JP2009511796A - プロセス装置のための改良された発電 - Google Patents

Abstract

プロセス装置（３４、３６０、５００、６００）は、制御装置（３６、３６２）及びワイヤレス通信モジュール（３２、３６６、５０６）を含む。ワイヤレス通信モジュール（３２、３６６、５０６）は制御装置（３６、３６２）に結合されている。プロセス装置（３２、３６６、５０６）のための電気を発生させるために発電モジュール（３８、３６５、５０８、６０２、６０４、６２０）が提供される。発電モジュール（３８、３６５、５０８、６０２、６０４、６２０）は、プロセス装置（３２、３６６、５０６）内に配置することもできるし、プロセス装置（３２、３６６、５０６）に結合された別個のユニットであることもできる。

Description

発明の背景
本発明は、工業プロセス制御・モニタリングシステムに関する。より具体的には、本発明は、そのようなフィールド装置のための発電に関する。

工業的環境では、工業的及び化学的プロセスの項目表などをモニタリングし、制御するために制御システムが使用される。通常、制御システムは、工業プロセス中の主要な場所に配置され、プロセス制御ループによって制御室中の制御回路に結合されたフィールド装置を使用してそのような機能を実行する。「フィールド装置」とは、工業プロセスの計測、制御及びモニタリングで使用されるすべての装置を含む、分散制御又はプロセスモニタリングシステムにおける機能を実行する任意の装置をいう。

本明細書ではプロセス装置とも呼ぶフィールド装置は、多様な目的のプロセス制御・計測工業によって使用されている。通常、そのような装置は、比較的厳しい環境の中、屋外に設置することができ、気候的極限の温度、湿度、振動、機械的衝撃など耐えることができるよう、フィールド強化エンクロージャを有する。これらの装置はまた、通常、比較的低い電力で作動することができる。たとえば、作動電力のすべてを公知の４−２０mAループから受けるフィールド装置が現在利用可能である。これらの装置は、ループを介して作動することができるだけでなく、ループを介してアナログ信号で通信することもできるし（実際には４−２０mA信号を変調させる）、デジタル式に通信することもできる。

一部のフィールド装置はトランスデューサを含む。トランスデューサとは、物理的入力に基づいて出力信号を生成する、又は、入力信号に基づいて物理的出力を生成する装置をいうものと理解される。通常、トランスデューサは、入力を、異なる形態を有する出力に変形する。トランスデューサのタイプとしては、種々の分析機器、圧力センサ、サーミスタ、サーモカップル、ひずみゲージ、流量トランスミッタ、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、インジケータランプなどがある。

通常、各フィールド装置はまた、プロセス制御ループを介してプロセス制御室又は他の回路と通信するために使用される通信回路を含む。一部の装置では、プロセス制御ループはまた、フィールド装置に給電するために調整された電流及び／又は電圧をフィールド装置に印加するために使用される。

旧来、アナログフィールド装置は２線式プロセス制御電流ループによって制御室に接続され、各装置が１本の２線式制御ループによって制御室に接続されていた。通常、２本のワイヤの間の電圧差は、アナログモードの場合で１２〜４５ボルトの範囲、デジタルモードの場合で９〜５０ボルトの範囲に維持される。一部のアナログフィールド装置は、電流ループ中を流れる電流を、検出されたプロセス変量に比例する電流に変調することにより、信号を制御室に送信する。他のアナログフィールド装置は、制御室の制御の下、ループを通過する電流の大きさを制御することによって動作を実行することができる。追加的又は代替的に、プロセス制御ループは、フィールド装置との通信に使用されるデジタル信号を運ぶことができる。デジタル通信は、アナログ通信よりもずっと大きな程度の通信を可能にする。デジタル式に通信するフィールド装置は、制御室及び／又は他のフィールド装置に応答し、それらと選択的に通信することができる。さらに、そのような装置は、さらなる信号、たとえば診断及び／又はアラームを提供することもできる。

一部の装置では、フィールド装置との通信のためにワイヤレス技術が使用され始めた。ワイヤレス動作はフィールド装置の配線及びセットアップを簡素化する。いかなる類の有線接続をも使用することなく太陽電池によって充電される内部バッテリを含むようにフィールド装置が製造されているワイヤレス装置が現在使用されている。ワイヤレス装置のエネルギー需要は多数の要因、たとえば装置レポート頻度、装置要素などに依存して大きく異なるため、内部バッテリを使用することには問題がある。

また、太陽光発電に頼ることができない施設で問題が生じる。たとえば、１日２４時間で週７日間、完全な日陰を経験する区域又はソーラーアイソレーション数が非常に小さい世界の地域、たとえば北極圏では、太陽光発電を使用することは問題になる。したがって、これらの施設では、太陽光発電を使用してのワイヤレスプロセス装置への給電に頼ることはできない。したがって、太陽に依存しない豊富で再生可能な電力源を使用して作動することができるワイヤレスプロセス装置に対する継続的で本質的な必要性がある。

発明の概要
プロセス装置は、制御装置、ワイヤレス通信モジュールを含む。ワイヤレス通信モジュールは制御装置に結合されている。プロセス装置のための電気を発生させるために発電モジュールが提供される。発電モジュールは、プロセス装置内に配置することもできるし、プロセス装置に結合された別個のユニットであることもできる。

