JP2011530270A - 可変熱出力源用の熱電発電機 - Google Patents
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Abstract
熱電発電機は、少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントを有している。第1の熱電セグメントは、第1の熱電セグメントを流れる、流体圧力を持つ作動流体を有している。熱電発電機は、少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントをさらに有している。第2の熱電セグメントは、第2の熱電セグメントを作動流体が流れることができるように構成可能である。熱電発電機は、流体圧力の作用時に動くことができる少なくとも1つの第1の可変流れ素子をさらに有している。第1の可変流れ素子は、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れに対する第2の熱電セグメントの流れ抵抗を修正する。
Description
優先権の主張
本願は、本明細書に参照によってその全体が援用される、2008年7月29日に出願された米国仮特許出願第61/084,606号に対する優先権の利益を主張する。
本願は、本明細書に参照によってその全体が援用される、2008年7月29日に出願された米国仮特許出願第61/084,606号に対する優先権の利益を主張する。
連邦政府による資金提供を受けた研究開発についての声明
米国政府は、米国エネルギー省によって授与された契約第DE−FC26−04NT42279号の条項に基づき、本発明または本発明の一部において特定の権利を有することを主張することができる。
米国政府は、米国エネルギー省によって授与された契約第DE−FC26−04NT42279号の条項に基づき、本発明または本発明の一部において特定の権利を有することを主張することができる。
本出願は、熱電発電機に関し、特に、熱源の温度と熱流束とが変動する熱電素子からの動力の発生を改善する装置に関する。
熱電素子は、電流が通過すると一方の側が冷たく他方の側が熱くなるように作動する固体デバイスである。それらは、熱電素子を横切る温度差を維持することによって、発電することもできる。しかし、多くの作動条件下で、熱電発電は、変化する熱流束と、高温側熱源温度と、低温側排熱温度と、その他の変動する条件と、の組み合わせを受ける。さらに、熱電素子の熱コンダクタンス、性能指数Z、熱交換器の性能など、装置特性のすべてが一定範囲の製造公差を有しており、それらが組み合わされて装置の性能を一般に低下させる。その結果、性能が変動し、所定の設定点での作動が設計値に対する性能低下につながる可能性がある。
100%の効率ではないいかなるエネルギー消費過程も、通常は熱の形態の、無駄なエネルギーを発生する。例えば、内燃エンジンは相当量の廃熱を発生する。自動車などの内燃エンジンの効率を改善するために、この廃熱を捕捉し有用な形態に変換する様々な方法が考えられてきた。熱電素子を自動車の排気系に配置することが考えられてきた(「プレヒートを伴う熱電触媒発電機」という名称の米国特許第6,986,247号明細書を参照)。
しかし、排気系は熱と熱流束とが大きく変化するため、効率的な装置を提供することは現実的でない。一例では、自動車の廃熱回収システムの性能低下は、最適な性能と比較して非常に大きくなる可能性があり、少なくとも30%に達することがある。
特定の実施態様において、熱電発電機は、少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントを有している。第1の熱電セグメントは、第1の熱電セグメントを流れる、流体圧力を持つ作動流体を有している。熱電発電機はさらに、少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントを有している。第2の熱電セグメントは、第2の熱電セグメントを作動流体が流れることができるように構成可能である。熱電発電機はさらに、流体圧力の作用時に動くことができる第1の可変流れ素子を有している。第1の可変流れ素子は、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れに対する第2の熱電セグメントの流れ抵抗を修正する。
特定の実施態様において、熱電発電機は、少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントと、少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントと、を有している。熱電発電機はさらに、第1の位置と、第2の位置と、第3の位置と、を含む複数の位置に位置することができる可動部材を有している。第1の位置は、第1の熱電セグメントを通る作動流体の流れを許可しながら、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に許可する。第2の位置は、第1の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止しながら、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に許可する。第3の位置は、第1の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止しながら、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に阻止する。
特定の実施態様において、熱電発電機は、第1の熱電セグメントと、第2の熱電セグメントと、コンジットと、を有している。第1の熱電セグメントと、第2の熱電セグメントと、コンジットのうち少なくとも2つは、各々が少なくとも1つの熱電モジュールを有している。熱電発電機はさらに、第1の位置と、第2の位置と、第3の位置と、第4の位置と、を含む複数の位置に位置することができる可動部材を有している。第1の位置は、第1の熱電セグメントを通る作動流体の流れを許可しながら、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に許可し、かつコンジットを通る作動流体の流れを同時に許可する。第2の位置は、第1の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止しながら、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に許可し、かつコンジットを通る作動流体の流れを同時に許可する。第3の位置は、第1の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止しながら、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に阻止し、かつコンジットを通る作動流体の流れを同時に許可する。第4の位置は、第1の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止しながら、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に阻止し、かつコンジットを通る作動流体の流れを同時に阻止する。
特定の実施態様において、方法は、複数の熱電モジュールを操作する。この方法は、少なくとも1つの第1の熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントに作動流体を流すことを有している。流体は流体圧力を有している。この方法はさらに、流体の流体圧力が閾値圧力を超えたときに、少なくとも1つの第2の熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントに、作動流体を流すことを有している。この方法はさらに、流体圧力が閾値圧力を超えていないときに、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止することを有している。
特定の実施態様において、方法は、複数の熱電モジュールを操作する。この方法は、第1の位置と、第2の位置と、第3の位置と、を含む複数の位置から可動部材の位置を選択することによって、第1の熱電セグメントを通る作動流体の流れと、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れと、を変化させることを有している。第1の位置は、少なくとも1つの第1の熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントを通る流れを許可しながら、少なくとも1つの第2の熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントを通る流れを同時に許可する。第2の位置は、第1の熱電セグメントを通る流れを阻止しながら、第2の熱電セグメントを通る流れを同時に許可する。第3の位置は、第1の熱電セグメントを通る流れを阻止しながら、第2の熱電セグメントを通る流れを同時に阻止する。
特定の実施態様において、熱電発電機は、少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントを有している。第1の熱電セグメントは、第1の熱電セグメントを流れる作動流体を有し、流体は温度を有している。熱電発電機はさらに、少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントを有している。第2の熱電セグメントは、第2の熱電セグメントを作動流体が流れることができるように構成可能である。熱電発電機はさらに、自身の温度に応答して動くように構成された少なくとも1つの第1の可変流れ素子を有している。第1の可変流れ素子は、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れに対する第2の熱電セグメントの流れ抵抗を修正する。
特定の実施態様において、方法は、複数の熱電モジュールを操作する。この方法は、少なくとも1つの第1の熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントに作動流体を流すことを有し、作動流体は温度を有している。この方法はさらに、温度が閾値温度を超えたときに、少なくとも1つの第2の熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントに、作動流体を流すことを有している。この方法はさらに、温度が閾値温度を超えていないときに、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止することを有している。
特定の実施態様において、熱電発電機は、作動流体が通って流れることを許可するように構成された入力部を有している。熱電発電機はさらに、作動流体が通って流れることを許可するように構成された出力部を有している。熱電発電機はさらに、実質的に互いに平行な複数の細長い熱電セグメントを有している。複数の細長い熱電セグメントの少なくとも1つは少なくとも1つの熱電モジュールを有している。各熱電セグメントは、作動流体が熱電セグメントを通って入力部から出力部へ流れることを許可するように構成可能である。熱電発電機はさらに、複数の熱電セグメントのうちの少なくとも1つの第1の熱電セグメントを通る作動流体の流れを許可し、複数の熱電セグメントのうちの少なくとも1つの第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止するように位置することができる、少なくとも1つの可動部材を有している。
本明細書で説明するいくつかの実施形態は、標準的なシステムよりも効率的に発電可能な熱電発電システムに関し、熱出力が可変である熱出力源に特に適している。いくつかの実施形態は廃熱再生、廃熱回収及び発電用途の多くに有用である。しかし、熱電発電システムの様々な態様を説明するために、車両の排気に含まれている熱出力から発電する特定の実施形態を説明する。この特定の例は、変化する作動条件下においても発電に影響する条件を監視し制御する発電システムを構成するという利点を示している。実質的な改良は、(例えば「熱カップル流を利用する効率的な熱電素子」という名称で、参照によってその全体が本明細書に援用される米国特許第6,672,076号明細書に説明されているような)熱電カップルの特性の制御、並びに作動流体の質量流量、作動電流(または電圧)、熱電素子形状因子及びシステム容量の制御から得ることができる。その全体が参照によって本明細書に援用される「断熱を利用する効率的な熱電素子」という名称の米国特許第6,539,725号明細書に記載のように、流れ方向に断熱が生じるように熱電装置を構成することによっても改良を行うことができる。このように、一実施形態では、発電するように作動する熱電カップルの数の制御と、冷却条件の制御と、冷却流体の流量の制御と、温度及び熱電材料特性の制御のうち、少なくとも1つを行うことが好ましい。
