本発明は、空気循環回路を使ってエゼクタを基本原理とするエア増幅器から構成してあって、エアモータを駆動源としたクリーンエネルギによる発電装置を提供する。

近年環境問題が大きな課題となってきた。 とりわけ空気中に放出されるＣＯ２を世界各国で削減目標の指針が決められている。 環境問題、とりわけ地球温暖化対策が危急の難題となってきた。 クリーンな次世代エネルギの開発と実用化は、今や人類が直面する最大課題である。

従来の化石燃料は、多くのＣＯ２を大気中に放出し、原子力は放射線を含む廃棄灰を排出して、排気には危険があまりにも大きい。 特に我が国は唯一の被爆国であって、国民の原子力アレルギーは大きい。
代替エネルギとして太陽電池、風力エネルギがあるがまだ実用化は、微々たるものである。 燃料電池は、水素を燃料として発電をおこなう。 「ＣＯ２ゼロエミッション」として期待されるが、実用化にはまだほど遠い。

本発明による空気循環方式によるエアモータを駆動源とする発電システムは、大気中の空気を循環回路に取り込み、空気流増幅器によって莫大なエネルギを得られる。 大気中の空気を空気循環回路の密閉室内にて循環させるだけなので二酸化炭素ＣＯ２の排出、何の公害も発生しない次世代クリーンエネルギが実現できる。

先行特許文献

特開２００２−３７１９５１号公報

解決しようとする問題点は、ＣＯ２二酸化炭素排出から大気汚染を守って、地球温暖化を抑制するクリーンエネルギによる発電システムの構築である。 家庭用の電力消費だけでも石油等の化石燃料を使わなければＣＯ２の削減量は、全体の３９％、２，１５０ｍ ^２の森林が吸収する量に相当する。

エア循環回路内にエア増幅器を数段設けて排気エアを増幅器に循環して流入させ、エア流量、エア気圧を増幅させてエアモータの駆動源にする。 エアモータに接続した発電機は、回転して電力を発生する。

エアモータは、始動時にコンプレッサから循環空気を多少注入するだけで、後は空気回路内を空気が循環してエゼクタを基本原理とするエア増幅器によって空気流量、空気圧は増大してエアモータの駆動トルクが得られる。 大気中にある空気を循環させることによって無尽蔵に次世代クリーンエネルギを得ることができる。

エアモータ駆動用空気回路にエア増幅器を数段設置する。 エア増幅器の構造は、エゼクタ（ｅｊｅｃｔｏｒ）４３があって、ノズルから駆動流（ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｌｏｗ）４７が噴流となって噴出する。 ２次流（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｆｌｏｗ）は、４６から混合室に吸い込まれる。 駆動流４７の噴出によって混合室４４に生じる負圧と駆動流の粘性によって引きずられて駆動流４７と一緒にになって４２から噴出する。

この混合室と平行部とで駆動流４７と２次流４６とは完全に混合してディフュザ４２によって空気圧は高まってサイクルエア４８となって放出する。 ノズル内を流体が流れる場合には、その通過時間が短いため熱の授受は極めて少なく断熱膨張とみなせる。

任意の断熱膨張における理想的噴射速度ω２、流量Ｇ２、流体の比容量Ｖ２、所要断面積ａ２、及び熱降下Ｈｄ、はいずれもノズル入り口の流体の状態ｐ１，ｖ１及びκ（空気、加熱蒸気、乾き飽和蒸気の係数）が一定ならば、ノズル出口の圧力ｐ２または、膨張比ｐ２／ｐ１のみの関数である。 これらの関係によってエゼクタの作動原理により空気増幅器は、構成する、

本発明によれば、化石燃料、原子力を使わないで大気中の普通の空気が動力源であるから危険な放射能、ＣＯ２も発生しないから地球温暖化を避けられて、安全に電力の提供が可能になる。 石油等の運搬がないから公害はさらに少なくなる。 我が国のように資源の無い国にとってはまさに福音である。

小型化が可能であるから家庭、病院等の個別電源の供給が可能になる。 山間部、島しょ地域の僻地の設置が自在に出来る。 さらに、キャンプ、リゾート用としての電源供給の利便性と開発途上国、砂漠、峻険な山国にとってはまさに利便性のみならず、人類の福祉に貢献できる。

