JP4769919B2 - 弁体回転発電装置 - Google Patents

Description

この発明は、流体の流量、圧力等を制御するリフト弁に発電機を設けた弁体回転発電装置に関するものである。

一般に、玉形弁などのリフト弁式の弁装置は、様々な流体物を移送する流体管路に設置され、その管路に流れる流体物の流量、圧力等を制御するために用いられる。例えば、建築物、構造物、鉄道車両、自動車、航空機、船舶等に設置される各種管路において、流量調整装置、遮断装置、減圧装置等として使用されている。

上記リフト弁は、所定の止水機能を確保するために、弁体と弁軸とが相互に軸心周りに回転自在になるように嵌め合わされて固定されている。これは、弁体と弁軸とが相互に軸心周りに回転しないように結合されていると、弁体が弁座に対していわゆる片当たり状態となる場合があるからである。

上記流体管路および弁類は、各種施設、車両、あるいは船舶内等において、限られたスペース内に収まるよう密に配置されるため、流体管路は複雑な構造となる。したがって、管路内の流体には、管路各所に流れの偏り（偏流）を生じやすい。
この偏流が生じると、弁体に作用する流体圧が弁体各部で不均一となり、その結果、弁体が弁軸の軸心周りに回転することがある。

そこで、リフト弁の弁装置内に発電機を設けて、その弁体の回転を利用して発電できるようにした技術が開示されている。

例えば、特許文献１に記載のリフト弁は、弁体とそれを支える弁軸とが、弁箱内で一体に軸心周りに回転するようになっており、その弁軸上部に永久磁石を取り付け、弁箱内には、その永久磁石周囲に電磁コイルを配置して発電機を構成するようにしたものである。弁体及び弁軸が弁箱内で軸心周りに回転することにより発電され、発生した電流は、弁箱外に設けた蓄電池に補給されて充電される（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２に記載のリフト弁は、弁箱内に流体圧を受けて弁孔を開閉する浮遊式弁体を備えた流量調整弁であり、その浮遊式弁体の上部にはストッパが設けられている。このストッパは、駆動部材を介して弁箱に支持されて、前記弁体の開閉方向に進退することにより弁孔の最大開度を調整できるようになっている。また、モータにより駆動部材を動作させれば、ストッパを弁体に当接させて閉弁させることができる。
その弁箱の外側において、前記弁体近傍には発電用の電磁コイルが設けられており、弁体外周面には磁極が形成されているので、開弁状態において弁体が回転すれば、発電されるしくみになっている（例えば、特許文献２参照）。
特開平５−１０６７５７号公報 特開２００２−１３０５０６号公報

しかし、特許文献１及び２に示すリフト弁では、必ずしも大きな発電量を得ることができない。流体管路内の流れに偏流が少なければ、所定の電気エネルギーを得るほどの速度で弁体が回転しないからである。

そこで、この発明は、発電量を大きくすることを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明は、流体管路にその管路を開閉するリフト弁を介設し、そのリフト弁の弁体の回転により発電機を駆動させるようにした弁体回転発電装置において、前記リフト弁を、前記流体管路の湾曲部に設けたものである。
流体管路の湾曲部では、流体に生じる偏流は強いものとなり、前記リフト弁を湾曲部に設けることにより、弁体は、その湾曲部の偏流の影響下に配置される。このため、弁体に作用する流体圧がより不均一なものとなり、弁体がより早い速度で回転する。このため、発電量を大きくすることができる。

また、前記リフト弁を、前記流体管路に介設した曲管の下流側に直結して設ければ、弁体は、前記偏流作用が大きい位置に配置される。このため、弁体の回転速度がさらに高まり、発電量を大きくすることができる。

さらに、前記リフト弁を、一次側弁室と二次側弁室とを連通する上下方向の弁孔を前記弁体が開閉するようにし、前記湾曲部は、上流側から下流側に向かって水平方向左向き又は右向きに曲がるものとする。このようにすれば、前記リフト弁を配置する湾曲部の向きにより、前記弁体の回転方向を選択可能とし得る。

さらに、上記の構成において、前記弁体の外周に、その弁体の回転中心から徐々に遠ざかる羽根を設ければ、その弁体の流体圧を受ける部分が弁軸周り外側に広がる。このため、弁体は、前記湾曲部の偏流作用を受けやすくなりその回転速度が高まるので、発電量を大きくすることができる。

