JP7059308B2 - エネルギーの貯蔵および変換 - Google Patents

Description

本開示は、エネルギーの貯蔵および変換に関する。具体的には本開示は、ガス等の流体内の運動エネルギーまたはポテンシャルエネルギーの形のエネルギーを、電気エネルギーに変換することに関する。

ポータブルなエネルギー貯蔵技術の多くは、エネルギーを電池や燃料電池内に化学的な形で貯蔵し、必要なときにこれを電気エネルギーに変換することを含む。
多くの精力的な研究は電池や燃料電池の開発および改良を目的に行われ、限られた電池の製品寿命や安全な燃料電池などの課題の解決に向けられている。

ガスまたは液体のポテンシャル（圧力）エネルギーの形によるエネルギー貯蔵もまた知られている。
例えば、需要が低いときは電気を使って水をより高いポテンシャルまで吸い上げる一方、需要が高いときは吸い上げられた水を発電タービンを通して落下させることが知られている。
同様に、一定圧力（例えば、海底貯蔵）や一定体積（例えば、地下貯蔵）のガスの形によるエネルギー貯蔵も知られている。
しかしながらこうした形のエネルギー貯蔵は、貯蔵したエネルギーを電気エネルギーに変換するために、タービンや電力装置を含む大規模な設備と複雑な構造を必要とする。

改良された代替的な形でのエネルギー貯蔵が常に求められている。
特にこうした新しい形のエネルギー貯蔵では、例えば電気自動車に搭載できるような小規模なものが求められる（必須ではないが）。

第１の態様では、流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置は、流体の入口ポートと流体の排出ポートとを備えるフローチェンバを備える。
一対の電荷収集電極が、収集方向に沿って互いに間隔をあけて配置され、フローチェンバ内に露出する。
電界生成器が、流体内の荷電種を分離するために、フローチェンバ内に電界方向に沿った電界を生成するように構成される。
流体の入口ポートと流体の排出ポートとの間の流路が、収集方向に沿う成分と電界方向に沿う成分とを有する流れ方向を持つ。

電界によって分離された正および負の荷電種のうち第１のものは、電解によって、一般に流体の流れと同じ方向に運動するようにバイアスされる。
正および負の荷電種のうち第２のものは、一般に流体の流れと逆の方向に運動するようにバイアスされる（これにより、電界により誘起された運動の方向と流れの方向のスカラー積は、それぞれ正および負となる）。
流れは荷電種に異なった効果を与える。
従って、電界に起因するものに加えて、収集電極の間に追加的な荷電分離が発生する。
これにより、流れの運動エネルギー（これは例えば、圧縮された流体容器内の圧力のポテンシャルエネルギーの結果である）が、負荷で消費可能な電気エネルギーに変換される。
荷電種の異なる運動を含むイオン化ガスその他の流体の場合、荷電種の一方（例えばガスイオン）は、荷電種の他方（例えば電子）より強く、流体の流れから影響を受けるだろう。
その結果、より強く流れから影響を受けやすい方の荷電種が、優先的に排出ポートを通ってフローチェンバから離れるだろう。
これに対し他方の荷電種は、それぞれのキャプチャ電極によって優先的にキャプチャされるだろう。
これによりキャプチャ電極間のポテンシャル差が増大し、過剰電荷に相当する電気エネルギーが与えられる。

本開示で動作の原理が記述されたとしても、それは説明のためであり、開示の範囲を限定するものではないことが理解されるだろう。

いくつかの実施の形態では、電界は、流体をイオン化するためのイオン化電界である。
流体は、空気、アルゴンまたはネオンなどのガスであってよい。
流体をイオン化することは、フローチェンバ内に、プラズマを生成すること、および／または、暗放電またはコロナ放電などの放電を発生させることを含んでよい。
このような実施の形態では、荷電種の一方はガス分子から引き剥がされた電子であり、荷電種の他方はそれにより生じた正の荷電ガスイオンである。
特に流体の流れは、自由電子より荷電イオンに対して強く影響するだろう。
その結果、流体の流れによって、電子より多くの荷電イオンが差動的にフローチェンバを離れる。これにより荷電分離が促進され、収集電極間の電気ポテンシャルが増大する。
他の実施の形態では、流体は例えば、溶液内に正および負に帯電したイオンが存在する液体であってもよい。

