JP4002350B2 - 水分解ガスを利用したボイラー装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水分解ガスを利用したボイラー装置に関し、より詳しくは水を分解して発生する水素と酸素を燃料として使用する経済的で且つ無公害で環境に優しいボイラー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、蒸気ボイラーは、火力発電所、機関車、船舶などの動力源として、また紡績、染色、化学薬品工場での加熱、乾燥、殺菌用として、或いは一般家庭での暖房や炊事用としてなど、極めて幅広い用途において使用されている。
蒸気ボイラーは一般的に、鋼製容器内の水に燃料の燃焼熱を伝えて所要の蒸気を発生させるように構成されており、その燃料としては重油等の液体燃料や天然ガスなどの気体燃料、或いは石炭や木材などの固体燃料が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来使用されているボイラー燃料は、購入や輸送、保管等に要するコストが大きく、しかも有害な窒素酸化物や地球温暖化の原因となる二酸化炭素などを排ガスとして排出するため環境面においても好ましくなかった。
本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであって、水分解ガスを燃料として使用することにより燃料コストを削減することが可能であって、しかも無公害で環境に優しいボイラー装置を提供しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、水を分解して水素ガスと酸素ガスを発生させる水分解ガス発生装置と、内部に水が貯蔵されたボイラ本体と、前記水分解ガス発生装置にて発生した水素ガスと酸素ガスをボイラ本体内の水中に吹き込んで水中に気体塊を形成するための導入管と、前記気体塊内にて火花を発生させる点火プラグとからなり、前記水分解ガス発生装置が、ＮｉＨ 2 が添加された水を攪拌するための攪拌槽と、該攪拌槽にて攪拌された水を加熱するための加熱手段と、該加熱手段にて加熱された水を取り入れる処理槽と該処理槽を 50000rpm 以上の高速で回転させる高速モータとを備えてなる連続液体供給型遠心分離機とから構成されてなることを特徴とする水分解ガスを利用したボイラー装置に関する。
請求項２に係る発明は、前記水分解ガス発生装置から導かれた水を前記気体塊中にて霧状に噴射する噴射ノズルを備えてなることを特徴とする請求項１記載の水分解ガスを利用したボイラー装置に関する。
請求項３に係る発明は、前記ボイラ本体から発生した蒸気を発電機のタービンに供給するとともに、タービンを通過した蒸気をラジエターを通して水に戻し、この水を再びボイラ本体へと還流させるように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の水分解ガスを利用したボイラー装置に関する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る水分解ガスを利用したボイラー装置の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係るボイラー装置の概略構成図である。
図示の如く、本発明に係るボイラー装置は、水を分解して水素ガスと酸素ガスを発生させる水分解ガス発生装置（１）と、内部に水が貯蔵されたボイラ本体（２）と、水分解ガス発生装置（１）にて発生した水素ガスと酸素ガスをボイラ本体内の水中に吹き込んで水中に気体塊を形成するための導入管（３ａ）、（３ｂ）と、水分解ガス発生装置（１）から導かれた水を気体塊中にて霧状に噴射する噴射ノズル（４）と、気体塊内にて火花を連続的に発生させる点火プラグ（５）を備えている。
【０００６】
また、ボイラ本体（２）の上端部は発電機（６）のタービン（７）に接続されており、ボイラ本体（２）にて発生した蒸気を使用してタービン（７）を回転させて発電機（６）を駆動するように構成されている。
（８）はタービン（７）の出口とボイラ本体（２）の下端部を接続する還流通路であり、この還流通路（８）の中途部にはボイラ本体（２）から出た蒸気を水に戻すためのラジエター（８１）と、ラジエター（８１）によって戻された水を再びボイラ本体へと送り込むための圧力モータ（８２）が配設されている。
【０００７】
上記構成からなる水分解ガスを利用したボイラー装置の作用を以下に説明する。
先ず、水分解ガス発生装置（１）において、水を原料として水素ガスと酸素ガスを発生させる。
この発生した水素ガスと酸素ガスは、水素ガスが導入管（３ａ）を通って、酸素ガスが導入管（３ｂ）を通って、それぞれボイラ本体（２）内の水中に吹き込まれる。
【０００８】
この水素ガス及び酸素ガスのボイラ本体（２）内への供給は一定圧力値以上、好ましくは３００ｋｇ／ｃｍ2 以上の圧力で行われ、これにより水中において水素ガス及び酸素ガスが混合された大きな気体塊が発生する。
次いで、水分解ガス発生装置（１）から導かれた水（例えば、後記する攪拌槽（６０）から導く）を、ボイラ本体（２）内の水中に発生した気体塊中に、噴射ノズル（４）の先端から霧状に噴射する。
そして、同時に点火プラグ（５）を点火して水素ガス及び酸素ガスの混合気体からなる気体塊内にて火花を発生させて水素及び酸素を水中で爆発燃焼させる。
【０００９】
このとき、噴射ノズル（４）により霧状に噴射されて表面積が大きくなっている霧水が瞬時に爆発的に膨張するので、この膨張エネルギーが水素及び酸素の着火燃焼によって得られる爆発エネルギーと相乗的に作用し、水中にて非常に大きな高温爆発エネルギーが発生する。
この水中爆発燃焼によって、ボイラ本体（２）内の水は急激に加熱されて蒸気が発生し、爆発燃焼後の気体塊は再び水（高温水）となって周りの水に吸収される。
【００１０】
