JP3659927B2

JP3659927B2 - Thermoelectric generator

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Publication number: JP3659927B2
Application number: JP2002104778A
Authority: JP
Inventors: エヌ．シュロフ，ボミー
Original assignee: Bomi N Shroff
Current assignee: Bomi N Shroff
Priority date: 2002-04-08
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2022-04-08
Also published as: JP2003309988A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゼーベック効果である熱電現象を利用した熱発電装置に関し、特に携帯形の用途に好適な熱発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力を供給するには電力線が必要であるが、電力の使用頻度が少ない場所では、電力線を布設することができず、したがってそのような電力線が布設されていない場所では、可搬形の発電装置が必要になる。
【０００３】
先行技術は、内燃機関によって発電機を駆動する構成を有する。この先行技術では、内燃機関および発電機の重量が大きく、内燃機関の騒音が著しく、また内燃機関の排ガスによる環境の汚染が生じ、さらに内燃機関の回転状態を良好に維持するためのメンテナンスが繁雑である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、構成を小形にすることができ、低騒音であり、環境汚染が少なく、メンテナンスが容易な熱発電装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱エネルギを電気エネルギに直接変換して熱起電力を発生する半導体変換器と、
半導体変換器の出力を交流に変換するスイッチング電源回路とを含み、
半導体変換器は、一対のｐ形半導体素子とｎ形半導体素子とが一端部で電気的に接続されて構成されたサブモジュールを、複数組、直列に接続したモジュールによって実現され、
前記スイッチング電源回路は、
（ａ）トランスであって、
モジュールの出力が与えられるセンタタップ形１次巻線であって、１次巻線のセンタタップは、モジュールの一方極性の出力端子に接続され、１次巻線の両端子は、モジュールの他方極性の出力端子に接続される１次巻線と、
１次巻線よりも巻数が多いセンタタップ形２次巻線とを有するトランスと、
（ｂ）１次巻線の一方の端子とモジュールの前記他方極性の出力端子との間に介在される第１入力スイッチング素子と、
（ｃ）１次巻線の他方の端子とモジュールの前記他方極性の出力端子との間に介在される第２入力スイッチング素子と、
（ｄ）第１および第２入力スイッチング素子を、交互に、オン／オフ制御するプッシュプル制御回路と、
（ｅ）全波整流回路であって、
２次巻線の両端子に接続される入力端子を有する全波整流ブリッジと、
全波整流ブリッジの出力端子間に接続される一対の直列接続されたコンデンサであって、コンデンサの相互の接続点は、２次巻線のセンタタップに接続されるコンデンサとを有する全波整流回路と、
（ｆ）全波整流回路の出力端子間に接続される３組の出力スイッチング回路であって、各組のスイッチング回路は、一対の直列接続された第１および第２出力スイッチング素子を有し、各組の第１および第２出力スイッチング素子の接続点から、３相交流出力を導出する出力スイッチング回路と、
（ｇ）第１および第２出力スイッチング素子を、パルス幅変調制御して３相正弦波を得るパルス幅変調制御回路とを含むことを特徴とする熱発電装置である。
【０００７】
本発明に従えば、ゼーベック効果である熱電現象を利用した半導体変換素子によって熱起電力を発生する。この半導体変換器の出力をスイッチング電源回路によって交流に変換してもよい。したがって商用交流電力の電力線が設けられていない場所であっても、本件熱発電装置を携帯し、交流負荷に電力を供給することが容易に可能となる。このような熱発電装置は、小形軽量に実現することができ、低騒音であり、排ガスなどによる環境の悪化が少なく、メンテナンスが容易である。
【０００８】
本発明に従えば、昇圧トランスの１次巻線に、第１および第２入力スイッチング素子を介してプッシュプル形で、半導体変換器の熱起電力の出力を与え、この１次巻線は、たとえばセンタタップの両側に各１ターンであってもよく、トランスのコアの磁路が飽和しないように、オン／オフ制御され、たとえば２０〜３００ｋＨｚ、好ましくはたとえば２００ｋＨｚでスイッチング制御されてもよい。
本発明に従えば、トランスのセンタタップ接続でプッシュプル動作で交流を作り、２次側の整流は、１次側から見て全波整流と同等であり、あるいはまた２相半波整流であってもよく、こうしていわば２倍の電力を扱うことができ、さらに２次巻線の巻数は、比較的少なくてよく、たとえば後述の実施の形態ではセンタタップの両側に２８ターンであってもよい。
本発明に従えば、トランスには、正、負の電圧が印加されるので利用率が良好であり、全波整流後の波形の平滑のためのコンデンサは、比較的小容量であってもよい。こうして本発明によれば、高効率で３相正弦波の電力を、第１および第２出力スイッチング素子のパルス幅変調制御によって、容易に得ることができる。
単相正弦波を得るには、後述の図１２の実施の形態のように星形結線のトランスを用いてもよいが、Ｙ形結線のトランスを用いてもよく、さらに実施の他の形態では、１組の第１および第２出力スイッチング素子を、パルス幅変調制御回路によってオン／オフ制御し、第１および第２出力スイッチング素子の接続点と２次巻線のセンタタップとの間で、単相交流出力を得ることができる。
【０００９】
また本発明は、半導体変換器のサブモジュールは、
熱伝導が良好な金属製加熱部材と、
熱伝導が良好な金属製冷却部材とを含み、
加熱部材と冷却部材との間に、ｐ形またはｎ形の一方導電形式の半導体素子が介在されて配置され、
加熱部材と冷却部材のいずれか一方には、前記一方導電形式の半導体素子とは反対側で、他方導電形式の半導体素子が配置されて構成され、
隣接して配置される一方のサブモジュールの前記他方導電形式の半導体素子に、他方のサブモジュールの加熱部材または冷却部材のいずれか他方が配置されることを特徴とする。
また本発明は、熱エネルギを電気エネルギに直接変換して熱起電力を発生する半導体変換器と、
半導体変換器の出力を交流に変換するスイッチング電源回路とを含み、
半導体変換器は、一対のｐ形半導体素子とｎ形半導体素子とが一端部で電気的に接続されて構成されたサブモジュールを、複数組、直列に接続したモジュールによって実現され、
サブモジュールは、
熱伝導が良好な金属製加熱部材と、
熱伝導が良好な金属製冷却部材とを含み、
加熱部材と冷却部材との間に、ｐ形またはｎ形の一方導電形式の半導体素子が介在されて配置され、
加熱部材と冷却部材のいずれか一方には、前記一方導電形式の半導体素子とは反対側で、他方導電形式の半導体素子が配置されて構成され、
隣接して配置される一方のサブモジュールの前記他方導電形式の半導体素子に、他方のサブモジュールの加熱部材または冷却部材のいずれか他方が配置され、
前記スイッチング電源回路は、
（ａ）トランスであって、
モジュールの出力が与えられるセンタタップ形１次巻線であって、１次巻線のセンタタップは、モジュールの一方極性の出力端子に接続され、１次巻線の両端子は、モジュールの他方極性の出力端子に接続される１次巻線と、
１次巻線よりも巻数が多いセンタタップ形２次巻線とを有するトランスと、
（ｂ）１次巻線の一方の端子とモジュールの前記他方極性の出力端子との間に介在される第１入力スイッチング素子と、
（ｃ）１次巻線の他方の端子とモジュールの前記他方極性の出力端子との間に介在される第２入力スイッチング素子と、
（ｄ）第１および第２入力スイッチング素子を、交互に、オン／オフ制御するプッシュプル制御回路と、
（ｅ）全波整流回路であって、
２次巻線の両端子に接続される入力端子を有する全波整流ブリッジと、
全波整流ブリッジの出力端子間に接続される一対の直列接続されたコンデンサであって、コンデンサの相互の接続点は、２次巻線のセンタタップに接続されるコンデンサとを有する全波整流回路と、
（ｆ）全波整流回路の出力端子間に接続される３組の出力スイッチング回路であって、各組のスイッチング回路は、一対の直列接続された第１および第２出力スイッチング素子を有し、各組の第１および第２出力スイッチング素子の接続点から、３相交流出力を導出する出力スイッチング回路と、
（ｇ）第１および第２出力スイッチング素子を、パルス幅変調制御して３相正弦波を得るパルス幅変調制御回路とを含むことを特徴とする熱発電装置である。
【００１０】
本発明に従えば、半導体変換器であるモジュールを構成するサブモジュールは、一対のｐ，ｎ形の各半導体素子を用い、これらのサブモジュールを複数組、直列接続することによって、熱起電力を発生する熱電対を用い、熱エネルギから電気エネルギへの直接変換を行って熱発電することができる。ｐ，ｎの各導電形式の半導体素子の一端部を、たとえば加熱部材によって接続し、他端部をたとえば冷却部材に接続し、こうして温度差を実現して、発電を行うことができる。
【００１１】
また本発明は、モジュールは、その全体の形状が内通路を形成するリング状であり、
そのリング状のモジュールの半径方向外方を囲んで外通路を形成する筒体と、
加熱流体を供給する加熱源と、
冷却流体を供給する冷却源とを含み、
加熱部材は、内通路または外通路のいずれか一方に突出し、
冷却部材は、内通路または外通路のいずれか他方に突出し、
加熱源からの加熱流体を、内通路または外通路の前記一方に導き、
冷却源からの冷却流体を、内通路または外通路の前記他方に導くことを特徴とする。
【００１２】
本発明に従えば、半導体変換器をリング状に形成して、内通路を形成し、その半導体変換器の外方に筒体によって外通路を形成し、内通路と外通路とに、加熱源および冷却源からの加熱流体および冷却流体を、たとえば向流で供給し、こうして熱起電力を容易に得ることができる。加熱流体は、たとえばガス燃料または液体燃料を燃焼するバーナによって得られる排ガスなどの気体であってもよく、あるいはまた温水などの液体であってもよい。冷却流体は、たとえば常温空気などの気体であってもよく、あるいはまた水道水などの水、そのほかの液体であってもよい。こうして本発明の実現が容易となる。
【００１３】
また本発明は、加熱部材は、半導体素子の半径方向全長にわたって延びることを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、加熱部材と冷却部材とは、半導体素子における前記リングの半径方向全長にわたって延び、電気的に接続されるので、半導体素子の加熱、冷却を効率よく行うことができるとともに、電気抵抗を小さくし、電源としての内部抵抗を低くすることができる。
【００１５】
また本発明は、加熱源からの加熱流体を、内通路に導き、
加熱部材は、内通路に突出し、
冷却源からの冷却流体を、外通路に導き、
冷却通路は、外通路に突出し、
加熱部材の内通路に突出した部分における前記リングの周方向の厚みは、半径方向内方になるにつれて薄く形成されることを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、内通路に加熱源からの加熱流体が供給され、その内通路に突出した加熱部材の部分の厚みを、半径方向内方につれて薄く形成し、これによって内通路の加熱流体のための流路抵抗を小さくするとともに、その内通路における加熱流体の流速を高めて加熱流体から加熱部材への熱の移動を円滑に行い、効率を高めることができる。
【００１７】
外通路は、半導体変換器の半径方向外方であって、内通路に比べて大きな断面積を形成することが容易であり、したがって冷却部材の外通路に突出した部分の厚みは、半径方向外方になるにつれて薄く形成する必要はなく、半径方向に一様であってもよい。
【００１８】
また本発明は、熱エネルギを電気エネルギに直接変換して熱起電力を発生する半導体変換器と、
半導体変換器の出力を交流に変換するスイッチング電源回路とを含み、
半導体変換器は、複数組のサブモジュール１１が周方向に直列に接続され、全体の形状が、鉛直軸線を有するリング１３７に形成されたモジュール１２によって実現され、
各サブモジュール１１は、
前記リングの半径方向内方の内通路２１に突出する第１突出部分２５を有し、熱伝導が良好な金属製第１熱伝導部材１３と、
前記リングの軸線方向の外通路２３に突出する第２突出部分２８を有し、熱伝導が良好な金属製第２熱伝導部材１４と、
第１および第２熱伝導部材１３，１４の各基端部２６，２９間に介在されて配置され、ｐ形またはｎ形の一方導電形式の第１半導体素子１５と、
第１および第２熱伝導部材１３，１４のいずれか一方の基端部２６，２９に、第１半導体素子１５とは反対側で配置され、ｐ形またはｎ形の他方導電形式の第２半導体素子１６とを含み、
前記スイッチング電源回路は、
（ａ）トランスであって、
モジュールの出力が与えられるセンタタップ形１次巻線であって、１次巻線のセンタタップは、モジュールの一方極性の出力端子に接続され、１次巻線の両端子は、モジュールの他方極性の出力端子に接続される１次巻線と、
１次巻線よりも巻数が多いセンタタップ形２次巻線とを有するトランスと、
（ｂ）１次巻線の一方の端子とモジュールの前記他方極性の出力端子との間に介在される第１入力スイッチング素子と、
（ｃ）１次巻線の他方の端子とモジュールの前記他方極性の出力端子との間に介在される第２入力スイッチング素子と、
（ｄ）第１および第２入力スイッチング素子を、交互に、オン／オフ制御するプッシュプル制御回路と、
（ｅ）全波整流回路であって、
２次巻線の両端子に接続される入力端子を有する全波整流ブリッジと、
全波整流ブリッジの出力端子間に接続される一対の直列接続されたコンデンサであって、コンデンサの相互の接続点は、２次巻線のセンタタップに接続されるコンデンサとを有する全波整流回路と、
（ｆ）全波整流回路の出力端子間に接続される３組の出力スイッチング回路であって、各組のスイッチング回路は、一対の直列接続された第１および第２出力スイッチング素子を有し、各組の第１および第２出力スイッチング素子の接続点から、３相交流出力を導出する出力スイッチング回路と、
（ｇ）第１および第２出力スイッチング素子を、パルス幅変調制御して３相正弦波を得るパルス幅変調制御回路とを含むことを特徴とする熱発電装置である。
【００１９】
本発明に従えば、複数のサブモジュールを直列接続して構成された熱発電装置用モジュール１２を用いることによって、小形化され、しかも構成が簡単な熱発電装置を容易に実現することができる。
【００２０】
熱発電装置は、たとえば、
前述の熱発電装置用モジュール１２と、
前記リングの半径方向内方で第１熱伝導部材１３の突出部分２５が突出する内通路２１の下方に配置され、内通路２１に排ガスを供給するバーナ３５とを含み、
バーナ３５の燃焼用空気が、第２熱伝導部材１４の相互間を通過して、バーナ３５の炎１４１に、供給されることを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、熱エネルギを電気エネルギに直接変換して熱起電力を発生する半導体変換器と、
半導体変換器の出力を交流に変換するスイッチング電源回路とを含み、
半導体変換器は、複数組のサブモジュール２１１が上下に直列に接続され、全体の形状が、鉛直軸線１４３を有する円筒１４４に形成されたモジュール２１２によって実現され、
各サブモジュール２１１は、
（ａ）第１熱伝導部材２１３であって、
前記円筒と同軸の第１環状部分２２６と、
第１環状部分２２６から半径方向内方の内通路２２１に突出する第１突出部分２２５とを有し、
熱伝導が良好な金属製第１熱伝導部材２１３と、
（ｂ）第２熱伝導部材２１４であって、
前記円筒と同軸の第２環状部分２２９と、
第２環状部分２２９から半径方向外方の外通路２２３に突出する第２突出部分２２８とを有し、
熱伝導が良好な金属製第２熱伝導部材２１４と、
（ｃ）第１および第２環状部分２２６，２２９間に介在され、周方向に間隔をあけて配置され、ｐ形またはｎ形の一方導電形式の複数の第１半導体素子２１５と、
（ｄ）第１および第２環状部分２２６，２２９のいずれか一方に、第１半導体素子２１５とは反対側で配置され、
ｐ形またはｎ形の他方導電形式の複数の第２半導体素子２１６とを含み、
（ｅ）上下に隣接して配置される一方のサブモジュール２１１ａの第２半導体素子２１６ａに、他方のサブモジュール２１１ｃの第２環状部分２２９ｃが配置され、
前記スイッチング電源回路は、
（ｆ）トランスであって、
モジュールの出力が与えられるセンタタップ形１次巻線であって、１次巻線のセンタタップは、モジュールの一方極性の出力端子に接続され、１次巻線の両端子は、モジュールの他方極性の出力端子に接続される１次巻線と、
１次巻線よりも巻数が多いセンタタップ形２次巻線とを有するトランスと、
（ｇ）１次巻線の一方の端子とモジュールの前記他方極性の出力端子との間に介在される第１入力スイッチング素子と、
