JP2024058731A - Asymmetric image force driven electrostatic generator - Google Patents
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Abstract
【課題】電荷搬送体に高電位充電電極と異極性の電荷を帯電させ、該電荷搬送体と充電電極との間に生じる後退鏡像力よりも、該電荷搬送体とその先にある電荷回収電極との間に生じる前進鏡像力の方が大きくなる非対称鏡像力現象を利用して該電荷搬送体を駆動し前進させ、前記電荷搬送体が前記回収電極に到達した時点で保有する余剰エネルギーで、該帯電電荷を電気的により高いポテンシャルまで持ち上げる非対称鏡像力駆動型静電発電機において、現状で利用可能な3.5kV以下のエレクトレットを高電位充電電極として使用可能にすること。【解決手段】充電電極と回収電極との間隔を適正化することで、余剰エネルギーを増大させることで達成した。【効果】余剰エネルギーが増大した結果、より低い電位のエレクトレットが使用可能になった。【選択図】図20[Problem] In an asymmetric image force driven electrostatic generator, a charge carrier is charged with a charge of opposite polarity to a high potential charging electrode, and the charge carrier is driven and advanced by utilizing the asymmetric image force phenomenon in which the forward image force generated between the charge carrier and a charge recovery electrode ahead of it is greater than the backward image force generated between the charge carrier and the charging electrode, and the charge carrier is raised to a higher electrical potential with the surplus energy possessed by the charge carrier when it reaches the recovery electrode, thereby making it possible to use currently available electrets of 3.5 kV or less as a high potential charging electrode. [Solution] This is achieved by optimizing the distance between the charging electrode and the recovery electrode to increase the surplus energy. [Effect] As a result of the increase in surplus energy, it becomes possible to use electrets with a lower potential. [Selected Figure] Figure 20
Description
本発明は、その進行方向に直角な軸に対し前後非対称な形状を有する電荷搬送体に帯電電荷を保持させ、該帯電電荷に作用する鏡像力の強さが、該進行方向の前後で異なる現象(以下非対称鏡像力という)を利用して得た非対称な鏡像力をその駆動力とする静電発電機に関するものである。 This invention relates to an electrostatic generator that uses asymmetric image forces obtained by holding a charged charge on a charge carrier that has an asymmetric shape with respect to an axis perpendicular to the direction of travel and utilizing the phenomenon in which the strength of the image force acting on the charged charge is different before and after the direction of travel (hereinafter referred to as asymmetric image force) as its driving force.
地球の温暖化と、環境問題を解決するために、二酸化炭素を発生しない発電方法がいろいろと実施されている。例えば、原子力発電、太陽光発電、風力発電等である。しかしながら、これらは、安全性、安定性、コスト、及び耐久性、並びに小型化等の観点で難がある。
他方、静電発電機は、製造、使用、及び廃棄を通じて危険性はなく、又、天候、発電時刻に左右されず、発電量は常時安定である。
更に、小型化も容易なため、蓄電器や送電線も不要である。更に、エネルギーの補給やメンテナンスも略不要であり、長い(約100年)寿命を有し、低コストでできる電源である。
In order to solve global warming and environmental problems, various power generation methods that do not generate carbon dioxide have been implemented, such as nuclear power generation, solar power generation, wind power generation, etc. However, these methods have problems in terms of safety, stability, cost, durability, and miniaturization.
On the other hand, electrostatic generators are not dangerous throughout their manufacture, use, and disposal, and the amount of electricity they generate is always stable, regardless of weather or the time of day they are generated.
In addition, it is easy to miniaturize, so no storage batteries or power lines are required. Furthermore, it requires almost no energy supply or maintenance, has a long life (about 100 years), and is a low-cost power source.
かかる静電発電機は、低電位の電荷注入電極(以下注入電極という)で、電荷を電荷搬送体に注入し、電界においてこれに作用する静電力に逆らって、該電荷搬送体を高電位の電荷回収電極(以下回収電極という)まで搬送し持ち上げ、そこで、搬送した電荷を回収するものである。
ただし、バンデグラーフの静電発電機では、電荷搬送体を静電力に逆らって搬送するために機械力(電気モータ)を使用しており、該電気モータで消費される電力が、生成される電力よりも大きいため、高電位(100万ボルト)発生装置ではあるが発電機とは言えない。
In such an electrostatic generator, a charge is injected into a charge carrier by a low-potential charge injection electrode (hereinafter referred to as the injection electrode), and the charge carrier is transported and lifted up against the electrostatic force acting on it in an electric field to a high-potential charge recovery electrode (hereinafter referred to as the recovery electrode), where the transported charge is recovered.
However, Van de Graaff's electrostatic generator uses mechanical power (an electric motor) to move the charge carrier against the electrostatic force, and the power consumed by the electric motor is greater than the power generated, so although it is a high potential (1 million volts) generator, it cannot be called a generator.
