JP2009237608A - 流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電源を用いることなく流量を正確に制御すること。
【解決手段】流体が流れる管の途中に回転装置であるタービン１を設置する。タービン１は流路の高圧側と低圧側を完全に隔絶し、その圧力差を利用して回転する。発電機２は、タービン１の回転力を動力にして発電し、整流回路３で整流して蓄電素子４へと蓄積する。周波数カウンタ７は、蓄電素子４を電源に駆動し、タービンの回転数を監視する。制御回路６は、蓄電素子４を電源に駆動し、周波数カウンタ７からの情報を取り込んで目的の周波数になるように蓄電素子に流れる電流を調整することで、流路での流量を制御する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、管の中を流れる流体の流量を制御する技術と、流体の圧力を利用して発電する技術に関するものである。

管内を流れる水やガスの流量を監視や制御を行なうために電子機器を使用する場合、電子機器を駆動する電源が必要になる。商用電源が近くにない場合や、商用電源から配線することが困難な場合などには管内を流れる流体の圧力や運動エネルギーを利用して発電をすることが必要になる場合がある。例えば、水道管を流れる水の運動エネルギーを利用してタービンを回転させて発電する技術は既にあり、発生した電力を用いて電磁弁を開閉する自動水洗装置が商用化されている（例えば非特許文献１参照。）。

「水流発電技術」、[online]、[平成20年2月20日検索]、インターネット＜http://www.inax.co.jp/company/seeds/tech/hatsuden.html＞

しかしながら従来の技術では、発電電力が小さいため、電磁弁はＯＮ／ＯＦＦのみの制御であり、任意に流量を調整することはできなかった。

また、仮に電磁弁の開き具合を調整できたとしても、正確な流量を計測するには別途流量計が必要であり、なおかつ流量が少ない場合、流体のエネルギーの大部分は電磁弁の部分で圧力損失として失い、タービンでの発電量は少なかった。

本発明は、上記の問題を解決し、商用電源を用いることなく流量を正確に制御する流量制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明に係る流量制御装置は、管内を流れる流体の高圧側と低圧側を隔絶し、かつ流体の圧力差を動力として回転する回転装置と、前記回転装置の回転を利用して発電する発電手段と、前記発電手段によって発電された電力を蓄える蓄電手段と、前記蓄電手段を電源として駆動され、前記回転装置の回転数を計測する回転数計測手段と、前記蓄電手段を電源として駆動され、前記回転数計測手段からの信号に基づいて前記発電手段に発生する電流を変化させることによって前記回転装置の回転数を制御して前記管内を流れる流体の流量を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の発明に係る流量制御装置は、請求項１に記載の発明において、前記制御手段は、可変電圧コンバータであることを特徴とする。

また、請求項３の発明に係る流量制御装置は、請求項１または２に記載の発明において、前記蓄電手段を電源として駆動され、外部の情報端末と通信する通信手段をさらに備えたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば流量制御装置は、流路上に設けた回転装置によって発電し、発電した電力を用いて回転装置の回転数の監視と回転装置の負荷制御とを行ない、求める流量に対応する回転数で回転装置を動作させるので、商用電力を用いることなく、管内を流れる流量を正確に測定し、任意に制御することができる流量制御装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項２の発明によれば流量制御装置は、可変電圧コンバータを用いて蓄電時の電圧を整除するので、流量の変動によって発電電圧が変動する状況でも、大きな電力を蓄えることができる流量制御装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項３の発明によれば流量制御装置は、発電した電力により通信する手段を持つことにより、外部の情報端末からの制御を受けることができるとともに、各種情報を外部の情報端末に出力することのできる流量制御装置を得ることができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る流量制御装置の好適な実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１である流量制御装置の構成の一例を説明する説明図である。図１において電力線は実線、情報線は破線で示している。図１に示した流体制御装置では、流体が流れる管の途中に、回転装置であるタービン１を設置する。

タービン１はベーンモーター、ギアモーター、また、ロータリーエンジンやピストンエンジンに用いられるような容積型のタービンであり、流路の上流と下流、すなわち高圧側と低圧側を完全に隔絶し、その圧力差を利用して回転する。そのため、タービン１が回転をしているとき、流路を流れる流量はタービン１の一回転あたりの流量と回転数の積になる。

タービン１の軸は発電機２とつながっており、タービン１の回転力を動力にして発電をすることができる。タービン１と発電機２との接続は、例えば回転軸を共用する構成としてもよいし、プーリーやギアなどを介して接続してもよい。

発電機２において発生した電力は整流回路３で整流されて蓄電素子４へと蓄えられる。整流回路３と蓄電素子４の間には電流制御回路５があり、制御回路６からの入力によって制御されている。タービンの回転数は周波数カウンタ７によって監視されている。

制御回路６は周波数カウンタ７からの情報を取り込み、目的の周波数になるように蓄電素子に流れる電流を調整する。例えば、目的の周波数よりも現在の周波数が高ければ、電流を増やして負荷を重くし、目的の周波数より現在の周波数が低ければ、電流を減らし、負荷を軽くする。タービンの周波数と流路を流れる流体の流量は比例するので、このようにして流量を制御することができる。

