(57)【要約】【課題】    特別な機構が必要なく簡素な構造にて高効率な発電装置を提供する。【解決手段】  液体Ｗを満たした水槽１２と、該水槽１２の液体Ｗ中に沈められ、内部に気体Ａが溜められると浮上する浮上タンク１３と、該浮上タンク１３内に気体Ａを送風する送風機１４と、該送風機１４から上記浮上タンク１３内に気体Ａを導く導入管１５と、上記水槽１２外にあって上記浮上タンク１３の上下運動で発電する発電機１６と、浮上タンク１３の上下運動を上記発電機１６の回転運動に変換する運動変換手段１７と、を備える。【選択図】        図３
2005090321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体（Ｗ）を満たした水槽（２）と、
該水槽（２）の液体（Ｗ）中に沈められ、内部に気体（Ａ）が溜められると浮上する浮上タンク（３）と、
該浮上タンク（３）内に気体（Ａ）を送風する送風機（４）と、
該送風機（４）から上記浮上タンク（３）内に気体（Ａ）を導く導入管（５）と、
上記水槽（２）外にあって上記浮上タンク（３）の浮上運動で発電する発電機（６）と、
浮上タンク（３）の浮上運動を上記発電機（６）の回転運動に変換する運動変換手段（７）と、を備えた、ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
浮上タンク（３）の上昇を阻止するブレーキ手段（１９）を設けた、ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
浮上タンク（３）の上昇速度を調整する上昇速度調整手段（２０）を設けた、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
浮上タンク（３）の上面に排気バルブ（２３）を設けた、ことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器を逆さにし容器内に水が入るようにして水中に入れ、該容器内に空気を導入すると、容器に浮力が生じ、容器が上昇する。この上昇力を利用して発電する発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水を利用する発電方法としては水力発電が知られている。現在その代表的なものは、川に水をせき止める小さなダムを設け、その取水口から取り入れた水を水槽２まで導き、そこから水圧鉄管を介して水の流れ落ちる力を利用して高速・高圧の水で水車を回転し、当該水車と連動する発電機６で発電するというものである。
【０００３】
特に、水力発電のうち揚水発電は、発電所を挟んで位置する下部調整池から水を汲み上げ、電気の使用量の多い昼間に上部調整池から水を落として発電する方式である。このような揚水発電はそのエネルギー転換効率が６割程度といわれているが、夜間の余剰電力を使用する点で経済的効果が大とされている。
【０００４】
しかし、上記の水力発電方法は、水を高速・高圧で落下させるために、取水ダムの設置場所と水車の設置場所に相当の高度差を設けなければならないといった立地条件が制限されるという問題を有していた。更に、かかる立地条件を満たすための設置場所は自然環境を破壊する結果を招くことが多々あった。
【特許文献１】また、本出願人により出願した特願２００２−２９１９３９号において示した発電装置がある。この出願の明細書に記載した発電装置によれば、タンク内に空気を流入させてタンク内の液体Ｗを下部から排出させ、その排出力（水流）により水力タービンを回転させ発電を行おうとするものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、このような発電装置にあっては、液中に水力タービンを備え、該水力タービンに発電機を連結するものであるため、液漏れを防ぐためにシールなどの特別な機構が必要で、その機構が複雑になってしまうという問題がある。
【０００６】
また、このようなシールは水力タービンの回転を阻害するためこれにより発生した回転力を効率よく発電機に伝達することはできないという問題もある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明発電装置（１）は、液体（Ｗ）を満たした水槽（２）と、該水槽（２）の液体（Ｗ）中に沈められ、内部に気体（Ａ）が溜められると浮上する浮上タンク（３）と、該浮上タンク（３）内に気体（Ａ）を送風する送風機（４）と、該送風機（４）から上記浮上タンク（３）内に気体（Ａ）を導く導入管（５）と、上記水槽（２）外にあって上記浮上タンク（３）の上下運動で発電する発電機（６）と、浮上タンク（３）の上下運動を上記発電機（６）の回転運動に変換する運動変換手段（７）と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
