JP2004047635A - 流路管用熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】水道メータ、ガスメータ等へ自己発電により電力を供給することができる流量メータ用熱電変換発電装置を提供する。
【解決手段】気体または液体が流れる流路管２の外周面部位に複数の熱電変換素子４を配し、各熱電変換素子の一端側を低温部または高温部として流路管２の外壁面に伝熱可能に接触させる。一方、各熱電変換素子４の他端側を高温部または低温部として流路管２の周辺の環境温度を感温できる配置とする。各熱電変換素子４を電気的に接続して回路６を構成することにより、流路管２内を流れる気体または液体の温度と流路管の周辺の環境温度との温度差に基づいて、各熱電変換素子４に生じる熱起電子を統合して、回路に電力を取り出す。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体または液体の流量計測の分野、例えばガス、水道設備等のメータ類の計測情報を電子的な手段によって表示、通信することにより、いわゆる自動検針システムを推進するための技術に係り、特に電子回路等の駆動に必要とされる小電力をガスや上・下水等の流体を熱源として確保するための流路管用熱電変換モジュール、それを適用した電源装置および流量測定システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスメータや水道メータ等について、検針装置に電子的送信手段を付加し、所定の管理センタ等に測定情報を送信して、自動的にガス、水道水等の使用量を知ることができるようになっている（例えば特開平１０−９６６５５号公報）。この場合、従来では、駆動電源を電池もしくは外部電源によってきた。しかしながら、電池式であると電池の寿命による電池交換の必要性が生じる。電池の寿命は地中温度や使用ガス、水量により左右されるほか、電池が消耗されれば使用量が伝送されないなど問題が生じる。
【０００３】
また、１００Ｖの商用電源を使用する場合には、商用電源が水道およびガスメータ近傍まで配されている必要があり、水道、ガスメータ等については、地理的な問題からこれら商用電源の使用が困難な場合も多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来では電子式検針システム等についての電源を電池あるいは適用電源に依存しているが、電池消耗、商用電源使用不能等の問題があり、このような電源を必要としない自己発電式の水道、ガスメータが要望される。
【０００５】
発明者の検討によると、ガスおよび水道メータ等に関しては、流路管として金属管が採用されていることから、ガスあるいは液体の温度が流路管に伝達され、その周辺の環境温度と温度差を生じている。そこで、この温度差をもとに熱電変換素子による温度勾配を利用して、起電力を発生させることにより、その発生電力をガスおよび水道メータに供給すれば、電池や商用電源等の既存の電源を不要とすることが可能と考えられる。
【０００６】
本発明はこのような着眼に基づいてなされたもので、水道メータ、ガスメータ等へ自己発電により電力を供給することができる流量メータ用熱電変換モジュール、このモジュールを用いた発電装置および流量計測システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に係る発明では、気体または液体が流れる流路管の外周面部位に複数の熱電変換素子を配し、前記各熱電変換素子の一端側を低温部または高温部として前記流路管の外壁面に伝熱可能に接触させる一方、前記各熱電変換素子の他端側を高温部または低温部として前記流路管の周辺の環境温度を感温できる配置とし、前記各熱電変換素子を電気的に接続して回路を構成することにより、前記流路管内を流れる気体または液体の温度と前記流路管の周辺の環境温度との温度差に基づいて、前記各熱電変換素子に生じる熱起電子を統合して、前記回路に電力を取り出すことを特徴とする流路管用熱電変換モジュールを提供する。
【０００８】
請求項２に係る発明では、前記熱電変換素子は、前記流路管の外表面に配置される複数の棒状のＰ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子であり、これら熱電変換素子の一端側を前記流路管に伝熱性絶縁体を介して密接させたことを特徴とする請求項１記載の流路管用熱電変換モジュールを提供する。
【０００９】
請求項３に係る発明では、前起熱電変換素子を電気的に接続する導体は、前記熱電変換素子にメッキ、蒸着等により形成した金属の薄膜を含むことを特徴とする請求項１記載の流路管用熱電変換モジュールを提供する。
【００１０】
