１２やコイル１４の符号も省略される。

船舶３６では、振動励起体１１の長手方向が船舶３６の航行中に生じる大気や水の流れに対して略直交し、振動励起体１１が船体３７や船室３８の表面に対して略平行となり、且つ各フレーム１２の長手方向が大気や水の流れと略平行になるように、船体３７や船室３８の表面へ配置される。船舶３６の航行中は、船体３７や船室３８の表面に常時大気や水の流れが存在するため、振動励起体１１を常時振動させることができ、もって、振動発電装置１０による発電効率をさらに向上させることができる。特に、振動発電装置１０が水面下の船体３７の表面に配置される場合、振動励起体１１に作用する流体は水であり、大気よりも密度が高いため、振動励起体１１に作用する圧力の変動が大きく、振動励起体１１を効率良く振動させることができ、結果として、振動発電装置１０の発電効率をさらに向上させることができる。なお、振動発電装置１０が配置される位置は船体３７や船室３８の表面に限られず、姿勢制御のためのトリムタブ３９の表面であってもよい。

図１３は、振動発電装置１０が適用された船外機を示す図であり、図１３（Ａ）は船外機の側面図であり、図１３（Ｂ）は船外機の底面図である。図１３において、振動発電装置１０は、船外機４０のアンチベンチレーションプレート４１の下側表面に配置される。なお、図１３では、磁歪板１３の図示が省略される。また、振動励起体１１、フレーム１２やコイル１４の符号も省略される。

船外機４０では、振動励起体１１の長手方向が、船外機４０が取り付けられた船舶の航行中に生じる水の流れに対して略直交し、振動励起体１１がアンチベンチレーションプレート４１の下側表面に対して略平行となり、且つ各フレーム１２の長手方向が水の流れと略平行になるように、アンチベンチレーションプレート４１の下側表面へ配置される。船外機４０の航行中は、アンチベンチレーションプレート４１の下側表面に常時水の流れが存在するため、振動励起体１１を常時振動させることができ、もって、振動発電装置１０による発電効率をさらに向上させることができる。

図１４は、振動発電装置１０が適用された船舶の一部を示す図である。図１４において、振動発電装置１０は、推進力を発生するプロペラ４２の上流側に配置され、プロペラ４２へ流れ込む水流を制御してプロペラ４２の回転流を減少させるフィン状部材である複数のステータ４３の表面に配置される。なお、図１４では、磁歪板１３の図示が省略される。また、振動励起体１１、フレーム１２やコイル１４の符号も省略される。

図１４の船舶では、振動励起体１１の長手方向が、船舶の航行中に生じる水の流れに対して略直交し、振動励起体１１が各ステータ４３の表面に対して略平行となり、且つ各フレーム１２の長手方向が水の流れと略平行になるように、各ステータ４３の表面へ配置される。船舶の航行中は、各ステータ４３の表面に常時水の流れが存在するため、振動励起体１１を常時振動させることができ、もって、振動発電装置１０による発電効率をさらに向上させることができる。

図１５は、振動発電装置１０が適用された船舶のダクトプロペラ機構を示す図であり、図１５（Ａ）はダクトプロペラ機構を示す斜視図であり、図１５（Ｂ）はダクトプロペラ機構の断面図である。図１５において、振動発電装置１０は、ダクトプロペラ機構４５のダクト４６の内表面に配置される。なお、図１５では、磁歪板１３の図示が省略される。また、振動励起体１１、フレーム１２やコイル１４の符号も省略される。

ダクトプロペラ機構４５では、振動励起体１１の長手方向が、ダクト４６の内部を流れる水の流れに対して略直交し、振動励起体１１がダクト４６の内表面に対して略平行となり、且つ各フレーム１２の長手方向が水の流れと略平行になるように、ダクト４６の内表面へ配置される。船舶の航行中は、ダクト４６の内表面に常時水の流れが存在するため、振動励起体１１を常時振動させることができ、もって、振動発電装置１０による発電効率をさらに向上させることができる。

なお、振動発電装置１０の適用例は上述したものに限られない。例えば、振動発電装置１０を、水が流れるダムや堤の表面、若しくは、取水管、導水管や水道管の内表面に設けてもよい。また、振動発電装置１０を、常時、風に晒されて大気の流れが存在する高層ビルやタワーの表面に設けてもよい。

１０ 振動発電装置、１１ 振動励起体、１２ フレーム、１２ａ 屈曲部、１２ｃ アーム部、１３ 磁歪板、１４ コイル、１７ 振動実験装置、１８ 柱状体、１９ Ｕ字形フレーム、２６ 壁面、２７ 風向追従板、２９ 航空機、３０ 主翼、３１ 列車、３３ 遮音板、３４ 自動車、３５ 二輪車、 ３６ 船舶、３７ 船体、３８ 船室、３９ トリムタブ、４０ 船外機、４１ アンチベンチレーションプレート、４３ ステータ、４５ ダクトプロペラ機構、４６ ダクト

Claims (25)

