特許 7550955 熱電変換制御装置および熱電変換装置の制御方法

(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】2024-09-05

(45)【発行日】2024-09-13

(54)【発明の名称】熱電変換制御装置および熱電変換装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02N 11/00 20060101AFI20240906BHJP

【ＦＩ】

H02N11/00 A

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2023505006

(86)(22)【出願日】2021-03-11

(86)【国際出願番号】 JP2021009742

(87)【国際公開番号】W WO2022190309

(87)【国際公開日】2022-09-15

【審査請求日】2023-04-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】591036457

【氏名又は名称】三菱電機エンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】森岡 孝之

(72)【発明者】

【氏名】山下 彰

(72)【発明者】

【氏名】時岡 秀忠

(72)【発明者】

【氏名】日永田 一大

(72)【発明者】

【氏名】池田 勝己

【審査官】谿花 正由輝

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２２６８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１２７６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０７６２１５６８（ＣＮ，Ａ）

【文献】特許第６９５２９３７（ＪＰ，Ｂ１）

(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】

熱電変換装置から前記熱電変換装置が出力する電力の変換を行う電力変換部に入力される電流および電圧を計測する電流電圧測定部と、
前記電流電圧測定部によって計測された前記電流および前記電圧に基づいて、前記熱電変換装置の出力電力を最大化させるために前記熱電変換装置の出力端子に接続すべき負荷抵抗値である最大出力負荷抵抗値を算出し、前記電力変換部の入力端子側から前記電力変換部を見た抵抗値が前記最大出力負荷抵抗値になるように、前記熱電変換装置から前記電力変換部に入力される前記電流を制御する電力変換制御部と、
を備え、
前記電力変換制御部は、前記電力変換部に入力される前記電流を一定値だけ変化させ、前記電流を変化させた直後に計測された前記電圧と前記電流を変化させた後に前記電圧が安定してから計測された前記電圧との差分と、前記電流を変化させたときの前記電流の変化量とに基づいて、前記熱電変換装置の前記最大出力負荷抵抗値を算出する、
熱電変換制御装置。

【請求項2】

前記電力変換制御部は、前記電力変換部に入力される前記電流を変化させる際、前記熱電変換装置を開放状態から短絡状態へと変化させる、
請求項１に記載の熱電変換制御装置。

【請求項3】

前記電流電圧測定部は、前記電力変換部に入力される前記電流および前記電圧をそれぞれ２点以上計測し、
前記電力変換制御部は、前記電流および前記電圧の２点以上の計測結果から算出した前記熱電変換装置の内部抵抗値に基づいて、前記熱電変換装置の前記最大出力負荷抵抗値を算出する、
請求項１または請求項２に記載の熱電変換制御装置。

【請求項4】

前記電流の変化直後に計測された前記電圧をＶ_１、前記電圧が安定した後に計測された前記電圧をＶ_２、前記電流の変化量をΔＩ、前記熱電変換装置の内部抵抗値をＲ_ｉｎｔとすると、前記電力変換制御部は、前記熱電変換装置の前記最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘを、
Ｒ_ｐｍａｘ＝Ｒ_ｉｎｔ＋（Ｖ_１－Ｖ_２）／ΔＩ
の関係式を用いて算出する、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱電変換制御装置。

【請求項5】

前記電力変換制御部は、前記電流および前記電圧の３点以上の計測結果から前記熱電変換装置の熱時定数を算出し、算出した前記熱時定数に基づいて、前記電流を変化させた後に前記電圧が安定するまでの待ち時間を決定する、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱電変換制御装置。

【請求項6】

前記電力変換部をさらに備える、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱電変換制御装置。

【請求項7】

（ａ）熱電変換装置から前記熱電変換装置が出力する電力の変換を行う電力変換部に入力される電流を一定値だけ変化させる工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）の直後に、前記熱電変換装置から前記電力変換部に入力される前記電流および電圧を計測する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記電圧が安定してから、前記熱電変換装置から前記電力変換部に入力される前記電流および前記電圧を計測する工程と、
（ｄ）前記工程（ｂ）で計測された前記電圧と前記工程（ｃ）で計測された前記電圧との差分と、前記工程（ａ）での前記電流の変化量とに基づいて、前記熱電変換装置の出力電力を最大化させるために前記熱電変換装置の出力端子に接続すべき負荷抵抗値である最大出力負荷抵抗値を算出する工程と、
（ｅ）前記電力変換部の入力端子側から前記電力変換部を見た抵抗値が前記最大出力負荷抵抗値になるように、前記熱電変換装置から前記電力変換部に入力される前記電流を制御する工程と、
を備える熱電変換装置の制御方法。

