(57)【要約】【課題】計装機器に安定的に電力を供給する。【解決手段】本実施形態に係る発電ユニットは、液体が流れる管路の振動及び温度を利用して発電する発電ユニットであって、管路の内側に配置される圧電素子と、管路の外側に配置される熱電素子と、を備える。これにより、一方の素子からの供給される電力が小さいときであっても、他方の素子からも電力が供給される。したがって、安定して電力を供給することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が流れる管路の振動及び温度を利用して発電する発電ユニットであって、
前記管路に配置される圧電素子と、
前記管路に配置される熱電素子と、
を備える発電ユニット。
【請求項２】
前記熱電素子は、前記管路の外側に配置される請求項１に記載の発電ユニット。
【請求項３】
前記圧電素子は、前記管路の内側に配置される請求項１又は２に記載の発電ユニット。
【請求項４】
前記圧電素子は、前記管路の内壁面に固定され、前記熱電素子は、前記管路の外壁面に固定される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電ユニット。
【請求項５】
前記圧電素子と前記熱電素子とによって発電される電力を蓄電する蓄電手段を備える請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発電ユニット。
【請求項６】
前記管路は、土中に埋設された水道管路である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発電ユニット。
【請求項７】
管路を流れる液体の流量を計測する流量計測手段と、
前記流量計測手段に電力を供給する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発電ユニットと、
を備える計装ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電ユニット及び計装ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、上水道などの管路に設けられる計装機器として、例えば特定小電力無線を用いた通信が可能な流量計や圧力計が用いられる。この種の計装機器を用いることで、遠隔から上下水道の利用状況を一元的に監視したり、遠隔から検針などを行うことが可能となる。
【０００３】
しかしながら、この種の計装機器は、機械的に動作する計装機器とは異なり、無線通信を行うための電力を必要とする。そのため、各計装機器を利用するためには、各装置に商用電源を供給するか、各装置それぞれにバッテリーを搭載する必要があった。
【０００４】
そこで、近年、管路と地面との間の温度差を利用して発電された電力を、計装機器の動力源とする技術が種々提案されている。この技術によれば、管路を流れる流体と地面との温度差が大きい場合には、計装機器へ十分な電力が供給される。そのため、計装機器への電気配線が不要になり、また、計装機器に搭載するバッテリーの容量を小型化することが可能になる。
【０００５】
しかしながら、この従来技術では、管路と地面との温度差が少ない場合には、発電が不十分となることが考えられる。
【０００６】
また、計装機器の計測対象が振動するものである場合には、計測対象物と周囲環境との温度差と、計測対象の振動とを利用して発電する装置も提案されている。これによれば、温度差と振動の双方を利用することができるので、発電効率を向上させることができる。
【０００７】
しかしながら、この従来技術では、温度差と振動のいずれか一方が小さくなると、全体としての発電量が低下する。そのため、十分な量の電力を発電できないことが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１２９７８４号公報
【特許文献２】特開２００４−４７６３５号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２０１３／１０３００９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、計装機器に安定的に電力を供給することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本実施形態に係る発電ユニットは、液体が流れる管路の振動及び温度を利用して発電する発電ユニットであって、管路に配置される圧電素子と、管路に配置される熱電素子と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る計装ユニットの概略構成を示すブロック図である。
【図２】水道管に設けられる発電装置と、流量計とを示す図である。
【図３】発電装置のＸＺ断面を示す図である。
【図４】発電装置のＹＺ断面を示す図である。
【図５】熱電素子の概略構成を示す側面図である。
【図６】熱電素子の概略構成を示す平面図である。
