JP4927447B2

JP4927447B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP4927447B2
Application number: JP2006160952A
Authority: JP
Inventors: 陽平鳥海; 康通金井; 松本　　聡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: JP2007325836A

Description

本発明は、人間の生活の動作によって電力を発生する発電装置に関し、特に歩行を行なうことで電力を発生させ、携帯電気機器に電力を供給する発電装置に関するものである。

近年、携帯機器に搭載される機能が増加しその使用時間が伸びていることから、携帯電話や、音楽プレーヤーなどの電源が外出時に切れてしまうことがある。この問題を解決する一手法として、手回し充電器（例えば非特許文献１参照。）などの携帯型の発電機が存在するが、意識的に力を入れて充電しなければならず疲れる。

そこで、意識せずに発電を行なうものとして、利用者の歩行を利用した歩行発電が考案されている（例えば特許文献１および２参照。）。

ここで、歩行の際に発生する圧力を利用して発電を行なう場合には、歩行時に踵からつまさきに重心が移る過程において、その圧力に差があること（非特許文献２参照）を考慮する必要がある。

特開２００４−９６９８０号公報特許第２８７０３３０号公報「手回し充電」http://www.anabas.co.jp/taichiholdings/j/product/mg120/index.html 「大面積圧力センサを用いた歩行パターン計測装置の開発」NTT CS研大和淳司他電子情報通信学会論文誌 D-2、Vol.J84-D-2、No.2,pp.380-389、2001年2月

従来の技術では、利用者の動作から効率的に（例えば利用者に不快感与えることなく、１Ｗ以上の大出力を）発電することができなかった。そこで、特に歩行時における圧力の不均衡を考慮し、効率的に発電する技術の実現が重要な課題となっていた。

本発明は、上述した従来技術における問題点を解消し、課題を解決するためになされたものであり、人間の日常生活の何気ない動作の中で意識的な作業なしに発電可能な発電装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る発電装置は、外部からの加重によってそれぞれ内容積が変化する第１の液体用タンクおよび第２の液体用タンクと、前記第１の液体用タンクの内容積の変化または前記第２の液体用タンクの内容積の変化に基づき第１の液体用タンクと第２の液体用タンクとの間で液体を流動させる流動経路と、前記第１の液体用タンクに設けられ、前記第２の液体用タンクから前記第１の液体用タンクに前記加重が移るにしたがって、前記第１の液体用タンクの内容積の減少に伴って弾性エネルギーを蓄積し、前記第１の液体用タンクに移った前記加重が減るにしたがって、前記弾性エネルギーを放出して前記第１の液体用タンクの内容積を増加させて前記第２の液体用タンクから前記第１の液体用タンクへ液体を戻す第１の弾性機構と、前記第２の液体用タンクに設けられ、前記第１の液体用タンクから前記第２の液体用タンクに前記加重が移るにしたがって、前記第２の液体用タンクの内容積の減少に伴って弾性エネルギーを蓄積し、前記第２の液体用タンクに移った前記加重が減るにしたがって、前記弾性エネルギーを放出して前記第２の液体用タンクの内容積を増加させて前記第１の液体用タンクから前記第２の液体用タンクへ液体を戻す第２の弾性機構と、前記流動経路上に設けられ、前記第１の液体用タンクと前記第２の液体用タンクとの間を移動する液体の流動によって回転するタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、利用者の動作に伴って前記第１の液体用タンクまたは前記第２の液体用タンクに対する加重が変化するように前記利用者の体に装着するための装着手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る発電装置は、上記発明において、前記弾性機構はバネ部材によってなることを特徴とする。

また、本発明に係る発電装置は、上記発明において、前記弾性機構は、前記第１の液体用タンクおよび前記第２の液体用タンクの内容積が所定の平衡状態となるように前記弾性エネルギーを放出することを特徴とする。

また、本発明に係る発電装置は、本発明において、前記装着手段は靴であり、前記利用者の足の爪先近傍に体重がかかる状態と踵近傍に体重がかかる状態とで異なる液体用タンクに加重が加わることを特徴とする。

本発明によれば発電装置は、利用者の動作によってタンクを変形させて液体を流動させ、流動の圧力と運動量によってタービンを回して発電する際に、タンクの変形によって弾性エネルギーを蓄積するので、弾性エネルギーを用いてタンクの流体の偏りの防止とタービンへの回生を行なって効率的に発電可能な発電装置を得ることができるという効果を奏する。

