JP5028171B2 - 熱電システム - Google Patents

Description

本開示は、電力を生成するための熱電システムに関する。特に、本開示は内燃機関のヘッド内に配置された熱電装置に関する。

内燃機関は、世界全体にわたって多くの文化の不可欠な構成要素になっており、一般に、人々の作業生産性を改善しつつ輸送及び動力生成の手段を提供している。長年、研究者は多くの観点のエンジン技術を改良してきた。これらの多くの進歩にもかかわらず、残念ながら、エンジンは約５０％以下の効率で作動するに過ぎない。

劣ったエンジン効率は、主に、燃焼工程中に失われる熱エネルギに起因する。この廃熱の多くは、様々なエンジン構成要素を通して導かれ、周囲に移送され、何の有用な仕事も行わない。

燃焼機関の効率を高める努力において、研究者は、廃熱の幾分かを有用なエネルギに変換する方法を開発してきた。例えば、ある研究者は、エンジンの電気負荷の部分を補完するために使用できる有用な電気エネルギに廃熱を変換してきた。

１つのこのような方法が、Ｚｉｎｋｅ（「チンケ」）への（特許文献１）に開示されている。チンケは、作動中に直流を発生し、このようにして、必要なエンジン冷却需要の少なくとも幾分かを、及び電力需要の少なくとも幾分かを賄う熱電材料を含むエンジンブロックを開示している。チンケは、熱電対型の材料から内燃機関を製造することを開示している。チンケはまた、内部のエンジン構成要素の設計変更を最小にするために、熱電モジュールをエンジンの外側に取り付けることを開示している。

熱電装置は、電気エネルギを熱エネルギに又は熱エネルギを電気エネルギに変換することが可能である。１９世紀の初めに、科学者、トーマス・ゼーベック（Ｔｈｏｍａｓ Ｓｅｅｂｅｃｋ）は、２つの異なる導体の接合部の間に温度勾配を置くと電流の流れが生じる現象を発見した。

チンケにより開示されたエンジンは、複数の点で不都合を有する。第１に、熱電材料は、一般に、エンジンブロック及びヘッド鋳物に使用される合金鉄と同一の材料特性を共有しない。この結果、熱電材料で全体が構成されるエンジンは、設計限界を超えるか、あるいは実用に対し十分に頑丈であることができない。さらに、熱電材料のコストは、一般に、合金鉄のコストよりも著しく高い。この結果、熱電材料で全体が構成されるエンジンは法外に高価であろう。

さらに、チンケは、これらの熱電材料を配置するための正確な位置を開示していない。チンケは、単に、熱電材料からエンジン全体を製造すること、あるいは代わりに、一般に熱電材料をエンジンブロックに取り付けることを開示している。他の措置なしに、熱電材料をエンジンブロックに単に取り付けることでは、廃熱を回収するための実際的な解決方法を提供できない。

米国特許第６，０２９，６２０号明細書

本発明の開示は、上述した不都合の１つ以上を克服することを目的とする。

特定の一実施形態において、内燃機関が提供される。内燃機関は、ブロックと、ヘッドと、ピストンと、ブロックとピストンとヘッドとによって画定された燃焼室と、燃焼室とヘッドとの間に位置付けられた少なくとも１つの熱電装置とを備える。この特定の実施形態では、熱電装置は燃焼室と直接接触している。

他の実施形態では、内燃機関のシリンダバンクの頂部に着座するように構成されたシリンダヘッドが提供される。シリンダヘッドは、冷却流体を受容するように構成された冷却流路と、吸気弁と排気弁とを受容するために適合された弁座と、弁座の周りに位置付けられた熱電装置とを備える。

図１は、内燃機関のシリンダヘッド１内に位置付けられた熱電装置１０の概略図を示している。

図１の特定の実施形態では、内燃機関は、エンジンブロック２内に形成されたシリンダ６４内で往復運動するピストン６０を有する往復ピストン内燃機関である。燃焼室５０は、ピストン６０の上部６３と、ヘッド１の底面と、エンジンブロック２内に形成されたシリンダ６４とによって画定される。燃料と空気との混合気の燃焼が燃焼室５０内で行われ、燃焼と関連する放熱の結果高温を発生する。この熱の多くは、ヘッド１、ピストン６０、及びブロック２に熱伝達される。

これらの構成要素に伝達された熱は、一般に有用な仕事を果たさず、したがってエンジンの総合効率を減少させる。この効率を高める努力において、熱電装置１０がシリンダヘッド１内に配置される。これらの熱電装置１０は、この廃熱エネルギの幾分かを有用な電気エネルギに変換し、このエネルギを、例えば、車両の電気負荷を補完するために後で使用することができる。