発生した蒸気は、ボイラ本体（２）の上端部から取り出され、発電機（６）のタービン（７）を回転させる。
そして、タービン（７）を通過した蒸気は、還流通路（８）を通ってラジエター（８１）を通過することによって水に戻り、その水は圧力モータ（８２）によって再びボイラ本体（２）へと戻される。
【００１１】
尚、本発明に係るボイラー装置においては、ボイラ本体（２）の水面より上部に別の点火プラグ（図示せず）を設け、このプラグを常時点火状態としておくことが好ましい。
このようにしておくことによって、水中爆発時に燃え残った水素ガスが水面上の空間に溜まることを防ぐことができ、タービン（７）の回転やその他予測しない原因によって発生する火花によって、水面上の空間内で大きな爆発が起こってタービン（７）等を破損する恐れがなくなる。
【００１２】
本発明における水分解ガス発生装置（１）は、水を原料として水素ガスと酸素ガスを発生させることが可能なものであればその構造は特に限定されず、電気分解槽などの公知の水分解ガス発生装置を使用することも可能であるが、短時間で大量の水分解ガスを得るために図２に示す構造のものを使用することが好ましい。
【００１３】
図２示の水分解ガス発生装置（１）は、攪拌槽（６０）と加熱手段（６１）と連続液体供給型遠心分離機（３０）とから構成されている。
攪拌槽（６０）には、水素化ニッケル（ＮｉＨ2 ）が添加された水（Ｈ2 Ｏ）が貯留されており、攪拌羽根（６２）によって攪拌されている。
ＮｉＨ2 は侵入型の水素化物であって、水及びエタノールと反応して水素を発生する性質を備えている。
本発明ではＮｉＨ2 を水に添加して攪拌することによって、６Ｈ2 Ｏ＋２ＮｉＨ2 →２ＮｉＨ2 ＋６Ｈ2 ＋３Ｏ2 の反応を生じさせ、水から水素と酸素を発生させることができる。
【００１４】
本発明においては、上記したようにＮｉＨ2 の添加によって水から水素と酸素を取り出すことができるが、以下に説明する如く、ＮｉＨ2 が添加された水を加熱手段（６１）及び連続液体供給型遠心分離機（３０）に順次送り込むことによって、ＮｉＨ2 による水分解を促進させ、短時間で効率良く大量の水素と酸素を得ることが可能となる。
【００１５】
本発明における加熱手段（６１）は、攪拌槽（６０）から取り出された水を効率良く加熱することが可能なものであれば特に限定されないが、電熱ヒーターやセラミックヒーター等が好適に使用される。
攪拌槽（６０）にて攪拌された水は、接続通路（６３）を通って加熱手段（６１）によって加熱され、高温水となって連続液体供給型遠心分離機（３０）との接続通路（６４）へと出てくる。
この加熱手段（６１）における加熱によって、分子の運動エネルギーが増大して水素原子と酸素原子の結合が解離し易くなり、ＮｉＨ2 による水分解が促進されて水素と酸素の発生速度が早められる。
【００１６】
連続液体供給型遠心分離機（３０）は加熱手段にて加熱された水を取り入れる処理槽（９）と、処理槽（９）を回転させる高速回転モータ（１０）を備えている。
本発明において使用される連続液体供給型遠心分離機（３０）は、回転により発生する遠心力によって水分子の水素原子と酸素原子の結合を解離させ、前述したＮｉＨ2 による水分解を促進させる役割を果たすものである。
そのため、高速回転モータ（１０）は分子結合を解離させるために非常に大きな遠心力を発生させる性能が必要となり、少なくとも 50000rpm 以上の高速回転が可能なものが使用される。
【００１７】
図３は使用される連続液体供給型遠心分離機（３０）の好適な実施形態を示す断面図である。
処理槽となるロータ本体（３１）は垂直駆動軸（３２）の上端において支持されており、ロータ本体には普通の截頭円錐形分離型ディスク（３４）を内蔵する分離室（３３）が形成されている。
ロータ内の中央部材は、管状の上方部分（３５）及び截頭円錐状の下方部分（３６）をもつ。下方部分（３６）とロータ本体（３１）の上方端壁間において、分離用ディスク（３４）が分離室（３３）内で所定位置を占めている。（実際の場合、前記端壁はロータ本体の他の部分とは別個に形成され、且つねじ等によって他の部分と軸方向に全体保持される。）分離ディスクセット（３４）の中の垂直な孔によって形成された複数の通路（３７）が延びている。
【００１８】
供給される液体用の静止供給部材（３８）が上方からロータ本体（３１）内へ中央に延びている。供給部材（３８）はロータ内の部材を軸方向に貫通し、且つロータ本体内部の下方部分内に（３９）において開口している。
【００１９】
部材の截頭円錐形下方部分の下方には一重なりの同軸に配置された平面状の環状ディスク（４０）が配置されている。これらのディスク（４０）はディスクの略半径方向外側に位置し且つロータ軸線周りに分布された半径方向及び軸方向に延びる羽根部材（４１）によって軸方向に互いに隔てられて支持且つ保持されている。その他の部分にはディスク（４０）間に間隔装置が設けられていないので、ディスク間の通路は略環状形である。
【００２０】
重なりディスク（４０）の中央には、受容室（４２）が形成されて、その中に供給部材（３８）の開口部（３９）が位置付けられている。羽根部材（４１）によって個別の区画に区分された羽根（４１）によって区画されている環状ディスク（４０）の周りの空所は、その上部が分離用ディスク（３４）のセット内を軸方向に並んで貫く通路（３７）によって分離室（３３）と直接に連通している。
【００２１】
ロータ本体の上方端壁の半径方向内側自由端部（４３）は、ロータの運転中に分離室（３３）からのオーバーフロー流出部として用いられる。中央受容室（４２）の上方部分を貫通する環状の経路（４４）はロータ本体の周囲の大気と連通する。
【００２２】
図３に示された連続液体供給型遠心分離機（３０）の作用は以下の通りである。
