JP2020504807A - 導管内を循環する流体の特性を測定するための自律デバイス、及びそのデバイスを用いた換気、空気調節、及び／又は加熱を制御するためのシステム - Google Patents

導管内を循環する流体の特性を測定するための自律デバイス、及びそのデバイスを用いた換気、空気調節、及び／又は加熱を制御するためのシステム Download PDF

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Abstract

本発明は、導管内を循環する流体の少なくとも一つの特性を、流れ方向に測定するための自律デバイス（１０）に関する。自律デバイスは、永久磁場源と、磁電変換器（２）と、及び磁電変換器によって供給された電荷を、その周囲の特性の測定するために用いることが出来る処理回路（１２ａ）とを備える。永久磁場源と磁電変換器は、自律デバイスを形成する固定子（１２）と回転子（１１）に配置される。さらに、自律デバイスは、回転子（１１）の回転軸が流れ方向と平行になるように、固定子（１２）を導管（１４）内、又は導管（１４）の一端に固定して取り付けることが出来る取り付け手段（１３）をさらに備える。さらに、本発明は、少なくとも一つのその自律デバイス（１０）を用いた制御システムに関する。

Description

本発明は、導管内を循環する流体の特性、特に、建物の換気、空気調節、又は加熱導管内を循環する空気の流量の特性を測定するための自律デバイスに関する。また、本発明は、そのデバイスを用いた建物の換気、空気調節、及び／又は加熱を制御するためのシステムに関する。
近年の建物はすべて、室内の空気を入れ替えて、古い空気の排出を可能とする換気、空気調節、及び／又は加熱システムを備えている。これは、二酸化炭素、揮発性有機化合物等の有害な化合物や粒子が、過度に蓄積するのを防止する。また、建物の劣化を招き得る
過度の湿気が防止され、居住者に十分なレベルの快適性が提供される。
換気に関する限り、一般的に、既知の解決策は、最も湿りやすい部屋（シャワールーム、キッチン）から導管、又はパイプを介して室内の空気を引き出すことである。外部環境からの新鮮な空気は、（通常、最も乾いた部屋にある）開口部から自然に、又は外部から大量の新鮮な空気を引き出すことが出来るダクトを介した吸入によって、建物の中に導入される。
どのような解決策が選ばれても、建物の室内の空気の入れ替えは、エネルギー損失の要因となる。室内の空気を一新する外部の空気は、一般的に、特に温度の点で、室内の空気と非常に異なった特性を有する。これは、場合によっては、建物の冷却、又は加熱を引き起こし、空気の質と室内の快適性を維持するために、追加の加熱、又は空気調節を用いて補われなければならない。
この事情から、統合された解決策が考慮され、出来る限りエネルギー消費を少なくしながら、室内の空気の質と望まれる快適性を提供するために、建物の加熱、換気、及び空気調節に関するすべての問題に向けて、狙いが定められる。
これらの統合された解決策は、建物の内部の状態を特徴付けるデータを収集するための測定デバイス（温度、湿度、空気品質センサ等）の取り付けを必要とする。測定デバイスは、加熱、換気、及び空気調節装置が制御出来るように、コンピュータなどの制御装置に接続される。また、制御システムは、最も少ないエネルギー消費で居住者又は建物の管理人によって与えられた快適性の指示を達成し、且つ空気の質の制約に従うことを可能にするこれらの異なった手段のための制御法則を作成する機能を有する。
建物の状態の良好で、代表的なデータの収集は、十分な数の測定デバイスの取り付けと、これらのデバイスの建物全体に亘る均一な配置が必要となる。この取り付け、デバイスへの電力供給、測定されたデータの通信が可能な制御デバイスとの必要な接続は、特に、それらが既存の建物に備え付けられた場合に、高額な建物レイアウト加工を必要とする。これは、そのような統合された解決策の配備に対する重大な障害を意味する。
この問題を解決するために、自律エネルギーと通信測定デバイスを備えることが有益であろう。例えば、文献“空気流速度測定のためのエネルギー獲得能力を持った自律センサ (An autonomous sensor with energy harvesting capability for airflow speed measurements)”,(Instrumentation and Measurement Technology, Conference (I2MTC),2010, IEEE)は、そのような自律性を探求した測定デバイスを提案している。さらに具体的には、この文献は、換気導管を通る空気循環の速さを測定するためのデバイスを開示している。このデバイスは、導管の空気の流れによって動き、回転運動を電荷に変換する発電機に接続されたファンの組を含む。この電荷は、導管を通る空気循環の流量を測定するのに使われる。また、この文献は、風力タービンの効率が、その速度パラメータ（供給パラメータ、又は固有速度、“先端速度比”とも呼ばれる）により、理論上の限界値である５９％まで増加することを述べており、従ってタービンの速い回転を推奨している。
しかしながら、この文献に記載された実験室での解決策は、従来の建物には適さない。それは、駆動するのに十分なエネルギーを供給するために、３ｍ／秒より大きな高い空気流速度を必要とする。しかしながら、一般的に、換気の空気流は、０．１ｍ／秒程度の低い速度しか有することが出来ない。上記の文献に示されたシステムは、このような条件下では機能することが出来ない。
快適性の理由から、与えられた流れの速度のため、低い速度の空気流循環を有するように、大きい横断面の換気、加熱、又は空気調節導管を取り付けることが推奨されることに留意すべきである。この流れは、１ｍ／秒の何分の１かに達することが出来る。これは、流体の高速度流に関連するノイズ放出を制限する。また、導管の中で流体を循環させるためのデバイス（ポンプ、又は抽出、推進モーター）は、より弱く、従ってよりエネルギー消費の少ないものを選択することが出来る。従って、上記の文献に示されたシステムは、現代の建物の加熱、換気、空気調節システムには全く適していない。
さらに、この文献で提案されている測定デバイスは、収集された速度の測定結果を受信機に伝送する伝送装置を提供する。収集された少ない量のエネルギーを補うため、受信機自身が、伝送装置に必要なエネルギーを、電磁放射によって提供する。従って、受信機は、主な制約となる効率的なエネルギー供給が可能となるように、測定デバイスの十分近くに配置されなければならない。
また、ドイツ第102010028793号明細書（DE102010028793）は、導管内を循環する流体の特性を測定するためのエネルギー自律デバイスを含んでいる。この文献は、導管内の流体の速度が遅い時に、エネルギー回収デバイスのタービンを作動させる事の難しさを認識している。例えば、導管の直径を局所的に小さくすることにより、流体の速度を増加させて、エネルギー回収デバイスが作動するのを可能にする事が推奨される。しかしながら、そのような“速い”タービン作動状態では、デバイスの摩耗、裂け、ノイズ放出が悪化する。
エネルギー回収のために磁歪性及び圧電性物質を結合する技術が、文献“エネルギー獲得のための磁歪性及び圧電性合成構造（Magnetostrictive piezoelectric composite structures for energy harvesting）”（T.Lafont他、Journal of Micromechanics & Microengineering、Institute of Physics publishing、Vol.2、No.2、2012/8/24）によって、ようやく知られるようになった。
本発明は、上記の問題点を少なくとも部分的に軽減することを目的とする。本発明は、特に導管内を循環する流体の特性を測定するための、エネルギー的に自律したデバイスを提供することを目的とする。また、本発明は、建物の換気、空気調節、及び／又は加熱を制御するための、非常に簡単且つ安価に取り付けることができるシステムを提供することを目的とする。より具体的には、本発明は、長い作動時間を持ち、作動中のノイズ放出が少ない、導管内を循環する流体の特性を測定するためのデバイスに関する。
これらの目的の一つを達成するために、本発明の主題は、導管内を循環する流体の少なくとも一つの特性を、流れ方向に測定する自律デバイスであって、
流体によって回転駆動されることができるタービンを有し、固定子に取り付けられた回転子と、
タービンの回転軸が流れ方向と平行になるように、固定子を導管内、又は導管の一端に取り付けるための取り付け手段と、
タービンの回転軸と垂直な磁気面を規定する永久磁場源と、
参照面を有し、参照面における磁場の変化を、電荷を生成可能な機械的変形に変換することができる磁電変換器と、
