JP2003309988A - 熱発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小形軽量の可搬形であって、低騒音、高効
率、環境汚染のおそれが少なく、さらにメンテナンスが
容易な熱発電装置を提供すること。 【解決手段】 複数組のサブモジュール１１を直列にリ
ング状に接続して半導体変換器２を構成する。サブモジ
ュールは、一対のｐ形半導体素子１５とｎ形半導体素子
１６と、熱伝導が良好な金属製の加熱および冷却の各部
材１３，１４とから成る。内通路２１には、高温度排ガ
スを供給する。外通路２３には、常温空気を供給する。
半導体変換器からの出力は、第１および第２入力スイッ
チング素子５１，５２の交互のオン／オフのプッシュプ
ル動作で、センタタップ形１次巻線４２を有するトラン
ス４１に与え、そのセンタタップ形２次巻線４３の出力
は全波整流回路５７を経て、３組の第１および第２出力
スイッチング素子８３，８４；８５，８６；８７，８８
のパルス幅変調制御回路９４による動作によって５０ま
たは６０Ｈｚの交流電力を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【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むことを特徴とする熱発電装置で
ある。

【０００６】また本発明は、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
他方が配置される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】また本発明は、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ることを特徴とす
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。

【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、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、各サブモジュール１
１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１
３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
含むことを特徴とする熱発電装置用モジュールである。

【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、全体の形状が、鉛直軸線１
４３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、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２
２６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
されることを特徴とする熱発電装置用モジュールであ
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２
１２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３
５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、前述の熱発電装置用モジュ
ールと、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
を特徴とする熱発電装置である。

【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２
２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。

【００２６】また本発明は、（ａ）トランスであって、
半導体変換器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、半導体変換器
の一方極性の出力端子に接続され、１次巻線の両端子
は、半導体変換器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
端子と半導体変換器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
線の他方の端子と半導体変換器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。

【００２７】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２０〜３００
ｋＨｚ、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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【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、１２
０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５０Ｈ
ｚ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ＭＯＳ ＦＥ
Ｔ）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１
６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１１
ａ，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１
１ａ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１６
ａ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２
２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２
７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３
７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３
３，３８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Ｍ
ＯＳ ＦＥＴ）によって実現されてもよく、またはＮチ
ャネル形ＭＯＳ ＦＥＴ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４４，４
５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７
２，７３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７４，７
５，７６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７４，７
５，７６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６０Ｈ
ｚ）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９
８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１０
５ｂの出力は、バッファ１０７ｂを経て第２分周器１０
３ｂ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１
０７ｃ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１
０５ｂ１，１０５ｂ２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１０
４ａ〜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，１１４
ｃ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，１１６
ｃをそれぞれ介して第２出力スイッチング素子８４，８
６，８８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９
１，９２，９３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１１７，１１
８，１１９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１
８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
って囲まれる空間には、蓋１５４が配置され、バーナ３
５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の突出部分２
８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１
５７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、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２
１２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２２
１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２
２５とを有し、熱伝導が良好な金属製第１熱伝導部材２
１３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２１６
ａに、他方のサブモジュール２１１ｃの第２環状部分２
２９ｃ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３
６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５０
Ｈｚ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ＭＯＳ ＦＥ
Ｔ）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２
１２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 １５ ｐ形半導体素子 １６ ｎ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 ４２ １次巻線 ４３ ２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

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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
   回路とを含むことを特徴とする熱発電装置。
2. 【請求項２】 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ることを特徴とする請求項１記
   載の熱発電装置。
3. 【請求項３】 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
   徴とする請求項２記載の熱発電装置。
4. 【請求項４】 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ることを特
   徴とする熱発電装置。
5. 【請求項５】 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請求項３または４記載の熱発
   電装置。
6. 【請求項６】 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請求項５記載の熱発
   電装置。
7. 【請求項７】 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請求項５または６記載の熱発電
   装置。
8. 【請求項８】 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、 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２
   ８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とを含むことを特徴とする熱発電装置用モジュ
   ール。
9. 【請求項９】 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、 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が配置されるこ
   とを特徴とする熱発電装置用モジュール。
10. 【請求項１０】 請求項８または９記載の熱発電装置用
    モジュールと、 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熱発電装
    置。
11. 【請求項１１】 （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請求項１〜１０のうちの１つ
    に記載の熱発電装置。
12. 【請求項１２】 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
    とを特徴とする請求項１１記載の熱発電装置。