【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、静電発電方法、特に帯電した電荷搬送体を電界による静電力に抗して電気的によりエネルギーの高い位置に搬送する方法に、なかんずくその搬送力に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電発電方法の基本原理は非常に単純で、電荷を、静電的にエネルギーの低い位置よりより高い位置に運ぶだけである。これは、物体、たとえば、水がより高いところに持ち上げられると位置エネルギーを持つのと同じことである。高いところに持ち上げられた水は、低いところに戻る時、その有する位置エネルギーを運動エネルギーに変えて、たとえば水車を回して仕事をすることができる。
【０００３】
静電発電の場合は、たとえば、１クーロンの電荷を０ボルトの位置より１ボルト電位の高い位置に運ぶと１ジュールの電気的エネルギーが発生する。これを１秒間で行うと１ワットの発電効率となる。
【０００４】
電荷（電子またはイオン）それ自体を、特に、大気中で搬送することは大変難しいので、今までに発明されたすべての静電発電機で、電荷は電荷搬送体に乗せられて、電荷搬送体が機械的に搬送されることで電荷が運ばれた。
【０００５】
従来の静電発電機に使用された電荷搬送体としては、ベルト、チェーン、粉末、水滴等があり、ベルトやチェーンは、モーターによって直接に、粉末や水滴は、ポンプによってそれらを囲む空気を移動させることで間接的に搬送された。
その中から、ベルトを使う方式と、水滴を使う方式を代表例として紹介する。
【０００６】
図１０に、コロナ放電で得た電荷を絶縁性のベルトに載せてモーターでベルトを回して超高電位の電荷回収部まで搬送する超高電圧用として実用化されているファンデグラーフ型静電発電機の概要を示す。（電気工学ポケットブック（第四版）電気学会編 オーム社 Ｐ．１１２４ より）
【０００７】
図中、１２がコロナ放電針で１３が高圧電源である。高電界になった針先周囲でコロナ放電が起こりその結果発生した正イオンは絶縁性ベルト１４に帯電する。正イオンを乗せたベルト１４はモータ１７で機械的に図のように回転され、その結果、正イオンは超高電位の電荷回収用コロナ放電針１５の直下に至り、コロナ放電で該針電極１５に回収される。
【０００８】
図１１には、コロナ放電電荷（イオン）をその流れと直行する導電性の水滴群に乗せて電荷回収電極まで搬送する静電発電機の概要を示す。（「静電気ハンドブック」１９８１年版ｐ．ｘｘｘ）導電性の小球を電荷の搬送体とし電荷回収電極と接触させて電荷を回収する点はこれから説明する本発明と同じである。
【０００９】
図中、１２は図１０と同じくコロナ放電針で、１３は同じく高圧電源である。ただし、図１０ではコロナ放電針１２に高電圧が印加されていたが、ここでは逆に、環状対抗電極１８に高電圧が印加され、コロナ放電針１２は接地されている。どちらの場合でも針先近傍が高電界となりここでコロナ放電が発生する。
コロナ放電針１２先端付近で発生したコロナイオンは電界の向きに沿って環状対抗電極１８に流れる。その途中、コロナイオンの流れを左から右に横切る水滴２０に吸着してこれを帯電させる。
【００１０】
帯電した水滴２０には、電界の向きに環状対抗電極１８に向かう静電力が作用するが、それよりも水滴２０を囲む空気の流れ、風力１９の方が強いので水滴２０は環状対抗電極１８の輪をくぐり抜けて網状電荷回収電極２１に向かう。この間でも、帯電した水滴には環状対抗電極１８に引き戻そうとする静電力が働くが強い風力がこの静電力に勝って水滴２０を網状電荷回収電極２１まで搬送する。
網状電荷回収電極２１と接触した水滴２０はその搬送してきた電荷をここで網状電荷回収電極２１に引き渡す。その電荷が抵抗２２を流れる時その両端に電位差（電圧）を形成する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の静電発電機では、電界に抗して、電荷搬送体を機械的な力で搬送していた。そのため、モーターやポンプ等が必須で、高電圧が得られるが、発生する電気エネルギー以上の電気エネルギーが必要になり、また、装置も大きく、重たく、コストも高くなり、廃棄にも問題があった。従って、本発明は、このような従来の静電発電機の欠点のない静電発電方法とその装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では電荷搬送体を駆動する力として、電荷がそれ自身で自然に有している鏡像力（影像力）を使用するので外部からの電気的なエネルギーの供給が不要になる。
鏡像力（影像力）は実電荷とそのまわりの導体との間に、その間の距離の二乗に逆比例して働く力である。（静電気ハンドブック１９９８年版、
ｐ．１１９４）
本発明では、鏡像力をより有効に活用するために、電荷搬送体となる導電性
の小円板は電荷発生源（電極）より離れたところで電荷を受け取り、電荷回収電極に鏡像力で十
分引かれたのち、ここに接触して電荷を放出させるようにしている。
鏡像力は、静電気の分野で昔からよく知られた力ではあるが、空気清浄機に一部使われているだけで産業的にはほとんど使われなかった。その理由は、その力が非常に小さいためである。しかしながら、電極のごく近傍ではその力は大きくなり、特に電極に近づいた場合には、電界がその電荷に及ぼす静電力よりも強くなるので本発明のようにして使うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
具体的には、電界形成電極または、エレクトレットフイルムと接地された電荷発生源（対抗電極）
でその間に電界電子放出電界、またはコロナ放電開始電界に近いがそれ以下の電界を形成
し、導電性小円板を電荷発生源（対抗電極）に接近させてその間の電界を電界電子放出またはコロナ
放電開始電界以上にしてその間に電子またはコロナイオンを発生させ、発生した電子またはコロナ
イオンで帯電した導電性小円板を電界形成電極またはエレクトレットフイルムと電荷発生源（対抗電極）間の電
界が該小円板に作用する静電力を利用して電荷回収電極近傍まで
搬送させ、導電性小円板の実電荷と接近した電荷回収電極に静電誘導された電荷との間に働く鏡像力で、
帯電した該小円板を電界に抗して電気的にエネルギーの高い電荷回収電極まで搬送する静電発電機である。
実施例の前にまずこの原理を図１、図２で説明する。
【００１４】
図１の上方に、本発明で使用される３つの電極、電荷発生電極１、電界形成電極２、電荷回収電極３が模式的に示されている。以下、それぞれ、発生電極１、形成電極２、回収電極３と短縮して呼ぶ。形成電極２の真中には小さな孔が空いていて、電荷搬送体４がここを通り抜けられるようになっている。
【００１５】
図１の下側には、発生電極１から回収電極３までの空間の電位が実線で示されている。
発生電極１と回収電極３は接地され、形成電極２には、Ｖ０ ボルトの電圧が印加されている。発生電極１と形成電極２間の距離はＬ０メートルで、形成電極２と回収電極３間の距離は０．５Ｌ０メートルに保たれている。そのため、形成電極２と発生電極１間には、Ｖ０／Ｌ０＝Ｅ０ボルト／メートルの電界が、形成電極２と回収電極３間には、Ｖ０／（０．５Ｌ０）＝２Ｅ０ボルト／メートルの電界が形成される。
【００１６】
この電界中で、導電性の電荷搬送体４（仮にその大きさをゼロとする。）を、発生電極１と形成電極２の間で、発生電極１からｄ０メートルの位置（ポイントＡとする。）に置くと、該電荷搬送体４には、発生電極１より＋ｑクーロンの電荷が与えられる。（この詳細は、後ほど、実施例中で説明する。）
