JP7434187B2 - 廃熱からのエネルギー回収 - Google Patents
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Description
本出願は、2018年6月4日に出願された米国仮出願第62/680,038号、および2018年11月15日に出願された米国仮出願第62/767,641号の優先権を主張し、これらの開示全体を参照により本明細書に明示的に組み込む。
本主題は一般的に熱管理システムに関連している。
熱除去システムは、熱源から不要な熱を取り除き、構成要素が適切な動作温度に保たれることを確実にする。典型的に使用されるいくつかの異なるタイプの冷却の解決策があるが、それらの大部分は、冷却ユニットおよび何らかの形の熱遮断システムを有する。冷却ユニットは、典型的には、熱源内の空気から、冷却ユニットを通って流れる流体に熱を伝達することによって、熱源に冷却を提供する。熱遮断システムは様々であるが、一般に、冷却ユニットを通って流れる流体から熱を遮断する目的に役立つ。
一態様では、装置は、本体と、少なくとも1つの熱電発電機(TEG)と、少なくとも1つの熱電冷却器(TEC)とを含む。本体は、流体から熱を受け取るように構成される。少なくとも1つの熱電発電機(TEG)は、第1の端部と第2の端部とを含み、少なくとも1つのTEGの第1の端部は、本体に熱的に結合され、流体からの熱の少なくとも一部を受け取るように構成される。少なくとも1つの熱電冷却器(TEC)は、第1の端部と第2の端部とを含み、少なくとも1つのTECの第2の端部は、少なくとも1つのTEGの第2の端部に熱的に結合され、少なくとも1つのTECは、電力を受け取るように構成され、これにより、少なくとも1つのTECの第1の端部を加熱し、少なくとも1つのTECの第2の端部を冷却して、少なくとも1つのTECの第2の端部が、少なくとも1つのTEGの第2の端部から熱を抽出する。
ここで、本明細書に開示されるシステム、デバイス、および方法の構造、機能、製造、および使用の原理の全体的な理解を提供するために、特定の例示的な実施形態について説明する。これらの実施形態の1つ以上の例が添付の図面に示されている。本明細書に具体的に記載され、添付の図面に示されるシステム、デバイス、および方法は、非限定的な例示的実施形態であり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ定義されることを当業者は理解するであろう。1つの例示的実施形態に関連して図示または説明される特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わせることができる。このような変更および変形は、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。さらに、本開示では、実施形態の類似の名称の構成要素は一般に類似の特徴を有し、したがって、特定の実施形態内では、類似の名称の各構成要素の各特徴は必ずしも完全には詳しく述べていない。
(1) 装置において、
流体から熱を受け取るように構成された本体と、
第1の端部および第2の端部を有する少なくとも1つの熱電発電機(TEG)であって、前記少なくとも1つのTEGの前記第1の端部は、前記本体に熱的に結合され、前記流体からの前記熱の少なくとも一部を受け取るように構成されている、少なくとも1つの熱電発電機(TEG)と、
第1の端部および第2の端部を有する少なくとも1つの熱電冷却器(TEC)であって、前記少なくとも1つのTECの前記第2の端部は、前記少なくとも1つのTEGの前記第2の端部に熱的に結合され、前記少なくとも1つのTECは、電力を受け取るように構成され、これにより、前記少なくとも1つのTECの前記第1の端部を加熱し、前記少なくとも1つのTECの前記第2の端部を冷却して、前記少なくとも1つのTECの前記第2の端部が、前記少なくとも1つのTEGの前記第2の端部から熱を抽出する、少なくとも1つの熱電冷却器(TEC)と、
を含む、装置。
(2) 少なくとも1つの熱伝導性部材をさらに含む、実施態様1に記載の装置。
(3) 前記少なくとも1つのTEGが前記熱伝導性部材の第1の側面に熱的に結合され、前記少なくとも1つのTECが前記熱伝導性部材の第2の側面に熱的に結合されている、実施態様2に記載の装置。
(4) 前記少なくとも1つのTEGが、前記本体と前記少なくとも1つの熱伝導性部材との間に配置され、かつこれらに結合されている、実施態様2に記載の装置。
(5) 少なくとも1つの温度センサをさらに含む、実施態様1に記載の装置。
