JP2008547370A - 変動する熱電源用の熱電発電機 - Google Patents

Abstract

熱電発電機を使用する伝統的な発電システムは、単一の動作条件について最も効率的に動作するように設計されている。この発明は、熱出力の入力が変化し得る状態でより高い動作効率および／またはより高い出力電力を維持できるように、熱電体の特徴、熱出力の流れおよび発電機の動作特徴を監視および制御する発電システムを提供する。このようなシステムは、燃焼機関の排気の際に発生する廃熱から電力を回収するなどの、変動する熱電源システムに特に有益である。

Description

関連出願との相互参照
この出願は、２００５年６月２８日に出願された、「フリーダムカーおよび車両技術プログラム（Freedom Car & Vehicle Technologies Program）」と題される米国仮特許出願番号第６０／６９４，７４６号に関連し、その優先権の利点を主張する。

連邦政府が支援する研究開発に関する表明
米国政府は、米国エネルギ省によって与えられた契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０４ＮＴ４２２７９の条件下で、この発明またはこの発明の一部において特定の権利を有すると主張し得る。

発明の背景
発明の分野
この出願は、熱電発電の分野に関し、より詳細には、熱源の温度および熱流束が変化する熱電体からの発電を改善するためのシステムに関する。

関連技術の説明
熱電体は、電流が通過するときに一方の側が低温になりかつ他方の側が高温になるように動作する固体装置である。熱電体はまた、熱電体間で温度差を維持することによって電力を発生させることができる。しかしながら、多くの動作条件下で、熱電発電機は、変化する熱流束、高温側の熱源の温度、低温側の熱廃棄温度、および他の変動する条件の組合せに晒される。さらに、ＴＥ熱伝導係数、性能指数（Figure of Merit）Ｚ、熱交換器の性能などの装置の特性はすべて、ある範囲の製造許容差を有し、この製造許容差は組合さって、概して装置の性能を低減させる。その結果、性能は変化し、予め定められた設定ポイントにおける動作は、設計値と比較して、性能の劣化に繋がる可能性がある。

１００％効率的ではないエネルギを消費するプロセスはいずれも、通常熱の形で廃エネルギを発生させる。たとえば、内燃機関は相当量の廃熱を発生させる。自動車などにおける内燃機関の効率を改善するために、この廃熱のうちいくらかを取込み、それを有用な形に変換するためのさまざまな方法が考えられてきた。自動車の排気システム上に熱電体を配置することが検討されてきた（「予熱による熱電触媒発電機（Thermoelectric Catalytic Power Generator with Preheat）」と題される米国特許第６，９８６，２４７号参照）。しかしながら、排気システムの熱および熱流束は大きく変化するので、効果的なシステムの提供は幻想であった。一例として、最適性能と比較して、自動車の廃熱回収システムの性能の劣化は非常に著しい可能性があり、少なくとも３０％に達する。

発明の概要
この発明は、特に熱電源が、変動する熱出力のうちの１つである、熱電発生システムに対する改善に向けられる。最適な動作効率に有意義に近い状態を維持するためにこのシステムの動作を制御することによって改善を得ることができる。このシステムは、変化する動作条件からのばらつきと、設計および製造の相違に関連付けられる相違との両方からの損失を低減するように設計されている。

一実施例では、熱電発電システムは、熱出力の供給源と、少なくとも２つの熱電モジュールを有する熱電発電機と、熱電源から少なくとも２つの熱電モジュールのうちの１つに熱出力を送出したり、熱電源から少なくとも２つの熱電モジュールの両方に熱出力を送出したりするように制御可能な熱出力送出システムとを有する。コントローラは好ましくは、熱出力を送出するための制御を与えるために熱出力送出システムと通信する。

有利に、熱電発電システムは、熱電源から少なくとも２つの熱電モジュールのうちの一方に熱出力を送出したり、熱電源から少なくとも２つの熱電モジュールのうちの他方に熱出力を送出したり、少なくとも２つの熱電モジュールの両方に熱出力を送出したりするように制御可能である。もちろん、このシステムは、２つの熱電モジュールに限定されるのではなく、任意の数のモジュールであり得るだろう。好ましくは、コントローラは、効率的な電力生成を高めるために、容量が異なる熱電体のさまざまな組合せに電力を送出できる。一実施例では、熱出力送出システムは高温側の作動流体を使用し、高温側の作動流体の流量はコントローラを介して制御可能である。出力は好ましくは、熱電発電機からの廃熱を移動させるように適合される。コントローラは、出力によって与えられる冷却条件を制御するために出力と通信する。一実施例では、熱電発電機は、出力と熱的に連通する低温側の作動流体をさらに有し、コントローラは、熱電モジュールの動作特性を制御するために低温側の作動流体の流量を制御するように適合される。

この発明の別の局面は、エンジンとともに使用される熱電発電システムを含み、このシステムは、熱電源から熱出力を受取るように適合された入力を有し、熱電発電機からの廃熱を移動させるように適合された出力をさらに有する熱電発電機を有する。出力送出システムは、少なくとも２つの位置に廃熱を方向付けるように適合され、コントローラは、出力送出システムと通信する。コントローラは、廃熱を送出するために少なくとも２つの位置のうちの少なくとも１つを選択するように適合される。

