(57)【要約】気体を封入した閉鎖帯域中に、強制的に上昇気流流路と下降気流流路とを形成し、両者の相乗作用により渦巻流を発生させ、その渦巻流によりタービンを回転させて発電する方法において、発電効率を上げる方法及びそれを実現するための装置である。上昇気流流路と下降気流流路との間に円筒型回転体（２）を配設することにより渦巻流を発生させファン（３，４）を回転させる。場合により上昇気流流路と閉鎖帯域を外部から遮断している隔壁との間に、さらに第二の円筒型回転体（１２）を配設することにより上昇気流と下降気流との摩擦を軽減する。そして、本発明は、例えば自然界で生じる温度差を利用して発電するための方法として好適である。
2002036963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を封入した円筒状閉鎖帯域において、内側を下降気流流路に、その外側を上昇気流流路に形成し、下降気流と上昇気流との相乗作用により渦巻流を発生させ、その渦巻流により発電用タービンを回転させて発電する方法において、下降気流流路と上昇気流流路との間を円筒型回転体により遮断することを特徴とする対流発電方法。
【請求項２】
気体を封入した円筒状閉鎖帯域において、内側を下降気流流路に、その外側を上昇気流流路に形成し、下降気流と上昇気流との相乗作用により渦巻流を発生させ、その渦巻流により発電用タービンを回転させて発電する方法において、下降気流流路と上昇気流流路との間及び上昇気流流路と円筒状閉鎖帯域との間を円筒型回転体により遮断することを特徴とする対流発電方法。
【請求項３】
気体を充填したシリンダ内に、スパイラル状に形成した低温媒体供給パイプを収容した円筒型回転体を上下方向で軸支するとともに、その円筒型回転体の外側に沿ってスパイラル状に形成した高温媒体供給パイプを配設し、かつ上記円筒型回転体の底部に起動用ファンを固設したことを特徴とする対流発電装置。
【請求項４】
気体を充填したシリンダ内に、スパイラル状に形成した低温媒体供給パイプを収容した第一円筒型回転体を上下方向で軸支するとともに、その第一円筒型回転体の外側に沿ってスパイラル状に形成した高温媒体供給パイプを配設し、さらにその高温媒体供給パイプとシリンダ内壁との間を第二円筒型回転体で遮断することを特徴とする対流発電装置。
【請求項５】
低温媒体供給パイプ及び高温媒体供給パイプに熱交換促進用フィンを付設した請求の範囲第３項又は第４項記載の対流発電装置。
【請求項６】
第二円筒型回転体の側壁に複数のガス抜き口を穿設した請求の範囲第４項記載の対流発電装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、人工的に竜巻現象を起させ、そのエネルギーを利用して発電する方法及び装置において、高い効率でそのエネルギーを利用するための改良に関するものである。
背景技術
自然界で発生する竜巻と同じ現象を人工的に発生させ、その気流の回転エネルギーを利用してタービンを駆動し、発電しようとする試みは、既に行われている。
本発明者は、この試みを実現するための装置として、先に熱交換を行なう気体を密封するシリンダと、前記シリンダ内に軸方向にわたって配設され軸方向一端側から冷却用流体が供給される冷却パイプと、前記シリンダ内に軸方向にわたって配設され軸方向他端側から加温用流体が供給される加温パイプと、前記冷却パイプの周囲に接触させて配設したスパイラルパイプ状の気体冷却用の冷却流路と、前記加温パイプの周囲に接触させて配設し、かつ両端部を開口にして気体の流れを形成するスパイラルパイプ状の気体加温用の加温流路と、前記冷却流路及び加温流路の出入口の少なくとも一方に配設したファン及びこのファンとともに回転する出力軸とを備え、加温流路で加温された気体を一方で冷却流路内に取入れ、かつ冷却流路内で冷却された気体を他方で加温流路内に取入れ、気体が冷却流路と加温流路間をスパイラル運動しながら循環する対流を発生させ、前記気体の温度差によって生じた対流により前記ファンを回転させて、発電させる装置を提案した（特開平６−１４７０９８号公報）。
しかしながら、このような装置においては、冷却流路内の高圧の気体が冷却収縮されて高比重になり長距離のスパイラル流路内を循環しながら移動するため、遠心力を生じ、その遠心力により気体が対流路周壁に押し付けられ、摩擦力が発生し、多大のエネルギーロスをもたらす。
