JP2005201268A

JP2005201268A - 水中で用いる空気圧蓄積構造体

Info

Publication number: JP2005201268A
Application number: JP2005003692A
Authority: JP
Inventors: Tatsujun Rin; 達順林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2005-07-28
Also published as: TW200523468A; US20050158184A1

Abstract

【課題】水中において、中空の浮体に作用する浮力を利用して、空気を圧縮し、これを動力源として、例えば、発電のための有用なエネルギーとして利用する空気圧力蓄積構造体を提供する。
【解決手段】主浮体１内に空気室２１を有する空気圧蓄積ユニット２と空気貯蔵槽３１を有する空気貯蔵ユニット３とを設け、上記空気室には可動ロッド２０を有するピストン２２を嵌め込み、この可動ロッドの鉛直下方向に延ばして、その先端に中空の副浮体２５を取付け、水面が上昇するとき、それに伴って上記副浮体を上昇させ、これによって上記可動ロッドと上記ピストンを上昇させ、かくして、空気室内の空気を空気貯蔵槽から圧縮空気容器に送るようにした水中で用いる空気圧蓄積構造体。好ましくは、副浮体の上昇運動は、増幅機構によって、増幅して、可動ロッドの上昇運動として伝えられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、水中で用いる空気圧蓄積構造体に関し、詳しくは、中空の球体に水中で作用する浮力を利用して、空気を圧縮し、これを動力源として、例えば、発電のための有用なエネルギー源として利用する空気圧蓄積構造体に関する。

従来、種々のエネルギー源が知られており、また、それらエネルギー源の利用設備にも種々のものがある。その主要なものは発電設備であり、これにも、種々のものがある。水（海洋又は河川）は、地球の表面の十分の七の面積を占めると共に、水面も随時に波となって上下に動くので、巨大なエネルギーの貯蔵庫であるといえる。このように、海洋の波を利用して発電する方式は、主として、潮汐の差を利用する方式と海水を蓄積して利用する方式の二種類に分けられるが、いずれも、水の位置エネルギーの差を利用し、水の流れを形成させて、これによって直接にタービンを回転させ、発電するものである。

従って、このようにして発電するには、大量の水の重量に耐えるために巨大な設備が必要であり、従って、莫大な設備費用が必要であるが、従来、商業化の動きは殆どみられない。本発明者は、従来、このように、海洋に波は存在しても、それが利用されていないという問題を解決するために鋭意研究した結果、上述した種々の問題を解決して、これを利用する方法を見出して、本発明を完成したものである。従って、本発明の主な目的は、水中で用いる空気圧蓄積構造体を提供することにある。

本発明による水中で用いる空気圧力蓄積構造体は、底部に貫通孔を有する主浮体内に、空気室を有する空気圧蓄積ユニットと空気貯蔵槽を有する空気貯蔵ユニットとを設け、上記空気室にはピストンを嵌め込み、空気室内にてこのピストンを弾性部材にて鉛直下方に付勢し、このピストンのピストンロッドを鉛直下方向に延ばして前記貫通孔から主浮体の底部を貫通させて、これに中空の副浮体を取付け、上記空気室には吸入用逆止め弁を介して吸入管を有せしめると共に、排気用逆止め弁を介して排気管によって上記空気室を前記空気貯蔵槽に接続してなり、前記空気貯蔵槽は内部の空気圧が所定値に達したとき、これを検知して、圧縮空気容器への排気用逆止め弁を開放する手段を備えてなる水中で用いる空気圧蓄積構造体であって、水面が上昇するとき、それに伴って前記副浮体をこれに作用する浮力を利用して上昇させ、これによって前記ピストンを上昇させ、かくして、空気室内の空気を上記排気用逆止め弁を有する排気管を経て前記空気貯蔵槽中に送るようにしたことを特徴とするものである。

