流体および電気の自律的な産生システムおよび方法
【構成】本発明は、流体を移送、輸送する方法およびシステム、並びにエネルギーを連続的かつ自律的に産生する方法およびシステムに関する。閉鎖系の熱力学的システムを直列配置して構成する。本発明は、自律的な連続減圧および圧縮の原理の発見に基づく。液体を一つの区画室から別な区画室に移送、輸送するために必要な仕事を行うのは、気体の膨張作用である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自律的な連続減圧／加圧の原理に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日存在している各種の人工的な流体の移送方法はいずれも共通な一つのファクターとして、液体を一つの点から別な点に移すために必要な水力学または水力学的エネルギーを生産するために機械的エネルギー、電気的エネルギー、太陽熱エネルギー、風力エネルギーや水力学的エネルギーなどのエネルギー源を必要とする。電気ポンプ（表面に電気モーターを設けた水中ポンプまたは軸流ポンプ）があり、その名が暗に示すように、液体をある点から別な点に移送できるようにするために電気エネルギーが必要である。また、マンパワー式ピストンポンプも掘削孔から水を汲み上げるために利用されている。これらのポンプの場合、運転するためには、一定のマンパワー入力が必要である。さらに、Ｇｌｏｃｋｅｍａｎ型ポンプもあり、これは連続運転が可能であるが、自律運転するためには、水の落下や自然源が必要である。
これら各種ポンプシステムはいずれも外部エネルギーが必要である。即ち、液体の位置を変えるために必要な水圧エネルギーを供給するために機械的運動が必要である。従って、機械的部品が摩耗する。これは、使用頻度が多くなる程、寿命が短くなることを意味する。第三世界のほぼすべての村落にある掘削孔にマッチする手押しポンプの場合、すぐに摩耗するため、寿命が非常に短い。これらポンプのうち最善のポンプでも汲み上げ深さは１００ｍがやっとであり、地下水面が１００ｍよりも深い位置にある特定の基盤地域では現実的ではない。従って、太陽光パネルや、場合によっては発電機を利用した水中ポンプを利用せざるを得ない。これら手押しポンプの最大汲み上げ量は地下水面が深くなる程大きく減少する。これらポンプの多くは時間当たりの平均汲み上げ量７５０リットルであり、各村落の飲料水としても足りず、給水待ち行列が長くなるはずである。従って、手押しポンプシステムは大半の途上国には簡単には適用できない。これは、特に灌漑や飲料水の有効分配が問題となる国について言える。
【０００３】
今日の時代における重大な問題の一つは、“グリーン”エネルギーの産生である。現在最も広く利用されているエネルギー産生システムはいずれも化石燃料に依拠している。電気を産生するために化石燃料を必要とする発電所がある。これら燃料の燃焼により、二酸化炭素ガスやその他の温室効果ガスが発生し、地球温暖化の原因になっている。これら発電所ではいわゆる燃焼機関を利用して、運転起動時に、交流発電機を駆動するシャフトを回転駆動し、発電している。
【０００４】
原子力発電所の場合、化石燃料を使用して、水を加熱して水蒸気を発生し、これを高圧でタービンに送り、タービンを回転駆動する。これらタービンの回転が交流発電機を駆動し、この間に電気エネルギーが発生する。原子力発電所は温室効果ガスを発生しないが、相当な量の、制御が非常に難しい放射線廃棄物を排出する。原子力発電所は、立地されている場所に関係なく、チェルノブイリ原子力発電所に降りかかった事故などが発生した場合には地球規模の脅威になる。投資コストやこれら原子力発電所を制御するために必要な技術は膨大なレベルに達し、この理由からきわめて多くの国の場合、このようなテクノロジーの利用については夢にも考えることはできない。
【０００５】
現在、太陽熱エネルギー、風力エネルギーや地熱エネルギーなどの再生可能なエネルギーに多大な努力が傾注されている。
太陽熱エネルギーは太陽光を利用して、太陽光パネルにそのエネルギーを与え、パネル出力で電気エネルギーを供給する。これは公害を起こさず、コストもかからない技術であるが、太陽光設備にかかる費用がけた外れに大きく、さらに、太陽光発電システムの性能は季節変化や気候変化を受けやすい。このため、人家が密集している地域での電力消費からみて、太陽光発電システムは魅力がやや陰りをみせ、適用しにくい。風力エネルギーは多くの先進国で広く利用されているが、ここでも同様に、風力エネルギーを作りだすために風が必要である。風力システムは人間が制御できるものではなく、風サイクルに依存するものである。即ち、他のエネルギー産生システムを支える補完システムとしてか利用価値がない。
風力エネルギーの場合、風がタービンを回転駆動し、タービンが交流発電機を回転駆動して発電する。
【０００６】
以上のシステムはいずれも受け取ったエネルギーを回転運動に変換し、これで交流発電機を回転駆動して発電するシステムである。理想的な発電所は水力発電所であり、水の連続流下を利用して、かなりの量のエネルギーを産生する。水力発電ダムは、公害を起こさず、燃料供給を必要とせず、温室効果ガスを発生しないため、最善のシステムである。ところが、水力発電ダムは、ダム運転を可能にする流下高さが自然に存在している場所にしか立地できない。地形的に制限があり、水力発電所は適地にしか立地できない。水力発電所は、技術的検討から潜在的に可能性あることが明らかになった場所に立地できる。閉ループ系水力発電所、即ちある高さにある貯水池とその下の貯水池とかなる発電所を設置するという設計思想が考えられている。この設計思想では、高い位置にある貯水池から水を落とし、この水の落下によってタービンを回転駆動し、発電を行う。低い位置にある回収貯水池にポンプを設置すれば、水を上の位置にある貯水池に汲み上げることができる。ところが、このようなシステムは実現不可能である。第１の理由は、タービンから摩擦により落下水の潜在エネルギーの一部が散逸するからであり、第２の理由は、ポンプによって吸収される全エネルギーが、高い位置にある貯水池への揚水によって水圧エネルギーに１００％変換するわけではないからである。閉鎖系の水力発電システムは不可能である。従って、流れを自然に落とす方法を見つける必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
即ち、本発明は、外部からエネルギーを供給して、これをある点から別な点に流体を移送、輸送するために必要な水圧エネルギーに変換することを課題とする発明である。本発明は、自律的な連続減圧（膨張）および加圧（圧縮）の原理に基づく方法であり、またシステムに接触している流体を自律的かつ連続的に移送できるシステムである。本発明システムでは、水中ポンプまたは機械式ピストンを利用せず、また連続運転するために外部エネルギーを供給する必要もない。このような特徴を利用して、本発明システムは、大きな問題の一つ、即ち外部エネルギーを利用する必要性という問題を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
自律的な連続減圧
連続減圧の原理は、非分離閉鎖系システムに含まれる気体の場合、外界から仕事を受け取ることができるか、あるいは仕事を外界に与えることができる事実にも基づく。非分離閉鎖系熱力学的システムは、外界と物質交換することはないが、外界とあらゆる種類のエネルギー（例えば熱、機械力、変位など）を交換することができるシステムである。
【０００９】
本発明は、この現象を利用することによって、仕事を外界に供給する閉鎖系システムを構成する。ここで、対象を圧縮性流体に絞ることにする。
以下、管に含まれている空気などの圧縮性流体について検討する。なお、この管は、管壁にそって摩擦を受けることなくスライドでき、重量が無視できる程度のプラグによって外界から分離されているものとする。外界の圧力がシステム内部の圧力よりも低くなると、システム内部の圧縮性流体が膨張する作用でプラグが動くことになる。この場合、システムが仕事を与えている状態といえる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】圧力差がある状態で気体が存在している２つの区画室ＡおよびＢをもつ熱力学的システムを示す図である。２つの区画室は、ピン１００によって位置が固定され、無視できる重量をもつ固定プラグ１０１によって分離されている。
