トップ :: H 電気 :: H02 電力の発電,変換,配電

【発明の名称】 発電冷却装置及び発電冷却装置を備えた車両
【発明者】 【氏名】小林 研吾

【氏名】佐藤 政幸

【要約】 【課題】単純な構成により、発熱源からの熱により発電できるとともに、必要に応じて急速冷却を行うことができる発電冷却装置を提供する。

【構成】所定の発熱源3の近傍に配置された熱電素子2と、熱電素子2への通電を制御する制御装置6と、を備え、熱電素子2は、発熱源3から熱が伝達される一端とその熱を放散する他端とを有するとともに、該一端と他端の温度差により発電し、通電されることで吸熱するようになっており、制御装置6は、熱電素子に接続される回路6bを有し、回路6bは、熱電素子2により発生した電力を所定の箇所4へ供給する第1状態と熱電素子2に通電を行う第2状態との間で切り換え可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定の発熱源の近傍に配置された熱電素子と、
該熱電素子への通電を制御する制御装置と、を備え、
前記熱電素子は、前記発熱源から熱が伝達される一端とその熱を放散する他端とを有するとともに、該一端と他端の温度差により発電し、通電されることで吸熱するようになっており、
前記制御装置は、前記熱電素子に接続される回路を有し、
該回路は、熱電素子により発生した電力を所定の箇所へ供給する第1状態と熱電素子に通電を行う第2状態との間で切り換え可能である、ことを特徴とする発電冷却装置。
【請求項2】
前記所定の箇所である蓄電装置を備え、
前記回路は、第1状態にある場合には、熱電素子により発生した電力を前記蓄電装置へ供給し、第2状態にある場合には、前記蓄電装置から熱電素子に電流を流す、ことを特徴とする請求項1に記載の発電冷却装置。
【請求項3】
前記発熱源はモータであって、
該モータのトルク値又はモータに流れる電流値を検知する検知装置を備え、
前記制御装置は、前記検知装置からのトルク値又は電流値を示す信号に基づいて、前記熱電素子への通電を制御する、ことを特徴とする請求項1に記載の発電冷却装置。
【請求項4】
前記発熱源はモータであって、
前記モータの温度を測定する温度センサを備え、
前記制御装置は、前記温度センサからの温度信号に基づいて、前記熱電素子への通電を制御する、ことを特徴とする請求項1に記載の発電冷却装置。
【請求項5】
請求項1に記載の発電冷却装置と前記発熱源であるモータとを備え、該モータにより走行駆動される車両。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、モータなどの発熱源からの熱を利用して発電を行い、かつ冷却も行う発電冷却装置に関する。また、本発明は、この発電冷却装置と発熱源であるモータとを備え、モータにより走行駆動される車輌、電気自動車及びモータとエンジンとのハイブリッド車などの車両に関する。
【背景技術】
【0002】
従来において、省エネルギのため、機器の発熱源から発生する廃熱を利用して発電することが行われている。このような発電装置は、例えば下記特許文献1に記載されている。
【0003】
特許文献1の発電装置20は、図6に示すように、一端側が発熱源21の近傍に位置する熱電素子22、熱電素子22の他端側を冷却するファン24と、ファン24を駆動するモータ26と、を備える。熱電素子22は、その一端と他端の温度差に基づいて発電することができるゼーベック素子である。このゼーベック素子により発生した電力は、ファン24のモータ26に供給されるようになっている。なお、符号27は冷却フィンを示している。
【特許文献1】特開2005−137159号公報 「発電装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、発熱源からの熱を有効に利用して発電を行うだけでなく、必要に応じて急速冷却できるようにすることが望まれる。
【0005】
例えば、発熱源がモータである場合、モータを高負荷で運転させると、モータに大電流が流れ焼損が生じる可能性がある。従って、焼損を防止するには、必要時にモータを急速冷却できるようにすることが望ましい。
