JP5654620B2 - 熱電式発電機システム - Google Patents

Description

本発明は、熱電式発電機（温度差発電機）システムに関するもので、該熱電式発電機システムは、当該システムの使用の間において熱エネルギから電力を発生するために第１活性面と第２活性面との間の温度差を電気に変換することができる熱電素子と、使用の間において該熱電素子に課される現在の電力要求に応じて該素子により発生される電力を制御するための制御ユニットとを有する。

熱電式発電機システムは、米国特許出願公開第2009/0025703号（Van Der Sluis他）から既知である。米国特許出願公開第2009/0025703号は、電力をファン及び再充電可能電池に供給する熱電素子を備えた固体燃料可搬型ストーブを開示している。上記ファンは、当該ストーブの燃焼室へ空気を強制送りするように構成されている。該ファインは、当該ストーブの燃焼室に空気を強制送りする。熱電素子は上記ファンに電力を供給する。該熱電素子は、上記燃焼室に近接する第１活性面と、上記ファンからの冷却吸気を受ける第２活性面とを有している。強制空気供給部を備えるので、"薪ストーブ"としても知られている該ストーブは、高温の燃焼及び燃料効率的で綺麗な燃焼過程をもたらす。このストーブは、該ストーブを４つの可能なモードで動作させるように構成されたコントローラ及び電子制御ユニットを有している。該電子制御ユニットは、例えば火の熱等の感知される動作条件に従って、上記４つのモードの各々を順に介して自動的にシーケンス動作するように構成されている。

"起動モード"と称される第１モードにおいて、ファンを駆動するために熱電素子から電力が（又は不十分な電力しか）利用可能でない場合、再充電可能電池からの電力が該ファンを駆動するために使用される。このようにして、燃焼室で燃焼される燃料が最適な高温度に即座に到達することが可能にされ、当該ストーブの起動フェーズの間における煙及び他の汚染排出を大幅に低減する。

"チャージモード"と称される第２モードは、温度が適切なレベルに到達した場合に起動される。該第２モードにおいて、燃焼室内の燃料は、熱電素子が燃焼室に対する適切な強制対流を維持するためにファンに十分以上な電力を供給し、従って電池を再充電するための十分な電力も供給することができるような十分な温度で燃焼する。

"通常モード"と称される第３モードは、電池が完全充電状態に戻った場合に起動される。該第３モードでは、燃焼室内の燃料は、熱電素子が燃焼室に対する適切な強制対流を維持するために少なくとも十分な電力をファンに供給することができるような十分な温度で燃焼する。

"冷却モード"と称される第４モードは、例えば燃焼室内の燃料の消尽により温度が低下した場合に起動される。該第４モードにおいて、ファンは最早完了した燃焼を維持する必要はない。このモードでは、電池は隔離され、熱電素子から得られる如何なる電力もファンに向けられ、電池を放電させることなしに当該ストーブ全体の冷却を加速する。このことは、燃焼室からの残留熱が当該ハウジング内で蓄積し、熱電素子、ファン及び電子制御回路の何れか１以上を損傷させる可能性を防止する。

この種のストーブは、とりわけ、自然景観におけるキャンプ場で使用すること、又は料理がしばしば室内で行われる開発国で使用することを意図している。燃焼過程が綺麗で且つ効率的であることが非常に重要である。また、熱電素子の長寿命及び信頼性のある動作が非常に重要である。

本発明の目的は、熱電式発電機システムの寿命及び信頼性を更に改善することである。

上記目的は、本発明による熱電式発電機システムにより、制御ユニットが、熱電素子の最大電力量より少ない現電力需要に対して該熱電素子を、各々が電流とインピーダンスとの組み合わせを定めると共に同一の電力を供給するような２つの可能な動作点のうちの一方において動作させる手段を有し、該一方の動作点が前記２つの可能な動作点のうちの最も高い電流を有するものであることにより実現される。