(7) 前記少なくとも1つの温度センサが、前記少なくとも1つのTECの前記第1の端部および前記第2の端部のうちの1つに隣接して配置され、前記少なくとも1つのTECの前記第1の端部および前記第2の端部のうちの1つに隣接する位置でコンデンサの温度を測定するように構成されている、実施態様5に記載の装置。
(8) 前記少なくとも1つの温度センサが前記本体内に埋め込まれている、実施態様5に記載の装置。
(9) システムにおいて、
第1の熱伝導性部材、第2の熱伝導性部材、および第3の熱伝導性部材と、
前記第1の熱伝導性部材と前記第2の熱伝導性部材との間に配置され、かつこれらに結合された、第1の熱電冷却器(TEC)であって、前記第1のTECは、前記第1の熱伝導性部材から熱を除去し、前記第2の熱伝導性部材に熱を送達するように構成されている、第1の熱電冷却器(TEC)と、
前記第2の熱伝導性部材と前記第3の熱伝導性部材との間に配置され、かつこれらに結合された第2のTECであって、前記第2のTECは、前記第3の熱伝導性部材から熱を除去し、前記第2の熱伝導性部材に熱を送達するように構成されている、第2のTECと、
内部を通って延びる第1の通路を有する第1の本体であって、前記第1の通路は流体を受け取るように構成され、前記第1の本体は、前記流体から熱を受け取るように構成されている、第1の本体と、
内部を通って延びる第2の通路を有する第2の本体であって、前記第2の通路は、前記第1の通路から前記流体を受け取るように構成され、前記本体は、前記流体から熱を受け取るように構成されている、第2の本体と、
前記第1の熱伝導性部材と前記第1の本体との間に配置された第1の熱電発電機(TEG)であって、前記第1のTEGは、前記流体から前記第1の本体に伝達された熱を受け取るように構成されている、第1の熱電発電機(TEG)と、
前記第3の熱伝導性部材と前記第2の本体との間に配置された第2のTEGであって、前記第2のTEGは、前記流体から前記第2の本体に伝達された熱を受け取るように構成されている、第2のTEGと、
を含む、システム。
(10) システムにおいて、
コンデンサを含み、前記コンデンサは、
流体から熱を受け取るように構成された本体と、
第1の端部および第2の端部を有する少なくとも1つの熱電発電機(TEG)であって、前記第1の端部は、前記本体に熱的に結合され、前記流体からの前記熱の少なくとも一部を受け取るように構成され、それにより、前記少なくとも1つのTEGに第1の電力を生成させる、少なくとも1つの熱電発電機(TEG)と、
第1の端部および第2の端部を有する少なくとも1つの熱電冷却器(TEC)であって、前記少なくとも1つのTECの前記第2の端部は、前記少なくとも1つのTEGの前記第2の端部に熱的に結合され、前記少なくとも1つのTECは、第2の電力を受け取るように構成され、これにより、前記少なくとも1つのTECの前記第1の端部を加熱し、前記少なくとも1つのTECの前記第2の端部を冷却して、前記少なくとも1つのTECの前記第2の端部が、前記少なくとも1つのTEGの前記第2の端部から熱を抽出する、少なくとも1つの熱電冷却器(TEC)と、
を含む、システム。
(12) 前記電力管理モジュールは、前記少なくとも1つのTEGに電気的に結合され、前記第1の電力の少なくとも一部を受け取るように構成されている、実施態様11に記載のシステム。
(13) 前記電力管理モジュールは、前記少なくとも1つのTECに電気的に結合され、前記第2の電力の少なくとも一部を前記TECに送達するように構成されている、実施態様11に記載のシステム。
(14) 前記少なくとも1つのTEGの前記第1の端部および前記第2の端部ならびに前記少なくとも1つのTECの前記第1の端部および前記第2の端部のうちの少なくとも1つに隣接して配置された少なくとも1つの温度センサをさらに含み、前記温度センサは、前記位置でコンデンサの温度を測定するように構成されている、実施態様9に記載のシステム。
(15) 前記少なくとも1つの温度センサから温度信号を受信し、対応する温度を計算するように構成された熱管理モジュールをさらに含む、実施態様9に記載のシステム。
流体を熱交換器の本体に送達することと、
前記流体から前記本体に熱を伝達することと、
前記本体から熱電発電機(TEG)の第1の端部に熱を伝達することと、
第1の電力を熱電冷却器(TEC)に送達し、それにより、前記TECの第1の端部が温度を上昇させ、前記TECの第2の端部が温度を低下させることと、
前記TEGの第2の端部から前記TECの第2の端部に熱を伝達することと、
前記TEGの半導体にわたって温度勾配を生じさせ、それによって前記TEGに第2の電力を生成させることと、
を含む、方法。
(17) 前記第2の電力の少なくとも一部を前記TECに送達することをさらに含む、実施態様16に記載の方法。
