(57)【要約】【課題】融雪のためにボイラーから送られてくる水蒸気の流れを利用してインペラーを回転させ、この回転エネルギーを電気エネルギーに転換することで水蒸気の流路を切り替える水蒸気流路切り替え装置を提供すること。【解決手段】融雪屋根パネルと連結する水蒸気取り込み口２０と、水蒸気取り込み口２０からインペラー４０に水蒸気を取り込むための水蒸気供給路３０と、水蒸気供給路３０に水蒸気取り込み口２０から取り入れた水蒸気により羽根が回るように設置したインペラー４０と、インペラー４０の回転中心軸の位置にインペラー４０を垂直に貫くように設置されたエネルギー伝達軸５０を備えることを特徴とする切り替え弁用動力発生装置１０とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
融雪屋根パネルに取り付けることで、融雪屋根パネルに供給する水蒸気を取り込んでインペラーを回転させ、該インペラーの回転エネルギーを電気エネルギーに変換することで、融雪屋根パネルの水蒸気流路を切り替える切り替え弁を作動させるための動力源とする切り替え弁用動力発生装置であって、
融雪屋根パネルと連結する水蒸気取り込み口と、
前記水蒸気取り込み口から前記インペラーに水蒸気を取り込むための水蒸気供給路と、
前記水蒸気供給路に前記水蒸気取り込み口から取り入れた水蒸気により羽根が回るように設置したインペラーと、
前記インペラーの回転中心軸の位置に前記インペラーを垂直に貫くように設置されたエネルギー伝達軸を備えることを特徴とする切り替え弁用動力発生装置。
【請求項２】
前記インペラーの形状は球形状であり、前記インペラーは前記球形状の中心周りであって前記エネルギー伝達軸に対して垂直方向に回転する位置に複数の羽根を備えていることを特徴とする請求項１に記載の切り替え弁用動力発生装置。
【請求項３】
前記インペラーの回転エネルギーを電気エネルギーに変換するオルタネータと、
前記オルタネータによって回転エネルギーから変換された電気エネルギーを充電するための蓄電池を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の切り替え弁用動力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は融雪屋根パネルに設置する切り替え弁の動力発生装置に関する。さらに言えば、融雪のためにボイラーから送られてくる水蒸気を利用してインペラーを回転させ、この回転エネルギーを電気エネルギーに変換することで、融雪屋根パネルの水蒸気流路を切り替えるための動力源とする切り替え弁用動力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
出願人らは融雪屋根パネルにおいて、水蒸気の熱エネルギーを有効に利用する目的で、既に融雪が完了した融雪屋根パネルにおいては、水蒸気をバイパスに通過させるようにするための切り替え弁を開発している。切り替え弁の開発により、既に融雪が完了した融雪屋根パネルに水蒸気を供給し続けることが無くなり、水蒸気の熱エネルギーの無駄を省くことができるようになっている。要するに、融雪が完了した融雪屋根パネルからの放熱をゼロにし、水蒸気の熱エネルギーを融雪のためにのみ有効に利用することができるような仕組みを開発している。
【０００３】
特許文献１には、「融雪屋根パネルに供給する水蒸気の流れを自動的に切り替えることができる熱感知式切り替え弁を提供する。」ことを課題として、「感知した温度に応じて熱膨張、収縮を繰り返す部材と、感知した温度に応じて熱膨張、収縮を繰り返す部材の熱膨張、収縮に起因する動きに連動して直線往復運動するように設置された押し出し部材２０と、押し出し部材２０と接続したラックギア３０、及びラックギア３０と噛み合うように設置されたピニオンギア４０と、ピニオンギア４０の回転中心に設置された回転軸と連結しており、ピニオンギア４０の回転に連動して回動する蓋部材を備える熱感知式切り替え弁（特許文献１；要約）」が開示されている。即ち、感知した温度に応じて熱膨張、収縮を繰り返す部材の動きを利用した切り替え弁が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−０２０１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に係る熱感知式切り替え弁（特許文献１：発明の名称）は、感知した温度に応じて熱膨張、収縮を繰り返す部材（バイメタル）の特徴ある動きを利用した切り替え弁であり、融雪屋根パネルに供給する水蒸気の「熱エネルギー」を有効に利用することができるようになったのである。一方において、融雪屋根パネルにおいて、ボイラーから大量に供給される「水蒸気の流れ」自体を利用することはできていない。出願人らは、融雪屋根パネルに供給される「水蒸気の流れ」というエネルギーを積極的に利用すべく鋭意開発を行い本発明に至ったのである。