【請求項8】

前記工程（ａ）において、前記電力変換部に入力される前記電流を変化させる際、前記熱電変換装置を開放状態から短絡状態へと変化させる、
請求項７に記載の熱電変換装置の制御方法。

【請求項9】

（ｆ）前記電力変換部に入力される前記電流および前記電圧をそれぞれ２点以上計測する工程、
を含み、
前記工程（ｄ）において、前記電流および前記電圧の２点以上の計測結果から算出した前記熱電変換装置の内部抵抗値に基づいて、前記熱電変換装置の前記最大出力負荷抵抗値を算出する、
請求項７または請求項８に記載の熱電変換装置の制御方法。

【請求項10】

前記工程（ｄ）において、前記電流の変化直後に計測された前記電圧をＶ_１、前記電圧が安定した後に計測された前記電圧をＶ_２、前記電流の変化量をΔＩ、前記熱電変換装置の内部抵抗値をＲ_ｉｎｔとすると、前記熱電変換装置の前記最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘは、
Ｒ_ｐｍａｘ＝Ｒ_ｉｎｔ＋（Ｖ_１－Ｖ_２）／ΔＩ
の関係式を用いて算出される、
請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の熱電変換装置の制御方法。

【請求項11】

（ｇ）前記電流および前記電圧の３点以上の計測結果から前記熱電変換装置の熱時定数を算出する工程、
をさらに備え、
前記工程（ｄ）における前記電圧が安定するまでの待ち時間は、前記工程（ｇ）で算出された前記熱時定数に基づいて決定される、
請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の熱電変換装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置の制御装置および制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

熱電変換装置の従来の制御装置として、熱電変換装置が出力する電力を最大化させるために、熱電変換装置の出力電圧および出力電流を熱電変換装置の内部インピーダンスと一致させるものが知られている（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００８－２２６８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のような熱電変換装置の制御装置は、熱電変換装置と高温熱源との間および熱電変換装置と低温冷却源との間に熱抵抗が存在しない理想的な系においては、熱電変換装置の最大出力動作点（出力電力が最大となる動作点）を取得して出力電力を最大化することが可能であるが、熱抵抗が存在する実際の系においては、最大出力動作点を取得できず、出力電力の最大化を達成することができないという課題を有している。

【0005】

本開示はこのような課題を解決するためになされたものであり、熱電変換装置と高温熱源との間および熱電変換装置と低温冷却源との間に熱抵抗が存在する系においても、熱電変換装置の出力電力を最大値に近づけることが可能な制御装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る熱電変換制御装置は、熱電変換装置から前記熱電変換装置が出力する電力の変換を行う電力変換部に入力される電流および電圧を計測する電流電圧測定部と、前記電流電圧測定部によって計測された前記電流および前記電圧に基づいて、前記熱電変換装置の出力電力を最大化させるために前記熱電変換装置の出力端子に接続すべき負荷抵抗値である最大出力負荷抵抗値を算出し、前記電力変換部の入力端子側から前記電力変換部を見た抵抗値が前記最大出力負荷抵抗値になるように、前記熱電変換装置から前記電力変換部に入力される前記電流を制御する電力変換制御部と、を備え、前記電力変換制御部は、前記電力変換部に入力される前記電流を一定値だけ変化させ、前記電流を変化させた直後に計測された前記電圧と前記電流を変化させた後に前記電圧が安定してから計測された前記電圧との差分と、前記電流を変化させたときの前記電流の変化量とに基づいて、前記熱電変換装置の前記最大出力負荷抵抗値を算出する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、熱電変換装置の最大出力負荷抵抗値を電気計測のみに基づいて取得して、熱電変換装置が出力する電力を最大値に近づけることができる。よって、熱電変換装置と高温熱源との間および熱電変換装置と低温冷却源との間に熱抵抗が存在する系においても、熱電変換装置の出力電力を最大値に近づけることが可能である。

【0008】

本開示の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１に係る熱電変換装置の制御装置（熱電変換制御装置）を示す構成図である。

【図2】実施の形態１に係る熱電変換装置の動作を示すフローチャートである。

【図3】熱電変換装置の出力電流を変化させた際の出力電圧の時間変化を示す図である。

【図4】熱電変換装置の出力電流を変化させた際の熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差の時間変化を示す図である。

【図5】熱電変換装置の出力電流を変動させた際の熱電変換装置の振る舞いを説明するための図である。

【図6】熱電変換装置の出力電流を変動させた際の熱電変換装置の振る舞いを説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

