JP2014513759A - 再生可能な流体エネルギー活用 - Google Patents

Abstract

本発明は、気流及び水流のエネルギーの活用手段を提供する。一つの適用例は、自然界における高湿度の大気から水を回収するための気流エネルギーの活用手段を提供する。この方法は、周辺大気の熱力学的状態の特性が、収束−発散システムを通過する際に変化することに基づく。この装置は、高湿度の気流にさらされる水凝縮装置であり、移動性部材を有さない。この装置はカスケードして配置された翼様の構成を含み、この構成により気流が収束される。この構成により気流の速度が上がり、温度が下がり、流出気流が得られる。気流の内側の静圧及び温度が低下する。静圧及び温度の低下により水−水蒸気から水−エアロゾルへの凝縮が誘発される。この方法の別の適用例は、再生可能な気流エネルギーを用いて自然界における温暖な大気から電気エネルギーを回収する効率的なメカニズムを提供する。再生可能な気流エネルギーには、気流の慣性エネルギー、内部熱エネルギー及び地球の重力場における大気が有する位置エネルギーが含まれる。電気エネルギー回収メカニズムは、自然界における再生可能な水流エネルギーの使用にも用いることができる。
【選択図】図７ａ

Description

クロスレファレンス
本出願は、2010年12月10日に出願されたPCT/US2010/059786の一部継続出願である。
本出願は、2011年11月17日に出願された米国特許出願第13/298,678号の一部継続出願であり、米国特許出願第13/298,678号は2010年8月11日に出願された米国特許出願第12/854,196号の一部継続出願であり、米国特許出願第12/854,196号は2010年5月6日に出願され現在すでに放棄されている米国特許出願第12/774,936号の一部継続出願であり、米国特許出願第12/774,936号は2009年5月6日に出願された米国仮出願第61/175,799号及び2009年8月12日に出願された米国仮出願第61/233,207号に基づくものであり、これらの仮出願の権利を主張するものである。

本発明は、環境的にクリーンな技術に関し、特に湿度の高い大気から蒸留水を回収し、タービン発電機により電力を取り出す技術に関する。

ほとんどの地域において、水資源及び電気エネルギーの産出基点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、空気から水を回収し電力を産出できれば、離れた場所から現場の貯蔵施設へ水や電力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、水や電力を継続的に取り出す場合には、現場での水及び電気エネルギーの保管の必要性が大きく減少する。風力タービンを用いて電力を産出し、電気クーラーを用いて冷却表面上で水の凝縮を行う技術が知られている。電力の取り出しを非常に安価に行えるのであれば、このような技術は実用的である。今日、風力は電力の産出に広く使用されているが、電力要求を満たすためにかなり大きな風力タービンが適用されている。実際のところ、大きな風力タービンを用いて自然界の風力の慣性による運動エネルギーを電力へ変換しても、安価な電力の供給はできていない。
世界中の、水資源が僅かであるか又は無い地域において空気からの水の回収が必要とされている。

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。

水の凝縮プロセスは、発熱プロセスである。つまり、水が蒸気からエアロゾル及び/又は露へ変換される際、いわゆる潜熱が解放され、エアロゾル及び/又は露滴自体ならびに周囲環境が熱せられる。予熱されたエアロゾル及び/又は露滴は、次に蒸発して気体へ戻り、所望の凝縮プロセルが遅くなる。

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。

翼１０の周囲を流れる上側の気流１４及び下側の気流１５の両方が、コアンダ効果により翼１０の外形に基づき整流される。これにより気流の断面積に変化が生じ、連続性の原理ρＳｖ＝Constにより対流が加速される（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と比較してより強く収束され、より早く流れる。ベルヌーイの定理として現されるエネルギー保存則によれば、翼１０における上側の気流１４からのいわゆる静圧は、下側の気流１５からの静圧より小さくなる。上側の気流１４と下側の気流１５が翼１０の周囲を層状に流れるならば、静圧の差はΔＰ＝Ｃρｖ2／２で規定される（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）。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において、ゼロではない迎え角１３に当たると、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仕事Ｗを果たし、実質的な断熱プロセス下においてこの一部分の空気を体積膨張させる。

断熱膨張の結果、この一部分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分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_２−Ｔ_１は次式：Ｔ_２／Ｔ_１＝（Ｐ_２／Ｐ_１）^{（γ−１）／γ}（ここで、Ｐ_１及びＰ_２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。正味の結果として、翼１０の周囲を流れる一部分の気体の断面積が減少し、結果として連続性の式に基づきその気体は加速される。ここで、実質的に水平方向の空気の動きを考慮すると、エネルギー保存の法則に基づいてその空気の運動エネルギーの増加は内部熱エネルギーの消費により起こるものである。したがって、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し、増大した運動エネルギーを用いて電力を取り出すことも可能である。

