JPH1132492A - 熱電発電装置及びその駆動方法 - Google Patents
熱電発電装置及びその駆動方法Info
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- JPH1132492A JPH1132492A JP10039254A JP3925498A JPH1132492A JP H1132492 A JPH1132492 A JP H1132492A JP 10039254 A JP10039254 A JP 10039254A JP 3925498 A JP3925498 A JP 3925498A JP H1132492 A JPH1132492 A JP H1132492A
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- thermoelectric
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
Abstract
(57)【要約】
【課題】 熱電素子を用いた熱電発電装置において、断
線検知を随時行えるようにして発電効率を高めると共に
装置の低コスト化等を図る。 【解決手段】 熱電素子に生じる温度差を利用して発電
を行う熱電発電装置において、熱電素子を含み各々が同
等の出力電圧を生ずる複数の発電単位体２０と、複数の
発電単位体同士の電気的な接続を切り替える接続切り替
え手段６０と、複数の発電単位体を並列に接続したとき
の電圧を測定する並列電圧測定手段３０と、並列電圧測
定手段により得られた並列電圧値に基づいて負荷に応じ
た発電を行うように複数の発電単位体同士の電気的な直
列及び並列接続の組み合わせを決定する接続決定手段５
０と、各々の発電単位体の断線を検知する断線検知手段
４０を設ける。
線検知を随時行えるようにして発電効率を高めると共に
装置の低コスト化等を図る。 【解決手段】 熱電素子に生じる温度差を利用して発電
を行う熱電発電装置において、熱電素子を含み各々が同
等の出力電圧を生ずる複数の発電単位体２０と、複数の
発電単位体同士の電気的な接続を切り替える接続切り替
え手段６０と、複数の発電単位体を並列に接続したとき
の電圧を測定する並列電圧測定手段３０と、並列電圧測
定手段により得られた並列電圧値に基づいて負荷に応じ
た発電を行うように複数の発電単位体同士の電気的な直
列及び並列接続の組み合わせを決定する接続決定手段５
０と、各々の発電単位体の断線を検知する断線検知手段
４０を設ける。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ゼーベック効果を
利用して電力を得る熱電発電装置に関し、特に、熱源の
温度変化・分布に対応して最適な発電を行うとともに、
断線による出力ダウンを回避して、高寿命，高信頼性を
確保した熱電発電装置及びその駆動方法に関する。
利用して電力を得る熱電発電装置に関し、特に、熱源の
温度変化・分布に対応して最適な発電を行うとともに、
断線による出力ダウンを回避して、高寿命，高信頼性を
確保した熱電発電装置及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来からゼーベック効果を利用して電力
を得る熱電発電装置が考案されているが、ゼーベック効
果により生じる起電力は、高温および低温熱源の温度差
に依存するため、熱源の温度変化，温度分布により、熱
電発電装置の出力電圧が変動、すなわち、所望の電圧よ
りも著しく低くなったり、著しく高くなったりすること
が知られている。
を得る熱電発電装置が考案されているが、ゼーベック効
果により生じる起電力は、高温および低温熱源の温度差
に依存するため、熱源の温度変化，温度分布により、熱
電発電装置の出力電圧が変動、すなわち、所望の電圧よ
りも著しく低くなったり、著しく高くなったりすること
が知られている。
【０００３】このような出力電圧の変動に対応する方法
として、一対以上の熱電素子を複数対接続した熱電モジ
ュールを複数設け、これら複数の熱電モジュールの電気
的な接続を直列又は並列接続に切り換えて、負荷に応じ
た電力を供給する手法がある。
として、一対以上の熱電素子を複数対接続した熱電モジ
ュールを複数設け、これら複数の熱電モジュールの電気
的な接続を直列又は並列接続に切り換えて、負荷に応じ
た電力を供給する手法がある。
【０００４】このような複数の熱電モジュールの直・並
列切り替え手法を採用した熱電発電装置の一例として、
複数の熱電モジュールのうちの特定の熱電モジュールの
出力電圧をもとに、熱電モジュールの直列又は並列接続
の切り替えを行い、二次電池などの充電手段に電力を供
給する腕時計用の熱電発電装置が、特開平８−３７３２
２号公報に開示されている。
列切り替え手法を採用した熱電発電装置の一例として、
複数の熱電モジュールのうちの特定の熱電モジュールの
出力電圧をもとに、熱電モジュールの直列又は並列接続
の切り替えを行い、二次電池などの充電手段に電力を供
給する腕時計用の熱電発電装置が、特開平８−３７３２
２号公報に開示されている。
【０００５】一方、ゼーベック効果により発生する起電
力は一般に小さいため、多数の熱電素子を直列に接続す
る必要があり、ゴミ焼却熱、自動車の排気ガス等の排気
熱を利用した排気熱発電のような比較的高温の熱源を利
用して、数Ｗ〜数百ｋＷ以上にも及ぶ発電量を生じる熱
電発電装置においては、電気的な断線に対する信頼性が
低くなることが知られている。
力は一般に小さいため、多数の熱電素子を直列に接続す
る必要があり、ゴミ焼却熱、自動車の排気ガス等の排気
熱を利用した排気熱発電のような比較的高温の熱源を利
用して、数Ｗ〜数百ｋＷ以上にも及ぶ発電量を生じる熱
電発電装置においては、電気的な断線に対する信頼性が
低くなることが知られている。
【０００６】このような熱電発電装置の信頼性を高める
ためには、熱電発電装置を構成する素子あるいは熱電モ
ジュールの断線を検知して、正常な素子あるいは熱電モ
ジュールの機能を損なわないようにする方法が考えられ
る。
ためには、熱電発電装置を構成する素子あるいは熱電モ
ジュールの断線を検知して、正常な素子あるいは熱電モ
ジュールの機能を損なわないようにする方法が考えられ
る。
【０００７】この手法の一例として、熱電モジュール中
の熱電素子を複数ブロックに分けて各ブロックの断線を
検知し、断線が検知されたブロックを各ブロック毎に併
設されたバイパス回路により、電気的にバイパスする方
法が特開平８−３２１２５号公報に開示されている。
の熱電素子を複数ブロックに分けて各ブロックの断線を
検知し、断線が検知されたブロックを各ブロック毎に併
設されたバイパス回路により、電気的にバイパスする方
法が特開平８−３２１２５号公報に開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
特開平８−３７３２２号公報に記載の熱電発電装置にお
いては、ある特定のモジュールの出力電圧をもとに直・
並列の切り換えを行っているため、そのモジュールが断
線して出力電圧がダウンした場合、全く充電を行わなく
なるという問題点があった。
特開平８−３７３２２号公報に記載の熱電発電装置にお
いては、ある特定のモジュールの出力電圧をもとに直・
並列の切り換えを行っているため、そのモジュールが断
線して出力電圧がダウンした場合、全く充電を行わなく
なるという問題点があった。
【０００９】また、上述の特開平８−３２１２５号公報
に記載の断線検知方法においては、熱電モジュールと比
較抵抗からなる直列回路に外部電源を用いて通電した際
の熱電モジュールの電圧降下と基準電圧を比較すること
により断線を検知するようになっているため、熱電モジ
ュールが発電状態にある時、すなわち、電圧を発生して
いる時、正確に断線を検知できない場合があり、又、動
作時に断線が起こった場合は、全く発電しなくなるとい
