JP5726298B2 - 運動エネルギを電気エネルギに変換するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、運動エネルギを電気エネルギに変換するための装置であって、該装置は、振り子ロッドと振り子おもりとを含む振り子を有し、該振り子は、シャフトに揺動可能に懸架されており、前記装置はさらに、前記シャフトに結合された発電機を有し、該発電機によって、前記振り子の回転エネルギが電気エネルギに変換され、さらに１つの手段が設けられており、該手段によって、前記振り子が所定の方向に揺動する場合に、前記振り子が前記シャフトに固定的に結合される、形式の装置に関する。

このような装置は、電気エネルギが存在しない場所で、位置エネルギ及び運動エネルギ、特にパルス状のエネルギを、電気エネルギに変換するために適当である。この装置はさらに、エネルギの変換及び効率を実験によって見せるための展示用モデルとして、技術的な遊具として、又は、授業用モデルとして使用することができる。

ＷＯ２００５／０２４２２７Ａ１は、平行に懸架された２つの振り子を有するエネルギ発生機構を開示しており、これらの振り子は、クラッチギアを介して自身の回転点において発電機を駆動させる。これらの振り子は、それぞれ２つのキッカー駆動部を介して振動エネルギを得る。振り子は、最大に振れた所定の点に到着すると、それぞれそこに配置されているキッカーから衝突を受け取り、さらなるエネルギによって振り戻ってくる。上記の構造の欠点は、各振り子が、高コストなことに、２つのキッカー駆動部を有していることである。さらに、これらの振り子はただ１つのエネルギレベルでしか揺動せず、このエネルギレベルは、キック位置に至るまでの変更不可能な振れ角によって規定されてしまっている。エネルギ形態が理想的なパルス状で存在しない場合には、このエネルギ形態を、エネルギ発生機構を駆動するためにパルス状に変換すべきであり、このことも欠点である。さらには、２つの振り子のキッカー駆動部及びキッカー面において、機械的な摩耗が発生してしまう。最後に、キッカー駆動部を用いるタイプのものは、不利な大きい騒音発生源となってしまう。

ＡＴ５０４７０７Ａ１は、二重振り子を用いて運動エネルギを電気エネルギに変換する遠心力機構を開示しており、この二重振り子は、クラッチギアを介して、自身の最も上の回転点において発電機を駆動する。二重振り子は、自身の振動エネルギを２つの調節シリンダを介して獲得する。これらの調節シリンダは、二重振り子の最も上の部分にあるクランクアームによって、二重振り子を屈曲させる。調節シリンダを適切に調節することによって、二重振り子は、外部の機械的な作用なしに揺動する。この形態の欠点は、例えば圧縮空気のような変換すべきエネルギを、外部から、揺動する振り子へと供給しなければならないことである。このために例えば、封止部材である、揺動を減衰させるための曲げ可能なチューブが必要である。さらに、二重振り子は高コストに構成されており、カオス的に揺動しないよう手間のかかる調整を必要とする。カオス的に揺動した場合にも確かに電気エネルギは発生されるのだが、電気エネルギは不規則に発生することとなり、付加的な手段によってバッファ及び平坦化しなければならなくなる。

ＵＳ４８５２３５０はエネルギ発生装置を開示している。１つの実施形態においては、モータの回転エネルギが振り子の運動エネルギに変換され、今度はこの運動エネルギが、圧力の加えられた流体の位置エネルギに変換され、最後にこの位置エネルギが、タービン内での流体の膨張時に回転式発電機を駆動して、電流を発生させる。ＵＳ４８５２３５０の別の１つの実施形態においては、回転エネルギがクランクロッドによって揺動する振り子へと伝達され、この振り子の端部が、自身の振り切った位置において、バネによってさらなるエネルギ入力を獲得する。このように動く振り子は、自身の運動エネルギを、クランクロッドによって再び回転式発電機へと供給する。この形態の欠点は、それぞれエネルギ変換チェーンの始めと終わりに電気エネルギが存在することである。つまり、始めのエネルギ形態を全部まとめて他の１つのエネルギ形態に変換するということは行われていない。さらなる欠点は、効率の低下をもたらす高コストの機械的構造が必要となることである。