また、特に大型の機種を製作するには、熱交換用の平面状フィンを用いると単位幅当りの熱伝導距離が長くなるのを免れず熱交換率が著しく低下する上、シリンダ壁を肉厚にする必要があるため、質量増加を伴うとともに、外部由来の媒体との熱交換率が低下し、出力減少の原因ともなっていた。
本発明は、このような従来の対流発電装置がもつ欠点を克服し、効率よく対流エネルギーを発電エネルギーに変換するための改良方法及びそれを実現するための発電装置を提供することを目的としてなされたものである。
発明の開示
本発明は、気体を封入した閉鎖帯域中に、強制的に上昇気流流路と下降気流流路とを形成し、両者の相乗作用により渦巻流を発生させ、その渦巻流によりタービンを回転させて発電する方法において、前記上昇気流流路と下降気流流路との間及び場合により上昇気流流路と閉鎖帯域を外部から遮断している隔壁との間に、円筒型回転体を配設することにより発電効率を上げる方法及びそれを実現するための装置を提供するものである。
発明を実施するための最良の形態
次に、本発明の方法及び装置を添付図面に従って説明する。
第１図は、本発明方法において、上昇気流流路と下降気流流路との間に１個の円筒型回転体を配設した場合の例の略解断面図であって、気体を封入した閉鎖帯域を外部から遮断する円筒状隔壁１の内部に、軸支部材８，９を介して回転可能に軸支された上下１対のファン３，４に固定された１個の円筒型回転体２が収容され、下部ファン４は、ギヤ５，６を介して発電機１０の入力軸と、またギヤ５，７を介してモータ１１の出力軸に連結している。
高温媒体との接触により強制的に発生させられた上昇気流はＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄの流路を通って上昇し、一方低温媒体との接触により強制的に発生させられた下降気流は、Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ａ及びＧ→Ｈの流路を通って下降し、ファン３，４の位置で渦巻流となり、ファン３，４を回転させると同時に、それらに固定された円筒型回転体２を回転させる。
第２図は、本発明方法において、上昇気流流路と下降気流流路との間の第一円筒型回転体に加えて、さらに上昇気流流路と閉鎖帯域を外部から遮断している隔壁との間に第二円筒型回転体を設けた場合の例を示す略解断面図であって、前記第１図で説明した構成に加えて、第一円筒型回転体２と円筒状隔壁１との間に、必要に応じガス抜き口１３，…を穿設した第二円筒型回転体１２が配設され、このものは円筒状隔壁１内の気流の動きにより誘導回転し、これにより上昇気流と下降気流との間の摩擦がいっそう軽減される。
また、ＧとＨ間の気体が遠心力によりＥとＦとの間で外方に圧縮され、圧縮熱を発生するので、これを有効に利用することにより冷却媒体との温度差を大きくし、熱交換効率を高くすることができる。熱を奪われたＦ付近の気体は激しく収縮して比重を増しつつ、ＡとＢとの間で大きい遠心力を得る。
次に、ＡとＢとの間の気体が、ＢとＣの間に流入すると、さらに強い遠心力が与えられるが、ガス抜き口１３，…により圧縮を生じないので、圧縮熱を発生することはなく、ＢとＣの間に存在する高温媒体との熱交換により膨張し、比重が低下する。そして、比重が小さくなった気体は、ＣとＤとの間で、小さい遠心力を与えられるが、ＡとＢとの間で与えられる大きい遠心力により打ち消されて循環を続ける結果、強力な渦巻エネルギーがもたらされる。なお、起動時の立ち上がりを促進するために、モータによる一時的な回転の付与が好ましい。
次に、添付図面により、本発明方法を実現するために好適な装置例を説明する。
第３図は、本発明装置の１例の一部切欠した斜面図、第４図は、第３図における円筒型回転体の構造の１例を示す斜面図である。
第３図において、本発明装置はシリンダ１０１の内部に円筒型回転体１０２が収容され、その周囲を高温媒体供給パイプ１０３がスパイラル状に取り巻いた構造に構成されている。高温媒体供給パイプ１０３には内部に向けて、熱交換を促進するためのフィン１０４が全長にわたって付設されている。
