(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
深層水域に達する長尺なパイプと、該パイプに連結して深層水を吸い上げる水吸い上げポンプと、該水吸い上げポンプを駆動するガス圧アクチュエータと、該ガス圧アクチュエータに連結され、かつ該ガス圧アクチュエータを作動させる水素ガスを吸放出する水素吸蔵合金を内蔵した水素吸放出反応容器と、太陽光を熱源とする熱媒加熱槽を備え、水素を吸蔵している前記水素吸蔵合金を加熱して該水素吸蔵合金から水素を放出させる加熱手段と、深層から汲み上げられた前記深層水を低温熱源として熱媒を冷却する熱媒冷却槽を備え、水素を放出している前記水素吸蔵合金を冷却して該水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる冷却手段と、前記水素吸蔵合金を加熱又は冷却するために熱媒を前記水素吸放出反応容器に供給する熱媒供給路と、該熱媒供給路と前記加熱手段および冷却手段との間に設けられ、前記加熱手段または冷却手段から熱媒供給路に導入される熱媒を切り換える電磁バルブと、該電磁バルブを駆動する太陽電池と、を備えていることを特徴とする深層水汲み上げ装置。
【請求項２】
前記パイプは、水底に沿って配置できるように柔軟性を有する材質からなることを特徴とする請求項１記載の深層水汲み上げ装置。
【請求項３】
前記加熱手段は、太陽光を集光する光学系を有することを特徴とする特徴とする請求項１または２に記載の深層水汲み上げ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、海や湖の深層水を効率的に、かつ、できるだけ環境に影響を与えないクリーンなエネルギを用いて汲み上げることができる深層水汲み上げ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
深層海水は富栄養、無菌、冷温を特徴とし水産資源の増殖、医薬品、クーラーの冷温媒体として大いに期待されている。また、更に、大気中の炭酸ガス濃度の増加による地球温暖化防止を目的とする海水温の上昇を軽減する冷温媒体や、逆に、凍結した港湾の氷を溶かすための加熱媒体としても期待されている。
この深層海水を浅水域や地表に汲み上げる手法としては、深層に届く長いパイプを目的とする海域の深部に導き、一方、大気に接するパイプの上端に低圧部を作るためのピストンを連結し、このピストンを作動させることによってパイプを通して深層水を地表にまで汲み上げる方法が一般的である。汲み上げられた深層海水は上記したように応用価値の高いものであり、現に、数十ｍ深さから数百ｍ深さまたはそれ以上の深さの海水を汲み上げて利用に供するシステムが稼働、研究されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記手法では、ピストンを作動させる駆動源として、炭酸ガスの発生を伴うエネルギー源による電力を使用したモータが使用されてきており、結果的に、地球温暖化を助長するという問題がある。また電力は有料であり汲み上げた深層海水は高価なものになってしまう。
本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、深層水を効率的かつクリーンなエネルギを用いて汲み上げることができる深層水汲み上げ装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の深層水汲み上げ装置のうち第１の発明は、深層水域に達する長尺なパイプと、該パイプに連結して深層水を吸い上げる水吸い上げポンプと、該水吸い上げポンプを駆動するガス圧アクチュエータと、該ガス圧アクチュエータに連結され、かつ該ガス圧アクチュエータを作動させる水素ガスを吸放出する水素吸蔵合金を内蔵した水素吸放出反応容器と、太陽光を熱源とする熱媒加熱槽を備え、水素を吸蔵している前記水素吸蔵合金を加熱して該水