特許 6841422 液体輸送システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6841422

(24)【登録日】2021年2月22日

(45)【発行日】2021年3月10日

(54)【発明の名称】液体輸送システム

(51)【国際特許分類】

   F04F 1/06 20060101AFI20210301BHJP

【ＦＩ】

   F04F1/06 J

   F04F1/06 G

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-94033(P2017-94033)

(22)【出願日】2017年5月10日

(65)【公開番号】特開2018-189052(P2018-189052A)

(43)【公開日】2018年11月29日

【審査請求日】2020年3月2日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成２８年１１月１１日、一般社団法人日本機械学会発行の日本機械学会流体工学部門講演会講演論文集にて発表、該当番号 ＧＳ３１（ＵＳＢメモリーの配布） 平成２８年１１月１３日、一般社団法人日本機械学会、第９４期流体工学部門講演会にて発表

(73)【特許権者】

【識別番号】509262345

【氏名又は名称】岩永 正裕

(74)【代理人】

【識別番号】110000420

【氏名又は名称】特許業務法人エム・アイ・ピー

(72)【発明者】

【氏名】岩永 正裕

【審査官】 松浦 久夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５１−０９７００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０１２３９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０５０５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国実用新案第２０３２３９６４８（ＣＮ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｆ１／００−９９／００

Ｆ１６Ｋ３１／１２−３１／１６５

Ｆ１６Ｋ３１／３６−３１／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体を高所に輸送するための液体輸送システムであって、
輸送の対象となる対象液体を貯留するための開放容器である液体供給容器と、
前記対象液体を高所において回収するための開放容器である液体回収容器と、
前記対象液体が液柱の状態で移動可能な３本の細管であって、後端が前記液体供給容器の底部に接続され、先端が該液体供給容器の底部より鉛直方向下方に配置されるＴ字状の合流管の横棒部の一端に接続される液体供給管、後端が該合流管の縦棒部に接続され、先端が前記液体回収容器に接続される液体輸送管、および、該合流管の該横棒部の他端に接続される給気管と、
前記給気管に接続され、前記液体輸送管に対して一定圧の微小流量の空気を連続供給するための空気供給手段と
を含み、
前記空気供給手段は、
前記液柱が移動の過程で分断されることなく一定の速度で移動するように、微小流量の空気を定量供給し、
前記給気管には、逆止弁が設けられる、
液体輸送システム。

【請求項2】

前記液体輸送管は、
前記合流管から鉛直方向下方に延びた後に、Ｕターンする形で鉛直方向上方に延びて前記液体回収容器に接続されるように配管される、
請求項１に記載の液体輸送システム。

【請求項3】

前記液体供給管の後端部ならびに前記液体輸送管の両端部にオリフィスが設けられる、
請求項１または２に記載の液体輸送システム。

【請求項4】

前記空気供給手段は、
前記給気管が接続される第１の密閉容器と、
前記第１の密閉容器に微細内径を持つ抵抗管を介して接続される第２の密閉容器と、
前記第２の密閉容器に接続される所定量の液体が貯留される開放容器と
を含み、
前記開放容器は、
前記第１の密閉容器に前記一定圧の正圧力が生じるように、前記第２の密閉容器よりも鉛直方向上方に配置される、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体輸送システム。

【請求項5】

前記空気供給手段は、
前記給気管が大気開放となったことに応じて、前記第２の密閉容器から前記第１の密閉容器への空気の流入を自動的に遮断する自動開閉バルブを備え、
前記自動開閉バルブは、
上部が開放された中空円柱状の開放容器と、該開放容器の内部に摺動自在に保持される円柱状のシリンダーとを含み、該開放容器の下部底面と前記給気管が細管で接続され、該開放容器の側面と前記第１の密閉容器が微細内径を持つ抵抗管を介して第１の細管で接続され、該開放容器の側面と前記第２の密閉容器が第２の細管で接続されており、
前記シリンダーが鉛直方向下方に下がりきったときに、前記第２の細管の出口と前記第１の細管の入口が該シリンダーの外周側面によって塞がれ、且つ、該シリンダーが鉛直方向上方に上がりきったときに、該第２の細管の出口と該第１の細管の入口が連通するように、該シリンダーの外周側面にリング状の切り欠き部が形成されている、
請求項４に記載の液体輸送システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体輸送システムに関し、より詳細には、任意の液体を高所に輸送するための液体輸送システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、電動ポンプを使用して水を高所に輸送する揚水装置が広く用いられている（例えば、特許文献１）。

