(57)【特許請求の範囲】
【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み、
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、
前記スイッチング電源回路は、
（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熱発電装置。
【請求項２】
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１記載の熱発電装置。
【請求項３】
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み、
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、
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、
前記スイッチング電源回路は、
（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熱発電装置。
【請求項４】
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２または３記載の熱発電装置。
【請求項５】
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４記載の熱発電装置。
【請求項６】
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４または５記載の熱発電装置。
【請求項７】
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み、
半導体変換器は、複数組のサブモジュール１１が周方向に直列に接続され、全体の形状が、鉛直軸線を有するリング１３７に形成されたモジュール１２によって実現され、
各サブモジュール１１は、
前記リングの半径方向内方の内通路２１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の外通路２３に突出する第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とを含み、
前記スイッチング電源回路は、
（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熱発電装置。
【請求項８】
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み、
半導体変換器は、複数組のサブモジュール２１１が上下に直列に接続され、全体の形状が、鉛直軸線１４３を有する円筒１４４に形成されたモジュール２１２によって実現され、
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から半径方向内方の内通路２２１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から半径方向外方の外通路２２３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、
前記スイッチング電源回路は、
（ｆ）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、
（ｇ）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、
（ｈ）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、
（ｉ）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、
（ｊ）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、
（ｋ）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、
（Ｌ）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熱発電装置。
【請求項９】
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請求項７または８記載の熱発電装置。
【請求項１０】
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１〜９のうちの１つに記載の熱発電装置。
【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み、
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、
前記スイッチング電源回路は、
（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】
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２０〜３００ｋＨｚ、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。
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。
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。
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。
【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。
また本発明は、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み、
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、
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、
前記スイッチング電源回路は、
（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熱発電装置である。
【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、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み、
半導体変換器は、複数組のサブモジュール１１が周方向に直列に接続され、全体の形状が、鉛直軸線を有するリング１３７に形成されたモジュール１２によって実現され、
各サブモジュール１１は、
前記リングの半径方向内方の内通路２１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の外通路２３に突出する第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とを含み、
前記スイッチング電源回路は、
（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熱発電装置である。
【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、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み、
半導体変換器は、複数組のサブモジュール２１１が上下に直列に接続され、全体の形状が、鉛直軸線１４３を有する円筒１４４に形成されたモジュール２１２によって実現され、
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から半径方向内方の内通路２２１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から半径方向外方の外通路２２３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、
前記スイッチング電源回路は、
（ｆ）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、
（ｇ）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、
（ｈ）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、
（ｉ）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、
（ｊ）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、
（ｋ）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、
（Ｌ）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熱発電装置である。
【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とを含むことを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、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。
【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２２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。
【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、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。
【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５０Ｈｚ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  ＦＥＴ）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１６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１１ａ，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１１ａ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１６ａ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２２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２７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３７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３３，３８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ＭＯＳ  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４４，４５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７２，７３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７４，７５，７６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７４，７５，７６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６０Ｈｚ）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９８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１０５ｂの出力は、バッファ１０７ｂを経て第２分周器１０３ｂ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１０７ｃ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１０５ｂ１，１０５ｂ２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１０４ａ〜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，１１４ｃ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，１１６ｃをそれぞれ介して第２出力スイッチング素子８４，８６，８８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９１，９２，９３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１１７，１１８，１１９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１８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によって囲まれる内通路２１の空間には、蓋１５４が配置され、バーナ３５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の外通路２３における突出部分２８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１５７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、外通路２３の第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２１２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２２１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。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３６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５０Ｈｚ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  ＦＥＴ）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２１２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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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