また、本発明によれば発電装置は、バネをタンク内に設けてタンクにかかる圧力の一部を弾性エネルギーに変換するので、簡易な構成で効率的に発電可能な発電装置を得ることができるという効果を奏する。

また、本発明によれば発電装置は、タンク内に設けた弾性部材にタンクにかかる圧力の一部を弾性エネルギーとして蓄積し、複数のタンクの内容積が所定の平衡状態となるように弾性エネルギーを放出するので、複数のタンクに対して与えられる圧力が均一でない場合にも効率的に発電する発電装置を得ることができるという効果を奏する。

また、本発明によれば発電装置は、利用者の体重移動によって液体を流動させ、流動の圧力と運動量によってタービンを回して発電するので、歩行などの動作を利用して効率的に発電可能な発電装置を得ることができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る発電装置の好適な実施例について詳細に説明する。

本発明は、人間の日常生活の中で、外部に圧力をかける動作から電力をえようというものであるが、本実施例では外部に圧力をかける例として、歩行時に足の裏が靴底にかける圧力を利用する方法について説明する。

図１および図２は、本発明の実施例である発電装置を有した靴の概要構成を説明する概要構成図である。図１および図２に示したように、靴内部の、歩行時に最も圧力がかかる２点、例えば踵と、足の親指の付け根の辺りにそれぞれやわらかいタンク１とタンク２を配置している。

タンク１の内部には、バネによって支えられた台を弾性部材１０として配置し、タンク２の内部には、バネによって支えられた台を弾性部材２０として配置する。

また、パイプ４１とパイプ４２は、タンク１とタンク２をつないでおり、さらにパイプ４３がパイプ４１と４２とを接続している。そして、逆止弁５１，５２，５３，５４により、パイプ４３には常に一方向にしか液体は流れない。

例えば、タンク１に圧力をかけたときは、逆止弁５１，５３が閉じて逆止弁５２からパイプ４３を通り逆止弁５４へ液体が流れる。同様に、タンク２に圧力を掛けた場合には、逆止弁５２，５４が閉じて逆止弁５１からパイプ４３を通り逆止弁５３へ液体が流れる。

パイプ４３の中点にあるタービン３は、パイプ４３に流れる液体の圧力と運動量によって回転をする。プーリー９はタービン３から発電機６へと動力を伝えるものである。プーリーを用いているのは、靴底という狭いスペースにおいて、タービンと発電機が軸を共有しておくスペースが無い場合や、タービンと発電機の回転数を違うものにしたい場合などである。状況によってはプーリーを用いずタービンと発電が軸を共用しても良い。

発電機６は、タービンの動力によって交流電流を発生する。また、蓄電素子８は発生した電力を蓄える素子である。充電回路７は、発電機６と蓄電素子８の間にあり、発電機６で発生する交流電流を整流する機能と蓄電素子８の電圧を調整する機能を有する。

なお、ここでは発生した電源を一旦蓄電素子８に蓄積する場合の構成を例に説明を行なっているが、例えば発電機６で発生した電流を直接外部に出力するなど、任意の構成とすることもできる。

つづいて、発電装置の動作を説明する。人間の一般的な歩行の仕方は、片足をあげ、前に出し、踵から着地し、つま先の方に重心が移動し、指の付け根の辺りに完全に重心が来たとき、そこで全体重を支え、もう片方の足を持ち上げるというような動作を繰り返す。

すなわち、歩行の間には、踵のみに体重がかかっている時間と、足の指の付け根辺りのみに体重がかかっている時間がある。本発明はこの２つの位置の圧力差を積極的に利用するものである。

まず、踵に体重がかかっているとき、タンク２に圧力がかかり、タンク１には圧力がかかっていないので、その圧力差により、タンク２からタンク１へと液体は移動する。そのときの圧力差と、液体の運動量によってパイプ４３の途中にあるタービン３を回すことができる。

次に足の指の付け根に体重がかかっているときは先ほどとは逆にタンク１に圧力がかかり、タンク２には圧力はかかっていないので、その圧力差によりタンク１からタンク２へと液体は移動し、タービン３を回すことができる。

このシステムでは歩行による圧力によって踵のタンク２からタービンを経てつま先のタンク１に至るまで密閉された空間を流体が行ったり来たりする。移動する流体の流量は、タービンにかけられる圧力と、圧力がかかる時間の関数で表されるが、踵のタンク２からつま先のタンク１へ移動する流体の量と、つま先のタンク１から踵のタンク２へと移動する流体の量は等しくならなければ、流体が片方のタンクに偏ってしまう。

