JP2013535713A - 熱電モジュールを含む流体供給装置 - Google Patents

Abstract

流体分配装置は、第１の圧力の第１のキャビティ（１ａ）と、第１の圧力よりも低い第２の圧力の第２のキャビティ（１ｂ）とを備える。隔壁（２）が第１のキャビティ（１ａ）を第２のキャビティ（１ｂ）から分離し、制限バルブ（４）が第１および第２のキャビティ（１ａ，１ｂ）間に配置される。隔壁（２）は、第１のキャビティ（１ａ）と熱接触する高温側と、第２のキャビティ（１ｂ）と熱接触する低温側とを有する熱電モジュール（１２）を備える。

Description

本発明は、第１の圧力の第１のキャビティと、第１の圧力よりも低い第２の圧力の第２のキャビティと、第１のキャビティを第２のキャビティから分離する隔壁と、第１および第２のキャビティ間に配置される制限バルブと、を備える減圧器を備える流体分配装置に関する。

減圧器は、流体を、前記流体が第１の圧力を成す第１のキャビティから、流体がその後に第１の圧力よりも低い第２の圧力を成す第２のキャビティへと流すことができるようにする機構である。

減圧器を使用する流体分配装置は配管バルブ内に存在する。すなわち、一般に、流体分配装置は、都市供給システムの、例えば水またはガス供給の圧力を、約１０バールから、建物の供給システムを介して流体を分配できるようにする約３バールの圧力まで減少させるために、メーターのレベルで建物に配置される。

図１は従来技術に係る流体分配装置を示している。そのような装置は、第１の圧力の第１のキャビティ１ａと、第１の圧力よりも低い第２の圧力の第２のキャビティ１ｂとを備える。２つのキャビティは隔壁２によって分離される。制限バルブ４が第１および第２のキャビティ１ａ，１ｂ間に位置されており、該制限バルブは、その圧力を変えることにより、流体が第１のキャビティ１ａから第２のキャビティ１ｂへと流れることができるようにする。流体の流れ方向が矢印Ｆ１，Ｆ２により表わされる。２つのキャビティ１ａ，１ｂは貫通穴３によって互いに連通し、制限バルブ４を部分的に形成するニードルが貫通穴３内で移動できるとともに、貫通穴３により、流体の流れ方向で制限バルブ４よりも下流側にある、すなわち、第２のキャビティ１ｂを発端とする供給システム内で圧力を調整できる。

現在の傾向は、分配装置が「スマート（賢い）」になることであり、また、モデルに応じて、分配装置は、メーターと、メーターに接続されて、消費量に対する料金の請求に関与する会社の技術者がメーターの遠隔読み取りを行なうことができるようにする発光チップとを組み込むことができる。この遠隔メーター読み取りは、特に、分配システム加入者が自分の家に不在であって、メーター読み取り者がメーターに直接に近づくことができないときに有益となり得る。そのようなスマートメーターは例えばボタンセル型のバッテリにより給電されるが、その場合、スマートメーターは、バッテリが放電される際に発光チップへの電力供給が関与する限りにおいて大きな欠点を有する。

本発明の目的は、従来技術の欠点を有さない流体分配装置を提供することにある。

この目的は、添付の特許請求の範囲によって、より詳細には、隔壁が、第１のキャビティと熱接触する高温側と、第２のキャビティと熱接触する低温側とを有する熱電モジュールを備えるという事実によって、満たされるようになっている。

一実施形態によれば、熱電モジュールは、エネルギ蓄積要素を再充電できるようにするためにエネルギ蓄積要素に接続される。

さらに、制限バルブは、電気調整手段を備えるとともに、エネルギ蓄積要素によって給電される。

他の実施形態によれば、装置は、流体消費量を測定するようになっているメーターを備えることができる。装置は、熱電モジュールによって、あるいはエネルギ蓄積要素によって給電される消費量測定値の送信手段をさらに備えることができる。

