JP7336045B1 - 圧縮気体供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率が改善された圧縮気体供給システムを提供する。【解決手段】圧縮気体供給システム１が、圧縮気体及び液体を貯留可能な第１及び第２リザーバタンク１０Ａ，１０Ｂと、圧縮気体を生成する圧縮機１１と、圧縮機１１から吐出された圧縮気体を第１及び第２リザーバタンク１０Ａ，１０Ｂに供給する供給側ライン１２と、第１及び第２リザーバタンク１０Ａ，１０Ｂから需要家２に圧縮気体を供給する需要側ライン１３と、第１及び第２リザーバタンク１０Ａ，１０Ｂの下部同士を接続し、第１及び第２リザーバタンク１０Ａ，１０Ｂとの間で液体を通流させる接続ライン２５と、接続ライン２５上に設けられ、接続ライン２５を通流する液体を動力源として発電する液流式発電機３１とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮気体供給システムに関する。

特許文献１は、圧縮気体が供給される一対のタンクと、一対のタンク間で発生する水流によって発電する発電機とを備えるシステムを開示している。

特開２０１９－１００１８１号公報

一対のタンクは大気開放されており、タンクに供給された圧縮空気は大気に放出される。上記のシステムには、エネルギー効率について改善の余地がある。

本発明は、エネルギー効率が改善された圧縮気体供給システムを提供することを課題とする。

本発明の一態様は、圧縮気体及び液体を貯留可能な第１及び第２リザーバタンクと、前記圧縮気体を生成する圧縮機と、前記圧縮機を前記第１及び第２リザーバタンクに接続する供給側ラインと、前記供給側ラインに設けられ、前記圧縮機で吐出された前記圧縮気体を前記第１リザーバタンクに供給する第１連通状態と、前記圧縮機で吐出された前記圧縮気体を前記第２リザーバタンクに供給する第２連通状態とを切り換える供給切換機構と、前記第１及び第２リザーバタンクを需要家に接続する需要側ラインと、前記需要側ラインに設けられ、前記第１連通状態における当該需要側ラインの前記圧縮気体を調圧し、前記第２連通状態における当該需要側ラインの前記圧縮気体を調圧する圧力調整機構と、前記第１及び第２リザーバタンクの下部同士を接続し、前記第１及び第２リザーバタンク間で前記液体を通流させる接続ラインと、前記接続ラインに設けられ、前記液体の流れを動力源として発電する液流式発電機と、を備える、圧縮気体供給システムを提供する。

上記構成によれば、圧縮機で生成された圧縮気体が、第１又は第２リザーバタンクを介して需要家に供給される。第１連通状態では、第１リザーバタンクの内圧が圧縮機の吐出圧と同等となる。圧縮気体は、需要側ラインに設けられた圧力調整機構によって調圧される。需要側ラインは、第１及び第２リザーバタンクを需要家と接続しているため、圧縮気体は、第２リザーバタンクからも供給可能に構成される。第１及び第２リザーバタンクは液体を貯留し、液体は、接続ラインを介して第１及び第２リザーバタンク間を往来できる。第１連通状態では、第１リザーバタンクの内圧と、第２リザーバタンクの内圧との差圧に基づいて、第１リザーバタンク内の液体は、第２リザーバタンクに移動する。液流式発電機はこの液流を動力源として発電できる。第２連通状態では、これと逆になる。圧縮機で生成された吐出圧の圧縮気体が第２リザーバタンクに供給され、第２リザーバタンク内の液体が第１リザーバタンクに移動する。

このようなシステム動作において、圧縮気体は大気開放される代わりに、液体を両リザーバタンク間で移動させるために利用される。そしてその液体の運動エネルギーが電気エネルギーとして回収される。したがって、エネルギー効率が向上する。また、需要家の気体使用量が減った場合でも、圧縮機のフルロード運転を継続し、余剰の圧縮気体から電気エネルギーを得ることができる。アンロード運転で発生し得るエネルギー損失（例えば、吸気絞りで発生するメカニカルロス）を抑えることができる。この点からも、エネルギー効率が高い。

前記需要側ラインが、前記第１リザーバタンクに接続される第１需要側分岐ラインと、前記第２リザーバタンクに接続される第２需要側分岐ラインと、前記第１及び前記第２需要側分岐ラインを合流させる需要側主ラインと、を含み、前記圧力調整機構が、前記第１需要側分岐ラインに設けられた第１圧力調整弁と、前記第２需要側分岐ラインに設けられた第２圧力調整弁とを、含んでもよい。

上記構成によれば、第１連通状態および第２連通状態について、圧縮機と連通状態とされて吐出圧の圧縮気体が供給される側のリザーバタンクと供給されない側のリザーバタンクとの圧力差の設定が容易になる。

前記第１及び第２圧力調整弁が、一次圧力を調整する一次圧力調整弁であってもよい。

上記構成によれば、第１連通状態において、第１リザーバタンクの内圧、すなわち第１リザーバタンクの水頭が、一次圧力調整弁によって予め定められた値で安定する。したがって、接続ライン内の液流が安定し、発電動作も安定する。第２連通状態においても、同様の作用効果が得られる。

前記第１及び第２圧力調整弁が、二次圧力を調整する減圧弁であってもよい。

上記構成によれば、需要家により要求される要求圧が、減圧弁によって予め定められた値で安定する。需要家に供給される圧縮気体の圧力が安定する。また、第１連通状態においては第２リザーバタンクの内圧が安定し、第２連通状態においては第１リザーバタンクの内圧が安定する。したがって、接続ライン内の液流が安定し、発電動作も安定する。

該システムが、前記需要側主ラインを通流する圧縮気体の圧力を検出する需要側圧力センサと、前記液流式発電機を制御する発電機用制御器と、を更に備え、前記発電機用制御器は、前記需要側圧力センサの検出結果に基づいて前記液流式発電機を容量制御してもよい。

上記構成によれば、要求圧の安定化が図られる。

該システムが、前記供給側ラインを通流する圧縮気体の圧力を検出する供給側圧力センサと、前記圧縮機を制御する圧縮機用制御器と、を更に備え、前記圧縮機用制御器は、前記供給側圧力センサの検出結果に基づいて前記圧縮機を容量制御してもよい。