好ましい実施態様の詳細な説明
本発明は、フィールド装置の近くに位置するエネルギー源を使用してフィールド装置のための発電機を提供する。さらには、これらのエネルギー源は太陽熱エネルギーに頼らない。本発明の実施態様は、有線通信用に設計されているフィールド装置がワイヤレスに作動することを可能にするためのワイヤレス電源・通信ユニットを提供することを含む。さらには、本発明の実施態様は、フィールド装置の近くに配置された非太陽熱エネルギー源を使用してフィールド装置のための電力を発生させることを含む。

本発明の実施態様は、フィールド装置が使用するための電力を発生させるために、フィールド装置の近くにある非太陽熱エネルギー源を使用する。本明細書で使用する「非太陽熱」とは、プロセス装置の物理的に近くにある分子によって発生する電力の供給源をいう。たとえば、非太陽熱エネルギーとしては、風力、フィールド装置の近くにある酸素を利用する燃料電池技術及び／又はプロセス流体そのものの中の分子をエネルギーとして利用する燃料電池技術を挙げることができる。これらの実施態様それぞれの説明を以下さらに詳細に述べる。

図１及び２は、本発明のワイヤレス電源・通信ユニットが有用である典型的なフィールド装置の略図及びブロック図である。プロセス制御・モニタリングシステム１０は、２線式プロセス制御ループ１６を介して１個以上のフィールド装置１４に結合する制御室又は制御システム１２を含む。プロセス制御ループ１６の例は、アナログ４〜２０mA通信、アナログ及びデジタル両通信を含むハイブリッドプロトコル、たとえばＨＡＲＴ（Highway Addressable Remote Transducer）（登録商標）規格ならびに全デジタルプロトコル、たとえばFOUNDATION（商標）フィールドバス規格を含む。一般に、プロセス制御ループプロトコルは、フィールド装置に給電することができ、かつフィールド装置と他の装置との間の通信を可能にする。

この例では、フィールド装置１４は、アクチュエータ／トランスデューサ２０に結合されハウジング２３中の端子盤２１を介してプロセス制御ループ１６に結合された回路１８を含む。フィールド装置１４は、プロセスに結合し、そのプロセスの温度、圧力、pH、流量又は他の物性のような状況を検出し、その指示を提供するという点でプロセス変量（ＰＶ)発生器として示されている。フィールド装置の他の例は、弁、アクチュエータ、制御装置及び表示装置を含む。

一般に、フィールド装置は、それを温度、湿度及び圧力のような環境ストレスに暴露するおそれのある「フィールド」で作動するための能力により特徴づけられる。フィールド装置は、環境ストレスに加えて、何度も、腐食性の、危険な、及び／又は爆発性でさえある雰囲気への暴露にも耐えなければならない。さらには、このような装置は、振動及び／又は電磁干渉の存在下においても作動しなければならない。図１に示す類のフィールド装置は、完全に有線の方法で作動するように設計されている従来の装置の比較的大きな設置ベースを表す。

図３は、ワイヤレスフィールド装置のブロック図である。フィールド装置３４は、発電モジュール３８、制御装置３５、ワイヤレス通信モジュール３２及びアクチュエータ／トランスデューサ２０を含む。モジュール３８は、内部電力貯蔵ユニットを含むことができ、フィールド装置３４に給電するように適合化されている。発電モジュール３８は装置３４のための電気を発生させる。この発電が起こさせる方法は多くの形態をとることができ、本明細書では、燃料電池及び風力ベースの発電機のような具体例を後で提供する。モジュール３８からの電力が制御装置３５を作動させて、アクチュエータ／トランスデューサ２０及びワイヤレス通信モジュール３２と相互通信させる。ワイヤレス通信モジュール３２は、他方、アンテナ２６を介して、符号２４によって示すように他の装置と相互通信する。図４は、仮想的に示すフィールド装置１４に取り付けられたワイヤレス電源・通信ユニット１００の正面図である。ユニット１００は、好ましくは、標準的なフィールド装置導管１０２を介して装置１４に接続される。適当な導管接続の例は、１／２−１４ＮＰＴ、Ｍ２０ｘ１．５、Ｇ１／２及び３／８−１８ＮＰＴを含む。ユニット１００は、軸１０６を中心とする回転１０４及び軸１１０を中心とする回転１０８を可能にするジョイントを含むことができる。さらには、ユニット１００の取り付け領域１１２は、好ましくは、その中の導体がユニット１００を装置１４に結合できるように、中空である。ハウジングの位置調節が望まれない実施態様では、取り付け領域１１２は単なる導管であってもよい。

ユニット１００は、取り付け領域１１２に取り付けられたハウジング１１４を含む。ハウジング１１４は、ユニット１００が装置１４に給電し、標準工業プロトコル、たとえば４−２０mA、ＨＡＲＴ（登録商標）、FOUNDATION（商標）フィールドバス、Profibus-PA、Modbus又はＣＡＮにしたがって装置１４と通信することを可能にする回路（図８に関して説明する）を含む。好ましくは、プロトコルは、ユニット１００と装置１４との間の相互通信のレベルを高めるような、デジタル通信に対応するものである。