素吸蔵合金から水素を放出させる加熱手段と、深層から汲み上げられた前記深層水を低温熱源とする熱媒冷却槽を備え、水素を放出している前記水素吸蔵合金を冷却して該水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる冷却手段と、前記水素吸蔵合金を加熱又は冷却するために熱媒を前記水素吸放出反応容器に供給する熱媒供給路と、該熱媒供給路と前記加熱手段および冷却手段との間に設けられ、前記加熱手段または冷却手段から熱媒供給路に導入される熱媒を切り換える電磁バルブと、該電磁バルブを駆動する太陽電池と、を備えていることを特徴とする。
【０００５】
第２の発明は、第１の発明の深層水汲み上げ装置において、前記パイプが、水底に沿って配置できるように柔軟性を有する材質からなることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明の深層水汲み上げ装置において、前記加熱手段が太陽光を集光する光学系を有することを特徴とする特徴とする。
【００１０】
第７の発明は、第３〜第６のいずれかの発明の深層水汲み上げ装置において、前記冷却手段が、深層から汲み上げられた水を低温熱源とする熱媒冷却槽を備えていることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、海や湖等の深層域の水を汲み上げるのに用いられるが、その水深が特に限定されるものではない。要は、水面付近等の浅水域とは異なる環境、性質の水を深層領域から採取することを目的とするものであり、通常は数十ｍから数百ｍまたはそれ以上の深さの領域を対象とする。
また汲み上げられた水は、前述したように水産資源の増殖、医薬品、クーラーの冷温媒体、海水温の上昇を軽減する冷温媒体、凍結した港湾の氷を溶かすための加熱媒体等として利用することができるが、本発明としては、汲み上げられた水の用途が特定のものに限定されるものではない。
【００１２】
本発明の汲み上げ装置を構成する部材の一つは、深層域に達する長尺なパイプである。このパイプは、目的とする深さにまでパイプ先端を到達できる長さが必要とされるが、具体的な長さについては汲み上げ水域等によって適宜選定することができる。また、継足によって長さを変更できるものであってもよい。このパイプは、水底の地形に沿って配置できるように柔軟性に富んだ材質からなるものが望ましく、さらには海水等の周囲環境に対し耐久性を有するものが望ましい。これらの点から好適なパイプ用材質として硬質ポリエチレンが例示される。
【００１３】
汲み上げ装置を構成する他の部材は、上記パイプに連結される水吸い上げポンプである。このポンプは、パイプとの連結側で内圧を減じることによってパイプを通して深層水を吸い上げるものであるが、該作用が得られるものであれば特にその構造が限定されるものではない。ただし、簡易構造で大きな吸い上げ力が得られるという点からピストン式のポンプが適している。
【００１４】
本発明装置では、上記ポンプの駆動源としてガス圧アクチュエータを用いる。このガス圧アクチュエータでは、高圧のガス圧でエネルギが得られるものであってもよく、また、負圧でエネルギが得られるものであってもよく、また正負のガス圧でそれぞれエネルギが得られるものであってもよい。要はガス圧の変化によって機械的エネルギを得るものであればよい。このアクチュエータの好適な構造としてはピストン式のものを挙げることができるが、本発明としては特定の構造に限定されるものではない。なお、本発明では、このアクチュエータを作動させるガス圧として後述するように水素ガス圧を利用する。
【００１５】
本発明装置では、上記アクチュエータにガス圧を供給するために水素吸放出反応容器を備えている。該反応容器には、水素を吸放出する水素吸蔵合金が内蔵されており、該水素吸蔵合金が収められた空間と、上記アクチュエータの駆動圧力室（ピストン式ではシリンダ内）とが気密に連結されており、通常はこれらは互いに高圧ガスパイプで連結される。なお、水素吸放出反応容器は、容器自体を通して熱媒との間で熱交換を行う場合には、熱伝導性の良い金属製の材質とするのが望ましい。
