JP3654635B2

JP3654635B2 - 熱発電制御装置

Info

Publication number: JP3654635B2
Application number: JP2001324618A
Authority: JP
Inventors: 昭仁鬼頭; 公一光藤
Original assignee: パロマ工業株式会社
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: JP2003134801A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱電対等の熱発電素子からの起電力を昇圧制御する熱発電制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、バーナにより加熱された熱電対の起電力を昇圧回路で昇圧させ、昇圧された出力電圧でファンモータ等のアクチュエータを駆動する熱発電制御装置が知られている。
こうした熱発電制御装置の赤外線ストーブへの適用の一例として、赤熱プレート式のガスバーナからの輻射熱に加え、熱発電により駆動する送風ファンによる温風によっても暖房を行うファン付き赤外線ストーブが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱電対が発電するエネルギーが不安定であるため、昇圧される電圧もまた不安定であった。しかも、昇圧された出力電圧は、負荷の大きさにも影響され、出力が安定しなかった。このため、送風ファン等の負荷の安定した動作が得られなかった。
本発明の熱発電制御装置は上記課題を解決し、熱発電素子が発電した電力を制御して安定して負荷へ供給することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１記載の熱発電制御装置は、
熱により発電する熱発電素子と、
スイッチング素子のオンオフによりコイルに電圧を誘起させて、上記熱発電素子から入力された起電力を昇圧させる昇圧回路と、
昇圧された電力を電源として負荷に通電する負荷通電回路と、
上記負荷の電源電圧を検出する電圧検出手段と、
上記電圧検出手段の検出電圧である上記昇圧回路の出力電圧が最大となるように上記スイッチング素子を制御して昇圧効率を調整する昇圧効率制御回路と、
上記昇圧回路で昇圧された出力電圧を更に昇圧させる第２昇圧回路と
を備え、上記第２昇圧回路で昇圧された電力を上記昇圧効率制御回路の電源として用いることを要旨とする。
【０００５】
また、本発明の請求項２記載の熱発電制御装置は、上記請求項１記載の熱発電制御装置において、
上記負荷をモータとし、
上記起電力を昇圧した電力を上記モータの代わりに消費する疑似負荷を設け、該モータを駆動する前に、該疑似負荷に通電して該疑似負荷の電源電圧が最大となるように昇圧効率を仮調整するようにしたことを要旨とする。
【０００６】
また、本発明の請求項３記載の熱発電制御装置は、
熱により発電する熱発電素子と、
スイッチング素子のオンオフによりコイルに電圧を誘起させて、上記熱発電素子から入力された起電力を昇圧させる昇圧回路と、
昇圧された電力を電源としてモータに通電する負荷通電回路と、
上記モータの電源電圧を検出する電圧検出手段と、
上記電圧検出手段の検出電圧である上記昇圧回路の出力電圧が最大となるように上記スイッチング素子を制御して昇圧効率を調整する昇圧効率制御回路と、
上記起電力を昇圧した電力を上記モータの代わりに消費する疑似負荷と
を備え、上記モータを駆動する前に、上記疑似負荷に通電して該疑似負荷の電源電圧が最大となるように昇圧効率を仮調整するようにしたことを要旨とする。
【００１１】
上記構成を有する本発明の請求項１記載の熱発電制御装置は、昇圧回路のスイッチング素子のオンオフによりコイルに電圧を誘起させて、熱発電素子が発生した起電力を昇圧させ、この昇圧された電圧を検出し、この検出電圧が最大になるようにスイッチング素子を制御して、この昇圧された電力を負荷へ安定して供給する。この検出電圧つまり昇圧回路の出力電圧が最大の時、昇圧効率も最大になる。
昇圧効率とは、電源（例えば３Ｖ，１Ａで３Ｗ）から昇圧した時に得られる電力（例えば６Ｖ，０．４Ａで２．４Ｗ）の割合（この場合では、２．４Ｗ／３Ｗ＝８０％）である。
さらに、起電力を昇圧回路で昇圧し負荷の電源として使用すると共に、昇圧回路で昇圧された出力電圧を第２昇圧回路で更に昇圧させて昇圧効率制御回路の電源として使用する。
例えば、１Ｖから３Ｖへ昇圧したい場合には、一気に１Ｖから３Ｖへ昇圧させる場合に、昇圧差が大き過ぎて２．７Ｖ程度までしか昇圧できないことが起こり得る。これに対して、先ず昇圧回路が、１Ｖから２．６Ｖまで余裕を持って昇圧し、次に第２昇圧回路が、昇圧された２．６Ｖを３Ｖまで昇圧する場合には、確実に所望の電圧まで昇圧することができる。
ところで、昇圧効率制御回路からの制御信号の電圧と昇圧回路のオン抵抗とは反比例関係にあり、信号電圧が大きいほどオン抵抗が小さく、昇圧時のエネルギー損失が少なくなって昇圧効率が高くなる。従って、昇圧効率制御回路の電源電圧を第２昇圧回路により高くすることによって、昇圧効率制御回路の作動が安定して、確実に昇圧効率を調整できる。
【００１２】
また、本発明の請求項２記載の熱発電制御装置は、モータの駆動前は、昇圧した電力をモータの代わりに抵抗等の疑似負荷に印加する。この間に、疑似負荷での電源電圧が最大となるように昇圧効率を仮調整しておくことで、疑似負荷への通電を停止してモータを駆動させても、昇圧効率がある程度調整されているため、モータへの通電と同時に出力電圧が急激に低下することがなく、モータが回転しなくなってしまうという不具合を防止する。