従って、本発明発電装置（１）にあっては、発電機（６）を液中（Ｗ）に配置することがないため、液漏れ防止のための特別な機構が要らず単純な構造で、かつ、発電機（６）の回転を阻害することもなく、浮力（Ｆ）による発電を可能にし、高効率な発電装置（１）を提供することができる。
【０００９】
浮上タンク（３）の上昇を阻止するブレーキ手段（１９）を設けると、浮力（Ｆ）を与える時期と発電機（６）の回転時期とを調整できるので、例えば、夜間に浮力（Ｆ）を与え、昼間に発電することができる。
【００１０】
浮上タンク（３）の上昇速度を調整する上昇速度調整手段（２０）を設けると、浮上タンク（３）を一気に上昇させれば、大電力を発生させることができ、また、徐々に上昇させれば小電力を長時間に渡って発生させることが可能になる。
【００１１】
浮上タンク（３）の上面に排気バルブ（２３）を設けると、排気バルブ（２３）の開放により、スムーズに浮上タンク（３）を沈めることができ、これにより、再び、浮上タンク（３）内に気体（Ａ）を溜めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明を実施するための最良の形態を示した概略図である。
【００１３】
発電装置１は、水槽２と、該水槽２内に満たされた液体Ｗと、該液体Ｗ内に沈められた浮上タンク３と、該浮上タンク３内に気体Ａを導入する送風機４と、該送風機４からの気体Ａを上記浮上タンク３内に導く導入管５と、上記水槽２外に配設された発電機６と、上記浮上タンク３の上昇運動を回転運動に変換し上記発電機６を回転させる運動変換手段７とを備える。
【００１４】
水槽２は立方体のものが一般的なものとして考えられるが、その形状はこれに限られず、円筒形等であっても良く、例えば、貯水タンク、スイミングプール、貯水池など種々のものに適用することができる。また、水槽１２は人工物に限らず、自然物の池、沼、湖なども利用することができる。
【００１５】
そして、水槽２は上面が開口しており、その内部には液体Ｗが満水状態より少な目に蓄えられている。液体Ｗは水に限定されず、比重の重い水銀などであっても良い。
【００１６】
浮上タンク３はその下面が開口した形状とされ、その平面形状が上記水槽２より小さく、該水槽２内に入る大きさになっている。なお、浮上タンク３の大きさには限定されないが、浮上タンク３の深さは後述する送風機４の容量（性能）によりある程度限定される。
【００１７】
水槽２外には送風機４が備えられ、該送風機４から導入管５を介して上記浮上タンク３の内部に気体Ａが送風されるようになっている。送風機４はいわゆるブロアーと呼ばれるものがあるが、これに限らず、気体Ａを送風することができるものであれば良い。
【００１８】
上記水槽２外であって水面の上方には発電機６が設けられている。
【００１９】
発電機６は外力より回転させられることにより発電し、発電機６と上記浮上タンク３との間には運動変換手段７が設けられ、浮上タンク３の上昇運動に伴い、発電機６が回転するようになっている。すなわち、浮上タンク３が上昇するとその上方への直線運動を回転運動に変換して、発電機６をするものであれば良く、例えば、ラック＆ピニオン等が考えられる。
【００２０】
そして、発電装置１にあっては、先ず、水槽２の液体Ｗ内にその内部が液体Ｗで満たされるようにして浮上タンク３を沈める。次に、上記送風機４により導入管５を介して気体Ａを送風する。これにより、浮上タンク３内には気体Ａが封入され、浮上タンク４には浮力Ｆが発生し、これにより、浮上タンク３は上方へ移動される。この移動はほぼ直線運動であるため、上記運動変換手段７によりこの直線運動を回転運動に変換し、発電機６に伝達されて発電機６が回転して発電するようになっている。
【００２１】
例えば、ここで用いる送風機４は静圧０．４〜４．８ｋＰａ（４０〜４９０ｍｍＡｑ）で、風量０．４〜９５ｍ3／ｍｉｎ、取付原動機０．２〜１５ｋｗのものを用いるものとして計算すると、１分間に最大９５ｍ3の気体Ａを送風することができるが、液体Ｗ中においてはその液圧により上記気体Ａの体積が約半分になると考えて、４７．５ｍ3の気体Ａが液体Ｗ中に送り込まれる。
【００２２】
