(57)【要約】【課題】熱源が発する熱を電力として回収することができ、その熱源の温度を適正に管理することが可能な熱電変換システムを提供すること。【解決手段】熱源に取り付けられた熱電変換モジュール（１）と、前記熱電変換モジュールの出力電力を蓄電するための蓄電池（３）と、前記熱電変換モジュールと前記蓄電池との間に設けられ、前記熱電変換モジュールの端子電圧と前記蓄電池の端子電圧との間で双方向に電圧変換する電圧変換部（２）と、前記熱源の温度を検出する温度検出器（４）と、前記温度検出器の検出値に基づき前記電圧変換部による電圧変換の方向を制御する制御部（５）を備える。【選択図】図１
2008071879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源に取り付けられた熱電変換モジュールと、
前記熱電変換モジュールの出力電力を蓄電するための蓄電池と、
前記熱電変換モジュールと前記蓄電池との間に設けられ、前記熱電変換モジュールの端子電圧と前記蓄電池の端子電圧との間で双方向に電圧変換する電圧変換手段と、
前記熱源の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段の検出値に基づき前記電圧変換手段による電圧変換の方向を制御する制御手段と
を備えた熱電変換システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記温度検出手段の検出値が所定温度範囲の下限値に到達した場合、前記電圧変換手段に前記熱電変換モジュールの出力電圧を前記蓄電池に適合した電圧に変換させて該蓄電池を充電すると共に、前記温度検出手段の検出値が所定温度範囲の上限値に到達した場合、前記電圧変換手段に前記蓄電池の端子電圧を前記熱電変換モジュールに適合した電圧に変換させて該熱電変換モジュールを冷却することを特徴とする請求項１項記載の熱電変換システム。
【請求項３】
前記熱源は、車両のラジエターまたはキャタライザーであることを特徴とする請求項２記載の熱電変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の熱源が発する熱を電力に変換して再利用するための熱電変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両のエンジン等の高温となる部位に熱電変換モジュールを取り付け、その熱起電力を電源として利用する技術が知られている（特許文献１参照）。この技術によれば、エンジン等が発する熱が電力として回収されるため、エネルギー損失を抑えることができる。また、これに関連した技術として、適切な温度作動領域を持つ熱電変換モジュールを各部位に配置することによりの熱電変換効率を改善する技術も知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】実開昭６２−２００１１１号公報
【特許文献２】特開平６−２５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、車両のラジエターやキャタライザー等には適切な作動温度領域が存在する。しかしながら、上述の従来技術によれば、ラジエター等が発する熱を電力として回収することはできても、その温度を最適に制御することまではできないため、燃費を有効に改善することができないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、熱源が発する熱を電力として回収することができると共に、その熱源の温度を適正に制御することが可能な熱電変換システムを提供することを目的とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、熱源の温度に応じて、熱電変換モジュールの端子電圧と蓄電池の端子電圧との間の電圧変換の方向を制御するようにしたので、熱源が発する熱を電力として回収することができ、しかもその熱源の温度を適正に制御することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１に、本発明の実施形態に係る熱電変換システムの構成を示す。同図において、熱電変換モジュール１は、熱と電力とを相互に変換するものであり、ゼーベック効果を利用した熱発電素子としての機能（熱発電機能）と、ペルチエ効果を利用した電子冷却素子としての機能（電子冷却機能）とを併せ持つ。熱電変換モジュール１は、その通電方向によって上記電子冷却機能のほかに電子加熱機能をも発揮し得る。
【０００７】
本実施形態において、熱電変換モジュール１は、後述するように、車両の熱源の一つであるラジエターに取り付けられている。
