(57)【要約】【課題】  高い電力回収効率を得ることができる熱電発電システムを提供することを課題とする。【解決手段】  排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電システム１であって、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換手段６，６と、排気ガスの熱エネルギを熱電変換手段６，６の高温部に伝導する熱伝導手段２，３，４，４と、熱電変換手段６，６の発電電圧を降圧する降圧手段１０と、熱電変換手段６，６の発電電圧を昇圧する昇圧手段１１と、熱電変換手段６，６の発電電圧の入力先として降圧手段１０と昇圧手段１１とを切り換える昇降圧切換手段９と、昇降圧切換手段９の切換制御を行う制御手段１２とを備えることを特徴とする。【選択図】  図１
2005051934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電システムであって、
排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換手段と、
排気ガスの熱エネルギを前記熱電変換手段の高温部に伝導する熱伝導手段と、
前記熱電変換手段の発電電圧を降圧する降圧手段と、
前記熱電変換手段の発電電圧を昇圧する昇圧手段と、
前記熱電変換手段の発電電圧の入力先として前記降圧手段と前記昇圧手段とを切り換える昇降圧切換手段と、
前記昇降圧切換手段の切換制御を行う制御手段と
を備えることを特徴とする熱電発電システム。
【請求項２】
前記熱電変換手段の高温部の温度を検出する高温部温度検出手段と、
前記熱電変換手段の低温部の温度を検出する低温部温度検出手段と
を備え、
前記制御手段は、前記高温部温度検出手段で検出した温度と前記低温部温度検出手段で検出した温度との温度差に基づいて切換制御を行うことを特徴とする請求項１に記載する熱電発電システム。
【請求項３】
排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電システムであって、
排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する第１熱電変換手段と、
前記第１熱電変換手段よりも高温領域で使用可能であり、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する第２熱電変換手段と、
排気ガスの熱エネルギを前記第１熱電変換手段及び前記第２熱電変換手段の各高温部に伝導する熱伝導手段と、
前記第１熱電変換手段と前記第２熱電変換手段とを切り換える熱電変換切換手段と、
前記熱電変換切換手段で切り換えた熱電変換手段の発電電圧を降圧する降圧手段と、
前記熱電変換切換手段で切り換えた熱電変換手段の発電電圧を昇圧する昇圧手段と、
前記熱電変換切換手段で切り換えた熱電変換手段の発電電圧の入力先として前記降圧手段と前記昇圧手段とを切り換える昇降圧切換手段と、
前記熱電変換切換手段の切換制御及び前記昇降圧切換手段の切換制御を行う制御手段と
を備えることを特徴とする熱電発電システム。
【請求項４】
前記第１熱電変換手段の発電電圧を検出する第１電圧検出手段と、
前記第２熱電変換手段の発電電圧を検出する第２電圧検出手段と、
前記熱電変換手段の高温部の温度を検出する高温部温度検出手段と、
前記熱電変換手段の低温部の温度を検出する低温部温度検出手段と
を備え、
前記制御手段は、前記高温部温度検出手段で検出した温度と前記低温部温度検出手段で検出した温度との温度差、前記第１電圧検出手段で検出した発電電圧及び前記第２電圧検出手段で検出した発電電圧に基づいて、前記熱電変換切換手段の切換制御及び前記昇降圧切換手段の切換制御を行うことを特徴とする請求項３に記載する熱電発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電システムに関し、特に、電力回収効率が高い熱電発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジンや工場等から排出された排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換することによって、排熱からエネルギを回収する熱電発電システムが開発されている。熱電発電システムでは、排気ガスの熱エネルギを伝導した高温側と冷却水等で冷却した低温側との間に多数の熱電素子からなる熱電変換モジュールを配置し、この高温側と低温側との温度差に応じて熱電変換モジュールの各熱電素子で発電している（特許文献１参照）。さらに、熱電発電システムでは、ＤＣ−ＤＣコンバータによって熱電変換モジュールの発電電圧を自動車や工場等で使用可能な電圧に変換している。
【特許文献１】特開平６−２２５７２号公報
【特許文献２】特開２００１−２８１０２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、排気ガスの熱エネルギはエンジンの負荷状態や工場における各機関の運転状態に応じて変化するため、高温側と低温側との温度差が変化し、熱電変換モジュールにおける発電電圧も変化する。そのため、熱電発電システムでは、ＤＣ−ＤＣコンバータによって発電電力を回収できない場合があり、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する電力回収効率が低下する。
【０００４】
その一例として、自動車に搭載される熱電発電システムについて説明する。エンジンが低負荷状態で排気ガスの熱エネルギが少ない場合、温度差も小さくなり、熱電変換モジュールの発電電圧も低くなる。そのため、ＤＣ−ＤＣコンバータとして降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ（具体的には、バッテリの充電電圧より高い発電電圧を充電電圧まで降圧するコンバータ）を使用している場合、発電電圧がバッテリの充電電圧より低くなると、その発電電力を回収できない。
【０００５】
一方、エンジンが高負荷状態で排気ガスの熱エネルギが多い場合、温度差も大きくなり、熱電変換モジュールの発電電圧も高くなる。そのため、ＤＣ−ＤＣコンバータとして昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ（具体的には、バッテリの充電電圧より低い発電電圧を充電電圧まで昇圧するコンバータ）を使用している場合、発電電圧がバッテリの充電電圧より高くなると、その発電電力を回収できない。そこで、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを使用している場合、発電電圧の最大電圧がバッテリの充電電圧を超えない個数の熱電素子を直列に接続した熱電変換モジュールを構成する必要がある。この制限によって熱電変換モジュールが複数個構成されると、各熱電変換モジュールから効率良く電力を回収するためには、各熱電変換モジュールに対して昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを設ける必要がある。そのため、熱電発電システムにおいて、電力変換を行うための回路数が多くなる。
