(57)【要約】    【課題】  液体の浮力を利用してフロートを上昇および降下させる動作を制御により連続的に繰り返して発電し、使用する液体が低落差で、しかもその使用量が比較的少ない液体力発電方法を提供する。    【解決手段】  液体力発電方法は、液体槽1、フロート2、その上下動に応動してトルクを有する回転出力を発生するボールねじ体3および発電機4を準備する機材準備工程と、液体槽内に液体を導入してフロートを液面に浮上させて所定位置まで上昇させるフロート上昇工程と、液体槽内の液体を排出してフロートを所定位置まで降下させるフロート降下工程と、フロート上昇工程およびフロート降下工程を連続して交互に繰り返すように制御する繰返し制御工程と、フロートの動きに応じてボールねじ体を作動させて発電する発電工程と、を具備している。【選択図】図１８
2013209979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の導入と排出が可能な液体槽、液体に浮上するように構成されて液体槽内に配設されたフロートならびにフロートの上昇および降下の少なくとも一方に応動してトルクを出力するように配設されたボールねじ体を備えた液体力エンジンと、ボールねじ体が出力するトルクにより駆動される発電機と、フロートの上昇および降下を制御する制御装置とを準備する機材準備工程と；
液体槽内に液体を導入することによってフロートを液体に浮上させて所定位置まで上昇させるフロート上昇工程と；
液体槽内の液体を排出することによってフロートを所定位置まで降下させるフロート体降下工程と；
フロートの上昇および降下の少なくとも一方の運動に応じてボールねじ体を作動させることによってボールねじから出力されたトルクにより発電機を駆動して発電する発電工程と；
制御装置により液体槽内においてフロートの上昇および降下時の少なくとも一方が所定位置に到達するタイミングを基に液体槽内への液体の導入および排出の少なくとも一方を人為的に制御してフロートの液体槽内における上昇および降下を連続的に繰り返えさせる繰返し制御工程と；
を具備していることを特徴とする発電方法。
【請求項２】
制御装置は、フロートの上昇時における所定位置到達を検出する上昇位置センサ、フロートの降下時における所定位置到達を検出する降下位置センサ、ならびに上昇位置センサおよび降下位置センサの検出出力の少なくともいずれか一方に基づいて液体層に対する液体の導入および排出を制御する電子的演算制御手段を主構成要素とした制御手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の発電方法。
【請求項３】
フロートは、大きな浮力が得られるように構成されており；
フロート上昇工程において、ボールねじ体が発電可能なトルクを出力して発電機を駆動する；
ことを特徴とする請求項１または２記載の発電方法。
【請求項４】
フロートは、大きな質量を有するように構成されており；
フロート降下工程において、ボールねじ体が発電可能なトルクを出力して発電機を駆動する；
ことを特徴とする請求項１または２記載の発電方法。
【請求項５】
フロートは、質量が大きくて、かつ大きな浮力が得られるように構成されており；
フロート上昇工程およびフロート降下工程の両工程において、ボールねじ体が発電可能なトルクを出力して発電機を駆動する；
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一記載の発電方法。
【請求項６】
機材準備工程において、液体槽、フロートおよびボールねじ体を備えた一組の液体力エンジン、ならびに一組の液体力エンジンによって駆動される共通の発電機を準備し；
繰返し制御工程は、制御装置が、一対の液体力エンジンがフロート上昇工程およびフロート降下工程を位相が１８０°ずれた関係において交互に上昇および降下するように制御する；
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一記載の発電方法。
【請求項７】
フロート降下工程において、液体槽の底部に液体溜まりを形成しておき、フロートが所定位置まで降下した際に液体溜まりに浮上した状態で停止させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一記載の発電方法。
【請求項８】
液体槽から排出された液体の少なくとも一部を揚液して再度液体槽内に導入可能にする液体循環工程を具備していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一記載の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の浮力を利用して発電する液体力発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電においては、水が水車に作用する理論上のエネルギー、すなわち理論水力Ｐ０がP0=9.8QH（kW）である。ただし、Qは水量（m3/s）、Hは落差（m）である。この理論水力P0は、水が水車に作用して水車出力ηｗが取り出され、最終的には発電機出力電力Pとなる。この発電機出力電力Pは、理論水力に水車効率ηｗと発電機効率ηｇとを乗じた式：P=9.8QHηｗηｇ=9.8QHη（kW）によって表される。ただし、ηは総合効率である。この総合効率ηは、水車発電機の種類や構造や経年によって変化するが、一般的にはかなり高く、近時的に式P=8.5ＱＨ（ｋＷ）が成立するとされている（非特許文献１参照。）。
【０００３】
上述の水力発電は、水の運動エネルギーを水車によってトルクに変換し、このトルクで発電機を駆動することによって発電機出力電力Ｐを得るものである。
【０００４】
一方、干満の潮位差により海水の流入および排出ができるドッグ内に浮船を浮かべ、浮船の側面にピニオン軸を備えたピニオンを突設し、ドッグ側にピニオンに歯合するラックを設けて、浮船の昇降によりピニオンを回転させ、ピニオンの回転を増速機構により回転数を高めて発電機を駆動することにより、干満の潮位差を利用して発電する潮力発電が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、築堤内の水面を外部の海面と同一にして、築堤内に発電機構および原動機構を設けた発電船と、発電船から昇降可能に垂下して逆転機構により発電船の昇降とは逆方向に昇降させるフロートとを具備し、上げ潮時に発電船の上昇運動を腕杆および伝導杆などを備えた連絡機構を用いて回転運動に変換して発電し、下げ潮時にフロートを上昇させ、その際に昇降機構を介して発電することも知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２７４１４５号公報
【特許文献２】特公平０５−０３２５９２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】フリー百科事典「ウイキペディア(Wikipedia)」の「水力発電」平成24年02月15日検索
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の水力発電において、発電機出力電力Ｐを大きくするためには、水量および落差の少なくとも一方を大きくする必要があるために、大電力発電の適地が少ない。最近は、小規模な水力発電として小水力発電に対する社会的関心が高くなってきている。
【０００９】
一方、前述の潮力発電は、そのいずれも潮汐における潮位の周期的変化を利用して発電しようとするものであるが、実現に困難が多い。すなわち、第１に、潮位の周期変化には日変化と月変化があり、その変化に応じて発電量が変化するので、発電量が不安定になるとともに、変化が非常に緩慢であるために発電機を駆動するためのトルクを得るのが困難である。第２に、海岸隣接地である必要があるため、適地を選ぶのが困難である。第３に、潮位の変化を回転に変換する手段として前者の従来技術のようにラック＆ピニオン機構を用いている場合、発電機を駆動するのに必要な回転数およびトルクを高変換効率の下で得るのが困難である。また、後者の従来技術は、構造が複雑で製作が困難であるとともにコストアップを招く。いずれの従来技術も水面に浮上する船に発電設備を搭載するので、発電電力の外部へ取り出すための構成が必要になるばかりか、設備全体のメンテナンスにも解決すべき課題がある。
【００１０】
また、潮力発電は、河川水、湖水および水道水などの多様な水源に適応させることができない。さらに、発電能力の規模についても大小様々な要求があるが、従来技術は多様な発電能力に応えることが困難である。
【００１１】
本発明は、液体の浮力を利用してフロートを上昇および降下させる動作を制御により連続的に繰り返して発電し、使用する液体が低落差で、しかもその使用量が比較的少ない液体力発電方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の液体力発電方法は、機材準備工程、フロート上昇工程、フロート降下工程、繰返し制御工程および発電工程を具備している。機材準備工程は、液体力エンジン、発電機および制御装置を準備する工程である。液体力エンジンは、液体槽、フロートおよびボールねじ体を備えて構成されている。液体槽は、液体の導入と排出が可能である。フロートは、液体に浮上するように構成されて液体槽内に配設されている。ボールねじ体は、フロートの上昇運動および降下運動の少なくとも一方を回転運動に変換する。発電機は、ボールねじ体が出力する回転運動により駆動される。制御装置は、フロートの上昇および降下を制御する。フロート上昇工程は、液体槽内に液体を導入することによってフロートを液体に浮上させて所定位置まで上昇させる工程である。フロート体降下工程は、液体槽内の液体を排出することによってフロートを所定位置まで降下させる工程である。発電工程は、フロートの上昇運動および降下運動の少なくとも一方に応じてボールねじ体を作動させることによってボールねじから出力された回転運動により発電機を駆動して発電する工程である。繰返し制御工程は、液体槽内においてフロートの上昇時および降下時の少なくとも一方においてフロートが所定位置に到達するタイミングを基に液体槽内への液体の導入および排出の少なくとも一方を制御装置により制御してフロートの液体槽内における上昇および降下を連続的に繰り返えさせる工程である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の液体力発電方法によれば、液体槽内の液体の浮力を利用したフロートの上昇およびフロートの質量を利用した降下の少なくとも一方を、フロートの上昇および降下のいずれか一方が所定位置に到達するタイミングを基に制御装置により制御することにより、フロートの上昇および降下を連続的に繰り返させ、その結果生じるボールねじ体から出力する回転運動で発電機を駆動して発電するので、フロートの上昇および降下運動が連続的に行われて動作に無駄がなく、しかも使用する液体が低落差でよいとともに液体の使用量が少ない割に大きな電力を発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の液体力発電方法の第１の実施形態に係わる工程相関図である。
【図２】同じくシステム構成図である。
【図３】同じく本発明において用いる液体力発電装置の一部切欠正面断面図である。
【図４】図３のIV−IV´線に沿う断面図である。
【図５】同じく液体力発電装置におけるボールねじ体の一部断面要部拡大正面図である。
【図６】同じく液体導入タンク部の正面断面図である。
【図７】同じく液体排出タンク部の正面断面図である。
【図８】同じく液体槽内におけるフロートの各位置と液体の関係を説明する模式図である。
【図９】同じくフロートの液体槽内での上下動に伴う液面およびフロート下端の位置変化を示すグラフである。
【図１０】同じくフロートの外槽内での上下動に伴うフロートの位置変化とボールねじ体の回転運動におけるトルク出力の関係を示すグラフである。
【図１１】同じくフロートの各位置における液体槽、液体導入タンク部および液体排出タンク部内の液面変化の関係を示す液面相関図である。
【図１２】本発明の液体力発電方法の第２の実施形態に係わる工程相関図である。
【図１３】同じくシステム構成図である。
【図１４】本発明の液体力発電方法の第３の実施形態において用いる液体力発電装置の正面断面図である。
【図１５】本発明の液体力発電方法の第４の実施形態において用いる液体力発電装置の正面断面図である。
【図１６】本発明の液体力発電方法の第５の実施形態において用いる液体力発電装置の正面断面図である。
【図１７】本発明の液体力発電方法の第６の実施形態において用いる液体力発電装置の正面断面図である。
【図１８】本発明の液体力発電方法の第７および第８の実施形態において用いる液体力発電装置の正面断面図である。
