JP2009040408A - 熱電装置を備えたタイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】ホイールとタイヤの組立体によって支持された電気的機能部材に電力を効果的に送り出すためにゼーベック効果式熱電発電機に接続されるべき高温要素と低温要素を区別する。
【解決手段】タイヤ（３４）であって、部材（２８）に電気的に動力を供給するゼーベック効果式熱電発電機（２０）を備え、熱電発電機（２０）は、低温要素（１６）及び高温要素（１８）とそれぞれ接触状態にある低温極（２２）及び高温極（２４）を有し、高温極は、タイヤの一部をなす、タイヤ（３４）。
【選択図】図４

Description

本発明は、自動車用のタイヤの技術的分野に関する。

ホイール又はタイヤに機能部材、例えば、圧力センサ、温度センサ又はホイール若しくはタイヤの変形度を測定する装置を設けることが知られている。

一般に、機能部材は、動力式なので、電気的に動力が与えられる必要がある。例えばバッテリにより又は電磁波を送り、かかる電磁波を電気に変換することによって機能部材に電気的に動力を供給することが知られている。

機能部材に電力を供給する公知のもう１つのやり方は、ゼーベック効果を利用した熱電発電機を用いることである。ゼーベック効果式熱電発電機は、この発電機の低温極及び高温極とそれぞれ接触関係をなす高温要素と低温要素との間に存在する温度差により電気を発生させることができる従来型装置である。この発電機により送られる電気は、温度差の増大につれて増大する。それにもかかわらず、機能要素に電力を供給するのに十分な電気を発生させるには、この発電機について非常に特別な使用及び設置条件が必要である。というのは、ゼーベック効果は、僅かな量の電気しかもたらさないことが知られているからである。

米国特許第７，２０９，０３２（Ｂ２）号明細書は、ホイールとタイヤの組立体によって支持された電気的機能部材に電力を供給するゼーベック効果式熱電発電機を用いることを提案している。それにもかかわらず、この特許文献は、機能部材に電力を供給するのに十分な電気を得るために熱電気発電機を高温要素と低温要素のいずれに接続する必要があるかということを特定していない。

本発明の特定の目的は、ホイールとタイヤの組立体によって支持された電気的機能部材に電力を効果的に送り出すためにゼーベック効果式熱電発電機に接続されるべき高温要素と低温要素を区別することにある。

米国特許第７，２０９，０３２（Ｂ２）号明細書

この目的のため、本発明は、タイヤであって、部材に電気的に動力を供給するゼーベック効果式熱電発電機を備え、この熱電発電機は、低温要素及び高温要素とそれぞれ接触状態にある低温極及び高温極を有し、高温極は、タイヤの一部をなすことを特徴とするタイヤを提供する。

タイヤは、回転しているとき、特に地面と接触状態にある領域を通過する際に変形する。具体的に言えば、タイヤのサイドウォールは、曲げの繰り返しを受ける。この変形により、タイヤの温度がかなり高くなる。

かくして、本発明は、タイヤの一部をなし、タイヤがゼーベック効果式熱電発電機の高温極に接続可能な高温要素として回転することにより加熱される要素を用いることを提案する。

また、かかる発電機をタイヤに取り付けることにより、他の利点が得られる。

第１に、タイヤは、発電機を支持するのに有効な広い内側表面領域を提供する。熱電発電機により得られる電気の量を増大させるためには、一対策は、複数個の発電機を直列に配置することであり、それにより大きな寸法形状の支持台が必要になることが知られている。

加うるに、タイヤの温度は、温度が変化する場合のあるブレーキディスクの影響を受けるホイールの温度とは異なり、タイヤの使用中、比較的一定している。したがって、これにより、電気を実質的に一定の仕方で生じさせることが可能である。