自動車の廃熱回収を例として用いているが、いくつかの実施形態は、発電、廃熱再生、コジェネレーション、発電量の増加及びその他の用途の性能を改善するように適用することができる。いくつかの実施形態は、自動車、トラック、バス、列車、航空機及びその他の車両のエンジン冷却水、トランスミッションオイル、ブレーキ、触媒コンバータ及びその他の熱源の廃熱利用に利用可能である。同様に、化学プロセス、ガラス製造、セメント製造及び他の工業上のプロセスからの廃熱を利用可能である。生物廃棄物、ごみ焼却、廃棄物集積場のバーンオフ、油井のバーンオフなど、他の廃熱源を使用可能である。電力は、太陽、核、地熱及び他の熱源から作ることが可能である。可搬、1次、待機、緊急、遠隔、個人用及び他の発電装置への適用も、本明細書で説明するいくつかの実施形態と互換性がある。さらに、いくつかの実施形態を、光電池、燃料電池、燃料電池改質器、核、内燃、外燃、触媒燃焼器などのコジェネレーションシステム、及び他の有利なコジェネレーションシステムにおける他の装置と連結することができる。本明細書のどの実施形態で説明される熱電モジュールの数も、何ら重要ではなく、実施形態の説明のために選択されているだけである。
所望の改良を達成するためにどれだけ様々な構成を採用することができるかを示すためにいくつかの例を示しているが、特定の実施形態は単なる例示にすぎず、提示される発明を限定することは一切意図していない。本明細書で使用する場合、熱電または熱電素子という用語は個々の熱電素子だけでなく、素子の集合または素子のアレイを意味することもある。さらに、熱電という用語は限定的な意味ではなく、熱イオン及び他の全ての固体冷却装置及び固体加熱装置を含むように使用される。さらに、高温または冷温若しくは低温という用語は相対的であって、室温などに対する特定の相対温度を示すものではない。最後に、作動流体という用語は1つの流体に限定されず、1つ以上の作動流体を指すこともある。
本明細書の特定の図面は、本明細書で説明するいくつかの実施形態による熱電発電機のいくつかの可能な例を示しているにすぎない。他の変形例も可能であって、様々な実施形態と互換性がある。システムは、少なくとも一部が互いに独立して作動可能な、少なくとも2つの、任意の数の熱電モジュールからなっていてよい。熱電発電機のある例においては、熱電モジュールの各々は異なる容量を有している。これは、図10に関連してより詳細に説明され、異なる大きさで図示されている通りである。熱電モジュールに異なる容量を持たせることと、各熱電モジュールを運転とは独立して起動させあるいは切断するように熱出力を切り替える能力と、によって、本明細書で説明するコントローラは作動条件を実質的に変更できるように適応可能となっている。
自動車の排気はエンジンからの廃熱を提供する。この廃熱を、熱電発電機を利用した発電の熱出力源として使用することができる。この特定の用途は、本明細書で開示されているいくつかの実施形態の利点を説明するために選択されているが、それはこの特定の用途が、排気の熱出力が連続して変化する非常に変動しやすい作動条件のよい例を示しているからである。熱電発電システムに入力される熱出力源として使用される排気の実際の温度及び熱流束は、相当程度変動する。触媒コンバータの出口での排気温度は、一般的に450℃から650℃まで変化し、熱流束は、アイドル状態と素早い加速状態との間で10倍を超えて変化することが多い。従って、この特定の用途は、本明細書で開示しているいくつかの実施形態の使用を適切に示している。
図1は、単純な熱電(TE)発電システム100を示している。熱出力源102は熱電モジュール104の高温側に熱を供給する。熱電モジュール104は、高温側熱交換器106と低温側熱交換器108とを有することができる。低温側熱交換器は、熱電モジュール104による発電に使用されない熱の熱出力経路を提供することができる。通常、空気または液体冷却材などのヒートシンク110が、廃熱を熱電発電機から除去するために循環している。熱電モジュール104を横切る熱勾配によって負荷112に電力を供給するための電流が発生する。
このような熱電発電機100は、ピーク効率または実質的にそれに近い効率での熱電作動を維持するために、定常状態に対して設計される。このような設計基準から条件が変動したときには、図2〜4を参照してさらに説明するように、熱電効率は低下し、あるいは負値にさえなる。
本明細書で開示される実施形態の利点の理解を促進するために、熱電効率についての簡単な背景を図2〜4を参照して説明する。ZTave=1(熱電素子の温度重み付き平均ZT)の熱電材料についての典型的な発電性能曲線を図2に示している。図2において、熱電素子組み立て品の電圧出力V(I)を、電流出力Iの関数として、3つの高温側温度、すなわち200℃での温度T1、400℃での温度T2及び600℃での温度T3に対する3つの線210,212,214でプロットしている。対応する電力出力曲線220,222,224がグラフに重ね書きされている。これらは電力出力P、ここでP=I*V(I)、として従来のやり方で計算された、グラフ内の特定の点での熱電素子からの電力に対応している。
説明上、低温側温度は、3つの高温側温度のすべてについて同じであると仮定している。図2からわかるように、電力は電圧と電流の関数である。理想的には、熱電素子は、ピーク効率230、ピーク電力240、またはこれらの2つの中間のいずれかで作動する。熱源からの熱流束は増加するが熱電素子の高温側温度は同じままの場合(例えば、排気流量は増加するが温度は変化しない場合)、図2に示すように、最大電力出力は固定されたままである。高温側温度が同じ場合、利用可能な余剰熱流束は、電流Iを増加させることなく熱電素子を流れることができない。しかし、電力曲線220,222,224に示すように、高温側の同じ温度に対する電流の増加は実際には電力Pを減少させることになる。従って、高温側温度を上昇させることができない限り、余分な熱出力はより高い電力出力に貢献しない。同様に、最適な電力出力(Pm)240に対する熱流束よりも少ない熱流束しか利用できない場合、ピーク電力は実現されない。これは、実質的に最適な効率で作動する場合にも当てはまる。非定常状態で作動している発電機については、性能に影響する要因を監視し制御するように構成されている熱電システムが有利であり、発電機の出力を修正し性能を改善するために使用できる。
ピーク効率とピーク電力での作動について、効率と高温側温度の関係を図3に示している。ピーク効率での作動を示す曲線310とピーク電力での作動を示す曲線320とが図示されている。熱電組み立て品を通過する熱流束Qhは、高温側と低温側の温度が固定されている場合、電流Iと共に変化する。その結果、ピーク効率はピーク電力出力の電圧及び電流とは異なる電圧及び電流で発生する。ただし、熱流束Qhは熱電材料と装置特性の関数であって、これらの特性と電流Iとによって定められる値を有している。負荷電流Iの変化などによって条件が変化すると、効率とQhが変化する。
図4に、Qhの変化を電流Iと共に示している。この図では、200℃の温度T1,400℃の温度T2及び600℃の温度T3の3つの異なる高温側温度での熱電素子の作動を示す、3つの熱流束曲線410,420,430を示している。これらの曲線に、ピーク作動効率曲線450とピーク作動電力曲線460とが重ね書きされている。熱流束Qhを示す3つの熱流束曲線410,420,430の破線部分は、電圧(従って電力出力)が負になる十分に大きい電流Iでの作動を示している。
前述した性能は、電力出力のピーク値の近くでは、電流IとQhの緩やかな変化に対する性能低下が小さく、そのため、Qhのわずかな変化に対する性能は目立って低下しないという特性を有している。しかし、熱出力制御装置と相互作用する他のいくつかの要因が、システム効率の低下の実質的な原因となっている。これらの要因を以下で説明し、効率へのこれらの影響を低減させる機構及び構成を説明する。これらは本発明の一部である。
図5は、1つの熱電素子(ユニカップル)、熱電素子のNとPの対(カップル)及びカップルの群のいずれかについて、電流に対する出力電圧と電力の特性を示す典型的な図である。一定の低温側温度に対し異なる高温側温度の値が示されている。多くの場合、いくつかのこのような素子を電気的に直列に接続して、発電モジュールを構成することが有利である。多くの場合、図7(以下で詳細を説明する)に示すように、モジュールの一方の端部で,発電機の熱電素子の高温側と熱的に接触している熱交換器に高温の作動流体が流入し作動流体が熱交換器を通過しまたは通り過ぎるように、モジュールを作動させることが好ましい。図5に示すように、作動中は、例えば、600℃を多少超える流体が流入し第1の熱電カップルの高温端部が600℃で作動し、流体が冷却され、第2のカップルが400℃で作動し、第3のカップルが200℃で作動するように、熱電カップルに伝えられる熱が作動流体を冷却する。従って、上流の熱電カップルに熱出力を放出することで高温流体が冷却するにつれ、カップルの高温側温度は徐々に低下する。
例えば、複数のカップルが同一である場合、電力出力の曲線は図5に示すようになることがあろう。同じ電流Iが各カップルを通って流れるようにカップルが直列に接続されている場合、各カップルの総電力出力への寄与は、作動点A,B,Cに対応する電力の総和となるであろう。図示のように、600℃の点Aで作動するカップルからは最大電力が発生しているが、点B(400℃)で作動しているカップルからの出力は最適ではなく、点C(200℃)で作動しているカップルからの出力は実際のところわずかに負であり、他の2つのカップルからの電力出力を減少させている。
場合によっては、各カップルがピーク電力出力を発生する電流で作動することが望ましい。これを実現するため、いくつかの条件を制御して熱電発電機からより最適な性能、つまり図6に示すグラフにより近い状態を得ることができる。図6では、システムは、たとえ温度または熱流束が変化しても、より高い効率で作動できるように構成されている。例えば、各カップルの発電がピーク電力点またはピーク効率点で作動するように、カップルの形状因子(かたち)が有利に調整可能であり(熱対流を利用する効果的な熱電素子」という名称の米国特許明細書第6,672,076号と、「断熱を利用する効果的な熱電素子」という名称の米国特許明細書第6,539,725号とに説明されているように、またはその他の任意の適切な態様で)、あるいは大きさが設定されている。例えば、電力出力を最大にする場合は、3つのカップルが600℃、400℃及び200℃で作動している熱電モジュールについて、図6に示す特性を有するように、当業者には公知のように(例えば、アングリスト著「直接エネルギー変換」、第3版、第4章を参照)、複数のカップルの大きさを設定することができよう。この場合、熱電カップルと、モジュールの熱伝導特性及び電力出力は、図6のA′,B′,C′で示すように、電力出力を実質的に最大にする電流で全ての段階を実質的に作動させることによって最大化される。ピーク効率または他の作動条件での作動のため、他の所望の性能特性を達成するように他の設計基準を使用することができる。
図7は、単純な熱電発電機700の模式図である。この図の熱電発電機700は、高温側シャント706,707,708と低温側シャント710とによって直列に電気接続された3対の熱電素子709を有している。高温側流体701は高温側ダクト716に(例えば入力ポートの位置で左から)流入し、熱交換器703,704,705と良好に熱的に接触し、高温側ダクト716から(出力ポートの位置で右へ)流出する。熱交換器703,704,705は、高温側シャント706,707,708と良好な熱的接触状態にある。低温側流体712は低温側ダクト711に(例えば入力ポートの位置で右側から)流入し、低温側ダクト711から(例えば出力ポートの位置で左側へ)流出する。熱電発電機700は電力を外部の負荷(不図示)に送るように電気接続部714,715を有している。
