JP5502863B2 - エネルギ発生器 - Google Patents

Description

本発明は、移動流体から電気などのエネルギを発生させるエネルギ発生器、例えば空気圧式発電器（すなわち風力発電器）または水力発電器、すなわち移動流体のエネルギを特に電気エネルギに変換できるエネルギ変換デバイスに関する。

種々の空気圧式発電器が提案されている。大部分の空気圧式発電器は、風力によって回転するように設定され、発電デバイスを駆動する回転式プロペラを具備している。
空気圧式発電器は公知であり、特に特許文献１による風力発電器は、通気ダクトを形成する２つの面板の間に配置されたダイアフラムを具備し、ダイアフラムが、これら面板の間において、ダイアフラムの平面に接する方向で、かつ空気流の方向に直交する方向に張力を受けた状態に維持され、それにより、ダイアフラムが面板の間を通る風の作用を受けて横方向に変形するようになっている。ダイアフラムは、ダイアフラムの相対する２つの縁部に沿って配置されるとともに結合部を介して支持構造体に取り付けられた、押縁（ｂａｔｔｅｎ）を含む織布である。２つの面板の間を通る風の作用を受けて、ダイアフラムは横振動の支持部となり、ダイアフラムの中央部分の横方向の動きが発電デバイスを作動させるために利用される。

国際公開第８２／００３２１号

本発明の目的は、効率を改善したダイアフラム付発電器を提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、移動流体からエネルギを発生させるエネルギ発生器を提供する。エネルギ発生器は、２つの面板を含む壁部からなるダクトを具備し、ダイアフラムが前記２つの面板の間に配置されていて前記２つの面板の間を通過する流体流の作用を受けるエネルギ発生器において、前記２つの面板が拡大していて、前記ダイアフラムの前縁から後縁に向かって移動する進行波の形態をなす流体流の作用を受けて前記ダイアフラムを変形させるようになっており、それにより前記ダイアフラムの後縁が横振動を伴って駆動され、前記横振動を利用する振動利用手段が前記後縁に接続されていることを特徴とする。

流体の作用は、流体が進行するに従って、ダクトの入口に位置決めされたダイアフラムの前縁からダクトの出口に位置決めされたダイアフラムの後縁に向かって移動する進行波を増幅させる。このとき、ダイアフラムの後縁が横振動を伴って駆動されて、この横振動が振動利用手段、例えば発電手段を作動させる。流体と波状に起伏するダイアフラムとの間のカップリングにより、進行波とともに移動する圧力場と、ダイアフラムに付与され、進行波とともに移動する合成圧力場とを形成する。面板は、これらの圧力差から生じる力を増強する。進行波の伝播速度の関数としての圧力によって仕事がされるので、流体の機械的エネルギがダイアフラムに伝達される。このとき、風力発電器本体における流体の平均圧力の低下を伴う。進行波の伝播速度は、流体からのエネルギの回収量を最大化するために調整され、最適化される。このことは、ダイアフラムに張力を付与する張力付与手段によってなされる。

進行波は、機械的エネルギ、変形エネルギおよびダイアフラムにわたって移動する運動エネルギに相当する。これらの進行波は、流体からダイアフラムに移動した機械的エネルギの結果として、進行波が進行するに従って互いを機械的に増幅させる。それにより、ダイアフラムの機械的特性がその長さに沿ってほとんど変化しない場合には変形の振幅を増大させることになり、また、ダイアフラムの機械的特性がその長さに沿って変化する場合には、振幅の変化はより小さいものになりうる。流体からダイアフラムへのエネルギ移動の結果は、ダクトの入口と出口との圧力差にみられることになる。ここで、移動された動力は、流体の流量によって乗算された圧力差との積である。ダイアフラムの両側を進行する圧力場は、ダクトの入口圧力を出口圧力までつないでいる。後縁において、後縁まで到達した進行波は、進行波の経路に沿って流体からダイアフラムに移動された機械的エネルギのすべてを蓄積しており、ダイアフラムの後縁は、機械エネルギを電気エネルギに変換する発電手段を作動させる。

