JPH07167032A

JPH07167032A - 揚水機用シリンダ

Info

Publication number: JPH07167032A
Application number: JP5342888A
Authority: JP
Inventors: Sakae Isamori; 森栄伊佐
Original assignee: Endo Katsuhisa
Current assignee: Endo Katsuhisa
Priority date: 1993-12-15
Filing date: 1993-12-15
Publication date: 1995-07-04

Abstract

(57)【要約】【目的】小さなエネルギーで大きな揚水を可能とする
揚水機用シリンダを提供する。【構成】この揚水機用シリンダは、主シリンダ５０
と、この主シリンダ５０に収納された水路系シリンダ５
１と、この水路系シリンダ５１内に配設された空気系シ
リンダ６と、この空気系シリンダ６に収納された空気系
ピストン５と、水路系シリンダ５１に設けられた弁機構
１２、１５と、を主たる構成要素としてなるもので、シ
リンダ１１、１３から中央室５１ａに水と共に流入した
空気が膨張することで、排出口２０から水が放出される
ようになっているものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、揚水発電システムに用
いられる揚水機のシリンダに関する。

【０００２】

【従来の技術】揚水発電に用いられる従来の揚水ポンプ
は、ピストンの往復運動によって、水を一方向にのみ送
出するものであり、ピストンの摩擦、水の移動に対する
抵抗等による大きなエネルギー消費が伴うという欠点が
あった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、かかる従
来の揚水ポンプの欠点を解決し、極めて小さなエネルギ
ーで大量の揚水を可能ならしめるべく、新たな技術思想
に基づく揚水機及びこれを利用する発電システムを発明
し、既に特許出願を行った（特願平５−８００５９号お
よび特願平５−２５１０９７号）。本発明は、この揚水
機に用いられる好適なシリンダを提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る揚水機用シ
リンダは、中空円筒状でその外周面の略中央に第１の貫
通口が、両端部近傍においてそれぞれ第２及び第３の貫
通口が穿設された主筒体と、前記主筒体内で該主筒体の
長手軸方向に摺動可能に収納され且つ前記主筒体の第１
の貫通口に連通する連通口が穿設された中空円筒部材
と、前記中空円筒部材の両端部に設けられた弁機構と、
前記中空部材に内設され、両端部近傍に外部からの圧搾
空気を導入する導入口が穿設されたシリンダ部材と、前
記シリンダ部材内に摺動可能に配されたピストン部材で
あって、該ピストン部材の軸が前記シリンダ部材を貫通
し、その端部が前記弁機構に止着されているものと、を
具備してなる揚水機用シリンダであって、前記弁機構
は、複数の逆止弁が配された２枚の平板部が対向してシ
リンダ室を形成してなると共に、前記第２又は第３の貫
通口に連通する弁機構側連通口が形成され、前記複数の
逆止弁は、前記中空円筒部材の内部方向へ向かってのみ
流体の流入を可能とするよう配設されたものである。

【０００５】

【作用】シリンダ部材内へ、一方の導入口を介して外部
から圧搾空気が導入されると、ピストン部材は他方の導
入口がある側へ移動するが、ピストン部材と弁機構とは
一体に移動するようになっているので、ピストン部材の
移動と共に、弁機構も移動することとなる。この弁機構
の移動によって、揚水を貯水する貯水池の池面側に位置
する弁機構のシリンダ室には逆止弁を介して揚水される
水が流入すると共に、弁機構側連通口を介して外部から
空気が送られ、シリンダ室内は空気と水との混合状態と
なる。そして、この状態から弁機構が上死点に達し、シ
リンダ部材の他方の導入口を介して外部から圧搾空気が
導入されることによって、弁機構は下降を開始し、そ
れに伴いシリンダ室内の空気がさらに圧縮されるため
に、逆止弁を介して中空円筒部材の内部へシリンダ室の
空気と共に水が流入する。中空円筒部材の内部に流入し
たシリンダ室からの空気は、ここで膨張する結果、水を
第１の貫通口を介して外部へ放出することとなり、揚水
が実現されることとなる。

