JP2012026687A - エネルギー再生機能付きの流体搬送機構 - Google Patents

Abstract

【課題】建物内の通気管又は通水管の流量を調整するとともに、エネルギーを回生することとが可能な流体搬送機構を提案する。
【解決手段】建築物の通路内で搬送流体である空気の流量を流量調整ダンパーで調整可能とした構成であって、送風ファン６Ａを含む搬送手段４と、この送風ファンの下流の通路部分内に、上記流量調整ダンパーとして、流れ方向と交差する主軸の周りから放射状の複数のフィン２２を突出してなる抵抗要素２０を設置し、流れ方向から見て主軸の片側のフィンに搬送流体が当たるように構成した流体通路１０と、上記抵抗要素の回転運動から電気エネルギーを取り出す発電機５２と、を具備し、これら抵抗要素と発電機とを連係させることで流れに抵抗するように設け、その抵抗の大きさを制御可能な可変量とすることで、流量を調整しながら余剰の流体エネルギーを電気として回収する。
【選択図】図３

Description

本発明は、建築物内の通気路又は通水路に適用することが可能なエネルギー再生機能付きの流体搬送機構に関する。

ビル建築における換気設備は、１つのファンに対してダクトを分岐させている。こうした設備では、系統端末の吹出し風量を確保した上で、系統末端の制気口の設計風量に合わせるため、流量調整ダンパーを用いて風量調整をする。

同様に、ビル建築における給水設備は、１つのポンプに対して配管を分岐させている。ポンプは、系統端末の流量を確保した上で、各系統又は各器具の設計風量に合わせるため、流量調整バルブを用いて流量調整をする。

上記流量調整ダンパーや流量調整バルブは、いわば自動車のブレーキなどと同様の抵抗要素となる。通常の抵抗要素では、運動エネルギーが熱エネルギーとして失われるが、運動エネルギーを電気エネルギーとして再生することが自動車用ブレーキで行われている。

これに対して、ビル建築の換気設備及び給水設備において、流体のブレーキの役目を果たしながらエネルギーの回生を行うという技術は知られていない。

そうした回生技術に隣接する分野において、通気路内に設置したダンパーを動かすために、ダンパーの上流側にプロペラ式風力発電機を設置し、発生した電力を蓄電し、蓄電装置から上記ダンパーへ電力を供給するという技術が存在するに過ぎない（引用文献１）。

特開２００１−３１７８００ 特開２００３−６５２０５

特許文献１のプロペラ式風力発電機は、流体から運動エネルギーを奪う運動負荷の作用を有するが、その負荷の量を調整できるようには構成されていない。

既存の技術として、航空機や船舶などのプロペラの推力を調整するために、プロペラのフィンを進行方向に傾動させてプロペラ径を可変とする装置があるが（特許文献２）、流量調整やエネルギーの回生という機能は存しない。

本発明の目的は、建物内の通気管又は通水管の流量を調整するとともに、エネルギーを回生することとが可能な流体搬送機構を提案することである。

第１の手段は、建築物の通路内で搬送流体である空気の流量を流量調整ダンパーで調整可能とした構成であって、
送風ファンを含む搬送手段と、
この送風ファンの下流の通路部分内に、上記流量調整ダンパーとして、流れ方向と交差する主軸の周りから放射状の複数のフィンを突出してなる抵抗要素を設置し、流れ方向から見て主軸の片側のフィンに搬送流体が当たるように構成した流体通路と、
上記抵抗要素の回転運動から電気エネルギーを取り出す発電機と、を具備し、
これら抵抗要素と発電機とを連係させることで流れに抵抗するように設け、その抵抗の大きさを制御可能な可変量とすることで、流量を調整しながら余剰の流体エネルギーを電気として回収することが可能としている。