好ましくは、少なくとも２つの位置のうちの１つはエンジンのラジエータである。一実施例では、エンジンは乗員を運ぶように適合された乗物の中にあり、少なくとも２つの位置のうちの１つは乗員の車室である。好ましくは、コントローラは、低温側からの廃熱の除去を制御するように適合され、コントローラは、熱出力が変化するときに熱電発電機を大幅に効率的に動作させる。一実施例では、熱電発電機は少なくとも２つの熱電モジュールを有し、コントローラは、特定の条件中に２つの熱電モジュールのうちの少なくとも１つに熱出力を方向付けたり、変化する熱出力の他の条件中に少なくとも２つの熱電モジュールの両方に熱出力を方向付けたりする。好ましくは、少なくとも２つの熱電モジュールの容量は異なる。一実施例では、熱電発電機は少なくとも３つの熱電モジュールを有し、コントローラは熱電モジュールのうちのいずれか１つに熱出力を方向付ける。もちろん、利用可能な熱出力に見合うように適宜、任意の数の熱電モジュールを使用できるであろう。

この発明の別の局面は、変動する熱電源から電力を発生させる方法を含む。この方法は、熱電発電機への高温側の入力に熱出力を方向付けることと、熱電発電機の低温側の出力から廃熱を除去することと、熱出力が変化するときに熱電発電機を大幅に効率的に動作させる態様で熱出力の方向付けを制御することとを含む。

一実施例では、この方法は、熱出力が変化するときに熱電発電機を大幅に効率的に動作させるように低温側の出力からの廃熱の除去を制御するステップをさらに含む。有利に、熱電発電機は少なくとも２つの熱電モジュールを有し、制御するステップは、特定の条件中に２つの熱電モジュールのうちの少なくとも１つに熱出力を方向付けたり、変化する熱出力の他の条件中に少なくとも２つの熱電モジュールの両方に熱出力を方向付けたりすることを含む。もちろん、熱電発電機の容量を、入ってくる熱出力に調整するためにコント
ローラが熱電モジュールの組合せに熱出力を方向付けるように有利に適合された状態で、任意の数の熱電モジュールを使用できるであろう。

一実施例では、熱電発電機は少なくとも３つの熱電モジュールを有し、制御するステップは、熱電モジュールのうちのいずれか１つに熱出力を方向付けることを含む。好ましくは、熱電モジュールの特性は異なっており、制御するステップは、実質的に最適な動作効率を達成するために熱電モジュールの任意の組合せに熱出力を方向付けることをさらに含む。代替的には、制御するステップは、実質的に最大の動作電力を達成するために熱電モジュールの任意の組合せに熱出力を方向付けることを含む。さらに別の実施例では、制御するステップは、動作効率および電力生成について所望のレベルの動作を達成するために熱電モジュールの任意の組合せに熱出力を方向付けることを含む。

好ましい実施例の詳細な説明
この発明は、熱出力が変動する熱電源に特に適した、標準的なシステムよりも効率的に電力を発生させることができる熱電発電システムに関する。この発明は、多くの廃熱回収、廃熱取入れおよび発電の適用例に有用である。しかしながら、この発明を例示するために、特定の実施例について記載する。提示される特定の実施例は、熱電発電機を使用して、乗物の排ガスに含まれる熱出力から電力を発生させる。この特定の例は、変化する動作条件下でさえ、電力生成に影響を及ぼす条件を監視および制御するように発電システムを設計する利点を説明する。たとえば「対流性熱流を利用する効率的な熱電体（Efficiency
Thermoelectrics Utilizing Convective Heat Flow）」と題される米国特許第６，６７２，０７６号に記載されるＴＥ対の特性、作動流体の質量流、動作電流（または電圧）、ＴＥ要素の形状因子、およびシステム容量を制御することによって大幅な改善を導き出すことができる。この特許は引用によって本明細書に援用される。また、「熱分離を利用する効率的な熱電体（Efficiency Thermoelectric Utilizing Thermal Isolation）」と題される米国特許第６，５３９，７２５号に記載されるように流れの方向の熱分離を有するように熱電システムを設計することによって改善を得ることができ、この特許も引用によって本明細書に援用される。したがって、一実施例では、電力を生成するために作動される熱電対の数を制御すること、冷却条件を制御すること、冷却流体の流量を制御すること、ならびに／または温度およびＴＥ材料特性を制御することが望ましい。

この発明の一例として自動車の廃熱回収が使用される。しかしながら、この発明は、発電、廃熱回収、コジェネレーション、電力生成の増大、および他の用途の性能の改善に適用可能である。さらなる例として、車、トラック、バス、列車、航空機および他の乗物におけるエンジン冷却液、トランスミッションオイル、ブレーキ、触媒コンバータおよび他の供給源において廃熱を利用するためにこの発明を使用できる。同様に、化学的プロセス、ガラスの製造、セメントの製造および他の工業プロセスからの廃熱が利用可能である。生物廃棄物、ごみの焼却、廃棄物投棄場からの燃えかす、油井の燃えかすなどからの廃熱の他の供給源が使用可能である。電力は、太陽熱、原子力、地熱および他の熱源から生成され得る。携帯型電力生成装置、主要な電力生成装置、予備電力生成装置、緊急用電力生成装置、遠隔の電力生成装置、個人的な電力生成装置および他の電力生成装置への適用例もこの発明の一部である。さらに、この発明は、光電池、燃料電池、燃料電池改質装置、核燃焼器、内部燃焼器、外部燃焼器および触媒燃焼器などのコジェネレーションシステム、ならびに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に結合されることができる。本明細書における任意の実施例に記載されるＴＥモジュールの数は重要ではなく、単にこの発明を例示するために選択されていることも理解すべきである。