作動時には、高温側流体701が高温側ダクト716に流入し、熱を熱交換器703に伝える。熱量のいくらかを熱交換器703に渡すことによって冷却された高温側流体701は、それから、さらに熱量を熱交換器704に、そしてさらにいくらかの熱を熱交換器705に伝える。その後、高温側流体701は高温側ダクト716から(例えば出力ポートの位置で右側へ)流出する。熱は、高温側熱交換器703,704,705から高温側シャント706,707,708に、さらに熱電素子709へと伝えられる。熱電素子709も、低温側シャント710と良好な熱的接続状態にあり、低温側シャント710は低温側ダクト711と良好な熱的接続状態にあり、低温側ダクト711は低温側流体712と良好な熱的接続状態にある。高温側流体701と低温側流体712の温度差のために、熱電素子709では温度差が発生し、それにより、電力が熱電素子709によって発生し、電気接続部714,715を通して取り出される。
図7に示す熱電発電機700は、図6に模式的に示す作動特性を得るために、高温側でのピーク温度600℃、400℃及び200℃を、特定の条件下でしかとることができない。例えば、図6に示す性能を達成する作動流体条件が、流体質量流が減少し、これに対応する応分の量だけ入口温度が上昇することによって変更されると、第1の熱電カップルは、依然として600℃であるが、他の2つのカップルの温度は低下することになる。図8に模式的に示すような条件が発生することがあり、この場合、作動点A″,B″,C″は、熱電素子が図7に示すように接続されたときに、最適性能を有する熱電モジュールを与えない。図5に示し前述したのと同様に、結果として生じる作動電流の不均衡は電力出力を減少させることになり、好ましくない。
例えばエンジンの廃熱から発電する熱電発電システム900の有利な構成を、図9に模式的に示している。エンジンからの高温排気903が高温側ダクト901を通過し、低温排気904として流出する。高温側熱交換器902は、高温側ダクト901と良好な熱的接続状態にあり、それによって、排気903と熱的接続状態にある。本実施形態において、ポンプ909は高温側作動流体906を圧送する。熱電モジュールからなる熱電発電機919は、高温側作動流体906,905,907と良好な熱的接続状態にある。低温側冷却液911は、冷却液ダクト910内に含まれており、熱電発電機919、エンジン913及びラジエータ914との良好な熱的接触状態で通過する。ポンプ915は低温側作動流体911を、低温側ダクト910を通して圧送する。弁912は低温側作動流体911の流れ方向を制御する。様々な連絡流路、動力源及び信号送信器が、その他の装置918として集合的に構成されている。コントローラ916は、その他の装置918、ポンプ915、少なくとも1つまたは複数のセンサ(不図示)、熱電モジュール919及び車両の他の部分に、ハーネスまたはバス916,917を通して接続されている。
作動時には、高温側ダクト901を通る高温排気903が、高温側作動流体コンジット902を通る高温側作動流体906を加熱する。この高温側作動流体906は、熱電発電機919の高温側に熱をもたらす。熱電発電機919は、概ね図7の説明で述べたように作動し、電力を発生する。ポンプ915は低温側作動流体(冷却液)911を圧送し、未使用の(廃)熱を熱電発電機919から除去する。低温側冷却水911内に吸収された廃熱の方向は弁V1912によって設定される。弁912は、電流作動条件に依存して、低温側冷却水を最も有利な用途に向けるように使用することができる。例えば、弁V1912は低温側作動流体910を、始動時などで低温であればエンジンに向けてもよいし、廃熱を除去するようにラジエータ914に向けてもよい。コントローラ916は、燃料及び空気の質量流量、圧力、排気温度、エンジン回転数、その他の利用可能な関連する情報などの(例えば、そのいくつかは自動車で現在利用可能な複数のセンサからの)情報源を利用して、ポンプ909,915からの流れと熱電発電機919内の制御とを調整して、廃熱回収装置900からの所望の出力を実現する。
本明細書で開示されている特定の実施形態については、高温側の流体(この場合906)は、蒸気、NaK、HeXe混合物、加圧空気、高沸点油、または任意の他の有利な流体とすることができる。さらに、高温側流体906は、例えばエチレングリコール/水混合物中に分散しているナノ粒子などの多相系、相変化多相系、または任意の他の有利な材料系であってもよい。さらに、直接の熱結合を利用し不要な要素を取り除くことによって、ヒートパイプを含む固体材料系で上述の流体ベースの系を置き換えることができる。
本明細書で開示している特定の実施形態については、低温側ループは、フィン付きのアルミニウムチューブ状コア、蒸発冷却塔、衝突液体クーラ、ヒートパイプ、車両エンジン冷却水、水、空気、または他の任意の移動または静止している有利な吸熱装置、などの任意の除熱機構を採用することができる。
コントローラ16は、センサ及び他の入力に基づいて、熱電発電機919並びに高温側及び低温側熱交換器を制御する。コントローラ916は、少なくとも一部が電力発生の実行、制御、調整または修正を行う機能を監視し制御する。熱電発電機919の例を図10と11の説明において、より詳細に示している。繰り返すが、本明細書で説明するこのようなコントローラの動作は、この特定の実施形態に限定されない。
熱電コントローラ916は、以下の部品−すなわち、高温排気を計測し、監視し、発生させ、または制御する装置のための機構;熱電発電機919内の部品;弁、ポンプ、圧力センサ、フローセンサ、温度センサなどの低温側ループ内の装置;発電のために有利な他の任意の入力または出力装置―のいずれかまたは全ての作動状態と通信し、及び/または監視する。コントローラの有利な機能は、熱電発電機の電気出力を有利に変化させるように、高温側流体と低温側流体の少なくとも一方の作動を変化させることである。例えば、コントローラはポンプ速度を制御し、変化させ、監視し、弁を操作し、熱エネルギーの貯蔵量または使用量を管理し、熱電発電機の出力電圧または電流を変化させることができ、さらには高温排気の生成や作動になんらかの有利な変化をもたらす、といった他の機能を実行することができる。制御特性の例として、装置が車両内で廃熱回収に利用され、低温側流体がエンジン冷却水である場合、2方向弁をコントローラまたは任意の他の制御機構によって制御し、流れを有利な向きに向けることができる。
ガソリンエンジンは、いったん暖機されると、より効率的に作動する。熱電発電機919から廃熱を除去することによって加熱される低温側ループの流れは、適切な向きに向けられた場合、エンジンの加熱を加速させることができる。あるいは、加熱された低温側冷却水910は、乗員用の空気を加熱するように熱交換器を通し、それから熱電発電機の入口に戻ってもよいし、エンジンの加熱を補助するようにエンジンに向けられてもよい。エンジンが高温である場合、低温側冷却水は、ラジエータまたは任意のその他の有利な吸熱装置に向けられ、エンジンを迂回して、それから熱電発電機の入口に戻ってもよい。
図10は、図9の熱電発電機919の例として、1つの考え得る実施形態である熱電発電機919Aを示している。熱電装置919Aは3つの熱電発電機、すなわちTEG1 1011と、TEG2 1012と、TEG3 1013と、を有している。本実施形態では、熱電発電機1011,1012,1013の各々は、高温側ダクト1003,1004と熱的に接続している。高温側ダクト1003,1004は高温側流体1001,1002を有している。低温側ダクト1008,1009も同様に、低温側作動流体1006,1007を有している。高温側弁V1,V2,V3 1005は、高温側流体1001,1002の熱電発電機TEG1 1011,TEG2 1012,TEG3 1013への流れをそれぞれ制御する。同様に、低温側弁V4,V5,V6 1010は、低温側流体の熱電発電機TEG1 1011,TEG2 1012,TEG3 1013への流れをそれぞれ制御する。ワイヤハーネス1014は、熱電発電機TEG1 1011,TEG2 1012,TEG3 1013で発生した電力を車両の他の部分に送る。燃料及び空気の質量流量、圧力、排気温度、エンジン回転数並びに全ての他の利用可能な関連する情報などの、熱電発電機919Aの作動を調整するための情報源及び制御機構と、ポンプ、弁1005,1006及び全ての他の機構への接続は示していない。
作動時には、高温側流体1001の流れは、熱出力を熱電発電機TEG1 1011,TEG2 1012,TEG3 1013に供給し、適切に機能している弁V1〜V6 1005,1006によって操作することができる。例として、熱出力の入力が低い場合、1つの熱電発電機TEG1 1011の高温側を加熱し低温側を冷却するように、弁V1,V4 1005,1006が開かれる。他の弁V2〜V6は第2の熱電発電機TEG2 1012と第3の熱電発電機TEG3 1013の加熱を防止する状態に維持される。ポンプ909(図9に図示)は、第1の熱電発電機TEG1 1011の電力出力を最大にする高温側流体901の流れを供給するように調整される。同様に、ポンプ915(図9に図示)は、第1の熱電発電機TEG1 1011の電力出力を最大にする高温側流体1001の流れを供給するように調整される。利用可能な熱出力が増加すると、第2の熱電発電機TEG2 1012を作動させるように、弁V2,V5 1005,1006を作動させることができる。第1の熱電発電機TEG1 1011と第2の熱電発電機TEG2 1012とからの電力出力を最大にするように、ポンプ909(図9を参照)をコントローラ916で調整することができる。
あるいは、第1の熱電発電機TEG1 1011を弁V1,V4 1005,1006(または弁V1だけ)を閉じることによって停止させることも、それによって性能がさらに改善されるのであれば可能であろう。同様に、より高い熱出力では、TEG3 1013を単独で、またはTEG1 1011とTEG2 1012の少なくとも一方と組み合わせて、作動させることができる。図8に示す制御装置、センサ、弁及びポンプが作動を調整する。
図10は熱電発電機919の1つの考え得る実施形態だけを示している。他の変形例も可能である。例えば装置は、少なくとも一部が互いに独立して作動可能な、少なくとも2つの、任意の数の熱電モジュールから構成することができる。図10に異なるサイズで示すように、このような各熱電モジュールは異なる容量を有しているのが有利である。熱電モジュールに異なる容量を持たせることと、各熱電モジュールを運転とは独立して起動させあるいは切断するように熱出力を切り替える能力とによって、コントローラ916は実質的に変化する作動条件に対応することができる。
図11は、熱電発電機919(図9)用の、他の代替の熱電装置919Bを示している。同様に、この熱電装置919Bは、自動車の排気などの変化する熱源からの出力効率を改善するように構成されている。図示のように、熱電装置1100は、高温側熱源1101と熱的に良好に連絡している3つの熱電発電機TEG1 1104,TEG2 1105,TEG3 1106を有している。自動車の例では、これは排気または他の高温流体とすることができる。高温側熱源1101は、高温側ダクト1102を通して流れることが好ましい。本実施形態では、高温側熱ダクトは、3つの高温側ダクト1111,1112,1113に分割されており、各々が熱源1101の一部を担うように構成されている。図11において、高温側熱源1101は、3つの高温側ダクト1111,1112,1113を通して、熱電発電機TEG1 1104,TEG2 1105,TEG3 1106と熱的に接続している。出力弁1108は高温側流体1103を出力として制御する。低温側ダクト1114,1115内の低温側流体1109,1110は、熱電発電機TEG1 1104,TEG2 1105,TEG3 1106を冷却する。低温側流体1109の流れは、弁V1,V2,V3 1107によって制御される。
熱電装置919Bの作動は図9と10について説明した原理に従っているが、高温側作動流体906が省略されており、熱出力は独立した高温側作動流体ループなしに伝えられる。例えば、本実施形態では、排気はコンジット1101を通って流れ、独立した作動流体は供給されない。本実施形態では、熱電発電機TEG1 1104,TEG2 1105,TEG3 1106は、高温側熱交換器(不図示)を通して結合され、直接の結合、排気流内への挿入、ヒートパイプ、または任意の他の適切な機構などによって、高温排気に熱的に接続している。図11には、好ましくは容量の異なる3つの熱電発電機TEG1 1104,TEG2 1105,TEG3 1106を、図10と同様に示している。弁V1,V2,V3 1107と、不図示の他の装置、ポンプ、センサ及び他の機構が低温側作動流体1110の流れを制御する。作動時には、弁1108が熱電モジュールTEG1 1104,TEG2 1105,TEG3 1106への排気流を制御する。様々な熱電発電機TEG1 1104,TEG2 1105,TEG3 1106が、入力条件と所望の電気出力とに応じて組み合わされる。排気弁V4 1108は1つ以上の弁とすることができる。