【０００６】
本発明の目的は、融雪のためにボイラーから送られてくる「水蒸気の流れ」を利用してインペラーを回転させ、この回転エネルギーを電気エネルギーに変換することで、融雪屋根パネルの水蒸気流路を切り替える切り替え弁用動力発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、融雪屋根パネルに取り付けることで、融雪屋根パネルに供給する水蒸気を取り込んでインペラーを回転させ、該インペラーの回転エネルギーを電気エネルギーに変換することで、融雪屋根パネルの水蒸気流路を切り替える切り替え弁を作動させるための動力源とする切り替え弁用動力発生装置であって、融雪屋根パネルと連結する水蒸気取り込み口と、前記水蒸気取り込み口から前記インペラーに水蒸気を取り込むための水蒸気供給路と、前記水蒸気供給路に前記水蒸気取り込み口から取り入れた水蒸気により羽根が回るように設置したインペラーと、前記インペラーの回転中心軸の位置に前記インペラーを垂直に貫くように設置されたエネルギー伝達軸を備えることを特徴とする切り替え弁用動力発生装置であることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記インペラーの形状は球形状であり、前記インペラーは前記球形状の中心周りであって前記エネルギー伝達軸に対して垂直方向に回転する位置に複数の羽根を備えている切り替え弁用動力発生装置であることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３に記載された発明は、請求項１または請求項２において、前記インペラーの回転エネルギーを電気エネルギーに変換するオルタネータと、前記オルタネータによって回転エネルギーから変換された電気エネルギーを充電するための蓄電池を備える切り替え弁用動力発生装置であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の切り替え弁用動力発生装置によれば、融雪屋根パネルと連結する水蒸気取り込み口と、水蒸気取り込み口からインペラーに水蒸気を取り込むための水蒸気供給路と、水蒸気供給路に水蒸気取り込み口から取り入れた水蒸気により羽根が回るように設置したインペラーと、インペラーの回転中心軸の位置にインペラーを垂直に貫くように設置されたエネルギー伝達軸を備えている。
【００１１】
従って、ボイラーから融雪屋根パネルに供給された水蒸気は、切り替え弁用動力発生装置の水蒸気取り込み口から入り、水蒸気供給路を通じてインペラーの羽根の位置まで取り込むことで、水蒸気が羽根に当たってインペラーが回転し、それに連動してエネルギー伝達軸も回転するので、エネルギー伝達軸の回転エネルギーを利用して発電することができる。切り替え弁用動力発生装置が発電した電力を、水蒸気通路を切り替えるための動力源とすることで、例えば、切り替え弁と連動するように設置したステッパモータ等を作動させることで水蒸気の流路を切り替えることができるようになった。
【００１２】
請求項２に記載の切り替え弁用動力発生装置によれば、インペラーの形状は全体として球形状であるので、凍結が心配されるような氷点下の環境であっても、水蒸気が水に相転移した際、インペラーが球形状であるので、水分が残留することなく下方向に落ちて、即ち、インペラー内部に溜まることが無いため、凍結による切り替え弁用動力発生装置の不具合、破壊等されることが無い。
【００１３】
請求項３に記載の切り替え弁用動力発生装置によれば、エネルギー伝達軸が回転することにより発電を行うためのオルタネータと、オルタネータによって発生した交流電力を蓄えておくための蓄電池を備えているので、切り替え弁用動力発生装置によって発電された交流電力を一旦充電しておくことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施例に係る切り替え弁用動力発生装置の全体図である。
【図２】切り替え弁用動力発生装置のインペラー全体図、及び端面図である。
【図３】切り替え弁用動力発生装置を融雪屋根パネルに設置した状態を説明するための図である。