＜実施の形態１＞
以下、熱電変換装置の制御装置を「熱電変換制御装置」という。図１は、実施の形態１に係る熱電変換制御装置の構成を示す図である。図１に示すように、熱電変換制御装置１２は、熱電変換装置１１と負荷１３との間に接続され、熱電変換装置１１が発生した電力の変換を行い、変換後の電力を負荷１３に供給する。

【0011】

熱電変換装置１１は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、熱電変換モジュール１１ａと、熱電変換モジュール１１ａの高温側の面に設置された高温側熱交換器１１ｂと、熱電変換モジュール１１ａの低温側の面に設置された低温側熱交換器１１ｃとを備えている。

【0012】

熱電変換モジュール１１ａは、高温側の面と低温側の面との間に接続された少なくとも１つの熱電変換素子を含んでいる。熱電変換素子は、熱電材料によって構成され、両端の温度差に応じて起電力が生じるゼーベック効果により発電する。熱電変換モジュール１１ａが発生した電力は、熱電変換装置１１の正極側出力端子および負極側出力端子から出力される。なお、熱電変換モジュール１１ａが複数の熱電変換素子を有する場合、熱電変換モジュール１１ａ内で複数の熱電変換素子が直列または並列に接続される。

【0013】

高温側熱交換器１１ｂは、工場などで排出される排気ガスなどの高温流体から熱を受け、その熱を熱電変換モジュール１１ａの高温側の面へ伝達する機能を有する。高温側熱交換器１１ｂとしては、例えば、アルミやステンレス（ＳＵＳ）から成るフィン状の構造体が用いられる。低温側熱交換器１１ｃは、熱電変換モジュール１１ａの低温側の面から熱を奪う機能を有する。低温側熱交換器１１ｃとしては、例えば、アルミや銅から成るブロック中に冷却水が流れる構造のものが用いられる。高温側熱交換器１１ｂおよび低温側熱交換器１１ｃの働きにより、熱電変換モジュール１１ａの高温側の面から低温側の面へ熱が貫通し、熱電変換モジュール１１ａに起電力が生じる。

【0014】

熱電変換制御装置１２は、熱電変換装置１１の正極側出力端子に接続される正極側入力端子と、熱電変換装置１１の負極側出力端子に接続される負極側入力端子とを有しており、熱電変換装置１１が出力した電力は熱電変換制御装置１２に入力される。また、熱電変換制御装置１２は、電力変換部１２ａと、電流電圧測定部１２ｂと、電力変換制御部１２ｃとを備えている。

【0015】

電力変換部１２ａは、熱電変換装置１１から熱電変換制御装置１２に入力された電力の変換を行う変換回路である。電力変換部１２ａとしては、熱電変換装置１１の起電力と負荷１３で必要とされる電圧との関係に応じて、昇圧型、降圧型または昇降圧型のＤＣ－ＤＣコンバータのいずれかが用いられる。図１に示す電力変換部１２ａの回路は、熱電変換装置１１の最適動作点の出力電圧が負荷１３で必要な電圧よりも低い場合の、降圧コンバータの回路構成である。電力変換部１２ａによって変換された電力は、熱電変換制御装置１２の正極側出力端子および負極側出力端子から出力される。

【0016】

負荷１３は、熱電変換制御装置１２の正極側出力端子に接続される正極側入力端子と、熱電変換制御装置１２の負極側出力端子に接続される負極側入力端子とを有し、熱電変換制御装置１２によって変換された電力は負荷１３に入力される。負荷１３ｃは、例えば蓄電池などの定電圧源から構成される。

【0017】

電流電圧測定部１２ｂは、熱電変換装置１１から熱電変換制御装置１２に入力される電力に係る電流および電圧を計測する測定回路である。電力変換制御部１２ｃは、電流電圧測定部１２ｂが計測した電流および電圧に基づいて電力変換部１２ａを制御することにより、熱電変換装置１１の出力電力を最大値に近づける最大出力制御を行う制御回路である。

【0018】

熱電変換制御装置１２の入力端子側から見た電力変換部１２ａの負荷抵抗値（正極側入力端子と負極側入力端子との間の負荷抵抗値）、すなわち（入力電圧）／（入力電流）の値は、電力変換部１２ａのＤＣ－ＤＣコンバータを構成するスイッチング素子の開閉の時間割合であるデューティ比によって制御できる。例えば図１に示す回路構成の電力変換部１２ａ（降圧コンバータ）では、スイッチング素子のデューティ比を増加させると、電力変換部１２ａの負荷抵抗値が低くなる。電力変換制御部１２ｃは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）波やＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）波など、周期的な矩形波のスイッチング信号を電力変換部１２ａのスイッチング素子のゲートに入力することで、当該スイッチング素子の開閉制御を行い、それによって電力変換部１２ａの負荷抵抗値を制御する。