【００１３】
また、本発明の請求項３記載の熱発電制御装置は、昇圧回路のスイッチング素子のオンオフによりコイルに電圧を誘起させて、熱発電素子が発生した起電力を昇圧させ、この昇圧された電圧を検出し、この検出電圧が最大になるようにスイッチング素子を制御して、この昇圧された電力を負荷へ安定して供給する。この検出電圧つまり昇圧回路の出力電圧が最大の時、昇圧効率も最大になる。
昇圧効率とは、電源（例えば３Ｖ，１Ａで３Ｗ）から昇圧した時に得られる電力（例えば６Ｖ，０．４Ａで２．４Ｗ）の割合（この場合では、２．４Ｗ／３Ｗ＝８０％）である。
さらに、モータの駆動前は、昇圧した電力をモータの代わりに抵抗等の疑似負荷に印加する。この間に、疑似負荷での電源電圧が最大となるように昇圧効率を仮調整しておくことで、疑似負荷への通電を停止してモータを駆動させても、昇圧効率がある程度調整されているため、モータへの通電と同時に出力電圧が急激に低下することがなく、モータが回転しなくなってしまうという不具合を防止する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の熱発電制御装置の好適な実施形態について説明する。
【００１９】
本発明の一実施形態としての熱発電制御装置について図１〜図７を用いて説明する。
図２は、ファン付赤外線ストーブ１（以下、単にストーブ１と略称する）の断面概略図である。
ストーブ１は、前面に輻射開口２が設けられた本体ケース３内に、この輻射開口２に対向させて赤熱プレート式のバーナ４を備える。
【００２０】
バーナ４は、燃料ガスと一次空気との混合室を形成するバーナ本体６と、バーナ本体６に装着される多数の炎孔が設けられたセラミックス製の燃焼プレート７とを備えた全一次空気式バーナであり、図示しない吸入孔から吸入された燃料ガスと一次空気とがバーナ本体６内で良好に混合され、その混合気が燃焼プレート７の炎孔から噴出して、燃焼プレート７上で表面燃焼する。
【００２１】
また、バーナ本体６は、上バーナ本体１３と下バーナ本体１５とに上下二段で分割形成される。そして、燃焼プレート７は、上バーナ本体１３と下バーナ本体１５とにそれぞれ二枚ずつ設けられる構成であり、全面で燃焼する強火力設定と下バーナ本体１５に設けられた二面のみで燃焼する弱火力設定の二種類の火力切替が行える。
【００２２】
本体ケース３内の底部には、バーナ４の燃焼ガスを本体ケース３前面下部に設けられた温風吹出口８から送出するファン９が設けられる。バーナ４の後方には、バーナ４の上方近傍に燃焼ガス吸込口１０を有し、ファン９に燃焼ガスと常温空気との混合気（温風）を導く温風吸気通路１１が設けられる。そして、ファン９と温風吹出口８とは温風送出通路１２によって連通される。
【００２３】
また、器具背面上方で燃焼ガス吸込口１０と略対向する位置に常温空気吸込口１６が開口され、温風吸気通路１１と連通される。従って、ファン９が駆動すると、燃焼ガス吸込口１０から燃焼ガスが吸引され、常温空気吸込口１６から室内の空気が吸引されて、温風吸気通路１１及び温風送出通路１２で混合され、燃焼ガスと外部空気の混合気が適度の温風として温風吹出口８から送出される。
【００２４】
また、輻射開口２と温風吹出口８とには複数のガード棒１４が設けられ、器具本体内に使用者の手等が入らないようになっている。
また、バーナ４の燃焼面５の前面に、前後二列で配列された直列型熱電対３５が対向して設けられ、この熱電対３５で得られた電力がファン９のモータ３８の電源として用いられる。また、ファン９の左右には、熱電対３５による発電を制御する熱発電制御装置３０，乾電池３２が設けられる（図２中の破線）。
【００２５】
ファン９のモータ３８には、ＤＣブラシレスモータが用いられる。これは、ブラシモータが機械接点式で摩耗しやすく耐久性が悪いためである。このブラシレスモータ３８は、内部にモータ３８を回転制御するための集積回路であるＩＣ３８ｂを備えて、ＩＣのトランジスタのスイッチングを短い周期で切り替える構成をしている。
【００２６】
また、熱発電制御装置３０は、図１に示されるように、主に、コントローラ３１，乾電池３２，点火スイッチ３３，電源回路３４，熱電対３５，第１昇圧回路３６，第２昇圧回路３７，負荷駆動回路３９等からなり、先ずこれらの構成および動作について説明する。尚、図中の符号ＣＮはコネクタを示す。
【００２７】
コントローラ３１は、マイコンを主要部として構成され、熱発電制御，モータ駆動制御を行う。このコントローラ３１の作動電圧は３Ｖで、耐電圧は５．５Ｖである。
点火スイッチ３３は、乾電池３２と電源回路３４との接続スイッチで、点火レバーの点火操作に連動してオンになる。
熱電対３５は、ストーブ１のバーナ４近傍に設けられ、火炎に加熱されて約１Ｖの起電力で電力を発生するもので、この電力がコントローラ３１やモータ３８の電源として利用される。
【００２８】
第１昇圧回路３６は、熱電対３５で発生した起電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータで、その電力（電圧はＶＣＣ２）がモータ３８の巻線３８ａへ供給され、モータ３８を駆動させる。
この第１昇圧回路３６は、コントローラ３１の出力ポートｃからのパルス信号によりオンオフするＦＥＴ１（スイッチング素子），ＦＥＴ１のオンオフにより電圧を誘起するコイルＬ２，コイルＬ２の放電時のインピーダンスを小さくする電解コンデンサＣ３，電荷を蓄える電解コンデンサＣ４，昇圧後の電源（電解コンデンサＣ４や後述する電解コンデンサＣ７）から第１昇圧回路３６側へ電流が流れることを防止するショットキーバリアーダイオードＤ３を備える。