【０００６】

【実施例】以下、図１ないし図８を参照しつつ、本発明
に係る揚水機用シリンダの一実施例について説明する。
ここで、図１は本発明に係る揚水機用シリンダの一実施
例を示し、水路系シリンダが下死点位置にある時の縦断
面図、図２は本発明に係る揚水機用シリンダの一実施例
を示し、水路系シリンダが下死点より少し上昇した時の
縦断面図、図３は本発明に係る揚水機用シリンダの一実
施例を示し、水路系シリンダが上死点位置にある時の縦
断面図、図４は本発明に係る揚水機用シリンダの一実施
例を示し、水路系シリンダが上死点より少し下がった時
の縦断面図、図５は揚水機用シリンダに用いられる逆止
弁が固着される円板部材における逆止弁の配置の一例を
示す全体斜視図、図６は図１に示された揚水機用シリン
ダに用いられる逆止弁の一実施例を示す全体斜視図、図
７は揚水機用シリンダに用いられる水路系シリンダにお
ける排水口連通口及び空気取入れ連通口の一例を示す水
路系シリンダの概略全体斜視図、図８はこの揚水機用シ
リンダを用いた揚水機の一実施例を示す構成図である。
尚、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するも
のではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変すること
ができるものである。

【０００７】先ず、本発明に係る揚水機用シリンダを説
明する前に、この揚水機用シリンダが用いられる揚水機
について図８を参照しつつ説明する。

【０００８】図８は、本発明の一実施例であり、揚水の
概略を示したものである。なお、本実施例は、空気系シ
リンダと、揚水系シリンダをパラレルに配置して構成さ
れているものであるが、以降、説明の便宜のため、一方
の経路のみの空気の流れ、および、水の流れを説明す
る。

【０００９】同図において、１は、空気切換弁であり、
圧搾パイプ２からの圧搾空気を、空気シリンダ４の一方
側６に送り、空気系ピストン５を往復させる。一方、前
記空気シリンダ４の他方側７の空気は、前記空気系ピス
トン５によって圧縮されて、前記切換弁１に戻り、送出
パイプ３を通って、蓄圧タンク（図示外）に戻る。戻さ
れた圧搾空気は、図示外第１および第２の増圧機（図示
外）を通じて、前記圧搾パイプ２から再び前記切換弁１
に送られる。切換弁１では、所定の時間間隔で空気の流
通を切換え、前記空気シリンダ４の他方側７に空気を送
り込み、前記空気系ピストン５を空気系シリンダ４の一
方側６に移動させる。これによって、外空気系シリンダ
４の一方側６の空気は、空気系ピストン５によって排出
され、前記排出パイプ３から蓄圧タンク（図示外）に戻
る。

【００１０】このようにして、圧搾された空気は、以上
の循環経路で、空気経路を循環し、この力によって、前
記ピストン５を移動させる。この場合、この圧搾空気の
空気圧は、５ｋｇ／ｃｍ²・Ｇのものを使用し、また、
シリンダは、直径５００ｍｍφ、ストロークは、２５０
ｍｍ、ピストンの面積は、１９１８ｃｍ²のものを使用
した。また、該空気系シリンダ４における空気系ピスト
ン５の往復運動は、毎分９２往復回数に設定して、これ
を使用した。

【００１１】次に、水路系統について説明する。図１に
おける、符号８は、貯水池で深さ約７ｍの水圧の水量が
ある。前記空気シリンダ４の空気系ピストン５は、水路
系シリンダ１０内弁機構、１５に連動し、前記圧搾空気
が前記空気シリンダ４の一方側６に送り込まれることに
よって、ピストン５が、押し下げられると、同時に弁機
構１２、１５も押し下げられる。

