JP2016025786A - 熱電発電装置および熱電発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】温度が変化する変温体の熱を利用した発電であってもその温度変化に起因する発電電力量のばらつきを抑制し得る熱電発電装置および熱電発電システムを提供する。【解決手段】第１の熱電変換部２１および第２の熱電変換部２２は、それぞれ一方の支持部材２５ａ，２６ａがエンジン２に向かうようにそれぞれ配置されている。そして、第１の熱電変換部２１は、一方の支持部材２５ａでの熱容量および熱抵抗が他方の支持部材２５ｂでの熱容量および熱抵抗よりも小さく形成され、第２の熱電変換部２２は、一方の支持部材２６ａでの熱容量および熱抵抗が他方の支持部材２６ｂでの熱容量および熱抵抗よりも大きく形成される。【選択図】図４

Description

本発明は、熱電素子によって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装置および熱電発電システムに関するものである。

従来、熱電素子によって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装置として、例えば特許文献１に開示される熱電発電機が知られている。この熱電発電機は、高温の流体が流れる高温側のダクトと低温の流体が流れる低温側のダクトとの間に複数の熱電変換部が配置されており、高温の流体と低温の流体との温度差を利用して発電する。特に、上記熱電発電機では、熱源の熱出力が変化する場合でも電気出力を有利に変更するために、高温側および／または低温側の流体流れの動作を変化させている。

特開２０１３−２３３０８６号公報

ところで、上述のような構成では、熱電発電装置に対する熱源や周囲の温度が変化するために、熱電変換部に作用する温度分布に関して高温側と低温側とが逆転する場合がある。例えば、熱電発電装置がエンジンルームのボンネット裏に配置されてエンジンからの熱を受けて発電する場合、停止したエンジンよりも直射日光を受けるボンネットの方が熱くなる場合である。

通常、高温側および低温側は逆転しないため、想定される高温側および低温側を基準に熱容量および熱抵抗等を考慮した設計を行うことで、発電効率の向上を図っている。しかしながら、上述のように高温側と低温側とが逆転すると、想定と異なる温度分布となるために、この逆転後の温度分布で得られる温度差が逆転前の温度分布で得られる温度差よりも低くなる。このように、高温側と低温側との逆転に応じて発電に利用する温度差が大きく変化してしまうと、上記逆転時での発電効率が低下してしまい、安定した電力が確保できなくなるという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、温度が変化する変温体の熱を利用した発電であってもその温度変化に起因する発電電力量のばらつきを抑制し得る熱電発電装置および熱電発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明は、温度が変化する変温体（２）に対して配置される複数の熱電変換部により発電を行う熱電発電装置（２０，２０ａ，２０ｂ）であって、前記熱電変換部は、電気的に接続されるＰ型熱電素子（２４ａ）およびＮ型熱電素子（２４ｂ）を一対の支持部材で挟み込んで支持することで形成され、前記複数の熱電変換部のうちの一部を構成する第１の熱電変換部（２１）と残部を構成する第２の熱電変換部（２２）とは、前記一対の支持部材のうちの一方の支持部材（２５ａ，２６ａ）が前記変温体に向かうようにそれぞれ配置され、前記第１の熱電変換部は、前記一方の支持部材の熱容量および熱抵抗が他方の支持部材（２５ｂ）の熱容量および熱抵抗よりも小さく形成され、前記第２の熱電変換部は、前記一方の支持部材の熱容量および熱抵抗が他方の支持部材（２６ｂ）の熱容量および熱抵抗よりも大きく形成されることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電発電装置と、前記熱電発電装置の発電により得られた電力を抽出する電力抽出部（１１）と、前記電力抽出部により抽出された電力が蓄電される２次電池（１２，１２ａ，１２ｂ）と、を備え、前記２次電池に蓄電される電力が電子装置（１３，１３ａ〜１３ｃ）に供給されることを特徴とする。
なお、特許請求の範囲および上記手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

請求項１の発明では、第１の熱電変換部および第２の熱電変換部は、それぞれ一方の支持部材が変温体に向かうようにそれぞれ配置されている。そして、第１の熱電変換部は、一方の支持部材の熱容量および熱抵抗が他方の支持部材の熱容量および熱抵抗よりも小さく形成され、第２の熱電変換部は、一方の支持部材の熱容量および熱抵抗が他方の支持部材の熱容量および熱抵抗よりも大きく形成される。

これにより、熱電発電装置は、変温体との間に温度差が生じる熱交換対象が、当該変温体との間に複数の熱電変換部を介在させるように存在することで、この温度差を利用して発電を行うことができる。

