JP4673367B2

JP4673367B2 - 浮力発電装置

Info

Publication number: JP4673367B2
Application number: JP2007513537A
Authority: JP
Inventors: 信三伊藤
Original assignee: 株式会社ユーリカエンジニアリング
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2026-09-11
Also published as: WO2007034701A1; JPWO2007034701A1

Description

本発明は浮力発電装置に関する。より詳しくは本発明は温度変化により発生する浮力を用いた浮力発電装置に関する。

特許文献１（特開昭５１−１２４７５２号公報）には、図３に示すように鎖状に繋がれた容器を用いた浮力利用の永久機関が開示されている。すなわち、鎖状に繋がれた容器が上下の案内車に掛けられ、案内車の右側にある容器群は水槽の底部に設けられた案内口を通って水槽内を通過するようになっている。従って、水槽内の容器群に浮力が働き、浮力分だけ右側の容器群が押し上げられ案内車が反時計方向に回転するとして、その回転力を動力として利用しようとしている。なお、容器が水槽の案内口を通過して水中に潜入する前に、次の容器が案内口の通路を閉塞するので水槽からの水の漏洩が防止されるとしている。

また、特許文献２（特開昭５１−７４１５１号公報）には、図４に示されるような装置が示されている。すなわち、図４において空気を密閉した容器を連結棒により連結し環状にしたものを案内車にベルト状に掛け、右側の容器は上部水槽内の水の浮力により上方に浮上し、左側の容器は上部水槽の外側に位置しているため自重により下方に落下運動を起こすから、その回転運動を動力として取り出し発電機を回すようにした浮力利用の永久機関である。この発明では、前述の図３の発明とは違って水底ではなく水面から容器を沈めている。
特開昭５１−１２４７５２号公報特開昭５１−７４１５１号公報

上述した特許文献１または特許文献２に記載された従来の装置においては、永久機関を達成しようとするものであるが、何れも物理的には動力を取り出すことができない。

すなわち、図３に示した特許文献１の装置にあっては、容器を水槽の底部から水中に押し込むため必要な力は水槽内の容器群によって発生する全浮力よりも大きくなる。浮力による力では容器は水槽の底部から水中に押し込まれず、従って上下の案内車に掛けられた鎖状の容器が運動することがない。

一方、図４に示した特許文献２に記載の装置においては、上述の図３の発明とは違って水底ではなく水面から容器を押し込んでいるので永久機関が可能かのように錯覚を与えるが、容器が入り込む水槽は右側の上部水槽と連通しているため、その水面には上部水槽の水深Ｈに相当する水圧が加わったり、その水圧を押し退けて容器を挿入するには浮力により発生する力では足りない。従って、この発明の装置によっては永久機関を作動させることはできない。

上述のように、特許文献１または２に提案されている従来の装置は何れも所謂永久機関を達成しようとするものであるが、何れも物理的に作動し得ないものである。

このような点に鑑み、本発明においては永久機関ではなく、外部からのエネルギーを有効に利用し、そして温度差により浮力を発生して発電機を回すようにした浮力発電装置を提案することを目的とするものである。

本発明においては、高温熱源に連結され高温液体を収納した垂直高温槽および低温液体を収納した垂直低温槽からなり、該高温槽と低温槽が底部において連通するとともに該高温槽と低温槽との間に垂直な仕切りが形成されており、該高温槽の下端部が該仕切りの下端部と垂直方向にギャップをなし高温槽の液体と低温槽の液体とが成層しており、
無端状浮子支持部材が前記低温槽、底部および高温槽内を移動可能に設けられるとともに発電機に連結され、
前記高温槽の上部から低温槽の上部に至る無端状浮子支持体の経路に浮子冷却領域が形成され、該浮子冷却領域に浮子冷却装置が設けられており、
前記浮子支持部材に取着された多数の浮子が前記高温槽では気相となるとともに前記低温槽では液相となる熱媒体を収納した膨脹・収縮可能な袋体からなる、
ことを特徴とする浮力発電装置により上記目的を達成する。

この場合に、前記低温槽が低温熱源に連結されていてもよい。また、前記浮子冷却領域に冷却水を噴霧するスプレーのような浮子冷却装置が設けられていてもよい。

前記無端状浮子支持部材はロープ、ワイヤなどでもよいが、好ましくはエンドレスチェーンとする。

前記高温槽および低温槽に収納される液体を水とすることにより取扱いが容易となり好ましい。

本発明においては、高温槽では気相となるとともに低温槽では液相となる熱媒体を浮子の袋体に収納している。また、本発明における高温とは浮子中の液状の熱媒体が気化して気相となれる温度であり、一方、低温とは浮子中の熱媒体が液体状を保てる温度である。