前述のように、電気エネルギは、ゼーベック効果として公知の現象下で熱エネルギから生成される。

温度勾配が開回路状態下で導体に加えられると（すなわち、電流の流れが可能でない場合）、高温領域と低温領域との間の定常状態の電位差が発生される。一方、閉回路では、温度勾配が維持される限り電流が流れる。この温度勾配によって生成される電力密度は、温度勾配に比例し、次式によって規定される。

Ｑ”は、電力密度、あるいは単位面積当たりの電力を規定する。Ｌは、高温面１１と低温面１２との間の距離を規定し（図４参照）、λは熱電装置１０の熱伝導率を規定する。理解できるように、温度勾配がより大きいと、それだけ発生電力が大きくなる。

本開示は、大きな熱勾配を有する２つの領域の間に、例えばエンジン冷却水４０と燃焼室５０との間に装置１０が配置されるように、エンジンヘッド１内の熱電装置１０の位置付けを提案している。これらの位置の間に、大きな温度勾配が一般に観測される。いくつかの場合には、この温度勾配は６５０℃程度の高さでもよい。

所定の温度Ｔにおける材料の性能指数ＺＴは、熱電装置１０に使用するときに材料の性能又は有効性を説明するために使用される。性能指数は、次式によって規定される。

Ｓは、熱電装置１０のゼーベック係数を規定し、Ｒは、熱電装置１０の電気抵抗を規定し、Ｋは、材料の熱伝導係数を規定し、またＴは温度を規定する。性能指数が高いと、それだけ熱電装置１０の性能は高くなる。本発明のいくつかの実施形態において、性能指数は、少なくとも３である。例えば、ナノ構造の炭化ホウ素は、内燃機関の作動と共通に関連する温度で少なくとも３の性能指数を示す材料である。

次に、図４を参照すると、熱電装置１０の特定の実施形態が示されている。読者は、本発明の開示が図１〜図４に示した特定の熱電装置１０に限定されないことを理解すべきである。その代わりに、当業者は、本発明の開示を実施するために複数の異なる種類の熱電装置１０を代わりに使用してもよいことを理解するであろう。

図１〜図４の特定の熱電装置１０は、Ｐ型半導体１４及びＮ型半導体１３用の基礎及び電気絶縁として機能する２つのセラミック基板を備える。これらの半導体１３と１４は、セラミックの間に電気的に直列に、また熱的に並列に接続される。セラミック基板はまた、内部電気要素の間の断熱材として機能する。この特定の実施形態では、ヒートシンクは高温側１１と接触しており、冷却器表面は低温側１２と接触している。導電性材料（例えば、Ｐ型半導体１４及びＮ型半導体１３に取り付けられた導電パッド）は、装置１０の内部の電気接続を維持する。電気接続を強化して、装置１０を共に保持するために、はんだ又は他の任意の公知の固定技術を接続接合部に使用してもよい。

いくつかの実施形態では、Ｐ型半導体１４は化合物又はホウ素及び／又はシリコンを含む。他方、Ｎ型半導体１３は、例えばＳｉＣ又はＳｉＧｅを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、装置１０への電気導線７０は、装置１０の高温側１１のパッドに取り付けられる。次に、導線７０は、例えば任意のＡＣ負荷に電力を供給するためのＤＣバッテリ、ＤＣ負荷、又はＤＣ−ＡＣインバータに接続することが可能である。読者は、電力が発生されるとき、その適用を当業者が考える任意の有用な手段に向けてもよく、上に挙げた手段に限定されないことを理解すべきである。

図１の特定の実施形態は、熱電装置１０の高温側１１が燃焼室５０に面するようにヘッド１内に位置付けられた熱電装置１０を示している。エンジン内の最高温度は、一般に、燃焼室５０内に生じ、７５０℃以上の高さであることができる。

追加して、また図１の特定の実施形態にさらに示したように、熱電装置１０の低温側１２は燃焼室５０の反対側にあり、冷却流路４０に向かって面する。特定の一実施形態では、冷却水流路４０内の冷却流体は、ちょうど事前にラジエータのようなエンジン冷却器によって冷却されたエンジンジャケット水である。熱電装置１０によって発生された電力は温度勾配に比例するので、冷却水のより冷たい部分が流路４０を通して流れるように、エンジンの冷却水システムを構成することが望ましい。

図１の特定の実施形態では、熱電装置１０は、本実施形態においてヘッド１に一体形成される金属製インタフェース４２によって冷却水流路４０から分離される。金属製インタフェース４２は、燃焼室５０を流路４０から分離する高圧境界を提供し、同時に、熱電装置１０が流路４０内の冷却水に直接接触することを防止するための障壁を提供する。