【図２】ピンを抜いた状態の同じシステムを示す図である。区画室２の気体が膨張し、プラグを抜くことができる仕事を行う。平行状態では、２つの区画室内の圧力は同じである。
【図３】図１および図２に示したシステムを示す図であるが、２つの区画室は、これらを相互に分離するか、あるいは相互連絡できる弁を取り付けた管１０６によって連絡状態にある。なお、プラグは、区画室Ｂ内の気体が膨張するか否かに従って、管１０６を上昇できる液体によって置きかえられている。
【図４】図１および図２に示したシステムを示す図であるが、２つの区画室は、これらを相互に分離するか、あるいは相互連絡できる弁を取り付けた管１０６によって連絡状態にある。なお、プラグは、区画室Ｂ内の気体が膨張するか否かに従って、管１０６を上昇できる液体によって置きかえられている。
【図５】図３および図４に示した装置を直列に積層した連続減圧または加圧ポンプを示す図である。
【図６】熱力学的区画室が相互連絡できるように管を配列する別な方法を示す図である。
【図７】連続減圧を働かせる減圧を作るために必要な運動カラムを示す図である。
【図８】取り付け状態にある運動カラムと連続減圧ポンプを示す図である。
【図９】任意の流体を井戸に発生できる構成を示す図である。
【図１０】電気エネルギーを自律的に産生できるシステムを示す図である。このシステムは、貯水池、自律的ポンプ、タービン、交流発電機および集水パイプからなる。
【図１１】複数の自律的ポンプを並列配置した自律的電気エネルギー産生ステーションを示す図である。
【図１２】液体を表面上に移すための水平構造を示す図である。
【図１３】自律的な連続圧縮を利用したポンプを示す図である。
【００１１】
図１に、重量を無視できる不透過性プラグによって分離された２つのチャンバーを示す。プラグを２つのピン１００によって固定し、圧力差に対してプラグを変位しないように保持する。ここでＶ１およびＰ１をそれぞれ区画室Ｂ内の容積および圧力とし、そしてＰｅｘを区画室Ａ内の圧力とする。ただし、Ｐｅｘ＜＜Ｐ１である。２つのピン１００を抜くと、図２に示すように、気体が膨張するため、プラグ１０１が押し上げられる。これは、区画室Ｂに含まれる気体の仕事の結果である。
システムによって行われる仕事の結果、容積１０３が大きくなる。これは、以下の式（１）に対応する。
（式１）
ただし、Ｐｅｘは外界の圧力で、ｄＶは容積１０３の変化である。
【００１２】
気体が膨張する作用で、摩擦を受けることなくスライドできるプラグの代わりに、溶接または接着によって管壁に完全に固定したプラグ１０４を使用する以外は同じ実験について再び検討する。このプラグは、従って、気体が膨張している間動くことはない。ここで、区画室Ｂに非圧縮性液体１０７を充填する。区画室ＡとＢの間にプラグ１０４を介して管１０６を通す。この管１０６は所定の深さを貫通するため、区画室Ｂと区画室Ａの間で気体が入れ換わることを避ける。このシステムは、浮動プラグを非圧縮性液体で置き換えた非分離閉鎖系熱力学的システムである。２つの区画室を通る管１０６は弁１０５によって分離する。図３に示すように弁１０５を閉じると、２つの区画室ＡおよびＢは熱力学的に閉じ、分離される。区画室Ａ内の気体の圧力Ｐｅｘを区画室Ｂ内の液体上の気体の圧力Ｐ１よりも低く維持する。従って、弁１０５を閉じたままにしておくと、図３に示すように、２つの区画室は相互に分離されることになる。このような条件下では、区画室Ｂ内では何も起こらない。弁１０５を（ゆっくり）開くと、区画室Ａ内の圧力Ｐｅｘが区画室Ｂ内の気体１１０の圧力よりも低いため、この気体が等温膨張を開始するため、区画室Ｂ内の液体１０７が、図４に示すように、管１０６にそって上昇する。この液体の上昇に伴って、区画室内の気体１１０の容積が大きくなる。この容積１０８の増大は、区画室Ｂの気体１１０によって行われる仕事の結果である。区画室Ｂ内において物質交換をせずに容積が大きくなるため、気体１１０の圧力Ｐ１が低くなる。
【００１３】
従って、気体１１０が膨張するさいに行われる全ての仕事は、以下の関係式によって表わされる。
〈式２〉
ただし、Ｐは区画室Ｂ内の気体の圧力であり、ｄｖは図４における気体１１０の容積１０８の変化であり、ｍは液体の質量であり、ｇは重力による加速度であり、そしてｈは管１０６内の非圧縮性液体１０７の高さまたはヘッド１１１である。Ｐｅｘは、区画室Ｂの外側で得られる区画室Ａ内の圧力であり、ｄＶは図２における容積１０３の変化である。
液体１０７が管１０６を完全に満たす条件については、気体１１０の膨張によって行われる仕事が必要な仕事を与えるのに十分な程度でなければならない。そして、これは区画室Ａ内の圧力Ｐｅｘの大きさに直接関係する。図３および図４の実験装置の場合、管１０６を全長にわたって完全に満たすように液体１０７が行わなければならない仕事は、実験ファクターを考慮して考案された次式によって記述できる。
（式３）
【００１４】
上記式３において、Ｐ１およびＶ１はそれぞれ初期状態にある、換言すれば弁１０５を開く前の状態にある気体１１０の圧力および容積であり、ｐは液体１０７の密度であり、ｇは重力による加速度であり、Ｒは普遍気体定数であり、Ｔは気体の温度であり、Ｖｔは管１０６の全容積であり、Ｖｔｓｐは管１０６の比容積であり、αはシステムと水平面との間の角度である。
【００１５】
なされた仕事が、液体１０７が管１０６の全高さまで上昇するほど十分に大きい場合、区画室Ｂ内の気体１１０の圧力は、式４によって記述される式によって表わされる。この圧力は臨界圧力Ｐｃとして知られ、これ以上の圧力になると、液体１０７が管から区画室Ａに流れ込むことになる。これは、以下の式で表わすことができる。
（式４）
従って、気体１１０の等温膨張によって与えられる全仕事は、下記の関係式によって表わすことができる。これは、方程式３の解である。
（式５）
【００１６】
区画室Ｂ内の気体１１０が膨張する結果、気体１１０の圧力が低下するが、この圧力低下は、図３および図４に示したシステムと同様な非分離閉鎖系システムによって外部圧力として利用することが可能である。これは、図５に示すように上下に積層することによって図３および図４のモデル検討において使用した簡単な装置を直列配設することと同じである。従って、この装置は、各システムの液体上部に溜まった気体によって閉じられ、分離された一連の熱力学的システムから構成されることになる。これら気体のモル数は、他のシステムとの物質交換がないため、一定のままである。なお、熱力学的見地から見た場合、非圧縮性液体は、一つのシステムから別なシステムに移る可能性があるため、開放系の場合と同様に振る舞う。図５を参考にして説明したように、全システムの運転にとって重要になるのは、液体と気体との間でシステムがどのように組み合わされているかである。閉じられた分離システム内に含まれる気体の膨張が、従って、開放システムに含まれる液体をあるシステムから別なシステムに移すために必要な仕事を与えることになる。
【００１７】
図５の装置の場合、第１システム１１２内の気体により低い圧力を作用させると、その下に位置するシステム１１４が膨張することになり、この“直列的なあるいは連続的な膨張または減圧”が、第１システム１１２でつくられた圧力に依存して、最後のシステム１１５まで展開することになる。最後のシステム１１５は、液体を含む外界（外部システム１１６）に管１１７によって直接接続し、この液体上に圧力Ｐがあり、外部システムが大気に対して同じように閉じている場合には、この圧力が大気圧かあるいは異なる圧力になっていることが殆どである。この圧力Ｐは、図５に示した装置の各システムの気体の初期圧力にほぼ等しい。第１システム１１２には十分な圧力が作用しているため、最後のシステム１１５に含まれている気体が膨張する。この膨張により次にシステム１１５の圧力が低下し、外部システム１１５の周囲圧力に対して圧力差が発生し、この結果システム１１５に含まれている液体が管１１７の内部で上昇する。システム１１２に液体が到達すると、このシステムの気体圧力が高くなり、システム１１２内の液体がその上部にあるシステムに向かってさらに上昇する。この上昇は、液体が第１システムに達し、ここに滞留（１１３）するまで連続して生じる。即ち、連続流である。第１システムの圧力が一定に維持されている場合には、連続流が伴うこの連続減圧は終わることはない。
