JPH0633804B2 - エネルギ−蓄積装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は弾性体の弾性変形を利用してエネルギーを蓄積
するエネルギー蓄積装置に関し、とくに、弾性体の一部
を大きく一定量歪ませ、その歪領域を順次拡大させてい
くエネルギー蓄積装置に関する。

〔従来の技術〕

弾性体の弾性変形を利用しエネルギーを蓄積するエネル
ギー蓄積装置は、特開昭49-96144号公報に開示されてい
る。該公報の装置は２つのドラムを有し、該２つのドラ
ムに弾性体が掛け渡された装置から成り、２つのドラム
は同方向に回転する。第４図は、特開昭49-96144号公報
に開示された装置ではないが、後述する３つ以上のドラ
ムを有する本発明との比較において、互いに径の異なる
２つのドラム10、12を並置し、それに紐状の弾性体14を
たすき掛けしたエネルギー蓄積装置を示している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

特開昭49-96144号公報に示されるエネルギー蓄積装置及
び第４図に示される２つのドラムを有するエネルギー蓄
積装置において、小径ドラムを巻きつけられた弾性体の
初期歪ηを０とすると、出力時のエネルギーは０とな
り、効率は０％となる。（理由は後述する。）したがっ
て弾性体としてその弾性伸度の少ないものを用いた場合
には、十分な初期歪を付与できないため、出力時のエネ
ルギーはほとんど０となってしまうという問題があっ
た。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、弾性体の一部を大きく一定量歪ませその領域
を順次拡大していく方法であり、同時に弾性伸度が小さ
い弾性体において小径ドラムに巻き付ける初期歪が０の
状態でも効率良くエネルギーを入、出力可能なエネルギ
ー蓄積装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するための本発明に係るエネルギー蓄積
装置は、(a)互いに並置された、軸芯まわりに回転可能
な、第１のドラムおよび第２のドラム並びに第１のドラ
ムと第２のドラムとの間に配置された中間ドラムからな
る第３のドラムと、(b)第１のドラムに巻きつけられる
第１の部分と、第２のドラムに巻きつけられる第２の部
分と、第３のドラムに巻きつけられる第３の部分と、各
ドラム間を連結する第４の部分を有し、第１の部分の端
部が第１のドラムに固定され、第２の部分の端部が第２
のドラムに固定された、紐状の弾性体と、(c)第１のド
ラムと第２のドラム及び第３のドラムとを、第２のドラ
ムの外周回転量が第３のドラムの外周回転量より大であ
り、第３のドラムの外周回転量が第１のドラムの外周回
転量より大となるように連結する手段と、から構成され
る。

〔作用〕

上記本発明のエネルギー蓄積装置においては、エネルギ
ー蓄積時には弾性体の第１の部分の第１のドラムへの巻
き付け量が減少するとともに弾性体の第２の部分の第２
のドラムへの巻き付け量が増大する。エネルギー放出時
には弾性体の第２の部分の第２のドラムへの巻き付け量
が減少するとともに弾性体の第１の部分の第１のドラム
への巻きつけ量が増大する。第３のドラムへの巻き付け
量は変化せず巻き付け位置のみがエネルギーの蓄積、放
出に合せドラム上を移動する。

エネルギー蓄積時、弾性体が第１のドラムより第３のド
ラムを介して第２のドラムに巻きつけられるときに、第
３のドラムの外周回転量は第１のドラムの外周回転量よ
り大であり、第２のドラムの外周回転量は第３のドラム
の外周回転量より大のため、弾性体のドラムを連結して
いる第４の部分が伸ばされ、この第４の部分に引張りが
生じてエネルギーが蓄積され、引張り歪が生じた状態で
第３のドラムへ巻きつけられていく。次に第３のドラム
と第２のドラムを連結している第４の部分がさらに伸ば
されこの部分の歪が増大し、エネルギーが大きくなった
状態で第２のドラムへ巻きつけられていく。弾性体と第
１のドラム、第２のドラム及び第３のドラムとの巻には
ほとんどすべりがないので、ドラム回転による引張り歪
を生じさせる部分はほとんど弾性体のドラムを連結して
いる第４の部分のみであり、引張り歪が生じた後その状
態を維持して第３のドラムを介して第２のドラムへと巻
きつけられてエネルギーが蓄積される。