上記構成によれば、吐出圧の安定化が図られる。

前記供給側ラインが、前記圧縮機に接続される供給側主ラインと、前記供給側主ラインから分岐して前記第１リザーバタンクに接続される第１供給側分岐ラインと、前記第２リザーバタンクに接続される第２供給側分岐ラインと、を含み、前記供給切換機構が、前記第１供給側分岐ラインを開閉する第１開閉弁と、前記第２供給側分岐ラインを開閉する第２開閉弁を含んでもよい。

上記構成によれば、
次の２つの構成（１）及び（２）を併せ持つ供給切換機構を容易に実現できる。
構成（１）：第１連通状態において、圧縮気体が圧縮機から第１リザーバタンクに供給される一方、圧縮機から第２リザーバタンクへの圧縮気体の供給を停止する構成。
構成（２）：第２連通状態において、圧縮気体が圧縮機から第２リザーバタンクに供給される一方、圧縮機から第１リザーバタンクへの圧縮気体の供給を停止する構成。

該システムが、前記第１リザーバタンク内に貯留される前記液体の液位を測定する第１液位センサと、前記第２リザーバタンク内に貯留される前記液体の液位を測定する第２液位センサと、前記供給切換機構を制御する制御器と、を更に備え、前記制御器が、前記第１及び第２液位センサの検出結果に基づいて前記第１連通状態と前記第２連通状態とを切り換えるように前記供給切換機構を作動させてもよい。

上記構成によれば、リザーバタンクが液体で満充填され又は空になる事態を避けて、液体をリザーバタンク間で往来させることができ、液流式発電機が発電を継続できる。

該システムが、前記第１リザーバタンク、前記接続ライン、又は前記第２リザーバタンクへの前記液体の補充可否を切り換える補充弁と、前記第１リザーバタンク、前記接続ライン、又は前記第２リザーバタンクからの前記液体の排出可否を切り換える排出弁と、を更に備え、前記制御器が、前記第１及び第２液位センサの検出結果に基づいて前記補充可否又は前記排出可否を切り換えるように前記補充弁又は前記排出弁を作動させてもよい。

上記構成によれば、リザーバタンク内の液体量が過多になれば液体を排出でき、過少になれば液体を補充できる。システムが安定的に継続的に稼働可能になる。

前記供給側ラインの下流端部は、前記第１及び第２リザーバタンクの少なくとも一方の内部に延設されてもよい。

また、前記第１リザーバタンクに前記圧縮気体を供給する前記供給側ラインの下流端部は、前記第１液位センサの最低検出位置よりも低い位置まで延設され、前記第２リザーバタンクに前記圧縮気体を供給する前記供給側ラインの下流端部は、第２液位センサの最低検出位置よりも低い位置まで延設されてもよい。

上記構成によれば、リザーバタンク内に供給された圧縮気体が液体に放出されるので、システムの静粛性が向上する。

本発明によれば、エネルギー効率が改善された圧縮気体供給システムを提供できる。

実施形態に係る圧縮気体供給システムの概念図。 圧縮気体供給システムの制御系を示すブロック図。 制御系によって実行される処理を示すフローチャート。 圧縮気体供給システムの作用図。 圧縮気体供給システムの作用図。 圧縮気体供給システムの作用図。 圧縮気体供給システムの作用図。 圧縮気体供給システムの作用図。 圧縮気体供給システムの作用図。

図面を参照して実施形態について説明する。なお、同一の又は対応する要素には全図を通じて同一の符号を付して詳細な説明の重複を省略する。

図１は、実施形態に係る圧縮気体供給システム１（以下、単に「システム１」という）の構成を示す。システム１は、圧縮気体を需要家２に供給する。需要家２は、空圧機器あるいは空調機器の動力源として、システム１から供給される圧縮気体を使用する。

圧縮機１１から吐出される圧縮気体の圧力（以下、「吐出圧Ｐｃ」ともいう）は、需要家２で要求される圧縮気体の圧力（以下、「要求圧Ｐｄ」ともいう）よりも高い。例えば、吐出圧Ｐｃは約０．７ＭＰａＧ、要求圧Ｐｄは約０．６ＭＰａＧである。システム１は、吐出圧Ｐｃと要求圧Ｐｄとの差圧を利用して液体の流れを発生させ、この液流を利用して電気エネルギーを発生する。

以下、圧縮気体が空気の圧縮により生成される圧縮空気であって、液体が水である場合を例にとり、実施形態について説明する。

システム１は、第１及び第２リザーバタンク（以下、単に「タンク」という）１０Ａ，１０Ｂを備える。第１タンク１０Ａは、縦長円筒状の圧力容器である。第１タンク１０Ａは、圧縮空気を貯留可能であり、且つ水を貯留可能である。水は、重力で第１タンク１０Ａの底から貯留されていく。圧縮空気は、第１タンク１０Ａにおいて、水面よりも上方に貯留される。第２タンク１０Ｂも、これと同様である。

システム１は、圧縮空気の生成及び供給のため、圧縮機１１、供給側ライン１２、需要側ライン１３、供給切換機構１４としての第１及び第２開閉弁１４Ａ，１４Ｂ、及び圧力調整機構１５としての第１及び第２圧力調整弁１５Ａ，１５Ｂを備える。

圧縮機１１は、空気を吸い込み、圧縮空気を吐出する。供給側ライン１２は、圧縮機１１を第１及び第２タンク１０Ａ，１０Ｂに接続する。需要側ライン１３は、第１及び第２タンク１０Ａ，１０Ｂを需要家２に接続する。

供給側ライン１２は、供給側主ライン１２ｍ、及び第１及び第２供給側分岐ライン１２ａ，１２ｂを含む。供給側主ライン１２ｍは、圧縮機１１の吐出口に接続される。第１及び第２供給側分岐ライン１２ａ，１２ｂは、供給側主ライン１２ｍから分岐し、第１及び第２タンク１０Ａ，１０Ｂの上端部それぞれに接続され、第１及び第２タンク１０Ａ，１０Ｂそれぞれの内部に延設されている。

需要側ライン１３は、第１及び第２需要側分岐ライン１３ａ，１３ｂ、及び需要側主ライン１３ｍを含む。第１及び第２需要側分岐ライン１３ａ，１３ｂも、第１及び第２タンク１０Ａ，１０Ｂの上端部それぞれに接続される。需要側主ライン１３ｍは、第１及び前記第２需要側分岐ライン１３ａ，１３ｂを合流させ、需要家２に向けて延びる。

