JP2012044851A - 自動自立式エネルギー発生システム - Google Patents

Abstract

【課題】 運転開始時を除いて、外部電源入力を不要とする自動自立式エネルギー発生システムの構成法を提供すること、及びこのシステム構成法に基づき、バルクハウゼン効果を応用したＬＥＤ照明用の自動自立式エネルギー発生装置を提供する。
【解決手段】
バルクハウゼン効果を応用した複合強磁性材のコアに、高電導性超小径ワイヤを巻き付けたコイルと外部回転磁気との機器構成で、重複高周波の電気出力パルスを生成するエネルギー発生装置を提供する。この装置は、消費効率（発生出力／回転磁界を得るための回転に消費される入力エネルギー）が１を超える程度に起動トルクが小さいことが特徴である。所要の回転磁界を得るために、起動時は外部電源から入力するが、回転に消費される入力エネルギーを超える出力到達後には、その装置の発生出力の１部を、回転を得るための入力電源として帰還することにより、電源入力を不要とする自動自立のシステム構成を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、運転起動時を除いて入力電源を不要とする自動自立式のエネルギー発生システムの構成法及びそのシステム構成を実現する出力発生装置に関する。

火力発電や風力発電機のようなエネルギー変換装置の場合、得られる電気出力は入力エネルギー以下、即ちエネルギー変換効率（出力エネルギー／入力エネルギー）は１以下である。一方、エアコンのようにヒートポンプの原理を応用したり、異なる磁気特性を内蔵した複合磁性ワイヤを使用しバルクハウゼン効果を応用した出力発生装置の場合、出力を得る主系統とは独立の系統から入力電源を補助的に使用し、エネルギーを系外（外界など）から主系統に取り込んだり（エアコンの場合）、または新たに生み出しており（バルクハウゼン出力装置の場合）、その結果エネルギー消費効率（出力／消費電力）は１を超すことが可能となる。

しかし、エネルギー消費効率が１を超す従来のエネルギー発生装置で、補助的に使用している入力源として、家庭内などの母線や風力などが使用されているが、前者の場合には電力の消費となり、風力の場合特に集住地区で頻発するカットイン風速以下ないし無風状態では無出力状態となる。後者の無出力問題は小型風力発電機の家庭内への普及に対する大きな障壁となっている。

また、コアに異なる磁性を有する複合強磁性ワイヤを使用したコイルと永久磁石を組み合わせてバルクハウゼン効果によって発生する電気出力パルスは、シャープな立ち上がりを示しセンサーとして有効で、従来から多用されているが、その積分値は小さく家庭内照明を得る実用的な出力発生装置としては、皆無もしくは開発段階である。

そこでバルクハウゼン効果を応用して実用的な出力を得るために、パルスの重複連続発生を促す方法として、磁石の極数ないしコイル設置数を増やすことが考えられるが、
▲１▼外部磁石を多く使用し極数を増やす場合、磁極が交わらない様にするためには円盤径が大きくしなければならない。因みに外周に磁石を８個装着する場合の直径は１３０φ程度になり、重量と慣性モーメント及びコギングが大きくなり、起動トルクは大きくなる。
▲２▼コイルを多数の５０個使用する場合、円盤直径は１２０ｍｍ程度に成り、磁石は２個有ってもコイル内部のワイヤーに磁気が引きよせられ、▲１▼よりは径は小さくできるが、やはり慣性モーメントは大きくなり始動トルクは大きくなる。またコイル設置数は多すぎても互いに干渉して、高い出力は得られない。
以上▲１▼、▲２▼の事から、パルスの重複連続発生を促すために、単にコイルと磁石を多数装着するだけでは、起動トルクが大きくなり、本発明の要である自動自立式エネルギー発生システムの実現は困難となる。
特開２００１−０４９３６４ 特開２００９−０３０１４６ ＰＡＴ 日本第４２３０２１８号、米国第６９１３６５７

課題▲１▼：エネルギー消費効率が１を超すエネルギー発生装置で、補助的に使用されている外部入力源を、起動時を除いて不要とし、かつ風車利用の場合カットイン風速以下ないし無風時の無出力状態を解消すること。