なお、電荷搬送体４が置かれる前のポイントＡの電位はＶＳ＝Ｅ０／ｄ０ボルトである。
【００１７】
この電荷搬送体４上の正電荷＋ｑには、電界により、形成電極２向き（右向き）に、静電力ｆｅ＝ｑＥニュートンの力が働き、逆に、発生電極１向き（左向き）に鏡像力ｆｉ＝ｋｑ＊ｑ／ｄ０＊ｄ０ニュートンの力が働く。この時、静電力ｆｅの方が、鏡像力ｆｉよりも僅かでも大きければ、該電荷搬送体４は、形成電極２に向かって動き始め、発生電極１と形成電極２間の電界Ｅ０が該電荷搬送体４上の電荷に作用する静電力で加速されながら形成電極２に到達しその孔を抜ける。
【００１８】
その後は、形成電極２と回収電極３間に形成されている逆向きの電界２Ｅ０が該電荷に作用する静電力で減速されながら、回収電極３に向かう。この時、該電荷に作用する力が電界による静電力のみであれば、すなわち、鏡像力も、重力も、空気抵抗力も働かないとすれば、電位がＶＳボルトのポイントＡより加速運動を始めた該電荷搬送体４は、形成電極２の孔を抜けた後減速されつつ同一電位のポイントＢに到達した時、その速度がゼロとなりそれ以上先に行くことはけしてない。これが物理の原則である。
【００１９】
なお、ポイントＢと回収電極３間の距離ｄは、形成電極２と回収電極３間の電界が２Ｅ０で、ポイントＢの電位がＶＳ＝Ｅ０／ｄ０なので、ｄ＝ＶＳ／２Ｅ０＝（Ｅ０／ｄ０）／２Ｅ０＝０．５ｄ０となる。この結果、ポイントＢで、該帯電体４上の電荷と、回収電極３間に作用する鏡像力は、距離の自乗に反比例するため、ｆｉ＝４ｋｑ＊ｑ／ｄ０＊ｄ０と、ポイントＡで発生電極１との間に働く鏡像力の４倍になる。一方、電界が、該電荷に与える静電力は、電界に比例するためｆｅ＝２ｑＥと２倍になるだけである。
【００２０】
この結果、仮に、ポイントＡでの、静電界にとる静電力ｆｅ＝ｑＥと鏡像力ｆｉ＝ｋｑ２／ｄ０２が等しかったとすると、ポイントＢでは、ｆ＝２ｑＥ＝２ｋｑ＊ｑ／ｄ０＊ｄ０の力が、回収電極１向きに（右向きに）働くことになる。この力を受けて、該電荷搬送体４はポイントＢで止まらずに、逆に、この前から加速されて、回収電極３に衝突する。そこで、このエネルギーを有効に利用して、該電荷を、その発生元の、発生電極１の電位（０ボルト）と同じ回収電極３よりもさらに遠くの、さらに電位の高いところまで搬送すれば、発電の完成となる。
【００２１】
その方法を、図２を使って説明する。
まず、回収電極３を、形成電極２との間の電界が変わらないように右に０．２ｄ０メートル移動させる。この時、新回収電極３の電位はＶｇ＝２Ｅ０＊０．２ｄ０＝０．４ＶＳとなり、電荷が最初に発生した発生電極１の電位０ボルトよりも０．４ＶＳボルト高くなる。故に、＋ｑクーロンの電荷をここまで搬送すれば、０．４ＶＳ＊ｑジュールの電気的エネルギーが得られる、発電されることになる。
【００２２】
この時、ポイントＢと新回収電極３間の距離は０．５ｄ０から０．７ｄ０と延びるため、距離の自乗に反比例する鏡像力は４ｋｑ＊ｑ／ｄ０＊ｄ０から２．０４ｋｑ＊ｑ／ｄ０＊ｄ０に減少する。しかしながら、ポイントＡにおける静電力ｆｅ＝ｑＥが鏡像力ｆｉ＝ｋｑ＊ｑ／ｄ０＊ｄ０の１．０１倍だったとすれば、ポイントＢにおける静電力はｆｅ＝２ｑＥ＝２．０２ｋｑ＊ｑ／ｄ０＊ｄ０で、この点における鏡像力ｆｉ＝２．０４ｋｑ＊ｑ／ｄ０＊ｄ０よりも小さい。
【００２３】
すなわち、この状態では、加速運動のスタート地点、ポイントＡと同電位のポイントＢに戻った該電荷搬送体４には、わずかではあるが、右向きの、回収電極３向きの力が作用するため、ここで止まることなく、ここから再度加速されて（この点を越えれば、後は鏡像力がどんどんスカイロケット的に強くなるので急激に加速される。後で、実施例で示す。）０．４ＶＳボルトの電位を持つ回収電極３に到達することができる。
【００２４】
これが、本発明の、電荷を、その発生点よりより電気的にエネルギーの高い地点に鏡像力で搬送して発電させる原理である。
【００２５】
原理はこのように簡単で明瞭であるが、実際には、いくつかの問題点や疑問も生じる。たとえば、ポイントＡで発生電極１よりどのように電荷を受け取れるのかである。また、上記の原理の説明では、電荷搬送体４上の電荷が一点に集中しているものと仮定して鏡像力ｆｉ＝ｋｑ＊ｑ／ｄ０＊ｄ０の公式を使って計算したが、実際には、電荷搬送体４はある大きさをもち、導体であるため、電荷はその表面に分布し、その分布の状態は、周りの電界や、近くの電極までの距離によって変化するため、この公式は適応できない。
【００２６】
そこで、下記に示す実施例では、電荷搬送体４の表面の電界からその表面の電荷密度を求め、電荷密度にその表面の面積をかけて、その表面の電荷量を算出し、さらにその電荷量にその表面の電界をかけてその表面に作用する静電力を求めた。この静電力は、上記の説明で言う、電界による静電力と鏡像力の両方を含んでいる。
【００２７】
電荷搬送体４表面の電界は、電荷搬送体４及びそれを取り巻く空間を細かく分割し、その分割点の電位を軸対象三次元（数学的には二次元）差分法で求めて算出した。以下、実施例で具体的に説明する。
【００２８】
【実施例１】
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明す
る。
図３に、実施例の電極の配置を示す。発生電極１と、回収電極３は、半径１５０μｍの円板で、形成電極２は、その中心に、半径２５μｍの孔のある、半径１５０μｍの有孔円板である。該三電極は、その中心をＺ軸に置いて、図のように配置される。すなわち、発生電極１と、形成電極２の距離は２５０μｍ、形成電極２と回収電極３の距離はその半分の１２５μｍである。
【００２９】
該３電極により、直径３００μｍ、高さ３７５μｍの円筒が形成されるが、図３はＺ軸の片側の一断面を示すものである。この断面は、５μｍピッチで、Ｚ方向が７５分割、ｒ方向が３０分割される。その結果、この断面は２２５０個に分割される。この２２５０個の小正方形は格子と呼ばれ、その四隅の交差点は格子点と呼ばれる。
このすべての格子を表示すると煩雑になるので、その一部、左下隅を拡大して図４に示す。図４には、電荷搬送体４も示されているが、これに関しては後で述べる。
【００３０】
図３において、発生電極１の電位を０ボルト、形成電極２の電位を＋３０７．５ボルト（注、原理の説明では、搬送される電荷の極性は正としたが、実施例では後で述べる理由により負電荷が発生し搬送されるので、形成電極２に印加される電圧の極性は正になる。）、回収電極３の電位を−６．０ボルトとして、全２３５６格子点の電位を、２３５６個の連立一次方程式を解いて求めた
【００３１】
その詳細は専門的になるのでここでは割愛する。ただし、下記の文献に具体的なプログラム付きでそのやり方が紹介されているので、そのとおりに行えば、誰でも同じ結果を得ることができる。
静電気学会誌， １６， ６ （１９９２） ５３０−５３８ 実験講座 電界計算の手ほどき
第３講 差分法による石油タンク内部の電界計算 松原美之
なお、連立一次方程式の解は上記文献の逐次代入法に代えて本特許ではガウスの消去法で求めた。そのため、得られた結果において多少の差が生じることは有りえる。
【００３２】
この結果、格子点７５、１５１の電位は＋６．１４ボルトになった。発生電極１に含まれる格子点７６、１５２の電位は０ボルトで、格子の縦横とも５μｍなので、発生電極１上部の電界Ｅｇは１．２３＊ｅ＋６（１０の６乗を示す、以下同じ）Ｖ／ｍとなる。