【図７】ケーシングを流れる水道水の流量の変化を示す図である。
【図８】熱電素子からの電力と、圧電素子からの電力と、発電装置からの電力の変化を示す図である。
【図９】発電ユニットの変形例を示すブロック図である。
【図１０】発電装置の変形例を示す図である。
【図１１】発電装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態の説明にあたっては、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系を適宜用いる。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る計装ユニット１の概略構成を示すブロック図である。計装ユニット１は、水道管を流れる水道水の流量を計測するための装置である。図１に示されるように、計装ユニット１は、発電ユニット１０と流量計５０を備えている。
【００１４】
発電ユニット１０は、流量計５０に電力を供給するためのユニットである。発電ユニット１０は、発電装置２０、パワーコンディショナー３０、蓄電ユニット４０を備えている。
【００１５】
図２は、水道管１００に設けられる発電装置２０と、流量計５０とを示す図である。水道管１００は、例えば道路などの地面Ｆの下に埋設される管路である。水道管１００は、一般の戸建て住宅や集合住宅、或いは商業施設などに水道水を供給するために利用される。水道管１００は、例えばダクタイル鋳鉄管である。通常、水道管１００が敷設される経路には、所定の間隔でマンホールＭＨが設けられるのが一般的である。流量計５０等は、保守点検などを考慮して、マンホールＭＨの内部に配置される。
【００１６】
図２に示されるように、発電装置２０は、水道管１００の間に挿入される。図３は、発電装置２０のＸＺ断面を示す図である。図３に示されるように、発電装置２０は、水道管１００と同等の材質からなり、円筒形に整形されたケーシング２１と、ケーシング２１の外側に配置される熱電素子２２と、ケーシング２１の内側に配置される圧電素子２３と、を備えている。
【００１７】
ケーシング２１は、内径と外形とが、水道管１００の内径と外径とそれぞれ等しくなるように整形されている。ケーシング２１は、Ｘ軸方向両端部が、水道管１００と接続可能となっており、水道管１００と同様に機能する。
【００１８】
熱電素子２２は、ケーシング２１の表面温度と、ケーシング２１周辺の土壌の温度との差に応じた起電力を生じる。図４は、図３のＡＡ断面を示す図である。図３及び図４を参照するとわかるように、熱電素子２２は、ケーシング２１の外周面のほぼ全面に配置される。
【００１９】
図５は、熱電素子２２の概略構成を示す側面図である。また、図６は、熱電素子２２の概略構成を示す平面図である。図５及び図６を参照するとわかるように、熱電素子２２は、例えば、Ｘ軸方向とＹ軸方向にマトリクス状に配置されるＮ型半導体２２１とＰ型半導体２２２を備えている。Ｎ型半導体２２１及びＰ型半導体２２２としては、例えば、ビスマス・テルル系の半導体等を用いることができる。
【００２０】
Ｎ型半導体２２１とＰ型半導体２２２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に交互に配置され、極性が異なる半導体同士が隣接した状態になっている。また、Ｘ軸に沿って並ぶＮ型半導体２２１とＰ型半導体２２２は、導体２２３によって、交互に接続されている。これにより、複数本の素子列２２５が形成される。
【００２１】
素子列２２５の＋Ｘ側端の導体２２３と−Ｘ側端の導体２２３は、ケーブル等（不図示）を介して、それぞれパワーコンディショナー３０に接続される。素子列２２５には、ケーシング２１の表面温度と、ケーシング２１周辺の土壌の温度との差に応じた起電力が生じる。このため、各素子列２２５から、パワーコンディショナー３０へ、直流の電力（パワー）が供給される。なお、各素子列２２５の電圧は、ケーシング２１の周囲の土壌との温度差が正のときと、負のときで極性が異なる。
【００２２】
圧電素子２３は、水道管１００を流れる水道水の水圧脈動や水撃によって、圧電素子２３に加えられた力に応じた起電力を生じる。圧電素子２３としては、例えばピエゾ素子を用いることができる。図３及び図４を参照するとわかるように、圧電素子２３は、ケーシング２１の内周面のほぼ全面に配置される。圧電素子２３の陽極及び負極は、ケーブル等（不図示）を介して、パワーコンディショナー３０に接続される。
【００２３】
圧電素子２３には、水道管１００及びケーシング２１の変形量に応じた起電力が生じる。水道水の圧力脈動によってケーシング２１が変形する場合には、元の形状から変形した状態への移行と、変形した状態から元の形状への復帰とが交互に繰り返される。このため、圧電素子２３からの電圧は極性が交互に変わる交流電圧となる。このため、圧電素子２３からパワーコンディショナー３０へ、交流の電力が供給される。
【００２４】
