(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中下に設置されるほぼＴ字形状でＴ字根部分に放水孔５を有し、該外部シリンダ本体１の中央内部には、外部からの圧搾空気によって内部の内部ピストンが駆動される内部シリンダとを有し、前記外部シリンダ本体１は、前記放水孔５の反対内面の半円周面に、前記内部シリンダ２の上端から前記外部シリンダ本体１の内周面に向かう上部反射湾曲２５1と前記内部シリンダ２の下端から前記外部シリンダ本体１の内周面に向かう下部反射湾曲２５2とを設けた外部シリンダ本体１と、
該外部シリンダ本体１のＴ字両端の上下に固定され、常に該外部シリンダ本体内方向に水を送る複数個の逆止弁を有する上内壁２１及び下内壁２２と、
該外部シリンダ本体１の上下端に接合され、それぞれ外気導入管１２に開口接続され、外気を取り入れる外気導入孔１０、１１を有する上部開口筒３及び下部開口筒４と、
前記内部ピストンと、前記上部開口筒３及び下部開口筒４内を移動し、常に該外部シリンダ本体内方向に水を送る複数個の逆止弁を有する外部上端ピストン１４及び外部下端ピストン１５とを固定するピストン軸と、からなり、
前記内部ピストン１３が外部からの圧搾空気の流入によって上死点位置まで押し上げられると、この押し上げ力によって、前記外部上端ピストン１４及び前記外部下端ピストン１５が上方に移動し、前記下部開口筒４内の前記外部下端ピストン１５と前記下内壁２２の間の水は、該下内壁２２に設けられた逆止弁２４を通って、外部シリンダ本体１内に押し込まれ、前記放水孔５を通じて外部に放出され、
各ピストン１３、１４、１５が上死点まで移動すると、それに同期して圧搾空気の送り込みが逆送され、この力で、前記内部ピストン１３を下方に押し下げ、この押し下げ力によって、前記上下端１４、１５も下方に移動し、前記下部開口筒４内の前記外部上端ピストン１４と前記上内壁２１の間の水は、該上内壁２１に設けられた逆止弁２３を通って、外部シリンダ本体１内に押し込まれ、前記放水孔５を通じて外部に放出され、
この各ピストンの上死点から下死点または下死点から上死点への移動の際して、前記下部開口筒４内の当該外部ピストン下端部１５と前記下内壁２２の間隔または前記上部開口筒３内の当該外部ピストン上端部１４と前記上内壁２１の間隔が広くなり、この間に負圧が生じ、前記外気導入孔に設けられた空気逆止弁を通じて、外気導入管１２の外気が導入され、導入された外気は、各ピストン１３、１４、１５が、上死点から下死点あるいは下死点から上死点へと移動する間に加圧されて、その体積が圧縮されつつ、周囲の水と共に、外部シリンダ本体１内に移動し、前記各ピストンの動きに伴って、移動する水に対する圧力変動が、加圧から開放へと導かれ、圧縮された空気が混在移動する水の中の空気が膨張し、膨張力となって周囲の水と共に、前記放水孔５から排出されることを特徴とする加圧揚水シリンダ。
【請求項２】
前記外部ピストン上端部１４、同外部ピストン下端部１５及び前記上内壁２１、下内壁２２上に配置される複数の逆止弁は、円形弁の一端が固定して開閉される方持ち逆止弁であって、前記外部ピストン上端部１４、同外部ピストン下端部１５及び前記上内壁２１、下内壁２２の中心軸を対称としてそれぞれ左右に２個を配置し、さらに、この２個ずつの逆止弁と中心を含む線を対称として１３個づつ、両側に配置し、その開口方向が、いずれの逆止弁について中心軸方向あるいは前記放水孔５方向に向かうように配置構成されたことを特徴とする前記請求項１に記載の加圧揚水シリンダ。
【請求項３】
前記請求項１に係る加圧揚水シリンダを２台以上を連結して使用する際の前記圧搾空気を送出する空気管において、一方の内部シリンダ２の排出側の空気管６を他方の装置の内部シリンダ２の吸入側の空気管７に接合し、また、一方の内部シリンダ２の吸入側の空気管７を他方の装置の内部シリンダ２の排出側の空気管６に接合し、それぞれの管の途中に地上に設置した圧搾空気送出切換機に接合する第一の空気管及び第二の空気管を接合し、前記圧搾空気送出切替機で一定の周期でこれらの管に送り込まれる圧搾空気の流入・排出を切り替え可能な構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の加圧揚水シリンダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧揚水シリンダに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の多数の逆止弁を備え、上下動する二重の弁機構の内部弁機構内に圧搾空気をを送り込み、弁機構を上下動させ、外部弁機構によって揚水を行う揚水機及びこれを利用する発電システムとしては、例えば、特開平６−２６４８６１号公報や特開平７-８３１５８号公報、特開平７−１６７０３２号公報に開示のものが知られている。
【０００３】