供給切換機構１４は、供給側ライン１２上に設けられ、圧縮空気を第１タンク１０Ａに供給する第１連通状態と、圧縮空気を第２タンク１０Ｂに供給する第２連通状態とで切り換える。供給切換機構１４は、第１供給側分岐ライン１２ａ上に設けられた第１開閉弁１４Ａと、第２供給側分岐ライン１２ｂ上に設けられた第２開閉弁１４Ｂとを含む。第１開閉弁１４Ａが開、且つ第２開閉弁１４Ｂが閉のとき、システム１又は供給側ライン１２が、第１連通状態となる。第１開閉弁１４Ａが閉、且つ第２開閉弁１４Ｂが開のとき、システム１又は供給側ライン１２が、第２連通状態となる。

圧力調整機構１５は、需要側ライン１３上に設けられる。圧力調整機構１５は、第１需要側分岐ライン１３ａ上に設けられた第１圧力調整弁１５Ａと、第２需要側分岐ライン１３ｂ上に設けられた第２圧力調整弁１５Ｂとを含む。圧力調整機構１５は、電磁操作型および機械的操作型のいずれであってもよいが、本実施形態では、特段断らない限り、電磁操作型の圧力調整機構であるものとする。

第１圧力調整弁１５Ａは、一次圧を調整する一次圧力調整弁でもよいし、二次圧を調整する減圧弁でもよい。第２圧力調整弁１５Ｂも、これと同様である。第１圧力調整弁１５Ａが減圧弁の場合は、需要家２に供給される需要側ライン１３の圧縮空気の圧力を調整し、第１圧力調整弁１５Ａが一次圧力調整弁の場合は、第１タンク１０Ａ内の圧力を調整する。本実施形態では、特段断らない限り、第１圧力調整弁１５Ａ及び第２圧力調整弁１５Ｂは、減圧弁であるものとする。

第１連通状態では、第１圧力調整弁１５Ａが調圧作動する。吐出圧Ｐｃの圧縮空気が、第１タンク１０Ａに供給され、第１タンク１０Ａ内の圧縮空気が、第１圧力調整弁１５Ａを通過し、要求圧Ｐｄに調整される。要求圧Ｐｄの圧縮空気が、第１需要側分岐ライン１３ａから需要側主ライン１３ｍに流れ、需要家２に導かれる。このとき、第２タンク１０Ｂには圧縮空気が圧縮機１１から供給されない一方、第２圧力調整弁１５Ｂは全開となる。要求圧Ｐｄの圧縮空気が、第１需要側分岐ライン１３ａから第２需要側分岐ライン１３ｂにも流れ、第２タンク１０Ｂに供給される。第１タンク１０Ａの内圧（吐出圧Ｐｃ）と、第２タンク１０Ｂの内圧（要求圧Ｐｄ）との間に、差圧（Ｐｃ－Ｐｄ）が生じる。第２連通状態ではこれと逆となる。

なお、圧縮機１１の吸込側には、可変絞り弁１６が設けられている。可変絞り弁１６の絞り量を変更することで、圧縮機１１の容量が調整される。また、可変絞り弁１６による圧縮機１１の容量制御に代えて、圧縮機１１は図示しないモータの回転数を、図示しないインバータにより制御されており、モータの回転数を制御することにより、圧縮機１１の容量を調整することもできる。

システム１は、水量の調整のため、補充ライン２１、補充弁２２、排出ライン２３、排出弁２４、及び接続ライン２５を備える。

補充ライン２１は、第１タンク１０Ａの上端部に接続され、水を第１タンク１０Ａ内へと供給する。補充弁２２は、補充ライン２１上に設けられた開閉弁であり、水の供給可否を切り換える。排出ライン２２は、第１タンク１０Ａの下端部に接続され、水を第１タンク１０Ａ外へと排出する。排出弁２４は、排出ライン２３上に設けられた開閉弁であり、水の排出可否を切り換える。

接続ライン２５は、第１及び第２タンク１０Ａ，１０Ｂの下部同士を接続する。水は、第１及び第２タンク１０Ａ，１０Ｂの底から貯留されていく。接続ライン２５は、第１及び第２タンク１０Ａ，１０Ｂ間で水を通流させる。水流は、第１及び第２タンク１０Ａ，１０Ｂの内圧の差圧によって生じる。水は、内圧が高い側のタンクから、接続ライン２５を介し、内圧が低い側のタンクに流れる。

システム１は、エネルギー回収のため、水流発電機３１、及びインバータ３２を備える。水流発電機３１は、接続ライン２５上に設けられ、水流を動力源として発電する。水流発電機３１は、正逆回転自在のポンプ部３１ａと、ポンプ部３１ａの回転と連動して発電する発電部３１ｂ（発電電動機）とを備えた双方向発電機であり、水流の向きに関わらず発電できる。インバータ３２は、水流発電機３１の容量を制御するものであり、言い換えると、発電部３１ｂに接続しているポンプ部３１ａの回転数を調整するものである。

図２を参照して、システム１は、演算処理及び装置全体の制御のため、制御器４０を備える。制御器４０は、例えば、ソフトウェアと協働して所定の機能を実現するＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＭＰＵ（Micro Processing Unit）を含む。制御器４０は、所定の機能を実現するように設計された専用の電子回路または再構成可能な電子回路等のハードウェア回路で構成されてもよいし、種々の半導体集積回路で構成されてもよい。種々の半導体集積回路としては、例えば、ＣＰＵ、ＭＰＵの他に、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、およびＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が挙げられる。また、制御器４０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶装置を含んでもよい。具体的には、制御器４０は、例えば、デスクトップパソコン、ノートパソコン、ワークステーション、またはタブレット端末のような情報処理装置または同等の機能を有するプリント基板等で構成され得る。

制御器４０は、供給切換機構１４の第１開閉弁１４Ａ及び第２開閉弁１４Ｂ、圧力調整機構１５の第１圧力調整弁１５Ａ及び第２圧力調整弁１５Ｂ、可変絞り弁１６、補充弁２２、排出弁２４、及びインバータ３２と接続されている。制御器４０は、これらデバイスの動作を制御する。