これに対して、非対称静電力を利用して電荷搬送体を低電位から高電位まで引き上げる駆動力とする静電発電方法が提案されており(特許文献1~5)、非対称鏡像力を駆動力として使用する物がある。以下これを簡単に説明する。
In response to this, electrostatic power generation methods have been proposed that use asymmetric electrostatic forces to drive the charge carrier from a low potential to a high potential (
図1に示すように、点電荷1が、接地された導電性の平板2から距離rにあるとき、該点電荷1には、下記(1)式で計算される静電気力(静電力)が働く。これが鏡像力に相当する。
F = q2/4πε0(2r)2 (1)
尚、電荷は、点電荷または球状帯電体として説明されるが、非球状の帯電体でも同様に鏡像力が発生する。
ここで、帯電体の形状が対称形であれば、該帯電体が移動する電界の向きが反転しても、電荷に作用する鏡像力の強度は変わらないが、非対称形状の場合は、該電界が反転したとき、その強度は大きく変わる(非特許文献1、2)。
As shown in Figure 1, when a
F = q 2 /4πε 0 (2r) 2 (1)
Although the charges are described as point charges or spherically charged bodies, image forces are also generated in non-spherical charged bodies.
Here, if the shape of a charged object is symmetrical, the strength of the image force acting on the charge does not change even if the direction of the electric field through which the charged object moves is reversed. However, if the shape is asymmetrical, the strength of the image force changes significantly when the electric field is reversed (
例えば、図2に示した横置き樋型の電荷搬送体4の帯電量が1μCで、接地された導体板2との距離が1.0mmのとき、開口部を接地導体板2に向けたときは、該搬送体4に作用する鏡像力は32.4Nで、逆に底面を接地導体板2に向けたときは69.0Nになることが二次元差分法のシミュレーションで明らかになった。以下、この現象を非対称鏡像力と言う。
For example, a simulation using a two-dimensional finite difference method revealed that when the charge amount of the horizontal gutter-
この非対称鏡像力を電荷搬送体の駆動力とする静電発電機の基本構造を図3に示す。主要部品は、充電電位源3(例えば、充電電極または充電エレクトレット)、横置き樋型の電荷搬送体4と、回収電極5のみである。但し、実際の装置には、そこに、回収電極コンデンサー6、電荷を注入する導電性端子7と、電荷を回収する導電性端子8が加わるが、以下、簡略化のため、主に主要部品のみについて説明する。
The basic structure of an electrostatic generator that uses this asymmetric image force as the driving force for the charge carrier is shown in Figure 3. The main components are only a charging potential source 3 (e.g., a charging electrode or a charging electret), a horizontal gutter-
電荷搬送体4が、図3の左から、上下一対の充電電極(例えばエレクトレット)3の間に入り、図3に示される位置に来たとき、電荷搬送体4の上下平板42と、上下一対の充電エレクトレット3間に、夫々空気コンデンサーが形成される。この時、電荷注入端子7により電荷搬送体4が接地されると、該空気コンデンサーへの充電電荷が、大地より電荷搬送体4に注入される。
その後、帯電された電荷搬送体4は、さらに図示右方向に進み、上下一対の回収電極5の中に入るそして、上下一対の回収電極5内に設けられ、電荷搬送体4と当接する電荷回収端子8により、該回収電極5と電荷搬送体4は電気的に連結され、帯電電荷は回収電極5を通って、回収電極コンデンサー6に蓄積される。そして、帯電電荷は、さらに図示しない回路を通じて外部負荷に流れる。
3, when the
The
充電電極たるエレクトレット3が負帯電の場合、電荷搬送体4は正帯電される。その結果、充電電極たるエレクトレット3と回収電極5の間を、図示右に進む電荷搬送体4には、充電電極たるエレクトレット3と回収電極5間に形成された電界により図示左向きに静電力が働く、以下この力を電界力と言う。
加えて充電電極たるエレクトレット3の背面電極により、やはり図示左向きに鏡像力が働く。以下この力を後退鏡像力と言う。同時に、回収電極5により図示右向きの鏡像力も働く。以下この力を前進鏡像力と言う。
ここで、充電電極たるエレクトレット3を出た直後は、左向きの後退電界力と後退鏡像力の合力が強いが、回収電極5に接近すると、右向きの前進鏡像力と左向きの後退電界力の和の方が強くなる。
When the
In addition, an image force acts to the left in the figure due to the back electrode of the
Here, immediately after leaving the
従い、電荷搬送体4が非対称である場合、電荷搬送体4の上下水平板42のエッジに働く左向きの電界力、および後退鏡像力は弱く、水平板42の表裏に垂直に働く電界力は、上方向と下方向が同じ強さで相殺され、前方垂直板部41に働く右向きの前進鏡像力は強い。
この結果、右向きの前進鏡像力が、左向きの後退電界力と後退鏡像力の和より強くなり、電荷搬送体4は、充電電極たるエレクトレット3から回収電極5に到達することができる。よって、電荷搬送体4により搬送された電荷が回収電極5に回収されれば、この装置は静電発電機になる。回収されなければ、該装置は静電モータになる。
Therefore, when the
As a result, the rightward forward image force becomes stronger than the sum of the leftward backward electric field force and the backward image force, and the