特に、変温体が上記熱交換対象よりも高温である状態では、第１の熱電変換部を構成する両熱電素子に作用する温度差の絶対値が、第２の熱電変換部を構成する両熱電素子に作用する温度差の絶対値よりも大きくなる。第１の熱電変換部は、変温体に向かうように配置される一方の支持部材の熱容量および熱抵抗が他方の支持部材の熱容量および熱抵抗よりも小さいため、第２の熱電変換部と比較して、変温体から支持部材に伝わった熱が放熱されにくく、熱交換対象側の支持部材に伝わった熱が放射されやすいからである。

また、変温体が上記熱交換対象よりも低温である状態では、第２の熱電変換部を構成する両熱電素子に作用する温度差の絶対値が、第１の熱電変換部を構成する両熱電素子に作用する温度差の絶対値よりも大きくなる。第２の熱電変換部は、他方の支持部材の熱容量および熱抵抗が変温体に向かうように配置される一方の支持部材の熱容量および熱抵抗よりも小さいため、第１の熱電変換部と比較して、上記熱交換対象から支持部材に伝わった熱が放熱されにくく、変温体側の支持部材に伝わった熱が放射されやすいからである。

このように変温体が上記熱交換対象よりも高温となる状態では、第１の熱電変換部を構成する両熱電素子に作用する温度差の絶対値が大きくなり、変温体が上記熱交換対象よりも低温となる状態では、第２の熱電変換部を構成する両熱電素子に作用する温度差の絶対値が大きくなる。このため、温度が変化する変温体の熱を利用した発電において、熱電変換部に作用する温度分布に関して高温側と低温側とが逆転する温度変化が生じる場合であっても、発電に利用する温度差を大きく保つことができるので、その温度変化に起因する発電電力量のばらつきを抑制することができる。

請求項５の発明では、上記熱電発電装置の発電により得られた電力が電力抽出部により抽出されて２次電池に蓄電される。そして、この２次電池に蓄電される電力が電子装置に供給される。

これにより、熱電変換部に作用する温度分布に関して高温側と低温側とが逆転する温度変化が生じる場所に熱電発電装置が配置されている場合でも、２次電池の蓄電量が高く維持されるので、２次電池を電源として利用する電子装置に対して確実に電力を供給することができる。

第１実施形態に係る熱電発電システムの概略構成を示す断面図である。 第１実施形態に係る熱電発電システムの電気的構成を示すブロック図である。 図１の熱電発電装置をボンネット側からみた上面図である。 第１の熱電変換部および第２の熱電変換部を拡大して示す断面図である。 図５（Ａ）は、エンジン側高温状態での熱の流れを説明する断面図であり、図５（Ｂ）は、エンジン側高温状態における各熱電変換部での出力電流の流れを説明する拡大断面図である。 図６（Ａ）は、ボンネット側高温状態での熱の流れを説明する断面図であり、図６（Ｂ）は、ボンネット側高温状態における各熱電変換部での出力電流の流れを説明する拡大断面図である。 各熱電変換部に作用する温度差の時間変化を示すグラフである。 図８（Ａ）は、両熱電素子に作用する温度差の時間変化を示すグラフであり、図８（Ｂ）は、熱電変換部から出力される電圧Ｖの時間変化を示すグラフである。 第２実施形態に係る熱電発電装置の要部を示す拡大断面図である。 第３実施形態に係る熱電発電システムの電気的構成を示すブロック図である。 第３実施形態の変形例に係る熱電発電システムの電気的構成を示すブロック図である。 第４実施形態に係る熱電発電システムの概略構成を示す断面図である。 図１２の熱電発電システムを側面から見た説明図である。

［第１実施形態］
以下、本発明に係る熱電発電装置および熱電発電システムを具現化した第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１および図２に示すように、本実施形態に係る熱電発電システム１０は、熱電素子によって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装置２０と、熱電発電装置２０の発電により得られた電力を抽出する電力抽出部１１と、電力抽出部１１により抽出された電力が蓄電される２次電池１２と、を備えている。本実施形態では、熱電発電システム１０は、車両に搭載されており、エンジンルーム１内のエンジン２やボンネット３等の熱を利用して発電し、電子装置１３に電力を供給するシステムとして構成されている。

電力抽出部１１は、熱電発電装置２０からの出力電流を制御する公知の電力制御回路１１ａと、２次電池１２の蓄電量を測定しこの蓄電量が最大となるように２次電池１２へ電力伝送する公知の蓄電回路１１ｂとを備えている。なお、図１では、便宜上、２次電池１２の図示を省略している。

電子装置１３は、エンジン２の停止中でも２次電池１２からの電力を受けて作動する装置として構成されるもので、本実施形態では、例えば、排気ガスの温度（排気温度）を測定する温度センサ装置として構成されている。この電子装置１３は、排気温度を計測する計測手段として公知のセンシング部１４と、無線通信手段として機能する公知の無線通信部１５と、電子装置１３の全体制御を司る制御部１６とを備えている。無線通信部１５は、制御部１６により制御されて、センシング部１４により得られた計測情報が、エンジン２を制御する制御装置等の外部機器４に対して無線送信されるように構成されている。また、電子装置１３は、電力線の長さを短くするため、２次電池１２の近傍に配置されている。

