專利名稱：對流發電方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用人工產生的旋風現象的能量而對發電的方法和裝置加以改進，從而實現能量的高效利用。
背景技術：
已經對發電作出如下的嘗試，其中，人工產生與自然界中發生的旋風相同的現象，并且利用其氣流的旋轉能量驅動渦輪。
本發明人先前提出了一種作為實現這種嘗試的裝置(日本專利Kokai第6-147098號)，該裝置包括密閉地封有用于熱交換的氣體的圓柱體；在軸向上安裝到上述圓柱體內的冷卻管，用于冷卻的流體從軸向端部引入該冷卻管；在軸向上安裝到上述圓柱體內的加熱管，用于加熱的流體從軸向上另一端部引入該加熱管；用于冷卻氣體的冷卻流通道，該通道以螺旋管形式與上述冷卻管的圓周相接觸地安裝；用于加熱氣體的加熱流通道，該通道以螺旋管形式與上述加熱管的圓周相接觸地安裝，并在兩端開口，以產生氣流；安裝在上述冷卻流通道和加熱流通道的出流和入流開口的至少一個處的風扇；以及與這個風扇旋轉連接的輸出軸，其中，一方面，在加熱流通道內加熱的氣體引入冷卻流通道中，而另一方面，冷卻流通道內冷卻的氣體引入到加熱流通道中，以在冷卻流通道和加熱流通道之間產生螺旋運動形式循環的氣體對流，并且上述風扇由借助上述氣體的溫差而產生的對流旋轉，從而發電。
然而，在這種裝置中，冷卻流通道內高壓下的氣體冷卻并收縮，而被賦予以增大的比重，并經由循環長距離的螺旋流動通道而運動，以產生離心力，從而氣體由離心力壓在對流通道的圓周壁上，因為由此產生的摩擦力而導致大量能量損失。
并且，為了構造特別大型的裝置，用于熱交換的平面翅片的使用必然伴隨有每單位寬度的熱傳導距離增大，且熱交換率大大降低，另外，圓柱壁的壁厚必須增大，伴隨有質量增大，并由于與外來介質的熱交換率降低而導致能量輸出降低。
本發明已經得以完成，其目的為通過克服傳統對流發電裝置中的這種缺陷，提供一種用于以高效率將對流能量向發電能量轉換的改進方法，以及一種用于實現該方法的發電裝置。

發明內容
本發明提供了一種方法，其中，上升氣流通道和下降氣流通道強制地形成在密封氣體的封閉區域內，以通過二者的協同效應來產生對流氣流，而渦輪由對流氣流驅動，從而發電；一種方法，其中，發電效率通過將一圓柱形轉子安裝在上述上升氣流通道和下降氣流通道之間，以及如果適合的話，安裝在上升氣流通道和將封閉區域與外界隔開的隔壁之間來予以提高；以及一種用于實現該方法的裝置。


圖1是在本發明方法中、圓柱形轉子安裝在上升氣流通道和下降氣流通道之間的示例的橫截面圖的示意性說明；圖2是在本發明方法中、圓柱形轉子安裝在上升氣流通道和下降氣流通道之間以及上升氣流通道和將封閉區域與外界隔離的隔壁之間的示例的橫截面圖的示意性說明；圖3是作為示例的本發明裝置的斜視圖；圖4是示出作為示例的圖3中的圓柱形轉子結構的斜視圖；圖5是在本發明的裝置中，兩個圓柱形轉子安裝在上升氣流通道和下降氣流通道之間以及上升氣流通道和將封閉區域與外界隔離的隔壁之間的示例的橫截面圖的示意性說明；圖6是示出本發明裝置示例的橫截面圖的示意性說明；圖7是示出本發明裝置另一示例的橫截面圖的示意性說明。
具體實施例方式
下面，將參照附圖描述本發明的方法和裝置。
在圖1中，圖1是在本發明方法中、圓柱形轉子安裝在上升氣流通道和下降氣流通道之間的示例的橫截面圖的示意性說明，固定到一對上部風扇3和下部風扇4上的圓柱形轉子2包含在圓柱形隔壁1內，其中這對風扇經由樞轉支撐元件8、9以可旋轉的方式樞轉地得以支撐，而圓柱形隔壁1將密封氣體的封閉區域與外界隔離，同時下部風扇4經由齒輪5、6連接到發電機10的輸入軸上，并經由齒輪5、7連接到電機11的輸出軸上。