課題▲２▼：エネルギー発生装置からの定格出力の１割程度以下で起動可能な程度、または風力使用の場合０．３ｍ／ｓ程度の微風速で回転可能な程度の起動トルクで、バルクハウゼン効果による電気出力パルスを、連続的かつ効率よく発生させ、家庭内ないし所内個室用のＬＥＤ照明としての実用的な出力を得ること。

▲１▼上記で指摘した課題▲１▼を解決するための手段として、エネルギー消費効率が１以上となるエネルギー発生装置からの出力の１部を、その装置で補助的に使用している入力電源に帰還することにより、運転開始時を除いて、電源入力を不要とするシステム構成を特徴とする。ここで補助的に使用している入力電源で必要とするエネルギーは、エネルギー発生装置からの出力以下であることが前提である。

▲２▼上記で指摘した課題▲２▼を解決するための手段として、中心部と外周部とで異なる磁気特性を有する複合強磁性ワイヤ複数本をコアとし、その外周に高電導性超小径ワイヤ（特開２００１−０４９３６４、特開２００９−０３０１４６、ＰＡＴ 日本第４２３０２１８号、米国第６９１３６５７、特開２００９−２３５５５７：Ａｇ製ワイヤは特に有望）を巻いたコイル（バルクハウゼンコイル）を、小径円筒（直径７０ｍｍ以下）の周方向に複数個、更に中心軸方向に位置をずらして配置してステータを構成し、一方このステータに近接して内側に、永久磁石を複数配置した回転円盤を、回転軸方向にコイルと同位置に複数配置してロータを構成し、回転磁界による外部磁気をコイルに近接させた機器構成（大バルクハウゼン出力発生装置）とする。

［複合強磁性ワイヤーの製造方法］
従来の複合磁性ワイヤは、磁気特性の優れた素材、モーターコア用に使用されるケイ素等を使用し（Ｆｅ＋Ｃｏ＋ケイ素 他）、これにねじり応力を加えて作成されているが、ネジリ・線引だけでは中心部と外部とでの磁気特性の変化は小さい。そこで素材の中に加工硬化し易い素材（Ｃ＋Ｃｏ＋Ｖ＋Ｍｎ 他）を加える事で、ネジリと線引による加工硬化即ち応力が増大し、中心部と外周部とで磁気特性が大きく異なるワイヤーを作成できる。

▲１▼バルクハウゼン効果を応用した出力発生装置で、回転磁界を得るためのアクチュエータとして風力を使用する場合、集住地区で頻発するカットイン風速以下での無出力状態を回避でき、小型風力発電機の家庭内への普及に対する大きな障害を取り除くことができる。また消費効率は定義上∞となり、エアコンなど通常の家庭内ないし所内母線での電力消費に対する省エネ効果を向上できる。

▲２▼バルクハーゼン効果を応用した出力発生装置の場合、高電導性超小径電気コイルの採用で、通常コイルにくらべ電磁誘導作用での電圧発生の引出しが効率的に行われ、またバルクハウゼンコイルを複数（２ヶずつ）隣接して配置する事により、外部磁気が近づく時離れる時いずれでも極反転が繰り返し行われ、隣接したコイルに連鎖的に反応して極反転が繰り返され、重複して高周波パルス（ほぼ連続的パルス）を発生できる。更に回転軸方向にコイルの位置をずらして複数の小径円盤を並列して使用する事により、コイルも干渉しない様に多数個装着できる。その結果頻繁な点滅に対して支障を生じないＬＥＤ使用により光が残像の様に残り、この見かけ上の連続した光により実用上の明るさのＬＥＤ照明用発電ユニットが可能となる。

加えて起動トルクも小さいので、回転磁界を得るためのアクチュエータとして風力使用の場合、カットイン風速を０．３ｍ／ｓ程度の微風に低下でき、モータ使用の場合発生出力の１割程度以下の入力電源で起動が可能な小型のマブチモータなどが使用できる。

上記のように、請求項１で提起している自動自立エネルギー発生システムの構想が実用機として可能になるには、請求項２で提起している高電導超小径ワイヤを用いたバルクハウゼンコイルと磁石の配置関係を稠密かつ適切にとることによって、慣性モーメント即ち起動トルクが小さい機器構成で、ほぼ連続した重複高周波パルスを発生できることが重要なポイントになっている。

