JP5912896B2

JP5912896B2 - 電圧変換装置および発電装置

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Publication number: JP5912896B2
Application number: JP2012136549A
Authority: JP
Inventors: 小林　茂; 茂小林; 裕土屋; 祥松川; 秀樹傳田; 喬之大西; 創浅沼
Original assignee: KOTOHIRA INDUSTRIAL CO., LTD.; Nagano Japan Radio Co Ltd
Current assignee: KOTOHIRA INDUSTRIAL CO., LTD.; Nagano Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2032-06-18
Also published as: JP2014003109A

Description

本発明は、熱電素子を有する熱電モジュールから出力される発電電圧をこの発電電圧の電圧値とは異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する電圧変換装置、およびこの電圧変換装置を備えた発電装置に関するものである。

下記特許文献１に開示されているように、熱電素子を有する熱電モジュールに負荷を接続したときの電流電圧特性は、電圧と電流とが負の比例の状態で変化する特性となっている。このため、熱電モジュールの発電電圧をこの発電電圧の電圧値と異なる電圧値の出力電圧に変換して出力する電圧変換装置において、熱電モジュールでの発生電力を最大に維持しつつ電圧変換を行うためには、熱電モジュールから出力される発電電圧の電圧値を、電流の電流値がゼロのときの電圧（熱電モジュールの開放電圧）の１／２に維持することで可能となることが公知である。言い換えれば、熱電モジュールの電流電圧特性を求めることにより、この熱電モジュールでの発生電力を最大に維持しつつ電圧変換を行い得ることが公知となっている。

特開平９−１５３５３号公報（第２頁、第１０図）

ところが、上記した電圧変換装置には、以下の課題が存在している。すなわち、熱電モジュールは、熱サイクル疲労が発生する場合や、加熱による構成材料の経年劣化が発生する場合があり、これらの場合には、熱サイクル疲労や加熱による構成材料の経年劣化が発生した熱電モジュールを交換する必要がある。しかしながら、従来の電圧変換装置では、熱電モジュールの劣化（熱サイクル疲労の発生および加熱による構成材料の経年劣化）を検出することができないため、この点を改善することが望まれている。

本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、熱電モジュールの劣化を検出し得る電圧変換装置および発電装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の電圧変換装置は、接続された熱電モジュールの発電電圧を入力すると共に当該発電電圧の電圧値と異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する変換動作を実行する電圧変換部と、処理部とを備え、前記処理部は、前記変換動作を実行する動作状態および前記熱電モジュールに対して無負荷と等価な状態となる無負荷状態のうちの任意の一方の状態に前記電圧変換部を切り替える切替処理、前記切替処理を実行して前記電圧変換部を無負荷状態に移行させているときの前記発電電圧の前記電圧値を開放電圧として測定する開放電圧測定処理、前記切替処理を実行して前記電圧変換部を前記動作状態に移行させているときの前記発電電圧の前記電圧値のうちの任意の１つの電圧値と当該１つの電圧値での前記熱電モジュールから当該電圧変換部への流入電流の電流値とを測定する電圧電流測定処理、前記開放電圧と前記測定した１つの電圧値および当該１つの電圧値での前記流入電流の電流値とに基づいて前記熱電モジュールについての電流電圧特性を特定する特性特定処理、並びに当該特定した電流電圧特性と予め規定された基準電流電圧特性とを比較して前記熱電モジュールの劣化を検出する劣化検出処理を実行する。

また、請求項２記載の電圧変換装置は、接続された熱電モジュールの発電電圧を入力すると共に当該発電電圧の電圧値と異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する変換動作をそれぞれ実行する複数の電圧変換部と、処理部とを備え、前記処理部は、前記変換動作を実行する動作状態およびそれぞれに接続された前記各熱電モジュールに対して無負荷と等価な状態となる無負荷状態のうちの任意の一方の状態に前記各電圧変換部を切り替える切替処理、前記切替処理を実行して前記各電圧変換部を無負荷状態に移行させているときの前記各熱電モジュールからの前記発電電圧の前記電圧値を開放電圧として測定する開放電圧測定処理、前記切替処理を実行して前記各電圧変換部を前記動作状態に移行させているときの前記各熱電モジュールからの前記発電電圧の前記電圧値うちの任意の１つの電圧値と当該１つの電圧値での当該各熱電モジュールから当該各電圧変換部への流入電流の電流値とを測定する電圧電流測定処理、前記開放電圧と前記測定した１つの電圧値および当該１つの電圧値での前記流入電流の電流値とに基づいて前記各熱電モジュールについての電流電圧特性を特定する特性特定処理、並びに当該特定した電流電圧特性と予め規定された基準電流電圧特性とを比較して前記各熱電モジュールの劣化を検出する劣化検出処理を実行する。

