(57)【要約】【課題】  自動車に搭載されて、発熱体の温度上昇を抑制しながら、エネルギ効率を高めることができる車載用電源装置を提供することを目的とする。【解決手段】  自動車の電子機器に電力を供給する電源装置１０であって、半導体デバイス１と、半導体デバイス１からの熱を伝達するヒートパイプ２と、半導体デバイス１からの熱をヒートパイプ２により伝達される高温部３ａおよび高温部よりも低温とされる低温部３ｂを有するゼーベック素子３とを備えることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の電子機器に電力を供給する電源装置であって、
発熱体と、
前記発熱体からの熱を伝達するヒートパイプと、
前記発熱体からの熱を前記ヒートパイプにより伝達される高温部および前記高温部よりも低温とされる低温部を有する熱電素子とを備えることを特徴とする、車載用電源装置。
【請求項２】
前記熱電素子で生じた電力を変換する電力変換装置を備えることを特徴とする、請求項１に記載の車載用電源装置。
【請求項３】
前記熱電素子で生じた電力を蓄電する二次電池を、さらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の車載用電源装置。
【請求項４】
前記低温部と前記自動車の他の放熱部との間に接続される第２のヒートパイプをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の車載用電源装置。
【請求項５】
前記発熱体が自動車用パワーモジュールであり、前記高温部が運転時１００℃以上に加熱され、前記低温部との間に５０℃以上の温度差を付すことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の車載用電源装置。
【請求項６】
前記熱電素子の低温部または前記第２のヒートパイプの前記他の放熱部分に接続される端部は、自動車の走行による空気流入により空冷されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の車載用電源装置。
【請求項７】
前記発熱体において、前記熱電素子の高温部に接続するヒートパイプに加えて、さらに放熱部を備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の車載用電源装置。
【請求項８】
前記二次電池がリチウム二次電池であることを特徴とする、請求項３〜７のいずれかに記載の車載用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載用電源装置に関し、より具体的には、各種の半導体デバイスやエンジン等の動力機構やその他の発熱体から発生する熱により発電された電力を充電等に用いる車載用電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車には多くの半導体デバイスやエンジン等の動力機構やその他の発熱体が存在し、例えばこれらの半導体デバイスからは損失電力に起因する多くの熱が発生する。特にこれら半導体デバイス装置では、装置の大容量化、小型化、処理の高速化などに伴い、半導体デバイスから発生する熱問題が深刻化している。十分な放熱をしない場合には、半導体デバイスの温度が上昇し、正常な動作を遂行することができなくなる。
【０００３】
上記半導体デバイスの温度上昇は、古くから問題とされ、多くの取り組みがなされてきた。たとえば、半導体デバイスの放熱に用いられる並列状の放熱フィンの放熱性を向上させるために、空気流が直線状に放熱フィン間隙を通過しないように、乱流発生用の邪魔板を取り付けた構造、または千鳥配列の円柱状フィンの構造が開示されている（特許文献１）。この構成によれば、斜めに取り付けた邪魔板または千鳥配列の円柱状フィンにより乱流が発生して放熱効果を高めることができる。
【０００４】
また、半導体デバイスの温度上昇を抑えながら、半導体デバイスで発生する熱エネルギを電気エネルギに変換して、エネルギ効率を高める方法も提案されている（特許文献２）。この方法では、半導体デバイスとヒートパイプとの間にヒートシンクを介在させて、半導体デバイスの温度上昇を抑制した上で、ヒートパイプからの熱を熱電素子（ゼーベック素子）の高温部で受けてゼーベック素子の低温部との温度差により電力を起こし、その電力をパソコンの発光素子等に用いる。具体的には、（半導体デバイス／ヒートシンク／ヒートパイプ／熱電素子高温部／熱電素子低温部）の構成を用いる方法の開示がなされている。この方法によれば、半導体デバイスに、直接、熱電素子の高温部を接触させる従来の構成（半導体デバイス／熱電素子高温部／熱電素子低温部／ヒートシンク）において問題となる半導体デバイスの温度上昇の抑制未達という弊害を避けることができる。すなわち、特許文献２に開示の方法では、ヒートシンクが直接、半導体デバイスに接触するため、半導体デバイスの温度上昇を抑制した上で、ヒートパイプにより熱を熱電素子の高温部に伝えて電気エネルギを起こし、パソコン等で利用してエネルギ効率を高めることができる。
