(57)【要約】【課題】高温となる発熱機器を用いても安全に発電し得る発電システムを提供することにある。【解決手段】車両に搭載される発熱機器と、発熱機器の熱を冷却するヒートシンクとの間に熱電変換モジュールが設けられ、熱電変換モジュールに発熱機器とヒートシンクとの温度差が加わることで発電がなされる発電システムであって、発熱機器側とヒートシンクとがヒートパイプにより連結され、ヒートパイプの一端が発熱機器側に固定され、他端が発熱機器側より上方位置でヒートシンク側に固定され、ヒートパイプ内部に作動液が流動可能に封入されるようにした【選択図】図２
2013143792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載される発熱機器と、当該発熱機器の熱を冷却するヒートシンクとの間に熱電変換モジュールが設けられ、当該熱電変換モジュールに前記発熱機器とヒートシンクとの温度差が加わることで発電がなされる発電システムであって、
前記発熱機器側とヒートシンクとがヒートパイプにより連結され、
当該ヒートパイプの一端が発熱機器側に固定され、他端が発熱機器側より上方位置でヒートシンク側に固定され、ヒートパイプ内部に作動液が流動可能に封入されることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記ヒートパイプのヒートシンクに固定される側の端部が、前記ヒートシンクに形成した挿入穴に挿入され、当該挿入穴とヒートパイプの端部との接合部に熱伝導グリスが塗布されることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載される発熱機器にて発生した熱と、この熱を冷却するための冷却媒体との温度差を利用して発電する発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両に搭載される発熱機器等の熱源にて発生した熱とこの熱を冷却するための冷却媒体との温度差を利用して発電する発電システムに関連する技術として、下記特許文献１に開示される水冷式の発電ユニットが知られている。この発電ユニットは、受熱盤の後面側に熱電モジュールが配設され、この熱電モジュールの後面側に冷却ユニットが配設されて構成されている。熱電モジュールは、２種の異なる金属又は半導体を接合してその両端に温度差を生じさせると起電力が発生するという、いわゆるゼーベック効果を利用したものである。そして、冷却ユニットは、良熱伝導性の金属で形成した筐体と、その内側の冷却室に設けた複数の冷却フィンとを有しており、筐体の底部に穿設された注水口から冷却水が注入されると、この冷却水で前壁部や冷却フィンが冷却される。また、受熱盤を加熱する熱源としては、温泉場の地熱や高温の温泉、ゴミ焼却時の排熱等の高温熱源が想定されている。そして、高温熱源からの熱が受熱盤に伝熱され、冷却ユニットが冷却されることで、高温熱源の温度と冷却ユニットの温度との温度差が熱電モジュールに加わり、当該熱電モジュールによる発電がなされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０５７３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、熱電モジュール等の熱電変換手段は、高温側と低温側との温度差に応じて発電するように構成される。しかしながら、上記特許文献１に開示されるような高温側の構成と低温側の構成とを、発熱機器の発熱と冷却媒体との温度差を利用して発電する発電システムに適用すると、熱電変換手段を設けたことにより冷却機能が低下し、高温となる発熱機器を使用した場合には安全に発電ができない可能性が考えられる。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、高温となる発熱機器を用いても安全に発電し得る発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発電システムは、車両に搭載される発熱機器と、発熱機器の熱を冷却するヒートシンクとの間に熱電変換モジュールが設けられ、熱電変換モジュールに発熱機器とヒートシンクとの温度差が加わることで発電がなされる発電システムであって、発熱機器側とヒートシンクとがヒートパイプにより連結され、
ヒートパイプの一端が発熱機器側に固定され、他端が発熱機器側より上方位置でヒートシンク側に固定され、ヒートパイプ内部に作動液が流動可能に封入されるようにしたことを技術的特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発電システムは、ヒートパイプのヒートシンクに固定される側の端部が、ヒートシンクに形成した挿入穴に挿入され、挿入穴とヒートパイプの端部との接合部に熱伝導グリスが塗布されるようにしたことを技術的特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発電システムにおいては、発熱機器とヒートシンクとをヒートパイプで連結し、ヒートパイプ内部に作動液を封入したことで、発熱機器が高温状態となった場合に作動液が気化してヒートシンク内に流れ、ヒートシンク内で冷却されて液化して、発熱機器の熱をヒートシンクへ伝熱することとなる。これにより、高温となる発熱機器を用いても安全な発電が可能となる。
【０００９】