そこで、充電電極たるエレクトレット3と回収電極5間で、帯電した電荷搬送体4に働く静電力をシミュレーションで求めた。その一例を図4に示す。図中、充電電極たるエレクトレットの右端と電荷搬送体の左端の間隔(距離)を以て電荷搬送体の位置とする(以下同じ)。
先ず、電荷搬送体4が、充電電極たるエレクトレット3を出た後、約10mmの間は、該電荷搬送体4に働く静電力はマイナス、すなわち左向きであるが、10mmを越えるとプラス、すなわち右向きに転じ、しかもその絶対値がより大きくなることが図4より明らかである。このため、回収電極5に到達した電荷搬送体4には余剰の運動エネルギーが残されている。この余剰エネルギーを使って、低電位(0V)から搬送してきた電子をより高い電位(例えば、-1000V)に引き上げることができる。すなわち、発電できる。
Therefore, the electrostatic force acting on the
First, after the
実際に、該原理に基づいて非対称鏡像力駆動型の静電発電実験機(ベンチモデル)を試作し、発電を行った結果は、特許文献5(特開2022-084111号公報)に記載されているが、以下、概略縦断面図5と、概略横断面図(又は平面図)6を参照して簡単に説明する。
該当図中、参照番号4は樋型電荷搬送体、同3は半径方向にみて内外一対の板状充電電極たるエレクトレット、参照番号5は半径方向にみて内外一対の板状回収電極、参照番号9は非対称鏡像力を強める半径方向にみて内外一対の板状加速電極であって、接地されている。参照番号10は、充電電極たるエレクトレット3の高電位が回収電極5に影響することを阻止する半径方向にみて内外一対の板状シールド電極であって接地されている。参照番号11は電荷搬送体を保持する保持円板で、参照番号12はステンレス製の回転軸(支柱)である。注入用端子、及び回収用端子は省略した。参照番号13は、電荷搬送体の保持円板11のセンターに固定され、固定回転軸12の周りを回転する高性能のボールベアリングである。
ここで、加速電極9を1個置いたときのシミュレーションされた静電力を図7に示す。図4と比較するとその効果の違いは明らかである。
In fact, an asymmetric image force-driven electrostatic power generation experimental machine (bench model) was prototyped based on this principle, and the results of power generation are described in Patent Document 5 (JP 2022-084111 A). Below, a brief explanation will be given with reference to a schematic longitudinal
In the figure,
Here, the electrostatic force simulated when one
図において、電荷搬送体保持円板11の半径は45mmで、各内外一対の充電電極たるエレクトレット3、加速電極9、及び回収電極5の各外側部分は、半径50mmの円周の上に形成し、各内側部分は半径30mmの円周の上に形成した。この結果、充電電極たるエレクトレット3の内外電極間間隔は20mmになる。
充電電極たるエレクトレット3と回収電極5の外側部分の幅は40mmで、加速電極9の同幅は20mmである。
これら充電電極たるエレクトレット3、加速電極9、及び回収電極5の外側部分の高さは共に65mmで、内側部分の高さは55mmである。図中、樋型電荷搬送体4の幅と奥行きと高さは、夫々、5mm、5mm、及び50mmである。
In the figure, the radius of the charge
The width of the outer portion of the
The height of the outer parts of the charging electrodes, the
該実験装置で、まず、エレクトレットではない充電電極を使用して、非対称鏡像力駆動型の静電発電機の実験を行った。
具体的には、充電電極3に対し図示しない高圧電源から、高電圧を印加して、エアースプレイで電荷搬送体4を3~30秒間強制回転させた。この後、電荷搬送体に加わる静電力(前進鏡像力-(後退電界力+後退鏡像力))が、電荷搬送体に加わる空気抵抗力+機械的摩擦力よりも大きければ、電荷搬送体円板11は回転を続け、充電電極3で充電された電荷は回収電極5で回収され、その結果、回収コンデンサー6の表面電位は勢いよく上昇する。すなわち、発電が継続される。
In this experimental setup, we first conducted experiments on an asymmetric image-force-driven electrostatic generator using a non-electret charged electrode.
Specifically, a high voltage was applied to the
充電電極3に印加する電圧を、-3.0kVから-0.5kVずつ上げたところ、-5.0kVまでは強制回転から連続回転に移らず、数十秒後に止まってしまったが、-5.5kVでは、緩やかに回転続け、回収コンデンサー6の電位も緩やかに上昇した。又、回収コンデンサー6を3回アースしたが、そのたびに、その電位は0Vからプラス方向に上昇した。
When the voltage applied to the
しかしながら、充電エレクトレットを充電電極として使用する場合、現状-3.5kVの出力が限界であり、-5.5kV以上を出力する高電位エレクトレットを作製できず、利用できない。なお、発電装置内を真空にして空気抵抗をゼロにすれば、低電位の充電エレクトレットでも使用可能になるが、民生品で長期間真空を維持するのは困難である。 However, when using rechargeable electrets as charging electrodes, the current output limit is -3.5 kV, and it is not possible to create high-potential electrets that output -5.5 kV or more, and they cannot be used. If the inside of the generator is made into a vacuum to reduce air resistance to zero, it becomes possible to use low-potential rechargeable electrets, but it is difficult to maintain a vacuum for long periods of time with consumer products.