【0019】

熱電変換制御装置１２は、電力変換制御部１２ｃが、電流電圧測定部１２ｂが計測した電流および電圧、すなわち熱電変換装置１１の出力電流および出力電圧に基づいて、電力変換部１２ａの負荷抵抗値を制御することによって、熱電変換装置１１の最大出力制御の処理を実施する。

【0020】

なお、電力変換部１２ａは、熱電変換制御装置１２の外部構成であってもよい。すなわち、熱電変換制御装置１２を、電流電圧測定部１２ｂおよび電力変換制御部１２ｃのみからなる構成とし、熱電変換制御装置１２が、外部に接続された電力変換部１２ａの負荷抵抗値を制御するようにしてもよい。

【0021】

以下、熱電変換制御装置１２が行う熱電変換装置１１の最大出力制御の処理について説明する。

【0022】

図２は、熱電変換制御装置１２の動作を示すフローチャートを示す。以下の説明では、電流電圧測定部１２ｂによって測定される熱電変換装置１１の出力電流および出力電圧をそれぞれ電流Ｉおよび電圧Ｖと表記する。

【0023】

熱電変換制御装置１２が動作を開始すると、ステップＳ１０において、電力変換制御部１２ｃは、電力変換部１２ａのスイッチング素子に入力するスイッチング信号のデューティ比を制御して、電流電圧測定部１２ｂにより計測される電流Ｉが任意の一定値Ｉ_１になるように制御し、電圧Ｖの変動が小さくなるまで待つ。

【0024】

次に、ステップＳ１１において、電力変換制御部１２ｃは、スイッチング信号のデューティ比を変化させることで、電流ＩをＩ_１からＩ_１＋ΔＩに変化させる。

【0025】

次に、ステップＳ１２において、電流電圧測定部１２ｂは、ステップＳ１１で電流ＩをＩ_１＋ΔＩに変化させた直後の電圧Ｖを計測する。ステップＳ１２で計測された電圧ＶをＶ_１とする。ここで、「電流Ｉを変化させた直後」とは、電流Ｉを変化させてから、熱電変換装置１１の熱時定数（例えば１０秒）よりも大幅に短い時間が経過するまでの間を意味する。本実施の形態では、電流ＩをＩ_１＋ΔＩに変化させてから、０．０１秒以内にステップＳ１２を行い、電圧Ｖ_１を計測する。

【0026】

なお、熱電変換装置１１の熱時定数は、熱電変換装置１１の熱応答に対して時間遅れを生じさせるものであり、その値は、高温側熱交換器１１ｂの熱容量および熱抵抗と、低温側熱交換器１１ｃの熱容量および熱抵抗と、熱電変換モジュール１１ａの熱容量および熱抵抗とによって決まる。熱電変換装置１１の熱時定数を事前に推定できない場合は、電流Ｉを変化させた後、電流電圧測定部１２ｂで可能な限り早いタイミングで電圧Ｖ_１を計測することが好ましい。

【0027】

次に、ステップＳ１３において、電流Ｉを変化させてから熱電変換装置１１の系が熱的に安定して、電圧Ｖが安定するまで（変動が小さくなるまで）待つ。電流Ｉを変化させると電圧Ｖが一時的に変動する理由は、
（１）電流Ｉが変化して熱電変換装置１１の熱バランスが一時的に崩れると、熱電変換モジュール１１ａが電流Ｉを増加させる
（２）電流Ｉが増加すると、ペルチェ効果により熱抵抗が低下し、それに伴って熱電変換モジュール１１ａの高温側と低温側の温度差ΔＴ_ＴＥＧも低下しようとする
（３）しかし、高温側熱交換器１１ｂおよび低温側熱交換器１１ｃはそれぞれ熱容量を持つため温度差ΔＴ_ＴＥＧが熱平衡状態の値に達するまでに時間遅れが生じ、それに伴って熱電変換モジュール１１ａの電圧Ｖが平衡状態に達するのにも遅れが生じる
というメカニズムによる。

