(57)【要約】熱電発電機アセンブリ（２００）は、温接点及び冷接点フランジ（２０４，２０６）を持つ熱電発電機（２０２）を含む。温接点フランジは、プロセス容器（２１０）に熱的に連結するように形成されたアダプタ（２０８）を含む。熱電発電機（２０２）は、熱電出力（２１２）を生成する。ヒートシンク（２１４）は、周囲空気に熱的に連結し、ヒートシンクフランジを有する。ヒートパイプアセンブリは、循環チャンバ内の流体を含む。循環チャンバ（２２４）は、冷接点フランジに取り付けられた蒸発器フランジ、及びヒートシンクフランジに取り付けられたコンデンサフランジを有する。流体の少なくとも一部は、蒸発器フランジからコンデンサフランジに熱を運ぶ。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
離間した温接点及び冷接点フランジを有し、温接点フランジがプロセス容器に熱的に連結するように形成されたアダプタを有し、少なくとも１５０ミリワットの電力レベルで熱電出力を生成する熱電発電機と、
周囲空気に熱的に連結し、ヒートシンクフランジを有するヒートシンクと、
冷接点フランジに取り付けられた蒸発器フランジと、ヒートシンクフランジに取り付けられたコンデンサフランジとを有する循環チャンバ内に、少なくともその一部が蒸発器フランジからコンデンサフランジに熱を運ぶ流体を含むヒートパイプアセンブリと、
を含む、熱電発電機アセンブリ。
【請求項２】
冷接点フランジとヒートシンクとの間にヒートパイプアセンブリを挿入することが、効率性を上げ、摂氏１００度前後の温接点温度範囲においてΔＴを少なくとも摂氏５０度に維持する、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項３】
冷接点フランジとヒートシンクとの間にヒートパイプアセンブリを挿入することが、摂氏１００度前後の温接点温度範囲においてΔＴを少なくとも２５％分高める、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項４】
摂氏１００度前後の温接点温度範囲において、電圧レベルが少なくとも６ボルトである、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項５】
摂氏１００度前後の温接点温度範囲において、熱電出力が少なくとも１５０ミリワットである、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項６】
流体が、摂氏５０度から摂氏１０５度の間の温接点温度範囲に適合する組成物を有する、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項７】
流体が、アルコール、水、加圧された気体、又は他の熱伝導性流体の混合物を含む、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項８】
循環チャンバが、多孔質面である内側チャンバ面を含む、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項９】
循環チャンバが、毛細管を含む内側チャンバを含む、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項１０】
循環チャンバが、蒸発器フランジの上方で垂直に整列する中央管を含む、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項１１】
熱電発電機が、遠隔の工業用／家庭用の場所におけるプロセス装置及びセンサに電力を提供する、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項１２】
熱電出力を受信するフィールドプロセストランスミッタを含む、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項１３】
フィールドプロセストランスミッタが無線トランスミッタを含む、請求項１２記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項１４】
熱電出力を受信する無線トランシーバを含む、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項１５】
