УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТИ, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ В СИЛОВОМ ГЕНЕРАТОРЕ
DEVICE FOR FAULT DETECTION, USED IN POWER GENERATOR

Область техники
[0001]
Настоящее изобретение относится к устройству для обнаружения неисправности, используемому в силовом генераторе, и, более конкретно, к устройству для обнаружения неисправности, используемому в силовом генераторе, который включает в качестве термоэлектрического преобразователя полупроводниковый монокристалл, способный преобразовывать теплоту в электрическую энергию даже при нулевом градиенте температур.
Уровень техники
[0002]
Существует множество термоэлектрических преобразователей, в основе которых лежит эффект Зеебека. Для того, чтобы такой термоэлектрический преобразователь создавал электродвижущую силу, требуется разность температур у двух типов металлов или полупроводников, образующих этот преобразователь. С другой стороны, в документе WO 2015125823 А1 описан полупроводниковый монокристалл, который можно использовать как термоэлектрический преобразователь, способный вырабатывать мощность без разности температур. Если говорить подробно, этот полупроводниковый монокристалл включает часть полупроводника n-типа, часть полупроводника р-типа и часть собственного полупроводника, расположенную между этими областями, и ширина запрещенной зоны в части собственного полупроводника задана меньше ширины запрещенной зоны в части полупроводника n-типа и части полупроводника р-типа.
[0003]
Документ WO 2015125823 А1 - это патентный документ, который может быть родственным настоящей заявке.
Сущность изобретения
[0004]
Когда полупроводниковый монокристалл, описанный в документе WO 2015125823 А1, используется в качестве термоэлектрического преобразователя, желательно точным образом обнаруживать неисправность силового генератора, включающего этот преобразователь.
[0005]
Настоящее изобретение создано для устранения указанной выше проблемы, и его задачей является предложить устройство для обнаружения неисправности, которое используется в силовом генераторе, включающем термоэлектрический преобразователь, не требующий разности температур для выработке мощности (то есть, полупроводниковый монокристалл выполненный таким образом, что ширина запрещенной зоны в части собственного полупроводника, расположенной между частью полупроводника n-типа и частью полупроводника р-типа, меньше соответствующей ширины запрещенной зоны в этих областях), и которое может точным образом обнаруживать неисправность силового генератора.
[0006]
Устройство для обнаружения неисправности, используемое в силовом генераторе, которое соответствует настоящему изобретению, выполнено с возможностью обнаруживать неисправность силового генератора, включающего:
- модуль термоэлектрических преобразователей, установленный в области, в которую передается теплота, отводимая из теплогенерирующего устройства, и включающий, в качестве, по меньшей мере, одного термоэлектрического преобразователя, по меньшей мере, один полупроводниковый монокристалл, включающий часть полупроводника n-типа, часть полупроводника р-типа и часть собственного полупроводника, расположенную между этими областями, причем ширина запрещенной зоны в части собственного полупроводника меньше ширины запрещенной зоны в части полупроводника n-типа и части полупроводника р-типа; и
- нагрузочное устройство, подключенное к электрической цепи вместе с модулем термоэлектрических преобразователей.
Устройство для обнаружения неисправности выполняет обнаружение неисправности для, по меньшей мере, одного из упомянутых термоэлектрических преобразователей, насчитывающих, по меньшей мере, один, индивидуально или для модуля термоэлектрических преобразователей в целом.
Устройство для обнаружения неисправности содержит:
- средство измерения температуры, выполненное с возможностью измерения или оценки температуры краевой области n-типа, то есть, температуры краевой области части полупроводника n-типа на стороне этой области, противоположной ее стороне, находящейся у части собственного полупроводника, температуры краевой области р-типа, то есть, температуры краевой области части полупроводника р-типа на стороне этой области, противоположной ее стороне, находящейся у части собственного полупроводника, и температуры собственной области, то есть, температуры части собственного полупроводника, для одного или множества термоэлектрических преобразователей, для которых выполняется обнаружение неисправности;
- средство вычисления расчетного выходного параметра, выполненное с возможностью вычисления расчетной электродвижущей силы и/или расчетной вырабатываемой электрической мощности на основе этой силы для каждого преобразователя или для всего модуля, исходя из температуры краевой области n-типа, температуры краевой области р-типа и температуры собственной области, которые измерены или оценены при помощи средства измерения температуры;
- средство измерения фактического выходного параметра, выполненное с возможностью измерения фактической электродвижущей силы и/или фактической вырабатываемой электрической мощности для каждого преобразователя или для всего модуля; и
- средство обнаружения неисправности, выполненное с возможностью выполнения для каждого преобразователя или для всего модуля первого определения на предмет того, является листепень отклонения фактической электродвижущей силы от расчетной электродвижущей силы больше или равной первому пороговому значению, и/или второго определения на предмет того, является ли степень отклонения фактической вырабатываемой электрической мощности от расчетной вырабатываемой электрической мощности больше или равной второму пороговому значению, а также обнаружения неисправности силового генератора в ответ на то, что результат, по меньшей мере, одного из первого определения и второго определения является положительным.
[0007]
Модуль термоэлектрических преобразователей может быть установлен на поверхности средства ввода теплоты, которое передает теплоту, отводимую из теплогенерирующего устройства.
Упомянутые термоэлектрические преобразователи, насчитывающие, по меньшей мере, один, могут включать один набор термоэлектрических преобразователей, установленных в ряд на поверхности средства ввода теплоты.
Средство измерения температуры может включать множество датчиков температуры, число которых меньше общего числа имеющихся для упомянутого одного набора термоэлектрических преобразователей температуры краевой области n-типа, температуры краевой области р-типа и температуры собственной области, и которые прикреплены к средству ввода теплоты с обеспечением между ними заранее определенного расстояния и установкой в одну линию вдоль направления, параллельного упомянутому ряду.
Средство измерения температуры может быть выполнено с возможностью оценивать температуру каждой краевой области n-типа, температуру каждой краевой области р-типа и температуру каждой собственной области для упомянутого одного набора термоэлектрических преобразователей, исходя из распределения температур для этого набора, полученного на основе значений, измеренных при помощи упомянутого множества датчиков температуры.
[0008]
Область, в которую передается теплота, отводимая из теплогенерирующего устройства, может представлять собой канал протекания, в котором протекает текучая среда для извлечения отводимой теплоты, которая извлекает теплоту, отводимую из теплогенерирующего устройства.
Модуль термоэлектрических преобразователей может включать элемент формирования канала протекания, который зонирует канал протекания таким образом, что возникает множество субканалов протекания, в которых текучая среда для извлечения отводимой теплоты протекает параллельно.
Элемент формирования канала протекания может иметь теплопроводность ниже теплопроводности упомянутых термоэлектрических преобразователей, насчитывающих, по меньшей мере, один, в модуле термоэлектрических преобразователей.
Упомянутые термоэлектрические преобразователи, насчитывающие, по меньшей мере, один, входящие в состав модуля термоэлектрических преобразователей, могут представлять собой множество наборов термоэлектрических преобразователей, каждый из которых содержит множество термоэлектрических преобразователей, установленных в одну линию вдоль направления, перпендикулярного направлению прохождения упомянутого множества субканалов протекания, и с пересечением этого множества субканалов.
Каждый термоэлектрический преобразователь из упомянутого множества наборов термоэлектрических преобразователей может быть закрыт элементом формирования канала протекания, при этом поверхность части собственного полупроводника этого преобразователя открыта для воздействия текучей среды для извлечения отводимой теплоты.
Средство измерения температуры может включать:
- множество датчиков температуры собственной области, выполненных с возможностью измерения температур соответствующих частей собственного полупроводника для части термоэлектрических преобразователей из множества термоэлектрических преобразователей, находящихся в каждом субканале из упомянутого множества субканалов протекания; и
- один или множество датчиков температуры краевой области, установленных у элемента формирования канала протекания.
Средство измерения температуры может быть выполнено с возможностью измерять или оценивать для каждого субканала протекания температуру каждой собственной области в упомянутом множестве наборов термоэлектрических преобразователей, исходя из значений, измеренных упомянутым множеством датчиков температуры собственной области.
Средство измерения температуры может быть выполнено с возможностью измерять или оценивать температуру каждой краевой области n-типа и температуру каждой краевой области р-типа в упомянутом множестве наборов термоэлектрических преобразователей, исходя из значений, измеренных упомянутыми одним или множеством датчиков температуры краевой области.
[0009]
нижней по потоку
Датчики из упомянутого множества датчиков температуры собственной области могут быть распределены по одному на каждый из упомянутого множества субканалов протекания и прикреплены к каждому термоэлектрическому преобразователю из того набора термоэлектрических преобразователей, входящего в упомянутое множество наборов, который находится на стороне упомянутого множества субканалов протекания.
[0010]
Устройство для обнаружения неисправности может дополнительно содержать регулятор температуры, выполненный с возможностью нагревать или охлаждать элемент формирования канала протекания, для регулирования температуры упомянутых одного или множества датчиков температуры краевой области с обеспечением диапазона температур, в котором один или множество термоэлектрических преобразователей, для которых выполняется обнаружение неисправности, могут создавать электродвижущую силу.
Средство обнаружения неисправности может быть выполнено с возможностью:
после обнаружения неисправности силового генератора, в ответ на то, что результат, по меньшей мере, одного из первого определения и второго определения является положительным, выполнять нагрев или охлаждение посредством регулятора температуры в состоянии, в котором отсутствует поток текучей среды для извлечения отводимой теплоты и в котором температура текучей среды для извлечения отводимой теплоты является постоянной;
в ответ на фактическую электродвижущую силу, отклоняющуюся от расчетного диапазона электродвижущей силы одного или множества термоэлектрических преобразователей в состоянии регулирования температуры, в котором выполняется нагрев или охлаждение посредством регулятора температуры, или в ответ на фактическую вырабатываемую электрическую мощность, отклоняющуюся от расчетного диапазона вырабатываемой электрической мощности одного или множества термоэлектрических преобразователей в состоянии регулирования температуры, определять, что неисправность силового генератора обусловлена неисправностью модуля термоэлектрических преобразователей; и
в ответ на попадание фактической электродвижущей силы в пределы расчетного диапазона электродвижущей силы или в ответ на попадание фактической вырабатываемой электрической мощности в пределы расчетного диапазона вырабатываемой электрической мощности, определять, что неисправность силового генератора обусловлена неисправностью канала протекания.
[0011]
Средство обнаружения неисправности может быть выполнено с возможностью, в ответ на то, что, по меньшей мере, одно из значений измерения множества датчиков температуры собственной области, в состоянии регулирования температуры, отклоняется от допустимого диапазона, соответствующего количеству введенной теплоты посредством нагрева или количеству высвобожденной теплоты посредством охлаждения, выполняемого регулятором температуры, определять, что возникла неисправность, связанная с измерением температуры собственной области.
[0012]
Средство обнаружения неисправности может быть выполнено с возможностью, в ответ на то, что, по меньшей мере, одно из значений измерения одного или множества датчиков температуры краевой области, в состоянии регулирования температуры, отклоняется от допустимого диапазона, соответствующего количеству введенной теплоты посредством нагрева или количеству высвобожденной теплоты посредством охлаждения, выполняемого регулятором температуры, определять, что возникла неисправность, связанная с измерением температуры краевой области n-типа или температуры краевой области р-типа.
[0013]
В устройстве для обнаружения неисправности, используемом в силовом генераторе, соответствующем настоящему изобретению, в качестве термоэлектрического преобразователя применяется полупроводниковый монокристалл, выполненный таким образом, что ширина запрещенной зоны в части собственного полупроводника, расположенной между частью полупроводника n-типа и частью полупроводника р-типа, меньше ширины запрещенной зоны в этих областях. При применении термоэлектрического преобразователя, имеющего структуру этого типа, в отличие от термоэлектрического преобразователя, в котором используется эффект Зеебека, электродвижущую силу можно создавать даже при отсутствии разности температур на двух концах этого преобразователя. Таким образом, чтобы вычислить расчетную электродвижущую силу в термоэлектрическом преобразователе, соответствующем настоящему изобретению, исходя из его температуры, недостаточно всего лишь получить температуры на двух его концах. Поэтому при использовании устройства для обнаружения неисправности, соответствующего настоящему изобретению, для каждого преобразователя или для всего модуля вычисляют расчетную электродвижущую силу и/или расчетную вырабатываемую электрическую мощность на основе этой силы, исходя из температур на двух концах термоэлектрического преобразователя (то есть, температуры краевой области n-типа и температуры краевой области р-типа) и температуры части собственного полупроводника (то есть, температуры собственной области), которые измерены или оценены. После этого для каждого преобразователя или для всего модуля выполняют первое определение на предмет того, является ли степень отклонения фактической электродвижущей силы от расчетной электродвижущей силы больше или равной первому пороговому значению, и/или второе определение на предмет того, является ли степень отклонения фактической вырабатываемой электрической мощности от расчетной вырабатываемой электрической мощности больше или равной второму пороговому значению. В ответ на то, что результат, по меньшей мере, одного из первого определения и второго определения, является положительным, обнаруживают неисправность силового генератора. Как только что описано, при применении устройства для обнаружения неисправности, соответствующего настоящему изобретению, в котором используются указанные выше температуры в трех точках, можно точным образом обнаруживать неисправность силового генератора, включающего, по меньшей мере, один термоэлектрический преобразователь, в котором для выработки электрической мощности не требуется разность температур.
