JP2011239638A - 熱発電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体、蓄熱器、放熱器、熱電変換素子及び複数の伝熱体を備えた熱発電制御装置において熱電変換素子による発電効率を向上させる。
【解決手段】発熱体１、高温側と低温側の温度差によって発電を行う熱電変換素子２、蓄熱体３、放熱器４、複数の伝熱体、及び伝熱体の移動機構とを備えた熱発電制御装置において、移動機構によって伝熱体を移動させて各部材間の熱接続状態を変更し、発熱体１の発熱時には、発熱体１の熱を熱電変換素子２に供給して発電を行う発電動作と、発熱体１の熱を蓄熱体３に蓄える蓄熱動作を状況に応じて行い、発熱体１が発熱していない時には、蓄熱体３に蓄積された熱を熱電変換素子２に供給して発電を行うことができる熱発電制御装置１０である。
【選択図】図１

Description

本出願は熱発電制御装置に関し、発熱体と蓄熱体を利用して効率良く熱発電を行うことができる熱発電制御装置に関する。

エンジンを搭載する自動車等の車両において、廃熱を利用して発電を行う熱発電装置を搭載したものが知られている。廃熱の主なものは稼働中のエンジンから排出される高温の排気ガスであり、車両の走行時はエンジン回転数も高く、排気ガスの排出量も多いので、発電を十分に行うことができる。しかし今後、自動車はエンジンとモータを併用したハイブリッド自動車や、プラグインハイブリッド自動車、或いは電気自動車へと移行しつつあり、それにつれて廃熱量も減少してゆくと考えられる。

一方、自動車では電子化が進み、エンジンが停止された停車時でもイモビライザー等の盗難防止装置における監視用やキーレスエントリ用の電子回路が動作を続けてバッテリの電力を消費し続け、電力需要の増大によってバッテリが弱る傾向にある。このため、廃熱を蓄熱体に貯蔵しておき、廃熱がないときでも蓄熱体の熱で発電を行ってバッテリを充電することが重要な課題となってきている。

これに対して、太陽電池を搭載した自動車において、太陽電池で発電した電力をバッテリに充電し、余剰電力は蓄熱室に蓄熱しておき、必要な時に蓄熱室に蓄熱した熱を電気に戻して利用する車両用エネルギ貯蔵装置が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の装置では、太陽電池で発電された電力を、バッテリの容量を大きくすることなく、有効に活用することができる。

特開２００５−２６９７３８号公報（図１、図３）

しかしながら、特許文献１に記載の装置では、バッテリを充電するための電源として、太陽電池が必要であり、コストがかかるという問題点がある。また、曇天や雨天では太陽電池によって発電される電力が小さく、夜間では太陽電池は全く発電を行わないので、発電量にムラがあって有効に電力を使えないという問題点もあった。

そこで、この出願は、発電源として太陽光を利用せず、蓄熱体と熱発電素子を使用し、発熱体の熱をそのまま利用して発電、あるいは蓄熱を行い、発熱体や蓄熱体の熱を有効に利用して発電することが可能な熱発電制御装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するこの出願の熱発電制御装置は、発熱体と、熱を貯蔵する蓄熱体と、熱を放熱する放熱器と、高温側と低温側の温度差によって発電を行う熱電変換素子と、複数の伝熱体、及び伝熱体の移動機構とを備えた熱発電制御装置であって、移動機構の伝熱体の移動制御により、発熱体の発熱時に、伝熱体を介して、発熱体の熱を熱電変換素子に供給して発電を行う第１の発電動作と、発熱体の発熱時に、伝熱体を介して、発熱体の熱を熱電変換素子に供給して発電を行うと共に、蓄熱体に発熱体の熱を蓄える第２の発電動作と、発熱体の温度が所定値未満の時に、伝熱体を介して、蓄熱体に蓄積された熱を熱電変換素子に供給して発電を行う第３の発電動作とを少なくとも行うことができることを特徴としている。

第１の形態では、第１の発電動作において、伝熱体を介して、熱電変換素子の高温側が発熱体に接続されると共に低温側が放熱器に接続され、第２の発電動作において、伝熱体を介して、熱電変換素子の高温側が発熱体に接続されると共に低温側が放熱器に接続され、更に、蓄熱体が発熱体に接続され、第３の発電動作において、伝熱体を介して、熱電変換素子の高温側が蓄熱体に接続されると共に低温側が放熱器に接続される。

第２の形態では、第１の発電動作において、伝熱体を介して、熱電変換素子の一端が発熱体に接続されると共に他端が蓄熱体に接続され、更に、蓄熱体が放熱器に接続され、第２の発電動作において、伝熱体を介して、熱電変換素子の一端が発熱体に接続されると共に他端が蓄熱器に接続され、第３の発電動作において、伝熱体を介して、熱電変換素子の一端が蓄熱体に接続されると共に他端が発熱体に接続され、更に、発熱体が放熱器に接続される。

また、前記目的を達成するこの出願の熱発電制御装置は、温度差によって発電を行う熱電変換素子と、熱電変換素子の一端に熱的に接続される放熱器と、熱電変換素子の他端に熱的に接続可能な発熱体と、熱電変換素子の他端に熱的に接続可能な蓄熱体と、熱電変換素子の他端と発熱体とを熱的に接続可能な第１の伝熱体と、熱電変換素子の他端と蓄熱体とを熱的に接続可能な第２の伝熱体と、第１と第２の伝熱体を移動させて、熱電変換素子の他端と発熱体の熱的な接続或いは切断、及び熱電変換素子の他端と蓄熱体との熱的な接続或いは切断を切り換える移動機構とを備えて構成することができる。

本出願の熱発電制御装置によれば、発熱体と蓄熱体、及び熱発電素子を使用し、発熱体の発熱時には発熱体の熱をそのまま利用して発電すると共に、蓄熱体に一旦蓄熱しておき、発熱体の非発熱時には蓄熱体に蓄えられた熱を利用して発電するので、発熱体で発生した熱を有効に利用して発電することが可能である。

