(57)【要約】【課題】ガス圧力調整器を大型化することなく、かつ圧力調整機構の応答性に影響を与えることのない発電機能を圧力調整器に持たせる。【解決手段】ガス流入口に調圧弁２０を介して連通された調圧室１１の隔壁の一部を形成するダイアフラム１４と、このダイアフラムを調圧室側に付勢する調圧ばね１６とを備え、ダイアフラムの動きに連動して調圧弁の開度を調整して調圧室内のガス圧を調整する圧力調整器において、ダイアフラムと調圧ばねの少なくとも一方の振動を受ける部位に、機械エネルギを電気エネルギに変換する圧電素子モジュール６１、６２を配置し、ダイアフラムと調圧ばねの振動により発電するようにしたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流入口に調圧弁を介して連通された調圧室と、該調圧室に連通されたガス流出口と、前記調圧室の隔壁の一部を形成するダイアフラムと、該ダイアフラムを前記調圧室側に付勢する調圧ばねと、前記ダイアフラムの動きに連動して前記調圧弁の開度を調整する弁駆動機構とを有してなる圧力調整器において、前記ダイアフラムと前記調圧ばねの少なくとも一方の振動を受ける部位に、機械エネルギを電気エネルギに変換する機械−電気エネルギ変換素子を配置したことを特徴とする圧力調整器。
【請求項２】
請求項１において、
前記機械−電気エネルギ変換素子は、円板状の圧電素子を該圧電素子よりも大径の円板状の基板に貼り付けて構成され、かつ、該基板の周縁部と前記圧電素子の境界部がリング状の突条を介して固定部に支持され、前記基板の前記突条の反対側の面の周縁部で前記ダイアフラムと前記調圧ばねの少なくとも一方の振動を受けるように構成したことを特徴とする圧力調整器。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記機械−電気エネルギ変換素子により発生した交流を直流に変換する整流回路と、該整流回路の出力により充電される電池とを有してなる直流電源を備えてなる圧力調整器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力調整器に係り、特に、ガスの圧力を調整する圧力調整機構の振動を利用して発電する機能を備えた圧力調整器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、工業用又は家庭用のガス使用機器に燃料ガスを供給するガス供給設備には、ガス供給源から供給される高圧ガスを使用機器が要求する低圧ガスに変換するガス圧力調整器が設けられる。また、ガス供給設備には、ガス圧力調整器の他に、ガス使用量を計量するガスメータ、安全を確保するための保安装置、等々の付属機器が設けられている。
【０００３】
これらの付属機器には、電子回路やマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）が組み込まれる場合があり、その電子回路やマイコンを作動させる電源として、例えばリチウム電池等の一次電池が用いられている（例えば、特許文献１、２）。
【０００４】
ところで、電池は容量（放電）が定まっているから、電子回路やマイコンの消費電力を電池の容量以下に設計する必要があり、機能的に制約を受ける場合がある。そこで、特許文献２では、ガス圧力調整器の駆動電源を長期間に渡って確保するために、ガス出口通路にガス流を受けて回転する回転翼を配置し、その回転翼により発電機を駆動して発電された電力を電池に蓄えることが提案されている。また、これに代えて、圧力調整機構を構成するダイアフラムに磁石を取付け、その磁石にコイルを近接して配置し、ダイアフラムの振動によりコイルに発生した電力を電池に蓄えることが提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１５７０７４号公報