いくつかの実施の形態では、電界生成器は一対の電界生成電極を備え、この一対の電界生成電極は、電界方向に沿って間隔をあけて配置され、フローチェンバの両側に露出する。
いくつかの実施の形態では、電界生成電極は、電荷生成電極によって与えられてもよい。
他の実施の形態では、電界生成電極は、荷電収集電極から分離されてもよく、フローチェンバから電気的に絶縁されてもよい。
電界生成電極は、任意の好適な電圧源（例えば、任意の高電圧（ＨＶ）供給源で電力源としてバッテリーを備えるもの）によって駆動されてもよい。
追加的または代替的に、好適な電圧源はＨＶキャパシタを備えてもよい。

いくつかの実施の形態では、電界方向と流れ方向とは実質的に平行であってもよい。
いくつかの実施の形態では、収集方向と流れ方向とは実質的に平行であってもよい。
有利なことに、これは流体の効果を最大化するだろう。
とはいえ、流れ方向と電界方向および／または収集方向とのスカラー積がゼロでない限り、一定の効果は存在する。
いくつかの実施の形態では、電界方向と流れ方向との間の角度、および／または、収集方向と流れ方向との間の角度は、－ｎ度以上ｎ度以下、または（１８０－ｎ）度以上（１８０＋ｎ）度以下であってよい。
ここでｎは４５より小さく、例えば３０、２０または１０である。
いくつかの実施の形態では、ｎは５より小さくてよい。
いくつかの実施の形態では、電界方向と収集方向とは、実質的に平行であってよい。
いくつかの実施の形態では、流路は、電荷収集電極の一方または両方を通る。
例えば、電荷収集電極はメッシュ電極であってよい。
電荷収集電極の中心軸は、流路の少なくとも一部に相当する軸と一致してよい。

第２の態様では、流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムは、前述の装置を備える。
このシステムはさらに、イオン化された電界を生成するための電流制限電圧供給装置と、
電荷収集電極の１つに接続された負荷と、を備える。
いくつかの実施の形態では、負荷は、よりポテンシャルの低い方の電極（すなわち、給電装置の負極に接続された電荷収集と電界生成の統合電極、または、給電装置の負極に接続された電界生成電極に隣接する電荷収集電極）に接続されてよい。
これは、いくつかの実施の形態（例えば、流体がイオン化されたガスであるもの）で効果を改善するだろう。
例えば負荷は、電荷収集電極の一方と接地ポテンシャルとの間に接続されてもよい。
このとき電荷収集電極の他方は、接地ポテンシャルに接続されてもよい。
いくつかの実施の形態では、負荷は、フローティング配置で電荷収集電極に接続されてもよい。
負荷は、一方の側が電荷収集電極の一方に接続され、他方の側が電荷収集電極の他方に接続されてもよい。
負荷の一方の側と、それに対応する電荷収集電極は接地されてもよい。

いくつかの実施の形態では、システムは、圧縮流体を含むコンテナに入口ポートを接続するためのコネクタを備える。
コンテナは、コネクタに取り外し可能に接続されてよく、これにより空のコンテナは、圧縮流体を含む新しいコンテナに交換可能であってよい。
コンテナは、装置と固定的な関係を持った状態でシステムに搭載され、例えば補充ポートを通して圧縮流体が補充されてもよい。

いくつかの実施の形態では、システムは、流体の流率を調整するための制御器を備える。
制御器は、負荷で消費されたエネルギーを表す量を受信し、流体の流率を、負荷で消費されたエネルギーを表す量の関数として調整するように構成されてよい。
追加的または代替的に、制御器は、負荷に必要なエネルギーを表す量を受信し、流体の流率を、負荷に必要なエネルギーを表す量の関数として調整するように構成されてよい。
負荷で消費されたエネルギーを表す量は、消費された電力、負荷に流れた電流、負荷での電圧降下、またはこれらの組み合わせであってよく、あるいは負荷がモータの場合、要求される速度やトルクであってもよい。
制御器は、流体の流れを制御するバルブを制御してよい。
制御器のいくつかまたはすべては、対応する流体コンテナの上または中に与えられてもよく、コンテナとともに取り外し可能であってもよい。

負荷は、電気モータであってもよく、例えば、電気またはハイブリッドの自動車、自転車、三輪車、船、列車または飛行機などの電気式輸送機関に搭載されてもよい。
負荷は、電力会社サブステーションなどの電力供給ネットワークまたは１つ以上の民間会社もしくは１つ以上の家、アパートなどの住宅ユニットの電力供給ネットワークを備えてもよい。