熱電発電機が、Ｓｉ、Ｇｅ、又はその合金を含む半導体材料製の熱電素子を含む、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項１６】
半導体材料が、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅ、又はその合金であるカルコゲニド類を含む、請求項１４記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項１７】
熱電発電機が、摂氏４５０度までの腐食環境に適合する、請求項１記載の熱電発電アセンブリ。
【請求項１８】
熱電出力によって電力を供給され、バッテリ不要であるフィールド計器をさらに含む、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項１９】
熱電出力によって電力を供給され、電圧レベルよりも大きい電位差を発生させるための電圧増倍回路が不要であるフィールド計器をさらに含む、請求項１記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項２０】
離間した温接点及び冷接点フランジを有し、温接点フランジがプロセス容器の形に熱的に連結するような形を含み、少なくとも１５０ミリワットの電力レベルで熱電出力を生成する熱電発電機と、
周囲空気に熱的に連結し、ヒートシンクフランジを有するヒートシンクと、
冷接点フランジからヒートシンクフランジに熱を運ぶために、循環チャンバ内の流体を蒸発させるためのヒートパイプ手段と、
を含む、熱電発電機アセンブリ。
【請求項２１】
ヒートパイプ手段が、冷接点フランジに連結する蒸発器フランジを含む、請求項２０記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項２２】
熱電出力が少なくとも６ボルトである、請求項２０記載の熱電発電アセンブリ。
【請求項２３】
プロセス容器の形に連結するように温接点フランジアダプタを形成することと、
離間した温接点及び冷接点フランジを有する熱電発電機を提供することと、
温接点フランジを温接点フランジアダプタに熱的に連結することと、
冷接点フランジに連結するヒートシンクフランジを持つヒートシンクを備えることと、
ヒートパイプアセンブリをヒートシンクに取り付けることと、
少なくとも１５０ミリワットの電力レベルで熱電出力を備えることと、
を含む、熱電出力を提供する方法。
【請求項２４】
温接点フランジアダプタを、プロセス容器に適合する円筒形の弧状に形成する、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
熱電出力が少なくとも６ボルトである、請求項２３記載の方法。
【請求項２６】
離間した高温側及び低温側を有し、高温側がプロセス容器に熱的に連結するように形成されたアダプタを有し、低温側が熱伝導性部材に連結し、少なくとも１５０ミリワットの熱電出力を生成する熱電発電機と、
熱電出力によって給電され、プロセス変数を変換し、デジタルプロトコルを介してプロセス情報の通信を行うフィールド装置と、
を含む、熱電発電機アセンブリ。
【請求項２７】
デジタルプロトコルが、Hart及びFieldbusのフィールドプロトコル群から選択される、請求項２６記載の熱電発電機アセンブリ。
【請求項２８】
低温側に取り付けられた蒸発器フランジおよびヒートシンクに取り付けられたコンデンサフランジを有する循環チャンバと、循環チャンバ内の流体とを含み、少なくとも流体の一部が蒸発器フランジからコンデンサフランジに熱を運ぶヒートパイプアセンブリを、さらに含む請求項２６記載の熱電発電機アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
フィールド計器は、典型的にはプロセスプラント中に広く分布し、プロセス制御ループによって制御システムに接続している。フィールド計器は、典型的には動作用電力の供給を必要とする。電力は、制御ループ自体によって、又は計器への独立した電力配線によって提供されることができる。各フィールド計器によって必要とされる電力の量は、通常かなり小さく、典型的には約５０ミリワット以下程度である。
【０００２】
