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JP2009159664A - Generating set using electric field responsive high polymer - Google Patents

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JP2009159664A
JP2009159664A JP2007332044A JP2007332044A JP2009159664A JP 2009159664 A JP2009159664 A JP 2009159664A JP 2007332044 A JP2007332044 A JP 2007332044A JP 2007332044 A JP2007332044 A JP 2007332044A JP 2009159664 A JP2009159664 A JP 2009159664A
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electric field
power generation
field responsive
responsive polymer
epam
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JP2007332044A
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Shuji Yonemura
修治 米村
Mikio Wake
美紀夫 和氣
Masaki Chiba
正毅 千葉
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HYPER DRIVE CORP
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Hyper Drive
HYPER DRIVE CORP
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a generating set which uses an electric field responsive high polymer without installing a complicated displacement detecting circuit using a sensor, continuously deforms the electric field responsive high polymer by gentle movement of wind force and hydraulic power and efficiently takes out electrical energy. <P>SOLUTION: A power generation unit 10 is disposed near a rotation axis 17 rotating by kinetic energy of fluid. A piston axis 11 abuts on a cam 18 fixed to the rotation axis 17. Thus, it moves in an axial direction so as to solve the problem. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子( Electroactive Polymer )に関するものであって、さらに詳しくは、流体の運動エネルギーにより発電する電場応答性高分子を用いた発電装置に関するものである。   The present invention relates to an electric field responsive polymer made of a dielectric elastomer, and more particularly to a power generation apparatus using an electric field responsive polymer that generates electric power by kinetic energy of a fluid.

過去十数年間、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子の研究は、アクチュエータとして用いることに焦点を当てたものがほとんどであった。この電場応答性高分子は、強い電場の中に置くと、クーロン力により、電場の方向に収縮し、電場と垂直な方向に膨張するという特性を有している。したがって、電場応答性高分子の両表面に電極膜となるカーボン粉末やアルミニウム粉末を定着させることによって、ゴムのような弾性を持つ一種の可変容量コンデンサーが構成される。これに電圧をかけると、一方の電極にはプラスの電荷が、他方の電極にはマイナスの電荷が蓄えられる。その結果、電極間に引力が生じ、この力によって電場応答性高分子が押しつぶされ、面方向に膨張する。この変化をロボットなどのアクチュエータとして用いることが注目を集めている(例えば、特許文献1、2参照)。   Over the past decade, most researches on electric field responsive polymers made of dielectric elastomers have focused on use as actuators. When the electric field responsive polymer is placed in a strong electric field, the electric field responsive polymer contracts in the direction of the electric field and expands in a direction perpendicular to the electric field by Coulomb force. Therefore, a kind of variable capacitor having elasticity like rubber is formed by fixing carbon powder or aluminum powder serving as an electrode film on both surfaces of the electric field responsive polymer. When a voltage is applied to this, a positive charge is stored in one electrode and a negative charge is stored in the other electrode. As a result, an attractive force is generated between the electrodes, and the electric field responsive polymer is crushed by this force and expands in the surface direction. The use of this change as an actuator for a robot or the like has attracted attention (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

さらに、近年、地球温暖化が深刻な社会問題となっており、CO排出の問題がなく、発電機などの既存の発電手法では実現が難しい流体の緩やかな運動を電気エネルギーに変換する発電装置の開発が求められている。
米国特許第6781284号明細書 米国特許第6882086号明細書
Furthermore, in recent years, global warming has become a serious social problem, and there is no problem of CO 2 emission, and a power generation device that converts the gentle movement of fluid that is difficult to realize with existing power generation methods such as generators into electrical energy. Development is required.
US Pat. No. 6,781,284 U.S. Pat. No. 6,882,086

ところが、電場応答性高分子が発電においても顕著な性能を有することは、ほとんど知られておらず、発電への応用についての提案はあるものの、実用可能な発電装置については、実現されていなかった。その一つの原因として、電場応答性高分子を発電素子として使うためには、発電初期に、すなわち電場応答性高分子を伸張させた状態でタイミング良く初期電気エネルギーを印加すると共に、電場応答性高分子が弛緩した状態でタイミング良く出力電気エネルギーを取り出す必要があった。そのために別途、電場応答性高分子の変形状態を検知するための変位検出回路を設ける必要があることが挙げられる。   However, it is hardly known that electric field responsive polymers have remarkable performance in power generation, and although there are proposals for application to power generation, practical power generators have not been realized. . One reason for this is that in order to use an electric field responsive polymer as a power generation element, initial electric energy is applied at the initial stage of power generation, that is, with the electric field responsive polymer stretched, and the electric field responsiveness is high. It was necessary to take out the output electrical energy in a timely manner with the molecules relaxed. For this purpose, it is necessary to separately provide a displacement detection circuit for detecting the deformation state of the electric field responsive polymer.

さらに、緩やかな運動により電場応答性高分子を連続して変形させ、電気エネルギーを効率よく取り出す機構が存在していなかったことも、電場応答性高分子を発電素子として使用する際の障害になっていた。   Furthermore, the lack of a mechanism for efficiently taking out electric energy by continuously deforming the electric field responsive polymer by gentle movement is also an obstacle when using the electric field responsive polymer as a power generation element. It was.

そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、別途、センサーを用いたような複雑な変位検出回路を設けることなく電場応答性高分子を用いた発電装置を実現し、しかも、風力や水力などの緩やかな運動により電場応答性高分子を連続して変形させ、電気エネルギーを効率よく取り出す発電装置を提供することである。   Therefore, the technical problem to be solved by the present invention, that is, the object of the present invention is to realize a power generation device using an electric field responsive polymer without providing a complicated displacement detection circuit using a sensor separately. In addition, it is an object of the present invention to provide a power generation apparatus that efficiently takes out electric energy by continuously deforming an electric field responsive polymer by gentle movement such as wind power or hydraulic power.

