JP5739485B2

JP5739485B2 - 水槽水圧力原動機

Info

Publication number: JP5739485B2
Application number: JP2013154297A
Authority: JP
Inventors: 正典藤崎
Original assignee: 正典藤崎
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: JP2015025391A

Description

本発明は、高台の上部水槽と水道管を繋いだ下部水槽の水底圧力と、水槽外の大気圧を水槽内部の異口径ピストンにおいて、往復運動に変換し、揚水圧力によりタービンをまわし発電機を稼働したあと水面に戻し、少量の給水補給によって安価な、電気化社会を構築する水槽水圧力原動機の提供。

該、水槽水圧力原動機は、本人出願の水深圧力原動機、特願２０１２−００３０８４に係る改良に関する。

水力発電や（揚水含む）水流、潮汐、波力などの発電は、低炭素社会に向けた貢献が期待され、上記のほかに小規模水力発電、海中の大型水車発電など、開発には積極開発が進行している、しかし我が国は河川海洋立国と呼ばれながら、火力発電には遠く及ばず、水利用の促進には余力を残す結果となっており、従来技術の延長拡大によらず、水力系発電の技術革新が求められる。

特願２００４−２５７７４９段落番号００１８〜００２１

水、大気の越境汚染、異常気象、もはや一国の努力だけの解決が困難な状況にある、増える一方の二酸化炭素（ＣＯ ^２）、「削減をどのように実行」するのか地球規模の課題となっている、ゆえに公知、水の電気分解に因る水素生産が、燃料電池の糧とした電源構成の下「水素の量産化時代」に入った、而して化石燃料の使用をひかえることが望ましく、代替の安い電気需要に応える水の有効利用がまたれる。

水力発電は、主に川を堰止めたダムに大量の水を溜めて、落差を使ってタービンを回転させるが、ダム湖は周辺環境破壊のほかに、海の自然環境に深く係わるもので、砂礫の停滞による海浜への影響、魚介類の生育など深刻な問題を抱えており、賛否両論はあるが治水利水発電目的のダムには反対できない側面もあって、時代の趨勢により新しい技術の開発がまたれており、川を堰止めるのではなく水槽に溜め置く静圧力の動力への変換は今日の重要な技術課題となってきた。

高台の水槽１に上流の水２を引き入れ、密閉の下部水槽３と水道管４によって連繋した落差５０メートルの下部水槽３低部の水圧約５ｋｇｆ／ｃｍ^２を保持しメーンピストン５・５ ^Ａと背面ピストン６・６ ^Ａ及び油圧ポンプ８を下部水槽３内部に装置する。

水槽３内部の水圧と、外部大気圧の差圧を異口径のメーンピストン５・５^Ａと背面ピストン６・６^Ａの動作を利用して、揚水と排水に分離するが、大口径のメーンピストン５の断面積４９００ｃｍ^２（表面積５０００ｃｍ^２）を下部水槽３の水圧と接触し、小口径の背面ピストン６断面積１００ｃｍ^２は大気圧と接触して低い大気圧方向へ必然の動きとして圧力をかける。

メーンピストン５と背面ピストン６の断面積は４９対１の比率であり、長さ１メートルのストロークを要する一体物で、対向するメーンピストン５と５^Ａはアーム７によって連結し動きを同一にして、それぞれの間には機器操作に要る油圧ポンプ８をピストン架台に備えて、メーンピストン５・５^Ａのピストンヘッド９・９^Ａによって油圧ピストン８ ^Ａを起動し媒体は操作ピストン２４・２４ ^Ａを動作して、揚水切換弁１２・１２ ^Ａに因る揚水道１３・１３ ^Ａと水圧均衡路１１・１１ ^Ａ及び大気圧開閉弁１９左路・右路を変換するようになっている。