本発明のタイヤは、以下の特徴のうちの１つ又は２つ以上を更に有するのが良い。
・高温要素は、タイヤのゴムライナの一部をなす。ゴムライナ、具体的には、タイヤ内部の空気と接触状態にあるゴムライナの表面は、タイヤの内部から容易に接近可能である。かくして、熱電発電機をかかる内面に単に取り付けて高温要素に接触させるのが良い。
・高温要素は、タイヤのショルダ領域内に位置決めされる。タイヤのトレッドをサイドウォールに連結するタイヤのショルダ領域は、トレッドが接触領域を通過する際に大きな度合いの曲げを受ける領域である。この領域の温度上昇度は、特に大きい。したがって、高温要素をこの領域内に位置決めすることが有利である。
・高温要素は、タイヤのサイドウォールの底部領域内に位置決めされる。
・高温要素は、曲げを受けるタイヤのサイドウォールの底部領域の領域内に位置決めされる。タイヤのサイドウォールの底部領域は、高いレベルの曲げを受け、それにより、特に大きな温度上昇が生じる。したがって、高温要素をかかる領域内に位置決めすることが有利である。
・低温要素は、タイヤの一部をなす。
・低温要素は、タイヤのゴムライナの一部をなす。高温要素及び低温要素がそれぞれ、タイヤのゴムライナの一部である場合、熱電発電機を例えばタイヤのゴムライナへの接着のためのゴムシート内に組み込むことにより単にタイヤのゴムライナに装着するのが良い。
・低温要素は、タイヤの内部に存在していて、低温極に接触する空気から成る。タイヤ内部の空気は、一般に、タイヤの温度よりも十分に低く、特に、ゴムライナが曲がる領域の温度よりも十分に低い状態にある。それ故、内部空気とタイヤのゴムライナとの間には相当大きな温度差が存在する。この温度差は、ゼーベック効果式熱電発電機によって有利に用いられる。
・タイヤは、タイヤのゴムライナに装着されると共にタイヤの回転中に昇温し、それにより高温要素を構成するように配置されると共に形作られた要素を有する。局所応力を生じさせるという唯一の機能を有する装着要素を提供することによりタイヤのゴムライナの温度を人工的に上昇させることが可能である。かかる局所応力存在により、タイヤの表面上に高温の箇所が生じる。
・装着要素は、ゴムライナよりも消散度の大きいゴムで作られる。
・タイヤは、タイヤの回転中に装着要素を変形させる手段を更に有する。

本発明の内容は、単に例示として与えられており、添付の図面を参照して行われる以下の説明を読むと一層良く理解できよう。

図１は、ゼーベック効果の原理を説明する略図である。ゼーベック効果又は熱電対効果は、温度差の影響を受けて電圧を生じさせる或る特定の物質の性質を利用している。

図１は、一対の電線１０，１２を示しており、これら電線は各々、溶接部１４により他方の第１の端に接続された第１の端１１及び第２の端１３をそれぞれ有している。第１の端１１は、低温要素１６と接触状態にあり、第２の端１３は、高温要素１８と接触状態にある。

この構成では、熱電効果により、２本の電線１０，１２の第２の端１３相互間には、低温要素１６と高温要素１８との間の温度差に比例した電圧Ｅが生じる。比例係数αは、電線１０，１２を構成する材料の関数である。
一例を挙げると、この係数αは、電線がクロメル（ＣｒＮｉ）及びコンスタンタン（ＣｕＮｉ）で作られている場合、１ケルビン当たり７０マイクロボルト（μＶ／Ｋ）に等しく、或いは、電線がテルル化ビスマス（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）で作られている場合、２００μＶ／Ｋに等しい。

図２は、電圧を生じさせるために互いに異なる温度まで昇温されるべき端を備えた複数の対をなす電線１０，１２を有するゼーベック効果式熱電発電機２０を示している。

対をなす電線は、直列に電気接続されていて、発電機の端子のところで送り出される電圧Ｅは、直列の対の数に実質的に比例するようになっている。

発電機２０は、低温要素１６及び高温要素１８にそれぞれ接触するよう設計されていて、対をなす電線の端がそれぞれ連結された低温極２２及び高温極２４を有している。これら２つの極２２，２４は、一例として、それぞれ平らなゴムの塊から成っている。

表面２２，２４と電線１０，１２相互間の溶接箇所との間の熱伝達を最適化するため、発電機は、熱の分布を促進する銅グリッド２６を備えている。

本発明は、機能部材２８、例えば圧力センサに電力を供給する目的で熱電発電機、例えば図２で示す発電機を利用することを提案する。

部材２８のための電力供給回路の一例が、図３に示されている。電力供給回路は、抵抗器３０、ダイオード３２、制御ダイオード３４及びキャパシタ３６を有している。

キャパシタ３６の機能は、部材２８がエネルギーを消費していない段階中にエネルギーを蓄え、エネルギーが必要な段階の際にかかるエネルギーを放出することができるようにすることにある。

