JP6767928B2

JP6767928B2 - 熱電発電トランスミッタ

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Publication number: JP6767928B2
Application number: JP2017104149A
Authority: JP
Inventors: 知紀村田; 後藤　大輔; 大輔後藤
Original assignee: Kelk Ltd
Current assignee: Kelk Ltd
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2020-10-14
Anticipated expiration: 2037-05-26
Also published as: CN110637333B; AU2018273312B2; AU2018273312A1; JP2018200518A; CN110637333A; WO2018216345A1; DE112018002711T5; US20200149976A1; US11415468B2

Description

本発明は、熱電発電トランスミッタに関する。

従来、製鉄所、工場等の過酷な外部環境に晒される状況で長期にわたって、設備の保全、異常検知のために、温度、歪み等のセンシングを行う場合、これらの設備に無線センサ端末を設置して、その無線センサ端末から出力されたセンサ出力を収集するセンサネットワークシステムが知られている。

たとえば、特許文献１には、自立電源としての太陽電池モジュールと、太陽電池モジュールに接続され、電源を生成する電源回路と、電源回路からの電源電圧に基づいて、温度、歪み等の検知対象属性を検知するセンサと、センサの検知信号を無線送信信号に変換する無線送信信号生成回路とを備えた無線センサ端末が開示されている。

特開２０１６−１５７３５６号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の技術では、無線センサ端末内にセンサと自立電源である太陽電池モジュールが設けられるため、センシングをしたい部分と、良好な発電の確保とを両立しなければならず、無線センサ端末の設置位置が制限され、条件が整わないと実際の使用が困難であるという課題がある。

本発明の目的は、設置位置の制限が少なく、自立電源によって長期にわたりセンシングを行うことのできる熱電発電トランスミッタを提供することにある。

本発明の熱電発電トランスミッタは、
熱電発電を利用して、センサで検出された検出信号を外部に出力する熱電発電トランスミッタであって、
断熱性および電波透過性を有し、端面が開口された筒状の外枠と、
前記外枠の一方の端面を覆い、発熱源または吸熱源に取り付けられる受熱板と、
前記外枠の他方の端面の少なくとも一部を覆う放熱板と、
前記受熱板の前記外枠を覆う面、および前記放熱板の前記外枠を覆う面の少なくとも一方の面に立設され、前記受熱板または前記放熱板と熱伝導し易く配置される柱状部材と、
前記受熱板および前記柱状部材の間、前記受熱板から立設された前記柱状部材および前記放熱板から立設された前記柱状部材の間、ならびに、前記放熱板および前記柱状部材の間のいずれかに設けられ、前記受熱板および前記放熱板の温度差により発電する熱電発電モジュールと、
前記外枠の内部に配置され、前記熱電発電モジュールにより発電された電力により駆動し、前記センサで検出された検出信号を、外部に出力可能な演算処理装置と、
外部から前記センサからの検出信号が入力される端子とを備え、
前記外枠の内部において、前記熱電発電モジュールおよび前記演算処理装置の配置位置と、前記端子の配置位置とが仕切られている
ことを特徴とする。

この発明によれば、熱電発電モジュールおよび演算処理装置の配置位置と、端子の配置位置とが仕切られていることにより、熱電発電モジュールと、受熱板、柱状部材、および放熱板との密着性を維持しながら、端子にセンサを取り付けることができる。したがって、熱電発電トランスミッタの発電力が減じることがなく、自立電源によって長期にわたりセンシングを行うことができる。
また、トランスミッタの自立電源による発電を最適な環境で行い、端子に種々のセンサを装着することにより、遠隔の測定対象をセンシングすることができる。

本発明の実施形態に係る熱電発電トランスミッタが適用される工作機械の構造を示す斜視図。前記実施形態における熱電発電トランスミッタの外観斜視図。前記実施形態における熱電発電トランスミッタの外観斜視図。前記実施形態における熱電発電トランスミッタの断面図。前記実施形態における熱電発電トランスミッタの内部構造を示す斜視図。前記実施形態における熱電発電トランスミッタを構成する回路基板の構造を示す斜視図。前記実施形態における熱電発電トランスミッタを構成する熱電発電モジュールの構造を示す断面図。前記実施形態における熱電発電トランスミッタを構成する回路構造を示す模式図。

［１］熱電発電トランスミッタ１０が適用される門型フライス盤１
図１には、本実施形態に係る熱電発電トランスミッタ１０が適用される門型フライス盤１が示されている。
門型フライス盤１は、ワークに対して切削加工を行う装置であり、ベッド２、テーブル３、コラム４、クロスレール５、主軸頭６、主軸７、および操作盤８を備える。
ベッド２は、門型フライス盤１の設置場所にアンカーボルト等により固定される基台である。

