JP4891318B2 - 中間ループを備えた熱電発電機 - Google Patents

Description

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

連邦政府が支援する研究開発に関する説明
米国政府は、米国エネルギー省によって与えられる契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０４ＮＴ４２２７９に基づき、この発明またはこの発明の部分において一定の権利を有することを主張し得る。

発明の背景
発明の分野
この出願は、熱電発電分野に関し、より特定的には、特に熱電素子を横切る温度の差に関するシステムに制限がある状況で熱電素子からの発電を向上させるためのシステムに関する。

関連技術の説明
熱電素子は、電流が通ると一方側で低温、反対側で高温になるよう動作する固体装置である。熱電素子は、熱電素子を横切る温度の差を維持することによっても発電することができる。しかしながら、多くの動作条件下で、熱電発電機は、熱流束の変化、高温側の熱源の温度、低温側の温度、および他の多様な条件の組合せに晒される。さらに、ＴＥ熱伝導係数、性能指数Ｚ、熱交換器性能などの装置の性質にはすべて、一般に、装置性能を減じるように結合し得る範囲がある。その結果、性能が変動し、予め定められた設定点での動作が、設計と比較して性能劣化に至る場合がある。

１００％効率的でない、エネルギを消費するいかなるプロセスも、しばしば熱の形で廃エネルギを発生する。たとえば、エンジンは、エンジン内の非能率を示す、相当量の廃熱を発生する。自動車のエンジンなどあらゆる種類のエンジンの効率を向上させるために、この廃熱のいくらかを捕えて利用するためのさまざまな試みが考えられてきた。自動車の排気システムに熱電素子を配置することが考慮されている（予熱を備えた熱電触媒発電機（Thermoelectric Catalytic Power Generator with Preheat）と題された米国特許番号第６，９８６，２４７号を参照）。しかしながら、排気システムの温度および熱流束は大きく変動する。したがって、熱電発電機が典型的に狭い範囲の高温側温度で有効に作動するように設計されているので、熱電発電機の高温側に排気を用いると、最適な状態にはならない。さらに、エンジンシステムにリンクされた熱電発電機のための論理的な低温側冷却液は、既に与えられているエンジン冷却液である。しかしながら、効率的なエンジン動作のためには相当に高い温度で冷却液を維持する必要がある。したがって、既存の冷却液を用いることは、熱電発電機にわたって確立され得る温度勾配を制限し、それによって、有効な廃熱回収を制限する。

発明の概要
廃熱からの熱電（ＴＥ）発電は、過去には多くの理由で障害があった。記載される発明
はこれらの過失のいくつかに対処し、ＴＥ発電機の性能を大きく向上させる。この向上は、低温側、高温側、またはその両方に中間ループを与えることにより一般に得られ、１つの実施例においては中間ループ（複数可）に高度な制御を与えることによる。自動車エンジンから発生される廃熱は変動性が大きいので、この発明は、熱電源として自動車のエンジンからの廃熱を用いた熱電発電システムのコンテキストで示される。この例は、この発明の特徴を有効に開示することができる。しかしながら、この発明は、自動車用またはエンジン用の熱電発電機にさえ限定されない。この発明は、いかなる熱電発電システムにおいても用途を有する。

熱電素子を用いて廃熱回収システムの性能を有効に最大限にするためには、熱電発電機モジュール（ＴＧＭ）を横切る最大の温度差を維持することが一般には理想的である。そのための１つの方法は、高温側の温度を可能な限り高く保つことである。別の方法は、低温側の温度をより一層制御することである。高温側、低温側またはその両方について中間熱伝達ループを用い、そのループに適切な制御を用いることにより、電力生成および／または効率性に対して著しい向上が得られる。

過去には（米国特許番号第６，９８６，２４７号を参照）、ＴＥモジュールは、自動車の排気システムなどの高温流体を運ぶパイプまたはチューブのまわりのライニングとして提案されてきた。これは、高温流体とＴＥ材料との間に密な接触をもたらし、ＴＥ材料を横切る温度の差およびＴＥ材料の高温側の温度を最大限にするのに望ましい。高温流体の流量および温度が変らない静的システムには好適か、または最適でさえあり得る。ＴＥ要素は、高温流体の流量との完全なインピーダンス整合をもたらすよう設計され得る。このインピーダンス整合は重要である。なぜならば要素のジオメトリがＴＥ要素を通して有効に伝達され得る熱量に大きく影響し得るからである。静的システムについては、熱電システムは、設計者が許容できる最大効率もしくは最大電力出力または組合せにおける、定常状態動作のために設計されることができる。