いくつかの場合には、ヘッド１は鋳造工程から製造可能である。熱電装置１０を収容するために、鋳造工程中に空洞を形成してもよい。代わりに、熱電装置１０を収容するために、ヘッド１内で空洞を機械加工してもよい。次に、装置１０が燃焼室５０内の燃焼ガスに直接接触するように、熱電装置１０を空洞内に配置することが可能である。読者は、これらの空洞を製造する精密な方法が、開示した実施形態に関連しないことを理解すべきであり、また当業者は、装置１０を受け入れるための空洞を有するヘッド１を製造するために、複数の方法が存在し得ることを理解するであろう。

シリンダヘッド１の製造中、燃焼室５０（及び熱電装置１０）を冷却水流路４０から分離するために高圧境界が存在するように、金属製インタフェース１０をヘッド１と一体形成してもよい。

次に、図２を参照すると、図２は、エンジンのヘッド１内に位置付けられた熱電装置１０の概略図を示している。図２の特定の実施形態は、２つの吸気弁２０及び２つの排気弁２５の周りに位置付けられた４つの熱電装置１０を示している。多くのエンジンは、１つのシリンダ６４当たり２つの吸気弁２０及び２つの排気弁を有する。図２の特定の実施形態は、１つのシリンダ６４当たり２つの吸気弁２０及び２つの排気弁２５を示しているが、読者は、本発明の開示が他の弁構造を有するエンジンに適用されることを理解すべきである。さらに、吸気弁２０及び排気弁２５は、同様の直径を有するものとして示されているが、読者は、多くの内燃機関が様々な直径を有する吸気弁２０及び排気弁２５を有すること、及び本開示が、同様に、これらのエンジンに適用されるであろうことを理解すべきである。

図２に開示した特定の実施形態では、熱電装置１０は略「Ｔ」字形状を有する。この特定の形状（図２に従って配置した場合）は、燃焼室５０と接触する熱電装置１０の表面積を増大する。これにより、装置１０は、より多くの廃熱を電気エネルギに変換できる。燃料噴射器３０（又はスパークプラグ）は、シリンダ６４内の中央に配置可能であり、２つの吸気弁２０及び２つの排気弁２５が存在する場合、４つの熱電装置１０のＴ字形性質を正当化する。

次に、図３を参照すると、図３は、図２に示すエンジンヘッド１の部分の断面図（線Ｉ−Ｉに沿った）を示している。図３の特定の実施形態から理解できるように、熱電装置１０は高温側１１と低温側１２とを有する。この特定の実施形態では、高温側１１は燃焼室５０と直接接触しており、一方、低温側１２は冷却室４０に面する。さらに理解できるように、金属製インタフェース４２は、冷却流路４０を装置１０から分離する。図３の特定の実施形態では、金属製インタフェース４２はヘッド１と一体形成される。

次に、図４を参照すると、熱電装置１０の特定の実施形態が示されている。

典型的な熱電装置１０は、Ｐ型半導体１４及びＮ型半導体１３用の基礎及び電気絶縁として機能する２つのセラミック基板から構成される。半導体１４と１３は、セラミックの間に電気的に直列に、また熱的に並列に接続される。セラミック基板はまた、内部電気要素と高温側１１と接触可能なヒートシンクとの間の絶縁材として、ならびに低温側１２に対するより低温の対象物として機能することが可能である。Ｐ型半導体１４及びＮ型半導体１３の間の電気接続は、ニッケル又はクロムを含み得る金属製導線７０（又はタブ）を使用することによって達成可能である。例えば、ニッケルは、適切な伝導率及び酸化抵抗を有する材料である。

いくつかの特定の実施形態では、金属製導線７０は、室温で適用される導電性材料によってそれぞれの半導体１３又は１４の脚部の端部に接続してもよい。設定されると、導電性材料は、エンジン燃焼と関連する高温に耐えることができる。

次に、熱電装置１０によって発生された電力は、ワイヤ（図示せず）又は公知の他の任意の種類の電気導体によって使用点に移送することが可能である。図４を参照すると、第１のワイヤは、最も左側の半導体を使用点に接続することが可能であり、また第２のワイヤは、最も右側の半導体を使用点に接続することが可能であり、使用点は電気バッテリ又は負荷でもよい。装置１０にわたって温度勾配が観測されるとき、第１及び第２のワイヤにわたって電位が発生され、観測される。

本開示は、廃熱を有用な電気エネルギに変換するために内燃機関から廃熱を回収するためのシステム及び方法を提供する。内燃機関は、燃料と空気との混合気の燃焼によって化学エネルギを有用な仕事に変換する。

図１の特定の実施形態を参照すると、燃焼室５０内の燃料と空気との混合気の燃焼中、熱が放出され、室５０内の温度上昇を引き起こす。いくつかの場合には、温度は、７５０℃程度の高さであり得る。次に、燃焼ガスは、ピストン６０及びコネクティングロッド６２を下方に駆動するために使用され（図１から理解されるように）、このように、機械仕事を実行するためにクランクシャフト（図示せず）を回転する。