【特許文献２】特開２００６−１８５３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載された回転翼により発電機を駆動して発電する方式によれば、ガス圧力調整器が大型になるという問題がある。一方、ダイアフラムの振動により磁石を振動させて発電する方式によれば、磁石の質量分だけダイアフラムの慣性が増加するので、圧力調整機構の応答性が影響を受けるという問題がある。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、ガス圧力調整器を大型化することなく、かつ圧力調整機構の応答性に影響を与えることのない発電機能を備えた圧力調整器を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、ガス流入口に調圧弁を介して連通された調圧室と、該調圧室に連通されたガス流出口と、前記調圧室の隔壁の一部を形成するダイアフラムと、該ダイアフラムを前記調圧室側に付勢する調圧ばねと、前記ダイアフラムの動きに連動して前記調圧弁の開度を調整する弁駆動機構とを有してなる圧力調整器において、前記ダイアフラムと前記調圧ばねの少なくとも一方の振動を受ける部位に、機械エネルギを電気エネルギに変換する機械−電気エネルギ変換素子を配置したことを特徴とする。
【０００９】
圧力調整器は、ダイアフラムに作用する調圧室内のガス圧と、調圧調圧ばねの付勢力とのバランスにより動作する。例えば、調圧室内のガス圧が設定圧よりも低い場合は弁駆動機構により調圧弁の開度を開き、逆に、調圧室内のガス圧が設定圧よりも高い場合は調圧弁の開度を絞り、調圧室に流入するガス流量を調整して調圧室内のガス圧を設定圧に保持する。この圧力調整器内のガス流れによって、ダイアフラム及び調圧調圧ばねにわずかな振動が常時発生している。
【００１０】
本発明によれば、ダイアフラムと調圧ばねの振動を受ける部位に配置された圧電素子などの機械−電気エネルギ変換素子によって、ダイアフラム又は調圧ばねの振動エネルギが電気エネルギに変換される。したがって、機械−電気エネルギ変換素子により変換された交流電力を、直流電力に変換する整流回路と、整流回路の出力により充電される電池とを有する直流電源を設けることにより、電子回路又はマイコンの電源として利用できる。また、直流電源の電力は、自己の圧力調整器又は他の付属機器の電源として利用できる。
【００１１】
また、機械−電気エネルギ変換素子は、円板状の圧電素子を該圧電素子よりも大径の円板状の基板に貼り付けて構成され、かつ、該基板の周縁部と前記圧電素子の境界部がリング状の突条を介して固定部に支持され、前記基板の前記突条の反対側の面の周縁部で前記ダイアフラムと前記調圧ばねの少なくとも一方の振動を受けるように構成することが好ましい。これによれば、調圧ばねの振動によって基板が撓み振動し、その撓みによって圧電素子が歪むことから、ダイアフラム及び調圧ばねの振動によって圧電素子を効率よく歪ませることができ、振動エネルギを効率よく電気エネルギに変換できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ガス圧力調整器を大型化することなく、かつ圧力調整機構の応答性に影響を与えることなく発電できる圧力調整器を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１に本発明の一実施形態の圧力調整器の断面構成図を示し、図２、図３に本発明の特徴に係る機械−電気エネルギ変換素子の一実施形態である圧電素子モジュールの拡大図を示す。図１に示すように、本実施形態の圧力調整器は、同図（Ａ）の第１の圧力調整器１と、同図（Ｂ）の第２の圧力調整器２を直列に連結して構成されている。そして、図示していないガス供給源からガス流入口３に供給される高圧のガスを第１の圧力調整器１で中圧に減圧した後、第１の圧力調整器１から流出される中圧のガスを第２の圧力調整器２でさらに低圧に減圧して、ガス流出口４から図示していないガスの使用機器に供給するように構成されている。なお、本発明は２段構成の圧力調整器に限られるものではなく、１段式の圧力調整器にも適用できることはいうまでもない。
【００１４】