気体Ａを上記浮上タンク３に送り込むと、浮上タンク３には浮力Ｆが生じ、その浮力Ｆは、
浮力Ｆ＝ＰＶ（Ｐ：密度（ｋｇ／ｍ3）、Ｖ：体積（ｍ3））
Ｆ＝０．９８×４７．５ｍ3
≒４６０００ｋｇ
＝４６ｔ
が得られることになる。これは１分間あたりに得られる浮力Ｆである。
【００２３】
ここで、１０２ｋｇを１ｍ動かす仕事量は１ｋｗ（／ｓｅｃ）であり、これを分換算すると、１分間の仕事量は１０２×６０＝６１２０ｋｗとなる。
【００２４】
そして、浮力Ｆ＝４６ｔは、
４６ｔ÷６１２０ｋｇ＝７．５１６ｋｗ（／ｍｉｎ）の仕事量を生み出すことになる。
【００２５】
一方、上記送風機４の取付原動機が０．２〜１５ｋｗであり、最大の１５ｋｗ（／ｈ）とすると、１分間に２５０ｗを消費する。
【００２６】
したがって、１分間に２５０ｗ消費する取付原動機により、浮力Ｆ＝４６ｔ、すなわち仕事量に換算して７．５ｋｗを得ることになり、７．５ｋｗ÷２５０ｗ≒３０倍の発電効率を得ることができる。なお、上記説明は、力学的損失を考慮していないが、３割の損失を考慮しても、約２１倍の電力を得ることができることになる。
【実施例１】
【００２７】
図３乃至図６は上記発明を実施するための最良の形態にかかる具体的な実施例を説明するための概略図である。この実施例は、運動変換手段としてラック＆ピニオンを用い、他に、浮上阻止手段、浮上量調整手段、排気バルブなどを備える。
【００２８】
発電装置１１は、水槽１２と、該水槽１２内に満たされた液体Ｗと、該液体Ｗ内に沈められた浮上タンク１３と、該浮上タンク１３内に気体Ａを導入する送風機１４と、該送風機１４からの気体Ａを上記浮上タンク１３内に導く導入管１５と、上記水槽１２外に配設された発電機１６と、上記浮上タンク１３の上昇運動を回転運動に変換し上記発電機１６を回転させる運動変換手段１７とを備える。
【００２９】
水槽１２には、水Ｗが満たされており、その水深は後述する浮上タンク１３が埋没する深さを有する。
【００３０】
水槽１２の底部には垂直方向に伸びる４本のガイド部材１８が立設されており、これらガイド部材１８は水面から十分に上方に伸びる長さに形成され、また、４本のガイド部材１８は平面から見てほぼ正方形の角部に位置するように配置されている。ガイド部材１８の長さは浮上タンク１３の高さ寸法の２倍以上の形成されている。
【００３１】
浮上タンク１３は、立方体でその容量が１ｍ×１ｍ×０．５ｍ＝０．５ｍ3に形成され、下面が開口した形状を呈する。この浮上タンク１３の深さを０．５ｍとしたのは後述する送風機１４の静圧（送風可能な送風口にかかる圧力）性能により決定したものであり、容量の大きな送風機を用いた場合には、深さを深くすることができる。
【００３２】
浮上タンク１３はその平面から見た４隅が上記ガイド部材１８に各別に係合しており、これにより、浮上タンク１３は上記ガイド部材１８により姿勢が傾くことなく垂直方向に移動自在に支持され、浮上タンク１３が水中Ｗに沈んだ状態からそのほとんどが水面から浮上した状態まで移動可能となっている。なお、浮上タンク１３のガイド部材１８に対する係合は垂直方向への移動がスムーズになるようなものであれば、既知の係合手段が適用可能である。
【００３３】
浮上タンク１３を水中Ｗに沈めた状態で、浮上タンク１３に浮上力が生じてもその上昇を阻止するブレーキ手段１９が設けられている。具体的には、ブレーキ手段１９は、ガイド部材１８の水面よりやや水中Ｗに入った位置に設けられ、浮上タンク１３の上端部を抑える構造になっている。このブレーキ手段１９は各ガイド部材１８に設けても良いし、１つだけでも良い。要は上記浮上タンク１３内に空気Ａを充填したときにその浮上力を抑え、浮上タンク１３の上昇を阻止できるものであればよい。なお、図示は省略するが上記ブレーキ手段１９は、例えばソレノイド等により駆動され、遠隔にて阻止状態及び開放状態を切り替えることができるようになっている。
【００３４】
これにより、浮上タンク１３に浮力Ｆが生じてもブレーキ手段１９を阻止状態に作動させておけば、浮上タンク１３の浮上を抑えることができ、適時ブレーキ手段１９の開放タイミングを調整すれば、浮上タンク１３の浮上のタイミングを計ることができる。例えば、夜間に浮力（Ｆ）を与え、昼間に発電することができる。
【００３５】
浮上タンク１３が浮力Ｆにより上昇するときに、その上昇速度を調整する上昇速度調整手段２０が設けられている。具体的には、上昇速度調整手段２０は、上記ガイド部材１８上端部から側方に伸びた腕部と浮上タンク１３の上面との間に設けられたダンパーにより構成される。
【００３６】