【図１９】同じく第７の実施形態における動作サイクルを示すタイムチャートである。
【図２０】同じく第８の実施形態における動作サイクルを示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［第１の実施形態］
第１の実施形態は、図１ないし図１１に示すように構成されている。第１の実施形態において、液体力発電方法は、機材準備工程S1、フロート上昇工程S2、フロート降下工程S3、繰返し制御工程S4および発電工程S5を具備している。なお、関係の図に示すように、所望により液体循環工程S6を追加することができる。
【００１６】
本発明において、発電に用いる「液体」とは、最適には水（水道水、河川水、井戸水、湧水、湖水、工業用水および海水などを含む。）であるが、その他として例えばアルコール類、油類、液化ガス、例えば液体窒素などであってもよい。
【００１７】
本実施形態において、液体力発電方法の各工程の相関は、図１に示すとおりである。すなわち、機材準備工程S1により準備された各機材を所要に用いてフロート上昇工程S2を実行し、続いてフロート降下工程S3を実行する。そして、繰返し制御工程S4によりフロート上昇工程S2およびフロート降下工程S3を連続的に繰返して実行する。また、フロート上昇工程S2およびフロート降下工程S3において、発電工程S5を併せて実行して発電を行う。
【００１８】
以下、以上の各工程について順に詳細を説明する。
【００１９】
〔機材準備工程S1〕
機材準備工程S1において、準備する機材は、少なくとも液体力エンジンＬＥ、発電機4および制御装置である。液体力エンジンは、液体槽1、フロート2およびボールねじ体3を備えて構成さていて、フロート2が液体から受ける浮力およびフロート2の質量の直線運動を回転運動に変換して出力する。そして、これらの機材が所定の関係を構成するように準備する。そうして、上記機材は、液体力発電装置LGを構成している。以下、液体力発電装置LGの主要な構成について説明する。
【００２０】
（液体槽1）
液体槽1は、図２および３に示すように、その内部にフロート2を収容するとともに、図３、５および６に示すように、その内部に液体Lの導入および排出が可能なように構成されている。したがって、液体槽1内に導入された液体Lは、その導入および排出に伴って液面LSが上下する。
【００２１】
また、液体槽1は、その横断面形状が特段限定されないが、フロート2の上昇および降下を妨げないような断面形状でなければならない。したがって、液体槽1の横断面形状は、フロートの横断面形状にほぼ相似であれば、フロート2の動作を円滑にしやすいとともに、余分な液体の使用を抑制できるので、好ましい。
【００２２】
さらに、液体槽1は、その高さ方向の寸法すなわち長さが少なくともフロート2の所定の上昇位置と所定の降下位置との間を往復するのに支障ない程度であれば、それ以上の長さであってもよい。しかし、長すぎると、液体力発電装置LGの全長が必要以上に大きくなってしまうので、好ましくない。
【００２３】
さらにまた、液体槽1は、その構成材料が特段限定されないが、好ましくは金属または繊維強化プラスチックス（FRP）などの長期間にわたる耐久性および剛性を備えた材料を用いて形成することができる。なお、金属としては、ステンレス鋼、鉄およびアルミニウムなどを用いることができる。FRPの場合、強化繊維としてガラス繊維、炭素繊維および金属酸化物繊維などを適宜選択的に用いることができる。また、プラスチックスの種類は問わないが、例えばポリエステルなどを用いることができる。
【００２４】
図示の本実施形態において、液体槽1は、図３および４から理解できるように、円筒形状をなしていて、下端が底板1a、上端が蓋板1bにより閉鎖されている。なお、蓋板1bは、開閉可能になっていることが許容されるとともに、中央に後述する延長軸3Bが挿通する開口1b1を備えている。
【００２５】
また、図４に示すように、液体槽1の内面には、後述するフロート2の上下移動を円滑に行えるように、断面コ字状のガイドレール1dが複数条、例えば120°間隔で３本垂直方向に延在して敷設されている。
【００２６】
（フロート2）
フロート2は、液体槽1の内部に上下動可能に収容され、上昇時の所定位置から降下時の所定位置まで降下する間、所望の質量が与えられ、その大きさが後述するボールねじ体3に作用して、これを駆動するように構成されている。そして、降下位置において、液体槽1内に液体Lが導入されたときに、所要の浮力がフロート2に作用するように構成されている。このため、フロート2は、液体槽1内に導入された液体Lに浮上し、液面LSの上昇に伴って所定の上昇位置まで持ち上げられる。すなわち、液体槽1内の降下位置にあるフロート2を所定位置まで移動させることができる。なお、フロート2の降下時において、フロート2に所望の質量が作用する状態の好ましい態様は、液体槽1内の液面LSの低下速度を少なくとも降下開始時にフロート2の降下速度より大きくして、当該液面がフロート2の下端部より下方へ離間した状態、換言すればフロート2の全体が液面より上方に位置している状態を呈しているときである。しかし、上記において、通常状態において、状況によってはフロート2の下端部の一部、好ましくは高さの１０％程度までが液体Lに浸かっている状態で降下しても、液体が質量の減殺に与える影響が比較小さいので、許容される。
【００２７】
また、フロート2は、その質量に関して所定位置から降下しているときに所望の質量を有しているのであれば、その余の構成は特段限定されない。したがって、質量は、例えばフロート2の上昇および降下を通じて一定を維持していてもよいし、降下時においてのみ所望の値であり、上昇時にはその値より低減されているように構成されていてもよい。前者の態様の場合、フロート2が固体および液体のいずれをも可とする錘手段を備えている構成であることを許容する。後者の態様の場合、例えば液体を錘手段として用いて、上昇時に当該液体をフロート2から排出させ、降下時に当該液体をフロート2に充填する構成であることを許容する。
【００２８】
さらに、フロート2は、液体からなる錘手段の保持および浮力付与を実現するために、容器を備えていることが許容される。この場合、液体からなる錘手段の保持のための容器すなわち液体容器2Aと浮力付与のための容器、例えば気体容器2Bを各別に配設してもよいし、両者に共通の容器を配設して、当該容器を上記両目的のために共用してもよい。前者の構成においては、浮力付与のための気体容器2Bを液体からなる錘手段の保持のための液体容器2Aの下に重ねて配置すれば、相対的に少ない液体Lを液体槽1内に導入することでもフロートを浮上させることができる。後者の構成においては、液体と空気などの気体を一緒に容器に導入することもできるが、フロート2を上昇させるときに気体、例えば空気を容器内に導入し、降下させるときには気体に代えて液体を導入することもできる。なお、フロート2の質量は、液体容器2Aに対する液体の導入量と容器、例えば液体容器2Aおよび気体容器2Bの質量すなわち風袋との和で決まる。また、容器は、金属やＦＲＰなど適宜の材料を用いて形成することができる。さらに、気体容器2B内に気体を入れるのに代えて、内部を真空にしてもよい。
【００２９】
さらにまた、フロート2は、液体槽1内で上昇および降下する際に非回転状態および回転状態のいずれであってもよい。フロート2が非回転状態で上昇および降下する場合、後述するボールねじ体3のトルク出力は、ボールねじ体3の回転する部位から直接取り出すことができる。後者の場合、回転するフロート2を経由してトルクを取り出すこともできる。この場合、フロート2の回転の際に生じる慣性エネルギーを発電に影響させることができる。
【００３０】
図示の本実施形態において、フロート２は、図３および４から理解できるように、いずれも内部が中空の円柱体形状をなしている液体容器2Aおよび気体容器2Bの２段重ね構造を備えている。液体容器2Aは、気体容器2Bの上に一体化されて配置され、図示を省略している液体導入孔および液体排出孔を有していて、液体力発電装置LGの設置場所において、主な質量付与媒質として適当な液体、例えば水を内部に充填することが可能なように構成されている。気体容器2Bは、その製造段階において内部に適当な気体を密封することができる。しかし、所望により製造後所望時に適当な気体の導入および排出を気体容器2Bに対して可能なように構成することが許容される。
【００３１】
また、フロート2は、その質量の２倍の浮力が作用するように構成されている。そのために、図２、３に示すように、気体容器2Bの容積が、液体容器2Aおよび2Bの風袋分などの質量増加要素の質量に相当する浮力をも付与するように液体容器2Aの２倍より応分に大きく設定されている。
【００３２】
さらに、フロート2には、図３および４に示すように、その上下方向に液密に貫通する２種類の貫通孔2aおよび2bが形成されている。貫通孔2aは、後述するボールねじ体3のねじ軸3Aがフロート2を緩く貫通して設置するために、フロート2の重心部において軸方向に延在して配設されている。また、貫通孔2bは、そこを後述する液体導入タンク部5の導出管5aが緩く挿通し、貫通孔2aを中心とする同心円に沿って複数、例えば４つが９０°間隔で等配されている。上記貫通孔2a、２bは、そのいずれも液体容器2Aおよび気体容器2Bの密封性を阻害しないように形成されている。
【００３３】
さらにまた、フロート2の側面には、図４に示すように、液体槽1のガイドレール1dと協働してフロート2の上下動を案内するガイドローラ2cが配設されている。このガイドローラ2cは、フロート2の外側面にガイドレール1dに対向して配設され、支持枠2c1に回動自在に取り付けられている。
【００３４】
（ボールねじ体3）
ボールねじ体3は、直線−回転変換機構の１種であるが、本発明においては、フロート2の上下動に応動して発電可能な程度のトルクを有する回転運動を出力するように配設されている。そして、図５にその要部を示すように、ねじ軸3Aおよびナット3Bを備えている。例えば、ねじ軸3Aおよびナット3Bのいずれか一方がフロート2の上下動に応動して非回転で上下動する場合、他方が回転自在で、かつ上下方向の位置を固定して支持されることにより、他方が回転して回転運動を出力する。上記とは逆に、一方がフロート2の上下動に応動して回転して上下動する場合、他方が非回転で、かつ上下方向の位置を固定して支持されることにより、一方の回転時にトルクを有する回転運動を出力する。したがって、フロート2に応動して直線運動する部材は、ナット3Bおよびねじ軸3Aのいずれであってもよいことを理解できるであろう。
【００３５】
また、ボールねじ体3は、ナット3Bの内部には多数のボールベアリング3aが収容されていて、これらのボールベアリング3aがねじ軸3Aに沿って循環することで、ナット3Bがねじ軸3Aに対して直進運動するように構成されている。さらにまた、ボールねじ体3は、本発明において、そのねじ軸3Aの有効長さが特段限定されない。ねじ軸3Aのピッチが一定の場合、ねじ軸3Aの有効長さが相対的に短ければ、フロート上昇工程S2、フロート降下工程S3の工程時間すなわち動作周期が相応に短くなるし、反対に長ければ、動作周期が長くなる。液体力発電装置LGの全体としてバランスの取れたねじ軸3Aの有効長さを設定するのが好ましい。
【００３６】
図示の本実施形態において、図５に示すナット3Bは、その両面に一対のエンドキャップ3bが配設されていることにより、ボールベアリング3aが内部で循環するエンドキャップ方式を採用している。そして、図２に示すように、ナット3Bがフロート2の液体容器2Aに、その重心部において上面に固着されている。また、ねじ軸3Aが回転自在で、かつ上下方向に固定されている。さらに、図３に示すように、ねじ軸3Aの上下両端からねじ溝のない一対の延長軸3C、3Dが同心かつ一体関係に延長している。
【００３７】
延長軸3Cの上端は、後述する増速器4Bの入力軸4c1との間が電磁クラッチ3Eを介して結合している。なお、電磁クラッチ3Eは、軸結合機能、制動機能および軸受機能を備えていて、液体槽1の蓋板1bに形成した開口1b1の上面側に配設されている。一方、延長軸3Dは、その中間部が軸受3Fによりフロート2に対して回転自在に支持されているとともに、下端が軸受3Gに軸止されている。軸受3Fは、フロート2の気体容器２Bの下面に配設され、軸受3Gは、液体槽1の底板1aに配設されている。
【００３８】
液体槽1内に延在するボールねじ体3のねじ軸3Aおよび延長軸3C、3Dが液体Lに接触するのを阻止するために、伸縮性シーリング手段3H、3Iを配設することができる。伸縮性シーリング手段3Gとしては、テレスコピック手段および蛇腹手段など既知の伸縮性液体シーリング手段を適宜採用することができる。
【００３９】
（発電機4）
