WO2020241901A1

WO2020241901A1 - 管路情報採取装置

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Publication number: WO2020241901A1
Application number: PCT/JP2020/021643
Authority: WO
Inventors: 石井　誠; 秀実陸田; 泰地山田
Original assignee: 株式会社昭和螺旋管製作所; 国立大学法人広島大学
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2020-12-03
Also published as: JPWO2020241901A1; CN113924439A; JP6960128B2

Abstract

【課題】地中に埋設される等によって状態確認が困難な管路の監視を容易とすることができる管路情報採取装置を提供する。【解決手段】管路１に設けられて変形可能なベローズ部７（可撓部）と、ベローズ部７の変形動作により発電を行う発電装置３と、発電装置３の発電電力により駆動され、発電装置３の発電電力を管路１に関する情報として無線送信する送信装置５と、送信装置５が送信した信号を受信する受信装置６とを備える。ベローズ部７が振動すると、発電装置３の各圧電素子１１によって発電され、その発電電力は、管路１の状態及び流体の状態を示すデータとして用いることができる。

Description

管路情報採取装置

　本発明は、流体が内部を流れる管路に設けられて前記管路に関する情報を採取する管路情報採取装置に関する。

　水道管や蒸気管或いはポンプ等のような地中や橋脚等に設置される流体用の管路においては、地盤沈下や地震等に伴う変位に対して柔軟に追従できるように、一部にベローズ管等の可撓部を設けることが行われている（例えば、下記特許文献１参照）。可撓部を管路の一部に設けることで変位に対応させることができ、管路に付与される変位に伴う外力を吸収して管路の破損等を防止することができる。

　特許文献１におけるベローズ管は、比較的薄肉の金属（ステンレス等）により形成され、軸線方向に沿って交互に配設された大径部と小径部とを備えている。ベローズ管の大径部と小径部とは、互いの間隔寸法が外力に応じて柔軟に変化する。

　このように、管路の一部に屈曲や伸縮し易いベローズ管等の可撓部を設けることにより、管路の撓み性を有さない部分への負担が軽減され、管路の寿命を延ばすことができる。

特開２００５－２７３７７２号公報

　一方、ベローズ管等の可撓部は、変位に追従する変形や、流体通過時の乱流に伴う振動等が長期間にわたって繰り返されると、疲労によって亀裂等の損傷が生じる場合がある。

　しかし、管路及び可撓部が地中や橋脚等に設置されていると、劣化や損傷の有無を確認することは極めて困難である。

　そこで、可撓部の状態を監視するためのセンサ等の監視装置を設けることが考えられるが、管路が地中に埋設されている等の場合を例にとると、管路に設けた監視装置への給電が困難である。即ち、例えば、監視装置に電池を搭載することが考えられるが、電池の寿命は可撓部の疲労よりも早期であることが多く、適用は困難である。また、地上から地中の監視装置へ給電することが考えられるが、監視装置を管路の複数個所に設けた場合には、各監視装置に給電するための配線及び電源確保等が困難である。

　上記の点に鑑み、本発明は、状態確認が困難な環境下にある管路の監視を容易とすることができる管路情報採取装置を提供することを目的とする。

　かかる目的を達成するために、本発明の管路情報採取装置は、流体が内部を流れる管路に設けられて前記管路に関する情報を採取する管路情報採取装置であって、前記管路に設けられて変形可能な可撓部と、前記可撓部に設けられて発電を行う発電部と、前記管路の情報である管路情報を取得する情報採取部と、前記管路情報を無線で送信する送信部とを備え、前記情報採取部は、前記発電部により発電された電力によって駆動されることを特徴とする。

　可撓部に屈曲、伸縮、振動といった変形動作が生じると、その変形動作によって発電部が発電を行う。この発電部により発電された電力によって情報採取部が管路の情報を取得する。これは、情報採取部に予め電池等で電力を供給するものも含まれる。このように取得された管路の情報は、送信部によって無線で外部に送信することが可能である。

　こうして送信部から送信された信号を、外部の受信手段により受信することで、可撓部の変形の状態や可撓部を通過する流体の流量変化等の各種の管路に関する情報を容易に確認し監視することができる。このように、本発明の管路情報採取装置によれば、状態確認が困難な環境下にある管路の監視を容易とすることができる。

　また、本発明の管路情報採取装置において、前記情報採取部は、前記発電部の出力から前記管路情報を採取することができる。発電部の発電電力（電圧）は、可撓部の変形動作の大小に比例して変化する。このときの発電部の発電電力の変化は、可撓部の変形の状態や可撓部を通過する流体の流量変化等の各種情報に対応している。これにより、発電部の発電電力から、可撓部の変形の状態や可撓部を通過する流体の流量変化等の各種情報をを採取することができる。