特開平６−２６４８６１号公報に開示のものは、発明の名称「揚水機およびこれを利用する発電システム」に係り、図９に示されるように、「所定の水圧下に配置され、圧搾空気の送受を切換えることにより往復運動するピストンを備えたエアシリンダと、このエアシリンダのピストンに連動して往復運動する弁機構を有する水路系シリンダと、該水路系シリンダの途中に設けられて、前記弁機構の往復運動により、所定の水圧下の水と共に外気を該シリンダの水中に取り入れる空気取入れ孔と、該弁機構の往復運動により該シリンダ内の空気の混在した水を排水する排水孔とからなる（請求項１）」構成とすることにより、「装置を所定の水圧下に配置し、この水圧下で水と共に空気を一緒に吸い込んで、水と空気を一緒に圧縮し、しかる後、この空気への加圧を開放し、その膨張力を利用して、水と空気の混合を所定の高さまで容易に揚水することができ、・・この揚水は、極めて、低エネルギーで足り、高効率な加圧揚水シリンダとすることができ、・・したがって、この加圧揚水シリンダを利用して、揚水し、その水の落下を利用した発電システムとすることができ、この場合にも、低効率な発電システムを得ることができる（段落番号００３０）」という特級の効果を奏するものである。
【０００４】
図９は、前記特開平６−２６４８６１号公報に添付の図であって、同図において、符号１０１は、切換弁、１０２は、圧搾パイプ、１０３は、送出パイプ、１０４は、一方側空気系シリンダ、１０５は、ピストン、１０６は、空気系シリンダ、１０７は、他方側空気シリンダ、１０８は、貯水池、１１０、１１１は、シリンダ、１１２は、弁機構、１１３、１１４は、シリンダ、１１５は、弁機構、１１７は、給水口、１１８、１１９は、空気取入れ口、１２０は、排水口、１２１は、揚水パイプ、１２２は、給水タンクとされる。
【０００５】
また、特開平７-８３１５８号公報に開示のものは、発明の名称「リサイクル増圧装置」に係り、前記特開平６−２６４８６１号公報に開示の同増圧装置に関して、「還流の残圧圧搾空気を再生して供給圧搾空気にし、省エネルギーを計り、より高効率の揚水機およびこの揚水機を利用する発電システムを提供すること」を目的として（段落番号０００４及び０００５）、「前記還流配管の空気圧源側に、残圧空気を蓄える低圧タンクと、該低圧タンクから残圧空気を吸い込む第１増圧圧縮機と、該第１増圧圧縮機の吐出圧搾空気を蓄え圧力変動を防止する中圧タンクと、該中圧タンクからの中圧圧搾空気を所定圧力値まで加圧する第２増圧圧縮機と、該第２増圧圧縮機の吐出圧搾空気を蓄え圧力変動を防止する高圧タンクと、該高圧タンクの圧搾空気を中継するレシーバタンクとを直列に接続配置し、該レシーバタンクを前記供給配管に接続して構成し、前記第１、第２の増圧圧縮機をそれぞれ段数を選定できる往復動型圧縮機とした（同請求項１）」構成により、「段数の多い大容量の往復動型圧縮機に比してイニシャルコストも低減でき、・・まだ残圧（プラス圧）のある圧搾空気を所定値（５ｋｇ／ｃｍ2 ）に加圧できるので、外気導入のようなゼロから加圧するのに比し、省エネルギーであり、無駄がなく、更に揚水機、およびこれを利用する発電システムをより高効率なものにすることができる（段落番号００３７）」という効果を奏せしめたものである。
【０００６】
さらに、特開平７−１６７０３２号公報に開示のものは、発明の名称「揚水機用シリンダ」に係り、前記特開平６−２６４８６１号公報や特開平７-８３１５８号公報に開示の装置に好適なシリンダを提供する目的で（段落番号０００３）、図１０及び図１１、図１２に示される構造を有する弁機構を使用することにより、「空気と一緒に吸い込まれた空気を少量のエネルギーで揚水することができる」こととなるという効果を奏するものである（同公報段落番号００３３）。
【０００７】
なお、図１０及び図１１、１２は、特開平７-１６７０３２号公報に添付の図であって、同図において、符号２０５は、空気系ピストン、２０６は、空気系シリンダ、２１１は、水路系シリンダ、２１２、２１５は、弁機構、２１８、２１９は、空気取入れ口、２２０は、排水口、２４６は、パイプ、２５０は、主シリンダ、２５１は、水路系シリンダ、２５２ａ、２５２ｂは、入出口、２５３は、Ｏリング、２５５は、逆止弁、２５６は、貫通孔、２５７は、止着部、２５８は、通過窓、２５９は、ボルト、２６０は、ばね、２６１は、弁体とされる。
【特許文献１】特開平６−２６４８６１号公報
【特許文献２】特開平７−８３１５８号公報
【特許文献２】特開平７−１６７０３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の構成からなる従来の装置は、所定の水圧下での水の移動を圧搾空気を混在させ、特に空気の圧縮を水の移動に伴う空気膨張を強制的に誘因させて、水を移動させるものであるため、前記弁機構内に乱流が発生し、弁機構の破壊が生じ、長時間駆動ができないという問題点があった。
【０００９】
特に、特開平７-１６７０３２号公報に開示されるように、このような装置に好適なシリンダ（図１０）は、中空円柱状に形成され（特開平７−１６７０３２号公報段落番号００２１）、また、図１１に示されたような円板部材を一定間隔をおいて対向させる一方、各々の円板部材に、図１２に示される複数の逆止弁２５５を配してなるものであるため（同公報段落番号００２５）、シリンダ内の乱流に起因する。
【００１０】