しかしながら、エンジンによって駆動される自動車の場合など、温度および熱流束の範囲が大きく変動するような場合、一旦システムが動的になれば、特定の条件のために設計された熱電発電システムはその容量のほんの一部しか生成することができず、または一定の動作条件下では負になることさえある。この発明では、低温側、高温側またはその両方において別個の熱伝達ループを与えてそのような１以上のループに適切な制御を与えることによって本質的な向上が得られ、このようなシステムが実際の使用において実現可能になる。

この発明の１つの局面は熱電発電システムを含む。このシステムは、少なくとも１つの低温側と少なくとも１つの高温側との間に温度勾配が存在するときに電気を生成するよう構成される、前記少なくとも１つの低温側および前記少なくとも１つの高温側を備えた熱電素子を有する熱電発電機を有する。中間熱伝達ループは、前記少なくとも１つの高温側と熱的に連通し、かつ少なくとも１つの主熱源と熱的に連通する。コントローラは、前記中間熱伝達ループにおける流量制御装置と通信し、少なくとも１つの主熱源に起因する熱の変化に応答して中間熱伝達ループにおける熱流を制御するよう適合される。

１つの実施例では、システムはさらに蓄熱部を含む。蓄熱部は、主熱源に関連付けられるか、または中間ループおよび主熱源の両方に関連付けられて、中間ループにあってもよい。有利には、中間熱伝達ループと主熱源との間の熱交換器が、主熱源から中間熱伝達ループへの熱出力の動きを容易にする。好ましくは、熱交換器バイパスはコントローラを介して制御可能であって、主熱源からの熱および熱電素子の容量に依存して、主熱源からの熱のいくらかまたはすべてが熱交換器を迂回するようにする。

この発明の別の局面は、主熱源用の熱電発電システムを含む。熱電発電機は、少なくとも１つの低温側と少なくとも１つの高温側とにわたって温度勾配が存在するときに発電するよう構成される、前記少なくとも１つの低温側および前記少なくとも１つの高温側を備えた熱電素子を有する。中間熱伝達ループは、好ましくは、前記少なくとも１つの低温側と熱的に連通し、かつ少なくとも１つの熱放散装置と熱的に連通する。好ましくは、熱放散装置は主熱源と分離している。前記中間熱伝達ループにおいて流量制御装置と通信するコントローラは、熱電素子および／または主熱源からの熱出力の動作条件の変化に応答して中間熱伝達ループにおける熱流を制御するよう適合される。

１つの実施例では、熱源は主冷却液システムを有するエンジンである。好ましくは、中間熱伝達ループは、エンジンの主冷却液システムに熱的に連結可能であることができ、その結果、エンジン暖機運転中に、熱電素子から中間熱伝達ループへと伝達された熱がさらにエンジン用主冷却システムに伝達され、それによってエンジンの暖機運転時間を減じる。さらに、熱交換器は中間熱伝達ループと主熱源との間に与えられると有利であり、コントローラを介して制御可能な熱交換器バイパスを任意で備え、主熱源からの熱のいくらかまたはすべてが熱交換器を迂回するようにする。

この発明のさらに別の局面は、少なくとも１つの低温側と少なくとも１つの高温側との間に温度勾配が存在するときに発電するよう構成される、前記少なくとも１つの低温側および前記少なくとも１つの高温側を備えた熱電素子を有する熱電発電機を用いて、主熱源からの廃熱から発電する方法を含む。この方法は、中間熱伝達ループが熱放散装置と熱的に連通している場合、主熱源から中間熱伝達ループへと熱を伝達することを含む。熱流は、主熱源の動作条件の変化に応答して中間熱伝達ループにおいて制御される。

１つの実施例では、熱源は主冷却液システムを有するエンジンである。この実施例では、好ましくは、中間熱伝達ループはエンジンの主冷却液システムに熱的に連結可能であり得る。それによって、エンジン暖機運転中に、熱が伝達され、熱電素子から中間熱伝達ループへ、さらにエンジン用の主冷却液システムへと伝達し、それによって、エンジンの暖機運転時間を減じる。

１つの実施例では、主熱源から中間ループへの熱流は、主熱源の熱流束の変化および熱電発電機の容量に基いて制御される。

この発明のさらなる局面および特徴は下記の説明に関連して以下に開示される。

好ましい実施例の詳細な説明
自動車の廃熱回収がこの発明の例として用いられる。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、発電増大および他の用途の性能を向上させるよう適用できる。さらなる例として、この発明は、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、ならびに、車、トラック、バス、列車、航空機および他の車両の他の源における廃熱を利用するために、用いることができる。同様に、化学プロセス、ガラス製造、セメント製造および他の工業プロセスからの廃熱を利用することができる。廃熱の他の源、たとえばバイオ廃棄物、ごみ焼却、廃棄物集積場からの燃えかす、油井の燃えかすを用いることができる。電力は、太陽熱源、核熱源、地熱源、および他の熱源から生成することができる。ポータブル、予備、スタンバイ、緊急、遠隔、個人用、および他の発電装置も、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、燃料電池リフォーマ、核燃焼器、内燃器、外燃器、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。本願明細書の任意の実施例に記載されたＴＥモジュールの数は全く重要で
はなく、この発明を例示するためだけに選択されていることも理解されるべきである。