このエネルギ発生器の技術は、流量と無関係に良好な閉塞性を呈するので、小さい流体流量においてもなお種々の利点、例えば高効率の空気流若しくは水流または高効率の即時起動を提供する。また、エネルギ発生器は、その小さい慣性および短い応答時間がゆえに低速であっても流体流からのエネルギ回収が可能であるとともに、速い風速にも適応し、かつ突風の際の速度変化にも追従するので、利用時間にわたって良好な効率を提供する。

本発明の原理に従う空気圧式発電器の長手方向の断面図である。 本発明の第１の実施形態における空気圧式発電器の部分断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態における空気圧式発電器の部分断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態の変更例の分解斜視図である。 本発明の第３の実施形態における空気圧式発電器の分解斜視図である。

本発明に係る発電器は、移動流体から電気を発生させるように配列されている。以下の説明において考慮される流体は空気であり、そのため発電器は空気圧式発電器である。しかしながら、他の流体、例えば水から電気を発生する発電器にも本発明を応用できることはいうまでもない。

本発明の原理について図１を参照して説明する。
図１を参照すると、本発明に係る発電器は、発電器本体１０の入口２と出口３との間に空気流用のダクトを形成する発電器本体１０内に配置された、波状に起伏するダイアフラム５を具備する。
ダイアフラム５は、発電器本体１０の入口２において前縁６を、発電器本体１０の出口３において後縁７をそれぞれ有している。後縁７は、電気を発生させる電気発生デバイスに接続されている。

ダイアフラム５の前縁６は張力Ｔ１を受け、後縁７は張力Ｔ２を受けるため、通路に沿って流れる空気流の作用によりダイアフムは波状に動くようになっている。張力Ｔ１および張力Ｔ２は、ダイアフラム５における波にとって望ましい伝播速度の関数として定まる。ここで、張力値の差は、風の方向に対して平行な長手方向の軸線に投影される圧力の結果として空気流に対するダイアフラムの抵抗を定める。
ダイアフラム５は、発電器本体１０の拡大部に配置されている。この拡大部は、進行波が進行する際における進行波の振幅の包絡面に適合するように形成されている。ダイアフラムの機械的特性は、進行波の伝播速度が発電器本体を通過する流体の速度よりも常に低速であるよう寄与している。

以下、本発明の発電器についてより詳細に説明する。
図２に示される発電器は、互いに対面して配置された鉛直方向の２つの面板１を備えた発電器本体１０を具備していて、発電器の入口２から出口３に向かって拡大するようになっている。このように面板１はダクトを形成していて、入口２と出口３との間に延在する縁部を有し、これら面板１は壁部によって一体に連結されている。

面板１の間にはダイアフラム５が延在しており、ダイアフラム５は、発電器の入口２の近傍に前縁６を、発電器の出口３の近傍に後縁７をそれぞれ有している。この実施例において、ダイアフラム５は、少なくとも鉛直軸線周りに湾曲する変形可能な材料からなるシートであると考えられる。ダイアフラム５は、織布、複合材料または実にエラストマであってもよい。図２の矢印８により示される張力付与手段は、ダイアフラム５の前縁６および後縁７に作用して、ダイアフラム５を鉛直面において張力を受けた状態に維持している。面板１によって導かれた風の作用を受けて、ダイアフラム５は振動を開始し、ダイアフラムに沿ってその前縁６と後縁７との間を伝播する進行波の支持部となる。前縁６における横方向の運動（両矢印で図示される）は比較的小さいままであるが、後縁７における横方向の運動は大きく、発電手段を作動させるのに適している。後縁７は、永久磁石を有する芯体１１に接続されていて、この芯体１１をコイル１２内部で移動させる役割を果たし、それによりコイル１２の端子間に電気を発生させる効果をもたらす。