う問題があった。
に記載の断線検知方法においては、熱電モジュールと比
較抵抗からなる直列回路に外部電源を用いて通電した際
の熱電モジュールの電圧降下と基準電圧を比較すること
により断線を検知するようになっているため、熱電モジ
ュールが発電状態にある時、すなわち、電圧を発生して
いる時、正確に断線を検知できない場合があり、又、動
作時に断線が起こった場合は、全く発電しなくなるとい
う問題があった。
【００１０】また、外部電源を用いているため、その分
コストが増加し、さらに、断線検知を行っている間は発
電できなくなるうえ、断線検知のアルゴリズムが複雑で
時間を要するため、発電効率が低下するという問題があ
った。
コストが増加し、さらに、断線検知を行っている間は発
電できなくなるうえ、断線検知のアルゴリズムが複雑で
時間を要するため、発電効率が低下するという問題があ
った。
【００１１】本発明は、上述の如き問題に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、熱源の温度変
化及び温度分布に応じて最適な発電を行うと共に、装置
の作動中においても、随時断線を検知することができる
高信頼性，低コスト，高効率の熱電発電装置及びその駆
動方法を提供することにある。
たものであり、その目的とするところは、熱源の温度変
化及び温度分布に応じて最適な発電を行うと共に、装置
の作動中においても、随時断線を検知することができる
高信頼性，低コスト，高効率の熱電発電装置及びその駆
動方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電発電装
置は、請求項１に記載されているように、熱電素子に生
じる温度差を利用して発電を行う熱電発電装置であっ
て、熱電素子を含み各々が同等の出力電圧を生ずる複数
の発電単位体と、複数の発電単位体同士の電気的な接続
を切り替える接続切り替え手段と、複数の発電単位体を
並列に接続したときの電圧を測定する並列電圧測定手段
と、並列電圧測定手段により得られた並列電圧値に基づ
いて負荷に応じた発電を行うように上記複数の発電単位
体同士の電気的な直列及び並列接続の組み合わせを決定
する接続決定手段と、各々の発電単位体の断線を検知す
る断線検知手段とを有する構成となっている。
置は、請求項１に記載されているように、熱電素子に生
じる温度差を利用して発電を行う熱電発電装置であっ
て、熱電素子を含み各々が同等の出力電圧を生ずる複数
の発電単位体と、複数の発電単位体同士の電気的な接続
を切り替える接続切り替え手段と、複数の発電単位体を
並列に接続したときの電圧を測定する並列電圧測定手段
と、並列電圧測定手段により得られた並列電圧値に基づ
いて負荷に応じた発電を行うように上記複数の発電単位
体同士の電気的な直列及び並列接続の組み合わせを決定
する接続決定手段と、各々の発電単位体の断線を検知す
る断線検知手段とを有する構成となっている。
【００１３】また、請求項２に記載されているように、
上記発電単位体は、一対以上の熱電素子からなる熱電モ
ジュール又は上記熱電モジュールを複数個電気的に接続
した熱電モジュールブロックからなる構成となってい
る。
上記発電単位体は、一対以上の熱電素子からなる熱電モ
ジュール又は上記熱電モジュールを複数個電気的に接続
した熱電モジュールブロックからなる構成となってい
る。
【００１４】また、請求項３に記載されているように、
上記熱電モジュールブロックは、熱電モジュールを複数
個電気的に、直列に接続、又は、並列に接続、あるいは
直列及び並列を組み合わせて接続された構成となってい
る。
上記熱電モジュールブロックは、熱電モジュールを複数
個電気的に、直列に接続、又は、並列に接続、あるいは
直列及び並列を組み合わせて接続された構成となってい
る。
【００１５】またさらに、請求項４に記載されているよ
うに、上記断線検知手段は、各々の発電単位体に対して
所定の外部電気抵抗を電気的に直列に接続する抵抗接続
手段と、外部電気抵抗を直列に接続した際の電圧降下を
測定する電圧降下測定手段と、電圧降下測定手段により
得られた電圧降下の値と上記並列電圧測定手段により得
られた並列電圧の値とを比較する比較手段とを有する構
成となっている。
うに、上記断線検知手段は、各々の発電単位体に対して
所定の外部電気抵抗を電気的に直列に接続する抵抗接続
手段と、外部電気抵抗を直列に接続した際の電圧降下を
測定する電圧降下測定手段と、電圧降下測定手段により
得られた電圧降下の値と上記並列電圧測定手段により得
られた並列電圧の値とを比較する比較手段とを有する構
成となっている。
【００１６】さらに、請求項５に記載されているよう
に、上記外部電気抵抗の抵抗値が、各々の発電単位体の
内部抵抗の抵抗値の１〜１００００倍の範囲である構成
となっている。
に、上記外部電気抵抗の抵抗値が、各々の発電単位体の
内部抵抗の抵抗値の１〜１００００倍の範囲である構成
となっている。
【００１７】本発明に係る熱電発電装置の駆動方法は、
請求項６に記載されているように、熱電素子を含み各々
が同等の出力電圧を生ずる複数の発電単位体と、複数の
発電単位体同士の電気的な接続を切り替える接続切り替
え手段と、複数の発電単位体を並列に接続したときの電
圧を測定する並列電圧測定手段と、並列電圧測定手段に
より得られた並列電圧値に基づいて負荷に応じた発電を
行うように上記複数の発電単位体同士の電気的な直列及
び並列接続の組み合わせを決定する接続決定手段と、各
々の発電単位体の断線を検知する断線検知手段とを備
え、熱電素子に生じる温度差を利用して発電を行う熱電
発電装置の駆動方法であって、並列電圧測定手段により
発電単位体の並列電圧を測定する測定ステップと、断線
検知手段により発電単位体の断線を検知する検知ステッ
プと、得られた並列電圧の値から発電開始時期及び発電
単位体同士の電気的な直列及び並列接続の組み合わせを
決定する決定ステップと、決定された接続組み合わせで
発電単位体同士を接続して発電させる発電ステップを含
む構成となっている。
請求項６に記載されているように、熱電素子を含み各々
が同等の出力電圧を生ずる複数の発電単位体と、複数の
発電単位体同士の電気的な接続を切り替える接続切り替
え手段と、複数の発電単位体を並列に接続したときの電
圧を測定する並列電圧測定手段と、並列電圧測定手段に
より得られた並列電圧値に基づいて負荷に応じた発電を
行うように上記複数の発電単位体同士の電気的な直列及
び並列接続の組み合わせを決定する接続決定手段と、各
々の発電単位体の断線を検知する断線検知手段とを備
え、熱電素子に生じる温度差を利用して発電を行う熱電
発電装置の駆動方法であって、並列電圧測定手段により
発電単位体の並列電圧を測定する測定ステップと、断線
検知手段により発電単位体の断線を検知する検知ステッ
プと、得られた並列電圧の値から発電開始時期及び発電
単位体同士の電気的な直列及び並列接続の組み合わせを
決定する決定ステップと、決定された接続組み合わせで
発電単位体同士を接続して発電させる発電ステップを含
む構成となっている。
【００１８】また、請求項７に記載されているように、
上記断線を検知する検知ステップは、上記測定ステップ
により得られた並列電圧の値を利用し、かつ、上記測定
ステップ，決定ステップ，及び発電ステップが繰り返し
行われる際に、毎回又は断続的に行われる構成となって
いる。
上記断線を検知する検知ステップは、上記測定ステップ
により得られた並列電圧の値を利用し、かつ、上記測定
ステップ，決定ステップ，及び発電ステップが繰り返し
行われる際に、毎回又は断続的に行われる構成となって
いる。
【００１９】
【発明の効果】本発明の請求項１に係る熱電発電装置に
よれば、発電単位体の並列電圧値に基づいて、各々の発
電単位体の断線を検知しつつ正常な発電単位体同士を接
続して負荷に応じた最適な効率の良い発電を行うことが
できるという効果がもたらされる。
