JP3187127U - 波動力を変換する変換デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】波動力を変換する変換デバイスを提供する。
【解決手段】変換デバイス１は、揺動アーム６に連結されるとともに部分的に海中に沈められる浮揚体５を有する。符合８によって示される揺動アーム６の一方の端部は、海の外側に配列されていて海岸又は海底に固定される構造体１０に対して概ね水平である軸線９の周囲にヒンジ留めされる。符合１１によって示されるアーム６の他方の端部は、好ましくは、軸線９に対して平行をなす軸線回りの相対回転を可能にするヒンジ又は連結部によって、浮揚体５の頂部１２に結合される。アーム６はレバー１３の一部を形成しており、レバー１３は、タイロッド１６によってラック１５に連結される取付部を端部において備えるように半径方向上向きに延在するアーム１４を有している。ラック１５は、水平軸線１８を有するピニオン１７に係合しており、ピニオン１７自体の接線方向に沿って平行移動して往復運動を行う。
【選択図】図１

Description

本考案は、波動力を変換する変換デバイスに関する。

公知であるように、化石燃料の使用量を削減することを目的として、そして、環境条件が汚染物質によって汚染されないようにすることを目的として、いわゆる代替エネルギ源、及び再生可能エネルギ源の少なくともいずれか一方を開発する必要性がますます認識されている。太陽光エネルギ及び風力エネルギに加えて、使用されうる別の潜在的なエネルギ源は、海の波動によって形成されるエネルギ源である。前記波動は、海面の周期的な上昇及び下降を伴うので、機械的部材を概ね連続的かつ無尽蔵な態様で作動させるのに使用されうる。

公知のデバイスは、対向するオーバーランニングクラッチの組み合わせによって、浮揚体の不均一な往復運動を、発電機に連結されたシャフトの単一方向の回転運動に転換する。しかしながら、エネルギ変換効率を最適化するには、特に、デバイスの運動学的な振動又はトルクの発生量が減少するように、浮揚体の寸法を最適化することが適切である。

本考案の目的は、最適化された波動力を変換する変換デバイスを提供することである。

本考案に従って、請求項１に記載される変換デバイスは、波動力を変換するように形成される。

波動力を変換する好適な実施形態の変換デバイスを概略的に示す図である。 図１の変換デバイスの詳細を概略的に示す図である。 本考案に係る改良型の浮揚体を備える変換デバイスを概略的に示す図である。 本考案の第２実施形態の詳細を示す図である。

ここで、本考案が、非限定的な実施形態を示す添付図面を参照して説明される。
図１において、符号１は、波動力を機械的エネルギに変換するとともに、シャフト２を軸線３回りの単一の回転方向（図２）に回転させる変換デバイスを示している。

変換デバイス１は、揺動アーム６に連結されるとともに部分的に海中に沈められる浮揚体５を有する。符号８によって示される揺動アーム６の一方の端部は、海の外側に配列されていて海岸又は海底に固定される構造体１０に対して概ね水平である軸線９の周囲にヒンジ留めされる。符号１１によって示されるアーム６の他方の端部は、好ましくは、軸線９に対して平行をなす軸線回りの相対回転を可能にするヒンジ又は連結部によって、浮揚体５の頂部１２に結合される。

アーム６はレバー１３の一部を形成しており、レバー１３は、タイロッド１６によってラック１５に連結される取付部を端部において備えるように半径方向上向きに延在するアーム１４を有している。ラック１５は、水平軸線１８を有するピニオン１７に係合しており、ピニオン１７自体の接線方向に沿って平行移動して往復運動を行うように、図示されない態様でガイドされることが好ましい。

ピニオン１７は、ピニオン１７と同心であることが好ましいシャフト１９を回転駆動する。波の往復運動、及びそれによるアーム６の揺動に応じて、ピニオン１７及びシャフト１９は、互いに一体的に軸線１８回りに回転して往復回転運動を行う。すなわち、ピニオン１７及びシャフト１９は、浮揚体５の鉛直方向における移動距離に応じた角度だけ、反対の回転方向に回転する。

