JP2016100439A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直列に複数接続される熱電発電モジュールのうちの一部が故障しても、発電を継続できる、熱電発電装置を提供する。【解決手段】熱電発電装置１０１は、第１の端子部２１と、第２の端子部２２と、第１の端子部２１と第２の端子部２２との間に直列に複数接続される熱電素子とを有する熱電発電モジュール１〜５を備える。熱電発電モジュールのそれぞれは、第１の端子部２１と第２の端子部２２の少なくとも一方を介して他の熱電発電モジュールに直列に接続される。熱電発電モジュールのそれぞれに設けられるスイッチ３１〜３５と、熱電発電装置が故障と判定された場合、スイッチのいずれか一つを閉じて第１の端子部２１と第２の端子部２２との間を短絡することで、故障した熱電発電モジュールを特定し、故障した熱電発電モジュールに設けられるスイッチを閉じた状態で固定する制御部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電発電モジュールを備える熱電発電装置に関する。

熱電発電モジュールの故障を判断する診断装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００８−２２３５０４号公報

配線の電力損失が抑えられるように熱電発電装置の発電出力の高電圧化と低電流化を狙うためには、複数の熱電発電モジュールを直列に接続することが望ましい。しかしながら、複数の熱電発電モジュールが直列に接続されている場合、熱電発電モジュールが一つでも故障すると、電流が他の正常な熱電発電モジュールに流れなくなるので、発電が熱電発電装置全体で停止してしまう。発電を継続させるためには、故障した熱電発電モジュールを特定する必要がある。

ところが、上述の従来技術は、熱電発電モジュール単体の故障しか検出できず、直列に接続される複数の熱電発電モジュールのうち、故障した熱電発電モジュールを特定できないため、発電を継続させることができない。

そこで、直列に複数接続される熱電発電モジュールのうちの一部が故障しても、発電を継続できる、熱電発電装置の提供を目的とする。

一つの案では、
第１の端子部と、第２の端子部と、前記第１の端子部と前記第２の端子部との間に直列に複数接続される熱電素子とを有する熱電発電モジュールを複数備え、
前記熱電発電モジュールのそれぞれは、前記第１の端子部と前記第２の端子部の少なくとも一方を介して他の前記熱電発電モジュールに直列に接続される、熱電発電装置であって、
前記熱電発電モジュールのそれぞれに設けられるスイッチと、
前記熱電発電装置が故障と判定された場合、前記スイッチのいずれか一つを閉じて前記第１の端子部と前記第２の端子部との間を短絡することで、故障した熱電発電モジュールを特定し、前記故障した熱電発電モジュールに設けられるスイッチを閉じた状態で固定する制御部とを備える、熱電発電装置が提供される。

一態様によれば、直列に複数接続される熱電発電モジュールのうちの一部が故障しても、故障した熱電発電モジュールを特定することができ、当該故障した熱電発電モジュールを除いて他の熱電発電モジュールを直列に接続することができるので、発電を継続することができる。

熱電発電装置の構成の一例を示す図である。 第１の端子部と第２の端子部との間に配置される複数の熱電素子の接続関係の一例を示す図である。 熱電発電モジュールの断面の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。

図１は、熱電発電装置１０１の構成の一例を模式的に示す図である。Ｘ軸に平行な方向（Ｘ軸方向）は、車両の前後方向を示し、Ｘ軸に直交するＹ軸に平行な方向（Ｙ軸方向）は、車両の横幅方向を示す。熱電発電装置１０１は、例えば、熱電発電部１０と、複数のスイッチ３１〜３５と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０とを備える。熱電発電部１０は、電気的に直列に接続される複数の熱電発電モジュール１〜５を有する。

熱電発電モジュール１〜５は、温度差を利用して発電する熱電変換モジュールの一例である。本実施形態の熱電発電モジュール１〜５は、排気ガスの温度と冷却水の温度との温度差を利用して発電し、発電した電力をバッテリ５２に充電するものである。熱電発電モジュール１〜５は、排気管１２に設けられ、排気管１２の熱を電力に変換する。排気管１２は、前側排気管１１と後側排気管１３との間に連結される。エンジンで発生する排気ガスは、前側排気管１１に流入し、排気管１２を経由して、後側排気管１３から流出する。

図１の場合、Ｘ軸方向に並んで配列される熱電発電モジュール１〜５は、Ｘ軸方向に延在する排気管１２をＹ軸方向に貫通するように排気管１２のＹ軸方向の側壁に接合されている。

