JP2011109891A - マイクロバブル含有水溶液を利用した温度差発電と、付帯して発生する水素と酸素の混合気である原子水素ガスの爆縮反応を利用した動力及び電力を取り出す方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 現在、無公害エネルギーを得るために、より以上の天然資源や環境破壊を伴う公害エネルギーを使用する矛盾に陥っている。しかるに、水の電気分解技術や超音波利用技術、そして、原子水素ガスやマイクロバブルの発見、熱電変換素子の発明など、本発明が利用する、環境破壊を可能な限り回避した素晴らしい技術は存在する。ただし、技術を単独で利用せず複合させて特長を重ねる試みが必要であり、異種技術複合を課題とする応用研究分野を公的に認知し、技術複合システムを開発しなければならない。
【解決手段】 上述の各技術を複合利用したエネルギー生産システムを構築し、無公害で無尽蔵の電気エネルギーと燃料を得る、高効率で簡便な方法を提供する。人間社会の最小構成単位である家庭での使用エネルギーを安価で補うシステムとして利用し、エネルギー事情を改善することが世界のエネルギー事情を改善する。このシステム（図１）は、容易に工場など大きなプラントに対応させることが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、水溶液中に簡便に発生させることの出来るマイクロバルブが、その圧壊時に発生させる温度と、くわえて、超音波を使用して圧壊現象を促し、かつ、マイクロバブルを含んだ水溶液を電解処理することによる相乗的な作用にて水溶液温度を上昇させ、常温大気との温度差にてゼーペック効果を利用し発電する。

前項に上述される電解処理は、マイクロバブルを含んだ水溶液に超音波にて振動を与えているために電界処理時に電極（図１の１１）に生じる気泡を圧壊時の衝撃波にて取り除くことができて省電力にて効率の良い原子水素ガスの採取を実現し安価で安全な無公害燃料として使用することができる。

本発明により生産される電力及び原子水素ガスは、生産における消費エネルギーが少なく、その生産過程と使用において、二酸化炭素など環境を破壊する排出物が生じない安全かつ無尽蔵のエネルギーであり、本発明は簡便で安全、かつ、無尽蔵なエネルギーの供給と利用の方法である。

水素と酸素の混合気である原子水素ガスの爆縮反応を利用して回転動力を作る内燃機関のピストン型（図２）とロータリー型（図３）の構造の一つの実施例でありこの構造に限る物ではない。

水素と酸素の混合気である原子水素ガスの爆縮反応を利用してタービンを回し発電する構造（図４）の一つの実施例でありこの構造に限る物ではない。

マイクロバブルは、大きな可能性を秘めた技術である。直径が５０ミクロン以下の微細気泡であり、水中で縮小し消滅する存在である。故に、マイクロ・ナノバブル、または、ナノバブルという呼称で表現されることがあるが、もとは、直径５０ミクロン以下の大きさの微細気泡であるのでマイクロバブルという呼称で表現する。

マイクロバブルの用途開発は、医療分野、環境浄化の方面で進められており、数々の成果が挙げられているが、本発明のエネルギー分野での用途開発は皆無である。

熱電変換素子にはゼーベック効果という性質がある。二つの半導体を直列につなぎ、素子の片側を過熱し温度差を与えると起電力が発生し、エネルギーの高い高温面からエネルギーの低い低温面に電子またはホールが移動し電流が流れる。これをゼーベック効果という。温泉の湧出する湯温と川の水温の温度差や太陽熱と気温との温度差などを利用して電気エネルギーを得るなど試みがなされているが、本発明のように具体的に各家庭単位で使用エネルギーを安価で補うシステムとして、上述のゼーペック効果とマイクロバルブの効果を複合して考案されているものはない。

また、叙上のシステムにおいて、大きな温度差を得ることが発電効率の向上につながることを鑑み、従来よりの水の電気分解方法にて水溶液を電気分解し生ずる熱も水溶液の液温上昇に利用し、発電効率の向上を目指す。電気分解により水溶液のｐＨ濃度が上昇したときは、機器の腐食を防ぐために常にｐＨ数値を計測し、その数値にて自動的に水を給水する装置（図１の１３）を設置する。熱電変換素子は、原子水素ガス製造プラント（図１の２）の壁面と底面、上部密閉型集ガス蓋（図１の１２）面を含む六面に設置して生ずる電流を温度差発電用蓄電池（図１の１）に蓄電する。併せて電気分解にて発生する水素と酸素の混合気である原子水素ガスを採取して燃料として使用できる。

