JP2005117835A

JP2005117835A - 熱電発電システムの温度検出装置

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Publication number: JP2005117835A
Application number: JP2003351208A
Authority: JP
Inventors: Jiro Tsuchiya; 次郎土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】温度測定に使用している熱電素子の劣化を判定し、劣化時にも精度良く温度を測定することを可能とした熱電発電システムにおける温度検出装置を提供する。
【解決手段】ｐ型とｎ型の半導体１１、１２からなる熱電素子１６をπ形に多数連結して熱電発電モジュール１０を形成し、そのうちの一つを温度差検出用の測温用素子１９として、温度測定用の端子１７、１８を配置する。測温用素子１９の出力電圧値と、熱電発電モジュール１０の素子平均電圧値とを比較することで、測温用素子１９の劣化を判定し、劣化と判定した場合には、基準時の両者の関係を基にして、熱電発電モジュール１０の素子平均電圧値に基づいて温度差を求める。
【選択図】図４

Description

本発明は、熱電素子を用いて熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する熱電発電システムに関し、特に、そのシステム内において、温度検出を行う温度検出装置に関する。

自動車の排気系に熱電素子からなる熱電発電モジュールを配置し、素子の一方の端子を排ガスにより加熱し、他方の端子を空冷、または水冷により冷却すると、この温度差に応じてゼーベック効果により、電力を発生させて排ガスの有する熱エネルギー（排熱エネルギー）を電気エネルギーとして回収する熱電発電システムが知られている。

このような熱電発電システムにおいては、熱電素子の破損防止や発生電力の制御、異常検出等を行うため、熱電素子の高温側端・低温側端それぞれの温度を把握する必要がある。特許文献１には、熱電素子の発電時の電圧から高温側と低温側端部の温度を算出する技術が開示されている。
特開平８−２１９８９８号公報（段落００１４〜００１７、図２）

ところで、熱電発電モジュールは、通常、多数の熱電素子から構成されており、モジュールサイズが大きくなると、素子面に温度分布が生ずるため、全体の電圧値から温度を求めると、実際に必要な部位の温度を求めることができない。一方で個々の素子の出力電圧を取り出すことは現実的でなく、必要な部位に対応する素子のみの出力電圧を取り出すことが考えられる。

しかし、この方法では、希望する部位の素子の温度を把握することは可能となるが、この素子の特性が変化した場合に、その特性の変化（特に、劣化）を把握することができないため、正確な測定が困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、温度測定に使用している熱電素子の劣化を判定し、劣化時にも精度良く温度を測定することを可能とした熱電発電システムにおける温度検出装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る熱電発電システムの温度検出装置は、複数の熱電素子をπ型に組み合わせて熱電発電モジュールを形成し、その一方の面を加熱し、他方の面を冷却して発電を行う熱電発電システムにおいて、高温側と低温側の温度差を検出する温度検出装置であって、熱電発電モジュール内の少なくとも１素子を温度検出素子として用い、該温度検出素子の出力電圧と、前記熱電発電モジュールの素子平均出力電圧とを比較することで該温度検出素子の劣化を判定し、劣化していると判定した場合には、基準時における前記素子平均出力電圧値と該温度検出素子の出力電圧との関係を利用して、前記素子平均出力電圧値に基づいて高温側と低温側の温度差を求めることを特徴とする。

熱電素子は高温側端部と低温側端部との温度差に応じて起電力を発生するため、その出力電圧から両端部の温度差を知ることができる。そこで、温度を検出したい部位の熱電素子の両端の電圧を取り出すことにより、温度検出素子として使用する。一方、熱電発電モジュールの素子平均出力電圧は、端子面の平均温度の温度差に対応する。そして、熱電発電モジュールが発電中には、素子全体の平均温度差と温度検出素子で測定している部分の温度差は一定の関係を満たす。つまり、素子平均出力電圧値と温度検出素子の出力電圧値も所定の関係を満たすので、関係が満たされない場合には異常発生と判定しうる。この場合には、基準時の両者の関係に基づいて、平均出力電圧値から該当部分の温度を算出する。

このように、熱電発電モジュールを構成する熱電素子の一部を温度センサとして用いることで、該当部分の温度を正確に測定することができる。また、この温度検出素子の出力電圧とモジュールの素子平均出力電圧とを比較することで、検出素子の劣化等の異常を判定することができる。そして、劣化と判定した場合には、基準時の両者の関係に基づいて平均出力電圧値から当該検出素子部分の温度差を算出することにより、劣化時にも精度良く温度検出を行うことができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る温度検出装置を備えた熱電発電システムを示すブロック構成図であり、図２、図３は、その発電ユニットを示す縦断面図と横断面図である。さらに、図４は各熱電発電モジュールの構成を示す構成図である。