上述のように、3つの熱電発電機を示しているが、任意の数のうち、少なくとも2つ以上を使用可能である。各熱電発電機は、異なる高温側温度及び/または異なる低温側温度の間で作動する複合モジュールとすることができる。
さらに、実施形態によっては、排気流を高温側流路のいずれかまたは全てを通る方向に向け、発電に関連しない性能、例えば、排気背圧の調整、燃焼効率の改善、排出物質の調整または任意の他の理由のために、性能を変化させることができる。さらに、熱電モジュールの構成は、流体の流れから廃熱を回収する場合に、その構成が雑音や燃焼の特性を調整できるように工夫されており、マフラー、触媒コンバータ、粒子の捕捉または処理の全てまたは一部の特性、あるいは全体的なシステム作動に有用な装置とのあらゆる望ましい一体化を組み込むことができる。
図12A,12B,13A,13B,14は、本明細書に述べる特定の実施形態に係る熱電(TE)発電機1200の例を模式的に示している。図12A,12Bに(別々の視点から)示す例などの特定の実施形態において、熱電発電機1200は、入力部1202と、出力部1204と、細長い複数の熱電セグメント1206と、少なくとも1つの可動部材1208と、を有することができる。入力部1202は、作動流体1210が通って流れるように構成することができる。出力部1204は、作動流体1210が通って流れるように構成することができる。細長い複数の熱電セグメント1206は、実質的に互いに平行であってよく、複数のセグメント1206の少なくとも1つは、少なくとも1つの熱電モジュール1212を備えることができる。各熱電セグメント1206は、作動流体1210が入力部1202から出力部1204へ流れるように構成可能とすることができる。少なくとも1つの可動部材1208は、作動流体1210が複数の熱電セグメント1206のうち、少なくとも1つの第1の熱電セグメントを通って流れ、作動流体1210が複数の熱電セグメント1206のうち、少なくとも1つの第2の熱電セグメントを通って流れることが阻止されるように位置することができる。
熱電発電機1200の入力部1202と出力部1204は、少なくとも、1つ以上の可動部材1208によって塞がれあるいは阻止されていない時に、作動流体1210が通って流れることを許可する。図12A,12Bの矢印1225は、熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れ方向を概略的に表している。従って、可動部材1208によって流れが完全に阻止されていない場合、作動流体1210は概略的には、入力部1202を通り、次に細長い複数の熱電セグメント1206を通り、次に出力部1204を通って流れる。作動流体1210が入力部1202と出力部1204との間を流れる時に、熱電セグメント1206以外にも、作動流体1210が通って流れる熱電発電機1200の他の介在部品が存在してもよい。入力部1202と出力部1204は、1つ以上のパイプ、チューブ、ベント、ダクト、コンジットなどを有していてよく、一般的には、作動流体1210が通過可能な様々なやり方で構成することができる。入力部1202と出力部1204は、作動流体1210が通過できるようにされているが、特定の実施形態では、流れは必ずしも妨害されたり邪魔されたりしなくてもよい。従って、例えば、実施形態によっては、入力部1202と出力部1204は、網、メッシュ、または何らかの種類の一様でない表面を有していてよく、他の実施形態では、入力部1202と出力部1204は、作動流体1210が流れる流路が設けられているだけでよい。実施形態によっては、入力部1202と出力部1204は、出力部1204から流出した作動流体1210が最終的に入力部1202に戻るように、再循環装置と流体結合していてもよい。実施形態によっては、熱電発電機1200の入力部1202と出力部1204は、他の熱電発電機1200の入力部1202と出力部1204に、並列または直列で流体接続されていてもよい。実施形態によっては、複数の熱電発電機1200の入力部1202と出力部1204の間の流体接続は、直列の流体接続と並列の流体接続の組合せを有することができる。
複数の熱電セグメント1206は、様々な断面形状をとることができ、様々な構成で相互に配置することができる。例えば、図12A,12B(別々の視点)に模式的に示すような実施形態では、複数の熱電セグメント1206は、熱電セグメント1206と垂直な平面内で概ね円形の断面をとることができる。さらに、特定の実施形態では、各熱電セグメント1206は、図12Bに模式的に示すように、複数の熱電セグメント1206と垂直な平面内で概ね台形の断面をとることができる。しかし、個々の熱電セグメント1206は他の断面形状をとることもでき、他の断面形状は、概ね三角形の形状、パイ片形状の形状、概ね環状に区分された形状を含むが、これらに限定されない。図12A,12Bに示す熱電セグメント1206は、隣接しているセグメント1206と共通する辺を共有しているが、特定の他の実施形態では、セグメント1206は互いに離れていてもよい。
図13A,13Bは、熱電セグメント1206が互いに概ね同一面に揃えられた熱電発電機1200の例を(別々の視点から)模式的に示している。特定のこのような実施形態では、各熱電セグメント1206は、図13Bに模式的に示すように、複数の熱電セグメント1206と垂直な平面内で概ね長方形の断面をとることができる。しかし、個々の熱電セグメント1206は他の断面形状をとることができ、他の断面形状は、概ね正方形、概ね台形及び概ね三角形を含むが、これらに限定されない。図13A,13Bに模式的に示す熱電セグメント1206は、隣接しているセグメント1206と共通する辺を共有しているが、特定の他の実施形態では、セグメント1206は互いに離れていてもよい。
図14は、熱電セグメント1206が互いに概ね同一面に揃えられた熱電発電機1200の他の例を模式的に示している。この例においては、各熱電セグメント1206は直線領域と湾曲領域とを有している。一般に、特定の実施形態において、熱電発電機1200は、直線状の熱電セグメント1206と湾曲した熱電セグメント1206の少なくともいずれかを有することができ、あるいは図14に模式的に示すように、直線領域と湾曲領域の両方を備えた熱電セグメント1206を有することができる。各熱電セグメント1206の断面形状は図14には示していないが、上述のように、概ね正方形、概ね台形及び概ね三角形などの、しかしこれらに限定されない多くの断面形状が可能である。図14に模式的に示す熱電セグメント1206は隣接しているセグメント1206と共通する辺を共有しているが、特定の他の実施形態では、セグメント1206は互いに離れていてもよい。
熱電セグメント1206の少なくとも1つは、少なくとも1つの熱電モジュール1212を有しているが、実施形態によっては、複数の熱電セグメント1206の各々が1つ以上の熱電モジュール1212を有している。例えば、図12A,12Bに示す熱電発電機1200の例は、7つの熱電セグメント1206と、熱電モジュール1212のないコンジット1207と、を有している。特定のこのような実施形態において、熱電モジュール1212のないコンジット1207は効果的にバイパスの役割を果たす。これはこのコンジット1207を通る作動流体1210が、どの熱電モジュール1212とも熱的に接続されていないためである。従って、バイパスとしての役割のあるコンジット1207は、いずれの熱電モジュール1212にも熱的な負荷をかけることなく、作動流体1210の一部が複数の熱電セグメント1206を通過できるようにする。このように、バイパスの役割のあるコンジット1207は、バイパスが存在しないと熱電モジュール1212の組み合わされた熱容量に対して過負荷を与える可能性のある作動流体1210の流量を、熱電発電機1200が調整できるようにする。
熱電セグメント1206とモジュール1212の他の考え得る構成を、図13A,13Bに(別々の視点から)模式的に示している。図13A,13Bは、7つの熱電セグメント1206を有する熱電発電機1200の実施形態を示しており、7つの熱電セグメント1206のうち6つは、各熱電セグメント1206の両側に取り付けられた2つの熱電モジュール1212を有している。同様に、熱電モジュール1212のない熱電セグメント1206は、前述のようにバイパスの役割を効果的に果たす。
各熱電モジュール1212は1つ以上の熱電素子を有しており、熱電モジュール1212と作動流体1210との間での熱エネルギーの伝導を促進する1つ以上の熱交換器を、任意に有することができる。1つ以上の熱電素子は電子装置であり、多くの場合、その電子装置の少なくとも一部に熱的勾配が加えられたときに電力を発生することができる固体電子部品である。熱電モジュール1212は、米国特許第6,539,725号明細書、第6,625,990号明細書及び第6,672,076号明細書に記載されているような様々な構成を実現することができ、これらの明細書の各々は、参照によって、その全体が本明細書に援用される。しかし、熱エネルギーを電気エネルギーに変換可能な、あらゆる機能的熱電素子を、本明細書で説明している特定の実施形態と互換性のある熱電モジュール1212を構成するために使用することができる。
特定の熱電モジュール1212内に複数の熱電素子が存在する場合、熱電素子の間で様々な電子的接続が可能である。例えば、熱電素子を電気的に互いに直列で接続すること、電気的に互いに並列で接続すること、または直列接続と並列接続の組み合わせで電気的に接続することが可能である。実施形態によっては、例えば、同じ種類の異なる数の熱電素子を直列に互いに接続することによって、様々な熱容量の熱電モジュール1212を作ることができる。
熱電セグメント1206の熱電モジュール1212は、様々な構成で電気接続することができる。例えば、実施形態によっては、熱電モジュール1212を直列に電気接続してもよいし、並列に電気接続してもよいし、直列接続と並列接続の組み合わせによって電気接続してもよい。特定の実施形態において、熱電発電機1200は図15に示すように、並列に電気接続された熱電モジュール1212のアレイを有している(以下により詳細に説明する)。
実施形態によっては、複数の熱電セグメント1206または複数の熱電セグメント1206のサブセットが互いに流体連絡していてもよい。熱電セグメント1206間の流体連絡は、図12A,12B,13A,13B,14に模式的に示す実施形態のように、2つ以上の熱電セグメント1206が並列に互いに流体連絡している態様とすることができる。しかし、2つ以上の熱電セグメント1206は、直列に流体接続されてもよく、直列の流体接続と並列の流体接続の組み合わせによって流体接続されてもよい。図16,17は、熱電セグメント1206を流体接続する2つの構成例を模式的に示している。ただし、熱電セグメント1206を接続する他の構成も、本明細書で述べる特定の実施形態と互換性がある。図16と17のいずれにおいても、矢印1225は流れ方向を示している。図16では、2つの弁1230が閉じているときに、熱電セグメント1206を通る作動流体1210用の、流れが平行な2つの流路がある。弁1230のいずれかが開くと、平行な流路とともに直列の流路が形成される。図17では、連続した各熱電セグメント1206を流れることで作動流体1210の少なくとも一部が各熱電セグメント1206を直列に流れるように、熱電セグメント1206が接続されている。さらに、作動流体1210の少なくとも一部が熱電セグメント1206のいくつか(例えば、1206a,1206c,1206e)を通って第1の方向の平行に流れ、作動流体の少なくとも一部が熱電セグメント1206のいくつか(例えば、1206b,1206d,1206f)を通って第1の方向とは反対の第2の方向に平行に流れる。