現電力需要に対して厳密に必要とされるものより高い電流で上記熱電素子を動作させるという上記技術的特徴は、当該熱電素子が通常の電力源、即ち電池等の熱電素子以外のものとして考えられる場合は、むしろ不自然である。電池等の通常の電力源の場合、エネルギ的視点からは当該電力源に必要とされるものより高い（多い）電流を流させることは、斯様な通常の電力源の内部抵抗の理由により不利である。通常の電力源に反して、熱電素子は、増加された電流の設定点で有利に且つ驚くほどよく動作され得る。本発明の一側面は、熱電素子はエネルギ的視点からは電池とは異なるように振る舞い、この相違は寿命の増加という利益のために経済的に利用されるという洞察が理解されたということである。

米国特許出願公開第2009/0025703号の装置の動作モードの各々においては、現電力需要が熱電素子に課せられる。第１モードにおいて、熱電素子に課せられる電力需要はゼロであり、ファンを駆動するために必要とされる電力は電池から取り出される。第２モードでは、熱電素子に課せられる電力需要は、燃焼室に対する十分な強制対流を維持するためにファンを給電すること、及び電池の再充電を意図するものである。第３モードでは、電池は完全に充電され、課される電力需要は、燃焼室に対する十分な強制対流を維持するためにファンを給電することに低減される。第４モードにおいては、熱電素子に課される電力需要は、電池を放電させることなしに、ストーブ全体の冷却を加速させるためにファンに給電することに向けられる。

幾つかの動作モードにおいて、例えば当該ストーブの電池が完全に充電された場合、熱電素子は、火の温度及び当該熱電素子の活性面間の温度差等の現条件の下で得られ得る最大量の電力を発生する必要はない。このような動作点では、即ち当該熱電素子に課された現電力需要が現在の条件下で該素子により発生され得る最大電力より少ない場合、前記制御ユニットは熱電素子の電力出力を実際の又は現在の電力需要に制限する。従来の装置においては、電力の制限は、電力源（即ち、熱電素子）を介して流れる電流を該熱電素子に課された現電力需要を満たすために最小限必要とされる電流に制限することにより達成されている。

本発明は、当該熱電素子の最大の取得可能な電力出力より低い電力需要は、必ずしも該熱電素子を介して流れる電流を必要最小限の電流まで減少させることなく、当該熱電式発電機システムの電力出力を低減させることにより達成することができるという概念に存する。当該熱電素子を、現電力需要を満たすために最小限必要とされる電流を越えるような電流で動作させることにより、該熱電素子の熱抵抗は減少される。熱電素子の熱抵抗（Ｋ・Ｗ^-1又は℃／Ｗで測定される）は、該熱電素子を介して単位時間当たりに通過する熱の量が１ワットに等しい場合に該熱電素子の第１活性面及び第２活性面の温度がどの程度相違するかを表す。上記熱抵抗の減少により、当該熱電素子の間の温度バランスは、最も熱い面の温度が減少されるように変化される。熱電素子は、通常、米国特許出願公開第2009/0025703号のストーブの燃焼室等の熱源の極近傍に配置される。斯かる熱電素子の第１面の温度は、大凡、不使用状態における室温と料理の間における上記ストーブの燃焼室の近傍の温度等の相対的に高い動作温度との間で変化する。この結果、冷たい状態から動作温度までもっていかれた場合、当該熱電素子の大きな膨張及び重い熱負荷が生じる。特に、該熱電素子の熱を受ける側、即ち上記第１活性面は、この大きな熱負荷に曝される。熱電素子を本発明に従って動作させることにより、上記第１面の１０ないし２０度程度の最大温度の減少を達成することができることが分かった。このような第１活性面の温度の低下でさえ、当該熱電素子の寿命の大幅な増加が得られる。

本発明による発電機システムの有利な一実施例において、前記制御ユニットは、前記熱電素子に課される現電力需要を満たすために最小限に必要とされる電流を越える電流で該熱電素子を駆動するための電流源を含む。