まず、本請求項1に係る発明は、ピストン軸の軸方向の運動を電場応答性高分子を変形させる力に変換すると共に、前記電場応答性高分子の変形状態を検出し、その変形状態に応じて電場応答性高分子への初期電気エネルギーの供給と電場応答性高分子からの出力電気エネルギーの出力との切換を行う発電ユニット部と、前記初期電気エネルギーを昇圧すると共に前記出力電気エネルギーを降圧する電圧変換部と、該電力変換部への初期エネルギーの出力と前記電力変換部からの出力電気エネルギーの蓄電及び外部負荷への放電をする蓄電部とを具備した電場応答性高分子を用いた発電装置であって、前記発電ユニット部のピストン軸が、流体の運動エネルギーによって回転する回転軸の近傍に設置されると共に該回転軸に固設されたカムと当接して軸方向に運動することにより、前記課題を解決したものである。   First, the invention according to claim 1 converts the axial movement of the piston shaft into a force that deforms the electric field responsive polymer, detects the deformation state of the electric field responsive polymer, A power generation unit that switches between supply of initial electric energy to the electric field responsive polymer and output of electric electric energy from the electric field responsive polymer, and boosting the initial electric energy and reducing the output electric energy An electric field responsive polymer comprising: a voltage conversion unit for stepping down; an output of initial energy to the power conversion unit; a storage unit for storing electric energy output from the power conversion unit and discharging to an external load; A power generation unit, wherein a piston shaft of the power generation unit is installed in the vicinity of a rotating shaft that rotates by the kinetic energy of a fluid, and a cam fixed to the rotating shaft; By movement in the axial direction in contact, it is obtained by solving the above problems.

そして、本請求項2に係る発明は、請求項1に係る電場応答性高分子を用いた発電装置において、前記発電ユニット部が、前記回転軸を中心とする円周上に等角度間隔に複数配設されていることにより、前記課題をさらに解決したものである。   The invention according to claim 2 is the power generation apparatus using the electric field responsive polymer according to claim 1, wherein a plurality of the power generation unit portions are arranged at equiangular intervals on a circumference centered on the rotation axis. By being arranged, the above-mentioned problem is further solved.

また、本請求項3に係る発明は、請求項2に係る電場応答性高分子を用いた発電装置において、前記複数の発電ユニット部が出力する出力電気エネルギーを平滑する平滑回路が、前記発電ユニット部の放電端子と前記電圧変換部の降圧回路との間に設けられていることにより、前記課題をさらに解決したものである。   The invention according to claim 3 is the power generation apparatus using the electric field responsive polymer according to claim 2, wherein the smoothing circuit that smoothes the output electrical energy output from the plurality of power generation unit units is the power generation unit. This problem is further solved by being provided between the discharge terminal of the unit and the step-down circuit of the voltage conversion unit.

なお、本発明における電場応答性高分子とは、米国のカリフォルニア州に本拠を構えるSRIインターナショナルで開発された新素材であって、アクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などからなる弾性を有する薄い高分子(誘電体エラストマー)を伸び縮み可能な柔軟な電極で挟んだ構造をしており、EPAM(イーパム:Electroactive Polymer Artificial Muscle)という商品名で市販されているものである。   The electric field responsive polymer in the present invention is a new material developed by SRI International based in California, USA, and is an elastic thin polymer (such as acrylic resin or silicone resin) ( It has a structure in which a dielectric elastomer) is sandwiched between flexible electrodes that can be expanded and contracted, and is commercially available under the trade name EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle).

ここで、この電場応答性高分子が、発電する原理の概要について、図1及び図2に基づき説明する。   Here, an outline of the principle of power generation by the electric field responsive polymer will be described with reference to FIGS.

電場応答性高分子1は、2つの柔軟な電極1b、1cに挟まれた、アクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などの高分子膜1aで構成されている。アクチュエーション(駆動)モードでは、図1に示すように電極間に電位差を与えると、静電力により、高分子膜1aが厚さ方向に収縮し、その結果として、電場応答性高分子1が面方向に伸張する。   The electric field responsive polymer 1 is composed of a polymer film 1a such as an acrylic resin or a silicone resin sandwiched between two flexible electrodes 1b and 1c. In the actuation (driving) mode, when a potential difference is applied between the electrodes as shown in FIG. 1, the polymer film 1a contracts in the thickness direction due to the electrostatic force. Stretch in the direction.

一方、発電モードでは、図2に示すようにアクチュエーション(駆動)モードと逆の動き、すなわち、電場応答性高分子1に波力、風力、水力や人的作用などの外部的圧力、伸張力を与えて、電場応答性高分子1を伸張させることにより発電する。   On the other hand, in the power generation mode, as shown in FIG. 2, the movement opposite to that of the actuation (drive) mode, that is, the electric field responsive polymer 1 is subjected to external pressure such as wave force, wind force, hydraulic power and human action, and extension force. To generate electric power by stretching the electric field responsive polymer 1.

これらのモードでは、電場応答性高分子1は、可変容量コンデンサーのように機能していると考えられる。電場応答性高分子1が何らかの力により伸張された際に発電の元となる微量の電荷を電場応答性高分子1に与える。この電荷は、電場応答性高分子1の高分子膜1a表面上に現れる。そして、この膜が弛緩する際、電場応答性高分子1の弾性力が電場圧力に対向して働き、その結果、電気エネルギーが増加する。ミクロ的には、高分子膜1aの弾性力により電荷を各電極1b、1cに向けて押し出し(収縮状態で高分子膜1aの厚さが増加)、また電極1b、1c上において各電荷間の距離が短くなる(収縮状態で平面領域が減少)。   In these modes, the electric field responsive polymer 1 is considered to function like a variable capacitor. When the electric field responsive polymer 1 is stretched by some force, the electric field responsive polymer 1 is given a small amount of electric charge as a source of power generation. This electric charge appears on the surface of the polymer film 1a of the electric field responsive polymer 1. When the film relaxes, the elastic force of the electric field responsive polymer 1 works against the electric field pressure, and as a result, electric energy increases. Microscopically, charges are pushed toward the electrodes 1b and 1c by the elastic force of the polymer film 1a (the thickness of the polymer film 1a increases in the contracted state), and between the charges on the electrodes 1b and 1c. The distance becomes shorter (the plane area decreases in the contracted state).

