JP7370771B2

JP7370771B2 - 熱検知装置

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Publication number: JP7370771B2
Application number: JP2019160298A
Authority: JP
Inventors: 幸次照元
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2023-10-30
Anticipated expiration: 2039-09-03
Also published as: JP2021038996A

Description

本発明は、例えば工場設備等を構成する機器に装着され、該機器の発熱を検知する熱検知装置に関する。

工場設備を構成する機器は多種多様なものが存在する。ある物は単独で作用し、又ある物は他の機器と連携して作用する。これらの機器は、例えば、製品を加工する加工装置、製品を搬送する搬送装置、及び製品を検査する検査装置等である。

機器は、故障によってしばしば発熱する場合がある。発熱は、エネルギーのロスであり、火災等の原因になる。よって、機器の発熱は、速やかに検知されることが望ましい。

したがって、これらの機器には各種センサが装着され、発熱の有無も常時監視される。各種センサのＩｏＴ（Internet of Things）化も推進されている。

発熱の有無を検知する温度センサは電力を消費する。大規模な工場設備等においては、温度センサも多数必要となり、その消費電力が無視できなくなる。そこで、熱検知を無電力化する目的で、ゼーベック素子を用いた異常検知装置が例えば特許文献１に開示されている。

特許第５６４８０７９号

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、ゼーベック素子が熱を検知したか否かをマイコン等の制御手段で常時監視する必要があり、発熱の有無の監視（判定）に電力を消費する構成である。このように、従来の発熱の検知は、無電源化できていないという課題がある。

本発明は、発熱の検知を、発熱の有無の判定を含めて無電源化できる熱検知装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様に係る熱検知装置は、機器に装着され、該機器の発熱を検知する熱検知装置であって、前記機器の温度と環境温度との温度差で発電する熱発電素子と、前記熱発電素子が発電する電力を蓄える電力蓄積部と、前記電力を用いて前記発熱を報知する報知部と、前記電力蓄積部の電圧が閾値電圧を越えた場合に前記報知部に前記電力蓄積部に蓄積された前記電力を供給する電圧制御型トランジスタとを備える。

本発明によれば、発熱の検知を、発熱の有無の判定を含めて無電源化できる熱検知装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る熱検知装置の機能構成例を示すブロック図である。図１に示す熱発電素子の構成例を模式的に示す図である。図１に示す報知部の構成の一例を示す図である。図１に示す熱検知装置の報知部が動作を開始した場合の電力蓄積部の電圧の変化を模式的に示す図である。本発明の第２実施形態に係る熱検知装置の機能構成例を示すブロック図である。図５に示す報知部の構成の一例を示すブロック図である。図５に示す熱検知装置の報知部が動作を開始した場合の電力蓄積部の電圧の変化を模式的に示す図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。又、以下に示す実施形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、構成及び手順等を下記のものに特定するものでない。この実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱検知装置の機能構成例を示すブロック図である。図１に示す熱検知装置１００は、例えば工場設備を構成する機器（図示せず）に装着され、当該機器の発熱を検知する装置である。

熱検知装置１００は、熱発電素子１０、電力蓄積部２０、報知部３０、及びスイッチ部４０を備える。搬送装置及び検査装置等の工場設備への装着は、例えば磁石等で貼り付けて行う。又は、ネジ等を用いてリジッドに固定してもよい。

熱発電素子１０は、機器の温度と環境温度との温度差で発電する。よって、熱発電素子１０の吸熱部分は機器の表面に密着するように装着する。熱発電素子１０によって、機器と環境温度との温度差は電力に変換される。熱発電素子１０について詳しくは後述する。

電力蓄積部２０は、熱発電素子１０が発電する電力を蓄える。図１に示すように、電力蓄積部２０は、例えばコンデンサＣで構成することができる。

コンデンサＣは、熱発電素子１０が発電する電力（電気量Ｑ）を次式で表されるように蓄える。

ここで、ｔは時刻、ＣはコンデンサＣの静電容量、Ｖは電力蓄積部２０の端子電圧（コンデンサＣの極板間電圧）、Ｑは電力蓄積部２０に蓄えられる電気量、Ｅは熱発電素子１０の出力電圧である。Ｒ_１は、熱発電素子１０と電力蓄積部２０の間の抵抗であり図１での表記は省略している。なお、電力蓄積部２０に蓄えられる電気量Ｑは、電力、又は電気エネルギーと称する場合もある。

