JP4633342B2

JP4633342B2 - 音エネルギーを利用した発電装置

Info

Publication number: JP4633342B2
Application number: JP2003205300A
Authority: JP
Inventors: 不可止森; 浩之和田; 雅直大脇; 健史財満; 恭弘山下
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Kumagai Gumi Co Ltd
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Kumagai Gumi Co Ltd
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: JP2005057820A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、工場などの電源ボックスやリレーなどのトランスや工作機械のモータなどから発生する騒音のエネルギーを利用した発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、工場や空調室外機などから発生する低周波騒音が問題となっている。しかし、上記低周波騒音は防音壁を据えても音がそのまま通りすぎてしまう透過現象や、防音壁の上部から音が回り込んでしまう回折現象があるため、防音対策が困難である。
従来提案されている低周波に対する防音対策としては、（１）コンクリート壁などの重量壁での遮音、や（２）ヘルムホルツ共鳴器を用いる対策がある。
ヘルムホルツ共鳴器は、図８（ａ），（ｂ）に示すように、一つの側面５１ａに開口部５２ａを有する箱体５１から成り、この箱体５１の空洞部５３の体積Ｖと、上記箱体５１の空洞部５３に連通し上記開口部５２ａに開口する空気導入路５２の径ａ及び長さｄによって決定される特定の周波数の振動に対して共鳴するもので、上記の共鳴現象により上記空洞部５３内に導かれた空気を激しく振動させ、摩擦損失によって上記騒音のエネルギーを消失させて吸音する。このようなヘルムホルツ共鳴器５０は、狭帯域で大きな効果を得られるため、ブーミング対策や変電所等の特定の周波数での対策が必要な場合に用いられる。
また、モータなどから発生する振動問題にしても防振対策が困難であり、従来、その対策としては、免震装置、防震ゴム等が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記防音壁やヘルムホルツ共鳴器５０などは、現場状況によっては設置が困難な場合がある。一方、免震装置、防震ゴム等は、一度機械を持ち上げてその基礎部分に設置するため、持ち上げが不可能な機械には対策が困難であった。そして、これらの対策では、音や振動のエネルギーを他の媒体で吸収（減衰）することで防音、防振対策を行っているため、エネルギーをロスしていることになる。
【０００４】
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、騒音や振動のエネルギーを電気エネルギーに変換して有効利用する方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、ムービングコイルを用いたエネルギー変換装置を用いるとともに、特定の周波数にピークをもつ騒音や振動の伝播路にムービングコイルを設置してこれを静磁界中で共振させるようにすれば、音源もしくは振動源付近に設置するだけで、騒音や振動のエネルギーを効率的に吸音・減衰できるとともに、その吸収したエネルギーにより発電することができることを見いだし、本発明に到ったものである。