磁電変換器に電気的に接続され、周囲の特性を測定するために、電荷を活用することのできる処理回路と、
を備えた自律デバイスを提案する。
本発明によれば、磁電変換器と永久磁場源の一方が固定子に含まれ、もう一方が回転子に含まれる。固定子は、磁電変換器の参照面が、永久磁場源によって生成された磁気面の中にあるように、回転子に接続される。
本発明の有利で制限されない他の特徴（一つ、又は技術的に可能ないかなる組み合わせでもよい）によれば、
永久磁場源が、タービンと一体となって回転子に含まれ、磁電変換器が固定子に含まれる。
磁電変換器と処理回路が、タービンと一体となって回転子に含まれ、永久磁場源が固定子に含まれる。
磁電変換器と処理回路は、密封された筐体内に配置される。
タービンは、ハブと、ハブに取り付けられた複数のブレードから構成される。
ブレードは、配向が可変であるか、又は柔軟性のある物質から作成される。
固定子は、少なくとも部分的にタービンのハブに収納される。
ハブは、中空のドーム型形状と、ブレードへの流体の流れを加速する空力的断面を有する。
ハブは、流体の循環経路をきれいにすることが出来るカーテンを含む。
タービンは、３より小さい速度パラメータを持つように設計される。
タービンは、０．７から１の強度、好ましくは１に近い強度を持つ。
ブレードの取り付け角は、１５°から４５°である。
ブレードの取り付け角は、可変である。
磁電変換器は、その参照面内に、磁化可能な物質からなり、回転子と固定子が取り外し可能なアセンブリを形成するように、永久磁場源よって生成された磁化面内に磁気的に保持された層を備える。
タービンの回転軸と向きが調整された回転シャフトが、回転子の回転を案内するように、回転子に配置された中心化ユニットと固定子に配置された中心化ユニットの間に配置される。
永久磁場源は、ハルバッハ・シリンダーとして構成された複数の電池により形成される。シリンダーの軸は、タービンの回転軸と向きが調整される。
取り付け手段は、導管出口を含み、回転子と固定子は、導管流出口の内部に配置される。
タービンは、タービン識別子を備える。
処理回路によって行われる周囲の特性の測定は、流体の速度、流体の流量、流体の温度、二酸化炭素濃度、一酸化炭素濃度、揮発性有機化合物濃度、流体の水分含有量の内の少なくとも一つを含む。
自律デバイスは、温度センサ、二酸化炭素濃度センサ、一酸化炭素又は揮発性有機物粒子濃度センサ、湿度センサ、タービン識別情報センサの内の少なくとも一つのセンサを含む。
処理回路は、電荷収集回路を含む。
処理回路は、測定伝送回路を含む。
処理回路は、電荷を蓄積するデバイスを含む。
自律デバイスは、導管を循環する流体の流れを変更する手段を含む。
手段は、閉じることによって、導管の経路部分を制限するように制御されることが可能なフラップ、又はカーテンである。
手段は、開くことによって、タービンのブレードを迂回する流体循環の経路をきれいにするフラップ、又はカーテンである。
他の側面では、本発明は、導管のネットワークを備えた建物の換気、空気調節、及び／又は加熱を制御するシステムに関し、システムは、
少なくとも一つの自律測定デバイスと、
自律デバイスによる測定を処理するように構成され、建物の換気、空気調節、及び／又は加熱の状態を調節する制御デバイスと、
を備える。
本発明の有利で制限されない他の特徴（一つ、又は技術的に可能ないかなる組み合わせでもよい）によれば、
また、制御デバイスは、導管のネットワークに保守又は診断情報を提供するようにさらに構成される。
また、制御デバイスは、自律デバイスの作動パラメネータを生成するようにさらに構成される。
また、制御システムは、室内温度、又は占有状態センサなどの、追加の建物センサをさらに含む。
自律デバイスは、それが存在する導管内を循環する流体の流量を変更する手段を含む。
制御デバイスは、自己管理デバイスを形成するように、少なくとも部分的に自律デバイスと一体化される。
制御システムは、互いに通信を行うように形成された、複数の自給型の自己管理デバイスを含む。
制御デバイスは、スマートフォン、タブレット、又はコンピュータなどの計算機である。
制御デバイスは、自律デバイスから離れており、自律デバイスによる測定の結果が、SigFox ネットワーク、インターネットなどの広域ネットワークを介して、制御デバイスに伝送される。
本発明の他の特徴と有利な効果は、添付された図面を参照して、以下の本発明の詳細な説明から明らかになるであろう。
図１ａは、本発明の異なる実施の形態に従う発電機を表す図である。 図１ｂは、本発明の異なる実施の形態に従う発電機を表す図である。 図１ｃは、本発明の異なる実施の形態に従う発電機を表す図である。 図２ａは、磁電変換器の概略断面図である。 図２ｂは、磁電変換器の上面図である。 図２ｃは、磁場の方向と圧電層の分極方向の間の角度θの関数として、磁電変換器によって生成される電荷の量を、図表で表現したものである。 図３ａは、本発明に従う自律デバイスの分解図である。 図３ｂは、本発明に従う自律デバイスの断面図である。 図４は、換気導管内の空気流の速度と、回転子の回転速度及び発電機によって生成される電力とを関係付けるグラフである。 図５ａは、本発明に従うデバイスに実装することが出来るタービンを表す図である。 図５ｂは、本発明に従うデバイスに実装することが出来るタービンを表す図である。 図５ｃは、本発明に従うデバイスに実装することが出来るタービンを表す図である。 図５ｄは、本発明に従うデバイスに実装することが出来るタービンを表す図である。 図５ｅは、本発明に従うデバイスに実装することが出来るタービンを表す図である。 図６は、導管内を循環する流体の速度に従った、本発明に従うデバイスのタービンの回転速度を示すグラフである。
以下の記載を単純化するために、本発明の様々な実施形態において、同じ構成要素又は同じ機能を有する構成要素に対して、同じ参照符号が用いられる。
本発明は、導管内を循環する流体の少なくとも一つの特性を測定し、場合によっては、その特性の一つ又はそれ以上を変更する自律デバイスに関する。デバイスは、それ自体、エネルギー的に自律しており、流体の運動エネルギーを電荷に変換する発電機を含む。発電機の作動原理は、以下で説明する。
（発電機）
図１ｃの例で示されるように、本発明で作動される発電機１は、磁電変換器２と、例えば永久磁石などの磁場源３を含む。磁電変換器２と磁場源３は、互いに相対的に移動することが出来る。この開示で後に詳細に説明されるように、発電機は静止した状態で維持されることができ、磁場源３が流体の流れによって駆動されるタービンによって回転させられてもよい。
有利には、磁場源３は、磁電変換器２を配置することが出来る筐体４を規定し、特に小型のユニットを形成する。発電機によって供給された電荷は収集され、場合によっては、発電機１に関連付けられたサンプリング回路によって蓄積される。そのような回路は、例えば、WO2014063958、WO2014063952、WO2014063951、WO2016146929、又はWO2007063194から知られており、ここではさらなる詳細は説明しない。
図２ａと図２ｂは、磁電変換器２の特別な例を示す。磁電変換器２は、参照面内の磁場の変化を、電荷を蓄積することが出来る機械的変形に変換することが出来る。
磁電変換器２は、好ましくは、飽和した状態において絶対値で、１０ｐｐｍ又は３０ｐｐｍより大きく、さらには１００又は１０００ｐｐｍの磁歪係数を持った磁歪性物質からなる層２０を有する。この係数は、比率ΔＬ／Ｌで定義されることに留意すべきである。ここで、ΔＬは、物質を飽和状態にする磁場が存在する時の物質の伸びであり、Ｌは、磁場が無い時のこの物質の長さである。
好ましくは、層２０の物質は、本質的に等方性であるか、又は発電機１の中で等方性の性質を示すものから選ばれる。例えば、それは結晶性の又は焼結された、テルフェノールＤ（Terfenol-D）、ガルフェノール（Galfenol）、テルビウム鉄、強磁性コバルト、強磁性ニッケル、非晶質のホウ化ケイ素鉄（FeSiB）の塊から成る。
図２ｂに示すように、磁電変換器２の上面図において、層２０は円板形状を有することが出来る。層２０は、磁電変換器２と、それが配置される発電機１の参照面を規定する。
それ自体よく知られているように、層２０の参照面の所定の方向に磁場を掛けると、層２０が所定の方向に変形する（層２０の磁歪係数が０より大きい場合、伸びる）。
また、磁電変換器２は、層２０と一体化して組み立てられ、電極２２ａを有する、少なくとも一つの圧電層２１ａを備える。図２ａの例では、層２０の両側に２つの圧電層２１ａ、２１ｂが取り付けられている。これらの圧電層２１ａ、２１ｂは、それぞれ、少なくとも一つの側面、例えばその自由な方の側面に、電極２２ａ、２２ｂを有する。図２ｂに示す電極２２ａのように、電極２２ａ、２２ｂは、それぞれの層２１ａ、２１ｂの電荷を効果的に収集するために、平行であってもよい。