【特許文献１】特開２００１−３４５５８５号公報
【特許文献２】特開２００１−２８２３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の放熱機構や発電方法はパソコン等に用いられることを目的にしており、自動車に搭載して効果が得られる機構とする視点が欠如している。最近の自動車は、ハイブリッドカーに限定されず電子機器の装備が拡大しており、そのために電源用の二次電池の容量は拡大の一途をたどっている。そのために、メイン二次電池以外に各種の二次電池が搭載され、これら二次電池による重量増は、自動車の軽量化の大きな障害となっている。また、これらの電池は、不使用時にも暗電流を生じ、その放電現象により電力が絶えず消費されている。このような暗電流によるエネルギ効率の低下に対処可能な車載用電源装置の開発が求められてきた。
【０００６】
本発明は、自動車に搭載されて、発熱体の温度上昇を抑制しながら、エネルギ効率を高めることができる車載用電源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】
【０００７】
本発明の車載用電源装置は、自動車の電子機器に電力を供給する電源装置である。この電源装置は、発熱体と、発熱体からの熱を伝達するヒートパイプと、発熱体からの熱をヒートパイプにより伝達される高温部および高温部よりも低温とされる低温部を有する熱電素子とを備えることを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、ヒートシンクを介在させなくても、ヒートパイプ自身の作用により発熱体で発生する熱を放熱することにより発熱体の温度上昇を抑制することができる。かつ、熱電素子では、上記のヒートパイプで運ばれた熱を受ける高温部と、このあと説明する低温部との温度差により発電をすることができ、適切な電力変換装置等を経由させて、電気装置に電力を供給することができ、またさらに二次電池を備える場合には、その発電された電力を上記電力変換装置を経由させて二次電池に蓄電する充電装置として機能することができる。また発熱体と熱電素子との位置関係は、上記のヒートパイプがあるために、大きな自由度をもつことができ、発熱体および熱電素子の配設の融通性を高めることができる。
【０００９】
また、上記の熱電素子で生じた電力を変換する電力変換装置を備えることができる。これにより、熱電素子で生じた電力の電圧を直流のまま昇圧したり、直流電力を交流電力に変換することができ、自動車内の電子機器へ適切な電力を供給することが可能になる。また、二次電池を備える場合には、その二次電池を充電するのに適切な電圧の直流電力を得ることができる。
【００１０】
また、上記の車載用電源装置では、熱電素子で生じた電力を蓄電する二次電池を備えることができる。上記の発電によって、二次電池における暗電流による放電損失を補い、エネルギ効率を向上することができる。また、この二次電池により、必要なときに何時でも十分な電力を電子機器に供給することができる。ここで、低温部は、自動車に設けられた多くの放熱部に、直接または間接に接触させてもよいし、もしくは上記放熱部に接触せずにフィンを設けて空冷してもよいし、または専用の流体による放熱部を設けてもよい。また、自動車の電子機器には、各種モータ、照明器具、計測機器など、電力を駆動エネルギに用いるすべてのものが含まれる。そして、二次電池には、他の機構で発電された電力が供給されていてもよいことは言うまでもない。
【００１１】
また、上記の低温部と自動車の他の放熱部との間に接続される第２のヒートパイプをさらに備えることができる。これによれば、熱電素子の低温部の温度を確実に低くすることができ、高温部との温度差を大きくして発電量を増大することができる。また、低温部から抜熱する第２のヒートパイプの熱の放散部（熱電素子との接触端部と異なる他端部）は、熱電素子から大きな自由度をもって配置することができ、（発熱体−熱電素子−熱電素子の低温部の熱を放散する部位）の配置の融通性を高めることができる。したがって、自動車のように多くの放熱部と発熱体とが複雑に入り組んだ構造を持つ装置において、全体の構造にとって適切な配置を得ることができる。
【００１２】
また、上記の発熱体が自動車用パワーモジュールであり、高温部が運転時１００℃以上に加熱され、低温部との間に５０℃以上の温度差をつける構成をとることができる。これにより、熱電素子に大きな温度差を与えることができ、発電量を高めることができる。