Краткое описание чертежей
[0014]
На Фиг.1 приведен схематичный общий вид, иллюстрирующий конструкцию каждого из термоэлектрических преобразователей в силовом генераторе, соответствующем первому варианту реализации настоящего изобретения;
на Фиг.2А и 2В приведены концептуальные схемы, на которых показана ширина запрещенной зоны в термоэлектрическом преобразователе, показанном на Фиг.1;
на Фиг.3 приведен график, иллюстрирующий взаимосвязь между фактической электродвижущей силой Vta и температурой термоэлектрического преобразователя;
на Фиг.4 схематично показана конструкция модуля термоэлектрических преобразователей в силовом генераторе, соответствующем первому варианту реализации настоящего изобретения;
на Фиг.5 в изометрии схематично показана внутренняя структура модуля термоэлектрических преобразователей, показанного на Фиг.4;
на Фиг.6 приведена схема, используемая для описания тех областей в каждом из термоэлектрических преобразователей, в которых измеряют температуры;
на Фиг.7 показаны распределение температуры и распределение значений ширины запрещенной зоны в термоэлектрическом преобразователе в направлении, перпендикулярном торцевой поверхности этого преобразователя;
на Фиг.8 приведено графическое представление таблицы соответствия, используемой для вычисления расчетной электродвижущей силы Vte;
на Фиг.9 приведена блок-схема примерной программы обнаружения неисправности, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения;
на Фиг.10 приведена блок-схема примерной программы обнаружения неисправности, соответствующей второму варианту реализации настоящего изобретения;
на Фиг.11 показана эквивалентная схема силового генератора;
на Фиг.12 приведена блок-схема примерной программы обнаружения неисправности, соответствующей третьему варианту реализации настоящего изобретения;
на Фиг.13 приведена блок-схема примерной программы обнаружения неисправности, соответствующей четвертому варианту реализации настоящего изобретения;
Фиг.14 используется для описания способа оценки температуры термоэлектрического преобразователя, соответствующего пятому варианту реализации настоящего изобретения;
на Фиг.15 приведена блок-схема примерной подпрограммы измерения температуры термоэлектрического преобразователя, согласно пятому варианту реализации настоящего изобретения;
Фиг.16 иллюстрирует конструкцию силового генератора и его устройства для обнаружения неисправности, согласно шестому варианту реализации настоящего изобретения;
на Фиг.17 приведен схематичный общий вид, иллюстрирующий конструкцию комплекта преобразователей, показанного на Фиг.16;
на Фиг.18 приведен график, используемый для описания температур Ti трех термоэлектрических преобразователей, находящихся в субканале, из трех наборов термоэлектрических преобразователей, положения которых в направлении D5, показанном на Фиг.17, являются одинаковыми, и которые установлены в одну линию вдоль направления D3 протекания выхлопного газа;
на Фиг.19 приведен график, используемый для описания температур Ti двух термоэлектрических преобразователей, находящихся на верхней по потоку стороне каждого из субканалов протекания из числа преобразователей в трех наборах термоэлектрических преобразователей, положения которых в направлении D5, показанном на Фиг.17, являются одинаковыми, и которые установлены в одну линию вдоль направления D3 протекания выхлопного газа;
на Фиг.20 показана конструкция устройства для обнаружения неисправности, соответствующего седьмому варианту реализации настоящего изобретения;
на Фиг.21 приведена блок-схема примерной программы обнаружения неисправности, соответствующей седьмому варианту реализации настоящего изобретения; и
на Фиг.22 приведен график, иллюстрирующий взаимосвязь значения, измеренного датчиком температуры, и количества теплоты, введенной нагревателем.
Подробное описание
[0015]
Далее со ссылкой на сопровождающие чертежи описаны варианты реализации настоящего изобретения. Однако необходимо понимать, что настоящее изобретение не ограничивается числовыми характеристиками объектов (номер, количество, уровень, диапазон и др.), которые указаны в приведенном далее описании вариантов его реализации, если явным образом не указано обратное, либо если это изобретение в плане теории явным образом не определено данными числовыми характеристиками. Кроме того, конструкции, этапы и т.п., которые указаны при рассмотрении приведенных далее вариантов, не обязательно являются существенными для настоящего изобретения, если явным образом не продемонстрировано обратное, либо если это изобретение в плане теории явным образом не определено этими конструкциями, этапами и т.п.
[0016]
Первый вариант реализации
Сначала со ссылкой на Фиг.1 - Фиг.9 будет описан первый вариант реализации настоящего изобретения.
[0017]
Конструкция термоэлектрического преобразователя
На Фиг.1 приведен схематичный общий вид, иллюстрирующий конструкцию каждого из термоэлектрических преобразователей 12 в силовом генераторе 10 (см. ниже описание с использованием Фиг.4), соответствующем первому варианту реализации настоящего изобретения. В примере, показанном на Фиг.1, термоэлектрический преобразователь 12 имеет форму призмы. Термоэлектрический преобразователь 12 на одном конце имеет часть 12а полупроводника n-типа и на другом конце - часть 12b полупроводника р-типа. Термоэлектрический преобразователь 12 дополнительно имеет часть 12с собственного полупроводника, находящуюся между частью 12а полупроводника n-типа и частью 12b полупроводника р-типа.
[0018]
На Фиг.2А и 2В приведены концептуальные схемы, на которых показана ширина запрещенной зоны в термоэлектрическом преобразователе 12, показанном на Фиг.1. На Фиг.2А и 2В по вертикальной оси отложена энергия электрона и по горизонтальной оси - расстояние L1 (см. Фиг.1) от торцевой поверхности 12aes термоэлектрического преобразователя 12, находящейся на стороне части 12а полупроводника n-типа (то есть, торцевой поверхности на стороне этой части 12а, противоположной ее стороне, находящейся у части 12с собственного полупроводника). Другая торцевая поверхность 12bes представляет собой торцевую поверхность части 12b полупроводника р-типа на стороне этой области, противоположной ее стороне, находящейся у части 12с собственного полупроводника.
[0019]
Как показано на Фиг.2А и 2В, в части 12а полупроводника n-типа уровень f Ферми находится в зоне проводимости, и в части 12b полупроводника р-типа уровень f Ферми находится в валентной зоне. В части 12с собственного полупроводника уровень f Ферми находится в середине запрещенной зоны, существующей между зоной проводимости и валентной зоной. Ширина запрещенной зоны соответствует разности энергий в верхней части валентной зоны и нижней части зоны проводимости. Как можно видеть на этих чертежах, ширина запрещенной зоны в части 12с собственного полупроводника термоэлектрического преобразователя 12 меньше соответствующей ширины запрещенной зоны в части 12а полупроводника n-типа и части 12b полупроводника р-типа. Отметим, что соотношение длин части 12а полупроводника n-типа, части 12b полупроводника р-типа и части 12с собственного полупроводника, показанных на Фиг.2А и 2В, является всего лишь примером, и это отношение может меняться в зависимости от того, как изготовлен термоэлектрический преобразователь (полупроводниковый монокристалл) 12. Ширину запрещенной зоны в части 12а полупроводника n-типа, части 12b полупроводника р-типа и части 12с собственного полупроводника можно измерить, например, при помощи обратной фотоэлектронной спектроскопии.
[0020]
8
8
38
Термоэлектрический преобразователь (полупроводниковый монокристалл) 12, имеющий указанные выше характеристики (то есть, ширину запрещенной зоны в части 12с собственного полупроводника, которая меньше соответствующей ширины запрещенной зоны в части 12а полупроводника n-типа и части 12b полупроводника р-типа) может состоять, например, из клатрата (соединения включения). В качестве примера клатрата можно привести клатрат кремния BaAuSi.
[0021]
8
8
38
8
8
38
8
8
38
8
8
38
8
8
38
8
8
38
Термоэлектрический преобразователь 12, соответствующий данному варианту, можно изготовить при помощи любого способа, пока этот способ позволяет получить этот преобразователь 12 с указанными выше характеристиками. Если термоэлектрический преобразователь 12 состоит, например, из клатрата кремния BaAuSi, например, можно использовать способ, подробно описанный в международной публикации WO 2015125823 А1. В общих чертах этот способ можно описать следующим образом. А именно, порошок Ва, порошок Au и порошок Si отмеривают путем взвешивания в соотношении (молярном соотношении) 8:8:38. Взвешенные порошки сплавляют вместе при помощи дуговой плавки. Затем расплав охлаждают, чтобы получить слиток из клатрата кремния BaAuSi. Слиток из клатрата кремния BaAuSi, полученный таким образом, измельчают с получением гранул. Гранулы клатрата кремния BaAuSi плавят в тигле по методу Чохральского, что позволяет получить монокристалл клатрата кремния BaAuSi. Термоэлектрический преобразователь 12, показанный на Фиг.1, изготавливают путем обработки резанием полученного таким образом монокристалла клатрата кремния BaAuSi с созданием призмы (если говорить более конкретно - прямоугольного параллелепипеда). Форма термоэлектрического преобразователя не ограничивается призмой, и он может иметь любую требуемую форму, получаемую при обработке монокристалла резанием, например, куба или цилиндра. Например, термоэлектрический преобразователь может быть изготовлен таким образом, что наложены одна на другу тонкие пластины части 12а полупроводника n-типа, части 12с собственного полупроводника и части 12b полупроводника р-типа.
[0022]
Принцип выработке мощности
На Фиг.2А приведена концептуальная схема, иллюстрирующая термическое возбуждение термоэлектрического преобразователя 12 при его нагреве до заранее определенной температуры. Если термоэлектрический преобразователь 12 нагревают до температуры Т0 (см. ниже рассмотрение Фиг.3) или выше, электроны (показанные черными точками) в валентной зоне возбуждаются теплотой с переходом в зону проводимости, как показано на Фиг.2А. Если говорить более конкретно, если вводится теплота, и в результате этого в электрон, находящийся в верхней части валентной зоны, вводится энергия, превышающая ширину запрещенной зоны, электрон возбуждается с переходом в зону проводимости. В процессе увеличения температуры термоэлектрического преобразователя 12 может возникать ситуация, при которой такое термическое возбуждение электронов происходит только в части 12с собственного полупроводника, которая имеет относительно небольшую ширину запрещенной зоны. На Фиг.2А показано состояние термоэлектрического преобразователя 12, когда он нагрет до заранее определенной температуры (например, температуры Т0), которая делает такую ситуацию возможной. В этом состоянии не происходит термического возбуждения электронов в части 12а полупроводника n-типа и части 12b полупроводника р-типа, которые имеют относительно бóльшую ширину запрещенной зоны.
[0023]
На Фиг.2В приведена концептуальная схема, иллюстрирующая перемещение электрона (показанного черной точкой) и дырки (показанной белой точкой) при нагреве термоэлектрического преобразователя 12 до указанной выше заранее определенной температуры. Как показано на Фиг.2В, электроны, возбужденные с переходом в зону проводимости, перемещаются в направлении области с более низкой энергией, то есть, в направлении части 12а полупроводника n-типа. С другой стороны, дырки, возникшие в валентной зоне в результате возбуждения электронов, перемещаются в направлении области с более высокой энергией, то есть, в направлении части 12b полупроводника р-типа. При этом носители распределяются неравномерно, в результате чего часть 12а полупроводника n-типа заряжается отрицательно, а часть 12b полупроводника р-типа заряжается положительно, и, таким образом, между этими областями возникает электродвижущая сила. Таким образом, термоэлектрический преобразователь 12 может вырабатывать мощность, даже если между частью 12а полупроводника n-типа и частью 12b полупроводника р-типа отсутствует разность температур. Этот принцип выработке мощности отличается от эффекта Зеебека, при котором электродвижущая сила возникает на основе разности температур.
[0024]
На Фиг.3 приведен график, иллюстрирующий взаимосвязь между фактической электродвижущей силой Vta и температурой термоэлектрического преобразователя 12. Термин "фактическая электродвижущая сила Vta", возникающая в термоэлектрическом преобразователе 12, здесь относится к измеренному значению электродвижущей силы Vt, которая представляет собой создаваемую разность потенциалов, при которой в термоэлектрическом преобразователе 12 между его краевой частью на стороне части 12b полупроводника р-типа, служащей в качестве положительного электрода, и краевой частью на стороне части 12а полупроводника n-типа, служащей в качестве отрицательного электрода, не протекает электрический ток. Если говорить более конкретно, взаимосвязь, показанная на Фиг.3, представляет собой температурную зависимость электродвижущей силы, возникающей, когда термоэлектрический преобразователь 12 нагревают таким образом, что между частью 12а полупроводника n-типа и частью 12b полупроводника р-типа не возникает разности температур. Отметим, что диапазон температур, в котором возникает фактическая электродвижущая сила Vta, различается в зависимости от химического состава термоэлектрического преобразователя 12.
[0025]
Как показано на Фиг.3, фактическая электродвижущая сила Vta возникает, когда термоэлектрический преобразователь 12 нагрет до температуры Т0 или выше. Если говорить более конкретно, по мере увеличения температуры термоэлектрического преобразователя 12, фактическая электродвижущая сила Vta также увеличивается. Как можно видеть из этой зависимости, электродвижущая сила в термоэлектрическом преобразователе 12 зависит от его температуры. Возможной причиной того, почему фактическая электродвижущая сила Vta увеличивается с увеличением температуры, как показано на Фиг.3, является то, что по мере увеличения количества вводимой теплоты увеличивается количество электронов и дырок, которые могут возбуждаться в части 12с собственного полупроводника, имеющей относительно небольшую ширину запрещенной зоны. Как показано на Фиг.3, фактическая электродвижущая сила Vta достигает пиковой величины при определенной температуре Т1 и снижается при дальнейшем нагреве термоэлектрического преобразователя 12 после температуры Т1. Возможной причиной этого является то, что, по мере увеличения температуры термоэлектрического преобразователя 12, происходит термическое возбуждение электронов и дырок не только в части 12с собственного полупроводника, но также и в части 12а полупроводника n-типа и части 12b полупроводника р-типа.
[0026]
Место установки модуля термоэлектрических преобразователей, соответствующего первому варианту
Мощность можно вырабатывать, если термоэлектрический преобразователь 12, имеющий описанную выше конструкцию, установлен в месте, куда передается теплота, отводимая из теплогенерирующего устройства. Однако термоэлектрический преобразователь 12 не используется один, если он установлен в этом месте. Из термоэлектрического преобразователя 12 вместе с другими элементами (например, электродом) создают модуль термоэлектрических преобразователей, который используют в дальнейшем. Поэтому используемый здесь термин "модуль термоэлектрических преобразователей" относится к узлу из полупроводникового монокристалла и элементов (например, электрода), позволяющих полупроводниковому монокристаллу работать как термоэлектрический преобразователь.
[0027]
На Фиг.4 схематично показана конструкция модуля 14 термоэлектрических преобразователей в силовом генераторе 10, соответствующем первому варианту реализации настоящего изобретения. В качестве примера, модуль 14 термоэлектрических преобразователей, соответствующий данному варианту, применяется в транспортном средстве, включающем двигатель внутреннего сгорания. В данном варианте двигатель внутреннего сгорания представляет собой указанное выше "теплогенерирующее устройство". Если говорить более подробно, двигатель внутреннего сгорания - это одно из теплогенерирующих устройств, которые создают теплоту при работе.
[0028]
Если говорить более конкретно, модуль 14 термоэлектрических преобразователей установлен на внешней поверхности 16а выхлопной трубы 16 двигателя внутреннего сгорания, как показано на Фиг.4. Теплота, передаваемая из внутреннего пространства выхлопной трубы 16 наружу за счет теплопроводности, поглощается в модуле 14 термоэлектрических преобразователей, установленном на внешней поверхности 16а, и преобразуется этим модулем в электрическую мощность. То есть, при использовании модуля 14 термоэлектрических преобразователей теплота, отводимая из двигателя внутреннего сгорания, являющегося теплогенерирующим устройством, может быть извлечена как электрическая мощность. В дополнение к этому, место установки модуля термоэлектрических преобразователей, соответствующего настоящему изобретению, конкретным образом не ограничивается, пока оно является местом, в которое передается теплота, отводимая из теплогенерирующего устройства. Если говорить более подробно, если, например, модуль 14 термоэлектрических преобразователей применяется в транспортном средстве, этот модуль может быть обеспечен для другого теплогенерирующего устройства, которое при работе создает теплоту, например, трансмиссии, аккумулятора или тормозной системы, вместо двигателя внутреннего сгорания. Помимо этого, в качестве описанных позднее шестого и седьмого вариантов, модуль 14 термоэлектрических преобразователей также может быть установлен в канале протекания, в котором течет текучая среда, предназначенная для извлечения отводимой теплоты, в которую извлечена теплота, отведенная из теплогенерирующего устройства.