自然界における竜巻を考察すると、高速で回転する空気が蒸気状態にある水から水−エアロゾルへの凝縮の引き金となっている現象が見られる。

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。

他方、前述のような電気の産出のための風力の活用は、気流の慣性エネルギーを電気へ変換する方法に基づくものであり、自然界の温暖な気流の内部熱エネルギーを実質的に電気へ変換することは考慮していない。例えば、垂直方向に長い収束チューブを用いて気流の一部分を加速させ、気流から電気を取り出す効率を向上させる技術がDaryoush Allaeiによる米国特許第7,811,048号「風力エネルギー変換システムのためのタービン吸引タワー」に記載されている。ここに記載されている方法は、空洞を有する高いタワー（例：100又は200フィート以上）の用い、下向きの気流を生じさせ、これを地面付近に置かれた風力タービンへ導入するものである。しかしながら、気流の加速は少なくとも以下の二つの理由により問題となり得る。第一に、長い流路は表面摩擦による抵抗を生じる。そして第二に、気流の方向転換が複数回行われるため、望まない抵抗が生じることが予期される。

したがって、本技術分野において再生可能な風力エネルギー（気流の慣性エネルギー、内部熱、地球の重力場における気団に内蔵された位置エネルギーを含む）を用いて空気から電気エネルギーを取り出すための効率的なメカニズムを提供するシステムが必要とされている。

さらに昨今では、重力により加速されて落下する水の慣性エネルギーを電気に変換する方法に基づき水力を用いて電気が産出されているが、自然界における温水の持つ内部熱エネルギーを実質的に電気へ変換することは考慮されていない。したがって、特に、比較的速度の遅い沖合の海における波から十分な量の電気を産出できないという問題がある。したがって、本技術分野において再生可能な水流エネルギー（水流の慣性エネルギー、内部熱、地球の重力場における気団が有する位置エネルギーを含む）を用いて水から電気エネルギーを取り出すための効率的なメカニズムを提供するシステムが必要とされている。

したがって、本発明の主要な目的は現存の方法及び装置による空気からの水の回収の限界を克服し、空気から水を回収し、気流及び水流から電気を取り出すための改良された方法及び装置を提供することである。

本発明のさらなる目的は、より確実に水を取り出すための方法及び装置を提供することである。

本発明のさらなる目的は、環境的にクリーンに水を回収する方法及び装置を提供することである。ここで、高湿度の空気からの水の凝縮は、自然界の気流から動力を得たエンジンにより達成される。

本発明のさらなる目的は、移動性部材を用いずにより強力で発展的な解決方法を提供するための方法及び装置を提供することである。ここで、エンジンの構成物中、移動するものは取り込まれる気流のみである。

周囲を流れる自然界の気流から動力を得て対象物を冷却する方法及び装置を提供することもまた、本発明の目的の一つである。

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また、本発明の目的の一つである。

本発明のさらなる目的は、自然界における温暖な気流を用いてその機械的エネルギー及び内部熱エネルギーの双方から電気エネルギーを取り出す方法及び装置を提供することである。

本発明のさらなる目的は、自然界における気流を動力として得て地球の重力場にある気体部分に内蔵される位置エネルギーから電気エネルギーを取り出す方法及び装置を提供することである。

水流から動力を得てその機械的エネルギー及び内部熱エネルギーの双方から電気エネルギーを取り出す方法及び装置を提供することもまた本発明の目的である。

電力を消費する従来のプロペラを備えた装置において、気流又は水流を生じさせ、これにより気流又は水流から機械エネルギー及び内部熱エネルギーを取り出し、正味の結果として正の電力を取り出すことができる方法及び装置を提供することもまた本発明のさらなる目的である。

燃料の燃焼又は電気から動力を得る収束プロペラの役割を果たす方法及び装置を提供することもまた本発明のさらなる目的である。この方法及び装置は、効率的に周囲の気体又は液体を回収することができ、回収効率は、消費によるエネルギーと内包物の内部熱エネルギーの双方を用いた結果として達成される。

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２は、水エアロゾルの環境的にクリーンなパッシブキャッチャーの概略図である。 図３は、環境的にクリーンな水の凝縮エンジンの概略図であり、翼様部材のセットを有し、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４は、角状チューブ（収束ノズル）及び水の凝縮エンジンの概略図であり、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５は、水の凝縮装置としての直列構造の角（つの）状チューブ(horn-tubes)を含む構成の概略図であり、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６aは、気流の一部分を収束させるシステム及び風力タービンの集合体の概略図であり、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６bは、気流の一部分を収束させ且つ下方へ方向転換させるシステム及び風力タービンの集合体の概略図であり、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６cは、プロペラ、気流変換システム、及び風力タービンの集合体の概略図であり、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、アルキメデススクリューの外形に沿うようにコイル状に配列された翼の概略側面図、切り出し概略図、及び概略等角図であり、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７bは、直線状に集合した二つの翼であって、アルキメデススクリューの外形に沿うようにコイル状に配列されたものの概略図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。ここで、第１のコイル状の翼は電力を消費することにより長手方向の保持軸の周りを回転する。