ロータ（供給部材（３８）を除き図３に示された全ての部材を含む）が回転中に、供給部材（３８）を通って液体（ＮｉＨ2 が添加された水）が供給される。液体が供給部材（３８）の中から延びて、受容室（４２）の下部を環状ディスク（４０）の下方部分の通路（図３では５つの通路を示す）を部分的に満たして、液体の自由液面が形成される。ロータの運転中、供給部材（３８）はこのようにして既にロータ内に存在する液体中に部分的に浸漬されている。
【００２３】
受容室（４２）に流入する液体は、ディスク（４０）間の多数又は少数の通路を通って極めて薄い層上をさらに流動する。これらの通路内において、液体はディスクとの間に起こる摩擦によってロータの回転速度と略同一の回転速度となる。液体が羽根部材（４１）に到達すると、羽根部材と略同一の速度を得、且つそれにより軸方向上方へ導かれ、さらに分離室（３３）に流入する。このようにしてディスク（４０）周りの空所は、ディスク（４０）の最上部の区域内で分離室（３３）と連通し、一方、流入供給部材（３８）の開口（３９）は最下方ディスクの区域内に位置している。これによって、例え全てのディスク間空所が流入液体によって充満しなくても、ディスク（４０）周りの全空所の連続貫流が保証される。
【００２４】
分離室内において分離された相対的に重い成分である酸素は、相対的に軽い成分である水素と分離される。分離された相対的に軽い成分である水素は分離ディスク（３４）間の通路を通って半径方向内方向へ流れる。
相対的に重い成分である酸素は、分離室の半径方向最外方部に集められる。
【００２５】
ロータの上方端壁の内側縁部（４３）は、分離された軽量成分に対し分離室（３３）からのオーバーフロー流出部を形成する。これにより、縁部（４３）は同時にロータ内への流体のある供給流量において、受容室（４２）内で前記自由液面を受容室（４２）内に維持するのに必要な装置の一つを構成し、それによって供給部材（３８）はその一部を液中に浸漬した状態を維持する。
【００２６】
供給部材（３８）を通る液体の流量が増加すると、ディスク（４０）間の部分的に液体を満たした通路内の自由液面は半径方向へと移動する。同時に、液体レベルは受容室（４２）の中央部分内の供給部材（３８）の外側に沿って上昇する。そのため、ディスク（４０）の広い合計面積が供給された液体と接触することになる。従って、供給された液体へのディスクのポンプ作用が増大し、このポンプ作用効果は供給される液体の流量増加に伴って増大する。
【００２７】
本発明において使用される連続液体供給型遠心分離機（３０）は、液体を連続的に供給することが可能な形態のものであれば、図３示のものに限定されず、種々の形態の遠心分離機が適宜使用可能である。
例えば、図４の概略断面図に示した如く、略円筒形状の処理槽（９）の内部に螺旋形状の回転翼（９１）を配設し、この回転翼（９１）の半径方向最外縁の上面に加熱手段（６１）にて加熱された液体を供給し、高速回転モータ（１０）によって回転翼（９１）を高速回転させて、この回転に伴って液体を螺旋状に下降させながら遠心力を加えることにより、水分子を水素原子と酸素原子とに分離する構成としてもよい。
【００２８】
以下、使用される高速回転モータ（１０）について詳細に説明する。
図５は使用される高速回転モータ（１０）の断面図であり、図６は回転子の斜視図であり、図７は回転子の一部拡大図である。
図面において、（１１）はハウジング、（１２）は回転子、（１３）は回転子の回転軸、（１４）は回転子の回転子鉄心である。この鉄心（１４）は永久磁石であり、極性部が突極（１５）として形成されており、その外周の一部は円周方向に円弧面（１６）となっており、他の一部は平面（１７）となっている。
【００２９】
永久磁石からなる回転子（１２）は、回転軸とこれに取り付られた磁性材料からなる多層の鉄心（１４）からなり、その材料のＢＨMAX 値は通常のものでもよい。また磁極の数は２極、４極、６極等、特に限定されない。
（１８）は回転子鉄心（１４）の背後に、回転軸（１３）の軸方向に穿たれた通孔（１９）に嵌装された偏平の高ＢＨMAX の永久磁石である。この磁石はＣｏ−Ｆｅ−Ｙを内層とし、Ｆｅ−Ｎｄ−Ｂを外層とした二重構造の磁石であって、ＢＨMAX 値が１４４．７ＭＧＯｅ、そのパーミアンス係数が３のものが使用されている。
通孔（１９）は突極（１５）の側壁（２０）の一部を残していっぱいに穿設されており、そこに永久磁石（１８）が嵌装されている。
【００３０】
（２１）は界磁巻線（２２）と界磁鉄心（２３）とからなる電機子であり、この界磁鉄心（２３）中には、回転子鉄心（１４）と同様に偏平の高ＢＨMAX の永久磁石（２４）が嵌装されている。
図８及び図９はブラシレス制御回路の機械的構成と電気回路を示し、各界磁巻線（２２ａ）乃至（２２ｈ）にはそれぞれホール素子ＨＧ１乃至ＨＧ８が設けられている。
【００３１】
回転子（１２）のＮ１極が図８の位置にある場合、ホール素子ＨＧ１は出力電圧を発生し、トランジスタＴｒ１のベース電圧を上げ、その結果、界磁巻線（２２ａ）が励磁し、界磁鉄心（２３ａ）はＳ極となり、回転子（１２）のＮ１極を吸引し、回転子（１２）のＮ１極は界磁巻線（２２ａ）の位置まで回転する。
回転子（１２）のＮ１極が移動するのでトランジスタＴｒ１のベース電圧は無くなり、励磁電流も無くなり、界磁巻線（２２ａ）は吸引力を失う。
回転子（１２）のＮ１極が界磁巻線（２２ａ）のホール素子ＨＧ２の位置に来たとき、ホール素子ＨＧ２にホール電圧が発生し、トランジスタＴｒ２がオンし、界磁巻線（２２ｂ）が励磁し、その界磁鉄心（２３）がＳ極となり、回転子（１２）のＮ１極を吸引する。以上のことは回転子（１２）のＮ２極についても行われる。
このように、ホール素子ＨＧのあるところに回転子（１２）のＮ極がある場合、そのホール電圧で回転方向にある界磁巻線を次々にＳ極に励磁させることにより、回転子はブラシ無しに回転する。
【００３２】
尚、高速回転モータ（１０）において使用される永久磁石は、ＢＨMAX 値が少なくとも５０ＭＧＯｅ以上、好ましくは１００ＭＧＯｅ以上であり、パーミアンス係数が１．０乃至４．０、好ましくは２．５乃至３．５のものであればよく、特に限定されるものではない。