少なくとも1つの可動部材1208を、図12A,12B,13A,13B,14に模式的に示すような様々な態様で移動するように、複数の熱電セグメント1206に対して配置し、または取り付けることができる。例えば、図12A,12Bに模式的に示す例のような実施形態では、少なくとも1つの可動部材1208を、熱電セグメント1206と概ね平行な回転軸を中心に回転するように構成することができる。例えば、少なくとも1つの可動部材1208は、作動流体1210が通って流れることができる1つ以上の孔を備えることができ、少なくとも1つの可動部材を回転させることによって、他の熱電セグメント1206を通る流れを塞ぎながら、選択された熱電素子1206に孔を揃えることができる。このことは図12A,12Bに示されており、可動部材1208は、可動部材1208が熱電セグメント1206c〜1206gとコンジット1207を通る作動流体1210の流れを実質的に塞ぎ、一方、作動流体1210が相対的に妨げられることなく、熱電セグメント1206a,1206bを流れることが可能なように位置している。図14に模式的に示す例のような他の実施形態では、少なくとも1つの可動部材1208は、熱電セグメント1206に対し概ね垂直な回転軸を中心に回転するように構成することができる。例えば、少なくとも1つの可動部材1208は、選択した熱電セグメント1206を通る流れを許可し他の熱電セグメント1206を通る流れを塞ぐように回転させることができるバッフルを有することができる。図13A,13Bに模式的に示すようなさらに他の実施形態において、少なくとも1つの可動部材1208は、熱電セグメント1206に対し概ね垂直な方向に沿って実質的に直線状に移動するように構成してもよい。例えば、少なくとも1つの可動部材1208は、選択した熱電セグメント1206を通る流れを許可し他の熱電セグメント1206を通る流れを塞ぐように移動させることができる。このことは図13A,13Bに示されており、可動部材1208は、可動部材1208が熱電セグメント1206b〜1206fとコンジット1207を通る作動流体1210の流れを実質的に塞ぎ、一方、作動流体1210が相対的に妨げられることなく、熱電セグメント1206aを流れることが可能なように位置している。しかし、可動部材1208は回転運動だけまたは直線運動だけに限定する必要はない。そのため、実施形態によっては、可動部材1208は回転運動と直線運動の組み合わせによって移動してもよい。さらに、回転運動はセグメント1206に垂直でも平行でもない回転軸を中心としてもよい。
実施形態によっては、少なくとも1つの可動部材1208は、作動流体1210が複数の熱電セグメント1206のうち少なくとも1つの第1の熱電セグメント1206を流れることを許可し、作動流体1210が複数の熱電セグメント1206のうち少なくとも1つの第2の熱電セグメント1206を流れることを阻止するように位置することができる。実施形態によっては、少なくとも1つの可動部材1208は、第1の位置と第2の位置と第3の位置とを含む複数の位置に位置することができる。第1の位置では、作動流体1210は、第1と第2の熱電セグメント1206を同時に流れることができる。第2の位置では、作動流体1210は、第1の熱電セグメント1206を流れることができるが、同時に、第2の熱電セグメント1206を流れることが阻止される。第3の位置では、第1と第2の熱電セグメント1206を流れることが同時に阻止される。
図12,14に模式的に示す例のような実施形態では、少なくとも1つの可動部材1208は、回転軸を中心とした実質的な回転変位によって、複数の位置(例えば、第1、第2及び第3の位置)のうち少なくとも2つの間を移動する。図12A,12Bの例によって示すように、回転軸は熱電セグメント1206に対して実質的に平行であってよく、あるいは図14に示すように、回転軸は熱電セグメント1206に対して実質的に垂直であってよい。しかし、他の実施形態は、熱電セグメント1206に実質的に平行でも実質的に垂直でもない回転軸を中心に回転する1つ以上の可動部材1208を有することができる。図13A,13Bに模式的に示す例のような他の実施形態では、少なくとも1つの可動部材1208が、実質的に直線状の変位によって、複数の位置(例えば、第1、第2及び第3の位置)のうち少なくとも2つの間を移動する。特定の実施形態では、1つ以上の可動部材1208は各熱電セグメント1206に対応していてもよい。例えば、各熱電セグメント1206は、熱電セグメント1206を通る流れを選択的に許可しまたは阻止する可動部材1208を有することができる。可動部材1208を個別に作動させることによって、作動流体1210が1つ以上の選択された熱電セグメント1206を流れ、その他の熱電セグメント1206を流れないように制御することができる。
特定の実施形態において、少なくとも1つの可動部材1208は、熱電セグメント1206の入力端部を少なくとも部分的に閉じることによって、作動流体1210の熱電セグメント1206を通る流れを阻止することができる。例えば、図12A,12B及び図13A,13Bに模式的に示す熱電発電機1200は、1つ以上の熱電セグメント1206の入力端部を塞ぐために可動部材1208を用いている。あるいは、少なくとも1つの可動部材1208は、熱電セグメント1206の出口端部を少なくとも部分的に閉じることによって、作動流体1210の熱電セグメント1206を通る流れを阻止してもよい。例えば、模式的に図14に示す熱電発電機1200の例は、1つ以上の熱電セグメント1206の出口端部を塞ぐために可動部材1208を用いている。特定の実施形態において、少なくとも1つの可動部材1208は、各熱電セグメント1206に対応した1つ以上の可動部材1208を有していてよく、これらの可動部材1208はそれぞれの熱電セグメント1206の入力端部または出力端部を選択的に塞ぐように位置することができる。特定のこのような実施形態において、少なくともいくつかの可動部材1208は、それぞれの熱電セグメント1206の入力端部を選択的に塞ぎ、少なくともいくつかの可動部材1208は、それぞれの熱電セグメント1206の出力端部を選択的に塞ぐ。
実施形態によっては、少なくとも1つの可動部材1208の位置を複数の位置から選択することで、作動流体1210から第1及び第2の熱電セグメント1206への熱出力の伝達が修正される。特定の実施形態において、可動部材1208の位置は、第1の熱電セグメント1206または第2の熱電セグメント1206からの廃熱の除去割合を修正するように選択することができる。以上の説明は、2つを超える熱電セグメント1206と、3つを超える位置に位置することができる1つ以上の可動部材1208と、有し、それによって2つを超える熱電セグメント1206を通る流れを選択的に許可し阻止する機構を実現する実施形態を含んでいる。
作動流体1210は、入力部1202から熱電セグメント1206を通って出口部1204まで流れることによって、熱エネルギーを熱電モジュール1212(及び熱電モジュール1212の熱電素子)へ供給する。作動流体1210は、熱エネルギーを運搬し、作動流体1210が熱電セグメント1206を通る時に熱エネルギーを熱電モジュール1212に伝達することができる任意の材料を有することができる。例えば、実施形態によっては、作動流体1210は蒸気、NaK、HE及びXe気体、圧縮空気、または高沸点油を有することができる。実施形態によっては、作動流体1210は、例えば、水とエチレングリコールの混合物内に分散しているナノ粒子を含む多相系を有していてよく、相変化多相系を有することもできる。1つ以上の熱電モジュール1212が1つ以上の熱交換器を備えている実施形態では、熱交換器は一般に、作動流体1210から熱電モジュール1212及び熱電素子への熱エネルギーの伝導を促進する。熱伝導は、例えば、1つ以上の熱伝導特徴部(例えば、フィン、ピンまたはタービュレータ)の存在によって促進することができる。この熱伝導特徴部は熱交換器と一体化されており、作動流体1210が熱電セグメント1206を流れる流路内に延びている。特定の実施形態において、熱交換器と熱電モジュール1212は、参照によってその全体が本明細書に援用される米国特許第6,539,725号明細書に記載されているように、流れ方向に断熱されるように構成されている。
特定の実施形態において、熱電発電機1200は、1つ以上の可動部材1208の動きまたは位置を制御するように構成されたコントローラ1214も有することができる。例えば、特定の実施形態の1つ以上の可動部材1208は、複数の位置の間を移動することによって、コントローラ1214から受信した信号に応答する。実施形態によっては、1つ以上の可動部材1208の動きまたは位置を制御することによって、コントローラ1214は、1つ以上の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れに影響を及ぼすことができる。従って、実施形態によっては、コントローラ1214は、作動流体1210から1つ以上の熱電モジュール1212への熱出力の伝達を選択的に修正することができる。例えば、コントローラ1214は、どの熱電モジュール1212が作動流体1210から熱出力を受け取り、どれが受け取らないかを効果的に制御することができる。このように、作動流体1210から熱出力を受け取る熱電モジュールの数を修正し、作動流体1210から熱出力を受け取る個々の熱電モジュール1212を選択することによって、熱電発電機1200の熱容量をコントローラ1214によって調整することができる。実施形態によっては、熱電発電機1200が大きさと熱容量の少なくとも一方が異なる熱電モジュール1212を備えることで、調整可能性が増大する。
特定の実施形態において、コントローラ1214は、熱電モジュール1212間の電子的接続を選択的に変更するように作動することができる。例えば、図15のコントローラ1214は、特定の熱電モジュール1212が他の熱電モジュール1212と並列に電気接続されないように、特定の熱電モジュール1212を回路から選択的に切断できるように構成されている。従って、実施形態によっては、熱電発電機1200の熱容量は、熱電モジュール1212の電気接続を調整することによって調整することができる。図15に示す実施形態は、各熱電モジュール1212が選択的に並列に接続または切断できるように構成されているが、他の実施形態では、コントローラ1214は熱電モジュール1212の全体のうち、サブセットの電気接続を制御するだけであってもよい。さらに、他の実施形態において、コントローラ1214は、熱電モジュール1212を選択的に直列に接続または切断してもよく、熱電モジュール1212を選択的に並列に接続または切断してもよく、熱電モジュール1212間の直列電気接続及び並列電気接続を同時に制御してもよい。
特定の実施形態において、コントローラ1214は、1つ以上の可動部材1208の動きまたは位置を制御し、さらに熱電モジュール1212間の電子接続の制御または変更を行うことができる。従って、実施形態によっては、コントローラ1214が個々の熱電モジュール1212を選択的に、熱的及び電気的に熱電発電機1200から連結解除できるように、作動流体1210による熱電モジュール1212への熱出力の伝達と熱電モジュール1212の電気接続性を、コントローラ1214によって調和した形態で制御することができる。
さらに、実施形態によっては、熱電発電機1200は、熱電発電機1200の作動中に作動流体1210の1つ以上の物理的特性を計測するように構成されている1つ以上のセンサを有することができる。例えば、熱電セグメント1206に連結されている1つ以上のセンサは、1つ以上の熱電セグメント1206を流れる作動流体1210の流体圧力、温度、流量あるいはそれらの組み合わせを計測することができる。例えば、1つ以上のこれらの物理特性は、熱電発電機1200の一部分内(例えば熱電セグメント1208内)で計測することができる。計測値は、センサとコントローラ1214との間の電気接続によってコントローラ1214に中継され、それによってコントローラ1214が作動流体1210の物理特性を監視することができる。従って、実施形態によっては、コントローラ1214は1つ以上のセンサから1つ以上の信号を受信するように構成され、さらに、作動流体1210の変化する物理的特性に応答して熱電モジュール1212を熱電発電機1200に(電気的及び熱的に)選択的に結合または結合解除するように、1つ以上の信号を1つ以上の可動部材1208に送信することによって応答するように構成されていてもよい。特定のこのような実施形態は、熱電発電機1200の作動効率と総電力出力との少なくとも一方を増加させるために、有利である。従って、コントローラ1214は、1つ以上の圧力センサ、温度センサまたはフローセンサによって求められる熱電発電機1200の作動特性に応答して1つ以上の可動部材1208の位置を制御することによって、熱電発電機1200の作動を変更することができる。
図12A,12B,13A,13B,14に模式的に示す例のような特定の実施形態において、熱電発電機1200は、少なくとも1つの熱電モジュール1212を備えた第1の熱電セグメント1206と、少なくとも1つの熱電モジュール1212を備えた第2の熱電セグメント1206と、複数の位置に位置することができる可動部材1208と、を有することができる。可動部材1208が位置することのできる複数の位置は、第1の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れを許可しながら第2の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れを同時に許可する第1の位置と、第1の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れを阻止しながら第2の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れを同時に許可する第2の位置と、第1の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れを阻止しながら第2の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れを同時に阻止する第3の位置と、を含むことができる。