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２は、水エアロゾルの環境的にクリーンなパッシブキャッチャー２０の平面概略図である。キャッチャー２０は翼様の流線型の板のセット２１及びこれらを反転させた翼様の板２２を有しており、自然界で凝縮した露を回収する。キャッチャー２０を解放された空間に置くと、図１を参照しながら前述したように、高湿度の気流２３が翼様の板２１及び２２の周囲を流れ、空気が部分的に加速及び冷却される。翼様の板２１及び２２のそれぞれは、対向する気流２３の流れる方向をコアンダ効果に基づいて変更し、翼様の板２１及び２２を反転させて配置することにより気流２３が収束される。結果として得られる流出気流２９は連続性の式にしたがって加速される。ベルヌーイの定理に従って、気流の速度の加速に伴って静圧が低下する。そして、気体の法則に従い、静圧の低下により温度が低下する。対向する気流の速度が速いと、空気の一部が加速及び冷却される効果は高くなる。天候の条件が整い、高湿度の気流２３の温度がいわゆる露点に近い温度である場合には、露滴が気流により冷却された板２１及び２２の表面に生じる。キャッチャー２０は、しかし、凝縮された水エアロゾルを効率的にトラップできるようには構成されていない。部分的に乾燥された気流２９は、回収されない水エアロゾル及び気体状態である水蒸気を伴って環境的にクリーンなキャッチャー２０を後にする。ここで説明した凝縮を引き起こす要因である自然界の気流の速度はかなり遅いため、凝縮はなかなか引き起こされない。

図２とこれを参照する記載とから、パッシブキャッチャー２０に気流速加速機構を提供してもよいことが当業者に自明であろう。この気流速加速機構は、収束ノズル及び／又はプロペラであってもよく、凝縮された水エアロゾルの回収の効率を向上させる。

図３は、高湿度の気流３３が流入してくる水凝縮装置３０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。水凝縮エンジン３０は固定された翼様の湾曲板３１を有し、これらは流入する気流に作用し、渦を生じさせて高速スピン渦３２を作り出す。さらに、新たに入ってきた高湿度の気流３３は、同じ場所に新たに円を描く渦を生じる。流入する高湿度の気流３３が層状であると仮定すると、このような後押しする態様での渦の生成は、結果として高速スピン渦３２を作り出す。渦３２の内部において圧力の分布があり、内圧が低く、外圧が高くなっている。高速スピン渦３２にとらわれた空気の一部は、この渦により加速され、減圧される。空気の一部について断熱状態で圧力が下がると、気体の法則に従ってその空気の一部の温度は下がる。空気の冷却により所望された水−蒸気から水−エアロゾルへの凝縮が促進される。

図４は、角状チューブ収束ノズル４００の概略図である。角状チューブ収束ノズル４００は、流入する気流４４が水凝縮装置３００へ向かう経路に沿って配置され、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。この図において、水凝縮エンジン３００は詳細には記載されていない。具体的には、水凝縮エンジン３００は前述の図２における水凝縮装置２０又は図３における水凝縮装置３０に類似するものであってもよい。

好ましくは、角状チューブ４００の壁４８は翼様の流線型の外形を有しており、角状チューブ４００の開口端（流入口４１０及び流出口４２０）は実質的に異なる直径４０１及び４０２を有している。厚みが変化する翼様の外形を有する収束壁４８を用いることにより、不要な乱気流が生じることを防ぐことが可能である。高湿度の気流４４の流れが、大きな直径４０１を有する角状チューブノズル４００の流入口４１０から入り、小さな直径４０２を有する細い喉状の流出口４２０から出てくる。翼様の流線型の外形４８及び両端４１０と４２０の間に十分な長さ４９を有することにより、空気の流れを層状に形成することができる。

小さな直径４０２は、引き続き流入する気流４４の実質的なブレーキとならない程度に十分な大きさを有する。連続性の式によれば、小さな直径４０２を有する喉状の流出口４２０を通過する４５の地点における気流は、より大きな直径４０１を有する流入口４１０近傍の４６の地点における気流より速い速度を有する。したがって、非圧縮性のガスであると仮定すると、気流の速さは断面積に対して反比例の関係にある。例えば、流入口４１０の直径が喉状の流出口４２０の直径４０２の３倍である場合には、流出する気流の４５の地点における速さは、流入する気流の４６の地点における速さの３^２＝９倍である。したがって、角状チューブノズル４００は水凝縮装置３００へ導入する際に望まれる高速の気流４７を提供することができる。

角状チューブ収束ノズル４００自体が、水の凝縮機構としての役割を担うことも可能である。

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。

一般的に、実質的な断熱プロセスにおける気流の一部分の加速を説明しようとする場合には、仮想的な理想気体ではなく、流体の抵抗や粘性による摩擦を生じる実在気体におけるエネルギー保存の法則を適用するのがよい。したがって、気流の収束と加速には気流の慣性が用いられる。収束される気体の一部分が実質的に水平に流れる（すなわち、地球の重力場においてこの気体の一部分についての位置エネルギーの変化がない）と仮定する。するとこの気体の一部分が加速されることにより内部熱エネルギーの一部がこの気体の一部分の運動エネルギーに変換される。補正された乱気流、抵抗が気流の方向を変換する部材の断面積に比例すると仮定し、粘性に由来する表面摩擦による抵抗が気流の当たる表面積に比例し、気流の一部分の慣性として定義される気流の加速による正の効果が収束された一部分の空気の体積に比例すると仮定できる。前述の断面積及び表面積は、収束システムの長さの２乗に比例して大きくなり、前述の体積は収束システムの長さの３乗に比例して大きくなる。これは、装置の寸法（特に流出口４２０のサイズ）が十分に大きくなると、前述の正の効果が負の効果に対して実質的に高くなることを意味している。気流の一部分の速度を落とす作用を有する前述の負の効果が、加速の効果より低い場合には、流出してくる気流は結果として加速され、冷却される。

