(57)【要約】【課題】熱電発電器から最大電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる電力供給装置を提供する。【解決手段】電力供給装置は、熱電素子を利用した熱電発電器１１と、熱電発電器１１の発電電力により充電されるコンデンサ１３と、コンデンサ１３の放電電力が供給される負荷１４とを有する。熱電発電器１１と負荷１４はスイッチ１２により間欠的に接続され、パルス発生器１６からのパルスのデューティ比により負荷１４の負荷抵抗の値を等価的に高い抵抗値に変換して、熱電発電器１１の内部抵抗と等しくするように制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電素子を利用した熱電発電器から負荷に電力を供給するための電力供給装置であって、前記熱電発電器と、前記熱電発電器の発電電力により充電されるコンデンサと、前記コンデンサの放電電力が供給される負荷手段と、前記コンデンサの放電サイクルを制御する制御手段とを有することを特徴とする電力供給装置。
【請求項２】
前記制御手段は前記コンデンサの充電および放電を切り換えるスイッチと、前記コンデンサの端子電圧を計測する電圧計測回路と、前記スイッチの切り換えを制御する制御信号を発生する制御回路とを有しており、前記制御信号は前記コンデンサの端子電圧を前記熱電発電器の発生電圧の１／２になるように前記スイッチの切り換えを制御することを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項３】
前記制御信号がパルス信号であり、前記パルス信号のパルス幅に応じて前記スイッチの切り換えを制御することを特徴とする請求項２に記載の電力供給装置。
【請求項４】
前記制御手段は前記コンデンサの充電および放電を切り換えるスイッチと前記スイッチの切り換えを制御するパルス信号を発生する制御回路を有しており、前記パルス信号のパルス幅に応じて前記負荷手段の負荷抵抗を等価的に高い抵抗値に変換して前記熱電発電器の内部抵抗と等しくすることを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項５】
熱電素子を利用した熱電発電器から負荷に電力を供給するための電力供給装置であって、前記熱電発電器と、前記熱電発電器に並列に接続されたコンデンサと、前記コンデンサに並列に接続された負荷手段と、前記熱電発電器を前記負荷手段に間欠的に接続するスイッチ手段とを有することを特徴とする電力供給装置。
【請求項６】
前記スイッチ手段は前記負荷手段の負荷抵抗と前記熱電発電器の内部抵抗が等しくなるように前記熱電発電器を前記負荷手段に間欠的に接続することを特徴とする請求項５に記載の電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部の温度差を利用して発電する熱電素子を利用した熱電発電器から負荷に電力を供給するための電力供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、外部の温度差による熱エネルギから熱電対を用いて発電し、その発電により得られる電気エネルギを利用して電子時計などの小型の携帯電子機器を駆動する電力供給装置が知られている。