[0029]
Конструкция модуля термоэлектрических преобразователей
На Фиг.5 в изометрии схематично показана внутренняя структура модуля 14 термоэлектрических преобразователей, показанного на Фиг.4. В дополнение к этому, на Фиг.5 для облегчения рассмотрения конструкции термоэлектрических преобразователей 12, часть 12а полупроводника n-типа и часть 12b полупроводника р-типа в таком преобразователе различаются по цвету. Часть 12с собственного полупроводника находится между частью 12а полупроводника n-типа и частью 12b полупроводника р-типа, которые различаются по цвету. Это также справедливо для Фиг.14, 16, 17 и 20, рассмотренных позднее.
[0030]
Как показано на Фиг.5, в состав модуля 14 термоэлектрических преобразователей входит множество термоэлектрических преобразователей 12. Если говорить более конкретно, в состав модуля 14 термоэлектрических преобразователей входит комплект 18 преобразователей, представляющий собой комплект, состоящий из множества термоэлектрических преобразователей 12. В комплекте 18 преобразователей соседние термоэлектрические преобразователи 12 соединены друг с другом последовательно через расположенный между ними электрод 20. Электроды 20 могут состоять из металла, например, меди, который имеет низкое электрическое сопротивление. Если говорить более подробно, чтобы гарантировать беспрепятственное протекание электрического тока при увеличении до максимума разности потенциалов между электродами 20, каждый из этих электродов соединяет друг с другом краевую область 12ае (см. Фиг.1) части 12а полупроводника n-типа на стороне этой области, являющейся противоположной ее стороне, находящейся у части 12с собственного полупроводника, в одном термоэлектрическом преобразователе 12 и краевую область 12bе (см. Фиг.1) части 12b полупроводника р-типа на стороне этой области, являющейся противоположной ее стороне, находящейся у части 12с собственного полупроводника, в другом термоэлектрическом преобразователе 12. Другими словами, каждый из электродов 20 соединяет друг с другом части, имеющие наибольшую ширину запрещенной зоны.
[0031]
Комплект 18 преобразователей помещен в корпус 22 (на Фиг.5 изображена только часть стенки 22а). Корпус 22 прикреплен к внешней поверхности 16а выхлопной трубы 16 при помощи крепежного средства, которое не показано. Корпус 22 имеет высокую теплопроводность. Кроме того, внешняя сторона корпуса 22 изолирована от его внутреннего пространства. В данном варианте модуль 14 термоэлектрических преобразователей получен из множества термоэлектрических преобразователей 12 и электродов 20 (то есть, в виде комплекта 18 преобразователей), а также корпуса 22, в котором они находятся. Теплота от выхлопной трубы 16 передается через стенку 22а корпуса 22 в каждый из термоэлектрических преобразователей 12 комплекта 18 преобразователей. Однако, в зависимости от среды, в которой установлен модуль 14 термоэлектрических преобразователей, корпус 22 можно исключить.
[0032]
В дополнение к этому, число термоэлектрических преобразователей 12, которые включает модуль 14 термоэлектрических преобразователей, показанный на Фиг.5, является всего лишь примером. Может быть соединено последовательно или параллельно большее число термоэлектрических преобразователей 12. Помимо этого, если термоэлектрический преобразователь 12 вырабатывает достаточную мощность, модуль 14 термоэлектрических преобразователей может включать один такой преобразователь 12. То есть, число термоэлектрических преобразователей 12, включенных в состав модуля 14 термоэлектрических преобразователей, определяется на основе того, какую электрическую мощность должен вырабатывать этот модуль, и какую электрическую мощность может вырабатывать один такой преобразователь.
[0033]
Конструкция силового генератора
Силовой генератор 10 представляет собой устройство, в котором используются возможности описанного выше модуля 14 термоэлектрических преобразователей. Как показано на Фиг.4 и 5, силовой генератор 10, соответствующий данному варианту, кроме модуля 14 термоэлектрических преобразователей, включает электрическую цепь 24 и электронный модуль 26 управления (ECU). Электрические провода 28, предназначенные для отбора электрической мощности из модуля 14 термоэлектрических преобразователей, идут от термоэлектрических преобразователей 12, находящихся на двух концах комплекта 18 преобразователей.
[0034]
Указанные выше электрические провода 28 соединены с внешним нагрузочным устройством 30, в результате чего возникает электрическая цепь 24. Когда модуль 14 термоэлектрических преобразователей принимает поступающую теплоту, этот модуль начинает вырабатывать электрическую мощность. Как неоднократно сказано, для выработке электрической мощности термоэлектрическим преобразователем 12 не требуется разность температур. Таким образом, модуль 14 термоэлектрических преобразователей принимает поступающую теплоту и вырабатывает электрическую мощность даже в среде без разности температур. Согласно описанному выше принципу выработке мощности термоэлектрическим преобразователем 12, часть 12b полупроводника р-типа служит в качестве положительного электрода, и часть 12а полупроводника n-типа служит в качестве отрицательного электрода. Таким образом, электрический ток, обусловленный электродвижущей силой, созданной при выработке мощности, течет в направлении от области р-типа к области n-типа, как показано на Фиг.5.
[0035]
Нагрузочное устройство 30 представляет собой устройство, использующее электрическую энергию. Например, этому типу нагрузочного устройства 30 соответствуют электрические компоненты транспортного средства (такие как фары или кондиционер воздуха), электрический мотор или аккумулятор, хранящий электрическую энергию. С ними соединен переключатель 32, предназначенный для размыкания и замыкания электрической цепи 24. Размыканием и замыканием переключателя 32 управляет ECU 26. То есть, ECU 26 обеспечивает возникновение или исчезновение электрического тока, протекающего в электрической цепи 24. В дополнение к этому, с нагрузочным устройством 30, кроме переключателя 32, может быть последовательно соединен регулятор тока (например, переменное сопротивление). При наличии регулятора тока этого типа, электрический ток, протекающий в электрической цепи 24, то есть, электрический ток, созданный в этой цепи модулем 14 термоэлектрических преобразователей, можно менять путем изменения величины переменного сопротивления. Таким образом, электрической мощностью, подаваемой в нагрузочное устройство 30 из модуля 14 термоэлектрических преобразователей, можно управлять более точным образом.
[0036]
ECU 26 снабжен, по меньшей мере, одним запоминающим устройством 26а и, по меньшей мере, одним процессором 26b. В запоминающем устройстве 26а хранятся различные данные, включая программы и таблицы соответствия, используемые для управления извлечением отводимой теплоты. Функции ECU 26 по управлению извлечением отводимой теплоты реализованы на основе чтения программ из запоминающего устройства 26а и исполнения их процессором 26b.
[0037]
Конструкция устройства обнаружения неисправности
При наличии только что описанного силового генератора 10, в котором используются термоэлектрические преобразователи 12, выработку мощности можно выполнять без необходимости существования разности температур. При использовании этого типа силового генератора 10, если возникает неисправность во входящих в него компонентах, например, термоэлектрическом преобразователе 12 или электроде 20, существует вероятность того, что электрическая мощность не будет вырабатываться на предполагаемом уровне. Поэтому система, соответствующая данному варианту, снабжена устройством 40 для обнаружения неисправности, предназначенным для обнаружения неисправности силового генератора 10. Устройство 40 для обнаружения неисправности снабжено описанным выше ECU 26, множеством датчиков 34 температуры (например, термопарами), множеством датчиков 36 электрического напряжения и датчиком 38 электрического тока. Таким образом, ECU 26 не только является устройством управления, предназначенным для управления извлечением отводимой теплоты, но также служит в качестве основного компонента устройства 40 для обнаружения неисправности. В дополнение к этому, ECU, используемый для управления извлечением отводимой теплоты, и ECU, входящий в состав устройства 40 для обнаружения неисправности, могут быть обеспечены по отдельности.
[0038]
Определение (измерение или оценка) температур в термоэлектрическом преобразователе в трех точках
На Фиг.6 приведена схема, используемая для описания тех областей в каждом из термоэлектрических преобразователей 12, в которых измеряют температуры. Измерение температуры в каждом термоэлектрическом преобразователе 12 выполняют в трех разных точках, показанных на Фиг.6 окружностями. Эти температуры в трех точках представляют собой температуру Ti в части 12с собственного полупроводника, в которой ширина запрещенной зоны является наименьшей, температуру Tn на торцевой поверхности 12aes части 12а полупроводника n-типа и температуру Tp на торцевой поверхности 12bes части 12b полупроводника р-типа.
[0039]
Для измерения или оценки температур в указанных трех точках в каждом термоэлектрическом преобразователе 12, входящем в состав модуля 14 термоэлектрических преобразователей, установлено множество указанных выше датчиков 34 температуры. Если говорить более конкретно, как показано на Фиг.5, некоторые из датчиков 34 температуры прикреплены к поверхностям частей 12с собственного полупроводника термоэлектрических преобразователей 12. Некоторые из датчиков 34 температуры также прикреплены к электродам 20. Каждый из электродов 20, состоящих из металла, имеет высокую теплопроводность. Соответственно, в примере, показанном на Фиг.5, если рассматривать часть 12а полупроводника n-типа и часть 12b полупроводника р-типа, которые являются соседними и между которыми расположен электрод 20 (то есть, не те области 12а и 12b, которые находятся на двух концах комплекта 18 преобразователей), температуру Tn на торцевой поверхности 12aes и температуру Tp на торцевой поверхности 12bes принимают равной температуре соответствующего электрода 20. Помимо этого, если рассматривать часть 12а полупроводника n-типа и часть 12b полупроводника р-типа, которые находятся на двух концах комплекта 18 преобразователей, датчики 34 температуры также прикреплены к краевой области 12ае части 12а полупроводника n-типа и краевой области 12be части 12b полупроводника р-типа.
[0040]
Помимо этого, для соответствующих термоэлектрических преобразователей 12, входящих в комплект 18 преобразователей, обеспечено множество указанных выше датчиков 36 электрического напряжения для измерения электрических напряжений на двух концах каждого термоэлектрического преобразователя 12 (на Фиг.5 изображен только один из датчиков 36 электрического напряжения). Датчик 38 электрического тока измеряет электрический ток, протекающий в электрической цепи 24 (изображен только на Фиг.5).
[0041]
На Фиг.7 показаны распределение температуры и распределение значений ширины запрещенной зоны в термоэлектрическом преобразователе 12 в направлении, перпендикулярном торцевой поверхности этого преобразователя (далее для удобства пояснения называемом "направлением L1", в этом направлении измеряется расстояние L1). Распределение температуры, показанное на Фиг.7, является примером, в котором температура Ti в части 12с собственного полупроводника выше температуры Tn на торцевой поверхности 12aes и температуры Тр на торцевой поверхности 12bes. Распределение значений ширины запрещенной зоны в термоэлектрическом преобразователе 12 совпадает с показанным на Фиг.2А и 2В. Если говорить более конкретно, распределение значений ширины запрещенной зоны в термоэлектрическом преобразователе 12, используемом в настоящем изобретении, определяется конкретной структурой этого преобразователя. Однако основная характеристика, а именно то, что ширина запрещенной зоны является наименьшей в части 12с собственного полупроводника и наибольшей в части 12а полупроводника n-типа и части 12b полупроводника р-типа, является общей и не зависит от структуры термоэлектрического преобразователя 12.
[0042]
Фактическая электродвижущая сила Vta в термоэлектрическом преобразователе 12 зависит от его температуры, как рассмотрено со ссылкой на Фиг.3. Однако, если распределение значений ширины запрещенной зоны изменяется (то есть, имеются другие значения в каждом месте, если рассматривать направление L1), фактическая электродвижущая сила Vta изменяется. Если говорить более конкретно, при одной и той же температуре, чем меньше ширина запрещенной зоны, тем более эффективным образом происходит описанное выше термическое возбуждение электронов. Согласно описанному выше принципу выработке мощности, если рассматривать часть 12с собственного полупроводника, небольшая ширина запрещенной зоны обуславливает увеличение электродвижущей силы Vta. С другой стороны, если рассматривать торцевую поверхность 12aes части 12а полупроводника n-типа и торцевую поверхность 12bes части 12b полупроводника р-типа, небольшая ширина запрещенной зоны обуславливает уменьшение электродвижущей силы Vta.
[0043]
Исходя из описанного выше, обнаружено, что фактическая электродвижущая сила Vta в термоэлектрическом преобразователе 12 зависит от распределения температур в направлении L1 и распределения значений ширины запрещенной зоны. Так как распределение значений ширины запрещенной зоны, как описано выше, зависит от структуры термоэлектрического преобразователя 12 (полупроводникового монокристалла), это распределение можно прогнозировать заранее. Как показано на Фиг.7 пунктирной линией, распределение температур можно приблизительно спрогнозировать, исходя из температур Ti, Tn, Тр в трех точках.
[0044]
Соответственно, в данном варианте расчетное значение электродвижущей силы Vt (далее называемое "расчетной электродвижущей силой Vte) вычисляют на основе температур в указанных трех точках при помощи таблицы соответствия, которая задает взаимосвязь между температурами Ti, Tn, Тр в трех точках и электродвижущей силой Vt в термоэлектрическом преобразователе 12. Расчетная электродвижущая сила Vte представляет собой номинальное значение электродвижущей силы Vt, возникновение которого ожидается при температурах Ti, Tn, Тр в определенных трех точках.
[0045]
На Фиг.8 приведено графическое представление таблицы соответствия, используемой для вычисления расчетной электродвижущей силы Vte. Эта таблица соответствия используется для вычисления расчетной электродвижущей силы Vte на основе температур Ti, Tn, Тр в трех точках, в ходе чего силу и температуру откладывают на осях. На Фиг.8 эта таблица соответствия представлена в двумерном виде, при этом на осях откладывают температуру Ti и расчетную электродвижущую силу Vte. На Фиг.8 в качестве примера показаны два значения расчетной электродвижущей силы Vte из таблицы соответствия, определяемые температурами Ti, Tn, Tp в трех точках. Этот тип таблицы соответствия может быть получен заранее путем экспериментального измерения фактической электродвижущей силы Vta в термоэлектрическом преобразователе 12 при изменении температур Ti, Tn, Tp в трех точках. Помимо этого, при использовании способа этого типа, таблицу соответствия получают с учетом влияния на нее распределения (см. Фиг.7) значений ширины запрещенной зоны в используемом термоэлектрическом преобразователе 12.