図４を参照した記載に基づき、角状チューブノズル４００の構成が翼様の板であって水平軸１００の周りにらせん状に配置されたものと解釈できることが当業者にとって自明であろう。

図４を参照した記載に基づき、冷却された気流４７を角状チューブノズル４００の外側に配置された他の目的物に吹き付けたり、これらを冷却するために気流４７を利用することが当業者にとって自明であろう。

しかしながら、流入する気流を加速をさせる際、流入口４１０の断面積が大きな角状チューブノズル４００を適用することが必ずしも実用的でない場合もある。幅広く（例えば、流入口４１０の直径４０１が３０ｍであり、喉状の流出口４２０の直径が１ｍである）、且つ実質的に強風に耐え得るような角状チューブノズル４００を構築することは容易ではなく、また経済的でもない。

図５は、直線状に直列構造の(cascaded)角状チューブ５１０、５２０及び５３０のセット５００の概略図である。角状チューブ５１０、５２０及び５３０はそれぞれ開口端（流入口５１１、５２１、５３１及び喉状の流出口５１２、５２２、５３２）を有している。流入口５１１、５２１、５３１の直径５０１は、喉状の流出口５１２、５２２、５３２の直径５０２とは実質的に異なる。本発明の例示的な実施形態によれば、この直列構成は、高湿度の気流５４が流入すると、気流の収束及び水凝縮エンジンとして作動する。高湿度の気流５４は、大きな直径５０１を有する角状チューブ５１０の流入口５１１から入り、より小さな直径５０２を有する喉状の流出口５１２から出てくる。

さらに、高湿度の気流５４の一部分は角状チューブ５１０の周囲を流れ、外気流５１７を形成する。

さらに、気流（細い喉状の流出口５１２から出てくる内気流５１６、及び外気流５１７）の双方が直列構造の(cascaded)角状チューブ５２０に入る。角状チューブ５２０は内気流５１６及び外気流５１７の双方を、気流５２６へ変換する。気流５２６は角状チューブ５２０の細い喉状流出口５２２から出てくるものであり、気流５１６の約２倍の速度を有する。次の角状チューブ５３０により、さらに新しく外側５２７から気流５４が導入され、さらに加速された気流５３６が生じる。気流５３６の断面積は角状チューブ５３０の細い喉状の流出口５３２の断面積と同じであり、その速度は気流５１６の速度の約３倍である。

気流の大部分を収束させるためには、一つの大きな角状チューブではなく直列構造の比較的小さな角状チューブのセットを使用することが好ましいことが見いだされた。これにより、少なくとも次のような利点が得られる。第一に、非実用的に大きな寸法のノズルを構築する必要が無いため、合理的に実現可能であり、そして第二に、抵抗力及び粘性に由来する表面摩擦抵抗の負の効果が実質的に減少することが見いだされている。

したがって、このような直列構造の複数の角状チューブによって、自然に存在する温暖で高湿度の気流を大量に収束させ、高速の細い気流にすることができる。得られる気流の速度が速いため、この気流は冷却され、高い生産性をもって凝縮された水を回収することが可能となる。

前述の図５を参照した記載に基づき、前述の水凝縮装置３００を直線状に直列構造の角状チューブのセット５００の後ろに配置することが本発明の例示的な実施形態に基づいて可能であることが当業者にとって自明であろう。

前述の図５を参照した記載に基づき、様々に修正された角状チューブを直列配置することにより収束システムを実装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。同様に、直線状に直列構造の角状チューブのセット５００を変更して、水平軸１００の周りをコイル状に配置された切れ目のない板とすることが可能である。これは、以降において図７ａを参照して記載されるアルキメデススクリューのスクリューの外形に沿うようにらせん状に配列されたものである。

前述の図５を参照した記載に基づき、結果として得られる気流の有する非常に高い運動エネルギーを、風力タービンによる電力の回収に用いることで生産性を高め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。気流はその後、配置された風力タービンによって電気エネルギーが回収され、正味の結果として、風力タービンは気流が元々有する機械エネルギーと内部熱エネルギーの双方の一部を変換する。

図６ａは、気流収束システム６６１の集合体６０１の概略図である。集合体６０１は、直列配置された角状チューブのセット及び気流６６８の運動エネルギーの一部分を電気エネルギーに変換する風力タービン８１１を含み、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。風力タービン８１１は、板保持機構８１３に取り付けられた翼様の板８１２を含む。この形態において翼様の板８１２は、収束されて細い断面積を有する気流の一部分６６８により回転する。所望により、風力タービン８１１を円柱状の筐体８１４内に格納してもよい。これにより気流６６８の断面積が増大することを防ぎ、よって減速することを防ぎ、高速の気流６６８の慣性により翼様の板８１２を回転させることができる。

