JP2022136935A - 静電誘導発電機 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来装置の発電機構に電荷キャリアとして用いる可動部品の摩耗による故障、左記可動部の表面汚染・変質などによる出力低下の問題を解決し、長寿命化、低コスト、可搬性、小型化、軽量化、自由な構造設計が可能になる静電誘導発電機を提供する。【解決手段】電荷のキャリアとして流体を利用することを最も主要な特徴とし、針電極が流体に電荷を与えた後、電荷回収領域にて電荷回収用電極により流体から電荷を回収し、出力電極に電荷を蓄積し、高電圧を得ることを可能にするものである。【選択図】図１
Description
本発明は、流体の流れを利用した静電誘導式の高電圧発生装置に関する。
静電誘導式発電機は、理科の教材として静電気力と高電圧現象を演示するために使われることが多い。また大きな電位差が得られることから、実用上でもＸ線管の電源、医療、食品の殺菌、核物理学研究など様々な用途に用いられてきた。代表的な発明として、ウィムズハースト起電機、ディロッド起電機、ヴァンデグラフ起電機などがある。これらの原理に基づいた装置が非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３に記載されている。
これらの装置は１００年近くの歴史があるが、円板の回転、ベルト駆動などを伴う誘導電荷集電の機構はほとんど進歩しておらず、寿命・品質・性能の点で根本的に改善されたものが現れていない。
また、特許文献１～３には、携帯型電子機器等に用いられる、動くソリッド型静電荷運搬体を用いた様々な静電発電機も提案されている。しかし、これらの特許文献は電荷集電の機構について教示していない。
また、特許文献１～３には、携帯型電子機器等に用いられる、動くソリッド型静電荷運搬体を用いた様々な静電発電機も提案されている。しかし、これらの特許文献は電荷集電の機構について教示していない。
Ｈｏｒａｃｉｏ Ｍｕｎｇｉａ Ａｇｕｌａｒ："Ｔｈｅ Ｗｉｍｓｈｕｒｓｔ ｍａｃｈｉｎｅ ａｓ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ"Ｌａｔ．Ａｍ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｅｄｕｃ．Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．１，Ｍａｒｃｈ ２０１４
Ａ．Ｄ．ムーア："静電気の話－基礎から応用まで－"，高野文彦訳、河出書房新社（現代の科学４９），１９７２年
Ｊ．Ｗ．Ｂｏａｇ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ａ Ｖａｎ ｄｅ Ｇｒａａｆｆ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｖｏｌ．１００，Ｉｓｓｕｅ ５，１９５３，Ｐ．６３－８２
このような現状において、従来の静電誘導式発電機には発電機構に電荷キャリアとして用いる可動部が存在するために部品の摩耗による故障、左記可動部の表面汚染・変質などによる出力低下の問題があった。
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、電荷のキャリアを流体とすることによってかかる出力低下の問題点を解決することができることを見いだした。本発明はかかる知見に基づき完成したものである。
本発明は、上記課題を解決するため、電荷のキャリアとして流体を利用することを最も主要な特徴とする。
本発明は、上記課題を解決するため、電荷のキャリアとして流体を利用することを最も主要な特徴とする。
すなわち、本発明は、以下の通りである。
［１］電荷キャリアとして流体を採用し、流体に電荷を与える手段として針電極を備えた構成であり、前記電荷を回収する手段として導電性スポンジもしくは導電性メッシュを備えた構成の静電誘導発電機。
［２］電荷キャリアである流体の流路中に、互いに電気的絶縁された２つの電極と、電線を介して接続された２つの針電極を備え、前記針電極は、前記電極に対向し、流体に電荷を与えるために放電する機能を有し、正および負の電荷を回収する手段として、前記電極内部空間に導電性メッシュを備えた構成の静電誘導発電機。
［３］前記［２］の静電誘導発電機をカスケード連結し、電気的には直列接続し、出力電圧を昇圧させることを可能とする静電誘導発電機。
［４］電荷キャリアとして流体を密閉経路内で循環させる構造であり、前記流体に電荷を与える手段として針電極を備えた構成であり、前記電荷を回収する手段として導電性スポンジもしくは導電性メッシュを備えた構成で正および負の高電位を得ることを可能とする静電誘導発電機。
［１］電荷キャリアとして流体を採用し、流体に電荷を与える手段として針電極を備えた構成であり、前記電荷を回収する手段として導電性スポンジもしくは導電性メッシュを備えた構成の静電誘導発電機。
［２］電荷キャリアである流体の流路中に、互いに電気的絶縁された２つの電極と、電線を介して接続された２つの針電極を備え、前記針電極は、前記電極に対向し、流体に電荷を与えるために放電する機能を有し、正および負の電荷を回収する手段として、前記電極内部空間に導電性メッシュを備えた構成の静電誘導発電機。