米国特許出願公開第2009/0025703号に開示されたような熱電素子は、所謂、熱電"発電"モードで使用することができる。この発電モードにおいて、熱は当該素子の一方の側、即ち第１活性面で受熱される一方、該素子の第２活性面又は冷表面で除却又は廃棄され、これら第１及び第２活性面は、通常は、当該熱電素子の反対側の面である。当該素子を経る熱流には、第１活性面と第２活性面との間の温度差が伴い、第１活性面の温度は第２活性面の温度より高い。発電モードにおいては、第１活性面と第２活性面との間の温度差に依存する電流が発生される。この発電モードにおいて、当該素子の間に温度勾配が維持され、当該モジュールを介して通過する熱流束が電力に変換される。これは、ゼーベック効果として知られている。発電モードにおいては、電気エネルギが上記素子により発生され、該発生された電気エネルギは、例えばファン、電池、照明装置又はこれらの組み合わせ等の当該システムの他の部品に給電するために使用することができる。熱電素子は、所謂、熱電"冷却"モードにおいても使用することができる。この冷却モードでは、熱電素子に電流が供給される。冷却モードにおいて、熱は一方の側又は接合（冷側又は冷接合）から他方の側又は接合（温側又は温接合）へポンプ送りされる。温側から熱が除去されるならば、冷接合は周囲温度より低く低下する。温度勾配は、供給される電流の大きさに従って変化する。冷却モードにおいては、当該素子に電流が供給され、その結果、該素子の一方の側が冷たくなる。これは、ペルチェ効果として知られている。冷却モードにおいては、当該素子により電気エネルギが消費される。電流源により当該熱電素子へ電流を能動的に供給することにより、前記第１活性面、即ち最も高い温度に達する面が過熱された場合に、上記ペルチェ効果を応急対策として利用することができる。電流源を設けることにより、当該熱電素子を自身の強制冷却モードで動作させることができる。

本発明による発電機システムの有利な一実施例において、前記制御ユニットは、前記２つの可能な動作点のうちの最も高い電流及び最も低いインピーダンスを有する前記一方の動作点のインピーダンスを得るために出力インピーダンスを変化させる手段を有する。

使用の間において、熱電素子は、上記制御ユニット並びにファン及び／又は電池及び／又は当該熱電素子の電気端子に接続された他の装置等の負荷により構成される出力インピーダンスに接続される。当該熱電素子の電気端子が、短絡回路が得られるように直接接続される第１の極端な状況において、出力インピーダンスはゼロであり、該出力インピーダンスの間の電圧降下はゼロである。該出力インピーダンスを経る電流は、当該熱電素子の内部抵抗により制限される。結果として、該第１の極端な状況では放散され及び上記出力インピーダンスに供給される電力はゼロである。第２の極端な状況では、当該熱電素子の出力インピーダンスは無限大である、即ち上記端子は接続されず、かくして、該素子を介して流れる電流はゼロとなる一方、該無限大の出力インピーダンスの間の電圧は理想電圧又は該熱電素子のオープンソース電圧となる。結果として、該第２の極端な状況でも、放散され及び出力インピーダンスに供給される電力はゼロである。通常の状況では、出力インピーダンスはゼロでも無限大でもなく、ゼロと無限大との間の中間の値である。通常の状況においては、電力が出力インピーダンスに供給される。何故なら、該出力インピーダンスを経る電流及び該出力インピーダンスに対する電圧の両方が存在するからである。熱電素子の出力インピーダンスが無限大からゼロへと連続的に減少された場合、該熱電素子を経る電流はゼロから短絡回路値へと増加する一方、出力インピーダンスに供給される電力は、最初は、無限大出力インピーダンス（即ち、第２の極端な状況）におけるゼロから、ゼロと無限大との間の中間の出力インピーダンスにおける最大の達成可能電力値まで増加し、次いで、再びゼロ電力（即ち、ゼロ出力インピーダンスにおける）まで減少する。従って、熱電素子の出力インピーダンスと該出力インピーダンスに供給される電力との間の関係は、上昇する側部と下降する側部とを備えたグラフにより表すことができる。上昇側部において、電力はインピーダンスの増加と共に増加する。下降側部において、電力はインピーダンスの増加に伴い減少する。ゼロ電力と最大達成可能電力値との間の可能な電力値は、上記上昇側部及び下降側部の両方において利用可能である。熱電素子にとり好ましい動作範囲は上記の上昇側部上にある。何故なら、該上昇側部においては出力インピーダンスは下降側部におけるよりも小さく、これが、当該熱電素子を下降側部におけるよりも大きな電流で動作させる機会をもたらし、これは寿命にとり有利であるからである。そして、この利点は非常に費用効率的な方法で得られる。何故なら、何ら追加の部品又は回路は必要とされず、既存の回路の設定点が変更されることを要するだけであるからである。