(18) 前記第2の電力の少なくとも一部をバッテリ内に貯蔵することをさらに含む、実施態様16に記載の方法。
(19) 前記TEGの前記第1の端部および前記第2の端部のうちの少なくとも1つに隣接する場所で前記熱交換器の温度を測定することと、測定された前記温度に基づいて、前記TECに送達される前記第1の電力の電圧および電流のうちの少なくとも1つを調節することと、をさらに含む、実施態様16に記載の方法。
(20) 前記TECの前記第1の端部および前記第2の端部のうちの少なくとも1つに隣接する場所で前記熱交換器の温度を測定することと、測定された前記温度に基づいて、前記TECに送達される前記第1の電力の電圧および電流のうちの少なくとも1つを調節することと、をさらに含む、実施態様16に記載の方法。
(22) 装置において、
熱源に隣接して配置されたベースブロックと、
第1の端部および第2の端部を含む熱電発電機であって、前記第1の端部は、前記ベースブロックに熱的に結合され、前記熱源から熱を受け取るように構成されている、熱電発電機と、
第3の端部および第4の端部を含む熱電冷却器であって、前記第3の端部は、前記第2の端部に熱的に結合され、前記熱電冷却器は電流を受け取るように構成され、これにより、前記第3の端部を冷却し、前記第4の端部を加熱し、前記第3の端部が前記第2の端部から熱を伝導する、熱電冷却器と、
を含む、装置。
(23) 前記熱電発電機が電力を生成するように構成され、生成された前記電力の少なくとも一部が、冷却のために前記熱電冷却器に供給される、実施態様22に記載の装置。
(24) 前記熱源がキルンを含む、実施態様22に記載の装置。
(25) 前記ベースブロックが、前記熱源に面する側に熱交換器を含む、実施態様22に記載の装置。
(27) 前記熱源の表面の温度を測定する温度センサを含む、実施態様22に記載の装置。
(28) 前記温度センサが、熱電対、抵抗温度検出器(RTD)、または赤外線センサである、実施態様27に記載の装置。
(29) 前記熱源の前記表面の前記温度が所定の温度限界よりも高いことを検出することに応答して、電流が前記熱電発電機に供給されて、前記第1の端部が冷却され、前記第2の端部が加熱される、実施態様27に記載の装置。
(30) システムにおいて、
円筒形状を含むキルンと、
前記キルンを囲むように配置された、実施態様22に記載の複数の装置と、
を含み、
前記キルンが熱源である、システム。
熱源の上方に配置されたベースブロックと、
前記ベースブロックの左側において前記ベースブロックの上面から突出する第1の垂直フィンと、
前記ベースブロックの右側において前記ベースブロックの上面から突出する第2の垂直フィンと、
前記第1の垂直フィンの右側面に熱的に結合された第1の熱電発電機と、
前記第2の垂直フィンの左側面に熱的に結合された第2の熱電発電機と、
前記第1の熱電発電機の右側面に熱的に結合された第1の熱電冷却器と、
前記第2の熱電発電機の左側面に熱的に結合された第2の熱電冷却器と、
前記第1の熱電冷却器の右側面と前記第2の熱電冷却器の左側面の両方に熱的に結合されて配置されたヒートシンクと、
を含む、装置。
(32) 前記第1および第2の熱電発電機が電力を生成するように構成され、生成された前記電力の少なくとも一部が、前記第1および第2の熱電冷却器に供給される、実施態様31に記載の装置。
(33) 前記ベースブロックが、前記熱源に面する側に熱交換器を含む、実施態様31に記載の装置。
(34) 前記ヒートシンクが、複数の放熱フィンを含む、実施態様31に記載の装置。
(35) システムにおいて、
円筒形状を含むキルンと、
前記キルンを囲むように配置された、実施態様31に記載の複数の装置と、
を含み、
前記キルンが熱源である、システム。
熱源から熱を受け取ることと、
熱電発電機において受け取った前記熱で電気を生成することと、
生成した前記電気の少なくとも一部を熱電冷却器に供給することと、
を含む、方法。
(37) 前記熱源の表面の温度を測定することと、
測定された前記温度が第1の予め設定された温度以上であると判定することに応答して前記熱電発電機を電気的に切断することと、
を含む、実施態様36に記載の方法。
(38) 前記熱源の表面の温度を測定することと、
測定された前記温度が第2の予め設定された温度以上であると判定することに応答して、前記熱電発電機が前記熱源を冷却するように動作されるように、前記熱電発電機に電気を供給することと、
を含む、実施態様36に記載の方法。
Claims (13)
- 装置において、
流体から熱を受け取るように構成された本体と、
第1の端部および第2の端部を有する少なくとも1つの熱電発電機(TEG)であって、前記少なくとも1つのTEGの前記第1の端部は、前記本体に熱的に結合され、前記流体からの前記熱の少なくとも一部を受け取るように構成されている、少なくとも1つの熱電発電機(TEG)と、