【0006】
また、新たな装置を付加することなく、即ち、単純な構成により、発熱源からの熱により発電を行うとともに、急速冷却できるようにすることが望ましい。
【0007】
そこで、本発明の目的は、単純な構成により、発熱源からの熱により発電できるとともに、必要に応じて急速冷却を行うことができる発電冷却装置を提供することにある。
【0008】
また、本発明の別の目的は、発熱源であるモータにより走行駆動される車両であって、単純な構成を用いて、モータからの熱により発電できるとともに、必要に応じてモータを急速冷却できる車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するため、本発明によると、所定の発熱源の近傍に配置された熱電素子と、該熱電素子への通電を制御する制御装置と、を備え、前記熱電素子は、前記発熱源から熱が伝達される一端とその熱を放散する他端とを有するとともに、該一端と他端の温度差により発電し、通電されることで吸熱するようになっており、前記制御装置は、前記熱電素子に接続される回路を有し、該回路は、熱電素子により発生した電力を所定の箇所へ供給する第1状態と熱電素子に通電を行う第2状態との間で切り換え可能である、ことを特徴とする発電冷却装置が提供される。
【0010】
上記構成では、制御装置の回路を、熱電素子により発生した電力を所定の箇所へ供給する第1状態と熱電素子に通電を行う第2状態との間で切り換えることで、熱電素子を発電装置としても冷却装置としても使用できる。従って、発電用の装置と吸熱用の装置とを別個に設けずに発電及び冷却を行える。これにより、単純な構成で、発電及び冷却を切り換えて行える。
また、熱電素子による吸熱冷却には、温度応答性が速いという利点がある。即ち、熱電素子を用いることで、急速冷却が可能となる。
よって、単純な構成により、発熱源からの熱により発電できるとともに、必要に応じて急速冷却を行うことができる。
【0011】
本発明の好ましい実施形態によると、前記発電冷却装置は、前記所定の箇所である蓄電装置を備え、前記回路は、第1状態にある場合には、熱電素子により発生した電力を前記蓄電装置へ供給し、第2状態にある場合には、前記蓄電装置から熱電素子に電流を流す。
【0012】
上記構成により、熱電素子が発生させた電力が蓄電装置に蓄えられ、この蓄電装置から熱電素子に電流を流すことができる。
【0013】
本発明の好ましい実施形態によると、前記発電冷却装置は前記熱電素子の他端を冷却する送風機を備える。
【0014】
この送風機により、熱電素子の一端と他端の温度差を確実に維持することができる。
【0015】
本発明の好ましい実施形態によると、前記発熱源はモータである。
【0016】
モータのエネルギ損失の大部分は熱であるが、上記構成により、この熱を有効利用して発電できる。
【0017】
本発明の好ましい実施形態によると、前記発熱源はモータであって、前記発電冷却装置は、該モータのトルク値又はモータに流れる電流値を検知する検知装置を備え、前記制御装置は、前記検知装置からのトルク値又は電流値を示す信号に基づいて、前記熱電素子への通電を制御する。
【0018】
上記構成では、モータのトルク値又はモータに流れる電流値に基づいてモータの冷却を行うことができる。また、熱電素子による冷却は急速に行うことができる。よって、モータのトルク値又は電流値に基づいて急速冷却できるので、焼損を発生させずに高負荷・高トルクでモータを運転させることが可能になる。
さらに、熱電素子は発電も行えるので、省エネルギ及び高負荷運転を両立できるモータ駆動システムが可能となる。
【0019】
また、前記発電冷却装置は、前記検知装置の代わりに、前記モータの温度を測定する温度センサを備えていてもよい。この場合、前記制御装置は、前記温度センサからの温度信号に基づいて、前記熱電素子への通電を制御する。
【0020】
上記構成では、モータの冷却をモータの温度に基づいて行うことができる。また、熱電素子による冷却は急速に行うことができる。よって、モータの温度に基づいて急速冷却できるので、焼損を発生させずに高負荷・高トルクでモータを運転させることが可能になる。
