JP4573309B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、人力を動力源としながら、意識的な運動を行わないで発電を行う発電装置の構造に関するものである。

人力発電装置には、足の運動を動力とする自転車用のダイナモ、手回し式の発電装置などいろいろなものが存在する。
そのうち下記特許文献１には、手足以外を使用した発電装置の例として、腹筋運動で発電する腹筋運動装置が記載されている。使用者は腹筋運動装置の偏心運動部が、偏心運動するように身体を動かす旋回運動をし、偏心運動部内の発電部で発電し、偏心運動部内の発光部を光らせ、視覚的な刺激を得る。
しかし、手足の運動や腹筋運動を長時間続けることは無理であり、装置の長時間使用は不可能だった。

下記特許文献２には、手足以外を使用した発電の別な例として、呼吸によって発電する救難信号発生器が記載されている。使用者は呼吸の呼気の圧力で、マグネットのついた回転子を回転させて発電し、救難信号発生器として使用する。しかし、呼気で回転子を長時間回転させ続けることは、呼吸という生存に不可欠な運動に対して大きな負荷をかけることになり、装置の長時間使用は不可能だった。

下記特許文献３には、強力な磁石を使用し、誘導電流で発電する誘導電流懐中電灯が記載されている。使用者は誘導電流懐中電灯を上下に振ることで発電し、懐中電灯として使用する。強力な磁石を使用するので、足と比べて力のない手の運動で、発電量の多い発電装置を実現している。
しかし、手の上下運動を長時間続けることは無理であり、特許文献１と同様に、装置の長時間使用は不可能だった。

特開２００６−０２６３７１号公報 特許２９９０４８３号公報 特開２００６−１００２８３号公報

解決しようとする問題点は、従来の人力発電装置では、発電を行うための使用者の負担が大きく、装置の長時間使用が不可能だったことである。

呼吸を行う際に生じる腹部または胸部の拡縮運動を伝えるために、この腹部または胸部に巻かれるサイドベルトと、このサイドベルトの長手方向の往復運動の距離を拡大するための動力用滑車および磁石駆動用滑車と、前記拡縮運動によって生じるこのサイドベルトの長手方向の往復運動によって往復運動する発電用磁石と、この発電用磁石の往復運動により誘導電流を生じる発電用コイルとを有することを特徴とする発電装置。

本発明の発電装置では、人間が無意識に行っている、呼吸を行う際に生じる腹部または胸部の拡縮運動から動力を取り出して発電する。
本発明では、使用者が身体を動かして意識的な運動を行う必要はない。呼吸を続ければよい。よって、装置の長時間使用が可能になり、就寝時など意識がない状態でも発電を継続できる。
また本発明によれば、発電用の動力として手足を使用しないので、手足を発電以外の作業に使える。

図１は発電装置の一実施形態を示す斜視図である。 図２は呼吸式発電装置を側面から見た場合の断面図である。 図３は呼吸式発電装置を上面から見た場合の断面図である。 図４は発電筒の駆動の仕組みを示す断面図である。図7の（Ａ）が息を吐いた状態の発電用磁石の位置であり、図7の（Ｂ）が息を吸った状態の発電用磁石の位置である。 図５は正面から見たときの発電装置を装備した例である。（実施例１） 図６は側面から見たときの発電装置を装備した例である。（実施例１） 図７は就寝時に発電装置を装備した例である。（実施例１） 図８は弾性体の復元力を使用した場合の断面図である。（実施例２）

この発明の一実施形態を、図１に示す。
発電装置１は、呼吸式発電装置２と、呼吸式発電装置２から延設される動力用ワイヤー７と、動力用ワイヤー７およびサイドベルト固定用フック（ａ）１３に延設されたサイドベルト２３と、呼吸式発電装置２から延設されるショルダーベルト２２とからなる。呼吸式発電装置２は小型のショルダーバッグのような形態をしている。