この発明は、説明および例示の目的で、例および特定の実施例を使用して紹介される。所望の改善を達成するためにさまざまな構成をいかに利用できるかを示すために例が提示
されるが、特定の実施例は、単に例示的なものであり、提示されるこの発明を限定するようには決して意図されない。なお、本明細書において使用される熱電体または熱電要素という用語は、個々の熱電要素および要素の集まりまたは要素のアレイを意味し得るものとする。さらに、熱電体という用語は限定的なものではなく、熱イオンおよびすべての他の固体冷却装置および加熱装置を含むように使用される。さらに、高温（hot）およびクール（cool）および低温（cold）という用語は、互いに相対的であり、室温などに対する任意の特定の温度を示すものではない。最後に、作動流体という用語は、単一の流体に限定されず、１つ以上の作動流体を指すことができる。

本明細書における特定の図は、この発明に従うＴＥ発電機のいくつかの可能な実施例を示しているに過ぎない。他の変形例が可能であり、この発明の一部である。このシステムは、少なくとも２つのＴＥモジュールから成っている可能性があるが、少なくとも部分的に互いに独立して動作し得る任意の数のＴＥモジュールから成っている可能性があるだろう。有利に、各々のこのようなＴＥモジュールの容量は異なっており、これは、図１０に関連してより詳細に記載するように大きさが異なっていることによって示される。容量が異なるＴＥモジュールを有することによって、および動作から独立して各ＴＥモジュールを作動させるまたは除去するために熱出力を切換える能力によって、本明細書に説明するコントローラは、大幅に変化する動作条件に適合可能である。

自動車の排ガスはエンジンからの廃熱を供給する。この廃熱は、熱電発電機を使用して電力を発生させるための熱出力の供給源として使用され得る。この特定の適用例はこの発明を説明するために選択されている。なぜなら、この特定の適用例は、排ガスの熱出力の出力が絶えず変化する、非常に変動する動作条件のよい例を提供するためである。熱電発電システム用の入力熱電源として使用される排ガスの実際の温度および熱流束は大幅に変化する。触媒コンバータの出口における排ガスの温度は典型的には４５０℃から６５０℃まで変化し、排ガスの熱流束はしばしばアイドル状態と急激な加速状態との間で１０倍以上変化する。したがって、この特定の適用例はこの発明を理解するためのよい例を提供する。

図１は、先行技術に従う単純な熱電発電システム１００を示す。熱電源１０２は、熱電モジュール１０４の高温側に熱を供給する。好ましくは、熱電モジュール１０４は、高温側の熱交換器１０６と低温側の熱交換器１０８とを有する。低温側の熱交換器は、熱電モジュール１０４によって電気が形成される際に使用されない熱のための熱出力導管を設ける。典型的には、空気または液体冷却液などのヒートシンク１１０は、熱電発電機から廃熱を排除するために循環する。熱電モジュール１０４の両端の温度勾配は電流を発生させて、負荷１１２に電力を供給する。

このような熱電発電機１００は典型的には、熱電動作をピーク効率にまたはピーク効率の実質的に近くに維持するために、定常状態の動作用に設計されている。条件がこれらの設計基準から変化すると、図２〜図４を参照してさらに説明するように、熱電効率は下がるか、または負にさえなり得る。

この発明の理解を容易にするために、図２〜図４を参照した熱電効率についてのいくらかの簡単な背景について説明する。ＺＴ_ave＝１（ＴＥ要素の温度加重平均ＺＴ）での熱電材料についての例示的な発電性能曲線を図２に示す。図２では、ＴＥ要素アセンブリの電圧出力Ｖ（Ｉ）を、３つの高温側の温度２００℃のＴ₁、４００℃のＴ₂および６００℃のＴ₃について３つの線２１０、２１２、２１４で電流出力Ｉの関数としてプロットする。対応する電力出力曲線２２０、２２２、２２４がグラフ上に重ねられ、この電力出力曲線２２０、２２２、２２４は、電力出力Ｐとして従来の態様で計算される、グラフの中の特定のポイントにおける熱電体からの電力に対応し、ここでＰ＝Ｉ^＊Ｖ（Ｉ）である。

例示の目的で、低温側の温度は、すべての３つの高温側の温度について同じであると想定される。図２に見られるように、電力は電圧と電流との関数である。理想的には、熱電体はピーク効率２３０もしくはピーク電力２４０、またはその２つの間の何らかのトレードオフで動かされる。熱源からの熱流束が増大するが、熱電体の高温側について温度が同じままである（たとえば、排ガスの流量が増大するが、温度が変化しない）場合、図２に示すように、最大電力出力は固定される。余分な利用可能な熱流束は、高温側の温度が同じ状態では、電流Ｉが増大しなければ熱電体を通って流れることができない。しかしながら、電力曲線２２０、２２２、２２４に示すように、高温側の温度が同じ場合に電流が増大することによって、電力出力Ｐは実際には減少するであろう。したがって、熱電体の高温側の温度を上げることができない限り、さらなる熱出力はより高い電力出力に寄与することはない。同様に、利用可能な熱流速が最適な電力出力（Ｐ_m）２４０についての熱流束よりも少ない場合には、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の動作にも当てはまる。定常でない条件で動作する発電機のために、熱電システムは、性能に影響を及ぼす要因を監視および制御するように設計されており、性能を改善するために発電機の出力を修正できる。

ピーク効率およびピーク電力での動作についての、効率と高温側の温度との間の関係を図３に示す。ピーク効率での動作を示す曲線３１０と、ピーク電力での動作を示す曲線３２０とを示す。ＴＥアセンブリを通る熱流束Ｑ_hは、高温側および低温側の温度が固定された場合、電流Ｉとともに変化する。その結果、ピーク効率は、ピーク電力出力についての電圧および電流とは異なる電圧および電流で発生する。なお、熱流束Ｑ_hは、ＴＥ材料と装置の特性との関数であり、これらの特性および電流Ｉによって規定される値を有する。負荷電流Ｉを変化させることなどによって条件が変化すると、効率およびＱ_hは変化する。