熱電発電モジュール１〜５は、それぞれ、第１の端子部２１と、第２の端子部２２とを有する。熱電発電モジュール１〜５のそれぞれは、第１の端子部２１と第２の端子部２２の少なくとも一方を介して他の熱電発電モジュールに電気的に直列に接続される。例えば、熱電発電モジュール１の第２の端子部２２は、熱電発電モジュール１に隣接する熱電発電モジュール２の第１の端子部２１に接続され、熱電発電モジュール２の第２の端子部２２は、熱電発電モジュール２に隣接する熱電発電モジュール３の第１の端子部２１に接続される。他の熱電発電モジュールとの接続も同様である。

車両前側の最前段の熱電発電モジュール１の第１の端子部２１は、例えば、配線５３を介してバッテリ５２の正極に電気的に接続される。車両後方の最後段の熱電発電モジュール５の第２の端子部２２は、例えば、配線５４を介してバッテリ５２の負極に電気的に接続される。

図２は、第１の端子部２１と第２の端子部２２との間に配置される複数の熱電変換素子６０の接続関係の一例を示す図である。なお、図２には、熱電発電モジュール１，２のみが示され、熱電発電モジュール３，４，５の図示は、省略されている。

熱電発電モジュール１は、第１の端子部２１と第２の端子部２２との間に電気的に直列に複数接続される熱電変換素子６０を有する。熱電変換素子６０は、熱と電力を変換する熱電素子の一例である。熱電変換素子６０は、例えば、ｎ型半導体素子６１と、ｐ型半導体素子６２とを有する。図面上、ｎ型半導体素子６１は、点模様の四角で表され、ｐ型半導体素子６２は、白地の四角で表されている。

ｎ型半導体素子６１とｐ型半導体素子６２とは、交互に電気的に直列に接続される。図示の場合、第１の端子部２１にはｎ型半導体素子６１が接続され、第２の端子部２２にはｐ型半導体素子６２が挙げられる。他の熱電発電モジュール２〜５も、それぞれ、熱電発電モジュール１と同様に、第１の端子部２１と第２の端子部２２との間に電気的に直列に複数接続される熱電変換素子６０を有する。

例えば、ｎ型半導体素子６１とｐ型半導体素子６２は交互に配置されるとともに、吸熱側電極２３と放熱側電極２４も交互に配置される。吸熱側電極２３は、隣り合うｎ型半導体素子６１とｐ型半導体素子６２とを電気的に接続する吸熱側接続部材の一例であり、放熱側電極２４は、隣り合うｐ型半導体素子６２とｎ型半導体素子６１とを電気的に接続する放熱側接続部材の一例である。吸熱側電極２３は、冷却水が流れる冷却管に熱伝導可能に設けられる導電部材である。放熱側電極２４は、排気ガスが流れる排気管１２（例えば、排気管１２に取り付けられる熱電発電モジュールの外壁）に熱伝導可能に設けられる導電部材である。

図３は、熱電発電モジュール１の任意のＺＸ平面における断面の一例を示す図である。Ｚ軸に平行な方向（Ｚ軸方向）は、車両の上下方向を示す。

熱電発電モジュール１は、例えば、冷却水が流れる冷却管７０を囲む外壁１８を有する。冷却管７０は、ＺＸ平面に直交するＹ軸方向を長手方向とする配管である。冷却管７０の周壁７５は、例えば、Ｚ軸方向で対向する周壁部分に設けられる一対の吸熱面（第１の吸熱面７１及び第２の吸熱面７２）と、Ｘ軸方向で対向する周壁部分に設けられる一対の吸熱面（第３の吸熱面７３及び第４の吸熱面７４）とを有する。吸熱面７１〜７４は、冷却管７０の周壁７５の外面に設けられる。冷却管７０の周壁７５の内面は、冷却水にさらされる。

一方、熱電発電モジュール１の外壁１８は、例えば、Ｚ軸方向で対向する外壁部分に設けられる一対の放熱面（第１の放熱面１４及び第２の放熱面１５）と、Ｘ軸方向で対向する外壁部分に設けられる一対の放熱面（第３の放熱面１６及び第４の放熱面１７）とを有する。放熱面１４〜１７は、熱電発電モジュール１の外壁１８の内面に設けられる。熱電発電モジュール１の外壁１８の外面は、排気管１２内の排気ガスにさらされる。