【００１６】
上記反応容器内には、水素吸蔵合金を収容するが、収容される水素吸蔵合金の種別については適宜選定することができ、本発明としては特定の種別に限定されるものではない。なお、反応容器に収容する際の合金の性状も特に限定されるものではなく、成形体、粉末体等適宜の性状とすることができる。なお、反応容器内への収容においては、吸放出される水素が円滑に移動できるように考慮する。また、後述する熱駆動によって水素の吸放出を行わせるため、水素吸蔵合金と熱媒との間で効率的に熱交換されるように考慮する。
水素吸蔵合金は低温高圧環境下で水素を吸収し、高温低圧環境下で水素を放出する。したがって水素吸蔵合金の周囲圧力または温度を調整することによって水素の吸放出を可逆的に制御することができ、例えばコンプレッサ等によって雰囲気圧力を調整する圧力駆動や高温または低温の熱媒との熱交換による熱駆動の方法を採用することができる。ただし、本発明では自然界から容易に入手が可能であり、エネルギとしても炭酸ガス等の排出を招きにくいという点から自然界の熱源を用いた熱駆動によるものとする。
【００１７】
上記のように熱駆動によって水素を吸放出させるため、本発明装置の構成の一部として加熱手段と冷却手段とを備える。この加熱手段および冷却手段は、水素吸蔵合金を加熱または冷却する目的で備えられるものであり、加熱または冷却用の熱媒を有している。それぞれの熱媒には、加熱温度または冷却温度に合わせて異種の材料を用いてもよいが、後述するように共通する配管等を移動させる場合には同種の材料を用いるのが望ましい。高温および低温で安定した性質を有するものとして例えばシリコン油を挙げることができる。
【００１８】
上記加熱手段および冷却手段では、熱媒を水素吸蔵合金の加熱または冷却に適した温度に調整するために、熱媒加熱槽と熱媒冷却槽とを備えている。
それぞれの槽では熱源を必要とするが、加熱槽では太陽エネルギを加熱源に用いたものとし、冷却槽では汲み上げ水を冷却源に用いたものとする。これら熱源は、採取に炭酸ガス等の排出を招くことなく自然界から入手でき、また大量に入手できるので、入手コストが低く、しかも環境を損なわないで入手できるという利点を有している。
加熱源として太陽エネルギを用いる際には、太陽光の熱エネルギを回収する方法が環境面およびコストの点で有利である。効率的にエネルギを回収する方法としては太陽光を集光ミラーや集光レンズ等で集光して熱媒に加える方法が好適である。集光ミラー等は単独でまたはその他の光学ミラーやレンズと組み合わせて集光機能を有する光学系として本発明装置に含ませることができる。
一方、汲み上げ水を低温熱源として使用する際には、この水と熱媒とを熱交換器を通して熱交換することによって熱媒を容易に冷却することができる。
【００１９】
上記熱媒は、水素吸蔵合金での水素吸収または放出に合わせて水素吸放出反応容器に供給される。この供給には、例えば２種の熱媒で共通した熱媒供給路を通して行うことができる。この熱媒供給路と加熱手段と冷却手段との間には、弁を設けて選択的に所望の熱媒を熱媒供給路に導入できるようにする必要がある。この弁として電磁弁を用いる。その駆動力として太陽光からエネルギを得る太陽電池を使用する。これにより環境を損なわない形で弁の操作が可能になる。
【００２０】
水素吸放出反応容器への熱媒の供給は、熱媒と水素吸蔵合金との間で熱交換を行うべく行われる。したがって、熱媒の供給は、効率的な熱交換が行われることを考慮してなされる。熱交換は、水素吸放出反応容器の外部で行ってもよく、また反応容器の内部で行ってもよい。例えば、水素吸放出反応容器に熱媒を掛ける等して直接接触させ、該反応容器を通して水素吸蔵合金と熱媒との間で熱交換を行う。この場合、反応容器外部にフィン等を熱交換部を設けて熱交換効率を向上させることもできる。また、水素吸放出反応容器内に熱媒移動路を設け、この熱媒移動路で上記熱媒を移動させることによって、該熱媒移動路を通して水素吸蔵合金と熱媒との間で熱交換を行うことも可能である。この場合にも、上記と同様に熱媒移動路外部にフィン等の熱交換部を設けて熱交換効率を向上させることも可能である。