本手段は、図１に示す如く空気搬送用の通路内にフィンを有する抵抗要素２０と、抵抗要路の回転から電気エネルギーを取り出す発電機５２とを設け、かつその抵抗の大きさを可変とすることを提案している。抵抗によって生ずる慣性力を利用して発電を行う。抵抗の大きさを可変とする仕組みは、フィンの長さ又は角度を変更することで実現できる。なお、「流れ方向から見て主軸の片側のフィンに搬送流体が当たる」ようにするためには、流体通路の一部に凹部や邪魔板などを設けて淀み領域を形成し、淀み領域内に抵抗要素の残りの片側部分を配置すればよい。

フィン２２の長さを変更する態様は、図５に示している。具体的には、上記抵抗要素は、流れ方向に主軸Ａ_１をほぼ直交させるとともに、主軸から放射方向に複数のフィン２２を突出し、抵抗要素の回転中に任意の一つのフィンが流れに対して垂直な状態となり得るように形成している。各フィンは、おおよそ突出方向に分割される２以上のセクション（図示例では基部２２ａ及び先部２２ｂ）で構成され、一つのセクションに対して他のセクションが突出方向に対して進退することで、フィンの突出長を調整できるように構成している。この構成によれば、各フィンは、突出長を調整できるから、突出長を大きくしたときに流体抵抗が増加するとともに抵抗要素の慣性モーメントを大きくすることができる。

フィン２２の角度を変更する態様は、図７に示している。具体的には、上記抵抗要素は、流れ方向に主軸Ａ_１をほぼ直交させ、さらにこの主軸と直交する補助軸Ａ_２の周りを、各フィンが、流体の流れに対して少なくとも図７（Ａ）の如く平行な状態及び流れに対して図７（Ｂ）の如く直角な状態との間で回動可能に形成している。この構成によれば、各フィンの角度を調節できるから、流体に対する抵抗を十分に小さくできる。図７に示すように、上記補助軸は、隣接するフィン同士の回転を妨げないように主軸の周りに適当な間隔を存して等角的に設定する。好適な図示例では、それぞれの補助軸設置位置には、主軸の方向に複数のフィンを相互の回転を妨げない程度の間隔を存して配列している。

第２の手段は、第１の手段を有し、かつ上記抵抗要素を、流体通路の下流側の端部である制気口内に設置している。

本手段では、図３の如く抵抗要素２０を通路の下流側の端部である制気口１４に配している。従ってメンテナンスのときに通路の外側（例えば室内側）から清掃や部品の交換を行うことができる。また通路が下流に向かって分岐している場合に、各分岐路毎の流量を適切に設計できる。

第３の手段は、建築物の通路内で搬送流体である水の流量を流量調整バルブで調整可能とした構成であって、
送水ポンプを含む搬送手段と、
この送水ポンプの下流の通路部分内に、上記流量調整バルブとして、流れ方向と交差する主軸の周りから放射状の複数のフィンを突出してなる抵抗要素を設置し、流れ方向から見て主軸の片側のフィンに搬送流体が当たるように構成した流体通路と、
上記抵抗要素の回転運動から電気エネルギーを取り出す発電機と、を具備し、
これら抵抗要素と発電機とを連係させることで流れに抵抗するように設け、その抵抗の大きさを制御可能な可変量とすることで、流量を調整しながら余剰の流体エネルギーを電気として回収することが可能な、エネルギー再生機能付きの流体搬送機構において、
上記流体通路は、抵抗要素の全部が水中にあるように設け、この抵抗要素がフィン同士の間の水を巻き込んで回転するように構成しており、
この抵抗要素は、フィンの姿勢又は寸法を変化させることで、抵抗の大きさを制御するように構成している。

本手段は、本手段は、図９に示す如く送水ポンプ６Ｂによって送水する通水路内にフィンを有する抵抗要素２０を設け、この抵抗要路と接続した発電機５２で水流の運動から電気エネルギーを取り出すとともに、その抵抗の大きさを可変とすることを提案している。抵抗要素の全部が水中にあるようにしたから、抵抗要素が水を巻き込んで回転することで水流を効果的に減勢することができる。抵抗を変える仕組みについては、フィンの姿勢（例えば角度）又は寸法（例えば長さ）を変えることで実現できる。第１の手段で述べた事項を援用する。