図２を参照すると、軸線１８と軸線３とは平行であることが好ましい。シャフト１９は、トルクをシャフト２に伝達する伝達ユニット２０によってシャフト２に連結されていて、トルク自体を２つの経路２１，２２及び２３に沿って分割するように形成されている。また、伝達ユニット２０は、それら経路２１，２２に沿ってそれぞれ配列される２つのフリーホイール２３，２４又はオーバーランニングクラッチを備える。

それらフリーホイール２３，２４は、シャフト１９の回転方向とは無関係に、シャフト２を単一方向に回転させるように形成される。換言すると、シャフト１９が回転するときに、一度に１つのフリーホイールのみがトルクを伝達する。それに対して、第１のフリーホイールによって両シャフト２，１９間の回転部が係合解除されるときに、フリーホイール２３，２４のうちの他方が作動状態になり、シャフト１９が逆方向に回転される場合のみトルクを伝達する。

例えば、海における一時的な波の不足が原因で、ピニオン１７が制止されてシャフト１９が回転しなくなる場合において、２つのフリーホイール２３，２４はトルクを伝達しなくなるものの、出力部材２３ｂ，２４ｂは自由回転する状態を維持する。それにより、シャフト２が、慣性によって常に同一の回転方向に回転し続ける。

フリーホイール２３，２４は、互いに反対の回転方向に作動されるそれぞれの入力部材２３ｂ，２４ａを有するものの、それぞれの部材２３ｂ，２４ｂに同一の回転方向においてトルクを伝達するように形成される。逆方向において、出力部材２３ｂ，２４ｂは、それぞれの入力部材２３ａ，２４ａによって角度方向に結合解除されている。

例えば、ピニオン１７及びシャフト１９が反時計回りに回転するときに、入力部材２３ａは同様に反時計回りに回転駆動される。出力部材２３ｂは、入力部材２３ａから入力トルクを受け、次いで、同様に反時計回りに回転する。前記トルクは、特に、経路２１の一部を形成する歯車伝達部２６によってシャフト２に伝達される。歯車伝達部２６は、出力部材２３ｂとシャフト２との間において回転方向を反転させるので、考えられる仮定の動作によると、シャフト２が時計回りに回転する。同時に、入力部材２４ａが時計回りに（すなわち、入力部材２３ａの回転方向とは逆に）回転する。出力部材２４ｂは、入力部材２４ａの回転に対して解放されているので、シャフト２によって、特に、経路２２の一部を形成する歯車伝達部２７によって回転駆動される。歯車伝達部２７が回転方向を反転させるので、考えられる仮定の動作によると、シャフト１９が反時計回りに回転しており、シャフト２が時計回りに回転している場合において、出力部材２４ｂは反時計回りに回転する。

他方、ピニオン１７及びシャフト１９が今度は時計回りに回転する場合に、入力部材２４ａは反時計回りに回転する。出力部材２４ｂは、入力部材２４ａからトルクを受けるので、一緒に反時計回りに回転する。前記トルクは、歯車伝達部２７によってシャフト１９に伝達される。上述したように、歯車伝達部２６が回転方向を反転させるので、考えられる仮定の動作によると、シャフト１９の回転方向が反転されても、シャフト２は時計回りに回転し続ける。同時に、入力部材２３ａが反時計回りに（すなわち、入力部材２４ａの回転方向とは逆に）回転し、出力部材２３ｂが入力部材２３ａの回転に対して解放された状態になる。従って、出力部材２３ｂは、歯車伝達部２６を介してシャフト２によって回転駆動されるので、時計回りに回転する。