これにより、浮力Ｆが生じた浮上タンク１３は通常上昇力が発生し、その阻止をするものが何もなければ、浮力Ｆが生じた時点で上昇を始め即時に上昇するが、上記上昇速度調整手段２０により、上昇速度を遅くすることができる。そして、浮上タンクを一気に上昇させれば大電力を発生させることができ、徐々に上昇させれば小電力を長時間発生させることができる。
【００３７】
発電機１６は、回転軸１６ａを備え該回転軸１６ａを外力で回転させることにより発電する。そして、発電機１６は浮上タンク１３の上方で浮上タンク１３が浮上した位置よりもやや上側に配置される。
【００３８】
運動変換手段１７はラック＆ピニオンで構成され、ピニオン２１が上記発電機１６の回転軸１６ａに固着され、ラック２２が上記浮上タンク１３の上面のほぼ中央に立設されている。そして、運動変換手段１７のラック２２の歯部２２ａとピニオン２１の歯部２１ａとが噛合している。これにより、ラック２２が浮上タンク１３の浮上に伴い上方へ移動されるとピニオン２１及び回転軸１６ａを回転させ、発電機１６は発電を行うようになっている。なお、上記ピニオン２１と回転軸１６ａとの間に減速機を設けても良く、減速機の減速比を適宜設定することにより発電機１６を効率よく回転させることができる。
【００３９】
送風機１４は水槽１２外に配置され、その送風口には導入管１５が接続されており、該導入管１５の先端が上記水槽１２内に導かれて、浮上タンク１３の下側に位置される。これにより、送風機１６の駆動により水中Ｗに空気Ａが送り込まれて、浮上タンク１３内に空気Ａが溜まるようになっている。なお、ここで用いる送風機１４は静圧０．４〜４．８ｋＰａ（４０〜４９０ｍｍＡｑ）で、風量０．４〜９５ｍ3／ｍｉｎ、取付原動機０．２〜１５ｋｗのものを用い、この送風機１４の水中Ｗでの送風可能な水深が４９０ｍｍであり、上述の浮上タンク１３の高さが５００ｍｍで浮上タンク１３内の水深４９０ｍｍより浅い位置に上記導入管１５の先端を位置させることにより、水中Ｗへ送風をすることができる。
【００４０】
浮上タンク１３の上部には内部と外部とを連通する排気バルブ２３が設けられており、該排気バルブ２３を開放することにより浮上した浮上タンク１３の空気Ａを浮上タンク１３外に抜くことができる。
【００４１】
しかして、当該発電装置１１による発電は次のようにしてなされる。
【００４２】
先ず、浮上タンク１３を水槽１２の水中Ｗに沈めた状態で、上記ブレーキ手段１９を浮上タンク１３の移動阻止する状態にしておく。また、この状態では上記上昇速度調整手段２０はガイド部材１８の腕部と浮上タンク１３との間の間隔が大きいため伸びた状態となっている（図３参照）。
【００４３】
次に、上記送風機１４を駆動する。なお、このとき後述する排気バルブが閉塞状態になれている。送風機１４を駆動すると、導入管１５を介して浮上タンク１３内に空気Ａが送風され、浮上タンク１３内に空気Ａが溜まる。この状態では、上記ブレーキ手段１９が浮上タンク１３の上昇を阻止する状態となっているため、浮上タンク１３は浮上せず、沈められた状態が保持される一方、浮上タンク１３内に空気Ａが送風されるため浮力Ｆが発生する。そして、浮上タンク１３内の空気Ａが増加するにしたがって上記浮力Ｆが増大する。また、浮上タンク１３内がほぼ空気Ａで満たされた状態になったとき、上記送風機１４の駆動を停止する（図４参照）。
【００４４】
浮上タンク１３内が空気Ａで満たされるまでの時間は、浮上タンク１３の容量が０．５ｍ3であり、送風機１４の風量の最小値をとっても０．４ｍ3／ｍｉｎであるため、０．５／０．４＝１．２５ｓｅｃとなる。なお、水中Ｗでの空気Ａの体積が半分になると考えると、２倍の時間（２．５ｓｅｃ）がかかることになる。いずれにせよ、０．５ｍ3くらいの容積を空気Ａに満たすには２．５ｓｅｃくらいあれば十分である。
【００４５】
次に、上記ブレーキ手段１９を適宜開放することにより、浮上タンク１３が上昇を開始する。この上昇速度は上記上昇速度調整手段２０により抑制され、したがって、浮上タンク１３はその上昇速度が遅く、徐々に上方へ移動される（図５参照）。
【００４６】
そして、浮上タンク１３の上昇に伴い、ラック２２も上昇し、これがラック２２に噛合しているピニオン２１を回転させることになり、発電機１６が回転して発電を行うことになる。すなわち、ラック２２及びピニオン２１は浮上タンク１３の上方への移動（直線運動）を回転運動に変換して発電機１６を回転させることになる（図５参照）。
【００４７】