式（１）で表される様に、熱発電素子１０が発電している間に電力蓄積部２０に蓄えられる電気量Ｑは過渡特性を示す。その過渡特性が終了すると、電力蓄積部２０は次式で表される電気エネルギーＷを蓄える。

コンデンサＣの静電容量を例えば68μF、熱発電素子１０の出力電圧ＥをＥ＝3Vと仮定すると、電力蓄積部２０は306μJの電気エネルギーを蓄える。Ｅ＝3V、306μJは一例である。熱発電素子１０の構成によっては、もっと大きな電気エネルギーを蓄えることも可能である。詳しくは後述する。

報知部３０は、電力蓄積部２０に蓄積された電力（電気エネルギー）を用いて機器が発熱したことを報知する。報知は、例えば発光等で行う方法が考えられる。具体例は後述する。

スイッチ部４０は、電力蓄積部２０で蓄えられた電力（電気エネルギー）が所定の大きさを越えた場合に、その電気エネルギーを報知部３０に供給する。電力蓄積部２０に蓄えられた電気エネルギーの大きさは、コンデンサＣの極板間電圧Ｖで判定することができる（式（１））。

スイッチ部４０は、例えば電圧制御型のデバイスであるＭＯＳトランジスタで構成する。ＭＯＳトランジスタの閾値電圧Ｖ_ｔｈは、例えばＶ_ｔｈ＝2.0Vであると仮定する。

その場合、スイッチ部４０は、電力蓄積部２０の電圧がＶ＝2Vより大きくなると、電力蓄積部２０に蓄えられた電気エネルギーを報知部３０に供給する。そして、報知部３０は、電力蓄積部２０の電気エネルギーを消費して機器が発熱したことを報知する。

このように本実施形態に係る熱検知装置１００は、工場設備等の機器に装着され、該機器の発熱を検知する熱検知装置であって、機器の温度と環境温度との温度差で発電する熱発電素子１０と、熱発電素子１０が発電する電力を蓄える電力蓄積部２０と、電力蓄積部２０で蓄えた電力を用いて機器の発熱を報知する報知部３０と、該電力が所定の大きさを越えた場合に報知部３０に該電力を供給するスイッチ部４０とを備える。これにより、発熱の検知を、発熱の有無の判定を含めて無電源化することができる。

以降、図面を参照して熱発電素子１０と報知部３０について詳しく説明する。

（熱発電素子）
図２は、熱発電素子１０の構成例を模式的に示す図である。熱発電素子１０は、熱を電力に変換する周知のゼーベック効果を利用した素子である。

図２に示すように熱発電素子１０は、吸熱板１１、放熱板１２、及び熱電モジュール１３とで構成される。吸熱板１１は、発熱を検知する対象の機器に密着させられ、該機器が発する熱を吸熱する。吸熱板１１で吸収された熱は、熱電モジュール１３を伝搬して放熱板１２から熱検知装置１００の周囲の雰囲気中に放熱される。熱電モジュール１３と、吸熱板１１と放熱板１２のそれぞれの間は、絶縁層（図示せず）で絶縁される。

熱電モジュール１３は、負電極１４、ｎ型熱電材料１５_１，１５_２、共通電極１６_１，１６_２，１６_３、ｐ型熱電材料１７_１，１７_２、及び正電極１８を備える。

ｎ型熱電材料１５_１，１５_２は、その材料中の電子が吸熱板１１から放熱板１２に向けて移動するので高温側（吸熱板側）がプラス極になる。ｐ型熱電材料１７_１，１７_２は、その材料中の正孔が吸熱板１１から放熱板１２に向けて移動するので高温側がマイナス極になる。

このように極性の異なる熱電材料を、共通電極１６_１，１６_２，１６_３を介して交互に直列に接続することで負電極１４と正電極１８の間に電位差を生じさせる。ｎ型熱電材料１５_１とｐ型熱電材料１７_１の一接合（一層）で得られる起電圧は、材料によって異なるが温度差1Kあたり凡そ数十μVと小さい。図２に示す例は、原理を説明するために二層しか示していない。熱発電素子１０の出力電圧を高くするため、ｎ型熱電材料とｐ型熱電材料の接合数を多層にする。

