(57)【要約】【課題】外部からの給電によって動作する装置が、非常事態において外部からの給電が断たれた場合に、全自動で連続した給電を長時間に渡って可能にする給電装置および給電方法を提供する。【解決手段】一実施形態の給電装置は、第一電源部と、第二電源部と、注水手段と、制御手段とを持つ。第一電源部は複数の系統の二次電池を持つ。第二電源部は、注水で発電する一次電池を持つ。注水手段は、前記第二電源部に注水を行う。制御手段は、外部電源からの給電が第一の閾値電圧以下になると前記外部電源から前記第一電源部の任意の系統の二次電池に切替えて外部の対象装置に給電し、前記第一電源部からの給電電圧が第二の閾値電圧以下になると前記第一電源部内の他の系統の二次電池に切替えて前記対象装置に給電するとともに前記注水手段に前記第二電源部へ注水させ、前記第二電源部内の前記一次電池から給電して前記第一電源部内の切替前の系統の二次電池を充電させる。【選択図】図１
2013236502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の系統の二次電池を含む第一電源部と、
注水で発電する一次電池を含む第二電源部と、
前記第二電源部に注水を行う注水手段と、
外部電源からの給電が第一の閾値電圧以下になると前記外部電源から前記第一電源部の任意の系統の二次電池に切替えて外部の対象装置に給電し、前記第一電源部からの給電電圧が第二の閾値電圧以下になると前記第一電源部内の他の系統の二次電池に切替えて前記対象装置に給電するとともに前記注水手段に前記第二電源部へ注水させ、前記第二電源部内の前記一次電池から給電して前記第一電源部内の切替前の系統の二次電池を充電させる制御手段と、
を備える給電装置。
【請求項２】
前記注水手段は、
水を充填した水容器と、
歯付レールを含み、溶着部を下向きにした複数の前記水容器をレール長手方向に設置する水容器ホルダと、
前記歯付レールをスライドさせる歯車付モータと、
前記水容器の溶着部を折るためのガイド部と、
を含み、
前記制御部は、前記第一電源部の一つの系統の充電に対して１つの前記水容器の水を注水するように前記注水手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の給電装置。
【請求項３】
前記水容器は、
前記第一電源部の一つの系統の二次電池の電荷量を満たす給電量となる水量が充填されていることを特徴とする請求項１または２に記載の給電装置。
【請求項４】
複数の系統の二次電池を含む第一電源部と、
注水で発電する一次電池を含む第二電源部と、
前記第二電源部に注水を行う注水手段と、
を備える給電装置を用いて外部の対象装置に給電する方法であって、
外部電源からの給電が第一の閾値電圧以下になると前記外部電源から前記第一電源部の任意の系統の二次電池に切替えて前記対象装置に給電し、前記第一電源部からの給電電圧が第二の閾値電圧以下になると前記第一電源部内の他の系統の二次電池に切替えて前記対象装置に給電するとともに前記注水手段に前記第二電源部へ注水させることにより、前記第二電源部内の前記一次電池から給電して前記第一電源部内の切替前の系統の二次電池を充電させる、
給電方法。
【請求項５】
前記注水手段は、
水を充填した水容器と、
歯付レールを含み、溶着部を下向きにした複数の前記水容器をレール長手方向に設置する水容器設置ホルダと、
前記歯付レールをスライドさせる歯車付モータと、
前記水容器の溶着部を折るためのガイド部と、
を含み、
前記注水手段は、第一電源部の一つの系統の充電に対して１つの前記水容器の水を注水するように制御されることを特徴とする請求項４記載の給電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、給電装置および給電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
外部からの給電によって動作することを前提として設計された装置は、停電等が発生すると動作できなくなるおそれがある。例えば放射線モニタリング装置では、停電の発生によりモニタリングそのものが不可能になるおそれがある。これを解決するためには、特許文献１のように電池を併用することが有効であるが、取り出せる電荷量が有限であるため、装置を長時間駆動させることは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１１５０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、外部からの給電によって動作する装置が、非常事態において外部からの給電が断たれた場合に、全自動で連続した給電を長時間に渡って可能にする給電装置および給電方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態の給電装置は、第一電源部と、第二電源部と、注水手段と、制御手段とを持つ。第一電源部は、複数の系統の二次電池を持つ。第二電源部は、注水で発電する一次電池を持つ。