【００１８】
第１システム１１２内に発生した減圧が十分大きく、最後のシステム１１５内の圧力が臨界圧力に等しくなると、各システムｉに含まれる気体の圧力Ｐｉは、以下の式によって記述でき、評価できる。
（式６）
ただし、ｉはシステムの降順ランクであり、Ｐｅｘは第１システムに作用する絶対圧力である。
第１システム１１２に発生した減圧Ｐｅｘに対して、最大ｎ個の熱力学的システムを直列に配置しているため、最後のシステムの気体の圧力は、以下の式を使用して計算できるように、臨界圧力Ｐｃに等しくなる。
（式７）
【００１９】
方程式（７）によると、直列に設置するシステムの数は、角度αが９０度に、即ち垂直位置に近くなるほど、一定になる傾向がある。ｎの大きさは、管容積の二乗、換言すれば、液体の質量ｍの制限を受ける。これは、管内の水を上昇させるために仕事（−ｍｇｈ）を行う必要があるからである。
ところが、角度αがゼロに近くなると、システムの個数ｎがプラス無限に近くなる。換言すれば、水平面、即ち地面にそってこのシステムを設置した場合、システムの長さがプラス無限になることを意味する。このシステムは、液体をある一点から別な点に移すための理想的なパイプラインになることを意味する。摩擦を原因とする圧力損は無視でき、ゼロと考えることができる。特にこれら圧力損は、各システムの管１０６全体にそって発生する圧力損のみに限定されるため、これら圧力低下が加わることはない。これは、図５に示すように、装置の長さを途方もなく長くできることを意味する。管の設計レイアウトは、システムに影響しない。例えば図６に示すように、管は各種の形態のものを利用できる。
このため、直列配置のシステムの全数が分かると、最後のシステムに臨界圧力Ｐｃを発生させるために第１システム１１２につくり出さなければならない減圧ＰｅｘＲを下記の式から計算することができる。
（式８）
連続流の条件は、貯水池が液体１１６上の圧力と最後のシステム１１５内部の気体圧力との間の圧力差に依存するところまで続く。この圧力差は、液体１２５が管１１７の最も高い位置まで上昇し、ここから最後のシステム１１５に溢れ出すほど大きくなければならない。
【００２０】
従って、このシステムを連続運転するためには、気体１１０の圧力が沸騰圧力よりも高くなければならないことを認識することが重要である。この圧力未満になると、溶存気体が気化し、第１システムの隣接システムの圧力差を構成することになる。このため、液相から出る気体が液体上部の気体の圧力を高くし、このため自律的な連続減圧を達成することができなくなる。臨界圧力Ｐｃと第１システムの圧力Ｐｅｘは、沸騰圧力以上であることが絶対条件である。水の場合、５０℃における沸騰圧力でさえ十分低く（０．１２３バール）、５〜１４０℃の全範囲について以下の式から推定することができる。
（式９）
なお、Ｔはランキンスケール温度であり、Ｐｓａｔは大気中の飽和圧力である。
【００２１】
従って、図５の装置を用いると、自律的な連続減圧を行い、次に自律的な連続流れを行うことができる。外部システムが液体を失わず、また第１システム１１２内につくられた減圧が一定である限り、この運動は永久運動である。現実にこれを実現するには、真空ポンプをシステム１１２に接続する。流れは連続的になる。真空ポンプを利用することは、（電気エネルギーまたは機械エネルギーなどの）外部エネルギー源を利用することを意味する。
従って、システムの連続運転、即ちシステムの永久運転を確保するためにシステム１１２内において必要な減圧をつくるために使用するのが、流体メカニクスの良く知られている特性の一つである。ここで、図７に示す装置などの装置について検討する。この装置は、液体を高さ１１９まで充填したパイプで構成する。ここで液体の自由面の上には、外界の気体の周囲圧力に等しければよい通常の圧力が作用している。パイプのドレインオリフィス１２２は弁１２１によって閉じられている。弁１２１を開くと、水がその自重により流れる。この流れが生じると、膨張作用ではあるが、水の流れによる強制的な膨張作用の場合と同様に、気体１２３の容積が大きくなる。この結果、気体１２３の圧力が低くなる。図８に示すように、図７の延長部分１２４を図５の第１システム１１２に接続すると、気体１２３が減圧し、第１システム１１２で必要になる圧力が低くなり、自律的な連続減圧を実現できる。さらに、システム１１２におけるこの圧力Ｐｅｘが方程式８によって記述される圧力に等しくなると、自律的な連続減圧に自律的な連続流れが続くことになる。
【００２２】
また、以下の式によって記述される最小ヘッドまたは高さで開口１２２を流れる流れが停止する。
（式１０）
なお、Ｐａｔｍは、大気に開いているシステム内の大気圧に対応する外部圧力である。システム１１２の基部１２５で延長部分１２４を接続すると、連続流れにより液面が上昇するため、図７の運動カラムの延長部分１２４に液体が流れることになる。液面が最小の高さに低下したときに、またはタップ１２２で流れが停止するヘッドＨｍｉｎに達したときに、気体圧力Ｐｅｘが自律的な連続減圧および自律的な連続流れを実現するために必要な圧力ＰｅｘＲに等しくなるように、この運動カラムの高さは相当高く設定されている必要がある。
自律的な連続圧縮
【００２３】
また、自律的な連続減圧の原理を利用する上記と同じシステムを利用する場合には、自律的な連続圧縮をつくり出せばよい。これを実現するために必要なことは、ポンプを十分な深さまで水中に沈め、液体上部に存在する気体を圧縮することである。ここでキーとなることは、圧縮を行って、外部圧力または周囲圧力に対して圧力差をつくり出すことである。圧縮が起こると同時に、またより低い圧力では液体がその上にあるシステムに対して開いているため、圧縮されている気体が仕事を行い、システム内の液体が上昇して上にある区画室に流れ込む。水中にある部分を介して液体が侵入することによって気体の圧縮が生じる。このように液体がシステムに流れ込むと、空気の容積が小さくなり、圧力が高くなる。圧縮圧力は、ポンプが沈んでいる液体の流体水力学的圧力またはヘッドに等しくなる。図１３は、自律的な連続圧縮モード状態にあるポンプ作用を示す図である。気体が受け取り、かつ行う全仕事は以下の式によって記述することができる。
（式１１）
ただし、Ｐｈは液中浸漬時の流体水力学的圧力であり、ｄｖｈは圧縮されている気体の容積であり、Ｐは延長後の気体の圧力であり、ｄｖは膨張時に気体が獲得する容積であり、そしてｄＶは分離され、Ｐｈが作用しているシステムに存在している気体の容積の全変化である。
方程式１１を解くと、各システム内において自律的な連続圧縮が生じている間の気体の圧力を流体水力学的圧力Ｐｈとして記述する以下の式が得られる。この式は液体が管の最も高い位置ｈｔまで上昇するために必要な圧力を表す。
（式１２）
自律的な連続圧縮システムでは、運動カラムは必要ない。システムと外界との間に十分な圧力差が生じるため、ポンプ浸漬深さが十分な深さになって連続圧縮が生じたときに、流れが連続化する。圧縮圧力が１バール未満にあるか等しいときに、方程式１２が有効になる。これ以上の圧力では、圧縮が完全気体法則に従う前提が成立しなくなる。他のパラメーターも関与する実際の気体の影響については、考慮する必要がある。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
掘削孔および井戸
本発明は水の分野に適用できる。本発明は、水を産生するために現在利用されているすべての汲み上げシステムの代わりに使用できる。本発明システムが実現できる深さは、数百メートルを超える。この実施態様を簡略化して図９に示す。運動カラムは水源に対応する。この運動カラムのヘッド高さについては、タップ１２８を開いたときに、減圧および連続流れを開始するために必要な条件を満足するように設計する必要がある。水を産生する帯水層１２９の帯水量が十分大きい場合には、水源１２７のヘッド高さを高くできるため、十分な圧力ヘッドを確保できる。タップ１２８の代わりに、一連の給水栓を使用すれば、多くの人に同時に給水することができる。このポンプの設計の場合、掘削孔や井戸が枯渇することを避けるように、帯水層１２９から汲みあげる最大速度を考慮する必要がある。従って、ポンプの汲み上げ速度を、水が井戸や掘削孔に流れ込んでくる最大速度未満に設定する必要がある。このポンプを使用すると、地面から高さＨで設置した給水タワーに直接水を満たすことがきる。この場合に必要なことは、タップ１２８が水を直接タワーに送り込むことができる高さまでポンプを井戸から引き揚げておくことである。貯水池を用意しておきたいという考えは別にすれば、このポンプはタワーなしでも運転可能である。また、村落や各町の給水設備に直接送り出すことができる。制限ファクターは、帯水層への水の流入速度である。