第３の態様では、流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法は、フローチェンバを通る流れ方向に沿った流体の流れを発生させるステップを備える。
流体は圧縮流体であってよい。
流体の流れを発生させるステップは、圧縮流体のポテンシャルエネルギーを流体の流れの運動エネルギーに変換してよい。
フローチェンバを流れる流体に電界が与えられる。
電界は、流れ方向に沿う成分を有する電界方向を持つ。
これにより、流体の正および負の荷電種が電界方向に沿って分離され、正および負の荷電種の一方は、流れ方向の成分を有する方向に運動するようにバイアスされ、正および負の荷電種の他方は、流れ方向と逆方向の成分を有する方向に運動するようにバイアスされる。
正および負の荷電種の各々は、それぞれの電流収集器で収集される。
そして、電流収集器の１つから負荷に電流が流れる。

いくつかの実施の形態では、この方法は、正および負の荷電種を含むイオン化された流体を生成するために、流れる流体に電界を与えることにより、流体（例えばガス）をイオン化するステップを備える。
流体をイオン化するステップは、プラズマを生成するステップおよび暗放電またはコロナ放電などの放電を発生させるステップを１つ以上備えてもよい。

いくつかの実施の形態では、この方法は、負荷で消費されたエネルギーを表す量を検知するステップと、流体の流率を、負荷で消費されたエネルギーを表す量の関数として調整するステップと、を備える。
追加的または代替的に、この方法は、負荷に必要なエネルギーを表す量を受信するステップと、流体の流率を、負荷に必要なエネルギーを表す量の関数として調整するステップと、を備えてもよい。

第４の態様は、本明細書に記載の装置および／またはシステムを備える電気式輸送機関に関する。
第５の態様は、本明細書に記載の装置および／またはシステムを備える電力供給ネットワークに関する。

さらなる態様および実施の形態が開示される。
この態様および実施の形態では、入口ポートと排出ポートとの間にある流体の流路は、収集方向および電界方向に対して任意の成分を有する流れ方向（例えば、収集方向および電界方向のいずれかまたは両方に垂直な方向）を持つ。
すなわち、この態様および実施の形態では、流体の流路の方向は、収集方向に沿う成分と電界方向に沿う成分とを有するようには制限されない。

前述のいずれの態様および実施の形態でも、流れ方向と電界方向とのスカラー積は負であってよい。
すなわち電界は、負に帯電した種（例えば電子）を、一般に流体の流れと同じ方向に加速するように作用する。
これに対し流体の流れは、正に帯電した種（例えば、正のガスイオン）に対して、電界の作用と反対の作用を行う。
これは、より大きな効果を与える。
なぜなら、流体の流れは電子の運動よりイオンの運動により大きな影響を与え、流体の流れは正イオンの少なくとも一部が負の収集電極に到達することを防ぐからである。
別の実施の形態では、流れ方向と電界方向のスカラー積は正であってもよい。
この場合電界は、正に帯電した種（例えばガスイオン）を、一般に流体の流れと同じ方向に加速するように作用してよい。

第１の方向が一般に第２の方向に沿うこと、あるいは第１の方向が第２の方向に沿う成分を持つことは、第１の方向に沿うベクトルと第２の方向に沿うベクトルとの間に（簡単にいえば、２つの方向の間に）ゼロでないスカラー積が存在すること、あるいは２つの方向が直行しておらず、従って両方向の間に０度から９０度の角度、または９０度から１８０度の角度（あるいは角度の測定の意味に応じて、１８０度から２７０度の角度、または２７０度から３６０度の角度）が存在することと等価であることが理解されるだろう。

流体は、空気、アルゴンまたはネオンなどのガスであってよい。
有利なことに、アルゴンまたはネオンは化学的に不活性ガスであり、これらの荷電イオンは安全に大気に開放することができる。
同じことが、別の実施の形態に使うことのできる他の不活性ガスにも当てはまる。
非不活性ガス（例えば酸素と窒素を含む空気）を使う実施の形態では、有毒ガスが大気に放出されるのを防ぐため、排出ポートを離れる流体内のイオンをキャプチャするおよび／または集めるキャプチャ装置の使用を含んでもよい。
もちろん、他の実施の形態、例えば不活性ガスを使う形態がこのようなキャプチャ装置を使用してもよいことが理解されるだろう。

以下、添付の図面を参照しながら、例示と説明を用いて、本開示の実施の形態を説明する。図面の同様の要素には同様の符号を付す。
流体運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置を備える、エネルギー貯蔵および変換システムの実施の形態を示す図である。 流体運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置を備える、エネルギー貯蔵および変換システムの別の実施の形態を示す図である。 図１または２のシステムを含む電気自動車を示す図である。 流体運動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法を示す図である。

