特許 7398916 熱電発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-07

(45)【発行日】2023-12-15

(54)【発明の名称】熱電発電装置

(51)【国際特許分類】

   H02N 11/00 20060101AFI20231208BHJP

【ＦＩ】

H02N11/00 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019181598

(22)【出願日】2019-10-01

(65)【公開番号】P2021058048

(43)【公開日】2021-04-08

【審査請求日】2022-09-16

(73)【特許権者】

【識別番号】590000835

【氏名又は名称】株式会社ＫＥＬＫ

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】柴田 勲

【審査官】服部 俊樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１９００５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０８９４２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱電発電モジュールと、
前記熱電発電モジュールから発生した電荷を蓄電する蓄電部と、
前記蓄電部からの放電によって駆動する送受信部への放電と放電停止とを切り替える切替部と、
前記蓄電部からの放電が完了する前に、前記蓄電部からの放電停止を判定する判定部と、
前記送受信部による送受信を制御する送受信制御部と、
を備え、
前記送受信制御部は、データの送受信が完了したことを検出可能であり、
前記判定部は、前記送受信制御部による前記送受信部を介した前記データの送受信が完了した場合、放電停止を判定する、
熱電発電装置。

【請求項2】

前記データは、前記蓄電部からの放電によって駆動するセンサの検出データである、
請求項１に記載の熱電発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱電発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

熱電素子を利用した熱電発電装置から負荷に電力を供給する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の技術は、熱電発電装置から最大電力を取り出しながら、大電力を要求する負荷に安定した電力を供給する。そこで、特許文献１に記載の技術では、負荷抵抗を考慮して、コンデンサの放電サイクルを、コンデンサの充電電圧が熱電発電器の発生電圧の１／２になるようにスイッチを間欠的に切り替える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－１５９３１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

熱電発電装置は、制御部の動作状態に関わらず蓄電部からの放電を行う。このため、制御部の動作完了後も放電が継続され、電力を浪費するおそれがある。

【0005】

本発明の態様は、動作頻度を向上することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の態様に従えば、熱電発電モジュールと、前記熱電発電モジュールから発生した電荷を蓄電する蓄電部と、前記蓄電部からの放電によって駆動する送受信部への放電と放電停止とを切り替える切替部と、前記蓄電部からの放電停止を判定する判定部と、を備え、前記判定部は、前記蓄電部からの放電が完了する前に、放電停止を判定する、熱電発電装置が提供される。

【発明の効果】

【0007】

本発明の態様によれば、動作頻度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、第１実施形態に係る熱電発電装置を示すブロック図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る熱電発電装置を示す断面図である。

【図3】図３は、従来の熱電発電装置と、第１実施形態に係る熱電発電装置の動作頻度を説明する図である。

【図4】図４は、第１実施形態に係る熱電発電装置のマイクロコンピュータにおける処理の一例を示すフローチャートである。

【図5】図５は、第２実施形態に係る熱電発電装置のマイクロコンピュータにおける処理の一例を示すフローチャートである。

【図6】図６は、第３実施形態に係る熱電発電装置のマイクロコンピュータにおける処理の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

【0010】

［第１実施形態］
＜熱電発電装置＞
図１は、第１実施形態に係る熱電発電装置１を示すブロック図である。図２は、第１実施形態に係る熱電発電装置１を示す断面図である。熱電発電装置１は、例えば、建設機械または工場設備に配置された機器Ｍに設置される。機器Ｍは、例えば、モータまたはギヤを含む、稼動時に発熱する機器である。熱電発電装置１は、機器Ｍの温度を検出して、検出した温度を示す信号を無線電波で外部に送信する。機器Ｍは、熱電発電装置１の熱源として機能する。

【0011】

熱電発電装置１は、受熱板３と、放熱板４と、壁部５と、伝熱部材６と、熱電発電モジュール（発電部）７と、温度センサ８と、マイクロコンピュータ１０と、蓄電部２１と、昇圧部２２と、切替部２３と、送受信機（送受信部）２０と、電圧計測回路３０と、基板３１とを備える。蓄電部２１の具体例として、キャパシタ、二次電池がある。図１において、太い白矢印は、充電時の電流の流れを示し、太い黒矢印は、放電時の電流の流れを示す。