このような電荷の変化が電圧差を増加させ、その結果、静電エネルギー量が増加し、電気エネルギーとして外部の負荷に供給可能になり、電場応答性高分子が発電素子として機能する。   Such a change in charge increases the voltage difference. As a result, the amount of electrostatic energy is increased, and electric energy can be supplied to an external load, and the electric field responsive polymer functions as a power generation element.

本請求項1に係る発明によれば、ピストン軸の軸方向の運動を電場応答性高分子を変形させる力に変換すると共に、前記電場応答性高分子の変形状態を検出し、その変形状態に応じて電場応答性高分子への初期電気エネルギーの供給と電場応答性高分子からの出力電気エネルギーの出力との切換を行う発電ユニット部と、前記初期電気エネルギーを昇圧すると共に前記出力電気エネルギーを降圧する電圧変換部と、該電圧変換部への初期電気エネルギーの出力と前記電力変換部からの出力電気エネルギーの蓄電及び外部負荷への放電をする蓄電部とを具備した電場応答性高分子を用いた発電装置であって、前記発電ユニット部のピストン軸が、流体の運動エネルギーによって回転する回転軸の近傍に設置されると共に該回転軸に固設されたカムと当接することにより軸方向に運動するため、風車や水車などのゆっくりとした回転運動であっても電力を発電することができる。   According to the first aspect of the present invention, the axial movement of the piston shaft is converted into a force that deforms the electric field responsive polymer, and the deformation state of the electric field responsive polymer is detected, and the deformation state is detected. A power generation unit that switches between supply of initial electric energy to the electric field responsive polymer and output of electric electric energy from the electric field responsive polymer, and boosting the initial electric energy and reducing the output electric energy An electric field responsive polymer comprising: a voltage conversion unit that lowers voltage; and an output of initial electric energy to the voltage conversion unit, storage of output electric energy from the power conversion unit, and a storage unit that discharges to an external load. In the power generation apparatus used, the piston shaft of the power generation unit is installed in the vicinity of a rotating shaft that rotates by the kinetic energy of the fluid and is fixed to the rotating shaft. For axially moving by contact with, it can be a slow rotary motion, such as windmills or water wheels to generate power.

そして、本請求項2に係る発明によれば、請求項1に係る発明が奏する効果に相乗して、発電ユニット部が、回転軸を中心とする円周上に等角度間隔に複数配設されていることによって、回転軸が1回転する間に、配置した発電ユニット部の数に相当するのこぎり波形の電圧が出力されるため、風車や水車などのゆっくりとした回転運動であってもより大きな電力を発電することができる。   According to the invention of claim 2, in synergy with the effect of the invention of claim 1, a plurality of power generation unit portions are arranged at equiangular intervals on the circumference around the rotation axis. As a result, the voltage of the sawtooth waveform corresponding to the number of the power generation unit units that are arranged is output during one rotation of the rotating shaft, so even a slow rotational motion such as a windmill or water turbine is larger. Electric power can be generated.

また、本請求項3に係る発明によれば、請求項2に係る発明が奏する効果に相乗して、複数の発電ユニット部が出力する出力電気エネルギーを平滑する平滑回路部が、発電ユニット部の放電端子と電圧変換部の降圧回路との間に設けられていることにより、のこぎり波形が重畳された電圧波形の基準電圧を超える部分がカットされて基準電圧を下回る部分において放出されるため、出力電圧が直流に近づき、出力電気エネルギーの利用効率が向上すると共に直流駆動される様々な負荷に対する電力供給が可能になる。   In addition, according to the invention according to claim 3, in synergy with the effect of the invention according to claim 2, the smoothing circuit portion that smoothes the output electrical energy output from the plurality of power generation unit portions is the power generation unit portion. Since it is provided between the discharge terminal and the step-down circuit of the voltage converter, the portion exceeding the reference voltage of the voltage waveform on which the sawtooth waveform is superimposed is cut and released at the portion below the reference voltage. As the voltage approaches DC, the utilization efficiency of output electric energy is improved, and power can be supplied to various loads driven by DC.

本発明の電場応答性高分子を用いた発電装置は、ピストン軸の軸方向の運動を電場応答性高分子を変形させる力に変換すると共に、前記電場応答性高分子の変形状態を検出し、その変形状態に応じて電場応答性高分子への初期電気エネルギーの供給と電場応答性高分子からの出力電気エネルギーの出力との切換を行う発電ユニット部と、前記初期電気エネルギーを昇圧すると共に前記出力電気エネルギーを降圧する電圧変換部と、該電圧変換部への初期電気エネルギーの出力と前記電力変換部からの出力電気エネルギーの蓄電及び外部負荷への放電をする蓄電部とを具備しており、この発電ユニット部のピストン軸が、流体の運動エネルギーによって回転する回転軸の近傍に設置されると共にこの回転軸に固設されたカムと当接することにより軸方向に運動するものであって、センサーを用いたような複雑な変位検出回路を設けることなく電場応答性高分子を用いた発電装置を実現し、しかも、風力や水力などの緩やかな運動により電場応答性高分子を連続して変形させ、電気エネルギーを効率よく取り出すことができるものであれば、その具体的な実施の態様は、如何なるものであっても何ら構わない。   The power generation device using the electric field responsive polymer of the present invention converts the axial movement of the piston shaft into a force that deforms the electric field responsive polymer, and detects the deformation state of the electric field responsive polymer, A power generation unit that switches between supply of initial electric energy to the electric field responsive polymer and output of electric electric energy output from the electric field responsive polymer according to the deformation state, and boosts the initial electric energy and A voltage conversion unit for stepping down the output electric energy, and an electric storage unit that outputs initial electric energy to the voltage conversion unit, stores output electric energy from the power conversion unit, and discharges to an external load. The piston shaft of the power generation unit is installed in the vicinity of the rotating shaft that rotates by the kinetic energy of the fluid and comes into contact with a cam fixed to the rotating shaft. Realizes a power generation device that uses an electric field responsive polymer without a complicated displacement detection circuit that uses a sensor and that moves in the axial direction. As long as the electric field responsive polymer can be continuously deformed and the electric energy can be taken out efficiently, any specific embodiment may be used.

