JP5303825B2 - 熱電変換装置、熱電モジュールの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換装置、熱電モジュールの制御方法に関する。

熱電モジュールは、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とを電極を介して交互に直列接続したものである。このような熱電モジュールは、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子の両端の温度差に基づいて各熱電素子の起電力に熱電素子の個数を乗算した出力電圧の電源として機能したり、又は外部から電流を流すことによってＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子の両端に温度差を発生させて冷却若しくは加熱したりするものである。

熱電モジュールを電源として用いる場合には、熱電モジュールの出力電力が温度依存性を有することが問題となる。すなわち、熱電モジュールは、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子の両端の温度差が変化すると取り出し得る出力電力が大きく変化するため、安定した出力を得ることができないからである。

このため、特許文献１においては、熱電モジュールの高温側に配置される熱源の動作状態に応じて熱電モジュールの初期電流値を定めることによって、最大の出力を得やすくする技術が開示されている。
また、特許文献２においては、熱電モジュールの高温側及び低温側の温度を計測するとともに、計測された温度における熱電モジュールの出力特性から最適な電流値を決定することによって、最大の出力を得る技術が開示されている。
特開２００５−１５１６６１号公報 特開平６−２２５７２号公報

しかしながら、上述した技術は、熱電モジュールから最大の出力を安定して得ることを目的としているため、熱電モジュールの出力電圧が変動してしまうという問題がある。例えば、熱電モジュールを用いてバッテリを充電する場合には、充電電圧を一定に制御する必要がある。電圧の変動が小さい場合には、電圧レギュレータ等の変圧器を用いることで対応可能であるが、熱電モジュールのように出力電圧の変動が大きい場合には対応できない場合がある。したがって、一定電圧を安定して出力する電源として熱電モジュールを用いることは困難であるという問題がある。
また、特許文献２に開示された技術では、多数の熱電素子を用いる場合には、熱電対の配線が複雑になってしまう等の問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、安定して一定の電圧を出力可能な熱電変換装置、熱電モジュールの制御方法を提案することを目的とする。

本発明に係る熱電変換装置、熱電モジュールの制御方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明に係る熱電変換装置は、複数の熱電素子が配列された熱電モジュールと、前記熱電モジュールに接続された可変抵抗と、予め定められた設定電圧よりも高い電圧が前記熱電モジュールから出力可能となったときに前記可変抵抗を調整して前記設定電圧を維持する電圧制御部と、を備えることを特徴とする。

また、前記熱電モジュールと同一特性を有する第二熱電モジュールを備え、前記第二熱電モジュールから出力される無負荷電圧を求めることを特徴とする。
また、前記設定電圧は、前記熱電モジュールが曝される温度条件に基づいて定められることを特徴とする。

本発明に係る熱電モジュールの制御方法は、複数の熱電素子が配列された熱電モジュールの出力を制御する制御方法であって、前記熱電モジュールから出力する電圧を予め設定し、前記熱電モジュールが前記設定電圧よりも高い電圧を出力可能となったときに負荷電流を調整して前記設定電圧を維持することを特徴とする。

また、前記設定電圧として、第一電圧と該第一電圧よりも高圧な第二設定電圧を定め、前記第一設定電圧よりも高い電圧を出力可能となった際には負荷電流を調整して前記第一設定電圧を維持し、前記第二設定電圧よりも高い電圧を出力可能となった際には負荷電流を調整して前記第二設定電圧を維持することを特徴とする。
また、前記設定電圧を前記熱電モジュールが曝される温度条件に基づいて定めることを特徴とする。
また、前記第一設定電圧及び／又は前記第二設定電圧は、前記温度条件において最大出力電力が得られる電圧であることを特徴とする。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、熱電モジュールの出力電圧が変動する場合であっても、熱電モジュールの負荷電流を調整することで、熱電モジュールから安定した電圧を取り出すことが可能となる。
また、設定電圧を複数設けることで、熱電モジュールが曝される温度の変化が大きく変化する場合等であっても、効率よく安定した電圧を取り出すことが可能となる。
したがって、熱電モジュールを電子機器等の電源として好適に用いることが可能となる。