圧電層２１ａ、２１ｂは、有利にはＤ31モードより敏感な、Ｄ33モードで作動するように作成されるのが好ましい。これは、磁電変換器の性能を改善するのに役立つ。圧電層２１ａ、２１ｂは、磁歪層２０に一体化して結合されるため、この層２０の参照面内での変形は、また、この参照面に平行な面での圧電層２１ａ、２１ｂの変形を引き起こす。
圧電層２１ａ、２１ｂは、それらが規定する平面に含まれる分極方向に従って分極されるのが好ましい。幾つかの圧電層２１ａ、２１ｂが存在する場合、それらの分極軸が互いに平行になるように、磁歪層２０に配置されるのが有利である。以下の説明では、この場合が考慮される。
好適に、分極方向に従った圧電層２１ａ、２１ｂの変形は、これらの層における電荷の生成と、電極２２ａ、２２ｂにおける電荷の蓄積を引き起こす。そのような変形は、磁歪層２０が磁場に晒された時に得られ、その方向は、圧電層２１ａ、２１ｂの分極方向と平行な成分を持つ。
図２ｃは、磁歪層２０に生成された均一な磁場の方向と、圧電層２１ａ、２１ｂの分極方向の間の角度θの関数として、電極２２ａ、２２ｂに生成される電荷の量を、図表で表現したものである。それらの収集が無い時は、蓄積された電荷は、最大値Ｑ１と最小値Ｑ０の間を振動することが理解される。角度θが０°と１８０°に等しいとき、即ち磁場の方向と分極軸が平行なときに、最大値に達する。角度θが９０°と２７０°に等しい時、即ち磁場の方向と分極軸が垂直な時に、最小値Ｑ０に達する。従って、連続した２つの極値の間で、（正または負の）電荷が圧電層２１ａ、２１ｂに生成される。
有利には、磁電変換器２が回転する磁場に晒された場合に、１／４回転ごと（０°、９０°、１８０°及び２７０°において）に生成された電荷を収集するように、サンプリング回路が構成される。
必要であれば、これらの１／４回転ごとの収集ステップの少なくとも一つを省略したり、これらの収集ステップを角度的に変更したりすることが出来る。これは、例えば誘発される制動トルクを減少させたい場合、特に十分なエネルギーが利用可能な場合や、後に説明するように、弱い空気流などにおいて駆動トルクが弱い場合などである。
磁電変換器２は、このように構成され、磁歪層２０によって規定される参照面内の磁場の変化を、少なくとも一つの圧電層２１ａ、２１ｂの、少なくとも一つの電極２２ａ、２２ｂにおける電荷の蓄積を可能にする機械的変形に変換する。電極２２ａ、２２ｂは、サンプリング回路を接続することが出来る端子に接続されてもよい。
発電機は、決して上記の正確な形状の磁電変換器２に限定されないことに留意すべきである。このように、一つの圧電層２１ａを備えた、又は複数の磁歪層を備えた磁電変換器２も、本発明と十分に両立し得る。同様に、電極２２ａ、２２ｂは、他の形状を取っても良いし、上記の段落で説明したものと異なるように配置されてもよい。
図１ａから図１ｃの説明に戻り、発電機１はまた、磁場の発生源３も含む。磁場源３は、磁場が広がる筐体４を規定することが出来る。図１ａから図１ｃでは、この磁場は、点線の力線によって表されている。発電機１の全体の大きさ（例えば、本出願の目的と完全に両立する１立方センチメートルのオーダー）を制限する目的は、磁場源３の大きさを減少させることである。そして、磁界強度は、０．３テスラ、又は０．０３テスラから０．６テスラの間の範囲から選択することが出来る。
筐体４と磁場源３は、少なくとも磁場の一部が磁電変換器２の参照面内にあるように、磁電変換器２を筐体内に配置することが出来るように形成されることが好ましい。磁場源３と磁電変換器２は、磁電変換器に向かい合っている筐体４内で回転磁場が生成されることが出来るように、互いに相対的に移動が自由である。
好ましくは、筐体４内の磁場は均一である。言い換えると、筐体４内の磁場は、少なくとも筐体の中央部分で、好ましくは筐体のすべての点において、比較的一定の方向、及び／又は強度を持つ。これは、特定の場所に正確に位置決めすることなしに、磁電変換器を筐体４内に配置するのを容易にする。
磁場源３を提供する多数の方法が存在する。第１のアプローチによれば、磁場源３は、平面の片側に磁場を閉じ込めるように、互いに向かって方向付けられた永久磁石の平坦な組み立て品から成る。この組み立て品は、“ハルバッハ・ネットワーク（Halbach network）”としてよく知られている。
これらの２つの組み立て品を、磁場が互いに向き合うように、互いに対向させて配置することにより、筐体４は、これらの２つの平面の間の空間に規定される。この形態を、以下の図に示す。しかしながら、必ずしも２つの平坦な組み立て品が必要ではなく、有効な磁場を生成するためには、一つの組み立て品で十分であることに留意すべきである。
第２のアプローチによれば、複数の永久磁石が、閉じた輪郭に沿って互いに向かって配置され、筐体４を規定し、その中に磁場を生成する。例えば、それは図１ｂで概略的に示されるように、ハルバッハ・シリンダー配置でもよい。
補足的な例として、それは、筐体を規定する軟鉄から成る閉じた構造であってもよく、図１ｃに示すように、同じ磁気モーメントを持った２つの永久磁石が、筐体内に互いに対向して配置される。
選択された磁場源３の配置に関わらず、磁電変換器２は、少なくとも磁場の一部が参照面内に来るように、磁場源に対向して配置される。
本発明は、提示された技術的原理を、導管内を循環する流体の特性を測定する自律デバイスを提案するために利用する。
（換気導管内を循環する流体からエネルギーを回収するための発電機の利用）
これから示されるいくつかの特定の例では、発電機は、建物の換気導管を循環する流体からエネルギーを回収するために利用される。従って、この流体は空気である。しかしながら、本発明は、確かにこのタイプの導管及び流体に限定されないことに留意すべきである。
空気は、吸引又は推進力で導管内を循環させることが出来る。用語“流れ方向”とは、残りの開示において、一般的に自律デバイスが配置される導管部分における流体の流れの方向を言い表すのに用いられる。
建物の換気導管の特定の例では、これらは、円形の横断面と、５０ｍｍ、９０ｍｍ、１２５ｍｍ、又は３００ｍｍの標準的な直径を持つ柔軟性のある導管であってもよい。しかし、本発明に従う自律デバイスは、いかなる特定のサイズ又は形状の導管とも関連付けられない。
建物又は居住用のアパートの通常の通気度は、それが自発的に低い値に制御されなければ、５０ｍ3／時から２００ｍ3／時の間になるであろう。このように、部屋の性質に従って、基準が特定の流量を課すであろう。例えば、キッチンの換気には５０ｍ3／時の流量を、トイレの換気には１５ｍ3／時の流量を課すであろう。導管を通る空気循環の速度は、０．０５ｍ／秒、０．１ｍ／秒、又は０．５ｍ／秒のような１ｍ／秒の何分の一か、から４ｍ／秒、６ｍ／秒、又は１０ｍ／秒のような何ｍ／秒の間になり得る。
本発明に従う自律デバイスは、広い範囲の空気速度で作動可能であり、理想的には、０．１ｍ／秒から１０ｍ／秒、１ｍ／秒から１０ｍ／秒、又は０．１ｍ／秒から４ｍ／秒などの範囲の、０．０５ｍ／秒から１０ｍ／秒の全範囲に亘って作動可能である。
以下に説明されるように、本発明に従う自律デバイスは、その作動エネルギーを、タービンを用いて導管内の流体の流れエネルギーから取り出す。単位体積当たりで、このエネルギーは、タービンの両側で発生する圧力差Δｐに対応する。さらに、流体側で利用可能な瞬間の力は、Ｑ×Δｐの形式を取る。ここで、ＱはＵ×Ｓの結果に等しい流体の体積流量であり、Ｕは断面Ｓの導管内の平均空気流速度である。所定の断面において、利用可能な瞬間の力は、流体の速度に大いに依存することが理解できる。広い範囲の流体速度で作動する能力は、特に最も遅い流体速度において、本発明の非常に有利な特徴である。
（自律測定デバイス）
一般的に言って、本発明に従う自律測定デバイスは、導管内を循環する流体のエネルギーを回収する手段と、この流体の少なくとも一つの特性を測定する処理手段とを結び付ける。発電機（その作動原理は、上記の段落で説明した）を用いて回収されたエネルギーは、全処理チェーンがこの測定を行うのに必要なエネルギーを供給するのに十分である。これらの手段は、導管内、又は導管の一端に配置できるように十分小型である。
このように、また図３ａの分解図及び図３ｂの断面図に示すように、本発明に従う自律デバイス１０は、回転子１１、固定子１２、及び固定子を導管１４内、又はこの導管の一端に固定して配置し、自律デバイスを流れ方向に向かわせることを可能にする取り付け手段１３を備える組み立て品の形状を有する。
本発明では、磁電変換器２が固定子１２に配置され、磁場源３が回転子に配置されるか、又は磁電変換器２が回転子に配置され、磁場源３が固定子に配置される。言い換えると、磁電変換器２及び磁場源３の一方が固定子１２に含まれ、他方が回転子１１に含まれる。単純化のために、これらの実施形態の一つの詳細な説明のみが与えられる。
（回転子）
