JP2016014255A - 監視制御システム及びマンホール蓋 - Google Patents

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Abstract

【課題】管渠内の監視制御を行う監視制御システムの維持管理を容易にする。【解決手段】管渠内の状態量(水位や濁度等)を計測器4で計測して、管渠の監視制御を行う監視制御システム1である。監視制御システム1は、計測器4で計測された計測データを通信端末5により上位ネットワークに送信して管渠の監視制御を行う。計測器4または通信端末5に電源供給する二次電池6を設け、この二次電池6を充電する熱電モジュール3をマンホール蓋2の下面に設ける。熱電モジュール3にヒートシンク8を設け、熱電モジュール3が、マンホール蓋2とヒートシンク8(すなわち、管渠内)との温度差に基づいて発電を行う。【選択図】図1

Description

本発明は、管渠内の監視制御を行う監視制御システム及び監視制御を行う管渠の開口部を閉塞するマンホール蓋に関するものである。
近年、集中豪雨等による浸水被害が都市部で増加し、各自治体ではハザードマップの作成や降雨を一時的に溜める地下調整池の整備等の対策を行っている。また、対策を行う際に想定した計画降雨量を超える降雨があると浸水被害が生じるおそれがあるので、この浸水被害を予測して被害を低減するシステムが求められている。
例えば、雨水を汚水と一緒の下水道管で流す場合、降雨により下水量が増大して下水道管内の下水がオーバーフローすることとなる。よって、下水道管内を流れる下水量(及び、水位)を検知して、下水道管内を流通する下水量を制御することは、防災上及び衛生上において重要なことである。
降雨時に降雨を流通させる配管において、配管の流通量を計測するために、水位等の管渠内の制御に必要なデータを計測する計測器をマンホールの内部(例えば、マンホール蓋等)に設け、計測器の計測データを携帯電話の回線(例えば、LTE回線や3G回線等)や特定小力無線等の回線を利用した通信端末を用いて、監視局に伝送する技術が提案されている(例えば、特許文献1,2)。
この計測器や通信端末の動力を電力源から配線を行って供給する場合、配線工事を行う費用がかかるため監視制御システムが高額になるおそれがある。また、配線作業が必要なため計測器や通信端末の設置に時間がかかる。
これに対して、計測器や通信端末の動力を電池から供給すると、計測器や通信端末の設置時間や設置コストを低減することができる。しかしながら、所定期間毎に電池を交換する必要があるので、監視制御システムの維持管理費用が増大する。
そこで、計測器や通信端末を動作させる二次電池を設け、太陽電池や圧電素子等により二次電池の充電を行う技術が提案されている(例えば、特許文献3)。
特開2003−6780号公報 特開2007−218740号公報 特開2011−42943号公報 特開2002−136160号公報 特開2004−193177号公報 特開2003−92433号公報
しかしながら、太陽電池により発電を行う場合、日照がある昼間しか発電されず二次電池を十分に充電できないおそれがある。また、マンホール蓋は道路上に設置されるので、太陽光を取り入れるためにマンホール蓋の上面(すなわち、大気側の表面)に設けられる窓材が、時間経過と共に損傷あるいは汚損(例えば、マンホール蓋の上面を通過する自動車等により損傷あるいは汚損)することで発電量が低下して二次電池を十分に充電できないおそれがある。
また、圧電素子による発電の場合には、発電量がマンホール蓋上を通過する自動車等の通行量により異なるため、設置場所により発電量が異なるという課題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、管渠内の監視制御を行う監視制御システムの維持管理を容易にする技術を提供することを目的としている。
上記目的を達成する本発明の監視制御システムは、管渠内の監視制御に必要なデータを計測する計測部と、前記計測部の計測結果に基づいて前記管渠内の監視制御を行う監視局と、前記計測部の計測データを前記監視局に送信する通信制御部と、前記計測部または前記通信制御部に電源供給する電源部と、前記管渠の開口部に設けられる蓋と前記管渠内との間の温度差を利用して発電し、前記電源部を充電する発電部と、前記電源部と前記発電部との間に設けられる整流回路と、を備えることを特徴としている。