　また、本発明の管路情報採取装置において、前記送信部は、前記発電部により発電された電力によって駆動されてもよい。この場合は、他に送信部を駆動する電源を要しないという利点がある。

　また、本発明の管路情報採取装置において、前記可撓部は、大径部と小径部とからなる蛇腹状に形成されており、前記発電部は、前記可撓部の表面に圧電素子を装着するものであってもよい。当該構成により、可撓部の大径部と小径部で生じた振動等を確実に圧電素子で電力とすることができる。

　また、本発明の管路情報採取装置において、前記圧電素子は、前記可撓部の大径部の頂部と小径部の底部の一方又は両方に取り付けるようにしてもよい。大径部と小径部とからなる蛇腹状に形成された可撓部は、屈曲、伸縮、振動等が生じた場合に、大径部の頂部と小径部の底部とに比較的大きな変形が生じる。従って、大径部の頂部や小径部の底部は、変形動作によって発電を行う上で好適な位置となる。

　また、圧電素子は、電磁誘導に比べて耐久性が高く小型軽量である。これにより、圧電素子を可撓部の大径部の頂部や小径部の底部といった比較的狭い領域に設けることができ、可撓部の振動等の変形動作により、効率よく発電することができる。ここで、圧電素子とは、特定の素子を示すものではなく、振動によって発電を行う材料を有する素子一般を示す材料である。

　また、本発明の管路情報採取装置において、前記情報採取部は、前記管路の軸方向において、前記可撓部をまたいで少なくとも２点の相対位置の変化を検出する位置センサとしてもよい。当該構成によれば、管路の２点が地盤沈下等により相対的に移動した場合、位置センサによってその位置の変化を検出することができる。

　また、本発明の管路情報採取装置において、前記情報採取部は、前記管路の変位を検出する変位センサであり、前記変位センサは前記管路の軸方向に向けて設置され、前記可撓部をまたいで少なくとも２点で前記管路に固定されるようにしてもよい。当該構成によれば、管路の２点が地盤沈下等により相対的に移動した場合、変位センサによってその変位を検出することができる。

本発明の実施形態の管路情報採取装置の構成を模式的に示す図。図１に用いられている発電装置を示す平面図。ベローズ部の一部の説明的断面図。本発明の第２の実施形態の管路情報採取装置における発電装置を示す平面図。第２の実施形態の管路情報採取装置のベローズ部の説明的断面図。第３の実施形態の管路情報採取装置であり、（Ａ）は初期状態を示し、（Ｂ）は地盤沈下等により管路に変位が生じた状態を示す説明図。第３の実施形態の管路情報採取装置の変形例であり、（Ａ）は初期状態を示し、（Ｂ）は地盤沈下等により管路に変位が生じた状態を示す説明図。

　本発明の一実施形態である管路情報採取装置について図１～図７を参照して説明する。図１に示す第１の実施形態の管路情報採取装置は、水道管の管路１の一部に設けられた継手管２から管路１に関する各種情報（管路情報）を採取するものである。継手管２には、発電装置３（発電部）が設けられている。発電装置３には、情報採取装置４（情報採取部）、及び送信装置５（送信部）が電気的に接続されている。また、送信装置５から離れた位置には、受信装置６（受信部）が設置されている。

　図１に示すように、継手管２は、断面略波形で変形可能なベローズ部７（可撓部）と、管路１の端部に接続するための接続部８，９とを備えている。ベローズ部７は、機械的特性や防錆性に優れたステンレス材を素材とし、交互に配された複数の大径部７ａと小径部７ｂとからなる蛇腹状に形成されている。

　更に、ベローズ部７は、大径部７ａと小径部７ｂとのそれぞれの径寸法やその肉厚等が用途に応じて設定されており、十分な可撓性及び伸縮性を有している。本実施形態においては、このベローズ部７は水道管用に好適な寸法及び形状に形成されている。

　発電装置３は、継手管２のベローズ部７に固定されており、図２に示すように、帯状の基板１０の表面に装着された圧電素子１１を備えている。圧電素子１１は、ベローズ部７の変形動作（主に振動）を電圧に変換する。基板１０はフィルム状のフレキシブル基板であり、基板１０の表面には圧電素子１１に接続される配線１２が設けられている。

　図２に示すように、圧電素子１１は、長手方向に延びる可撓性シートである基板１０の長手方向に長方形状に形成されている。基板１０の一方端部には、圧電素子１１から得られる電圧を出力するためのコネクタ部１３が形成されている。図１に示すように、コネクタ部１３には情報採取装置４及び送信装置５が接続される。そして、送信装置５から送信された信号は、外部の受信装置６によって受信されるようになっている。