図１及び図２を参照して、システム１は、制御器４０によって実行される制御に必要な情報の取得のため、供給側圧力センサ５１、需要側圧力センサ５２、第１液位センサ５３、第２液位センサ５４、圧縮機回転数センサ５５、及び発電機回転数センサ５６を備える。これらのセンサ５１～５６は、制御器４０と接続され、検出結果を所定のサンプリング周期（例えば５ｍｓｅｃ）で制御器４０に逐次出力する。なお、これらのセンサ５１～５６がすべて、制御器４０に接続される例について説明したが、例えば、制御器４０は、液流式発電機３１を制御する発電機用制御器と、圧縮機１１を制御する圧縮機用制御器と等に分かれていてもよい。

供給側圧力センサ５１は、吐出圧Ｐｃを検出する。一例として、供給側圧力センサ５１は、供給側主ライン１２ｍを流れる圧縮空気の圧力を検出する。需要側圧力センサ５２は、要求圧Ｐｄを検出する。一例として、需要側圧力センサ５２は、需要側主ライン１３ｍを流れる圧縮空気の圧力を検出する。

第１液位センサ５３は、第１タンク１０Ａ内の水位ＬＡを検出する。第２液位センサ５４は、第２タンク１０Ｂ内の水位ＬＢを検出する。

第１液位センサ５３は、第１高位センサ５３Ｈ及び第１低位センサ５３Ｌを含む。第１高位センサ５３Ｈは、第１タンク１０Ａの周壁上部に設けられ、第１タンク１０Ａ内の水位ＬＡが第１水位ＬＨに達しているか否かを検出する。例えば、第１水位ＬＨは、第１タンク１０Ａが許容できる最高水位である。第１低位センサ５３Ｌは、第１タンク１０Ａの周壁下部に設けられ、第１タンク１０Ａ内の水位ＬＡが第１水位ＬＨよりも低い第２水位ＬＬに達しているか否かを検出する。例えば、第２水位ＬＬは、第１タンク１０Ａが許容できる最低水位である。第１高位センサ５３Ｈは、水が第２タンク１０Ｂから接続ライン２５を介して第１タンク１０Ａに流れている状況下で（すなわち、第２連通状態において）、第１タンク１０Ａが水である程度満たされたか否かを検出する役割を果たす。第１低位センサ５３Ｌは、水が第１タンク１０Ａから接続ライン２５を介して第２タンク１０Ｂに流れている状況下で（すなわち、第１連通状態において）、水が第１タンク１０Ａから抜けすぎているか否かを検出する役割を果たす。また、第１低位センサ５３Ｌは、水が第１タンク１０Ａから接続ライン２５を介して第２タンク１０Ｂに流れている状況下で（すなわち、第１連通状態において）、水が第１タンク１０Ａからある程度抜けたか否かを検出する役割を果たしてもよい。第２液位センサ５４も、これと同様に、第２高位センサ５４Ｈ及び第２低位センサ５４Ｌを含む。第２高位センサ５４Ｈは、第２タンク１０Ｂの周壁上部に設けられ、第２タンク１０Ｂ内の水位ＬＢが第１水位ＬＨに達しているか否かを検出する。例えば、第１水位ＬＨは、第２タンク１０Ｂが許容できる最高水位である。第２低位センサ５４Ｌは、第２タンク１０Ｂの周壁下部に設けられ、第２タンク１０Ｂ内の水位ＬＢが第１水位ＬＨよりも低い第２水位ＬＬに達しているか否かを検出する。例えば、第２水位ＬＬは、第２タンク１０Ｂが許容できる最低水位である。

圧縮機回転数センサ５５は、圧縮機１１の回転数を検出する。発電機回転数センサ５６は、水流発電機３１の回転数を検出する。

図３を参照して、制御器４０によって実行される制御について説明する。図３に示される処理は、所定の制御周期（例えば、５ｍｓｅｃ）おきに繰り返し実行される。また、図３に示される処理は、需要家２において圧縮空気の利用要求がある状態、そのため圧縮機１１を稼働させている状態で実行される。

制御器４０は、供給側圧力センサ５１から吐出圧Ｐｃを取得し、需要側圧力センサ５２から要求圧Ｐｄを取得する（ステップＳ１１）。制御器４０は、吐出圧Ｐｃに基づいて圧縮機１１の容量を制御する（ステップＳ１２）。例えば、制御器４０は、吐出圧Ｐｃが所定値（例えば、０．７ＭＰａＧ）に保たれるように、可変絞り弁１６の絞り量を調整することによって、圧縮機１１の容量を制御する。また、可変絞り弁１６の絞り量を調整することに代えて、圧縮機１１の回転数を調整することによって、圧縮機１１の容量を制御してもよく、この圧縮機１１の容量制御において、制御器４０は圧縮機回転数センサ５５の検出結果を参照してもよい。

なお、需要家２の空気使用量が減少すると、要求圧Ｐｄが上昇する。従来一般的には、要求圧Ｐｄが吐出圧Ｐｃに近づくと、圧縮機１１の容量を下げて圧縮機１１がアンロード運転されている。このとき、圧縮機１１でのメカニカルロスが避けられない。すなわち、アンロード運転中も圧縮機１１が運転し続けているため、電力が消費される。本実施形態では、圧縮機１１は、要求圧Ｐｄに関わらず、基本的にはフルロード運転を継続するように制御される。

制御器４０は、要求圧Ｐｄに基づいて水流発電機３１の容量を制御する（ステップＳ１３）。本発明において水流発電機３１の容量制御とは、ポンプ部３１ａが液流任せのフリーローテーションをしないように、発電部３１ｂの回転数に制限をかけることをいう。言い換えると、ポンプ部３１ａの回転数を制御するともいえる。発電部３１ｂの回転数に制限をかけることで、ポンプ部３１ａがフリーとならず発電部３１ｂにおいて抵抗が発生し、それにより発電が行われる。また、このような容量制御により、要求圧Ｐｄの安定化が図られる。この水流発電機３１の容量制御において、制御器４０は発電機回転数センサ５６の検出結果を参照してもよい。