他の利点および特徴は、単なる非限定的な一例として与えられて添付図面に表わされる、本発明の特定の実施形態についての以下の説明からさらに明確に明らかになる。

従来技術に係る流体分配装置を表わす図である。 本発明の一実施形態に係る流体分配装置を示す図である。 流体分配装置の想定し得る機能性のブロック図である。

従来技術に係る分配装置とは異なり、以下で説明される装置およびその変形は、ゼーベック効果を使用して装置自体の電流を発生させることができるようにする。

図２に示されるように、流体分配装置は減圧器を備え、該減圧器は、第１の圧力の第１のキャビティ１ａと、第１の圧力よりも低い第２の圧力の第２のキャビティ１ｂと、第１のキャビティ１ａを第２のキャビティ１ｂから分離する隔壁２とを備える。装置は、第１のキャビティ１ａと第２のキャビティ１ｂとの間に配置される制限バルブ４をさらに備える。流体は、第１のキャビティ１ａ内では第１の圧力であり、第２のキャビティ１ｂ内では第２の圧力である。流体が第１のキャビティ１ａから第２のキャビティ１ｂへと流れることができるようにすると同時に、２つのキャビティ１ａ，１ｂ間に前述した圧力差を発生させ、したがって、温度差を発生させるのが制限バルブ４である。図２には、流体の流れ方向が矢印Ｆ１，Ｆ２により表わされる。実際に、減圧器が動作していないとき、すなわち、流体が装置を通じて流れていないときには、キャビティ１ａ，１ｂ間に温度平衡が存在する。流体が装置を通じて流れると、第１のキャビティ１ａと第２のキャビティ１ｂとの間での装置の圧力減少が、隔壁２の両側にキャビティのレベルの圧力差を生じさせ、したがって、隔壁２の両側に温度勾配を生じさせる。

隔壁２は、第１のキャビティ１ａと熱接触する高温側と、第２のキャビティ１ｂと熱接触する低温側とを有する熱電モジュール１２を備える。この熱電モジュール１２は、特に流体が装置を通じて流れるときに熱勾配を使用して電流を発生させることができるようにする。好ましくは、制限バルブは、熱電モジュール１２のレベルで流体が隔壁２を貫通して流れることができるように配置される。すなわち、流体が熱電モジュール１２を通じて流れることが考慮され得る。

熱電モジュール１２は、実際には、電気的に直列に接続されて熱的に並列に接続される熱電対５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを備える。各熱電対は、一方では第１のキャビティ１ａと熱接触し、他方では第２のキャビティ１ｂと熱接触する。

熱電対５ａは、例えば電気接続要素７によって端部の一方が互いに電気的に接続される２つのスタッド６ａ，６ｂを備えることができる。スタッド６ａ，６ｂは、一般に、２つの異なる熱電材料または合金から形成される。一例として、スタッドを形成するために使用される材料は、半導体（ＭｇＳｉＧｅＳｎ，ＳｉＧｅ，Ｂｉ_２Ｔｅ_３など）または金属間酸化物などの半金属（ＬｉＮａＣｏＯ_２，ＮａＣｏＯ_２，ＨｇＣｏＯ_２など）であってもよい。

熱電対は、２つのキャビティ１ａ，１ｂ間の温度勾配を使用して電流を発生させるように配置される。図２では、装置が４つの熱電対５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを備える。熱電モジュールの効率を最適化するために、熱電対５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが高温源（図２では第１のキャビティ１ａ）のレベルで結合要素８により互いに電気的に直列に接続されるのが好ましい。図２の特定の例では、熱電対がそれぞれ、第２のキャビティ１ｂ（この場合、低温源を形成する）と熱接触する電気接続要素７を有する。勿論、熱電モジュールを反対方向に向けることができる。すなわち、熱電対は、第１のキャビティ１ａと熱接触する電気接続要素７を有することができ、また、熱電対間の結合要素８を第２のキャビティ１ｂと熱接触させることができる。不可欠なことは、流体の圧力減少を果たす際に２つのキャビティ間の温度勾配を使用できることである。

電気接続要素７および結合要素８は、例えば金などのゼロまたはゼロに近いゼーベック係数を有する熱伝導金属によって形成することができる。

熱接触とは、第１のキャビティ１ａ内の流体の温度が熱電モジュール１２の高温側に伝えられること、および、第２のキャビティ１ｂ内の流体の温度が熱電モジュール１２の低温側に伝えられることを意味する。

図２の特定の例において、隔壁２は、熱電モジュールを間に挟む２つのプレート９ａ，９ｂによって形成される。熱電対５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのスタッド６ａ，６ｂは、好ましくは互いに平行である２つのプレート９ａ，９ｂに対して垂直であることが好ましい。第１のプレート９ａは、第１のキャビティ１ａを部分的に線引きする第１の壁１０ａと、結合要素８と接触する第２の壁１０ｂとを備える。第２の壁１０ｂは、当然ながら、電気的に絶縁しており、あるいは、電気絶縁材料の介在によって結合要素８から電気的に絶縁される。第２のプレート９ｂは、第２のキャビティ１ｂを部分的に線引きする第１の表面１１ａと、熱電対の接続要素７と接触する第２の表面１１ｂとを備える。第２の面１１ｂは、当然ながら、電気的に絶縁しており、あるいは、電気絶縁材料の介在によって接続要素７から電気的に絶縁される。第１および第２のプレート９ａ，９ｂは、装置の反応度を高めるために良好な熱導体である材料または材料の合金から形成することができる。これにより、第１のキャビティ１ａの流体の温度を熱電モジュール１２の高温側へ急速に伝達すること、および、第２のキャビティ１ｂ内の流体の温度を熱電モジュール１２の低温側へ急速に伝達することが可能になる。流体が装置を通じて連続的に流れている場合には、第１および第２のプレート９ａ，９ｂの材料は重要ではない。これは、連続動作では、キャビティ間の温度勾配の平衡が得られ、プレート９ａ，９ｂのレベルでの熱伝導率がもはや何ら役割を果たさないからである。