【0003】

しかしながら、従来の揚水装置は、電動ポンプを駆動するために膨大な電気エネルギーを必要とするものであった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１１−３２４９７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、電気エネルギーを用いない小動力によって、任意の液体を高エネルギー効率で高所に輸送することができる液体輸送システム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】

【0006】

本発明者は、電気エネルギーを用いない小動力によって、任意の液体を高エネルギー効率で高所に輸送するための液体輸送システムにつき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。

【0007】

すなわち、本発明によれば、液体を高所に輸送するための液体輸送システムであって、輸送の対象となる対象液体を貯留するための開放容器である液体供給容器と、前記対象液体を高所において回収するための開放容器である液体回収容器と、前記対象液体が液柱の状態で移動可能な３本の細管であって、後端が前記液体供給容器に接続され、先端がＴ字状の合流管の横棒部の一端に接続される液体供給管、後端が該合流管の縦棒部に接続され、先端が前記液体回収容器に接続される液体輸送管、および、該合流管の該横棒部の他端に接続される給気管と、前記給気管に接続され、前記液体輸送管に対して一定圧の微小流量の空気を連続供給するための空気供給手段とを含み、前記空気供給手段は、前記液柱が移動の過程で分断されることなく一定の速度で移動するように、微小流量の空気を定量供給する、液体輸送システムが提供される。

【発明の効果】

【0008】

上述したように、本発明によれば、電気エネルギーを用いない小動力によって、任意の液体を高エネルギー効率で高所に輸送することができる液体輸送システムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態の液体輸送システムの模式図。

【図2】本実施形態の液体輸送システムの模式図。

【図3】本実施形態の液体輸送システムの模式図。

【図4】本実施形態の液体輸送システムの模式図。

【図5】対象液体が２つの液柱に分断された状態を拡大して示す図。

【図6】本実施形態の液体輸送システムの模式図。

【図7】本実施形態の液体輸送システムの模式図。

【図8】本実施形態の液体輸送システムの模式図。

【図9】本実施形態の液体輸送システムの模式図。

【図10】自動開閉バルブの機構を説明するための図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。

【0011】

図１は、本発明の実施形態である液体輸送システム１００の構成を示す模式図である。本実施形態の液体輸送システム１００は、任意の液体を高所に輸送するためのシステムであり、図１に示すように、液体供給容器１０と、液体回収容器２０と、液体供給管３０と、液体輸送管４０と、給気管５２と、空気供給手段５０とを含んで構成されている。

【0012】

液体供給容器１０は、輸送の対象となる液体（以下、“対象液体”という）を貯留するための容器であり、開放容器として構成される。ここで、開放容器とは、貯留された液体の液面の圧力を大気圧に維持する容器を意味する（以下、同様）。

【0013】

液体回収容器２０は、対象液体を高所において回収するための容器であり、開放容器として構成される。なお、液体回収容器２０の底部には、バルブ２４を介して排液管２２が接続されている。

【0014】

液体供給管３０は、その後端がバルブ１２を介して液体供給容器１０の底部に接続され、その先端がＴ字状の合流管３５の横棒部の一端に接続される。ここで、液体供給管３０は、Ｕ字状の屈曲部Ｕ１を備えており、液体供給容器１０の底部から鉛直方向下方に延びた後に、Ｕターンする形で鉛直方向上方に延び、その後、略水平に延びて合流管３５に接続するように配管される。なお、本実施形態では、対象液体の移動速度の急増を防止するために、液体供給管３０の後端部（バルブ１２の下流側）にオリフィス３２が設けられる。なお、本実施形態において、“オリフィス”とは微細内径を持つ抵抗管を意味する（以下、同様）。

【0015】

液体輸送管４０は、対象液体の輸送距離に応じた長さを有しており、その後端が合流管３５の縦棒部に接続され、その先端が液体回収容器２０の上部側面に接続される。ここで、液体輸送管４０は、Ｕ字状の屈曲部Ｕ２を備えており、合流管３５から鉛直方向下方に延びた後に、Ｕターンする形で鉛直方向上方に延びて液体回収容器２０に接続されるように配管される。なお、本実施形態では、対象液体の移動速度の急増を防止するために、液体輸送管４０の後端部および先端部に、それぞれ、オリフィス４２およびオリフィス４４が設けられる。