なお、ラジエターは、本来、エンジンの熱を放熱してエンジンを冷却するための機構であり、それ自体は熱源ではないが、本実施形態では、放熱するものを広く熱源として定義する。
【０００８】
電圧変換部２は、たとえばフォワード方式のＤＣ／ＤＣコンバータから構成され、熱電変換モジュール１と後述の蓄電池３との間に設けられる。この電圧変換部２は、熱電変換モジュール１の端子電圧と蓄電池３の端子電圧との間で双方向に電圧変換する機能を有し、後述するように、制御部５の制御により電圧変換の方向が切り替わるように構成されている。
【０００９】
蓄電池３は、熱電変換モジュール１の出力電力を蓄電するためのものであり、例えばリチウムイオン電池等の二次電池を用いることができる。なお、蓄電池３としては、二次電池に限らず、キャパシター等、他の手段を用いることができる。温度検出器４は、ラジエター１００内の冷却液の温度を検出するためのものであり、上記熱電変換モジュール１と共にラジエターのアッパータンクに取り付けられている。冷却液の温度はアッパータンクの構成部材を介して温度検出器４により間接的に検出される。制御部５は、温度検出器４の検出値Ｔｓに基づき電圧変換部２の電圧変換の方向を制御するためのものである。
【００１０】
図２に、車両のラジエター１００に対する熱電変換モジュール１および温度検出器４の取り付け状態を例示する。同図において、１０１はフレーム、１０２はアッパータンク、１０３は水管、１０４は放熱フィン、１０２Ｈは受水口、１０５は排水口である。また、２００は放熱フィンである。
【００１１】
ラジエター１００のアッパータンク１０２と放熱フィン２００との間には、上記熱電変換モジュール１が取り付けられ、熱電変換モジュール１には、アッパータンク１０２の温度Ｔｈと放熱フィン２００の温度Ｔｃとの温度差ΔＴ（＝Ｔｈ−Ｔｃ）が与えられるようになっている。また、アッパータンク１０２には上記温度検出器４が取り付けられる。この温度検出器４は、アッパータンク１０２の温度Ｔｈを検出して検出値Ｔｓ（＝Ｔｈ）を出力する。この検出値Ｔｓは上述の制御部５に与えられる。
【００１２】
次に、図３を参照して本熱電変換システムの動作を説明する。
図３において、Ｔ０はラジエター冷却液の温度の最適値であり、ＴＵは、最適値Ｔ０を中心とした適正な温度範囲（所定温度範囲）の上限値であり、ＴＬは、その下限値であり、Ａは、最適値Ｔ０を中心とした温度振幅である。ここで、上限値ＴＵは、最適値Ｔ０に温度振幅Ａを加算した値に相当し、下限値ＴＬは、最適値Ｔ０から温度振幅Ａを減算した値に相当する。本実施形態では、最適値Ｔ０を８５℃とし、温度振幅Ａを２℃とする。この場合、上限値ＴＵは８７℃となり、下限値ＴＬは８３℃となる。ただし、この例に限定されない。
【００１３】
まず、本熱電変換システムが搭載された車両のエンジンが始動した状態で、温度検出器４の検出値Ｔｓが下限値ＴＬ（８３℃）より低い場合、制御部５は、電圧変換部２に熱電変換モジュール１の出力電圧を蓄電池３に適合した電圧に変換させる。即ち、この場合、熱電変換モジュール１は熱発電素子として機能し、アッパータンク１０２の温度Ｔｈと放熱フィン２００の温度Ｔｃとの温度差ΔＴ（＝Ｔｈ−Ｔｃ）に応じた電圧を出力する。この出力電圧は、電圧変換部２により蓄電池３に適合した電圧に変換されて蓄電池３に供給され、蓄電池３を充電する。これによりラジエター１００の熱が電力として回収される。
【００１４】
次に、エンジンの熱によりラジエター１００の冷却液の温度が上昇すると、アッパータンク１０２の温度Ｔｈが上昇し、温度検出器４の検出値Ｔｓ（＝Ｔｈ）も上昇する。そして、検出値Ｔｓが上限値ＴＵ（８７℃）に到達すると、制御部５は、電圧変換部２に蓄電池３の端子電圧を熱電変換モジュール１に適合した電圧に変換させる。即ち、この場合、蓄電池３は放電され、電圧変換部２で変換された電圧は熱電変換モジュール１に供給される。これにより熱電変換モジュール１は通電されて電子冷却素子として機能し、ラジエターのアッパータンク１０２内部の冷却液を冷却する結果、温度検出器４の検出値Ｔｓが低下する。
【００１５】
そして、温度検出器４の検出値Ｔｓが下限値ＴＬ（８３℃）に到達すると、制御部５は、再び、電圧変換部２に熱電変換モジュール１の出力電圧を蓄電池に適合した電圧に変換させ、これを入力する熱電変換モジュール１が再び熱発電素子として機能し、前述と同様に蓄電池３を充電する。以後、制御部５は、冷却液の温度を示す検出値Ｔｓが最適値Ｔ０を中心として一定の適正な温度範囲に概ね収まるように、電圧変換部２の電圧変換の方向を制御し、この電圧変換部２を介して熱電変換モジュール１の熱発電機能と電子冷却機能とを時分割で切り替えて制御する。
【００１６】
従って、本実施形態によれば、熱発電により得られた電力を利用するので、エネルギー損失を抑えることができ、ラジエター内の冷却液を適正な温度範囲に制御するので、ラジエターを最適な動作状態に維持することができる。従って、燃費を向上させることが可能になる。
