(57)【要約】【課題】  長寿命、低コストで発電量の大きい発電装置を提供することを目的とする。【解決手段】  発電流路２２Ａは下流端に反射壁面を有し、発電流路２２Ａは上流側に衝撃波を該発電流路内の作動流体に伝播せしめる衝撃波供給装置１０が接続されており、該衝撃波供給装置１０は、燃料及び酸化剤の供給を受ける着火燃焼室１２を有し、該着火燃焼室１２で着火した燃料の間欠的な燃焼で得られる爆轟によって衝撃波を発生させ、該衝撃波が上記着火燃焼室１２から発電流路２２Ａへ伝播され、該反射壁面２８からの衝撃波の反射波により上記作動流体を高温高圧化して電離又は解離した導電性流体とし、上記電極２４で電流を取り出す。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対をなす磁極の間に発生する磁界に作動流体の流動のための発電流路を形成し、作動流体が電離又は解離して成る導電性流体を上記発電流路に流して、該発電流路に配された電極で電流を取り出して発電する発電方法において、下流端に反射壁面を有する発電流路で、該反射壁面からの衝撃波の反射波により上記作動流体を高温高圧化して電離又は解離した導電性流体とし、上記電極で電流を取り出すことを特徴とする発電方法。
【請求項２】
対をなす磁極の間に発生する磁界に作動流体の流動のための発電流路を形成し、作動流体が電離又は解離して成る導電性流体を上記発電流路に流して、該発電流路に配された電極で電流を取り出して発電する発電方法において、下流端に反射壁面を有する発電流路内に予め電離又は解離可能な作動流体を充填し、燃料を間欠的に燃焼させて得られる爆轟により衝撃波を発生させ、上記反射壁面からの衝撃波の反射波により上記作動流体を高温高圧化して電離又は解離した導電性流体とし、上記電極で電流を取り出すことを特徴とする発電方法。
【請求項３】
対をなす磁極と、該対をなす磁極の間に発生する磁界での作動流体の流動のための発電流路と、該発電流路に配された電極とを備え、作動流体が電離又は解離して成る導電性流体を上記発電流路に流して該電極で電流を取り出して発電する発電装置において、発電流路は下流端に反射壁面を有し、該発電流路は上流側に衝撃波を該発電流路内の作動流体に伝播せしめる衝撃波供給装置が接続されていて、該反射壁面からの衝撃波の反射波により上記作動流体を高温高圧化して電離又は解離した導電性流体とし、上記電極で電流を取り出すことを特徴とする発電装置。
【請求項４】
対をなす磁極と、該対をなす磁極の間に発生する磁界での作動流体の流動のための発電流路と、該発電流路に配された電極とを備え、作動流体が電離又は解離して成る導電性流体を上記発電流路に流して該電極で電流を取り出して発電する発電装置において、発電流路は下流端に反射壁面を有し、該発電流路は上流側に衝撃波を該発電流路内の作動流体に伝播せしめる衝撃波供給装置が接続されており、該衝撃波供給装置は、燃料及び酸化剤の供給を受ける着火燃焼室を有し、該着火燃焼室で着火した燃料の間欠的な燃焼で得られる爆轟によって衝撃波を発生させ、該衝撃波が上記着火燃焼室から発電流路へ伝播され、上記反射壁面からの衝撃波の反射波により上記作動流体を高温高圧化して電離又は解離した導電性流体とし、上記電極で電流を取り出すことを特徴とする発電装置。
【請求項５】
発電流路は流路断面積が下流端に向け次第に小さくなっていることとする請求項３又は請求項４に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対をなす磁極の間に発生する磁界に、電離又は解離した流体のための発電流路を形成し、流体を該発電流路に流して発電する、いわゆるＭＨＤ(Magneto-Hydro-Dynamics)発電による発電方法及び発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置では、例えば、電離又は解離した流体（以下「導電性流体」という）の流動のための発電流路に、該導電性流体の流動方向に対して直交方向で互いに対向せる一対の磁極と、該流動方向と該一対の磁極の対向方向との直交方向で互いに対向せる一対の電極とが配されている。このような発電流路へ導電性流体を上記一対の磁極の間に生じる磁力線に直交させて流動せしめることにより、上記一対の電極で電流が取り出される。
【０００３】
