Thermopile line, winding support and the thermoelectric generator of the manufacturing method, as well as manufacturing equipment

本発明は熱電堆線及び熱電堆線用の巻線支持体に関する。 さらに、本発明は熱電堆線を用いる熱電発電器の製造方法及び製造装置に関する。

ドイツ国実用新案第２０２００６００３５９５号（特許文献１）により、多数の熱電対を連続的に配置して電気的に直列接続した熱電堆線であって、熱電発電器（「熱変換器（thermoconverter）」）の製造に利用可能な熱電堆線が知られている。 この熱電堆線は、一端側の温接点と他端側の冷接点が巻線支持体の両側に配置される態様で巻線支持体に巻回されたものである。 巻線支持体の両端で温度差があれば、巻回された熱電堆線によって相応の熱起電力が生成される。

この技術では、複数の巻線層からなる熱電堆線が積層されて巻線支持体に巻回されていると、直前の巻線層と次の巻線層とでは有効巻回周長が変化するという問題がある。 一方で熱電堆線において個々の熱電対の長さを一定とすれば、今度は個々の巻線層における熱電堆線の温接点及び冷接点が所定の位置からずれてしまう。 一端側の温接点と他端側の冷接点とは、それぞれが正確に心合した状態で互いに正確に対向していることが望まれる。

先行技術に関してさらに参照すべき技術として、米国特許第３３５７８６６号（特許文献２）、米国特許第３７００５０３号（特許文献３）、東ドイツ国特許第１０３７６３号（特許文献４）、米国特許第３１５０８４４号（特許文献５）、英国特許第８１９２７３号（特許文献６）、ドイツ国特許第１９５２９７２５号（特許文献７）、ドイツ国特許第４３３５０８９号（特許文献８）、ドイツ国特許第１７７４２２９号（特許文献９）、ドイツ国特許第３４２０２９４号（特許文献１０）等が挙げられる。 しかしながら、これらの引用文献は殆どが単層巻の熱電堆線を有する熱電発電器に関する技術であって、熱電堆線の巻回直径が一定となっている。 いずれにせよ、これらの引用文献では個々の熱電対又は熱電対脚の長さを目的に応じて適合させることは開示されていない。

本発明の目的は、連続した巻線層において熱電堆線の温接点及び冷接点が正確に位置決めできない問題を解決することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題は、本発明に係る熱電堆線、対応する巻線支持体、また独立請求項に係る熱電発電器の製造方法及び製造装置により解決することができる。

まず、本発明は例えばドイツ国実用新案第２０２００６００３５９５号（特許文献１）に記載される従来型の熱電堆線に十分対応可能な熱電堆線に関するものである。 したがって重複説明を避けるため、本発明に係る熱電堆線の構造及び製造に関してはこの実用新案文献を参照し、その開示内容全体を本願に包含するよう援用する。

一方で本発明に係る熱電堆線は、個々の熱電対及び／又は熱電対脚の長さが、熱電堆線の長さ方向において不均一である点で、上述した従来型の熱電堆線とは区別される。 本発明によれば、個々の熱電対及び／又は熱電対脚の長さが、熱電堆線の長さ方向に従って単調増加又は単調減少するように構成されている。 このように各熱電対又は熱電対脚の長さが変化すれば、巻回状態において直前の巻線層と次の巻線層とで有効巻回直径が変化しても、温接合及び冷接合を所望の部位に正確に位置させることが可能となる。

また本発明に係る熱電堆線の一変形例によれば、連接する熱電対及び／又は熱電対脚の長さは全て、それぞれ所定の違いがある。 このことは、各熱電対又は各熱電対脚が直前の熱電対又は熱電対脚とは所定の長さ違いがあることを意味する。 この変形例は、巻線支持体上で巻線を互いに積層しない場合に特に適しており、ここでは各巻線が別個の巻線層を形成する。

これとは対照的に、本発明に係る熱電堆線の他の変形例によれば、連接する熱電対及び／又は熱電対脚はｎ番目の熱電対ごとにのみ所定の長さ違いを設けており、その他は同一長さとしている。 この例では、熱電対は連接するグループに分割されており、各グループの熱電対及び／又は熱電対脚はそれぞれ同一の長さとする一方で、連接するグループ間では熱電対及び／又は熱電対脚は所定の長さ違いを有する。 この変形例は、特に熱電堆線を巻線支持体に巻回する場合に有用であって、巻回状態で複数の巻線が互いに積層するので、有効巻回周長はｎ番目の巻線ごとにのみ変化する。