次に、制御器４０が、第１液位センサ５３及び第２液位センサ５４の検出結果を取得する（ステップＳ２１）。

制御器４０は、第１液位センサ５３の検出結果から、第１タンク１０Ａ内の水位ＬＡが、次の３つの状態（１Ａ）、（２Ａ）、及び（３Ａ）のうちいずれの状態であるのかを判断できる。
状態（１Ａ）：水位ＬＡは第１水位ＬＨ以上である（第１高位センサ５３Ｈ：ＯＮ、第１低位センサ５３Ｌ：ＯＮ）。
状態（２Ａ）：水位ＬＡは第２水位ＬＬ未満である（第１高位センサ５３Ｈ：ＯＦＦ、第１低位センサ５３Ｌ：ＯＦＦ）。
状態（３Ａ）：水位ＬＡは第２水位ＬＬ以上第１水位ＬＨ未満である（第１高位センサ５３Ｈ：ＯＦＦ、第１低位センサ５３Ｌ：ＯＮ）。

上記同様に、制御器４０は、第２液位センサ５４の検出結果から、第２タンク１０Ｂ内の水位ＬＢが、次の３つの状態（１Ｂ）、（２Ｂ）、及び（３Ｂ）のうちいずれの状態であるのかを判断できる。
状態（１Ｂ）：水位ＬＢは第１水位ＬＨ以上である（第２高位センサ５４Ｈ：ＯＮ、第２低位センサ５４Ｌ：ＯＮ）。
状態（２Ｂ）：水位ＬＢは第２水位ＬＬ未満である（第２高位センサ５４Ｈ：ＯＦＦ、第２低位センサ５４Ｌ：ＯＦＦ）。
状態（３Ｂ）：水位ＬＢは第２水位ＬＬ以上第１水位ＬＨ未満である（第２高位センサ５４Ｈ：ＯＦＦ、第２低位センサ５４Ｌ：ＯＮ）。

制御器４０は、水位ＬＡ，ＬＢに関する判断結果に基づき、システム１内で使用されている水の量が、適正範囲内であるか否かを判断する（ステップＳ２２）。水量が適正範囲外である場合において（Ｓ２２：ＮＯ）、水量の過少時には水が補充され、水量の過多時には水が排出される（ステップＳ２３）。この点については後述する。

一旦水量は適正範囲内であると仮定し（Ｓ２２：ＹＥＳ）、制御器４０は、水位ＬＡ，ＬＢが「第１の切換条件」を満たすか否かを判断する（ステップＳ２４）。水位ＬＡ，ＬＢが「第１の切換条件」を満たしていなければ（Ｓ２４：ＮＯ）、制御器４０は、水位ＬＡ，ＬＢが「第２の切換条件」を満たすか否かを判断する（ステップＳ２５）。

第１の切換条件とは、水位ＬＡが状態（２Ａ）であり且つ水位ＬＢが状態（１Ｂ）であるとの条件（第１タンク１０Ａが空に近く第２タンク１０Ｂが満充填に近い）である。第２の切換条件とは、水位ＬＡが状態（１Ａ）であり且つ水位ＬＢが状態（２Ｂ）であるとの条件（第１タンク１０Ａが満充填に近く第２タンク１０Ｂが空に近い）である。水位ＬＡ，ＬＢが第１の切換条件も第２の切換条件も満たさない場合、水位ＬＡは状態（３Ａ）であり且つ／又は水位ＬＢが状態（３Ｂ）である。

水位ＬＡ，ＬＢが第１の切換条件を満たしていれば（Ｓ２４：ＹＥＳ）、制御器４０は、システム１を第２連通状態から第１連通状態に切り換えるように供給切換機構１４を制御する（ステップＳ２６）。水位ＬＡ，ＬＢが第２の切換条件を満たしていれば（Ｓ２５：ＹＥＳ）、制御器４０は、システム１を第１連通状態から第２連通状態に切り換えるように供給切換機構１４を制御する（ステップＳ２６）。水位ＬＡ，ＬＢが第１の切換条件も第２の切換条件も満たしていなければ（Ｓ２４：ＮＯ，Ｓ２５：ＮＯ）、現在の連通状態が維持される（ステップＳ２８）。ステップＳ２６～Ｓ２８において、制御器４０は、供給切換機構１４の制御に付随して、圧力調整機構１５を制御する。

図４Ａでは、システム１が第１連通状態にある。第１タンク１０Ａ内の水位ＬＡは状態（３Ａ）であり、第２タンク１０Ｂ内の水位ＬＢは状態（３Ｂ）である。制御器４０は、システム１を第１連通状態で維持する（ステップＳ２８）。図４Ａは、システム１を第１連通状態に切り換えて以降、第１タンク１０Ａ内の水位が下降し、且つ第２タンク１０Ｂ内の水位が上昇する過程を示している。

第１開閉弁１４Ａが開、第２開閉弁１４Ｂが閉であるため、圧縮機１１から吐出された圧縮空気は、第１供給側分岐ライン１２ａを介して第１タンク１０Ａに供給される。第１タンク１０Ａの内部では、水面よりも上方で、吐出圧Ｐｃの圧縮空気が貯留される。

第１供給側分岐ライン１２ａは、第１タンク１０Ａ内に延設されている。一例として、下端は、第２水位ＬＬ、すなわち、第１低位センサ５３Ｌよりも低い位置にある。そのため、圧縮空気は、貯留されている水内に放出され、気泡となり水面の上方に導かれる。圧縮空気が水内に放出されるため、システム１の静粛性が増す。

第１タンク１０Ａ内の圧縮空気は、第１需要側分岐ライン１４ａに入り、第１圧力調整弁１５Ａで調圧される。調圧された圧縮空気は、需要側主ライン１４ｍを介して需要家２に供給される。第２圧力調整弁１５Ｂが開であるため、調圧された圧縮空気は、第２需要側分岐ライン１４ｂを介して第２タンク１０Ｂに供給される。第２タンク１０Ｂの内部では、水面よりも上方で、要求圧Ｐｄの圧縮空気が貯留される。

第１タンク１０Ａ内の水には吐出圧Ｐｃが作用し、第２タンク１０Ｂ内の水には要求圧Ｐｄが作用する。吐出圧Ｐｃは要求圧Ｐｄよりも高いため、第１タンク１０Ａ内の水が、接続ライン２５を介して第２タンク１０Ｂへと流れる。水流発電機３１は、この水流に基づいて交流を発電する。