通過與高溫介質接觸而強制產生的上升氣流經A→B→C→D的流動通道上升，另一方面，通過與低溫介質接觸而強制產生的下降氣流經D→E→F→A和G→H的流動通道下降，以在風扇3、4的位置處形成對流，使得風扇3、4旋轉，同時使得固定于其上的圓柱形轉子2旋轉。
圖2是在本發明的方法中、除了在上升氣流通道和下降氣流通道之間的第一圓柱形轉子之外，進一步在上升氣流通道和將封閉區域與外界隔離的隔壁之間安裝第二圓柱形轉子的示例的橫截面圖的示意性說明，根據需要，除了在上面圖1所述的構造之外，具有氣體排出開口13等的第二圓柱形轉子12安裝在第一圓柱形轉子2和圓柱形隔壁1之間，而這通過圓柱形隔壁1內氣流的運動而誘發旋轉，由此進一步減小上升氣流和下降氣流之間的摩擦。
同樣，G和H之間的氣體被離心力向外壓縮在E和F之間，從而產生壓縮熱，這個壓縮熱可以得以有效利用來增大與冷卻介質的溫差，而這有利于提高熱交換效率。失去熱量的F附近的氣體劇烈收縮，并在比重增大的情況下在A和B之間被賦予了較多的離心力。
接著，當A和B之間的氣體流動而進入B和C之間時，更多的離心力也賦予其上，但由于氣體排出開口13等不產生壓縮，從而不產生壓縮熱，并且通過與B和C之間存在的高溫介質的熱交換而膨脹，導致比重減小。比重減小的氣體在C和D之間被賦予較小的離心力，而該離心力被A和B之間所賦予的較大離心力所抵消，以連續循環，從而可以產生強大的對流能量。在此優選地是，在開始時刻為了加速建立(工作狀態)，可以借助于電機暫時促進回轉。
接著，通過參照附圖，給出對實現本發明方法的裝置的適當示例的描述。
圖3是局部剖開的本發明裝置示例的斜視圖，而圖4是示出圖3中圓柱形轉子的結構示例的斜視圖。
在圖3中，本發明的裝置以如下結構構造，即，圓柱形轉子102包含在圓柱體101內側，而高溫介質供給管103螺旋形地圍繞其圓周。高溫介質供給管103設置在整個長度上，并帶有向內延伸的翅片104，以促進熱交換。
圖4示出包含在這個裝置中的圓柱形轉子102的示例，可旋轉的葉片106牢固地連接到這個圓柱形轉子102的底面上，以便借助于樞轉支撐元件107和108和臂109...以可自由旋轉的方式安裝到圓柱體101上，從而將螺旋形式的低溫介質供給管110與設置在其內側的上述高溫介質供給管103隔離。至關重要的是，在此使用的樞轉支撐元件107和108具有如此結構以允許圓柱形轉子102可以無負載地平滑回轉。例如，這種結構包括利用軸承減小摩擦的結構、帶有水銀的液體密封型結構、磁鐵支撐型結構、借助于超導的無摩擦型結構等。
并且，在具有這種結構的裝置中，當高溫介質和低溫介質分別引入高溫介質供給管103和低溫介質供給管110時，圓柱體101內的氣體在高溫介質供給管103和翅片104附近加熱，形成上升氣流；而在圓柱形轉子102內的氣體通過與低溫介質供給管110接觸而被冷卻，形成下降氣流。
并且，以這種方式產生的上升氣流和下降氣流在到達圓柱體101的底部或其附近之前不彼此接觸，因此，它們可以用來產生渦旋氣流，而不會伴有摩擦造成的能量損失，從而通過將用于啟動的風扇設置在該部分，可以產生劇烈旋轉，并可以通過將發電機經輸出軸連接到這個啟動風扇上來高效獲得所需的電能。
可供選擇的是，上述圓柱形轉子102具有如下的結構，即其側表面形成有波動和折流板以阻止氣流以特定間隔供給到波浪形式的底部，或者具有如下的結構，即折流板設置有朝向氣流方向的傾角，由此通過沿圓柱形轉子102內側及其外側的流動通道方向的壓力矢量抵消與其碰撞的氣流壓力矢量，從而減少氣體泄漏。此外，圓柱形轉子102在此不必要為從上到下直徑均勻的圓柱形，而是可以為頂部和底部之間直徑不同的截錐形。