さらに、上述した従来の装置は、これらを並列に配置し、並列した運転が可能とするものであるが、二台の内部エアシリンダにそれぞれ圧搾空気を送り込む場合においても、開放された圧搾空気の一部をそれぞれ一旦地上まで導いて、地上に配置した加圧ポンプ等で加圧する構造のものであるため、効率がなお芳しくないという問題点があった。
【００１１】
本願発明者は、上記の特開平６−２６７８６１号公報、特開平７−８３１５８号公報及び特開平７-１６７０３２号公報の基礎となった実験設備を元の開発者(株)伊佐電源開発から譲り受け、さらに鋭意研究を続け、上記の問題点を解決すべく改良に係る発明であって、第一には、上記外部シリンダ本体の形状に工夫を凝らし、外部シリンダ本体で乱流を起こさず、安定した運転を可能とし、また、第二には、当該外部シリンダ内の上下端ピストン及び上下壁に複数配置される逆止弁を乱流に強いものにすることにより、さらには、第三には、並列して運転される圧搾空気経路を工夫することにより、効率よくウォータハンマー現象を制御して、高効率な加圧揚水シリンダを得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明は、上記従来技術上の問題点を解決するためになされたものであって、本願請求項１に係る発明は、加圧揚水シリンダにおいて、水中下に設置されるほぼＴ字形状でＴ字根部分に放水孔を有し、該外部シリンダ本体１の中央内部には、外部からの圧搾空気によって内部の内部ピストンが駆動される内部シリンダとを有し、前記外部シリンダ本体１は、前記放水孔５の反対内面の半円周面に、前記内部シリンダ２の上端から前記外部シリンダ本体１の内周面に向かう上部反射湾曲２５1と前記内部シリンダ２の下端から前記外部シリンダ本体１の内周面に向かう下部反射湾曲２５2とを設けた外部シリンダ本体１と、該外部シリンダ本体１のＴ字両端の上下に固定され、常に該外部シリンダ本体内方向に水を送る複数個の逆止弁を有する上内壁２１及び下内壁２２と、該外部シリンダ本体１の上下端に接合され、それぞれ外気導入管１２に開口接続され、外気を取り入れる外気導入孔１０、１１を有する上部開口筒３及び下部開口筒４と、前記内部ピストンと、前記上部開口筒３及び下部開口筒４内を移動し、常に該外部シリンダ本体内方向に水を送る複数個の逆止弁を有する外部上端ピストン１４及び外部下端ピストン１５とを固定するピストン軸と、からなり、前記内部ピストン１３が外部からの圧搾空気の流入によって上死点位置まで押し上げられると、この押し上げ力によって、前記上下端ピストン１４、１５が上方に移動し、前記下部開口筒４内の前記外部ピストン下端部１５と前記下内壁２２の間の水は、該下内壁２２に設けられた逆止弁２４を通って、外部シリンダ本体１内に押し込まれ、前記放水孔５を通じて外部に放出され、各ピストン１３、１４、１５が上死点まで移動すると、それに同期して圧搾空気の送り込みが逆送され、この力で、前記内部ピストン１３を下方に押し下げ、この押し下げ力によって、前記上下端１４、１５も下方に移動し、前記下部開口筒４内の前記外部ピストン上端部１４と前記上内壁２１の間の水は、該上内壁２１に設けられた逆止弁２３を通って、外部シリンダ本体１内に押し込まれ、前記放水孔５を通じて外部に放出され、この各ピストンの上死点から下死点または下死点から上死点への移動の際して、前記下部開口筒４内の当該外部ピストン下端部１５と前記下内壁２２の間隔または前記上部開口筒３内の当該外部ピストン上端部１４と前記上内壁２１の間隔が広くなり、この間に負圧が生じ、前記外気導入孔に設けられた空気逆止弁を通じて、外気導入管１２の外気が導入され、導入された外気は、各ピストン１３、１４、１５が、上死点から下死点あるいは下死点から上死点へと移動する間に加圧されて、その体積が圧縮されつつ、周囲の水と共に、外部シリンダ本体１内に移動し、前記各ピストンの動きに伴って、移動する水に対する圧力変動が、加圧から開放へと導かれ、圧縮された空気が混在移動する水の中の空気が膨張し、膨張力となって周囲の水と共に、前記放水孔５から排出されることを特徴とする。
また、本願請求項２に係る発明は、前記請求項１に係る加圧揚水シリンダにおいて、前記外部ピストン上端部１４、同外部ピストン下端部１５及び前記上内壁２１、下内壁２２上に配置される複数の逆止弁は、円形弁の一端が固定して開閉される方持ち逆止弁であって、前記外部ピストン上端部１４、同外部ピストン下端部１５及び前記上内壁２１、下内壁２２の中心軸を対称としてそれぞれ左右に２個を配置し、さらに、この２個ずつの逆止弁と中心を含む線を対称として１３個づつ、両側に配置し、その開口方向が、いずれの逆止弁について中心軸方向あるいは前記放水孔５方向に向かうように同心円状に配置構成されたことを特徴とする。
