特開 2024-85004 ポンプの圧力を利用した圧電発電装置およびポンプ発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024085004

(43)【公開日】2024-06-26

(54)【発明の名称】ポンプの圧力を利用した圧電発電装置およびポンプ発電システム

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/18 20060101AFI20240619BHJP

   F04D 29/00 20060101ALI20240619BHJP

   F04D 29/30 20060101ALI20240619BHJP

   H10N 30/30 20230101ALI20240619BHJP

【ＦＩ】

H02N2/18

F04D29/00 B

F04D29/30 C

H10N30/30

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022199277

(22)【出願日】2022-12-14

(71)【出願人】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】駒場 祐哉

(72)【発明者】

【氏名】小林 修章

【テーマコード（参考）】

3H130

5H681

【Ｆターム（参考）】

3H130AA02

3H130AB22

3H130AB60

3H130AC30

3H130DF03X

5H681AA01

5H681BB08

5H681DD23

5H681DD33

(57)【要約】

【課題】
ポンプのロックの危険性がなく、発電量も増加可能な、ポンプの圧力を利用した圧電発電装置およびポンプ発電システムを提供する。
【解決手段】
ポンプから吐き出された流体の脈動による圧力変化により発電を行うポンプ発電システムであって、ポンプと、ポンプの吐出口からの流体を分岐させる第１バイパス管と、第１バイパス管と接続された圧電発電装置と、圧電発電装置から送出される流体をポンプの吐出口側に戻す第２バイパス管を備え、圧電発電装置は、タンク形状であり、タンク内の空間が弾性体で液体層と空気層で区分けされ、液体層は、第１バイパス管からの流体が流入する流入口と、第２バイパス管へ流体が流出する流出口を有し、空気層は圧電素子を有し、液体層に加わる第１バイパス管から流れ込んだ流体の脈動による圧力変化により空気層が圧縮され圧電素子に圧力が加わることにより発電を行う構成とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポンプから吐き出された流体の脈動による圧力変化により発電を行うポンプ発電システムであって、
流体を吸込口から吸い込み吐出口から吐き出すポンプと、
前記ポンプの吐出口からの流体を分岐させる第１バイパス管と、
前記第１バイパス管と接続された圧電発電装置と、
前記圧電発電装置から送出される流体を前記ポンプの吐出口側に戻す第２バイパス管を備え、
前記圧電発電装置は、タンク形状であり、タンク内の空間が弾性体で液体層と空気層で区分けされ、前記液体層は、前記第１バイパス管からの流体が流入する流入口と、前記第２バイパス管へ流体が流出する流出口を有し、前記空気層は圧電素子を有し、前記液体層に加わる第１バイパス管から流れ込んだ前記流体の脈動による圧力変化により前記空気層が圧縮され前記圧電素子に圧力が加わることにより発電を行うことを特徴とするポンプ発電システム。

【請求項2】

請求項１に記載のポンプ発電システムにおいて、
第１バイパス管は、前記ポンプの吐出口側に取付けられた短管を経由して前記ポンプの吐出口からの流体を分岐させることを特徴とするポンプ発電システム。

【請求項3】

請求項１に記載のポンプ発電システムにおいて、
第１バイパス管は、前記ポンプの吐出口側のフランジまたはケーシングに接続され、前記ポンプの吐出口側のフランジまたはケーシングに設けたゲージ穴を利用して前記ポンプの吐出口からの流体を分岐させることを特徴とするポンプ発電システム。

【請求項4】

請求項１に記載のポンプ発電システムにおいて、
前記第２バイパス管は、前記圧電発電装置から送出される流体を前記ポンプの吸入口側に戻すことを特徴とするポンプ発電システム。

【請求項5】

請求項１に記載のポンプ発電システムにおいて、
前記圧電発電装置の１次側に仕切弁を備えることを特徴とするポンプ発電システム。

【請求項6】

請求項１に記載のポンプ発電システムにおいて、
前記第２バイパス管に逆止弁を設けることを特徴とするポンプ発電システム。

【請求項7】

請求項１に記載のポンプ発電システムにおいて、
前記圧電発電装置の１次側に脈動発生装置を備えることを特徴とするポンプ発電システム。

【請求項8】

請求項７に記載のポンプ発電システムにおいて、
前記圧電発電装置の２次側に清流板を備えることを特徴とするポンプ発電システム。

【請求項9】

請求項７に記載のポンプ発電システムにおいて、
前記脈動発生装置は、流体により回転する羽根車を有することを特徴とするポンプ発電システム。

【請求項10】

請求項９に記載のポンプ発電システムにおいて、
前記羽根車は１枚羽根で構成されていることを特徴とするポンプ発電システム。

【請求項11】

請求項９に記載のポンプ発電システムにおいて、
前記羽根車は、複数の羽根を有し、
前記複数の羽根は、羽根間隔または羽根外径が不均一であることを特徴とするポンプ発電システム。

