JP5829694B2 - 大気から水を回収するための風力の使用 - Google Patents

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Description

本発明は、一般に環境的にクリーンな技術に関し、特に、高湿度の大気から水を回収する方法に関する。
ほとんどの地域において、水資源は実際に使用される場所から離れた所にある。このような場合、空気から水を回収することができれば、離れた場所から現場の貯蔵施設へ水を輸送する必要が無いため、実質的な優位点となり得る。さらに、水を継続的に取り出す場合には、現場での水の保管の必要性が大きく減少する。また、持ち運び可能な水資源が少ないか、ほとんど無い地域において大気から水を回収することへの需要が存在する。例えば、大規模な山火事の消火活動を行う際、消火活動が行われる現場に大量の水を飛行機で供給するためには多額の費用がかかってしまう。このような場合に実質的な降雨を引き起こすことが出来ることが非常に望ましい。
蒸気状態にある水のユビキタス性を鑑みると、空気から水を効率的に取り出す技術を開発できれば、実質的には空気を急冷することが可能ないかなる場所においても継続的な水の供給を確立することが可能である。そのような技術を手に入れることができれば、きれいで物流的に優位な方法で農業、工業及び町の人々に水と環境状態の制御を提供することができる。
例えば、Stephen Tongueによる米国特許7,251,945"Water-from-air system using desiccant wheel and exhaust"には、大気のループから水を回収するために乾燥ホィールを用いる水製造ユニットにおいて、大気のループの一部分が排気を用いて加熱されることが開示されている。この排気は、例えばこの乾燥ホィールを再生させる装置から送られるものである。この特許に開示される方法は、エネルギーの消費を伴い、ここに提案されている装置には移動性部材が含まれる。
大気から水を回収する別の方法がSpletzerの米国特許6,360,549"Method and apparatus for extracting water from air"、米国特許6,453,684"Method and apparatus for extracting water from air"、及び米国特許6,511,525"Method and apparatus for extracting water from air using a desiccant"に開示されている。この方法は4つの工程:(1)大気中の水を乾燥剤に吸着させ、(2)水を含んだ乾燥剤を大気から分離し、(3)乾燥剤からチャンバー内へ水を水蒸気として脱着させ、(4)チャンバーから乾燥剤を取り出し、チャンバー内の水蒸気を圧縮して液体の凝縮物を得る、として記載されている。これらの特許に記載された方法は、エネルギーの消費を前提とし、提案されている装置は移動性部材を含む。
前述のアプローチはいずれも、エネルギーの消費を必要とし、また移動性部材を含む機構も必要であるため、システムについてある程度のメンテナンスが要求される。したがって、水の回収工程の信頼性が得られず、またコストが高くなる。さらに、燃料又は電気のエネルギー消費が必要であることから、これらの従来技術は環境的にクリーンとは言えない。
さらに、Ritcheyによる米国特許7,343,754"Device for collecting atmospheric water"には異なる方法及び装置が開示されている。この方法は、大気中と地表における温度差に基づく高湿度の大気の対流を利用するものである。しかしながら、このような速度の遅い対流は工業的に十分な量の水を産出することが出来ない。
Smithらによる米国特許US Patent 6,960,243"Production of drinking water from air"には、吸着を利用した方法及び装置が開示されている。この吸着プロセスは、加熱のためのエネルギー消費を低減させるために改良されている。しかしながら、吸着による方法も、少量の水を産出することを目的とするものである。
眼鏡を曇らせてきれいにするために人は大きく口を開けて暖かく湿度の高い空気を吐き出すが、他方において閉じた唇の小さな穴から空気を吐き出しても効率的に眼鏡を曇らせることが出来ない。
図1の先行技術は、飛行機の翼10の標準的な外形の概略図である。翼10の外形が非対象であることの結果として飛行機の翼10には揚力効果が生じることが知られている。対向する気流12は翼10の非対称な外形の周囲を流れ、いわゆるコアンダ効果により粘性を有する周囲の空気を引き寄せる。翼10の軸11は上側及び下側の流れを分けるものとして規定される。翼10の軸11及び対向する気流12はいわゆる「迎え角」13を構成する。第一に、揚力が迎え角13により規定され、気流の方向を変える。第二に、迎え角13がゼロに等しい場合、理想的な流線型を有する翼10により、上側の気流14及び下側の気流15が翼10の背後で合流する。
上側の気流14及び下側の気流15は、翼10の周りを流れ、その断面積に変化が生じて連続性の原理「ρSv=Const」により気流が加速される(ここで、ρは気流の密度、vは気流の速度、そしてSは気流の断面積である)。結果として、上側の気流14は下側の気流15と比較して、より長い経路をたどり、より速く流れる。ベルヌーイの定理にしたがって、上側の気流14から翼10に加わるいわゆる静圧は、下側の気流15から加わる静圧より低くなる。上側の気流14及び下側の気流15が翼10の周りを層状に流れる場合には、静圧の差はΔP=Cρv2/2(ここで、ΔPは静圧の差であり、迎え角13がゼロに等しい場合における揚力を規定し、Cは翼10の非対称性外形により定まる定数であり、ρは空気の密度であり、そしてvは気流の翼10に対する相対速度である)として規定される。実際には、乱気流や空気渦があるが、ここには示していない。全般的な気流、乱気流及び空気渦により静圧に分布が生じ、具体的には、局所的な静圧の減少及び局所的な気流の拡張が生じる。
翼10の周囲を流れる空気の一部分について着目し、理想気体において成立するクラペイロン−メンデレエフの法則:PV/T=nR(ここで、nは検討の対象としている空気の一部分に含まれるモル量であり、Pは気体の静圧であり、Vはこの一部分の空気の体積であり、Tは空気の絶対温度であり、そしてRは気体定数である)を考慮すると、翼10の周囲を流れる空気の一部についての気体パラメータが変化する理由が少なくとも二つ存在する。一つは、比較的速度の遅い気流において、この気流を非圧縮性の気体とみなすことができ、等積過程におけるゲイリュサックの法則を適用すれば、次式のように静圧Pは絶対温度Tにより定まる:ΔP/P=ΔT/T。すなわち、静圧の減少は、それに対応する絶対温度の低下ΔTを伴う。