たとえば、複数の熱電対を電気的に直列に設けた熱電発電器の発電電圧を計測して、その発電電圧に応じて負荷手段への電力の供給および供給停止を制御する制御手段を設け、この制御手段は、熱電発電器から負荷手段へ所定時間以上連続して電力を供給したときに、発電電圧を補正して計測する補正手段を設けることにより、熱電発電器が負荷手段へ連続的に電力を供給するときに発生するペルチェ効果による発電電圧の低下を補正して、本来の発電電圧に相当する電圧を想定して負荷への電力の供給および停止を制御する構成が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１２５５７８号公報（（００１３）、（００１８）、（００２２）〜（００３４）および図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１による電力供給装置は、熱電発電器が負荷電流を流し続けることにより発生するペルチェ効果を用いて、発電電圧の低下を補正して計測することにより、熱電発電器の発電電圧に応じて負荷手段への電力の供給および供給停止を最適に制御でき、負荷手段は熱電発電器の発電電力を最も有効に利用することができる。しかし、熱電発電器から最大負荷電力を取り出す点についての考慮はなされていない。
ところで、電気回路理論で周知のように、内部抵抗の大きい電圧源から最大負荷電力を取り出す条件は、負荷抵抗の抵抗値を電圧源の内部抵抗の値と一致させることである。この条件を図５および図６により説明する。
一般に電圧源は、図５に示すように起電力Ｅｓと直列抵抗Ｒｓの直列回路で表わされる。この起電力Ｅｓに負荷抵抗ＲＬをつないだとき、負荷抵抗ＲＬに消費される電力ＰＬ、即ち起電力Ｅｓから取り出しうる電力は、
ＰＬ＝（Ｅｓ）2×ＲＬ／（Ｒｓ＋ＲＬ）2・・・（数１）
であることが知られている。
図６の曲線ａは負荷抵抗ＲＬを変化させたときの負荷抵抗ＲＬにおける負荷電圧ＶＬの関係、曲線ｂは負荷抵抗ＲＬにおける消費電力（取り出せる電力）ＰＬの関係である。図６の曲線ｂに示すように、負荷抵抗ＲＬを変化させると負荷電力ＰＬが変化し、ある負荷抵抗ＲＬの値で最大となる。このときの負荷抵抗ＲＬの値は周知のように直列抵抗Ｒｓと等しい値、すなわち、ＲＬ＝Ｒｓのときで、最大負荷電力ＰＬｍａｘは、
ＰＬｍａｘ＝（Ｅｓ）2／（４ＲＬ）＝（Ｅｓ）2／（４Ｒｓ）・・・（数２）
である。このとき、負荷抵抗ＲＬの電圧ＶＬは起電力Ｅｓの電圧の１／２、すなわち、ＶＬ＝Ｅｓ／２となる。
負荷抵抗ＲＬが電圧源の内部抵抗Ｒｓよりも大きい場合は、最大負荷電力ＰＬｍａｘを取り出すことはできないが、負荷抵抗ＲＬが大きいと消費電力が小さいので重大な問題になることは少ない。一方、負荷抵抗ＲＬが電圧源の内部抵抗Ｒｓより小さい場合は、最大負荷電力ＰＬｍａｘを取り出すことはできず、しかも、負荷抵抗ＲＬが小さいと素子内部における消費電力が大きくなるので、最大負荷電力ＰＬｍａｘを取り出せないことは重大な問題になる。
一般に、熱電発電器の内部抵抗は比較的大きいので、使用したい負荷抵抗の値より大きいことが多い。また、負荷抵抗は一定の値であることはなく、負荷の種類によって大きく変わる。また、同じ負荷でも使用中に大きく変動する。さらに、熱電発電器の起電力と内部抵抗も熱の供給状況に従って変化する。したがって、熱電発電器に目的とする負荷を直接接続しても発電器の発電能力のごく一部しか利用できないことになり、熱電発電器に単に負荷手段を連結するだけでは最大負荷電力を取り出すことはできない。
最大負荷電力を取り出すためには負荷抵抗を内部抵抗と同じになるように変換すればよい。しかし、熱電発電器の負荷は直流負荷のため変圧器のような交流用インピーダンス変換器を使用することはできない。
【０００４】
本発明はこのような課題を解決するもので、熱電発電器から最大負荷電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる電力供給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】
【０００５】
請求項１に記載の本発明の電力供給装置は、熱電素子を利用した熱電発電器から負荷に電力を供給するための電力供給装置であって、前記熱電発電器と、前記熱電発電器の発電電力により充電されるコンデンサと、前記コンデンサの放電電力が供給される負荷手段と、前記コンデンサの放電サイクルを制御する制御手段とを有することを特徴とする。