熱電発電モジュール１は、第１の放熱面１４と第１の吸熱面７１とに挟まれる第１の空間８１に、電気的に直列に接続される複数の熱電変換素子６０を有する。第１の空間８１において、例えば図２に示されるように、ｎ型半導体素子６１とｐ型半導体素子６２は交互に配置されるとともに、吸熱側電極２３と放熱側電極２４も交互に配置される。第１の空間８１に配置される吸熱側電極２３は、第１の吸熱面７１に熱伝導可能に設けられ、例えば図２に示されるように、第１の空間８１で隣り合うｎ型半導体素子６１とｐ型半導体素子６２とを電気的に接続する。第１の空間８１に配置される放熱側電極２４は、第１の放熱面１４に熱伝導可能に設けられ、例えば図２に示されるように、第１の空間８１で隣り合うｎ型半導体素子６１とｐ型半導体素子６２とを電気的に接続する。

一方、熱電発電モジュール１は、第２の放熱面１５と第２の吸熱面７２とに挟まれる第２の空間８２に、電気的に直列に接続される複数の熱電変換素子６０を有する。第２の空間８２において、例えば図２に示されるように、ｎ型半導体素子６１とｐ型半導体素子６２は交互に配置されるとともに、吸熱側電極２３と放熱側電極２４も交互に配置される。第２の空間８２に配置される吸熱側電極２３は、第２の吸熱面７２に熱伝導可能に設けられ、例えば図２に示されるように、第２の空間８２で隣り合うｎ型半導体素子６１とｐ型半導体素子６２とを電気的に接続する。第２の空間８２に配置される放熱側電極２４は、第２の放熱面１５に熱伝導可能に設けられ、例えば図２に示されるように、第２の空間８２で隣り合うｎ型半導体素子６１とｐ型半導体素子６２とを電気的に接続する。

第１の空間８１で複数の熱電変換素子６０が直列に接続される直列回路を「直列回路Ａ」と称し、第２の空間８２で複数の熱電変換素子６０が直列に接続される直列回路を「直列回路Ｂ」と称する。直列回路Ａと直列回路Ｂとは、例えば第１の隙間８３又は第２の隙間８４を通る配線を介して、電気的に直列に接続される。第１の隙間８３は、第３の放熱面１６と第３の吸熱面７３とに挟まれる空間である。第２の隙間８４は、第４の放熱面１７と第４の吸熱面７４とに挟まれる空間である。

直列回路Ａの一方の端部に位置する熱電変換素子６０（ｎ型半導体素子６１又はｐ型半導体素子６２）は、第１の端子部２１（図１参照）に接続される。直列回路Ａの他方の端部に位置する熱電変換素子６０（ｎ型半導体素子６１又はｐ型半導体素子６２）は、直列回路Ｂの一方の端部に位置する熱電変換素子６０（直列回路Ａの他方の端部に位置する熱電変換素子６０とは極性が異なる半導体素子）に接続される。直列回路Ｂの他方の端部に位置する熱電変換素子６０は、第２の端子部２２（図１参照）に接続される。

図１において、熱電発電モジュール１〜５のそれぞれには、第１の端子部２１と第２の端子部２２とを短絡するか否かを切り替えるスイッチが設けられている。本実施形態のスイッチ３１は、熱電発電モジュール１の第１の端子部２１と第２の端子部２２との間を開閉する。スイッチ３２〜３５についても同様である。通常、スイッチ３１〜３５は開状態であり、電流は第１の端子部２１と第２の端子部２２との間をスイッチ３１〜３５を介して流れない。

ＥＣＵ４０は、マイクロコンピュータを備える電子制御装置の一例である。ＥＣＵ４０は、例えば、スイッチ３１〜３５が全て開状態であるときに、熱電発電装置１０１の故障の有無を判定する。

ＥＣＵ４０は、例えば、熱電発電モジュール１の第１の端子部２１と熱電発電モジュール５の第２の端子部２２との間の電気抵抗Ｒを測定することによって、熱電発電装置１０１の故障の有無を判定する。熱電発電モジュール１〜５内の直列回路のいずれかが断線している故障時、熱電発電モジュール１〜５内の直列回路のいずれも断線していない正常時に比べて、電気抵抗Ｒは上昇し無限大となる。