第４図は、この装置に収容されている円筒型回転体１０２の１例を示すもので、この円筒型回転体１０２の底面部には、回転翼１０６が固定され、軸支部材１０７及び１０８とアーム１０９，…によって回転自在にシリンダ１０１に取り付けられ、その内部に配置されたスパイラル状低温媒体供給パイプ１１０を前記の高温媒体供給パイプ１０３から隔離している。この軸支部材１０７及び１０８は、円筒型回転体１０２が負荷なく円滑に回転しうる構造のものを用いることが必要である。このようなものとしては、例えばベアリングを用いて摩擦を低減したもの、水銀のような液体封入型のもの、マグネット支持方式のもの、超伝導体による無摩擦式のものなどを挙げることができる。
そして、このような構造を有する装置において、高温媒体供給パイプ１０３に高温媒体を、低温媒体供給パイプ１１０に低温媒体をそれぞれ導入するとシリンダ１０１内の気体のうち、高温媒体供給パイプ１０３及びフィン１０４近傍のものは昇温して上昇気流を、また、円筒型回転体１０２内の気体は低温媒体供給パイプ１１０との接触により降温して下降気流を形成する。
そして、このようにして形成された上昇気流と下降気流は、シリンダ１０１の底辺付近に至るまで相互に接触することなく、したがって摩擦によるエネルギーの低下を伴わずに渦巻流の発生に利用されるので、この個所に起動用ファンを配置すれば、激しい回転を生じ、この起動用ファンに出力軸を介して発電モータを連結すれば、効率よく所望の電力を得ることができる。
上記の円筒型回転体１０２は、壁面を波形状に形成し、波部の谷に気流を阻止するようなじゃま板を所定の間隔で付設した構造とすることもできるし、また、このじゃま板を気流方向に傾斜させて付設し、それに衝突する気流の圧力のベクトルを、円筒型回転体１０２とその外側の気流流路方向の圧力のベクトルと相殺させる構造として気体の漏出を減少させることもできる。また、この円筒型回転体１０２は必ずしも上下同一径の円筒状のものである必要はなく、上方と下方との径が異なる円錐台状のものであってもよい。
次に第５図は、上昇気流流路と下降気流流路との間及び上昇気流流路と閉鎖帯域を外部から遮断している隔壁との間に２個の円筒型回転体を配設した装置の１例を示す略解断面図である。
この図において、シリンダ１０１の内部には、２個の円筒型回転体１０２及び１１１が収容され、両者は、独立に回転可能に同軸同心円的に取り付けられている。内側の第一円筒型回転体１０２は、スパイラル状の低温媒体供給パイプ１１２で形成される下降気流流路と、高温媒体供給パイプ１１３で形成される上昇気流流路とを遮断し、下降気流と上昇気流との接触を阻止している。
他方、外側の第二円筒型回転体１１１は、高温媒体供給パイプ１１３で形成される上昇気流流路と、シリンダ１０１の内壁との間に配置され、上昇気流とシリンダ１０１の壁面との摩擦による上昇気流の減速を抑制すると共に、遠心力により気体が周壁に圧縮されて生じる高摩擦による熱及び圧縮熱の発生を防止する。
この外側の円筒型回転体１１１には、遠心力により圧縮され比重が増大する気体を逃散させるためのガス抜き口１１４，…を適所に設けるのが好ましい。
このガス抜き口１１４，…は、円筒型回転体１１１の回転を助長するように、この円筒型回転体１１１の回転方向とは反対の方向に角度を設けて穿設するのが望ましい。
このように構成された本発明装置において、低温媒体供給パイプ１１２に低温媒体を、高温媒体供給パイプ１１３に高温媒体をそれぞれ供給すると、第一円筒型回転体１０２の内側に下降気流が、またその外側に上昇気流が生じ、第５図における矢印方向に循環する対流によって、シリンダ１０１に下方部に渦巻流が発生する。
この際、第一円筒型回転体１０２は、その渦巻流を捕捉するためにその底部に固設されたファン（図示せず）により回転し、上昇気流を増速する。また第二円筒型回転体１１１も誘導回転を起し、遠心力による気体の圧縮を緩和するとともに、ガス抜き口１１４，…からの噴射力により、さらに渦巻流の形成を助長し、上記のファンをいっそう激しく回転させ、それを用いて発電する際の発電効率を著しく高めることができる。
実施例１
第６図は、本発明装置において１個の円筒型回転体を含む場合の実施例であって、断熱保護材２０１により被覆されたシリンダ２００の内部に１個の円筒型回転体２０２が配設された構造のものである。
この図において、上昇気流流路２０３と下降気流流路２０４を対流する気体Ａにより円筒型回転体２０２が誘導回転し、気体の摩擦によるエネルギーの減少を抑制し、出力を大幅にアップしている。上記円筒型回転体２０２は壁面が波形状に絞り加工され、波形の谷間部分にじゃま板２０５，…が適当な間隔で付設されており、気体Ａの圧力をそのじゃま板２０５，…が受け止めることによる反動で円筒型回転体２０２が回転し、その回転を利用して発電機２１４を作動させる。