【図４】切り替え弁用動力発生装置の動作原理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜切り替え弁用動力発生装置の構造＞
以下、本発明に係る切り替え弁用動力発生装置１０の一実施形態について、図１〜図４に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施例に係る切り替え弁用動力発生装置１０の全体図である（オルタネータ７０、蓄電池（コンデンサ）８０は図示しない）。図２は、本実施例に係る切り替え弁用動力発生装置１０のインペラー４０全体図（及び端面図Ｐ−Ｐ’）である。
【００１６】
本発明に係る切り替え弁用動力発生装置１０は、融雪屋根パネルにボイラーから供給される融雪用の水蒸気の一部を利用し、水蒸気をインペラー４０の羽根６０に当てることで、切り替え弁用動力発生装置１０の内部に設置したインペラー４０を回転させ（連動してエネルギー伝達軸５０を回転させ）、オルタネータ７０の作用によりインペラー４０の回転エネルギーを電気エネルギーに転換することで動力源（蓄電池（コンデンサ）８０に充電してストックする）として、融雪屋根パネルの水蒸気通路の切り替え弁を開閉させるものである。
【００１７】
本実施例に係る切り替え弁用動力発生装置１０は、図１に記載したように、融雪屋根パネルと連結する水蒸気取り込み口２０と、水蒸気取り込み口２０からインペラー４０に水蒸気を取り込むための水蒸気供給路３０と、水蒸気供給路３０に水蒸気取り込み口２０から侵入した水蒸気の流れにより羽根６０が回るように、水蒸気供給路３０の一部に羽根６０が重なるように設置したインペラー４０と、インペラー４０の回転中心軸の位置にインペラー４０を垂直に貫くように設置されたエネルギー伝達軸５０を備えている。水蒸気取り込み口２０と水蒸気供給路３０の直径の比較において特徴的なのは、水蒸気取り込み口２０の水蒸気供給路３０側においては、水蒸気供給路３０に向かって徐々に直径が絞り込まれており、要するに、水蒸気取り込み口２０から水蒸気供給路３０に向かって直径が小さくなっていることが挙げられる。尚、本発明における構成要素であるオルタネータ７０、及び蓄電池（コンデンサ）８０は図示しない。
【００１８】
図２は、本発明に係る切り替え弁用動力発生装置１０の中で最も特徴的であると言えるインペラー４０全体図、及び端面図（Ｐ−Ｐ’端面）である。図２に記載したように、本発明に係る切り替え弁用動力発生装置１０に設置するインペラー４０の形状は全体として球形状である。そして、球形状の中心部外周であって、エネルギー伝達軸５０に対して垂直方向に回転する位置において突き出すように複数の羽根を有している（図２：Ｐ−Ｐ’端面図参照）。インペラー４０の羽根６０の幅は、球形状のインペラー４０の直径に対して、１／３から１／５程度である。
【００１９】
図３は、本実施例に係る切り替え弁用動力発生装置１０を融雪屋根パネルに設置した状態を説明するための図である。本発明に係る切り替え弁用動力発生装置１０は、水蒸気の流れを利用してインペラー４０を回転させ、インペラー４０の回転エネルギーを電気エネルギーに転換することで動力源とし、この動力を利用して融雪屋根パネルの水蒸気通路の切り替え弁を切り替える（図３：水蒸気供給口側の拡大図参照）ことにより水蒸気の流路（図３：バイパス方向１もしくは融雪屋根パネル方向２）を開閉することができるようにするための切り替え弁用動力発生装置１０である。
【００２０】
図３に記載したように、本実施例に係る切り替え弁用動力発生装置１０は、融雪屋根パネルの水蒸気排出口側の直下でバイパス（融雪屋根パネル本体を通過させないように設置した）よりも高い位置に設置する。これにより切り替え弁用動力発生装置１０の内部に水を残留させない（残留水はバイパスに流れる）ので、残留した水の凍結防止の観点からも好ましいと言える。
【００２１】
本発明に係る切り替え弁用動力発生装置１０の本体では無く、本体周辺に付属して設置する部材（本発明の構成要素）として、インペラー４０の回転エネルギーを電気エネルギーに変換するオルタネータ７０と、オルタネータ７０によって回転エネルギーを電気エネルギーに変換された電気エネルギーを充電するための蓄電池８０（又はコンデンサ：電気を蓄える機能を備えていれば良く、蓄電池の代わりにコンデンサであっても良い）を備えている。尚、オルタネータ７０は、エンジン等（本発明においてはインペラー４０）によって駆動されることで生じる回転エネルギーを電気エネルギーに変換する交流発電装置である。オルタネータ７０は、インペラー４０の回転中心軸（エネルギー伝達軸５０）の回転が直接オルタネータ７０の回転となるようにダイレクトに設置する場合や、ベルトとプーリー等を介して伝達される場合がある。
