JP5755242B2 - モジュール式の本質安全フィールド装置バッテリモジュール - Google Patents

Description

発明の背景
工業的状況では、工業的及び化学的プロセスの目録などをモニタし、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分散し、多量のフィールド装置を使用してそのような機能を実行する。フィールド装置は、様々な異なる施設で動作してもよい。プロセス施設の例として、石油、製薬、化学、パルプ及びその他のプロセス施設が含まれる。これらのフィールド装置は、制御室内の制御回路に通信可能に結合される。

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、機械的衝撃などに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。例えば、作動電力の全てを公知の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。

フィールド装置が動作する環境は、時には高揮発性を有する。いくつかの環境は高揮発性を有するので、不規則なスパークや電気部品の十分に高い表面温度は、発火及び爆発を発生させる。このような状況が発生しないことを保証するために、本質安全の仕様が発展されてきた。本質安全の要件への準拠は、故障条件下でさえ、回路や装置自体が揮発性の環境で発火しないことを確実にするのに役立つ。本質安全の要件の仕様の一例は、１９８８年１０月に米国産業相互保険機構（Factory Mutual Research）によって公表された、分類番号３６１０（CLASS NUMBER 3610）、「Ｉ、ＩＩ、およびＩＩＩ類、危険区分１（に分類される）配置で使用するための、本質安全な装置および関連装置の認可標準に記述されている。さらなる工業規格、たとえばカナダ規格協会（ＣＳＡ）及びヨーロッパＣＥＮＥＬＥＣ規格に準拠するための適合が考えられる。

従来、フィールド装置は物理的な導体により、プロセス通信システム（制御室など）に接続されていた。このような有線接続は、フィールド装置に電力を供給するだけでなく、通信のための経路を提供してきた。有線フィールド機器の制約の一つは、ワイヤがフィールド装置の各物理的な場所に配線される必要があるため、時には設置に多大な労力を要することである。

最近、フィールド装置を制御室及び／又は他の適当な装置と通信する無線通信に使用することが考えられている。これらの無線フィールド装置は、一般的に年間を通じて無線フィールド装置の動作電力を提供可能なバッテリなどの内部電源を備える。

工業プロセス産業における無線技術の使用は、ローカル電源無線送信機による方法の必要性を作り出した。バッテリは、ローカル電源を提供できる一つの方法である。しかしながら、バッテリに関する一つの問題点は、無線フィールド装置内のバッテリをどのようにして、どこに配置するかの決定にある。フィールドの技術者がバッテリ交換を容易にできることが望まれる。それは、バッテリ自体が物理的に交換容易である場合だけではなく、フィールド装置が危険なエリアに配置された場合にも望まれる。特に、「高熱作業許可」の取得なしに、技術者がバッテリを交換できることが望ましい。それは、可燃性ガスを発火させるリスクなしに、バッテリが可燃性ガスがあるエリアで交換可能であることを意味する。

無線フィールド装置のバッテリの使用に関するもう一つの問題点は、バッテリの容量は、一般的にバッテリ自体の物理的な寸法と関連性があるという事実によるものである。従って、装置内部に配置されたバッテリの寸法は、装置自体のハウジングによって制限される。送信機の長寿命化及び／又はより高い更新割合又はネットワーク構成による重負荷をサポートするために、大容量バッテリパックを提供することには、一般的に融通性がほとんどない。

従って、フィールド装置に電力供給可能であり、「高熱作業許可」なしにフィールドで交換可能な本質安全バッテリパックが必要性となる。さらに、より大容量のバッテリ及び／又はより高出力の要求に適応可能な方法により、フィールド装置の電力が供給されることが望ましい。

モジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリが提供される。アセンブリは、フィールド装置の導管に装着されたリジッド導管アダプタを含む。内部を有するハウジングは、リジッド導管アダプタに動作可能に結合され、リジッド導管アダプタに物理的に装着される。少なくとも一つの非充電式バッテリは、ハウジング内に配置される。本質安全な回路は、少なくとも一つの非充電式バッテリに結合され、リジッド導管アダプタ内の連結コネクタと連結するコネクタに結合される。

図１は、本発明の実施形態に係るバッテリパックを使用する無線フィールド装置の正面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るフィールド装置のためのバッテリパックの分解図である。 図３は、本発明の実施形態に係るバッテリパックに結合されたフィールド装置の断面図である。 図４は、本発明の他の実施形態に係るバッテリパックに結合されたフィールド装置の断面図である。 図５は、本発明の実施形態に係るフィールド装置と共に用いられるバッテリパックの斜視図である。 図６は、本発明の実施形態に係るフィールド装置と共に用いられる離れて装着されたバッテリパックの斜視図である。 図７は、本発明の実施形態に係る１個又は複数のバッテリをフィールド装置の端子ブロックに結合するための回路の回路図である。