例えば、特許文献１においては、導電性流体を循環せる流動経路の一部に上記発電流路が形成されている。この流動経路には、導電性流体として、熱により容易に電離して高導電性となるＮａやＫ等のシード材を添加した希ガスが封入されている。該希ガスに添加された上記シード材は、上記流動経路に配された熱源によって該希ガスが加熱される高温状態で電離して高導電性となる。このような高導電性のシード材を添加した高温状態の希ガスが導電性流体として循環することにより上記発電流路内へ連続して流動されて、発電が行なわれる。
【特許文献１】特公平６−１１１８３号公報（図１〜図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の特許文献１の装置では、発電流路への高温の希ガスの流動が連続して行なわれるので、装置が絶え間なく上記希ガスから熱を受ける結果、装置、特に発電流路を形成する壁面が昇温して高温状態となるため、耐久性が低くなったり、そして耐火物を多用して装置を構成する必要があるので、設備費が高くなってしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、耐火物を多用しなくとも装置に長寿命化を図って設備費を安価としつつ、低コストな発電を可能とし、さらには燃料の単位流量当りの発電量を高めることのできる発電方法及び発電装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本出願によると、上記目的は、発電方法に関しては次の第一発明により、発電装置に関しては第二発明によりそれぞれ達成される。
【０００７】
＜第一発明＞
本発明に係る発電方法では、対をなす磁極の間に発生する磁界に作動流体の流動のための発電流路を形成し、作動流体が電離又は解離して成る導電性流体を上記発電流路に流して、該発電流路に配された電極で電流を取り出して発電する。
【０００８】
かかる発電方法において、下流端に反射壁面を有する発電流路で、該反射壁面からの衝撃波の反射波により上記作動流体を高温高圧化して電離又は解離した導電性流体とし、上記電極で電流を取り出すことを特徴としている。
【０００９】
発電流路に収められた作動流体に衝撃波を照射すると、この衝撃波は発電流路の反射壁面に達して、この衝撃波を入射波として該反射壁面で反射波を生ずる。この反射波は入射
波に比し高圧でかつ高圧が長時間持続する。したがって、作動流体はこの反射波により、入射波に比し長時間にわたり高温高圧化されて電離又は解離が十分になされた導電性流体となる。かくして、この導電性流体から電極により電流が取り出される。
【００１０】
本発明では、上記入射波としての衝撃波に関しては、燃料を間欠的に燃焼室で燃焼させて得られる爆轟により衝撃波を発生させ、これを燃焼室に連通する上記発電流路へ導くようにすることができる。
【００１１】
＜第二発明＞
本発明に係る発電装置では、対をなす磁極と、該対をなす磁極の間に発生する磁界での作動流体の流動のための発電流路と、該発電流路に配された電極とを備え、作動流体が電離又は解離して成る導電性流体を上記発電流路に流して該電極で電流を取り出して発電が行われる。
【００１２】
かかる発電装置において、発電流路は下流端に反射壁面を有し、該発電流路は上流側に衝撃波を該発電流路内の作動流体に伝播せしめる衝撃波供給装置が接続されていて、該反射壁面からの衝撃波の反射波により上記作動流体を高温高圧化して電離又は解離した導電性流体とし、上記電極で電流を取り出すことを特徴としている。
【００１３】
このような構成の本発明装置によると、衝撃波供給装置からの衝撃波を入射波として発電流路内の作動流体に照射する。衝撃波は反射壁面で反射波を生じ、この反射波が作動流体を高温高圧化して導電性流体とし、これから電極を通じて電流が取り出される。
【００１４】
衝撃波は爆轟によって得ることができ、その装置としては、燃料及び酸化剤の供給を受ける着火燃焼室を有し、該着火燃焼室で着火した燃料の間欠的な燃焼で得られる爆轟によって衝撃波を発生させるように構成され、該装置は衝撃波が上記着火燃焼室から発電流路へ伝播されるように接続される。
【００１５】
本発明の発電装置において、発電流路は流路断面積が下流端に向け次第に小さくなっていることが好ましい。こうすることにより反射壁面での反射波が、さらに高圧なものとして得られる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、以上のごとく、作動流体を衝撃波の反射波で高温高圧化して導電性流体として、これから電流を取り出すこととしたので、反射波は衝撃波が入射波として作用する場合に比し、より高温高圧化が可能でその持続時間も長いので、一回の取出電流が多量となり、発電効果が大きい。換言すれば、衝撃波を得るためのエネルギー、例えば爆轟で衝撃波を得る場合に、そのための燃料、酸化剤の必要量が少なくて済み、運転費の低減化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づき説明する。