二つ目は、より速度の速い気流がゼロではない迎え角13に当たると、この気流が圧縮性−拡張性を有する場合には、翼10の周囲を流れる気流はこの一部分の空気を体積膨張させる際に仕事Wを果たすが、この体積膨張は実質的に断熱プロセス下においてなされる。断熱プロセスの結果、この一部の空気についての内部熱エネルギーが変化し、これに伴って静圧が低下して温度も低下する。断熱プロセスにおいて翼10の周囲を流れる気流により行われる仕事Wは、次のように規定される:W=nCvΔTα(ここで、Cvは等積プロセスにおける熱容量であり、そしてΔTαは断熱過程における検討対象とした一部の空気の温度低下である)。断熱過程における温度低下の値:ΔTα=T−Tは次式:T/T=(P/P(γ−1)γ(ここで、P及びPはそれぞれ断熱プロセスの前後における空気の静圧であり、γは気体の分子構造に依存する断熱パラメータであり、γ=7/5という値は自然界の空気において妥当な近似である)により静圧の低下と連動している。
前述のプロセスの双方(つまり、等積プロセス及び断熱膨張プロセス)は、特に水の凝縮の引き金として作用する。さらに、気流が翼の周囲をマッハ数(つまり、音速)と同等又はこれ以上の速度で流れると、衝撃音の発生というよく知られた現象が起こる。衝撃波は翼の振動により生じるものではなく、気流の内部エネルギーの消費により生じるものであり、大気の温度は急激に低下する。これにより、水蒸気から水−エアロゾルへの凝縮プロセスが誘発される。例えば、図1aに示されるように、相当な量の水蒸気が水−エアロゾル17へ凝集し、そして雪のミクロ断片18へ変化する。これは、高速航空機16の翼の背後で見られる現象である。
図1bには、先行技術が示され、ドラバルノズルとしても知られる収束−発散ノズル100の略図、及び気体101に関する二つのパラメータ(速度150及び静圧160)の分布をノズル100の長さ方向に沿って示すグラフが示されている。標準的なロケットノズルは、くびれ141(「喉」として知られる)へ導かれるシリンダー140としてモデル化することができ、この喉は徐々に広がる「排気ベル」142へと導かれ、開口端へ至る。高速であり且つ圧縮性−拡張性である高温気体101が喉141を通過し、ここで速度の上昇151及び静圧の降下161が起こる。高温気体101は喉141を抜け、徐々に広がる排気ベル142に入る。気体は急速に膨張し、この膨張により速度の上昇152が起こる一方、静圧の下降162が続く。ノズルの長さ方向に沿った気体の絶対温度の分布(図示せず)は、静圧の分布160と類似している。
図2の表は、先行技術における地表の気象条件と大気中の水分量を数値で示すものである。表中の各セル22は、上段及び下段の二つの数値を含む。上段の数値は「絶対湿度」(g/m)、つまり1mの大気中に何グラムの水蒸気が含まれているかを示している。下段の数値は、大気のいわゆる「露点」温度(℃)を示している。例えば、大気の温度が35℃であり、相対湿度が70%である場合には、絶対湿度は27.7g/mであり、露点温度は28℃である。
図2aは、先行技術において、微流24が立方体21(各辺の寸法全てが1mである)の空間を通過する様子の概略である。例えば、微風の速度がv=5m/秒として与えられたとすると、記載された湿度条件を考慮した場合、毎秒(27.7×5=138.5)グラムの水蒸気が立方体21の空間内を通過することとなる。これは、1時間におよそ1/2トンの水蒸気が立方体21の空間内を通過することを意味する。
図3aは、先行技術である、Ranque-Hilsch vortex tubeとして良く知られた「渦菅」の概略図である。これは、圧縮された気体310を高温の気流311及び低温の気流312とに分離する機械装置300であり、移動性部材はない。圧縮された気体310は、接線方向の角度を有して渦チャンバ313内へ導入され、高い回転率を有するように加速される。チューブ315の端に円錐ノズル314が配置されているため、回転された気体316のうち外側部分のみが垂直断面を有する開口317から流出することができる。結果として、気体のこの部分311は加熱されていることが見いだされる。残りの気体316は、外側の渦内にある直径の小さくなった内側の渦を成し、別の開口318から排気される。結果として、気体のこの部分312は冷却されていることが見いだされる。
図3bは、例示的な先行技術を簡略化して示した図であり、大気中で竜巻が発生する機構の概略図である。伝播面において同一の速度を有する高粘度の気流32及び33が、約180℃の角度で衝突すると、高粘度の気流32及び33の接触部位において摩擦が生じ、気流32及び33のフロント面速度に新たな分布が生じる(矢印34及び35を用いて概略が示される)。再分布した速度は気流のフロント面の方向を変え、この部分の気流が角度を有して流れるようになる(円を描く矢印36により示される)。また、二つの気流32及び33は、コアンダ効果により互いの気流を引き込む。さらに、気流32及び33の新たな流れが、同じ場所において循環する渦を新たに作り出す。このような推進型のループにより高い回転率を有する竜巻が局所的に形成され、外側で回転している気流部分は、加速されることでベルヌーイの定理及びコアンダ効果にしたがってさらに新たに大気を引き込む。ここで、相対的な真空領域が大気の回転中心に潜在的に存在している。回転する大気の部分は、同時に水平方向にも移動することが可能であり、よってこの大気の部分は垂直方向にらせん状に移動する。竜巻は必ずしも視認できるものではないが、しかし、高速の気流及び高速回転により生じた非常に低い圧力は、通常大気中の水蒸気を凝集させ、視認可能な凝集じょうごを形成する。
したがって、高速で回転する大気が蒸気分子を水−エアロゾルへの凝集を誘発するという現象が観察される。水の凝集のための露点の条件が整わない状況であっても、竜巻の周囲の直近においては凝集が起こり得る。水の凝集を誘発するメカニズムが少なくとも二つ存在する。一つのメカニズムは、回転する大気には内部に圧力分布が生じ、内側の圧力は低く、外側の圧力は高くなるという事実から説明される。高速回転する竜巻に捕らえられた大気は、サイクロンにより対流として加速され、断熱状態で減圧される。加速及び断熱の双方により静圧が低下する。静圧の低下には、その部分の大気の温度低下が伴う。大気が冷却されると、水蒸気からエアロゾルへの凝集を引き起こされる。水の凝集を誘発する別のメカニズムは、高速で回転する大気の内部において、移動する高湿度の大気による摩擦が生じ、水蒸気分子のイオン化という現象が起こることによる。イオン化された分子は、凝集する極性水分子の核となり、視認容易なエアロゾルが形成される。