【０００６】
そこで、本発明は、高い電力回収効率を得ることができる熱電発電システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る熱電発電システムは、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電システムであって、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換手段と、排気ガスの熱エネルギを熱電変換手段の高温部に伝導する熱伝導手段と、熱電変換手段の発電電圧を降圧する降圧手段と、熱電変換手段の発電電圧を昇圧する昇圧手段と、熱電変換手段の発電電圧の入力先として降圧手段と昇圧手段とを切り換える昇降圧切換手段と、昇降圧切換手段の切換制御を行う制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この熱電発電システムでは、熱伝導手段によって伝導された排気ガスの熱エネルギを熱電変換手段によって電気エネルギに変換する。この熱電変換手段による発電電圧は排気ガスの熱エネルギによって変動するので、熱電発電システムは、その変動に対応するために、発電電圧を降圧する降圧手段及び発電手段を昇圧する昇圧手段を備えており、この降圧手段と昇圧手段とを昇降圧切換手段で切り換える構成としている。熱電変換手段の発電電圧が所定電圧（例えば、自動車で使用する場合にはバッテリの充電電圧）より高い場合、熱電発電システムでは、制御手段において降圧手段への切換制御を行い、降圧手段によって高い発電電圧を所定電圧まで降圧し、電力回収する。一方、熱電変換手段の発電電圧が所定電圧より低い場合、熱電発電システムでは、制御手段において昇圧手段への切換制御を行い、昇圧手段によって低い発電電圧を所定電圧まで昇圧し、電力回収する。このように、熱電発電システムでは、昇圧手段と降圧手段とを切り換えることによって、排気ガスの熱エネルギが変動して発電電圧が変動しても、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収できる。つまり、この熱電発電システムでは、排気ガスの熱エネルギの少ない領域から多い領域まで電力回収が可能であり、電力回収効率が非常に高い。また、熱電発電システムでは、低い発電電圧から高い発電電圧まで回収可能なので、熱電変換手段を構成する際の熱電素子の組み合わせに制限を受けない。そのため、熱電発電システムでは、電力を変換するための手段としては降圧手段と昇圧手段のみでよいので、回路数が少なく、構成が簡素化する。
【０００９】
本発明の上記熱電発電システムでは、熱電変換手段の高温部の温度を検出する高温部温度検出手段と、熱電変換手段の低温部の温度を検出する低温部温度検出手段とを備え、制御手段は、高温部温度検出手段で検出した温度と低温部温度検出手段で検出した温度との温度差に基づいて切換制御を行う構成としてもよい。
【００１０】
この熱電発電システムでは、高温部温度検出手段によって熱電変換手段の高温部の温度を検出するとともに、低温部温度検出手段によって熱電変換手段の低温部の温度を検出する。そして、熱電発電システムでは、制御手段において高温部と低温部との温度差に基づいて昇降圧切換手段の切換制御を行う。熱電変換手段（熱電素子）は、高温部と低温部との温度差が大きくなるほど発電電圧が高くなる発電特性を有している。したがって、温度差が大きい場合には発電電圧が高く、温度差が小さい場合には発電電圧が低くなる。そのため、熱電発電システムでは、温度差に基づいて、発電電圧が昇圧しなければならない電圧値かあるいは降圧しなければならない電圧値かを的確に判断することできる。
【００１１】
本発明に係る熱電発電システムは、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電システムであって、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する第１熱電変換手段と、第１熱電変換手段よりも高温領域で使用可能であり、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する第２熱電変換手段と、排気ガスの熱エネルギを第１熱電変換手段及び第２熱電変換手段の各高温部に伝導する熱伝導手段と、第１熱電変換手段と第２熱電変換手段とを切り換える熱電変換切換手段と、熱電変換切換手段で切り換えた熱電変換手段の発電電圧を降圧する降圧手段と、熱電変換切換手段で切り換えた熱電変換手段の発電電圧を昇圧する昇圧手段と、熱電変換切換手段で切り換えた熱電変換手段の発電電圧の入力先として降圧手段と昇圧手段とを切り換える昇降圧切換手段と、熱電変換切換手段の切換制御及び昇降圧切換手段の切換制御を行う制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この熱電発電システムは、第１熱電変換手段及び排気ガスの高温領域まで使用可能な第２熱電変換手段を備えており、２つの熱電変換手段うちの何れの熱電変換手段で発電を行うのかを熱電変換切換手段で切り換える構成としている。熱電発電システムでは、熱伝導手段によって排気ガスの熱エネルギを熱電変換切換手段で切り換えた熱電変換手段に伝導し、この熱電変換手段によって電気エネルギに変換する。さらに、熱電発電システムは、降圧手段及び昇圧手段を備えており、この降圧手段と昇圧手段とを昇降圧切換手段で切り換える構成としている。熱電変換手段の発電電圧が所定電圧より高い場合、熱電発電システムでは、制御手段において降圧手段への切換制御を行い、降圧手段によって高い発電電圧を所定電圧まで降圧し、電力回収する。一方、熱電変換手段の発電電圧が所定電圧より低い場合、熱電発電システムでは、制御手段において昇圧手段への切換制御を行い、昇圧手段によって低い発電電圧を所定電圧まで昇圧し、電力回収する。さらに、熱電変換システムでは、昇圧手段及び降圧手段の入力電圧に対する変換効率等を考慮して第１熱電変換手段と第２熱電変換手段との切換制御を行う。このように、熱電発電システムでは、昇圧手段と降圧手段とを切り換えることによって、発電電圧の変動に関係なく排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収できる。さらに、熱電発電システムでは、第１熱電変換手段と第２熱電変換手段とを切り換えることによって、昇圧手段及び降圧手段の変換効率が良い領域を利用して変換が可能となる。そのため、この熱電発電システムでは、排気ガスの熱エネルギの少ない領域から多い領域まで高い効率で電力回収が可能となり、電力回収効率が非常に高い。また、この熱電発電システムでは、上記熱電発電システムと同様の理由により、回路数が少なく、構成が簡素化する。
