JP2020012824A - 流動情報通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部電源を必要とすることなく流体の流動状態に関する情報を送信することができる自己発電型の流動情報通信装置を簡単で且つコンパクトに構成できるようにする。【解決手段】蛇口１６から吐出された流体の流れで発電機１２により発生させられた出力電流Ｉａに基づいてバッテリー３２が充電され、制御装置２０およびインターネット接続機器３０の電源として用いられる一方、発電機１２からの出力信号に基づいて流体の流動状態を検出し、インターネット接続機器３０を介して情報受信装置３４に送信する。このため、外部電源を必要とすることなく流体の流動状態に関する情報を検出して送信でき、電力線の引き回しや電池交換が不要或いは軽減される。また、発電機１２により発生させられた出力電流Ｉａに基づいてバッテリー３２の充電および流動状態の検出が行われるため、流動情報通信装置１０が簡単で且つコンパクトに構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば水などの流体の流動状態に関する情報を検出する流動情報検出装置、或いはその流動情報を所定の情報受信装置に送信する流動情報通信装置に関するものである。

流体が流れる配管に接続されて前記流体の流動状態を検出し、その流動状態に関する情報を所定の情報受信装置に送信する流動情報通信装置が知られている。特許文献１に記載の装置はその一例で、漏水が発生した場合に、その情報を管理室へ送信するようになっている。

特許第３６５０８１２号公報 特開２００３−６４７４３号公報 特開２０１３−４０５６８号公報

しかしながら、このような従来の流動情報通信装置は、動作のために電力線や電池等の外部電源が必要であるため、電力線の引き回しの制約から設置場所が制限されたり、電池交換が必要であったりする問題があった。特許文献２、３には、流体の流動に基づいて電流を発生する発電機が提案されているが、両者を単純に組み合わせるだけでは構造が複雑になって装置が大掛かりになる。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、外部電源をなるべく必要とすることなく流体の流動状態に関する情報を送信することができる自己発電型の流動情報通信装置を簡単で且つコンパクトに構成できるようにすることにある。

かかる目的を達成するために、第１発明は、流体が流れる配管に接続されて前記流体の流動状態を検出し、その流動状態に関する情報を所定の情報受信装置に送信する流動情報通信装置において、（ａ）前記配管に直列に取り付けられ、前記流体の流動に伴って機械的にロータが回転させられることにより出力信号を生成し出力する発電機と、（ｂ）無線または有線により前記情報受信装置と通信できる通信機器と、（ｃ）前記発電機からの前記出力信号に基づいて前記流動状態を検出する流動状態検出部、およびその流動状態検出部によって検出された前記流動状態に関する情報を前記通信機器を介して前記情報受信装置に送信する情報送信制御部、を機能的に備えている制御装置と、（ｄ）前記発電機からの前記出力信号に基づいて充電されるとともに、前記通信機器および前記制御装置の電源として用いられる蓄電装置と、を有することを特徴とする。

第２発明は、第１発明の流動情報通信装置において、（ａ）前記発電機は、前記ロータを回転可能に支持している筒状のケース部材を備えており、そのケース部材が前記配管に直列に取り付けられる一方、（ｂ）前記ケース部材には、前記ロータの回転に伴って前記出力信号を出力するステータが固定されているとともに、（ｃ）前記通信機器、前記制御装置、および前記蓄電装置は、前記ケース部材に設けられた収容空間内に配置されていることを特徴とする。

第３発明は、第１発明または第２発明の流動情報通信装置において、前記流動状態検出部は、前記流動状態として、前記発電機により発生させられた前記出力信号に基づいて前記流体の流量を算出することを特徴とする。

第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの流動情報通信装置において、（ａ）前記ロータは、円筒形状の円筒体の内側に羽根が設けられたもので、その円筒体の内部を前記流体が流れるようにその円筒体の中心線まわりに回転可能に前記配管に配設され、前記流体の流動に伴って前記羽根を介して前記中心線まわりに回転させられる一方、（ｂ）前記円筒体には前記中心線まわりに複数の永久磁石が設けられており、（ｃ）前記発電機は、前記ロータの他に、そのロータの外周側にそのロータと同心に配設されて前記配管に固定された円環形状のステータを有し、そのステータには、前記ロータの回転に伴って電磁作用により前記出力信号が発生させられる複数のコイルが前記永久磁石に対向するように配設されていることを特徴とする。

第５発明は、第４発明の流動情報通信装置において、前記羽根は、（ａ）前記円筒体の内周面から前記中心線に向かって突き出すように、その中心線まわりに等角度間隔で複数設けられており、（ｂ）前記中心線と直角な断面がその中心線方向（中心線の長手方向）のどこでも前記円筒体の内周面からその中心線に向かって一直線に延び出す直線形状を成しているとともに、（ｃ）前記円筒体の内周面との接続部は一定のねじれ角で周方向へ傾斜させられており、（ｄ）前記中心線の上流側および下流側のどちらから見ても同一の螺旋状のスロープ形状を成していることを特徴とする。

第６発明は、第５発明の流動情報通信装置において、（ａ）前記複数の羽根は、前記円筒体の内周面から前記中心線に達するように設けられ、その中心線方向の全長に亘ってその中心線上で互いに連結されており、（ｂ）前記円筒体および前記複数の羽根は合成樹脂材料にて一体に構成されていることを特徴とする。

第７発明は、第１発明〜第６発明の何れかの流動情報通信装置において、（ａ）前記通信機器は送受信機能を有し、前記情報受信装置との間で送受信が可能であり、（ｂ）前記情報送信制御部は、前記情報受信装置から送られる設定指示に従って前記流動状態に関する情報の送信設定を行う機能を備えていることを特徴とする。

第８発明は、第１発明〜第７発明の何れかの流動情報通信装置において、（ａ）前記通信機器は送信機能のみを有し、（ｂ）前記情報送信制御部は、予め定められた送信設定に従って前記流動状態に関する情報を送信することを特徴とする。