したがって、本技術分野において、空気から水を制御可能に取り出すための効率的で環境的にクリーンなメカニズムを提供できるシステムが必要とされている。歴史的に、船を推進させるため及び水のくみ上げ若しくは穀物の脱穀用の機械エネルギーへの変換のために風力エネルギーが直接的に用いられてきた。今日における風力の主要な用途は、電気の産出である。したがって、本技術分野において自然界の風力を活用して空気から水を効率的に取り出す方法を提供するシステムが必要とされている。
したがって、本発明の主な目的は、大気から水を回収するための既存の装置の限界を克服することであり、大気から水を回収するための改善された方法及び装置を提供することである。
より確実に水を回収できる方法及び装置を提供することも、本発明の目的である。
さらに、環境的にクリーンな態様で水を回収する方法及び装置を提供することも、本発明の目的である。ここで、高湿度の大気からの水の回収は、自然界の気流により動力を得るエンジン(装置)により達成されるものである。
また、移動性部材を有さず、より強力で建設的な解決策を実現するための方法及び装置を提供することも、本発明の目的である。ここで、この装置において移動する要素は、入ってくる気流のみである。
対象物の周囲を流れ、これを冷却する気流を産出するために、自然界の気流を動力とする方法及び装置を提供することも、本発明の目的である。
航空機の飛行特性を向上させる方法及び装置を提供することも、本発明の目的である。
よってここに、本発明の重要な特性の概略が示され、これに続く詳細な説明により本発明をより深く理解するのに役立つであろう。本発明の追加的な詳細や利点は詳細な説明において提供され、その一部は記載内容から認識されるか、又は本発明の実施により認識されるであろう。
本発明にかかる前述及びその他の特性及び利点の全ては、以降において図面を伴って、又は図面を伴わずに記載される好ましい実施形態を通じて理解されるであろう。
本発明を理解し、どのように実施されるのかを理解するために、以降において図面の参照を伴って好ましい実施形態が記載されるが、これらは例示的なものである。ここで、
図1は、従来技術における飛行機の翼の外形の概略図である。 図1aは、先行技術における、高速航空機の翼の背後において見られる凝集による水−エアロゾルの発生と昇華による雪のミクロ断片の発生の概略図である。 図1bは、先行技術における、収束−発散ノズルの概略図及びノズルの長さ方向についての気体速度及び静圧の分布を示すグラフである。 図2は、先行技術における、気象条件と大気中に含まれる水蒸気の量とを示す表である。 図2aは、先行技術において、微流が立方体内の空間を通過する様子を示す概略図である。 図3aは、先行技術における、Ranque-Hilsch vortex tubeの概略図である。 図3bは、例示的な先行技術における、大気中での竜巻の発生現象を示す概略図である。 図4は、水エアロゾルの一般的なパッシブキャッチャの概略図である。 図5は、水エアロゾルのパッシブキャッチャの概略図であり、植物育成インキュベータ内に設置され、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図6は、環境的にクリーンな水エアロゾルのパッシブキャッチャの概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図7aは、環境的にクリーンな水凝集装置の概略図であり、翼様の構成要素のセットを有し、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図7bは、環境的にクリーンな水凝集装置の概略図であり、くさび状の構成要素のセットを有し、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図7cは、環境的にクリーンな水凝集装置の概略図であり、翼様の構成要素のセットを有し、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図8は、一般的な外形を有する角(つの)状チューブ(horn-tube)(収束ノズル)及び水凝集装置の概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図8aは、改良された外形を有する角状チューブの概略図であり、方向を変えるダクトを有し、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図8bは、改良された外形を有する角状チューブの概略図であり、カバー及び方向を変えるダクトを有し、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図8cは、改良された外形を有する角状チューブの概略図であり、気流を回転させ且つ収束させ、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図8dは、改良された外形を有する角状チューブが外側を流れる気流の一部分を回転させ、角状チューブ内を流れる気流の一部分を収束させている様子を示す概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図8eは、改良された外形を有する角状チューブの概略図であり、翼様の詳細構造を有する鱗様の断片が施された外形を有し、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図8fは、先端が細くなる角状チューブの概略図であり、コイル状に巻かれた翼により構成され、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図8gは、直列構造の円錐台を示す概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図9は、水の凝集装置としての直列構造の角状チューブの構成を示す概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図9aは、直列構造の鱗様の角状チューブの概