次に、熱電発電装置２０の構成について、図３および図４を用いて詳述する。なお、図３は、図１の熱電発電装置２０をボンネット側からみた上面図である。図４は、第１の熱電変換部２１および第２の熱電変換部２２を拡大して示す断面図である。
熱電発電装置２０は、複数の熱電変換部を備えており、各熱電変換部は、ボンネット３の裏側であってエンジン２からの熱を受ける場所に配置されている。なお、エンジン２は、駆動中に発熱し、停止中にその発熱した温度が低下する「変温体」の一例に相当し得る。また、本実施形態では、ボンネット３は、エンジン２との間に温度差が生じる熱交換対象として機能し、エンジン２との間に温度差が生じるボンネット３が、当該エンジン２との間に熱電発電装置２０の各熱電変換部を介在させるように存在している。

特に、各熱電変換部は、一部が、エンジン側が高温側となることを想定して構成される第１の熱電変換部２１に区分けされ、残部が、ボンネット側が高温側となることを想定して構成される第２の熱電変換部２２に区分される。各第１の熱電変換部２１は、互いに電気的に接続されており、発電時に電圧Ｖ１となる電力を出力するように構成されている。各第２の熱電変換部２２は、互いに電気的に接続されており、発電時に電圧Ｖ２となる電力を出力するように構成されている。

図３に示すように、各第１の熱電変換部２１は、第２の熱電変換部２２よりもエンジン２からの熱を受けやすくするため、エンジン２が垂直投影されるボンネット３の投影領域の内側に位置するように、ボンネット３の裏側にそれぞれ固定されている。これに対して、各第２の熱電変換部２２は、上記投影領域の外側に位置するように、ボンネット３の裏側にそれぞれ固定されている。なお、図３では、ボンネット３を二点鎖線にて示し、ボンネット３に対して垂直投影されるエンジン２の投影領域の外縁を破線にて示している。

図４に示すように、第１の熱電変換部２１は、銅パターン等の導電性の接合部材２３ａ〜２３ｃを介して電気的に接続されるＰ型熱電素子２４ａおよびＮ型熱電素子２４ｂを一対の支持部材で挟み込んで支持することで構成されている。特に、第１の熱電変換部２１が備える一対の支持部材は、Ｐ型熱電素子２４ａ側の入出力端子となる接合部材２３ｂとＮ型熱電素子２４ｂ側の入出力端子となる接合部材２３ｃとの双方を覆う一方の支持部材２５ａと、Ｐ型熱電素子２４ａとＮ型熱電素子２４ｂとを接続する接合部材２３ａを覆う他方の支持部材２５ｂと、からなる。このため、第１の熱電変換部２１は、一方の支持部材２５ａがエンジン２に向かい、他方の支持部材２５ｂがボンネット３に向かうように配置される。

また、第２の熱電変換部２２は、第１の熱電変換部２１と同様に、接合部材２３ａ〜２３ｃを介して電気的に接続されるＰ型熱電素子２４ａおよびＮ型熱電素子２４ｂを一対の支持部材で挟み込んで支持することで構成されている。特に、第２の熱電変換部２２が備える一対の支持部材は、接合部材２３ｂおよび接合部材２３ｃの双方を覆う一方の支持部材２６ａと、接合部材２３ａを覆う他方の支持部材２６ｂと、からなる。このため、第２の熱電変換部２２は、一方の支持部材２６ａがエンジン２に向かい、他方の支持部材２６ｂがボンネット３に向かうように配置される。

また、第１の熱電変換部２１と第２の熱電変換部２２との間には、図３および図４に示すように、一方の支持部材２５ａと一方の支持部材２６ａとの間の熱交換や他方の支持部材２５ｂと他方の支持部材２６ｂとの間の熱交換を抑制するため、断熱部材２７が配置されている。

本実施形態では、第１の熱電変換部２１において一方の支持部材２５ａと他方の支持部材２５ｂとを異なる材料で構成することにより、一方の支持部材２５ａでの熱容量および熱抵抗を他方の支持部材２５ｂでの熱容量および熱抵抗よりも小さくしている。また、第２の熱電変換部２２において一方の支持部材２６ａと他方の支持部材２６ｂとを異なる材料で構成することにより、一方の支持部材２６ａでの熱容量および熱抵抗を他方の支持部材２６ｂでの熱容量および熱抵抗よりも大きくしている。具体的には、支持部材での熱容量および熱抵抗を小さくするための材料として例えばアルミニウム材料により一方の支持部材２５ａおよび他方の支持部材２６ｂを構成し、支持部材での熱容量および熱抵抗を大きくするための材料として例えばセラミック材料により一方の支持部材２６ａおよび他方の支持部材２５ｂを構成することで、上述のように両支持部材での熱容量および熱抵抗を異ならせている。

