(57)【要約】【課題】本発明は、発電特性の劣化を抑制して故障を防止することが可能な熱電変換装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明による熱電変換装置は、熱源５と、熱源５に対向して設けられた冷却源６と、熱源５と冷却源６との間に積層され、熱源５側に設けられた高温側熱電発電素子２、および冷却源６側に設けられた低温側熱電発電素子３と、高温側熱電発電素子２と低温側熱電発電素子３との境界部分に設けられ、当該境界部分の温度を測定する中間温度測定部７と、高温側熱電発電素子２が出力する電力を調整する高温側負荷調整回路９と、中間温度測定部７が測定した温度に基づいて、高温側負荷調整回路９を制御する温度制御部８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源と、
前記熱源に対向して設けられた冷却源と、
前記熱源と前記冷却源との間に積層され、前記熱源側に設けられた高温側熱電発電素子、および前記冷却源側に設けられた低温側熱電発電素子と、
前記高温側熱電発電素子と前記低温側熱電発電素子との境界部分に設けられ、当該境界部分の温度を測定する中間温度測定部と、
前記高温側熱電発電素子が出力する電力を調整する高温側負荷調整回路と、
前記中間温度測定部が測定した温度に基づいて、前記高温側負荷調整回路を制御する温度制御部と、
を備える、熱電変換装置。
【請求項２】
前記温度制御部は、前記中間温度測定部が測定した前記温度が予め定められた温度を超えたとき、前記高温側熱電発電素子に帰還する電流量が減少するように前記高温側負荷調整回路を制御することを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記低温側熱電発電素子が出力する電力を調整する低温側負荷調整回路をさらに備え、
前記温度制御部は、前記中間温度測定部が測定した温度に基づいて、前記低温側負荷調整回路を制御することを特徴とする、請求項１または２に記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記温度制御部は、前記中間温度測定部が測定した前記温度が予め定められた温度を超えたとき、前記低温側熱電発電素子に帰還する電流量が増加するように前記低温側負荷調整回路を制御することを特徴とする、請求項３に記載の熱電変換装置。
【請求項５】
前記熱源と前記高温側熱電発電素子との境界部分に設けられ、当該境界部分の温度を測定する高温側温度測定部と、
前記冷却源と前記低温側熱電発電素子との境界部分に設けられ、当該境界部分の温度を測定する低温側温度測定部と、
をさらに備え、
前記温度制御部は、前記中間温度測定部が測定した温度、前記高温側温度測定部が測定した温度、および前記低温側温度測定部が測定した温度に基づいて、前記高温側負荷調整回路および前記低温側負荷調整回路のうちの少なくとも一方を制御することを特徴とする、請求項３または４に記載の熱電変換装置。
【請求項６】
前記温度制御部は、前記高温側熱電発電素子が出力する電力とは逆極性の電力を発生するように前記高温側負荷調整回路を制御することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の熱電変換装置。
【請求項７】
前記低温側熱電発電素子は、ビスマステルル系材料で構成されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ゼーベック効果が生じる熱電変換材料を使用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置がある。熱電変換装置には、高い発電出力を得ることを目的として、熱源に近い高温側熱電発電素子、および冷却源に近い低温側熱電発電素子を、熱源と冷却源との間に積層して配置したカスケード型熱電変換装置がある。
【０００３】
高温側熱電発電素子を構成する熱電変換材料と、低温側熱電発電素子を構成する熱電変換材料とは異なる。高温側熱電発電素子は、例えば３００℃から６００℃程度の高温領域で比較的高い発電出力が得られるマグネシウムシリサイド（ＭｇＳｉ）などの熱電変換材料で構成されている。低温側熱電発電素子は、例えば室温から３００℃程度の低温領域で比較的高い発電出力が得られるビスマステルル（ＢｉＴｅ）などの熱電変換材料で構成されている。従来、このような高温側熱電発電素子および低温側熱電発電素子を備えた熱電変換装置が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