この出願の熱発電制御装置の第１の実施例の構成を示す全体構成図である。 （ａ）はヒートパイプがヒートスプレッダに接続する前の状態を示す斜視図、（ｂ）はヒートパイプがヒートスプレッダに接続した時の状態を示す斜視図である。 図１に示した熱発電制御装置において、発熱体の熱によって熱電変換素子が発電を行う場合のヒートパイプの接続状態を示す状態図である。 図１に示した熱発電制御装置において、発熱体の熱によって熱電変換素子が発電を行うと共に、蓄熱体に熱が蓄熱される場合のヒートパイプの接続状態を示す状態図である。 図１に示した熱発電制御装置において、発熱体の熱によって熱電変換素子が発電を行うと共に、発熱体の熱が放熱器から放熱される場合のヒートパイプの接続状態を示す状態図である。 図１に示した熱発電制御装置において、蓄熱体に蓄積された熱によって熱電変換素子が発電を行う場合のヒートパイプの接続状態を示す状態図である。 図１に示した熱発電制御装置において、発熱体の熱が放熱器から放熱される場合のヒートパイプの接続状態を示す状態図である。 図１に示した熱発電制御装置が車両に搭載される場合において、制御装置が行うヒートパイプの動作制御の一例を示すフローチャートである。 図８に示したフローチャートにおける車両停止時の制御の詳細を示すフローチャートである。 図８に示したフローチャートにおける発熱体の温度が補償温度内の制御の詳細を示すフローチャートである。 図８に示したフローチャートにおける発熱体の温度が補償温度超時の制御の詳細を示すフローチャートである。 この出願の熱発電制御装置の第２の実施例の構成を示す全体構成図である。 図１２に示した熱発電制御装置において、発熱体の熱によって熱電変換素子が発電を行い、蓄熱体に熱が蓄熱される場合のヒートパイプの接続状態を示す状態図である。 図１２に示した熱発電制御装置において、発熱体の熱によって熱電変換素子が発電を行うと共に、蓄熱体の熱が放熱器に放熱される場合のヒートパイプの接続状態を示す状態図である。 図１２に示した熱発電制御装置において、発熱体の熱によって熱電変換素子が発電を行うと共に、蓄熱体の熱が放熱器に放熱され、且つ発熱体の熱が放熱器から放熱される場合のヒートパイプの接続状態を示す状態図である。 図１２に示した熱発電制御装置において、蓄熱体が蓄熱できず、発熱体の熱を全て放熱器によって放熱する場合のヒートパイプの接続状態を示す状態図である。 図１２に示した熱発電制御装置において、蓄熱体に蓄積された熱によって熱電変換素子が発電を行う場合のヒートパイプの接続状態を示す状態図である。

以下、添付図面を用いて本出願の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。

図１はこの出願の第１の実施例の熱発電制御装置１０の構成を示すものである。熱発電制御装置１０には、発熱体１、高温側Ｈと低温側Ｌの温度差によって発電を行う熱電変換素子２、熱を貯蔵する蓄熱体３、及び熱を放熱する放熱器（ラジエータ）４とを備えている。また、発熱体１と熱電変換素子２の間、発熱体１と蓄熱体３の間、発熱体と放熱器４の間、及び熱電変換素子２と放熱器４との間にはそれぞれ熱を伝える伝熱体である第１〜第４ヒートパイプＨＰ１〜ＨＰ４がある。第４ヒートパイプＨＰ４は固定されているが、第１から第３ヒートパイプＨＰ１〜ＨＰ３は、それぞれ第１移動ステージ２１、第２移動ステージ２２、及び第３移動ステージ２３によって移動することが可能である。

第１移動ステージ２１によって移動され、発熱体１と熱電変換素子２との間に熱流を流す第１ヒートパイプＨＰ１は、発熱体１とは第１ヒートスプレッダ１１で熱接続しており、熱電変換素子２とは第２ヒートスプレッダ１２で熱接続している。ヒートスプレッダは熱を伝播する部材である。第１ヒートパイプＨＰ１は、第１ヒートスプレッダ１１とは常に熱接続している。一方、第１ヒートパイプＨＰ１は、第１移動ステージ２１によって移動されることにより、第２ヒートスプレッダ１２との熱接続の程度が変更される。

また、第２移動ステージ２２によって移動され、熱電変換素子２と蓄熱体３の間に熱流を流すヒートパイプＨＰ２は、熱電変換素子２とは第２ヒートスプレッダ１２で熱接続されており、蓄熱対１３とは第３ヒートスプレッダ１３で熱接続されている。第２ヒートパイプＨＰ２は、第３ヒートスプレッダ１３とは常に熱接続されている。一方、第２ヒートパイプＨＰ２は、第２移動ステージ２２によって移動されることにより、第２ヒートスプレッダ１２との熱接続の程度が変更される。第２ヒートスプレッダ１２は、これに熱接続する第１ヒートパイプＨＰ１と第２ヒートスプレッダ１２に対して、接触面積を変化させて蓄熱、発電のための熱流の配分を行うことができる。

更に、第３移動ステージ２３によって移動され、発熱体１と放熱器４の間に熱流を流すヒートパイプＨＰ３は、発熱体１とは第５ヒートスプレッダ１５で熱接続され、放熱器４とは第６ヒートスプレッダ１６で熱接続されている。第３ヒートパイプＨＰ３は、第６ヒートスプレッダ１６とは常に熱接続されている。しかし、第３ヒートパイプＨＰ３は、第３移動ステージ２３によって移動されることにより、第５ヒートスプレッダ１５との熱接続の程度が変更される。

固定されている第４パイプＨＰ４は、熱電変換素子２とは第４ヒートスプレッダ１４で熱接続され、放熱器４には直接接続されている。そして、熱発電制御装置１０が車両に搭載される場合は、発熱体１はエンジンや排気ガスが通る排気管やモータ等であり、放熱器４は車両の車体である。また、熱発電制御装置１０には制御装置３０があり、熱電変換素子２で発電された電気は、制御装置３０の入力端子３４，３５を通じて制御回路３１に入力される。熱発電制御装置１０は車両に搭載される他にも、電子機器内の回路基板にあるトランジスタ等の発熱体の熱を用いて発電する用途にも使用できる。