また、上記目的を達成する本発明のマンホール蓋は、管渠の一部であるマンホールの開口部を閉塞する蓋本体と、前記管渠内の維持管理に必要なデータを計測する計測部と、前記計測部の計測データを上位のネットワークに送信する通信制御部と、前記計測部または前記通信制御部に電源供給する電源部と、前記蓋本体と前記管渠内との間の温度差を利用して発電し、前記電源部を充電する発電部と、前記電源部と前記発電部との間に設けられる整流回路と、を備えることを特徴としている。
以上の発明によれば、管渠内の監視制御を行う監視制御システムの維持管理を容易にすることができる。
本発明の第1実施形態に係る監視制御システムの一部であるマンホール蓋の断面図である。 熱電モジュールと二次電池との間に設けられる整流回路を説明する回路図である。 本発明の第2実施形態に係る監視制御システムの一部であるマンホール蓋の断面図である。 熱電モジュールの他例の構成を説明する説明図である。 本発明の第3実施形態に係る監視制御システムの一部であるマンホール蓋の断面図である。 マンホール蓋が開いた状態を示す断面図である。 本発明の第4実施形態に係る監視制御システムの一部であるマンホール蓋の断面図である。 断熱容器の拡大断面図である。
本発明の監視制御システム及びマンホール蓋について、図面を参照して詳細に説明する。実施形態の説明では、下水が流通する下水道管と下水道管と連通するマンホールとにより構成される管渠内の状態を監視制御する例を示して説明する。すなわち、実施形態の説明では、マンホールの地上部側の開口に設けられるマンホール蓋に、管渠内の状態量(水位、臭気または濁度等)を計測する計測器を設けた例を示して説明する。なお、各実施形態を示す断面図は、実施形態の概略を示す図であるので、図示された寸法と実際の寸法とは必ずしも一致するものではない。
[第1実施形態]
図1に示すように、本発明の第1実施形態に係る監視制御システム1は、熱電モジュール3と、計測器4と、通信端末5と、二次電池6と、備える。熱電モジュール3、計測器4、通信端末5及び二次電池6は、マンホール蓋2の下面(マンホール内部側)に設けられる。
マンホール蓋2は、例えば、マンホールの地上部側の開口部(図示せず)に設けられる。マンホール蓋2の下面には、例えば、補強用のリブが形成されており、このリブ内に、熱電モジュール3、計測器4、通信端末5及び二次電池6が設けられる。
熱電モジュール3は、例えば、特許文献4に記載された熱電素子のようにBiTe系合金やPbTe系合金製である複数の熱電対を挟んで構成されるモジュールである。熱電モジュール3は、上下に熱源に接続される電極を有し、断熱材7に埋設された状態でマンホール蓋2の下面に設けられる。すなわち、熱電モジュール3は、マンホール蓋2と接する面及びこの面の反対側の面にそれぞれ電極を有しており、熱電モジュール3の一方の電極はマンホール蓋2の下面に接して設けられる。また、熱電モジュール3の他方の電極にはヒートシンク8が設けられる。
ヒートシンク8は、例えば、銅やアルミニウムにより形成された放熱フィンであり、断熱材7を介してマンホール蓋2の下面に設けられる。そして、ヒートシンク8は、熱電モジュール3のマンホール内部側の電極に接して設けられる。ヒートシンク8は、放熱フィン部においてマンホール内部の空気との熱交換を行うので、ヒートシンク8の温度はマンホール内部の温度と略等しくなる。ゆえに、熱電モジュール3のマンホール内部側の電極がヒートシンク8により冷却(若しくは、加温)されて、この電極の温度がマンホール内部の温度と略等しくなる。
計測器4は、マンホール蓋2の下面に断熱材7を介して設けられ、流量や水位等の管渠(図示せず)内の監視制御(若しくは、維持管理)に必要なデータを計測する。具体的な例としては、超音波式水位計等を用いて管渠内を流通する下水の水位が計測される。なお、計測器4は、水位計に限定されるものではなく、管渠内の監視制御に必要なデータを計測するものであればよい。例えば、pH、濁度、臭気、硫化水素等の環境情報を計測するセンサデバイスを単独若しくは組み合わせて用いることができる。
通信端末5は、マンホール蓋2の下面に断熱材7を介して設けられる。通信端末5は、計測器4の計測データを受信して、受信した計測データを上位ネットワーク(例えば、図示省略の監視局)に送信する。監視局では、各マンホール蓋2の通信端末5より送信されたデータに基づいて、管渠内の水位等の監視制御が行われる。通信端末5は、携帯電話網のデータ通信回線あるいは特定小電力無線、無線LAN、WIFI等のネットワーク回線経由でデータ送信を実行する。