【0016】

給気管５２は、その後端が空気供給手段５０に接続され、その先端が合流管３５の横棒部の他端（液体供給管３０に対向する端）に接続される。なお、給気管５２には、空気供給手段５０に対象液体が流入するのを防止するために逆止弁５４が設けられる。

【0017】

本実施形態では、上述した液体供給管３０、液体輸送管４０および給気管５２は、いずれも、対象液体が液柱の状態で移動可能な細管として構成される。すなわち、これら３本の細管は、いずれも、管内に導入された対象液体を液柱の状態に維持することができる程度の微小径を有しており、対象液体が水の場合、細管の内径は、2.5mm以下とされることが好ましい。

【0018】

空気供給手段５０は、液体輸送管４０に導入された対象液体の液柱の後端側空間に対して、一定圧の微小流量の空気を連続供給するための手段である。本実施形態では、空気供給手段５０から給気管５２を介して液体輸送管４０に一定圧の微小流量の空気が供給されることにより、空気に押し上げられる形で対象液体の液柱が鉛直方向上方に等速移動する。ここで、空気供給手段５０が供給する空気の圧力は、液体輸送管４０の管内を移動する液柱のヘッド、粘性による圧力損失および表面張力による圧力抵抗の総和に相当し、液柱の移動速度は、液体輸送管４０に供給される空気の流量によって決まる。

【0019】

ここで、液体輸送管４０を移動する液柱の速度がある限界値（以下、限界移動速度という）を超えると、管内で液柱が細かな液滴に分断し、その場合、１個の水滴あたり約15mmaqの圧力抵抗が表面張力によって発生するので、対象液体の輸送が不可能になる。この点、本実施形態における空気供給手段５０は、液柱が限界移動速度を超えない一定の速度（液柱が移動の過程で分断しないような速度）で管内を移動するように、一定流量の空気を液体輸送管４０に連続供給する。

【0020】

なお、液体輸送管４０の内径が小さくなるほど、あるいは、対象液体の表面張力が大きくなるほど、液柱の限界移動速度は大きくなり、内径2.5mmの液体輸送管４０で水を輸送する場合には、秒速３０ミリ程度の速度で水柱を輸送することが可能となる。

【0021】

上述した空気供給手段５０の実装方法として、圧縮空気を蓄える圧力タンクからレギュレータを介して液体輸送管４０に一定圧の微小流量の空気を供給させる方法が考えられるが、この方法では、圧力タンクとレギュレータで大きなエネルギー損失が発生するため、全体のエネルギー効率が低下する。この点、図１に示す空気供給手段５０は、最小限のエネルギー損失で、液柱に対して一定圧の微小流量の空気を連続的に供給することができる。

【0022】

ここで、空気供給手段５０は、給気管５２が接続される密閉容器６０と、密閉容器６０に細管６２を介して接続される密閉容器７０と、密閉容器７０の底部に配管７６を介して接続され、所定量の液体が貯留される開放容器８０とを含んで構成されている。なお、細管６２は、上述した液体供給管３０、液体輸送管４０および給気管５２と同様の内径を持つ細管であることが望ましく、配管７６は、細管である必要はない。また、開放容器８０に貯留される液体の種類は任意であり、対象液体と同じであって、異なっていてもよい。

【0023】

ここで、開放容器８０は、密閉容器７０よりも鉛直方向上方に配置されており、開放容器８０に貯留される液体が重力の作用で配管７６を通って密閉容器７０に導入されることで、密閉容器７０の上部空間に一定の空気圧Ｐが生じるようになっている。ここで、開放容器８０の液面と密閉容器７０の液面の離間距離をＨとし、液体の密度をρとし、重力加速度をｇとすると、密閉容器７０の上部空間に空気圧Ｐ＝ρｇＨが生じることになる。なお、本実施形態においては、ここでいう空気圧Ｐを、液体輸送管４０が一度に輸送する対象液体の液柱の抵抗力（液柱のヘッド、粘性による圧力損失および表面張力による圧力抵抗の総和）と釣り合う空気圧ｐ（ｐ＜Ｐ）の１．５倍以下にすることが望ましく、１．２倍程度とすることが好ましい。