熱電変換装置では、熱源の温度が想定以上に上昇すると、熱電発電素子における熱源から受熱する部分の温度が上限耐熱温度を超過し、熱電発電素子の発電特性が劣化する可能性がある。このような発電特性の劣化による熱電発電素子の寿命の短縮を防ぐために、熱電発電素子に帰還する電流を増加させ、ペルチェ効果によって熱電発電素子における熱源から受熱する部分の温度を低下させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１８８２７８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】H.T.Kaibe, et al, "Development of thermoelectric generating cascade modules using silicide and Bi-Te", 23rd International Conference on Thermoelectrics, Australia, 2004.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
カスケード型熱電変換装置では、特に低温側熱電発電素子において、ビスマステルルなどの熱電変換材料、熱電変換材料同士を電気的に接続する電極材料、および電極と低温側熱電発電素子との接合部分は、一定の温度以上になると材料の変質または材料同士の相互拡散などによって低温側熱電発電素子の発電特性の低下、あるいは、低温側熱電発電素子の断線または短絡による熱電変換装置の故障に繋がることがある。
【０００８】
このような問題の対策として、カスケード型熱電変換装置に特許文献１の技術を適用し、低温側熱電発電素子の帰還電流を増加させる電流制御を行うことによって、低温側熱電発電素子における高温側の温度を低下させることができる。しかし、この場合は同時に低温側熱電発電素子の低温側の温度が上昇し、低温側熱電発電素子の低温側が上限耐熱温度を超えてしまうことがある。低温側熱電発電素子の低温側の温度が上昇する理由は、熱電変換装置の熱抵抗がペルチェ効果によって低下し、冷却源と低温側熱電発電素子における低温側との間の熱抵抗値の割合が、冷却源と熱源との間の熱抵抗値に対して大きくなるためである。
【０００９】
また、熱電変換装置の熱抵抗が低下することによって熱源から熱電変換装置を通って冷却源に流入する貫通熱量が増加するため、当該貫通熱量が冷却源の冷却能力を超過し、冷却源によって熱電変換装置の温度上昇を抑制することができなくなり熱電変換装置の故障に繋がる。具体的には、低温側熱電発電素子の低温側が上限耐熱温度を超えることによって、冷却源の熱応力が引き起こす熱電変換材料の機械的損傷、または熱電発電素子の発電特性の劣化などが挙げられる。
【００１０】
さらに、冷却源が自動車などで用いられるラジエタ―で採用されている液冷方式である場合、ラジエタ―液の温度上昇およびラジエタ―液の沸騰によって冷却能力が低下する。冷却源がヒートパイプの場合、ヒートパイプ内の冷媒のドライアウトによって冷却能力が低下する。これらの冷却能力の低下は、熱電変換装置の温度上昇を引き起こし、熱電変換装置全体の熱平衡が崩れることによる熱電変換装置の故障に繋がる。ラジエタ―で採用されている液冷方式を他の冷却源と共用している場合、ラジエター液の温度上昇は他の冷却源の冷却能力を低下させるため、貫通熱量を増加させる温度制御は望ましくない場合がある。