回転子１１は、回転軸を有するタービン１１ａを含む。このタービンの機能は、回転子１１を回転運動させることである。自律デバイスが適切に組み立てられ、取り付け手段によって導管１４に保持された場合、タービンの回転軸は流れ方向と平行になる。従って、タービン１１ａは、導管１４内を循環する流体によって回転駆動させられることが可能であり、回転子１１を作動させることが可能である。
タービン１１ａは、例えば１ｍ／秒以下の非常に遅い流体速度においてもその動きに抵抗する、抵抗性で静的及び動的なトルクより大きいトルクを発生するように設計される。この抵抗性のトルクは、回転子１１が動いている時の、周囲から受ける考え得る摩擦が起源の摩擦トルクを含むことが出来る。また、この抵抗性のトルクは、固定子１２で行われるエネルギー変換によって生じる制動トルクを含んでもよい。
このように、有利には、タービン１１ａは遅いタービンを形成するように設計される。すなわち、その速度パラメータｗ×ｒ／ｖが、３よりも小さい（ここで、ｗはタービンの角回転速度、ｒはタービンの半径、ｖは流体の流れの速度である）。このように、タービン１１ａは、速い回転速度を得るのではないトルクの開発に有利なように利用可能であり、非常に低い流量での作動に貢献する。
さらに一般的には、タービン１１ａの空力的な形状は、作動中のタービンの回転速度を制限する一方で、低流量の空力的なトルクを促進するように設計される。
そして、タービンを駆動するのに３を超える速度パラメータを必要とする流体の速度に比べて、低減された流体の速度においてタービンを作動させることが可能となる。さらに、タービン１１ａの比較的遅い回転速度は（従って、回転子１１の回転速度は）、自律デバイス１０のノイズ放出を制限することを可能にする。ノイズ放出は、自律デバイス１０が机、又は寝室へ通じる換気導管に配置されなければならないときに、重要なパラメータとなる。最後に、遅い回転速度は、また、自律デバイスを作り上げる部品の摩耗を制限する。特に、速度パラメータが３より小さい、遅い空気速度に適合されたタービンの選択は、従来技術から引用された文献から引き出される教えとは、完全に相反することに留意すべきである。それらはすべて、異なる手段で、速い回転子の回転速度に対応した作動状態に発電機を配置ことを模索する。これにより、上記の従来の発電機を用いて確立された速度におけるエネルギー変換が可能に、又は効率的になる。
当然のことながら、タービン１１ａと回転子１１の回転速度は、流体の流れ速度に依存する。比較的遅い速度（１ｍ／秒、又はそれ以下のオーダーの換気導内の空気循環）において、回転子を１０から１００ｒｐｍのオーダーの角速度で回転させることが可能である。これは、自律デバイスを作動させるためにエネルギーを供給するのに十分である。一般的に、タービン１１ａと回転子１１は、６０ｒｐｍから１０００ｒｐｍの間の回転速度を達成するよう設計される（好ましくは、４００ｒｐｍから８００ｒｐｍ、又は６００ｒｐｍの間）。これは、例えば０．１ｍ／秒から４ｍ／秒の間の、広い範囲の導管内の空気速度に当たる。これらの速度範囲では、回収されたエネルギーは、自律デバイスを自律させるのに十分であり、自律デバイスの摩耗及びノイズ放出を制限するのに十分低い。適合されたタービンのデザインに加えて、本開示で後にさらなる詳細が説明されるように、そのような比較的遅い回転速度の探求は、導管から空気流の一部を逸らすことに繋がる可能性がある。それにより、特に速い空気速度においてタービンの回転速度を制限するために、空気流の一部がタービンの回転に寄与しないようにすることが出来る。最後に、本開示で後に述べられるが、本発明に従う自律デバイスの発電機に実装された構造は、遅い、及び／又は小さい振幅の運動によって供給されるエネルギーを回収するのに、特に効果的であることに留意すべきである。
図３ａから分かるように、タービン１１ａは非常に従来型の構造を有する。それは、中央のハブ１１ｂと、このハブ１１ｂに取り付けられた複数のブレード１１ｃから形成される。この従来型の構造は、非常によく確立された特性を有する。
有利には、ハブ１１ａは空力的断面を持った、中空のドーム型形状を有する。ドームは、頂点と、円形である底部を有する。ドームの頂点は、空力的断面を利用するために、導管１４内で流れの上流へ向いている。これは、導管１４内の流体が本質的に層流であることを維持するための試みであり、これにより、この導管内における過度の圧力低下が防止される。また、束縛のないハブの空力的断面は、ブレードへの流体の流れを加速するのに用いられる。ハブの直径は、タービン１１ａの直径（すなわち、直径方向に反対側の２つのブレード１１ｃの端部の間の距離）の３０％から９０％の間になるように選択することが出来る。
また有利には、タービン１１ａは、０．７から１の間の強度を有する。タービンの強度は、タービンが通過し、ブレードの表面によって占められる円板の表面と、ハブとの割合であることに留意すべきである。１に近い高い強度は、強いトルクの開発に有利であり、好ましい設計選択である。しかしながら、例えば０．７に近い低い強度を選択することも可能である。これは、導管１４内における自律デバイス１０の存在が、過度に流体の流れに影響を与え、導管１４内で過度の圧力低下を引き起こさないようにするためである。
好ましくは、ブレード１１ｃは、１５°から４５°の間の取り付け角を有するように、束縛されないハブに取り付けられる。これは、遅い風力タービンを形成するのに貢献する。非常に一般的に、取り付け角が大きくなるほど、回転速度が遅くなる。明確性のため、ブレードが、ブレードの回転によって生成される面に対して形成する角度として、較正角が定義されることに留意すべきである。ブレードが羽根状の断面を有する場合、この取り付け角は、この断面の弦と、ブレードの回転によって生成される面とで形成される角となる。
非常に有利で、代替の解決策によれば、この較正角は変動可能に、場合によっては、例えばこの開示の残りで説明される処理方法によって、制御可能にすることが出来る。
他の代替の解決策によれば、タービン１１ａのブレード１１ｃを、選ばれた較正角に従って選択的に方向付けすることが可能である。これは、自律デバイスを、その周囲環境と、それを通過しそうな流体の流れのレベルとを予期して適合させるためである。例えば、図５ａと図５ｂは、ブレード１１ｃが可変の取り付けデバイス１１ｄによって、ハブ１１ｂに可動に取り付けられたタービン１１ａを示す。可変の取り付けデバイス１１ｄは、回転子が本発明に従う自律デバイスに配置される前に、ブレード１１ｃを軸方向に方向付けすることを可能にする。
さらに他の代替の解決策によれば、ブレード１１は、柔らかい又は柔軟性のある物質から選択することが可能であり、その形状と角度は、導管内を循環する流体の流量に従って変動可能である。図５ｃは、そのようなタービン１１ａを示す。タービン１１ａの束縛のないハブは、窓１１ｇを形成するように、アーム１１ｅを介して保持リング１１ｆに接続される。ブレード１１ｃは、ハブ、アーム１１ｅ、及び／又は保持リング１１ｆによって保持される、柔軟性のあるプラスチックフィルムから作成される。プラスチックフィルムに形成された切り欠き（図５ｃの点線）は、窓１１ｇにおいて、アーム１１ｅ、及び／又はハブ１１ｂ、及び／又は保持リング１１ｆに沿って、導管内の流体の流れの圧力によってフィルムが変形することを可能にするタブを規定する。これにより、ブレード１１ｃの取り付け角が、この流体の流量に従って変化する。
上記の代替の解決策の一つを採用することにより、タービンを制御する助けとなることが出来る。これにより、すべての流体速度の範囲、例えば０．１ｍ／秒から１０ｍ／秒、又は０．１ｍ／秒から４ｍ／秒の範囲において、タービンが１０００ｒｐｍ、又は８００ｒｐｍ、さらには４００ｒｐｍの回転速度を超えないようにすることが出来る。
さらに一般的には、ブレードの形状を可変にし、この形状を流体の流れの状態に適合させることができる。これにより、あらゆる状態において、強いトルクと遅い回転速度の開発が有利となる。
第１のアプローチによれば、タービン１１ａの大きさは、導管１４の断面が円形である場合、導管１４の全断面を占めるように選択される。導管が異なる形状である場合、タービン１１ａの直径は、導管１４の断面に内接する円の直径と対応するように選択することが出来る。このように、導管１４の流路断面の最大の部分を占めることにより、流体によって供給される、利用可能なエネルギーが最大限利用される。
代替の解決策によれば、タービン１１ａの大きさは、導管１４の一部のみを占めるように選択され、残りの部分は導管の断面を制限し、タービン１１ａにおいてより速い空気速度となるように閉じられることが出来る。
他の代替の解決策によれば、その例は後に示すが、タービン１１ａの回転に寄与することなしに、流体の一部が導管内を循環できるように、残りの部分が開放される。これは、特に流体の速度が速くなりそうなときに、タービンの回転速度を制限する。