すると、片方のタンクが常に満杯になるか、片方のタンクが常に内部の流体を全て使い切るまで潰されるかのどちらかになる。満杯になった場合はタンクが満杯になった時点でそれ以上液体は流れなくなってしまうし、内部の流体を全て使い切るまで潰すということはやはりそれ以上液体は流れなくなってしまう。

すなわち、歩行によるエネルギーを流体が吸収しきれずに、満杯、もしくは潰されたタンクが衝撃としてエネルギーをロスしてしまうことを意味するため望ましくない。また、満杯、もしくは空のタンクが衝撃を受けるのは装置の劣化が早まるという観点からも望ましくない。

ここで、人間の歩行によって生じる圧力は、図３にしめしたように、歩行時に踵からつま先に重心が移る過程において、その圧力に差が生じる。同図では踵にかかる圧力の方が大きいことが分かる。

この図３に示されるような歩行圧力分布の人間がこのシステムを用いた場合、踵のタンク２を踏む圧力の方がつま先のタンク１を踏む圧力よりも強いため、よほど流体の移動量を意識して歩かない限りは、踵からつま先へと移動する流体の方がつま先から踵へ移動する流体の量よりも大きくなる可能性が高い。

そこでこのシステムには、踵とつま先にかかる圧力とその圧力がかかっている時間が不均等であっても流体が片方のタンクに偏らないように弾性部材１０および弾性部材２０を設けている。

なお、人の歩き方、歩く時の足の裏への圧力のかかり方は千差万別であるため、流体の偏り方は一定ではない。また、同一人物においても、歩く速度、歩く道の状況において歩き方は変わってくるため、流体の偏り方は変わってくることが予想される。そこで、あらゆる偏り方に対応できるような方法である必要がある。

具体的には、タンク１，２にそれぞれ設けた弾性部材１０，２０によってタンク１，２にかけた圧力の一部をバネの弾性エネルギーとして保存し、タンクにかかる圧力がなくなったときバネの戻る力を利用して、流れた流体の一部をまたタンクに戻すことができる。

このバネによりタンク１，２には規定以上の流体はたまらず、流体の偏りをなくすことができる。それとともに、バネの戻りによって移動する流体によってもタービンを回して発電することができるため、効率の低下も少ない。

タンクに弾性部材を設けた場合の本システムの動作について、図４−１〜図４−４を参照してさらに説明する。図４−１に示したように、バネとバネによって支えられた台によって構成した弾性部材１０，２０を、タンク１，２内部の下方に設置して歩行運動を開始すると、足の裏の圧力によって踵のタンクを踏みつけることになるが、その時、まず、踏みつけはじめは踏みつけた圧力により流体をタービンへと押し流す。圧力が高いか、圧力のかかる時間が長いと、タンクの上面が台に接する位置まで来る（図４−２）。

その後、そのまま圧力がかかりつづけると、圧力によってさらに流体をタービンへと押し流すと同時にバネをちぢませ、バネによる反発力と、足裏から押す力がつりあう所までタンクの上面は下がる（図４−３）。

さらにその後歩行運動の過程において、重心はもう一つのタンクへと移っていき、足裏から押す力が減るため、バネが戻ろうとする力により、タンク上面は上に押し上げられ、バネが定常状態になる位置で止まる（図４−４）。その時、移動した流体の一部がまたもとのタンクに戻される。これによって片方のタンクからもう片方のタンクへ流体が移動しすぎることがなくなる。

このように、つま先にかかる圧力の方が大きかったり、圧力のかかる時間が長かったりした場合も同様に、一旦つま先のタンクから踵のタンクへと移動した流体がバネの戻る力によって、つま先のタンクへと戻る。

すなわち、どんな歩き方をして、どれだけ圧力をかけて流体を移動させようとも、バネの力によって過剰に移動した分はもどされて、流体の移動総量は毎回同じ量となる。また、バネによって戻る時の流体もタービンに仕事を与えるため、バネを縮めるのに消費したエネルギーは回生される。従って、本発明により大きなエネルギーのロスをすることなく、流体の偏りを回避することができ、歩行発電システムの出力の低下を回避することができる。

上述してきたように、本発明に係る発電装置は、タンクに弾性部材を設けてタンクに加わる圧力の一部を弾性エネルギーとして蓄積するので、歩行発電においていかなる歩き方をしても複数のタンクにおける流体の偏りを無くすことができ、それによってタンクが満杯になったり、空になってしまったりすることを防ぎ、出力の低下を防止することができる。

