发电装置、发电装置机组以及发电系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及发电装置、发电装置机组以及发电系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，开发出将机械的振动能量转换为电能的电气机械发电机(发电装置）（例 如，参照专利文献1)。该专利文献1记载的电气机械发电机具有一个共振频率。从在小空间 进行有效的发电的观点出发，例如，考虑利用空调管道的振动来进行该电气机械发电机的 发电。
[0003] 在此，空调管道以其自身的固有振动频率发挥作用，在空气调节过程中在与流体 流动的方向大致垂直的方向上，构成管道的板材始终进行振动。此外，作为该振动源，例如， 可举出由于在管道内流动的流体的压力差(脉动）、流体的流动朝向强制地被变更而产生的 涡流或密度的变化、从管道的周边传递来的人的步行或机械的动作振动等。
[0004] 然而，在将管道的振动频率的分布表示成曲线图的情况下，该曲线图很少是具有 单一的频率的频谱。而是按每个管道而形状不同。即，按每个管道，其振动频率的分布有很 大不同。从而，在专利文献1的发电装置中，由于仅具有单一的共振频率，因此从管道的振动 频率的分布偏离较大，或者只能利用振动频率的一部分，有时很难进行有效的发电。
[0005] 现有技术文献
[0006] 专利文献
[0007] 专利文献1:日本特表2011 - 517277
【发明内容】
[0008] 发明要解决的问题
[0009] 本发明是鉴于上述以往的问题而做出的，其目的在于提供一种能够有效地利用空 调管道的振动而发电的发电装置、具备该发电装置的发电装置机组以及发电系统。
[0010]解决问题的技术方案
[0011] 这种目的通过以下的（1)~（18)的本发明来达到。
[0012] (1)-种发电装置，固定在空调管道上使用，并且具有通过上述空调管道的振动而 发电的发电部、和支撑该发电部的支撑部，上述发电装置的特征在于，
[0013] 上述发电部构成具有第一振动系统和第二振动系统的二自由度振动系统，上述第 一振动系统具备第一质量部、和连结该第一质量部与上述支撑部的第一弹簧部，上述第二 振动系统具备质量小于上述第一质量部的第二质量部、和连结该第二质量部与上述第一质 量部的第二弹簧部，
[0014] 通过设定上述第一质量部的第一质量nu[kg]、上述第一弹簧部的第一弹簧常数ki [N/m]、上述第二质量部的第二质量m2[kg]、以及上述第二弹簧部的第二弹簧常数^^/!!!]， 从而使上述第一振动系统的第一固有振动频率ω?和上述第二振动系统的第二固有振动频 率ω2为14Hz~42Hz的范围的值。
[0015] (2)上述（1)所述的发电装置，上述第一振动系统的上述第一固有振动频率〇^和 上述第二振动系统的上述第二固有振动频率ω2为14Hz~38Hz的范围的值。
[0016] (3)上述（1)或者(2)所述的发电装置，上述第一振动系统的第一固有角振动频率 Ω1 = (ki/nu)1/2为200~250rad/S，上述第二振动系统的第二固有角振动频率Ω2= (k2/m2 )1/2为60~120rad/S，上述第一质量部与上述第二质量部的质量比y=m2/miS〇.4~l。
[0017] (4)(1)或者(3)所述的发电装置，在将该发电装置的第一共振频率下的发电量设 SAKmW/lOOmG]，将第二共振频率下的发电量设为A2[mW/100mG]时，成为AfOJA〗~1.1A2。
[0018] (5)上述(4)所述的发电装置，在将该发电装置的上述第一共振频率与上述第二共 振频率之间的频带中的最小的发电量设为A3 [mW/10OmG]时，A3为0.25 [ (A!+A2) /2 ] [mW/ lOOmG]以上、且小于 0.8[(Ai+A2)/2][mW/100mG]。
