JP2013172638A - ガス燃焼熱を電気に変換する方法およびガス燃焼熱発電機並びにガス燃焼熱発電機の製造法法 - Google Patents

Abstract

【課題】一般家庭でも安心して使用できるガスを燃料とした発電機を提供すること。
【解決手段】（イ）所定の寸法の磁性体板を適度な隙間をもって環状に並べて磁性体ロ−タ−１とし、回転体２で支持する。（ロ）磁性体ロ−タ−１の円周側面に、磁石３を置き磁場を作る。（ハ）磁場の一部は、低温に保って磁性体板の磁化を強めておく。（ニ）磁場の特定域を、ガスバ−ナ−４、５の燃焼炎で集中加熱して、磁性体板の磁化を弱めて回転エネルギ−を生じさせ、この回転エネルギ−で発電機１５を回して発電する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガス燃焼熱を電気に変換する方法およびガス燃焼熱発電機並びにガス燃焼熱発電機の製造方法に関するものである。

従来、ガス燃焼熱を利用した発電機としては、蒸気タ−ビン発電機やガスタ−ビン発電機があるが、これらは大型で一般家庭で簡単に利用できるものではなかった。

ガスや石油を燃料とした、エンジン式の小型発電機が販売されているが、騒音があり、排気ガスが出るため、室内での使用には難があり、屋外での使用に限られている。

特開平２−１０６１８３（磁性流体熱機関） 特開平６−１４１５７１（磁性体熱機関） 特開平６−１４１５７２（磁性体エンジン）

見城尚志著、（モ−タ−のＡＢＣ）、講談社出版、Ｐ１９６〜Ｐ１９９ 神山新一著、（磁性流体入門）、産業図書出版、Ｐ１１３〜１１７

本発明は、従来の課題を解決し、一般家庭でも安心して使用できるガスを燃料とした発電機を提供する目的からなされたものである。

上記の課題を解決する本発明は、以下の通りである。
（イ）所定の寸法の磁性体板を適度な隙間をもって環状に並べて磁性体ロ−タとし、回転 体で攴持する。
（ロ）磁性体ロ−タ−の円周側面に、磁石を置き磁場を作る。
（ハ）磁場の一部は、低温に保って磁性体板の磁化を強めておく。
（ニ）磁場の特定域で磁性体板を、ガスバ−ナ−の燃焼炎で集中加熱して、磁性体板の磁 化を弱めて回転エネルギ−を生じさせ、この回転エネルギ−で発電機を回して発電 する。
以上を特徴としたガス燃焼熱を電気に変換する方法およびガス燃焼熱発電機並びにガス燃焼熱発電機の製造方法を提供できたものである。

本発明の最大の特長は、磁性体ロ−タ−を幅と厚さが均一で連続した固体磁性体ではなく、磁性体板を適度な隙間をもって環状に並べて磁性体ロ−タ−としたことによって、加熱、冷却効率が飛躍的に向上した事と、ガスバ−ナ−の燃焼炎で集中加熱することによって、低温域と高温域の境界で磁化の強さを激変させることができたことにより、発電機を回せるだけの強いトルクの回転エネルギ−を生じさせることができたことである。

ガスバ−ナ−の燃焼炎は、プロパンガスでも容易に千数百度の高温を得ることができ、燃焼炎が勢い良く集中して直進するので、瞬間加熱ができる特長がある。

従来、熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換するための作業物質は、気体であり、気体の体積膨張や圧力上昇であったが、本発明の作業物質は磁性体であり、そのキュリ−温度近傍の磁化の急激な変位によるものであって、エネルギ−変換のメカニズムは、根本的に全く異なる新たな方法を実現できたものである。

磁性体のキュリ−温度近傍の急激な磁化の変位を利用した熱磁気発電機は、［非特許文献２］に記載されているように、過去に、ト−マス・エジソンやニコライ・テスラによって発表されていますが実用化には至っていません。

本発明も、磁性体のキュリ−温度近傍の急激な磁化の変位を利用した加熱と冷却の熱サイクルによるものであるから、基本的に低速回転ではあるが、前記所作を講じた事に加え近年、レアア−スを使用した希土類磁石が出現し、容易に強力な磁場が作れるようになった事で、発電機を回せるだけの実用的なトルクの回転エネルギ−が得られるようになり実現できたものである。