第１の手段に係る発明によれば、流量調整ダンパーを利用する従来の通路に比べて、フィン付きの抵抗要素を利用して、流量を制御しながら余剰の流体エネルギーを電気として回収するから、エネルギー効率がよい。

第２の手段に係る発明によれば、抵抗要素の流体通路の下流側の端部内に設けたから、メンテナンスが容易であり、操作性もよい。

第３の手段に係る発明によれば、流量調整バルブを利用する従来の通路に比べて、フィン付きの抵抗要素を利用して、流量を制御しながら余剰の流体エネルギーを電気として回収するから、エネルギー効率がよい。

本発明の第１実施形態に係る流体搬送機構の全体図である。 同形態の作用を概念的に示す図である。 同形態の第1実施例を正面方向から見た図である。 図３の機構を他の方向から見た図である。 同形態の第２実施例の要部を主軸Ａ_１の方向から見た図である。 図５の要部を主軸と直角な方向から見た図である。 同形態の第３実施例の要部を主軸Ａ_１の方向から見た図である。 図７の要部を主軸と直角な方向から見た拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る流体搬送機構の全体図である。

図１から図８は、本発明の第１の実施形態に係る換気システム用の流体搬送機構２を示している。

この本発明の流体搬送機構２は、搬送手段４と、流体通路１０と、制御部５０と、発電機５２と、蓄電手段５４とで構成されている。

搬送手段４は、この実施形態では、送風ファン６Ａと、この送風量を調整するための出力調整部８（インバータ）とで形成している。

流体通路１０は、上記換気システムの換気路の一部であって、上記送風ファン６Ａから換気路の末端部まで延びている。この末端部は、開放端部として部屋などに連通している。流体通路の流れ方向の任意の一部には、抵抗要素２０が配置されている。

なお、図面では省略されているが、図面では、省略されているが、流体通路は、複数の管路に分岐しているか、一つの管路の異なる場所に複数の吹出口を有しており、それら分岐路又は吹出口の全部又は一部に抵抗要素を設けることが望ましい。それにより、一部の分岐路又は吹出し口の流量を制限しながら、残りの分岐路ないし吹出し口での吹出し流量を確保することができる。

上記抵抗要素２０は、流体通路１０中の空気の流れにより回転し、気流の運動エネルギーの一部を回転エネルギーへ置換するとともに、流体の流れに対して可変型の抵抗として作用する。抵抗要素２０は、複数のフィン２２付きのプロペラ型として構成することができる。上記フィン２２は、流体通路１０を貫通する軸部２４の周りに付設する。

上記抵抗要素２０は、水車などの構成として周知の如く、上記軸部２４から放射状に突出するフィンのうちの軸部の片側（図１の例では上側）のものだけに流体の流れが当たって回転するように構成されている。構成を簡略に描いた図１〜図２の図示例では、その作用を実現するために、片側以外の抵抗要素部分を、流体通路１０の壁１２の一部に形成した凹部１６内に収納するようにしている。もっとも当該構成は適宜変更することができ、例えば抵抗要素２０の上流側に、残る片側部分への流れを遮る邪魔板を設けてもよい。

この抵抗要素２０は、通常のダンパーの代りに使用されるものである。普通のダンパーは、流体抵抗として生ずる慣性力によるエネルギー損失を、熱エネルギーとして周囲に放出する。例えば冷房時には、その熱はダンパーの周囲や冷風の温度上昇に消費されるので、二重の意味でエネルギー効率が悪い。本発明の構成では、そうした不都合を解消できる。

