JP2021108524A - Image force driven electrostatic application apparatus and charging device of charge carrier body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主に非対称鏡像力を駆動力とする鏡像力駆動型静電応用機器(発電機、モーター、加速器)の電荷搬送体の充電方法に関するものである。 The present invention relates to a method of charging a charge carrier of a mirror image force driven electrostatic application device (generator, motor, accelerator) mainly using an asymmetric mirror image force as a driving force.
通常、静電発電機、静電モーター、静電加速器等の静電応用機器は、電荷搬送体に電荷を充電し、その周囲の電界によって、該帯電した電荷搬送体に作用する静電力で駆動されている。そのため、電荷搬送体に充電された電荷量が多いほどその出力・性能は大きくなる。さらに、同一帯電量でも、作用する静電力が強いほどその出力・性能は大きくなる。 Normally, an electrostatic application device such as an electrostatic generator, an electrostatic motor, or an electrostatic accelerator charges a charge carrier with an electric charge, and is driven by an electric field around the charge carrier by an electrostatic force acting on the charged charge carrier. Has been done. Therefore, the larger the amount of charge charged in the charge carrier, the greater the output and performance. Furthermore, even with the same amount of charge, the stronger the acting electrostatic force, the greater the output and performance.
そこで、電荷搬送体の充電方法として、いくつかの方法が提案されているが、現状、もっとも多量の充電電荷が得られるのは、特許出願2019−201081及び非特許文献2に記載されている、充電式電荷注入方法である。この方法では、図1に示すように、平板型高電位充電エレクトレット1と、導電性の横置き樋型電荷搬送体2の上下の平板部分22を向かい合わせて、一時的にコンデンサーを形成し、電荷搬送体2を接触端子3で接地することで、電荷搬送体2に注入されるエレクトレット1と異極性の電荷で、電荷搬送体2充電(帯電)する。なお、記号4、5、6は、後述する鏡像力駆動型静電発電機の回収電極とコンデンサーと接触端子である。
Therefore, several methods have been proposed as a method for charging the charge carrier, but at present, the largest amount of charge can be obtained as described in Patent Applications 2019-201081 and Non-Patent
平行平板コンデンサーの充電なので、コンデンサーの電気容量が大きいほど、すなわち、平板エレクトレット1と、電荷搬送体2の上下平板22との間隔が小さいほど、電荷搬送体2に充電される電荷量は増加する。その一例を図2に示す。これは、次の条件で得られたシミュレーション結果である。すなわち、充電エレクトレット1の幅が19.2mm、厚さが0.025mm、表面電荷密度が0.425mC/m2、電荷搬送体2の幅が、10.2mm、高さが10.4mm、奥行が60.0mm、板厚が0.2mmの時である。
エレクトレット1と、搬送体上下平板22の間隔が狭いほど、特に、0.5mm以下になると、充電電荷量が急増することが明らかである。実際のエレクトレットの材質はテフロン(登録商標)(比誘電率2.1)で、厚さは、50μmが多い。そこで、厚さ、52.5μm、比誘電率2.1とし、静電容量が等しくなる、厚さ25μm、比誘電率1.0の空気層と置き換えて計算した。以下、同じである。
Since the parallel flat plate capacitor is charged, the larger the electric capacity of the capacitor, that is, the smaller the distance between the
It is clear that the narrower the distance between the
エレクトレット1と、電荷搬送2が静止していれば、0.5mm以下の微小ギャップでも、機械的に問題ないが、通常静電応用機器において、静止したエレクトレット1に対して、電荷搬送体2は、高速度で移動する。図1の場合は、矢印方向に、回収電極4に向かって移動する。そのため、両者の接触を防ぐためには、このギャップは、できるだけ広い方がよい。
As long as the
また同特許には、注入(充電)エレクトレット1と、電荷搬送体2の上下平板22の間隔が、0.125mmで、注入(充電)エレクトレットの表面電位が1.2kVの時、エレクトレット1の誘電厚み(エレクトレット層の厚さを、その材質の比誘電率で除したもの)が薄いほど、注入(充電)される電荷量は多くなることが記載されている。そのシミュレーション結果を、図3に示す。
Further, in the same patent, when the distance between the injection (charging) electret 1 and the upper and lower
現状、同一帯電量で、作用する静電力がもっとも大きいのは、特許出願番号2019−049237に記載されている鏡像力駆動型静電発電機である。鏡像力とは、図4に図示されるように、電荷8が接地導体7に近づくと、外部電界がないのに、これに作用する静電力である。導体7を挟んで、反対側の同一距離に、異極性の電荷が存在した場合に働くクーロン力と同じなので、鏡像力と呼ばれている。
At present, the one with the same amount of charge and the largest acting electrostatic force is the mirror image force driven electrostatic generator described in Patent Application No. 2019-049237. As shown in FIG. 4, the mirror image force is an electrostatic force acting on the