ユニット１００は装置１４に対して外部にあるため、ユニットが取り付けられるフィールド装置の特定の所要電力に依存して異なる内部発電モジュールを有するユニット１００の変形を数多く提供することができる。ユニット１００はまた、好ましくは、アンテナ１２０に結合されているワイヤレス通信回路（図４には示さず）を含む。多くのフィールド強化エンクロージャは金属であり、ワイヤレス信号を減衰させる可能性が高いため、外部アンテナ１２０の提供は、内部アンテナの場合と比較してワイヤレス通信を容易にする。しかし、ハウジング１１４又は電池１１６の無線透過性部分の近くに内部アンテナを有する実施態様を具現化させることもできる。しかし、フィールド装置が設計されている環境に類似する環境に耐えるためにユニット１００がフィールド強化される場合には、外部アンテナの実施態様が特に有利である。

ユニット１００はまた、ローカルユーザインタフェースを含むことができる。したがって、ユニット１００は、電池１１６の一つの近くに取り付けることができる表示装置、たとえばＬＣＤ表示装置１２２を含むことができる。ローカルユーザの入力を受けるために、ユニット１００は、１個以上のローカル入力装置、たとえばボタン１２４を含むことができる。複合ユニット／フィールド装置が完全にワイヤレスで作動するとき、技術者にとっては、手持ち式コンピューティング装置などを介して装置にワイヤレスでアクセスしようとするよりもローカルユーザインタフェースと相互通信するほうがより便利であるため、ローカルユーザインタフェースは重要である。ローカルインタフェースは、ユニット、フィールド装置又は両方にアクセスするために使用することができる。本明細書に定義する「ローカルユーザインタフェース」とは、ローカルユーザの入力装置（たとえばボタン）、ローカルユーザの出力装置（たとえばＬＣＤ）又はそれら二つの組み合わせを有することをいう。図４に示すように、ＬＣＤは、電池１１６と同じ場所に配置することができる。

図５は、本発明の実施態様のワイヤレス電源・通信ユニットのブロック図である。ユニット３６０は、制御装置３６２、電力貯蔵装置３６４（バッテリとして図示する）、エネルギー変換器３６５、ループコミュニケータ３６８及びワイヤレス通信インタフェースモジュール３６６を含む。

制御装置３６２は、好ましくは、低電力マイクロプロセッサならびに適量のエネルギーを電池１１６及び／又は貯蔵装置３６４から電源ユニット３６０及び取り付け領域１１２に結合されたフィールド装置に運ぶのに適切な充電回路を含む。さらには、制御装置３６２はまた、余剰エネルギーを電池１１６及び／又は変換器３６５から貯蔵装置３６４に送る。制御装置３６２はまた、貯蔵装置３６４が過熱し始めるならば貯蔵装置３６４への充電電流を減らすことができるよう、省略可能な温度計測回路に結合されることもできる。たとえば、温度計測回路は、適当な温度検出要素、たとえば貯蔵装置３６４に結合されたサーモカップルを含むことができる。そして、アナログ・デジタル変換器がサーモカップルからの信号をそのデジタル表現に変換し、デジタル信号を制御装置３６２に提供する。

制御装置３６２は、ハードウェア、ソフトウェア又は両方を介して、それ自体及び取り付けられたフィールド装置のための電力をアクティブに管理するように構成することができる。これに関し、制御装置３６２は、それ自体又は所望のフィールド装置を低電力休眠モードに入らせることができる。休眠モードとは、電力消費が低減される動作モードである。フィールド装置に関して、休眠モードは、その作動電流を許容可能な最低電流のレールにセットするようフィールド装置に対し、命令することによって生じさせることができる。低電力モードに入らせることができるイベントとしては、作業期間の満了、ローカルユーザ入力装置の一つ以上からの入力、１個以上の取り付けられたフィールド装置からの通信、又は、ワイヤレス通信を挙げることができる。このようなイベントはまた、ユニット３６０及び／又は取り付けられたフィールド装置を休眠モードから覚醒させるために使用することもできる。さらには、制御装置３６２が、制御装置３６２内のプログラミング命令及び／又はワイヤレス通信モジュール３６６を介して受けられるワイヤレス通信に含まれる論理又は規則に基づいて、取り付けられたフィールド装置を選択的に休眠モードに入らせることもできる。好ましくは、ローカル入力装置、たとえばボタン１２４はユーザが構成可能である。たとえば、１個のボタンを使用してフィールド装置をユーザ選択可能な期間だけ覚醒させ、そのように構成されるならば、ボタンを再び押下してフィールド装置を休眠モードに戻らせることもできる。一つの実施態様では、構成可能なローカル入力ボタンは、ジャンパ又はスイッチを使用して以下の機能をプリセットする。

アクティブ化するためのボタン押下時間
１、１．５、２、又は、３秒を選択する。フィールド装置は、プリセット期間よりも短い期間のボタン押しを無視する。
ユニットオン時間
１０、１５、３０秒、又は、５、１５、３０、６０分を選択する。
ボタンが続けざまに二度押されるならば、フィールド装置は、プリセット期間（たとえば６０分）オンのままであり、その後、休眠モードに戻る。
ボタンがプリセット期間（たとえば５秒）ののちもう一度押されるならば、フィールド装置は休眠モードに戻る。

制御装置３６２はまた、好ましくは、ユニット３６０内の回路又は取り付けられたフィールド装置の一部分を休眠モードに入らせることができる。たとえば、ワイヤレス通信モジュール３６６は、通常動作モード及び休眠モードを有する市販の汎用パケット無線サービス（ＧＰＲＳ）セルフォンモジュールであってもよい。有意なワイヤレス通信が保証されないとき、制御装置３６２からの信号がモジュール３６６を休眠モードに入らせる。