［重複高周波パルス発生メカニズムの詳細説明］
直径０．３ｍｍ以下の複数強磁性体ワイヤーは、８〜１５ｍＴで磁極が反転し、自ら８〜１５ｍＴの磁力を保持する隣接したコイルに磁極反転を促す。外部磁力の接近時には磁気に近い側のコイルが、離れる時は離れる際の磁気に近い側のコイルが他方の隣接したコイルに磁気反転を促す。更に回転軸方向にコイルの位置をずらして複数の円盤を並列して配置する事により、上記のプロセスがあるタイムラグをもって発生し、位相のずれを有する出力パルスが各円盤で発生する。こうしてワイヤーの本数、コイルの数量と磁極の回転に応じほぼ連続した重複高周波パルスを得ることができる。

バルクハウゼン効果を応用した自動自立式出力発生装置を実現するための最良のシステム構成の手順を以下に示す。
１）バルクハウゼン出力発生装置本体
▲１▼複合強磁性体ワイヤ：Ｆｅ、Ｃｏなど磁気特性の優れた素材の他、加工硬化し易い素材（Ｃ、Ｖ、Ｍｎ他）を加えて、ネジリと線引加工で、中心部と外周部とで磁気特性が大きく異なる複合強磁性体ワイヤーの作製
▲２▼軽量高電導性ワイヤ：高電導性かつ超小径電気ワイヤの作製（特開２００９−０３０１３６など、特にＡｇ製は有望）
▲３▼バルクハウゼンコイル：上記▲１▼を複数本（５本程度）束ねてその周囲に、▲２▼の高電導性超小径ワイヤを巻き付けたコイルを作製し、これを複数（２本）径方向に並べたコイルユニットの作製
▲４▼回転円盤：直径７０ｍｍ程度の円盤の周方向に永久磁石を複数（４個程度）、極を反転させて配置する。
▲５▼ロータ：上記▲４▼の円盤をその回転軸方向に複数配置して、エネルギー発生装置本体のロータ部の作製
▲６▼ステータ：上記▲３▼のコイルユニットを円筒周方向および回転軸方向にずらして複数配置したステータの作製
▲７▼本体構成：上記▲５▼のロータの外側に▲６▼のステータを近接して組み合わせ、エネルギー発生装置本体の構成
こうして、起動トルクが小さく重複高周波の電気パルスを生成するエネルギー発生装置本体としての最良の形態が実現する。
２）アクチュエータ
上記装置本体のロータに回転を与えて回転磁界を作る為のアクチュエータとしては、装置本体の慣性モーメントが小さいので、風車を使用する場合の翼直径は１０数ｃｍ程度で済み、約０．３ｍ／ｓ程度の微風で所要の回転を得ることができ、またモータを使用する場合マブチモータ程度の小型モータでよい。微風以上の風速がある時は風車を使用し、それ以下の風速の場合は、エネルギー発生装置本体からの出力の１部をモータに帰還するよう自動切り替えスイッチで切り替える。
３）帰還回路＆システム構成
こうして、アクチュエータとして風力使用の場合０．３ｍ／ｓ程度の微風で、モータ使用の場合エネルギー発生装置本体からの発生出力の１部（発生出力の１０％を超えない程度）を、モータへの入力電源として帰還させることで、自動自立式エネルギー発生装置が実現できる。

図１は、本発明装置システムの概念図である。図１で、１はエネルギー消費効率が１を超えるエネルギー発生装置（装置Ａ）、２は装置Ａに対するアクチュエータ、３は装置Ａから発生する出力の１部を２のアクチュエータに帰還する回路、４は負荷、５は装置Ａから発生する出力の１部を２のアクチュエータに帰還する自動調節器である。