請求項４に係る発明では、前記熱電変換素子を電気的に接続する薄膜は、金、銅、ニッケルもしくはアルミニウム、もしくはこれらの少なくともいずれかを含む金属からなることを特徴とする請求項３記載の流路管用熱電変換モジュールを提供する。
【００１１】
請求項５に係る発明では、前記Ｐ型熱電変換素子は、Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｂ系合金であり、Ｎ型熱電変換素子は、Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｅ系合金であることを特徴とする請求項２記載の流路管用熱電変換モジュールを提供する。
【００１２】
請求項６に係る発明では、前記熱電変換素子は、流路管に対向する配置、または流路管を囲む配置で密着する２以上の熱電変換ユニットとして構成されていることを特徴とする請求項１記載の流路管用熱電変換モジュールを提供する。
【００１３】
請求項７に係る発明では、請求項１から６までのいずれかに記載の流路管用熱電変換モジュールの回路に、熱起電力の平準化または電気の蓄積を行うコンデンサもしくは蓄電池もしくはこれらの両方を備えたことを特徴とする電源装置を提供する。
【００１４】
請求項８に係る発明では、請求項１から６までのいずれかに記載の流路管用熱電変換モジュールまたは請求項７記載の電源装置を単体で、もしくは複数の組み合わせとして発電をし、この発電した電流の供給によって前記流路管内を流れる気体または液体の流量を測定するための流量測定装置の測定作用、測定値表示作用または通信作用を行うことを特徴とする流量測定システムを提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
第１実施形態（図１，図２，図５）
図１は、本実施形態による流路管用熱電変換モジュールおよびこれを用いた発電装置の全体構成を概略的に示す斜視図である。図２（Ａ）は、図１に示した装置の熱電変換モジュールを詳細に示す側断面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、図２（Ｃ）は前記モジュールの熱電変換素子の配列を示す説明図である。
【００１７】
これらの図に示すように、熱電変換モジュール１は、ガス管、水道管等を構成する流路管としての金属管２の両側部に、一対の熱電変換ユニット３（３ａ，３ｂ）を配設することによって構成されている。
【００１８】
各熱電変換ユニット３は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、金属管２の外周面部位に複数の熱電変換素子４を例えば格子状に配列し、各熱電変換素子４の一端側を低温部または高温部として金属管２の外壁面に伝熱可能に接触させる一方、各熱電変換素子４の他端側を高温部または低温部として金属管２の周辺の環境温度を感温できる配置としたものである。そして、図２（Ｃ）に示すように、各熱電素子４を導体５により例えば千鳥状に接続して回路６を構成することにより、金属管２内を流れるガスまたは上・下水等の流体の温度と金属管２の周辺の環境温度との温度差に基づいて各熱電変換素子４に生じる熱起電力を統合し、回路６に電力を取り出すようになっている。
【００１９】
詳述すると、熱電変換素子４は、金属管２の外表面に垂直に配置される複数の棒状のＰ型熱電変換素子４ａおよびＮ型熱電変換素子４ｂであり、これらが交互に導体５によって接合されて回路６が構成される。そして、各熱電変換素子４ａ，４ｂが伝熱樹脂７ｂに埋設して金属管２の外周部に固定されている。なお、Ｐ型熱電変換素子４ａは、例えばＢｉ−Ｔｅ−Ｓｂ系合金とされ、Ｎ型熱電変換素子４ｂは、例えばＢｉ−Ｔｅ−Ｓｅ系合金とされている。
【００２０】
また、熱電変換素子４を電気的に接続する導体５は、熱電変換素子４にメッキ、蒸着等により形成した金属の薄膜により構成される。これらの薄膜は、金、銅、ニッケルもしくはアルミニウム、もしくはこれらの少なくともいずれかを含む金属からなっている。
【００２１】
熱電変換素子４の低温部または高温部となる一端側は、金属管２の外周面に合致するように円弧面状に加工されており、この熱電変換素子４の一端側が絶縁樹脂伝熱性絶縁体、例えば熱伝導性が良好な伝熱樹脂７ａを介して金属管２に絶縁状態を保持した状態で密着されている。伝熱樹脂７ａとしては、例えばエポキシ、ベークライト、アクリル系の樹脂が適用されている。
【００２２】
なお、本実施形態では一対の熱電変換ユニット３ａ，３ｂが金属管２の外周側に対向配置されているので、例えばユニット間接続導体としての接続線８によって両熱電変換ユニット３ａ，３ｂが接続された回路構成としてある。
【００２３】
また、図１に示したように、以上の構成を有する熱電変換素子モジュール１から出力線９が外部に導かれ、この出力線９にコンデンサおよび蓄電池からなる電流平準化・蓄電装置１０が接続され、これにより電源装置１１が構成されている。