図12A,12B,13A,13B,14に模式的に示す例のような特定の実施形態において、複数の熱電セグメント1206は、第3の熱電セグメント1206をさらに有していてよく、少なくとも2つの熱電セグメント1206は各々が少なくとも1つの熱電モジュール1212を有することができる。可動部材1208(2つ以上が存在していてもよいが)は、第1の位置と、第2の位置と、第3の位置と、第4の位置とを含む複数の位置に位置することができる。第1の位置にあるときには、可動部材1208は、第1と、第2と、第3の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れを同時に許可する。第2の位置にあるときには、可動部材1208は、第1の熱電セグメント1206を通る作動流体の流れを阻止しながら、第2と第3の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れを同時に許可する。第3の位置にあるときには、可動部材1208は、第1と第2の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れを同時に阻止しながら、第3の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れを同時に許可する。第4の位置にあるときには、可動部材1208は、第1と、第2と、第3の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れを同時に阻止する。
図18は、本明細書で説明している特定の実施形態による複数の熱電モジュール1212の操作方法の例1800の流れ図である。方法1800は、図12A,12B,13A,13B,14の熱電発電機1200の例に関連して以下に説明するが、他の構成も使用可能である。方法1800は、作動ブロック1810において、複数の位置から可動部材1208の位置を選択することによって、第1の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れと第2のセグメント1206を通る作動流体1210の流れの両方を変化させることを有している(各熱電セグメントは熱電モジュールを有している)。複数の位置は、第1の熱電セグメントを通る流れを許可しつつ第2の熱電セグメントを通る流れを同時に許可する第1の位置と、第1の熱電セグメントを通る流れを阻止しつつ第2の熱電セグメントを通る流れを同時に許可する第2の位置と、第1の熱電セグメントを通る流れを阻止しつつ第2の熱電セグメントを通る流れを同時に阻止する第3の位置と、を含んでいる。特定の実施形態では、可動部材1208の位置は、複数の熱電モジュール1212の効率を高め、電力出力特性を修正し、またはそれらの両方を行うように選択することができる。特定のこのような方法は、作動ブロック1820において、複数の熱電モジュールに熱出力を伝達することと、複数の熱電モジュールから廃熱を除去することの少なくとも一方をさらに有している。特定の実施形態において、方法1820は、複数の熱電モジュールから廃熱を除去することをさらに有している。
熱出力源と伝達システムは、熱出力を熱電発電機1200に伝達するように、熱電発電機1200に熱的に結合されることができる。多くの異なる種類の熱源を熱電発電機1200と共に使用することができ、原則的に、伝達可能な熱エネルギーを供給可能ないかなる装置も利用することができる。例えば、熱出力源はエンジン(例えば内燃エンジン)であってよく、熱出力伝達システムは冷却水コンジットまたは排気コンジットを有することができる。コントローラ1214は、熱出力伝達システム、熱出力源、またはそれらの両方の作動状態に応答することができる。例えば、作動状態を検出するように構成されているセンサは、信号をコントローラに送信して、熱出力伝達システム、熱出力源、またはそれらの両方の作動に関する情報を提供するように使用することができる。例えば、センサは、熱出力伝達システム内、熱出力伝達源内、またはそれらの両方の中の1つ以上の圧力、流れまたは温度に応答することができる。従って、コントローラ1214は、1つ以上の圧力センサ、温度センサ、またはフローセンサによって求められる熱出力伝達システム、熱出力伝達源、またはそれらの両方の作動特性に応答して1つ以上の可動部材1208の位置を制御することによって、熱電発電機1200の作動を変更することができる。より一般的には、コントローラ1214は、熱電発電機1200、熱出力源、または熱出力伝達システムの作動特性の任意の組み合わせに応答する可動部材1208の制御によって、熱電発電機1200の作動状態を変更することができる。
図19は、本明細書で説明している特定の実施形態による熱電発電機1200の他の例を模式的に示している。図19に模式的に示すような特定の実施形態では、熱電発電機1200は、第1の熱電セグメント1206と、第2の熱電セグメント1206と、少なくとも1つの第1の可変流れ素子1216aと、を有することができる。第1の熱電セグメント1206は、少なくとも1つの熱電モジュール1212を有することができ、第1の熱電セグメント1206はある流体圧力で流れる作動流体1210を有することができる。第2の熱電セグメント1206は少なくとも1つの熱電モジュール1212を有することができ、第2のセグメント1206は作動流体1210が流れることができるように構成可能とすることができる。第1の可変流れ素子1216aは、第1の可変流れ素子1216aへのこの流体圧力の作用時に動くことができ、第1の可変流れ素子1216aは、第2の熱電セグメント1206を流れる作動流体1210の流れに対する第2の熱電セグメント1206の流れ抵抗を修正する。
図19に模式的に示す例のような特定のこのような実施形態において、熱電発電機1200は、作動流体1210が流れることができるように構成可能な第3の熱電セグメント1206をさらに有していてよく、第3の熱電セグメント1206は少なくとも1つの熱電モジュール1212をさらに有することができる。さらに、図19に模式的に示す例のような特定のこのような実施形態において、熱電発電機1200は第2の可変流れ素子1216bをさらに有することができる。第1の可変流れ素子1216aと同様に、第2の可変流れ素子1216bは、第2の可変流れ素子1216bにこの流体圧力が作用したときに動くことができ、第2の可変流れ素子1216bは、少なくとも、第3の熱電セグメント1206を流れる作動流体1210の流れに対する第3の熱電セグメント1206の流れ抵抗を修正する。
図19に模式的に示す例示的な実施形態において、熱電セグメント1206(例えば3つの)は互いに概ね同一面に揃えられた構成で配置されており、並列で互いに流体連絡している。他の構成では、熱電セグメント1206は、2つ、3つ、4つ、またはそれ以上の熱電セグメント1206が直列で互いに流体連絡するように接続されていてもよい。熱電発電機1200内の熱電セグメント1206間の直列流体接続と並列流体接続の組み合わせも、実現可能である。
特定の実施形態において、熱電発電機1200は熱電モジュールを有していない1つ以上のコンジット1207をさらに有している。特定の実施形態において、コンジット1207は、第1の熱電セグメント1206及び第2の熱電セグメント1206と、並列で流体連絡している。特定の実施形態において、コンジット1207は、第1の熱電セグメントと第2の熱電セグメントの少なくとも一方と、直列で流体連絡している。特定の実施形態において、熱電発電機1200は第2の可変流れ素子1216をさらに有していてよく、第2の可変流れ素子1216(第2の可変流れ素子に流体圧力が作用したときに動くことが可能)は、少なくとも、コンジット1207を通る作動流体1210の流れに対するコンジット1207の流れ抵抗を修正することができる。例えば、図19に模式的に示す例示的な実施形態の3つの熱電セグメント1206は、コンジット1207に並列で選択的に流体連絡している。この例において、第3の可変流れ素子1216c(第3の可変流れ素子1216cに流体圧力が作用したときに動くことが可能)は、少なくとも、コンジット1207を通る作動流体1210の流れに対するコンジット1207の流れ抵抗を修正することができる。従って、コンジット1207は、いずれの熱電モジュール1212への熱負荷の作用も回避する作動流体1210の流路を実現することによって、バイパスとしての役割を効果的に果たす。このように、コンジット1207は、熱電発電機1200が、バイパスが存在しないと熱電モジュール1212の組み合わされた熱容量に対して過負荷になる可能性のある作動流体1210の流量を調整することを可能にする。
1つ以上の可変流れ素子1216は、作動流体1210の流れに対する熱電セグメント1206の流れ抵抗を修正することによって、熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れに影響を及ぼす。可変流れ素子は、図19に模式的に示すように熱電セグメント1206の出力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、または熱電セグメント1206の入力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、熱電セグメント1206の流れ抵抗を修正することができる。特定の実施形態において、可変流れ素子1216は弁を有することができる。例えば、特定のこのような実施形態において、弁はフラッパ弁とすることができる。フラッパ弁は一般に、実質的に平坦な閉塞部材と、閉塞部材に取り付けられたヒンジとを有する弁であり、閉塞部材はヒンジによって定められた軸線を中心に実質的に回転変位することで動くことができる。フラッパ弁が閉位置にあるときは、閉塞部材は、閉塞部材の平面が流体の流れ方向に対して実質的に垂直となる方向に向いており、従って、流体が流れることができる有効断面積が減少し、あるいは無くなる。フラッパ弁が開位置にあるときは、閉塞部材は、閉塞部材の平面が流体の流れ方向に対して実質的に垂直とならない方向に向いており、従って、流体が閉塞部材によって相対的に妨害されずに流れることができる実質的な断面積が開かれる。
可変流れ素子1216は、可変流れ素子1216への流体圧力の作用時に動くことができる。例えば、可動流れ素子1216は、対応している熱電セグメント1206をより多くの流れが通るように、可変流れ素子1216に作用する流体圧力に対して応答することができる。従って、1つ以上の可変流れ素子1216の作動により、熱電セグメント1206の流れ抵抗は熱電セグメント1206内の流体圧力に依存することができる。熱電セグメント1206の流れ抵抗の変動によって、熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流量が変動することがある。従って、作動流体1210は熱出力を搬送することができるため、熱電セグメント1206の熱電モジュール1212に伝達される熱出力または熱流束の量は、可変流れ素子1216の動きによって修正することができる。例えば、第1の可変流れ素子1216の動きは、第2の熱電セグメント1206の少なくとも1つの熱電モジュールへの熱出力または熱流束の伝達を修正することができる。同様に、熱電セグメント1206の熱電モジュール1212からの廃熱の除去割合は、熱電セグメント1206の流れ抵抗を生じさせる可変流れ素子1216の動きによって修正することができる。例えば、第1の可変流れ素子1216の動きは、第2の熱電セグメント1206の少なくとも1つの熱電モジュール1212からの廃熱の除去割合を修正することができる。