【００２９】
また、ショットキーバリアーダイオードＤ３は、電圧降下が０．２〜０．３Ｖと小さいもので、このダイオードでの消費電力を最低限に抑えており、発電した電力を効果的に負荷へ供給できる。
【００３０】
こうした構成の第１昇圧回路３６では、点火操作（点火スイッチ３３のオン動作）から３秒経過後、熱電対３５の起電力が所定値に達したとみなして、コントローラ３１は、出力ポートｃから周波数とデューティ比を調整したパルス信号をＦＥＴ１へ送信し、そのパルス信号によりＦＥＴ１をオンオフ動作させ、これによりコイルＬ２に電圧を誘起させて熱電対３５からの入力電圧（１Ｖ）を昇圧して電気エネルギーを蓄えさせる。尚、この周波数とデューティ比の調整制御については後で詳述する。
【００３１】
ＦＥＴ１がオンの時、熱電対３５の起電力がコイルＬ２に電流を流す。ＦＥＴ１をオフすると、コイルＬ２の性質により電流を流し続けようとして電圧が上昇し、電流は、第１昇圧回路３６と電源回路３４との接続点Ａを通って、第２昇圧回路３７および負荷駆動回路３９へ流れる。そして、この電流は、負荷駆動回路３９からモータ３８の巻線３８ａへの電源として使われる（この印加電圧はＶＣＣ２）。
この昇圧された電力がモータ３８や、後述する負荷駆動回路３９の疑似負荷４０により消費されるため、第１昇圧回路３６の出力電圧ＶＣＣ２は、平均２．６Ｖとなる。コントローラ３１は、その電圧を入力ポートｂから検知する。
【００３２】
第２昇圧回路３７は、第１昇圧回路３６で昇圧された出力電圧（２．６Ｖ）を更に所定電圧（３Ｖ）まで昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータで、スイッチング素子となるＦＥＴを内蔵した第２昇圧回路３７専用集積回路であるＩＣ３７ａと、コイルＬ１と、電解コンデンサＣ２と、ダイオードＤ２とを備える。
この第２昇圧回路３７は、パルス信号によりＩＣ３７ａのＦＥＴをオンオフ動作させ、これによりコイルＬ１に電圧を誘起させて、後述する電源回路３４や第１昇圧回路３６からの入力電圧をＶＤＤ（３Ｖ）まで昇圧して、モータ３８のＩＣ３８ｂ（作動必要電圧は３Ｖ），コントローラ３１の電源ポートｄ等へ電源として供給する。
【００３３】
このように、コントローラ３１の電源は、ＶＣＣ２を用いずにＶＤＤ（第２昇圧回路３７の出力）を用いている。これは、ＶＣＣ２を用いた場合には、モータ３８の巻線３８ａの負荷（必要電力）に影響を受けて印加電圧が不安定になってしまうからである。また、ＶＣＣ２からでは、初期段階で第１昇圧回路３６を駆動するために必要な電圧を得ることができないからである。
【００３４】
この第２昇圧回路３７のＩＣ３７ａの電圧ＶＤＤは、コントローラ３１およびモータ３８のＩＣ３８ｂという軽い負荷（３Ｖ，０．１ｍＡで０．３ｍＷ）しか接続されていないため、オンオフしても昇圧の変化が少なく安定している。一方、第１昇圧回路３６の出力電圧ＶＣＣ２は、モータ３８という重い負荷（通常２．６Ｖ，１６０ｍＡで４１６ｍＷ）に接続されるため、オンオフの度に昇圧の変化が大きく不安定になる。
このように、モータ３８とコントローラ３１とで印加電圧を分けているため、制御を司るコントローラ３１に不安定な電圧が印加されることはなく、正常に制御を行うことができる。
【００３５】
尚、第１昇圧回路３６のＦＥＴ１にはパワーＭＯＳＦＥＴが用いられ、大きな電流を流すことができるが、第２昇圧回路３７のＩＣ３７ａは、ＦＥＴ１ほど大きな電流を流すことができないため、モータ３８の巻線３８ａといった大きな負荷の駆動には適しておらず、コントローラ３１やモータ３８のＩＣ３８ｂといった負荷の小さい部品へ電力供給するための昇圧装置に用いられる。
【００３６】
第１昇圧回路３６からの電力を消費する負荷が大きい場合には、第１昇圧回路３６の出力電圧ＶＣＣ２は小さくなるので、入力ポートｂの電圧Ｖｂも低く、コントローラ３１の故障の心配はない。
一方、負荷が小さい場合には、第１昇圧回路３６の出力電圧ＶＣＣ２は、１０Ｖ程度になるため、入力ポートｂの電圧Ｖｂが高くなり過ぎてコントローラ３１が故障してしまうおそれがあるが、抵抗Ｒ５，Ｒ６（各抵抗値は等しい）により入力電圧を半分に分圧しているため故障を防止できる。
【００３７】
また、コントローラ３１の過電圧による故障を防ぐために、入力ポートｂ（電圧検出部）には、入力ポートｂへの印加電圧Ｖｂを制限するダイオードＤ４が設けられ、このダイオードＤ４を介してＶＤＤと接続される。このダイオードＤ４の電圧降下が０．７Ｖ程度と小さいため、仮に第１昇圧回路３６で昇圧された起電力が非常に大きくなっても、入力ポートｂの電圧Ｖｂの最大値が、「ＶＤＤ（３Ｖ）＋０．７Ｖ」つまり３．７Ｖとなってコントローラ３１が故障するおそれはない。
【００３８】
熱電対３５が発生する起電力では、モータ３８を起動するために必要な電圧が得られないため、起電力を昇圧する必要があり、そのためには、第１昇圧回路３６を作動させるコントローラ３１へ電力を供給しなければならない。その電源として、乾電池３２（電圧ＶＣＣ１は１．５Ｖ）が用いられる。
【００３９】
点火からしばらく経って、熱電対３５が所定以上の起電力を発生するようになると、コントローラ３１用の電力をその起電力で賄われるため、乾電池３２からコントローラ３１への電力供給を停止できる。
電源回路３４は、この電力供給を遮断し、熱電対３５からの電力供給に切り替える回路であり、コントローラ３１によって制御される。
【００４０】