発生した水素と酸素の混合気である原子水素ガスは原子水素ガス製造プラント（図１の２）の密閉型集ガス蓋（図１の１２）より原子水素ガス送気管（図１の５）を通じて原子水素ガス溜め槽（図１の６）に送られ、槽内に溜められた水を潜って蓄えられる。溜められた原子水素ガスは、加圧装置（図１の７）にて加圧され、原子水素ガスに混入した水蒸気を燃焼を阻害しないように除湿機（図１の８）にて取り除きバックファイヤー防止器（図１の９）へと順次経由して内燃機関または燃焼機関（図１の１０）へ送られる。

従来の内燃機関は、全て爆発作用を利用して回転力を取り出し動力として使用していたものであるが、水素と酸素の混合気である原子水素ガスの爆縮反応を利用したピストン型とロータリー型の内燃機関は、爆縮反応にて生じる真空を利用して回転力を取り出し動力として使用するものである。

水素と酸素の混合気である原子水素ガスの爆縮反応より生じる真空を利用し、その真空へ吸引されるガス流を利用してタービンを回し発電する方法は従来にない発想である。

このように、単一のエネルギー生産システムにて、同時に無公害であり無尽蔵の電気エネルギーと燃料の双方を得ることのできる高効率な方法は画期的であり他に類がない。

現在、世界は、エルニーニョ現象より発生する異常気象など化石燃料の使用を原因とした二酸化炭素の排出によりもたらされる地球温暖化現象の地球規模の脅威にさらされている。人類ひとりひとりの責任として少しでも破壊の進行を食い止めることは、現在生かされている我々人類に与えられた大きな責任と義務である。その理念により、さまざまな自然エネルギーを利用し、温暖化現象を食い止めようとする試みがなされているが、新しい無公害エネルギーを得るために、より以上の天然資源や環境破壊を伴う公害エネルギーを使用するに至っている。

しかるに、先人が開発、発明した水の電気分解技術や超音波利用技術、そして、近年の原子水素ガスやマイクロバブルの発見、ゼーペック効果を利用した熱電変換素子の発明など、本発明が利用しようとする、環境の破壊を可能な限り回避した素晴らしい技術は存在する。ただしその技術を最大限利用するには至っていない。

本発明は、前項において上述された各発見、発明された現象やその応用技術を単一で使用せず、一つのエネルギー生産システム（図１）において複合して使用することにより最大限の効果を導き出し、無駄なく、無公害であり無尽蔵の電気エネルギーと燃料の双方を得ることのできる高効率で簡便な方法を提供することであり、まずは、各家庭単位でその使用エネルギーを安価で補うシステムとして利用することが可能である。そのことは、人類文明は、正しく各家庭の集合体であり、その一つ一つの単位のエネルギー事情を改善することが大きくは世界のエネルギー事情を改革することとなる。このシステム（図１）は、言うまでもなく容易に工場など大きなプラントに対応させることは可能である。翻って言えば、各家庭単位で簡便に利用できるシステム（図１）でなければ成熟した技術システムとは言えない。

本発明は、熱電変換素子のゼーベック効果を利用し、マイクロバブル発生装置を使用しマイクロバブルを生じさせた水道水に水酸化ナトリウムなどの電解質を５重量％添加した水溶液に超音波を照射することにより水溶液温度を上昇させ、加えて、同時に水溶液を電気分解して水溶液温度を更に上昇させて温度差を拡大し発電効率を高めると共に、水溶液の電気分解により生じる水素２体積に対する酸素１体積の正確な比率を持つ水素と酸素の混合気である原子水素ガスを採取して燃料とする方法である。

上述の水素と酸素の混合気である原子水素ガスを採取して燃料とする方法とは、図２において示す、水素と酸素の混合気である原子水素ガスの爆縮反応を利用したピストンエンジン型内燃機関による回転動力の創造であり、図２の１の行程にて燃焼室（Ｅ）に原子水素ガスを吸ガス弁（Ａ）を通じて充満させる。この時、同時に排水弁（Ｂ）より爆縮の結果生じた水を排水して弁を閉じる。弁は燃焼室（Ｅ）の外側に引かれて開くものであり爆縮時に生じる真空によって吸引され燃焼室（Ｅ）の内側へは開かれない構造とする。その時、ピストン（Ｄ）は、最下点にあり、燃焼室（Ｅ）の容積は最大となる。