可変流れ素子1216を使用することで、熱電発電機1200を有している複数の熱電モジュール1212を、1つ以上の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れが作動状態に応じて調整されるように作動させることができる。そのような作動状態の1つは、熱電セグメント1206内の作動流体1210の流体圧力である。図20は、本明細書で説明している特定の実施形態による複数の熱電モジュール1212の操作方法の例2000の流れ図である。方法2000は、第1の作動ブロック2010において、少なくとも第1の熱電モジュール1212を有する第1の熱電セグメント1206に、流体圧力を有する作動流体1210を流すことを有している。方法2000は、第2の作動ブロック2020において、流体の流体圧力が閾値圧力を超えたときに、少なくとも第2の熱電モジュール1212を有する第2の熱電セグメント1206に、作動流体1210を流すことをさらに有している。方法2000は、作動ブロック2030において、作動流体1210の流体圧力が閾値圧力を超えていないときに、第2の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れを阻止することをさらに有している。特定の実施形態では、閾値圧力は、熱電モジュール1212の効率を高め、電力出力特性を修正し、またはそれらの両方を行うように選択することができる。特定の実施形態において、方法2000は熱出力を複数の熱電モジュール1212に伝達することをさらに有している。特定の実施形態において、方法2000は複数の熱電モジュール1212から廃熱を除去することをさらに有している。
本明細書で説明している特定の実施形態において、熱電発電機1200は、作動流体の流体圧力に応答する可変流れ素子1216の代わりに(または加えて)、作動流体の温度に応答する可変流れ素子1216を有することもできる。従って、熱電発電機1200は、第1の熱電セグメント1206と、第2の熱電セグメント1206と、少なくとも1つの第1の可変流れ素子1216と、を有することができる。第1の熱電セグメント1206は、少なくとも1つの熱電モジュール1212を有することができ、第1の熱電セグメント1206は、第1の熱電セグメント1206を流れる作動流体1210を有することができる。第2の熱電セグメント1206は、少なくとも1つの熱電モジュール1212を有することができ、第2のセグメント1206は作動流体1210が流れることができように構成可能であってよい。第1の可変流れ素子1216は、第1の流れ素子1216の温度に応答して動くことができるように構成することができ、第1の可変流れ素子1216は、第2の熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れに対する第2の熱電セグメント1206の流れ抵抗を修正する。
可変流れ素子1216は、熱電発電機1200の特定の領域内の作動流体1210の温度に応答することができる。従って、温度応答可変流れ素子1216の移動は、作動流体1210の温度に応答することができる。可変流れ素子1216の動きは熱電セグメント1206の流れ抵抗を修正し、熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流量は温度に依存することができる。作動流体1210は熱出力を搬送するため、熱電セグメント1206の熱電モジュール1212に伝達される熱出力または熱流束の量は、熱電セグメント1206の流れ抵抗を生じさせる可変流れ素子1216の動きによって修正することができる。同様に、熱電セグメント1206の熱電モジュール1212からの廃熱の除去割合は、熱電セグメント1206の流れ抵抗を生じさせる可変流れ素子1216の動きによって修正することができる。
適切な温度応答可変流れ素子1216は、様々な機構によって機能することができる。例えば、このような可変流れ素子1216は、第1の温度で第1の形状をとり、第1の温度と異なる第2の温度で第2の形状をとる構造を有することができる。特定のこのような実施形態において、この構造は図21に模式的に示すように、バイメタルまたは形状記憶合金を有している。1つの温度範囲内で、バイメタルの帯は熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流れ方向に対して湾曲し、従って、熱電セグメント1206を通る作動流体1210の流路を少なくとも部分的に塞ぐ。しかし、図21にも示すように、他の温度範囲では、バイメタルの帯は実質的にまっすぐで作動流体1210の流れ方向と平行であり、それによって、作動流体1210は相対的に妨害されずに帯を通りすぎて流れることができる。
温度応答可変流れ素子1216は、他の機構によって機能することもできる。特定の実施形態の可変流れ素子1216は、第1の温度で第1の相にあり、第1の温度と異なる第2の温度で第2の相にある材料を有することができる。特定のこのような実施形態において、この材料はワックスを有し、第1の相は第1の温度で固体であり、第2の相は第2の温度で液体である。特定の実施形態の可変流れ素子1216は、温度変化に応答して伸張したり収縮したりする材料を有することができる。そのような可変流れ素子1216は、第1の温度で流路を塞ぐように伸張し、第2の温度で流路を開くように収縮することができる。
図22は、温度応答可動部材1208の使用に対応した複数の熱電モジュール1212の操作方法の一例の流れ図を示している。方法2200は、第1の作動ブロック2210において、少なくとも第1の熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントに、ある温度の作動流体を流すことを有している。方法2200は、第2の作動ブロック2220において、流体の温度が閾値温度を超えたときに、少なくとも第2の熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントに作動流体を流すことをさらに有している。方法2200は、作動ブロック2230において、温度が閾値温度を超えていないときに、第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止することをさらに有している。特定のこのような実施形態では、閾値温度は、複数の熱電モジュールの効率を高め、電力出力特性を修正し、またはそれらの両方を行うように選択することができる。
本発明の様々な実施形態を上述した。本発明をこれらの特定の実施形態を参照して説明したが、この説明は本発明を例示することを意図しており、限定することは意図していない。添付の特許請求の範囲で定められている本発明の真の趣旨と範囲から逸脱することなく、当業者は様々な修正及び適用に想到することが可能であろう。
Claims (67)
- 少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントであって、該第1の熱電セグメントを流れる、流体圧力を持つ作動流体を有する第1の熱電セグメントと、
少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントであって、該第2の熱電セグメントを前記作動流体が流れることができるように構成可能な第2の熱電セグメントと、
前記流体圧力の作用時に動くことができ、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れに対する前記第2の熱電セグメントの流れ抵抗を修正する少なくとも1つの第1の可変流れ素子と、
を有する熱電発電機。 - 前記第1の可変流れ素子の動きは、前記第2の熱電セグメントの前記少なくとも1つの熱電モジュールへの熱出力または熱流束の伝達を修正する、請求項1に記載の熱電発電機。
- 前記第1の可変流れ素子の動きは、前記第2の熱電セグメントの前記少なくとも1つの熱電モジュールからの廃熱の除去割合を修正する、請求項1に記載の熱電発電機。
- 前記第1の熱電セグメントと前記第2の熱電セグメントは、並列で、互いに流体連絡している、請求項1に記載の熱電発電機。
- 前記第1の熱電セグメントと前記第2の熱電セグメントは、直列で、互いに流体連絡している、請求項1に記載の熱電発電機。
- 前記第1の可変流れ素子は、前記第2の熱電セグメントの出力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、前記第2の熱電セグメントの前記流れ抵抗を修正する、請求項1に記載の熱電発電機。
- 前記第1の可変流れ素子は、前記第2の熱電セグメントの入力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、前記第2の熱電セグメントの前記流れ抵抗を修正する、請求項1に記載の熱電発電機。
- 前記第1の可変流れ素子は弁を有している、請求項1に記載の熱電発電機。
- 前記弁はフラッパ弁である、請求項8に記載の熱電発電機。
- 前記作動流体が通って流れることができるように構成可能なコンジットをさらに有する、請求項1に記載の熱電発電機。
- 前記流体圧力の作用時に動くことのできる第2の可変流れ素子をさらに有し、該第2の可変流れ素子は、少なくとも、該コンジットを流れる前記作動流体の流れに対する前記コンジットの流れ抵抗を修正する、請求項10に記載の熱電発電機。
- 前記コンジットは、前記第1の熱電セグメント及び前記第2の熱電セグメントと、並列に流体連絡している、請求項10に記載の熱電発電機。
- 前記コンジットは、前記第1の熱電セグメントと前記第2の熱電セグメントの少なくとも一方と、直列に流体連絡している、請求項10に記載の熱電発電機。
- 前記コンジットは熱電モジュールを有していない、請求項10に記載の熱電発電機。
- 前記流体圧力が作用したときに動くことのできる第2の可変流れ素子をさらに有し、該第2の可変流れ素子は、少なくとも、第3の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れに対する該第3の熱電セグメントの流れ抵抗を修正する、請求項14に記載の熱電発電機。
- 少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントと、
少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントと、
前記第1の熱電セグメントを通る作動流体の流れを許可しながら、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に許可する第1の位置と、前記第1の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止しながら、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に許可する第2の位置と、前記第1の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止しながら、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に阻止する第3の位置と、を含む複数の位置に位置することができる可動部材と、
を有する、熱電発電機。 - 前記可動部材の前記位置は、前記作動流体から前記第1の熱電セグメント及び前記第2の熱電セグメントへの熱出力の伝達を修正するように選択可能である、請求項16に記載の熱電発電機。
- 前記可動部材の前記位置は、前記第1の熱電セグメント及び前記第2の熱電セグメントからの廃熱の除去割合を修正するように選択可能である、請求項16に記載の熱電発電機。
- コントローラをさらに有し、前記可動部材は前記複数の位置を移動することによって、前記コントローラから受信した信号に応答する、請求項16に記載の熱電発電機。
- 前記コントローラは、熱出力伝達システム、熱出力源、またはそれらの両方と接続しており、前記熱出力伝達システムは熱出力を前記熱出力源から前記熱電発電機に伝達する、請求項19に記載の熱電発電機。
- 前記熱出力伝達源はエンジンである、請求項20に記載の熱電発電機。
- 前記エンジンは内燃エンジンである、請求項21に記載の熱電発電機。
- 前記コントローラは1つ以上のセンサから信号を受信する、請求項19に記載の熱電発電機。
- 前記1つ以上のセンサの少なくとも1つは、前記作動流体の流体圧力、流量、または温度、あるいはそれらの組み合わせに応答する、請求項23に記載の熱電発電機。
- 前記圧力、流れ、または温度、あるいはそれらの組み合わせは前記熱電発電機内のものである、請求項24に記載の熱電発電機。
- 前記圧力、流れ、または温度、あるいはそれらの組み合わせは、前記熱出力伝達システム、前記熱出力源、またはそれらの両方の中のものであり、前記熱出力伝達システムは熱出力を前記熱出力源から前記熱電発電機に伝達する、請求項24に記載の熱電発電機。
- 前記第1の熱電セグメントと前記第2の熱電セグメントは、並列で、互いに流体連絡している、請求項16に記載の熱電発電機。