特に、本発明による好ましい空気圧力蓄積構造体は、底部に貫通孔を有する主浮体内に、空気室を有する空気圧蓄積ユニットと空気貯蔵槽を有する空気貯蔵ユニットとを設け、上記空気室にはピストンを嵌め込み、空気室内にてこのピストンを弾性部材にて鉛直下方に付勢し、このピストンのピストンロッドを鉛直下方向に延ばし、上記ピストンロッドと平行に可動ロッドを設け、この可動ロッドを鉛直下方向に延ばして前記貫通孔から主浮体の底部を貫通させて、これに中空の副浮体を取付け、上記ピストンロッドと可動ロッドとの間に増幅機構を設けて、上記ピストンロッドと可動ロッドを係合させ、上記空気室には吸入用逆止め弁を介して吸入管を有せしめると共に、排気用逆止め弁を介して排気管によって上記空気室を前記空気貯蔵槽に接続してなり、前記空気貯蔵槽は内部の空気圧が所定値に達したとき、これを検知して、圧縮空気容器への排気用逆止め弁を開放する手段を備えてなる水中で用いる空気圧蓄積構造体であって、水面が上昇するとき、それに伴って前記副浮体を上昇させ、これによって前記可動ロッドを上昇させ、この可動ロッドの上昇を前記増幅機構を介して前記ピストンロッドに増幅して伝えて上昇させ、かくして、空気室内の空気を上記排気用逆止め弁を有する排気管を経て前記空気貯蔵槽中に送るようにしたことを特徴とするものである。

本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体は、主浮体内に空気室を有する空気圧蓄積ユニットと空気貯蔵槽を有する空気貯蔵ユニットとを設け、上記空気室には可動ロッドを有するピストンを嵌め込み、この可動ロッドの鉛直下方向に延ばして、その先端に中空の副浮体２５を取付けてなり、水面が上昇するとき、それに伴って上記副浮体を上昇させ、これによって上記可動ロッドと上記ピストンを上昇させ、かくして、空気室内の空気を空気貯蔵槽から圧縮空気容器に送るようにしたものであり、好ましくは、副浮体の上昇運動は、増幅機構によって、増幅して、可動ロッドの上昇運動として伝えられる。

このように、本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体は、主浮体に取付けた副浮体の受ける浮力を利用して空気を圧縮し、得られた圧縮空気を利用して、例えば、タービンを回転させて、電気エネルギーを得るものであり、構造が簡単であり、有用である。

先ず、図１に示すように、本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体は、水面上に位置させる主浮体（フロート）１を備えている。この主浮体は複数の空気圧蓄積ユニット２を有しており、それぞれの空気圧蓄積ユニットはそれぞれ空気室２１を有している。この空気室内には鉛直下方向に付勢された弾性部材２３とこれに固定されたピストン２２が設けられている。図１においては、上記弾性部材２３としてスプリングが示されている。上記ピストン２２のピストンロッドは可動ロッド２０を兼ねており、これは鉛直下方向に延びて、空気室の底部の貫通孔１１を水密的に貫通し、その先端に副浮体２５を有している。上記貫通孔には止水用の環体（図示せず）が取付けられていて、上記可動ロッド２０の上下方向の運動を許しつつ、浮体内への浸水を防止している。

前記主浮体は、上記副浮体が、例えば、海水の浮力を受けて、上方に運動することができるように水面上に位置せしめられる。従って、主浮体は、上記副浮体が、例えば、海水の浮力を受けて、上方に運動することができるように、適宜の手段にて、海底に固定されていてもよいが、好ましくは、潮汐に応じて、海面上で位置が上下に適宜に調節されてもよい。

上記副浮体２５は、例えば、中空の球体である。但し、ピストンロッド（可動ロッド）と副浮体の結合関係については、図２や図３に示すように、ピストンロッド２４がその側面にて、後述する複数のラックと複数の歯車との組合わせからなる増幅機構４を介して、鉛直下方向に延びて、その先端に副浮体２５を有する可動ロッド２０と係合していてもよい。