【0028】

その後、ステップＳ１４において、電流電圧測定部１２ｂは、安定した後の電圧Ｖを測定する。ステップＳ１４で計測された電圧ＶをＶ_２とする。

【0029】

図３および図４に、熱電変換装置１１が出力する電流ＩをΔＩだけ増加させた際の電圧Ｖおよび熱電変換モジュール１１ａの温度差ΔＴ_ＴＥＧそれぞれの時間変化（過渡特性）の例を示す。図３のように、電流ＩをΔＩだけ増加させると、その直後に電圧Ｖは電圧Ｖ_１に遷移するが、その後は熱電変換装置１１の熱平衡時の電流－電圧特性に従って電圧Ｖは電圧Ｖ_２に漸近する。漸近する際の電圧Ｖの時定数は、上述した熱電変換装置１１の熱時定数と等しい。これは、ゼーベック効果により熱電変換モジュール１１ａが出力する電圧Ｖが温度差ΔＴ_ＴＥＧに比例することによる。

【0030】

従って、ステップＳ１３では、ステップＳ１１から少なくとも熱電変換装置１１の熱時定数以上の時間が経過するまで待つことが好ましく、熱電変換装置１１の熱時定数をＴとすると、３Ｔの時間以上待つことがより好ましい。なお、ΔＩが正の値である場合は、図３のように電圧Ｖは徐々に減少して一定値に収束するが、ΔＩが負の値である場合は、電圧Ｖ_１は徐々に増加して一定値に収束する。熱電変換装置１１の熱時定数Ｔがあらかじめ取得できている場合は、３Ｔ以上の時間待つことで熱電変換装置１１が熱平衡状態に近くなり、電圧Ｖ_２として収束値に近い値を得ることができる。

【0031】

ステップＳ１４にて電圧Ｖ_２が計測されると、ステップＳ１５において、電力変換制御部１２ｃは、次の式（１）に基づき、熱電変換装置１１の出力電力が最大化される負荷抵抗値である最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘを算出する。式（１）において、Ｒ_ｉｎｔは熱電変換装置１１の内部抵抗値（熱電変換モジュール１１ａの内部抵抗値）である。

【0032】

【数1】

【0033】

次に、ステップＳ１６において、電力変換部１２ａの入力端子側から見た負荷抵抗値が、ステップＳ１４で算出した最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘになるように、電力変換制御部１２ｃが、電力変換部１２ａのスイッチング素子に入力するスイッチング信号のデューティ比を制御する。具体的には、熱電変換装置１１が出力する電圧Ｖおよび電流Ｉと最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘとの関係がＶ／Ｉ＝Ｒ_ｐｍａｘとなるように、電力変換制御部１２ｃがスイッチング信号のデューティ比を調整して、電流Ｉを制御する。

【0034】

次に、ステップＳ１７において、Ｖ／Ｉ＝Ｒ_ｐｍａｘに制御している状態で、熱電変換装置１１が熱平衡状態に近くなるように、再び一定時間だけ待つ。ステップＳ１７における待ち時間も、ステップＳ１３の待ち時間と同様に、少なくとも熱電変換装置１１の熱時定数Ｔ以上であることが好ましく、より好ましくは３Ｔ以上である。本実施の形態では、ステップＳ１３およびＳ１７における待ち時間を３Ｔとする。

【0035】

その後、ステップＳ１８において、電流電圧測定部１２ｂが電圧Ｖおよび電流Ｉを計測し、熱電変換装置１１の発電量Ｐ＝Ｖ×Ｉを算出する。

【0036】

さらに、熱電変換制御装置１２は、熱電変換装置１１の最大出力動作点が熱源や冷却源の温度変化によって変動する場合でも継続して最大出力動作点に追従するために、以下のステップＳ１９～Ｓ２１を実施する。

【0037】

ステップＳ１９において、任意の一定時間ｔ_ｍだけ待つ。この時間ｔ_ｍは、熱電変換装置１１の発電量を継続的にモニタリングする周期となる。

【0038】

次に、ステップＳ２０において、電流電圧測定部１２ｂが電圧Ｖおよび電流Ｉを計測し、このときの熱電変換装置１１の発電量Ｐ’を算出する。ステップＳ２０で計測された電圧Ｖおよび電流ＩをそれぞれＩ'およびＶ'とすると、Ｐ’＝Ｉ'×Ｖ'である。

