(57)【要約】  液体を垂直に汲み上げるための汲み上げデバイス（１０）であって、この汲み上げデバイス（１０）は、液体を開放された下部貯留槽（１６）から上部貯留槽（１４）へ導く汲み上げ管路機構（１８）と、液体を上部貯留槽（１４）から下部貯留槽（１６）へ導く降下管路機構（２０）と、作動部材（３６）を有する圧力変換器（１２）であって、この圧力変換器（１２）は、作動部材（３６）の実質的に直線状の運動によって降下管路機構（２０）内の液圧を汲み上げ管路機構（１８）内の液圧へ変換するように構成されている、圧力変換器（１２）と、汲み上げ管路機構（１８）内の液体を上部貯留槽（１４）に送り、および／または降下管路機構（２０）内の液体を圧力変換器（１２）に送るポンプ部材（３８）と、を備える、汲み上げデバイス（１０）。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  液体を開放された下部貯留槽（１６）から上部貯留槽（１４）へ導く汲み上げ管路機構（１８）と、
−  前記液体を前記上部貯留槽（１４）から前記下部貯留槽（１６）へ導く降下管路機構（２０）と、
−  作動部材（３６）を有する圧力変換器（１２）であって、該圧力変換器（１２）は、該作動部材（３６）の実質的に直線状の運動によって前記降下管路機構（２０）内の液圧を前記汲み上げ管路機構（１８）内の液圧へ変換するように構成されている、圧力変換器（１２）と、
−  前記汲み上げ管路機構（１８）内の前記液体を前記上部貯留槽（１４）に送り、および／または前記降下管路機構（２０）内の前記液体を前記圧力変換器（１２）に送るポンプ部材（３８）と、
を備える、液体を垂直に汲み上げるための汲み上げデバイス（１０）。
【請求項２】
前記圧力変換器（１２）が、前記降下管路機構（２０）内の液圧を前記汲み上げ管路機構（１８）内の液圧に継続的に変換するように構成されている、請求項１に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項３】
前記圧力変換器（１２）が、
−  ２つの中空体（２４、２６）、および
−  前記各中空体（２４、２６）を可変容積の２つのチャンバ（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ）に密閉分割するためにそれぞれの中空体（２４、２６）内で各々動作可能である、２つのピストン部材（３０、３４）を含み、
前記作動部材（３６）が、一方のピストン部材（３０、３４）の運動を他方のピストン部材（３０、３４）の運動に変換するように構成されている、請求項１または２に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項４】
前記２つの中空体（２４、２６）が、隔壁（２８）を有する管状部材（２２）によって構成されている、請求項３に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項５】
前記降下管路機構（２０）内に、前記液体を前記上部貯留槽（１４）から一方の中空体（２６）の前記チャンバ（３２ｃ、３２ｄ）内へ交互に供給するように構成された入口三方弁（５８）をさらに備える、請求項３または４に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項６】
前記降下管路機構（２０）内において、前記圧力変換器（１２）の下方に、液体を一方の中空体（２６）の前記チャンバ（３２ｃ、３２ｄ）から前記下部貯留槽（１６）へ交互に排出するように構成された出口三方弁（６０）をさらに備える、請求項３から５のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項７】
前記出口三方弁（６０）が、液体を、液体が前記入口三方弁（５８）によって現在供給されていないチャンバ（３２ｃ、３２ｄ）から排出するように構成されている、請求項５または６に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項８】
前記汲み上げ管路機構（１８）が、一方の中空体（２４）の各チャンバ（３２ａ、３２ｂ）に関連付けられた入口（４２ａ、４２ｂ）および出口（４８ａ、４８ｂ）と、該各入口（４２ａ、４２ｂ）および出口（４８ａ、４８ｂ）に関連付けられた一方向弁（５０ａ、５０ｂ、４６ａ、４６ｂ）と、をさらに含む、請求項３から７のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項９】
前記作動部材（３６）が、前記２つのピストン部材（３０、３４）を相互接続するピストン・ロッドによって構成されている、請求項３から８のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項１０】
前記ポンプ部材（３８）が前記圧力変換器（１２）と一体化されており、前記作動部材（３６）を駆動することによって液体を送るように構成されている、請求項３から９のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項１１】
前記ポンプ部材（３８）が、前記ピストン・ロッドを往復駆動するように構成された駆動機構（６８）を備える、請求項９または１０に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項１２】
前記ポンプ部材（３８）が、前記汲み上げ管路機構（１８）内において、前記圧力変換器（１２）と前記上部貯留槽（１４）との間に配置されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項１３】
前記ポンプ部材（３８）が、ローブ・ポンプなどの、容積ポンプである、請求項１から９および１２のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）と、上部貯留槽（１４）および／または下部貯留槽（１６）とを備えるシステム。
【請求項１５】