制御回路３１には、発熱体１に設置された第１温度センサ５と蓄熱体３に設置された第２温度センサ６からの温度検出信号、消費電力センサ７からの消費電力信号、発電量センサ８からの発電量信号、及びバッテリ充電量センサ９からの充電量信号が入力される。消費電力センサ７は回路１７の消費電力を測定し、発電量センサ８は熱電変換素子２の発電量を測定し、バッテリ充電量センサ９はバッテリ１８の充電量を測定する。制御回路３１にはこの他に、制御回路３１の指示により第１〜第３移動ステージ２１〜２３を駆動制御するステージ駆動回路３３や、電力を回路１７とバッテリ１８に分配する電力分配器３２がある。制御回路３１は入力された情報に基づいて、熱電変換素子２の発電量の制御、及び入力端子３４，３５に印加された電力の回路１７、バッテリ１８への供給を制御する。

以上の構成における熱電変換素子２は、温度差のあるところから起電力を発生するｐ型とｎ型の２種類の熱電変換材料が直列に接合された１つの素子が、必要な電圧を得るために複数個直列に接続されて形成されている。そして、２種類の熱電変換材料は、メアンダ状に接合或いは接続されており、同じ側の接合部或いは接続部に高温部と低温部がそれぞれ接続される。２種類の熱電変換材料の数が同数の場合は、熱電変換素子２の正負の出力端子は同じ側になるが、高温側にリード線を半田付けすると熱で半田が溶けることがあるので、出力端子は共に低温側に設置されることが多い。ｐ型とｎ型の２種類の熱電変換材料が直列に接合された１つの素子の詳細な構造については、東京大学工学部応用化学科／大学院工学系研究科応用化学専攻の岸尾研究室のホームページに記載がある。

また、蓄熱体３は、蓄熱温度によって様々な材質が使用できる。例えば、回路等の比較的低温用（〜１２０°Ｃ）の蓄熱体としては、エリスリトール（融点１２０°Ｃ程度）、キシリトール（融点９５°Ｃ程度）や、パラフィン等を使用することができる。車両の排気等の比較的高温用の蓄熱体としては、セラミックや水酸化リチウム‐フッ化リチウムの混合塩、水酸化リチウム‐炭酸リチウムの混合塩、塩化リチウム‐フッ化リチウムの混合塩や、水酸化リチウム‐塩化ナトリウムや水酸化リチウム単一成分塩等がある。更に、ヒートパイプとしては、伝熱温度が比較的低温の場合は銅‐水型があり、高温の場合はステンレス‐ナフタリン型を使用することができ、ヒートスプレッダとしては、銅、アルミニウムを使用することができる。

図２（ａ）は、ヒートパイプ、例えば第１ヒートパイプＨＰ１が第２ヒートスプレッダ１２に接続する前の状態を示すものである。第２ヒートスプレッダ１２には、第１ヒートパイプＨＰ１との接触面積を変化させて熱流の制御を行う接触部１２ａが設けられている。第１ヒートパイプＨＰ１が円柱状の場合、接触部１２ａは円柱状の穴である。接触部１２ａの内周面には伝熱グリスが充填されており、接触部１２ａと第１ヒートパイプＨＰ１との間に熱膨張差があっても、熱伝導、ヒートパイプの移動には支障がないようになっている。第１ヒートパイプＨＰ１が第１移動ステージによって移動すると、図２（ｂ）のような状態になる。第１ヒートパイプＨＰ１の接触部１２ａへの挿入度合は、第１ヒートパイプＨＰ１から第２ヒートスプレッダ１２にどの程度の熱流を流すかによって決まり、熱流の量に応じて図１に示したステージ駆動回路３１が第１移動ステージ２１を駆動する。

ここで、制御回路３１に入力される発熱体１の温度、蓄熱体３の温度、熱電変換素子２の発電量、回路１７の消費電力、バッテリ１８の充電量に応じて、制御回路３１がステージ駆動回路３３を介して行う第１〜第３ヒートパイプＨＰ１〜ＨＰ３の動作を説明する。なお、以下の説明では、動作に関係のある部分のみに符号を付して説明し、制御装置３０の図示は省略した。また、説明のないヒートパイプは図１の状態にあり、熱の伝達に関与していないものとする。

図３は、図１に示した熱発電制御装置１０において、発熱体１の熱によって熱電変換素子２に発電を行わせる場合の、第１〜第３のヒートパイプＨＰ１〜ＨＰ３の接続状態を示している。この状態では、第１移動ステージ２１により第１ヒートパイプＨＰ１が移動し、第１ヒートパイプＨＰ１と第２ヒートスプレッダ１２が熱接続する。第１ヒートパイプＨＰ１と第２ヒートスプレッダ１２が熱接続すると、発熱体１からの熱流が白抜き矢印で示すように、第１ヒートパイプＨＰ１を通って第２ヒートスプレッダ１２に流れる。更に、熱流は熱電変換素子２の高温側Ｈから低温側Ｌに流れ、その後、第４ヒートスプレッダ１４から第４ヒートパイプＨＰ４を通って放熱器４に流れる。この熱流の流れによって熱電変換素子２が発電し、入力端子３４，３５に電圧が印加される。

図４は、図１に示した熱発電制御装置１０において、発熱体１の熱によって熱電変換素子２に発電を行わせると共に、蓄熱体３に熱を蓄熱する場合の第１と第２のヒートパイプＨＰ１，ＨＰ２の接続状態を示している。この状態では、図３に示した第１ヒートパイプＨＰ１と第２ヒートスプレッダ１２が熱接続していると共に、第２移動ステージ２２により第２ヒートパイプＨＰ２が移動し、第２ヒートパイプＨＰ２の先端部と第２ヒートスプレッダ１２が熱接続する。第２ヒートパイプＨＰ２と第２ヒートスプレッダ１２との熱接続の程度は、蓄熱体３の熱容量に応じて増減させることができる。発熱体１からの熱流の一部が蓄熱体３に流れるので、熱電変換素子２の発電量は図３の状態に比べて減少するが、入力端子３４，３５には依然として電圧が印加されている。