よれば、発電単位体の並列電圧値に基づいて、各々の発
電単位体の断線を検知しつつ正常な発電単位体同士を接
続して負荷に応じた最適な効率の良い発電を行うことが
できるという効果がもたらされる。
【００２０】本発明の請求項２に係る熱電発電装置によ
れば、発電単位体として同等の出力電圧になれば良いこ
とから、定格の異なる熱電モジュール又は熱電モジュー
ルを直列あるいは並列に接続した熱電モジュールブロッ
クとして用いることで、装置の設計の自由度を増加させ
ることができる。
れば、発電単位体として同等の出力電圧になれば良いこ
とから、定格の異なる熱電モジュール又は熱電モジュー
ルを直列あるいは並列に接続した熱電モジュールブロッ
クとして用いることで、装置の設計の自由度を増加させ
ることができる。
【００２１】本発明の請求項３に係る熱電発電装置によ
れば、発電単位体を構成する熱電モジュールを並列に接
続した場合、発電単位体の内部抵抗を小さくすることが
できる。従って、発電単位体同士を直列に接続した際に
は、より大きい電流を取り出すことができて発電効率を
向上させることができ、一方、発電単位体同士を並列に
接続した際には、特定の熱電モジュールに電流が集中す
ることによる断線が防止でき、装置全体の信頼性を向上
させることができるという効果がもたらされる。
れば、発電単位体を構成する熱電モジュールを並列に接
続した場合、発電単位体の内部抵抗を小さくすることが
できる。従って、発電単位体同士を直列に接続した際に
は、より大きい電流を取り出すことができて発電効率を
向上させることができ、一方、発電単位体同士を並列に
接続した際には、特定の熱電モジュールに電流が集中す
ることによる断線が防止でき、装置全体の信頼性を向上
させることができるという効果がもたらされる。
【００２２】さらに、発電単位体を構成する熱電モジュ
ールを直列及び並列を混在させて接続した場合、例え
ば、発電単位体内で、熱源の温度分布等によって発生電
圧の小さくなる位置に熱電モジュールの並列接続を併用
することにより、単に熱電モジュールを直列接続しただ
けの場合より、発電単位体の出力を向上させることがで
きるという効果がもたらされる。
ールを直列及び並列を混在させて接続した場合、例え
ば、発電単位体内で、熱源の温度分布等によって発生電
圧の小さくなる位置に熱電モジュールの並列接続を併用
することにより、単に熱電モジュールを直列接続しただ
けの場合より、発電単位体の出力を向上させることがで
きるという効果がもたらされる。
【００２３】本発明の請求項４に係る熱電発電装置によ
れば、断線検知手段の構成及びアルゴリズムが単純であ
るため、高速な断線検知が行えると共に、回路が簡素化
できて装置の低コスト化が達成できる。また、断線検知
手段を構成する要素を発電手段と共用することができる
ため、構成部品を少なくすることができ、これにより、
より一層の低コスト化が達成できるという効果がもたら
される。
れば、断線検知手段の構成及びアルゴリズムが単純であ
るため、高速な断線検知が行えると共に、回路が簡素化
できて装置の低コスト化が達成できる。また、断線検知
手段を構成する要素を発電手段と共用することができる
ため、構成部品を少なくすることができ、これにより、
より一層の低コスト化が達成できるという効果がもたら
される。
【００２４】本発明の請求項５に係る熱電発電装置によ
れば、大きさの異なる外部電気抵抗を複数使用すること
により、あるいは、内部抵抗の著しく異なる発電単位体
を併用することにより、検知感度を任意に設定すること
ができ、これにより、緻密な制御が可能となるという効
果がもたらされる。
れば、大きさの異なる外部電気抵抗を複数使用すること
により、あるいは、内部抵抗の著しく異なる発電単位体
を併用することにより、検知感度を任意に設定すること
ができ、これにより、緻密な制御が可能となるという効
果がもたらされる。
【００２５】本発明の請求項６に係る熱電発電装置の駆
動方法によれば、発電中に随時断線検知が行えるため、
正常な発電単位体が残っているにも拘らず、動作中に発
電が停止するということが防止でき、システムとしての
信頼性を向上させることができ、又、効率良く発電を行
うことができるという効果がもたらされる。
動方法によれば、発電中に随時断線検知が行えるため、
正常な発電単位体が残っているにも拘らず、動作中に発
電が停止するということが防止でき、システムとしての
信頼性を向上させることができ、又、効率良く発電を行
うことができるという効果がもたらされる。
【００２６】本発明の請求項７に係る熱電発電装置の駆
動方法によれば、上述の効果に併せて、制御アルゴリズ
ムが単純なため、高速な断線検知が行えると共に回路が
簡素化できて装置の低コストが達成できるという効果が
もたらされる。
動方法によれば、上述の効果に併せて、制御アルゴリズ
ムが単純なため、高速な断線検知が行えると共に回路が
簡素化できて装置の低コストが達成できるという効果が
もたらされる。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を添付図面
に基づいて説明する。
に基づいて説明する。
【００２８】図１は、本発明に係る熱電発電装置の一実
施例を示すブロック構成図である。この熱電発電装置１
０は、一対以上の熱電素子を含みお互いに同等の出力電
圧が得られるようにした複数の熱電モジュール、又は、
この複数の熱電モジュールを電気的に直列あるいは並列
に接続してお互いに同等の出力が得られるようにした複
数の熱電モジュールブロック２０を有し、さらに、これ
ら各々の熱電モジュール又は熱電モジュールブロックを
発電単位体として、これら発電単位体を並列に接続した
ときの並列電圧Ｖｐを測定する並列電圧測定手段３０
と、これら発電単位体の断線を検知する断線検知手段４
０と、並列電圧測定手段３０及び断線検知手段４０によ
り得られた情報に基づき発電単位体同士の電気的な接
続、すなわち、直列あるいは並列接続の組み合わせを決
定する接続決定手段５０と、この接続決定手段５０の出
力信号に基づき発電単位体同士の接続パターンの切り替
えを行う接続切り替え手段６０を備えている。
施例を示すブロック構成図である。この熱電発電装置１
０は、一対以上の熱電素子を含みお互いに同等の出力電
圧が得られるようにした複数の熱電モジュール、又は、
この複数の熱電モジュールを電気的に直列あるいは並列
に接続してお互いに同等の出力が得られるようにした複
数の熱電モジュールブロック２０を有し、さらに、これ
ら各々の熱電モジュール又は熱電モジュールブロックを
発電単位体として、これら発電単位体を並列に接続した
ときの並列電圧Ｖｐを測定する並列電圧測定手段３０
と、これら発電単位体の断線を検知する断線検知手段４
０と、並列電圧測定手段３０及び断線検知手段４０によ
り得られた情報に基づき発電単位体同士の電気的な接
続、すなわち、直列あるいは並列接続の組み合わせを決
定する接続決定手段５０と、この接続決定手段５０の出
力信号に基づき発電単位体同士の接続パターンの切り替
えを行う接続切り替え手段６０を備えている。
【００２９】ここで、電気的な接続の切り替えの単位と
なる発電単位体としては、図２に示すように、Ｎ型熱電
素子２２及びＰ型熱電素子２３からなる素子対を例えば
８対、金属電極２４を用いて電気的に直列に接続し、さ
らに、電気的絶縁性及び機械的強度維持のために電気絶
縁性基板２５で挟んで熱電モジュール２１としたものを
採用することができ、又、この熱電モジュール２１を複
数個直列に接続した熱電モジュールブロック２０を採用
することができる。
なる発電単位体としては、図２に示すように、Ｎ型熱電
素子２２及びＰ型熱電素子２３からなる素子対を例えば
８対、金属電極２４を用いて電気的に直列に接続し、さ
らに、電気的絶縁性及び機械的強度維持のために電気絶
縁性基板２５で挟んで熱電モジュール２１としたものを
採用することができ、又、この熱電モジュール２１を複