【0024】

一方、密閉容器６０は、密閉容器７０と給気管５２の間に介在して、給気管５２側の空気圧の上昇を遅延させるための手段である（詳細については後述する）。密閉容器６０は、透明容器として構成され、その内部には所定容積の上部空間を残す形で所定量の液体が貯留されており、細管６２の先端部が貯留された液体の中に配置され、密閉容器６０と密閉容器７０を接続する細管６２にはバルブ７２が設けられている。ここで、密閉容器６０は、合流管３５または液体輸送管４０に対象液体が存在しているときに密閉状態となる一方で、合流管３５および液体輸送管４０のいずれにも対象液体が存在していないときに大気開放となる。なお、密閉容器６０に貯留される液体の種類は任意であり、対象液体と同じであって、異なっていてもよい。

【0025】

一方、本実施形態では、密閉容器７０と密閉容器６０を接続する細管６２に微細内径を持つ抵抗管６４が設けられる。ここで、抵抗管６４は、密閉状態となった密閉容器６０の上部空間に、液体輸送管４０が一度に輸送する対象液体の液柱の抵抗力（液柱のヘッド、粘性による圧力損失および表面張力による圧力抵抗の総和）と釣り合う空気圧ｐ（ｐ＜Ｐ）が生じ、且つ、当該液柱の移動速度が限界移動速度を超えない範囲で微小流量の空気が定量供給されるように、その粘性損失が設計されている。同時に、抵抗管６４は、密閉容器６０の大気開放時に、密閉容器７０から密閉容器６０へ流入する空気流量の急増を防止することで、エネルギー効率の低下を防止する役割を果たす。

【0026】

ここで、密閉容器７０の上部空間の空気圧Ｐと密閉容器６０の上部空間の空気圧ｐの差分は、抵抗管６４の粘性損失として失われてしまうため、エネルギー効率の観点から、空気圧Ｐをできるだけ空気圧ｐに近づけることが好ましいが、ある限度を超えて、空気圧Ｐを小さくしすぎると、密閉容器６０が大気開放となったときの空気流量が大きくなり却ってエネルギー効率が低下する。

【0027】

この点につき、本実施形態では、エネルギー効率を最大化する空気圧Ｐの最適値を計算によって求めた上で、求めた空気圧Ｐから開放容器８０を設置する高さ（すなわち、図１に示す離間距離Ｈ）を逆算により求める。

【0028】

以上、本実施形態の液体輸送システム１００の構成を説明してきたが、続いて、液体供給容器１０に貯留された対象液体が液体回収容器２０に回収されるまでの流れを順を追って説明する。

【0029】

図１に示すように、液体輸送の開始前の段階では、４つのバルブ（１２，２４，７２，７４）は全て閉じられており、密閉容器７０の上部空間は空気圧Ｐに維持されている。

【0030】

液体輸送の開始にあたって、図２に示すように、バルブ１２とバルブ７２を開放する。バルブ１２の開放に伴って、液体供給容器１０から液体供給管３０の管内へ導入された対象液体は、重力の作用で、液体供給管３０の管内をゆっくりと移動して合流管３５に向かう。なお、このとき、オリフィス３２の作用で、対象液体の移動速度の急増が防止される。

【0031】

一方、バルブ７２の開放に伴って、密閉容器７０の上部空間の空気が細管６２を通って密閉容器６０内の液体の中に気泡として放出される。この間、開放容器８０に貯留された液体は配管７６を介して密閉容器７０に供給され続けるため、密閉容器７０の上部空間の空気圧Ｐが維持される。この段階では、密閉容器６０の上部空間は、給気管５２、合流管３５および液体輸送管４０を経て液体回収容器２０（開放容器）に連通しているため、大気開放となっている。なお、本実施形態では、密閉容器６０が透明容器となっているので、空気（気泡）の導入状態を目視で確認することで、液体輸送管４０の途中で液柱が停止して動かなくなったといった異常の発生を下方において検知することが可能になる。