前記上部貯留槽（１４）が周囲大気に対して閉じている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記上部貯留槽（１４）が、前記液体内の圧力エネルギーを蓄積するように構成されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）と、熱交換器および／または下部貯留槽（１６）とを備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して、液体を垂直に汲み上げるための汲み上げデバイスに関する。具体的には、液体を、開放された下部貯留槽から上部貯留槽へ汲み上げ、液体を上部貯留槽から元の下部貯留槽へ降下させるための汲み上げデバイス、および汲み上げデバイスを備えるシステムが提供される。
【背景技術】
【０００２】
幅広い適用物において、液体を、下部貯留槽から下部貯留槽の垂直上方にある、高所または上部の貯留槽へ上昇させることが所望される。このような適用物の一例は魚の養殖用の高架貯留槽である。この場合には、新鮮な水が下部貯留槽から高架貯留槽へ供給され、古い水が高架貯留槽から元の下部貯留槽へ排出される。さらなる適用物としては、電力生産、プロセス産業、石油掘削装置、船および同様のもののための冷却設備が挙げられる。
【０００３】
特許文献１は、揚水システム、特に、ポンプユニットおよびタービン・ユニットを有するポンプ−タービン組立体を備える沖合施設のための火災消火システムを開示している。ポンプユニットは、海水面より下方の取水ポートと、第１の管路を介してポンプに接続された排水ポートとを有している。第２の管路が、ポンプから沖合施設上の第１の配水デバイスへ至る。第４の管路が第１の配水デバイスをタービン・ユニットに接続している。
【０００４】
特許文献１の揚水システムは複雑で高価な設計を有している。さらに、このシステムは高い損失を生じさせるため、低効率である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／２９９１９６（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本開示の１つの目的は、単純で信頼性のある構造を有し、且つ高い効率を有する、液体を上昇させるための汲み上げデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様によれば、液体を開放された下部貯留槽から上部貯留槽へ導く汲み上げ管路機構と、液体を上部貯留槽から下部貯留槽へ導く降下管路機構と、作動部材を有する圧力変換器であって、この圧力変換器は、作動部材の実質的に直線状の運動によって降下管路機構内の液圧を汲み上げ管路機構内の液圧へ変換するように構成されている、圧力変換器と、汲み上げ管路機構内の液体を上部貯留槽に送り、および／または降下管路機構内の液体を圧力変換器に送るポンプ部材と、を備える、液体を垂直に汲み上げるための汲み上げデバイスが提供される。
【０００８】
この汲み上げデバイスは、液体（例えば、水）が、下部貯留槽、汲み上げ管路機構、上部貯留槽、および降下管路機構によって形成された連続ループ内を循環させられることを可能にする。これにより、液体は、液体が元々送り出された下部貯留槽へ戻る。このため、本開示内において、下部貯留槽は１つの単独の貯留槽によって構成されていてもよい。
【０００９】
しかし、下部貯留槽が、２つの貯留槽、例えば、第１の下部貯留槽および第２の下部貯留槽によって構成されていることとしてもよい。第２の下部貯留槽は第１の下部貯留槽の下方にあってもよい。この場合には、汲み上げ管路機構は、液体を第１の下部貯留槽から上部貯留槽へ導くように構成されていてもよく、降下管路機構は、液体を上部貯留槽から第２の下部貯留槽へ導くように構成されていてもよい。第１の下部貯留槽および第２の下部貯留槽は両方とも周囲大気に対して開放されていてもよい。
【００１０】
圧力変換器の上方の降下管路機構の内部の液頭の重量は静的力を作動部材に加える。この重力のため、作動部材は、対応する上方向きの圧力を汲み上げ管路機構内の液体に加えるよう運動するように強制される。したがって、ポンプ部材の寸法設定を低減することができ、例えば、単に、液体と汲み上げ／降下管路機構の内部との間の摩擦損失に打ち勝つように寸法設定することができる。降下管路機構内の液体の位置エネルギーが「集められ」、汲み上げ管路機構内の液体を上部貯留槽に向けて上方へ送るために利用されるので、汲み上げデバイスは、たとえ、開放された下部貯留槽と共に用いられるときであってもＵ字パイプに似ている。これにより、汲み上げデバイスはまた、エネルギー回収装置またはエネルギー・ハーベスタとして機能する。
【００１１】
ポンプ部材は従来のポンプであってもよく、および／または電気的に駆動されてもよい。ポンプ部材は好ましくは、ローブ・ポンプなどの、容積ポンプによって構成されている。ローブ・ポンプは、特に、ローブ・ポンプが周波数コントローラによって制御される場合には、流量および圧力差に応じた制御がより容易である。
【００１２】
容積ポンプを用いると、例えば、遠心ポンプと比べて、より低い回転速度を用いることができ、送り出された液体はより層状の流れを有する。さらに、遠心ポンプは、送り出された液体中に気泡を発生させる。泡がえらに付着すると、気泡は養殖タンク内の魚に有害となる。気泡（通例、窒素）の飽和レベルが特定の閾値に達すると、魚は死ぬこともある。
【００１３】
作動部材は降下管路機構と汲み上げ管路機構との間の機械力または油圧力伝達器を構成する。圧力変換器を通して、汲み上げ管路機構と降下管路機構との間に実質的流体連通は生じない。
【００１４】
本開示全体を通じて、高所または上部貯留槽は、下部貯留槽よりも高い高度に位置付けられている。垂直の液体汲み上げは垂直成分を含むが、垂直方向のみに実行される必要はない。例えば、汲み上げ管路機構および降下管路機構の各々は、下部貯留槽および圧力変換器が上部貯留槽の垂直下方にある限り、任意の方向を有する１つまたはいくつかの流れ管路区間を含むことができる。
【００１５】
上部貯留槽は周囲大気に対して開放されてもよいし、開放されていなくてもよい。換言すれば、上部貯留槽は、開放されているか、または閉じているかのどちらかにすることができる。上部貯留槽は、開放された、または閉じたタンクによって構成される。代替的に、上部貯留槽は、汲み上げ管路機構と降下管路機構との間の配管系によって構成される。