空気回路の構造は、極めてシンプルであってエア増幅器のエゼクタの構成によってエアの流量、圧力を調整できる。 出力容量の多いものを得たかったら増幅器を数段設ければ、出力は大きくなる。 構造が簡単であるから容易に量産可能である。

空気循環回路を使った発電システムを示す全体図である。

空気循環回路の内部構成を示す原理図である。

空気増幅器の原理を示す図である。

空気循環回路の工程を示すフロー図である。

出力変動を調整する工程を示すフロー図である。

空気増幅器のコンピュータ制御回路を示すブロック図である。

本発明は、化石燃料、原子力等の大気汚染に繋がる燃料を使わないで、空気力を使って発電する次世代型のクリーンエネルギ発電システムの提案である。 現在、地球温暖化、大気汚染に世界中が難題を抱え、さらに貧困、飢餓という課題をこの地球が背負っている。 これらの課題を本発明によって解決するものである。

図１に本発明による空気循環回路１５を用いた発電システムの全体図を示す。 図において１１は発電機であって、これは従来の発電機と何ら変わりがない。 フレミングの法則によって磁界中をコイルが回転して電気が生じる。 この回転駆動を従来は、石油燃料によるタービン駆動、又は原子力エネルギが主体であった。 本発明は、石油タービン、原子力、水力に変わって無公害の１５の空気循環回路による空気増幅器を駆動源にすることが特徴である。

１２は発電機の駆動源であるエアモータであって、１３は減速機で１４は発電機１１と結合するためのクラッチである。 １５はエアモータ１２の駆動源である空気循環回路であって、空気流量、圧力を増幅させる機能がある。 １６は空気を貯蓄して、１２のモータを回転させるための空気タンクである。

１７は発電機１１の出力電圧のチェックを行って、一定の出力電圧、周波数に保つように１５にフィードバックして、１５の空気圧、空気流量の制御をおこなう。 １８の給配電ネットワークに接続している電力消費の変動を検出して、消費の変動を駆動源１５に帰還して一定電圧に保つようにする。

１９は、従来システムにおける発電所と同じであって、無公害の空気循環回路１５をエネルギにすることに特徴がある。 ２０は変電所であって、従来設備と同じである。 １８は給配電システムで送電設備である。 ２１，２２は一般家宅であって、２３はオフィスビル、２４は工場でいずれも電力の消費者である。 これらの電力消費は変動が多い。 夏場のピーク時は電力供給の不足が恒常化している。 いち早くこの変動を検知して１５の出力制御に対応する。 これらを容易に出来るのも本システムの特徴である。

図２は、空気循環回路１５の内部構成と原理を示す図である。 ３５は始動時に必要な空気を供給するためのコンプレッサであって、始動時の空気は図示するようにＢの流れになる。 ３４は空気分流器であって、空気循環Ａの流れのように始動時の流れに合流してＡのような空気循環の流れになる。

３１はエア増幅器である。 原理はエゼクタより構成されて図３にて詳述する。 ここを空気流が通過して空気容量、圧力はエゼクタ原理によって増幅する。 ここからの出力は１２のエアモータを駆動する。 エアモータは、減速機１３、継ぎ手１４を経て発電機１１に結合して回転駆動させて電力を発生する。

３３は空気分流器であって、１２からの排出した空気を３６と３７のサージタンクに蓄える。 ３２はエア増幅器である。 ３６、３７からの空気（２次流）を得て空気流、空気圧力を増幅させる。 ３２から増幅した空気は３８のサージタンク蓄えられる。 空気流Ａのように循環して空気容量、空気圧力は増幅を繰り返して、再び３４を経て３９の増幅器を通過してさらに、エアは増幅して１１の駆動力を電力負荷に応じた空気容量、空気圧力を得て１２のエアモータを駆動する。

このように、空気を循環させて増幅して、１２のエアモータを駆動する。 排出空気を再度循環するから無駄が無い。 増幅のために外部から空気を流入（２次流）させる。 大気中の空気を使用するから何の公害も発生しないし、外部からの一切のエネルギの供給は必要ない。 始動時に僅かの空気圧を使用するだけであって、後はＡの流れで空気の循環によってエネルギが得られる。

図３は、１５の空気循環回路の空気増幅器の原理を示す図である。 図３（ａ）において、空気流、空気圧の増幅原理はエゼクタの動作原理が基本であって、４７の駆動流を末広ノズル４５より噴射させると低圧超音速流となって、吸い込む。 ２次流は、チェックバルブ４６から混合室４４に吸い込まれ、駆動流４７の噴出によって４４に生じる負圧と駆動流４７の粘性によって引き込まれる。