接著，圖5是示出具有兩個圓柱形轉子的裝置示例的示意性橫截面圖，這兩個轉子安裝在上升氣流通道和下降氣流通道之間以及上升氣流通道和將封閉區域與外界隔離的隔壁之間。
在該圖中，兩個圓柱形轉子102和111包含在圓柱體101內，并且，它們以可獨立旋轉的方式同軸并同心安裝。內側的第一圓柱形轉子102將低溫介質供給管112以螺旋形式形成的下降氣流通道與高溫介質供給管113形成的上升氣體通道隔離開，從而阻止下降氣流與上升氣流接觸。
另一方面，外側的第二圓柱形轉子111設置在高溫介質供給管113形成的上升氣流通道和圓柱體101的內壁之間，從而抑制上升氣流由于上升氣流與圓柱體101側壁表面之間的摩擦而速度減弱，同時防止由于高度摩擦而產生熱量以及由于氣體被離心力壓到環繞側壁上而產生壓縮熱。
優選地是，外側的圓柱形轉子111在適當位置處設置有氣體排出開口114...，用于耗散在離心力壓縮作用下而被賦予增大的比重的氣體。
氣體排出開口114...理想地是通過以促進圓柱形轉子111轉動的方式沿著與圓柱形轉子111旋轉方向相反的方向成一定角度鉆孔而形成。
在以這種方式構造的本發明的裝置中，低溫介質和高溫介質分別引入到低溫介質供給管112和高溫介質供給管113上，從而在第一圓柱形轉子102內側產生下降氣流，而在其外側產生上升氣流，由此通過在圖5中箭頭標記的方向上對流循環而在圓柱體101下部內產生渦旋氣流在這種情況下，第一圓柱形轉子102借助于牢固設置在其底部、用于捕捉渦旋氣流的風扇(圖中未示出)而旋轉，從而增大上升氣流的速度。此外，第二圓柱形轉子111也被誘使轉動，以緩解離心力導致的氣體壓縮，并同時通過自氣體排出開口114...的噴射力來進一步促進渦旋氣流的形成，從而上述風扇轉動更加劇烈，進而利用其可以使發電效率極大增加。
示例1圖6是單個圓柱形轉子包含在本發明的裝置中的示例，該裝置具有如下的結構，即單個圓柱形轉子202設置在圓柱體200內側，而圓柱體200由隔熱保護材料201覆蓋。
在該圖中，圓柱形轉子202被處于通過上升氣流通道203和下降氣流通道204而對流的氣體A誘發轉動，通過抑制氣體摩擦造成的能量衰減來極大地增大能量輸出。上述圓柱形轉子202具有側壁表面，該表面帶有通過拉延工藝形成的波紋，而折流板205...以適當的間隔固定到波紋形式的底部上，從而圓柱形轉子202由折流板205所接收的氣體A的壓力的反作用而轉動，并且這個轉動可以用于驅動發電機214。
在這種情況下，固定折流板205...，以便抑制氣體A從上升氣流通道203或下降氣流通道204與圓柱形轉子202之間的間隙漏出，且折流板朝著旋轉的方向傾斜，以便可以通過氣體A與折流板205...撞擊處的反作用壓力來防止氣體A的泄漏。
在通過與螺旋形的冷卻介質供給管206相接觸而形成下降氣流通道204的同時，這個冷卻介質供給管206設置有V形翅片207，該翅片在整個長度上一體地固定于供給管206上，由此增大熱交換率，并同時加強強度。通過使內部中空，并通過在翅片和冷卻介質供給管206之間形成通過開口208...，可以使這個V形翅片207熱交換率進一步提高。
下降氣流通道204沿著螺旋形冷卻介質供給管206的內側形成，從而借助于氣壓而使得設置在其下端開口的用于啟動的風扇209旋轉，由此啟動與啟動風扇209相連接的圓柱形轉子202。并且，氣體利用離心力從圓柱體200的封閉板210處的氣體出流/入流口211引入，而該封閉板210安裝在圓柱形轉子202的下端軸支撐部分的附近，從而壓縮并增大圓柱形轉子202外圓周附近的上升氣流通道203和下降氣流通道204內的氣體A的壓力，由此通過輸出齒輪212實現與圓柱形轉子202的離心式離合器的軸向對齊，而不需要油封。