[特許文献1] 特開2008-5690号公報
[特許文献2] 特開2020-150780号公報
[特許文献3] 特開2021-108524号公報
[特許文献4] 特開2022-2436号公報
[特許文献5] 特開2022-84111号公報
[Patent Document 1] JP 2008-5690 A
[Patent Document 2] JP 2020-150780 A [Patent Document 3] JP 2021-108524 A [Patent Document 4] JP 2022-2436 A [Patent Document 5] JP 2022-84111 A
[非特許文献1]2006年米国静電気学会年次大会予稿集 P.137
[非特許文献2][Asymmetric Electrostatic Forces and a New Electrostatic Generator], Nova Science Publishers, New York, 2010
[Non-Patent Document 1] Proceedings of the 2006 American Society of Electrostatic Engineers Annual Conference, p. 137
[Non-Patent Document 2] [Asymmetric Electrostatic Forces and a New Electrostatic Generator], Nova Science Publishers, New York, 2010
本発明の目的は、非対称鏡像力駆動型の静電発電機において、表面電位が3.5kV以下の充電エレクトレットを使用して、空気抵抗等に打ち勝つに十分な余剰エネルギーが得られる方法及び装置を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a method and apparatus for obtaining sufficient surplus energy to overcome air resistance, etc., using a charged electret with a surface potential of 3.5 kV or less in an asymmetric image force-driven electrostatic generator.
上記本発明の目的は、充電エレクトレットと回収電極間との距離を適正化することで達成できる。 The above object of the present invention can be achieved by optimizing the distance between the charging electret and the recovery electrode.
本発明の実施例によれば、表面電位が3.5kV以下の充電エレクトレットで、空気抵抗等に打ち勝つに十分な余剰エネルギーが得られるようになったので、非対称鏡像力駆動型の静電発電機を実現できるようになった。 According to an embodiment of the present invention, a charged electret with a surface potential of 3.5 kV or less can generate sufficient excess energy to overcome air resistance, etc., making it possible to realize an asymmetric image force-driven electrostatic generator.
出願人は、非対称鏡像力駆動型の静電発電機において、充電エレクトレット3の表面電位が-3.5kV以下であっても、前記余剰エネルギーが、空気抵抗力等を上回って電荷搬送体4が回転を続けられる状態、すなわち連続発電の状態を、充電エレクトレット3と回収電極5との距離を適正化することで実現した。
In an asymmetric image force-driven electrostatic generator, the applicant has achieved a state in which the surplus energy exceeds air resistance and the like, allowing the
ここで、充電エレクトレット3の電位を下げるためには、装置全体のダウンサイズが有効である。サイズを1/2にすることで、充電エレクトレット3の電位を、-5.5kVから、約半分の-3.0kVにすることが可能であるからである。
また、充電エレクトレット3の電位が、-3.0kVであっても、電荷搬送体4に充電できる電荷量が、その電位が-5.5kVの場合と同じであれば、同様の余剰エネルギーが得られ、電荷搬送体円板11が回転を続け、発電が継続されることができる。従い、上記試作機では、充電エレクトレット3と電荷搬送体4の間隔7.5mmを、半分の3.75mmにすればよい。
しかしながら、縦方向に吊るした電荷搬送体4を採用した試作機では、電荷搬送体円板11の回転とともに、電荷搬送体4の下端が遠心力で膨らみ、外周の該電極に接触し、上記間隔の維持は困難である。
Here, downsizing the entire device is effective in lowering the potential of the charged
In addition, even if the potential of the charged
However, in the prototype in which the
そこで、出願人は、図8に示すように、電荷搬送体4を吊り下げる方式から、電荷搬送体円板11上において、一定の角度間隔で水平に載せる方式に変更した。それに伴って、充電エレクトレット3と、回収電極5も、図9に示すように、電荷搬送体円板11を挟む上下の電極円板15と14の各表裏に向かい合わせに設置した。よって、この方式ならば、電荷搬送体が遠心力で外に広がり、各電極と接触することは無くなる。しかしながら、この方式では、充電電極3と回収電極5の幅を一定とすると、円板14,15の中心付近では、充電電極3と回収電極5の間隔が狭まって、その間に、リークまたは放電が発生してしまう。
そこで、両電極の形状を図9に示すように、中心に近づくにつれて狭くなる台形形状とした。また電荷搬送体4も図8に示すように同様に台形形状とした。
Therefore, the applicant changed the method of hanging the
Therefore, the shapes of both electrodes are made trapezoidal, narrowing toward the center, as shown in Fig. 9. Similarly, the
具体的には、図8に示すように、厚さ0.5mm、半径50mmの絶縁性円板たる電荷搬送体円板11に、外周マージン5mm空けて、長さ25mm、下底1.0mm、上底0.5mm、高さ1.0mm、及び厚さ0.04mmの横置き樋型の電荷搬送体4を82個セットする。