【００１８】
図１は本発明の一実施形態装置の概略構成を示す図である。
【００１９】
図１（Ａ）に示す実施形態装置は、燃料の間欠的な燃焼による爆轟で衝撃波を生じ供給する衝撃波供給装置１０と、この衝撃波を受けて生ずる反射波によって作動流体を導電化して発電する発電装置２０を備えている。本実施形態では、衝撃波供給装置１０は発電装置２０の上方に位置しており、衝撃波は下方に向け該発電装置２０へ伝播される。
【００２０】
上記衝撃波供給装置１０は、図１（Ａ）に示すように、燃料を酸化剤と共に該衝撃波供給装置１０へ供給する燃料供給部１１が接続されている。上記衝撃波供給装置１０は、上記燃料供給部１１から燃料及び酸化剤の混合気の供給を受ける着火燃焼室１２と、上記着火燃焼室１２に連通された分散室１３と誘導路１４とを有している。酸化剤としては予熱空気または酸素を用いる。
【００２１】
上記着火燃焼室１２は縦長な円筒状空間として形成され、上記着火燃焼室１２の上端部には、上記混合気を間欠的に着火させる点火栓１２Ａが設けられている。また、上記着火燃焼室１２の下端近傍には、燃焼ガスの排ガスを排出する排気管１５が接続されている。上記着火燃焼室１２の下端側は、半径方向に拡がる分散室１３に連通されている。この分散室１３は、等路長の複数の誘導路１４を経て後述の発電装置２０と連通している。
【００２２】
上記衝撃波供給装置１０には、その下方で発電装置２０が接続されている。該発電装置２０は、上部に収束部２１をそして下部に発電部２２を有している。
【００２３】
上記収束室２１は、図１（Ａ）にて下方に向け紙面に直角な断面での断面積が次第に小さくなる円錐状空間をなしていて、この断面積が上端側の導入部２１Ａで最大、発電装置２０に隣接する端部の下部開口部２１Ｂで最小となっている。また、この収束部２１には高さ方向中間部に作動流体の注入のための注気管３１Ａが弁３１Ｂを介して接続されている。上記収束室２１では、誘導路１４から該収束室２１へ導入された複数の爆轟波が一つの衝撃波となって上記収束室２１の上部から下部へ向けて進行するにつれ収束されて、さらに高温高圧の収束爆轟波が形成される。なお、上記収束室２１の断面積収束は、三次元的でも二次元的であってもよい。例えば、円錐状とすれば三次元収束となるし、図１にて紙面に直角方向の寸法は変えずに紙面の面に平行な方向での幅方向のみに収束させれば二次元収束となる。
【００２４】
上記収束室２１には、作動流体の流動のための、下方に先細り管状の上記発電流路２２Ａを有する発電部２２が連通している。この発電流路２２Ａには、該発電流路２２Ａの軸線（導電性流体の流動方向の軸線）２２Ｂとの直交方向で互いに対向する一対の磁極２３と、上記発電流路２２Ａの軸線２２Ｂと該一対の磁極２３の対向方向との直交方向で互いに対向する一対の電極２４とが配設されている（図１（Ｂ）参照）。
【００２５】
上記発電流路２２Ａは、上端にて開口し、流入側となる上端開口には、上述の収束室２１が連通接続され、下端は、閉塞板２８により閉塞されていて、該閉塞板２８の内面が衝撃波（入射波）に対する反射壁を形成する。
【００２６】
上記発電流路２２Ａに配された上記一対の磁極２３は、上記発電流路２２Ａ内にて、該一対の磁極２３の対向方向（図１（Ｂ）にて上下方向）に向く磁力線を生ずる。
【００２７】
上記一対の電極２４は、絶縁材２５を介して上記発電流路２２Ａを形成する空間に配され、コンデンサ２６を介してインバータ２７に接続されている。上記コンデンサ２６と上記インバータ２７は、該一対の電極２４で取り出したパルス電流を交流電力に変換する。
【００２８】
また、上記一対の電極２４で取り出したパルス電流をパルス電源として、Ｘ線、電子ビーム、慣性核融合の電源に利用するようにしてもよい。
【００２９】
本発明において、上記注気管３１Ａから収束室２１内へ注入される作動流体は、衝撃波供給装置１０で燃焼される可燃ガス（燃料と酸化剤との混合気）よりも重い重質ガスが用いられる。この重質ガスは、重質不活性ガス、あるいはこれにシード材を添加したガスのいずれも用いることができる。重質不活性ガスとしては、例えば、アルゴン、ネオン、キ