1. 壁面に沿って流れる流体に起因して振動が生じる振動励起体と、前記振動励起体に接続された揺動可能な被振動体と、前記被振動体の揺動に起因して発電する発電部と、を備え、
   前記振動励起体は前記壁面に近接して配置される、振動発電装置。
2. 前記壁面と直交する方向に関する前記振動励起体の長さをＨとし、前記壁面及び前記振動励起体の間の距離をＳとした場合、隙間間隔比Ｓ／Ｈ≦３を満たす、請求項１に記載の振動発電装置。
3. 前記振動励起体の断面であって、前記流体の流れの方向に平行であり且つ前記壁面に直交する断面の形状が円形である、請求項１又は２に記載の振動発電装置。
4. 前記流体の前記壁面に対する流速をＵとし、前記振動励起体及び前記被振動体からなる振動系の固有振動数をｆｃとし、前記壁面と直交する方向に関する前記振動励起体の長さをＨとした場合、Ｖｒ＝Ｕ／（ｆｃ×Ｈ）で示される前記流体の換算流速Ｖｒが４．０以上である、請求項３に記載の振動発電装置。
5. 前記振動励起体の断面であって、前記流体の流れの方向に平行であり且つ前記壁面に直交する断面の形状が矩形である、請求項１又は２に記載の振動発電装置。
6. 前記壁面と直交する方向に関する前記振動励起体の長さをＨとし、前記流体の流れの方向に平行な方向に関する前記振動励起体の長さをＤとした場合、前記振動励起体の縦横比Ｄ／Ｈ≦１を満たし、
   前記流体の前記壁面に対する流速をＵとし、前記振動励起体及び前記被振動体からなる振動系の固有振動数をｆｃとした場合、Ｖｒ＝Ｕ／（ｆｃ×Ｈ）で示される前記流体の換算流速Ｖｒが２．０以上である、請求項５に記載の振動発電装置。
7. 前記縦横比Ｄ／Ｈが０．２であり、前記流体の換算流速Ｖｒが２．０以上である、請求項６に記載の振動発電装置。
8. 前記縦横比Ｄ／Ｈが０．５であり、前記流体の換算流速Ｖｒが３．０以上である、請求項６に記載の振動発電装置。
9. 前記縦横比Ｄ／Ｈが１．０であり、前記流体の換算流速Ｖｒが４．０以上である、請求項６に記載の振動発電装置。
10. 前記被振動体は前記壁面に取り付けられ、前記壁面は振動しない、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動発電装置。
11. 前記発電部は、前記被振動体の揺動に応じて伸縮を繰り返す磁歪材と、前記磁歪材に巻回されたコイルと、有する、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動発電装置。
12. 前記振動励起体は長尺状部材であり、前記振動励起体の長手方向が前記壁面に平行であり且つ前記流体の流れの方向と直交し、
    前記振動励起体に複数の前記被振動体が接続され、複数の前記被振動体の各々には前記発電部が取り付けられる、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の振動発電装置。
13. 前記壁面は、前記流体の流れに追従して向きを変更する流体追従板の表面である、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動発電装置。
14. 流体に接する表面と、前記表面に配置される振動発電装置と、を備える移動体であって、
    前記振動発電装置は、前記流体に起因して振動が生じる振動励起体と、前記振動励起体に接続された揺動可能な被振動体と、前記被振動体の揺動に起因して発電する発電部と、を有し、
    前記振動励起体は前記表面に近接して配置される、移動体。
15. 前記表面と直交する方向に関する前記振動励起体の長さをＨとし、前記表面及び前記振動励起体の間の距離をＳとした場合、隙間間隔比Ｓ／Ｈ≦３を満たす、請求項１４に記載の移動体。
16. 前記移動体は船舶であり、前記振動発電装置が配置される表面は前記船舶の船体の表面である、請求項１４又は１５に記載の移動体。
17. 前記振動発電装置が配置される表面は、前記船体における水面下の表面である、請求項１６に記載の移動体。
18. 前記移動体は船舶であり、前記水面下の表面は前記船体のフィン状部材の表面である、請求項１７に記載の移動体。
19. 前記移動体は船舶であり、前記振動発電装置が配置される表面は前記船舶の船体に取り付けられたトリムタブの表面である、請求項１４又は１５に記載の移動体。
20. 前記移動体は船舶であり、前記振動発電装置が配置される表面は前記船舶の船体に取り付けられた船外機のアンチベンチレーションプレートの表面である、請求項１４又は１５に記載の移動体。
21. 前記移動体は船舶であり、前記振動発電装置が配置される表面は前記船舶のダクトプロペラ機構におけるダクトの表面である、請求項１４又は１５に記載の移動体。
22. 前記移動体は航空機であり、前記振動発電装置が配置される表面は前記航空機の表面である、請求項１４又は１５に記載の移動体。
23. 前記移動体は列車であり、前記振動発電装置が配置される表面は前記列車の車両の表面である、請求項１４又は１５に記載の移動体。
24. 前記移動体は鞍乗り型車両であり、前記振動発電装置が配置される表面は前記鞍乗り型車両の表面である、請求項１４又は１５に記載の移動体。
25. 前記移動体は自動車であり、前記振動発電装置が配置される表面は前記自動車の表面である、請求項１４又は１５に記載の移動体。

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