ここで、駆動流と２次流とは完全に混合してデイフュザ４２によって圧力は高められて４８の噴出流、サイクルエアとなって放出される。 エゼクタは簡単な構造で、運動部分がないため機械的真空ポンプとは、比較にならないほど高耐久、信頼性を有する。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の左方向の駆動流、流入口から見た断面図である。 ４６は２次流導入用のチェックバルブであって、図３（ｂ）では４６ｎ１〜４６ｎｍまで設けてある。 ４６の多いほど負圧は大きくなって、４８の噴出排出流は大きくなる。 ４１は４６を収める筐体であって増幅器の規模に応じて、４６は数を増やす。

図４は、空気増幅器の原理を説明するフロー図である。 以下フロー図に従って説明する。 Ｓ５０１は始動用のコンプレッサが動作する。 この動作に当たっては、多少の別の例えば電池等のエネルギが必要である。 Ｓ５０２は、始動コンプレッサによって必要な圧力に調整されるエアコントロールユニットである。

Ｓ５０３は、アクセレータバルブを開く（ＯＮ）とエアが流れてＳ５０４にてエアコントローラで調整されて、Ｓ５０５のエア増幅器でエア流量、エア圧力が増幅される。 増幅されたエアはＳ５０６にてエアモータを駆動する。

エアモータ１２を駆動した排気流は、Ｓ５０７にて排気エアの安定化、活性化を行う。 さらに排気エアは、Ｓ５０８にて２段目の増幅器によってエア量、空気圧力を増幅してＳ５０９のサージタンクに蓄積する。 Ｓ５１０にて停止信号の無い限りＳ５０３との間を繰り返し循環してエアモータ１２を駆動する。 発電機１１は回転し続けて電力を供給する。

図５は発電機１１の出力電圧を検知してエアモータ１２の駆動を安定にするため、消費電力の変動に対応するためのエア回路１５の動作を説明するフロー図である。 Ｓ６０１は、まず始動コンプレッサがスタートしてＳ６０２にてスタートに必要な空気圧力に調整する。

Ｓ６０３にてアクセレータがＯＮすると、Ｓ６０４にて発電機１１の出力を１７にてチェックする。 消費電力の変動、出力電圧の安定化をチェックして安定していなければＳ６１３にて、エア出力バルブを調整する。 図２の３３、３４の分流器にこの機能を設けてある。

出力電圧が安定していれば、Ｓ６０６にて安定を維持するための微細なバルブの調整を行って、Ｓ６０７にて第１段目のエア増幅器に空気流は経て増幅される。 Ｓ６０８にて増幅した空気流によってエアモータ１２は回転駆動する。

Ｓ６０９は、エアモータを駆動して排気した空気をレギュレータによって空気量、空気圧の調整を行って、Ｓ６１０にて２段目のエア増幅器にて空気量、空気圧は増幅する。 図２の３２に相当する。 Ｓ６０６の１段目の増幅器は図２に示す３１である。

ここでいう増幅器は、増幅段を増やしていけば増幅機能は増大する。 例えば３１，３２を複数段設ければ、その分増幅器の容量は大きくなっていく。 Ｓ６１１は、図２の３８に増幅した空気が図２に示す３８のサージタンクに蓄えられる。

Ｓ６１２にて、停止信号が無ければＳ６０３に戻ってこのサイクルを循環してＳ６０８の図２、１２のエアモータを安定に駆動する。 消費電力が変動した時には、Ｓ６０４にて微細にチェックしてＳ６１３にて出力バルブの開閉を行って、空気量、空気圧を調整する。

さらに負荷変動に耐えるように、図２の３２、３９のエア増幅器を余分に備えておいて、電力の消費の多いときには、普段は使わない余分の増幅器を動作させて、電力消費時のピークに備えることが可能である。 この手法だけでまだ容量が不足する場合には、図２に示す１５の空気回路を複数備えていてバックアップ機能として、ピーク時の負荷変動時に起動させる手立てもある。

図６は本空気循環回路を使った発電システムのコンピュータ制御部を示す。 図６において６１はシステムバスであって、このバスに諸々のコンピュータ機能、必要部位が接続している。 ６２はＣＰＵで複数個のＣＰＵがあって事象の並列処理をおこなって、高速高処理が可能である。

