(57)【要約】【課題】フーコーの振り子とは、高い位置から吊下げた錘を東西に振らせると、地球の自転により振り子運動が持続する原理に基づいており、錘として僅かに弧を描く横長棒状の永久磁石を使用し、同じように上に向って弧を描くソレノイドに出入りさせて電力を生じさせる方法であるが、高い起電力が得られず、実用化は難しい。【解決手段】錘と永久磁石を兼ねるのを止め、錘は振り子運動に理想的な球状などとし、その錘と接続された直線状永久磁石を、振り子運動左右末端に固定された直線状ソレノイド内で往復運動させて電力を得る自然発電方法。この方法により、磁石とソレノイドとの電磁接触面は振り子駆動力が許す限り拡張でき、振り子運動が最速にあるときも発電が途切れることなく、連続発電が可能となる。また磁気反発力で死点に達した永久磁石を押し戻すことにより、大きな振幅とすることができ、完全交流波形の電力が得られる。【選択図】  図１
2011256875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フーコーの振り子原理に基づく自然発電において、振り子の錘を湾曲した永久磁石ではなく、球状、またはそれに近い形状の非磁性の錘とし、一組の適当な長さを持つ直線円柱状、あるいは直線円筒状の永久磁石を振り子運動の振幅のほぼ二倍に等しい間隔をおいて固定させた磁石軸の長手方向中央を、錘に近い位置で上下に僅かに可動な状態で振り子の腕に取付け、その磁石軸両末端は磁石軸が左右に滑動できるようブラケットで支え、その永久磁石は、永久磁石の長さに永久磁石ストロークを加えた長さに等しい長さを持ち、振り子運動の障害とならない近接位置に固定された左右ソレノイド内に収容されており、振り子運動に応じて永久磁石が左右に往復運動することにより、フレミングの法則に基づく電気をソレノイドに発生させるフーコーの振り子発電設備。
【請求項２】
上記項目１に基づく発電設備において、振り子の腕は東西方向にのみ振れることができ、錘の回り込みや腕のフラッタリングを防止するに十分な幅と厚みを備えており、非磁性材質からなる磁石軸は、錘の振りを東西方向に規制する働きをすること。
【請求項３】
上記項目１と２に基づく発電設備において、その永久磁石の外側端面は直断面とし、同じ断面を持ち、中央に磁石軸を貫通させる穴のある励起電磁石を各ソレノイドの外側末端に独立固定し、永久磁石が外側死点に達したとき、瞬間的な衝撃電流を励起電磁石に流して永久磁石と同じ磁極を生じさせ、磁気反発力で永久磁石を押し戻すことにより、振り子運動を強制励起する。
【請求項４】
上記項目１と２に基づく発電設備において、磁石軸の一方の末端、または両末端に励起モーターを取付け、歯車とラックなどを介し、振り子運動のタイミングに合わせて磁石軸を片側、又は両側で押す、又は引いて強制励起を行い、大きな振幅が維持できるようにする。
【請求項５】
上記項目１，2と3、又は4に基づく発電設備において、一組、あるいはそれ以上の磁石ソレノイド・ユニットを発電設備に組込み、他のユニットとは相の異なる電力を発生させ、励起電磁ブロック、および励起モーターの電源とする。
【請求項６】
上記項目１、２、3と４に基づく発電設備において、その発電設備は時間帯により余剰電力を生じるはずであり、その余剰電力を大容量コンデンサー、又は電池に蓄電し、その電力で励起電磁石ブロック、あるいは励起モーターを働かせる。
【請求項７】
上記項目１、２、3、４と５，又は６に基づく送電ネットワークに接続されない完全自立発電設備において、消費されつくされない過剰電力はニクロム線、あるいは抵抗器などで全て消費し、発電電力を常に100％使い切り、発電負荷がもっとも軽くなり、かつ変動しないようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフーコーの振り子の原理に基づく自然発電に関わる発明である。
【背景技術】
【０００２】