さらに他の代替の解決策によれば、残りの部分は、カーテン、又はフラップによって選択的に開けられるか、又は閉じられることが出来る。
タービン１１ａは、０．１ｍ／秒の遅い流れの速度で十分に作動することを示し、（１ｍ／秒の流れの速さで）３５ｄＢ（Ａ）以下の非常に低いノイズレベルという有利な効果を有するが、本発明は、当然のことながら、上記のタービン１１ａに限定されない。
当業者は、自律デバイス１０の特定の作動条件（流体の性質、流体の速度範囲、導管の流路断面の大きさ、ノイズ放出の影響）に最も適合した作動速度（すなわち、流体の速度及び性質に従う、トルク及び回転速度）を採用するタービン１１ａを設計するために、多くの手段及び構造を用いることが出来る。従って、キッチンに通じる換気導管内に（又はこの導管の一端に）配置するのに特に適した（従って、比較的高い流量と速い空気速度を持った）、第１のタービンを提供することが出来る。また、第１のタービンとは異なり、トイレに通じる換気導管内に配置するのに特に適した（従って、低い空気流量と遅い空気速度を持った）、第２のタービンを提供することが出来る。自律デバイスの目的に応じて、第１又は第２のタービンと同じものを備えるように選択することが出来る。すべての場合において、ノイズ汚染とデバイスの摩耗を制限するために、タービンは回転子の遅い回転を促進する。
図３ａ及び図３ｂを参照すると、回転子１１はまた、タービン１１ａと一体化された永久磁場源３を含む。換言すると、磁場源３は、タービン１１ａが作動しているときに、タービン１１ａによって回転駆動させられる。永久磁場源３は、本開示の導入部でも示したように、発電機１の磁場源を形成する。
永久磁場源３は、タービン１１ａの回転軸に垂直に配置された磁気面を規定する。磁場源３は、必ずしも平面に閉じ込められた磁場を発生しない。それは、磁場源によって発生された磁場が、平均面の両側に広がる体積を占める本発明と完全に合致する。この場合、磁気面はこの平均面として規定することができる。
例えば、磁場源３は、複数の磁石１１ａから作成することが出来る。特に有利な形態では、磁石１１ａは、その軸がタービンの回転軸と向きが調整されたハルバッハ・シリンダーを形成するように組み立てられる。図に示すように、磁石１１ｅは、概して円筒形の筐体１１ｄによって一緒に保持されることが出来る。筐体１１ｄは、また、磁場源３がタービン１１ａに固定して結合されることを可能にする。
ハルバッハ・シリンダーの内部は、磁気面を含む、均一な方向の磁場が広がる筐体を規定する。
ハルバッハ・シリンダーを形成する磁石１１ｅの磁気モーメントの総和はゼロである。従って、ハルバッハ・シリンダーの外部磁場との磁気的相互作用もゼロであるか、又は極めて小さい。このように、地球の磁場、又は自律デバイスの近くに配置された磁場源は、自律デバイスに、全くトルクを発生させないか、又は僅かなトルクしか発生させないであろう。この特性は、本発明の自律デバイス１０が、導管内にいかなる方向（例えば、水平又は鉛直）に配置されてもよく、またその作動及び性能を変えることなく、磁場源の近くに配置されてもよいことを保証する。
永久磁場源３がどんな形であっても、回転子の回転は、少なくともタービン１１ａの回転軸に垂直な平面に配置された回転磁場の形成に繋がる。
（固定子）
また、本発明に従う自律デバイス１０は、固定子１２を含む。自律デバイスが導管１４内で作動している時、固定子１２は、取り付け手段１３によって導管１４に固定して保持される。従って、固定子１２は動かない。
固定子１２の一つの機能は、回転子１１の回転運動のエネルギーを、自律デバイス１０が作動するのに十分な電荷に変換することである。この目的のため、固定子１２は、本開示の導入部の段落で詳述した磁電変換器２を含む。従って、磁電変換器２は参照面を有し、この参照面内の磁場の変化は、電荷を生成することが出来る機械的変形を引き起こす。
また、固定子１２は、磁電変換器２に電気的に接続された処理回路１２ａを含む。処理回路１２ａは、その周囲の特性を測定するために、磁電変換器２で生成された電荷を用いることが出来る。この周囲（環境）は、自律デバイスが換気導管内に配置されたときは、空気から成る。
固定子１２は、磁電変換器２の主平面が磁場源３によって生成された磁気面内にあるように、回転子１１に取り付けられる。このようにして、発電機１は、導管内の流体の流れに起因する回転子１１の回転運動を電荷に変換できるように形成される。
磁電変換器２の参照面が、本開示の導入部分で示した磁歪性物質のような、高度に磁化可能な層を含む場合、磁電変換器２は、磁場源３によって規定される磁気面内に磁気的に保持される。これは、タービン１１ａによって伝えられた推力を支持する磁気的なスラスト軸受を形成する。
回転子１１と固定子１２が平行な平面内で保持されるというこの事実は、回転子１１と固定子１２が容易に取り外し可能な組み立て品となることを可能にすることに利用することが出来る。回転子１１は、高度に磁化可能な層と位置が調整され、安定して均衡した位置にある磁気面を引き抜くのに十分な低減された力を加えることにより、残りの自律デバイス１０から容易に分離することが出来る。
回転子１１のこの単純な分解特性は、特に有利である。例えば、それは固定子１２及び回転子に溜まる可能性のある潤滑油や埃をきれいにするのに利用することが出来る。また、それは、自律デバイスを再構成又は維持するのを容易にする。例えば、それは、欠陥のある又は不適当な第１の回転子を、この第１の回転子とは異なる特性を持った第２の回転子と取り換えることによって行われる。このメンテナンスは、導管１４から自律デバイス１０を完全に取り外すことなく行うことが出来る。
本発明の他の有利な特徴によれば、回転子１１は、回転子識別子を備えることが出来る。これは、磁気的又は光学的マーク、ＲＦＩＤ回路、その他の回転子及びその特性を識別するマークであってよい。識別子は、固定子上又は固定子内に配置された光学センサ、又は磁気センサによって識別されることが可能である。これにより、回転子１１の存在及びその特性が識別されることが可能となる。この情報は、自律デバイス１０によって、測定を行うために使用されることが出来る。
本発明に従う自律デバイス１０の重要な特徴は、回転子１１が回転している間に、固定子１２と回転子１１の間に形成される磁気的結合に起因する制動トルクが、非常に弱い強度であることである。換気導管内を循環する空気の少なくとも一つの特性を測定するように設計された自律デバイス１０（従って、１立方センチメートルのオーダーの体積を占めることが出来る発電機１のための）の場合、この制動トルクは、１ｍＮ・ｍより小さい。さらに、このトルクは、本質的に一定であり、回転子１１の回転速度とは独立している。この非常に弱い制動トルクは、タービンを非常に遅い空気速度（さらに一般的には、非常に遅い流体速度）で回転可能にすることを助長する。
また、回転子１１の遅い速度の回転は、回転子１１に配置された第１の中心化デバイス１２ｂと、固定子１２に配置された第２の中心化デバイス１２ｂ′との間に、回転シャフト１２ｃを配置することによって促進させることが出来る。回転シャフト１２ｃの機能は、回転運動を案内し、回転子の回転軸と垂直な平面内で固定子１２と回転子１１が相対運動するのを阻止するためである。これは、この２つの構成要素の間で起こり得る摩擦を制限する。回転シャフト１２ｃ及び中心化ユニット１２ｂ、１２ｂ′は、タービン１１ａの回転軸と向きが調整されている。中心化ユニット１２ｂ、１２ｂ′及び回転シャフト１２ｃを形成する物質の性質は、その摩耗に対する抵抗力から選択される。例えば、回転シャフトは、プラスチック（ＰＯＭ、テフロン．．．）、金属（青銅、真鍮．．．）、又は岩石（ルビー．．．）から形成される中心化ユニットと合わせて、鋼鉄（好ましくは、ステンレス鋼、又は非磁性の）、又はプラスチック（ＰＯＭ、テフロン．．．）から形成することが出来る。また、回転子の回転を容易にするために、玉軸受システムのような軸受システムが提供されてもよい。
この構成の代わりに、固定子１２と回転子１１の純粋に磁気的な中心化のためのデバイスが提供されてもよい。または、磁気的な中心化デバイスが、機械的止め軸受と組み合わされてもよい。これらのすべての構成において、固定子１２と回転子１１の組み立て品の容易に取り外し可能な性質は維持される。
自律デバイスを非常に頑丈にするために、固定子１２は、磁電変換器２及び処理回路１２ａが配置される密封された筐体を含む、又は形成することが出来る。特に、導管が換気導管である場合に、非常に湿った空気が導管内を循環する可能性がある。このように、自律デバイス１０の最も脆弱な部分が保護される必要がある。磁電変換器２と処理回路１２ａが回転子に配置される代替の実施形態では、この構成要素は密封された筐体を形成する、又は含むことが期待され得る。有利には、磁電変換器の密封された筐体と処理回路への組み立ては、磁電変換器よって放出される可能性のある振動又はノイズ放出を少なくとも部分的に吸収するように行われる。これは、特に電荷が収集される時に起こる物質の急な変形の間に行われる。これは、作動中に自律デバイスがノイズ放出するのを制限するのを助ける。