さらに、本願請求項３に係る発明は、前記請求項１または２に係る加圧揚水シリンダを２台以上を連結して使用する際の前記圧搾空気を送出する空気管において、一方の内部シリンダ２の排出側の空気管６を他方の装置の内部シリンダ２の吸入側の空気管７に接合し、また、一方の内部シリンダ２の吸入側の空気管７を他方の装置の内部シリンダ２の排出側の空気管６に接合し、それぞれの管の途中に地上に設置した圧搾空気送出切換機に接合する第一の空気管及び第二の空気管を接合し、前記圧搾空気送出切替機で一定の周期でこれらの管に送り込まれる圧搾空気の流入・排出を切り替え可能な構成としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上、述べたように、本発明によれば、揚水される水と一緒に吸い込まれる空気の圧縮、膨張の作用を利用できるように構成することにより、空気と一緒に吸い込まれた空気を高効率で揚水することができることとなると共に、外部シリンダ内の水流の乱流を防止したので、安定的に、かつ、長時間運転を可能にするという効果を奏するものである。すなわち、従来の揚水装置に比し、長時間運転を可能とした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
【実施例１】
【００１５】
以下、図１ないし図４を参照しつつ、本発明に係る加圧揚水シリンダの一実施例について説明する。
ここで、図１は本発明に係る加圧揚水シリンダの一実施例に使用される外部シリンダの概略構成を示す図であり、図２ないし図４は、図１に示された外部シリンダ本体１に上部開口筒３及び下部開口筒４が接続され、内部に上下動する外部ピストン１４、１５が組み込まれ、また、前記内部シリンダ２内には、内部ピストン１３が組み込まれて、内部シリンダ内に送り込まれる圧搾空気の力により、内部ピストンが上下動し、これと一体に動く前記外部ピストン１４、１５の動きを示す同装置の断面概略を示す図であり、図３は、同外部シリンダ本体１の外部ピストン１４、１５が上死点位置にあるときを、図４は、同下死点位置にあるときの概略断面図を示す図である。
図１に示されるように、本実施例１に係る加圧揚水シリンダは、基本的には、外部シリンダ本体１と、該外部シリンダ本体１のＴ字両端の上下に固定され、常に該外部シリンダ本体内方向に水を送る複数個の逆止弁を有する上内壁２１及び下内壁２２及び該外部シリンダ本体１の中央内部には、外部からの圧搾空気によって内部の内部ピストンが駆動される内部シリンダと、前記上部開口筒３及び下部開口筒４内で移動し、常に該外部シリンダ本体１の内部方向に水を送る複数個の逆止弁を有する外部上端ピストン１４及び外部下端ピストン１５と、これらのピストンを一体に動かすピストン軸１６とで構成される。
【００１６】
すなわち、本実施例１に係る加圧揚水シリンダは、水中下に設置されるほぼＴ字形状でＴ字根部分に放水孔５を有し、該外部シリンダ本体１の中央内部には、外部からの圧搾空気によって内部の内部ピストンが駆動される内部シリンダとを有し、前記外部シリンダ本体１は、前記放水孔５の反対内面の半円周面に、前記内部シリンダ２の上端から前記外部シリンダ本体１の内周面に向かう上部反射湾曲２５1と前記内部シリンダ２の下端から前記外部シリンダ本体１の内周面に向かう下部反射湾曲２５2とを設けた外部シリンダ本体１と、該外部シリンダ本体１のＴ字両端の上下に固定され、常に該外部シリンダ本体内方向に水を送る複数個の逆止弁を有する上内壁２１及び下内壁２２と、該外部シリンダ本体１の上下端に接合され、それぞれ外気導入管１２に開口接続され、外気を取り入れる外気導入孔１０、１１を有する上部開口筒３及び下部開口筒４と、前記内部ピストンと、前記上部開口筒３及び下部開口筒４内を移動し、常に該外部シリンダ本体内方向に水を送る複数個の逆止弁を有する外部上端ピストン１４及び外部下端ピストン１５とを固定するピストン軸とからなる。
【００１７】
図１において、符号１は、外部シリンダ本体、２は、内部シリンダ、３は、上部開口筒、４は、下部開口筒、５は、放水孔、６、７は、空気管、８は、導水窪み、９1〜９3は、支持固定具である。なお、本実施例１における前記外部シリンダ本体１は、内径１０００ミリメートル、高さ１０８０ミリメートルのものを用い、その上下に同内径を有する幅７００ミリメートルの上記上部開口筒３及び下部開口筒４が接続され、全長２４８０ミリメートルに渡る大きさを有する。また、前記外部シリンダ本体１には、中央部の放水孔５として口径５００ミリメートルのパイプが接続され、また、中央内部には、前記内部シリンダ２として、直径５００ミリメートル、長さ３００ミリメートルの大きさを有するものを用いた。
また、前記上部開口筒３及び下部開口筒４は、前記外部シリンダ本体１と同口径
【００１８】
また、図２ないし図４において、図１に示した部材は、図１に示した同じ符号で示し、さらに、その他の符号１３は、内部ピストン、１４は、外部ピストン上端部、１５は外部ピストン下端部、１６は、これら内部ピストン１３及び外部ピストン上端部１４、外部ピストン下端部１６を一体に結合して動くピストン軸である。また、同図中、符号１７は、前記外気導入孔１０に設けられた空気逆止弁１７、同１８は、同外気導入孔１１に設けられた空気逆止弁であり、１９1、１９2、１９3、・・・・及び２０1、２０2、２０3、・・・・は、前記外部ピストン上端部１４及び外部ピストン下端部１５に複数個設けられる逆止弁であり、弁本体直径１００ミリメートルの同じ構造のものが、それぞれの上下端部１４、１５に３０個が設けられている（以下、逆止弁１９、２０の如く説明し、当該逆止弁の詳細については、後に詳述する。）。
【００１９】