数個直列に接続した熱電モジュールブロック２０を採用
することができる。
【００３０】ここで、例えば、自動車の排気ガスのよう
な一方向に熱の流れをもつものを熱源として用いる場合
は、排気ガスの流れの上流と下流とでは、一般に排気ガ
スの温度が異なっている。従って、図３に示すように、
例えば１０個の同定格熱電モジュール２１を熱の流れ方
向（排気ガスの流れ方向）に電気的に直列に接続した熱
電モジュールブロック２０を発電単位体として、この発
電単位体を６個排気管７０を取り囲むように、上側に３
個、下側に３個それぞれ配置することで、各熱電モジュ
ールブロック２０、すなわち各発電単位体を同等の出力
電圧が得られるようにすることができる。
な一方向に熱の流れをもつものを熱源として用いる場合
は、排気ガスの流れの上流と下流とでは、一般に排気ガ
スの温度が異なっている。従って、図３に示すように、
例えば１０個の同定格熱電モジュール２１を熱の流れ方
向（排気ガスの流れ方向）に電気的に直列に接続した熱
電モジュールブロック２０を発電単位体として、この発
電単位体を６個排気管７０を取り囲むように、上側に３
個、下側に３個それぞれ配置することで、各熱電モジュ
ールブロック２０、すなわち各発電単位体を同等の出力
電圧が得られるようにすることができる。
【００３１】さらに、これら熱電モジュールブロック２
０に放熱フィン７１を取り付けることで、吸熱及び放熱
構造を形成することができる。
０に放熱フィン７１を取り付けることで、吸熱及び放熱
構造を形成することができる。
【００３２】一方、図４に示すように、下方から上方に
向けて温度分布を生じるようなゴミ焼却炉８０を熱源と
して用いる場合は、例えば、同定格の熱電モジュール８
２を水平方向に電気的に直列に接続した熱電モジュール
ブロック８１を発電単位体とし、各々の発電単位体８１
内の熱電モジュール８２の接続数を上下方向において適
当に変化させて配置し、さらに熱電モジュールブロック
８１の表面に放熱フィン８３を取り付けることにより、
各々の発電単位体から同等の出力電圧が得られるように
することができる。
向けて温度分布を生じるようなゴミ焼却炉８０を熱源と
して用いる場合は、例えば、同定格の熱電モジュール８
２を水平方向に電気的に直列に接続した熱電モジュール
ブロック８１を発電単位体とし、各々の発電単位体８１
内の熱電モジュール８２の接続数を上下方向において適
当に変化させて配置し、さらに熱電モジュールブロック
８１の表面に放熱フィン８３を取り付けることにより、
各々の発電単位体から同等の出力電圧が得られるように
することができる。
【００３３】例えば、下方から上方に向かって線形に温
度が分布していれば、ゼーベック効果による起電力は温
度差に対してほぼ線形に変化する場合が多いことから、
上下方向に配置する各々の発電単位体内の熱電モジュー
ル８２の数を線形に変化させれば良いことになる。
度が分布していれば、ゼーベック効果による起電力は温
度差に対してほぼ線形に変化する場合が多いことから、
上下方向に配置する各々の発電単位体内の熱電モジュー
ル８２の数を線形に変化させれば良いことになる。
【００３４】以上、同定格の熱電モジュールを用いて各
々が同等の出力電圧となるような発電単位体を構成する
例を述べたが、この電気的な直列、並列接続の切り替え
の単位となる発電単位体は、各々が同等の出力電圧とな
ればよく、従って、異なった定格の熱電モジュールを用
いて構成してもよく、又、発電単位体内においては、熱
電モジュール同士を直列に接続するだけでなく、並列に
接続してもよく、さらに、熱電素子数の異なる熱電モジ
ュール、あるいは、熱電モジュールの接続数が異なる熱
電モジュールブロックを採用してもよい。
々が同等の出力電圧となるような発電単位体を構成する
例を述べたが、この電気的な直列、並列接続の切り替え
の単位となる発電単位体は、各々が同等の出力電圧とな
ればよく、従って、異なった定格の熱電モジュールを用
いて構成してもよく、又、発電単位体内においては、熱
電モジュール同士を直列に接続するだけでなく、並列に
接続してもよく、さらに、熱電素子数の異なる熱電モジ
ュール、あるいは、熱電モジュールの接続数が異なる熱
電モジュールブロックを採用してもよい。
【００３５】図５に、上述の如き発電単位体の構成例を
示す。尚、本図中において、Ｖｐは発電単位体の並列電
圧値、ｒは熱電モジュールの内部抵抗である。
示す。尚、本図中において、Ｖｐは発電単位体の並列電
圧値、ｒは熱電モジュールの内部抵抗である。
【００３６】図５に示すように、発電単位体内におい
て、熱電モジュールの並列接続を併用する場合には、発
電単位体の内部抵抗を小さくすることができる。従っ
て、発電単位体同士を直列に接続した場合には、より大
きい電流を取り出すことができ、これにより、発電効率
を向上させることができる。一方、発電単位体同士を並
列に接続した場合には、特定の熱電モジュールに電流が
集中することによる断線が防止でき、これにより、シス
テム全体の信頼性を向上させることができる。
て、熱電モジュールの並列接続を併用する場合には、発
電単位体の内部抵抗を小さくすることができる。従っ
て、発電単位体同士を直列に接続した場合には、より大
きい電流を取り出すことができ、これにより、発電効率
を向上させることができる。一方、発電単位体同士を並
列に接続した場合には、特定の熱電モジュールに電流が
集中することによる断線が防止でき、これにより、シス
テム全体の信頼性を向上させることができる。
【００３７】図６に、一方向に熱の流れをもつ熱源の流
れ方向に沿って電気的に接続された熱電モジュールブロ
ックを発電単位体とする場合の構成例を示す。尚、本図
中において、Ｖは熱電モジュールの出力電圧、Ｒは熱電
モジュールの内部抵抗、Ｒｆは外部負荷（電気抵抗）で
ある。
れ方向に沿って電気的に接続された熱電モジュールブロ
ックを発電単位体とする場合の構成例を示す。尚、本図
中において、Ｖは熱電モジュールの出力電圧、Ｒは熱電
モジュールの内部抵抗、Ｒｆは外部負荷（電気抵抗）で
ある。
【００３８】図６（ａ）に示すように、同定格の熱電モ
ジュールを接続する場合は、全ての熱電モジュールが同
等の出力電圧Ｖとなることが望ましい。しかし、熱源の
容量が小さかったり、熱源との熱交換効率が高い等の理
由で、熱源の上流と下流の温度差が著しく大きくなり、
そのため、図６（ｂ）に示すように、上流に接地した熱
電モジュールと下流に設置した熱電モジュールとが発生
する電圧に著しい差が生じる場合が考えられる。
ジュールを接続する場合は、全ての熱電モジュールが同
等の出力電圧Ｖとなることが望ましい。しかし、熱源の
容量が小さかったり、熱源との熱交換効率が高い等の理
由で、熱源の上流と下流の温度差が著しく大きくなり、
そのため、図６（ｂ）に示すように、上流に接地した熱
電モジュールと下流に設置した熱電モジュールとが発生
する電圧に著しい差が生じる場合が考えられる。
【００３９】このような場合において、例えば、外部負
荷Ｒｆ（外部電気抵抗）を接続する構成において、外部
負荷Ｒｆの大きさを発電単位体の合成抵抗に合わせて変
えることができる場合には、図６（ｃ），（ｄ）のよう
に、発生電圧の低い熱電モジュールを並列に接続した
り、発生電圧の低い熱電モジュールに同定格の熱電モジ
ュールを並列に接続することにより、外部負荷に取り出
される電力Ｐｆを大きくすることができる。
荷Ｒｆ（外部電気抵抗）を接続する構成において、外部
負荷Ｒｆの大きさを発電単位体の合成抵抗に合わせて変
えることができる場合には、図６（ｃ），（ｄ）のよう
に、発生電圧の低い熱電モジュールを並列に接続した
り、発生電圧の低い熱電モジュールに同定格の熱電モジ
ュールを並列に接続することにより、外部負荷に取り出
される電力Ｐｆを大きくすることができる。
【００４０】一方、外部負荷Ｒｆの大きさを発電単位体
の合成抵抗に合わせて変えることができない場合には、
図６（ｄ）のように、発生電圧の低いモジュールに同定