図５は、図１に示した熱発電制御装置１０において、発熱体１の熱によって熱電変換素子２に発電を行わせると共に、発熱体１の熱の一部を放熱器４から放熱する場合の第１と第３のヒートパイプＨＰ１，ＨＰ３の接続状態を示している。この状態では、図３に示した第１ヒートパイプＨＰ１と第２ヒートスプレッダ１２が熱接続していると共に、第２移動ステージ２２により第２ヒートパイプＨＰ２が移動し、第２ヒートスプレッダ１２から離れる。そして、第３移動ステージ２３により第３ヒートパイプＨＰ３が移動し、第３ヒートパイプＨＰ３の先端部と第５ヒートスプレッダ１５が熱接続する。第３ヒートパイプＨＰ３と第５ヒートスプレッダ１５との熱接続の程度は、熱電変換素子２に流す熱流の大きさに応じて増減させることができる。この状態は、蓄熱体３が限度まで蓄熱された時に発熱体１から熱電変換素子２に流す熱流の量を調節する場合の状態である。入力端子３４，３５には熱電変換素子２に流す熱流量に応じた電圧が印加されている。

図６は、図１に示した熱発電制御装置１０において、発熱体１が発熱しておらず、蓄熱体３に蓄積された熱によって熱電変換素子２に発電を行わせる場合の第２ヒートパイプＨＰ２の接続状態を示している。発熱体１が発熱していないので、第１移動ステージ２１により第１ヒートパイプＨＰ１が第２ヒートスプレッダ１２から分離され、第２移動ステージ２２により第２ヒートパイプＨＰ２が第２ヒートスプレッダ１２に熱接続される。同様に、第３移動ステージ２３により第３ヒートパイプＨＰ３が第５ヒートスプレッダ１５から分離される。第２ヒートスプレッダ１２に対して最大限熱が伝達されるように、第２ヒートパイプＨＰ２は第２ヒートスプレッダ１２に熱接続している。入力端子３４，３５には、蓄熱体３から熱電変換素子２に流れる熱流によって発生した電圧が印加されている。

図７は、図１に示した熱発電制御装置１０において、発熱体１は発熱しているが、発電も蓄熱も不要な場合であり、発熱体１の熱が放熱器４から放熱される場合の第３ヒートパイプＨＰ３の接続状態を示している。発熱体１は発熱しているが、発電も蓄熱も不要な場合は、発熱体１の過熱を防止するために第３移動ステージにより、第３ヒートパイプＨＰ３が第５ヒートスプレッダ１５に熱接続している。第１と第２のヒートパイプＨＰ１，ＨＰ２は、第１と第２の移動ステージ２１，２２により第２ヒートスプレッダ１２から分離されている。

以上説明したように、図１に示した熱発電制御装置１０は、発熱体１が発熱している時に、以下に示す（１）〜（３）の動作に加えて、（４）と（５）の動作が可能である。
（１）発熱体１の熱を熱電変換素子２に流して発電を行う。
（２）発熱体１の熱を熱電変換素子２に流して発電を行うと共に、蓄熱体３に発熱体１の熱を蓄える。
（３）発熱体１の発熱量が小さい時に蓄熱体３に蓄積された熱を熱電変換素子２に流して発電を行う。
（４）発熱体１の熱を熱電変換素子２に流して発電を行う際に発熱体１の熱を放熱器４に逃がして発電量を調節する。
（５）発電、蓄熱不要時に発熱体１の熱を放熱器４に逃がして発熱体１の過熱を防ぐ。

ここで、図１のように構成された熱発電制御装置１０が車両に搭載される場合に、制御装置３０が行う第１〜第３ヒートパイプＨＰ１〜ＨＰ３の動作制御の一実施例を、図８〜図１１に示すフローチャートを用いて説明する。熱発電制御装置１０が車両に搭載される場合は、発熱体はエンジン、或いはエンジンの熱によって発熱する部材とすることができ、車両が走行中は高温となるが、車両が停止している状態やエンジンが停止している状態では、エンジンが低温となる場合がある。

図８に示す手順は、車両に搭載された熱発電制御装置１０の制御装置３０の動作の概要を示すものであり、所定時間毎に実行される。ステップ９１ではエンジン（図にはＥ／Ｇと記載）が冷えている状態（冷間状態）かどうかを判定する。エンジンが冷えている場合（ＹＥＳ）には発熱体も冷えているので熱発電制御装置１０は動作を行わない。エンジンが熱を発生している状態の時（ＮＯ）はステップ９２に進み、車両が走行中か否かを判定する。車両が走行中でない場合（ＮＯ）はステップ１００に進み、車両停車中の制御を実行してこのルーチンを終了する。車両停車中の制御については後に詳述する。

ステップ９２で車両が走行中であると判定された場合（ＹＥＳ）はステップ９３に進み、発熱体温度（エンジン温度）がＡ（°Ｃ）以上か否かを判定する。発熱体温度＜Ａの場合（ＮＯ）はこのルーチンを終了し、発熱体温度≧Ａの場合（ＹＥＳ）はステップ９４に進む。ステップ９４では発熱体温度がＢ（°Ｃ）以上か否かを判定する。温度Ｂは発熱体の補償温度であり、発熱体温度がＢ未満であれば発熱体温度はそのまま利用できるが、発熱体温度がＢ以上の場合は過熱を防ぐために冷却する必要があり、２つの場合で制御が異なる。そして、ステップ９４の判定がＮＯの場合はステップ２００に進み、発熱体の温度が補償温度内の制御を行い、ステップ９４の判定がＹＥＳの場合はステップ３００に進み、発熱体の温度が補償温度超時の制御を行う。発熱体の温度が補償温度内の制御及び発熱体の温度が補償温度超時の制御については後述する。

