(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のプロセス流体の計測を行うセンサ、または前記第１のプロセス流体の制御を行うアクチュエータを備えたトランスデューサと、
前記第１のプロセス流体と直接的に接するように容器の壁を貫通するかまたは容器の壁の一部を構成する第１のプロセス構成部品であって、前記第１のプロセス流体と前記トランスデューサとを仲介して前記第１のプロセス流体と直接的に接する仲介部を有し、前記仲介部内に形成され、前記仲介部を介して前記第１のプロセス流体から熱が伝達される第１のキャビティを有する第１のプロセス構成部品と、
前記仲介部によって一部が形成された第１のヒートパイプであって、第１の作業流体を収容する密封されたキャビティを備えた第１のヒートパイプと、
熱電発電機構とを備え、
前記第１のヒートパイプは、前記仲介部内に配置されて前記第１のプロセス流体から前記第１の作業流体に熱を伝達する第１の端部と、前記熱電発電機構の第１の側と熱的に結合されて前記第１の作業流体から前記熱電発電機構の第１の側に熱を伝達する第２の端部とを有し、
熱吸収源が前記熱電発電機構の第２の側と熱的に結合され、
前記熱電発電機構は、電力を発生し、
前記熱電発電機構が発生した電力の少なくとも一部は、前記トランスデューサに供給される
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
ワイヤレストランシーバを更に備え、
前記熱電発電機構が発生した電力の少なくとも一部は、前記ワイヤレストランシーバに供給されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
データルータを更に備え、
前記熱電発電機構が発生した電力の少なくとも一部は、前記データルータに供給されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記電力を蓄えるエネルギ貯蔵素子を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１のプロセス構成部品は、パイプフランジ、オリフィスプレートフランジ、オリフィスプレート、サーモウェル、平均化ピトー管、蒸気トラップ、流管、整流部材、制御バルブ、遮断バルブ、圧力リリーフバルブ、圧力マニホールド、バルブマニホールド、ポンプハウジング、フィルタハウジング、圧力センサ用リモートシール、レベルスイッチ、接触式レーダレベル計、渦流量計、コリオリ流量計、電磁流量計、タービン流量計、及び流量制限器のいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記熱吸収源は、大気、水、第２のプロセス流体、地面、建物、及び土盛りのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の作業流体は、水、アンモニア、メタノール、及びエタノールのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１のヒートパイプは、更にその一部が可撓管で形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第１のヒートパイプは、更にウィッキング部材を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記ウィッキング部材は、焼結セラミック、網状金属、フェルト状金属、及び発泡金属のうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ウィッキング部材は、前記第１のヒートパイプの内壁面に設けられた溝からなることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
伝熱部材を更に備え、
前記熱電発電機構は、
第１の熱拡散部材と、
熱電素子とを備え、
前記第１の熱拡散部材が前記熱電素子の第１の面に取り付けられることにより、前記熱電発電機構の前記第１の側が前記第１のヒートパイプに結合され、
前記伝熱部材が前記熱電発電機構の前記第２の側に前記熱吸収源を熱的に結合する
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１のプロセス構成部品の少なくとも一部と、前記伝熱部材との間に断熱部材を更に備えることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記伝熱部材は、ピンフィン型の熱交換器、及びフィン付熱交換器の少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記熱電発電機構は第２の熱拡散部材を更に備え、
前記伝熱部材は第２のヒートパイプを備え、
前記第２の熱拡散部材は、前記熱電素子の第２の面に取り付けられることにより、前記第２のヒートパイプに前記熱電発電機構の前記第２の側を熱的に結合することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
前記熱吸収源は第２のプロセス流体であって、
前記伝熱部材は、前記第２のプロセス流体に直接的に接する第２のプロセス構成部品を更に備え、
前記第２のプロセス構成部品は、前記第２のプロセス流体に隣設された第２のキャビティを有し、
前記第２のヒートパイプは、前記第２のキャビティによって一部が形成され、第２の作業流体を備える
ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１の作業流体及び前記第２の作業流体の少なくとも一方は、水、アンモニア、メタノール、及びエタノールのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記第１のヒートパイプ及び前記第２のヒートパイプの少なくとも一方は、更にその一部が可撓管で形成されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記第１のヒートパイプ及び前記第２のヒートパイプの少なくとも一方は、更にウィッキング部材を有することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記ウィッキング部材は、焼結セラミック、網状金属、フェルト状金属、及び発泡金属のうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記ウィッキング部材は、前記第１のヒートパイプ及び前記第２のヒートパイプの少なくとも一方の内壁面に設けられた溝からなることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
ワイヤレスフィールドデバイスネットワークと、
前記ワイヤレスフィールドデバイスネットワークとのワイヤレス通信を行うワイヤレスデバイスと、
トランスデューサを有し、第１のプロセス流体と直接的に接するように容器の壁を貫通するかまたは容器の壁の一部を構成する第１のプロセス構成部品であって、前記第１のプロセス流体と前記トランスデューサとを仲介して前記第１のプロセス流体と直接的に接する仲介部を有し、前記仲介部内に形成され、前記仲介部を介して前記第１のプロセス流体から熱が伝達される第１のキャビティを有する第１のプロセス構成部品と、
前記仲介部によって一部が形成された第１のヒートパイプであって、第１の作業流体を収容する密封されたキャビティを備えた第１のヒートパイプと、
熱電発電機構とを備え、
前記第１のヒートパイプは、前記隔壁内に配置されて前記第１のプロセス流体から前記第１の作業流体に熱を伝達する第１の端部と、前記熱電発電機構の第１の側と熱的に結合されて前記第１の作業流体から前記熱電発電機構の第１の側に熱を伝達する第２の端部とを有し、
熱吸収源が前記熱電発電機構の第２の側と熱的に結合され、
前記熱電発電機構は、前記ワイヤレスデバイスに電力を供給する
ことを特徴とするシステム。
【請求項２３】
前記ワイヤレスデバイスは、ワイヤレストランシーバ、ワイヤレスデータルータ、及びワイヤレスフィールドデバイスのうちの１つであることを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記ワイヤレスフィールドデバイスネットワークはゲートウエイを備え、
前記熱電発電機構は、前記ゲートウエイに電力を供給することを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
前記ワイヤレスフィールドデバイスネットワークは、リモートテレメトリユニット及びバックホール無線機のうちの少なくとも一方を備え、
前記熱電発電機構は、前記リモートテレメトリユニット及び前記バックホール無線機のうちの少なくとも一方に電力を供給することを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第１のプロセス構成部品は、パイプフランジ、オリフィスプレートフランジ、オリフィスプレート、サーモウェル、平均化ピトー管、蒸気トラップ、流管、整流部材、制御バルブ、遮断バルブ、圧力リリーフバルブ、圧力マニホールド、バルブマニホールド、ポンプハウジング、フィルタハウジング、圧力センサ用リモートシール、レベルスイッチ、接触式レーダレベル計、渦流量計、コリオリ流量計、電磁流量計、タービン流量計、及び流量制限器のいずれか１つであることを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
【請求項２７】
前記熱吸収源は、大気、水、第２のプロセス流体、地面、建物、及び土盛りのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
【請求項２８】
前記第１の作業流体は、水、アンモニア、メタノール、及びエタノールのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
【請求項２９】
前記第１のヒートパイプは、更にウィッキング部材を有することを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
【請求項３０】
前記ウィッキング部材は、焼結セラミック、網状金属、フェルト状金属、及び発泡金属のうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記ウィッキング部材は、前記第１のヒートパイプの内壁面に設けられた溝からなることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３２】
伝熱部材を更に備え、
前記熱電発電機構は、
第１の熱拡散部材と、
熱電素子とを備え、
前記第１の熱拡散部材が前記熱電素子の第１の面に取り付けられることにより、前記熱電発電機構の前記第１の側が前記第１のヒートパイプに結合され、
前記伝熱部材が前記熱電発電機構の前記第２の側に前記熱吸収源を熱的に結合する
ことを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
【請求項３３】
前記第１のプロセス構成部品の少なくとも一部と、前記熱吸収源との間に断熱部材を更に備えることを特徴とする請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記伝熱部材は、ピンフィン型の熱交換器、及びフィン付熱交換器の少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項３２に記載のシステム。
【請求項３５】
前記熱電発電機構は第２の熱拡散部材を更に備え、
前記伝熱部材は第２のヒートパイプを備え、
前記第２の熱拡散部材は、前記熱電素子の第２の面に取り付けられることにより、前記第２のヒートパイプに前記熱電発電機構の前記第２の側を熱的に結合することを特徴とする請求項３２に記載のシステム。
【請求項３６】
前記熱吸収源は第２のプロセス流体であって、
前記伝熱部材は、前記第２のプロセス流体に直接的に接する第２のプロセス構成部品を更に備え、
前記第２のプロセス構成部品は、前記第２のプロセス流体に隣設された第２のキャビティを有し、
前記第２のヒートパイプは、前記第２のキャビティによって一部が形成され、第２の作業流体を備える
ことを特徴とする請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記第１の作業流体及び前記第２の作業流体の少なくとも一方は、水、アンモニア、メタノール、及びエタノールのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記第１のヒートパイプ及び前記第２のヒートパイプの少なくとも一方は、更にその一部が可撓管で形成されることを特徴とする請求項３６に記載のシステム。
【請求項３９】
前記第１のヒートパイプ及び前記第２のヒートパイプの少なくとも一方は、更にウィッキング部材を有することを特徴とする請求項３６に記載のシステム。
【請求項４０】
前記ウィッキング部材は、焼結セラミック、網状金属、フェルト状金属、及び発泡金属のうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記ウィッキング部材は、前記第１のヒートパイプ及び前記第２のヒートパイプの少なくとも一方の内壁面に設けられた溝からなることを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
【請求項４２】
ワイヤレスフィールドデバイスネットワークで用いる電力を発生する方法であって、
プロセス流体とトランスデューサとを仲介し、前記プロセス流体と直接的に接するように構成された仲介部を有するプロセス構成部品を、容器の壁を貫通させるかまたは容器の壁の一部とし、
前記仲介部を介し、前記プロセス流体と前記プロセス構成部品内の密封キャビティの壁面との間で熱を伝達し、
作業流体の気化及び凝縮によって前記密封キャビティの壁面と熱電発電機構との間で熱を移動し、
前記熱電発電機構を通して熱を伝達し、
対流及び伝導の少なくとも一方により、前記熱電発電機構と熱吸収源との間で熱を移動し、
前記熱電発電機構を介した熱の伝達により電力を発生させ、
発生した電力を用い、ワイヤレスデバイスへの電力供給の少なくとも一部を行う
ことを特徴とする方法。
【請求項４３】
前記密封キャビティの壁面と熱電発電機構との間での熱の移動には、気化しつつある作業流体の方に向けての、凝縮した作業流体の、毛管作用による移動を含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
更に、作業流体の凝縮及び気化による伝熱とは異なるプロセス流体との間の伝熱から前記熱電発電機構を遮蔽することを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ねワイヤレスデバイスに関するものであって、より具体的にはワイヤレスフィールドデバイスネットワークにおけるワイヤレスデバイスへの電力供給に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤレスデバイスは産業への適用が拡大しつつある。フィールドデバイスネットワークの構成要素としてワイヤレスデバイスは、有線デバイスの適用範囲を超え、配線工事が困難であったり配線工事の費用が高額であったりするような場所にまで、プロセス制御システムやプロセス監視システムの適用範囲を拡大することができる。ワイヤレスフィールドデバイスネットワークは、中央制御装置またはゲートウエイと共に、多くのワイヤレスデバイスまたはノードを備えている。ワイヤレスネットワークにおけるノードは、情報の送信及び受信の両方を行うことができる。
【０００３】
ワイヤレスフィールドデバイスネットワークは、それぞれ異なるプロセスや環境を管理し監視するために用いられる。例えば、油田においてワイヤレスフィールドデバイスネットワークを利用することがある。油田は、広大な領域にわたって点在する油井を中心とした多くの分散した場所からなる。これらの点在するローカルエリア間で行う通信は、油田の包括的な運営に欠かすことができない。油井におけるワイヤレスフィールドデバイスネットワークにより、流量、油井の圧力及び流体温度から、バルブの状態や位置、並びにリークの可能性まで、あらゆるものが監視され管理される。得られたデータは、ネットワークを介して制御装置に中継され、生産管理やトラブル防止のため、制御装置がデータを分析したり制御機構を作動させたりする。
【０００４】