以下、本発明に係る熱電変換装置、熱電モジュールの制御方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、複数の熱電モジュールが配置された抵抗過熱炉を示す概略断面図である。
抵抗加熱炉８は、水冷ジャケット７を備えた炉内に、断熱材３ａで覆われた加熱室３が配置されたバッチ式の抵抗加熱炉である。加熱室３は、一側壁に雰囲気ガス供給管１が、他側壁に廃ガス管２がそれぞれ接続され、且つ、内部でワーク４を加熱する電気ヒータ５を貫通状態に備えている。そして、断熱材３ａの外側と水冷ジャケット７との間に形成された空間部６を真空又はガス雰囲気として運転するようになっている。

抵抗加熱炉８には、ユニット化された多数の熱電モジュール９が水冷ジャケット７に接するように貼り付けられている。
各熱電モジュール９は、加熱室３内を加熱したときに断熱材３ａから水冷ジャケット７に流れる放射熱を主とする熱流１５に基づいて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。

図２は、本実施形態に係る熱電モジュールを示す斜視図である。図３は、熱電モジュールに接続された充電回路を示す模式図である。
熱電モジュール９は、交互に配列したＰ型熱電素子９ａ及びＮ型熱電素子９ｂの上面に上側金属電極１７を、また下面に下側金属電極１８を配置することにより、Ｐ型熱電素子９ａ及びＮ型熱電素子９ｂを交互に直列接続し、さらに下側金属電極１８に対向するように下側セラミック基板２５を、また上側金属電極１７に対向するように上側セラミック基板２６をそれぞれ設け、それぞれ圧接固定したものである。
直列に接続されたＰ型熱電素子９ａ及びＮ型熱電素子９ｂの端部に位置する下側金属電極１８が下側セラミック基板２５上に沿って熱電素子の外側まで延び、端子１８Ａとされている。この端子１８Ａに出力ライン１１が接続されている。
そして、各熱電モジュール９は、上側セラミック基板２６を吸熱側（加熱室３側）に、また下側セラミック基板２５を放熱側（水冷ジャケット７側）にして設置される。

このような抵抗加熱炉８では、加熱室３内に配置されたワーク４を電気ヒータ５により加熱すると、その熱の多くが断熱材３ａを通して水冷ジャケット７に伝えられる。
このとき、断熱材３ａから流れる熱流１５のほとんどは放射熱であり、この熱エネルギーは水冷ジャケット７へ到達する前に熱電モジュール９の高温側受熱面にて受けられ、低温側に伝えられる際に電気エネルギーに変換される。

図３に示すように、熱電モジュール９には、出力ライン１１が接続されており、出力ライン１１の他端には可変抵抗１２と蓄電装置１３とが直列に接続される。これにより、熱電モジュール９の出力電圧により、蓄電装置１３が充電されるようになっている。
可変抵抗１２は、熱電モジュール９により蓄電装置１３を充電する際の負荷電流を調整するために設けられる。言い換えれば、可変抵抗１２により熱電モジュール９の負荷電流を調整することにより、熱電モジュール９の出力電圧を制御可能となっている。具体的には、熱電モジュール９の出力電圧が蓄電装置１３の充電電圧と略同一となるように、可変抵抗１２を調整するようになっている。
なお、可変抵抗１２は、ＣＰＵやメモリを備えた充電制御部１４により制御される。また、蓄電装置１３の充電電圧は、例えば、９０Ｖである。
また、出力ライン１１には、スイッチ３１、逆流防止器としてのダイオード３２が直列に接続される。また、コンデンサ３３ａ及び抵抗器３３ｂからなる過電圧保護回路３３が並列に接続される。

ここで、熱電モジュール９の電気的特性について説明する。
図４は、熱電モジュール９の負荷電流と出力電圧との関係を示す図である。図５は、熱電モジュール９の負荷電流と出力電力との関係を示す図である。
図４，図５においては、熱電モジュール９として、Ｐ型熱電素子９ａとＮ型熱電素子９ｂを１００対備えたものを１０個直列に接続したものを用いている。また、ゼーベック係数１５０μＶ／Ｋ、内部抵抗５Ωである。
そして、各熱電モジュール９の上側セラミック基板２６が１００℃〜６００℃に加熱され、下側セラミック基板２５が常温に冷却された場合を示している。

図４に示すように、熱電モジュール９からは、無負荷時において、上側セラミック基板２６に加えられた温度に比例した電圧が出力される。そして、負荷電流を増加させることで、出力電圧は低下する。
また、図５に示すように、例えば、上側セラミック基板２６が６００℃に加熱された際には、熱電モジュール９に負荷電流９Ａを加えることで、最大出力電力が得られる。