テーブル３は、ベッド２上に載置され、ベッド２上には、加工対象であるワークが設置される。
コラム４は、門型形状を有し、門型の両脚が、ベッド２の側縁に沿って移動可能に設けられており、ワークに対する加工具のＹ方向（ベッド２の長手方向）の位置決めを行う。
クロスレール５は、コラム４に対して上下方向に移動可能に設けられ、ワークに対する加工具のＺ方向（ベッド２の上下方向）の位置決めを行う。

主軸頭６は、クロスレール５に沿って移動可能に設けられており、ワークに対する加工具のＸ方向（ベッド２の幅方向）の位置決めを行う。主軸頭６の内部には、主軸７を回転させるためのモータが設けられている。
主軸７は主軸頭６の先端に設けられ、種々の切削加工具が装着され、ワークの加工を行う。
操作盤８は、コラム４、クロスレール５、および主軸頭６の位置決めや、主軸７に装着された切削加工具によって、ワークに切削加工を行う制御装置として機能する。操作盤８は、演算処理装置および記憶装置を備え、ワークの加工に際しては、記憶装置からプログラムを呼び出して、実行することにより、自動加工を行うことができるようになっている。

このような門型フライス盤１の主軸頭６のモータ収納部分には、熱電発電トランスミッタ１０が装着されている。熱電発電トランスミッタ１０には、熱電対１１が複数設けられている。それぞれの熱電対１１は、精密加工において、加工精度に影響を及ぼす主軸頭６の各部位の温度を検出し、主軸頭６の温度分布を測定する。
詳しくは後述するが、熱電発電トランスミッタ１０は、それぞれの熱電対１１により検出された温度を、熱電発電を利用して外部に送信出力する発信装置である。熱電発電トランスミッタ１０は、自立発電装置である熱電発電モジュール２５と、熱電発電モジュール２５により駆動する演算処理装置２３１とを備える（図４参照）。検出された温度は、遠隔で処理され、主軸頭６の温度分布の状態が解析される。
熱電発電トランスミッタ１０は、門型フライス盤１の主軸頭６の発熱源となるモータが収容された部分に取り付けられ、内部のモータの回転により生じた熱を用いて熱電発電を行う。

［２］熱電発電トランスミッタ１０の構造
図２から図４には、本実施形態に係る熱電発電トランスミッタ１０が示されている。図２は、上面斜視図であり、図３は下面斜視図であり、図４は断面図である。
熱電発電トランスミッタ１０は、熱電対１１で検出された温度検出信号を、無線電波で外部に送信する送信装置であり、図２および図３に示すように、外枠１２、受熱板１３、放熱板１４、封止板１５、およびケーブルグランド１６を備える。
外枠１２は、両端面が開口された平面視矩形状の筒状体から構成され、無線出力を行うために、塩化ビニル、ＰＰＳ等のプラスチック材料から構成される。なお、外枠１２の材質は、これに限らず、断熱性を確保することができ、電波透過性を有する材料であればよい。

受熱板１３は、外枠１２の一方の端面の開口の全体を覆うアルミニウム製の矩形板状体から構成される。
放熱板１４は、外枠１２の他方の端面の開口の略半分を覆うアルミニウム製の矩形板状体から構成される。
封止板１５は、外枠１２の他方の端面の放熱板１４で覆われていない部分を覆う部材であり、放熱板１４と同様にアルミニウム製の矩形板状体から構成される。

ケーブルグランド１６は、熱電対１１のケーブルが挿入される部分であり、図２に示すように、熱電対１１の端子は、外枠１２の内部に設けられた端子台１７にねじ等により固定される。
端子台１７は、受熱板１３の裏面側に設けられ、熱電対１１のケーブルを固定するためのねじ孔が形成され、熱電対１１の検出信号が入力される。
外枠１２の他方の開口縁には、シール部材となるＯリング１８が設けられ、封止板１５によって開口を塞ぎ、ねじ等で封止板１５を外枠１２に固定することにより、密閉されたシール構造とされる。なお、図４に示すように、外枠１２の受熱板１３で塞がれる端面、および放熱板１４で塞がれる端面にもＯリング１８が設けられ、シール構造とされている。