このように支持部材での熱容量および熱抵抗を異ならせる理由について、図５〜図８を用いて詳細に説明する。なお、図５（Ａ）は、エンジン側高温状態での熱の流れを説明する断面図であり、図５（Ｂ）は、エンジン側高温状態における各熱電変換部２１，２２での出力電流の流れを説明する拡大断面図である。図６（Ａ）は、ボンネット側高温状態での熱の流れを説明する断面図であり、図６（Ｂ）は、ボンネット側高温状態における各熱電変換部２１，２２での出力電流の流れを説明する拡大断面図である。図７は、各熱電変換部２１，２２に作用する温度差ΔＴｏの時間変化を示すグラフである。図８（Ａ）は、両熱電素子２４ａ，２４ｂに作用する温度差の時間変化を示すグラフであり、図８（Ｂ）は、熱電変換部２１，２２から出力される電圧Ｖの時間変化を示すグラフである。なお、図７および図８（Ａ）では、各熱電変換部２１，２２に対して、エンジン側を正、ボンネット側を負とする温度差を、縦軸としている。

エンジン２が駆動している車両走行中では、図５（Ａ）の矢印にて示すように、エンジン２が発熱してボンネット３が外気により冷却される。この場合には、図７の符号Ｓ１にて示すように、各熱電変換部２１，２２に作用する温度差ΔＴｏは正となり、各熱電変換部２１，２２に対して、エンジン側が高温側、ボンネット側が低温側となる状態（以下、エンジン側高温状態ともいう）になる。このような温度分布では、一方の支持部材２５ａ，２６ａが高温側、他方の支持部材２５ｂ，２６ｂが低温側となる。

このため、図８（Ａ）の符号Ｓ１にて示すように、第１の熱電変換部２１を構成する両熱電素子２４ａ，２４ｂに両支持部材２５ａ，２５ｂを介して作用する温度差ΔＴ１の絶対値が、第２の熱電変換部２２を構成する両熱電素子２４ａ，２４ｂに両支持部材２６ａ，２６ｂを介して作用する温度差ΔＴ２の絶対値よりも大きくなる。第１の熱電変換部２１は、一方の支持部材２５ａでの熱容量および熱抵抗が他方の支持部材２５ｂでの熱容量および熱抵抗よりも小さいため、第２の熱電変換部２２と比較して、エンジン２から一方の支持部材２５ａに伝わった熱が放熱されにくく、ボンネット側の他方の支持部材２５ｂに伝わった熱が放射されやすいからである。

上記エンジン側高温状態では、各熱電変換部２１，２２において、図５（Ｂ）に示すように、Ｐ型熱電素子２４ａから接合部材２３ａを介してＮ型熱電素子２４ｂに流れる電流が生じる。そして、両熱電素子２４ａ，２４ｂに作用する温度差が大きくなるほどその熱電変換部から出力される電圧Ｖが高くなるため、エンジン側高温状態では、図８（Ｂ）の符号Ｓ１にて示すように、各第１の熱電変換部２１から出力される電圧Ｖ１が高くなる。これに対して、エンジン側高温状態では、温度差ΔＴ２が温度差ΔＴ１よりも低くなるので、各第２の熱電変換部２２から出力される電圧Ｖ２は電圧Ｖ１よりも低くなる。すなわち、エンジン側高温状態では、電圧Ｖ１が高くなるので電圧Ｖ２が低くなっても全体としての出力電圧を高くでき、熱電発電装置２０の発電量を高く維持することができる。

一方、ボンネット３が直射日光を受けている状態でエンジン２が停止していると、図６（Ａ）の矢印にて示すように、停止したエンジン２よりも直射日光を受けるボンネット３の方が熱くなる場合があり、この場合には、図７の符号Ｓ２にて示すように、各熱電変換部２１，２２に作用する温度差ΔＴｏは負となり、各熱電変換部２１，２２に対して、ボンネット側が高温側、エンジン側が低温側となる状態（以下、ボンネット側高温状態ともいう）になる。このような温度分布では、他方の支持部材２５ｂ，２６ｂが高温側、一方の支持部材２５ａ，２６ａが低温側となる。

このため、図８（Ａ）の符号Ｓ２にて示すように、温度差ΔＴ２の絶対値が温度差ΔＴ１の絶対値よりも大きくなる。第２の熱電変換部２２は、他方の支持部材２６ｂでの熱容量および熱抵抗が一方の支持部材２６ａでの熱容量および熱抵抗よりも小さいため、第１の熱電変換部２１と比較して、ボンネット３から他方の支持部材２６ｂに伝わった熱が放熱されにくく、エンジン側の一方の支持部材２６ａに伝わった熱が放射されやすいからである。