また、請求項３記載の電圧変換装置は、請求項２記載の電圧変換装置において、前記各電圧変換部は、同じ直方体形状にモジュール化されると共に上面を構成する１つの辺に沿って前記熱電モジュールが接続される一対の入力端子が当該上面に並設されて構成され、モジュール化された前記各電圧変換部は、それぞれの前記一対の入力端子が平面視において同じ向き側に位置し、かつ下側の前記電圧変換部の前記上面における当該一対の入力端子が並設された部位が露出するように上側の前記電圧変換部が当該下側の電圧変換部に対して前記１つの辺と直交する方向にずらして当該下側の電圧変換部の上に積層されている。

また、請求項４記載の電圧変換装置は、請求項１から３のいずれかに記載の電圧変換装置において、前記処理部は、前記熱電モジュールについて実行した前記特性特定処理において特定した前記電流電圧特性を前記基準電流電圧特性とする。

また、請求項５記載の発電装置は、請求項１から４のいずれかに記載の電圧変換装置と、当該電圧変換装置に前記発電電圧を出力する前記熱電モジュールとを備えている。

請求項１記載の電圧変換装置および請求項５記載の発電装置によれば、処理部が、熱電モジュールについての電流電圧特性を特定する特性特定処理、および特定した電流電圧特性と予め規定された基準電流電圧特性とを比較して熱電モジュールの劣化を検出する劣化検出処理を実行するため、熱電モジュールにおける熱サイクル疲労の発生や加熱による構成材料の経年劣化の発生を検出することができる。したがって、作業者は、この電圧変換装置および発電装置でのこの検出結果に基づいて、劣化した熱電モジュールを確実に交換することができる。

請求項２記載の電圧変換装置および請求項５記載の発電装置によれば、処理部が、各熱電モジュールについての電流電圧特性を特定する特性特定処理、および特定した電流電圧特性と予め規定された基準電流電圧特性とを比較して各熱電モジュールの劣化を検出する劣化検出処理を実行するため、いずれの熱電モジュールに熱サイクル疲労の発生や加熱による構成材料の経年劣化が発生したかを検出することができる。したがって、作業者は、この電圧変換装置および発電装置でのこの検出結果に基づいて、劣化した熱電モジュールを確実に交換することができる。

請求項３記載の電圧変換装置および請求項５記載の発電装置によれば、各電圧変換部の一対の入力端子が平面的に広がる事態を回避して、各電圧変換部全体をコンパクトにまとめることができるため、電圧変換部と熱電モジュールとを接続する各ケーブルの長さをほぼ等しくすることができる。これにより、電圧変換部と熱電モジュールとに個別に対応させてケーブルの長さを設計する必要がなくなるため、コストの低減を図ることができると共に、ケーブルの配線作業に要する時間を短縮することができる。また、各電圧変換部へのケーブルの配線に際して、作業者が移動する必要がなくなるため、作業効率を大幅に向上させることができる。

請求項４記載の電圧変換装置および請求項５記載の発電装置によれば、処理部が電圧変換部に接続された熱電モジュールについて特性特定処理を実行して、特定した電流電圧特性をこの熱電モジュールについての基準電流電圧特性として劣化検出処理において使用するため、熱電モジュールを新たに接続したときや、接続されている熱電モジュールを交換したときに、作業者が基準電流電圧特性を設定する作業を省くことができる。

電圧変換装置１および発電装置４１の構成図である。設置場所の温度差が変化したときの熱電モジュール１１の電流電圧特性および出力電力特性を示す特性図である。熱電モジュール１１を構成する熱電素子１１ａに熱サイクル疲労が発生したときのに熱電モジュール１１の電流電圧特性および出力電力特性を示す特性図である。複数の電圧変換部２を有する電圧変換装置１Ａおよび発電装置４１Ａの構成図である。図４の各電圧変換部２を積層した状態を説明するための斜視図である。ケース３２を使用して図４の各電圧変換部２を積層する具体例を説明するための一部切欠き側面図である。

以下、添付図面を参照して、電圧変換装置１および発電装置４１の実施の形態について説明する。

図１に示す電圧変換装置１は、電圧変換部２および処理部３を備え、電圧変換部２の一対の入力端子４ａ，４ｂ（以下、特に区別しないときには「入力端子４」ともいう）に接続された熱電モジュール１１から、一対の入力端子４を介して入力した発電電圧Ｖ１をこの発電電圧Ｖ１の電圧値Ｖ１ａとは異なる電圧値Ｖ２ａの直流電圧Ｖ２に変換して、電圧変換部２の一対の出力端子５ａ，５ｂ（以下、特に区別しないときには「出力端子５」ともいう）に接続された負荷（例えば、バッテリなど）１２に出力する。この場合、熱電モジュール１１は、複数の熱電素子１１ａ，１１ａ、・・・が一例として直列に接続されて構成されている。また、各熱電素子１１ａは、図示はしないが、ｐ型半導体とｎ型半導体とをπ形に多数接続して構成されている。発電装置４１は、電圧変換装置１と熱電モジュール１１とを備えて構成されている。

電圧変換部２は、本例では一例として、コイル２１、スイッチ素子（本例では一例として、ｎ型の電界効果型トランジスタ）２２、ダイオード２３、コンデンサ２４、切替スイッチ２５、および検出回路（本例では一例として、直列接続された抵抗値が既知の一対の固定抵抗２６ａ，２６ｂで構成されている）２６を備え、ＤＣＤＣコンバータとしての非絶縁型昇圧チョークコンバータとして構成されている。