自律的な電気産生
【００２５】
本発明ポンプは、従来技術に関する項で説明した閉鎖系水力発電所に関する不可能な問題を解決するものである。このポンプは、水を地面より高い高さまで汲み上げるために外部エネルギーを必要としない。従って、水力電気エネルギー産生システムを図１０に示すようにループ系として創り出すことができる。この装置は、水１３９を貯めた貯水槽１３８から構成する。内部に自律的な連続減圧ポンプ１３１を設置し、その上を水を容れた運動カラム１３２で覆う。集水パイプ１３３によって運動カラムを貯水槽に接続する。この集水パイプの端部にタービン１３４を接続し、タービン１３４を交流発電機に接続する。電気ケーブル１３６を交流発電機に接続する。弁１４０を開くと、運動カラム１３２から水が集水パイプ１３３に流れ込み、タービンを回転駆動し、次に交流発電機を駆動し発電する。運動カラム内の水の量が減ると、気体１４１が水面上に流れる。これが膨張するため、減圧が発生し、ポンプ１３１で減圧および連続流れの現象が生じる。ここでポンプが貯水槽１３８から水を吸い込み、これを運動カラムに移送する。従って、永久流れが生じ、タービン１３４を終わることなく駆動する。
【００２６】
本システムの設計は、この閉鎖系水力発電所の運転に必要な条件を満足する必要がある。このようなシステムが発電する電力は、以下の関係式によって記述できる。
（式１３）
（式１４）
なお、Ｑは流量であり、ｈは落下水の有効ヘッド高さであり、そしてＨはタービン１３４のシャフトに対する運動カラム内の水のヘッド高さ１４２である。このタイプの発電所は、任意の規模で、即ち住宅を対象とする小さな規模から町を対象とする大きな規模で建設できる。方程式１３によれば、電力は落下水のヘッド高さｈおよび流量Ｑに依存する。これら２つのパラメーターについては設計者が制御でき、従って、流量およびヘッド高さを調節することによって可能な量の電力を発電できるシステムを建設できる。流量Ｑを増加させるためには、図１１に示すように、いくつかの自律的な連続減圧ポンプを並列配置することを考えればよい。この場合、方程式１３は以下の式になる。
（式１５）
なお、ｋは連続ポンプの並列配置数である、そしてＱｊは各ポンプの流量である。
液体移送パイプライン
【００２７】
各システムにおける減圧を記述する方程式（式６）の場合、傾きがポンプの性能に大きな影響を与える。角度αがゼロに近づくと、即ち水平面に近づくと、ポンプを構成するすべての熱力学的システムにおける減圧が同じになる。これは、自律的な連続減圧を使用すると、外部エネルギーを与えなくても、液体を長距離移送できる事実と同義である。この特性のために、本発明は大面積の灌漑に利用することができる。また、人口密集地での配水だけでなく、水ではない他の流体も分配することができる。このため、水資源管理が簡易化される。図１２に、垂直面から水平面への切り替えの構成を示す。
芸術作品の創造
【産業上の利用可能性】
【００２８】
以上の本発明の原理は公共的な自律噴水、あるいは各種の芸術作品の創造にも適用可能である。
【符号の説明】
【００２９】
Ａ、Ｂ：区画室
１００：ピン
１０１：プラグ
１０３：容積
１０４：プラグ
１０５：弁
１０６：管
１０７：非圧縮性液体
１１０：気体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自律的な連続減圧／加圧の原理に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日存在している各種の人工的な流体の移送方法はいずれも共通な一つのファクターとして、液体を一つの点から別な点に移すために必要な水力学または水力学的エネルギーを生産するために機械的エネルギー、電気的エネルギー、太陽熱エネルギー、風力エネルギーや水力学的エネルギーなどのエネルギー源を必要とする。電気ポンプ（表面に電気モーターを設けた水中ポンプまたは軸流ポンプ）があり、その名が暗に示すように、液体をある点から別な点に移送できるようにするために電気エネルギーが必要である。また、マンパワー式ピストンポンプも掘削孔から水を汲み上げるために利用されている。これらのポンプの場合、運転するためには、一定のマンパワー入力が必要である。さらに、Ｇｌｏｃｋｅｍａｎ型ポンプもあり、これは連続運転が可能であるが、自律運転するためには、水の落下や自然源が必要である。
これら各種ポンプシステムはいずれも外部エネルギーが必要である。即ち、液体の位置を変えるために必要な水圧エネルギーを供給するために機械的運動が必要である。従って、機械的部品が摩耗する。これは、使用頻度が多くなる程、寿命が短くなることを意味する。第三世界のほぼすべての村落にある掘削孔にマッチする手押しポンプの場合、すぐに摩耗するため、寿命が非常に短い。これらポンプのうち最善のポンプでも汲み上げ深さは１００ｍがやっとであり、地下水面が１００ｍよりも深い位置にある特定の基盤地域では現実的ではない。従って、太陽光パネルや、場合によっては発電機を利用した水中ポンプを利用せざるを得ない。これら手押しポンプの最大汲み上げ量は地下水面が深くなる程大きく減少する。これらポンプの多くは時間当たりの平均汲み上げ量７５０リットルであり、各村落の飲料水としても足りず、給水待ち行列が長くなるはずである。従って、手押しポンプシステムは大半の途上国には簡単には適用できない。これは、特に灌漑や飲料水の有効分配が問題となる国について言える。
【０００３】
今日の時代における重大な問題の一つは、“グリーン”エネルギーの産生である。現在最も広く利用されているエネルギー産生システムはいずれも化石燃料に依拠している。電気を産生するために化石燃料を必要とする発電所がある。これら燃料の燃焼により、二酸化炭素ガスやその他の温室効果ガスが発生し、地球温暖化の原因になっている。これら発電所ではいわゆる燃焼機関を利用して、運転起動時に、交流発電機を駆動するシャフトを回転駆動し、発電している。
【０００４】
原子力発電所の場合、化石燃料を使用して、水を加熱して水蒸気を発生し、これを高圧でタービンに送り、タービンを回転駆動する。これらタービンの回転が交流発電機を駆動し、この間に電気エネルギーが発生する。原子力発電所は温室効果ガスを発生しないが、相当な量の、制御が非常に難しい放射線廃棄物を排出する。原子力発電所は、立地されている場所に関係なく、チェルノブイリ原子力発電所に降りかかった事故などが発生した場合には地球規模の脅威になる。投資コストやこれら原子力発電所を制御するために必要な技術は膨大なレベルに達し、この理由からきわめて多くの国の場合、このようなテクノロジーの利用については夢にも考えることはできない。
【０００５】
現在、太陽熱エネルギー、風力エネルギーや地熱エネルギーなどの再生可能なエネルギーに多大な努力が傾注されている。
太陽熱エネルギーは太陽光を利用して、太陽光パネルにそのエネルギーを与え、パネル出力で電気エネルギーを供給する。これは公害を起こさず、コストもかからない技術であるが、太陽光設備にかかる費用がけた外れに大きく、さらに、太陽光発電システムの性能は季節変化や気候変化を受けやすい。このため、人家が密集している地域での電力消費からみて、太陽光発電システムは魅力がやや陰りをみせ、適用しにくい。風力エネルギーは多くの先進国で広く利用されているが、ここでも同様に、風力エネルギーを作りだすために風が必要である。風力システムは人間が制御できるものではなく、風サイクルに依存するものである。即ち、他のエネルギー産生システムを支える補完システムとしてか利用価値がない。
風力エネルギーの場合、風がタービンを回転駆動し、タービンが交流発電機を回転駆動して発電する。
【０００６】