次に、熱電モジュール９による蓄電装置１３の充電処理について説明する。
図６は、熱電モジュール９に加えられる温度パターンと、その際の出力電圧及び出力電流を示す図である。
図６（ａ）に示すように、熱電モジュール９は、上側セラミック基板２６が台形状の温度パターンを示す温度条件下に曝される。具体的には、上側セラミック基板２６が４００℃まで徐々に加熱され、４００℃に加熱された状態で一定時間保持され、その後、常温まで徐々に冷却される。
熱電モジュール９が曝される温度条件、すなわち上記温度パターンは、抵抗加熱炉８の加熱室３に配置された電気ヒータ５の加熱温度パターンから求められる。なお、電気ヒータ５の加熱温度パターンは、抵抗加熱炉８の運転を制御する不図示の加熱炉制御部に記憶されている。

図６（ｂ）に示すように、熱電モジュール９が無負荷（負荷電流０Ａ）の場合には、熱電モジュール９の出力電圧は、温度パターンと同一パターンを描くように変化する。すなわち、出力電圧は、０Ｖから１２０Ｖまで徐々に増加し、出力電圧１２０Ｖの状態が一定時間続き、その後に０Ｖまで徐々に減少する。
このように、出力電圧が０Ｖから１２０Ｖまで大きく変動する場合には、熱電モジュール９を電源として用いるのには不都合が多い。
上述したように、熱電モジュール９を用いて蓄電装置１３を充電する場合には、熱電モジュール９からは、蓄電装置１３の充電電圧である９０Ｖが安定して出力されることが好ましい。出力電圧が変動する場合には、電圧レギュレータ等の変圧器を設ける必要が生じるからである。特に、出力電圧の変動が大きい場合には、高価な変圧器が必要となってしまうからである。

そこで、図６（ｃ）に示すように、熱電モジュール９に負荷電流を加え、この負荷電流を調整することで、熱電モジュール９から一定の電圧が出力されるように制御する。
まず、熱電モジュール９から出力すべき電圧を設定する（以下、この電圧を設定電圧Ｖｅという）。例えば、蓄電装置１３の充電電圧である９０Ｖを設定電圧Ｖｅとして設定する。設定電圧Ｖｅは、充電制御部１４に記憶される。
また、充電制御部１４は、加熱炉制御部に記憶されている電気ヒータ５用の加熱温度パターンから、熱電モジュール９に加えられる温度条件（温度パターン）を求める。更に、充電制御部１４には、熱電モジュール９の電気・温度特性（図４，図５参照）が予め記憶される。

次いで、熱電モジュール９に対する加熱を開始する。すなわち、抵抗加熱炉８の電気ヒータ５は、加熱炉制御部の制御の下で加熱処理を開始する。電気ヒータ５による加熱が開始されると、熱電モジュール９の上側セラミック基板２６は、徐々に加熱される。
そして、熱電モジュール９の出力電圧が９０Ｖとなるまで、言い換えれば、熱電モジュール９の上側セラミック基板２６が３００℃に加熱されるまでは、熱電モジュール９の出力ライン１１に接続されたスイッチ３１はＯＦＦとなっている。
その後、熱電モジュール９の出力電圧が９０Ｖ（上側セラミック基板２６が３００℃）になると、スイッチ３１がＯＮとなり、熱電モジュール９による蓄電装置１３の充電処理が開始される。なお、充電処理が開始される際には、可変抵抗１２の抵抗値は０Ωとなっている。
更に、熱電モジュール９の上側セラミック基板２６が３００℃以上に加熱されると、充電制御部１４の制御の下で、可変抵抗１２の抵抗値が０Ωから増加される。これにより、熱電モジュール９には負荷電流が加えられる（図６（ｃ）参照）。

図４（ａ）に示したように、熱電モジュール９に負荷電流を加えると出力電圧は低下する。このため、負荷電流を調整することにより、熱電モジュール９の出力電圧が設定電圧Ｖｅである９０Ｖ以上に上昇しないように制御することが可能である。
したがって、熱電モジュール９の上側セラミック基板２６が更に加熱されたとしても、このような制御を継続することで、熱電モジュール９から９０Ｖの出力電圧を安定して出力させることができる。例えば、熱電モジュール９の上側セラミック基板２６が４００℃となった時に負荷電流を３．８Ａにすることで、出力電圧９０Ｖが得られる。
なお、負荷電流の変化量ΔＩは、できるだけ小さい方が好ましい。熱電モジュール９の出力電圧の変化量ΔＶが大きくなってしまい、安定電源として好ましくないからである。