具体的には、入力端子４ｂを基準電位（低電位）側として発電電圧Ｖ１が入力される入力端子４ａにコイル２１の一端が接続されている。また、コイル２１の他端には、ダイオード２３のアノード端子とスイッチ素子２２の一端（本例では、電界効果型トランジスタのドレイン端子）とが接続されている。また、ダイオード２３のカソード端子には、コンデンサ２４の一端と切替スイッチ２５のコモン端子とが接続されている。

切替スイッチ２５の第１接点は、出力端子５ｂを基準電位側として直流電圧Ｖ２が出力される出力端子５ａに接続されている。また、切替スイッチ２５の第２接点は、いずれにも接続されていない状態（未接続状態）となっている。また、切替スイッチ２５の第３接点は、直列接続された固定抵抗２６ａ，２６ｂの一端（本例では固定抵抗２６ａの一端）に接続されている。基準電位となる入力端子４ｂには、スイッチ素子２２の他端（電界効果型トランジスタのソース端子）と、コンデンサ２４の他端と、直列接続された固定抵抗２６ａ，２６ｂの他端（本例では固定抵抗２６ｂの他端）と、出力端子５ｂとが接続されている。

この構成により、電圧変換部２は、一対の入力端子４を介して入力した発電電圧Ｖ１を直流電圧Ｖ２に変換し、変換した直流電圧Ｖ２を一対の出力端子５または検出回路２６に切替スイッチ２５を介して出力する。なお、図示はしないが、電圧変換部２を他の型式のＤＣＤＣコンバータ、例えば、非絶縁型降圧チョークコンバータ、絶縁型フォワード型コンバータ、および絶縁型フライバックコンバータなどで構成することもできる。

処理部３は、一例として、複数（本例では一例として、発電電圧Ｖ１および直流電圧Ｖ２を測定するため、２つ）のＡ／Ｄ変換器、複数（本例では、スイッチ素子２２と切替スイッチ２５を駆動するため、２つ）の駆動回路、ＣＰＵおよびメモリ（いずれも図示せず）を備え、発電電圧Ｖ１の電圧値Ｖ１ａについての測定処理、検出回路２６から出力される電圧（直流電圧Ｖ２を固定抵抗２６ａ，２６ｂで分圧して得られる電圧（固定抵抗２６ｂの両端間電圧Ｖ３）の電圧値Ｖ３ａについての測定処理、並びにスイッチ素子２２および切替スイッチ２５に対する制御処理を実行する。なお、処理部３は、スイッチ素子２２に対する制御については、スイッチ素子２２としての電界効果型トランジスタにおけるゲート端子に駆動回路を介して駆動信号を出力することで制御する。

また、処理部３は、電圧変換部２を動作状態および無負荷状態の任意の一方の状態に切り替える切替処理、切替処理を実行して電圧変換部２を無負荷状態に移行させているときの発電電圧Ｖ１の電圧値Ｖ１ａを開放電圧Ｖｏｐとして測定する開放電圧測定処理、切替処理を実行して電圧変換部２を動作状態に移行させているときの発電電圧Ｖ１の電圧値Ｖ１ａのうちの任意の１つの電圧値Ｖ１ａ１とこの１つの電圧値Ｖ１ａ１での熱電モジュール１１から電圧変換部２への流入電流Ｉ１の電流値Ｉ１ａ（以下では、この１つの電圧値Ｖ１ａ１での電流値Ｉ１ａを特に「電流値Ｉ１ａ１」ともいう）とを測定する電圧電流測定処理、負荷１２を接続したときのスイッチ素子２２の駆動条件を特定する駆動条件特定処理、開放電圧Ｖｏｐと測定した１つの電圧値Ｖ１ａ１およびこの１つの電圧値Ｖ１ａ１での流入電流Ｉ１の電流値Ｉ１ａ１とに基づいて熱電モジュール１１についての電流電圧特性を特定する特性特定処理、並びに特定した電流電圧特性と予め規定された基準電流電圧特性とを比較して熱電モジュール１１の劣化を検出する劣化検出処理を実行する。

次いで、電圧変換装置１および発電装置４１の動作について、図面を参照して説明する。なお、各入力端子４ａ，４ｂには、熱電モジュール１１が接続され、各入力端子５ａ，５ｂには、負荷１２が接続されているものとする。また、熱電モジュール１１は、温度差の生じている部位に設置されて、発電状態（発電電圧Ｖ１を出力している状態）にあるものとする。