【００２４】
そして、以上の構成からなる電源装置１１が出力線９を介してガスメータ、水道メータ等の流量測定装置１２に接続されている。この流量測定装置１２は、例えば電磁的流量表示部１３および電子的データ送信手段１４を有し、検出流量データ等を所定の管理センタ１５に送信できるようになっている。これにより、自動的に流量を管理センタ１５によって管理できる流量測定システム１６が構成されている。
【００２５】
次に作用を説明する。
【００２６】
図１および図２（Ａ）に矢印Ｆで示すように、金属管２内をガス、水道水等の流体が流通すると、例えば温暖な季節においては金属管２内を流通する流体によって金属管２の表面が大気、地中等の環境温度よりも低温となる（冬季等においては、例えば逆となる場合もある）。そこで、本実施形態においては、各熱電変換素子４の金属管２に接する一端側が例えば低温部、環境側に向く他端側が高温部となり、熱起電力が発生する。この場合、全ての熱電変換素子４の一端側は比較的薄い層からなる伝熱樹脂７ａを介して金属管２の円弧状表面に密接した状態となっているので、熱電変換素子４の低温部は金属管２内を流れるガス、水道水等の温度に接近する温度まで低温化され、極めて高感度の熱電変換が行われて効率よく電流が発生する。
【００２７】
この発生した電流は、電流平準化・蓄電装置１０により平準化されるとともに蓄電されるので、流量測定装置１２の電源として十分な電力を供給することができる。
【００２８】
図５は、本実施形態の熱電変換モジュール１による起電力を、後述する第２実施形態等と比較して示す特性図であり、縦軸に起電力を表し、横軸に金属管２の表面とモジュール外部の環境との温度差を表している。本実施形態の場合には、図５に特性線ａとして示すように、温度差１０〜３０℃の範囲において、後述する第２実施形態等と比較して極めて大きい熱起電力が得られることが確認された。
【００２９】
第２実施形態（図３，図４，図５）
本実施形態は平坦な構成の熱電変換ユニット３を対向配置として金属管２の両側部に配置した構成の熱電変換モジュール１についてのものである。図３は、この熱電変換モジュール１を示す斜視図である。図４（Ａ）は、図３に示した熱電変換モジュール１を詳細に示す側断面図であり、図４（Ｂ）は、同図（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【００３０】
図３および図４に示すように、本実施形態では各熱電変換素子４が金属板等からなる支持板１７の間に挟着されており、伝熱樹脂７を介して金属管２に接合されている。
【００３１】
このような構成によっても、第１実施形態と同様に、流体温度と環境温度との温度差に基づいて熱起電力を発生することが可能であるが、図５に特性線ｂとして示したように、各熱電変換素子４の一部のみが金属管２に近接しているため、第１実施形態の特性ａよりも効率的には低いことが認められる。
【００３２】
なお、図５には、第２実施形態で示した伝熱樹脂７ａを用いることなく、平坦な構成の熱電変換素子４を単に金属管２の両側に配置して構成した比較例としての熱電変換モジュール（図３および図４（Ｂ）から伝熱樹脂７ａを外した構成のもの）についても起電力を特性線ｃとして示している。この場合には、熱電変換モジュールと金属板２との伝熱が極端に少ないため起電力は小であった。
【００３３】
したがって、本発明の実施形態、特に第１実施形態の構成の場合には、特性線ａ，ｃの比較で明らかなように、ａはｃに対して１０倍以上の起電力を示し、流量測定装置１２に電子的通信等を行う場合の必要電力供給用電源として、良好な発電特性を示すことができる。
【００３４】
第３実施形態（図６〜図８）
図６は本発明の第３実施形態の一構成例を示したものであり、熱電変換モジュール１および電源装置１２を示す構成図である。この図６に示すように、本実施形態の第１構成例では、熱電変換ユニット３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）を金属管２の上下左右方向の全てに配する４体とし、金属管２の周囲全体を被覆するような配置構成としている。構成は第１実施形態と略同様であり、また電流平準化・蓄電装置１０を備えている。
【００３５】
一方、図７は第２構成例を示したものであり、図６の構成から電流平準化・蓄電装置１０を除去したものである。
【００３６】