図９は、図８に示したフローチャートにおける車両停止時の制御の手順を詳細に示すものである。ステップ１０１では発熱体温度がＡ（°Ｃ）以上か否かを判定する。発熱体温度≧Ａの場合（ＹＥＳ）はステップ１０２に進み、熱電変換素子による発電が必要かどうかを判定する。熱電変換素子による発電が必要な場合（ＹＥＳ）はステップ１０３に進み、第１ヒートパイプを第２ヒートスプレッダに接続し、第２、第３ヒートパイプはヒートスプレッダから分離してこのルーチンを終了する。ステップ１０３の処理により、熱発電制御装置１０は図３で説明した状態になる。一方、ステップ１０２で発電が必要ないと判定された場合ＮＯはステップ１０４に進み、第１〜第３ヒートパイプを全てヒートスプレッダから分離してこのルーチンを終了する。ステップ１０２の処理により、熱発電制御装置１０は図１で説明した状態になる。なお、ステップ１０２の処理において、第３ヒートパイプのみをヒートスプレッダに接続して図７で説明した状態にしても良い。

ステップ１０１の判定で発熱体温度がＡ未満であると判定された場合（ＮＯ）はステップ１０５に進み、蓄熱体温度がＡ（°Ｃ）以上か否かを判定する。蓄熱体温度がＡ以上の場合（ＹＥＳ）はステップ１０６に進み熱電変換素子による発電が必要かどうかを判定する。熱電変換素子による発電が必要な場合（ＹＥＳ）はステップ１０７に進み、第２ヒートパイプを第２ヒートスプレッダに接続し、第１、第３ヒートパイプはヒートスプレッダから分離してこのルーチンを終了する。ステップ１０７の処理により、熱発電制御装置１０は図６で説明した状態になる。一方、ステップ１０５で蓄熱体温度がＡ未満であると判定された場合（ＮＯ）と、ステップ１０６で発電が必要ないと判定された場合（ＮＯ）はステップ１０８に進み、第１〜第３ヒートパイプを全てヒートスプレッダから分離してこのルーチンを終了する。ステップ１０８の処理により、熱発電制御装置１０は図１で説明した状態になる。

図１０は、図８に示したフローチャートにおける発熱体の温度が補償温度内の制御の詳細を示すものである。ステップ２０１では熱電変換素子による発電が必要かどうかを判定する。熱電変換素子による発電が必要な場合（ＹＥＳ）はステップ２０２に進み、第１ヒートパイプを第２ヒートスプレッダに所定長さ接続し、第２、第３ヒートパイプはヒートスプレッダから分離してステップ２０３に進む。ステップ２０３の処理により、熱電変換素子が発電を行うので、ステップ２０３では熱電変換素子の発電量が熱発電制御装置における消費電力より小さいかどうかが判定される。熱電変換素子の発電量が熱発電制御装置における消費電力より小さい場合（ＹＥＳ）はステップ２０４に進み、第１ヒートパイプの第２ヒートスプレッダへの接続量を増やして熱電変換素子への熱流量を増大してこのルーチンを終了する。

一方、ステップ２０３の判定において熱電変換素子の発電量が熱発電制御装置における消費電力より大きい場合（ＮＯ）はステップ２０５に進む。ステップ２０５ではバッテリに充電が可能かどうかを判定し、充電が可能な場合（ＹＥＳ）はこのままこのルーチンを終了し、熱電変換素子が発電した電力でバッテリの充電が行われる。一方、バッテリが満充電状態であり、ステップ２０５の判定で充電ができないと判定された場合（ＮＯ）はステップ２０６に進み、余剰の発電量で蓄電体を充電すべく第２ヒートパイプを第２ヒートスプレッダに接続してステップ２０７に進む。この状態が図４に示した状態である。

ステップ２０７では蓄電体の容量にまだ余裕があるかどうか（蓄電容量の残があるか）を判定し、蓄電体の容量にまだ余裕がある場合（ＹＥＳ）はこのままこのルーチンを終了する。一方、蓄電体の容量一杯に熱が蓄えられた場合（ＮＯ）はステップ２０８に進む。ステップ２０８では、第２ヒートパイプを第２ヒートスプレッダから分離すると共に、熱電変換素子における余剰の発熱量を低減するために、第３ヒートパイプを第５ヒートスプレッダに接続して、発熱体から熱発電素子への熱量を減らしてこのルーチンを終了する。この状態が図５で説明した状態である。

なお、ステップ２０１で発電が必要でないと判定された場合（ＮＯ）はステップ２０９に進み、第１と第２ヒートパイプを第２ヒートスプレッダから分離し、第３ヒートパイプを第５ヒートスプレッダに接続して発熱体の熱を放熱してこのルーチンを終了する。

図１１は、図８に示したフローチャートにおける発熱体の温度が補償温度超時の制御の詳細を示すものである。ステップ３０１では熱電変換素子による発電が必要かどうかを判定する。熱電変換素子による発電が必要な場合（ＹＥＳ）はステップ３０２に進み、バッテリに充電が可能かどうかを判定する。バッテリに充電が可能な場合（ＹＥＳ）はステップ３０３に進んで第１、第２ヒートパイプを第２ヒートスプレッダに接続してステップ３０５に進む。一方、バッテリに充電ができない場合（ＮＯ）はステップ３０４に進み、第１ヒートパイプの第２ヒートスプレッダへの接続量を減らし、第２ヒートパイプの第２ヒートスプレッダへの接続量を増大してステップ３０５に進む。この手順により、バッテリに充電しない電力を蓄電体に蓄えることができる。

ステップ３０５では蓄電体の容量にまだ余裕があるかどうか（蓄電容量の残があるか）を判定し、蓄電体の容量にまだ余裕がある場合（ＹＥＳ）はこのままこのルーチンを終了する。一方、蓄電体の容量一杯に熱が蓄えられた場合（ＮＯ）はステップ３０６に進む。ステップ３０６では、第２ヒートパイプを第２ヒートスプレッダから分離すると共に、熱電変換素子における余剰の発熱量を低減するために、第３ヒートパイプを第５ヒートスプレッダに接続して、発熱体から熱発電素子への熱量を減らしてこのルーチンを終了する。この状態が図５で説明した状態である。