【0032】

その後、図３に示すように、対象液体は、合流管３５を経て給気管５２に侵入するが、逆止弁５４の作用で、給気管５２の後端側に少しだけ侵入した状態で停止する。一方、対象液体は、合流管３５を経て液体輸送管４０にも導入され、オリフィス４２の作用で、鉛直方向上方に向かってゆっくりと上昇する。その後、液体輸送管４０を上昇する対象液体は、その先端位置が液体供給容器１０の液位Ｗ１に等しくなった時点で上昇を停止する。

【0033】

一方、合流管３５が対象液体によって塞がれた時点で、密閉容器６０は密閉状態となるため、密閉容器７０から細管６２を介して空気が導入されることにより、密閉容器６０の上部空間およびこれに連通する給気管５２の管内の空気圧が上昇しはじめる。この空気圧の上昇速度は、密閉容器６０の上部空間の容積の大きさに応じて決まるため、本実施形態では、密閉容器６０が密閉状態となってから対象液体の先端が液位Ｗ１に到達するまでの時間Ｔの間、密閉容器６０の上部空間の空気圧が、液位Ｗ１と合流管３５の高低差によって生じる液圧よりも大きくならないように、密閉容器６０の上部空間の容積を適切な大きさに設計する。ここで、理論的には、密閉容器６０の上部空間の容積の最小値は、液体輸送管４０の断面積に比例し、内径2.5mmの液体輸送管４０で水を輸送する場合、その最小値は52cm³となる。

【0034】

密閉容器６０は密閉状態となった後、上述した時間Ｔが経過すると、密閉容器６０の上部空間およびこれに連通する給気管５２の空気圧が、液位Ｗ１と合流管３５の高低差によって生じる液圧よりも大きくなり、給気管５２に侵入していた対象液体が液体供給管３０側に少しずつ押し戻される。その結果、図４に示すように、対象液体が合流管３５を境に２つの液柱（液柱Ｌ１、液柱Ｌ２）に分断される。

【0035】

図５（ａ）は、対象液体が合流管３５を境に２つの液柱（液柱Ｌ１、液柱Ｌ２）に分断された状態を拡大して示す。その後、密閉容器６０の上部空間およびこれに連通する給気管５２の空気圧が、液柱Ｌ１の先端と後端の高低差ｈ１によって生じる液圧よりも大きくなると、図５（ｂ）に示すように、液体輸送管４０の屈曲部Ｕ２を占めている液柱Ｌ１の後端が鉛直方向下方に押し下げられ、最下位に達する。

【0036】

液柱Ｌ１の後端が屈曲部Ｕ２の最下位に達した時点で、密閉容器６０の上部空間およびこれに連通する給気管５２の空気圧は、液柱Ｌ１の先端と後端の高低差ｈ２（ｈ２＞ｈ１）によって生じる液圧に等しくなるため、液体供給管３０に残っていた液柱Ｌ２がさらに上流側に押し戻されることになる。つまり、本実施形態では、液体輸送管４０の屈曲部Ｕ２の存在により、液柱Ｌ１が液体輸送管４０を上昇し始めるときに、液柱Ｌ２の先端が液柱Ｌ１の後端から十分な距離だけ遠ざけられるので、液柱Ｌ１の分断が起こりにくくなる。

【0037】

その後、密閉容器６０の上部空間およびこれに連通する給気管５２の空気圧がさらに大きくなり、上述した空気圧ｐに達した時点で、液柱Ｌ１の後端に、抵抗力（液柱Ｌ１のヘッド、粘性による圧力損失および表面張力による圧力抵抗の総和）に釣り合う正圧力ｐが作用する。その後、抵抗管６４を経た微小流量の空気が、密閉容器６０および給気管５２を介して液体輸送管４０に定量供給されることにより、図６に示すように、液柱Ｌは、移動の過程で分断されることなく、鉛直方向上方に等速移動する。

【0038】

なお、本実施形態では、液柱Ｌ１が液体輸送管４０を上昇する間、液柱Ｌ２の先端は上流側に大きく押し戻されることになるが、液体供給管３０の屈曲部Ｕ１の最下部が合流管３５の位置より十分に下方に位置しているので、管内の空気が液体供給容器１０に逆流しないようになっている。

【0039】

その後、液柱Ｌ１の先端が液体回収容器２０に到達して、対象液体の回収が始まると、液体輸送管４０中の液柱の長さが減少して、液体輸送管４０の空気圧とのバランスが崩れるが、オリフィス４４の作用で液柱Ｌ１の移動速度の急増が防止されるので、液柱Ｌ１は液滴に分断されることなく、液体回収容器２０の中にゆっくりと回収される。