【００１６】
１つの変形例によれば、汲み上げ管路機構は、液体を下部貯留槽から熱交換器へ導くように構成されており、降下管路機構は、液体を熱交換器から下部貯留槽へ導くように構成されている。例えば、新鮮な水を用いる冷却回路が、汲み上げデバイスにより、（下部貯留槽を構成する）海から汲み上げられた海水によって冷却される。
【００１７】
上部貯留槽が閉じている場合には（例えば、配管系、または閉じた魚養殖タンクなどの、閉じたタンクによって構成されていることで）、サイフォン効果が汲み上げデバイスによって達成される。サイフォン効果は、降下管路機構の出口（例えば、下部排出導管の下端部）を、液体が下部貯留槽から上部貯留槽へ導かれる、下部貯留槽の表面レベルの下方の垂直位置に位置付けることによって達成される。
【００１８】
例えば、下部貯留槽が、第１の下部貯留槽、および第１の下部貯留槽の下方の第２の下部貯留槽によって構成されている場合には、汲み上げ管路機構の入口は第１の下部貯留槽内に沈められていてもよく、降下管路機構の出口は第２の下部貯留槽の上方に位置付けられているか、またはその中に沈められていてもよい。このとき、サイフォン効果は、第１の下部貯留槽の表面レベルと降下管路機構の出口との間の垂直距離に依存する。この垂直距離は、例えば、１０メートルなど、８〜１２メートルである。
【００１９】
このように、降下管路機構内における（サイフォン効果を発生させる）液体の追加の重量を利用してポンプ部材の必要性を低減することができ、例えば、汲み上げ管路機構から、圧力変換器と上部貯留槽との間のポンプを無くすことができる。ポンプ部材が圧力変換器と一体化されているか、または圧力変換器によって構成されている場合には、ポンプ部材は降下管路機構内の液体の重力によってのみ駆動される。
【００２０】
さらに、上部貯留槽が閉じている場合には（例えば、タンク、配管系、熱交換器、または別の閉じた系によって構成されていることで）、上部貯留槽は、液体内の圧力エネルギーを蓄積するように構成される。上部貯留槽内の液圧が増大させられると、この追加の圧力または過圧力が放出され、降下管路機構によって圧力変換器へ導かれる。
【００２１】
上部貯留槽内のこのような追加の液圧は種々の発生源に由来する。例えば、上部貯留槽内の液圧は、ポンプ部材、外部圧力源によって、または液体中の温度変化によって増大させられる。
【００２２】
上部貯留槽内の液圧を蓄積するために、上部貯留槽は蓄圧器を構成するか、これを含むか、またはこれに結合される。蓄圧器は、液圧に依存して膨張および収縮するように配置されたベローズを含んでもよい。
【００２３】
開放された下部貯留槽によって、周囲大気に対して開放された貯留槽が意味される。下部貯留槽は、例えば、タンク、海または湖によって構成される。下部貯留槽が第１の下部貯留槽および第２の下部貯留槽によって構成されている場合には、各貯留槽はタンクによって構成されていてもよい。代替的に、第１の下部貯留槽はタンクによって構成されていてもよく、第２の下部貯留槽は海または湖によって構成されていてもよい。また、２つの自然に存在する垂直にずれた液体源が第１の下部貯留槽および第２の下部貯留槽として用いられてもよい。
【００２４】
汲み上げ管路機構は、液体を圧力変換器から上部貯留槽へ導く導管機構を含んでもよい。汲み上げ管路機構は下部貯留槽と圧力変換器との間の導管機構を含んでもよいし、または含まなくてもよい。同様に、降下管路機構は、液体を上部貯留槽から圧力変換器へ導く導管機構を含み、降下管路機構は圧力変換器と下部貯留槽との間の導管機構を含んでもよいし、または含まなくてもよい。
【００２５】
例えば、圧力変換器は下部貯留槽内に沈められていてもよい。この場合には、下部貯留槽と圧力変換器との間で液体を供給／排出するための導管機構は省かれてもよい。圧力変換器には、単に、下部貯留槽と連通するための好適な開口部（例えば、入口および出口）が設けられるだけでもよい。
【００２６】
圧力変換器は、降下管路機構内の液圧を汲み上げ管路機構内の液圧に継続的に変換するように構成される。作動部材は、例えば、継続的に往復運動するように構成される。
【００２７】
圧力変換器は、２つの中空体、および各中空体を可変容積の２つのチャンバに密閉分割するためにそれぞれの中空体内で各々動作可能な、２つのピストン部材を含むことができ、作動部材は、一方のピストン部材の運動を他方のピストン部材の運動に変換するように構成されている。
【００２８】
ピストン部材は、それぞれの中空体の内面に対して摺動自在に配置された従来のピストン、すなわち、硬質ピストンによって構成される。代替的に、ピストン部材の一方または両方は、周辺部がそれぞれの中空体の内面に固定して取り付けられた可撓ピストン部材（例えば、膜）によって構成される。このため、このような可撓部材は、作動部材が運動するのに従い、後方および前方に撓曲することによって運動する（これは、機械作動部材および油圧作動部材の双方に当てはまる）。可撓部材は追加的に伸縮性を有してもよい。
【００２９】
２つの中空体は、隔壁を有する管状部材によって構成される。一変形例によれば、管状部材は、管状部材の内部空間を、２つの中空体を形成するよう分割する隔壁を有するシリンダである。このため、管状部材はハウジングを構成する。代替的に、２つの中空体は、例えば、互いに距離を置いた、２つの別個のハウジングによって構成される。
【００３０】
圧力変換器は、本開示内では、主に、２つの中空体を含むように例示されているが、圧力変換器はまた、１つの複動シリンダによって構成することもできる。この場合には、汲み上げ管路機構は複動シリンダの第１のチャンバに接続されていてもよく、降下管路機構はピストンの反対側の複動シリンダの第２のチャンバに接続されていてもよい。
【００３１】
汲み上げデバイスは、降下管路機構内に、液体を上部貯留槽から一方の中空体のチャンバ内へ交互に供給するように構成された入口三方弁をさらに備える。換言すれば、入口三方弁は、第１のチャンバへの第１の導管が開き、第２のチャンバへの第２の導管が閉じた第１の状態、および第１の導管が閉じ、第２の導管が開いた第２の状態を交互に取ることができる。入口三方弁は任意の好適な種類のものであってよい。上部貯留槽からそれぞれのチャンバへの液体の交互供給は、代替的に、三方弁以外の弁機構によって制御されてもよい。