電流Ｉに伴うＱ_hの変化の図を図４に示す。この図では、３つの異なる高温側の温度２００℃のＴ₁、４００℃のＴ₂および６００℃のＴ₃での熱電体の動作を表わす３つの熱流束曲線４１０、４２０、４３０を示す。ピーク動作効率曲線４５０およびピーク動作電力曲線４６０がこれらの曲線上に重ねられる。熱流束Ｑ_hを表わす３つの熱流束曲線４１０、４２０、４３０の破線部分は、電圧（したがって、電力出力）が負であるのに十分に大きな電流Ｉでの動作を示す。

上述の性能は電力出力のピーク値に近い特徴を有し、電流ＩおよびＱ_hの変化が穏やかである場合には性能の低減は小さく、そのため性能は、Ｑ_hの変化が穏当である場合には認め得るほどには劣化しない。しかしながら、熱出力制御システムと相互作用するいくつかの他の要因が実質的にシステム効率の低減の一因となる。これらの要因について以下に記載し、効率に対するこれらの要因の影響を低減する機構および構成が記載され、この発明の一部である。

図５は、単一のＴＥ要素（単一電対）、ＴＥ要素のＮ型の対およびＰ型の対（電対）、または電対の群についての、電流に対する出力電圧および電力の特徴を示す代表的なプロットである。高温側の温度が異なる状態での、固定された低温側の温度の値が与えられる。通常、いくつかのこのような要素が電気的に直列に接続されて、発電モジュールを形成することが有利である。しばしば、（以下に詳細に記載する）図７に示すように、一端において、高温の作動流体が入り、発電機のＴＥ要素の高温側と熱的に接触して熱交換器を貫通する（または通過する）ようにモジュールを動作させることが望ましい。図５に示すように、動作時には、たとえば流体が６００℃をいくぶん超えて入り、その結果、第１のＴＥ対の高温端部が６００℃で動作するように、ＴＥ対に伝えられる熱は作動流体を冷却し、第２の電対が４００℃で動作し、第３の電対が２００℃で動作するように流体は冷え
る。したがって、上流のＴＥ対への熱出力を断念したことによって高温の流体が冷えると、電対の高温側の温度は累進的に低くなる。

たとえば電対が全く同一である場合、電力出力曲線は図５に示すようになり得るであろう。同一の電流Ｉが各々を通って流れるように電対が直列に接続される場合には、総電力出力への各電対の寄与は、動作ポイントＡ、ＢおよびＣに対応する電力の合計であろう。示されるように、最大電力は、６００℃、すなわちポイントＡで動作する電対から生成されるが、ポイントＢ（４００℃）で動作する電対からの出力は最適ではなく、ポイントＣ（２００℃）で動作する電対からの出力は実際にはわずかに負であり、その結果、最大電力は他の２つの電対から電力出力を減じる。

理想的には、各電対は、ピーク電力出力を生成する電流で動作するであろう。これを達成するために、図６に示すグラフとより整合性がある、熱電発電機からより最適な性能を得るようにいくつかの条件を制御できる。図６では、このシステムは、たとえ温度または熱流束が変化する可能性があるとしてもより高い効率で動作できるように設計されている。たとえば、電対の形状因子（形状）は、各電対から生成される電力がピーク電力またはピーク効率のポイントで動作するように、（「対流性熱流を利用する効率的な熱電体」と題される米国特許第６，６７２，０７６号、および「熱分離を利用する効率的な熱電体」と題される米国特許第６，５３９，７２５号に、または他の好適な態様で記載されるように）有利に調整可能であるか、またはサイズ決めされる。たとえば、電力出力を最大にする場合、当業者に周知であるように[たとえば、アングリスト（Angrist）の「直接的なエネルギ変換（Direct Energy Conversion）」第３版、４章参照]、電対は、６００℃、４００℃および２００℃で動作する電対を有するＴＥモジュールについて、図６に示す特徴を有するようにサイズ決めされ得るであろう。この場合、図６においてＡ′、Ｂ′およびＣ′で示される、電力出力を実質的に最大にする電流ですべての段階を実質的に動作させることによって、モジュールのＴＥ対、熱伝達特徴および電力出力を最大にした。ピーク効率での動作または他の動作条件については、他の所望の性能特徴を達成するために他の設計基準を使用できるであろう。

図７は、単純なＴＥ発電機７００の概略図である。この図におけるＴＥ発電機７００は、高温側のシャント７０６、７０７、７０８および低温側のシャント７１０によって電気的に直列に接続されたＴＥ要素の３つの対７０９を有する。高温の流体７０１は、高温側のダクト７１６に入り、熱交換器７０３、７０４および７０５と十分に熱的に接触し、出力ポート７０２において出る。熱交換器７０３、７０４および７０５は、高温側のシャント７０６、７０７および７０８と十分に熱的に接触している。低温側の流体７１２は、低温側のダクト７１１に入り、出力ポート７１３において左側に出る。ＴＥ発電機７００は、電力を外部の負荷（図示せず）に送出するために電気的な接続７１４および７１５を有する。