（ｈ）１次巻線の他方の端子とモジュールの前記他方極性の出力端子との間に介在される第２入力スイッチング素子と、
（ｉ）第１および第２入力スイッチング素子を、交互に、オン／オフ制御するプッシュプル制御回路と、
（ｊ）全波整流回路であって、
２次巻線の両端子に接続される入力端子を有する全波整流ブリッジと、
全波整流ブリッジの出力端子間に接続される一対の直列接続されたコンデンサであって、コンデンサの相互の接続点は、２次巻線のセンタタップに接続されるコンデンサとを有する全波整流回路と、
（ｋ）全波整流回路の出力端子間に接続される３組の出力スイッチング回路であって、各組のスイッチング回路は、一対の直列接続された第１および第２出力スイッチング素子を有し、各組の第１および第２出力スイッチング素子の接続点から、３相交流出力を導出する出力スイッチング回路と、
（Ｌ）第１および第２出力スイッチング素子を、パルス幅変調制御して３相正弦波を得るパルス幅変調制御回路とを含むことを特徴とする熱発電装置である。
【００２２】
本発明に従えば、小形化され、構成が簡略化された熱発電装置を容易に実現することができる。熱発電装置はたとえば、
前述の熱発電装置用モジュール２１２と、
前記円筒１４４の半径方向内方で、第１突出部分２２５が突出する内通路２２１の下方に配置され、内通路２２１に排ガスを供給するバーナ３５と、
バーナ３５の燃焼用空気が前記円筒１４４の半径方向外方で、第２突出部材２２８が突出する外通路２２３を形成する案内部材２４６とを含むことを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、内通路の下方に配置され、内通路に排ガスを供給するバーナを含み、
バーナの炎に供給される燃焼用空気が、第２突出部分が突出する外通路を経て流れることを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、加熱源は前述のバーナであってもよいが、そのほかの構成を有する加熱源であってもよい。前述の構成では、内通路を加熱し、外通路を冷却するように構成されたが、本発明の実施の他の形態では、内通路を冷却し、外通路を加熱するように構成してもよい。
【００２５】
熱発電装置用モジュールは、図１〜図１８に示される各実施の形態のようにリング状に構成されてもよいが、図１９および図２０に示されるように細長く延びる筒状に構成されてもよく、さらに図２１および図２２に示されるように直線状（図２１の上下方向、図２２の紙面に垂直な方向）に延びるように構成されてもよく、そのほかの構成によって実現されてもよい。
【００３１】
また本発明は、パルス幅変調制御回路は、
（ａ）フェイズロックループ回路であって、
５０または６０Ｈｚの基準信号を発生する基準信号発生源と、
基準信号発生源の出力と、入力信号との位相差に対応する電圧を発生する位相比較器と、
位相比較器の電圧が与えられ、その電圧に対応する周波数Ｆで発振する電圧制御形発振回路と、
電圧制御形発振回路の出力を、予め定める分周比Ｎで分周し、位相比較器の前記入力信号として与える第１分周器とを含み、
位相比較器からの電圧は、第１分周器の出力の位相が基準信号の位相に一致するように電圧制御形発振回路の発振周波数Ｆを制御する値であるフェイズロックループ回路と、
（ｂ）電圧制御形発振回路の出力を、１２０度ずらす第１遅延回路と、
（ｃ）第１遅延回路の出力を、前記予め定める分周比Ｎで分周する第２分周器と、
（ｄ）第１遅延回路の出力を、１２０度ずらす第２遅延回路と、
（ｅ）第２遅延回路の出力を、前記予め定める分周比Ｎで分周する第３分周器と、
（ｆ）第１〜第３分周器の出力に応答し、前記３組の各組毎の第１および第２出力スイッチング素子をパルス幅変調制御するパルス幅変調制御信号発生回路とを含むことを特徴とする。
【００３２】
また本発明は、第１および第２出力スイッチング素子は、導電形式が相互に同一のトランジスタであり、
パルス幅変調制御信号発生回路からの制御信号を、そのまま、および反転回路を介して、第１および第２出力スイッチング素子の制御端子にそれぞれ与えることを特徴とする。
【００３３】
また本発明は、第１および第２遅延回路は、縦続接続される１つの遅延回路部分を有し、
各遅延回路部分は、
直列コンデンサと、並列コンデンサとから成る６０度だけ位相を遅らせることを特徴とする。
【００３４】
本発明に従えば、フェイズロックループ（略称ＰＬＬ）回路を用いて、希望する交流出力周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの自然数Ｎ（ただしＮは２以上の値）倍の交流信号を発生し、この交流信号を、第１および第２遅延回路で１２０度ずつ順次的にずらし、こうして第１〜第３分周器を用いて、第１および第２出力スイッチング素子の各組のオン／オン制御のための制御信号を得ることができる。この交流信号は、前述の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚよりも自然数Ｎ倍だけ高く、したがって第１および第２遅延回路の直列コンデンサおよび並列抵抗を小形化することができ、このことは特に可搬形の小形軽量とするために、必要である。
【００３５】
本発明の実施の他の形態では、第１および第２出力スイッチング素子の導電形式を同一のトランジスタで実現し、たとえばＰＮＰパイポーラトランジスタだけで、またはＮＰＮ形パイポーラトランジスタだけで実現し、あるいはまたＰ形ＭＯＳだけで実現し、またはＮ形ＭＯＳだけで実現するようにし、このとき第１および第２出力スイッチング素子のいずれか一方の制御端子には、制御信号をそのまま与え、他方の制御端子には制御信号を反転回路によって反転して与え、こうして第１および第２出力スイッチング素子を交互にオン／オフ動作させ、同時にオン動作することを防ぐ。実施の他の形態では、第１および第２出力スイッチング素子は、導電形式が相互に逆のトランジスタであり、たとえばＰＮＰ形およびＮＰＮ形のバイポーラトランジスタであってもよく、あるいはまたＰチャネル形およびＮチャネル形の金属酸化膜電界効果トランジスタ（略称ＭＯＳＦＥＴ）などであってもよい。このような導電形式が相互に逆のトランジスタのベースまたはゲートなどの制御端子には、パルス幅変調制御信号発生回路からの制御信号をそのまま与え、これによって第１および第２出力スイッチング素子は、交互にオン／オフを繰返し、同時にオン状態が達成されて短絡する恐れはない。
【００３６】
また本発明は、基準信号発生源は、商用交流電源系統であることを特徴とする。
【００３７】
本発明に従えば、基準信号発生源からの基準信号は、商用交流電源系統の出力であり、これによって商用交流電源に同期した交流電力を熱発電によって得ることができるようになる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態の熱発電装置１の全体の構成を簡略化して示すブロック図である。この熱発電装置１には基本的に、半導体変換器２と、この半導体変換器２によって得られた熱起電力が与えられるスイッチング電源回路３とを含む。
【００３９】
図２は、半導体変換器２の熱起電力を簡略化して示す図である。半導体変換器２の正極性の出力端子４と負極性の出力端子５との間からは、直流の熱起電力が得られる。たとえばこれらの出力端子４，５間に一例として８Ωの負荷６を接続したとき、電圧計７によって、たとえば５Ｖが得られ、電流計８によって、たとえば０．６２５Ａが計測され、したがって出力電力Ｐ₀＝３Ｗ（＝５×０．６２５）が得られることになる。本発明の熱発電装置１では、この半導体変換器２の出力端子４，５から得られる熱起電力を、スイッチング電源回路３に与え、このスイッチング電源回路３のたとえば２０〜３００ｋＨｚのパルス幅変調動作によって、１．２〜１７．９ｋＷの出力電力Ｐ₀を得ることができるようになる。
【００４０】
図３は半導体変換器２の簡略化した正面図であり、図４は半導体変換器の一部を周方向に展開して簡略化して示す図である。半導体変換器２は、複数組のサブモジュール１１を直列に接続したモジュール１２によって実現される。以下の説明では、参照符の数字に個別的には添え字ａ，ｂ，ｃを付して示し、総括的には数字だけで示すことがある。サブモジュール１１は、加熱部材１３と、冷却部材１４と、これらの加熱および冷却の各部材１３，１４の間に介在されて配置されるｐ形半導体素子１５と、加熱部材１３にｐ形半導体素子１５とは反対側（図４の下方）で配置されるｎ形半導体素子１６とを有して構成される。
【００４１】
隣接して配置されるサブモジュール１１ａ，１１ｃのうち、一方のサブモジュール１１ａのｎ形半導体素子１６ａに、他方のサブモジュール１１ｃの冷却部材１４ｃが配置される。また同様にサブモジュール１１ｂのｎ形半導体素子１６ｂには、サブモジュール１１ａの冷却部材１４ａが配置される。こうしてサブモジュール１１が直列に接続される。
【００４２】
図５はサブモジュール１１ａの原理的構成を示す図であり、図６は図５に示されるサブモジュール１１のエネルギ帯を示す図である。加熱部材１３ａは、冷却部材１４ａ，１４ｃよりも高い温度を有し、このような温度差が存在すると、各半導体素子１５ａ，１６ａの中に高温の部分と低温の部分ができる。これらの半導体素子１５ａ，１６ａでは、図６の黒丸で示される自由電子の密度は、温度によって変化し、高温の部分では高く、低温の部分では低い。したがって自由電子の密度に差が生ずるので、高温部分から低温部分に向かって電子の拡散が生ずる。したがって低温部分では、マイナスの電荷が過剰となり、高温部分では図６の白丸で示されるドナーのプラス電荷が取り残されるので、熱接点がプラスとなるような電位差が生じ、この電界が、拡散して行こうとする電子を妨げる。これら２つの作用が等しくなるところで、平衡状態に達する。高温部分では、フェルミ準位がエネルギ間隙の中央に近づいて来ることになり、これによって熱起電力が得られる。ｐ形半導体素子１５ａの熱起電力はＶｐで示され、ｎ形半導体素子１６ａの熱起電力はＶｎで示される。ｐ形半導体素子１５ａでは、電子の代りに正孔の密度に差が生じ、ｎ形半導体素子１６ａとは高温部分と低温部分との間の熱起電力の向きが逆となって、熱発電が行われる。
【００４３】
これらの半導体素子１５ａ，１６ａは、たとえば単結晶であって、その半導体材料としては、たとえばＢｉ₂Ｔｉ₃を基本成分とする合金であってもよく、ＰｂＴｅであってもよく、またＺｎＳｂであってもよく、そのほかの半導体材料が用いられてもよい。加熱部材１３ａおよび冷却部材１４ａ，１４ｃは、熱伝導が良好な金属製であり、たとえばＣｕまたはＡｌなどであってもよいが、そのほかの金属であってもよい。
【００４４】
図７は半導体変換器２の熱起電力を説明するための簡略化した図であり、図８は図７に示される電気的構成をさらに簡略化して示す図である。各サブモジュール１１の熱起電力が発生されることによって、参照符１７で示される電流が流れる。
【００４５】
図９は、半導体変換器２に電圧計７を接続した状態を示す。半導体変換器２から得られる熱起電力は、電圧計７によって測定される。
【００４６】
図１０は、半導体変換器２の簡略化した電気回路図である。半導体変換器２の熱起電力によって流れる電流は、電流計８によって測定することができる。
【００４７】
再び図３を参照して、半導体変換器２は、その全体の形状がリング状であり、内通路２１が形成される。この半導体変換器２の半径方向外方を囲む筒体２２が同心に形成される。半導体変換器２の外周面と筒体２２の内周面との間には、外通路２３が形成される。
【００４８】
加熱部材１３ａは、内通路２１に突出した部分２５ａを有し、その加熱部材１３ａの半径方向外方の基端部分２６ａは、半導体素子１５ａ，１６ａの半径方向（図４の左右方向）全長にわたって延びる。加熱部材１３ａの内通路２１に突出した部分２５ａは、傾斜面２７を有し、したがってその突出部分２５ａの厚み（すなわち図４の上下方向の厚み、図３の周方向の厚み）は、半径方向内方（図４の右方）になるにつれて薄く形成される。加熱部材１３ａの突出部分２５ａが傾斜面２７を有し、半径方向内方になるにつれて薄く形成されているので、内通路２１における流路抵抗を減少し、内通路２１における排ガスの流れを円滑にし、その速度を向上し、これによって熱伝達を向上することができる。
【００４９】
冷却部材１４ａは、外通路２３に突出した突出部分２８ａを有する。この冷却部材１４ａの突出部分２８ａから半径方向内方（図４の右方）に延びる基端部分２９は、半導体素子１５ａ，１６ｂの半径方向全長にわたって延びる。半導体素子１５，１６の外形は、同一形状を有する。
【００５０】
加熱源３１からの高温度の排ガスは、管路３２から内通路２１の軸線方向一端部に供給され、内通路２１の他端部から、一方向３３に流れて排出される。加熱源３１は、都市ガスなどのガス燃料または液体燃料などの燃料供給源３４からの燃料が、バーナ３５に与えられて、その燃料が燃焼され、燃焼ガスが前述のように管路３２に供給される。バーナ３５に代えて、高温度のスチーム、または内燃機関の高温度の排ガスが用いられてもよく、さらにそれらのスチーム、排ガスなどの高温度流体が輸送される伝熱管が加熱源として用いられてもよい。冷却源３６は、ファンによって実現され、管路３７から外通路２３に他方向３８に流れるように供給される。こうして内通路２１内の排ガスである加熱流体と外通路２３の冷却流体である常温空気との流れる方向３３，３８は相互に逆であり、向流で熱の移動が行われる。これによって熱効率の向上を図ることができる。
【００５１】
再び図１を参照して、スイッチング電源回路３は、トランス４１を含む。このトランス４１は、センタタップ形１次巻線４２と、センタタップ形２次巻線４３とが、コア４４に巻回されて構成される。１次巻線４２のセンタタップ４５は、半導体変換器２の正極性の出力端子４に接続される。１次巻線４２の両端子４６，４７は、半導体変換器２の負極性の出力端子５に共通に接続される。１次巻線４２は、センタタップ４５の両側にたとえば１ターンであってもよい。２次巻線４３は、そのセンタタップ４９の両側に、１次巻線４２のセンタタップ４５の一方の巻線よりも多い巻数を有し、たとえば２８ターンであってもよい。
【００５２】
１次巻線４２の一方の端子４６と半導体変換器２の負極性の出力端子５との間には、第１入力スイッチング素子５１が介在される。１次巻線４２の他方の端子４７と半導体変換器２の負極性の出力端子５との間には、第２入力スイッチング素子５２が介在される。これらの第１および第２入力スイッチング素子５１，５２はいずれも、たとえばＰＮＰ形パイポーラトランジスタによって実現されてもよく、またはＮＰＮ形パイポーラトランジスタによって実現されてもよく、あるいはまたＰチャネル形金属酸化膜電界効果トランジスタ（略称ＭＯＳＦＥＴ）によって実現されてもよく、またはＮチャネル形ＭＯＳＦＥＴによって実現されてもよく、これらの第１および第２入力スイッチング素子５１，５２は、同一の導電形式である。
【００５３】
図１１は、第１および第２入力スイッチング素子５１，５２の動作を説明するための波形図である。プッシュプル制御回路５３はライン５４に図１１（１）に示される波形を有する制御信号を導出して第１入力スイッチング素子５１のベースまたはゲートなどの制御端子に与える。このプッシュプル制御回路５３からライン５４に導出される制御信号はまた、反転回路５５によって反転され、図１１（２）に示される波形を有する信号は、第２入力スイッチング素子５２のベースまたはゲートなどの制御端子に与えられる。こうして一対の第１および第２入力スイッチング素子５１，５２は、たとえば２０〜３００ｋＨｚで、コア４４が飽和しないように、交互にオン／オフ制御されてプッシュプル動作を行う。
【００５４】
トランス４１の２次巻線４３には、全波整流回路５７が接続される。この全波整流回路５７は、全波整流ブリッジ５８と、一対のコンデンサ５９，６０と、チョーク６１とを含む。全波整流ブリッジ５８の入力端子６２，６３には、２次巻線４３の両端子４４，４５がそれぞれ接続される。全波整流ブリッジ５８の出力端子５６，５７には、一対の直列接続されたコンデンサ５９，６０がライン６８，６９間で接続される。コンデンサ５９，６０の相互の接続点７１は、２次巻線４３のセンタタップ４９に接続されて接地される。こうして全波整流ブリッジ５８から導出される全波整流波形７７は、コンデンサ５９，６０によって平滑される。全波整流回路５７のライン６８，６９に接続される出力端子７２，７３間には、３相交流出力を導出するための３組の出力スイッチング回路７４，７５，７６が接続される。
【００５５】
図１２は、出力スイッチング回路７４，７５，７６の具体的な電気的な構成を示す図である。全波整流回路５７の出力端子７２，７３には直列にチョーク７８，７９を介してライン８１，８２が接続される。これらのライン８１，８２には、３相交流出力の各相に対応した合計３組の各出力スイッチング回路７４，７５，７６が接続される。各出力スイッチング回路７４，７５，７６は、一対の直列接続された第１および第２出力スイッチング素子８３，８４；８５，８６；８７，８８をそれぞれ有し、各組７４，７５，７６の接続点９１〜９３から、各相の電力が取出される。これらの第１および第２出力スイッチング素子８３〜８８は、前述の第１および第２入力スイッチング素子５１，５２と同様な構成を有する。
【００５６】