エネルギー変換器３６５は、プロセス装置が使用するための電気エネルギーを発生させることができる任意の装置であることができる。変換器３６５は、好ましくは、波又は風のような環境変化により電気を発生させることができるような、可動部材に結合された発電機（６１２）を含むことができる。さらには、変換器３６５は燃料電池４０８を含むことができる。さらには、変換器３６５は、サーモパイル装置７０２（図５Ｂに示す）を使用して、実質的に異なる温度からペルチェ効果によって電気を発生させることができる。なおさらには、プロセスは、圧縮ガスベースの発電機７０４（図５Ｂに示す）を使用して電気に変換することができる、圧縮ガスなどの形態のエネルギー源を提供することができる。最後に、電力貯蔵装置が用途のエネルギー要求に比較して相対的に大きな容量を有する実施態様では、変換器３６５を省いてもよい。また、図５Ｂに示す種々の変換モジュールの組み合わせを使用することができることが明白に考察できる。

ワイヤレス通信モジュール３６６は、制御装置３６２に結合され、制御装置３６２からのコマンド及び／又はデータに基づいて、アンテナ１２０を介して外部ワイヤレス装置と相互通信する。用途に依存して、ワイヤレス通信モジュール３６６は、ワイヤレスネットワーキング技術（たとえば米カリフォルニア州IrvineのLinksysによって構築されたＩＥＥＥ８０２．１１ｂワイヤレスアクセスポイント及びワイヤレスネットワーキング装置）、セル方式もしくはデジタルネットワーキング技術（たとえば米カリフォルニア州San JoseのAeris Communications社のMicroburst（登録商標））、超ワイドバンドのフリースペースオプチックス、全世界的モバイル通信システム（ＧＳＭ）、汎用パケット無線サービス（ＧＰＲＳ）、コード分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）、スペクトラム拡散技術、赤外線通信技術、ＳＭＳ（Short Messaging Service/text messaging）又は他の適当なワイヤレス技術をはじめとする適当なワイヤレス通信プロトコルにしたがって通信するように適合させることができる。さらには、多数のユニットが互いのワイヤレス動作範囲内で共存することができるような公知のデータ衝突技術を使用することもできる。このような衝突防止は、多数の異なる無線周波数チャネル及び／又はスペクトル拡散技術の使用を含むことができる。

ワイヤレス通信モジュール３６６はまた、複数のワイヤレス通信法のためのトランスデューサを含むことができる。たとえば、主要なワイヤレス通信は、比較的長距離の通信法、たとえばＧＳＭ又はＧＰＲＳを使用して実施することができ、副次的又は追加的な通信法は、たとえばＩＥＥＥ８０２．１１ｂ又はBluetoothを使用して、ユニットの近くにいる技術者又はオペレータのために提供することもできる。

一部のワイヤレス通信モジュールは、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）と相互作用することができる回路を含むことができる。ＧＰＳは、モバイル装置が離れた場所にある個々のユニット３６０を見つけることを可能にするために、ユニット３６０中で有利に使用することができる。しかし、他の技術に基づく場所感知を同様に使用することができる。

メモリ３７０は、図５では、制御装置３６２とは別個にあるように示されているが、実際には、制御装置３６２の一部であることができる。メモリ３７０は、揮発性メモリ（たとえばランダムアクセスメモリ）、不揮発性メモリ（たとえばフラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリなど）及びそれらの組み合わせを含む適当なタイプのメモリであることができる。メモリ３７０は、制御装置３６２のためのプログラム命令及びユニット３６０のための適当な管理用オーバヘッドデータを含むことができる。メモリ３７０は、ユニット３６０がそれ自体のためのワイヤレス通信を他のワイヤレス通信の中から区別することができるよう、ユニット３６０のための一意の識別子を含むことができる。そのような識別子の例は、メディアアクセス制御装置（ＭＡＣ）アドレス、電子通し番号、グローバル電話番号、インターネットプロトコル（ＩＰ）アドレス又は他の適当な識別子を含むことができる。そのうえ、メモリ３７０は、取り付けられたフィールド装置に関する情報、たとえばそれらの一意識別子、構成及び能力を含むことができる。最後に、制御装置３６２は、メモリ３７０を使用して、ユニット３６０の出力が適当な形態で提供されるようにすることができる。たとえば、ユニット３６０及び／又は１個以上の関連するフィールド装置との構成及び相互作用は、ＨＴＭＬ（HyperText Markup Language）ウェブページとして提供することができる。

クロック３７２は、制御装置３６２に結合されたものとして示されているが、制御装置３６２の一部であってもよい。クロック３７２は、制御装置３６２が機能強化された動作を提供することを可能にする。たとえば、クロック３７２は、構成可能なボタン１２５に関して先に述べた期間を計時するために使用することができる。さらには、制御装置３６２は、動向を認識するために、１個以上の取り付けられたフィールド装置からの情報を記憶し、その情報を時間と相関させることができる。なおさらには、制御装置３６２は、１個以上の取り付けられたフィールド装置から受けた情報を、ワイヤレス通信モジュール３６６を介して伝送する前に、時間情報を補足することができる。なおさらには、クロック３７２は、ユニット３６０及び／又はフィールド装置のための定期的な休眠／覚醒コマンドを自動的に生成するために使用することもできる。クロック３７２のための定期的な使用のもう一つの形態は、制御装置３６２をして、モジュール３６６を介して心拍タイプ信号を発させて、許容可能な状態を外部ワイヤレス装置に指示することである。