また、符号２１、２２は、上記外部ピストン上端部１４及び外部ピストン下端部１５と同じ構造を有し、前記外部シリンダ本体１に固定される上内壁２１及び下内壁２２であり、それぞれの上下の内壁２１、２２には、前記外部ピストン上端部１４及び外部ピストン下端部１５に複数個設けられる逆止弁１９1、１９2、１９3、・・・・、２０1、２０2、２０3、・・・・と同じ逆止弁２３1、２３2、２３3、・・・・、２４1、２４2、２４3、・・・・が、それぞれ３０個が設けられている（したがって、以下、これらの逆止弁２３1、２３2、２３3、・・・・、２４1、２４2、２４3、・・・・も単独で説明する場合には、上記の例に従い、逆止弁２３、２４の如く説明する。）。
【００２０】
なお、上記外部ピストン上端部１４及び外部ピストン下端部１５は、ピストン軸１６で内部ピストン１３と一体に結合されて、常に一体として一緒に動くが、当該上内壁２１及び下内壁は、前記外部シリンダ本体１の上部開口筒３及び下部開口筒４に固着され、それ自体は動かず、内壁２１、２２に設けられた逆止弁２３1、２３2、２３3、・・・・、２４1、２４2、２４3、・・・・を介して水が一方向に動くのみである。
【００２１】
次に、図２ないし図４に基づいて、各内部ピストン１３及び外部ピストン１４、１５の動きを説明する。
まず、図２ないし図４に示される同装置は、約１０ｍ程の水面下に設置される。
このような状態で、図３に示すように、空気管７から圧搾空気が送り込まれ、この空気圧の力で、前記内部ピストン１３を上方に押し上げる。
【００２２】
そして、この押し上げ力によって、前記内部ピストン１３の上方にある圧搾空気は、前記空気管６から排出される。このとき、内部ピストン１３の動きは、前記外部ピストンの上下端１４、１５と一体に結合されているので、前記内部ピストン１３が上方に移動するに従って、前記上下端１４、１５も上方に移動する。前記上下端１４、１５の上方への移動に従って、前記下部開口筒４内の前記外部ピストン下端部１５と前記下内壁２２の間の水は、該下内壁２２に設けられた逆止弁２４を通って、外部シリンダ本体１内に押し込まれる。
【００２３】
一方、一体として動く前記外部ピストン上端部１４も上方に動き、前記上部開口筒３内の当該外部ピストン上端部１４と前記上内壁２１の間隔が広くなる。したがって、この間に負圧が生じ、前記外気導入孔１１に設けられた空気逆止弁１８を通じて、前記外気導入孔１１から外気導入管１２の外気が導入され、それぞれのピストン１３、１４、１５の上死点まで移動する。このとき、前記外部シリンダ本体１内の水は、放水孔５を通じて外部に放水される。図３は、それぞれのピストン１３、１４、１５が上死点まで移動する状態を示す図である。
【００２４】
次に、それぞれのピストン１３、１４、１５が上死点まで移動すると、それまで前記空気管７から圧搾空気が送り込まれ、前記空気管６から排出されていた圧搾空気は、圧搾空気切替機（図示外）によって、図４に示すように、前記空気管６から圧搾空気が送り込まれる。この空気圧の力で、前記内部ピストン１３を下方に押し下げる。そして、この押し下げ力によって、前記内部ピストン１３の下方にある圧搾空気は、前記空気管７から排出される。このとき、内部ピストン１３の動きは、前記外部ピストンの上下端１４、１５と一体に結合されているので、前記内部ピストン１３が下方に移動するに従って、前記上下端１４、１５も下方に移動する。前記上下端１４、１５の下方への移動に従って、前記下部開口筒４内の前記外部ピストン上端部１４と前記上内壁２１の間の水は、該上内壁２１に設けられた逆止弁２３を通って、外部シリンダ本体１内に押し込まれる。
【００２５】
一方、一体として動く前記外部ピストン下端部１５も下方に動き、前記下部開口筒４内の当該外部ピストン下端部１５と前記下内壁２２の間隔が広くなり、上述したと同様に、この間に負圧が生じ、前記外気導入孔１０に設けられた空気逆止弁１７を通じて、前記外気導入孔１０から外気導入管１２の外気が導入され、それぞれのピストン１３、１４、１５の下死点まで移動する。このとき、前記外部シリンダ本体１内の水は、放水孔５を通じて外部に放水される。図４は、それぞれのピストン１３、１４、１５が下死点まで移動する状態を示す図である。
【００２６】
ここで、最も重要なのは、それぞれ前記上下の開口筒３、４内の前記外部ピストンの上下端１４、１５と前記外部シリンダ本体１の上下内壁２１、２２の間隔が広まるときに、負圧が生じて外気がこの間隙に導入されることである。導入された外気は、各ピストン１３、１４、１５が、上死点から下死点あるいは下死点から上死点へと移動する間に加圧されて、その体積が圧縮されつつ、周囲の水と共に、外部シリンダ本体１内に移動して行く。
【００２７】
そして、各ピストン１３、１４、１５が、上死点から下死点あるいは下死点から上死点へと変化する瞬間、移動する水は、各ピストン１４、１５の動きが変化しても、その加速度故に、すぐには、その流れの方向を変えることはできない、しかしながら、水の流れが、前記放水孔５の方向に向かい、水の流れが動き出した途端、圧力変動が、加圧から開放へと導かれ、その瞬間に、圧縮されて混在移動する空気が膨張し、この膨張力となって周囲の水と共に、前記放水孔５から排出される。外部ピストン上下端１４、１５の移動に伴う水流は、基本的には、上方または下方から前記外部シリンダ本体１の中央に向かう流れとなり、中央付近で上下からの水流がぶつかって複雑な動きをするが、その流れが前記放水孔５の方向に導かれたときに、一瞬の間に圧力変動が生じ、空気膨張が始まるから、それに伴う水流と相まって、放水孔５方向へと一気に流れを加速して水流を強める。