【００３３】
次に、図４に示すように、半径５μｍ、高さ１０μｍの導電性円板を電荷搬送体４として、発生電極１から１０μｍ上方に置いた。（注、そのセンターの位置は、発生電極１の１５μｍ上で、格子点７３になる。）同様に、該電荷搬送体４を含む全格子点の電位を、搬送体４の帯電量は０クーロン、搬送体４に含まれる格子点の電位はすべて等しいと言う条件で求めたら、格子点７５、１５１の電位は、それぞれ、＋６．１４Ｖより、＋８．３９Ｖ、＋８．１０Ｖに高くなった。その結果、発生電極１上部の電界Ｅｇは１．２３＊ｅ＋６ Ｖ／ｍより１．６５＊ｅ＋６ Ｖ／ｍと高くなった。なお、このときの、電荷搬送体４の電位は＋１７．９１Ｖであった。
【００３４】
発生電極１の表面はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）で覆われているため、その表面の電界が、１．２３＊ｅ＋６ Ｖ／ｍより１．６５＊ｅ＋６ Ｖ／ｍと高くなると、電界電子放出の閾値を越えて、多量の電子が、
ＣＮＴの先端より飛び出し、１０μｍのギャップ（注、ＣＮＴの電界電子放出のため、この領域全体が真空にひかれている。）を越えて、電荷搬送体４に当たりこれを帯電させる。
【００３５】
下記文献に記載された、電界が、１．２３＊ｅ＋６ Ｖ／ｍと１．６５＊ｅ＋６ Ｖ／ｍの時の、ＣＮＴの放出電流密度はそれぞれ、２．０＊ｅ−１１Ａ／ｃｍ＊ｃｍと２．０＊ｅ−４Ａ／ｃｍ＊ｃｍである。すなわち、電界が１．３４倍になるだけで、電流は７桁も増大するのである。
「化学気相成長法によるカーボンナノコイルの大量合成」 大阪府立大学 中山
喜萬 工業材料 ２００１年１０月号（Ｖｏｌ．４９ Ｎｏ．１０） ｐ７４−７７
【００３６】
この電流密度が２８６μｓｅｃ間継続すると、該電荷搬送体４の帯電量は、−４．５０＊ｅ−１４ クーロン（Ｃ）になる。実際に、この条件で電界放出がどのくらい継続するかは不明であるが、もし２８６μｓｅｃ間継続しなくとも問題はない。何とならば、ＣＮＴの放出電流密度はＣＮＴの製法の改良にともなって年々急激に増大しているからである。最近では、上記の１００倍を越える放出電流密度も報告されているので、そのＣＮＴを使用すれば、数μｓｅｃ間継続すると該電荷搬送体の帯電量は、−４．５０＊ｅ−１４ クーロン（Ｃ）になる。近い将来には、ｎｓｅｃオーダーでこの帯電量に達すると期待できる。
【００３７】
これが、発生電極１より離れた地点で電荷搬送体４が発生電極１より電荷を受け取る方法である。
【００３８】
次に、電荷搬送体４の電荷が−４．５０＊ｅ−１４ クーロン（Ｃ）と言う条件で、同様に全格子点の電位を求め、その電位から先に記した手順で、電荷搬送体４に加わるｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、（図４参照）を求めた。その結果、ｆ１＝８．２４＊ｅ−８ニュートン（Ｎ）、ｆ４＝８．１５＊ｅ−８ニュートン（Ｎ）となった。上向きに働く静電力ｆ１の方が下向きに働く静電力ｆ４よりもわずかに大きいので、電荷搬送体４はこの逆方向に働く二つの力の差の力ｆ＝８．７５＊ｅ−１０ニュートン（Ｎ）を受けて、上方へ、形成電極２方向へ動き始める。
【００３９】
なお、円周方向に働く静電力ｆ２、ｆ３は、１８０度反対方向の力が同じで逆方向に働くので結局ゼロとなり電荷搬送体４を移動させる力にはならない。
【００４０】
次に、該電荷搬送体４を５μｍ上方に移動させて、すなわち、その中心点を格子７３より格子７２に移して同様に、ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４を求めた。その結果ｆ１は８．２４＊ｅ−８ニュートン（Ｎ）より８．９７＊ｅ−８ニュートン（Ｎ）に増加し、ｆ４は８．１５＊ｅ−８ニュートン（Ｎ）より６．３７＊ｅ−８ニュートン（Ｎ）に減少し、二つの力の差の力はｆ＝８．７５＊ｅ−１０ニュートン（Ｎ）、からｆ＝２．５９＊ｅ−８ニュートン（Ｎ）に増加した。
【００４１】
帯電した電荷搬送体４が、その中心が、格子点７３より格子点７２に移動する間には、先に求めた上下静電力の差の力の平均の力が、すなわち、ｆ＝８．７５＊ｅ−１０ニュートン（Ｎ）とｆ＝２．５９＊ｅ−８ニュートン（Ｎ）の平均の力が働くものとして、この間を移動する電荷搬送体４の位置と速度を ｎｓｅｃごとに運動方程式を解いて求めた。
【００４２】
以下同様に、電荷搬送体４の中心が、５μｍ上に移動するごとに、全格子点の電位を求めなおし、その値から該電荷搬送体４に作用する静電力ｆを求めて、この間の位置と速度を計算した。その結果を図５に示す。
【００４３】
図５に示されるように、発生電極１からそのセンターの位置で１５μｍ離れた格子点７３（前記原理説明のポイントＡに相当する。）から上方に静電力で加速運動始めた該電荷搬送体４は、形成電極１の孔を通過する付近で最高速度５．２６ｍ／ｓｅｃに達し、その後は、向きが反転した静電力で減速されながら、回収電極３に接近する。
【００４４】
ところが、その直前、該電荷搬送体４のセンター位置で、回収電極３の手前１０μｍ、格子点３（前記原理説明のポイントＢに相当する。）に到達した時、その速度は反転して１．１５ｍ／ｓｅｃより加速され、該電荷搬送体４は２．６０ｍ／ｓｅｃの速度で、回収電極３に到達する。
この時、該電荷搬送体４が運んだ−４．５０＊ｅ−１４ クーロン（Ｃ）の電荷が、電位が−６．０ボルト（Ｖ）の回収電極３にすべて回収されると、その発電量は、−２．７０＊ｅ−１３ ジュール（Ｊ）になる。
【００４５】
該電荷搬送体４が存在しないとき、格子点７３（ポイントＡ相当）の電位は、＋１８．４２Ｖで、格子点３（ポイントＢ相当）の電位は、＋１８．９７Ｖなので、鏡像力も、重力も、空気抵抗力も作用せず、電界による静電力のみが作用する場合は、格子点７３（ポイントＡ相当）から出発した電荷搬送体４は格子点３（ポイントＢ相当）で速度を失うはずである。実際、鏡像力を除いて計算した場合は、図６に示されるように該電荷搬送体４は、回収電極３に到達することなく、格子点３（ポイントＢ相当）で失速する。
【００４６】
これに対して、実際には、回収電極３に到達できたのは鏡像力によってである。それも、電極近傍で急激に大きくなる鏡像力を上手に使ったからである。図７に鏡像力のある場合と、無い場合の該電荷搬送体４に作用する静電力を並べて、表示するが、両者の差が鏡像力である。左側の発生電極１付近でも右側の回収電極３付近でもどちらの場合でも電極との距離が５０μｍ以内になると鏡像力が目立ち始め、２０μｍ以下で急激に大きくなることが分かる。
【００４７】
本発明の特徴は、鏡像力が電界による静電力よりも僅かに小さい点、格子点７３（ポイントＡ相当）、該電荷搬送体４のセンター位置で発生電極１より１５μｍの地点で電荷を受け取り、それを同一電位だが、５μｍ回収電極３に近く、格子点７３（ポイントＡ相当）より電界が２倍で２倍の静電力を受けるが、鏡像力はそれをはるかに上回る、格子点３（ポイントＢ相当）まで主に電界の力で搬送させ、そこから回収電極３までを主に鏡像力で搬送させることにある。
【００４８】
なお、電界中で、導体の電荷がすべて接触した電極に回収されることはない。たとえ、回数されたにしても、同極性（この場合はマイナス）の電荷が電界の強さに応じて瞬時に注入されるので、見かけ上、一部の電荷が回収されずに電荷搬送体４に残ることになる。残された電荷をすべて回収するためには、実質的に無電界の領域まで該電荷搬送体４をさらに移動させて、そこで第二の電荷回収電極７に接触させなければならない。