固定子１２が、流体の流れに対する干渉要素を形成しないことを確実にするため、固定子１２は、タービン１１ａのハブ１１ｂに収納されるように十分小型の形状を与えられることが出来る。これは、特に図３ｂの断面図で示すように、タービン１１ａが、固定子１２を収納する広い底部を備えたドーム型形状のハブ１１ｂを有する場合である。これは、導管内の圧力低下を制限又は防止するのを助ける。
経済的な及び小型化の理由から、磁電変換器２と処理回路１２ａは、例えばＰＣＢタイプの単一の基板１２ｄに配置することが出来る。基板１２ｄは、例えばその接続端子において、磁電変換器と処理回路１２ａの他の構成要素を電気的に接続する伝導性の経路を備えることが出来る。
処理回路１２ａは、本開示の導入部分で示したように、磁電変換器によって供給された電荷を受け取るための回路を含む。この回路は、例えば、回転子１１が１回転するごとに、４つのエネルギーパルスを受け取るように形成することが出来る。サンプリング回路は、電池や容量などの電荷を貯蔵するためのデバイスを含むことが出来る。これは、十分な期間の間、測定を展開及び行うために安定したエネルギー源を提供するためである。
例えば、図４は、上述のように回転子と固定子からなる発電機によって生成される電力（左のＹ軸）のグラフを示す。この自律デバイスは、直径が１２５ｍｍの導管内の空気の流れを測定するように設計されたものである。１ｍ／秒から３．５ｍ／秒（横座標）の間の空気速度において、固定子は約１２００ｒｐｍの速さまで回転駆動させられる。この速さは、６ミリワットの電力まで生成することが出来る。このエネルギーのレベルは、本発明に従う自律デバイス１０を作動させるのに、特に処理回路に供給するのに、十分である。また、このエネルギーレベルは、後にさらなる詳細を示すが、例えば導管内の制限器又は流れの増強器などの考え得るアクチュエーターに供給するのに十分であろう。
有利には、処理回路１２ａは、精密な測定のための伝送回路を含む。それは、例えばBluetooth（登録商標）、Zigbee（登録商標）、Zwave（登録商標）、ENOCEAN（登録商標）、又はSigfox（登録商標）などのフォーマットの、ラジオトランシーバー回路であってよい。選ばれるフォーマットの性質は、伝送回路の要求される範囲、及び自律デバイスと受信機の間の距離によって決定される。
処理回路１２ａの一般的な機能は、その周囲の特性を少なくとも一つ測定することである。処理回路１２ａが流体の流れる導管内に配置された場合、その周囲は、導管内を循環する流体を含む。
このように、第１の側面によれば、処理回路１２ａは流体速度を測定するように形成される。この測定結果は、回転子１１の回転速度又は生成される電力の測定結果から容易に得ることが出来る。これは、タービンの回転速度又は生成される電力と流体速度を結び付ける表又は相関関係を用いて、容易に得ることが出来る。そのような関係は、図４に示すグラフに点線として示されている。
処理デバイス１２ａは、タービン／固定子の回転速度を決定するように形成される。磁電変換器２によって生成されたエネルギーパルスは、回転子１１の回転の所定の一部ごとに、この回転速度を得るために用いることが出来る。このように、回転子１１の回転速度は、２つの連続するパスルの間の時間を数えることにより決定することが出来る。
有利には、流体速度の測定は、回転子１１の回転速度に基づいて行われる。この決定方法は、発電機１によって供給される電力に基づくものよりも、より信頼性がある。本当のところ、供給されるエネルギーは、周囲環境の特定の条件（温度、湿度、摩耗の程度）によって変わり得る。この特定の条件は、時間の経過とともに、発電機の効率、即ち生成されるエネルギーと流体速度の関係に影響を与える。これは、２つのエネルギーパルスの間の時間計測に基づく方法の場合ではない。
また、自律デバイス１０が導管内に配置された場合、必ずしもこの自律デバイス１０に特定のセンサを備えることなしに、流体速度の測定を行うことが出来ることに留意すべきである。エネルギー発電機１の特性は、この基準を確立するために用いられる。
相関関係は、タービン１１ａの特性、より一般的には回転子１１の特性に依存し得る。そのため、処理デバイス１２ａを、相関表、又は実際に自律デバイス１０に配置されるタービン１１ａ又は回転子１１に対応する関係を選択するように形成することが出来る。この目的のため、この開示の上記の内容で説明したように、この選択を自動的に行うために、回転子識別子を用いることが出来る。
上記の処理動作を行うため、処理回路１２ａは、支持体１２ｄの上に、上記の機能を行うことを可能にする分離した、又は一体化された電子的構成要素を含む。有利には、処理回路１２ａは、信号処理を行うマイクロコントローラ又はマイクロプロセッサのような、１つ又はそれ以上のプログラム可能なコンピュータを含むことが出来る。
いくつかの場合では、自律デバイス１０に少なくとも一つの追加のセンサを備えることが有利であり得る。これは、利用可能なエネルギーを、複数の流体特性、又は流体自体に直接関係しない他の情報を提供するのに利用する。
このように、特徴的な流体測定を行うために、自律デバイス１０は、温度、湿度、二酸化炭素、一酸化炭素、揮発性有機物粒子センサを備えることが出来る。導管が引き出し換気導管である場合、これらの測定は、空気が引き出される部屋の雰囲気に対応し得る。これは、換気、加熱、及び／又は空気調節、さらには部屋の照明、フラップの開閉、又はその他の自家自動制御の統合された制御に使用出来る情報を導き出すことを可能にする。
また、自律デバイス１０は、導管の流れの特性を直接的に測定しようとしないセンサを備えることも可能である。このように、自律デバイス１０が導管の一端の近くに配置されている限りにおいて、この自律デバイス１０に、導管が通じている部屋の占有状態又は温度センサを提供する必要があり得る。これは、自律デバイスが、導管出口１５と一体化され、導管の一端に取り付けられ、従って部屋と直接的にアクセス出来るときに、特に可能である。
これらのセンサは、ワイヤ接続によって処理回路１２ａと接続することが可能である。代替として又は追加として、自律測定デバイス１０はまた、処理回路１２ａの無線受信回路を介してセンサと接続されることが出来る。その結果、自律デバイス１０は、特性が正確に測定される部分に直接的に配置されたセンサと接続されることが出来る。
また、自律デバイス１０は、携帯電話、タブレット、コンピュータ、又は形成可能な又は診断可能なあらゆる他の形態のコンピュータなどの制御デバイスと接続することが出来る。この接続は、処理回路１２ａの伝送回路によって提供することが出来る。これは、例えば、自律デバイスが上記の自動識別機能を有さない場合に、回転子１１の特性を識別することを含んでもよい。
利用可能なエネルギーを最もよく管理するため、すべての流体特性が固定された頻度で確立される又は与えられる必要はない。従って、第１の測定頻度に従って第１の特性（例えば、流体速度測定）が確立され、第１の測定頻度よりも遅い第２の測定頻度で第２の特性（例えば、二酸化炭素又は一酸化炭素濃度測定）が確立されるように決定することが出来る。一般的に、特性の測定の頻度は、測定される現象の力学に適応するように選択される。
また、測定結果は、それが得られた直後に伝送される必要もない。測定結果は、処理回路１２ａのメモリに一時的に記憶されて、測定頻度とは異なる頻度で伝送されることが出来る。また、読み出し及び伝送の量、性質及び頻度は、発電機によって供給されるエネルギーをフルに活用するように、自動的に決定されることが出来る。
（取り付け手段）
取り付け手段１３は、自律デバイス１０が導管１４内の作動位置に保持されることを可能にする。この位置において、タービン１１ａの軸は、流体の流れ方向と平行になる。好ましくは、取り付け手段１３は、自律デバイス１０が導管の方向（例えば、水平又は鉛直）に関係なく、導管内に配置されることが可能なように、自律デバイス１０を十分に保持しなければならない。
例えば、取り付け手段１３は、枝１３ａによって固定子に接続されたフレームを含んでもよい。このフレームは、その外面の少なくとも一部が導管１４の内面で支持される外形を持つ。例えば、フレームは円形の輪郭を持っていてもよく、その直径は導管の直径に対応する。この構成は、図３ａ及び図３ｂに示すものである。
特に興味深い代替の解決策では、取り付けデバイス１３が導管出口１５を含み、回転子１１と固定子１２が少なくとも部分的に導管出口１５内に配置される。導管出口はスリーブ１５ａを有することができ、その形状と大きさは導管１４の形状と大きさに調整される。スリーブ１５ａの端部を導管１４に挿入することにより、導管出口１５は導管１４に取り付けられる。回転子１１と固定子１２は、少なくとも部分的にスリーブ１５ａ内に配置することが出来る。これは、既存の導管出口を本発明に従う自律デバイス１０を含む導管出口と交換することにより、ユーザーによって非常に簡単に取り付けることが出来る自律デバイス１０を形成する。