本発明の課題は、冒頭に挙げた形式の装置において、簡単な構造を有し、摩耗及び他の損傷が少なく、ひいては効率の高い装置を提供することである。本発明の課題はさらに、理想的なパルス状でない運動エネルギを変換することである。

本発明の装置は、前記振り子ロッドが、前記振り子を駆動するためのエネルギが供給される液圧式又は空気式の駆動シリンダに、プッシュロッドを介して結合されており、該駆動シリンダが、プッシュロッド固定部を介して、当該装置の電気エネルギ変換エレメントを励振する、ことを特徴としている。

択一的な実施形態においては、振り子が、傾斜可能なフレームの中に懸架されており、該フレームの傾斜軸は、前記振り子の揺動経路の下側に位置しており、かつ、振り子の軸に対して平行に位置しており、前記振り子を駆動するためのエネルギが供給される液圧式又は空気式の駆動シリンダのプッシュロッドが、前記フレームに結合されており、前記駆動シリンダが、当該装置の電気エネルギ変換エレメントを励振する、ことを特徴としている。

本発明の１つの発展形態においては、前記シャフトが、該シャフトに固定的に結合されたシャフト盤を有し、前記振り子ロッドは、少なくとも１つのジョーサドルと、少なくとも１つの前記ジョーサドル内に可動に保持されたグリップジョーとを有しており、前記グリップジョーによって、前記振り子ロッドは、前記シャフト盤を介して前記シャフトと固定的に結合可能である。有利には、振り子ロッドは、前記シャフトに回転可能に結合されている。本発明の１つの発展形態においては、振り子ロッドは、前記シャフト盤に回転可能に結合されている。

有利には、前記駆動シリンダは、割り当てられた調整装置によって周期的に操作可能である。

本発明の他の特徴によれば、装置は、前記シャフトの回転速度をより均一にさせるために、シャフトによって駆動可能なフライホイールを有している。

本発明の１つの発展形態によれば、装置は、前記シャフトに平行に配置された２つ以上の振り子を有している。

以下、図面に基づいた実施形態に関連して本発明をより詳細に説明する。

図１は、本発明の装置の概略図である。 図２は、振り子の懸架部を示す図である。 図３は、図２の懸架部の側面図である。 図４は、振り子の懸架部を示す図である。 図５は、振り子ロッドを有する駆動シリンダの結合部の側面図である。 図６は、本発明の装置の側面図である。 図７は、本発明の第２実施形態の概略図である。 図８は、本発明の第２実施形態の概略図である。 図９は、本発明の第３実施形態の側面図である。 図１０は、本発明の第３実施形態の概略前面図である。

図１に図示した装置は、少なくとも１つの剛性の振り子を有しており、この振り子は、該振り子を貫通するシャフト２に支承されている。見やすくするために、図１には、振り子ロッド４と振り子おもり５によって構成されたただ１つの振り子のみが図示されている。振り子の軸は、図１，２，４及び６から直接見て取れるように、シャフト２の回転軸上に位置している。シャフト２から、電気エネルギを発生する発電機（図示せず）への力の伝達は、シャフト２固定的に結合されたシャフト盤９を介して行われる。振り子には複数のグリップジョー１２が設けられており、これらのグリップジョー１２を介して、振り子からシャフト盤９への力の伝達が調整される。グリップジョー１２は、シャフト盤９を取り囲んで把持するジョーサドル１１の中に配置されている。矢印Ｂの方向に往復可動する駆動シリンダ１３によって、振り子は、揺動経路Ａに沿って、振り子に典型的な揺動運動を行う。このために駆動シリンダは、プッシュロッド１４を介して振り子ロッド４と建造物１とに結合されている。シャフト２も、建造物１にて回転可能に支承されている（図１には図示せず）。振り子の振り出しによって、振り子ロッド４に対するプッシュロッド１４の作用点と構造物１との間の空間距離、及び、プッシュロッド１４と振り子ロッド４と間の空間角度は変化するので、プッシュロッド１４は、振り子ロッド４を励振し、プッシュロッド１４は、まさにそのような励振部を、構造物１におけるプッシュロッド固定部１５の形態で有する。駆動シリンダに例えば圧縮空気又は液圧等の形態のエネルギが周期的に印加されると、振り子は揺動して運動エネルギを受け取り、地球の重力場では位置エネルギも受け取る。振り子が、振れた位置から基本位置へと振れ戻るとすぐに、位置エネルギは運動エネルギに変換される。この段階にグリップジョー１２がシャフト盤９を把持すると、振り子運動によってシャフト２も動かされる。