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の電力供給装置において、前記制御手段は前記コンデンサの充電および放電を切り換えるスイッチと、前記コンデンサの端子電圧を計測する電圧計測回路１７と、前記スイッチの切り換えを制御する制御信号を発生する制御回路とを有しており、前記制御信号は前記コンデンサの端子電圧を前記熱電発電器の発生電圧の１／２になるように前記スイッチの切り換えを制御することを特徴とする。
請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の電力供給装置において、前記制御信号がパルス信号であり、前記パルス信号のパルス幅に応じて前記スイッチの切り換えを制御することを特徴とする。
請求項４に記載の本発明は、請求項１に記載の電力供給装置において、前記制御手段は前記コンデンサの充電および放電を切り換えるスイッチと前記スイッチの切り換えを制御するパルス信号を発生する制御回路を有しており、前記パルス信号のパルス幅に応じて前記負荷手段の負荷抵抗を等価的に高い抵抗値に変換して前記熱電発電器の内部抵抗と等しくすることを特徴とする。
請求項５に記載の本発明の電力供給装置は、熱電素子を利用した熱電発電器から負荷に電力を供給するための電力供給装置であって、前記熱電発電器と、前記熱電発電器に並列に接続されたコンデンサと、前記コンデンサに並列に接続された負荷手段と、前記熱電発電器を前記負荷手段に間欠的に接続するスイッチ手段とを有することを特徴とする。
請求項６に記載の本発明は、請求項５に記載の電力供給装置において、前記スイッチ手段は前記負荷手段の負荷抵抗と前記熱電発電器の内部抵抗が等しくなるように前記熱電発電器を前記負荷手段に間欠的に接続することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、熱電発電器から最大負荷電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態による電力供給装置は、熱電素子を利用した熱電発電器の発電電力によりコンデンサを充電し、コンデンサに充電した電力を、放電サイクルを制御しながら負荷に放電するものである。本実施の形態によれば、熱電発電器から最大電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による電力供給装置において、コンデンサの充電および放電を切り換えるスイッチの切り換えを、コンデンサの端子電圧が熱電発電器の発生電圧の１／２になるように制御するものである。本実施の形態によれば、熱電発電器から最大電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態による電力供給装置において、パルス信号のパルス幅に応じてスイッチの切り換えを制御するものである。本実施の形態によれば、熱電発電器から最大電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による電力供給装置において、パルス信号のパルス幅に応じて負荷抵抗を等価的に高い抵抗値に変換して熱電発電器の内部抵抗と等しくするものである。本実施の形態によれば、熱電発電器から最大電力を取り出すことができる。