【００１３】
本発明の上記熱電発電システムでは、第１熱電変換手段の発電電圧を検出する第１電圧検出手段と、第２熱電変換手段の発電電圧を検出する第２電圧検出手段と、熱電変換手段の高温部の温度を検出する高温部温度検出手段と、熱電変換手段の低温部の温度を検出する低温部温度検出手段とを備え、制御手段は、高温部温度検出手段で検出した温度と低温部温度検出手段で検出した温度との温度差、第１電圧検出手段で検出した発電電圧及び第２電圧検出手段で検出した発電電圧に基づいて、熱電変換切換手段の切換制御及び昇降圧切換手段の切換制御を行う構成としてもよい。
【００１４】
この熱電発電システムでは、高温部温度検出手段によって熱電変換切換手段で切り換えた熱電変換手段の高温部の温度を検出するとともに、低温部温度検出手段によってその熱電変換手段の低温部の温度を検出する。そして、熱電発電システムでは、制御手段において高温部と低温部との温度差に基づいて昇降圧切換手段の切換制御を行う。このように、熱電発電システムでは、温度差に基づいて、発電電圧が昇圧しなければならない電圧値かあるいは降圧しなければならない電圧値かを的確に判断することできる。また、熱電発電システムでは、第１電圧検出手段によって第１熱電変換手段の発電電圧を検出するとともに、第２電圧検出手段によって第２熱電変換手段の発電電圧を検出する。そして、熱電変換手段では、熱電変換切換手段で切り換っている熱電変換手段の発電電圧及び高温部と低温部との温度差に基づいて熱電変換切換手段の切換制御を行う。２つの熱電変換手段（熱電素子）は、高温部と低温部との温度差が大きくなるほど発電電圧が高くなる発電特性を有しており、第２熱電変換手段の方が同じ温度差に対する発電電圧が高く、大きな温度差まで熱電変換が可能である。また、昇圧手段の変換効率は入力電圧が高いほど高くなり、降圧手段の変換効率は入力電圧が高いほど低くなる。そこで、熱電変換システムでは、これら各手段の特性と検出値に基づいて、最も効率良くするためには、第１熱電変換手段で熱電発電を行ったらよいかあるいは第２熱電変換手段で熱電発電を行ったらよいかを的確に判断することできる。
【００１５】
なお、高温部温度検出手段は、第１熱電変換手段の高温部と第２熱電変換手段の高温部とを別々に検出する温度検出手段でもよいし、両方の高温部を共通で検出する温度検出手段でもよい。低温部温度検出手段は、第１熱電変換手段の低温部と第２熱電変換手段の低温部とを別々に検出する温度検出手段でもよいし、両方の低温部を共通で検出する温度検出手段でもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高い電力回収効率で排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係る熱電発電システムの実施の形態を説明する。
【００１８】
本実施の形態では、本発明に係る熱電発電システムを、自動車のエンジンから排出される排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電システムに適用する。本実施の形態には、２つの実施の形態があり、第１の実施の形態が降圧コンバータと昇圧コンバータとを切り換える構成であり、第２の実施の形態が昇圧コンバータと昇圧コンバータ及び低温型熱電変換モジュールと高温型熱電変換モジュールとを切り換える構成である。
【００１９】
図１及び図２を参照して、第１の実施の形態に係る熱電発電システム１の構成について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る熱電発電システムの構成図である。図２は、図１の熱電変換モジュールの発電特性とエンジンＥＣＵにおける切換制御を示す図である。
【００２０】
熱電発電システム１は、自動車のエンジンから排出される排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収するシステムである。特に、熱電発電システム１は、エンジンの低負荷状態から高負荷状態まで（排気ガスの熱エネルギが少ない状態から多い状態まで）電気エネルギを回収可能であり、電力回収効率が高い。そのために、熱電発電システム１は、ヒートシンク２、ヒートパイプ３、加熱部４、冷却部５、熱電変換モジュール６、高温部温度センサ７、低温部温度センサ８、切換スイッチ９、降圧コンバータ１０、昇圧コンバータ１１及びエンジンＥＣＵ１２を備える。
【００２１】
なお、第１の実施の形態では、ヒートシンク２、ヒートパイプ３及び加熱部４，４が特許請求の範囲に記載する熱伝導手段に相当し、熱電変換モジュール６，６が特許請求の範囲に記載する熱電変換手段に相当し、高温部温度センサ７が特許請求の範囲に記載する高温部温度検出手段に相当し、低温部温度センサ８が特許請求の範囲に記載する低温部温度検出手段に相当し、切換スイッチ９が特許請求の範囲に記載する昇降圧切換手段に相当し、降圧コンバータ１０が特許請求の範囲に記載する降圧手段に相当し、昇圧コンバータ１１が特許請求の範囲に記載する昇圧手段に相当し、エンジンＥＣＵ１２が特許請求の範囲に記載する制御手段に相当する。
【００２２】
ヒートシンク２は、熱交換手段であり、排気ガスの熱エネルギをヒートパイプ３まで移動させる。ヒートシンク２は、ステンレス等で形成され、熱交換効率を高くするためにできるだけ表面積が大きくなるように構成される。ヒートシンク２は、自動車の排気系に構成される排気管Ｐの途中に配設される。なお、排気ガスの熱エネルギをできるだけ多く回収するためには、ヒートシンク２をエキゾーストマニホールドの直下等の排気系の上流側に配設するほどよい。
【００２３】
ヒートパイプ３は、熱伝導手段であり、排気ガスの熱エネルギを加熱部４，４まで伝導する。ヒートパイプ３は、ヒートシンク２の外周面に接合され、２つの加熱部４，４の内部まで配設される。
【００２４】
加熱部４は、ヒートパイプ３で伝導された排気ガスの熱エネルギを熱電変換モジュール６の高温端面に伝え、高温端面を加熱する。各加熱部４は、中央にヒートパイプ３が貫通し、一端面が熱電変換モジュール６の高温端面に固着される。
【００２５】
冷却部５は、熱電変換モジュール６，６の各低温端面を冷却する。冷却部５は、その内部に冷却水管が配設され、この冷却水管にはラジエータからの冷却水が循環される。冷却部５は、その両端面が熱電変換モジュール６，６の各低温端面に固着される。
【００２６】
熱電変換モジュール６は、多数の熱電素子（例えば、Ｂｉ2Ｔｅ3等からなるｐ型とｎ型の２種類の半導体）（図示せず）を備えており、この熱電素子が直列かつ並列に接続される。また、熱電変換モジュール６は、平行かつ水平な高温端面と低温端面を有している。熱電変換モジュール６では、両端面間の温度差に応じてゼーベック効果により熱エネルギを電気エネルギに変換し、その電気エネルギを電極（図示せず）から出力する。この熱電変換モジュール６，６の各電極は、切換スイッチ９の入力端に接続される。２つの熱電変換モジュール６，６は、冷却部５の両端面にそれぞれ配設される。ちなみに、熱電変換モジュール６の最大発電電圧には、バッテリＢの充電電圧を超える電圧を設定できないなどの制約はない。