発電装置４１の電圧変換装置１では、処理部３は、最初に、熱電モジュール１１の電流電圧特性を特定する。

具体的には、処理部３は、まず、切替処理を実行して、電圧変換部２を無負荷状態に切り替える。具体的には、処理部３は、スイッチ素子２２に対する制御処理を実行して、スイッチ素子２２をオフ状態に移行させると共に、切替スイッチ２５に対する制御処理を実行して、コモン端子を第２接点に接続させる。これにより、電圧変換部２における直流電圧Ｖ２の出力段（ダイオード２３のカソード端子）側が直流的にオープン状態となるため、電圧変換部２は、熱電モジュール１１に対して無負荷と等価な状態（無負荷状態）に移行する。なお、検出回路２６の抵抗値（直列接続された固定抵抗２６ａ，２６ｂの合成抵抗値）が熱電モジュール１１に対して十分に軽い負荷（無負荷に近い負荷）と等価であるときには、コモン端子を第２接点に接続させる構成を採用することもできる。

次いで、処理部３は、開放電圧測定処理を実行する。この開放電圧測定処理では、処理部３は、発電電圧Ｖ１の電圧値Ｖ１ａについての測定処理を実行して、測定した電圧値Ｖ１ａを開放電圧Ｖｏｐとして記憶する。具体的には、処理部３では、内蔵のＡ／Ｄ変換器が発電電圧Ｖ１を入力して電圧データにＡ／Ｄ変換し、内蔵のＣＰＵがこの電圧データから発電電圧Ｖ１の電圧値Ｖ１ａを算出すると共に開放電圧Ｖｏｐとして内蔵のメモリに記憶させる。

続いて、処理部３は、切替処理を実行して電圧変換部２を動作状態に移行させる。具体的には、処理部３は、切替スイッチ２５に対する制御処理を実行して、コモン端子を第３接点に接続させることにより、コイル２１およびダイオード２３を介して熱電モジュール１１に検出回路２６（直列接続された固定抵抗２６ａ，２６ｂ）を接続する。また、処理部３は、スイッチ素子２２に対する制御処理を実行して、スイッチ素子２２にスイッチング動作（一定のスイッチング周波数および一定のデューティ比でのスイッチング動作）を開始させる。これにより、電圧変換部２は、熱電モジュール１１からの発電電圧Ｖ１を直流電圧Ｖ２に昇圧して、検出回路２６に印加する動作状態に移行する。

次いで、処理部３は、電圧電流測定処理を実行する。この電圧電流測定処理では、処理部３は、まず、発電電圧Ｖ１の電圧値Ｖ１ａについての上記の測定処理を実行して、この測定した電圧値Ｖ１ａを動作状態での１つの電圧値Ｖ１ａ１（検出回路２６が固定負荷として熱電モジュール１１に接続されているときの電圧値Ｖ１ａ）として記憶する。

次いで、処理部３は、電圧電流測定処理において、この１つの電圧値Ｖ１ａ１での熱電モジュール１１から電圧変換部２への流入電流Ｉ１の電流値Ｉ１ａ１を測定して記憶する。具体的には、まず、処理部３は、検出回路２６から出力される電圧Ｖ３の電圧値Ｖ３ａについての測定処理を実行する。この場合、処理部３では、内蔵のＡ／Ｄ変換器が電圧Ｖ３を入力して電圧データにＡ／Ｄ変換し、内蔵のＣＰＵがこの電圧データから電圧Ｖ３の電圧値Ｖ３ａを算出して内蔵のメモリに記憶させる。次いで、処理部３は、測定した電圧値Ｖ３ａを固定抵抗２６ｂの抵抗値（既知）で除算することにより、検出回路２６に流れる電流の電流値を算出する。続いて、処理部３は、測定した電圧Ｖ３と固定抵抗２６ａ，２６ｂの分圧比とに基づいて、電圧変換部２から検出抵抗２６全体に出力される出力電圧Ｖ２の電圧値Ｖ２ａを算出する。次いで、処理部３は、算出した電圧変換部２からの出力電圧Ｖ２の電圧値Ｖ２ａと、算出した検出回路２６に流れる電流の電流値とを乗算して、電圧変換部２から検出抵抗２６に出力されている電力を算出する。続いて、処理部３は、算出した電力を電圧変換部２の変換効率（既知）で除算することにより、熱電モジュール１１から電圧変換部２に入力されている電力を算出する。最後に、処理部３は、この算出した電力を測定した電圧値Ｖ１ａ１で除算することにより、上記した１つの電圧値Ｖ１ａ１での流入電流Ｉ１の電流値Ｉ１ａ１を算出（測定）し、算出した電流値Ｉ１ａ１を記憶する。

続いて、処理部３は、駆動条件特定処理を実行する。この駆動条件特定処理では、処理部３は、スイッチ素子２２に対してスイッチング周波数およびデューティ比のうちの少なくとも一方を変更する制御処理を実行しつつ、発電電圧Ｖ１の電圧値Ｖ１ａについての測定処理を実行して、この測定している電圧値Ｖ１ａが開放電圧Ｖｏｐの１／２になるとき（つまり、図２に示すように、熱電モジュール１１から出力される電力Ｐｗが最大電力値Ｐｗｍａｘとなるとき）のスイッチング周波数およびデューティ比を特定して、特定したスイッチング周波数を特定周波数として記憶すると共に、特定したデューティ比を特定デューティ比として記憶する。