本発明の第５の実施の形態による電力供給装置は、熱電素子を利用した熱電発電器にコンデンサおよび負荷手段を並列に接続し、熱電発電器を負荷手段に間欠的に接続するものである。本実施の形態によれば、熱電発電器から最大電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第５の実施の形態による電力供給装置において、負荷手段の負荷抵抗と熱電発電器の内部抵抗が等しくなるように熱電発電器を負荷手段に間欠的に接続するものである。本実施の形態によれば、熱電発電器の内部抵抗が負荷手段の負荷抵抗より大きくても、負荷抵抗の値を等価的に高い抵抗値に変換して熱電発電器の内部抵抗と等しくすることができるので、熱電発電器から最大電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給することができる。
【実施例】
【０００８】
以下、本発明の実施例について、図面とともに詳細に説明する。
まず、本発明の原理について説明する。なお、以下の説明では直流について説明する。
電源の電圧が一定の時、負荷に供給する電力を変えるには、負荷の重さ（負荷抵抗の値）を変えなくてはならない。しかし、実際には、負荷抵抗の値を電源の要求に合わせて自由に変えることはできない。一方、負荷抵抗は一定であっても、負荷をスイッチングして負荷と電源を間欠的に接続することによって負荷への供給電力の大きさを変えるチョッパ技術がある。チョッパ技術は、例えば、電車のモータへ与える電力を状況に応じて大幅に変える制御に使われている。モータへの電圧の供給は断続的になるが、モータの巻き線のインダクタンスやモータにつながった電車の質量による慣性で積分効果が出るために滑らかな動きになる。このように、電源の電圧が一定のままで負荷への電力を変えることは負荷抵抗を変えることと同じである。
【０００９】
そこで、本発明においては、熱電発電器を負荷に接続した際に、負荷をスイッチングして間欠的に接続させ、低い抵抗値の負荷抵抗を等価的に高い抵抗値に変換して最大電力を取り出すようにする。すなわち、熱電発電器の電圧および内部抵抗が変化したり、負荷抵抗の抵抗値が変化しても、常に負荷抵抗の値を等価的に内部抵抗Ｒｓに一致させて電源から最大電力を取り出すようにする。
ここで、理想電圧源の電圧をＥとし、負荷抵抗をＲＬとし、負荷の接続を、全期間Ｔの内ＯＮの期間をＴｏｎ、ＯＦＦの期間をＴｏｆｆとする。また、Ｔｏｎ／Ｔ（Ｔ＝Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）の値をデューティ比Ｄ（０≦Ｄ≦１）とする。Ｔｏｎのとき、負荷抵抗ＲＬの電力Ｐｏｎは、Ｐｏｎ＝Ｅ2／ＲＬとなり、Ｔｏｆｆのとき、負荷抵抗ＲＬの電力Ｐｏｆｆは、Ｐｏｆｆ＝０となる。したがって、負荷の平均電力Ｐａｖは、
Ｐａｖ＝（Ｐｏｎ＋Ｐｏｆｆ）×Ｄ＝Ｐｏｎ×Ｄ＝Ｅ2×Ｄ／ＲＬ・・・（数３）
で表される。
一方、スイッチングしないで連続的につないだ負荷抵抗により（数３）で表されるＰａｖと同じ電力を得る負荷抵抗の値をＲｘとすると、
Ｐｘ＝Ｅ2／Ｒｘ＝Ｐａｖ＝Ｅ2×Ｄ／ＲＬ・・・（数４）
であるから、
Ｒｘ＝ＲＬ／Ｄ・・・（数５）
となる。デューティ比Ｄは０≦Ｄ≦１であるので、デューティ比Ｄの値を適切に制御すると負荷抵抗ＲＬの値を見かけ上大きい値Ｒｘに変換できる。
なお、電源と負荷抵抗ＲＬを単純にスイッチングして接続すると、負荷抵抗ＲＬに加わる電圧も大きく変動するので正常に動作しない。そこで、何らかの積分機能を設けて負荷抵抗ＲＬの瞬間的な変動をなくすように平滑することが必要である。このためには、図２に示すように、負荷抵抗ＲＬにコンデンサＣを並列に接続して積分、平滑する。コンデンサＣの静電容量Ｃは、Ｃ×ＲＬ＞＞Ｔになるように選ぶ。
【００１０】
図１は以上の原理に従って構成した本発明の実施例にかかる電力供給装置の全体構成を示す概念的ブロック図である。熱電発電器１１は多数の熱電対を電気的に直列に接続して構成された熱電素子を利用した熱電発電器で、与えられる温度差に応じて熱電発電して発電電圧Ｖｓとして出力する。熱電発電器１１は一端が接地され、他端は静電容量Ｃの出力調整用のコンデンサ１３に並列に接続される。