動作時に、高温側の流体７０１は、高温側のダクト７１６に入り、熱を熱交換器７０３に伝える。高温側の流体は、第１の熱交換器７０３への熱含量のうちいくらかを断念することによって冷却され、次いでさらなる量の熱を熱交換器７０４に伝え、次いでさらなる熱を熱交換器７０５に伝える。次いで、高温側の流体７０１は出力ポート７０２において右側に出る。熱は、高温側の熱交換器７０３、７０４および７０５から高温側のシャント７０６、７０７、７０８に伝えられ、次いでＴＥ７０９を通り、次いで低温側のシャント７１０を通る。このプロセスでは、電力は、ＴＥ７０９によって生成され、電気的な接続７１４および７１５を介して抽出されることができる。残りの廃熱はいずれも低温側のシャント７１０を介した伝達によって除去され、この低温側のシャント７１０は低温側のダクト７１１と十分に熱的に連通しており、この低温側のダクト７１１は順に低温側の低温側の流体７１２と十分に熱的に連通している。なぜなら、低温側の流体が低温側のダクト
の出力ポート７１３において左側に出る前に低温側の流体７１２は低温側のダクト７１２を貫通するためである。

図７に示すＴＥ発電機７００は、図６に概略的に示す動作特徴について、特定の条件下で６００℃、４００℃および２００℃のピーク温度を高温側にのみ有する。たとえば、図６に示す性能を達成する作動流体の条件が、流体の質量流を減少させることによっておよび入口の温度を対応する適切な量だけ上げることによって変更される場合、第１のＴＥ対は依然として６００Ｃであるが、他の２つの電対の温度は減少することになる。図８に概略的に示す条件などの条件を生成できるであろう。この条件では、ＴＥ要素が図７に示すように接続されるときに動作ポイントＡ″、Ｂ″およびＣ″は最適な性能を有するＴＥモジュールを生み出さない。図５の動作電流と類似したおよび上述の動作電流における結果として生じる不均衡は、電力出力を望ましくなく低減するであろう。

たとえばエンジンからの廃熱による発電用のＴＥ発電機システム９００の有利な構成を図９に概略的な形で示す。エンジンからの高温の排ガス９０３は、高温側のダクト９０１を貫通し、低温の排ガス９０４として出る。高温側の熱交換器９０２は、高温側のダクト９０１と十分に熱的に連通しており、それによって、高温の排ガス９０３と熱的に連通している。この実施例では、ポンプ９０９は高温側の作動流体９０６をポンプ送りする。ＴＥモジュールから成るＴＥ発電機９１９は、高温側の作動流体９０６、９０５、９０７と十分に熱的に連通している。低温側の冷却液９１１は、冷却液ダクト９１０に含まれ、ＴＥ発電機９１９、エンジン９１３およびラジエータ９１４と十分に熱的に接触して通過する。ポンプ９１５は、低温側のダクト９１０を介して低温側の作動流体９１１をポンプ送りする。バルブ９１２は、低温側の作動流体９１１の流れ方向を制御する。さまざまな通信チャネル、電源および信号送信機はまとめて他の装置９１８と示される。コントローラ９１６は、ハーネスまたはバス９１６、９１７を介して、他の装置９１８、ポンプ９１５、および少なくとも１つのセンサまたは複数のセンサ（図示せず）、ＴＥモジュール９１９、および乗物の他の部分に接続される。

動作時に、高温側のダクト９０１を貫通する高温の排ガス９０３は高温側の作動流体９０６を加熱し、この高温側の作動流体９０６は、高温側の作動流体導管９０２を貫通する。この高温側の作動流体９０６は、ＴＥ発電機９１９の高温側に熱を供給する。ＴＥ発電機９１９は、図７の説明に概して記載したように動かされて、電力を生成する。ポンプ９１５は、使用されない（廃）熱をＴＥ発電機９１９から除去するために低温側の作動流体（冷却液）９１１をポンプ送りする。低温側の冷却液９１１に吸収された廃熱は、バルブＶ₁ ９１２によって方向付けられる。バルブ９１２は、電流の動作条件に応じて最も有益に使用されるように低温側の冷却液を方向付けるために使用され得る。たとえば、バルブＶ₁ ９１２は、廃熱を排除するために、起動中などのエンジンが低温である場合にはエンジンに、またはラジエータ９１４に低温側の作動流体９１０を方向付けてもよい。コントローラ９１６は、燃料および空気の質量流量、圧力、排ガスの温度、エンジンＲＰＭ、およびすべての他の利用可能な関連する情報などの（いくつかは現在のところ自動車で利用可能である、たとえばセンサからの）情報のソースを利用して、ポンプ９０９、９１５からの流れおよびＴＥ発電機９１９内の制御装置を調整して、廃熱回収システム９００からの所望の出力を達成する。

この実施例では、およびこの発明のすべての実施例では、高温側の流体（この場合９０６）は、蒸気、ＮａＫ、ＨｅＸｅの混合物、圧縮空気、沸点が高い油、または他の有利な流体であり得る。さらに、高温側の流体９０６は、一例としてエチレングリコール／水の混合物に分散されたナノ粒子のような多位相系、位相変化多位相系、または他の有利な材料系であり得る。さらに、直接的な熱接続を利用することによって、および不必要な構成要素を排除することによって、ヒートパイプを含む固体材料システムが上述の流体ベース
のシステムに取って代わることができるであろう。

この実施例およびこの発明のすべての実施例では、低温側のループは、フィン付きのアルミニウム製管状コア、蒸発冷却塔、衝突液体冷却器、ヒートパイプ、乗物のエンジン冷却液、水、空気、または他の有利な移動するまたは静止したヒートシンク機器などの任意の熱排除機構も利用してもよい。