シャフト２の回転は均一にすべきであるので、振り子の揺動が緩慢過ぎる場合、又は、シャフト２の所期の回転方向とは逆方向に揺動する場合には、グリップジョー１２が、決められた滑りを可能にする。

振り子を駆動するための駆動シリンダ１３は、液圧シリンダ、空気式シリンダ等とすることができる。ここでは一般的に、あらゆる形態のエネルギを利用することができ、例えば位置エネルギ、天然又は人工の水蒸気、衝突、人間又は動物による押圧等を利用することができる。エネルギは、パルス状の形態、又は、細長いパルス状の形態で存在することができるか、又は、前もってそのような形態にしておくことができる。電気エネルギがパルス状で存在する場合には、電気エネルギを装置によってまず運動エネルギ（振り子の揺動）に変換し、その後一定の電気エネルギに変換することができる。揺動するシリンダにてエネルギを蓄積することと共に、シリンダの駆動形態によって、短く強いエネルギパルスは、例えばより小さい量の一定の電気エネルギに変換される。

図２によれば、シャフト２に結合された振り子ロッド４の端部がリングを形成している。このリングは、例えば玉軸受けの形態の連結部１０と共に、シャフト２のシャフト盤９を縁取っている。リングは、ジョーサドル１１を有しており、ジョーサドル１１のグリップジョー１２は、シャフト盤９を押圧することができる。図２の装置の側断面図を示す図３には、シャフト盤９がシャフト２と固定的に結合されている様子が図示されている。

図４によれば、振り子ロッド４の端部がＵ字形乃至フォーク形に形成されており、シャフト盤９を取り囲んで把持している。この実施形態の場合には振り子ロッド４は、直接軸と回転可能に結合されている。図４及び図５によれば、プッシュロッド固定部１５が振り子ロッド４に配置されている。プッシュロッド固定部１５は、グリップジョー１２がここにも設けられているという点で、連結部とは異なっている。これによって、駆動シリンダ１３に持続的に圧力値を印加する必要なしに、振り子を基本位置又は振れた位置に固定することができる（例えば動作休止の場合）。

図６には一例として、シャフト２に平行に懸架された４つの振り子を有する装置が図示されている。シャフト２は、軸受け３にて建造物１と結合されている。各振り子は、ここには図示していないそれぞれ各自の駆動シリンダに結合されている。シャフト２を介してエネルギを発生する発電機７は、例えば傘歯車８を介して駆動される。位相シフトされて揺動する４つの振り子によって、遠心力装置は、持続的な運転で動作できるよう保証されている。付加的に、中実のフライホイール６が、シャフト２の均一な動きを向上させる。というのは、このフライホイール６が、個々の振り子の一時的なエネルギ入力を減衰乃至バッファするからである。

図７及び図８に図示した本発明の第２実施形態の場合、振り子ロッド４は、フレーム１６に懸架されており、ここでも振り子の軸に位置するシャフト２を駆動する。フレーム１６は、建造物、フレーム構造、又は机等の底面１の上にある傾斜軸１７の上に位置している。傾斜軸１７は、連結部として、又は、より簡単な形態では、平面上に置かれたくさびとして構成することができる。フレーム１６の幾何形状は、傾斜軸１７を中心としたフレーム１６の傾斜を可能にする。つまり図８によれば、駆動シリンダ１３はフレーム１６を励振し、この際、駆動シリンダは矢印Ｂの方向に移動する。これによってフレーム１６は、傾斜経路Ｃに沿って周期的に揺動し、この際に、揺動運動を振り子ロッド４へと伝達する。フレーム１６は、周期的又はほぼ周期的な別の種類のエネルギ形態によって傾斜させることも可能である。必要なのは、クランクアームを形成するために、この傾けさせる力が、傾斜軸１７からの距離を介してフレーム１６へと入力されることだけである。この場合、振り子動作の開始時に、重い振り子おもり５ではなく、振り子おもり５に比べて質量の小さいフレーム１６が振り出されるということが有利である。その後、振り子おもり５は重力によって動かされ、すぐに発電機（図示せず）を駆動させることができる。したがってエネルギ変換はこの状態から実施可能であり、制御装置を含めたグリップジョー１２，ジョーサドル１１、及びシャフト盤９による高コストのクラッチを省略することができる。その代わりに、振り子ロッド４は、従来のラチェットシステムを介してシャフト２に結合されている。ラチェットシステムは、振り子を、１つの方向においては自由に揺動できるようにし、他方の方向においてはシャフト２と固定的に結合させて、振り子の回転エネルギを、シャフト２及びシャフト２に結合された発電機７へと伝達する。