パルス幅変調制御回路９４は、これらの第１および第２出力スイッチング素子８３〜８８に制御信号を与える。これによって接続点９１〜９３から導出される交流電力は、３相正弦波となる。
【００５７】
図１３はパルス幅変調制御回路９４の一部の構成を示す電気回路図である。フェイズロックループ回路９６は、基準信号発生源９７からの希望する予め定める周波数ｆ１、たとえば５０または６０Ｈｚの基準信号を発生する。基準信号発生源９７は、１つの発振回路によって実現されてもよいが、本発明の実施の他の形態では、商用交流電源系統であってもよく、その商用交流電源の電圧波形が、位相比較器９８の入力端子９９に与えられるように構成してもよい。この基準信号は、位相比較器９８の入力端子９９に与えられる。もう１つの入力端子１００には、入力信号が与えられる。位相比較器９８は、入力端子９９，１００にそれぞれ与えられる基準信号と入力信号との位相差に対応する電圧を発生する。位相比較器９８の出力は、ローパスフィルタ１０１を経て、電圧制御形発振回路（略称ＶＣＯ）１０２に与えられる。この電圧制御形発振回路１０２は、ローパスフィルタ１０１を介して位相比較器９８から与えられる電圧に対応する周波数Ｆで発振する。周波数Ｆは、基準信号の周波数ｆ１（たとえば前述の５０または６０Ｈｚ）の自然数Ｎ倍（Ｆ＝Ｎ・ｆ１）である。Ｎは、２以上の整数である。第１分周器１０３は、発振回路１０２の出力を、予め定める分周比Ｎで分周し、位相比較器９８の前述の入力端子１００に前記入力信号として与える。位相比較器９８からの電圧は、第１分周器１０３の出力の位相が、基準信号の位相に一致するように、発振回路１０２の発振周波数Ｆを制御する値である。こうしてフェイズロックループ回路９６が構成される。第１分周器１０３の出力はライン１０４から第１相のための制御信号として導出される。
【００５８】
電圧制御形発振回路１０２の出力は、第１遅延回路１０５ｂに与えられて発振回路１０２の出力が１２０度ずらされて遅延される。この第１遅延回路１０５ｂの出力は、バッファ１０７ｂを経て第２分周器１０３ｂに与えられ、前記予め定める分周比Ｎで分周される。こうしてライン１０４ｂから第２相のための制御信号が導出される。バッファ１０７ｂの出力は、もう１つの第２遅延回路１０５ｃに与えられ、１２０度ずれて遅延される。第２遅延回路１０５ｃの出力は、バッファ１０７ｃから第３分周器１０３ｃに与えられ、前記予め定める分周比Ｎで分周される。こうしてライン１０４ｃからは、第３相のための制御信号が導出される。第１遅延回路１０５ｂは、２つの縦続接続される遅延回路部分１０５ｂ１，１０５ｂ２を有する。これらの遅延回路部分１０５ｂ１，１０５ｂ２は、６０度だけ位相を遅らせる働きをする。遅延回路部分１０５ｂ１は、直列コンデンサ１１１と、並列抵抗１１２とを有し、それらの時定数によって、遅延される６０度の位相が設定される。もう１つの遅延回路部分１０５ｂ２は、前述の遅延回路部分１０５ｂ１と同様な構成を有する。
【００５９】
第２遅延回路１０５ｃは、前述の第１遅延回路１０５ｂと同様な構成を有する。第１および第２遅延回路１０５ｂ，１０５ｃは、発振回路１０２からの比較的高い周波数Ｆを遅延するので、それらを構成する直列コンデンサ１１１および並列抵抗１１２の時定数は小さくてよく、したがって小形化が図られる。
【００６０】
図１４は、パルス幅変調制御信号発生回路１１４を示すブロック図である。前述の図１３に示される第１〜第３分周器１０３ａ〜１０３ｃからライン１０４ａ〜１０４ｃに導出される出力信号は、各相毎のパルス幅変調制御信号発生回路１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃにそれぞれ与えられ、各制御信号は、第１出力スイッチング素子８３，８５，８７の制御端子にそれぞれ与えられるとともに、反転回路１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃをそれぞれ介して第２出力スイッチング素子８４，８６，８８の制御端子にそれぞれ与えられる。
【００６１】
図１５は、パルス幅変調制御信号発生回路１１４の動作を説明するための波形図である。これらの各パルス幅変調制御信号発生回路１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃは、図１５（１）、図１５（２）および図１５（３）に示されるように３相の各相毎の正弦波を得るためのパルス幅変調動作を行う。こうして図１２に示される出力スイッチング回路７４，７５，７６の接続点９１，９２，９３からは、図１５（４）、図１５（５）および図１５（６）に示される正弦波が、ライン１１７，１１８，１１９をそれぞれ介して出力される。単相正弦波は、ライン１１７と接地４９，７１との間で得られる。
【００６２】
図１６は、本発明の実施のさらに他の形態の一部の電気回路図である。この実施の形態は、前述の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。特にこの実施の形態では、ライン１１７，１１８，１１９から導出される３相交流電力は、星形接続されたトランス１２１〜１２３の１次巻線に与えられる。各トランス１２１〜１２３のセンタタップ形２次巻線からは、センタタップとの間でたとえば１２０Ｖの交流電力が得られ、あるいはまた両端子間で２４０Ｖの交流電力が得られる。こうして各トランス１２１〜１２３からは、単相交流電力を得ることができる。
【００６３】
図１７は本発明の実施の他の形態の熱発電装置の全体の構成を簡略化して示す断面図であり、図１８は図１７の熱発電装置に用いられる熱発電装置用モジュール１２の一部の分解斜視図である。これらの図面を参照して、モジュール１２は、ハウジング１５１の上部に取付けられ、単一または複数（この実施の形態では２重）のカバー１５２によってモジュール１２の上方が覆われ、排気孔１５３からは、バーナ３５からの排ガスが外部に排出される。モジュール１２の突出部分２５によって囲まれる内通路２１の空間には、蓋１５４が配置され、バーナ３５の炎１４１による高温度排ガスが、突出部分２５に確実に接触して流れることが可能になる。バーナ３５の炎１４１のための燃焼用空気は、ハウジング１５１の燃焼用空気供給孔１５５から、モジュール１２の外通路２３における突出部分２８に接触して矢符１５６のように水平方向から鉛直方向に屈曲して流れ、この燃焼用空気によって突出部分２８が冷却されることになる。ハウジング１５１内の不所望な空気は、ハウジング１５１の底に設けられたファン１５７から外部に排出される。このファン１５７の付近には、モジュール１２から得られる直流電力を交流電力に変換する、たとえばスイッチング電源回路などの直流／交流変換装置１５８が設けられる。こうして図１７に示される熱発電装置１５０が実現される。このような熱発電装置１５０は、小形であり、構成が簡単であり、その運転のための動力などのエネルギが不要であるという優れた効果が達成される。
【００６４】
モジュール１２は、全体の形状が、鉛直軸線を有するリング１３７に形成され、複数組のサブモジュール１１が周方向に直列に接続され、る。各サブモジュール１１は、前記リングの半径方向内方に突出する第１突出部分２５を有し、熱伝導が良好な金属製第１熱伝導部材１３と、前記リングの軸線方向に延びて突出する第２突出部分２８を有し、熱伝導が良好な金属製第２熱伝導部材１４と、第１および第２熱伝導部材１３，１４の各基端部２６，２９間に介在されて配置され、ｐ形またはｎ形の一方導電形式の第１半導体素子１５と、第１および第２熱伝導部材１３，１４のいずれか一方の基端部２６，２９に、第１半導体素子１５とは反対側で配置され、ｐ形またはｎ形の他方導電形式の第２半導体素子１６とを含む。
【００６５】
複数のサブモジュールを直列接続して構成された熱発電装置用モジュール１２を用いることによって小形化され、しかも構成が簡単な熱発電装置を容易に実現することができる。熱発電装置は、前述の熱発電装置用モジュール１２と、前記リングの半径方向内方で第１熱伝導部材１３の突出部分２５が突出する内通路２１の下方に配置され、内通路２１に排ガスを供給するバーナ３５とを含み、バーナ３５の燃焼用空気が、外通路２３の第２熱伝導部材１４の相互間を通過して、バーナ３５の炎１４１に、供給される。
【００６６】
図１９は、本発明の実施の他の形態の熱発電装置１６０の断面図であり、図２０は図１９に示される熱発電装置用モジュール２１２の一部の分解斜視図である。モジュール２１２の下方にはバーナ３５が配置され、その炎１４１の燃焼による排ガスは、モジュール２１２によって形成される内通路２２１を流れる。このバーナ３５の炎１４１に供給される燃焼用空気は、モジュール２１２と、そのモジュール２１２と同軸の直円筒状案内部材１６１との間に形成された外通路２２３を矢符１６２のように下向きに流れ、これによって内通路２２１を上向きに流れる高温度の排ガスとの流れる方向が相互に逆であり、モジュール２１２を向流熱交換し、半導体素子２１５，２１６の全体が一様な温度分布になることを防ぎ、発電効率を高めることが可能である。
【００６７】
モジュール１２は、全体の形状が、鉛直軸線１４３を有する円筒１４４に形成され、複数組のサブモジュール２１１が上下に直列に接続される。各サブモジュール２１１は、（ａ）第１熱伝導部材２１３であって、前記円筒と同軸の第１環状部分２２６と、第１環状部分２２６から半径方向内方に突出する第１突出部分２２５とを有し、熱伝導が良好な金属製第１熱伝導部材２１３と、（ｂ）第２熱伝導部材２１４であって、前記円筒と同軸の第２環状部分２２９と、第２環状部分２２９から半径方向外方に突出する第２突出部分２２８とを有し、熱伝導が良好な金属製第２熱伝導部材２１４と、（ｃ）第１および第２環状部分２２６，２２９間に介在され、周方向に間隔をあけて配置され、ｐ形またはｎ形の一方導電形式の複数の第１半導体素子２１５と、（ｄ）第１および第２環状部分２２６，２２９のいずれか一方に、第１半導体素子２１５とは反対側で配置され、ｐ形またはｎ形の他方導電形式の複数の第２半導体素子２１６とを含む。（ｅ）上下に隣接して配置される一方のサブモジュール２１１ａの第２半導体素子２１６ａに、他方のサブモジュール２１１ｃの第２環状部分２２９ｃが配置される。第１および第２突出部分２２５，２２８は、前記円筒１４４の周方向に同一位置に配置され、これらの第１および第２突出部分２２５，２２８の周方向に同一位置に第１および第２半導体素子２１５，２１６が配置されることが好ましい。これによって第１および第２半導体素子２１５，２１６への熱の流れが効率よく行われ、発電効率高まる。本発明に従えば、小形化され、構成が簡略化された熱発電装置を容易に実現することができる。熱発電装置は、前述の熱発電装置用モジュール２１２と、前記円筒１４４の半径方向内方で、第１突出部分２２５が突出する内通路２２１の下方に配置され、内通路２２１に排ガスを供給するバーナ３５と、バーナ３５の燃焼用空気が前記円筒１４４の半径方向外方で、第２突出部材２２８が突出する外通路２２３を形成する案内部材２４６とを含む。
【００６８】
図２１は本発明の実施のさらに他の形態の熱発電装置１６４の平面図であり、図２２は図２１に示される熱発電装置１６４の縦断面図である。熱発電装置用モジュール１２は、サブモジュール１１が、たとえば水平方向に一直線状（図２１の上下方向、図２２の紙面に垂直方向）に配置される。このモジュール１２の下方には、そのモジュール１２に関して一方側（図２１および図２２の右方）にバーナ３５が配置され、加熱を行い、他方側（図２１および図２２の左方）にはファン３６が設けられて冷却を行う。本発明はこのような熱発電装置１６４の考え方も含む。
【００６９】
図１７〜図２２に示される各実施例のそのほかの構成は、前述の図１〜図１６の各実施の形態と同様である。加熱源および冷熱源による加熱領域は、前述の各実施例とは逆であってもよく、すなわちたとえば前述の実施例における加熱部材を冷却し、冷却部材を加熱する構成であってもよい。
【００７０】
本発明は、自動車の内燃機関と組合せることができ、その冷却水を加熱源として用い、冷却源の冷却流体として自動車の走行時の空気を用いる。これによって車載電子機器に電力を供給し、本発明をさらに有効に実現することができる。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、低騒音で、環境の悪化を抑制し、メンテナンスが容易な小形軽量の可搬形の熱発電装置が実現される。またこの熱発電装置は、前述の内燃機関によって発電機を駆動する構成を有する先行技術に比べて、効率が高い。
【００７２】
特に本発明によれば、ゼーベック効果である熱電現象を利用した半導体変換素子によって熱起電力を発生し、この半導体変換器の出力をスイッチング電源回路によって交流に変換する。したがって商用交流電力の電力線が設けられていない場所であっても、本件熱発電装置を携帯し、交流負荷に電力を供給することが容易に可能となる。このような熱発電装置は、上述のように、小形軽量に実現することができ、低騒音であり、排ガスなどによる環境の悪化が少なく、メンテナンスが容易である。
【００７３】
また本発明によれば、半導体変換器のサブモジュールは、一対のｐ，ｎ形の各半導体素子を用い、これらのサブモジュールを複数組、直列接続することによって、熱起電力を発生する熱電対を用い、熱エネルギから電気エネルギへの直接変換を行って熱発電することができる。ｐ，ｎの各導電形式の半導体素子の一端部を、たとえば加熱部材によって接続し、他端部をたとえば冷却部材に接続し、こうして温度差を実現して、発電を行うことができる。
【００７４】
また本発明によれば、半導体変換器をリング状に形成して、内通路を形成し、その半導体変換器の外方に筒体によって外通路を形成し、内通路と外通路とに、加熱源および冷却源からの加熱流体および冷却流体を、たとえば向流で供給し、こうして熱起電力を容易に得ることができる。加熱流体は、たとえばガス燃料または液体燃料を燃焼するバーナによって得られる排ガスなどの気体であってもよく、あるいはまた温水などの液体であってもよい。冷却流体は、たとえば常温空気などの気体であってもよく、あるいはまた水道水などの水、そのほかの液体であってもよい。こうして本発明の実現が容易となる。
【００７５】
また本発明によれば、加熱部材と冷却部材とは、半導体素子に半径方向全長にわたって延び、電気的に接続されるので、半導体素子の加熱、冷却を効率よく行うことができるとともに、電気抵抗を小さくし、電源としての内部抵抗を低くすることができる。
【００７６】
また本発明によれば、内通路に加熱源からの加熱流体が供給され、その内通路に突出した加熱部材の部分の厚みを、半径方向内方につれて薄く形成し、これによって内通路の加熱流体のための流路抵抗を小さくするとともに、その内通路における加熱流体の流速を高めて加熱流体から加熱部材への熱の移動を円滑に行い、効率を高めることができる。
【００７７】
外通路は、半導体変換器の半径方向外方であって、内通路に比べて大きな断面積を形成することが容易であり、したがって冷却部材の外通路に突出した部分の厚みは、半径方向外方になるにつれて薄く形成する必要はなく、半径方向に一様であってもよい。
【００７８】
本発明によれば、構成を小形化し、簡略化した熱発電装置用モジュールを実現することが可能になる。
【００７９】
また本発明によれば、昇圧トランスの１次巻線に、第１および第２入力スイッチング素子を介してプッシュプル形で、半導体変換器の熱起電力の出力を与え、トランスのセンタタップ接続でプッシュプル動作で交流を作り、２次側の整流は、１次側から見て全波整流と同等であり、あるいはまた２相半波整流であってもよく、こうしていわば２倍の電力を扱うことができる。さらに２次巻線の巻数は、比較的少なくてよく、たとえば後述の実施の形態ではセンタタップの両側に２８ターンであってもよい。
【００８０】
また本発明によれば、トランスには、正、負の電圧が印加されるので利用率が良好であり、全波整流後の波形の平滑のためのコンデンサは、比較的小容量であってもよい。こうして本発明によれば、高効率で３相正弦波の電力を、第１および第２出力スイッチング素子のパルス幅変調制御によって、容易に得ることができる。
【００８１】
単相正弦波を得るには、後述の図１２の実施の形態のように星形結線のトランスを用いてもよいが、Ｙ形結線のトランスを用いてもよく、さらに実施の他の形態では、１組の第１および第２出力スイッチング素子を、パルス幅変調制御回路によってオン／オフ制御し、第１および第２出力スイッチング素子の接続点と２次巻線のセンタタップとの間で、単相交流出力を得ることができる。
【００８２】
また本発明によれば、フェイズロックループ（略称ＰＬＬ）回路を用いて、希望する交流出力周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの自然数Ｎ（ただしＮは２以上の値）倍の交流信号を発生し、この交流信号を、第１および第２遅延回路で１２０度ずつ順次的にずらし、こうして第１〜第３分周器を用いて、第１および第２出力スイッチング素子の各組のオン／オン制御のための制御信号を得ることができる。この交流信号は、前述の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚよりも自然数Ｎ倍だけ高く、したがって第１および第２遅延回路の直列コンデンサおよび並列抵抗を小形化することができ、このことは特に可搬形の小形軽量とするために、必要である。