[0019] (6)上述(4)所述的发电装置，在将该发电装置的上述第一共振频率与上述第二共 振频率之间的频带中的最小的发电量设为A3 [mW/10OmG]时，A3为0.8 [(Ai+A2) /2 ] [mW/ lOOmG]以上、且 0.9[(Ai+A2)/2][mW/100mG]以下。
[0020] (7)上述(4)~(6)中任一项所述的发电装置，通过设定与上述第一固有振动频率 以及上述第二固有振动频率对应的上述第二振动系统的衰减系数C2,从而成为上述发电量 的关系。
[0021] (8)上述(7)所述的发电装置，与上述第一固有振动频率对应的上述衰减系数(：2为 6~10[N/(m/s)]，与上述第二固有振动频率对应的上述衰减系数&为6~10[N/(m/s)]。
[0022] (9)上述（1)~（8)中任一项所述的发电装置，上述第二质量部具备以能够沿磁化 方向位移的方式设置的永久磁铁，上述第一质量部具备以包围上述永久磁铁的外周侧的方 式设置的线圈。
[0023] (10)上述(9)所述的发电装置，上述第一质量部还具备保持部件，该保持部件保持 上述线圈，并且由含有非磁性的金属粒子的树脂材料构成。
[0024] (11)上述(9)或者（10)所述的发电装置，上述第二质量部还具备磁性部件，该磁性 部件固定在上述永久磁铁上，并且由比重7以上的磁性材料构成，上述永久磁铁经由该磁性 部件与上述第二弹簧部连结。
[0025] (12)上述（1)~(8)中任一项所述的发电装置，上述第一质量部以及上述第二质量 部中的至少一方具备产生磁力线的永久磁铁，上述第二弹簧部具备由磁致伸缩材料构成的 能够弹性变形的磁致伸缩部件，
[0026] 该发电装置具有线圈，该线圈配置成使上述磁力线沿轴向通过，并且根据上述磁 力线的密度的变化而产生电压。
[0027] (13)上述(12)所述的发电装置，上述线圈设在上述磁致伸缩部件的外周侧。
[0028] (14)上述（1)~(8)中任一项所述的发电装置，上述第二弹簧部具备由压电材料构 成的能够弹性变形的压电部件，
[0029]该发电装置具有隔着该压电部件对置设置的一对电极。
[0030] (15)上述（1)~(8)中任一项所述的发电装置，上述第二质量部具备能够沿与极化 方向大致正交的方向位移的方式设置的驻极体，
[0031] 该发电装置具备隔着上述驻极体对置设置的一对电极。
[0032] (16)上述（1)~（15)中任一项所述的发电装置，该发电装置还具有用于调整该发 电装置的发电量的配重。
[0033] (17)-种发电装置机组，其特征在于，具有:上述（1)~（15)中任一项所述的发电 装置；以及用于调整该发电装置的发电量的配重。
[0034] (18)-种发电系统，其特征在于，具有:上述（1)~（15)中任一项所述的发电装置； 以及经由上述支撑部固定该发电装置的上述空调管道。
[0035]发明的效果
[0036]根据本发明，由于构成为两个振动系统的固有振动频率为适当的值，因此能够有 效地利用空调管道的振动，其结果能够以高发电效率进行发电。
【附图说明】
[0037]图1是表示本发明的发电装置的第一实施方式的立体图。
[0038] 图2是图1所示的发电装置的俯视图。
[0039] 图3是图1所示的发电装置所具备的装置主体的分解立体图。
[0040] 图4是图1中的A-A线剖视图（图3所示的装置主体的纵向剖视图）。
[0041] 图5是图3所示的装置主体所具备的板簧的俯视图。
[0042]图6是用于说明发电部所具有的二自由度振动系统的结构的模型图。