少なくとも一つの測定を行う機能に加えて、本発明に従う自律デバイス１０は、また、流体の特性の一つ、又はその周囲環境を変更、又は制御するように形成することが出来る。例えば、処理回路１２ａは、得られた測定結果を解析した後に、加熱、冷却、又は換気装置を自動的に制御するように形成することが出来る。自律デバイス１０が換気導管に配置された特定の例では、与えられた測定結果が、過度の湿気、又は二酸化炭素のような低い空気の質を示した場合に、窓を開ける必要があり得る。また、それは換気空気流測定が快適な温度よりも低い温度を示した場合に、ルームヒーターを制御することを含む可能性がある。
また、処理回路１２ａは、他のタイプのデバイスを制御するように形成することも出来る。例えば、これは、煙を検知した時に、視覚的又は聴覚的なアラームを制御することがあり得る。
有利には、流体の特性の一つ、又はその周囲環境を変更、又は制御出来るように制御されたデバイスは、自律デバイス１０自身の一部となることが出来る。例えば、それは導管を循環する流体の流れを変更するデバイス実装手段であり得る。例えば、それはフラップ、又はカーテンを配置することであると考えられ得る。それらの制御された動きは、導管の流路断面を変更することを可能にする。フラップ、又はカーテンは、圧電性物質（ＰＶＤＦ）から形成することが出来る。例えば、圧電性物質の変形、又は形状は、電圧を掛けることによって制御することが出来る。フラップ、及び／又はカーテンは、取り付け手段１３と一体化することができ、フラップ、又はカーテンの開閉動作は、支持フレームによって案内されることが出来る。
第１のアプローチによれば、フラップ、又はカーテンは、回転子と直列に、即ち回転子の上流又は下流に配置することが出来る。この場合、自律デバイス１０は、導管内の流体の流れを低減するか、又は完全に遮断することが出来る。例えば、自律デバイス１０は、与えられた測定によって確立された環境に従う部屋の換気を低減、又は遮断することが出来る。
この実施形態を可能にするために、自律デバイスは、処理回路１２ａと一体化された制御デバイスを含むことが出来る。有利には、一体化された制御デバイスは（既に処理回路に提供されていなくても）、電池や容量のような、電荷を蓄積するための構成要素を含むべきである。これは、制御されるデバイスを作動するのに必要なエネルギーを蓄積出来るようにするためである。蓄積デバイスは、自律デバイスの起動を制御するのと、流体の循環を回復する（何故なら、流体の循環が遮断された場合、もはや可能なエネルギーの発生はないため）のに、特に有用である。代替として、制御されるデバイスは、エネルギーの供給が無い時に、“標準的に開いた”状態として設計されることが可能である。これらのデバイスは、流体の流れが完全に遮断されていない場合に、残りの形態を取ることが出来る。どのような解決策が実行されても、自律した、及び自動制御されたデバイス１０は使用可能である。
他の特に有利なアプローチでは、フラップ又はカーテンは回転子と平行に配置することが出来る。即ち、フラップ又はカーテンは、タービンのブレードを迂回する流体バイパス経路を閉じる、又はきれいにすることが出来る。このように、流体の流れ経路は、流体が回転子の回転を促進することなしに開放されることが出来る。この構造は、比較的高い空気流量にも関わらず、例えば１０００ｒｐｍ又は８００ｒｐｍ以下の遅い回転子速度を維持したい時に、特に有利である。上記のように、遅い回転速度は、自律デバイスの摩耗及びノイズ放出に関して、好ましい。
この他のアプローチでは、カーテン又はフラップは、開放されるように制御される必要はない。そのようなものとして、図５ｄ（斜視図で）及び図５ｅ（断面図で）は、回転子１１ａを示し、そのハブは柔軟性のあるプラスチック製のカーテン１１ｅを備えている。このカーテン１１ｅ（特に、図５ｅにおいて見える）は、導管を通って循環する流体の流れの影響を受けて変形してもよい。これは、回転子の回転駆動に寄与することなしに、流体が流れることが出来るように流路をきれいにするためである。流体の流量が多くなるほど、このバイパス経路を流体が流れることが出来るように、カーテンはより大きく開く傾向がある。この実施形態は、導管内の流れの流量に影響を与えることなくバイパス経路を提供出来ることに留意すべきである。カーテンは、予め圧力を掛けられて、流れが所定の値を超えた場合にのみ変形することを期待することが出来る。
図６は、直径１２５ｍｍの導管内に配されたタービンの空気流量に従う回転速度を示す。実線は、固定された中央ハブを備えたものであり、点線は、そのような柔軟性のあるカーテンを有する中央ハブを備えたタービンのものである。すべての空気流において、この第２の形態の方が、回転速度が大きく低減されていることが分かる。広い範囲の空気流量において１０００ｒｐｍより小さい回転速度を維持出来ることに留意すべきである。第１の形態（５０ｍ3／時）と比較して、第２の形態において、３ｄＢ（Ａ）以上のノイズ放出の低減が観測された。
（制御システム）
導管内を循環する流体の特性を測定するための自律デバイス１０は、建物の換気、空気調節、及び／又は加熱のための制御システムに使用することが出来る。建物は、居住用の建物であってもよく、産業用又は商業用の建物であってもよい。通例では、これらの建物は導管のネットワークを有し、そこでは流体（通常は空気）が上記の機能を奏するために循環している。
例えば、ネットワークは、建物の部屋に加熱された、又は冷却された空気を注入することを可能にする第１の加熱及び空気調節ネットワークと、空気の入れ替えを可能にするために、これらの部屋から空気を排出することを可能にする第２の換気ネットワークとから成ることが出来る。有利な側面によれば、本発明は、これらのネットワークの一つ及び／又はその他に、少なくとも一つの自律デバイス１０を配置することを計画する。
従って、本発明に従う制御システムは、既に詳細を示した代替の解決策の一つに従う自律測定デバイス１０を少なくとも一つ含む。自律測定デバイス１０は、取り付け手段１３を用いてネットワーク導管に作動形態で配置される。実際的に、好ましくは、複数の導管にこれらの自律デバイス１０が複数配置される。これは、建物の快適さのレベルと空気の質を良好に制御するために十分な情報を得るためである。これは、例えば、建物に提供された部屋の近くのネットワーク内の注入及び排出導管ごとに自律デバイス１０を配置することを含み得る。
また、本発明に従う制御システムは、建物の換気、空気調節、又は加熱状態を調節するための少なくとも一つの制御デバイスを含むであろう。制御デバイスは、自律デバイスによって提供された測定結果を受け取り、処理する。これは、特定のレベルの快適さと空気の質を達成するために、建物の加熱、空気調節、又は換気手段を制御するためである。このレベルは、居住者、入居者、及び／又は建物の管理人によって選択されることが出来る。
代替の解決策によれば、自律デバイス１０は、それが配置された導管内を循環する流体の流れを変更する手段を含む。制御デバイスは、例えば換気、加熱、及び／又は換気導管内の空気流量を増加又は低減するように、これらの手段を制御することが出来る。そして、制御デバイスは、ある程度、利用可能な換気、加熱又は空気調節の資源を用いる、又は頼ることなしに建物の状態を制御することが出来る。この代替の解決策において、制御システムは、流体の流れを変更して、この流れを完全に遮断するための手段を駆動し、建物内のポンプ、熱交換器、その他のような加熱、空気調節、及び／又は換気手段のスイッチを切る又はスタンバイ状態にすることにある、完全休止状態を提供し得る。これは、長期間建物がスタンバイ状態であることを可能にする。代替として、安全上の理由から、加熱、空気調節、及び／又は換気手段の減衰された又は低減された作動状態にすることが計画され得る。これは、循環する空気流が制限される場合に、これらの手段に過度の圧力が掛からないように流体の流れを変更し、および特定の制限において制限するために、多数の自律デバイスが手段を実装した場合である。
また、制御システムは、室内温度センサ又は室内占有状態センサのような他の測定センサと結合されることが出来る。これは、自律デバイス１０によって提供される測定だけに頼らずに、制御システムを開発するためである。
有利には、制御システム、さらに特に制御デバイスは、導管ネットワークのための診断又はメンテナンス情報を提供するように形成される。流れ情報のような自律デバイスによって提供された情報は、導管への過度の汚染や損傷のように、漏れや圧力低下を特定するために用いることが出来る。