図１（Ａ）に示すように、圧力調整器１は、内部に調圧室１１を有する本体ケーシング１２と、本体ケーシング１２の図において上部隔壁に形成された開口を塞いで設けられた上部ケーシング１３を有して形成されている。本体ケーシング１２と上部ケーシング１３との接合部に、調圧室１１の隔壁の一部としてダイアフラム１４が設けられている。ダイアフラム１４の上面に設けられたばね受座１５に当接させて調圧ばね１６が設けられ、調圧ばね１６の他端は上部ケーシング１３の円筒部に設けられた調圧板１７に当接されている。調圧板１７は、円盤状に形成され、外周面に形成されたねじが上部ケーシング１３の内面に形成されたねじに螺合されている。したがって、調圧板１７は、回転によって上部ケーシング１３内で上下移動可能に形成されている。また、ダイアフラム１４の中心部に作動軸１８が連結され、作動軸１８の上端は調圧板１７に設けられた支持部１９に摺動自由に支持されている。
【００１５】
一方、ガス流入口３は、調圧弁２０を介して調圧室１１に連通されている。調圧弁２０は調圧室１１に連通された開口を有する弁座２２に接離可能に設けられた弁体２３を有して構成されている。弁体２３は、ばね２１により弁座２２方向に付勢され、ピストン２４を介してアーム型のレバー２５の一端に当接して設けられている。レバー２５は軸２６回りに揺動するように形成され、その他端はダイアフラム１４に連結された作動軸１９の下端に当接されている。これらの調圧弁２０、ピストン２４、レバー２５、ダイアフラム１４、調圧ばね１６等によって、圧力調整器１の弁駆動機構が構成されている。圧力調整器１のガス流出口は調圧室１１に連通して設けられた過流出防止機構２８を介して、圧力調整器２のガス流入口２９に連通されている。過流防止機構２８は、規定値以上のガスが流れたときにガスの供給を止めるものであるが、本発明の特徴には関係しないことから、詳細な説明は省略する。
【００１６】
圧力調整器２は、内部に調圧室３１を有する本体ケーシング３２と、本体ケーシング３２の図において上部隔壁に形成された開口を塞いで設けられた上部ケーシング３３を有して形成されている。本体ケーシング３２と上部ケーシング３３との接合部に、調圧室３１の隔壁の一部としてダイアフラム３４が設けられている。ダイアフラム３４の上面に設けられたばね受座３５に当接させて調圧ばね３６が設けられ、調圧ばね３６の他端は上部ケーシング３３の円筒部に設けられた調圧板３７に当接されている。調圧板３７は、円盤状に形成され、外周面に形成されたねじが上部ケーシング３３の内面に形成されたねじに螺合されている。したがって、調圧板３７は、回転によって上部ケーシング３３内で上下移動可能に形成されている。また、ダイアフラム３４の中心部に作動軸３９が連結され、作動軸３９の上端にはリリーフ機構４０が設けられている。
【００１７】
また、圧力調整器２のガス流入口２９は、調圧弁４１を介して調圧室３１に連通されている。調圧弁４１はガス流入口２９に連通されたノズル４２の開口に接離可能に設けられた弁体４３を有して構成されている。弁体４３は、ピストン４４を介してレバー４５にピン４６で連結され、レバー４５は軸４７回りに揺動可能に軸支されている。レバー４５はダイアフラム３４に連結された作動軸３９の下端部に係止されている。これらの調圧弁４１、ピストン４４、レバー４５、ダイアフラム３４、調圧ばね３６等によって、圧力調整器２の弁駆動機構が構成されている。
【００１８】
次に、本発明の特徴部の構成を説明する。図１に示すように、圧力調整器１、２には、それぞれ、調圧板１７、３７の下面に円板状の接触板５８，５９を介して、円板状の圧電素子モジュール６１、６２が接合されている。そして、調圧ばね１６，３６は、圧電素子モジュール６１、６２の周縁部を介して調圧板１７、３７に押接されている。圧電素子モジュール６１、６２は、機械エネルギを電気エネルギに変換する素子であり、変換された電気は電線６３、６４により上部ケーシング１３、３３の頂部カバーから外部に引出されるようになっている。接触板５８，５９と圧電素子モジュール６１，６２の拡大図を、それぞれ図２、図３に示し、接触板５８，５９と圧電素子モジュール６１，６２の組み付け部の要部拡大図を図４に示す。