以上のシステムはいずれも受け取ったエネルギーを回転運動に変換し、これで交流発電機を回転駆動して発電するシステムである。理想的な発電所は水力発電所であり、水の連続流下を利用して、かなりの量のエネルギーを産生する。水力発電ダムは、公害を起こさず、燃料供給を必要とせず、温室効果ガスを発生しないため、最善のシステムである。ところが、水力発電ダムは、ダム運転を可能にする流下高さが自然に存在している場所にしか立地できない。地形的に制限があり、水力発電所は適地にしか立地できない。水力発電所は、技術的検討から潜在的に可能性あることが明らかになった場所に立地できる。閉ループ系水力発電所、即ちある高さにある貯水池とその下の貯水池とかなる発電所を設置するという設計思想が考えられている。この設計思想では、高い位置にある貯水池から水を落とし、この水の落下によってタービンを回転駆動し、発電を行う。低い位置にある回収貯水池にポンプを設置すれば、水を上の位置にある貯水池に汲み上げることができる。ところが、このようなシステムは実現不可能である。第１の理由は、タービンから摩擦により落下水の潜在エネルギーの一部が散逸するからであり、第２の理由は、ポンプによって吸収される全エネルギーが、高い位置にある貯水池への揚水によって水圧エネルギーに１００％変換するわけではないからである。閉鎖系の水力発電システムは不可能である。従って、流れを自然に落とす方法を見つける必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
即ち、本発明は、外部からエネルギーを供給して、これをある点から別な点に流体を移送、輸送するために必要な水圧エネルギーに変換することを課題とする発明である。本発明は、自律的な連続減圧（膨張）および加圧（圧縮）の原理に基づく方法であり、またシステムに接触している流体を自律的かつ連続的に移送できるシステムである。本発明システムでは、水中ポンプまたは機械式ピストンを利用せず、また連続運転するために外部エネルギーを供給する必要もない。このような特徴を利用して、本発明システムは、大きな問題の一つ、即ち外部エネルギーを利用する必要性という問題を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
自律的な連続減圧
連続減圧の原理は、非分離閉鎖系システムに含まれる気体の場合、外界から仕事を受け取ることができるか、あるいは仕事を外界に与えることができる事実にも基づく。非分離閉鎖系熱力学的システムは、外界と物質交換することはないが、外界とあらゆる種類のエネルギー（例えば熱、機械力、変位など）を交換することができるシステムである。
【０００９】
本発明は、この現象を利用することによって、仕事を外界に供給する閉鎖系システムを構成する。ここで、対象を圧縮性流体に絞ることにする。
以下、管に含まれている空気などの圧縮性流体について検討する。なお、この管は、管壁にそって摩擦を受けることなくスライドでき、重量が無視できる程度のプラグによって外界から分離されているものとする。外界の圧力がシステム内部の圧力よりも低くなると、システム内部の圧縮性流体が膨張する作用でプラグが動くことになる。この場合、システムが仕事を与えている状態といえる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】圧力差がある状態で気体が存在している２つの区画室ＡおよびＢをもつ熱力学的システムを示す図である。２つの区画室は、ピン１００によって位置が固定され、無視できる重量をもつ固定プラグ１０１によって分離されている。
【図２】ピンを抜いた状態の同じシステムを示す図である。区画室２の気体が膨張し、プラグを抜くことができる仕事を行う。平行状態では、２つの区画室内の圧力は同じである。
【図３】図１および図２に示したシステムを示す図であるが、２つの区画室は、これらを相互に分離するか、あるいは相互連絡できる弁を取り付けた管１０６によって連絡状態にある。なお、プラグは、区画室Ｂ内の気体が膨張するか否かに従って、管１０６を上昇できる液体によって置きかえられている。
【図４】図１および図２に示したシステムを示す図であるが、２つの区画室は、これらを相互に分離するか、あるいは相互連絡できる弁を取り付けた管１０６によって連絡状態にある。なお、プラグは、区画室Ｂ内の気体が膨張するか否かに従って、管１０６を上昇できる液体によって置きかえられている。
【図５】図３および図４に示した装置を直列に積層した連続減圧または加圧ポンプを示す図である。
【図６】熱力学的区画室が相互連絡できるように管を配列する別な方法を示す図である。
【図７】連続減圧を働かせる減圧を作るために必要な運動カラムを示す図である。
【図８】取り付け状態にある運動カラムと連続減圧ポンプを示す図である。
【図９】任意の流体を井戸に発生できる構成を示す図である。
【図１０】電気エネルギーを自律的に産生できるシステムを示す図である。このシステムは、貯水池、自律的ポンプ、タービン、交流発電機および集水パイプからなる。
【図１１】複数の自律的ポンプを並列配置した自律的電気エネルギー産生ステーションを示す図である。
【図１２】液体を表面上に移すための水平構造を示す図である。
【図１３】自律的な連続圧縮を利用したポンプを示す図である。
【００１１】
図１に、重量を無視できる不透過性プラグによって分離された２つのチャンバーを示す。プラグを２つのピン１００によって固定し、圧力差に対してプラグを変位しないように保持する。ここでＶ１およびＰ１をそれぞれ区画室Ｂ内の容積および圧力とし、そしてＰｅｘを区画室Ａ内の圧力とする。ただし、Ｐｅｘ＜＜Ｐ１である。２つのピン１００を抜くと、図２に示すように、気体が膨張するため、プラグ１０１が押し上げられる。これは、区画室Ｂに含まれる気体の仕事の結果である。
システムによって行われる仕事の結果、容積１０３が大きくなる。これは、以下の式（１）に対応する。
（式１）
ただし、Ｐｅｘは外界の圧力で、ｄＶは容積１０３の変化である。
【００１２】
気体が膨張する作用で、摩擦を受けることなくスライドできるプラグの代わりに、溶接または接着によって管壁に完全に固定したプラグ１０４を使用する以外は同じ実験について再び検討する。このプラグは、従って、気体が膨張している間動くことはない。ここで、区画室Ｂに非圧縮性液体１０７を充填する。区画室ＡとＢの間にプラグ１０４を介して管１０６を通す。この管１０６は所定の深さを貫通するため、区画室Ｂと区画室Ａの間で気体が入れ換わることを避ける。このシステムは、浮動プラグを非圧縮性液体で置き換えた非分離閉鎖系熱力学的システムである。２つの区画室を通る管１０６は弁１０５によって分離する。図３に示すように弁１０５を閉じると、２つの区画室ＡおよびＢは熱力学的に閉じ、分離される。区画室Ａ内の気体の圧力Ｐｅｘを区画室Ｂ内の液体上の気体の圧力Ｐ１よりも低く維持する。従って、弁１０５を閉じたままにしておくと、図３に示すように、２つの区画室は相互に分離されることになる。このような条件下では、区画室Ｂ内では何も起こらない。弁１０５を（ゆっくり）開くと、区画室Ａ内の圧力Ｐｅｘが区画室Ｂ内の気体１１０の圧力よりも低いため、この気体が等温膨張を開始するため、区画室Ｂ内の液体１０７が、図４に示すように、管１０６にそって上昇する。この液体の上昇に伴って、区画室内の気体１１０の容積が大きくなる。この容積１０８の増大は、区画室Ｂの気体１１０によって行われる仕事の結果である。区画室Ｂ内において物質交換をせずに容積が大きくなるため、気体１１０の圧力Ｐ１が低くなる。
【００１３】
従って、気体１１０が膨張するさいに行われる全ての仕事は、以下の関係式によって表わされる。
〈式２〉
ただし、Ｐは区画室Ｂ内の気体の圧力であり、ｄｖは図４における気体１１０の容積１０８の変化であり、ｍは液体の質量であり、ｇは重力による加速度であり、そしてｈは管１０６内の非圧縮性液体１０７の高さまたはヘッド１１１である。Ｐｅｘは、区画室Ｂの外側で得られる区画室Ａ内の圧力であり、ｄＶは図２における容積１０３の変化である。
液体１０７が管１０６を完全に満たす条件については、気体１１０の膨張によって行われる仕事が必要な仕事を与えるのに十分な程度でなければならない。そして、これは区画室Ａ内の圧力Ｐｅｘの大きさに直接関係する。図３および図４の実験装置の場合、管１０６を全長にわたって完全に満たすように液体１０７が行わなければならない仕事は、実験ファクターを考慮して考案された次式によって記述できる。
（式３）
【００１４】
上記式３において、Ｐ１およびＶ１はそれぞれ初期状態にある、換言すれば弁１０５を開く前の状態にある気体１１０の圧力および容積であり、ｐは液体１０７の密度であり、ｇは重力による加速度であり、Ｒは普遍気体定数であり、Ｔは気体の温度であり、Ｖｔは管１０６の全容積であり、Ｖｔｓｐは管１０６の比容積であり、αはシステムと水平面との間の角度である。