【００１１】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、発電特性の劣化を抑制して故障を防止することが可能な熱電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明による熱電変換装置は、熱源と、熱源に対向して設けられた冷却源と、熱源と冷却源との間に積層され、熱源側に設けられた高温側熱電発電素子、および冷却源側に設けられた低温側熱電発電素子と、高温側熱電発電素子と低温側熱電発電素子との境界部分に設けられ、当該境界部分の温度を測定する中間温度測定部と、高温側熱電発電素子が出力する電力を調整する高温側負荷調整回路と、中間温度測定部が測定した温度に基づいて、高温側負荷調整回路を制御する温度制御部とを備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、熱電変換装置は、熱源と、熱源に対向して設けられた冷却源と、熱源と冷却源との間に積層され、熱源側に設けられた高温側熱電発電素子、および冷却源側に設けられた低温側熱電発電素子と、高温側熱電発電素子と低温側熱電発電素子との境界部分に設けられ、当該境界部分の温度を測定する中間温度測定部と、高温側熱電発電素子が出力する電力を調整する高温側負荷調整回路と、中間温度測定部が測定した温度に基づいて、高温側負荷調整回路を制御する温度制御部とを備えるため、発電特性の劣化を抑制して故障を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１による熱電変換装置の構成の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１による高温側負荷調整回路の構成の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１による高温側熱電発電素子における帰還電流に対する熱抵抗の関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２による熱電変換装置の構成の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態３による熱電変換装置の構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。
【００１６】
＜実施の形態１＞
＜全体構成＞
図１は、本発明の実施の形態１による熱電変換装置１の構成の一例を示す模式図である。なお、熱電変換装置１は、熱源５の温度が６００℃付近、冷却源６の温度が８０℃付近での使用を想定している。
【００１７】
図１に示すように、熱電変換装置１は、熱源５と冷却源６との間の熱電変換部において、熱源５側に設けられた高温側熱電発電素子２と、冷却源６側に設けられた低温側熱電発電素子３とが積層した構造となっている。高温側熱電発電素子２は、高温側負荷調整回路９を介して外部負荷１０に接続されている。高温側負荷調整回路９の詳細については後述する。低温側熱電発電素子３は、外部負荷１０に接続されている。
【００１８】
高温側熱電発電素子２を構成する熱電変換材料には、６００℃付近の温度領域において無次元性能指数ＺＴが高い材料が適している。６００℃付近の温度領域において無次元性能指数ＺＴが高い材料としては、例えば、マグネシウムシリサイド（ＭｇＳｉ）などのシリサイド系材料、コバルトアンチモン（ＣｏＳｂ）などのスクッテルダイト系材料、および鉛テルル（ＰｂＴｅ）系材料などが挙げられる。低温側熱電発電素子３を構成する熱電変換材料には、室温から２００℃付近の温度領域において無次元性能指数ＺＴが比較的高いビスマステルル系材料などが適している。
【００１９】
高温側熱電発電素子２および低温側熱電発電素子３のそれぞれは、逆極性の２種類の半導体材料からなるｐ型半導体とｎ型半導体とを電極で交互に直列に接続することによってπ型の熱電発電素子として構成されており、高温側熱電発電素子２および低温側熱電発電素子３の電流値および電圧値を適切に設計することができる。各半導体を接続する電極には、ニッケルまたは銅など、電気伝導性および熱伝導性が高い金属を用いる。
【００２０】
中間セラミック基板４は、高温側熱電発電素子２と低温側熱電発電素子３との間に設けられている。中間セラミック基板４は、熱伝導性および耐熱性が高く、絶縁性を有し、かつ機械特性も良好である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などで構成される。
【００２１】