【００３３】
また、ブラシレス制御回路も図示例のものに限定されず、磁気センサーとして、ＭＲ素子、ホール素子、リードスイッチ、磁気ダイオード、磁気トランジスタ等を使用し、その出力信号で界磁巻線を適宜励磁し、回転子を回転させるものであればいかなるものでもよい。
【００３４】
尚、本発明において、高速回転モータ（１０）の回転速度は、水分子の酸素原子と水素原子の結合を解離させるために必要な回転速度である 50000rpm 以上であればよいが、150000〜200000rpm 程度であるとより好ましい。
【００３５】
処理槽（９）から取り出された水素及び酸素は、所定箇所に設けられたパイプ（５０）、（５１）を通って連続液体供給型遠心分離機（３０）から取り出される。
パイプ（５０）は導入管（３ａ）と、パイプ（５１）は導入管（３ｂ）とそれぞれ接続されており、処理槽（９）から取り出された水素及び酸素は別々にボイラ本体（２）内の水中に供給される。
このとき、水素及び酸素を一定圧力値以上で一度に大量にボイラ本体（２）内の水中に供給することによって、水中で水素及び酸素の混合された気体塊を発生させることができる。
【００３６】
水素及び酸素を一定圧力値以上でボイラ本体（２）内に供給するために、パイプ（５０）、（５１）の連続液体供給型遠心分離機（３０）との接続部に、一定圧力以上で開放されるバルブを取り付けておくとよい。
また、連続液体供給型遠心分離機（３０）にコンプレッサーを接続して、強制的に水素及び酸素を連続液体供給型遠心分離機（３０）から取り出す構成も好適に採用できる。
【００３７】
尚、処理槽（９）内に残るＮｉＨ2 は再度、攪拌槽（６０）へと還流させることが好ましく、ＮｉＨ2 を攪拌槽（６０）へと還流させることによって攪拌槽（６０）に補充するＮｉＨ2 が少量ですむ。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明は、水を分解して水素ガスと酸素ガスを発生させる水分解ガス発生装置と、内部に水が貯蔵されたボイラ本体と、前記水分解ガス発生装置にて発生した水素ガスと酸素ガスをボイラ本体内の水中に吹き込んで水中に気体塊を形成するための導入管と、前記気体塊内にて火花を発生させる点火プラグとからなることを特徴とする水分解ガスを利用したボイラー装置であるから、以下に述べる効果を奏する。すなわち、水を原料として高温蒸気を発生させることが可能なので、燃料コストを削減できて非常に経済的であり、しかも作動時に窒素酸化物等の有害物質が発生しないので環境に優しいクリーンなボイラー装置となる。
また、前記水分解ガス発生装置が、ＮｉＨ 2 が添加された水を攪拌するための攪拌槽と、該攪拌槽にて攪拌された水を加熱するための加熱手段と、該加熱手段にて加熱された水を取り入れる処理槽と該処理槽を 50000rpm 以上の高速で回転させる高速モータとを備えてなる連続液体供給型遠心分離機とから構成されているから、水から短時間で大量の水素ガス及び酸素ガスを発生させることができ、より経済的で効率のよいボイラー装置を得ることができる。
【００３９】
請求項２に係る発明は、前記水分解ガス発生装置から導かれた水を前記気体塊中にて霧状に噴射する噴射ノズルを備えてなることを特徴とする請求項１記載の水分解ガスを利用したボイラー装置であるから、表面積が大きくなっている霧水が瞬時に爆発的に膨張し、一部は水の熱分解も引き起こして燃焼するため、この膨張エネルギーが水素及び酸素の着火燃焼によって得られる爆発エネルギーと相乗的に作用し、水中にて非常に大きな爆発燃焼エネルギーを発生させることができる。
【００４０】
請求項３に係る発明は、前記ボイラ本体から発生した蒸気を発電機のタービンに供給するとともに、タービンを通過した蒸気をラジエターを通して水に戻し、この水を再びボイラ本体へと還流させるように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の水分解ガスを利用したボイラー装置であるから、ボイラー装置を使用した効率的な発電システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るボイラー装置の概略構成図である。
【図２】本発明に係るボイラー装置において使用される水分解ガス発生装置の概略構成図である。
【図３】本発明に係るボイラー装置において使用される連続液体供給型遠心分離機の好適な実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明において使用される連続液体供給型遠心分離機の別の実施形態を示す概略断面図である。
【図５】本発明において使用される高速回転モータの断面図である。
【図６】本発明において使用される高速回転モータの回転子の斜視図である。
【図７】本発明において使用される高速回転モータの回転子の一部拡大図である。
【図８】ブラシレス制御回路の機械的構成を示す図である。
【図９】ブラシレス制御回路の電気回路を示す図である。
【符号の説明】
１ 水分解ガス発生装置
２ ボイラ本体
３ａ、３ｂ 導入管
４ 噴射ノズル
５ 点火プラグ
６ 発電機
７ タービン
９ 処理槽
１０ 高速回転モータ
３０ 連続液体供給型遠心分離機
６０ 攪拌槽
６１ 加熱手段
８１ ラジエター
【発明の属する技術分野】
本発明は水分解ガスを利用したボイラー装置に関し、より詳しくは水を分解して発生する水素と酸素を燃料として使用する経済的で且つ無公害で環境に優しいボイラー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、蒸気ボイラーは、火力発電所、機関車、船舶などの動力源として、また紡績、染色、化学薬品工場での加熱、乾燥、殺菌用として、或いは一般家庭での暖房や炊事用としてなど、極めて幅広い用途において使用されている。