上述したケーシング２１、熱電素子２２、及び圧電素子２３は、例えば接着剤などで、ケーシング２１へ熱電素子２２及び圧電素子２３が貼り付けられることで一体化され、発電装置２０となる。発電装置２０は、一例として図２に示されるように、１組の水道管１００の間に配置される。そして、ケーシング２１の両端が各水道管１００と接続されることで、水道管１００に取り付けられた状態になる。
【００２５】
パワーコンディショナー３０は、発電装置２０から出力される電力を、流量計５０の定格電圧に変圧して、流量計５０及び蓄電ユニット４０へ出力する装置である。パワーコンディショナー３０は、例えば、熱電素子２２から出力される直流電圧の極性を整えるための整流回路と、この整流回路から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータを有している。また、圧電素子２３から出力される交流電圧を所定の直流電圧に変換するための整流回路と、この整流回路から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータを有している。パワーコンディショナー３０は、図２に示されるように、マンホールＭＨの内部に配置される。
【００２６】
蓄電ユニット４０は、パワーコンディショナー３０の二次側に接続されている。この蓄電ユニット４０は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池を含んで構成さる。蓄電ユニット４０は、パワーコンディショナー３０から出力される電力を蓄える。そして、パワーコンディショナー３０から電力が出力されなくなったときや、パワーコンディショナー３０から出力される電力が所定の閾値を下回ったときに、流量計５０に電力を供給する。これにより、流量計５０は、動作を継続することが可能となる。蓄電ユニット４０は、例えば、図２に示されるように、マンホールＭＨの内部に配置される。
【００２７】
流量計５０は，磁界を流れる流体による起電力に基づいて、流体の流量を計測する電磁式の流量計である。流量計５０は、パワーコンディショナー３０或いは蓄電ユニット４０から供給される電力によって動作する。流量計５０は、一例として図２に示されるように、１組の水道管１００の間に配置される。そして、計測した結果を無線信号として外部機器へ出力する。
【００２８】
上述したように構成される計装ユニット１では、図２に示されるように、発電装置２０と流量計５０とが水道管１００に設置される。そして、パワーコンディショナー３０及び蓄電ユニット４０がマンホールＭＨの内部に設置される。発電装置２０、パワーコンディショナー３０、蓄電ユニット４０、流量計５０は、図１のブロック図に示されるように、ケーブル等によって電気的に接続される。
【００２９】
次に、計装ユニット１の動作について説明する。例えば水道管１００を流れる水道水の流量が比較的大きいときには、発電装置２０のケーシング２１の内側と外側の温度差が大きくなる。また、水道水の流量が比較的大きいときには、水道水の水圧脈動や水撃によるケーシング２１の変形が小さくなる。このような場合には、発電装置２０を構成する熱電素子２２からの電力Ｐ１、及び圧電素子２３からの電力Ｐ２のうち、電力Ｐ１の方が支配的になる。
【００３０】
一方、例えば水道管１００を流れる水道水の流量が比較的少ないときには、発電装置２０のケーシング２１の内側と外側の温度差が小さくなる。また、水道水の流量が比較的小さいときには、水道水の水圧脈動や水撃によるケーシング２１の変形が大きくなる。このような場合には、発電装置２０を構成する熱電素子２２からの電力Ｐ１と、圧電素子２３からの電力Ｐ２のうち、電力Ｐ２の方が支配的になる。
【００３１】
図７は、発電装置２０を構成するケーシング２１を流れる水道水の流量の変化を一例として示す図である。また、図８は、熱電素子２２からの電力Ｐ１と、圧電素子２３からの電力Ｐ２と、発電装置２０からの電力Ｐ３（＝Ｐ１＋Ｐ２）の変化を一例として示す図である。図８では、線Ｌ１が電力Ｐ１の変化を示し、線Ｌ２が電力Ｐ２の変化を示す。また、線Ｌ３が、電力Ｐ３の変化を示す。
【００３２】
図７に示されるように、例えば、時刻ｔ１に水道水の流量がＶ１から零になった場合には、ケーシング２１の内部に留まる水道水と、ケーシング２１の外部の土壌との間で熱交換がおこり、熱が徐々に移動する。その結果、ケーシング２１の内側の温度と外側の温度との温度差が小さくなっていき、やがて温度差がなくなる。したがって、熱電素子２２からの電力Ｐ１は、図８の線Ｌ１に示されるように、時刻ｔ１から小さくなっていき、やがてほぼ零に収束する。
【００３３】