なお、ステップ３０１で発電が必要でないと判定された場合（ＮＯ）はステップ３０７に進み、第１と第２ヒートパイプは第２ヒートスプレッダから分離し、第３ヒートパイプを第５ヒートスプレッダに接続して発熱体の熱を放熱してこのルーチンを終了する。

以上の制御はあくまでも一例であり、図１のように構成された熱発電制御装置１０を車両に搭載した場合は、制御装置３０によって第１〜第３ヒートパイプＨＰ１〜ＨＰ３を図１及び図３〜図７の状態の何れかにすることができる。そして、第１〜第３ヒートパイプＨＰ１〜ＨＰ３を図１及び図３〜図７の状態の何れかにすることにより、発熱体からの熱流、或いは蓄熱体からの熱流の流れを制御して、有効な熱発電を行うことができる。

図１２は、この出願の第２の実施例の熱発電制御装置２０の構成を示すものである。第２の実施例では、熱発電制御装置２０には、発熱体１、高温側Ｈと低温側Ｌの温度差によって発電を行う熱電変換素子２、熱を貯蔵する蓄熱体３、及び熱を放熱する放熱器（ラジエータ）４とがある。

第２の実施例の熱発電制御装置２０では、発熱体１と熱電変換素子２の一端の間が固定の第１ヒートパイプＨＰ０１で接続されており、熱電変換素子２の他端と蓄熱体３の間が同じく固定の第２ヒートパイプＨＰ０２で接続されている。また、蓄熱体３と放熱器４との間は、第１移動ステージ５１によって移動される第３ヒートパイプＨＰ０３で熱的に接続できるようになっている。更に、発熱体１と放熱器４との間は、第２移動ステージ５２によって移動される第４ヒートパイプＨＰ０４で熱的に接続できるようになっている。

第３ヒートパイプＨＰ０３と放熱器４とは第３ヒートスプレッダ４３によって常時熱接続しているが、蓄熱体３は第３ヒートパイプＨＰ０３が第１移動ステージ５１によって移動させられて、第２ヒートスプレッダ４２に接続した時のみ第３ヒートパイプＨＰ０３と熱接続する。同様に、第４ヒートパイプＨＰ０４と放熱器４とは第４ヒートスプレッダ４４によって常時熱接続している。一方、発熱体１と第４ヒートパイプＨＰ０４とは、第４ヒートパイプＨＰ０４が第２移動ステージ５２によって移動させられて、第１ヒートスプレッダ４１に接続した時のみ熱接続する。

熱電変換素子２の両端部は整流回路２９に接続されており、熱電変換素子２の出力は整流回路２９で整流された後に制御装置３０′の入力端子３４，３５に入力される。これは熱電変換素子２を流れる熱流が、発熱体１からの熱流であるか、蓄熱体３からの熱流であるかによって、熱電変換素子２で発電された電圧の極性が変わるからである。また、発熱体１に取り付けられた第１温度センサ５と蓄熱体２に取り付けられた第２温度センサ６の出力も制御装置３０′に入力される。制御装置３０′の構成は、図１で説明した制御装置３０の構成と同じで良いので、ここではその説明を省略する。熱発電制御装置２０が車両に搭載される場合は、発熱体１はエンジンや排気ガスが通る排気管やモータ等であり、放熱器４は車両の車体である。

ここで、制御装置３０′が第１移動ステージ５１と第２移動ステージ５２を駆動して行う第３と第４ヒートパイプＨＰ０３、ＨＰ０４の動作を説明する。なお、以下の説明では、動作に関係のある部分のみに符号を付して説明し、制御装置３０′の図示は省略した。また、説明のないヒートパイプは図１２の状態にあり、熱の伝達に関与していないものとする。

図１３は、図１２に示した熱発電制御装置２０において、発熱体１の熱によって熱電変換素子２に発電を行わせ、蓄熱体３に熱が蓄熱される場合の状態を示している。この状態では、第１移動ステージ５１と第２の移動ステージ５２は動作しておらず、発熱体１は第１ヒートパイプＨＰ０１とのみ熱接続し、蓄熱体３は第２ヒートパイプＨＰ０２とのみ熱接続している。よって、発熱体１からの熱流が白抜き矢印で示すように、第１ヒートパイプＨＰ１を通って熱電変換素子２に流れる。更に、熱流は熱電変換素子２の高温側Ｈから低温側Ｌに流れ、その後、第２ヒートパイプＨＰ０２を通って蓄熱体３に流れて熱が蓄熱体３に蓄えられる。この熱流の流れによって熱電変換素子２が発電し、入力端子３４，３５に電圧が印加される。

図１４は、図１２に示した熱発電制御装置２０において、発熱体１の熱によって熱電変換素子２が発電を行うと共に、蓄熱体３に流れ込んだ熱が放熱器４に放熱される場合の状態を示している。この状態は、図１３に示した状態において、蓄熱体３にこれ以上熱が蓄えられなくなった時の状態である。この状態では、第１移動ステージ５１により第３ヒートパイプＨＰ０３が移動し、第３ヒートパイプＨＰ０３の先端部と第２ヒートスプレッダ４２が熱接続する。第３ヒートパイプＨＰ０３と第２ヒートスプレッダ４２との熱接続の程度は、発熱体１からの熱流の量に応じて調整することができる。この状態では蓄熱体３に流れ込んだ熱流は、第２ヒートスプレッダ４２と第３ヒートパイプＨＰ０３を通じて放熱器４に放熱される。

図１５は、図１２に示した熱発電制御装置２０において、発熱体１の熱によって熱電変換素子２が発電を行うと共に、蓄熱体３に流れ込んだ熱が放熱器４に放熱され、且つ発熱体１の熱が直接放熱器４から放熱される場合の状態を示すものである。図１５に示される状態は、図１４に示した状態に加えて、第２移動ステージ５２により第４ヒートパイプＨＰ０４が移動し、第４ヒートパイプＨＰ０４の先端部と第１ヒートスプレッダ４１が熱接続した状態である。