異口径ピストンを沈めた５０メートル水圧５ｋｇｆ／ｃｍ^２において、メーンピストン５・５^Ａ表面積５０００ｃｍ^２は２５０００ｋｇｆ／ｃｍ^２の水圧を受けて、下部水槽３の外の大気圧方向に押す力が働き、片方の背面ピストン６・６^Ａの断面積は大気圧との接触によって水圧５ｋｇｆ／ｃｍ^２×断面積１００ｃｍ^２≒５００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を生じることになる。

しかし背面ピストン６・６^Ａの残水を大気圧開閉弁１９の外に押し出すには、メーンピストン５・５^Ａと同じ歩調の動作になり、先が大気圧のために動力としてではなく、空滑りの動作であって圧力は一体に連動しているメーンピストン５・５^Ａ断面積４９００ｃｍ^２×ストローク１００ｃｍ＝４９００００ｃｍ^３の水に移動し圧力水としてたまる。

メーンピストン５・５^Ａの裏面にたまっている移動した圧力水４９００００ｃｍ^３をメーンシリンダ１６・１６^Ａ外部に開放しない限り動力は発生しないのであり、ピストンケーシング１０側面の揚水路１４・１４^Ａから揚水切換弁１２・１２^Ａの揚水道１３・１３^Ａを経て揚水パイプ１５により上部水槽１上部に装置したタービン２０を駆動して発電機２１を稼働したあと、上部水槽１水面に還元するように成る。

メーンピストン５・５^Ａの容量４９００００ｃｍ^３の水は、背面ピストン６・６^Ａ断面積１００ｃｍ^２×ストローク１００ｃｍ＝１００００ｃｍ^３の４９倍を容しており、液体圧力の伝播に関する法則（パスカル原理）によりメーンピストン５・５^Ａに生じる水圧力は４９分の１に減少した１０．２ｋｇｆ／ｃｍ^２（揚水能力約１００メートル）となり革新を形成する。（大気に接した背面ピストンの断面積×水圧÷メーンピストンとの比率＝）

上記によって、一方の背面ピストン６・６^Ａの残水は背面ピストン頭部１８・１８^Ａに接続した大気排水パイプ１７・１７^Ａから大気圧開閉弁１９を通りぬけて、排水管３４を下り勾配の自然排水により放流するが、排水に見合った少量の水は、上部水槽１に前述の川の水２から補給するように成る。

他方、左側は反対の動きになる、即ちメーンピストン５背面ピストン６の上死点到達のあと、大気圧開閉弁１９左路が閉じた揚水後のメーンピストン裏面２２と背面ピストン表面２３（図２左〜３参照）の絶え間においては容積が減少し、同時に圧力は消滅して水深圧力とは概ね同じ５ｋｇｆ／ｃｍ ^２の差圧を生じており、補填に要する水深圧力を浸入口３３から既に開いた揚水切換弁１２によって、均衡路１１と揚水路１４（揚水時と逆方向）を通じて前記メーンピストン裏面２２と背面ピストン表面２３に取り入れ、ピストン５・６を「復帰方向に動作」して下死点到達時に水圧と均衡するようになる。

人工の動力を加えることなく、自然の重力に依って水の隆起を実現しており、電気の安価な供給、二酸化炭素の削減、さらに再生可能エネルギーの開発拡大に新しい道を拓く。

上下水槽の配置図。下部水槽のピストン部断面図。ピストンの動作図。揚水切換弁拡大図。油圧ポンプ拡大図。

水深圧力を動力に変換する陸上形式の装置であって、上部水槽１より高所の水の自然の流れを利用するもので、人工の動力を加えることなく、水自体の重力を応用している。

本発明の山などの傾斜を利用した上部水槽１に連繋する下部水槽３の水圧力と、外の大気圧約１ｋｇ・の差圧を異口径のメーンピストン５・５^Ａと背面ピストン６・６^Ａの圧力比率によって揚水と排水に分離して、大口径メーンピストン５・５ ^Ａを水圧側に、小口径背面ピストン６・６ ^Ａを大気圧側の排水に使用するようになっている。