［３］前記［２］の静電誘導発電機をカスケード連結し、電気的には直列接続し、出力電圧を昇圧させることを可能とする静電誘導発電機。
［４］電荷キャリアとして流体を密閉経路内で循環させる構造であり、前記流体に電荷を与える手段として針電極を備えた構成であり、前記電荷を回収する手段として導電性スポンジもしくは導電性メッシュを備えた構成で正および負の高電位を得ることを可能とする静電誘導発電機。
本発明によれば、電荷キャリアとして流体を採用することにより、発電機構に可動部分を備えていないため、長寿命化、低コスト、可搬性、小型化、軽量化、自由な構造設計が可能になるという利点がある。
本発明は、発電機構の長寿命化・高性能化という目的を最小の部品点数で実現した。
本発明の静電誘導発電機において使用される流体は液体であっても、気体であってもよく、化学的に安定で、電気的絶縁性が良好なものであれば特に限定されない。液体の流体としては、種々の絶縁油を用いることができる。絶縁油として、鉱油、アルキルベンゼン、ポリブテン、アルキルナフタレン、アルキルジフェニルアルカン、シリコーン油等が例示される。気体の流体としては、空気、あるいはヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性気体が例示され、いずれも好適に使用することができる。
本発明の静電誘導発電機において使用される導電性スポンジとは、例えば、フッ素ゴム、ポリエチレン、シリコーンゴム、ポリウレタン等に銀、銅、ニッケル、黒鉛等の微粒子により導電性を付与したスポンジであり、特に限定されない。市販品を使用することができる。
本発明の静電誘導発電機において使用される導電性メッシュとは、例えば、ポリエステルモノフィラメントで織ったメッシュに銀、銅、ニッケル、黒鉛等の微粒子により導電性を付与したものであり、特に限定されない。市販品を使用することができる。
以下に、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
図１は、本発明装置の１実施例の断面図である。ポンプ１０１は、流体１０２を流向１０３の方向へ送るものである。高電圧電源１０４は直流高電圧を発生させる装置であり、針電極１０５に高電圧を供給する。導体１０７は、針電極１０５に対向する電極である。導体１０７と針電極１０５の間隙に生ずる電界により針電極１０５は放電を起こし、流体１０２に電荷を与える。針電極１０５が流体１０２に電荷を与えるためには、暗流もしくはコロナ放電が起こる電界が必要であり、その条件を上回る電圧を高電圧電源１０４は供給する。ちなみに、高電圧電源１０４の出力電圧は直流であり、接地１０６に対する極性は正・負のいずれでもよい。
針電極１０５から電荷を与えられた流体は絶縁パイプ８を流れてゆき、導体１１２内部に侵入する。絶縁パイプ１０８の上端には通気性のある導電性スポンジ１１０が備えてある。導電性スポンジ１１０は電線１１１を介して導体１１２に導通している。導体１１２の内部空間は導体に囲まれているため、外部の電界が遮られ、導電性スポンジ１１０は電荷を持たない状態でバランスしている。ここで、流体１０２が導電性スポンジ１１２を通過するときに、電荷は流体１０２から導電性スポンジ１１０へ移り、前記電荷は電線１１１を介して導体１１２の外表面へ蓄積される。
導電性スポンジ１１０を通過した流体１０２は絶縁パイプ１０９と１０８の間隙を経由して下降し、出口１１３から排出される。
流体１０２がポンプ１０１の動力によって流れている間、上記電荷の移動は継続し、導体１１２の表面の電荷密度は上昇してゆく。最終的に導体１１２の表面の電界強度が火花電圧に達するまで、電圧は上昇し続ける。
ここで、ポンプ１０１について付記する。ポンプ１０１は流体１０２の流れを生み出す手段であり、流体が液体の場合は、液体用のポンプを用いる。流体１０２が気体の場合はポンプ１０１には、気体用のポンプ、ガスタービン、送風機などを用いてもよい。
つぎに、流体１０２について付記する。流体１０２は、化学的に安定で、電気的絶縁性が良好なものが好ましく、液体であれば絶縁油が該当し、気体であれば、空気、ヘリウム、アルゴン、ネオンなどが有用である。
図２の実施例は、負および正の高電位が同時に得られるタイプの静電誘導発電機の構造を示す断面図である。まず、入口２０１から流体２０２を流入させる。流入させるための手段は、前記実施例１のポンプ１０１と同様であるため、図から省いている。高電圧電源２０３は直流高電圧を発生させる装置であり、針電極２０６に高電圧を供給する。導体２０７は、針電極２０６に対向する電極であり接地電位となっている。導体２０７と針電極２０６の間隙に生ずる電界により放電を起こし、針電極２０６は流体２０２に電荷を与える。針電極２０６が流体２０２に電荷を与えるためには、少なくとも暗流もしくはコロナ放電が起こる電界が必要であり、その条件を上回る電圧を高電圧電源２０３は供給する。ちなみに、高電圧電源２０３の出力電圧は直流であり、接地２０４に対する極性は正・負のいずれでもよく、図２では高電圧電源の出力電圧は、負の極性の場合を示している。