[0046]
В дополнение к указанному выше нужно сказать, что три точки измерения температуры, используемые для таблицы соответствия, соответствуют области, в которой ширина запрещенной зоны является наименьшей в термоэлектрическом преобразователе 12 (то есть, части 12с собственного полупроводника), и двум областям, в которых ширина запрещенной зоны является наибольшей (то есть, торцевые поверхности 12aes и 12bes). Таким образом, каждая из точек измерения температуры, в частности, характеризуется значительным влиянием на возникающую фактическую электродвижущую силу Vta. Поэтому при использовании температур Ti, Tn, Tp в трех точках этого типа можно точным образом спрогнозировать распределение температур в термоэлектрическом преобразователе 12, и, как результат, можно точным образом спрогнозировать расчетную электродвижущую силу Vte. В дополнение к этому, взаимосвязь между температурами Ti, Tn, Tp в трех точках и расчетной электродвижущей силой Vte не обязательно задавать в виде таблицы соответствия, и ее можно задавать, например, как формулу вычисления.
[0047]
Проблема с известным способом обнаружения неисправности
Известен следующий способ обнаружения неисправности в термоэлектрическом преобразователе на основе эффекта Зеебека. А именно, при использовании силового генератора, снабженного термоэлектрическим преобразователем, в котором используется эффект Зеебека, электродвижущую силу создают за счет обеспечения ощутимой разности температур на двух сторонах этого преобразователя. Таким образом, при использовании этого типа известного силового генератора, создав в термоэлектрическом преобразователе на одной стороне более высокую температуру, в одной точке на торцевой поверхности, и на другой стороне более низкую температуру, в другой точке на торцевой поверхности, можно оценить электродвижущую силу в этом преобразователе, а также в модуле термоэлектрических преобразователей. Кроме этого, сравнив расчетную электродвижущую силу с фактической электродвижущей силой, которая измерена, можно обнаружить неисправность силового генератора.
[0048]
В термоэлектрическом преобразователе, в котором используется эффект Зеебека, выработке мощности не происходит в состоянии, когда температуры на двух концах равны. Таким образом, при использовании описанного выше способа оценки, в состоянии, когда температуры на двух концах равны, электродвижущая сила оценивается как нулевая. С другой стороны, при использовании термоэлектрического преобразователя 12 по данному варианту, принцип выработке им мощности отличается от принципа в термоэлектрическом преобразователе, в котором используется эффект Зеебека, и мощность можно вырабатывать в зависимости от температуры этого преобразователя, как показано на Фиг.3, даже если температуры Tn и Тр на двух концах равны. Поэтому можно сказать, что известный способ оценки не позволяет точным образом оценить электродвижущую силу Vt в термоэлектрическом преобразователе 12 по данному варианту в состоянии, когда температуры на двух концах равны.
[0049]
В отличие от описанного выше, при использовании способа, соответствующего данному варианту, который описан со ссылкой на Фиг.6 - Фиг.8, можно вычислить расчетную электродвижущую силу Vte с использованием температур Ti, Tn, Tp в трех точках. Поэтому в силовом генераторе 10, снабженном термоэлектрическими преобразователями 12 (то есть, модулем 14 термоэлектрических преобразователей), в основе которых лежит принцип выработке мощности, соответствующий данному варианту, расчетную электродвижущую силу Vte можно вычислить точным образом.
[0050]
Конкретный процесс обнаружения неисправности, соответствующий первому варианту
На Фиг.9 приведена блок-схема примерной программы обнаружения неисправности, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения. Выполнение этой программы начинается при температуре, при которой модуль 14 термоэлектрических преобразователей может вырабатывать мощность в результате ввода теплоты из теплогенерирующего устройства (в этом примере - двигателя внутреннего сгорания). Помимо этого, предполагается, что данная программа выполняется для каждого термоэлектрического преобразователя 12 в модуле 14 термоэлектрических преобразователей.
[0051]
Согласно программе, показанной на Фиг.9, сначала ECU 26 получает температуры в трех точках термоэлектрического преобразователя 12, являющегося объектом определения (то есть, температуру Ti в части 12с собственного полупроводника, температуру Tn на торцевой поверхности 12aes части 12а полупроводника n-типа и температуру Tр на торцевой поверхности 12bes части 12b полупроводника р-типа) (этап S100). Если говорить более подробно, в качестве температуры в каждой из трех точек, измеряют температуру в том месте, где прикреплен датчик 34 температуры. Кроме того, температуры Tn и Тр на торцевых поверхностях 12aes и 12bes, расположенных рядом с электродом 20, принимают равными температуре этого электрода, измеренной с использованием одного датчика 34 температуры. Кроме того, температуры Tn и Тр на торцевых поверхностях 12aes и 12bes, расположенных рядом с электродом 20, также можно измерить с использованием соответствующих разных датчиков 34 температуры.
[0052]
Затем ECU 26 вычисляет расчетную электродвижущую силу Vte в термоэлектрическом преобразователе 12, являющемся объектом определения. (этап S102). В ECU 26 хранится таблица соответствия, описанная со ссылкой на Фиг.8. На этапе S102 расчетная электродвижущая сила Vte, соответствующая температурам в трех точках, полученным на этапе S100, вычисляется с обращением к таблице соответствия этого типа.
[0053]
Затем ECU 26 измеряет фактическую электродвижущую силу Vta в термоэлектрическом преобразователе 12, являющемся объектом определения (этап S104). Например, фактическая электродвижущая сила Vta может быть измерена с использованием датчика 36 электрического напряжения при разомкнутом переключателе 32.
[0054]
Затем ECU 26 проверяет, является ли абсолютное значение разности (Vte - Vta) расчетной электродвижущей силы Vte и фактической электродвижущей силы Vta, полученных, соответственно, на этапах S102 и S104, меньше или равным некоторому пороговому значению (этап S106). Это пороговое значение представляет собой значение, определенное заранее как верхний предел значений, предполагаемых в качестве расхождения между расчетной электродвижущей силой Vte и фактической электродвижущей силой Vta. В данном варианте при выполнении этапа S106 проверяется, является ли степень отклонения фактической электродвижущей силы Vta от расчетной электродвижущей силы Vte больше или равной первому пороговому значению. В дополнение к этому, не обязательно проверять, является ли степень этого отклонения больше или равной первому пороговому значению, используя разность расчетной электродвижущей силы Vte и фактической электродвижущей силы Vta, и ее можно проверять, например, путем сравнения с некоторым пороговым значением отношения фактической электродвижущей силы Vta к расчетной электродвижущей силе Vte. Это справедливо также и для рассмотренных далее проверок, выполняемых на этапах S204, S308 и S404.
[0055]
Если результат определения на этапе S106 является положительным, то есть, если абсолютное значение упомянутой разности (Vte - Vta) электродвижущих сил меньше или равно указанному выше пороговому значению, тогда ECU 26 определяет, что в термоэлектрическом преобразователе 12, являющемся объектом определения, неисправности не возникло (S108). В дополнение к этому, если в результате выполнения данной программы для всех термоэлектрических преобразователей 12 в модуле 14 термоэлектрических преобразователей не распознана неисправность ни в одном из этих преобразователей, можно определить, что неисправности не возникло в силовом генераторе 10.
[0056]
С другой стороны, если результат определения на этапе S106 является отрицательным, то есть, если абсолютное значение упомянутой разности (Vte - Vta) больше указанного выше порогового значения, тогда ECU 26 определяет, что в термоэлектрическом преобразователе 12, являющемся объектом определения, возникла неисправность (этап S110). Таким образом, обнаруживается неисправность силового генератора 10.
[0057]
Согласно только что описанной программе обнаружения неисправности, показанной на Фиг.9, если фактическая электродвижущая сила Vta отклоняется от расчетной электродвижущей силы Vte, полученной на основе температур Ti, Tn, Tp в трех точках термоэлектрического преобразователя 12, с выходом за пределы диапазона предполагаемого их расхождения, на основе того, что обнаружена неисправность в термоэлектрическом преобразователе 12, являющемся объектом определения, считается, что имеется неисправность силового генератора 10. Как описано выше, при помощи процесса обнаружения неисправности, в котором используется расчетная электродвижущая сила Vte, полученная на основе температур в трех точках, можно точным образом обнаруживать неисправность силового генератора 10, снабженного термоэлектрическими преобразователями 12, которые могут вырабатывать мощность даже при отсутствии разности температур.
[0058]
В дополнение к этому, в описанном выше первом варианте "средство измерения температуры", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этап S100; "средство вычисления расчетного выходного параметра", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этап S102; "средство измерения фактического выходного параметра", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этап S104; и "средство обнаружения неисправности", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этапы S106 - S110. Кроме того, температура Tn на торцевой поверхности 12aes части 12а полупроводника n-типа представляет собой "температуру краевой области n-типа", соответствующую настоящему изобретению; температура Tp на торцевой поверхности 12bes части 12b полупроводника p-типа представляет собой "температуру краевой области р-типа", соответствующую настоящему изобретению; температура Ti части 12с собственного полупроводника представляет собой "температуру собственной области", соответствующую настоящему изобретению; и определение на этапе S106 представляет собой "первое определение", соответствующее настоящему изобретению. Помимо этого, температура краевой области n-типа не обязательно должна быть представлена температурой Tn на торцевой поверхности 12aes, и может определяться в другом месте, пока это позволяет получить температуру краевой области 12ае (то есть, на торцевой поверхности 12aes и области поблизости от нее). Это также справедливо для температуры краевой области р-типа. Помимо этого, чтобы получить температуры в трех точках термоэлектрического преобразователя 12, вместо упомянутых датчиков 34 температуры можно использовать, например, тепловизор.
[0059]
Второй вариант реализации
Далее со ссылкой на Фиг.10 и 11 будет описан второй вариант реализации настоящего изобретения. Как и в первом варианте, обнаружение неисправности, соответствующее второму варианту, выполняется для силового генератора 10. Кроме того, аппаратная конфигурация устройства для обнаружения неисправности, соответствующего второму варианту, та же, что и у устройства 40 для обнаружения неисправности, соответствующего первому варианту. Это также справедливо для третьего и четвертого вариантов, которые описаны позднее.
[0060]
Конкретный процесс обнаружения неисправности, соответствующий второму варианту
Значение внутреннего сопротивления каждого из термоэлектрических преобразователей 12, входящих в состав модуля 14 термоэлектрических преобразователей, с течением времени может изменяться. Если значение внутреннего сопротивления термоэлектрического преобразователя 12 изменяется, то изменяется электрическая мощность, которую вырабатывает этот преобразователь (далее - "вырабатываемая электрическая мощность"), и в результате также изменяется электрическая мощность, вырабатываемая модулем 14 термоэлектрических преобразователей. В дополнение к этому, термин "вырабатываемая электрическая мощность", используемый в этой спецификации, означает электрическую мощность, отобранную из термоэлектрического преобразователя 12 или модуля 14 термоэлектрических преобразователей. То есть, электрическая мощность, расходуемая из-за внутреннего сопротивления термоэлектрического преобразователя 12, не включена в "вырабатываемую электрическую мощность" этого преобразователя. Это также справедливо для модуля 14 термоэлектрических преобразователей.
[0061]
Если электрическая мощность, вырабатываемая термоэлектрическим преобразователем 12, изменяется в связи с изменением его внутреннего сопротивления, имеется вероятность того, что фактическая вырабатываемая электрическая мощность (далее называемая "фактической вырабатываемой электрической мощностью Pta") может выйти за пределы своего нормального диапазона, даже когда фактическая электродвижущая сила Vta находится в пределах своего нормального диапазона. Соответственно, в данном варианте обнаружение неисправности силового генератора 10 выполняют путем сравнения фактической вырабатываемой электрической мощности Pta с расчетной вырабатываемой электрической мощностью Pte для каждого преобразователя. Упомянутая расчетная вырабатываемая электрическая мощность Pte представляет собой вырабатываемую электрическую мощность, которую оценивают на основе расчетной электродвижущей силы Vte, полученной на основе температур Ti, Tn, Tp в упомянутых трех точках термоэлектрического преобразователя 12.
[0062]
На Фиг.10 приведена блок-схема примерной программы обнаружения неисправности, соответствующей второму варианту реализации настоящего изобретения. Выполнение этапов S100, S102, S108 и S110 в программе, показанной на Фиг.10, уже описано при рассмотрении первого варианта.
[0063]
Согласно программе, показанной на Фиг.10, ECU 26 вычисляет расчетную вырабатываемую электрическую мощность Pte термоэлектрического преобразователя 10, являющегося объектом определения, после вычисления на этапе S102 расчетной электродвижущей силы Vte (этап S200). На Фиг.11 показана эквивалентная схема силового генератора 10. Как показано на Фиг.11, эквивалентная схема силового генератора 10 представлена источником 42 питания постоянного тока, имеющим величину Vm напряжения, и двумя сопротивлениями 44 и 46, последовательно соединенными с этим источником. Величина Vm напряжения источника 42 питания постоянного тока представляет собой величину электродвижущей силы в модуле 14 термоэлектрических преобразователей.
[0064]
На Фиг.11 сопротивление 44 представляет собой внешнее сопротивление, и в силовом генераторе 10 соответствует сопротивлению нагрузочного устройства 30. Величина Ro сопротивления представляет собой величину внешнего сопротивления (сопротивления нагрузочного устройства) 44. Далее эта величина сопротивления называется "величиной Ro внешнего сопротивления". Сопротивление 46 представляет собой внутреннее сопротивление модуля 14 термоэлектрических преобразователей, и величина Rim представляет собой величину внутреннего сопротивления 46. Далее эта величина сопротивления называется "величиной Rim внутреннего сопротивления". Помимо этого, на Фиг.11 величина напряжения, приложенного к внешнему сопротивлению 44 представлена как Vim, и величина электрического тока, протекающего в электрической цепи 24, представлена как I. В дополнение к этому, в примере, в котором в электрической цепи 24 последовательно с нагрузочным устройством 30 установлено переменное сопротивление, сумма величины этого переменного сопротивления и величины Ro сопротивления равна величине внешнего сопротивления.