蒸気ボイラーは一般的に、鋼製容器内の水に燃料の燃焼熱を伝えて所要の蒸気を発生させるように構成されており、その燃料としては重油等の液体燃料や天然ガスなどの気体燃料、或いは石炭や木材などの固体燃料が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来使用されているボイラー燃料は、購入や輸送、保管等に要するコストが大きく、しかも有害な窒素酸化物や地球温暖化の原因となる二酸化炭素などを排ガスとして排出するため環境面においても好ましくなかった。
本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであって、水分解ガスを燃料として使用することにより燃料コストを削減することが可能であって、しかも無公害で環境に優しいボイラー装置を提供しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、水を分解して水素ガスと酸素ガスを発生させる水分解ガス発生装置と、内部に水が貯蔵されたボイラ本体と、前記水分解ガス発生装置にて発生した水素ガスと酸素ガスをボイラ本体内の水中に吹き込んで水中に気体塊を形成するための導入管と、前記気体塊内にて火花を発生させる点火プラグとからなり、前記水分解ガス発生装置が、ＮｉＨ 2 が添加された水を攪拌するための攪拌槽と、該攪拌槽にて攪拌された水を加熱するための加熱手段と、該加熱手段にて加熱された水を取り入れる処理槽と該処理槽を 50000rpm 以上の高速で回転させる高速モータとを備えてなる連続液体供給型遠心分離機とから構成されてなることを特徴とする水分解ガスを利用したボイラー装置に関する。
請求項２に係る発明は、前記水分解ガス発生装置から導かれた水を前記気体塊中にて霧状に噴射する噴射ノズルを備えてなることを特徴とする請求項１記載の水分解ガスを利用したボイラー装置に関する。
請求項３に係る発明は、前記ボイラ本体から発生した蒸気を発電機のタービンに供給するとともに、タービンを通過した蒸気をラジエターを通して水に戻し、この水を再びボイラ本体へと還流させるように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の水分解ガスを利用したボイラー装置に関する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る水分解ガスを利用したボイラー装置の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係るボイラー装置の概略構成図である。
図示の如く、本発明に係るボイラー装置は、水を分解して水素ガスと酸素ガスを発生させる水分解ガス発生装置（１）と、内部に水が貯蔵されたボイラ本体（２）と、水分解ガス発生装置（１）にて発生した水素ガスと酸素ガスをボイラ本体内の水中に吹き込んで水中に気体塊を形成するための導入管（３ａ）、（３ｂ）と、水分解ガス発生装置（１）から導かれた水を気体塊中にて霧状に噴射する噴射ノズル（４）と、気体塊内にて火花を連続的に発生させる点火プラグ（５）を備えている。
【０００６】
また、ボイラ本体（２）の上端部は発電機（６）のタービン（７）に接続されており、ボイラ本体（２）にて発生した蒸気を使用してタービン（７）を回転させて発電機（６）を駆動するように構成されている。
（８）はタービン（７）の出口とボイラ本体（２）の下端部を接続する還流通路であり、この還流通路（８）の中途部にはボイラ本体（２）から出た蒸気を水に戻すためのラジエター（８１）と、ラジエター（８１）によって戻された水を再びボイラ本体へと送り込むための圧力モータ（８２）が配設されている。
【０００７】
上記構成からなる水分解ガスを利用したボイラー装置の作用を以下に説明する。
先ず、水分解ガス発生装置（１）において、水を原料として水素ガスと酸素ガスを発生させる。
この発生した水素ガスと酸素ガスは、水素ガスが導入管（３ａ）を通って、酸素ガスが導入管（３ｂ）を通って、それぞれボイラ本体（２）内の水中に吹き込まれる。
【０００８】
この水素ガス及び酸素ガスのボイラ本体（２）内への供給は一定圧力値以上、好ましくは３００ｋｇ／ｃｍ2 以上の圧力で行われ、これにより水中において水素ガス及び酸素ガスが混合された大きな気体塊が発生する。
次いで、水分解ガス発生装置（１）から導かれた水（例えば、後記する攪拌槽（６０）から導く）を、ボイラ本体（２）内の水中に発生した気体塊中に、噴射ノズル（４）の先端から霧状に噴射する。
そして、同時に点火プラグ（５）を点火して水素ガス及び酸素ガスの混合気体からなる気体塊内にて火花を発生させて水素及び酸素を水中で爆発燃焼させる。
【０００９】
このとき、噴射ノズル（４）により霧状に噴射されて表面積が大きくなっている霧水が瞬時に爆発的に膨張するので、この膨張エネルギーが水素及び酸素の着火燃焼によって得られる爆発エネルギーと相乗的に作用し、水中にて非常に大きな高温爆発エネルギーが発生する。
この水中爆発燃焼によって、ボイラ本体（２）内の水は急激に加熱されて蒸気が発生し、爆発燃焼後の気体塊は再び水（高温水）となって周りの水に吸収される。
【００１０】
発生した蒸気は、ボイラ本体（２）の上端部から取り出され、発電機（６）のタービン（７）を回転させる。
そして、タービン（７）を通過した蒸気は、還流通路（８）を通ってラジエター（８１）を通過することによって水に戻り、その水は圧力モータ（８２）によって再びボイラ本体（２）へと戻される。
【００１１】
尚、本発明に係るボイラー装置においては、ボイラ本体（２）の水面より上部に別の点火プラグ（図示せず）を設け、このプラグを常時点火状態としておくことが好ましい。
このようにしておくことによって、水中爆発時に燃え残った水素ガスが水面上の空間に溜まることを防ぐことができ、タービン（７）の回転やその他予測しない原因によって発生する火花によって、水面上の空間内で大きな爆発が起こってタービン（７）等を破損する恐れがなくなる。