さらに、熱電素子は発電も行えるので、省エネルギ及び高負荷運転を両立できるモータ駆動システムが可能となる。
【0021】
また、上記別の目的を達成するため、本発明によると、前記発電冷却装置と前記発熱源であるモータとを備え、該モータにより走行駆動される車両が提供される。
【発明の効果】
【0022】
上述した本発明によると、単純な構成により、発熱源からの熱により発電できるとともに、必要に応じて急速冷却を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
本発明の最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【0024】
図1は、本発明の実施形態による発電冷却装置10の構成を示す図である。図1に示すように、本実施形態による発電冷却装置10は、熱電素子2、蓄電装置4、制御装置6を備える。図1の例では、発電冷却装置10は、モータ3で走行駆動される車両(例えば、地上車、電気自動車及びモ-タとエンジンのハイブリッド車など)に設けられている。なお、符号5はモータの出力軸に結合されたギヤを示しており、このギヤ等を介して車両の車輪にモータ3の駆動力が伝達される。
【0025】
熱電素子2は、その一端が発熱源であるモータ3に接触するように配置される。熱電素子2の一端にモータ3から熱が伝達され、その熱が熱電素子2の他端で放散される。本願において、熱電素子とは、その一端と他端の温度差により電力を発生する素子であり、また、熱電素子に所定の向きで電流が流れると熱を吸収する素子でもある。
【0026】
熱電素子2の一端と他端との温度差は、他端にヒートシンク8が結合されているので、他端の熱はヒートシンク8を介して空気中に放散される。温度差をより確実に維持するためには、熱電素子2の他端を空冷するための送風機12を設ける。なお、ヒートシンク8の代わりに、冷却フィンを設けてもよい。この場合、熱電素子2の他端に冷却フィンを結合させる。
【0027】
熱電素子の機能には、ゼーベック効果により電力を発生する機能と、ペルチェ効果により吸熱する機能とがある。
【0028】
図2は、ゼーベック効果とペルチェ効果を説明するための図である。
【0029】
ゼーベック効果とは、図2(a)に示すように、導体又は半導体9の両端に温度差ΔTを生じさせると、その両端に起電力V=α・ΔTを発生する効果である。αは導体又は半導体9の材質によって決まるゼーベック係数である。導体及びn型熱電半導体9の場合には、その両端に温度差を生じさせると、電子が低温側に拡散していくので(図2(a)参照)、低温側が低電位となる。一方、p型熱電半導体の場合には、その両端に温度差を生じさせると、正孔が低温側に拡散していくので、低温側が高電位となる。
【0030】
ペルチェ効果とは、図2(b)に示すように、異種の導体又は半導体をつないだ回路に電流を流すと、この接合部で吸熱が起こる効果である。この吸熱量Qは、Q=βIである。βは異種の導体又は半導体の材料によって決まるペルチェ係数である。図2(b)において、n型熱電半導体とp型熱電半導体とを接合して、矢印の向きに電流を流すと、電子はp型からn型に流れる。この時、電子がp型より電子エネルギレベルの高いn型の障壁を越えるために、熱エネルギを得るので、接合部で吸熱が起こる。
【0031】
このようなゼーベック効果とペルチェ効果の両方を得るための熱電素子の構成を図3に示す。
【0032】
図3(a)において、次のように、端子a,bの間に起電力が発生する。図3(a)に示すように、低温側と高温側との間で温度差が発生している場合には、n型熱電半導体では、電子が低温側に拡散する。従って、n型熱電半導体では、低温側が負極(−)となり高温側が正極(+)となる。一方、図3(a)において、p型熱電半導体では、正孔が低温側に拡散する。従って、p型熱電半導体では、低温側が正極(+)となり高温側が負極(−)となる。よって、n型熱電半導体の負極(−)とp型熱電半導体の正極(+)とを電極14により接続することで、端子a,b間に起電力が発生する。なお、電極14、15は導体であり、電極14はn型熱電半導体とp型熱電半導体との接合部に相当する。