セノン等が用いられ、シード材としてはセシウム、カリウム、カルシウム等の超微粒子が１００ｐｐｍ程度の濃度で添加される。
【００３０】
次に、本実施形態装置により発電を行うための手順そしてその動作について説明する。
【００３１】
１）先ず、注気管３１Ａを経て作動流体を収束室２１へ注入・充填する。作動流体が重質ガスの場合、その自重により該作動流体は発電流路２２Ａと収束室２１内に充満する。
【００３２】
２）次に、燃料供給部１１から着火燃焼室１２へ燃料と酸化剤との混合気を注入する。この混合気は上記着火燃焼室１２、分散室１３そして誘導路１４に充満されるが、上記作動流体よりも軽いので、収束室２１に入り込んでもその上部にあって常に作動流体よりも上方の部分を占めることとなる。
【００３３】
３）次いで、点火栓１２Ａを作動させると、着火燃焼室１２内では、着火により爆轟が起こり、その爆轟による衝撃波が分散室１３そして誘導路１４を経て収束室２１の上部に伝播される。その際、複数の誘導路１４の路程はそれぞれ等しく設定されているので、複数の誘導路１４の衝撃波は同時に収束室２１に達することとなる。
【００３４】
４）収束室２１内では誘導路１４からの複数の衝撃波が一つの衝撃波となって導入部２１Ａから下部開口部２１Ｂへと進行するが、収束室２１の断面積は下方に向け次第に小さくなっているため、衝撃波が収束されて、下流側に伝播するにつれて温度及び圧力が上昇する。この上記衝撃波は下方への進行に伴い、収束室２１そして発電流路２２Ａ内の作動流体に伝播されて、下方に向け先細りとなった発電流路２２Ａ内で、さらに圧力を高めながら、下端の閉塞板２８に達し、この衝撃波は入射波として閉塞板２８の面に作用し、ここで反射波を生ずる。この反射波は上方に戻るようにして伝播されるが、この反射波は入射波に比し高圧でその高圧維持時間が長く、その間、作動流体を高圧高温化する。高温化した作動流体は電離又は解離して導電性流体となり、上方へ流動する。
【００３５】
５）この導電性流体が上記発電流路２２Ａ内を流動すると、該導電性流体が流動方向（軸線２２Ｂ方向）で一対の磁極２３の磁力線に直交することとなるので、上記流動方向と該一対の磁極２３の対向方向とに直交する方向に電流が生じる。その結果、該直交する方向で互いに対向せる一対の電極２４で上記電流が取り出される。上記一対の電極２４で取り出された電流は、コンデンサ２５とインバータ２６により、交流電力に変換される。その後、上述の着火燃焼室１２の排気管１５から燃焼ガスが排気される。
【００３６】
６）かくして、一回の爆轟に対して一回の発電が行われ、爆轟に寄与した燃焼ガスが排気管１５から排出されると、収束室２１内の圧力は低下するので、作動流体が再びその体積をもとに戻して、該収束室２１を充満するようになる。その際、既述したように、作動流体は燃料と酸化剤との混合気よりも重いので、上記排気管１５から排ガスと共に排出されることなく、上記収束室内に留まり、次の発電に備える。また若干づつ排ガスと共に排気管１５から排出されてその量が減少することも考えられるが、その場合、一定濃度以下となったときには、注気管３１Ａから作動流体を補給すればよい。
【００３７】
７）このようにして、爆轟を繰り返してその都度、衝撃波の反射波により作動流体を導電性流体として電流を取り出し発電が行われる。本発明では、作動流体として、不活性ガスを用いれば、発電流路を構成する部材（壁、電極等）の焼損、劣化が防止できる。
【００３８】
本発明は、図１に示された縦型の収束室によらずとも、横型でも可能である。図２はそのための装置を示している。なお、図２において、図１装置と共通部位には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
本実施形態では、収束室２１と発電流路２２Ａとは横方向に連通し一つの室として形成されている。この収束室２１と発電流路２２Ａとを一つとした室は、軸線２２Ｂを中心とする上面がテーパ状に没した円板形状に形成され、外径部で最大高さを有し、軸線２２Ｂの位置に向けその高さを次第に減じ軸線２２Ｂの位置で左右の発電流路２２Ａが互いに連通している。外径部には誘導路１４が複数形成されており、着火燃焼室１２が分散室１３と上記誘導路１４を経て、上記収束室２１に連通している。上記軸線２２Ｂ寄りに形成されている発電流路２２Ａの上下位置には、磁極２３と電極２４とが配置されている。これらの磁極２３と電極と、対をなす電極２４の対向方向とが直交していることは、図1装置と変りない。