【0039】

次に、ステップＳ２１において、ステップＳ１８で算出された発電量ＰとステップＳ２０で算出されたて発電量Ｐ'とが一定値ΔＰ以上乖離しているか否か判定する。ＰとＰ’とがΔＰ以上乖離している場合は（ステップＳ２１でＹＥＳ）、熱電変換装置１１の内部抵抗値Ｒ_ｉｎｔまたは最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘに変化が生じて、熱電変換装置１１の最大出力動作点が変化した可能性があるため、ステップＳ１０に戻り、再度、最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘを算出する手順に移る。一方、ＰとＰ’との乖離がΔＰ未満である場合は（ステップＳ２１でＮＯ）、ステップＳ１９に戻り、熱電変換装置１１にかかる負荷抵抗値（熱電変換制御装置１２の負荷抵抗値）を一定に保ったまま、一定時間ｔ_ｍの周期で発電量Ｐ'を算出する手順を繰り返し実行する。

【0040】

以上のように、実施の形態１に係る熱電変換制御装置１２は、熱電変換装置１１が出力する電流Ｉおよび電圧Ｖの電気計測のみに基づいて、熱電変換装置１１の最大出力動作点（最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘ）を取得し、熱電変換装置１１の出力電力を最大値に近づける。そのため、熱電変換装置１１と高温熱源との間および熱電変換装置１１と低温冷却源との間に熱抵抗が存在する系においても、熱電変換装置１１の出力電力を最大値に近づけることが可能である。

【0041】

ここで、上記の式（１）により熱電変換装置１１の最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘが得られる原理について説明する。

【0042】

熱電変換モジュール１１ａと高温側の温度固定点との間、および、熱電変換モジュール１１ａと低温側の温度固定点との間に熱抵抗が存在しない理想状態では、熱電変換モジュール１１ａの最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘは、熱電変換モジュール１１ａの内部抵抗値Ｒ_ｉｎｔに一致する。これは最大電力供給の定理によるものである。

【0043】

一方、図５に示すように、熱電変換モジュール１１ａと高温側の温度固定点との間、および、熱電変換モジュール１１ａと低温側の温度固定点との間に熱抵抗が存在する場合、熱電変換モジュール１１ａの最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘは、熱電変換モジュール１１ａの内部抵抗値Ｒ_ｉｎｔよりも高い値となる。このときの最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘは、以下のように導出される。

【0044】

熱電変換モジュール１１ａのペルチェ係数をΠとすると、熱電変換モジュール１１ａに電流Ｉが流れるときの熱電変換モジュール１１ａの貫通熱量Ｑは、ペルチェ効果により、電流Ｉ＝０のときと比較してΠＩだけ増加する。よって、電流Ｉ＝０のときの熱電変換モジュール１１ａの貫通熱量をＱ_０とすると、熱電変換装置１１の貫通熱量Ｑは、次の式（２）で表される。

【0045】

【数2】

【0046】

高温側の温度固定点の温度Ｔｈと低温側の温度固定点の温度Ｔｃの温度差をΔＴ０とする。高温側の温度固定点は、高温側熱交換器１１ｂを流れる熱流体の温度であり、低温側の温度固定点は、低温側熱交換器１１ｃを流れる冷却水の温度である。また、図５に示すように、高温側の温度固定点と熱電変換装置１１の高温側の面との間の熱抵抗をＲ_ｔｈ＿ｈ、低温側の温度固定点と熱電変換モジュール１１ａの低温側の面との間の熱抵抗をＲ_ｔｈ＿ｃとし、Ｒ_ｔｈ＿ｈとＲ_ｔｈ＿ｃとの和を、付加熱抵抗Ｒ_{ｔｈ＿ａｄｄ}とする。

【0047】

熱電変換モジュール１１ａの高温側の面と低温側の面との温度差ΔＴ_ＴＥＧは、式（２）のＱを用いて、次の式（３）で表される。

【0048】

【数3】

【0049】

熱電変換モジュール１１ａのゼーベック係数Ｓおよび内部抵抗値Ｒ_ｉｎｔを用いると、熱電変換モジュール１１ａの出力電圧Ｖは、次の式（４）で表される。

【0050】

【数4】

【0051】

式（４）に、式（２）および式（３）を代入すると、次の式（５）が得られる。

【0052】

【数5】

【0053】

ここで、熱電変換モジュール１１ａの出力電力Ｐは、次の式（６）で表される。

【0054】

【数6】

【0055】

式（６）に式（５）を代入すると、次の式（７）が得られる。

【0056】

【数7】

【0057】

式（７）のＰはＩの二次関数であるため、熱電変換モジュール１１ａの出力電力Ｐが極大となるときの電流Ｉの値Ｉ_ｐｍａｘは、上に凸の二次関数の極値大値の点として求めることができ、次の式（８）で表すことができる。