図９では、駆動シリンダは、シャフト２の上側でフレーム１６を励振している。駆動シリンダ１３を適切に周期的に制御した場合、フレーム１６の僅かな振り出しでも、振り子はしだいに強く揺動し、その後ここからより多くのエネルギが取り出される。フレーム１６は、図９では側面から図示されており、図１０では前面から図示されている。図１０に図示されているように、振り子の回転エネルギは、シャフト２を介して、さらに別のシャフト及び傘歯車８によって、発電機７へと転送することができる。ここでは、フレーム１６を含めた振り子システムが、傾斜軸１７を中心にして持続的に揺動することに留意されたい。図１０は、シャフトを介して回転エネルギを取り出す手段を図示している。揺動するフレーム１６と共に動くシャフト１８が、発電機７を動かす。発電機７の軸は、フレーム１６の傾斜軸１７に位置している。このようにして発電機７は、定置にて、フレーム１６と共に揺動するシャフト２を介して伝達された振り子の回転エネルギを得ることができる。

これまで説明した実施形態は、本発明の着想の範囲内で種々に変更することが可能であり、例えば１つ又は複数の振り子の駆動方式、シャフトの回転を電気エネルギに変換する手段の形式、又は、振り子及びシャフトの結合方式に関して、種々に変更することが可能であることは自明である。

Claims (7)

1. 運動エネルギを電気エネルギに変換するための装置であって、
   該装置は、振り子ロッド（４）と振り子おもり（５）とを含む振り子を有し、
   該振り子は、シャフト（２）に揺動可能に懸架されており、
   前記装置はさらに、前記シャフト（２）に結合された発電機（７）を有し、
   該発電機（７）によって、前記振り子の回転エネルギが電気エネルギに変換され、
   さらに１つの手段が設けられており、該手段によって、前記振り子が所定の方向に揺動する場合に、前記振り子が前記シャフト（２）に固定的に結合される、
   装置において、
   前記振り子は、傾斜可能なフレーム（１６）の中に懸架されており、
   該フレーム（１６）の傾斜軸（１７）は、前記振り子の揺動経路（Ａ）の下側に位置しており、かつ、前記振り子の軸に対して平行に位置しており、
   前記振り子を駆動するためのエネルギが供給される液圧式又は空気式の駆動シリンダ（１３）のプッシュロッド（１４）が、前記フレーム（１６）に結合されており、
   前記駆動シリンダ（１３）は、当該装置の電気エネルギ変換エレメントを励振する、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記シャフト（２）は、該シャフトに固定的に結合されたシャフト盤（９）を有し、
   前記振り子ロッド（４）は、少なくとも１つのジョーサドル（１１）と、少なくとも１つの前記ジョーサドル内に可動に保持されたグリップジョー（１２）とを有しており、
   前記グリップジョー（１２）によって、前記振り子ロッドは、前記シャフト盤（９）を介して前記シャフト（２）と固定的に結合可能である、
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記振り子ロッド（４）は、前記シャフト（２）に回転可能に結合されている、
   ことを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記振り子ロッド（４）は、前記シャフト盤（９）に回転可能に結合されている、
   ことを特徴とする請求項２記載の装置。
5. 前記駆動シリンダ（１３）は、割り当てられている調整装置によって周期的に操作可能である、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の装置。
6. 前記装置は、前記シャフト（２）の回転速度をより均一にする、前記シャフト（２）によって駆動可能なフライホイール（６）を有している、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の装置。
7. 前記装置は、前記シャフト（２）に、平行に配置された２つ以上の振り子を有している、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の装置。

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