JP2002034233A - 発電システム - Google Patents

発電システム

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JP2002034233A
JP2002034233A JP2000211023A JP2000211023A JP2002034233A JP 2002034233 A JP2002034233 A JP 2002034233A JP 2000211023 A JP2000211023 A JP 2000211023A JP 2000211023 A JP2000211023 A JP 2000211023A JP 2002034233 A JP2002034233 A JP 2002034233A
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heat pipe
liquid
power generation
generation system
heat
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JP2000211023A
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English (en)
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Kazuyuki Matsumoto
和幸 松本
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TS Heatronics Co Ltd
Original Assignee
TS Heatronics Co Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0266Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱を利用して電磁誘導により電気エネルギー
を発生させる発電システムにおいて、設備を小型化する
と共に安全性を高める。 【解決手段】 導電性を有する液体が内部に封入された
ヒートパイプであって、ループを形成し、該ループの一
端が加熱され他端が冷却されたときに液体及び液体の蒸
気を循環させるためのヒートパイプ11〜13と、ヒー
トパイプのループの少なくとも一部において磁界を発生
させる手段21、22と、液体及び液体の蒸気が磁界を
横切って運動する際に発生する電気エネルギーを取り出
す手段31、32とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に電気エネ
ルギーを発生させる発電システムに関し、特に、熱を利
用して電磁誘導により電気エネルギーを発生させる発電
システムに関する。
【0002】
【従来の技術】熱を利用して電気エネルギーを発生させ
る発電システムとしては、従来から、水を加熱して発生
させた蒸気によりタービンを回転させ、タービンに接続
された発電機により発電を行う火力発電が良く知られて
いる。しかし、このような火力発電によれば、熱エネル
ギーを蒸気の運動エネルギーに変換し、さらに蒸気の運
動エネルギーをタービンの回転エネルギーに変換し、さ
らにタービンの回転エネルギーを電気エネルギーに変換
するので、エネルギー変換過程における損失が大きく、
装置も大掛かりなものとなってしまう。
【0003】このような欠点を改善すべく、近年におい
ては、MHD(Magneto Hydro Dyna
mics:電磁流体力学)発電による発電システムが提
案されている。これについては、東京工業大学の奥野喜
裕氏のホームページ「MHD発電って何?」(2000
年5月13日)に概略が紹介されている。MHD発電に
おいては、フレミングの右手の法則を利用し、電気伝導
性を有する気体(プラズマ)や液体(液体金属等)を磁
界中に高速で流すことにより電気エネルギーを発生させ
る。従って、流体の運動エネルギーを直接的に電気エネ
ルギーに変換することができるので、エネルギー変換効
率が高いという特徴を有している。
【0004】MHD発電は、オープンサイクルとクロー
ズドサイクルとに分けられる。オープンサイクルのMH
D発電においては、石炭や天然ガス等の燃焼ガスに1重
量%程度のカリウムの化合物(炭酸カリウム等)を添加
した作動流体を、2700℃程度に加熱して熱電離させ
て用いる。一方、クローズドサイクルにおいては、0.
01モル%程度のアルカリ金属(ガリウム等)をシード
した希ガス(アルゴンやヘリウム)の作動流体を、18
00〜2000℃程度に加熱して非平衡電離させて用い
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
MHD発電においては、上述したようにかなりの高温を
必要とすることから設備が大規模なものとなってしま
い、自動車に搭載されているエンジンからの排熱を利用
して発電するような小型のシステムは実現が困難であっ
た。
【0006】そこで、上記の点に鑑み、本発明は、熱を
利用して電磁誘導により電気エネルギーを発生させる発
電システムにおいて、設備を小型化すると共に安全性を
高めることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の第1の観点に係る発電システムは、導電性
を有する液体が内部に封入されたヒートパイプであっ
て、該ヒートパイプの一端が加熱され他端が冷却された
ときに液体及び液体の蒸気を作動させるヒートパイプ