ワイヤレスフィールドデバイスネットワークは、ワイヤレストポロジーで組織された複数のワイヤレスデバイス（即ちノード）で構成される通信ネットワークである。ワイヤレストポロジーの例として、例えばワイヤレスＨＡＲＴ（WirelessHART、登録商標）のようなメッシュネットワークや、例えばブルートゥース（Bluetooth、登録商標）のような星状ネットワークがある。ワイヤレスフィールドデバイスネットワークにおいてワイヤレスデバイスは、ワイヤレストランシーバ、ワイヤレスデータルータ、及びワイヤレスフィールドデバイスのうちの１つである。ワイヤレストランシーバには、単一のデバイスとして一体化されたトランシーバとアンテナとが含まれる。ワイヤレスデータルータには、単一のデバイスとして一体化されたワイヤレストランシーバとデータルータとが含まれる。ワイヤレスフィールドデバイスには、単一のデバイスとして一体化されたワイヤレスデータルータとフィールドデバイスとが含まれる。フィールドデバイスは、プロセス制御システムもしくはプロセス監視システム、またはプラント監視システムにおいて機能を発揮するフィールド組込デバイスであって、プラント環境デバイス及び安全衛生デバイスなどを含み、産業プラント、産業プロセス、もしくは産業設備の計測、管理、及び監視に用いられるあらゆるデバイスが含まれる。フィールドデバイスは、例えばセンサ或いはアクチュエータといった少なくとも１つのトランスデューサを備えているのが一般的であり、制御機能または警報機能を持たせることができる。ワイヤレストランシーバは、無線周波数を用いて通信データの送受信を行うデバイスである。データルータは、ワイヤレストランシーバが受信したデータパケットを所定の経路で伝送するデバイスであって、所属するフィールドデバイスが使用する通信ペイロードをアンパックし（フィールドデバイスのアドレスが、パケット内の最終の宛先アドレスと一致する場合）、或いは通信ペイロードをワイヤレストランシーバに送り返し、論理パスにおける次の宛先に向けてネットワークに戻す。例えば、ワイヤレスメッシュネットワークにおいては、各ワイヤレスデバイス自身が、ネットワークにおける他のデバイスと同様に、ルーティングを行うことができなければならないため、それぞれのワイヤレスデバイスがデータルータを備えている。これに対し、単純な星状ネットワークの場合には、ワイヤレスデバイスがメッセージを送受信するだけでよいため、ワイヤレスデバイスがデータルータを備える必要がない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
低出力の無線通信機の使用は、ワイヤレスフィールドデバイスネットワークのように、トランスデューサを基本とする適用形態のために構成されたワイヤレスネットワークシステムにとって必須である。高額な設置費用を生じることなく設備及びトランスデューサを配置しなければならないのに、１２０Ｖ交流商用電源や電力供給型データバスなどといった電力設備が近くに配備されていなかったり、このような電力設備の危険な場所への導入が容認されなかったりするので、ネットワーク内の多くのデバイスがローカルの電力供給を必要とする。「ローカルの電力供給」とは、可搬型の電気化学式電源（例えば、長寿命バッテリや燃料電池）のような局地的に設けられたローカル電源による電力供給、または低電力のエネルギ回収式電源（例えば、振動発電、太陽発電、熱電発電）による電力供給のことをいう。ローカル電源の共通の特徴は、長寿命バッテリの場合のように電力を蓄えるもの、及び太陽電池パネルの場合のように電力を生成するもののいずれにおいても、限られた電力容量にある。バッテリには５年以上にわたる継続使用が期待され、適用製品の寿命程度まで継続して使用できることが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、第１のプロセス流体の計測を行うセンサ、または前記第１のプロセス流体の制御を行うアクチュエータを備えたトランスデューサと、前記第１のプロセス流体と直接的に接するように容器の壁を貫通するかまたは容器の壁の一部を構成する第１のプロセス構成部品であって、前記第１のプロセス流体と前記トランスデューサとを仲介して前記第１のプロセス流体と直接的に接する仲介部を有し、前記仲介部内に形成され、前記仲介部を介して前記第１のプロセス流体から熱が伝達される第１のキャビティを有する第１のプロセス構成部品と、前記仲介部によって一部が形成された第１のヒートパイプであって、第１の作業流体を収容する密封されたキャビティを備えた第１のヒートパイプと、熱電発電機構とを備える。前記第１のヒートパイプは、前記仲介部内に配置されて第１のプロセス流体から第１の作業流体に熱を伝達する第１の端部と、熱電発電機構の第１の側と熱的に結合されて第１の作業流体から熱電発電機構の第１の側に熱を伝達する第２の端部とを有し、前記熱電発電装置は電力を発生する。前記熱電発電機構が発生した電力の少なくとも一部は、前記トランスデューサに供給される。
【０００７】
本発明のもう１つの態様は、ワイヤレスフィールドデバイスネットワークで用いる電力を発生する方法である。この方法では、プロセス流体とトランスデューサとを仲介し、前記プロセス流体と直接的に接するように構成された仲介部を有するプロセス構成部品を、容器の壁を貫通させるかまたは容器の壁の一部とし、前記仲介部を介し、プロセス流体とプロセス構成部品内の密封キャビティの壁面との間で熱を伝導する。作業流体の気化及び凝縮によって密封キャビティの壁面と熱電発電機構との間で熱が移動する。熱電発電機構を通して熱を伝達し、対流及び伝導の少なくとも一方により、熱電発電機構と熱吸収源との間で熱が移動する。熱電発電機構を介した熱の伝導により電力が発生し、発生した電力を用い、ワイヤレスデバイスへの電力供給の少なくとも一部を行う。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本発明を組み入れ、プロセスフランジに取り付けられたワイヤレスフィールドデバイスを示す図である。
【図１Ｂ】本発明を組み入れ、プロセスフランジに取り付けられたワイヤレスフィールドデバイスを示す図である。
【図２Ａ】サーモウェルに組み込まれて、温度計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図２Ｂ】サーモウェルに組み込まれて、温度計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図２Ｃ】サーモウェルに組み込まれて、温度計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図２Ｄ】サーモウェルに組み込まれて、温度計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図２Ｅ】サーモウェルに組み込まれて、温度計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図２Ｆ】サーモウェルに組み込まれて、温度計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図３Ａ】サーモウェルに組み込まれて、温度計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明のもう１つの実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】サーモウェルに組み込まれて、温度計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明のもう１つの実施形態を示す図である。
【図３Ｃ】サーモウェルに組み込まれて、温度計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明のもう１つの実施形態を示す図である。
【図４Ａ】平均化ピトー管に組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図４Ｂ】平均化ピトー管に組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図４Ｃ】平均化ピトー管に組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図５Ａ】オリフィスプレートフランジに組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図５Ｂ】オリフィスプレートフランジに組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図５Ｃ】オリフィスプレートフランジに組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図５Ｄ】オリフィスプレートフランジに組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、発明の一実施形態を示す図である。
【図５Ｅ】オリフィスプレートフランジに組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図５Ｆ】オリフィスプレートフランジに組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図６Ａ】蒸気トラップに組み込まれて、ワイヤレスデータルータに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図６Ｂ】蒸気トラップに組み込まれて、ワイヤレスデータルータに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図６Ｃ】蒸気トラップに組み込まれて、ワイヤレスデータルータに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図６Ｄ】蒸気トラップに組み込まれて、ワイヤレスデータルータに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図６Ｅ】蒸気トラップに組み込まれて、ワイヤレスデータルータに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図７Ａ】ベンチュリ管に組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図７Ｂ】ベンチュリ管に組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図７Ｃ】ベンチュリ管に組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図７Ｄ】ベンチュリ管に組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図７Ｅ】ベンチュリ管に組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図８Ａ】ポンプハウジングに組み込まれて、ワイヤレスデータルータに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図８Ｂ】ポンプハウジングに組み込まれて、ワイヤレスデータルータに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図８Ｃ】ポンプハウジングに組み込まれて、ワイヤレスデータルータに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図８Ｄ】ポンプハウジングに組み込まれて、ワイヤレスデータルータに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図８Ｅ】ポンプハウジングに組み込まれて、ワイヤレスデータルータに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図８Ｆ】ポンプハウジングに組み込まれて、ワイヤレスデータルータに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図９Ａ】オリフィスプレートに組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図９Ｂ】オリフィスプレートに組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図９Ｃ】オリフィスプレートに組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【図１０】２つのプロセス構成部品のそれぞれに組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
ワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワーク内のワイヤレスデバイスへの電力供給に関して本発明の説明を行う。本発明は別のネットワークトポロジーにも同様に適合するものであって、以下に説明する実施形態のみに本発明が限定されるものではなく、本発明が添付の特許請求の範囲に含まれる全ての態様を含むものであることは、当業者が認めうるものである。
【００１０】
本発明では、熱電発電を利用して、ワイヤレスフィールドデバイスネットワーク内のワイヤレスデバイスへの電力供給を行う。上述したように、バッテリには５年以上にわたる継続使用が期待され、適用製品の寿命程度まで継続して使用できることが好ましい。しかし、通信、検出、または作動が頻繁に必要となるような適用形態では、適切な長さの期間にわたって十分な電力を供給可能なバッテリが甚だしく大型化してしまう。このような問題は、低温によってバッテリ出力が制限されたり、高温によってバッテリ寿命が制限されたりするような厳しい環境状態において更に悪化する。例えば北極圏の近くなど、利用可能な日射が大幅に制限される地域では、太陽電池パネルも甚だしく大型化し、必要な電力を得るには極めて高価なものとならざるを得ない。これらの適用形態においては、周囲の環境よりも大幅に高温または低温となるプロセス流体が用いられることが多いので、熱電発電の利用が考えられる。しかしながら、熱電発電はもともと低効率であって、ワイヤレスフィールドデバイスネットワーク内にあるワイヤレスデバイスに対するエネルギの要求に合致させる上で、熱電発電の大幅な効率向上は必須である。
【００１１】
熱電発電装置の変換効率は、一般的に１％未満であって、熱電発電装置の構成材料や構造と相関関係にある。更に、熱電発電装置で変換のために利用可能な熱の量は、温熱源（または冷熱源）と熱電発電装置の表面との間の一連の熱抵抗によって大幅に減少する。熱抵抗により、熱の流れの方向に直角な所定断面の面積における熱の移動が鈍り、単位面積あたりの熱の移動量、即ち熱流束が減少する。
【００１２】
例えば、典型的な熱電発電装置の適用例では、冷却用の空気が取り囲む容器中に熱流体があって（例えば、パイプ中を流動、またはタンク内に収容）、熱伝導素子の一側が容器外面の非断熱部分に取り付けられ（くくりつけられ）、熱伝導素子の他側が熱電発電装置の１つの面と物理的に接している。大気と接する熱交換器が熱電発電装置の別の面に取り付けられている。熱流束に対し、容器内の熱流体から熱電発電装置までの間には、容器の壁、熱伝導素子と容器外面との間の物理的接触（或いは、不十分な物理的接触）、及び熱伝導素子自身の熱抵抗という、３つの重大な熱抵抗が存在する。
【００１３】
一般的に容器の壁は、例えば、鉄（６０Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）、ステンレス鋼（１０〜４０Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）或いはハステロイ（１０Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）のような熱伝導率の低い素材で形成される。熱流束は容器の壁を貫通し熱伝導素子に達する必要がある。熱流束が容器の外壁面に達しさえすれば、当該熱流束は熱伝導素子内に流入する。パイプやタンクのように湾曲した容器の壁面へのこのような素子の取り付けには課題が伴う。熱伝導素子の曲率半径は、容器外面の曲率半径と厳密に一致していなければならない。容器の大きさ及び表面の粗さは極めて多様であるため、必要とされる正確な接合を得ることが極めて困難となる。組み合わされる２つの面の間の大部分を微小な空隙が占めている状態で、当該２つの面の間のいくつかの接触点が、当該２つの面の全域にわたる実質的に全ての熱流を維持しなければならない。容器の壁を貫通して容器外面と熱伝導素子との界面を通過した熱流は、熱伝導素子を通過して熱電発電装置の表面に達する必要がある。一般的に熱伝導素子は、例えば銅（４００Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）のような高い熱伝導率を有した素材で形成されているが、熱流に対して更なる熱抵抗をもたらし、熱電発電装置での変換に利用可能な熱流束が制限される。本発明は、プロセス流体から熱電発電装置への熱流に対する一連の３つの熱抵抗の全てを一括して抑制または排除し、熱電発電装置での変換に利用可能な熱流束を大幅に増大させるものである。
【００１４】
本発明は、熱電発電装置を用い、ワイヤレスフィールドデバイスネットワーク内のワイヤレスデバイスへの電力供給を行う。本発明は、プロセス流体に直接的に接するプロセス構成部品を備えている。プロセス流体に直接的に接するプロセス構成部品には、例えば、サーモウェル、平均化ピトー管、パイプフランジ、オリフィスプレートフランジ、蒸気トラップ、圧力センサ用リモートシール、レベルスイッチ、接触式レーダレベル計、渦流量計、コリオリ流量計、電磁流量計、タービン流量計、バルブマニホールド、整流部材、流量制限器、制御バルブ、遮断バルブ、フィルタハウジング、ポンプハウジング、及び圧力リリーフバルブが含まれる。本発明におけるプロセス構成部品は、プロセス構成部品内の集熱キャビティによって一部が形成されたヒートパイプを備える。集熱キャビティは、ヒートパイプの一部を形成するという目的のみに用いられる。ヒートパイプが熱電発電装置の１つの面に結合されると共に、熱吸収源が熱電発電装置の別の面に結合されており、熱が熱電発電装置を移動して、ワイヤレスデバイス用の電力が発生する。上述した熱伝導素子に代えてヒートパイプを用いることにより、熱電発電装置の表面への熱の移動に関わる熱抵抗を大幅に減少することができる。プロセス流体と直接的に接するプロセス構成部品内にヒートパイプを埋め込み、容器の壁を直に貫通させることにより、２つの熱抵抗が排除される。プロセス構成部品は、容器外面に固定されるものではなく、容器の壁を貫通、即ち容器の壁の一部と置き換わる。集熱キャビティをプロセス流体から分離しているプロセス構成部品の部位を介し、プロセス流体からヒートパイプの集熱キャビティに熱を伝達する必要があることから、ある程度の熱抵抗は残存する。しかしながら、集熱キャビティの内面全域からヒートパイプ内へと熱が流入し、集熱キャビティの内面全域からの気化によって熱が移動するので、ヒートパイプで移動する際の熱流束は非常に大きくなる。