以下、本発明の一実施例である電場応答性高分子(以下、EPAMと称す)を用いた発電装置について図3乃至図8に基づいて説明する。   Hereinafter, a power generator using an electric field responsive polymer (hereinafter referred to as EPAM) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

ここで、図3は、本発明の実施例1であるEPAMを用いた発電装置の全体構成図であり、図4は、図3において符号10で示した発電ユニット部を拡大した断面図であり、図5は、図4に示した発電ユニット部10の主要構成部材であるEPAMカートリッジを拡大して示した断面図であり、図6は、図5に示したEPAMカートリッジの別の実施態様を示した断面図であり、図7は、発電ユニット部10に用いられる充放電端子の別の実施態様を示した側面図であり、図8は、図3に示したEPAMを用いた発電装置の具体的な回路構成図の一例である。なお、図4に示した発電ユニット10は、説明の都合上、図3に示した発電ユニット10とは天地を逆にすると共に、図3に示したEPAM12が、伸張状態であるのに対して、図4に示したEPAM12は、弛緩状態にあるものを示している。   Here, FIG. 3 is an overall configuration diagram of the power generation apparatus using the EPAM that is Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the power generation unit portion indicated by reference numeral 10 in FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the EPAM cartridge, which is a main component of the power generation unit section 10 shown in FIG. 4, and FIG. 6 shows another embodiment of the EPAM cartridge shown in FIG. FIG. 7 is a side view showing another embodiment of a charge / discharge terminal used in the power generation unit section 10, and FIG. 8 is a side view of the power generation apparatus using the EPAM shown in FIG. It is an example of a concrete circuit block diagram. For the convenience of explanation, the power generation unit 10 shown in FIG. 4 is upside down from the power generation unit 10 shown in FIG. 3, and the EPAM 12 shown in FIG. 3 is in an extended state. The EPAM 12 shown in FIG. 4 is in a relaxed state.

まず、本発明の実施例1であるEPAMを用いた発電装置は、図3及び図4に示すようにピストン軸11の軸方向の運動をEPAM12を伸張させたり、弛緩させたりする力に変換すると共に、EPAM12の変形状態に応じてEPAM12への初期電気エネルギーの供給とEPAM12からの出力電気エネルギーの出力との切換を行う機能を兼ね備えた発電ユニット部10を有している。   First, the power generator using the EPAM according to the first embodiment of the present invention converts the axial movement of the piston shaft 11 into a force for extending or relaxing the EPAM 12 as shown in FIGS. In addition, the power generation unit 10 has a function of switching between the supply of initial electrical energy to the EPAM 12 and the output of output electrical energy from the EPAM 12 according to the deformation state of the EPAM 12.

そして、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの蓄電池や大容量コンデンサなどからなる蓄電部30から出力される初期電気エネルギーが、電圧変換部20の昇圧回路22によって昇圧され、発電ユニット部10の底板10aに固着された銅板などからなる充電端子13とEPAMプラス端子16aが接触することにより、伸張状態にあるEPAM12に供給される。   Then, the initial electrical energy output from the power storage unit 30 including a storage battery such as a lithium ion battery or a nickel hydride battery or a large-capacity capacitor is boosted by the booster circuit 22 of the voltage conversion unit 20, and the bottom plate 10 a of the power generation unit unit 10. When the charging terminal 13 made of a copper plate or the like fixed to the EPAM plus terminal 16a comes into contact with the charging terminal 13, the EPAM 12 is supplied to the extended EPAM 12.

一方、ピストン軸11に加わる力が解消し、EPAM12が弛緩状態になるとEPAM12は、弾性力により、面積が小さい状態となる。その結果、発電ユニット部10の天板10bに固着された放電端子14とEPAMプラス端子16aが接触することにより、EPAM12により発生した出力電気エネルギーは、電圧変換部20の降圧回路24によって降圧され蓄電部30に蓄電され、必要に応じて外部負荷に放電される。   On the other hand, when the force applied to the piston shaft 11 is eliminated and the EPAM 12 is in a relaxed state, the EPAM 12 is in a state where the area is small due to the elastic force. As a result, when the discharge terminal 14 fixed to the top plate 10b of the power generation unit 10 and the EPAM plus terminal 16a come into contact with each other, the output electrical energy generated by the EPAM 12 is stepped down by the step-down circuit 24 of the voltage conversion unit 20 and stored. The electricity is stored in the unit 30 and discharged to an external load as necessary.

ピストン軸11には、押し板15が垂直に接合されており、このピストン軸11が、流体の運動エネルギーによって回転する回転軸17の近傍に設置されると共に、回転軸17に固設されたカム18と当接することにより軸方向に運動し、EPAM12を伸張させたり、弛緩させたりする。   A push plate 15 is vertically joined to the piston shaft 11. The piston shaft 11 is installed in the vicinity of the rotating shaft 17 that rotates by the kinetic energy of the fluid, and is a cam fixed to the rotating shaft 17. By abutting 18, it moves in the axial direction and expands or relaxes EPAM 12.