使用者２７の腹部または胸部に巻かれるサイドベルト２３は、吸気の際の拡幅運動により発生する圧力を動力として、動力用ワイヤー７を引き出す。引き出された動力用ワイヤー７は排気の際に呼吸式発電装置２の中に戻される。
サイドベルト２３は、使用者２７の体形に合わせるため、長さを調整できる。またサイドベルト２３は、動力用ワイヤー７および呼吸式発電装置２から取り外すことが出来る。サイドベルト２３は、細くて丈夫な化学繊維などを使用する。
サイドベルト２３の両端は、動力用ワイヤー７およびサイドベルト固定用フック（ａ）１３またはサイドベルト固定用フック（ｂ）２４と接続できる構造になっている。
動力用ワイヤー７は、サイドベルト２３から過剰な力が加わった場合に、呼吸式発電装置２の破損を防ぐため、サイドベルト２３を切り離す安全装置機能を持つ。
ショルダーベルト２２は、呼吸式発電装置２の重量を支えるために使用する。ショルダーベルト２２は、使用者２７の体形に合わせるためおよび使用方法を変えるため、長さを調整できる。
ショルダーベルトの長さは使用方法で変える場合があるが、使用方法は、使用者２７が胸呼吸と腹式呼吸のどちらを行うかで区別する。
呼吸式発電装置２を胸呼吸で使用する際は、ショルダーベルト２２の長さを短くして、呼吸式発電装置２を使用者２７の胸部位置で使用する。
呼吸式発電装置２を腹式呼吸で使用する際は、ショルダーベルト２２を長くして、呼吸式発電装置２を使用者２７の腹部位置で使用する。またショルダーベルト２２は呼吸式発電装置２から取り外すことが出来る。
呼吸式発電装置２を使用する際に、呼吸式発電装置２の重量を使用者２７の衣服などで支える場合、固定用補助フック２６を使用し、ショルダーベルト２２を取り外すことが出来る。
ショルダーベルト２２は化学繊維などを使用し、ショルダーベルト固定用フック（ａ）２０およびショルダーベルト固定用フック（ｂ）２１と接続できる構造になっている。
呼吸式発電装置２の外観は、ショルダーバッグのような形態以外に、円筒形の水筒のような形態を採っても良い。