配線が制御ループのために用いられるとき、その配線は、典型的には長距離にわたるプロセス機器のフレームワークで支持するための機械的取り付けを必要とする電気的配線導管内に収められる。多くの場合、長距離にわたるフィールド計器の配線費用は、フィールド計器自体の費用を超える。
【０００３】
フィールド計器と通信するのに無線通信ループを用いるとき、無線通信ループはフィールド計器に電源を提供せず、独立した電源配線が必要になる。
【０００４】
典型的なフィールド計器が必要とする電力は極めて低いのに対し、フィールド計器は、多くの場合プロセスプラント内の非常に高温、危険、又は近づきにくい位置に位置している。そのような位置において、フィールド計器内の低電力源として化学電池を用いるのは実際的でないかもしれない。このような位置の環境は、多くの場合汚かったり、又は太陽光から遮断されたりしていて、電源に太陽電池を用いることは実際的でない。プラント環境において、太陽電池及びバッテリは、多くのフィールド計器の利用において電源用に使用可能にするために、過度な保守を必要とする。
【０００５】
プラント内のプロセス機器は、典型的には、ボイラ、スチーム配管、加熱タンク、高温油及び気体用パイプライン、冷凍液体（例えば、液体窒素、液体ヘリウムなど）、及びプロセスプラント内の周囲空気温度と異なる温度に加熱又は冷却された他の機器を含む。大きい温度差分が存在し、廃熱は周囲空気とプロセス機器との間を流れる。廃熱流によって損なわれたエネルギ量は、多くの場合フィールド計器が必要とする電力量を大きく超える。
【０００６】
熱電発電機の電力及び電圧は、一般的に、熱電発電機の加熱板及び冷却板の間の温度差又は温度勾配に正比例する。電力を提供するために熱電対と共に熱流を用いることは、例えば、ドイツのGebrauchsmusterschrift DE 201 07 112 U1、及び米国特許第６，８９１，４７７  Ｂ２号から公知である。しかしながら、実用上の問題がいくつも起きている。
【発明の概要】
【０００７】
熱電発電機アセンブリは、熱電発電機を含む。熱電発電機は、離間した温接点及び冷接点フランジを有する。温接点フランジは、プロセス容器に熱的に連結するように形成されたアダプタを有する。熱電発電機は、プロセス装置に電力を供給するのに用いるための熱電出力を生成する。１つの構成例において、熱電発電アセンブリは、ヒートシンクを含む。ヒートシンクは周囲空気に熱的に連結し、ヒートシンクフランジを有する。もう１つの構成例において、熱電発電アセンブリは、ヒートパイプアセンブリを含む。ヒートパイプアセンブリは、循環チャンバ内の流体を含む。循環チャンバは、冷接点フランジに取り付けられた蒸発器フランジを有する。循環チャンバは、ヒートシンクフランジに取り付けられたコンデンサフランジを有する。流体の少なくとも一部は、蒸発器フランジからコンデンサフランジへ熱を移動させる。冷接点フランジ上のヒートパイプアセンブリがプロセス工業に使用可能な多種の熱流に用いられる実施形態において、より効率的な熱電発電をプロセス産業に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ヒートパイプを含む熱電発電アセンブリを図示する。
【図２】ヒートパイプを含む１つの熱電発電機、及びヒートパイプを含まない類似の熱電発電機に関連する温度差分のグラフを図示する。
【図３】ヒートパイプの実施形態を図示する。
【図４】熱電発電機の温接点及び冷接点フランジ間の温度差分に応じた熱電出力における電圧のグラフを図示する。
【図５】熱電発電機の熱電出力に連結するフィールドデータコンセントレータを図示する。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に説明する実施形態において、熱電発電機は、加熱されたプロセス容器、たとえばパイプライン又はタンクに連結するように形成された温接点フランジ、又は温接点フランジアダプタを有する。温接点フランジの形成は、温接点とプロセス容器との間の良好な熱伝導性を提供する。熱電発電機は、ヒートパイプの蒸発器フランジに連結する冷接点フランジを有する。ヒートパイプのコンデンサフランジはヒートシンクに連結する。ヒートパイプを用いることで冷接点フランジの温度が低下し、それが温接点フランジと冷接点フランジとの間の温度差の増大を提供する。温度差の増大は、熱電出力における電圧を５ボルトより大きく増大させる。温度差の増大は、熱電発電の効率性を上げる。熱電出力は、電圧増倍器又はバッテリのいずれかを用いないで、フィールドプロセス装置又はフィールドプロセスデータコンセントレータに直接電力を供給するために用いることができる。このため、フィールドプロセス装置は、熱電発電機によってローカルに給電され、中央制御室からの電力配線は必要でない。熱電電力は、フィールド装置と制御室との間の無線通信に給電するのに適切であり、フィールド装置と制御室との間に通信配線を行う必要性は解消される。