ト−マス・エジソンの熱磁気発電機は熱エネルギ−を直接電気に変換する革新的な考案であるが、固体磁性体に１秒間に数十回の熱サイクルを与える事は、現実的には困難であり、本発明は熱エネルギ−を一旦回転エネルギ−に変換し、この回転エネルギ−で発電機を回して発電して電気に変換することができたものである。

本発明のガスの燃焼は、一般家庭で日常使用されているガスコンロ同程度に安全なものであり、二酸化炭素の排出も少なく騒音も少ないものである。

本発明は東日本大震災、福島第一原子力発電所事故を契機に、災害時に、せめてテレビ１台、電球１個が使える低価格で安全な発電機を作りたい、そんな思いからなされたものであり、それを可能とするものである。

本発明の原理を示す側面図である。 本発明の原理を示す正面図である。 本発明のガス燃焼熱発電機の実施例の側面図である。 本発明のガス燃焼熱発電機の実施例の中央断面図である。 本発明のガス燃焼熱発電機の他の実施例の断面図である。 本発明のガス燃焼熱発電機の他の実施例の底面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の原理を示す側面図で、図２はその正面図である。

図３は本発明のガス燃焼熱発電機の実施例の側面図で、図４はその中央断面図である。

本実施例は、所定の寸法の磁性体板を適度な隙間をもって環状に並べて磁性体ロ−タ−１としたものであるが、実施においては、所定の幅のある磁性体板を所定の長さで折り曲げたり、所定の幅と厚さのある固体磁性体に適度な間隔で溝を入れたり、穴をあけたり、押し出し成形や鋳型での一体成形でもよく、また、無数の棒状、針状、管状、編目状等の磁性体を用いてもよい。

磁性体ロ−タ−１は、ガスバ−ナ−５の燃焼炎によって急速に加熱でき、低温域と高温域間の熱伝導を低減できる形状であればいずれでもよく、基本的には、幅と厚さが均一で連続した固体磁性体以外はいずれも使用できる。

本実施例は、磁石３とガスバ−ナ−５、ガスバ−ナ−４を斜め位置に配置した実施例であるが、この様に傾きを付けると、ガスバ−ナ−５の燃焼熱が、断熱板６によって仕切られた低温域に伝導することを低減することができる以外に、ガスバ−ナ−５の余熱を上昇気流によって、回転運動進路方向の全磁場内にある磁性体板に供給できる効果があり、上昇気流は回転運動にも寄与する。

本実施例は、ガスバ−ナ−４とガスバ−ナ−５の２系統のガスバ−ナ−を用いた実施例であるが、ガスバ−ナ−４は、基本的には、回転運動を得る起動時に使用するので、必ずしも必要なものではなく、実施においては、ガスバ−ナ−５の１系統だけにし、起動時にガスバ−ナ−４の位置から加熱を始め、徐々にガスバ−ナ−５の位置方向に移動し、起動後は、ガスバ−ナ−５の位置で固定してもよい。

起動時には、断熱板６によって仕切られた磁場の一部は低温に保って、磁性体板の磁化を強めておき、それ以外の回転運動進路方向の全ての磁場中にある磁性体板を加熱して、磁化を弱める必要があり、ガスバ−ナ−４は主にその為のものである。

これまでの経験に基づいて説明すると、直径約８０ｍｍの円周に、厚さ１ｍｍ幅１５ｍｍ長さ１０ｍｍのニッケル板を、２ｍｍの隙間をもって環状に並べて磁性体ロ−タ−１とし、燃焼炎温度１２００度のガスバ−ナ−５で加熱した場合の回転速度は、１回転２秒前後と推定され、秒速約１２０ｍｍとなる。

ニッケルのキュリ−温度は３５８度であり、これを燃焼炎温度１２００度のガスバ−ナ−５で集中加熱すると瞬時に磁化を失い、磁化を失ったニッケル板は素早く回転進路方向に移動すると同時に、低温に保たれて磁化しているニッケル板がこの領域に移動して加熱されて磁化を失うメカニズムが繰り返され回転運動が継続することになる。