詳細な説明
図１は、本発明の実施形態に係る外部バッテリパック１２に結合された無線フィールド装置１０の正面図である。フィールド装置１０は一般的に、プロセスの設置場所に近接して配設可能なセンサモジュール１４を含む。センサモジュール１４内部に配置又は結合された１以上のセンサは、プロセスに応じた電気的な指標を提供する。センサーの例としては、絶対圧、ゲージ圧、及び／又は差圧センサだけでなく、温度センサや他の適当な装置が含まれる。センサモジュール１４は、１以上のセンサから受信した電気信号を、他の装置に伝達可能な信号に処理するか、又はそうでなければ変換する電子部品を含む電子コンパートメント１６に結合される。電子コンパートメント１６は一般的に、他の装置とアンテナ１８を介して通信する無線通信回路のような通信回路を含む。コンパートメント１６内の通信回路は、アンテナ１８を使用して、ゲートウェイ装置と、又はゲートウェイ装置と相互作用するようにフィールド装置１０及びゲートウェイ装置の間に配置された他のフィールド装置と通信できる。無線フィールド装置は一般的に知られているが、市販の無線フィールド装置の一例として、ミネソタ州チャナッセンのエマーソンプロセスマネージメントから販売されている商品名称３０５１Ｓワイヤレスがある。フィールド装置１０は、“メッシュ”ネットワークと呼ばれるプロセス施設に配置された数あるフィールド装置の中の一つである。

一般に、無線フィールド装置１０のような無線フィールド装置は、何年間ともつ内蔵バッテリパックを採用している。ただし、バッテリパックのエネルギーが枯渇したとき、技術者は通常フィールド装置１０の物理的位置に移動して、バッテリパックを交換する必要がある。フィールド装置に近接した物理的環境は揮発性がある又は爆発性がある状況では、技術者は一般的に、フィールド装置内でバッテリを交換するために「高熱作業許可」を取得する必要がある。そのような許可の取得は、時間を消費し、揮発性の環境で安全に仕事が行われることを確保するための付加的な努力を要求する。

本発明の実施形態によれば、フィールド装置１０の電力に使用されるバッテリは、電子機器コンパートメント１６の外部にあるモジュール（モジュール１２）に配置される。図１に示されるように、モジュール自体は、一実施形態によれば、電子機器コンパートメント１６の導管エントリ２０に、物理的なマウントによって支持される。このマウントは、導管２０内にネジ結合又は固定され、一般的に硬い好ましくは金属である導管アダプタ２２により形成される。フィールド装置／バッテリモジュールシステム全体は振動又は機械的衝撃に影響されやすいため、リジッド導管アダプタ２２はモジュール１２のために強固な物理的なマウントを提供する。バッテリモジュール１２はまた、バッテリモジュール１２内の他の適当な回路と同様にバッテリを密閉的に取り囲み及び保護するバッテリエンクロージャ２４を含む。最後に、バッテリモジュール１２とアダプタ２２との間のインタフェースで有効となる電気的なエネルギーが本質安全の要件に準拠するように、バッテリモジュール１２は設計される。これは、ピンやコネクタの接点自体が短絡した場合でも、潜在的に危険な環境を点火する火花が発生しないことを確実にするのに役立つ。物理的に、バッテリモジュール１２には、リジッド導管アダプタ２２にモジュールを確実に装着するだけでなく、交換が必要なときに技術者が簡単にバッテリモジュールを取り除けるロック機構が採用されることが好ましい。