【００１５】
なされた仕事が、液体１０７が管１０６の全高さまで上昇するほど十分に大きい場合、区画室Ｂ内の気体１１０の圧力は、式４によって記述される式によって表わされる。この圧力は臨界圧力Ｐｃとして知られ、これ以上の圧力になると、液体１０７が管から区画室Ａに流れ込むことになる。これは、以下の式で表わすことができる。
（式４）
従って、気体１１０の等温膨張によって与えられる全仕事は、下記の関係式によって表わすことができる。これは、方程式３の解である。
（式５）
【００１６】
区画室Ｂ内の気体１１０が膨張する結果、気体１１０の圧力が低下するが、この圧力低下は、図３および図４に示したシステムと同様な非分離閉鎖系システムによって外部圧力として利用することが可能である。これは、図５に示すように上下に積層することによって図３および図４のモデル検討において使用した簡単な装置を直列配設することと同じである。従って、この装置は、各システムの液体上部に溜まった気体によって閉じられ、分離された一連の熱力学的システムから構成されることになる。これら気体のモル数は、他のシステムとの物質交換がないため、一定のままである。なお、熱力学的見地から見た場合、非圧縮性液体は、一つのシステムから別なシステムに移る可能性があるため、開放系の場合と同様に振る舞う。図５を参考にして説明したように、全システムの運転にとって重要になるのは、液体と気体との間でシステムがどのように組み合わされているかである。閉じられた分離システム内に含まれる気体の膨張が、従って、開放システムに含まれる液体をあるシステムから別なシステムに移すために必要な仕事を与えることになる。
【００１７】
図５の装置の場合、第１システム１１２内の気体により低い圧力を作用させると、その下に位置するシステム１１４が膨張することになり、この“直列的なあるいは連続的な膨張または減圧”が、第１システム１１２でつくられた圧力に依存して、最後のシステム１１５まで展開することになる。最後のシステム１１５は、液体を含む外界（外部システム１１６）に管１１７によって直接接続し、この液体上に圧力Ｐがあり、外部システムが大気に対して同じように閉じている場合には、この圧力が大気圧かあるいは異なる圧力になっていることが殆どである。この圧力Ｐは、図５に示した装置の各システムの気体の初期圧力にほぼ等しい。第１システム１１２には十分な圧力が作用しているため、最後のシステム１１５に含まれている気体が膨張する。この膨張により次にシステム１１５の圧力が低下し、外部システム１１５の周囲圧力に対して圧力差が発生し、この結果システム１１５に含まれている液体が管１１７の内部で上昇する。システム１１２に液体が到達すると、このシステムの気体圧力が高くなり、システム１１２内の液体がその上部にあるシステムに向かってさらに上昇する。この上昇は、液体が第１システムに達し、ここに滞留（１１３）するまで連続して生じる。即ち、連続流である。第１システムの圧力が一定に維持されている場合には、連続流が伴うこの連続減圧は終わることはない。
【００１８】
第１システム１１２内に発生した減圧が十分大きく、最後のシステム１１５内の圧力が臨界圧力に等しくなると、各システムｉに含まれる気体の圧力Ｐｉは、以下の式によって記述でき、評価できる。
（式６）
ただし、ｉはシステムの降順ランクであり、Ｐｅｘは第１システムに作用する絶対圧力である。
第１システム１１２に発生した減圧Ｐｅｘに対して、最大ｎ個の熱力学的システムを直列に配置しているため、最後のシステムの気体の圧力は、以下の式を使用して計算できるように、臨界圧力Ｐｃに等しくなる。
（式７）
【００１９】
方程式（７）によると、直列に設置するシステムの数は、角度αが９０度に、即ち垂直位置に近くなるほど、一定になる傾向がある。ｎの大きさは、管容積の二乗、換言すれば、液体の質量ｍの制限を受ける。これは、管内の水を上昇させるために仕事（−ｍｇｈ）を行う必要があるからである。
ところが、角度αがゼロに近くなると、システムの個数ｎがプラス無限に近くなる。換言すれば、水平面、即ち地面にそってこのシステムを設置した場合、システムの長さがプラス無限になることを意味する。このシステムは、液体をある一点から別な点に移すための理想的なパイプラインになることを意味する。摩擦を原因とする圧力損は無視でき、ゼロと考えることができる。特にこれら圧力損は、各システムの管１０６全体にそって発生する圧力損のみに限定されるため、これら圧力低下が加わることはない。これは、図５に示すように、装置の長さを途方もなく長くできることを意味する。管の設計レイアウトは、システムに影響しない。例えば図６に示すように、管は各種の形態のものを利用できる。
このため、直列配置のシステムの全数が分かると、最後のシステムに臨界圧力Ｐｃを発生させるために第１システム１１２につくり出さなければならない減圧ＰｅｘＲを下記の式から計算することができる。
（式８）
連続流の条件は、貯水池が液体１１６上の圧力と最後のシステム１１５内部の気体圧力との間の圧力差に依存するところまで続く。この圧力差は、液体１２５が管１１７の最も高い位置まで上昇し、ここから最後のシステム１１５に溢れ出すほど大きくなければならない。
【００２０】
従って、このシステムを連続運転するためには、気体１１０の圧力が沸騰圧力よりも高くなければならないことを認識することが重要である。この圧力未満になると、溶存気体が気化し、第１システムの隣接システムの圧力差を構成することになる。このため、液相から出る気体が液体上部の気体の圧力を高くし、このため自律的な連続減圧を達成することができなくなる。臨界圧力Ｐｃと第１システムの圧力Ｐｅｘは、沸騰圧力以上であることが絶対条件である。水の場合、５０℃における沸騰圧力でさえ十分低く（０．１２３バール）、５〜１４０℃の全範囲について以下の式から推定することができる。
（式９）
なお、Ｔはランキンスケール温度であり、Ｐｓａｔは大気中の飽和圧力である。
【００２１】
従って、図５の装置を用いると、自律的な連続減圧を行い、次に自律的な連続流れを行うことができる。外部システムが液体を失わず、また第１システム１１２内につくられた減圧が一定である限り、この運動は永久運動である。現実にこれを実現するには、真空ポンプをシステム１１２に接続する。流れは連続的になる。真空ポンプを利用することは、（電気エネルギーまたは機械エネルギーなどの）外部エネルギー源を利用することを意味する。
従って、システムの連続運転、即ちシステムの永久運転を確保するためにシステム１１２内において必要な減圧をつくるために使用するのが、流体メカニクスの良く知られている特性の一つである。ここで、図７に示す装置などの装置について検討する。この装置は、液体を高さ１１９まで充填したパイプで構成する。ここで液体の自由面の上には、外界の気体の周囲圧力に等しければよい通常の圧力が作用している。パイプのドレインオリフィス１２２は弁１２１によって閉じられている。弁１２１を開くと、水がその自重により流れる。この流れが生じると、膨張作用ではあるが、水の流れによる強制的な膨張作用の場合と同様に、気体１２３の容積が大きくなる。この結果、気体１２３の圧力が低くなる。図８に示すように、図７の延長部分１２４を図５の第１システム１１２に接続すると、気体１２３が減圧し、第１システム１１２で必要になる圧力が低くなり、自律的な連続減圧を実現できる。さらに、システム１１２におけるこの圧力Ｐｅｘが方程式８によって記述される圧力に等しくなると、自律的な連続減圧に自律的な連続流れが続くことになる。
【００２２】
また、以下の式によって記述される最小ヘッドまたは高さで開口１２２を流れる流れが停止する。
（式１０）
なお、Ｐａｔｍは、大気に開いているシステム内の大気圧に対応する外部圧力である。システム１１２の基部１２５で延長部分１２４を接続すると、連続流れにより液面が上昇するため、図７の運動カラムの延長部分１２４に液体が流れることになる。液面が最小の高さに低下したときに、またはタップ１２２で流れが停止するヘッドＨｍｉｎに達したときに、気体圧力Ｐｅｘが自律的な連続減圧および自律的な連続流れを実現するために必要な圧力ＰｅｘＲに等しくなるように、この運動カラムの高さは相当高く設定されている必要がある。
自律的な連続圧縮
【００２３】