と、ヒートパイプの少なくとも一部において磁界を発生
させる手段と、液体及び液体の蒸気が磁界を横切って運
動する際に発生する電気エネルギーを取り出す手段とを
具備する。
【0008】また、本発明の第2の観点に係る発電シス
テムは、磁性を有する液体が内部に封入されたヒートパ
イプであって、該ヒートパイプの一端が加熱され他端が
冷却されたときに液体及び液体の蒸気を作動させるヒー
トパイプと、ヒートパイプの少なくとも一部において磁
界を発生させる手段と、液体及び液体の蒸気が磁界を横
切る運動に伴う鎖交磁束の変化に従って起電力を発生す
るコイルとを具備する。
【0009】本発明によれば、導電性又は磁性を有する
液体が内部に封入されたヒートパイプを形成し、該ヒー
トパイプの一端を加熱して他端を冷却することにより、
該ヒートパイプの一端に蒸気を発生させて循環させ、電
磁誘導による発電を行う。これにより、発電システムの
設備を小型化すると共に安全性を高めることができ、例
えば、自動車に搭載されているエンジンからの排熱を利
用して発電するような小型のシステムを実現することが
可能となる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。なお、同一の構成要素
には同一の参照番号を付して、説明を省略する。図1
は、本発明の第1の実施形態に係る発電システムに用い
る装置を示す正面図であり、図2は、同装置を示す右側
面図である。なお、ヒートパイプのハウジング10の前
面を取り除いて、内部が見えるようにしている。
【0011】図1及び図2に示すように、この発電シス
テムは、ハウジング10内に設けられたヒートパイプの
高温部11とヒートパイプの発電部12とヒートパイプ
の低温部13とを含んでおり、これらは連結部14によ
って連結されてループを形成している。ヒートパイプの
発電部12の両側には、N極をヒートパイプ12側に向
けた永久磁石21と、S極をヒートパイプ12側に向け
た永久磁石22とが配置されている。なお、永久磁石の
替わりに電磁石を用いることも可能である。図3に、ヒ
ートパイプの断面を示す。図3の(a)は、図1のA−
A’面におけるヒートパイプの高温部11の断面図であ
る。本実施形態においては、熱伝導性を良くするため
に、ヒートパイプの高温部11及びヒートパイプの低温
部13を金属で形成している。
【0012】図3の(b)は、図1のB−B’面におけ
る連結部14の断面図である。本実施形態においては、
連結部14において、絶縁物であるセラミックを挟むこ
とにより、ヒートパイプの発電部12に設けた複数の電
極が短絡しないようにしている。図3の(c)は、図1
のC−C’面におけるヒートパイプの発電部12の断面
図である。2つの電極31、32が、2つの絶縁物4
1、42の間に囲まれて配置されている。これらの電極
によって、流体が磁界を横切って運動する際に発生する
電気エネルギーを取り出す。あるいは、図3の(d)に
示すように、2つの電極33、34が、1つの絶縁物4
3の内部に囲まれるようにしても良い。
【0013】また、ヒートパイプの断面は、円形でなく
矩形にしても良い。図3の(e)においては、2つの電
極35、36が、2つの絶縁物44、45の間に囲まれ
て配置されている。一方、図3の(f)においては、2
つの電極37、38が、1つの絶縁物46の内部に囲ま
れて配置されている。なお、これらのヒートパイプ11
〜13は、プレート型としても良い。また、ヒートパイ
プの高温部11の受熱部に、吸熱効率の高いコーティン
グを施すことが望ましい。
【0014】図4に示すように、ヒートパイプの内部に
は、導電性を有する液体(例えば金属ナトリウム等の液
体金属)が、作動液として内部に封入されている。ヒー
トパイプの高温部11を加熱すると、導電性を有する液
体が核沸騰して蒸気が発生し、気相と液相の自励振動に
よる熱輸送を行う。一方、ヒートパイプの低温部13を
冷却することにより、ヒートパイプの高温部11からヒ
ートパイプの発電部12を介して移動してきた蒸気が凝
縮して液体に戻り、再びヒートパイプの発電部12を介
してヒートパイプの高温部11に還流される。
【0015】ヒートパイプの高温部11を加熱するため
の熱源としては、自動車に搭載されているエンジンから
の排熱や、ゴミ焼却炉からの排熱等を利用することがで
きる。導電性を有する液体として金属ナトリウムや金属
ナトリウムと金属カリウムの合金を用いた場合には、ヒ
ートパイプの高温部11を500〜1000℃程度に加
熱することにより核沸騰が生じる。
【0016】再び、図1を参照する。図1において、導
電性を有する流体が矢印の向きに流れると、フレミング
の右手の法則に従って、2つの電極間に起電力が発生す
る。図2に示すように、ヒートパイプは折り曲げられ、
n行m列で配列されている(nとmは任意の自然数)。
ここで、永久磁石が作る磁界の磁束密度をB、流体の速
度をv、永久磁石の長さをlとすると、起電力Eは、次
式で表される。E=Bvlmn一般的には、流体の運動
方向が交互に変化するので、交流起電力が発生すること
になる。
【0017】これに対して、直流起電力を得たい場合に
は、図5に示すように、ヒートパイプの中に逆止弁を設
ける。逆止弁は、例えば、流路が形成された銅や純ニッ
ケル等の弁座50と、ルビーやタングステンカーバイト
等の球体60とによって構成される。流体は、弁座50
の流路を通って方向D1に流れることはできるが、方向
D2に流れようとすると、球体60が弁座50に密着し
て弁座50の流路を塞いでしまい、流れることができな