また、前記空気室２１には吸気用逆止め弁２６を備えた吸気管２９を有し、この吸気管は主浮体内を上方に延びて、その先端は逆Ｕ字状に曲げられて開口している。また、前記空気室は空気出口３０から排気用逆止め弁２７を有する排気管２８にて空気貯蔵ユニット３の空気貯蔵槽３１に接続されている。かくして、水面が上昇するとき、前記副浮体２５が前記可動ロッド２０を介して空気室内のピストン２２を上昇させて、空気室内の空気を空気出口３０から排気用逆止め弁２７を経て排気管２８にて空気貯蔵槽３１に送る。この空気貯蔵槽３１は吸気口３２と排気用逆止め弁３３を経て導管３７にて圧縮空気容器５に接続されている。必要に応じて、空気貯蔵槽３１には、ほぼその断面形状に一致するピストン状の栓体３４がスプリングのような弾性体３５にて付勢されつつ、空気貯蔵槽内の空気圧に応じて空気貯蔵槽の軸方向に可動的に支持されている。このように、空気貯蔵槽３１が弾性体３５にて付勢された上記栓体を有するときは、空気貯蔵槽も一種の圧縮空気容器として機能する。

このようにして、波面の上昇運動に対応して、絶えず、空気が空気圧蓄積ユニット２の空気室２１から空気貯蔵ユニット３の空気貯蔵槽３１に送られ、ここで、空気貯蔵槽における空気圧を所定値に達せしめて、圧縮空気（風力エネルギー）を動力源として得ることができる。

本発明によれば、主浮体内において、空気圧蓄積ユニットの複数を並列的に単一の空気貯蔵ユニットに接続してもよく、また、空気貯蔵ユニットの複数を並列的に、又は直列的に圧縮空気容器に接続してもよい。例えば、図４に示す例では、二つの空気圧蓄積ユニット２のそれぞれの空気室２１が排気管２８によって並列的に空気貯蔵槽３１に接続されている。図５に示す例では、それぞれ空気貯蔵槽３１を有する二つの空気貯蔵ユニット３が接続管５０にて圧縮空気容器５に並列的に接続されている。図６に示す例では、空気圧蓄積ユニットを有する第１の空気貯蔵ユニットの空気貯蔵槽が案内接続管３６によって第２の空気貯蔵ユニットの空気貯蔵槽に接続され、この第２の空気貯蔵ユニットの空気貯蔵槽が圧縮空気容器に接続されている。即ち、二つの空気貯蔵槽が直列的に圧縮空気容器に接続されている。図７に示す例では、三つの空気貯蔵槽が直列的に圧縮空気容器５に接続されている。

前述した増幅機構４の一例を図３に詳細に示す。この例においては、前記空気室２１から鉛直下方向に延びるピストンロッド２４の側面上に第１のラック４８が設けられており、他方、前記可動ロッド２０の側面上にも第２のラック４２が上記第１のラックに対面して設けられている。前記主浮体１に適宜に、例えば、その底部に固定された水平な枠体４１に一対の平行な回転軸４３と４９が上記第１と第２のラック間に支持されていると共に、空気室２１からのピストンロッド２４上の第１のラック４８に噛み合うようにピストンロッド側の回転軸４９に大歯車４７が取付けられており、この大歯車と同軸に小歯車４６が回転軸４９に取付けられている。他方、可動ロッド２０上の第２のラック４２に噛み合うように可動ロッド側の回転軸４３に小歯車４４が取付けられており、この小歯車と同軸に大歯車４５が回転軸４３に取付けられており、更に、ピストンロッド側の小歯車４６と可動ロッド側の大歯車４５が噛み合っている。

しかし、ラックと歯車の組合わせによる増幅機構は、上記例示に限定されるものではなく、上記例示以外にも種々の構成が可能であることは明らかである。例えば、図２に示す例では、ピストンロッド側の回転軸４９に単一の歯車４６が取付けられており、可動ロッド側の回転軸４３上の大歯車４５が上記歯車４６に噛み合っている。その他の構成、即ち、第１と第２のラックと一対の回転軸と可動ロッド側の歯車については、前述したと同じである。