図１を参照すると、圧縮流体内に貯蔵されたエネルギーを変換するシステム２は、圧縮流体のためのリザーバ６（例えば、圧縮流体コンテナ）に接続されたエネルギー変換装置４を備える。
いくつかの実施の形態では、流体は、例えばアルゴンやネオンのような不活性ガスである。
フローチェンバ８は、一方の端部に、流路１２によってリザーバ６に接続された流体の入口ポート１０を備える。
フローチェンバ８は、上記端部と反対側の他方の端部に、流体の排出ポート１４を備える。
それぞれ電荷収集メッシュ電極１５が、各端部に与えられる。
これにより、入口ポート１０から排出ポート１４への（または排出ポート１４から入口ポート１０への）流体の流れは、メッシュ電極を通って流れる。
いくつかの実施の形態では、ポートは、それぞれの電極１５を通って延びるか、またはそれぞれの電極１５に注がれる。
いくつかの実施の形態では、別の電気的配置が取られてもよい。
例えば、各ポートを取り囲むかポートに隣接して配置されるリング電極、それぞれのポートに隣接して配置される点電極などが使われてもよい。
電極１５の各々は、同じであるように構成されてもよいし、互いに異なるように構成されてもよい。
電極１５は、ここで開示されるものの組み合わせであってもよいし、その他の形状であってもよい。

一対の電界生成電極１６が、間にフローチェンバ８を挟んで配置される。電界生成電極１６はそれぞれ、入口ポート１０，排出ポート１４に隣接する。
誘電体材料１８が、各電界生成電極１６とフローチェンバ８の端部との間に、フローチェンバ８の端部に隣接して配置される。
誘電体材料１８は、いくつかの実施の形態では固体であり、他の実施の形態では空気その他好適な誘電体である。
従って電界生成電極１６は、フローチェンバ８から電気的に絶縁される。
いくつかの実施の形態では、流路１２は誘電体材料１８を通してフローチェンバ８に接続され、および／または、排出流路２０が誘電体材料１８を通して排出ポート１４に接続される。
いくつかの実施の形態では、排出流路２０は、排出イオントラップを通して直接または間接に外気に流体的に接続される。

流体内の荷電種を分離する目的で、フローチェンバ８内に十分な強さの電界を生成するために、電流の制限された高電圧を供給する給電装置２２が、電界生成電極１６に接続される。
いくつかの実施の形態では、電界は、流体をイオン化するのに十分な強さの電界である。
例えば、給電装置２２によって電界生成電極間に与えられるポテンシャル差は、アルゴンを流体としてイオン化するために、６０００Ｖ／ｃｍ以上の強さの電界を生成するものであってよい。
いくつかの流体では、それより小さい電界が必要とされる（例えばネオンでは、６００Ｖ／ｃｍ）。
一方別の流体では、それより大きい電界が必要とされる（例えば空気では、３０ｋＶ／ｃｍ）。
給電装置２２は、電気的エネルギーのソース２４（例えば２４Ｖバッテリーなどのバッテリーのような直流電源）から給電される。
いくつかの実施の形態では、給電装置２２は、電流が制限されるように構成される。
これにより、いくつかの実施の形態では、バッテリー（またはその他の電流源）からの電流は２Ａより小さいように制限される。
いくつかの実施の形態では、給電装置２２に接続される回路内の電流（出力電流）は、例えば２Ａより小さいように制限されてよい。
いくつかの実施の形態では、チェンバ８が空気で満たされスパークが発生するときは、出力電流は降伏電流によって制限される。
いくつかの実施の形態では、その値は、概ね５０ｍＡ以上１００ｍＡ以下である。
いくつかの実施の形態では、給電装置への入力電圧は、例えば９Ｖ以上１２Ｖ以下であってよい。
いくつかの実施の形態では、給電装置２２とソース２４は、好適なソースによって予め充電された高電圧キャパシタで置き換えられてもよい。

ステップダウンコンバータ２６が、いくつかの実施の形態では電荷収集電極１５のポテンシャルの低い方に、別の実施の形態では電荷収集電極１５のポテンシャルの高い方に（図示されるように）、接続される。
これにより、ステップダウンコンバータ２６から（すなわち装置４から）電流を流すために、電極１６の間のポテンシャル差が、ステップダウンコンバータ２６に接続された負荷２８に必要な動作電圧までステップダウンされる。
負荷２８は、電荷収集電極１５に接続される。
いくつかの実施の形態では、負荷の一端とこれに対応する電荷収集電極とは接地される。
別の実施の形態では、負荷２８は、フローティング配置で２つの電荷収集電極１５の間に接続される。
いくつかの実施の形態では、負荷２８はグランドと電荷収集電極１５の一端との間に接続され、電荷収集電極１５の他端もまた接地される。

