JP7471621B1 - 気泡を利用した回転機構を備える発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡便な回転機構で回転する発電機を提供する。【解決手段】 回転機構は、水５０を貯めた水槽１０と、水槽内に気泡１２を供給する気泡供給管１１と、気泡の浮力で水中を上下動する錘体２１と、錘体に重なって上下動する円板２２と、錘体から放射状に伸びる複数の支持棒体３１と、支持棒体に支持された、パラシュート状のシート部材３２と、錘体及び円板の上昇位置を規制する停止板５１と、停止板から突出する停止棒５１１とを備える。シート部材３２の下に気泡が溜まると、その浮力で錘体及び円板が上昇し、錘体は停止棒の先端が接触した時点で、円板は停止板に接触した時点でそれぞれ上昇が止まる。そのため、錘体に形成されている通過口から気泡が逃げる。気泡の浮力を失った錘体及び円板は元の状態に戻る。この錘体の反復動作が、リンク機構６１，６２，６３でギア６４の回転に変換され、発電機６６の回転軸が回転する。【選択図】図１

Description

本発明は、気泡を利用した回転機構により回転される発電機に関する。

発電機は、導線を巻いて形成したコイルと磁石とを近接配置し、コイルに対して磁石を回転させ、又は、磁石に対してコイルを回転させることで、コイルに誘導電流を生じさせ、発電を行っている。
このように、コイルに鎖交する磁束が時間的に変化する場合に、コイルに起電力が発生する。

従来の発電機では、コイル又は磁石を回転させるために、ガスや蒸気のタービンで発電機の回転軸を高速回転させたり、水車で前記回転軸を低速回転させたり、風車により前記回転軸を駆動したりしている（下記特許文献１）。

しかし、風力や水力等の自然エネルギを利用する場合は、自然エネルギの安定的な確保が可能な場所を探すことが困難であり、また、ガスや蒸気を利用する場合は、化石燃料等からそれらを得るまでの過程に様々な課題を含んでいる。

特開２０２０－１８８６０５号公報

本発明は、簡便な回転機構を用いて回転させる発電機を提供することを目的としている。

本発明は、気泡の浮力を利用する回転機構を備えた発電機であって、前記回転機構は、液体を貯めた容器と、この液体に気泡を供給する気泡供給管と、容器の中央部で液体中を上下動する、前記気泡の通過口を備える円盤状の錘体と、この錘体の上部に重ねられ状態で前記通過口を閉じ、この錘体から離間した状態で前記通過口を開く円板と、錘体の側部に一端が係止されて、錘体から放射状に伸び、他端が容器の内面に係止されている、折り曲げ可能な複数本の支持棒体と、この支持棒体に支持されて液体中にパラシュート状に拡がり、その中心に設けられた中心孔の周縁が錘体に固定されているシート部材と、錘体の上下動を容器の外部に導出する第一リンク部材と、を有し、発電機の回転軸が、前記第一リンク部材を含むリンク機構を介して回転される構造を備えている。

この回転機構では、液体中に供給された気泡が、シート部材により中央に集められる。気泡の浮力が所定値を超えると、錘体とそれに重ねられた円板とが上昇し、それに伴い、錘体に連なる支持棒体及びシート部材の中央部分が引き上げられる。錘体の上昇が抑えられても、円板は、錘体の気泡通過口から気泡の浮力を受けるので、更に上昇する。それに伴い、気泡通過口が解放され、そこを伝って気泡が散逸する。そのため、気泡の浮力を失った錘体及び円板は共に下降して、錘体の気泡通過口を円板が閉じる状態に戻る。錘体及び円板は、こうした一連の動作を繰り返す。

また、本発明では、前記容器中に、錘体及び円板の移動方向を規制する支柱と、この支柱に固定されて、錘体及び円板の上昇位置を既定する停止板と、が配置され、この停止板は、下方に突出する停止棒を備えており、停止棒の貫通孔を有する円板は、停止板に接触するまで上昇し、停止棒の貫通孔を持たない錘体は、停止棒の先端に接触するまで上昇する。
そのため、錘体及び円板が、気泡の浮力を受けて上昇したとき、錘体から円板が離れて、錘体の通過口から気泡が通り抜ける。