而して、メーンピストン５・５^Ａを連結するアーム７は、揚水と水圧均衡の一致を測り双方ピストン５・５^Ａ・６・６^Ａの往復運動を円滑にし、アーム７の長さは、ねじゲージ４１によって上死点３６下死点２７の微調整を可能にして、異口径ピストンの比率又はストロークの拡大により大規模化を可能にしており、落差５０メートルは限定しない。

本発明は、異口径のピストン５・６によって実現するのであって、水槽３水底の静圧力域のメーンピストン５と５^Ａの向き合った間に、双方の動作によって生じる押圧力を、油圧ポンプ８に受けて往復運動に生じる媒体は操作ピストン２４・２４^Ａ及び大気圧開閉弁１９を作動して揚水又は排水の流れを交互に変換している。

該、原動機の「始動」は、水圧均衡バルブ２６・２６^Ａを閉めて、（運転中は閉める）大気圧バルブ２５・２５^Ａを開くことによって、大気圧開閉弁１９の開いた方の背面ピストン６・６^Ａの残水を排水し、水圧を受けているメーンピストン５・５^Ａが大気圧方向に移動して往復運動を開始する。

「停止」は、水圧均衡バルブ２６・２６^Ａを開いて、下部水槽３の水圧と背面ピストン６・６^Ａ表面の水圧を釣り合わせて、大気圧バルブ２５・２５^Ａを閉めて、（運転中は開いている）外気圧を遮断して行う。

媒体油圧は、ピストン架台（図示省略）に装置した油圧ポンプ８をメーンピストン５・５^Ａのピストンヘッド９・９^Ａと油圧ロッド２８・２８^Ａのロッド末端３９・３９^Ａを使って押し出すようになる。

また、油圧ポンプ８の可動軸２９を連動枠３０に備えて、対側のメーンピストン５・５ ^Ａの何れか下死点２７・２７ ^Ａに至るまで、ばね軸３８の付勢によって保持し、ピストンヘッド９・９ ^Ａの接点変換で油圧ピストン８ ^Ａを往復させて、媒体４２は操作ピストン２４・２４ ^Ａと大気圧開閉弁１９を動作している。

以下、本発明に係る実施形態を図１〜５に基づいて説明する。
図１は、斜面に設置した上下の水槽を示すが、上部水槽１にそれより上流の水２を給水パイプによってためて、水道管４を通じて密閉の下部水槽３にため、落差５０メートルの水底圧力５ｋｇｆ／ｃｍ^２を保持し、下部水槽３には照明モニター３^Ａと給水口のフィルター２^Ａと水道管４には取替え可能なフィルター脱着口４^Ａを備えている。

大気排水パイプ１７及び大気圧バルブ２５、水圧均衡バルブ２６、水抜きバルブ３１、空気ベント３２、大気圧開閉弁１９はバルブ操作によって開閉可能にして、メンテナンス用の堅牢な密閉扉３５を備えている。

上部水槽１にはタービン２０と発電機２１を天板１^Ａ上部に設置し、一行程４９００００ｃｍ^３の揚水は水面に環流するが、揚水パイプ１５^Ａの先端は揚水負荷の少ない２０ｃｍ程度を水没させて大気圧を遮断している。

他方、背面ピストン６・６^Ａの排水一行程分１００００ｃｍ^３の水は上流の河川から自然の流れを給水するが、当該比率の水量なら簡単な取水設備でよく、急峻な地形の山間の斜面を利用するので設置箇所は広く存在している。

図２は、本発明の要諦を成す異口径ピストンの側面を示すもので、メーンピストン５・５^Ａと背面ピストン６・６^Ａは連動しており、左右は同じ構造が一対に向き合って、ピストン５・５^Ａ・６・６^Ａは同じ方向に動くが、内容は異なり片方の揚水時に、もう片方は水槽３水圧と均衡する正反対の動作になる。