受熱板１３の受熱面の端部には、図３に示すように、外周端部に取付部材１９が設けられている。取付部材１９は、受熱板１３にねじにより回転可能に取り付けられている。取付部材１９を９０°回転させることにより、孔が形成された部分を受熱板１３の外部に突出させ、この孔にねじ等で発熱源となる主軸頭６の壁部に、熱電発電トランスミッタ１０を固定することができる。
また、受熱板１３の受熱面の外周近傍には、磁石２０が設けられ、発熱源となる主軸頭６の壁部に、熱電発電トランスミッタ１０を仮固定することができる。

受熱板１３の外周端部および略中央部には、放熱板固定ねじ２１が挿入されている。放熱板固定ねじ２１は、外枠１２を貫通し、図示を略したが、放熱板１４に形成された雌ねじ孔に螺合し、放熱板１４を外枠１２に固定する。
放熱板１４の固定構造をこのようにすることにより、図２に示すように、封止板１５は外枠１２から着脱可能とされるが、同じ方向から放熱板１４は、外枠１２から取り外すことができないようになっている。

図４に示すように、外枠１２の内部には、隔壁２２が設けられている。隔壁２２は、端子台１７の配置位置と、それ以外の部品の配置位置を仕切るための仕切り壁として設けられている。
隔壁２２の底部には、図４および図５に示されるように開口部２２Ａが形成されている。この開口部２２Ａは、端子台１７および回路基板２３を接続する信号線２２Ｂを引き通すために設けられている。なお、端子台１７および回路基板２３の信号線２２Ｂの引き通しが終了したら、図４では図示を略したが、開口部２２Ａには、樹脂が充填され、開口部２２Ａを閉塞する。これにより、端子台１７側に侵入した異物が、回路基板２３側に入り込まないように密閉することができる。
樹脂は、開口部２２Ａを塞ぐ充填量とし、受熱板１３および放熱板１４の間には、空隙を設けられ、受熱板１３および放熱板１４間の断熱性を確保している。これにより、後述する熱電発電モジュール２５の受熱板１３側と、放熱板１４側の温度差を保ち、熱電発電の効率を確保している。

回路基板２３は、図４に示すように、回路素子実装面を下側に向けて、放熱板１４の裏面に密着固定されている。回路基板２３には、図６に示すように、演算処理装置２３１、増幅回路２３２、およびピンソケット２３３が実装されている。
演算処理装置２３１は、熱電対１１からの検出信号を処理して温度検出信号に変換するとともに、処理した温度検出信号を外部に無線出力可能とする。
増幅回路２３２は、熱電対１１からの検出信号を増幅して、演算処理装置２３１に出力する。
ピンソケット２３３には、ＬＥＤが装着され、ＬＥＤは、演算処理装置２３１の信号の入出力に応じて点消灯する。

図４に示すように、受熱板１３の外枠１２の開口を塞ぐ面には、柱状部材２４が立設されている。柱状部材２４は、受熱板１３と一体形成されるアルミニウム製の柱状体である。柱状部材２４および放熱板１４の間には、熱電発電モジュール２５が介装されている。
熱電発電モジュール２５は、図７に示すように、基板２５１、電極２５２、および熱電素子２５Ｐ、２５Ｎを備える。
基板２５１は、セラミックやポリイミド製のフィルムなどから構成され、高温側および低温側に一対有し、互いに対向配置されている。
電極２５２は、それぞれの基板２５１の対向面に形成され、銅等の金属材料から構成される。

熱電素子２５Ｐ、２５Ｎは、対向する電極２５２の間に介在し、Ｐ型の熱電素子２５ＰおよびＮ型の熱電素子２５Ｎが交互に配列される。
Ｐ型の熱電素子２５ＰおよびＮ型の熱電素子２５Ｎの端面は、電極２５２に半田接合され、熱電発電モジュール２５は、Ｐ型の熱電素子２５ＰおよびＮ型の熱電素子２５Ｎが交互に直列に接続された回路を形成する。

柱状部材２４および熱電発電モジュール２５の基板２５１の間には、熱伝導性の高いカーボンシートや熱伝導接着剤２６などが介装され、基板２５１および放熱板１４の間にもカーボンシートや熱伝導接着剤２６などが介装される。
カーボンシートや熱伝導接着剤２６などは、受熱板１３から伝熱された柱状部材２４の熱を、基板２５１に伝熱するとともに、上側の基板２５１の熱を放熱板１４に伝熱し、熱を放射する伝熱層として機能する。つまり、柱状部材２４、熱電発電モジュール２５、および放熱板１４は、相互に熱伝導可能に接続されている。

このような熱電発電モジュール２５は、柱状部材２４からの熱を下側の基板２５１で受け、上側の基板２５１から放熱板１４に伝熱することにより、一対の基板２５１間に温度差が生じる。
この温度差によりゼーベック効果が生じ、Ｐ型の熱電素子２５ＰおよびＮ型の熱電素子２５Ｎによって形成される回路内に起電力が生じ、熱電発電が行われる。