ループコミュニケータ３６８が制御装置３６２に結合され、制御装置３６２を、一つ以上の取り付け領域１１２に結合された１個以上のフィールド装置にインタフェースさせている。ループコミュニケータ３６８は、先に述べたような工業プロトコルにしたがって通信するために適切な信号を生成する公知の回路である。ユニット３６０が、異なるプロトコルにしたがって通信する複数のフィールド装置に結合されている実施態様では、複数のループコミュニケータを使用して制御装置３６２が種々のフィールド装置と相互通信することを可能にすることもできると考えられる。取り付け領域１１２を通じて形成される物理的接続が、ユニット３６０がフィールド装置に給電し、フィールド装置と通信することを可能にする。一部の実施態様では、これを、２線式ループのような通信に使用されるのと同じ導体上に電力を提供することによって実施することができる。しかし、本発明の実施態様はまた、通信に使用されるものとは別個の導体でフィールド装置に電力が提供される場合にも実施することもできると考えられる。技術者のアクセスを容易にするため、ユニット３６０は、手持ち式構成装置、たとえば米ミネソタ州Eden PrairieのRosemount社から市販されているModel 375手持ち式装置の結合を容易にするために、ループコミュニケータ３６８又は取り付け領域１１２の近くにある２個以上の端子を含むことができる。

図５はまた、制御装置３６２に結合されている省略可能なオペレータボタンブロック３７４及びＬＣＤ表示装置ブロック３７６を仮想線で示す。この図は、すべてのローカル入力が、個々のフィールド装置についてか、ワイヤレス電源・通信ユニット３６０についてか、その両方についてかにかかわらず、制御装置３６２に結合されていることを示すためのものである。さらには、各フィールド装置、ワイヤレス電源・通信ユニット３６０又は両方にあるローカルユーザ表示装置が同じく制御装置３６２に結合されている。これは、制御装置３６２が、フィールド装置、フィールド装置に対応する構成可能なボタン、ユニット３６０の近くに配置された１個以上のボタンもしくは入力装置又はワイヤレス通信からの入力に基づいて、各ローカル表示装置と個々に相互通信することを可能にする。

図６は、本発明の実施態様のプロセス装置のための発電システムの略図である。システム３６０は、プロセス装置に対して外部にあるモジュールとして示されているが、プロセス装置と一体であるように製造することもできる。モジュール３６０は、プロセス装置に結合可能であるハウジング４００を含む。ハウジング４００は、断熱バリヤ４０６によって隔てられたコンパートメント４０２、４０４の対を含む。低い形状要素のメタノール燃料電池４０８がコンパートメント４０２の中に配置される。電子部品制御・電源管理システム４１０が多数の電源管理コンポーネント及び回路を含み、コンパートメント４０４の中に配置される。電子部品モジュール４１０は、ピーク伝送電力需要を扱うための超高容量キャパシタ及び／又はバッテリを含むことができる。モジュール４１０で使用される実際の回路に関するさらなる詳細は図７について提供される。電子部品モジュール４１０はまた、好ましくは、燃料電池４０８の発熱反応によって発生する熱からモジュール４１０中の電子部品をさらに断熱するためにカプセル化される。液体メタン４１２の出所が、コンパートメント４０４中、モジュール４１０の上への格納に適合されている。液体メタン貯蔵システム４１２は、溝４１４を介してメタノール燃料電池４０８に結合可能である。

最初の燃料電池はＨ₂＋Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-に基づくものであった。Ｈ₂は貯蔵しにくく、取り扱いが危険であるため、代替燃料電池の方式が研究された。一つの魅力的な燃料電池技術は、メタノール燃料電池に基づくものである。メタノール燃料電池は現在公知であり、実際に構築することができる。メタノールは、Ｈ₂＋｜副生成物｜＋｜熱へと接触分解される。大気が酸素（Ｏ₂）源として使用される。このタイプの燃料電池の非常に有意な利点はそのコンパクトなサイズである。ワイヤレスプロセス変量トランスミッタのために十分な電力を供給することができる、マイクロ電気機械的システム（ＭＥＭＳ）技術に基づく小さなメタノール燃料電池を構築することができる。メタノール燃料電池に関する現在の技術水準は、およそトランプ一組のサイズである装置がワイヤレスプロセス変量フィールド装置のための十分な燃料貯蔵及び発電を提供するということを示す。

メタノールの接触分解は熱を発生させるため、電池４０８は電子部品４１０及び液体貯蔵タンク４１２から断熱されている。さらには、放熱カバー４１６がハウジング４００の上に配置されて、電池４０８によって発生する熱を放出する。メタノールの接触分解によって発生する熱が放散され、電子部品４１０をその安全動作温度よりも高く加熱しないことを保証することが重要である。電源システムハウジング４００が金属製である実施態様では、この発生する熱は対流及び輻射の両方によって放散される。さらには、断熱バリヤ４０６が電子部品４１０を保護するのに役立つ。ハウジング４００はまた、大気中の酸素が電池４０８と相互に作用することを可能にする通気孔４１８を含む。通気が問題になるおそれがある実施態様では、代替態様として、シールされた小さなダクト中に小型ファンを設けることもできる。