したがって、直前の巻線層と次の巻線層とにおける有効巻回周長の変化を補償するために、連続する熱電対間の長さの違いが熱電堆線の周長と実質的に等しいことが好ましい。
さらに、例えばドイツ国実用新案第２０２００６００３５９５号（特許文献１）に記載されるように、本発明の他の側面に係る例は従来型の熱電堆線を用いて巻回するための巻線支持体に関するものである。 熱電堆線を巻回するために、本発明に係る巻線支持体は所定の巻回周長を有した巻回領域を有している。 巻回周長は、巻回状態で一端側の熱電対の温接点と他端側の熱電対の冷接点とを巻線支持体の略反対側に配置して熱電発電器を形成するように、熱電堆線における個々の熱電対の長さに適合されている。 ただし、この場合においても直前の巻線層と次の巻線層とでは巻回領域の有効巻回周長が増加するため、温接合と冷接合の位置決めが僅かに不正確になる虞がある。

したがって、本発明に係る巻線支持体は、巻回領域以外にも、熱電堆線を少なくとも一の補償巻線を収容するための補償領域を有しており、この補償領域が巻回領域とは異なる巻回周長を有する。 例えば、補償領域を巻回領域よりも小さな巻回周長とすることで、補償巻線の小さな周長が温接点及び冷接点の位置を修正できる。

本発明の一実施形態では、補償領域は略環状の溝で構成される。 この環状溝は巻回領域の一端又は両端に配置されており、一又は複数の補償巻線を収容することができる。

なお、巻線支持体は既知の円筒状の形状に限定されるものでなく、寧ろ、巻線支持体を異なる形状とする態様も本発明の範囲内である。 例えば、巻線支持体を楕円形状、矩形状又は正方形状の断面とすることもできる。

さらに本発明の他の側面に係る例は、上記の熱電堆線及び巻線支持体に関するもののみならず、このような熱電堆線を有する熱電発電器又は巻線支持体にも関するものも含まれる。

さらにまた、本発明の他の側面に係る熱電発電器の製造方法によれば、複数の熱電対が連続的に配置され、それぞれが２つの熱電対脚、温接点及び冷接点を有する熱電堆線を供給する。 この熱電堆線は、例えばドイツ国実用新案第２０２００６００３５９５号（特許文献１）に記載された従来型の熱電堆線とすることもできる。 ただし、この製造方法は、本発明に係る前述の熱電堆線を利用しており、個々の熱電対又は熱電対脚の長さは熱電堆線の長さ方向に従って単調増加又は単調減少するものである。

さらにまた、本発明の他の側面に係る製造方法によれば、熱電堆線を従来の態様で巻線支持体に巻回することで、一端側の温接合と他端側の冷接合とを巻線支持体の両側に位置させることができる。 熱電堆線を巻線支持体に巻回することも上記のドイツ国実用新案第２０２００６００３５９５号（特許文献１）に記載されており、該実用新案文献の開示内容全体を援用して本願に包含する。

さらにまた、本発明の他の側面に係る製造方法によれば、熱電堆線における熱電対の温接点及び／又は冷接点の実際の位置を製造中に検知できる。 これは、例えば光学センサを用いて実現できる。

次に、本発明の他の側面に係る製造方法によれば、両接点に関して測定された実際の位置と両接点に関して所望される所定の位置との間で、目標−実際間の偏差が決定される。

さらに、このようにして決定された目標−実際間の偏差に基づいて、熱電堆線を巻線支持体に巻回する以前及び／又は最中に長手方向に伸長することで、巻回状態で一端側の温接点と他端側の冷接点とを巻線支持体の両側で所望の位置に極めて正確に配置することができる。

本発明の他の側面に係る製造方法の好適な特長として、例えばドイツ国実用新案第２０２００６００３５９５号（特許文献１）に記載されるように、熱電堆線の連続的な製造も可能であり、該実用新案文献の内容全体は本明細書に包含されるものとする。 熱電堆線の製造中に、疑似無終端型の支持要素（例えば線材）を巻線支持体から巻き出し、巻き出した状態で被覆して、長さが異なる個々の熱電対を製造できる。 さらにこのようにして製造された熱電堆線を巻線支持体に巻回し、巻回状態で移動及び保管できる。 さらにまた、このような方法で製造された熱電堆線は複数の熱電堆線に分割可能であり、その後、それぞれを個別に巻線支持体に巻回できる。 熱電堆線を複数の熱電堆線に分割する場合は、該製造ラインにおいて相違を各々登録可能とすることが好ましい。 また、熱電堆線の位置を登録しておけば、製造ラインにおいて別個の巻線支持体に各々熱電堆線を巻回するのに有利となる。 これにより、巻回の際に温接点及び冷接点を正確に位置決めすることができる。