【００１５】
図１Ａ及び図１Ｂは、プロセス構成部品内に組み込まれた熱電発電装置を備え、ワイヤレスフィールドデバイスネットワーク内のワイヤレスデバイスに電力供給を行うための、本発明の一実施形態を示す図である。図１Ａ及び図１Ｂには、本発明を組み入れ、プロセスフランジに取り付けられたプロセス構成部品が示されている。図１Ｂは、本発明の詳細がわかるように図１Ａの一部を拡大したものである。
【００１６】
図１Ａは、ワイヤレスフィールドデバイス１２、プロセス構成部品１４、プロセスフランジ１６、プロセス導管２０、及びワイヤレスフィールドデバイスネットワーク２１を備えたプロセス計測ポイントまたはプロセス制御ポイント（以下、総称してプロセス計測・制御ポイントとする）１０を示している。図１Ｂに示すように、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、電子回路ハウジング２２、電子回路（図示せず）、アンテナ２４、及びトランスデューサ（図示せず）を備えている。プロセス構成部品１４は、熱電発電機構（図示せず）、伝熱部材２７、断熱部材２８ａ、断熱部材２８ｂ、及びヒートパイプ（図示せず）を備える。また、図１Ｂには複数のフランジボルト１８も示されている。プロセス導管２０はパイプとして例示されているが、プロセスタンク、貯蔵タンク、熱交換器、ボイラ、蒸留塔、キルン、及び反応炉のいずれか１つまたはいくつかの組み合わせであってもよい。ワイヤレスフィールドデバイスネットワーク２１は、ワイヤレスフィールドデバイス１２とのワイヤレス通信、及び制御システムまたは監視システムとの通信が可能な任意のワイヤレスフィールドデバイスネットワークである。例えば、ワイヤレスフィールドデバイスネットワーク２１はワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークである。
【００１７】
プロセスフランジ１６は、プロセス導管２０の開口部に取り付けられており（一般的には溶接による）、プロセス導管２０内に連通するポートを形成している。プロセス導管２０内をプロセス流体Ｆが流動する際にプロセス構成部品１４がプロセス流体Ｆと直接的に接するようにするべくプロセス構成部品１４をポートに取り付ける前に、一般的に低熱伝導率の素材からなるシールガスケット（図示せず）がプロセス構成部品１４及びプロセスフランジ１６のそれぞれの接合面の間に挿入される。プロセス構成部品１４は、複数のフランジボルト１８を用いてプロセスフランジ１６に結合されている。熱電発電機構は、プロセス構成部品１４と一体化されており、プロセス流体Ｆとは間接的に熱的に接するようになっている。ヒートパイプ（図示せず）は、プロセス流体Ｆと熱電発電機構とを熱的に接続する。また、熱電発電機構は、例えば周囲流体Ａなどの熱吸収源と熱的に接する伝熱部材２７とも熱的に接している。周囲流体Ａは、プロセス計測・制御ポイント１０を取り囲んでおり、一般的には空気である。通常の作動の際、プロセス流体Ｆと周囲流体Ａとは異なる温度にある。断熱部材２８ａ及び断熱部材２８ｂは、周囲流体Ａと熱的に接している伝熱部材２７を、プロセス流体Ｆと熱的に接しているプロセス構成部品１４の部位から熱的に遮蔽する位置に設けられる。図１Ａに示すように、プロセス構成部品１４は、ワイヤレスフィールドデバイス１２と機械的且つ電気的に接続されており、プロセス流体Ｆとトランスデューサとを仲介する部材である。これに代え、電子回路ハウジング２２、アンテナ２４、及びワイヤレスフィールドデバイス１２の電子回路を、プロセス構成部品１４から機械的に切り離す一方、電気的にはプロセス構成部品１４に接続するようにしてもよい。
【００１８】
作動の際に、プロセス流体Ｆと周囲流体Ａとの間の温度差によって生じた熱流は、プロセス構成部品１４内のヒートパイプを移動するものとなる。プロセス流体Ｆの方が周囲流体Ａよりも高温の場合、熱はプロセス導管２０内にあるプロセス流体Ｆから、ヒートパイプを介して熱電発電機構へと流動する。この熱は、伝熱部材２７による周囲流体Ａへの熱の放散により熱電発電機構を通って流れ、これによって電力が発生する。プロセス流体Ｆの方が周囲流体Ａよりも低温の場合には、熱流が逆方向となる。発生した電力はワイヤレスデバイス１２に送られ、トランスデューサの作動や、アンテナ２４を介したワイヤレスフィールドデバイスネットワーク２１との通信に使用するべく、ワイヤレスデバイス１２への電力供給が行われる。プロセス流体Ｆと周囲流体Ａとの間において、熱電発電機構を通るように意図された経路から外れるような熱流の経路は、断熱部材２８ａ及び断熱部材２８ｂによって縮小される。
【００１９】
図１０に示す実施形態を除き、以下に説明するいずれの実施形態も、プロセス流体Ｆの方が熱吸収源よりも高温であり、熱流の方向がプロセス流体から熱吸収源に向かうような場合のものとなっている。以下に説明するいずれの実施形態においても、プロセス流体Ｆの方が熱吸収源よりも低温の場合には、熱流の方向が逆になって熱吸収源からプロセス流体Ｆへと向かうようになるだけで、説明は同様のものとなる。
【００２０】
全ての実施形態において、熱吸収源が熱を吸収、或いは取り去り、熱電素子を通過する安定した熱流を維持する。説明を容易にするため、以下に説明する実施形態では、図１０に示す実施形態を除き、いずれも周囲流体Ａが熱吸収源となっている。周囲流体Ａは空気である場合が多いが、冷却用流体、ひとかたまりの水、或いは伝熱部材と物理的に接する第２のプロセス流体といった、別の種類の流体を周囲流体Ａとすることも可能である。更に、熱吸収源は大地であってもよいし、例えば建物の壁或いは土盛りなどの大きな熱容量体であってもよい。
【００２１】
図１Ａ及び図１Ｂに示すようなワイヤレスフィールドデバイスにより、例えば圧力、流速、質量流量、ｐＨ、温度、密度、及び導電率といった、様々なプロセス特性値のいずれか１つもしくはいくつかの組み合わせを計測すること、振動、変形、もしくは腐食と行った事項に関するプロセス設備の監視を行うこと、火災及びガス検知などといった総合的なプラント環境の監視を行うこと、または作業者及び設備の現在位置を把握することが可能である。図２Ａ〜図２Ｆは、プロセス構成部品がサーモウェルであって、当該プロセス構成部品に組み込まれて温度計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力供給を行う熱電発電装置を備え、ワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワーク内のワイヤレスデバイスに電力を供給するための、本発明の実施形態を示す図である。サーモウェルは、保護用の頑丈な鞘状ケースであって、温度センサを収容し、計測中の流体による振動、衝撃、腐食、削摩などの有害な影響から温度センサを保護するように構成されている。温度センサは、サーモウェルの中心軸線に沿って当該サーモウェル内に挿入され、サーモウェルは計測対象の流体を収容したプロセス容器内に挿入される。サーモウェルは、プロセスを中断することなく、また容器を開放することなく、故障した温度センサを交換できるという更なる利点も有している。
【００２２】
図２Ａは、本発明を組み入れたサーモウェルの断面図である。図２Ａには、ワイヤレスフィールドデバイス１１２、サーモウェル１１４、プロセスフランジ１１６、フランジボルト１１８、及びプロセス流体Ｆを収容するプロセス導管１２０を備えたプロセス計測ポイント１１０が示されている。周囲流体Ａによる熱吸収源が設けられており、この周囲流体Ａは、プロセス計測ポイント１１０を取り囲み、一般的には空気からなる。図１にはプロセス導管１２０をパイプとして例示しているが、プロセスタンク、貯蔵タンク、熱交換器、ボイラ、蒸留塔、キルン、及び反応炉のいずれか１つまたはいくつかの組み合わせであってもよい。ワイヤレスフィールドデバイス１１２は、電子回路ハウジング１２２、電子回路１２３、アンテナ１２４、及び温度プローブ１３０を備えている。温度プローブ１３０は、温度センサ１３２と温度センサ導線１３４とを備える。温度センサ１３２は、例えば熱電対または測温抵抗体（ＲＴＤ）など、温度変化に応じて電気的特性が変化する任意のセンサである。温度センサ導線１３４は、例えば熱電対導線など、温度センサ１３２に適合する導線である。電子回路１２３は、センサ回路１３６、通信用回路１３８、トランシーバ１４０、データルータ１４２、電源制御回路１４４、及びエネルギ貯蔵素子１４６を備えている。センサ回路１３６は、センサ信号を処理すると共に、公知の方法でセンサのエキサイテーションを行う。通信用回路１３８は、例えばＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルのデータなどの有線信号の送受信を行う通信用回路からなる。トランシーバ１４０は、例えばワイヤレスＨＡＲＴ（WirelessHART、登録商標）プロトコルのデータなど、無線周波数を用いた通信データの送受信を行う。データルータ１４２はデータパケットを所定の経路で発送する。電源制御回路１４４は、入力された電力を受け取り、電子回路１２３における他の構成要素での使用のために、必要に応じて電力を調整する。エネルギ貯蔵素子１４６は、電子回路１２３における他の構成要素での使用のためにエネルギを蓄えるものであって、例えば、一次電池、充電式電池、スーパーキャパシタ、或いは公知のエネルギ貯蔵用キャパシタからなる。サーモウェル１１４は、熱電発電機構１２６、伝熱部材１２７、断熱部材１２８ａ、断熱部材１２８ｂ、サーモウェルキャビティ１４８、及びヒートパイプ１５０を備えたフランジ装着型プロセス構成部品である。熱電発電機構１２６は、熱電素子１５２、熱拡散部材１５４、及び電力ケーブル１５８を備える。熱電素子１５２は、例えば交互に連ねた複数のｎ型半導体とｐ型半導体とからなる公知の形式の半導体を基本構成とする素子であって、素子の両端が異なる温度に保持されると、素子両端に電圧を発生し、（電気負荷が接続されている場合には）素子を流れる電流を生成する。熱拡散部材１５４は、例えば銅のような、高い熱伝導率の素材からなるブロックであって、熱電素子１５２の表面における熱流束を均一化させるために用いられる。伝熱部材１２７は、周囲流体Ａとの間での熱交換を効率的に行う任意の部材である。図示するように、伝熱部材１２７は、例えば銅などの高い熱伝導率の素材からなるピンフィン型の熱交換器であって、体積に対する表面積の比を大きくすることにより熱の移動を促進するように構成されている。断熱部材１２８ａ及び断熱部材１２８ｂは、周囲流体Ａに適合可能な断熱構造を有した耐久性のある任意の形式の部材である。本実施形態では、ヒートパイプ１５０が、充填ポート１６０、プラグ１６２、集熱キャビティ１６４、熱移動パイプ１６６、及び脱熱キャビティ１６８を備えている。プラグ１６２は、例えばねじ込み式の金属プラグなど、封止を行う任意のプラグである。集熱キャビティ１６４は、プロセス流体Ｆと直接的に接するサーモウェル１１４の部位の内部に埋め込まれたヒートパイプ１５０の部位である。脱熱キャビティ１６８は、熱電発電機構１２６と直接的に接するヒートパイプ１５０の部位である。熱移動パイプ１６６は、集熱キャビティ１６４と脱熱キャビティ１６８とを結合するヒートパイプ１５０の部位である。
【００２３】
プロセスフランジ１１６は、プロセス導管１２０の開口部に取り付けられており（一般的には溶接による）、プロセス導管１２０内に連通するポートを形成する。図２Ａに示すように、プロセス導管１２０内をプロセス流体Ｆが流動する際にサーモウェル１１４がプロセス流体Ｆと直接的に接するようにするべくサーモウェル１１４をポート内に挿入する前に、シールガスケット（図示せず）がサーモウェル１１４及びプロセスフランジ１１６の互いの接合面の間に挿入される。サーモウェル１１４は、複数のフランジボルト１１８（一般に４個以上であり、２個を図示している）を用いてサーモウェル１１４のフランジ部がプロセスフランジ１１６に連結されている。温度プローブ１３０は、プロセス流体Ｆの中に最も深く入るサーモウェル１１４の先端部分またはその近傍に温度センサ１３２が位置するように、サーモウェルキャビティ１４８内に挿入される。一般的に、温度プローブ１３０は、温度センサ１３２が位置する側の端部とは反対側となる温度プローブ１３０の端部を螺合することによって所定位置に保持される。温度センサ導線１３４は、センサ回路１３６を介し、温度プローブ１３０を電子回路ハウジング１２２内の電子回路１２３に接続する。アンテナ１２４は、トランシーバ１４０を介し、電子回路ハウジング１２２内の電子回路１２３に接続されている。電子回路１２３内では、センサ回路１３６が通信用回路１３８に接続されている。通信用回路１３８はデータルータ１４２に接続され、このデータルータ１４２はトランシーバ１４０に接続されている。電源制御回路１４４は、エネルギ貯蔵素子１４６、センサ回路１３６、通信用回路１３８、データルータ１４２、及びトランシーバ１４０に接続されている。ヒートパイプ１５０は、図２Ｄに基づいて後述する集熱キャビティ１６４から、図２Ｆに基づき後述する熱移動パイプ１６６を経て、図２Ｅに基づき後述する脱熱キャビティ１６８まで延設されている。プラグ１６２は充填ポート１６０を封止する。ヒートパイプ１５０の脱熱キャビティ１６８は、熱拡散部材１５４を介して熱電発電機構１２６と結合されている。熱拡散部材１５４は、熱電素子１５２の１つの面に密着して取り付けられており、伝熱部材１２７は、熱拡散部材１５４の側とは反対側となる熱電素子１５２の面に密着して取り付けられている。電力ケーブル１５８は、熱電素子１５２を電子回路ハウジング１２２内の電源制御回路１４４に接続する。断熱部材１２８ａは、伝熱部材１２７とサーモウェル１１４の外面との間の空隙に配設されており、伝熱部材１２７の端部より外側に張り出すことにより、良好な断熱効果を確保している。断熱部材１２８ｂは、伝熱部材１２７と、プロセスフランジ１１６に取り付けられたサーモウェル１１４のフランジ部との間の領域に配設されている。サーモウェル１１４は、ワイヤレスフィールドデバイス１１２と機械的及び電気的に結合されており、プロセス流体Ｆと温度プローブ１３０との間に介在する部材となる。上記の構成に代え、温度プローブ１３０及びサーモウェル１１４に対して、電子回路ハウジング１２２、電子回路１２３、及びアンテナ１２４を機械的に分離する一方、電気的には接続するようにしてもよい。
【００２４】
作動時に温度センサ１３２は、プロセス流体Ｆの温度変化に応じて電気的特性を変化させる。この電気的特性の変化は、温度センサ導線１３４を介してセンサ回路１３６に伝達される。センサ回路部１３６は、電気的特性の変化を温度計測値に変換し、この温度計測値を通信用回路１３８に伝送する。通信用回路１３８は、有線のリンク（図示せず）を介し、温度計測値及び任意の付加的な情報（例えば、ワイヤレスデバイスのＩＤ）をデータルータ１４２に伝送する。データルータ１４２は、伝送された情報を送り先の情報と共にデジタルデータパケットにフォーマットし、このデジタルデータパケットをトランシーバ１４０に伝送し、トランシーバ１４０がアンテナ１２４を介してワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークへの発信を行う。
【００２５】
更に、ワイヤレスフィールドデバイス１１２は、ワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークの構成要素として、ワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークから受け取ったデータパケットを所定の経路で発送することもできる。トランシーバ１４０は、アンテナ１２４を介してワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークからデジタルデータパケットを受け取り、このデジタルデータパケットをデータルータ１４２に伝送する。データルータ１４２は、トランシーバ１４０が受け取ったデジタルデータパケットを所定の経路で伝送し、ワイヤレスフィールドデバイス１１２のアドレスがデジタルデータパケットの最終の宛先アドレスと一致する場合、通信用回路１３８で使用するべく通信ペイロードをアンパックし、そうでない場合は、論理パスにおける次の送り先に向けて、アンテナ１２４を介しワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークに戻すべく、デジタルデータパケットをトランシーバ１４０に送り返す。
【００２６】