図２は、本発明の実施形態に係るバッテリモジュール１２の分解斜視図である。図２に示されるように、リジッド導管アダプタ２２は、フィールド装置１０（図１に示される）の端子盤に結合された複数の電気導体２６を含む。リジッド導管アダプタ２２は一般的に、適当なレンチを使用して、導管２０内に導管アダプタ２２を容易に設置するために提供された六角形の表面２８を含む。リジッド導管アダプタ２２は、複数の電気コネクタ（例えば、回路カード３０上に配置された連結要素と結合するマルチスプリングフィンガー又はピン等）を含む。さらに、リジッド導管アダプタ２２は、好ましくは円筒形であり、ネックダウン部分３２及び好ましくはリジッド導管アダプタ２２とバッテリパック１２との間に環境シールを形成するためのＯリング３６を含むシール部分３４を有する。Ｏリング３６は、適当な材料で形成される。ショルダー３８は、ネックダウン部分３２とシール部３４とに結合する。止めネジ４０が一旦止めネジ穴４２に結合されると、アセンブリ１２は完全にリジッド導管アダプタ２２に嵌め込まれるという点で、ショルダーショルダー３８は、アセンブリに機械的結着性を付加的に提供する。そのような動きは止めネジ４０とショルダー３８との間の干渉を引き起こすので、ショルダー３８は、アセンブリ１２がリジッド導管アダプタ２２から確実に引き抜けないような追加の補強を提供する。図２に関して示された実施形態は止めネジ４０を利用しているが、いくつかの適当な機械装置が、交換が必要なときに、技術者が容易にモジュールを取り外せるようにして、バッテリモジュール１２をリジッド導管アダプタ２２に本質的に固定又は取り付けるために使用できる。

一実施形態によれば、バッテリモジュール１２は、エンクロージャ６６と連結している一般的に平板状であるプレート４４により形成されたハウジングを含む。いくつかの実施形態では、ハウジング４３はフィールド装置１０の電子コンパートメント１６の内部よりも体積がある内部を有してもよい。プレート４４は、金属フランジ４８が通過する寸法の開口部４６を含む。さらに、プレート４４はまた、材料が比較的厚い部分で構成された環状リング５０及び多数のリブ５２を含む。環状リング５０とリブ５２は、金属フランジ４８の表面５４に結合するための機械的結着性を提供する。したがって、金属フランジ４８に加わる力の多くは、プレート４４に分け与えられる。金属フランジ４８は、十分な強度を提供する適当な金属材料から構成可能である。例として、ステンレス鋼、アルミニウム、その他が含まれる。フランジ４８は、リジッド導管アダプタ２２の封止部３４上を通過可能な寸法の内部ボア５６を含む。ボア５６は、バッテリモジュール１２及びリジッド導管アダプタ２２間の接続のシール促進だけでなく、構造的なサポートを提供するために、封止部３４よりも僅かに大きい寸法の内径を有する。

プラスチック製シュラウド５８は、金属フランジ４８に結合され、ボア５６を通過する電気コネクタ６０を含む。シュラウド５８は、無線フィールド装置１０にバッテリモジュール１２を電気的に結合するために、リジッド導管アダプタ２２内に配置されたピンに連結されるソケットであって、回路カード３０上の電気相互接続ソケット６２のサポートを提供する。ソケット６２を収容するコネクタ６０は、コネクタ６０とリジッド導管アダプタ２２内の連結装置との間の結合が単一の回転方向においてのみ発生可能とすることを確実にするための重要機能を有することが好ましい。これは、接続が唯一正しい極性でのみ可能であることを確実にし、モジュール１２がリジッド導管アダプタ２２に接続されている間中、電気接続部（一実施形態ではピン及びソケット）を保護するのにも役立つ。

回路カード３０は、適当な回路基板材料から構成され、一対の電気接続部（好ましくはマルチスプリングフィンガーソケットコネクタ（例えば、ニューヨーク州オイスターベイ、ミル・マックス・マニュファクチュアリング社から販売））を支持する。また、回路カード３０は、モジュール１２が上記で述べられた本質安全への準拠を確実にするための電気回路を含む。回路（図７でより詳細に記載される）は、ヒューズ（いくつかのバッテリの本質安全に要求された）の機能、ヒューズを保護する電流制限回路の機能、バッテリが枯渇した場合に一つのセルが他のセルに対して逆充電することを防止する低電圧遮断回路の機能を提供する。バッテリモジュール１２はまた、回路カード３０上に配置された回路に電気的に結合された１以上の非充電式バッテリ６４を含む。湿式及び乾式両方のセルを含めて、適当なバッテリの化学反応が使用可能である。しかし、バッテリの容量は一般的にバッテリの重さと相関性があるため、より高いエネルギー密度を提供するバッテリの化学反応は、そのようなバッテリがシステムの振動及び低い慣性による機械的な衝撃に応答する本発明の実施の形態に対して有用である。