第1の端部および第2の端部を有する少なくとも1つの熱電冷却器(TEC)であって、前記少なくとも1つのTECの前記第2の端部は、前記少なくとも1つのTEGの前記第2の端部に熱的に結合され、前記少なくとも1つのTECは、電力を受け取るように構成され、これにより、前記少なくとも1つのTECの前記第1の端部を加熱し、前記少なくとも1つのTECの前記第2の端部を冷却して、前記少なくとも1つのTECの前記第2の端部が、前記少なくとも1つのTEGの前記第2の端部から熱を抽出する、少なくとも1つの熱電冷却器(TEC)と、
を含む、装置。 - 少なくとも1つの熱伝導性部材をさらに含む、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも1つのTEGが前記熱伝導性部材の第1の側面に熱的に結合され、前記少なくとも1つのTECが前記熱伝導性部材の第2の側面に熱的に結合されている、請求項2に記載の装置。
- 前記少なくとも1つのTEGが、前記本体と前記少なくとも1つの熱伝導性部材との間に配置され、かつこれらに結合されている、請求項2に記載の装置。
- 少なくとも1つの温度センサをさらに含む、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの温度センサは、前記少なくとも1つのTEGの前記第1の端部および前記第2の端部のうちの1つに隣接して配置され、前記少なくとも1つの温度センサは、前記少なくとも1つのTEGの前記第1の端部および前記第2の端部のうちの1つに隣接する位置で前記本体の温度を測定するように構成されている、請求項5に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの温度センサが前記本体内に埋め込まれている、請求項5に記載の装置。
- システムにおいて、
コンデンサを含み、前記コンデンサは、
流体から熱を受け取るように構成された本体と、
第1の端部および第2の端部を有する少なくとも1つの熱電発電機(TEG)であって、前記第1の端部は、前記本体に熱的に結合され、前記流体からの前記熱の少なくとも一部を受け取るように構成され、それにより、前記少なくとも1つのTEGに第1の電力を生成させる、少なくとも1つの熱電発電機(TEG)と、
第1の端部および第2の端部を有する少なくとも1つの熱電冷却器(TEC)であって、前記少なくとも1つのTECの前記第2の端部は、前記少なくとも1つのTEGの前記第2の端部に熱的に結合され、前記少なくとも1つのTECは、第2の電力を受け取るように構成され、これにより、前記少なくとも1つのTECの前記第1の端部を加熱し、前記少なくとも1つのTECの前記第2の端部を冷却して、前記少なくとも1つのTECの前記第2の端部が、前記少なくとも1つのTEGの前記第2の端部から熱を抽出する、少なくとも1つの熱電冷却器(TEC)と、
を含む、システム。 - 方法において、
流体を熱交換器の本体に送達することと、
前記流体から前記本体に熱を伝達することと、
前記本体から熱電発電機(TEG)の第1の端部に熱を伝達することと、
第1の電力を熱電冷却器(TEC)に送達し、それにより、前記TECの第1の端部が温度を上昇させ、前記TECの第2の端部が温度を低下させることと、
前記TEGの第2の端部から前記TECの第2の端部に熱を伝達することと、
前記TEGの半導体にわたって温度勾配を生じさせ、それによって前記TEGに第2の電力を生成させることと、
を含む、方法。 - 前記第2の電力の少なくとも一部を前記TECに送達することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 前記第2の電力の少なくとも一部をバッテリ内に貯蔵することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 前記TEGの前記第1の端部および前記第2の端部のうちの少なくとも1つに隣接する場所で前記熱交換器の温度を測定することと、測定された前記温度に基づいて、前記TECに送達される前記第1の電力の電圧および電流のうちの少なくとも1つを調節することと、をさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 前記第2の電力の少なくとも一部を、前記流体を圧縮する圧縮機に送達することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
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