【００２８】
本願発明は、この水流中に混在する空気領域を圧縮し、次の瞬間、それを一定の方向に導く水流を形成しながら、その水流の加速度を契機に一定の方向に空気膨張を導き、その膨張力によって強力な水流を得ようというものである。いわゆる、水道管等で発生するウォータハンマーを積極的に発生せしめ、その力によって揚水を行わせしめようというものである。
このように、外部ピストン上下端１４、１５の移動に伴う水流は、基本的には、上方または下方から前記外部シリンダ本体１の中央に向かう流れとなり、前記外部シリンダ本体１の中央付近で上下からの水流がぶつかって複雑な動きをしつつ、最終的に前記放水孔５の方向に向かうことになる。
【００２９】
しかしながら、従来の外部シリンダ本体１は、上述する上方または下方から中央に向かう流れを規制する手段はなく、前記外部シリンダ本体１の中央部でぶつかるままにされていたため、前記複雑な水流は一層の複雑さを呈しており、従来の装置においては、これらの複雑な水流（乱流）によって弁機構（本実施例でいえば、逆止弁１９、２０や逆止弁２３、２４）の破壊が生じたりしていた。すなわち、本装置が長時間駆動ができないという問題点は、ここに起因するらしいことが判明した。
【００３０】
そこで、本願実施例１として、図１に示すように、前記外部シリンダ本体１の前記放水孔５の反対面に上下からの水流を前記放水孔５方向に誘導する反射湾曲２５を有する導水窪み８を設けた。この反射湾曲２５は、前記外部シリンダ本体１の前記放水孔５の反対面の半円周面に、前記内部シリンダ２の上端から前記外部シリンダ本体１の内周面に向かう上部反射湾曲２５1と前記内部シリンダ２の下端から前記外部シリンダ本体1の内周面に向かう下部反射湾曲２５2から構成される。
【００３１】
このような上下の反射湾曲２５を設けたので、上方から下方に向かう水流は、前記上部反射湾曲２５1にぶつかり、その水流を前記放水孔５方向に規制させ、下方から上方に向かう水流は、前記下部反射湾曲２５2にぶつかり、その水流を上記同様前記放水孔５方向に規制させることができるようになる。
このような外部シリンダ本体１の構成としたために、外部シリンダ本体１内の乱流が回避され、結果的に、弁機構の破壊を回避し、装置の長時間駆動を可能とすることができた。
【実施例２】
【００３２】
また、上述するように、前記外部シリンダ本体１内の乱流は、前記逆止弁１９、２０や逆止弁２３、２４の破壊をもたらしていたため、この高い強度の逆止弁１９、２０や逆止弁２３、２４とすることの必要もあった。そこで、本願発明に係る加圧揚水シリンダの一実施例の外部シリンダに使用される高強度の逆止弁を用いることとした。
【００３３】
次に、実施例２として、上記外部ピストン上端部１４及び同下端部１５、さらには、上記上内壁２１及び下内壁２２上に配置される逆止弁１９、２０、２３、２４の詳細について説明する。
図１１及び図１２に示すように、従来、この種の逆止弁として、円形逆止弁を使用していた。しかしながら、原因の詳細は不明であるが、これらの逆止弁異常が発生し、上述するように、この装置システムは長時間運転ができず、自然のうちに運転停止の状態に追い込まれることが多かった。
【００３４】
そこで、上記外部ピストン上端部１４及び同下端部１５、さらには、上記上内壁２１及び下内壁２２上に配置される逆止弁を図５（ａ）（ｂ）に示すものを使用するようにした。図５（ａ）（ｂ）に示す逆止弁は、円形弁の一端が固定して開閉される、いわゆる「方持ち逆止弁」と称する逆止弁であって、図６（ａ）（ｂ）中の符号２６は、弁本体、２７は、弁支点、２８は、開閉弁、２９は、開閉バネ、３０は、開口部であり、図中細矢印は弁の開閉動作を、太矢印は、水流動作を示す。従来の逆止弁が、中央部が浮き上がり、平行に平均して開閉するものであるのに対し、開閉弁２８が、弁本体２６とで一箇所のみを弁支点２７として開閉する形式のものであるので、乱流に対しては、動きが丈夫である。すなわち、推測するところ、前記外部シリンダ本体１内は、上下動する水流と、空気膨張に伴う乱流が発生し、弁の開閉に際して、弁の開閉が偏り、偏った力が逆止弁に加わるため、逆止弁異常を発生させたものと思料される。そこで、逆止弁を方持ち式逆止弁とすることにより、前記外部シリンダ本体内の乱流に強い弁機構とすることができた。
【００３５】