この電源回路３４は、乾電池電源の第２昇圧回路３７への供給路を開閉するトランジスタＱ１，トランジスタＱ１のベースに制限抵抗Ｒ２を介して接続される電解コンデンサＣ１，電解コンデンサＣ１とトランジスタＱ１のエミッタとの間に設けられる制限抵抗Ｒ１とダイオードＤ１，コントローラ３１の出力ポートａに接続されると共に制限抵抗Ｒ２と電解コンデンサＣ１との間で接続されるデジタルトランジスタＤＴ１，トランジスタＱ１のコレクタに接続されるツェナーダイオードＺＤ１を備える。
【００４１】
Ｒ１は、放電時の過電流防止用の制限抵抗で、Ｒ２は、充電時の過電流防止用の制限抵抗である。また、ツェナーダイオードＺＤ１は、コントローラ３１への印加電圧がその耐電圧５．５Ｖを超えないようにしている。また、ダイオードＤ１は、点火スイッチ３３をオフした時に、電解コンデンサＣ１に溜まった電荷を放出するために設けられ、これにより次回の点火時にも電解コンデンサＣ１をタイマー（後述）として用いることができる。
【００４２】
電源回路３４では、点火操作により点火スイッチ３３がオンになると、乾電池３２からの電流がトランジスタＱ１のエミッタからベースへ流れてトランジスタＱ１がオンになる。この電流は、制限抵抗Ｒ２，電解コンデンサＣ１へと流れる。
トランジスタＱ１のオン動作に伴って、電流は、エミッタからコレクタ，第２昇圧回路３７へ流れ、１．５Ｖから昇圧されて３Ｖ（ＶＤＤ）となり、この出力電圧ＶＤＤがコントローラ３１の電源として使用される。
【００４３】
点火スイッチ３３のオンから約１０秒経過すると、電解コンデンサＣ１の電荷が溜まって、電解コンデンサＣ１に電流が流れなくなり、トランジスタＱ１がオフになる。ここで、電解コンデンサＣ１はタイマーの働きをしている。
【００４４】
次に、負荷駆動回路３９について説明する。
負荷駆動回路３９は、抵抗Ｒ７，Ｒ８からなる疑似負荷４０と、コントローラ３１の出力ポートｅからの信号により疑似負荷４０への通電を制御するデジタルトランジスタＤＴ２と、コントローラ３１の出力ポートｆからの信号によりモータ３８を駆動制御するＦＥＴ２と、モータ３８停止時の還流用のダイオードＤ５，セラミックコンデンサＣ８と、電解コンデンサＣ７と、ＦＥＴ２をオフするための抵抗Ｒ１０とを備える。
【００４５】
疑似負荷４０は、モータ３８を起動する時期が来るまで、つまり、熱電対３５からの起電力が安定すると共に電解コンデンサＣ４，Ｃ７に電荷が溜まったとみなされるまで、昇圧された電力がモータ３８の代わりに通電され、モータ３８の駆動中は非通電状態になる。尚、疑似負荷４０は、モータ３８回転時の負荷抵抗よりもやや軽い。
【００４６】
次に、コントローラ３１が行う第１昇圧回路３６での昇圧効率の調整制御について図３〜図５のフローチャートを用いて説明する。
前述したように、コントローラ３１からＦＥＴ１への制御信号の電圧と昇圧回路のオン抵抗（ＦＥＴ１のドレインとソースとの間の抵抗）とは反比例関係にあり、この電圧が大きいほどオン抵抗が小さく、昇圧時のエネルギー損失が少なくなって昇圧効率が高くなる。従って、ここでは、この電圧を大きくするように制御する。
【００４７】
先ず、点火操作に連動して点火スイッチ３３がオンになると、昇圧効率の制御を開始する。図３に示されるように、初期設定として、スイッチング周波数を６ｋＨｚに、デューティ比（１周期中のオン時間の割合）を７０％とし（Ｓ１）、周波数を調整する際の増減を示す周波数変化符号を＋に、デューティ比を調整する際の増減を示すデューティ比変化符号も＋にする（Ｓ２）。
点火スイッチ３３のオンから３秒経過するまで待機し（Ｓ３）、３秒経過後に周波数の調整処理（Ｓ４）、デューティ比の調整処理（Ｓ１４）を繰り返して、出力電圧がピークに達するようにする。
【００４８】
図４は、周波数の調整制御を示す。
先ず、入力ポートｂで検出される現在のＶＣＣ２をＶ１として記憶する（Ｓ５）。尚、ＶＣＣ２は抵抗Ｒ５，Ｒ６で半分に分圧されるため、例えば、入力ポートｂで１．５Ｖが検出される場合には、その時のＶＣＣ２は３．０Ｖである。
そして、周波数変化符号が＋の場合には周波数（ここでは６ｋＨｚ）に０．２５ｋＨｚを足し、周波数変化符号が−の場合には周波数から０．２５ｋＨｚを引く（Ｓ６）。
周波数の変更から３秒経過するまで待機し（Ｓ７）、３秒経過後、電圧が安定したとみなして入力ポートｂで現在のＶＣＣ２をＶ２として検出する（Ｓ８）。
【００４９】
周波数変更前の電圧Ｖ１と変更後の電圧Ｖ２とを比較し（Ｓ９）、電圧Ｖ２が３．５Ｖ以下か否かを判断する（Ｓ１０，Ｓ１３）。
この判断値を３．５Ｖとしているのは、第２昇圧回路３７の出力電圧ＶＤＤの上限を３Ｖ程度にするためであり、この結果、電圧Ｖ２が第２昇圧回路３７の入力電圧を３．４Ｖ（ダイオードＤ２電圧降下０．４Ｖ＋ＶＤＤ）を極端に超えないようになる。
電圧Ｖ２が電圧Ｖ１を上回れば（Ｓ９：ＹＥＳ）、周波数の変更により昇圧した、つまり、昇圧効率が上がったことが分かる。
この際、電圧Ｖ２が３．５Ｖを超える場合には（Ｓ１０：ＮＯ）、昇圧し過ぎによるコントローラ３１（耐電圧５．５Ｖ）の故障を防止するため、周波数変化符号を今回と反対の符号にして（Ｓ１２）、次回ステップ６に戻った時に降圧するようにしておく。つまり、＋→−とし、−→＋とする。
【００５０】
一方、電圧Ｖ２が３．５Ｖ以下である場合には（Ｓ１０：ＹＥＳ）、出力電圧が最大となるようにするために、周波数変化符号を今回と同じままにし（Ｓ１１）、次回ステップ６に戻った時に更に昇圧するようにしておく。
そして、デューティ比を調整するサブルーチンへ移行する。
【００５１】
ステップ９において、電圧Ｖ２が電圧Ｖ１以下であれば（Ｓ９：ＮＯ）、周波数の変更により降圧した、つまり、昇圧効率が下がったことが分かる。この際、電圧Ｖ２が３．５Ｖを超えていれば（Ｓ１３：ＮＯ）、コントローラ３１（耐電圧５．５Ｖ）が故障しないよう更に降圧させるために、周波数変化符号を今回と同じままにする（Ｓ１１）。
