JP4465203B2 - 電子式水道メータ - Google Patents

Description

本発明は、電子式水道メータに係わり、特にその測定部の電子回路の電源としてゼーベック効果を利用した熱電変換素子を用いた電子式水道メータに関する。

一般家庭における水道水の使用量の測定は、水道管を流れる水流によって羽根車を回転させ、この羽根車の回転数を水量に換算する水道メータが使用されている。

この水道メータの電源として、リチウム電池等を内蔵した電子式水道メータが使用されているが、電池交換を定期的に行う必要があることから、電池交換を不要とするゼーベック効果を利用した熱電変換素子を備えた熱電変換モジュールを搭載した電子式水道メータの実用化が進められている（例えば、特許文献１参照。）。

この熱電変換素子としては、ＢｉＴｅ（ビスマス・テルル）系の発電素子等が使用され、蓄電にはコンデンサや、蓄電可能なリチウムイオン２次電池等が使用される。

このような従来の電子式モジュールを搭載した電子式水道メータについて、図５及び図６を参照して説明する。図５は電子式水道メータ２１の構成と据付け状態を示す図である。

電子式水道メータ２１は、水道管１１に接続された保持管１１ａの一部が立ち上がり、この保持管１１ａの立ち上がり部分に、全周をシールされた状態でケース２１ｅが組み付けられている。

電子式水道メータ２１は、地中に埋設するための土砂浸入防止筒３１内に取り付けられ、土砂浸入防止筒３１の上部を外蓋４１で蓋をして、地表面から所定の深さで地中に埋設される。

電子式水道メータ２１は、電子式水道メータ２１内で消費する電源を供給する平板状の熱電変換モジュール２１ａ、水道管１１内の水量を、図示しない羽根車の回転数で検出するセンサ部２１ｂ、及びこのセンサ部２１ｂの出力信号から水量を求める図示しない測定部とから構成される。

そして、電子式水道メータ２１の底部を保持管１１ａの一方の上部に固定し、保持管１１ａの他方の下部と底板２３または地面との間には熱電変換モジュール２１ａが配置されている。

そして、この熱電変換モジュール２１ａの一方の電極面は、保持管１１ａの底部管壁に、他方の電極面は底板２３または地面に、夫々の面が水道水の水温度と地面の温度とに感温するように面接して取り付けられている。

したがって、熱電変換モジュール２１ａの保持管１１ａの管壁に接する電極面は管内の水温に近い温度に、また、底板１３または地面に接する電極面は地中温度に近い温度となるので、この両電極の温度差で熱起電力を発生させ、この熱起電力を蓄電して電源として使用している。

図６は、この熱電変換モジュール２１ａ両電極面の温度差が比較的大きくなる夏季期間と冬季期間について、１日の温度変化の例を、夫々（ａ）、（ｂ）として図示したものである。

実線は、地中温度、破線は外気温度、そして１点破線は水道管１１内の水道水温度を示す。図５に示した熱電変換モジュールの２１ａの設置状態においては、水道水温度と地中温度の差が大きいほど熱起電力は大きくなる。

一般に、同図のハッチング部（水道水温度と地中温度との差）に示す様に、水道水を使用する時間帯、例えば、昼（１２：００）、夕（１８：００）、朝（６：００）においては、熱起電力が大きくなり蓄電量は増すが、水道水が使用されない滞留している時間帯では、水道水温度と地中温度は温度差が小さくなり蓄電量が低下することを示している。

この場合、水道水が流れる時間帯しか蓄電に有効な熱起電力の発電量が期待できないため、蓄電量が不足し、電池交換が必要となる問題がある。

また、そのために、大きな熱起電力を得ようとすると熱電変換素子の数を増す必要があり、熱電変換モジュール２１ａが大型となる。したがって電子式水道メータ２１ａ自体も大型になり、取り扱いや、埋設工事に支障がでる問題があった。
特開２００２-２７０９０８号公報（第２頁、図１）

一般家庭に使用される電子式水道メータは、地中に埋設され、半永久的に使用される必要があるため、小型で埋設しやすく、且つ半永久的に使用できるものとするため、できるだけ熱電変換効率を高くして、長期間使用できる電源としておく必要がある。