【００８３】
本発明の実施の他の形態では、第１および第２出力スイッチング素子の導電形式を同一のトランジスタで実現し、たとえばＰＮＰパイポーラトランジスタだけで、またはＮＰＮ形パイポーラトランジスタだけで実現し、あるいはまたＰ形ＭＯＳだけで実現し、またはＮ形ＭＯＳだけで実現するようにし、このとき第１および第２出力スイッチング素子のいずれか一方の制御端子には、制御信号をそのまま与え、他方の制御端子には制御信号を反転回路によって反転して与え、こうして第１および第２出力スイッチング素子を交互にオン／オフ動作させ、同時にオン動作することを防ぐ。実施の他の形態では、第１および第２出力スイッチング素子は、導電形式が相互に逆のトランジスタであり、たとえばＰＮＰ形およびＮＰＮ形のバイポーラトランジスタであってもよく、あるいはまたＰチャネル形およびＮチャネル形の金属酸化膜電界効果トランジスタ（略称ＭＯＳＦＥＴ）などであってもよい。このような導電形式が相互に逆のトランジスタのベースまたはゲートなどの制御端子には、パルス幅変調制御信号発生回路からの制御信号をそのまま与え、これによって第１および第２出力スイッチング素子は、交互にオン／オフを繰返し、同時にオン状態が達成されて短絡する恐れはない。
【００８４】
基準信号発生源からの基準信号は、商用交流電源系統の出力であり、これによって商用交流電源に同期した交流電力を熱発電によって得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の熱発電装置１の全体の構成を簡略化して示すブロック図である。
【図２】半導体変換器２の熱起電力を簡略化して示す図である。
【図３】半導体変換器２の簡略化した正面図である。
【図４】半導体変換器の一部を周方向に展開して簡略化して示す図である。
【図５】サブモジュール１１ａの原理的構成を示す図である。
【図６】図５に示されるサブモジュール１１のエネルギ帯を示す図である。
【図７】半導体変換器２の熱起電力を説明するための簡略化した図である。
【図８】図７に示される電気的構成をさらに簡略化して示す図である。
【図９】半導体変換器２に電圧計７を接続した状態を示す。
【図１０】半導体変換器２の簡略化した電気回路図である。
【図１１】第１および第２入力スイッチング素子５１，５２の動作を説明するための波形図である。
【図１２】出力スイッチング回路７４，７５，７６の具体的な電気的な構成を示す図である。
【図１３】パルス幅変調制御回路９４の一部の構成を示す電気回路図である。
【図１４】パルス幅変調制御信号発生回路１１４を示すブロック図である。
【図１５】パルス幅変調制御信号発生回路１１４の動作を説明するための波形図である。
【図１６】本発明の実施のさらに他の形態の一部の電気回路図である。
【図１７】本発明の実施の他の形態の熱発電装置の全体の構成を簡略化して示す断面図である。
【図１８】図１７の熱発電装置に用いられる熱発電装置用モジュール１２の一部の分解斜視図である。
【図１９】本発明の実施の他の形態の熱発電装置１６０の断面図である。
【図２０】図１９に示される熱発電装置用モジュール２１２の一部の分解斜視図である。
【図２１】本発明の実施のさらに他の形態の熱発電装置１６４の平面図である。
【図２２】図２１に示される熱発電装置１６４の縦断面図である。
【符号の説明】
１熱発電装置
２半導体変換器
３スイッチング電源回路
１１サブモジュール
１２モジュール
１３加熱部材
１４冷却部材
１５ｐ形半導体素子
１６ｎ形半導体素子
２１内通路
２２筒体
２３外通路
２５，２８突出部分
３１加熱源
３６冷却源
４１トランス
４２１次巻線
４３２次巻線
５１第１入力スイッチング素子
５２第２入力スイッチング素子
５３プッシュプル制御回路
５５反転回路
５７全波整流回路
５８全波整流ブリッジ
５９，６０コンデンサ
７４，７５，７６出力スイッチング回路
８３，８５，８７第１出力スイッチング素子
８４，８６，８８第２出力スイッチング素子
９４パルス幅変調制御回路
９６フェイズロックループ回路
９７基準信号発生源
９８位相比較器
１０１ローパスフィルタ
１０２電圧制御形発振回路
１０３ａ第１分周器
１０３ｂ第２分周器
１０３ｃ第３分周器
１０５ｂ第１遅延回路
１０５ｂ１第１遅延回路部分
１０５ｂ２第２遅延回路部分
１０５ｃ第２遅延回路
１１１直列コンデンサ
１１２並列抵抗
１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃパルス幅変調制御信号発生回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermoelectric generator using a thermoelectric phenomenon that is the Seebeck effect, and more particularly to a thermoelectric generator suitable for a portable application.
[0002]
[Prior art]
Power lines are required to supply power, but power lines cannot be installed in places where the frequency of power use is low. Therefore, portable power generators are not installed in places where such power lines are not installed. I need it.
[0003]
The prior art has a configuration in which a generator is driven by an internal combustion engine. In this prior art, the weight of the internal combustion engine and the generator is large, the noise of the internal combustion engine is remarkable, the environment is polluted by the exhaust gas of the internal combustion engine, and the maintenance for maintaining the rotation state of the internal combustion engine is complicated. It is.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a thermoelectric generator that can be reduced in size, low noise, less environmental pollution, and easy maintenance.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention includes a semiconductor converter that directly converts thermal energy into electrical energy to generate a thermoelectromotive force;
  Switching power supply circuit that converts the output of the semiconductor converter into alternating currentSee
  The semiconductor converter is realized by a module in which a plurality of sets of submodules configured by electrically connecting a pair of p-type semiconductor elements and n-type semiconductor elements at one end are connected in series,
  The switching power supply circuit is
  (A) a transformer,
  A center tap type primary winding to which the output of the module is applied. The center tap of the primary winding is connected to the output terminal of one polarity of the module, and both terminals of the primary winding are connected to the other polarity of the module. A primary winding connected to the output terminal of
  A transformer having a center tap type secondary winding having more turns than the primary winding;
  (B) a first input switching element interposed between one terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
  (C) a second input switching element interposed between the other terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
  (D) a push-pull control circuit for alternately controlling on / off of the first and second input switching elements;
  (E) a full-wave rectifier circuit,
    A full-wave rectifier bridge having an input terminal connected to both terminals of the secondary winding;
    A full-wave rectifier circuit having a pair of series-connected capacitors connected between output terminals of a full-wave rectifier bridge, the connection point of the capacitors being connected to the center tap of the secondary winding When,
  (F) three sets of output switching circuits connected between the output terminals of the full-wave rectifier circuit, each set of switching circuits having a pair of first and second output switching elements connected in series; An output switching circuit for deriving a three-phase AC output from a connection point of each set of the first and second output switching elements;
  (G) A thermoelectric generator including a pulse width modulation control circuit that obtains a three-phase sine wave by performing pulse width modulation control on the first and second output switching elements.
[0007]
According to the present invention, the thermoelectromotive force is generated by the semiconductor conversion element using the thermoelectric phenomenon that is the Seebeck effect. You may convert the output of this semiconductor converter into alternating current with a switching power supply circuit. Therefore, even in a place where a commercial AC power line is not provided, it is possible to easily carry the present thermoelectric generator and supply power to the AC load. Such a thermoelectric generator can be realized in a small size and light weight, has low noise, has little environmental deterioration due to exhaust gas, and is easy to maintain.
[0008]
  According to the present invention, the primary winding of the step-up transformer is provided with the output of the thermoelectromotive force of the semiconductor converter in a push-pull manner via the first and second input switching elements. For example, it may be one turn on each side of the center tap, and may be on / off controlled so as not to saturate the magnetic path of the core of the transformer.
  According to the present invention, AC is generated by push-pull operation with a transformer center tap connection, and the secondary side rectification is equivalent to full-wave rectification as viewed from the primary side, or is also two-phase half-wave rectification. In this case, twice the power can be handled, and the number of turns of the secondary winding may be relatively small. For example, in the embodiment described later, 28 turns may be provided on both sides of the center tap. .
  According to the present invention, since positive and negative voltages are applied to the transformer, the utilization factor is good, and the capacitor for smoothing the waveform after full-wave rectification may have a relatively small capacity. . Thus, according to the present invention, highly efficient three-phase sine wave power can be easily obtained by the pulse width modulation control of the first and second output switching elements.