【００１２】
本発明における水分解ガス発生装置（１）は、水を原料として水素ガスと酸素ガスを発生させることが可能なものであればその構造は特に限定されず、電気分解槽などの公知の水分解ガス発生装置を使用することも可能であるが、短時間で大量の水分解ガスを得るために図２に示す構造のものを使用することが好ましい。
【００１３】
図２示の水分解ガス発生装置（１）は、攪拌槽（６０）と加熱手段（６１）と連続液体供給型遠心分離機（３０）とから構成されている。
攪拌槽（６０）には、水素化ニッケル（ＮｉＨ2 ）が添加された水（Ｈ2 Ｏ）が貯留されており、攪拌羽根（６２）によって攪拌されている。
ＮｉＨ2 は侵入型の水素化物であって、水及びエタノールと反応して水素を発生する性質を備えている。
本発明ではＮｉＨ2 を水に添加して攪拌することによって、６Ｈ2 Ｏ＋２ＮｉＨ2 →２ＮｉＨ2 ＋６Ｈ2 ＋３Ｏ2 の反応を生じさせ、水から水素と酸素を発生させることができる。
【００１４】
本発明においては、上記したようにＮｉＨ2 の添加によって水から水素と酸素を取り出すことができるが、以下に説明する如く、ＮｉＨ2 が添加された水を加熱手段（６１）及び連続液体供給型遠心分離機（３０）に順次送り込むことによって、ＮｉＨ2 による水分解を促進させ、短時間で効率良く大量の水素と酸素を得ることが可能となる。
【００１５】
本発明における加熱手段（６１）は、攪拌槽（６０）から取り出された水を効率良く加熱することが可能なものであれば特に限定されないが、電熱ヒーターやセラミックヒーター等が好適に使用される。
攪拌槽（６０）にて攪拌された水は、接続通路（６３）を通って加熱手段（６１）によって加熱され、高温水となって連続液体供給型遠心分離機（３０）との接続通路（６４）へと出てくる。
この加熱手段（６１）における加熱によって、分子の運動エネルギーが増大して水素原子と酸素原子の結合が解離し易くなり、ＮｉＨ2 による水分解が促進されて水素と酸素の発生速度が早められる。
【００１６】
連続液体供給型遠心分離機（３０）は加熱手段にて加熱された水を取り入れる処理槽（９）と、処理槽（９）を回転させる高速回転モータ（１０）を備えている。
本発明において使用される連続液体供給型遠心分離機（３０）は、回転により発生する遠心力によって水分子の水素原子と酸素原子の結合を解離させ、前述したＮｉＨ2 による水分解を促進させる役割を果たすものである。
そのため、高速回転モータ（１０）は分子結合を解離させるために非常に大きな遠心力を発生させる性能が必要となり、少なくとも 50000rpm 以上の高速回転が可能なものが使用される。
【００１７】
図３は使用される連続液体供給型遠心分離機（３０）の好適な実施形態を示す断面図である。
処理槽となるロータ本体（３１）は垂直駆動軸（３２）の上端において支持されており、ロータ本体には普通の截頭円錐形分離型ディスク（３４）を内蔵する分離室（３３）が形成されている。
ロータ内の中央部材は、管状の上方部分（３５）及び截頭円錐状の下方部分（３６）をもつ。下方部分（３６）とロータ本体（３１）の上方端壁間において、分離用ディスク（３４）が分離室（３３）内で所定位置を占めている。（実際の場合、前記端壁はロータ本体の他の部分とは別個に形成され、且つねじ等によって他の部分と軸方向に全体保持される。）分離ディスクセット（３４）の中の垂直な孔によって形成された複数の通路（３７）が延びている。
【００１８】
供給される液体用の静止供給部材（３８）が上方からロータ本体（３１）内へ中央に延びている。供給部材（３８）はロータ内の部材を軸方向に貫通し、且つロータ本体内部の下方部分内に（３９）において開口している。
【００１９】
部材の截頭円錐形下方部分の下方には一重なりの同軸に配置された平面状の環状ディスク（４０）が配置されている。これらのディスク（４０）はディスクの略半径方向外側に位置し且つロータ軸線周りに分布された半径方向及び軸方向に延びる羽根部材（４１）によって軸方向に互いに隔てられて支持且つ保持されている。その他の部分にはディスク（４０）間に間隔装置が設けられていないので、ディスク間の通路は略環状形である。
【００２０】
重なりディスク（４０）の中央には、受容室（４２）が形成されて、その中に供給部材（３８）の開口部（３９）が位置付けられている。羽根部材（４１）によって個別の区画に区分された羽根（４１）によって区画されている環状ディスク（４０）の周りの空所は、その上部が分離用ディスク（３４）のセット内を軸方向に並んで貫く通路（３７）によって分離室（３３）と直接に連通している。
【００２１】
ロータ本体の上方端壁の半径方向内側自由端部（４３）は、ロータの運転中に分離室（３３）からのオーバーフロー流出部として用いられる。中央受容室（４２）の上方部分を貫通する環状の経路（４４）はロータ本体の周囲の大気と連通する。
【００２２】
図３に示された連続液体供給型遠心分離機（３０）の作用は以下の通りである。
ロータ（供給部材（３８）を除き図３に示された全ての部材を含む）が回転中に、供給部材（３８）を通って液体（ＮｉＨ2 が添加された水）が供給される。液体が供給部材（３８）の中から延びて、受容室（４２）の下部を環状ディスク（４０）の下方部分の通路（図３では５つの通路を示す）を部分的に満たして、液体の自由液面が形成される。ロータの運転中、供給部材（３８）はこのようにして既にロータ内に存在する液体中に部分的に浸漬されている。
【００２３】
受容室（４２）に流入する液体は、ディスク（４０）間の多数又は少数の通路を通って極めて薄い層上をさらに流動する。これらの通路内において、液体はディスクとの間に起こる摩擦によってロータの回転速度と略同一の回転速度となる。液体が羽根部材（４１）に到達すると、羽根部材と略同一の速度を得、且つそれにより軸方向上方へ導かれ、さらに分離室（３３）に流入する。このようにしてディスク（４０）周りの空所は、ディスク（４０）の最上部の区域内で分離室（３３）と連通し、一方、流入供給部材（３８）の開口（３９）は最下方ディスクの区域内に位置している。これによって、例え全てのディスク間空所が流入液体によって充満しなくても、ディスク（４０）周りの全空所の連続貫流が保証される。