【００２７】
熱電変換モジュール６の熱電素子は、高温型の熱電素子であり、排気ガスの温度が高温領域まで（ひいては、高温端面と低温端面との温度差ΔＴが大きい領域まで）使用可能である。図２は、この熱電変換モジュール６の発電特性Ｅを示しており、横軸が熱電変換モジュール６の高温端面と低温端面との温度差ΔＴ（℃）であり、縦軸が温度差ΔＴに対する発電電圧（Ｖ）である。図２から判るように、温度差ΔＴが大きいほど発電電圧が高くなる。ちなみに、温度差ΔＴが小さいほど、排気ガスの温度が低く、エンジンの負荷状態が低い。一方、温度差ΔＴが大きいほど、排気ガスの温度が高く、エンジンの負荷状態が高い。したがって、熱電変換モジュール６では、高負荷状態になるほど発電電圧が高くなる。
【００２８】
高温部温度センサ７は、熱電変換モジュール６の高温端面の温度を検出するセンサである。低温部温度センサ８は、熱電変換モジュール６の低温端面の温度を検出するセンサである。各温度センサ７，８は、検出した温度をエンジンＥＣＵ１２に送信する。
【００２９】
切換スイッチ９は、熱電変換モジュール６，６で発電した電圧（電力）を降圧コンバータ１０と昇圧コンバータ１１のいずれか一方のコンバータに入力させるための切換スイッチである。切換スイッチ９は、その入力端には熱電変換モジュール６，６が並列に接続され、一方の出力端には降圧コンバータ１０の入力端が接続され、他方の出力端には昇圧コンバータ１１の入力端が接続される。切換スイッチ９は、エンジンＥＣＵ１２からコンバータ切換信号が入力され、この信号に応じて入力端を一方の出力端又は他方の出力端に接続する。熱電発電システム１では、切換スイッチ９で降圧コンバータ１０に切り換えた場合には降圧動作になり、切換スイッチ９で昇圧コンバータ１１に切り換えた場合には昇圧動作になる。
【００３０】
降圧コンバータ１０は、入力電圧をバッテリＢの充電電圧（例えば、１２Ｖ）まで降圧するＤＣ−ＤＣコンバータである。降圧コンバータ１０は、切換スイッチ９を介して熱電変換モジュール６，６の発電電圧が入力された場合、その発電電圧を充電電圧まで降圧し、バッテリＢに出力する。なお、降圧コンバータ１０は、熱電変換モジュール６，６の最大発電電圧より高い電圧まで入力可能である。
【００３１】
昇圧コンバータ１１は、入力電圧をバッテリＢの充電電圧まで昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータである。昇圧コンバータ１１は、切換スイッチ９を介して熱電変換モジュール６，６の発電電圧が入力された場合、その電圧を充電電圧まで昇圧し、バッテリＢに出力する。
【００３２】
エンジンＥＣＵ１２は、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[Read Only Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]等からなる電子制御ユニットである。エンジンＥＣＵ１２は、各種センサが接続され、各種センサからの検出値に基づいて各種制御値等を設定し、エンジン及びエンジンに関する各部を制御する制御装置である。さらに、エンジンＥＣＵ１２は、切換スイッチ９を制御し、熱電発電システム１の制御装置でもある。
【００３３】
エンジンＥＣＵ１２では、高温部温度センサ７から高温端面の温度を取り入れるとともに低温部温度センサ８から低温端面の温度を取り入れ、その温度差ΔＴを演算する。そして、エンジンＥＣＵ１２では、切換スイッチ９で昇圧コンバータ１１に切り換えている場合、温度差ΔＴと降圧切換温度差Ｔｕとを比較し、温度差ΔＴが降圧切換温度差Ｔｕより大きくなると降圧コンバータ１０に切り換えるためのコンバータ切換信号を切換スイッチ９に送信する（図２参照）。また、エンジンＥＣＵ１２では、切換スイッチ９で降圧コンバータ１０に切り換えている場合、温度差ΔＴと昇圧切換温度差Ｔｌとを比較し、温度差ΔＴが昇圧切換温度差Ｔｌより小さくなると昇圧コンバータ１１に切り換えるためのコンバータ切換信号を切換スイッチ９に送信する（図２参照）。
【００３４】
図２に示すように、降圧切換温度差Ｔｕのときには熱電変換モジュール６の発電電圧は電圧Ｖｂｈとなる。この電圧Ｖｂｈは、バッテリＢの充電電圧に極小さい所定電圧を加えた電圧である。また、昇圧切換温度差Ｔｌのときには熱電変換モジュール６の発電電圧は電圧Ｖｂｌとなる。この電圧Ｖｂｌは、バッテリＢの充電電圧から極小さい所定電圧を減じた電圧である。このように、エンジンＥＣＵ１２では、充電電圧を境にして、降圧コンバータ１０と昇圧コンバータ１１とを切り換え、温度差ΔＴの全領域で発電電圧を回収可能としている。ちなみに、充電電圧を境にしてヒステリシスを設けて切換スイッチ９を切り換えるのは、切換スイッチ９がばたばたと切り換るのを防止するためである。
【００３５】
図１及び図２を参照して、熱電発電システム１の動作について説明する。ここでは、エンジンが低負荷状態から高負荷状態に移行した場合及び高負荷状態から低負荷状態に移行した場合について説明する。
【００３６】
エンジンが低負荷状態から高負荷状態に移行した場合について説明する。低負荷状態の場合、排気ガスの温度が低く、温度差ΔＴも小さい。そのため、熱電変換モジュール６，６の発電電圧が充電電圧より低いので、熱電発電システム１では、昇圧コンバータ１１による昇圧動作中であり、熱電変換モジュール６，６の発電電圧を昇圧コンバータ１１で昇圧してバッテリＢに充電している。ここで、運転者の加速操作によって高負荷状態に移行したとする。
【００３７】
負荷状態が高くなるのに従って排気ガスの温度が上昇し、温度差ΔＴも大きくなる。エンジンＥＣＵ１２では、昇圧動作中の場合には、温度差ΔＴと降圧切換温度差Ｔｕとを比較する。温度差ΔＴが降圧切換温度差Ｔｕより大きくなると、エンジンＥＣＵ１２では、降圧コンバータ１０に切り換えるためのコンバータ切換信号を切換スイッチ９に送信する。すると、切換スイッチ９では、昇圧コンバータ１１から降圧コンバータ１０に切り換える。このとき、熱電変換モジュール６，６では、充電電圧かそれ以上の電圧を発電し始めている。このように、熱電発電システム１では、降圧コンバータ１０による降圧動作に切り換り、熱電変換モジュール６，６の発電電圧を降圧コンバータ１０で降圧してバッテリＢに充電する。
【００３８】
エンジンが高負荷状態から低負荷状態に移行した場合について説明する。高負荷状態の場合、排気ガスの温度が高く、温度差ΔＴも大きい。そのため、熱電変換モジュール６，６の発電電圧が充電電圧より高いので、熱電発電システム１では、降圧コンバータ１０による降圧動作中であり、熱電変換モジュール６，６の発電電圧を降圧コンバータ１０で降圧してバッテリＢに充電している。ここで、運転者の減速操作によって低負荷状態に移行したとする。