すなわち、本願の請求項１に記載の音エネルギーを利用した発電装置は、コイルと、上記コイルが振動する空間に静磁界を発生させる静磁界発生装置とを備えた発電装置であって、特定の周波数を含む音の伝播路に設置された防音壁と、一端が上記防音壁に固定されたバネ部材とを備え、上記コイルは上記バネ部材の自由端側に取付けられ、上記バネ部材の固有振動周波数が上記特定の周波数と同一であることを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２に記載の音エネルギーを利用した発電装置は、コイルと、上記コイルが振動する空間に静磁界を発生させる静磁界発生装置とを備えた発電装置であって、特定の周波数を含む音の伝播路に設置されたプレートと、一端が基台に固定され自由端が上記プレートに取付けられた板バネとを備え、上記コイルは上記板バネの自由端側に取付けられ、上記板バネの固有振動周波数が上記特定の周波数と同一であることを特徴とする。
本来は、音・振動のエネルギーはそのまま電気エネルギーに変換すると微少であるが、本発明では、音のエネルギーを防音壁やプレート受け止めるとともに上記音の周波数と同じ周波数で共振する板バネやコイルバネなどのバネ部材で吸収して、上記バネ部材の自由端側に取付けられ、かつ、上記静磁界中に設置されたコイルを大きな振幅で振動させる構成とすることにより、上記音エネルギーが膨大に増幅されるようにしたので、音のエネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することが可能となる。その上、本発明の発電装置は設置場所を選ばず、音があれば何処にでも設置可能である。したがって、従来無駄に放出されてきた音のエネルギーを効率的に利用することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る音及び振動エネルギーを利用した発電装置（以下、発電装置という）１０を示す模式図で、本例では、工場等の機械室に設けられた防音壁１に発電装置１０を取付けた場合について説明する。
本例の発電装置１０は、基台１１と板バネ１２と振動部材１３とコイル１４と静磁界発生装置１５とを備えており、基台１１に機械室内に発生した騒音に含まれる特定の周波数（振動数）と同一の固有振動数を有する板バネ１２の一端側を固定してこれを上記板バネ１２の固定端とし、上記板バネ１２の他端側（自由端側）に振動部材１３を取付け、この振動部材１３にコイル１４を装着する。
振動部材１３は、詳細には、上記基台１１に平行な水平片１３ａと、この水平片１３ａの両端部から上方に突設された垂直片１３ｂ，１３ｃとから成り、上記防音壁１側に位置する垂直片１３ｂの先端側に、円筒状のボビン１４ａに導線１４ｂを巻き上げたコイル１４の上記ボビン１４ａの開口部を、円環状の装着部材１６を介して取付ける。また、上記導線１４ｂの両端部は端子板１７の出力端子１７ａ，１７ｂに接続されており、この出力端子１７ａ，１７ｂが本例の発電装置１０の出力端となる。
また、静磁界発生装置１５は、上記コイル１４を貫く静磁界Ｈを発生させるもので、本例では、上記コイル１４の軸方向に平行な方向に磁化された複数本の永久磁石１５ｍを、上記コイル１４の外周側を囲むように、円環状に配置したものを用いている。
上記発電装置１０を設置する際には、断面がＬ字状の取付部材１８を用いて、上記コイル１４を、その軸が上記防音壁１に垂直で、かつ、上記防音壁１から所定の距離（例えば、１〜３ｃｍ）離れた位置に位置するように、上記発電装置１０の基台１１を上記防音壁１に取付けるとともに、調整スタンド１９により上記静磁界発生装置１５を機械室の床２上に保持する。このとき、上記静磁界発生装置１５の発生する静磁界が、上記コイル１４が振動する空間でかつ上記コイル１４を一定の方向を向いて貫くような位置になるように、上記調整スタンド１９の高さを調整する。具体的には、円環状に配置された永久磁石１５ｍの内側のほぼ中心部に上記コイル１４の中心が位置するように調整する。
【００１２】
次に、上記構成の発電装置１０の動作について説明する。