負荷１４は、一端が接地され、他端はスイッチ１２を介してコンデンサ１３に並列に接続される。負荷１４は、負荷抵抗ＲＬを有する。スイッチ１２はコンデンサ１３の放電サイクルを制御する制御回路１５で接続が切り換えられる。パルス発生器１６は、電圧計測回路１７で計測されたコンデンサ１３の電圧をもとにパルス幅が制御されたパルスを発生し、制御回路１５はこのパルスによりコンデンサ１３の放電サイクルを制御するようにスイッチ１２の動作を制御する。  コンデンサ１３は、前述したように、積分、平滑の機能を有するが、その他にコンデンサ１３自体を充電して蓄電する機能を有する。すなわち、発電電力が負荷１４に供給する電力より大きいときは電力に余剰が生ずるので、コンデンサ１３を充電して電力を一時的に蓄電する。その後負荷１４が予定より多い電力を要求したときに、コンデンサに蓄電されている電力を発電電力と合わせて供給することができる。
【００１１】
負荷１４から最大負荷電力ＰＬｍａｘを取り出すには、先に述べたように負荷抵抗ＲＬを熱電発電器１１の内部抵抗Ｒｓと等しくすれば良い。前述したように、熱電発電器１１の内部抵抗Ｒｓは負荷抵抗ＲＬより大きいので、デューティ比Ｄを用いて（数５）により負荷抵抗ＲＬを大きな抵抗値Ｒｘに変換する。この結果、（数５）は（数６）のように表される。
Ｒｓ＝Ｒｘ＝ＲＬ／Ｄ・・・（数６）
したがって、
Ｄ＝ＲＬ／Ｒｓ・・・（数７）
となるようにＤを制御すれば、負荷抵抗ＲＬを大きな抵抗値Ｒｘに変換することができる。
【００１２】
前述したように、負荷抵抗ＲＬは一定の値であることはなく、負荷の種類によって大きく変わる。また、同じ負荷でも使用中に大きく変動する。さらに、熱電発電器１１の起電力Ｅｓと内部抵抗Ｒｓも熱の供給状況に従って変化する。したがって、最適のデューティ比Ｄを予め求めることはできない。そこで、デューティ比Ｄを制御するには、電圧計測回路１７でコンデンサ１１の端子電圧Ｖｃを計測し、この端子電圧Ｖｃで制御回路１５の動作を制御して、コンデンサ１３の端子電圧Ｖｃが熱電発電器１１の発生電圧Ｖｓの１／２になるように、スイッチ１２のＯＮ、ＯＦＦのタイミングを制御する。
このように、スイッチ１２を切り換えるタイミングを調整し、負荷抵抗ＲＬが小さく、大電力を要求する負荷１４に電力供給する場合は、熱電発電器１１を連続して使用するのではなく、短時間使用してＶｃが少し低下した時点で負荷１４の使用を停止し、再充電によりＶｃを回復させ、ＶｃがＶｓの１／２まで回復した時点で再び負荷１４を接続するようにする。
【００１３】
図３は図１における熱電発電器１１、スイッチ１２、コンデンサ１３および負荷１４の接続部の等価回路である。図３に示すように、コンデンサＣ、スイッチＳ、負荷抵抗ＲＬからなる回路は、スイッチＳのデューティ比Ｄを介してコンデンサＣの両端で抵抗値Ｒｘに等価変換される。起電力Ｅｓと直列抵抗Ｒｓの直列回路から成る熱電発電器１１に負荷抵抗Ｒｘをつないだときの負荷電力ＰＬは、（数８）で表される。
Ｅｓ2×ＲＬ／Ｄ
ＰＬ  ＝―――――――――――――・・・（数８）
（Ｒｓ＋ＲＬ／Ｄ）2
スイッチＳが連続ＯＮのときは、デューティ比Ｄ＝１であるので、（数８）は
ＰＬ＝Ｅｓ2×ＲＬ／（Ｒｓ＋ＲＬ）2・・・（数９）
となる。
【００１４】
図４に負荷電力ＰＬとデューティ比Ｄの関係を示す。負荷電力ＰＬはデューティ比Ｄを０から大きくしていくと急激に大きくなり、あるデューティ比ＲＬ／Ｒｓで最大になった後、徐々に小さくなっていく。最大負荷電力ＰＬｍａｘは、変換された負荷抵抗Ｒｘが熱電発電器１１の直列抵抗Ｒｓに等しくなるとき、すなわちデューティ比ＤがＤ＝ＲＬ／Ｒｘ＝ＲＬ／Ｒｓのときである。