なお、リフト弁及び発電機の具体的構成としては、前記弁体の弁孔側に前記弁軸と同一軸心の弁体軸を設けてその弁体軸は前記弁体と一体に回転可能とし、前記弁孔の内側に、アームを介して、前記弁体軸を前記軸心方向にガイドするガイド部を設け、その弁体軸とガイド部とで構成される回転部に前記発電機を設けたものを採用し得る。
このようにすれば、弁体は、弁軸によって支持されるとともに、弁体軸によってガイドされて、その回転が安定する。また、発電機は、弁孔の内側にコンパクトに収めることができるので、弁箱内に発電機を設置しやすい。また、発電機が弁孔内に位置するので、弁体の外周に羽根を設けやすい。

この発明は、以上のようにしたので、発電量を大きくすることができる。

一実施形態を図１乃至図４に示す。この実施形態のリフト弁１０は、流体管路１の湾曲部に設けられるものであり、図１に示すように、リフト弁１０が、管路１に介設された平面視左曲がりの曲管Ｅのすぐ下流側に直結して接続されている。その流体管路１の形態を、図２に示す。この実施形態において、図２では、流体管路１の湾曲部の上流側部分は鎖線で示している。
リフト弁１０の構成は、弁箱２の両端に接続口１５，１６を有し、フランジ１５ａ，１６ａを介して前後の流体管路１，１に接続されるようになっており、その弁箱２内部は、隔壁３を介して、一次側弁室１１と二次側弁室１２とに上下方向に区画されている。

その隔壁３に、前記両弁室１１，１２を連通する上下方向の弁孔４を形成し、その弁孔４周りの上向き弁座６に弁体５が接離するようになっている。弁体５には、図１に示すように、その上部の孔５ａを介して弁軸７が一体に嵌められて軸心方向に抜けないように固定されており、弁体５と弁軸７とは、相互に軸心周りに回転可能に支持されている。
その弁軸７の上端は、弁箱２の上蓋１７を弁軸受１３で貫通し、弁箱２上部の適宜の位置に設けた支持部（図示せず）にねじ込まれて、弁箱２に昇降可能に支持されている。弁軸７上端に設けた回転杆（図示せず）を回すことにより、弁軸７はその軸心方向に沿って進退し、その進退に伴い弁体５を前記弁座６に接離させることができる。

前記一次側弁室１１、二次側弁室１２は、それぞれ一次側接続口１５、二次側接続口１６に連通しており、流体は、一次側接続口１５を介して弁箱２内の一次側弁室１１にまず流入し、弁孔４を通って二次側弁室１２に流入した後、二次側接続口１６を介して外部へ流出していく。

前記弁体５には、その弁体５を挟んで弁軸７の対側、すなわち弁体５の弁孔４側の面に、前記弁軸７と同一軸心の弁体軸８が設けられており、その弁体軸８は前記弁体５と一体に回転可能となっている。

また、弁孔４内には、環状のリング１４が嵌められており、そのリング１４の上面が前記弁座６を構成する。また、そのリング１４のアーム１４ａを介して、その弁孔４の中央部に筒状のガイド部９が設けられている。前記弁体軸８は、このガイド部９に対して軸心周り回転自在であり、且つそのガイド部９によって、前記軸心方向に沿ってその進退がガイドされる。

この弁体軸８とガイド部９とで構成される回転部に、弁体回転発電装置の発電機２０を構成する。発電機２０の構成は、図１に示すように、前記弁体軸８が挿通されるガイド部９の外側に発電用の電磁コイル２１が埋め込まれている。また、弁体軸８の下端部には永久磁石２２が埋め込まれており、弁体５の開弁状態において、その永久磁石２２が電磁コイル２１内に位置するようになっている（図１参照）。

なお、発電機２０の電磁コイル２１から、弁箱２外に設けた蓄電池、整流器等の付属機器への配線は、リング１４のアーム１４ａ及び隔壁３の表面に沿って、又は、リング１４のアーム１４ａ及び隔壁３内に埋め込まれて配設されて弁箱２外へ引き出される。
このとき、リング１４、すなわち前記ガイド部９及び前記アーム１４ａは、前記弁箱２に着脱可能に設けられているので、電磁コイル２１の設置及び固定、配線が容易である。なお、図１では、前記付属機器、及び配線等を図示省略している。
また、そのガイド部９、アーム１４ａを有するリング１４の上面が、前記弁座６を構成するので、部品点数を減らし構造を簡単にすることができる。