一方、時刻ｔ１に水道水の流量がＶ１から零になると、時刻ｔ１以降は、水道水の圧力脈動等によって、ケーシング２１が周期的に変形する。このため、圧電素子２３からの電力Ｐ２が一定の大きさになる。その結果、線Ｌ３に示されるように、発電装置２０からの電力は、零になることなく、常時一定の値以上に維持される。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態では、発電装置２０が、熱電素子２２と圧電素子２３の双方を備えている。熱電素子２２は、水道水の流量が比較的大きいときに、値が大きくなる電力Ｐ１を供給する。そして、圧電素子２３は、水道水の流量が比較的小さくなるときに、値が大きくなる電力Ｐ２を供給する。そのため、水道水の流量が変動したり、水道管１００を流れる水道水と、水道管１００の周囲の土壌との温度差が小さいときにも、図８に示されるように、発電装置２０から一定の大きさの電力Ｐ３が供給される。これにより、計装機器としての流量計５０に安定して電力を供給することが可能となる。
【００３５】
以上のように、本実施形態では、発電装置２０が、熱電素子２２と圧電素子２３の双方を備えている。これにより、一方の素子から供給される電力が小さいときであっても、他方の素子からある程度大きな電力が供給される。したがって、計装機器に安定した電力を供給することができる。
【００３６】
また、本実施形態に係る計装ユニット１では、熱電素子２２と圧電素子２３によって発電が行われる。このため、例えば水道水の水流を利用して発電機を駆動する発電方式と比較して、水道水の流れを阻害することがなく、効率よく水道水を供給することが可能となる。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態によって限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、パワーコンディショナー３０が、熱電素子２２からの電力Ｐ１及び圧電素子２３からの電力Ｐ２の双方を、流量計５０の定格電力に適合するように整えることとした。これに限らず、発電ユニット１０は、一例として図９に示されるように、熱電素子２２からの出力を調整するためのパワーコンディショナー３０と、圧電素子２３からの出力を調整するためのパワーコンディショナー３０とを備えていてもよい。
【００３８】
本実施形態では、計装ユニット１が、計装機器としての流量計５０を備えている場合について説明した。これに限らず、計装ユニット１は、圧力計や温度計など、流量計以外の計装機器を備えていてもよい。
【００３９】
本実施形態では、発電装置２０の熱電素子２２が、発電装置２０を構成するケーシング２１の外周面のほぼ全面に設けられている場合について説明した。熱電素子２２の大きさは、ケーシング２１の内径や長さ、及び計装機器の消費電力に応じて変更することができる。そのため、熱電素子２２は、例えばケーシング２１の外周面の一部に設けられていてもよい。
【００４０】
本実施形態では、発電装置２０の圧電素子２３が、発電装置２０を構成するケーシング２１の内周面のほぼ全面に設けられている場合について説明した。熱電素子２２の大きさは、ケーシング２１の内径や長さ、及び計装機器の消費電力に応じて変更することができる。そのため、熱電素子２２は、例えばケーシング２１の内周面の一部に設けられていてもよい。
【００４１】
本実施形態では、熱電素子２２と圧電素子２３とが、ケーシング２１の外周面と内周面にそれぞれ設けられている場合について説明した。これに限らず、例えば図１０に示されるように、熱電素子２２と圧電素子２３の双方を、ケーシング２１の外周面に配置してもよい。これによれば、各素子と水道水との接触を回避することができる。また、例えば図１１に示されるように、熱電素子２２と圧電素子２３の双方を、ケーシング２１の内周面に配置してもよい。
【００４２】
本実施形態では、計装ユニット１を、水道管に設置する場合について説明した。これに限らず、計装ユニット１を、水道水以外の液体を供給するための管路に設けることとしてもよい。
【００４３】
本実施形態では、図２に示されるように、発電装置２０と流量計５０とが別々の機器である場合について説明した。これに限らず、発電装置２０と流量計５０とを一体的に構成することとしてもよい。
【００４４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１  計装ユニット
１０  発電ユニット
２０  発電装置
２１  ケーシング
２２  熱電素子
２３  圧電素子
３０  パワーコンディショナー
４０  蓄電ユニット
５０  流量計
１００  水道管
２２１  Ｎ型半導体
２２２  Ｐ型半導体
２２３  導体
２２５  素子列
Ｆ  地面
Ｌ１〜Ｌ３  線
ＭＨ  マンホール
【図１】
2018042415.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018042415.tif 000009
【図８】
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【図９】
2018042415.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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