【００３９】
負荷状態が低くなるのに従って排気ガスの温度が低下し、温度差ΔＴも小さくなる。エンジンＥＣＵ１２では、降圧動作中の場合には、温度差ΔＴと昇圧切換温度差Ｔｌとを比較する。温度差ΔＴが昇圧切換温度差Ｔｌより小さくなると、エンジンＥＣＵ１２では、昇圧コンバータ１１に切り換えるためのコンバータ切換信号を切換スイッチ９に送信する。すると、切換スイッチ９では、降圧コンバータ１０から昇圧コンバータ１１に切り換える。このとき、熱電変換モジュール６，６では、充電電圧かそれ以下の電圧を発電し始めている。このように、熱電発電システム１では、昇圧コンバータ１１による昇圧動作に切り換り、熱電変換モジュール６，６の発電電圧を昇圧コンバータ１１で昇圧してバッテリＢに充電する。
【００４０】
この熱電発電システム１によれば、降圧コンバータ１０と昇圧コンバータ１１とを切り換えて熱電変換モジュール６，６の発電電圧を昇降圧できる構成としたので、エンジンの低負荷状態から高負荷状態（排気ガスの熱エネルギが少ない状態から多い状態）まで、排気ガスの熱エネルギを回収することが可能である。そのため、この熱電発電システム１では、熱エネルギを回収できない領域がなくなり、高い電力回収効率が得られる。
【００４１】
また、熱電発電システム１は、発電電圧を昇降圧できるので、熱電変換モジュール６，６の最大発電電圧をバッテリＢの充電電圧等で制限しなくてもよい。そのため、熱電発電システム１では、熱電変換モジュール６，６に対して電力変換回路として降圧コンバータ１０と昇圧コンバータ１１とを各一回路づつ構成すればよいので、回路数が少なく、構成が簡素化する。
【００４２】
図３〜図６を参照して、第２の実施の形態に係る熱電発電システム２１の構成について説明する。図３は、第２の実施の形態に係る熱電発電システムの構成図である。図４は、図３の低温型熱電変換モジュール及び高温型熱電変換モジュールの各発電特性とエンジンＥＣＵにおける切換制御を示す図である。図５は、図３の降圧コンバータの変換効率特性を示す図である。図６は、図３の昇圧コンバータの変換効率特性を示す図である。なお、熱電発電システム２１では、第１の実施の形態に係る熱電発電システム１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４３】
熱電発電システム２１も、熱電発電システム１と同様に、自動車の排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収するシステムである。特に、熱電発電システム２１は、エンジンの低負荷状態から高負荷状態まで電気エネルギを回収可能でありかつコンバータの変換効率の高い領域で電圧変換が可能であり、電力回収効率が非常に高い。そのために、熱電発電システム２１は、ヒートシンク２、ヒートパイプ２２、高温側バルブ２３、低温側バルブ２４、高温側加熱部２５、低温側加熱部２６、冷却部５、高温型熱電変換モジュール２７、低温型熱電変換モジュール２８、高温側高温部温度センサ２９、高温側低温部温度センサ３０、低温側高温部温度センサ３１、低温側低温部温度センサ３２、高温側電圧センサ３３、低温側電圧センサ３４、切換スイッチ３５、降圧コンバータ１０、昇圧コンバータ１１及びエンジンＥＣＵ３６を備える。
【００４４】
なお、第２の実施の形態では、ヒートシンク２、ヒートパイプ２２、高温側加熱部２５及び低温側加熱部２６が特許請求の範囲に記載する熱伝導手段に相当し、高温側バルブ２３及び低温側バルブ２４が特許請求の範囲に記載する熱電変換切換手段に相当し、高温型熱電変換モジュール２７が特許請求の範囲に記載する第２熱電変換手段に相当し、低温型熱電変換モジュール２８が特許請求の範囲に記載する第１熱電変換手段に相当し、高温側高温部温度センサ２９及び低温側高温部温度センサ３１が特許請求の範囲に記載する高温部温度検出手段に相当し、高温側低温部温度センサ３０及び低温側低温部温度センサ３２が特許請求の範囲に記載する低温部温度検出手段に相当し、高温側電圧センサ３３が特許請求の範囲に記載する第２電圧検出手段に相当し、低温側電圧センサ３４が特許請求の範囲に記載する第１電圧検出手段に相当し、切換スイッチ３５が特許請求の範囲に記載する昇降圧切換手段に相当し、降圧コンバータ１０が特許請求の範囲に記載する降圧手段に相当し、昇圧コンバータ１１が特許請求の範囲に記載する昇圧手段に相当し、エンジンＥＣＵ３６が特許請求の範囲に記載する制御手段に相当する。
【００４５】
ヒートパイプ２２は、第１の実施の形態に係るヒートシンク２と同様のヒートシンクであるが、バルブ２３，２４が設けられる点で異なる。ヒートパイプ２２は、高温側加熱部２５に配設される高温側ヒートパイプ２２ａの途中に高温側バルブ２３が設けられ、低温側加熱部２６に配設される低温側ヒートパイプ２２ｂの途中に低温側バルブ２４が設けられる。
【００４６】
高温側バルブ２３は、高温側ヒートパイプ２２ａを連通／遮断するバルブである。高温側バルブ２３が開いた場合には高温側ヒートパイプ２２ａが連通して排気ガスの熱エネルギを高温側加熱部２５まで伝導でき、閉じた場合には高温側ヒートパイプ２２ａが遮断して排気ガスの熱エネルギを高温側加熱部２５まで伝導できない。高温側バルブ２３は、エンジンＥＣＵ３６から高温側開閉信号が入力され、この信号に応じてバルブを開閉する。
【００４７】
低温側バルブ２４は、低温側ヒートパイプ２２ｂを連通／遮断するバルブである。低温側バルブ２４が開いた場合には低温側ヒートパイプ２２ｂが連通して排気ガスの熱エネルギを低温側加熱部２６まで伝導でき、閉じた場合には低温側ヒートパイプ２２ｂが遮断して排気ガスの熱エネルギを低温側加熱部２６まで伝導できない。低温側バルブ２４は、エンジンＥＣＵ３６から低温側開閉信号が入力され、この信号に応じてバルブを開閉する。
【００４８】
熱電発電システム１では、高温側バルブ２３が開きかつ低温側バルブ２４が閉じた場合には高温型熱電変換モジュール２７で発電を行い、高温側バルブ２３が閉じかつ低温側バルブ２４が開いた場合には低温型熱電変換モジュール２８で発電を行う。
【００４９】
高温側加熱部２５は、ヒートパイプ２２の高温側ヒートパイプ２２ａで伝導された排気ガスの熱エネルギを高温型熱電変換モジュール２７の高温端面に伝え、高温端面を加熱する。高温側加熱部２５は、中央に高温側ヒートパイプ２２ａが貫通し、一端面が高温型熱電変換モジュール２７の高温端面に固着される。
【００５０】
低温側加熱部２６は、ヒートパイプ２２の低温側ヒートパイプ２２ｂで伝導された排気ガスの熱エネルギを低温型熱電変換モジュール２８の高温端面に伝え、高温端面を加熱する。低温側加熱部２６は、中央に低温側ヒートパイプ２２ｂが貫通し、一端面が低温型熱電変換モジュール２８の高温端面に固着される