- 前記第1の熱電セグメントと前記第2の熱電セグメントは、直列で、互いに流体連絡している、請求項16に記載の熱電発電機。
- 前記可動部材は、前記第2の位置または前記第3の位置にあるときに、前記第1の熱電セグメントの出力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、前記第1の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止し、前記可動部材は、前記第3の位置にあるときに、前記第2の熱電セグメントの出力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止する、請求項16に記載の熱電発電機。
- 前記可動部材は、前記第2の位置または前記第3の位置にあるときに、前記第1の熱電セグメントの入力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、前記第1の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止し、前記可動部材は、前記第3の位置にあるときに、前記第2の熱電セグメントの入力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止する、請求項16に記載の熱電発電機。
- 前記可動部材は、実質的に直線状の変位によって、前記複数の位置のうち少なくとも2つの間を移動する、請求項16に記載の熱電発電機。
- 前記可動部材は、回転軸を中心とする実質的な回転変位によって、前記複数の位置のうち少なくとも2つの間を移動する、請求項16に記載の熱電発電機。
- 前記回転軸は、前記第1の熱電セグメントと前記第2の熱電セグメントの少なくとも一方を通る前記作動流体の流れ方向と実質的に平行である、請求項32に記載の熱電発電機。
- 前記回転軸は、前記第1の熱電セグメントと前記第2の熱電セグメントの少なくとも一方を通る前記作動流体の流れ方向に対し実質的に垂直である、請求項32に記載の熱電発電機。
- 第1の熱電セグメントと、第2の熱電セグメントと、コンジットと、を有し、前記第1の熱電セグメントと、前記第2の熱電セグメントと、前記コンジットのうち少なくとも2つは、各々が少なくとも1つの熱電モジュールを有している複数の熱電セグメントと、
前記第1の熱電セグメントを通る作動流体の流れを許可しながら、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に許可し、かつ前記コンジットを通る前記作動流体の流れを同時に許可する第1の位置と、前記第1の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止しながら、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に許可し、かつ前記コンジットを通る前記作動流体の流れを同時に許可する第2の位置と、前記第1の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止しながら、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に阻止し、かつ前記コンジットを通る前記作動流体の流れを同時に許可する第3の位置と、前記第1の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止しながら、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に阻止し、かつ前記コンジットを通る前記作動流体の流れを同時に阻止する第4の位置と、を含む複数の位置に位置することができる可動部材と、
を有する、熱電発電機。 - 前記第1の熱電セグメントと、前記第2の熱電セグメンと、前記コンジットは、各々が少なくとも1つの熱電モジュールを有している、請求項35に記載の熱電発電機。
- 前記コンジットは熱電モジュールを有していない、請求項35に記載の熱電発電機。
- 複数の熱電モジュールを操作する方法であって、
少なくとも1つの第1の熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントに、流体圧力を持つ作動流体を流すことと、
前記流体の前記流体圧力が閾値圧力を超えたときに、少なくとも1つの第2の熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントに、前記作動流体を流すことと、
前記流体の前記流体圧力が前記閾値圧力を超えていないときに、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止することと、
を有する、方法。 - 前記複数の熱電モジュールの効率を高め、電力出力特性を修正し、またはそれらの両方を行うように、前記閾値圧力を選択することをさらに有する、請求項38に記載の方法。
- 前記複数の熱電モジュールを操作することは、前記複数の熱電モジュールに熱出力を伝達することを有する、請求項38に記載の方法。
- 前記複数の熱電モジュールを操作することは、前記複数の熱電のモジュールから廃熱を除去することを有する、請求項38に記載の方法。
- 複数の熱電モジュールを操作する方法であって、
少なくとも1つの第1の熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントを通る流れを許可しながら、少なくとも1つの第2の熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントを通る流れを同時に許可する第1の位置と、前記第1の熱電セグメントを通る流れを阻止しながら、前記第2の熱電セグメントを通る流れを同時に許可する第2の位置と、前記第1の熱電セグメントを通る流れを阻止しながら、前記第2の熱電セグメントを通る流れを同時に阻止する第3の位置と、を含む複数の位置から可動部材の位置を選択することによって、前記第1の熱電セグメントを通る作動流体の流れと、前記第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れと、を変化させることを有する、方法。 - 前記可動部材の位置は、前記複数の熱電モジュールの効率を高め、電力出力特性を修正し、またはそれらの両方を行うように選択される、請求項42に記載の方法。
- 前記複数の熱電モジュールを操作することは、前記複数の熱電のモジュールに熱出力を伝達することを含む、請求項42に記載の方法。
- 前記複数の熱電モジュールを操作することは、前記複数の熱電のモジュールから廃熱を除去することを含む、請求項42に記載の方法。
- 少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントであって、該第1の熱電セグメントを流れる、温度を持つ作動流体を有する第1の熱電セグメントと、
少なくとも1つの熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントであって、該第2の熱電セグメントを前記作動流体が流れることができるように構成可能な第2の熱電セグメントと、
自身の温度に応答して動くように構成され、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れに対する前記第2の熱電セグメントの流れ抵抗を修正する少なくとも1つの第1の可変流れ素子と、
を有する、熱電発電機。 - 前記第1の可変流れ素子の動きは、前記第2の熱電セグメントの前記少なくとも1つの熱電モジュールへの熱出力または熱流束の伝達を修正する、請求項46に記載の熱電発電機。
- 前記第1の可変流れ素子の動きは、前記第2の熱電セグメントの前記少なくとも1つの熱電モジュールからの廃熱の除去割合を修正する、請求項46に記載の熱電発電機。
- 前記第1の可変流れ素子は、第1の温度で第1の形状を、前記第1の温度と異なる第2の温度で第2の形状をとる構造を有している、請求項46に記載の熱電発電機。
- 前記構造はバイメタルを有している、請求項49に記載の熱電発電機。
- 前記構造は形状記憶合金を有している、請求項49に記載の熱電発電機。
- 前記第1の可変流れ素子は、第1の温度で第1の相にあり、前記第1の温度と異なる第2の温度で第2の相にある材料を有している、請求項46に記載の熱電発電機。
- 前記材料はワックスを有し、前記第1の相は前記第1の温度で固体であり、前記第2の相は前記第2の温度で液体である、請求項52に記載の熱電発電機。
- 複数の熱電モジュールを操作する方法であって、
少なくとも1つの第1の熱電モジュールを備えた第1の熱電セグメントに、温度を持つ作動流体を流すことと、
前記温度が閾値温度を超えたときに、少なくとも1つの第2の熱電モジュールを備えた第2の熱電セグメントに、前記作動流体を流すことと、
前記温度が前記閾値温度を超えていないときに、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止することと、
を有する、方法。 - 前記複数の熱電モジュールの効果を高め、電力出力特性を修正し、またはそれらの両方を行うように前記閾値温度を選択することをさらに有する、請求項54に記載の方法。
- 作動流体が通って流れることを許可するように構成された入力部と、
前記作動流体が通って流れることを許可するように構成された出力部と、
実質的に互いに平行な複数の細長い熱電セグメントであって、該複数の細長い熱電セグメントの少なくとも1つは少なくとも1つの熱電モジュールを有し、各熱電セグメントは、前記作動流体が該熱電セグメントを通って前記入力部から前記出力部へ流れることを許可するように構成可能である、複数の細長い熱電セグメントと、
複数の前記熱電セグメントのうちの少なくとも1つの第1の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを許可し、複数の前記熱電セグメントのうちの少なくとも1つの第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止するように位置することができる、少なくとも1つの可動部材と、
を有する、熱電発電機。 - 前記複数の熱電セグメントは、前記熱電セグメントと垂直な平面上で、概ね円形の断面を有している、請求項56に記載の熱電発電機。
- 前記少なくとも1つの可動部材は、前記熱電セグメントと概ね平行な回転軸を中心に回転するように構成されている、請求項57に記載の熱電発電機。
- 前記熱電セグメントの各々は、前記熱電セグメントと垂直な平面上で、概ね台形の断面を有している、請求項57に記載の熱電発電機。
- 前記複数の熱電セグメントは互いに、概ね同一面上に揃えられている、請求項56に記載の熱電発電機。
- 前記少なくとも1つの可動部材は、前記熱電セグメントと概ね垂直な方向に沿って実質的に直線状に移動するように構成されている、請求項60に記載の熱電発電機。
- 前記複数の熱電セグメントの各々は、前記熱電セグメントと垂直な平面上で、概ね長方形の断面を有している、請求項60に記載の熱電発電機。
- 前記少なくとも1つの可動部材は、前記第1の熱電セグメントと前記第2の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に許可する第1の位置と、前記第1の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを許可しながら、前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に阻止する第2の位置と、前記第1の熱電セグメントと前記第2の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に阻止する第3の位置と、を含む複数の位置に位置することができる、請求項56に記載の熱電発電機。
- 前記少なくとも1つの可動部材は、回転軸を中心とした実質的な回転変位によって、前記複数の位置のうち少なくとも2つの間を動く、請求項63に記載の熱電発電機。
- 前記回転軸は前記熱電セグメントと実質的に平行である、請求項64に記載の熱電発電機。
- 前記回転軸は前記熱電セグメントと実質的に垂直である、請求項64に記載の熱電発電機。
- 前記少なくとも1つの可動部材の前記位置は、前記作動流体から前記第1の熱電セグメント及び前記第2の熱電セグメントへの熱出力の伝達を修正するように選択可能である、請求項63に記載の熱電発電機。
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