【００３２】
一変形例によれば、入口三方弁は、供給を切り替えるために電子的に制御される。これは、例えば、２つの端部位置センサによって検出された作動部材の端部位置に基づいて入口三方弁を電子的に制御することによって実現されてもよい。しかし、入口三方弁の交互供給を純粋に機械的に実現することも考えられる。
【００３３】
汲み上げデバイスは、降下管路機構内において、圧力変換器の下方に、液体を一方の中空体のチャンバから下部貯留槽へ交互に排出するように構成された出口三方弁をさらに備えることとしてもよい。出口三方弁は任意の好適な種類のものとしてもよい。また、出口三方弁も、排出を切り替えるために、例えば、上述されたのと同じ２つの端部位置センサに基づいて、電子的に制御されることとしてもよい。しかし、出口三方弁の交互排出もまた、代替的に、純粋に機械的に達成される。出口三方弁は、液体を、液体が入口三方弁によって現在供給されていないチャンバから排出するように構成されることとしてもよい。
【００３４】
汲み上げ管路機構は、一方の中空体の各チャンバに関連付けられた入口および出口、ならびに各入口および出口に関連付けられた一方向弁をさらに含むこととしてもよい。このため、一変形例では、４つの一方向弁が汲み上げ管路機構内に設けられている。一方向弁は、汲み上げ管路機構内の液体が下部貯留槽へ戻ること、および圧力変換器へ戻ることを阻止する役割をそれぞれ果たす。各一方向弁は、閾値圧力に達すると開く従来の逆止弁によって構成される。また、これらの弁は、好ましくは、入口三方弁および／または出口三方弁と同期した、既知の種類の標準的な制御可能弁を用いて実装することもできる。
【００３５】
作動部材は、２つのピストン部材を相互接続するピストン・ロッドによって構成される。２つのピストン部材は、例えば、ピストン・ロッドのそれぞれの端部に取り付けられていてもよい。２つの中空体には、作動部材の運動の間に中空体を外部に対して密閉する適当なシール機構が設けられていてもよい。ピストン・ロッドは、追加的に、中空体のそれぞれの外側面を貫通して、例えば、圧力変換器を完全に貫通して延出していてもよい。このため、ピストン・ロッドはそれぞれのピストン部材の両側面から延出していてもよい。これにより、それぞれのピストン部材の２つの側面上の有効面積（ピストン部材の面積からピストン・ロッドの面積を差し引いたもの）は等しくなる。
【００３６】
本開示に係る作動部材は、運動方向における（中立状態に対する）圧縮および膨張を可能にするように構成される。これは、作動部材上またはその内部にばね機構を設けることによって実現される。作動部材が２つのピストン部材を相互接続している場合には、チャンバのうちの一方の内部における圧力の増大は、一定の時間遅延をもって、他方のチャンバ内の圧力の増大に伝達される。時間遅延はばね機構の特性に依存する。この解決策によって、弁の慣性、ヒステリシスおよび／またはタイミング性能の問題を低減または解消することができる。
【００３７】
ポンプ部材は、圧力変換器と一体化され、作動部材を駆動することによって液体を送るように構成される。作動部材がピストン・ロッドによって構成されている場合には、ポンプ部材は、ピストン・ロッドを往復駆動するように構成された駆動機構を含むこととしてもよい。駆動機構は、作動部材上の対応する歯に係合することによって作動部材を駆動する少なくとも１つの歯車によって構成される。
【００３８】
この様態のピストン・ロッドの駆動は２つの中空体の間で実行される。しかし、この駆動はまた、一方の中空体から、他方の中空体と反対の側面において延出するピストン・ロッド上でも実行される。
【００３９】
ポンプ部材は、汲み上げ管路機構内において、圧力変換器と上部貯留槽との間、または下部貯留槽と圧力変換器との間に配置される。これらの２つの変形例を用いる場合、ポンプ部材は、液体を上部貯留槽に向けて上方へ送るために配置することができる。代替例として、ポンプ部材は、降下管路機構内において、上部貯留槽と圧力変換器との間に配置される。この変形例を用いる場合、ポンプ部材は、液体を圧力変換器に向けて下方へ送り、これにより、作動部材に作用する降下管路機構の内部の液体の力を増加させるために配置することができる。
【００４０】
さらなる態様によれば、各々本開示に係る汲み上げデバイスと、上部貯留槽および／または下部貯留槽とを備えるシステムが提供される。汲み上げデバイスは、自然水、およびスラリーなどのより粘性の高い液体を含む種々の液体と共に用いられる。上部貯留槽は周囲大気に対して閉じていてもよい。上部貯留槽は、追加的に、液体内の圧力エネルギーを蓄積するように構成される。
【００４１】
システムは、下部貯留槽および上部貯留槽に加えて、追加の液体源、例えば、第３の供給源を備えることとしてもよい。第３の供給源は、液体を上部貯留槽内へ供給することができる。代替的に、または加えて、第３の供給源は、例えば、液体を上部貯留槽から受ける上部排出導管に接続することによって、液体を降下管路機構へ供給することができる。このように、第３の供給源からの液体による追加の静水学的仕事は、ポンプ部材として機能する作動部材による仕事に変換される。その結果、ポンプ部材によって必要とされる仕事を低減することができるか、または圧力変換器の外部のポンプ部材を無くすことができる。圧力変換器が２つの中空体および２つのピストン部材を含む場合には、降下管路機構と連通した中空体内のピストン部材の面積は、汲み上げ管路機構と連通した中空体内のピストン部材の面積よりも大きくなる。
【００４２】
さらなる態様によれば、汲み上げデバイスと、熱交換器および／または下部貯留槽とを備えるシステムが提供される。
【００４３】
以下の実施形態から、図面と併せて、本開示のさらなる詳細、利点および態様が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】上部貯留槽および下部貯留槽と共に動作する圧力変換器を有する汲み上げデバイスを概略的に示す図である。