流体２０２が針電極２０６近傍を通過する際に、針電極２０６は流体２０２に負の電荷を与える。導体メッシュ２０８は通気性を有し導体スリーブ２０９の内壁に内接し電気的に導通している。導体メッシュ２０８の周囲空間は導体に囲まれているため、外部の電界が遮られ、導体メッシュ２０８は電荷を持たない状態でバランスしている。ここで、流体２０２が、導体メッシュ２０８に到達したとき、前記流体が持っている電荷は導体メッシュ２０８に奪われ、前記電荷は導体スリーブ２０９の外表面に蓄積し、導体スリーブ２０９は負の電位が上昇する。
前記過程によって、導体スリーブ２０９の電位が上昇すると、導体スリーブ２０９と導体スリーブ２１３の間の電位差も大きくなる。針電極２１０は、電線２１５を介し、導体スリーブ２１３内の針電極２１４に導通している。導体スリーブ２０９と２１３との間の電位差が一定値を超えると、針電極２１０と２１４にて放電が始まる。針電極２１０は負極の導体スリーブに対向しているため、正の電荷を放出し、電荷は流体に運ばれて導体メッシュ２１２に回収され、導体スリーブ２１３の外表面に蓄積し、導体スリーブ２１３は正の電位が上昇する。このようにして導体スリーブ２０９と導体スリーブ２１３の電位差は増大してゆき、その電荷はコンデンサ２１１にも蓄積される。出力電圧は、出力端子２１６と２１７から取り出すことができる。
図３の実施例は、実施例２の装置を１ユニットとして、２台のユニットをカスケード接続したような構造となっている。電気回路的には電線３１５を介して２つのユニットの出力を直列接続したものである。このようにして複数単位の装置を連結することにより出力電圧を昇圧することが可能となる。
図４の実施例は、密閉型の静電誘導発電機の構造を示す断面図である。主要な外観は、黒い太線で示した絶縁物４０２と、二重線で示した導体４０４、導体４０８で成り立っている。隔壁４０７は上下の空間を仕切るためのものであり、前記隔壁４０７から伸びるバイパス管４０６、４１１を備えている。絶縁被覆電線４１２は隔壁４０７を貫通しており、前記絶縁被覆電線４１２の両端には針電極４０１、４０９を備えている。導体メッシュ４０５は通気性のある導体素材であり、導体４０４に対し内接し電気的に導通している。同様に、導体メッシュ４１０は、導体４０８に対し内接し電気的に導通している。
説明を簡略化させるため、流体の流れを継続させるためのポンプもしくは送風機は、図から省略している。実際の装置において、ポンプもしくは送風機は、図中のＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ａの経路中の任意の部分に設置することが可能である。
本実施例の装置は、発電が継続するために最初に導体４０４と導体４０８にそれぞれ逆極性の初期電位差を与えておく必要がある。必要な電位差は、針電極４０１および４０９の先端からの放電を可能とする電位差である。
針電極４０１の対向電極は導体４０４であり、図４の例では導体４０４の極性が負電位なので、針電極４０１から正の電荷が放出され、針電極４０１近傍を通過する流体に前記正電荷を与える。正電荷を受け取った流体は、Ｃを経由してＤに至り、導体メッシュ４１０に至る。導体メッシュ４１０は、流体から電荷を奪い、前記電荷は導体４０８外表面に蓄積され、導体４０８の電位は上昇する。導体メッシュ４１０に電荷を渡した流体は、電気的に中性に戻り、Ｅを経由して針電極４０９に至る。
針電極４０９の対向電極は導体４０８であり、図４の例では導体４０８の極性が正電位なので、針電極４０８から負の電荷が放出され、針電極４０９近傍を通過する流体に前記負電荷を与える。負電荷を受け取った流体は、Ｆを経由してＡに至り、導体メッシュ４０５に至る。導体メッシュ４０５は、流体から電荷を奪い、前記電荷は導体４０４外表面に蓄積され、導体４０４の電位は上昇する。導体メッシュ４０５に電荷を渡した流体は、電気的に中性に戻り、Ｂを経由して針電極４０１に至る。
流体を電荷キャリアとして用いることを特徴とする本発明は、発電機構に可動部分を不要とする静電誘導発電機の開発に適用できる。また、流体を電荷キャリアとして用いることは、他の電気機器・装置にも応用することが可能である。
１０１ ポンプ
１０２ 流体
１０３ 流向
１０４ 高電圧電源
１０５ 針電極
１０６ 接地
１０７ 導体
１０８ 絶縁パイプ
１０９ 絶縁パイプ
１１０ 導電性スポンジ
１１１ 電線
１１２ 導体
１１３ 出口
２０１ 入口
２０２ 流体
２０３ 高電圧電源
２０４ 接地
２０５ 絶縁パイプ
２０６ 針電極
２０７ 導体
２０８ 導体メッシュ
２０９ 導体スリーブ
２１０ 針電極
２１１ コンデンサ
２１２ 導体メッシュ
２１３ 導体スリーブ
２１４ 針電極
２１５ 電線
２１６ 出力端子
２１７ 出力端子
２１８ 出口
３０１ 入口
３０２ 流体
３０３ 高電圧電源
３０４ 接地
３０５ 絶縁パイプ
３０６ 針電極
３０７ 導体
３０８ 導体メッシュ
３０９ 導体スリーブ
３１０ 針電極
３１１ コンデンサ
３１２ 導体メッシュ
３１３ 導体スリーブ
３１４ 針電極
３１５ 電線
３１６ 出力端子
３１７ 電線
３１８ コンデンサ
３１９ 電線
３２０ 出力端子
３２１ 出口
４０１ 針電極
４０２ 絶縁物
４０３ 流体