中間温度測定部７は、熱電対などで構成され、高温側熱電発電素子２と低温側熱電発電素子３との境界部分に設けられ、当該境界部分の温度を測定する。図１では、中間温度測定部７は、中間セラミック基板４に埋め込まれているが、これに限るものではない。例えば、中間温度測定部７は、中間セラミック基板４に直接貼り付けまたは接着してもよい。中間温度測定部７が測定する温度は、低温側熱電発電素子３の最高温度と同程度となるため、低温側熱電発電素子３の過熱による故障を防止するために、高温側熱電発電素子２と低温側熱電発電素子３との境界部分に中間温度測定部７を設けることは有効である。
【００２２】
中間温度測定部７は、温度制御部８に接続されている。温度制御部８は、高温側負荷調整回路９に接続されており、中間温度測定部７が測定した温度に基づいて高温側負荷調整回路９を制御する。具体的には、温度制御部８は、中間温度測定部７が熱電対である場合、当該中間温度測定部７で測定された起電力を温度に換算する。温度制御部８は、中間温度測定部７で測定される温度が予め設定した温度を超えないように高温側負荷調整回路９の電気的負荷を調整し、高温側熱電発電素子２の帰還電流量を制御する。すなわち、高温側負荷調整回路９は、温度制御部８の制御に従って、高温側熱電発電素子２が出力する電力を調整する。
【００２３】
図１に示すように、高温側熱電発電素子２の受熱面には熱源５が接触し、低温側熱電発電素子３の冷却面には冷却源６が接触しており、熱電変換装置１の熱電変換部に温度差を与えている。
【００２４】
熱源５は、具体的には、高温側熱電発電素子２の受熱面にフィン型の熱交換器を設け、エンジンの排気ガスまたは工場の装置などから排出される熱排気、あるいは、ボイラーなどから捨てられた水蒸気などの熱エネルギーを有する熱流体を熱交換器に通過させることによって、熱を高温側熱電発電素子２に伝えることができる。また、高温側熱電発電素子２の受熱面を工業用の熱処理炉、あるいは自動車のエンジンなどの内燃機関の高温部に貼り付けまたは圧接することによって、熱を高温側熱電発電素子２に伝えることができる。このとき、熱源５と高温側熱電発電素子２の受熱面との間にカーボンシートなどの熱伝導材を挟むことによって、接触界面における熱伝導性を向上させることができる。
【００２５】
冷却源６は、具体的には、ラジエタ―液または冷却水が内部を流れる液冷式のシートシンクであり、低温側熱電発電素子３の冷却面からの熱を受ける。また、冷却源６は、簡素な構成とするために、アルミニウム製のフィン型空冷式の熱交換器とし、大気の温度と熱交換するようにしてもよい。
【００２６】
＜高温側負荷調整回路９の構成＞
高温側熱電発電素子２の正極および負極のそれぞれに接続された出力電力端子は、高温側負荷調整回路９の入力側正極端子および入力側負極端子のそれぞれに接続されている。高温側負荷調整回路９の出力側には、バッテリーまたは動力機などの外部負荷１０が接続されている。外部負荷１０は、高温側負荷調整回路９から出力された電力を利用して動作する。
【００２７】
高温側負荷調整回路９は、リニアレギュレータなどの安価で単純な回路方式を用いることができるが、高温側熱電発電素子２によって発電した電力をより効率的に利用するために、入力電力に対する出力電力のエネルギー変換効率がより高い回路方式であるスイッチングレギュレータを用いることが望ましい。スイッチングレギュレータは、内蔵されるスイッチング素子のオンオフ制御によって、入力される直流電力を昇降圧して出力するＤＣ−ＤＣコンバータである。スイッチングレギュレータは、高温側熱電発電素子２の入力側から高温側負荷調整回路９をみた負荷を出力電圧の昇降圧比によって制御することができるため、リニアレギュレータよりも広い範囲で高温側熱電発電素子２にかかる負荷の値を制御することができ、高温側熱電発電素子２の負荷制御に有効な回路方式である。
【００２８】
図２は、高温側負荷調整回路９の構成の一例を示す模式図である。図２の例では、昇降圧型チョッパ回路を示しているが、熱電変換装置１の入出力仕様に応じてＳＥＰＩＣ（Single Ended Primary Inductance Converter）など、異なる回路構成のスイッチングレギュレータ回路を使用することができる。
【００２９】