また、図10に示すように、同一形状の絶縁性円板である、上下電極円板14,15夫々に、外周マージン5mm空け、長さ25mm、下底1.5mm、及び上底0.75mmの台形の充電エレクトレット3と、長さ25mm、上底2.0mm、及び下底1.0mmの台形の回収電極5を交互に設け、一組の充電エレクトレット3と回収電極5の配置を、外間隔3.2mm、及び内間隔1.6mmとし、次の組の回収電極5と充電エレクトレット3の外間隔を0.8mm、内間隔0.4mmとして41組セットする。以下、該1組を1ユニットと言う。
従い、ユニットの外幅は7.5mm、内幅は3.75mmになる。上下電極板14,15間隔は1.24mmであり、基板の厚さ0.5mmを加えるとユニットの高さは1.74mmになる。なお、横置き樋型電荷搬送体4の上下水平板42と、上下一対の充電エレクトレット3の各間隔は0.1mm、充電エレクトレットの厚さ(9図で上下)は0.04mm、比誘電率は2.0である。
Specifically, as shown in FIG. 8, 82 horizontal trough-shaped
10, the upper and
Therefore, the outer width of the unit is 7.5 mm and the inner width is 3.75 mm. The distance between the upper and
かかる方式において、出願人は、充電エレクトレット3の電位を変えて、電荷搬送体4に充電される電荷量と、該充電により帯電した電荷搬送体4と、充電エレクトレット3と回収電極5間で作用する静電力の関係をシミュレーションで求めてみた。
ここで、台形の電荷搬送体4のシミュレーションは、2次元差分法ではできないので、長方形の電荷搬送体4にして行った。そして、電荷搬送体4の幅は、上底と下底の平均値をとり0.75mmとした。同様に、上底と下底の平均値たる充電エレクトレット3の幅、充電エレクトレット3と回収電極5の間隔、上底と下底の平均値たる回収電極5の幅、及び回収電極5と隣の組の充電エレクトレット3との間隔も、それぞれ、1.12mm、2.4mm、1.6mm、及び0.6mmとした。よって、1ユニットの長さはこの合計で5.72mmになる。
In this method, the applicant changed the potential of the charged
Here, since the
更に、充電エレクトレット3の電荷密度を、0.1mC/m2 、0.2mC/m2、0.4mC/m2、及び1.0mC/m2と変えて、電荷搬送体4が上下充電エレクトレット3間にあるときの充電電荷量をシミュレーションした。
このとき、充電エレクトレット3の表面電位は、周囲に電荷搬送体4が存在しないとき、それぞれ、225V、450V、900V、及び2250Vである。充電のために接地された電荷搬送体4が、充電エレクトレット3に対し0.1mmの間隔を空けて置かれた場合は、2250Vあった電位は、1882V~2111Vに下がる。以下、シミュレーション結果を電位で表示する場合は、周囲に電荷搬送体4が存在しないときの電位である。
Furthermore, the charge density of the charged
At this time, the surface potential of the charged
充電エレクトレット3の電荷密度が、0.1mC/m2 、0.2mC/m2、0.4mC/m2、及び1.0mC/m2のときの充電電位を公式に基づいて計算すると、それぞれ、225V、450V、900V、2250Vになる。すなわち、充電電位は、エレクトレットの電荷密度に正比例して増加する。
それぞれの充電電位に対して、電荷搬送体4に注入される充電電荷量をシミュレーションした結果を表示すると、図11のようになる。すなわち、充電電荷量は、充電電位に正比例して増加する。
When the charge density of the charged
The results of simulating the amount of charge injected into the
次に、充電エレクトレットの電荷密度が、0.1mC/m2 、0.2mC/m2、0.4mC/m2、及び1.0mC/m2(即ち、充電電位が、225v、450V、900V、及び2250V)のときの充電電荷量を有する電荷搬送体4が、充電エレクトレット3を抜けて回収電極5に至る工程で受ける静電力をシミュレーションした。その結果を図12に示す。図11と合わせて考えると、電荷搬送体4の帯電量が増えると、電荷搬送体4が受ける静電力は、充電エレクトレット3を抜けた初期において後方に引かれるとき、及び中盤から後半にかけてその前方に引かれるときにおいても大幅に増加することが解る。
Next, the electrostatic force acting on the
更に、その関係を定量的にみるために、該静電力と電荷搬送体4の移動距離をもとに、電荷搬送体4が受ける正負の運動エネルギーを各充電電位別に計算し、それを合計して、各充電電位別の余剰エネルギーを求めた。その結果を、図13に示す。図13から、充電電位は、すくなくとも2.0kV以上が望ましいことが解る。
Furthermore, to quantitatively examine this relationship, the positive and negative kinetic energy received by the
なお、同図13から、余剰エネルギーは、充電電位の二乗に略比例している。そこで、充電電位と充電電荷量は、図11に示したように正比例するので、充電電位に替えて、充電電荷量の二乗に対して対応する余剰エネルギーをプロットした。その結果を示すグラフを図14に示す。
同図14から、余剰エネルギーは、略正確に、充電電荷量、すなわち、充電電位の二乗に正比例している。以上より、余剰エネルギーを大きくするためには、充電エレクトレットの帯電電位をより高くすることが効果的である。
As shown in Fig. 13, the surplus energy is approximately proportional to the square of the charging potential. Therefore, since the charging potential and the amount of charging charge are directly proportional to each other as shown in Fig. 11, the corresponding surplus energy was plotted against the square of the amount of charging charge instead of the charging potential. The graph showing the results is shown in Fig. 14.
14, the surplus energy is almost exactly proportional to the amount of charge, i.e., the square of the charging potential. From the above, in order to increase the surplus energy, it is effective to increase the charging potential of the charging electret.