【００２１】
本発明の装置によれば、水素吸放出反応容器内の水素吸蔵合金で、水素を放出させることにより、高圧の水素ガスが発生してガス圧アクチュエータに加えられ、また、上記水素吸蔵合金で水素を吸収することによって負圧が発生し、該負圧がガス圧アクチュエータに加えられる。なお、熱駆動式においては、水素吸蔵合金で水素を放出させる際には、加熱手段によって水素吸蔵合金を加熱し、水素吸蔵合金で水素を吸収させる際には、冷却手段によって水素吸蔵合金を冷却すればよい。
ガス圧アクチュエータでは、その構造に従って高圧水素が供給された場合、または負圧が供給された場合もしくはその両方においてガス圧力に従って機械エネルギを発生させることができ、このエネルギによって水吸い上げポンプが駆動される。水吸い上げポンプの作動によって長尺なパイプの一端側では内圧が減少し、よってパイプ先端から深層水が吸引される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施形態を図１および図２に基づいて説明する。
海辺の浅水域に汲み上げ装置基台１が設置、固定されており、該基台１上にピストン式の水吸い上げポンプ２が縦方向に設置されている。該ポンプ２は、シリンダ２ａと該シリンダ２ａ内で上下スライドするピストン２ｂとからなり、該ピストン２ｂには上方向において、ガス圧アクチュエータ３の上下に伸縮する作動ロッド４が連結されている。なお、シリンダ２ａの下方空間が作動室２ｃに割り当てられており、該作動室２ｃに硬質ポリエチレンからなるフレキシブルなパイプ５が連結されている。該パイプ５は所望の深さの深層水域に達する長さを有しており、水底地形に沿って深層水域Ａにまで伸張している。また、パイプ５の作動室２ｃへの連通口５ａには下降によって連通口５ａを塞ぎ、浮揚によって開放するフロート弁６が配置されている。
さらに、作動室２ｃの側方には、取水口８が設けられており、該取水口８には作動室２ｃ内が正圧の際に取水口８を開放し、負圧の際に取水口８を塞ぐ開閉弁９が設けられている。
【００２３】
また、シリンダ２ａの上端部には上記したガス圧アクチュエータ３が下向きに固定されている。該ガス圧アクチュエータ３は、図２に示すように、シリンダ３ａと該シリンダ３ａ内で上下スライドするピストン３ｂとを有しており、該ピストン３ｂに下向きに作動ロッド４が固定されている。該作動ロッド４の下端には前述したようにポンプ２のピストン２ｂが固定されている。
なお、作動ロッド側シリンダ室内とシリンダ３ａの上方にある副シリンダ室１０にはそれぞれ潤滑用のシリコン油が収容されており、両室内は電磁弁１１を介してシリコン油移動管１２で連結されており、電磁弁１１の切換でピストン３ｂの上下移動に従ってシリコン油を移動させてシリンダ３ａ内の潤滑を図っている。  さらに、ピストン３ｂの上方に位置する駆動ガス圧室３ｃには、高圧パイプ１３が連結されており、該高圧パイプ１３はシリンダ２ａの外方に伸張している。該高圧パイプ１３は、２μｍフィルタ１４を介して水素吸放出反応容器１５に連結されており、該水素吸放出容器１５内には、ＬａＮｉ５系で粉末とした水素吸蔵合金２０が内蔵されている。なお、フィルタ１４は、水素吸放出反応容器１５側に不純物が移動して水素吸蔵合金が汚染されるのを阻止するために設けられている。
【００２４】
上記水素吸放出容器１５は液体の熱媒をかけて内部の水素吸蔵合金２０と熱交換を行うものであり、該水素吸放出容器１５の近傍には、該容器１５に向けて熱媒をかける熱媒供給路２１が配置されている。該熱媒供給路２１には、電磁弁２２を介して高温熱媒導入路２３と低温熱媒導入路２４とが連結されており、上記電磁弁２２の動作によって熱媒供給路２１に連結される導入路を切り換える。なお電磁弁２２の駆動には、太陽電池２５が用いられる。また、太陽電池２５は、上記電磁弁１１の駆動にも用いられている。