工場等の機械室内に設置された電源ボックスやリレーなどのトランスから発生した、電源の周波数である５０Ｈｚないしは６０Ｈｚ、及び、その倍音から成る騒音は室内を伝播して、上記機械室内に設置された防音壁１に到達し、その音圧のエネルギー（振動エネルギー）により、上記防音壁１を振動させる。この防音壁１の振動は、取付部材１８を介して基台１１にその一端が固定された板バネ１２に伝達され、上記板バネ１２を振動させる。このとき、上記板バネ１２の固有振動数ｆ₀を、上記騒音の基本周波数である５０Ｈｚないしは６０Ｈｚになるように上記板バネ１２の材質（弾性定数）及び寸法を選択しておけば、上記板バネ１２は上記固有振動数ｆ₀で共振する。これにより、上記板バネ１２の自由端側に取付けられた振動部材１３は上記板バネ１２の共振に伴って振動するので、上記振動部材１３の先端側に装着されたコイル１４は、上記静磁界発生装置１５の発生する静磁界中で大きな振幅で振動する。これにより、上記コイル１４の導線１４ｂの両端には上記固有振動数ｆ₀と同じ周波数の起電力（誘導起電力）が発生する。上記コイル１４は、上記板バネ１２の共振により大振幅で振動するので、上記誘導起電力の大きさは、単に上記防音壁１の振動を上記コイル１４に伝達した場合に比べてはるかに大きな値となる。したがって、上記誘導起電力を上記端子板１７の出力端子１７ａ，１７ｂから取出し、図示しない充電装置に蓄電したり、電気機器に接続したりするなどして電力として利用することができる。
また、上記防音壁１を振動させる騒音の音圧のエネルギー（振動エネルギー）の大部分は、本例の発電装置１０により電気エネルギーとして取出されるので、防音壁１から機械室内に反射される騒音も大幅に減少し、機械室内の騒音を大幅に減少させることができる。
なお、上記防音壁１には上記騒音とともに、モータ等の振動も伝達されるので、本例の発電装置１０では、上記振動エネルギーも同時に電気エネルギーとして取出されるので、騒音だけでなく、機械室内の振動も減少させることができる。
【００１３】
このように本実施の形態１では、基台１１に機械室内に発生した騒音に含まれる特定の周波数と同一の固有振動数を有する板バネ１２の一端側を固定してこれを上記板バネ１２の固定端とし、上記板バネ１２の他端側に振動部材１３を取付け、この振動部材１３にコイル１４を装着するとともに、上記コイル１４の周囲に、上記コイル１４を貫く静磁界Ｈを発生させる静磁界発生装置１５を配置した発電装置１０の上記基台１１を、取付部材１８により、機械室内に設置された防音壁１に取付け、上記板バネ１２を上記防音壁１の振動に共振させて、上記コイル１４を静磁界中で上記周波数で大振幅で振動させ、上記コイル１４の両端に接続された出力端子１７ａ，１７ｂから誘導起電力を取出すことにより、上記騒音の振動エネルギーを電気エネルギーに変換して出力することができるようにしたもので、これにより、上記防音壁１を振動させる騒音の音圧のエネルギーを有効に電気エネルギーとして取出すことができるとともに、機械室内の騒音を大幅に減少させることができる。
【００１４】
なお、上記実施の形態１では、特定の周波数を含む騒音により振動する防音壁１の振動、すなわち、振動体の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する場合について説明したが、図２に示すように、上記騒音のエネルギーを受け止めるプレート２４をコイル２５が装着された板バネ２２に装着して上記板バネ２２を共振させる構成の発電装置２０により、上記騒音エネルギーを直接電気エネルギーに変換することも可能である。上記発電装置２０は、具体的には、基台２１に所定の固有振動数を有する板バネ２２の一端側を固定してこれを上記板バネ２２の固定端とし、上記板バネ２２の他端側にコイル設置板２３を取付け、このコイル設置板２３の前面側（騒音の入射方向）に騒音のエネルギーを受け止めるための面積の大きなプレート２４を装着し、かつ、裏面側にコイル２５を装着するとともに、上記基台２１上に上記コイル２５の位置する空間に静磁界を発生するための静磁界発生装置２６を配置したもので、騒音のエネルギーによる上記プレート２４の振動を板バネ２２の共振により増幅し、上記コイル２５を上記静磁界発生装置２６で発生させた磁界中で振動させることにより上記騒音エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。また、コイル設置板２３を広面積とすることにより、プレート２４に変えることができる。なお、上記静磁界発生装置２６では、発電効率を向上させるため、環状に配置された永久磁石２６ｍのコイル２５とは反対側を軟鉄などの軟磁性材料２６ａで磁気的に結合するとともに、コイル２５の中心部に軟磁性材料から成るヨーク材２６ｂを配置して、磁束密度が最も高い部分を上記コイル２５が往復運動するようにしている。