また、前記支持棒体及び第一リンク部材は、長さを可変する長さ可変機構を有している。
そのため、錘体の上昇及び下降が円滑に行われる。

また、本発明では、錘体と円板は、引力を作用するスプリングで接続されていることが望ましい。
このスプリングの作用により、錘体の下降時に、円板は、錘体に素早く重なり、錘体の気泡通過口を閉じる。

また、本発明では、前記シート部材の外周縁近傍の部分に液体の通過孔が設けられていることが望ましい。
この液体通過口が存在すると、錘体の上下動に伴ってシート部材が動くとき、液体から受ける抵抗が少なくなる。

また、本発明では、前記リンク機構が、揺動運動を回転運動に変換する機能を有している。

本発明により、簡便な回転機構を用いて発電機を回転させることができる。

本発明の実施例の形状（回転機構の錘体が下方位置にある状態）を示す図。 図１の錘体が上方位置にある状態を示す図。 図１の支持棒体及び第一リンク部材の長さ可変機構を示す図。 図１の状態を示す断面図。 図２の状態を示す断面図。 図１の錘体、円板及び停止板を説明する図。 本発明のリンク機構を説明する図。

以下、実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の回転機構を備える発電機の実施例を示している。
この回転機構は、水５０を貯めた水槽１０と、水槽１０内に気泡１２を供給する気泡供給管１１と、気泡１２の浮力で水中を上下動する錘体２１と、錘体２１に重なって上下動する円板２２と、錘体２１の側部に一端が係止されて、錘体２１から放射状に伸びる複数本の支持棒体３１とを備えている。支持棒体３１の他端は、水槽１０の内壁に取付けられている。

また、支持棒体３１により、パラシュート状に拡がるシート部材３２が支持されている。シート部材３２の中心孔の周縁は、錘体２１の外周に固定されている。
また、水槽１０の内部には、錘体２１及び円板２２の移動方向を規制する二本の支柱４１が立設され、二本の支柱４１の先端には、錘体２１及び円板２２の上昇位置を規制する停止板５１が取付けられている。停止板５１は、下方に向かって突出する停止棒５１１を備えている。

図６に示すように、錘体２１には、支柱４１が挿通される挿通孔２１２と、気泡１２の通過口２１３とが設けられている。
また、円板２２には、支柱４１の挿通孔２２２と、停止棒５１１の挿通孔２２３が設けられている。

また、錘体２１と円板２２との間には、後述するように、両者を互いに引き寄せるスプリング２３を介在させることが望ましい。錘体２１のスプリング２３に接する側、及び、円板２２のスプリング２３に接する側には、挿通孔２１２及び挿通孔２２３の周囲に、スプリング２３の一部を埋め込む凹部２１４，２２４が形成されており、錘体２１に円板２２が重なる状態では、スプリング２３は、これらの凹部２１４，２２４に収まり、錘体２１と円板２２とは接触した状態を保つことができる。

また、図１に示すように、シート部材３２を支持する各支持棒体３１は、錘体２１に係止された第一棒体部分３１１に対し、水槽１０の内壁側に係止された第二棒体部分３１２が折れ曲がることが可能である。
また、第二棒体部分３１２は、図３に示すように、その長さを可変できる可変機構３１３を有している。図３（a）は、長さを短くした状態、（ｂ）は、長くした状態を示している。

また、図１に示すように、錘体２１には、錘体２１の上下する動きを水槽１０の外部に伝える第一リンク部材６１が係止されている。第一リンク部材６１は、水槽１０の水密孔１３から水槽１０の外部に導出されている。この第一リンク部材６１の水密孔１３通過位置が常に一定になるように、第一リンク部材６１の水槽１０内の部分には、可変機構３１３と同様の可変機構が設けられている。そのため、水槽１０から突出する第一リンク部材６１の長さは、第一リンク部材６１の角度に関わらず一定であり、水槽１０から突出する第一リンク部材６１の端部は、錘体２１の上下動に伴って、円の弧に沿って移動することになる。