【０００６】
注水手段は、前記第二電源部に注水を行う。制御手段は、外部電源からの給電が第一の閾値電圧以下になると前記外部電源から前記第一電源部の任意の系統の二次電池に切替えて外部の対象装置に給電し、前記第一電源部からの給電電圧が第二の閾値電圧以下になると前記第一電源部内の他の系統の二次電池に切替えて前記対象装置に給電するとともに前記注水手段に前記第二電源部へ注水させ、前記第二電源部内の前記一次電池から給電して前記第一電源部内の切替前の系統の二次電池を充電させる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態による給電装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】一実施形態による給電方法の概略手順を示すフローチャート。
【図３】図１に示す給電装置が備える第二電源部の概略構成を示すブロック図。
【図４】図１に示す給電装置が備える注水部の具体的構成とその注水方法の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、一実施形態による給電装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示す給電装置は、外部電源１に接続されるＡＣ−ＤＣ電源部２と、給電切替制御部３と、第一電源部４と、第一電源切替制御部５と、注水部７と、第二電源部８と、ＤＣ−ＤＣ電源部９と、充放電制御部１０と、ＤＣ−ＤＣ電源部１１と、マイコン部１２とを備える。
【０００９】
ＡＣ−ＤＣ電源部２は、外部電源１の交流の電力を直流の電力に変換して充放電制御部１０および給電切替制御部３へ供給する。  
給電切替制御部３は、ＡＣ−ＤＣ電源部２を介して外部電源の電圧を監視し、通常時にはＡＣ−ＤＣ電源部２に介して送られる外部電源からの電力を対象装置に供給し、非常時には本実施形態の給電装置が備える内蔵電源に外部電源から切り替えて対象装置に給電する。
【００１０】
第一電源部４は、充電および放電の双方が可能なｋ（ｋは２以上の自然数）個の二次電池４１，４２，…４ｋを含む。二次電池としては、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル・水素電池等を使用することができる。本実施形態において、二次電池４１，４２，…４ｋは、充電の際には６０％〜８０％程度の電荷容量で留まり、放電の際には電荷容量３０％程度で停止するよう構成される。これらの二次電池はまた、４０℃以下、望ましくは２５℃程度の周囲温度が維持されるように制御され、これにより電池の劣化が抑制される。電荷容量は、二次電池の出力電圧と相関があるので二次電池の出力電圧を±０．０１Ｖの精度で監視すれば二次電池の電荷容量がわかる。
【００１１】
第一電源切替制御部５は、充電、放電する二次電池の系統を切り替える。  
第二電源部８は、注水によって充電する一次電池を含む。本実施形態では、一次電池として空気マグシウム電池を用いる。空気マグシウム電池は、酸化防止と通常時に発電しないように窒素充填した密閉容器内に乾燥剤を含めて格納保管しておくことで安全性を維持した長期保存が可能であるという利点を有する。
【００１２】
注水部７は、このような一次電池を発電するための水を収容する水容器を格納し、水容器から必要量の水を第二電源部８の一次電池に注水する。  
ＤＣ−ＤＣ電源部９は第二電源部８の出力電圧を所定の電圧にする。充放電制御部１０は第一電源部４の充放電を制御する。マイコン部１２は、給電切替制御部３と第一電源切替制御部５と注水部７と充放電制御部１０とを統括して制御する。本実施形態において、給電切替制御部３、第一電源切替制御部５、充放電制御部１０およびマイコン部１２は、例えば制御手段に対応する。
【００１３】
図１に示す給電装置の動作について、一実施形態による給電方法として図２のフローチャートを参照しながら説明する。
【００１４】
まず、マイコン部１２が給電切替制御部３を介して外部電源１の電圧をモニタする。外部電源１の電圧が所定の閾値Ｖｔｈ１を超えるときは（ステップＳ１、Ｎｏ）、マイコン部１２は、通常時と判断してＡＣ−ＤＣ電源２を介して外部電源１から対象装置（図示せず）に直流の電力を給電する。このとき、マイコン部１２は、充放電制御部１０と第一電源切替制御部５を制御して外部電源１の電力を二次電池４１，４２…４ｋにも供給させ、これらの二次電池を充電しておく。
【００１５】