また、上記発電装置１０は設置場所を選ばないので、上記防音壁１に限らず振動があれば何処にでも設置可能である。また、上記発電装置２０も設置場所を選ばないので、上記発電装置１０，２０を発電所や工場など、常に音・振動があふれている箇所に設置することにより、吸音・減衰しながらそのエネルギーを他の電気設備のエネルギーとして利用可能である。また、道路・鉄道・空港など音・振動のエネルギーが大きい箇所に設置すれば更に有効である。
【００１５】
なお、上記例では、工場等の機械室内に設置された電源ボックスやリレーなどのトランスから発生した５０Ｈｚないしは６０Ｈｚを基本周波数とする騒音の振動エネルギーを利用して発電する例について説明したが、本発明の発電に利用される音としてはこれに限るものではなく、その他の不要な低周波帯域の騒音や特定周波数の振動に対しても、上記板バネ１２の固有振動数を変更することにより対処することができることはいうまでもない。
また、上記例では、板バネ１２にコイル１４を装着した振動部材１３を取付けた構成としたが、図３（ａ）に示すように、上記防音壁１に、騒音あるいは振動体の振動に含まれる特定の周波数と同一の固有振動数を有するコイルバネなどのうずまき状のバネ部材１２Ｋの一端側を取付け、他端側にコイル１４を装着して成る発電装置１０Ａを用いて防音壁１を振動させる振動エネルギーを電気エネルギーに変換するようにしてもよい。なお、１５Ａは基台１１Ａ上に設置された、上記静磁界発生装置２６と同様の構成の静磁界発生装置である。
また、図３（ｂ）に示すように、ボビン１４ａを省略し、上記コイル１４を構成する導線１４Ｂとして径の大きな剛性を有する素材として上記コイル１４自身を、騒音あるいは振動体の振動に含まれる特定の周波数と同一の固有振動数を有するバネ部材とした発電装置１０Ｂを構成することも可能である。なお、このとき、上記導線１４Ｂを装着部材１６Ｍにて防音壁１に取付けてもよい。
【００１６】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る音及び振動エネルギーを利用した発電方法を示す模式図で、同図において、２０Ａは上記図２に示した騒音エネルギーを直接電気エネルギーに変換するタイプの発電装置２０と同様の発電装置、２１Ａは上記発電装置２０Ａの取付台、５０はヘルムホルツ共鳴器である。上記ヘルムホルツ共鳴器５０は、一つの側面に開口部５２ａを有する箱体５１から成り、この箱体５１の空洞部５３の体積と、上記箱体５１の空洞部５３に連通し上記開口部５２ａに開口する空気導入路５２の径及び長さによって決定される特定の周波数の振動に対して共鳴するもので、本例では、このヘルムホルツ共鳴器５０の共鳴周波数を騒音に含まれる特定の周波数に設定するとともに、発電装置２０Ａの図示しない固有振動数が上記騒音に含まれる特定の周波数と同一に設定されたコイルを上記ヘルムホルツ共鳴器５０の開口部５２ａに対向するように設置し、上記例と同様に、上記コイルを静磁界中で振動させて発電する。すなわち、上記開口部５２ａは、上記ヘルムホルツ共鳴器５０に導入された騒音の音圧エネルギーが最も高い部分であり、この部分に上記発電装置２０Ａのコイルを設置することにより、騒音の音圧のエネルギーを更に効率的に電気エネルギーに変換することができる。
【００１７】
なお、上記実施の形態２では、ヘルムホルツ共鳴器５０にて騒音を増幅して発電するようにしたが、図５に示すように、上記ヘルムホルツ共鳴器５０に代えて、騒音に含まれる特定の周波数に共鳴する空洞部３０Ｓを有する音響管３０を用い、この音響管３０の開口部３０ａに対向するように、上記発電装置２０Ａを設置しても同様の効果を得ることができる。なお、同図において、２１Ｂは上記発電装置２０Ａと音響管３０とを支持する支持台である。