シャフト１９から入力部材２３ａ，２４ａに運動を伝達するには、ユニット２０が歯車列３０を有することが好ましい。歯車列３０は、シャフト１９に対して同心に固定される歯車３１と、（図示されないシャフトによって）入力部材２４ａに対して同心に固定されるとともに歯車３１に係合する歯車３２と、（図示されない別のシャフトによって）入力部材２３ａに対して同心に固定されるとともに歯車３２に係合する歯車３３と、を有することが好ましい。歯車３２及び歯車３３が係合することによって、入力部材２３ａ及び入力部材２４ａは、互いに反対の方向に回転する。

シャフト１９と入力部材２３ａとの間の伝達率は、シャフト１９と入力部材２４ａとの間の伝達率に等しいことが好ましい。また、２つのトルク経路２１，２２においてシャフト１９とシャフト２との間の全体的な伝達率が同一になるように、伝達部２６，２７は同一の比率を有することが好ましい。

ここで図１に戻ると、浮揚体５は、浮揚可能になるように十分に小さい密度を有する必要があるものの、波が退くことにより浮揚体５が重力加速度によって下降せざるをえないときにも十分な回転トルクをピニオン１７に発生させるように、十分に大きい全体的質量を有する。

「全体的質量」とは、浮揚体５自体の質量と、レバー１３が構造体１０に固定される箇所ではなく浮揚体５に作用するレバー１３の質量の潜在的な成分と、の合計値を表している。

キログラム単位で測定される全体的質量は、ｄｍ³単位で測定される浮揚体自体が占める体積部に対して２５％〜５０％の割合で含まれることが好ましい。参考例として、浮揚体の体積が１ｄｍ³であり質量が１ｋｇであると仮定すると、１００％の数値とともに蒸留水における中程度の浮揚性が達成されるであろう。このようにして、浮揚体の寸法が最適化されるとともに、環境影響が軽減されるような概ね小さい比率の質量障害物（ｍａｓｓ −ｅｎｃｕｍｂｒａｎｃｅ）が形成される。

浮揚体は、海洋及び天候の乱れに適合するように、水平断面において円形を有することが好ましい。従って、浮揚体の幾何学的形状は、水中に沈められる底円の方が小さい円錐台形状をなす。大きい方の底円と小さい方の底円との間の直径の差は、大きい方の底円の約２５％に等しいことが好ましく、高さは、小さい方の底円の直径に等しいことが好ましい。例えば、小さい方の底円の直径、及び高さは０．７５ｍに等しく、大きい方の底円の直径は１ｍに等しい。

図３を参照すると、浮揚体５０は、集中質量部５１と、高い浮揚作用を有する高浮揚性要素５２と、を組み合わせることによって形成されうるのが有利である。浮揚体５０は、軸線対称の形状を有しており、また、浮揚体５０自体の高い安定性が保証されるように、好ましくは、集中質量部５１によって占められる体積部内に重心が配置される単一部材を形成している。換言すると、浮揚体５０の密度は均一ではなく、集中質量部５１の密度は水の密度よりも大きいことが好ましい。また、アーム６は、高浮揚性要素５２に対する集中質量部５１の反対側から浮揚体５０に連結される。さらに、集中質量部５１は、自由水面において、１つの高浮揚性要素５２より小さい横方向寸法を有するので、浮揚体５０の全体的質量は、高浮揚性要素５２より断面積が小さい部分に集中しているとみなされうる。高浮揚性要素５２の最大横方向寸法は、質量集中要素５１の最大横方向寸法の４倍以上であることが好ましい。加えて、質量集中要素５１の最大高さは、高浮揚性要素５２の最大高さの少なくとも１．５倍大きい。

要素５１及び要素５２のそれぞれを、浮揚体５０のハウジング５４によって形成される円筒体とみなす概略的な実施例に従って、要素５１はコンクリートで満たされており、また、要素５２は中空であるか又は低密度ポリマー発泡体で満たされているので、浮揚体５０の全体的密度は、要素５１と要素５２との間において不連続である。要素５２及びハウジング５４の質量を、要素５１の質量に対して無視できるほど小さいとみなす場合において、浮揚体５０の重心ＣＯＧは、要素５１の重心に一致するとともに、要素５１自体の体積部内、特に、要素５１の幾何学的中心に配置される。