【請求項12】

ポンプから吐き出された流体の脈動による圧力変化により発電を行うポンプ発電システムであって、
流体を吸込口から吸い込み吐出口から吐き出すポンプと、
前記ポンプを駆動するモータと、
前記ポンプの吐出口側のフランジまたはケーシングに設けたゲージ穴とを繋ぐ第１バイパス管と、
前記第１バイパス管と接続された圧電発電装置と、
前記圧電発電装置から送出される流体を前記ポンプの吸込口側のフランジまたはケーシングに設けたゲージ穴とを繋ぐ第２バイパス管を備え、
前記圧電発電装置は、タンク形状であり、タンク内の空間が弾性体で液体層と空気層で区分けされ、前記液体層は、前記第１バイパス管からの流体が流入する流入口と、前記第２バイパス管へ流体が流出する流出口を有し、前記空気層は圧電素子を有し、前記液体層に加わる前記第１バイパス管から流れ込んだ前記流体の脈動による圧力変化により前記空気層が圧縮され前記圧電素子に圧力が加わることにより発電を行うことを特徴とするポンプ発電システム。

【請求項13】

ポンプから吐き出された流体の脈動による圧力変化により発電を行う圧電発電装置であって、
タンク形状であり、タンク内の空間が弾性体で液体層と空気層で区分けされており、
前記液体層は、ポンプから吐き出された流体が流入する流入口と、該液体層内の流体が流出する流出口を有し、
前記空気層は圧電素子を有し、
前記液体層に加わる前記ポンプから吐き出された流体の脈動による圧力変化により前記空気層が圧縮され前記圧電素子に圧力が加わることにより発電を行うことを特徴とする圧電発電装置。

【請求項14】

請求項１３に記載の圧電発電装置において、
前記圧電素子は前記空気層内のタンク内周に配置され、圧電素子で発電した電力を集電及び蓄電する蓄電制御装置を前記空気層に備えることを特徴とする圧電発電装置。

【請求項15】

請求項１３に記載の圧電発電装置において、
前記流入口にはフランジまたはネジを備え、該フランジまたはネジを介して前記ポンプから吐き出された流体が流入する配管と接続することを特徴とする圧電発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ポンプの圧力を利用した圧電発電装置およびポンプ発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

地球温暖化対策として、カーボンニュートラルの対策が急務となっており、産業機器の分野においても再生可能エネルギーの創出や製品の高効率化が要求されている。特に再生可能エネルギーについては注目されており、水流を利用して羽根車を回転させる水車発電が一般的に普及しているが、水圧を利用した圧電発電も一例として挙げられる。

【0003】

本技術分野における背景技術として特許文献1がある。特許文献1にはポンプの羽根車に圧電素子を取り付け、その圧力から電力を取り出す点が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－３２０８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献1はポンプの羽根車に発電ユニットを含む圧電素子を取り付け、電力を発生させているが、羽根車は回転体であるがゆえに、圧電素子は、様々な方向から水流を受け羽根車から取り外れる可能性がある。そのため、圧電素子が外れることによりポンプのロックや送水先の機器故障に繋がる可能性がある。また、圧電素子が羽根車に取り付けられる面積が限られ、発電量が小さいことや、ポンプ性能面においても羽根車内部に異物を取り付けることにより、性能低下の課題がある。

【0006】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ポンプのロックの危険性がなく、発電量も増加可能な、ポンプの圧力を利用した圧電発電装置およびポンプ発電システムの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、その一例を挙げるならば、ポンプから吐き出された流体の脈動による圧力変化により発電を行うポンプ発電システムであって、ポンプと、ポンプの吐出口からの流体を分岐させる第１バイパス管と、第１バイパス管と接続された圧電発電装置と、圧電発電装置から送出される流体をポンプの吐出口側に戻す第２バイパス管を備え、圧電発電装置は、タンク形状であり、タンク内の空間が弾性体で液体層と空気層で区分けされ、液体層は、第１バイパス管からの流体が流入する流入口と、第２バイパス管へ流体が流出する流出口を有し、空気層は圧電素子を有し、液体層に加わる第１バイパス管から流れ込んだ流体の脈動による圧力変化により空気層が圧縮され圧電素子に圧力が加わることにより発電を行う構成とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、ポンプのロックの危険性がなく、発電量も増加可能な、ポンプの圧力を利用した圧電発電装置およびポンプ発電システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例１におけるポンプ発電システムの構成図である。