【００１２】弁機構１２、１５は、直径１００ｍｍの逆
止弁が、１８個を二重にして合計３６個の逆止弁からな
り、これを同心状に並べられた構造からなるものであ
り、二重構造とするのは、反対側の弁機構１５が上昇す
るとき、この反作用によって、シリンダ１１内の水をシ
リンダ１０側に逃がさないようにするためのものであ
る。該弁機構１２、１５が移動することによって、水
は、シリンダ１１の水は、排水口２０から揚水パイプ２
１を通って排出され、また、シリンダ１０内の水は、合
計３６個の逆止弁（図示外）を通って、シリンダ１１に
移動する。いま、弁機構１２が下がると、シリンダ１１
内の水は、弁機構１２に押されて、排水口２０から揚水
パイプ２２に排水される。この時、一方では、同じピス
トン５に連動する弁機構１５も同時に押し下げられ、シ
リンダ１４内の水をシリンダ１３内に送り込む。

【００１３】ピストン５および弁機構１２が下死点に達
した次の瞬間、前記空気系路が切り替わり、ピストン５
は上昇を始める。これに伴って、弁機構１２、１５も上
昇を始め、シリンダ１０内の水をシリンダ１１に移動す
るとともに、前記弁機構１２が、上昇を始めた時、シリ
ンダ１１内は、瞬間的に真空状態となり、この状態で、
なお、弁機構１２、１５が上昇を続けるから、貯水池の
水を吸引すると共に、このシリンダの途中に設けられた
空気取入れ口１８を前記弁機構１２が経過すると、この
空気取入れ口１８から、空気がシリンダ１１内に入り込
む。すなわち、シリンダ１１内は、最初は、水で充満さ
れているが、途中から流入する空気が混在した状態とな
る。

【００１４】次に、弁機構１２が上死点に達し、次の瞬
間、弁機構１２が下降を始めると、シリンダ１１内の水
と空気の混合は、下方に押されるが、特に、シリンダ１
１内の空気は圧縮される。水と混在した形で弁機構１２
が押し下げられると、内部の空気は、さらに、圧縮さ
れ、圧力が所定の値を越えると、排水口２０に設けられ
た水とともに排水口２０から外部に放出される。

【００１５】この時、圧縮された空気は、加圧状態から
開放されて膨張するとともに、水を混在した状態で水を
排水口２０から、揚水パイプ２１を介して外部の給水タ
ンク２２にまで押し上げる。

【００１６】一方、シリンダ１０、１１の他方側１３、
１４でも同じ工程が繰り返され、弁機構１５は、押し下
げられて、給水口１７から入り込んだシリンダ１４の水
をシリンダ１３に移動させる。この時、該弁機構１５が
シリンダ１３、１４の途中の所定位置を経過すると、負
圧が生じて外部の空気を空気取入れ口１９からシリンダ
１３内に取り込み、弁機構１５が、上昇するに従い、該
空気が圧縮されて、所定圧力になると、この圧力が開放
されて、空気の混在した水を排水口２０から外部の給水
タンク２２まで、水を押し上げる。

【００１７】本実施例の水路系においては、シリンダ１
０、１１、１３、１４および弁機構１２、１５の直径を
１４００ｍｍ、弁機構１２、１５のストロークを２５０
ｍｍとした。また、これらのシリンダ１０、１１及び１
３、１４の中間に、排水口２０を設け、この排水口２０
には、直径３００ｍｍφのものを使用した。さらに、空
気取入れ口１８、１９は、５インチのパイプを使用し、
かつ、その取り付け位置は、それぞれの弁機構のストロ
ークの中点、すなわち、１２．５ｃｍの位置に、それぞ
れ設けた。

【００１８】本実施例においては、このような空気ピス
トン５を有する空気系シリンダ６、７と、これに連動す
る二組の弁機構１２、１５を有する水路系シリンダ１
０、１１および１３、１４からなるものを並列に配置し
て構成したが、これは、空気ピストン５の運動に伴っ
て、これに連動する一組の弁機構が上下して水を取入
れ、空気を取入れて、この空気の圧縮力を利用して揚水
するものであってもよいし、また、並列に配置するもの
に限らず、単独のもの、または、三組、四組を並列にす
るものなどであってもよい。配列に配置するものや、二
組の弁機構を有するものの方が、弁調整は複雑になる
が、空気の圧縮の回数が減少するので、揚水に際して平
滑した運転が可能となる。