　図３に示すように、発電装置３の圧電素子１１は、ベローズ部７の表面に基板１０が貼り付けられ、その基板１０の表面に設けられている。圧電素子１１は、ベローズ部７の大径部７ａの頂部（最大外径部）と小径部７ｂの底部（最小外径部）においても、隙間なく設けられている。

　本実施形態においては、情報採取装置４は、発電装置３の圧電素子１１の出力から管路情報を採取するようになっている。ベローズ部７が、内部を通る水の影響で振動する際、圧電素子１１の出力に変化が生じる。情報採取装置４は、この圧電素子１１の出力の変化を利用してベローズ部７に関する管路情報を取得している。

　また、本実施形態においては、情報採取装置４に温度センサ４ａが接続されている。この温度センサ４ａは、ベローズ部７の表面に固定され、ベローズ部７の温度を取得している。また、本実施形態においては、情報採取装置４に不揮発性の記憶部４ｂ（ＲＥＥＰＲＯＭ等）が設けられており、採取された電圧のデータや温度データが記憶部４ｂに記憶されるようになっている。なお、圧電素子１１の材質によっては、温度変化を検出可能なものもあるため、そのような圧電素子１１を用いた場合は、温度センサ４ａは不要となる。

　次に、本実施形態の管路情報採取装置の作動について説明する。図１に示す管路１は、地中に埋められており、その周囲は土砂等で覆われている。この管路１が埋められた場所が道路の場合、管路１の上方には土砂及びアスファルト等が設けられる。

　このような状態で、管路１の内部を水が通過すると、蛇腹形状に伴う流体の乱流の影響を受けてベローズ部７が振動する。また、ベローズ部７に連結されているポンプ等の機器の振動や、付近を通過する車両による振動が伝達された際にも、ベローズ部７が振動する。さらに、地盤沈下や地震等が発生すると、それに伴う変位により屈曲や伸縮等の変形が生じる。

　このとき、ベローズ部７は、大径部７ａの頂部と小径部７ｂの底部とが比較的大きく変形する。圧電素子１１は、比較的大きく変形するベローズ部７の大径部７ａの頂部と小径部７ｂの底部を含むベローズ部７の長さ方向に亘って設けられているため、ベローズ部７の振動を確実に拾って発電が行われる。

　ベローズ部７の振動は、ベローズ部７の状態だけでなく、流体（水道水）の流量や圧力等に応じて変化する。よって、発電装置３の圧電素子１１から得られる電圧は、管路１の状態及び流体の状態を示すデータとして用いることが可能である。

　一例を挙げると、ベローズ部７や周囲の機器等が、周囲の圧力、又は温度の変化、或いは経年劣化等の理由によって材質が変化した場合、発電装置３の圧電素子１１から得られる電圧のデータに変動が生じる。具体的には、ベローズ部７の振動周波数が高くなる等の変化が考えられる。従って、情報採取装置４が、圧電素子１１からの信号を採取することにより、ベローズ部７等の劣化や不具合を事前に察知することも可能となる。

　また、例えば、ベローズ部７に亀裂が入り、その亀裂から流体漏れ（水漏れ）が生じた場合には、ベローズ部７の振動量が増加し、圧電素子１１から得られる電圧が通常と異なる変化を示す。よって、このような通常と異なる変化が電圧に現れた場合には、ベローズ部７から流体漏れ（水漏れ）が生じていると判断することができる。

　発電装置３から得られる電圧は、情報採取装置４に送られる。また、情報採取装置４には、その他に温度センサ４ａからの温度データも送信される。送信された電圧のデータや温度データは、情報採取装置４の記憶部４ｂに記憶される。

　また、本実施形態では、発電装置３から得られる電圧が送信装置５にも送られる。送信装置５は、所定のタイミングで、情報採取装置４の記憶部４ｂに記憶されたデータを外部に向けて無線で発信する。送信装置５から外部に送信される信号には、ベローズ部７の状態及び流体の状態を示すデータが含まれる。

　このとき、送信装置５は、発電装置３から得られる電力により駆動される。なお、送信装置５による信号の送信動作は常時行ってもよいが、一定の時間を介して間欠的に行ってもよい。間欠的に送信する場合には、送信装置５に蓄電池（図示せず）を搭載し、信号の未送信時に発電装置３の電力により蓄電池に充電する。これにより、蓄電池の電力を用いて高い送信出力を得ることができる。また、送信装置５による信号の送信動作は、外部の受信装置６からの信号に応じて行ってもよい。