最後に、モジュール１２は、金属製のフランジ４８、プラスチック製のシュラウド５８、回路カード３０、及びバッテリ６４の全てを取り囲むエンクロージャ６６も含む。エンクロージャ６６のマウント又はその他の物は、その内部に部品を密封するためにプレート４４に固定される。１つの実施形態によれば、モジュール１２は、１以上のバッテリ６４がモジュール１２内で交換できるように、エンクロージャ６６とプレート４４との間をネジ結合又はネジ状のカバーにより結合するような機械的な方法を採用してもよい。さらに、このような簡単な分解方法により、モジュール１２内の他の部品の修理又は交換が容易になるであろう。しかしながら、本発明の他の実施形態によれば、モジュール１２内の全ての空スペースはポッティング材（potting material）により充填されてもよく、これにより、バッテリ６４が枯渇するとモジュール全体が単に交換可能な１回使用のモジュールとしてモジュールを提供することができる。さらに、エンクロージャ６６とプレート４４は、起こりうる感電の危険性を除去するために、静電荷の蓄積を分散する導電性プラスチックで形成できる。

モジュール１２は、１つの実施形態によれば、導管２０のようなフィールド装置の導管上に直接装着可能である。このように、フィールド装置１０で体験される振動又は機械的な摂動は、一般的に、バッテリモジュール１２に伝達される。これらの振動及び／又は動作は、フィールド装置１０とバッテリモジュール１２との間の物理的な相互接続部分に応力を発生させる。それは、フィールド装置１０のようなフィールド装置が体験する振動の要件に、バッテリモジュール１２が耐えうるための設計上の重要な課題となっている。フィールドマウント装置の代表的な規格は、ＩＥＣ６０７７０パイプライン高周波振動である。これは３Ｇレベルの振動入力である。モジュール１２は、このテスト中に損傷されるべきでなく、ソケットに対応したピンに関する電気相互接続は移動されるべきでない。ピンがソケットに対して移動した場合、摩耗が発生し、相互接続の信頼性が損なわれるであろう。図１及び２に関して図示された実施形態の試作品は、ピン又はソケットを相互接続するためのＩＥＣ３Ｇパイプライン高周波振動試験に、目視できる摩耗を生じることなく合格した。

図３は、本発明の他の実施形態に係る無線フィールド装置１０の導管２０に装着されたバッテリモジュール１１２の上部断面図である。図３において、１以上のバッテリ１６４は、導線１３２を介してリジッド導管アダプタ１２２に結合された回路カード１３０に電気的に結合されている。モジュール１１２は、エンクロージャ１６６がリジッド導管アダプタ２２を受け入れる内径１７０を有する内部フランジ１６８にネジ結合される点で、モジュール１２（図２に示される）とは多少異なる。図３に示されるように、弾性のＯ−リング３６も採用されている。いくつかの実施形態では、導線１３２は実際には、リジッド導管アダプタ１２２とモジュール１１２との間の物理的な結合部分を通って直接通り抜け可能であり、フィールド装置の端子ボードに直接結合したコネクタ１７０で終端する。

本発明の他の実施形態によれば、バッテリモジュールは、フィールド装置から離れた場所、及びケーブルアセンブリを介してフィールド装置に結合された場所に装着されてもよい。図４は、ケーブルアセンブリ２１４により、無線フィールド装置１０に結合されたリモートマウントバッテリモジュール２１２の概略図である。リモートマウントバッテリモジュール２１２は、ポスト又は壁等に装着可能であり、フィールド装置１０の導管エントリ２０にケーブルアセンブリ２１４を介して結合される。この実施形態は、フィールド装置が高温区域に配置されることを可能とし、熱は大幅にバッテリ寿命を減らすので、バッテリ寿命を維持するのにバッテリモジュール２１２がどこかより冷えた場所に配置されることを可能とする。この実施形態は、無線アクセスポイントに電力を供給するのにも有用である。このような無線アクセスポイントは、フィールドに装着された装置であって、無線データをフィールドメッシュネットワーク装置からディバイスゲートウェイに伝える装置となる。これらの装置は、通常、標準的なフィールド装置よりも多くの電力を必要とし、より大きいバッテリーオプションから給電される。図４に示される、リモートマウントされたバッテリパックの実施形態のもう一つの利点は、届くのが困難な場所に配置されたフィールド装置に対して、バッテリの交換が容易となることである。リモートバッテリモジュール２１２内の回路とコンポーネントは、図２に関して説明したもの及び図７に関して以下に説明する回路図と同一または類似であってもよい。

図５は、本発明の他の実施形態による、フィールド装置に装着可能なバッテリモジュール３１２の斜視図である。バッテリモジュール３１２は、一般的に円形であり、リジッド導管アダプタ２２の適当な構造と連結する金属フランジ３１４及びコネクタ３１６を含む。モジュール３１２は、リジッド導管アダプタ２２のネックダウン領域３２に物理的に係合するために、止めネジボア内に配置された止めネジも含む。