【００４０】
図２装置では、着火燃焼室１２での燃焼により生じた爆轟による衝撃波は分散室１３そして誘導路１４を経て収束室２１にもたらされ、軸線２２Ｂ方向に向け高圧化され作動流体に伝播され、連通部分で入射波同士が左右から衝突して互いに反射する。この反射波が、図１装置の場合と同様に、作動流体を高温高圧化して電離あるいは解離せしめて導電性流体とし、導電性流体が流動して電極２４を経て電流を取り出す。
【００４１】
図２装置の場合、作動流体が横方向に延びる空間（収束室）に収められることに起因して、燃焼後の排ガスに混入して排気される虞れが高い。そこで、作動流体を、有効的に収束室そして発電流路内に留めておくために、図２装置と同様に収束室を横型としつつも、その下方へ発電流路を位置づけることが好ましい。図３はこれらの例を示し、図３では、収束室２１から軸線２２Ｂに沿って発電流路２２Ａが下方に延び、下端で閉塞されている。この発電流路２２Ａは、図１装置の場合と同様に、先細りとなっている。かかる発電流路２２Ａの側部に磁極２３と電極（図示せず）が配置されている。
【００４２】
本発明は、図１装置の着火燃焼室に代えて、さらに他の実施形態として示される図４のごとく、容量の大きい予燃焼室３０を設けることが可能である。該予燃焼室３０は火炎加速器３６を介して、図１の分散室１３に接続される。
【００４３】
上記予燃焼室３０の上端側にはガス供給装置３２が接続されている。このガス供給装置３２は、燃料供給源３３からの燃料と酸化剤供給源３４からの酸化剤をそれぞれ流量調節装置３３Ａ，３４Ａを介して予燃焼室３０に供給する。ここで、上記燃料及び酸化剤は予燃焼室３０に供給する直前に混合しても良く、あるいは、予燃焼室３０に別々に供給しその直後に混合するような構成にしても良い。なお、図４は、燃料と酸化剤を別々に供給し、その直後に混合する場合について図示している。
【００４４】
上記予燃焼室３０の可燃性ガスが供給される側の近傍には、該予燃焼室３０内に充填された可燃性ガスに着火するための点火栓３５が備えられ、該予燃焼室３０内の可燃性ガスに着火する。
【００４５】
上記予燃焼室３０内に充填されている可燃性ガスに着火することにより、該予燃焼室３０内で燃焼ガスが生成・膨張し、該予燃焼室３０内の可燃性ガスを発電装置の収束室２１側に押し出す。その結果、収束室２１で発生する収束衝撃波の到達圧力をより高圧にすることが可能となる。
【００４６】
ここで、上記の効果を有するためには、上記予燃焼室３０の形状は、該予燃焼室３０内での火炎の伝播速度が音速をこえないような形状とすることが必要である。火炎伝播速度が音速をこえた場合、火炎の伝播が早すぎ、収束室２１内での十分な初期圧力上昇の効果が得られないからである。
【００４７】
なお、火炎の伝播速度が音速をこえないような予燃焼室の形状としては、例えば、予燃焼室の形状が略円筒形状の場合、Ｌ（Ｌ：円筒の高さ）≦２Ｄ（Ｄ：円筒の直径）とすることにより達成できる。これにより、簡易な構造で収束爆轟発生装置１内での可燃性ガスの燃焼直前での初期充填圧を上げることが可能となり、設備費等の低減をより図ることが可能となる。
【００４８】
上記予燃焼室３０内を伝播してきた火炎は、上記火炎加速器３６内で火炎の伝播が爆轟に遷移し、分散室２１に火炎が伝播される。ここで、上記火炎加速器３６としては、円筒状の管の中にらせん状のコイル（以下（シェルキンスパイラル）という。）を挿入した構成のものを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態装置の概略構成を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態装置の縦断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態装置の概略構成図である。
【図４】本発明のさらに他の実施形態の概略構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  衝撃波供給装置
１２  着火燃焼室
２２Ａ  発電流路
２３  磁極
２４  電極
２８  反射壁面
【図１】
2005102417.tif 000003
【図２】
2005102417.tif 000004
【図３】
2005102417.tif 000005
【図４】
2005102417.tif 000006