６３はＲＯＭでＣＰＵ実行時のプログラムメモリである。 ６４はＲＡＭでＲＯＭにあるプログラム処理時に使うメモリであって、６５はデータメモリである。 ＣＰＵの演算結果、Ｉ／Ｏ１、６６から取り込んだデータを一時格納したり、６９から出力するデータの一時格納も行う。

６６、６７は外部機器との入出力接続ポートＩ／Ｏ１，Ｉ／Ｏ２を結ぶバスの延長である。 Ｉ／Ｏ１は、センサ等の外部から入力する信号処理のポートであって、７０のＩ／Ｏ２は空気回路１５の様々な事象時の制御に出力する信号ポートである。 ＣＰＵ６２の演算結果によってデータは、６５のメモリに蓄えられる。

６９は入力ポートＩ／Ｏ１であって、空気回路１５、発電機１１からのセンサ、信号等が入力する。 ７１、７２は発電機１１からのセンサ信号であって、７１は出力電圧の周波数、７２は電圧の変動値を検出する。 出力電圧の周波数、電圧の偏差は発電機が供給している１８のシステムの負荷変動によって起こったものである。

これらの偏差値を６９から検出してＣＰＵは瞬時に演算を行って７０から空気回路１５の制御を行って負荷変動に対応する。 ７３〜７６は空気回路１５の空気圧、空気量、排気量、排気圧等を１５の空気循環回路内でチェックする。 異常値、偏差値が検出されれば、適正値になるように調整するのと、危険な状態に圧力、温度が上昇した場合緊急停止する。 これらの図示していない検知センサは、１５のエア回路の要所に備えている。

７０は出力ポートＩ／Ｏ２であって、７７はエア増幅器３１，３２の出力を調整する。 負荷変動用に複数段の増幅器がある場合には、増幅器を必要に応じて数段増やしたり減らす制御をおこなう。 ７８はエアバルブの開閉動作の制御を行う。 １５の空気回路には、図示していない多くの制御バルブ（弁）がある。 その構造と機能は多種多様である。

７９は、分流器バルブであって、図２の３３，３４に示す分流器制御用の図示していないバルブである。 このバルブの制御によってサージタンク３６，３７の空気圧、容量を調整できる。 このバルブ機能は、空気増幅器の作用に影響を与える。 これらは、全て６２のＣＰＵの演算か外部からの人為的な入力によって動作する。

以上説明したように本発明は、地球環境が直面している炭酸ガスＣＯ２の放出を抑制した、無公害の次世代クリーンエネルギによる発電システムを提供することを目的にした。 燃料は大気中の空気であるため、途上国、僻地、島しょ地域等における簡便なエネルギの供給が可能になって格差の無い裕福な社会の実現が可能になる。

１１ 発電機１２ エアモータ、空気モータ１３ 減速機１４ クラッチ、継ぎ手１５ 空気循環回路１６ モータ駆動用エアタンク１７ 発電機出力電圧検知器１８ 給配電ネットワーク、送電網１９ 発電所、発電システム２０ 変電所２１，２２ 家宅、家２３ ビル、オフィス、店舗２４ 工場３１、３２ エア増幅器３３、３４ 分流器３５ 始動コンプレッサ、始動タンク３６，３７，３８ サージタンク４１ チェックバルブ筐体４２ デフュザ４３ エゼクタ４４ 混合室４５ 駆動流導入孔４６、４６ｎ１〜４６ｎｍ ２次流導入孔、チェックバルブ４７ 駆動流４８ 噴排出空気流、サイクルエア６１、６６、６７ システムバス６２、６２ｎ１〜６２ｎｍ ＣＰＵ、中央演算装置６３ ＲＯＭ，プログラムメモリ６４ ＲＡＭ
６５ メモリ、データメモリ６９ 入力ＩＯポート７０ 出力ＩＯポート７１ 発電機周波数検出センサ７２ 発電機出力電圧検出センサ７３、７３ｎ１，７３ｎｍ 圧力センサ７４、７４ｎ１、７４ｎｍ 温度センサ７５、７５ｎ１、７５ｎｍ 空気容量センサ７６、７６ｎ１、７６ｎｍ 排気量センサ７７、７７ｎ１、７７ｎｍ エア増幅器７８、７８ｎ１、７８ｎｍ エアバルブ７９、７９ｎ１、７９ｎｍ 分流バルブ