【0033】
図3(b)において、次のように、端子a,bの間に電流を流すと吸熱効果が得られる。図3(b)の矢印の向きに電流Iを流すと、n型熱電半導体とp型熱電半導体との接合部14において、電子がp型より電子エネルギレベルの高いn型の障壁を越えるために、接合部14において吸熱が起こる。
【0034】
このように、図3に示すようにn型熱電半導体とp型熱電半導体とを接合した構成により、ゼーベック効果とペルチェ効果の両方を得ることが可能となる。図3の熱電素子を図4のように多数直列に接続して図1の熱電素子2を構成する。図4の熱電素子2の構成と図1との関係を述べると、図4の電極14がモータ3に接し、図4の電極15がヒートシンク8に接する又は結合するように、熱電素子2が配置される。
【0035】
制御装置6は、図1に示すように、熱電素子2に接続された充放電回路6bと、充放電回路6bを制御するコントローラ6aとを有する。充放電回路6bは、コントローラ6aにより、熱電素子2により発生した電力を蓄電装置4へ供給する第1状態と熱電素子2に通電を行う第2状態との間で切り換えられる。第1状態では、熱電素子2には通電されておらず、熱電素子2はその一端と他端との温度差により発電する。第2状態では、熱電素子2には通電されており、熱電素子2は自身に流れる電流(図4の矢印の向きの電流I)により接合部14において吸熱を行う。このように、熱電素子2を発電装置としても冷却装置としても使用できる。
【0036】
蓄電装置4は、充放電回路6bを介して熱電素子2から供給される電力を蓄える。また、熱電素子2による冷却時には、充放電回路6bを介して蓄電装置4から熱電素子2へ電流を流すこともできる。なお、図1の例では、蓄電装置4の起電力により、送風機12を運転させモータ3を駆動させることも行う。
【0037】
上記発電時と通電時の制御をより詳細に説明する。
コントローラ6aは、熱電素子2に発電を行わせる場合、充放電回路6bを制御し、これにより、充放電回路6bは、熱電素子2で発生した電力が蓄電装置4に充電されるように熱電素子2と蓄電装置4とを接続する。
一方、コントローラ6aは、熱電素子2に吸熱させる場合には、充放電回路6bを制御し、これにより、充放電回路6bは、蓄電装置4から熱電素子2に電流が流れるように熱電素子2と蓄電装置4とを接続する。
【0038】
発電冷却装置10は、図5(a)に示すように、モータ3のトルク値又はモータ3に流れる電流値を検知し、このトルク値又は電流値を示す信号をコントローラ6aへ出力する検知装置16を有してもよい。この場合、コントローラ6aは、検知装置16からの信号に基づいて充放電回路6bを制御することで、熱電素子2への通電を制御する。
【0039】
例えば、モータ3のトルク値又はモータ3に流れる電流値が所定値以上となった場合に、又は、モータ3のトルク値又はモータ3に流れる電流値が所定値以上となっている期間が所定の長さに達した場合に、モータ冷却のため熱電素子2へ通電を開始するようにできる。
また、モータ3のトルク値又はモータ3に流れる電流値が所定値以上の場合に、モータ3のトルク値又はモータ3に流れる電流値が増加するに伴い、熱電素子2へ流す電流値を増加させることもできる。
このような通電開始のタイミングや熱電素子2への電流値の増加は、充放電回路6bがコントローラ6aに制御されることで行える。
【0040】
このようにして、モータ3のトルク値又はモータ3に流れる電流値に応じてモータ3の冷却を行うことができる。また、熱電素子2による冷却は急速に行うことができる。よって、モータ3のトルク値又は電流値に基づいて急速冷却できるので、焼損を発生させずに高負荷・高トルクでモータ3を運転させることが可能になる。
さらに、熱電素子2は発電も行えるので、省エネルギ及び高負荷運転を両立できる。
【0041】
一方、発電冷却装置10は、検知装置16の代わりに、モータ3の温度を測定する温度センサ18を有していてもよい(図5(b)を参照)。この場合、コントローラ6aは、温度センサ18からの信号に基づいて充放電回路6bを制御することで、熱電素子2への通電を制御する。