一接合当たりの起電圧を例えば20μV/Kと仮定すると、温度差100Kで1Vの起電圧を得る為にはｎ型熱電材料とｐ型熱電材料の接合を500（1/(20μV×100)）個にする。また、熱発電素子１０の出力電流は、ｎ型熱電材料とｐ型熱電材料の厚み及び断面積等で調整する。

検知する発熱の温度差は、ｎ型熱電材料とｐ型熱電材料の接合数で設定することができる。発熱を検知する条件を、例えば温度差100Kで3Vの起電圧に設定する場合は、接合数を1500にする。

このように熱発電素子１０の電流電圧特性は、積層する熱電材料（ｎ型、ｐ型）の総数と厚み等で制御可能である。例えば、温度差100Kで、開放電圧が5.0V、出力電圧が3.0V、出力エネルギーが数100mJ/S（mW）の熱電モジュールは既に製品化されている。

（報知部）
図３は、報知部３０の構成例を示す図である。図３は、発熱時にＬＥＤを間欠点灯させる例を示す。

図３に示す様に、報知部３０は、パルス発生回路３１、ＬＥＤ、アノード抵抗Ｒａ、及びトランジスタＱを備える。アノード抵抗Ｒａの一端は電力蓄積部２０に接続される。アノード抵抗Ｒａの他端はＬＥＤのアノード電極に接続される。ＬＥＤのカソード電極はトランジスタＱのコレクタ電極に接続される。トランジスタＱのエミッタ電極はスイッチ部４０に接続される。

トランジスタＱのベース電極はパルス発生回路３１に接続される。パルス発生回路３１の正電源端子３１ｐは電力蓄積部２０に接続され、負電源端子３１ｍはスイッチ部４０に接続される。パルス発生回路３１の電源は、スイッチ部４０が導通した場合に電力蓄積部２０から供給される。

パルス発生回路３１は、例えば周知の無安定アルチバイブレータ等で構成できる。無安定アルチバイブレータは、電源が供給されると所定のパルス幅、所定の周期のパルス列を発生する。よって、スイッチ部４０が導通（以降、ＯＮ）してパルス発生回路３１に電源が供給されるとパルス列が出力され、その間、トランジスタＱにコレクタ電流が流れＬＥＤが発光する。

図４は、熱発電素子１０が発電している間の電力蓄積部２０の電圧の時間的な変化を模式的に示す図である。図４の横軸は時間（秒）、縦軸は電力蓄積部２０の電圧（コンデンサＣの極板間電圧Ｖ）である。

図４の原点から熱発電素子１０が発電を開始したと仮定する。図４に示すＶ_ｔｈはスイッチ部４０を構成するＮＭＯＳトランジスタの閾値電圧である。閾値電圧Ｖ_ｔｈは、例えばＶ_ｔｈ＝2.0Vと仮定する。

電力蓄積部２０は、熱発電素子１０が発電する電力を蓄える。その結果、電力蓄積部２０の電圧は上昇する。この例では、熱発電素子１０の出力電圧を3.0Vと仮定する。電力蓄積部２０の電圧がスイッチ部４０の閾値電圧Ｖ_ｔｈ＝2.0Vを越えると、報知部３０に電力蓄積部２０に蓄積された電力が供給される（図４の時刻ｔ_ａ以降）。

すると、パルス発生回路３１（報知部３０）の安定状態が切り替わる動作が開始される。パルス発生回路３１の消費電力は小さいので、コンデンサＣ（電力蓄積部２０）の極板間電圧Ｖは熱発電素子１０の出力電圧Ｅまで上昇し続ける。パルス発生回路３１の安定状態が切り替わると、報知部３０はパルス（図示せず）を出力する（時刻ｔ_ｂ）。

報知部３０がパルスを出力すると、トランジスタＱのコレクタ電流が流れＬＥＤが発光する（時刻ｔ_ｂ～ｔ_ｃ）。ＬＥＤが発光している間、電力蓄積部２０の電圧は低下し、スイッチ部４０の閾値電圧Ｖ_ｔｈを下回る（時刻ｔ_ｃ）。

報知部３０が出力するパルスのパルス幅を例えば10msと仮定する。そして、そのパルス幅の間、ＬＥＤに流す電流を20mA、ＬＥＤの順方向電圧Ｖ_ｆをＶ_ｆ＝1.7Vと仮定する。この場合、ＬＥＤで消費されるエネルギーは約340μJ（1.7V×10^-３×20×10^-3）である。340μJは、既存の熱電モジュールと68μF程度の静電容量値のコンデンサＣの組み合わせで確保できるエネルギーである。