【００１９】なお、本実施例においては、圧搾空気を利
用して、前記弁機構を上下させ、この弁機構の運動に伴
って、外気を水と一緒に吸い込むように構成したが、弁
機構の運動のためには、圧搾空気の切り換えに限らな
い。他の動力伝達手段、例えば、オイルポンプのような
ものであってもよいし、また、容易に往復運動を得るこ
とができるリニアモータのようなものであっても良い。

【００２０】次に、本発明に係る揚水機用シリンダにつ
いて図１ないし図７を参照しつつ説明する。この揚水機
用シリンダは、先に図８に示された揚水機のシリンダ部
Ｓに相当するもので、主筒体としての主シリンダ５０
と、この主シリンダ５０内に収納された中空円筒部材と
しての水路系シリンダ５１と、この水路系シリンダ５１
内に配設されたシリンダ部材としての空気系シリンダ６
と、この空気系シリンダ６に収納されたピストン部材と
しての空気系ピストン５と、水路系シリンダ５１に設け
られた弁機構１２、１５と、を主たる構成要素としてな
るものである。

【００２１】本実施例の主シリンダ５０は、中空円柱状
に形成されており、その内部には水路系シリンダ５１が
長手軸方向（図１において紙面上下方向）において摺動
可能に収納されているものである。また、長手軸方向の
略中央付近には第１の貫通口としての排水口２０が形成
されており、揚水パイプ２１が接続されるようになって
いる。また、この排水口２０は、水路系シリンダ５１の
中央室５１ａに排水口連通口５４（後述）を介して連通
している。さらに、この主シリンダ５０の両端部近傍に
おいては、それぞれ、空気取入れ口１８、１９が穿設さ
れており、空気取入れパイプ４６、４６’が接続される
ようになっている。この空気取り入れ口１８、１９は、
後述する弁機構１２、１５のストロークＬの中点、すな
わち、主シリンダ５０の端部から略Ｌ／２の位置に設け
られている。

【００２２】空気系シリンダ６は、円盤状に形成された
空気系ピストン５を収納するもので、その内部はこの空
気系ピストン５によって、第１のシリンダ室６ａと第２
のシリンダ室６ｂとに分けられるようになっている。ま
た、空気系シリンダ６の両端部近傍には、それぞれ圧搾
空気の入出口５２ａ、５２ｂが穿設されており、圧搾空
気導入パイプ（図示せず）が接続されるようになってい
る。さらに、この空気系シリンダ６の両端面からは、空
気系ピストン５が止着されたピストン軸５ａが貫通する
ようになっているが、この部分にはシリンダ内の気密性
を保持するためにＯリング５３が設けられている。

【００２３】空気系ピストン５は円盤状に形成されてお
り、空気系シリンダ６内に、その長手軸方向（図１にお
いて紙面上下方向）に摺動可能に内装されている。この
空気系ピストン５の中央にはピストン軸５ａが貫通され
ており、両者は相互に固着されている。そして、ピスト
ン軸５ａの両端は、弁機構１２、１５に止着されてい
る。

【００２４】水路系シリンダ５１は、主シリンダ５０の
内部で、その長手軸方向に摺動可能であるように内装さ
れるもので、その外観形状は主シリンダ５０と同様に中
空円筒状となっており、その両端部には弁機構１２、１
５が設けられている。また、この水路系シリンダ５１に
は、先の主シリンダ５０に設けられた排水口２０に連通
する弁機構側連通口５４が、例えば、図７に示されたよ
うに水路系シリンダ５１の長手軸方向に長穴状に穿設さ
れている（尚、図７は、弁機構１２、１５の詳細を省略
してある。）。