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図9bは、対向する気流のフロント面を広く覆う、直列構造の翼様の詳細構造の概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図9cは、直列構造の角状チューブと水凝集装置の構成を示す概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図9dは、一直線上に直列構造の収束型のベル及び細い喉を有する水凝集装置の上面概略図であり、二つの円柱状チャンバを有し、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図10は、飛行中の高速航空機の翼の後ろに見られる十分に凝集した水−エアロゾル及び昇華した雪のミクロ断片の概略図であり、水を吸着する埃を放出するところを示しており、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図11は、飛行機とこれに取り付けられた直列構造の角状チューブ及び水凝集装置による凝集で雨を降らせる方法を示す概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図12は、対向する気流の方向を変えて元の気流の向きとは垂直方向に配置された水凝集装置を駆動させるための建設的な解決策の上面概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図13は、太陽光のエネルギーを回収する例示的なシステムの概略図であり、収束板は洗浄のための構成を有しており、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図14aは、収束ノズルを有するヘリコプターの概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図14bは、収束ノズル及び翼様の板を有するヘリコプターの概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図15aは、直列構造の収束ノズルを有するヘリコプターの概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。 図15bは、直列構造の収束ノズルを有するヘリコプターの概略図であり、角度を変えることができ、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。
発明の詳細な説明
本発明にかかる方法及び装置の原理及び操作は、図面及びこれに伴う説明を参照することにより理解されるであろう。ここで、図面は説明の目的のためにのみ提供されるものであって、本発明を限定するものではない。
図7aは、固定された翼様の外形を有する詳細構造76を備えた水凝集装置75の概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。流入してくる高湿度の気流73は、装置75内の移動性要素とみなされる。流入してくる高湿度の気流73は、翼様の外形を有する詳細構造76に沿って流れる。固定された翼様の詳細構造76は、翼様の効果を発揮し、気体の一部分を加速させ、渦やつむじを生じさせることにより所望の水蒸気から水−エアロゾルへの凝集を誘発する。エアロゾルは翼様の外形を有する詳細構造76の表面に集まり、露滴を形成する。部分的に乾燥した気流74は、水凝集装置75から離れていく。
水の凝集誘発に関する上述の内容より、翼様の外形を有する詳細構造76の配置、形状及び方向性を最適化することによってより効率的に水の凝集と回収を行うことができることが理解される。自然界における風の速度はかなり遅いため、上記のような水の凝集誘発は比較的弱いものである。
図7bは、固定されたくさび様の外形を有する詳細構造78を備えた水凝集装置77の概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。流入してくる高湿度の気流73は、装置75内の移動性要素とみなされる。流入してくる高湿度の気流73は、くさび様の外形を有する詳細構造78に沿って流れる。固定されたくさび様の詳細構造78は、このくさび様の詳細構造の幅の広い部分において気体の一部分を加速させ、渦やつむじを生じさせることにより所望の水蒸気から水−エアロゾルへの凝集を誘発する効果を発揮する。エアロゾルは波型の外形を有する詳細構造のセットの表面に集まり、露滴を形成する。自然界における風による渦やつむじの形成を用いる水の凝集誘発は、かなり弱いため、僅かに乾燥された流出気流74は、実質的に高湿度のままである。
図7cは、流入してくる高湿度の気流73にさらされる水凝集装置70の上面概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。水凝集装置70は、固定された翼様の外形を有する詳細構造71を含み、この構造は流入してくる気流に作用して渦や高速回転するつむじ72の形成をもたらす。さらに、新たに流入する高湿度の気流73は、同じ場所に回転するつむじを新たに形成する。流入する高湿度の気流73が層状であると仮定すると、このような推進型のループは渦を強くし、結果として高速回転するつむじ72が形成される。つむじ72の内部には圧力分布があり、内側の圧力は低く、外側の圧力は高い。高速回転するつむじ72のいずれかに捕捉された気流は、このつむじにより加速され減圧される。気体の一部分について断熱状態で減圧されると、この一部分の温度が気体の法則にしたがって下がる。気体が冷却されると、所望の水蒸気から水−エアロゾルへの凝集が促進される。
図8は、一般的な外形を有する角状チューブ収束ノズル80の概略図であり、このノズルは流入してくる気流に沿うように水凝集装置81へ向けて配置されており、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。水凝集装置81の詳細はここには図示していない。具体的には、前述の図7aにおける水凝集装置75、図7bにおける水凝集装置77又は図7cにおける水凝集装置70と同様のものであってもよい。
角状チューブ80の外形は、好ましくはコサイン関数の曲線に類似し且つ開口端(流入口820及び流出口830)において異なる直径82及び83を有するような外形88を有する。高湿度の気流84が、大きな直径82を有する角状チューブノズル80の流入口820から入り、小さな直径83を有する細い喉状の流出口830から出てくる。開口端820及び830との間にあるコサイン様の外形88及び十分な長さ89によって、気流は層状の流れになる。