電力蓄積部２０の電圧がスイッチ部４０の閾値電圧Ｖ_ｔｈを下回ると、スイッチ部４０は非導通（以降、ＯＦＦ）になる。スイッチ部４０がＯＦＦするとＬＥＤは消灯する。

スイッチ部４０がＯＦＦすると再び電力蓄積部２０の電圧は上昇を開始する（時刻ｔ_ｃ以降）。電力蓄積部２０の電圧が再び上昇し、スイッチ部４０の閾値電圧Ｖ_ｔｈを越えるとスイッチ部４０は再びＯＮする（時刻ｔ_ｄ）。

スイッチ部４０が再びＯＮすると、報知部３０のパルス発生回路３１の安定状態が切り替わる動作が開始（再開）する。その動作が始まっても大きな電力を消費しないので電力蓄積部２０の電圧は上昇し続ける（時刻ｔ_ｄ以降）。

電力蓄積部２０の電圧の上昇は、報知部３０がパルスを出力するまで継続する。報知部３０がパルスを出力するとＬＥＤが点灯し、電力蓄積部２０の電圧は再び低下する（時刻ｔ_ｅ以降）。

このように、熱発電素子１０が発電をしている間、熱検知装置１００は時刻ｔ_ｂ～ｔ_ｅの動作を繰り返してＬＥＤを間欠的に点灯させる。つまり、機器が発熱していることを報知することができる。また、ＬＥＤを間欠点灯させる電力は、熱発電素子１０が発電する電力で賄われる。よって電源が不要であり、無電源で発熱の検知と報知を行うことができる。

また、電力蓄積部２０は、機器が発熱していることを報知部３０が一回報知するのに必要な電力を蓄える。これにより、熱発電素子１０が発電する少ない電力で発熱の検知と報知が可能になる。

［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態に係る熱検知装置２００の機能構成例を示すブロック図である。図５に示す熱検知装置２００は、電源５０、報知部２３０、及び逆流防止ダイオード６０を備える点で熱検知装置１００と異なる。

上記の第１実施形態（図１）では、機器が発熱したことをＬＥＤの点滅で報知する例を説明した。ＬＥＤの点滅は、第１実施形態で説明した様に熱発電素子１０が発電する電力で行うことが可能である。

しかし、例えば無線等で報知することを考えると、熱発電素子１０が発電する電力では不足する場合がある。そこで、本実施形態は、報知部２３０に電力を供給する電源５０を備える。

電源５０を備えることで機器の発熱を報知する報知手段の選択肢を増やすことができる。例えば、発熱した温度を測定し、測定した温度データを無線で報知することも可能になる。

図６は、報知部２３０の機能構成例を示すブロック図である。図６に示す様に報知部２３０は、温度センサ２３１、ＭＣＵ２３２、及びＲＦ２３３を備える。

温度センサ２３１は、温度を検出する。温度センサ２３１は、例えばサーミスタで構成できる。

ＭＣＵ２３２は、Micro Controller Unitと称される組み込み用のマイクロプロセッサである。ＭＣＵ２３２はＡ/Ｄコンバータ（図示せず）を内蔵し、温度センサ２３１の電圧の変化を温度データに変換する。温度データは発熱温度の数値データである。

ＲＦ２３３は、ＭＣＵ２３２で変換された温度データを無線で報知する。無線は、例えば近距離無線通信に分類されるBluetooth又はWi-Fiで構成する。

報知部２３０の正電源端子２３０ｐは、電源５０（正極）と逆流防止ダイオード６０のカソード電極に接続される。また、その負電源端子２３０ｍは、スイッチ部４０を介して電源５０（負極）と接続される。

スイッチ部４０は、機器が発熱して熱発電素子１０が発電している場合にＯＮする。よって、報知部２３０は、機器が発熱している場合にのみ電源が供給され、温度データを無線で報知する。

逆流防止ダイオード６０は、電力蓄積部２０を構成するコンデンサＣが電源５０によって充電されることを防止する目的で、報知部２３０と電力蓄積部２０の間に挿入される。逆流防止ダイオード６０は、順方向電圧の小さなショットキーダイオードで構成すると良い。逆流防止ダイオード６０の作用によって、コンデンサＣは熱発電素子１０のみによって充電されるので、コンデンサＣ（電力蓄積部２０）の極板間電圧Ｖの挙動は上記の実施形態と同じである。