即ち、左側のメーンピストン５と背面ピストン６は上死点３６に到達しており、右側のメーンピストン５^Ａと背面ピストン６^Ａは下死点２７^Ａに到達して、ピストンヘッド９^Ａによって油圧ロッド２８^Ａを押圧して油圧ポンプ８を起動し媒体は操作ピストン２４・２４ ^Ａを動作して、揚水切換弁１２の水圧均衡路１１を開き、大気圧開閉弁１９左路を閉じて、揚水後のメーンピストン裏面２２の容積は揚水時に減少し退圧して、背面ピストン表面２３の残水は停滞している。

図は次の動作直前を示しており、大気圧開閉弁１９は右路の開きによって、揚水切換弁１２^Ａの揚水道１３^Ａが開いて、メーンピストン５^Ａと背面ピストン６^Ａは次の動作態勢。

左側のメーンピストン５と背面ピストン６は大気圧開閉弁１９左路がしまっており、揚水切換弁１２の均衡路１１と揚水路１４（逆方向の流れ）が通じて、フィルターの付いた水圧浸入口３３より下部水槽３の水底圧力を受け入れる態勢。

図３は、図２の動向を示すものであって、左側のメーンピストン５の裏面２２と背面ピストン６の表面２３には、水圧浸入口３３の水圧が均衡路１１及び揚水路１４を通じて浸入を開始しており、図の左から右へ動いて、下死点到達時に水深圧力と均衡する。

片方のメーンピストン５^Ａ裏面２２^Ａの圧力水と背面ピストン６^Ａの残水は、水深圧力に押されたメーンピストン５^Ａによって揚水路１４^Ａと揚水道１３^Ａを通じた揚水で上部のタービン２０と発電機２１を駆動すると同時に（図１参照）背面ピストン６^Ａの排水を開始しており、図の右側が加圧に対して、左側は水槽３の水圧と均衡する。

さらに下部水槽３の水底圧力はメーンピストン５^Ａの揚水の動作と同時に背面ピストン頭部１８^Ａに連繋した大気排水パイプ１７^Ａと大気圧開閉弁１９右路を通じて、下部水槽３外部の大気圧に背面ピストン６^Ａの残水を排水管３４により自然排水する。

図４は、揚水切換弁１２の拡大図（左）を示すが、揚水切換弁１２内蔵の閉子ギヤ４４と操作ピストンギヤ４３を噛み合わせて、揚水と、均衡の変換を行うが、下部水槽３の水圧は本体の閉子４５の貫通口（一点鎖線）は水圧浸入口３３と均衡路１１と揚水路１４に通じており、揚水道１３と揚水パイプ１５を遮断して均衡の作動状態を示している。

即ち、水槽３の水圧は水圧浸入口３３より均衡路１１を通り背面ピストン６表面２３へ、揚水路１４は揚水とは逆方向のメーンピストン５裏面２２へ浸入し、双方ピストン５・６は水圧に均衡する。したがって、揚水切換弁１２^Ａ（図３右参照）においては揚水パイプ１５^Ａが開通して、均衡路１１^Ａはしまっており左右対称の動きになって、交互に変換して揚水と均衡を連続するようになる。

図５は、油圧ポンプ８の拡大図を示すものである。油圧ポンプ８本体と固定軸３７は不動のものでピストン架台に取り付け、油圧ピストン８^Ａと油圧ロッド２８・２８^Ａとポンプ枠３０は一体に連動して、ピストンヘッド９^Ａによって油圧ロッド末端３９^Ａを押して、油圧ピストン８^Ａの油圧媒体４２は操作ピストン２４・２４^Ａと揚水切換弁１２・１２ ^Ａと大気圧開閉弁１９を起動するように成る。

油圧ロッド２８・２８^Ａには油圧ピストン８^Ａ動向の可動軸２９を枠３０中央に備えて、側面のピストン架台に取り付けた固定軸３７とばね軸３８の付勢によって、動きに応じて押しつけるようになっており、図では左へばね力で固定して次の作動の間隙を維持している。

また、メーンピストン５^Ａに取り付けたアーム７は、双方ピストンの往復運動を微調整可能にしており、ジョイント４０はアーム７の硬直性の緩和を図り、ピストン間の距離を取るねじゲージ４１を備えて動作を円滑にして連続運転する。