【0012】

受熱板３は、機器Ｍに設置される。受熱板３は、板状の部材である。受熱板３は、例えばアルミニウムまたは銅を含む金属材料によって形成される。受熱板３は、機器Ｍからの熱を受けとる。受熱板３の熱は、伝熱部材６を介して、熱電発電モジュール７に伝導される。

【0013】

放熱板４は、Ｚ軸方向において、受熱板３と向かい合い、離間して設置される。放熱板４は、板状の部材である。放熱板４は、例えばアルミニウムまたは銅を含む金属材料によって形成される。放熱板４は、熱電発電モジュール７からの熱を受けとる。放熱板４の熱は、熱電発電装置１の周囲の大気空間に放熱される。

【0014】

壁部５は、Ｚ軸方向視において角筒形状である。壁部５は、受熱板３と放熱板４との周りを囲んで設置される。壁部５と受熱板３と放熱板４とによって、内部に空間を有する箱形状が形成される。壁部５は、断熱性及び電波透過性を有する合成樹脂材料によって形成される。

【0015】

受熱板３の周縁部と壁部５の－Ｚ側の端部との連結部にはシール部材５１が設置される。放熱板４の周縁部と壁部５の＋Ｚ側の端部との連結部にはシール部材５２が設置される。シール部材５１及びシール部材５２は、例えばＯリングを含む。シール部材５１及びシール部材５２によって、熱電発電装置１が密閉される。これにより、熱電発電装置１の内部への異物の侵入が規制される。

【0016】

伝熱部材６は、受熱板３から＋Ｚ側へ向かって立設されている。伝熱部材６は、受熱板３と熱電発電モジュール７とを接続する。伝熱部材６は、受熱板３の熱を熱電発電モジュール７に伝導する。伝熱部材６は、例えばアルミニウムまたは銅を含む金属材料によって形成される。伝熱部材６は、Ｚ軸方向に長い柱形状である。

【0017】

熱電発電モジュール７は、ゼーベック効果を利用して電力を発生する。熱電発電モジュール７は、放熱板４に設置される。熱電発電モジュール７の－Ｚ側の端面７１が熱源によって加熱されると、熱電発電モジュール７の－Ｚ側の端面７１と＋Ｚ側の端面７２との間に温度差が発生する。端面７１と端面７２との間に発生する温度差によって、熱電発電モジュール７は電力を発生する。熱電発電モジュール７は、受熱板３に設置されてもよい。

【0018】

温度センサ８は、受熱板３と放熱板４にそれぞれ設置される。受熱板３に設置した温度センサ８は、機器Ｍから受熱した受熱板３の温度を検出する。放熱板４に設置した温度センサ８は、放熱板４の温度を検出する。温度センサ８は、熱電発電モジュール７が発生する電力によって駆動する。温度センサ８は、蓄電部２１からの放電によって駆動する。

【0019】

蓄電部２１は、熱電発電モジュール７から発生した電荷を蓄電する。蓄電部２１は、蓄えられた電力が所定電圧ＶＣを超えると、温度センサ８、マイクロコンピュータ１０、及び送受信機２０を駆動する。

【0020】

昇圧部２２は、入力された電力を昇圧して出力する。より詳しくは、昇圧部２２は、蓄電部２１の充電時は、熱電発電モジュール７において発生された電力を昇圧して、蓄電部２１へ出力する。蓄電部２１からの放電時は、蓄電部２１から放電された電力をマイクロコンピュータ１０へ出力する。本実施形態では、昇圧部２２は電気回路上、熱電発電モジュール７と蓄電部２１との間に配置される。

【0021】

切替部２３は、蓄電部２１からの放電によって駆動する温度センサ８、マイクロコンピュータ１０、及び送受信機２０への放電と放電停止とを切り替える。本実施形態では、切替部２３は電気回路上、昇圧部２２と蓄電部２１との間で、蓄電部２１とマイクロコンピュータ１０との間に配置される。