【００２４】
分離室内において分離された相対的に重い成分である酸素は、相対的に軽い成分である水素と分離される。分離された相対的に軽い成分である水素は分離ディスク（３４）間の通路を通って半径方向内方向へ流れる。
相対的に重い成分である酸素は、分離室の半径方向最外方部に集められる。
【００２５】
ロータの上方端壁の内側縁部（４３）は、分離された軽量成分に対し分離室（３３）からのオーバーフロー流出部を形成する。これにより、縁部（４３）は同時にロータ内への流体のある供給流量において、受容室（４２）内で前記自由液面を受容室（４２）内に維持するのに必要な装置の一つを構成し、それによって供給部材（３８）はその一部を液中に浸漬した状態を維持する。
【００２６】
供給部材（３８）を通る液体の流量が増加すると、ディスク（４０）間の部分的に液体を満たした通路内の自由液面は半径方向へと移動する。同時に、液体レベルは受容室（４２）の中央部分内の供給部材（３８）の外側に沿って上昇する。そのため、ディスク（４０）の広い合計面積が供給された液体と接触することになる。従って、供給された液体へのディスクのポンプ作用が増大し、このポンプ作用効果は供給される液体の流量増加に伴って増大する。
【００２７】
本発明において使用される連続液体供給型遠心分離機（３０）は、液体を連続的に供給することが可能な形態のものであれば、図３示のものに限定されず、種々の形態の遠心分離機が適宜使用可能である。
例えば、図４の概略断面図に示した如く、略円筒形状の処理槽（９）の内部に螺旋形状の回転翼（９１）を配設し、この回転翼（９１）の半径方向最外縁の上面に加熱手段（６１）にて加熱された液体を供給し、高速回転モータ（１０）によって回転翼（９１）を高速回転させて、この回転に伴って液体を螺旋状に下降させながら遠心力を加えることにより、水分子を水素原子と酸素原子とに分離する構成としてもよい。
【００２８】
以下、使用される高速回転モータ（１０）について詳細に説明する。
図５は使用される高速回転モータ（１０）の断面図であり、図６は回転子の斜視図であり、図７は回転子の一部拡大図である。
図面において、（１１）はハウジング、（１２）は回転子、（１３）は回転子の回転軸、（１４）は回転子の回転子鉄心である。この鉄心（１４）は永久磁石であり、極性部が突極（１５）として形成されており、その外周の一部は円周方向に円弧面（１６）となっており、他の一部は平面（１７）となっている。
【００２９】
永久磁石からなる回転子（１２）は、回転軸とこれに取り付られた磁性材料からなる多層の鉄心（１４）からなり、その材料のＢＨMAX 値は通常のものでもよい。また磁極の数は２極、４極、６極等、特に限定されない。
（１８）は回転子鉄心（１４）の背後に、回転軸（１３）の軸方向に穿たれた通孔（１９）に嵌装された偏平の高ＢＨMAX の永久磁石である。この磁石はＣｏ−Ｆｅ−Ｙを内層とし、Ｆｅ−Ｎｄ−Ｂを外層とした二重構造の磁石であって、ＢＨMAX 値が１４４．７ＭＧＯｅ、そのパーミアンス係数が３のものが使用されている。
通孔（１９）は突極（１５）の側壁（２０）の一部を残していっぱいに穿設されており、そこに永久磁石（１８）が嵌装されている。
【００３０】
（２１）は界磁巻線（２２）と界磁鉄心（２３）とからなる電機子であり、この界磁鉄心（２３）中には、回転子鉄心（１４）と同様に偏平の高ＢＨMAX の永久磁石（２４）が嵌装されている。
図８及び図９はブラシレス制御回路の機械的構成と電気回路を示し、各界磁巻線（２２ａ）乃至（２２ｈ）にはそれぞれホール素子ＨＧ１乃至ＨＧ８が設けられている。
【００３１】
回転子（１２）のＮ１極が図８の位置にある場合、ホール素子ＨＧ１は出力電圧を発生し、トランジスタＴｒ１のベース電圧を上げ、その結果、界磁巻線（２２ａ）が励磁し、界磁鉄心（２３ａ）はＳ極となり、回転子（１２）のＮ１極を吸引し、回転子（１２）のＮ１極は界磁巻線（２２ａ）の位置まで回転する。
回転子（１２）のＮ１極が移動するのでトランジスタＴｒ１のベース電圧は無くなり、励磁電流も無くなり、界磁巻線（２２ａ）は吸引力を失う。
回転子（１２）のＮ１極が界磁巻線（２２ａ）のホール素子ＨＧ２の位置に来たとき、ホール素子ＨＧ２にホール電圧が発生し、トランジスタＴｒ２がオンし、界磁巻線（２２ｂ）が励磁し、その界磁鉄心（２３）がＳ極となり、回転子（１２）のＮ１極を吸引する。以上のことは回転子（１２）のＮ２極についても行われる。
このように、ホール素子ＨＧのあるところに回転子（１２）のＮ極がある場合、そのホール電圧で回転方向にある界磁巻線を次々にＳ極に励磁させることにより、回転子はブラシ無しに回転する。
【００３２】
尚、高速回転モータ（１０）において使用される永久磁石は、ＢＨMAX 値が少なくとも５０ＭＧＯｅ以上、好ましくは１００ＭＧＯｅ以上であり、パーミアンス係数が１．０乃至４．０、好ましくは２．５乃至３．５のものであればよく、特に限定されるものではない。
【００３３】
また、ブラシレス制御回路も図示例のものに限定されず、磁気センサーとして、ＭＲ素子、ホール素子、リードスイッチ、磁気ダイオード、磁気トランジスタ等を使用し、その出力信号で界磁巻線を適宜励磁し、回転子を回転させるものであればいかなるものでもよい。
【００３４】
尚、本発明において、高速回転モータ（１０）の回転速度は、水分子の酸素原子と水素原子の結合を解離させるために必要な回転速度である 50000rpm 以上であればよいが、150000〜200000rpm 程度であるとより好ましい。
【００３５】
処理槽（９）から取り出された水素及び酸素は、所定箇所に設けられたパイプ（５０）、（５１）を通って連続液体供給型遠心分離機（３０）から取り出される。