続いて、処理部３は、特性特定処理を実行する。この特定特定処理では、処理部３は、記憶した開放電圧Ｖｏｐと、記憶した１つの電圧値Ｖ１ａ１およびそれに対応する電流値Ｉ１ａ１とに基づいて、熱電モジュール１１についての電流電圧特性を特定して記憶する。この場合、熱電モジュール１１は、電圧（発電電圧Ｖ１）と電流（流入電流Ｉ１）とが負の比例の状態で変化する電流電圧特性を有することが既知である。このことから、処理部３は、図２に示すように、発電電圧Ｖ１を横軸とし、かつ流入電流Ｉ１を縦軸とする座標平面上において、開放電圧Ｖｏｐ（流入電流Ｉ１＝０）で規定される１つの点Ｐ１と、上記のようにして記憶した１つの電圧値Ｖ１ａ１および電流値Ｉ１ａ１で規定される他の１つの点Ｐ２とから、各点Ｐ１，Ｐ２を含む直線Ｌ１を特定して記憶する。この直線Ｌ１は互いに負の比例の状態で変化する発電電圧Ｖ１および流入電流Ｉ１の関係を示すものであるため、直線Ｌ１の特定により、熱電モジュール１１についての電流電圧特性が特定される。これにより、熱電モジュール１１の電流電圧特性の特定が完了する。

次いで、処理部３は、負荷１２への直流電圧Ｖ２の出力処理を実行する。この出力処理では、処理部３は、まず、切替スイッチ２５に対する制御処理を実行して、コモン端子を第１接点に接続させることにより、電圧変換部２に負荷１２を接続する。また、処理部３は、スイッチ素子２２に対する制御処理を実行して、駆動条件特定処理で特定した特定周波数および特定デューティ比でのスイッチング動作を開始させる。この場合、電圧変換部２のようなＤＣＤＣコンバータ（特に非絶縁型昇圧チョークコンバータ）では、電圧変換部２自体が熱電モジュール１１に対して主たる負荷として作用するため、電圧変換部２の出力側に接続される負荷が検出回路２６から実際の負荷１２に切り替わったとしても、熱電モジュール１１に対する負荷は大きく変動しない。このため、電圧変換部２のスイッチ素子２２を上記の特定周波数および特定デューティ比（検出回路２６を負荷としたときに熱電モジュール１１から出力される電力が最大となる（発電電圧Ｖ１の電圧値Ｖ１ａが開放電圧Ｖｏｐのほぼ１／２となる）周波数およびディーティ比）でスイッチング動作させることで、熱電モジュール１１から出力される発電電圧Ｖ１の電圧値Ｖ１ａは、電圧変換部２に負荷１２が接続されている状態において開放電圧Ｖｏｐのほぼ１／２に維持される。つまり、熱電モジュール１１は、図２において直線Ｌ１で示される電流電圧特性上における点Ｐ３またはその近傍において発電動作を実行する。これにより、電圧変換装置１は、熱電モジュール１１での発生電力Ｐｗを、出力電力特性Ｐｗ１（直線Ｌ１で示される電流電圧特性のときの出力電力特性）でのほぼ最大電力値Ｐｗｍａｘ（最大電力値Ｐｗｍａｘまたはこの近傍の電力値）に維持しつつ、発電電圧Ｖ１を直流電圧Ｖ２に昇圧する電圧変換動作を実行する。

また、この電圧変換装置１では、例えば、起動される都度、または定期的に、処理部３が上記した開放電圧測定処理、電圧電流測定処理、駆動条件特定処理、および特性特定処理を実行して、電圧変換動作時におけるスイッチ素子２２についての特定周波数および特定デューティ比を特定（決定）して記憶する。これにより、例えば熱電モジュール１１が設置されている部位での温度差の変化の影響により、図２に示すように、熱電モジュール１１の電流電圧特性が直線Ｌ１で示される状態から、直線Ｌ２で示される状態や直線Ｌ３で示される状態に変化したとしても、熱電モジュール１１での発生電力Ｐｗを直線Ｌ２，Ｌ３で示される電流電圧特性のときの各出力電力特性Ｐｗ２，Ｐｗ３でのほぼ最大点（最大電力値Ｐｗｍａｘ）に維持しつつ、発電電圧Ｖ１を直流電圧Ｖ２に昇圧する電圧変換動作を実行することが可能となっている。なお、熱電モジュール１１の電流電圧特性は、図２において各直線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３で示すように、温度差の変化により、傾きが一定の状態で開放電圧Ｖｏｐが変化する特性を有することが公知である。

また、この電圧変換装置１では、処理部３は、特性特定処理を実行したときには、その都度、または予め規定された回数毎に、劣化検出処理を実行する。この劣化検出処理では、処理部３は、特性特定処理で新たに特定した熱電モジュール１１の電流電圧特性（具体的には、この電流電圧特性を示す直線）と、熱電モジュール１１についての予め規定された基準電流電圧特性（具体的には、この基準電流電圧特性を示す直線（基準直線））とを比較して、熱電モジュール１１の劣化度合いについて検出する。