小さな直径83は、ベルヌーイの定理を適用する際に気体の粘度に伴う現象を無視できる程度の大きさがある。連続性の原理により、小さな直径83を有する喉状の流出口830を通過する地点85における気流の速度は、大きな直径82を有する流入口820近傍の地点86における気流の速度より速くなる。このため、非圧縮性の気体であると仮定すると、気流の速度は断面積に反比例する。例えば、流入口820の直径82が流出口830の直径83の3倍である場合には、流出口の地点85における気流の速度は、流入口の地点86における気流の速度の3=9倍となる。したがって、一般的な外形を有する角状チューブ80は、水凝集装置81へ導入するのに適した高速の排出気流87を提供する。角状チューブノズル80そのものが水凝集装置としての役割を果たしてもよい。
ベルヌーイの定理によれば、気流の加速された部分において静圧Pが減少する。仮想的な理想気体におけるクラペイロン−メンデレエフの法則によれば、特に非圧縮性の気体として近似される低速の気流、すなわち等積プロセスについてはゲイリュサックの法則が成り立ち、P/T=Const(ここで、Pは静圧でありTは気体部分の絶対温度である)である。これは、理想気体の法則を適用すると、静圧Pが減少すればこれに対応して気体部分の絶対温度Tが下がることを意味している。低下した温度Tにより所望の水の凝縮が引き起こされ得る。発熱性の水の凝縮工程は、非平衡性プロセスであり、凝縮された水とこの周囲が暖められる。このため、この部分の空気が依然として高湿度であっても、加速された気流の部分の温度がその露点より低くない状態となる。ここで、空気の湿度が低くなるにつれて露点自体も低くなる。
図8を参照した記載に基づき、冷却された排出気流87を角状チューブノズル80の外側に配置されている他の物体の周囲に当ててこれを冷却するために用いることができることが当業者にとって自明であろう。しかしながら、流入してくる風を収束させて加速させるために、大きな流入口820を有する角状チューブノズル80を用いることが常に現実的であるとは限らない。幅広く(例えば、流入口820の直径82が30mであり、喉状の流出口830の直径83が1mである)、且つ実質的に強風に耐えうるような角状チューブノズル80を構築することは容易ではなく、また経済的でもない。
図8cは、更に改良された外形を有する角状チューブ802の概略図であり、気流を収束させ且つ回転させるものであり、本発明の例示的な実施形態に基づくものである。図8を参照して示した収束ノズル80と比較して、更に改良された角状チューブ802は流線型の板保持機構825に固定された板821を有している。この固定された板821により流入してくる気流84の流れの方向が変化し、角度823を有するようにする。この傾斜された気流に、角状チューブ802のコイル状の壁による回転モーメントが組み入れられ、らせん状に前進する。らせん状の動きは、らせんカーブ861により図示されている。
この回転させる技術は、固定された板821の後ろに別の固定された板822を配置することで連続させることができる。板822による傾斜角824は、板821による傾斜角823より大きい。よって、このような固定板を連続して配置することにより、コイル間の比較的短い軌跡を通過させることでらせん状の動きを有する気流を作り出すことが可能となる。らせん状の軌跡によって層状のらせん気流が作り出されるため、改良された外形を有する角状チューブの収束セグメント88の長さ890を、図8を参照して説明した長さ89と比較して短くすることができる。ここにおいても、流入口820は直径82を有する。
改良された外形を有する角状チューブ802の収束セグメント88が図8を参照して説明した収束ノズル80と同じであるならば、非圧縮性気体を仮定すると、連続性の式にしたがい、改良された外形を有する角状チューブ802の収束セグメントにおける気体のらせん状の動きが有する前進速度は、図8を参照して説明した収束ノズル80へ向かって流れる気流の速度と同じになる。
付加された回転の動きは二通りの加速をもたらす(速度方向を変える求心性の加速、及び同じ前進速度を保ちつつ速度の絶対値を増大させる対流加速)。改良された外形を有する角状チューブ802の喉830から出て、水凝集装置81へ導入される気流873は、加速された対流としての二つの要素(前進と回転)の双方を有する。組み合わされた対流の加速は、対流する気体が有する位置エネルギーの消費により行われるものであり、よってベルヌーイの定理に基づきこの気体の静圧の低下を伴い、ゲイリュサックの法則に基づき温度の下降を伴うこととなる。さらに、断熱過程における回転には、放射方向での静圧の再分布が伴い、回転軸近傍の静圧は局所的に低くなる。このため、回転軸近傍の気体は断熱的に冷却される。温度の低下により水の凝集が誘発される。
図8cを参照した説明から、所望の回転特性を得るために、ガイド板821及び822並びに流線型の板保持機構825についてあらゆる建設的な解決策を講じることができることが当業者にとって自明であろう。
図8cを参照した説明から、冷却された板保持機構825にさらに熱導体(図示せず)を設けたものを用いて、改良された外形を有する角状チューブ802の外側に配置された物体を冷却することができることが当業者にとって自明であろう。
図8eは、改良された外形を有する別の角状チューブ803の概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づくものである。この角状チューブ803は、完全なコサイン様外形88を有するが、翼様の詳細構造883を含むうろこ状の断片を組み入れている。これにより翼様の詳細構造883の間から改良された角状チューブ803の内部空間へ追加的な気流863が入る。
この現象は、対向する気流のフロント面84を2乗して増大させる効果を有していると考えられ、対向する気流のフロント面84のうち加速される有効面積が大きな直径82を有する広い流入口820の断面積より大きくなるという効果をもたらす。対向する気流84の一部分に追加的な気流863が加わり、内部において加速され、連続性の式にしたがって細い喉830の直径83を通過する排出気流870の速度が増すことになる。したがって、排出気流870の速度は、図8を参照して説明した排出気流87の速度より速くなる。