図２は、エネルギー消費効率が１を超えるエネルギー発生装置（装置Ａ）として、複合磁性ワイヤを使用し大バルクハウゼン効果を応用した出力発生装置の場合のシーケンスを示したものである。図２で、１は複合磁性ワイヤを使用した出力発生装置（大バルクハウゼン出力発生装置）、２−１は風車、２−２はマブチモータ、３は装置Ａの出力の１部を２−２に対する入力電源に帰還する回路、４は負荷である。５は装置Ａから発生する出力の１部を２のアクチュエータに帰還する自動調節器である。回転磁界を得るためのアクチュエータとして、所要の風が吹いている時は風車を使用し、回転磁界が得られない微小風か無風の場合、３の帰還回路を通して７の自動切り替えスイッチで、モータへの自動切り替えを行う。２−１は水車でもよい。

図３は、実施例２において、アクチュエータとしてモータのみを使用する場合である。起動時のモータに対する入力電源は家庭内ないしは所内母線または電池から取り込み、大バルクハウゼン出力発生装置からモータに対する入力電源以上の出力が定常的に得られるようになった後には、その必要入力電源分を、５の自動調節器と３の帰還回路を通してモータに入力される。

図４は、ヒートポンプを応用したエアコンにおいて、９は凝縮器、１０は断熱膨張器、１１は蒸発器、１２はコンプレッサー、１３はコンプレッサーを駆動する蒸気タービンである。１２のコンプレッサーに対する入力源として、起動時は１６の家庭内ないしは所内母線から取り込み、定格運転に達した後は、１４の自動調節器によってコンプレッサーから流出する高温高圧のガスの１部を蒸気タービンに送出する。これに同期して、コンプレッサーに対する入力源を１５の自動切り替えバルブで、母線から１３の蒸気タービンに切り替える。

暖房の場合、蒸発器において熱交換に要する伝熱面積を、従来機に比べ同一出力に対し広くとり、外界からより多くのエネルギーを取り込み、コンプレッサーから排出される高圧高音ガスの１部を蒸気タービンに送り込みコンプレッサーを駆動し、低温化した冷媒は凝縮器と断熱膨張器の間で主循環系に還流するシステム構成である。

図５はバルクハウゼンコイルの外観である。図５の上段左は複合磁性ワイヤ１本のコアからなるバルクハウゼンコイル単体で、上段右は複合磁性ワイヤ複数本のコアからなるバルクハウゼンコイル単体を、下段左は複合磁性ワイヤ複数本のコアからなるコイル１本のユニットで、下段右は複合磁性ワイヤ複数本を内蔵するコイル２本からなるユニットを示す。

図６は、バルクハウゼンコイル２本からなるユニットと磁石の多重配置を示したものである。図６の上段は、１枚の円盤におけるバルクハウゼンコイルユニットと磁石の多重配置を、下段左は、上段の円盤を回転軸方向に多重に重ねた時の回転部分（ロータ）の磁石の配置（４極）を、下段右は、上段の円盤を回転軸方向に多重に重ねた時のステータ部のバルクハウゼンコイルユニットの配置を示したものである。

本発明は当面主として分散型電源として家庭内など個室用の小出力（数十ワット級）を念頭においているが、公園、鉄道駅構内などの公共施設における街灯としての利用の他、登山・ハイキングなどのレジャーや災害時などの携帯用ないし非常用発電機（この場合起動時の回転は手動（手回し）とし、その後はマブチモータ使用）としての利用などが期待される。加えて世界には現在２０億人の人たちが照明の無い生活を余儀なくされており、この人たちに大きな光を与えることが期待される。

本発明における自動自立システムのエネルギー消費効率は、起動時を除いて定義上∞となり、エアコンに応用した実施例４の場合、家庭は勿論産業上の利用可能性も期待される。

自動自立式エネルギー発生システム構成の概念を示した説明図である。（実施例１） 図１の概念図のエネルギー発生装置本体として、大バルクハウゼン効果を応用した場合で、回転磁界を得るためのアクチュエータとして風力とモータを併用した場合のシステム構成を示した説明図である。（実施例２） 図１の概念図のエネルギー発生装置本体として、大バルクハウゼン効果を応用した場合で、回転磁界を得るためのアクチュエータとしてモータを用いた場合のシステム構成を示した説明図である。（実施例３） 自動自立式エネルギー発生システムの構想を、エアコンに応用した場合のシステム構成を示した説明図である。（実施例４） 図１の概念図のエネルギー発生装置本体として、大バルクハウゼン効果を応用した場合に使用されるバルクハウゼンコイルを示した説明図である。（実施例５） 図１の概念図のエネルギー発生装置本体として、大バルクハウゼン効果を応用した場合に使用されるバルクハウゼンコイルユニットと磁石の多重配置を示した説明図である。（実施例５）