本実施形態では、上述した温度検出及びデータ伝送のための電力の少なくとも一部が、ヒートパイプ１５０によって効率的に生じる熱流を用いた熱電発電機構１２６の作動によって供給される。図２Ｄに基づき後述するように、集熱キャビティ１６４がプロセス流体Ｆから熱を収集する。図２Ｆに基づき後述するように、熱移動パイプ１６６が集熱キャビティ１６４から脱熱キャビティ１６８へと熱を移動させる。脱熱キャビティ１６８では、熱が熱拡散部材１５４に伝達され（図２Ｅに基づき後述）、熱拡散部材１５４は、当該熱拡散部材１５４を介して熱が熱電素子１５２に伝わる際に熱流束を均一化する。熱電素子１５２を熱が移動すると、熱電素子１５２を移動する熱の量に応じて電圧が発生し、ワイヤレスフィールドデバイス１１２に向けて電流が流れる。このような電圧及び電流の発生によって電力が生じる。熱電素子１５２において、熱拡散部材１５４の側とは反対側から熱を取り去らなければ、速やかに熱平衡に達し、熱流及びこれに伴う発電が途絶えることになる。発電を継続するには、熱拡散部材１５４の側とは反対側となる熱電素子１５２の面から熱を取り去る必要がある。大きな表面積を有する伝熱部材１２７が、周囲流体Ａへの伝導により、熱拡散部材１５４の側とは反対側となる熱電素子１５２の面から熱を効率的に取り去る。対流及び伝導の一方または組み合わせにより、周囲流体Ａが伝熱部材１２７から熱を吸収しまたは運び去り、発電の継続に必要な、熱電素子１５２における安定した熱流が維持される。本実施形態では、断熱部材１２８ａ及び断熱部材１２８ｂが、サーモウェル１１４やプロセス導管１２０の外面のように、プロセス流体Ｆの温度と周囲流体Ａの温度との間の温度になりそうな領域を遮蔽することにより、熱電素子１５２以外の熱源から伝熱部材１２７に入り込む熱を抑制する。これにより、伝熱部材１２７が取り去る熱が熱電素子１５２を移動する熱に概ね限定され、熱電発電機構１２６の発電効率が向上する。熱電素子１５２が発電した電力は、電力ケーブル１５８により電源制御回路１４４に伝送される。電源制御回路１４４は、この電力を調整し、必要に応じてセンサ回路１３６、通信用回路１３８、データルータ１４２及びトランシーバ１４０に配分し、上述したような温度検出及びデータ伝送が行われる。温度検出及びデータ伝送で緊急に必要となる電力の超過分は、エネルギ貯蔵素子１４６に蓄えられている。例えば、プロセスの開始或いは停止の際に、プロセス流体Ｆの温度が通常のプロセス稼働時より低い場合など、温度検出及びデータ伝送に要する電力が、熱電発電機構１２６から直ちに利用可能な電力を超過する場合に、エネルギ貯蔵素子１４６に蓄えられた電力が電力制御回路１４４によって利用される。
【００２７】
図２Ｂは、一実施形態に係るサーモウェル１１４の、プロセス流体Ｆと直接的に接する部分の断面図である。図２Ｂに示すように、集熱キャビティ１６４は円形の断面を有している。管状をなす集熱キャビティ１６４は、例えばドリルにより適切に形成される。このような管状構造は、脱熱キャビティ１６８の部分を除きヒートパイプ１５０の全長にわたっている。
【００２８】
図２Ｃは、脱熱キャビティ１６８の形状の一実施形態を示す図である。熱移動パイプ１６６の円形断面は、脱熱キャビティ１６８の端部で終了している。脱熱キャビティ１６８は、熱拡散部材１５４の矩形形状に適合した直方体状のキャビティとなっている。このような形状も、公知の加工技術を用いて適切に形成される。脱熱キャビティ１６８は、６つの面のうち５つの面がサーモウェル１１４の内面からなり、残る１つの面が熱拡散部材１５４の面からなる。図２Ｃは、更に伝熱部材１２７の形状を示している。伝熱部材１２７は、伝熱部材１２７の表面積を増大するようにしてサーモウェル１１４の外周の一部を取り囲んでいる。上述したように断熱部材１２８ａは、熱電素子１５２から外方に張り出して延設される伝熱部材１２７の部分と、サーモウェル１１４の外面との間の空隙を満たしているのが好ましい。断熱部材１２８ａは、伝熱部材１２７の端部から四方に張り出すことにより、プロセス流体Ｆの温度と周囲流体Ａの温度との間の温度にあるサーモウェル１１４の外面からの良好な断熱効果を確保している。
【００２９】
図２Ａに示す実施形態の効率的な作動における重要な要素は、ヒートパイプ１５０の作動である。図２Ｄは、プロセス流体Ｆからヒートパイプ１５０内に熱を移動させる伝熱の仕組みを示している。図２Ｄは、集熱キャビティ１６４の部分の断面図である。この実施形態において、ヒートパイプ１５０は更に作業流体１７０とウィッキング部材１７２とを備えている。作業流体１７０は、液相（Ｌ）及び気相（Ｖ）の両方の状態でヒートパイプ１５０内に存在するのが好ましい。作業流体１７０は、プロセス流体Ｆの温度と周囲流体Ａの温度との間の想定される作動温度範囲に応じて選択され、例えば、水、アンモニア、メタノール、またはエタノールからなる。ウィッキング部材１７２は、例えば、焼結セラミック、網状金属、フェルト状金属、或いは発泡金属など、液相にある作業流体１７０に大きな毛管圧を作用させる上で十分小さな細孔を有し、作業流体１７０が浸透しやすい材料からなるのが好ましい。これに代えて、液相にある作業流体１７０に対し、必要とされる毛管圧をもたらすような大きさに設定されて、ヒートパイプ１５０の全長にわたり、ヒートパイプ１５０の内壁面に形成された複数の溝によりウィッキング部材１７２を構成するようにしてもよい。
【００３０】
一実施形態によれば、ウィッキング部材１７２は集熱キャビティ１６４に沿って延設されており、液相（Ｌ）にある作業流体１７０を保持している。作動の際、プロセス流体Ｆからの熱Ｈは、集熱キャビティ１６４を取り囲む金属壁を介して流動する。集熱キャビティ１６４内の液相（Ｌ）の作業流体１７０は、流動する熱を吸収し、吸収した熱量が作業流体１７０の気化熱に達すると、気相（Ｖ）の作業流体１７０に変化する。気相（Ｖ）の作業流体１７０は、膨張してウィッキング部材１７２から集熱キャビティ１６４内へと流出し、集熱キャビティ１６４内の圧力を上昇させると共に、集熱キャビティ１６４から熱移動パイプ１６６内へと気相（Ｖ）の作業流体１７０を押し出す。このとき、ウィッキング部材１７２からの液相（Ｌ）の作業流体１７０の気化が、ウィッキング部材１７２の毛管圧によって生じる集熱キャビティ１６４内への液相（Ｌ）の作業流体１７０の流入を更に増大させる。このようにして、作業流体Ｆと集熱キャビティ１６４との間での熱の流出及び流入が効率的に行われる。最も効率的な熱の流動は、プロセス流体Ｆから集熱キャビティ１６４を隔離するサーモウェル１１４の最も薄い部分で行われるが、サーモウェル１１４がプロセス流体Ｆと接する部分の全域にわたる熱の伝達により、あらゆる方向から集熱キャビティ１６４内に熱が流入する。
【００３１】
本実施形態により、ヒートパイプ１５０から熱電発電機構１２６への熱の移動を行う伝熱の仕組みを図２Ｅに示す。図２Ｅは、脱熱キャビティ１６８（及び熱移動パイプ１６６）の断面図である。脱熱キャビティ１６８は、集熱キャビティ１６４と同様に、気相（Ｖ）の作業流体１７０を収容しており、液相（Ｌ）の作業流体１７０を保持したウィッキング部材１７２が内部に延設されている（プラグ１６２が設けられる小領域を除く）。集熱キャビティ１６４とは異なり、脱熱キャビティ１６８内の作業流体１７０は、伝熱部材１２７の作用によって冷却される。作動の際、脱熱キャビティ１６８内の気相（Ｖ）の作業流体１７０は、熱拡散部材１５４の比較的低温の表面で凝縮して液相（Ｌ）の作業流体１７０に変化し、集熱キャビティ１６４で吸収した気化熱を放出する。放出された熱Ｈは熱拡散部材１５４に移動し、熱電素子１５２を介して伝熱部材１２７に伝わる。液相（Ｌ）の作業流体１７０は、ウィッキング部材１７２に浸透し、ウィッキング部材１７２内の毛管圧によって脱熱キャビティ１６８から熱移動パイプ１６６内へと移動する。同時に、脱熱キャビティ１６８内の気相（Ｖ）の作業流体１７０の凝縮により脱熱キャビティ１６８内の圧力が低下し、より多くの気相（Ｖ）の作業流体１７０が移動パイプ１６６から脱熱キャビティ１６８内へと移動するような圧力差が生じる。このようにして、ヒートパイプ１５０から熱電発電機構１２６へと効率的に熱が流動する。
【００３２】
図２Ｆは、図２Ｄに示すような集熱キャビティ１６４から熱を収集し、図２Ｅに示すような脱熱キャビティ１６８に熱を移動させる伝熱の仕組みの一実施形態を示している。図２Ｆは、集熱キャビティ１６４と脱熱キャビティ１６８とを物理的且つ熱的に接続する熱移動パイプ１６６の部分の断面図である。集熱キャビティ１６４及び脱熱キャビティ１６８と同様に、熱移動パイプ１６６は気相（Ｖ）の作業流体を収容しており、液相（Ｌ）の作業流体１７０を保持したウィッキング部材１７２が内部に延設されている。熱移動パイプ１６６内のウィッキング部材１７２は、集熱キャビティ１６４内のウィッキング部材１７２及び脱熱キャビティ１６８内のウィッキング部材１７２と連続的に接続しており、凝縮した液相（Ｌ）の作業流体１７０が、ウィッキング部材１７２内の毛管圧によって、脱熱キャビティ１６８から熱移動パイプ１６６を経て集熱キャビティ１６４へと流動するようになっている。サーモウェル１１４の取り付け方向に応じ、毛管圧が作用する方向は、重力と合わさる方向または重力に反するする方向となり得る。ウィッキング部材１７２内の毛管圧は、重力に打ち勝つだけでなく、集熱キャビティ１６４と脱熱キャビティ１６８との圧力差に打ち勝って、液相（Ｌ）の作業流体１７０を集熱キャビティ１６４へ継続して供給し続けることができるものでなければならない。熱移動パイプ１６６の内部は、集熱キャビティ１６４の内部と脱熱キャビティ１６８の内部とに連通しており、気相（Ｖ）の作業流体１７０が、集熱キャビティ１６４内での液相（Ｌ）の作業流体１７０の気化、及び脱熱キャビティ１６８内での気相（Ｖ）の作業流体１７０の凝縮によって生じる圧力差により、集熱キャビティ１６４から熱移動パイプ１６６の内部を経て脱熱キャビティ１６８に流動するようになっている。
【００３３】
一実施形態によれば、サーモウェル１１４は、正確に調整された条件下の工場で理想的な組み立てが行われるので、安定した信頼性のある作動を確保することができる。このことは、現場において容器の外面に熱電発電装置をくくりつけるか或いはその他の方法で取り付ける場合とは全く相違するものである。ヒートパイプ１５０は、作業流体１７０の蒸気圧に近似した内圧を維持可能な部分真空であると共に、気相（Ｖ）の作業流体１７０の流動を妨げてヒートパイプ１５０の効率を低下させるような不凝縮性ガスを除去可能な部分真空のもとで密封するのが好ましい。作業流体１７０は、充填ポート１６０を介してヒートパイプ１５０内に注入され、部分真空下で図２Ａに示すようにプラグ１６２を用いて密封される。
【００３４】
図２Ａ〜図２Ｆに示すような本発明の実施形態では、プロセス流体と直接的に接するサーモウェルにヒートパイプを内包することによって、熱電発電装置による変換に使用可能な熱流束を大幅に増大させることができる。容器の壁を直に貫通することにより、熱電発電装置と容器の壁との間の良好な熱的結合を達成する上で必要な程度に、容器の壁における熱抵抗の問題が解消される。また、集熱キャビティ１６４の内面全域からヒートパイプ１５０内に熱が流入し、集熱キャビティ１６４の内面全域からの気化により熱が移動するので、ヒートパイプ１５０によって移動する熱を極めて大きなものとすることができる。最終的に、移動する熱の量は、集熱キャビティ１６４の面積、伝熱部材１２７の大きさ及び効率、並びに周期流体Ａとプロセス流体Ｆとの間の温度差に依存する。工場において入念に調整された条件の下で装置全体を組み立てて試験することができるので、性能はより一層安定して効率的なものとなる。
【００３５】
図２Ａ〜図２Ｆに示す集熱キャビティの管状形状は、プロセス構成部品及び発電する電力量に応じて使用可能な多くの形状の１つを示すものである。図３Ａ〜図３Ｃは、サーモウェルに組み込まれて、温度計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明のもう１つの実施形態を示す図である。図３Ａ〜図３Ｃにおいて、筒状形状をなす集熱キャビティは、２つの熱電素子を収容した熱電発電機構に結合されている。図２Ａ〜図２Ｆの実施形態に比べ、表面積を増大させた、更に大きな集熱キャビティにより、一層大きな熱流が得られる。また、このような大きな熱流に対応した極めて大きい伝熱部材も必要となる。図２Ａ〜図２Ｆの実施形態に比べ、２つの熱電素子を流動する一層大きな熱によって、非常に大きな電力が発生する。このように増大した電力は、例えばより頻繁に送信が必要なワイヤレスデバイスにとって有用である。また、増大した電力は、例えば中央制御装置、ゲートウエイ、リモートテレメトリユニット、またはゲートウエイをより上位のネットワークもしくはホストコンピュータに接続するバックホール無線機など、ワイヤレスフィールドデバイスネットワークにおける別の構成要素への電力供給にも有用である。
【００３６】
図３Ａは、サーモウェルに組み込まれて、温度計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明のもう１つの実施形態を示す断面図である。図３Ａの実施形態における構成部材の多くは、図２Ａ〜図２Ｆに基づき説明した構成部材と同一であって、それぞれ１００ずつ異なる符号を有している。図３Ａには、ワイヤレスフィールドデバイス２１２、サーモウェル２１４、プロセスフランジ２１６、フランジボルト２１８、及びプロセス流体Ｆを収容するプロセス導管２２０を備えたプロセス計測ポイント２１０が示されている。周囲流体Ａによる熱吸収源が設けられる。ワイヤレスフィールドデバイス２１２は、前述したワイヤレスフィールドデバイス１１２と同じものである。サーモウェル２１４は、熱電発電機構２２６、伝熱部材２２７、断熱部材２２８ａ、断熱部材２２８ｂ、サーモウェルキャビティ２４８、及びヒートパイプ２５０を備えたフランジ装着型プロセス構成部品である。熱電発電機構２２６は、２つの熱電素子２５２、２つの熱拡散部材２５４、及び２組の電力ケーブル２５８を備える。熱電素子２５２は前述した熱電素子１５２と同じものである。図に示すように、伝熱部材２２７は、サーモウェル２１４の全周を取り囲んでいる点を除き、前述した伝熱部材１２７と同じものである。ヒートパイプ２５０は、２つの充填ポート２６０、２つのプラグ２６２、集熱キャビティ２６４、熱移動パイプ２６６、及び２つの脱熱キャビティ２６８を備える。また、ヒートパイプ２５０は、ウィッキング部材（図示せず）と、液相及び気相の両方の状態で存在する作業流体（図示せず）とを備えており、これらウィッキング部材及び作業流体は、いずれも図２Ｄ〜図２Ｆに基づき前述したものと同じである。ヒートパイプ２５０の中心軸線を挟んで対向する位置にある２つの充填ポート２６０を用いることにより、更に効率的に作業流体の注入を行うことができる。集熱キャビティ２６４は、プロセス流体Ｆと直接的に接するサーモウェル２１４の部位の内部に埋め込まれたヒートパイプ２５０の部位である。脱熱キャビティ２６８は、熱電発電機構２２６と直接的に接するヒートパイプ２５０の部位である。熱移動パイプ２６６は、集熱キャビティ２６４と脱熱キャビティ２６８とを結合するヒートパイプ２５０の部位である。図３Ａの実施形態における各部の関係及び作用は、図２Ａに基づいて説明したものと同様であり、各部位の符号はそれぞれ１００ずつ増加させたものとなっている。
【００３７】
図３Ｂは、サーモウェル２１４のうち、プロセス流体Ｆと直接的に接する部位の断面図である。図３Ｂに示すように、集熱キャビティ２６４は円形の断面を有する。筒状をなす集熱キャビティ２６４は、公知の製造方法によって適切に形成される。本実施形態では、脱熱キャビティ２６８を除き、筒状構造がヒートパイプ２５０の全長にわたっている。
【００３８】
図３Ｃは、サーモウェル２１４のうち、脱熱キャビティ２６８がある部位の断面図である。熱移動パイプ２６６の円形断面は、脱熱キャビティ２６８との接続部分で終了している。脱熱キャビティ２６８は、前述した脱熱キャビティ１６８と同様のものである。図３Ｃは、更に伝熱部材２２７の形状を示している。伝熱部材２２７は、サーモウェル２１４の外周を全周にわたって取り囲んでいる。前述した実施形態と同様に、断熱部材２２８ａが、熱電素子２５２より外側に張り出して延設される伝熱部材２２７の部分と、サーモウェル２１４の外面との間の空隙を満たしている。断熱部材２２８ａは、伝熱部材２２７の端部より外側に張り出して、サーモウェル２１４の外面からの良好な断熱効果を確保している。
【００３９】
図３Ａ〜図３Ｃに示す本発明の実施形態では、プロセス流体と直接的に接するサーモウェルにヒートパイプを内包することによって、熱電発電装置による変換に使用可能な熱流束を大幅に増大させることができる。本実施形態では、前述した実施形態について説明した全ての利点に加え、ヒートパイプ及び熱電発電機構の両方の大きさを増すことで、更に多くの電力を発生させることが可能となる。本実施形態は、２つの熱電素子を有したものとして示されているが、十分な熱流が発生しさえすれば、更に熱電素子を加えて更なる電力を得ることができる。
【００４０】
前述のとおり、図１Ａ及び図１Ｂに示すようなワイヤレスフィールドデバイスは、例えば圧力、流速、質量流量、ｐＨ、温度、密度、及び導電率といった、様々なプロセス特性値のいずれか１つまたはいくつかを計測すること、振動、変形、もしくは腐食などといった事項に関するプロセス設備の監視を行うこと、火災及びガス検知などといった事項に関する総合的なプラント環境の監視を行うこと、または作業者及び設備の位置を把握することことが可能である。図４Ａ〜図４Ｃには、プロセス構成部品に組み込まれた熱電発電装置を有して、ワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワーク内に設けられるワイヤレスデバイスに電力を供給するための、本発明の一実施形態を示しており、当該実施形態において、プロセス構成部品は平均化ピトー管であり、ワイヤレスデバイスは流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスである。例えば、ローズマウント（Rosemount、登録商標）製の４８５アニュバーなどの平均化ピトー管は、当該ピトー管を通過する流体の流動によって生じる動圧（高圧）及び静圧（低圧）の２つの圧力を検出することにより流速を計測するものである。流速の増大により、これら２つの圧力の差が拡大する。これら２つの圧力は、平均化ピトー管内のポートやプレナムを介して差圧センサに伝わり、この差圧センサが２つの圧力の圧力差を直接計測する。