【図２ａ】代替的な圧力変換器を概略的に示す図である。
【図２ｂ】さらなる代替的な圧力変換器を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下において、開放された下部貯留槽から上部貯留槽へ液体を汲み上げ、液体を上部貯留槽から元の下部貯留槽へ降下させる汲み上げデバイス、および汲み上げデバイスを備えるシステムが説明される。同じ、または同様の構造特徴を表すために、同じ参照符号が用いられる。
【００４６】
図１は、上部貯留槽１４および下部貯留槽１６と共に動作する圧力変換器１２を有する汲み上げデバイス１０を概略的に示す図である。図１はまた、汲み上げデバイス１０と、上部貯留槽１４と、下部貯留槽１６とを備えるシステムをも示している。
【００４７】
上部貯留槽１４は、下部貯留槽１６よりも高い高さに、例えば、下部貯留槽１６の２０メートル上方に位置付けられている。上部貯留槽１４および下部貯留槽１６は両方とも周囲大気に対して開放している。図１では、上部貯留槽１４はタンクであり、下部貯留槽１６は湖である。
【００４８】
汲み上げデバイス１０は、参照符号１８および２０によってそれぞれ全体的に示された、汲み上げ管路機構および降下管路機構を備えている。図１において視認されるように、汲み上げ管路機構１８は、液体を下部貯留槽１６から圧力変換器１２へ導き、液体を圧力変換器１２から上部貯留槽１４へ導くように構成されている。降下管路機構２０は、液体を上部貯留槽１４から圧力変換器１２へ導き、液体を圧力変換器１２から元の下部貯留槽１６へ導くように構成されている。
【００４９】
図１における圧力変換器１２はシリンダの形態の管状部材２２を含む。管状部材２２は隔壁２８によって２つの中空体２４、２６に分割されている。図１では、２つの中空体２４、２６は一体的に形成されている。汲み上げ管路機構１８と接続した中空体２４は汲み上げ中空体２４と呼ばれ、降下管路機構２０と接続した中空体２６は降下中空体２６と呼ばれる。
【００５０】
ピストン部材３０が汲み上げ中空体２４の内部に摺動自在に配置されていることにより、汲み上げ中空体２４を可変容積の左側汲み上げチャンバ３２ａと右側汲み上げチャンバ３２ｂとに分割している。同様に、ピストン部材３４が降下中空体２６の内部に摺動自在に配置されていることにより、降下中空体２６を左側降下チャンバ３２ｃと右側降下チャンバ３２ｄとに分割している。ピストン部材３０、３４には、汲み上げチャンバ３２ａ、３２ｂの間、および降下チャンバ３２ｃ、３２ｄの間の流体密封シールを維持するために、必要に応じてシール・リングが設けられる。図１では、ピストン部材３０、３４は、それぞれの中空体２４、２６の内面に対して摺動自在に配置された従来のピストン、すなわち、硬質ピストンによって構成されている。
【００５１】
ここではピストン・ロッドとして実装された、作動部材３６がピストン部材３０、３４を相互接続している。ピストン部材３０、３４は、作動部材３６のそれぞれの端部に取り付けられている。作動部材３６およびピストン部材３０、３４は、中空体２４、２６に対して単一体として運動するように配置されている。換言すれば、作動部材３６は、一方のピストン部材３４の運動を他方のピストン部材３０の運動に変換するように構成されている。管状部材２２は、ピストン部材３０、３４および作動部材３６のためのハウジングを構成する。
【００５２】
作動部材３６は、隔壁２８内の開口部を通して実質的に直線的に運動するように配置されている。中空体２４、２６の間の流体連通を回避するために、この開口部内にシーリングが設けられている。
【００５３】
汲み上げデバイス１０は、ポンプ部材３８をさらに備える。ポンプ部材３８は、汲み上げ管路機構１８内の液体を上部貯留槽１４に向けて上方へ送るために配置されている。ポンプ部材３８は、従来のポンプ、好ましくは、ローブ・ポンプなどの容積ポンプによって構成されており、電気的に駆動される。
【００５４】
図１では、ポンプ部材３８は、汲み上げ管路機構１８内において、圧力変換器１２と上部貯留槽１４との間に位置付けられている。しかし、ポンプ部材３８は、代替的に、汲み上げ管路機構１８内において、下部貯留槽１６と圧力変換器１２との間に、液体を圧力変換器１２に送り出すために位置付けられていてもよく、または降下管路機構２０内において、上部貯留槽１４と圧力変換器１２との間に、液体を圧力変換器１２に送り出すために位置付けられていてもよい。
【００５５】
次に、汲み上げ管路機構１８および降下管路機構２０の特定のレイアウトがより詳細に説明される。汲み上げ管路機構１８は、下部貯留槽１６内に沈められた下端部を有する下部供給導管４０を含む。下部供給導管４０は分岐合流点４４において、２つの入口導管４２ａ、４２ｂの形態の２つの入口に分岐する。左側入口導管４２ａは左側汲み上げチャンバ３２ａに接続されており（これに関連付けられており）、右側入口導管４２ｂは右側汲み上げチャンバ３２ｂに接続されている。
【００５６】
一方向弁４６ａが左側入口導管４２ａ上に設けられており、一方向弁４６ｂが右側入口導管４２ｂ上に設けられている。一方向弁４６ａ、４６ｂは、液体が下部貯留槽１６から圧力変換器１２の汲み上げ中空体２４へ通過することを可能にするが、液体が反対方向に通過することは阻止する。
【００５７】
汲み上げ管路機構１８は、左側汲み上げチャンバ３２ａに接続された左側出口導管４８ａの形態の左側出口、および右側汲み上げチャンバ３２ｂに接続された右側出口導管４８ｂの形態の右側出口をさらに含む。一方向弁５０ａが左側出口導管４８ａ上に設けられており、一方向弁５０ｂが右側出口導管４８ｂ上に設けられている。左側出口導管４８ａおよび右側出口導管４８ｂは、分岐合流点５４において上部供給導管５２に合流する。図１において視認されるように、ポンプ部材３８は、上部供給導管５２上に設けられている。上部供給導管５２は、上部貯留槽１４に、汲み上げられた液体を上部貯留槽１４内へ放出するために接続されている。
【００５８】
このため、汲み上げ管路機構１８は、下部貯留槽１６から上部貯留槽１４へ流れる液体用の２つの代替流路を提供する。第１の流路は、下部供給導管４０、左側入口導管４２ａ、左側汲み上げチャンバ３２ａ、左側出口導管４８ａおよび上部供給導管５２を含む導管機構によって構成されている。第２の流路は、下部供給導管４０、右側入口導管４２ｂ、右側汲み上げチャンバ３２ｂ、右側出口導管４８ｂおよび上部供給導管５２を含む導管機構によって構成されている。