第９発明は、第１発明〜第７発明の何れか１の流動情報通信装置において、（ａ）前記配管内の前記発電機よりも上流側の圧力を検出する上流側圧力センサと、前記配管内の前記発電機よりも下流側の圧力を検出する下流側圧力センサとを備え、（ｂ）前記流動状態検出部は、予め設定された関係から前記上流側の圧力と前記下流側の圧力との圧力差および前記ロータの回転数に基づいて、前記配管内の気液二相流体の全体の流量、液体流量比、気体流量比、液体流量、気体流量のうちの少なくとも１つを算出し、（ｃ）前記情報送信制御部は、前記流動状態検出部により算出された前記気液二相流体の全体の流量、液体流量比、気体流量比、液体流量、気体流量のうちの少なくとも１つを、前記流動状態に関する情報として前記通信機器を介して前記情報受信装置に送信することを特徴とする。

第１発明の流動情報通信装置においては、流体の流動に伴ってロータが回転させられることにより発電機から出力された前記出力信号に基づいて蓄電装置が充電され、制御装置および通信機器の電源として用いられるため、発電機からの前記出力信号の有無すなわち流体の流動の有無に拘らず、制御装置および通信機器を安定して作動させることができる。そして、制御装置の流動状態検出部により、発電機からの前記出力信号に基づいて流体の流動状態を検出し、その流動状態に関する情報を制御装置の情報送信制御部により通信機器を介して情報受信装置に送信する。すなわち、外部電源を全く必要とすることなく、或いは補助電源等の外部電源を一部利用しつつ、流体の流動状態を検出して、その流動状態に関する情報を安定して送信できるのであり、電力線の引き回しや電池交換が不要になり、或いは軽減される。外部電源を利用する場合でも、使用電力が少なくて済むため、電池交換が不要であったり、交換頻度が少なくなる。また、発電機からの出力信号に基づいて蓄電装置の充電および流動状態の検出が共に行われるため、装置が簡単で且つコンパクトに構成される。これにより、種々の設置場所に簡便に設置することが可能で、各部の流体の流動状態を情報受信装置によって容易に知ることができる。

第２発明では、通信機器、制御装置、および蓄電装置が、発電機のケース部材に設けられた収容空間内に配置されているため、部品点数が少なくなって流動情報通信装置が一層コンパクトに構成され、発電機のケース部材を配管に直列に取り付けるだけで良いため、種々の設置場所に一層簡便に設置することができる。

第３発明では、流体の流動状態として、発電機からの出力信号に基づいて流体の流量を検出する場合で、例えば上水道の使用量を知ることにより住人の生活状態を適切に見守ることができるし、各種の製造プラント等における種々の流体の流量を遠隔モニタリングにより監視して供給流量や排出流量を管理することができるなど、漏水など流動の有無だけを検出する場合に比較して使用態様が広くなり、利便性が高い。

第４発明では、発電機が、円筒体の内部に羽根が設けられたロータを備えており、円筒体の内部を流体が流れることによりロータが回転させられるとともに、円筒体には中心線まわりに複数の永久磁石が設けられており、ロータの外周側に設けられたステータの複数のコイルに電磁作用により出力信号が出力されるため、発電機を流体の流動経路と同心にコンパクトに配置できる。

第５発明では、上記羽根が中心線まわりに等角度間隔で複数設けられており、中心線と直角な断面が中心線方向のどこでも円筒体の内周面から中心線に向かって一直線に延び出す直線形状を成しているとともに、円筒体の内周面との接続部が一定のねじれ角で周方向へ傾斜させられており、中心線の上流側および下流側のどちらから見ても同一の螺旋状のスロープ形状を成している場合で、流体の流動方向が逆転する場合でも正逆両方向の流動状態を適切に検出することができる。また、羽根が中心線まわりに等角度間隔で複数設けられているため、流体の流動に伴ってロータが適切に回転させられ、高い発電効率が得られる。

第６発明では、上記複数の羽根が円筒体の内周面から中心線に達するように設けられ、その中心線方向の全長に亘ってその中心線上で互いに連結されている場合で、羽根の強度が向上して薄肉で軽量に構成することが可能であり、発電機を一層小型化することができる。また、その複数の羽根および円筒体は合成樹脂材料にて一体に構成されているため、更に軽量化することが可能で、発電効率が一層向上する。

第７発明は、通信機器が送受信機能を有し、情報受信装置との間で送受信が可能の場合で、情報受信装置からの設定指示により流動状態に関する情報の送信設定（送信情報の内容や送信タイミングなど）を行うことができるため、受信側の要求に合わせて必要な情報を適切に送信することができる。

第８発明は、通信機器が送信機能のみを有し、予め定められた送信設定に従って流動状態に関する情報が送信されるため、機能が簡素化されて安価に構成することができる。

第９発明では、前記配管内の前記発電機よりも上流側の圧力を検出する上流側圧力センサと、前記配管内の前記発電機よりも下流側の圧力を検出する下流側圧力センサとを備え、前記流動状態検出部は、予め設定された関係から前記上流側の圧力と前記下流側の圧力との圧力差および前記ロータの回転数に基づいて、前記配管内の気液二相流体の全体の流量、液体流量比、気体流量比、液体流量、気体流量のうちの少なくとも１つを算出し、前記情報送信制御部は、前記流動状態検出部により算出された前記気液二相流体の全体の流量、液体流量比、気体流量比、液体流量、気体流量のうちの少なくとも１つを、前記流動状態に関する情報として前記通信機器を介して前記情報受信装置に送信する。このことから、配管内に気液二相流体が流動する場合には、その流動状態として、全体の流量、液体流量比、気体流量比、液体流量、気体流量のうちの少なくとも１つが、検出される。