上記流体抵抗を変更する仕組みは、抵抗値を十分に大きくしかつ適切に制御できるものであれば、どのような手法でも構わない。有効な手法の一つは、抵抗要素のフィンが流体の圧力を受ける面積（受圧面積）を可変とすることであり、そのために後述の実施例ではフィンの長さや角度を変更できるようにしている。しかしながら、流体通路内に流れが淀んでいる箇所を形成し、流体抵抗の片側部分が、淀み箇所から淀み箇所以外の流れ部分（以下「流れの主流部分」という）へ進出し、かつ主流部分から淀み部分へ後退するように移動するようにしてもよい。また、上述の手法と併せて、フィン内の一定の重さを有する部分（錘）が回転の径方向に移動するようにしてもよい。

図２は、本発明の作用を概念的に描いている。すなわち、抵抗要素２０の各フィンの長さが長くなると、フィンが流れの主流部分を遮る面積、すなわち上述の受圧面積が増大して流体抵抗を増加させる。逆にフィンの長さが短くなると、流体抵抗を減少させる。フィンの角度を変える場合にも同様である。受圧面積を変化させるので、フィンの長さや角度を変える動作の途中だけではなく、動作の前後において流体抵抗の変化が持続する。

フィンの長さまたは流れに対するフィンの角度を最大にするときには、流れの主流部分の流路面積の殆どをフィンが遮るようにすることが好適である（後述の図５（Ｂ）及び図７（Ｂ）参照）。上述のフィンの長さや角度を変えるための駆動手段については、後述する。

なお、こうした駆動手段を設けると、フィンや軸部の重量が増大し、例えば風力発電などのプロペラの場合には流体抵抗が増大する点で不利となるが、本発明の場合には不利ではない。もともと流れに抵抗して流量を絞る抵抗要素の一部だからである。

制御部５０は、抵抗要素２０の流体抵抗の大きさを制御する。具体的には後述のフィンの長さや角度を調整するようにすればよい。

発電機５２は、上記抵抗要素２０の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。

蓄電手段５４は、上記発電機から供給される電気エネルギーを蓄える蓄電池などとして形成することができる。

上記構成によれば、送風ファン６Ａを駆動させると、流体通路１０内を空気である流体が流れることで、抵抗要素２０を回転させる。送風ファン６Ａから送り出された運動エネルギーＥ_１の空気は、抵抗要素２０を通過することで運動エネルギーがＥ_２に減少し、発電機５２からＥ_３の電気エネルギーが蓄電手段５４に送られる。抵抗要素２０の抵抗を変化させることで、流量を絞ることができ、これに伴って蓄電手段側へ回生されるエネルギーも増加する。

［実施例１］
図３〜図４に示す本実施例では、流体通路１０の末端部に制気口１４を形成し、この制気口内に抵抗要素２０を設けている。これにより、抵抗要素のメンテナンスを制気口の下面から行うことができる。また、図示例では、流体通路１０は、途中で分岐しており、それら分岐路１８の末端部に制気口１４及び抵抗要素２０を設けている。

［実施例２］
図５〜図６に示す本実施例では、上記各フィン２２の長さを変更することができるように構成している。具体的には、各フィン２２を、伸縮可能な多段構造にしている。図示例の軸部２４は、流体通路１０を貫通する中空の軸筒部２６を有し、この軸筒部の筒壁から複数のフィン２２を放射状に突出している。

図示例では、各フィン２２は、軸筒部２６から一体的に外方突設する基部２２ａと、この基部２２ａの中に外方への進退可能に収納した先部２２ｂとで形成しているが、その構成は適宜変更できる。例えば各フィン２２を、放射方向に長い基板と先板とを相互に重ねて形成し、基板に対して先板が進退するような簡易な構成としてもよい。

上記抵抗要素２０には、各先部２２ｂを内外方向へ動かす駆動手段４０を設ける。図示例の駆動手段４０は、軸棒４２と第１補助板４４Ａとで形成している。もっともその構造は適宜変更することができる。

上記軸棒４２は、軸筒部２４の筒軸上に軸筒部に対して回転可能に支持させている。軸筒部に対する軸棒の回転量は、軸棒に接続された図示しないモータ及び制御部５０で調整できるようにしている。