吐出圧Ｐｃは一定に保たれるように制御され（ステップＳ１２）、要求圧Ｐｄは一定に保たれるように制御される（ステップＳ１３）。吐出圧Ｐｃと要求圧Ｐｄとの差圧は、約０．１ＭＰａＧであり、そのため、第２タンク１０Ｂ内の水位が第１タンク１０Ａ内の水位より高くなっても、重力に基づく水頭圧を無視でき、第１タンク１０Ａ内の圧縮空気で水を第２タンク１０Ｂに押し込める。

図４Ｂでは、第１タンク１０Ａ内の水位ＬＡは状態（２Ａ）であり、第２タンク１０Ｂ内の水位ＬＢは状態（１Ｂ）である。水位ＬＡ，ＬＢが第１の切換条件を満たすため、制御器４０は、システム１を第１連通状態から第２連通状態に切り換える（ステップＳ２６）。

第１開閉弁１４Ａが開から閉となり、圧縮機１１から第１タンク１０Ａへの圧縮空気の供給が停止する。第２開閉弁１４Ｂが閉から開となり、圧縮機１１から第２タンク１０Ｂへの圧縮空気の供給が開始する。第２タンク１０Ｂの内部では、水面よりも上方で、吐出圧Ｐｃの圧縮空気が貯留される。第２供給側分岐ライン１２ｂも、第１供給側分岐ライン１２ａと同様に、第２タンク１０Ｂ内に延設されているため、システム１の静粛性が増す。一例として、下端は、第２水位ＬＬ、すなわち、第２低位センサ５４Ｌよりも低い位置にある。そのため、圧縮空気は、貯留されている水内に放出され、気泡となり水面の上方に導かれる。圧縮空気が水内に放出されるため、システム１の静粛性が増す。

第２タンク１０Ｂ内の圧縮空気は、第２需要側分岐ライン１３ｂに入り、第２圧力調整弁１５Ｂで調圧される。調圧された圧縮空気は、需要側主ライン１３ｍを介して需要家２に供給される。第１圧力調整弁１５Ａが開であるため、第２需要側分岐ライン１３ｂは、第１タンク１０Ａとも流体的に接続される。連通状態が切り換えられた後も、第１タンク１０Ａ内の吐出圧Ｐｃの圧縮空気は、より低圧の需要家２側へ流れる。そして、第１タンク１０Ａと第１需要側分岐ライン１３ａ（需要家２側）とで、圧縮空気の圧力が等しくなる。

第２タンク１０Ｂ内の水に吐出圧Ｐｃが作用し、第１タンク１０Ａ内の水には要求圧Ｐｄが作用する。先ほどと逆に、第２タンク１０Ｂ内の水が、接続ライン２５を介して第１タンク１０Ａへと流れる。水流が逆向きとなっても、水流発電機３１は発電することができる。

図４Ｃでは、システム１が第２連通状態である。第１タンク１０Ａ内の水位ＬＡは状態（３Ａ）であり、第２タンク１０Ｂ内の水位ＬＢは状態（３Ｂ）である。制御器４０は、システム１を第２連通状態で維持する（ステップＳ２８）。図４Ｃは、システム１を第２連通状態に切り換えて以降、第１タンク１０Ａ内の水位が上昇し、且つ第２タンク１０Ｂ内の水位が下降する過程を示している。

図４Ｄでは、第１タンク１０Ａ内の水位ＬＡは状態（１Ａ）であり、第２タンク１０Ｂ内の水位ＬＢは状態（２Ｂ）である。水位ＬＡ，ＬＢが第２の切換条件を満たすため、制御器４０は、システム１を第２連通状態から第１連通状態に切り換える（ステップＳ２６）。

第２開閉弁１４Ｂが開から閉となり、圧縮機１１から第２タンク１０Ｂへの圧縮空気の供給が停止する。第１開閉弁１４Ａが閉から開となり、圧縮機１１から第１タンク１０Ａへの圧縮空気の供給が開始する。第１タンク１０Ａの内部では、水面よりも上方で、吐出圧Ｐｃの圧縮空気が貯留される。第１タンク１０Ａ内の圧縮空気は、第１需要側分岐ライン１３ａに入り、第１圧力調整弁１５Ａで調圧される。調圧された圧縮空気は、需要側主ライン１３ｍを介して需要家２に供給される。第２圧力調整弁１５Ｂが開であるため、第１需要側分岐ライン１３ａは、第２タンク１０Ｂとも流体的に接続される。連通状態が切り換えられた後も、第２タンク１０Ｂ内の吐出圧Ｐｃの圧縮空気は、より低圧の需要家２側へ流れる。そして、第２タンク１０Ｂと第２需要側分岐ライン１３ｂ（需要家２側）とで、圧縮空気の圧力が等しくなる。

第２タンク１０Ｂ内の水に吐出圧Ｐｃが作用し、第１タンク１０Ａ内の水には要求圧Ｐｄが作用する。再び水流の向きが逆転し、第１タンク１０Ａ内の水が、接続ライン２５を介して第２タンク１０Ｂへと流れる。水流発電機３１は発電する。この後は、図４Ａに示す状態に戻る。

このような接続ライン２５を介した水の往来中に、水がドレンから不所望に流入し又はタンク内で蒸発する等して、水量が過剰になる又は不足する可能性がある。なお、過剰でも不足でもない適正な水量とは、第１タンク１０Ａ内の水位ＬＡが第１水位ＬＨにあるときの第１タンク１０Ａ内の水の容積と、第２タンク１０Ｂ内の水位ＬＢが第２水位ＬＬにあるときの第２タンク１０Ｂ内の水の容積と、接続ライン２５に充填された水の容積との和にほぼ等しい。

そのため、第１連通状態で第１タンク１０Ａ内の水位ＬＡが下降し且つ第２タンク１０Ｂ内の水位ＬＢが上昇している場合には、水位ＬＡが第２水位ＬＬまで下降した時点と、水位ＬＢが第１水位ＬＨまで上昇した時点とが、ほぼ同時点となる。水位ＬＡが第２水位ＬＬを下回っているのに水位ＬＢが第１水位ＬＨ未満である状態が継続していれば、水が不足していると判断できる。水位ＬＢが第１水位ＬＨを上回っているのに水位ＬＢが第１水位ＬＨ以上である状態が継続していれば、水が過剰であると判断できる。第２連通状態である場合も、これと同様である。ステップＳ２２では、制御器４０は、このようにして水量の適正性を判断する。