【0040】

液柱Ｌ１が液体回収容器２０の中に回収されると、液体輸送管４０およびこれに連通する密閉容器６０の上部空間は、再び、大気圧に戻る。その結果、図７に示すように、液体供給管３０に残っていた液柱Ｌ２の先端がオリフィス３２の作用でゆっくりと上昇して合流管３５に再び接近する。その後、液体輸送システム１００は、再び、図２に示す状態となり、以降、上述した過程が繰り返される。その結果、液体供給容器１０に貯留された対象液体が高所に配置される液体回収容器２０に向けて連続的に輸送されることになる。

【0041】

その後、図８に示すように、開放容器８０が空になり、配管７６の管内に残った液柱の後端位置と密閉容器７０の水面の高低差と、液体供給容器１０の水面と合流管３５の高低差とが等しくなった時点で、液体の自動輸送が停止する。液体の自動輸送を再開する場合、本実施形態では、バルブ７２を閉じた上でバルブ７４を開放し、給気管７３から密閉容器７０内に空気を圧入して、密閉容器７０内の液体を開放容器８０の方に移動させる。その後、バルブ７４を閉じた上でバルブ７２を開放すれば、液体の自動輸送が再開する。なお、密閉容器７０への空気の圧入は、随時行うことができ、例えば、自転車用の空気入れなどを用いて人力で行うことができる。

【0042】

なお、上述したサイクルを繰り返すと、液体回収容器２０に対象液体が溜まっていくので、液体回収容器２０の液面が液体輸送管４０の先端部より高くなる前に、適時、バルブ２４を開放して、液体回収容器２０から対象液体を回収することが望ましい。

【0043】

最後に、本実施形態の液体輸送システム１００のエネルギー効率について述べる。

【0044】

液体輸送管４０で1度に輸送する液柱の長さをL、輸送する鉛直方向の高さをH、液体輸送管４０の内径をd、断面積をA(=πd²/4) 、対象液体の表面張力をγ、輸送速度をVとすると、高さHの高所に輸送された液柱が得るエネルギーはρgLAHである。そして、この輸送を実現するために必要な圧力は、ρgL+8γ／d+32μLV／d²である。この式の第２項は表面張力により発生する圧力損失であり、第３項は管摩擦によるエネルギー損失である。したがって、液体輸送系のエネルギー効率ηは、
η=ρgLAH／{(ρgL+8γ／d+32μLV／d²)HA}

=1／{1+8γ／(ρgLd)+32μV／(ρgd²) }
となる。d=0.002m，V=0.01m/sのとき、分母第２項は約0.03/L，分母第３項は約0.008となり、Lが大きいほどエネルギー効率ηは高くなり，L=1mの場合、95%以上の高効率となる。

【0045】

一方、空気供給手段５０のエネルギー損失は、Ｐ＝p×（１＋α）としたとき、
p×α×V×A
となり、給気管５２の大気開放時の流量をqとすると、
p×（１＋α）×q
も損失となる。

【0046】

ここで、αの最適値は、大気開放時間と液柱上昇時間の比βを用いて次式で表わすことができる。
α＝sqrt(β／（１＋β））
例えばβ＝0.1のとき、空気供給系の最大エネルギー効率は約50％となるが、βの値をゼロに近づけることができれば、空気供給系のエネルギー効率を80％程度に保つことが可能になる。そして、液体輸送系のエネルギー効率に空気供給系のエネルギー効率を乗じた値が液体輸送システム１００全体のエネルギー効率となる。

【0047】

以上、説明したように、本実施形態によれば、電気エネルギーを用いない小動力によって、任意の液体を高エネルギー効率で高所に輸送することが可能になる。

【0048】

さらに、本実施形態では、システムのエネルギー効率を最大化するべく、図９に示す構成を採用することができる。

【0049】

図９に示す例では、液体輸送システム１００は、給気管５２が大気開放となったことに応じて、密閉容器７０から密閉容器６０への空気の流入を自動的に遮断する自動開閉バルブ９０を備える。