近年実用化されだした自然ヱネルギーによる発電設備は、旧来の火力発電や水力発電のごとき大出力・集約的ではなく、必然的に零細規模の小出力・分散的となる。しかしながら、自然発電の余剰小電力を送電ネットワークに供給し、電力会社が高い単価で買い取る方法は、持てる者と持たない者との不公平のみならず、広く普及すれば電気料金の値上げは避けられず、一般家庭はまだしも、中小の製造業では廃業に追い込まれかねない。
【０００３】
更には、太陽光発電や風力発電では、天候などの自然状況や地勢・環境に左右されるため、送電ネットワークに依存せざるをえないが、規模の大きな自然発電となると、送電設備への投資ということも問題となる。また、わが国のごとき災害の多い国では、少なくとも家庭用電力は、送電ネットワークを必要としない完全自立発電設備が理想である。
【０００４】
しかしながら、一般家庭用途で完全自立式であるためには、何よりも製造・設置が安価でなければ普及は期待できず、そのためには屋外設備にできることも要求される。
【０００５】
「フーコーの振り子発電」とは、高い位置から吊下げた錘を東西方向に振らせると、地球の自転により振り子運動を持続する原理に基づき、錘を僅かに上に向って弧を描いている丸太状永久磁石とし、その永久磁石が振り子運動により左右両側に固定された同様の弧を描くソレノイドに出入りすることで電力を生じさせることにある。この振り子現象は仮想的ではなく、パリにおける実験では、高さ３mから吊り下げた錘ですら振り子運動を継続したという。
【０００６】
この発電方法は、特開2008−264362  に明らかにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2008−264362
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した錘・磁石兼用式フ−コーの振り子発電設備は、構造は単純であるが、起電力が小さいという弱点が実用化を阻んでいる。この方法でも非常に高いところから錘を垂らし、多数の磁石ソレノイド・ユニットを並列にすれば、実用化できないことはないが、設備は大掛かりとなり、弧を描いているソレノイドや重量のある異形永久磁石は、安価な大量生産が難しい上に据付に技術を要する。
【０００９】
すなわち、この種の小規模発電設備で実用性を持たせるには、設備の基本構成機能が許す限度まで起電力を高めることが可能でなければならない。
【００１０】
本発明はこの問題を解決することにある。上記した錘・磁石兼用方法の起電力が低いのは、一サイクルの振り子運動において発電は左と右、いずれか一方のソレノイドで行われるだけであり、永久磁石とソレノイドとの間の電磁接触面は最大でも振り子運動振幅の半分の長さにすぎず、永久磁石が最速にあるとき、すなわち中央に達したときは、両ソレノイドの外にあって起電力は生じず、連続的な発電とならないためである。
【００１１】
また、振幅を大きくできないことも実用化を阻む要因である。すなわち錘・磁石兼用式では、フーコーの振り子発電の性能特性のひとつである高さに対する振幅比（ｓ/ｈ比）は1/10 が限度であるが、この振幅では振り子運動は緩慢であり、最も普及が望まれる高さ10m〜20mの一般家庭用振り子発電設備では、少なくとも1/5のｓ/ｈ比とすることが望まれる。
【００１２】
上記の錘・磁石兼用式でも、高い振り子設備として振幅を大きくし、長い永久磁石を使って電磁接触面を増せば、起電力は高まる。しかしながら、振り子運動の動的バランスは微妙であり、横長の錘を大きく振らせると、空気抵抗の影響もあり、楕円や８の字を描き暴走するため、永久磁石の長さには限度がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