上述のピストンエンジン型内燃機関において、図２の２の行程では、燃焼室（Ｅ）に充満した原子水素ガスに点火装置（Ｃ）にて点火し、爆縮（Ｇ）を起こし、生じる真空によって吸引力が発生し、その吸引力でもってピストン（Ｄ）を引き上げる。この時、吸ガス弁（Ａ）は排水弁（Ｂ）と同様に閉じられており、弁は燃焼室（Ｅ）の外側に引かれて開くものであり爆縮時に生じる真空によって吸引され燃焼室（Ｅ）の内側へは開かれない構造とする。次に、図２の３の行程では、爆縮によりピストン（Ｄ）は、最上点に引き上げられており、図２の４の行程で、吸ガス弁（Ａ）が開き、原子水素ガスが吸入されてその圧力でもってピストン（Ｄ）は最下点へと押し下げられる。結果、ピストン（Ｄ）の上下運動が円運動に変化されて回転動力が生じる。その、回転動力を、さまざまな物理的作用に利用し、かつ、電力に転化することも可能である。

叙上のような、ピストンエンジン型内燃機関は、単体で用いても良いが、その行程間のピストン（Ｄ）にかかるエネルギーを均等化し上下運動を円滑にするために、各行程をずらせた複数体を組み合わせて使用することを推奨する。

水素と酸素の混合気である原子水素ガスを採取して燃料とする方法で、図３に示す、水素と酸素の混合気である原子水素ガスの爆縮反応を利用したロータリーエンジン型内燃機関の回転動力の創造もしかりである。図３の吸ガス弁（Ａ）より充填された原子水素ガスに点火装置（Ｃ）により点火し、爆縮（Ｇ）を起こし、生じた真空の吸引力で変芯された三角形をしたローター（Ｆ）の上部頂点を引き寄せ、ローター（Ｆ）を回転させ、爆縮によって生じた水を排水弁（Ｂ）より排出し、吸ガス弁（Ａ）にて原子水素ガスが充填された他の一辺が点火装置（Ｃ）にて点火され、さらにローター（Ｆ）が回転し、その行程が繰り返されて回転動力を生じせしめる。その、回転動力を、さまざまな物理的作用に利用し、かつ、電力に転化することも可能である。なお、吸ガス弁（Ａ）と排水弁（Ｂ）は内燃機関の外側に引かれて開くものであり爆縮時に生じる真空によって吸引され内燃機関の内側へは開かれない構造とする。

叙上のような、ロータリーエンジン型内燃機関は、単体で用いても良いが、その行程間のローター（Ｆ）にかかるエネルギーを均等化し回転運動を円滑にするために、各行程をずらせた複数体を組み合わせて使用することを推奨する。

水素と酸素の混合気である原子水素ガスを採取して燃料とする方法の一つが、図４に示す水素と酸素の混合気である原子水素ガスの爆縮反応（Ｇ）を利用して発電用タービン（Ｊ）を回し発電する方法である。図４の１の行程において、燃焼室（Ｅ）に充満した原子水素ガスに点火装置（Ｃ）でもって点火し、その爆縮（Ｇ）にて生じた真空によって新たな原子水素ガスを燃焼室（Ｅ）に吸引し、原子水素ガスの流力で発電用タービン（Ｊ）を回転させる。点火のとき吸ガス弁（Ａ）は閉じており、図４の２の行程で真空が生じたとき燃焼室の内側へ向かって開き新たな原子水素ガスを導き入れる。排水弁（Ｂ）は、原子水素ガスが充満したときの点火までの瞬間に開き、爆縮で生じた水を排出する。排水弁（Ｂ）は燃焼室（Ｅ）の外側へ向かって開き、内側へは開かない。発電用タービン（Ｊ）の回転力を増すために、発電用タービン（Ｊ）が設置されている巻貝状吸ガス筒（Ｋ）の形状は考案されている。燃焼室（Ｅ）へ近づくほど筒の直径は小さくなり、原子水素ガスの流力は上昇する。この発電用タービン（Ｊ）の回転動力は、発電のみにとどまらずさまざまな物理的作用に利用することも可能である。