　そして、送信装置５から送信された信号は、外部の受信装置６によって受信される。受信装置６が受信した送信装置５の電圧は、ベローズ部７の状態及び流体の状態を示すデータとして利用することができる。温度センサ４ａの信号により、ベローズ部７の温度状況も確認することができる。これにより、ベローズ部７の状態及び流体の状態を確認し監視することができる。

　以上の構成により、本実施形態の管路情報採取装置は、水道管の管路１及び継手管２が地中や橋脚等に設置されている場合に好適に採用することができる。即ち、継手管２と共に地中や橋脚等に設けた発電装置３により得られる電力（電圧）を用いて、データを管路１や継手管２から離れた位置へ送信することができるので、受信装置６を介してベローズ部７の状態及び流体の状態を容易に監視することができる。

　次に、本発明の第２の実施形態の管路情報採取装置１ａについて、図４及び図５を参照して説明する。第２の実施形態における発電装置３ａは、継手管２のベローズ部７に固定されており、図４に示すように、帯状の基板１０に支持された複数の圧電素子１１を備えている。圧電素子１１は、ベローズ部７の変形動作（主に振動）を電圧に変換する素子である。基板１０はフィルム状のフレキシブル基板であり、各圧電素子１１に接続される配線１２が形成されている。

　図４に示すように、複数の圧電素子１１は、長手方向に延びる可撓性シートである基板１０の長手方向に所定の間隔を空けて設けられている。基板１０の一方端部には、圧電素子１１から得られる電圧を出力するためのコネクタ部１３が形成されている。図１に示すように、コネクタ部１３には情報採取装置４及び送信装置５が接続される。

　図５に示すように、発電装置３の圧電素子１１は、ベローズ部７の表面に密着して設けられている。更に詳しくは、圧電素子１１は、ベローズ部７の大径部７ａの頂部（最大外径部）と小径部７ｂの底部（最小外径部）とに設けられている。

　本実施形態においては、発電装置３は、図４に示す圧電素子１１が基板１０をベローズ部７に固定された際に、ベローズ部７の大径部７ａの頂部と、小径部７ｂの底部に配置される構成となっている。この発電装置３は、ベローズ部７の形状のバリエーションに応じて、それぞれ圧電素子１１の長さと間隔が異なるものを準備している。

　上記第２の実施形態においては、圧電素子１１を、ベローズ部７の大径部７ａの頂部（最大外径部）と小径部７ｂの底部（最小外径部）との両方に設けた例を示した。しかし、これに限らず、ベローズ部７の大径部７ａの頂部と小径部７ｂの底部との何れか一方にのみ圧電素子１１を設けておくことも可能である。

　次に、本発明の第３の実施形態の管路情報採取装置について、図６を参照して説明する。第３の実施形態の管路情報採取装置１ｂは、ベローズ部７が設けられていない部分の継手管２に固定された支柱２１と、支柱２１に設けられた距離センサ（位置センサ）２２と、支柱２１とは離れた位置の継手管２に設置された的（まと）部材２３を備えている。その他の構成は、上記第１の実施形態と同様の構成を備えているため、詳細な説明は省略する。

　距離センサ２２は、レーザ、ＬＥＤ又は赤外線を用いた距離センサを用いることができるが、本実施形態ではレーザ型の距離センサを用いている。レーザ型の距離センサとしては、例えば、株式会社キーエンス製のアンプ内蔵型光電センサＰＲ－Ｇシリーズ等を用いることができる。

　的部材２３は、図６（Ａ）に示すように、初期状態で支柱２１よりも高さが高くなっている。また、的部材２３の幅も支柱２１よりも広く形成されている。本実施形態では、管路情報採取装置１ｂを地中等に設置する場合、支柱２１、距離センサ２２及び的部材２３は土砂を被らないように図示しないカバーを装着した上で設置を行う。

　本実施形態の管路情報採取装置１ｂは、地震等が原因で地盤沈下等が生じ、支柱２１に設けられた距離センサ２２と的部材２３との相対的な距離が変化すると、距離センサ２２によってその変化を検出することができる。

　的部材２３は、初期状態で支柱２１よりも高さが高くなっており、幅も広いので、地盤沈下等によって支柱２１に対して相対的に移動した場合あっても、距離センサ２２の測定範囲内での移動となる。また、的部材２３に目盛りを設けておき、距離センサ２２によって目盛りを読み取って移動距離を計測するようにしてもよい。

　距離センサ２２によって検出された距離の変化は、情報採取装置４に送られ、送信装置５から外部に送信されるため、装置の設置箇所が遠隔地であった場合でも、容易に地盤沈下等の情報を入手することができる。