本発明による発電機システムの有利な一実施例は、前記第１活性面の温度を測定するための温度センサを有し、該温度センサの信号は前記制御ユニットにより入力可能であり、前記熱電素子を経る電流は前記温度センサからの信号に基づいて調整可能である。

前記第１活性面の温度に関するフィードバックにより、当該熱電素子の熱負荷を管理することが可能となる。結果として、過度な熱負荷を、確実で信頼性のある態様で、且つ、異なる燃料又は動作条件の変化による熱負荷の変動からは一層無関係に、防止することができる。

図１は、本発明の一実施例による方法を説明したブロック図を示す。 図２は、本発明の一実施例による熱電式発電機システムの機能図を示す。 図３は、本発明の他の実施例による熱電式発電機システムの等価回路図を示す。 図４は、熱電素子の熱抵抗が該熱電素子を介して流れる電流にどの様に依存するかを示すグラフを示す。 図５は、熱電素子の温側と冷側との間の温度の差を熱抵抗の関数として示すグラフを示す。 図６は、本発明による熱電式発電機システムの一実施例に対して共に１ワットの電力を供給する２つの異なる動作点を示すグラフを示す。 図７は、本発明の一実施例による熱電素子の第１側の温度の低下を示す実験的検証を示す。

以下、本発明の好ましい実施例を、図面を参照して例示のみとして説明する。

各図において同様の符号の要素は、等価な要素であるか又は同様の機能を果たすものである。また、前に説明された各要素は、その機能が等価であれば後の図では必ずしも説明されることはない。

図１は、本発明による方法の一実施例を示す。該方法は、制御ユニットのプロセッサにより実行するための命令として実施化することができる。ステップ１００において、電力の所要の出力が、当該熱電式発電機システムにより決定される。これは、制御ユニットにより実行することができる。電力の該所要の出力は、電気負荷に電力を供給するために当該熱電素子により出力される或る量の電力である。該電力の所要の出力は、電力の所定の出力とも称する。例えば、当該熱電式発電機システムが薪バーナ又は薪ストーブ内の酸素を制御するファンを駆動するために使用される電池を充電するために用いられる場合、電力の量は電池が完全に充電された場合に減少される。従って、この場合、該熱電式発電機システムは幾つかの異なる状態を有し得る。例えば、電池が充電中である場合、電力は最適化される。しかしながら、電池が完全に充電された場合、電力の出力は減少される。ステップ１０２において、当該熱電素子の受熱面の平均動作温度は、例えば当該ペルチェ素子の電気活性材料を含む電気回路のインピーダンスを調整することにより、又は該ペルチェ素子に掛かる電圧を追加の電流供給部により調整することにより、該熱電素子を経る電流を制御することにより最小化される。上記受熱面とは、加熱器（ヒータ）から熱を受ける面である。上記加熱器からの熱は上記受熱面に、伝導的熱伝達、輻射的熱伝達及び／又は対流的熱伝達により伝えることができる。

図２は、本発明の一実施例による熱電式発電機システムの一実施例を示す。該熱電式発電機システムは、制御ユニット２０２を有している。制御ユニット２０２は、熱電素子２０４を介して流れる電流を調整するように構成されている。熱電素子２０４は、受熱面２１２及び冷却面２１４を有している。受熱面２１２は、熱伝導エレメント２０６と接触している。熱伝導エレメント２０６は、加熱器（ヒータ）２０８とも接触している。冷却面２１４は、冷却器（クーラ）２１０と接触している。加熱器２０８から熱伝導エレメント２０６及び熱電素子２０４を介して冷却器２１０（ファンにより発生される冷却空気の流れに曝される部品等）への、矢印２１６に示された熱の流れが存在する。温度センサ２１８も示されており、該温度センサは熱電素子２０４の受熱面２１２に接触している。熱電素子２０４と制御ユニット２０２との間には電気的接続２２２が存在する。この図には、電気的接続２２２上の出力端子２３４も示されている。熱電素子２０４の出力インピーダンスは、出力端子２３４間の出力インピーダンスであり得る。この実施例には、プロセッサ２２６も示されている。該プロセッサは、コンピュータ、内蔵システム、マイクロコントローラ又はマシン読取可能な命令を実行するように構成された如何なるプロセッサとすることもできる。コンピュータのメモリ内容を記憶するメモリ２２８も存在し、該メモリの内容はプロセッサ２２６により読み取ることができる。メモリ２２８内には、マシン読取可能なコンピュータプログラム２３０が存在する。プログラム２３０が制御ユニット２０２のプロセッサ２２６により実行されると、本発明による方法の一実施例を実行することになる。制御ユニット２０２に接続された電気負荷２３２も示されている。