叙上のような、巻貝型燃焼機関は、単体で用いても良いが、その行程間の発電用タービンの回転運動を円滑にするために、各行程をずらせた複数体を組み合わせて使用することを推奨する。

本発明により生産される電力及び原子水素ガスは、生産における消費エネルギーが少なく、その生産過程と使用において、二酸化炭素など環境を破壊する排出物が生じない安全かつ無尽蔵のエネルギーであり、化石燃料の使用を原因とした二酸化炭素の排出によりもたらされる地球温暖化現象の地球規模の脅威を防ぐ。無駄なく、無公害、無尽蔵で、各家庭単位でその使用エネルギーを安価で補うシステムとして利用することが可能である。そのことは、人類文明は、正しく各家庭の集合体であり、その一つ一つの単位のエネルギー事情を改善することが大きくは世界のエネルギー事情を改革することとなる。このシステムは、言うまでもなく容易に工場など大きなプラントに対応させることが可能であり、公害を生ぜず低開発国の先進国並みの発展を容易とし、世界より貧困を無くし、テロの無い平和な世界を実現することができる。

温度差発電による発電と水素と酸素の混合気である原子水素ガス発生器より燃焼機関に至るシステム概略図の上面図。 水素と酸素の混合気である原子水素ガスの爆縮反応を利用したピストンエンジン型内燃機関の構造概略図。 水素と酸素の混合気である原子水素ガスの爆縮反応を利用したロータリーエンジン型内燃機関の構造概略図。 水素と酸素の混合気である原子水素ガスの爆縮反応を利用してタービンを回し発電する巻貝型燃焼機関の構造概略図。

マイクロバルブは、直径が５０ミクロン以下の気泡であり、水中で縮小してついには消滅する特徴を持つ。気泡は液体との界面に取り囲まれていて、液体の表面張力が作用している。表面張力はその表面を小さくしようとする。従って、気泡には常にその内部を圧縮する力が働く。そして、加圧された気泡は圧壊して消滅するが、消滅の瞬間には無限大の圧力が生じ、そのために気泡内は高温となる。この極限の反応場では内部の気体分子は強制的に分解され酸素や水素のフリーラジカルが発生する。

マイクロバブル発生装置により発生するマイクロバブルの圧壊現象は数十秒ときわめて緩慢であるが、超音波を照射したとき、超音波の陰圧時に生じたキャビテーションの気泡が次にくる高い圧力波により急激に縮小する。この作用は、マイクロバブル発生器により発生している気泡にも圧壊時に発生する衝撃波にて圧力を与え、マイクロ秒単位での圧壊現象が高密度で生じる。そのことにより、微細な空間であるが極限反応場において数千気圧、数千度の反応が生じ、隣接する気泡内の圧力と温度は急上昇し、その連鎖により水溶液の温度を約１００度に上昇させる。また、その超高温度により酸素や水素のフリーラジカルの発生、即ち、原子水素ガスの発生も促進される。

マイクロバブル発生装置によるマイクロバブルの生成と超音波照射による圧壊現象の顕著化、加えて、水溶液を電気分解して、さらに、原子水素ガスの発生を促し、水溶液の温度を上昇させる。その仕組みは、マイクロバルブの水溶液との界面にはＨ＋、ＯＨ−などのイオン類が存在し、その静電気的な反発力が各気泡が融合しマイクロバブルの密度を低下させることを防いでいる。くわえて、気泡と水溶液との界面に存在するイオンが、気泡の縮小と共に濃縮され電位が急激に増加して行き、気泡の殻のような存在となり縮小を鈍化させ気泡の一時的な安定化を生じさせる。水溶液の電気分解は、気泡と水溶液の界面に存在するＨ＋をＨ２にＯＨ−をＯに分子化させ、イオンが濃縮された殻を破壊させることにより、このような安定化を取り除き、急激な縮小を促進させる。特許出願２００７−３０４８２５などは、電気分解の役割をマイクロバルブの発生手段とのみ位置づけているが、それは電気分解の持つ単なる一つの作用に過ぎず、マイクロバブル縮小過程での、イオンが濃縮されて起こる安定化を取り除く手段としての重要な役割を認識すべきである。