　次に、本発明の第３の実施形態の変形例である管路情報採取装置について、図７を参照して説明する。本変形例の管路情報採取装置１ｃは、ベローズ部７が設けられていない部分の継手管２に固定された支柱２１と、支柱２１とは離れた位置に設置された移動センサ（位置センサ）２４と、支柱２１と移動センサ２４とを連結する連結部材２５を備えている。その他の構成は、上記第３の実施形態と同様の構成を備えているため、詳細な説明は省略する。

　移動センサ２４は、図７における上下方向の２点間の相対位置が変化した際に、その移動量を検出するセンサである。この移動センサ２４としては、例えば株式会社テクロック（ＴＥＣＬＯＣＫ）デジタルインジケータＰＤ－５１２Ｐ等を用いることができる。

　移動センサ２４は、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、距離を測定する方向に伸縮自在となっている。本実施形態では、管路情報採取装置１ｃを地中等に設置する場合、支柱２１、移動センサ２４及び連結部材２５にも土砂を被してもよく、図示しないカバーを装着して土砂が被らないようにしてもよい。

　本変形例の管路情報採取装置１ｃは、図７（Ｂ）に示すように、地震等が原因で地盤沈下等が生じ、支柱２１に設けられた部分と移動センサ２４が設けられた部分で相対的な距離が変化すると、移動センサ２４によってその移動量を検出することができる。移動センサ２４によって検出された相対位置の変化は、情報採取装置４に送られ、送信装置５から外部に送信されるため、装置の設置箇所が遠隔地であった場合でも、容易に地盤沈下等の情報を入手することができる。

　本変形例の管路情報採取装置１ｃにおいては、移動センサ２４として、上下方向の移動距離を検出するようにしているが、これに限らず、連結部材２５の軸方向の移動距離を検出するようにしてもよい。

　また、移動センサ２４としては、上記小径高感度変位計の他に、ＨＢＭ社製の光ファイバ式ひずみゲージ等を用いることができる。この場合、当該歪みゲージを連結部材２５に固定してもよく、或いは図７の移動センサ２４のように上下方向に向けて設置してもよい。

　なお、上記実施形態においては、送信装置５を、発電装置３により発電された電力で駆動しているが、これに限らず、受信装置６に非接触給電装置を設け、この非接触給電装置から電力励起用の電波を発信して給電を行い、送信装置５内に電力を発生させ、その電力により外部に情報を発信させるようにしてもよい。

　また、上記実施形態では、情報採取装置４に記憶部４ｂを設けているが、これに限らず、取得したデータを記憶せずに送信装置５を通じて外部に送信し、受信装置６によって受信したデータを受信装置６側で記憶するようにしてもよい。

　１…管路、３，３ａ…発電装置（発電部）、４…情報採取装置（情報採取部）、５…送信装置（送信部）、６…受信装置（受信部）、７…ベローズ部（可撓部）、７ａ…大径部、７ｂ…小径部、１１…圧電素子、２２…距離センサ（位置センサ）、２４…移動センサ（位置センサ）。

Claims

　流体が内部を流れる管路に設けられて前記管路に関する情報を採取する管路情報採取装置であって、
　前記管路に設けられて変形可能な可撓部と、
　前記可撓部に設けられて発電を行う発電部と、
　前記管路の情報である管路情報を取得する情報採取部と、
　前記管路情報を無線で送信する送信部とを備え、
　前記情報採取部は、前記発電部により発電された電力によって駆動されることを特徴とする管路情報採取装置。
　請求項１に記載の管路情報採取装置であって、
　前記情報採取部は、前記発電部の出力から前記管路情報を採取することを特徴とする管路情報採取装置。
　請求項１又は２に記載の管路情報採取装置であって、
　前記送信部は、前記発電部により発電された電力によって駆動されることを特徴とする管路情報採取装置。
　請求項１～３のいずれか一項に記載の管路情報採取装置であって、
　前記可撓部は、大径部と小径部とからなる蛇腹状に形成されており、
　前記発電部は、前記可撓部の表面に圧電素子を装着してなることを特徴とする管路情報採取装置。
　請求項４に記載の管路情報採取装置であって、
　前記圧電素子は、前記可撓部の大径部の頂部と小径部の底部の一方又は両方に取り付けられていることを特徴とする管路情報採取装置。
　請求項１～５のいずれか一項に記載の管路情報採取装置であって、
　前記情報採取部は、前記管路の軸方向において、前記可撓部をまたいで少なくとも２点の相対位置の変化を検出する位置センサであることを特徴とする管路情報採取装置。