このように、本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体がピストンロッドと可動ロッドとの間に増幅機構を有するときは、前述したように、可動ロッド２０は、主浮体１の底部を貫通し、鉛直下方向に延びて、その先端に副浮体２５を有しているので、水面の上昇によって副浮体が上昇するとき、可動ロッドの上昇運動は第２のラック４２によって小歯車４４に回転運動として伝えられ、この回転運動は、上記小歯車と同軸の大歯車４５によって、ピストンロッド側の小歯車４６に伝えられ、この小歯車の回転は、これと同軸の大歯車４７によって第１のラック４８に伝えられるので、可動ロッドの上昇運動は、増幅機構を介して、大幅に増幅して、ピストンロッドに上昇運動として伝えられ、かくして、ピストンはより大きい圧縮力を得ることができる。

しかし、本発明においては、その効率は大きくはなく、得られる圧縮力も大きくはないが、上記増幅機構なしでも、副浮体の上昇運動は直接に可動ロッドに伝えることができる。図１に基づいて説明した本発明の最も簡単な構成によれば、増幅機構は含まれていない。

前記主浮体１は、適宜の連結手段、例えば、簡単な場合にはロープや、また、従来より知られている種々の連結器を用いて相互に連結し、海岸に繋いでもよいし、また、大型の油井作業台のように海上に位置を定めて固定してもよい。水面が上昇するとき、これに連動して副浮体２５がピストン２２を上昇させるが、ピストンは弾性部材２３にて反発される。空気室２１の吸気管は、図１に示すように、上方に延び、先端で曲がって、開口しており、場合によっては、主浮体１の外部において開口していてもよ。

そこで、空気が絶えず空気貯蔵槽に送られる間に空気貯蔵槽内の空気圧は次第に高められて、例えば、その圧力が前記栓体３４を前記弾性部材に抗して上方に所定位置まで運動させるに足りるまでに至ったとき、即ち、空気貯蔵槽内の空気圧が所定値に達したとき、適宜の手段、例えば、空気貯蔵槽内の空気圧や上記栓体の移動距離や位置等に基づいて、前記排気用逆止め弁３３を開放するように電気信号をその逆止め弁３３に送り、この排気用逆止め弁を開けて、上記空気貯蔵槽内の圧縮空気を圧縮空気容器に送り、更に、この圧縮空気容器から圧縮空気を開放して、空気タービン（図示せず）を駆動させれば、圧縮空気（風力エネルギー）を利用して、電気エネルギーに変換することができる。勿論、本発明においては、上記圧縮空気をその他のエネルギーに変換することもできる。例えば、本発明の構造体を海上の油田のボーリング作業台に設置すれば、直接に機械動力を得ることができるので、エネルギーの転換損失を軽減することができる。

本発明においては、前述したように、空気貯蔵槽３１を適宜の導管にて多数を並列又は直列に接続してもよいし、また、それらを海岸に設けてもよい。従って、主浮体１の設置数は何ら限定されるものではなく、また、主浮体の大きさ、即ち、寸法も特に限定されるものではない。

本発明によれば、主浮体１は、前述したように、副浮体が水面の上昇によって浮力を受けるように、利用する潮汐や水面の高さに応じて、水面に対する高さ乃至位置が適宜に定められる。即ち、本発明による構造体は、水面の上下運動のほか、潮汐による潮位の変動に対しても有用である。本発明による構造体は、水面上にあって、長期間にわたって利用することができる。

以上のように、本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体は、例えば、海洋の波、即ち、回数の波面の上下運動を利用して、空気を空気室にて圧縮して空気貯蔵槽を経て圧縮空気容器に送って、利用に供するものである。図７に示すように、複数の空気室又は空気貯蔵槽を連結し、一段ずつ、複数段にわたって、空気圧を所定圧まで高めて、これを用いれば、空気タービンを回転させることができ、発電することができる。