【００２５】
上記高温熱媒導入路２３は、熱媒としてシリコン油を貯蔵した熱媒加熱槽２６に連結されており、該熱媒加熱槽２６内の熱媒２６ａに向けて、太陽光を受けこれを集光、反射する集光ミラー２７が光学系として配置されている。
一方、上記低温熱媒導入路２４は、熱媒３０ａとしてシリコン油を貯蔵した熱媒冷却槽３０が連結されており、該熱媒冷却槽３０には、槽内の熱媒と熱交換するための熱交換器３１が配置されている。該熱交換器３１の導入側には前記した作動室２ｃに連通する汲み上げ水導入細管３２が連結されており、熱交換器３１の送出側はそのまま排水されるように構成されている。
【００２６】
上記装置の動作を以下に説明する。
先ず、水の汲み上げに備えてピストン２ｂを下降させる必要があり、このため以下の手順で実行する。このとき水素吸放出反応容器１５内の水素吸蔵合金２０は水素を吸蔵しているものとする。
熱媒加熱槽２６では、集光ミラー２７で集光、反射された太陽光が熱媒２６ａに照射されており、熱媒２６ａは必要な温度に迄加熱されている。この高温熱媒は、太陽電池２５で駆動される電磁弁２２の切換によって高温熱媒導入路２３から熱媒供給路２１へと供給され、水素吸放出反応容器１５にかけられる。水素吸放出反応容器１５では、かけられた熱媒の熱が反応容器１５壁を通して水素吸蔵合金２０に伝達され、該水素吸蔵合金２０を加熱する。なお、水素吸放出反応容器１５にかけられた熱媒は、図示しない回収装置で回収し、前記熱媒加熱槽２６に還流させる。
【００２７】
高温熱媒で加熱された水素吸蔵合金２０では、吸蔵していた水素が放出され、フィルター１４、高圧パイプ１３を通してガス圧アクチュエータ３の駆動ガス圧室３ｃに圧送される。ガス圧アクチュエータ３では、この高圧水素ガスの導入によってピストン３ｂが下方に押され、これに連動してピストンロッド４が下降し、これに連結されたピストン２ｂを押し下げる。このとき、作動室２ｃ内は増圧されるのでフロート弁６は下降して連通口５ａを塞ぎ、一方、開閉弁９は外方側に開く。初動時で作動室２ｃが空のときは、作動室２ｃ内の空気が外方に放出され、室内に既に汲み上げ水があるときは水取り出し口８から海面Ａに汲み上げ水が放出される。
【００２８】
なお、下降しているピストン２ｂが想定する下端位置にまで達すると図示しないリミットスイッチが作動し、図示しない電磁弁制御装置によって前記した電磁弁２２を切り換えて、熱媒供給路２１に低温熱媒導入路２４を連結する。低温熱媒導入路２４が連結されている熱媒冷却槽３０では、初動時には低温の熱媒３０ａが収容されており、また、汲み上げが始まっている状態では既に汲み上げられている汲み上げ水の一部が作動室２ｃから汲み上げ水導入細管３２を通して熱交換器３１に送られ、該熱交換器３１で熱媒３０ａが冷却される。冷却された低温熱媒は低温熱媒導入路２４から熱媒供給路２１へと供給され、水素吸放出反応容器１５にかけられて内蔵されている水素吸蔵合金２０を冷却する。冷却された水素吸蔵合金２０では水素吸収力が生じ、アクチュエータ３内の水素が高圧パイプ１３、フィルタ１４を通して水素吸放出反応容器１５内に移動し、水素吸蔵合金２０に吸収される。なお、水素の移動に際しフィルタ１４によって不純物が水素吸放出容器１５側へ移動するのを阻止している。
【００２９】
上記水素の移動によってガス圧アクチュエータ３では、駆動ガス圧室３ｃ内の圧力が減少し、負圧状態になってピストン３ｂを上昇させ、これに連れてピストンロッド４が上方に移動し、ピストン２ｂを引き上げる。このピストン２ｂの上昇によって作動室２ｃ内が減圧され、開閉弁９が閉じられ作動室２ｃ内が負圧状態になる。この結果、フロート弁６が浮き上がって連通口５ａを開くので、パイプ５を通して深層領域Ｂの深層水を吸引する。吸引された深層水はホース５および連通口５ａを通って吸引作動室２ｃ内に流入する。