【００４１】
図４Ａは、本発明の一実施形態を組み込んだ平均化ピトー管の断面図である。図４Ａには、ワイヤレスフィールドデバイス３１２、平均化ピトー管３１４、プロセスフランジ３１６、フランジボルト３１８、及びプロセス流体Ｆを収容するプロセス導管３２０を備えたプロセス計測ポイント３１０が示されている。周囲流体Ａによる熱吸収源が設けられ、この周囲流体Ａは、プロセス計測ポイント３１０を取り囲んでおり、一般的には空気からなる。図１Ａ及び図１Ｂに示したものと同じく、プロセス導管３２０をパイプとして例示しているが、プロセスタンク、貯蔵タンク、熱交換器、ボイラ、蒸留塔、キルン、及び反応炉のいずれか１つまたはいくつかの組み合わせであってもよい。ワイヤレスフィールドデバイス３１２は、電子回路ハウジング３２２、電子回路３２３、アンテナ３２４、及び差圧センサ（ＤＰセンサ）３３０を備える。ＤＰセンサ３３０は、同時に検出された２つの圧力の差の変化に応じて電気的特性が変化するセンサであればどのようなセンサであってもよく、例えば、ローズマウント（Rosemount、登録商標）製の３０５ＩＳ圧力トランスミッタなどがある。電子回路３２３は、センサ回路３３６、通信用回路３３８、トランシーバ３４０、データルータ３４２、電源制御回路３４４、及びエネルギ貯蔵素子３４６を備えている。センサ回路３３６は、センサ信号を処理すると共に、公知の方法でセンサのエキサイテーションを行う。通信用回路３３８は有線信号の送受信を行う通信用回路を有する。トランシーバ３４０は無線周波数による通信データを送受信する。データルータ３４２はデータパケットを所定の経路で発送する。電源制御回路３４４は、入力された電力を受け取り、電子回路３２３における他の構成要素での使用のために、必要に応じて電力を調整する。エネルギ貯蔵素子３４６は、電子回路３２３における他の構成要素での使用のためにエネルギを蓄えるものであって、例えば、一次電池、充電式電池、スーパーキャパシタ、または公知のエネルギ貯蔵用キャパシタからなる。平均化ピトー管３１４は、熱電発電機構３２６、伝熱部材３２７、断熱部材３２８ａ、断熱部材３２８ｂ、高圧プレナム３３２、低圧プレナム３３４、及びヒートパイプ３５０を備えたフランジ装着型プロセス構成部品である。熱電発電機構３２６は、熱電素子３５２、熱拡散部材３５４、及び電力ケーブル３５８を備える。熱電素子３５２は、例えば交互に連ねた複数のｎ型半導体とｐ型半導体とからなる公知の形式の半導体を基本構成とする素子であって、素子の両端が異なる温度に保持されると素子両端に電圧を発生し、（電気負荷に接続されている場合には）素子を流れる電流を生成する。熱拡散部材３５４は、例えば銅のような、高い熱伝導率の素材からなるブロックであって、熱電素子３５２の表面における熱流束を均一化するために用いられる。伝熱部材３２７は、周囲流体Ａとの間での熱交換を効率的に行う任意の部材である。図示するように、伝熱部材３２７は、例えば銅などの高い熱伝導率の素材からなるピンフィン型の熱交換器であって、体積に対する表面積の比を大きくすることにより熱の移動を促進するように構成されている。断熱部材３２８ａ及び断熱部材３２８ｂは、周囲流体Ａに適合する断熱構造を有した耐久性のある任意の形式の部材である。ヒートパイプ３５０は、充填ポート３６０、プラグ３６２、集熱キャビティ３６４、熱移動パイプ３６６、及び脱熱キャビティ３６８を備える。集熱キャビティ３６４は、プロセス流体Ｆと直接的に接する平均化ピトー管３１４の部位の内部に埋め込まれたヒートパイプ３５０の部位である。脱熱キャビティ３６８は、熱電発電機構３２６と直接的に接するヒートパイプ３５０の部位である。熱移動パイプ３６６は、集熱キャビティ３６４と脱熱キャビティ３６８とを結合するヒートパイプ３５０の部位である。ヒートパイプ３５０は、ウィッキング部材（図示せず）と、液相及び気相の両方の状態で存在する作業流体（図示せず）とを備えており、これらウィッキング部材及び作業流体は、いずれも図２Ｄ〜図２Ｆに基づき前述したものと同様である。
【００４２】
プロセスフランジ３１６は、プロセス導管３２０の開口部に取り付けられており（一般的には溶接による）、プロセス導管３２０内に連通するポートを形成している。図４Ａに示すように、プロセス導管３２０内をプロセス流体Ｆが流動する際にプロセス流体Ｆと直接的に接するようにするべく平均化ピトー管３１４をポート内に挿入する前に、シールガスケット（図示せず）が平均化ピトー管３１４及びプロセスフランジ３１６の互いの接合面の間に挿入される。平均化ピトー管３１４は、複数のフランジボルト３１８（一般に４個以上であり、２個を図示している）を用いて平均化ピトー管３１４のフランジ部がプロセスフランジ３１６に連結されている。ＤＰセンサ３３０は、高圧プレナム３３２内の圧力と、低圧プレナム３３４内の圧力とが同時にＤＰセンサ３３０で検出されるように、平均化ピトー管３１４に取り付けられる。ＤＰセンサ３３０は、センサ回路３３６を介し、電子回路ハウジング３２２内の電子回路３２３に接続されている。アンテナ３２４は、トランシーバ３４０を介し、電子回路ハウジング３２２内の電子回路３２３に接続されている。電子回路３２３内では、センサ回路３３６が通信用回路３３８に接続されている。通信用回路３３８はデータルータ３４２に接続されており、データルータ３４２はトランシーバ３４０に接続されている。電源制御回路３４４は、エネルギ貯蔵素子３４６、センサ回路３３６、通信用回路３３８、データルータ３４２、及びトランシーバ３４０に接続されている。ヒートパイプ３５０は、集熱キャビティ３６４から、集熱キャビティ３６４と脱熱キャビティ３６８とを結合する熱移動パイプ３６６を経て、脱熱キャビティ３６８まで延設されている。プラグ３６２は、部分真空下においてヒートパイプ３５０内に作業流体が注入された後に、充填ポート３６０を封止する。ヒートパイプ３５０の脱熱キャビティ３６８は、熱拡散部材３５４を介し、熱電発電機構３２６と結合されている。熱拡散部材３５４は、熱電素子３５２の１つの面に密着して取り付けられており、伝熱部材３２７は、熱拡散部材３５４の側とは反対側となる熱電素子３５２の面に密着して取り付けられている。電力ケーブル３５８は、電源制御回路３４４を介し、熱電素子３５２を電子回路ハウジング３２２内の電子回路３２３に接続する。断熱部材３２８ａは、伝熱部材３２７と平均化ピトー管３１４の外面との間の空隙に配設され、伝熱部材３２７の端部より外側に張り出すことにより、良好な断熱効果を確保している。同様に、断熱部材３２８ｂは、伝熱部材３２７と、プロセスフランジ３１６に取り付けられた平均化ピトー管３１４のフランジ部との間の空間に配設されている。
【００４３】
作動の際、平均化ピトー管３１４を通過するプロセス流体Ｆの流動により生じた２つの圧力は、ピトー管に設けられたそれぞれ別個のポートを介して高圧プレナム３３２と低圧プレナム３３４とに伝わり、ＤＰセンサ３３０は、高圧プレナム３３２内の圧力と、低圧プレナム３３４内の圧力との差の変化に応じて電気的特性を変化させる。この電気的特性の変化は、センサ回路３３６によって流量計測値に変換される。センサ回路３３６は、この流量計測値を通信用回路３３８に伝送し、通信用回路部３３８は、有線のリンク（図示せず）を介し、流量計測値及び任意の付加的な情報（例えば、ワイヤレスデバイスのＩＤ）をデータルータ３４２に伝送する。データルータ３４２は、伝送された情報を送り先の情報と共にデジタルデータパケットにフォーマットし、このデジタルデータパケットをトランシーバ３４０に伝送し、トランシーバ３４０がアンテナ３２４を介してワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークへの発信を行う。
【００４４】
更に、ワイヤレスフィールドデバイス３１２は、ワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークの構成要素として、ワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークから受け取ったデータパケットを所定の経路で発送する。トランシーバ３４０は、アンテナ３２４を介してワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークからデジタルデータパケットを受け取り、このデジタルデータパケットをデータルータ３４２に伝送する。データルータ３４２は、トランシーバ３４０が受け取ったデジタルデータパケットを所定の経路で伝送し、ワイヤレスフィールドデバイス３１２のアドレスがデジタルデータパケットの最終の宛先アドレスと一致する場合、通信用回路３３８で使用するべく通信ペイロードをアンパックし、そうでない場合には、論理パスにおける次の送り先に向けて、アンテナ３２４を介しワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークに戻すべく、デジタルデータパケットをトランシーバ３４０に送り返す。
【００４５】
本実施形態では、上述した流量計測及びデータ伝送のための電力の少なくとも一部が、ヒートパイプ３５０によって効率的に生じる熱流を用いた熱電発電機構３２６の作動によって供給される。集熱キャビティ３６４がプロセス流体Ｆから熱を収集し、熱移動パイプ３６６が集熱キャビティ３６４から脱熱キャビティ３６８へと熱を移動させる。脱熱キャビティ３６８では、熱が熱拡散部材３５４に伝達され、熱拡散部材３５４は、当該熱拡散部材３５４を介して熱電素子３５２に熱が伝わる際に熱流束を均一化する。熱電素子３５２を熱が流動する際には、熱電素子３５２を流動する熱の量に応じて電圧及び電流が発生する。このような電圧及び電流の発生により、必要に応じてワイヤレスフィールドデバイス３１２が消費する電力が生じる。大きな表面積を有する伝熱部材３２７が、周囲流体Ａへの伝導により、熱拡散部材３５４の側とは反対側となる熱電素子３５２の面から熱を効率的に取り去る。対流及び伝導の一方または組み合わせにより、周囲流体Ａが伝熱部材１２７から熱を吸収しまたは運び去り、継続的な発電に必要な熱電素子３５２における安定した熱流が維持される。断熱部材３２８ａ及び断熱部材３２８ｂが、平均化ピトー管３１４の外面のように、プロセス流体Ｆの温度と周囲流体Ａの温度との間の温度になりそうな領域を遮蔽することにより、熱電素子３５２以外の熱源から伝熱部材３２７に入り込む熱を抑制する。これにより、伝熱部材３２７が取り除く熱が、熱電素子３５２を移動する熱に概ね限定され、熱電発電機構３２６の発電効率が改善される。熱電素子３５２が発電した電力は、電力ケーブル３５８により電源制御回路３４４に伝送される。電源制御回路３４４は、この電力を調整し、上述したような流量計測及びデータ伝送を行うべく、必要に応じて、センサ回路３３６、通信用回路３３８、データルータ３４２、及びトランシーバ３４０に配分する。流量計測及びデータ伝送に緊急で必要となる電力の超過分は、エネルギ貯蔵素子３４６に蓄えられている。例えば、プロセスの開始或いは停止の際に、プロセス流体Ｆの温度が通常のプロセス稼働時より低い場合など、流量計測及びデータ伝送に要する電力が、熱電発電機構３２６から直ちに利用可能な電力を超過する場合に、エネルギ貯蔵素子３４６に蓄えられた電力が電力制御回路３４４によって利用される。
【００４６】
図４Ｂは、平均化ピトー管３１４のうち、プロセス流体Ｆと直接的に接する部分の断面図である。高圧プレナム３３２は動圧（高圧）に晒され、低圧プレナム３３４は静圧（低圧）に晒されるようになっており、集熱キャビティ３６４は閉じた円形断面を有する。本実施形態において、集熱キャビティ３６４の管状構造は、脱熱キャビティ３６８の部分を除きヒートパイプ３５０の全長にわたっている。
【００４７】
図４Ｃは、本実施形態における脱熱キャビティ３６８の形状を示す図である。熱移動パイプ３６６の円形断面は、脱熱キャビティ３６８の端部で終了している。脱熱キャビティ３６８は、熱拡散部材３５４の矩形形状に適合した直方体状のキャビティとなっている。このような形状も公知の製造技術を用いて適切に形成される。脱熱キャビティ３６８は、６つの面のうち５つの面が平均化ピトー管３１４の内面からなり、残る１つの面が熱拡散部材３５４の面からなる。図４Ｃは、更に伝熱部材３２７の形状を示している。伝熱部材３２７は、伝熱部材３２７の表面積を増大するように、平均化ピトー管３１４の外周の一部を取り囲んでいる。上述したように断熱部材３２８ａは、熱電素子３５２より外側に張り出して延設される伝熱部材３２７の部分と、平均化ピトー管３１４の外面との間の空隙を満たしている。断熱部材３２８ａは、伝熱部材３２７の端部から四方に張り出して、プロセス流体Ｆの温度と周囲流体Ａの温度との間の温度にある平均化ピトー管３１４の外面からの良好な断熱効果を確保している。
【００４８】
図４Ａ〜図４Ｃに示すような本発明の実施形態では、プロセス流体と直接的に接する平均化ピトー管にヒートパイプを内包することによって、熱電発電装置による変換に使用可能な熱流束を大幅に増大させることができる。容器の壁を直に貫通することにより、熱電発電装置と容器の壁との間の良好な熱的結合を達成する上で必要な程度に、容器の壁における熱抵抗の問題が解消される。また、集熱キャビティ３６４の内面全域からヒートパイプ３５０内に熱が流入し、集熱キャビティ３６４の内面全域からの気化によって熱が移動するので、ヒートパイプ３５０によって極めて効率的に熱を移動することができる。
【００４９】
上述した本発明の実施形態は、プロセスフランジによって容器の壁に結合されたプロセス構成部品を備える。これに代わる本発明の実施形態では、例えば螺合または溶接による結合など、プロセスフランジ以外の手段により容器の壁に結合される。
【００５０】
図５Ａ〜図５Ｆは、プロセス構成部品に組み込まれた熱電発電装置を用い、ワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワーク内のワイヤレスデバイスに電力を供給するための、本発明の更に別の実施形態を示しており、この実施形態では、プロセス構成部品をオリフィスプレートフランジとし、ワイヤレスデバイスを流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスとしている。前述した各実施形態とは異なり、本実施形態では、プロセス容器に設けられた外方へ向けての開口部への取り付けに代え、プロセス流体（またはプロセス流体の副生成物）が流動するプロセス導管の一区域が用いられる。例えばローズマウント（Rosemount、登録商標）製の１４９６フランジユニオンに設けられるようなオリフィスプレートフランジは、差圧センサに流体圧力を伝達するための圧力タップを備えている。２つのこのようなオリフィスプレートフランジは、フランジユニオンを構成しており、それぞれのオリフィスプレートフランジでは、導圧管を介してプロセス導管内の流体圧力を差圧センサに伝達する圧力タップが用いられている。２つのオリフィスプレートフランジの間に設けられたオリフィスプレートは、例えばローズマウント（Rosemount、登録商標）製の１４９６オリフィスプレートであって、流体がオリフィスを通過する際に、オリフィスプレートの下流側に圧力低下を生じさせることにより、２つの異なる圧力が差圧センサに伝達されようになっている。このときの差圧は、プロセス導管内を流動する流体の流速に応じたものとなり、流速の上昇によって２つの圧力の差が増大する。２つの圧力は、圧力タップ及び導圧管を介して差圧センサに伝達され、差圧センサがこれら２つの圧力の差を直接的に検出する。
【００５１】
図５Ａは、本発明を組み入れたプロセス構成部品をオリフィスプレートフランジとした一実施形態を示す図である。図５Ａには、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイス４１２、オリフィスプレートフランジ４１４、オリフィスプレート４１５、オリフィスプレートフランジ４１６、スタッド及びナット４１８、並びにプロセス流体Ｆを収容するプロセス導管４２０を備えた、プロセス計測ポイントまたはプロセス制御ポイント（以下、総称してプロセス計測・制御ポイントとする）４１０が示されている。周囲流体Ａによる熱吸収源が設けられており、この周囲流体Ａは、プロセス計測・制御ポイント４１０を取り囲み、一般的には空気からなる。流量計測用ワイヤレスフィールドデバイス４１２は、電子回路ハウジング４２２、電子回路４２３、アンテナ３２４、差圧センサ（ＤＰセンサ）４３０、高圧側（上流側）導圧管４３２、及び低圧側（下流側）導圧管４３４を備える。高圧側導圧管４３２及び低圧側導圧管４３４は、例えばステンレス鋼など、プロセス流体Ｆに化学的な適合性を有する金属性のパイプであるのが一般的である。電子回路４２３は、図４Ａに基づき説明したものと同様のものであり、それぞれ１００ずつ増加させた符号を有している。オリフィスプレートフランジ４１４は、高圧側圧力タップ４３３、熱電発電機構４２６（図５Ｂに示す）、伝熱部材４２７、断熱部材４２８、及びヒートパイプ４５０（図５Ｂに示す）を備えたインライン型プロセス構成部品である。熱電発電機構４２６は電力ケーブル４５８を備える。オリフィスプレートフランジ４１６は、低圧側圧力タップ４３５を備えたインライン型プロセス構成部品である。オリフィスプレートフランジ４１４、オリフィスプレート４１５、オリフィスプレートフランジ４１６、スタッド及びナット４１８、及びシールガスケット（図示せず）により、オリフィスプレートフランジユニオンが構成される。
【００５２】