板保持機構８１３を、ゆっくりではあるが力強く回転させるために、翼様の板８１２は、高速で流れる気流６６８にほぼ沿うように大きな面積を有することが好ましい。このような気流収束システム６０１及び風力タービン８１１の集合体６０１には次のような主たる利点がある。つまり、エネルギー保存則の観点から、増大された運動エネルギーは、収束された気流の一部分の内部熱エネルギーの消費により獲得される。これは、風力タービン８１１が、その後において収束される大気が元々有する運動エネルギーのみによりその駆動力を得ているのではなく、追加的に獲得された運動エネルギーからも駆動力を得ていることを意味している。このため、同じく自然に起こる気流を利用するが、これを収束させずに利用する大きな前面開口を有する風力タービンと比較して、高速気流６６８により回転される風力タービン８１１にういて予期される生産性を実質的に向上させることができる。

図６ｂは、気流収束システムの集合体６０２の概略図である。気流収束システムの集合体６０２は、直列配列され非対象な構造を有する角状チューブ６６３のセット及び流れる気流６６９の運動エネルギーの一部を電気エネルギーに変換することが可能な風力タービン８１１を含んでおり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。収束システム６６３の主要な特性は、収束された気流のフロント面６４がタービン８１１の板８１２に当たる流出気流６６９と比較して地面に対して有効に高い位置にあることである。このため、次の現象、すなわち収束された気流６４の水平方向における収束と垂直方向における方向転換の双方が起こる。ベルヌーイの原理によれば、気流の加速には静圧の低下と地球の重力場における位置エネルギーの減少の双方が伴う。したがって、エネルギー保存則の観点によれば、気流の一部分６４の運動エネルギーの増加は、気流の一部分６４の内部熱エネルギーと重力場における位置エネルギーの双方の消費により得られるものである。よって、風力タービン８１１は、収束された気流６４ではなく自然に起こる気流をそのまま利用し、広い前面開口を有する風力タービンと比較して実質的に多い電力を産出することができることが予想される。このように、直線状に直列構造の非対称の角状チューブを用いることにより、気流の重力場における位置エネルギーの利用を目的とし、下方向へ気流を流すために非実用的に高いカラムを導入する必要が無いというさらなる利点を達成することができる。

前述の図６ａ及び図６ｂを参照した記載に基づき、内部熱エネルギーと重力場における位置エネルギーを追加の運動エネルギーに変換する方法は、元々慣性エネルギーを有しているいかなる気体や液体にも適用できることが当業者にとって自明であろう。例えば、この方法は電力の産出を目的とした水力タービンの駆動のための水流の収束に用いることができる。

図６ｃは、収束システム６６１及び風力タービン８１１を含む集合体６０３の概略図である。図６ａに記載された集合体６０１に類似しているが、収束システムの流入口において従来型のプロペラ６６５が用いられており、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。従来型のプロペラ６６５は、エネルギーの消費により気流を生じる。具体的には、消費されるエネルギーは電力であってもよく、又は燃料の燃焼により得られ、電力と等価なものとして用いられるエネルギーであってもよい。従来型のプロペラ６６５により生じ、加速された気流６１６は、コアンダ効果によりその外側にある気流の一部分６１７を取り込んだ気流６１６となる。さらに、空気の一部６１７も収束され加速される。十分な強度を有する従来型のプロペラ６６５及び比較的大きな収束システム６６１を考慮し、さらに気流に関連づけられたエネルギーが気流の速度の３乗に比例することを鑑みると、空気の再生可能な内部熱エネルギーを用いることで消費されたエネルギーを風力タービン８１１により回収されたエネルギーより実質的に低くすることは現実的に達成可能な状況となる。

前述の図６ｃを参照した記載に基づき、従来型の方法で駆動されるプロペラを用いて気体又は液体の流れを作り出すシステムにおいて前述の内部熱エネルギーを追加的な運動エネルギーへ変換し、さらにこれを電気エネルギーへ変換する方法を適用することができることが当業者にとって自明であろう。さらに、前述の図６ｃを参照した記載に基づき、前述の内部熱エネルギーを追加的な運動エネルギーへ変換し、これをきっかけとして水蒸気を凝縮させて水エアロゾル及び水滴を得る方法を、従来型の方法で駆動されるプロペラを用いて高湿度の気流を作り出すシステムに適用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７ａは、アルキメデススクリューの外形に沿うように配列されたコイル状の翼７１の概略側面図、切り出し概略図、及び概略等角図であり、本発明の例示的な実施形態に基づいて構成されている。古典的なアルキメデススクリュー（図示せず）は、その長手方向の軸を中心に回転する際に粘性を有する気体又は液体をその周囲から取り込み、またその逆に、自由に回転可能なそのようなスクリューが気体又は液体の流れにさらされると、そのスクリューは回転する。図に示されたコイル状の翼７１は、前述のアルキメデススクリューの特性を有しており、また、他方、図５の参照を伴って記載された対向気流を変換させる角状チューブの特性も有している。コイル状の翼７１の全体としての構成をみると、その長手方向の軸を中心として非対称になっており、これにより対向気流に所望の回転を付与することができる。コイル状の翼７１を以下のような例示的な用途に用いると、主要な利点が得られる。

第一に、コイル状の翼７１は直線状に一連の固定の角状チューブの役割を果たすことができ、図５の参照を伴って記載したように、空気から水を回収するために実装され、高湿度の気流にさらされ得る。