請求項２に記載の発電システムにおいては、ヒートシンクの挿入穴とヒートパイプの端部との接合部に熱伝導グリスが塗布されることで、挿入穴とヒートパイプとの隙間を埋め、ヒートパイプからヒートシンクへ至る熱抵抗を低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る発電システムの概略を示す図である。
【図２】発電システムの発熱機器を示す図である。
【図３】発熱機器の温度状態を説明する説明図である。
【図４】（Ａ）発熱機器の温度が低温領域時または適温領域時の発電システムを示す。（Ｂ）発熱機器の温度が高温側遷移領域時または高温領域時の発電システムを示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明に係る発電システムの一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の発電システムの一例を概念的に示す説明図である。図１に示すように、本発明に係る発電システムは、車両に搭載される発熱機器にて発生した熱と、この熱を冷却するための冷却媒体（冷却液）との温度差を利用して発電するシステムである。
【００１２】
まず、発熱機器にて発生した熱を冷却する冷却構成について説明する。
本実施形態では、冷却が必要な発熱機器として、例えば、インバータ１０が用いられており、このインバータ１０（発熱機器）を冷却するために当該インバータ１０の外面に熱電変換モジュール１２を介して設けられるヒートシンク１３には、ウォーターポンプ１６により配管内を循環する冷却媒体として冷却液が流入するように構成されている。
【００１３】
また、本実施形態では、発熱機器を冷却する放熱器としてラジエータ１７が用いられており、ラジエータ１７には、ウォーターポンプ１６により配管内を循環する冷却液が流入するように構成されている。ここでラジエータ１７は、冷却媒体である冷却液の温度によって制御されるクーリングファンが作動することで、放熱器の放熱性能を向上させた構造であってもよい。
【００１４】
次に、本実施形態の特徴部分であるインバータ１０（発熱機器）の構成について図２を参照しながら説明する。
インバータ１０は、図２に示すように、内部に設けられインバータ１０やインバータ１０と電気的に接続された電子機器の制御を行なうための回路が実装された基板１１と、基板１１に実装される半導体素子１１ａ（熱源）側と接するように設けられた熱電変換モジュール１２と、熱電変換モジュール１２の半導体素子１１ａと接する側とは反対側にヒートシンク１３が接するように配設されている。
【００１５】
基板１１は、一般的なプリント基板（ガラスエポキシ基板等）であって、表面、裏面もしくは両面に、インバータ１０やインバータ１０と電気的に接続された電子機器の制御を行なうための回路を抵抗やコンデンサやトランジスタ（IGBT）といった半導体素子１１ａで実装している。また、基板１１は、インバータ１０の駆動に伴い発熱する半導体素子１１ａの熱を熱電変換モジュール１２及びヒートシンク１３側に伝熱可能な伝熱部材１４と連結されている。
【００１６】
この伝熱部材１４は、熱伝導率のよい物質に絶縁処理を施したものであって、アルミを略Ｌ字状に形成し絶縁処理を施したもの又はアルミに絶縁処理を施し略Ｌ字状に形成したもの何れであってもよく、一端を熱電変換モジュール１２の受熱面に接合し、他端に後述するヒートパイプ１５を固定するフィン１４ａが設けられている。
【００１７】
ヒートパイプ１５は、半導体素子１１ａの熱をヒートシンク１３へ伝熱するものであって、一端をフィン１４ａに固定され、他端をヒートシンク１３に設けた挿入穴１３ｃに挿入して固定されている。このヒートパイプ１５は、フィン１４ａに固定される一端をヒートシンク１３側に固定される他端より低い位置で固定され、作動液に純水やアンモニアやフロンなどの液体を封入されている。ここでヒートパイプ１５内部に封入する作動液は、設計者が設計する設定温度により入替えが可能であって、フィン１４ａ側に固定される一端に半導体素子１１ａが発生する熱を加えることで設定温度に到達するまでは液体の状態を維持し、設定温度を超えると気化して、ヒートシンク１３内部に冷却液が流動し、冷却された際に液化して半導体素子１１ａの熱をヒートシンク１３へ伝熱している。ここで、ヒートパイプ１５は、ヒートシンク１３に固定された端部が冷却され続けた場合、低温の熱がシートシンク１３側から伝熱部材１４側へ移動しにくい構造となっている。
【００１８】
熱電変換モジュール１２は、発熱する半導体素子１１ａの熱とヒートシンク１３の温度差により発電するものであって、半導体素子１１ａの熱を受熱する受熱面１２ａと、受熱面１２ａにて受熱した熱の放熱を行なう放熱面１２ｂが形成され、放熱面１２ｂと受熱面１２ａとの間に介在するように設けられ両面（受熱面及び放熱面）の温度差に応じて発電する熱電変換素子を備えている。熱電変換素子にて発電した電力はバッテリに蓄電されるように構成されている。ここで、熱電変換素子は、受熱面及び放熱面加わる温度差を可能な限り大きく維持することにより、発電効率を高め熱電変換モジュール１２での発電量を大きくすることが可能である。
【００１９】