上述した割合に基づいて、浮揚体５０が、要素５２によって波の上向きのプロファイルに効果的に追従し、また、要素５１の質量によって、シャフト２のトルク変動を軽減するのに有用な或る量の重力ポテンシャルエネルギが、波の下向きのプロファイルに沿って解放される。

図４において概略的に示される駆動ユニット６０は、ロッド１６に連結されていて浮揚体５０により往復運動させられる二重歯のラック６１と、ラック６２の両側の歯に係合する第１ピニオン６２及び第２ピニオン６３と、それらピニオン６２，６３及びシャフト１９を一緒に連結する伝達部６４と、を備えており、それにより、ラック６１の往復運動をシャフト２の単一方向の回転運動に対応させる。伝達部６３は、それぞれピニオン６２，６３に結合されていてベルト又はチェーンにより相互に連結されている一対のホイール６５，６６を有することが好ましい。加えて、ピニオン６２，６３は、ラック６１が第１方向に直線運動する際に、シャフト２をピニオン６２によって回転駆動するとともにピニオン６３をニュートラルにするように形成されるオーバーランニングクラッチをそれぞれ有する。ラック６１が第１方向とは逆の第２方向に直線運動する際には、ピニオン６３がシャフト２を回転駆動するとともに、ピニオン６２がニュートラル状態になる。シャフト２が伝達部６４の出力部に連結されるので、ユニット６０は、２つのみの軸線Ｃ及び軸線Ｄ回りに回転可能な回転要素である第１及び第２ピニオン６２，６３をそれぞれ有する。

加えて、本考案に発電用のダイナモが含まれる場合においては、ダイナモの入力シャフトを少なくとも１０ｒｐｍで回転させるのにダイナモ自体が必要とする最小トルクに基づく、アーム６の設計条件における質量及び慣性作用、並びに伝達部６０の設計条件における重量及び慣性作用を考慮して、浮揚体５，５０の全体的質量が計算される。波動力を変換する適用例においては、作動に必要なトルクが回転数の増加に従って減少するという作動特性を有する永久磁石式のダイナモが最適であることを考慮する必要がある。従って、少なくとも１０ｒｐｍで稼働することによって、ダイナモをさらに高速で作動させるのに必要なトルクが付与される。前記数値によって閾値が特定されるのが有利であり、その閾値を超えるときに波動力の変換が最も効率的に行われる。

さらに、図１に示されるように、本考案に係るデバイスは、例えば、嵐の間における損害を回避できるように、予め設定されうる固定位置にアーム６を固定するアクチュエータ７０を有しうる。固定位置は、浮揚体５，５０が大部分の時間にわたって波の頂部の上方に維持されるような位置であることが好ましい。アクチュエータは、重力に対抗してアーム６及び浮揚体５０，５を上昇させるとともに前記固定位置において保持するように形成されることが好ましい。

前述の内容から、シャフト２は、単一方向の回転運動を行うとともに概ね規則的な回転運動を行うので、発電機、例えば、ダイナモを抵抗回転させる用途において適用されうる。

加えて、上述した範囲内の全体的密度を有する浮揚体は、波が下降しているときにもエネルギを回収するのに特に適している。このようにして、エネルギ、特に、電気の高収率生産という利益が得られるように、シャフト２の運動及びトルクがさらに規則化される。特に、浮揚体の密度を増大させることによって運動が規則化されうるものの、小規模ないし中規模の波による影響を少ししか受けないか又はほとんど受けないようになるので、回収されるエネルギが減少する。それに比べて、軽量でありすぎる浮揚体は、運動の不規則性を増大させるので、特に、浮揚体がダイナモに関連付けられる場合においては、動力変換効率に負の影響を及ぼす。