第二に、コイル状の翼７１は、自然界の気流又は水流を加速させてタービン発電機の効率を上げるための固定された収束システムとして用いることができる。タービン発電機は、例えば図６ａの参照を伴って記載したものである。

第三に、コイル状の翼７１がその長手方向の保持軸７５を中心として自由に回転可能であるならば、発電を目的としたタービン発電機として用いることができる。気流の伝搬方向において長いことが好ましい前述の集合体６０１（図６ａ）と比較して、コイル状の翼７１の形状を導入した発電システムは、よりコンパクトである。これは、コイル状の翼７１が収束システムの役割と回転する板の役割の双方を担うからである。

第四に、コイル状の翼７１はその長手方向の保持軸７５を中心として強制的に回転させられ、したがって気体又は液体を取り込むエンジンとして用いることができる。古典的なアルキメデススクリューと比較して、コイル状の翼７１は回転により取り込まれた気流及び液流を収束及び加速させ、結果として加速された気流又は液流はコアンダ効果によりその周囲にある気体又は液体を引き込む。これにより、収束された気体又は液体の内部熱エネルギーを消費することによりエンジンの生産性を実質的に向上させることができる。このようなエンジンは、取り込み型のプロペラとしての役割を果たし、乗り物（例：車、船、潜水艦又は飛行機）に適用することで燃料を実質的に節約することができる。

第五に、コイル状の翼７１は乗り物（例：飛行機又はヘリコプター）に固定して取り付けられた翼様部材の役割を果たし、その乗り物の飛行特性を向上させることができる。

第六に、コイル状の翼７１はその長手方向の保持軸７５を中心として強制的に回転させられるが、これを垂直方向に配向（図示せず）させることにより、上側にある空気を取り込んで気流を下方へ加速させることができる。すなわち、揚力エンジンとして用いることができる。古典的なアルキメデススクリューにより空気を捕らえる揚力エンジンを有するレオナルドダビンチのヘリコプターとは異なり、ここで提案される揚力エンジンには、垂直方向に配向させたコイル状の翼７１によって気流の取り込み及び収束を行う特性がある。気流を収束させることにより温暖な大気の内部熱エネルギーと地球の重力場における大気の有する位置エネルギーとを下方へ流れる気流の運動エネルギーへ変換することができる。

第七に、図７ｂに示されるような直線状の集合体７０にまとめることが可能な二つのコイル状の翼７１及び７２を含む形態において、コイル状の翼７１を電力の消費によりその長手方向の保持軸７５を中心として強制的に回転させ（すなわち、コイル状の翼７１は取り込み−収束プロペラ７７の役割を果たしている）、他方で、コイル状の翼７２をその長手方向の保持軸７６を中心として回転自由な状態にして、電力発生用の風力タービンに用いることができる（すなわちコイル状の翼７２は収束板７９を有する風力タービン７８としての役割を果たしている）。この場合、収束板７９を有する風力タービン７８に当たる気流は、一方においては取り込み−収束プロペラによる電力の消費によって加速され、他方においては収束により（すなわち気流の内部熱エネルギーの変換により）加速されている。十分な強度を有する取り込み−収束プロペラ７７及び比較的大きなコイル状の翼７１と７２を考慮し、さらに気流に関するエネルギーが気流の速度の３乗に比例することを鑑みると、風力タービン７８により回収されたエネルギーが取り込み−収束プロペラ７７により消費されるエネルギーより多くなることは現実的に達成可能な状況となる。このため、直線状の集合体７０により生産される電力の正味の効率は正になる。

前述の図７ａ及び７ｂを参照した記載に基づき、前述のコイル状の翼を、気体又は液体の機械的エネルギー及び内部熱エネルギーを用いるあらゆるシステムに適用可能であることが当業者にとって自明であろう。

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 (17)