一方、電圧Ｖ２が３．５Ｖ以下であれば（Ｓ１３：ＹＥＳ）、出力電圧が最大となるように昇圧させるために、周波数変化符号を今回と反対の符号にする（Ｓ１２）。
そして、デューティ比を調整するサブルーチンへ移行する。
【００５２】
図５は、デューティ比の調整制御を示す。
先ず、入力ポートｂで現在の電圧Ｖ１を記憶し（Ｓ１５）、デューティ比変化符号が＋の場合にはデューティ比（ここでは７０％）に２％を足し、デューティ比変化符号が−の場合にはデューティ比から２％を引く（Ｓ１６）。
デューティ比の変更から３秒経過するまで待機し（Ｓ１７）、３秒経過後、電圧が安定したとみなして現在の電圧Ｖ２を検出する（Ｓ１８）。
【００５３】
デューティ比変更前の電圧Ｖ１と変更後の電圧Ｖ２とを比較し（Ｓ１９）、電圧Ｖ２が３．５Ｖ以下か否かを判断する（Ｓ２０，Ｓ２３）。
電圧Ｖ２が電圧Ｖ１を上回れば（Ｓ１９：ＹＥＳ）、デューティ比の変更により昇圧効率が上がったことが分かる。
この際、電圧Ｖ２が３．５Ｖ以下であれば（Ｓ２０：ＹＥＳ）、更に昇圧するために、デューティ比変化符号を今回と同じままにし（Ｓ２１）、電圧Ｖ２が３．５Ｖを超えれば（Ｓ２０：ＮＯ）、これ以上昇圧させないために、デューティ比変化符号を今回と反対の符号にし（Ｓ２２）、周波数を調整するサブルーチンに戻る。
【００５４】
ステップ１９において、電圧Ｖ２が電圧Ｖ１以下であれば（Ｓ１９：ＮＯ）、デューティ比の変更により昇圧効率が下がったことが分かる。この際、電圧Ｖ２が３．５Ｖ以下であれば（Ｓ２３：ＹＥＳ）、昇圧するために、デューティ比変化符号を今回と反対の符号にする（Ｓ２２）。
一方、電圧Ｖ２が３．５Ｖを超えていれば（Ｓ２３：ＮＯ）、コントローラ３１（耐電圧５．５Ｖ）が故障しないよう更に降圧させるために、デューティ比変化符号を今回と同じままにする（Ｓ２１）。
そして、周波数を調整するサブルーチンに戻る。
図３に示されるように、周波数の調整（Ｓ４）とデューティ比の調整（Ｓ１４）とを交互に繰り返すことにより、出力電圧が最大ピークに近づいていき、昇圧効率が向上していく。
しかも、この出力電圧が３．５Ｖを超えることがないため、コントローラ３１の故障を防止できる。
例えば、負荷の必要電力が小さい場合には、昇圧効率を無理して上げなくても負荷を駆動することができる。一方、負荷の必要電力が大きい場合には、昇圧効率を上げる必要があるが、コントローラ３１の故障を招くほど昇圧しないように、第１昇圧回路３６の出力電圧ＶＣＣ２の上限値３．５Ｖを設定している。
【００５５】
次に、電源回路３４の制御について図６のフローチャートを用いて説明する。コントローラ３１は、電解コンデンサＣ１によるタイマー終了前に（ここでは点火操作直後に）出力ポートａからデジタルトランジスタＤＴ１をオンさせる（Ｓ３１）。これにより、電流が乾電池３２→トランジスタＱ１のエミッタ→ベース→デジタルトランジスタＤＴ１→乾電池３２と流れ、タイマーに拘らずトランジスタＱ１をオン状態に維持して、第２昇圧回路３７を介して乾電池３２によるコントローラ３１への電力供給が継続される。この際、電解コンデンサＣ１に溜まっていた電荷は、デジタルトランジスタＤＴ１へ向かって放出されて無くなる。
【００５６】
熱電対３５から所定値以上の起電力が発生し続けるようになると、乾電池３２による電力供給の必要が無くなる。
そこで、コントローラ３１は、抵抗Ｒ５，抵抗Ｒ６を用いて入力ポートｂで電圧ＶＣＣ２（＝２Ｖｂ）を監視して（Ｓ３２）、電圧ＶＣＣ２が新品の乾電池３２の電圧（１．８Ｖ）より大きい２．０Ｖ以上になったことを検出すると、熱電対３５からの電力を乾電池３２の代わりにコントローラ３１の電源として用いることができるとみなして、出力ポートａからデジタルトランジスタＤＴ１をオフさせる信号を送信する（Ｓ３３）。
このデジタルトランジスタＤＴ１のオフ動作により、再び電解コンデンサＣ１に電荷が溜まり始め、溜まりきるとトランジスタＱ１に電流が流れなくなり、トランジスタＱ１がオフとなって、乾電池３２から第２昇圧回路３７を介してコントローラ３１への通電が停止される。従って、その後は熱電対３５の起電力が第２昇圧回路３７で昇圧されてコントローラ３１の電源ＶＤＤとして使用される。
【００５７】
ここで、コントローラ３１による入力ポートｂでの電圧Ｖｂの検出について説明する。
昇圧前の熱電対３５の起電力は、第１昇圧回路３６のＦＥＴ１および第２昇圧回路３７のデジタルトランジスタＤＴ１をオフさせることにより検出できる。
また、第１昇圧回路で昇圧された電圧は、第２昇圧回路３７のデジタルトランジスタＤＴ１をオフさせることにより検出できる。また、このデジタルトランジスタＤＴ１をオフさせなくても、検出値が新品の乾電池３２の電圧１．８Ｖを超えていれば、第１昇圧回路３６で起電力を昇圧した電圧として検出できる。
また、乾電池３２の電圧は、第２昇圧回路３７のデジタルトランジスタＤＴ１をオンさせることにより検出できる。
【００５８】
コントローラ３１は、熱電対３５の起電力により第２昇圧回路３７を介して電源供給されている時に、入力ポートｂで電圧ＶＣＣ２が新品の乾電池３２の電圧１．８Ｖ以下になったことを検出すると（Ｓ３４：ＹＥＳ）、出力ポートａからデジタルトランジスタＤＴ１をオンさせる信号を送信し（Ｓ３５）、電源回路３４を作動させて乾電池３２から第２昇圧回路３７を介して電力を受ける。従って、突風等により熱電対３５の起電力が突然下がっても乾電池３２から電力を供給をするため、コントローラ３１の作動が停止してしまうことがない。
【００５９】