ここで、図4及び図5に基づき発電ユニット部10の構造について、さらに詳しく説明する。発電ユニット部10は、略円形形状をしたEPAM12の高分子膜12aと、それに接合した柔軟なEPAMプラス電極膜12bとEPAMマイナス電極膜12cとが一体となって周辺サポート部材16cによって支持されているEPAMカートリッジ16を有している。この時、EPAMプラス電極膜12bとEPAMマイナス電極膜12cとは、偏心して高分子膜12aに接合されている。そして、周辺サポート部材16cの中心を挟んで対向する位置、すなわち1つの直径上の位置にEPAMプラス電極膜12bと導通するEPAMプラス電極16dとEPAMマイナス電極膜12cと導通するEPAMマイナス電極16eが設けられている。   Here, based on FIG.4 and FIG.5, the structure of the electric power generation unit part 10 is demonstrated in more detail. The power generation unit 10 is supported by a peripheral support member 16c in which a polymer film 12a of an EPAM 12 having a substantially circular shape, and a flexible EPAM plus electrode film 12b and an EPAM minus electrode film 12c bonded thereto are integrated. An EPAM cartridge 16 is provided. At this time, the EPAM plus electrode film 12b and the EPAM minus electrode film 12c are eccentrically joined to the polymer film 12a. An EPAM plus electrode 16d that conducts to the EPAM plus electrode film 12b and an EPAM minus electrode 16e that conducts to the EPAM minus electrode film 12c are provided at positions facing each other across the center of the peripheral support member 16c, that is, a position on one diameter. It has been.

そして、EPAM12は、その中央において樹脂などの絶縁材料からなる中央サポート部材16bにより挟持され、その両外側に銅などの導電材料からなるEPAMプラス端子16aにより挟持され、導電材料からなる貫通ボルト16fにより、EPAMプラス端子16aと中央サポート部材16bとEPAM12が共締めされている。さらに、EPAMプラス電極16dとEPAMプラス端子16aとは、導線16gで接続されており、さらにEPAM12を挟持するように設けられた2つのEPAMプラス端子16aは、前述したように導電材料からなる貫通ボルト16fによって導通しているため、EPAMカートリッジ16の中央両面にEPAMプラス電極膜12bと導通しているEPAMプラス端子16aが配設される。このEPAMプラス端子16aが、発電ユニット部10の充電端子13あるいは放電端子14と接触することにより、EPAM12の変形状態に応じたEPAM12への初期電気エネルギーの供給とEPAM12からの出力電気エネルギーの出力との切換が行われる。   The EPAM 12 is sandwiched by a central support member 16b made of an insulating material such as a resin at the center thereof, and sandwiched by EPAM plus terminals 16a made of a conductive material such as copper on both outer sides thereof, and by through bolts 16f made of a conductive material. The EPAM plus terminal 16a, the central support member 16b, and the EPAM 12 are fastened together. Furthermore, the EPAM plus electrode 16d and the EPAM plus terminal 16a are connected by a conducting wire 16g, and the two EPAM plus terminals 16a provided so as to sandwich the EPAM 12 are, as described above, through-bolts made of a conductive material. Since the connection is made by 16f, EPAM plus terminals 16a that are connected to the EPAM plus electrode film 12b are arranged on both sides of the center of the EPAM cartridge 16. When the EPAM plus terminal 16a is in contact with the charging terminal 13 or the discharging terminal 14 of the power generation unit section 10, supply of initial electric energy to the EPAM 12 corresponding to the deformation state of the EPAM 12 and output of output electric energy from the EPAM 12 Are switched.

次に、図6に基づき、EPAMカートリッジの別の実施態様について説明する。なお、図6に示したEPAMカートリッジは、2つのEPAMを積層している点で図5に示したEPAMカートリッジ16と異なるだけであるので、対応する部材には同じ符号を付し、詳しい説明については省略する。このEPAMカートリッジ16は、2つのEPAMプラス電極膜12bが密着するように配設されている。そのためEPAMカートリッジ16の露出している電極膜は、両面ともマイナス電極膜となるため、感電やEPAMと発電ユニット部10の筐体との間で高電界による絶縁破壊(放電)が発生することを回避すると共に、2つのEPAMが並列接続されているため、出力電気エネルギーを増加させることができる。   Next, another embodiment of the EPAM cartridge will be described with reference to FIG. The EPAM cartridge shown in FIG. 6 is different from the EPAM cartridge 16 shown in FIG. 5 only in that two EPAMs are laminated. Is omitted. The EPAM cartridge 16 is disposed so that the two EPAM plus electrode films 12b are in close contact with each other. For this reason, the exposed electrode film of the EPAM cartridge 16 becomes a negative electrode film on both sides, so that electric shock or dielectric breakdown (discharge) due to a high electric field occurs between the EPAM and the housing of the power generation unit unit 10. In addition to avoiding this, since the two EPAMs are connected in parallel, the output electrical energy can be increased.

次に、図3及び図4に示した発電ユニット部10の充電端子13と放電端子14の別の実施態様について、図7に基づき説明する。充電端子13は、充電用接触板13aが発電ユニット部の底板10aにバネ部材13bを介して固着されている。同様に、放電端子14は、放電用接触板14aが発電ユニット部10の天板10bにバネ部材14bを介して固着されている。このような構造にすることによって、EPAMプラス端子16aと充電端子13及び放電端子14との衝撃的な接触を回避すると共に、EPAMプラス端子16aと充電端子13及び放電端子14との接触時間が長くなり、EPAMへの初期電気エネルギーの供給及びEPAMからの出力電気エネルギーの出力を安定且つ確実に行うことができる。   Next, another embodiment of the charging terminal 13 and the discharging terminal 14 of the power generation unit 10 shown in FIGS. 3 and 4 will be described with reference to FIG. In the charging terminal 13, a charging contact plate 13a is fixed to the bottom plate 10a of the power generation unit portion via a spring member 13b. Similarly, the discharge terminal 14 has a discharge contact plate 14a fixed to the top plate 10b of the power generation unit 10 via a spring member 14b. By adopting such a structure, impact contact between the EPAM plus terminal 16a and the charge terminal 13 and the discharge terminal 14 is avoided, and the contact time between the EPAM plus terminal 16a, the charge terminal 13 and the discharge terminal 14 is long. Thus, it is possible to stably and reliably supply initial electric energy to EPAM and output electric energy from EPAM.