図７は、本発明の実施態様のプロセス装置のための発電システムの略図である。電子部品モジュール４１０がメタノール燃料電池４０８に電気的に結合され、そこからライン４２０を介して電力を受ける。メタノールベースの燃料電池は、断熱バリヤ４０６を介して電子部品モジュール４１０から断熱されているコンパートメント４０２の中に配置されている。メタノール貯蔵装置４１２が電気的に制御される弁４２２を介してメタノール燃料電池４０８に結合されている。弁４２２は、モジュール４１０から燃料オンの出力ライン４２４を介してその制御信号を受ける。燃料電池４０８中で発生した電気は、ライン４２０を介して充電・制御回路４２６に提供される。充電・制御回路４２６は、エネルギーが燃料電池４０８に逆流しないことを確実にするために配設されたダイオード４３０を介して出力４２８を提供する。さらなるエネルギー貯蔵ユニットが設けられるならば、それはV_outライン４３２に結合される。ノード４３４の電圧が、好ましくはコンパレータを使用して、最低しきい電圧と比較される。ノード４３４の電圧が最低しきい電圧未満である場合には、ライン４３６を介して充電がイネーブルされる。しかし、ノード４３４の電圧が最低しきい値を超える場合にも、ライン４３８を介して信号が提供されて、プロセス変量トランスミッタのための電力及びワイヤレスコミュニケータのための電力をイネーブルする。そのため、プロセス変量トランスミッタ及び／又はワイヤレストランスミッタを作動させるには不十分な電力しかメタノールベースの燃料電池から得られない場合に、電力回路は、後でプロセス変量トランスミッタ又はワイヤレスコミュニケータを作動させるのに十分なエネルギーを貯蔵することに集中する。図７はまた、プロセス変量トランスミッタ及びワイヤレスコミュニケータに送られるイネーブル信号を生成するユニット制御装置・休眠モードタイマ４３８を示す。したがって、ユニット制御装置・休眠モードタイマ４３８は、プロセス変量トランスミッタ、ワイヤレスコミュニケータ、又は、両方を、一方又は両方の装置がきわめて低い電力しか引き出さない休眠モードに入らせることができ、その間に燃料電池４０８がエネルギー貯蔵装置を充電することができる。したがって、電力貯蔵要素は、プロセス変量チェック又はワイヤレス伝送のための電力が、電力貯蔵要素が放電状態にない場合にのみ提供されるように、その出力電圧が所定値（V_min）未満に低下したとき、メタノール燃料電池によって再充電される良好な動作を確実にする。所定の電圧レベル（V_min）は、このレベルを超える電圧で、貯蔵されたエネルギーが完全なプロセス変量チェック又はワイヤレス伝送に十分であるように選択される。さらなるプロセス変量チェック又はワイヤレス伝送が開始される前に、好ましくは電圧が再びチェックされて電圧がなおもしきい値よりも高いことを立証する。電子部品４１０は、所望により、他の制御及び通信活動を実行することもできる。

プロセス装置電源としてのメタノール燃料電池の一つの明確な利点は、それが提供する実用期間である。メタノール燃料電池は、メタノール１リットルあたり約１，０００ワット時を発生させると見積もられる。したがって、ワイヤレスプロセス変量トランスミッタは、メタノール０．５リットルで約１０年間作動することになる。１０年の実用期間は、ワイヤレスプロセス装置にとって今や標準的な非接続の電源であるゲル化電池バッテリの５年間の貯蔵／最良実用寿命と比べても非常に有利である。

エネルギー貯蔵装置、たとえばバッテリ又はスーパーキャパシタを燃料電池と同じ物理的ハウジング中に設けることによって生じる一つの相乗効果は、燃料電池によって発生する熱を使用すると、エネルギー貯蔵装置をより効率的な温度動作範囲に維持するのに役立つということである。再充電可能なバッテリを使用してピークエネルギー需要をカバーする実施態様では、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）バッテリをメタノール燃料電池と併せて屋外用途で使用することができる。理由は、メタノール燃料電池が熱を発生させ、その熱を使用してバッテリの温度を充電に十分な高さに維持することができるからである。

図４〜８に関して示す実施態様は、電源管理回路と同じ場所にあるアンテナ及び対応するワイヤレス回路を示すが、ワイヤレス信号干渉を生じさせる物体が電源システムハウジングの近くにあるならば、アンテナ及びワイヤレス回路が離れた場所にあってもよいことが明白に考察できる。したがって、本発明の実施態様は、すべての発電及びワイヤレス回路を、プロセス装置の一部である、又はプロセス装置に対して外部にあるハウジングであってもよい同じハウジング内に設けることを含む。さらには、発電回路又はワイヤレス回路が別個のコンパートメント中に位置し、それらのいずれか一方が実際のプロセス装置そのものの中にあってもよい。

図８は、本発明の実施態様のワイヤレスプロセス装置の略図である。プロセス装置５００は、炭化水素系のプロセス流体５０４を中に有する導管５０２に結合されている。装置５００は、ワイヤレス通信モジュール５０６及び燃料電池モジュール５０８に結合されている。図６及び７に関して記載した実施態様とは違って、燃料電池５０８は燃料電池貯蔵タンクを含まない。代わりに、燃料電池５０８は、マニホルド５１０を介してプロセスに結合しているおかげで、その燃料をプロセスそのものから引き込む。このように、プロセス流体５０４の一部が導管５１２を介して燃料電池５０８に運ばれる。効率を増すために、燃料電池５０８は、好ましくは、予想されるタイプの炭化水素系プロセス流体で機能するように設計されている。たとえば、プロセス流体５０４が液体メタノールであるならば、５０８は、図６に関して記載した燃料電池４０８と同一であることができる。この実施態様は先の実施態様とは異なるが、両実施態様は、装置に給電するために、プロセス装置に対して外部にあり、かつプロセス装置の近くにある非太陽光による分子を利用するという意味で類似している。図６及び７の実施態様は少なくとも酸素分子を使用し、図８に関する実施態様は少なくともプロセス流体の分子、及び、公知の燃料電池技術にしたがって、おそらくは酸素分子をも使用する。