図２に示される実施形態によれば、熱電対のスタッド６ａ，６ｂは、高温源と低温源との間に最良の温度勾配を保つための断熱体として作用する空気によって分離される。これは、熱電対５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが形成される閉じられた密封内部空間を隔壁２が備えることを意味する。内部空間は、断熱を向上させるために、例えば１０^−５ｂａｒの部分真空状態にあることが好ましい。別の実施形態によれば、内部空間は、例えばＳｉＯ_２系のエーロゲルなどの高い断熱特性を示すシリコンエーロゲルによって満たされる。

前述した熱電モジュール１２の特定の配置は、単なる実施形態の例にすぎない。当然ながら、当業者は、第１のキャビティ１ａと第２のキャビティ１ｂとの間の温度勾配をうまく利用できるようにする任意の熱電モジュールを適合させることができる。例えば、隔壁２は、熱電モジュールが形成されるバルクプレートであってもよい。この場合、バルクプレートの材料は熱的および電気的に絶縁しており、熱電対は、結合要素および接続要素が形成される前にバルクプレートに形成される凹部を充填することによって形成される。

他の実施形態によれば、隔壁は、結合要素および接続要素によって電気的に接続される熱電材料から成る焼結バーを組み立てて、前述したように一連の熱電対を形成することによって形成される。その後、２つのプレートがこの組立体を間に挟み、これらのプレートは、少なくとも結合要素および接続要素のレベルで予め電気的に絶縁される。

図２および図３に示される一実施形態によれば、熱電モジュール１２がエネルギ蓄積要素１３に接続され、それにより、前記エネルギ蓄積要素（例えば、蓄電池または充電式バッテリ）を再充電できる。したがって、流体が分配装置を通じて流れるときに、熱電モジュール１２により発生されるエネルギをその後に使用するために蓄積要素に蓄積することができる。装置がエネルギ蓄積要素１３を備えない場合には、発生される電流を電力システムに入力することができる。

さらに、制限バルブ４は、電気調整可能な制限バルブであり、例えば電流により、エネルギ蓄積要素１３によって給電される。電気調整可能とは、第１のキャビティ１ａと第２のキャビティ１ｂとの間の圧力差を変えるように制限バルブ４を駆動できることを意味する。そのような調整は、例えば、分配システム内の圧力が損失する場合に分配装置がサーボ調整を行なうことができるようにする。実際に、圧力差を調整すること、あるいは、下流側に位置される設備にしたがって圧力差をサーボ制御することが必要な場合がある。一例として、装置よりも下流側および上流側のパイプのサイズの違い、あるいは、使用の過程で異なる圧力を必要とする設備を挙げることができる。

別の実施形態によれば、電気的に調整可能な制限バルブ４に対して熱電モジュール１２によって直接に、例えば電流を供給することもできる。この特定のケースでは、流体が装置を通じて流れているときにだけ調整が可能である。

図２の場合のように、電気的に調整可能な制限バルブ４は、隔壁２に形成されて第１のキャビティ１ａを第２のキャビティ１ｂに接続する穴３をほぼ塞ぐように移動できるニードル１４によって形成することができる。このとき、バルブ４を部分的に形成するモータ１５によってニードル１４を並進移動させることができる。このモータ１５は、エネルギ蓄積要素１３によって、あるいは熱電モジュール１２によって直接に給電され得る。モータ１５は、流体の流れ方向でバルブ４よりも下流側に位置される電子カードおよび少なくとも１つの圧力センサ（図示せず）によってサーボ制御され得る。下流側に位置されるセンサは、分配圧力および温度勾配を制御できるようにするとともに、必要に応じてニードル１４の位置を調整して分配装置よりも下流側の分配システム内を一定の圧力に維持できるようにする。当然ながら、隔壁が２つのプレート９ａ，９ｂを備える実施形態との組み合わせでは、隔壁２の内部空間の緊密性を損なわないような態様で穴３が形成される。