【００１０】
以下に説明する実施形態は、環境よりも低温のプロセス流体とともに、ヒートパイプを「冷却パイプ」として機能させて用いることもできる。
【００１１】
図１は、熱電発電機アセンブリ２００を図示する。熱電発電機アセンブリ２００は、熱電発電機２０２を含む。熱電発電機２０２は、温接点フランジ２０４（高温側）及び冷接点フランジ２０６（低温側）を有する。フランジ２０４，２０６は、互いに離間している。温接点フランジ２０４は、プロセス容器２１０に熱的に連結するように形成されたアダプタ２０８に連結する（又はこれを含む）。プロセス容器２１０は、加熱されたプロセス流体を運び、熱電発電機アセンブリ２００のための廃熱源を提供する。熱電発電機２０２は、電圧レベルＶで熱電出力２１２を生成する。熱電発電機は、熱素子２０３を含む。１つの実施形態において、熱電素子２０３は半導体材料を含む。熱電素子２０３は、たとえば半導体であるＳｉ、Ｇｅ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅなどの元素を含むことができる。もう１つの実施形態において、熱電素子２０３は高い性能指数を提供するカルコゲニド類を含む。１つの実施形態において、温接点及び冷接点フランジ２０４，２０６は、熱電素子２０３よりも大きく、熱電素子２０３の上に張り出す大きな平板として配置される。張り出したフランジ２０４，２０６は、高い熱伝導率を持つ大きい熱移動面を提供する。張り出したフランジ２０４，２０６は、取り付けボルト２０５のための貫通孔も含む。１つの実施形態において、ボルト２０５は、高い耐熱性を持つステンレス合金鋼製であって、断熱性のワッシャ２０７で取り付けられており、そして、ボルト２０５及びワッシャ２０７は、ボルトを通る望ましくない熱の流れを制限する。ボルト２０５は、熱電発電機２０２をプロセスアダプタ２０８及びヒートパイプアセンブリ２２０に確実に組み付ける。
【００１２】
熱電発電機アセンブリ２００は、ヒートシンク２１４を含む。ヒートシンク２１４は、周囲空気に熱的に連結し、ヒートシンクフランジ２１６を有する。ヒートシンクフランジ２１６は、ボルト（図示せず）によってヒートパイプアセンブリ２２０の蒸発器プレート２２８に固定される。１つの実施形態において、ヒートシンク２１４は、周囲空気に連結する熱放射を大きくするための複数のピン（図示の通り）又は複数のフィンを含む。
【００１３】
熱電発電機アセンブリ２００は、ヒートパイプアセンブリ２２０を含む。ヒートパイプアセンブリ２２０は、循環チャンバ２２４内の流体２２２を含む。ヒートパイプアセンブリ２２０は、冷接点フランジ２０６に取り付けられた蒸発器フランジ２２６を有する。ヒートパイプアセンブリ２２０は、ヒートシンクフランジ２１６に取り付けられたコンデンサフランジ２２８を有する。流体２２２の少なくとも一部は流れて、蒸発器フランジ２２６からコンデンサフランジ２２８へ熱を運ぶ。ヒートパイプアセンブリ２２０は、図３に図示する例に関連して以下により詳細に説明する。
【００１４】
冷接点フランジ２０６とヒートシンク２１４との間にヒートパイプアセンブリ２２０を挿入することで、ΔＴを増大させる。大きなΔＴは、図２のグラフに関連して以下により詳細に解説される。１つの実施形態において、ΔＴは、温接点フランジ２０４が摂氏１００度を超える温接点温度範囲にあるとき、２５％分高められる。もう１つの実施形態において、冷接点フランジ２０６とヒートシンクとの間にヒートパイプアセンブリ２２０を挿入することで、ΔＴは、温接点フランジ２０４が摂氏１００度を超える温接点温度範囲にあるとき、少なくとも摂氏５０度に維持される。１つの実施形態において、熱電出力２１２における電圧レベルＶは、温接点フランジ２０４が摂氏１００度を超える温接点温度範囲にあるとき、少なくとも６ボルトである。またもう１つの実施形態において、熱電出力２１２は、温接点フランジ２０４が摂氏１００度を超える温接点温度範囲にあるとき、少なくとも１５０ミリワットである。熱電電力及び電圧は、一般的に熱電モジュール２０３の温接点フランジ２０６と冷接点フランジ２０４との間の温度差に正比例する。