ステップＳ２３において、水量が不足している場合には、制御器４０は、補充弁２２を開に制御する。図５Ａは、第２連通状態で水量が不足であった場合を例示する。水が第１タンク１０Ａ内に補充ライン２１を介して補充される。第２タンク１０Ｂから水が供給されていることも相まって、第１タンク１０Ａ内の水位ＬＡが上昇する。制御器４０は、システム１を現在の連通状態（第２連通状態）で維持する（ステップＳ２８）。第２タンク１０Ｂ内の水が第１タンク１０Ａに流れる状態が継続され、水流発電機３１は発電を継続する。水位ＬＡの上昇により、水位ＬＡ，ＬＢは第１の切換条件を満たすようになる。第１の切換条件が成立すれば、制御器４０は、補充弁２２を閉に戻す。

ステップＳ２３において、水量が過剰である場合には、制御器４０は、排出弁２４を開に制御する。図５Ｂは、第２連通状態で水量が過剰であった場合を例示する。第１タンク１０Ａ内の水が排出ライン２３を介して排出され、第１タンク１０Ａ内の水位ＬＡが下がる。制御器４０は、システム１を現在の連通状態（第２連通状態）で維持する（ステップＳ２８）。第２タンク１０Ｂ内の水が第１タンク１０Ａに流れる状態が継続され、水流発電機３１は発電を継続する。どちらの水位ＬＡ，ＬＢも下がっていき、水位ＬＡ，ＬＢは第１の切換条件を満たすようになる。第１の切換条件が成立すれば、制御器４０は、排出弁２４を閉に戻す。

上記実施形態に係るシステム１によれば、圧縮空気は大気開放される代わりに、液体を両リザーバタンク１０Ａ，１０Ｂ間で移動させるために利用される。そしてその液体の運動エネルギーが電気エネルギーとして回収される。したがって、エネルギー効率が改善される。また、需要家２の空気使用量が減った場合でも、圧縮機１１のフルロード運転を継続し、余剰の圧縮空気から電気エネルギーを得ることができる。アンロード運転で発生し得るエネルギー損失（例えば、可変絞り弁１６で発生するメカニカルロス）を抑えることができる。この点からも、エネルギー効率が向上する。

上記実施形態に係るシステム１において、第１及び第２圧力調整弁１５Ａ，１５Ｂが、二次圧力を調整する減圧弁である。そのため、要求圧Ｐｄが、減圧弁によって予め定められた値で安定する。需要家２に供給される圧縮空気の圧力が安定する。また、第１連通状態においては第２タンク１０Ｂの内圧が安定し、第２連通状態においては第１タンク１０Ａの内圧が安定する。したがって、接続ライン２５内の水流が安定し、発電動作も安定する。

上記実施形態に係るシステム１において、制御器４０が、需要側圧力センサ５２の検出結果に基づいて水流発電機３１の容量制御を実行している。このため、要求圧Ｐｄの更なる安定化が図られる。更に、制御器４０は、供給側圧力センサ５１の検出結果に基づいて圧縮機１１の容量制御を実行している。このため、吐出圧Ｐｃの安定化が図られる。吐出圧Ｐｃ及び要求圧Ｐｄの安定により、接続ライン２５内の水流が一層安定し、発電動作も一層安定する。

上記実施形態に係るシステム１において、制御器４０は、第１及び第２液位センサ５３，５４の検出結果に基づいて第１連通状態と第２連通状態とを切り換えるように供給切換機構１４を作動させる。これにより、第１又は第２タンク１０Ａ，１０Ｂが液体で満充填され又は空になる事態を避けることができる。水が第１及び第２タンク１０Ａ，１０Ｂ間を継続的に往来し、水流発電機３１が発電を継続できる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、上記構成は本発明の範囲内で適宜変更可能である。

例えば、第１及び第２圧力調整弁１５Ａ，１５Ｂは、減圧弁に代えて、一次圧力を調整する一次圧力調整弁であってもよい。この場合、第１連通状態では第１タンク１０Ａの内圧が、第２連通状態では第２タンク１０Ｂの内圧が、一次圧力調整弁によって予め定められた値に調整される。水頭が安定し、発電が安定する。

供給側ライン１２の下流端部は、必ずしも全てのタンク１０Ａ，１０Ｂの内部に延設されていなくてもよく、少なくともいずれか１つのタンク１０Ａ，１０Ｂの内部に延設されていてもよい。補充ライン２１の接続先は第１タンク１０Ａに限定されず、補充ライン２１は、第１タンク１０Ａ、第２タンク１０Ｂ、又は接続ライン２５の少なくとも１つに接続されていればよい。排出ライン２３もこれと同様である。リザーバタンクは２つに限定されず、３以上であってもよい。

圧縮機１１で圧縮される気体は、空気に限定されず、その他の気体であってもよい。第１及び第２タンク１０Ａ，１０Ｂ間で移動する液体は、水に限定されず、その他の液体であってもよい。例えば、液体は油であってもよい。

１ 圧縮気体供給システム
２ 需要家
１０Ａ 第１リザーバタンク
１０Ｂ 第２リザーバタンク
１１ 圧縮機
１２ 供給側ライン
１２ａ 第１供給側分岐ライン
１２ｂ 第２供給側分岐ライン
１２ｍ 供給側主ライン
１３ 需要側ライン
１３ａ 第１需要側分岐ライン
１３ｂ 第２需要側分岐ライン
１３ｍ 需要側主ライン
１４ 供給切換機構
１４Ａ 第１開閉弁
１４Ｂ 第２開閉弁
１５ 圧力調整機構
１５Ａ 第１圧力調整弁
１５Ｂ 第２圧力調整弁
１６ 可変絞り弁
２１ 補充ライン
２２ 補充弁
２３ 排出ライン
２４ 排出弁
２５ 接続ライン
３１ 水流発電機（液流式発電機）
３２ インバータ
４０ 制御器
５１ 供給側圧力センサ
５２ 需要側圧力センサ
５３ 第１液位センサ
５３Ｈ 第１高位センサ
５３Ｌ 第１低位センサ
５４ 第２液位センサ
５４Ｈ 第２高位センサ
５４Ｌ 第２低位センサ
５５ 圧縮機回転数センサ
５６ 発電機回転数センサ
ＬＡ，ＬＢ 水位
ＬＨ 第１水位
ＬＬ 第２水位
Ｐｃ 吐出圧
Ｐｄ 要求圧