1. 水−エアロゾルの環境的にクリーンなパッシブキャッチャーであって、
   前記パッシブキャッチャーの流線型の翼様の板は、非対称形の流線型の外形を成す空間的な広がりを有する構成として規定され、
   前記外形の上側は当該外形の下側より長く、
   前記パッシブキャッチャーは少なくとも２枚の非対称に配置された固定の翼様の板からなるセットを含み、
   前記翼様の板は飽和水蒸気を運ぶ高湿度の気流にさらされ、
   前記非対称に配置された翼様の板は、前記高湿度の気流を受けて、当該気流の一部分の進行方向及び形状を局所的に変化させるように配向され、
   前記形状は、気流の断面積が変化することにより変化し、
   前記方向の変化及び前記断面積の変化により翼様の板に到達する気流の一部が局所的に加速され、
   ベルヌーイの定理にしたがって、前記局所的な加速には局所的な静圧の低下が伴い、
   気体の法則にしたがって、前記静圧の低下には局所的な温度低下が伴い、
   前記局所的な温度低下は前記飽和水蒸気から水−エアロゾル及び露滴への凝集を引き起こし、
   前記露滴は、前記非対称に配置された翼様の板の表面に回収される、パッシブキャッチャー。
2. 請求項１の水−エアロゾルの環境的にクリーンなパッシブキャッチャーであって、
   前記非対称に配置された翼様の板の少なくとも２枚は、さらに湾曲されており、これにより前記到達する気流の一部分による渦の生成が後押しされ、
   前記渦により静圧が低下する、パッシブキャッチャー。
3. 対向する流体にさらされる、流体を収束させる集合体であって、
   前記流体を収束させる集合体は、少なくとも２枚の相対する翼様の板を含み、
   揚力が、流線型の翼に当たる流体からの作用として規定され、
   前記少なくとも２枚の相対する翼様の板は、前記少なくとも２枚の相対する翼様の板のそれぞれにおいて前記流体が前記揚力として作用するように配置され、
   前記揚力は、前記少なくとも２枚の相対する翼様の板が互いに離れるように逆方向に作用し、
   ニュートンの第３法則にしたがって、前記相対する翼様の板は前記流体に作用し、前記流体が狭い断面積を全体として有するようになり、これにより前記集合体は流体を収束させる、集合体。
4. 請求項３の流体を収束させる集合体であって、
   前記流体は気流及び水流の少なくとも一つである、集合体。
5. 対向する流体にさらされる、流体収束装置であって、
   前記流体収束装置の流線型の翼は、非対称形の流線型の外形を成す空間的な広がりを有する構成として規定され、
   前記外形の上側は当該外形の下側より長く、
   流体が当たることにより前記流線型の翼様の板に働く揚力は上向きであり、
   前記流体を収束させる装置は、巻かれた状態の前記流線型の翼を少なくとも一つ含み、
   前記巻かれた状態の流線型の翼は、対向する流体の方向と実質的に同じ方向である前記コイル軸を中心として少なくとも一周巻かれ、
   前記巻かれた状態の流線型の翼は、前記流線型の翼様の板の下側が前記コイル軸に変換されるように構成され、
   前記巻かれた状態の流線型の翼は、前記対向する流体を前記コイル軸へ収束させる、装置。
6. 請求項５の流体収束装置であって、
   前記巻かれた状態の流線型の翼は、円状、楕円状、らせん状、アルキメデスのらせんのいずれかの形状を有するように少なくとも一周巻かれ、
   前記巻かれた状態の流線型の翼の外形は、アルキメデススクリューの外形である、装置。
7. 請求項５の流体収束装置であって、
   前記巻かれた状態の流線型の翼は、さらに分岐部材を少なくとも一つ含む、装置。
8. 請求項５の流体収束装置であって、
   前記流体を収束させる装置は、燃焼燃料及び電気のうち少なくとも一つにより駆動されるプロペラを更に備え、
   前記対向する流体は高湿度の気流であり、
   前記高湿度の気流は前記プロペラにより生じ、
   前記巻かれた状態の流線型の翼による前記気流の収束は、次の現象をもたらす：
   前記収束された流体は、連続性の式にしたがって加速され、
   前記流体の静圧は、ベルヌーイの定理にしたがって低下し、
   前記流体の内部熱エネルギーは、エネルギー保存則にしたがって減少し、
   よって、前記流体の冷却により、水蒸気から水−エアロゾル及び露滴の少なくとも一つへの凝集を引き起こす、装置。
9. 対向する流体にさらされる集合体であって、
   前記集合体は前記対向する流体の運動エネルギー及び内部熱エネルギーの双方の一部を電気エネルギーに変換し、
   前記集合体は、流体収束装置及びタービン発電機を含み、
   前記タービン発電機は、前記対向する流体により回転する板を含み且つ前記対向する流体の運動エネルギーから電気エネルギーを取り出すことが可能であり、
   前記流体収束装置は、直列構造の角（つの）状チューブ（horn-tubes）のセットを有し、当該セットは少なくとも二つの前記直列構造の角状チューブを有し、当該直列構造の角状チューブは二つの開口端である流入口と流出口を有し且つ断面積が変化する収束ノズルの形状を有し、
   前記直列構造の角状チューブは、前記対向する流体の一部が前記流入口から入り前記直列構造の角状チューブ内を進行して前記流出口へ至るように配向されており、
   前記セットの流出口は、流体の進行方向における最後の流出口として規定され、
   最初のフロント面は、収束される前の対向する流体のフロント面として規定され、
   有効な流入口の面積は、前記直列構造の角状チューブに入る前記流体の一部分の前記最初のフロント面の面積として規定され、
   前記直列構造の角状チューブの喉状部位は、前記直列構造の角状チューブのセットの一部として規定され、当該一部は前記変化する断面積の中で最小の値を有し、当該喉状部位の最小断面積と前記有効な流入口の断面積との差は少なくとも２倍であり、
   前記直列構造の角状チューブの断面が収束していくことにより前記流体の一部分は、その流体の断面積が減少していき、特に以下の現象に至り：