二次電池6は、マンホール蓋2の下面に断熱材7を介して設けられ、計測器4及び通信端末5に電力を供給する。二次電池6には、熱電モジュール3が接続されており、熱電モジュール3により二次電池6が充電される。二次電池6は、例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等の充放電可能な電池が用いられる。なお、実施形態の説明では、二次電池6が計測器4及び通信端末5に電力を供給しているが、計測器4及び通信端末5にそれぞれ二次電池6を設けてもよい。
図2に示すように、熱電モジュール3と二次電池6との間には、例えば、ダイオードブリッジにより構成される整流回路9が設けられる。熱電モジュール3は、マンホール蓋2とヒートシンク8(すなわち、マンホール内部の温度)との温度差により発電を行うので、マンホール蓋2とヒートシンク8との温度勾配により発電する極性(電流の向き)が異なることとなる。つまり、熱電モジュール3による発電は、季節や時間帯、場所によって極性が異なる。
例えば、夏場の昼間は太陽光や外気温等の輻射熱に曝されたマンホール蓋2(特に、上側表面)が高温になり、マンホール内部は相対的に低温になる。これに対して、夜間は、マンホール蓋2が冷却されるものの、マンホール内部の温度は殆ど変化しないため、マンホール蓋2の温度がマンホール内部の温度と比較して低温となる傾向がある。また、冬場においては、冷気(特に、夜間や早朝の冷気)に曝されるマンホール蓋2が低温になり易いものの、マンホール内部は冷気の影響を受けず相対的に高温となる。
本発明の第1実施形態に係る監視制御システム1では、熱電モジュール3と二次電池6との間に整流回路9を設けることにより、発電する電流の向きが変わった場合でも、常に熱電モジュール3の正極、負極がそれぞれ二次電池6の正極、負極に接続される構成となる。その結果、熱電モジュール3の極性(すなわち、マンホール蓋2とヒートシンク8との温度分布)に関係なく二次電池6の充電を行うことが可能となる。また、二次電池6に逆極性の充電電圧が印加されることに起因する二次電池6の故障が防止される。なお、図示省略しているが、熱電モジュール3と二次電池6との間には、整流回路9の他に、ダイオードブリッジにより整流された電流を適切に二次電池6に充電するための充電回路が設けられる。また、二次電池6と計測器4(若しくは通信端末5)との間には、計測器4や通信端末5に定電圧で電流を供給するための放電回路が設けられる。
以上のような本発明の第1実施形態に係る監視制御システム1及びマンホール蓋2によれば、熱電モジュール3を設けることで、マンホール蓋2とマンホール内部の温度差を利用して二次電池6を充電することができる。その結果、計測器4及び通信端末5に電力を供給する二次電池6の寿命が向上し、監視制御システム1の維持管理が容易となる。
また、マンホール蓋2の下面に断熱材7を介してヒートシンク8を設けることで、マンホール蓋2とヒートシンク8との間の熱移動を抑制し、マンホール蓋2とヒートシンク8との温度差を大きく保つことができる。その結果、熱電モジュール3の発電量が増加する。
また、熱電モジュール3と二次電池6との間に整流回路9を設けることで、マンホール蓋2とヒートシンク8の温度分布により発電電流の向きが変化した場合でも、二次電池6に充電を行うことができる。また、二次電池6に対して逆極性の充電が行われないので、二次電池6の故障を防止することができる。
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態に係る監視制御システム及びマンホール蓋について、図3を参照して詳細に説明する。第2実施形態に係る監視制御システム10は、熱電モジュール3とヒートシンク8との間にヒートパイプ12を設けたことが、第1実施形態に係る監視制御システム1と異なるものである。よって、第1実施形態に係る監視制御システム1と同じ構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