その後、一定時間経過して、熱電モジュール９の上側セラミック基板２６が徐々に冷却され始めた場合には、熱電モジュール９に加える負荷電流を徐々に低下させる。これにより、熱電モジュール９の出力電圧は９０Ｖに維持され続ける。
そして、熱電モジュール９の上側セラミック基板２６が３００℃まで冷却された場合には、可変抵抗１２の抵抗値を０Ω（負荷電流０Ａ）とする。
その後は、上側セラミック基板２６が冷却されるに従って、熱電モジュール９の出力電力は０Ｖまで徐々に減少する。この際、出力ライン１１に接続されたスイッチ３１はＯＦＦとなる。

このように、前記熱電モジュール９が曝される温度条件（温度パターン）を考慮して、予め設定電圧を定め、熱電モジュール９から設定電圧以上の電圧が出力可能となった場合には、負荷電流を加えることで、熱電モジュール９の出力電圧を一定に維持させることが可能となる。
これにより、熱電モジュール９から一定の出力電圧が安定して得られるようになるので、蓄電装置１３の電源として、好適に用いることが可能となる。

なお、熱電モジュール９から設定電圧Ｖｅと同一の電圧が出力された時に、スイッチ３１と充電制御部１４が作動させるため、熱電モジュール９の出力電圧をモニタリングする必要がある。
その方法としては、図３に示すように、制御対象である熱電モジュール９と同一の特性を有する熱電モジュール９ｓを無負荷の状態で設置し、この熱電モジュール９ｓの出力電圧をモニタリングする。
なお、制御対象である熱電モジュール９の近傍に熱電対を配置し、その検出結果(測定温度)と熱電モジュール９の特性（図４，図５参照）から、出力電圧を求めてもよい。また、制御対象である熱電モジュール９の出力電圧を直接測定してもよい。

なお、熱電モジュール９に加えられる温度パターンとしては、図７に示すように、複数段階に温度が変化するパターンであってもよい。
熱電モジュール９に負荷電流を加えない場合には、出力電圧が温度パターンと同様に変化する（図７（ｂ）の一点鎖点）。一方、設定電圧Ｖｅを９０Ｖとして、熱電モジュール９に負荷電流を加えた場合には、熱電モジュール９の上側セラミック基板２６が３００℃以上に加熱されたとしても、常に出力電圧９０Ｖを得ることができる。

また、熱電モジュール９の設定電圧Ｖｅとして、蓄電装置１３の充電電圧である９０Ｖとは異なる電圧を設定してもよい。
例えば、設定電圧Ｖｅとして６０Ｖを設定してもよい。上側セラミック基板２６が４００℃に加熱された際に、出力電圧を６０Ｖとすると、最高出力電力が得られるからである（図４，図５参照）。このように、熱電モジュール９の設定電圧Ｖｅとして、最高出力電力が得られる出力電圧を設定することで、熱電モジュール９の効率利用が可能となる。なお、この場合には、熱電モジュール９と蓄電装置１３との間に、電圧レギュレータ等の変圧器を設ける必要がある。

また、熱電モジュール９の設定電圧Ｖｅとして、複数の電圧を設定し、加熱処理中に設定電圧Ｖｅを切り替えるようにしてもよい。
図８に示すように、熱電モジュール９の上側セラミック基板２６に加えられる温度パターンは、２００℃と６００℃の状態で一定時間保持されるパターンである。この場合、設定電圧Ｖｅ１を３０Ｖ、設定電圧Ｖｅ２を９０Ｖに設定する。設定電圧Ｖｅ１は、熱電モジュール９の上側セラミック基板２６が１００℃〜３００℃の時に用いられる設定電圧である。設定電圧Ｖｅ２は、上側セラミック基板２６が３００℃〜６００℃の時に用いられる設定電圧である。
すなわち、熱電モジュール９の上側セラミック基板２６が加熱されて１００℃に達した場合には、充電制御部１４の制御の下で可変抵抗１２の抵抗値を増加させて、負荷電流を加える。これにより、上側セラミック基板２６が２００℃前後に加熱された場合であっても、熱電モジュール９から出力電圧３０Ｖが安定して得られる。
そして、一定時間経過後に、上側セラミック基板２６が更に加熱されて、３００℃に達した場合には、充電制御部１４は設定電圧をＶｅ１からＶｅ２に切り替える。具体的には、熱電モジュール９の負荷電流を約８．３Ａから０Ａに低下させることで、熱電モジュール９の出力電圧を３０Ｖから９０Ｖに短時間に変化させる。
そして、その後は、出力電圧９０Ｖを維持するように可変抵抗１２を制御する。
なお、設定電圧をＶｅ１からＶｅ２に切り替えるタイミングとしては、上側セラミック基板２６が３００℃に達したときに限らず、３００℃〜６００℃に温度上昇しているときであればいつでも可能である。