錘と磁石を兼用することを止め、錘は適切な重さを備えた球状、またはそれに近い理想的な形状とし、起電を担う永久磁石は水平に設置した軽量な直線円柱状、又は直線円筒状の永久磁石とし、振り子の腕の動きにつれてその永久磁石が直線状ソレノイド内を往復運動するようにする。これにより、左右の永久磁石はその全長に渡って常にソレノイドと電磁接触を保ち続けることになる。
【００１４】
すなわち、適当な長さを持つ同じ形状の永久磁石一組を振り子運動の振幅のほぼ２倍に等しい間隔をおいて水平状態で左右に取付けた非磁性材質からなる磁石軸の長手方向中央を、僅かに上下運動可能な状態で振り子の腕に取付け、各磁石軸末端は左右に摺動可能な状態でブラケットで支持し、振り子運動を阻止しない近接位置に設置したソレノイド内にて、永久磁石が錘の運動につれて左右に往復運動できるようにする。
【００１５】
この方法により、振り子運動が備えている慣性運動エネルギーが許す限りの長い永久磁石が使用でき、永久磁石とソレノイドとの電磁接触面は大幅に広くなると共に、錘は常に東西方向にガイドされた状態にあり、振幅を大きくしても安定した振り子運動が維持できる。
【００１６】
錘・磁石兼用方法と比べ、この方法では発電に消費されるヱネルギーに加え、永久磁石の押し引きに要するヱネルギーが消費され、振幅はたちまち減衰するように思えるが、振り子運動を強制励起させることで問題は解決できる。
【００１７】
振り子運動は空気抵抗による他に、発電することによりエネルギーを失っていき、振幅を縮めていく。この減衰率は始動振幅が大きいほど著しく、東京の国立科学博物館の場合、振幅900mmで始動させると一時間で75％の減衰であるが、450mmでの始動ではほぼ3〜4時間で同じ減衰となる。この振幅が大きく減衰してしまってから元の振幅に戻そうとすると、より大きなヱネルギーを必要とするため、一サイクルの往復運動毎に励起し、僅かな電力消費で均一な周波数を維持することが望ましい。
【００１８】
そこで、各永久磁石の外側末端断面を垂直平面とし、永久磁石の死点から僅かに離れたところに永久磁石断面と同じ面を持つ励起電磁ブロックを設置し、永久磁石が左右の死点に達したときこの励起電磁ブロックに瞬間的な衝撃電流を流して永久磁石と同じ極の磁力を発生させ、磁気反発力で永久磁石を押し戻すようにする。言うまでもなく、励起電磁ブロックに流す電力が大きいほど強い磁気反発力が得られ、大きな振幅が維持できる。また、錘は磁石軸でガイドされているため、強力な押しを受けてもふらつきなどを生じることはない。
【００１９】
しかしながら、十分な高さのない振り子設備では、励起電磁ブロックによる励起だけでは振幅不足、あるいは振り子運動ヱネルギー不足となることが考えられる。そこで、磁石軸の左右一方の末端、または両末端に取付けた励起モーターを働かせ、例えば歯車とラックを介し、振り子運動のタイミングに合わせて磁石軸を押すか、又は引いて強制励起を行う。
【００２０】
上記励起電磁ブロック、あるいは励起モーターに使用する電源は、一組、あるいはそれ以上の異なる相の交流を生じる励起電源専用の永久磁石ソレノイド・ユニットを設備に組込むか、又は大容量コンデンサー、又は電池に蓄えた電力を使用する。この励起電源の容量は理論的には無制限に高めることができるため、低い振り子の発電設備でも実用的な電力の供給が可能となる。要するに、一方向性しかない重力とは違い、地球自転の遠心力は、電力に変換してではあるが、加算できるという事実が、フーコーの振り子運動が実用化できる理論的根拠となっている。
【００２１】
すなわち、設備の発電電力は時間帯によりかなりの余剰電力を生むはずであり、その電力を大容量コンデンサー、又は電池に蓄電し、蓄電した電力を強制励起に使用する。
【００２２】
フレミングの法則に直接基づくこの発電設備では、発電電力を消費しているときは至って低い発電駆動力ですむが、消費しない状態になると高い駆動力を要求するため、完全自立発電設備とするには、過剰電力を抵抗器、あるいは温水供給装置のニクロム線で放電するなどして余剰電力を100％消費する電力使い切り式とすることが望ましい。