本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体から得られる圧縮空気は、発電への利用に限られるものではなく、別のエネルギーに直接に転換することができる。例えば、水流の流れを促進するために用いることができる。要すれば、本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体は、海洋や河川の日々、年々の水面の上下運動によって空気を圧縮し、この圧縮空気力を動力として用いて空気タービンを回転させて電気エネルギーを得ることができ、また、その他のエネルギーに変換することもできる。

本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体は、構造が簡単であり、水力発電におけるような大きい水位差の環境も必要でなく、原子力発電のような複雑な装置も必要ではなく、所望すれば、小さな河辺にも設置することができる。このような場合には、いわば、補助の発電設備であるが、非常に有用である。

増幅機構をもたない本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体の一実施例を示す要部断面図である。増幅機構の一例を備えた本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体の一実施例を示す要部断面図である。増幅機構の別の一例を備えた本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体の一実施例を示す要部断面図である。二つの空気圧蓄積ユニットのそれぞれの空気室を単一の空気貯蔵ユニットの空気貯蔵槽に並列に連結してなる本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体の一実施例を示す要部断面図である。空気圧蓄積ユニットと空気貯蔵ユニットとからなるユニットの二つを圧縮空気容器に並列して連結してなる本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体の一実施例を示す要部断面図である。第１の空気貯蔵槽と第二の空気貯蔵槽を直列して圧縮空気容器に連結してなる本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体の一実施例を示す要部断面図である。空気圧蓄積ユニットと空気貯蔵ユニットとからなるユニットの三つを圧縮空気容器に直列して連結してなる本発明による水中で用いる空気圧蓄積構造体の一実施例を示す断面図である。

符号の説明

１…主浮体
１１…貫通孔
２…空気圧蓄積ユニット
２０…可動ロッド
２１…空気室
２２…ピストン
２３、３５…弾性部材
２４…ピストンロッド
２５…副浮体
２６…吸気用逆止め弁
２７…排気用逆止め弁
２９…吸気管
３…空気貯蔵ユニット
３０…空気出口
３１…空気貯蔵槽
３２…吸気口
３３…排気口
３４…栓体
３６…案内接続管
３７…導管
４…増幅機構
４３、４９…回転軸
４２、４８…ラック
４３、４５、４６、４７…歯車
５…圧縮空気容器
５０…連結管