なお、本実施例に示した構成はあくまで一例であり、適宜変更して実施することができるものである。例えば、図５に示した構成では、タンク１とタービン３との間を逆止弁を持たないパイプ４４で接続し、タービン３とタンク２との間を、逆止弁５５をもつパイプ４５および逆止弁５５をもつパイプ４５で接続している。そのため、タンク１からタンク２へ液体が流動する場合の流動経路はパイプ４４とパイプ４６で構成され、タンク２からタンク１へ液体が流動する場合の流動経路はパイプ４４とパイプ４５で構成されることとなる。

同様に、図６に示した構成では、タービン３をタンク２の近傍に設け、逆止弁５７をもつパイプ４７および逆止弁５８をもつパイプ４８でタンク１とタンク２との間を接続している。また、より簡易な構成としては、２つのタンクの間を単一のパイプで接続し、同一パイプ内で流体を往復させる構成であっても本発明を適用するこができる。

このほか、例えば３以上のタンクを持たせるなど、任意の構成において本発明を適用可能である。また、設置場所も靴の中に限らず、圧力差を生じさせる場所、例えば股関節などに設置し、股関節を曲げたり伸ばしたりする動作によって発電をすることも可能である。

さらに、本実施例では弾性部材を台とバネによって構成していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばタンク自体をゴムによって構成するなどタンクに加わる圧力を弾性エネルギーに変換可能であれば任意の構成によって実現することが可能である。

以上のように、本発明にかかる発電装置は、人力による発電に有効であり、特に日常動作による発電に適している。

本発明で提案する発電装置の構成例を説明する説明図である（その１）。本発明で提案する発電装置の構成例を説明する説明図である（その２）。人間の歩行によって生じる圧力の変化について説明する説明図である。図１に示した発電装置の動作について説明する説明図である（その１）。図１に示した発電装置の動作について説明する説明図である（その２）。図１に示した発電装置の動作について説明する説明図である（その３）。図１に示した発電装置の動作について説明する説明図である（その４）。構成の変形例について説明する説明図である（その１）。構成の変形例について説明する説明図である（その２）。

符号の説明

１，２タンク
３タービン
４１〜４８パイプ
５１〜５８逆止弁
６発電機
７充電回路
８蓄電素子
９プーリー
１０，２０弾性部材

Claims

外部からの加重によってそれぞれ内容積が変化する第１の液体用タンクおよび第２の液体用タンクと、
前記第１の液体用タンクの内容積の変化または前記第２の液体用タンクの内容積の変化に基づき第１の液体用タンクと第２の液体用タンクとの間で液体を流動させる流動経路と、
前記第１の液体用タンクに設けられ、前記第２の液体用タンクから前記第１の液体用タンクに前記加重が移るにしたがって、前記第１の液体用タンクの内容積の減少に伴って弾性エネルギーを蓄積し、前記第１の液体用タンクに移った前記加重が減るにしたがって、前記弾性エネルギーを放出して前記第１の液体用タンクの内容積を増加させて前記第２の液体用タンクから前記第１の液体用タンクへ液体を戻す第１の弾性機構と、
前記第２の液体用タンクに設けられ、前記第１の液体用タンクから前記第２の液体用タンクに前記加重が移るにしたがって、前記第２の液体用タンクの内容積の減少に伴って弾性エネルギーを蓄積し、前記第２の液体用タンクに移った前記加重が減るにしたがって、前記弾性エネルギーを放出して前記第２の液体用タンクの内容積を増加させて前記第１の液体用タンクから前記第２の液体用タンクへ液体を戻す第２の弾性機構と、
前記流動経路上に設けられ、前記第１の液体用タンクと前記第２の液体用タンクとの間を移動する液体の流動によって回転するタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機と、
利用者の動作に伴って前記第１の液体用タンクまたは前記第２の液体用タンクに対する加重が変化するように前記利用者の体に装着するための装着手段と、
を備えたことを特徴とする発電装置。
前記弾性機構はバネ部材によってなることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記弾性機構は、前記第１の液体用タンクおよび前記第２の液体用タンクの内容積が所定の平衡状態となるように前記弾性エネルギーを放出することを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
前記装着手段は靴であり、前記利用者の足の爪先近傍に体重がかかる状態と踵近傍に体重がかかる状態とで異なる液体用タンクに加重が加わることを特徴とする請求項１，２または３に記載の発電装置。