しかも、入力ポートｂで電圧ＶＣＣ２が１．８Ｖ以下の状態が５分間継続した場合には（Ｓ３６：ＹＥＳ）、コントローラ３１は、バーナ４が立ち消えしているとみなして、出力ポートａからデジタルトランジスタＤＴ１をオフさせる信号を送信し（Ｓ３７）、電源回路３４を停止して乾電池３２からの電力供給を停止する。この際、熱電対３５からも電力が供給されないため、コントローラ３１やモータ３８は停止する。
一方、乾電池３２による電力供給時に、電圧ＶＣＣ２が１．８Ｖ以下の状態が５分間継続せずに途中で１．８Ｖを上回った場合には（Ｓ３６：ＮＯ）、ステップ３２へ戻って、再び電圧ＶＣＣ２の監視を行う。
【００６０】
次に、モータ３８の駆動のタイミングについて説明する。
コントローラ３１には、モータ３８の駆動のタイミングを決定する２つのタイマーが設けられる。一方のタイマーが、第１昇圧回路３６の出力電圧ＶＣＣ２が２．２Ｖ以上である状態が３０秒間継続したこと（第１条件）を検出し、かつ、他方のタイマーが、点火スイッチ３３のオンから２分経過したこと（第２条件）を検出すると、熱電対３５の起電力が安定したとみなされ、この起電力を利用してモータ３８の駆動を開始する。
【００６１】
しかしながら、モータ３８は、始動時の負荷が非常に重いため、熱電対３５の起電力をそのまま昇圧するだけでは、回転を始めることができない。
そこで、熱電対３５から発生した電荷を電解コンデンサＣ４とＣ７で一旦溜めてからモータ３８へ電力を供給することにより、モータ３８を停止状態から一気に回転させることができる。尚、この時の印加電圧は、約３．５Ｖである。また、このモータ３８の起動直後であっても、第２昇圧回路３７では、電力をダイオードＤ２で消費するため、その出力電圧が３．２Ｖ程度となり、コントローラ３１を故障させる心配はない。
【００６２】
このモータ３８の駆動制御について図７のフローチャートを用いて説明する。点火操作直後はデジタルトランジスタＤＴ２をオンして（Ｓ４１）、熱電対３５からの昇圧電圧ＶＣＣ２を疑似負荷４０に通電し、電解コンデンサＣ４，Ｃ７に電荷を溜める。
【００６３】
そして、コントローラ３１内の２つのタイマーがそれぞれ、第１昇圧回路３６の出力電圧ＶＣＣ２が２．２Ｖ以上である状態が３０秒間継続したこと（第１条件）を検出し（Ｓ４２：ＹＥＳ）、かつ、点火スイッチ３３のオンから２分経過したこと（第２条件）を検出する（Ｓ４３：ＹＥＳ）と、熱電対３５の起電力が安定し、かつ、電解コンデンサＣ４，Ｃ７に電荷が溜まったとみなされる。
【００６４】
そして、デジタルトランジスタＤＴ２をオフして（Ｓ４４）、疑似負荷４０の通電を停止すると共に、ＦＥＴ２をオンに切り替えて（Ｓ４５）、モータ３８の通電を開始する。この起動時のモータ３８の電源電圧は約３Ｖである。
【００６５】
回転し始めたモータ３８は、以降大きな電力を必要としないため、電解コンデンサＣ４，Ｃ７に電荷をたくさん溜めなくても、熱電対３５の起電力を昇圧した電圧（２．６Ｖ）のまま、モータ３８を駆動し続けることができる。
【００６６】
モータ３８の駆動中、第１昇圧回路３６の出力電圧ＶＣＣ２が２．０Ｖ以下になった場合には（Ｓ４６：ＹＥＳ）、必要な電圧が得られないため、ＦＥＴ２をオフして（Ｓ４７）、モータ３８の駆動を停止させる。
モータ３８の駆動中に、電圧ＶＣＣ２が２．０Ｖ以下になると、ＦＥＴ２をオフに切り替えて、モータ３８の通電を停止する。
【００６７】
このように、電解コンデンサＣ４とＣ７で蓄電してからモータ３８へ電力を供給するため、熱電対３８が大きな電力を発生しなくても、モータ３８を起動することができる。従って、発電量の多い熱電対を用いる必要がなく、熱電対の製造コストを安価に抑えることができる。
【００６８】
また、モータ３８の駆動タイミングの第２条件（通電開始から２分経過すること）により、熱電対３５の起電力が安定するまで待機するため、各電解コンデンサＣ４，Ｃ７に確実に電荷を溜めることができる。
【００６９】
また、モータ３８の駆動タイミングの第１条件（第１昇圧回路３６の出力電圧が２．２Ｖ以上である状態が３０秒間継続すること）により、第１昇圧回路３６から十分な出力電圧が得られるため、第２条件からは把握できないバーナ４の点火失敗などによる起電力不足を判断でき、熱電対３５が実際に発電していることを確認した上でモータ３８を駆動させることができる。
しかも、出力電圧が所定値以上であることを条件にすることに加えて、その状態を所定時間継続することも条件としているため、第１昇圧回路３６の出力電圧が一時的に２．２Ｖ以上になってもモータ３８の駆動を開始せず、必要電力が蓄えられるまで待機する。この結果、一層確実にモータ駆動のための電力を蓄えることができる。
【００７０】
このモータ駆動制御中においても、昇圧効率の調整制御は同時に行われており、疑似負荷４０に通電中は、疑似負荷４０に合わせて周波数やデューティ比を調整することにより、昇圧効率の調整制御を行う。
この昇圧効率の調整制御で出力電圧が最大になっていない場合でも、ステップ４６においてモータ３８に通電されれば、今度はモータ３８に合わせて周波数やデューティ比を調整することにより、昇圧効率の調整制御を行う。
【００７１】
このように、モータ３８の通電を開始する時には、ある程度モータ負荷に合った昇圧効率に調整されているため、モータ３８は、疑似負荷４０用に調整された電圧が起動時に印加され、確実に駆動を開始することができる。
【００７２】
仮に疑似負荷が設けられない場合には、モータ３８の通電前に電力が疑似負荷で消費されないので、昇圧効率を最適値にするために調整される周波数やデューティ比がモータ３８の通電前と通電後とでは大きく異なり、第１昇圧回路３６の出力電圧も急激に低下してしまう。従って、モータ３８の通電直後にモータ３８に印加される電圧が低過ぎて、モータ３８が停止してしまう。