本発明においては、垂直高温槽と垂直低温槽の底部を連通しているので、高温槽内の液体と低温槽内の液体が成層をなして接触している。この場合に、高温槽内の液体の底面が、高温槽と低温槽の間の仕切りの下端より所定のギャップＧだけ上方に位置するように高温槽および低温槽に収納する液体量を調節して、上記成層が定常的に維持されるようにすることが好ましい。このギャップＧにより、高温槽の熱が低温槽の垂直部内の低温液体に伝達することを防止できる。また、浮子が高温槽の上部から脱出したときに生じる波動が高温槽内を伝わり高温槽の下端部が乱れても、高温槽の高温液体が低温槽の垂直部内の低温液体と混合することを防止できる。また、高温槽と低温槽の間の成層部に、浮子が通過するのに充分な大きさの穴を有する水平仕切り板を設ければ、より一層、温度成層性が保たれるので好ましい。

高低温槽の液体が接しているため浮子が高温槽内に入る場合にも高温液体と低温液体の境部においては両者の圧力が掛かっており、特別な力を要することなく浮子は高温液体の中に入っていくことができる。従って、特許文献１または特許文献２の装置においては、液相の中に浮子を入れるために多大なエネルギーが消費されてしまっていたが、本発明においてはそのようなことがなく、浮力を発生する高温槽内に浮子を侵入させることができる。

また、本発明においては、浮子として膨脹・収縮可能な袋体を用いている。袋体としては典型的にはゴム袋のようなものが用いられ、そしてこの袋体の内部に高温槽では気相となり、低温槽では液相となるような特性の熱媒体を収納している。これにより高温槽に入った浮子は高温槽の熱により熱媒が気相となり、袋体を大きく膨脹させ、従って袋体からなる浮子には大きな浮力が発生する。一方、低温槽に入った袋体は熱媒が液相となっているため十分に収縮しており殆ど浮力は掛からないため、高温槽と低温槽の浮子に掛かる浮力の差は大きく、これにより、低温槽および高温槽における無端状浮子支持部材には低温槽から高温槽に向かう方向に移動する力が作用し移動する。この移動する力を用いて発電機を回すことによって浮力発電装置を達成することができる。

本発明においては、常温よりも高い高温槽と常温と同程度またはそれより低い低温槽を設け、その間を無端状浮子支持部材が循環状態に移動可能とし、この支持部材に膨脹・収縮可能な浮子を取り付けている。従って、浮子中の熱媒体は高温槽では気相、低温槽では液相となるため浮子に作用する浮力に差が出て、この浮力の差により低温槽から高温槽に向かって浮子支持部材を移動させる力が働く。これにより外部の熱エネルギーを用いて発電をすることができる。

また本発明においては、高温槽の液体の底面は低温槽の液体と接しているために、浮子が低温槽から高温槽へ入るときに格別な大きなエネルギーを必要とすることなく入ることができ、従って、この移動中にエネルギー損失を生じることもない。従って、本発明によれば高効率で発電をすることができる。

本発明に係る一実施例の断面図である。本発明の浮子部材の作動を示す図であり、（ａ）は高温槽内、（ｂ）は高温槽を出た状態、（ｃ）は低温槽内の状態を示す。特許文献１に示された従来装置を示す図である。特許文献２に示される従来装置を示す図である。

符号の説明

１６高温槽
１８低温槽
２０底部
３２エンドレスチェーン（無端状浮子支持部材）
３４発電機
４２高温熱源
６０浮子
Ａ浮子冷却領域

以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は本発明の好ましい実施例の断面図である。図１において、円形または四角形断面をしたコンクリート水槽１０が熱損失や構造的な見地から、地表ＧＬより下の地下に埋め込まれている。コンクリート水槽１０の周辺部は断熱材１２でカバーしており、地面からの熱が伝わらないようにしている。

コンクリート水槽１０は断面中央部において上方から下方に延びる仕切板１４により仕切られており、この仕切板によってコンクリート水槽１０の中は高温水槽１６と低温水槽１８に分けられている。両水槽１６、１８の底部２０は連通している。