したがって、ＥＣＵ４０は、電気抵抗Ｒを測定することによって、熱電発電装置１０１の故障の有無を判定できる。ＥＣＵ４０は、例えば、スイッチ３１〜３５が全て開状態であるときに所定の抵抗値未満の電気抵抗Ｒが測定される場合、熱電発電装置１０１は正常と判定する。一方、ＥＣＵ４０は、例えば、スイッチ３１〜３５が全て開状態であるときに所定の抵抗値以上の電気抵抗Ｒが測定される場合、熱電発電装置１０１は故障と判定する。

また、ＥＣＵ４０は、例えば、配線５３又は配線５４に流れる電流Ｉを測定することによって、熱電発電装置１０１の故障の有無を判定してもよい。熱電発電モジュール１〜５内の直列回路のいずれかが断線している故障時、熱電発電モジュール１〜５内の直列回路のいずれも断線していない正常時に比べて、電流Ｉは低下し零となる。

したがって、ＥＣＵ４０は、電流Ｉを測定することによって、熱電発電装置１０１の故障の有無を判定できる。ＥＣＵ４０は、例えば、スイッチ３１〜３５が全て開状態であるときに所定の電流値以上の電流Ｉが測定される場合、熱電発電装置１０１は正常と判定する。一方、ＥＣＵ４０は、例えば、スイッチ３１〜３５が全て開状態であるときに所定の電流値未満の電流Ｉが測定される場合、熱電発電装置１０１は故障と判定する。

また、ＥＣＵ４０は、例えば、熱電発電装置１０１の熱電発電部１０によって発電される電力の推定値Ｗｅと熱電発電装置１０１の熱電発電部１０によって発電される電力の実測値Ｗｒとを比較することによって、熱電発電装置１０１の故障の有無を判定してもよい。ＥＣＵ４０は、推定値Ｗｅと実測値Ｗｒとの差が所定の閾値ｔｈよりも大きい場合、熱電発電装置１０１が故障していると判定でき、推定値Ｗｅと実測値Ｗｒとの差が所定の閾値ｔｈよりも小さい場合、熱電発電装置１０１が故障してないと判定できる。

ＥＣＵ４０は、例えば、エンジンの回転数と、エンジンに吸入される空気量と、エンジンの冷却水温度と、熱電素子の熱電変換特性との少なくとも一つに基づいて、熱電発電装置１０１の熱電発電部１０によって発電される電力の推定値Ｗｅを演算できる。

ＥＣＵ４０は、所定電力値以上の推定値Ｗｅが演算される状況で、バッテリ５２のバッテリ電圧の測定値が所定の電圧値よりも上昇しない場合（所定の電圧値よりも低い場合）、熱電発電装置１０１が故障していると判定できる。バッテリ５２のバッテリ電圧は、電圧測定器５１によって測定される。

ＥＣＵ４０は、熱電発電装置１０１が故障と判定された場合、スイッチ３１〜３５のいずれか一つを閉じて第１の端子部２１と第２の端子部２２との間を短絡することで、故障した熱電発電モジュールを特定し、当該故障した熱電発電モジュールに設けられるスイッチを閉じた状態で固定する制御部の一例である。

熱電発電モジュール１〜５のうち一部の熱電発電モジュール内の直列回路が断線していれば、当該一部の熱電発電モジュールの第１の端子部２１と第２の端子部２２との間が短絡されると、当該一部の熱電発電モジュールがバイパスされるので、配線５３及び配線５４は通電する。

これに対し、当該一部の熱電発電モジュール内の直列回路が断線していなければ、当該一部の熱電発電モジュールの第１の端子部２１と第２の端子部２２との間が短絡されても、配線５３及び配線５４は通電しない。なぜなら、熱電発電装置１０１が故障と判定されているので、当該一部の熱電発電モジュールとは別の熱電発電モジュールが断線しているはずだからである。

したがって、ＥＣＵ４０は、熱電発電装置１０１が故障と判定された場合、スイッチ３１〜３５のいずれか一つを閉じて第１の端子部２１と第２の端子部２２との間を短絡することで、熱電発電モジュール１〜５のうち、故障した熱電発電モジュールを特定できる。