熱電モジュール１１を構成する熱電素子１１ａには熱サイクル疲労が発生する場合があり、熱サイクル疲労が発生したときには、図３に示すように、熱電モジュール１１の電流電圧特性を示す直線（発電電圧Ｖ１を横軸とし、かつ流入電流Ｉ１を縦軸とする座標平面上での直線）の傾きが、例えば、直線Ｌ１で示される電流電圧特性から、直線Ｌ２で示される電流電圧特性、さらには直線Ｌ３で示される電流電圧特性というように、徐々に減少する（なだらかになる）という傾向が現れることを出願人は実験で確認している。なお、同図中における出力電力特性はＰｗ１，Ｐｗ２，Ｐｗ３は、直線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３で示される各電流電圧特性のときの出力電力特性を示している。

このため、処理部３が、例えば、接続されている熱電モジュール１１について以前に実行した特性特定処理において特定した電流電圧特性（例えば、この熱電モジュールについて初期の段階で複数回実行した特定特定処理において特定した電流電圧特性の平均値）を示す直線（例えば、図３での直線Ｌ１）を基準電流電圧特性（基準直線）として記憶し、その後、劣化検出処理を実行する都度、新たに特定した熱電モジュール１１の電流電圧特性と基準電流電圧特性とを比較（具体的には、新たに特定した熱電モジュール１１の電流電圧特性を示す直線の傾きと基準直線の傾きとを比較）する。

この比較の結果、新たに特定した電流電圧特性を示す直線の傾きが、基準直線の傾きに対して規定されている許容範囲内に含まれているときには、処理部３は、熱電モジュール１１の劣化は許容範囲内であることを検出し、一方、新たに特定した電流電圧特性を示す直線の傾きが、この許容範囲を超えて減少しているときには、処理部３は、熱電モジュール１１の劣化が許容範囲を超えていることを検出する。また、処理部３は、例えば、図１には示されていない出力装置（例えば、表示装置）に劣化検出処理の結果を出力する。これにより、作業者に対して、熱電モジュール１１の劣化（熱サイクル疲労の発生や加熱による構成材料の経年劣化の発生）を報知して、熱電モジュール１１の交換作業を促すことが可能となっている。

このように、この電圧変換装置１では、処理部３が、熱電モジュール１１についての電流電圧特性を特定する特性特定処理、および特定した電流電圧特性と予め規定された基準電流電圧特性とを比較して熱電モジュール１１の劣化を検出する劣化検出処理を実行する。したがって、この電圧変換装置１および発電装置４１によれば、熱電モジュール１１における熱サイクル疲労の発生や加熱による構成材料の経年劣化の発生を検出することができるため、作業者は、この検出結果に基づいて、劣化した熱電モジュール１１を確実に交換することができる。

また、この電圧変換装置１では、処理部３が電圧変換部２に接続された熱電モジュール１１について特性特定処理を実行して、特定した電流電圧特性をこの熱電モジュール１１についての基準電流電圧特性として劣化検出処理において使用する。したがって、この電圧変換装置１および発電装置４１によれば、熱電モジュールを新たに接続したときや、接続されている熱電モジュールを交換したときに、作業者が基準電流電圧特性を設定する作業を省くことができる。

なお、上記の電圧変換装置１では、１つの熱電モジュール１１での発電電圧Ｖ１を１つの電圧変換部２で直流電圧Ｖ２に電圧変換して、負荷１２に出力する構成を採用しているが、図４に示す発電装置４１Ａのように、電圧変換装置１Ａを構成する複数の電圧変換部２の一対の入力端子４のそれぞれに熱電モジュール１１を１つずつ接続して、各熱電モジュール１１での発電電圧Ｖ１を対応する１つの電圧変換部２で直流電圧Ｖ２に電圧変換し、それぞれの出力端子５が並列に接続された各電圧変換部２から１つの負荷１２に直流電圧Ｖ２を出力する構成を採用することもできる。なお、熱電モジュール１１および電圧変換部２は、上記した電圧変換装置１での説明の構成と同一であるため、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、処理部３Ａは、基本的な構成については上記した電圧変換装置１の処理部３と同じであるため、相違する構成について説明する。

処理部３Ａは、一例として、複数（本例では一例として、１つの電圧変換部２について発電電圧Ｖ１および直流電圧Ｖ２を測定するため、電圧変換部２の個数の２倍の数）のＡ／Ｄ変換器、複数（本例では、１つの電圧変換部２についてスイッチ素子２２と切替スイッチ２５を駆動するため、電圧変換部２の個数の２倍の数）の駆動回路、ＣＰＵおよびメモリ（いずれも図示せず）を備え、各熱電モジュール１１についての発電電圧Ｖ１の電圧値Ｖ１ａの測定処理、各電圧変換部２の検出回路２６から出力される電圧（直流電圧Ｖ２を固定抵抗２６ａ，２６ｂで分圧して得られる電圧（固定抵抗２６ｂの両端間電圧）Ｖ３）の測定処理、並びに各電圧変換部２のスイッチ素子２２および切替スイッチ２５に対する制御処理を実行する。