【００２５】弁機構１２、１５は、水路系シリンダ５１
の両端部において、それぞれ二重構造となっている。す
なわち、本実施例の弁機構１２、１５は、水路系シリン
ダ５１の両端部において、図５に示されたような円板部
材を一定間隔をおいて対向させる一方、各々の円板部材
に複数の逆止弁５５を配してなるものである。本実施例
の逆止弁５５の配置は、図５に示されたようにピストン
軸５ａが貫通する中央の貫通孔５６を中心にして、２重
の同心円上に配置するようになっており、内側の同円上
には６個の逆止弁５５を、外側の同心円上には８個の逆
止弁５５を、それぞれ配置している。

【００２６】逆止弁５５は、図６に示されたように、円
環状に形成された止着部５７の中央穴に通過窓５８を勘
合させ、この通過窓５８の中央にボルト５９をナット止
めすると共に、このボルト５９の他方と通過窓５８との
間にばね６０を弾装し、さらに、このばね６０と通過窓
５８との間に通過窓５８を覆う円板状の弁体６１を配し
てなるものである。また、この弁機構１２、１５には、
それぞれ図７に示されたように、主シリンダ５０の空気
取入れ口１８、１９に連通する第２及び第３の貫通口と
しての空気取入連通口６２ａ、６２ｂが設けられてい
る。

【００２７】かかる構成において、例えば、弁体６１が
配された側（図６（ａ）に示された側）から、流体が弁
体６１に当たる場合、弁体６１は、流体の圧力によって
通過窓５８に押し付けられて通過窓５８を塞ぐこととな
るので、流体は反対側へ通過することはない。一方、弁
体６１が配された側と反対側（図６（ｂ）に示された
側）から、流体が通過窓５８を通過して弁体６１に当た
る場合には、流体の圧力により弁体６１は、ばね６０の
押圧力に抗してボルト５９の軸方向に移動（図６（ａ）
の実線矢印方向）し、流体は、通過窓５８の反対側へ抜
けることとなる。そして、流体の圧力がばね６０の押圧
力よりも下回ると、弁体６１は再びばね６０の押圧力に
より通過窓５８へ押しつけられ弁が閉じた状態となる。

【００２８】次に、上記構成における動作を図１ないし
図４及び図８を参照しつつ説明する。先ず、図１は空気
系シリンダ５が最も下降した状態、すなわち、下死点に
達した状態を示している。尚、空気系ピストン５と弁機
構１２、１５とは連動する構造であるので、空気系ピス
トン５が下死点に位置することは、弁機構１２、１３も
下死点の位置であることを意味する。空気系ピストン５
が下死点に達すると同時に、切換弁１（図８参照）の動
作により空気系路が切り替わり、空気系シリンダ６の他
方の入出口５２ｂから圧搾空気が流入し始めることとな
り、空気系ピストン５が上昇を開始する。

【００２９】空気系ピストン５の上昇開始と共に、弁機
構１２、１５も上昇し始め、これにより弁機構１２の逆
止弁５５を介して貯水池（図８参照）の水がシリンダ１
１内に流入することとなる（図２の白抜き矢印参照）。
そして、空気系ピストン５の上昇に伴い弁機構１２が主
シリンダ５０に設けられた空気取入れ口１８から、シリ
ンダ１１内に空気が入り込み、シリンダ１１内はこの空
気と先に流入した水とが混在した状態となる。

【００３０】そして、弁機構１２が上死点に達すると
（図３参照）、切換弁１の動作により空気系路が再び切
り替えられ、空気系シリンダ６の一方の入出口５２ａか
ら圧搾空気が流入し始め、空気系ピストン５の下降開始
と共に弁機構１２、１５も下降することとなる。この下
降開始に伴いシリンダ１１内部の空気は徐々に圧縮さ
れ、その大きさが逆止弁５５の弁体６１をばね６０の押
圧力に抗して押し下げられる程度になると、シリンダ１
１内の圧縮された空気と水とは、中央室５１ａ側にある
逆止弁５５の弁体６１を押し下げて水路系シリンダ５１
の中央室５１ａに放出される（図４白抜き矢印参照）。