この発明は、説明的かつ例示的な目的で例および特定の実施例を用いて紹介されている。例は、所望の向上を達成するためにいかに多様な構成を使用することができるか示すために提示されるが、特定の実施例は例示のみであって、提示された発明をいかなる意味でも限定するようには意図されない。本願明細書に用いられるような熱電素子または熱電要素という用語は、要素の集合または要素のアレイおよび個々の熱電要素も意味し得ることにも注意されるべきである。さらに、熱電素子という用語は限定的ではなく、熱イオンならびに他のすべての固体冷却および加熱装置を含むように用いられる。さらに、高温およびクールまたは低温といった用語は互いに相対的であり、室温などに対する特定の温度を表示するものではない。最後に、作業流体という用語は単一の流体に限定されず、１つ以上の作業流体を指すことができる。

低温側中間ループ
熱電発電機モジュール（ＴＧＭ）が露出される低温側の温度はしばしば低温側ループによって制御される。エンジンのコンテキストでは、この低温側ループは、従来の車両ラジエータ冷却液ループ、スタンドアロンの冷却液ループ、熱放散器、または両方の組合せであり得る。ラジエータ冷却ループは、それが既に利用可能であるという利点を有する。付加的な設計作業はほとんど必要ではない。冷却液ループの容量は、ＴＧＭを通して伝達された廃熱からこのループに廃棄される付加的な熱を扱うのに十分であればよい。

従来のラジエータにおいて温度はおよそ８０℃−１１０℃で維持される。これらの温度は、最適なエンジン性能および十分なファンのサイズに基いて確立されている。ＴＧＭシステムからの付加的な廃熱を起動中にラジエータ冷却液ループに廃棄することによって、エンジンおよび触媒コンバータの暖機運転速度が増大するので、燃料消費量および排出の相当な減少を達成することができる。ラジエータ冷却主システムにおける付加的な廃熱はまた、エンジンオイルおよび他のエンジン潤滑流体などの他の車両流体の暖機運転時間の改善とともに、寒冷気候における客室の暖機運転がさらに高速であるという利益を有する。これらは、ＴＧＭの低温側を維持するために従来のラジエータ冷却液ループを用いることの正の効果である。

しかしながら、ＴＧＭのために低温側ヒートシンクとしてラジエータを用いることは、エンジン効率に悪影響を及ぼさずに低温側の温度を８０Ｃより下に減じる能力を制限する。したがって、この発明の１つの局面によれば、ＴＧＭの低温側のための中間またはスタンドアロンの冷却ループは、低温側の温度を低減する可能性がある。これにより、ＴＧＭを横切る温度の差の増加が可能になる。この中間冷却ループのための冷却は、付加的なファンまたは表面積がさらに大きいヒートシンクによって与えられ得る。１つの実施例では、車両の主なシャーシが大きなヒートシンクをもたらすことができる。

別の実施例では、中間ループは起動中に主な冷却液ラジエータと結合され、または熱的に連通し、残りの動作については切り離されている。これはより高速の暖機運転時間を可能にしつつ、ＴＧＭの低温側冷却システムの有益な効果を最大限にすることができる。下記に記載の実施例はこれらの特徴を組込んでいる。

図１は、熱電発電機モジュール用の熱電源としてのエンジンまたは他の熱源からの廃熱を利用するコンテキストにおいて、熱電発電システム１００の１つの実施例を概略的に示す。熱電発電システム１００は、熱電発電機モジュール（ＴＧＭ）１０１と、補助ラジエータ１０４などの、当該技術で公知の任意の空気−液体熱交換器である補助冷却器と、補助低温側作業流体ループ１１８と、補助ポンプまたは他の当該技術で公知の、流体の流量を制御する他の装置１２１と、補助低温側作業（熱伝達）流体１１４と、バイパス１２０
と、排気、過熱蒸気、または任意の熱源などの高温側作業流体１０７とを有する。熱が排気から得られる場合、高温側作業流体１０７も別個の高温側熱伝達ループにおける補助熱伝達流体であってもよい。この補助熱伝達流体は、図３に関連してさらに説明される。補助低温側熱伝達流体１１４は、液体金属またはＮａＫなどの液体または融解塩であってもよい。それはさらに、エチレングリコール／水、もしくはダウ社製品、または当該技術に公知の他の有利な熱伝達流体であってもよい。それはまた、過熱され、もしくは飽和した蒸気または別の種類の二相流体であってもよい。補助低温側熱伝達流体１１４は、ヘリウム、水素、空気もしくは二酸化炭素などの気体、またはポンプ損失を減じるために大気圧より上で作動することができる任意の他の高熱伝達気体であってもよい。ＴＧＭ１０１は、熱的分離を利用する効率のよい熱電素子（Efficiency Thermoelectrics Utilizing Thermal Isolation）と題された米国特許番号第６，５３９，７２９号に記載されるように、高温および低温側熱交換器と、ＴＥ要素と、ＴＥ要素の間の電気コネクタ（示されない）とを含み、作業流体の流れの方向に熱的分離を好ましくは組込み、この特許は引用により本願明細書に援用される。ＴＧＭ３０４のＴＥ要素は熱的に分離され得る高度な高電力密度設計か、または当該技術に公知の標準的な熱電モジュールで作ることができる。

熱電発電システム１００は、熱交換器（ｈｅｘ）１０９を介して、エンジンまたは任意の他の熱源１０２のための冷却システムに低温側で結合され、このシステムは、主ラジエータ１０３、第１のバイパス１０５、第２のバイパス１１９、サーモスタットまたはバルブまたは他の当該技術で公知の流体制御機構１０６、ラジエータバルブまたは他の当該技術で公知の流体制御機構１１２、主冷却液１１３、および主ポンプ１０８を有する。エンジン１０２の冷却システムへのこの接続は任意である。相互接続を与えることによって、エンジン暖機運転中に、エンジン、客室などに対し、さらに高速の暖機運転時間を達成することができる。次に、中間低温側作業流体ループ１１８がエンジン冷却システムから完全に結合解除されてもよく、エンジン用冷却液システムについての動作上の制限によって限定されずに、中間低温側熱伝達ループというこの発明の利点を与え得ることが認識される。

コントローラ１５０は動作をモニタし、制御する。システムをモニタするためにいくつかのセンサが戦略的に配置されると有利である。これらのセンサは好ましくは温度および／または流量センサである。次いで、コントローラは、ポンプ１０８、１２１、およびバルブ１１０、１１２などの制御機構と通信する。示された特定の接続は単に例示であって、センサおよび制御接続はシステム設計に適切に与えられる。

定常状態動作中、主冷却液１１３は、主ポンプ１０８を用いて、主冷却液ループ１１７を通って循環する。主冷却液１１３は、主ラジエータ１０３を通り抜けて気流１１６によって冷却された後、エンジン１０２に戻される。気流１１６は典型的なクロスフロー熱交換器において主ラジエータ１０３にわたって流れるラムまたはファン空気であり得る。これが車両冷却システムの標準動作である。車両の起動時、サーモスタット１０６が、主低温流１１３が主ラジエータ１０３を通るのを、これをバイパス１０５を通してエンジン１０２に戻るよう導くことによって妨げることも標準的である。これにより、主冷却液１１３およびしたがってエンジン１０２が、より速く暖機運転されることが可能になる。エンジンは、一旦暖まればより高い効率で動くように設計されている。さらに、車両の排気システムにおける、有害な排出を減少させるのを助ける触媒コンバータは、その内部温度がその内部触媒のための特定の「ライトオフ」温度に達するまで有効にならない。したがって、エンジンをより速く暖機運転することにより排出物を減少させて車両燃料経済性を増大させることが可能である。

熱電発電機モジュール（ＴＧＭ）１０１は、車両の廃熱から発電する熱電発電システム１００における構成要素である。ＴＧＭ１０１は、その低温側の温度が可能な限り低く保
たれると、より効率的に動作することができる。主冷却液１１３は、エンジンが適切に動作することを可能にするためには８０−１１０Ｃで動作しなければならない。これは、外部の周囲温度にかかわらない。ＴＧＭ１０１は、これよりも低い低温側温度でより有効に動作する。したがって、ＴＧＭ１０１は、補助ラジエータ１０４を用いて補助低温側熱伝達ループ１１８に接続される。補助熱伝達流体１１４は補助ラジエータ１０４を通してポンプ送りされ、補助ポンプ１２１でＴＧＭ１０１に戻る。ラムまたはファン空気であり得る気流１１５は、クロスフロー熱交換器であってもよい補助ラジエータ１０４にわたって流れ、補助低温側作業流体１１４から熱を取除く。補助冷却液１１４はここで主冷却液１１３から独立し、したがって別個のポンプによって制御されて、周囲温度に近い温度で維持されることができる。

１つの実施例では、駆動サイクル中の性能を最大限にし、可能な限り廃熱を利用するために、主冷却液ループ１１７および補助冷却ループ１１８が任意の熱交換器１０９を用いて接続される。車両起動中に、バルブ１１２が開いて主冷却液１１３が熱交換器１０９を通して流れることを可能にする。バルブ１１０も補助冷却液１１４が熱交換器１０９を通して流れることを可能にし、補助冷却流体１１４に蓄積された廃熱をＴＧＭ１０１から主冷却液１１３へと伝達する。これにより、エンジンおよび触媒コンバータがより速く暖まることを可能にし、上述の利点を与える。熱交換器１０９が２つの冷却ループ１１７、１１８を単純に相互連結することができ、または主冷却液１１３と補助冷却液１１４との間の熱伝達を容易にする熱交換器であり得ることが理解される。

一旦エンジン１０２が動作温度に達して、触媒コンバータ（示されない）が「ライトオフ」温度に達したならば、主冷却液ループ１１７内にあり得るセンサ（示されない）、中間冷却液ループ１１８、エンジン１０２、および触媒コンバータ（示されない）がコントローラ１５０にこの情報を伝える。次いで、コントローラ１５０はバルブ１１０および１１２を閉じ、主冷却液１１３および補助熱伝達流体１１４が熱交換器１０９を通り抜けるのを防ぐ。この実施例では、これは有効に２つのシステムを分離する。コントローラ１５０は、さらに両方の補助ポンプ１２１および／または主ポンプ１０８のポンプ速度を制御してもよい。主冷却液１１３はバイパス１１９を通って循環し、補助冷却流体はバイパス１２０を通って進む。主冷却液ループ１１７はある温度で動作することができ、補助熱伝達ループ１１８は別の温度、好ましくより低い温度で動作することができる。ＴＧＭ１０１の高温側に熱と高温とを与えるために、高温側流体１０７がＴＧＭ１０１を通して流れる。

簡潔に上述したように、高温側流体１０７はエンジン１０２からの排気でもよく、または好ましい実施例においてさらに本願明細書で説明されるように別個の高温側熱伝達流体でもよい。主ポンプ１０８は、補助ポンプ１２１の装置と類似または異なる装置であってもよい。同様に、主バルブ１１２は補助バルブ１１０と類似でも異なっていてもよい。主ラジエータ１０３は補助ラジエータ１０４と類似でも異なっていてもよい。主冷却液流体１１３は補助冷却液１１４と類似でも異なっていてもよい。

図２は、熱電発電システム２００の別の実施例を示し、それは図１の実施例のシステムに多くの点において類似する。車のエンジンなどのエンジン１０２が熱源を与える。エンジン１０２はラジエータ１０３を用いた冷却システムを有する。別個の中間低温側ループは、補助ラジエータ１０４の代りに熱放散器２０４を用い、気流１１５が取除かれる（図１）。

熱放散器２０４は任意の他の種類の熱交換器を代表する。たとえばそれは車両のシャーシでありえる。補助低温側作業流体２１４が補助ラジエータ１０４を通して流れたように（図１）、補助冷却流体２１１もまた熱放散器２０４を通して流れる。図１で補助ラジエ
ータ１０４によって提示された、より小型の熱伝達表面積および強制された空気対流とは反対に、この実施例における熱伝達機構は、大きな表面積および対流によって好ましくは支配される。

高温側中間ループ
低温側中間ループにおけるように、この発明は、ＴＧＭの高温側の中間制御ループを通した動的システムのための潜在的なインピーダンス不整合にも同様に対処する。この実施例では、低温側中間ループのように、流体の流量および温度が一層よく調整されることができて整合し、それが動作条件の動的な設定について最大電力出力および／または向上した効率を与える必要があった。したがって、発電機の性能はより広範囲の動作条件にわたって最適に近くなる。

中間ループでの流量を制御する能力は、従来の設計で提案されたシステムにおいては不可能な場合に、ＴＥ要素にわたる熱流束を制御する。さらにそれは、（米国特許番号第６，５３９，７２９号に記載されたような）流れの方向における熱的分離などの、より最適な熱力学サイクルが実現されることを可能にする。

熱質量も中間ループに与えることができ、高熱流束期に熱エネルギを蓄積して低熱流束期にエネルギを解放することにより、発電機システムの電力出力が動的サイクル全体においてより一定であるようにするのに十分である。ポンプ速度の制御もまた、より一定した電力レベルを与えることを助けることができる。高度に動的な条件範囲にわたって一定の熱電力レベルを与えるこの能力により、電力変換および発電機システムの制御を極めて単純化することができる。

中間ループを組込むことによって、ＴＥ発電機は、しばしば厳しい条件下で動作している高温側システムから分離されることもできる。これは多くの場合に、特に１つのシステムにメンテナンスが必要だが別のシステムを妨害するのは望ましくない場合において、望ましい。たとえば、中間ループは、ＴＥ発電機システムのＴＥ部分が別個の密閉されたパッケージ内に包含されることを可能にする。これによりさらに、ＴＥ材料のより容易な再循環が可能になり得る。

中間ループは、主熱源よりも良好な熱伝達流体を選ぶ能力をも与える。中間ループ流体が一次高温流体（例えばエンジン排気）よりも良好な熱伝達特性を有して選ばれた場合、熱電発電機モジュール（ＴＧＭ）はより小さく構築することができる。この小型サイズは装置の頑丈さを向上させ、サイズ、重量およびコストが重要となる用途に適合させることができる。

中間ループはまた、露出される温度範囲全体にわたって安定するよう、作業流体が選択されることを可能にする。熱伝達関連の優れた熱力学的性質を有する作業流体は、付加的なループに関連付けられる熱損失の量を最小限にする。制御ループを通って流体を動かすことに関連付けられるポンプ損失は、ＴＧＭによって発生した電力を相殺しないように、小さくなければならない。

中間ループを有することによって、熱伝達作業流体の可能な配列は大きく拡張される。ガリウムおよびＮａＫなどの液体金属は優れた熱力学的性質を有し、広い温度範囲にわたって安定した液体である。液体としては、それらは、さらにポンプ損失を最小限に保つのを助ける。しかしながら、それらはさまざまな異なる材料とは極めて不十分な材料適合性しかなく、したがって、この用途に対しては必ずしも良い選択とはならない。しかし、中間ループの存在は、可能な作業流体においてこのような流体を考慮する選択肢を与える。

ダウなどの会社が製造する他の考えられる熱伝達液体は、ある温度にわたっては安定したままではない。シリコーン液体でさえ４００℃を越えると不安定になる。

この用途については、広い温度範囲にわたって安定したままである流体は一般に気体である。水素およびヘリウムなどの気体は優れた熱力学的性質を有する。不都合なことに水素は高度に可燃性の流体で、特に高温では材料を脆くしかねない。しかしながらヘリウムは不活性であり、したがって優れた材料適合性を有する。水と比較した場合に優れた熱力学的性質を有する。いくつかの点ではグリコール水溶液よりも良好な熱力学的性質を有する。その主な欠点はその密度である。極めて軽い気体なので、大気圧では、ヘリウムについてはポンプ損失が高い。しかしながら、これらのポンプ損失は、流体の作業圧を上げるとともにより重い少量の流体とヘリウムとを混合することにより最小限にすることができる。このような１つの流体はキセノンであり、キセノンもまた不活性気体であってヘリウムよりも実質的に重い。キセノンは良好な熱力学的性質を有しておらず、ヘリウムよりも高価であり得る。したがって、１つの実施例では、用いられるキセノンの量は最小限にされる。

作業流体としては他の気体の可能性がある。これらはＣＯ₂および空気を含む。これらの気体は両方ともヘリウムよりも重く、したがってキセノンを追加する必要はないが、より不良な熱力学的性質を有する。

図３は、中間ループ制御部３１１を備えた発電機システム３００の第１の実施例を示す。車両排気ガス、過熱蒸気またはいかなる熱源でもあり得る主高温流体３０１は、一次熱交換器（ＰＨＸ）３０３を通して流れる。ＰＨＸ３０３は、シェルおよびチューブまたは当該技術に公知の種類の他の熱交換器であり得る。主高温流体３０１の温度または質量流量が予め設定された限度を越えると、３方弁３０８または当該技術に公知の流れを方向付ける他の装置が開かれることができ、その結果、流れはＰＨＸ３０３を通してではなくバイパス３０７を通して導かれる。

好ましくは、制御システムは、システムが実際的かつ有効に作動するように、温度および中央システム用コントローラ３５０をモニタし、かつバルブ３０８を適正レベルに調整する。これは、熱電発電機モジュール（ＴＧＭ）３０４の熱電気の（ＴＥ）材料を過熱から保護するのを助ける。エンジンの例では、これは（たとえば排気における）主高温側ループ３０９における、自動車の場合には車両のエンジンの性能に悪影響を及ぼしかねない過度の背圧を防ぐためにも用いることができる。好ましくは、バイパス３０７は、それが性能を向上させるか、または他の何らかの所望の結果を達成する場合、主高温流体（いくらかの少量の部分または事実上流体のすべて）をＰＨＸ３０３のまわりに、かつ主高温側ループ３０９に戻すように送る。したがって、バルブ３０８は、コントローラ３５０の制御下で、部分的な流れがＰＨＸ３０３を通り、かつ部分的な流れがバイパス３０７を通ることを可能にする。好ましくは、コントローラ３５０は、少なくとも高温流体３０１、中間ループ流体３０２および低温側作業流体３０５のためのセンサを有する。１つの実施例では、コントローラセンサは少なくとも温度、および恐らくは流体の流量を検出する。さらに、コントローラ３５０は、好ましくはバルブ３０８およびポンプ３０６に制御を与え、流量を制御してバルブを通る流量を適切に均衡させる。

この実施例では、熱は主高温流体３０１から、中間ループ高温側作業流体３０２に一次熱交換器ＰＨＸ３０３を介して伝達される。１つの実施例では、中間ループ高温側作業流体３０２は、液体金属またはＮａＫなどの液体または融解塩であり得る。それはまた、ダウ社製の流体などの高温熱伝達流体であり得る。中間流体３０２は過熱され、もしくは飽和した蒸気または別の種類の二相流体であってもよい。中間流体３０２は、ヘリウム、水素、空気もしくは二酸化炭素などの気体、またはポンプ損失を減じるために大気圧より上
で動作することができる任意の他の高熱伝達気体であってもよい。

ポンプ３０６または流れを制御することができる当該技術で公知の他の装置３０６は、中間ループ流体３０２の質量流量または熱インピーダンスを制御して、所望であれば、高温流体３０１のそれと「整合する」または同じにすることができる。これは、ＰＨＸ３０３の効率を最大限にするのを助ける。高温流体３０１の流量または温度が広い範囲にわたって変動するシステムには特に重要である。高温流体の流量の動的範囲にわたってＰＨＸ３０３の効率を最大限にすることはＴＧＭ３０４を向上させ、かつしたがって全サイクルにわたって発電機システム３００全体を向上させる。この制御なしには、システムは、動作する高温流体３０１の流れの極めて狭い範囲でしか最適の性能で動作しないであろう。中間ループ３０９はシステムについてあるレベルの蓄熱をも与える。中間ループ流体３０２の熱質量は、熱エネルギ貯蔵の手段を与え、それはポンプ３０６の流速によって増大され得る。

中間ループ熱伝達流体３０２は、高温側中間ループ３１１のまわりで、かつポンプ３０６を用いてＴＧＭ３０４を通って循環する。ＴＧＭ３０４は、熱的分離を利用する効率のよい熱電素子（Efficiency Thermoelectrics Utilizing Thermal Isolation）と題された米国特許番号第６，５３９，７２９号に記載されるように、高温および低温側熱交換器と、ＴＥ要素と、ＴＥ要素の間の電気コネクタ（示されない）とを好ましくは含み、作業流体の流れの方向に熱的分離を好ましくは組込む。ＴＧＭ３０４のＴＥ要素は熱的に分離され得る高度な高電力密度設計か、または当該技術に公知の標準的な熱電モジュールで作ることができる。低温側流体３０５はＴＧＭ３０４の低温側熱交換器部分を通して流れ、熱電発電機を完成する。

図４は、図３のシステム３００のそれに非常に似た熱電発電システム４００を示す。この熱電発電システム４００は付加的な蓄熱部４０９を含む。コントローラ３５０は、好ましくは蓄熱部４０９用の追加センサを含む。センサは、コントローラ３５０が付加的な蓄熱容量が利用可能か否か計算し、この蓄熱部をシステム４００の動作を制御する際に有効に用いる。この蓄熱部４０９は、相変化物質などを含む熱質量を備えたいかなる種類の媒体でもあり得る。この蓄熱部４０９は中間ループ３１１の蓄熱容量を増強し、高温流体３０１の低温期および低質量流量期中、高温流体３０１の流れがなくなるまで、およびなくなったときさえも、システム４００が有用な電力を生成することを可能にする。高温流体の流量がないときは、システムは蓄熱部から熱を「借りる」。同様に、システム４００が効率的に利用することができる以上に熱電力の過剰分があるときは、熱電力は蓄積され得る。

図５は、図４のシステム４００のそれに似たシステム５００を示す。相違点は、中間ループ３１１ではなく高温側ループ３１０に蓄熱部５０９が位置することである。ここでも、コントローラ３５０は、コントローラ３５０の制御下で蓄熱部４０９の温度を検出するための蓄熱部５０９用センサを含むのが好ましい。蓄熱部を図４のように配置することを妨げる、スペース（容積）、重量または他の考慮点がある場合に、この実施例の位置での蓄熱部５０９が有利である。

低温側中間熱伝達ループを備えた熱電発電システムを示す図である。 低温側中間熱伝達ループを備えた熱電発電システムの別の実施例を示す図である。 高温側中間熱伝達ループを備えた熱電発電システムを示す図である。 図３に示されたシステムに類似するが蓄熱部が付加された、高温側中間熱伝達ループを備えた熱電発電システムの別の実施例を示す図である。 図３に示されたシステムに類似するが蓄熱部が付加された、高温側中間熱伝達ループを備えた熱電発電システムの別の実施を示す図である。