また、処理部３Ａは、各電圧変換部２を動作状態および無負荷状態の任意の一方の状態に個別に切り替える切替処理、切替処理を実行して各電圧変換部２を無負荷状態に移行させているときの各熱電モジュール１１についての発電電圧Ｖ１の電圧値Ｖ１ａを開放電圧Ｖｏｐとして測定する開放電圧測定処理、切替処理を実行して各電圧変換部２を動作状態に移行させているときの発電電圧Ｖ１の電圧値Ｖ１ａのうちの任意の１つの電圧値Ｖ１ａ１とこの１つの電圧値Ｖ１ａ１での熱電モジュール１１から電圧変換部２への流入電流Ｉ１の電流値Ｉ１ａ１とを測定する電圧電流測定処理、各電圧変換部２に負荷１２を接続したときのスイッチ素子２２の駆動条件を特定する駆動条件特定処理、開放電圧Ｖｏｐと測定した１つの電圧値Ｖ１ａ１およびこの１つの電圧値Ｖ１ａ１での流入電流Ｉ１の電流値Ｉ１ａ１とに基づいて各熱電モジュール１１についての電流電圧特性を特定する特性特定処理、並びに特定した各熱電モジュール１１についての電流電圧特性と各熱電モジュール１１について予め規定された基準電流電圧特性とを比較して各熱電モジュール１１の劣化を検出する劣化検出処理を実行する。

この電圧変換装置１Ａにおいても、処理部３Ａが、各熱電モジュール１１についての電流電圧特性を特定する特性特定処理、および特定した各熱電モジュール１１についての電流電圧特性と各熱電モジュール１１について予め規定された基準電流電圧特性とを比較して各熱電モジュール１１の劣化を検出する劣化検出処理を実行する。したがって、この電圧変換装置１Ａおよび発電装置４１Ａによれば、各熱電モジュール１１における熱サイクル疲労の発生や加熱による構成材料の経年劣化の発生を検出することができるため、作業者は、この検出結果に基づいて、劣化した熱電モジュール１１を特定して、この熱電モジュール１１を確実に交換することができる。

また、この電圧変換装置１Ａおよび発電装置４１Ａのように、複数の熱電モジュール１１のそれぞれに電圧変換部２を１つずつ接続する構成を採用している場合には、すべての電圧変換部２を平面的に並設する構成としたときには、各電圧変換部２が平面的に広い範囲に亘って並設される。その一方、複数の熱電モジュール１１は温度差の生じている部位にまとめて設置されるため、電圧変換部２と熱電モジュール１１とを接続するケーブルの長さが、他の電圧変換部２と熱電モジュール１１とを接続するケーブルの長さと大きく相違する状態となる場合がある。このような場合には、ケーブルの長さを使用される電圧変換部２と熱電モジュール１１とに個別に対応させて設計する必要があることからコストが掛かると共に、ケーブルの配線作業に手間が掛かるという課題が生じる。また、各電圧変換部２が平面的に広い範囲に亘って並設されるため、各電圧変換部２へのケーブルの配線に際して、作業者が移動しなければならず、作業効率が低下するという課題も存在している。

この場合、この電圧変換装置１Ａおよび発電装置４１Ａでは、図５に示すように、各電圧変換部２については、同じ直方体形状にモジュール化すると共に、熱電モジュール１１との接続に使用されるケーブル３１が接続される一対の入力端子４については上面を構成する１つの辺に沿って並設して構成する。また、各電圧変換部２は、それぞれの一対の入力端子４が平面視において同じ向き側（図５では一例として左側）に位置し、かつ下側の電圧変換部２の上面における一対の入力端子４が並設された部位が露出するように、上側の電圧変換部２が下側の電圧変換部２に対して上記の１つの辺と直交する方向にずらして下側の電圧変換部２の上に積層されている。なお、モジュール化された各電圧変換部２の上面に並設された一対の入力端子４については、露出する構成とすることもできるが、電圧変換部２の上面における一対の入力端子４が並設された部位にこの一対の入力端子４を覆うカバーを着脱自在な構成として、カバーで覆うようにすることもできる。

なお、本例では、積層状態での各電圧変換部２全体の厚みを抑えるために、積層される各電圧変換部２の数を数段（２〜５段）程度に止め、多段に積層された電圧変換部２を複数構成して、これらを一対の入力端子４が同じ向き側に位置するようにして並設する。本例では一例として、図５に示すように、熱電モジュール１１が３行３列の状態で設置されているため、これに合わせて各電圧変換部２の積層数を３段として、３段に積層された電圧変換部２を３つ構成し、これらを３列並設する構成を採用している。

この構成を採用することにより、各電圧変換部２の一対の入力端子４が平面的に広がる事態を回避して、各電圧変換部２全体をコンパクトにまとめることができるため、電圧変換部２と熱電モジュール１１とを接続する各ケーブル３１の長さをほぼ等しくすることができる。これにより、ケーブル３１の長さを使用される電圧変換部２と熱電モジュール１１とに個別に対応させて設計する必要がなくなるため、コストの低減を図ることができると共に、ケーブル３１の配線作業に要する時間を短縮することができる。また、各電圧変換部２へのケーブル３１の配線に際して、作業者が移動する必要がなくなるため、作業効率を向上させることができる。