  In order to obtain a single-phase sine wave, a star-connected transformer may be used as in the embodiment of FIG. 12 to be described later, but a Y-connected transformer may be used. A set of first and second output switching elements are on / off controlled by a pulse width modulation control circuit, and between the connection point of the first and second output switching elements and the center tap of the secondary winding, A single-phase AC output can be obtained.
[0009]
  In the present invention, the submodule of the semiconductor converter is
  A metal heating member with good heat conduction;
  Including a metal cooling member having good heat conduction,
  A p-type or n-type one-conductive type semiconductor element is interposed between the heating member and the cooling member,
  In either one of the heating member and the cooling member, a semiconductor element of the other conductivity type is arranged on the side opposite to the semiconductor element of the one conductivity type, and configured.
  One of the heating member and the cooling member of the other submodule is arranged on the semiconductor element of the other conductivity type of one of the submodules adjacent to each other.
  The present invention also providesA semiconductor converter that directly converts thermal energy into electrical energy to generate thermoelectromotive force;
  A switching power supply circuit that converts the output of the semiconductor converter into an alternating current,
  The semiconductor converter is realized by a module in which a plurality of sets of submodules configured by electrically connecting a pair of p-type semiconductor elements and n-type semiconductor elements at one end are connected in series,
  Submodules are
  A metal heating member with good heat conduction;
  Including a metal cooling member having good heat conduction,
  Between the heating member and the cooling member, a p-type or n-type one-conductivity-type semiconductor element is interposed and arranged,
  In either one of the heating member and the cooling member, a semiconductor element of the other conductivity type is arranged on the side opposite to the semiconductor element of the one conductivity type, and configured.
  One of the heating member and the cooling member of the other submodule is arranged on the semiconductor element of the other conductivity type of one of the submodules adjacent to each other,
  The switching power supply circuit is
  (A) a transformer,
  A center tap type primary winding to which the output of the module is applied. The center tap of the primary winding is connected to the output terminal of one polarity of the module, and both terminals of the primary winding are connected to the other polarity of the module. A primary winding connected to the output terminal of
  A transformer having a center tap type secondary winding having more turns than the primary winding;
  (B) a first input switching element interposed between one terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
  (C) a second input switching element interposed between the other terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
  (D) a push-pull control circuit for alternately controlling on / off of the first and second input switching elements;
  (E) a full-wave rectifier circuit,
    A full-wave rectifier bridge having an input terminal connected to both terminals of the secondary winding;
    A full-wave rectifier circuit having a pair of series-connected capacitors connected between output terminals of a full-wave rectifier bridge, the connection point of the capacitors being connected to the center tap of the secondary winding When,
  (F) three sets of output switching circuits connected between the output terminals of the full-wave rectifier circuit, each set of switching circuits having a pair of first and second output switching elements connected in series; An output switching circuit for deriving a three-phase AC output from a connection point of each set of the first and second output switching elements;
  (G) A thermoelectric generator including a pulse width modulation control circuit that obtains a three-phase sine wave by performing pulse width modulation control on the first and second output switching elements.
[0010]
According to the present invention, the submodule constituting the module which is a semiconductor converter uses a pair of p-type and n-type semiconductor elements, and a plurality of these submodules are connected in series, so that the thermoelectromotive force is obtained. Using the generated thermocouple, thermoelectric power can be generated by performing direct conversion from thermal energy to electrical energy. One end of each of the p and n conductivity type semiconductor elements is connected, for example, by a heating member, and the other end is connected, for example, to a cooling member, thus realizing a temperature difference and generating electric power.
[0011]
In the present invention, the module has a ring shape in which the entire shape forms an inner passage,
A cylindrical body that forms an outer passage surrounding the outside of the ring-shaped module in the radial direction;
A heating source for supplying a heating fluid;
A cooling source for supplying a cooling fluid,
The heating member projects into either the inner passage or the outer passage,
The cooling member protrudes to either the inner passage or the outer passage,
Directing heated fluid from a heating source to the one of the inner or outer passages;
The cooling fluid from the cooling source is guided to the other of the inner passage and the outer passage.
[0012]
According to the present invention, the semiconductor converter is formed in a ring shape to form an inner passage, an outer passage is formed by a cylindrical body outside the semiconductor converter, and a heating source is provided between the inner passage and the outer passage. The heating fluid and the cooling fluid from the cooling source can be supplied, for example, in countercurrent, and thus the thermoelectromotive force can be easily obtained. The heating fluid may be a gas such as exhaust gas obtained by a burner that burns gas fuel or liquid fuel, or may be a liquid such as hot water. The cooling fluid may be a gas such as room temperature air, or may be water such as tap water or other liquid. Thus, the present invention can be easily realized.
[0013]
According to the present invention, the heating member extends over the entire length in the radial direction of the semiconductor element.
[0014]
According to the present invention, the heating member and the cooling member extend over the entire length in the radial direction of the ring in the semiconductor element and are electrically connected, so that the semiconductor element can be efficiently heated and cooled, The resistance can be reduced and the internal resistance as a power source can be lowered.
[0015]
Further, the present invention guides the heating fluid from the heating source to the inner passage,
The heating member protrudes into the inner passage,
The cooling fluid from the cooling source is guided to the outer passage,
The cooling passage projects into the outer passage,
The thickness of the ring in the circumferential direction at the portion protruding into the inner passage of the heating member is formed so as to become thinner inward in the radial direction.
[0016]
According to the present invention, the heating fluid from the heating source is supplied to the inner passage, and the thickness of the portion of the heating member protruding to the inner passage is formed to be thinner inward in the radial direction, whereby the heating fluid of the inner passage is formed. Therefore, it is possible to reduce the flow path resistance and increase the flow rate of the heating fluid in the inner passage to smoothly move the heat from the heating fluid to the heating member, thereby increasing the efficiency.
[0017]
The outer passage is radially outward of the semiconductor converter and can easily form a larger cross-sectional area than the inner passage. Therefore, the thickness of the portion of the cooling member protruding into the outer passage is radially outward. It is not necessary to form a thin film as it approaches, and it may be uniform in the radial direction.
[0018]
  The present invention also providesA semiconductor converter that directly converts thermal energy into electrical energy to generate thermoelectromotive force;
  A switching power supply circuit that converts the output of the semiconductor converter into an alternating current,
  The semiconductor converter is realized by a module 12 in which a plurality of sets of submodules 11 are connected in series in the circumferential direction, and the overall shape is formed in a ring 137 having a vertical axis,
  Each submodule 11 is
  A metal first heat conducting member 13 having a first projecting portion 25 projecting into the inner passage 21 radially inward of the ring and having good heat conduction;
  A metal second heat conducting member 14 having a second projecting portion 28 projecting into the outer passage 23 in the axial direction of the ring, and having good heat conduction;
  A first semiconductor element 15 disposed between the base ends 26 and 29 of the first and second heat conducting members 13 and 14 and having one conductivity type of p-type or n-type,
  The p-type or n-type second-conductivity-type second semiconductor is disposed on either one of the base end portions 26 and 29 of the first and second heat conducting members 13 and 14 on the side opposite to the first semiconductor element 15. Element 16 and
  The switching power supply circuit is
  (A) a transformer,
  A center tap type primary winding to which the output of the module is applied. The center tap of the primary winding is connected to the output terminal of one polarity of the module, and both terminals of the primary winding are connected to the other polarity of the module. A primary winding connected to the output terminal of
  A transformer having a center tap type secondary winding having more turns than the primary winding;
  (B) a first input switching element interposed between one terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
  (C) a second input switching element interposed between the other terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
  (D) a push-pull control circuit for alternately controlling on / off of the first and second input switching elements;
  (E) a full-wave rectifier circuit,
    A full-wave rectifier bridge having an input terminal connected to both terminals of the secondary winding;
    A full-wave rectifier circuit having a pair of series-connected capacitors connected between output terminals of a full-wave rectifier bridge, the connection point of the capacitors being connected to the center tap of the secondary winding When,
  (F) three sets of output switching circuits connected between the output terminals of the full-wave rectifier circuit, each set of switching circuits having a pair of first and second output switching elements connected in series; An output switching circuit for deriving a three-phase AC output from a connection point of each set of the first and second output switching elements;
  (G) A thermoelectric generator including a pulse width modulation control circuit that obtains a three-phase sine wave by performing pulse width modulation control on the first and second output switching elements.
[0019]
According to the present invention, by using the thermoelectric generator module 12 configured by connecting a plurality of submodules in series, a miniaturized thermoelectric generator having a simple configuration can be easily realized.
[0020]
The thermoelectric generator is, for example,
The aforementioned thermoelectric generator module 12;
A burner 35 disposed below the inner passage 21 from which the protruding portion 25 of the first heat conducting member 13 protrudes radially inward of the ring, and supplying exhaust gas to the inner passage 21;
The combustion air of the burner 35 passes between the second heat conducting members 14 and is supplied to the flame 141 of the burner 35.
[0021]
  The present invention also providesA semiconductor converter that directly converts thermal energy into electrical energy to generate thermoelectromotive force;
  A switching power supply circuit that converts the output of the semiconductor converter into an alternating current,
  The semiconductor converter is realized by a module 212 in which a plurality of sets of sub-modules 211 are connected in series vertically and the overall shape is formed in a cylinder 144 having a vertical axis 143.
  Each submodule 211 is
  (A) The first heat conducting member 213,
  A first annular portion 226 coaxial with the cylinder;
  A first projecting portion 225 projecting from the first annular portion 226 into the radially inner passage 221;
  A metal first heat conduction member 213 with good heat conduction;
  (B) the second heat conducting member 214,
  A second annular portion 229 coaxial with the cylinder;
  A second projecting portion 228 projecting from the second annular portion 229 to the radially outward outer passage 223;
  A metal second heat conductive member 214 having good heat conduction;
  (C) a plurality of first semiconductor elements 215 that are interposed between the first and second annular portions 226 and 229, spaced apart in the circumferential direction, and having one conductivity type of p-type or n-type;
  (D) is disposed on one of the first and second annular portions 226 and 229 on the side opposite to the first semiconductor element 215;
  a plurality of second semiconductor elements 216 of the other conductivity type of p-type or n-type,
  (E) The second annular portion 229c of the other submodule 211c is disposed on the second semiconductor element 216a of the one submodule 211a disposed adjacent to the upper and lower sides,
  The switching power supply circuit is
  (F) a transformer,
  A center tap type primary winding to which the output of the module is applied. The center tap of the primary winding is connected to the output terminal of one polarity of the module, and both terminals of the primary winding are connected to the other polarity of the module. A primary winding connected to the output terminal of
  A transformer having a center tap type secondary winding having more turns than the primary winding;
  (G) a first input switching element interposed between one terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
  (H) a second input switching element interposed between the other terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
  (I) a push-pull control circuit that alternately controls on / off of the first and second input switching elements;
  (J) a full-wave rectifier circuit,
    A full-wave rectifier bridge having an input terminal connected to both terminals of the secondary winding;
    A full-wave rectifier circuit having a pair of series-connected capacitors connected between output terminals of a full-wave rectifier bridge, the connection point of the capacitors being connected to the center tap of the secondary winding When,
  (K) Three sets of output switching circuits connected between the output terminals of the full-wave rectifier circuit, each set of switching circuits having a pair of first and second output switching elements connected in series; An output switching circuit for deriving a three-phase alternating current output from a connection point of the first and second output switching elements of each set;
  (L) A thermoelectric generator including a pulse width modulation control circuit that obtains a three-phase sine wave by performing pulse width modulation control on the first and second output switching elements.
[0022]
According to the present invention, a thermoelectric generator having a reduced size and a simplified configuration can be easily realized. For example, a thermoelectric generator
The aforementioned module 212 for a thermoelectric generator,
A burner 35 disposed radially inward of the cylinder 144 and below the inner passage 221 from which the first projecting portion 225 projects, and supplying exhaust gas to the inner passage 221;
The combustion air of the burner 35 includes a guide member 246 that forms an outer passage 223 from which the second projecting member 228 projects and is radially outward of the cylinder 144.
[0023]
  The present invention also providesInsideA burner disposed below the passage and supplying exhaust gas to the inner passage;
  Combustion air supplied to the flame of the burner flows through an outer passage through which the second projecting portion projects.
[0024]
According to the present invention, the heating source may be the above-described burner, but may be a heating source having another configuration. In the configuration described above, the inner passage is heated and the outer passage is cooled. However, in another embodiment of the present invention, the inner passage may be cooled and the outer passage may be heated. Good.
[0025]
The thermoelectric generator module may be configured in a ring shape as in each of the embodiments illustrated in FIGS. 1 to 18, but is configured in an elongated cylindrical shape as illustrated in FIGS. 19 and 20. Further, as shown in FIGS. 21 and 22, it may be configured to extend linearly (vertical direction in FIG. 21, direction perpendicular to the paper surface in FIG. 22), or may be realized by other configurations. Good.
[0031]
The present invention also provides a pulse width modulation control circuit,
(A) a phase-locked loop circuit,
A reference signal source for generating a 50 or 60 Hz reference signal;
A phase comparator that generates a voltage corresponding to the phase difference between the output of the reference signal source and the input signal;
A voltage-controlled oscillation circuit which is given a voltage of a phase comparator and oscillates at a frequency F corresponding to the voltage;
A first frequency divider that divides the output of the voltage-controlled oscillation circuit by a predetermined frequency division ratio N and gives it as the input signal of the phase comparator;
The voltage from the phase comparator is a phase-locked loop circuit that is a value that controls the oscillation frequency F of the voltage-controlled oscillation circuit so that the phase of the output of the first frequency divider matches the phase of the reference signal;
(B) a first delay circuit for shifting the output of the voltage controlled oscillator circuit by 120 degrees;
(C) a second frequency divider that divides the output of the first delay circuit by the predetermined frequency division ratio N;
(D) a second delay circuit that shifts the output of the first delay circuit by 120 degrees;
(E) a third frequency divider that divides the output of the second delay circuit by the predetermined frequency division ratio N;
(F) including a pulse width modulation control signal generation circuit that performs pulse width modulation control of the first and second output switching elements for each of the three sets in response to outputs of the first to third frequency dividers. It is characterized by.
[0032]
In the present invention, the first and second output switching elements are transistors having the same conductivity type.
The control signal from the pulse width modulation control signal generation circuit is supplied to the control terminals of the first and second output switching elements as they are and via an inverting circuit, respectively.
[0033]
In the present invention, the first and second delay circuits have one delay circuit portion connected in cascade,
Each delay circuit part
The phase is delayed by 60 degrees including a series capacitor and a parallel capacitor.