本発明の一実施例である流動情報通信装置の概略構成を説明するブロック線図である。 図１の発電機の平面図である。 図２の発電機の縦断面図で、図２におけるIII−III矢視部分の断面図である。 図３に示されるアッパケースの平面図である。 図４のアッパケースの縦断面図で、図４におけるＶ−Ｖ矢視部分の断面図である。 図３に示されるロアケースの平面図である。 図６のロアケースの縦断面図で、図６におけるVII−VII矢視部分の断面図である。 図３に示されるロータの平面図である。 図８のロータの縦断面図で、図８におけるIX−IX矢視部分の断面図である。 図８のロータを周方向に展開して内周面側を示した展開図である。 図３に示されるステータの平面図である。 図１１のコイルに発生する３相交流の出力信号である出力電流を例示した図である。 本発明の流動情報通信装置の他の実施例を説明する図であり、図３に対応する断面図である。 本発明の流動情報通信装置の更に他の実施例を説明するブロック線図である。 本発明の流動情報通信装置の更に他の実施例を説明するブロック線図である。 本発明の更に他の実施例の流動情報通信装置の構成を説明するブロック線図である。 図１６の実施例において、発電機のロータの回転数から配管内の流体の流量を求めるために用いられる予め記憶された関係を示す図である。 図１６の実施例において、発電機の出力信号の電力から配管内の流体の流量を求めるために用いられる予め記憶された関係を示す図である。 配管内の気液二相流体の流量と発電機のロータの回転数との関係を示す図である。 図１６の実施例において、発電機のロータの回転数および配管の発電機よりも上流側の圧力と下流側の圧力との圧力差から、配管内の気液二相流体の液体流量比を求めるために用いられる関係を示す図である。 図１６の流動情報通信装置に対して、蓄電装置を備えない参考例の流動情報通信装置を示す図である。

本発明の流動情報通信装置は、例えば流体の流動状態として流量を検出できるように構成されるが、流動状態として流体の流動の有無を検出するだけでも良い。ロータが流体の流動方向に応じて正逆両方へ回転する場合は、流体の流動方向や流量、流動の有無を検出することもできる。すなわち、家庭等の上水道の使用の有無や流量に基づいて住人等の生活状態（上水道の使用状態）を見守る見守り装置、或いは各種の製造プラントや給排水管、パイプライン等における種々の流体の流動方向や流量を監視して供給流量や排出流量を管理したりする遠隔モニタリング装置など、種々の態様で使用できる。商用電源の使用が困難な地下の下水道などの流動状態の検出にも好適に用いられる。流体は、水や油等の液体の他、気体や粉状物、粒状物、ゲル状物など、流動性を有する種々の流体が対象となる。流動状態に関する情報を受け取る情報受信装置は、インターネット等を介した無線による情報の受信が可能なコンピュータやパソコン、スマートフォン、携帯電話などが適当であるが、通信線等のケーブルを介して情報を受信する有線のパソコン等の情報受信装置を用いることもできる。この情報受信装置に対して情報を送信する通信機器は、情報受信装置に応じて無線通信機器或いは有線通信機器が用いられる。

発電機は、例えば円筒体の内部に羽根が設けられたロータを有して構成され、円筒体の内部を流体が流れることによりロータが回転して、ロータに設けられた永久磁石によりステータのコイルに交流の出力信号である出力電流が発生させられるように、流体が流れる配管に対して直列に設けられる。上記円筒体の内部に設けられる羽根は、例えば中心線方向のどちらから見ても、すなわち上流側および下流側のどちらから見ても、同一の螺旋状のスロープ形状を成すように構成されるが、プロペラやスクリューのように中心線方向の何れか一方からの流体の流動に対して効率良く回転させられるように構成することもできる。羽根の数は、中心線まわりに１枚設けるだけでも良いが、中心線まわりに２枚以上の複数枚設けることが望ましく、等角度間隔で３枚以上設けることが一層望ましい。発電機は、３相交流の出力信号として、例えば３相交流の出力電流Ｉａが利用されてもよいが、３相交流の出力電圧Ｖａや出力電力Ｐｏｕｔが出力信号として利用されてもよく、また単相交流の出力信号や直流の出力信号を発生するものでも良いなど、発電機の発電原理は種々の態様が可能である。

制御装置、通信機器、および蓄電装置は、例えば制御ユニットとして単一のケース内に収容することが望ましいが、複数のケースに別々に収容してケーブル等で接続し、別々に配置できるようにしても良い。上記制御ユニットと発電機に関しても、単一のケースに収容するなどして一体的に構成することができるが、ケーブル等で接続して別々に配置できるように構成しても良い。蓄電装置としては、例えばバッテリーやコンデンサが好適に用いられる。本発明の流動情報通信装置は、外部電源を全く必要とすることなく流体の流動状態を検出してその情報を送信できることが望ましいが、発電機によって充電されない補助電源等の外部電源を設けて、必要に応じて制御装置や通信機器に電力供給されるようにすることも可能である。

流体の流動状態に関する情報は、流量や、所定時間の流量が予め定められた上限値以上、或いは下限値以下であること、或いは流動の有無などで、何れか１つだけでも良いし、複数の中から選択できるようにしても良い。また、これらの情報は、常時、或いは予め定められた一定の時刻や時間間隔、或いは流量が予め定められた値になった時など、所定の送信タイミングで送信されるように構成される。この流動状態に関する情報や送信タイミング等の送信設定は、流動情報通信装置の設置時等に予め定められても良いが、通信機器が送受信機能を有する場合は、情報受信装置からの設定指示に従って適宜設定、或いは設定変更できるようにしても良い。流動状態に関する情報を記憶装置に記憶しておいて、情報受信装置から要求があった時に送信するようにしても良い。