【００４９】
また、１回の電荷の搬送で得られる電力はあまりにも少ないため、これを連続的に繰返す必要がある。そのためには、電荷を回収された電荷搬送体４を最初のスタート地点、すなわち、格子点７３（ポイントＡ）まで戻す必要がある。
【００５０】
該電荷搬送体は（第一の）回収電極３に、２．６ｍ／ｓｅｃの速度を持って到達するが、この運動エネルギーを使って、該電荷搬送体４（注、以下の説明では、電荷搬送体４の形状は球を仮定している。）を、図８のように、無電界領域にある、第二回収電極７、第三回収電極９、さらには、出発点のポイントＡまで移動させることができる。
【００５１】
なお、図８において、第一の回収電極３は、下方から垂直に飛来した該電荷搬送体４の進路を９０度右に曲げるため、４５度傾けられている。また、図中、記号６は接地されたシールド電極で、この右側の空間の電界はほとんどゼロになる。（注、記号５は、速度の低下した電荷搬送体４が滑り落ちるための滑り台兼電荷搬送体４と、発生電極１間の距離を正確に維持するためのスペーサである。）
【００５２】
実施例のレイアウトでは、電荷搬送体が鏡像力より得た運動エネルギーを、その進路を変更するために、衝突によりムダに失うので、電荷搬送体が、どこにも衝突せずに、直進できるレイアウトをを図９に示す。
【００５３】
図９において、記号１０は接地されたシールド電極で、該シールド電極１０とその上の回収電極３間の電界を実質的にゼロにする役割を持つ。なお、これを第一電荷回収電極１０とし、その上の第二回収電極３と同電位、実施例の場合は−６Ｖを印加しておいてもよい。
その下の回収電極３で、搬送してきた電荷をすべて回収された電荷搬送体４が、ほとんど速度を失うことなく、発生電極１の孔を抜けて、発生電極１の上方に出てくる。この時、発生電極１の孔径や電荷搬送体４の形状等を適切に設定すると、孔を抜けて少し上昇した地点（ポイントＡ）で、発生電極１の表面の電界が、ＣＮＴの電界電子放出閾値を越えて、電子が放出され、電荷搬送体４が帯電される。
【００５４】
帯電した該電荷搬送体４は実施例と同様に、形成電極２の孔を抜けて上昇し、その後は、減速されるが、ポイントＡと同電位のポイントＢ付近から再び加速されて、シールド電極１０の孔を抜けて、回収電極３と接触して、すべての電荷を放出してさらに、その上の発生電極１に向かう。回収電極３の孔を抜けるとき、速度を失うことなく、電荷を放出できるように、やや大きめの回収電極３の孔の内側には、柔らかい導電性糸が無数に植えられている。
【００５５】
なお、この場合、電荷搬送体４を軽い細い棒で連結することによってその間隔を縮めて効率を上げることができる。
【００５６】
また、実施例において、電界の形成は、電界形成電極２に電圧を印加して行った。この場合、電源が必要になるため、せっかく、小さく、安く、軽量で、安全にできる鏡像力を使う静電発電機の特徴が損なわれる。そこで、これをエレクトレットで置き換えると、金属電極とその配線及び電源をなくして、小さく、安く、軽量で、安全な電源にできる。
【００５７】
エレクトレットは、高絶縁性のプラスチックフイルム、たとえば４弗化樹脂フイルムの内部に特定の極性の電荷を半永久的に封じ込めたものである。製法は簡単で、プラスチックフイルムをそのガラス転移点以上に熱した状態でコロナ放電で帯電し、急冷することでできる。最近の改良されたエレクトレットは１００年以上電荷を保持できると言われている。
【００５８】
なお、以上すべて、真空中で電荷発生電極の表面にＣＮＴがあり、電荷搬送体の接近によって電荷発生電極表面の電界がＣＮＴの電界電子放出の閾値を越えてＣＮＴの先端より電子の放出が起きる場合で説明したが、大気中で電荷発生電極表面に、先端が数μｍの導電性の金属線や金属糸を植え込み、その先端の電界をコロナ放電開始電界以上にして、コロナ放電を発生させてもまったくどうように本発明の原理で鏡像力による静電発電をすることができる。
【００５９】
たとえば、先端を５μｍに尖らせたタングステン線の場合、コロナ放電開始電界は、１．６＊ｅ＋６ Ｖ／ｍなので、実施例でＣＮＴに代えて、該タングステン線を電荷発生電極に埋め込んでおけば、ほとんど同じ条件で使用可能である。
コロナ放電は大気中（減圧してもよい）で行われるので、電荷搬送体が空気抵抗を受ける分、真空中で行われるＣＮＴの電界電子放出より不利ではあるが、１回の放電で発生する電荷量は大変大きいのでその分ＣＮＴより有利である。
【発明の効果】
以上説明したように本発明の静電発電方法及び装置では、帯電した電荷搬送部材を静電界が該電荷に作用する静電力で電荷回収電極の近くまで搬送し、搬送工程の最期を搬送された電荷自身が発する鏡像力で行うので外部エネルギーの補給が不要である。
また、特に電界形成部材としてエレクトレットを使用した時は、大変、小型、軽量、安価、高耐久、無公害の静電発電機になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電荷発生（対向）電極、電界形成電極、電荷回収電極および電荷搬送体と、各電極間の電位を示を示す模式図である。
【図２】電荷回収電極の位置を、図１の位置より右に移動した場合の電荷回収電極とその付近の電位を示す模式図である。
【図３】実施例に示す静電発電装置の立面図である。
【図４】実施例に示す静電発電装置内の電位を軸対象三次元の差分法でシミュレーションするためのメッシュ（格子図）の一部である。
【図５】電荷発生（対向）電極から、電荷回収電極に至る空間の電位と電界と、その間を移動する帯電した電荷搬送体に加わる静電力とその速度を示すグラフである。
【図６】図５において、鏡像力が存在しない場合を示したグラフである。
【図７】鏡像力がある場合と、無い場合で帯電した電荷搬送体に加わる静電力を示すグラフである。
【図８】電荷搬送体が搬送した電荷が無電界中で電荷回収電極に回収され、かつ電荷放出後の電荷搬送体が最初の位置に戻れるようにした静電発電装置の模式図である。
【図９】電荷搬送体が連続した静電発電ユニット中を衝突によりエネルギーをロスすることなく直線的に移動できるようにした静電発電装置の模式図である。
【図１０】ファンデグラーフ型静電発電機の模式図である。
【図１１】水滴を電荷搬送体とする静電発電機の模式図である。
【符号の説明】
１、電荷発生（対向）電極
２、電界形成電極
３、電荷回収電極
４、電荷搬送体
５、すべり台兼スペーサ
６、シールド電極
７、第二電荷回収電極
８、
９、第三電荷回収電極
１０、シールド電極
１１、
１２、電荷発生用放電針
１３、高圧電源
１４、電荷搬送用絶縁性ベルト
１５、電荷回収用放電針
１６、回収電荷蓄積用コンデンサー
１７、ベルト搬送モーター
１８、高電位リング状電極
１９、送風
２０、水滴
２１、電荷回収スクリーン
２２、電位発生用抵抗[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrostatic power generation method, and more particularly to a method for transporting a charged charge carrier to a position where the energy is electrically higher than that of an electrostatic force caused by an electric field, and particularly relates to the carrier force.