実施例1を構成する昇圧回路22及び降圧回路24は、市販されている汎用の昇圧回路及び降圧回路を用いることができるが、図8にその具体的な回路構成の一例を図3に示した全体構成図と対応させて記載する。したがって、図3に示した構成と対応する構成については、同じ符号を付している。すなわち、図8の符号10を付したブロックは、発電ユニット部である。SW1は、図3におけるEPAMプラス端子16aと充電端子13に対応しており、ピストン軸11が押されてEPAM12が伸張状態にある時(すなわち、図3に示した状態)にONになり、ピストン軸11に加えられた力が解放された時にOFFになる。一方、SW2は、図3におけるEPAMプラス端子16aと放電端子14に対応しており、ピストン軸11に加えられた力が解放されてEPAM12が自身の弾性により完全に収縮状態にある時(すなわち、図4に示した状態)にONになり、ピストン軸11に力が加えられるとOFFになる。   As the booster circuit 22 and the step-down circuit 24 constituting the first embodiment, a commercially available general-purpose booster circuit and step-down circuit can be used. FIG. 8 shows an example of a specific circuit configuration in FIG. It is described in correspondence with the overall configuration diagram. Therefore, the components corresponding to those shown in FIG. That is, the block denoted by reference numeral 10 in FIG. 8 is a power generation unit section. SW1 corresponds to the EPAM plus terminal 16a and the charging terminal 13 in FIG. 3, and is turned ON when the piston shaft 11 is pushed and the EPAM 12 is in the extended state (that is, the state shown in FIG. 3). It turns OFF when the force applied to the shaft 11 is released. On the other hand, SW2 corresponds to the EPAM plus terminal 16a and the discharge terminal 14 in FIG. 3, and when the force applied to the piston shaft 11 is released and the EPAM 12 is completely contracted by its own elasticity (that is, When the force is applied to the piston shaft 11, it is turned OFF.

図8の符号22を付したブロックは、蓄電部30から得た低電圧の電気エネルギーを昇圧して、EPAM12に初期電気エネルギーとして供給するための昇圧回路である。図8に示した例では、トランジスタ、コンデンサ、コイル、変成器などから構成されたインバータ回路で一次昇圧を行い、その後、コンデンサとダイオードからなる多段倍圧整流回路によりインバータ回路の出力電圧を4倍にして発電ユニット部10に供給している。具体的には、蓄電部30から得た約3.5Vの電圧をインバータ回路で700〜800Vにし、さらに多段倍圧整流回路によって、その4倍の2800〜3200Vに昇圧して発電ユニット部10に供給している。また、符号24を付したブロックは、発電ユニット部10から出力される高電圧の出力電気エネルギーを降圧して、蓄電部30の蓄電池等を充電するのに適した低電圧にするための降圧回路である。ここでは、パルスジェネレータ、MOSFET、変成器などからなる降圧回路によって降圧している。   The block denoted by reference numeral 22 in FIG. 8 is a booster circuit for boosting low-voltage electrical energy obtained from the power storage unit 30 and supplying it to the EPAM 12 as initial electrical energy. In the example shown in FIG. 8, primary boosting is performed by an inverter circuit composed of a transistor, a capacitor, a coil, a transformer, etc., and then the output voltage of the inverter circuit is quadrupled by a multistage voltage doubler rectifier circuit composed of a capacitor and a diode. To the power generation unit section 10. Specifically, the voltage of about 3.5 V obtained from the power storage unit 30 is increased to 700 to 800 V by an inverter circuit, and further increased to 4800 to 2800 to 3200 V by a multistage voltage doubler rectifier circuit. Supply. The block denoted by reference numeral 24 is a step-down circuit for stepping down the high-voltage output electrical energy output from the power generation unit unit 10 to a low voltage suitable for charging a storage battery or the like of the power storage unit 30. It is. Here, the voltage is stepped down by a step-down circuit including a pulse generator, a MOSFET, a transformer, and the like.

次に、本発明の別の実施態様である実施例2について、図9乃至図12に基づき説明する。実施例2のEPAMを用いた発電装置は、実施例1において説明した発電ユニット部を4つ並列に配置したものであって、基本的な構成は、実施例1と同じであるので、全体構成図を示す図9及び発電ユニットの配置を示す図12においては、実施例1の全体構成図である図3に示したブロックと対応するブロックには、10倍した符号を付し、その詳しい説明については省略する。   Next, Example 2 which is another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The power generation device using the EPAM of the second embodiment is one in which the four power generation unit portions described in the first embodiment are arranged in parallel, and the basic configuration is the same as that of the first embodiment. In FIG. 9 showing the drawing and FIG. 12 showing the arrangement of the power generation units, the block corresponding to the block shown in FIG. Is omitted.