図3に示すように、本発明の第2実施形態に係る監視制御システム10は、熱電モジュール3と、計測器4と、通信端末5と、二次電池6と、を備える。熱電モジュール3、計測器4、通信端末5及び二次電池6は、それぞれマンホール蓋11の下面に設けられる。また、熱電モジュール3のマンホール内部側の電極とヒートシンク8の上面との間には、ヒートパイプ12が設けられる。
マンホール蓋11は、第1実施形態に係るマンホール蓋2と同様に、マンホールの地上部側の開口部(図示せず)に設けられる。マンホール蓋11の下面には、断熱材13を介してヒートシンク8が設けられる。
熱電モジュール3の一方の電極は、マンホール蓋11の下面に接続され、熱電モジュール3の他方の電極は、ヒートシンク8にヒートパイプ12を介して接続される。
ヒートパイプ12は、熱電モジュール3とヒートシンク8との間に設けられる。ヒートパイプ12は、例えば、密閉したパイプ内に揮発性の液体(作動液)を封入した部材であり、熱電モジュール3の電極とヒートシンク8との間の伝熱効率を向上させる。
以上のような本発明の第2実施形態に係る監視制御システム10(及びマンホール蓋11)によれば、熱電モジュール3とヒートシンク8との間にヒートパイプ12を設けることで、マンホール蓋11とヒートシンク8との距離を大きくすることができる。すなわち、マンホール蓋11とヒートシンク8との間に設けられる断熱材13の厚さをヒートパイプ12の長さ分だけ厚くすることができる。断熱材13の厚さが厚くなるほど、マンホール蓋11とヒートシンク8との間の熱移動が抑制され、マンホール蓋11とヒートシンク8との温度差をより大きく保つことができる。その結果、熱電モジュール3の電極間の温度差が大きくなるので、第1実施形態に係る監視制御システム1の有する効果に加えて、さらに熱電モジュール3の発電効率が向上する。
また、断熱材13の厚さを厚くすることで、通信端末5や二次電池6等を断熱材13に埋設することができる。その結果、通信端末5や二次電池6等の設置場所にまでヒートシンク8の大きさを拡大することができ、ヒートシンク8とマンホール内部の空気との熱交換効率が向上する。その結果、熱電モジュール3の電極間の温度差が大きくなり、熱電モジュール3の発電効率が向上する。
なお、第2実施形態に係る監視制御システム10では、計測器4として超音波式水位計を用いているので、計測器4が設けられている部分にはヒートシンク8が設けられていないが、計測器4と管渠との間を閉塞しても計測器4における測定に支障がない場合は、計測器4が設けられている部分にまでヒートシンク8を拡大することもできる。
また、第2実施形態に係る監視制御システム10及びマンホール蓋11の他例として、ヒートパイプ12を設ける代わりに、熱電モジュール3の電極間距離を広げて、マンホール蓋11とヒートシンク8との距離を大きくすることが考えられる。
例えば、特許文献5,6には、熱電モジュールの電極間距離を広げて、発熱側の電極と吸熱側の電極とをそれぞれ熱的に独立した環境に配置することが記載されている。図4に示すように、銅やアルミニウム等から形成される熱伝導性及び導電性の良い接合部材14に、異なるゼーベック係数を有する金属A1,B1(例えば、BiTe系合金やPbTe系合金等)を接合しマンホール蓋11側に接続される電極3a(π型接合素子)を形成する。また、銅やアルミニウム等から形成される熱伝導性及び導電性の良い接合部材15に、異なるゼーベック係数を有する金属A2,B2を接合し、ヒートシンク8に接続される電極3b(π型接合素子)を形成する。そして、電極3aの金属A1と電極3bの金属A2との間、及び電極3aの金属B1と電極3bの金属B2との間をそれぞれ連結部材16で接続する。このように、電極3aと電極3bとを連結部材16で接続することで、連結部材16の長さ分だけ、電極3aと電極3bとの間隔を広げることができる。
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態に係る監視制御システム及びマンホール蓋について、図5及び図6を参照して詳細に説明する。第3実施形態に係る監視制御システム17は、第2実施形態に係る監視制御システム10において、ヒートシンク8を下水道管18を流れる下水に浸漬させたものである。よって、第2実施形態に係る監視制御システム10と同じ構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