[0002]
[Prior art]
The basic principle of the electrostatic power generation method is very simple, it only transfers the charge electrostatically to a position higher than a position having a low energy. This is the same as an object, for example, water having potential energy when lifted higher. When the water lifted to a higher position returns to a lower position, it can convert its potential energy into kinetic energy and work, for example, by turning a water wheel.
[0003]
In the case of electrostatic power generation, for example, when a charge of 1 coulomb is transferred to a position having a potential of 1 volt higher than a position of 0 volt, 1 joule of electric energy is generated. When this is performed in one second, the power generation efficiency becomes 1 watt.
[0004]
Since it is very difficult to transport the charges (electrons or ions) themselves, especially in the atmosphere, in all electrostatic generators invented so far, the charges are carried on the charge carriers and Was transported mechanically to carry the charge.
[0005]
Charge carriers used in conventional electrostatic generators include belts, chains, powder, and water droplets.Belts and chains move directly through a motor, and powder and water droplets move air surrounding them by a pump. It was indirectly transported.
Among them, a method using a belt and a method using water drops are introduced as representative examples.
[0006]
Fig. 10 shows a van de Graaff-type electrostatic power generation that has been put to practical use as an ultra-high voltage power supply, in which the charge obtained by corona discharge is placed on an insulating belt, and the belt is rotated by a motor and transported to an ultra-high potential charge recovery unit. The outline of the machine is shown. (Electrical Engineering Pocket Book (4th edition) edited by The Institute of Electrical Engineers of Japan, Ohmsha P.1124)
[0007]
In the figure, 12 is a corona discharge needle and 13 is a high voltage power supply. Corona discharge occurs around the needle tip where the electric field has become high, and the resulting positive ions are charged on the insulating belt 14. The belt 14 carrying the positive ions is mechanically rotated by a motor 17 as shown in the figure. As a result, the positive ions reach just below the corona discharge needle 15 for collecting the super-high potential electric charge, and the corona discharge Will be collected.
[0008]
FIG. 11 shows an outline of an electrostatic generator in which corona discharge charges (ions) are carried on a group of conductive water droplets which are orthogonal to the flow thereof and are conveyed to a charge recovery electrode. (“Electrostatic Handbook”, 1981 edition, p. Xxx) The point that a small conductive ball is used as a charge carrier and is brought into contact with a charge collection electrode to collect charge is the same as the present invention described below.
[0009]
In the figure, reference numeral 12 denotes a corona discharge needle as in FIG. 10, and reference numeral 13 denotes a high-voltage power supply. However, in FIG. 10, a high voltage is applied to the corona discharge needle 12, but here, conversely, a high voltage is applied to the annular counter electrode 18, and the corona discharge needle 12 is grounded. In either case, the vicinity of the needle tip becomes a high electric field, and corona discharge occurs here.
Corona ions generated near the tip of the corona discharge needle 12 flow to the annular counter electrode 18 along the direction of the electric field. On the way, the flow of the corona ions is adsorbed on the water droplets 20 traversing from left to right and charged.
[0010]
The electrostatic force directed toward the annular counter electrode 18 acts on the charged water droplet 20 in the direction of the electric field. However, the flow of air surrounding the water droplet 20 and the wind force 19 are stronger than the electrostatic force. After passing through the loop, it goes to the net-like charge recovery electrode 21. Even during this time, an electrostatic force acts on the charged water droplet to return to the annular counter electrode 18, but the strong wind overcomes the electrostatic force and conveys the water droplet 20 to the net-like charge recovery electrode 21.
The water droplets 20 that have come into contact with the mesh-like charge collection electrode 21 transfer the transferred charges to the mesh-like charge collection electrode 21 here. When the charges flow through the resistor 22, a potential difference (voltage) is formed at both ends.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional electrostatic power generator, the charge carrier is carried by the mechanical force against the electric field. Therefore, a motor, a pump, etc. are indispensable, and a high voltage can be obtained, but electric energy more than generated electric energy is required, and the apparatus is large, heavy, expensive, and has a problem in disposal. . Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrostatic power generation method and an apparatus thereof that do not have the drawbacks of the conventional electrostatic power generator.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, as the force for driving the charge carrier, a mirror image force (image force) that the charge naturally has is used, so that there is no need to supply external electrical energy.
Mirror force is the force that acts between a real charge and a conductor around it in inverse proportion to the square of the distance between them. (Electrostatic Handbook 1998 Edition,
p. 1194)
In the present invention, in order to more effectively utilize the mirror image power, the conductive
The small disk receives the charge at a distance from the charge generation source (electrode), and is sufficiently reflected by the charge collection electrode by the image force.
After being divided, they make contact and release the charge.
Mirror force, which has long been well-known in the field of static electricity, has been used only partially in air purifiers and has little industrial use. The reason is that the force is very small. However, the force increases in the immediate vicinity of the electrode, and particularly when approaching the electrode, the electric field becomes stronger than the electrostatic force exerted on the electric charge, so that it can be used as in the present invention.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Specifically, a charge generation source (counter electrode) grounded to an electric field forming electrode or an electret film
In the meantime, an electric field close to, but less than, the field electron emission electric field or corona discharge starting electric field is formed
Then, the conductive small disk is brought close to the charge generation source (counter electrode) and the electric field between them is changed to field electron emission or corona.
Generates electrons or corona ions during the discharge starting electric field or higher, and generates the generated electrons or corona ions.
The conductive small disk charged with ions is applied to the electric field forming electrode or electret film and the electric charge between the charge generation source (counter electrode).
The field uses the electrostatic force acting on the small disk to reach the vicinity of the charge recovery electrode.
Conveyed, with the image force acting between the real electric charge of the conductive small disk and the electric charge induced electrostatically by the close charge collection electrode,
This is an electrostatic generator that transports the charged small disk to a charge recovery electrode having high electrical energy against an electric field.
Prior to the embodiment, this principle will be described first with reference to FIGS.
[0014]
At the top of FIG. 1, three electrodes, a charge generation electrode 1, an electric field forming electrode 2, and a charge collection electrode 3 used in the present invention are schematically shown. Hereinafter, the generating electrode 1, the forming electrode 2, and the collecting electrode 3 are abbreviated, respectively. A small hole is formed in the middle of the forming electrode 2 so that the charge carrier 4 can pass therethrough.
[0015]
On the lower side of FIG. 1, the potential in the space from the generation electrode 1 to the collection electrode 3 is shown by a solid line.
The generating electrode 1 and the collecting electrode 3 are grounded, and a voltage of V0 volt is applied to the forming electrode 2. The distance between the generating electrode 1 and the forming electrode 2 is L0 meter, and the distance between the forming electrode 2 and the collecting electrode 3 is kept at 0.5L0 meter. Therefore, an electric field of V0 / L0 = E0 volt / meter is formed between the forming electrode 2 and the generating electrode 1, and an electric field of V0 / (0.5L0) = 2E0 volt / meter is formed between the forming electrode 2 and the collecting electrode 3. Is formed.