残念ながら、燃焼された燃料及び空気のすべてが、有用な機械仕事に変換されるわけではない。燃焼工程からの熱の幾分かは、ヘッド１、ブロック２、及び排気システム（図示せず）のような様々なエンジン構成要素に熱伝達される。熱エネルギの多くは、周囲に移送されるときに浪費される。

開示したシステムは、この熱エネルギの幾分かを装置１０の高温側１１に移送する。特定の一実施形態では、装置１０の高温側１１は燃焼室５０と直接接触しており、このように、燃焼工程から生じる高温に露出される。

同時に、エンジン冷却水が流路４０を通して流れる。この比較的低温の冷却水は、装置１０の低温側１２のセラミックに近接しており、高温側１１よりも一般により低温である。いくつかの実施態様では、この冷却水は、エンジンのジャケット水冷却器又はラジエータをちょうど出たばかりかもしれない。この結果、装置１０にわたって温度勾配が加えられる。

この温度勾配が維持される限り、電流が流れる。次に、この電流を使用して、車両の電気負荷を補完し、バッテリを充電し、又は電気を必要とする他の任意の機能を実行することが可能である。

特定の一実施形態では、ハイブリッド機械の電気負荷を補助するために、発生された電気エネルギが使用される。ハイブリッド車両及び機械は、典型的に、燃焼機関と、推進力を提供するためのドライブトレインに機械的に連結された電気モータとを有する。この特定の実施形態では、装置１０によって発生された電気エネルギは、ドライブトレインに機械的に連結されたときに機械に推進力を提供する電気モータへの電力供給を補助するであろう。

本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に開示した実施形態に様々な修正及び変更を行うことができることが、当業者には明らかであろう。開示した材料の説明と実施を考慮することにより、開示した発明の他の実施形態が当業者には明白であろう。説明及び実施例は模範的なものに過ぎないと考えられ、本開示の真の範囲は、次の特許請求の範囲及びそれらの等価物によって示されることが意図される。

本開示の典型的な実施形態による熱電装置の概略図である。 本開示の典型的な実施形態による熱電装置の他の概略図である。 図２の概略図の断面図である。 本開示の特定の一実施形態による熱電装置の断面図である。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ ブロック
１０ 熱電装置
１１ 熱電装置の高温側
１２ 熱電装置の低温側
１３ Ｎ型半導体
１４ Ｐ型半導体
２０ 吸気弁
２５ 排気弁
３０ 燃料噴射器
４０ 冷却流体
４２ 金属製インタフェース
５０ 燃焼室
６０ ピストン
６２ コネクティングロッド
６３ ピストンの頂面
６４ シリンダ
７０ 導線又はタブ

Claims (9)

1. ブロックと、ヘッドと、ピストンと、該ブロックと、該ピストンと、該ヘッドとによって画定された燃焼室と、該燃焼室と前記ヘッドとの間に位置付けられ、廃熱エネルギを電気エネルギに変換し電力を発生する少なくとも１つの熱電装置と、を有する内燃機関において、
   冷却流体を前記ヘッドの冷却流路に供給するように構成された冷却システムを備え、
   前記熱電装置が低温側と高温側とを有し、該低温側が前記ヘッドの冷却流路の周囲に直接接触しており、前記高温側が前記燃焼室と直接接触していることを特徴とする内燃機関。
2. 前記熱電装置の低温側に面する冷却流路内の冷却流体が、前記機関のラジエータにより冷却される請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記冷却流路が、前記ヘッド内に一体形成された金属製インタフェースによって前記熱電装置の低温側から分離される請求項１に記載の内燃機関。
4. 前記熱電装置がホウ素又はシリコンを含む請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の内燃機関。
5. 前記電気エネルギが車両の電気負荷を補完する請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の内燃機関。
6. ４つのエンジン弁と、４つのエンジン弁の周りに位置付けられた４つの前記熱電装置とをさらに備える請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の内燃機関。
7. 前記熱電装置が略Ｔ字形を有する請求項１乃至請求項６のうちのいずれかに記載の内燃機関。
8. 前記熱電装置が、３以上の熱電性能指数を有する材料を含む請求項１乃至請求項７のうちのいずれかに記載の内燃機関。
9. ハイブリッド機械であって、
   電気モータと、
   少なくとも幾分かの電気エネルギを前記電気モータに供給する請求項１乃至請求項８のうちのいずれかに記載の内燃機関と、
   前記電気モータと前記内燃機関とに機械的に連結され、かつ機械に推進力を提供するようにしたドライブトレインと、
   を備えるハイブリッド機械。

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