Claims (11)

1. 少なくとも１つの低温側と少なくとも１つの高温側との間に温度勾配が存在するときに電力を生成するよう構成される、前記少なくとも１つの低温側および前記少なくとも１つの高温側を備えた熱電素子を有する熱電発電機と、
   前記少なくとも１つの高温側と熱的に連通し、かつ、少なくとも１つの主熱源を通って流れる第１の作業流体と熱的に連通する中間熱伝達ループとを含み、中間熱伝達ループはそこを通って流れる第２の作業流体を有し、第１の作業流体および第２の作業流体は互いに分離され、第１の作業流体から第２の作業流体に熱が伝達され、さらに
   前記中間熱伝達ループにおける流量制御装置と通信するコントローラとを含み、コントローラは、少なくとも１つの主熱源に起因する熱の変化に応答して中間熱伝達ループにおける熱流を制御するよう適合される、熱電発電システム。
2. 蓄熱部をさらに含む、請求項１に記載の熱電発電システム。
3. 中間熱伝達ループと主熱源との間に熱交換器をさらに含み、コントローラを介して制御可能な熱交換器バイパスをさらに含み、主熱源からの熱のいくらかまたはすべてが熱交換器を迂回するようにする、請求項１に記載の熱電発電システム。
4. 主熱源用の熱電発電システムであって、
   少なくとも１つの低温側と少なくとも１つの高温側とを横切って温度勾配が存在するときに電力を生成するよう構成される、前記少なくとも１つの低温側および前記少なくとも１つの高温側を備えた熱電素子を有する熱電発電機と、
   前記少なくとも１つの低温側と熱的に連通し、かつ少なくとも１つの熱放散装置と熱的に連通する中間熱伝達ループとを含み、熱放散装置は主熱源から分離され、主熱源はそこを通って流れる第１の作業流体を有し、中間熱伝達ループはそこを通って流れる第２の作業流体を有し、第１の作業流体および第２の作業流体は互いに分離され、第２の作業流体から第１の作業流体に熱が伝達され、さらに
   前記中間熱伝達ループにおいて流量制御装置と通信するコントローラを含み、コントローラは、熱電素子の動作条件の変化に応答して中間熱伝達ループにおける熱流を制御するよう適合される、熱電発電システム。
5. 主熱源は主冷却液システムを有するエンジンである、請求項４に記載の熱電発電システム。
6. 中間熱伝達ループはエンジンの主冷却液システムに熱的に連結可能になることができ、その結果、エンジン暖機運転中に、熱電素子から中間熱伝達ループへと伝達された熱がさらにエンジン用主冷却液システムに伝達され、それによりエンジンの暖機運転時間を減少させる、請求項５に記載の熱電発電システム。
7. 中間熱伝達ループと主熱源との間に熱交換器をさらに含み、主熱源からの熱のうちのいくらかまたはすべてに熱交換器を迂回させるためにコントローラを介して制御可能な熱交換器バイパスをさらに含む、請求項４に記載の熱電発電システム。
8. 少なくとも１つの低温側と少なくとも１つの高温側とを横切って温度勾配が存在するときに電力を生成するよう構成される、前記少なくとも１つの低温側および前記少なくとも１つの高温側を備えた熱電素子を有する熱電発電機を用いて主熱源からの廃熱から発電する方法であって、
   主熱源を流れる第１の作業流体と中間熱伝達ループを流れる第２の作業流体との間で熱を伝達するステップを含み、第２の作業流体は第１の作業流体から分離され、中間熱伝達ループは前記少なくとも１つの低温側および前記少なくとも１つの高温側のいずれかと熱的に連通し、前記中間熱伝達ループが前記少なくとも１つの低温側と熱的に連通する場合第２の作業流体から第１の作業流体に熱が伝達され、前記中間熱伝達ループが前記少なくとも１つの高温側と熱的に連通する場合第１の作業流体から第２の作業流体に熱が伝達され、
   主熱源の動作条件の変化に応答して前記中間熱伝達ループにおいて熱流を制御するステップとを含む、方法。
9. 主熱源は主冷却液システムを有するエンジンである、請求項８に記載の方法。
10. 中間熱伝達ループはエンジンの主冷却液システムに熱的に連結可能であり得、方法はさらに、エンジン暖機運転中、熱電素子から中間熱伝達ループへ、さらにエンジン用の主冷却液システムに熱を伝達し、それによってエンジンの暖機運転時間を減じるステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 主熱源の熱流束の変化および熱電発電機の容量に基いて、主熱源から中間熱伝達ループへの熱流を制御するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。

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