上記ブレーキ手段１９により浮上タンク１３の上昇、すなわち、発電を適宜なタイミングとすることができ、例えば、送風機１３による送風を夜間の電力の安価なときに行い、発電を日中の電力需要が大きいときに行うことができる。
【００４８】
また、上昇速度調整手段２０により浮上タンク１３の浮上速度を調整することは、小電力を長時間得ることができる。なお、上記ダンパーにさらに減衰率を調整できるようにしておけば、小電力を長時間供給したり、大電力を短時間で供給したり適宜調整することができる。
【００４９】
浮上タンク１３の移動範囲のうち最も上昇した位置まで浮上すると、浮上タンク１３の浮上は終了し、発電は止められる（図６参照）。
【００５０】
次に、浮上タンク１３の上面に設けられた排気バルブ２３を開放すると、浮上タンク１３はその自重で下降し、再び、沈められることになる。すなわち、排気バルブ２３の開放のみで浮上タンク１３をスムーズに沈めることができる。また、浮上タンク１３の自重による沈降の時においても、上記発電機１６を回転させることができ、発電を行うことが可能である。
【００５１】
なお、本発明は上述した発明の実施例に限定されず、水槽１２の形状、大きさ、浮上タンク１３の形状、大きさなどは適宜その発電装置１１が求められる発電量により選択できるものであることは勿論である。
【００５２】
図７は上記実施例の発電装置１１における運動変換手段の変形例である。この変形例にかかる運動変換手段３０は、発電機１６の回転軸１６ａに固定されたリンク３１と該リンク３１に摺動自在に係合された摺動子３２とを有する。
【００５３】
リンク３１の一端は上述のように発電機１６の回転軸１６ａに固着され、他端側にはリンク３１の長手方向に比較的長い長穴３３が形成されている。なお、上記リンク３１を直接発電機１６の回転軸１６ａに固着するのではなく、リンク３１の回転軸と発電機１６の回転軸１６ａとの間に減速機を設けるようにしても良い。この場合、減速機の減速比を適宜設定することにより発電機１６を効率よく回転させることができる。
【００５４】
上記摺動子３２は浮上タンク１３の上面に立設された支持部材３４に取着され、上記リンク３１の長穴３３に摺動自在に係合されている。
【００５５】
これにより、浮上タンク１３が上昇すると、支持部材３４及び摺動子３２が上方へ移動し、そして、摺動子３２が係合している長穴３３内を摺動しながらリンク３１の他端部側を上方へ持ち上げる。これにより、リンク３１は回動されて、発電機１６の回転軸１６ａを回転させて発電が行われる。
【００５６】
この他、前記した実施例において示した各部の具体的な形状乃至構造は、本発明を実施するに当たっての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図２とともに本発明発電装置を実施するための最良の形態を説明するための発電装置全体の概略図であり、本図は浮上タンクを沈めた状態を示す。
【図２】浮上タンクが浮上し、発電をした状態を示す。
【図３】図４乃至図６とともに実施例を説明するための発電装置全体の概略図であり、本図は浮上タンクを沈めた状態を示す。
【図４】浮上タンク内に空気を満たした状態で、かつブレーキ手段により浮上タンクの上昇が阻止された状態を示す。
【図５】ブレーキ手段が開放され、徐々に浮上タンクが上昇している様子を示す。
【図６】浮上タンクの上昇が終了した状態を示す。
【図７】運動変換手段の変形例を示す拡大側面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  発電装置
２  水槽
３  浮上タンク
４  送風機
５  導入管
６  発電機
７  運動変換手段
１１  発電装置
１２  水槽
１３  浮上タンク
１４  送風機
１５  導入管
１６  発電機
１６ａ  回転軸
１７  運動変換手段
１８  ガイド部材
１９  ブレーキ手段
２０  上昇速度調整手段
２１  ピニオン
２１ａ  歯部
２２  ラック
２２ａ  歯部
２３  排気バルブ
３０  運動変換手段
３１  リンク
３２  摺動子
３３  長穴
３４  支持部材
Ｗ    液体（水）
Ａ    気体（空気）
Ｆ    浮力
【図１】
2005090321.tif 000003
【図２】
2005090321.tif 000004
【図３】
2005090321.tif 000005
【図４】
2005090321.tif 000006
【図５】
2005090321.tif 000007
【図６】
2005090321.tif 000008
【図７】
2005090321.tif 000009