しかしながら、従来の電子式水道メータは、水道管を流れる水道水の温度を基準として、地中温度との差を熱起電力として変換する方式であるため、水道水が使用される時間帯に依存した熱起電力となり、安定した熱起電力が得にくい。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、熱電変換モジュールの熱起電力を高めて小型化し、電池交換の恐れが少ない電子式水道メータ及びその設置方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の発明は、電子式水道メータを収納し、地中に埋設される容器内の空間を、外気温度に近い第１の空間と地中温度に近い第２の空間とに分割する境界部に設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間の温度差によって起電力を発生する熱電変換素子を有し、前記熱電変換素子の起電力によって電源を供給する電子式水道メータであって、非断熱材で形成された前記容器に内接して設けられ、断熱材で形成された前記電子式水道メータのケースと、前記ケースの上部に設けられ、一方の面を外気温度に近い前記第１の空間の温度で、他方の面を地中温度に近い前記第２の空間の温度で感温するように配置した前記熱電変換素子と、前記第２の空間内を流れる水道管の流量を測定する前記測定部とを備え、前記熱電変換素子の出力を前記測定部に供給するようにしたことを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の第２の発明は、電子式水道メータを収納し、地中に埋設される容器内の空間を、外気温度に近い第１の空間と地中温度に近い第２の空間とに分割する境界部に設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間の温度差によって起電力を発生する熱電変換素子を有し、前記熱電変換素子の起電力によって電源を供給する電子式水道メータであって、非断熱材で形成された前記容器に内接して設けられ、断熱材で形成された中蓋と、前記中蓋設けられ、一方の面を外気温度に近い前記第１の空間の温度で、他方の面を地中温度に近い前記第２の空間の温度で感温するように配置した前記熱電変換素子と、前記第２の空間内を流れる水道管の流量を測定する前記測定部とを備え、前記熱電変換素子の出力を前記測定部に供給するようにしたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、熱電変換モジュールの一方の電極面を外気温度に、他方の電極面を地中温度に近い感温状態で設定し、この両電極面の温度差で熱起電力を発電するようにしたので、水道水の流水状態に依存しない、効率の良い熱起電力が得られる。

したがって、熱電変換モジュールが小型化され、電池交換の恐れの少ない、安定した蓄電量が得られる電子式水道メータを提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施例を説明する。

以下、本発明による実施例１について図１乃至図３を参照して説明する。図１は、本発明の電子式水道メータの構成及び据付け状態を説明する図である。

同図（ａ）は同図（ｂ）をＸ-Ｘ矢視した平面図で、同図（ｂ）はその断面図である。同図において、電子式水道メータ２は、地中に埋設される円柱形状のメータ容器３の低部においてメータ容器３を貫通し、水道管１と接続して水道水を流す保持管１ａの上部に固定され、メータ容器３の上部の、地表面位置を外蓋４で覆った状態で使用される。

電子式水道メータ２は、そのケース２ｅの上部に取り付けられる、ゼーベック効果を利用した熱電変換素子を備えた熱電変換モジュール２ａ、この熱電変換モジュール２ａの熱起電力を充電して、この電子式水道メータ２の電源を供給する電源部２ｂ、保持管１ａ内を流れる水流で回転する図示しない羽根車の回転数を検出するセンサ部２ｃ、このセンサ部２ｃの水流速度に応じた検出信号から水量を求める演算とその水量を表示するする計量表示部２ｄ、及び、これら各部を収納するケース２ｅとから構成される。

次に、図２を参照して、電子式水道メータ２の電源部２ｂの構成を説明する。熱電変換モジュール２ａからの熱起電力信号は、電源線２ｆを介して電源部２ｂに接続され、電源部２ｂに蓄電される。そして、電源部に２ｂに蓄電された起電力をセンサ部２ｃ及び計量表示部２ｄに供給する。

また、電源部２ｂは、熱電変換モジュール２ａからの熱起電力の発生極性の方向を整流して一定方向の電圧とする整流回路２ｂ１、この整流回路２ｂ１の出力で充電する電池の充電回路２ｂ２、及びその充電回路２ｂ２で充電される充電サイクル寿命の長いリチウムイオン電池等の２次電池２ｂ３とから構成される。

次に、高い発電効率で２次電池２ｂ３に蓄電をするための各部の詳細設定について説明する。先ず、電子式水道メータ２の熱電変換モジュール２ａについて説明する。熱電変換モジュール２ａに搭載される熱電変換素子は、例えば、熱電変換効率の高いＢｉＴｅ（ビスマス・テルル）を接合した半導体素子を多数直列に接続して使用される。

この素子数は、設定される熱電変換素子の高温電極部と低温電極部の温度差と、充電に必要な電力量から必要数を選定して決める。通常、熱電変換素子は、１０００素子で、数℃の温度差があれば、２００ｍＶ程度の発電電圧が得られるので、素子数を増減して設定する。

この熱電変換モジュール２ａは、図１（ｂ）に示すよぅに、ケース２ｅの上部に固定され、その両電極面の夫々が異なる温度空間に置かれるようにその一方の面が感温する第１の空間を外気温度に近く、他方の面が感温する第２の空間を地中温度に近くなるように、熱電変換モジュール２ａを取り付けるケース２ｅの周囲を円柱のメータ容器３に内接させて、メータ容器３内の空間を第１の空間と第２の空間とに断熱・分割してシールする。