【００１５】
１つの実施形態において、流体２２２は、摂氏５０度から摂氏１０５度の間の温接点温度範囲に適合する組成物を有する。もう１つの実施形態において、流体２２２はアルコール及び水の混合物を含み、アルコールの水に対する比率は本用途の温度に対して最適化されている。もう１つの実施形態において、流体２２２は、特定の用途における温度範囲で性能を最適化する割合で、加圧された気体、アルコール、水又は他の熱伝導性流体の混合物を含む。
【００１６】
１つの実施形態において、循環チャンバ２２４は、多孔質面である内側チャンバ面２３０を含む。もう１つの実施形態において、循環チャンバ２２４は、毛細管を含む内側チャンバを含む。循環チャンバ２２４は、好ましくは、蒸発器フランジ２２６の上方で垂直に整列するボアを持つ中央管、又はチャネル２３２を含む。
【００１７】
図２は、２つの異なる構成を持つ熱電発電機に関連する温度差分のグラフを図示する。一方の構成はヒートパイプを含み、他方の構成はヒートパイプを含まない。
【００１８】
水平軸１０４は、温接点フランジ（たとえば、図１に関連した上述の温接点フランジ２０４）の温度Ｔ  ＨＯＴを摂氏度数で表す。垂直軸１０２は、熱電モジュール上の温接点と冷接点との間の温度差を表す。破線１０６は、自由周囲空気温度と温接点フランジ温度との間の温度差分ΔＴ  ＴＯＴＡＬを表す。この破線１０６は、熱電発電機アセンブリが使用可能な最大使用可能温度差を表す。実際には、温接点フランジとプロセス容器との間には高い熱伝導性があり、温接点温度がプロセス容器温度に非常に近くなる。
【００１９】
熱電発電機の熱伝導性により、熱は、温接点フランジから冷接点フランジへ伝導される。伝導された熱は冷接点フランジの温度を高め、それが熱電発電のために使用可能な温度差分を低減させる。冷接点フランジを加熱するせいで、温度差分は損なわれる。ΔＴ  ＴＯＴＡＬ（破線１０６）の割合だけが、温接点フランジと冷接点フランジとの間に実際に存在する。
【００２０】
円形（●）の端点を持つ実線１０８は、図１における熱電発電機２０２の温接点及び冷接点フランジ２０４，２０６間の温度差分、ヒートパイプ有りΔＴを表す。熱電発電機２０２（実線１０８によって表される）は、ヒートパイプ２２０（図１）を含む。
【００２１】
菱形（◆）のデータ点を持つ実線１１０は、ヒートパイプを含まない熱電発電機の温及び冷フランジ間の温度差分、ヒートパイプ無しΔＴを表す。実線１１０によって表される熱電発電機は、図１に関連した上述の熱電発電機２００に類似しているが、ヒートパイプ２２０が欠けており、ヒートシンク２１４は実線１１０の場合は冷接点フランジ２０６に直接連結する。実線１１０は、ヒートパイプを用いないΔＴを表す。図２を精査すると、ヒートパイプ２２０を用いることで温度差分がより大きく維持されることが理解できる。ヒートパイプ２２０は、冷接点フランジ２０６の温度を低下させ、温度差分を増大させる。破線１０６と実線との間の垂直距離は、冷接点フランジを加熱することによる最大温度差分の損失を表す。最大温度差分の損失は、ヒートパイプ２２０を用いるときにはより小さくなる。
【００２２】
図２において、破線１１４は、線１１０及び１０６間の１００度以上の温度差分（図２において１００％として示される）が２５％損なわれたことを表す。図２において、点線１１６は、摂氏５０度の温度差分を表す。線１０８はヒートパイプ（図１に示す）を用いた温度差分を表し、点線１１６の上であり、かつ摂氏１００度以上で破線１１４の上にある位置にある。本グラフは、摂氏１００度より高いプロセス温度の場合、ヒートパイプを持つ熱電発電機２００によって、線１１０に比較して少なくとも２５％改善されたΔＴの損失が維持されることを図示する。本グラフはまた、摂氏１００度より高いプロセス温度の場合、ヒートパイプを持つ熱電発電機は、ΔＴを少なくとも摂氏５０度に維持することを図示する。