次に、本発明の他の側面に係る熱電堆線で、個々の熱電対の長さをあらかじめ構造的に規定された通りに変化させることにより、温接点及び冷接点の位置の修正を大まかに行うことができる。 また、精緻な位置修正は熱電堆線を伸長することで行える。

最後に、本発明の他の側面に係る例は、上述の製造方法を実行するための製造装置に関するものでもある。

本発明に関する他の好適な変形例については、従属請求項にその特徴が記載される。 また、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態として以下に詳述する。

本発明に係る熱電堆線の一部を示す側面図である。

熱電発電器を示す平面図である。

図２Ａの熱電発電器を示す斜視図である。

熱電堆線の長さ方向で見た個々の熱電対の長さに関する変化を示す図である。

熱電堆線の他の実施形態を示す図である。

熱電発電器製造装置を極力簡略化した概略図である。

本発明に係る製造方法を示すフローチャートである。

本発明に係る巻線支持体を示す側面図である。

図６Ａに示す巻線支持体に熱電堆線を２層巻にした図である。

図１は、連続的に配置され電気的に直列接続された複数の熱電対２、３、４からなる本発明に係る熱電堆線１の一部を示している。 各熱電対２〜４は、それぞれ２つの熱電対脚２．１及び２．２、３．１及び３．２、４．１及び４．２を有する。

各熱電対脚２．１、２．２、３．１、３．２、４．１、４．２はそれぞれ、互いに温接点５及び冷接点６で連接される。 熱電堆線１から熱電発電器を製造することにより、温接点５が冷接点６よりも高温を受けると、対応する熱起電力が熱電堆線１で生成される。

熱電堆線１に関する詳細な構造及び製造方法についてはドイツ国実用新案第２０２００６００３５９５号（特許文献１）において網羅されており、該実用新案文献の内容全体は熱電堆線１の構造及び製造に関して本願に包含されているものとする。

従来型の熱電堆線に比して、本発明に係る熱電堆線１の具体的な特長は、各熱電対２、３、４が各々異なる長さｌ _n-1 、ｌ _n 、ｌ _n+1を有しており、該熱電対２〜４の長さが熱電堆線１の長さ方向に従って単調増加（ｌ _n-1 ≦ｌ _n ≦ｌ _n+1 ）し、少なくとも連続した２つの熱電対の長さが異なる点が挙げられる。 巻回状態では、熱電堆線１の長さ方向に連接する個々の熱電対２〜４におけるこのような長さの変化があるので、直前の巻線層と次の巻線層とにおいて有効巻回直径の変化を補償する必要がある。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明に係る熱電発電器を示している。 この熱電発電器は、本発明に係る熱電堆線１で巻回された円筒状巻線支持体８を有する。 一端側の温接点５と他端側の冷接点６が巻線支持体８の両側に極力正確に位置するよう、巻線支持体８の直径Ｄは個々の熱電対２〜４の長さｌ _n-1 、ｌ _n 、ｌ _n+1と熱電堆線１の直径ｄとに適合させてある。

巻線支持体８は巻回面長Ｌを有し、巻線支持体８の円周面上で熱電堆線１における多数の巻線ｍ＝Ｌ／ｄは互いに隣接して配置されて、それぞれの巻線が単一の巻線層を形成する。 対照的に、後続する巻線層において巻線支持体８の有効巻回周長は下側の巻線層によって変化し、ｎ＝ｍ＋１としてｎ番目の熱電対２は先行する熱電対３、４よりも大きな長さｌ _nを有する。 ｎ−１番目の熱電対２とｎ番目の熱電対３との間の長さの違いは熱電堆線１の周長に対応する。

このようにして、上側の巻線層における巻線支持体８の対向点において、一端側の温接点５と他端側の冷接点６も正確に位置させることが実現される。

さらに熱電発電器７は、熱電堆線１の両端に連結され対応する熱起電力Ｕ _thを出力する２つの電圧タップ９、１０を有する。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明に係る熱電堆線において、連続する熱電対の長さｌ _iが漸次変化し得ることを示している。