格の熱電モジュールを並列に接続することにより、外部
負荷に取り出される電力Ｐｆを大きくすることができ
る。
の合成抵抗に合わせて変えることができない場合には、
図６（ｄ）のように、発生電圧の低いモジュールに同定
格の熱電モジュールを並列に接続することにより、外部
負荷に取り出される電力Ｐｆを大きくすることができ
る。
【００４１】以上述べた各々の構成における外部負荷Ｒ
ｆと電力Ｐｆとの関係を表１に示す。
ｆと電力Ｐｆとの関係を表１に示す。
【００４２】
【表１】 次に、本発明の熱電発電装置においては、電気的な接続
を直列又は並列接続に切り替える単位としての発電単位
体の並列電圧Ｖｐの値を用いて、発電開始時期、発電単
位体の接続パターンの決定を行うようにしている。
を直列又は並列接続に切り替える単位としての発電単位
体の並列電圧Ｖｐの値を用いて、発電開始時期、発電単
位体の接続パターンの決定を行うようにしている。
【００４３】図７は、本発明に係る熱電発電装置での発
電サイクルの一例を示すフローチャートである。尚、こ
こでは、ｎ個の正常な発電単位体を直列に接続して負荷
に対し発電を行う場合を示すものである。
電サイクルの一例を示すフローチャートである。尚、こ
こでは、ｎ個の正常な発電単位体を直列に接続して負荷
に対し発電を行う場合を示すものである。
【００４４】図７に示すように、先ず、ステップ１（Ｓ
１）において、本装置が発電を行うのに必要な最低電圧
Ｖｓを発電単位体の個数（ｎ）で除して、１つの発電単
位体における発電に必要なしきい値電圧Ｖｐｓを設定す
る。
１）において、本装置が発電を行うのに必要な最低電圧
Ｖｓを発電単位体の個数（ｎ）で除して、１つの発電単
位体における発電に必要なしきい値電圧Ｖｐｓを設定す
る。
【００４５】次に、ステップ２（Ｓ２）において、発電
単位体の並列電圧Ｖｐを測定し、ステップ３（Ｓ３）に
おいて、得られた並列電圧Ｖｐの値と発電に必要なしき
い値電圧Ｖｐｓとを比較し、並列電圧Ｖｐがしきい値電
圧Ｖｐｓに達していなければ、ステップ２に戻る。そし
て、このサイクルは並列電圧Ｖｐの値がしきい値電圧Ｖ
ｐｓの値に達するまで続けられる。すなわち、このステ
ップにおいて、発電開始時期にあるか否かの判定がなさ
れることになる。
単位体の並列電圧Ｖｐを測定し、ステップ３（Ｓ３）に
おいて、得られた並列電圧Ｖｐの値と発電に必要なしき
い値電圧Ｖｐｓとを比較し、並列電圧Ｖｐがしきい値電
圧Ｖｐｓに達していなければ、ステップ２に戻る。そし
て、このサイクルは並列電圧Ｖｐの値がしきい値電圧Ｖ
ｐｓの値に達するまで続けられる。すなわち、このステ
ップにおいて、発電開始時期にあるか否かの判定がなさ
れることになる。
【００４６】一方、並列電圧Ｖｐの値がしきい値電圧Ｖ
ｐｓ以上である場合、あるいは以上となった場合は、ス
テップ４（Ｓ４）においてｎ個の正常な発電単位体を直
列に接続して発電を行う。
ｐｓ以上である場合、あるいは以上となった場合は、ス
テップ４（Ｓ４）においてｎ個の正常な発電単位体を直
列に接続して発電を行う。
【００４７】そして、一定の発電期間を過ぎると、再び
ステップ２に戻り、以上の発電サイクルが繰り返し行わ
れることになる。
ステップ２に戻り、以上の発電サイクルが繰り返し行わ
れることになる。
【００４８】このように、特定の発電単位体の電圧から
ではなく、電気的接続の切り替えの単位となる発電単位
体の並列電圧Ｖｐから、発電時期及び発電単位体の接続
パターンの判定あるいは決定を行うようにしたことで、
システムの信頼性が向上する。
ではなく、電気的接続の切り替えの単位となる発電単位
体の並列電圧Ｖｐから、発電時期及び発電単位体の接続
パターンの判定あるいは決定を行うようにしたことで、
システムの信頼性が向上する。
【００４９】また、本発明の熱電発電装置においては、
発電単位体の断線を検知する断線検知手段を採用して、
発電サイクル毎に、あるいは断続して断線の検知を行え
るようにしている。
発電単位体の断線を検知する断線検知手段を採用して、
発電サイクル毎に、あるいは断続して断線の検知を行え
るようにしている。
【００５０】図８は、断線検知手段を採用した熱電発電
装置の発電サイクルを示すフローチャートである。
装置の発電サイクルを示すフローチャートである。
【００５１】図８に示すように、先ず、ステップ１（Ｓ
１）において、本装置が発電を行うのに必要な最低電圧
Ｖｓを発電単位体の個数（ｎ）で除して、１つの発電単
位体における発電に必要なしきい値電圧Ｖｐｓを設定す
る。
１）において、本装置が発電を行うのに必要な最低電圧
Ｖｓを発電単位体の個数（ｎ）で除して、１つの発電単
位体における発電に必要なしきい値電圧Ｖｐｓを設定す
る。
【００５２】次に、ステップ２（Ｓ２）において、発電
単位体の並列電圧Ｖｐを測定し、得られた並列電圧Ｖｐ
の値を用いて、ステップ３（Ｓ３）においてその発電単
位体の断線を検知する。
単位体の並列電圧Ｖｐを測定し、得られた並列電圧Ｖｐ
の値を用いて、ステップ３（Ｓ３）においてその発電単
位体の断線を検知する。
【００５３】ここで、断線が検知されると、ステップ１
に戻ってｎの値が変更され、再びステップ２及びステッ
プ３へと移行する。
に戻ってｎの値が変更され、再びステップ２及びステッ
プ３へと移行する。
【００５４】一方、ステップ３において断線が検知され
なかった場合は、ステップ４（Ｓ４）において並列電圧
Ｖｐの値としきい値電圧Ｖｐｓとを比較する。そして、
並列電圧Ｖｐがしきい値電圧Ｖｐｓに達していなけれ
ば、再びステップ２に戻り、しきい値電圧Ｖｐｓの値に
達するまでこのサイクルが続けられる。すなわち、この
ステップ４において、発電開始時期にあるか否かの判定
がなされることになる。
なかった場合は、ステップ４（Ｓ４）において並列電圧
Ｖｐの値としきい値電圧Ｖｐｓとを比較する。そして、
並列電圧Ｖｐがしきい値電圧Ｖｐｓに達していなけれ
ば、再びステップ２に戻り、しきい値電圧Ｖｐｓの値に
達するまでこのサイクルが続けられる。すなわち、この
ステップ４において、発電開始時期にあるか否かの判定
がなされることになる。
【００５５】ステップ４において、並列電圧Ｖｐがしき
い値電圧Ｖｐｓ以上であると判断されると、ステップ５
（Ｓ５）において、断線していない正常な発電単位体を
直列に接続して発電を行う。
い値電圧Ｖｐｓ以上であると判断されると、ステップ５
（Ｓ５）において、断線していない正常な発電単位体を
直列に接続して発電を行う。
【００５６】そして、一定の発電期間を過ぎると、再び
ステップ１に戻り、以上の発電サイクルが繰り返し行わ
れることになる。
ステップ１に戻り、以上の発電サイクルが繰り返し行わ
れることになる。
【００５７】ここで、本発明の熱電発電装置における断
線検知手段及びその手法について以下に詳細に述べる。
本発明に係る発電単位体は、内部抵抗Ｒｉと電圧Ｖｐを
発生する電源との直列回路と電気回路的に等価であり、
図９に示すように、このような発電単位体と適当な外部
電気抵抗Ｒｆとを直列に接続すると、閉回路電流Ｉｃが
流れ、この外部電気抵抗において電圧降下Ｖｆが発生す
る。
線検知手段及びその手法について以下に詳細に述べる。
本発明に係る発電単位体は、内部抵抗Ｒｉと電圧Ｖｐを
発生する電源との直列回路と電気回路的に等価であり、
図９に示すように、このような発電単位体と適当な外部
電気抵抗Ｒｆとを直列に接続すると、閉回路電流Ｉｃが
流れ、この外部電気抵抗において電圧降下Ｖｆが発生す
る。
【００５８】ここで、図９から、発電単位体が断線して
内部抵抗Ｒｉが異常に大きくなると、電流Ｉｃ又は電圧
降下Ｖｆが急激に減少することが分かる。
内部抵抗Ｒｉが異常に大きくなると、電流Ｉｃ又は電圧
降下Ｖｆが急激に減少することが分かる。
【００５９】従って、本発明に係る断線検知手段は、こ
のことを利用して、発電単位体の内部抵抗Ｒｉと同等な
いし１００００倍程度の大きさの外部電気抵抗Ｒｆを発
電単位体に直列に接続した時の電圧降下Ｖｆと並列電圧