この際、じゃま板２０５，…は、上昇気流流路２０３又は下降気流流路２０４と円筒型回転体２０２との間の間隙から気体Ａが漏出するのを抑制するために、回転方向に傾斜させて取り付け、気体Ａがじゃま板２０５，…と衝突する時の反動圧で気体Ａの漏出を阻止するようにしてある。
下降気流流路２０４は、スパイラル状の冷却媒体供給パイプ２０６との接触によって形成されるが、この冷却媒体供給パイプ２０６には、全長にわたってＶ型フィン２０７が一体的に固定され、これによって熱交換率を高めるとともに強度を補強している。このＶ型フィン２０７は、内部を空洞化し、冷却媒体供給パイプ２０６との間に流通孔２０８，…を設けることにより、さらに熱交換率を高めることができる。
下降気流流路２０４はスパイラル状の冷却媒体供給パイプ２０６の内側部分に形成され、その下端部開口部に配設された起動用ファン２０９を気体圧によって回転させ、これにより起動用ファン２０９と連結している円筒型回転体２０２が起動する。そして、円筒型回転体２０２の下端軸受部付近に設けられたシリンダ２００の閉鎖プレート２１０に設けられた気体出入口２１１より遠心力を利用して気体を導入し、円筒型回転体２０２の外周部に近接する上昇気流流路２０３及び下降気流流路２０４の気体Ａを圧縮して高圧化することにより、円筒型回転体２０２の遠心クラッチ付出力ギヤ２１２を介して、オイルシールの必要なしに軸出しすることができる。
そして、閉鎖されたシリンダ２００は閉鎖プレート２１０により発電機２１４部分と隔離され、高圧化された気体Ａは、円筒型回転体２０２の遠心力により移動し、発電機２１４部分の減圧による風損を補うとともに、シリンダ２００の下端部の気体Ａの出力を増減調整し、高圧化された気体Ａの安全確保を保ちながら電気エネルギーとして取り出している。
加熱媒体供給パイプ２１３はシリンダ２００の内壁と円筒型回転体２０２の外壁にわたってスパイラル状に設けられた蛇腹構造体から成っており、シリンダ２００の内壁に接する空隙に加熱媒体を供給し、円筒型回転体２０２の外壁に接する空隙を上昇気流流路２０３として構成されている。
この加熱媒体供給パイプ２１３については、スパイラル状の蛇腹の各凹凸部の角度や長さを変えて、流量断面と外部表面積や上昇気流流路の断面積を気体Ａの密度に合わせて調整することができる。
また、シリンダ２００の内壁にスパイラル状のＶ型フィンを配設すると、上記のスパイラル状の蛇腹による熱交換面積をさらに増大しうるとともに、シリンダ２００の軸方向の耐圧強度を強化させることができる。
この装置のシリンダ２００の中央下端部には、発電用ギヤ２１６と噛合させ、電磁クラッチ２１７を介して発電機２１４を作動するための遠心クラッチ付出力ギヤ２１２が取り付けられている。この遠心クラッチ付出力ギヤ２１５は、回転トルクの小さい起動時はフリーの状態にあり、正常回転時にのみ自動的に連結状態になる。そして、この遠心クラッチ付出力ギヤ２１２は、発電機２１４が故障した場合、ただちに他の発電機２１５に切り換えるためにも利用することができる。
通常、シリンダ２００の発電機部分２１８のコック２１９を開放したまま円筒型回転体２０２を高速回転させると、その遠心力により回転体内部に存在する気体が回転体周壁に圧縮される結果、回転体中心部が負圧になる。するとシリンダ２０２の底部の閉鎖プレートの通気口より発電機部分２１８の気体が吸い込まれ、この部分が減圧になるためコック２１９より外部の気体が発電機部分２１８に侵入する。
この装置の運転を停止するには、加熱媒体供給パイプ２１３及び冷却媒体供給パイプ２０６に対する加熱媒体及び冷却媒体の供給を止めればよい。このようにすれば、上昇気流流路２０３と下降気流流路２０４との温度差がなくなるため、シリンダ２００内の気体の対流が消滅し、円筒型回転体２０２も回転を停止する。吸い込まれた外気はコック２１９を経て排出するので安全性も保障される。
一方、円筒型回転体２０２の上端部には、タンドーナッツ２２０及びタンバックルファン２２１，…を備えたタンバックルホルダ２２２が設けられ、このタンバックルファン２２１，…の羽根の角度を変えることによって、気体Ａの対流条件を調整することができる。