図６は、本発明の他の実施形態に係る、離れて装着されたバッテリモジュール４１２の斜視図である。リモートモジュール４１２は一般的に、バッテリー（Ｓ）及び関連回路が内部に存在する矩形領域４１４を含む。さらに、ケーブルアセンブリ４１６は、モジュール４１２を適当な装置に結合する。図６に示されるように、モジュール４１２は、パイプ又は他の適当な構造体にモジュールを装着するために、Ｕボルト４２０を受けるための穴を複数有するフランジ４１８を有する。加えて、リモートモジュール４１２は、バッテリがリモートモジュール内で交換できるように取り外し可能なカバーを持つこともできる。

図７は、本発明の実施形態に係る回路カード３０に存在しうる回路の回路図である。回路５００は、終端５０２、５０４で１以上のバッテリと結合する。好ましくは、回路カード３０上の回路５００の構成要素の間隔は、直面している要求である本質安全に準拠する。図７に示されるように、回路５００は２つの主要部分を含む。終端５０２、５０４からライン５０６までの部分は、本質的に低電圧カット機能を提供する。監視回路５０８からの出力は、電界効果トランジスタ５１０を約４ボルトでオープンする。（注、２セルのバッテリパックは、最初は約７．２ボルトを提供する）。したがって、パックの電圧が特定の閾値に達したとき、バッテリパックは電気的にフィールド装置から完全に分離される。ライン５０６とライン５１２の間の回路５００の部分は、ヒューズ５１４を通過する電流を保護する電流制限機能を提供する。電流制限回路は、本質安全の安全限界以下であるが、ヒューズの制限を超えた電流が流れることからヒューズ５１４を保護する。これは、ヒューズが飛ぶとバッテリモジュール全体の交換が必要となるため、バッテリモジュールが１回限り使用される実施形態では特に有用である。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者は、本発明の真意及び範囲を逸脱することなく、形態および詳細における変更を加えることができることを理解するであろう。

Claims (16)

1. モジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリにより電力供給されるローカル電源無線送信機を含むフィールド装置の導管にネジ結合するように構成された第１端部を有するリジッド導管アダプタと、
   前記リジッド導管アダプタの第２端部に結合し、前記リジッド導管アダプタに物理的に支持されたハウジングであって、内部を有するハウジングと、
   前記ハウジング内に配置された少なくとも一つの非充電式バッテリと、
   本質安全の安全限界以下に電流を制限するように動作可能であり、前記少なくとも一つの非充電式バッテリに結合された本質安全な回路であって、電気接続部によって前記リジッド導管アダプタと接続されている、本質安全な回路と、
   を備えたモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
2. 前記ハウジングは、プレート及び一緒に結合されたエンクロージャを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
3. 前記プレートと前記エンクロージャとは互いに着脱可能に結合された、
   ことを特徴とする請求項２に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
4. 前記ハウジングの内部は、ポッティング化合物で充填された、
   ことを特徴とする請求項２に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
5. 前記ハウジングはさらに、前記リジッド導管アダプタの外側表面上を通過可能な寸法の金属フランジを含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
6. 前記金属フランジを前記リジッド導管アダプタに固着するように構成された固着部材をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項５に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
7. 前記固着部材は、止めネジである、
   ことを特徴とする請求項６に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
8. 前記プレートは、前記金属フランジに装着できる寸法の環状リングを含む、
   ことを特徴とする請求項６に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
9. 前記本質安全な回路は、ヒューズを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
10. 前記本質安全な回路は、ヒューズを流れる電流を制限する電流制限回路を含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
11. フィールド装置が、前記リジッド導管アダプタに結合するための導管を含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
12. 前記ハウジングの内部容積は、前記フィールド装置の電子コンパートメントの内部よりも大きい、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
13. 前記少なくとも一つの非充電式バッテリは、ハウジング内に配置された複数の非充電式バッテリを含む、
    ことを特徴とする請求項１２に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
14. 前記複数のバッテリは交換可能である、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
15. リジッド導管アダプタは金属で形成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。
16. 前記少なくとも一つの非充電式バッテリが、前記ハウジング内で電気回路に電気的に結合し、
    前記リジッド導管アダプタが、前記電気回路に電気的に結合する電気コネクタを含む、請求項１に記載のモジュール式の本質安全バッテリモジュールアセンブリ。

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