い。
【0018】次に、本発明の第2の実施形態について、
図6を参照しながら説明する。図6は、本発明の第2の
実施形態に係る発電システムに用いる装置を示す正面図
である。なお、本実施形態においても、第1の実施形態
と同様に、ヒートパイプは折り曲げられてn行m列で配
列されるが、ここでは説明の簡単のために、その内の1
本のヒートパイプのみを示している。
【0019】図6に示すように、この発電システムは、
磁性流体70が内部に封入されているヒートパイプ80
を含んでいる。ヒートパイプ80は、非磁性体であるこ
とが望ましい。ヒートパイプ80の両側には、コイル9
1、92が配置され、さらにその両側には、N極をヒー
トパイプ80側に向けた永久磁石21と、S極をヒート
パイプ80側に向けた永久磁石22とが配置されてい
る。なお、永久磁石の替わりに電磁石を用いることも可
能である。
【0020】磁性流体は、液体中に高濃度のマグネタイ
ト等の強磁性超微粒子が安定に分散した系であり、強磁
性超微粒子の表面に強固に化学吸着した界面活性材層を
含んでいる。強磁性超微粒子は、激しい熱運動と表面の
界面活性材層の相互反発力のため、凝縮することなく安
定な分散状態を保つ。
【0021】永久磁石21、22が作る磁界内に磁性流
体70が進入して来ると、図1に示すように、磁性流体
70はS極とN極とに分極する。このように分極した磁
性流体70がコイル91、92の近傍を通過することに
より、コイル91、92に鎖交する磁束数Φが変化し、
ファラディの法則により次式で表される起電力eが発生
する。 e=−N・dΦ/dt ここで、Nはコイルの巻数である。このようにして、各
コイルに交流起電力を得ることができる。
【0022】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、発電システムの設備を小型化すると共に安全
性を高めることができる。例えば、自動車に搭載されて
いるエンジンからの排熱を利用して発電するような小型
のシステムを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る発電システムに
用いる装置を示す正面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る発電システムに
用いる装置を示す右側面図である。
【図3】図1に示すヒートパイプの断面図であり、
(a)はA−A’面における断面図、(b)はB−B’
面における断面図、(c)はC−C’面における断面図
である。
【図4】ヒートパイプの内部における流体の運動を示す
図である。
【図5】ヒートパイプの中に設けられた逆止弁を示す図
である。
【図6】本発明の第2の実施形態に係る発電システムに
用いる装置を示す正面図である。
【符号の説明】
10 ハウジング 11 ヒートパイプの高温部 12 ヒートパイプの発電部 13 ヒートパイプの低温部 14 連結部 21、22 永久磁石 31〜38 電極 41〜46 絶縁物 50 弁座 60 球体 70 磁性流体 80 ヒートパイプ 91、92 コイル

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 導電性を有する液体が内部に封入された
    ヒートパイプであって、該ヒートパイプの一端が加熱さ
    れ他端が冷却されたときに前記液体及び前記液体の蒸気
    を作動させる前記ヒートパイプと、 前記ヒートパイプの少なくとも一部において磁界を発生
    させる手段と、 前記液体及び前記液体の蒸気が前記磁界を横切って運動
    する際に発生する電気エネルギーを取り出す手段と、を
    具備することを特徴とする発電システム。
  2. 【請求項2】 電気エネルギーを取り出す前記手段が、
    前記ヒートパイプの一部において絶縁性の材料に囲まれ
    て形成された少なくとも2つの電極を含むことを特徴と
    する請求項1記載の発電システム。
  3. 【請求項3】 磁性を有する液体が内部に封入されたヒ
    ートパイプであって、該ヒートパイプの一端が加熱され
    他端が冷却されたときに前記液体及び前記液体の蒸気を
    作動させる前記ヒートパイプと、 前記ヒートパイプの少なくとも一部において磁界を発生
    させる手段と、 前記液体及び前記液体の蒸気が前記磁界を横切る運動に
    伴う鎖交磁束の変化に従って起電力を発生するコイル
    と、を具備することを特徴とする発電システム。
  4. 【請求項4】 前記ヒートパイプがループを形成してい
    ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の
    発電システム。
  5. 【請求項5】 前記ヒートパイプが、プレート型ヒート
    パイプであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか
    1項記載の発電システム。
  6. 【請求項6】 前記ヒートパイプ内に、前記液体及び前
    記液体の蒸気を一方向のみに流し、逆方向に流さないた
    めの逆止弁が設けられたことを特徴とする請求項1〜5
    のいずれか1項記載の発電システム。
  7. 【請求項7】 前記ヒートパイプの受熱部に、吸熱効率
    の高いコーティングが施されたことを特徴とする請求項
    1〜6のいずれか1項記載の発電システム。
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