流体が流れる部位に、オプションとして水質センサ、水温センサ、圧力センサ等各種のセンサを配置できるようにし、流体の流動状態に関する情報に加えて水質、水温、水圧等に関する情報を、前記通信機器から送信できるようにすることも可能である。水質センサ、水温センサ、圧力センサなども、発電機から発生させられた出力信号の電力や蓄電装置を電源として作動させられるように構成すれば良い。発電機の上流側に上流側圧力センサを設け、発電機の下流側に下流側圧力センサを設ける場合には、予め定められた関係から上流側圧力センサおよび下流側圧力センサによってそれぞれ検出された圧力の差圧と発電機からの出力信号とに基づいて、気液二相流の流量を測定できることから、水流中に空気が混入した場合の検出に用いることができる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例である流動情報通信装置１０の概略構成を説明するブロック線図である。この流動情報通信装置１０は自己発電型で、発電機１２および制御ユニット１４を備えている。発電機１２は、例えば家庭用上水道の蛇口１６の吐水部分に直列に取り付けられ、蛇口１６から吐出された流体（例えば水など）が発電機１２の内部を流れることにより、発電機１２が発電し、出力信号である出力電流Ｉａがケーブル１８を介して制御ユニット１４の制御装置２０へ供給される。すなわち、本実施例の流動情報通信装置１０は、例えば一人暮らしの高齢者等の住人の生活状態、すなわち上水道の使用状態、を見守る見守り装置として用いられるもので、蛇口１６は、水等の流体が流れる配管に相当する。

発電機１２は、図２の平面図、および図３の縦断面図に示すように構成されている。図３は、図２におけるIII−III矢視部分の断面図である。発電機１２は、中空（円筒状）のアッパケース４０およびロアケース４２を備えており、それらのアッパケース４０およびロアケース４２は、発電機１２の中心線Ｏと同心に突き合わされて複数のボルト４４により互いに一体的に結合されている。ボルト４４は、外周縁の近傍に中心線Ｏまわりに等角度間隔で配置されてアッパケース４０およびロアケース４２を締結しており、そのボルト４４による締結部分よりも内周側にはＯリング等のシール部材４６が配設されて、アッパケース４０とロアケース４２との間が液蜜にシールされている。アッパケース４０およびロアケース４２は、発電機１２のケース部材に相当する。

アッパケース４０は、図４の平面図、および図５の縦断面図に示すように構成されている。図５は、図４におけるＶ−Ｖ矢視部分の断面図である。アッパケース４０は、前記ボルト４４が挿通させられる複数の挿通孔４８が設けられた円環形状の円盤部５０と、円盤部５０の内周部から上方へ突き出す上側円筒部５２と、円盤部５０の内周部から下方へ突き出す下側円筒部５４とを、中心線Ｏと同心に一体に備えている。円盤部５０の下面には、中心線Ｏと同心に円筒形状の嵌合部５６が下方へ突設され、前記ロアケース４２の上端部に嵌合されることにより、アッパケース４０がロアケース４２と同心に位置決めされる。そして、この嵌合部５６の外周側に前記シール部材４６が配設される。上側円筒部５２は、図示しない取付部材を介して前記蛇口１６の先端部に略同心に固定されるとともに、上側円筒部５２の内周面５２ｆは、上側の開口端へ向かうに従って大径になるテーパ形状を成している。上側円筒部５２の外周面には、中心線Ｏを挟んで対称位置に二面取り５８が設けられている。下側円筒部５４の内周面５４ｆは、下側の開口端へ向かうに従って大径になるテーパ形状を成しており、蛇口１６から吐出された流体はこの下側円筒部５４内を下方へ流動する。下側円筒部５４の内周面５４ｆのテーパ角度は、上側円筒部５２の内周面５２ｆのテーパ角度よりも大きい。なお、図４および図５の中心線Ｏは、アッパケース４０の中心線であるが、発電機１２として組み立てられた状態で発電機１２の中心線Ｏと一致するため、発電機１２の中心線Ｏをそのまま使用する。発電機１２の他の部品の説明についても同様である。

ロアケース４２は、図６の平面図、および図７の縦断面図に示すように構成されている。図７は、図６におけるVII−VII矢視部分の断面図である。ロアケース４２は、上側の大径円筒部６０と、下側の小径円筒部６２とを、中心線Ｏと同心に一体に備えている。大径円筒部６０の上端開口部には外向きフランジ６４が設けられ、前記ボルト４４が螺合される複数のねじ穴６６が設けられている。そして、このロアケース４２の内側に、図３に示されるように中心線Ｏと同心にロータ７０およびステータ７２が配設される。

ロータ７０は、図８の平面図、および図９の縦断面図に示すように構成されている。図９は、図８におけるIX−IX矢視部分の断面図である。ロータ７０は、中心線Ｏと同心に一定の径寸法の貫通穴７４が設けられた円筒体７６を主体として構成されており、図３に示されるように、その円筒体７６の下端側で一対のボールベアリング８０を介してロアケース４２の小径円筒部６２の内側に中心線Ｏまわりに回転可能に支持されている。貫通穴７４の径寸法は、前記アッパケース４０の下側円筒部５４の内周面５４ｆの下端開口部の径寸法と略同じで、貫通穴７４の上端開口部が下側円筒部５４の下端開口部に近接して対向するように、ロータ７０はロアケース４２内に配置される。したがって、前記蛇口１６から吐出された流体は、アッパケース４０の下側円筒部５４内を流動してロータ７０の貫通穴７４内に流入させられる。