図２から図４に呼吸式発電装置２の構造を示す。
動力用ワイヤー７は、サイドベルト２３に引き出されるための十分な長さがあり、呼吸式発電装置２内で動力用滑車１４に巻かれている。動力用ワイヤー７の外側の末端はサイドベルトと接続できる構造になっている。磁石駆動用滑車１６は、動力用滑車１４に延設されていて、動力用滑車１４が１回転するとき、磁石駆動用滑車１６も同一方向に１回転する。動力用滑車１４と磁石駆動用滑車１６は、滑車の軸１５で呼吸式発電装置２に固定されていて、滑車の軸１５を中心に回転運動できる。
磁石駆動用滑車１６には、磁石駆動用ワイヤー６が巻かれていて、磁石駆動用ワイヤー６には発電用磁石５が延設されている。発電用磁石５は発電筒３内に設置され、上下方向に運動することができる。発電用磁石５はネオジム磁石などの磁力の強い磁石を使用し、磁場の方向は上下方向である。
磁石駆動用滑車１６は動力用滑車１４よりも直径が大きく、動力用ワイヤー７が引き出される長さに対して、磁石駆動用ワイヤー６が巻かれる長さは長くなる。
動力用ワイヤー７および磁石駆動用ワイヤー６の材質は、化学繊維などの軽くて丈夫なものを使用する。
動力用滑車１４および磁石駆動用滑車１６の外側には、ワイヤー脱落防止のための保護カバーを設置することができる。
発電筒３の中央部には、誘導電流を発生させるためのコイル４が設置されている。発電筒３の下部には磁場閉塞用磁石（ａ）８が設置されていて、発電筒３の上部には磁場閉塞用磁石（ｂ）９が設置されている。磁場閉塞用磁石（ｂ）９は、磁石駆動用ワイヤー６を通すため、中央に穴の開いたドーナッツ状である。
発電筒３の筒の部分は、ポリカーボネートなどの丈夫で滑らかな材質でできていて、発電用磁石５との摩擦が小さい構造である。
発電用磁石５と磁場閉塞用磁石（ａ）８は、磁気的に反発するように設置され、発電用磁石５の磁気を、コイル４に効率よく通す。発電用磁石５と磁場閉塞用磁石（ｂ）９も磁気的に反発するように設置され、発電用磁石５の磁気を、コイル４に効率よく通す。
磁場閉塞用磁石（ａ）８の上の面と磁場閉塞用磁石（ｂ）９の下の面は、ゴムなどの柔軟な材質で覆い、発電用磁石５が衝突したとき、磁石が破損しない構造である。
図２および図４に示すように、使用者の吸気運動によって動力用ワイヤー７が引き出されると、動力用滑車１４と磁石駆動用滑車１６が左回転し、磁石駆動用ワイヤー６が、磁石駆動用滑車１６に巻き取られ、発電用磁石５が上方向に移動する。
発電用磁石５は、図４の（Ａ）の位置から図４の（Ｂ）の位置に移動するときに、コイル４に誘導電流を発生させ、同時に位置エネルギーを得る。
使用者が排気運動を行うと、動力用ワイヤー７に対する牽引力が消失し、発電用磁石５の位置エネルギーにより、動力用滑車１４と磁石駆動用滑車１６が右回転し、磁石駆動用ワイヤー６が、磁石駆動用滑車１６から引き出され、発電用磁石５が下方向に移動する。
発電用磁石５は、図４の（Ｂ）の位置から図４の（Ａ）の位置に移動するときに、コイル４に誘導電流を発生させ、同時に位置エネルギーを失う。
コイル４にはリード線（ａ）１７が延設され、リード線（ａ）１７には整流回路１０が延設される。整流回路１０にはリード線（ｂ）１８が延設され、リード線（ｂ）１８には蓄電装置１１が延設される。
整流回路１０は、ダイオードブリッジおよび電解コンデンサーにより構成されるが、必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバーターおよび定電圧回路または定電流回路を付加できる。
蓄電装置１１にはリード線（ｃ）１９が延設され、リード線（ｃ）１９には出力端子１２が延設される。出力端子１２から外部の機器に対して電力を供給する。蓄電装置１１の電気残量は、モニター２９で確認できる。モニター２９はリード線などで蓄電装置１１に延設される。
蓄電装置１１は、電気二重層キャパシタまたはリチウムイオン電池などの充電式電池で構成する。蓄電装置１１は電気二重層キャパシタおよび充電式電池の両方を使用しても良い。蓄電装置１１には、必要に応じてＤＣ／ＡＣインバーターまたはＤＣ／ＤＣコンバーターおよび定電圧回路を付加できる。
呼吸式発電装置２の外周ケース部分は、プラスチックなどの丈夫な材質を使用するが、必要に応じて鉄板を設置し、鉄板の防磁効果で発電用磁石５の強力な磁気が、呼吸式発電装置２の外部に漏洩しないようにできる。
使用者２７を小学校低学年の子供と仮定した場合の呼吸式発電装置２内部の例を挙げると、動力用滑車１４と磁石駆動用滑車１６の直径の比が１：３の場合で、動力用ワイヤー７の移動量が２０ｍｍあるとき、磁石駆動用ワイヤー６が巻かれる長さは６０ｍｍになる。発電用磁石５の高さが３０ｍｍ、コイル４の高さが３０ｍｍの場合、吸気前にコイル４の下にあった発電用磁石５は、吸気後にコイル４の上に出ることになり、排気時にコイル４の下に戻る。

図５から図６に発電装置１の実施例を示す。
図５は使用者２７が腹式呼吸を行い、呼吸式発電装置２の重量を、ショルダーベルト２２で支える場合に、正面から見たときの例であり、図６は図５を側面から見た場合の例である。
呼吸式発電装置２の重量は、ショルダーベルト２２で支えられ、呼吸式発電装置２内部の発電用磁石５は、下向きの重力を受けている。呼吸式発電装置２の重量がショルダーベルト２２で支えられているので、サイドベルト２３に加わる負荷は、ほぼ発電用磁石５の重量のみになる。
サイドベルト２３がずり落ちて、発電に支障がある場合、安全ピンなどを使用して、衣服表面からの脱落を防ぐ。サイドベルト２３が衣服表面からの脱落を防ぐ器具は、サイドベルト２３に延設することができる。
使用者２７を小学校低学年の子供と仮定した場合での発電用磁石５の重量の例を挙げると、動力用滑車１４と磁石駆動用滑車１６の直径の比が１：３で、磁石の重量が３０ｇの場合、サイドベルトに対する負荷重量は９０ｇになり、吸気運動にかかる負荷は軽微である。使用者２７が成人の場合、より質量の大きな発電用磁石５を使用し、発電量を大きく出来る。
呼吸式発電装置２は、固定用補助フック２６を使用して、スラックスなどのベルトに固定することができる。固定用補助フック２６をスラックスなどのベルトに使用する場合、呼吸式発電装置２の重量を使用者２７の腰の部分で支え、ショルダーベルト２２を取り外すことができる。
使用者２７の衣服に、スラックスのベルト以外の腹部または胸部に、呼吸式発電装置２を固定できる箇所があれば、固定用補助フック２６を使用し、呼吸式発電装置２を固定して使用できる。固定用補助フック２６は呼吸式発電装置２の両側に設置されていて、使用者２７の都合でどちらを使うか選択できる。