通常、鏡像力の説明では、電荷は点電荷または球状帯電体として説明されるが、非球状帯電体でも同様に鏡像力が発生する。帯電体の形状が対称形であれば、その向きが反転しても鏡像力の強度は変わらないが、非対称形状の場合は、反転した時、その強度は大きく変わることが、出願人により発見された(非特許文献1)。例えば、図2に示した横置き樋型電荷搬送体2、帯電量が、1μCで、接地された導体板7との距離が、1.0mmの時、開口部を接地導体板7に向けた時は、該搬送体2に作用する鏡像力は、32.4Nで、逆に底面を接地導体板7に向けた時は、倍以上の69.0Nになる(図5参照)。この現象を、以下、非対称鏡像力と呼ぶ。
Usually, in the description of the mirror image force, the electric charge is described as a point charge or a spherically charged body, but a mirror image force is also generated in a non-spherical charged body as well. It was discovered by the applicant that if the shape of the charged body is symmetrical, the intensity of the mirror image force does not change even if the direction is reversed, but if the shape is asymmetrical, the intensity changes significantly when inverted. (Non-Patent Document 1). For example, when the horizontal gutter-
非対称鏡像力を電荷搬送体2の駆動力とする新規な静電発電方法が、特許出願番号2019−049237に記載されている。ただし、その実施例は、充電エレクトレットではなく、充電電極が使われている(特許出願番号2019−049237には、注入電極と、異なった表現が使用されているが、同一のものである)。すなわち、図1において、記号1が充電電極で、+8.0kVが印加されている。この時、-30.85nCの電荷が、電荷搬送体2に充電される。なお、充電電極1と回収電極4の幅は、19.2mm、両者の間隔は、31.5mmである。この時、充電電極1を抜けて、回収電極4に到達するまでに、電荷搬送体2が受ける静電力をシミュレーションした結果を、図6に示す。
A novel electrostatic power generation method using an asymmetric mirror image force as a driving force of the
図6から、充電電極1を抜けてから、途中までは、該電荷搬送体2には、マイナス符合で示される左向きの、すなわち、狙いの進行方向とは逆向きの静電力が働くが、概略、中間地点から、プラス符合の、右向きの静電力に変わり、トータルとしては、右向きの静電力の方が大きいことが分かる。
From FIG. 6, from the time when the
本発明のシミュレーションによれば、充電エレクトレットと電荷搬送体のギャップを1mm取ったの時、エレクトレットの誘電厚みが、0.125mmでは、充電された電荷搬送体の電荷密度は、エレクトレットの電荷密度の11%にすぎないが、エレクトレットの誘電厚みを10mmとすれば、充電された電荷搬送体の電荷密度は、エレクトレットの電荷密度の90%以上になる。
また、後に記載する鏡像力駆動型静電発電機で、充電エレクトレットの背面電極を外した時、電荷搬送体に作用する静電エネルギーは、外さない場合の8.3倍になる。
According to the simulation of the present invention, when the gap between the charging electret and the charge carrier is 1 mm and the dielectric thickness of the electret is 0.125 mm, the charge density of the charged charge carrier is 11 of the charge density of the electret. However, if the dielectric thickness of the electret is 10 mm, the charge density of the charged charge carrier is 90% or more of the charge density of the electret.
Further, in the mirror image force drive type electrostatic generator described later, when the back electrode of the charging electret is removed, the electrostatic energy acting on the charge carrier is 8.3 times that in the case where the charge carrier is not removed.
[非特許文献1][Asymmetric Electrostatic Forces and a New Electrostatic Generator], Nova Science Publishers, New York, 2010
[非特許文献2]2019年米国静電気学会年次大会予稿集A-4
[Non-Patent Document 1] [Asymmetric Electrostatic Forces and a New Electrostatic Generator], Nova Science Publishers, New York, 2010
[Non-Patent Document 2] Proceedings of the 2019 Annual Meeting of the American Society of Electrostatics A-4
本発明の第一の目的は、電荷搬送体を充電して使用する静電応用機器において、静止した充電エレクトレットと、電荷搬送体の間隔が広くとも十分に充電できる新奇な充電方法を確立することである。
また、第二の目的は、電荷搬送体の帯電量が同じでも、より高い出力・性能が得られる静電発電機、静電モーター、静電加速器の新奇な使用方法を確立することである。
A first object of the present invention is to establish a novel charging method capable of sufficiently charging a stationary charging electret and a charge carrier even if the distance between them is wide, in an electrostatic application device that charges and uses the charge carrier. Is.
The second purpose is to establish a novel usage of electrostatic generators, electrostatic motors, and electrostatic accelerators that can obtain higher output and performance even if the charge amount of the charge carrier is the same.