例えば、ＥＣＵ４０は、熱電発電装置１０１が故障と判定される場合において、スイッチ３１〜３５のうちの一つの第１のスイッチを閉じることにより、配線５３及び配線５４の通電が検出されたとき、故障した熱電発電モジュールを当該第１のスイッチが設けられる熱電発電モジュールと特定する。そして、ＥＣＵ４０は、第１のスイッチを閉じることにより、配線５３及び配線５４の通電が検出されないとき、スイッチ３１〜３５のうち第１のスイッチとは異なる一つの第２のスイッチを閉じた状態で、配線５３及び配線５４の通電が検出されるか否かを判定する。ＥＣＵ４０は、第２のスイッチを閉じることにより、配線５３及び配線５４の通電が検出されたとき、故障した熱電発電モジュールを当該第２のスイッチが設けられる熱電発電モジュールと特定する。ＥＣＵ４０は、故障した熱電発電モジュールが特定されるまで、残りのスイッチのうちの一つのスイッチを閉じて、配線５３及び配線５４の通電が検出されるか否かを判定すればよい。

この際、第１のスイッチは、スイッチ３１〜３５のうち、いずれの一つのスイッチでもよく、第２のスイッチは、スイッチ３１〜３５のうち、第１のスイッチを除くいずれの一つのスイッチでもよい。また、ＥＣＵ４０は、第１のスイッチを閉じることにより、配線５３及び配線５４の通電が検出されないとき、第１のスイッチを開いてから第２のスイッチを閉じてもよいし、第１のスイッチを閉じたまま第２のスイッチを閉じてもよい。

このように、ＥＣＵ４０は、例えば、熱電発電装置１０１が故障と判定された場合、スイッチ３１〜３５を一つずつ順番に閉じて第１の端子部２１と第２の端子部２２との間を短絡することで、熱電発電モジュール１〜５のうち、故障した熱電発電モジュールを特定できる。

ＥＣＵ４０は、故障した熱電発電モジュールとして特定した熱電発電モジュールに設けられるスイッチを閉じた状態で固定する。これにより、ＥＣＵ４０は、故障した熱電発電モジュールをバイパスした状態で固定できる。

このように、ＥＣＵ４０は、熱電発電装置１０１が故障と判定された場合、熱電発電モジュールのいずれか一つをバイパスすることで、故障した熱電発電モジュールを特定し、当該故障した熱電発電モジュールをバイパスした状態で固定できる。したがって、直列に複数接続される熱電発電モジュールのうちの一部が故障しても、故障した熱電発電モジュールを特定することができ、当該故障した熱電発電モジュールを除いて他の熱電発電モジュールを直列に接続することができるので、発電を継続することができる。

以上、熱電発電装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

例えば、熱電発電モジュールと排気管と冷却管との位置関係は、図示の形態に限られない。熱電発電モジュールは、例えば、排気管と冷却管との間に配置されてもよい。

１，２，３，４，５ 熱電発電モジュール
１０ 熱電発電部
１１ 前側排気管
１２ 排気管
１３ 後側排気管
１４ 第１の放熱面
１５ 第２の放熱面
１６ 第３の放熱面
１７ 第４の放熱面
１８ 外壁
２１ 第１の端子部
２２ 第２の端子部
２３ 吸熱側電極
２４ 放熱側電極
３１，３２，３３，３４，４５ スイッチ
４０ ＥＣＵ
６０ 熱電変換素子
６１ ｎ型半導体素子
６２ ｐ型半導体素子
７０ 冷却管
７１ 第１の吸熱面
７２ 第２の吸熱面
７３ 第３の吸熱面
７４ 第４の吸熱面
７５ 周壁
８１ 第１の空間
８２ 第２の空間
８３ 第１の隙間
８４ 第２の隙間
１０１ 熱電発電装置

Claims (1)

1. 第１の端子部と、第２の端子部と、前記第１の端子部と前記第２の端子部との間に直列に複数接続される熱電素子とを有する熱電発電モジュールを複数備え、
   前記熱電発電モジュールのそれぞれは、前記第１の端子部と前記第２の端子部の少なくとも一方を介して他の前記熱電発電モジュールに直列に接続される、熱電発電装置であって、
   前記熱電発電モジュールのそれぞれに設けられるスイッチと、
   前記熱電発電装置が故障と判定された場合、前記スイッチのいずれか一つを閉じて前記第１の端子部と前記第２の端子部との間を短絡することで、故障した熱電発電モジュールを特定し、前記故障した熱電発電モジュールに設けられるスイッチを閉じた状態で固定する制御部とを備える、熱電発電装置。

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