抵抗器３０及びダイオード３２，３４は、キャパシタ３６の両端子間で利用できる電圧を制御し、キャパシタ３６の端子に送られる電圧が交番する頻度又は周波数を調節するのに役立つ。

図４は、図２に示すような熱電発電機２０を備えたタイヤ４０を示している。分かりやすくする理由で、発電機２０の極２２，２４だけが図４に示されている。

タイヤ４０は、タイヤのクラウンのところに位置するトレッド４２及び２つのサイドウォール４４を有し、サイドウォールは、１つしか示されていない。タイヤの内部の空気に接触するタイヤ４０の部分は、ゴムライナ４６で作られている。

タイヤのトレッド４２とタイヤのサイドウォール４４を相互に連結するタイヤ４０の部分は、ショルダ領域４８と呼ばれている。サイドウォール４４の底部は、底部領域５０と呼ばれている。

ショルダ領域４８及び底部領域５０は、タイヤの走行中に高いレベルの曲げを受ける領域であり、それにより、タイヤの局所加熱が生じ、これは、図４に陰影線を施した領域によって表されている。

図４に示すような本発明の第１の実施形態では、発電機２０の極２２，２４は、低温要素１６及び高温要素１８と接触状態にあり、これら極はそれぞれ、タイヤ４０の一部をなし、より正確に言えば、タイヤのゴムライナ４６の一部をなす。

タイヤ３４に対する発電機２０について考えられる２通りの設置の仕方が、図４に示されている。

第１の設置の仕方では、発電機２０の高温極２４は、タイヤ３４のショルダ領域４８の一部をなすと共に高温要素１８を構成するゴムライナ４６の領域５２と接触状態にある。

発電機２０の低温極２２は、トレッド４２の下に位置していて、高温要素１６を構成するゴムライナ４６の領域５４と接触状態にある。領域５２，５４は、これら２つの領域相互間の温度差が最大であるように選択される。この第１の設置の仕方では、温度差は、タイヤについて通常の使用条件下において毎時１００キロメートル（ｋｍ／ｈ）での走行時では約４０℃である。

第２の設置の仕方では、発電機２０の高温極２４は、タイヤ３４の底部領域５０の一部をなし、高温要素１８を構成するゴムライナ４６の領域５６と接触状態にある。

発電機２０の低温極２２は、タイヤのビード５７の上方に位置し、低温要素１６を構成するゴムライナ４６の領域５８と接触状態にある。領域５６，５８は、これら２つの領域相互間の温度差が最大であるように選択される。この第２の設置の仕方では、温度差は、１００ｋｍ／ｈでの走行時に通常の使用条件下において約３０℃である。

かかる温度差は、発電機２０が部材２８に電力を供給するのに適した電圧を生じさせるのに足るほど大きい。一例を挙げると、電線１０，１２で構成されていて、互いに３４℃だけ離れた高温箇所と低温箇所に接触する１０個のクロメル−コンスタンタン熱電対を有する発電機２０は、１６５マイクロワット（μＷ）の電力で２３ミリボルト（ｍＶ）の電圧を送り出す。

これら２通りの設置の仕方は、発電機の極を位置決めする上で特に有利である。というのは、タイヤのショルダ領域４８及び底部領域５０は、タイヤの最も高温の領域だからである。

図５に示すような本発明の第２の実施形態では、発電機２０の高温極２４は、タイヤ４０のゴムライナ４６を構成する要素である高温要素１８と接触状態にあり、発電機の低温極２２は、タイヤ４０の内部の空気により構成され、低温極２２と接触状態にある低温要素１６と接触状態にある。通常の走行条件下におけるタイヤ内部の空気の温度は、約３０℃であり、それにより、低温箇所と高温箇所との間にかなり大きな温度差を得ることが可能である。

上述の実施形態の両方に適用でき、図６に示された本発明の変形例では、タイヤ４０は、タイヤ４０のゴムライナ４６に装着されていて、タイヤの走行中に昇温すると共に高温要素１８を構成するよう配置されると共に形作られた要素６０を有する。要素６０は、一例として、スラブ又は円周方向ゴムリングの形態の形態をしたゴムの塊から成る。要素６０は、好ましくは、高いレベルのヒステリシスを有し、消散度の高い配合を有するゴムで作られている。