[0043]图7是用于说明图6所示的二自由度振动系统中的发电量的频率特性的图。
[0044] 图8是对代表性的尺寸的空调管道进行模型化而表示该空调管道的各侧面(振动 面)中的固有振动频率的解析结果的代表例的图。
[0045] 图9是表示安装本发明的发电装置的代表性的空调管道的立体图。
[0046] 图10是图1所示的发电装置所具备的吸附单元的分解立体图。
[0047]图11是图1中的B-B线剖视图。
[0048] 图12是表示图1所示的发电装置的使用状态(固定状态)的图。
[0049] 图13是放大表示图12所示的发电装置的侧视图。
[0050] 图14是表示图1所示的发电装置的其他使用状态(固定状态)的图。
[0051]图15是表示本发明的发电装置的第二实施方式的基本状态的侧视图。
[0052]图16是表示图15所示的发电装置的振动状态的侧视图。
[0053]图17是表示本发明的发电装置的第三实施方式的基本状态的侧视图。
[0054]图18是表示图17所示的发电装置的振动状态的侧视图。
[0055] 图19是本发明的发电装置的第四实施方式的横向剖视图。
[0056] 图20(a)~（e)是表示各实施例以及各比较例的发电装置中的发电量的频率特性 的曲线图。
【具体实施方式】
[0057]以下，根据附图所示的优选实施方式对本发明的发电装置进行说明。
[0058] <第一实施方式>
[0059]首先，对本发明的发电装置的第一实施方式进行说明。
[0060]图1是表示本发明的发电装置的第一实施方式的立体图。图2是图1所示的发电装 置的俯视图。图3是图1所示的发电装置所具备的装置主体的分解立体图。图4是图1中的A- A线剖视图（图3所示的装置主体的纵向剖视图）。图5是图3所示的装置主体所具备的板簧的 俯视图。
[0061] 此外，在以下的说明中，将图1、图3以及图4中的上侧称为"上"或者"上方"，将下侧 称为"下"或者"下方"。并且，将图2以及图5中的纸面跟前侧称为"上"或者"上方"，将纸面进 深侧称为"下"或者"下方"。
[0062] 图1以及图2所示的发电装置100固定在空调管道上使用。该发电装置100具有:装 置主体1;通过吸附而将该装置主体1固定在空调管道上的吸附单元9;以及以从装置主体1 向侧方突出的方式设置，并与外部装置连接的连接器11。
[0063] 如图3以及图4所示，装置主体1具备框体(支撑部)20、和以能够沿图4的上下方向 振动的方式被保持在框体20内的发电部10。该发电部10具有:一对对置的上侧板簧60U以及 下侧板簧60L;固定在这些板簧之间的、具有永久磁铁31的磁铁组件30;以及具有以包围永 久磁铁31的外周侧的方式设置的线圈41的线圈组件40。此外，在本实施方式中，上侧板簧 60U和下侧板簧60L具有相同的结构。
[0064] << 框体 20>>
[0065] 如图3以及图4所示，框体20具备:罩21;将发电部10支撑在上表面(一方的面)侧的 基座(支撑板)23;以及在罩21与基座23之间以包围发电部10的方式设置的筒状部22。
[0066] 罩21形成圆盘状，并且沿着其外周缘部而朝向下方突出形成有圆环状(环状)的肋 211。沿着与该肋211对应的部分，以大致等间隔形成有六个贯穿孔212。另外，在罩21的比肋 211靠内侧的部分，形成有朝向上方凹陷形成的凹部(退让部）214。发电部10在振动时位于 (退避)该凹部214内，以防止与罩21接触。
[0067] 筒状部22形成圆筒状，其外径与罩21的外径大致相等。在组装了发电部10和框体 20的状态（以下，将该状态称为"组装状态"）下，发电部10的有助于发电的主要部分位于筒 状部22的内侧。
