(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
システム（１００）であって、当該システムが、
燃料を燃焼させかつ排熱を発生するタービンエンジン（１００）と、
前記タービンエンジン（１００）の熱排出端部（１４５）のケーシング（１５５）内の壁（１６０）上に設置されかつ該タービンエンジン（１００）から発生した前記排熱を電気エネルギーに変換する熱電モジュール（１５０）と
を備えており、
前記熱電モジュール（１５０）が、電気的に直列に連結されかつ熱的に並列に連結された複数の熱電素子（２００）の乱流配置を含み、前記複数の熱電素子（２００）の各々が、熱接点（２１５）及び冷接点（２２０）において互いに結合された第１の熱電材料（２０５）及び第２の熱電材料（２１０）を含み、前記冷接点（２２０）が、該冷接点（２２０）における伝熱抵抗を増大させる断熱層（２２５）で被覆されていて該冷接点（２２０）における温度を低下させ、前記熱接点（２１５）と冷接点（２２０）が、熱的に並列に連結されて、該熱接点（２１５）と冷接点（２２０）の間に温度勾配が生じ、前記発生電気エネルギーが、前記熱接点（２１５）と冷接点（２２０）の間に生じた前記温度勾配の関数であり、乱流配置の複数の熱電素子（２００）の各々が、熱排出端部（１４５）から、該熱排出端部（１４５）を通過する排熱を伴うガス流の中に突出していて、熱排出端部（１４５）から該熱排出端部（１４５）を通過するガス流の中に突出している複数の熱電素子（２００）がガス流の乱流を生じさせ、ガス流の乱流が、複数の熱電素子（２００）の各熱接点（２１５）で高い熱伝達率及び複数の熱電素子（２００）の各冷接点（２２０）で低い熱伝達率を生じさせて、複数の熱電素子（２００）の各々の熱接点（２１５）と冷接点（２２０）の間の温度勾配を増大させる、システム（１００）。
【請求項２】
前記断熱層（２２５）が、断熱皮膜、ポリカーボネートテープ又はセラミックテープを含む、請求項１記載のシステム（１００）。
【請求項３】
前記断熱皮膜がイットリア安定化ジルコニアである、請求項２記載のシステム（１００）。
【請求項４】
前記タービンエンジン（１００）の周りに設置された複数の電気部品（１６５）をさらに含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のシステム（１００）。
【請求項５】
前記熱電モジュール（１５０）により発生された前記電気エネルギーが、前記複数の電気部品（１６５）に電力を供給するために使用される、請求項４記載のシステム（１００）。
【請求項６】
圧縮機（１０５）と、
前記圧縮機（１０５）からの空気及び燃料の混合気を受けかつ該混合気を燃焼させる燃焼器（１２０）と、
前記空気及び燃料の燃焼により発生された前記燃焼器（１２０）からの高温ガスを膨張させて機械的回転エネルギーに変換するタービン（１１５）と、
前記タービン（１１５）から発生した排熱を熱電気エネルギーに変換する熱電モジュール（１５０）と
を備えるタービンエンジン（１００）であって、
前記熱電モジュール（１５０）が、その熱排出端部（１４５）において該タービンエンジン（１００）のケーシング（１５５）内の壁（１６０）上に設置された複数の熱電素子（２００）の乱流配置を含み、前記複数の熱電素子（２００）の各々が、熱接点（２１５）及び冷接点（２２０）において互いに結合された第１の熱電材料（２０５）及び第２の熱電材料（２１０）を含み、前記冷接点（２２０）が、該冷接点（２２０）における伝熱抵抗を増大させる断熱層（２２５）で被覆されていて該冷接点（２２０）における温度を低下させ、温度勾配が、前記熱接点（２１５）と冷接点（２２０）の間に生じ、前記発生熱電気エネルギーが、前記熱接点（２１５）と冷接点（２２０）の間に生じた前記温度勾配の関数であり、乱流配置の複数の熱電素子（２００）の各々が、熱排出端部（１４５）から、該熱排出端部（１４５）を通過する排熱を伴うガス流の中に突出していて、熱排出端部（１４５）から該熱排出端部（１４５）を通過するガス流の中に突出している複数の熱電素子（２００）がガス流の乱流を生じさせ、ガス流の乱流が、複数の熱電素子（２００）の各熱接点（２１５）で高い熱伝達率及び複数の熱電素子（２００）の各冷接点（２２０）で低い熱伝達率を生じさせて、複数の熱電素子（２００）の各々の熱接点（２１５）と冷接点（２２０）の間の温度勾配を増大させる、タービンエンジン（１００）。
【請求項７】