発電機4は、ボールねじ体3が出力するトルクを有する回転運動により駆動されて発電する手段であり、交流および直流のいずれの態様で発電してもよい。交流発電を行う場合、交流の態様は３相および単相のいずれであってもよい。また、ボールねじ体２の回転出力で発電機4を駆動する際に、ボールねじ体3の回転数と発電機4の回転数とを最適に適合させるために、歯車機構やベルト機構などの既知の増速手段4Bを介在させることができる。
【００４０】
図示の本実施形態において、発電機4は、図２に示すように、発電機本体4Aが増速器4Bと一体化された３相交流発電機からなり、発電機室4Dの内部において、取付枠4Cを介して液体槽1の蓋板1bの上面に配設されている。発電機室4Dは、液体槽1の上部に液体槽1と同一径の円筒状をなして連設されている。また、発電機4は、増速器4B、電磁クラッチ3Eおよび延長軸３Cを介してボールねじ体3のねじ軸3Aに接続している。増速器4Bは、液体槽1の蓋板1bの開口1b1に離間対向して蓋板1bの外面すなわち発電機室4D内に配設された取付枠4Cに取り付けられている。なお、増速器4Bの入力軸4b1は、電磁クラッチ3Eを介して延長軸3Cとの間が接離可能に結合されている。
【００４１】
以上説明した液体槽1、フロート2およびボールねじ体3の組合せ部分は、本発明において用いる液体力発電装置LGの主要駆動部であり、その機能および一体化されることから、液体力エンジンLEを構成する。
【００４２】
また、液体力エンジンLEと発電機4とは、本発明において用いる液体力発電装置LGの主要な構成要素であるが、図２および図３に示す実施形態においては、補助的構成として上記構成要素に加えて液体導入タンク部5、液体排出タンク部6および液体循環装置7を具備している。以下、これらについて説明する。
【００４３】
（液体導入タンク部5）
液体導入タンク部5は、図２に示す液体源8から液体槽1内へ液体を導入する際に、その導入を円滑に行うために配設されているもので、液体の一時貯留機能を有している。配設する位置としては、液体槽1の上部側が好ましく、図２、３および６に示すように、発電機室4Dと同径で、その上部に一体に連設されている。
【００４４】
また、液体導入タンク部5は、図３に示すように、液体槽1への液体導入のための導出管5aを備えている。この導出管5aは、その基端が液体導入タンク部5の底部に電磁弁5bを経由して接続し、中間部がフロート2の貫通孔2b内を緩く貫通し、先端が液体槽1の底部近傍まで延在している。そして、電磁弁5bを開放することにより、液体導入タンク部5に貯留した液体を、導出管5aを経由して液体槽1内に供給する。液体槽1への液体導入を迅速かつ安定して行えるようにするために、複数、例えば４本の導出管5aをフロート2の重心位置に対して同心円に沿って90°間隔で分散して配設している。
【００４５】
さらに、液体導入タンク部5は、図１および６に示すように、導入管5cを備えていて、この導入管5cを介して外部の液体源8に接続し、新しい液体を液体源8から導入するとともに、後述する液体循環装置７から再利用液体を受け入れることができる。
【００４６】
（液体排出タンク部6）
液体排出タンク部6は、図２および６に示すように、液体槽1からの液体を排出先9および／または液体循環装置7へ円滑に排出するために配設されていて、排出された液体の一時貯留機能を有している。このため、後述する液体循環装置7を配設する場合においても、液体循環を円滑に行うことができる。
【００４７】
また、液体排出タンク部6は、図２、３および７に示すように、液体槽1に一体に連設されていて、液体槽1の底部に設けられた底板1aに配設された電磁弁1cが開放したときに排出された液体を受け入れる。なお、図示の液体排出タンク部6は、液体槽1と同径の円筒状をなしているが、液体力発電装置LGの最下部に位置している関係で、設置面に隣接するので、液体槽1より大きな設置面積となるように構成することができる。これにより、液体力発電装置LGの高さをなるべく低く抑えると同時に、液体力発電装置LGの安定性を高めることができる。
【００４８】
さらに、液体排出タンク部6は、図７に示すように、排出管6aを備えていて、液体排出タンク部6内に一端貯留された液体を図示しない電磁弁を経由して排出先9へ導くことができる。また、後述する液体循環装置7の循環路7Bの排液吸入端が接続している。したがって、発電した後に液体排出タンク部6に排出された液体を排出先9へ排出するのと液体循環装置7へ排出するのを所望により自由に選択することができる。
【００４９】
（液体循環装置7）
液体循環装置7は、液体槽1から排出されたフロート2を押し上げるのに使用した液体をポンプアップして液体槽1に戻して再利用するための手段である。各種の水車を用いる従来の水力発電においても、類似の思想に基づく揚水発電が実用化されているが、本発明において用いる液体循環装置7は、液体力発電装置LGの高さに相当する押込圧力を与えることのできる揚液ポンプ7Aを循環路7bに介在させるだけでよいので、低落差でよい。このため、通常の発電中に液体循環装置7を稼動させることが可能になる。また、液体力発電装置LGの稼動中に循環させる。これらの点において従来の揚水発電とは異なる態様をなしている。
【００５０】
すなわち、小電力の揚液ポンプで所要量の液体を循環して再利用しながら発電を継続して、発電電力から揚液ポンプ7Aの消費電力を差し引いた残りの電力を外部へ送出することも可能になり得る。なお、液体循環装置7は、その循環路7Bの液体吸入端が、図２および７に示すように、液体排出タンク部6に接続し、液体吐出端が図６に示すように液体導入タンク部5に接続している。
【００５１】
また、発電に用いる液体を循環して再利用することにより、発電時に外部から導入する液体の使用量を低減することができ、これに伴い外部から導入する液体の使用量当たりの発電電力を飛躍的に高めることが可能になる。
【００５２】
〔フロート上昇工程S2〕
フロート上昇工程S2は、以上説明した機材を用いて発電するに際して、液体槽1内に液体Lを導入し、液体Lの浮力によってフロート2を液面に浮上させる。そして、液体Lの導入量を増加して液面LSを上昇させることで、フロート2を降下位置から所定位置まで上昇させることによって、フロート2の位置エネルギーを高める工程である。ただし、フロート2は、前述のように予めそれぞれの目的に応じた所要の浮力が付与されるように構成されていなければならない。
【００５３】
したがって、フロート上昇工程S2を開始させるには、液体槽1内に液体Lを導入して、フロート2が所定位置まで上昇させたら、続いてフロート降下工程S3を実行する。
【００５４】
図示の実施形態においては、フロート2が上昇して所定位置に到達したことを検知するために、例えば図３に示すように、センサs1を例えば液体槽1内の所定の上記所定位置に対向する位置に配設している。そして、フロート2が所定位置に到達したときのセンサs1の検出信号を後述する制御手段CCに制御入力するように制御装置を構成している。なお、センサs1としては、フロート2の所定の上昇位置を機械的・電磁気的、熱的、音響的、化学的性質またはそれらで示される空間情報・時間情報を、何らかの科学的原理を応用して、人間や機械が扱い易い別媒体の信号に置き換える装置であれば特段限定されない。
【００５５】
センサs1の検出出力を制御手段CCに制御入力すると、制御手段CCがフロート2の所定位置への到達を判定する。そして、電磁クラッチ3Eへ制御信号を送出して、ボールねじ体3の動作を停止させて、フロート2の上昇を停止させることにより、フロート上昇工程S2が終了する。フロート上昇工程S2が終了すると同時に、制御手段CCが次のフロート降下工程S3に進むように制御する。
【００５６】
上述とは別に、通常状態ではフロート上昇工程S2の所要時間を一定にできるので、タイマを用いてフロート上昇工程S2の開始時間から所定時間後に達した時点でフロート2が所定の上昇位置に到達したものとしてフロート2の上昇を停止させ、フロート上昇工程S2が終了するように構成することもできる。
【００５７】
さらに、フロート上昇工程S2においては、工程の開始時に液体槽1内に液体Lが導入された際に、フロート2が速やかに反応して遅れ少なく上昇を開始することが望ましい。そのためには、図８の（ｃ）に示すように、少なくともフロート2が降下位置に接近したときに、液体槽1の底部に予め所要量の液体溜まりpを形成しておき、フロート2が降下して所定位置にあるときは、液体溜まりpに浮上状態になっているように構成するのが好ましい。このためには、例えば液体槽1内の液体Lを排出させる際に、液体溜りpが形成されるように一部の液体を液体槽1の底部に残留させておけばよい。
【００５８】
さらにまた、フロート上昇工程S2において、液体の導入量を対応して変化させて発電量を制御することができる。この制御は、フロート上昇工程S2の途中でボールねじ体3の負荷が変化した場合に採用することができる。また、負荷が急減した場合には、液体の導入量を遮断する、電磁クラッチ3Eを操作してボールねじ体3の回転を停止させる、のいずれか一方または両方の対応制御を行うことができる。これにより、ボールねじ体3などの構成要素が損傷ないし破壊を受けないようにすることができる。
【００５９】
図示の実施形態において、液体槽1内に導入する液体Lおよび液体容器2Aに充填される液体はともに水であり、また気体容器2B内に封入される気体は空気である。そして、前述のように気体容器2Bの容積は、液体容器2Aに充填される液体の質量と液体容器2Aおよび気体容器2Bの風袋との和の質量を打ち消して上記質量と絶対値が当量となる約２倍に設定されている。
【００６０】
また、フロート上昇工程S2において、フロート2は、上昇して所定位置に到達するまで、図８の（ａ）に模式的に示すように、上述の浮力で液体Lに浮上している。フロート2の気体容器2Bの約下半分は、液体容器2A内の液体の質量および両容器の風袋により液体内に沈み込んでいるが、約上半分は、液面LSから上方へ浮き上がっている。この浮き上がり部分が発電時のボールねじ体3を駆動するのに要する浮力となる。
【００６１】
さらに、図９の曲線LSＵに示すように、フロート上昇工程S2において液面が時間に対して直線的に上昇すると、フロート2は、その下端部が曲線2Uに示すように、曲線LSUより低く沈みこんだ相互関係で、かつ曲線LSＵに平行すなわち図８の（ａ）を参照して説明した位置関係を維持しながら直線的に上昇する。
【００６２】
フロート2が大きな浮力を与えられて上昇すると、ボールねじ体3のナット3Bがフロート2と一緒に非回転状態で上方へ直線移動するので、これに伴いねじ軸3Aが時計方向へ回転する。この回転は、ボールねじ体2の特性であるところの滑り損失が少ない状態で行われるから、ねじ軸3Aから十分なトルクを有する回転運動が出力される。
【００６３】
次に、図１０を参照して上述のトルクについて説明すると、曲線2Uは、フロート2の上昇時の位置変化を示し、曲線τはボールねじ体3のトルク出力を示す。曲線2Uに示すように、液体槽1内へ液体Lを導入したときに、極短時間の間上昇速度が遅いがその後一定速度で所定の上昇位置に到達するまで上昇する。その結果、曲線τに示すように、曲線2Uの直線区間において一定のトルクが得られる。
【００６４】
そうして、フロート上昇工程S2においては、液体槽1内に液体Lを単に導入するだけでフロート2を液面に浮上させて所定の上昇位置に押し上げ移動させることができるので、最小限のエネルギーで、高効率でフロート2に所要の位置エネルギーを付与することができる。また、図８に示すように、フロート2が液体Lと吊り合うのに必要な浮力に加えて、さらにフロート2の質量等量の浮力が付与されるようにフロート2を構成すれば、フロート上昇工程S2においても当該浮力を利用して発電することもできる。
【００６５】
〔フロート降下工程S3〕
フロート降下工程S3は、前工程S2によって上昇して所定位置に到達したフロート2に対して、その降下に先立って予め所要の質量を付与しておくとともに、液体槽1内の液体Lを排出して、主としてフロート2の質量の重さのほぼ全体がボールねじ体3に作用する条件下においてフロート2を所定位置まで降下させる工程である。
【００６６】
フロート2の降下開始時において、フロート2は、液体Lに浸かっている状態および液体Lの液面LSがフロート2の下面より低下している状態のいずれであってもよい。前者の場合、液体槽1から液体Lの排出を開始すると、最初に液面LSが低下し出すのに対して、フロート2は慣性により回転開始が液面LSの低下開始より若干遅れるとともに、フロート2と液体槽1との間の隙間に介在する液体量は比較的少ないので、フロート2より液面LSの低下が早くなる。このため、好ましくはフロート2の全体が液面LSより上に露出した状態となるか、少なくともフロート2の大部分が液面LSより上に露出した状態となる下で液体Lを液体槽1から排出して、フロート2を降下させることができる。