并且，封閉的圓柱體200通過封閉板210與發電機214的部件隔離開，而加壓氣體A由圓柱形轉子202的離心力移動，以補償發電機214部件內的壓力減小而造成的風阻損失，并且增大/減小調節圓柱體200下端的氣體A的輸出，從而通過確保加壓氣體A的安全來獲取電能。
加熱介質供給管213由螺旋形式設置在圓柱體200內壁和圓柱形轉子202外壁上的波紋管結構的主體構成，并具有如下的結構，即，加熱介質引入到圓柱體200內壁上的間隙空間，而圓柱形轉子202外壁上的間隙空間作用為上升氣流通道203。
至于加熱介質供給管213，可以通過改進螺旋形波紋管的相應的隆起部分和凹陷部分的角度和長度來調節流速橫截面和外表面區域以及上升氣流通道的橫截面，從而與氣體A的密度相適應。
并且，上述螺旋形波紋管的熱交換面積可以通過在圓柱體200內壁上提供螺旋形的V形翅片而得以進一步增大，同時改善圓柱體200在軸向上的耐壓強度。
該裝置中，在圓柱體200的中下端上，安裝有輸出齒輪212，該輸出齒輪帶有與用于發電的齒輪216嚙合的離心式離合器，而齒輪216作用為通過電磁離合器217驅動發電機214。帶有離心式離合器的輸出齒輪215在轉矩很小的啟動瞬間處于自由的狀態，并且僅在正常轉動時自動地處于連接狀態。在發電機214出現故障時，帶有離心式離合器的這個輸出齒輪212可以用于立即切換到另一發電機215上。
通常，當圓柱形轉子202以高速旋轉，且圓柱體200的發電機部分218的開關219開啟時，存在于轉子內的氣體借助其離心力而抵壓在轉子的環繞壁上，因此，在轉子的中心部分產生負壓。隨后，發電機部分218內的氣體從圓柱體202底部的封閉板內的氣流開口被吸入，而這個部分處于低于大氣壓的壓力下，由此開關219外側的氣體進入到發電機部分218中。
工作狀態下的該裝置可以通過中斷向加熱介質供給管213和冷卻介質供給管206提供加熱介質和冷卻介質而予以停止。通過這樣做，上升氣流通道203和下降氣流通道204之間的溫差取消，而導致氣體在圓柱體200內的對流消失，并也中止了圓柱形轉子202的轉動。被吸入的外部氣體通過開關219排出，從而可以確保安全。
另一方面，配備有回轉圓環(turn doughnut)220和回轉箍風扇(turn bucklefan)221...的回轉箍托架(turn buckle holder)222設置在圓柱形202的上端，而氣體A的對流狀態可以通過改進回轉箍風扇221...的葉片角度來加以控制。
并且，回轉箍托架222連接到推力軸承223上，在保持圓柱體200處于氣密條件下的同時，圓柱形轉子202能夠轉動，并且冷卻介質借助于穿過其中心的冷卻主管224導引到冷卻介質供給管206，從而圓柱形轉子202的轉動可以平滑地持續進行，而不會受到任何方式的干擾。
示例2圖7示出在圓柱體300內包含兩個圓柱形轉子301、302的裝置的示例，其中，太陽熱能用作高溫介質的加熱源。
在這個裝置中，除了作用為消除下降氣流通道303和上升氣流通道304之間的接觸的第一圓柱形轉子301之外，還安裝了作用為減小上升氣流通道304和圓柱體300內壁之間的摩擦的第二圓柱形轉子302。第一圓柱形轉子301和第二圓柱形轉子301由齒輪306和307連接，并通過離心式離合器305差速旋轉，從而轉動可以遵照發電機315上的預計負載來得以充分調節。
在這個裝置中，當第一圓柱形轉子301高速旋轉時，其內側的加壓氣體A被賦予以離心力并被壓縮，導致溫度升高，從而借助于提高與其附近的下降氣流通道303的溫差來提高熱交換率；另一方面，當第二圓柱形轉子302低速轉動時，其加壓氣體A接受降低的離心壓縮而隨著溫度降低而膨脹，從而增大與上升氣流通道304的溫差，且熱交換率提高，導致即使在溫差較小情況下能量輸出也能極大增加。