【００３１】中央室５１ａに放出されたシリンダ１１か
らの空気は、この中央室５１ａで加圧状態から開放され
て膨張すると共に、シリンダ１１からこの中央室５１ａ
に放出された水を排水口２０から揚水パイプ２１（図８
参照）を介して給水タンク２２まで押し上げることとな
る（図４二点鎖線矢印参照）。そして、空気系ピストン
５が下死点に達したところで、図１の状態に戻り、再び
上述したと同様の動作が繰り返されることとなる。尚、
弁機構１５側においても基本的に上述した弁機構１２側
と同様な動作が行われることととなるが、その説明は省
略することとする。

【００３２】上述した実施例においては、弁機構１２、
１５にそれぞれ、１４個の逆止弁５５を設けたが、必ず
しもこの数の逆止弁５５を設ける必要はなく、適宜、任
意な数に設定しても勿論よいものである。

【００３３】

【発明の効果】以上、述べたように、本発明によれば、
揚水される水と一緒に吸い込まれる空気の圧縮、膨張の
作用を利用できるように構成することにより、空気と一
緒に吸い込まれた空気を少量のエネルギーで揚水するこ
とができることとなるという効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る揚水機用シリンダの一実施例を示
す縦断面図である。

【図２】本発明に係る揚水機用シリンダの一実施例を示
し、水路系シリンダが下死点より少し上昇した時の縦断
面図である。

【図３】本発明に係る揚水機用シリンダの一実施例を示
し、水路系シリンダが上死点位置にある時の縦断面図で
ある。

【図４】本発明に係る揚水機用シリンダの一実施例を示
し、水路系シリンダが上死点より少し下がった時の縦断
面図である。

【図５】揚水機用シリンダに用いられる逆止弁が固着さ
れる円板部材における逆止弁の配置の一例を示す全体斜
視図である。

【図６】揚水機用シリンダに用いられる逆止弁の一実施
例を示す全体斜視図である。

【図７】揚水機用シリンダに用いられる水路系シリンダ
における弁機構側連通口及び空気取入れ連通口の一例を
示す水路系シリンダの概略全体斜視図である。

【図８】本発明者が先に発明した揚水機の一構成例を示
す構成図である。

【符号の説明】

１・・・切換弁５・・・空気系ピストン６・・・空気系シリンダ１２・・・弁機構１５・・・弁機構１８・・・空気取入れ口１９・・・空気取入れ口２０・・・排水口５０・・・主シリンダ５１・・・水路系シリンダ５２ａ、５２ｂ・・・入出口５４・・・弁機構側連通口５５・・・逆止弁５７・・・止着部５８・・・通過窓６０・・・ばね６１・・・弁体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中空円筒状でその外周面の略中央に第１
の貫通口が、両端部近傍においてそれぞれ第２及び第３
の貫通口が穿設された主筒体と、前記主筒体内で該主筒体の長手軸方向に摺動可能に収納
され且つ前記主筒体の第１の貫通口に連通する連通口が
穿設された中空円筒部材と、前記中空円筒部材の両端部に設けられた弁機構と、前記前記中空部材に内設され、両端部近傍に外部からの
圧搾空気を導入する導入口が穿設されたシリンダ部材
と、前記シリンダ部材内に摺動可能に配されたピストン部材
であって、該ピストン部材の軸が前記シリンダ部材を貫
通し、その端部が前記弁機構に止着されているものと、
を具備してなる揚水機用シリンダであって、前記弁機構は、複数の逆止弁が配された２枚の平板部が
対向してシリンダ室を形成してなると共に、前記第２又
は第３の貫通口に連通する弁機構側連通口が形成され、
前記複数の逆止弁は、前記中空円筒部材の内部方向へ向
かってのみ流体の流入を可能とするよう配設されたもの
であることを特徴とする揚水機用シリンダ。