水槽１０の外に導出されている気泡供給管１１の管口部分からは、送風機等により空気が送り込まれ、それが気泡１２となって水槽１０内に放出される。
気泡供給管１１から放出された気泡１２は、図４に示すように、水中を上昇して、シート部材３２の、“上に凸”の円錐状を成す中央部分に集まる。

この中央部分に集まった気泡１２の浮力が所定値を超えると、錘体２１及び円板２２は水中を上昇し始め、それに伴って、支持棒体３１、シート部材３２、及び、第一リンク部材６１の錘体２１に係止されている側が引き上げられる。

このとき、支持棒体３１、及び、第一リンク部材６１の水槽１０内の長さは、錘体２１の上昇位置によって変わって来るが、支持棒体３１及び第一リンク部材６１は、可変機構３１３を備えているため、長さの変化に柔軟に対応することができる。

図２は、錘体２１及び円板２２が、停止板５１に規制される位置まで上昇した状態を示している。
このとき、図５に示すように、停止棒５１１の挿通孔を持たない錘体２１は、停止棒５１１の先端が当接した状態で上昇を停止する。

一方、停止棒５１１の挿通孔２２３を有する円板２２は、錘体２１の気泡通過口２１３を上昇した気泡１２の浮力を受けて、停止板５１に当接する位置まで上昇する。
そのため、錘体２１の気泡通過口２１３を塞いでいた円板２２が錘体２１から離れて、気泡通過口２１３が解放されるので、錘体２１を押し上げていた気泡の全てが、気泡通過口２１３を通り過ぎて水面に逃げる。
そのため、気泡の浮力を失った錘体２１及び円板２２は、自重により水中を下降して、図１及び図４の状態に戻る。

なお、このとき、図５、図６に示すように、錘体２１と円板２２とが、それらを引き寄せるスプリング２３で接続されていると、円板２２が錘体２１に素早く重なり、錘体２１の気泡通過口２１３を閉じることができ、錘体２１の反復動作の周期を短縮することができる。

このように、この回転機構では、気泡供給管１１から放出される気泡１２により、錘体２１が水中での上昇・下降の動作を繰り返す。
なお、気泡供給管１１からの気泡１２の放出は、連続的であっても、間欠的であっても良い。

また、この回転機構では、図１、図２に示すように、シート部材３２の外周縁近傍の部分に水の通過孔３２１を設けることが望ましい。
この水の通過口３２１が存在すると、錘体２１の上下動に伴ってシート部材３２が動くとき、水から受ける抵抗が少なくなり、円滑な動作が可能になる。

図１、図２に示すように、錘体２１に一端が接続された第一リンク部材６１の水槽１０から導出された端部には、第二リンク部材６２の一端が接続され、第二リンク部材６２の他端には、大径ギア６４の回転軸に一端が固定された第３リンク部材６３の他端が接続されている。
また、大径ギア６４には小径ギア６５が歯合し、この小径ギア６５が発電機６６の回転軸に固定されている。

この構成において、先に説明したように、第一リンク部材６１の水槽１０の水密孔１３から導出された部分の長さは一定である。
また、水密孔１３の位置及び大径ギア６４の中心位置は、それぞれ固定されているから、水密孔１３から大径ギア６４の中心までの距離は、一定である。
そのため、水密孔１３から大径ギア６４の中心までの部分を第四リンク部材６７と仮定すると、図７に示すように、第一リンク部材６１の水槽１０の水密孔１３から導出された部分（＝ａ）、第二リンク部材６２（＝ｂ），第３リンク部材６３（＝ｃ）及び第四リンク部材６７（＝ｄ）は、四節リンク機構を構成している。

この四節リンク機構では、ｄが固定節（固定されて動かないリンク）、ａが原動節（機構に動力を与えるリンク）、ｃが従動節（機構の運動を外部に出力するリンク）、そして、ｂが中関節（原動節・従動節間で運動の伝達・変換を行うリンク）として機能する。
四節リンク機構では、各リンクの長さを適宜設定することにより、原動節の揺動運動を従動節の回転運動に変換できることが知られている（例えば、株式会社キーエンス「イチから学ぶ機械要素」ｐ.８６、参照）。
そのため、図７に示すように、四節リンク機構を用いて、第一リンク部材６１（リンクａ）の揺動運動を、第３リンク部材６３（リンクｃ）の回転運動に変換することができ、大径ギア６４を回転させることができる。
大径ギア６４が回転すると、それに歯合する小径ギア６５が回転し、発電機６６が高速回転する。