いくつかの実施の形態では、電荷収集電極１５は、１ｃｍ^２の面積を持ち、１．６ｃｍの間隔をあけて配置される。
一方、電界生成電極は５ｃｍ^２の面積を持ち、７ｃｍの間隔をあけて配置される。
フローチェンバは、７ｃｍの長さを持ち、３４ｃｍ^３の内部容積を持つ。
リザーバ内の圧力が１０バールのとき、フローチェンバの流率は０．１ｍｌ／分（１．７×１０^－３ｍｌ／秒）である。
この流率の値は、流路およびポート１０、１２、１４、２０の流動抵抗、特に排出ポート１４の比較的小さい断面積と比較的大きい流体抵抗に起因する。

図２を参照すると、いくつかの実施の形態では、装置４は、前述の図１を参照して説明した装置４と同様に構成される（同様の部品には同様の符号を付す）。しかしながら、電荷収集電極１５と電界生成電極１６が、電荷収集と電界生成の統合電極１７で置き換えられている点で異なる。電極１７は、フローチェンバ８の各端部でフローチェンバ８内に露出し、給電装置２２に接続される。
いくつかの実施の形態では、電極１７はチューブ状の電極として構成される。
このとき２つの電極１７は、同じ方向に沿うように調整された軸を持つ。
いくつかの実施の形態では、入口ポート１０と排出ポート１４は、各電極１７の側面に露出する。
いくつかの実施の形態では、給電装置２２は、給電装置２２の正極に流入する電子による電流を防止する（または強く制限する）ように構成される。
これは、例えば給電装置２２の正極に関するダイオードを用いて実現される。

電荷収集と電界生成の統合電極１７は、給電装置２２のそれぞれの電極に接続される。
ステップダウンコンバータ２６が、給電装置２２の電極の１つに、給電装置２２と並列に接続される。これにより、電流が電極１７から給電装置２２に逆流するのを制限する（または防ぐ）。
負荷２８が、ステップダウンコンバータ２６に接続される。
特にステップダウンコンバータ２６と負荷２８は、電極１７の間に接続される。
いくつかの実施の形態では、負荷の片側と電極１７の１つは接地される。
いくつかの実施の形態では、負荷は、電極１７の１つ（例えばポテンシャルの低い方）とグランドとの間に接続される。
このとき電極１７の他方は、回路を閉じるために接地される。

図３を参照すると、例えば電気自動車３０は、前述のエネルギー変換装置４に接続されたリザーバ６を含む。
エネルギー変換装置４は、前述の給電装置２２と負荷２８に接続される。
負荷２８は、自動車（例えば、自動車の駆動輪）を動かすための自動車のドライブトレーン３２に結合された電気モータである。
いくつかの実施の形態では、リザーバ内の圧縮流体６に貯蔵されたエネルギーは、自動車を動かすための唯一のエネルギー源である。
いくつかの実施の形態では、リザーバ６は装置４に取り外し可能に接続され、空になったときは満杯のリザーバに交換されることができる。
別の実施の形態では、リザーバ６は、取り外し可能／交換可能であろうとなかろうと、電気自動車３０の補充ポートを通して圧縮流体を補充されることができる。

制御器３３は、１つ以上の運転者インタフェースからの入力（例えば、必要な速度またはトルク）、負荷／モータ２８からの入力（例えば、必要電流や実電流）およびリザーバ６からの入力（例えば、リザーバに関係する圧力センサおよび／またはフローセンサなどで測定されたリザーバ内圧力）を受け付ける。
そして制御器３３は、給電装置２２（特に電極１６、１７の電圧）や、場合によってはリザーバ６から装置４への流体の流れを調整するバルブ（図示しない）を制御する。
特定の実施の形態では、制御器３３は、適切な制御規則に基づいて（例えば、電流、フラックス、モータのトルク出力および速度を調整するネガティブフィードバックを用いて）、印加電圧とフローを制御する。
例えば、電界強度（すなわち、電極１５／１７に印加される電圧）は、必要な電力に基づいて制御されてよい。
このとき電界強度は、必要な電力はとともに強くなる。
いくつかの実施の形態では、適切な制御規則を実現するのに好適な制御器は、図１および２の実施の形態で図３を参照して説明された装置に含まれる（すなわち、特定の応用と無関係に）ことが理解できるだろう。
もちろん、実現される特定の制御規則や、検知量、受信量、制御量は、応用に応じて変わることが理解できるだろう。