コントローラ９１６は、センサおよび他の入力に基づいて、ＴＥ発電機９１９、高温側の熱交換器および低温側の熱交換器を制御する。コントローラ９１６は、少なくとも一部には、電力生成を生成、制御および調整または修正するために機能を監視ならびに制御する。ＴＥ発電機９１９の例を図１０および図１１の説明により詳細に示す。やはり、ここに記載するこのようなコントローラの動作はこの特定の実施例に限定されない。

ＴＥコントローラ９１６は、以下の構成要素のうちいずれかまたはすべてと通信し、および／または以下の構成要素のうちいずれかまたはすべてにおける動作条件を監視する。その構成要素とは、高温の排ガスを測定、監視、生成もしくは制御する装置のための機構、ＴＥ発電機９１９内の構成要素、バルブ、ポンプ、圧力センサ、流れ、温度センサなどの低温側のループ内の装置、および／または発電に有利な他の入力または出力装置である。コントローラの有利な機能は、ＴＥ発電機の電気出力を有利に変更するために高温側および／または低温側の流体流れの動作を変化させることである。たとえば、コントローラは、ポンプ速度を制御、変更および監視でき、バルブを動作させることができ、熱エネルギの貯蔵または使用の量を管理でき、ＴＥ発電機の出力電圧または電流を変化させることができ、高温の排ガスの生成および／または動作に対する他の有利な変更を調整するなどの他の機能を実行できるであろう。制御装置の特徴の一例として、このシステムが乗物において廃熱回収のために利用され、低温側の流体がエンジン冷却液である場合には、コントローラまたは他の制御機構によって二方弁を制御でき、流れを有利に方向付ける。

ガソリンエンジンは、一旦暖機運転すると、より効率的に機能する。ＴＥ発電機９１９から廃熱を除去することによって暖められる低温側のループの流れは、適切に方向付けられると、エンジンの加熱を加速させることができる。代替的には、加熱された低温側の冷却液９１０は熱交換器を貫通して乗員空気を加熱することができ、次いで、ＴＥ発電機の入口に戻るか、またはエンジンの方に方向付けられて加熱を助けることができるであろう。エンジンが高温である場合には、低温側の冷却液はラジエータまたは他の有利なヒートシンクに方向付けられることができ、エンジンを迂回し、次いでＴＥ発電機の入口に戻る。

図１０は、図９のＴＥ発電機９１９の一例として、ＴＥ発電機９１９Ａについての１つの可能な実施例を示す。ＴＥシステム９１９Ａは、３つのＴＥ発電機、すなわちＴＥＧ１
１０１１、ＴＥＧ２ １０１２およびＴＥＧ３ １０１３を有する。この実施例では、ＴＥ発電機１０１１、１０１２、１０１３の各々は高温側のダクト１００３、１００４と熱的に連通している。高温側のダクト１００３、１００４は、高温側の流体１００１、１００２を有する。低温側のダクト構造１００８、１００９は同様に、低温側の作動流体１００６、１００７を含む。高温側のバルブＶ１、Ｖ２およびＶ３ １００５は、ＴＥ発電機ＴＥＧ１ １０１１、ＴＥＧ２ １０１２およびＴＥＧ３ １０１３への高温側の流体１００１、１００２の流れをそれぞれに制御する。同様に、低温側のバルブＶ４、Ｖ５およびＶ６ １０１０は、ＴＥ発電機ＴＥＧ１ １０１１、ＴＥＧ２ １０１２およびＴＥＧ３ １０１３への低温側の流体流れの流れをそれぞれに制御する。ワイヤハーネス１０１４は、ＴＥ発電機ＴＥＧ１ １０１１、ＴＥＧ２ １０１２およびＴＥＧ３ １０１３によって生成された電力を乗物の他の部分に送る。ＴＥ発電機９１９Ａの動作、およびポンプ、バルブ１００５、１００６およびすべての他の機構への接続を調整するための、燃
料および空気の質量流量、圧力、排ガスの温度、エンジンＲＰＭ、およびすべての他の利用可能な関連する情報などの情報のソースならびに制御機構は図示されない。

動作時に、高温側の流体１００１の流れは、ＴＥ発電機ＴＥＧ１ １０１１、ＴＥＧ２
１０１２およびＴＥＧ３ １０１３に熱出力を供給し、バルブＶ₁〜Ｖ₆ １００５、１００６を好適に機能させることによって動かされることができる。一例として、熱出力の入力が低い状態では、バルブＶ₁およびＶ₄ １００５、１００６は１つのＴＥ発電機ＴＥＧ１ １０１１の高温側を加熱し、低温側を冷却するように開放するであろう。他のバルブＶ₂〜Ｖ₆は、第２のＴＥ発電機ＴＥＧ２ １０１２および第３のＴＥ発電機ＴＥＧ３ １０１３の加熱を防ぐ状態に留まるであろう。ポンプ９０９（図９に図示）は、第１のＴＥ発電機ＴＥＧ１ １０１１からの電力出力を最大にする高温側の流体の流れ９０１を供給するように調整されるであろう。同様に、ポンプ９１５（図９に図示）は、第１のＴＥ発電機ＴＥＧ１ １０１１からの電力出力を最大にする高温側の流体の流れ１００１を供給するように調整されるであろう。利用可能な熱出力が増大すると、バルブＶ₂およびＶ₅
１００５、１００６は、第２のＴＥモジュールＴＥＧ２ １０１２と係合するように作動され得るであろう。ポンプ９０９（図９参照）は、第１のＴＥ発電機ＴＥＧ１ １０１１および第２のＴＥ発電機ＴＥＧ２ １０１２からの電力出力を最大にするようにコントローラ９１６によって調整され得るであろう。