【００５９】
降下管路機構２０は、上部貯留槽１４に、液体を上部貯留槽１４から受けるために接続された上部排出導管５６を含む。降下管路機構２０は、上部排出導管５６、左側入口導管４２ｃの形態の左側入口、および右側入口導管４２ｄの形態の右側入口を接続する入口三方弁５８をさらに含む。左側入口導管４２ｃは左側降下チャンバ３２ｃに接続されており、右側入口導管４２ｄは右側降下チャンバ３２ｄに接続されている。降下管路機構２０は、左側降下チャンバ３２ｃに接続された左側出口導管４８ｃの形態の左側出口、および右側降下チャンバ３２ｄに接続された右側出口導管４８ｄの形態の右側出口をさらに含む。
【００６０】
入口三方弁５８は、液体が上部排出導管５６から左側入口導管４２ｃへ導かれ、上部排出導管５６からの液体が右側入口導管４２ｄへ入るのを阻止される第１の状態、または液体が上部排出導管５６から右側入口導管４２ｄへ導かれ、上部排出導管５６からの液体が左側入口導管４２ｃへ入るのを阻止される第２の状態のいずれかに位置付けることができる。このため、入口三方弁５８は、液体を上部貯留槽１４から降下中空体２６の降下チャンバ３２ｃ、３２ｄへ交互に供給するように構成されている。
【００６１】
図１では、一方向弁５０ｃ、５０ｄが左側入口導管４２ｃおよび右側入口導管４２ｄ上にそれぞれ設けられており、一方向弁４６ｃ、４６ｄが左側出口導管４８ｃおよび右側出口導管４８ｄ上にそれぞれ設けられている。ただし、一方向弁５０ｃ、５０ｄ、４６ｃ、４６ｄは任意選択的に省略されてもよい。
【００６２】
出口三方弁６０が、左側出口導管４８ｃ、右側出口導管４８ｄおよび下部排出導管６２を接続している。出口三方弁６０は入口三方弁５８と同様の構造構成を有する。すなわち、出口三方弁６０は、液体が左側出口導管４８ｃから下部排出導管６２へ導かれ、右側出口導管４８ｄの液体が下部排出導管６２へ入るのを阻止される第１の状態、または液体が右側出口導管４８ｄから下部排出導管６２へ導かれ、左側出口導管４８ｃからの液体が下部排出導管６２へ入るのを阻止される第２の状態のどちらかに位置付けることができる。
【００６３】
図１における下部排出導管６２は、下部貯留槽１６内に、降下させられた液体を放出するために沈められた下端部を含む。しかし、下部排出導管６２の下端部は下部貯留槽１６の表面の上方に位置付けられていてもよく、下部貯留槽１６内に沈められている必要はない。
【００６４】
このため、出口三方弁６０は、液体を降下中空体２６の降下チャンバ３２ｃ、３２ｄから下部貯留槽１６へ交互に排出するように構成されている。この変形例では、出口三方弁６０は、液体を、液体が入口三方弁５８によって現在供給されていない降下チャンバ３２ｃ、３２ｄから排出するように構成されている。
【００６５】
ピストン部材３４のそれぞれの端部位置を検出するための２つの端部位置センサ（図示されていない）が降下中空体２６の端部に設けられている。入口三方弁５８は、ピストン部材３４が降下中空体２６の左端部またはその近くにあるときに第１の状態に切り替わり、ピストン部材３４が降下中空体２６の右端部またはその近くにあるときに第２の状態に切り替わるように電子的に制御される。
【００６６】
また、出口三方弁６０も端部位置センサに基づいて電子的に制御される。出口三方弁６０は、ピストン部材３４が降下中空体２６の右端部またはその近くにあるときに第１の状態に切り替わり、ピストン部材３４が降下中空体２６の左端部またはその近くにあるときに第２の状態に切り替わるように電子的に制御される。
【００６７】
このため、降下管路機構２０は、上部貯留槽１４から下部貯留槽１６に液体を流すための２つの代替流路を提供する。第１の流路は、上部排出導管５６、左側入口導管４２ｃ、左側降下チャンバ３２ｃ、左側出口導管４８ｃおよび下部排出導管６２を含む導管機構によって構成されている。第２の流路は、上部排出導管５６、右側入口導管４２ｄ、右側降下チャンバ３２ｄ、右側出口導管４８ｄおよび下部排出導管６２を含む導管機構によって構成されている。しかし、入口三方弁５８および出口三方弁６０が上述されたように動作するとき、すなわち、出口三方弁６０が第２の状態を取るのと同時に入口三方弁５８が第１の状態を取るときには（およびその逆の時には）、これらの２つの流路は必ず１つの地点で一時的に閉じている。図１における全ての導管は、例えば、硬質パイプ、可撓ホース、またはこれらの任意の組み合わせ、すなわち、液体を汲み上げ、降下させるための任意の好適な種類の流れ管路によって構成される。
【００６８】
次に、図１における汲み上げデバイス１０の動作が説明される。入口三方弁５８を第２の状態に位置付け、出口三方弁６０を第１の状態に位置付けることによって、上部貯留槽１４からの液体が上部排出導管５６を通り、右側入口導管４２ｄを通り、右側降下チャンバ３２ｄ内へ導かれる一方、右側出口導管４８ｄの内部の液体は、第２の状態を取る出口三方弁６０によって、下部排出導管６２へ入るのを阻止される。
【００６９】
これにより、上部排出導管５６および右側入口導管４２ｄの内部の液体の重量が静的力をピストン部材３４の右側面に加わる。この力は作動部材３６を、矢印６４によって指示される方向（図１における実質的に水平な方向）に、降下中空体２６内で左へ運動させる。左へのピストン部材３４の運動の間に、右側降下チャンバ３２ｄは膨張することになり、上部貯留槽１４からのより多くの液体が右側降下チャンバ３２ｄ内へ導き入れられることになる。同時に、左側降下チャンバ３２ｃの内部の液体は、左側降下チャンバ３２ｃから、左側出口導管４８ｃを通り、下部排出導管６２を通り、下部貯留槽１６内へ押し出されることになる（左側降下チャンバ３２ｃからの液体は、一方向弁５０ｃ、および第２の状態を取る入口三方弁５８により、左側入口導管４２ｃを通過しないことになる）。
【００７０】