図１５に示す状態では、発熱体１からの熱流は、第１ヒートパイプＨＰ０１、熱殿変換素子２、蓄熱体３、及び第３ヒートパイプＨＰ０３を流れて放熱器４から放熱されると共に、第４ヒートパイプＨＰ０４を流れて放熱器４から放熱される。第３と第４ヒートパイプＨＰ０３，ＨＰ０４がこの状態にされる時は、蓄熱器３の蓄熱量が一杯になり、更に、熱電変換素子２を流れる熱流量を減らしたい時である。

また、発熱体１は発熱しているが、熱殿変換素子２による発電が不要である時は、図１５の状態から、第１移動ステージ５１を駆動して第３ヒートパイプＨＰ０３を移動させて第２ヒートスプレッダ４２から分離し、図１６に示す状態にする。図１６に示す状態では蓄熱器３の蓄熱量が一杯であるので、発熱体１からの熱流は全て第１ヒートスプレッダ４１と第４ヒートパイプＨＰ０４を通じて放熱器４に放熱されるので、熱殿変換素子２に熱流が流れず発電が行われない。

図１７は、図１２に示した熱発電制御装置２０において、発熱体１が発熱しておらず、蓄熱体３に蓄積された熱によって熱電変換素子２が発電を行う場合の状態を示している。この状態では、発熱体１が発熱していないので、第１移動ステージ５１により第３ヒートパイプＨＰ０３が第２ヒートスプレッダ４２から分離され、第２移動ステージ５２により第４ヒートパイプＨＰ０４が第１ヒートスプレッダ４１に熱接続される。この場合は、蓄熱体３からの熱流が第２ヒートパイプＨＰ０２、熱電変換素子２、第１ヒートパイプＨＰ０１，発熱体１、第１ヒートスプレッダ４１、及び第４ヒートパイプＨＰ０４を流れて放熱器４から放熱される。

この結果、熱電変換素子２には、発熱体１から熱流が流れた場合と反対向きの熱流が流れるので、熱電変換素子２において発電された電圧の極性が逆になる。ところが、第２の実施例の熱発電制御装置２０には、図１２に示したように整流回路２９が制御装置３０′の前段に設けられているので、入力端子３４，３５を通じて制御装置３０′に入力される電圧の極性は変わらない。

以上説明したように、図１２に示した第２の実施例の熱発電制御装置２０においても、発熱体１が発熱している時に、以下に示す（１）〜（３）の動作に加えて（４）と（５）の動作が可能である。
（１）発熱体１の熱を熱電変換素子２に流して発電を行う。
（２）発熱体１の熱を熱電変換素子２に流して発電を行うと共に、蓄熱体３に発熱体１の熱を蓄える。
（３）発熱体１の発熱量が小さい時に蓄熱体３に蓄積された熱を熱電変換素子２に流して発電を行う。
（４）発熱体１の熱を熱電変換素子２に流して発電を行う際に発熱体１の熱を放熱器４に逃がして発電量を調節する。
（５）発電、蓄熱不要時に発熱体１の熱を放熱器４に逃がして発熱体１の過熱を防ぐ。

以上、本出願を特にその好ましい実施の形態を参照して詳細に説明した。本出願の容易な理解のために、本出願の具体的な形態を以下に付記する。

（付記１） 発熱体と、蓄熱体と、放熱器と、温度差によって発電を行う熱電変換素子と、複数の伝熱体、及び前記伝熱体の移動機構とを備えた熱発電制御装置であって、前記移動機構を、
前記発熱体の発熱時に、前記伝熱体を移動させて、前記熱電変換素子の一端から他端に前記発熱体からの熱流を流して発電させる第１の動作と、
前記発熱体の発熱時に、前記伝熱体を移動させて、前記熱電変換素子の一端から他端に前記発熱体からの熱流を流して発電させると共に、前記蓄熱体に前記発熱体からの熱流を供給して熱を蓄える第２の動作と、
前記発熱体の非発熱時に、前記伝熱体を移動させて、前記蓄熱体に蓄積された熱を前記熱電変換素子の一端から他端に熱流として流して発電させる第３の動作を少なくとも行うことができるように構成したことを特徴とする熱発電制御装置。
（付記２） 前記移動機構を、前記伝熱体を移動させて、前記発熱体と前記放熱器とを熱接続する第４の動作を行うことができるように構成したことを特徴とする付記１に記載の熱発電制御装置。
（付記３） 前記熱電変換素子の他端を、前記伝熱体の中の固定の伝熱体により前記放熱器に熱接続しておき、前記移動機構を、
前記第１の動作では、前記伝熱体の中の第１の伝熱体を移動させて、前記熱電変換素子の一端を前記発熱体に熱接続させ、
前記第２の動作では、前記第１の動作に加えて更に、前記伝熱体の中の第２の伝熱体を移動させて、前記蓄熱体を前記発熱体に熱接続させ、
前記第３の動作では、前記第２の動作の後に、前記第１の伝熱体を移動させて前記熱電変換素子の一端と前記発熱体との熱接続を解除する動作を行うことができるように構成したことを特徴とする付記１又は２に記載の熱発電制御装置。
（付記４） 前記熱電変換素子の一端を、前記伝熱体の中の第１の伝熱体により前記発熱体に常時熱接続しておき、前記熱電変換素子の他端を、前記伝熱体の中の第２の伝熱体により前記蓄熱体に常時熱接続しておき、前記移動機構を、
前記第１の動作では、前記伝熱体の中の第３の伝熱体を移動させて、前記熱電変換素子の他端からの熱流が前記蓄熱体を通過して前記放熱器に流れるように熱接続させ、
前記第２の動作では、前記伝熱体の中の第３の伝熱体を移動させて、前記蓄熱体と前記放熱器との熱接続量を減らし、前記熱電変換素子の他端からの熱流の一部が前記蓄熱体に溜まるように熱接続させ、
前記第３の動作では、前記第２の動作の後に、前記伝熱体の中の第３の伝熱体を移動させて、前記蓄熱体と前記放熱器との熱接続を解除すると共に、前記伝熱体の中の第４の伝熱体を移動させて、前記発熱体を前記放熱器に熱接続させる動作を行うことができるように構成したことを特徴とする付記２に記載の熱発電制御装置。
（付記５） 前記移動機構は、前記伝熱体の移動量を調節することにより、前記伝熱体を介した熱の伝播量を調節することを特徴とする付記１から４の何れかに記載の熱発電制御装置。