コンクリート水槽１０の底部の連通部２０の位置にそれぞれプーリ２２、２４が設けられており、また高温水槽１６および低温水槽１８の上部外側にもプーリ２６、２８が設けられている。更に、高温水槽および低温水槽の上部に設けられているプーリ２６、２８の外側（図１において右側）には折返し用のプーリ３０が設けられており、上記５つのプーリ２２、２４、２６、２８、３０にはエンドレス状態に浮子支持部材３２が掛け渡されている。この実施例においては、浮子支持部材３２としてはエンドレスチェーンが用いられている。

コンクリート水槽１０の外側は浮子冷却領域Ａとなっており、この浮子冷却領域Ａにはエンドレスチェーンの折返し用にプーリ３０が設けられている。プーリ３０には発電機３４が連結されており、上述したエンドレスチェーン３２により折返しプーリ３０が駆動されると発電機３４を回して発電するようになっている。

高温水槽１６には高温熱源が連結されている。この実施例においては、高温水槽１６の上下にパイプ４４を連結し、その途中にポンプ４６および加熱装置４２を設けており、高温熱源からの熱により高温水槽１６内の液体（この実施例においては水）を加熱するようになっている。

また、低温水槽１８にはポンプ５６を介して低温熱源５２が連結されており、低温水槽１８内の液体（実施例では水）をポンプ５６により低温熱源に送り、低温水槽内の水温を所望温度まで低下させるようになっている。なお、コンクリート水槽１０の外部の浮子冷却領域Ａにおいて浮子内に封入した熱媒体が液化する温度まで下がった状態とされるので、低温水槽１８において熱媒体が液相を維持できる場合には、敢えて低温熱源５２に接続しなくてもよい。

高温熱源や低温熱源としては以下のようなものが考えられる。
（１）高温熱源としては、太陽熱、地熱、発電機の排熱、廃棄物の焼却熱、バイオマスエネルギー、工場廃熱、等が用いられ、
（２）低温熱源としては、冷却塔による冷水（例えばデザートクーラー）、深海水、井水、液化ガスの気化熱、等が用いられる。
上記の（１）、（２）を適宜組み合わせることで、本発明を実施することができる。

例えば、太陽熱集熱器で９０℃前後の温水を製造し高温熱源とし、４℃前後の深海水を低温熱源とし、本発明を実施することができる。

また、乾燥地域や寒冷地では、冷却塔で製造した冷水を低温熱源として、発電所の復水器の排熱やコージェネシステムの排熱を高温熱源として、本発明を実施することもできる。

このように地域の気候特性や排熱状況を調査することでいろいろな組み合わせが可能となる。また、浮子に封入される熱媒体としては、これらの高温熱源や低温熱源により液相と気相とに可逆的に変化できるものであればよい。

高温水槽１６から低温水槽１８に至るエンドレスチェーン３２の経路に設けられた浮子冷却領域Ａは浮子６０の内部の熱媒体を気相状態から液相状態に変化させるための領域である。本実施例においては、浮子冷却領域Ａのうちの高温水槽１６を出たエンドレスチェーン３２が折返しプーリ３０を通り低温水槽１８の上方のプーリ２８まで移動する間に、エンドレスチェーン３２に止着された浮子６０を冷却するための冷却水噴霧装置６２がチェーンの移動路に沿って設けられている。これにより高温水槽１６から出てきた浮子６０を噴霧水６４によって冷却し、浮子６０の内部の熱媒体を気相状態から液相状態に変化させるようにしている。なお、このような噴霧装置６２を設けなくても、高温水槽１６から出た浮子が低温水槽１８に入る前に十分に冷えるようになっている場合、例えば、寒冷地で用いるような場合などにおいては、噴霧装置６２を省略することもできる。噴霧装置６２を使用する場合には、噴霧する水は低温水槽１８からポンプ６６により噴霧装置６２に供給して噴霧することが好ましい。

次に、エンドレスチェーン３２に対する浮子の取付け方法を図２を参照して説明する。チェーン３２にはコの字状断面したアタッチメント６８をチェーンの左右にそれぞれ止着しており、このアタッチメント６８の先端の両側にバネ７０を介してゴムなどから作られた袋体６１を支承するようにしている。袋体６１の材質は通常のゴムでもよいが、好ましくはコンドームなどに使われている透過性や漏れがなく、強度が強く伸縮性にも富んだゴム部材を用いることが好ましい。袋体の形状は特に限定されないが、図２に示すように膨らんだ場合には球形となり、収縮した場合は平坦になることが好ましい。