ヒートパイプを用いることによって改善を達成したこれらのΔＴ値で、熱電発電機は、少なくとも１５０ミリワットの熱電出力を少なくとも６ボルトの電圧で生成する。電圧が十分に高いので、熱電出力は、より低い熱電電圧を５ボルトより高いレベルまで引き上げるための電圧増倍回路を用いることなく、定格５ボルトの電子回路を含むフィールドプロセス装置（たとえば圧力トランスミッタ）に給電するために接続されることができる。電力出力が十分に高く十分に信頼性があるので、熱電発電機を接続して、１つ以上のフィールドプロセス装置にバッテリを用いることなく、１５０ミリワットまでの電力で給電することができる。熱電発電機上のヒートパイプを用いることで、フィールド装置内の電力供給は、バッテリ及び電圧増倍回路の両方を不要にすることができる。熱電装置から使用可能な電力の量は、フィールドプロセス装置内の無線通信回路に給電するのに充分でもある。無線トランスミッタには、熱電発電機によって給電することができる。これに代えて、熱電発電機は、フィールドトランスミッタから遠隔地にある制御システムへのプロセスデータの無線送信を提供する無線フィールドデータコンセントレータに給電するために用いることができる。
【００２３】
図３は、ヒートパイプ３００の実施形態を図示する。ヒートパイプ３００は、蒸発器フランジ３０２、コンデンサフランジ３０４、及び流体循環チャンバ３０６を含む。流体３０８は、周壁３１２内の充填管３１０を経て循環チャンバ３０６の中に導入される。好ましくは、循環チャンバ３０６は、流体３０８の導入前に空にされる。制御された量（１回分の分量）の流体３０８の導入後、充填管３１０はシールされる。流体循環チャンバ３０６内の圧力及び温度の作用条件下で、流体３０８（又は流体３０８の成分）は、蒸発器フランジ３０２で蒸発して、蒸発器フランジ３０２を冷却する。熱３１４は（温接点フランジ、たとえば図１の温接点フランジ２０６からのもの）蒸発器フランジ３０２に加えられ、流体を蒸発させる。流体３０８（又は流体３０８の成分）は、コンデンサフランジ３０４で、又は周壁３１２の内側面上で凝縮する。コンデンサフランジ３０４は、ヒートシンク（たとえば図１のヒートシンク２１４）によって冷却されて、流体３１８を凝縮する。
【００２４】
充填流体３０８の組成物及び充填流体３０８の量は、特定のプロセス温度範囲における熱移動を最適化するように選択される。動作温度に適したあらゆる公知の流体を、流体３０８に用いることができる。１つの実施形態において、流体３０８はアルコール及び水の混合物を含む。循環チャンバ３０６の内側壁は、好ましくは、蒸発器フランジ３０２へ戻る液状流体３０８の凝縮及び流れを容易にする金属の多孔質層又は焼成層３１６で覆われる。これに代えて、焼成層３１６の代わりに循環チャンバ３０６内に毛細管を設けることができる。
【００２５】
中央配管３１８は、循環チャンバ３０６内に支持される。中央配管３１８は、加えられた熱３１４に対して一般的には垂直に整列するボア３２０を有するので、気化した流体３０８はボア３２０内を上向きに流れる。ボア３２０は、上面も底面も共に開放されている。一般的にトロイダルな流体流パターンは図示したように確立され、蒸発器フランジ３０２から上に向かって、ボア３２０を通ってコンデンサフランジ３０４に熱を運ぶ物質移動を提供している。図示するように、ヒートパイプ３００は、蒸発器フランジ３０２よりもはるかに大きい結合面領域を有する凝縮フランジ３０４及び周壁３１２に、凝縮面を有することができる。大量の熱を移動させることができ、冷接点フランジ（たとえば、図１の冷接点フランジ２０６）が、ヒートシンクに直接連結する場合よりも周囲温度に近い動作をする。ヒートパイプを用いることで、熱電発電機（たとえば、図１の熱電発電機２０２）全体で大きなΔＴを維持でき、結果として比較的高い電圧で高熱電電力を発電することができる。冷接点フランジからの熱流３１４は、熱電素子の中核領域内での熱の蓄積により、図３に図示するように中央領域の近くに集中する傾向がある。
【００２６】