前記熱電気エネルギーが、該タービンエンジン（１００）の周りに設置された複数の電気部品（１６５）に電力を供給するために使用される、請求項６記載のタービンエンジン（１００）。
【請求項８】
前記複数の熱電素子（２００）の各々の乱流配置が、前記排熱の乱流流れを生成して、前記断熱層（２２５）で被覆された前記冷接点（２２０）により該冷接点の温度を低下させた状態で、高い平均熱伝達率を生じさせて該排熱の高温ガスからの最大熱捕捉を可能にする、請求項６又は請求項７記載のタービンエンジン（１００）。
【請求項９】
複数の電気部品（１６５）と、
圧縮機（１０５）と、
前記圧縮機（１０５）からの空気及び燃料の混合気を受けかつ該混合気を燃焼させる燃焼器（１２０）と、
前記空気及び燃料の燃焼により発生された前記燃焼器（１２０）からの高温ガスを膨張させて機械的回転エネルギーに変換するタービン（１１５）と、
前記タービン（１１５）から発生した排熱を熱電気エネルギーに変換する熱電モジュール（１５０）と
を備えるガスタービンエンジン（１００）であって、
前記熱電モジュール（１５０）が、熱排出端部（１４５）において該タービンエンジン（１００）のケーシング（１５５）内の壁（１６０）上に設置された複数の熱電素子（２００）の乱流配置を含み、前記複数の熱電素子（２００）の各々が、熱接点（２１５）及び冷接点（２２０）において互いに結合された第１の熱電材料（２０５）及び第２の熱電材料（２１０）を含み、前記冷接点（２２０）が、該冷接点（２２０）における伝熱抵抗を増大させる断熱層（２２５）で被覆されていて該冷接点（２２０）における温度を低下させ、温度勾配が、前記熱接点（２１５）と冷接点（２２０）の間に生じ、前記発生熱電気エネルギーが、前記熱接点（２１５）と冷接点（２２０）の間に生じた前記温度勾配の関数であり、
前記熱電モジュール（１５０）が、前記熱電気エネルギーを使用して前記複数の電気部品（１６５）に電力を供給し、乱流配置の複数の熱電素子（２００）の各々が、熱排出端部（１４５）から、該熱排出端部（１４５）を通過する排熱を伴うガス流の中に突出していて、熱排出端部（１４５）から該熱排出端部（１４５）を通過するガス流の中に突出している複数の熱電素子（２００）がガス流の乱流を生じさせ、ガス流の乱流が、複数の熱電素子（２００）の各熱接点（２１５）で高い熱伝達率及び複数の熱電素子（２００）の各冷接点（２２０）で低い熱伝達率を生じさせて、複数の熱電素子（２００）の各々の熱接点（２１５）と冷接点（２２０）の間の温度勾配を増大させる、ガスタービンエンジン（１００）。
【請求項１０】
各熱接点（２１５）の入熱と前記断熱層（２２５）で被覆された前記冷接点（２２０）に関連する入熱との間の差が、該熱接点（２１５）と冷接点（２２０）の間に生じた前記温度勾配を生じさせる温度差に相当し、前記熱電モジュール（１５０）が、前記温度差を使用して、熱電気電圧を発生させる、請求項９記載のガスタービンエンジン（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンから発生した廃熱を利用する熱電素子の乱流配置を使用することに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料コストの上昇の課題並びにより効率的かつ環境に優しい発電システム及び工業プラントに対する要望の高まりに対処するために、タービンエンジンにより発生した排気ストリームからの廃熱を有用な電気に変換する廃熱回収技術が開発されてきている。熱電素子で形成した熱電モジュールは、タービンエンジンから発生した廃熱により電気を生成するために使用されてきた１つの解決法である。しかしながら、殆どの熱電モジュール法が、比較的低い変換効率を有する。従って、これらのタイプの熱電モジュールは、発電における用途に限られてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７１００３６９号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施形態では、タービンエンジンと熱電モジュールとを含むシステムを提供する。この実施形態では、タービンエンジンは、燃料を燃焼させかつ排熱を発生する。熱電モジュールは、タービンエンジン内に設置されかつ該タービンエンジンから発生した排熱を電気エネルギーに変換する。熱電モジュールは、直列に連結されかつ熱的に並列に連結された複数の熱電素子の乱流配置を含む。複数の熱電素子の各々は、熱接点及び冷接点において互いに結合された第１の熱電材料及び第２の熱電材料を含む。冷接点は、該冷接点における伝熱抵抗を増大させる断熱層で被覆され、それによって該冷接点における温度を低下させる。熱接点及び冷接点は、熱的に並列に連結されて、該熱接点及び冷接点間に温度勾配が生じる。発生電気エネルギーは、熱接点及び冷接点間に生じた温度勾配の関数となる。