次に図４を参照して、エネルギー貯蔵および変換システムを動作させる方法を説明する。
ステップ３４で、リザーバ６から装置４への流体の流れが引き起こされる。
流体内の荷電種を分離するために、ステップ３６で、電極１６／１７に電界が与えられる。
いくつかの実施の形態では、流体はガスであり、このガスは電解によってイオン化される。
例えば、いくつかの実施の形態では、電界は、ガス内に暗放電またはコロナ放電を発生させる。
いくつかの実施の形態では、デバイス４の構成と関係なく、流体は電界の方向に沿って流れる。
ステップ３８で、荷電種（流体で固有の荷電種か、ガスイオンや電子などイオン化によって生成された荷電種）が、収集電極１６によって収集される。
荷電種は、例えば各種の運動および／または流れに対する電極の配置に起因して、流体の流れによって差動的に影響されてよい。
その結果、状況に応じて、荷電種のあるものが排出ポート２０を通って装置４を優先的に離れ、荷電種の別のものが関係する電極１５／１７で優先的に収集されてよい。
その結果、ステップ４０で、流体の流れに起因して電極１５／１７間のポテンシャル差が増した結果、過剰電荷が電流として流れ、負荷２８が電気的に動作してもよい。

前述のようなステップ３４における流体の流れ（例えばバルブを通る）のいずれかまたは両方、あるいはステップ３６で与えられた電界（例えば、給電装置２２の電圧設定によって）は、いくつかの実施の形態では、１つ以上の検知されたまたは受信されたパラメータに基づいて制御されてよい。
検知されたパラメータは、負荷によって消費されたエネルギーを表してもよい。
また受信されたパラメータ、負荷に必要なエネルギーを表してもよい。
さらに制御は、リザーバ６内の圧力のような、検知されたパラメータに基づいてもよい。
さらに、例えば前述のように流体がガスである場合、給電装置２２による電圧は、流体をイオン化するのに十分な電界を与えるために必要な電力に基づいて、装置４が必要な電力を供給できるように制御される。
いくつかの実施の形態では、電圧は時間とともに変化してよい。
例えばいくつかの実施の形態では、最初に給電装置２２は、ガス内で放電が起こるまでおよび／またはプラズマが生成されるまで高い電圧を与える。その後電圧は、放電またはプラズマを維持するのに必要なより低いレベルまで減少する。
流体を効率的に利用し、必要な電力を与えるために、電界強度の制御は、フィードバック、時間プロトコルまたはその両方に基づいてもよい。

例えばリザーバ６内の圧力、および／または、必要なまたは実際に負荷で消費される電力（または関連する測定値、前述を参照）は変化する。
従って流率は、可能な限り実質的に一定であるように制御されてよい。
いくつかの実施の形態では、制御器は、流率および／または供給電圧を増加させることによって、必要な電力／消費される電力に応答してもよい。
追加的または代替的に、いくつかの実施の形態では、制御器は、例えばフローチェンバ８内の圧力センサからの信号に応答して、フローチェンバ８内の圧力を制御してもよい。
流率および／または圧力は、一方では入口流路およびポート１２、１０の流体抵抗を制御することにより、他方では排出流路およびポート１４、２０の流体抵抗を制御することにより、制御されてもよい。
例えばある実施の形態では、流路１２、１４のいずれか一方または両方にスロットルバルブが与えられてもよく、および／または、ポート１０、２０は可変開口を備えてもよい。
いくつかの実施の形態では、スロットルバルブおよび／または可変開口は状況に応じて、制御器によって制御されてよい（例えば、前述のように流率および／または圧力を制御することにより）。
前述の制御態様は、前述のすべての実施の形態（図１、２または３を参照して説明したものを含む）に適用可能であることが理解されるだろう。

いくつかの実施の形態では、流れの方向および電界の方向は、一般に反対を向いてよい（すなわち負のスカラー積を持つ）。
これらの実施の形態では、正の荷電種は、電界および流れによって、異なる方向に運動するようにバイアスされる。
動作流体としてイオン化されたガスが使われる場合、これは、ガス中の正イオンが、流れによって、対応する収集電極１６／１７から実効的に吹き飛ばされ、実効的に装置４から分離することを意味する。
一方、より高速な電子の運動が流体の流れから受ける影響はより少ないが、いずれにしても、流体の流れによって、対応する収集電極１６／１７に向かうようにバイアスされる。
しかしながらいくつかの実施の形態では、流体の流れと電界の相対的方向は、反転してもよい。