上記ボンネット側高温状態では、各熱電変換部２１，２２において、図６（Ｂ）に示すように、Ｎ型熱電素子２４ｂから接合部材２３ａを介してＰ型熱電素子２４ａに流れる電流が生じる。そして、ボンネット側高温状態では、図８（Ｂ）の符号Ｓ２にて示すように、各第２の熱電変換部２２から出力される電圧Ｖ２が高くなる。これに対して、ボンネット側高温状態では、温度差ΔＴ１の絶対値が温度差ΔＴ２の絶対値よりも低くなるので、各第１の熱電変換部２１から出力される電圧Ｖ１は電圧Ｖ２よりも低くなる。すなわち、ボンネット側高温状態では、電圧Ｖ２が高くなるので電圧Ｖ１が低くなっても全体としての出力電圧を高くでき、熱電発電装置２０の発電量を高く維持することができる。

このように、エンジン側高温状態だけでなく、エンジン２が停止しているボンネット側高温状態であっても熱電発電装置２０の発電量が高く維持されるため、電力抽出部１１により熱電発電装置２０から抽出された電力が蓄電される２次電池１２の蓄電量が高く維持される。このため、エンジン２の駆動中だけでなく、エンジン２の停止中であっても、２次電池１２を利用する電子装置１３に対して確実に電力を安定供給することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る熱電発電装置２０では、第１の熱電変換部２１および第２の熱電変換部２２は、それぞれ一方の支持部材２５ａ，２６ａがエンジン２に向かうようにそれぞれ配置されている。そして、第１の熱電変換部２１は、一方の支持部材２５ａでの熱容量および熱抵抗が他方の支持部材２５ｂでの熱容量および熱抵抗よりも小さく形成され、第２の熱電変換部２２は、一方の支持部材２６ａでの熱容量および熱抵抗が他方の支持部材２６ｂでの熱容量および熱抵抗よりも大きく形成される。

これにより、熱電発電装置２０は、エンジン２との間に温度差が生じるボンネット３が、当該エンジン２との間に複数の熱電変換部２１，２２を介在させるように存在することで、この温度差を利用して発電を行うことができる。

特に、上記エンジン側高温状態では、第１の熱電変換部２１を構成する両熱電素子２４ａ，２４ｂに作用する温度差ΔＴ１の絶対値が、第２の熱電変換部２２を構成する両熱電素子２４ａ，２４ｂに作用する温度差ΔＴ２の絶対値よりも大きくなる。また、上記ボンネット側高温状態では、第２の熱電変換部２２を構成する両熱電素子２４ａ，２４ｂに作用する温度差ΔＴ２の絶対値が、第１の熱電変換部２１を構成する両熱電素子２４ａ，２４ｂに作用する温度差ΔＴ１の絶対値よりも大きくなる。

このように、エンジン側高温状態では温度差ΔＴ１の絶対値が大きくなり、ボンネット側高温状態では温度差ΔＴ２の絶対値が大きくなるため、温度が変化するエンジン２やボンネット３の熱を利用した発電において、熱電変換部２１，２２に作用する温度分布に関して高温側と低温側とが逆転する温度変化が生じる場合であっても、発電に利用する温度差を大きく保つことができるので、その温度変化に起因する発電電力量のばらつきを抑制することができる。

また、本実施形態では、一方の支持部材２５ａと他方の支持部材２５ｂ、一方の支持部材２６ａと他方の支持部材２６ｂを異なる材料で構成しているので、一方の支持部材２５ａでの熱容量および熱抵抗と他方の支持部材２５ｂでの熱容量および熱抵抗、一方の支持部材２６ａでの熱容量および熱抵抗と他方の支持部材２６ｂでの熱容量および熱抵抗をそれぞれ容易に異ならせることができる。

また、本実施形態では、第１の熱電変換部２１と第２の熱電変換部２２との間には断熱部材２７が設けられている。このため、第１の熱電変換部２１と第２の熱電変換部２２とを密集して配置しても、一方の支持部材２５ａと一方の支持部材２６ａとの間や他方の支持部材２５ｂと他方の支持部材２６ｂとの間での熱交換が抑制される。これにより、第１の熱電変換部２１と第２の熱電変換部２２とを密集して配置でき、熱電発電装置２０における省スペース化を図ることができる。

そして、本実施形態に係る熱電発電システム１０では、上述のように構成される熱電発電装置２０の発電により得られた電力が電力抽出部１１により抽出されて２次電池１２に蓄電される。そして、この２次電池１２に蓄電される電力が電子装置１３に供給される。