【図2】実施例１における圧電発電装置の内部構造を示す断面図である。

【図3】実施例１における圧電発電装置の圧電素子ユニットを上面に配置した内部構造を示す断面図である。

【図4】実施例１における圧電発電装置のタンク形状を横長形状とした内部構造を示す断面図である。

【図5】実施例１における圧電発電装置の流体流入口の接続をねじ込み式とした内部構造を示す断面図である。

【図6】実施例２におけるポンプ発電システムの構成図である。

【図7】実施例２における他のポンプ発電システムの構成図である。

【図8】実施例２における脈動発生装置の構造断面図である。

【図9】実施例２における脈動発生装置の羽根車の形状を示す断面図である。

【図10】実施例２における脈動発生装置の羽根車の他の形状を示す断面図である。

【図11】実施例２における脈動発生装置の羽根車の他の形状を示す構面図である。

【図12】実施例３におけるポンプ発電システムの構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

【実施例0011】

図１は、本実施例におけるポンプの圧力を利用したポンプ発電システムの構成図である。図１において、ポンプ発電システム１００は、主としてポンプ１０１と圧電発電装置１０４からなる。ポンプ１０１は、吸込口と吐出口を有し、流体を吸込口から吸い込み昇圧経路にて昇圧して吐出口から吐き出す。そして、ポンプ１０１の吐出口から吐き出された流体の脈動による圧力変化を圧電発電装置１０４で電力に変換して発電を行う。そして、本実施例におけるポンプ発電システムは、ポンプの通常運転に影響を与えないために、通常運転とは別に発電用の流体のバイパス経路を設け、そのバイパス経路内に圧電発電装置を組み込む。

【0012】

具体的には、図１において、ポンプ１０１の吐出口側に短管１０２を取付け、短管１０２にポンプ１０１の吐出口からの流体を分岐させる第１バイパス管１０３を設ける。そして、第１バイパス管１０３と接続された圧電発電装置１０４を設け、圧電発電装置１０４から送出される流体をポンプの２次側（吐出口側）に戻す第２バイパス管１０５を備える。これにより、圧電発電装置１０４への流体の流れを形成する。図１において、流体の流れを白抜き矢印で示している。また、短管１０２と第１バイパス管１０３との間等に２重線の記載があるが、これはフランジでの管接続を意味している。

【0013】

なお、図１に示すように、圧電発電装置１０４のメンテナンスを容易に行えるように、圧電発電装置１０４の１次側に仕切弁１０６を備えてもよい。また、逆流対策のため第２バイパス管１０５に逆止弁１０７を設けてもよい。また、圧電発電装置１０４から送出される流体をポンプの２次側ではなく、１次側（吸込口側）に戻しても構わない。

【0014】

また、図１では短管１０２を設けて第１バイパス管１０３を接続しているが、短管１０２の代わりにポンプのフランジまたはケーシングに設けたゲージ穴を利用して、ポンプのフランジまたはケーシングに第１バイパス管１０３を接続するようにしてもよい。

【0015】

図２は本実施例における圧電発電装置の内部構造を示す断面図である。図２において、圧電発電装置１０４は、タンク形状であり、タンク内の空間をゴム等の弾性体２０４で液体層２０２と空気層２０３に区分けしている。液体層２０２には、フランジ２０７を介して接続された第１バイパス管１０３からの流体が流入する流入口を介して流体が流入し、図示しないタンクの側面に設けられた流出口に接続された第２バイパス管１０５へ流体が流出する。また、空気層２０３には、タンク内周に圧電素子ユニット２０５を設け、圧電素子ユニット２０５で発電した電力を集電・蓄電する蓄電制御装置２０６を備える。蓄電制御装置２０６は外部の設備等へ接続され、電力の供給を可能とする。なお、圧電素子ユニット２０５は、圧電素子に加え、圧電素子を保護するゴム等の保護部材と湿度を遮断するカバーで構成する。

【0016】

液体層２０２にはポンプの流体圧により圧力が加わり、空気層２０３を圧縮し、圧電素子ユニット２０５に圧力を加え発電させる仕組みとなる。すなわち、ポンプから発生される流体の脈動からの圧力差異を利用し発電させる。

【0017】

なお、圧電素子ユニット２０５は空気層２０３内であればどこに取り付けてもよい。例えば、図３に示すように、圧電素子ユニット２０５をタンク内の上面に配置してもよい。また、圧電発電装置１０４を大型化又は、タンクを増やして発電量を調整することができる。例えば、図４に示すように、圧電発電装置１０４のタンク形状を横長形状として、タンク内周に圧電素子ユニット２０５を複数設けてもよい。また、図２から図４においては、液体層２０２における流入口の接続をフランジ２０７を介して行なうが、図５に示すように、ネジ２０８を備え、ねじ込み式で第１バイパス管１０３と接続してもよい。