前述の図１を参照して説明した特定の実施の形態の性能が、給電装置２２の入力電圧を９Ｖから１２Ｖに変化させることによって特徴付けられた。
このとき流率は０．１ｍｌ／分の固定値であり、供給電流は２Ａの固定値であり、負荷は２つある。
この結果、電力の変化が、閾値入力電圧を超えて負荷で消費された。
給電装置の出力電圧は、閾値入力電圧で約３０ｋＶであり、最大入力電圧１２Ｖで約４５ｋＶであった。
いくつかの結果が以下の表に示される。

以上、本開示の態様を示すために、特定の実施の形態を、例示を用いて説明した。
本発明の範囲は、添付の請求項で説明されることが理解されるだろう。
例えば前述のような多くの変形と、特徴の異なる組み合わせが可能であることが当業者には明らかだろう。
さらに、本実施形態の方法のステップの順番は適切に変更可能であり、ステップのいくつかまたはすべてが時間的に一部または完全にオーバーラップして実行されてよいことも理解されるだろう。
同様に、前述の様々な実施の形態の特徴は、適切に組み合わされてもよい。
本開示で「荷電種」（それぞれ正、および負の）というとき、それぞれの種は単一の実体（例えば、それぞれ、単独で帯電した正電荷イオン、電子）であってもよいし、それぞれが例えば亜種（例えば、それぞれが異なる電荷を持つ正に帯電したガス）を備えてもよい。
同様の考察は、流体が溶液中にそれぞれのイオンが含まれる液体溶液である実施の形態にも当てはまる。

Claims (28)