図２に示すように、高温側負荷調整回路９は、キャパシタ１１，１７と、スイッチング素子１２，１５と、ダイオード１３，１６と、インダクタ１４とを備えている。キャパシタ１１は、入力電力波形のリップル電圧を小さくするために、入力に並列に接続されている。スイッチング素子１２は、ソース電極がインダクタ１４に接続され、ドレイン電極が入力正極側に接続されている。ダイオード１３は、アノードがＧＮＤラインに接続され、カソードがスイッチング素子１２およびインダクタ１４のラインに接続されている。スイッチング素子１５は、ドレイン電極がＧＮＤラインに接続され、ソース電極がインダクタ１４およびダイオード１６のラインに接続されている。ダイオード１６は、アノードがインダクタ１４に接続され、カソードが外部負荷１０の正側に接続されている。キャパシタ１７は、出力電力波形のリップル電圧を小さくするために、出力に並列に接続されている。
【００３０】
スイッチング素子１２，１５のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）によるゲート制御信号は、温度制御部８から入力される。スイッチング素子１２，１５のデューティ比を制御することによって高温側熱電発電素子２の負荷調整が行われる。高温側熱電発電素子２からみた出力側の負荷を大きくする制御を行う場合、スイッチング素子１５のデューティ比を１とし、スイッチング素子１２のデューティ比を小さく制御することによって、高温側熱電発電素子２から入力される入力電流値を減少させる。高温側負荷調整回路９から出力される出力電圧は、高温側熱電発電素子２から入力される入力電圧よりも小さくなり、高温側負荷調整回路９から出力される出力電流は、高温側熱電発電素子２から入力される入力電流よりも大きくなる。このように、高温側熱電発電素子２からみた出力側の負荷を大きくする制御を行う場合、高温側負荷調整回路９は降圧制御を行う。
【００３１】
一方、高温側熱電発電素子２からみた出力側の負荷を小さくする制御を行う場合、スイッチング素子１２のデューティ比を１とし、スイッチング素子１５のデューティ比を大きく制御することによって、スイッチング素子１５を通って高温側熱電発電素子２に帰還する帰還電流の成分が増加する。高温側負荷調整回路９から出力される出力電圧は、高温側熱電発電素子２から入力される入力電圧よりも大きくなり、高温側負荷調整回路９から出力される出力電流は、高温側熱電発電素子２から入力される入力電流よりも小さくなる。このように、高温側熱電発電素子２からみた出力側の負荷を小さくする制御を行う場合、高温側負荷調整回路９は昇圧制御を行う。
【００３２】
高温側負荷調整回路９を用いて上記の制御を行うことによって、高温側熱電発電素子２にかかる負荷を増減させることができる。
【００３３】
また、ゼーベック効果によって、高温側熱電発電素子２は、その開放電圧の１／２付近の印加電圧において最大の出力電力が得られる。従って、高温側負荷調整回路９は、高温側熱電発電素子２の印加電圧を制御することによって、高温側熱電発電素子２が最大電力を出力する制御を行うことができる。
【００３４】
＜効果＞
本実施の形態１によれば、高温側熱電発電素子２からみた出力側の負荷を小さくする制御を行うと、高温側熱電発電素子２への帰還電流は増加するため、ペルチェ効果およびトムソン効果による高温側熱電発電素子２における高温側から低温側への貫通熱量が増加し、高温側熱電発電素子２の熱抵抗Ｒｈは低下する。図３は、高温側熱電発電素子２における帰還電流に対する熱抵抗Ｒｈの関係を簡略化した図である。高温側熱電発電素子２におけるｎ型半導体に高温と低温との温度差を設けたとき、高温側で発生した伝導電子が低温側に拡散することによって電子が流れる。このとき、ペルチェ効果およびトムソン効果によって電子が流れる方向に熱が輸送されるため、起電力方向に電流を増加させる、すなわち高温側熱電発電素子２の帰還電流量を増加させると、ｎ型半導体の高温側から低温側への熱の輸送量が増加する。また、高温側熱電発電素子２におけるｐ型半導体に高温と低温との温度差を設けたとき、高温側で発生したホールが低温側に拡散することによってホールが流れる。このとき、ホールが流れる方向に熱が輸送されるため、起電力方向に電流を増加させる、すなわち高温側熱電発電素子２の帰還電流量を増加させると、ｎ型半導体の高温側から低温側への熱の輸送量が増加する。このような現象によって、π型の熱電発電素子では、起電力方向に高温側熱電発電素子２の帰還電流量を増加させることによって、高温側熱電発電素子２におけるｎ型半導体およびｐ型半導体において高温側から低温側への熱の輸送量が増加し、高温側熱電発電素子２の熱抵抗Ｒｈが低下する。
【００３５】