このように、本発明の発電機は、回転機構における揺動運動から変換された回転運動により回転されて発電を続ける。

なお、ここでは、四節リンク機構により揺動運動を回転運動に変換する場合を説明したが、その他の機構を用いて回転運動への変換を行っても良い。

また、ここでは、錘体２１に一本の第一リンク部材６１を接続して、一個の発電機６６に発電を行わせる場合を説明したが、錘体２１に複数本の第一リンク部材６１を放射状に接続して、複数の発電機に同時に発電を行わせることも可能である。

本発明の回転機構を備える発電機は、各種産業分野において利用することができ、また、教育現場において、学習用教材等としても利用することもできる。

１０ 水槽
１１ 気泡供給管
１２ 気泡
１３ 水密孔
２１ 錘体
２１２ 挿通孔
２１３ 気泡通過口
２１４ 凹部
２２ 円板
２２２ 支柱挿通孔
２２３ 停止棒挿通孔
２２４ 凹部
２３ スプリング
３１ 支持棒体
３１１ 第一棒体部分
３１２ 第二棒体部分
３１３ 可変機構
３２ シート部材
３２１ 水の通過孔
４１ 支柱
５０ 水
５１ 停止板
５１１ 停止棒
６１ 第一リンク部材
６２ 第二リンク部材
６３ 第３リンク部材
６４ 大径ギア
６５ 小径ギア
６６ 発電機
６７ 第四リンク部材

Claims (7)

1. 気泡の浮力を利用する回転機構を備えた発電機であって、
   前記回転機構は、
   液体を貯めた容器と、
   前記液体に前記気泡を供給する気泡供給管と、
   前記容器の中央部で前記液体中を上下動する、前記気泡の通過口を備える円盤状の錘体と、
   前記錘体の上部に重ねられ状態で前記通過口を閉じ、前記錘体から離間した状態で前記通過口を開く円板と、
   前記錘体の側部に一端が係止されて、前記錘体から放射状に伸び、他端が前記容器の内面に係止されている、折り曲げ可能な複数本の支持棒体と、
   前記支持棒体に支持されて前記液体中にパラシュート状に拡がり、中心に設けられた中心孔の周縁が前記錘体に固定されているシート部材と、
   前記錘体の上下動を前記容器の外部に導出する第一リンク部材と、
   を有し、
   前記発電機の回転軸が、前記第一リンク部材を含むリンク機構を介して回転される、発電機。
2. 請求項１に記載の発電機であって、
   前記錘体は、前記気泡供給管から供給された前記気泡が、前記シート部材の中央部に集まり、前記気泡の浮力が所定値以上に高まったときに上昇し、上昇した前記錘体から前記円板が離間して、そのために、前記錘体の前記通過口から前記気泡が通過し、前記気泡の浮力が所定値以下に低下したときに下降する、発電機。
3. 請求項１又は２に記載の発電機であって、
   前記容器中に、前記錘体及び前記円板の移動方向を規制する支柱と、前記支柱に固定されて、前記錘体及び前記円板の上昇位置を既定する停止板と、が配置され、
   前記停止板は、下方に突出する停止棒を備え、前記停止棒の貫通孔を有する前記円板は、前記停止板に接触するまで上昇し、前記停止棒の貫通孔を持たない前記錘体は、前記停止棒の先端に接触するまで上昇する、発電機。
4. 請求項１に記載の発電機であって、
   前記支持棒体及び前記第一リンク部材は、長さを可変する長さ可変機構を有している、発電機。
5. 請求項１又は２に記載の発電機であって、
   前記錘体と前記円板とは、引力を作用するスプリングで接続されている、発電機。
6. 請求項１又は２に記載の発電機であって、
   前記シート部材の外周縁近傍の部分に液体の通過孔が設けられている、発電機。
7. 請求項１に記載の発電機であって、
   前記リンク機構が、揺動運動を回転運動に変換する機能を有している、発電機。

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