高温型熱電変換モジュール２７は、第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール６と同様の高温型の熱電素子からなる熱電変換モジュールである。図４には、高温型熱電変換モジュール２７の発電特性ＥＨを示しており、高温端面と低温端面との温度差ΔＴが大きい領域まで（排気ガスの温度が高温領域まで）発電が可能である。図４から判るように、高温型熱電変換モジュール２７の発電特性ＥＨは、低温型熱電変換モジュール２８の発電特性ＥＬと比べて、同じ温度差ΔＴ（同じ熱エネルギ）に対して発電電圧が高い。つまり、高温型熱電変換モジュール２７の方が、低温型熱電変換モジュール２８よりも発電効率が高い。
【００５１】
低温型熱電変換モジュール２８は、第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール６と同様の構成であるが、高温型の熱電素子よりも排気ガスの温度が低い領域まで（温度差ΔＴが小さい領域まで）しか使用できない低温型の熱電素子からなる熱電変換モジュールである。図４から判るように、低温型熱電変換モジュール２８の発電特性ＥＬは、高温型熱電変換モジュール２７の発電特性ＥＨと比べて、温度差ΔＴが小さい領域までしか発電できない。また、低温型熱電変換モジュール２８の発電特性ＥＬは、高温型熱電変換モジュール２７の発電特性ＥＨと比べて、同じ温度差ΔＴ（同じ熱エネルギ）に対して発電電圧が低い。そのため、熱電発電システム２１では、昇圧動作中の場合、高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧がバッテリＢの充電電圧より高いために回収できない領域でも、低温型熱電変換モジュール２８の発電電圧はバッテリＢの充電電圧より低いので、低温型熱電変換モジュール２８の発電電圧によって回収可能である。
【００５２】
高温側高温部温度センサ２９は、高温型熱電変換モジュール２７の高温端面の温度を検出するセンサである。高温側低温部温度センサ３０は、高温型熱電変換モジュール２７の低温端面の温度を検出するセンサである。低温側高温部温度センサ３１は、低温型熱電変換モジュール２８の高温端面の温度を検出するセンサである。低温側低温部温度センサ３２は、低温型熱電変換モジュール２８の低温端面の温度を検出するセンサである。各温度センサ２９〜３２は、検出した温度をエンジンＥＣＵ３６に送信する。
【００５３】
高温側電圧センサ３３は、高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧を検出するセンサである。低温側電圧センサ３４は、低温型熱電変換モジュール２８の発電電圧を検出するセンサである。各電圧センサ３３，３４は、検出した電圧をエンジンＥＣＵ３６に送信する。
【００５４】
切換スイッチ３５は、第１の実施の形態に係る切換スイッチ９と同様の切換スイッチであるが、高温型熱電変換モジュール２７と低温型熱電変換モジュール２８のいずれか一方の熱電変換モジュールで発電した電圧（電力）のみが入力される。切換スイッチ３５は、その入力端には熱電変換モジュール２７，２８が並列に接続され、発電を行っている方の熱電変換モジュールの電圧のみが入力端に入力される。
【００５５】
図５には、降圧コンバータ１０の変換効率特性ＣＤを示しており、横軸が降圧コンバータ１０への入力電圧（高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧に相当）（Ｖ）であり、縦軸が入力電圧に対する変換効率（％）である。図５から判るように、降圧コンバータ１０は、入力電圧が低くなるほど変換効率が増加する。
【００５６】
図６には、昇圧コンバータ１１の変換効率特性ＣＵを示しており、横軸が昇圧コンバータ１１への入力電圧（Ｖ）であり、縦軸が入力電圧（高温型熱電変換モジュール２７又は低温型熱電変換モジュール２８の発電電圧に相当）に対する変換効率（％）である。図６から判るように、昇圧コンバータ１１は、入力電圧が高くなるほど変換効率が増加する。
【００５７】
エンジンＥＣＵ３６は、第１の実施の形態に係るエンジンＥＣＵ１２と同様のＥＣＵであるが、切換スイッチ３５のみならず、高温側バルブ２３及び低温側バルブ２４も制御する。
【００５８】
切換スイッチ３５で昇圧コンバータ１１に切り換えている場合、エンジンＥＣＵ３６では、低温側高温部温度センサ３１から高温端面の温度を取り入れるとともに低温側低温部温度センサ３２から低温端面の温度を取り入れ、その温度差ΔＴを演算する。そして、エンジンＥＣＵ３６では、その温度差ΔＴと降圧切換温度差Ｔｕとを比較し、温度差ΔＴが降圧切換温度差Ｔｕより大きくなると降圧コンバータ１０に切り換えるためのコンバータ切換信号を切換スイッチ３５に送信する（図４参照）。
【００５９】
切換スイッチ３５で降圧コンバータ１０に切り換えている場合、エンジンＥＣＵ３６では、高温側高温部温度センサ２９から高温端面の温度を取り入れるとともに高温側低温部温度センサ３０から低温端面の温度を取り入れ、その温度差ΔＴを演算する。そして、エンジンＥＣＵ３６では、その温度差ΔＴと昇圧切換温度差Ｔｌとを比較し、温度差ΔＴが昇圧切換温度差Ｔｌより小さくなると昇圧コンバータ１１に切り換えるためのコンバータ切換信号を切換スイッチ３５に送信する（図４参照）。
【００６０】
高温型熱電変換モジュール２７で発電を行っている場合、エンジンＥＣＵ３６では、高温側電圧センサ３３から高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧を取り入れる。エンジンＥＣＵ３６では、切換スイッチ３５で昇圧コンバータ１１に切り換えている場合、高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧と下限電圧Ｖｂｌとを比較し、その発電電圧が下限電圧Ｖｂｌより大きくなるとバルブを閉じるための高温側開閉信号を高温側バルブ２３に送信するとともにバルブを開くための低温側開閉信号を低温側バルブ２４に送信する（図４参照）。また、エンジンＥＣＵ３６では、切換スイッチ３５で降圧コンバータ１０に切り換えている場合、高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧と上限電圧Ｖｂｈとを比較し、その発電電圧が上限電圧Ｖｂｈより低くなるとバルブを閉じるための高温側開閉信号を高温側バルブ２３に送信するとともにバルブを開くための低温側開閉信号を低温側バルブ２４に送信する（図４参照）。
【００６１】