また、ケース２ｅ上部の熱電変換モジュール部２ａとケース２ｅの下部に密閉収納される電源部２ｂ及び計量表示部２ｄとの間の第２の空間は地中温度に近くなるようケース２ｅの側面は開放状態にしておく。

更に詳述すれば、熱電変換素モジュール２ａを固定するケース２ｅは、１（Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）以下の低熱伝導率で、断熱効果が高く、耐久性のある、例えば、ＡＢＳ（アクロルニトリル、ブタジェン、スチレン）樹脂製とする。

そして、このケース２ｅは、ケース２ｅの上部に設けられる平板状の熱電変換モジュール２ａの一方の電極面が第１空間に、他方の電極面が第２の空間に、第１の空間と第２の空間の境界部に固定し、熱電変換モジュール２ａ夫々の電極面が第1の空間を外気温度に、第２の空間を地中温度に近くなるようにケース２ｅの周囲をメータ容器３に内接させ、両空間の温度を断熱・シールする。

そして、メータ容器３は、機械的な強度及び第２の空間を地中温度に近づけるために、８０（Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）以上の高熱伝導率で、機械的強度を有する鉄等の金属、例えば、鋳鉄製の容器とし、地中温度が第２の空間内に伝達しやすい状態に設定する。

また、外蓋４は、埋設される場所によって構造を変える必要があるが、第１の空間を外気温度に近づけるために、８０（Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）以上の高熱伝導率の金属、例えば、成形しやすい鋳鉄製で製作し、外気温度が第１の空間内に伝達しやすい状態に設定する。

次に、上記のように埋設・設定された電子式水道メータ２の熱起電力の発電作用について図３を参照して説明する。図３は第１の空間と第２の空間の温度変化を示す図で、図３（ａ）は夏季の、同図（ｂ）は冬季の期間における、日本と平均緯度に位置する地域を想定した一般的な１日の温度変化を示す。

ここで、実線は、地中温度、破線は外気温度、一点破線は水道水の温度を示す。

一般に、地中温度は、５０ｍ程度の深さになると年間を通じてほとんど変化しないことが知られている。また,地中温度は、地表面に近づくにつれて外気温度に連動して大きな変動となってくるが、この性質は何処の地中でもほぼ同じ傾向を示し、埋設される電子式水道メータの設置深さが、地表面から大体３００ｍｍ乃至５００ｍｍ程度の深さであれば季節によって変動は有るものの、大体数℃の変動以下に収まる。

例えば、図３（ａ）に示す様に、夏季においては、昼夜の外気温度が２０℃乃至３０℃の範囲で変動するが、このときの地中温度は１０℃近辺を平均温度として、数℃の範囲で変動している。

そして、このとき一般的に水道水の水温は、図３（ａ）の１点破線に示す様に、外気温度と地中温度の範囲内で変動し、朝（６：００）、昼（１２：００）、夕（１８：００）の水道使用時間帯で外気温度に近い傾向を示す。

しかし、熱電変換モジュール２ａの両電極間の温度差は、常に１０℃程度の温度差のある状態に置かれる。この温度差は、地中温度の変化が少ないので、外気温度が高くなれば、熱起電力は更に大きくなる。

また、冬季においては、同図（ｂ）に示す様に外気温度は０℃近辺に低下するが、地中温度は１０℃よりもやや低い平均温度となるが、その変動範囲は数℃程度に収まる。

即ち、熱電変換モジュール２ａの第１の空間の電極面は低温度に、第２の空間の電極面は地中温度となり、夏期期間と電極面の温度が逆転するが、両電極面は発電に必要な温度差の状態に置かれる。そして、外気温度が低下する夜間においてはさらに温度差が大きくなる。

この傾向は、地中温度の変動が少ないので、外気温度が低くなればなるほど温度差が大きくなり、夏季同様に蓄電量が多くなる。

したがって、外気温度及びその地中温度は地域によって大小の相違はあるものの、水温を基準として地中温度との温度差によって熱起電力を得るよりも、温度変化の少ない地中温度を基準として、外気温度との温度差によって発電する方が熱起電力も大きくできるので、蓄電量が大きくなり有利である。

地中温度に近い外気温度の季節においては、発電量は低下するが、この期間は昼夜の温度差で発電がされる。全シーズンを等した蓄電量を最大にするには、夏季、冬季の熱発電量を最大化する方が、効率的な蓄電量が得られる。

本発明の実施例１においては、電子式水道メータ２のケース２ｅの材質を低熱伝導率の断熱材とし、このケース２ｅに平板状の熱電変換モジュール２ａを固定して、電子式水道メータ２を収納するメータ容器３内の空間を低温部と高温部の２つの空間に分割する。