燃料電池５０８に給電するためにプロセス流体そのものに頼ることにより、実質的に無限のエネルギー源がプロセスから利用可能である。したがって、配線接続を介して装置５００に結合することができる他のローカル装置にも電気を提供することができる。そのような配線接続は、所望により、プロセス制御ループの形態又は他の適当な配線構造をとることができる。状況によっては、プロセス装置は、プロセス流体が、導管５０２中を流れるプロセス流体の量に比例する速度で電力に変換されるように設計される。このようにして、燃料電池５０８の電気出力を、パイプ５０２中のプロセス流体の実流量を反映するように計測し、修正することもできる。燃料電池５０８の重要な発電能力のさらに別の重要な用途は、ヒータを電気的に駆動してセンサを一定温度に維持して、保管移送用途などの場合に温度誤差を最小限にすることである。

図９Ａ、９Ｂ、１０Ａ及び１０Ｂは、プロセス装置のための電気を発生させるために、プロセス装置の近くにある分子を利用する本発明の実施態様を示す。より具体的には、これらの実施態様は、分子の運動エネルギー（風力の形態にある）を電気エネルギーに変換する。

図９Ａ及び９Ｂは、プロセス装置６００を、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する装置６０２とともに示す、それぞれ正面図及び側面図である。これらの風力エネルギー実施態様はまた、補足的エネルギーのための太陽光エネルギー変換システム６０４を含むことが好ましい。風力変換器６０２が、好ましくは従来の導管カップリングを介してプロセス装置６００に取り付けられた支持体６０６を含む。支持体６０６の上部に取り付けられた風力可動要素６０８が好ましくは少なくとも２個の部品を含む。第一に、風羽根６１０は、風がその風羽根６１０を下流側に流れるように配置させ、それにより、プロペラ／インペラ部６１２を直接風の中に配置させるような表面部分を与えるように適合されている。したがって、可動部６０８は、矢印６１４によって示すように、支持体６０６を中心に旋回することができる。回転可能なインペラ／プロペラ６１２は、プロセス装置６００に電気エネルギーを提供する発電機６１５に機械的に結合されている。発電機は、当該技術で公知であるか、今後開発されるであろう適当な装置であることができる。

図１０Ａ及び１０Ｂは、本発明のもう一つの実施態様にしたがって、風力・電気変換器６２０に結合されたプロセス装置６００の、それぞれ正面図及び側面図である。変換器６２０は、補足的な太陽光エネルギー変換器６０４の近くに取り付けられた支持体６２２を含む。風可動部材６２３が、風羽根６１０ならびにビーム６２３を介して支持体６２２に結合された風変位部材６２４、６２８及び６３０を含む。前記と同様、羽根６１０に作用する風圧が部材６２４を支持体６２２を中心に回転させ、それにより、エアフォイル６２４、６２８及び６３０を直接に風の中に配置する。風がエアフォイル６２４、６２８及び６３０を通過するとき、エアフォイルは、ビーム６３２に沿って、矢印６３４によって示される方向に変位を起こす。ビーム６３２上又はビーム６３２と支持体６２２との接合部に配置された圧電トランスデューサ６５５がビーム６３２の変位を電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーがプロセス装置６００に運ばれる。

図９Ａ、９Ｂ及び１０Ａ、１０Ｂに関して示す両実施態様はまた、苛酷な用途でファウリングに対する防護を提供するのに役立つ囲い板又はカバーを備えていてもよい。

他のタイプの回転式風力エネルギー変換器、たとえばアネモメータのような実施態様を使用することもできる。これは、風速を計測するためにしばしば使用される回転カップ型装置である。このような装置は、風からエネルギーを抽出することにおいてはプロペラよりも有意に効率が低いが、無指向性である利点を提供する。したがって、回転可能な風羽根の使用は不要である。プロセス装置のエネルギー需要は比較的低いため、このような無指向性回転風力エネルギー変換器の低めの効率は問題にならない。

本発明の実施態様は、プロセス装置の近くにある分子で利用可能な位置又は運動エネルギーのさらなる供給源を利用する。したがって、このような実施態様は、太陽光エネルギーを要しないし、内部バッテリだけで給電されるプロセス装置の欠点を有することもない。そのうえ、一部の実施態様に関して記載したように、エネルギー生成の程度は、他のプロセス装置を、本発明の実施態様にしたがって作動するプロセス装置に配線接続し、そのような装置によって給電することができるほど大きくすることができる。

好ましい実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の本質及び範囲を逸することなく、形態及び詳細に変更を加えることができることを認識するであろう。