【0042】
例えば、モータ3の温度が所定値以上となった場合に、モータ3への通電を開始するようにできる。
また、モータ3の温度が所定値以上の場合に、制御装置6は、モータ3の温度が当該所定値又は当該所定値以下となるように、熱電素子2へ流す電流値を調節することができる。
このような通電開始のタイミングや熱電素子2への電流値の調節は、充放電回路6bがコントローラ6aに制御されることで行える。
【0043】
このようにして、モータ3の冷却をモータ3の温度に応じて行うことができる。また、熱電素子2による冷却は急速に行うことができる。よって、モータ3の温度に基づいて急速冷却できるので、焼損を発生させずに高負荷・高トルクでモータ3を運転させることが可能になる。
さらに、熱電素子2は発電も行えるので、省エネルギ及び高負荷運転を両立できる。
【0044】
上述した本発明の実施形態による発電冷却装置10によると、充放電回路6bを、熱電素子2により発生した電力を蓄電装置4へ供給する第1状態と熱電素子2に通電を行う第2状態との間で切り換えることで、熱電素子2を発電装置としても冷却装置としても使用できる。従って、発電用の装置と吸熱用の装置とを別個に設けずに発電及び冷却を行える。これにより、単純な構成で、発電及び冷却を切り換えて行える。
また、熱電素子2による吸熱冷却には、温度応答性が速いという利点がある。即ち、熱電素子2を用いることで、急速冷却が可能となる。
よって、単純な構成により、モータ3からの熱により発電できるとともに、必要に応じてモータ3を急速に冷却できる。
【0045】
本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【0046】
例えば、制御装置6は、充放電回路6bの代わりに、コントローラ6aに制御される別の回路を有してもよい。この場合、当該回路は、コントローラ6aにより、第1状態にされると、熱電素子2により発生した電力を、モータ3、送風機12又は他の適切な装置に供給する。また、当該回路は、コントローラ6aにより、第2状態にされると、蓄電装置4又は他の適切な電力源から熱電素子2に図4の矢印の向きに電流を流す。なお、当該回路又は充放電回路6bは特許請求の範囲の回路に相当する。
また、上述の実施形態ではモータが発熱源であるが、他の機器を発熱源として本発明の発電冷却装置を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【0047】
【図1】本発明の実施形態による発電冷却装置の構成を示す図である。
【図2】図2(a)はゼーベック効果を説明するための図であり、図2(b)はペルチェ効果を説明するための図である。
【図3】ゼーベック効果とペルチェ効果の両方を得るための熱電素子の構成図である。
【図4】図1に示す熱電素子の構成図である。
【図5】図5(a)はモータのトルク値又はモータに流れる電流値に基づいて熱電素子への通電を制御するための構成図であり、図5(b)はモータの温度に基づいて熱電素子への通電を制御するための構成図である。
【図6】特許文献1の発電装置の構成図である。
【符号の説明】
【0048】
2 熱電素子
3 モータ
4 蓄電装置
6 制御装置
6a コントローラ
6b 充放電回路
8 ヒートシンク
10 発電冷却装置
12 送風機
14 電極
15 電極
16 検知装置
18 温度センサ
【出願人】 【識別番号】000000099
【氏名又は名称】株式会社IHI
【出願日】 平成18年8月8日(2006.8.8)
【代理人】 【識別番号】100097515
【弁理士】
【氏名又は名称】堀田 実

【識別番号】100136548
【弁理士】
【氏名又は名称】仲宗根 康晴

【識別番号】100136700
【弁理士】
【氏名又は名称】野村 俊博


【公開番号】 特開2008−43095(P2008−43095A)
【公開日】 平成20年2月21日(2008.2.21)
【出願番号】 特願2006−215709(P2006−215709)