また、各電圧変換部２を多段に積層すると共に、複数列に並設する場合には、例えば、図６に示すようなケース３２を作製して、このケース３２内に各電圧変換部２を収納することで電圧変換装置１Ａを構成するのが好ましい。ケース３２は、電圧変換部２を載置する棚３３が内部に多段（電圧変換部２の積層数と同じ数の段数）に配設されると共に、各棚３３における電圧変換部２の収納位置側（同図中の符号Ｆで示した側）の端部が、上段の棚３３が下段の棚３３に対して一定の距離Ｇずつ後退する構成となっている。また、ケース３２の上面には、電圧変換部２の収納位置側の辺に沿って例えば距離Ｇの幅で開口する開口部３４が形成されている。また、各棚３３の幅は、並設する電圧変換部２全体の幅に合わせて規定されている。

この構成により、一対の入力端子４を収納位置側（Ｆ側）に向けた状態で各電圧変換部２をケース３２の各棚３３に載置することにより、各電圧変換部２を規定の段数で積層し、かつ規定の列数で並設する作業を確実、かつ容易に行うことができる。また、図６に示すように、ケース３２内に処理部３も収納することもでき、これにより、電圧変換装置１Ａをよりコンパクトに構成することができる。

１，１Ａ電圧変換装置
２電圧変換部
３，３Ａ処理部
１１熱電モジュール
１１ａ熱電素子
４１，４１Ａ発電装置
Ｖ１発電電圧
Ｖ１ａ電圧値
Ｖ２直流電圧
Ｖ２ａ電圧値

Claims

接続された熱電モジュールの発電電圧を入力すると共に当該発電電圧の電圧値と異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する変換動作を実行する電圧変換部と、
処理部とを備え、
前記処理部は、前記変換動作を実行する動作状態および前記熱電モジュールに対して無負荷と等価な状態となる無負荷状態のうちの任意の一方の状態に前記電圧変換部を切り替える切替処理、前記切替処理を実行して前記電圧変換部を無負荷状態に移行させているときの前記発電電圧の前記電圧値を開放電圧として測定する開放電圧測定処理、前記切替処理を実行して前記電圧変換部を前記動作状態に移行させているときの前記発電電圧の前記電圧値のうちの任意の１つの電圧値と当該１つの電圧値での前記熱電モジュールから当該電圧変換部への流入電流の電流値とを測定する電圧電流測定処理、前記開放電圧と前記測定した１つの電圧値および当該１つの電圧値での前記流入電流の電流値とに基づいて前記熱電モジュールについての電流電圧特性を特定する特性特定処理、並びに当該特定した電流電圧特性と予め規定された基準電流電圧特性とを比較して前記熱電モジュールの劣化を検出する劣化検出処理を実行する電圧変換装置。
接続された熱電モジュールの発電電圧を入力すると共に当該発電電圧の電圧値と異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する変換動作をそれぞれ実行する複数の電圧変換部と、
処理部とを備え、
前記処理部は、前記変換動作を実行する動作状態およびそれぞれに接続された前記各熱電モジュールに対して無負荷と等価な状態となる無負荷状態のうちの任意の一方の状態に前記各電圧変換部を切り替える切替処理、前記切替処理を実行して前記各電圧変換部を無負荷状態に移行させているときの前記各熱電モジュールからの前記発電電圧の前記電圧値を開放電圧として測定する開放電圧測定処理、前記切替処理を実行して前記各電圧変換部を前記動作状態に移行させているときの前記各熱電モジュールからの前記発電電圧の前記電圧値うちの任意の１つの電圧値と当該１つの電圧値での当該各熱電モジュールから当該各電圧変換部への流入電流の電流値とを測定する電圧電流測定処理、前記開放電圧と前記測定した１つの電圧値および当該１つの電圧値での前記流入電流の電流値とに基づいて前記各熱電モジュールについての電流電圧特性を特定する特性特定処理、並びに当該特定した電流電圧特性と予め規定された基準電流電圧特性とを比較して前記各熱電モジュールの劣化を検出する劣化検出処理を実行する電圧変換装置。
前記各電圧変換部は、同じ直方体形状にモジュール化されると共に上面を構成する１つの辺に沿って前記熱電モジュールが接続される一対の入力端子が当該上面に並設されて構成され、
モジュール化された前記各電圧変換部は、それぞれの前記一対の入力端子が平面視において同じ向き側に位置し、かつ下側の前記電圧変換部の前記上面における当該一対の入力端子が並設された部位が露出するように上側の前記電圧変換部が当該下側の電圧変換部に対して前記１つの辺と直交する方向にずらして当該下側の電圧変換部の上に積層されている請求項２記載の電圧変換装置。
前記処理部は、前記熱電モジュールについて実行した前記特性特定処理において特定した前記電流電圧特性を前記基準電流電圧特性とする請求項１から３のいずれかに記載の電圧変換装置。
請求項１から４のいずれかに記載の電圧変換装置と、当該電圧変換装置に前記発電電圧を出力する前記熱電モジュールとを備えている発電装置。