上記のように、制御デバイスの機能の内の少なくともいくつかは、自律デバイスと統合することが出来る。この場合、自律デバイス１０の処理回路１２ａは、情報の交換が可能なように送信―受信機能を有する送信回路を含む。例えば、この情報は、特に建物の換気、空気調節、及び／又は加熱状態に関して、システム内の他の自律デバイスと交換されることが出来る。これらの自律デバイスごとの処理回路１２ａは、受信した情報を用いるように形成されることが出来る。これは、必ずしも作動可能な中央化された部分又は集信装置を有する制御デバイスを必要としない、分配された制御システムを形成する。
一般的に言って、制御デバイスはコンピュータであってよい。少なくとも部分的に自律デバイスと一体化されている場合、ＥＣＵは、処理回路１２ａのそれであってよい。
制御デバイスが中央化された部分又は集信装置を含む場合、ＥＣＵは、コンピュータ、携帯電話、又はタブレットであってよい。中央化された制御デバイス又は集信装置は、必ずしも自律デバイスが備えられた建物に配置されなくてもよい。そのようにして、自律デバイスによって行われた測定結果は、Sigfox（登録商標）ネットワークやインターネットネットワークのような広域ネットワークを介して、直接的又は間接的に中央化された制御デバイス又は集信装置に送られることが期待される。そして、中央化された部分から、建物の駐車場の換気、加熱、及び／又は空気調節の状態を制御することが出来る。例えば、電荷を流す戦略を実施することによって、大規模なエネルギー削減戦略を打ち立てることが出来る。これは、建物のエネルギー消費をより良く管理するために、ある時間枠（夜間、週末、休日）の間に快適さのレベルを低減することを可能にする。
当然のことながら、本発明は上記の実施形態に限定されず、特許請求の範囲で規定される発明の範囲を逸脱せずに代替の実施形態を提供することが出来る。
いくつかの例では、換気導管内を循環する空気の特性の測定を取り上げたが、本発明はこの適用例に限定されない。このように、本発明に従うデバイスは、建物内の導管のあらゆる導管ネットワークを循環する流体に関係する測定を行うのに利用することが出来る。これは、例えば、冷却された、又は加熱された空気が循環する空気調節、又は加熱導管であり得る。
また、本発明に従う自律デバイス１０は、気体に限定されない。それは、供給導管を循環する水のような液体であってもよい。
また、本発明は、建物の産業への適用例に限定されない。本発明は、いかなる導管を循環する、いかなる流体の特性を測定するのにも、一般的な方法で用いられることが可能である。

Claims (23)

  1. 導管（１４）内を循環する流体の少なくとも一つの特性を、流れ方向に測定する自律デバイス（１０）であって、
    前記流体によって回転駆動されることができるタービン（１１ａ）を有し、固定子（１２）に取り付けられた回転子（１１）と、
    前記タービン（１１ａ）の回転軸が前記流れ方向と平行になるように、前記固定子（１２）を前記導管内、又は前記導管の一端に固定して取り付けるための取り付け手段（１３）と、
    前記タービン（１１ａ）の回転軸と垂直な磁気面を規定する永久磁場源（３）と、
    参照面を有し、前記参照面における磁場の変化を、電荷を生成可能な機械的変形に変換することができる磁電変換器（２）と、
    前記磁電変換器（２）に電気的に接続され、周囲の特性を測定するために、前記電荷を活用することのできる処理回路と(１２ａ)、
    を備え、
    前記磁電変換器（２）と前記永久磁場源（３）の一方が前記固定子（１２）に含まれ、もう一方が前記回転子（１１）に含まれ、前記固定子（１２）は、前記磁電変換器（２）の参照面が、前記永久磁場源（３）によって生成された磁気面の中にあるように、前記回転子（１１）に接続される、自律デバイス（１０）。
  2. 前記永久磁場源（３）が、前記タービン（１１ａ）と一体となって回転子（１１）に配置され、前記磁電変換器（２）が固定子（１２）に配置される、請求項１に記載の自律デバイス（１０）。
  3. 前記磁電変換器（２）と前記処理回路（１２ａ）とが、タービン（１１ａ）と一体となって回転子（１１）に配置され、前記永久磁場源（３）が固定子（１２）に配置される、請求項１に記載の自律デバイス（１０）。
  4. 前記磁電変換器（２）と前記処理回路(１２ａ)とは、密封された筐体内に配置される、請求項２又は３に記載の自律デバイス（１０）。
  5. 前記タービン（１１ａ）は、ハブ（１１ｂ）と、前記ハブ（１１ｂ）に取り付けられた複数のブレード（１１ｃ）から構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の自律デバイス（１０）。
  6. 前記ブレード（１１ｃ）は、配向が可変であるか、又は柔軟性のある物質から作成される、請求項５に記載の自律デバイス（１０）。
  7. 前記ハブ（１１ｂ）は、流体の循環経路をきれいにすることが出来るカーテンを備える、請求項５又は６に記載の自律デバイス（１０）。
  8. 前記タービン（１１ａ）は、３より小さい速度パラメータを持つように設計される、請求項１から７のいずれか一項に記載の自律デバイス（１０）。
  9. 前記タービン（１１ａ）は、０．７から１の強度を持つ、請求項１から８のいずれか一項に記載の自律デバイス（１０）。
  10. 前記ブレード（１１ｃ）の取り付け角は、１５°から４５°である、請求項５から９のいずれか一項に記載の自律デバイス（１０）。
  11. 前記ブレード（１１ｃ）の取り付け角は、可変である、請求項５から９のいずれか一項に記載の自律デバイス（１０）。
  12. 前記磁電変換器（２）は、その参照面内に、磁化可能な物質からなり、前記回転子（１１）と前記固定子（１２）とが取り外し可能なアセンブリを形成するように、前記永久磁場源（３）によって生成された磁化面内に磁気的に保持された層を備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の自律デバイス（１０）。
  13. 前記取り付け手段（１３）は、導管出口（１５）を備え、前記回転子（１１）と前記固定子（１２）とは、前記導管出口（１５）の内部に配置される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の自律デバイス（１０）。
  14. 前記自律デバイス（１０）は、温度センサ、二酸化炭素又は一酸化炭素濃度、又は揮発性有機物粒子センサ、湿度センサ、タービン識別情報センサの内の少なくとも一つのセンサを含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の自律デバイス（１０）。
  15. 前記自律デバイス（１０）は、前記導管（１４）内を循環する流体の流れを変更する手段をさらに含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の自律デバイス（１０）。
  16. 前記手段は、閉じることによって、前記導管（１４）の経路部分を制限するように制御されることが可能なフラップ、又はカーテンである、請求項１５に記載の自律デバイス（１０）。
  17. 前記手段は、開くことによって、前記タービン（１１ａ）のブレード（１１ｃ）を迂回する流体循環の経路をきれいにするフラップ、又はカーテンである、請求項５を引用する請求項１５に記載の自律デバイス（１０）。
  18. 導管のネットワークを備えた建物の換気、空気調節、及び／又は加熱を制御するシステムであって、
    前記導管のネットワークに配置された、請求項１から１７のいずれか一項に記載の少なくとも一つの自律測定デバイス（１０）と、
    自律デバイスによる測定を処理するように構成され、建物の換気、空気調節、及び／又は加熱の状態を調節する制御デバイスと、
    を備える、制御システム。
  19. 前記制御デバイスは、導管のネットワークに保守又は診断情報を提供するようにさらに構成される、請求項１８に記載の制御システム。
  20. 前記制御デバイスは、前記自律デバイスの作動パラメネータを生成するようにさらに構成される、請求項１８又は１９に記載の制御システム。
  21. 前記制御システムは、室内温度、又は占有状態センサなどの、追加の建物センサをさらに含む、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の制御システム。
  22. 前記自律デバイス（１０）は、それが存在する導管内を循環する流体の流量を変更する手段をさらに含む、請求項１８から２１のいずれか一項に記載の制御システム。
  23. 前記制御デバイスは、自己管理デバイスを形成するように、少なくとも部分的に自律デバイス（１０）と一体化される、請求項１８から２２のいずれか一項に記載の制御システム。
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