在這種情況下，所需的較大的差速轉動可以通過選擇齒輪306齒數較少而齒輪307齒數較多來實現，同時這個齒數比必須在考慮到要產生的溫差、加壓氣體A的密度等的前提下加以確定。
在這個圖中，低溫介質供給管308以螺旋形式安裝，用于在具有波紋形式的側壁表面的第一圓柱形轉子301之內形成下降氣流通道303，且這個低溫介質供給管308在其整個長度上連接有內部形成中空的V形翅片309，以提高熱交換。
并且，用于太陽熱能加熱的高溫介質的供給管310以螺旋形式安裝到也具有波紋形式側壁表面的第二圓柱形轉子302上，并且它也在整個長度上連接有內部形成中空的V形翅片311，以用于提高熱交換。啟動風扇312牢固安裝在第一圓柱形轉子301底面附近并通過轉軸316和齒輪313、314連接到發電機315上。
在如此構成的發電裝置中，可以按與示例1相同的形式產生電，也可以以相同形式停止。
工業應用性由于可以利用自然界中發生的(例如通過太陽熱能提高溫度)溫差、海洋中的溫差、地熱等產生的溫差的現象來高效發電，因此作為清潔能源，本發明具有很高的應用價值。
權利要求
1.一種通過對流發電的方法，其特征在于，在用于發電的方法中，包括在包含其中密封的氣體的圓柱形封閉區域內，向內形成下降氣流通道并在其外側形成上升氣流通道；通過下降氣流和上升氣流的協同相互作用而產生渦旋氣流；并通過渦旋氣流轉動發電渦輪，從而發電；下降氣流通道和上升氣流通道由它們之間的圓柱形轉子彼此隔離。
2.一種通過對流發電的方法，其特征在于，在用于發電的方法中，包括在包含其中密封的氣體的圓柱形封閉區域內，向內形成下降氣流通道并在其外側形成上升氣流通道；通過下降氣流和上升氣流的協同相互作用而產生渦旋氣流；并通過渦旋氣流轉動發電渦輪，從而發電；下降氣流通道和上升氣流通道彼此隔離，以及上升氣流通道由圓柱形轉子與圓柱形封閉區域隔離。
3.一種用于通過對流發電的裝置，其包括填充有氣體的圓柱體；在頂部和底部處可樞轉地支撐的圓柱形轉子，該圓柱形轉子中包含有螺旋形低溫介質供給管；沿著圓柱形轉子外側安裝的螺旋形高溫介質供給管；以及牢固安裝到圓柱形轉子底部的啟動風扇。
4.一種用于通過對流發電的裝置，其包括填充有氣體的圓柱體；在頂部和底部處可樞轉地支撐的第一圓柱形轉子，該第一圓柱形轉子包含螺旋形低溫介質供給管；沿著第一圓柱形轉子外側安裝的螺旋形高溫介質供給管；以及將高溫介質供給管和圓柱體內壁彼此隔離的第二圓柱形轉子。
5.如權利要求3或4所述的用于通過對流發電的裝置，其特征在于，用于促進熱交換的翅片連接到低溫介質供給管和高溫介質供給管上。
6.如權利要求4所述的用于通過對流發電的裝置，其特征在于，多個氣體排出開口形成在第二圓柱形轉子的側壁上。
全文摘要
本發明公開了一種通過在其中密封氣體的封閉區域內強制形成上升氣流通道和下降氣流通道、通過兩個氣流通道的協同效果產生渦旋氣流來發電的方法，其中發電效率得以提高，以及一種實現該方法的裝置。圓柱形轉子(2)安裝在上升氣流通道和下降氣流通道之間，由此形成渦旋氣流并轉動風扇(3、4)。根據環境，第二圓柱形轉子(12)安裝在上升氣流通道和將封閉區域與外界隔離的隔壁之間，由此減小上升氣流和下降氣流之間的摩擦。并且，例如通過利用自然界產生的溫差，該方法可以用來發電。文檔編號F03G7/04GK1454292SQ00819897
公開日2003年11月5日 申請日期2000年10月27日 優先權日2000年10月27日
發明者阿部俊廣 申請人:阿部俊廣