これにより、熱電変換部に作用する温度分布に関して高温側と低温側とが逆転する温度変化が生じる場所に熱電発電装置２０が配置されている場合でも、２次電池１２の蓄電量が高く維持されるので、２次電池１２を電源として利用する電子装置１３に対して確実に電力を安定供給することができる。

特に、本実施形態では、電子装置１３は、２次電池１２の近傍に配置されており、外部機器４と無線通信可能な無線通信部１５を有している。このため、電子装置１３に対して、電力線を削減し、電池交換等が不要な独立電源を有するシステムを構築することができる。

また、電子装置１３は、排気温度を測定するセンシング部１４を備え、このセンシング部１４により計測された計測情報を無線通信部１５により外部機器４に無線送信する。これにより、電子装置１３は、上記ボンネット側高温状態のようにエンジン２が停止している状態であっても、計測した計測情報を外部機器４に無線送信することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る熱電発電装置および熱電発電システムについて、図９を用いて説明する。なお、図９は、第２実施形態に係る熱電発電装置２０ａの要部を示す拡大断面図である。
本第２実施形態では、厚みの違いを利用して両支持部材での熱容量および熱抵抗を異ならせる点が主に上記第１実施形態と異なる。このため、第１実施形態と実質的に同様の構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る熱電発電装置２０ａは、一方の支持部材２５ａおよび他方の支持部材２５ｂと一方の支持部材２６ａおよび他方の支持部材２６ｂとの全ての支持部材を同一材料で構成し、その厚さを変えることで、両支持部材での熱容量および熱抵抗とを異ならせている。具体的には、図９に示すように、第１の熱電変換部２１において、一方の支持部材２５ａの厚さを他方の支持部材２５ｂの厚さよりも厚くすることにより、一方の支持部材２５ａでの熱容量および熱抵抗を他方の支持部材２５ｂでの熱容量および熱抵抗よりも小さくしている。また、第２の熱電変換部２２において、一方の支持部材２６ａの厚さを他方の支持部材２６ｂの厚さよりも薄くすることにより、一方の支持部材２６ａでの熱容量および熱抵抗を他方の支持部材２６ｂでの熱容量および熱抵抗よりも大きくしている。

このようにしても、一方の支持部材２５ａでの熱容量および熱抵抗と他方の支持部材２５ｂでの熱容量および熱抵抗、一方の支持部材２６ａでの熱容量および熱抵抗と他方の支持部材２６ｂでの熱容量および熱抵抗を容易に異ならせることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る熱電発電装置および熱電発電システムについて、図１０を用いて説明する。なお、図１０は、第３実施形態に係る熱電発電システム１０ａの電気的構成を示すブロック図である。
本第３実施形態では、複数の２次電池を備える点が主に上記第１実施形態と異なる。このため、第１実施形態と実質的に同様の構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

本発明に係る熱電発電システムは、複数の２次電池を備えることで、熱電発電装置２０にて発電した電力を複数の電子装置に供給することができる。例えば、図１０に示すように、本実施形態に係る熱電発電システム１０ａは、２つの２次電池１２ａ，１２ｂを備えている。そして、２次電池１２ａは、電子装置１３ａに電力を供給可能に構成され、２次電池１２ｂは、電子装置１３ｂ，１３ｃに電力を供給可能に構成されている。なお、電子装置１３ａ〜１３ｃは、それぞれ異なる物理量等をそのセンシング部１４にて計測しその計測結果をその無線通信部１５により外部機器４にそれぞれ無線送信するように構成されている。

特に、本実施形態では、電力抽出部１１は、蓄電回路１１ｂにて各２次電池１２ａ，１２ｂの蓄電量をそれぞれ測定し、各蓄電量が最大となるように２次電池１２ａ，１２ｂへ電力伝送する。具体的には、本実施形態では、電力抽出部１１は、蓄電回路１１ｂの測定結果から２次電池１２ａの充電量が２次電池１２ｂの充電量よりも少ないと判断すると、充電量が少ない２次電池１２ａを充電対象として選択して、２次電池１２ａに対する充電を行う。なお、電力抽出部１１は、例えば、蓄電回路１１ｂの測定結果から、２次電池１２ａの充電量の減りが２次電池１２ｂの充電量の減りよりも大きいと判断すると、充電量の減りが大きな２次電池１２ａを充電対象として選択して、２次電池１２ａに対する充電を行うこともできる。なお、電力抽出部１１は、「蓄電量測定手段」および「選択手段」の一例に相当し得る。