パイプ（５０）は導入管（３ａ）と、パイプ（５１）は導入管（３ｂ）とそれぞれ接続されており、処理槽（９）から取り出された水素及び酸素は別々にボイラ本体（２）内の水中に供給される。
このとき、水素及び酸素を一定圧力値以上で一度に大量にボイラ本体（２）内の水中に供給することによって、水中で水素及び酸素の混合された気体塊を発生させることができる。
【００３６】
水素及び酸素を一定圧力値以上でボイラ本体（２）内に供給するために、パイプ（５０）、（５１）の連続液体供給型遠心分離機（３０）との接続部に、一定圧力以上で開放されるバルブを取り付けておくとよい。
また、連続液体供給型遠心分離機（３０）にコンプレッサーを接続して、強制的に水素及び酸素を連続液体供給型遠心分離機（３０）から取り出す構成も好適に採用できる。
【００３７】
尚、処理槽（９）内に残るＮｉＨ2 は再度、攪拌槽（６０）へと還流させることが好ましく、ＮｉＨ2 を攪拌槽（６０）へと還流させることによって攪拌槽（６０）に補充するＮｉＨ2 が少量ですむ。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明は、水を分解して水素ガスと酸素ガスを発生させる水分解ガス発生装置と、内部に水が貯蔵されたボイラ本体と、前記水分解ガス発生装置にて発生した水素ガスと酸素ガスをボイラ本体内の水中に吹き込んで水中に気体塊を形成するための導入管と、前記気体塊内にて火花を発生させる点火プラグとからなることを特徴とする水分解ガスを利用したボイラー装置であるから、以下に述べる効果を奏する。すなわち、水を原料として高温蒸気を発生させることが可能なので、燃料コストを削減できて非常に経済的であり、しかも作動時に窒素酸化物等の有害物質が発生しないので環境に優しいクリーンなボイラー装置となる。
また、前記水分解ガス発生装置が、ＮｉＨ 2 が添加された水を攪拌するための攪拌槽と、該攪拌槽にて攪拌された水を加熱するための加熱手段と、該加熱手段にて加熱された水を取り入れる処理槽と該処理槽を 50000rpm 以上の高速で回転させる高速モータとを備えてなる連続液体供給型遠心分離機とから構成されているから、水から短時間で大量の水素ガス及び酸素ガスを発生させることができ、より経済的で効率のよいボイラー装置を得ることができる。
【００３９】
請求項２に係る発明は、前記水分解ガス発生装置から導かれた水を前記気体塊中にて霧状に噴射する噴射ノズルを備えてなることを特徴とする請求項１記載の水分解ガスを利用したボイラー装置であるから、表面積が大きくなっている霧水が瞬時に爆発的に膨張し、一部は水の熱分解も引き起こして燃焼するため、この膨張エネルギーが水素及び酸素の着火燃焼によって得られる爆発エネルギーと相乗的に作用し、水中にて非常に大きな爆発燃焼エネルギーを発生させることができる。
【００４０】
請求項３に係る発明は、前記ボイラ本体から発生した蒸気を発電機のタービンに供給するとともに、タービンを通過した蒸気をラジエターを通して水に戻し、この水を再びボイラ本体へと還流させるように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の水分解ガスを利用したボイラー装置であるから、ボイラー装置を使用した効率的な発電システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るボイラー装置の概略構成図である。
【図２】本発明に係るボイラー装置において使用される水分解ガス発生装置の概略構成図である。
【図３】本発明に係るボイラー装置において使用される連続液体供給型遠心分離機の好適な実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明において使用される連続液体供給型遠心分離機の別の実施形態を示す概略断面図である。
【図５】本発明において使用される高速回転モータの断面図である。
【図６】本発明において使用される高速回転モータの回転子の斜視図である。
【図７】本発明において使用される高速回転モータの回転子の一部拡大図である。
【図８】ブラシレス制御回路の機械的構成を示す図である。
【図９】ブラシレス制御回路の電気回路を示す図である。
【符号の説明】
１ 水分解ガス発生装置
２ ボイラ本体
３ａ、３ｂ 導入管
４ 噴射ノズル
５ 点火プラグ
６ 発電機
７ タービン
９ 処理槽
１０ 高速回転モータ
３０ 連続液体供給型遠心分離機
６０ 攪拌槽
６１ 加熱手段
８１ ラジエター
Claims (3)
- 水を分解して水素ガスと酸素ガスを発生させる水分解ガス発生装置と、内部に水が貯蔵されたボイラ本体と、前記水分解ガス発生装置にて発生した水素ガスと酸素ガスをボイラ本体内の水中に吹き込んで水中に気体塊を形成するための導入管と、前記気体塊内にて火花を発生させる点火プラグとからなり、前記水分解ガス発生装置が、ＮｉＨ 2 が添加された水を攪拌するための攪拌槽と、該攪拌槽にて攪拌された水を加熱するための加熱手段と、該加熱手段にて加熱された水を取り入れる処理槽と該処理槽を 50000rpm 以上の高速で回転させる高速モータとを備えてなる連続液体供給型遠心分離機とから構成されてなることを特徴とする水分解ガスを利用したボイラー装置。
- 前記水分解ガス発生装置から導かれた水を前記気体塊中にて霧状に噴射する噴射ノズルを備えてなることを特徴とする請求項１記載の水分解ガスを利用したボイラー装置。
- 前記ボイラ本体から発生した蒸気を発電機のタービンに供給するとともに、タービンを通過した蒸気をラジエターを通して水に戻し、この水を再びボイラ本体へと還流させるように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の水分解ガスを利用したボイラー装置。
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