上記第１補助板４４Ａは、フィンの先部２２ｂに外端部を固定して上記軸棒４２の側面へ延びる。第１補助板４４Ａの側面と軸棒４２の周面とには、軸棒の回転力を、先部２２ｂを進退させる直線方向の力に変換する歯車機構４６を形成する。この歯車機構は、第1補助板４４Ａの側面に長手方向に配列したラックギア（歯列）と軸棒の周面に形成した平歯車とで形成することができる。

上記構成において、図５（Ａ）の状態では、フィン２２は最も縮んでおり、気流は、抵抗要素２０と流体通路の対向壁面との間を容易に通過する。故に流量は最大であり、抵抗要素２０と接続した発電機の発電機の発電量は零（あるいは最小）である。図５（Ａ）の状態からフィン２２が延びると、抵抗要素２０の受圧面積が増大し、抵抗要素が回転を始める。これにより、流体通路内の流量は減少し、発電機５２が発電した電気が蓄電手段に蓄えられる。

図５（Ｂ）の状態では、フィン２２は最も伸びており、図示例ではフィン２２の先端部は、一定の余裕巾を残して、流体通路１０の壁１２のうち凹部１４の反対側に接近しており、流量は最小となる。この状態ではフィン２２の受圧面積は、主流部分の流路面積の殆どを占めている。

本実施例においては、フィン２２を伸縮させることで、前述の特許文献２のようにプロペラのフィンを傾動させるものに比べて大きく変化させることができる。これにより、流体抵抗の抵抗量を大きく変化させることができ、フィン付きの流体抵抗を、従来の流量調整ダンパーの代りに使用することができるようになった。

［実施例３］
図７〜図８に示す第３実施例では、上記各フィン２２の角度を変更することができるように構成している。

各フィン２２は、主軸（軸部の中心線をいう）Ａ_１の方向から見て軸部２４から放射方向へ突出する支持棒２２ｃと、この支持棒で支持される羽根板２２ｄとで形成されており、駆動手段３０により支持棒の中心線である補助軸Ａ_２の周りを回転可能に構成されている。これにより、各フィン２２は、少なくとも図７（Ａ）の如く流れに平行な向き及び図７（Ｂ）の如く流れに垂直な向きの２方向へ角度を変更することができる。

上記主軸Ａ_１の方向から見ると、図７の如く複数のフィンが軸部の周りを、周方向に好ましくは等角的に配列されている。各フィン２２の羽根板２２ｄの巾は、相互に衝突しない大きさに設計する。

好適な図示例においては、図７において各フィンが見える位置に、主軸方向に等間隔に配列した一連のフィン２２を設けている（図８参照）。上述の如く一つの羽根板の巾には限界があるためにフィンの数を増やすことで、流体からの受圧面積を増やしている。

さらに図示の軸部２４は、図８に示す如く、流体通路１０の壁１２を貫通する一対の軸筒部２６と、これら軸筒部の内端部に付設した鍔部２８と、これら鍔部に両端側を連結した内周壁３０及び外周壁３２で構成されている。

これら内周壁３０及び外周壁３２に上記支持棒２２ｃの基部を液密に貫通させ、かつ支持している。

駆動手段４０は、図８に示す軸筒部２６内に挿入された主棒４３と、この主棒に連続するとともに、内周壁３０及び外周壁３２の間を主軸の方向に延びる複数の第２補助板４４Ｂとで形成される。第２補助板４４Ｂは、上記一連のフィンの支持棒２２ｃに当接させ、当該当接箇所に形成した歯車機構４６を介して、主棒４３及び第２補助板４４Ｂの主軸方向の動きでフィン２２が回転するように設けている。

本実施例では、フィンを流れの方向に平行な向きと流れに垂直な向きとに回動させるように構成しており、とくにフィンが流れに平行な状態では流体抵抗は殆ど零であるから、その抵抗量をさらに大きく変化させることが可能である。

図９は、本発明の第４実施形態を示している。この実施形態は本発明を建築物の給水機構に適用したものである。すなわち、本実施形態の流体通路１０は、給水路であり、図示例では閉鎖管路に形成している。流体通路１０の下流端は、既述制気口のような開口端部を設けることなく、各設備に接続している。