（付記６） 前記移動機構によって移動する前記伝熱体は、前記発熱体、前記蓄熱体、前記熱電変換素子に対して、熱伝播部材を介して接続することを特徴とする付記１から５の何れかに記載の熱発電制御装置。
（付記７） 前記伝熱体と前記熱伝播部材との接触部には、伝熱グリスが充填されていることを特徴とする付記６に記載の熱発電制御装置。
（付記８） 前記伝熱体は、ヒートパイプであることを特徴とする付記１から７の何れかに記載の熱発電制御装置。
（付記９） 前記ヒートパイプの断面形状及び前記熱伝播部材の前記ヒートパイプ受け入れ部の断面形状は円形であることを特徴とする付記８に記載の熱発電制御装置。
（付記１０） 前記熱電変換素子の一端と他端には、整流回路が接続されていることを特徴とする付記４に記載の熱発電制御装置。

（付記１１）
温度差によって発電を行う熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の一端に熱的に接続される放熱器と、
前記熱電変換素子の他端に熱的に接続可能な発熱体と、
前記熱電変換素子の他端に熱的に接続可能な蓄熱体と、
前記熱電変換素子の他端と前記発熱体とを熱的に接続可能な第１の伝熱体と、
前記熱電変換素子の他端と前記蓄熱体とを熱的に接続可能な第２の伝熱体と、
前記第１と第２の伝熱体を移動させて、前記熱電変換素子の他端と前記発熱体の熱的な接続或いは切断、及び前記熱電変換素子の他端と前記蓄熱体との熱的な接続或いは切断を切り換える移動機構と、を有することを特徴とする熱発電制御装置。

１ 発熱体
２ 熱電変換素子
３ 蓄熱体
４ 放熱器
１０、２０ 熱発電制御装置
１１〜１６、４１〜４４ ヒートスプレッダ
２１〜２３,５１，５２ 移動ステージ
２９ 整流回路
３０，３０′ 制御装置
３４，３５ 入力端子
ＨＰ１〜ＨＰ４、ＨＰ０１〜ＨＰ０４ ヒートパイプ

Claims (6)

1. 発熱体と、蓄熱体と、放熱器と、温度差によって発電を行う熱電変換素子と、複数の伝熱体、及び前記伝熱体の移動機構とを備えた熱発電制御装置であって、前記移動機構を、
   前記発熱体の発熱時に、前記伝熱体を移動させて、前記熱電変換素子の一端から他端に前記発熱体からの熱流を流して発電させる第１の動作と、
   前記発熱体の発熱時に、前記伝熱体を移動させて、前記熱電変換素子の一端から他端に前記発熱体からの熱流を流して発電させると共に、前記蓄熱体に前記発熱体からの熱流を供給して熱を蓄える第２の動作と、
   前記発熱体の非発熱時に、前記伝熱体を移動させて、前記蓄熱体に蓄積された熱を前記熱電変換素子の一端から他端に熱流として流して発電させる第３の動作を少なくとも行うことができるように構成したことを特徴とする熱発電制御装置。
2. 前記移動機構を、前記伝熱体を移動させて、前記発熱体と前記放熱器とを熱接続する第４の動作を行うことができるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の熱発電制御装置。
3. 前記熱電変換素子の他端を、前記伝熱体の中の固定の伝熱体により前記放熱器に熱接続しておき、前記移動機構を、
   前記第１の動作では、前記伝熱体の中の第１の伝熱体を移動させて、前記熱電変換素子の一端を前記発熱体に熱接続させ、
   前記第２の動作では、前記第１の動作に加えて更に、前記伝熱体の中の第２の伝熱体を移動させて、前記蓄熱体を前記発熱体に熱接続させ、
   前記第３の動作では、前記第２の動作の後に、前記第１の伝熱体を移動させて前記熱電変換素子の一端と前記発熱体との熱接続を解除する動作を行うことができるように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱発電制御装置。
4. 前記熱電変換素子の一端を、前記伝熱体の中の第１の伝熱体により前記発熱体に常時熱接続しておき、前記熱電変換素子の他端を、前記伝熱体の中の第２の伝熱体により前記蓄熱体に常時熱接続しておき、前記移動機構を、
   前記第１の動作では、前記伝熱体の中の第３の伝熱体を移動させて、前記熱電変換素子の他端からの熱流が前記蓄熱体を通過して前記放熱器に流れるように熱接続させ、
   前記第２の動作では、前記伝熱体の中の第３の伝熱体を移動させて、前記蓄熱体と前記放熱器との熱接続量を減らし、前記熱電変換素子の他端からの熱流の一部が前記蓄熱体に溜まるように熱接続させ、
   前記第３の動作では、前記第２の動作の後に、前記伝熱体の中の第３の伝熱体を移動させて、前記蓄熱体と前記放熱器との熱接続を解除すると共に、前記伝熱体の中の第４の伝熱体を移動させて、前記発熱体を前記放熱器に熱接続させる動作を行うことができるように構成したことを特徴とする請求項２に記載の熱発電制御装置。
5. 前記移動機構は、前記伝熱体の移動量を調節することにより、前記伝熱体を介した熱の伝播量を調節することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の熱発電制御装置。
6. 温度差によって発電を行う熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子の一端に熱的に接続される放熱器と、
   前記熱電変換素子の他端に熱的に接続可能な発熱体と、
   前記熱電変換素子の他端に熱的に接続可能な蓄熱体と、
   前記熱電変換素子の他端と前記発熱体とを熱的に接続可能な第１の伝熱体と、
   前記熱電変換素子の他端と前記蓄熱体とを熱的に接続可能な第２の伝熱体と、
   前記第１と第２の伝熱体を移動させて、前記熱電変換素子の他端と前記発熱体の熱的な接続或いは切断、及び前記熱電変換素子の他端と前記蓄熱体との熱的な接続或いは切断を切り換える移動機構と、を有することを特徴とする熱発電制御装置。

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