エネルギー出力時には、蓄積時と逆の作用が起り、引張
り歪大の状態で第２のドラムに巻き付けられた弾性体は
第３のドラムに巻き付けられる時に第２のドラムと第３
のドラムの外周回転量の差に応じた分だけ引張歪は減少
した状態で第３のドラムに巻き付く。続いて第３のドラ
ムを出た弾性体は第３のドラムと第１のドラムの外周回
転量の差に応じた分だけ引張歪は減少し、初期歪と同一
の大きさになって第１のドラムに巻き取られる。この時
第３のドラムがないと仮定すると、第２のドラムと第１
のドラムを連結する弾性体の歪は初期歪と等しくなり、
初期歪が０もしくは０に近い場合はエネルギーの出力は
０あるいはほとんど０の状態となる。しかしながらこの
第３のドラムが第２のドラムと第１のドラムの間にある
ことによって第３のドラムと第２のドラムの間の弾性体
の歪は初期歪より大の状態であり、このため弾性体の初
期歪を０としても、つまり弾性伸度の小さい弾性体を使
用した場合においても、エネルギーを効率よく取り出す
ことができる。

〔実施例〕

以下に本発明に係るエネルギー蓄積装置の望ましい実施
例を図面を参照して説明する。

第１図および第２図は本発明の実施例を示しており、第
３図はその特性を示している。図中エネルギー蓄積装置
20は、互いに並置された、それぞれの軸心まわりに回転
可能な、互いに径の異なる第１のドラム22と第２のドラ
ム24及び第１ドラム22と第２のドラム24の間に２つのド
ラムの径の中間の径を持つ第３のドラム（中間ドラム）
23を有する。第１のドラム22と第２のドラム24には第３
のドラム23を介して紐状の弾性体25がスパイラル状に巻
きつけらている。

弾性体25は、第１のドラム22に密着させてスパイラル状
に巻きつけられる第１の部分25ａと、第２のドラム24に
装着させてスパイラル状に巻きつけられる第２の部分25
ｅと、第１のドラム22と第２のドラム24の間の第３のド
ラム23に１〜２回り巻きつけられる第３の部分25ｃと、
各ドラム間に連結する第４の部分25ｂと25ｄとから成
る。第１の部分25ａと、第４の部分25ｂと、第３の部分
25ｃと、第４の部分25ｄと、第２の部分25ｅとは、順に
すなわち25ａ、25ｂ、25ｃ、25ｄ、25ｅの順に直列状に
連続している。第１の部分25ａの端部25ａ′は、第１の
ドラム22に固定され、第２の部分25ｅの端部25ｅ′は、
第２のドラム24に固定されている。

第１のドラム22と第２のドラム24及び第３のドラム23
は、手段28を介して連結されている。手段28は、第１の
ドラム22と第３のドラム23と第２のドラム24とを、第２
のドラム24の外周回転量（外周に位置する任意の点のド
ラム回転時における周方向移動距離を外周回転量と定義
する）が第３のドラム23の外周回転量より大であり、第
３のドラム23の外周回転量が第１のドラム22の外周回転
量より大となるように、互に機械的に連結している。こ
の場合、エネルギー蓄積時には、弾性体25の第２のドラ
ム24上の巻きつけ量が増えるとともに第１のドラム22上
の巻きつけ量は減少し、第３のドラム23の巻きつけ量は
変化せず弾性体25の巻きつけ位置のみが変化する。エネ
ルギー解放時には、弾性体25の第１のドラム22上の巻き
つけ量は増加するとともに第２のドラム24上の巻きつけ
量は減少する。