図8fは、コイル状に巻かれた翼884の直列構造体804(a cascade 804 of coiled-up wings 884)の概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づくものである。このような構造にすると、対向する気流84のうち大部分を収束させることができ、高速で排出される細い気流875が得られる。なお、対向する気流のフロント面における有効面積は、コイル状に巻かれた翼884直列構造体804の広い流入口820の円状断面積より広くなっている。
図8gは、水凝集装置として機能する、直列構造の円錐台807を示す概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。直列構造の円錐台807の全てが、同一の直径82を有する流入口827を有し、後続の円錐台807の流出口の断面積は、その前にある円錐台807の流出口の断面積より小さくなっている。このため、最後の円錐台の流出口837が最小の直径83を有している。このような構造とすることにより、対向する気流84のうち大部分を収束させることができ、高速で排出される細い気流878が得られる。なお、対向する気流のフロント面における有効面積は、直列構造の円錐台807のうち最初の流入口827の断面積より広くなっている。加速されることで冷却された流出気流878は、凝集された水滴899を産出する。
図9は、直列構造の角状チューブ(流入口930を有する90、流入口931を有する91、及び流入口932を有する92)の概略図である。この直列構造体が対向する高湿度の気流95にさらされると、本発明の例示的な実施形態に基づいて水凝集装置として機能する。角状チューブ90は、流入口930及び流出口940のそれぞれの開口端において実質的に異なる直径93及び94を有する。高湿度の気流95は、大きな直径を有する流入口930から角状チューブ90に入り、小さな直径94を有する喉状流出口940から出てくる。
例えば、細い喉状流出口940の直径94が流入口930の直径93の3分の1である場合には、連続性の式にしたがって、喉状の流出口940近傍における流出気流96の速度は、流入口930近傍の気流95の速度の3=9倍速い。また、高湿度の気流95の一部分は角状チューブ90の周囲を流れ、外側気流97を形成する。
さらに、細い喉状流出口940から排出される内側気流96と外側気流97の両方が、直列構造の角状チューブ91に導入される。角状チューブ91は内側気流96と外側気流97の双方を生成気流98へと変換し、角状チューブ91の細い喉状流出口から排出させる。生成気流98の速度は、気流96のおよそ2倍である。次の角状チューブ92は、さらに気流95の外側部分970を取り入れてさらに強化された気流99を産出する。気流99の断面積は角状チューブ92の細い喉状流出口の断面積と同じであり、気流99の速度は気流96の速度のおよそ3倍である。
このように、たくさんの角状チューブを直列構造にすることにより、高湿度の気流を大量に収束させて極めて高速で且つ細い気流を得ることができる。この極めて高速な気流が音速に達すると、衝撃波が発せられる。衝撃波の発生は、気体の内部エネルギーの消費による現象であり、気体温度の急激な低下をもたらし、蒸気から水エアロゾルへの大量凝集を引き起こす。
図9を参照した上記の説明から、角状チューブにあらゆる改良をすることが可能であることが当業者にとって自明であろう。例えば、直列構造の改良角状チューブ806(図8d)を用いると、内側と外側の気流の両方を回転させることにより改良された収束システム(図示せず)を構成することができる。
図9aは、直列構造の鱗様の角状チューブ900、901、902の概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。上述の図9のような途切れの無い外形を有する角状チューブ90、91、92と比較して、角状チューブ900、901、902は、鱗様の外形を有し、翼様の詳細構造904を含んでいる。このような構造にすることで、対向する気流905のフロント面を広く収束させ、細く且つ高速の排出気流909を得ることができる。
図9bは、対向する気流のフロント面を広く覆う、直列構造の翼様の詳細構造911およびこれらを反転して並べられた直列構造の翼様の詳細構造912の配置910の概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。具体的には、個々の翼様詳細構造921が直列構造の翼様詳細構造911を構成し、個々の翼様詳細構造922が反転させ直列構造の翼様詳細構造912を構成している。いわゆる揚力(ベクトル931および932で図示されている)は、対向する気流950の流動部分941および942から、翼様詳細構造921および922のそれぞれに対して作用する。ニュートンの第三法則にしたがって、向き合う翼様詳細構造921および922のそれぞれは、気流のうち対応する部分941および942に対して互いに反対方向に作用する。
このようにして、向き合って配置される例示的な翼様詳細構造921および922、ならびに一般に911および912は、対向する気流950に作用し、気流のフロント面は収束され、細くて速度の速い外気流990となる。本発明の例示的な実施形態によれば、向かい合う翼様詳細構造911および912の集合体は、高湿度の気流を加速させて水凝集装置として機能する。向かい合う翼様詳細構造911および912は、コイル状に巻かれた翼により実現できることが当業者にとって自明であろう。
図9cは、図9を参照して説明した、直列構造の角状チューブ90、91、92の後に配置された水凝集装置81の概略図であり、本発明の例示的な実施形態によるものである。この場合、高速気流99は高効率を有する水凝集装置81を実現する。本構成を実現可能とするためには、直列構造の各チューブの大きさが水凝集装置81の大きさに相応していることが重要である。
図9cを参照してなされる以降の説明から、自然界の風力により駆動され様々な目的を果たすエンジンを変更することができ、水凝集装置81以外の装置を配置してもよいことが当業者にとって自明であろう。例えば、本発明の例示的な実施形態によれば、発電を目的としたいわゆる風力タービンを、直列構造の角状チューブの後に配置してもよい。
高速航空機106の使用とは対照的に、図11は、より低速度の航空機110の概略図であり、図9cを参照して説明した装置に似た構造である取り付け型の構造111を有しており、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。このような集合体は、森林火災の消火活動のために大気中から雨112を有効に引き出すために用いることができる。