前記した鏡像力の公式(1)から、鏡像力は、帯電体1と接地導体2との距離rの二乗に反比例することがわかっている。
すなわち、距離が短いほど、鏡像力は急激に大きくなり、少し長くなると急激に小さくなる。この点を考慮すると、充電エレクトレット3と回収電極5との間隔を長くするのは、その間の電荷搬送体4の移動の最初と最後を除いて、鏡像力はほとんど効かないのでムダであり、この間隔は短いほどよい。
そこで、この間隔のみを変えて、一定の帯電量を有する電荷搬送体4に作用する静電力をシミュレーションで求めた。なお、帯電後の電荷搬送体4に作用する電界力を除いた鏡像力の効果のみをみるために、充電手段を充電エレクトレット3に替えてエレクトレットでない充電電極3とし、接地した。
From the above-mentioned image force formula (1), it is known that the image force is inversely proportional to the square of the distance r between the charged
In other words, the shorter the distance, the greater the image force, and the longer the distance, the smaller the image force. Considering this, making the distance between the charging
Therefore, only this distance was changed, and the electrostatic force acting on the
具体的には、充電電極3と回収電極5との間隔を、2380μmから1760μmに縮めて、-1.0nCの電荷を保持する電荷搬送体4に作用する鏡像力をシミュレーションで求めた。その結果を、2380μmの結果と並べて図15に示す。
しかしながら、電荷搬送体4の移動初期における左に引き戻す後退静電力も、中盤から後半にかけて右に引っ張る前進静電力も、同間隔が2380μmの場合の各静電力よりも小さくなった。その結果、余剰エネルギーも、0.247μJから0.168μJとなり、少なくなった。
Specifically, the distance between the charging
However, both the backward electrostatic force pulling the
この結果になったのは、充電電極3と回収電極5の間隔が狭くなると、充電電極3を抜けた電荷搬送体4には、充電電極3との間において左に引く後退鏡像力が働くのみならず、少し離れた回収電極5との間においては、右に引っ張る前進鏡像力が、距離が短い分だけより強く働き、その結果、間隔2380μmよりも、間隔1760μmの方が、作用する鏡像力は少し小さくなったと考えられる。
逆に、回収電極5に近づいた時も、距離が短い分だけ、後退鏡像力が強く、間隔2380μmよりも、間隔1760μmの方が、作用する鏡像力は少し小さくなったと考えられる。よって、前記した鏡像力の公式は当てはまらず、以下を検討した。
The reason for this result is that when the distance between the charging
Conversely, when approaching the
充電電極3と回収電極5との間隔が、2380μmから1760μmに短縮された結果、円周上の1ユニットの長さも、5700μmから5130μmに短くなり、その結果、円周上に配置できるユニットの数は、41個から46個に増えた。
そこで、それぞれの場合において、電荷搬送体円板11が1回転したときの出力を比較した。まず、その発生電圧Vは、余剰エネルギーWがすべて搬送された電荷qの電位を上げるのに使用できると仮定すると、下記式(2)で計算される。
(数3)
V = W/q (2)
それぞれの場合、搬送電荷量qはともに1.0nCで、余剰エネルギーWは0.168μJと0.247μJなので、発生電圧Vは168Vと247Vになる。
よって、間隔1760μmの場合、電荷搬送体円板11が1回転するとき、1個の電荷搬送体4は、46個の回収電極に1.0nCの電荷を運ぶので、搬送電荷量は合計46nCになる。46個の電荷搬送体4があるので、電荷搬送体円板11の1回転で、合計2116nCの電荷が、回収電極5のコンデンサー6に蓄えられる。
電荷搬送体円板11の回転数が1000rpmだとすると、1秒間に16.7回転する。その結果、1秒間に回収コンデンサー6に回収される電荷の量、すなわち電流は35.3μAとなり、電圧との掛け算で得る出力は5.94mWとなる。同様の計算を、充電電極3と回収電極5との間隔が2380μmの場合も行うと、得られる電圧は247V、電流は28.0μA、及び出力は6.92mWとなり、間隔1760μmの場合より大きくなる。
As a result of the distance between the charging
Therefore, we compared the output when the
(Number 3)
V = W / q (2)
In each case, the amount of carried charge q is 1.0 nC, and the excess energy W is 0.168 μJ and 0.247 μJ, so the generated voltage V is 168 V and 247 V.
Therefore, in the case of a spacing of 1760 μm, when the
If the rotation speed of the
以上の通り、充電電極3と回収電極5の間隔が広い方が、出力は大きくなったので、この間隔をさらに広げた。具体的には、該間隔を、3920μm、5360μm、7740μm、9680μm、及び12000μmに広げ、1.0nCを帯電した電荷搬送体4に作用する静電力をシミュレーションした。その結果を図16に示す。
同図から、電荷搬送体4に作用する静電力のピーク値は、充電電極3と回収電極5の間隔が狭いと低くなるが、8000μm以上の間隔の場合では、ピーク値は変わらないことがわかる。この結果は、8000μmくらい離れると、充電電極3との間に働く後退鏡像力はほとんどなくなったことを示唆していると思われる。
As described above, the output increased as the distance between the charging
From the figure, it can be seen that the peak value of the electrostatic force acting on the
上図から、充電電極3と回収電極5の間隔毎に、電荷搬送体4が回収電極5に到達した時点で保有している余剰エネルギーを算出すると図17のようになる。これらの余剰エネルギーで搬送された1nCの電荷は、前記の式2に基づいて計算される電位に高められる。その結果を、図18に示す。
From the diagram above, if we calculate the surplus energy that the
また、電荷搬送体4の回転1000rpmに伴って、1秒間に回収コンデンサー6に回収される電荷量、すなわち電流は、間隔ごとに前記同様に算出される。その結果を図19に示す。
各出力は、上記出力電圧と出力電流の掛け算として求められる。
その結果、上下電極板14、15と電荷搬送体円板11で構成される高さ1.74mmの1セットを、10cm立方体に57段に重ねたときの出力は、電荷搬送体4が1ユニットに1個の場合の出力の57倍となり、さらに、該10cm立方体を1m立方体(1m3)に1000個入れた発電機の出力は、その1000倍になる。該1m3の立方体装置の合計出力を、図20に示す。
以上の結果から、発電機の出力は、充電電極3と回収電極5の間隔がひろいほど大きくなるが、間隔が8000μm付近でピークとなり、それ以上広いと、逆に減少していくことがわかる。すなわち、最高の出力を得るためには、充電電極3と回収電極5の最適な間隔を選択する必要がある。
電荷搬送体の大きさ等によって最適値は異なると思われるが、本実施例の場合は7.5±2mmである。すなわち、電荷搬送体の幅0.76mmの10±2.5倍である。
なお、上記シミュレーションは、鏡像力の影響のみを見るために、充電エレクトレットに代えて、接地した充電電極で行ったが、以下前記後退電界力が加わる充電エレクトレットと比較する。
充電電極及びエレクトレット3夫々と回収電極5の間隔が1760μmのとき、この間を移動する電荷搬送体4に加わる静電力(鏡像力+後退電界力)をシミュレーションした。その結果を図21に示す。この図から、電荷搬送体4に加わる静電力は主に鏡像力であることがわかる。後退電界力が加わると、静電力は小さくなるので、余剰エネルギーも168.4μJから92.5μJに減少し、1立方メートルの装置の出力も、339Wから186Wに減少した。
The amount of charge collected by the
Each output is calculated as the product of the output voltage and the output current.