負荷２３２に供給される電力に依存して、制御ユニット２０２は熱電素子２０４により発生される電流を調整する。コンピュータプログラム２３０は、熱電素子２０４を介する電流の流れをフィードバックシステムを用いて適応的に調整するためのアルゴリズムを有することができる。代わりに、コンピュータプログラム２３０は、当該熱電式発電機システムを動作させるためのルックアップテーブルを含むこともできる。制御ユニット２０２は、プロセッサ２２６により制御されねばならないわけではない。他の例として、熱電素子２０４を経る電流を調整するために使用することが可能なアナログ回路を構築することもできる。

図３は、本発明による熱電式発電機システムの一実施例の機能を解説するために使用することが可能な回路の一例を示す。熱電素子２０４を電気的に表すテブナン等価回路が存在する。例えば前述したような冷却空気を供給するファン等の電気負荷を表す抵抗２３２も存在する。該電気負荷は制御ユニット２０２に接続されている。上記等価回路２０４と制御ユニット２０２との間の接続部には、出力端子２３４が存在する。出力端子２３４は、当該熱電素子を表す等価回路２０４の出力端である。当該熱電素子を表す等価回路２０４の出力インピーダンスは、上記出力端子２３４の間で測定することができる。本例では、等価回路２０４の出力インピーダンスは抵抗２３５である。

本例において、パルス発生器３００はプロセッサ２２６により制御されるデューティサイクルを有する。パルス発生器３００のデューティサイクルは、制御ユニット２０２の出力電圧を制御する。該出力電圧が最大値よりも小さい場合、出力電圧及び電流が同一となる２つのデューティサイクルが常に存在する。これら２つのデューティサイクルのうちの高い方において、当該ペルチェ素子又は熱電素子２０４を経る電流は最大となる。ペルチェ素子は一種の熱電素子である。本明細書において、ペルチェ素子に対する説明は、特に言及しない限り、他のタイプの熱電素子にも当てはまる。熱電素子２０４を経る電流が最大である場合、端子２３４における出力インピーダンスは自身の最小となる。

図４は、TEP1-12235-2.0H型ペルチェ素子の熱抵抗が、自身を介して流れる電流に如何に依存するかを示している。ｘ軸４００は時間であり、秒で示されている。熱抵抗はｙ軸であり、符号４０２が付されている。２つの別個の実験が示されている。第１の実験は符号４０４が付された曲線の区域に示されており、当該熱電素子を介して５０ワットが通過される。第２の実験は符号４０６が付された曲線の区域に示されており、当該熱電素子を介して１００ワットが通過される。これら２つの実験の各々は、期間に副分割されている。第１の期間４０８は、当該熱電素子が開（オープン）回路である又は無限大の負荷を有する場合である。第２の期間４１０は、当該ペルチェ素子又は熱電素子が短絡された場合である。この時点では、ペルチェ素子の間に負荷が存在しない。

ここでは、ペルチェ素子又は熱電素子がオープンであるか又は自身の間に無限大の負荷を有する場合、熱抵抗が最大となることが分かる。負荷のインピーダンスを低下させる又は当該ペルチェ素子を短絡させることにより、熱抵抗は減少する。該熱抵抗（thermal resistance）は、本明細書では、熱抵抗（heat resistance）とも称され得る。この結果、加熱及び冷却貯蔵部が同一温度に維持されるとしたら、熱流は増加される。当該熱電素子の第１側又は温側と熱源との間に伝導エレメントが配置される場合、該ペルチェ素子の上記温側又は第１側の温度は減少するであろう。この図は、熱電素子（又はペルチェ素子）の熱抵抗が自身を介して流れる電流に如何に依存するかを示している。