【００１９】
圧力調整器１用の接触板５８は、図２（ａ）に示すように、図１の支持部１９が貫通する円形の穴６５を中心部に有し、かつ図において下面にリング状の突条６６が同心状に形成されている。図４に示すように、突条６６の断面は、半円形（例えば、Ｒ＝０．３）に形成されている。圧電素子モジュール６１は、同図（ｂ）に示すように、図１の支持部１９が貫通する穴６５と同径の穴６７を中心部に有する基板６８の下面に、同径の穴６７を中心部に有する円板状の圧電素子６９を貼り付けて形成されている。また、圧電素子６９の外径は突条６６のリング径よりも小さく形成されている。接触板５８と基板６８は、例えばステンレス又は銅等の金属により形成されている。また、基板６８と圧電素子６９には、それぞれ電線６３ａ、６３ｂがはんだ付けされている。このように形成された圧電素子モジュール６１は、同図（ｃ）及び図４に示すように、基板６８の圧電素子６９が設けられていない外周部のリング状の領域に、調圧ばね１６が当接するように調圧ばね１６のばね径に合わせて形成されている。
【００２０】
圧力調整器２用の接触板５９及び圧電素子モジュール６２は、圧力調整器１用の接触板５８及び圧電素子モジュール６１と寸法が異なるだけで、同一の材料を用いて同一の形状に形成されている。すなわち、接触板５９は、図３（ａ）に示すように、電線７３ａ、７３ｂを引出す円形の穴７５を中心部に有する円板状に形成され、かつ、図４に示すように、下面に半円形（例えば、Ｒ＝０．３）の断面を有するリング状の突条７６が形成されている。また、圧電素子モジュール６２は、円板状の基板７７の下面に円板状の圧電素子７８を貼り付けて形成されている。また、圧電素子７８の外径は突条７６のリング径よりも小さく形成されている。基板７７と圧電素子７８には、それぞれ電線６４ａ、６４ｂがはんだ付けされ、電線６４ａ、６４ｂは接触板５９及び圧電素子モジュール６２に形成された穴７５，７９を通して引出されるようになっている。このように形成された圧電素子モジュール６２は、同図（ｃ）及び図４に示すように、基板７７の圧電素子７８が設けられていない外周部のリング状の領域に、調圧ばね３６が当接するように調圧ばね３６のばね径に合わせて形成されている。
【００２１】
このように構成される圧電素子モジュール６１、６２の電気出力は、それぞれ図５に示す同一構成の直流電源回路８０に接続されている。直流電源回路８０は、圧電素子６１（又は、６２）の交流出力を整流する整流素子８１と、整流素子８１の整流出力を平滑するコンデンサ８２と、コンデンサ８２により平滑された直流が抵抗８３と整流素子８４を介して供給される電池８５と、電池８５の出力に接続されたツエナーダイオード８６と、ツエナーダイオード８６に接続された定電圧回路８７を有して構成されている。定電圧回路８７から出力される直流は、圧力調整器１、２又は他の付属機器の電子回路又はマイコンの電源として供給される。なお、図５の直流電源回路は、圧力調整器１、２に内蔵させてもよく、一体的に外部に取付けて設けてもよい。
【００２２】
このように構成される実施形態の動作について以下に説明する。図１において、圧力調整器１のガス流入口３にガス供給源から高圧のガスが供給されると、ダイアフラム１４は調圧室１１のガス圧に応じて上下に変位される。この変位により、レバー２５を介して調圧弁２０の開度が調整されて、設定値に保持された中圧のガスが流入口２９を介して圧力調整器２に導入される。圧力調整器２の流入口２９に中圧のガスが供給されると、ダイアフラム３４は調圧室３１のガス圧に応じて上下に変位され、レバー４５を介して調圧弁４１の開度が調整される。これにより、設定値に保持された低圧のガスがガス流出口４を介して、図示していないガス使用機器に供給される。
【００２３】
このように調圧動作するダイアフラム１４、３４及び調圧ばね１６、３６は、圧力調整器内のガス流れによって、常時わずかに振動している。この振動は、調圧ばね１６、３６の上端に配置された圧電素子モジュール６１、６２に加わり、圧電素子６７、７７によって振動エネルギが電気エネルギに変換される。