[0065]
В эквивалентной схеме, показанной на Фиг.11, величину Vim электрического напряжения, приложенного к внутреннему сопротивлению 46, можно выразить через величину Vm электродвижущей силы, величину Rim внутреннего сопротивления и величину Ro внешнего сопротивления, как показано приведенным ниже уравнением (2). Помимо этого, вырабатываемая электрическая мощность Pm (то есть, электрическая мощность, вырабатываемая модулем 14 термоэлектрических преобразователей, которая из него отбирается) представляет собой произведение величины Vo электрического напряжения, приложенного к внешнему сопротивлению 44, и величины I электрического тока (I=Vim/Rim). Как показано в уравнении (2), вырабатываемую электрическую мощность Pm можно выразить через величину Vm электродвижущей силы, величину Rim внутреннего сопротивления и величину Ro внешнего сопротивления, используя взаимосвязь в уравнении (1). В уравнении (2) величина Rim внутреннего сопротивления является известной величиной, которая определяется структурой модуля 14 термоэлектрических преобразователей. Величина Ro внешнего сопротивления является заданной величиной, которая определяется рабочим состоянием нагрузочного устройства 30.
(1)
(2)
[0066]
В модуле 14 термоэлектрических преобразователей термоэлектрические преобразователи 12 соединены последовательно. Таким образом, если расчетную электродвижущую силу в модуле 14 термоэлектрических преобразователей обозначить Vme, и число термоэлектрических преобразователей 12 в этом модуле обозначить N, то расчетную электродвижущую силу Vte в каждом термоэлектрическом преобразователе 12 можно вычислить, разделив расчетную электродвижущую силу Vme на число N преобразователей. Помимо этого, величину Rit внутреннего сопротивления каждого термоэлектрического преобразователя 12 можно вычислить, разделив величину Rim внутреннего сопротивления модуля 14 термоэлектрических преобразователей на число N преобразователей. Далее, если расчетную вырабатываемую электрическую мощность модуля 14 термоэлектрических преобразователей обозначить Pme, расчетную вырабатываемую электрическую мощность Pte каждого термоэлектрического преобразователя 12 можно вычислить, разделив расчетную вырабатываемую электрическую мощность Pme на число N преобразователей. Таким образом, расчетную вырабатываемую электрическую мощность Pte каждого термоэлектрического преобразователя 12 можно представить, как показано в приведенном ниже уравнении (3), в результате преобразования взаимосвязи в уравнении (2) для модуля 14 термоэлектрических преобразователей. В дополнение к этому, в уравнении (3) не учитывается величина сопротивления каждого электрода 20 в модуле 14 термоэлектрических преобразователей. В то же время, чтобы повысить точность вычисления расчетной вырабатываемой электрической мощности Pte, можно учитывать величину сопротивления каждого электрода 20.
(3)
[0067]
На этапе S200 расчетную вырабатываемую электрическую мощность Pte термоэлектрического преобразователя 12, являющегося объектом определения, вычисляют в соответствии с уравнением (3). Значение расчетной электродвижущей силы Vte, используемое при этом вычислении, представляет собой значение, вычисленное при выполнении этапа S100. Величина Rt внутреннего сопротивления термоэлектрического преобразователя 12 и число N преобразователей являются известными величинами. Способ определения величины Ro внешнего сопротивления (величины сопротивления нагрузочного устройства) конкретным образом не ограничивается. Одним способом определения величины Ro внешнего сопротивления является измерение электрического тока, протекающего в нагрузочном устройстве 30, и приложенного к ней напряжения, с последующим вычислением величины Ro сопротивления нагрузочного устройства на основе этих измерений. Другим способом определения величины Ro внешнего сопротивления является измерение величины внешнего сопротивления в каждом рабочем состоянии нагрузочного устройства 30, создание на основе результатов измерения таблицы соответствия, которая связывает величину сопротивления нагрузочного устройства 30 с его рабочим состоянием, с последующим сохранением этой таблицы в запоминающем устройстве.
[0068]
Затем ECU 26 измеряет фактическую вырабатываемую электрическую мощность Pta термоэлектрического преобразователя 12, являющегося объектом определения (этап S202). Способ определения фактической вырабатываемой электрической мощности Pta также конкретным образом не ограничивается. В качестве примера, на этапе S202 при помощи датчика 36 электрического напряжения измеряют электрическое напряжение на двух концах термоэлектрического преобразователя 12 в состоянии, когда переключатель 32 замкнут (то есть, в состоянии, когда термоэлектрический преобразователь 12 продолжает вырабатывать электрическую мощность). Помимо этого, величину I электрического тока, протекающего в термоэлектрическом преобразователе 12, измеряют при помощи датчика 38 электрического тока. Исходя из этого, как произведение этих измеренных значений, вычисляют фактическую вырабатываемую электрическую мощность Pta.
[0069]
Затем ECU 26 проверяет, является ли абсолютное значение разности (Pte - Pta) расчетной вырабатываемой электрической мощности Pte и фактической вырабатываемой электрической мощности Pta, вычисленных на этапах S200 и S202, меньше или равным некоторому пороговому значению (этап S204). Это пороговое значение представляет собой значение, определенное заранее как верхний предел значений, предполагаемых в качестве расхождения между расчетной вырабатываемой электрической мощностью Pte и фактической вырабатываемой электрической мощностью Pta. В данном варианте при выполнении этапа S204 проверяется, является ли степень отклонения фактической вырабатываемой электрической мощности Pta от расчетной вырабатываемой электрической мощности Pte больше или равной второму пороговому значению.
[0070]
Если результат определения на этапе S204 является положительным, то есть, если абсолютное значение упомянутой разности (Pte - Pta) вырабатываемых электрических мощностей меньше или равно указанному выше пороговому значению, тогда ECU 26 определяет, что в термоэлектрическом преобразователе 12, являющемся объектом определения, неисправности не возникло (S108). С другой стороны, если результат определения на этапе S204 является отрицательным, то есть, если абсолютное значение упомянутой разности (Pte - Pta) вырабатываемых электрических мощностей больше указанного выше порогового значения, тогда ECU 26 определяет, что в термоэлектрическом преобразователе 12, являющемся объектом определения, возникла неисправность (этап S110). Таким образом, обнаруживается неисправность силового генератора 10.
[0071]
Согласно только что описанной программе обнаружения неисправности, показанной на Фиг.10, если фактическая вырабатываемая электрическая мощность Pta отклоняется от расчетной вырабатываемой электрической мощности Pte, рассчитанной на основе расчетной электродвижущей силы Vte, полученной на основе температур Ti, Tn, Tp в трех точках термоэлектрического преобразователя 12, с выходом за пределы диапазона предполагаемого их расхождения, то на основе того, что обнаружена неисправность в термоэлектрическом преобразователе 12, являющемся объектом определения, считается, что имеется неисправность силового генератора 10. Помимо этого, способ этого типа позволяет, несмотря на то, что фактическая электродвижущая сила Vma в термоэлектрическом преобразователе 12 является нормальной, точным образом обнаруживать неисправность в виде отсутствия выработке нужной фактической вырабатываемой электрической мощности Pta из-за того, что величина Rit внутреннего сопротивления изменяется с течением времени.
[0072]
В качестве альтернативы, что касается процесса обнаружения неисправности в соответствии с первым вариантом, в основе которого лежит электродвижущая сила Vt в термоэлектрическом преобразователе 12, и процесса обнаружения неисправности в соответствии со вторым вариантом, в основе которого лежит вырабатываемая электрическая мощность Pt этого преобразователя, оба эти процесса можно выполнять последовательно, вместо того, чтобы выполнять только один из них. Тогда, если результат определения в любом из этих процессов обнаружения неисправности или в них обоих является положительным, можно считать, что в силовом генераторе 10 имеется неисправность. Помимо этого, при выполнении обоих процессов обнаружения неисправности можно также идентифицировать, связана ли неисправность силового генератора 10 с фактической электродвижущей силой Vta или с другим параметром, включая величину Rit внутреннего сопротивления.
[0073]
Помимо этого, в описанных выше первом и втором вариантах обнаружение неисправности выполняют для каждого термоэлектрического преобразователя 12 из всех имеющихся в модуле 14 термоэлектрических преобразователей. Однако обнаружение неисправности, выполняемое для каждого преобразователя, не обязательно выполнять для всех термоэлектрических преобразователей в модуле, и его можно выполнять для одного или некоторых термоэлектрических преобразователей в нем.
[0074]
В дополнение к этому, в описанном выше втором варианте "средство измерения температуры", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этап S100; "средство вычисления расчетного выходного параметра", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этапы S102 и S200; "средство измерения фактического выходного параметра", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этап S202; и "средство обнаружения неисправности", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этапы S108, S110 и S204. Кроме того, определение на этапе S204 представляет собой "второе определение", соответствующее настоящему изобретению.
[0075]
Третий вариант реализации
Далее со ссылкой на Фиг.12 будет описан третий вариант реализации настоящего изобретения.
[0076]
Конкретный процесс обнаружения неисправности, соответствующий третьему варианту
Процесс обнаружения неисправности, соответствующий данному варианту, имеет общее с процессом, соответствующим первому варианту, в том, что используется "электродвижущая сила V". Однако обнаружение неисправности, соответствующее данному варианту, выполняют для всего модуля при помощи способа, описанного ниже со ссылкой на Фиг.12, который рассчитан на модуль 14 термоэлектрических преобразователей в целом вместо отдельных термоэлектрических преобразователей 12.
[0077]
На Фиг.12 приведена блок-схема примерной программы обнаружения неисправности, соответствующей третьему варианту реализации настоящего изобретения. Как и в случае программы, показанной на Фиг.9, выполнение данной программы также начинается в состоянии, когда модуль 14 термоэлектрических преобразователей может вырабатывать электрическую мощность при вводе теплоты из теплогенерирующего устройства (в этом примере - двигателя внутреннего сгорания).
[0078]
В программе, показанной на Фиг.12, сначала ECU 26 получает температуры Ti, Tn, Tp в трех точках всех термоэлектрических преобразователей 12 в модуле 14 термоэлектрических преобразователей (этап S300). Конкретный способ измерения температур в трех точках является идентичным способу на этапе S100.
[0079]
Затем ECU 26 последовательно вычисляет оцененные электродвижущие силы Vte для всех термоэлектрических преобразователей 12 (этап S302). Если говорить конкретно, оцененные электродвижущие силы Vte для соответствующих термоэлектрических преобразователей 12 вычисляются последовательно при помощи таблицы соответствия, в которой задана взаимосвязь между температурами в трех точках и расчетной электродвижущей силой Vte, как на этапе S102.
[0080]
Затем ECU 26 вычисляет расчетную электродвижущую силу Vme для модуля 14 термоэлектрических преобразователей (этап S304). Модуль 14 термоэлектрических преобразователей создан путем непосредственного соединения термоэлектрических преобразователей 12. Таким образом, оцененная электродвижущая сила Vme в модуле 14 термоэлектрических преобразователей вычисляется путем суммирования оцененных электродвижущих сил Vte во всех термоэлектрических преобразователях 12, которые получены на этапе S302. В дополнение к этому, при этом вычислении расчетной электродвижущей силы Vme падение напряжения на каждом из электродов 20 не учитывается. Однако, чтобы обнаруживать неисправность более точным образом, расчетную электродвижущую силу Vme можно вычислять с учетом падения напряжения на каждом из электродов 20.
[0081]
Затем ECU 26 измеряет фактическую электродвижущую силу Vma в модуле 14 термоэлектрических преобразователей (этап S306). Фактическую электродвижущую силу Vma можно измерять, например, путем измерения электрического напряжения на двух концах каждого термоэлектрического преобразователя 12 в состоянии, когда переключатель 32 разомкнут, и суммирования измеренных значений, полученных таким образом. В качестве альтернативы, может быть обеспечен датчик электрического напряжения, предназначенный для измерения электрического напряжения на двух концах комплекта 18 преобразователей, и в качестве фактической электродвижущей силы Vma можно использовать значение электрического напряжения, измеренное этим датчиком в состоянии, когда переключатель 32 разомкнут.
[0082]
Затем ECU 26 проверяет, является ли абсолютное значение разности (Vme - Vma) расчетной электродвижущей силы Vme и фактической электродвижущей силы Vma, полученных на этапах S304 и S306, меньше или равным некоторому пороговому значению (этап S308). Это пороговое значение представляет собой значение, определенное заранее как верхний предел значений, предполагаемых в качестве расхождения между расчетной электродвижущей силой Vme и фактической электродвижущей силой Vma. В данном варианте при выполнении этапа S308 проверяется, является ли степень отклонения фактической электродвижущей силы Vma от расчетной электродвижущей силы Vme больше или равной первому пороговому значению.
[0083]
≤
Если результат определения на этапе S308 является положительным (|Vme - Vma|≤пороговое значение), тогда ECU 26 определяет, что в модуле 14 термоэлектрических преобразователей неисправности не возникло, и, таким образом, не возникло неисправности в силовом генераторе 10 (S310). С другой стороны, если результат определения на этапе S308 является отрицательным (|Vme - Vma|пороговое значение), тогда ECU 26 определяет, что в модуле 14 термоэлектрических преобразователей возникла неисправность, и, таким образом, возникла неисправность в силовом генераторе 10 (этап S312).
[0084]
Согласно только что описанной программе обнаружения неисправности, показанной на Фиг.10, расчетную электродвижущую силу Vme в модуле 14 термоэлектрических преобразователей вычисляют при помощи расчетной электродвижущей силы Vte, полученной на основе температур Ti, Tn, Tp в трех точках каждого термоэлектрического преобразователя 12. Как только что описано, за счет оценки отклонения фактической электродвижущей силы Vma от расчетной электродвижущей силы Vme, вычисленной на основе упомянутых температур в трех точках, неисправность силового генератора 10 из-за неисправности модуля 14 термоэлектрических преобразователей можно обнаруживать более точным образом в таком силовом генераторе 10, в котором используются термоэлектрические преобразователи 12, имеющие конструкцию, показанную на Фиг.1 - Фиг.3.
[0085]
В дополнение к этому, в описанном выше третьем варианте, "средство измерения температуры", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этап S300; "средство вычисления расчетного выходного параметра", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этапы S302 и S304; "средство измерения фактического выходного параметра", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этап S306; и "средство обнаружения неисправности", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этапы S308 - S312. Кроме того, определение на этапе S308 представляет собой "первое определение", соответствующее настоящему изобретению.
[0086]
Четвертый вариант реализации
Далее со ссылкой на Фиг.13 будет описан четвертый вариант реализации настоящего изобретения.
[0087]
Конкретный процесс обнаружения неисправности, соответствующий четвертому варианту
Взаимосвязь данного варианта с третьим вариантом аналогична взаимосвязи второго варианта с первым вариантом. То есть, обнаружение неисправности, соответствующее данному варианту, которое выполняют для модуля 14 термоэлектрических преобразователей в целом, осуществляют путем сравнения расчетной вырабатываемой электрической мощности Pme этого модуля с фактической вырабатываемой им электрической мощностью Pma.