他の進展によれば、装置は、図３の場合のように、流体消費量を測定するようになっているメーター１６を備えることができる。流体消費量は、第１のキャビティ１ａから第２のキャビティ１ｂへと流れる流体の量を表わす。このメーター１６は機械型または電子型を成すことができる。メーターは消費量ディスプレイを備えることもでき、このディスプレイは機械型またはＬＣＤ型を成すことができる。ディスプレイがＬＣＤ型を成す場合および／またはメーターが電子型を成す場合には、エネルギ蓄積要素１３によって、あるいは熱電モジュール１２によって直接に電力をメーターに供給することができる。図３では、各矢印の開始点が電流源を示し、矢印の到達点が電流を受ける要素を示す。

従来技術において既に示したように、流体消費量メーターを容易に読み取ることができる点に関心が寄せられるかもしれない。装置は、メーターによって記録された消費量測定値の送信手段１７を備えることができ、これらの手段は、メーターに近づくことができない状況であっても流体分配会社が読み取りを行なうことができるようにする。送信手段１７には、熱電モジュール１２によって、あるいはエネルギ蓄積要素１３によって電気を供給できる。当然ながら、熱電モジュール１２によって直接に送信手段１７が給電される場合には、これらの手段は、流体が分配装置を通じて流れている場合にのみ、または、十分な電流を発生させるために２つのキャビティ間に十分な温度勾配が常に存在する場合にのみ送信できる。

測定値送信手段１７は、流体消費量を表わすデータを送信するためのアンテナ（図示せず）を備えることができる。このデータは、例えば関連する分配装置の識別子と共に連続的態様で送信することができる。送信手段１７は受信アンテナ（図示せず）を備えることもでき、この場合、データは、要求が送信手段１７により受信された場合にのみ送信される。要求の受信後の送信に関する変形例は、分配装置の電力消費量を制限できるようにし、その場合、送信手段１７は、要求が受信されない限りは待機状態にある。

このように、流体分配装置における熱電気の使用は、例えばディスプレイ、通信、オートメーションなどの新たな機能を流体分配装置に設けることができるようにすると同時に、装置が外部電流源に依存するのを回避する。

流体は、水、ガス、または、任意の種類の液体または気体であってもよい。個人宅レベルでの配水における使用の範囲内で、都市分配システムの１０バールの水と住宅家屋の個人用パイプ内の３バールの水との間の圧力差により、２つのキャビティ間で約１０℃の差を得ることが可能になる。そのような温度差により、熱電対の数および配置に応じて、１μＡ〜１０μＡの電流に伴う１０ｍＶ〜１００ｍＶの電圧を発生させることが可能になる。例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３から形成される１０個の熱電対を１０ｃｍ×１０ｃｍの支持体上に分配して配置することにより、１５℃の温度勾配を伴って２００μＶ／Ｋ（Ｋはケルビン温度を表わす）を得ることができる。

この装置は、圧力を減らす必要がある任意のタイプの流体分配設備に設置することができる。このとき、第１および第２のキャビティをそれぞれ流体入口パイプと流体出口パイプとに接続できる。

この装置を通じて流れることができるのは単一の流体であり、この流体は、第１のキャビティ内では第１の圧力であり、第２のキャビティ内では第２の圧力である。

Claims (7)

1. 第１の圧力の第１のキャビティ（１ａ）と、
   第１の圧力よりも低い第２の圧力の第２のキャビティ（１ｂ）と、
   前記第１のキャビティ（１ａ）を前記第２のキャビティ（１ｂ）から分離する隔壁（２）と、
   前記第１および第２のキャビティ（１ａ，１ｂ）間に配置される制限バルブ（４）と、
   を有する減圧器を備えた流体分配装置であって、
   前記隔壁（２）は、前記第１のキャビティ（１ａ）と熱接触する高温側と、前記第２のキャビティ（１ｂ）と熱接触する低温側とを有する熱電モジュール（１２）を備えることを特徴とする流体分配装置。
2. 前記熱電モジュール（１２）は、エネルギ蓄積要素（１３）を再充電できるようにするために前記エネルギ蓄積要素（１３）に接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記制限バルブ（４）は、電気調整手段を備えるとともに、前記エネルギ蓄積要素（１３）によって給電されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 流体消費量を測定するようになっているメーター（１６）を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記熱電モジュール（１２）によって給電される消費量測定値の送信手段（１７）を備えることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記エネルギ蓄積要素（１３）によって給電される消費量測定値の送信手段（１７）を備えることを特徴とする請求項４に記載の装置。
7. 前記制限バルブ（４）は、流体が前記熱電モジュール（１２）のレベルで前記隔壁（２）を貫通して流れることができるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。

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