【0050】

自動開閉バルブ９０は、上部が開放された中空円柱状の開放容器９２と、開放容器９２の内部に保持される円柱状のシリンダー９４とを含んで構成されており、その円柱軸方向が鉛直方向に一致するように配置されている。そして、開放容器９２の下部底面と給気管５２が細管９５で接続され、その側面と密閉容器６０が抵抗管６４を介して細管６２で接続され、その側面と密閉容器７０が細管９６で接続されている。なお、上述した細管６２、９５、９６は、給気管５２と同様の内径を持つ細管であることが望ましい。

【0051】

一方、シリンダー９４は、開放容器９２の内径に略等しい外径と、開放容器９２の容積高さよりも短い高さを有しており、開放容器９２の内部に、その円柱軸方向に摺動自在に保持されている。加えて、シリンダー９４の外周側面には、細管６２、細管９６の内径に略等しい高さを有するリング状の切り欠き部Ｒが形成されている。

【0052】

図９に示すように、給気管５２が大気開放されている状態では、シリンダー９４は、鉛直方向下方に下がりきった状態となる。このとき、図９に示すように、密閉容器７０に連通する細管９６の出口と密閉容器６０に連通する細管６２の入口がシリンダー９４の外周側面で塞がれることにより、密閉容器７０から密閉容器６０への空気の流入が遮断される。

【0053】

その後、図１０（ａ）に示すように、対象液体が合流管３５に達した時点で、給気管５２に連通する細管９５および、これに連通するシリンダー９４の下部空間が密閉空間となる。その後、図１０（ｂ）に示すように、対象液体が給気管５２へ侵入することによって、細管９５およびシリンダー９４の下部空間の空気圧が徐々に増してくる。

【0054】

その後、シリンダー９４の下部空間の空気圧が増した結果、それによって生じる正圧力によって、シリンダー９４が、重力に抗して持ち上げられ、鉛直方向上方に上がりきった状態となる。このとき、図１０（ｃ）に示すように、密閉容器７０に連通する細管９６の出口と密閉容器６０に連通する細管６２の入口がシリンダー９４の外周側面に形成されたリング状の切り欠き部Ｒを介して連通することにより、密閉容器７０から密閉容器６０への空気が流入し始める。

【0055】

その後、液柱Ｌ１が液体回収容器２０に回収されることによって、再び、給気管５２が大気開放されると、これに伴ってシリンダー９４の下部空間が大気開放され、シリンダー９４が鉛直方向下方に下がりきった状態となる。これにより、再び、密閉容器７０から密閉容器６０への空気の流入が遮断される。

【0056】

以上、説明したように、図９に示す構成を採用すれば、大気開放時間と水柱上昇時間の比βの値にかかわらず、空気供給系のエネルギー効率を80％程度に保つことが可能となる。

【0057】

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の設計変更が可能である。例えば、上述した液体供給管３０、合流管３５、液体輸送管４０、給気管５２は、シームレスに一体化されていてもよい。また、密閉容器７０を十分に下方に配置することで、液体供給容器１０が開放容器８０の機能を兼ねるようにしてもよい。その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

【実施例】

【0058】

図１に示した液体輸送システム１００と同等のモデルを作製して、水を高所に輸送する実験を行った。なお、本実験では、液体輸送管４０として内径2.5mmの透明プラスチックパイプを使用し、液体供給容器１０の液位Ｗ１と合流管３５の高低差を約0.7mとし、合流管３５と液体回収容器２０の高低差を約60mとした。その結果、液体輸送管４０に液柱が繰り返し自動的に形成されること、約60mの高所に安定的な揚水なされることが確認できた。なお、揚水の１サイクルに要した時間は約75分、揚水速度は平均0.013m/sであった。

【符号の説明】

【0059】

１０…液体供給容器、１２…バルブ、２０…液体回収容器、２２…排液管、２４…バルブ、３０…液体供給管、３２…オリフィス、３５…合流管、４０…液体輸送管、４２…オリフィス、４４…オリフィス、５０…空気供給手段、５２…給気管、５４…逆止弁、６０…密閉容器、６２…配管、６４…抵抗管、７０…密閉容器、７２…バルブ、７３…給気管、７４…バルブ、７６…配管、８０…開放容器、９０…自動開閉バルブ、９２…開放容器、９４…シリンダー、９５…細管、９６…細管、１００…液体輸送システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】