【0022】

送受信機２０は、温度センサ８の検出データに基づく送信信号を無線で送信する。送受信機２０は、熱電発電モジュール７が発生する電力によって駆動する。送受信機２０は、蓄電部２１からの放電によって駆動する。より詳しくは、送受信機２０は、蓄電部２１に蓄えられた電力が所定電圧ＶＣを超えるごとに、検出データに基づく送信信号を管理コンピュータに送信する。送受信機２０は、基板３１に設置される。

【0023】

送受信機２０は、マイクロコンピュータ１０の送受信制御部１２の制御によって、温度センサ８の検出データに基づく送信信号を図示しない管理コンピュータに送信する。

【0024】

電圧計測回路３０は、蓄電部２１の電圧を計測する回路である。電圧計測回路３０が計測した電圧は、マイクロコンピュータ１０へ出力される。

【0025】

基板３１は、制御基板を含む。基板３１は、受熱板３と放熱板４との間に設置される。基板３１は、支持部材３１Ｂを介して放熱板４に接続される。

【0026】

＜マイクロコンピュータ＞
図１に戻って、マイクロコンピュータ１０は、熱電発電装置１を制御する。マイクロコンピュータ１０は、熱電発電モジュール７が発生する電力によって駆動する。マイクロコンピュータ１０は、蓄電部２１からの放電によって駆動する。より詳しくは、マイクロコンピュータ１０は、蓄電部２１に蓄えられた電力が所定電圧ＶＣを超えるごとに、駆動される。マイクロコンピュータ１０は、センサデータ取得部１１と、送受信制御部１２と、判定部１５とを有する。マイクロコンピュータ１０は、基板３１に設置される。

【0027】

センサデータ取得部１１は、温度センサ８の検出データを取得する。センサデータ取得部１１によって取得された温度センサ８の検出データは、送受信制御部１２によって送受信機２０を介して管理コンピュータに送信される。

【0028】

送受信制御部１２は、送受信機２０による管理コンピュータへのデータの送受信を制御する。送受信制御部１２は、管理コンピュータへのデータの送受信が完了したことを検出可能である。

【0029】

判定部１５は、蓄電部２１からの放電停止を判定する。判定部１５は、蓄電部２１からの放電が完了する前に、放電停止を判定する。本実施形態では、判定部１５は、送受信制御部１２による送受信機２０を介した送信が完了した場合、放電停止を判定する。より詳しくは、判定部１５は、センサデータ取得部１１によって取得された温度センサ８の検出データを、送受信制御部１２によって送受信機２０を介して管理コンピュータに送信する処理（以下、「送信処理」という。）が完了した場合、放電停止と判定する。

【0030】

図３は、従来の熱電発電装置と、第１実施形態に係る熱電発電装置１の動作頻度を説明する図である。本実施形態では、蓄電部２１が所定電圧ＶＣまで充電されると、蓄電部２１からマイクロコンピュータ１０への放電が開始される。マイクロコンピュータ１０は、蓄電部２１から供給された電力によって駆動されて、さらに、温度センサ８と送受信機２０が駆動される。蓄電部２１は、放電することにより電圧が所定電圧ＶＣから降下する。マイクロコンピュータ１０において、送信処理が完了したときの蓄電部２１の電圧をＶＥ（＞０）とする。

【0031】

＜熱電発電装置の動作＞
このように構成された熱電発電装置１の動作の一例について説明する。機器Ｍの駆動時、機器Ｍは発熱する。機器Ｍの熱は、受熱板３及び伝熱部材６を介して熱電発電モジュール７に伝導される。熱を受けとった熱電発電モジュール７は、端面７１と端面７２との間に発生する温度差によって発電する。熱電発電モジュール７が発生する電力によって、蓄電部２１が充電される。蓄電部２１に蓄えられた電力が所定電圧ＶＣを超えるごとに、蓄電部２１が放電して、温度センサ８、マイクロコンピュータ１０、及び送受信機２０が駆動する。