これに対して、本実施形態では、モータ３８とほぼ等しい負荷抵抗を持つ疑似負荷４０を用い、モータ３８始動前に予め昇圧効率を調整するため、このような不具合は生じない。
【００７３】
そして、モータ３８の起動後も周波数の調整とデューティ比の調整とを繰り返すことにより、この発電した電力を適切な電圧でモータ３８へ安定して供給することができる。モータ３８に風が入り込む等によりモータ３８の負荷が変動しても、その必要電力に応じて周波数とデューティ比との交互制御を行い昇圧効率を調整する。
こうした周波数やデューティ比は、部品のばらつきや、周囲の温度、負荷の大きさにより変化するが、出力電圧をフィードバックしつつ（図４のＳ９や図５のＳ１９）、周波数やデューティ比を繰り返し制御することで、正確に出力電圧を制御できる。
【００７４】
こうしたモータ３８は高周波ノイズを発生するが、この高周波ノイズ対策として、第１昇圧回路３６と入力ポートｂとの間には、セラミックコンデンサＣ５，Ｃ６が設けられる。
【００７５】
コントローラ３２には、乾電池３２の消耗を使用者に報知するＬＥＤが接続され、熱電対３５の発電前に、乾電池３２の電圧を入力ポートｂで確認し、その電圧が１．１Ｖ未満となった場合には、ＬＥＤを点灯する。
【００７６】
次に、昇圧効率とスイッチング素子との関係について説明する。
昇圧効率は、第１昇圧回路３６のスイッチング素子（ＦＥＴ１）の特性により大きな影響を受ける。熱電対３５から取り出すことができる電力Ｗは、熱電対３５の開放電圧をＶ，熱電対３５の内部抵抗をＲ，熱電対３５に接続された熱電対回路全体の負荷（モータ３８を含む）の抵抗をｒ，その熱電対回路を流れる電流をＩとすると、
Ｗ＝Ｉ^２ｒにＩ＝Ｖ／（Ｒ＋ｒ）を代入して、
Ｗ＝Ｖ^２ｒ／（Ｒ＋ｒ）^２となる。この式をｒで微分して最大値を求めると、熱電対３５から取り出し可能な電力Ｗは、ｒ＝Ｒの場合に最大になる。
【００７７】
例えば、熱電対を複数合わせて発電する場合に、その熱電対３５の内部抵抗Ｒは０．５Ωと小さいため、ここからその電力を昇圧して大きな電力を取り出すためには、ｒ＝Ｒ（つまりｒ＝０．５Ω）に近づける必要があり、昇圧回路のインピーダンスを小さく抑える必要がある。
そのためには、スイッチングを行う素子（パワーＭＯＳＦＥＴ、つまりＦＥＴ１）のオン抵抗を低くすることが必要となり、ＦＥＴ１のゲート電圧（入力電圧）をある程度高くする必要がある。
【００７８】
仮に、第１昇圧回路３６で昇圧した出力電力ＶＣＣ２をコントローラ３１の電源として用いた場合には、その電圧は、負荷変動により変化するため、一旦、昇圧電圧が低くなると、スイッチング素子のオン特性が悪化し、更に昇圧効率が下がって昇圧電圧が下がるという悪循環に陥ってしまう。
そこで、本実施形態では、昇圧効率に大きな影響を与えるスイッチング素子には、メインの負荷（モータ３８）の昇圧回路（第１昇圧回路３６）とは別の昇圧回路（第２昇圧回路３７）にて昇圧した電源が用いられ、電圧の安定化を図っている。
【００７９】
上述した熱発電制御装置３０では、第１昇圧回路３６が熱電対３５の起電力を昇圧するため、熱電対を多数接続することにより高い起電力を発生しなくてもモータ３８を起動でき、熱電対の製造コストが安価となる。
【００８０】
次に昇圧効率について説明する。モータ３８の巻線３８ａに必要な電圧は、２．６Ｖであり、コントローラ３１やＩＣ３８ｂと同じ電圧（３Ｖ）にする必要がない。
例えば、１Ｖから３Ｖへ昇圧したい場合には、一気に１Ｖから３Ｖへ昇圧させようとする場合に、昇圧差が大き過ぎて３Ｖまで十分昇圧できないことが起こり得る。これに対して、先ず第１昇圧回路３６が１Ｖから２．６Ｖまで余裕を持って昇圧し、次に第２昇圧回路２７がこの２．６Ｖを３Ｖまで確実に昇圧する。
このように２段階に分けて昇圧することで無理なく、所望の電圧まで昇圧することができる。
しかも、昇圧差が大きいほどエネルギー損失の増加により昇圧効率が低下するため、ＩＣ３８ｂの印加電圧ＶＤＤ（３Ｖ）用の昇圧回路（第２昇圧回路３７）と、巻線３８ａの印加電圧ＶＣＣ２（２．６Ｖ）用の昇圧回路（第１昇圧回路３６）とを分けることにより、巻線３８ａでの昇圧効率は、昇圧目標値を３Ｖとする場合よりも良くなる。
これらの結果、発電した電力を有効に利用することができる。
【００８１】
また、熱発電制御装置３０では、コントローラ３１への電力供給源を乾電池３２から熱電対３５に切り替えるため、乾電池３２を無駄に消費することがなく、長期に渡って乾電池３２を使用することができる。このため、乾電池交換を頻繁に行う必要もない。
【００８２】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
例えば、昇圧効率の調整制御において、周波数とデューティ比とを交互に何度も調整するのではなく、周波数とデューティ比とをそれぞれ１回ずつ調整してもよい。
また、起動時のモータへの印加電圧を高くするために、疑似負荷４０の負荷抵抗をモータ３８の負荷抵抗の半分程度にするなど比較的小さくしてもよい。
また、モータ３８の駆動のタイミングを第１条件「第１昇圧回路３６の出力電圧が２．２Ｖ以上である状態が３０秒間継続したこと」と第２条件「点火スイッチ３３のオンから２分経過したこと」との両方を満足した時とすることに代えて、第１条件を満たした時としてもよいし、また、第２条件を満たした時としてもよい。
【００８３】
また、モータ３８の駆動のタイミングの第１条件のように所定時間（例えば３０秒）待機すること（Ｓ４２）に代えて、図８に示されるように、第１昇圧回路３６の出力電圧が所定電圧（例えば２．２Ｖ）以上であること（Ｓ１４２）を条件としてもよい。