1. 流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であって、
   フローチェンバと、
   一対の電荷収集電極と、
   電界生成器と、を備え、
   前記フローチェンバは、流体の入口ポートと流体の排出ポートとを備え、
   前記一対の電荷収集電極は、収集方向に沿って互いに間隔をあけて配置され、前記フローチェンバ内に露出し、
   前記電界生成器は、前記流体内の荷電種を分離するために、前記フローチェンバ内に電界方向に沿った電界を生成するように構成され、
   前記流体の前記入口ポートと前記流体の前記排出ポートとの間の流路が、前記収集方向に沿う成分と前記電界方向に沿う成分とを有する流れ方向を持ち、
   前記電界は、前記流体をイオン化するためのイオン化電界であり、
   前記電界生成器は、一対の電界生成電極を備え、
   前記一対の電界生成電極は、前記電界方向に沿って間隔をあけて配置され、前記フローチェンバの両側に露出することを特徴とする装置。
2. 前記電界生成電極は、前記フローチェンバから電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記電界方向と前記収集方向とは、実質的に平行であることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記収集方向と前記流れ方向とは、実質的に平行であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 前記電荷収集電極の中心軸は、前記流路の少なくとも一部に相当する軸と一致することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 前記流路は、前記電荷収集電極を通ることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. 前記電荷収集電極は、メッシュ電極であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムであって、
   請求項１から７のいずれかに記載の装置と、
   イオン化された電界を生成するための、電流制限電圧供給装置と、
   前記電荷収集電極の１つに接続された負荷と、を備えることを特徴とするシステム。
9. 圧縮流体を含むコンテナに前記入口ポートを接続するためのコネクタを備えることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記コンテナは、前記コネクタに取り外し可能に接続され、
    これにより空のコンテナは、圧縮流体を含む新しいコンテナに交換可能であることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 前記流体の流率を調整するための制御器を備えることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載のシステム。
12. 前記制御器は、前記負荷で消費されたエネルギーを表す量を受信し、前記流体の流率を、前記負荷で消費されたエネルギーを表す量の関数として調整するように構成されることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記制御器は、前記負荷に必要なエネルギーを表す量を受信し、前記流体の流率を、前記負荷に必要なエネルギーを表す量の関数として調整するように構成されることを特徴とする請求項１１または１２に記載のシステム。
14. 前記負荷は、電気モータであることを特徴とする請求項８から１３のいずれかに記載のシステム。
15. 前記電気モータは、例えば、電気またはハイブリッドの自動車、自転車、三輪車、船、列車または飛行機などの電気式輸送機関に搭載されることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
16. 前記負荷は、電力会社サブステーションなどの電力供給ネットワークまたは１つ以上の民間会社もしくは住宅ユニットの電力供給ネットワークを備えることを特徴とする請求項８から１３のいずれかに記載のシステム。
17. 圧縮流体のポテンシャルエネルギーを電気エネルギーに変換する方法であって、
    フローチェンバを通る流れ方向に沿った前記圧縮流体の流れを発生させるステップと、
    前記フローチェンバを流れる前記流体に電界を与えるステップと、
    正および負の荷電種の１つまたは各々の少なくとも一部を、それぞれの電流収集器で収集するステップと、
    電気エネルギーを与えるために、前記電流収集器の１つから負荷に電流を流すステップと、を備え、
    前記流れを発生させるステップにより、前記圧縮流体のポテンシャルエネルギーが、流体の流れの運動エネルギーに変換され、
    前記電界は前記流れ方向に沿う成分を有する電界方向を持ち、これにより、前記流体の正および負の荷電種が前記電界方向に沿って分離され、
    前記正および負の荷電種の一方は、前記流れ方向の成分を有する方向に運動するようにバイアスされ、
    前記正および負の荷電種の他方は、前記流れ方向と逆方向の成分を有する方向に運動するようにバイアスされ、
    正および負の荷電種を含むイオン化された流体を生成するために、流れる前記流体に前記電界を与えることにより、前記流体をイオン化するステップを備え、
    前記電界は、前記電界方向に沿って間隔をあけて配置され、前記フローチェンバの両側に露出する一対の電界生成電極によって生成されることを特徴とする方法。
18. 前記流体をイオン化するステップは、プラズマを生成するステップを備えることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記流体をイオン化するステップは、暗放電またはコロナ放電などの放電を発生させるステップを備えることを特徴とする請求項１７または１８に記載の方法。
20. 前記負荷で消費されたエネルギーを表す量を検知するステップと、
    前記流体の流率を、前記負荷で消費されたエネルギーを表す量の関数として調整するステップと、を備えることを特徴とする請求項１７から１９のいずれかに記載の方法。
21. 前記負荷に必要なエネルギーを表す量を受信するステップと、
    前記流体の流率を、前記負荷に必要なエネルギーを表す量の関数として調整するステップと、を備えることを特徴とする請求項１７から２０のいずれかに記載の方法。
22. 前記流れ方向と前記電界方向とのスカラー積は負であることを特徴とする請求項１から２１のいずれかに記載の装置、システム、または方法。
23. 前記流れ方向と前記電界方向とのスカラー積は正であることを特徴とする請求項１から２１のいずれかに記載の装置、システム、または方法。
24. 前記流体は、空気、アルゴンまたはネオンなどのガスであることを特徴とする請求項１から２３のいずれかに記載の装置、システム、または方法。
25. 前記流体は、不活性ガスであることを特徴とする請求項１から２４のいずれかに記載の装置、システム、または方法。
26. 流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であって、
    フローチェンバと、
    一対の電荷収集電極と、
    電界生成器と、を備え、
    前記フローチェンバは、流体の入口ポートと流体の排出ポートとを備え、
    前記一対の電荷収集電極は、収集方向に沿って互いに間隔をあけて配置され、前記フローチェンバ内に露出し、
    前記電界生成器は、前記流体内の荷電種を分離するために、前記フローチェンバ内に電界方向に沿った電界を生成するように構成され、
    前記電界生成器は、一対の電界生成電極を備え、
    前記一対の電界生成電極は、前記電界方向に沿って間隔をあけて配置され、前記フローチェンバの両側に露出することを特徴とする装置。
27. 圧縮流体のポテンシャルエネルギーを電気エネルギーに変換する方法であって、
    前記圧縮流体のフローチェンバを通る流れ方向に沿った流れを発生させるステップと、
    電界生成器で、前記フローチェンバを流れる前記流体に電界を与えるステップと、
    正および負の荷電種の１つまたは各々の少なくとも一部を、それぞれの電流収集器で収集するステップと、
    電気エネルギーを与えるために、前記電流収集器の１つから負荷に電流を流すステップと、を備え、
    前記流れを発生させるステップにより、前記圧縮流体のポテンシャルエネルギーが、流体の流れの運動エネルギーに変換され、
    前記電界生成器は、一対の電界生成電極を備え、
    前記一対の電界生成電極は、電界方向に沿って間隔をあけて配置され、前記フローチェンバの両側に露出することを特徴とする方法。
28. 前記電界生成器は、一対の電界生成電極を備え、
    前記一対の電界生成電極は、前記電界方向に沿って間隔をあけて配置され、前記フローチェンバの両側に露出し、
    前記電界生成電極は、前記フローチェンバから電気的に絶縁されることを特徴とする請求項２６に記載の装置、または請求項２７に記載の方法。

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