図３Ａに係る実施形態において、連続する熱電対の長さl _iは、それぞれ、前の熱電対から次の熱電対まで熱電堆線の量Ｕ＝π・d分増加する。 このような長さの変化は特にストリップ状の熱電堆線に適しており、熱電堆線の各巻線は新たな巻線層に属することとなる。

これとは対照的に、図３Ｂに係る実施形態において７番目毎の熱電対だけが前の熱電対とは長さの変化が対応する。 個々の熱電対においてこのように長さを漸増させることは、特に、熱電堆線の７つの巻線それぞれが互いに隣接して位置し、単一の巻線層を形成するような巻線支持体に巻回するのに適している。

図４は、図２Ａ及び図２Ｂに係る熱電発電器７を製造するための、本発明に係る製造装置１１を簡略化した模式図である。

まず、この製造装置は、出発生成品として従来型の線材１３を供給する従来型の線材被覆装置１２を有する。 次に、線材被覆装置１２は熱電堆線１を製造し、例えばドイツ国実用新案第２０２００６００３５９５号（特許文献１）に記載されるように、線材１３で熱電堆線１の支持要素を形成する。 また同じくドイツ国実用新案第２０２００６００３５９５号（特許文献１）に記載されるように、熱電堆線１を製造する際、線材被覆装置１２は線材１３に絶縁物質又は導電物質を塗布し、或いは線材１３から塗膜を部分的に除去することができる。 このように本発明に係る熱電堆線１の製造に関し、該実用新案記載の内容全体が包含されているものとする。

次に、熱電堆線１が位置測定装置１４に供給され、ここで適切なセンサを用いて温接点５及び冷接点６の位置が決定される。 このような位置を合わせるためのセンサは、例えば光学的センサが利用できる。 ただ、本発明を逸脱しない範囲内で他のセンサを用いてもよいことはいうまでもない。

このようにして測定された熱電堆線１は、次に伸長装置１５に供給される。 ここで多様な態様で熱電堆線１が長手方向に伸長される。 熱電堆線１の伸長は、温接点５及び冷接点６に関して事前に決定された位置に従って制御部１６により制御され、これは完成した熱電発電器における意図された位置に両接点５、６が正確に配置される態様で行われる。

このようにして伸長された熱電堆線１は、次に従来型の巻回機１７に供給される。 ここでは熱電堆線１が巻線支持体８に巻回される。

熱電堆線1における個々の熱電対２〜４の長さが、あらかじめ構造的に規定された通りに変化することにより、ここで、連続する巻線層における両接点５、６の位置が大まかに修正される。

またこれとは対照的に、伸長装置１５で熱電堆線1を伸長することにより、両接点５、６の位置がさらに精緻に修正される。

最後に、前記の説明から容易に判るように、図５は図４に係る製造装置１１による製造方法をフローチャート形式で示している。

図６Ａ及び図６Ｂは本発明に係る熱電発電器１８に関する他の実施形態を示している。 この熱電発電器１８は、例えばドイツ国実用新案第２０２００６００３５９５号（特許文献１）で既知の従来型熱電堆線２０により巻回可能な巻線支持体１９を有する。 したがって、熱電堆線２０は個々の熱電対に関して均一な長さを有する。

互いの上面に位置する巻線層における有効巻回直径の変化は、この場合、巻線支持体１９の一端に環状溝２１が配置され、この環状溝２１に熱電堆線２０の一又は複数の巻線が収容され、巻線支持体１９の他部位の巻回直径ｄ１よりも小さい巻回直径ｄ２を有することにより補償される。 このため、環状溝２１内に熱電堆線２０を巻回することにより、それぞれ連続した巻線層において巻回周長が大きくなるため補償巻回が形成される。

本発明は上述の好ましい実施形態に限定されず、複数の異なる変形例や改良が実現可能であり、これらについても本発明に係る技術的思想を利用するものであるからには保護範囲内に属するものである。

１…熱電堆線２〜４…熱電対２．１、２．２…熱電対脚３．１、３．２…熱電対脚４．１、４．２…熱電対脚５…温接点６…冷接点７…熱電発電器８…巻線支持体９、１０…電圧タップ１１…製造装置１２…線材被覆装置１３…線材１４…位置測定装置１５…伸長装置１６…制御部１７…巻回機１８…熱電発電器１９…巻線支持体２０…熱電堆線２１…環状溝