以上が主要部であるが、さらに構成を技術的に具体的に
説明すると次の通りである。弾性体25の第１の部分25ａ
は第１のドラム22の外周に直接接触しており、弾性体25
の第２の部分25ｅは第２のドラム24の外周に直接接触し
ている。また、第３の部分25ｃも第３のドラム23に直接
接触している。したがって、弾性体25と第１のドラム2
2、第２のドラム24、第３のドラム23の間には周方向相
対ずれを防止する摩擦力が働き、弾性体25の第４の部分
25ｂ、25ｄに伸びが生じても、その引張り歪は弾性体25
の全長にわたっては伝播せず、ほぼ第４の部分25ｂ、25
ｄのみにとどめられる。弾性体25の第１の部分25ａの第
１のドラム22への巻き付け方向と、弾性体25の第３の部
分25ｃの第３のドラム23への巻き付け方向とは、第１図
及び第２図に示すように互いに逆である。また、弾性体
25の第３の部分25ｃの巻き付け方向と、弾性体25の第２
の部分25ｅの第２のドラム24への巻き付方向とは、互い
に逆である。また、第１のドラム22と第３のドラム23と
第２のドラム24は、手段28によって、互いに順に逆方向
に、一定回転割合で回転するように連結されている。弾
性体25の第４の部分25ｂ、25ｄは、各ドラム間のスペー
スを通り抜けている。

第２図において、エネルギー蓄積時第２のドラム24上に
張力Ｆを加えると、手段28で連結された第１のドラム22
及び第３のドラム23は矢印の方向に回転する。この時、
第１のドラム22の半径をＲ１、第３のドラム23の半径を
Ｒ２、第２のドラム24の半径をＲ３とし、手段28の各ギ
ヤの歯数を同じとし、Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３なる関係にし、
外周回転量を第１のドラム22、第３のドラム23、第２の
ドラム24の順に多くすると、弾性体25の第４の部分25ｂ
及び25ｄは、外周回転量の差に応じて引張応力が増大す
る。ここで、弾性体25を第１のドラム22に初期歪ηで巻
きつけたとすると、第４の部分25ｂ及び25ｄのそれぞれ
の張力Ｆ１、Ｆ２は、フックの法則に従い弾性体25のヤ
ング率をＥとするとそれぞれ、Ｆ１＝｛（１＋η）Ｒ２
−Ｒ１｝Ｅ／Ｒ１、Ｆ２＝｛（１＋η）Ｒ３−Ｒ１｝Ｅ
／Ｒ１となる。また、第２のドラム24上での力のつり合
いは、Ｆ＝Ｆ１・（Ｒ２−Ｒ１）／Ｒ３＋Ｆ２・（Ｒ３
−Ｒ２）／Ｒ３であるから、エネルギー蓄積時の力Ｆin
は Ｆin＝［｛（１＋η）Ｒ２−Ｒ１｝／Ｒ１］・Ｅ・
｛（Ｒ２−Ｒ１）／Ｒ３｝＋［｛（１＋η）Ｒ３−Ｒ
１｝／Ｒ１］・Ｅ・｛（Ｒ３−Ｒ２）／Ｒ３｝となる。
この力Ｆにて、弾性体25は、第１のドラム25から第２の
ドラム24へ順次エネルギーが蓄積されていく。

中間ドラム23の個数は図示例では１個であるが、複数個
の互いに並置されたドラムの組み合せであってもよい。
また、図中26はドラムを回転自在に支持するベアリング
を示し、27、29はドラムを支持する支持台を示す。