オリフィスプレートフランジ４１４及びオリフィスプレートフランジ４１６は、プロセス導管４２０の部位Ｗに、例えば溶接によって取り付けられている。オリフィスプレート４１５は、オリフィスプレート４１５とオリフィスプレートフランジ４１４との間に第１シールガスケットを設けると共に、オリフィスプレート４１５とオリフィスプレートフランジ４１６との間に第２シールガスケットを設けた状態で、オリフィスプレートフランジ４１４とオリフィスプレートフランジ４１６との間に挿入されている。オリフィスプレートフランジ４１４、オリフィスプレート４１５、オリフィスプレートフランジ４１６、及び２つのシールガスケットは、複数のスタッド及びナット４１８を用い、互いに組み付けられている。熱電発電機構４２６は、オリフィスプレートフランジ４１４に一体的に組み込まれ、プロセス流体Ｆ及び周囲流体Ａと熱的に接するようになっている。断熱部材４２８は、プロセス流体Ｆと熱的に接するオリフィスプレートフランジ４１４の部位から、周囲流体Ａと熱的に接する伝熱部材４２７を熱的に遮蔽する位置に設けられる。高圧側導圧管４３２は、例えば螺合により、オリフィスプレートフランジ４１４の高圧側圧力タップ４３３に接続されている。同様に、低圧側導圧管４３４が低圧側圧力タップ４３５に接続されている。高圧側導圧管４３２により高圧側圧力タップ４３３が、また低圧側導圧管４３４により低圧側圧力タップ４３５が、それぞれＤＰセンサ４３０に接続されることにより、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイス４１２が、オリフィスプレートフランジ４１４及びオリフィスプレートフランジ４１６とそれぞれ物理的に連結される。ＤＰセンサ４３０は、センサ回路４３６を介し、電子回路ハウジング４２２内の電子回路４２３に接続されている。電子回路ハウジング４２２内の接続は、図４Ａに基づき前述したものと同様である。
【００５３】
作動の際、高圧側導圧管４３２及び低圧側導圧管４３４は、ＤＰセンサ４３０にプロセス圧力を伝達する。ＤＰセンサ４３０は、高圧側導圧管４３２の圧力と低圧側導圧管４３４の圧力との差の変化に応じて電気的特性を変化させ、これら２つの圧力は、オリフィスプレートを通過するプロセス流体Ｆの流動が制限されることによって生じる。この電気的特性の変化は、センサ回路４３６流量計測値によって流量計測値に変換される。
【００５４】
上述した流量計測及びデータ伝送のための電力の少なくとも一部は、図４Ａに基づき前述したものと同様に、１００ずつ数を増やした符号を用いて図５Ｂ〜図５Ｆに示すようにして、ヒートパイプ４５０により効率的に生じる熱流を用いた熱電発電機構４２６の作動によって、本実施形態における流量計測用ワイヤレスフィールドデバイス４１２に供給される。プロセス流体Ｆと周囲流体Ａとの間の温度差によって生じる熱は、オリフィスプレートフランジ４１４内のヒートパイプ４５０によって移動する。この熱は、伝熱部材４２７による周囲流体Ａ中への熱の放散により、熱電発電機構４２６を流動し、電力が発生する。
【００５５】
図５Ｂはオリフィスプレートフランジ４１４の断面図であって、熱電発電機構４２６、伝熱部材４２７、断熱部材４２８、及びヒートパイプ４５０を示している。図５Ｃは、図５Ｂの一部を拡大し、熱電発電機構４２６、伝熱部材４２７、断熱部材４２８、及びヒートパイプ４５０の一部の詳細をより明確に示す図である。図５Ｃは、例えば螺合（図示）または溶接による結合により、オリフィスプレートフランジ４１４のフランジ本体部分に取り付けられたオリフィスプレートフランジ４１４の延設部分を主に示している。オリフィスプレートフランジ４１４の延設部分は、断熱部材４２８による遮蔽に加え、周囲流体Ａに熱的に接する伝熱部材４２７と、プロセス流体Ｆに熱的に接するオリフィスプレートフランジ４１４の部分との間で更に良好な断熱を行うための空間的な分離を行う。図示するように、伝熱部材４２７は、例えば銅などの高い熱伝導率の素材からなるピンフィン型の熱交換器であって、体積に対する表面積の比を大きくすることにより熱の移動を促進するように構成されている。
【００５６】
図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、熱電発電機構４２６は、熱電素子４５２、熱拡散部材４５４、及び電力ケーブル４５８を備える。熱電素子４５２及び熱拡散部材４５４は、図４Ａに基づき前述したものと同様のものであって、それぞれ１００ずつ増加させた符号を有する。ヒートパイプ４５０は、充填ポート４６０、プラグ４６２、集熱キャビティ４６４、熱移動パイプ４６６、及び脱熱キャビティ４６８を備えている。集熱キャビティ４６４は、プロセス流体Ｆと直接的に接するオリフィスプレートフランジ４１４の部位の内部に埋め込まれたヒートパイプ４５０の部位である。脱熱キャビティ４６８は、熱電発電機構４２６と直接的に接するヒートパイプ４５０の部位である。熱移動パイプ４６６は、集熱キャビティ４６４と脱熱キャビティ４６８とを結合するヒートパイプ４５０の部位である。ヒートパイプ４５０は、ウィッキング部材（図示せず）と、液相及び気相の両方の状態で存在する作業流体（図示せず）とを備えており、これらウィッキング部材及び作業流体は、いずれも図２Ｄ〜図２Ｆに基づき前述したものと同じである。
【００５７】
ヒートパイプ４５０は、集熱キャビティ４６４から、集熱キャビティ４６４と脱熱キャビティ４６８とを結合する熱移動パイプ４６６を経て、脱熱キャビティ４６８まで延設されている。ヒートパイプ４５０の脱熱キャビティ４６８は、熱拡散部材４５４を介して熱電発電機構４２６と結合されている。熱拡散部材４５４は、熱電素子４５２の１つの面に密着して取り付けられており、伝熱部材４２７は、熱拡散部材４５４の側とは反対側となる熱電素子４５２の面に密着して取り付けられている。電力ケーブル４５８は、電源制御回路４４４を介し、熱電素子４５２を電子回路ハウジング４２２内の電子回路４２３に接続する（図５Ａに示す）。断熱部材４２８は、伝熱部材４２７とオリフィスプレートフランジ４１４の外面との間の空隙に配設され、伝熱部材４２７の端部より外側に張り出すことにより、伝熱部材４２７とオリフィスプレートフランジ４１４のフランジ本体部分との間での良好な断熱効果を確保している。
【００５８】
図５Ｂに示すように、集熱キャビティ４６４は、プロセス流体Ｆに近接するオリフィスプレートフランジ４１４の部位の多くの部分にわたって延設されている。図５Ｄは、集熱キャビティ４６４の筒状形状を示すオリフィスプレートフランジ４１４の断面図である。このような形状がプロセス流体Ｆを取り囲んでおり、プロセス流体Ｆからヒートパイプ４５０への伝熱のための大きな表面積が得られる。
【００５９】
図５Ｅは、オリフィスプレートフランジ４１４の更に別の断面図であり、図５Ｂから方向を９０度変えたオリフィスプレートフランジ４１４の断面を示している。図５Ｅには、図５Ｂと同じ番号が付与された部材に加え、高圧側圧力タップ４３３及び複数のボルト孔４７４が示されている。伝熱部材４２７は、熱電素子４５２から大きく張り出して延設されることにより、体積に対する表面積の比を大きくして周囲流体Ａとの間の熱の移動を促進している。断熱部材４２８は、伝熱部材４２７とオリフィスプレートフランジ４１４の外面との間の空隙に配設され、伝熱部材４２７の端部より外側に十分に張り出すことにより、伝熱部材４２７と、オリフィスプレートフランジ４１４のフランジ本体部分及び延設部分の両方との間での良好な断熱効果を確保している。
【００６０】
図５Ｆは、図５Ｂから中心軸線周りに９０度回転した方向のオリフィスプレートフランジ４１４の更に別の断面図である。図５Ｆには、高圧側圧力タップ４３３とヒートパイプ４５０の集熱キャビティ４６４とが示されている。図５Ｂ、図５Ｅ、及び図５Ｆに示すように、ヒートパイプ４５０は高圧側圧力タップ４３３から完全に分離されており、高圧側圧力タップ４３３の機能に干渉することはない。
【００６１】
図５Ａは、上流側に配設されたオリフィスプレートフランジ４１４について図示するものであるが、これに代えて下流側に配設した場合においても、本発明を組み入れたオリフィスプレートフランジは同様に機能する。また、図５Ａは、本発明を組み入れて流量計測用ワイヤレスフィールドデバイス４１２への電力供給を行うようにしたオリフィスプレートフランジ４１４のみを示しているが、本発明をオリフィスプレートフランジ４１４と同様にオリフィスプレートフランジ４１６にも組み入れることができる。このような構成とすることにより、例えばワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークとの通信が更に頻繁になるといった、適用先の要求に対応し、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイス４１２に供給する電力を増大させることができる。また、増大した電力は、例えば中央制御装置、ゲートウエイ、リモートテレメトリユニット、またはゲートウエイをより上位のネットワークもしくはホストコンピュータに接続するバックホール無線機など、ワイヤレスフィールドデバイスネットワークにおける別の構成要素への電力供給にも有用である。
【００６２】
図５Ａ〜図５Ｆに示すような本発明の実施形態では、プロセス流体と直接的に接するオリフィスプレートフランジにヒートパイプを内包することによって、熱電発電装置による変換に使用可能な熱流束を大幅に増大させることができる。容器の壁を直に貫通することにより、熱電発電装置と容器の壁との間の良好な熱的結合を達成する上で必要な程度に、容器の壁における熱抵抗の問題が解消される。また、集熱キャビティ４６４の内面全域からヒートパイプ４５０内に熱が流入し、集熱キャビティ４６４の内面全域からの気化によって熱が移動するので、ヒートパイプ４５０によって移動する際の熱流束を極めて大きなものとすることができる。
【００６３】
図６Ａ〜図６Ｅは、プロセス構成部品に組み込まれた熱電発電装置を用い、ワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワーク内のワイヤレスデバイスに電力を供給するための、本発明の更に別の実施形態を示しており、この実施形態では、プロセス構成部品を蒸気トラップとし、ワイヤレスデバイスをワイヤレスデータルータとしている。図５Ａ〜図５Ｄに基づき説明した実施形態と同様に、本実施形態では、プロセス容器に設けられた外方へ向けての開口部への取り付けに代え、プロセス流体（またはプロセス流体の副生成物）が流動するプロセス導管の一区域が用いられる。図６Ａは、本発明を組み入れたプロセス構成部品として蒸気トラップを示している。蒸気トラップ５１４は、プロセス計測ポイントまたはプロセス制御ポイント（以下、総称してプロセス計測・制御ポイントとする）５１０において、主として蒸気を送給するプロセス導管である蒸気導管５１６に取り付けられている。プロセス計測・制御ポイント５１０は、蒸気から凝縮した水が自然に集まる場所である。プロセス計測・制御ポイント５１０は、ワイヤレスデータルータ５１２を備えている。凝縮水は、蒸気導管５１６から周囲環境への熱損失によって生じるプロセス流体の副生成物である。蒸気トラップ５１４は、凝縮水を蒸気導管５１６から流出させて、凝縮水排出用のプロセス導管である凝縮水導管５２０に流入させると共に、凝縮水導管５２０への蒸気の漏出を抑制し概ね防止する機構を備えている。
【００６４】
図６Ｂ〜図６Ｅは、図６Ａに示す蒸気トラップ５１４による本発明の具現化の内容を示す図である。図６Ｂには、ワイヤレスデータルータ５１２、蒸気トラップ５１４、蒸気導管５１６、及び凝縮水導管５２０を備えたプロセス計測・制御ポイント５１０が示されている。ワイヤレスデータルータ５１２は、電子回路ハウジング５２２、電子回路５２３、及びアンテナ５２４を備える。電子回路５２３は、トランシーバ５４０、データルータ５４２、電源制御回路５４４、及びエネルギ貯蔵素子５４６を備える。蒸気トラップ５１４は、熱電発電機構５２６（図６Ｅに示す）、伝熱部材５２７、断熱部材５２８、蒸気トラップボルト５１８、及びヒートパイプ５５０（図６Ｃ〜図６Ｅに示す）を備える。熱電発電機構５２６は電力ケーブル５５８を備える。図示するように、伝熱部材５２７は、ピンフィン型の熱交換器である。
【００６５】
蒸気トラップ５１４は、例えば螺合による結合によって、蒸気導管５１６及び凝縮水導管５２０に取り付けられている。熱電発電機構５２６は、蒸気トラップ５１４に一体的に組み込まれており、蒸気・凝縮水Ｆ及び周囲流体Ａと熱的に接するようになっている。蒸気・凝縮水Ｆは、蒸気と凝縮水との混合物である。周囲流体Ａによる熱吸収源が設けられており、蒸気・凝縮水Ｆと周囲流体Ａとは異なる温度にある。電力ケーブル５５８は、電源制御回路５４４を介し、熱電発電機構５２６を電子回路ハウジング５２２内の電子回路５２３に接続する。
【００６６】
作動の際、蒸気トラップ５１４は、図６Ｃに基づき後述するようにして、蒸気導管５１６で生じた凝縮水を蒸気導管５１６から流出させて凝縮水導管５２０に流入させる。ワイヤレスデータルータ５１２は、ワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークから受け取ったデータパケットを所定の経路で伝送する。このようなデータ伝送のための電力の少なくとも一部は、図６Ｃ〜図６Ｅに基づき以下に詳述するように、ヒートパイプ５５０によって効率的に生じる熱流を用いた熱電発電機構５２６の作動により、本実施形態におけるワイヤレスデータルータ５１２に供給される。蒸気・凝縮水Ｆと周囲流体Ａとの間の温度差によって生じる熱流は、蒸気トラップ５１４内のヒートパイプ５５０（図６Ｃ〜図６Ｅに示す）によって移動するものとなる。この熱流は、伝熱部材５２７による周囲流体Ａ中への熱の放散によって熱電発電機構５２６を伝わるものとなり、電力が発生する。
【００６７】
図６Ｃは、ヒートパイプ５５０の一部である集熱キャビティ５６４を示す、蒸気トラップ５１４の断面図である。図６Ｃに示すように、集熱キャビティ５６４は蒸気トラップ５１４の内壁面に沿って延設されており、蒸気・凝縮水Ｆから熱を収集する。図６Ｄは、集熱キャビティ５６４の筒状形状を示す、蒸気トラップ５１４の断面図である。このような形状が、蒸気トラップ５１４を流動する蒸気・凝縮水Ｆを取り囲んでおり、蒸気・凝縮水Ｆからヒートパイプ５５０への伝熱のための大きな表面積が得られる。
【００６８】
図６Ｅは、蒸気トラップ５１４の更に別の断面図であって、図６Ｃから方向を９０度変えた蒸気トラップ５１４の断面が示されている。図６Ｅには、図６Ｃと同じ番号が付与された部材に加え、熱電素子５５２と熱拡散部材５５４とを備えた熱電発電機構５２６が示されている。熱電素子５５２及び熱拡散部材５５４は、図４Ａに基づき前述したものと同じものであり、それぞれ２００ずつ異なる符号を有する。ヒートパイプ５５０は、充填ポート５６０ａ、充填ポート５６０ｂ、プラグ５６２ａ、プラグ５６２ｂ、集熱キャビティ５６４、熱移動パイプ５６６、及び脱熱キャビティ５６８を備えている。集熱キャビティ５６４は、蒸気・凝縮水Ｆと直接的に接する蒸気トラップ５１４の部位の内部に埋め込まれたヒートパイプ５５０の部位である。脱熱キャビティ５６８は、熱電発電機構５２６の熱拡散部材５５４と直接的に接するヒートパイプ５５０の部位である。熱移動パイプ５６６は、集熱キャビティ５６４と脱熱キャビティ５６８とを結合するヒートパイプ５５０の部位である。ヒートパイプ５５０は、ウィッキング部材（図示せず）と、液相及び気相の両方の状態で存在する作業流体（図示せず）とを備えており、これらウィッキング部材及び作業流体は、いずれも図２Ｄ〜図２Ｆに基づき前述したものと同じである。
【００６９】
ヒートパイプ５５０は、集熱キャビティ５６４から、集熱キャビティ５６４と脱熱キャビティ５６８とを結合する熱移動パイプ５６６を経て、脱熱キャビティ５６８まで延設されている。ヒートパイプ５５０の互いに対向する位置にある２つの充填ポートを用いることにより、更に効率的に作業流体の注入を行うことができる。ヒートパイプ５５０の脱熱キャビティ５６８は、熱拡散部材５５４を介し、熱電発電機構５２６と結合されている。熱拡散部材５５４は、熱電素子５５２の１つの面に密着して取り付けられており、伝熱部材５２７は、熱拡散部材５５４の側とは反対側となる熱電素子５５２の面に密着して取り付けられている。断熱部材５２８は、伝熱部材５２７と蒸気トラップ５１４の外面との間の空隙に配設され、伝熱部材５２７の端部より外側に張り出すことにより、伝熱部材５２７と蒸気トラップ５１４の外面との間での良好な断熱効果を確保している。
【００７０】
データ伝送のための電力は、図４Ａに基づき前述したものと同様として２００ずつ数を増やした符号を適用した構成により、ヒートパイプ５５０が効率的に生成する熱流を用いた熱電発電機構５２６の作動によって供給される。単一の熱電発電機構で図６Ａ〜図６Ｅの実施形態を説明したが、同様の熱電発電機構を更に加え、例えばワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワークとの通信が更に頻繁になるなど、適用先の要求に対応し、ワイヤレスデータルータに供給する電力を増大させてもよい。
【００７１】
図６Ａ〜図６Ｅに示すような本発明の実施形態では、蒸気及び凝縮水の流体と直接的に接する蒸気トラップにヒートパイプを内包することによって、熱電発電装置による変換に使用可能な熱流束を大幅に増大させることができる。蒸気トラップの壁を直に貫通することによって、熱電発電装置と蒸気トラップの外面との間の良好な熱的結合を達成する上で必要な程度に、蒸気トラップの壁における熱抵抗の問題が解消される。また、集熱キャビティ５６４の内面全域からヒートパイプ５５０内に熱が流入し、集熱キャビティ５６４の内面全域からの気化によって熱が移動するので、ヒートパイプ５５０によって移動する際の熱流束を極めて大きなものとすることができる。
【００７２】