図9は、実施例2のEPAMを用いた発電装置の全体構成図である。この図から明らかなように、実施例2のEPAMを用いた発電装置は、4つの発電ユニット100a〜100dを並列に配置している。ここで、4つの発電ユニット100a〜100dを総称して発電ユニット部100と呼ぶ。これらの4つの発電ユニット100a〜100dは、図12に示すように、流体の運動エネルギーによって回転する回転軸170を中心とする円周上に90度間隔に配設されている。そして、回転軸170に固設されたカム180と各発電ユニット100a〜100dのピストン軸110a〜110dの先端に固設された押し板150a〜150dとが、回転軸170の回転に伴い順次当接し、各ピストン軸110a〜110dが順次軸方向に運動し、各発電ユニット100a〜100dから順次出力電気エネルギーが放出される。   FIG. 9 is an overall configuration diagram of a power generator using the EPAM of the second embodiment. As is clear from this figure, the power generation apparatus using the EPAM of Example 2 has four power generation units 100a to 100d arranged in parallel. Here, the four power generation units 100a to 100d are collectively referred to as a power generation unit unit 100. As shown in FIG. 12, these four power generation units 100 a to 100 d are arranged at intervals of 90 degrees on a circumference around a rotating shaft 170 that rotates by the kinetic energy of the fluid. Then, the cam 180 fixed to the rotating shaft 170 and the push plates 150a to 150d fixed to the tip ends of the piston shafts 110a to 110d of the power generation units 100a to 100d sequentially come into contact with the rotation of the rotating shaft 170. The piston shafts 110a to 110d sequentially move in the axial direction, and output electric energy is sequentially released from the power generation units 100a to 100d.

その時の発電ユニット部100の出力波形を図10に示す。これは、回転軸170を1回転させた時に図9のA点において計測される出力波形を示している。この図から明らかなように発電ユニット100a〜100dから出力される最大波高値がV1である三角形状の出力波形が重畳して計測される。ここで、さらに図9に示すように発電ユニット部100の放電端子と電圧変換部200の降圧回路240との間にコンデンサなどから構成される平滑回路400を設けることにより、図11に示すように出力波形が平滑化され、波高値がV2で一定である出力電力が得られる。なお、実施例2では、発電ユニットの数を4つにしているが、必要に応じて発電ユニットの数を増やして高出力化を図ることも可能である。   The output waveform of the power generation unit 100 at that time is shown in FIG. This shows an output waveform measured at point A in FIG. 9 when the rotating shaft 170 is rotated once. As is apparent from this figure, a triangular output waveform having a maximum peak value V1 output from the power generation units 100a to 100d is superimposed and measured. Here, as shown in FIG. 11, a smoothing circuit 400 including a capacitor or the like is further provided between the discharge terminal of the power generation unit 100 and the step-down circuit 240 of the voltage converter 200 as shown in FIG. The output waveform is smoothed, and output power having a constant peak value at V2 is obtained. In the second embodiment, the number of power generation units is four, but it is also possible to increase the number of power generation units as necessary to increase the output.

本実施例のように複数の発電ユニットを設けた分散型発電構造を採用することで、流体から発生する運動エネルギーを効率よくEPAMに伝達することができ、連続した出力電気エネルギーが得られることにより安定した電力を供給することが可能になる。また、分散型発電構造を採用することで、メンテナンスなどを行う時に発電ユニット毎に作業が行え、発電運転時であっても運転を停止する必要がない。また、1つの発電ユニットが故障したとしても発電運転を停止することなく、発電運転を継続させながら、故障した発電ユニットの交換、修理を行うことができる。   By adopting a distributed power generation structure provided with a plurality of power generation units as in this embodiment, kinetic energy generated from fluid can be efficiently transmitted to EPAM, and continuous output electrical energy can be obtained. Stable power can be supplied. Further, by adopting a distributed power generation structure, work can be performed for each power generation unit when performing maintenance or the like, and it is not necessary to stop the operation even during power generation operation. Moreover, even if one power generation unit fails, the failed power generation unit can be replaced or repaired while continuing the power generation operation without stopping the power generation operation.

本発明のEPAMを用いた発電装置は、図13に示すように波力、水力、風力などの流体の運動エネルギーによって回転する回転軸の動きを、きわめて簡単な構成で、EPAMを変形させる力に変換することによって発電するものであって、地球温暖化の原因となるCOの排出が皆無であり、従来型の発電機では発電が困難であったきわめて緩やかな流れの下水道や水路などにも適用可能である。さらに、小型軽量であるため、ポータブル装置として非常時の電力供給やアウトドアのレジャー用としても使用可能であるなど、その産業上の利用可能性はきわめて高い。 As shown in FIG. 13, the power generator using the EPAM according to the present invention converts the movement of the rotating shaft by the kinetic energy of fluid such as wave power, hydraulic power, wind power, etc. into a force that deforms the EPAM with a very simple configuration. It generates electricity by conversion, has no CO 2 emissions that cause global warming, and it is difficult to generate electricity with conventional generators. Applicable. Furthermore, because of its small size and light weight, it can be used as a portable device for emergency power supply and outdoor leisure use, and its industrial applicability is extremely high.