ヒートシンク１３は、半導体素子１１ａの熱を冷却するものであって、熱電変換モジュール１２の放熱面１２ｂと接合しており、冷却媒体（冷却液）をヒートシンク１３内部に流入するための流入口１３ａと、熱電変換モジュール１２の放熱面１２ｂから放熱される熱を受熱した冷却媒体（冷却液）をヒートシンク１３外部に流出する流出口１３ｂと、ヒートパイプ１５を固定する挿入穴１３ｃと、熱電変換モジュール１２の放熱面１２ｂと接合する側の内面部に熱電変換モジュール１２の放熱面１２ｂを効率よく冷却するためのフィン１３ｄを備えている。ここで、挿入穴１３ｃは、ヒートパイプ１５をヒートシンク１３側面側から内部方向へ挿入可能かつヒートシンク１３内部を流動する冷却液が流出することのないように形成されており、挿入穴１３ｃとヒートパイプ１５との接合部には熱伝導グリスを塗布されている。この熱伝導グリスは、挿入穴１３ｃとヒートパイプ１５との微細な隙間を埋めてヒートパイプ１５からヒートシンク１３に至る熱抵抗を低下させるものである。
【００２０】
次に、上記に示すインバータ１０の仕様について説明する。
インバータ１０は、駆動に伴い基板１１に備える半導体素子１１ａが発熱して高温になるが、図３に示す安全温度領域において駆動するようになっている。これは、伝熱部材１４が設定温度に到達するまでの間は作動液が気化することなく伝熱部材１４を高温領域に到達するまで蓄熱するが、伝熱部材１４が設定温度を越えた場合には作動液が気化しヒートシンク１３により冷却されることで作動液が液化して熱が移動するために、インバータ１０が危険温度領域及び破壊温度領域に到達することなく、安全温度領域で駆動するようになっている。
【００２１】
これにより、熱電変換モジュール１２は、受熱面１２ａにおいて高温を維持することが可能で、放熱面１２ｂにおいて冷却液を流動することにより低温を維持することが可能となり、受熱面１２ａと放熱面１２ｂに大きな温度差を加えることが可能となる。そのため、効率の良い状態で発電を行うことができる。
【００２２】
以下に、本発電システムが発電を行う手順について説明する。
まず、インバータ１０の温度が図３に示す低温領域時または適温領域時における発電システムの発電手順について図４（Ａ）を用いて説明する。
【００２３】
インバータ１０は、温度が図３に示す低温領域時または適温領域時において、駆動に伴い基板に実装される半導体素子１１ａが発熱し伝熱部材１４に熱を伝熱する。ここで、ヒートパイプ１５内部に備える作動液は、インバータ１０の温度が低温領域時または適温領域時において、液体の状態であるためヒートパイプ１５の経路からヒートシンク１３に熱の移動を行なうことはない。そのため、熱電変換モジュール１２の受熱面１２ａは、半導体素子１１ａが発熱する熱が伝熱部材１４に蓄熱されるため高温になる。
【００２４】
このとき、熱電変換モジュール１２の放熱面１２ｂは、受熱面１２ａの熱が熱電変換素子を介して伝熱することからヒートシンク１３内部に設けられたフィン１３ｄまで熱が移動しようとするが、ウォーターポンプ１６により配管内を流動する冷却液がヒートシンク１３の流入口１３ａから浸入しフィン１３ｄに接触しながら流出口１３ｂから排出されることでフィン１３ｄ及び放熱面１２ｂを冷却しながら流動するため低温になる。これにより本発電システムは、低温領域時または適温領域時において、効率よく発電することが可能である。
【００２５】
次に、インバータ１０（発熱機器）の温度が図３に示す高温領域時における発電システムの発電手順について図４（Ｂ）を用いて説明する。
【００２６】
インバータ１０は、温度が図３に示す高温領域時において、基板１１に実装される半導体素子１１ａが発熱し続けることにより伝熱部材１４が高温となる。ここで、ヒートパイプ１５内部に封入された作動液は、伝熱部材１４が設定温度を超えた温度に達すると気化する。
【００２７】
このとき、熱電変換モジュール１２の放熱面１２ｂは、ウォーターポンプ１６により配管内を流動する冷却液がヒートシンク１３の流入口１３ａから浸入しフィン１３ｄに接触しながら流出口１３ｂから排出されることでフィン１３ｄ及び放熱面１２ｂを冷却しながら流動するため低温になる。ここで、ヒートパイプ１５内部に封入された作動液は、熱ヒートシンク１３が冷却されることにより液化し、伝熱部材１４側へ移動して、伝熱部材１４からヒートシンク１３へ熱を移動させる。
【００２８】
これにより、本発電システムは、高温領域時において、半導体素子１１ａが発熱する温度が設定温度を超えることがないため、半導体素子１１ａの破損を防止することができるとともに、伝熱部材１４を高温に保ち、熱電変換モジュール１２の受熱面１２ａを高温に保ち、放熱面１２ｂとの温度差を大きくすることができるため、最も効率よく発電することが可能となる。
【００２９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよい。
本発明に係る発電システムは、インバータ１０にて発生した熱とこの熱を冷却するための冷却媒体（冷却液）との温度差を利用して発電することに限らず、エンジンなどの車両に搭載される発熱機器にて発生した熱と、この熱を冷却するための冷却媒体（冷却液）との温度差を利用して発電するように構成されてもよい。また、車両に搭載されない発熱機器であっても、ラジエータのような放熱機器を用いた冷却がなされる発熱機器であれば、本発明に係る発電システムを採用してもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１０ インバータ
１１ 基板
１２ 熱電変換モジュール
１３ ヒートシンク
１４ 伝熱部材
１５ ヒートパイプ
１６ ウォーターポンプ
１７ ラジエータ
【図１】
2013143792.tif 000003
【図２】
2013143792.tif 000004
【図３】
2013143792.tif 000005
【図４】
2013143792.tif 000006