また、上記の方持ち逆止弁１９、２０、２３、２４を使用して、図６に示すように、上記の外部ピストン上端部１４及び同下端部１５や上記上内壁２１及び下内壁２２には、上記方持ち逆止弁１９、２０、２３、２４を外部ピストン上端部１４及び同下端部１５や上記上内壁２１及び下内壁２２の中心軸を対称としてそれぞれ左右に２個を配置し、さらに、この２個ずつの逆止弁と中心を含む線を対称として１３個づつ、両側に配置し、それぞれの中心軸を対称としてそれぞれ２個を配置し、さらに、この中心線を対称として１３個づつ両側に配置し、さらに、いずれの逆止弁１９、２０、２３、２４について、その開口方向が中心域となるように配置した。図６は、上記外部ピストン上端部１４及び同下端部１５や上記上内壁２１及び下内壁２２への前記方持ち逆止弁１９、２０、２３、２４の配置構成を示す図である。
【００３６】
なお、この開口方向については、本実施例においては、いずれの逆止弁１９、２０、２３、２４について中心域となる方向としたが、これは、前記放水孔５方向に向かうようにしても良い。
このように方持ち式逆止弁１９、２０、２３、２４を使用しつつ、その逆止弁配置を上述するように、上記の各外部ピストン上端部１４、同下端部１５、上記上内壁２１、下内壁２２上に、それぞれの中心軸を対称としてそれぞれ２個を配置し、さらに、この中心線を対称として１３個づつの合計３０個の方持ち逆止弁を両側に配置し、さらに、いずれの逆止弁１９、２０、２３、２４について、その開口方向が中心域となるように配置したので、前記外部シリンダ本体１内の乱流の発生を回避することができ、逆止弁異常が発生しなくなり、この装置システムは長時間運転が可能となった。
【実施例３】
【００３７】
次に、上述した従来の装置では、図９に示すように、本装置を２台を並列に配置し、それぞれの装置に、前記内部シリンダ２に送り込まれる圧搾空気は、地上に設けられた切換弁１０１の弁１０２、１０３を切り替えることにより、それぞれのシリンダを運転するようにしてきた。しかしながら、一旦、高圧にした空気を送り側、受け側の二組の空気系統を設けることは無駄であるばかりか、水面下１０ｍ程度まで掘り下げた水中に配置するため、こ玲らの系統は短いほど故障も少なく、また、圧縮コストも軽減できる。
【００３８】
そこで、本実施例３に係る装置においては、図７及び図８に示すように、２台連結して運転される装置における前記圧搾空気経路において、一方の装置の内部シリンダ２の排出側の空気管６を他方の装置の内部シリンダ２の吸入側の空気管７に接合し、また、一方の装置の内部シリンダ２の吸入側の空気管７を他方の装置の内部シリンダ２の排出側の空気管６に接合し、それぞれの管に空気管３１及び空気管３２を接合し、さらに、これらの空気管３１、３２に圧搾空気切替機３３を設け、一定の周期でこれらの管３１、３２に送り込まれる圧搾空気の流入・排出を切り替え可能に構成した。
【００３９】
図７は、２台連結して運転する装置において、左側の装置の内部シリンダをピストン１３押し上げ、右側の装置の内部シリンダのピストン１３を押し下げる状態を示している。また、図８は、これと逆に、前記圧搾空気切替機３３により空気の流入方向を切り替えて、２台連結して運転する装置において、左側の装置の内部シリンダをピストン１３押し下げ、右側の装置の内部シリンダのピストン１３を押し上げる状態を示している。図７、図８において、同じ部材は、図１ないし図４で示した同一の符号で示し、その説明は省略する。
【００４０】
なお、本実施例３においては、２台連結して運転される装置における前記圧搾空気経路において、一方の装置の内部シリンダ２の排出側の空気管６を他方の装置の内部シリンダ２の吸入側の空気管７に接合し、また、一方の装置の内部シリンダ２の吸入側の空気管７を他方の装置の内部シリンダ２の排出側の空気管６に接合し、それぞれの管に空気管３１及び空気管３２を接接合する、いわゆる「たすき掛け」状の連結して運転される状態を示したが、これはたすき掛け接合に限られるものではなく、それぞれの内部シリンダ２の上部または下部のそれぞれの空気管６、７が側玲崩お並列に接合され、それぞれの上部また下部に交互に圧搾空気が流入されるように構成しても良いものである。このようにすれば、２台の連結に限るものではなく、３台、４台等いくつでも連結した運転が可能である。
【００４１】
なお、本実施例１ないし３において使用される圧搾空気は、空気圧、約１００ｋｇ／ｃｍ2〜２００ｋｇ／ｃｍ2、また、前記内部シリンダ２の往復運動は、毎分約４０〜６０往復回数に設定して、これを使用したが、これらの空気圧力及び運転回数はこれに限るものではなく、装置の規模・大きさ等によって自由に変更可能である。
【００４２】
例えば、本実施例１ないし３に係る装置によれば、一台の外部シリンダで１分間当たり４５回の上下切換を行った場合には、およそ２１．１９５立方メートル／毎分の排水量を確保することができ、これに要する圧搾空気量としては、５．２９８立方メートルを必要とする。したがって、水中１０メートルの水圧（１６０Ｋｇ/ｃｍ3）下で前記内部ピストン１３を動かすには、この水圧（１６０Ｋｇ/ｃｍ3）に耐えうる空気量５．２９８ｍ3を要することとなる。
本実施例においては、圧搾空気を生成する圧搾機として、北越工業株式会社製高圧仕様エンジンコンプレッサ（型式：ＡＩＲＭＡＮ−ＰＤＳＦ１３００Ｓ−４０１）を使用して圧搾空気を得たが、上記の圧力条件からすれば、同社製標準仕様エンジンコンプレッサ(型式：ＡＩＲＭＡＮ−ＰＤＳ３９０Ｓ）程度であっても良い。