また、上記例では、騒音エネルギーを直接電気エネルギーに変換するタイプの発電装置２０Ａを用いて発電する例を示したが、上記ヘルムホルツ共鳴器５０や音響管３０は、上記騒音に含まれる特定の周波数で振動する振動体であるので、上記図４のヘルムホルツ共鳴器５０や上記図５の音響管３０の外壁部に、例えば、上記図３（ａ）に示すような、振動体の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するタイプの発電装置１０Ａを設置して発電することも可能である。
すなわち、騒音等の音が発生している場合には必ず周囲の物体も振動しているので、この物体（振動体）に発電装置１０，１０Ａを取付けるようにすれば、上記物体の振動による振動エネルギーを電気エネルギーに変換できる。
【００１８】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る音及び振動エネルギーを利用した発電方法を示す模式図で、同図において、４０は機械室の床２に設置されたコンプレッサ、４１はこのコンプレッサ４０の空気吸込管（以下、ダクトという）、４２は圧縮空気を送る輸送管、３５は上記ダクト４１に取付けられたサイドブランチである。このサイドブランチ３５は輸送管の途中に取付けられる閉管で、サイドブランチ３５の径ｋ及び長さｌによって決定される共振周波数を有しており、上記サイドブランチ３５内に導入された空気は上記共振周波数で共鳴する。
本例では、上記ダクト４１の内部で、上記ダクト４１と上記サイドブランチ３５との連結部となる開口部４１ａに対向する位置に、上記図２に示した騒音エネルギーを直接電気エネルギーに変換するタイプの発電装置２０と同様の発電装置２０Ａを設置して、上記ダクト４１から上記サイドブランチ３５内に導入されて共鳴した上記ダクト４１内で発生する騒音の音圧エネルギーを電気エネルギーとして取出すようにしている。
すなわち、上記サイドブランチ３５の共振周波数を、上記ダクト４１内で発生する騒音の中に含まれる特定の周波数に共鳴するように設定しておけば、上記開口部４１ａの空気は上記共振周波数で激しく振動するので、この振動により発電装置２０Ａの図示しないコイルを静磁界中で振動させることにより、上記ダクト４１内で発生する騒音の音圧エネルギーを電気エネルギーとして取出すことができるとともに、上記ダクト４１内で発生する騒音を大幅に減少させることができる。
【００１９】
なお、上記実施の形態３では、騒音エネルギーを電気エネルギーに変換するタイプの発電装置２０Ａを用いたが、上記発電装置２０Ａに代えて、例えば、発電装置１０Ａのような振動エネルギーを電気エネルギーに変換するタイプの発電装置を上記サイドブランチ３５に装着する構成としてもよい。
また、上記例では、コンプレッサ４０のダクト４１にサイドブランチ３５を取付けた例について説明したが、これに限るものではなく、コンプレッサ４０を使用していないボイラーの排気や車のマフラーなどの、騒音や振動が発生している気体の輸送管にサイドブランチを設け、このサイドブランチの内部あるいは外周部に上記発電装置１０あるいは上記発電装置１０Ａを設置することにより上記騒音や振動を低減することができるとともに、上記騒音や振動のエネルギーから発電することが可能となる。
【００２０】
また、上記のように、上記実施の形態１〜３の発電装置１０，２０等は吸音装置としての機能も同時に有するが、発電された電力を利用しない場合や、電力利用手段がまだ設置されていない段階では、上記発電装置１０，２０等のコイル１４の両端側を開放するか、または、コイル１４の両端側に抵抗などの電流消費手段を取付けて上記振動のエネルギーを単に消費させることにより、上記発電装置１０，２０等を吸音装置としてのみ利用するようにしてもよい。
【００２１】
実施の形態４．
上記実施の形態１では、音や振動のエネルギーを電気エネルギー変換する発電装置１０について説明したが、上記発電装置１０を特定の周波数を含む音あるいは振動を発生する音響・振動源が近くにあるかどうかを探査するための音響・振動源の探査装置として使用することも可能である。