また、自律的な連続減圧の原理を利用する上記と同じシステムを利用する場合には、自律的な連続圧縮をつくり出せばよい。これを実現するために必要なことは、ポンプを十分な深さまで水中に沈め、液体上部に存在する気体を圧縮することである。ここでキーとなることは、圧縮を行って、外部圧力または周囲圧力に対して圧力差をつくり出すことである。圧縮が起こると同時に、またより低い圧力では液体がその上にあるシステムに対して開いているため、圧縮されている気体が仕事を行い、システム内の液体が上昇して上にある区画室に流れ込む。水中にある部分を介して液体が侵入することによって気体の圧縮が生じる。このように液体がシステムに流れ込むと、空気の容積が小さくなり、圧力が高くなる。圧縮圧力は、ポンプが沈んでいる液体の流体水力学的圧力またはヘッドに等しくなる。図１３は、自律的な連続圧縮モード状態にあるポンプ作用を示す図である。気体が受け取り、かつ行う全仕事は以下の式によって記述することができる。
（式１１）
ただし、Ｐｈは液中浸漬時の流体水力学的圧力であり、ｄｖｈは圧縮されている気体の容積であり、Ｐは延長後の気体の圧力であり、ｄｖは膨張時に気体が獲得する容積であり、そしてｄＶは分離され、Ｐｈが作用しているシステムに存在している気体の容積の全変化である。
方程式１１を解くと、各システム内において自律的な連続圧縮が生じている間の気体の圧力を流体水力学的圧力Ｐｈとして記述する以下の式が得られる。この式は液体が管の最も高い位置ｈｔまで上昇するために必要な圧力を表す。
（式１２）
自律的な連続圧縮システムでは、運動カラムは必要ない。システムと外界との間に十分な圧力差が生じるため、ポンプ浸漬深さが十分な深さになって連続圧縮が生じたときに、流れが連続化する。圧縮圧力が１バール未満にあるか等しいときに、方程式１２が有効になる。これ以上の圧力では、圧縮が完全気体法則に従う前提が成立しなくなる。他のパラメーターも関与する実際の気体の影響については、考慮する必要がある。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
掘削孔および井戸
本発明は水の分野に適用できる。本発明は、水を産生するために現在利用されているすべての汲み上げシステムの代わりに使用できる。本発明システムが実現できる深さは、数百メートルを超える。この実施態様を簡略化して図９に示す。運動カラムは水源に対応する。この運動カラムのヘッド高さについては、タップ１２８を開いたときに、減圧および連続流れを開始するために必要な条件を満足するように設計する必要がある。水を産生する帯水層１２９の帯水量が十分大きい場合には、水源１２７のヘッド高さを高くできるため、十分な圧力ヘッドを確保できる。タップ１２８の代わりに、一連の給水栓を使用すれば、多くの人に同時に給水することができる。このポンプの設計の場合、掘削孔や井戸が枯渇することを避けるように、帯水層１２９から汲みあげる最大速度を考慮する必要がある。従って、ポンプの汲み上げ速度を、水が井戸や掘削孔に流れ込んでくる最大速度未満に設定する必要がある。このポンプを使用すると、地面から高さＨで設置した給水タワーに直接水を満たすことがきる。この場合に必要なことは、タップ１２８が水を直接タワーに送り込むことができる高さまでポンプを井戸から引き揚げておくことである。貯水池を用意しておきたいという考えは別にすれば、このポンプはタワーなしでも運転可能である。また、村落や各町の給水設備に直接送り出すことができる。制限ファクターは、帯水層への水の流入速度である。
自律的な電気産生
【００２５】
本発明ポンプは、従来技術に関する項で説明した閉鎖系水力発電所に関する不可能な問題を解決するものである。このポンプは、水を地面より高い高さまで汲み上げるために外部エネルギーを必要としない。従って、水力電気エネルギー産生システムを図１０に示すようにループ系として創り出すことができる。この装置は、水１３９を貯めた貯水槽１３８から構成する。内部に自律的な連続減圧ポンプ１３１を設置し、その上を水を容れた運動カラム１３２で覆う。集水パイプ１３３によって運動カラムを貯水槽に接続する。この集水パイプの端部にタービン１３４を接続し、タービン１３４を交流発電機に接続する。電気ケーブル１３６を交流発電機に接続する。弁１４０を開くと、運動カラム１３２から水が集水パイプ１３３に流れ込み、タービンを回転駆動し、次に交流発電機を駆動し発電する。運動カラム内の水の量が減ると、気体１４１が水面上に流れる。これが膨張するため、減圧が発生し、ポンプ１３１で減圧および連続流れの現象が生じる。ここでポンプが貯水槽１３８から水を吸い込み、これを運動カラムに移送する。従って、永久流れが生じ、タービン１３４を終わることなく駆動する。
【００２６】
本システムの設計は、この閉鎖系水力発電所の運転に必要な条件を満足する必要がある。このようなシステムが発電する電力は、以下の関係式によって記述できる。
（式１３）
（式１４）
なお、Ｑは流量であり、ｈは落下水の有効ヘッド高さであり、そしてＨはタービン１３４のシャフトに対する運動カラム内の水のヘッド高さ１４２である。このタイプの発電所は、任意の規模で、即ち住宅を対象とする小さな規模から町を対象とする大きな規模で建設できる。方程式１３によれば、電力は落下水のヘッド高さｈおよび流量Ｑに依存する。これら２つのパラメーターについては設計者が制御でき、従って、流量およびヘッド高さを調節することによって可能な量の電力を発電できるシステムを建設できる。流量Ｑを増加させるためには、図１１に示すように、いくつかの自律的な連続減圧ポンプを並列配置することを考えればよい。この場合、方程式１３は以下の式になる。
（式１５）
なお、ｋは連続ポンプの並列配置数である、そしてＱｊは各ポンプの流量である。
液体移送パイプライン
【００２７】
各システムにおける減圧を記述する方程式（式６）の場合、傾きがポンプの性能に大きな影響を与える。角度αがゼロに近づくと、即ち水平面に近づくと、ポンプを構成するすべての熱力学的システムにおける減圧が同じになる。これは、自律的な連続減圧を使用すると、外部エネルギーを与えなくても、液体を長距離移送できる事実と同義である。この特性のために、本発明は大面積の灌漑に利用することができる。また、人口密集地での配水だけでなく、水ではない他の流体も分配することができる。このため、水資源管理が簡易化される。図１２に、垂直面から水平面への切り替えの構成を示す。
芸術作品の創造
【産業上の利用可能性】
【００２８】
以上の本発明の原理は公共的な自律噴水、あるいは各種の芸術作品の創造にも適用可能である。
【符号の説明】
【００２９】
Ａ、Ｂ：区画室
１００：ピン
１０１：プラグ
１０３：容積
１０４：プラグ
１０５：弁
１０６：管
１０７：非圧縮性液体
１１０：気体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自律的な連続減圧および／または圧縮の原理に、そして流体を自律的に移送できるシステムに基づくことを特徴とする流体の移送方法。
【請求項２】
水中ポンプまたは機械式ピストンをもたない請求項１に記載の流体の移送方法。
【請求項３】
外界に対して仕事を行う閉鎖系システムに閉じ込めた気体の膨張作用を利用し、該気体が、外界の圧力に関連して減圧または加圧圧力のいずれかの状態にある請求項１又は２に記載の移送方法。
【請求項４】
一つの独立したモジュールと考えられる前記システムの一つの区画室に発生した前記減圧または前記圧縮により前記流体を該モジュールの別な区画室に移すことを特徴とする請求項１又は２に記載の移送方法。
【請求項５】
それぞれ独立した装置またはモジュールを上下に積層配設することからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流体の移送方法。
【請求項６】
上下に積層配設できる装置の個数ｎが、前記システムと水平面との間の角度αに依存することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の移送方法。
【請求項７】
角度αが９０度の場合に、ｎが管の容積の二乗の関数であることを特徴とする請求項４又は５に記載の移送方法。
【請求項８】
角度αがゼロに等しい場合、即ち水平面である場合、ｎが無限に近付くことを特徴とする請求項４又は５に記載の移送方法。
【請求項９】