【発明の効果】
【００２３】
パリにおけるフーコーの実験では、27kgの錘を 60mの鋼線で吊り、床に置かれたスケール円盤は直径6mであり、始動時の一往復には16秒かかったとあるから、振幅は5ｍを越えていたようだが、東京の国立博物科学館における振り子は、錘の重さ47.5kg、 吊り鋼線の長さ19mで、900mmの振幅で始動させている。
【００２４】
パリは東京よりはるか高緯度にあるにもかかわらず、パリでの振幅はきわめて大きい。この振幅の違いは、振幅は振り子の高さのみならず、錘の重量にも左右されるからである。ガリレオの振り子運動の原則では、振り子の振幅は錘の重量とは無関係であり、もっぱら腕の長さによることになっている。
【００２５】
しかしながらフ−コーの振り子はこの原則によらない。地球の自転は等速運動に見えるが、円運動は定速度であってもベクトルの力が働く加速運動であり、重力の作用により顕在できない遠心力が振り子運動のヱネルギー源である。アインシュタインはフーコーの振り子現象を解明できなかったが、この現象は等速運動を前提としている特殊相対性理論が地上では成り立たないことを証明している。
【００２６】
そしてその遠心力は地球の重力よりはるかに小さいため、錘を軽くすると振幅は大きくなる。とはいえ、国立博物科学館における振り子は、50kg近い錘を振らせる慣性運動ヱネルギーを発揮し、かなり大きな負荷を駆動できることになり、この振幅でも広い電磁接触面が確保できる長い永久磁石を駆動することで起電力を大幅に高めることができる。
【００２７】
例えば国立科学博物館の設備において、長さ2m、直径20mm、重さ8kg（一組で16kg）ほどの永久磁石を駆動できるはずであり、長さ2mの完全電磁接触面が、900mmのストロークを両側で往復することになり、最高で長さ450mmの片側電磁接触面に過ぎない錘・磁石兼用方法とは比べ物にならないほど起電力は向上する。とはいえ、高さ20m、振幅900mmでは、振り子運動はあまりにも緩慢であり、多数の磁石ソレノイド・ユニットを並列にしない限り、実用性は期待できない。
【００２８】
フーコーの実験やその他の実験結果、および強制励起効果から推測すると、最も普及が期待される高さ10ｍ〜20mの振り子の場合、錘を20〜30kgとし、十分な励起によりｓ/ｈ比を1/5以上としたとき最も高い発電効果が期待できるであろう。
【００２９】
錘は球状、またはそれに近い空気抵抗の少ない理想的な形状にでき、磁石軸でガイドされているため、振り子運動は安定しており、錘と永久磁石ソレノイド・ユニットを簡単な遮蔽で突風と雨水から保護すれば、全体を屋外設備としても問題ないであろう。
【００３０】
この発明に基づく自立発電設備では、常に定電圧、定電流、そして定周波数の完全交流波形が得られるため、電力の使用に際しては50/60Hzへの周波数変調と100/200V電圧調整が要求されるのみである。
【００３１】
この発明に基づく自立発電設備は、構造物の強度が許す限り多くの磁石ソレノイド・ユニットを並列に並べることができ、錘と磁石ソレノイド・ユニットは必ずしも地表近くにある必要はなく、マンションなど高層建造物を利用する場合は、頭上方式として土地の有効利用をはかることもできる。
【００３２】
また、発電基本ユニットは直線円柱状、あるいは直線円筒状の磁石、直線状のソノイドと励起電磁ブロックのみのため、部品は技術を要せず安価に大量生産でき、建造に際して煩雑な数式や高度な計測技術を駆使せず、ソレノイドは現場でエナメル絶縁銅線をボビンに巻きつけて作ることもでき、試行錯誤で実用性のある設備とできるため、技術力の低い開発途上国でも製造・建造可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に基づく発電設備の正面図を示す。
【図２】ソレノイド内を往復運動する永久磁石の形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の実施形態を図面に基づき以下に記す。