上記本発明の第一の目的は、充電エレクトレットの誘電厚み(層厚を比誘電率で除した値)を、充電エレクトレットと電荷搬送体間のギャップ以上にすることで達成できる。また、第二の目的は、充電エレクトレットの背面電極を外し、単層エレクトレットにすることで達成できる。 The first object of the present invention can be achieved by setting the dielectric thickness (value obtained by dividing the layer thickness by the relative permittivity) of the charging electret to be equal to or larger than the gap between the charging electret and the charge carrier. The second purpose can be achieved by removing the back electrode of the charging electret to make it a single-layer electret.
本発明のシミュレーションによれば、充電エレクトレットと電荷搬送体のギャップを1mm取ったの時、エレクトレットの誘電厚みが、0.125mmでは、充電された電荷搬送体の電荷密度は、エレクトレットの電荷密度の11%にすぎないが、エレクトレットの誘電厚みを10mmとすれば、充電された電荷搬送体の電荷密度は、エレクトレットの電荷密度の90%以上になる。
また、後に記載する鏡像力駆動型静電発電機で、充電エレクトレットの背面電極を外した時、電荷搬送体に作用する静電エネルギーは、外さない場合の15倍になる。
According to the simulation of the present invention, when the gap between the charging electret and the charge carrier is 1 mm and the dielectric thickness of the electret is 0.125 mm, the charge density of the charged charge carrier is 11 of the charge density of the electret. However, if the dielectric thickness of the electret is 10 mm, the charge density of the charged charge carrier is 90% or more of the charge density of the electret.
Further, in the mirror image force drive type electrostatic generator described later, when the back electrode of the charging electret is removed, the electrostatic energy acting on the charge carrier is 15 times that when the charge carrier is not removed.
いわゆる鏡像力駆動型静電発電機等において、電荷搬送体の駆動力及び発電量を大きくするという目的を、充電電位源として、背面電極を有しない単層エレクトレットを使用することで達成した。 In a so-called mirror image force driven electrostatic generator or the like, the purpose of increasing the driving force and the amount of power generation of the charge carrier was achieved by using a single-layer electret having no back electrode as a charging potential source.
通常、エレクトレット1は、図7に示されるように、接地された背面電極層12上に塗布された特殊テフロン(登録商標)層11を帯電して作製される。コロナ帯電の極性は、通常、負極性であるが、ここでは、理解しやすいように正極性とする。テフロン(登録商標)層の厚さは、50μm、または、75μmである。テフロン(登録商標)層表面には白丸で示される正電荷が固定され、背面電極12には、黒丸で示される静電誘導された負電荷(電子)がいる。該正電荷から、該負電荷に向かって、矢印で示される電気力線が走っている。テフロン(登録商標)層が薄いので、エレクトレット外に出る電気力線はほとんどない(図7(A))。
Normally, the
この状態で、接地された金属板、例えば、電荷搬送体2の、水平板22が、エレクトレット層11に近づくと、エレクトレットの正電荷から発生している電気力線の一部は、向きを変えて、該金属板22に入り、静電誘導で、そこに負電荷(電子)を呼び込む。これが、充電電荷となる。一方、背面電極にいた負電荷(電子)は、大地に流れて消える(図7(B))。
In this state, when the grounded metal plate, for example, the
接地された金億板22が、さらに接近すると、エレクトレットの正電荷から発し、該金属板22に入る電気力線の割合も増加し、金属板22の負電荷(電子)がさらに増加する(図7(C))。これが、図2に示された結果、すなわち、充電エレクトレット1と、電荷搬送体2の上下水平板22の間隔が狭まると、電荷搬送体の充電電荷量が増加する理由である。
なお、いかに接近させても、エレクトレットの正電荷密度以上に、該金属板22の負電荷密度が上がることはない(図7(D))。
When the grounded
No matter how close they are, the negative charge density of the
以上、定性的に説明したが、物理的に言うと、エレクトレット1の背面電極12に残される負電荷(電子)と、接近した金属板22に発生する負電荷(電子)の割合は、エレクトレット1表面と背面電極11が構成するテフロン(登録商標)コンデンサーの電気容量と、エレクトレット表面と、接近金属板が構成する空気コンデンサーの電気容量の比で決まる。すなわち、金属板が接近し、エレクトレットとの間隔が小さくなって、その電気容量が増加すると、充電電荷量は増加する。
Although described qualitatively above, physically speaking, the ratio of the negative charge (electrons) left on the