As a result, when one set of 1.74 mm
From the above results, it can be seen that the generator output increases as the gap between the charging
The optimum value is thought to vary depending on the size of the charge carrier, but in this embodiment it is 7.5±2 mm, that is, 10±2.5 times the width of the charge carrier, 0.76 mm.
In the above simulation, a grounded charged electrode was used instead of a charged electret in order to observe only the effect of the image force, but below it will be compared with a charged electret to which the receding electric field force is applied.
When the interval between the charging electrode,
前記1ユニットに、電荷搬送体4が1個入るように、ユニット数と電荷搬送体4の数を合わせたので、充電電極3と回収電極5の間隔を長くしたとき、該1ユニットの長さも長くなって、電荷搬送体円板11上に配置される電荷搬送体の数も、46個から15個と少なくなる。
充電電極3と回収電極5の間隔が、例えば、7000μmを越えた場合、幅760μmの電荷搬送体4を複数入れることは機械的に問題なく、理論上も、その分だけ出力が増加する。ただし、先行する電荷搬送体4により、後行する電荷搬送体4に作用すべき前進鏡像力がカットされ、得られる剰余エネルギーが逆に少なくなると考えられる。
そこで、充電電極3と回収電極5との間隔が7360μmのとき、幅760μmで、-1.0nCに帯電した電荷搬送体4Aと4Bが、2280μmの間隔を空けて、充電電極3から回収電極5に移動する間に受ける静電力をシミュレーションした。その結果を、電荷搬送体4が1個の場合と並べて図22に示す。
The number of units and the number of
If the distance between the charging
Therefore, when the distance between the charging
図示するように、充電電極3を出た直後は、後行する電荷搬送体4Bに作用する鏡像力は、先行する電荷搬送体4Aにより、回収電極5との間で働くべき右向き前進鏡像力がカットされ、充電電極3との間に働く左向きの後退鏡像力のみ残ったので、左向き、即ち数値は負に大きくなった。
しかし、電荷搬送体4Bが回収電極5に近づくと、充電電極3との間に発生する左向きの後退鏡像力が、後行の電荷搬送体Bによりカットされたので、右向きの前進鏡像力が大きくなった。
従って、充電電極3を出た直後、後退鏡像力が大きくなったマイナスよりも、回収電極5近傍で、前進鏡像力が大きくなったプラスの方が大きく、余剰エネルギーは、1.67μJから2.55μJと増えた。
As shown in the figure, immediately after the trailing charge carrier 4B leaves the charging
However, when the charge carrier 4B approached the
Therefore, immediately after leaving the charging
この結果、得られる電位は1673Vから2549Vと増加し、1秒間に回収される電荷量、すなわち電流は、電荷搬送体4が22個から44個に増えた効果で、8.07μAから16.1μAとなって2倍になり、出力は、13.5mWから41.1mWとなって約3倍になった。
上下電極板14、15と電荷搬送体円板11で構成される高さ1.74mmの1セットを、10cm立方体に57段に重ねたときの出力は、電荷搬送体4が1ユニットに1個の場合の0.769Wから2.34Wとなり、さらに、該10cm立方体を、1m立方体に1000個入れた発電機の出力は、769Wから、2.34kWになった。一軒の家に必要な電力をほぼ賄える量である。
As a result, the obtained potential increased from 1673 V to 2549 V, the amount of charge collected per second, i.e., the current, doubled from 8.07 μA to 16.1 μA due to the effect of increasing the number of
When a set of 1.74 mm
上記各種静電発電機を静電モータにすることもできる。
この場合は、前記回収電極5を接地し、かつ、搬送されてきた電荷搬送体4上の電荷を回収しなければよい。すなわち、回収端子を外せばよい。
従って、充電エレクトレット3と回収電極5に代わる接地加速電極9を、多数円周上に配置して、静電モータとしてよい。
The various electrostatic generators described above can also be used as electrostatic motors.