要素６０をタイヤの内部の種々の位置に配置することができる。

第１の位置（図示せず）では、要素６０は、トレッドの下に配置される。

第２の位置では、図６に示されているように、要素６０は、タイヤのサイドウォール４４の底部領域５０が曲がる領域内に配置されている。

第３の位置では、図６に示されているように、要素６０は、タイヤのビード５７の近くでサイドウォールに取り付けられると共にゴムライナと、特に剪断作用をゴムの塊に及ぼすことにより要素６０を変形させる手段を構成する金属ブレード６２との間に介在して配置されている。この目的のため、金属ブレードは、タイヤのビードに連結された一端を有し、その結果、タイヤの回転及び変形中、ブレードの自由端がゴムライナから遠ざかったりこれに近づいたりして要素６０に剪断作用を与えるようになっている。

これら３つ全ての位置では、要素６０の温度は、要素６０が設けられていない場合のゴムライナの温度よりも高い。その結果、発電機２０の高温極が接続される高温要素の温度を増大させることにより、高温要素と低温要素との間の温度差が増大し、それにより、発電機２０により生じる電圧を増大させることができる。

ゼーベック効果を説明する略図である。 本発明のタイヤに装着可能なゼーベック効果式熱電発電機の略図である。 図２の熱電発電機によって機能部材に電力を供給する回路の略図である。 本発明の第１の実施形態としてのタイヤの概略軸方向断面図であり、熱電発電機について考えられる２通りの設置場所を示す図である。 本発明の第２の実施形態としてのタイヤの概略軸方向断面図である。 本発明のタイヤの概略軸方向断面図であり、本発明のタイヤが、これに装着されると共に昇温するような仕方で形作られた部材を備えている状態を示す図である。

符号の説明

１０，１２ 電線
１４ 溶接部
１６ 低温要素
１８ 高温要素
２０ ゼーベック効果式熱電発電機
２２ 低温極
２４ 高温極
２６ 銅グリッド
３４，４０ タイヤ
４２ トレッド
４４ サイドウォール
４６ ゴムライナ
４８ ショルダ領域
５０ 底部領域
６０ 装着要素

Claims (11)

1. タイヤ（３４）であって、部材（２８）に電気的に動力を供給するゼーベック効果式熱電発電機（２０）を備え、前記熱電発電機（２０）は、低温要素（１６）及び高温要素（１８）とそれぞれ接触状態にある低温極（２２）及び高温極（２４）を有し、前記高温極は、前記タイヤの一部をなす、タイヤ（３４）。
2. 前記高温要素（１８）は、前記タイヤ（３４）のゴムライナ（４６）の一部をなす、請求項１記載のタイヤ（３４）。
3. 前記高温要素（１８）は、前記タイヤ（３４）のショルダ領域（４８）内に位置決めされている、請求項１又は２記載のタイヤ（３４）。
4. 前記高温要素（１８）は、前記タイヤ（３４）のサイドウォール（４４）の底部領域（５０）内に位置決めされている、請求項１又は２記載のタイヤ（３４）。
5. 前記高温要素（１８）は、曲げを受ける前記タイヤ（３４）の前記サイドウォール（４４）の前記底部領域（５０）の領域内に位置決めされている、請求項４記載のタイヤ（３４）。
6. 前記低温要素（１６）は、前記タイヤ（３４）の一部をなす、請求項１〜５のうちいずれか一に記載のタイヤ（３４）。
7. 前記低温要素（１６）は、前記タイヤ（３４）の前記ゴムライナ（４６）の一部をなす、請求項６記載のタイヤ（３４）。
8. 前記低温要素（１６）は、前記タイヤ（３４）の内部に存在していて、前記低温極（２２）に接触する空気から成る、請求項１〜５のうちいずれか一に記載のタイヤ（３４）。
9. 前記タイヤ（３４）の前記ゴムライナ（４６）に装着されると共に前記タイヤ（３４）の回転中に昇温し、それにより前記高温要素を構成するように配置されると共に形作られた要素（６０）を有する、請求項１〜８のうちいずれか一に記載のタイヤ（３４）。
10. 前記装着要素（６０）は、前記ゴムライナ（４６）よりも消散度が高いゴムで作られている、請求項９記載のタイヤ（３４）。
11. 前記タイヤ（３４）の回転中に前記装着要素（６０）を変形させる手段（６２）を更に有する、請求項９又は１０記載のタイヤ（３４）。

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