図2は、電荷搬送体2の充電電荷量を示すシミュレーション結果であるが、その時の、電荷搬送体2の上下平行板22の中央の電荷密度で示すと図9の点線になる。このグラフから、充電エレクトレット1と、電荷搬送体2の上下平行板22の間隔を、0.125mmまで近づけても、上下平行版22の中央に誘起される電荷の密度は、0.071mC/m2で、充電エレクトレット1の電荷密度、0.425mC/m2の16.7%にしか達していないことが分かる。ましてや、間隔1.0mmでは、0.012mC/m2 で、わずか、2.8%である。間隔を十分に、例えば、1.0mmとっても、電荷搬送体2に、充電エレクトレット1の電荷密度の50%以上が、充電されるようにするのが、本特許出願の課題である。
FIG. 2 is a simulation result showing the charge charge amount of the
そのためには、充電エレクトレット1と電荷搬送体2の上下平行板22に相当する接地導体板間の距離、および、エレクトレットの層厚をいろいろ変えて、該導体板に誘起される電荷の密度を求める必要がある。その時、時間がかかるシミュレーションを行う代わりに容量計算で、該誘起電荷密度を求められる可能性がある。そこで、コンデンサーの公式を使用して、該電荷密度を求めて、シミュレーション結果と比較してみることとする。
For that purpose, the distance between the charging
該計算を行いために必要な物理量を、図8に示す。充電エレクトレット1は、絶縁性の樹脂、テフロン(登録商標)層11と背面電極層12で構成される。エレクトレット層の厚さはtで、電気容量はC1、比誘電率はε1とする。一方、充電エレクトレット1と、電荷搬送体2の上下水平板22に相当する、接地導電板が形成する空気コンデンサーの厚さをd、その電気容量をC2、その比誘電率をε2とする。充電エレクトレットの電位をV、電荷量をQ、電荷密度をσとする。また、接地された背面電極の誘起電荷をQ1、電荷密度をσ1、接地導電板の誘起電荷量をQ2、電荷密度をσ1とする。なお、背面電極、エレクトレット層、接地導電板の面積は共通でSとする。また、真空の誘電率をε0とする。
The physical quantity required to perform the calculation is shown in FIG. The charging
実電荷Qと、誘起電荷Q1とQ2の和は、符合は逆だが、次式に示すように絶対値で等しい。
エレクトレットと対向する接地導体板に誘起される電荷の密度、σ2は、エレクトレットと導体板間の距離dのみの関数になった。数式15に、d=0.125mmから5.6mmの5種類の間隔を入れて、導体板誘起電荷密度σ2を求めた結果を、図9に、点線で示す。シミュレーション結果を示す実線と、よく一致していることが分かる。
すなわち、プログラミングの手間も、シミュレーション計算時間も不要で、接地導体板に誘起される電荷の密度σ2は、数式14で瞬時に計算できる。
The density of charge induced in the ground conductor plate facing the electret, σ2, is a function of only the distance d between the electret and the conductor plate. The results of obtaining the conductor plate-induced charge density σ2 by inserting five types of intervals from d = 0.125 mm to 5.6 mm in
That is, no programming effort or simulation calculation time is required, and the charge density σ2 induced in the ground conductor plate can be calculated instantly by the
数式14で、充電エレクトレット1の面電荷密度σが、0.000425mC/m2 の時、エレクトレット層の層厚tと、エレクトレットと導体板間の間隔dを幅広くふって、導体板に誘起される電荷の電荷密度σ2を計算した結果を、図10に示す。図10より、例えば、一点鎖線で示される間隔dが1.0mmの時、エレクトレットの誘電厚みが、1.0mmであれば、誘起される電荷密度σ2は、エレクトレットの電荷密度σ=0.425mC/m2 の50%、0.2125mC/m2 であり、それが、10.0mmになると、91%、0.386mC/m2 になり、100mmでは、99.1%の0.421mC/m2 まで上がることが分かる。
なお、以上の説明では、テフロン(登録商標)層の厚さをtとしたが、本質的には、テフロン(登録商標)層表面電荷と、背面電極に誘起された異極性電荷との間の距離である。故に、背面電極がなく、テフロン(登録商標)層裏面に異極性電荷が存在する場合でも、同様の議論が成り立つ。
In
In the above description, the thickness of the Teflon (registered trademark) layer is t, but essentially, it is between the surface charge of the Teflon (registered trademark) layer and the heteropolar charge induced in the back electrode. The distance. Therefore, the same argument holds even when there is no back electrode and a heteropolar charge is present on the back surface of the Teflon (registered trademark) layer.
また、誘電厚みtが、100mm、1000mmの時は、間隔dの広がりにかかわらず、誘導電荷密度は、ほぼ、エレクトレットの電荷密度に等しくなることが分かる。
誘電厚み100mmということは、実質上、背面電極12が存在しない場合に等しい。この場合、エレクトレットは、32mm離れた回収電極との間で電界を形成し、高電位を持つ。
Further, it can be seen that when the dielectric thickness t is 100 mm or 1000 mm, the induced charge density is almost equal to the charge density of the electret regardless of the spread of the interval d.