この熱電発電システム１００は、多数の熱電素子からなる熱電発電モジュール１０を連結した発電ユニット１と、発電ユニット１で得られた電力を所定の電圧の電流に変換する電力変換器２と、発電ユニット１における発電制御を行うコントローラ３と、発電された電力を蓄えるバッテリ６とから構成されている。

各熱電発電モジュール１０は、図４に示されるように、多数のｐ型半導体１１とｎ型半導体１２を交互に隣接するよう配置し、電極板１３によって隣接するｐ型半導体１１とｎ型半導体１２の両端面を交互に電気的に接続する構成としたπ形のモジュールである。π形接続の両端の電極板１３には、それぞれ出力取り出し用の陽極１４と陰極１５とが取り付けられている。この熱電発電モジュールにおける最小単位の熱電素子１６は、隣接するｎ型半導体１１とｐ型半導体１２の対により構成される。そして、熱電素子１６のうち一個には、温度検出用の端子１７、１８が接続され、測温用素子１９として構成される。実際の熱電発電モジュール１０においては、電極板１３のうち、一方の端面に配置される電極板１３ａを加熱し（以下、高温側端面と称する。）、他方の端面に配置される電極板１３ｂを冷却し（以下、低温側端面と称する。）て温度差によるゼーベック効果により電流（電力）を得る。ここで、電極板１３の短絡防止のため、熱電素子１６全体が図示していない絶縁性で良熱伝導性のパッケージに収容される。

図２、図３に示されるように、排気管７中に設けられた拡大流路７０内には、フィン状に構成されたヒートシンク７１が配置されている。この拡大流路７０の横断面の外形は正八角形に形成され、その各辺上に熱電発電モジュール１０が４つずつ、排気管７の中心軸方向に沿って配置されている。以下、この拡大流路７０の軸方向の熱電発電モジュール１０を上流側から１段目、２段目、…、４段目と称し、周方向は、図３において頂面に配置される熱電発電モジュール１０から時計回りに１列目、２列目、…、８列目と称する。各段内の熱電発電モジュール１０は、１列目から８列目までが電気的に直列に接続され、それぞれの段の熱電発電モジュール１０は、電気的に並列に電力変換器２と接続されている。

これらの熱電発電モジュール１０は、同一段のモジュール間で起電力にアンバランスがでないように、熱抵抗手段を用いて入力される熱が均一化されるように調整されている。

各熱電素子１６は、ヒートシンク７１を介して排ガスにより一方の端面（高温側端面）が加熱されるとともに、冷却水配管８を流れる冷却水により他方の端面（低温側端面）が冷却される。冷却水配管８は、分岐して各段の１列目の熱電発電モジュール１０へと接続され、時計回りに各熱電発電モジュール１０内の熱電素子１６を冷却して８段目の熱電発電モジュール１０内の熱電素子１６を冷却後に合流し、図示していないラジエータへと送られて、冷却された後、再循環される。

コントローラ３には、冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ４の出力が入力されており、電力変換器２の作動を制御するほか、測温用素子１９の両端子間１７、１８の電圧信号と陽極１４と陰極１５の間の電圧信号が入力されている。

この熱電発電システム１００では、高温側端面と低温側端面の温度差に応じた電力を得ることができるが、効率よく発電を行うためには、電力変換器２から温度差に応じて最適な動作電流で制御することが好ましい。また、高温端側、低温端側の各温度が異常な場合には作動を停止する必要があるため、温度差のほか、各端部の温度を検出する必要がある。

この熱電発電システム１００における温度検出について、以下、具体的に説明する。この温度検出ルーチンは、コントローラ３によって車両のエンジンが始動されてから停止されるまでの間、所定のタイミングで繰り返し実行されるものである。なお、測温用素子１９は、熱電発電モジュール１０内で、排ガスの流動方向上流側、つまり、高温側が最も高温（温度差が最大）となる位置に配置されているものとする。

まず、測温用素子１９の両端子１７、１８間の電圧Ｖ_１と、陽極１４と陰極１５の間の電圧Ｖtotal、水温センサ４で検出した冷却水温度Ｔｗが読み込まれる（ステップＳ１）。次に、Ｖtotalを連結した熱電素子１６の個数ｎで除して、平均電圧Ｖavを求める（ステップＳ３）。得られたＶavと先に得られたＶ_１とを比較し、Ｖ_１がＶavより大きく、その差がしきい値ΔＶthを超えているか否かを判定する（ステップＳ５）。

ここで、測温用素子１９は、熱電発電モジュール１０内でも高温の場所に配置され、その両端の温度差は平均温度差よりも大きくなる。図６は、初期状態における測温用素子１９の電圧−電流の関係Ｌmes（ini）と、熱電発電モジュール１０の素子平均電圧−電流の関係Ｌav（ini）を合わせて示している。つまり、ある電流値Ｉ１のときの測温用素子１９の出力電圧値Ｖmes（ini）は、熱電発電モジュール１０の素子平均電圧値Ｖav（ini）よりＶcoだけ高くなる。測温用素子１９が劣化すると、同じ電流値でも得られる電圧値が小さくなるため、図７に示されるようにＬmesが下降する。これに対して、通常、Ｌavの低下は小さいため、場合によっては、図７に示されるようにＶav≧Ｖ１となる場合もある。