円筒体７６の貫通穴７４の内周面には羽根７８が一体に設けられている。羽根７８は、貫通穴７４の内周面から中心線Ｏに向かって突き出すように、中心線Ｏまわりに離間して等角度間隔で複数（本実施例では４枚）設けられている。この複数の羽根７８は同一の板形状で、中心線Ｏと直角な断面が中心線Ｏ方向（図９の上下方向）のどこでも貫通穴７４の内周面から中心線Ｏに向かって一直線に延び出す直線形状を成しているとともに、貫通穴７４の内周面との接続部７８ａは中心線Ｏ方向へ進むに従って一定のねじれ角αで周方向へ傾斜させられている。図１０は、ロータ７０を周方向に展開して貫通穴７４の内周面側を示した展開図で、複数の羽根７８の接続部７８ａは、何れも中心線Ｏの右まわりに一定のねじれ角αで傾斜させられているとともに、各羽根７８は中心線Ｏまわりに９０°の角度範囲に亘って設けられている。ねじれ角αは、例えば３０°〜６０°程度の範囲内で適当に定められる。これらの羽根７８は、貫通穴７４の内周面から中心線Ｏに達するように設けられており、中心線Ｏ方向の全長に亘って中心線Ｏ上で十字形状を成すように互いに連結されている。すなわち、４枚の羽根７８の中心線Ｏと直角な断面は、中心線Ｏ方向のどこでも図８に示されるような十字形状を成しており、中心線Ｏ方向へ進むに従ってねじれ角αに応じて中心線Ｏまわりに回転させられる。このように羽根７８の接続部７８ａが一定のねじれ角αで傾斜させられることにより、それらの羽根７８は中心線Ｏ方向、すなわち上下方向の上流側および下流側のどちらから見ても同一のねじれ角αで右まわりにねじれた螺旋状のスロープ形状となる。これにより、図９の上方から円筒体７６内に流体が導入されて羽根７８に当たると、その流体圧によりロータ７０は図９の上方から見て中心線Ｏの左まわりに回転させられる。なお、羽根７８のねじれ方向は左まわりでも良いし、羽根７８の角度幅は必ずしも９０°である必要はなく、適宜増減できる。また、羽根７８の枚数は、３枚、或いは５枚以上でも良く、適宜定められる。羽根７８の枚数を、１枚或いは２枚にすることも可能である。

上記円筒体７６の上端側、すなわちボールベアリング８０による支持部位よりも上側には、外周側へ突き出すように肉厚が厚くされた厚肉円筒部８２が設けられている。厚肉円筒部８２には、中心線Ｏまわりに等角度間隔で複数（本実施例では１４個）の矩形のポケット穴８４が設けられ、そのポケット穴８４にはそれぞれ永久磁石８６（図３参照）が収容されるようになっている。ポケット穴８４は、図８に示されるように周方向に長い長穴で、厚肉円筒部８２の上端面から中心線Ｏと平行に設けられた有底穴であり、永久磁石８６は、中心線ＯまわりにおいてＮ極およびＳ極が交互に位置するように、圧入等によりポケット穴８４内に配設される。このようなポケット穴８４を有する厚肉円筒部８２や複数の羽根７８が一体に設けられたロータ７０は、例えば合成樹脂材料を用いて３Ｄプリンタにより一体に成形することができる。射出成形などの他の成形手法を用いて一体成形することも可能である。

ステータ７２は、図１１の平面図に示すように構成される。すなわち、円環形状の多数の磁性鋼板を重ね合わせたステータコア９０と、そのステータコア９０の内周側へ等角度間隔で突き出す複数（本実施例では１２個）の突出部９２に巻回された複数のコイル９４とを有する。このようなステータ７２は、図３に示されるように、ロアケース４２の大径円筒部６０の内側に圧入或いはボルト等を用いて、中心線Ｏと同心に一体的に固定される。言い換えれば、前記ロータ７０の永久磁石８６が配置された厚肉円筒部８２の外周側に、複数のコイル９４が対向する姿勢で配置される。ロアケース４２は、アッパケース４０を介して蛇口１６に固定されており、ステータ７２は中心線Ｏまわりに回転不能にロアケース４２によって保持される。したがって、蛇口１６から吐出された流体により機械的にロータ７０が中心線Ｏまわりに回転させられると、永久磁石８６との電磁作用によってコイル９４には３相交流の出力信号が発生させられる。複数のコイル９４からは、例えば図１２に出力電流Ｉａとして示されるように、３相交流の出力信号が生成されて出力される。

図１に戻って、前記制御ユニット１４は、制御装置２０、インターネット接続機器３０、および蓄電装置として機能するバッテリー３２を備えており、例えば共通の単一のケースに収容される。この制御ユニット１４は、ケーブル１８を介して前記発電機１２から離間して配置することが可能で、蛇口１６とは別の部材に取り付けることができる。制御ユニット１４を発電機１２と一体的に構成して、発電機１２と共に蛇口１６に取り付けるようにしても良い。図１３は、バッテリー３２を有する制御ユニット１４が発電機１２と一体的に共通のケースに組み付けられて蛇口１６に取り付けられる場合で、発電機１２のケース部材を構成しているロアケース４２の小径円筒部６２には、外周側に向かって開口する収容空間６８が設けられており、その収容空間６８内に制御ユニット１４が配置されるとともに、収容空間６８の開口部が蓋部材６９によって閉塞されるようになっている。この場合は、制御装置２０、インターネット接続機器３０、およびバッテリー３２を個別に収容空間６８内に配置することができる。制御装置２０、インターネット接続機器３０、およびバッテリー３２を共通の制御基板等に配置して、収容空間６８内に取り付けるようにしても良い。なお、ロアケース４２に収容空間６８を設けることなく、ケースに収容された制御ユニット１４を、アッパケース４０またはロアケース４２の外周面等に外付けで固定することも可能である。

上記インターネット接続機器３０は、インターネットを介して無線により情報受信装置３４との間で情報を送受信できる無線通信機器で、例えばＷｉＦｉルーター等を備えて構成される。情報受信装置３４は、インターネットに接続して情報を送受信できるもので、例えばコンピュータやパソコン、スマートフォン、携帯電話などである。また、バッテリー３２は、充放電可能な蓄電装置で、制御装置２０およびインターネット接続機器３０の電源として用いられる。図１における実線の矢印は情報の流れを表しており、破線の矢印は、電力（電気エネルギー）の流れを表している。