このように、熱電モジュール９が曝される温度条件（温度パターン）に基づいて、複数の設定電圧Ｖｅ１，Ｖｅ２等を設定してもよい。一つの設定電圧Ｖｅを設定する場合に比べて、熱電モジュール９を効率よく利用することが可能となるからである。
すなわち、複数の設定電圧Ｖｅ１，Ｖｅ２等を設定した場合には、上側セラミック基板２６が一定時間保持されるそれぞれの温度（２００℃、６００℃）において、最大出力が得られるような設定電圧を選択することができる。つまり、２００℃において最大出力が得られる出力電圧３０Ｖと、６００℃において最大出力が得られる出力電圧９０Ｖを、設定電圧Ｖｅ１，Ｖｅ２として用いることで、熱電モジュール９を長時間にわたって効率よく使用することが可能となる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上述した実施形態では、熱電モジュール９に蓄電装置１３を接続する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、電動機等であってもよい。
また、各熱電素子９ａ，９ｂが四角柱形状の例について示したが、各熱電素子９ａ，９ｂが円筒形状の場合であってもよい。

複数の熱電モジュールが配置された抵抗過熱炉を示す概略断面図である。 本実施形態に係る熱電モジュールを示す斜視図である。 熱電モジュール９に接続された充電回路を模式的に示す図である。 熱電モジュール９の負荷電流と出力電圧との関係を示す図である。 熱電モジュール９の負荷電流と出力電力との関係を示す図である。 熱電モジュール９に加えられる温度パターン及びその際の電圧・電流の変化を示す図である。 熱電モジュール９に加えられる他の温度パターン及びその際の電圧の変化を示す図である。 熱電モジュール９に加えられる他の温度パターン及びその際の電圧の変化を示す図である。

符号の説明

８…抵抗加熱炉
９…熱電モジュール
９ａ…Ｎ型熱電素子
９ｂ…Ｐ型熱電素子
１１…出力ライン
１２…可変抵抗
１３…蓄電装置
１４…充電制御部（電圧制御部）

Claims (5)

1. 複数の熱電素子が配列された熱電モジュールと、
   前記熱電モジュールに接続された可変抵抗と、
   予め定められた設定電圧よりも高い電圧が前記熱電モジュールから出力可能となったときに前記可変抵抗を調整して前記熱電モジュールの直接の出力を前記設定電圧に維持する電圧制御部とを備え、
   前記設定電圧は、前記熱電モジュールが曝される温度条件に基づいて定められることを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記熱電モジュールと同一特性を有する第二熱電モジュールを備え、
   前記電圧制御部は、前記第二熱電モジュールから出力される無負荷電圧に基づいて前記熱電モジュールの出力が前記設定電圧を維持するように前記可変抵抗を調整することを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 複数の熱電素子が配列された熱電モジュールの出力を制御する制御方法であって、
   前記熱電モジュールから出力する電圧を前記熱電モジュールが曝される温度条件に基づいて予め設定し、
   前記熱電モジュールが予め定められた設定電圧よりも高い電圧を出力可能となったときに負荷電流を調整して前記熱電モジュールの出力を前記設定電圧に維持することを特徴とする熱電モジュールの制御方法。
4. 前記設定電圧として、第一設定電圧と該第一設定電圧よりも高圧な第二設定電圧を定め、
   前記第一設定電圧よりも高い電圧を出力可能となった際には負荷電流を調整して前記熱電モジュールの出力を前記第一設定電圧に維持し、
   前記第二設定電圧よりも高い電圧を出力可能となった際には負荷電流を調整して前記熱電モジュールの出力を前記第二設定電圧に維持する
   ことを特徴とする請求項３に記載の熱電モジュールの制御方法。
5. 前記第一設定電圧及び／又は前記第二設定電圧は、前記温度条件において最大出力電力が得られる電圧であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の熱電モジュールの制御方法。

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