代替的には、第１のＴＥ発電機ＴＥＧ １０１１は、そうすることによって性能がさらに改善されるのであればバルブＶ₁およびＶ₄ １００５、１００６（または、単にバルブＶ₁）を遮断することによって遮断され得るであろう。同様に、熱出力がより高い状態では、ＴＥＧ３ １０１３は、単独でまたはＴＥＧ１ １０１１および／またはＴＥＧ２ １０１２と組合せられて係合され得るであろう。図８に記載する制御装置、センサ、バルブおよびポンプが動作を調整する。

図１０は、この発明に従うＴＥ発電機９１９の単なる１つの可能な実施例を示す。他の変形例が可能であり、この発明の一部である。このシステムは、少なくとも２つのＴＥモジュールから成っている可能性があるが、少なくとも部分的に互いに独立して動作し得る任意の数のＴＥモジュールから成っている可能性があるだろう。有利に、各々のこのようなＴＥモジュールの容量は異なっており、これは、図１０において大きさが異なっていることによって示される。容量が異なるＴＥモジュールを有することによって、および動作から独立して各ＴＥモジュールを作動させるまたは除去するために熱出力を切換える能力によって、コントローラ９１６は、大幅に変化する動作条件に適合可能である。

図１１は、ＴＥ発電機９１９（図９）についてのＴＥシステム９１９Ｂの別の代替物を示す。やはり、このＴＥシステム９１９Ｂは、自動車の排ガスなどの変化する熱源からの出力効率を改善するように設計されている。示されるように、ＴＥシステム１１００は、高温側の熱源１１０１と十分に熱的に連通する３つのＴＥ発電機ＴＥＧ１ １１０４、ＴＥＧ２ １１０５およびＴＥＧ３ １１０６を有する。自動車の例では、これは排ガスまたは別の高温の流体であり得るだろう。高温側の熱源１１０１は好ましくは、高温側のダクト１１０２を通って流れる。この実施例では、高温側の熱ダクトは３つの高温側のダクト１１１１、１１１２、１１１３に分かれ、各々は熱源１１０１のある部分を担持するように設計されている。図１１では、高温側の熱源１１０１は、３つの高温側のダクト１１１１、１１１２および１１１３を介して、ＴＥ発電機ＴＥＧ１ １１０４、ＴＥＧ２ １１０５およびＴＥＧ３ １１０６と熱的に連通している。出力バルブ１１０８は、出力として高温側の流体１１０３を制御する。低温側のダクト１１１４、１１１５における低温側の流体１１０９、１１１０は、ＴＥ発電機ＴＥＧ１ １１０４、ＴＥＧ２ １１０５およびＴＥＧ３ １１０６を冷却する。低温側の流体１１０９の流れはバルブＶ１、Ｖ２およびＶ３ １１０７によって制御される。

ＴＥシステム９１９Ｂの動作は図９および図１０について記載した原理に従うが、高温側の作動流体９０６は省略され、別個の高温側の作動流体のループなしに熱出力が伝えられる。たとえば、この実施例では、排ガスは導管１１０１を通って流れ、別個の作動流体が供給されることはない。この発明のこの実施例では、ＴＥ発電機ＴＥＧ１ １１０４、ＴＥＧ２ １１０５およびＴＥＧ３ １１０６は、排ガスストリーム、ヒートパイプまたは他の好適な機構を直接に結合し、それらに挿入することなどによって高温の排ガスと熱的に連通する高温側の熱交換器（図示せず）を介して結合される。図１１では、好ましくは容量が異なる３つのＴＥ発電機ＴＥＧ１ １１０４、ＴＥＧ２ １１０５およびＴＥＧ３ １１０６が図１０と同様に示される。バルブＶ₁、Ｖ₂、およびＶ₃ １１０７、ならびに図示されない他の装置、ポンプ、センサ、および他の機構は、低温側の作動流体１１１０の流れを制御する。動作時に、バルブ１１０８はＴＥモジュールＴＥＧ１ １１０４、ＴＥＧ２ １１０５およびＴＥＧ３ １１０６への排ガスの流れを制御する。さまざまなＴＥ発電機ＴＥＧ１ １１０４、ＴＥＧ２ １１０５およびＴＥＧ３ １１０６は、入力条件に依存して、所望の電気出力と係合する。排気バルブＶ₄ １１０８は１つ以上のバルブであり得るだろう。

上述のように、３つのＴＥ発電機を示すが、少なくとも２つ以上が任意の数で使用され得るであろう。各ＴＥ発電機は、異なる高温側の温度および／または低温側の温度の間で動作する複数のモジュールであり得るだろう。

さらに、この発明の一部として、電気生成に関連付けられない性能を変化させるために、たとえば背圧を調整し、燃焼効率を改善し、放出を調整するために、または他の理由のために、高温側の経路のうちいずれかまたはすべてを介して排ガスの流れを方向付けることができるであろう。さらに、流体ストリームからの廃熱回収の場合に、この構成がノイズまたは燃焼特徴を調整して、マフラー、触媒コンバータ、微粒子の取込または処理の特徴のうちすべてもしくは一部、または全体的なシステム動作に有用な装置との他の所望の統合を組入れることができるようにＴＥモジュールの構造を考案すべきである。