また、タンバックルホルダ２２２は、スラストベアリング２２３に連結し、シリンダ２００内を気密的に保ちながら円筒型回転体２０２が回転しうるようになっており、冷却媒体はこの中心を貫通する冷却メインパイプ２２４により、冷却媒体供給パイプ２０６に供給されるため、円筒型回転体２０２の回転は何ら妨げられることなく円滑に行われる。
実施例２
第７図は、シリンダ３００内に２個の円筒型回転体３０１及び３０２が収容されている装置の１実施例であり、高温媒体加熱源として太陽熱を利用するものである。
この装置においては、下降気流流路３０３と上昇気流流路３０４との接触を遮断するための第一円筒型回転体３０１に加えて、上昇気流流路３０４とシリンダ３００の内壁との摩擦を低減させるための第二円筒型回転体３０２が配設されている。この第一円筒型回転体３０１と第二円筒型回転体３０２とは遠心クラッチ３０５を介してギヤ３０６及び３０７の間を回転差を与えて連結することにより、所望の発電機３１５の負荷に対応して適宜回転の調整を可能にしている。
この装置において、第一円筒型回転体３０１を高速回転することにより、その内部の高圧気体Ａに遠心力を与えて圧縮し、温度上昇させ、それに近接する下降気流流路３０３との温度差を大きくして熱交換率を上げる一方、第二円筒型回転体３０２を低速回転し、その高圧気体Ａの遠心圧縮を弱めて膨張させ温度低下させることにより上昇気流流路３０４との温度差も大きくして熱交換率を上げれば、少ない温度差においても出力を著しく増大させることができる。
この際、所望の大きい回転差を得るには、ギヤ３０６の歯数を少なくし、ギヤ３０７の歯数を多くすることによって行われるが、このギヤ比は、形成される温度差と高圧気体Ａの密度などを勘案して決定する必要がある。
この図において、壁面を波形に形成した第一円筒型回転体３０１の内部には、下降気流流路３０３を形成するための低温媒体供給パイプ３０８がスパイラル状に配設され、この低温媒体供給パイプ３０８には全長にわたって、熱交換を高めるための内部を空洞化したＶ型フィン３０９が付設されている。
また、同じく壁面を波形に形成した第二円筒型回転体３０２には、太陽熱により昇温させた高温媒体供給パイプ３１０がスパイラル状に配設され、同じく全長にわたって、熱交換を高めるための内部を空洞化したＶ型フィン３１１が付設されている。第一円筒型回転体３０１の底面付近には起動ファン３１２が固設され、回転軸３１６及びギヤ３１３，３１４を介して発電機３１５に連結している。
このようにして構成された発電装置は、実施例１と同様にして発電を行うことができ、また同様にして停止させることができる。
産業上の利用可能性
本発明は、自然界で生じる温度差形成現象、例えば太陽熱による温度上昇、海中温度差、地熱による温度差などを利用して、高い効率で発電することができるので、クリーンな電力供給源として高い利用価値を有する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明方法における、上昇気流流路と下降気流流路との間に円筒型回転体を配設した場合の例の略解断面図である。
第２図は、本発明方法における、上昇気流流路と下降気流流路との間及び上昇気流流路と閉鎖帯域を外部から遮断している隔壁との間に円筒型回転体を設けた場合の例の略解断面図である。
第３図は、本発明装置の１例の斜面図である。
第４図は、第３図における円筒型回転体の構造の１例を示す斜面図である。
第５図は、本発明装置において、上昇気流流路と下降気流流路との間及び上昇気流流路と閉鎖帯域を外部から遮断している隔壁との間に２個の円筒型回転体を配設した例の略解断面図である。
第６図は、本発明装置の実施例を示す略解断面図である。
第７図は、本発明装置の別の実施例を示す略解断面図である。
【図１】
2002036963.tif 000003
【図２】
2002036963.tif 000004
【図３】
2002036963.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2002036963.tif 000009
【国際調査報告】
2002036963.tif 000010
2002036963.tif 000011
2002036963.tif 000012
2002036963.tif 000013