[0034]
According to the present invention, a phase-lock loop (abbreviated as PLL) circuit is used to generate an AC signal having a natural number N (where N is a value of 2 or more) times the desired AC output frequency of 50 Hz or 60 Hz. The first and second delay circuits are sequentially shifted by 120 degrees, and thus control for on / on control of each set of the first and second output switching elements using the first to third frequency dividers. A signal can be obtained. This AC signal is higher by a natural number N times than the above-mentioned 50 Hz or 60 Hz, so that the series capacitor and the parallel resistance of the first and second delay circuits can be miniaturized, which is particularly portable and lightweight. Is necessary to do.
[0035]
In another embodiment of the present invention, the conduction type of the first and second output switching elements is realized by the same transistor, for example, only by the PNP bipolar transistor, or only by the NPN type bipolar transistor, or alternatively It is realized only by P-type MOS or only by N-type MOS. At this time, either one of the first and second output switching elements is supplied with a control signal as it is, and the other control terminal is supplied with the control signal. Gives the control signal inverted by an inverting circuit, thus alternately turning on / off the first and second output switching elements and preventing them from turning on simultaneously. In other implementations, the first and second output switching elements are transistors of opposite conductivity types, for example, may be PNP and NPN bipolar transistors, or alternatively P-channel and NPN A channel-type metal oxide field effect transistor (abbreviated as MOS FET) may be used. A control signal from the pulse width modulation control signal generation circuit is directly applied to a control terminal such as a base or a gate of a transistor having a conductivity type opposite to each other, whereby the first and second output switching elements are alternately arranged. There is no fear of short-circuiting when the ON state is achieved at the same time and the ON state is achieved.
[0036]
According to the present invention, the reference signal generation source is a commercial AC power supply system.
[0037]
According to the present invention, the reference signal from the reference signal generation source is an output of the commercial AC power supply system, and thereby AC power synchronized with the commercial AC power supply can be obtained by thermoelectric generation.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing a simplified overall configuration of a thermoelectric generator 1 according to an embodiment of the present invention. The thermoelectric generator 1 basically includes a semiconductor converter 2 and a switching power supply circuit 3 to which a thermoelectromotive force obtained by the semiconductor converter 2 is applied.
[0039]
FIG. 2 is a diagram showing a simplified thermoelectromotive force of the semiconductor converter 2. A direct-current thermoelectromotive force is obtained from between the positive output terminal 4 and the negative output terminal 5 of the semiconductor converter 2. For example, when an 8Ω load 6 is connected between these output terminals 4 and 5, as an example, a voltmeter 7 obtains, for example, 5V, and an ammeter 8 measures, for example, 0.625A.₀= 3W (= 5 × 0.625) is obtained. In the thermoelectric generator 1 of the present invention, the thermoelectromotive force obtained from the output terminals 4 and 5 of the semiconductor converter 2 is applied to the switching power supply circuit 3, and the switching power supply circuit 3 performs, for example, a pulse width modulation operation of 20 to 300 kHz. Depending on the output power P of 1.2 to 17.9 kW₀You will be able to get
[0040]
FIG. 3 is a simplified front view of the semiconductor converter 2, and FIG. 4 is a simplified view of a part of the semiconductor converter developed in the circumferential direction. The semiconductor converter 2 is realized by a module 12 in which a plurality of sets of submodules 11 are connected in series. In the following description, the reference numerals are indicated by suffixes a, b, and c, respectively, and may be indicated only by numerals. The submodule 11 includes a heating member 13, a cooling member 14, a p-type semiconductor element 15 disposed between the heating and cooling members 13 and 14, and a p-type semiconductor element on the heating member 13. 15 and an n-type semiconductor element 16 disposed on the opposite side (lower side in FIG. 4).
[0041]
Among the adjacent submodules 11a and 11c, the cooling member 14c of the other submodule 11c is arranged on the n-type semiconductor element 16a of the one submodule 11a. Similarly, the cooling member 14a of the submodule 11a is disposed in the n-type semiconductor element 16b of the submodule 11b. Thus, the submodules 11 are connected in series.
[0042]
FIG. 5 is a diagram showing a basic configuration of the submodule 11a, and FIG. 6 is a diagram showing an energy band of the submodule 11 shown in FIG. The heating member 13a has a temperature higher than that of the cooling members 14a and 14c. When such a temperature difference exists, a high temperature portion and a low temperature portion are formed in each of the semiconductor elements 15a and 16a. In these semiconductor elements 15a and 16a, the density of free electrons indicated by black circles in FIG. 6 varies depending on the temperature, and is high at a high temperature portion and low at a low temperature portion. Therefore, a difference occurs in the density of free electrons, so that electrons diffuse from the high temperature portion toward the low temperature portion. Accordingly, the negative charge becomes excessive in the low temperature portion, and the positive charge of the donor shown by the white circle in FIG. 6 is left in the high temperature portion, so that a potential difference that makes the hot junction positive is generated, and this electric field is diffused. Block the electrons trying to go. Where these two effects are equal, an equilibrium state is reached. In the high temperature part, the Fermi level comes closer to the center of the energy gap, thereby obtaining a thermoelectromotive force. The thermoelectromotive force of the p-type semiconductor element 15a is indicated by Vp, and the thermoelectromotive force of the n-type semiconductor element 16a is indicated by Vn. In the p-type semiconductor element 15a, there is a difference in the density of holes instead of electrons, and the direction of the thermoelectromotive force between the high-temperature portion and the low-temperature portion is opposite to that in the n-type semiconductor element 16a, so that thermoelectric power generation is performed. Done.
[0043]
These semiconductor elements 15a and 16a are, for example, single crystals, and the semiconductor material thereof is, for example, Bi.₂Ti_ThreeMay be an alloy whose basic component is PbTe, ZnSb, or other semiconductor materials. The heating member 13a and the cooling members 14a and 14c are made of metal having good heat conduction, and may be, for example, Cu or Al, but may be other metals.
[0044]
FIG. 7 is a simplified diagram for explaining the thermoelectromotive force of the semiconductor converter 2, and FIG. 8 is a diagram showing the electrical configuration shown in FIG. 7 in a simplified manner. When the thermoelectromotive force of each submodule 11 is generated, a current indicated by reference numeral 17 flows.
[0045]
FIG. 9 shows a state in which the voltmeter 7 is connected to the semiconductor converter 2. The thermoelectromotive force obtained from the semiconductor converter 2 is measured by a voltmeter 7.
[0046]
FIG. 10 is a simplified electrical circuit diagram of the semiconductor converter 2. The current flowing by the thermoelectromotive force of the semiconductor converter 2 can be measured by the ammeter 8.
[0047]
Referring to FIG. 3 again, the entire shape of semiconductor converter 2 is a ring shape, and an inner passage 21 is formed. A cylindrical body 22 that surrounds the outer side of the semiconductor converter 2 in the radial direction is formed concentrically. An outer passage 23 is formed between the outer peripheral surface of the semiconductor converter 2 and the inner peripheral surface of the cylindrical body 22.
[0048]
The heating member 13a has a portion 25a protruding into the inner passage 21, and the proximal end portion 26a of the heating member 13a in the radial direction extends over the entire length of the semiconductor elements 15a and 16a in the radial direction (left-right direction in FIG. 4). Extend. The portion 25a protruding into the inner passage 21 of the heating member 13a has an inclined surface 27. Therefore, the thickness of the protruding portion 25a (that is, the vertical thickness in FIG. 4 and the circumferential thickness in FIG. 3) is in the radial direction. It becomes thinner as it goes inward (to the right in FIG. 4). Since the protruding portion 25a of the heating member 13a has the inclined surface 27 and is formed thinner toward the inside in the radial direction, the flow resistance in the inner passage 21 is reduced, and the flow of exhaust gas in the inner passage 21 is made smooth. , Improving its speed and thereby improving heat transfer.
[0049]
The cooling member 14 a has a protruding portion 28 a that protrudes into the outer passage 23. A base end portion 29 extending radially inward (rightward in FIG. 4) from the protruding portion 28a of the cooling member 14a extends over the entire length of the semiconductor elements 15a and 16b in the radial direction. The external shapes of the semiconductor elements 15 and 16 have the same shape.
[0050]
High-temperature exhaust gas from the heating source 31 is supplied from the pipe 32 to one end of the inner passage 21 in the axial direction, and flows from the other end of the inner passage 21 in one direction 33 and is discharged. The heating source 31 is a gas fuel such as city gas or a fuel from a fuel supply source 34 such as a liquid fuel supplied to the burner 35 to burn the fuel, and the combustion gas is supplied to the pipe line 32 as described above. Is done. Instead of the burner 35, high-temperature steam or high-temperature exhaust gas from an internal combustion engine may be used. Further, a heat transfer tube through which high-temperature fluid such as steam or exhaust gas is transported is used as a heating source. Also good. The cooling source 36 is realized by a fan, and is supplied so as to flow from the pipe 37 to the outer passage 23 in the other direction 38. Thus, the flow directions 33 and 38 of the heating fluid that is the exhaust gas in the inner passage 21 and the normal temperature air that is the cooling fluid of the outer passage 23 are opposite to each other, and heat is transferred in a counterflow. This can improve the thermal efficiency.
[0051]
Referring again to FIG. 1, switching power supply circuit 3 includes a transformer 41. The transformer 41 is configured by winding a center tap type primary winding 42 and a center tap type secondary winding 43 around a core 44. The center tap 45 of the primary winding 42 is connected to the positive output terminal 4 of the semiconductor converter 2. Both terminals 46 and 47 of the primary winding 42 are commonly connected to the negative output terminal 5 of the semiconductor converter 2. The primary winding 42 may be, for example, one turn on both sides of the center tap 45. The secondary winding 43 has more turns on both sides of the center tap 49 than the one winding of the center tap 45 of the primary winding 42, and may be, for example, 28 turns.
[0052]
A first input switching element 51 is interposed between one terminal 46 of the primary winding 42 and the negative output terminal 5 of the semiconductor converter 2. A second input switching element 52 is interposed between the other terminal 47 of the primary winding 42 and the negative output terminal 5 of the semiconductor converter 2. Any of these first and second input switching elements 51 and 52 may be realized by, for example, a PNP-type bipolar transistor, or may be realized by an NPN-type bipolar transistor, or alternatively, a P-channel type metal oxide. It may be realized by a film field effect transistor (abbreviated as MOS FET), or may be realized by an N-channel type MOS FET, and these first and second input switching elements 51 and 52 are of the same conductivity type. .
[0053]
FIG. 11 is a waveform diagram for explaining the operation of the first and second input switching elements 51 and 52. The push-pull control circuit 53 derives a control signal having the waveform shown in FIG. 11 (1) on the line 54 and applies it to a control terminal such as a base or a gate of the first input switching element 51. The control signal derived from the push-pull control circuit 53 to the line 54 is also inverted by the inverting circuit 55, and the signal having the waveform shown in FIG. 11 (2) is the base or gate of the second input switching element 52. To the control terminal. In this way, the pair of first and second input switching elements 51 and 52 performs push-pull operation by being alternately turned on / off so that the core 44 is not saturated at 20 to 300 kHz, for example.
[0054]
A full-wave rectifier circuit 57 is connected to the secondary winding 43 of the transformer 41. The full wave rectifier circuit 57 includes a full wave rectifier bridge 58, a pair of capacitors 59 and 60, and a choke 61. Both terminals 44 and 45 of the secondary winding 43 are connected to the input terminals 62 and 63 of the full-wave rectifier bridge 58, respectively. A pair of capacitors 59 and 60 connected in series are connected between the lines 68 and 69 to the output terminals 56 and 57 of the full-wave rectifier bridge 58. A connection point 71 between the capacitors 59 and 60 is connected to the center tap 49 of the secondary winding 43 and grounded. Thus, the full-wave rectified waveform 77 derived from the full-wave rectifier bridge 58 is smoothed by the capacitors 59 and 60. Between the output terminals 72 and 73 connected to the lines 68 and 69 of the full-wave rectifier circuit 57, three sets of output switching circuits 74, 75, and 76 for deriving a three-phase AC output are connected.
[0055]
FIG. 12 is a diagram showing a specific electrical configuration of the output switching circuits 74, 75, 76. Lines 81 and 82 are connected to output terminals 72 and 73 of full-wave rectifier circuit 57 in series via chokes 78 and 79. These lines 81 and 82 are connected to a total of three sets of output switching circuits 74, 75, and 76 corresponding to the phases of the three-phase AC output. Each output switching circuit 74, 75, 76 has a pair of first and second output switching elements 83, 84; 85, 86; 87, 88 connected in series. From points 91 to 93, the electric power of each phase is taken out. These first and second output switching elements 83 to 88 have the same configuration as the first and second input switching elements 51 and 52 described above.
[0056]
The pulse width modulation control circuit 94 gives control signals to the first and second output switching elements 83 to 88. As a result, the AC power derived from the connection points 91 to 93 becomes a three-phase sine wave.
[0057]
FIG. 13 is an electric circuit diagram showing a configuration of part of the pulse width modulation control circuit 94. The phase lock loop circuit 96 generates a reference signal having a desired predetermined frequency f1, for example, 50 or 60 Hz, from the reference signal generation source 97. The reference signal generation source 97 may be realized by one oscillation circuit, but in another embodiment of the present invention, it may be a commercial AC power supply system, and the voltage waveform of the commercial AC power supply is a phase comparison. It may be configured to be supplied to the input terminal 99 of the device 98. This reference signal is applied to the input terminal 99 of the phase comparator 98. Another input terminal 100 is supplied with an input signal. The phase comparator 98 generates a voltage corresponding to the phase difference between the reference signal applied to the input terminals 99 and 100 and the input signal. The output of the phase comparator 98 is given to a voltage controlled oscillation circuit (abbreviated as VCO) 102 through a low pass filter 101. The voltage controlled oscillation circuit 102 oscillates at a frequency F corresponding to the voltage supplied from the phase comparator 98 via the low pass filter 101. The frequency F is a natural number N times (F = N · f1) the frequency f1 of the reference signal (for example, 50 or 60 Hz described above). N is an integer of 2 or more. The first frequency divider 103 divides the output of the oscillation circuit 102 by a predetermined frequency division ratio N, and supplies it to the aforementioned input terminal 100 of the phase comparator 98 as the input signal. The voltage from the phase comparator 98 is a value that controls the oscillation frequency F of the oscillation circuit 102 so that the phase of the output of the first frequency divider 103 matches the phase of the reference signal. Thus, the phase lock loop circuit 96 is configured. The output of the first frequency divider 103 is derived from the line 104 as a control signal for the first phase.