【００１３】
また、上記の高温部には、発熱体以外の発熱体からの熱が伝達され、高温部が運転時１２０℃以上に加熱される構成としてもよい。これにより、熱電素子１つ当たりの発電量を高めることにより、発電コストを下げることができる。
【００１４】
また、上記の熱電素子の低温部または第２のヒートパイプの他の放熱部分に接続される端部は、自動車の走行による空気流入により空冷される構成としてもよい。これにより、自然放熱によって低温部の冷却効率を高め、熱電素子における温度差を大きくできるので、発電量を高め、全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００１５】
また、上記の発熱体において、熱電素子の高温部に接続するヒートパイプに加えて、さらに放熱部を備えてもよい。この構成により、発熱体の温度上昇を、より一層、確実に抑制しながら、エネルギ効率を確保することが可能となる。また、発熱体の発生熱量に見合う放熱容量より低い放熱容量の放熱部の場合（放熱容量不足の場合）には、ヒートパイプを補完的に用いて、しかも発電することが可能となる。
【００１６】
また、上記の二次電池をリチウム二次電池とすることができる。これにより、二次電池を小型化、高容量化してエネルギ効率を高め、かつ軽量化することができる。このため、ハイブリッドカー、電気自動車等のメイン二次電池に適した車載用電源装置にすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の車載用電源装置によれば、自動車に搭載されて、発熱体の温度上昇を抑制しながら、エネルギ効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における車載用電源装置を示す図である。図１において、発熱体である半導体デバイス１で発生した熱エネルギをゼーベック素子３により電気エネルギに変換してＤＣＤＣコンバータ２１を介して二次電池であるリチウム二次電池１５に蓄電し、自動車の各種モータ、照明装置、計器類など各種電子機器に電力を供給する。ＤＣＤＣコンバータ２１等の電力変換装置には自動車の各電気装置への電力供給の目的に沿った制御機能が備えられており、たとえば上記ＤＣＤＣコンバータ２１には、過充電防止の保護回路等が含まれている。本発明の車載用電源装置は、図１において、（１）半導体デバイス１から、ヒートパイプ−熱電素子に至る範囲、（２）半導体デバイス１から、ヒートパイプ−熱電素子−ＤＣＤＣコンバータ（電力変換装置）に至る範囲、および（３）半導体デバイス１からヒートパイプ−熱電素子−ＤＣＤＣコンバータ（電力変換装置）−二次電池に至る範囲の、いずれの範囲であってもよい。また、発熱体として半導体デバイス１の例を挙げているが、上記（１）、（２）および（３）の本発明の各形態は、一般的には、発熱体は半導体デバイスに限定されず、どのような発熱体であってもよい。
【００１９】
半導体デバイス１で発生する熱はヒートパイプ２によって、温度差により電流および電位差を生じる熱電素子であるゼーベック素子３の高温部３ａに運ばれる。熱電素子３の低温部３ｂは、気体または液体の熱媒体により放熱され、高温部３ａよりも低温とされる。高温部３ａと低温部３ｂとの温度差ΔＴは、大きいほど発電量は大きくなる。低温部３ｂは、専用の放熱部を設けて低温部３ｂから抜熱してもよいし、他の部分の放熱のために設けられた放熱部の放熱（抜熱）作用を流用して放熱して低温にしてもよいし、また単にフィンを設けて空冷するだけでもよい。上記のＤＣＤＣコンバータ２１より前段部、またはＤＣＤＣコンバータ２１を含めた（熱電素子３／ヒートパイプ２／発熱体１）は、充電装置として機能する。また、たとえばハイブリッドカーの場合では、リチウム二次電池１５には、図示しないエンジンで発電された電力を蓄電することもできる。
【００２０】
ゼーベック素子３においては、図２に示すように、半導体部３ｇを熱電気発生の中核とする。半導体部３ｇでは、複数のｐ型半導体およびｎ型半導体を交互に直列に電気的に接続し、それを絶縁体からなる高温部３ａと低温部３ｂとの間に、個々のｐ型半導体とｎ型半導体とが並列するように配置した構造となっている。ｐ型半導体の多数キャリアである正孔ｈ＋およびｎ型半導体における多数キャリアの電子ｅ−は、両方とも、温度勾配に沿って高温部３ａから低温部３ｂへと移動する。電子ｅ−の高温部３ａから低温部３ｂへ向かう移動は、逆向きの電流ｉであり、またｐ型半導体とｎ型半導体とは、直列に電気的に接続されているので、図２に示す構成により直流の電流および電圧、すなわち電力を得ることができる。
【００２１】