   （１）前記流体の速さ及び密度が上昇し、連続性の式にしたがって当該流体の速さ及び密度の値の積に反比例するように当該流体の断面積が減少し、
   （２）ベルヌーイの定理にしたがって前記加速された流体の一部分の静圧が低下し、
   （３）内部熱エネルギーの一部が前記流体の運動エネルギーへ変換され、これによりエネルギー保存則に従い当該流体の一部分の運動エネルギーを増大され、
   さらに、
   前記加速された流体の一部分により前記タービン発電機の板が駆動され、
   前記タービン発電機は、前記流体の増加した運動エネルギーの一部分を回収電気エネルギーへ変換し、
   収束される前の対向する流体の一部分について、運動エネルギー及び内部熱エネルギーの双方の一部分が、前記タービン発電機により回収される電気エネルギーへ正味として変換される、集合体。
10. 請求項９の集合体であって、
    前記断面の高さは、断面の全ての点についての海抜の平均値として規定され、
    前記流体の一部分の重力場における位置エネルギーは、当該流体の一部分が地球の重力場において有するエネルギーの一種として規定され、
    前記直列構造の角状チューブのセットは、前記流体の一部分の前記最初のフロント面の断面の高さが前記セットの流出口の断面の高さより高くなるように構成及び配置され、よってベルヌーイの定理にしたがって前記セットの流出口における前記流体の一部分は前記最初のフロント面における前記流体の一部分より速い速度及び低い重力場位置エネルギーを有し、
    前記集合体は、収束されて方向転換される前の前記流体の一部分について、前記重力場位置エネルギーの一部分を電気エネルギーへ正味として変換する、集合体。
11. 請求項９の集合体であって、
    前記対向する流体は、前記集合体の周囲及びこれを通るように流れる自然界における再生可能な気流であり、
    前記タービン発電機は、風力タービンである、集合体。
12. 請求項９の集合体であって、
    前記対向する流体は、前記集合体の周囲及びこれを通るように流れる自然界における再生可能な水流であり、
    前記タービン発電機は、水力タービンである、集合体。
13. 請求項９の集合体であって、
    前記直列構造の角状のチューブのセットは、アルキメデススクリューの外形に沿って配置され、らせん状にコイル軸を中心に巻かれた切れ目のない板であり、
    前記らせん状に巻かれた板は、切れ目のない板と前記コイル軸との間に実質的な自由空間が残るように巻かれ、
    前記自由空間の断面積は、前記コイル軸に沿って変化する、集合体。
14. 請求項９の集合体であって、
    前記集合体は、燃焼燃料及び電気のうち少なくとも一により駆動されるプロペラを更に備え、
    前記対向する流体は前記プロペラにより生じ、
    前記集合体により産出される電気エネルギーの正味効率は、前記タービン発電機により回収されるエネルギーと前記プロペラにより消費されるエネルギーとの差により規定される、集合体。
15. 収束スクリューであって、
    前記収束スクリューの流線型の翼様の板は、非対象形の流線型の外形を成す空間的な広がりを有する構成として規定され、
    前記外形の上側は当該外形の下側より長く、
    流体が当たることにより前記流線型の翼様の板に働く揚力は上向きであり、
    前記収束スクリューは、保持軸及び当該保持軸に取り付けられ且つ巻かれた状態の流線型の翼様の板を少なくとも一つ含み、
    前記巻かれた状態の翼様の板は、前記らせん状の板の外形がアルキメデススクリューの外形に沿うように、前記保持軸を中心として少なくとも一周巻かれ、
    前記巻かれた状態の翼様の板は、前記流線型の翼様の板の下側が前記保持軸に向けられるように構成され、
    前記巻かれた状態の翼様の板は、巻かれた状態の翼様の板と前記保持軸との間に実質的な自由空間が残るように巻かれ、
    前記自由空間の断面積は、前記保持軸に沿って変化する、収束スクリュー。
16. 請求項１５の収束スクリューであって、
    前記巻かれた状態の流線型の翼様の板は、前記保持軸の周りを強制的に回転させることができ、
    前記回転は燃焼燃料及び電気のうち少なくとも一により駆動され、
    前記収束スクリューは周囲物質を取り込むために用いられ、
    前記周囲物質は気体及び液体の少なくとも一つであり、
    前記気体及び液体の少なくとも一つについての前記収束スクリューにより取り込まれた部分は、前記変化する断面積を有する前記自由空間を通る流体を形成し、
    前記流体は、収束及び加速され、
    前記収束及び加速には、コアンダ効果による前記周囲物質の更なる取り込みが伴い、
    エネルギー保存則にしたがって、前記収束された流体の内部熱エネルギーの消費の結果として前記取り込みの生産性が向上する、収束スクリュー。
17. 請求項１５の収束スクリューであって、
    前記巻かれた状態の流線型の翼様の板は、前記保持軸の周りを強制的に回転させることができ、
    前記回転は周囲の対向する流体により駆動され、
    前記流体は気流及び水流の少なくとも一つであり、
    前記流体の一部分は、前記変化する断面積を有する前記自由空間を通る流体を形成し、
    前記流体は収束され、
    前記収束には、エネルギー保存則にしたがって前記流体の一部分についての内部熱エネルギーから追加的な運動エネルギーへの部分的な変換が伴い、
    前記収束スクリューは、発電のためのタービン発電機に用いられ、
    前記タービン発電機は、前記流体の増加した運動エネルギーの一部分を回収電気エネルギーへ変換し、
    収束される前の対向する流体の一部分について、運動エネルギー及び内部熱エネルギーの双方の一部分が、前記タービン発電機により回収される電気エネルギーへ正味として変換される、収束スクリュー。