In this case, the
Therefore, a large number of charging
更に、変形例1では、充電エレクトレット3と回収電極5に代わる接地加速電極9を多数円周上に配置して、静電モータとしたが、これを直列に並べると静電加速器になる。
この場合、図23に示すように、樋型電荷搬送体4に代えて左側開放円筒型の電荷搬送体4を使用し、充電高電位源3と接地した加速電極9も平板状から円筒状に変えることで、より強力な加速器となる。なお、図中16は、これらを保持する固定円筒、例えば銃身である。
円筒型電荷搬送体4を弾丸として使用すれば、静電銃となり、宇宙船に乗せて、適当な重さの円筒型電荷搬送体4を宇宙船外に射出すれば、宇宙船の加速器(エンジン)になる。
Furthermore, in the first modification, a large number of grounded
In this case, as shown in Fig. 23, a more powerful accelerator can be obtained by using a
If the
上記したように、該非対称鏡像力駆動型の静電応用機器(静電発電機、静電モーター、静電加速器)は、充電電位源としてエレクトレットを使用するとき、外部からのエネルギーや消耗品の供給は不要なので、特に、停電で止まってはいけない交通信号、無線基地局、病院用電源、及び業務用冷蔵庫に使用することができる。また、エレクトレットの寿命は約100年なので、太陽圏外へ数十年の旅をする宇宙船や、体内密閉型人工心臓にも使用することができる。 As described above, when using electrets as a charging potential source, the asymmetric image force-driven electrostatic application devices (electrostatic generators, electrostatic motors, electrostatic accelerators) do not require external energy or consumable supplies, and therefore can be used in particular in traffic signals, wireless base stations, hospital power sources, and commercial refrigerators that must not stop due to a power outage. In addition, since the lifespan of electrets is about 100 years, they can also be used in spacecraft that travel beyond the solar sphere for several decades, and in internally sealed artificial hearts.
1: 点電荷
2: 対向平板接地電極
3: 充電電位源3(充電電極または充電エレクトレット)
4: 横置き樋型電荷搬送体
41:電荷搬送体の前面垂直板
42:電荷搬送体の上下平板
5: 電荷回収電極
6: 電荷回収電極用コンデンサー
7: 電荷注入導電性端子
8: 電荷回収導電性端子
9: 非対称鏡像力を強める接地加速電極
10: シールド電極
11: 電荷搬送体保持円板
12: 回転軸(支柱)
13: ボールベアリング
14: 充電用高電位源、加速電極及び電荷回収電極を支持する絶縁性支持体
15: 充電用高電位源、加速電極及び電荷回収電極を支持する絶縁性支持体
16: 円筒型充電用高電位源、円筒型加速電極を保持する円筒部材
1: Point charge 2: Opposing flat ground electrode 3: Source of charging potential 3 (charging electrode or charging electret)
4: Horizontal gutter-shaped charge carrier 41: Front vertical plate of the charge carrier 42: Top and bottom flat plates of the charge carrier 5: Charge recovery electrode 6: Capacitor for charge recovery electrode 7: Conductive terminal for charge injection 8: Conductive terminal for charge recovery 9: Grounded acceleration electrode for enhancing asymmetric image force 10: Shield electrode 11: Disk for holding the charge carrier 12: Rotation axis (support)
13: Ball bearing 14: Insulating support for supporting the charging high potential source, acceleration electrode, and charge recovery electrode 15: Insulating support for supporting the charging high potential source, acceleration electrode, and charge recovery electrode 16: Cylindrical member for holding the cylindrical charging high potential source and cylindrical acceleration electrode
Claims (7)
高電位を有する前記高電位源に前記電荷搬送体を接近させ、同時にこれを接地することで、前記高電位源と異極性の電荷を該電荷搬送体に充電させて帯電し、前記電荷搬送体と高電位源電極との間に生じる後退鏡像力よりも、前記電荷搬送体と前記電荷回収電極との間に生じる前進鏡像力の方が大きくなる非対称鏡像力を生じさせ、該後退鏡像力と該前進鏡像力との差で該電荷搬送体を駆動し、且つ前記帯電電荷を電気的により高いポテンシャルまで持ち上げ、前記電荷回収電極で回収して発電する非対称鏡像力駆動型の静電発電機において、 高電位源の電位を2kV以上とする静電発電機。 a high potential source having a high potential, a charge recovery electrode, and a conductive charge carrier proceeding from the high potential source to the charge recovery electrode and having a shape asymmetrical with respect to an axis perpendicular to the direction of the proceeding,
In an asymmetric image force driven electrostatic generator, the charge carrier is brought close to the high potential source having a high potential and simultaneously grounded, thereby charging the charge carrier with a charge of a polarity opposite to that of the high potential source, generating an asymmetric image force in which the forward image force generated between the charge carrier and the charge recovery electrode is greater than the receding image force generated between the charge carrier and the high potential source electrode, and the charge carrier is driven by the difference between the receding image force and the forward image force, and the charged charge is raised to an electrically higher potential and recovered by the charge recovery electrode to generate electricity, wherein the potential of the high potential source is 2 kV or more.
6. The electrostatic accelerator according to claim 5, wherein the high potential source and the ground electrode are linearly arranged.
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