しきい値ΔＶthを適切に（０＜ΔＶth＜Ｖco）設定することで、このような測温素子１９の電圧降下を判定することが可能となる。ステップＳ５の判定の結果、（Ｖav＋ΔＶth）≧Ｖ_１が成立し、測温用素子１９の出力電圧が降下していると判定した場合には、Ｖ_１をＶav＋Ｖcoで置き換える（ステップＳ７）。これに対して、ステップＳ５の判定の結果、Ｖ_１＞（Ｖav＋ΔＶth）が成立し、測温用素子１９の出力電圧降下がないと判定した場合には、検出した電圧信号値をそのままＶ_１として用いる。

得られたＶ_１から図８に示されるマップを利用してΔＴを求め（ステップＳ９）、このΔＴとＴｗを用いて、以下の式から低温側端部の温度Ｔｃ、高温側端部の温度Ｔｈ、排ガス温度Ｔｇをそれぞれ算出する（ステップＳ１１）。

ここで、α、βは熱抵抗や素子の劣化を考慮した補正係数である。

このように、熱電発電モジュール１０内の熱電素子１６の一部を測温用素子１９として利用することで、所望の箇所における温度差を正確に測定することができる。さらに、その出力電圧を熱電発電モジュール１０の平均出力電圧によって検証しているので、測温用素子１９が劣化して出力が降下したような場合でもその劣化を判定することができ、温度を誤判定することがない。

劣化と判定した場合には、図示していない警報装置（モニター、スピーカー、インジケータ）等を用いて映像、画像、音声等により運転者に対して、測温用素子１９に出力降下が見られる旨を報知し、点検・交換を促すことが好ましい。そして、このような出力降下が見られる場合でも、モジュール１０全体の出力と初期特性を用いて温度判定を行うことで、温度判定が不能となるのを防止し、精度良く温度検出を行うことができる。

ここでは、測温用素子１９を高温側に配置する実施例を紹介したが、測温用素子１９は、熱電発電モジュール１０内の平均的な温度部分や低温側に配置することも可能である。この場合、Ｖcoは０または負の値をとることもありうる。

また、本発明における発電モジュールは、上述したような形式に限られるものではなく、排ガス配管の断面形状や、その壁面への熱電素子の配置形態、配置した熱電素子の電気的接続についてはさまざまな変形が可能である。さらに、車両に搭載された内燃機関の排ガスから排熱エネルギーを回収する装置に限られるものではなく、各種の燃焼機器の排ガスから排熱エネルギーを回収する装置に本発明は好適に適用可能である。

本発明に係る温度検出装置を備えた熱電発電システムを示すブロック構成図である。図１の発電ユニットを示す縦断面図である。図１の発電ユニットを示す横断面図である。図１〜図３の熱電発電モジュールの構成を示す構成図である。図１の装置における温度検出の検出ルーチンである。初期状態における測温用素子１９の電圧−電流の関係Ｌmes（ini）と、熱電発電モジュール１０の素子平均電圧−電流の関係Ｌav（ini）を合わせて示すグラフである。測温用素子１９の劣化状態におけるその電圧−電流の関係Ｌmesと、熱電発電モジュール１０の素子平均電圧−電流の関係Ｌavを合わせて示すグラフである。Ｖ_１−ΔＴのマップである。

符号の説明

１…発電ユニット、２…電力変換器、３…コントローラ、４…水温センサ、６…バッテリ、７…排気管、８…冷却水配管、１０…熱電発電モジュール、１１…Ｐ型半導体、１２…ｎ型半導体、１３…電極板、１４…陽極、１５…陰極、１６…熱電素子、１７、１８…端子、１９…測温用素子、７０…拡大流路、７１…ヒートシンク、１００…熱電発電システム。

Claims

複数の熱電素子をπ型に組み合わせて熱電発電モジュールを形成し、その一方の面を加熱し、他方の面を冷却して発電を行う熱電発電システムにおいて、高温側と低温側の温度差を検出する温度検出装置であって、
前記発電モジュール内の少なくとも１素子を温度検出素子として用い、該温度検出素子の出力電圧と、前記発電モジュールの素子平均出力電圧とを比較することで該温度検出素子の劣化を判定し、劣化していると判定した場合には、基準時における前記素子平均出力電圧値と該温度検出素子の出力電圧との関係を利用して、前記素子平均出力電圧値に基づいて高温側と低温側の温度差を求めることを特徴とする熱電発電システムの温度検出装置。