１ 消費効率が１を超えるエネルギー発生装置
２ アクチュエータ（１に回転磁界などを与えるための駆動源）
３ 帰還回路
４ 負荷
５ 出力の１部をアクチュエータに帰還する自動調節器
６ 外部電源
７ 自動切り替えスイッチ

Claims (5)

1. エアコン等に省エネルギーの指標として使用されているエネルギー消費効率（能力／消費電力）が１を超えるエネルギー発生装置（装置Ａ：例えばバルクハウゼン効果を応用した発電機やヒートポンプを利用したエアコンなど）において、装置Ａに対するアクチュエータ（バルクハウゼン効果を応用した発電機の場合の回転磁界生成用の風車やモータ、ヒートポンプの場合のコンプレッサーなど）を作動させるための入力源として、装置Ａと独立した系統（外部電源など）があり、そのような装置Ａの発生出力の１部を、そのアクチュエータに対する入力電源として帰還することにより、運転開始時を除いて、外部電源入力を不要とすることを特徴とした自動自立式エネルギー発生システムの構成法。
2. 前記エネルギー発生装置（装置Ａ）において、中心部と外周部とで異なる磁気特性を有する複合強磁性ワイヤ複数本をコアとし、その外周に高電導性超小径ワイヤ（特開２００１−０４９３６４、特開２００９−０３０１４６、ＰＡＴ 日本第４２３０２１８号、米国第６９１３６５７、特開２００９−２３５５５７）を巻いたコイル（以下バルクハウゼンコイル）と外部回転磁気との機器構成で、請求項１記載のエネルギー消費効率が１を超えることを可能とするエネルギー発生装置（以下大バルクハウゼン出力発生装置）。コイルと外部回転磁気との機器構成は、上記バルクハウゼンコイルを、小径円筒（直径７０ｍｍ以下）の周方向に複数個、更に中心軸方向に位置をずらして配置してステータを構成し、この円筒内側に永久磁石を複数配置した回転円盤を、回転軸方向にコイルと同位置に複数近接させてロータを構成し、円盤の回転によって重複かつ高周波の電気出力パルスを発生することができ、同時に起動トルクが小さいことを特徴とする。
3. バルクハウゼン効果を応用しエネルギー消費効率が１を超える出力発生装置（請求項２を含む）において、所要の回転磁界を得るために、起動時には手動（手回し）、風力、モータなどによる入力源を必要とするが、これにより所要の回転磁界が出来た後には、バルクハウゼン効果によって新たに発生する出力の一部を、回転磁界を得るための電気式アクチュエータ（モータ等）への入力電源として帰還し、請求項１のシステム構成を具現化した自動自立のエネルギー発生装置。
4. バルクハウゼン効果を応用しエネルギー消費効率が１を超える出力発生装置（請求項２を含む）において、回転磁界を得るために風車を用いる場合で、所要の回転数が得られない微小風か無風の場合、出力発生装置からの出力の１部を、回転を得るための電気式アクチュエータ（モータ等）に帰還し、所要の風が吹いている場合は風力による回転を得る方式に自動切換えを行う装置で、請求項１のシステム構成を具現化したエネルギー発生装置。
5. ヒートポンプを利用したエアコンにおいて、従来機に比べ同一出力に対し外界との熱交換に要する伝熱面積を大きくとり熱交換量を増大し、起動時においては家庭内などの母線からの外部電源を入力するが定常運転到達後は、コンプレッサーから排出される高圧高音ガスの１部を蒸気タービンに送り込んでコンプレッサーを駆動し、低温化した冷媒は断熱膨張器の流入部で主循環系に還流する自動自立式エアコンで、請求項１のシステム構成をヒートポンプで具現化した装置である。

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