低温型熱電変換モジュール２８で発電を行っている場合、エンジンＥＣＵ３６では、低温側電圧センサ３４から低温型熱電変換モジュール２８の発電電圧を取り入れる。また、エンジンＥＣＵ３６では、低温側高温部温度センサ３１から高温端面の温度を取り入れるとともに低温側低温部温度センサ３２から低温端面の温度を取り入れ、その温度差ΔＴを演算する。エンジンＥＣＵ３６では、切換スイッチ３５で昇圧コンバータ１１に切り換えている場合、温度差ΔＴと素子切換温度差Ｔｅとを比較し、温度差ΔＴが素子切換温度差Ｔｅより小さくなるとバルブを開くための高温側開閉信号を高温側バルブ２３に送信するとともにバルブを閉じるための低温側開閉信号を低温側バルブ２４に送信する（図４参照）。また、エンジンＥＣＵ３６では、切換スイッチ３５で昇圧コンバータ１１に切り換えている場合、低温型熱電変換モジュール２８の発電電圧と下限電圧Ｖｂｌとを比較し、その発電電圧が下限温度Ｔｂｌより高くなるとバルブを開くための高温側開閉信号を高温側バルブ２３に送信するとともにバルブを閉じるための低温側開閉信号を低温側バルブ２４に送信する（図４参照）。
【００６２】
図４に示すように、降圧切換温度差Ｔｕのときには、低温型熱電変換モジュール２８の発電電圧は、バッテリＢの充電電圧から極小さい所定電圧を減じた電圧Ｖｂｌとなっている。また、昇圧切換温度差Ｔｌのときには、高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧は、バッテリＢの充電電圧に極小さい所定電圧を加えた電圧Ｖｂｈとなっている。エンジンＥＣＵ３６では、充電電圧を境にして、降圧コンバータ１０と昇圧コンバータ１１とを切り換えるとともに高温型熱電変換モジュール２７と低温型熱電変換モジュール２８とを切り換え、温度差ΔＴの全領域で発電電圧を回収可能としている。
【００６３】
図６に示すように、昇圧コンバータ１１で変換を行っている場合、入力電圧が高いほど変換効率が高くなる。また、図４に示すように、同じ温度差ΔＴに対する発電電圧は、低温型熱電変換モジュール２８より高温型熱電変換モジュール２７の方が高い（つまり、高温型熱電変換モジュール２７の方が、発電効率が高い）。そこで、エンジンＥＣＵ３６では、昇圧動作中の場合、高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧が下限電圧Ｖｂｌ（温度差ΔＴ）以下となる領域では発電効率の良い高温型熱電変換モジュール２７に切り換え、電力回収効率を向上させる。
【００６４】
図３及び図４を参照して、熱電発電システム２１の動作について説明する。ここでは、エンジンが低い低負荷状態（温度差ΔＴ＜素子切換温度差Ｔｅ）から高い低負荷状態（温度差ΔＴ＞素子切換温度差Ｔｅ）に移行した場合、高い低負荷状態から高負荷状態に移行した場合、高負荷状態から高い低負荷状態に移行した場合及び高い低負荷状態から低い低負荷状態に移行した場合について説明する。
【００６５】
エンジンが低い負荷状態から高い低負荷状態に移行した場合について説明する。低い低負荷状態の場合、排気ガスの温度が非常に低く、温度差ΔＴも非常に小さい。そのため、熱電発電システム２１では、高温型熱電変換モジュール２７による発電中かつ昇圧コンバータ１１による昇圧動作中であり、高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧を昇圧コンバータ１１で昇圧してバッテリＢに充電している。ここで、運転者の加速操作によって徐々に高い低負荷状態に移行したとする。
【００６６】
負荷状態が高くなるのに従って排気ガスの温度が上昇し、高温型熱電変換モジュール２７の端面間の温度差ΔＴも大きくなり、高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧も高くなる。エンジンＥＣＵ３６では、高温型熱電変換モジュール２７による発電中かつ昇圧動作中の場合には、高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧と下限電圧Ｖｂｌとを比較する。発電電圧が下限電圧Ｖｂｌより高くなると、エンジンＥＣＵ３６では、低温型熱電変換モジュール２８に切り換えるための高温側開閉信号を高温側バルブ２３に送信するとともに低温側開閉信号を低温側バルブ２４に送信する。すると、高温側バルブ２３が閉じることによって高温側ヒートパイプ２２ａが遮断するとともに低温側バルブ２４が開くことによって低温側ヒートパイプ２２ｂが連通し、低温型熱電変換モジュール２８で発電を開始する。そのため、昇圧コンバータ１１に入力される電圧が下限電圧Ｖｂｌより低くなり、熱電発電システム２１では、低温型熱電変換モジュール２８の発電電圧を昇圧コンバータ１１で昇圧してバッテリＢに充電する。
【００６７】
エンジンが高い低負荷状態から高負荷状態に移行した場合について説明する。高い低負荷状態の場合、熱電発電システム２１では、低温型熱電変換モジュール２８による発電中かつ昇圧コンバータ１１による昇圧動作中である。ここで、運転者の加速操作によって高負荷状態に移行したとする。
【００６８】
負荷状態が高くなるのに従って排気ガスの温度が上昇し、低温型熱電変換モジュール２８の端面間の温度差ΔＴも大きくなり、低温型熱電変換モジュール２８の発電電圧も高くなる。エンジンＥＣＵ３６では、昇圧動作中の場合には、温度差ΔＴと降圧切換温度差Ｔｕ（低温型熱電変換モジュール２８の発電電圧Ｖｂｌに相当）とを比較する。温度差ΔＴが降圧切換温度差Ｔｕより大きくなると、エンジンＥＣＵ３６では、降圧コンバータ１０に切り換えるためのコンバータ切換信号を切換スイッチ３５に送信する。すると、切換スイッチ３５では、昇圧コンバータ１１から降圧コンバータ１０に切り換える。また、エンジンＥＣＵ３６では、低温型熱電変換モジュール２８による発電中の場合には、低温型熱電変換モジュール２８の発電電圧と下限電圧Ｖｂｌ（温度差Ｔｕに相当）とを比較する。発電電圧が下限電圧Ｖｂｌより高くなると、エンジンＥＣＵ３６では、高温型熱電変換モジュール２７に切り換えるための高温側開閉信号を高温側バルブ２３に送信するとともに低温側開閉信号を低温側バルブ２４に送信する。すると、高温側バルブ２３が開くことによって高温側ヒートパイプ２２ａが連通するとともに低温側バルブ２４が閉じることによって低温側ヒートパイプ２２ｂが遮断し、高温型熱電変換モジュール２７で発電を開始する。したがって、熱電発電システム２１では、高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧を降圧コンバータ１０で降圧してバッテリＢに充電する。なお、低温型熱電変換モジュール２８の温度差ΔＴ及び発電電圧で制御するのではなく、どちらか一方で制御を行ってもよい。この場合、温度差ΔＴが降圧切換温度差Ｔｕより大きくなるかあるいは発電電圧が下限電圧Ｖｂｌより高くなった場合、降圧コンバータ１０に切り換えるとともに高温型熱電変換モジュール２７に切り換える。
【００６９】
エンジンが高負荷状態から高い低負荷状態に移行した場合について説明する。高負荷状態の場合、熱電発電システム２１では、高温型熱電変換モジュール２７による発電中かつ降圧コンバータ１０による降圧動作中である。ここで、運転者の減速操作によって高い低負荷状態に移行したとする。
【００７０】