【0058】

【数8】

【0059】

また、その際の電圧Ｖ_ｐｍａｘは、式（４）に式（８）を代入して、次の式（９）で表すことができる。

【0060】

【数9】

【0061】

式（８）および式（９）から、熱電変換モジュール１１ａの最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘは、次の式（１０）で表すことができる。

【0062】

【数10】

【0063】

式（１０）から分かるように、熱電変換モジュール１１ａの最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘは、内部抵抗値Ｒ_ｉｎｔよりもＳΠＲ_{ｔｈ＿ａｄｄ}だけ高い値となる。

【0064】

次に、ＳΠＲ_{ｔｈ＿ａｄｄ}を、熱計測をすることなく、熱電変換モジュール１１ａが出力する電流Ｉおよび電圧Ｖの計測のみに基づいて取得する原理について説明する。

【0065】

図３および図４ならびに図５および図６に示すように、電圧Ｖ＝Ｖ_１のときの熱電変換モジュール１１ａの温度差ΔＴ_ＴＥＧをΔＴ_１、電圧Ｖ＝Ｖ_２のときの熱電変換モジュール１１ａの温度差ΔＴ_ＴＥＧをΔＴ_２とする。熱電変換装置１１の最大出力制御において、Ｖ_１とＶ_２との差分から、ゼーベック効果の式により、熱電変換モジュール１１ａの温度差ΔＴ_ＴＥＧの差分ΔＴ_１－ΔＴ_２を求めることができる。差分ΔＴ_１－ΔＴ_２は、次の式（１１）で表される。

【0066】

【数11】

【0067】

さらに、Ｉ＝Ｉ_１＋ΔＩのときの熱電変換モジュール１１ａの貫通熱量をＱ_０＋ΔＱとすると、ΔＱは次の式（１２）で表される。

【0068】

【数12】

【0069】

ここで、Ｉ＝Ｉ_１＋ΔＩのときに付加熱抵抗Ｒ_{ｔｈ＿ａｄｄ}で生じる温度差は、定常状態において、Ｉ＝Ｉ_１のときと比較してＲ_{ｔｈ＿ａｄｄ}ΔＱだけ増加する。ただし、過渡的には、電流ＩをΔＩだけ変化させた直後のＲ_{ｔｈ＿ａｄｄ}で生じる温度差は、電流Ｉの変化直前の温度が熱容量によって保持されているため、電流Ｉの変化直前と同じＲ_{ｔｈ＿ａｄｄ}Ｑのままであり、一定時間経過したときにＲ_{ｔｈ＿ａｄｄ}で生じる温度差は、Ｉ＝Ｉ_１のときと比較してＲ_{ｔｈ＿ａｄｄ}ΔＱだけ増加する。これは熱電変換素子の温度差のΔＴ_ＴＥＧの変化分であるΔＴ_１－ΔＴ_２と等しいので、次の式（１３）が成り立つ。

【0070】

【数13】

【0071】

式（１３）に式（１１）および式（１２）を代入すると、次の式（１４）が得られる。

【0072】

【数14】

【0073】

さらに、式（１４）を式（１０）に代入すると、ＳとΠが消去されて、次の式（１５）が得られる。

【0074】

【数15】

【0075】

よって、熱電変換モジュール１１ａの内部抵抗値Ｒ_ｉｎｔが事前に把握できている場合は、熱計測をすることなく、電気計測の結果に基づいて、最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘを算出することができる。

【0076】

＜実施の形態２＞
実施の形態２では、図２にフローチャートのステップＳ１０において電力変換制御部１２ｃが電流Ｉを一定値Ｉ_１に制御するとき、熱電変換モジュール１１ａを開放状態にして電流Ｉ_１を０にし、また、ステップＳ１１で電流ＩをΔＩだけ変化させるとき、熱電変換モジュール１１ａを短絡状態にして、ΔＩを熱電変換モジュール１１ａの短絡時の電流値Ｉ_ｓｃにする。

【0077】

これにより、Ｖ_１－Ｖ_２およびΔＩを、外部起電力を用いずにできる限り大きな値にすることができ、式（１）から最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘを高い精度で得ることができるため、熱電変換装置１１の発電量Ｐを高い精度で最大値に近づけることが可能になる。

【0078】

＜実施の形態３＞
実施の形態３では、電力変換制御部１２ｃが、熱電変換モジュール１１ａの内部抵抗値Ｒ_ｉｎｔの値を、電力変換部１２ａの入力端子側から見た負荷抵抗値を変化させたときに電流電圧測定部１２ｂによって計測された電流Ｉおよび電圧Ｖに基づいて算出するように構成する。熱電変換モジュール１１ａの内部抵抗値Ｒ_ｉｎｔは、電力変換部１２ａの負荷抵抗値が変化したときの電圧Ｖの変化量を、電流Ｉの変化量で除すことで算出できる。これにより、電力変換制御部１２ｃは、温度安定後における熱電変換モジュール１１ａの正確な内部抵抗を取得することができ、熱電変換モジュール１１ａの正確な状態を監視することが可能になる。