外部抵抗は、オープン接続から短絡へ（無限及びゼロ抵抗値）と変更された。後に、最適負荷が適用された。即ち、当該ペルチェ素子の外部抵抗又は負荷Ｒextは、該ペルチェ素子の内部抵抗Ｒintと等しくされる。この測定から、TEP1-12235-2.0H型ペルチェ素子の熱抵抗は、一次推定によれば、１.８−０.４＊(Ｒint／(Ｒint＋Ｒext))となる。

図５は、ペルチェ素子の熱抵抗の変化に対する、該ペルチェ素子の温側及び冷側の温度の一例を示す。この実験に対して、Van Der Sluis他に開示された料理用ストーブが、線形モデルを用いてモデル化された。ｘ軸５００は、ペルチェ素子の熱抵抗を示し、Ｋ／ワットで表されている。ｙ軸は、摂氏度での温度５０２である。曲線５０４は、当該ペルチェ素子の温側又は第１側の温度を示す。符号５０６が付された曲線は、当該ペルチェ素子の冷側又は第２側の温度５０６を示す。線分５０８は、温側測定値５０４に対する線形適合である。式５１０は、この線形適合を示す。この図は、ペルチェ素子の温側の温度５０４が熱抵抗５００を制御することにより制御することができることを示す。該熱抵抗は、図４に示したように当該ペルチェ素子を経る電流を制御することにより制御することができる。

ストーブの電池が完全に充電された場合、ペルチェ素子は自身の最大量の電力を発生する必要はない。充電の間では、負荷は最適である（外部抵抗は内部抵抗に等しい）。より少ない電力しか必要とされない場合、より少ない電流が当該システムを介して流れ、より少ない電力が発生されるように外部抵抗は上昇される。これが、全ての電源が一般的に使用される方法である（例えば電池の場合、より少ない電力しか欲しない場合、負荷抵抗を増加させる）。

本発明の実施例は、外部抵抗を低下させ、より多くの電流を発生させるが、より少ない電力しか発生させないことにより電力を低減することが有利であるという特徴を有し得る。この場合、より多くの電力が当該ペルチェ素子内で消散される。

図６は、ペルチェ素子の温側又は第１側における異なる温度において共に１ワットの電力を供給するような２つの異なる動作点６０９及び６１１（ライン６１０及び６１２により示される）が如何にして存在するかを示す。ライン６１０は低い温度の動作点６０９を通過する一方、ライン６１２は高い温度の動作点６１１を通過している。この例に対しては、先に述べた線形モデルが再び使用されている。ｘ軸６００は外部抵抗Ｒextをオームで表している。該外部抵抗は、電気負荷とも称す。ｙ軸６０２は、アンペアでの電流により除算された、ワットでの外部電力を示す（６０２）。ｙ軸は、摂氏での温度６０３も示す。符号６０４が付された曲線は、当該料理用ストーブの熱電式発電機システムにより供給される外部電力を示す。該曲線６０４は、低い外部抵抗に対しては電気エネルギの大部分が当該熱電式発電機内で消散される一方、大きな外部抵抗に対しては該大きな抵抗が電流の流れを制限し、この減少された電流が、電気負荷への電力の伝達を制限するのでベル型の形状を有している。

曲線６０６は、当該ペルチェ素子を経る電流を示す。曲線６０８は、該ペルチェ素子の温側又は第１側の温度を示す。外部抵抗が増加されるにつれて、外部電力６０４は増加し、次いで再び減少する。該電流６０６は、外部抵抗が最小である場合に最大であり、次いで外部抵抗が増加するにつれて減少する。当該ペルチェ素子の温側（又は第１側）温度は、外部抵抗が増加するにつれて増加する。外部電力６０４は増加し、次いで再び減少するので、該外部電力が１ワットとなるような２つの点が存在する。これらには、符号６１０及び６１２が付されている。６１０では、電流６０６は、より大きいが、温度６０８は６１２におけるよりも低い。図６は、単位電流当たり同一の外部電力に対して垂直ライン６１０及び６１２の曲線６０４との交点における２つの動作点６０９、６１１を如何にして有し得るかを示す。この図は、当該ペルチェ素子の温側（又は第１側）が如何にして低い温度で動作され得るかも示す。当該ペルチェ素子を点６１０で動作させることは、該ペルチェ素子の熱い方の第１側の温度を低下させ、従って該ペルチェ素子の有効寿命を増加させる。このことは、誰かがペルチェ素子の交換を必要とする尤度を減少させる。