[0088]
На Фиг.13 приведена блок-схема примерной программы обнаружения неисправности, соответствующей четвертому варианту реализации настоящего изобретения. Выполнение этапов S300 - S304, S310 и S312 в программе, показанной на Фиг.13, уже описано при рассмотрении третьего варианта.
[0089]
Согласно программе, показанной на Фиг.13, ECU 26 вычисляет расчетную вырабатываемую электрическую мощность Pme модуля 14 термоэлектрических преобразователей после вычисления на этапе S304 расчетной электродвижущей силы Vme (этап S400). Оцененная вырабатываемая электрическая мощность Pme вычисляется путем подстановки в правую часть приведенного выше уравнения (2) расчетной электродвижущей силы Vme, величины Ro внешнего сопротивления и величины Rim внутреннего сопротивления. Величину Ro внешнего сопротивления можно определить способом, описанным выше для этапа S200. Оцененная электродвижущая сила Vme представляет собой значение, вычисленное при выполнении этапа S304. Величина Rim внутреннего сопротивления модуля 14 термоэлектрических преобразователей известна.
[0090]
Затем ECU 26 измеряет фактическую вырабатываемую электрическую мощность Pma для модуля 14 термоэлектрических преобразователей (этап S402). Способ измерения фактической вырабатываемой электрической мощности Pma также конкретным образом не ограничивается. В качестве примера, на этапе S402 при помощи датчиков 36 электрического напряжения измеряют электрические напряжения на двух концах всех термоэлектрических преобразователей 12 в состоянии, когда переключатель 32 замкнут, и измеренные электрические напряжения суммируют. Таким образом, величина электрического напряжения на двух концах модуля 14 термоэлектрических преобразователей (комплекта 18 преобразователей) измеряется во время выработке мощности. Эту величину электрического напряжения на двух концах можно измерить с использованием датчика электрического напряжения, предназначенного для измерения электрического напряжения на двух концах комплекта 18 преобразователей. Кроме того, датчиком 38 электрического тока измеряется величина I электрического тока, протекающего в модуле 14 термоэлектрических преобразователей. Исходя из этого, фактическая вырабатываемая электрическая мощность Pma вычисляется как произведение величины электрического напряжения на двух концах модуля 14 термоэлектрических преобразователей и величины I электрического тока.
[0091]
Затем ECU 26 выполняет определение на этапе S404 и после этого определяет, в соответствии с результатом этого определения, имеется ли неисправность силового генератора 10 из-за неисправности модуля 14 термоэлектрических преобразователей (этапы S310 и S312). На этапе S404 проверяется, является ли абсолютное значение разности (Pme - Pma) расчетной вырабатываемой электрической мощности Pme и фактической вырабатываемой электрической мощности Pma, полученных на этапах S400 и S402, меньше или равным некоторому пороговому значению. Это пороговое значение представляет собой значение, определенное заранее как верхний предел значений, предполагаемых в качестве расхождения между расчетной вырабатываемой электрической мощностью Pme и фактической вырабатываемой электрической мощностью Pma. В данном варианте при выполнении этапа S404 проверяется, является ли степень отклонения фактической вырабатываемой электрической мощности Pma от расчетной вырабатываемой электрической мощности Pme больше или равной второму пороговому значению.
[0092]
Согласно только что описанной программе обнаружения неисправности, показанной на Фиг.13, оцененная вырабатываемая электрическая мощность Pme модуля 14 термоэлектрических преобразователей вычисляется при помощи расчетной электродвижущей силе Vte, полученной на основе температур Ti, Tn, Tp в трех точках каждого термоэлектрического преобразователя 12. Таким образом, за счет оценки расхождения фактической вырабатываемой электрической мощности Pma и расчетной вырабатываемой электрической мощности Pme, вычисленной на основе упомянутых температур в трех точках, неисправность силового генератора 10 из-за неисправности модуля 14 термоэлектрических преобразователей можно обнаруживать более точным образом в таком силовом генераторе 10, в котором используются термоэлектрические преобразователи 12, имеющие конструкцию, показанную на Фиг.1 - Фиг.3. Помимо этого, способ этого типа позволяет, несмотря на то, что фактическая электродвижущая сила Vma в модуле 14 термоэлектрических преобразователей является нормальной, точным образом обнаруживать неисправность в виде отсутствия выработке нужной фактической вырабатываемой электрической мощности Pma из-за того, что величина Rim внутреннего сопротивления изменяется с течением времени.
[0093]
В качестве альтернативы, что касается процесса обнаружения неисправности в соответствии с третьим вариантом, в основе которого лежит электродвижущая сила Vm в модуле 14 термоэлектрических преобразователей, и процесса обнаружения неисправности в соответствии с четвертым вариантом, в основе которого лежит вырабатываемая электрическая мощность Pm, оба эти процесса можно выполнять последовательно, вместо того, чтобы выполнять только один из них.
[0094]
В дополнение к этому, в описанном выше четвертом варианте "средство измерения температуры", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этап S300; "средство вычисления расчетного выходного параметра", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этапы S302, S304 и S400; "средство измерения фактического выходного параметра", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этап S402; и "средство обнаружения неисправности", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этапы S310, S312 и S404. Кроме того, определение на этапе S404 представляет собой "второе определение", соответствующее настоящему изобретению.
[0095]
Пятый вариант реализации
Далее со ссылкой на Фиг.14 и 15 будет описан пятый вариант реализации настоящего изобретения.
[0096]
Способ оценки температур Ti, Tn, Tp в трех точках термоэлектрического преобразователя, соответствующий пятому варианту
Фиг.14 используется для описания способа оценки температуры термоэлектрического преобразователя 12, соответствующего пятому варианту реализации настоящего изобретения. На Фиг.14 в качестве примера объекта, для которого применяется способ оценки температуры, соответствующий данному варианту, приведен описанный выше силовой генератор 10. Если говорить более подробно, комплект 18 преобразователей получен путем последовательного соединения множества (например, трех) субкомплектов 18а таким образом, чтобы эти субкомплекты создавали изгибы в форме змейки, при этом между соседними субкомплектами 18а находится электрод 20.
[0097]
Термоэлектрические преобразователи 12 (например, четыре), входящие в набор, который образует каждый из субкомплектов 18а, установлены в ряд на поверхности стенки 22а корпуса 22. Другими словами, в конструкции, показанной на Фиг.14, термоэлектрические преобразователи 12, входящие в каждый из множества наборов (например, три набора), установлены в ряд. Хотя в примере, показанном на Фиг.14, множество наборов установленных в ряд термоэлектрических преобразователей 12 соединено последовательно, с расположением между соседними преобразователями 12 электрода 20, множество наборов этих преобразователей может быть соединено параллельно. В дополнение к этому, в примере, показанном на Фиг.14, стенка 22а корпуса 22, установленного на внешней поверхности 16а выхлопной трубы 16, представляет собой "средство ввода теплоты, которое передает теплоту, отводимую из теплогенерирующего устройства", соответствующее настоящему изобретению.
[0098]
Устройство 50 для обнаружения неисправности, соответствующее данному варианту, снабжено множеством датчиков 52 температуры, вместо множества датчиков 34 температуры. Если говорить более подробно, число установленных датчиков 52 температуры меньше суммы (а именно, двенадцати) температур Ti, Tn, Tp в трех точках в субкомплектах 18а (в каждом наборе термоэлектрических преобразователей 12). В качестве примера, это число равно трем. Как показано на Фиг.14, эти датчики 52 температуры прикреплены к стенке 22а корпуса 22 таким образом, чтобы они находились на заранее определенном расстоянии друг от друга и располагались в одну линию вдоль направления, параллельного ряду в субкомплекте 18а (далее просто называемого "направлением D1 прохождения ряда"). Если говорить более конкретно, датчики 52 температуры прикреплены к стенке 22а в положениях рядом с субкомплектами 18а.
[0099]
Далее со ссылкой на Фиг.15, а также Фиг.14, будет описан способ оценки температур Ti, Tn, Tp в трех точках каждого термоэлектрического преобразователя 12. На Фиг.15 приведена блок-схема примерной подпрограммы измерения температуры термоэлектрического преобразователя 12, согласно пятому варианту реализации настоящего изобретения. Результат работы этой подпрограммы можно использовать, например, на этапе S100 или S300 в программах, показанных на Фиг.9, 10, 12 или 13, которые описаны при рассмотрении вариантов с первого по четвертый.
[0100]
В подпрограмме, показанной на Фиг.15, ECU 26 сначала измеряет температуры в трех точках средства ввода теплоты (то есть, стенки 22а корпуса 22) при помощи датчиков 52 температуры (этап S500). На графике, расположенном в нижней части Фиг.14, приведена взаимосвязь между температурой в каждой области отдельных субкомплектов 18а и расстоянием L2 от одной торцевой поверхности субкомплекта 18а в направлении D1 прохождения ряда в этом субкомплекте. Кругами на Фиг.14 показаны температуры в местах субкомплекта 18а, совпадающих с положениями датчиков 52 температуры.
[0101]
В данном варианте, в качестве примера, разность температур в положениях датчиков 52 температуры и областях в субкомплекте 18а, расположенных на том же расстоянии L2, измеряемом в направлении D1 прохождения ряда, считается равной нулю. То есть, предполагается, что температуры в субкомплекте 18а, указанные на графике кругами, идентичны значениям, измеренным датчиками 52 температуры в положениях на том же расстоянии L2. Таким образом, на основе полученных значений, которые измерены тремя датчиками 52 температуры, в направлении D1 прохождения ряда можно спрогнозировать температуры в отдельных областях, которые отличаются от температур, показанных тремя кругами (то есть, распределение температур в субкомплекте 18а), как показано на Фиг.14 пунктирной линией.
[0102]
После выполнения этапа S500 ECU 26 выполняет этап S502. На этапе S502 на основе указанного выше распределения температур температуры Ti, Tn, Tp в трех точках каждого термоэлектрического преобразователя 12 в отдельных субкомплектах 18а (то есть, отдельных наборах термоэлектрических преобразователей 12) оценивают описанным далее образом.
[0103]
Сначала будет описан способ оценки температур Ti, Tn, Tp в трех точках каждого термоэлектрического преобразователя 12 субкомплекта 18а, который на Фиг.14 находится снизу. Здесь предполагается, что температура электрода 20 и температуры Tn и Тр на торцевых поверхностях 12aes и 12bes, которые расположены рядом с электродом 20, имеют одну и ту же величину, как уже описано при рассмотрении первого варианта. Из температур Ti, Tn, Tp в трех точках каждого термоэлектрического преобразователя 12, на Фиг.14 квадратами указаны температуры, отличающиеся от температур, указанных кругами. Если при помощи известного способа вычислить приблизительную кривую распределения температур (см. пунктирную линию на Фиг.14), с использованием этой кривой и расстояния L2 можно оценить температуры, указанные квадратами.
[0104]
Помимо этого, в качестве примера, на этом этапе S502 температуры Ti, Tn, Tp в трех точках каждого термоэлектрического преобразователя 12 в оставшихся субкомплектах 18а, которые на Фиг.14 находятся сверху и в центре, оценивают следующим образом. А именно, в данном варианте в качестве средства ввода теплоты используется стенка 22а корпуса 22, в которой теплопроводность является неизменной. Таким образом, можно предположить, что температура стенки 22а является неизменной, вне зависимости от положений в направлении, в котором установлены три субкомплекта 18а (то есть, в направлении D2, перпендикулярном направлению D1 прохождения ряда). Таким образом, можно сказать, что условия передачи теплоты от стенки 22а (средства ввода теплоты) корпуса 22 каждому субкомплекту 18а идентичны.
[0105]
Соответственно, на этом этапе S502 принимается, что температуры (Ti, Tn, Tp) в положениях в направлении D1 прохождения ряда в субкомплектах 18а, которые находятся на Фиг.14 сверху и в центре, идентичны температурам в тех же положениях в этом направлении в субкомплекте 18а, который находится на Фиг.14 снизу. Однако в примере, где используется средство ввода теплоты, в котором условия передачи теплоты различаются в зависимости от положений в направлении D2, для каждого субкомплекта 18а (то есть, для каждого набора термоэлектрических преобразователей 12) и оценку температуры, согласно данному варианту, можно выполнять, например, для каждого субкомплекта 18а.
[0106]
При использовании только что описанного устройства 50 для обнаружения неисправности, соответствующего данному варианту, температуры Ti, Tn, Tp в трех точках каждого термоэлектрического преобразователя 12 можно получать при уменьшенном числе датчиков 52 температуры по сравнению с устройством 40 для обнаружения неисправности, соответствующим первому варианту, которое включает множество датчиков 34 температуры.
[0107]
В дополнение к этому, в отличие от конструкции модуля 14 термоэлектрических преобразователей, показанного на Фиг.14, в примере, в котором используется модуль термоэлектрических преобразователей без корпуса 22, множество наборов термоэлектрических преобразователей 12 установлено непосредственно на внешней поверхности 16а выхлопной трубы 16. В этом примере выхлопная труба 16 представляет собой описанное выше "средство ввода теплоты".
[0108]
В дополнение к этому, в описанном выше пятом варианте "средство измерения температуры", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего этапы S500 и S502.
[0109]
Шестой вариант реализации
Далее со ссылкой на Фиг.16 - Фиг.19 будет описан шестой вариант реализации настоящего изобретения.
[0110]
Конструкция силового генератора, соответствующего шестому варианту
Фиг.16 иллюстрирует конструкцию силового генератора 60 и его устройства 70 для обнаружения неисправности, согласно шестому варианту реализации настоящего изобретения. На Фиг.17 приведен схематичный общий вид, иллюстрирующий конструкцию комплекта 66 преобразователей, показанного на Фиг.16. В дополнение к этому, на Фиг.16 и 17 элементы, идентичные элементам, показанным на Фиг.4 и 5, которые рассмотрены выше, указаны теми же ссылочными обозначениями, и описание этих элементов ниже опущено или упрощено.
[0111]
Как показано на Фиг.16, модуль 62 термоэлектрических преобразователей в силовом генераторе 66 установлен в канале 64 протекания выхлопного газа, в котором протекает текучая среда для извлечения отводимой теплоты (например, выхлопной газ), в которую извлекают теплоту, отводимую из теплогенерирующего устройства (например, двигателя внутреннего сгорания). Модуль 62 термоэлектрических преобразователей включает комплект 66 преобразователей и экраны 68. В дополнение к этому, при том, что текучая среда для извлечения отводимой теплоты конкретным образом не ограничивается, в примере, в котором теплогенерирующим устройством является двигатель внутреннего сгорания, текучей средой для извлечения отводимой теплоты вместо выхлопного газа может быть, например, охлаждающая вода, предназначенная для охлаждения этого двигателя, или масло, предназначенное для смазывания этого двигателя.