図14aは、大きな角状チューブの形状、広い上側流入口、細い喉および広がった下側流出口を有した収束−発散ノズル144が取り付けられたヘリコプター143の概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。このような集合体により、ヘリコプター143のプロペラ155で引き込まれた気流145が収束される。収束−発散ノズル144により気体の一部分が引き込まれ、コアンダ効果によってノズル144の外へ排出され、よってヘリコプター143の下側へ吹かれる気流158の量が増大する。収束−発散ノズル144の流出口から排出される、収束された下向きの気流146は、もともとの引き込まれた気流145と比較して速度は加速され、静圧は低下し、温度は降下している。これは、よく研究された圧縮性−膨張性気体の対流動作によるものであり、先行技術として図1bを参照してロケットノズル100において説明した通りである。冷却された気流146は、水蒸気から雨粒147への凝集を誘発することができる。このような集合体は、例えば森林火災の消火活動のために大気中から雨粒147を有効に引き出すために用いることができる。
図14bは、気流145の一部分149の方向を変えるための固定された翼様板148をさらに備えた収束−発散ノズル144が取り付けられたヘリコプター143の概略図である。なお、気流149は、ヘリコプター143のプロペラ155により引き込まれ、収束−発散ノズル144の外側を流れているものである。流れの方向が変えられた気流部分149は、コアンダ効果によって回転性の動作を獲得する。ここで、回転性の動作は、円を描く矢印153により図示されている。加速された下向きの気流146は、回転性の気流149により吸い出され、よってさらに加速される。これにより形成された小さな竜巻が、水蒸気から雨粒147への凝集を誘発する。内側に板を配置することで(図示せず)、収束−発散ノズル144の外側を流れる気流の一部分を回転させ、小さな竜巻の有用な特性を向上させることができることが当業者にとって自明であろう。
図15aは、直列構造の比較的小さな収束−発散ノズル154が取り付けられたヘリコプター143の概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。図14aを参照して説明された、かさ高く扱いにくい収束−発散ノズル144と比較して、直列構造の収束−発散ノズル154は実質的にコンパクトであり、より強力な気流収束効果を発揮することができ、よってより有効に水蒸気から雨粒147への凝集を誘発することができる。
144(図14a)又は154(図15a)の気流収束システムを取り付けられたヘリコプター143を含むこれらの集合体には、揚力効果に対するマイナスの要因とプラスの要因がある。揚力効果に対するマイナスの要因は、重量の増大、障害、表面摩擦であり、揚力効果に対するプラスの要因は、気流の加速およびヘリコプター143の下側へ向けて吹かれる気流158の増大である。
直列構造の小さな収束−発散ノズル154を取り付けることによる揚力効果に対するマイナスの要因は、収束−発散ノズル144(図14a)を取り付けることによる揚力効果に対するマイナスの要因より小さい。これは、重量を比較的軽くすることができ、障害および表面摩擦を低減できるからである。
同時に、直列構造の小さな収束−発散ノズル154を取り付けることによる揚力効果に対するプラスの要因は、収束−発散ノズル144(図14a)を取り付けることによる揚力効果に対するプラスの要因より大きい。これは、ノズル154により、下向きの気流のフロント面をより広く収束させることが可能だからである。気流の加速により与えられる144(図14a)又は154(図15a)の収束システムの揚力効果に対するプラスの要因は、力学的な見地からも、エネルギー保存則の見地からも説明することができる。力学的な見地によれば、下向きの気流は連続性の式にしたがって加速され、よってニュートンの第三法則によって揚力効果を後押しする。エネルギー保存則の見地によれば、ベルヌーイの定理および気体の法則にしたがって、下向きの気流について特定の量の冷却気流が有する内部一エネルギーが追加的な運動エネルギーに変換される。下向きの気流の追加的な運動エネルギーが、揚力効果に対するプラスの要因となる。
図15bは、様々に傾けられるように自由度を付与された、直列構造の収束−発散ノズル156が取り付けられたヘリコプター143の概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。このような自由度が付与されることにより、下向きの気流157および158を、垂直方向から変更させることができるようになり、ヘリコプター143の動作性が向上する。
以降にその概略が示される例示的な実施形態は、本発明の原理を図示する目的のみに与えられるものであり、以降に示される請求項の範囲を不必要に狭く解釈し、これを排他的に規定するものではない。当業者が、請求項の思想及びこの範囲を逸脱することなくここに教示される実施形態について様々な変更、組み換え又は修正をすることができることが予測される。

Claims (10)

  1. 水蒸気を運ぶ高湿度の気流にさらされる、気流収束装置であって、前記気流収束装置は、少なくとも二つの直列配置された角(つの)状チューブ(horn-tube)を含み、当該少なくとも二つの角状チューブは、当該高湿度の気流が流れる方向において第一乃至最後の順に配置され、それぞれの角状チューブ前に流れる気流がそれぞれ第一乃至最後の角状チューブに対応する気流として規定され、
    前記角状チューブはそれぞれ二つの開口端を有し、当該二つの開口端の断面積は少なくとも0.5パーセントの違いがあり、層状の気流を与える形状を有しており、
    前記少なくとも二つの直列配置された角状チューブは、前記高湿度の気流が流れる方向と、大きい断面積を有する開口端から小さな断面積を有する開口端へ向かう方向とが実質的に同一になるように配置され、
    前記高湿度の気流は、前記少なくとも二つの角状チューブの一つ目のチューブの周囲を流れる第一気流を含み、
    前記高湿度の気流は第一の角状チューブに対応する気流を含み、
    前記角状チューブのそれぞれは、当該角状チューブに対応する気流を、次の角状チューブに対応する気流へ変換し、
    各角状チューブについて、前記角状チューブに対応する気流の一部分が内側部分として規定され、当該内側部分は、前記角状チューブの前記大きな断面積を有する開口端から流入し、