より高い動作点において、（シミュレーションされた）温度は約２６８℃である。より低い動作点においては、温度は約２５０℃である。本発明を完全に理解するために、ここで、寿命が動作温度の関数として相当に急峻に又は急速に変化することに注意すべきである。従って、上記のような差はペルチェ素子の寿命に対して多くの影響を有し得、従って、ソフトウェアを低い方の動作温度で動作させることが望ましい。

図７は、前記Van Der Sluis他に記載された料理用ストーブに適用された方法の一実施例を用いた測定値を示す。時間はｘ軸７００上に秒で示されている。垂直目盛り７０２は温度を摂氏で示すために使用されている。他の垂直目盛り７０４は、電流をアンペアで示すために使用されている。曲線７１２は、当該ペルチェ素子の温側（又は第１側）の温度を示す。曲線７１２に関連する値は、該図の左側の温度目盛りにより示されている。曲線７１４は、当該ペルチェ素子を経る電流を示す。符号７０６を付した期間においては、当該ペルチェ素子は、図７から分かるように、約０.０８アンペアの電流値が供給されるような高電流モードで動作される。期間７０８の間においては、該ペルチェ素子は低電流動作点（約０.０１５アンペアの電流値）で動作される。電流がより大きい場合（期間７０６）、温度は、電流が小さく温度が相対的に高い（摂氏２３４度）期間７０８と比較して、相対的に低い（摂氏２１０度）。このように、温度差は約摂氏２４度となる。この温度差は、２つの点線により示されている。このことは、熱電素子の温側（又は第１側）の最大動作温度を如何にして低下させることができるかを示している。

以上、本発明を図面及び上記記載において詳細に図示及び説明したが、このような図示及び説明は解説的又は例示的なものであり、限定するものではないと見なされるべきである。即ち、本発明は開示された実施例に限定されるものではない。

例えば、本発明を、例えば静止配置され、携帯可能であることを意図せず又は携帯可能であるように特別に設計されていないストーブ又はグリル装置におけるように、携帯性の特徴が存在しない実施例で動作させることも可能である。しかしながら、該熱電技術は、小型さ及びエネルギ効率故に携帯可能装置に適用された場合に特別な利点をもたらすであろう。また、当該熱電式発電機システムが、放射性同位体を含む放射性エレメント、燃焼機関、排気パイプ、太陽照射により加熱される表面、熱放射により加熱される表面、高温ガスにより加熱される表面又は機械的摩擦により加熱される表面等の熱源を有することも可能である。

尚、当業者であれば、請求項に記載された発明を実施する際に、図面、開示及び添付請求項の精査から、上述した実施例の他の変形例を理解し及び実施することができるであろう。そして、請求項において、"有する"なる文言は他の構成要素又はステップを排除するものではなく、単数形は複数を排除するものでもない。また、単一のプロセッサ又は他のユニットは、請求項に記載された幾つかの項目の機能を満たすことができる。また、特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないということを示すものではない。また、請求項における如何なる符号も、その範囲を限定するものと見なしてはならない。