制御装置２０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有するマイクロコンピュータを含んで構成されており、ＲＡＭの一時記憶機能を利用しつつＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従って信号処理を行うもので、機能的に充電制御部２２、流動状態検出部２４、および情報送信制御部２６を備えている。充電制御部２２は、発電機１２から出力された出力信号である出力電流Ｉａに基づいてバッテリー３２を充電したり、インターネット接続機器３０を介して送受信する際には、出力電流Ｉａをインターネット接続機器３０の電源として直接使用したりするもので、出力電流Ｉａは必要に応じてインバータ等により直流に変換される。出力電流Ｉａに基づいてバッテリー３２が充電されることにより、発電機１２からの出力電流Ｉａの有無、すなわち流体の吐出の有無に拘らず、制御装置２０およびインターネット接続機器３０を安定して作動させて流動状態、すなわち流体の吐出状態に関する情報を送信することができる。流動状態検出部２４は、発電機１２から出力された出力信号である出力電流Ｉａに基づいて蛇口１６から吐出された流体の流動状態を検出する。具体的には、出力電流Ｉａの有無に基づいて流体の吐出の有無を検出するだけでも良いが、出力電流Ｉａの周期的変化はロータ７０の回転数Ｎ（ｒｐｍ）に対応し、その回転数Ｎは流体の流量Ｑに対応することから、出力電流Ｉａの周期Ｔ（ｓｅｃ）や周波数（Ｈｚ）などから、既知の流通切り流量Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）を算出することもできる。この流量Ｑは、蛇口１６から吐出された流体の吐出流量に相当する。

情報送信制御部２６は、流動状態検出部２４によって検出された流動状態に関する情報を、インターネット接続機器３０を介して情報受信装置３４に送信する。情報送信制御部２６は、情報受信装置３４から送られる設定指示に従って流動状態に関する情報の送信設定を行う機能を備えており、その送信設定に従って流動状態に関する情報を送信する。送信設定は、送信する情報の具体的内容や送信タイミングに関するもので、送信情報の具体的内容としては、前記流量Ｑか単に流体の吐出の有無かを設定できる。送信タイミングは、流体の吐出を検出した場合に即時送信するリアルタイム送信や、一定の送信時刻、送信時間間隔等で自動的に送信する定時送信、或いは情報受信装置３４からの送信要求に応じて必要な情報を送信するオンデマンド送信などである。また、一定期間の流量Ｑが所定値以上、或いは所定値以下の場合など、一定の送信条件を満たした場合に自動送信するようにしても良いなど、種々の態様が可能である。流動状態や送信設定は、制御装置２０に設けられた所定の記憶装置に必要に応じて記憶される。

このような本実施例の流動情報通信装置１０においては、蛇口１６から吐出された流体（例えば水など）の流れでロータ７０が回転させられることにより発電機１２から出力された出力信号である出力電流Ｉａに基づいてバッテリー３２が充電され、制御装置２０およびインターネット接続機器３０の電源として用いられるため、発電機１２からの出力電流Ｉａの有無すなわち流体の流動の有無に拘らず、バッテリー３２により制御装置２０およびインターネット接続機器３０を安定して作動させることができる。そして、制御装置２０の流動状態検出部２４により、発電機１２から出力された出力電流Ｉａに基づいて流体の流動状態を検出し、制御装置２０の情報送信制御部２６により、その流動状態に関する情報をインターネット接続機器３０を介して情報受信装置３４に送信する。すなわち、外部電源を必要とすることなく流体の流動状態を検出して、その流動状態に関する情報を安定して送信できるのであり、電力線の引き回しや電池交換が不要であるとともに、発電機１２により発生させられた出力電流Ｉａに基づいてバッテリー３２の充電および流動状態の検出が共に行われるため、流動情報通信装置１０が簡単で且つコンパクトに構成される。これにより、種々の設置場所に簡便に設置することが可能で、各部の蛇口１６からの流体の吐出状態に関する情報を情報受信装置３４によって容易に受け取ることができる。本発明の流動情報通信装置は、外部電源を全く必要とすることなく流体の流動状態を検出してその情報を送信できることが望ましいが、発電機によって充電されない補助電源等の外部電源を設けて、必要に応じて制御装置や通信機器に電力供給されるようにすることも可能である。

また、流体の流動状態として、発電機１２から出力された出力電流Ｉａに基づいて流体の流量Ｑを検出するため、漏水など流動の有無だけを検出する場合に比較して、上水道の使用量を知ることにより住人の生活状態を適切に見守ることができる。

また、発電機１２は、円筒体７６の内部に羽根７８が設けられたロータ７０を備えており、円筒体７６の内部を流体が流れることによりロータ７０が回転させられるとともに、円筒体７６には中心線Ｏまわりに複数の永久磁石８６が設けられており、ロータ７０の外周側に設けられたステータ７２の複数のコイル９４に電磁作用により出力電流Ｉａが発生する。これにより、発電機１２を流体の流動経路と同心にコンパクトに設置できる。すなわち、蛇口１６の先端部に、発電機１２をコンパクトに取り付けることができる。

また、上記ロータ７０の羽根７８は中心線Ｏまわりに等角度間隔で複数設けられており、中心線Ｏと直角な断面が中心線Ｏ方向のどこでも円筒体７６の内周面から中心線Ｏに向かって一直線に延び出す直線形状を成しているとともに、円筒体７６との接続部７８ａは一定のねじれ角αで周方向へ傾斜させられているため、流体の流動に伴ってロータ７０が適切に回転させられ、高い発電効率が得られる。特に、複数の羽根７８は、円筒体７６の内周面から中心線Ｏに達するように設けられ、その中心線Ｏ方向の全長に亘ってその中心線Ｏ上で十字形状を成すように互いに連結されているため、羽根７８の強度が向上して薄肉で軽量に構成することが可能で、発電機１２を一層小型化することができる。また、その複数の羽根７８および円筒体７６を有するロータ７０は合成樹脂材料にて一体に構成されているため、更に軽量化することが可能で、発電効率が一層向上する。

また、インターネット接続機器３０は送受信機能を有し、情報受信装置３４との間で送受信が可能で、情報受信装置３４からの設定指示により流動状態に関する情報の送信設定を行うことができるため、受信側の要求に合わせて必要な情報を適切に送信することができる。