図７Ａ〜図７Ｅは、プロセス構成部品に組み込まれた熱電発電装置を用い、ワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワーク内のワイヤレスデバイスに電力を供給するための、本発明の更に別の実施形態を示しており、この実施形態では、プロセス構成部品をベンチュリ管とし、ワイヤレスデバイスを流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスとしている。上述したオリフィスプレートフランジの実施形態や蒸気トラップの実施形態と同様に、本実施形態でも、プロセス容器に設けられた外方へ向けての開口部への取り付けに代え、プロセス流体（またはプロセス流体の副生成物）が流動するプロセス導管の一区域が用いられる。ベンチュリ管は、筒状部へと至る縮径部と、筒状部から延設される拡径部とを備える。筒状部が流体の流動を制限することにより、入口部分の圧力に比べ、筒状部内には低い圧力が生じる。例えばダニエル（Daniel、登録商標）製のベンチュリ管などのベンチュリ管は２つの圧力タップを有し、一方の圧力タップが入口部分に設けられ、他方の圧力タップが筒状部に設けられており、導圧管を介してベンチュリ管内の流体圧力を差圧センサに伝達するようになっている。このときの差圧は、ベンチュリ管を通過する流体の流速との間に、ベルヌーイの式で表される関係を有する。流速の増加に伴い２つの圧力間の差が増大する。２つの圧力は、圧力タップ及び導圧管を介して差圧センサに伝達され、これら２つの圧力間の差を差圧センサが直接的に計測する。
【００７３】
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明を組み入れたプロセス構成部品をベンチュリ管とした実施形態を示している。図７Ａには、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイス６１２、ベンチュリ管６１４、及びプロセス流体Ｆを収容するプロセス導管６２０を備えたプロセス計測ポイントまたはプロセス制御ポイント（以下、総称してプロセス計測・制御ポイントとする）６１０が示されている。周囲流体Ａによる熱吸収源が設けられる。流量計測用ワイヤレスフィールドデバイス６１２は、電子回路ハウジング６２２、電子回路６２３、アンテナ６２４、差圧センサ（ＤＰセンサ）６３０、高圧側（上流側）導圧管６３２、及び低圧側（下流側）導圧管６３４を備えており、これらは図５Ａに基づき上述したものと同様のものであって、それぞれ２００ずつ増加させた符号を有する。図７Ｂは、図７Ａから流動の中心軸線周りに９０度回転させたベンチュリ管６１４を示している。ベンチュリ管６１４は、高圧側圧力タップ６３３、低圧側圧力タップ６３５、熱電発電機構６２６（図７Ｃ及び図７Ｅに示す）、伝熱部材６２７、断熱部材６２８、及びヒートパイプ６５０（図７Ｃ〜図７Ｅに示す）を備えたインライン型プロセス構成部品である。熱電発電機構６２６は電力ケーブル６５８を備える。図示するように、伝熱部材６２７はピンフィン型の熱交換器である。
【００７４】
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、ベンチュリ管６１４は、例えば溶接またはボルトによって、プロセス導管６２０のフランジＷに取り付けられている。熱電発電機構６２６は、ベンチュリ管６１４に一体的に組み込まれ、プロセス流体Ｆ及び周囲流体Ａと熱的に接するようになっている。断熱部材６２８は、プロセス流体Ｆと熱的に接するベンチュリ管６１４の部位から、周囲流体Ａと熱的に接する伝熱部材６２７を熱的に遮蔽する位置に設けられる。高圧側導圧管６３２は、例えば螺合により、ベンチュリ管６１４の高圧側圧力タップ６３３に接続されている。同様に、低圧側導圧管６３４が低圧側圧力タップ６３５に接続されている。高圧側導圧管６３２により高圧側圧力タップ６３３が、また低圧側導圧管６３４により低圧側圧力タップ６３５が、それぞれＤＰセンサ６３０に接続されることで、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイス６１２がベンチュリ管６１４と物理的に接続される。電子回路ハウジング６２２内の接続は、図５Ａに基づき前述したものと同様であり、各構成要素はそれぞれ２００ずつ番号を増加させた符号を有する。
【００７５】
図７Ｃは、熱電発電機構６２６、断熱部材６２８、及びヒートパイプ６５０を示す、ベンチュリ管６１４の軸線方向断面図である。熱電発電機構６２６は、熱電素子６５２と熱拡散部材６５４とを備える。熱電素子６５２及び熱拡散部材６５４は、図４Ａに基づき前述したものと同じものであって、それぞれ３００ずつ異なる符号を有する。ヒートパイプ６５０は、充填ポート６６０、プラグ６６２、集熱キャビティ６６４、熱移動パイプ６６６、及び脱熱キャビティ６６８を備える。集熱キャビティ６６４は、プロセス流体Ｆと直接的に接するベンチュリ管６１４の部位の内部に埋め込まれたヒートパイプ６５０の部位である。脱熱キャビティ６６８は、熱電発電機構６２６と直接的に接するヒートパイプ６５０の部位である。熱移動パイプ６６６は、集熱キャビティ６６４と脱熱キャビティ６６８とを結合するヒートパイプ６５０の部位である。ヒートパイプ６５０は、ウィッキング部材（図示せず）と、液相及び気相の両方の状態で存在する作業流体（図示せず）とを備えており、これらウィッキング部材及び作業流体は、いずれも図２Ｄ〜図２Ｆに基づき前述したものと同じである。
【００７６】
流量計測及びデータ伝送のための電力の少なくとも一部は、ヒートパイプ６５０によって効率的に生じる熱流を用いた熱電発電機構６２６の作動により供給される。集熱キャビティ６６４がプロセス流体Ｆから熱を収集し、熱移動パイプ６６６が集熱キャビティ６６４から脱熱キャビティ６６８へと熱を移動させる。脱熱キャビティ６６８では、熱が熱拡散部材６５４に伝達され、熱拡散部材６５４は、当該熱拡散部材６５４を介して熱が熱電素子６５２に伝わる際に、熱流束を均一化する。熱電素子６５２を熱が流動する際、熱電素子６５２を流動する熱の量に応じて電圧及び電流が発生する。熱電素子６５２が発生した電力は、電力ケーブル６５８により、電力制御回路６４４を介して電子回路ハウジング６２２内の電子回路６２３に供給される。
【００７７】
図７Ｃに示すように、集熱キャビティ６６４は、プロセス流体Ｆと直接的に接するベンチュリ管６１４の筒状部の多くの部分に沿って延設されている。図７Ｄは、集熱キャビティ６６４の筒状形状を示すベンチュリ管６１４の断面図である。このような形状がプロセス流体Ｆを取り囲んでおり、プロセス流体Ｆからヒートパイプ６５０への伝熱のための大きな表面積が得られる。
【００７８】
図７Ｅは、ベンチュリ管６１４の別の断面図である。図７Ｅには、図７Ｃと同じ番号が付与された部材に加え、低圧側圧力タップ６３５が示されている。伝熱部材６２７は、熱電素子６５２から外側に大きく張り出して延設されており、体積に対する表面積の比を大きくして周囲流体Ａとの間での熱の移動を促進している。断熱部材６２８は、伝熱部材６２７とベンチュリ管６１４の外面との間の空隙に配設され、伝熱部材６２７の端部から外側に十分に張り出すことにより、伝熱部材６２７とベンチュリ管６１４の外面との間での良好な断熱効果を確保している。図７Ｅに示すように、ヒートパイプ６５０は低圧側圧力タップ６３５から完全に分離されており、低圧側圧力タップ６３５の機能に干渉することはない。
【００７９】
図７Ａ〜図７Ｅに示すような本発明の実施形態では、プロセス流体と直接的に接するベンチュリ管にヒートパイプを内包することによって、熱電発電装置による変換に使用可能な熱流束を大幅に増大させることができる。容器の壁を直に貫通することによって、熱電発電装置と容器の壁との間の良好な熱的結合を達成する上で必要な程度に、容器の壁における熱抵抗の問題が解消される。また、集熱キャビティ６６４の内面全域からヒートパイプ６５０内に熱が流入し、集熱キャビティ６６４の内面全域からの気化によって熱が移動するので、ヒートパイプ６５０によって移動する際の熱流束を極めて大きなものとすることができる。図７Ａ〜図７Ｅに示す実施形態はベンチュリ管であるが、例えば電磁式流量計測管や渦管など、別の流動管を用いたシステムにも適用可能である。
【００８０】
図８Ａ〜図８Ｅは、プロセス構成部品に組み込まれた熱電発電装置を用い、ワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワーク内のワイヤレスデバイスに電力を供給するための、本発明の更に別の実施形態を示しており、この実施形態では、プロセス構成部品を遠心ポンプとし、ワイヤレスデバイスをワイヤレスデータルータとしている。これまでに説明したいくつかの実施形態と同様に、本実施形態では、プロセス容器の外面への取り付け（固定）に代え、プロセス流体（またはプロセス流体の副生成物）が流動するプロセス導管の一区域が用いられる。プロセス流体を送給するプロセス導管に直列にポンプが設けられており、プロセス流体に運動エネルギを付加することにより、プロセス流体の流速または圧力を増大させる。運動エネルギは、例えば遠心ポンプにおいて、遠心力を利用するインペラの回転により付与され、径方向にプロセス流体を加速する。
【００８１】
図８Ａ〜図８Ｃは、本発明を組み入れたプロセス構成部品をポンプとした実施形態を示している。図８Ａには、ワイヤレスデータルータ７１２、ポンプ７１４、及びプロセス流体Ｆを収容するプロセス導管７２０を備えたプロセス計測ポイントまたはプロセス制御ポイント（以下、総称してプロセス計測・制御ポイントとする）７１０が示されている。周囲流体Ａによる熱吸収源が設けられる。ワイヤレスデータルータ７１２は、電子回路ハウジング７２２、電子回路７２３、及びアンテナ７２４を備えており、これらは図６Ｂに基づき上述したものと同じものであって、それぞれ２００ずつ増加させた符号を有する。ポンプ７１４は、熱電発電機構７２６、伝熱部材７２７、及び断熱部材７２８を備えたインライン型プロセス構成部品である。図示するように、伝熱部材７２７はピンフィン型の熱交換器である。
【００８２】
図８Ｂは、ポンプ７１４の断面図であって、ポンプ７１４は、ヒートパイプ７５０、インペラ７８０、モータ７８２、シャフト７８４、並びにシール及びベアリング７８６を備える。モータ７８２の内部構成部品は明瞭化のために省略されている。図８Ｂは、シャフト７８４の軸線周りに９０度回転させたポンプ７１４を示している。図８Ｃは、図８Ｂの一部を拡大し、熱電発電機構７２６、断熱部材７２８、及びヒートパイプ７５０の一部を詳細に示す図である。図８Ｃは、例えば螺合（図示）または溶接による結合により、ポンプ７１４の本体部分に取り付けられたポンプ７１４の拡張部分を拡大して示す図である。熱電発電機構７２６は、熱電素子７５２、熱拡散部材７５４、及び電力ケーブル７５８を備えており、これらは図４Ａに基づき前述したものと同じものであり、それぞれ４００ずつ増大させた符号を有する。ヒートパイプ７５０は、充填ポート７６０、プラグ７６２、集熱キャビティ７６４、熱移動パイプ７６６、及び脱熱キャビティ７６８を備える。集熱キャビティ７６４は、プロセス流体Ｆと直接的に接するポンプ７１４の部位の内部に埋め込まれたヒートパイプ７５０の部位である。脱熱キャビティ７６８は、熱電発電機構７２６と直接的に接するヒートパイプ７５０の部位である。熱移動パイプ７６６は、集熱キャビティ７６４と脱熱キャビティ７６８とを結合するヒートパイプ７５０の部位である。ヒートパイプ７５０は、ウィッキング部材７７２と、液相及び気相の両方の状態で存在する作業流体（図示せず）とを備えており、これらウィッキング部材及び作業流体は、いずれも図２Ｄ〜図２Ｆに基づき前述したものと同じである。インペラ７８０は、当該インペラ７８０が回転するときにプロセス流体Ｆを加速して、プロセス流体Ｆがポンプ７１４から吐出される際のプロセス流体Ｆの流速または圧力を上昇させるブレードを有した、概ね円錐台形状の部材である。モータ７８２は、電動モータなどの任意の形式のモータである。シャフト７８４は、モータ７８２をインペラ７８０に連結してインペラ７８０を回転させるための、耐久性を有した概ね円筒状の部材である。ベアリング及びシール７８６は、シャフト７８４からのプロセス流体Ｆの漏出を十分に防止しつつ、シャフト７８４の貫通と回転を許容する部材である。
【００８３】
図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃに示すように、ポンプ７１４は、例えば溶接またはボルトにより、プロセス導管７２０のフランジＷに取り付けられる。熱電発電機構７２６は、ポンプ７１４に一体的に組み込まれ、プロセス流体Ｆ及び周囲流体Ａと熱的に接するようになっている。電子回路ハウジング７２２内の接続は、図６Ｂに基づき前述したものと同様であり、各構成要素はそれぞれ２００ずつ番号を増加させた符号を有する。ヒートパイプ７５０は、集熱キャビティ７６４から、集熱キャビティ７６４と脱熱キャビティ７６８とを結合する熱移動パイプ７６６を経て、脱熱キャビティ７６８まで延設されている。ヒートパイプ７５０の脱熱キャビティ７６８は、熱拡散部材７５４を介し、熱電発電機構７２６に結合されている。熱拡散部材７５４は、熱電素子７５２の１つの面に密着して取り付けられており、伝熱部材７２７は、熱拡散部材７５４の側とは反対側となる熱電素子７５２の面に密着して取り付けられている。
【００８４】
作動の際には、モータ７８２がシャフト７８４を介してインペラ７８０を回転させることにより、プロセス流体Ｆをポンプ７１４内に吸引して加速し、プロセス流体Ｆがポンプ７１４から吐出される際のプロセス流体Ｆの流速または圧力を上昇させる。ワイヤレスデータルータ７１２は、図６Ｂに基づいて前述したようにして作動するものであって、２００だけ増大した符号を有している。
【００８５】
本実施形態において、ワイヤレスデータルータ７１２の作動に必要な電力の少なくとも一部は、図４Ａに基づき前述したものと同様としてそれぞれ４００ずつ符号を増大させた構成により、ヒートパイプ７５０が効率的に生成する熱流を用いた熱電発電機構７２６の作動によって供給される。
【００８６】
図８Ｂに示すように、集熱キャビティ７６４は、ポンプ７１４の内壁面に沿って延設されており、プロセス流体Ｆがインペラ７８０によってポンプ７１４から圧送される際に、プロセス流体Ｆから熱を収集する。図８Ｄ〜図８Ｆは、集熱キャビティ７６４の形状を示す、ポンプ７１４の中心軸線方向の断面図である。図８Ｂ、及び図８Ｄ〜図８Ｆには、流入口（図８Ｂ及び図８Ｆ）、流出口（図８Ｅ）、並びにベアリング及びシール７８６（図８Ｂ及び図８Ｄ）に必要な開口部を除き、集熱キャビティ７６４がポンプ７１４の内部空間を取り囲んだ構造であることが示されている。このようにポンプ７１４の内部空間を取り囲むことにより、プロセス流体Ｆからヒートパイプ７５０への伝熱のための大きな表面積が得られる。
【００８７】
図８Ａ〜図８Ｆに示すような本発明の実施形態では、プロセス流体と直接的に接するポンプにヒートパイプを内包することによって、熱電発電装置による変換に使用可能な熱流束を大幅に増大させることができる。ポンプの壁を直に貫通することによって、熱電発電装置とポンプの外面との間の良好な熱的結合を達成する上で必要な程度に、ポンプの壁における熱抵抗の問題が解消される。また、集熱キャビティ７６４の内面全域からヒートパイプ７５０内に熱が流入し、集熱キャビティ７６４の内面全域からの気化によって熱が移動するので、ヒートパイプ７５０によって移動する際の熱流束を極めて大きなものとすることができる。図８Ａ〜図８Ｆの実施形態は遠心ポンプで説明したが、任意の形式のポンプに適用することが可能である。
【００８８】
図９Ａ〜図９Ｃは、プロセス構成部品に組み込まれた熱電発電装置を用い、ワイヤレスフィールドデバイスメッシュネットワーク内のワイヤレスデバイスに電力を供給するための、本発明の更に別の実施形態を示しており、この実施形態では、プロセス構成部品をオリフィスプレートとし、ワイヤレスデバイスを流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスとしている。これまでに説明したいくつかの実施形態と同様に、本実施形態では、プロセス容器の外方へ向けての開口部への取り付けに代え、プロセス流体（またはプロセス流体の副生成物）が流動するプロセス導管の一区域が用いられる。２つのオリフィスプレートフランジの間に配設された、例えばローズマウント（Rosemount、登録商標）製の１４９５オリフィスプレートなどのオリフィスプレートによって、流体がオリフィスを通過する際にオリフィスプレートの下流側に圧力低下が生じることにより、図５Ａ〜図５Ｆに基づき前述したように、２つの異なる圧力が差圧センサに伝達される。
【００８９】
図９Ａ〜図９Ｃは、本発明を組み入れたプロセス構成部品をオリフィスプレートとした実施形態を示している。図９Ａには、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイス８１２、オリフィスプレートフランジ８１４、オリフィスプレート８１５、オリフィスプレートフランジ８１６、スタッド及びナット８１８、並びにプロセス流体Ｆを収容するプロセス導管８２０を備えたプロセス計測ポイントまたはプロセス制御ポイント（以下、総称してプロセス計測・制御ポイントとする）８１０が示されている。周囲流体Ａによる熱吸収源が設けられる。流量計測用ワイヤレスフィールドデバイス８１２は、電子回路ハウジング８２２、電子回路８２３、アンテナ８２４、無線通信用ケーブル８２５、差圧センサ（ＤＰセンサ）８３０、高圧側（上流側）導圧管８３２、及び低圧側（下流側）導圧管８３４を備える。ＤＰセンサ８３０、高圧側導圧管８３２、低圧側導圧管８３４、及び電子回路８２３は、図５Ａに基づき説明したものと同様のものであり、それぞれ４００ずつ増加させた符号を有する。例えばローズマウント（Rosemount、登録商標）製の１４９６フランジユニオンに設けられるオリフィスプレートフランジのように、オリフィスプレートフランジ８１４は高圧側圧力タップ８３３を備え、オリフィスプレートフランジ８１６は低圧側圧力タップ８３５を備える。オリフィスプレート８１５は、熱電発電機構８２６（図９Ｂ及び図９Ｃに示す）、伝熱部材８２７、断熱部材８２８、及びヒートパイプ８５０（図９Ｂ及び図９Ｃに示す）を備えたインライン型プロセス構成部品である。オリフィスプレートフランジ８１４、オリフィスプレート８１５、オリフィスプレートフランジ８１６、スタッド及びナット８１８、並びに２つのシールガスケット８２１（図９Ｂに示す）によってオリフィスプレートフランジユニオンが構成される。熱電発電機構８２６は電力ケーブル８５８を備える。図示するように、伝熱部材８２７はピンフィン型の熱交換器である。