ゼーベック素子３からの電気出力は直流電力であり、二次電池１５への蓄電のために、ＤＣＤＣコンバータ２１を用いて電圧を高めるなどの調整を行うことも可能であるし、ゼーベック素子を直列に複数接続し電圧を高めてもよい。このコンバータ２１には電圧レベル等を制御する制御回路も含まれるものとする。これらの後段にリチウム二次電池１５を配置する。必要時には、リチウム二次電池から、自動車内の電子機器に応じてインバータ等を含む制御回路（図示せず）を経由して電力を供給する。
【００２２】
ヒートパイプ２による効率のよい熱運搬作用により、半導体デバイス１は抜熱され、温度上昇が確実に抑制される。したがって、半導体デバイス１とヒートパイプ２との間にヒートシンクを介在させることは、必須条件ではない。図１における熱流は、（半導体デバイス１→ヒートパイプ２→ゼーベック素子３の高温部３ａ→半導体部３ｇ→低温部３ｂ→放熱部１７）の経路で流れる。この熱流の流れが途絶えない限り、ヒートパイプ２は半導体デバイス１で発生する熱を効率良くゼーベック素子３の高温部３ａに運び続け、半導体デバイス１の温度が過度に上昇するのを確実に防止することができる。
【００２３】
上記のように半導体デバイス１の過度の温度上昇を防止した上で、ゼーベック素子３では、温度差ΔＴにより電気エネルギを得ることができ、これを蓄電してエネルギ効率を高めることができる。発電量は温度差ΔＴに比例するため、高温部３ａの温度を高くすること、および低温部３ｂの温度を低下させることが１つの重要な要件となる。半導体デバイス１に自動車用パワーモジュールを用いた場合、発生する熱量が大きいため、ヒートパイプ２により高温部３ａを１００℃以上、たとえば１５０℃以上にすることが容易に可能となる。
【００２４】
また、低温部３ｂは、空冷等により３０℃〜７０℃に抑えることは容易である。図１では、低温部３ｂに他の放熱部１７に接触させることにより低温を維持する構造をとっている。ヒートパイプ２は、ゼーベック素子３の低温部３ｂを冷却するのに都合のよい位置に配設する上で、所定範囲内であるが、自由度を高めることができる。すなわち、半導体パワーモジュール１と、放熱部１７との間の距離が大きい場合であっても、ヒートパイプ２により、ゼーベック素子３をその放熱部１７の直近まで近づけて配設することができるようになる。放熱部１７は、他の部材冷却のために設けた放熱部であると否とを問わない。しかし、自動車においては、多くの部品を冷却する必要があり、多くの利用し尽くされていない放熱部があるので、このような放熱部１７をゼーベック素子３の冷却のために活用する上で、ヒートパイプ２はゼーベック素子３の配設位置選択の可能性を広げることができる。
【００２５】
図３は、図１に示す車載用電源装置の変形例である。図３に示すように、低温部３ｂにフィン付き部材６を接触させてもよい。このようなフィン付き部材６の使用により、低温部３ｂにおける放熱性能は向上するので、温度差ΔＴは増大し、発電量を高めることができる。
【００２６】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における車載用発電装置を示す図である。本実施の形態では、実施の形態１に比べて、ゼーベック素子３の低温部３ｂに、さらに別の（第２の）ヒートパイプ５を配置した点に特徴がある。上述のように、発電量は、高温部３ａと低温部３ｂとの温度差ΔＴに比例するため、低温部３ｂの温度を低下させることが１つの重要なポイントとなる。
【００２７】
第２のヒートパイプ５を用いることにより、第２のヒートパイプ５の熱の放散部（ゼーベック素子との接触端部と異なる他端部）と、ゼーベック素子３との位置関係は、相互が直近範囲に位置することに限定されず、大きな自由度をもって配設することができる。したがって、自動車のように多くの放熱部が数多く配置される装置において、全体の構造にとって適切な配置を得ることができる。たとえば、ゼーベック素子３の直近に位置する放熱部は放熱性能が小さいが、少し遠い位置に大きな放熱性能を持つ放熱部がある場合、その放熱部に低温部３ｂを第２のヒートパイプ５により接続することができ、ゼーベック素子３の低温部３ｂの温度低下を促進することが容易となる。
【００２８】
また、ゼーベック素子３が、自動車の走行に伴う空気流入の冷却効果を得にくい箇所に位置する場合でも、第２のヒートパイプ５により、そのヒートパイプ５の他端部を走行に伴う空気流入によって冷却することが容易となる。この結果、ゼーベック素子３の低温部３ｂの温度を低下させ、上記の温度差ΔＴを大きく確保しやすくなる。この場合、図５に示すように、ヒートパイプ５の他端部にフィン付き部材６を接触させてもよい。このようなフィン付き部材６の使用により、ヒートパイプ５の熱量運搬能力は向上するので、ゼーベック素子３の低温部３ｂの温度低下を促進し、温度差ΔＴを増大させ、ゼーベック素子３における発電量を高めることができる。