前記の回転速度は回転運動が安定した状態での数値であり、低温域の温度を約２００度と仮定した場合の数値であり、起動時のみは常温からの加熱となるので低速となる。

磁性体の磁化の変位はキュリ−温度近傍で急激におこるので、加熱後の磁性体板を常温まで冷却する必要はなく、ニッケルの場合は約２００度位までの冷却で十分である。

従って、起動時を除いた安定時においては、約１６０度の加熱と１６０度の冷却で済むことになるので、回転速度も速くなる。

磁石３の幅を２０ｍｍと仮定すると、作られる有効磁場は、３０〜４０ｍｍの範囲であり、ガスバ−ナ−５で加熱された磁性体板が、回転運動進路方向の磁場を抜け出す時間は０・２〜０・３秒の短い時間である。

ガスバ−ナ−５で加熱された磁性体板には、潜熱があることに加え、ガスバ−ナ−５から高温の余熱が供給されるので、この短い時間内に温度が低下することは少ない。

従って、起動後もガスバ−ナ−４で加熱を続けることは、磁性体板の温度を上げるだけで、回転運動に寄与することではなく、むしろ、磁性体板の冷却を妨げることになり、燃料の無駄となる。

従来の方法は、磁場の一部は低温に保ち、それ以外の回転運動進路方向の全ての磁場を加熱する、広範囲の分散加熱であった為熱効率が低かった。

本発明は、磁場の一部は低温に保ち、磁場の特定域で磁性体板を、ガスバ−ナ−５の燃焼炎で集中加熱して、磁性体板の磁化を急激に弱めると同時に、磁性体板に十分な潜熱を与え、ガスバ−ナ−５の高温の余熱によって磁性体板の温度低下を少なくできるので、発電機を回すだけの強いトルクの回転エネルギ−を得る事ができる。

本発明あるいはこれに類似した熱機関において、熱エネルギ−が力学的エネルギ−に効率良く変わる領域は磁場端面近傍の低温と高温の境界域の狭い範囲であり、この境界域にある磁性体をいかに素早く加熱して磁化を弱めるかが重要であり、この意味で高い燃焼温度が得られるガスバ−ナ−５での集中加熱は極めて有効なものである。

本発明の実施例図３、図４に示すように、熱交換器１２、冷却器１３を設けると、与えられた熱エネルギ−の大部分を回収して利用できるので、総合熱効率の高いシステムを構築できる。

本実施例は、熱交換器１２は磁性体ロ−タ−１に非接触での間接冷却、冷却器１３は液体を入れて磁性体ロ−タ−１を直接冷却する実施例であるが、実施においては熱エネルギ−の回収あるいは冷却は間接的、直接的いずれでもよく、自然冷却でもよい。

熱エネルギ−を熱交換器１２で回収して蒸気を発生させ、手段を講じて回転体２の回転エネルギ−に加えることもできるし、別個の蒸気タ−ビンを回転させたり、キュリ−温度が数十度の磁性体を使用した、本発明同様または類似した回転機の加熱源としても利用できる。

図４の断面図で磁性体板のほぼ中央に穴があけてあるが、このようにするとガスバ−ナ−５の高温の余熱を回転運動進路方向の磁性体板に効率良く供給することができ、また冷却器１３に液体を入れて磁性体ロ−タ−１を直接冷却する場合に、移動抵抗が少なく、液切れも良くなる効果もある。

磁石３の温度が上がると磁界が弱くなるので、熱対策が重要であり、本実施例の様に磁石３を断熱板６をもって断熱したり、磁石３に放熱器を付けたり、強制空冷や水冷をして磁石３の温度上昇を押さえることも重要である。

発電機１５は直流発電機、交流発電機のいずれも使用できるが、回転軸７の回転は低速回転であるから一般汎用の発電機を使用する場合には、変速機１６により回転速度を上げて発電機を回して発電することができる。

発電機１５が低速回転に対応した多極型あるいは変速機内蔵型の場合は、変速機１６は必要なくなる。

図５は磁性体ロ−タ−１を水平に配置した本発明のガス燃焼熱発電機の他の実施例の断面図であり、図６はその底面図である。

本実施例はガスバ−ナ−５の余熱を断熱板１４によって回転進路方向に供給している。

実施例は２個の磁場を設けた例で、実施においては径の大きい磁性体ロ−タ−１の側面に複数の磁場とガスバ−ナ−を設けると、強い回転エネルギ−を得ることができる。

実施例はいずれも磁性体ロ−タ−１が１個であるが、実施においては複数個を用いると強い回転エネルギ−を得ることができる。

実施においては磁性体板の表面に適度な凹凸を付けたり、鋸歯状にしたり表面加工を施して加熱、冷却効率を向上させることもできる。

実施例はいずれも磁性体ロ−タ−１が同心円の場合であるが、本発明は磁性体ロ−タ−１が無限軌道の場合でも適応できる。

磁性体として現時点では、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等の強磁性体およびこれらの化合物、金属感温磁性材料、感温フェライト等様々な磁性体を使用できるが、将来的にはレアア−ス等を使用した磁気特性の優れた材料が開発される可能性を秘めている。