一方、高温側熱電発電素子２からみた出力側の負荷を大きくする制御を行うと、高温側熱電発電素子２の帰還電流量は減少するため、ペルチェ効果およびトムソン効果による高温側熱電発電素子２における高温側から低温側への貫通熱量が減少し、高温側熱電発電素子２の熱抵抗Ｒｈは増加する。本実施の形態１では、高温側熱電発電素子２における低温側の温度が耐熱上限温度を超えるまたは超えることが予測される場合に、高温側熱電発電素子２からみた出力側の負荷を大きくする制御を行うことによって高温側熱電発電素子２の熱抵抗Ｒｈが増加する現象を利用して、熱源５から冷却源６への貫通熱量を減少させる。これにより、低温側熱電発電素子３における高温側の温度、および高温側熱電発電素子２における低温側の温度を低下させ、低温側熱電発電素子３および冷却源６の寿命を長くすることができる。すなわち、熱電変換装置１の発電特性の劣化を抑制して故障を防止することが可能となる。
【００３６】
また、本実施の形態１による温度制御方法は、機械的な可動部がない熱電効果を用いた制御であるため、制御対象である温度制御部８の温度に対して高速で制御の入力をすることができ、他の機械的な温度制御方法、例えば高温側を流れる熱流体の流量を調整して入熱量を制御する方法などと比較して、故障防止の効果を高めることができる。
【００３７】
さらに、本実施の形態１によれば、中間温度測定部７の位置の温度が設定値を超えない範囲となるように温度制御することによって、熱電変換装置１の信頼性を担保する範囲内で常に最大電力を出力する負荷制御を行うことができる。
【００３８】
＜実施の形態２＞
図４は、本発明の実施の形態２による熱電変換装置１８の構成の一例を示す模式図である。
【００３９】
図４に示すように、熱電変換装置１８は、低温側負荷調整回路１９を備えることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態１で説明した図１に示す構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４０】
実施の形態１では、高温側負荷調整回路９で高温側熱電発電素子２の負荷調整を行うことによって、中間温度測定部７の位置の温度制御を行うことについて説明した。本実施の形態２では、これに加えて、低温側負荷調整回路１９で低温側熱電発電素子３の負荷調整を行うことによって、中間温度測定部７の位置の温度制御を行うことについて説明する。なお、低温側負荷調整回路１９の構成は、高温側負荷調整回路９の構成と同じであってもよく、例えば図２に示すような構成である。以下では、低温側負荷調整回路１９の構成は図２に示す構成であるものとして説明する。また、低温側熱電発電素子３における帰還電流に対する熱抵抗Ｒｃの関係は、図３と同様である。
【００４１】
低温側熱電発電素子３からみた出力側の負荷を、低温側負荷調整回路１９のスイッチング素子のＰＷＭ制御で小さくすることによって、低温側熱電発電素子３の熱抵抗値Ｒｃは小さくなり、低温側熱電発電素子３における高温側から低温側への熱の輸送量が増加する。これにより、中間温度測定部７の位置の温度をさらに低下させることができる。このような負荷制御によって、高温側熱電発電素子２の温度範囲がさらに高くなっても、中間温度測定部７の位置の温度上昇を抑制することができる。
【００４２】
＜実施の形態３＞
図５は、本発明の実施の形態３よる熱電変換装置２０の構成の一例を示す模式図である。
【００４３】
図５に示すように、熱電変換装置２０は、高温側セラミック基板２１、低温側セラミック基板２２、高温側温度測定部２３、および低温側温度測定部２４を備えることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態２で説明した図４に示す構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４４】
高温側セラミック基板２１は、熱源５と高温側熱電発電素子２との間に設けられている。低温側セラミック基板２２は、冷却源６と低温側熱電発電素子３との間に設けられている。
【００４５】
高温側温度測定部２３は、熱電対などで構成され、熱源５と高温側熱電発電素子２との境界部分に設けられ、当該境界部分、具体的には高温側熱電発電素子２における高温側の温度を測定する。低温側温度測定部２４は、熱電対などで構成され、冷却源６と低温側熱電発電素子３との境界部分に設けられ、当該境界部分、具体的には低温側熱電発電素子３における低温側の温度を測定する。