この一方、何らかの障害によって外部電源１が断たれ、外部電源１からの給電電圧が所定の閾値Ｖｔｈ１以下に低下した場合（ステップＳ１、Ｙｅｓ）、マイコン部１２は、給電切替制御部３を介して外部電源１からの給電電圧低下を検知し、給電切替信号Ｓ１を生成して給電切替制御部３、第一電源切替制御部５、および充放電制御部１０に送る。第一電源切替制御部５は、マイコン部１２から給電切替信号Ｓ１を受けて二次電池４１，４２…４ｋへの充電動作を停止し、第一電源部４からの放電動作に切り替える（ステップＳ２）。放電を開始する最初の二次電池としては任意の系統のものを使用することができ、予め特定の系統のものに決めておいてもよい。本実施形態では放電を開始する最初の二次電池の系統として二次電池４１を選択するものとする。
【００１６】
充放電制御部１０は、マイコン部１２から給電切替信号Ｓ１を受け、第一電源部４を充電動作から放電動作へ切り替える。給電切替制御部３は、マイコン部１２から給電切替信号Ｓ１を受け給電元を外部電源１から、ＤＣ−ＤＣ電源部１１からの直流電力に切り替える。これにより、二次電池４１から第一電源切替制御部５、充放電制御部１０、ＤＣ−ＤＣ電源部１１および給電切替制御部３を介して、対象装置に直流の電力が給電される。
【００１７】
第一電源切替制御部５は第一電源部４からの出力電圧をモニタする。二次電池４１の出力電圧が所定の電圧Ｖｔｈ２以下となった場合（ステップＳ３）、二次電池４１から他の二次電池、例えば二次電池４２に切替えて給電を継続する（ステップＳ４）。このとき、第一電源切替制御部５は、給電系統の切換を知らせる信号Ｓ２を生成して注水部７へ送る。
【００１８】
第一電源部４内で給電系統の切換が発生すると、注水部７は、第一電源切替制御部５から給電系統の切換を知らせる信号Ｓ２を受け、第二電源部８の一次電池を収容する密閉容器１３（図３参照）を開放した後（ステップＳ５）、切替前の系統の二次電池４１を充電するための水を水容器から第二電源部８に注水する（ステップＳ６）。第二電源部８は、注水によって発電を開始し、ＤＣ−ＤＣ電源部９で充電に必要な電圧に変圧され、充放電制御部１０と第一電源切替制御部５を通して介して第１電源部４の二次電池４１へ給電し、これにより二次電池４１が充電される（ステップＳ７）。
【００１９】
上述したステップＳ３からＳ７までの一連の動作は、外部電源１が回復してその電圧が所定の閾値Ｖｔｈ１を超えるまで継続される。（ステップＳ８、Ｎｏ）。外部装置１へ給電する二次電池の系統の切替順序としては４１→４２→…→４k→４１とサイクリックな順序を選択してもよいし、各系統の消耗度合いに応じて適宜変更してもよい。また、２系統の二次電池のみを使用する場合（ｋ＝２）は、二次電池４１と二次電池４２の間で交互に放電→充電を繰り返せばよい。
【００２０】
外部電源１の回復によりその電圧が所定の閾値Ｖｔｈ１を超えた場合は（ステップＳ８、Ｙｅｓ）、対象装置への給電元を第一電源部４から外部電源１へ切り替え（ステップＳ９）、ステップ１の手順へ戻る。
【００２１】
第二電源部８のより具体的な構成について図３を参照しながら説明する。図３は、図１に示す給電装置が備える第二電源部の概略構成を示すブロック図である。図３に示す第二電源部８は、一次電池としての空気マグネシウム電池２８と、この空気マグネシウム電池２８を収容する密閉容器１３と、密閉容器１３の上部と下部にそれぞれ設けられた直流型電磁弁１４ａ，１４ｂと、電磁弁制御部１５とを含む。
【００２２】
本実施形態における密閉容器１３への窒素充填方法は以下の通りである。
【００２３】
すなわち、電磁弁制御部１５の制御によって直流型電磁弁１４ａ，１４ｂを開放し、一方の直流型電磁弁、例えば１４ｂから窒素ガスを流入させ、密閉容器１３を十分に充填したら直流型電磁弁１４ｂを閉じる。
【００２４】
運用時は、窒素ガスを空気に置き換える必要がある。例えば第一電源部４内で給電系統の切換が発生すると、電磁弁制御部１５は注水部７から制御信号Ｓ４を受けて両方の直流型電磁弁１４ａ，１４ｂを開放する。これにより、自然循環によって一次電池の外周囲に空気を存在させることができる。電磁弁制御部１５および直流型電磁弁１４ａ，１４ｂへの給電は、第一電源部４内で切替えられた系統、例えば二次電池４１から二次電池４２に切り替えられた場合は、第一電源４２より給電する。
【００２５】
第二電源部８による発電は無害で安全な水を注入することによって開始されるが、その一次電池を効率良く運用するには、第一電源部４に充電する時間のみ発電させることが望ましい。  
そこで、本実施形態では、水容器としてカートリッジ形態のものを採用し、第一電源部４内の一つの系統の二次電池を充電するために必要なだけの量の水をそれぞれ充填しておき、第一電源部４を充電するときに該カートリッジ容器内の水を一次電池に注水する。
【００２６】
カートリッジ容器は、その内表面に酸化チタン膜を形成し、照明光に晒されるようにしておくと、殺菌効果により水の腐食を抑制することができる。照明光に晒せない場合は、紫外ライトを定期的に照射することで、同様の殺菌効果が得られる。また、水に防腐剤を混合させても同様の効果を得ることができる。さらに、設置環境に応じて凍結の恐れがある場合は、水に不凍液を混合させると凍結を抑制することができる。