真空ポンプを利用することによって減圧圧力を一定に維持できることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流体の移送方法。
【請求項１０】
水を入れたカラムからなり、そして開くと減圧圧力を発生させる弁によって閉じられる装置によって前記減圧をつくり出し、そしてこの同じ減圧圧力をパイプによって他のより遠い位置にある区画室にリレーできるようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の連続流れによって水を移送する方法。
【請求項１１】
前記運動カラムの代わりに、前記システムを前記液体に部分的に沈め、自律的な連続流れをつくり出すために必要な前記圧力を供給することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の連続流れによって水を移送する方法。
【請求項１２】
前記流体によりタービンを回転駆動することを特徴とする請求項１、２、３、４、７又は１０のいずれか一項に記載の流体移送システム。
【請求項１３】
水力電気エネルギーまたは水力学的エネルギーの産生に使用する請求項１、２、３、４、７又は１０のいずれか一項に記載の流体移送システム。
【請求項１４】
貯水のための貯水池、一つ以上の自律的な連続ポンプ、運動カラム、集水パイプおよびタービンからなることを特徴とする請求項１、２、３、４、７、１０又は１３のいずれか一項に記載の水力発電力の産出を目的とした移送システム。
【請求項１５】
連続ポンプを使用して流体を長距離移送できるように使用することを特徴とする請求項１、２、３、４、７又は１０のいずれか一項に記載の流体移送システム。
【請求項１６】
掘削孔または井戸から飲料水を給水するために、あるいは表面移送に使用することを特徴とする請求項１、２、３、４、７又は１０のいずれか一項に記載の移送システム。
【請求項１７】
農業分野における灌漑に使用することを特徴とする請求項１、２、３、４、７又は１０のいずれか一項に記載の移送システム。
【請求項１８】
芸術作品および装飾作品を創造するために使用することを特徴とする請求項１、２、３、４、７又は１０のいずれか一項に記載の移送システム。
【請求項１９】
産生した前記電力を車両の地上、海面または空中走行に使用することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１】
自律的な連続減圧および／または圧縮の原理に、そして流体を自律的に移送できるシステムに基づくことを特徴とする流体の移送方法。
【請求項２】
水中ポンプまたは機械式ピストンをもたない請求項１に記載の流体の移送方法。
【請求項３】
外界に対して仕事を行う閉鎖系システムに閉じ込めた気体の膨張作用を利用し、該気体が、外界の圧力に関連して減圧または加圧圧力のいずれかの状態にある請求項１又は２に記載の移送方法。
【請求項４】
一つの独立したモジュールと考えられる前記システムの一つの区画室に発生した前記減圧または前記圧縮により前記流体を該モジュールの別な区画室に移すことを特徴とする請求項１又は２に記載の移送方法。
【請求項５】
それぞれ独立した装置またはモジュールを上下に積層配設することからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流体の移送方法。
【請求項６】
上下に積層配設できる装置の個数ｎが、前記システムと水平面との間の角度αに依存することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の移送方法。
【請求項７】
角度αが９０度の場合に、ｎが管の容積の二乗の関数であることを特徴とする請求項４又は５に記載の移送方法。
【請求項８】
角度αがゼロに等しい場合、即ち水平面である場合、ｎが無限に近付くことを特徴とする請求項４又は５に記載の移送方法。
【請求項９】
真空ポンプを利用することによって減圧圧力を一定に維持できることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流体の移送方法。
【請求項１０】
水を入れたカラムからなり、そして開くと減圧圧力を発生させる弁によって閉じられる装置によって前記減圧をつくり出し、そしてこの同じ減圧圧力をパイプによって他のより遠い位置にある区画室にリレーできるようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の連続流れによって水を移送する方法。
【請求項１１】
前記運動カラムの代わりに、前記システムを前記液体に部分的に沈め、自律的な連続流れをつくり出すために必要な前記圧力を供給することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の連続流れによって水を移送する方法。
【請求項１２】
前記流体によりタービンを回転駆動することを特徴とする請求項１、２、３、４、７又は１０のいずれか一項に記載の流体移送システム。
【請求項１３】
水力電気エネルギーまたは水力学的エネルギーの産生に使用する請求項１、２、３、４、７又は１０のいずれか一項に記載の流体移送システム。
【請求項１４】
貯水のための貯水池、一つ以上の自律的な連続ポンプ、運動カラム、集水パイプおよびタービンからなることを特徴とする請求項１、２、３、４、７、１０又は１３のいずれか一項に記載の水力発電力の産出を目的とした移送システム。
【請求項１５】
連続ポンプを使用して流体を長距離移送できるように使用することを特徴とする請求項１、２、３、４、７又は１０のいずれか一項に記載の流体移送システム。
【請求項１６】
掘削孔または井戸から飲料水を給水するために、あるいは表面移送に使用することを特徴とする請求項１、２、３、４、７又は１０のいずれか一項に記載の移送システム。
【請求項１７】
農業分野における灌漑に使用することを特徴とする請求項１、２、３、４、７又は１０のいずれか一項に記載の移送システム。
【請求項１８】
芸術作品および装飾作品を創造するために使用することを特徴とする請求項１、２、３、４、７又は１０のいずれか一項に記載の移送システム。
【請求項１９】
産生した前記電力を車両の地上、海面または空中走行に使用することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公表番号】特表２０１２−５１８１１７（Ｐ２０１２−５１８１１７Ａ）
【公表日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５５００８３（Ｐ２０１１−５５００８３）
【出願日】平成２２年１月１９日（２０１０．１．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＯＡ２０１０／０００００１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０９３２６７
【国際公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（５１１１９６５１５）
【氏名又は名称原語表記】ＤＪＥＲＡＳＳＥＭ，Ｌｅ Ｂｅｍａｄｊｉｅｌ
【住所又は居所原語表記】ＢＰ ５４１３，Ｎ’Ｄｊａｍｅｎａ Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｃｈａｄ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１９日（２０１０．１．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＯＡ２０１０／０００００１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０９３２６７
【国際公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（５１１１９６５１５）
【氏名又は名称原語表記】ＤＪＥＲＡＳＳＥＭ，Ｌｅ Ｂｅｍａｄｊｉｅｌ
【住所又は居所原語表記】ＢＰ ５４１３，Ｎ’Ｄｊａｍｅｎａ Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｃｈａｄ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]