請求項１に係る浮揚体を備えるデバイスの他の利点は、相容れない要件どうしの間において有益な妥協点が見出されることである。事実、波のプロファイルに効率的に追従するには、特に、波の谷から山までの間の傾斜を有効利用するには、小さい密度値が要求されるであろう。他方、可能性のある海の状態の大半において容認されうる収率でデバイスを稼働させるには、浮揚体を過度に大きくない波長に適合させるのが有用であるものの、横方向寸法を或る程度小型化すると密度が増加することになる。最善の妥協点は、上述した範囲によって見出されるし、さらに有利な態様では、前記範囲が２５％〜３０％であるときに最善の妥協点が見出される。

浮揚体５０は不均一な密度を有しており、従って、浮揚体の波における安定性が改善される。特に、浮揚体５，５０がアーム６にヒンジ留めされる事実、浮揚体自体の重心が浮揚体の体積部の下方部分に向かって配列される事実、及び要素５２が要素５１と比較して非常に大きい断面寸法を有する事実の各々によって、又はそれら事実の組み合わせによって、浮揚体の形状が最適化される。

加えて、シャフト２，１９、並びにフリーホイール２３，２４及び歯車３２，３３が固定される２つのシャフト（図示されない）の位置を規制することなく歯車比を変更可能であり、それにより、シャフト２から供給される機械力が、それらシャフトによって使用されるようになる。

さらに、添付の特許請求の範囲に記載される本考案の保護範囲から逸脱することなく、上記デバイス１に変更及び変形を付与しうることが、上述の内容から明らかである。
特に、浮揚体５の上昇段階と下降段階との間において生じうるトルク差を補償するように、２つの経路２１，２２の歯車比は互いに相違しうる。

例えば、より安価な解決手段、及び比較的低出力の解決手段の少なくともいずれか一方が得られるように、歯車伝達部は、例えば、歯車付きベルト又はチェーン歯車に置き換えられうる。
シャフト１９は、軸線９回りに回転するように端部８に連結されうるし、又は上記したものとは異なる態様でアーム６に結合されうる。

Claims (15)