従って、夫々の空間の境界に置かれた熱電変換モジュール２ａの電極面の一方は外気温度に近い第１の空間となり、他方の電極面は地中温度に近い第２の空間に置かれるので温度差が安定して設定され、全シーズンを通して最大の発電量が蓄積される、小型で効率の良い蓄電が可能な電子式水道メータを提供することができる。

図４は、本発明の電子式水道メータ２の構成及び据付け状態を説明する図である。同図（ａ）は同図（ｂ）をＸ-Ｘ矢視した平面図で、同図（ｂ）はその断面図である。

実施例２の各部について、図１の実施例１に係る電子式水道メータと２と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。

この実施例２が実施例１と異なる点は、実施例１においては、熱電変換モジュール２ａをケース２ｅの上部に取り付けて、第１の空間と第２の空間の境界に熱電変換モジュール２ａを配置したが、実施例２においては、中蓋５でメータ容器３内を第１の空間と第２の空間とし、この中蓋５に熱電変換モジュール２ａを固定し、熱電変換モジュール２ａの出力と電源部２ｂとを電源線２ｆで接続して電源部２Ｂに供給するように構成した点が異なる。

したがって、電子式水道メータ２のセンサ部２ｃや、計量表示部２ｄの変更があっても、熱電変換モジュール２ａの設定を変更する必要がなくなる。

なお、本発明は上述したような実施例に何ら限定されるものでなく、例えば、電子式水道メータ２の埋設する深さ、電子式水道メータ２のメータ容器３の形状、構造及び材質等は適宜変更してもよく、その主旨を逸脱しない範囲で変形することも可能である。

本発明の実施例１による電子式水道メータの構成及び据付けの説明図。 電子式水道メータの電源系統図。 本発明の電子式水道メータの作用説明図。 本発明の実施例２による電子式水道メータの構成及びその据付けの説明図。 従来の電子式水道メータの構成及び据付けの説明図。 従来の電子式水道メータの作用説明図。

符号の説明

１、 １１ 水道管
１ａ、１１ａ 保持管
２、２１ 電子式水道メータ
２ａ、２１ａ 熱電変換モジュール
２ｂ 電源部
２ｃ、２１ｂ センサ部
ｄｄ 計量表示部
２ｅ、２１ｅ ケース
２ｂ１ 整流回路
２ｂ２ 充電回路
２ｂ３ ２次電池
３ メータ容器
３１ 土砂浸入防止筒
４、４１ 外蓋
５ 中蓋
２３ 底板

Claims (4)

1. 電子式水道メータを収納し、地中に埋設される容器内の空間を、外気温度に近い第１の空間と地中温度に近い第２の空間とに分割する境界部に設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間の温度差によって起電力を発生する熱電変換素子を有し、前記熱電変換素子の起電力によって電源を供給する電子式水道メータであって、
   非断熱材で形成された前記容器に内接して設けられ、断熱材で形成された前記電子式水道メータのケースと、
   前記ケースの上部に設けられ、一方の面を外気温度に近い前記第１の空間の温度で、他方の面を地中温度に近い前記第２の空間の温度で感温するように配置した前記熱電変換素子と、
   前記第２の空間内を流れる水道管の流量を測定する前記測定部とを
   備え、
   前記熱電変換素子の出力を前記測定部に供給するようにしたことを特徴とする電子式水道メータ。
2. 前記容器を形成する非断熱材の材質は、熱伝導率（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）が８０以上とし、前記第１の空間と前記第２の空間の境界部に置かれる前記ケースを形成する断熱材の材質は、熱伝導率（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）が１以下であることを特徴とする請求項１に記載の電子式水道メータ。
3. 電子式水道メータを収納し、地中に埋設される容器内の空間を、外気温度に近い第１の空間と地中温度に近い第２の空間とに分割する境界部に設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間の温度差によって起電力を発生する熱電変換素子を有し、前記熱電変換素子の起電力によって電源を供給する電子式水道メータであって、
   非断熱材で形成された前記容器に内接して設けられ、断熱材で形成された中蓋と、
   前記中蓋に設けられ、一方の面を外気温度に近い前記第１の空間の温度で、他方の面を地中温度に近い前記第２の空間の温度で感温するように配置した前記熱電変換素子と、
   前記第２の空間内を流れる水道管の流量を測定する前記測定部とを
   備え、
   前記熱電変換素子の出力を前記測定部に供給するようにしたことを特徴とする電子式水道メータ。
4. 前記容器を形成する非断熱材の材質は、熱伝導率（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）が８０以上とし、前記第１の空間と前記第２の空間の境界部に置かれる前記中蓋を形成する断熱材の材質は、熱伝導率（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）が１以下であることを特徴とする請求項３に記載の電子式水道メータ。

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