次に、本発明の他の実施例を説明する。以下の説明において、前述の実施例と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図１３は、図１の制御ユニットが発電機のケース部材に一体的に配置されている例を説明する図であって、図３に対応する断面図である。図１３に示されるように、制御装置２０、インターネット接続機器３０、およびバッテリー３２を含む制御ユニット１４が、共通の制御基板に配置されるなどして発電機１２のロアケース４２に設けられた収容空間６８内に取り付けられる場合には、部品点数が少なくなって流動情報通信装置１０が一層コンパクトに構成され、発電機１２のケース部材であるアッパケース４０およびロアケース４２を蛇口１６等の配管に直列に取り付けるだけで良いため、種々の設置場所に一層簡便に設置することができる。

実施例１の発電機１２のロータ７０は、中心線Ｏの上流側および下流側のどちらから見ても同一の螺旋状のスロープ形状を成す複数の羽根７８を備えているため、流体の流動方向が逆転する場合でも正逆両方向の流動状態を適切に検出することができる。さらに、例えば図１４に示すように、製造プラント等の給排水用の配管１００の途中に発電機１２を取り付けることにより、流動情報通信装置１０を遠隔モニタリング装置として用いることができる。すなわち、配管１００内の流体（例えば水など）の正逆両方向の流量Ｑをそれぞれ検出することが可能で、給水バルブや排水バルブ等を遠隔操作することにより、その配管１００内を流れる流体の供給流量や排出流量を管理することができる。配管１００は、流体が流れる配管に相当する。

また、実施例１のインターネット接続機器３０は、情報受信装置３４との間で情報を送受信できるものであったが、例えば図１５に示す流動情報通信装置１１０のように、情報受信装置３４に対して流量Ｑ等の情報を送信するだけのインターネット接続機器１１４を用いることもできる。その場合は、情報送信制御部１１２としても、設置時等に定められた送信設定に従って流量Ｑ等の情報を一方的に送信するだけで良く、実施例１のように情報受信装置３４から送られた設定指示に従って送信設定を行う機能は不要である。すなわち、機能を簡素化して安価な流動情報通信装置１１０を提供することができる。

図１６は、流動情報通信装置１２０の構成を説明するブロック線図である。また、図１７は、発電機１２のロータ７０の回転数Ｎ（ｒｐｍ）から配管１００内の流体の流量Ｑを求めるために用いられる予め記憶された関係を示す図であり、図１８は、発電機１２の出力信号の電力Ｐｏｕｔから配管１００内の流体の流量Ｑを求めるために用いられる予め記憶された関係を示す図である。

図１６に示す流動情報通信装置１２０は、図１４に示す流動情報通信装置１０に比較して、配管１００内の発電機１２よりも上流側に接続され、配管１００内の発電機１２よりも上流側の圧力Ｐｕを検出する上流側圧力センサ１２２と、配管１００内の発電機１２下流側に接続され、上流側配管１００内の発電機１２よりも下流側の圧力Ｐｄを検出する下流側圧力センサ１２４とをさらに備えている。流動状態検出部２４は、たとえば図１７或いは図１８に示す予め求められ且つ記憶された関係から、ロータ７０の回転数Ｎ（ｒｐｍ）或いは出力電力Ｐｏｕｔ（Ｗ）に基づいて配管１００内を流れる流体の流量Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）を算出する。

また、流動状態検出部２４は、配管１００内を流れる流体が気液二相流体を予定する場合は、後述する図２０に示す予め求められ且つ記憶された関係から、ロータ７０の回転数Ｎ（ｒｐｍ）および上流側の圧力Ｐｕと下流側の圧力Ｐｄとの圧力差ΔＰ（ｋＰａ）に基づいて、その気液二相流体の液体流量比（たとえば水流量比）αｗを算出する。情報送信制御部２６は、流動状態検出部２４により算出された流体の流動状態を表すパラメータ、たとえば液体流量Ｑｗ、或いは気液二相流体の液体流量比αｗを、流動状態に関する情報としてインターネット接続機器３０を介して情報受信装置３４に送信する。

気液二相流体の流量をＱとし、その気液二相流体に含まれる気体（空気）の流量をＱａとすると、Ｑ＝Ｑｗ＋Ｑａである。また、液体流量比αｗは、流量Ｑに対する液体流量Ｑｗの比（αｗ＝Ｑｗ／Ｑ）であり、気体流量比αａは、流量Ｑに対する気体流量Ｑａの比（αａ＝Ｑａ／Ｑ）である。流動状態検出部２４は、それらの関係から、配管１００内に気液二相流体が流動する場合には、その流動状態として、液体流量比αｗ、気体流量比αａ、液体流量Ｑｗ、気体流量Ｑａのうちの少なくとも１つを、算出してもよい。

図１９は、本発明者が実験的に知見した、ロータ７０の回転数Ｎ（ｒｐｍ）に対する上記気液二相流体の流量Ｑの関係を示している。図１９に示すように、ロータ７０の回転数Ｎ（ｒｐｍ）に対する上記気液二相流体の流量Ｑの関係は、上記気液二相流体に含まれる気体（空気）流量Ｑａの気体流量比αａに拘わらず略同様である。図２０は、このような関係を前提として、予め実験的に求められたものであり、ロータ７０の回転数Ｎ（ｒｐｍ）および上流側の圧力Ｐｕと下流側の圧力Ｐｄとの圧力差ΔＰ（ｋＰａ）から、配管１００内の気液二相流体の液体流量比αｗを求めるために用いられる関係を示している。

本実施例の流動情報通信装置１２０によれば、配管１００内に気液二相流体が流動する場合には、その流動状態として、全体の流量Ｑ、液体流量比αｗ、気体流量比αａ、液体流量Ｑｗ、気体流量Ｑａのうちの少なくとも１つを検出し、情報受信装置３４に通報することができる。また、常時は流体が流されて気体流量比αａが０であるプラントにおいて、気体流量比αａが０から増加することで配管１００内に気体が混入したことを検出することができ、前記プラントの異常を通信により通報することができる。