装置全体正面図である図１と、ソレノイド内部の正面断面図である図２において、支柱１から腕軸２と腕３を介して吊り下げられた球状の錘４は左右に振り子運動できる状態にあり、振り子の左右には、振り子運動の邪魔にならない近接位置に左右一対のソレノイド５が設置されており、ソレノイド５の内部には磁石軸６に取付けられた直線円柱状、又は円筒状の永久磁石７が左右に可動な状態で位置し、磁石軸６には長手方向中央にて駆動ピン8が取付けてあり、その駆動ピン８は腕３に付けられた垂直方向のスリット9の溝内を上下できるようになっており、磁石軸６は、左右に滑動できる状態でブラケット10に保持されている。更に、各ソレノイド５の外側末端には、ソレノイド５に近接して中央に貫通穴を持つ励起磁気ブロック11が設置してある。
【００３５】
磁石軸６は丸棒である必要はないが、非磁性であることが求められ、腕３は錘のコリオリ力による回り込みや、建造物の揺れによるフラッタリングを防止するため、十分な幅と厚みを備えている必要がある。
【００３６】
右側ソレノイド５の内部を示す図２において、永久磁石７とソレノイド５の内面との間には僅かな隙間があり、永久磁石７は常にソレノイド５と電磁接触を保ちながら滑動するようになっている。この永久磁石７は振り子運動の慣性ヱネルギーが許す限りの長さとしてソレノイド５と電磁接触面を維持することができる。
【００３７】
ステップIは錘が中央にあり、振り子運動が最速にある状態であり、ステップIIは左死点、ステップIIIは右死点にあることことを示す。すなわち、永久磁石７はその全長に渡ってソレノイド５と電磁接触を維持し、振り子運動の全振幅を滑動し、死点にあるときを除き、発電は左右の両ソレノイド５により常に続けられることになる。
【００３８】
永久磁石７はその外側末端が電磁励起面12となっており、永久磁石７が死点に達したとき、励起電磁ブロック11に永久磁石７の末端と同じ磁極が生じるよう瞬間的な衝撃電流が流され、磁気反発力により永久磁石７は押し戻されるため、振り子運動は励起され、常に同じ振幅を保つことになる。
【００３９】
電力供給用の磁石ソレノイド・ユニットとは別に、一組、あるいはそれ以上の磁石ソレノイド・ユニットを設備に組込み、電力供給ユニットとは相の異なる電力を発生させて励起電磁ブロックに電源供給するか、あるいはまた、発電設備は時間帯により余剰電力を生じるはずであるから、その余剰電力を大容量コンデンサー、又は電池(図には示されていない)に蓄電し、その電力を励起電源として使用する。
【００４０】
また別の強制励起の方法として、磁石軸の一方の末端、または両末端に配置したモーター（図には示されていない）を働かせ、例えば歯車とラックを介し、各サイクルごとに適切なタイミングで磁石軸を押すか、又は引くかして更に強力に励起することもできる。
【００４１】
図に示された実施例では、振り子はこの目的で作られた支柱１に吊り下げてあるが、高層建築などの北側，あるいは南側に利用可能なスペースがあれば、その建物の屋上から、南又は北に向かって振り子軸を突き出させ、その軸から振り子を吊るせば発電設備となる。
【００４２】
すなわち、マンションなど既存の高層建築物がヱネルギー源となり、特殊な技術や計器を必要とせずたちまち設置でき、送電ネットワークとの接続不要の完全自立式発電設備にできる。
【符号の説明】
【００４３】
１  支柱            
２  腕軸            
３  腕              
４  錘
５  ソレノイド      
６  磁石軸          
７  永久磁石        
８  駆動ピン
９  スリット        
10  ブラケット  
11  励磁電磁ブロック
12  電磁励起面
【図１】
2011256875.tif 000003
【図２】
2011256875.tif 000004