【００２４】
この変換動作を、図４を参照して詳しく説明する。調圧ばね１６、３６の振動が圧電素子モジュール６１、６２の基板５８，５９の周縁部に加わると、基板５８，５９はリング状の突条６６，７６を支点に撓み振動する。この撓み振動により圧電素子６９，７８が歪み、その歪みのエネルギが電気エネルギに変換される。圧電素子６９、７８により変換された電気は配線６３、６４を介して、圧電素子モジュール６１、６２に対応させてそれぞれ設けられた図５の直流電源回路８０に出力される。直流電源回路８０では、圧電素子モジュール６１、６２から入力される交流の電力を整流素子８１とコンデンサ８２により直流に変換し、抵抗８３と整流素子８４を介して電池８５に充電する。電池８５に充電された直流は定電圧回路８７を介して図示していない電子回路やマイコンに供給される。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態によれば、圧電素子モジュール６１、６２をダイアフラム１４、３４及び調圧ばね１６、３６の振動を受ける部位に配置したことから、圧電素子モジュール６１、６２によってダイアフラム１４、３４及び調圧ばね１６、３６の振動エネルギが電気エネルギに変換される。
【００２６】
特に、円板状の圧電素子を、圧電素子よりも大径の円板状の金属製の基板に貼り付けて圧電素子モジュールを形成し、圧電素子モジュールの基板の周縁部で調圧ばねの振動を受ける構成とし、さらに基板の周縁部と圧電素子との境界部を基板の裏側のリング状の突条で支持する構成としたことから、調圧ばねの振動によって圧電素子を効率よく歪ませることができる。その結果、ダイアフラム及び調圧ばねの振動エネルギを効率よく電気エネルギに変換できる。
【００２７】
また、変換された電気エネルギを電池８５に蓄えるようにしているから、電池８５の容量を補うことができ、電池８５により駆動される電子回路やマイコンの機能の制約を軽減できる。
【００２８】
特に、圧電素子は小型であるから、圧力調整器を大型にすることなく、発電機能をもたせることができる。特に、ダイアフラムや調圧ばねの動きに影響を及ぼさないことから、圧力調整機構の応答性に影響を及ぼさずに発電機能をもたせることができる。
【００２９】
上記の実施形態では、振動エネルギをピエゾ素子などの圧電素子により電気エネルギに変換する実施形態を示したが、本発明はこれに限らず、電歪素子やその他の機械―電気エネルギ変換素子を適用できることはいうまでもない。
【００３０】
また、圧電素子モジュールを調圧ばねと調圧板の間に挟んで設ける実施形態を示したが、調圧板とばね受座１５の間に挟んで設けてもよい。要は、ダイアフラムや調圧ばねの振動を受ける位置に配置する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態の圧力調整器の断面構成図を示し、同図（Ａ）は中圧の圧力調整器、同図（Ｂ）は低圧の圧力調整器の断面を示している。
【図２】本発明の特徴に係る圧電素子モジュールの一実施形態の拡大図を示す。
【図３】本発明の特徴に係る圧電素子モジュールの他の実施形態の拡大図を示す。
【図４】圧電素子モジュールと接触板の組み付け状態を示す部分拡大断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の直流電源回路の回路構成図を示す。
【符号の説明】
【００３２】
１、２  圧力調整弁
３  ガス流入口
４  ガス流出口
１１、３１  調圧室
１４、３４  ダイアフラム
１６、３６  調圧ばね
１７、３７  調圧板
１８、３９  作動軸
２０、４１  調圧弁
２４、４４  ピストン
２５、４５  レバー
６１、６２  圧電素子モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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