熱電変換素子にはゼーベック効果という性質がある。二つの半導体を直列につなぎ、素子の片側を過熱し温度差を与えると起電力が発生し、エネルギーの高い高温面からエネルギーの低い低温面に電子またはホールが移動し電流が流れる。これをゼーベック効果という。

ゼーペック効果を生み出す熱電変換素子は、０℃から１００℃の室温付近で最も高い性能を示すＢｉ−Ｔｅ系熱電素子を使用する。各家庭での補助電力として期待でき、単位面積当たりの発電量は太陽電池のそれを大きく上回る。

このシステム（図１）の原子水素ガス製造プラント（図１の２）は、耐蝕性と放熱性を兼ね備えた１００ミクロンを超える厚い陽極酸化膜を生成させた、構造強度が比較的高いアルミ合金を用いる。筐体の形状は、原子水素ガスの採取装置のついた密閉型集ガス蓋（図１の１２）付の六面体であり、その各面に熱電変換素子を可能な限り取り付けて発電効率をあげる。電気分解による水溶液の濃度変化をＰＨにて管理し、自動注水機能を付与することにより機器の腐食を防ぐ必要があることは言うまでもない。

安価な深夜電力を使用して、原子水素ガスを製造、貯蔵して化石燃料に代わる無公害の補助燃料として家庭で使用する。

ガソリンに代わる自動車の燃料として使用し、太陽光発電電力や太陽熱発電電力とハイブリッド方式にて使用可能である。原子水素ガスは、化学式ＨＨＯのガスであり、その分子構造により水素脆化を起こす事無く貯蔵は容易であり、水素の混合量が６７％であり爆発限界の６４％とは異なるので爆発には至らない。燃える場合は、爆縮を起こし周りを真空とし、燃え広がることは無い。故に、燃料補給は家庭で行うことも可能である。

熱電変換素子は、原子水素ガス製造プラントより積極的に生じさせた高温と大気温度との温度差発電を可能として、ゼーペック効果より生み出される無公害電力を家庭で使用する電力の補助電力として利用する。

本発明は、各家庭の消費エネルギーを簡便かつ安全、安価に補うことを目的とする。人類文明は、正しく各家庭の集合体であり、その一つ一つの単位のエネルギー事情を改善することが大きくは世界のエネルギー事情を改革することとなる。このシステムは、言うまでもなく容易に工場など大きなプラントに対応させることが可能であり、公害を生ぜず低開発国の先進国並みの発展を容易とし、世界より貧困を無くし、テロの無い平和な世界を実現することができる。

［図１］
１． 温度差発電用蓄電池
２． 原子水素ガス製造プラント
３． マイクロバブル発生装置
４． 超音波発生装置
５． 原子水素ガス送気管
６． 原子水素ガス溜め槽
７． 加圧装置
８． 除湿機
９． バックファイヤー防止器
１０． 内燃機関または燃焼機関
１１． 電解電極
１２． 密閉型集ガス蓋
１３． 自動給水装置
［図２図３図４］
Ａ． 吸ガス弁
Ｂ． 排水弁
Ｃ． 点火装置
Ｄ． ピストン
Ｅ． 燃焼室
Ｆ． ローター
Ｇ． 爆縮
Ｈ． 吸ガス行程
Ｉ． 排水行程
Ｊ． 発電用タービン
Ｋ． 巻貝状吸ガス筒

Claims (4)

1. マイクロバブル発生装置（図１の３）を使用し、マイクロバブルを生じさせた水道水に水酸化ナトリウムなどの電解質を５重量％添加した水溶液に超音波（図１の４）を照射することにより水溶液温度を上昇させ、水溶液と常温大気との温度差を生じせしめ、その温度差を利用したゼーペック効果にて発電する方法。
2. 上記の請求項１の方法にて発電するにあたり、加えて、同時に水溶液を電気分解（図１の１１）して水溶液温度を更に上昇させて温度差を拡大し発電効率を高めると共に、水溶液の電気分解により生じる水素２体積に対する酸素１体積の正確な比率を持つ水素と酸素の混合気である原子水素ガスを採取して燃料とする方法。
3. 水素と酸素の混合気である原子水素ガスの爆縮反応（図２図３のＧ）を利用して内燃機関でもって動力を取り出す方法。
4. 水素と酸素の混合気である原子水素ガスの爆縮反応（図４のＧ）を利用してタービン（図４のＪ）を回し発電、または、動力を得る方法。

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