また、前記弁体５の側周面には、前記弁軸７の軸心から外側方向に向く、すなわち弁体５の回転中心から徐々に遠ざかる複数の羽根２３を放射状に設けている。その羽根２３の詳細を、図４（ａ）（ｂ）及び（ｃ）に示す。弁体５が、弁軸７の軸心周りに回転した際に、その羽根２３の先端は、弁箱２の二次側弁室１２の内壁に当たらないように設定されているので、羽根２３は、弁体５の回転に支障しない。

流体管路１内に偏流が生じ、その流体が弁孔４を通過することにより弁体５が回転すると、弁体軸８の回転により、電磁コイル２１内で永久磁石２２が回転し電磁コイル２１内で磁極が変化する。この磁極の変化により発電がなされ、電流は、例えば、図３に示す回路を通じて、整流器等を経て蓄電池等に供給される。
このとき、弁体５に羽根２３を設けることにより、その弁体５が流体圧を受ける部分が前記軸心周り外側に広がるので、羽根２３を設けない場合と比較すると、弁体５に作用する偏流の影響度合いが高まる。このため、弁体５の回転速度が高まり、発電機２０による発電量を大きくすることができる。

また、リフト弁１０は、図２に示すように、流体管路１の湾曲部に設けられ、その管路１に介設された曲管Ｅのすぐ下流側に直結して接続されているので、弁体５は、その湾曲部内の偏流の強い影響下に配置される。また、曲管Ｅの直後は、前記偏流作用が最も大きい位置の一つであり、弁体に作用する流体圧は著しく不均一となる。このため、リフト弁１０をこの位置に配置すれば、弁体５はより早い速度で回転し得るようになる。

これは、例えば、図７（ａ）に示すように、管路内を図中矢印の方向へ流れる流体が湾曲部にさしかかると、断面Ａ−Ｂの位置では、遠心力によって外側の圧力が高くなり、内側では逆に低くなる。特に、その湾曲部に介在する曲管の半径Ｒが小さい場合には、湾曲部の後半付近内側Ｃ付近に流れのはく離が生じる。また、湾曲部の前半外側Ｄ付近にもはく離を生じることがある。管路の中心部の流体は、遠心力によって湾曲部の外側に突き当たるように進むが、この流れは、やがて管路の内壁に沿って湾曲部の内側方向へと回り込むように進み、断面Ｅ−Ｆの位置では、図７（ｂ）に示す一つの向かい合った渦になることが知られている。
したがって、管路の湾曲部においては、特に、図７（ａ）に半径Ｒで示す曲管のやや下流側、断面Ｅ−Ｆに至るまでの部分に、前記弁体５を回転させ得る偏流が生じやすいといえる。このため、本実施形態のごとく、流体管路１に曲管Ｅが介在する場合には、リフト弁１０をその曲管Ｅのすぐ下流側に直結して接続することが、弁体５の回転速度及び発電量を高めるには有効である。

仮に、リフト弁１０と曲管Ｅとの間に所定長さの直管を介在させた場合には、弁体５への偏流の作用は幾分衰えるが、リフト弁１０が、上記偏流の影響を受ける前記湾曲部内に位置する限りにおいて、弁体５の回転速度及び発電量を高めるには有効である。

また、前記弁体５の回転の向きは、リフト弁１０が、図２に鎖線で示すように、右曲管（上流側から下流側に向かって左向きに曲がる図１に示す曲管）の下流側に位置する場合は、弁体は、上方から見て反時計回りに回転する。また、図２に実線で示すように、左曲管（上流側から下流側に向かって右向きに曲がる曲管）を含む湾曲部にリフト弁１０が設けられている場合、弁体５は時計回りに回転する。
このため、例えば、上記右曲管の場合は、羽根２３の先端に、図５に示す方向の屈曲部２３ａを、上記左曲管の場合は、羽根２３の先端に、図６に示す方向の屈曲部２３ａをそれぞれ設ければ、弁体５は、その偏流作用の影響をさらに受けやすくなるので、弁体５の回転速度を高め、発電量を高めるには有効である。

なお、前述のように、弁体が回転する原因は、弁体近辺での流れが管軸に対して左右の流速分布が不均一（流れの偏り）であることが原因と考えられる。一次側弁室１１より弁孔４を通過した流れは、弁体５の下面に沿って二次側弁室１２へと流れていく。その弁体５の下面に接している流体の流速は０ｍ／ｓであるが、その流速は、弁体５から離れるにしたがって増加していくものと考えられる。このため、弁体５の表面（下面）と流体との間に流体の粘性に基づくせん断応力が生じる。このせん断応力により生じる回転モーメントの積分値が０とならず、一方向に回転モーメントが作用し、このモーメントにより弁体５が回転しているものと考えられる。図８に、弁内の流れと粘性に基づくせん断応力との関係を示す。図８では、点Ｐにおける弁体軸８に対して直角な流れの流速Ｖを示している。図９は、弁体５を側方から見た状態を示し、弁体５の下面からその下面に垂直方向にＬの距離にある点Ｐを示している。
粘性に基づくせん断力は、式１に示すように粘性係数に速度勾配を乗じたものである。したがって、弁体５の下面近くでの速度勾配の大きさが、弁体５を回転させるせん断応力の大きさに比例している。