また、単一の熱変換素子１の熱発電機能と電子冷却機能とを時分割で切り替えて熱電変換するようにしたので、簡単な装置構成で蓄電池３の充電とラジエターの冷却とを実施することができる。従って、本熱電変換システムを車両に搭載する際のスペースや、装置重量を抑えることが可能になる。
【００１７】
なお、本実施形態では、説明の便宜上、検出値Ｔｓが適正な温度範囲の上限値ＴＵに到達した場合に熱発電機能から電子冷却機能に切り替えられて検出値Ｔｓが低下を開始し、検出値Ｔｓが下限値ＴＬに到達した場合に電子冷却機能から熱発電機能に切り替えられて検出値Ｔｓが上昇を開始するものとしたが、実際にはラジエターの熱容量等の存在により検出値Ｔｓは最適温度範囲を超えることがある。そのような場合には、予めその超過分を考慮して上限値ＴＵ及び下限値ＴＬを適切に設定しておけばよい。
【００１８】
次に、本熱電変換システムをキャタライザー（触媒装置）に適用した例を説明する。
図４に、本熱電変換システムをキャタライザーに適用した場合の熱電変換モジュール１及び温度検出器４の取り付け状態を示す。ここで、図４（ａ）は、本熱電変換システムが適用されたキャタライザーの側面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡＢ線における断面図である。
【００１９】
図４において、５００は、エンジンの排気管５１０に設けられたキャタライザー本体、６００はアルミニウム等の吸熱部材、８００は放熱フィンである。熱電変換モジュール１の一端面は吸熱部材６００に取り付けられ、この吸熱部材６００を介してキャタライザー本体５００の熱が熱電変換モジュール１の一端面に伝導される。熱電変換モジュール１の他端面には放熱フィン８００が取り付けられる。これにより、熱電変換モジュール１に温度差が与えられるようになっている。また、キャタライザー本体５００には温度検出器４が取り付けられており、これによりキャタライザー本体５００の温度が検出されるようになっている。この例では、温度検出器４は１箇所だけに取り付けられているが、温度検出器４は必要に応じて複数箇所に取り付ければよい。
【００２０】
ここで、熱電変換モジュール１として例えばビスマス（Ｂｉ）・テルル（Ｔｅ）系の熱電材料を用いた場合、この熱電材料の耐熱性は高くないので，熱電変換モジュール１を直接的にキャタライザーに取り付けることができない。そこで、吸熱部材６００を介在させることで、この放熱機能により、熱電モジュール１の高温側の温度Ｔｈをキャタライザー本体５００の温度より低くする。一例としてキャタライザー本体の温度が４５０度のとき温度Ｔｈは約２３０度になる。したがって、この例では、温度検出器４の温度Ｔｓは熱電モジュール１の高温側の温度Ｔｈとは異なったものになる。しかし、例えば温度Ｔｈと温度Ｔｓとの関係を予めテーブルに規定しておき、このテーブルを参照することにより、温度Ｔｓの値から正しい温度Ｔｈを算出することができ、これにより、温度Ｔｈと温度Ｔｃを制御し、キャタライザー本体５００を適正な温度に制御することが可能になる。
【００２１】
図４に示す適用例によれば、キャタライザー本体５００の熱が熱電変換モジュール１により電力に変換されて電力変換部２を介して蓄電池３に蓄電される。また、温度検出器４の検出値Ｔｓが上昇してキャタライザーの適正な温度範囲の上限値（例えば４６０℃）に到達すると、上述と同様に、熱電変換モジュール１が電子冷却素子として機能し、吸熱部材６００を介してキャタライザー本体５００を冷却する。また、温度検出器４の検出値Ｔｓが低下して適正な温度範囲の下限値（例えば４４０℃）に到達すると、熱電変換モジュール１が熱発電素子として機能して電圧変換部２を介して蓄電池３を充電する。
従って、キャタライザーの温度を適切な温度（例えば４５０度付近）に制御することができ、キャタライザーを効率的に機能させることが可能になる。よって、燃費を向上させることも可能になる。
【００２２】
参考として、本発明の実施例を説明する。
本熱電変換システムをラジエターに適用する場合の熱電変換モジュール１として、面積が４０ｍｍ×４０ｍｍで厚さが３．５ｍｍのビスマス（Ｂｉ）・テルル（Ｔｅ）系の熱電素子から構成される１０個のモジュールを用い、１個のモジュールを１２６対のＰ型及びＮ型の熱電素子を配列して構成した。この熱電変換モジュール１に与える温度差ΔＴを１２０Ｋ（Ｔｈ＝２１０℃、Ｔｃ＝９０℃）に設定し、これを熱発電素子として機能させた場合、４７Ｗの発電量を得ることが確認された。また、熱電変換モジュール１を電子冷却素子として機能させた場合には、アッパータンク１０２の冷却液の温度を８５℃±２Ｋに制御できることが確認された。
【００２３】