感温フェライト等の熱伝導率が低い磁性体を使用する場合は、板状、粒状、粉体の磁性体をアルミニウム等の熱良導体と溶着又は圧着することで加熱、冷却効率を改善できる。

本発明は燃料を一般ガスに限定するものではなく、石油やアルコ−ル等の液体燃料や微粉炭等の固体燃料、酸素と水素の燃焼等にも適応できるものである。

本発明は原理と構成が極めて簡単なものであるから、今後、熱良導体で磁化が強くキュリ−点で磁化率が急変する材料が開発されることと相生して、広範囲の分野で利用できるものである。

１…磁性体ロ−タ−
２…回転体
３…磁石
４…バ−ナ−
５…バ−ナ−
６…断熱板
７…回転軸
８…軸受
９…台
１０・・回転運動方向
１１…鉄心
１２…熱交換器
１３…冷却器
１４…断熱板
１５…発電機
１６…変速機
１７…連結器
１８…発電機固定台

Claims (8)

1. （イ）所定の寸法の磁性体板を適度な隙間をもって環状に並べて磁性体ロ−タ−とし、 回転体で支持する。
   （ロ）磁性体ロ−タ−の円周側面に、磁石を置き磁場を作る。
   （ハ）磁場の一部は、低温に保って磁性体板の磁化を強めておく。
   （ニ）磁場の特定域で磁性体板を、ガスバ−ナ−の燃焼炎で集中加熱して、磁性体板の 磁化を弱めて回転エネルギ−を生じさせ、この回転エネルギ−で発電機を回して 発電する。
   以上を特徴としたガス燃焼熱を電気に変換する方法。
2. （イ）所定の寸法の磁性体板を適度な隙間をもって環状に並べて磁性体ロ−タ−とし、 回転体で支持する。
   （ロ）磁性体ロ−タ−の円周側面に、磁石を置き磁場を作る。
   （ハ）磁場の一部は、低温に保って磁性体板の磁化を強めておく。
   （ニ）磁場の特定域で磁性体板を、ガスバ−ナ−の燃焼炎で集中加熱して、磁性体板の 磁化を弱めて回転エネルギ−を生じさせ、この回転エネルギ−で発電機を回して 発電をする。
   以上を特徴としたガス燃焼熱発電機。
3. （イ）所定の寸法の磁性体板を適度な隙間をもって環状に並べて磁性体ロ−タ−とし、 回転体で支持する。
   （ロ）磁性体ロ−タ−の円周側面に、磁石を置き磁場を作る。
   （ハ）磁場の一部は、低温に保って磁性体の磁化を強めておく。
   （ニ）磁場の特定域で磁性体板を、ガスバ−ナ−の燃焼炎で集中加熱して、磁性体板の 磁化を弱めて回転エネルギ−を生じさせ、この回転エネルギ−で発電機を回して 発電する。
   以上の原理と構成に基づいてガス燃焼熱発電機を製造することを特徴とするガス燃焼熱発電機の製造方法。
4. 前記磁性体ロ−タ−は所定の幅のある磁性体板を所定の長さで折り曲げて成ることを特徴とする請求項２記載のガス燃焼熱発電機。
5. 前記磁性体ロ−タ−は所定の幅と厚みがあり且つ所定の間隔で適度な深さと幅の溝があることを特徴とする請求項２記載のガス燃焼熱発電機。
6. 前記磁性体ロ−タ−は所定の間隔で適度な大きさの穴があけてあることを特徴とする請求項２記載のガス燃焼熱発電機。
7. 前記磁性体ロ−タ−は無数の磁性体片を適度な隙間をもって配置して成ることを特徴とする請求項２記載のガス燃焼熱発電機。
8. 前記磁性体ロ−タ−は編目あるいはこれに類似した形状であることを特徴とする請求項２記載のガス燃焼熱発電機。

Images