【００９０】
オリフィスプレートフランジ８１４及びオリフィスプレートフランジ８１６は、例えば溶接によって、部位Ｗに取り付けられている。オリフィスプレート８１５は、オリフィスプレート８１５とオリフィスプレートフランジ８１４との間にシールガスケット８２１を設けると共に、オリフィスプレート８１５とオリフィスプレートフランジ８１６との間にもう１つのシールガスケット８２１を設けた状態で、オリフィスプレートフランジ８１４とオリフィスプレートフランジ８１６との間に挿入されている。オリフィスプレートフランジ８１４、オリフィスプレート８１５、オリフィスプレートフランジ８１６、及び２つのシールガスケットは、複数のスタッド及びナット８１８によって互いに結合され固定される。熱電発電機構８２６は、オリフィスプレート８１５に一体的に組み込まれ、プロセス流体Ｆ及び周囲流体Ａと熱的に接するようになっている。断熱部材８２８は、プロセス流体Ｆと熱的に接するオリフィスプレート８１５の部位から、周囲流体Ａと熱的に接する伝熱部材８２７を熱的に遮蔽する位置に設けられる。アンテナ８２４は、電子回路ハウジング８２２から離間した位置にあって、無線通信用ケーブル８２５により電子回路８２３に接続されている。他の接続は図５Ａに基づき前述したものと同様であり、各構成部材はそれぞれ４００ずつ増大した符号を有する。また、作動も図５Ａに基づき前述したものと同様である。
【００９１】
本実施形態において、上述した流量計測及びデータ伝送のための電力の少なくとも一部は、図９Ｂ及び図９Ｃに詳細に示すように、ヒートパイプ８５０によって効率的に生じる熱流を用いた熱電発電機構８２６の作動により、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイス８１２に供給される。プロセス流体Ｆと周囲流体Ａとの間の温度差によって生じる熱流は、オリフィスプレート８１５内のヒートパイプ８５０によって移動するものとなる。この熱流は、伝熱部材８２７による周囲流体Ａ中への熱の放散により、熱電発電機構８２６を伝わるものとなって電力が発生する。
【００９２】
図９Ｂは中心軸線方向のオリフィスプレート８１５の断面図、図９Ｃは中心軸線に直交する方向のオリフィスプレート８１５の断面図であり、それぞれ熱電発電機構８２６、断熱部材８２８、及びヒートパイプ８５０を示している。図９Ｂ及び図９Ｃに示すように、熱電発電機構８２６は、熱電素子８５２、熱拡散部材８５４、及び電力ケーブル８５８を備える。熱電素子８５２及び熱拡散部材８５４は、図４Ａに基づき前述したものと同じものであって、それぞれ５００ずつ増大した符号を有する。ヒートパイプ８５０は、充填ポート８６０、プラグ８６２、集熱キャビティ８６４、熱移動パイプ８６６、及び脱熱キャビティ８６８を備える。集熱キャビティ８６４は、プロセス流体Ｆと直接的に接するオリフィスプレート８１５の部位の内部に埋め込まれたヒートパイプ８５０の部位である。脱熱キャビティ８６８は、熱電発電機構８２６と直接的に接するヒートパイプ８５０の部位である。熱移動パイプ８６６は、集熱キャビティ８６４と脱熱キャビティ８６８とを結合するヒートパイプ８５０の部位である。ヒートパイプ８５０は、ウィッキング部材（図示せず）と、液相及び気相の両方の状態で存在する作業流体（図示せず）とを備えており、これらウィッキング部材及び作業流体は、いずれも図２Ｄ〜図２Ｆに基づき前述したものと同じである。
【００９３】
ヒートパイプ８５０は、集熱キャビティ８６４から、集熱キャビティ８６４と脱熱キャビティ８６８とを結合する熱移動パイプ８６６を経て、脱熱キャビティ８６８まで延設されている。ヒートパイプ８５０の脱熱キャビティ８６８は、熱拡散部材８５４を介し、熱電発電機構８２６に結合されている。熱拡散部材８５４は、熱電素子８５２の１つの面に密着して取り付けられており、伝熱部材８２７は、熱拡散部材８５４の側とは反対側となる熱電素子８５２の面に密着して取り付けられている。電力ケーブル８５８は、電源制御回路８４４を介し、熱電素子８５２を電子回路ハウジング８２２内の電子回路８２３に接続する（図９Ａに示す）。
【００９４】
流量計測及びデータ伝送に必要な電力は、図４Ａに基づき前述したものと同様としてそれぞれ５００ずつ符号を増大させた構成により、ヒートパイプ８５０が効率的に生成する熱流を用いた熱電発電機構８２６の作動によって供給される。集熱キャビティ８６４は、図９Ｂ及び図９Ｃに示すように、プロセス流体Ｆに近接するオリフィスプレート８１５の部位の多くの部分に沿って延設されている。
【００９５】
図９Ａ〜図９Ｃに示すような本発明の実施形態では、プロセス流体と直接的に接するオリフィスプレートにヒートパイプを内包することによって、熱電発電装置による変換に使用可能な熱流束を大幅に増大させることができる。容器の壁を直に貫通することにより、熱電発電装置と容器の壁との間の良好な熱的結合を達成する上で必要な程度に、容器の壁における熱抵抗の問題が解消される。また、集熱キャビティ８６４の内面全域からヒートパイプ８５０内に熱が流入し、集熱キャビティ８６４の内面全域からの気化によって熱が移動するので、ヒートパイプ８５０によって効率的に熱が移動する。更に、オリフィスプレートは迅速且つ容易に構成を変更することができる。従って、図９Ａ〜図９Ｃに示すオリフィスプレートのように本発明を適用したオリフィスプレートは、ワイヤレスデバイスに電力を供給する本発明を適用していないオリフィスプレートに容易に置き換えることができる。
【００９６】
前述した全ての実施形態は、伝熱部材をピンフィン型の熱交換器として示したが、周囲流体Ａとの間で効率的に熱交換を行う任意の部材を伝熱部材とすることが可能である。伝熱部材のもう１つの例はフィン付熱交換器である。伝熱部材の更にもう１つの例は、熱拡散部材とは反対側となる熱電素子の面に熱的に接するもう１つのヒートパイプを用い、周囲流体への伝熱を更に促進するものである。
【００９７】
図１０は、２つのプロセス構成部品のそれぞれに組み込まれて、流量計測用ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するための、本発明の実施形態を示す図である。本実施形態は、２つのプロセス構成部品のそれぞれに対し、他方のプロセス構成部品内にあるプロセス流体が熱吸収源となる点で、前述した全ての実施形態と相違する。また、２つのプロセス構成部品のそれぞれについて、他方のプロセス構成部品のヒートパイプが伝熱部材となる。図１０は、オリフィスプレートフランジ９１４ａ及びオリフィスプレートフランジ９１４ｂの断面図である。オリフィスプレートフランジ９１４ａ及びオリフィスプレートフランジ９１４ｂは、以下に述べる相違点を除き、図５Ａ〜図５Ｆに基づき前述したオリフィスプレートフランジ４１４と構成及び機能が同一である。オリフィスプレートフランジ９１４ａの延設部分にはフランジ連結部材９８８ａが設けられ、オリフィスプレートフランジ９１４ｂの延設部分にはフランジ連結部材９８８ｂが設けられる。更に、断熱部材９２８ａが、フランジ連結部材９８８ａのところまでオリフィスプレートフランジ９１４ａの延設部分に延設され、断熱部材９２８ｂが、フランジ連結部材９８８ｂのところまでオリフィスプレートフランジ９１４ｂの延設部分に延設されている。オリフィスプレートフランジ９１４ａ及びオリフィスプレートフランジ９１４ｂは熱電発電機構９２６を共有しており、この熱電発電機構９２６は、熱電素子９５２、第１熱拡散部材９５４ａ、第２熱拡散部材９５４ｂ、及び電力ケーブル９５８を備える。そして、オリフィスプレートフランジ９１４ａ用の伝熱部材は、オリフィスプレートフランジ９１４ｂのヒートパイプ９５０ｂであり、同様に、オリフィスプレートフランジ９１４ｂ用の伝熱部材は、オリフィスプレートフランジ９１４ａのヒートパイプ９５０ａとなっている。また、図１０の実施形態は、接合部ガスケット９９０、クランプガスケット９９２、及びクランプ９９４も備える。接合部ガスケット９９０及びクランプガスケット９９２は、断熱材でもある圧縮性を有したガスケット材からなる。
【００９８】
オリフィスプレートフランジ９１４ａ及びオリフィスプレートフランジ９１４ｂは、ヒートパイプ９５０ａが第１熱拡散部材９５４ａを介して熱電発電機構９２６に結合されると共に、ヒートパイプ９５０ｂが第２熱拡散部材９５４ｂを介して熱電発電機構９２６に結合された状態で、熱電発電機構９２６を介し、互いに連結されている。熱電発電機構９２６の第１熱拡散部材９５４ａは、熱電素子９５２の１つの面に密着して取り付けられ、熱電発電機構９２６の第２熱拡散部材９５４ｂは、第１熱拡散部材９５４ａの側とは反対側となる熱電素子９５２の面に密着して取り付けられている。電力ケーブル９５８は、前述した各実施形態に示すようないずれかの形式のワイヤレスデバイスに熱電素子９５２を接続する。オリフィスプレートフランジ９１４ａとオリフィスプレートフランジ９１４ｂとの連結部分は、クランプ９９４によって保持されたフランジ連結部材９８８ａ及びフランジ連結部材９８８ｂにより支持されている。クランプガスケット９９２は、クランプ９９４とフランジ連結部材９８８ａ及びフランジ連結部材９８８ｂとの間で、熱電素子９５２の周囲におけるクランプ９９４を介した熱の流動を抑制する。同様に、接合部ガスケット９９０は、フランジ連結部材９８８ａとフランジ連結部材９８８ｂとの間で、熱電素子９５２の周囲におけるフランジ連結部材９８８ａ及びフランジ連結部材９８８ｂを介した熱の流動を抑制する。
【００９９】
図１０に示すように、ヒートパイプ９５０ａの熱移動パイプ９６６ａ及びヒートパイプ９５０ｂの熱移動パイプ９６６ｂは、硬質の構造に代えて可撓管で形成される。これにより、ヒートパイプ９５０ａ及びヒートパイプ９５０ｂの熱移動パイプを硬質の構造とした場合に比べ、フランジ連結部材９８８ａとフランジ連結部材９８８ｂとの連結を容易に行うことが可能となる。可撓管は、例えばローズマウント（Rosemount、登録商標）製ダイヤフラムシールシステムのキャピラリ式接続用の外装付スリーブのような、薄肉金属管とするのが好ましい。
【０１００】
作動の際には、例えばプロセス流体Ｆ１の温度がプロセス流体Ｆ２の温度より高い状態で、オリフィスプレートフランジ９１４ａに接するプロセス流体Ｆ１と、オリフィスプレートフランジ９１４ｂに接するプロセス流体Ｆ２との間の温度差によって熱流が生じる。この熱流は、オリフィスプレートフランジ９１４ａ内のヒートパイプ９５０ａによって、プロセス流体Ｆ１から第１熱拡散部材９５４ａへと移動するものとなる。熱流は、ヒートパイプ９５０ｂによる第２熱拡散部材９５４ｂからオリフィスプレートフランジ９１４ｂ内のプロセス流体Ｆ２へ移動する熱流により、熱電発電素子９５２を通って第２熱拡散部材９５４ｂに伝わるものとなる。熱電発電素子９５２を通る熱の伝達によって電力が発生し、発生した電力は、電力ケーブル９５８を介し、前述した実施形態に示すいずれかの形式のワイヤレスデバイスに伝達される。
【０１０１】
図１０に示すような本発明の実施形態では、互いに温度が異なるプロセス流体と直接的に接する２つのオリフィスプレートのそれぞれにヒートパイプを内包することによって、熱電発電装置による変換に使用可能な熱流束を大幅に増大させることができる。容器の壁を直に貫通することによって、熱電発電装置と容器の壁との間の良好な熱的結合を達成する上で必要な程度に、容器の壁における熱抵抗の問題が解消される。また、図１０の実施形態では、２つのオリフィスプレートのそれぞれに接するプロセス流体の温度を調整することにより、更に大きな熱流、及び調整がより容易な熱流の少なくとも一方を生成することが可能となる。
【０１０２】
これまでに述べたいずれの実施形態も、ウィッキング部材を適用して、どのような方向に向いていても作動を可能としたヒートパイプを用いて説明を行った。ウィッキング部材によって、重力に反する場合を含め、ヒートパイプの向きに関わらず、脱熱キャビティから集熱キャビティへの比較的密度の高い液相の作業流体の移動が可能となる。いずれの実施形態においても、装置の向きによって脱熱キャビティの方が集熱キャビティよりも高い位置となり、液相の作業流体よりかなり低密度の気相の作業流体が脱熱キャビティへと上昇すると共に、液相の作業流体が集熱キャビティへと下降していくのであれば、ウィッキング部材を省略してもよい。
【０１０３】
前述したいくつかの実施形態では、アンテナが電子回路ハウジングの外面に取り付けられてトランシーバに電気的に接続されている。また別の実施形態では、アンテナが分離して設けられて無線通信用ケーブルにより電子回路ハウジングに接続されるか、または、例えば配線基板上に装着された部品、もしくは配線基板と一体的な部品のようにして、電子回路ハウジング内にアンテナ全体が収容されている。いずれの実施形態においても、必要に応じ、これらのアンテナ形式のいずれかを適用することが可能である。
【０１０４】
図１０に示すように、本発明におけるヒートパイプの熱移動パイプは、硬質構造に代えて可撓管で形成してもよい。図１０の実施形態にのみ示されているが、いずれの実施形態においても、少なくとも部分的に、硬質構造に代えて可撓管でヒートパイプの熱移動パイプを形成してもよい。これにより、例えば地面や土盛りなどの大きな構造物のような特定の熱吸収源の場合に、より一層容易に熱電発電機構を伝熱部材に結合することが可能となる。また、伝熱部材を例えばピンフィン型の熱交換器とし、熱吸収源を例えば大気とするような場合には、可撓管を用いることにより、自然対流の向上のためにピンフィン型の熱交換器の位置や向きを容易に調整することが可能となり、伝熱部材の性能を向上させることができる。そして、ヒートパイプの熱移動パイプの少なくとも一部に可撓管を用いることにより、プロセス流体に接するプロセス構成部品の部位と、熱電発電機構との間で振動が遮蔽される。強い振動を伴うプロセス環境では、このような構成により、熱電発電機構の信頼性を高めることができる。
【０１０５】
プロセス構成部品内に組み込まれた熱電発電装置を用いることにより、様々な実施形態がワイヤレスフィールドデバイスネットワーク内のワイヤレスデバイスに電力を供給することができる。プロセス構成部品は、プロセス流体と直接的に接しており、プロセス構成部品の内部にある集熱キャビティによって一部が形成されたヒートパイプを備える。集熱キャビティは、ヒートパイプの一部を形成するという目的のみに用いられる。ヒートパイプが熱電発電装置の一端側に結合され、熱電発電装置の他端側には熱吸収源が結合されることにより、熱電発電装置を熱が移動し、ワイヤレスデバイスのための電力が発生する。プロセス流体と直接的に接するプロセス構成部品にヒートパイプを内包し、容器の壁を直に貫通することにより、熱抵抗を低減することができる。容器の壁を直に貫通することにより、熱電発電装置と容器の外壁との間の良好な熱的結合を達成する上で必要な程度に、容器の壁を介して熱を伝達する際の熱抵抗によって生じる損失が削減される。また、集熱キャビティの内面全域からヒートパイプ内に熱が流入し、集熱キャビティの内面全域からの気化によって熱が移動するので、ヒートパイプによって移動する際の熱流束が極めて大きなものとなる。そして、本発明を組み入れたプロセス構成部品は、工場において正確に調整された条件の下で組み立て可能であるので、現場において容器の外側にくくりつけた熱電発電装置に比べ、より一層安定して信頼性の高い作動が可能となる。
【０１０６】
具体的な実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であると共に、均等物で各要素を置き換えることが可能であることが当業者に理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況やものを本発明の教示に適合させるための変形を行うことが可能である。従って、本発明は開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に含まれる全ての形態を含むものである。
【図１Ａ】
0006291099.tif 000002
【図１Ｂ】
0006291099.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
0006291099.tif 000005
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
0006291099.tif 000008
【図２Ｆ】
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【図３Ａ】
0006291099.tif 000010
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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