図２１は、参考例の流動情報通信装置２２０を示している。図１６に示す流動情報通信装置１２０は、発電機１２の出力信号によって充電されるバッテリー３２を備えているため、電源自律型であったが、たとえば、外部電源が供給される場合には、必ずしもバッテリー３２が備えられていなくてもよい。図２１に示す流動情報通信装置２２０は、流動情報通信装置１２０と比較してバッテリー３２に替えて、電源ユニット２２６を備える点で相違し、他は同様である。電源ユニット２２６は、発電所又は変電所などの外部電源２２２から配電線２２４を介して電力が供給される電源ユニット２２６を備えている。電源ユニット２２６は、配電線２２４を介して電力が供給される電力から、制御装置２０、インターネット接続機器３０、上流側圧力センサ１２２、および、下流側圧力センサ１２４などに必要とされる電圧に変換し、それぞれに供給する。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これらはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

１０、１１０、１２０、２２０：流動情報通信装置
１２：発電機
１４：制御ユニット
１６：蛇口（配管）
２０：制御装置
２４：流動状態検出部
２６、１１２：情報送信制御部
３０、１１４：インターネット接続機器（通信機器）
３２：バッテリー（蓄電装置）
３４：情報受信装置
４０：アッパケース（ケース部材）
４２：ロアケース（ケース部材）
６８：収容空間（収容部）
７０：ロータ
７２：ステータ
７６：円筒体
７８：羽根
７８ａ：円筒体との接続部
８６：永久磁石
９４：コイル
１００：給排水管（配管）
１２２：上流側圧力センサ
１２４：下流側圧力センサ
α ：ねじれ角
Ｏ ：中心線
Ｉａ ：出力電流（出力信号）
Ｎ ：ロータの回転数（出力信号）
Ｑ ：流量（全体の流量）
Ｑａ ：気体流量
αａ ：気体流量比
Ｑｗ ：液体流量
αｗ ：液体流量比
ΔＰ ：圧力差

Claims (9)

1. 流体が流れる配管に接続されて前記流体の流動状態を検出し、該流動状態に関する情報を所定の情報受信装置に送信する流動情報通信装置において、
   前記配管に直列に取り付けられ、前記流体の流動に伴って機械的にロータが回転させられることにより出力信号を生成し出力する発電機と、
   無線または有線により前記情報受信装置と通信できる通信機器と、
   前記発電機からの前記出力信号に基づいて前記流動状態を検出する流動状態検出部、および該流動状態検出部によって検出された前記流動状態に関する情報を前記通信機器を介して前記情報受信装置に送信する情報送信制御部、を機能的に備えている制御装置と、
   前記発電機からの前記出力信号に基づいて充電されるとともに、前記通信機器および前記制御装置の電源として用いられる蓄電装置と、
   を有することを特徴とする流動情報通信装置。
2. 前記発電機は、前記ロータを回転可能に支持している筒状のケース部材を備えており、該ケース部材が前記配管に直列に取り付けられる一方、
   前記ケース部材には、前記ロータの回転に伴って前記出力信号を出力するステータが固定されているとともに、
   前記通信機器、前記制御装置、および前記蓄電装置は、前記ケース部材に設けられた収容空間内に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の流動情報通信装置。
3. 前記流動状態検出部は、前記流動状態として、前記発電機により発生させられた前記出力信号に基づいて前記流体の流量を算出する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の流動情報通信装置。
4. 前記ロータは、円筒形状の円筒体の内側に羽根が設けられたもので、該円筒体の内部を前記流体が流れるように該円筒体の中心線まわりに回転可能に前記配管に配設され、前記流体の流動に伴って前記羽根を介して前記中心線まわりに回転させられる一方、
   前記円筒体には前記中心線まわりに複数の永久磁石が設けられており、
   前記発電機は、前記ロータの他に、該ロータの外周側に該ロータと同心に配設されて前記配管に固定された円環形状のステータを有し、該ステータには、前記ロータの回転に伴って電磁作用により前記出力信号を出力される複数のコイルが前記永久磁石に対向するように配設されている
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の流動情報通信装置。
5. 前記羽根は、
   前記円筒体の内周面から前記中心線に向かって突き出すように、該中心線まわりに等角度間隔で複数設けられており、
   前記中心線と直角な断面が該中心線方向のどこでも前記円筒体の内周面から該中心線に向かって一直線に延び出す直線形状を成しているとともに、
   前記円筒体の内周面との接続部は一定のねじれ角で周方向へ傾斜させられており、
   前記中心線の上流側および下流側のどちらから見ても同一の螺旋状のスロープ形状を成している
   ことを特徴とする請求項４に記載の流動情報通信装置。
6. 前記複数の羽根は、前記円筒体の内周面から前記中心線に達するように設けられ、該中心線方向の全長に亘って該中心線上で互いに連結されており、
   前記円筒体および前記複数の羽根は合成樹脂材料にて一体に構成されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の流動情報通信装置。
7. 前記通信機器は送受信機能を有し、前記情報受信装置との間で送受信が可能であり、
   前記情報送信制御部は、前記情報受信装置から送られる設定指示に従って前記流動状態に関する情報の送信設定を行う機能を備えている
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の流動情報通信装置。
8. 前記通信機器は送信機能のみを有し、
   前記情報送信制御部は、予め定められた送信設定に従って前記流動状態に関する情報を送信する
   ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の流動情報通信装置。
9. 前記配管内の前記発電機よりも上流側の圧力を検出する上流側圧力センサと、前記配管内の前記発電機よりも下流側の圧力を検出する下流側圧力センサとをさらに備え、
   前記流動状態検出部は、予め設定された関係から前記上流側の圧力と前記下流側の圧力との圧力差および前記ロータの回転数に基づいて、前記配管内の気液二相流体の全体の流量、液体流量比、気体流量比、液体流量、気体流量のうちの少なくとも１つを算出し、
   前記情報送信制御部は、前記流動状態検出部により算出された前記気液二相流体の全体の流量、液体流量比、気体流量比、液体流量、気体流量のうちの少なくとも１つを、前記流動状態に関する情報として前記通信機器を介して前記情報受信装置に送信する
   ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の流動情報通信装置。

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