【0032】

＜マイクロコンピュータの処理＞
次に、図４を用いて、マイクロコンピュータ１０の処理の一例について説明する。図４は、第１実施形態に係る熱電発電装置１のマイクロコンピュータ１０における処理の一例を示すフローチャートである。蓄電部２１から電力が供給されると、マイクロコンピュータ１０が駆動する。マイクロコンピュータ１０では、センサデータ取得部１１によって取得された温度センサ８の検出データを、送受信制御部１２によって送受信機２０を介して管理コンピュータに送信する処理が実行される。また、マイクロコンピュータ１０では、図４に示すフローチャートの処理が実行される。

【0033】

マイクロコンピュータ１０は、判定部１５によって、センサデータ取得部１１が取得した温度センサ８の検出データを、送受信制御部１２が送受信機２０を介して管理コンピュータに送信する処理を完了したか否かを判定する（ステップＳ１０１）。判定部１５によって、送信処理が完了したと判定する場合（ステップＳ１０１でＹｅｓ）、ステップＳ１０２へ進む。判定部１５によって、送信処理が完了したと判定しない場合（ステップＳ１０１でＮｏ）、ステップＳ１０１の処理を再度実行する。

【0034】

送信処理が完了したと判定する場合（ステップＳ１０１でＹｅｓ）、マイクロコンピュータ１０は、切替部２３によって、蓄電部２１からの放電を停止させる（ステップＳ１０２）。マイクロコンピュータ１０は、処理を終了する。

【0035】

ステップＳ１０２において、蓄電部２１からの放電が停止すると、蓄電部２１への充電が開始される。そして、蓄電部２１に蓄えられた電力が所定電圧ＶＣを超えると、蓄電部２１が放電して、図４に示すフローチャートの処理が実行される。

【0036】

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態では、蓄電部２１からの放電が完了する前に、蓄電部２１からの放電停止を判定する。本実施形態では、センサデータ取得部１１が取得した温度センサ８の検出データを、送受信制御部１２が送受信機２０を介して管理コンピュータに送信する処理が完了したことを判定した場合、蓄電部２１からの放電停止を判定する。本実施形態では、蓄電部２１からの放電が停止されたときの蓄電部２１の電圧ＶＥがゼロになっていないので、蓄電部２１を所定電圧ＶＣまで蓄電するのに要する時間が短くなる。本実施形態によれば、検出データの送信間隔を短くすることができる。このように、本実施形態は、送信処理の送信頻度である動作頻度を向上することができる。

【0037】

本実施形態では、蓄電部２１からの放電が完了する前に、蓄電部２１からの放電停止を判定する。これにより、本実施形態は、蓄電部２１の蓄電容量が１回の送信処理に要する蓄電容量より大きい場合でも、蓄電部２１を所定電圧ＶＣまで蓄電するのに要する時間を短くすることができる。本実施形態によれば、動作頻度を向上することができる。

【0038】

これに対して、従来の熱電発電装置は、図３に示すように、マイクロコンピュータの動作状態に関わらず、蓄電部の電圧がゼロになるまで、蓄電部から放電を行う。このため、マイクロコンピュータの動作完了後も蓄電部からの放電が継続され、電力を浪費していた。この場合の放電時間をＴＢとする。放電時間ＴＢは、本実施形態の放電時間ＴＡに比べて時間Δｔ１長い。また、蓄電部の充電時は電圧ゼロから所定電圧ＶＣまで充電するため、充電時間が長くなる。これらにより、図３において、従来の熱電発電装置と本実施形態の熱電発電装置１とでは、２回目の送信処理を行う時間の差がΔｔ２生じる。

【0039】

［第２実施形態］
図５は、第２実施形態に係る熱電発電装置１のマイクロコンピュータ１０における処理の一例を示すフローチャートである。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。第２実施形態は、マイクロコンピュータ１０の判定部１５における処理が、第１実施形態と異なる。マイクロコンピュータ１０が１回の送信処理を行うために要する電力は一定である。