同時に、すなわち、作動部材３６が方向６４に左へ運動すると、ピストン部材３０は汲み上げ中空体２４内で左へ押し込まれる。その結果、左側汲み上げチャンバ３２ａの圧縮により、圧力が左側汲み上げチャンバ３２ａの内部にもたらされる。ここで、圧力は右側降下チャンバ３２ｄの内部の圧力に実質的に対応する。このため、圧力変換器１２は、作動部材３６の実質的に直線状の運動によって降下管路機構２０内の液圧を汲み上げ管路機構１８内の液圧へ変換するように構成されている。さらに、作動部材３６は、降下管路機構２０と汲み上げ管路機構１８との間の機械的力伝達器を構成するように作られている。
【００７１】
左側汲み上げチャンバ３２ａ内部の増大した液圧は、一方向弁５０ａを開くことによって液体が左側出口導管４８ａを通り、上部供給導管５２を通り、上部貯留槽１４内へ押し出される。上部供給導管５２内の液体の流れは、ポンプ部材３８によって汲み上げデバイス１０内の摩擦損失に打ち勝つための十分な追加の力を与えられる。一方向弁５０ｂは、左側汲み上げチャンバ３２ａから送り出された液体が右側汲み上げチャンバ３２ｂへ入るのを阻止する。一方向弁４６ａもまた、左側汲み上げチャンバ３２ａ内の液体が下部供給導管４０へ入るのを阻止する。
【００７２】
作動部材３６が方向６４に左へ運動するのに従い、右側汲み上げチャンバ３２ｂは膨張し、一方向弁４６ｂを開くことによって、液体を下部供給導管４０および右側入口導管４２ｂを介して下部貯留槽１６から吸い込む。
【００７３】
ピストン部材３０、３４が左端部位置（それぞれの中空体２４、２６の真の端部にあってもよいし、真の端部になくてもよい）に達すると、入口三方弁５８は第１の状態に切り替えられ、出口三方弁６０は第２の状態に切り替えられる。今度は、上部排出導管５６内および左側入口導管４２ｃ内の液体の重量が静的力をピストン部材３４の左側面に加わため、矢印６６によって指示される、右への作動部材３６の逆運動が開始される。
【００７４】
方向６６における右への作動部材３６の運動の間に、液体が、下部貯留槽１６から下部供給導管４０を通り、一方向弁４６ａを開くことによって左側入口導管４２ａを通り、作動部材３６の運動によって膨張する左側汲み上げチャンバ３２ａ内へ吸い込まれる。同時に、右側汲み上げチャンバ３２ｂは圧縮され、内部の液体は、一方向弁５０ｂを開くことによって右側出口導管４８ｂを通り、上部供給導管５２を通り、上部貯留槽１４内へ押し出される。ポンプ部材３８は継続的に動作し、作動部材３６がこの逆方向６６に運動するときも、追加の力を上部供給導管５２内の液体に提供する。
【００７５】
同時に、すなわち、作動部材３６が方向６６に右へ運動すると、ピストン部材３４は、左側降下チャンバ３２ｃの内部で作用する上部貯留槽１４からの液体の重量によって右へ運動させられ、これにより、右側降下チャンバ３２ｄは排液される。このため、右側降下チャンバ３２ｄの圧縮により、右側降下チャンバ３２ｄの内部の液体が右側出口導管４８ｄを通り、下部排出導管６２を通り、下部貯留槽１６内へ押しやる。しかし、右側降下チャンバ３２ｄ、右側出口導管４８ｄおよび下部排出導管６２の内部の液体の重力もまた、作動部材３６を右へ、すなわち、方向６６に引くのを助ける。
【００７６】
ピストン部材３０、３４が右端部位置（それぞれの中空体２４、２６の真の端部にあってもよいし、真の端部になくてもよい）に達すると、入口三方弁５８は第２の状態に再び切り替えられ、出口三方弁６０は第１の状態に再び切り替えられ、作動部材３６が方向６４に左へ運動する、上述された手順が繰り返される。
【００７７】
このため、汲み上げデバイス１０は、液体が、下部貯留槽１６、汲み上げ管路機構１８、上部貯留槽１４、および降下管路機構２０によって形成された連続ループ内を循環させられることを可能にする。これにより、液体は、液体が元々送り出された下部貯留槽１６へ戻る。入口三方弁５８および出口三方弁６０の切り替えにより、圧力変換器１２は、降下管路機構２０内の液圧を汲み上げ管路機構１８内の液圧に継続的に変換するように構成されている。圧力変換器１２および作動部材３６は、単純で信頼性のある構造構成を有する。
【００７８】
図２ａは、代替的な圧力変換器１２を概略的に示す図である。主に、図１に対する相違が説明される。
【００７９】
図２ａでは、汲み上げ体２４、２６が互いに分離されており、ピストン部材３０、３４を相互接続する（依然としてピストン・ロッドの形態の）作動部材３６が長くなっている。少なくとも１つの歯車（図２ａでは２つの歯車）の形態の駆動機構６８が、作動部材３６上の対応する歯（図示されていない）と係合することによって、作動部材３６を往復直線運動するよう駆動する。これにより、駆動機構６８は、圧力変換器１２と一体化されたポンプ部材３８を構成する。このため、駆動機構６８は、先に説明されたポンプ部材３８に取って代わるか、またはこれを補完することができる。
【００８０】
駆動機構６８は中空体２４、２６の間に設けられているが、駆動機構６８は、代替的に、中空体２４、２６のうちの一方の外側に設けられていてもよい。これは、例えば、作動部材３６を、ピストン部材３０、３４のうちの一方を貫通し、中空体２４、２６のうちの一方の端壁を貫通して延出させることによって達成される。この変形例が実装される場合には、中空体２４、２６は、図１に示されるように、依然として一体的に形成される。
【００８１】
図２ｂは、さらなる代替的な圧力変換器１２を概略的に示す図である。主に、図１および図２ａに対する相違が説明される。
【００８２】
図２ｂでは、各ピストン部材３０、３４は、膜の形態の可撓ピストン部材によって構成されている。ピストン部材３０、３４の周辺部はそれぞれの中空体２４、２６の内面に固定して取り付けられている。これらのピストン部材３０、３４の可撓性のため、作動部材３６は、依然として、上述されたようにチャンバ３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの容積を変化させるよう往復運動することができる。
【００８３】
本開示は例示的な実施形態を参照して説明されたが、本発明は、上述されたものに限定されないことは理解されるであろう。例えば、部分の寸法は必要に応じて変更されることは理解されるであろう。したがって、本発明は、本明細書に添付された請求項の範囲によってのみ限定されることが意図されている。
【図１】
2018534484.tif 000003