本例の音響・振動源の探査装置は、図７に示すように、上記発電装置２０と略同様の構成で、基台２１と板バネ２２とコイル設置板２３とコイル２５と静磁界発生装置２６とを備えており、基台２１上に所定の固有振動数を有する板バネ２２の一端側を固定してこれを上記板バネ２２の固定端とし、上記板バネ２２の他端側にコイル設置板２３とプレート２４とを取付け、上記コイル設置板２３にコイル２５を装着するとともに、上記基台２１上に上記静磁界発生装置２６を設置して取付けた構成となっている。また、コイル２５の両端部が接続される端子板２７には、上記コイル２５の両端側の電圧、あるいは、上記コイル２５に流れる電流を検出する検出装置２７Ｓが設けられている。
上記音響・振動源の探査装置２０Ｚは持ち運びが容易な構造であるので、例えば、工場内の各場所に、上記音響・振動源の探査装置２０Ｚを移動させると、上記音響・振動源の探査装置２０Ｚの近くに上記板バネ２２の固有振動数と同じ周波数を含む音あるいは振動を発生する音響・振動源Ｓがあった場合には、音響・振動源Ｓからの音圧あるいは振動により上記板バネ２２が共振し、上記コイル２５の両端側に上記周波数の誘導起電力が発生するので、これを上記検出装置２７Ｓにより検出することにより、上記音響・振動源の探査装置２０Ｚの近傍に上記音響・振動源Ｓがあることを容易に検知することができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特定の周波数を含む音の伝播路に防音壁やプレートを設け、この防音壁やプレートに板バネなどのバネ部材を介してコイルを設置するとともに、上記板バネの固有振動周波数を上記特定の周波数と同一にしてコイルを静磁界中で上記特定の周波数で共振させるようにしたので、上記音のエネルギーを電気エネルギーに変換して出力することができる。したがって、騒音のエネルギーを効率的に電気エネルギーに有効に変換することができるとともに、上記音の伝播を大幅に低減することができる。
また、本発明によれば、発電所や工場など、常に特定の周波数を含む音があふれている箇所の上記特定の周波数の音を吸音・減衰しながらそのエネルギーを他の電気設備のエネルギーとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る音及び振動エネルギーを利用した発電装置を示す模式図である。
【図２】本発明による発電装置の他の構成を示す図である。
【図３】本発明による発電装置の他の構成を示す図である。
【図４】本実施の形態２に係る音及び振動エネルギーを利用した発電方法を示す模式図である。
【図５】本発明による他の発電方法を示す図である。
【図６】本実施の形態３に係る音及び振動エネルギーを利用した発電方法を示す模式図である。
【図７】本実施の形態４に係る音響・振動源の探査装置の概要を示す模式図である。
【図８】ヘルムホルツ共鳴器の構成を示す図である。
【符号の説明】
１防音壁、２床、１０音及び振動エネルギーを利用した発電装置、
１１基台、１２板バネ、１３振動部材、１３ａ水平片、
１３ｂ，１３ｃ垂直片、１４コイル、１４ａボビン、１４ｂ導線、
１５静磁界発生装置、１６装着部材、１７端子板、
１７ａ，１７ｂ出力端子、１８取付部材、１９調整スタンド。

Claims

コイルと、上記コイルが振動する空間に静磁界を発生させる静磁界発生装置とを備えた発電装置であって、
特定の周波数を含む音の伝播路に設置された防音壁と、
一端が上記防音壁に固定されたバネ部材とを備え、
上記コイルは上記バネ部材の自由端側に取付けられ、
上記バネ部材の固有振動周波数が上記特定の周波数と同一であることを特徴とする音エネルギーを利用した発電装置。
コイルと、上記コイルが振動する空間に静磁界を発生させる静磁界発生装置とを備えた発電装置であって、
特定の周波数を含む音の伝播路に設置されたプレートと、
一端が基台に固定され自由端が上記プレートに取付けられた板バネとを備え、
上記コイルは上記板バネの自由端側に取付けられ、
上記板バネの固有振動周波数が上記特定の周波数と同一であることを特徴とする音エネルギーを利用した発電装置。