熱電体を使用する従来の発電システムの一般化されたブロック図を示す。 さまざまな動作温度での熱電モジュールの電力出力を重ねた、電流に対する電圧を示すグラフである。 理論的なピーク効率および理論的なピーク電力での動作ポイントを特定する、熱電モジュールの高温側の温度に対する効率を示すグラフである。 さまざまな高温側の動作温度での、熱電モジュールを通る電流に対する熱電モジュールの高温側における熱流束を示すグラフである。 熱電モジュールの電力を重ねた、電流に対する電圧を示すグラフである。 電力生成が改善された状態で動作する熱電発電システムの電力を重ねた、電流に対する電圧を示すグラフである。 例示的な熱電モジュールの一部を示す。 図７に従う熱電モジュールの電力を重ねた、電流に対する電圧を示すさらなる動作条件を示すグラフである。 熱源から電力を発生させる際に使用される熱電発電機の例示的な実施例を示す。 図９の発電システムの熱電発電機の構成要素についての１つの実施例を示す。 図９の発電システムの熱電発電機の構成要素についての代替的な実施例を示す。

Claims (18)

1. 熱電発電システムであって、
   熱出力の供給源と、
   少なくとも２つの熱電モジュールを有する熱電発電機と、
   熱電源から少なくとも２つの熱電モジュールのうちの１つに熱出力を送出したり、熱電源から少なくとも２つの熱電モジュールの両方に熱出力を送出したりするように制御可能な熱出力送出システムと、
   熱出力を送出するための制御を与えるために熱出力送出システムと通信するコントローラとを備える、熱電発電システム。
2. 熱出力送出システムは、熱電源から少なくとも２つの熱電モジュールのうちの一方に熱出力を送出したり、熱電源から少なくとも２つの熱電モジュールのうちの他方および少なくとも２つの熱電モジュールの両方に熱出力を送出したりするように制御可能である、請求項１に記載の熱電発電システム。
3. 熱出力送出システムは高温側の作動流体を使用し、高温側の作動流体の流量はコントローラを介して制御可能である、請求項１に記載の熱電発電機。
4. 熱電発電機からの廃熱を移動させるように適合された出力をさらに備え、前記コントローラは、出力によって与えられる冷却条件を制御するために出力と通信する、請求項１に記載の熱電発電機。
5. 出力と熱的に連通する低温側の作動流体をさらに備え、コントローラは、熱電モジュールの動作特性を制御するために低温側の作動流体の流量を制御するように適合される、請求項４に記載の熱電発電機。
6. エンジンとともに使用される熱電発電システムであって、
   熱電源から熱出力を受取るように適合された入力を有し、熱電発電機からの廃熱を移動させるように適合された出力をさらに有する熱電発電機と、
   廃熱を少なくとも２つの位置に方向付けるように適合された出力送出システムと、
   出力送出システムと通信するコントローラとを備え、コントローラは、廃熱を送出するために少なくとも２つの位置のうちの少なくとも１つを選択するように適合される、熱電発電システム。
7. 少なくとも２つの位置のうちの１つはエンジンのラジエータである、請求項５に記載の熱電発電システム。
8. 燃焼機関は乗員を運ぶように適合された乗物の中にあり、少なくとも２つの位置のうちの１つは乗員の車室である、請求項６に記載の熱電発電システム。
9. コントローラは、低温側からの廃熱の除去を制御するように適合され、コントローラは、熱出力が変化するときに熱電発電機を大幅に効率的に動作させる、請求項６に記載の熱電発電システム。
10. 熱電発電機は少なくとも２つの熱電モジュールを有し、コントローラは、特定の条件中に２つの熱電モジュールのうちの少なくとも１つに熱出力を方向付けたり、変化する熱出力の他の条件中に少なくとも２つの熱電モジュールの両方に熱出力を方向付けたりする、請求項６に記載の熱電発電システム。
11. 熱電発電機は少なくとも３つの熱電モジュールを有し、コントローラは熱電モジュールのうちのいずれか１つに熱出力を方向付ける、請求項６に記載の方法。
12. 変動する熱電源から電力を発生させる方法であって、
    熱電発電機への高温側の入力に熱出力を方向付けるステップと、
    熱電発電機の低温側の出力から廃熱を除去するステップと、
    熱出力が変化するときに熱電発電機を大幅に効率的に動作させる態様で熱出力の方向付けを制御するステップとを備える、方法。
13. 熱出力が変化するときに熱電発電機を大幅に効率的に動作させるように低温側の出力からの廃熱の除去を制御するステップをさらに備える、請求項１２に記載の方法。
14. 熱電発電機は少なくとも２つの熱電モジュールを有し、制御するステップは、特定の条件中に２つの熱電モジュールのうちの少なくとも１つに熱出力を方向付けたり、変化する熱出力の他の条件中に少なくとも２つの熱電モジュールの両方に熱出力を方向付けたりすることを備える、請求項１２に記載の方法。
15. 熱電発電機は少なくとも３つの熱電モジュールを有し、制御するステップは、熱電モジュールのうちのいずれか１つに熱出力を方向付けることを備える、請求項１２に記載の方法。
16. 熱電モジュールの特性のうちの少なくとも２つは異なっており、制御するステップは、実質的に最適な動作効率を達成するために熱電モジュールのいずれかの組合せに熱出力を方向付けることをさらに備える、請求項１４に記載の方法。
17. 熱電モジュールの特性のうちの少なくとも２つは異なっており、制御するステップは、実質的に最大の動作電力を達成するために熱電モジュールのいずれかの組合せに熱出力を方向付けることをさらに備える、請求項１４に記載の方法。
18. 熱電モジュールの特性のうちの少なくとも２つは異なっており、制御するステップは、動作効率および電力生成について所望のレベルの動作を達成するために熱電モジュールのいずれかの組合せに熱出力を方向付けることをさらに備える、請求項１４に記載の方法。

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