[0016]
In this electric field, the conductive charge carrier 4 (tentatively, its size is assumed to be zero) is positioned between the generating electrode 1 and the forming electrode 2 at a position d0 meters from the generating electrode 1 (point A). ), The electric charge of + q coulomb is given to the charge carrier 4 from the generating electrode 1. (The details will be described later in the examples.)
The potential at the point A before the charge carrier 4 is placed is VS = E0 / d0 volt.
[0017]
Due to the electric field, a force of electrostatic force fe = qE Newton acts on the positive charge + q on the charge transport body 4 toward the forming electrode 2 (rightward), and conversely, the image force fi toward the generating electrode 1 (leftward). = Kq * q / d0 * d0 Newton's force acts. At this time, if the electrostatic force fe is at least slightly larger than the image force fi, the charge carrier 4 starts to move toward the forming electrode 2, and the electric field E0 between the generating electrode 1 and the forming electrode 2 changes the electric charge E0. While being accelerated by the electrostatic force acting on the charges on the carrier 4, it reaches the forming electrode 2 and passes through the hole.
[0018]
Thereafter, the electric field 2E0 in the opposite direction formed between the forming electrode 2 and the collecting electrode 3 moves toward the collecting electrode 3 while being decelerated by the electrostatic force acting on the electric charge. At this time, if the force acting on the electric charge is only the electrostatic force due to the electric field, that is, if the image force, the gravity, and the air resistance force do not work, the potential starts to accelerate from the point A of VS volt. When the charge carrier 4 reaches the point B of the same potential while being decelerated after passing through the hole of the forming electrode 2, its speed becomes zero and it cannot be moved further. This is the principle of physics.
[0019]
Note that the distance d between the point B and the collecting electrode 3 is d = VS / 2E0 = (E0 / d0) because the electric field between the forming electrode 2 and the collecting electrode 3 is 2E0 and the potential at the point B is VS = E0 / d0. ) /2E0=0.5d0. As a result, at point B, the charge on the charged body 4 and the mirror image force acting between the collecting electrode 3 are inversely proportional to the square of the distance, so that fi = 4 kq * q / d0 * d0 and the point A generates It becomes four times the mirror image force acting between the electrodes 1. On the other hand, the electrostatic force that the electric field gives to the electric charge is only twice as fe = 2qE because it is proportional to the electric field.
[0020]
As a result, if the electrostatic force fe = qE in the electrostatic field and the image force fi = kq2 / d02 at the point A are equal, at the point B, the force of f = 2qE = 2kq * q / d0 * d0 is obtained. Work toward the collection electrode 1 (to the right). Due to this force, the charge carrier 4 does not stop at the point B, but rather accelerates from before and collides with the collection electrode 3. Therefore, if this energy is effectively used to transfer the electric charge to a place where the electric charge is generated, which is farther from the collecting electrode 3 having the same potential (0 volt) as the electric potential of the generating electrode 1 (0 volt), and has a higher electric potential, Power generation is completed.
[0021]
The method will be described with reference to FIG.
First, the collection electrode 3 is moved to the right by 0.2 d0 meters so that the electric field between the collection electrode 3 and the formation electrode 2 does not change. At this time, the potential of the new recovery electrode 3 is Vg = 2E0 * 0.2d0 = 0.4 VS, which is 0.4 VS higher than the potential of the generation electrode 1 at which the charge was initially generated, which is 0 volt. Therefore, if the electric charge of + q coulomb is transported so far, electric power of 0.4 VS * q joule is obtained, and electric power is generated.
[0022]
At this time, since the distance between the point B and the new collection electrode 3 extends from 0.5d0 to 0.7d0, the mirror image force inversely proportional to the square of the distance is 4 kq * q / d0 * d0 to 2.04 kq * q / d0 *. It decreases to d0. However, if the electrostatic force fe = qE at the point A is 1.01 times the mirror image force fi = kq * q / d0 * d0, the electrostatic force at the point B is fe = 2qE = 2.02 kq * q / d0 *. At d0, the mirror image force fi at this point is smaller than 2.04 kq * q / d0 * d0.
[0023]
That is, in this state, a slight but rightward force toward the recovery electrode 3 acts on the charge carrier 4 which has returned to the start point of the acceleration movement, point B having the same potential as point A. It does not stop here, but is accelerated again from here (beyond this point, the mirror image becomes more and more like a skyrocket, so it is accelerated rapidly. Later, this will be shown in the examples). It can reach the collecting electrode 3 having a potential of volts.
[0024]
This is the principle of the present invention in which electric charges are conveyed to a point where energy is higher than the point of generation of the electric charges by a mirror image force to generate electric power.
[0025]
Although the principle is so simple and clear, in practice there are some problems and questions. For example, how the charge can be received from the generating electrode 1 at point A. In the above description of the principle, the calculation is performed using the formula of the mirror image force fi = kq * q / d0 * d0 on the assumption that the charges on the charge carrier 4 are concentrated at one point. Since the charge carrier 4 has a certain size and is a conductor, the charge is distributed on its surface, and the state of the distribution changes depending on the surrounding electric field and the distance to a nearby electrode. Cannot adapt.
[0026]
Therefore, in the embodiment described below, the charge density on the surface is calculated from the electric field on the surface of the charge carrier 4, the charge density is multiplied by the area of the surface, and the charge amount on the surface is calculated. An electrostatic field acting on the surface was obtained by applying an electric field to the surface. This electrostatic force includes both the electrostatic force due to the electric field and the image force as described above.
[0027]
The electric field on the surface of the charge carrier 4 was calculated by finely dividing the charge carrier 4 and the space surrounding the charge carrier 4 and calculating the potential at the division point by an axially symmetric three-dimensional (mathematically two-dimensional) difference method. Hereinafter, specific examples will be described.
[0028]
Embodiment 1
In order to describe the present invention in more detail, it will be described with reference to the accompanying drawings.
You.
FIG. 3 shows the arrangement of the electrodes of the embodiment. The generating electrode 1 and the collecting electrode 3 are disks with a radius of 150 μm, and the forming electrode 2 is a perforated disk with a radius of 150 μm at the center of which has a hole with a radius of 25 μm. The three electrodes are arranged as shown, with the center on the Z axis. That is, the distance between the generating electrode 1 and the forming electrode 2 is 250 μm, and the distance between the forming electrode 2 and the collecting electrode 3 is 125 μm, which is a half thereof.
[0029]
A cylinder having a diameter of 300 μm and a height of 375 μm is formed by the three electrodes, and FIG. 3 shows one cross section of one side of the Z axis. This cross section is divided into 75 in the Z direction and 30 in the r direction at a pitch of 5 μm. As a result, this cross section is divided into 2250 pieces. These 2250 small squares are called grids, and the intersections of the four corners are called grid points.
Displaying all of the grids is complicated, and a part of the grid, the lower left corner, is enlarged and shown in FIG. FIG. 4 also shows the charge carrier 4, which will be described later.
[0030]
In FIG. 3, the potential of the generating electrode 1 is 0 volt, and the potential of the forming electrode 2 is +307.5 volts (note, in the description of the principle, the polarity of the transferred charges is positive, but in the embodiment, the reason will be described later). , A negative charge is generated and conveyed, so that the polarity of the voltage applied to the formation electrode 2 becomes positive.) The potential of the collection electrode 3 is -6.0 volts, and the potential of all 2356 lattice points is 2356. Solved simultaneous linear equations
[0031]
The details will be omitted here because they will be specialized. However, since the following literature introduces the method with a specific program, anyone can obtain the same result if done so.