【0040】

判定部１５は、電圧計測回路３０が計測した蓄電部２１の電圧に基づいて、蓄電部２１の電圧が電圧閾値以下である場合、放電停止と判定する。

【0041】

電圧閾値は、マイクロコンピュータ１０が１回の送信処理を行うために要する電力を示す値である。電圧閾値は、マイクロコンピュータ１０において、送信処理が完了したときの蓄電部２１の電圧ＶＥと同程度で、電圧ＶＥ以下の値である。

【0042】

＜マイクロコンピュータの処理＞
次に、図５を用いて、マイクロコンピュータ１０の処理の一例について説明する。ステップＳ１１２は、図４に示すフローチャートのステップＳ１０２と同様の処理を行う。

【0043】

マイクロコンピュータ１０は、判定部１５によって、電圧計測回路３０が計測した蓄電部２１の電圧が電圧閾値以下になるまで放電したか否か、言い換えると、蓄電部２１の電圧が電圧閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１１）。判定部１５によって、蓄電部２１の電圧が電圧閾値以下であると判定する場合（ステップＳ１１１でＹｅｓ）、ステップＳ１１２へ進む。判定部１５によって、蓄電部２１の電圧が電圧閾値以下であると判定しない場合（ステップＳ１１１でＮｏ）、ステップＳ１１１の処理を再度実行する。

【0044】

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態では、蓄電部２１の電圧が、電圧ＶＥ以下の値である電圧閾値以下である場合、蓄電部２１からの放電停止を判定する。本実施形態によれば、動作頻度を向上することができる。

【0045】

［第３実施形態］
図６は、第３実施形態に係る熱電発電装置１のマイクロコンピュータ１０における処理の一例を示すフローチャートである。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。第３実施形態は、マイクロコンピュータ１０の判定部１５における処理が、第１実施形態と異なる。マイクロコンピュータ１０が１回の送信処理を行うために要する時間は一定である。

【0046】

判定部１５は、蓄電部２１が放電を開始してから経過した放電時間が時間閾値以上である場合、放電停止と判定する。なお、放電時間はマイクロコンピュータ１０に内蔵された時計が計測する。

【0047】

時間閾値は、マイクロコンピュータ１０が１回の送信処理を行うために要する時間を示す値である。時間閾値は、マイクロコンピュータ１０において、送信処理が完了するまでの時間ＴＡと同程度で、時間ＴＡ以上の値である。

【0048】

＜マイクロコンピュータの処理＞
次に、図６を用いて、マイクロコンピュータ１０の処理の一例について説明する。ステップＳ１２２は、図４に示すフローチャートのステップＳ１０２と同様の処理を行う。

【0049】

マイクロコンピュータ１０は、判定部１５によって、蓄電部２１が放電を開始してから経過した放電時間が時間閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２１）。判定部１５によって、蓄電部２１が放電を開始してから経過した放電時間が時間閾値以上であると判定する場合（ステップＳ１２１でＹｅｓ）、ステップＳ１２２へ進む。判定部１５によって、蓄電部２１が放電を開始してから経過した放電時間が時間閾値以上であると判定しない場合（ステップＳ１２１でＮｏ）、ステップＳ１２１の処理を再度実行する。

【0050】

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態では、蓄電部２１が放電を開始してから経過した放電時間が時間閾値以上である場合、蓄電部２１からの放電停止を判定する。本実施形態によれば、動作頻度を向上することができる。

【0051】

＜変形例＞
上記では、温度センサ８の検出データに基づく送信信号を図示しない管理コンピュータに送信する例を示したが、温度センサ８以外にも振動センサ、光センサ、臭気センサへ適用することができる。

【符号の説明】

【0052】

１……熱電発電装置、３…受熱板、４…放熱板、５…壁部、６…伝熱部材、７…熱電発電モジュール、８…温度センサ、１０…マイクロコンピュータ、１１…センサデータ取得部、１２…送受信制御部、１５…判定部、２１…蓄電部、２２…昇圧部、２３…切替部、２０…送受信機（送受信部）、３０…電圧計測回路、３１…基板、３１Ｂ…支持部材、５１…シール部材、５２…シール部材、７１…端面、７２…端面、Ｍ…機器。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】