図5に示すように、本発明の第3実施形態に係る監視制御システム17は、熱電モジュール3と、計測器4と、通信端末5と、二次電池6と、を備える。熱電モジュール3、計測器4、通信端末5及び二次電池6は、それぞれマンホール蓋19の下面に設けられる。また、熱電モジュール3のマンホール20内部側の電極とヒートシンク8との間には、ヒートパイプ21が設けられる。
ヒートパイプ21は、マンホール蓋19からマンホール20を通って下水道管18まで配設される。ヒートパイプ21の一端は、熱電モジュール3のマンホール20内部側の電極に接続される。また、ヒートパイプ21の他端は、ヒートシンク8に接続され、ヒートパイプ21が接続されたヒートシンク8は、下水道管18を流通する下水に浸漬される。
以上のような本発明の第3実施形態に係る監視制御システム17及びマンホール蓋19によれば、ヒートシンク8が常に流動する下水により冷却(または、加温)されるので、ヒートシンク8と下水との熱交換が比較的大きくなり、熱電モジュール3の電極間の温度差を大きく保つことができる。その結果、第2実施形態に係る監視制御システム10の有する効果に加えて、さらに熱電モジュール3の発電効率が向上する。
なお、第3実施形態の監視制御システム17では、マンホール蓋19から下水道管18までヒートパイプ21が配設されることとなる。よって、図6に示すように、ヒートパイプ21がマンホール蓋19の開閉を妨げないように、伸縮可能なヒートパイプ21(例えば、NOREN社製のフレキシブルヒートパイプ等)を用いたり、マンホール蓋19の開閉時にヒートパイプ21が屈曲する部位(図中に点線で示す)に可動部を設けたりすることが好ましい。なお、伸縮可能なヒートパイプ21を用いる場合、全体が伸縮するヒートパイプ21や、屈曲する部位のみが伸縮可能なヒートパイプ21を用いることで、マンホール蓋19の開閉時にヒートパイプ21及びヒートシンク8がマンホール20の壁面に当たることを防止することができる。
また、図4を参照して説明したように、ヒートパイプ21を設けずに、熱電モジュール3の電極間距離を長くして、マンホール蓋19のマンホール内部側の電極に接続されたヒートシンク8を下水に浸漬する形態とすることも可能である。
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態に係る監視制御システム及びマンホール蓋について、図7及び図8を参照して詳細に説明する。第4実施形態に係る監視制御システム22は、第2実施形態に係る監視制御システム10において、ヒートパイプ12を断熱容器23内に設けたものである。よって、第2実施形態に係る監視制御システム10と同じ構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
図7に示すように、本発明の第4実施形態に係る監視制御システム22は、熱電モジュール3と、計測器4と、通信端末5と、二次電池6と、を備える。熱電モジュール3、計測器4、通信端末5及び二次電池6は、それぞれマンホール蓋24の下面に設けられる。熱電モジュール3のマンホール内部側の電極とヒートシンク8の上面との間には、ヒートパイプ12が設けられる。
ヒートパイプ12の一端は、熱電モジュール3の電極(マンホール内部側の電極)に接続され、ヒートパイプ12の他端は、ヒートシンク8の上面に接続される。
マンホール蓋24の下面には断熱容器23が設けられ、この断熱容器23内にヒートパイプ12が設けられる。断熱容器23の壁部は、例えば、魔法瓶の構造のように二枚の壁板の間に空気層を有する構造であり、断熱容器23の内部には断熱材が充填される。
図8に示すように、マンホール蓋24の下面と接触する断熱容器23の壁部22aには、熱電モジュール3が埋設される。熱電モジュール3は、一方の電極(マンホール蓋24の下面に接続される電極)が断熱容器23の壁部23aの外表面から露出した状態で設けられ、この電極がマンホール蓋24の下面に接続される。また、壁部23aの反対側に位置する壁部である断熱容器23の壁部23bにはヒートシンク8が設けられる。なお、ヒートシンク8の上部を断熱容器23の壁部23bとして用いても良い。
以上のような本発明の第4実施形態に係る監視制御システム22によれば、熱電モジュール3とヒートシンク8との間に断熱容器23を設け、この断熱容器23内にヒートパイプ12を格納することで、マンホール蓋24とヒートシンク8との断熱効果が大きくなり、熱電モジュール3の電極間の温度差を大きく保つことができる。その結果、第2実施形態に係る監視制御システム10の有する効果に加えて、さらに熱電モジュール3の発電効率が向上する。