４０４ 導体
４０５ 導体メッシュ
４０６ バイパス管
４０７ 隔壁
４０８ 導体
４０９ 針電極
４１０ 導体メッシュ
４１１ バイパス管
４１２ 絶縁被覆電線
１０２ 流体
１０３ 流向
１０４ 高電圧電源
１０５ 針電極
１０６ 接地
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１０８ 絶縁パイプ
１０９ 絶縁パイプ
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１１１ 電線
１１２ 導体
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２０６ 針電極
２０７ 導体
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２０９ 導体スリーブ
２１０ 針電極
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２１４ 針電極
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２１７ 出力端子
２１８ 出口
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３２１ 出口
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４１０ 導体メッシュ
４１１ バイパス管
４１２ 絶縁被覆電線
Claims (4)
- 電荷キャリアとして流体を採用し、流体に電荷を与える手段として針電極を備えた構成であり、前記電荷を回収する手段として導電性スポンジもしくは導電性メッシュを備えた構成の静電誘導発電機。
- 電荷キャリアである流体の流路中に、互いに電気的絶縁された２つの電極と、電線を介して接続された２つの針電極を備え、前記針電極は、前記電極に対向し、流体に電荷を与えるために放電する機能を有し、正および負の電荷を回収する手段として、前記電極内部空間に導電性メッシュを備えた構成の静電誘導発電機。
- 前記請求項２の静電誘導発電機をカスケード連結し、電気的には直列接続し、出力電圧を昇圧させることを可能とする静電誘導発電機。
- 電荷キャリアとして流体を密閉経路内で循環させる構造であり、前記流体に電荷を与える手段として針電極を備えた構成であり、前記電荷を回収する手段として導電性スポンジもしくは導電性メッシュを備えた構成で正および負の高電位を得ることを可能とする静電誘導発電機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021036782A JP2022136935A (ja) | 2021-03-08 | 2021-03-08 | 静電誘導発電機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021036782A JP2022136935A (ja) | 2021-03-08 | 2021-03-08 | 静電誘導発電機 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022136935A true JP2022136935A (ja) | 2022-09-21 |
Family
ID=83311972
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021036782A Pending JP2022136935A (ja) | 2021-03-08 | 2021-03-08 | 静電誘導発電機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2022136935A (ja) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2004352A (en) * | 1933-07-05 | 1935-06-11 | Alfred W Simon | Electrostatic generator |
| JPS5473592A (en) * | 1977-11-24 | 1979-06-12 | Toshihiko Sakurai | Efd energy converter |
| JP2008178875A (ja) * | 1994-05-20 | 2008-08-07 | Univ California | 容量性脱イオンおよび電気化学的精製、並びに電極の再生のための方法および装置 |
-
2021
- 2021-03-08 JP JP2021036782A patent/JP2022136935A/ja active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2004352A (en) * | 1933-07-05 | 1935-06-11 | Alfred W Simon | Electrostatic generator |
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