A dielectric thickness of 100 mm is substantially equivalent to the absence of the
通常、エレクトレットは、背面電極を有する。それは、コロナ放電時に必要になるからであるが、実は、その後も必要である。背面電極があると、図7(A)に示されるように、電気力線は、エレクトレット層内で閉じて、外部には出ないが、背面電極がないと、すべての電気力線は外部に向かう。外部空間には、1立方センチメートル当たり、宇宙線でイオン化されたイオンが、3、4個浮遊している。この結果、エレクトレット電荷が異極性のイオンを静電力で引き寄せるので、エレクトレット電荷は中和される。この結果、エレクトレットの寿命は短くなる。そのため、背面電極を有さないエレクトレットは真空中で使用するのが望ましい。なお、以降、背面電極の無いエレクトレットを単層エレクトレット、背面電極を有するエレクトレットを二層エレクトレットと呼ぶ。 Electrets usually have back electrodes. This is because it is necessary when the corona discharge occurs, but in fact, it is necessary after that. With the back electrode, as shown in FIG. 7 (A), the lines of electric force are closed inside the electret layer and do not go out, but without the back electrode, all the lines of electric force are outside. Head. In the external space, three or four cosmic ray ionized ions are floating per cubic centimeter. As a result, the electret charge attracts ions of different polarities by electrostatic force, so that the electret charge is neutralized. As a result, the life of the electret is shortened. Therefore, it is desirable to use an electret without a back electrode in a vacuum. Hereinafter, an electret without a back electrode will be referred to as a single-layer electret, and an electret having a back electrode will be referred to as a two-layer electret.
以上、コンデンサー公式に基づいて、誘起電荷密度を計算してきたが、念のため、シミュレーションにより、単層エレクトレットの充電電荷量を求め、図2に示す、二層エレクトレットで得られた充電電荷量と比較する。その条件は、図2のシミュレーションと同じである。その結果を、図11に示す。この図から、単層エレクトレットにすると、搬送電極2に充電される電荷量は、1000nC以上で、二層エレクトレットの100nC以下とは大きく異なり、また、二層エレクトレットと異なり、エレクトレットと搬送電極の間隔が変わっても、ほとんど変わらないことが分かる。
故に、エレクトレットと電荷搬送体の間隔を十分とって、且つ、電荷搬送体を大きく帯電させるためには、背面電極のない単層エレクトレットを使用すべきである。
As described above, the induced charge density has been calculated based on the capacitor formula, but just in case, the charge charge amount of the single-layer electret was obtained by simulation, and the charge charge amount obtained by the double-layer electret shown in FIG. 2 was used. compare. The conditions are the same as in the simulation of FIG. The result is shown in FIG. From this figure, when a single-layer electret is used, the amount of charge charged to the
Therefore, in order to keep a sufficient distance between the electret and the charge carrier and to charge the charge carrier to a large extent, a single-layer electret without a back electrode should be used.
なお、単層エレクトレットは、従来通り、大気中でコロナ放電により、テフロン(登録商標)薄層を帯電し、真空中に置き換えて、背面電極を剥離し、帯電テフロン(登録商標)薄層を、機械的に適当な厚みの絶縁層に張り付けることで作成できる。ここで、テフロン(登録商標)薄層を使用するのは帯電電荷密度を大きくするためである。厚手のテフロン(登録商標)層ではすぐ表面電位が高くなり、放電が始まるので、高電荷密度は得られない。また、大気中で、帯電したテフロン(登録商標)薄層から、背面電極を剥離すると、その間に、コロナ放電が発生し、帯電電荷と逆極性の電荷が、テフロン(登録商標)層裏面に付着するので、表面電荷と裏面電荷との距離を多く取ることができない。
単層エレクトレットは、厚手のテフロン(登録商標)フイルムに電子銃(電子加速器)で電子を叩き込むことでも作製できる。また、表裏に分極電荷が生じている高誘電体も使用できる。高誘電体は厚さも厚く(400μm)、表面電荷密度も非常に高い(1C/m2)ので、さらなる高出力が期待できる。
In the single-layer electret, the Teflon (registered trademark) thin layer is charged by corona discharge in the atmosphere, replaced in a vacuum, the back electrode is peeled off, and the charged Teflon (registered trademark) thin layer is formed. It can be created by mechanically attaching it to an insulating layer of an appropriate thickness. Here, the reason why the Teflon (registered trademark) thin layer is used is to increase the charge density. With a thick Teflon (registered trademark) layer, the surface potential rises immediately and discharge begins, so a high charge density cannot be obtained. In addition, when the back electrode is peeled off from the charged Teflon (registered trademark) thin layer in the atmosphere, a corona discharge is generated during that time, and a charge having the opposite polarity to the charged charge adheres to the back surface of the Teflon (registered trademark) layer. Therefore, it is not possible to take a large distance between the front surface charge and the back surface charge.
A single-layer electret can also be made by hitting electrons into a thick Teflon (registered trademark) film with an electron gun (electron accelerator). Further, a high dielectric material in which polarization charges are generated on the front and back surfaces can also be used. The high dielectric is thick (400 μm) and has a very high surface charge density (1 C / m 2 ), so even higher output can be expected.
では、充電電極に替えて、単層エレクトレットを、鏡像力駆動型静電発電機の充電源として使用した場合、充電された電荷搬送体に作用する静電力はどのように変わるであろうか。充電電荷量が大幅に増えた分、静電力も強くなり、その結果発電量も強くなるのは当然である。また、充電電荷量が等しい場合は、どうなるであろうか。これらを確認するため、充電電極(8kV)の場合と、同じ充電電荷量、-30.85nCになるように、充電エレクトレットの電荷密度を、0.0125mC/m2 とした場合で、電荷搬送体に働く静電力をシミュレーションした。。また、充電電極の場合は、充電電極と、電荷搬送体間に、左方向、すなわち、ねらいの方向とは反対方向に鏡像力が働くが、単層充電エレクトレットには、電極がないので、この間に働く鏡像力はない。しかしながら、実際の装置では、電荷搬送体が通りすぎてきた前の回収電極との間で、左方向の鏡像力が働く、そこで、今回のシミュレーションでは、図12に示すように、通過してきた回収電極4’を加えてシミュレーションを実施した。なお、回収電極4’の幅は、回収電極4と同じで、32.0mm、回収電極4’と、充電エレクトレット1の間隔は、22.4mmとした。
Then, how will the electrostatic force acting on the charged charge carrier change when a single-layer electret is used as a charging source for a mirror image-driven electrostatic generator instead of the charging electrode? As the amount of charge charged increases significantly, the electrostatic force also increases, and as a result, the amount of power generation also increases. What happens if the charge charges are the same? In order to confirm these, it works on the charge carrier when the charge density of the charging electret is 0.0125mC / m 2 so that the charge amount is the same as that of the charging electrode (8kV) and -30.85nC. The electrostatic force was simulated. .. Further, in the case of the charging electrode, a mirror image force acts between the charging electrode and the charge carrier in the left direction, that is, in the direction opposite to the target direction. There is no mirror image power that works for. However, in the actual device, a mirror image force in the left direction acts between the charge carrier and the recovery electrode before it has passed, so in this simulation, as shown in FIG. 12, the recovery that has passed has been performed. The simulation was carried out by adding the electrode 4'. The width of the recovery electrode 4'was the same as that of the
このシミュレーション結果を、図6に示した、充電電極の場合と並べて、図13に表示する。図13において、充電電極の場合、充電電極を抜けた直後から、約10mm右方向に前進する間、充電電極との間に働く左方向鏡像力が強いので、マイナスの、すなわち、左方向へ引き戻す静電力が働いている。これに対して、単層エレクトレットの場合は、ここを抜けた直後でも、左にある、通過済み回収電極4’との鏡像力は、すでに、距離があるので弱く、電荷搬送体に作用する静電力は、同じマイナスでも、その分弱くなっている。 The simulation result is displayed in FIG. 13 side by side with the case of the charging electrode shown in FIG. In FIG. 13, in the case of the charging electrode, since the left mirror image force acting between the charging electrode and the charging electrode is strong while advancing to the right by about 10 mm immediately after passing through the charging electrode, it is pulled back to the minus, that is, to the left. Electrostatic force is working. On the other hand, in the case of a single-layer electret, the mirror image force with the passed recovery electrode 4'on the left is already weak due to the distance, and it acts on the charge carrier even immediately after passing through the electret. Even if the power is the same minus, it is weaker by that amount.
なお、充電電極の場合でも、右の回収電極4に近づくと、左方向への鏡像力は弱くなるので、単層エレクトレットの場合と、ほぼ同じ強さの、右方向静電力となる。この詳細は、2020年米国静電気学会で発表する。
電荷搬送体2が、充電源1を抜けて、回収電極に達するまでに、加えられた静電力によって与えられたエネルギーを、図13により計算すると、充電電極では、6.2μJなのに対して、単層エレクトレットでは、51.9μJと、8.3倍にもなる。
Even in the case of the charging electrode, the mirror image force in the left direction becomes weaker as it approaches the
When the energy given by the applied electrostatic force until the
単層エレクトレットの場合、前回収電極4’をさらに遠ざけて、電荷搬送体2に働く、左方向の鏡像力をさらに弱めれば、電荷搬送体2の形状は、横置き樋型のような、左右非対称形でなくとも、左右対称形でもよいか、と考えられる。
そこで、図14に示すように、電荷搬送体2の形状を、正四角柱とし、前回収電極4’の位置を、単層充電エレクトレlトの左、41.6mmに遠ざけて、その他は同じ条件で、電荷搬送体2に働く静電力をシミュレーションした。その結果を、図15に示す。
In the case of a single-layer electret, if the front recovery electrode 4'is further moved away and the mirror image force in the left direction acting on the
Therefore, as shown in FIG. 14, the shape of the
図15から、この条件では、電荷搬送体2に働く静電力は、回収電極4の近傍にたどり着くまで、ほとんどマイナスであることが分かる。この理由は、形状が左右対称なので、非対称静電力効果(非特許文献1)および、非対称鏡像力効果(図5参照)の両方が消えて、搬送体2の左側板に、強い静電力が加わったためである。対称形状の電荷搬送体は、作成が容易なので、魅力的ではあるが、使える可能性はほとんどない。
From FIG. 15, it can be seen that under this condition, the electrostatic force acting on the
実施例2では、充電電極の充電量、-30.85nCと合わせるために、充電単層エレクトレットの電荷密度を、0.0125mC/m2 とした。しかし、現状、入手可能な電荷密度の最高値は、2.0mC/m2 に達している。この場合、電荷搬送体に働く静電力はどこまで上がるだろうか。そして、その時、どれほどの電力が期待できるだろうか。この点を確認するために、エレクトレットの電荷密度を、、0.0125mC/m2 から、2.0mC/m2 に変えて、電荷搬送体に働く静電力をシミュレーションした。なお、その他の条件は、実施例2のまま変えなかった。 In Example 2, the charge density of the charged single-layer electret was set to 0.0125 mC / m 2 in order to match the charge amount of the charging electrode with -30.85 nC. However, at present, the highest available charge density has reached 2.0 mC / m 2. In this case, how much will the electrostatic force acting on the charge carrier increase? And how much power can we expect at that time? To confirm this point, the charge density of the electret was changed from 0.0125 mC / m 2 to 2.0 mC / m 2 and the electrostatic force acting on the charge carrier was simulated. The other conditions were not changed as in Example 2.
先ず、充電電荷量を求めた。-4911.3nCになった。この帯電量で、電荷搬送体2に働く静電力を、実施例2と同様にシミュレーションした。その結果を、図16に示す。背面電極12のない、単層エレクトレット1が、充電源なので、実施例2と同じく、充電単層エレクトレット1を抜けた直後から、約9mm進む間は、電荷搬送体2に加わる静電力はマイナスであった。
First, the amount of charge charged was determined. It became -4911.3nC. With this amount of charge, the electrostatic force acting on the
それでも、回収電極4までの中間点を過ぎると、その間に働く、右向き鏡像力が大きくなって、総合静電力はプラスになる。電荷搬送体2が、充電単層エレクトレット1から、回収電極4に至る間に、電荷搬送体2が得るエネルギーを、図16より計算すると、0.175Jになる。搬送する電荷量は、4.91μCなので、装置内が真空で空気抵抗がなく、電荷搬送体円板14が磁気浮上して、回転し機械的な摩擦もないとすれば、このエネルギーWは、電荷qをより高い電位Vに持ち上げるのに使用できる。この電位は、次式により、35,700Vになる。
1個の電荷搬送体2が、1回、充電単層エレクトレット1から、回収電極4に至る簡に得られるエネルギーが分かったので、多数の電荷搬送体2が、多数回、充電エレクトレット1より、回収電極4に至るときに得られるエネルギー、すなわち、電気出力を計算してみよう。そのために、図17に示す、静電発電装置を仮定する。
Since it was found that one
図17において、記号1は、充電エレクトレット、記号2は電荷搬送体、記号4は回収電極、記号14は、電荷搬送体2を載せた回転可能な電荷搬送体円板、記号13と15は、向かい合わせの同じ位置に、充電エレクトレット2と回収電極4が設置されている固定された充電回収円板、記号16は回転軸である。
半径100mmの電荷搬送体円板14に、中心から35mm乃至95mmに、長さ60mmの樋型電荷搬送体2を60度おきに6個配する。電荷搬送体2の、幅と高さは10mm。電荷搬送体2の長さの真ん中は中心から65mm、ゆえにその円周は、408mm。102mm置きに、充電エレクトレット1と回収電極4の組を4個置く。前の回収電極4’と、充電エレクトレット1の間隔は20mm、充電エレクトレット1の幅は20mm、回収電極4までの距離は、30mm、回収電極4の幅は30mm。上下、充電回収円板間の間隔は20mmである。
In FIG. 17,
Six gutter-shaped
1個の電荷搬送体2が、1回転するときに、4回充電エレクトレット1と、回収電極4を通過するので、その間に搬送回収される電荷量は、
4.91μC×4=19.64μCである。電荷搬送体円板14上には、6個の電荷搬送体2があるので、電荷搬送体円板14が1回転するときに搬送する電荷量は、19.64μC×6=117.84μCである。