【図２ａ】
2018534484.tif 000004
【図２ｂ】
2018534484.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月13日(2018.6.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  液体を開放された下部貯留槽（１６）から上部貯留槽（１４）へ導くよう構成されている汲み上げ管路機構（１８）と、
−  前記液体を前記上部貯留槽（１４）から前記下部貯留槽（１６）へ導くよう構成されている降下管路機構（２０）と、
−  作動部材（３６）を有する圧力変換器（１２）であって、該圧力変換器（１２）は、該作動部材（３６）の実質的に直線状の運動によって前記降下管路機構（２０）内の液圧を前記汲み上げ管路機構（１８）内の液圧へ変換するように構成されている、圧力変換器（１２）と、
−  前記汲み上げ管路機構（１８）内の前記液体を前記上部貯留槽（１４）に送り、および／または前記降下管路機構（２０）内の前記液体を前記圧力変換器（１２）に送るポンプ部材（３８）と、
を備える、液体を垂直に汲み上げるための汲み上げデバイス（１０）。
【請求項２】
前記圧力変換器（１２）が、前記降下管路機構（２０）内の液圧を前記汲み上げ管路機構（１８）内の液圧に継続的に変換するように構成されている、請求項１に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項３】
前記圧力変換器（１２）が、
−  ２つの中空体（２４、２６）、および
−  前記各中空体（２４、２６）を可変容積の２つのチャンバ（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ）に密閉分割するためにそれぞれの中空体（２４、２６）内で各々動作可能である、２つのピストン部材（３０、３４）を含み、
前記作動部材（３６）が、一方のピストン部材（３０、３４）の運動を他方のピストン部材（３０、３４）の運動に変換するように構成されている、請求項１または２に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項４】
前記２つの中空体（２４、２６）が、隔壁（２８）を有する管状部材（２２）によって構成されている、請求項３に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項５】
前記降下管路機構（２０）内に、前記液体を前記上部貯留槽（１４）から一方の中空体（２６）の前記チャンバ（３２ｃ、３２ｄ）内へ交互に供給するように構成された入口三方弁（５８）をさらに備える、請求項３または４に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項６】
前記降下管路機構（２０）内において、前記圧力変換器（１２）の下方に、前記液体を一方の中空体（２６）の前記チャンバ（３２ｃ、３２ｄ）から前記下部貯留槽（１６）へ交互に排出するように構成された出口三方弁（６０）をさらに備える、請求項３から５のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項７】
前記出口三方弁（６０）が、前記液体を、前記液体が前記入口三方弁（５８）によって現在供給されていないチャンバ（３２ｃ、３２ｄ）から排出するように構成されている、請求項５または６に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項８】
前記汲み上げ管路機構（１８）が、一方の中空体（２４）の各チャンバ（３２ａ、３２ｂ）に関連付けられた入口（４２ａ、４２ｂ）および出口（４８ａ、４８ｂ）と、該各入口（４２ａ、４２ｂ）および出口（４８ａ、４８ｂ）に関連付けられた一方向弁（５０ａ、５０ｂ、４６ａ、４６ｂ）と、をさらに含む、請求項３から７のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項９】
前記作動部材（３６）が、前記２つのピストン部材（３０、３４）を相互接続するピストン・ロッドによって構成されている、請求項３から８のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項１０】
前記ポンプ部材（３８）が前記圧力変換器（１２）と一体化されており、前記作動部材（３６）を駆動することによって前記液体を送るように構成されている、請求項３から９のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項１１】
前記ポンプ部材（３８）が、前記ピストン・ロッドを往復駆動するように構成された駆動機構（６８）を備える、請求項９または１０に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項１２】
前記ポンプ部材（３８）が、前記汲み上げ管路機構（１８）内において、前記圧力変換器（１２）と前記上部貯留槽（１４）との間に配置されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項１３】
前記ポンプ部材（３８）が、ローブ・ポンプなどの、容積ポンプである、請求項１から９および１２のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）と、上部貯留槽（１４）および／または下部貯留槽（１６）とを備えるシステム。
【請求項１５】
前記上部貯留槽（１４）が周囲大気に対して閉じている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記上部貯留槽（１４）が、前記液体内の圧力エネルギーを蓄積するように構成されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の汲み上げデバイス（１０）と、熱交換器および／または下部貯留槽（１６）とを備えるシステム。
【国際調査報告】
2018534484.tif 000006
2018534484.tif 000007
2018534484.tif 000008