[0058]
The output of the voltage controlled oscillation circuit 102 is given to the first delay circuit 105b, and the output of the oscillation circuit 102 is delayed by 120 degrees. The output of the first delay circuit 105b is supplied to the second frequency divider 103b through the buffer 107b, and is divided by the predetermined frequency division ratio N. Thus, the control signal for the second phase is derived from the line 104b. The output of the buffer 107b is supplied to another second delay circuit 105c and is delayed by 120 degrees. The output of the second delay circuit 105c is supplied from the buffer 107c to the third frequency divider 103c, and is divided by the predetermined frequency division ratio N. Thus, the control signal for the third phase is derived from the line 104c. The first delay circuit 105b includes two cascaded delay circuit portions 105b1 and 105b2. These delay circuit portions 105b1 and 105b2 function to delay the phase by 60 degrees. The delay circuit portion 105b1 has a series capacitor 111 and a parallel resistor 112, and a phase of 60 degrees delayed is set by their time constants. The other delay circuit portion 105b2 has the same configuration as the delay circuit portion 105b1 described above.
[0059]
The second delay circuit 105c has a configuration similar to that of the first delay circuit 105b described above. Since the first and second delay circuits 105b and 105c delay the relatively high frequency F from the oscillation circuit 102, the time constants of the series capacitor 111 and the parallel resistor 112 constituting them may be small, and therefore the size can be reduced. Figured.
[0060]
FIG. 14 is a block diagram showing the pulse width modulation control signal generation circuit 114. The output signals derived from the first to third frequency dividers 103a to 103c shown in FIG. 13 to the lines 104a to 104c are given to the pulse width modulation control signal generation circuits 114a, 114b, and 114c for each phase, respectively. Each control signal is supplied to the control terminals of the first output switching elements 83, 85, 87, and the control terminals of the second output switching elements 84, 86, 88 via the inverting circuits 116a, 116b, 116c, respectively. Given to each.
[0061]
FIG. 15 is a waveform diagram for explaining the operation of the pulse width modulation control signal generation circuit 114. Each of these pulse width modulation control signal generation circuits 114a, 114b, and 114c obtains a sine wave for each of three phases as shown in FIGS. 15 (1), 15 (2), and 15 (3). For this purpose, a pulse width modulation operation is performed. Thus, from the connection points 91, 92, 93 of the output switching circuits 74, 75, 76 shown in FIG. 12, the sine wave shown in FIG. 15 (4), FIG. 15 (5) and FIG. 117, 118, and 119, respectively. A single phase sine wave is obtained between line 117 and ground 49,71.
[0062]
FIG. 16 is a partial electric circuit diagram of still another embodiment of the present invention. This embodiment is similar to the above-described embodiment, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals. Particularly in this embodiment, the three-phase AC power derived from the lines 117, 118, and 119 is supplied to the primary windings of the transformers 121 to 123 connected in a star shape. From the center tap type secondary windings of the transformers 121 to 123, for example, 120V AC power is obtained between the center taps, or 240V AC power is obtained between both terminals. Thus, single-phase AC power can be obtained from each of the transformers 121 to 123.
[0063]
  FIG. 17 is a cross-sectional view showing a simplified overall configuration of a thermoelectric generator according to another embodiment of the present invention. FIG. 18 is a part of the thermoelectric generator module 12 used in the thermoelectric generator of FIG. FIG. With reference to these drawings, the module 12 is attached to the top of the housing 151, and the upper part of the module 12 is covered by a single or plural (in this embodiment, double) cover 152, and the exhaust hole 153 The exhaust gas from the burner 35 is discharged to the outside. Surrounded by the protruding portion 25 of the module 12Of the inner passage 21A lid 154 is disposed in the space, and the high-temperature exhaust gas from the flame 141 of the burner 35 can flow in contact with the protruding portion 25 with certainty. Combustion air for the flame 141 of the burner 35 is supplied from the combustion air supply hole 155 of the housing 151 to the module 12.In the outer passage 23The protruding portion 28 comes into contact with the protruding portion 28 and bends from the horizontal direction to the vertical direction as indicated by an arrow 156, and the protruding portion 28 is cooled by the combustion air. Undesirable air in the housing 151 is discharged to the outside from a fan 157 provided at the bottom of the housing 151. In the vicinity of the fan 157, a DC / AC converter 158 such as a switching power supply circuit for converting DC power obtained from the module 12 into AC power is provided. Thus, the thermoelectric generator 150 shown in FIG. 17 is realized. Such a thermoelectric generator 150 is small, has a simple structure, and achieves an excellent effect that energy such as power for the operation is unnecessary.
[0064]
The overall shape of the module 12 is formed in a ring 137 having a vertical axis, and a plurality of sets of submodules 11 are connected in series in the circumferential direction. Each sub-module 11 has a first projecting portion 25 projecting inward in the radial direction of the ring, and extends in the axial direction of the ring. The metal second heat conducting member 14 having the second projecting portion 28 and good heat conduction is disposed between the base end portions 26 and 29 of the first and second heat conducting members 13 and 14. , P-type or n-type one-conductivity type first semiconductor element 15 and either one of first and second heat conducting members 13, 14 at base ends 26, 29 are opposite to first semiconductor element 15. And the second semiconductor element 16 of the other conductivity type of p-type or n-type.
[0065]
  By using the thermoelectric generator module 12 configured by connecting a plurality of submodules in series, a thermoelectric generator that is downsized and has a simple configuration can be easily realized. The thermoelectric generator is disposed below the inner passage 21 where the protruding portion 25 of the first heat conduction member 13 protrudes in the radial direction of the ring and the module 12 for thermoelectric generator described above. The combustion air of the burner 35 isOutside passage 23It passes between the second heat conducting members 14 and is supplied to the flame 141 of the burner 35.
[0066]
19 is a cross-sectional view of a thermoelectric generator 160 according to another embodiment of the present invention, and FIG. 20 is an exploded perspective view of a part of the thermoelectric generator module 212 shown in FIG. A burner 35 is disposed below the module 212, and exhaust gas resulting from the combustion of the flame 141 flows through an inner passage 221 formed by the module 212. Combustion air supplied to the flame 141 of the burner 35 is directed downward as indicated by an arrow 162 in the outer passage 223 formed between the module 212 and a straight cylindrical guide member 161 coaxial with the module 212. As a result, the flow direction of the high-temperature exhaust gas flowing upward in the inner passage 221 is opposite to each other, the module 212 is subjected to countercurrent heat exchange, and the entire semiconductor elements 215 and 216 have a uniform temperature distribution. It is possible to prevent this and increase the power generation efficiency.
[0067]
The entire shape of the module 12 is formed in a cylinder 144 having a vertical axis 143, and a plurality of sets of submodules 211 are connected in series vertically. Each sub-module 211 includes (a) a first heat conducting member 213, a first annular portion 226 coaxial with the cylinder, and a first projecting portion 225 projecting radially inward from the first annular portion 226. A metal first heat conducting member 213 having good heat conduction, and (b) a second heat conducting member 214, which is composed of a second annular portion 229 coaxial with the cylinder, and a second annular portion 229. A metal second heat conducting member 214 having a second projecting portion 228 projecting radially outward and having good heat conduction, and (c) interposed between the first and second annular portions 226 and 229, A plurality of first semiconductor elements 215 arranged at intervals in the circumferential direction and having one conductivity type of p-type or n-type, and (d) one of the first and second annular portions 226, 229, Arranged on the opposite side of the semiconductor element 215, p-type or n And a second semiconductor element 216 a plurality of the other conductivity type of. (E) The second annular portion 229c of the other submodule 211c is arranged on the second semiconductor element 216a of the one submodule 211a arranged adjacent to each other in the vertical direction. The first and second projecting portions 225 and 228 are disposed at the same position in the circumferential direction of the cylinder 144, and the first and second semiconductors are disposed at the same position in the circumferential direction of the first and second projecting portions 225 and 228. Elements 215 and 216 are preferably arranged. As a result, the heat flow to the first and second semiconductor elements 215 and 216 is efficiently performed, and the power generation efficiency is increased. According to the present invention, a thermoelectric generator having a reduced size and a simplified configuration can be easily realized. The thermoelectric generator is disposed radially inward of the thermoelectric generator module 212 and the cylinder 144, below the inner passage 221 from which the first protruding portion 225 protrudes, and supplies exhaust gas to the inner passage 221. The burner 35 includes a guide member 246 that forms an outer passage 223 from which the second projecting member 228 projects and the combustion air of the burner 35 is radially outward of the cylinder 144.
[0068]
FIG. 21 is a plan view of a thermoelectric generator 164 according to still another embodiment of the present invention, and FIG. 22 is a longitudinal sectional view of the thermoelectric generator 164 shown in FIG. In the thermoelectric generator module 12, the submodules 11 are arranged, for example, in a straight line in the horizontal direction (up and down direction in FIG. 21 and perpendicular to the plane of FIG. 22). Below this module 12, a burner 35 is disposed on one side (right side in FIGS. 21 and 22) with respect to the module 12, heating is performed, and a fan is provided on the other side (left side in FIGS. 21 and 22). 36 is provided for cooling. The present invention also includes the concept of such a thermoelectric generator 164.
[0069]
Other configurations of the embodiments shown in FIGS. 17 to 22 are the same as those of the embodiments of FIGS. The heating area by the heating source and the cooling heat source may be opposite to the above-described embodiments, that is, for example, the heating member in the above-described embodiments may be cooled and the cooling member may be heated.
[0070]
The present invention can be combined with an internal combustion engine of an automobile, uses the cooling water as a heating source, and uses air during traveling of the automobile as a cooling fluid of the cooling source. Thus, power can be supplied to the in-vehicle electronic device, and the present invention can be realized more effectively.
[0071]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the small and lightweight portable thermoelectric generator which is low noise, suppresses the deterioration of an environment, and is easy to maintain is implement | achieved. The thermoelectric generator is more efficient than the prior art having a configuration in which a generator is driven by the internal combustion engine.
[0072]
In particular, according to the present invention, a thermoelectromotive force is generated by a semiconductor conversion element using a thermoelectric phenomenon that is the Seebeck effect, and an output of the semiconductor converter is converted into an alternating current by a switching power supply circuit. Therefore, even in a place where a commercial AC power line is not provided, it is possible to easily carry the present thermoelectric generator and supply power to the AC load. As described above, such a thermoelectric generator can be realized in a small size and light weight, is low in noise, has little environmental deterioration due to exhaust gas, and is easy to maintain.
[0073]
Further, according to the present invention, the sub-module of the semiconductor converter uses a pair of p, n-type semiconductor elements, and a plurality of these sub-modules are connected in series, thereby generating a thermoelectromotive force. Can be used to generate heat by directly converting heat energy into electrical energy. One end of each of the p and n conductivity type semiconductor elements is connected, for example, by a heating member, and the other end is connected, for example, to a cooling member, thus realizing a temperature difference and generating electric power.
[0074]
Further, according to the present invention, the semiconductor converter is formed in a ring shape to form an inner passage, an outer passage is formed by a cylinder outside the semiconductor converter, and the inner passage and the outer passage are heated. The heating fluid and cooling fluid from the source and the cooling source can be supplied, for example, in countercurrent, thus easily obtaining the thermoelectromotive force. The heating fluid may be a gas such as exhaust gas obtained by a burner that burns gas fuel or liquid fuel, or may be a liquid such as hot water. The cooling fluid may be a gas such as room temperature air, or may be water such as tap water or other liquid. Thus, the present invention can be easily realized.
[0075]
Further, according to the present invention, the heating member and the cooling member extend over the entire length in the radial direction and are electrically connected to the semiconductor element, so that the semiconductor element can be efficiently heated and cooled, and the electrical resistance is reduced. It is possible to reduce the internal resistance as a power source.
[0076]
Further, according to the present invention, the heating fluid from the heating source is supplied to the inner passage, and the thickness of the portion of the heating member protruding into the inner passage is reduced inward in the radial direction, whereby the heating fluid in the inner passage is formed. In addition to reducing the flow path resistance, the flow rate of the heating fluid in the inner passage can be increased to smoothly move the heat from the heating fluid to the heating member, thereby increasing the efficiency.
[0077]
The outer passage is radially outward of the semiconductor converter and can easily form a larger cross-sectional area than the inner passage. Therefore, the thickness of the portion of the cooling member protruding into the outer passage is radially outward. It is not necessary to form a thin film as it approaches, and it may be uniform in the radial direction.
[0078]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to implement | achieve the module for thermoelectric generators which reduced the structure and simplified.
[0079]
Further, according to the present invention, the output of the thermoelectromotive force of the semiconductor converter is given to the primary winding of the step-up transformer via the first and second input switching elements in a push-pull manner, and the center tap connection of the transformer AC is generated by push-pull operation, and the secondary side rectification is equivalent to full-wave rectification when viewed from the primary side, or may be two-phase half-wave rectification, which handles twice as much power. be able to. Further, the number of turns of the secondary winding may be relatively small. For example, in the embodiment described later, there may be 28 turns on both sides of the center tap.
[0080]
Further, according to the present invention, positive and negative voltages are applied to the transformer, so that the utilization factor is good. Even if the capacitor for smoothing the waveform after full-wave rectification has a relatively small capacity, Good. Thus, according to the present invention, highly efficient three-phase sine wave power can be easily obtained by the pulse width modulation control of the first and second output switching elements.
[0081]
In order to obtain a single-phase sine wave, a star connection transformer may be used as in the embodiment of FIG. 12 to be described later, but a Y connection transformer may be used. A set of first and second output switching elements are on / off controlled by a pulse width modulation control circuit, and between the connection point of the first and second output switching elements and the center tap of the secondary winding, A single-phase AC output can be obtained.
[0082]
Further, according to the present invention, an AC signal having a natural number N (where N is a value of 2 or more) times a desired AC output frequency of 50 Hz or 60 Hz is generated using a phase lock loop (abbreviated PLL) circuit. Are sequentially shifted by 120 degrees in the first and second delay circuits, and thus the first to third frequency dividers are used to control on / on of each set of the first and second output switching elements. A control signal can be obtained. This AC signal is higher by a natural number N times than the above-mentioned 50 Hz or 60 Hz, so that the series capacitor and the parallel resistance of the first and second delay circuits can be miniaturized, which is particularly portable and lightweight. Is necessary to do.
[0083]
In another embodiment of the present invention, the conduction type of the first and second output switching elements is realized by the same transistor, for example, only by the PNP bipolar transistor, or only by the NPN type bipolar transistor, or alternatively It is realized only by P-type MOS or only by N-type MOS. At this time, either one of the first and second output switching elements is supplied with a control signal as it is, and the other control terminal is supplied with the control signal. Gives the control signal inverted by an inverting circuit, thus alternately turning on / off the first and second output switching elements and preventing them from turning on simultaneously. In other implementations, the first and second output switching elements are transistors of opposite conductivity types, for example, may be PNP and NPN bipolar transistors, or alternatively P-channel and NPN A channel-type metal oxide field effect transistor (abbreviated as MOS FET) may be used. A control signal from the pulse width modulation control signal generation circuit is directly applied to a control terminal such as a base or a gate of a transistor having a conductivity type opposite to each other, whereby the first and second output switching elements are alternately arranged. There is no fear of short-circuiting when the ON state is achieved at the same time and the ON state is achieved.