【００６７】
また、後者の場合、フロート降下工程S3の開始直後において、例えば電磁クラッチ3Eなどによってフロート2を短時間の間停止状態に維持してから液体Lの排出を先行して開始し、液面LSがフロート2より下に達した後にフロート2の降下を開始する。このように制御すれば、フロート2の降下の最初から液面LSがフロート2の下端より低下した状態にしてフロート2の降下を開始させることができる。もちろん、液面LSの低下速度とフロート2の降下速度とを同期させるか、液面LSの低下速度をフローと2の降下速度より大きくする必要がある。
【００６８】
フロート2が降下して所定位置に到達したことを検知するには、例えば図３に示すように、センサs2を例えば液体槽1の内面の、フロート2の所定の降下位置に対向する位置に配設するのがよい。そして、このセンサs2の検出出力を後述する制御手段CCに制御入力すると、制御手段CCがフロート2の所定位置への到達を判定する。また、フロート2が降下して所定位置に到達したときに、制御手段CCが電磁クラッチ3Eを作動させてボールねじ体3を停止させることにより、フロート2の降下を停止させるように構成するのが好ましい。なお、センサs2としては、センサs1と同様な構成であることを許容する。なお、図３において、点線を示す符号2´は、所定の降下位置にあるフロート2を示している。
【００６９】
また、通常状態ではフロート降下工程S3の所要時間およびスピードを発電機４の負荷が作用して一定にできるので、タイマを用いてフロート降下工程S3の開始時間から所定時間後にフロート2が降下して所定位置に到達したものと判定してフロート2を停止させて、フロート降下工程S3を終了するように構成することもできる。
【００７０】
さらに、フロート降下工程S3において、ボールねじ体3に作用する重さ、すなわちフロート2の実効的重さを変化させることにより、発電量を変化させることができる。フロート2の実効的重さは、フロート2の一部を液体Lに浸けることにより、さらにはフロート2の液体Lに浸かる割合を変化させるによって、所望に応じて変化させることができる。この制御は、例えば負荷が変化した場合などの対応制御に採用することができる。
【００７１】
また、負荷が急変、例えば無負荷になった場合、ボールねじ体3の負荷がなくなるために、ボールねじ体3の動きが早くなり、フロート2の降下速度が増すために、フロート2が液体Lに浸かり、フロート2の実効的な重さが減り、自動的に無負荷に対応する。しかし、制御手段CCを負荷変動に応じて電磁クラッチ3Eを操作するように構成すれば、無負荷時にボールねじ体3の動作を迅速に停止させることができる。あるいは、上記操作を併用することもできる。
【００７２】
図示の本実施形態において、フロート降下工程S3では、液体Lの液面LSが図８の（ｂ）に示すように降下時間の殆どでフロート2より下方になるとともに、図９の曲線LSDと２Dの関係に示すように、互いに同期してフロート2が降下するので、フロート2の質量全体がフロート2の重さに寄与する。
【００７３】
また、フロート2が降下するとき、液体槽1内の液面LSが図９の曲線LSDに示すように時間に対して降下開始時部分aと降下終了時部分bとにおいて急激に変化するが、これらの変化時a、bを除いた残余部分cでは質量体2と同期して直線的に降下する。なお、上記部分a、bは、液体槽1とフロート2との間のわずかな隙間内の液体Lの出入りのときの液面LSの変化を示している。
【００７４】
一方、フロート2の下端部は、図９の曲線2Dに示すように、曲線LSDに対して少し上方へ離間した位置で、かつ平行関係すなわち図８の（ｂ）に示すような相互間の位置関係を維持すなわち同期しながら直線的に降下する。
【００７５】
これに対して、フロート2は、図１０に曲線2Dに示すように、上昇した所定位置から降下を開始する最初の極短時間は降下速度が遅いが、その後一定速度で所定位置に到達するまで降下する。その結果、曲線τに示すように、降下時間の殆どの時間であるところの曲線2Dの直線区間において一定のトルクが得られる。そして、所定の降下位置に到達したときに停止する。
【００７６】
そうして、フロート降下工程S3において、フロート2の降下によって位置エネルギーが放出されてボールねじ体3が直線−回転変換動作を行い、位置エネルギーからトルクへの変換が行われる。したがって、ボールねじ体3から出力する大きなトルクを有する回転運動により発電機4が駆動されて発電を行う。
【００７７】
〔繰返し制御工程S4〕
繰返し制御工程S4は、制御装置によってフロート上昇工程S2およびフロート降下工程S3を連続して交互に繰り返すように制御する人為的な工程である。すなわち、本発明においては、フロート2の上昇と降下を制御装置により連続して繰り返す制御が人為的に行われる点に特徴がある。したがって、フロート上昇工程S2およびフロート降下工程S3の繰り返しが従来の潮汐発電のように自然の摂理を繰り返すのと相違して、工程切り換えによる発電動作の休止期間がなく、たとえ休止期間を若干伴うとしてもこれを著しく短縮するとともに、常に安定したトルクを有する回転運動を短い繰り返し周期で頻繁に出力させることができる。このため発電量が増大する。
【００７８】
上述の繰返し制御を効果的に行うには、制御装置がマイクロコンピュータ（マイコン）などの電子的演算制御手段を主構成要素とした制御手段CCを含んでいて、フロート上昇工程S2およびフロート降下工程S3をシーケンス制御やタイマ制御などの自動制御するのが好ましい。また、シーケンス制御を効果的に行うには、制御装置がさらにセンサ（例えばs1、s2）を含んでいて、前述のようにフロート2の所定位置到達をセンサ（s1、s2）により検出して液体槽1内への液体Lの供給および排出を予定の制御パターンにしたがって所望のタイミングで制御するように構成することができる。なお、所望によりボールねじ体3の動作を停止させる電磁クラッチ3Eを所望のタイミングで制御したり、液体槽1内の液面LSを検出してフロート2の動作を制御したり、さらには液体循環装置7をフロート上昇工程S2およびフロート降下工程S3と連動してシーケンス制御したりすることを追加することもできる。
【００７９】
図示の実施形態において、マイコンを主体として構成された制御手段CCは、センサs2の検知信号によりフロート2の所定位置への到達を判定し、電磁弁1cを遮断して液体槽1からの液体Lの排出を停止する。そして、制御手段CCは、前述のフロート上昇工程S2およびフロート降下工程S3を人為的に連続して繰り返す。
【００８０】
次に、図１１を参照して、フロート上昇工程S2およびフロート降下工程S3を繰り返すときの液体導入タンク部5、液体槽1および液体排出タンク部6間における液体の移動について説明する。なお、図１１において、（ａ）は起動時にフロート2が降下して所定位置にあるとき、（ｂ）はフロート2が上昇して所定位置に到達したとき、（ｃ）はフロート2が降下して所定位置に到達したとき、の各部位における液体のレベルをそれぞれ示している。なお、図において、斜線部分は、液体を示しているが、液体槽1内への液体Lの導入と排出とは別に、質量体2の液体容器2A内には、常に液体が充填されて質量を提供している。
【００８１】
すなわち、図１１の（ａ）に示すように、発電開始すなわちフロート上昇工程S2に先立ち、液体槽1内に比較的少量の液体を導入して液体Lの溜まりpを形成しておき、降下時の所定位置においてフロート2を液面LSに浮上させておく。このとき、液体供給タンク部5の内部にはフロート2を所定の上昇位置まで移動させるのに必要な量の液体を予め貯留しておく。また、液体排出タンク部6の内部は、液体槽1から排出した液体Lを受容可能な程度まで空けておく。例えば、液体排出タンク部6の内部を空虚にしておく。
【００８２】
フロート上昇工程S2において、図１１の（ｂ）に示すように、液体導入タンク部5の内部に貯留された液体Lを液体槽1内に導入して、フロート2を所定位置まで上昇させるので、フロート2が上昇して所定位置に到達したとき、液体導入タンク部5の内部には液体が残留していなくてもよい。一方、このときの液体排出タンク部6の内部は、液体槽1からの液体Lが排出されていないので、空いている。
【００８３】
フロート降下工程S3において、図１１の（ｃ）に示すように、液体槽1内の液体Lは、排出されて液体排出タンク部6に移動するとともに、液体循環装置7を動作させる場合、フロート降下工程S3の期間では液体槽1内に導入した液体Lの半分を液体供給タンク部5の内部へポンプアップするように循環速度を設定しておくと、フロート降下工程S3が終了して、フロート2が所定の降下位置に到達したときには排出された液体の半分が既に循環されて液体導入タンク部5の内部へ導入されており、残余の半分が液体排出タンク部6に残留している。この残留分は、次のフロート上昇工程S2の期間中に液体導入タンク部5内へポンプアップされ、かつ液体槽1内に導入されてフロート2を上昇させるのに寄与する。しかし、タイミングの微妙なずれのためなどの理由により、循環だけで必要な液体を調達することが困難な場合には、導入源8から不足する分の液体を新に導入することができる。
【００８４】
そうして、本発明においては、液体循環装置7を動作させる場合、少なくとも発電に要する液体の半分以上を再利用することが可能であり、新に使用する液体量当たりの発電量を著しく高くすることができる。また、最適設計次第では、ほぼ全量を再利用して発電を行える可能性がある。
【００８５】
〔発電工程S5〕
発電工程S5は、フロート2の動きに応じてボールねじ体3を作動させることにより、フロート2の作動に伴ってボールねじ体3から得られるトルクを有する回転運動で発電機5を駆動して発電する工程である。本発明において、発電工程S5では、少なくともフロート2が降下する際のボールねじ体3から出力される大きなトルクを有する回転運動で発電を行うが、図示の実施形態から理解できるように、所望により上昇時に所要の浮力をフロート2に付与するように構成すれば、フロート2の上昇時にも発電することができる。
【００８６】
フロート上昇工程S2とフロート降下工程S3とでは、ボールねじ体3の回転方向が互いに逆になるが、発電機4に交流発電機を用いるとともに、いったん整流し、インバータ13を用いて交流に変換すれば、直流および交流負荷のずれであっても特段問題ない。また、直流発電機を用いる場合、ボールねじ体3の回転方向が逆になるときに回転方向切り換え手段を用いて、発電機4を一定方向に回転させることによっても問題は解消する。
【００８７】
図示の実施形態においては、図２に示すように、発電機4の出力を整流器11、蓄電池12およびインバータ13を用いて順次出力電圧を変換することにより、たとえフロート上昇工程S2とフロート降下工程S3との切り換え時に短時間の休止期間が生じるとしても、電気負荷に対して安定した電力を供給することができる。また、所望により、発電電力を送電／配電線14を経由して電力会社に売電することもできる。
【００８８】
〔液体循環工程S6〕
液体循環工程S6は、フロート降下工程S3の実行により排出された液体を循環して再利用する工程であり、所望により以上説明した工程に追加することができる。この液体循環工程S6は、液体循環装置7により実行される。循環する液体の比率は、前述のように使用する液体の一部または可能であれば全部であってもよい。
【００８９】
次に、第１の実施形態において用いることのできる液体力発電装置LGおよび発電方法の主要な仕様の計算例について説明する。
【００９０】
〔液体力発電装置LGの仕様例の１〕
液体導入タンク部5：直径1.2m、高さ1.0m
発電機室4D      ：直径1.2m、高さ0.5m
液体力エンジンLE：直径1.2m、高さ4.2m
液体槽1        ：直径1.2m、高さ4.2m
フロート2      ：質量1000kg、高さ3.1m、
液体容器2A；直径1.1m、高さ0.95m、
気体容器2B；直径1.1m、高さ2.15m
ボールねじ体3  ：ピッチ40mm、直径40mm、ねじ軸3Aの有効長1.0m
液体排出タンク部6：直径1.2m、高さ1.0m
発電機4          ：交流3相発電機
全長            ：6.7m
質量体上昇工程S2：１分間
質量体降下工程S3：１分間
質量体移動用液体量：0.57m3／分
発電量          ：3kW（回転数1000RPM）
揚液ポンプ      ：電動機出力1.5kW、吐出し量0.625m3/分、全揚程9.5m
【００９１】
以上説明した第１の実施形態によれば、前述の発明の効果を奏するのに加えて、次の効果をも奏する。
（１）フロート降下工程S3において、液体槽1の底部に液体溜まりpを形成しておけば、質量体2が所定位置まで降下した際に、液体溜まりpに浮上した状態でフロート2を停止させることにより、フロート上昇工程S2の開始時において液体槽1内に液体が導入された際に、質量体2が速やかに反応して上昇を開始するので、動作遅れが著しく少なくなる。
（２）フロート上昇工程S2において、液体槽1内の液体Lによって発電可能な程度の浮力を質量体2に作用させることにより、フロート2の上昇時にも発電工程S5を機能させることができる。このため、単一の液体力エンジンLEを用いてほぼ連続的に発電を行うとともに、液体力発電装置LGの全長を短縮することができる。
（３）フロート上昇工程S2において、液体槽1への液体Lの導入量を変化させて発電量を制御することにより、負荷の変化に柔軟に対応させることができ、ボールねじ体3などの破壊ないし損傷を回避することができる。
（４）フロート降下工程S3において、フロート2のボールねじ体3に作用する重さを実効的に変化させて発電量を制御することにより、負荷の変化に柔軟に対応させることができ、ボールねじ体3などの損傷ないし破壊を回避することができる。
（５）液体槽1から排出された液体を揚液して再度液体槽1内に導入する液体循環工程S6を具備することにより、フロート移動用液体量を著しく低減ないし無くして発電効率を飛躍的に高めることができる。
（６）ボールねじ体3をフロート2の重心位置に対応して配設することにより、単一のボールねじ体3を用いて発電することが可能になり、しかもフロート2の上下動が安定するとともに、液体力発電装置LGの構造が簡単になる。
（７）液体槽1内へ導入する液体は、その導入位置において落差がなくてもよいので、本実施形態は適地を選ばない。
（８）フロートを上昇位置へ押上げるのに用いる使用液体当たりの発電量が従来の水車式発電に比較して著しく大きくなる。
（９）フロート降下工程S3において、液体Lの液面LSおよびフロート2の下端部間の離間距離を小さくし、かつ同期して降下させることにより、ボールねじ体3の負荷が急減したときに、フロート2の降下速度が高くなってフロート2の下端部が液体Lに浸かり、フロート2の重さが軽減するので、自立的に自動制御されて液体力発電装置LGの安全が図られる。
（１０）液体導入タンク部5に、フロート2を緩く貫通して液体槽1の底部近傍まで延在する導出管5aを配設すれば、フロート上昇工程S2において、液体槽1の底部近傍から液体を導入することができるために、液体の液体槽1内への導入が円滑で、しかも安定して行われるので、フロート2の上昇動作が安定する。
【００９２】
以下、本発明のその他の実施形態について、図１２ないし図２０を参照して説明する。なお、各図において、図１ないし図１１と同一部分については一部を除いて同一符号を付して説明は省略する。
【００９３】
［第２の実施形態］
図１２および図１３を参照して第２の実施形態を説明する。本実施形態は、フロート2の降下時にのみ発電するが、ほぼ連続して発電電力を得るために、第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2の２機を液体の流れにおいて従列接続した構成の液体力発電装置LGを用いる。
【００９４】
本実施形態において、第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2は、各フロート2を液体Lの液面に浮上して所定の上昇位置まで押上げるのに必要な浮力を与えるが、発電が可能な程度の浮力が与えられないように構成されている。このため、フロート2の気体容器2Bの容積が第１の実施形態の場合の半分程度まで小さくすることが可能になる。しかし、その他の構成については図３に示すのと同様に構成することができる。ただし、液体槽1内への液体の導入および排出時には発電しないので、液体の導入および排出を高速で行うことができる。また、液体導入タンク部5および液体排出タンク部6を第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2に対して共通に配設するので、第２の液体力エンジンLE2においては、第１の実施形態における図３に示す導出管5bを液体力エンジンLE1の液体槽1の底板1aの電磁弁1cに直接接続している。
【００９５】
本実施形態においては、図１２から理解できるように、第１の液体力エンジンLE1におけるフロート上昇工程S21およびフロート降下工程S31を実行したら、引き続いて第２の液体力エンジンLE2におけるフロート上昇工程S22およびフロート降下工程S32を実行する。そして、各液体力エンジンLE1、LE2のそれぞれに発電工程S41、S42が付設されてきるが、繰返し制御工程S4は、各液体力エンジンLE1、LE2を連続して単一工程で実行する。
【００９６】
〔機材準備工程〕
図１３に示すように、第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2および一対の発電機室を図のように組み合わせて縦列接続し、第１の液体力エンジンLE1の発電室の上部に液体導入タンク部5が配設され、第２の液体力エンジンLE2の下部に液体排出タンク部6が配設されている。また、液体循環装置7が液体導入タンク部5および液体排出タンク部6の間に図のように接続している。一対の発電機4、4の出力端が整流器11を経由して蓄電池12に並列接続している。繰返し制御工程S4に用いる制御手段CCは、単一であり、第１の液体力エンジンLE1と第２の液体力エンジンLE2とに対してそれぞれ別に質量体2の位置を判定し、かつ個別に制御信号を発生するように構成されている。
【００９７】
〔第１のフロート上昇工程S21〕
第１の質量体上昇工程S21は、第１の液体力エンジンLE1において、フロート2の所定位置までの上昇を実行する。この工程S21では発電しないので、前工程の第２のフロート降下工程S32の実行中に液体導入タンク部5からの液体導入を実行することにより、第２のフロート降下工程S32が終了と同時かそれ以前に液体導入を終了させることができる。このため、第２のフロート降下工程S32と後述する第１のフロート降下工程S31との間に休止期間が生じなくなるように工程を実行することが可能になる。
【００９８】
なお、図示の実施形態の第１のフロート上昇工程S21において、第１の液体力エンジンLE1の電磁クラッチ3Eが制御手段CCにより制御されて釈放されれば、ねじ軸3Aが回転フリーになるので、液体導入を高速で行うことができる。
【００９９】
〔第１のフロート降下工程S31〕
第１のフロート降下工程S31は、第１の液体力エンジンLE1において、フロート2の上昇時の所定位置から降下時の所定位置までの降下を実行する。この工程において、液体Lの排出速度は、第２の液体力エンジンLE2の休止期間を生じさせない動作のためにこれを高く設定することができる。すなわち、第１のフロート降下工程S31が終了する前までに液体Lの第２の液体槽1へ供給が済んでいるようにすれば、第１のフロート降下工程S31と第２のフロート降下工程S32との間の休止期間が生じるのを実質的に回避することが可能になる。
【０１００】
〔第１の発電工程S51〕
第１の発電工程S51は、第１のフロート降下工程S31において実行され、ボールねじ体3の大きなトルクを有する回転運動が出力されるので発電が行われる。発電電力は、整流器11に、その交流入力端から入力する。
【０１０１】
〔第２の質量体上昇工程S22〕
第２のフロート上昇工程S22は、第２の液体力エンジンLE2において、フロート2の所定位置までの上昇を実行する。この工程S22では第１の液体力エンジンLE1から排出された液体Lが第２の液体槽1内に導入されることにより実行される。また、この工程では発電しないので、前工程の第１の液体槽1からの液体排出を第１のフロート降下工程S32が終了する前までに行われるようにタイミングを設定することにより、第１のフロート降下工程S31が終了と同時かそれ以前に液体排出を終了させることができる。このため、第１のフロート降下工程S31と後述する第２のフロート降下工程S32との間に休止期間が生じなくなる。
【０１０２】
なお、図示の実施形態の第２のフロート上昇工程S21において、第２の液体力エンジンLE2の電磁クラッチ3Eを制御手段CCにより制御して釈放すれば、ねじ軸3Aが回転フリーになるので、フロート2の上昇を高速で実行することが可能になる。
【０１０３】
〔第２のフロート降下工程S32〕
第２のフロート降下工程S32は、第２の液体力エンジンLE2において、フロート2の上昇時の所定位置から降下時の所定位置までの降下を実行する。
【０１０４】
〔第２の発電工程S52〕
第２の発電工程S52は、第２のフロート降下工程S32において実行され、ボールねじ体3のトルク出力で発電を行う。発電電力は、整流器11に、その交流入力端から入力する。
【０１０５】
〔繰返し制御工程S4〕
繰返し制御工程S4は、以上説明した第１のフロート上昇工程S21から第２のフロート降下工程S32までの４工程を実行し、さらにこれらの工程を連続して繰り返すように制御する人為的な制御構成である。
【０１０６】
図示の実施形態においては、第１の液体力エンジンLE1および第２の液体力エンジンLE2を、マイコンを主体として構成された制御手段CCおよび図示しないフロート2の上昇位置センサおよび降下位置センサを含んだ制御装置からそれぞれの制御信号を送出して以上説明のように一連のシーケンス制御を行う。
【０１０７】
次に、第２の実施形態において用いることのできる液体力発電装置LGの構成例および発電方法の主要な仕様の計算例について説明する。
【０１０８】
〔液体力発電装置LGの仕様例の２〕
液体導入タンク部5      ：直径1.2m、高さ1.0m
発電機室4D            ：直径1.2m、高さ0.5m
第１の液体力エンジンLE1：直径1.2m、高さ3.4m
液体槽1              ：直径1.2m、高さ3.4m
フロート2            ：質量1000kg、液体容器2A；直径1.1m、高さ1.0m、
気体容器2B；直径1.1m、高さ1.3m
ボールねじ体3        ：ピッチ40mm、直径40mm、ねじ軸3Aの有効長1.0m
発電機室4D            ：直径1.2m、高さ0.5m
第２の液体力エンジンLE2：直径1.2m、高さ3.4m
液体槽1              ：直径1.2m、高さ3.4m
フロート2            ：質量1000kg、高さ2.3m
液体容器2A；直径1.1m、高さ1.0m
気体容器2B；直径1.1m、高さ1.3m
ボールねじ体3        ：ピッチ40mm、直径40mm、ねじ軸3Aの有効長1.0m
液体排出タンク部6      ：直径1.2m、高さ1.0m
発電機4                ：交流3相発電機
全長                    ：9.3m
第１の質量体上昇工程S21：０分間（第２のフロート降下工程S32中に実行される。）
第１の質量体降下工程S31：１分間
第２の質量体上昇工程S22：０分間（第１のフロート降下工程S32中に実行される。）
第２の質量体降下工程S32：１分間
質量体移動用液体量    ：0.57m3／分
発電量                ：3kW（回転数1000RPM）
揚液ポンプ            ：電動機出力1.5kW、吐出し量0.625m3/分、全揚程9.5m
【０１０９】
以上説明した第２の実施形態によれば、前述の発明の効果および第１の実施形態における効果の大部分を奏するとともに、次の効果をも奏する。
（１）フロート2の降下時にのみ発電する第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2の２機を液体の流れで従列接続した構成の液体力発電装置LGを用いることにより、第１の液体力エンジンLE1における発電と、第２の液体力エンジンLE2における発電との間に休止期間をなくして連続した発電電力を得ることもできる。
（２）フロート移動用液体を、第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2の２機に順次使用して発電するので、質量体移動用液体の使用量が一層少なくて済む。
【０１１０】
［第３の実施形態］
第３の実施形態は、図１４に示すように構成された液体力発電装置LGを用いて発電を行う。図示の実施形態において、液体力発電装置LGは、１機単独使用の体裁をなしているが、フロート2が下降時にのみ発電するのに適した構成である。すなわち、フロート2は、液体容器2Aと気体容器2Bとがほぼ均等の内容積を有しているので、フロート2が液体槽1内に導入した液体に浮上できるが、大きな浮力が得られない。このため、フロート2の上昇時には発電を行うことができない。
【０１１１】
伸縮性シーリング手段3H、3Iは、蛇腹構造体によって構成されている。また、液体供給タンク部5は、導入管5cが図示を省略されている液体循環装置の吐出端および液体源に接続する。
【０１１２】
［第４の実施形態］
第４の実施形態は、図１５に示すように構成された液体力発電装置LGを用いて発電を行う。図示の実施形態において、液体力発電装置LGは、フロート2の液体容器2Aがフロート降下工程において、降下開始以前に液体を注入して所要の質量をフロート2に付与した状態でフロート2を降下させる。このため、フロート降下工程において、発電を行うことができる。
【０１１３】
また、フロート上昇工程においては、最初に電磁弁5dを開放して、フロート2の液体容器2A内の液体を液体槽1内に排出することで、上昇に際してフロート2の質量を低減するとともに、フロート2を排出した液体を用いて浮上させるのに一部利用するように構成されている。次に、フロート2をさらに上昇させるために、液体導入タンク部5の電磁弁5b、導出管5a、液体容器2A、電磁弁5dおよび導液管5eを経由して液体導入タンク部5から液体を液体槽1内に導入する。なお、液体容器2A内に注入されていた液体の排出と、液体導入タンク部5からの液体の導入とを同時的に行ってもよい。
【０１１４】
上述の液体槽1内への液体の放出により、液体槽1内の液体の液面が上昇してフロート2が液面に浮上しながら上昇するが、フロート2の気体容器2Bの容積が液体容器2Aの容積のほぼ２倍に設定されているので、上昇時にフロート2に大きな浮力が作用するため、フロート上昇工程においても、発電を行うことができる。なお、導液管5eは、気体容器2B内を上下に液密に貫通して、液体容器2A内の液体を液体槽1内へ導くので、フロート2の浮力は阻害されない。
【０１１５】
［第５の実施形態］
第５の実施形態は、図１６に示すように構成された液体力発電装置LGを用いて発電を行う。図示の実施形態において、液体力発電装置LGは、フロート2の気体容器2Bの内容積が第４の実施形態におけるそれより小さく設定されている点で第４の実施形態と相違しているが、その他の構成は同様である。
【０１１６】
そうして、フロート上昇工程においては、フロート2を所定位置まで上昇させることができるが、その際に作用する浮力が小さいので、発電を行うことができない。しかし、液体容器2Aの容積が第４の実施形態のそれより大きいので、フロート降下工程における発電量を第４の実施形態のそれより多くすることが可能であるし、また所望により降下時のフロート2の質量を第４の実施形態のそれと等しくすれば、発電量を同じにしてフロート2の縦寸法を小さくして、液体力発電装置の高さを小さくすることができる。
【０１１７】
［第６の実施形態］
第６の実施形態は、図１７に示すように構成された液体力発電装置LGを用いて発電を行う。図示の実施形態において、液体力発電装置LGは、フロート2がフロート上昇工程およびフロート降下工程において回転するように構成されている。ただし、繰返し制御工程においては、後述するように第１の実施形態において説明したのと同様に、制御装置を用いて液体力発電装置LGをフロート上昇工程およびフロート降下工程を連続して繰り返すように人為的に制御して、フロート2の回転中心部に配設したボールねじ体3を作動させる。
【０１１８】
液体槽1は、円筒状をなしていて、内部に後述するフロート2が上下動可能に収容されるとともに、外部から液体を導入して、フロート2を液体に浮上させて所定位置まで上昇させる。また、いずれも液体槽1の底部近傍側面に開口する導入管5cと排出管6aとが配設されている。なお、導入管5cから液体槽1内へ導入する液体は、液体槽1の蓋板1aから投入可能な程度の落差が付与されていればよい点では以上説明した各実施形態と同様である。
【０１１９】
フロート2は、中空で容器状の外被部分が所望の質量を与え、内部容積部分が所要の浮力を与えるように構成されている。また、フロート2は、その形状が円盤状をなしていて、重心部に形成された貫通孔2aには後述するボールねじ体3のナット3Bの基端部が挿通して固着されている。
【０１２０】
ボールねじ体3は、ねじ軸3Aの両端が一対の軸受3J、3Kの間に非回転関係に軸止され、ナット3Bがねじ軸3Aに回転可能に螺合している。ナット3Bは、円筒状をなしているとともに、その外周面にはナット3Bの軸方向に延在するスプライン溝3B1が形成されている。なお、ボールねじ体3のねじ軸3Aの下端を軸止する軸受３Kは、液体槽1の底板1bの中心部に配設されている。また、ねじ軸3Aの上端を軸止する軸受3Jは、液体槽1の上方において固定部に配設されている。なお、図示を省略しているが、液体槽1内において、ボールねじ体3のねじ軸3Aおよびナット3Bの周囲を液体から遮蔽するために既述の実施形態における伸縮性シーリング手段3H、3Iと同様な手段を配設することができる。
【０１２１】
本実施形態において、発電機4は、発電機本体4A、増速器4B、取付枠4C、２重歯車4Eおよび歯車4Fを備えている。発電機本体4Aおよび増速器4Bは、取付枠4Cに取り付けられているが、取付枠4Cは固定部に固定されている。２重歯車4Eは、内歯および外歯を有してリング状をなし、内歯がスプライン溝3B1に対して摺動自在に噛合して上下方向に移動しないように位置が規制されている。歯車4Fは、増速器4Bの入力軸4c1に装着されるとともに、２重歯車4Eの外歯に噛合している。
【０１２２】
そうして、フロート上昇工程において、液体槽1内に導入管5cを経由して液体、例えば水を導入すると、液面が上昇してフロート2が浮力により液面に浮上し、液面の上昇に伴ってフロート2が回転しながら上方へ移動し、やがて所定位置に到達すると、液体の導入が停止されてフロート上昇工程が終了し、フロート降下工程に移行する。
【０１２３】
フロート上昇工程におけるフロート2の回転についてさらに詳述すると、次のとおりである。すなわち、フロート2が液面と一緒に浮上して上昇すると、フロート2に固着されたナット3Bに押し上げ力が作用するので、そのねじ溝が非回転状態に軸止されているねじ軸3Aのねじ溝に噛合しているため、ナット3Bが後者のねじ溝に沿って滑りながら上方へ移動することになる。その結果、フロート2は、反時計方向へ回転しながら上方へ移動する。
【０１２４】
フロート降下工程が開始すると、図示を省略している制御手段が制御信号を送出して排出管6aから液体槽1内の液体が排出を開始する。そして、液体槽1内の液面が低下しだし、これに伴ってフロート2が回転しながら降下し、やがて所定位置に到達すると、液体の導入が停止されてフロート降下工程が終了し、繰返し制御工程が実行されるので、以後上述のフロート上昇工程とフロート降下工程を人為的に連続して繰り返し実行していく。
【０１２５】
フロート降下工程におけるフロート2の回転についてさらに詳述すると、次のとおりである。すなわち、フロート2が液面と一緒に降下すると、上述のようにフロート2に固着されたナット3Bが非回転状態に軸止されているねじ軸3Aに噛合しているため、ナット3Bが後者のねじ溝に沿って滑りながら下方へ移動することになる。その結果、フロート2は、時計方向へ回転しながら下方へ移動する。
【０１２６】
フロート上昇工程とフロート降下工程との実行時において、発電工程が実行されて発電が行われる。すなわち、フロート2が回転しながら上昇または下降すると、スプライン溝3B1に内歯が噛合している２重歯車4Eが回転し、２重歯車4Eの外歯に噛合する歯車4Fが回転するので、増速器４Bにより回転が増速されて発電機本体4Aが駆動されて発電する。発電機本体4Aが交流発電機であれば、回転方向が切り換わっても、発電された交流電流を整流していったん蓄電池に充電し、蓄電池からの出力をインバータで交流電流に変換すれば、交流負荷を安定に付勢することができる。
【０１２７】
［第７の実施形態］
第７の実施形態は、図１８に示すように構成された液体力発電装置LGを用いて発電を行なう。本実施形態は、液体力発電装置LGが第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2と、共通の発電機4と、制御装置（図示しない。）と、を具備して構成されている。そして、各液体力エンジンLE1、LE2は、単独ではフロート2の上昇時にのみ発電を行うが、これらの２機を液体の導入および排出に対して並列接続し、かつ制御装置によって１８０°の位相差で交互に連続動作させることにより、連続発電を行なってほぼ一定の電力を連続出力する発電方法である。このため、本実施形態によれば、発電電力を整流回路、蓄電器およびインバータの付加電気設備を用いなくても負荷に直接一定の交流電力を連続して供給することができる。また、第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2がフロート2の上昇時にのみフロート2が液体から受ける浮力によってボールねじ体3を作動させて発電することにより、フロート2を著しく軽量化することができるので、液体力発電装置LGが軽量で、しかも後述から理解できるように構造が簡単化して安価になる利点がある。以下、各工程について説明する。
【０１２８】
〔機材準備工程〕
図示の実施形態において、液体力発電装置LGは、第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2が隣接状態で液体の流れに対して並列接続され、さらに液体槽1などで構成される外囲器内に共通の発電機4および制御装置を収納して全体が単一装置化されている。そして、共通の発電機4が第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2の回転出力で交互に連続駆動されるように構成している。第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2は、後述するように構成されているが、後述する液体振分導入手段5Aを備えていて、それぞれの液体槽1への液体の導入を同期下において交互に、かつ連続して行なう。また、第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2に対して共通の上部タンクすなわち液体導入タンク部5、下部タンクすなわち液体排出タンク部6および液体循環装置７を、いずれも所望により配設することができる。
【０１２９】
第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2について説明する。すなわち、第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2は、それぞれ液体槽1、フロート2およびボールねじ体3を備えている点において、図１３に示す第２の実施形態と同様である。しかし、以下の点で異なる。第１にフロート2の構成が相違している。すなわち、既述の第２の実施形態では、フロート2の質量をその降下時に発電に利用している。これに対して、本実施形態においては、フロート2が液体から受ける浮力を利用してその上昇時に発電する。そのために、フロート2の主体部分が単一の気体容器2Bにより構成されていることを許容する。第２に、浮力によるフロート2の直線的な上昇運動を液体槽1の外部において、ボールねじ体3に伝達するために、フロート2とボールねじ体3のナット3Bとの間に連動フレーム11が介在するように配設されている。
【０１３０】
次に、液体槽1について説明する。すなわち、液体槽1は、両端が底板1aおよび蓋板1bで閉じられた筒状をなしていて、両液体槽が単一であることが許容される隔壁で仕切られているが、互いに隣接している。そして、底板1a近傍の側板に液体導入用として用いる開口1b2と液体排出用として用いる開口1b3が形成されている。なお、蓋板1bは、これを開閉可能にすることができる。
【０１３１】
フロート2について説明する。すなわち、フロート2は、液体槽1内の液体に浮上して所望の大きさの浮力がそこに作用するように内容積および気体容器2Bの質量すなわち風袋が予め設定される。また、フロート2の外形は、液体槽1の内形との間に適当な隙間が形成されるように設定される。この隙間は、フロート2の上昇および降下の際に、フロート2の円滑な動作を阻害しないようにするとともに、その隙間内に液体が入り込む。その結果フロート2が受ける浮力が底面の面積だけでなく、側面の面積にも作用するので、浮力を大きくすることができる。したがって、フロート2の底面の面積が小さくても側面の面積を相応に大きくすれば、所望の浮力を受けることができる。なお、図示の実施形態では、フロート2が縦長状をなしている。このため、フロート2が大きな浮力を受けることができ、その結果比較的大きな発電電力が得られるにもかかわらず液体力発電装置LGの設置面積を小さくすることができる。また、フロート2の周囲を包囲する液体槽1の内面とフロート2の側面との間に形成される隙間は、理論的にはそこに液体が進入することが可能であれば極めて小さくすることができる。実際的には、フロート2の円滑な上下動が可能になる程度の大きさに設定すればよい。
【０１３２】
ボールねじ体3について説明する。すなわち、ボールねじ体3は、その液体槽1に対する配設位置が、既述の実施形態とは異なり液体槽1の蓋板1bの上に形成された上室4E内になっている。このため、液体力エンジンの動作中にボールねじ体3に対して液体が飛散して付着するのを遮断するための例えば蛇腹状の伸縮性シーリング手段を配設しなくてもよい。また、ボールねじ体3のねじ軸3Aは、フロート2の重心軸線に沿って位置し、図において下端が軸受3Gにより蓋板1bの上面で回転自在に支持されている。また、ねじ軸3Aの上端は、軸受3Eにより上室1Aの蓋板1Abの下面に回転自在に支持されている。なお、上室1Aの底板は、液体槽1の蓋板1bがこれを兼ねることができる。さらに、ねじ軸3Aの上端から上室1Aの蓋板1Abに形成した開口を貫通して上方へ延長軸3Cがねじ軸3Aと一体に形成されて延在している。
【０１３３】
一方、ボールねじ体3のナット3Bは、後述するようにフロート2から離間しているが、フロート2の動きに付随して上下動し、かつねじ軸3Aに螺合している。すなわち、図示の実施形態において、ナット3Bは、前述の連動フレームFを介してフロート2に接続してフロート2と一緒に動く。連動フレームFは、中心部にナット結合部Faと、このナット結合部Faから放射状に展開する複数、例えば４個でねじ軸3Aを中心として９０°間隔で展開された支持脚Fbとを備えている。支持脚Fbは、中間が略直角に屈曲して曲尺状をなし、ねじ軸3Aに平行に延在する部分がボールねじ体3の有効長さより若干長く形成されていて、かつ下端がフロート2の上面に結合している。なお、液体槽1の蓋板1bには連動フレームFの支持脚Fbが摺動自在に挿通する貫通孔1b4が形成されている。
【０１３４】
ボールねじ体3のねじ軸3Aから図において上方へ延在する上述の延長軸3Cは、発電機室4D内に臨在し、後述する発電機4を駆動するのに寄与する。また、延長軸3Cの上端は、軸受3Jにより回転自在に支持されている。なお、軸受3Jは、後述する発電機室4Dの蓋板4Dbの下面に配設されている。図示の実施形態においては、上室1Aの上に発電機室4Dが重層して配置されているが、所望により発電機室4Dの後述する機能を上室1A内に配置することにより、発電機室4を上室1Aの上に重層しないように構成することができる。
【０１３５】
発電機4について説明する。すなわち、発電機4は、第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2によって交互に駆動される共通の発電手段である。図示の実施形態において、発電機4は、延長軸3Cと発電機4との間に介在することが許容される動力伝導手段4Eと一緒に発電機室４D内に配設されている。なお、発電機室4Dは、液体槽1の上室1Aの上に位置し、その底板を上室1Aの蓋板1Abと兼ねることができる。また、発電機4は、所望によりその入力側に増速器4Bを例えば発電機4の軸に直結して介在させることができる。なお、増速器4Bの入力軸4c1の先端部は、蓋板4Dbの下面に配設された軸受4cに回転自在に支持されている。さらに、発電機4および増速器4Bのいずれか一方の内部、発電機4および増速器4Bの間または増速器4Bの前段にフライホイール機能を付与することができる。これにより、液体力エンジンLE1およびLE2による発電機4の駆動の切換時などに若干のトルク変動が生じたとしても発電電力をほぼ一定に保持することができる。
【０１３６】
動力伝導手段4Eについて説明する。すなわち、動力伝導手段4Eは、ボールねじ体3から出力される大きなトルクを有する回転運動によって発電機4を駆動するために、上記回転運動で発電機4を駆動するために動力を伝達する手段であり、既知の各種動力伝導手段を適宜選択して採用することができる。図示の実施形態においては、一対のギアG1、G2およびタイミングベルトTBを備えた動力伝導手段を用いている。ギアG1は、相対的に大径であり、延長軸3Cに装架されている。これに対して、ギアG2は、相対的に小径で、発電機4側の例えば増速器4Bの入力軸4c1に装架されている。タイミングベルトTBは、ギアG1とギアG2との間に動力を伝導するように架け渡されている。したがって、増速器4Bの入力軸4c1には、２個のギアG2が装架され、液体力エンジンLE1およびLE2のいずれかのボールねじ体3にトルクを有する回転運動が発生すると、それぞれギアG1、タイミングベルトTBおよびギアG2を順次経由して発電機4側の入力軸4c1がいずれの液体力エンジンLE1、LE2からであっても同一方向へ回転し、発電機4が増速器4Bおよび動力伝導手段4Eによって所望の回転数に増速されて駆動される。
【０１３７】
ところで、一対の液体力エンジンLE1およびLE2のいずれか一方において回転運動が出力しているときには、他方に回転運動が出力していないので、発電機4の駆動が他方の回転出力が発生していない液体力エンジンによって阻害されないようにするために、逆方向フリー手段を配設することが望ましい。この逆方向フリー手段としては、既知の各種手段を適宜選択して採用することができるので、その具体的な構成は、本発明において特段限定されない。例えば、フリーホイールやラチェット機構をボールねじ体3または動力伝達系の適当な位置に介在させることができる。その配設位置の一例を示せば次のとおりである。すなわち、ボールねじ体3のナット3B、動力伝導手段3EのギアG1またはギアG2などに設けることができる。この逆方向フリー手段は、フロート2の上昇時においてボールねじ体3が回転出力を発生してねじ軸3Aが所定方向へ回転するときにのみ動力を伝達可能にする。これに対して、フロート2の降下時にはねじ軸3Aが上昇時とは逆の方向に回転するときには空回りして動力を伝達しなくなる。このため、フロート2が液体槽1内で所定位置に到達し、次に降下する際には、逆方向フリー手段が作用して、ボールねじ体3が反対方向へ空回りし、フロート2の降下に対する抵抗が著しく軽減されるので、フロート2は、その質量が小さくても所定位置まで速やかに降下する。
【０１３８】
次に、液体槽1に対して液体を導入のための構成について説明する。１組の液体力エンジンLE1、LE2のそれぞれの液体槽1に対する液体の導入を交互に同期しながら、かつ連続して行なうために、図示の実施形態において、液体力発電装置LGは、前述のように液体振分導入手段5Aを具備している。この液体振分導入手段5Aは、制御装置からの制御によって所定のタイミングで一対の液体槽1、1に交互に液体を導入し得るのであれば、その余の構成は問わない。好適には３方弁を用いることができる。図示の実施形態においては、電磁３方弁を用いている。電磁３方弁は、その第１ポートが液体導入源、例えば液体導入タンク部5に接続する導出管5aに接続し、第２および第３ポートがそれぞれの液体槽1の液体導入用の開口1b2に接続していて、後述する制御装置の制御によって電磁３方弁のアクチュエータを操作することによって、一対の液体槽1に導入される液体が交互に振り分けられる。
【０１３９】
液体導入タンク部5は、液体槽1より高い位置から液体を自然流下によって液体槽1に導入できる高さであれば、その設置場所を選ばないが、液体力発電装置LGの近傍に設置される。図示を省略している外部液体源から供給される液体を予め貯留することができるように構成されている。液体導入タンク部5を配設することにより、外部液体源から受けた液体を液体槽1に導入する前に一時的に待機させることができるので、外部液体源からの液体の供給が必ずしも一定しない場合や液体力エンジンLE1、LE2から排出された液体を再循環する場合に都合がよい。図示の実施形態において、液体導入タンク部5は、液体力発電装置LGに隣接した液体槽1の上部以上の高さ位置になるように支柱5B、5Bの上に設置されている。
【０１４０】
次に、発電後の液体を液体槽1から排出するための構成について説明する。すなわち、１組の液体力エンジンLE1、LE2が交互に発電した後、それぞれの液体槽1内の液体を開口1b3から排出するために、電磁弁1cおよび液体排出タンク部6が配設されている。電磁弁1cは、液体槽1の排出用の開口1b3と液体排出タンク部6とを結ぶ配管の途中に介在する。そして、電磁弁1cを開放することにより、液体を液体槽1内から外部へ排出して液体排出タンク部6内に移送する。なお、発電後に排出した液体を再利用しない場合には、液体排出タンク部6を配設しなくてもよい。
【０１４１】
液体循環装置7について説明する。すなわち、液体循環装置7は、発電後に排出した液体を再利用する場合に用いられる。この液体循環装置７は、揚液ポンプ7Aおよび揚液管7Bを備えて構成されている。揚液ポンプ7Aは、液体排出タンク部6内に配設されて内部に滞留する液体を揚液する。揚液管7Bは、揚液ポンプ7Aの吐出端と液体導入タンク部5との間を接続している。そうして、揚液ポンプ7Aによって揚液された液体は、揚液管7Bを経由して液体導入タンク部5内に戻り、再び液体槽1内に導入されて発電に寄与する。
【０１４２】
制御装置について説明する。すなわち、制御装置は、上昇位置を検出するセンサs1、降下位置を検出するセンサs2と、図示を省略している制御手段CCを主体として構成されている。制御手段CCは、第１の実施形態におけるのと概ね同様で、マイコンなどの電子的演算制御手段を主構成要素としている。そして、フロート2の上昇時の所定位置に到達するのを検出するセンサS1の検出出力に基づいて液体振分導入手段5Aを制御する。なお、制御手段CCは、液体力発電装置LGの適当な部位に配設することができるが、例えば発電機室4D内に収納させる。制御手段CCを作動させる制御電源は、発電機4の出力を用いることができるが、発電開始前に動作させる必要があるので、外部電源または電池電源をも利用できるように構成するのが好ましい。
【０１４３】
〔フロート上昇工程〕
本実施形態において、液体力発電装置LGの動作開始時に最初にフロート上昇工程が実行されるが、この工程では液体導入タンク部5から液体振分導入手段5Aを経由して液体が一方の液体力エンジン例えばLE1の液体槽1内に液体を導入される。これによって、液体槽1内の液面に浮上するフロート2は、その質量が小さくて、しかもその気体容器2Aの液体受容部の内容積が大きく設定されているために、上昇時にボールねじ体3に発電機4の負荷が作用してフロート2の液面下への沈み込みが増加しても、それに打ち克つ大きな浮力がフロート2に作用するから、フロート2は、浮上状態を維持しながら液面の上昇にしたがい上昇する。この上昇に伴ってフレームFおよびボールねじ体3のナット3Bが図において上方へ移動を開始する。そうして、フロート2は、所定位置まで上昇する。フロート2が上昇すると、ボールねじ体3のナット3Bも一緒に上昇するので、螺合するねじ軸3Aが回転し、大きなトルクを有する回転運動を出力する。液体力エンジンLE1は、フロート2が所定位置まで上昇するまで上述と同様に動作してトルクの大きな回転運動の出力を継続する。
【０１４４】
一方の液体力エンジンLE1が上述のように動作する間、他方の液体力エンジンLE2には液体が導入されないので、フロート2が静止状態を維持する。このとき、第２の液体力エンジンLE2のボールねじ体3のねじ軸3Aは、一方の液体力エンジンLE1の動力伝導手段4Eに従動して回転してもその逆方向フリー手段が作用するため、ナット3Bがフリーになって空回りするので、上記発電を阻害しない。以上の動作は、１組の液体力エンジンLE1、LE2のいずれが先であっても上述と同様である。
【０１４５】
また、一方の液体力エンジンLE1のフロート2が上昇して所定位置に到達すると、制御装置により引き続いて今度は他方の液体力エンジンLE2の液体槽1内に液体が導入されるので、フロート2が上昇しだし、上述した一方の液体力エンジンLE1と同様のフロート上昇工程が開始する。このように１組の液体力エンジンLE1、LE2は、交互に１８０°の位相差で連続してフロート上昇工程を繰り返す。このときの制御の詳細については、後述する。
【０１４６】
〔フロート降下工程〕
例えば一方の液体力エンジンLE1において、フロート2が液体槽1内を上昇して所定位置に到達したとき、電磁弁1cが開放され、液体槽1内の液体の排出が開始する。それに伴い液体槽1内の液面が低下しだすので、液面に浮上するフロート2も降下を開始する。このときナット3Bも一緒に降下するので、これに螺合するねじ軸3Aは、上昇時とは逆方向に回転する。なお、このとき逆方向フリー手段によりボールねじ体3に負荷が作用しないように構成されているので、フロート2の風袋の質量のみで浮力に比較して小さな値であるが、この質量がナット3Bに作用すると、フロート2は、速やかに降下することができる。また、液体槽1内の液体の排出速度が、他方の液体力エンジンLE2の液体導入速度より大きくなるように液体の排出速度が設定されているために、フロート2の降下速度が他方の液体力エンジンLE1のフロート上昇速度より大きくても差し支えないし、また等しい速度であってもよい。
【０１４７】
〔発電工程〕
前述のように例えば一方の液体力エンジンLE1のフロート上昇工程において、フロート2の上昇時にボールねじ体3が大きなトルクを有する回転運動を出力するので、この回転運動により延長軸3Cを経由して動力伝導手段3EのギアG1が回転する。この回転に伴いタイミングベルトTBを介してギアG2が従動して回転し、さらに増速器4Bの入力軸が回転する。そして、増速器4B内で増速変換されて所要の回転数で出力軸が回転するので、発電機4が駆動される。その結果、発電が行なわれる。この発電動作は、フロート2の上昇が所定位置に到達するまで継続する。
【０１４８】
〔繰返し制御工程〕
フロート上昇工程において、一方の液体力エンジンLE1のフロート2が所定位置に到達すると、図示しない制御装置の一部を構成する液体力エンジンLE1に配設されたセンサs1がこれをフレームFの動きで検出し、その検出出力が制御手段CC（図示しない。）に制御入力する。制御手段CCは、上記検出出力が入力すると、フロート2が所定位置に到達するタイミングを基に他方の液体力エンジンLE2の液体槽液体1への液体の導入を開始するために、振分導入手段5Aのアクチュエータを駆動する。これにより、液体導入タンク部5の導出管5aが接続している第１ポートの接続関係を第２ポートから第３ポートに切り換える。その結果、他方の液体力エンジンLE2の液体槽1に対して液体の導入が開始され、フロート2が上昇を開始する。そうして、他方の液体力エンジンLE2のフロート上昇工程が一方の液体力エンジンLE1のフロート上昇工程の後に間断なく連続して開始する。
【０１４９】
一方、制御手段CCは、上述の他方の液体力エンジンLE2のフロート上昇工程の開始と同時に電磁弁1cを開放する。その結果、一方の液体力エンジンLE1の液体槽1内の液体の排出が開始されてフロート降下工程に移行する。すなわち、液体力エンジンLE1では、そのフロート上昇工程が終了するのと同時にフロート降下工程が開始する。フロート降下工程において、フロート2が所定位置に到達すると、センサs2がこれを検出するので、制御手段CCは、電磁弁1cを閉鎖する。なお、このとき液体槽1内の液体は一部が残留して液体溜まりを形成していて、フロート2は、この液体溜まりに浮上した状態で停止する。以後、第１および第２の液体力エンジンLE1、LE2は、制御装置によって交互にフロート上昇工程を連続的に繰り返して共通の発電機４を連続して駆動するので、連続発電が行なわれる。
【０１５０】
図１９は、第７の実施形態における動作サイクルを説明するタイムチャートであり、図１８に示す液体力発電装置LGを本実施形態の方法により動作させた例を示している。このタイムチャートは、表形式であり、第１行が第１列を除いて左から「動作サイクル」、「第１周期」〜「第３周期」である。「動作サイクル」は、液体力発電装置LGの動作の周期を示し、「第１周期」が動作開始の最初の周期を、「第２周期」が次の周期を、「第３周期」が第２周期の次の周期を、それぞれ示している。なお、第３周期以降も動作が継続するが、動作説明には差し支えないので、割愛している。第２行が第１列を除いて左から「時間単位（２０秒）」、「１」〜「１８」である。「時間単位（２０秒）」は１単位の時間が２０秒であり、第３周期までの動作サイクルが全部で１８の時間単位からなることを示している。したがって、動作サイクルの１周期は２分間であることが分かる。ところで、第１列は、上から「No.」、「１」、「２」であり、「No.」は１組の液体力エンジンLE1、LE2を区別し、「１」が例えば一方の液体力エンジンLE1、「２」が他方の液体力エンジンLE2を示す。
【０１５１】
そうして、一方の液体力エンジンLE1の「１」で液体力発電装置が始動すると、時間単位１〜３において、第２列の第３行の「フロート上昇（発電）」すなわちフロート上昇工程が実行される。この工程において、液体槽1に水が導入されてフロート2が上昇し、そのとき発電が行なわれることを示している。したがって、時間単位１〜３の列と「フロート上昇（発電）」の行との交点の格子内に付与された○印は、フロート上昇工程が３時間単位すなわち１分間にわたり遂行されることを示す。そして、その間発電が連続して行なわれる。この工程の最後において、フロート2が所定位置に到達するタイミングを基にして、制御手段CCが他方の液体力エンジンLE2を制御するので、代わって液体力エンジンLE2がフロート上昇工程を開始する。すなわち、時間単位４〜６の列と第１列の２（他方の液体力エンジンLE2）の「フロート上昇（発電）」の行との交点に付与された○印は一方の液体力エンジンLE1のフロート上昇工程に連続して３時間単位すなわち１分間にわたり他方の液体力エンジンLE2がフロート上昇工程を実行されることを示している。
【０１５２】
一方、一方の液体力エンジンLE1においては、第１周期の時間単位４〜６になると、「フロート降下」すなわちフロート降下工程が実行され、液体槽1内の液体が排出されるのに伴ってフロート2が降下する。また、他方の液体力エンジンLE2においては、第２周期の時間単位7〜9になると、「フロート降下」すなわちフロート降下工程が実行され、液体槽1内の液体が排出されるのに伴ってフロート2が降下する。したがって、液体力エンジンLE1、LE2のフロート降下工程は、それぞれから見て他方の液体力エンジンにおけるフロート上昇工程と同期して実行されることが分かる。
【０１５３】
そうして、図１９の下から２行の「発電出力」は、液体力発電装置LGの発電出力を示す。そして、各単位時間と発電出力との交点の全ての格子に符号■が付与されることから理解できるように、第７の実施形態においては、液体力発電装置LGの動作開始から連続して発電出力が生じることが分かる。また、図１９の最下行の「揚水工程」は、最初に動作した液体力エンジンLE1において、時間単位４から液体排出が開始すると、液体排出タンク部６内に流入する液体の少なくとも一部を、再循環装置7が動作して液体導入タンク部５に揚水して再利用することを示している。
【０１５４】
次に、図示の本実施形態における仕様例について説明する。
【０１５５】
〔液体力発電装置LGの仕様例の３〕
液体槽1          ：幅0.85m、奥行0.85m、高さ3.1m、２槽横置き
フロート2        ：幅0.80m、奥行0.80m、高さ2.0m、内容積1.28m3、風袋280kg
上室1A            ：幅、奥行ともに２槽連設の液体槽と同一寸法、高さ1.0m
ボールねじ体3      ：有効長1.0m、ピッチ40mm
発電機室4D        ：幅、奥行ともに２槽連設の液体槽と同一寸法、高さ0.5m
液体排出タンク部6：幅2.0m、奥行1.0m、高さ0.5m、使用液体は水
液体導入タンク部5：幅1.2m、奥行1.0m、高さ1.0m、設置高さ3.6m
発電機4          ：交流3相発電機
全長            ：5.1m
フロート上昇工程：１分間（第１の液体力エンジンLE1）
フロート上昇工程：１分間（第２の液体力エンジンLE2）
フロート降下工程：１分間（第２の液体力エンジンLE2の上昇工程中に実行される。）
フロート降下工程：１分間（第１の液体力エンジンLE1の上昇工程中に実行される。）
使用液体量      ：1.0m3／分
発電量          ：3kW（回転数1000RPM）
揚液ポンプ7A    ：電動機出力0.4kW、吐出し量0.312m3/分、全揚程3.6m
【０１５６】
［第８の実施形態］
図１８を援用して第８の実施形態を説明する。本実施形態は、以上説明した第７の実施形態と概ね同様の構成を備えた液体力発電装置LGであるが、フロート降下工程において発電するように構成されている点において相違している。
【０１５７】
機材準備工程において準備される液体力発電装置LGは、フロート2の内部に予め所定量の液体が充填される。その際の液体の種類は特段限定されないが、フロート2の質量が降下時に所望量の発電電力を発生できるような値に設定されるとともに、液体槽1内に液体を導入したときにその液面に浮上して所定位置まで上昇可能なように浮力が生じるように構成されている。すなわち、フロート2を目標質量に設定する場合、目標質量から風袋を差し引いた値に等しい量の液体を充填可能であるのに加えて、液体に浮上するのに必要な浮力を備えているようにフロート2が製作されている。浮力をフロート2の内容積の一部を利用して確保するために、充填液体のための内容積に加えて浮力を確保するための内容積をも含んでいるようにフロート2を構成する。
【０１５８】
次に、図２０を参照して本実施形態における発電方法を説明する。図２０は、図１９と同様の構成を有するタイムチャートであるが、液体力発電装置LGの動作の項目が異なる。すなわち、「フロート上昇」の工程において、フロート2は、液体から受ける浮力によって単に所定位置まで上昇するだけである。フロート2が所定位置に到達すると、制御装置は、次に液体槽1内の液体を排出させるので、フロート2が所定位置から降下する「フロート降下」の工程に移行する。そして、この工程において大きな質量のフロート２が降下するので、ボールねじ体3および共通の発電機４が動作して発電が行なわれる。なお、制御装置は、上記制御と同時に他方の液体力エンジンLE2を制御して、その液体槽1内への液体導入を開始させる。
【０１５９】
以上を整理すれば、一方の液体力エンジンLE1が動作する最初の時間単位１〜３ではフロート2が上昇するのみなので、発電出力が発生しない。次に、時間単位４〜６の「フロート降下」の工程に移行すると、発電出力が発生する。そうして、一方の液体力エンジンLE1のフロート2が所定位置まで降下するタイミングを基にセンサs2からの検出出力の制御入力により制御手段CCが他方の液体力エンジンLE2を制御して、その液体槽1内の液体を排出させてフロート降下工程を開始させるので、単位時間６に連続する時間単位７〜９において、他方の液体力エンジンLE2に発電出力が発生する。また、これと同時に一方の液体力エンジンLE1に対する液体の導入を開始させる。以下、フロート降下工程におけるフロート2が所定位置に到達するタイミングを基に制御装置による制御が行われる繰返し制御工程によって、以上の制御および動作が繰り返えされる。その結果、単位時間４以降連続発電が連続して行なわれる。したがって、本実施によれば、液体力発電装置LGの始動後の半周期の間発電が行われないものの、その後は連続して発電が行われるので、第７の実施形態におけるのと大差がない。また、フロート2の質量が大きいものの、その質量の大部分を内部に液体を充填することにより実現できるので、殆どコストアップを招来することがない。
【０１６０】
次に、本実施形態における仕様例について説明する。
【０１６１】
〔液体力発電装置LGの仕様例の４〕
フロート2        ：幅0.80m、奥行0.80m、高さ2.0m、内容積1.28m3、風袋280kg、
充填液体（水）720kg、合計質量1000kg
その他の構成は、液体力発電装置LGの仕様例の3と同じである。
【符号の説明】
【０１６２】
1…液体槽、1A…上室、1a…底板、1b…蓋板、1b1…開口、1c…電磁弁、1d…ガイドレール
2…フロート、2A…液体容器、2a、2b…貫通孔、2B…気体容器、2c…ガイドローラ、
2c1…支持枠、
3…ボールねじ体、3A…ねじ軸、3a…ボールベアリング、3B…ナット、3C、3D…延長軸、3E…電磁クラッチ、3F、3G…軸受、3H、3I…伸縮性シーリング材
4…発電機、4A…発電機本体、4B…増速器、4b1…入力軸、4C…取付枠、4D…発電機室、
4E…動力伝導手段
5…液体供給タンク部、5A…液体振分導入手段、5B…支柱、5a…導出管、5b…電磁弁、
5c…導出管
6…液体排出タンク部
7…液体循環装置、7A…揚液ポンプ、7B…循環路
8…液体源、9…排出先、11…整流装置、12…蓄電池、13…インバータ、14…送電／配電線、CC…制御手段、F…連動フレーム、L…液体、LE…液体力エンジン、LG…液体力発電装置、LS…液面、p…液体溜り、S1…機材準備工程、s1、s2…センサ、S2…フローと上昇工程、
S3…フロート降下工程、S4…繰返し制御工程、S5…発電工程、S6…液体循環工程、
TB…タイミングベルト
【図１９】
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【図２０】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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