[0112]
Каждый из экранов 68 имеет не только рассмотренную далее функцию обеспечения концентрированного ввода теплоты в часть 12с собственного полупроводника, но также служит "элементом формирования канала протекания", входящим в состав канала 64 протекания выхлопного газа. Если говорить более конкретно, канал 64 протекания выхлопного газа включает множество субканалов протекания (в качестве примера - два субканала 64а, 64b протекания), которые заданы тремя экранами 68, изготовленными из пластин, таким образом, чтобы потоки выхлопного газа были параллельными. Теплопроводность каждого из экранов 68 ниже, чем у термоэлектрического преобразователя 12. Экраны 68, например, могут состоять из керамики.
[0113]
Как показано на Фиг.16, комплект 66 преобразователей состоит из множества наборов термоэлектрических преобразователей 12 (в качестве примера - девяти наборов), каждый набор включает множество этих преобразователей (в примере, показанном на Фиг.16 - два), которые установлены в одну линию вдоль направления D4, перпендикулярного направлению D3, в котором проходят субканалы 64а, 64b протекания (другими словами, направлению протекания выхлопного газа), и с пересечением этих субканалов. Один набор термоэлектрических преобразователей 12 здесь также называется "субкомплектом 66а". В отдельных субкомплектах 66а, соответствующих настоящему изобретению, два термоэлектрических преобразователя 12 соединены последовательно через расположенный между ними электрод 20.
[0114]
Если говорить более подробно, как показано на Фиг.16 и 17, в комплекте 66 преобразователей, в качестве примера, девять субкомплектов 66а установлены таким образом, чтобы они находились на заранее определенном расстоянии друг от друга, если смотреть в направлении D3 прохождения субканалов 64а, 64b протекания и направлении D5 (представляющем собой направление, перпендикулярное как направлению D3, так и направлению D4).
[0115]
Как показано на Фиг.16 и 17, каждый из девяти наборов термоэлектрических преобразователей 12 закрыт экранами (то есть, элементами формирования каналов протекания) 68, при этом все поверхности частей 12с собственного полупроводника открыты для воздействия выхлопного газа. Согласно принципу выработке мощности термоэлектрическим преобразователем 12, электродвижущая сила Vt может создаваться эффективным образом за счет преобладающего ввода теплоты в часть 12с собственного полупроводника, в которой ширина запрещенной зоны является наименьшей, если сравнивать с вводом теплоты в краевые области 12ае и 12be (см. Фиг.1), в которых ширина запрещенной зоны является наибольшей. При использовании экранов 68, имеющих низкую теплопроводность, можно предотвратить передачу теплоты выхлопного газа в краевые области 12ае и 12be. Таким образом, так как часть каждого термоэлектрического преобразователя 12 закрыта соответствующим экраном 68 описанным выше образом, можно обеспечить концентрированный ввод теплоты в каждую часть 12с полупроводника и, как результат, можно вырабатывать мощность более эффективным образом.
[0116]
Конструкция устройства для обнаружения неисправности, соответствующего шестому варианту
В состав устройства 70 для обнаружения неисправности, соответствующее данному варианту, входят ECU 26, множество датчиков 72, 74 температуры, датчик 76 электрического напряжения и датчик 38 электрического тока (см. Фиг.5). Датчики 72 температуры распределены по одному на субканал 64а, 64b протекания для измерения температур Ti в частях 12с собственного полупроводника. То есть, каждый из датчиков 72 температуры представляет собой "датчик температуры собственной области", соответствующий настоящему изобретению. В примере, показанном на Фиг.17, датчики 72 температуры прикреплены к соответствующим термоэлектрическим преобразователям 12, входящим в один из девяти наборов этих преобразователей, который находится на нижней по потоку стороне каждого из субканалов 64а, 64b протекания (в качестве примера - набор, находящийся в центре, если смотреть в направлении D5).
[0117]
Как показано на Фиг.16, датчики 74 температуры распределены по одному на каждый из трех экранов 68 для измерения температур Tn, Tp термоэлектрических преобразователей 12. То есть, датчики 74 температуры представляют собой "датчики температуры краевой области", соответствующие настоящему изобретению. Если говорить более подробно, в качестве примера, три датчика 74 температуры прикреплены к соответствующим электродам 20, соединенным с одним из трех наборов термоэлектрических преобразователей 12, находящихся на верхней по потоку стороне, если смотреть в направлении D3 протекания выхлопного газа. Помимо этого, в данном варианте, как показано на Фиг.17, датчик 76 электрического напряжения выполнен с возможностью измерять электрическое напряжение на двух концах комплекта 66 преобразователей для получения фактической электродвижущей силы Vma в модуле 62 термоэлектрических преобразователей. В дополнение к этому, в примере, в котором для каждого термоэлектрического преобразователя 12 измеряется фактическая электродвижущая сила Vta, датчик электрического напряжения может быть обеспечен для каждого такого преобразователя.
[0118]
Способ оценки температур Ti, Tn, Tp в трех точках термоэлектрического преобразователя, соответствующий шестому варианту
Сначала для каждого субканала 64а, 64b протекания при помощи датчиков 72 температуры измеряется или оценивается температура Ti в части 12с собственного полупроводника. Если говорить более конкретно, для получения температур Ti двух термоэлектрических преобразователей 12, к которым прикреплены датчики 72 температуры, используются значения, измеренные этими датчиками. В то же время, температуры Ti термоэлектрических преобразователей 12, отличающихся от этих двух преобразователей, оцениваются следующим образом. А именно, температура Ti в каждой части 12с полупроводника, открытой в субканал 64а протекания, принимается равной температуре, величина которой измерена соответствующим датчиком 72 температуры, установленным в этом же субканале. Аналогичным образом выполняется оценка для субканала 64b протекания.
[0119]
В модуле 62 термоэлектрических преобразователей, имеющем конструкцию, показанную на Фиг.16 и 17, торцевые поверхности 12aes, 12bes каждого из термоэлектрических преобразователей 12 закрыты экранами 68. В ECU 26 для датчика 74 температуры и торцевых поверхностей 12aes,12bes, находящихся за одним и тем же экраном 68, информация по разнице между температурой в положении этого датчика и температурой в положении каждой из этих поверхностей хранится в виде таблицы соответствия (не показана). Эта разница температур изменяется в зависимости от количества теплоты, введенной в экран 68. Температура, измеренная датчиком 74 температуры, изменяется в соответствии с этим изменением количества введенной теплоты. Таким образом, в указанной выше таблице соответствия, с использованием измеряемой температуры в качестве параметра, заранее задается взаимосвязь между температурой, измеренной датчиком 74 температуры, и указанной разницей температур. В данном варианте, в качестве примера, температуры Tn, Tp на торцевых поверхностях 12aes, 12bes оцениваются на основе температуры, измеренной датчиком 74 температуры, при обращении к таблице соответствия этого типа.
[0120]
Только что описанный способ оценки температур Ti, Tn, Tp в трех точках термоэлектрического преобразователя 12, соответствующий данному варианту, можно использовать, например, для выполнения этапа S100 или S300 в программах, показанных на Фиг.9, 10, 12 и 13, которые описаны при рассмотрении вариантов с первого по четвертый.
[0121]
Проблема с модулем термоэлектрических преобразователей, установленным в канале протекания, и преимущества при применении конструкции, соответствующей шестому варианту
На Фиг.18 приведен график, используемый для описания температур Ti трех термоэлектрических преобразователей 12, находящихся в субканале 64b протекания, из трех наборов термоэлектрических преобразователей, положения которых в направлении D5, показанном на Фиг.17, являются одинаковыми, и которые установлены в одну линию вдоль направления D3 протекания выхлопного газа. На Фиг.18 приведен пример, в котором произошло засорение инородным материалом в области субканала 64b, находящейся между центральным термоэлектрическим преобразователем 12 и термоэлектрическим преобразователем 12, находящимся по потоку ниже него, если смотреть в направлении D3 протекания выхлопного газа (то есть, в направлении прохождения субканалов 64а, 64b).
[0122]
Если происходит указанное выше засорение в субканале 64b, прекращается протекание выхлопного газа по периферии термоэлектрического преобразователя 12, находящегося ниже по потоку. Таким образом, в субканале 64b протекания выхлопной газ течет к центральному термоэлектрическому преобразователю 12 со стороны выше по потоку и после этого течет обратно в эту сторону из-за смены направления протекания на обратное. В результате, как показано на Фиг.18, может возникнуть ситуация, при которой температура Ti термоэлектрического преобразователя 12, находящегося ниже по потоку, не будет увеличиваться. Как следствие, может не происходить увеличения фактической электродвижущей силы Vta в этом термоэлектрическом преобразователе 12.
[0123]
На Фиг.19 приведен график, используемый для описания температур Ti двух термоэлектрических преобразователей 12, находящихся на верхней по потоку стороне каждого из субканалов 64а, 64b протекания из числа преобразователей в трех наборах термоэлектрических преобразователей, положения которых в направлении D5, показанном на Фиг.17, являются одинаковыми, и которые установлены в одну линию вдоль направления D3 протекания выхлопного газа. На Фиг.19 приведен пример, в котором засорение инородным материалом произошло поблизости от входа в субканал 64b протекания. В этом примере, как показано на Фиг.19, может возникнуть ситуация, при которой температура Ti термоэлектрического преобразователя 12 в субканале 64b протекания, в котором произошло засорение, не будет увеличиваться, если сравнивать с температурой Ti в другом субканале 64а протекания. Как результат, может не происходить увеличения фактической электродвижущей силы Vta в этом термоэлектрическом преобразователе 12. Это справедливо не только для термоэлектрического преобразователя 12, находящегося на верхней по потоку стороне, но также в случае температур Ti термоэлектрических преобразователей 12, находящихся в центре и на нижней по потоку стороне субканала 64b протекания.
[0124]
Температуры Ti, Tn, Tp в трех точках в целом во всех термоэлектрических преобразователях 12 в модуле 62 термоэлектрических преобразователей можно измерять при помощи как можно большего числа датчиков, и число оцениваемых температур можно уменьшить. Таким образом, даже если возникло засорение, как показано на Фиг.18 или 19, можно повысить точность получения температур Ti, Tn, Tp в трех точках каждого термоэлектрического преобразователя 12. С другой стороны, если увеличивается число установленных датчиков температуры, будет увеличиваться стоимость устройства для обнаружения неисправности из-за увеличения числа его частей. Поэтому существует потребность в уменьшении числа датчиков температуры при одновременном гарантировании точности получаемых температур в указанных трех точках.
[0125]
Что касается указанной выше потребности, при конструкции, соответствующей данному варианту, датчики 72 температуры, измеряющие температуру Ti, распределены по одному на каждый субканал 64а, 64b протекания. То есть, как показано на Фиг.19, за счет сравнения значений, измеренных датчиками 72 температуры для субканалов 64а, 64b протекания, можно определять, что в одном из этих субканалов возникло засорение. Таким образом, при отсутствии засорения можно измерять и оценивать температуры Ti термоэлектрических преобразователей 12, установленных в отдельных субканалах 64а, 64b протекания, при уменьшенном числе датчиков 72 температуры и, в то же время, определять наличие или отсутствие засорения.
[0126]
Помимо этого, согласно конструкции, соответствующей данному варианту, чтобы удовлетворить указанную выше потребность, датчики 72 температуры прикрепляют к термоэлектрическим преобразователям 12, являющимся по потоку крайними снизу в каждом из субканалов 64а, 64b протекания. Если, в отличие от конструкции этого типа, эти датчики 72 температуры прикрепить к термоэлектрическим преобразователям 12, находящимся выше по потоку, то, когда засорение возникает в соответствии с Фиг.18, нельзя спрогнозировать изменение, из-за этого засорения, температур Ti термоэлектрических преобразователей 12, находящихся ниже по потоку. Но при использовании конструкции, соответствующей данному варианту, при которой датчики 72 температуры прикреплены к термоэлектрическим преобразователям 12, являющимся по потоку крайними снизу в каждом из субканалов 64а, 64b протекания, можно обнаружить засорение, возникающее в соответствии с Фиг.18, за счет сравнения значений, измеренных датчиками 72 температуры для каждого из этих субканалов. Таким образом, при отсутствии засорения можно измерять и оценивать температуры Ti термоэлектрических преобразователей 12, установленных в отдельных субканалах 64а, 64b, при уменьшенном числе датчиков 72 температуры и, в то же время, определять наличие или отсутствие засорения.
[0127]
В дополнение к этому, в описанном выше шестом варианте, в качестве примера, датчики 72 температуры прикреплены к каждому из термоэлектрических преобразователей 12 в тех наборах, которые находятся на нижней по потоку стороне каждого из субканалов 64а, 64b протекания, из девяти наборов этих преобразователей. Однако датчики 72 температуры, то есть, "датчики температуры собственной области" могут быть прикреплены не в тех наборах, которые находятся на нижней по потоку стороне каждого из субканалов 64а, 64b протекания, а к каждому термоэлектрическому преобразователю 12 в других наборах (в примере, показанном на Фиг.17, в наборах, находящихся на верхней по потоку стороне или в центре). Помимо этого, датчики температуры собственной области могут быть обеспечены для множества термоэлектрических преобразователей 12 в каждом из субканалов 64а, 64b протекания, пока соблюдается условие, что эти датчики обеспечены для одного или некоторых из термоэлектрических преобразователей 12, находящихся в каждом из субканалов 64а, 64b протекания. Даже в примере этого типа число датчиков температуры собственной области можно уменьшить по сравнению с примером, в котором эти датчики обеспечены для всех термоэлектрических преобразователей 12 в каждом из субканалов 64а, 64b протекания.
[0128]
Помимо этого, в описанном выше шестом варианте, в качестве примера, имеются экраны 68, представляющих собой "элементы формирования каналов протекания", предназначенные для зонирования канала 64 протекания выхлопного газа. Однако элемент формирования канала протекания, соответствующий настоящему изобретению, может быть выполнен как одно целое. Кроме того, если элемент формирования канала протекания, который закрывает торцевые поверхности 12ае и 12be каждого термоэлектрического преобразователя 12 в модуле 62 термоэлектрических преобразователей, создан как одно целое (то есть, как один элемент), число датчиков 74 температуры, каждый из которых представляет собой "датчик температуры краевой области" может быть равно, по меньшей мере, одному.
[0129]
Седьмой вариант реализации
Далее со ссылкой на Фиг.20 - Фиг.22 будет описан седьмой вариант реализации настоящего изобретения. Обнаружение неисправности в седьмом варианте выполняют для силового генератора 60, как и в шестом варианте. Однако в данном варианте предполагается, что для каждого термоэлектрического преобразователя 12 обеспечен датчик электрического напряжения для выполнения описанного позднее этапа S610.