Ｖｐとを比較することにより、断線の検知を行うように
している。
のことを利用して、発電単位体の内部抵抗Ｒｉと同等な
いし１００００倍程度の大きさの外部電気抵抗Ｒｆを発
電単位体に直列に接続した時の電圧降下Ｖｆと並列電圧
Ｖｐとを比較することにより、断線の検知を行うように
している。
【００６０】以下に、直列に接続された熱電素子からな
る熱電モジュールを発電単位体とした場合の断線検知手
段について説明する。
る熱電モジュールを発電単位体とした場合の断線検知手
段について説明する。
【００６１】発電単位体に使用されている熱電素子の電
気抵抗率（Ｐ）が、例えば、図１０に示すように、動作
温度域で約ｍ倍に直線的に変化すると仮定すると、次式
により、
気抵抗率（Ｐ）が、例えば、図１０に示すように、動作
温度域で約ｍ倍に直線的に変化すると仮定すると、次式
により、
【００６２】（ここで、Ｓは熱電素子の断面積、Ｔｏ及
びＰｏは基準位置における温度及び電気抵抗率、Ｔｏ＋
△Ｔ及びｍ・Ｐｏは基準位置から距離Ｌｏを隔てた位置
における温度及び電気抵抗率を表わす。）、熱電モジュ
ールの電気抵抗Ｒは、（ｍ＋１）／２倍に変化すること
が分かる。通常使用される熱電素子の電気抵抗率Ｐの温
度による変化は、一般に金属的で小さいことが知られて
いるが、仮にｍ＝１０とすると、熱電モジュールの電気
抵抗Ｒは、約５倍になる。
びＰｏは基準位置における温度及び電気抵抗率、Ｔｏ＋
△Ｔ及びｍ・Ｐｏは基準位置から距離Ｌｏを隔てた位置
における温度及び電気抵抗率を表わす。）、熱電モジュ
ールの電気抵抗Ｒは、（ｍ＋１）／２倍に変化すること
が分かる。通常使用される熱電素子の電気抵抗率Ｐの温
度による変化は、一般に金属的で小さいことが知られて
いるが、仮にｍ＝１０とすると、熱電モジュールの電気
抵抗Ｒは、約５倍になる。
【００６３】ここで、並列電圧Ｖｐ，室温における内部
電気抵抗Ｒｉの熱電モジュールと、例えば内部電気抵抗
Ｒｉの１００倍の大きさの外部電気抵抗Ｒｆとを直列に
接続して、この閉回路に流れる電流をＩｃ、外部電気抵
抗における電圧降下をＶｆとすると、（Ｒｉ＋Ｒｆ）・
Ｉｃ＝Ｖｐ、すなわち、Ｖｆ＝Ｒｆ・Ｖｐ／（Ｒｉ＋Ｒ
ｆ）なる関係が成り立つ。
電気抵抗Ｒｉの熱電モジュールと、例えば内部電気抵抗
Ｒｉの１００倍の大きさの外部電気抵抗Ｒｆとを直列に
接続して、この閉回路に流れる電流をＩｃ、外部電気抵
抗における電圧降下をＶｆとすると、（Ｒｉ＋Ｒｆ）・
Ｉｃ＝Ｖｐ、すなわち、Ｖｆ＝Ｒｆ・Ｖｐ／（Ｒｉ＋Ｒ
ｆ）なる関係が成り立つ。
【００６４】この関係から、熱電モジュールが断線して
いない場合において、熱電モジュールの高温端及び低温
端間の温度差が小さいときは、電圧降下Ｖｆは〜０．９
９Ｖｐとなり、熱電モジュールの高温端及び低温端間の
温度差が△Ｔになったとき、すなわち、内部電気抵抗Ｒ
ｉが５倍に変化したとすると、電圧降下Ｖｆは〜０．９
５Ｖｐとなる。
いない場合において、熱電モジュールの高温端及び低温
端間の温度差が小さいときは、電圧降下Ｖｆは〜０．９
９Ｖｐとなり、熱電モジュールの高温端及び低温端間の
温度差が△Ｔになったとき、すなわち、内部電気抵抗Ｒ
ｉが５倍に変化したとすると、電圧降下Ｖｆは〜０．９
５Ｖｐとなる。
【００６５】一方、熱電モジュールが断線して、その内
部電気抵抗Ｒｉが急激に大きくなると、外部電気抵抗で
の電圧降下Ｖｆは急激に小さくなる。
部電気抵抗Ｒｉが急激に大きくなると、外部電気抵抗で
の電圧降下Ｖｆは急激に小さくなる。
【００６６】従って、外部電気抵抗Ｒｆとして、内部電
気抵抗Ｒｉの１００倍の大きさのものを用いた本実施例
では、外部電気抵抗Ｒｆにおける電圧降下Ｖｆが、並列
電圧Ｖｐよりも例えば１０％程度小さくなれば、何らか
の障害が起こりつつあるということを予め知ることがで
きる。
気抵抗Ｒｉの１００倍の大きさのものを用いた本実施例
では、外部電気抵抗Ｒｆにおける電圧降下Ｖｆが、並列
電圧Ｖｐよりも例えば１０％程度小さくなれば、何らか
の障害が起こりつつあるということを予め知ることがで
きる。
【００６７】以上、熱電モジュールの内部電気抵抗Ｒｉ
の１００倍の大きさの外部電気抵抗Ｒｆを用いた場合に
ついて説明したが、外部電気抵抗Ｒｆとしては、内部電
気抵抗Ｒｉと同等〜１００００倍程度の大きさのものを
任意に選定することができ、又、抵抗値の異なる複数の
外部電気抵抗を併用することも可能である。
の１００倍の大きさの外部電気抵抗Ｒｆを用いた場合に
ついて説明したが、外部電気抵抗Ｒｆとしては、内部電
気抵抗Ｒｉと同等〜１００００倍程度の大きさのものを
任意に選定することができ、又、抵抗値の異なる複数の
外部電気抵抗を併用することも可能である。
【００６８】また、本発明に係る断線検知手段は並列電
圧Ｖｐの値を使用することから、並列電圧Ｖｐを測定し
た後に、断線を検知するステップを設けるのが望ましい
が、これに限るものではない。
圧Ｖｐの値を使用することから、並列電圧Ｖｐを測定し
た後に、断線を検知するステップを設けるのが望ましい
が、これに限るものではない。
【００６９】次に、熱電モジュールの高温端及び低温端
間の温度差△Ｔを時間の経過とともに徐々に大きくした
場合の熱電モジュールの開放電圧、熱電モジュールの内
部電気抵抗と同程度の外部電気抵抗を直列に接続した状
態での閉回路電流Ｉｃ及び外部電気抵抗による電圧降下
Ｖｆそれぞれの測定結果を図１１に示す。
間の温度差△Ｔを時間の経過とともに徐々に大きくした
場合の熱電モジュールの開放電圧、熱電モジュールの内
部電気抵抗と同程度の外部電気抵抗を直列に接続した状
態での閉回路電流Ｉｃ及び外部電気抵抗による電圧降下
Ｖｆそれぞれの測定結果を図１１に示す。
【００７０】この判定後において、熱電モジュールの高
温端で熱電素子の接合部が破壊し、断線に至ったことが
確認されており、前述断線検知手法の有効性を裏付けて
いる。
温端で熱電素子の接合部が破壊し、断線に至ったことが
確認されており、前述断線検知手法の有効性を裏付けて
いる。
【００７１】また、図１１から分かるように、開放電圧
の変化が小さい領域、すなわち、断線の初期段階におい
ても、閉回路電流及び外部電気抵抗による電圧降下が共
に減少し始めており、本手法を用いれば、開放電圧がダ
ウンするような完全な破壊に至る前に、速やかな断線検
知を行えることが理解できる。
の変化が小さい領域、すなわち、断線の初期段階におい
ても、閉回路電流及び外部電気抵抗による電圧降下が共
に減少し始めており、本手法を用いれば、開放電圧がダ
ウンするような完全な破壊に至る前に、速やかな断線検
知を行えることが理解できる。
【００７２】次に、図３に示した熱電モジュールブロッ
ク２０からなる発電単位体及び上述の断線検知手段を採
用した熱電発電装置を用いて、これにより発電された電
力を自動車のバッテリに充電する実施例を説明する。
ク２０からなる発電単位体及び上述の断線検知手段を採
用した熱電発電装置を用いて、これにより発電された電
力を自動車のバッテリに充電する実施例を説明する。
【００７３】図１２は、この実施例に係る発電サイクル
を示すフローチャートである。図１２に示すように、先
ず、ステップ１（Ｓ１）において、本装置が発電を行う
のに必要な最低電圧をＶｓとし、全発電単位体の個数Ｎ
のうち正常な発電単位体の個数をｎとし、Ｖｓをｎで除
して、１つの発電単位体における発電に必要なしきい値
電圧Ｖｐｓを設定する。
を示すフローチャートである。図１２に示すように、先
ず、ステップ１（Ｓ１）において、本装置が発電を行う
のに必要な最低電圧をＶｓとし、全発電単位体の個数Ｎ
のうち正常な発電単位体の個数をｎとし、Ｖｓをｎで除
して、１つの発電単位体における発電に必要なしきい値
電圧Ｖｐｓを設定する。
【００７４】次に、ステップ２（Ｓ２）において、発電
単位体の並列電圧Ｖｐを測定し、ステップ３（Ｓ３）に
おいて、得られた並列電圧Ｖｐの値と発電に必要なしき
い値電圧Ｖｐｓとを比較し、並列電圧Ｖｐの値がしきい