[0084]
The reference signal from the reference signal generation source is an output of the commercial AC power supply system, and thereby AC power synchronized with the commercial AC power supply can be obtained by thermoelectric generation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a simplified overall configuration of a thermoelectric generator 1 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a simplified thermoelectromotive force of the semiconductor converter 2;
FIG. 3 is a simplified front view of the semiconductor converter 2;
FIG. 4 is a diagram showing a part of the semiconductor converter in a simplified manner developed in the circumferential direction.
FIG. 5 is a diagram showing a basic configuration of a submodule 11a.
6 is a diagram showing an energy band of the submodule 11 shown in FIG. 5. FIG.
FIG. 7 is a simplified diagram for explaining the thermoelectromotive force of the semiconductor converter 2;
FIG. 8 is a diagram showing the electrical configuration shown in FIG. 7 in a simplified manner.
9 shows a state in which a voltmeter 7 is connected to the semiconductor converter 2. FIG.
10 is a simplified electrical circuit diagram of the semiconductor converter 2. FIG.
FIG. 11 is a waveform diagram for explaining the operation of the first and second input switching elements 51 and 52;
12 is a diagram showing a specific electrical configuration of output switching circuits 74, 75, and 76. FIG.
13 is an electric circuit diagram showing a partial configuration of a pulse width modulation control circuit 94. FIG.
14 is a block diagram showing a pulse width modulation control signal generation circuit 114. FIG.
15 is a waveform diagram for explaining the operation of the pulse width modulation control signal generation circuit 114. FIG.
FIG. 16 is a partial electric circuit diagram of still another embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a simplified overall configuration of a thermoelectric generator according to another embodiment of the present invention.
18 is an exploded perspective view of a part of the thermoelectric generator module 12 used in the thermoelectric generator of FIG.
FIG. 19 is a cross-sectional view of a thermoelectric generator 160 according to another embodiment of the present invention.
20 is an exploded perspective view of a part of the thermoelectric generator module 212 shown in FIG.
FIG. 21 is a plan view of a thermoelectric generator 164 according to still another embodiment of the present invention.
22 is a longitudinal sectional view of the thermoelectric generator 164 shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1 Thermoelectric generator
2 Semiconductor converter
3 Switching power supply circuit
11 Submodule
12 modules
13 Heating member
14 Cooling member
15 p-type semiconductor device
16 n-type semiconductor device
21 Inside passage
22 cylinder
23 Outer passage
25, 28 Protruding part
31 Heating source
36 Cooling source
41 transformer
42 Primary winding
43 Secondary winding
51 1st input switching element
52 Second input switching element
53 Push-pull control circuit
55 Inversion circuit
57 Full-wave rectifier circuit
58 Full-wave rectifier bridge
59,60 capacitors
74, 75, 76 Output switching circuit
83, 85, 87 1st output switching element
84, 86, 88 Second output switching element
94 Pulse width modulation control circuit
96 Phase Lock Loop Circuit
97 Reference signal source
98 Phase comparator
101 Low-pass filter
102 Voltage controlled oscillator circuit
103a First frequency divider
103b Second frequency divider
103c Third frequency divider
105b First delay circuit
105b1 first delay circuit portion
105b2 Second delay circuit portion
105c Second delay circuit
111 Series capacitor
112 parallel resistance
114a, 114b, 114c Pulse width modulation control signal generation circuit

Claims

A semiconductor converter that generates thermal electromotive force by directly converting thermal energy into electrical energy;
Look including a switching power supply circuit for converting the AC output of the semiconductor converter,
The semiconductor converter is realized by a module in which a plurality of sets of submodules configured by electrically connecting a pair of p-type semiconductor elements and n-type semiconductor elements at one end are connected in series,
The switching power supply circuit is
(A) a transformer,
A center tap type primary winding to which the output of the module is applied. The center tap of the primary winding is connected to the output terminal of one polarity of the module, and both terminals of the primary winding are connected to the other polarity of the module. A primary winding connected to the output terminal of
A transformer having a center tap type secondary winding having more turns than the primary winding;
(B) a first input switching element interposed between one terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
(C) a second input switching element interposed between the other terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
(D) a push-pull control circuit for alternately controlling on / off of the first and second input switching elements;
(E) a full-wave rectifier circuit,
A full-wave rectifier bridge having an input terminal connected to both terminals of the secondary winding;
A full-wave rectifier circuit having a pair of series-connected capacitors connected between output terminals of a full-wave rectifier bridge, the connection point of the capacitors being connected to the center tap of the secondary winding When,
(F) three sets of output switching circuits connected between the output terminals of the full-wave rectifier circuit, each set of switching circuits having a pair of first and second output switching elements connected in series; An output switching circuit for deriving a three-phase AC output from a connection point of each set of the first and second output switching elements;
(G) A thermoelectric generator including a pulse width modulation control circuit that obtains a three-phase sine wave by performing pulse width modulation control on the first and second output switching elements.

The sub-module of the semiconductor converter is
A metal heating member with good heat conduction;
Including a metal cooling member having good heat conduction,
A p-type or n-type one-conductive type semiconductor element is interposed between the heating member and the cooling member,
In either one of the heating member and the cooling member, a semiconductor element of the other conductivity type is arranged on the side opposite to the semiconductor element of the one conductivity type, and configured.
The semiconductor element of the other conductivity type of one of the sub-modules are arranged adjacent to the heat generation of claim 1, wherein the other of the heating member or the cooling member of the other sub-module being arranged apparatus.

A semiconductor converter that generates thermal electromotive force by directly converting thermal energy into electrical energy;
A switching power supply circuit that converts the output of the semiconductor converter into an alternating current,
The semiconductor converter is realized by a module in which a plurality of sets of submodules configured by electrically connecting a pair of p-type semiconductor elements and n-type semiconductor elements at one end are connected in series,
Submodules are
A metal heating member with good heat conduction;
Including a metal cooling member having good heat conduction,
A p-type or n-type one-conductive type semiconductor element is interposed between the heating member and the cooling member. Arranged,
In either one of the heating member and the cooling member, a semiconductor element of the other conductivity type is arranged on the side opposite to the semiconductor element of the one conductivity type, and configured.
Either the heating member or the cooling member of the other submodule is arranged on the semiconductor element of the other conductivity type of the one submodule arranged adjacently,
The switching power supply circuit is
(A) a transformer,
A center tap type primary winding to which the output of the module is applied. The center tap of the primary winding is connected to the output terminal of one polarity of the module, and both terminals of the primary winding are connected to the other polarity of the module. A primary winding connected to the output terminal of
A transformer having a center tap type secondary winding having more turns than the primary winding;
(B) a first input switching element interposed between one terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
(C) a second input switching element interposed between the other terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
(D) a push-pull control circuit for alternately controlling on / off of the first and second input switching elements;
(E) a full-wave rectifier circuit,
A full-wave rectifier bridge having an input terminal connected to both terminals of the secondary winding;
A full-wave rectifier circuit having a pair of series-connected capacitors connected between the output terminals of the full-wave rectifier bridge, the connection point of the capacitors being connected to the center tap of the secondary winding When,
(F) three sets of output switching circuits connected between the output terminals of the full-wave rectifier circuit, each set of switching circuits having a pair of first and second output switching elements connected in series; An output switching circuit for deriving a three-phase alternating current output from a connection point of the first and second output switching elements of each set;
(G) A thermoelectric generator including a pulse width modulation control circuit that obtains a three-phase sine wave by performing pulse width modulation control on the first and second output switching elements.

The module is a ring shape whose overall shape forms an inner passage,
A cylindrical body that forms an outer passage surrounding the outside of the ring-shaped module in the radial direction;
A heating source for supplying a heating fluid;
A cooling source for supplying a cooling fluid,
The heating member projects into either the inner passage or the outer passage,
The cooling member protrudes to either the inner passage or the outer passage,
Directing heated fluid from a heating source to said one of the inner or outer passages;
The thermoelectric generator according to claim 2 or 3 , wherein a cooling fluid from a cooling source is guided to the other of the inner passage and the outer passage.

The thermoelectric generator according to claim 4 , wherein the heating member extends over the entire length in the radial direction of the semiconductor element.

The heated fluid from the heating source is guided to the inner passage,
The heating member protrudes into the inner passage,
The cooling fluid from the cooling source is guided to the outer passage,
The cooling passage projects into the outer passage,
Circumferential direction of the thickness of the ring in the portion protruding into the inner passage of the heating element, the thermal power generator according to claim 4 or 5, wherein being thinner as they become radially inwards.

A semiconductor converter that generates thermal electromotive force by directly converting thermal energy into electrical energy;
A switching power supply circuit that converts the output of the semiconductor converter into an alternating current,
The semiconductor converter is realized by a module 12 in which a plurality of sets of submodules 11 are connected in series in the circumferential direction, and the overall shape is formed in a ring 137 having a vertical axis,
Each submodule 11 is
A metal first heat conducting member 13 having a first projecting portion 25 projecting into the inner passage 21 radially inward of the ring and having good heat conduction;
A metal second heat conducting member 14 having a second projecting portion 28 projecting into the outer passage 23 in the axial direction of the ring, and having good heat conduction;
A first semiconductor element 15 disposed between the base ends 26 and 29 of the first and second heat conducting members 13 and 14 and having one conductivity type of p-type or n-type,
The p-type or n-type second-conductivity-type second semiconductor is disposed on either one of the base end portions 26 and 29 of the first and second heat conducting members 13 and 14 on the side opposite to the first semiconductor element 15. Element 16 and
The switching power supply circuit is
(A) a transformer,
A center tap type primary winding to which the output of the module is applied. The center tap of the primary winding is connected to the output terminal of one polarity of the module, and both terminals of the primary winding are connected to the other polarity of the module. A primary winding connected to the output terminal of
A transformer having a center tap type secondary winding having more turns than the primary winding;
(B) a first input switching element interposed between one terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
(C) a second input switching element interposed between the other terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
(D) a push-pull control circuit for alternately controlling on / off of the first and second input switching elements;
(E) a full-wave rectifier circuit,
A full-wave rectifier bridge having an input terminal connected to both terminals of the secondary winding;
A full-wave rectifier circuit having a pair of series-connected capacitors connected between output terminals of a full-wave rectifier bridge, the connection point of the capacitors being connected to the center tap of the secondary winding When,
(F) three sets of output switching circuits connected between the output terminals of the full-wave rectifier circuit, each set of switching circuits having a pair of first and second output switching elements connected in series; An output switching circuit for deriving a three-phase alternating current output from a connection point of the first and second output switching elements of each set;
(G) A thermoelectric generator including a pulse width modulation control circuit that obtains a three-phase sine wave by performing pulse width modulation control on the first and second output switching elements.

A semiconductor converter that generates thermal electromotive force by directly converting thermal energy into electrical energy;
A switching power supply circuit that converts the output of the semiconductor converter into an alternating current,
The semiconductor converter is realized by a module 212 in which a plurality of sets of submodules 211 are connected in series vertically and the overall shape is formed in a cylinder 144 having a vertical axis 143.
Each submodule 211 is
(A) the first heat conducting member 213,
A first annular portion 226 coaxial with the cylinder;
A first projecting portion 225 projecting from the first annular portion 226 into the radially inner passage 221;
A metal first heat conduction member 213 with good heat conduction;
(B) the second heat conducting member 214,
A second annular portion 229 coaxial with the cylinder;
A second projecting portion 228 projecting from the second annular portion 229 to the radially outward outer passage 223;
A metal second heat conductive member 214 having good heat conduction;
(C) a plurality of first semiconductor elements 215 that are interposed between the first and second annular portions 226 and 229, spaced apart in the circumferential direction, and having one conductivity type of p-type or n-type;
(D) is disposed on one of the first and second annular portions 226 and 229 on the side opposite to the first semiconductor element 215;
a plurality of second semiconductor elements 216 of the other conductivity type of p-type or n-type,
(E) The second annular portion 229c of the other submodule 211c is disposed on the second semiconductor element 216a of the one submodule 211a disposed adjacent to the upper and lower sides,
The switching power supply circuit is
(F) a transformer,
A center tap type primary winding to which the output of the module is applied. The center tap of the primary winding is connected to the output terminal of one polarity of the module, and both terminals of the primary winding are connected to the other polarity of the module. A primary winding connected to the output terminal of
A transformer having a center tap type secondary winding having more turns than the primary winding;
(G) a first input switching element interposed between one terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
(H) a second input switching element interposed between the other terminal of the primary winding and the other polarity output terminal of the module;
(I) a push-pull control circuit that alternately controls on / off of the first and second input switching elements;
(J) a full-wave rectifier circuit,
A full-wave rectifier bridge having an input terminal connected to both terminals of the secondary winding;
A full-wave rectifier circuit having a pair of series-connected capacitors connected between output terminals of a full-wave rectifier bridge, the connection point of the capacitors being connected to the center tap of the secondary winding When,
(K) Three sets of output switching circuits connected between the output terminals of the full-wave rectifier circuit, each set of switching circuits having a pair of first and second output switching elements connected in series; An output switching circuit for deriving a three-phase alternating current output from a connection point of the first and second output switching elements of each set;
(L) A thermoelectric generator including a pulse width modulation control circuit that obtains a three-phase sine wave by performing pulse width modulation control on the first and second output switching elements.

Is disposed below the inner passage includes a burner for supplying exhaust gas to the inner passage,
The thermoelectric generator according to claim 7 or 8 , wherein the combustion air supplied to the flame of the burner flows through an outer passage through which the second projecting portion projects.

The pulse width modulation control circuit
(A) a phase-locked loop circuit,
A reference signal source for generating a 50 or 60 Hz reference signal;
A phase comparator that generates a voltage corresponding to the phase difference between the output of the reference signal source and the input signal;
A voltage-controlled oscillation circuit which is given a voltage of a phase comparator and oscillates at a frequency F corresponding to the voltage;
A first frequency divider that divides the output of the voltage-controlled oscillation circuit by a predetermined frequency division ratio N and gives it as the input signal of the phase comparator;
The voltage from the phase comparator is a phase-locked loop circuit that is a value that controls the oscillation frequency F of the voltage-controlled oscillation circuit so that the phase of the output of the first frequency divider matches the phase of the reference signal;
(B) a first delay circuit for shifting the output of the voltage controlled oscillator circuit by 120 degrees;
(C) a second frequency divider that divides the output of the first delay circuit by the predetermined frequency division ratio N;
(D) a second delay circuit that shifts the output of the first delay circuit by 120 degrees;
(E) a third frequency divider that divides the output of the second delay circuit by the predetermined frequency division ratio N;
(F) including a pulse width modulation control signal generation circuit that performs pulse width modulation control of the first and second output switching elements for each of the three sets in response to outputs of the first to third frequency dividers. The thermoelectric generator according to claim 1, wherein: