JP2013500590A - 熱電型の発電装置、熱電型発電装置を製造する方法、および熱電型発電装置を用いて発電する方法 - Google Patents

Abstract

いくつかの実施形態は、排出流体の流れを収容するように構成されている円柱状の外側シェルを有している排出チューブと、排出チューブの第１の領域を通して延びており、円柱状の外側シェルと熱的に通じている第１の熱交換器と、排出チューブを通して延びており、排出流体の圧力低下が少ない排出チューブの第２の領域と、第２の領域内で動作するように配置されており、背圧が許容可能な限界を超えるように排出流体の流速が十分に大ききなった時にだけ排出流体が第２の領域を通して流れることができるようにされている排出弁と、外側シェルの外側表面に熱的に通じている複数の熱電素子とを有する、排熱回収装置を提供する。

Description

本出願は、発電技術、特に熱電装置を使用した発電に関する。

動力装置は、所望の出力に加えて排熱を一般に発生する。たとえば、乗り物の動力装置は、燃料エネルギーを機械エネルギーと排熱とに通常変換する。排熱の少なくとも一部は、動力装置から排気系統を通して取り除かれることが多い。排気を動力装置から取り除いた後の、化学反応と排気削減技法を含む排気の追加的な処理は、排気をさらに加熱し、排熱の量を増加させる可能性がある。内燃機関を有する乗り物について、排気系統は排気ガスをエンジンの内部の制御されている燃焼から運び出す配管を通常有している。排気ガスと排熱とを排出パイプに沿って運び、環境に排出することができる。

高温熱電（ＴＥ）の発電は、熱源を提供する構造の側部に市販の複数の熱電モジュールを取り付ける行為と見なされてきた。そのような複数の発電器（ＴＥＧｓ）は、商業的な成功を納めていないが、それはそれらの装置の運転が非常に効果的ではない又は柔軟性がないためである。

いくつかの実施態様は、排出流体の流れを収容するように構成されている円柱状の外側のシェルを有している排出チューブと、排出チューブの第１の領域を通して延びており、円柱状の外側のシェルと熱的に通じている第１の熱交換器と、排出チューブを通して延びており、排出流体圧力の低下が少ない排出チューブの第２の領域と、第２の領域に動作するように配置されており、背圧が許容可能な限界を超えるほど排出流体の流速が十分に大きくなった時にだけ排出流体が第２の領域を通して流れることができるように構成されている排出弁と、外側シェルの外側表面に熱的に通じており、排熱回収装置の動作中の排出チューブの熱膨張に対応するように構成されている複数の熱電素子と有している排熱回収装置提供する。

実施態様によっては、装置は、熱電素子と熱的に通じており、互いに熱的に通じている内側のチューブと外側のチューブとを有している少なくとも１つの冷却剤コンジットを有することができる。外側のチューブは内側のチューブよりも直径が大きく、円柱状の外側のシェルと冷却剤コンジットとの間の熱膨張による寸法の変化に対応するように構成されている複数の膨脹結合部分を有している。排出チューブは、熱膨張による寸法変化に対応するための複数の膨脹結合部分を有していないこともある。

追加の実施態様は、排熱回収装置であって、排出流体の流れ収容するように構成されており、排熱回収装置の動作時に高温の端部と、高温の端部の反対の低温の端部と、高温の端部と低温の端部との間の中間の部分と有している排出チューブと、高温の端部に接続されている複数の第１の熱電素子と、中間の部分に接続されている複数の第２の熱電素子と、低温の端部に接続されている複数の第３の熱電素子と有している排熱回収装置提供する。複数の第２の熱電素子は複数の第３の熱電素子よりも長くてもよく、複数の第１の熱電素子は複数の第２の熱電素子よりも長くてもよい。

さらなる実施態様は、排出流体の流れを収容するように構成されている円柱状の排出チューブと、排出チューブを通して延びており、排出流体の圧力低下が低いバイパス領域と、第１のチューブ内の冷却剤の流れを収容するように構成されており、第１のチューブの少なくとも一部を囲んでいる第２のチューブと、第１のチューブと第２のチューブとの間に配置されている伝導性材料とを有している冷却剤コンジットと、排出チューブから延びている第１のシャントと、冷却剤コンジットから延びており、第２のチューブに熱的に通じている少なくとも第２のシャントと、第１のシャントと第２のシャントとの間に熱的に接続されている熱電素子とを有している排熱回収装置提供する。第１のシャントは、排出チューブの周囲を延びている張力が作用している輪によって排出チューブに当てて保持することができる。

特定の実施態様において、熱電系統が提供される。熱電系統は複数の熱電素子と、複数の熱電素子の少なくとも１つに熱的に通じている少なくとも１つのより低温側のシャントと、少なくとも１つのより高温側のシャントと有することができる。熱電系統は少なくとも１つのより高温側のシャントに熱的に通じており物理的に一体であって、実質的に電気的に隔離されている少なくとも１つの熱交換器をさらに有することができる。実施態様によっては、少なくとも１つのより高温側のシャントは少なくとも１つの熱交換器に物理的に結合されている。特定の実施態様においては、少なくとも１つの熱交換器は、加熱または着火を遅らせる導管または他の複数の構成要素から失われる冷却力、加熱力、または複数の熱電素子からの発電が減少するように、複数の熱電素子に物理的に近接している。さらなる実施態様において、少なくとも１つの熱交換器はハニカム構造を有している。熱電系統は特定の複数の実施態様において、少なくとも１つの作動媒体と少なくとも１つの熱交換器との間の熱伝達を減少させるように構成されている少なくとも１つの代替の流れ経路も有することができる。

特定の実施態様において、触媒コンバータが提供される。触媒コンバータは、複数の熱電系統を有することができる。触媒コンバータは、複数の熱電系統の各々を個別に制御するように構成されている少なくとも１つのコントローラと、少なくとも１つのコントローラと通信し触媒コンバータの少なくとも１つの動作パラメータを計測するように構成されている少なくとも１つのセンサも有することができる。少なくとも１つのコントローラは、少なくとも１つの動作パラメータに応答して複数の熱電系統に送られる電力を調整することができる。

特定の実施態様において、熱電発電器が提供される。熱電発電器は、少なくとも１つの熱交換器と、少なくとも１つの熱交換器に物理的に一体化されている少なくとも１つの燃焼器とを有することができる。熱電発電器は、少なくとも１つの熱交換器に物理的に一体化されており、熱的に通じている少なくとも１つのより高温側のシャントと少なくとも１つのより低温側のシャントも有することができる。少なくとも１つの熱電素子を少なくとも１つのより高温側のシャントと少なくとも１つのより低温側のシャントとの間に挟むことが可能で、少なくとも１つの熱交換器は少なくとも１つの熱電素子から実質的に電気的に隔離されている。

さまざまな実施形態を例示のために添付の図面に示しており、本発明の範囲を限定するようには一切解釈すべきではない。さらに、異なる開示されている実施形態の様々な機能を組み合わせて、本開示の一部である追加の実施形態を構成することができる。どのような機能や構造も取り除いたり省略したりすることができる。図面を通して、参照要素間の対応を示すために符号が再使用されているかもしれない。

発電装置の実施形態の図である。 発電装置の他の実施形態の図である。 （Ａ）排熱回収装置の切開図、（Ｂ）熱電素子組み立て品の断面図、（Ｃ）熱交換組み立て品の断面図である。 低温側熱交換器の側部断面図である。 低温側熱交換器の端部断面図である。 排出チューブ内の熱伝達増大装置の端部断面図である。 複数の熱電素子が取り付けられている熱電素子取り付けシャントの模式図である。 扁平な熱電発電器の実施形態を示している図である。 排熱回収装置の高温の端部の位置の複数の熱電素子の模式図である。 排熱回収装置の中間部分の位置の複数の熱電素子の模式図である。 排熱回収装置の低温の端部の位置の複数の熱電素子の模式図である。 積層構成の熱電素子の模式図である。 熱電素子の高温側の位置の温度と時間との関係を示しているグラフである。 熱電素子取り付けリングの透視図である。 熱電素子取り付けリングの透視図である。 排気パイプのシェルに接続されている熱電素子取り付けシャントの模式図である。 上に配置されている複数の配置構造を備えている複数の熱電素子取り付けシャントの模式図である。 上に配置されている複数の配置構造を備えている複数の熱電素子取り付けシャントの模式図である。 熱電素子の低温側のシャント電気接合部の模式図である。 本明細書で説明する特定の実施形態による熱交換器の部分と複数のＴＥＧ構造を示している触媒コンバータの例の端面図である。 図１７Ａの触媒コンバータの側面図である。 本明細書で説明する特定の実施形態によるさまざまなシャント構成を示している熱交換器と複数のＴＥＧ構造の例の部分端面図である。 本明細書で説明する特定の実施形態による複数の低温側組み立て品と複数の高温側組み立て品のさまざまな構成を示している熱交換器と複数のＴＥＧ構造の例の部分端面図である。 本明細書で説明する特定の実施形態による４つのＴＥＧセグメントを備えている触媒コンバータの例の側面図である。 電流の関数としてのＴＥＧ部分の高温側によって吸収される熱出力と、ＴＥＧ部分にわたる電圧とのプロットの図である。 本明細書で説明する特定の実施形態による複数のＴＥＧセグメントの動作を最適化するように複数のＴＥＧセグメントと複数のセンサと通信するコントローラの例の模式図である。 図３Ａに示している排熱回収装置の透視図である。 図４Ａと４Ｂに示している低温側熱交換器の透視図である。

特定の好ましい実施形態と例とを本明細書に開示するが、発明特定事項は、具体的に開示されている実施形態における例以外に、他の代替の実施形態と用途との少なくとも一方と、それらの修正と等価物まで含んでいる。したがって、本明細書に添付されている請求の範囲は、以下で説明する特定の実施形態のいずれによっても限定されない。たとえば、本明細書で開示しているいかなる方法や工程においては、それらの方法や工程の行為または動作を任意の適切な順序で実施してもよく、具体的に開示されている順序には必ずしも限定されていない。特定の実施形態を理解するのに役立つように様々な動作を複数の別個の動作として順々に説明してもよいが、説明の順番は、これらの動作が順序に依存していることを意味すると解釈すべきではない。さらに、本明細書で説明している構造、系、装置の少なくとも１つは一体化されている構成要素または独立している構成要素として実施してもよい。様々な実施形態を比較する目的で、これらの実施形態の特定の態様と利点とを説明する。全てのそのような態様または利点がなんらかの実施形態によって必ずしも達成されるわけではない。したがって、たとえば、様々な実施形態が本明細書で教えるまたは示唆する他の態様や利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教える１つの利点または利点のグループを達成するまたは最適化するように実施されてもよい。

熱電型の複数の発電器は、工業、商業、住宅、自動車、海洋、航空、およびその他の用途において様々な方法で使用することができる。たとえば、発電熱電材料における性能の向上と、ＣＯ_２排出の削減に対する政府の要求が排熱回収装置に対する関心を増大させている。特に、乗用車、バン、およびトラックの市場の要求を満たす排熱回収装置が望ましい。好ましい構成は、頑丈で、信頼性が高く、少なくとも１５年の安定した動作を実現でき、費用効率が高い。実施形態によっては、排熱回収装置は、広範な質量流量に対応するように７００℃までの排出流中で動作し、ＣＯ_２排出の削減に重要な貢献をするように十分に高効率である。

本明細書では、ＴＥ装置の高温側と低温側との間の熱膨張の差、熱界面処理、電気的な隔離と冗長化、変化する温度と質量流量速度、ＴＥ構成要素、環境保護、製造性のための構成の１つまたは２つ以上に対応している熱電発電の実施形態を説明する。実験室での試験では、開示する装置構成は、予想外に効果的であることを示している。排気系統内に配置された排熱回収装置は自動車に対する要求を満たすことが可能で、通常の運転状態で有用な電力量を供給することができる。

多くの政府が、運輸業界が積極的に化石燃料の消費に対応し、ＣＯ_２とその他の温室気体を含む排気物を削減するように要求している。ヨーロッパ共同体、中国、日本、およびアメリカにおけるＣＯ_２イニシアチブなど、ほとんどのＣＯ_２イニシアチブは排気物の許容可能なレベルと燃料消費とを目標日時まで削減することを要求している。実施形態によっては、効率を上げ、かつ温室気体排出を制御することによってこれらの命令に対応している。本明細書で開示する実施形態は、１つのサブ装置の導入による効率の大きな向上の要因として効果的であることがわかっている。性能について大きな影響を持つことが可能なそのような装置の能力と、装置統合の複雑さおよびコストとが、少なくともいくつかの従来の排熱回収技法にとって克服しなければならない障害となってきた。たとえば、これらの障害は、２相流体に基づいている装置（たとえばランキンサイクル）や固体排熱回収技法に存在していた。

いくつかの要因が組み合わさって、固体熱電装置を魅力的にしている。まず、乗り物は、減速時や停止時のエンジンオフ動作といったスマートなサブ装置を使用し、かつ、ブレーキ（再生と作動）、操舵装置、燃料ポンプ、熱管理なサブ装置（たとえばＰＴＣヒータ）、および他の装置を含む電気化されているサブ装置を採用することによって排出物を減少させるように、自動車会社の戦略の一部として、より電気化されている。これらの変化によって、ＣＯ_２排出物は減少するが、運転サイクルを通してより多くの電力を平均して消費する。さらに、電力負荷は市街地運転サイクル中には顕著に変化するので、電気貯蔵容量はより重要であって、増加した電力の流れを管理しなければならない。実施形態によっては、機械的な出力とは逆に、排熱を電力に直接変換することによって、これらの要因に対応している。

実施形態によっては、性能が改善されている複数の熱電（ＴＥ）材料を組み込んでいる。改善されているＴＥ材料の性能は、力率の増加と中間温度（３００℃から６００℃）材料における熱伝導性の減少とを含む進歩の結果とされる。実施形態によっては、低温（０℃から３００℃）材料の熱伝導性を減少させる技法を採用している複数のＴＥ材料を組み込んでいる。改善されているＴＥ材料は、効率の向上に大きく貢献しながらも装置の複雑さ又は大きさを増加させないように、排熱から生成される電力の量を増加させることができる。したがって、電力出力のワット当たりのコストを削減することができる。さらに、より少ないＴＥ材料を使用する装置設計技法を組み込むことによるコスト削減が示されている。

実施形態によっては、以下の機能の１つまたは２つ以上を実行する。
１．（エンジン冷却剤とは逆に）排気系統から運転条件の広い範囲で排熱を効果的に回収する。
２．通常の運転サイクル条件下で、または装置故障の場合に、現在のエンジン性能を悪化させない。
３．性能をさらに向上させるように（たとえば、効率を向上させ、エンジン冷却剤系統を低温の熱遮断側部として使用しながら乗員が快適になるように暖房時間を加速するより高速のエンジン暖機）、顕著な直接動作性能の利得向上を達成し、他の乗り物装置との相互動作を利用する。
４．効率を向上させ、重量、体積、およびコストを減少させるように、触媒コンバータ、マフラー、および排気気体再循環（ＥＧＲ）装置の少なくとも１つのような既存の構成要素を置き換えたり統合したりする。
５．ＴＥ材料と他の主な構成要素との大量生産と寿命時のリサイクルの道筋を示す。

図１は複数の熱電（ＴＥ）素子１３０を組み込んでいる発電装置１００の実施形態を示している。発電装置１００は、より大きな装置の部品であってもよく、より大きな装置の動作を助けるために、そうでなければより大きな装置の性能を向上させたり動作を制御したりするために電力を供給するように構成されていてもよい。発電装置１００は、機能上通信している１つまたは２つ以上の装置を補助するが、該装置に影響する、または該装置を制御してもよい。特定の実施形態において、発電装置１００は、内部の複数の構成要素を共有し、それによって部品数を減少させるように、他の構造に組み合わされている。

発電装置１００は、壁１２０と熱的に通じている熱源と高温領域１１０の少なくとも一方を有している。高温領域１１０の温度は、熱源の種類、熱伝達媒体、および他の複数の要因に依存することがあり、発電装置１００の動作中に変化したり、実質的に安定したりしていることがある。特定の実施形態において、発電装置１００は７００℃までまたはそれ以上の温度で動作するように構成されている。熱源は、たとえば、よどんでいるか又は流れているかのいずれかの加熱された流体であってもよい。加熱されている流体からの熱エネルギーは壁１２０への直接の接触、壁１２０への間接的な接触、対流などによって壁１２０に伝達されてもよい。熱エネルギーの壁１２０への伝達は、放射または他の過程によって発生してもよい。

実施形態によっては、対流によって熱エネルギーの伝達が助けられるように流体熱源が壁１２０の近くを流れる。熱エネルギー源は、たとえば、動力装置からの排熱であってもよい。他の例として、熱源は反応室またはそれ以外で発生する１つまたは２つ化学反応であってもよい。熱源は、熱源からの熱エネルギーの発散を制限したり方向を設定したりする筐体または何らかの構造内に収容されていてもよい。たとえば、熱源はパイプ、チャンバ、ダクト、またはその他の筐体内に収容されていてもよい。壁１２０は、熱源の筐体の少なくとも一部を構成することがある。熱エネルギーは、熱エネルギーを発電に使用できるように、熱源から壁１２０に向けられていることが有利である。たとえば、熱源は、ＴＥ発電器の１つまたは２つ以上のＴＥ素子にわたって熱勾配を発生させることができる。ＴＥ発電器は、熱源と複数のＴＥ素子１３０の高温側との間で高い熱伝導性を実現するように任意の適切な態様で熱源に熱的に結合することができる。

壁１２０は、ダクト、パイプ、反応室、熱交換器、または筐体の壁など任意の種類の壁であってもよい。壁１２０は、複数の熱交換フィン、壁の表面積を増加させるように構成されている構造、他の熱交換構造、または構造の組み合わせに接続することができる。実施形態によっては、壁１２０は１つまたは２つ以上の一体化されている複数の熱交換構造を有することができる。壁１２０は、高温領域１１０と、熱エネルギーを複数のＴＥ素子１３０に向ける熱交換構造との間で熱エネルギーの伝達を促進するように任意の適切な態様で構成することができる。壁１２０は平坦であってもよいし、図１に示しているように湾曲していたり、凹状であったり、不規則であったり、または他の形状を有していてもよい。

特定の実施形態において、発電装置１００は複数の高出力密度ＴＥ素子構成、複数の積層ＴＥ素子構成、または任意の他の適切なＴＥ素子構成を使用している。特定の実施形態は、電気的に分離されている複数のＴＥ素子１３０の複数のバンクを有している。図１の実施形態は、積層構成内で複数のＴＥ素子１３０と熱的に接続されている低温側のシャント１３２と高温側のシャント１３４を示している。少なくともいくつかのＴＥモジュール構成には、たとえば、熱的または電気的な界面に対する改善された範囲の広い負荷ばかりでなく、効率を改善するように専用に設定されているｎとｐ型の素子のジオメトリなどの様々な利点が存在する場合がある。

シャント１３２と１３４の複数のグループが、信頼性と動作電圧との適切な釣り合いを達成するように電気的に直列／並列配置に接続されていてもよい。複数のシャントは、ＴＥ素子の安定性、寿命、および信頼性を実現するように、グループに構成されている複数のＴＥ素子１３０を取り付けるように準備されていてもよい。実施形態によっては、高温側の熱交換器の熱出力密度と低温側の熱交換器の熱出力密度との間の差が減少したり、最小化されたりする。たとえば、シャント１３２、１３４は高温側と低温側との熱交換器の熱出力密度を一致させるように構成されていてもよい。壁１２０からの熱エネルギーは、複数の高温側シャント１３４を通して複数の熱電素子１３０に伝達することができる。複数の低温側シャント１３２の熱エネルギーは雰囲気に曝されている複数の熱交換フィン、循環動作する冷却装置、他の冷却構造、または技法の組み合わせなどの任意の適切な技法を使用して発散させたり減少させたりできる。

シャント１３２、１３４を発電装置１００の壁１２０、複数のＴＥ素子１３０、または他の複数の構造に熱的にそして機械的に接続するために様々な技法を採用することができる。たとえば、高温のガラス、セラミック接着剤、（複数のスロット、ピンなどを使用した）機械的な固定部分、ろう付け、溶接、締結（ねじ、ボルトなど）、複数のクリップ、複数のブラケット、他の接続技法、または技法の組み合わせを使用してもよい。複数のシャントを壁１２０の周囲を円周に沿って延びているバンドまたは他の構造によって固定してもよい。特定の実施形態において、高温側の複数のシャントは壁１２０から電気的に隔離されている。他の実施形態において、複数のシャントは壁１２０から電気的に隔離されておらず、複数のシャントは一体の電気隔離部分を組み込むことができる。

複数の熱電素子１３０を互いに接近して配置し、それによって複数のＴＥ素子１３０間の界面の位置での電気接続を促進し、電気ネットワークを構成してもよい。場合によっては、熱膨脹によって複数のＴＥ素子１３０の間の界面での接合の確実性と伝導性が損なわれる可能性がある。実施形態によっては、隣接している複数のＴＥ素子の間の複数の接続接合部分または複数のＴＥ素子と複数のシャントとの間の接続接合部分を熱膨脹の好ましくない影響を減らしたり最小化したりするように構成することができる。たとえば、さまざまな動作環境に応答して、出力、動作温度、作動流体、および他の属性を調整するように、複数のＴＥ素子の長さ、組成、形状、数、および大きさを選択することができる。特定の実施形態において、複数のＴＥ素子１３０のグループは、個々のＴＥ素子または複数のＴＥ素子の複数のグループをはんだ付けやろう付けを外すことなく交換したり分解したりできるように接続されている。実施形態によっては、少なくとも特定の型式の複数の密封部分は、高温領域１１０に熱的に近くない。その代わりに、高温で溶解することがある密封材料を、高温領域１１０および発電装置１００の他の高温構成要素から分離すること、遮蔽すること、熱的に隔離することの少なくとも１つを行うことができる。

熱電素子１３０は、任意の適切なＴＥ材料を有することができ、材料にわたって作用する温度勾配に応答して電力を発生するように構成することができる。実施形態によっては、性能が改善されている複数の熱電材料を組み込んでいる。改善されているＴＥ材料の性能は、力率の増加と複数の中間温度（３００℃から６００℃）材料における熱伝導性の減少とを含む進歩の結果とされる。実施形態によっては、複数の低温（０℃から３００℃）材料において熱伝導性を減少させる技法を採用している複数のＴＥ材料を組み込んでいる。改善されているＴＥ材料は、効率の向上に大きく貢献しながらも装置の複雑さや大きさを増加させないように、排熱から生成される電力の量を増加させることができる。したがって、電力出力のワット当たりのコストが減少することがある。さらに、より少ないＴＥ材料を使用する装置設計技法を組み込むことによるコスト削減が示されている。

ＴＥ素子の高温側表面と低温側表面との位置の界面は、界面の位置で発生する引張り応力と剪断応力を減少させるように、複数のスクリーン、複数の焼結材料構造、複数の金属薄膜、エンボス加工されている複数の薄膜、高温導電性グリース、又は、他の適切な部材、とった可撓性の部材を有していてもよい。複数の可撓性の部材は、圧縮嵌め、ボンディング、または材料表面の固定詳細構造による固定によって取り付けられていてもよい。さらに、界面は、電流を低界面損失で伝達する可撓性の複数の固定部分の使用など外力の作用によって圧縮されて保持されていてもよい。

複数のＴＥモジュールの低温側は、複数のＴＥ素子１３０の高温側と低温側との間に温度勾配を発生させるように高温領域１１０よりも概ね冷たい冷却流体に熱的に接続されていてもよい。冷却流体は、雰囲気、液体冷却剤、他の流れるまたはよどんでいる流体、流体の組み合わせであってもよい。冷却流体は、コンジットまたはチャネル内に収容されていてもよく、流体は、複数のＴＥ素子１３０との相当な熱的接触を実現し、複数のＴＥ素子１３０の低温側と冷却流体との間の熱エネルギーの伝達を促進するようにそのようなコンジットやチャネルを通して方向が設定されていてもよい。熱エネルギーは、１つまたは２つ以上の低温側シャント１３２を介して伝達することができる。複数のＴＥ素子１３０に熱的に接触している流体の流れまたは圧力は、ファン、ポンプ、弁、流体のバイパス、他の手段、または手段の組み合わせなどの流れ調整器によって影響を受けてもよい。流体の移動は、複数のＴＥ素子１３０から流体への熱エネルギーの伝達速度を増加させ、それによって複数のＴＥ素子の高温側と低温側との間の温度差を増加させることができる。熱交換器も複数のＴＥ素子の低温側と流体との間の熱エネルギーの伝達を同様に増加させることがある。たとえば、複数のフィンは、熱エネルギーが周囲の流体に逃げることのある表面積を増加させることがある。

発電装置１００の複数の構成要素は、特に熱源と冷却流体とに曝されることによって時間の経過と共に温度の変動を受けるので、複数の構成要素は熱膨張の量が変動することがある。発電装置１００の複数の構成要素で発生する熱膨張の量は、装置の熱的構成と複数の構成要素が作られている複数の材料とに依存することがある。複数の構成要素は、特定の金属のように比較的高い熱膨張係数を有している複数の材料を含む任意の適切な材料または複数の材料の組み合わせから構成されていてもよい。発電装置１００の低温側と高温側は、著しく程度が異なる熱膨張を受けることがあり、発電装置１００は広範に変化する熱的な構成において高レベルの性能を実質的に維持するように構成することができる。

実施形態によっては、シャント１３２、１３４は、複数のＴＥ素子１３０にわたる熱勾配が標準から離れる方向にあるように、発電装置１００を通して熱エネルギー流を導くように構成されている。たとえば、複数のシャントは、熱勾配が壁１２０と概ねまたはほぼ平行になるように図１に示しているように「Ｔ字」構成を使用することができる。そのような構成において、複数のＴＥ素子１３０と他の複数の装置構成要素との間の隙間の変化を減少させたり、排除したりする一方で、温度の変動による複数の構成要素の寸法の変化が発生することがある。さらに、熱電発電器の外側表面を、組み立てと動作温度範囲全体にわたって安定しており熱伝導性が高い電気絶縁被覆によって処理することができる。

図２は発電装置１５０の他の実施形態を示している。図２に示している実施形態は、高温領域１５２を少なくとも部分的に囲んでいる概ね円柱状の壁１５４を有している。高温部分は、熱源に接続したり、熱源を有するようにしたりすることができる。たとえば、円柱状の壁１５４によって構成されており閉じているコンジット内を流体は流れてもよい。１つまたは２つ以上のＴＥ素子１５６を壁１５４の円周に沿って長さ方向に配置することができる。当然複数のＴＥ素子１５６は壁１５４の周囲全体に延びて、壁１５４の外側表面を実質的に覆うように構成することができるが、図２に示している実施形態においては、複数のＴＥ素子１５６の配列が円柱状の壁１５４の一部を囲んでいる。

実施形態によっては、熱交換器（不図示）を、高温領域１５２から複数のＴＥ素子１５６への熱エネルギーの伝達を促進するように高温領域１５２内に少なくとも部分的に配置することができる。熱交換器を壁１５４または複数のＴＥ素子１５６に良好な熱伝達を実現する任意の技法によって取り付けることができる。特定の実施形態において、熱交換器は壁１５４内に一体化されている。

概ね円柱状の壁１５４内の空間を１つまたは２つ以上の流体コンジットに区分することができる。１つまたは２つ以上の流体コンジットが壁１５４の内部の高温領域１５２または他の複数の領域を通した流体の流れを調整するように構成することができる。実施形態によっては、発電装置１５０は、容量に対応するように、フォームファクタ条件に合うように、コストを削減するように、またはその他の任意の理由で複数の円柱を使用することができる。特定の実施形態において、発電装置１５０は円柱状ではない壁を有しており、その代わりに、高温領域を少なくとも部分的に、卵形、楕円形、星形、円錐状、螺旋状、多角形、他の形状、または複数の形状の組み合わせを有している壁によって囲まれるようにすることができる。

本明細書で開示されている複数の熱電発電器（ＴＥＧ）の実施形態を排気系統熱回収などの１つまたは２つ以上の具体的な用途を参照して説明する。開示されている複数の実施形態または態様の少なくともいくつかは、熱エネルギーが電気エネルギーに変換されることが有利な他の用途または環境において適用できる。

図３ＡはＴＥＧを採用している排熱回収装置２００の実施形態を示している。排熱回収装置２００は、内側のチャンバ２０２とシェル２１０の一部を囲んでいる複数のＴＥ素子２０６の複数の配列２０４ａ〜ｃとを貫通して熱い排気が導かれる、概ね円柱状のシェル２１０を有している。図２１は、ＴＥＧ装置２００の概ね円柱状の構成を示している透視図である。図示している排出チューブ２１２のシェル２１０は円柱状であるが、当然、他の適切なチューブ形状寸法を使用できる。図４Ａと４Ｂに示している低温側の複数の熱交換器２０８は、高温側のシェル２１０の外側にあって、冷却と排熱排除を実現する。排出チューブ２１２は、排出流からの熱伝達を増大させるように、図５に示しているように内部熱交換器２１４を有している。円柱の内側の周辺領域（つまり第１の領域２１６）は、比較的密度の高い熱伝達領域熱交換器２１４を含んでいてもよい。排出チューブ２１２の中心部分は排出流体の圧力低下が少ない第２の領域２１８を有していてもよい。第２の領域２１８は、排出流体の流速が許容可能な限界を超える背圧になるほど十分に大きくなった場合、バイパスとして作動することができる。

実施形態によっては、図５に示しているように中心部分２１８は許容可能な圧力低下の境界内にある熱伝達増大構造２２０を有している。第２の領域２１８内の熱伝達構造２２０は、熱伝達領域熱交換器２１４よりも実質的に密度が低い。スリーブ２２２は、排出流体からの熱伝達をより良好に方向設定し制御するように、排出チューブ２１２内の２つの流路を分離することができる。図示している実施形態は、排出チューブ２１２のシェル２１０と内側のスリーブ２２２との直径と相対的な大きさの少なくとも一方を調整することによって、修正したり、大きさを変更したりすることができる。また、チューブ２１２の外側のＴＥ素子２０６の長さ、構成、形状、および数と大きさは、出力と動作温度と様々な作動流体などの他の特性とに合わせ、また様々な動作環境に対応するように選択することができる。さらに、複数のチューブ（不図示）を、容量に合わせるように、フォームファクタ条件に合うように、コストを削減するように、または他の理由で使用することができる。実施形態によっては、卵形、楕円形、星形、円錐状、螺旋状、または他の概ね円柱状の複数の円柱を有している。

以下の説明では、いくつかの実施形態の機能を説明し、予期しない構成の問題への解決策を開示する。構成を成功させるいくつかの機能は、図７に示しているような平坦な熱電発電器（ＴＥＧ）構成に適用可能である。実施形態によっては、本明細書で説明している改善を使用している平坦なＴＥＧ７００を有している。平坦なＴＥＧ７００は、高温の作動流体コンジットネットワーク７０２と低温の作動流体コンジットネットワーク７０４とを有することができる。１つまたは２つ以上のＴＥ素子７０６を両作動流体コンジットネットワーク７０２、７０４の間に配置することができる。複数のＴＥ素子７０６を１つまたは２つ以上の実質的に平坦な高さに配置することができる。

ＴＥＧ２００は様々な制御機能を有することができる。制御機能によっては、ＴＥＧ２００自体の動作に影響を与えるようにすることができる。たとえば、コントローラは排出チューブ２１２の第２の領域２１８内に配置されている１つまたは２つ以上の弁２２４を作動させるように構成することができる。１つまたは２つ以上の弁２２４は、図３Ａに示しているようにチューブ２１２内の排出流体の流れを配分するように構成することができる。他の例として、複数のＴＥ素子２０６の部分２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃは図８Ａ、８Ｂ、および８Ｃに示しているように独立している電力出力を有することができる。熱電素子２０６は、流体の流れから引き出す熱出力を増減させたり、流体がＴＥＧ２００の少なくとも一部を通過するときに流体の少なくとも一部での温度低下を変化させたりすることができる。ＴＥＧは、他の装置の動作に作用すること、影響すること、制御することの少なくとも１つを行うことができる。たとえば、ＴＥＧは、マフラーを置き換えたり、補ったりするように雑音の減少を支援し、室内の暖房とエンジンの暖機の少なくとも一方を加速し、エンジン冷却剤系統への熱伝達を行い、電気エネルギー機能（たとえば、出力、電圧、利用、および制御）を実装し、ＥＧＲ気体温度を制御し、ＴＥＧと統合することとＴＥＧと機能的に通信することの少なくとも一方が可能な他の任意の制御または相互動作を支援することができる。

実施形態によっては、１つまたは２つ以上のコスト削減と簡略化の機能を有している。高出力密度ＴＥ構成、図９に示しているようなスタック構成、ＴＥＧアーキテクチャ、および乗り物へのＴＥＧの統合などのいくつかの機能の統合を開示されているＴＥＧ装置における複数の機能の適応、修正、および利用に使用される改良に関して説明する。簡略化の機能には、複数のＴＥ素子を、１つのモジュールに配置することと独立している複数のモジュールに配置することの少なくとも一方ではなく、図１１Ａと１１Ｂに示しているようにリング構成１１００ａ、１１００ｂに配置することが含まれている。リング１１００は、統合部材１１０８から構成したり、１つまたは２つ以上の隙間１１０６によって分離されている複数のリング部材１１０２、１１０４から構成したりすることができる。隙間１１０６は、リング部材１１０２、１１０４を互いに電気的にまたは熱的に隔離するように構成することができる。追加の簡略化機能には、１つまたは２つ以上の流れ制御弁の統合と、ＴＥＧと他の装置（たとえばマフラーまたは他の排気系部品）との組み合わせが含まれていてもよい。

例として、従来のＴＥＧの構成によっては、ＴＥＧ装置の構成要素間（たとえば、複数のＴＥ素子と複数のシャントとの間）の接触を維持するように大きい外力を作用させる必要がある。特定の実施形態においては、図４Ａに示している複数の可撓性の固定部分２２８からの力で外部の負荷を置き換えることができる。他の例として、概ね円柱状のＴＥモジュール２３０では、２つの端部２３２、２３４を除く装置２００の複数の縁での複数の高温シールの使用を削減したり無くしたりすることができる。図３Ａに示している実施形態で使用されているシール２３６によって、低温での複数のエラストマシールの使用を可能にするシールの寸法形状の熱管理と組み合わせて、溶接されているまたはろう付けされている複数のシールを高温で使用することで、密封を簡略化している。さらに、ＴＥＧ装置２００の円柱形状とＴＥ取り付けの複数の機能によって、広い領域にわたる複数の平坦な熱伝達表面を減少させたり無くしたりすることで、高温側から低温側への熱伝達を簡略化できる。

本明細書で説明している少なくともいくつかの機能は、ＴＥＧ装置２００の効率を向上させることができる。たとえば、独立しているＴＥモジュール基板の代わりに、ＴＥ素子２０６の複数の端部の位置で、図６に示している複数の被覆熱交換器表面、電気的に隔離されている複数のＴＥの複数のバンク、流体熱出力抽出に沿った熱的な分離、および可撓性の電気的な界面２４０を使用することができる。複数の可撓性部材２４０は、複数のＴＥ素子２０６とシャント２３８との間の複数の界面での引張り応力と剪断応力とを減少させることができる。複数の可撓性部材２４０は、たとえば、スクリーン、焼結金属構造、金属箔、エンボス加工されている箔、高温導電性グリース、他の材料、または材料の組み合わせなど、任意の適切な材料から作ることができる。複数の可撓性の部材２４０は、圧縮嵌め、ボンディング、または材料表面の固定用の詳細構造による固定によって取り付けられていてもよい。複数の可撓性部材２４０は、複数のＴＥ素子２０６の配置を助ける１つまたは２つ以上の凸部２４２を有することができる。実施形態によっては、複数のシャント２３８と複数のＴＥ素子２０６との間の複数の界面は、図４Ａに示しているように可撓性の複数の固定部分２２８の使用によってなど、外力の作用による圧縮によって保持されている。

実施形態によっては、ＴＥＧ装置２００は１つまたは２つ以上の製造可能性そしてリサイクル可能性についての機能を有していてもよい。たとえば、ＴＥ素子グループ２０４ａ〜ｃは、機械的に取り付けること可能で、したがって、はんだ付けやろう付けを外すことなく交換または分解することができる。さらに、ＴＥＧ装置２００は、概ね円柱状に形作ることが可能で、それによって、大きな平坦な複数の表面の使用と、低温側に熱的に近い複雑な複数のシールの使用とを削減したり無くしたりすることができる。実施形態によっては、従来の密封材料をＴＥＧ装置２００に使用することができる。

実施形態によっては、図３Ａに示しているＴＥＧ装置２００は、高々７００℃までの排気温度で動作する乗り物の排気系統に十分に一体化できるフォームファクタにおいて前述の目的に合致している。円柱形状によって、効果的な高温側の熱伝達を達成し、高温側と低温側との間の大きな熱膨張の不一致に対応し、密封の複雑さを減少させる低コストの複数の解決策が可能になる。内部構造が耐久性と安定性との標準を満たす必要性から確立された。この構造は、ＴＥＧを複数の排気搬送パイプ内で独立している部分としたり、大きさの削減、重量の削減、コストの削減、出力の増加、効率の増加の少なくとも１つを実現するように他の複数の構成要素と一体化したりすることができる一群の構造を代表している。

実施形態によっては、ＴＥＧは排気系の一部であって、少なくとも１つのマフラーを置き換えるように配置し構成することができる。ＴＥＧは、熱出力を排出流から取り出し、排出流の温度をさげるので、流速と背圧を下げることができる。たとえば、これらの特性は、気体温度の低下以外に排出チューブの形状寸法を変更しない場合に発揮される。また、マフラー自体は背圧の原因になるので、マフラーの機能を取り除くか低下させることによって、ＴＥＧは流れに対してより高い抵抗を有することが可能で、それによって、適切な構成を使用して、より高い熱伝達係数を実現することができる。したがって、排気からの熱出力の取り出しが増加する。

実施形態によっては、ＴＥＧは触媒コンバータと組み合わされ、それが１つまたは２つ以上の利点となる。たとえば、触媒コンバータのいくつかの部分を前述のＴＥＧ装置２００の構成要素の少なくともいくつかの代わりに使用することが可能で、部品数が減少する。他の例として、触媒コンバータとＴＥＧとの間の熱損失が減少して、ＴＥＧの位置で気体温度がより高くなるかもしれない。排出流温度が上昇すると、ＴＥＧ装置の効率と出力の少なくとも一方を向上させることができる。さらに、コンバータの内部構成要素を部品の冗長性をなくすように使用することができる。たとえば、筐体と複数のシールの少なくとも一部を触媒コンバータの触媒ホルダ構造の一部と共有することができる。ＴＥＧ装置は、触媒コンバータをより素早く加熱するように、熱帰還を設けることと電力を供給することの少なくとも一方によって、触媒コンバータの加熱を加速するように、統合された機能を提供することもできる。ＴＥＧ装置を触媒コンバータに追加することによって、内部と外部のブラケット類と他の複数の取り付け機能を減らすことができる。また、触媒コンバータとの統合によって、ＴＥＧの一部をエンジンと触媒コンバータとの間に配置することができる。そのような位置は、ＴＥＧの一部の動作温度を上昇させること、ＴＥＧが動作温度に到達するのにかかる時間を短縮すること、触媒コンバータの温度をＴＥＧの少なくとも一部によって制御できるようにすることの少なくとも１つを実現することができる。

排気回収装置（ＥＧＲ）をＴＥＧに組み込むことも可能で、個別の部品の複雑さを同様に減少させることができる。ＥＲＧは排気の一部を冷却するようにエンジン冷却剤を使用するので、同じ冷却装置を複数のＴＥ素子の低温側から排熱を除去するように適合させることができる。ＥＧＲを使用して、装置の構成を簡単にするように、排出弁をＴＥＧ弁の近くで組み合わせることもできる。ＥＧＲによって排気系に背圧が加わるので、組み合わせによってある程度の冗長性を減少させ、それによって背圧損失の減少と熱伝達の増加との少なくとも一方を実現することができる。

実施形態によっては、ＴＥＧ装置は、最近の排気系統の製品において良好なことが証明されている既存の乗り物の材料と構成の原理とを使用することができる。

図３ＡはＴＥＧ２００の断面図を示している。最も内側のチャンバ２１８は、取り付けられているエンジン（不図示）の設計限界内に背圧を維持しながら最高の動作排出質量流速に対応している排出バイパスである。図３Ａに示しているバタフライ弁２２４またはその他の有利な排気流方向設定部分が排気流をバイパス２１８と高温側熱交換コア２１６との間で調整するようにＴＥＧ２００の低温端部２３４の位置に配置されている。内側のスリーブ２２２は、熱交換器２１４と最も内側のチャンバ２１８との間で気体流を分離するように熱交換器２１４の内側表面に沿っていてもよい。弁２２４は、排出温度と質量流速の動作範囲内で排出流からの熱抽出を最適化しながら、背圧を設計限界内に維持するように流れを分配する。

図５に示している実施形態において、複数のフィンなどの複数の熱交換構造２２０がバイパス領域内に配置されており、スリーブ２２２、高温側熱交換コア２１６、および高温側シェル２１０と良好な熱的接触状態にある。そのような機能は、バイパス弁２２４が部分的にまたは完全に内側のコア２１８内に排気流を導入する位置にあるときに、低背圧での熱出力抽出を増加させることができる。熱交換器構造２２０は、両面にＡＩＳＩ３１６ステンレス鋼（ＤＩＮ１．４４０１）を備えている銅コア被覆で構成することができる。ＴＥＧ設計基準に適合するステンレス被覆ニッケルまたは炭素、セラミック合成物などの任意の他の材料または材料の組み合わせも使用することができる。複数の熱交換構造２２０は高温側ＴＥＧシェル２１０の内側表面にろう付けされていることが有利であるが、良好な熱伝達を実現する任意の方法で取り付けられていてもよい。シェル２１０は、３１６ステンレス鋼、他の適切な材料、または材料の組み合わせで構成することができる。

実施形態によっては、ＴＥＧ２００の材料系統は、ステンレス鋼（耐久性と寿命）の化学的な保護および強度と銅の高熱伝導性（効率の高い熱伝導と熱伝達）との都合のよい妥協を実現するように構成されている。その代わりに、熱交換器、シェル、および内側のスリーブの少なくとも１つは、高熱伝導性セラミック、窒化けい素、炭化けい素、アルミナ、他の効果的な熱交換材料、または材料の組み合わせなどの他の材料で構成されていてもよい。熱交換器２１４、２２０も、シェル２１０と一体とすることができる。たとえば、実施形態によっては、熱交換器２１４、２２０はセラミックまたは金属を鋳造したり押し出したりして作られている。表面積と熱伝達係数を増加させたり、外側シェルを構成するように複数の（束にした）チューブを組み込んだり、排気からのシェルを通した熱伝達を増加させる任意の他の方法を採用したりするように高温側シェル２１０を巻いたり表面に模様を付けるなどの熱伝達の同じ目的を達成する他の方法も可能である。

ＴＥＧ２００を作る方法の例を説明する。シェル２１０の外側表面を、組み立てと動作温度範囲全体にわたって安定しており熱伝導性が高い電気絶縁被覆によって処理することができる。たとえば、シェルを特許で保護されたＫ−Ｔｅｃｈ ２８被覆、プラズマ溶射アルミナ、窒化アルミニウム、または構成の意図を満たしている任意の他の耐久性のある被覆で被覆してもよい。被覆の代替として、たとえば、以下で説明するように（図１２を参照）、電極構造内で電気的な隔離が達成される場合にシェル２１０を被覆しなくてもよい。図１１Ａと図１１Ｂに示しているように、熱伝導性シャント１１００ａ、１１００ｂをシェルに取り付けることができる。シャント１１００ａ、１１００ｂは複数のＴＥ素子２０６との高温側の熱的および電気的な接続部分を構成している。高温側のシェル２１０の表面を、機械的な安定性と高熱伝導性の両方を実現するように、シェルを複数のシャントに接着する金属材料系で被覆することができる。たとえば、シェル２１０（Ｋ−Ｔｅｃｈ被覆されている）に、チタンを約０．３ミクロンの厚さに金属溶射し、低リン無電極ニッケルを約２ミクロンの厚さにめっきし、すずを約２ミクロンの厚さにめっきすることができる。任意の他の適切な接着材料、材料の厚さ、またはそれらの組み合わせも使用してもよい。それから５００℃で錫を銅に反応接着させることによって複数の銅合金シャント２４４をシェルと熱的に良好に接触させることができる。複数のシャント２４４は複数の輪に構成することができる。複数の輪は輪が拡張するように約２５０℃に加熱され、高温の間に、低温のシェル上を摺動させて、設計位置に配置される。複数の輪は冷えて、縮んで圧縮嵌めを構成する。それに続く５００℃でのヒートソークによって複数の輪が定位置に接着される。

複数のシャント２４４をシェル２１０構造に熱的および機械的に取り付ける他の技法を採用することができる。たとえば、高温のガラス、セラミック接着剤、機械的な固定部分（スロット、ピンなどを使用）、ろう付け、溶接、または任意他の方法を使用してもよい。複数のシャント２４４が電気的にシェルから隔離されていない場合、複数のシャント２４４は図１２に示しているように電気的な隔離をそれらの構造内に組み込むことができる。たとえば、複数のシャントはアリゾナ州、ホットスプリングスのＢｏｄｙｃｏｔｅ Ｋ−Ｔｅｃｈ、Ｉｎｃ．から入手可能なＫ−Ｔｅｃｈ ２８被覆で被覆されていてもよい。さらに、複数のシャントは、ラミネートされていてもよいし、電気的な隔離と複数のＴＥ素子への良好な熱伝導とを実現する他の材料系であってもよい。複数のシャント２４４は、図１２と図１３Ａ〜１３Ｂに示しているようにステンレス鋼または他の材料で作られている１つまたは２つ以上のバンド２４８を使用して定位置に保持されていてもよく、複数のバンド２４８は、ガラスクロス、雲母、または任意の他の適切な絶縁部分などの高温の電気絶縁部分２４６を使用して複数のシャント２４４から電気的に隔離されていてもよい。

輪１１００ａに構成されている複数のシャント２４４は、図１１Ａに示しているように平行な多くのＴＥ素子２０６を有することができる。その代わりに、１つまたは２つ以上のＴＥ素子２０６が平行になるように、複数のシャントは円の複数の部分（弧）１１０２、１１０４であってもよく、図１１Ｂに示しているように数個の弧は別個の電気経路内に配置することができる。たとえば、数個の円弧１１０２、１１０４は、装置の出力電圧を高くするように電気的に直列とすることができる。複数のシャント２４４の複数のグループが、信頼性と動作電圧との適切な釣り合いを達成するように電気的に直列／並列配置に接続されていてもよい。複数のシャントは、ＴＥ素子の安定性、寿命、信頼性を達成し、高温側と低温側の複数の熱交換器の熱出力密度に対応するように、グループ化されている複数のＴＥ素子２０６を取り付けるように準備することができる。

複数の動作条件の意図した範囲に対して構成を最適化するようにコンピュータモデルを使用することができる。モデルは、同時に、変換効率を最大化し、重量を最小化することができる。有利な構成において、複数の素子２０６は、各リング１１００の円周の周りの４つの素子からなる１６のグループにまとめられている。高温の端部２０４ａの位置で、複数のＴＥ素子は、区分されており、約５ｍｍの長さである。反対の端部２０４ｃの位置で、それらは約２ｍｍの長さ（たとえば、高温端部２０４ａの位置の複数のＴＥ素子の長さの約半分以下である）である。複数のＴＥ素子２０６は区分されており、約２５０℃と６００℃の間で動作する複数の部分用の適切にドーピングされているテルル化鉛と約２５０℃までで動作する複数の部分用のテルル化ビスマスから構成されている。

複数のＴＥ素子２０６の長さ２２６ａ〜ｃは、応力を限界未満にしながら各素子２０６からの発電を最大にするように選択することができる。ＴＥＧ２００は、図８Ａ、８Ｂ、および８Ｃに示しているように、複数のＴＥ素子にわたって許容可能な低い剪断応力および垂直応力を維持しながら、高温側と低温側の位置での境界の低い電気的および機械的抵抗を実現するように構成されている。プロトタイプ装置について目標のサイクル寿命に対する安定した動作を確認するために熱循環の研究が実施された。熱循環試験の結果は、２段階に区分された複数のＴＥ素子（ｐ：２．４ｍｍ×３．７５ｍｍ×４．４ｍｍ、ｎ：２．４ｍｍ×３．７５ｍｍ×４．８ｍｍ）が少なくとも３００回の熱サイクルにわたって一定の発電を行うことが示された。研究時に採用された３つの典型的な熱サイクルのプロフィールを図１０に示している。ＴＥ素子の重量としたがって出力密度とは、電流の流れの方向において素子の長さの２乗にほぼ反比例する。コストはＴＥ材料の重量に概ね比例する。実施形態によっては、複数のＴＥ素子の最小長さは、排出流からの熱と低温側の熱遮断との釣り合いと併せて、ＴＥＧの長さに沿った各最大温度差に対して確立されている。

特定の実施形態において、低温側シャント２５６と複数の熱交換器２０８とは、電力を効果的に概ね軸線方向に運び、熱出力を複数のＴＥ素子２０６の低温側から低温側のヒートシンク２５０まで円周に沿って取り除くように構成されている。両方の輸送機構は、高温側と低温側との間の熱膨脹の不一致に対応し、構成の信頼性を高くし、構成の複雑さを減少させることができる。図１４に示している低温側シャント２５６の電気結合部分は、電力を送る柔軟な銅製の複数のリーフ２５２と、動作温度範囲にわたって一様な圧縮負荷を複数のＴＥ素子２０６に作用させるさらばね２５４とを有することができる。任意の他の湾曲した結合装置を使用することができる。たとえば、電気接続に高伝導性の導電性グリースと、複数のＴＥ素子２０６への圧縮力を維持するコイルばねまたはエラストマを使用することができる。その代わりに、圧縮部材２５４は、蛇腹、波形ワッシャー、または板ばねなどのように、高い導電性があって、電気的接続と圧縮力の両方を実現できてもよい。

特定の実施形態において、柔軟な結合の複数の熱交換器が熱出力を低温側シャント２５６から吸熱流体２５８に伝達する。たとえば、複数のチューブ２５０を複数の低温側シャント２５６に熱的に接続して熱出力を伝達するように使用することができる。図４Ｂに示しているチューブ内チューブの構成は、良好な熱伝達を実現するのに外力を作用させるが必要ない性質を有しているが、それは外側のチューブの内径と内側チューブの外径とがこれら２つの部品の間の隙間を制御するからである。２つのチューブにおけるそのような寸法はしっかり保持可能で、低コストとすることができる。複数の低温側チューブ２５０は、高温のシェルと低温側のヒートシンクとの間の熱膨張による寸法の変化に対応するように膨脹結合部分を有することができる。実施形態によっては、複数のチューブ２５０は電気的に隔離されているが、複数の低温側シャント２５６には熱的に非常に良好に接触している。たとえば、複数のシャント２５６と複数の冷却剤チューブ２５０との間の相対的な動きと良好な熱伝導とが可能になるように熱グリースを使用することができる。アルミニウムワイヤや熱伝達増大のための任意の他の適切な形態を、低温側シャント２５６から低温側流体２５８への熱輸送を増加させるように使用することができる。マニフォールド２６０または任意の他の適切な流体分配装置は、冷却剤を低温側の複数のチューブに分配するか集めるかの少なくともいずれかを実行できる。低温側作動流体は、水、ラジエータ流体と同様なエチレングリコール／水の混合物、または他の適切な流体とすることができる。図２２は図４Ａと４Ｂに示している低温側熱交換器の透視図である。

組み立て品は、作動構成要素を環境から保護し密封する外側シェル２６２内に収容することができる。シェル２６２は、外側の周囲の状態と内側の冷却剤２５８の近傍とに曝すことによって冷却剤流体温度に近い状態に維持されている。高温側チューブ２１０とシェル２６２との間の熱膨脹の不一致は、両端２３２、２３４の複数の遷移部材２６４によって吸収させることができる。複数の端部部材２６４は高温のチューブと外側シェルとの間の熱伝達を減少させるように低熱伝導ステンレス鋼で構成することができる。柔軟な密封剤が、残りのあらゆる膨脹の不一致を吸収することができる。

熱電部分組み立て品をモデルと比較して耐久性と性能を判断する試験を行った。試験結果は、１つのパラメータである実験データに当てはめたＴＥ素子２０６の界面抵抗以外の内在する材料の特性を入力として使用するモデルと比較された。電流と温度との広範囲にわたる当てはめによって、この１つのパラメータは、観測された性能の変動のほとんどの原因になっていることが示唆された。モデルは装置の性能を記述するのに概ね適している。

複数のＴＥ素子２０６は排出流２０２および冷却剤流体２５８と相互動作する可変熱固体抵抗構成要素として機能することができる。複数のＴＥ素子２０６を流れる電流を調整することによって、複数のＴＥ組み立て品の熱インピーダンスが変化する。たとえば、電流が流れない場合、インピーダンスは比較的高く、排出流体流２０２から冷却剤２５８へ取り出すことができる熱出力は小さい。複数のＴＥ素子２０６を短絡させると、電流は、認識できる外部抵抗ではなく複数のＴＥ素子２０６の内部抵抗によって制限され、ＴＥ材料が約１のＺＴを有している場合、複数の素子２０６の熱伝導は約７０％増加する。排出流２０２をある程度冷却するように熱抵抗を制御された状態で変更することによって熱出力の取り出しを修正することができる。排気温度に対するこの制御は、排出物の再循環を専用に設定してＥＧＲの装置性能全体を改善するように、ＥＧＲ装置の機能と組み合わせて使用することができる。排気温度制御は、ディーゼル粒子フィルタ、あるいはエンジン予備加熱または乗り物の乗員の快適性のための排熱回収装置の動作を改善するように使用することができる（たとえば、排気系をパワートレイン流体に接続する熱交換器）。熱伝導の変化の範囲は、負と正の極性の外部電圧を印加することによって増加させることができる。そうすることによって、導電率を少なくとも２．５から１にすることができる。

例として、乗り物の排出流からのエネルギー回収の状況で説明を行ったが、本明細書で説明した実施形態を他の型式の熱出力回収装置で使用することができる。たとえば、これらの装置は、工業用補助発電器と組み合わせたり、セメント処理、アルミニウムの抽出、鉄の精錬、または材料自体が存在し、その材料に含まれている熱が無駄になる任意の状態と組み合わせるなど工業用の流れの工程と組み合わせたりして使用することができる。環境によっては、電池を充電するように信号を送信し、効率が改善されている熱電装置を使用した遠隔発電などの特定の用途において主な電力を発生させるように実施形態を使用することができる。主要なエンジンが停止しているときに電気装置に電力を供給するように航空機や乗り物の補助電力ユニットや、バスにおけるＨＶＡＣに電力を供給するように使用できる可能性がある。十分に効率の高い熱電装置を使用して、排熱回収発電器は、少なくとも何らかの状況において乗り物の主要なエンジンを置き換えることができる。

ＴＥ装置を使用して熱源から効率よく動力を発生させるように、熱源からできるだけ多くの熱を取り出し、複数のＴＥ素子にわたる温度低下を最大にし、発電器内の電気回路内の電気抵抗を最小にしなければならない。さらに、結果として得られる装置を、動作の温度範囲にわたって、電力出力を最適にするように構成するか又は制御しなければならない。これらの目的は、温度勾配と熱源とシンクの熱インピーダンスとを１つまたは２つ以上のＴＥ材料と１つまたは２つ以上の構成に適合させること、界面の全てを管理すること、ＴＥ材料に対して効率的に熱と電気とを出し入れすること、有利な場合と必須の場合の少なくとも一方の場合に電気的および熱的分離を実現すること、熱膨張の不一致、高温での安定性、および酸化、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｎ_２などによる活性低下などの動作温度での腐食性の流体の存在による劣化などの高温の動作状態に伴う材料に関する問題に対応することによって達成される。

（１）熱出力を十分な熱伝導性と良好な熱伝達領域とを有している高温の熱源から効率的に取り出し、（２）高温（＞１０００℃）に対応し、そのような高温用途に関連する熱ショックに対応し、（３）高い熱伝導を維持しながら高温（＞４００℃）での電気的な隔離を実現する基本的な問題を解決し、（４）高温被覆と金属表面との熱膨張の不一致に関連しているどのような劣化や他の問題も防止し、（５）熱電発電器（ＴＥＧ）を触媒コンバータや触媒燃焼器筐体内に組み込み、（６）ＴＥ装置の可変熱輸送特性を使用して装置の一部の温度を制御し、（７）排気回収（ＥＧＲ）などの機能を追加し、（８）他の動力変換装置（熱電併給装置、暖房装置、温度制御装置、燃焼装置等）と組み合わせるように適切な構成と性能の特性を実現するための構成を開示する。本明細書で説明する様々な実施形態は１つまたは２つ以上のこれらの利点を提供する。

特定の実施形態において、１つまたは２つ以上のＴＥ材料が金属またはセラミックのハニカム、円柱、触媒表面、板、棒、チュ―ブなどの複数の熱交換器構造に組み込まれている。複数の熱交換材料は、複数のＴＥ装置、複数のＴＥ素子、または他の複数のＴＥ構成要素を熱的に複数の熱源に接続し、これらのＴＥ部品を複数の熱源と複数の熱交換器表面からから物理的に隔離している金属の複数のリング、セラミックの複数の形状、または他の複数の高導電性構造に熱的に良好に通じているか熱的に良好に接触している。複数の熱交換器との複数の接続表面が導電性の場合（たとえば不純物のあるＳｉＣ、金属、導電性の液体など）、動作条件の範囲で良好な熱的な接続と良好な電気的な隔離とを実現する１つまたは２つ以上の被覆を採用することができる。特定の実施形態において、触媒コンバータ、燃焼器、熱電併給熱源などとの一体化など複数の機能を実現し、ＴＥＧの存在が相乗効果を発揮するようにＴＥＧは装置内に一体化されている。つまり、特定の実施形態との組み合わせによって、重量の削減、コストの削減、体積の削減、効率の増加、機能の追加（温度の制御、触媒コンバータへのＥＧＲ機能の追加）などの１つまたは２つ以上が実現される。

１つの有利な実施形態は、独立している燃焼器と複数のＴＥＧ部分組み立て品とがある構成ではなく、ＴＥＧを直接主要な発電器に組み込む。この実施形態において、燃焼器とＴＥＧとが熱交換器に緊密に接続されるように燃焼器がセラミックハニカムの内側に挿入され、燃焼器が熱交換器内に統合される。そのようにすることで、燃焼器からの熱損失の一部（放射、伝導、および対流）が熱交換器に向けられ、したがって、装置に対する完全な損失にはならない。さらに、燃焼器を熱交換器に一体化することで、重量、複雑さ、大きさ、およびコストを最小にできる。また、ＴＥＧと燃焼器の少なくとも一方との統合によって、起動時間が短縮され、これは、統合されていないＴＥＧ構造と燃焼器の少なくとも一方に比べて、導管や他の構成要素が最小になったり無くなったりするためである。導管と他の構成要素は、暖機やライトオフ（たとえば、触媒コンバータが排出物を減少させる温度などの動作温度まで熱交換の温度が上昇することなど）を遅らせる可能性がある。最後に、１つまたは２つ以上の燃焼表面が複数のＴＥ素子に熱を伝導させ、電気的に絶縁されている１つまたは２つ以上の界面を通して伝達するように、触媒バーナーを構成に直接一体化し、複数のコンジット、独立している複数の熱交換器、複数のＴＥモジュールなどを削減したり無くしたりすることができる。

他の実施形態において、ＴＥＧは乗り物の排気系の排出トレーン構成要素（１つまたは２つ以上の触媒コンバータ、粒子トラップ、マフラーなど）と組み合わされて設けられている。前述の他の特許は複数のＴＥ装置を使用して排熱を触媒コンバータから回収するが、それらは、重量、大きさ、コストの増加を減らし、効率などを増加させるようにＴＥ材料を触媒担体（たとえばセラミックハニカム）により緊密に統合するのではなく、複数のＴＥモジュールを触媒コンバータシェルの外側に取り付けることを教えている。実施形態によっては、より緊密な統合には、以下でより完全に説明するように、機能の追加と付随する利点とが含まれる。有利な実施形態には、多くの自動車用触媒コンバータにおいて触媒の基質として使用される複数のセラミックハニカムとのＴＥＧ統合が含まれる。セラミックハニカムは熱を集め、図１５Ａと図１５Ｂに示しているような複数のＴＥ素子と接続電気回路とが取り付けられている特定の複数の位置に輸送するように修正することができるのが有利である。セラミックハニカムは、熱交換器、触媒保持部分、電気隔離部分、およびＴＥＧ用のフレームワーク（構造要素）としての機能を果たす。複数のシャント部材を統合することで（図１５Ａと図１５Ｂを参照）、ＴＥＧの基本的な熱的および電気的な回路類はセラミック構成要素内に構成される。

図１５Ａは、本明細書で説明する特定の実施形態による触媒コンバータ５００の例の一部の部分的な模式図を示している。有利な実施形態において、コンバータは触媒をセラミックの一部上に備えているセラミックハニカム構造５０２を有している。ハニカム５０２の構成は、セラミックハニカム５０２に熱的に良好に接触しているように１つまたは２つ以上の高温側シャント５０４を組み込むように有利に修正されている。さらに、ハニカムの形状は、排気から１つまたは２つ以上の高温側シャント５０４への熱出力の抽出を増加させるように修正されている。熱伝導の増加によって、セラミック材料の特性の修正（材料の変更、材料を厚くする、材料の密度を高くする、高熱伝導性の成分の追加、複数のシャント５０４への熱伝導性を最適化する形状の設定、より良好な伝導性を実現するような複数のシャント５０４の形状の変更、ハニカム自体５０２自体の形状の変更、複数のＴＥ素子５０６への熱輸送を改善する他の方法の少なくとも１つなど）によってセラミックの熱伝導性が増加することになる。何らかの理由でハニカム５０２がＴＥＧ装置５００の電気分離部分として機能するには導電性が高すぎる場合、１つまたは２つ以上のシャント５０４を、電気分離を実現する少なくとも１つの部分を備えている２つまたは３つ以上の部分に構成したり、２つまたは３つ以上のシャントをセラミックに取り付けられている電気分離部分で被覆したり、セラミックが複数のシャントを絶縁するように他の１つまたは２つ以上の材料の少なくとも１つの挿入部分を有するようにしたり、１つまたは２つ以上のシャント５０４をセラミックハニカム５０２から隔離する任意の他の方法を採用したりすることができる。

いくらかのまたは全ての流れがハニカム５０２のハニカム構造の代わりに通過するように、ハニカム５０２を通る少なくとも１つの代替の流れ経路（たとえばバイパス５１０）を有することが有利かもしれない。たとえば、高い排気流速での圧力低下を減らすこと、装置内の温度を調整すること、起動時、非常に低温の条件、または何らかの他の有利な条件で動作することの１つまたは２つ以上を実行するようにバイパス５１０を使用することができる。代替の流れ経路（たとえばバイパス５１０）を図１５Ａに示しているように開口させたり、特定の条件で性能を高めるさまざまな性質のセラミック材料と触媒を収容したりすることができる。代替の経路のバイパスの構成のさらなる例を本明細書で開示している他のＴＥＧ装置の実施形態を参照して説明する。

複数のシャント５０４が単純な形状で、ステンレス鋼被覆銅、銅被覆熱分解黒鉛、または他の任意の適切な材料系など高い熱的および電気的な伝導性を備えている材料（たとえば金属）から容易に製造できることが有利である。装置の動作寿命を通した複数の材料（たとえば複数のシャント５０４）とハニカム５０２との間の良好な熱的な接触が有用であって、そのため、シャント（たとえば金属）の熱膨張係数（ＣＴＥ）がハニカム（たとえばセラミック）のＣＴＥと一致することが有利である。複数のシャント５０４は図１６に示しているようにより複雑にすることができる。 たとえば、複数のシャント５０４を複数のヒートパイプ、合成物、被覆熱分解黒鉛、窒化ホウ素、または任意の他の有用な材料系と形状とにすることができる。その代わりに、複数のシャント５０４をＣＴＥがハニカムの材料に調和しているセラミックで作ることができる。たとえば、シャントをＡｌＮなどのセラミックで作ることができる。さらに、シャント５０４は、金属、サーメット（セラミックと金属の材料からなる合成物）、または他の高熱伝導材料であってもよい。シャント５０４は、図１６の１つまたは２つ以上のタイプＡ、Ｂ、またはＣなどに構成し、挿入部分または他の機能（たとえばリベット、小穴、クリップなど）を含めることができる。図１６に示しているように、複数のシャント５０４は複数のＴＥ素子５０６間の複数の電気接続を実現することができる。

図１６に示しているＴＥ素子は、複数の素子が直列−並列に電気接続されている積層構成である。その代わりに、複数のＴＥ素子を図１７に示しているように直列または直列−並列の配置に従来のように構成することができる。たとえば、図１６に示している低温側シャント５０８と高温側シャント５０４とは複数のＴＥ素子５０６と電気的に通じており、また熱的に通じており、図１７に示している低温側組み立て品５５８と高温側組み立て品５５４は熱的に通じているが電気的には通じていない。さらに、図１７には示していないが、複数の高温側シャント５５４と複数の低温側シャント５５８とは、電気的に通じるようにすることができる。使用可能な複数のＴＥ素子の間の電気接続の構成の例が米国特許明細書第６，９５９，５５５号に記述されており、その全体が参照によって本明細書に援用され、本明細書の一部となる。高温側組み立て品５５４は、図１５Ａ〜Ｂおよび１６を参照して複数の高温側シャント材料として説明されたような熱輸送材料を有することができる。

特定の実施形態において、図１７に示しているように、電気絶縁部分５６０がシャント５５４、５５８と高温側組み立て品と低温側組み立て品の少なくとも一方の間に追加されている。電気絶縁部分５６０は、高い熱伝導性と高い電気抵抗性とを有していることが有利である。複数のシャントが、高温側の組み立て品に良好に熱的に接触して配置されており、排気流の大体の流れの方向において標準的な構成で接続されている複数のＴＥ素子５５６を有している。高温側組み立て品は他の複数の高温側組み立て品と電気的に隔離することができる。同様に、低温側組み立て品は他の低温側組み立て品と電気的に隔離し、冷却流体５６２と複数の低温側シャント５５８に熱的に良好に接触させることができる。特定の実施形態において、電気絶縁部分が低温側組み立て品と高温側組み立て品の少なくとも一方を電気的に隔離するが、高温側と低温側の複数のシャント５５４、５５８は電気的に通じている。

図１８は、本明細書で説明した特定の実施形態による同じパッケージ内の複数のハニカム構造を利用する触媒コンバータの例の有利な構成を示している。図１８において、Ｃ１はＴＥＧ複数の構成要素を組み込むように修正されている従来の構造である。Ｃ１の主な機能は、触媒コンバータとして機能することである。これは、特定の動作条件下でＴＥＧから取り出し可能な熱出力の量を変更したり減少させたりしてもよい。第２のＴＥＧセグメントＣ２は、追加の熱出力を取り出し、したがって電力出力を増加させさらに排気を冷却するように組み込まれている。排気がＣ２を通過することによって効果的に整えられる場合、さらなる処理のために第２の触媒Ｃ３を通過するように適切な状態（たとえば温度）に調整可能である。Ｃ３をＴＥＧ構成要素を有するように示しているが、Ｃ３は装置の動作状態に依存してＴＥＧ構成要素を有していたり有していなかったりしてもよい。Ｃ４を排出流から熱出力をさらに取り出すＴＥＧの最後の段階として示している。Ｃ４は、触媒を有していてもいなくてもよい。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ＴＥＧセグメントの構成の例を示しているが、特定の実施形態においては、より多いまたは少ない数のＴＥＧセグメントを有していてもよい。さらに、前述の複数のＴＥＧセグメントはさまざまな構成に配置することができる。たとえば、構造内に含まれている複数のＴＥＧセグメントの順番と種類とは用途に依存して選択することができる。十分に冷却されている場合、排気の一部を多くの乗り物排気制御装置の一部である排気回収（ＥＧＲ）機能を実行するのに使用してもよい。

図１９は何らかの実施形態が有しているさらなる機能を示している。図１９に示している複数のパラメータ間の関係を利用し、性能を改善するように適切な制御アルゴリズム（たとえばコンピュータ装置のハードウェアとソフトウェア）とハードウェア制御とを使用することによって複数のＴＥＧに一体化することができる。水平軸は、以下で説明するように制御されるＴＥＧの一部を通して流れている電流である。左側の垂直軸はＴＥＧ部分の高温側によって吸収される熱出力である。右側の垂直軸はＴＥＧの一部にわたる電圧である。点ＡはＴＥＧの一部を通過する開路熱流束であって、点Ａ’は対応している開路電圧である。点Ｂ’は電圧が零のときの状態であって、点Ｂは零電圧での対応している熱流束である。これらの両方の条件下で、電流または電圧のいずれかが零であるので、ＴＥＧの電力出力は零である。点Ｃは、電力出力を最大にするような中間電流での高温側熱流束を示している。Ｃは対応する電圧である。図１９は、電流の関数として、熱流束としたがって排出流からのＴＥＧの熱出力の抽出による冷却の量を示している。したがって、ＴＥＧ装置の出口での排出流の温度をＴＥＧを流れる電流を制御することによって限界内で調整することができる。制御装置に電流を反転する、または負電圧を供給する能力がある場合、熱流束をより大きく変化させることができる。ＴＥＧは排気の性質を修正し、それによって装置性能全体を改善する追加の機能を提供することができる。たとえば、図１８のＣ２段階の出口温度を排出制御または他の機能を改善するように調整することができる。図１９に示していない特定の温度と流れの条件の下で、点Ｄを零のいくらか下にすることが可能で、これは熱流束を反転させてＴＥＧが加熱されることを意味する。したがって、ＴＥＧに取り付けられているハニカムまたは他の触媒コンバータが加熱されることになる。したがって、熱的に接続されているＴＥＧに動力を供給することによって活性化するつまり動作温度になる時間を短縮することができる。再生サイクルを動作させることもできる。再生サイクルはＴＥＧがディーゼル粒子フィルタに一体化されている場合に特に有用かもしれない。複数のＴＥ素子をすすを取り除きフィルタを清浄にするように熱をフィルタに供給するために使用することができる。

ＴＥＧは、少なくとも１つの制御部分と少なくとも１つの動力変換器に通じている。動力コントローラは、図１９に関連して前述したモードでの動作時に、ＴＥＧからの電力を所望の電圧と電流との組み合わせに調整し、ＴＥＧに動力を供給するのに有利である。冷却／加熱特性を修正し、制御の目的と前述した機能に関連する任意の他の用途で動力電気出力を修正するそのような１つまたは２つ以上のコントローラと１つまたは２つ以上の動力変換器の動作を本明細書で説明した特定の実施形態に適用することができる。図２０は、本明細書で説明している特定の実施形態によるコントローラレイアウトの例を示し、機能を実現するために使用できる検知機能入力のいくつかを示している。複数の入力は、質量流、圧力、電圧、電流、温度、エンジン回転数、乗り物による時間依存電力使用、エンジン温度、動作状態を含むが、これらには限定されていない。したがって、信号は触媒コンバータと乗り物などの装置全体の動作に対して有用かもしれない外部の信号源の少なくとも一方から入力されてもよい。同様に、有用な場合は、複数の出力信号だけでなく動力を外部の制御部分および他の装置と交換することができる。図２０に示しているように、情報をコントローラと電力変換器の少なくとも一方に伝達する前に信号情報を部分的に処理するようにシグナルプロセッサを使用してもよい。その代わりに、情報を処理せずに１つまたは２つ以上の電力変換器とコントローラのいずれか一方に送信することができる。

本明細書に示している実施形態にはいくつかの利益と利点とがある。以下では特定の実施形態のいくつかの利点を説明する。しかし、以下で説明する全ての特徴は本明細書で説明する全ての実施形態に適用可能ではない。

触媒コンバータと別個のＴＥＧとの間の熱損失は、特定に実施形態においてほとんど無くすことができる。これらの損失は大きくすることが可能で、ＴＥＧ出力の４０％までとすることができる（たとえば、Ｌｉｅｂｌ，Ｊ．、Ｎｅｕｇｅｂａｕｅｒ，Ｓ．、Ｅｄｅｒ，Ａ．、Ｌｉｎｄｅ，Ｍ．、Ｍａｚａｒ，Ｂ．、Ｓｔｕｔｚ，Ｗ．、「Ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｒｏｍ ＢＭＷ ｉｓ Ｍａｋｉｎｇ Ｕｓｅ ｏｆ Ｗａｓｔｅ Ｈｅａｔ（ＢＭＷ製の熱電発電器は排熱を使用する）」、ＭＴＺ、Ｖｏｌｕｍｅ ７０、０４／２００９、ページ４〜１１を参照）。

特定の実施形態のＴＥＧの応答時間ははるかに短くすることが可能で、それは、エンジン暖機時などの移状態でさらに出力を増大させることができる。現在のＴＥＧの出力は遅く、サイクルの終わり近くで限定された利点だけを発揮しているヨーロッパおよび米国標準政府ドライブサイクルにおける性能に対してそのような利点は重大になる可能性がある（たとえば、「ＢＳＳＴ ＬＬＣ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｐｈａｓｅ １ Ｒｅｐｏｒｔ： Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｓｔｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（ＢＳＳＴ ＬＬＣプロジェクト フェーズ１レポート：乗用車用途用の高効率熱電廃エネルギー回収装置）」、６／１／２００５、米国エネルギー省 Ｆｒｅｅｄｏｍ Ｃａｒプログラムを参照。参照によって全体が本明細書に援用され、付録に再掲載する）。

特定の実施形態のＴＥＧは排出流から熱出力を吸収し、排出流を冷却する。冷却の量が適切なコントローラによって管理される場合、より低い温度で動作する第２の触媒コンバータを触媒コンバータパッケージ内に一体化することができる。たとえば、ＮＯ_Ｘ排出制御を主要な炭化水素コンバータ内に追加することができる。

温度管理は、パワートレイン装置の様々な重要な目標を達成するように特定の実施形態において達成することができる。前述のように、温度管理を、ＴＥＧ装置の応答を変更する（たとえば制御する）ことによって排出温度の調整に使用することができる。図１９は、出力電流の関数としてＴＥＧを通した熱伝達の変動を示している。図１９に示している関係を使用して電流を制御することによって、排出流から取り除かれる熱の量は特定の実施形態において制御可能な態様で変化させることができる。したがって、排出の温度は、複数のＮＯ_ｘコンバータなどの下流の複数の構成要素の温度を調整可能な限界内で制御可能である。電流を逆転させた場合、暖機を加速したり、触媒の活性化を加速し制御したり、過熱制御機構を実現したりするなど、温度を大きく調整できるように、熱伝達速度をさらに変更できることが有利である。

図１８に示しているように、前述の排出温度低下を、ディーゼルとガソリンによって動力を発生するエンジンにおいてＥＧＲ装置内の熱交換器を置き換えて、分散させる排出物のすべてまたは制御されている部分を冷却するように特定の実施形態において使用することができる。この機能は、ＥＧＲ装置の全てまたは一部を性能を向上させた触媒コンバータ組み立て品に組み込むことによって、排熱回収電力と排出削減も実現する。

温度制御機能によって、ＴＥＧとランキンサイクル変換器などの第２の排熱回収装置とを有しているより実用的な動作装置を作ることもできる。ＴＥＧは、乗り物の走行に関連している変化する負荷の下で、付属している熱電供給器の性能をより最適化するように、発電と排気温度の制御との両方を行うことができる。

本明細書で説明する特定の実施形態で使用する場合、セラミック（シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、菫青石、アルミナ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン等）は融解したり分解したりせずに高温（＞５００℃）に耐える能力がある。これらの材料、特に商用のセラミックハニカムで使用される材料も、多くの高温用途に関連する熱ショックに耐えるように構成されている。さらに、これらのセラミックの多くは、効果的な熱伝達を実現するように際だった熱伝導性を有している。熱交換器としてハニカムを使用する他の際だった利点は、その非常に広い熱伝達表面領域（平方インチあたり最大９００のセル数（ｃｐｓｉ））であって、それによって効果的な高温熱交換器となっている。