図８は、本実施形態における上記２つの熱電変換ユニットの時間に対する発生電圧の変化を示したものであり、特性線ｄは第１構成例を示し、特性線ｅは第２構成例を示している。この図８に示したように、第１構成例のものは、電磁平準化・蓄電装置１０を備えているため第１構成例のものは、起電力を平準化することができ、第２構成例に比して、より安定な起電力を得ることが可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明に係る熱電変換モジュールによれば、水やガスなどの流路管中を流れる流体を利用して熱起電力を得ることができる。したがって、この熱電変換モジュールを用いた発電装置として実施することにより、電子制御型のガスメータあるいは水道メータ等において必要とされる電力を、外部電源による必要なく自発発電に基づいて十分に得ることができる。また、測定情報の自動送信による流量測定システムとして安価、かつ確実な電源を確保することにより、技術的、経済的に多大な効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による熱電変換モジュールおよび発電装置を示す斜視図。
【図２】（Ａ）は図１に示した熱電変換モジュールの側断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、（Ｃ）はモジュール接続構成を示す説明図。
【図３】本発明の第２実施形態を示す熱電変換素子および発電装置を示す斜視図。
【図４】（Ａ）は図３に示した熱電変換モジュールの側断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。
【図５】第１実施形態および第２実施形態の熱電変換モジュールの起電力を比較して示す特性図。
【図６】本発明の第３実施形態を示す斜視図。
【図７】本発明の第４実施形態を示す斜視図。
【図８】第３および第４実施形態による起電力を比較して示す特性図。
【符号の説明】
１…熱電変換素子モジュール、２…金属管（流路管）、３，３ａ，３ｂ…熱電変換ユニット、４…熱電変換素子、５…導体、６…回路、７ａ…伝熱樹脂（伝熱性絶縁体）、７ｂ…絶縁樹脂、８…接続線、９…出力線、１０…電流平準化・蓄電装置、１１…電源装置、１２…流量制御装置、１３…電磁的流量表示部、１４…電子的データ送信手段、１５…管理センタ、１６…流量測定システム。

Claims (8)

1. 気体または液体が流れる流路管の外周面部位に複数の熱電変換素子を配し、前記各熱電変換素子の一端側を低温部または高温部として前記流路管の外壁面に伝熱可能に接触させる一方、前記各熱電変換素子の他端側を高温部または低温部として前記流路管の周辺の環境温度を感温できる配置とし、前記各熱電変換素子を電気的に接続して回路を構成することにより、前記流路管内を流れる気体または液体の温度と前記流路管の周辺の環境温度との温度差に基づいて、前記各熱電変換素子に生じる熱起電力を統合して、前記回路に電力を取り出すことを特徴とする流路管用熱電変換モジュール。
2. 前記熱電変換素子は、前記流路管の外表面に配置される複数の棒状のＰ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子であり、これら熱電変換素子の一端側を前記流路管に伝熱性絶縁体を介して密接させたことを特徴とする請求項１記載の流路管用熱電変換モジュール。
3. 前起熱電変換素子を電気的に接続する導体は、前記熱電変換素子にメッキ、蒸着等により形成した金属の薄膜を含むことを特徴とする請求項１記載の流路管用熱電変換モジュール。
4. 前記熱電変換素子を電気的に接続する薄膜は、金、銅、ニッケルもしくはアルミニウム、もしくはこれらの少なくともいずれかを含む金属からなることを特徴とする請求項３記載の流路管用熱電変換モジュール。
5. 前記Ｐ型熱電変換素子は、Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｂ系合金であり、Ｎ型熱電変換素子は、Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｅ系合金であることを特徴とする請求項２記載の流路管用熱電変換モジュール。
6. 前記熱電変換素子は、流路管に対向する配置、または流路管を囲む配置で密着する２以上の熱電変換ユニットとして構成されていることを特徴とする請求項１記載の流路管用熱電変換モジュール。
7. 請求項１から６までのいずれかに記載の流路管用熱電変換モジュールの回路に、熱起電力の平準化または電気の蓄積を行うコンデンサもしくは蓄電池もしくはこれらの両方を備えたことを特徴とする電源装置。
8. 請求項１から６までのいずれかに記載の流路管用熱電変換モジュールまたは請求項７記載の電源装置を単体で、もしくは複数の組み合わせとして発電をし、この発電した電流の供給によって前記流路管内を流れる気体または液体の流量を測定するための流量測定装置の測定作用、測定値表示作用または通信作用を行うことを特徴とする流量測定システム。

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