なお、本実施例においては、水中下１０メートルからの揚水に使用した例を示したが、これは水中下の揚水に限るものではなく、例えば、石油のパイプラインで石油を送る際のポンプとして使用すれば、引火の恐れのない空気を送るのみで石油圧送を可能とし、極めて安全な圧送とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、加圧揚水シリンダに関し、水等を低いところから高い位置まで引き上げる揚水機としてでき、揚水された水を利用して、発電等を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は本発明に係る加圧揚水シリンダの一実施例に使用される外部シリンダの概略構成を示す図である。
【図２】図２は、図１に示された外部シリンダ本体１に上部開口筒３及び下部開口筒４が接続され、内部に上下動する外部ピストン１４、１５が組み込まれる記外部ピストン１４、１５の動きを示す同装置の断面概略を示す図である。
【図３】図３は、同外部シリンダ本体１の外部ピストン１４、１５が上死点位置にあるときの概略断面図である。
【図４】図４は、同下死点位置にあるときの概略断面図を示す図である。
【図５】図５（ａ）（ｂ）は、上記外部ピストン上端部１４及び同下端部１５、上記上内壁２１及び下内壁２２上に配置される方持ち逆止弁の概略を示す図である。
【図６】図６は、上記外部ピストン上端部１４及び同下端部１５や上記上内壁２１及び下内壁２２への前記方持ち逆止弁１９、２０、２３、２４の配置構成を示す図である。
【図７】図７は、２台連結して運転する装置において、左側の装置の内部シリンダをピストン１３押し上げ、右側の装置の内部シリンダのピストン１３を押し下げる状態を示す図である。
【図８】図８は、これと逆に、前記圧搾空気切替機３３により空気の流入方向を切り替えて、２台連結して運転する装置において、左側の装置の内部シリンダをピストン１３押し下げ、右側の装置の内部シリンダのピストン１３を押し上げる状態を示す図である。
【図９】従来の特開平６−２６４８６１号公報に開示添付の揚水装置概念を示す概略図である。
【図１０】従来の特開平７-１６７０３２号公報に開示・添付のシリンダ概略を示す図である。
【図１１】従来の特開平７-１６７０３２号公報に開示・添付の弁機構の概略図である。
【図１２】従来の特開平７-１６７０３２号公報に開示・添付の逆止弁の概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１・・・外部シリンダ本体
２・・・内部シリンダ
３・・・上部開口筒
４・・・下部開口筒
５・・・放水孔
６、７・・・空気管
８・・・導水窪み
９1〜９3・・・支持固定具
１０、１１・・・外気導入孔
１２・・・外気導入管
１３・・・内部ピストン
１４・・・外部ピストン上端部
１５・・・外部ピストン下端部
１６・・・ピストン軸
１７・・・空気逆止弁
１８・・・空気逆止弁
１９、１９1、１９2、１９3、・・・・逆止弁
２０、２０1、２０2、２０3、・・・・逆止弁
２１・・・上内壁
２２・・・下内壁
２３，２３1、２３2、２３3、・・・・逆止弁
２４、２４1、２４2、２４3、・・・・逆止弁
２５1・・・上部反射湾曲
２５2・・・下部反射湾曲
２６・・・弁本体
２７・・・弁支点
２８・・・開閉弁
２９・・・開閉バネ
３０・・・開口部
３１・・・空気管
３２・・・空気管
１０１・・・切換弁
１０２・・・圧搾パイプ
１０３・・・送出パイプ
１０４・・・一方側空気系シリンダ
１０５・・・ピストン
１０６・・・空気系シリンダ
１０７・・・他方側空気シリンダ
１０８・・・貯水池
１１０、１１１・・・シリンダ
１１２・・・弁機構
１１３、１１４・・・シリンダ
１１５・・・弁機構
１１７・・・給水口、
１１８、１１９・・・空気取入れ口
１２０・・・排水口
１２１・・・揚水パイプ
１２２・・・給水タンク
２０５・・・空気系ピストン
２０６・・・空気系シリンダ
２１１・・・水路系シリンダ
２１２、２１５・・・弁機構
２１８、２１９・・・空気取入れ口
２２０・・・排水口
２４６・・・パイプ
２５０・・・主シリンダ
２５１・・・水路系シリンダ
２５２ａ、２５２ｂ・・・入出口
２５３・・・Ｏリング
２５５・・・逆止弁
２５６・・・貫通孔
２５７・・・止着部
２５８・・・通過窓
２５９・・・ボルト
２６０・・・ばね
２６１・・・弁体
【図１】
0004379896.tif 000002
【図２】
0004379896.tif 000003
【図３】
0004379896.tif 000004
【図４】
0004379896.tif 000005
【図５】
0004379896.tif 000006
【図６】
0004379896.tif 000007
【図７】
0004379896.tif 000008
【図８】
0004379896.tif 000009
【図９】
0004379896.tif 000010
【図１０】
0004379896.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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