図７は使用者２７が腹式呼吸を行い、呼吸式発電装置２を就寝時に使用する例である。就寝時には呼吸式発電装置２の重量を、床や使用者２７の下の寝具などで支え、ショルダーベルト２２は取り外すことができる。
就寝時には、動力用ワイヤー７を、動力用ワイヤー設定変更用スリット２５の上面に移動して使用する。またサイドベルト２４は動力用ワイヤー７およびサイドベルト固定用フック（ｂ）２４に接続して使用する。就寝時に発電装置１を使用する場合、動力用ワイヤー７の位置以外の、呼吸式発電装置２の内部の動きは起床時に使用する場合と同じである。サイドベルト固定用フック（ｂ）２４は呼吸式発電装置２の両側に設置されていて、使用者２７の都合でどちらを使うか選択できる。

この実施形態によれば、使用者２７は日常生活で発電装置１を装備し、呼吸による腹部または胸部の拡縮運動を動力源として、常時発電を継続できる。
発電例を述べると、使用者２７が３秒に１回のタイミングで呼吸を行い、呼吸式発電装置２の発電能力が発電用磁石５の1往復で６ワットの場合、呼吸式発電装置２の実質発電能力は２ワットとなり、発電装置１を消費電力が２ワット以下の機器の電源として使用できる。
使用者２７が、外部機器を接続せずに発電装置１を装備して使用した場合には、蓄電装置１１に電気が蓄えられる。蓄電装置１１に蓄えられた電気を使用することで、発電装置１を消費電力の大きな機器に電力を供給する電源として使用できる。

以上の実施形態では、常時１Ｇの重力加速度が働く、地球上での使用を前提としている。別の実施形態では、図８に示すように、発電用磁石５に対する引力を、弾性体のゴムひも２８で発生させる。
この実施形態で、宇宙空間など無重力、または重力が弱い環境下で発電装置１を使用できる。
また、水中など水の抵抗や浮力で発電用磁石５の動きが制限される環境下で発電装置１を使用できる。
弾性体として、ゴムひも以外にバネを使用できる。

本発明は人力発電装置であるが、産業上の利用可能性として、人間以外の家畜など動物が、呼吸を行う際に生じる腹部または胸部の拡縮運動から動力を取り出して発電する発電装置として使用することが考えられる。
この場合、開発途上国などの発電設備の少ない地域で、小規模発電用設備として、発電用インフラの補助目的に利用できる。

１ 発電装置
２ 呼吸式発電装置
３ 発電筒
４ コイル
５ 発電用磁石
６ 磁石駆動用ワイヤー
７ 動力用ワイヤー
８ 磁場閉塞用磁石（ａ）
９ 磁場閉塞用磁石（ｂ）
１０ 整流回路
１１ 蓄電装置
１２ 出力端子
１３ サイドベルト固定用フック（ａ）
１４ 動力用滑車
１５ 滑車の軸
１６ 磁石駆動用滑車
１７ リード線（ａ）
１８ リード線（ｂ）
１９ リード線（ｃ）
２０ ショルダーベルト固定用フック（ａ）
２１ ショルダーベルト固定用フック（ｂ）
２２ ショルダーベルト
２３ サイドベルト
２４ サイドベルト固定用フック（ｂ）
２５ 動力用ワイヤー設定変更用スリット
２６ 固定用補助フック
２７ 使用者
２８ ゴムひも
２９ モニター

Claims (1)

1. 呼吸を行う際に生じる腹部または胸部の拡縮運動を伝えるために、この腹部または胸部に巻かれるサイドベルトと、このサイドベルトの長手方向の往復運動の距離を拡大するための動力用滑車および磁石駆動用滑車と、前記拡縮運動によって生じるこのサイドベルトの長手方向の往復運動によって往復運動する発電用磁石と、この発電用磁石の往復運動により誘導電流を生じる発電用コイルとを有することを特徴とする発電装置。
   

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