このように、本実施形態に係る熱電発電システム１０ａでは、複数の２次電池１２ａ，１２ｂが設けられており、各２次電池１２ａ，１２ｂのうち電力抽出部１１により抽出された電力を蓄電する２次電池が、蓄電回路１１ｂの測定結果に応じて選択される。これにより、複数の２次電池１２ａ，１２ｂを備える場合でも各２次電池１２ａ，１２ｂの充電量不足をなくすことができ、２次電池１２ａを電源として利用する電子装置１３ａや２次電池１２ｂを電源として利用する電子装置１３ｂ，１３ｃに対して確実に電力を安定供給することができる。

図１１は、第３実施形態の変形例に係る熱電発電システム１０ａの電気的構成を示すブロック図である。
電力抽出部１１は、１つの熱電発電装置２０から得られる電力を利用して複数の２次電池を充電することに限らず、複数の熱電発電装置２０からそれぞれ得られる電力を利用して複数の２次電池を充電することもできる。例えば、第３実施形態の変形例として、図１１に例示するように、３つの熱電発電装置２０から得られる電力を利用して２つの２次電池１２ａ，１２ｂを充電することもできる。

なお、本実施形態および変形例の特徴的構成である複数の２次電池および複数の電子装置を備える構成は、他の実施形態にも適用することができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る熱電発電装置および熱電発電システムについて、図１２および図１３を用いて説明する。なお、図１２は、第４実施形態に係る熱電発電システム１０ｂの概略構成を示す断面図である。図１３は、図１２の熱電発電システム１０ｂを側面から見た説明図である。
本第４実施形態では、ボンネット３と異なる他の変温体（熱交換対象）とエンジン２との間に生じる温度差を利用して発電する点が主に上記第１実施形態と異なる。このため、第１実施形態と実質的に同様の構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

図１２および図１３に示すように、本実施形態に係る熱電発電システム１０ｂでは熱電発電装置２０ｂを採用しており、この熱電発電装置２０ｂでは、ボンネット３と異なる他の変温体（熱交換対象）として、例えば、エンジン２からの排気ガスをエキゾーストパイプ５ａおよびマフラー５ｂを介して車外へ送る装置としてエンジン周辺に位置するエキゾーストマニホールド６ａや触媒装置６ｂ等（以下、単にマフラー接続部６ともいう）が採用されている。マフラー接続部６は、エンジン２から流れ込む高温の排気ガスにより、エンジン２の駆動中であってもその表面温度がエンジン２の表面温度よりも高くなる。熱電発電装置２０ｂは、図１２に示すように、各熱電変換部２１がマフラー接続部６とエンジン２との間に介在し、各熱電変換部２２がマフラー接続部６により覆われずエンジン２だけでなくマフラー接続部６からの熱をも受けるように配置されている。すなわち、各第１の熱電変換部２１は、第２の熱電変換部２２よりもマフラー接続部６からの熱を受けやすい位置に配置される。

特に、第１の熱電変換部２１は、一方の支持部材２５ａがマフラー接続部６に向かうように配置され、他方の支持部材２５ｂがエンジン２に向かうように配置されている。また、第２の熱電変換部２２は、他方の支持部材２６ｂがエンジン２に向かうように配置され、一方の支持部材２６ａがマフラー接続部６に覆われないように配置されている。

このため、エンジン２が駆動している車両走行中では、一方の支持部材２５ａ，２６ａが高温側、他方の支持部材２５ｂ，２６ｂが低温側となり、マフラー接続部６からの熱をより受けやすい各第１の熱電変換部２１から出力される電圧Ｖ１が高くなる。一方、エンジン２が停止すると、各第１の熱電変換部２１では、マフラー接続部６とエンジン２とにより囲まれていることから熱がこもるために、両支持部材２５ａ，２５ｂでの温度差ΔＴ１の絶対値が小さくなる。また、各第２の熱電変換部２２では、一方の支持部材２６ａがマフラー接続部６により覆われていないため、一方の支持部材２６ａに伝わった熱が放射されやすいので、温度差ΔＴ２の絶対値が温度差ΔＴ１の絶対値よりも大きくなる。この結果、各第２の熱電変換部２２から出力される電圧Ｖ２が高くなる。

このように、熱電発電装置２０ｂは、各熱電変換部２１，２２が、エンジン２とマフラー接続部６との間に配置されており、その発電量が出力電圧（Ｖ１，Ｖ２）に応じて高く維持されるため、エンジン２の駆動中だけでなく、エンジン２の停止中であっても、２次電池１２を利用する電子装置１３に対して確実に電力を安定供給することができる。

なお、本発明は上記各実施形態および変形例に限定されるものではなく、例えば、以下のように具体化してもよい。
（１）本発明に係る熱電発電装置は、各熱電変換部２１，２２が、エンジン２とボンネット３との間（第１実施形態参照）やエンジン２とマフラー接続部６との間（第４実施形態参照）に配置されることに限らず、駆動中に発熱して停止中にその発熱した温度が低下する変温体と熱交換対象との間に配置されても、上記停止中に熱交換対象の温度が変温体よりも高くなる構成であれば、上記効果を奏する。