式１

τ＝μ（ｄＶ／ｄＬ）
τ：せん断応力
μ：粘性係数
Ｖ：流速
Ｌ：距離

そこで、点Ｐから距離Ｌ離れた弁体の速度勾配は、近似的に１／７乗則によって求められる。仮に点Ｐでの速度を３．５４ｍ／ｓ、距離Ｌを４ｍｍとすると、１／７乗則により図１０に示す速度曲線になる。弁体５近辺での各位置での速度がわかれば、１／７乗則により速度勾配が求められる。速度勾配はＶに比例しているので、Ｖが低速であれば速度勾配が小さくなり、粘性に基づくせん断応力も小さくなる。従って、弁体を回転させるには、Ｖが高速であり、且つ流れの偏りが大きいことが必要である。
つぎに、弁体５を回転させるモーメントについて、図１１に示す微小断面積に作用するせん断応力との関係を、式２のように表すことができる。

式２

ｄＭ＝τ・ｒ・ｒｄθ・ｄｒ／ｃｏｓα
Ｍ：モーメント
τ：せん断応力
ｒ：半径
α：弁体の角度

式２を式１に代入すると、弁体５の全面積についての回転モーメントは、式３に示される。

式３

一実施形態の斜視図 同実施形態の管路の配置を示す平面図 弁体回転発電装置を設置する場合の回路図の例を示す 弁体の詳細図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図 他の実施形態の弁体の詳細図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図 さらに他の実施形態の弁体の平面図 流体管路内の偏流の状態を示す説明図で（ａ）は平面図、（ｂ）は管路の断面図 弁内の流れと粘性に基づくせん断応力との関係を示す説明図 弁内の流れと粘性に基づくせん断応力との関係を示す説明図 速度曲線の例を示す 弁体に作用するせん断力とモーメントとの関係を示す説明図

符号の説明

１ 流体管路
２ 弁箱
３ 隔壁
４ 弁孔
５ 弁体
６ 弁座
７ 弁軸
８ 弁体軸
９ ガイド部
１０ リフト弁
１１ 一次側弁室
１２ 二次側弁室
１３ 弁軸受
１４ リング
１４ａ アーム
１５ 一次側接続口
１６ 二次側接続口
１７ 上蓋
２０ 発電機
２１ 電磁コイル
２２ 永久磁石
２３ 羽根
２３ａ 屈曲部
１５ａ，１６ａ フランジ
Ｅ 曲管

Claims (5)

1. 流体管路１にその管路を開閉するリフト弁１０を介設し、そのリフト弁１０の弁体５の回転により発電機２０を駆動させるようにした弁体回転発電装置において、
   前記流体管路１は、上流側から下流側に向かって水平方向に曲がる湾曲部を有し、前記リフト弁１０を、前記流体管路１の湾曲部に垂直方向に設けたことを特徴とする弁体回転発電装置。
2. 前記リフト弁１０は、前記流体管路１に介設した曲管Ｅの下流側に直結して設けたことを特徴とする請求項１に記載の弁体回転発電装置。
3. 前記リフト弁１０は、一次側弁室１１と二次側弁室１２とを連通する上下方向の弁孔４を前記弁体５が開閉するようになっており、前記湾曲部は、上流側から下流側に向かって水平方向左向き又は右向きに曲がり、前記リフト弁１０を配置する湾曲部の向きにより前記弁体５の回転方向を選択可能としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の弁体回転発電装置。
4. 前記弁体５の外周に、その弁体５の回転中心から徐々に遠ざかる羽根２３を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の弁体回転発電装置。
5. 前記弁体５の弁孔４側に弁軸７と同一軸心の弁体軸８を設けてその弁体軸８は前記弁体５と一体に回転可能とし、前記弁孔４の内側に、アーム１４ａを介して、前記弁体軸８を前記軸心方向にガイドするガイド部９を設け、その弁体軸８とガイド部９とで構成される回転部に前記発電機２０を構成したことを特徴とする請求項４に記載の弁体回転発電装置。

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