[0130]
Устройство для обнаружения неисправности, соответствующее седьмому варианту
На Фиг.20 показана конструкция устройства 80 для обнаружения неисправности, соответствующего седьмому варианту реализации настоящего изобретения. Устройство 80 для обнаружения неисправности, соответствующее данному варианту, аналогично устройству 70 для обнаружения неисправности, соответствующему шестому варианту, за исключением того, что дополнительно обеспечен нагреватель 82. Как показано на Фиг.20, в качестве примера нагреватель 82 установлен внутри каждого экрана 68 поблизости от краевой области, находящейся на верхней по потоку стороне, если смотреть в направлении D3 протекания выхлопного газа. Подачей энергии в нагреватель 82 управляют при помощи ECU 26.
[0131]
Конкретный процесс обнаружения неисправности, соответствующий седьмому варианту
В конструкции, в которой, как в случае конструкции, показанной на Фиг.20, модуль термоэлектрических преобразователей установлен в канале протекания, в котором протекает текучая среда для извлечения отводимой теплоты, число факторов, негативно влияющих на обнаружение неисправности силового генератора, увеличивается, если сравнивать с конструкцией, в которой этот модуль установлен на источнике теплоты в виде твердого тела (то есть, выхлопной трубе 16), как в случае, конструкции, показанной на Фиг.4. А именно, если модуль термоэлектрических преобразователей установлен в канале протекания, на этот модуль негативно влияют такие факторы, как засорение канала протекания или изменение температуры или скорости текучей среды, протекающей по периферии каждого термоэлектрического преобразователя.
[0132]
В данном варианте за счет применения описанного ниже способа обнаружение неисправности силового генератора 60 выполняют при одновременной идентификации вида неисправности. Если говорить подробно, идентифицируют неисправность модуля 14 термоэлектрических преобразователей (то есть, неисправность отдельных термоэлектрических преобразователей 12) и неисправность субканалов 64а, 64b протекания. Помимо этого, также определяется, имеется ли неисправность, относящаяся к измерению температуры при обнаружении неисправности силового генератора 60.
[0133]
На Фиг.21 приведена блок-схема примерной программы обнаружения неисправности, соответствующей седьмому варианту реализации настоящего изобретения. В данном варианте перед выполнением программы, показанной на Фиг.21, выполняется программа, аналогичная программе, показанной на Фиг.9 (далее для удобства пояснения называется "программой R"), для определения наличия или отсутствия неисправности отдельных термоэлектрических преобразователей 12 в модуле 62 термоэлектрических преобразователей.
[0134]
При использовании указанной выше программы R, определение неисправности силового генератора 60 выполняют в состоянии, когда существует поток выхлопного газа, и когда модуль 62 термоэлектрических преобразователей имеет температуру, при которой можно вырабатывать мощность в результате ввода теплоты из выхлопного газа. В дополнение к этому, в качестве способа получения температур Ti, Tn, Tp в трех точках, используемых для вычисления расчетной электродвижущей силы Vte на этапе S102 программы R, можно использовать способ описанный для шестого варианта. Выполнение программы, показанной на Фиг.21, начинается, когда на этапе S110 программы R обнаруживается неисправность термоэлектрического преобразователя 12.
[0135]
В программе, показанной на Фиг.21, ECU 26 сначала проверяет, наблюдается ли ситуация, при которой нет потока выхлопного газа (то есть, текучей среды для извлечения отводимой теплоты), и при которой температура выхлопного газа, остающегося в канале 64 протекания выхлопного газа, остается постоянной (этап S600). Ситуация этого типа наблюдается, например, когда прошел заранее определенный период времени после прекращения работы двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, на этапе S600 проверяется, прошел ли такой заранее определенный период времени после прекращения работы двигателя внутреннего сгорания. Это определение выполняют неоднократно до тех пор, пока ее результат не станет положительным после запуска данной программы. В дополнение к этому, если двигатель внутреннего сгорания снова запускают до того, как прошел такой заранее определенный период времени, текущее выполнение программы заканчивается.
[0136]
Если результат определения на этапе S600 является положительным, ECU 26 подает энергию в каждый из нагревателей 82 (этап S602). Если в каждый из нагревателей 82 подается энергия, в экран 68 передается теплота. Эта теплота также передается из экрана 68 в каждый термоэлектрический преобразователь 12. Потребление энергии каждым нагревателем 82 задано таким образом, чтобы поддерживать температуру каждого термоэлектрического преобразователя 12 в пределах диапазона температур (см Фиг.3), в котором можно вырабатывать электродвижущую силу Vt. В качестве примера, потребление энергии может быть задано таким образом, чтобы каждый термоэлектрический преобразователь 12 нагревался до температуры, равной температуре Т1, показанной на Фиг.3. Таким образом, если термоэлектрический преобразователь 12 в норме, можно вырабатывать фактическую электродвижущую силу Vta максимальной величины. Так как величина, используемая для определения, увеличивается, это определение можно выполнять более точным образом.
[0137]
Затем ECU 26 проверяет, прошел ли заранее определенный период времени от начала подачи энергии в каждый из нагревателей 82 (этап S604). Этот заранее определенный период времени задается заранее как период времени необходимый для того, чтобы температуры каждого из экранов 69 и каждого из термоэлектрических преобразователей 12 перестали изменяться после начала подачи энергии в каждый из нагревателей 82.
[0138]
После определения на этапе S604 того, что заранее определенный период времени прошел, ECU 26 проверяет, попадают ли отдельные значения, измеренные датчиками 72, 74 температуры, используемыми для измерения или оценки температур Ti, Tn, Tp в трех точках термоэлектрического преобразователя 12, являющегося объектом определения, в допустимый диапазон, зависящий от количества теплоты, введенной в результате нагрева с использованием каждого из нагревателей 82 (этап S606).
[0139]
На Фиг.22 приведен график, иллюстрирующий взаимосвязь значения, измеренного датчиком температуры, и количества теплоты, введенной нагревателем 82. Как показано на Фиг.22, при увеличении количества введенной теплоты также увеличивается значение, измеренное датчиком температуры. Количество теплоты, вводимой в модуль 62 термоэлектрических преобразователей (то есть, термоэлектрические преобразователи 12 и экран 68) каждым из трех нагревателей 82, можно вычислить на основе потребления энергии этим нагревателем. Изменение значения, измеренного каждым из датчиков 72, 74 температуры при вводе теплоты нагревателем, различается в зависимости от положений, в которых находятся датчики 72 температуры или датчики 74 температуры. Поэтому в ECU 26 для каждого из датчиков 72, 74 температуры хранится таблица соответствия, задающая взаимосвязь, показанную на Фиг.22. На этом этапе S606 проверяется, с обращением к указанной выше таблице соответствия для каждого из датчиков 72, 74 температуры, являющегося объектом определения, попадает ли измеренное значение температуры в допустимый диапазон. В дополнение к этому, чтобы повысить точность определения, определение этого типа можно выполнять, используя в качестве объектов множество значений температуры, измеренных при изменении количества вводимой теплоты.
[0140]
Если результат определения на этапе S606 является отрицательным, то есть, если, по меньшей мере, одно из значений, измеренных датчиками 72, 74 температуры выходит за пределы допустимого диапазона, ECU 26 определяет, что возникла неисправность, связанная с измерением температур Ti, Tn, Tp (этап S608). В дополнение к этому, за счет определения того, какой из датчиков 72, 74 температуры при измерении получил значение, выходящее за пределы допустимого диапазона, можно идентифицировать неисправность, связанную с измерением температуры Ti, и неисправность, связанную с измерением температуры Tn или Тр.
[0141]
С другой стороны, если результат определения на этапе S606 является положительным, ECU 26 измеряет фактическую электродвижущую силу Vta в термоэлектрическом преобразователе 12, который является объектом определения (этап S610). Фактическую электродвижущую силу Vta можно измерять, например, с использованием датчика электрического напряжения при разомкнутом переключателе 32 (этап S610).
[0142]
Затем ECU 26 проверяет, попадает ли фактическая электродвижущая сила Vta в оцененный диапазон значений электродвижущей силы для термоэлектрического преобразователя 12 в нагретом состоянии, когда выполняется нагрев при помощи нагревателя 82 (это состояние представляет собой пример "ситуации регулирования температуры", соответствующей настоящему изобретению) (этап S612). Оцененный диапазон значений электродвижущей силы, определяемый с учетом потребления энергии нагревателем 82, используемым для выполнения этапа S602, хранится в ECU 26.
[0143]
Если результат определения на этапе S612 является положительным, то есть, если фактическая электродвижущая сила Vta попадает в указанный выше оцененный диапазон значений электродвижущей силы, ECU 26 определяет, что в термоэлектрическом преобразователе 12, являющемся объектом определения, неисправность не возникла, и что, таким образом, неисправность силового генератора 60 (см. этап S110) обусловлена неисправностью субканала 64а протекания или субканала 64b протекания (этап S614).
[0144]
С другой стороны, если результат определения на этапе S612 является отрицательным, то есть, если фактическая электродвижущая сила Vta вышла за пределы указанного выше расчетного диапазона значений электродвижущей силы, ECU 26 определяет, что неисправность силового генератора 60 (см. этап S110) обусловлена неисправностью термоэлектрического преобразователя 12, который в данный момент проверяется (этап S616).
[0145]
При использовании описанной только что программы, которая показана на Фиг.21, фактическую электродвижущую силу Vta оценивают в состоянии, когда отсутствует поток выхлопного газа, и в нагретом состоянии, когда нагрев выполняют при помощи нагревателей 82. Таким образом, обнаружение неисправности силового генератора 60 можно выполнять при одновременном исключении в достаточной степени негативного влияния на это обнаружение различных факторов.
[0146]
Помимо этого, при использовании программы, которая показана на Фиг.21, если отсутствует неисправность, связанная с измерением температуры (если результат определения на этапе S606 является положительным), и если фактическая электродвижущая сила Vta попадает в оцененный диапазон значений электродвижущей силы, определяется, что причиной неисправности силового генератора 60 является неисправность субканала 64а протекания или субканала 64b протекания. То есть, если определено, что фактическая электродвижущая сила Vta имеет нормальное значение (этап S614) в состоянии, когда влияние потока выхлопного газа исключено, то даже в случае, когда в программе R определено, что эта сила имеет значение, выходящее за пределы нормы (этап S110), в состоянии, когда имеется поток выхлопного газа, можно предположить, что неисправность не связана с термоэлектрическим преобразователем 12 как таковым. Таким образом, можно сделать вывод, что причиной неисправности является субканал 64а протекания или субканал 64b протекания. С другой стороны, если в программе, показанной на Фиг.21, определено, что фактическая электродвижущая сила Vta имеет значение, выходящее за пределы нормы (этап S616), даже в состоянии, когда влияние потока выхлопного газа исключено, можно предположить, что причиной неисправности является термоэлектрический преобразователь 12. Таким образом, можно сделать вывод, что причиной неисправности является модуль 14 термоэлектрических преобразователей (если говорить более подробно, термоэлектрический преобразователь 12, являющийся объектом определения).
[0147]
Как описано выше, при использовании процесса обнаружения неисправности, соответствующего данному варианту, обнаружение неисправности силового генератора 60 можно выполнять с одновременной идентификацией причины неисправности. Помимо этого, при использовании определения на этапе S606 можно также определить, имеется ли неисправность, связанная с измерением температуры, выполняемым для обнаружения неисправности силового генератора 60. Если говорить более подробно, в данном варианте, если определено, что имеется неисправность, связанная с измерением температуры, ECU 26 на этапе S110 в программе R определяет без идентификации причины неисправности силового генератора 60, что имеется как неисправность, связанная с этим генератором, так и неисправность, связанная с измерением температуры.
[0148]
В дополнение к этому для седьмого варианта описан пример, в котором для идентификации причины неисправности программу, показанную на Фиг.21, выполняют вместе с программой R (представляющей собой программу, аналогичную программе, показанной на Фиг.9), в которой сравниваются оцененная электродвижущая сила Vte и фактическая электродвижущая сила Vta (пример, в котором определение выполняют для каждого преобразователя). При этом, если определение выполняется для каждого преобразователя, выполнение программы, показанной на Фиг.21, можно подходящим образом скорректировать для идентификации причины неисправности за счет сочетания с выполнением программы, показанной на Фиг.10, в которой сравниваются оцененная вырабатываемая электрическая мощность Pte и фактическая вырабатываемая электрическая мощность Pta. Помимо этого, выполнение программы, показанной на Фиг.21, можно подходящим образом скорректировать для идентификации причины неисправности за счет сочетания с выполнением программы, показанной на Фиг.12, в которой сравниваются оцененная электродвижущая сила Vme и фактическая электродвижущая сила Vma для всего модуля (или с выполнением программы, показанной на Фиг.13, в которой сравниваются оцененная вырабатываемая электрическая мощность Pme и фактическая вырабатываемая электрическая мощность Pma для всего модуля). В дополнение к этому, если используется вырабатываемая электрическая мощность Pt или Pm, можно проверить, попадают ли фактическая вырабатываемая электрическая мощность Pta или фактическая вырабатываемая электрическая мощность Pma в "оцененный диапазон значений вырабатываемой электрической мощности" для термоэлектрического преобразователя 12 или модуля 62 термоэлектрических преобразователей в нагретом состоянии.
[0149]
Помимо этого, для седьмого варианта описан пример, в котором в качестве "регулятора температуры", соответствующего настоящему изобретению, используют нагреватель 82. Однако вместо нагревателя в качестве регулятора температуры, соответствующего настоящему изобретению, может использоваться охлаждающее устройство, если при охлаждении оно способно обеспечивать определенную постоянную температуру, находящуюся в диапазоне температур, в котором термоэлектрический преобразователь 12, являющийся объектом определения, может вырабатывать электродвижущую силу Vt. В дополнение к этому, если используется охлаждающее устройство, в состоянии, когда регулируется температура (то есть, в охлажденном состоянии, когда обеспечивается устойчивое охлаждение), можно определить, что возникла неисправность, связанная с измерением температуры Ti, если, по меньшей мере, одно из значений, измеренных датчиками 72 температуры, выходит за пределы допустимого диапазона, соответствующего количеству теплоты, удаляемому в результате охлаждения при помощи охлаждающего устройства. Аналогичным образом, если за пределы указанного выше допустимого диапазона выходит, по меньшей мере, одно из значений, измеренных датчиками 74 температуры, можно определить, что возникла неисправность, связанная с измерением температур Tn и Тр.
[0150]
В дополнение к этому, в описанном выше седьмом варианте "средство обнаружения неисправности", соответствующее настоящему изобретению, реализовано в виде ECU 26, выполняющего последовательность этапов, показанную на Фиг.21.
[0151]
Описанные выше варианты и модификации могут быть скомбинированы другими путями, которые отличаются от указанных выше, если это требуется, и могут быть изменены различным образом без выхода за пределы объема настоящего изобретения.