本発明に使用した電場応答性高分子の駆動モードの動作原理を説明する図。The figure explaining the operation principle of the drive mode of the electric field responsive polymer used for this invention. 本発明に使用した電場応答性高分子の発電モードの動作原理を説明する図。The figure explaining the operation | movement principle of the electric power generation mode of the electric field responsive polymer used for this invention. 本発明の実施例1の全体構成図。1 is an overall configuration diagram of Embodiment 1 of the present invention. 図3に示した発電ユニット部の拡大断面図。The expanded sectional view of the electric power generation unit part shown in FIG. 図4に示したEPAMカートリッジの拡大断面図。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the EPAM cartridge shown in FIG. 図5に示したEPAMカートリッジの別の実施態様を示した拡大断面図。FIG. 6 is an enlarged sectional view showing another embodiment of the EPAM cartridge shown in FIG. 5. 発電ユニット部に用いられる充放電端子の別の実施態様を示した側面図。The side view which showed another embodiment of the charging / discharging terminal used for an electric power generation unit part. 実施例1の具体的な回路構成図。FIG. 3 is a specific circuit configuration diagram of the first embodiment. 本発明の実施例2の全体構成図。The whole block diagram of Example 2 of this invention. 図9のA点における出力波形。Output waveform at point A in FIG. 図9のB点における出力波形。Output waveform at point B in FIG. 実施例2の発電ユニットの配置図。FIG. 6 is a layout diagram of a power generation unit according to a second embodiment. 本発明の発電装置の利用例を示す概念図。The conceptual diagram which shows the utilization example of the electric power generating apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 ・・・ 電場応答性高分子(EPAM)
1a ・・・(電場応答性高分子の)高分子膜
1b、1c ・・・(電場応答性高分子の)電極
10、100 ・・・ 発電ユニット部
10a ・・・(発電ユニット部の)底板
10b ・・・(発電ユニット部の)天板
11、110a〜110d ・・・ ピストン軸
12 ・・・ 電場応答性高分子(EPAM)
12a・・・ 高分子膜
12b・・・ EPAMプラス電極膜
12c・・・ EPAMマイナス電極膜
13 ・・・ 充電端子
13a・・・(充電端子の)充電用接触板
13b・・・(充電端子の)バネ部材
14 ・・・ 放電端子
14a・・・(放電端子の)放電用接触板
14b・・・(放電端子の)バネ部材
15、150a〜150d ・・・ 押し板
16 ・・・ EPAMカートリッジ
16a・・・(EPAMカートリッジの)EPAMプラス端子
16b・・・(EPAMカートリッジの)中央サポート部材
16c・・・(EPAMカートリッジの)周辺サポート部材
16d・・・(EPAMカートリッジの)EPAMプラス電極
16e・・・(EPAMカートリッジの)EPAMマイナス電極
16f・・・(EPAMカートリッジの)貫通ボルト
16g・・・(EPAMカートリッジの)導線
17、170 ・・・ 回転軸
18、180 ・・・ カム
20、200 ・・・ 電圧変換部
22、220 ・・・ 昇圧回路
24、240 ・・・ 降圧回路
30、300 ・・・ 蓄電部
400 ・・・ 平滑回路
1 ... Electric field responsive polymer (EPAM)
1a: polymer film 1b (of electric field responsive polymer), 1c: electrode (of electric field responsive polymer)
10, 100 ... power generation unit 10a ... bottom plate 10b (of power generation unit) ... top plate 11, 110a to 110d (of power generation unit) ... piston shaft 12 ... high electric field response Molecule (EPAM)
12a ... polymer film 12b ... EPAM plus electrode film 12c ... EPAM minus electrode film 13 ... charging terminal 13a ... (charging terminal) charging contact plate 13b ... (charging terminal) ) Spring member
14 ... discharge terminal 14a ... discharge contact plate 14b (discharge terminal) spring member (discharge terminal)
15, 150a-150d ... Push plate 16 ... EPAM cartridge 16a ... EPAM plus terminal 16b (for EPAM cartridge) Central support member 16c (for EPAM cartridge) Periphery (for EPAM cartridge) Support member 16d (EPAM cartridge) EPAM plus electrode 16e (EPAM cartridge) EPAM minus electrode 16f (EPAM cartridge) through bolt 16g (EPAM cartridge) conductors 17, 170・ ・ ・ Rotating shaft 18, 180 ・ ・ ・ Cam 20, 200 ・ ・ ・ Voltage converter 22, 220 ・ ・ ・ Booster circuit 24, 240 ・ ・ ・ Step-down circuit 30, 300 ・ ・ ・ Power storage unit 400 ・ ・ ・ Smooth circuit

Claims (3)

ピストン軸の軸方向の運動を電場応答性高分子を変形させる力に変換すると共に、前記電場応答性高分子の変形状態を検出し、その変形状態に応じて電場応答性高分子への初期電気エネルギーの供給と電場応答性高分子からの出力電気エネルギーの出力との切換を行う発電ユニット部と、
前記初期電気エネルギーを昇圧すると共に前記出力電気エネルギーを降圧する電圧変換部と、
該電力変換部への初期電気エネルギーの出力と前記電力変換部からの出力電気エネルギーの蓄電及び外部負荷への放電をする蓄電部とを具備した電場応答性高分子を用いた発電装置であって、
前記発電ユニット部のピストン軸が、流体の運動エネルギーによって回転する回転軸の近傍に設置されると共に該回転軸に固設されたカムと当接することにより軸方向に運動することを特徴とする電場応答性高分子を用いた発電装置。
The movement of the axial direction of the piston shaft is converted into a force that deforms the electric field responsive polymer, and the deformation state of the electric field responsive polymer is detected, and the initial electric to the electric field responsive polymer is detected according to the deformation state. A power generation unit that switches between the supply of energy and the output of electrical energy from the electric field responsive polymer;
A voltage converter that boosts the initial electrical energy and reduces the output electrical energy;
A power generator using an electric field responsive polymer comprising an output of initial electrical energy to the power conversion unit, a storage of output electrical energy from the power conversion unit, and a storage unit for discharging to an external load. ,
An electric field in which the piston shaft of the power generation unit is installed in the vicinity of a rotating shaft that rotates by the kinetic energy of the fluid and moves in the axial direction by contacting a cam fixed to the rotating shaft. Power generator using responsive polymer.
前記発電ユニット部が、前記回転軸を中心とする円周上に等角度間隔に複数配設されていることを特徴とする請求項1記載の電場応答性高分子を用いた発電装置。   2. The power generation device using an electric field responsive polymer according to claim 1, wherein a plurality of the power generation unit portions are arranged at equiangular intervals on a circumference around the rotation axis. 前記複数の発電ユニット部が出力する出力電気エネルギーを平滑する平滑回路が、前記発電ユニット部の放電端子と前記電圧変換部の降圧回路との間に設けられていることを特徴とする請求項2記載の電場応答性高分子を用いた発電装置。   The smoothing circuit for smoothing the output electric energy output from the plurality of power generation unit units is provided between a discharge terminal of the power generation unit unit and a step-down circuit of the voltage conversion unit. A power generator using the electric field responsive polymer described.
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