内側にろう付けされている複数のフィンを備えている金属性の熱交換器上に押し出されたセラミックハニカムを使用する特定の実施形態によってもたらされるいくつかの利点がある。複数のフィンをチューブや箱の内側にろう付けするのは高価であって、複数のフィン、シェル、およびろう付け材料の熱膨張係数を適切に一致させるのは困難なことがある。ろう付けの選択およびフィンとシェルの壁との間の該当する接触抵抗の潜在的な温度制限もある。押し出されたセラミックハニカムには、これらの制約のいずれもない。セラミックハニカムは、複数のセルと複数のセル壁との間に関連する接触抵抗が一切無いように、一片として押し出される。セラミックハニカムは熱膨張の心配はないが、これは１つの材料から全体が作られているからである。セラミックハニカムには温度の制限がより少ないが、それはセラミックが１０００℃よりもはるかに高い温度にしばしば耐えることができるからである。セラミックハニカムはろう付けされている熱交換器よりもはるかに安くすることも可能で、押し出し工程は、いったん設定されると非常に安価にすることが可能で、触媒コンバータとディーゼル粒子フィルタとを有しているセラミックハニカムを使用する多くの商用用途が既に存在している。

熱電装置の熱交換器部材としてセラミックハニカムを使用する特定の実施形態によってもたらされる他の際だった利点は、電流がＴＥ材料を通して流れるのを防止するように電気短絡を避ける熱交換器とＴＥ材料との間の電気的な隔離がもたらされる方法である。標準的な熱電装置においては、追加のセラミック基板がこの電気的な隔離のために使用され、装置の重量、コスト、および熱抵抗が増加する。熱交換器が金属である場合、基板の重量、コスト、および熱抵抗の減少を試みるために電気隔離被覆を追加することができるが、高温（たとえば、５００℃以上）において、不十分な接着や熱膨張の不一致による割れやはがれ無しに適切な熱伝達金属表面に効果的に塗布できる電気的に隔離する被覆を見つけることは困難である。さらに、そのような被覆は、熱的に分離されているだけでなく電気的に隔離されていることが多く、ＴＥ材料と熱交換器との間の不十分な熱的な接触の原因となっている。被覆の追加によって、接触抵抗の増加も避けられない。多くのセラミックハニカムには、さらなる電気的な隔離は必要なく、それはセラミックが既に電気的に隔離されているからである。これによって、熱交換器の重量、コスト、熱抵抗が減少し、構成が簡略化される。ＳｉＣのようにセラミックが電気的に完全に隔離されていなくても、より適切な追加の電気的な隔離セラミック被覆を適用することができるが、それはこれがセラミック対セラミックであって、両方の熱膨張係数を同じにできるからである。したがって、複数の熱電素子は熱源に対して、より直接的に接続することができる。

本明細書で開示したさまざまな実施形態の説明は図に示している実施形態に概ね従っている。しかし、本明細書で説明した任意の実施形態の特定の機能、構造、または特徴を、明示的に図示したり説明したりしていない１つまたは２つ以上の独立している実施形態において任意の適切な態様で組み合わせることが考えられる。たとえば、当然、ＴＥＧを任意の動力装置の排出流または排出流以外の熱源に接続することができる。ＴＥＧを組み込んでいる装置は、本明細書で開示している機能に加えて１つまたは２つ以上の制御装置、１つまたは２つ以上の他の発電器、および他の機能を有することができる。多くの場合、一体であるまたは連続しているとして説明または図示している構造は、一体の構造の１つまたは２つ以上の機能を依然として実施しながら、分離することができる。多くの場合、分離しているとして説明または図示している複数の構造は、分離されている構造の１つまたは２つ以上の機能を依然として実施しながら、結合したり組み合わせたりすることができる。

当然、実施形態の前述の説明において、様々な機能は、開示を簡略化し、１つまたは２つ以上の様々な新規の態様の理解を助ける目的で、１つの実施形態、その図、または説明において１つにグループ化されている。しかし、開示のこの方法は、任意の請求項がその請求項に明示的に示されている機能よりも多くの機能を必要としているという意向を反映していると解釈すべきではない。さらに、本明細書の特定の実施形態において示したか説明したかの少なくとも一方の任意の構成要素、機能、またはステップを任意の１つまたは２つ以上の実施形態に適用したり使用したりすることができる。したがって、本明細書で開示した本発明の範囲は、前述した特定の実施形態によって限定されるべきではなく、以下の請求項を公平に読むことによってのみ判断すべきであることが意図されている。

関連出願
本出願は、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ． §１１９（ｅ）の下で「ＷＡＳＴＥ ＨＥＡＴ ＲＥＣＯＶＥＲＹ ＳＹＳＴＥＭ（排熱回収装置）」という名称の２００９年７月２４日に提出された米国仮特許出願第６１／２２８、５２８号と、「ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ ＳＹＳＴＥＭＳ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＷＩＴＨ ＨＥＡＴ ＥＸＣＨＡＮＧＥＲ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ（熱交換器構造に組み込まれている熱電系統）」という名称の２０１０年８月２８日に提出された米国仮特許出願第６１／３２８，９５８号の便益を主張する。前述の出願の各々の全内容は、参照によって本明細書に援用され、本明細書の一部になる。

Claims (17)

1. 排出流体の流れを収容するように構成されている湾曲している外側のシェルを有している少なくとも１つの排出チューブと、
   少なくとも１つの前記排出チューブの第１の領域を通して延びており、前記湾曲している外側のシェルと熱的に通じている少なくとも第１の熱交換器と、
   少なくとも１つの前記排出チューブを通して延びており、排出流体圧力の低下が少ない少なくとも１つの前記排出チューブの第２の領域と、
   前記第２の領域に動作するように配置されており、背圧が許容可能な限界を超えるほど前記排出流体の流速が十分に大きくなった時にだけ前記排出流体が前記第２の領域を通して流れることができるように構成されている少なくとも１つの排出弁と、
   前記湾曲している外側シェルの外側表面に熱的に通じており、排熱回収装置の動作中の少なくとも１つの前記排出チューブの熱膨張に対応するように構成されている少なくとも１つの熱電素子と、
   を有する、発電装置。
2. 少なくとも１つの前記熱電素子と熱的に通じており、互いに熱的に通じている内側のチューブと外側のチューブとを有している少なくとも１つの冷却剤コンジットをさらに有し、前記外側のチューブは前記内側のチューブよりも直径が大きく、前記湾曲している外側のシェルと前記冷却剤コンジットとの間の熱膨張による寸法の変化に対応するように構成されている複数の膨脹結合部分を有している、請求項１に記載の発電装置。
3. 少なくとも１つの前記排出チューブは複数の膨脹結合部分なしに熱膨張による寸法変化に対応している、請求項１に記載の発電装置。
4. 前記湾曲している外側のシェルと少なくとも１つの前記熱電素子とに実質的に熱的に通じており、少なくとも１つの前記熱電素子に前記湾曲している外側のシェルとは平行ではない表面の位置で接続している少なくとも１つの部分有している少なくとも１つの高温側シャントをさらに有する、請求項１に記載の発電装置。
5. 排出流体の流れ収容するように構成されており、排熱回収装置の動作時に、高温の端部と、前記高温の端部の反対の低温の端部と、前記高温の端部と前記低温の端部との間の中間の部分と有している少なくとも１つの排出チューブと、
   前記高温の端部に接続されている複数の第１の熱電素子と、
   前記中間の部分に接続されている複数の第２の熱電素子と、
   前記低温の端部に接続されている複数の第３の熱電素子と、
   を有し、
   複数の前記第２の熱電素子は複数の前記第３の熱電素子よりも長く、
   複数の前記第１の熱電素子は複数の前記第２の熱電素子よりも長い、
   発電装置。
6. 複数の前記第１の熱電素子の前記長さは、複数の前記第３の熱電素子の長さの約２倍以上である、請求項５に記載の発電装置。
7. 排出流体の流れを収容するように構成されている少なくとも１つの湾曲している排出チューブと、
   少なくとも１つの前記排出チューブを通して延びており、排出流体圧力低下が少ない少なくとも１つのバイパス領域と、
   第１のチューブ内の冷却剤の流れを収容するように構成されており、前記第１のチューブの少なくとも一部を囲んでいる第２のチューブと、前記第１のチューブと前記第２のチューブとの間に配置されている伝導性材料系統とを有している少なくとも１つの冷却剤コンジットと、
   少なくとも１つの前記排出チューブから延びている少なくとも第１のシャントと、
   少なくとも１つの前記冷却剤コンジットから延びており、前記第２のチューブに熱的に通じている少なくとも第２のシャントと、
   前記第１のシャントと前記第２のシャントとの間に熱的に接続されている少なくとも１つの熱電素子と、
   を有する、発電装置。
8. 前記第１のシャントは少なくとも１つの前記排出チューブの周囲を円周に沿って延びている少なくとも１つのバンドによって少なくとも１つの前記排出チューブに当てて保持されている、請求項７に記載の発電装置。
9. 前記排出チューブのシェルは伝導性材料を有しており、絶縁部分が少なくとも１つの前記バンドと前記排出チューブの前記シェルとの間に配置されている、請求項８に記載の発電装置。
10. 複数の熱電素子と、
    複数の前記熱電素子の少なくとも１つに熱的に通じている少なくとも１つのより低温側のシャントと少なくとも１つのより高温側のシャントと、
    少なくとも１つの前記より高温側のシャントとつながっており物理的に一体の少なくとも１つの熱交換器と、
    を有し、少なくとも１つの前記熱交換器は少なくとも１つの前記熱電素子から実質的に電気的に隔離されている、熱電系統。
11. 少なくとも１つの前記より高温側のシャントは少なくとも１つの前記熱交換器に物理的に結合されている、請求項１に記載の熱電系統。
12. 少なくとも１つの前記熱交換器は、加熱または着火を遅らせる導管または他の複数の構成要素から失われる冷却力、加熱力、または複数の前記熱電素子の発電が減少するように、複数の前記熱電素子の物理的に近接している、請求項１に記載の熱電系統。
13. 少なくとも１つの前記より高温側のシャントは、前記熱交換器内に延びている、請求項１に記載の熱電系統。
14. 少なくとも１つの前記熱交換器はハニカム構造を有している、請求項１に記載の熱電系統。
15. 少なくとも１つの作動媒体と少なくとも１つの前記熱交換器との間の熱伝達を減少させるように構成されている少なくとも１つの代替の流れ経路をさらに有する、請求項１に記載の熱電系統。
16. 触媒コンバータであって、
    請求項１に記載の複数の熱電系統と、
    複数の前記熱電系統の各々を個別に制御するように構成されている少なくとも１つのコントローラと、
    少なくとも１つの前記コントローラと通信しており、該触媒コンバータの少なくとも１つの動作パラメータを計測するように構成されている少なくとも１つのセンサと、
    を有し、少なくとも１つの前記コントローラは少なくとも１つの前記動作パラメータに応答して複数の前記熱電系統に送られる電力を調整する、触媒コンバータ。
17. 少なくとも１つの熱交換器と、
    少なくとも１つの前記熱交換器に物理的に一体化されている少なくとも１つの燃焼器と、
    少なくとも１つの前記熱交換器に物理的に一体化されており熱的に通じている少なくとも１つのより高温側のシャントと、
    少なくとも１つのより低温側のシャントと、
    少なくとも１つの前記より高温側のシャントと少なくとも１つの前記より低温側のシャントとの間に挟まれている少なくとも１つの熱電素子と、
    を有し、少なくとも１つの前記熱交換器は少なくとも１つの前記熱電素子から実質的に電気的に隔離されている、熱電発電器。