図７は、本実施形態において、熱発電素子１０が発電している間の電力蓄積部２０の電圧の変化を模式的に示す図である。図７の横軸と縦軸は、図４と同じである。また、時刻ｔ_ａ～ｔ_ｅにおけるスイッチ部４０の動作も同じである。

時刻ｔ_ｂ～ｔ_ｃの間は温度センサ２３１とＮＣＵ２３２が動作し、時刻ｔ_ｃ～ｔ_ｄの間は温度センサ２３１とＭＣＵ２３２とＲＦ２３３が動作する。それぞれの時刻における電圧の変化の傾き（図７）で消費電力の大きさの違いを表している。

このように、本実施形態に係る熱検知装置２００の報知部２３０は、機器の発熱を無線で報知する。また、熱検知装置２００は、電源５０を備え、報知部２３０は電源５０と電力蓄積部２０の電力を用いて機器の発熱を報知する。また、電力蓄積部２０と報知部２３０は、電力蓄積部２０から報知部２３０の方向にのみ電流を流す逆流防止ダイオード６０を介して接続される。これにより、熱検知装置２００の利便性を向上させ、更に発熱を報知する報知手段の選択肢を増やすことができる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る熱検知装置１００，２００によれば、発熱の検知を、発熱の有無の判定を含めて無電源化することができる。また、熱検知装置２００によれば、報知部２３０に電力を供給する電源５０を備えるので、比較的大きな消費電力を必要とする報知手段の使用を可能にする。

なお、熱検知装置１００の報知部３０は、ＬＥＤの発光で発熱したことを報知する例を示したがこの例に限定されない。発光を発音に代えても良い。つまり、アラーム音で報知するようにしても良い。

また、熱検知装置２００の報知部２３０の温度センサ２３１は、サーミスタを例説明したがこの例に限定されない。温度センサ２３１は発振回路で構成しても構わない。

また、発熱を検知する対象の機器は、工場設備を構成する機器を例に説明したが、機器は工場設備に限られない。電源とモータ等の駆動源を備えた一般的な機器に、実施形態に係る熱検知装置１００，２００を適用することができる。

また、スイッチ部４０の具体例としてＮＭＯＳトランジスタ、また、トランジスタＱの具体例としてＮＰＮトランジスタを例に説明したが他の一般的な回路と同様に、これらのトランジスタは極性の異なるＰＭＯＳトランジスタ又はＰＮＰトランジスタで構成することも可能である。このように本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

１０…熱発電素子、１１…吸熱板、１２…放熱板、１３…熱電モジュール、１４…負電極、１５_１，１５_２…ｎ型熱電材料、１６_１，１６_２…共通電極、１７_１，１７_２…ｐ型熱電材料、１８…正電極、２０…電力蓄積部（コンデンサＣ）、３０…報知部、３１…パルス発生回路、４０…スイッチ部、５０…電源、６０…逆流防止ダイオード、１００，２００…熱検知装置、２３０…報知部、２３１…温度センサ、２３２…ＭＣＵ、２３３…ＲＦ

Claims

機器に装着され、該機器の発熱を検知する熱検知装置であって、
前記機器の温度と環境温度との温度差で発電する熱発電素子と、
前記熱発電素子が発電する電力を蓄える電力蓄積部と、
前記電力を用いて前記発熱を報知する報知部と、
前記電力蓄積部の電圧が閾値電圧を越えた場合に前記報知部に前記電力蓄積部に蓄積された前記電力を供給する電圧制御型トランジスタと
を備える熱検知装置。
電源を備え、
前記報知部は、
発熱した温度を測定する温度センサと、
測定した温度データを無線で報知する手段と、
を有し、
前記報知部は、前記電源と前記電力蓄積部の電力を用いて前記発熱を報知する
請求項１に記載の熱検知装置。
前記報知部は、
アノード電極が前記電力蓄積部に接続された発光ダイオードと、
一方の主電極が前記発光ダイオードのカソード電極に接続され、他方の主電極が前記電圧制御型トランジスタに接続されたトランジスタと、
正電源端子が前記電力蓄積部に接続され、負電源端子が前記電圧制御型トランジスタに接続され、出力端子が前記トランジスタの制御電極に接続されたパルス発生回路と、
を有する請求項１記載の熱検知装置。