周波数カウンタ７、制御回路６、電流制御回路５は、蓄電素子４に蓄えられた電力によって駆動されるため、外部に電源は必要ない。

なお、本実施例の中の整流回路３は、発電機が交流を発電する場合に用いるが、直流を発生させる場合など、省略することができる。

本実施例の中の電流制御回路は、状況に応じて設計すればよい。例えば、可変抵抗やＰＷＭスイッチ、電圧コンバータで構成することが可能である。

図２は、本発明の実施例２である流量制御装置について説明する説明図である。同図に示した流量制御装置は、実施例１の中の電流制御回路として昇降圧型電圧コンバータを用いた流量制御装置である。

図中のコンバータはコンデンサ２５１，２５２とコイル２５３、ダイオード２５４、ＦＥＴスイッチ２５５を用いた一般的な昇降コンバータであり、ＦＥＴスイッチのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより昇圧もしくは降圧することができる。

具体的には、ＦＥＴスイッチ２５５を制御回路２６の信号に基づいたＰＷＭ制御によりＯＮ／ＯＦＦさせることよって、発生させた電力を高効率で蓄電素子にためることができる。

例えば、流量を少なくして発電機の回転数を低く設定した場合、発電電圧が蓄電素子の電圧に満たない場合がある。その場合はデューティ比を上げて昇圧モードにして電圧を上げればよい。逆に流量を多くして発電機の回転数を高く設定した場合、発電電圧が蓄電素子の電圧よりも高い場合がある。その場合はデューティ比を下げて降圧モードにして電圧を下げればよい。

このように発電機に発生した電圧によって、昇降圧コンバータのＦＥＴスイッチ２５５のＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を変化させることにより、いかなる回転数においても効率よく発電することができ、発生した電力をほぼ余すことなく蓄電素子に充電することができる。

この昇降圧コンバータの制御としては、まず回転数に基づいて所望の流量となるようにデューティ比を制御し、その上で、所望の流量を維持できる範囲内で充電効率が最大となるようにデューティ比を変化させることが望ましい。

なお、本実施例２においては昇降圧コンバータを用いた場合を示したが、状況に応じて、その他のコンバータ、昇圧コンバータ、降圧コンバータを使用することもできる。

ＦＥＴスイッチの制御方法は、ＰＷＭ制御を用いた場合を示したが、ＰＦＭ制御、その他いかなる方法を用いてもよい。

図３は、本発明の実施例３にかかる流量制御装置について説明する説明図である。本実施例３では、実施例１および実施例２で説明した流量制御装置の構成に外部情報端末４０と通信する通信手段３９を加えた構成について説明する。図３において、電力ラインは実線、情報ラインは破線で示している。

通信手段３９は、制御回路３６に接続されている。外部情報端末４０では、通信手段３９を介することにより、制御回路３６を操作することができ、また周波数カウンタ３７の情報を得ることができる。これにより、外部から流量を正確に制御することが可能となる。

通信手段３９は、例えば有線でも無線でもよいが、使用できる電力量は発電機で発電する電力と、蓄電素子に蓄えられる電力量に制限される。

本実施例３では、通信手段を追加した構成について説明したが、発電した電力は他の用途で使用してもよい。例えば、蓄電素子に蓄えられた余剰電力によって各種センサを駆動させ情報を収集することもできる。

上述してきたように、本発明に係る流量制御装置は、管の中を流れる流体の力を用いて電力を得ることができる。そのためこれまで電源が無いために設置することができなかった様々な場所において流量を正確に電子制御できるようになる。

また、流量が変動する状況においても発電量が大きいため、流量制御だけでなく、様々なセンサを駆動させることができるようになる。

また、外部との通信手段を備えることにより、通常人間が近寄ることができない様々な場所にて流量制御装置やセンサを使うことができるようになり、その場所の情報を得ることができるようになる。それは例えば、壁の中、天井裏、床下、地面の中、水中、高温にさらされる場所、放射能に汚染されている区域、などである。

なお、実施例１〜３において、流路を流れる流体の種類は液体か気体であれば何でもよい。水、油、ガス、蒸気などを問わず、圧力差さえあれば発電をしながら流量を制御することができる。

以上のように、本発明に係る流量制御装置は、管の中を流れる流体の流量を制御に有用であり、特に商用電力なしでの正確な流量制御に適している。

本発明の実施例１である流量制御装置について説明する説明図である。 本発明の実施例２である流量制御装置について説明する説明図である。 本発明の実施例３である流量制御装置について説明する説明図である。

符号の説明

１，２１，３１ タービン
２，２２，３２ 発電機
３，２３，３３ 整流回路
４，２４，３４ 蓄電素子
５ 電流制御回路
６，２６，３６ 制御回路
７，２７，３７ 周波数カウンタ
３９ 通信装置
４０ 外部情報端末
２５１，２５２ コイル
２５３ コンデンサ
２５４ ダイオード
２５５ ＦＥＴスイッチ

Claims (3)

1. 管内を流れる流体の高圧側と低圧側を隔絶し、かつ流体の圧力差を動力として回転する回転装置と、
   前記回転装置の回転を利用して発電する発電手段と、
   前記発電手段によって発電された電力を蓄える蓄電手段と、
   前記蓄電手段を電源として駆動され、前記回転装置の回転数を計測する回転数計測手段と、
   前記蓄電手段を電源として駆動され、前記回転数計測手段からの信号に基づいて前記発電手段に発生する電流を変化させることによって前記回転装置の回転数を制御して前記管内を流れる流体の流量を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする流量制御装置。
2. 前記制御手段は、可変電圧コンバータであることを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
3. 前記蓄電手段を電源として駆動され、外部の情報端末と通信する通信手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の流量制御装置。

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