値電圧Ｖｐｓに達していなければステップ２に戻る。こ
のサイクルは、並列電圧Ｖｐの値がしきい値電圧Ｖｐｓ
に達するまで続けられる。
単位体の並列電圧Ｖｐを測定し、ステップ３（Ｓ３）に
おいて、得られた並列電圧Ｖｐの値と発電に必要なしき
い値電圧Ｖｐｓとを比較し、並列電圧Ｖｐの値がしきい
値電圧Ｖｐｓに達していなければステップ２に戻る。こ
のサイクルは、並列電圧Ｖｐの値がしきい値電圧Ｖｐｓ
に達するまで続けられる。
【００７５】そして、並列電圧Ｖｐの値がしきい値電圧
Ｖｐｓ以上になると、ステップ４（Ｓ４）においてカウ
ンターｉを１にセットする。続いて、ステップ５
（Ｓ５）においてｉ番目の発電単位体が既にマークされ
ていれば、ステップ９（Ｓ９）に進む。
Ｖｐｓ以上になると、ステップ４（Ｓ４）においてカウ
ンターｉを１にセットする。続いて、ステップ５
（Ｓ５）においてｉ番目の発電単位体が既にマークされ
ていれば、ステップ９（Ｓ９）に進む。
【００７６】一方、ｉ番目の発電単位体が未だマークさ
れていなければ、ステップ６（Ｓ６）においてｉ番目の
発電単位体と外部電気抵抗Ｒｆとを直列に接続したとき
の外部電気抵抗（例えば、内部電気抵抗Ｒｉの１００
倍）での電圧降下Ｖｆｉを測定する。
れていなければ、ステップ６（Ｓ６）においてｉ番目の
発電単位体と外部電気抵抗Ｒｆとを直列に接続したとき
の外部電気抵抗（例えば、内部電気抵抗Ｒｉの１００
倍）での電圧降下Ｖｆｉを測定する。
【００７７】続いて、ステップ（Ｓ７）において、既に
得られた並列電圧Ｖｐの値と前ステップ６で得られた電
圧降下Ｖｆｉの値とを比較する。そして、電圧降下Ｖｆ
ｉの値が並列電圧Ｖｐの値よりも著しく小さい（例え
ば、５０％以下）ときには、このｉ番目の発電単位体は
異常（ＮＧ）、すなわち断線状態にあると判定されてマ
ークされ、ステップ８（Ｓ８）において正常な発電単位
体の数がｎ−１に減じられ、ステップ１に戻って、しき
い値電圧Ｖｐｓが、Ｖｐｓ＝Ｖｓ／（ｎ−１）として新
たに設定される。
得られた並列電圧Ｖｐの値と前ステップ６で得られた電
圧降下Ｖｆｉの値とを比較する。そして、電圧降下Ｖｆ
ｉの値が並列電圧Ｖｐの値よりも著しく小さい（例え
ば、５０％以下）ときには、このｉ番目の発電単位体は
異常（ＮＧ）、すなわち断線状態にあると判定されてマ
ークされ、ステップ８（Ｓ８）において正常な発電単位
体の数がｎ−１に減じられ、ステップ１に戻って、しき
い値電圧Ｖｐｓが、Ｖｐｓ＝Ｖｓ／（ｎ−１）として新
たに設定される。
【００７８】一方、ｉ番目の発電単位体が正常（ＯＫ）
と判定されると、ステップ９（Ｓ９）においてカウンタ
ーｉがｉ＋１に設定される。そして、ステップ１０（Ｓ
１０）において、カウンターｉの値と全発電単位体の数
Ｎとを比較し、ｉの値がＮより小さければ、ステップ５
に戻って同様の断線チェックが行われる。カウンターｉ
の値が全発電単位体の数Ｎよりも大きい場合は、ステッ
プ１１（Ｓ１１）において、前ステップで判別された正
常な発電単位体のみを直列に接続して発電を行わせ、バ
ッテリへの充電を開始する。
と判定されると、ステップ９（Ｓ９）においてカウンタ
ーｉがｉ＋１に設定される。そして、ステップ１０（Ｓ
１０）において、カウンターｉの値と全発電単位体の数
Ｎとを比較し、ｉの値がＮより小さければ、ステップ５
に戻って同様の断線チェックが行われる。カウンターｉ
の値が全発電単位体の数Ｎよりも大きい場合は、ステッ
プ１１（Ｓ１１）において、前ステップで判別された正
常な発電単位体のみを直列に接続して発電を行わせ、バ
ッテリへの充電を開始する。
【００７９】尚、本実施例においては、発電開始時期判
定（ステップ３）の後に、断線検知を行う制御フローと
なっているが、発電単位体の出力電圧が高くて、発電単
位体の直列，並列接続を組み合わせる場合には、この限
りではない。
定（ステップ３）の後に、断線検知を行う制御フローと
なっているが、発電単位体の出力電圧が高くて、発電単
位体の直列，並列接続を組み合わせる場合には、この限
りではない。
【００８０】以上述べたような制御フローを実現する手
法としては、例えば、メカニカルリレー，ソリッドリレ
ー等を用いたスイッチ回路と、Ａ／Ｄコンバータ，マイ
クロコンピュータ等を組み合わせたインテリジェント回
路を用いる構成がある。
法としては、例えば、メカニカルリレー，ソリッドリレ
ー等を用いたスイッチ回路と、Ａ／Ｄコンバータ，マイ
クロコンピュータ等を組み合わせたインテリジェント回
路を用いる構成がある。
【００８１】このような構成にすることにより、接続す
る負荷や熱源、あるいは自動車用途であれば、アクセル
開度、ギヤ位置、トルク等走行状態に関する情報をも取
り入れて、さらに高精度で複雑かつ緻密な制御を行うこ
とができ、又、不良の発電単位体（モジュールブロッ
ク）を不揮発性メモリに記憶しておけば、運転停止後に
おいても不良診断，警報等に利用することができる。
る負荷や熱源、あるいは自動車用途であれば、アクセル
開度、ギヤ位置、トルク等走行状態に関する情報をも取
り入れて、さらに高精度で複雑かつ緻密な制御を行うこ
とができ、又、不良の発電単位体（モジュールブロッ
ク）を不揮発性メモリに記憶しておけば、運転停止後に
おいても不良診断，警報等に利用することができる。
【００８２】上述の回路の構成例を図１３に示す。この
例では、発電単位体２０の直列，並列の接続を切り換え
る接続切り替え手段６０が、発電単位体を並列に接続し
たときの並列電圧を測定するＶｐ測定回路及び各々の発
電単位体２０と外部電気抵抗Ｒｆとを直列に接続したと
きの電圧降下Ｖｆｉを測定するＶｆｉ測定回路を構成す
るのに共用されるとともに、Ｖｐを測定して判定する部
分と、Ｖｆｉを測定してＶｐと比較する部分とが共用さ
れるように構成されている。
例では、発電単位体２０の直列，並列の接続を切り換え
る接続切り替え手段６０が、発電単位体を並列に接続し
たときの並列電圧を測定するＶｐ測定回路及び各々の発
電単位体２０と外部電気抵抗Ｒｆとを直列に接続したと
きの電圧降下Ｖｆｉを測定するＶｆｉ測定回路を構成す
るのに共用されるとともに、Ｖｐを測定して判定する部
分と、Ｖｆｉを測定してＶｐと比較する部分とが共用さ
れるように構成されている。
【００８３】上述の制御フローでは、しきい値電圧Ｖｐ
ｓは、正常な発電単位体を全て直列に接続したときに、
装置が発電可能な最低電圧になるように決められてい
る。しかしながら、実際の運用時においては、正常な発
電単位体を全て直列に接続すると、発電許容最高電圧を
越える場合が考えられる。このような場合、直列に接続
する発電単位体の数を減らしたり、並列接続を組み合わ
せる等して、常に最適な発電及び充電が行われるように
制御する。また、スイッチ回路と負荷との間に昇圧回路
等を介在させることも可能である。
ｓは、正常な発電単位体を全て直列に接続したときに、
装置が発電可能な最低電圧になるように決められてい
る。しかしながら、実際の運用時においては、正常な発
電単位体を全て直列に接続すると、発電許容最高電圧を
越える場合が考えられる。このような場合、直列に接続
する発電単位体の数を減らしたり、並列接続を組み合わ
せる等して、常に最適な発電及び充電が行われるように
制御する。また、スイッチ回路と負荷との間に昇圧回路
等を介在させることも可能である。
【００８４】さらに、本実施例においては、熱電発電モ
ジュールブロック（発電単位体）と、制御部，接続切り
替え手段，出力部等とを別々に独立させた構成となって
いるが、これらを全て一体的に設置することも可能であ
る。
ジュールブロック（発電単位体）と、制御部，接続切り
替え手段，出力部等とを別々に独立させた構成となって
いるが、これらを全て一体的に設置することも可能であ
る。
【図１】本発明に係る熱電発電装置の一実施例を示すブ
ロック構成図である。
ロック構成図である。
【図２】本発明に係る熱電発電装置の一部を構成する熱
電モジュールを示す斜視図である。