２００ 熱電式発電機システム
２０２ 制御ユニット
２０４ 熱電式発電機
２０６ 熱伝導エレメント
２０８ 加熱器（ヒータ）
２１０ 冷却器
２１２ 受熱面
２１４ 冷却面
２１６ 熱流の方向
２１８ 温度センサ
２２０ 熱電素子と制御ユニットとの間の電気的接続
２２４ 温度センサと制御ユニットとの間の接続
２２６ プロセッサ
２２８ メモリ
２３０ プログラム
２３２ 電気負荷
２３４ 出力端子
２３５ 抵抗
３００ パルス発生器
４００ 時間
４０２ ペルチェ素子の熱抵抗
４０４ ペルチェ素子を経る５０ワットの熱
４０６ ペルチェ素子を経る１００ワットの熱
４０８ ペルチェ素子の間の無限大の負荷
４１０ ペルチェ素子の短絡
５００ 熱抵抗（Ｋ／Ｗ）
５０２ 摂氏での温度
５０４ 温側又は第１側のペルチェ温度
５０６ 冷側又は第２側のペルチェ温度
５０８ ライン５０４におけるデータへの線形適合
５１０ 線形適合を示す方程式
６００ オームでの外部抵抗
６０２ アンペアでの電流により除算される、ワットでの外部電力
６０３ 摂氏での温度
６０４ 外部電力
６０６ ペルチェ素子を経る電流
６０８ ペルチェ素子の温側又は第１側の温度
６０９ 低温度動作点
６１０ 低温度動作点を示すライン
６１１ 高温度動作点
６１２ 高温度動作点を示すライン
７００ 秒での時間
７０２ 摂氏での温度
７０４ アンペアでの電流
７０６ 高電流動作点
７０８ 低電流動作点
７１０ 温度差
７１２ ペルチェ素子の温側又は第１側の温度
７１４ ペルチェ素子を経る電流

Claims (10)

1. 熱電式発電機システムであって、
   − 前記システムの使用の間において熱エネルギから電力を発生させるために、第１活性面と第２活性面との間の温度差を電気に変換することができる熱電素子と、
   − 前記素子により発生される前記電力を、使用の間において該熱電素子に課される現電力需要に対応して制御するための制御ユニットと、
   を有し、前記制御ユニットは、前記熱電素子の最大電力量より少ない現電力需要に対して前記熱電素子を、各々が電流とインピーダンスとの組み合わせを定めると共に同一の電力を供給するような２つの可能な動作点のうちの一方において動作させる手段を有し、該一方の動作点が前記２つの可能な動作点のうちの最も高い電流を有するものである熱電式発電機システム。
2. 前記制御ユニットが、前記熱電素子に課される現電力需要を満たすために最小限に必要とされる電流を越える電流で該熱電素子を駆動するための電流源を含む請求項１に記載の熱電式発電機システム。
3. 前記制御ユニットが、前記２つの可能な動作点のうちの最も高い電流及び最も低いインピーダンスを有する前記一方の動作点のインピーダンスを得るために出力インピーダンスを変化させる手段を有する請求項１に記載の熱電式発電機システム。
4. 前記第１活性面の温度を測定するための温度センサを有し、該温度センサの信号は前記制御ユニットにより入力可能であり、前記熱電素子を経る電流が前記温度センサからの前記信号に基づいて調整可能である請求項１に記載の熱電式発電機システム。
5. 使用の間において熱エネルギを供給するための燃焼用燃料を収容する燃焼室と、
   電気モータと前記燃焼室に空気を強制送りするための推進翼とを備えるファンを有する負荷と、
   を有することにより固体燃料ストーブとして使用されるように構成された請求項１に記載の熱電式発電機システムであって、
   前記第２活性面は前記ストーブの使用の間に前記ファンから冷却風を受けるように配置され、前記第１活性面は前記第２活性面と前記燃焼室との間に配置される熱電式発電機システム。
6. 前記負荷が再充電可能な電池を有する請求項５に記載の熱電式発電機システム。
7. 可搬型である請求項５に記載の熱電式発電機システム。
8. 前記燃焼室と前記第１活性面との間に熱を伝導させる熱伝導エレメントを有する請求項５に記載の熱電式発電機システム。
9. 前記制御ユニットが１以上のプロセッサ、メモリ及び１以上のプログラムを有し、前記１以上のプログラムは前記メモリに記憶されると共に前記１以上のプロセッサにより実行され、前記１以上のプログラムが、
   − 当該熱電式発電機システムによる電力の所要の出力を決定する命令と、
   − 前記電流を前記２つの可能な動作点のうちの最も高い電流を有する前記一方の動作点の電流に制御することにより、動作温度を最小にする命令と、
   を有する請求項１に記載の熱電式発電機システム。
10. 当該熱電式発電機システムの使用の間において熱エネルギを前記熱電素子の前記第１活性面に供給するための熱源を含む請求項１に記載の熱電式発電機システム。

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