１・・・上部水槽１^Ａ・・・天板
２・・・川の水２^Ａ・・・フィルター
３・・・下部水槽３^Ａ・・・照明モニター
４・・・水道管４^Ａ・・・フィルター脱着口
５・・・メーンピストン５^Ａ・・・メーンピストン
６・・・背面ピストン６^Ａ・・・背面ピストン
７・・・アーム
８・・・油圧ポンプ８^Ａ・・・油圧ピストン
９・・・ピストンヘッド９^Ａ・・・ピストンヘッド
１０・・・ピストンケーシング
１１・・・水圧均衡路１１^Ａ・・・水圧均衡路
１２・・・揚水切換弁１２^Ａ・・・揚水切換弁
１３・・・揚水道１３^Ａ・・・揚水道
１４・・・揚水路１４^Ａ・・・揚水路
１５・・・揚水パイプ１５^Ａ・・・揚水パイプ
１５^Ｂ・・・逆止弁１５^Ｃ・・・逆止弁
１６・・・メーンシリンダ１６^Ａ・・・メーンシリンダ
１７・・・大気排水パイプ１７^Ａ・・・大気排水パイプ
１８・・・背面ピストン頭部１８^Ａ・・・背面ピストン頭部
１９・・・大気圧開閉弁
２０・・・タービン
２１・・・発電機
２２・・・メーンピストン裏面２２^Ａ・・・メーンピストン裏面
２３・・・背面ピストン表面２３^Ａ・・・背面ピストン表面
２４・・・操作ピストン２４^Ａ・・・操作ピストン
２５・・・大気圧バルブ２５^Ａ・・・大気圧バルブ
２６・・・水圧均衡バルブ２６^Ａ・・・水圧均衡バルブ
２７・・・下死点２７^Ａ・・・下死点
２８・・・油圧ロッド２８^Ａ・・・油圧ロッド
２９・・・可動軸
３０・・・油圧ポンプ連動枠
３１・・・水抜きバルブ
３２・・・空気ベント
３３・・・水圧浸入口３３^Ａ・・・水圧浸入口
３４・・・排水管
３５・・・密閉扉
３６・・・上死点
３７・・・固定軸
３８・・・ばね軸
３９・・・油圧ロッド末端３９^Ａ・・・油圧ロッド末端
４０・・・ジョイント
４１・・・ねじゲージ
４２・・・油圧媒体
４３・・・操作ピストンギヤ４３^Ａ・・・操作ピストンギヤ
４４・・・閉子ギヤ
４５・・・閉子
４６・・・閉子軸

Claims

傾斜面の上部水槽１と水道管４を連係した水圧保持の下部水槽３水底にアーム７連結の異口径、メーンピストン５・５^Ａと背面ピストン６・６^Ａ、及び油圧ポンプ８を装置し、油圧ポンプ８本体と固定軸３７は不動で、油圧ピストン８ ^Ａと油圧ロッド２８・２８ ^Ａと油圧ポンプ連動枠３０は一体に連動し、メーンピストン５・５ ^Ａのピストンヘッド９・９ ^Ａに因って油圧ロッド２８・２８ ^Ａを往復起動し、油圧媒体で操作ピストン２４・２４^Ａと揚水切換弁１２・１２ ^Ａと大気圧開閉弁１９左路・右路を動作して、揚水切換弁１２・１２^Ａに因る揚水道１３・１３^Ａの揚水と水圧均衡路１１・１１^Ａの均衡を交互に変えて、メーンピストン５・５^Ａ背面ピストン６・６^Ａを往復運動に変換し、メーンピストン５・５^Ａに生じた揚水は揚水パイプ１５を通じて上部水槽１天板１^Ａ上部のタービン２０を駆動し、発電機２１の稼働後に上部水槽１に環流するとともに、背面ピストン６・６^Ａの残水は大気圧開閉弁１９に因る排水を下り勾配の排水管３４を用いて河川に放流し、排水と同じ水量を上流の河川より上部水槽１に補充する水槽水圧力原動機。