図８には、熱電発電トランスミッタ１０の回路構造が示されている。熱電発電モジュール２５は、電源回路２７を介して、演算処理装置２３１および増幅回路２３２と電気的に接続されている。
電源回路２７は、コンデンサ２７１、昇圧トランス２７２、およびＤＣ／ＤＣコンバータ２７３を備える。

熱電発電モジュール２５で発電された電力は、昇圧トランス２７２とＤＣ／ＤＣコンバータ２７３により昇圧され、コンデンサ２７１に蓄電される。
電源回路２７は、コンデンサ２７１の充電電圧の閾値を監視しており、充電電圧が出力規定値を超えると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２７３のＶout2から演算処理装置２３１および増幅回路２３２に出力され、演算処理装置２３１および増幅回路２３２が起動する。増幅回路２３２は、熱電対１１による検出信号を増幅し、演算処理装置２３１に出力する。

演算処理装置２３１は、検出信号をメモリに格納し、所定の形式に変換処理を行った後、内蔵される無線モジュールにより、温度検出信号を外部に送信出力する。なお、外部への温度検出信号の送信出力のタイミングは、蓄電圧が３Ｖを超えるのをトリガとしているため、発熱源の温度に依存する。したがって、熱電発電モジュール２５による発電力が大きければ、コンデンサ２７１への蓄電圧が３Ｖを超える頻度が高くなるため、温度検出信号は、細かいタイミングで送信出力される。送信出力された温度検出信号は、外部の受信手段により受信される。

［３］熱電発電トランスミッタ１０の設置方法
次に、前述した熱電発電トランスミッタ１０の門型フライス盤１への設置方法について説明する。
熱電発電トランスミッタ１０を、門型フライス盤１の主軸頭６のモータの収納場所に応じた最も高温の位置に、磁石２０により取り付ける。
次に、受信側で演算処理装置２３１から無線出力された信号を受信できるか否かを確認する。

演算処理装置２３１からの信号を受信できることが確認されたら、ドライバー等を用いて、封止板１５を取り外し、端子台１７に熱電対１１をねじ止め固定する。
ケーブルグランド１６から引き出された熱電対１１の先端を、主軸頭６の測定したい部位に貼り付け、取付部材１９を回転し、ねじ等により門型フライス盤１の主軸頭６に熱電発電トランスミッタ１０を本固定する。その後、測定を開始する。

［４］実施形態の作用および効果
このような本実施形態では、熱電発電モジュール２５および演算処理装置２３１の配置位置と、端子台１７の配置位置とが仕切られている。これにより、熱電発電モジュール２５と、柱状部材２４および放熱板１４との密着性を維持しながら、熱電対１１の端子を端子台１７に取り付けることができる。したがって、熱電発電トランスミッタ１０の発電力が減じることなく、自立電源によって長期にわたりセンシングを行うことができる。

特に、内部に隔壁２２を設け、さらに開口部２２Ａに樹脂を充填することにより、熱電発電モジュール２５および演算処理装置２３１が配置される空間と、端子台１７が配置される空間との間の空気の流通を完全に遮断できる。したがって、熱電発電モジュール２５および回路基板２３への塵埃等の侵入を完全に防止して、熱電発電モジュール２５および回路基板２３に故障が生じることを防止することができる。

受熱板１３に磁石２０が設けられていることにより、発熱源の設置面に熱電発電トランスミッタ１０を仮固定して、受信側で検出信号の受信を確認することができる。そして、発熱源となるモータの最適な位置に熱電発電トランスミッタ１０を取付部材１９により本固定し、その後、熱電対１１を最適な位置に貼り付けて、測定を行うことができる。
外枠１２の端面にＯリング１８が設けられ、外枠１２の端面を塞ぐ受熱板１３、放熱板１４、および封止板１５によりシール構造が形成されている。これにより、熱電発電トランスミッタ１０の内部に、金属片等の異物が侵入することを防止できるので、長期にわたって自立電源に基づいて、熱電対１１による測定温度を送信出力することができる。

［５］実施形態の変形
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
たとえば、前記実施形態では、センサとして熱電対１１を用いていたが、本発明はこれに限らず、サーミスタや、歪みゲージ等他のセンサを送信出力してもよい。