最大負荷電力ＰＬｍａｘを取り出し得るデューティ比ＤはＤ＝ＲＬ／Ｒｘ＝ＲＬ／Ｒｓであるが、デューティ比ＤがＤ＝ＲＬ／Ｒｘ＝ＲＬ／Ｒｓとなるのは、コンデンサ１３の端子電圧Ｖｃが熱電発電器１１の発生電圧Ｖｓの１／２になるときであるが、１／２の近辺では負荷電力ＰＬの低下は小さい。したがって、コンデンサ１３の端子電圧Ｖｃが熱電発電器１１の発生電圧Ｖｓの１／２をずれても、デューティ比ＤがＤ＝ＲＬ／Ｒｘ＝ＲＬ／Ｒｓの近辺であれば熱電発電器１１から最大負荷電力ＰＬｍａｘを取り出すことができる。
図４の例では、最大負荷電力ＰＬｍａｘは、ＲｘがＲｓに等しくなるとき、すなわち、Ｄ＝ＲＬ／Ｒｘ＝０．２のときであり、負荷電力ＰＬが最大値２．５Ｗとなる。一方、スイッチＳが連続ＯＮであるＤ＝１のときは負荷電力ＰＬ＝１．３９Ｗである。
【００１５】
つぎに、デューティ比の制御方法について説明する。
パルス発生器１６はパルス幅Ｔ1、パルス周期Ｔのパルスを発生する。パルス発生器１６が発生したパルスは制御回路１５に供給され、スイッチ１２の接続を切り換え制御する。そこで、パルス幅Ｔ1を、負荷１４を接続する時間Ｔｏｎとなるように、パルス周期Ｔを、負荷１４を接続する時間Ｔｏｎと切り離す時間Ｔｏｆｆの和（＝Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）となるように設定すると、制御回路１５は、パルス発生器１６が発生したパルス幅Ｔ1のパルスによりスイッチ１２の接続を切り換えて、コンデンサ１３の放電サイクルを設定する。パルス幅Ｔ1の時間は負荷１４をコンデンサ１３に接続してコンデンサ１３を放電状態とし、Ｔ−Ｔ1の時間はスイッチ１２を開放して負荷１４をコンデンサ１３から切り離し、コンデンサ１３を熱電発電器１１に接続して充電状態に制御する。したがって、デューティ比ＤはＴ1／Ｔで表される。パルス幅Ｔ1を変化させたとき、すなわち、デューティ比Ｄを変化させたときは、負荷１４の負荷抵抗ＲＬが等価的に高い抵抗値Ｒｘに変換されるので、熱電発電器１１の内部抵抗Ｒｓと等しくすることができる。
【００１６】
本発明によれば、負荷１４がコンデンサ１３へ間欠的に接続されるので、負荷１４を連続運転することはできないが、間欠的に熱電発電器１１から最大電力を供給することができるので、フラッシュライトやパルスモータなど間欠駆動する各種の機器への電力供給装置として利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明の電力供給装置は、電子時計などの小型の携帯電子機器を駆動するための電源、フラッシュライトの電源、あるいは、パルスモータを使用する各種のモータ制御装置などに直流電力を供給するための電源装置などに適用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例にかかる電力供給装置の全体構成を示す概念的ブロック図
【図２】本発明の実施例にかかる電力供給装置の負荷抵抗およびコンデンサの積分、平滑作用を説明する回路図
【図３】本発明の実施例にかかる電力供給装置の要部の等価回路図
【図４】図３の等価回路における負荷電力とデューティ比の関係を示す特性図
【図５】内部抵抗の大きい電圧源から最大負荷電力を取り出す条件を説明する回路図
【図６】図５の回路における負荷電力および負荷電圧と負荷抵抗との関係を示す特性図
【符号の説明】
【００１９】
１１  熱電発電器
１２  スイッチ
１３  コンデンサ
１４  負荷
１５  制御回路
１６  パルス発生器
１７  電圧計測回路
【図１】
2007159310.tif 000003
【図２】
2007159310.tif 000004
【図３】
2007159310.tif 000005
【図４】
2007159310.tif 000006
【図５】
2007159310.tif 000007
【図６】
2007159310.tif 000008