Claims (10)

1. 圧縮気体及び液体を貯留可能な第１及び第２リザーバタンクと、
   前記圧縮気体を生成する圧縮機と、
   前記圧縮機を前記第１及び第２リザーバタンクに接続する供給側ラインと、
   前記供給側ラインに設けられ、前記圧縮機で吐出された前記圧縮気体を前記第１リザーバタンクに供給する第１連通状態と、前記圧縮機で吐出された前記圧縮気体を前記第２リザーバタンクに供給する第２連通状態とを切り換える供給切換機構と、
   前記第１及び第２リザーバタンクを需要家に接続する需要側ラインと、
   前記需要側ラインに設けられ、前記第１連通状態における当該需要側ラインの前記圧縮気体を調圧し、前記第２連通状態における当該需要側ラインの前記圧縮気体を調圧する圧力調整機構と、
   前記第１及び第２リザーバタンクの下部同士を接続し、前記第１及び第２リザーバタンク間で前記液体を通流させる接続ラインと、
   前記接続ラインに設けられ、前記液体の流れを動力源として発電する液流式発電機と、
   を備え、
   前記需要側ラインが、前記第１リザーバタンクに接続される第１需要側分岐ラインと、前記第２リザーバタンクに接続される第２需要側分岐ラインと、前記第１及び前記第２需要側分岐ラインを合流させる需要側主ラインと、を含み、
   前記圧力調整機構が、前記第１需要側分岐ラインに設けられた第１圧力調整弁と、前記第２需要側分岐ラインに設けられた第２圧力調整弁と、を含む、
   圧縮気体供給システム。
2. 前記第１及び第２圧力調整弁が、一次圧力を調整する一次圧力調整弁である、
   請求項１に記載の圧縮気体供給システム。
3. 前記第１及び第２圧力調整弁が、二次圧力を調整する減圧弁である、
   請求項１に記載の圧縮気体供給システム。
4. 前記需要側主ラインを通流する圧縮気体の圧力を検出する需要側圧力センサと、前記液流式発電機を制御する発電機用制御器と、を更に備え、
   前記発電機用制御器は、前記需要側圧力センサの検出結果に基づいて前記液流式発電機を容量制御する、
   請求項３に記載の圧縮気体供給システム。
5. 前記供給側ラインを通流する圧縮気体の圧力を検出する供給側圧力センサと、前記圧縮機を制御する圧縮機用制御器と、を更に備え、
   前記圧縮機用制御器は、前記供給側圧力センサの検出結果に基づいて前記圧縮機を容量制御する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の圧縮気体供給システム。
6. 前記供給側ラインが、前記圧縮機に接続される供給側主ラインと、前記供給側主ラインから分岐して前記第１リザーバタンクに接続される第１供給側分岐ラインと、前記第２リザーバタンクに接続される第２供給側分岐ラインと、を含み、
   前記供給切換機構が、前記第１供給側分岐ラインを開閉する第１開閉弁と、前記第２供給側分岐ラインを開閉する第２開閉弁と、を含む、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の圧縮気体供給システム。
7. 前記第１リザーバタンク内に貯留される前記液体の液位を測定する第１液位センサと、前記第２リザーバタンク内に貯留される前記液体の液位を測定する第２液位センサと、前記供給切換機構を制御する制御器と、を更に備え、
   前記制御器が、前記第１及び第２液位センサの検出結果に基づいて前記第１連通状態と前記第２連通状態とを切り換えるように前記供給切換機構を作動させる、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の圧縮気体供給システム。
8. 前記第１リザーバタンク、前記接続ライン、又は前記第２リザーバタンクへの前記液体の補充可否を切り換える補充弁と、前記第１リザーバタンク、前記接続ライン、又は前記第２リザーバタンクからの前記液体の排出可否を切り換える排出弁と、を更に備え、
   前記制御器が、前記第１及び第２液位センサの検出結果に基づいて前記補充可否又は前記排出可否を切り換えるように前記補充弁又は前記排出弁を作動させる、
   請求項７に記載の圧縮気体供給システム。
9. 前記供給側ラインの下流端部は、前記第１及び第２リザーバタンクの少なくとも一方の内部に延設される、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の圧縮気体供給システム。
10. 圧縮気体及び液体を貯留可能な第１及び第２リザーバタンクと、
    前記圧縮気体を生成する圧縮機と、
    前記圧縮機を前記第１及び第２リザーバタンクに接続する供給側ラインと、
    前記供給側ラインに設けられ、前記圧縮機で吐出された前記圧縮気体を前記第１リザーバタンクに供給する第１連通状態と、前記圧縮機で吐出された前記圧縮気体を前記第２リザーバタンクに供給する第２連通状態とを切り換える供給切換機構と、
    前記第１及び第２リザーバタンクを需要家に接続する需要側ラインと、
    前記需要側ラインに設けられ、前記第１連通状態における当該需要側ラインの前記圧縮気体を調圧し、前記第２連通状態における当該需要側ラインの前記圧縮気体を調圧する圧力調整機構と、
    前記第１及び第２リザーバタンクの下部同士を接続し、前記第１及び第２リザーバタンク間で前記液体を通流させる接続ラインと、
    前記接続ラインに設けられ、前記液体の流れを動力源として発電する液流式発電機と、
    前記第１リザーバタンク内に貯留される前記液体の液位を測定する第１液位センサと、
    前記第２リザーバタンク内に貯留される前記液体の液位を測定する第２液位センサと、
    前記供給切換機構を制御する制御器と、
    を備え、
    前記制御器が、前記第１及び第２液位センサの検出結果に基づいて前記第１連通状態と前記第２連通状態とを切り換えるように前記供給切換機構を作動させ、
    前記第１リザーバタンクに前記圧縮気体を供給する前記供給側ラインの下流端部は、前記第１液位センサの最低検出位置よりも低い位置まで延設され、
    前記第２リザーバタンクに前記圧縮気体を供給する前記供給側ラインの下流端部は、第２液位センサの最低検出位置よりも低い位置まで延設される、
    圧縮気体供給システム。

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