電モジュールを示す斜視図である。
【図３】本発明に係る熱電発電装置の熱源として自動車
の排気ガスを用いる場合を示す斜視構成図である。
の排気ガスを用いる場合を示す斜視構成図である。
【図４】本発明に係る熱電発電装置の熱源としてゴミ焼
却炉を用いる場合を示す斜視構成図である。
却炉を用いる場合を示す斜視構成図である。
【図５】本発明に係る熱電発電装置の一部を構成する発
電単位体の構成例を示す図である。
電単位体の構成例を示す図である。
【図６】本発明に係る熱電発電装置の一部を構成する発
電単位体の構成例を示す図である。
電単位体の構成例を示す図である。
【図７】本発明に係る熱電発電装置での発電サイクルの
一例を示すフローチャートである。
一例を示すフローチャートである。
【図８】断線検知手段を採用した熱電発電装置での発電
サイクルの一例を示すフローチャートである。
サイクルの一例を示すフローチャートである。
【図９】本発明に係る発電単位体に外部電気抵抗を直列
に接続した状態を示す回路図である。
に接続した状態を示す回路図である。
【図１０】本発明に係る熱電モジュールの電気抵抗を説
明するための図である。
明するための図である。
【図１１】本発明に係る熱電モジュールの両端の温度差
△Ｔを時間の経過とともに増大させた場合のその開放電
圧、外部電気抵抗を直列に接続したときの閉回路電流及
び電圧降下を示す図である。
△Ｔを時間の経過とともに増大させた場合のその開放電
圧、外部電気抵抗を直列に接続したときの閉回路電流及
び電圧降下を示す図である。
【図１２】本発明に係る熱電発電装置を用いてバッテリ
に充電する場合の発電サイクルを示すフローチャートで
ある。
に充電する場合の発電サイクルを示すフローチャートで
ある。
【図１３】本発明に係る熱電発電装置の他の実施例を示
すブロック構成図である。
すブロック構成図である。
１０ 熱電発電装置 ２０ 熱電モジュールブロック ２１ 熱電発電モジュール ２２ Ｎ型熱電子素子 ２３ Ｐ型熱電子素子 ２４ 金属電極 ２５ 電気絶縁性基板 ３０ 並列電圧測定手段 ４０ 断線検知手段 ５０ 接続決定手段 ６０ 接続切り替え手段 ７０ 排気管 ７１ 放熱フィン ８０ ゴミ焼却炉 ８１ 熱電モジュールブロック ８２ 熱電モジュール ８３ 放熱フィン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古 谷 健 司 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内
Claims (7)
- 【請求項１】 熱電素子に生じる温度差を利用して発電
を行う熱電発電装置であって、熱電素子を含み各々が同
等の出力電圧を生ずる複数の発電単位体と、複数の発電
単位体同士の電気的な接続を切り替える接続切り替え手
段と、複数の発電単位体を並列に接続したときの電圧を
測定する並列電圧測定手段と、並列電圧測定手段により
得られた並列電圧値に基づいて負荷に応じた発電を行う
ように前記複数の発電単位体同士の電気的な直列及び並
列接続の組み合わせを決定する接続決定手段と、各々の
発電単位体の断線を検知する断線検知手段とを有するこ
とを特徴とする熱電発電装置。 - 【請求項２】 前記発電単位体は、一対以上の熱電素子
からなる熱電モジュール又は前記熱電モジュールを複数
個電気的に接続した熱電モジュールブロックであること
を特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。 - 【請求項３】 前記熱電モジュールブロックは、熱電モ
ジュールを複数個電気的に、直列に接続、又は並列に接
続、あるいは直列及び並列を組み合わせて接続されてい
ることを特徴とする請求項２記載の熱電発電装置。 - 【請求項４】 前記断線検知手段は、各々の発電単位体
に対して所定の外部電気抵抗を電気的に直列に接続する
抵抗接続手段と、外部電気抵抗を直列に接続した際の電
圧降下を測定する電圧降下測定手段と、電圧降下測定手
段により得られた電圧降下の値と前記並列電圧測定手段
により得られた並列電圧の値とを比較する比較手段を有
することを特徴とする請求項１ないし３いずれか１つに
記載の熱電発電装置。 - 【請求項５】 前記外部電気抵抗の抵抗値が、各々の発
電単位体の内部抵抗の抵抗値の１〜１００００倍の範囲
であることを特徴とする請求項４記載の熱電発電装置。 - 【請求項６】 熱電素子を含み各々が同等の出力電圧を
生ずる複数の発電単位体と、複数の発電単位体同士の電
気的な接続を切り替える接続切り替え手段と、複数の発
電単位体を並列に接続したときの電圧を測定する並列電
圧測定手段と、並列電圧測定手段により得られた並列電
圧値に基づいて負荷に応じた発電を行うように前記複数
の発電単位体同士の電気的な直列及び並列接続の組み合
わせを決定する接続決定手段と、各々の発電単位体の断
線を検知する断線検知手段とを備え、熱電素子に生じる
温度差を利用して発電を行う熱電発電装置の駆動方法で
あって、並列電圧測定手段により発電単位体の並列電圧
を測定する測定ステップと、断線検知手段により発電単
位体の断線を検知する検知ステップと、得られた並列電
圧の値から発電開始時期及び発電単位体同士の電気的な
直列及び並列接続の組み合わせを決定する決定ステップ
と、決定された接続組み合わせで発電単位体同士を接続
して発電させる発電ステップを含むことを特徴とする熱
電発電装置の駆動方法。 - 【請求項７】 前記断線を検知する検知ステップは、前
記測定ステップにより得られた並列電圧の値を利用し、
かつ、前記測定ステップ，決定ステップ，及び発電ステ
ップが繰り返し行われる際に、毎回又は断続的に行われ
ることを特徴とする請求項６記載の熱電発電装置の駆動
方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10039254A JPH1132492A (ja) | 1997-05-14 | 1998-02-20 | 熱電発電装置及びその駆動方法 |
| US09/069,981 US6028263A (en) | 1997-05-14 | 1998-04-30 | Thermoelectric power generating apparatus and method for driving same |
| EP98303670A EP0878851A3 (en) | 1997-05-14 | 1998-05-11 | Thermoelectric power generation |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9-124354 | 1997-05-14 | ||
| JP12435497 | 1997-05-14 | ||
| JP10039254A JPH1132492A (ja) | 1997-05-14 | 1998-02-20 | 熱電発電装置及びその駆動方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1132492A true JPH1132492A (ja) | 1999-02-02 |
Family
ID=26378585
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10039254A Pending JPH1132492A (ja) | 1997-05-14 | 1998-02-20 | 熱電発電装置及びその駆動方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6028263A (ja) |
| EP (1) | EP0878851A3 (ja) |
| JP (1) | JPH1132492A (ja) |
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