前記実施形態では、受熱板１３の外枠１２の開口を塞ぐ面から、柱状部材２４が立設し、柱状部材２４と放熱板１４との間に熱電発電モジュール２５が介装されていたが、本発明はこれに限られない。
すなわち、受熱板１３の外枠１２の開口を塞ぐ面と、放熱板１４の外枠１２の開口を塞ぐ面との両方から柱状部材が立設され、それぞれの柱状部材の間に熱電発電モジュール２５を介装するようにしてもよい。また、放熱板１４の外枠１２の開口を塞ぐ面から柱状部材が立設され、柱状部材と受熱板１３との間に熱電発電モジュール２５を介装してもよい。
さらに、前記実施形態では、受熱板１３および柱状部材２４は一体形成されていたが、別体に形成し、受熱板１３および柱状部材２４の間に熱伝導接着剤を介装して、熱伝導し易くしてもよい。

前記実施形態では、門型フライス盤１に熱電発電トランスミッタ１０を適用していたが、これに限らず、他の機械に適用してもよく、外部の設備に熱電発電トランスミッタ１０を適用してもよい。
前記実施形態では、主軸頭６のモータの発熱を発熱源として、熱電発電トランスミッタ１０を駆動していたが、本発明はこれに限られない。たとえば、受熱板１３に密着させる面を吸熱源とし、放熱板１４の側を高温側としてもよい。ただし、この場合、熱電発電モジュール２５による発電の電位が逆転するために、電源回路２７の配線を変更する必要がある。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造および形状は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。

１…門型フライス盤、２…ベッド、３…テーブル、４…コラム、５…クロスレール、６…主軸頭、７…主軸、８…操作盤、１０…熱電発電トランスミッタ、１１…熱電対、１２…外枠、１３…受熱板、１４…放熱板、１５…封止板、１６…ケーブルグランド、１７…端子台、１８…Ｏリング、１９…取付部材、２０…磁石、２１…放熱板固定ねじ、２２…隔壁、２２Ａ…開口部、２２Ｂ…信号線、２３…回路基板、２４…柱状部材、２５…熱電発電モジュール、２５Ｎ…熱電素子、２５Ｐ…熱電素子、２６…熱伝導接着剤、２７…電源回路、２３１…演算処理装置、２３２…増幅回路、２３３…ピンソケット、２５１…基板、２５２…電極、２７１…コンデンサ、２７２…昇圧トランス、２７３…ＤＣ／ＤＣコンバータ。

Claims

熱電発電を利用して、センサで検出された検出信号を外部に出力する熱電発電トランスミッタであって、
断熱性および電波透過性を有し、端面が開口された筒状の外枠と、
前記外枠の一方の端面を覆い、発熱源または吸熱源に取り付けられる受熱板と、
前記外枠の他方の端面の少なくとも一部を覆う放熱板と、
前記受熱板の前記外枠を覆う面、および前記放熱板の前記外枠を覆う面の少なくとも一方の面に立設され、前記受熱板または前記放熱板と熱伝導し易く配置される柱状部材と、
前記受熱板および前記柱状部材の間、前記受熱板から立設された前記柱状部材および前記放熱板から立設された前記柱状部材の間、ならびに、前記放熱板および前記柱状部材の間のいずれかに設けられ、前記受熱板および前記放熱板の温度差により発電する熱電発電モジュールと、
前記外枠の内部に配置され、前記熱電発電モジュールにより発電された電力により駆動し、前記センサで検出された検出信号を、外部に出力可能な演算処理装置と、
外部から前記センサからの検出信号が入力される端子とを備え、
前記外枠の内部において、前記熱電発電モジュールおよび前記演算処理装置の配置位置と、前記端子の配置位置とが仕切られている
ことを特徴とする熱電発電トランスミッタ。
請求項１に記載の熱電発電トランスミッタにおいて、
前記熱電発電モジュールおよび前記演算処理装置と、前記端子との間には、隔壁が設けられていることを特徴とする熱電発電トランスミッタ。
請求項２に記載の熱電発電トランスミッタにおいて、
前記隔壁により仕切られた前記端子の配置位置に応じた端面は、前記放熱板とは別の封止板により覆われ、
前記封止板は、前記外枠から着脱可能に装着されていることを特徴とする熱電発電トランスミッタ。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱電発電トランスミッタにおいて、
前記受熱板には、前記発熱源または前記吸熱源に取り付けられる面に磁石が設けられていることを特徴とする熱電発電トランスミッタ。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱電発電トランスミッタにおいて、
前記受熱板には、前記発熱源または前記吸熱源に取り付けられる面に取付部材が設けられていることを特徴とする熱電発電トランスミッタ。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱電発電トランスミッタにおいて、
前記外枠および前記受熱板と、前記外枠および前記放熱板とは、シール部材で封止されていることを特徴とする熱電発電トランスミッタ。