図３に示される発電器は、図１および図２に示されたものと同様のものであるが、この実施例におけるダイアフラム１５は、鉛直軸線周りに互いにヒンジ留めされたスラット（ｓｌａｔ）１６によって構成される点が異なっている。ダイアフラム１５は全体としてダイアフラム５と同様の挙動を示し、ダイアフラムの前縁から後縁まで移動する進行波を伝達する。
図４に示される発電器は、図３に示されるものと同様のものであるが、ダイアフラム１５が変形可能な構造体に固定されたスラット１６からなる点が異なっている。なお、弾性要素が空気流によって発生される進行波を伝達するのに適している。この弾性要素の特性は、ダイアフラムの作動長さに沿って変化しうるのが有利であり、それにより空気流に対して進行波の伝播速度を最適化している。この弾性要素は、張力を付与するとともに発電器に連結するための取付点を担持している。この実施例における弾性要素は、スラット１６の端部と嵌め合わされる２つの押縁１７からなっている。

図５に示される発電器において、スラット１６は、それらの中央部において弾性要素に固定されている。この実施例において、弾性要素は、進行波の振動振幅が角振幅となるように角振動の形態をなす進行波の支持部である弾性のトーションバー１８によって形成されている。
また、弾性のトーションバー１８の特性がダイアフラムの作動長さに沿って変化してもよい。この実施例において、発電器は、トーションバー１８の角速度によって乗算されるトルクとの積を電気エネルギに変換する。

本発明は前述した記載に限定されず、反対に、特許請求の範囲に含まれるいかなる変更例をも含む。
発電器は図示されるように鉛直方向において作動しうるが、水平方向に作動させてもよい。
特に図示した実施形態において、ダイアフラムの前縁に連結され、ダイアフラムの波状運動を開始させる機能を有する、パルスアクチュエータを発電器に備え付けて、それにより、ダイアフラムが流体流の作用を受けるときの進行波の成立条件を緩和するようにしてもよい。
ダイアフラムは種々の構造を有してもよく、任意に弾性変形可能な材料からなるシートにより構成されてもよいし、互いに直接ヒンジ留めされた複数のスラットによって構成されてもよいし、或いは変形可能な、任意に弾性変形可能な構造体によって一体に固定された複数のスラットによって構成されてもよい。

発電手段は、ダイアフラムの動きを利用する他の利用手段、例えば機械的利用手段によって置き換えられてもよい。
流体によって供給される水力または空気流力に作用させるために、特にダクトの入口と出口との間の圧力差を増大させるために、ダクトの上流および／または下流に偏向器を付加してもよい。例えば、ダクトに関わる流体の量を増大させるために、（図１に示される）偏向器１９をダクト入口に取り付けてもよい。

Claims (7)

1. 移動流体からエネルギを発生させるエネルギ発生器であって、２つの面板（１）を含む壁部からなるダクトと、該ダクトの内部に配置されるダイアフラム（５；１５）と、を具備し、前記ダイアフラム（５；１５）が前記２つの面板（１）の間に配置されていて前記２つの面板の間を通過する流体流の作用を受けるエネルギ発生器において、
   前記２つの面板が前記ダクトの入口（２）から出口（３）に向かって拡大していて、前記ダクトの前記入口（２）に位置する前記ダイアフラムの前縁（６）から前記ダクトの前記出口（３）に位置する前記ダイアフラムの後縁（７）に向かって移動する進行波の形態をなす流体流の作用を受けて前記ダイアフラムを変形させるようになっており、それにより前記ダイアフラムの前記後縁が横振動を伴って駆動され、前記横振動を利用する振動利用手段（１１，１２）が前記後縁に接続されていることを特徴とする、エネルギ発生器。
2. 前記ダイアフラム（５）が変形可能な材料により構成される、請求項１に記載のエネルギ発生器。
3. 前記ダイアフラム（５）が弾性変形可能な材料からなるシートにより構成される、請求項１に記載のエネルギ発生器。
4. 前記ダイアフラム（１５）が、互いにヒンジ留めされた複数のスラット（１６）を含む、請求項１に記載のエネルギ発生器。
5. 前記ダイアフラム（１５）が、変形可能な構造体に固定された複数のスラット（１６）を含む、請求項１に記載のエネルギ発生器。
6. 前記変形可能な構造体が弾性的である、請求項５に記載のエネルギ発生器。
7. 前記変形可能な構造体が軸線周りに振動する、請求項５に記載のエネルギ発生器。

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