1. 使用中において、波の運動に応じて重力加速度に反して運動可能である浮揚体（５，５０）と、
   それぞれの軸線（１８，３）回りに回転可能である入力シャフト（１９）及び出力シャフト（２）と、
   前記浮揚体（５）の運動を、前記入力シャフト（１９）の往復回転運動として伝達する第１伝達手段（６，１３，１５，１６，１７）と、
   前記入力シャフト（１９）から前記出力シャフト（２）にトルクを伝達する第２伝達手段（２０）と、を有する、波動力を変換する変換デバイスであって、
   前記第２伝達手段（２０）は、前記トルクを２つのトルク経路（２１，２２）に分割するように形成されるとともに、前記トルク経路（２１，２２）に沿ってそれぞれ配列される２つのフリーホイール（２３，２４）を有しており、
   前記フリーホイール（２３，２４）は、前記入力シャフト（１９）の回転方向とは無関係に、前記出力シャフト（２）を単一方向に回転させるように形成されており、
   キログラム単位で測定されるとともに少なくとも前記第１伝達手段（６，１３，１５，１６，１７）を考慮して算定される前記浮揚体（５，５０）の全体的質量は、立方デシメートル単位で測定される前記浮揚体の体積部のうちの２５％〜５０％の範囲に含まれることを特徴とする変換デバイス。
2. 前記浮揚体（５０）は、不均一な密度を有していて、第１密度を有する第１部分（５１）と、前記第１密度より小さい第２密度を有する第２部分（５２）と、を備えており、
   前記第１伝達手段は、前記第２部分（５２）に対する前記第１部分（５１）の反対側から前記浮揚体（５０）にヒンジ留めされるアーム（６）を有することを特徴とする請求項１に記載の変換デバイス。
3. 前記第２部分（５２）の最大横方向寸法は、前記第１部分（５１）の最大横方向寸法の少なくとも４倍であり、
   前記浮揚体（５０）の質量は、前記第１部分（５１）の体積部に集中しているとみなされうることを特徴とする請求項２に記載の変換デバイス。
4. 前記第１部分（５１）の最大高さは、前記第２部分（５２）の最大高さの少なくとも１．５倍であることを特徴とする請求項３に記載の変換デバイス。
5. 前記第２伝達手段（６０）は、２つのみの平行軸線（Ｃ，Ｄ）回りに回転する回転部材（６２，６３，６５，６６）を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の変換デバイス。
6. 前記入力シャフト及び前記出力シャフト（１９，２）の前記軸線（１８，３，Ｃ，Ｄ）は、互いに平行であり、
   前記フリーホイール（２３，２４）は、反対の回転方向に作動されるそれぞれの入力部材（２３ａ，２４ａ）を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の変換デバイス。
7. 前記フリーホイール（２３，２４，６２，６３）は、それぞれの出力部材（２３ｂ，２４ｂ）に、同一の回転方向においてトルクを伝達するよう形成されており、
   前記出力部材（２３ｂ，２４ｂ）は、逆の方向において、それぞれの前記入力部材（２３ａ，２４ａ）に対して角度方向に解放されていることを特徴とする請求項６に記載の変換デバイス。
8. 前記フリーホイール（２３，２４）は、前記出力シャフト（２）とは別個の平行なシャフトのそれぞれに取り付けられており、
   前記第２伝達手段（２０）は、前記トルク経路（２１，２２）の一部をそれぞれ形成していて前記出力シャフト（２）と対応する前記フリーホイール（２３，２４）との間にそれぞれ配置される２つの伝達部（２６，２７）を有することを特徴とする請求項６または７に記載の変換デバイス。
9. 前記伝達部の各々は、前記出力シャフト（２）と、対応する前記フリーホイール（２３，２４）と、の間において回転方向を反転させることを特徴とする請求項８に記載の変換デバイス。
10. 前記伝達部（２６，２７）が歯車伝達部であることを特徴とする請求項８または９に記載の変換デバイス。
11. 前記フリーホイール（２３，２４）は、前記入力シャフト（１９）とは別個の平行なシャフトのそれぞれに取り付けられており、
    前記第２伝達手段（２０）は歯車列（３０）を有しており、
    前記歯車列（３０）は、
    前記入力シャフト（１９）に対して同心に固定される第１歯車（３１）と、
    前記フリーホイールのうちの一方（２４）の入力部材（２４ａ）に対して同心に固定されるとともに前記第１歯車（３１）に係合する第２歯車（３２）と、
    前記フリーホイールのうちのの他方（２３）の入力部材（２３ａ）に対して同心に固定されるとともに前記第２歯車（３２）に係合する第３歯車（３３）と、を備えることを特徴とする請求項１０に記載の変換デバイス。
12. 前記第１伝達手段は、前記浮揚体の頂部に結合される第１端部と、固定構造体にヒンジ留めされる第２端部と、を備えるレバーアームを有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の変換デバイス。
13. 前記変換デバイスが永久磁石式のダイナモ（６９）を有しており、
    前記浮揚体（５，５０）は、前記ダイナモが１０ｒｐｍの速度で回転するのに必要なトルクを少なくとも付与するように寸法決めされることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の変換デバイス。
14. 前記変換デバイスは、前記浮揚体（５，５０）を予め設定された位置に固定するように前記伝達手段（６，１３，１５，１６，１７）に連結されるデバイス（７０）を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の変換デバイス。
15. 前記全体的質量が前記体積部のうちの２５％〜３０％に含まれることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つに記載の変換デバイス。

Images