本発明のワイヤレス電源・通信ユニットが特に有用である典型的なフィールド装置の略図である。 図１に示すフィールド装置のブロック図である。 リモート装置、たとえば表示装置又は手持ち式ユニットと通信するためのワイヤレス通信回路を含むフィールド装置のブロック図である。 フィールド装置に取り付けられた本発明の実施態様のワイヤレス電源・通信ユニットの正面図である。 本発明の実施態様のワイヤレス電源・通信ユニットのブロック図である。 本発明の実施態様のエネルギー変換モジュールのブロック図である。 本発明の実施態様のプロセス装置のための発電システムの略図である。 本発明の実施態様のプロセス装置のための発電システムの略図である。 本発明の実施態様のワイヤレスプロセス装置の略図である。 本発明の実施態様のプロセス装置の正面図である。 本発明の実施態様のプロセス装置の側面図である。 本発明のもう一つの実施態様のプロセス装置の正面図である。 本発明のもう一つの実施態様のプロセス装置の側面図である。

Claims (27)

1. 制御装置、
   前記制御装置に結合されたワイヤレス通信モジュール、及び
   プロセス装置内に配置され、前記制御装置及び前記ワイヤレス通信モジュールに結合され、プロセス装置の近くにある風力エネルギーを電気に変換するように構成された発電モジュール
   を含むプロセス装置。
2. 前記制御装置に結合され、プロセスに結合可能であるトランスデューサをさらに含む、請求項１記載のプロセス装置。
3. 前記発電モジュールが、プロセス装置の近くにある風を電気に変換するように適合された風力ベースの発電モジュールである、請求項１記載のプロセス装置。
4. 前記風力ベースの発電モジュールが風羽根を含む、請求項３記載のプロセス装置。
5. 前記風力ベースの発電モジュールが、発電機に結合されたインペラを含む、請求項３記載のプロセス装置。
6. 前記風力ベースの発電モジュールが、圧電素子に結合された少なくとも１個の風可動エアフォイルを含む、請求項３記載のプロセス装置。
7. 制御装置、
   前記制御装置に結合されたワイヤレス通信モジュール、及び
   プロセス装置内に配置され、前記制御装置及び前記ワイヤレス通信モジュールに結合され、炭化水素ベースの燃料電池を含む発電モジュール
   を含むプロセス装置。
8. 貯蔵燃料源を前記燃料電池に提供するために前記燃料電池に結合された貯蔵タンクをさらに含む、請求項７記載のプロセス装置。
9. 前記燃料電池がメタノール燃料電池である、請求項７記載のプロセス装置。
10. 前記燃料電池が、前記燃料電池のための燃料としてのプロセス流体を受けるためにプロセスに動作可能に結合可能である、請求項７記載のプロセス装置。
11. 前記制御装置に結合され、プロセスに結合可能であるトランスデューサをさらに含む、請求項７記載のプロセス装置。
12. プロセス装置にワイヤレス動作を提供するためのワイヤレス電源・通信ユニットであって、
    ハウジング、
    前記ハウジングに結合され、前記プロセス装置に結合可能である取り付け領域、
    前記ハウジング内に配置された発電モジュール、
    前記取り付け領域を介して前記プロセス装置に接続するために配置されたループコミュニケータ、
    前記電源及びループコミュニケータに結合され、前記ループコミュニケータを使用して前記プロセス装置と相互作用するように構成された制御装置、
    前記制御装置に結合され、ワイヤレス通信のために構成されているワイヤレス通信モジュール
    を含み、前記発電モジュールが、前記ユニットに対して外部かつ近くにある分子を使用して電気を発生させるように適合されているユニット。
13. 前記発電モジュールが燃料電池を含む、請求項１２記載のユニット。
14. 貯蔵燃料源を前記燃料電池に提供するために前記燃料電池に結合された貯蔵タンクをさらに含む、請求項１３記載のユニット。
15. 前記燃料電池が炭化水素ベースの燃料電池である、請求項１記載のユニット。
16. 前記燃料電池がメタノール燃料電池である、請求項１５記載のユニット。
17. 前記燃料電池が、前記燃料電池のための燃料としてのプロセス流体を受けるためにプロセスに動作可能に結合可能である、請求項１５記載のユニット。
18. 前記発電モジュールが、ユニットの近くにある風を電気に変換するように適合された風力ベースの電源モジュールである、請求項１２記載のユニット。
19. 前記風力ベースの電源モジュールが風羽根を含む、請求項１８記載のユニット。
20. 前記風力ベースの電源モジュールが、発電機に結合されたインペラを含む、請求項１８記載のユニット。
21. 前記風力ベースの電源モジュールが、圧電素子に結合された少なくとも１個の風可動エアフォイルを含む、請求項１８記載のユニット。
22. プロセス装置に給電する方法であって、
    プロセス装置の外部の近くにある分子に反応すること、
    前記分子との反応に基づいて電気を発生させること、及び
    前記電気を前記プロセス装置に提供すること
    を含む方法。
23. 前記分子が酸素である、請求項２２記載の方法。
24. 前記分子が、前記プロセス装置が結合されているプロセスに提供される、請求項２２記載の方法。
25. 前記反応が、前記分子の運動エネルギーに反応することを含む、請求項２２記載の方法。
26. 前記分子が、動く空気分子である、請求項２５記載の方法。
27. プロセス装置に給電する方法であって、
    プロセス装置内に炭化水素ベースの燃料電池を提供すること、
    前記燃料電池を前記プロセス装置に電気的に結合すること、及び
    前記燃料電池によって発生する電気を使用して前記プロセス装置に給電すること
    を含む方法。

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