【００２２】
切り替え弁用動力発生装置１０により発生した電力等の動力源が、融雪屋根パネルの水蒸気通路の切り替え弁の開閉を行うステッパモータ等の駆動装置用の電源となっている。尚、図示はしないが、本発明に係る切り替え弁用動力発生装置１０の作動を制御するとともに、融雪屋根パネルの水蒸気通路の切り替え弁の開閉を制御するための制御系の設備として、切り替え弁を作動させるステッピングモータと、エネルギー伝達軸５０の回転数を感知するための回転センサと、ステッピングモータを初期状態にリセットするためのサーモスタット等を備えていても良い。
【００２３】
＜切り替え弁用動力発生装置の切り替え原理＞
図４は本実施例に係る切り替え弁用動力発生装置１０の動作原理を説明するための図である。
【００２４】
切り替え弁用動力発生装置１０の作動における一連の流れとしては、インペラー４０の水蒸気による回転運動（融雪屋根パネルの出口側に設置したインペラー４０）により、融雪完了時に水蒸気による回転エネルギーを発生させ、オルタネータ７０の作用により回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。このように水蒸気の流れを利用してインペラー４０を回転させることにより発電させて、動力源として蓄電池（コンデンサ）８０に蓄えておくという準備段階があり、準備段階において蓄積された動力源を利用してステッパモータ等を作動させ、融雪屋根パネルの水蒸気通路の開閉（切り替え弁の作動）を行い、水蒸気の流路を切り替えるという流れになる。
【００２５】
融雪屋根パネル上の融雪が完了すると、水蒸気の有する熱エネルギーが融雪という仕事をする必要がなくなる。要するに、水蒸気が再液化することが無くなると、融雪屋根パネル内部の蒸気圧が上昇（水から水蒸気に相転移すると約１７００倍の体積に膨張することは、ボイルシャルルの法則等から明らかである。）するため、図４（→１）に記載したように、水蒸気は融雪屋根パネル本体から、水蒸気取り込み口２０を経て水蒸気供給路３０に水蒸気が侵入することになる。これにより、図４（→２）に記載したように、切り替え弁用動力発生装置１０内部に設置した球状のインペラー４０が回転する。この際、球状のインペラー４０の回転速度は、水蒸気の流れ速度が大きくなるにつれて徐々に速くなって行くのであるが、球状のインペラー４０の回転速度が一定以上になると、それを回転センサが感知するようになっており、これをキッカケとして切り替え弁を開閉するステッパモータ等に作動開始信号を送ることになる。
【００２６】
本発明の特徴としては、水蒸気と水の性質（相転移による体積変化）という自然現象を利用している点にある。即ち、融雪屋根パネル上の融雪が完了していない状態においては、融雪屋根パネル内部の蒸気圧は、低い状態を維持しているが、融雪屋根パネル上の融雪が完了すると融雪屋根パネル内部の蒸気圧が上昇する。融雪開始時から融雪完了前は、水蒸気の熱エネルギーは融雪という仕事に費やされるため（融雪という仕事をしているため、蒸気ボイラーから送られてきた水蒸気が再液化するため、全体として蒸気圧は低い）、即ち、融雪屋根パネル側の水蒸気供給口８０から供給される蒸気圧は小さい。
【００２７】
ところが、屋根パネル上の雪が残っていない状態、即ち、融雪が完了して水蒸気の蒸気圧が高くなってくる（融雪という仕事が完了しており、蒸気ボイラーから送られてきた水蒸気が再液化することが無いため、全体として蒸気圧は高い。水が水蒸気になると約１７００倍の体積になることは、ボイルシャルルの法則等から明らかである。）と、融雪屋根パネル側の水蒸気供給口８０から、切り替え弁用動力発生装置１０に向かって、高圧になった水蒸気が供給されるようになる。即ち、融雪が完了すると融雪屋根パネル内部の蒸気圧が上昇し、切り替え弁用動力発生装置１０に向かって高圧になった水蒸気が供給される
ようになるため、インペラーの回転速度が次第に速くなる。
【００２８】
インペラー４０の回転速度が一定以上になると（要するに、融雪が完了したタイミングであると）回転センサが感知する。これをキッカケとしてステッパモータ等に作動開始信号を送り、ステッパモータの制御部が信号を受信してから切り替え弁を作動させることになる。即ち、回転センサにより、融雪が完了したことを認知することができるし、このタイミングで信号をステッピングモータに送信し、ステッピングモータを作動させ、水蒸気の流路を切り替えるための切り替え弁を作動させることで切り替えることができる。