つぎに、エネルギー解放時には、蓄積時と逆の作用が起
り引張り歪が｛（１＋η）Ｒ３−Ｒ１｝／Ｒ１の状態
で、第２のドラム24に巻き付けられた弾性体25は、第３
のドラムに巻き付けられる時に、第２のドラム24と第３
のドラム23の外周回転量の差に応じた分だけ、引張歪が
減少した状態で第３のドラム23に入る。続いて、第３の
ドラム23から出た弾性体25は、第３のドラム23と第１の
ドラム22の外周回転量の差に応じた分だけ引張歪は減少
して、第１のドラム22に巻き取られる。この時の第４の
部分25ｂ、25ｄのそれぞれの張力Ｆ１及びＦ２は、 Ｆ２＝［｛（１＋η）Ｒ２−Ｒ１｝／Ｒ１］・Ｅ Ｆ１＝η・Ｅ となり、第２のドラム24を回転させる力Ｆout は、 Ｆout ＝［｛（１＋η）Ｒ２−Ｒ１）／Ｒ１］ ・Ｅ・｛（Ｒ３−Ｒ２）／Ｒ３｝＋η ・Ｅ・｛（Ｒ２−Ｒ１）／Ｒ３｝ となる。したがって効率はＦin／Ｆout となり、この計
算結果を第３図に示す。

また、特開昭49-96144号公報に示される装置及び第４図
の比較例のエネルギー蓄積装置においては、第４図のＲ
２上での力のつり合いはＦ＝Ｆ１｛１−（Ｒ１／Ｒ
２）｝で与えられ、Ｆ１の入力時の大きさは小径ドラム
に巻きつけられた弾性体の初期歪をηとすると、ヤング
率をＥとしてＦ１＝Ｅ｛（１＋η）Ｒ２／Ｒ１−１｝で
与えられる。一方、出力時の大きさはＦ１＝Ｅηとな
り、その効率は ｛η（１−Ｒ１／Ｒ２）｝／［｛（１＋η） Ｒ２／Ｒ１−１｝（１−Ｒ１／Ｒ２）］ となる。したがって、例えば小径ドラムに巻きつけられ
た弾性体の初期歪ηを０とすると、出力は０となり、効
率は０％となる。この計算結果を第５図に示す。以上の
ように本発明のエネルギー蓄積装置20は、従来の特開昭
49-96144号公報および第４図に示されるシステムに比
べ、効率が大巾に改善され、弾性体25の初期歪が小さい
状態でも、高い効率が得られる。

以上は各ドラムの外周回転量を各ドラムの回転半径によ
り変えた例であるが、ドラム径を同じにしてギヤー比に
よってドラムの外周回転量を変えてもよく、この選択は
任意である。また、第１のドラムに取付けられたギヤー
と第３のドラムに取付けられたギヤーとの間にさらにも
う１つギヤーを入れることにより、第１のドラムと第３
のドラムが同方向に回転するようにしてもよい。これに
よって、弾性体の第１の部分の第１のドラムへの巻き付
け方向と弾性体の第３の部分の第３のドラムへの巻き付
け方向を同方向にでき、前記第３の部分の第３のドラム
の外周回転量が第１のドラムの外周回転量より大となる
という条件を保持したまま、ドラムの巻き付け方向がギ
ヤーの組合せによるドラムの回転方向によって任意に設
定できる。

〔発明の効果〕

本発明によるエネルギー蓄積装置20によるときは次の諸
効果が得られる。

（イ）特開昭49-96144号公報および比較例の第４図に示
されるような２ドラムシステムに比べ、中間ドラム23を
設けることによって、弾性体25の初期歪が０の状態にて
も、出力を得ることができ、高い効率が期待できる。

（ロ）中間ドラム23の数を多数個にすると、さらに効率
を上げることができる。

（ハ）弾性体25のドラム間の部分25ｂ、25ｄは、動作の
安定性、スペース等から、一般的には短い方がよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るエネルギー蓄積装置の
斜視図、第２図は第１図の装置の断面図、第３図は第１
図及び第２図の装置の特性図、第４図は従来の特開昭49
-96144号公報と同一の効果となる２ドラムシステムを有
する比較例の断面図、第５図は第２図の装置の特性図、 である。 20……エネルギー蓄積装置 22……第１のドラム 23……第３のドラム（中間ドラム） 24……第２のドラム 25……弾性体 25ａ……第１の部分 25ｂ……第４の部分 25ｃ……第３の部分 25ｄ……第４の部分 25ｅ……第２の部分