電荷搬送体円板14の回転数が使用するボールベアリングの最大回転数30,000rpm, とすると、1秒間に、500回転になる。ゆえに1秒間に搬送される電荷量は、117.84μC×500=58920μC、すなわち、0.059Aになる。この結果、発電量Pは、電流iと電圧Vの積(次式)で計算されるゆえに、2096.9232W、約2kWになる。
4.91 μC × 4 = 19.64 μC. Since there are six
Assuming that the maximum rotation speed of the ball bearing used is 30,000 rpm, the rotation speed of the
以下、本発明に当たり使用した、二次元差分法による計算方法を、電荷搬送体2が電荷を充電されて、充電源(電極、エレクトレット)1より出た場合を例にとって説明する。
図18は、電荷搬送体2の周辺のメッシュ図を示す。図中、記号1は充電電極を、記号2は電荷搬送体を示す。更に、図示していないが、当該電荷搬送体2の右側に、接地された回収電極4が配置されている。なお、注入端子3は省略している。
二次元差分法では、先ず、対称全領域、すなわち、図1に示される全領域を細かいメッシュに分割する。ただし、全領域を細かく分割すると、計算時間が非常に長くなるので、メッシュの幅は、主要部、この場合は電荷搬送体2周辺を細かくし、遠方の、回収電極4の周りは粗くする。具体的には、電荷搬送体2の周辺から遠方にかけて、0.100mm、0.200mm、0.400mm及び1.600mmとし、順次広げる。
Hereinafter, the calculation method by the two-dimensional difference method used in the present invention will be described by taking as an example the case where the
FIG. 18 shows a mesh diagram around the
In the two-dimensional difference method, first, the entire symmetrical region, that is, the entire region shown in FIG. 1 is divided into fine meshes. However, if the entire region is divided into small pieces, the calculation time becomes very long. Therefore, the width of the mesh is made fine in the main part, in this case, around the
そして、図18に示すように、各格子点(メッシュの交点)に通し番号を付し、各格子点の電位Vを、その左右上下の格子点の電位の平均値として計算する。例えば、格子点105の電位V105は、その上下左右の格子点104、106、88、122の各電位V104、V106、V88、V122に基づいて、次式1で計算される。
Then, as shown in FIG. 18, each grid point (intersection of the mesh) is numbered serially, and the potential V of each grid point is calculated as the average value of the potentials of the left, right, top, and bottom grid points. For example, the potential V105 of the grid point 105 is calculated by the
ここで、充電電極1の電位は、+8.0kV、とし、回収電極4の電位は、接地されているので0Vとする。電荷搬送体2に含まれる格子点の電位は、電荷搬送体2が導体なので、全て等しいものとする。
Here, the potential of the charging
電荷搬送体2の表面には、序数で示す幅0.1mm、奥行60mmの30個の長方形の面(領域)がある。その第5面の表面の電界E5は、次式で計算される。同式において、hはメッシュの高さであり、0.1mmである。
次に、第5面に働く静電力F5は次式で計算される。
よって、電荷搬送体2に作用するトータルの静電力FTは次式で計算される。
Therefore, the total electrostatic force F T acting on the
1: 充電源(電極、エレクトレット)
2: 電荷搬送体
3: 注入端子
4: 回収電極
5: コンデンサー
6: 回収端子
7: 接地された導体板
8: 点電荷
11: エレクトレット樹脂層
12: エレクトレットの背面電極
13: 上充電・回収固定円板
14: 放射状に配置した電荷搬送体を保持する電荷搬送体回転円板
15: 下充電・回収固定円板
16: 電荷搬送体回転円板の中心(回転)軸
1: Charging source (electrode, electret)
2: Charge carrier 3: Injection terminal 4: Recovery electrode 5: Condenser 6: Recovery terminal 7: Grounded conductor plate 8: Point charge 11: Electret resin layer 12: Electret back electrode 13: Top charge / recovery fixed circle Plate 14: Charge carrier rotating disk that holds the charged carriers arranged in a radial pattern 15: Lower charge / recovery fixed disk 16: Center (rotation) axis of the charge carrier rotating disk
Claims (9)
The electrostatic generator according to claim 8, wherein a high charge density electret is used as the single-layer electret, and the inside of the device of the electrostatic generator, the electrostatic motor or the electrostatic accelerator is evacuated. , Electrostatic motor or electrostatic accelerator.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2019239700A JP2021108524A (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Image force driven electrostatic application apparatus and charging device of charge carrier body |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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