【0079】

熱電変換モジュール１１ａの内部抵抗値Ｒ_ｉｎｔは、温度的に安定した熱電変換モジュール１１ａにおける２点以上の計測点（測定時刻）での電流Ｉおよび電圧Ｖとから求めることができる。例えば、図２のステップＳ１０において、電流Ｉが一定値Ｉ_１に制御された後、電圧Ｖが安定したときに、電流電圧測定部１２ｂがそのときの電圧Ｖの値Ｖ０（図３参照）を計測しておけば、電力変換制御部１２ｃは、ステップＳ１５において式（１５）を用いて最大出力負荷抵抗値Ｒ_ｐｍａｘを算出する際に、次の式（１６）により内部抵抗値Ｒ_ｉｎｔを算出して、式（１５）に適用することができる。

【0080】

【数16】

【0081】

＜実施の形態４＞
実施の形態４では、電力変換制御部１２ｃが、電力変換部１２ａの入力端子側から見た負荷抵抗値を変化させる際に、熱電変換装置１１の熱時定数Ｔを算出するように構成する。算出された熱時定数Ｔは、例えば図２のステップＳ１３およびＳ１７における待ち時間の決定に用いることができる。

【0082】

例えば、図２のステップＳ１１で電流Ｉを変化させてから、ステップＳ１３で電圧Ｖが安定するまでの間に、電力変換制御部１２ｃは、以下のような処理により熱時定数Ｔを取得することができる。

【0083】

まず、ステップＳ１１で電流ＩをＩ_１＋ΔＩに制御してから任意の時間が経過するまでの間に、電流電圧測定部１２ｂが電流Ｉおよび電圧Ｖをそれぞれ３点以上の計測点（測定時刻）で計測する。この計測点には、ステップＳ１２の計測点とステップＳ１４の計測点とが含まれてもよい。よって、電流電圧測定部１２ｂは、ステップＳ１２からステップＳ１４までの間に、少なくとも、ステップＳ１２およびステップＳ１４以外の１点の計測点で電流Ｉおよび電圧Ｖを計測すればよい。

【0084】

例えば、ステップＳ１２で電圧Ｖ_１を計測した時刻ｔを０とすると、時刻ｔに対する電圧Ｖの変化は、ステップＳ１２で測定された電圧Ｖ_１、ステップＳ１４で測定された電圧Ｖ_２、熱電変換装置１１を用いて、次の式（１７）で表すことができる。

【0085】

【数17】

【0086】

式（１７）に、ステップＳ１２およびステップＳ１４以外の計測点で測定した電圧Ｖとその時刻ｔとを代入すれば、熱電変換装置１１の熱時定数Ｔを求めることができる。

【0087】

また、４点以上の計測点で電圧Ｖを計測した場合には、最小二乗法などを用いて電圧Ｖの過渡特性を求めることにより、熱時定数Ｔを算出してもよい。

【0088】

熱電変換装置１１の起電力は、ゼーベック効果により熱電変換モジュール１１ａの高温側と低温側の温度差ΔＴに比例する（Ｖ＝ＳΔＴ）。このため、電圧Ｖの時間応答は温度差ΔＴの時間応答と同じふるまいを示すことになる。このことから、電圧Ｖの熱時定数Ｔをそのまま熱時定数Ｔとしてみなすことができるため、電圧Ｖの計測のみで熱時定数Ｔを取得することが可能になる。

【0089】

よって、本実施の形態においては、熱電対などの熱計測のハードウェアを追加することなく、熱電変換制御装置１２が、電気計測のみで熱電変換装置１１の熱時定数を取得することができ、安価かつ簡便に熱電変換装置１１の出力電力を最大値に近づけることができる。

【0090】

なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

【0091】

上記した説明は、すべての態様において、例示であって、例示されていない無数の変形例が想定され得るものと解される。

【符号の説明】

【0092】

１１ 熱電変換装置、１１ａ 熱電変換モジュール、１１ｂ 高温側熱交換器、１１ｃ 低温側熱交換器、１２ 熱電変換制御装置、１２ａ 電力変換部、１２ｂ 電流電圧測定部、１２ｃ 電力変換制御部、１３ 負荷。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】