Journal of the Institute of Electrostatics, 16, 6 (1992) 530-538 Experimental Course Introduction to Electric Field Calculation
Lesson 3 Calculation of electric field inside oil tank by difference method Yoshiyuki Matsubara
In the present patent, the solution of the simultaneous linear equation was obtained by Gaussian elimination in place of the sequential substitution method in the above-mentioned document. Therefore, there is a possibility that a slight difference occurs in the obtained result.
[0032]
As a result, the potential of the lattice points 75 and 151 became +6.14 volts. Since the potential of the lattice points 76 and 152 included in the generation electrode 1 is 0 volt and both the length and width of the lattice are 5 μm, the electric field Eg on the upper part of the generation electrode 1 is 1.23 * e + 6 (indicating 10 to the sixth power, the same applies hereinafter) V / M.
[0033]
Next, as shown in FIG. 4, a conductive disk having a radius of 5 μm and a height of 10 μm was placed 10 μm above the generating electrode 1 as a charge carrier 4. (Note that the center position is a grid point 73 at 15 μm above the generating electrode 1.) Similarly, the potential of all grid points including the charge carrier 4 is set to 0 coulomb. When the potentials at the lattice points included in the carrier 4 were all determined to be equal, the potentials at the lattice points 75 and 151 were higher than + 6.14V to + 8.39V and + 8.10V, respectively. As a result, the electric field Eg above the generating electrode 1 was higher than 1.23 * e + 6 V / m to 1.65 * e + 6 V / m. At this time, the potential of the charge carrier 4 was + 17.91V.
[0034]
Since the surface of the generating electrode 1 is covered with carbon nanotubes (CNT), when the electric field on the surface becomes higher than 1.23 * e + 6 V / m to 1.65 * e + 6 V / m, the threshold of the field electron emission Beyond, a lot of electrons
The charge carrier 4 protrudes from the tip of the CNT, crosses a gap of 10 μm (note, the whole area is evacuated due to the field electron emission of the CNT), and hits the charge carrier 4 to be charged.
[0035]
When the electric field is 1.23 * e + 6 V / m and 1.65 * e + 6 V / m, the emission current densities of CNT described in the following documents are 2.0 * e-11 A / cm * cm, respectively. And 2.0 * e-4A / cm * cm. In other words, the current increases by seven orders of magnitude only by increasing the electric field by 1.34 times.
"Large-scale synthesis of carbon nanocoils by chemical vapor deposition" Nakayama, Osaka Prefecture University
Kiman Industrial Materials October 2001 Issue (Vol. 49 No. 10) pp. 74-77
[0036]
When the current density continues for 286 μsec, the charge amount of the charge carrier 4 becomes -4.50 * e-14 coulomb (C). Actually, how long the field emission continues under this condition is unknown, but there is no problem if it does not last for 286 μsec. This is because the emission current density of CNT is rapidly increasing year by year with the improvement of the method of producing CNT. Recently, emission current densities exceeding 100 times the above have been reported, so that the charge amount of the charge carrier becomes -4.50 * e-14 coulombs (continuation for several microseconds) using the CNT. C). In the near future, it can be expected that this charge amount will be reached on the order of nsec.
[0037]
This is a method in which the charge carrier 4 receives the electric charge from the generation electrode 1 at a point away from the generation electrode 1.
[0038]
Next, under the condition that the charge of the charge carrier 4 is -4.50 * e-14 Coulomb (C), the potentials of all the lattice points are similarly obtained, and the charge carrier is obtained from the potential in the procedure described above. F1, f2, f3, f4, which are added to No. 4 (see FIG. 4). As a result, f1 = 8.24 * e-8 Newton (N) and f4 = 8.15 * e-8 Newton (N). Since the upwardly acting electrostatic force f1 is slightly larger than the downwardly acting electrostatic force f4, the charge carrier 4 exerts a force f = 8.75 * e-10 Newton (difference between the two forces acting in the opposite directions). N), it starts to move upward in the direction of the forming electrode 2.
[0039]
Note that the electrostatic forces f2 and f3 acting in the circumferential direction have the same force in the opposite direction by 180 degrees and act in the opposite direction, so that they eventually become zero and do not become the force for moving the charge carrier 4.
[0040]
Next, the charge carrier 4 was moved upward by 5 μm, that is, the center point was moved from the lattice 73 to the lattice 72, and f1, f2, f3, and f4 were similarly obtained. As a result, f1 is increased from 8.24 * e-8 Newton (N) to 8.97 * e-8 Newton (N), and f4 is 6.37 * e from 8.15 * e-8 Newton (N). The force was reduced to -8 Newtons (N) and the force difference between the two forces increased from f = 8.75 * e-10 Newtons (N) to f = 2.59 * e-8 Newtons (N).
[0041]
While the center of the charged charge carrier 4 moves from the lattice point 73 to the lattice point 72, the average force of the difference between the upper and lower electrostatic forces determined earlier, that is, f = 8.75. Assuming that an average force of * e-10 Newton (N) and f = 2.59 * e-8 Newton (N) acts, the position and velocity of the charge carrier 4 moving between them are expressed by the equation of motion every nsec. I solved it.
[0042]
Similarly, every time the center of the charge carrier 4 moves by 5 μm, the potentials of all the lattice points are obtained again, and from that value, the electrostatic force f acting on the charge carrier 4 is obtained. And calculated the speed. The result is shown in FIG.
[0043]
As shown in FIG. 5, the charge carrier 4 which has started accelerating with electrostatic force upward from a lattice point 73 (corresponding to point A in the principle explanation) 15 μm away from the generation electrode 1 at the center of the generation electrode 1. Reaches a maximum speed of 5.26 m / sec in the vicinity of passing through the hole of the forming electrode 1 and thereafter approaches the collecting electrode 3 while being decelerated by the electrostatic force whose direction is reversed.
[0044]
However, immediately before that, when it reaches the grid point 3 (corresponding to the point B in the explanation of the above principle) at the center position of the charge carrier 4 and 10 μm before the collecting electrode 3, the speed is reversed. The charge carrier 4 is accelerated at a speed of 15 m / sec and reaches the collection electrode 3 at a speed of 2.60 m / sec.
At this time, when all the electric charge of -4.50 * e-14 coulomb (C) carried by the electric charge carrier 4 is collected by the collecting electrode 3 having a potential of -6.0 volt (V), the electric power is generated. The amount amounts to -2.70 * e-13 joules (J).
[0045]
When the charge carrier 4 is not present, the potential at the lattice point 73 (corresponding to point A) is +18.42 V, and the potential at lattice point 3 (corresponding to point B) is +18.97 V. In the case where only the electrostatic force due to the electric field acts without the aerodynamic force acting, the charge carrier 4 starting from the lattice point 73 (corresponding to point A) should lose its speed at the lattice point 3 (corresponding to point B). Actually, when the calculation is performed without the mirror image force, the charge carrier 4 stalls at the lattice point 3 (corresponding to the point B) without reaching the collection electrode 3 as shown in FIG.
[0046]
On the other hand, actually, it is possible to reach the collection electrode 3 by the mirror image force. This is because the mirror image power that rapidly increases in the vicinity of the electrode was used successfully. In FIG. 7, the electrostatic forces acting on the charge carrier 4 with and without the mirror image are displayed side by side. The difference between the two is the mirror image. It can be seen that in both cases, near the generating electrode 1 on the left and near the collecting electrode 3 on the right, the image force starts to be noticeable when the distance from the electrode is within 50 μm, and rapidly increases when the distance is 20 μm or less.