[0068] 另外，在筒状部22的内周面，在与罩21的贯穿孔212对应的位置上，沿着筒状部22 的高度方向形成有六个凸台221。在该凸台221的上端部，形成有上侧螺纹孔221a。并且，在 上侧板簧60U的外周部(第一环状部61)，沿着其周向以大致等间隔形成有六个贯穿孔66。
[0069] 在使上侧板簧60U的外周部位于罩21与筒状部22之间的状态下，将螺钉213插通罩 21的贯穿孔212以及上侧板簧60U的贯穿孔66,并使其与凸台221的上侧螺纹孔221a螺纹结 合。由此，上侧板簧60U的外周部被固定在罩21和筒状部22上。
[0070] 基座23形成圆盘状，并且沿着其外周缘部朝向上方突出形成有圆环状(环状)的肋 231。沿着与该肋231对应的部分，以大致等间隔形成有六个贯穿孔232。另外，在基座23的比 肋231靠内侧的部分，形成有朝向下方凹陷形成的凹部(退让部)234。发电部10在振动时位 于(退避)该凹部234内，以防止与基座23接触。
[0071] 另外，筒状部22的凸台221的下端部，形成有下侧螺纹孔（内螺纹)221b。在使下侧 板簧60L的外周部(第一环状部61)位于基座23与筒状部22之间的状态下，将螺钉233插通基 座23的贯穿孔232以及下侧板簧60L的贯穿孔66,并使其与凸台221的下侧螺纹孔221b螺纹 结合。由此，下侧板簧60L的外周部被固定在基座23和筒状部22上。
[0072]如图4所示，基座23的下表面（另一方的面)230由朝向下方突出的弯曲凸面构成。 此外，关于通过该结构所获得的效果，在后面进行说明。另外，在基座23的下表面230的中央 部，形成有能够容纳构成吸附单元9的一部分的永久磁铁911等的凹部235。
[0073]作为构成框体20(罩21、筒状部22以及基座23)的材料，不做特别限定，例如，可举 出金属材料、陶瓷材料、树脂材料等，能够组合它们的一种或者两种以上来使用。
[0074]框体20的尺寸不做特别限定，但是从对发电装置100进行小型化(低高度化）的观 点出发，框体20(基座23)的平均宽度(平均直径)优选为60~120mm左右。并且，框体20的平 均高度优选为20~50mm左右，更优选30~40mm左右。
[0075]在该框体20内，利用上侧板簧60U以及下侧板簧60L而能够振动地保持有发电部10。
[0076] <<上侧板簧60U、下侧板簧60L>>
[0077] 上侧板簧60U通过其外周部在罩21与筒状部22之间被它们夹持而被固定。另外，下 侧板簧60L通过其外周部在基座23与筒状部22之间被它们夹持而被固定。
[0078] 各板簧60L、60U由例如铁、不锈钢之类的金属制的薄板材形成，是其整体形状呈圆 盘状的部件。如图5所示，各板簧60L、60U从外周侧起具有第一环状部61、外径小于第一环状 部61的内径的第二环状部62、以及外径小于第二环状部62的内径的第三环状部63。
[0079] 这些第一环状部61、第二环状部62以及第三环状部63设置成同心。另外，第一环状 部61和第二环状部62利用多个(本实施方式中为六个)第一弹簧部64连结，第二环状部62和 第三环状部63利用多个(本实施方式中为三个)第二弹簧部65连结。
[0080]在第一环状部61，沿着其周向以大致等间隔（大致60°间隔）形成有六个贯穿孔66。 如上所述，在上侧板簧60U的贯穿孔66中插通有与凸台221的上侧螺纹孔221a螺纹结合的螺 钉213,另一方面，在下侧板簧60L的贯穿孔66中插通有与凸台221的下侧螺纹孔221b螺纹结 合的螺钉233。
[0081]另外，在第二环状部62,也沿着其周向以大致等间隔（大致60°间隔）形成有六个贯 穿孔67。并且，在后述的线圈组件40的线圈保持部50,沿着其周向沿上下方向突出地形成有 六个凸台511。在各凸台511的上端部形成有上