【００３０】
なお、上昇しているピストン２ｂが想定される上限位置に達すると図示しないリミットスイッチが作動して、上記した電磁弁制御装置によって電磁弁２２を切り換え、熱媒供給路２１に導入される熱媒を、低温熱媒から高温熱媒導入路２３より供給される高温熱媒に切り換える。この高温熱媒は前述したように水素吸放出反応容器１５にかけられ、内部の水素吸蔵合金２０を加熱する。この結果、水素が放出され、ガス圧アクチュエータ３のピストン３ｂおよびピストンロッド４が下降し、これに連れてピストン２ｂを押し下げる。作動室２ｃでは、ピストン２ｂの下降によって増圧する。この増圧によってフロート弁６は下降位置に押しつけられて連通口５ａを塞ぎ、一方、開閉弁９を開くので、上記により作動室２ｃ内に吸引された汲み上げ水が取水口８から海面Ａ付近に放出される。この汲み上げ水は、この実施形態ではそのまま海水面に放出しているが、図示しない回収装置等で回収してその他目的に使用できることはいうまでもない。
上記動作を繰り返して水素吸蔵合金で水素を吸放出することによりピストン２ｂが繰り返し上下移動し、深層水を継続的に汲み上げることができる。
【００３１】
上記装置によれば、炭酸ガスの発生を招かない自然界のエネルギを利用して深層水を効率的に汲み上げて利用することができ、汲み上げ水量も水素吸蔵合金量の量によって容易に変更することができる。
また、この実施形態では、加熱源として太陽エネルギ、冷却源として汲み上げ水を用いているので、炭酸ガスの発生を伴うエネルギーによって生み出された電力を一切使用せずに自然エネルギをアクチュエータの作動に利用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の深層水汲み上げ装置によれば、深層水域に達する長尺なパイプと、該パイプに連結して深層水を吸い上げる水吸い上げポンプと、該水吸い上げポンプを駆動するガス圧アクチュエータと、該ガス圧アクチュエータに連結され、かつ該ガス圧アクチュエータを作動させる水素ガスを吸放出する水素吸蔵合金を内蔵した水素吸放出反応容器とを備えているので、炭酸ガスの放出を伴わないエネルギをできるだけ利用して、効率的に深層水の汲み上げを行うことができ、環境への悪影響を極力避けることができる。
【００３３】
また、水素吸蔵合金を加熱する加熱手段に、太陽光を熱源とする熱媒加熱槽を用い、水素吸蔵合金を冷却する冷却手段に深層から汲み上げられた水を低温熱源とする熱媒冷却槽を用いるので、全く、炭酸ガスを出さずに自然エネルギのみを使用して汲み上げ装置を稼働させることができ、環境にやさしく、安価に深層水を汲み上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示す概略図である。
【図２】  同じくガスアクチュエータと水素吸放出容器を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１    汲み上げ装置基台
２    ポンプ
２ａ  シリンダ
２ｂ  ピストン
２ｃ  作動室
３    ガス圧アクチュエータ
３ａ  シリンダ
３ｂ  ピストン
３ｃ  駆動ガス圧室
４    作動ロッド
５    パイプ
５ａ  連通口
６    フロート弁
８    取水口
９    開閉弁
１３    高圧パイプ
１５    水素吸放出反応容器
２０    水素吸蔵合金粉末
２１    熱媒供給路
２２    電磁弁
２３    高温熱媒導入路
２４    低温熱媒導入路
２５    太陽電池
２６    熱媒加熱槽
２６ａ  熱媒
２７    集光ミラー
３０    熱媒冷却槽
３０ａ  熱媒
３１    熱交換器
３２    汲み上げ水導入細管
【図１】
0004409672.tif 000002
【図２】
0004409672.tif 000003