【００２９】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３における車載用発電装置を示す図である。本実施の形態では、実施の形態１または２に比べて、ヒートパイプ２による抜熱に加えて、他の放熱部３１をヒートパイプ２に並行させて半導体デバイス１に配置して放熱する点に特徴がある。要は、半導体デバイス１とヒートパイプ２との間に介在するように放熱部３１を配置するのではなく、ヒートパイプ２と並行させて放熱部３１によっても抜熱を行う。放熱部３１の半導体デバイス１への適用により、相当大きな発熱量を持つ半導体デバイス１であっても、２つの放熱機構２，３１により放熱されるため、温度上昇を確実に抑制することができ、かつゼーベック素子３による発電も可能となる。この場合、半導体デバイス１の温度上昇は、ある程度、放熱部３１で抑制しておき、さらにヒートパイプ２により半導体デバイス１の温度上昇の抑制を確実なものとするという設計思想を採ることができる。すなわち、放熱部３１の放熱容量を半導体デバイス１に対応するレベルより低いもの（放熱容量不足）にしておきながら、それを補うためにヒートパイプ２を用いて、半導体デバイス１の温度上昇を確実に抑制することができる。
【００３０】
上記の放熱部３１は、半導体デバイス１の専用の放熱部であってもよいが、その必要はなく、他の部品の冷却用の放熱部を流用してもよい。他の部品の冷却用の放熱部３１の流用は、ヒートパイプ２により、ゼーベック素子３と半導体デバイス１との位置関係の自由度増大作用により、容易とされている。放熱部３１の半導体デバイス１への適用により、相当大きな発熱量を持つ半導体デバイス１であっても、２つの放熱機構２，３１により放熱されるため、温度上昇を確実に抑制することができ、かつゼーベック素子３による発電も可能となる。
【００３１】
また、図７に示すように、２つのヒートパイプ２，５を用いる場合においても、放熱部３１により半導体デバイス１を放熱することもできる。この場合、半導体デバイス１の温度上昇は、ある程度、放熱部３１で抑制しておき、さらにヒートパイプ２により半導体デバイス１の温度上昇の抑制を確実なものとするという上述の考え方に加えて、ゼーベック素子３の低温部３ｂをヒートパイプ５により冷却するに際し、その冷却部の位置の自由度を高めることができる。たとえば、自動車の走行に伴う空気流入による冷却に適した位置をヒートパイプ５の先端部位置に選択することができる。
【００３２】
上記の実施の形態１〜３では、発熱体として半導体デバイスのみをあげたが、本発明における発熱体は、半導体デバイスに限定されず、モジュールに組み上げられた半導体モジュールでもよいし、半導体デバイス関連以外の発熱装置や発熱部品でもよい。半導体デバイス関連以外の発熱体として、例えばエンジンやエンジン周りの各種装置などをあげることができる。要は、半導体デバイスに限らず、廃熱を利用できる装置であれば、発熱体の種類によらず、本発明の対象となる。
【００３３】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の車載用電源装置によれば、半導体デバイスの温度上昇を抑えた上で、熱エネルギを電気エネルギに変換してエネルギ効率を高めることができ、さらに半導体デバイスの放熱容量の不足をヒートパイプで補うことも可能である。このため、自動車搭載の電源装置として利用が拡大することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１における車載用電源装置を示す図である。
【図２】図１の車載用電源装置の変形例である。
【図３】ゼーベック素子の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態２における車載用電源装置を示す図である。
【図５】図４の車載用電源装置の変形例である。
【図６】本発明の実施の形態３における車載用電源装置を示す図である。
【図７】図６の車載用電源装置の変形例である。
【符号の説明】
【００３６】
１  半導体デバイス、２  ヒートパイプ、３  ゼーベック素子（熱電素子）、３ａ  ゼーベック素子の高温部、３ｂ  ゼーベック素子の低温部、３ｇ  半導体部、５  第２のヒートパイプ、６  フィン付き部材、１０  車載用電源装置、１５  リチウム二次電池、１７  放熱部、２１  コンバータ、３１  放熱部。
【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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【図６】
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【図７】
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