    各角状チューブについて、前記角状チューブに対応する気流の一部分が外側部分として規定され、当該外側部分は、前記角状チューブの外側周囲を流れ、
    前記内側部分は、前記角状チューブの前記小さな断面積を有する開口端へと進み、前記角状チューブの断面積が狭まっていくことにより前記内側部分の気流の断面積も小さくなり、連続性の原理にしたがって当該気流の速度が上昇し、当該速度の上昇は前記気流の断面積の減少に反比例し、よって内部において高速な流出気流が作り出され、
    前記外側部分は前記角状チューブの外側の外形に沿って前記角状チューブの前記小さな断面積を有する開口端へと進み、前記高湿度の気流について外側の流出気流が作り出され、コアンダ吸引効果によって前記高湿度の気流のうち前記角状チューブの外側近傍にある気流が新たに引き込まれて新たに気流が追加された流出気流が作り出され、
    前記三つの気流:前記内側の高速流出気流、前記外側の流出気流、および新たな流出気流が、一緒になって次の角状チューブに対応する気流を作り出し、
    前記二つの気流:前記内側の高速流出気流および前記外側の流出気流が、次の角状チューブに対応する気流の内側部分を作り出し、
    前記新たな流出気流が、次の角状チューブに対応する気流の外側部分を作り出し、
    前記少なくとも二つの直列配置された角状チューブのうち最後の角状チューブから流出する、最後の角状チューブに対応する気流の内側部分は、高速の流出気流を含み、
    第一の角状チューブに対応する気流の一部は、連続性の原理によって高速の流出気流に変換され、
    ベルヌーイの法則にしたがい、前記高速の流出気流の静圧は前記第一の角状チューブに対応する気流の静圧と比較して低減され、
    気体の法則にしたがい、前記静圧の低下は温度の低下を伴うために前記高速の流出気流の温度は前記第一の角状チューブに対応する気流の温度と比較して低下し、
    前記高湿度の気流は少なくとも二つの直列配置された角状チューブの周囲を流れ、冷却された高速の流出気流へと変換され、
    前記冷却された高速の流出気流における温度の低下が、前記水蒸気から水−エアロゾルおよび露滴への凝集を誘発する
    気流収束装置。
  2. 請求項1の気流収束装置であって、
    流線型の翼様の平面が、非対象な流線型の外形を有する平面構成として規定され、
    前記少なくとも二つの角状チューブは側壁を有し、当該側壁は前記流線型の翼様の平面がらせん状に巻かれることにより形成され、
    前記らせん状に巻かれた構造は、前記高湿度の気流の流れる方向に沿ったコイル軸を中心に少なくとも一周巻かれていて、
    前記少なくとも一周巻かれた構造は、円状、楕円状、らせん状、およびアルキメデスのスクリュー状のうちのいずれか一つである、
    気流収束装置。
  3. 請求項1の気流収束装置であって、
    前記角状チューブのうちの少なくとも一つは、翼様の鱗状微細構造を含む鱗状断片を少なくとも一つ更に有し、
    前記翼様の鱗状微細構造は、前記高湿度の気流の一部分を追加的に前記翼様の鱗状微細構造の間から前記角状チューブのうちの少なくとも一つの内部空間へ流入させる、
    気流収束装置。
  4. 請求項1の気流収束装置であって、
    前記角状チューブのうちの少なくとも一つは、さらに少なくとも一つの固定された翼様の板を含み、
    前記少なくとも一つの固定された翼様の板は、前記高湿度の気流の一部分を回転させてらせん状の軌道を描くように進行させる、
    気流収束装置。
  5. 請求項1の気流収束装置であって、
    前記気流収束装置は、航空機に取り付けられ、
    前記気流は、前記航空機の周辺を流れる気流として規定される、
    気流収束装置。
  6. 請求項1の気流収束装置であって、
    前記気流収束装置は、ヘリコプターに取り付けられ、
    前記気流は、前記ヘリコプターのプロペラにより生じる気流として規定される、
    気流収束装置。
  7. 請求項1の気流収束装置であって、
    前記気流収束装置は、少なくとも一つのベンチレーターをさらに備え、
    前記気流は、前記ベンチレーターにより生じる気流として規定される、
    気流収束装置。
  8. 請求項1の気流収束装置であって、
    温度の低下した前記高速の流出気流が、前記気流収束装置の外側に配置されている物体の周囲を流れ、これを冷却するために用いられる、
    気流収束装置。
  9. 水蒸気を運ぶ高湿度の気流にさらされる、水凝集装置であって、
    前記水凝集装置は、請求項1の気流収束装置および微細構造のセットを含み、当該微細構造は、翼様外形およびくさび様外形のうち少なくとも一つを有し、
    前記高湿度の気流は、前記気流収束装置の周囲を流れる気流を含み、当該気流収束装置の周囲を流れる気流の断面積は前記気流収束装置の断面積より大きく、当該気流収束装置の周囲を流れる気流の断面積の大きさは前記気流収束装置の断面積に対して少なくとも1%大きく、
    前記気流収束装置は、前記気流収束装置の周囲を流れる気流をコアンダ効果により引き込み、連続性の原理にしたがって高速の流出気流を作り出し、よって
    ベルヌーイの法則にしたがい、前記高速の流出気流の静圧は前記気流収束装置の周囲を流れる気流の静圧と比較して低減され、
    気体の法則にしたがい、前記静圧の低下は温度の低下を伴うために前記高速の流出気流の温度は前記気流収束装置の周囲を流れる気流の温度と比較して低下し、
    前記温度の低下が、前記水蒸気から水−エアロゾルおよび露滴への凝集を誘発し、
    前記冷却された高速の流出気流が前記微細構造のセットに至りこれに衝突し、
    前記微細構造のセットが前記冷却された高速の流出気流に作用し、気流の一部分を加速させ、渦やつむじを生じさせ、
    前記加速され、渦やつむじを生じさせられた気流の一部分はその静圧が低下し、
    気体に法則にしたがって前記静圧の低下にはさらなる温度低下が伴い、
    前記温度低下が、前記水蒸気から水−エアロゾルおよび露滴への凝集を誘発し、前記露滴は前記微細構造の表面に凝集する、
    水凝集装置。
  10. 発電装置であって、
    請求項1記載の気流収束装置と、
    前記少なくとも二つの直列配置された角(つの)状チューブ(horn-tube)の後に配置された風力タービン、とを備える、発電装置。
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