また、マンホール蓋24の下部に断熱容器23が嵌入する溝を形成し、この溝に断熱容器23を嵌合させることで、熱電モジュール3のマンホール蓋24側の電極をマンホール蓋24の上面近傍に設けることができる。その結果、熱電モジュール3のマンホール蓋24側の電極とマンホール内部側の電極との温度差がより大きくなり、熱電モジュール3の発電効率が向上する。
また、図4を参照して説明したように、ヒートパイプ12を設けずに、熱電モジュール3の電極間距離を長くして、マンホール蓋24のマンホール内部側の電極とヒートシンク8との距離を長くする形態とすることも可能である。
以上、本発明の実施形態について具体例を挙げて詳細に説明したが、本発明の監視制御システム及びマンホール蓋は、本発明の技術思想の範囲内で多彩な変更が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変更がなされた形態も本発明の技術範囲に属することは当然のことである。
例えば、本発明は、下水道管の水量を監視制御するシステムに限定されるものではなく、例えばタンク等の各種暗渠を監視制御するシステムに適用することができる。
また、各実施形態に係る監視制御システム及びマンホール蓋の特徴となる構成は、個別に格別な効果を奏するものであるので、各実施形態に係る監視制御システム及びマンホール蓋の構成を組み合わせて用いることで、各実施形態が奏する効果をそれぞれ得ることができる。
また、実施形態の説明では、マンホール蓋に、計測器、通信端末、二次電池、熱電モジュールが設けられた形態を示しているが、計測器や通信端末及び二次電池は、マンホール内部の状態量の計測に支障がなければ、必ずしもマンホール蓋の下面に設ける必要はない。例えば、マンホールの壁面に設けることも可能である。
1,10,17,22…監視制御システム
2,11,19,24…マンホール蓋(蓋本体)
3…熱電モジュール(発電部)
3a,3b…電極
4…計測器(計測部)
5…通信端末(通信制御部)
6…二次電池(電源部)
7,13…断熱材
8…ヒートシンク(熱源部材)
9…整流回路
12,21…ヒートパイプ
14,15…接合部材
16…連結部材
18…下水道管
20…マンホール
23…断熱容器

Claims (6)

  1. 管渠内の監視制御に必要なデータを計測する計測部と、
    前記計測部の計測結果に基づいて前記管渠内の監視制御を行う監視局と、
    前記計測部の計測データを前記監視局に送信する通信制御部と、
    前記計測部または前記通信制御部に電源供給する電源部と、
    前記管渠の開口部に設けられる蓋と前記管渠内との間の温度差を利用して発電し、前記電源部を充電する発電部と、
    前記電源部と前記発電部との間に設けられる整流回路と、を備える
    ことを特徴とする監視制御システム。
  2. 前記管渠内に熱源部材を設け、
    前記発電部が、前記蓋と前記熱源部材との温度差を利用して発電する
    ことを特徴とする請求項1に記載の監視制御システム。
  3. 前記発電部の電極と前記熱源部材との間にヒートパイプを設ける
    ことを特徴とする請求項2に記載の監視制御システム。
  4. 前記熱源部材を前記管渠を流通する水に浸漬する
    ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の監視制御システム。
  5. 前記ヒートパイプを断熱容器内に格納する
    ことを特徴とする請求項3または請求項4記載の監視制御システム。
  6. 管渠の一部であるマンホールの開口部を閉塞する蓋本体と、
    前記管渠内の維持管理に必要なデータを計測する計測部と、
    前記計測部の計測データを上位のネットワークに送信する通信制御部と、
    前記計測部または前記通信制御部に電源供給する電源部と、
    前記蓋本体と前記管渠内との間の温度差を利用して発電し、前記電源部を充電する発電部と、
    前記電源部と前記発電部との間に設けられる整流回路と、を備える
    ことを特徴とするマンホール蓋。
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