次に、本熱電変換システムをキャタライザーに適用する場合の熱電変換モジュール１として、面積が５５ｍｍ×５５ｍｍで厚さが２．５ｍｍのビスマス（Ｂｉ）・テルル（Ｔｅ）系の熱電素子から構成される２個のモジュールを用い、１個のモジュールを２４０対のＰ型及びＮ型の熱電素子を配列して構成した。この熱電変換モジュール１に与える温度差ΔＴを１００Ｋ（Ｔｈ＝２３０℃、Ｔｃ＝１３０℃）に設定し、これを熱発電素子として機能させた場合、１２．３Ｗの発電量を得ることが確認された。また、熱電変換モジュール１を電子冷却素子として機能させた場合には、キャタライザー本体５００の温度を４５０℃±１０Ｋ（キャタライザー本体５００の５箇所の平均温度）に制御できることが確認された。
その他の実施例では、ΔＴ＝５０度（Ｔｈ＝９０度、Ｔｃ＝４０度）のときに、４２Ｗの発電量を得ている。
【００２４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述の図２に示すラジエターに対する適用例では、熱電変換モジュール１をアッパータンク１０２と放熱フィン２００との間に取り付け、これらの温度差により発電するものとしたが、例えば熱電変換モジュール１をアッパータンク１０２と、アッパータンク１０２より温度が低い車体フレーム（図示なし）との間に取り付け、これらの温度差により発電するものとしてもよく、発電に必要な温度差が得られる限度において、熱電変換モジュール１をラジエターと任意の部材との間に取り付けることができる。キャタライザーに適用する場合も同様であり、放熱フィン８００に代えて他の部材を接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱電変換システムのブロック構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る熱電変換システムの適用例（ラジエター）を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る熱電変換システムの動作を説明するための温度波形図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る熱電変換システムの適用例（キャタライザー）を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…熱電変換モジュール、２…電圧変換部、３…蓄電池、４…温度検出器、５…制御部、１００…ラジエター、１０２…アッパータンク、２００…放熱フィン、５００…キャタライザー本体、６００…吸熱部材、８００…放熱フィン。
【図１】
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【図２】
2008071879.tif 000004
【図３】
2008071879.tif 000005
【図４】
2008071879.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成19年2月22日(2007.2.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
参考として、本発明の実施例を説明する。
本熱電変換システムをラジエターに適用する場合の熱電変換モジュール１として、面積が４０ｍｍ×４０ｍｍで厚さが３．５ｍｍのビスマス（Ｂｉ）・テルル（Ｔｅ）系の熱電素子から構成される１０個のモジュールを用い、１個のモジュールを１２６対のＰ型及びＮ型の熱電素子を配列して構成した。この熱電変換モジュール１に与える温度差ΔＴを５０Ｋ（Ｔｈ＝９０℃、Ｔｃ＝４０℃）に設定し、これを熱発電素子として機能させた場合、４２Ｗの発電量を得ることが確認された。また、熱電変換モジュール１を電子冷却素子として機能させた場合には、アッパータンク１０２の冷却液の温度を８５℃±２Ｋに制御できることが確認された。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
次に、本熱電変換システムをキャタライザーに適用する場合の熱電変換モジュール１として、面積が５５ｍｍ×５５ｍｍで厚さが２．５ｍｍのビスマス（Ｂｉ）・テルル（Ｔｅ）系の熱電素子から構成される２個のモジュールを用い、１個のモジュールを２４０対のＰ型及びＮ型の熱電素子を配列して構成した。この熱電変換モジュール１に与える温度差ΔＴを１００Ｋ（Ｔｈ＝２３０℃、Ｔｃ＝１３０℃）に設定し、これを熱発電素子として機能させた場合、１２．３Ｗの発電量を得ることが確認された。また、熱電変換モジュール１を電子冷却素子として機能させた場合には、キャタライザー本体５００の温度を４５０℃±１０Ｋ（キャタライザー本体５００の５箇所の平均温度）に制御できることが確認された。