【0018】

このように、本実施例では、圧電発電装置１０４において、液体層２０２と空気層２０３を分離し、空気層２０３に圧電素子ユニット２０５を設けることで、圧電素子ユニット２０５には直接流体が接触することはなく、流体による圧電素子の取り外れの可能性がなく、圧電素子が外れることによりポンプのロックやポンプの２次側の機器故障に繋がる可能性もない。また、発電量も圧電素子ユニットを増設することで増加可能である。

【0019】

また、従来のポンプシステムに、発電用の流体のバイパス経路と圧電発電装置を設置するだけで、ポンプが運転されれば自動的に発電され、手間が掛からないという効果がある。

【0020】

以上のように、本実施例によれば、ポンプのロックの危険性がなく、発電量も増設可能な圧電素子を利用した発電が可能な、ポンプの圧力を利用した圧電発電装置およびポンプ発電システムを提供できる。

【実施例0021】

本実施例は、実施例１を基本構成とし、より発電効率を上げることのできるポンプ発電システムについて説明する。

【0022】

図６は、本実施例におけるポンプ発電システム２００の構成図である。図６において、図１と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図６において、図１と異なる点は、第１バイパス管１０３の経路内であって、圧電発電装置１０４の１次側に脈動発生装置３０１を設ける点である。脈動発生装置３０１により、流体の脈動を故意に発生させることで、流体の脈動による圧力変動を大きくし、これにより圧電発電装置１０４内の圧電素子へかかる圧力を大きく変化させることができ発電効率を上げることができる。なお、脈動発生装置３０１と第１バイパス管１０３との間に２重線の記載があるが、これはフランジでの管接続を意味している。なお、脈動発生装置３０１の配管接続をフランジ式ではなく、ねじ込み式としても構わない。

【0023】

また、脈動発生装置３０１を設けることで、圧電発電装置１０４から出力された流体は大きな脈動が発生しており、第２バイパス管１０５を介してポンプの２次側に戻した場合、２次側への影響があるため、圧電発電装置１０４の２次側、すなわち第２バイパス管１０５の、例えば圧電発電装置１０４と逆止弁１０７の間に清流板などを配置して脈動軽減させることが望ましい。

【0024】

また、ポンプの２次側への影響を低減するために、エネルギーロスには繋がるが、圧電発電装置１０４から送出される流体をポンプの１次側に戻してもよい。図７は、本実施例におけるポンプ発電システム２００において、圧電発電装置１０４から送出される流体をポンプの１次側に戻す場合の構成図である。図７において、圧電発電装置１０４ら出力された流体を第２バイパス管１０５を介してポンプの１次側に戻した場合にも、脈動発生装置３０１により圧電発電装置１０４から出力された流体は大きな脈動が発生しており、配管の損傷や振動・騒音などの問題が起こす可能性がある。そのため、圧電発電装置１０４と逆止弁１０７の間に清流板などを配置して脈動軽減させることが望ましい。

【0025】

図８は、本実施例における脈動発生装置の構造断面図である。図８に示すように、脈動発生装置３０１は、ボディ４０１、羽根車４０２、主軸４０３、軸受４０４で構成され、流体の流れを利用し、羽根車４０２を回転させる構造である。

【0026】

図９は、図８における脈動発生装置の羽根車４０２の形状を示す断面図である。図９においては、主軸４０３に直交した平面での羽根車４０２の断面図を示している。図９に示すように、羽根車４０２は、１枚羽根５０１で構成され、これを回転させることで圧力変動（脈動）を発生させる。これにより圧電素子へかかる圧力を変化させ発電効率を上げることができる。なお、図９では１枚羽根の構成としたが、圧力変動（脈動）が発生すればよいので、回転方向に非対称な配置の複数枚羽根の構成でもよい。

【0027】

図１０は、図８における羽根車の他の形状を示す断面図である。図１０では、羽根車４０２は、複数の羽根を有し、それらの羽根間隔を不均一にした間隔不均一羽根５０２を有し、これを回転させることで圧力変動（脈動）を発生させる。また、図１１は、図８における羽根車のさらに他の形状を示す断面図である。図１１では、羽根車４０２は、複数の羽根を有し、それらの羽根外径を不均一にした外径不均一羽根５０３を有し、これを回転させることで圧力変動（脈動）を発生させる。

【0028】

なお、本実施例では、脈動発生装置として、羽根車を回転させる構造について説明したが、これに限定されるものではなく、流体の脈動を発生させるのであればどのような構造でもよい。

【0029】

以上のように、本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、より発電効率を上げることのできるポンプ発電システムを提供できる。