【００２７】
空気マグネシウム電池は、板状のセル構造で構成できるので、複数のセルをブロック毎に分けて順次発電させることで、より効率的に使用できる。
【００２８】
注水部７の具体的構成とその注水方法の一例を図４に示す。図４に示す注水部７は、ガイド部１６と、カートリッジ水容器１７と、水容器ホルダ１８と、モータ制御部２１と、歯車付モータ１９と、歯付スライドレール２０とを含む。
【００２９】
ガイド部１６は第二電源部８に固着される。カートリッジ水容器１７は、例えばガラス母材のアンプルで構成される。カートリッジ水容器１７の先端には、横方向への押圧で折ることができる溶着部２２が装着されている。水容器ホルダ１８は、溶着部２２が（紙面下方向の）第二電源部８側に向くようにカートリッジ水容器１７をレール長手方向に等間隔で保持する。歯付スライドレール２０は、水容器ホルダ１８に固着される。図４に示す注水部７による注水方法は次の通りである。
【００３０】
すなわち、第一電源切替制御部５によって第一電源が（例えば第一電源４１から第一電源４２へ）切り替えられると、マイコン部１２が注水指令信号Ｓ３を生成して注水部７のモータ制御部２１に与える。モータ制御部２１はマイコン部１２から注水指令信号Ｓ３を受けると、歯車付モータ１９を駆動し、カートリッジ水容器１７を格納した水容器ホルダ１８を歯付スライドレール２０によって所定距離だけ右方向に移動する。これにより、カートリッジ水容器１７の溶着部２２がガイド部１６に接触して折れ、折れた部分はガイド部１６の左側に落下し、第二電源部８にはカートリッジ水容器１７の水が注水される。
【００３１】
このような注水動作は第一電源部４の給電系統を切替えた後に行われるため、歯車付モータ部１９およびモータ制御部２１の動作に必要となる電源は第一電源部４の切替えられた新たな系統、例えば二次電池４１から二次電池４２に切り替えられた場合の二次電池４２から給電される。
【００３２】
一次電池は水を無制限に注水すると発電不能となるまで給電が継続されるため、第一電源部４に充電しないときは、発電を停止させた方が無駄なく一次電池を使用できる。このため、カートリッジ水容器１７は第一電源部４の一つの系統の電荷量を３０％程度から８０％程度まで充電できる水量となるように調節して充填する。
【００３３】
二次電池４１の充電が終了すると、電磁弁制御部１５の制御によって直流型電磁弁１４ａ，１４ｂを開放し、一方の直流型電磁弁、例えば１４ｂから窒素ガスを流入させ、密閉容器１３を十分に充填したら直流型電磁弁１４ｂを閉じることにより、再び密閉状態にする。
【００３４】
以上述べた一実施形態の給電装置によれば、外部電源１からの給電が断たれた場合に、第一電源部４からの給電に切り替える給電切替制御部３および充放電制御部１０と、第一電源部４内で一つの系統の二次電池から給電される電圧が閾値電圧Ｖｔｈ２以下になると第一電源部４内の他の系統の二次電池に切替えて給電する第一電源切替制御部５と、注水部７により第二電源部８へ注水させることにより切替前の系統の二次電池へ第二電源部８内の空気マグネシウム電池２８から電力を充電させるマイコン部１２とを持つことにより、全自動で連続した給電を長時間に渡って維持することができる。
【００３５】
また、以上述べた一実施形態の給電方法によれば、外部電源１からの給電が断たれた場合に、第一電源部４からの給電に切り替え、第一電源部４内で一つの系統の二次電池から給電される電圧が閾値電圧Ｖｔｈ２以下になると第一電源部４内の他の系統の二次電池に切替えて給電するとともに、注水部７により第二電源部８へ注水させることにより切替前の系統の二次電池へ第二電源部８内の空気マグネシウム電池２８から電力を充電させることにより、対象装置への給電が継続された状態を長時間に渡って維持することができる。
【００３６】
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。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００３７】
１：外部電源、２：ＡＣ−ＤＣ電源部、３：給電切替制御部、４：第一電源部、５：第一電源切替制御部、７：注水部、８：第二電源部、９：ＤＣ−ＤＣ電源部、１０：充放電制御部、１１：ＤＣ−ＤＣ電源部、１２：マイコン部、１６：ガイド部、１７：カートリッジ水容器、１８：水容器ホルダ、１９：歯車付モータ部、２０：歯付スライドレール、２２：溶着部、２８：空気マグネシウム電池、４１，４２，…，４ｋ：二次電池、Ｖｔｈ１，Ｖｔｈ２：閾値電圧。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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