（２）また、熱電発電装置は、各熱電変換部２１，２２が、駆動中に吸熱して低温になり停止中に温度が上昇する変温体（例えば、カーエアコンに使用するエバポレータ）と熱交換対象との間に配置されても、上記停止中に変温体の温度が熱交換対象よりも高くなる構成であれば、上記効果を奏する。

（３）電子装置１３は、排気温度を測定する温度センサ装置として構成されることに限らず、例えば、排気ガスの圧力等の物理量やエンジン２への吸気に関する物理量等、エンジン２および他の車載機器の少なくとも１つに関する状態を測定する装置であって、エンジン２の停止中でも２次電池１２からの電力を受けて作動する装置に適用することができる。また、電子装置１３として、室内の照度を計測する照度センサや雨滴の有無を検知するレインセンサを採用することもできる。

（４）また、電子装置１３が無線通信対象とする外部機器４は、エンジン２を制御する制御装置に限らず、例えば、車外の通信機器であってもよい。また、電子装置１３から無線送信される情報は、センシング部１４にて計測された計測情報に限らず、例えば、センシング部１４等が正常に機能しているか否かを示す信号であってもよい。

２…エンジン（変温体） ３…ボンネット
１０，１０ａ，１０ｂ…熱電発電システム
１１…電力抽出部
１２，１２ａ，１２ｂ…２次電池
１３，１３ａ〜１３ｃ…電子装置
２０，２０ａ，２０ｂ…熱電発電装置
２１…第１の熱電変換部
２２…第２の熱電変換部
２４ａ…Ｐ型熱電素子 ２４ｂ…Ｎ型熱電素子
２５ａ，２６ａ…一方の支持部材 ２５ｂ，２６ｂ…他方の支持部材

Claims (8)

1. 温度が変化する変温体（２）に対して配置される複数の熱電変換部により発電を行う熱電発電装置（２０，２０ａ，２０ｂ）であって、
   前記熱電変換部は、電気的に接続されるＰ型熱電素子（２４ａ）およびＮ型熱電素子（２４ｂ）を一対の支持部材で挟み込んで支持することで形成され、
   前記複数の熱電変換部のうちの一部を構成する第１の熱電変換部（２１）と残部を構成する第２の熱電変換部（２２）とは、前記一対の支持部材のうちの一方の支持部材（２５ａ，２６ａ）が前記変温体に向かうようにそれぞれ配置され、
   前記第１の熱電変換部は、前記一方の支持部材の熱容量および熱抵抗が他方の支持部材（２５ｂ）の熱容量および熱抵抗よりも小さく形成され、
   前記第２の熱電変換部は、前記一方の支持部材の熱容量および熱抵抗が他方の支持部材（２６ｂ）の熱容量および熱抵抗よりも大きく形成されることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記一方の支持部材と前記他方の支持部材とを異なる材料で構成することにより、前記一方の支持部材の熱容量および熱抵抗と前記他方の支持部材の熱容量および熱抵抗とを異ならせることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記一方の支持部材と前記他方の支持部材とを厚さの異なる同一材料で構成することにより、前記一方の支持部材の熱容量および熱抵抗と前記他方の支持部材の熱容量および熱抵抗とを異ならせることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
4. 前記第１の熱電変換部と前記第２の熱電変換部との間に断熱部材（２７）を設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電発電装置と、
   前記熱電発電装置の発電により得られた電力を抽出する電力抽出部（１１）と、
   前記電力抽出部により抽出された電力が蓄電される２次電池（１２，１２ａ，１２ｂ）と、
   を備え、
   前記２次電池に蓄電される電力が電子装置（１３，１３ａ〜１３ｃ）に供給されることを特徴とする熱電発電システム。
6. 前記変温体は、車両に搭載される車載機器であって、
   前記電子装置は、前記２次電池の近傍に配置されており、外部機器（４）と無線通信可能な無線通信手段（１５）を有することを特徴とする請求項５に記載の熱電発電システム。
7. 前記電子装置は、前記変温体および他の車載機器の少なくとも１つに関する状態を計測する計測手段（１４）を備え、前記計測手段により計測された計測情報を前記無線通信手段により前記外部機器に送信することを特徴とする請求項６に記載の熱電発電システム。
8. 前記２次電池を２つ以上備え、
   前記各２次電池のそれぞれの蓄電量を測定する蓄電量測定手段（１１）と、
   前記各２次電池のうち前記電力抽出部により抽出された電力を蓄電する２次電池を、前記蓄電量測定手段による測定結果に応じて選択する選択手段（１１）と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の熱電発電システム。

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