図４は、熱電発電機の温接点及び冷接点フランジ間の温度差分に応じた熱電出力での電圧Ｖのグラフを図示する。水平軸４０２は、温度差分ΔＴを摂氏度数で表す。垂直軸４０４は、熱電出力での電圧Ｖを表す。実線４０６は、温度差分に応じた電圧Ｖを表す。図４に図示するように、電圧Ｖは、温度差分への感受性が非常に高い。ヒートパイプを用いて大きい温度差分を維持することは、電圧Ｖを、電圧増倍回路を用いることなく、フィールドトランスミッタ内の５ボルトの電子機器に給電するために用いることができるレベルに増大させる。図４に図示するように、５０度の温度差分は、６ボルトよりも大きく、電圧増倍器を用いることなく、フィールド装置内の５ボルトの電源に給電することが可能な電圧Ｖを提供することができる。
【００２７】
図５は、熱電発電機５０６（たとえば、図１の熱電発電機２００）の熱電出力５０４に連結するフィールドデータコンセントレータ５０２を図示する。フィールドプロセス装置５０８，５１０は、フィールドプロセスセンサ又はフィールドプロセスアクチュエータであることができ、熱電出力５０４によって給電される。フィールドプロセス装置５０８，５１０は、熱電出力５０４によって給電される５ボルトの電子回路機構を含む。熱電発電機５０６はフィールドプロセス装置５０８，５１０に給電し、熱電出力が５ボルトよりも大きいので、フィールドプロセス装置５０８，５１０は非効率的な電圧増倍器を必要としない。フィールドプロセス装置５０８，５１０への給電は、図示するように熱電出力５０４から直接生じさせることもでき、又はフィールドデータコンセントレータ５０２から間接的に導き出すこともできる。フィールドプロセス装置５０８，５１０は、ライン５１２，５１４に沿ってフィールドデータコンセントレータ５０２とデータを交換する。ライン５１２，５１４は、有線、無線、又は光学などのあらゆる公知の種類の通信リンクであることができる。ライン５１２，５１４は、フィールドプロセス装置５０８，５１０に熱電電力を運ぶこともできる。
【００２８】
データは、無線トランシーバ５１８を持つデータバス５１６に沿って交換される。無線トランシーバ５１８は、フィールド環境から離れた位置にある制御システム５２２と、無線リンク５２０を介してデータの通信を行う。
【００２９】
フィールドデータコンセントレータ５０２は、熱電出力５０４を受信する調整回路５３０及びエネルギ貯蔵回路５３２を含む。調整回路５３０は、調整された電力バス５３４に沿って、フィールドデータコンセントレータ５２０内の回路機構への給電を提供する。調整回路５３０は、電圧増倍回路を含まず、５ボルトに調整された電圧出力を提供することが可能である。エネルギ貯蔵回路５３２は、熱電出力５０４から使用可能な余剰エネルギを貯蔵する貯蔵容量５３６を含む。エネルギ貯蔵回路が、調整された電力バス５３４で不適切な電力が使用可能になっていることを感知すると、エネルギ貯蔵回路５３２は、ライン５３８に沿って補給エネルギを調整回路５３０に連結させる。
【００３０】
当業者においては、周囲温度より低く冷却されたプロセス流体の場合、周囲温度より高く加熱されることに代えて温度差分を逆転させることができ、本明細書に記載された実施形態がそのような低温のプロセス流体でも等しく有用であること理解されよう。本明細書に記載された実施形態を冷却されたプロセス流体に用いることも意図されている。
【００３１】
ヒートパイプは、冷接点フランジとヒートシンクとの間に取り付けて、熱電モジュールから周囲への熱移動の効率を高めることができる。これはひいては、熱電モジュール全体の温度勾配を高める。結果として、同じプロセス熱を用いる熱電発電機による電力発電は、従来のヒートシンクを用いることに比較して、はるかに高くなる。プロセス流体が周囲よりも低温の場合、ヒートパイプは「冷却パイプ」としても用いることができる。示された実施形態は、工業用途の他に、家庭用に、遠隔地の電力センサ及びトランスデューサに用いることができる。
【００３２】
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者は、発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更を加えてもよいことを認識するであろう。
【図１】
2010505383.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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【国際調査報告】
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