【００４６】
高温側温度測定部２３および低温側温度測定部２４のそれぞれで測定された温度の値は、温度制御部８に送られる。温度制御部は、中間温度測定部７の位置、高温側温度測定部２３の位置、および低温側温度測定部２４の位置のそれぞれにおける上限耐熱温度を超えない範囲で高温側負荷調整回路９および低温側負荷調整回路１９の負荷を制御する。
【００４７】
例えば、高温側温度測定部２３の位置の温度を下げるためには、高温側熱電発電素子２および低温側熱電発電素子３の合計の熱抵抗が低下するように、高温側負荷調整回路９および低温側負荷調整回路１９のうちの少なくとも一方の負荷を小さくし、高温側熱電発電素子２および低温側熱電発電素子３のうちの少なくとも一方の帰還電流を大きくする制御を行う。このような制御を行うと、中間温度測定部７の位置および低温側温度測定部２４の位置の温度が上昇する。このとき、中間温度測定部７の位置の温度を低下させるためには、低温側負荷調整回路１９の負荷を小さくする制御を行い、低温側熱電発電素子３の熱抵抗を下げる。一方、低温側温度測定部２４の位置の温度を低下させるためには、高温側負荷調整回路９の負荷を小さくする制御を行い、高温側熱電発電素子２の熱抵抗を下げる。
【００４８】
このように、高温側温度測定部２３の位置、中間温度測定部７の位置、および低温側温度測定部２４の位置のそれぞれの温度が上限耐熱温度を超えない範囲で高温側負荷調整回路９および低温側負荷調整回路１９の負荷を増減させる制御を行うことによって、熱電変換装置２０の故障を防止することができる。
【００４９】
＜実施の形態４＞
本発明の実施の形態４では、高温側負荷調整回路９が、高温側熱電発電素子２の起電力の極性とは逆極性の電圧を発生させる機能を有することを特徴としている。その他の構成は、実施の形態１で説明した図１に示す熱電変換装置１、実施の形態２で説明した図４に示す熱電変換装置１８、または実施の形態３で説明した図５に示す熱電変換装置２０と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００５０】
高温側負荷調整回路９は、温度制御部８の制御によって、高温側熱電発電素子２の帰還電流とは逆方向の電流を高温側熱電発電素子２に流す電力を発生させることが可能である。電圧源としては、蓄電池または他の発電機などを用いることができる。このとき、高温側熱電発電素子２における電子およびホールによる熱の輸送方向が、高温側負荷調整回路９が発生させた電力によって逆転するため、熱源５から流れる熱とは逆方向にペルチェ効果が働き、図３に示すように高温側熱電発電素子２の熱抵抗をさらに大きくすることができる。これにより、高温側熱電発電素子２から低温側熱電発電素子３および冷却源６に流れる熱量をさらに小さくすることができる。
【００５１】
なお、図示しないスイッチを設け、高温側負荷調整回路９および低温側負荷調整回路１９のそれぞれにおいて出力端子の配線を逆極性につなぎかえ、高温側熱電発電素子２に対して発電とは逆極性の電力を与えることによって、外部からの電源を必要とせずに高温側熱電発電素子２の熱抵抗を増加させることができる。
【００５２】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１  熱電変換装置、２  高温側熱電発電素子、３  低温側熱電発電素子、４  中間セラミック基板、５  熱源、６  冷却源、７  中間温度測定部、８  温度制御部、９  高温側負荷調整回路、１０  外部負荷、１１  キャパシタ、１２  スイッチング素子、１３  ダイオード、１４  インダクタ、１５  スイッチング素子、１６  ダイオード、１７  キャパシタ、１８  熱電変換装置、１９  低温側負荷調整回路、２０  熱電変換装置、２１  高温側セラミック基板、２２  低温側セラミック基板、２３  高温側温度測定部、２４  低温側温度測定部。
【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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