負荷状態が低くなるのに従って排気ガスの温度が低下し、高温型熱電変換モジュール２７の端面間の温度差ΔＴも小さくなり、高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧も低くなる。エンジンＥＣＵ３６では、降圧動作中の場合には、温度差ΔＴと昇圧切換温度差Ｔｌ（高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧Ｖｂｈに相当）とを比較する。温度差ΔＴが昇圧切換温度差Ｔｌより小さくなると、エンジンＥＣＵ３６では、昇圧コンバータ１１に切り換えるためのコンバータ切換信号を切換スイッチ３５に送信する。すると、切換スイッチ３５では、降圧コンバータ１０から昇圧コンバータ１１に切り換える。また、エンジンＥＣＵ３６では、高温型熱電変換モジュール２７による発電中の場合には、高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧と上限電圧Ｖｂｈ（温度差Ｔｌに相当）とを比較する。発電電圧が上限電圧Ｖｂｈより低くなると、エンジンＥＣＵ３６では、低温型熱電変換モジュール２８に切り換えるための高温側開閉信号を高温側バルブ２３に送信するとともに低温側開閉信号を低温側バルブ２４に送信する。すると、高温側バルブ２３が閉じることによって高温側ヒートパイプ２２ａが遮断するとともに低温側バルブ２４が開くことによって低温側ヒートパイプ２２ｂが連通し、低温型熱電変換モジュール２８で発電を開始する。したがって、熱電発電システム２１では、低温型熱電変換モジュール２８の発電電圧を昇圧コンバータ１１で昇圧してバッテリＢに充電する。なお、高温型熱電変換モジュール２７の温度差ΔＴ及び発電電圧で制御するのではなく、どちらか一方で制御を行ってもよい。この場合、温度差ΔＴが昇圧切換温度差Ｔｌより小さくなるかあるいは発電電圧が上限電圧Ｖｂｈより低くなった場合、昇圧コンバータ１１に切り換えるとともに低温型熱電変換モジュール２８に切り換える。
【００７１】
エンジンが高い低負荷状態から低い低負荷状態に移行した場合について説明する。高い低負荷状態の場合、熱電発電システム２１では、低温型熱電変換モジュール２８による発電中かつ昇圧コンバータ１１による降圧動作中である。ここで、運転者の更なる減速操作によって低い低負荷状態に移行したとする。
【００７２】
負荷状態が更に低くなるのに従って排気ガスの温度が低下し、低温型熱電変換モジュール２８の端面間の温度差ΔＴも小さく、低温型熱電変換モジュール２８の発電電圧も低くなる。エンジンＥＣＵ３６では、低温型熱電変換モジュール２８による発電中かつ昇圧動作中の場合には、低温型熱電変換モジュール２８の端子間の温度差ΔＴと素子切換温度差Ｔｅとを比較する。温度差ΔＴが素子切換温度差Ｔｅより低くなると、エンジンＥＣＵ３６では、高温型熱電変換モジュール２７に切り換えるための高温側開閉信号を高温側バルブ２３に送信するとともに低温側開閉信号を低温側バルブ２４に送信する。すると、高温側バルブ２３が開くことによって高温側ヒートパイプ２２ａが連通するとともに低温側バルブ２４が閉じることによって低温側ヒートパイプ２２ｂが遮断し、高温型熱電変換モジュール２７で発電を開始する。そのため、熱電発電システム２１では、高温型熱電変換モジュール２７の発電電圧を昇圧コンバータ１１で昇圧してバッテリＢに充電する。この際、昇圧コンバータ１１に入力される電圧が高くなるので、昇圧コンバータ１１の発電効率が向上する。
【００７３】
この熱電発電システム２１によれば、第１の実施の形態に係る熱電発電システム１の効果を有する他に、以下の効果も有する。熱電発電システム２１では、高温型熱電変換モジュール２７と低温型熱電変換モジュール２８とを切り換える構成としたので、昇圧コンバータ１１の変換効率の高い領域を利用でき、電力回収効率が更に高くなる。
【００７４】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００７５】
例えば、本実施の形態では自動車のエンジンから排出される排気ガスの熱エネルギを利用して発電するシステムに適用したが、工場から排出される排気ガス等の他の機関からの排気ガスの熱エネルギを利用して発電するシステムに適用してもよい。
【００７６】
また、本実施の形態では熱伝導手段をヒートシンク、ヒートパイプ及び加熱部で構成したが、ヒートシンクに熱電変換モジュールを直接設けるなど他の構成としてもよい。また、本実施の形態では熱電変換モジュールの低温端面を冷却水による冷却部で冷却する構成としたが、空冷式など他の構成としてもよく、あるいは、冷却部が無くてもよい。
【００７７】
また、本実施の形態では熱電変換モジュールの低温端面及び高温端面の温度を検出する構成としたが、低温端面や高温端面を直接検出するのでなく、冷却部や加熱部における温度を検出する構成でもよい。また、高温型熱電変換モジュールと低温型熱電変換モジュールとの各端面の温度を別々に検出する構成としたが、２つの熱電変換モジュールの高温部や低温部の温度を共通に検出する構成としてもよい。
【００７８】
また、本実施の形態では熱電変換モジュールの高温端面と低温端面との温度差に基づいて切換スイッチの切換を制御する構成としたが、熱電変換モジュールの発電電圧を検出し、その検出した発電電圧に基づいて切換スイッチの切換を制御するなど他のパラメータによって切換制御を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】第１の実施の形態に係る熱電発電システムの構成図である。
【図２】図１の熱電変換モジュールの発電特性とエンジンＥＣＵにおける切換制御を示す図である。
【図３】第２の実施の形態に係る熱電発電システムの構成図である。
【図４】図３の低温型熱電変換モジュール及び高温型熱電変換モジュールの各発電特性とエンジンＥＣＵにおける切換制御を示す図である。
【図５】図３の降圧コンバータの変換効率特性を示す図である。
【図６】図３の昇圧コンバータの変換効率特性を示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
１，２１…熱電発電システム、２…ヒートシンク、３，２２…ヒートパイプ、２２ａ…高温側ヒートパイプ、２２ｂ…低温側ヒートパイプ、４…加熱部、５…冷却部、６…熱電変換モジュール、７…高温部温度センサ、８…低温部温度センサ、９，３５…切換スイッチ、１０…降圧コンバータ、１１…昇圧コンバータ、１２，３６…エンジンＥＣＵ、２３…高温側バルブ、２４…低温側バルブ、２５…高温側加熱部、２６…低温側加熱部、２７…高温型熱電変換モジュール、２８…低温型熱電変換モジュール、２９…高温側高温部温度センサ、３０…高温側低温部温度センサ、３１…低温側高温部温度センサ、３２…低温側低温部温度センサ、３３…高温側電圧センサ、３４…低温側電圧センサ
【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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