また搬送手段は、送水ポンプ６Ｂと出力調整部８とで形成する。

抵抗要素２０は、流体通路１０の一部に流量調整バルブの代わりに配置されており、流量を変化させながらエネルギーを回生する作用を有する。抵抗要素２０の構成は、基本的に先の実施形態と同じでよいが、各パーツの接合部分は水密に形成することが望ましい。抵抗要素２０は、先の実施形態と同様にプロペラ型であり、抵抗要素の軸の片側（図示例では上側）にだけ流れの主流部分が当たることで回転する。抵抗要素の他方の側（図示例では下側）は凹部１６内に位置する。抵抗要素の両側は水中に在り、凹部中の水とともに回転するので、流れの主流部分に対する流体抵抗が増大する。

それ以外の事柄であって、先の実施形態において流体通路１０、抵抗要素２０、駆動手段４０、制御部５０、発電機５２、及び蓄電手段５４について説明したことは、技術内容に反しない限り、本実施形態に援用する。

２…流体搬送機構 ４…搬送手段 ６Ａ…送風ファン ６Ｂ…送水ポンプ
８…出力調整部
１０…流体通路 １２…壁 １４…制気口 １６…凹部 １８…分岐路
２０…抵抗要素 ２２…フィン ２２ａ…基部 ２２ｂ…先部 ２２ｃ…支持棒
２２ｄ…羽根板 ２４…軸部 ２６…軸筒部 ２８…鍔部 ３０…内周壁
３２…外周壁 ４０…駆動手段 ４２…軸棒 ４３…主棒
４４Ａ…第１補助板 ４４Ｂ…第２補助板 ４６…歯車機構
５０…制御部 ５２…発電機 ５４…蓄電手段
Ａ_１…主軸 Ａ_２…補助軸

Claims (3)

1. 建築物の通路内で搬送流体である空気の流量を流量調整ダンパーで調整可能とした構成であって、
   送風ファンを含む搬送手段と、
   この送風ファンの下流の通路部分内に、上記流量調整ダンパーとして、流れ方向と交差する主軸の周りから放射状の複数のフィンを突出してなる抵抗要素を設置し、流れ方向から見て主軸の片側のフィンに搬送流体が当たるように構成した流体通路と、
   上記抵抗要素の回転運動から電気エネルギーを取り出す発電機と、を具備し、
   これら抵抗要素と発電機とを連係させることで流れに抵抗するように設け、その抵抗の大きさを制御可能な可変量とすることで、流量を調整しながら余剰の流体エネルギーを電気として回収することが可能な、エネルギー再生機能付きの流体搬送機構。
2. 上記抵抗要素を、流体通路の下流側の端部である制気口内に設置したことを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー再生機能付きの流体搬送機構。
3. 建築物の通路内で搬送流体である水の流量を流量調整バルブで調整可能とした構成であって、
   送水ポンプを含む搬送手段と、
   この送水ポンプの下流の通路部分内に、上記流量調整バルブとして、流れ方向と交差する主軸の周りから放射状の複数のフィンを突出してなる抵抗要素を設置し、流れ方向から見て主軸の片側のフィンに搬送流体が当たるように構成した流体通路と、
   上記抵抗要素の回転運動から電気エネルギーを取り出す発電機と、を具備し、
   これら抵抗要素と発電機とを連係させることで流れに抵抗するように設け、その抵抗の大きさを制御可能な可変量とすることで、流量を調整しながら余剰の流体エネルギーを電気として回収することが可能な、エネルギー再生機能付きの流体搬送機構において、
   上記流体通路は、抵抗要素の全部が水中にあるように設け、この抵抗要素がフィン同士の間の水を巻き込んで回転するように構成しており、
   この抵抗要素は、フィンの姿勢又は寸法を変化させることで、抵抗の大きさを制御するように構成したことを特徴とする、エネルギー再生機能付きの流体搬送機構。