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互に並置された、軸芯まわりに回転可能
   な、第１のドラムおよび第２のドラム並びに第１のドラ
   ムと第２のドラムとの間に配設された中間ドラムからな
   る第３のドラム；前記第１のドラムに巻きつけられる第
   １の部分と、前記第２のドラムに巻きつけられる第２の
   部分と、前記第３のドラムに巻きつけられる第３の部分
   と、各ドラム間を連結する第４の部分を有し、前記第１
   の部分の端部が前記第１のドラムに固定され、前記第２
   の部分の端部が前記第２のドラムに固定された紐状の弾
   性体と；前記第１のドラムと第２のドラム及び第３のド
   ラムとを、前記第２のドラムの外周回転量が第３のドラ
   ムの外周回転量より大であり、第３のドラムの外周回転
   量が前記第１のドラムの外周回転量より大となるように
   連結する手段と；からなるエネルギー蓄積装置。
2. 【請求項２】前記弾性体の前記第１の部分の前記第１の
   ドラムへの巻き付け方向と前記弾性体の前記第３の部分
   の第３のドラムへの巻き付け方向が互いに逆方向であ
   り、前記第３の部分の前記第３のドラムへの巻き付け方
   向と前記第２の部分の前記第２のドラムへの巻き付け方
   向とが互いに逆方向であり、かつ前記第１のドラムと前
   記第３のドラムの回転方向が互いに逆であり、前記第３
   のドラムと第２のドラムの回転方向が互いに逆であり、
   前記弾性体が前記第１のドラムと第３のドラム及び前記
   第３のドラムと第２のドラムの間を通り抜けている特許
   請求の範囲第１項記載のエルネギー蓄積装置。
3. 【請求項３】前記弾性体の前記第１の部分の前記第１の
   ドラムへの巻き付け方向と前記弾性体の前記第３の部分
   の第３のドラムへの巻き付け方向が同方向であり、第１
   のドラムに取付けられたギヤーと第３のドラムに取付け
   られたギヤーとの間にさらにもう１つのギヤーを入れ第
   １のドラムと第３のドラムが同方向に回転することによ
   って前記第３の部分の第３のドラムの外周回転量が第１
   のドラムの外周回転量より大となり、ドラムへの巻き付
   方向がギヤーの組合せによるドラムの回転方向によって
   任意に設定できることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のエネルギー蓄積装置。
4. 【請求項４】前記第１のドラムと前記第３のドラムと前
   記第２のドラムとを連結する手段が前記第１のドラムの
   軸に取付けられた第１のギヤーと前記第２のドラムに取
   付けられた第２のギヤーと前記第３のドラムの軸に取付
   けられた第３のギヤーとからなる特許請求の範囲第１項
   記載のエネルギー蓄積装置。
5. 【請求項５】前記連結する手段がチェーン、スプロケッ
   ト、あるいはベルトである特許請求の範囲第１項記載の
   エネルギー蓄積装置。
6. 【請求項６】前記第１の部分の前記第１のドラムの外周
   回転量をＬ１、前記第２のドラムの外周回転量をＬ２、
   前記第３のドラムの外周回転量をＬ３とした場合におい
   て、第３のドラムの外周回転量Ｌ３がＬ３＝（Ｌ２−Ｌ
   １）／２＋Ｌ１である特許請求の範囲第１項記載のエネ
   ルギー蓄積装置。
7. 【請求項７】前記第１のドラムと第３のドラムと第２の
   ドラムが、その半径が軸芯に沿う方向に一定のストレー
   ト状のドラムからなる特許請求の範囲第１項記載のエネ
   ルギー蓄積装置。
8. 【請求項８】前記各ドラムを回転させるエネルギー源が
   自動車の慣性エネルギーである特許請求の範囲第１項記
   載のエネルギー蓄積装置。
9. 【請求項９】前記第３のドラムが複数個のドラムの組合
   せからなる特許請求の範囲第１項記載のエネルギー蓄積
   装置。