また、モータ３８の駆動のタイミングの第２条件の計時開始条件を点火操作時ではなく、第１昇圧回路３６の作動開始時としてもよく、このように点火操作に伴う事象を捉えたタイミングであればよい。
【００８４】
また、コントローラ３１への電力供給源を乾電池３２の電力から熱電対３５の発電電力に切り替えるタイミングを、第１昇圧回路３６の出力電圧が所定電圧以上に達した時とするのではなく、この状態が所定時間継続した時としてもよい。例えば、図９に示されるように、図６のＳ３２でＶＣＣ２が２Ｖ以上と判断された場合に、Ｓ１３２のように、その状態が１０秒継続した時に、乾電池から熱電対にコントローラ３１への電力供給源を切り替えてもよい。
この場合では、熱電対３５の起電力の一時的な上昇に影響されることなく、熱電対３５から第１昇圧回路３６を介してコントローラ３１に必要作動電力を供給できるようになるまで乾電池３２から電力供給を行うため、一層確実にコントローラ３１の作動を継続することができる。
【００８５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の請求項１の熱発電制御装置によれば、熱発電素子の起電力の昇圧効率を調整して、発電した電力を負荷へ供給するため、負荷を安定して駆動することができる。
しかも、昇圧効率が調整されるため、発電エネルギーを有効に利用できる。
更に、昇圧効率制御回路の電源用の電力を負荷の電源用の電力から分けて第２昇圧回路で昇圧するため、昇圧効率制御回路の作動が安定し、昇圧効率を適切に調整でき、発電した電力を有効に利用できる。
また、負荷で必要電力が変動しても、昇圧効率制御回路には、負荷とは異なる安定した電圧が印加されるため、高い昇圧効率で負荷を安定して駆動できる。
【００８６】
更に、本発明の請求項２の熱発電制御装置によれば、モータの駆動前に予め昇圧効率を疑似負荷の必要電力に応じて仮調整しておくため、モータ駆動時に昇圧効率が極端に変化せず、モータへの出力電圧の急低下によるモータの不作動を防止できる。
【００８７】
更に、本発明の請求項３の熱発電制御装置によれば、熱発電素子の起電力の昇圧効率を調整して、発電した電力を負荷へ供給するため、負荷を安定して駆動することができる。
しかも、昇圧効率が調整されるため、発電エネルギーを有効に利用できる。
更に、モータの駆動前に予め昇圧効率を疑似負荷の必要電力に応じて仮調整しておくため、モータ駆動時に昇圧効率が極端に変化せず、モータへの出力電圧の急低下によるモータの不作動を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態としての熱発電制御回路図である。
【図２】本実施形態としてのファン付赤外線ストーブの断面概略図である。
【図３】本実施形態としての第１昇圧回路での昇圧効率の調整制御を示したフローチャートである。
【図４】本実施形態としての周波数の調整制御を示したフローチャートである。
【図５】本実施形態としてのデューティ比の調整制御を示したフローチャートである。
【図６】本実施形態としての電源回路の制御を示したフローチャートである。
【図７】本実施形態としてのモータ駆動制御を示したフローチャートである。
【図８】変更例としてのモータ駆動制御を示したフローチャートである。
【図９】変更例としての電源回路の制御を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１…ストーブ、４…バーナ、９…ファン、３０…熱発電制御装置、３１…コントローラ、３２…乾電池、３３…点火スイッチ、３４…電源回路、３５…熱電対、３６…第１昇圧回路、３７…第２昇圧回路、３７ａ…ＩＣ、３８…モータ、３８ａ…巻線、３８ｂ…ＩＣ、４０…疑似負荷、ＦＥＴ１…スイッチング素子、Ｌ２…コイル、Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ７…電解コンデンサ、ｂ…入力ポート、ｄ…電源ポート。

Claims

熱により発電する熱発電素子と、
スイッチング素子のオンオフによりコイルに電圧を誘起させて、上記熱発電素子から入力された起電力を昇圧させる昇圧回路と、
昇圧された電力を電源として負荷に通電する負荷通電回路と、
上記負荷の電源電圧を検出する電圧検出手段と、
上記電圧検出手段の検出電圧である上記昇圧回路の出力電圧が最大となるように上記スイッチング素子を制御して昇圧効率を調整する昇圧効率制御回路と、
上記昇圧回路で昇圧された出力電圧を更に昇圧させる第２昇圧回路と
を備え、上記第２昇圧回路で昇圧された電力を上記昇圧効率制御回路の電源として用いることを特徴とする熱発電制御装置。
上記負荷をモータとし、
上記起電力を昇圧した電力を上記モータの代わりに消費する疑似負荷を設け、該モータを駆動する前に、該疑似負荷に通電して該疑似負荷の電源電圧が最大となるように昇圧効率を仮調整するようにしたことを特徴とする請求項１記載の熱発電制御装置。
熱により発電する熱発電素子と、
スイッチング素子のオンオフによりコイルに電圧を誘起させて、上記熱発電素子から入力された起電力を昇圧させる昇圧回路と、
昇圧された電力を電源としてモータに通電する負荷通電回路と、
上記モータの電源電圧を検出する電圧検出手段と、
上記電圧検出手段の検出電圧である上記昇圧回路の出力電圧が最大となるように上記スイッチング素子を制御して昇圧効率を調整する昇圧効率制御回路と、
上記起電力を昇圧した電力を上記モータの代わりに消費する疑似負荷と
を備え、上記モータを駆動する前に、上記疑似負荷に通電して該疑似負荷の電源電圧が最大となるように昇圧効率を仮調整するようにしたことを特徴とする熱発電制御装置。