[0047]
A feature of the present invention is that a point at which the mirror image force is slightly smaller than the electrostatic force due to the electric field, a lattice point 73 (corresponding to point A), a charge is received at a point 15 μm from the generating electrode 1 at the center position of the charge carrier 4, Although it has the same potential, it is close to the 5 μm recovery electrode 3, receives an electrostatic force that is twice as large as the electric field from the lattice point 73 (corresponding to point A), but the image force is much higher than that. B) is conveyed mainly by the force of the electric field, and conveyed therefrom to the collecting electrode 3 mainly by the mirror image force.
[0048]
Note that, in the electric field, all the electric charges of the conductor are not collected by the contacted electrodes. Even if the number of charges is increased, charges of the same polarity (in this case, negative) are instantaneously injected according to the strength of the electric field. Will remain. In order to collect all the remaining charge, the charge carrier 4 must be further moved to a substantially electric field-free region, where it contacts the second charge collection electrode 7.
[0049]
Further, since the power obtained by one charge transfer is too small, it is necessary to repeat this continuously. For that purpose, it is necessary to return the charge carrier 4 from which the charges have been collected to the first starting point, that is, the grid point 73 (point A).
[0050]
The charge carrier reaches the (first) recovery electrode 3 at a speed of 2.6 m / sec, and using this kinetic energy, the charge carrier 4 (note, in the following description, It is assumed that the shape of the carrier 4 is a sphere.) As shown in FIG. 8, the carrier is moved to the second collection electrode 7, the third collection electrode 9, and further to the starting point A in the non-electric field region. Can be done.
[0051]
In FIG. 8, the first recovery electrode 3 is inclined by 45 degrees in order to turn the path of the charge carrier 4 that has flown vertically from below 90 degrees to the right. In the drawing, reference numeral 6 denotes a grounded shield electrode, and the electric field in the space on the right side is almost zero. (Note, symbol 5 is a spacer for accurately maintaining the distance between the slide electrode / charge carrier 4 for the charge carrier 4 with reduced speed to slide down and the generating electrode 1.)
[0052]
In the layout of the embodiment, the charge carrier loses kinetic energy obtained from the image force by wasting due to collision to change its course, so that the charge carrier can go straight without colliding anywhere. Is shown in FIG.
[0053]
In FIG. 9, reference numeral 10 denotes a grounded shield electrode, which has a role of substantially reducing the electric field between the shield electrode 10 and the recovery electrode 3 thereon. This may be used as the first charge recovery electrode 10, and the same potential as that of the second charge recovery electrode 3 thereon, -6V in the case of the embodiment, may be applied.
The charge transporting body 4 from which all the transported charges have been recovered by the recovery electrode 3 thereunder passes through the hole of the generation electrode 1 and emerges above the generation electrode 1 with almost no loss of speed. At this time, if the hole diameter of the generation electrode 1 and the shape of the charge carrier 4 are appropriately set, the electric field on the surface of the generation electrode 1 at the point (Point A) slightly rising through the hole causes the CNT field emission. Exceeding the threshold, electrons are emitted and the charge carrier 4 is charged.
[0054]
The charged charge carrier 4 rises through the hole of the forming electrode 2 and then decelerates thereafter, but is accelerated again from the vicinity of the point B having the same potential as the point A, as in the embodiment. Through the hole of 10, it comes into contact with the collecting electrode 3, releases all the electric charges, and further goes to the generating electrode 1 thereon. Numerous soft conductive threads are planted inside the slightly larger recovery electrode 3 hole so that the charge can be released without losing speed when passing through the recovery electrode 3 hole.
[0055]
In this case, by connecting the charge carriers 4 with a light thin rod, the interval can be shortened and the efficiency can be increased.
[0056]
In the examples, the electric field was formed by applying a voltage to the electric field forming electrode 2. In this case, since a power supply is required, the features of the electrostatic generator that uses a mirror image, which is small, inexpensive, lightweight, and can be safely used, are impaired. Therefore, if this is replaced with an electret, a small, inexpensive, lightweight, and safe power supply can be achieved without the metal electrode, its wiring, and the power supply.
[0057]
The electret is a semi-permanently sealed electric charge of a specific polarity in a highly insulating plastic film, for example, a tetrafluoride resin film. The production method is simple. The plastic film can be charged by corona discharge in a state where the plastic film is heated above its glass transition point and rapidly cooled. Recent improved electrets are said to be able to retain charge for over 100 years.
[0058]
In all of the above, CNTs exist on the surface of the charge generation electrode in a vacuum, and when the charge carrier approaches, the electric field on the surface of the charge generation electrode exceeds the threshold value of the field electron emission of the CNT, and electrons are emitted from the tip of the CNT. As described in the case, a conductive metal wire or metal thread with a tip of several μm is implanted on the surface of the charge generation electrode in the atmosphere, and the electric field at the tip is set to be equal to or greater than the corona discharge starting electric field, and corona discharge is generated. However, it is possible to generate electrostatic power by a mirror image according to the principle of the present invention.
[0059]
For example, in the case of a tungsten wire whose tip is sharpened to 5 μm, the corona discharge starting electric field is 1.6 * e + 6 V / m. Can be used under almost the same conditions.
Since corona discharge is performed in the atmosphere (the pressure may be reduced), the charge carrier is subjected to air resistance, but is disadvantageous to the field electron emission of CNT performed in vacuum, but is generated by one discharge. Since the charge amount is very large, it is more advantageous than CNT.
【The invention's effect】
As described above, in the electrostatic power generation method and apparatus according to the present invention, the charged charge transporting member is transported to the vicinity of the charge collection electrode by the electrostatic force acting on the charge by the electrostatic field, and transported at the end of the transporting process. It is not necessary to replenish external energy because it is performed by the mirror image force generated by the charges themselves.
In particular, when an electret is used as the electric field forming member, it becomes a very small, lightweight, inexpensive, highly durable, pollution-free electrostatic generator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a charge generation (counter) electrode, an electric field forming electrode, a charge collection electrode, a charge carrier, and a potential between respective electrodes.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a charge recovery electrode and a potential in the vicinity thereof when the position of the charge recovery electrode is moved to the right from the position in FIG.
FIG. 3 is an elevation view of the electrostatic power generation device shown in the embodiment.
FIG. 4 is a part of a mesh (lattice diagram) for simulating an electric potential in the electrostatic power generation device according to the embodiment by an axially symmetric three-dimensional difference method.
FIG. 5 is a graph showing a potential and an electric field in a space from a charge generation (counter) electrode to a charge collection electrode, an electrostatic force applied to a charged charge carrier moving therebetween, and a speed thereof.
FIG. 6 is a graph showing a case where there is no image force in FIG. 5;
FIG. 7 is a graph showing an electrostatic force applied to a charged charge carrier when there is a mirror image and when there is no mirror image;
FIG. 8 is a schematic diagram of an electrostatic power generation device in which charges transferred by a charge carrier are collected by a charge collection electrode in an electric field-free state, and the charge carrier after charge release can return to an initial position.
FIG. 9 is a schematic diagram of an electrostatic power generation device in which a charge carrier can move linearly in a continuous electrostatic power generation unit without losing energy due to collision.
FIG. 10 is a schematic diagram of a Van de Graaff electrostatic generator.
FIG. 11 is a schematic diagram of an electrostatic generator using water droplets as a charge carrier.
[Explanation of symbols]
1. Charge generation (counter) electrode
2. Electric field forming electrode
3. Charge recovery electrode
4. Charge carrier
5. Slide and spacer
6. Shield electrode
7. Second charge recovery electrode
8,
9. Third charge recovery electrode
10. Shield electrode
11,
12. Discharge needle for charge generation
13. High voltage power supply
14. Insulating belt for charge transfer
15. Discharge needle for charge collection
16. Recovered charge storage capacitor
17. Belt transport motor
18. High-potential ring-shaped electrode
19. Blast
20, water drops
21, charge collection screen
22, resistance for potential generation