袋体６１の中には熱媒体が封入されている。この熱媒体は高温槽１６の中において加熱された状態では気相状態となり十分に膨脹している。一方、低温槽１８内においては熱媒体は冷やされて液相状態となって収縮している。実施例では熱媒体としてＲ−１１３を用いているが、オゾン層保護の見地からノンフロン系とする方が望ましい。

図２の（ａ）においては高温槽１６内における浮子６０の状態を示しており、浮子は高温槽１６からの熱により浮子６０内の熱媒体が気化し膨脹しているため十分に膨らんでいる。このように十分に膨らんでいることによって高温槽１６に入っている浮子６０には十分な浮力が作用する。この浮力によってチェーン３２は高温槽１６内を下から上に移動していく。

高温槽１６を出ると浮子６０内の熱媒体は冷やされ、図２（ｂ）に示すように袋体６１が収縮し、更に冷却装置６２において冷却されると、図２（ｃ）のように袋体の容積は極めて小さくなり、この状態で低温槽１８内に入る。これにより低温槽１８内においては殆ど浮力が作用しない。このため低温槽１８と高温槽１６との間では浮子６０の容積の違いにより、生じる浮力に差があり、チェーン３２は時計方向に回転することとなり、この回転により発電機３４を回して発電するようになっている。

なお、図１を描いた紙面に垂直な方向に長い水槽を用い、その中に多数の浮子を並列に設けてもよい。更に、図１に示した高温槽１６、低温槽１８およびエンドレスチェーン３２等を図１を描いた紙面に垂直な方向に多数並列配置してもよい。

高温槽および低温槽の水深を２０ｍとし、浮子支持体としてエンドレスチェーンを用い、チェーンへの浮子装着ピッチをｌ．０ｍとして、チェーンの両側に（２ヶ／１ヶ所）浮子を装着した。従って、高温槽内の浮子総数は２０／１０×２で４０ヶである。

各浮子には熱煤体としてＲ−１１３（Ｃ_２Ｃｌ_３Ｆ_３）を浮子１ケ当り２００ｇ封入した。なお、熱媒体（Ｒ−１１３）の沸点は４７．６℃、熱媒体（Ｒ−１１３）の分子量は１８７．４、熱媒体（Ｒ−１１３）の飽和液体密度は１５５０ｇ／ｌ（３０℃において）、熱媒体（Ｒ−１１３）の飽和蒸気比容積は０．２４ｌ／ｇ（３０℃において）である。

低温槽においては、浮子内の熱媒体は３０℃の液体になっており、浮子は高温槽へ突入して、徐々に加熱され、高温槽から脱出直前には６０℃の飽和蒸気になっていると仮定して以下の計算を行う。なお、浮子の平均体積を高温槽脱出直前の１／２と想定している。

高温槽内の熱媒体総体積は、
２００ｇ／ケ×４０ヶ×０，２４ｌ／ｇ×（２７３＋６０）／（２７３＋３０）×１／２＝１０５５ｌ …（Ａ）
一方、低温槽内での、高温槽に相当する水深における熱媒体の総体積は、
２００ｇ／ケ×４０ケ×１／１５５０ｌ／ｇ＝５．１６ｌ…（Ｂ）
よって、（Ａ）−（Ｂ）＝１０５５−５．１６＝１０５０ｌの容積差により約１トンの浮力がチェーンに作用する。実際にはこの約１トン相当の浮力から、水中および空気中の抵抗および案内ギヤーの抵抗を差し引いた値が動力として回収される。

Claims

高温熱源に連結され高温液体を収納した垂直高温槽および低温液体を収納した垂直低温槽からなり、該高温槽と低温槽が底部において連通するとともに該高温槽と低温槽との間に垂直な仕切りが形成されており、該高温槽の下端部が該仕切りの下端部と垂直方向にギャップをなし高温槽の液体と低温槽の液体とが成層しており、
無端状浮子支持部材が前記低温槽、底部および高温槽内を移動可能に設けられるとともに発電機に連結され、
前記高温槽の上部から低温槽の上部に至る無端状浮子支持体の経路に浮子冷却領域が形成され、該浮子冷却領域に浮子冷却装置が設けられており、
前記浮子支持部材に取着された多数の浮子が前記高温槽では気相となるとともに前記低温槽では液相となる熱媒体を収納した膨脹・収縮可能な袋体からなる、
ことを特徴とする浮力発電装置。
前記低温槽が低温熱源に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の浮力発電装置。
前記無端状浮子支持部材がエンドレスチェーンからなることを特徴とする請求項１または２に記載の浮力発電装置。
前記液体が水であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の浮力発電装置。