Claims

底部に貫通孔１１を有する主浮体１内に、空気室２１を有する空気圧蓄積ユニット２と空気貯蔵槽３１を有する空気貯蔵ユニット３とを設け、上記空気室にはピストン２２を嵌め込み、空気室内にてこのピストンを弾性部材２３にて鉛直下方向に付勢し、このピストンのピストンロッド２０を鉛直下方向に延ばして前記貫通孔から主浮体の底部を貫通させて、これに中空の副浮体２５を取付け、上記空気室には吸入用逆止め弁２６を介して吸入管２９を有せしめると共に、排気用逆止め弁２７を介して排気管２８によって上記空気室を前記空気貯蔵槽に接続してなり、前記空気貯蔵槽は内部の空気圧が所定値に達したとき、これを検知して、圧縮空気容器５への排気用逆止め弁３３を開放する手段を備えてなる水中で用いる空気圧蓄積構造体であって、水面が上昇するとき、それに伴って前記副浮体をこれに作用する浮力を利用して上昇させ、これによって前記ピストンを上昇させ、かくして、空気室内の空気を上記排気用逆止め弁２７を有する排気管２８を経て前記空気貯蔵槽中に送るようにしたことを特徴とする水中で用いる空気圧蓄積構造体。
底部に貫通孔１１を有する主浮体１内に、空気室２１を有する空気圧蓄積ユニット２と空気貯蔵槽３１を有する空気貯蔵ユニット３とを設け、上記空気室にはピストン２２を嵌め込み、空気室内にてこのピストンを弾性部材２３にて鉛直下方向に付勢し、このピストンのピストンロッド２４を鉛直下方に延ばし、上記ピストンロッド２４と平行に可動ロッド２０を設け、この可動ロッドを鉛直下方向に延ばして前記貫通孔から主浮体の底部を貫通させて、これに中空の副浮体２５を取付け、上記ピストンロッドと可動ロッドとの間に増幅機構４を設けて、上記ピストンロッド２４と可動ロッドを係合させ、上記空気室には吸入用逆止め弁２６を介して吸入管２９を有せしめると共に、排気用逆止め弁２７を介して排気管２８によって上記空気室を前記空気貯蔵槽に接続してなり、前記空気貯蔵槽は内部の空気圧が所定値に達したとき、これを検知して、圧縮空気容器５への排気用逆止め弁３３を開放する手段を備えてなる水中で用いる空気圧蓄積構造体であって、水面が上昇するとき、それに伴って前記副浮体を上昇させ、これによって前記可動ロッドを上昇させ、この可動ロッドの上昇を前記増幅機構を介して前記ピストンロッドに増幅して伝えて上昇させ、かくして、空気室内の空気を上記排気用逆止め弁２７を有する排気管２８を経て前記空気貯蔵槽中に送るようにしたことを特徴とする水中で用いる空気圧蓄積構造体。
ピストンロッド２４上の側面に長手方向に第１のラック４８を設け、この第１のラックに対面して、可動ロッド上の側面に長手方向に第２のラック４２を設けると共に、主浮体に水平な枠体４１を固定し、上記第１のラックと第２のラックとの間でこの枠体に一対の平行な回転軸４３と４９を支持させて、上記第１のラック４８に噛み合うようにピストンロッド側の回転軸４９に歯車４６を取付け、上記第２のラック４２に噛み合うように可動ロッド側の回転軸４３に小歯車４４を取付け、この小歯車と同軸に大歯車４５を回転軸４３に取付け、更に、前記ピストンロッド側の歯車と可動ロッド側の大歯車４５を噛み合わせ、かくして、増幅機構を構成してなる請求項２に記載の水中で用いる空気圧蓄積構造体。
ピストンロッド２４上の側面に長手方向に第１のラック４８を設け、可動ロッドの側面上に長手方向に第２のラック４２を設けると共に、主浮体に水平な枠体４１を固定し、上記第１のラックと第２のラックとの間でこの枠体に一対の平行な回転軸４３と４９を支持させて、上記第１のラック４８に噛み合うようにピストンロッド側の回転軸４９に大歯車４７を取付け、この大歯車と同軸に小歯車４６を回転軸４９に取付け、上記第２のラック４２に噛み合うように可動ロッド側の回転軸４３に小歯車４４を取付け、この小歯車と同軸に大歯車４５を回転軸４３に取付け、更に、前記ピストンロッド側の小歯車と可動ロッド側の大歯車４５を噛み合わせ、かくして、増幅機構を構成してなる請求項２に記載の水中で用いる空気圧蓄積構造体。
二つの空気圧蓄積ユニット２を配設し、それぞれの空気圧蓄積ユニットの空気室２１を空気貯蔵ユニット３の空気貯蔵槽３１に並列に接続してなる請求項２又は３に記載の水中で用いる空気圧蓄積構造体。
それぞれ空気圧蓄積ユニット２に接続した二つの空気貯蔵ユニット３の空気貯蔵槽３１を圧縮空気容器５に並列に接続してなる請求項２又は３に記載の水中で用いる空気圧蓄積構造体。
それぞれ空気圧蓄積ユニット２を有する空気貯蔵ユニット３の空気貯蔵槽３１を圧縮空気容器に直列に接続してなる請求項２又は３に記載の水中で用いる空気圧蓄積構造体。