【００２９】
蓄電池（またはコンデンサ）から電力を供給されたステッピングモータが回転することにより、連動するように設置してある切り替え弁が作動することで、水蒸気流路を切り替えることができる。そして融雪が完全に完了して温度が下がると、設置したサーモスタットにより切り替え弁を初期状態にリセットできるようになっている。即ち、全ての融雪屋根パネルの融雪が完了したタイミングをサーモスタットが感知することで初期状態にリセットすることができる。
【００３０】
＜切り替え弁用動力発生装置の効果＞
本発明に係る切り替え弁用動力発生装置１０により、ボイラーから供給される水蒸気によりインペラー４０が回転し、それに連動してエネルギー伝達軸５０も回転する。エネルギー伝達軸５０の回転をオルタネータ７０に連動させることにより発電することができる。発電した電力を動力源とすることにより、水蒸気通路を切り替えるための切り替え弁を開閉させることで、水蒸気流路を切り替えることができるようになった。
【００３１】
インペラー４０の形状は全体として球形状であり、球形状の中心であってエネルギー伝達軸５０に対して垂直方向に回転する位置において突き出すように複数の羽根を有するインペラー４０を備えているので、凍結が心配されるような環境であっても、水蒸気が水に相転移した場合であっても、ベースの形状が球形状であるので水が溜まることが無いため、凍結による融雪屋根パネルの不具合、破壊されることが無い。
【００３２】
そして、球形状であるため慣性モーメントにより、インペラー４０が回り出す際、及び止まる際の回転スピードの変化が少なくなるようになっており、要するに、回転速度の変化をできるだけ少なくなるように配慮しているため、回転速度のバラつきや不安定さを無くしており、回転センサ等に信号を送信するタイミングを安定化させることができる。
【００３３】
さらに、水蒸気取り込み口２０から水蒸気供給路３０に向かって直径が小さくなっているので、切り替え弁用動力発生装置１０に取りこまれる水蒸気は、面積の広い水蒸気取り込み口２０から侵入して絞り込まれるので、取り込まれた水蒸気の流速が速くなっていく。従って、インペラー４０の羽根６０に当たる際の流速を、侵入時よりも速くすることができる。
【００３４】
インペラー４０によって発電された電力を一旦、蓄電池（コンデンサ）８０に蓄えておくことができる。インペラー４０が回転することによって、融雪が完了したことを認知することができるし、このタイミングで回転センサから信号をステッピングモータに送信し、ステッピングモータを作動させ、水蒸気の流路を切り替えるための切り替え弁を作動させることで切り替えることができる。その後、全ての融雪屋根パネルの融雪が完了したタイミングをサーモスタットが感知することで初期状態にリセットすることができる。
【００３５】
＜切り替え弁用動力発生装置の変更例＞
本発明に係る切り替え弁用動力発生装置は、上記した各実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、水蒸気取り込み口、水蒸気供給路、インペラー、エネルギー伝達軸、羽根、オルタネータ、蓄電池（コンデンサ）等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。例えば、水蒸気の流れを利用して発電を行う装置であれば、融雪屋根パネル自体では無く、融雪屋根パネルのボイラーから融雪屋根パネルの流路の途中にインペラーを設置することもできる。これによって水蒸気の流れのエネルギーを利用することで発電が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係る水蒸気流路切り替え装置は、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、融雪屋根パネルに付属する装置としての切り替え弁用動力発生装置として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０・・切り替え弁用動力発生装置
２０・・水蒸気取り込み口
３０・・水蒸気供給路
４０・・インペラー
５０・・エネルギー伝達軸
６０・・羽根
７０・・オルタネータ
８０・・蓄電池（コンデンサ）
【図１】
2019127858.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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