【０００５】
本発明の別の実施形態では、タービンエンジンを提供する。本発明のこの実施形態では、本タービンエンジンは、圧縮機と、圧縮機からの空気及び燃料の混合気を受けかつ該混合気を燃焼させる燃焼器と、空気及び燃料の燃焼により発生された燃焼器からの高温ガスを膨張させて機械的回転エネルギーに変換するタービンとを含む。本タービンエンジンはさらに、タービンから発生した排熱を熱電気エネルギーに変換する熱電モジュールを含む。熱電モジュールは、その熱排出端部においてタービンエンジンのケーシング内に設置された複数の熱電素子の乱流配置を含む。複数の熱電素子の各々は、熱接点及び冷接点において互いに結合された第１の熱電材料及び第２の熱電材料を含む。冷接点は、該冷接点における伝熱抵抗を増大させる断熱層で被覆され、それによって該冷接点における温度を低下させる。温度勾配が熱接点及び冷接点間に生じて、発生熱電気エネルギーは、熱接点及び冷接点間に生じた該温度勾配の関数である。
【０００６】
本発明の第３の実施形態では、ガスタービンエンジンを提供する。本発明のこの実施形態では、本ガスタービンエンジンは、複数の電気部品と、圧縮機と、圧縮機からの空気及び燃料の混合気を受けかつ該混合気を燃焼させる燃焼器と、空気及び燃料の燃焼により発生された燃焼器からの高温ガスを膨張させて機械的回転エネルギーに変換するタービンとを含む。本ガスタービンエンジンはさらに、タービンから発生した排熱を熱電気エネルギーに変換する熱電モジュールを含む。熱電モジュールは、タービンエンジンの熱排出端部において該タービンエンジンのケーシング内に設置された複数の熱電素子の乱流配置を含む。複数の熱電素子の各々は、熱接点及び冷接点において互いに結合された第１の熱電材料及び第２の熱電材料を含む。冷接点は、該冷接点における伝熱抵抗を増大させる断熱層で被覆され、それによって該冷接点における温度を低下させる。温度勾配が熱接点及び冷接点間に生じて、発生熱電気エネルギーは、熱接点及び冷接点間に生じた該温度勾配の関数である。熱電モジュールは、熱電気エネルギーを使用して複数の電気部品に電力を供給する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態による、熱電素子の乱流配置を有する熱電モジュールを使用したガスタービンエンジンを示す図。
【図２】本発明の一実施形態による、熱排出端部におけるタービンエンジンのケーシングに対する図1に示す熱電モジュールの熱電素子の乱流配置のより詳細図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面を参照すると、図１は、その中で本発明の一実施形態による熱電モジュール１５０を使用することができるガスタービンエンジン１００の概略図である。本発明の実施形態がガスタービンエンジンでの使用に限定されるものではないことは、当業者には解るであろう。本発明の実施形態は、発電及び航空機において使用されるエンジンのようなガスタービンエンジン、蒸気タービンエンジン、並びにタービンエンジンから発生した廃熱により電気を生成するのが望ましいようなその他のタイプの回転機械及び電動機械で使用することができる。
【０００９】
図１に示すように、ガスタービンエンジン１００は、共通のシャフト又はロータ１１０によって下流タービンセクション又はタービン１１５に機械的に結合された圧縮機１０５と、圧縮機１０５及びタービン１１５間に配置された燃焼器１２０とを含む。燃焼器１２０は、圧縮機１０５からの空気及び該燃焼器に付加された燃料の混合気を受けて、該混合気を燃焼させる。タービン１１５は、空気及び燃料の燃焼により発生された燃焼器１２０からの高温ガスを膨張させて、機械的回転エネルギーに変換する。
【００１０】
圧縮機１０５は、複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機ステータブレード１３０の列が後続した圧縮機ロータブレード１２５の列を含むことができる。従って、各段は、シャフト１１０の周りで回転する圧縮機ロータブレード１２５の列を含みかつそれに続いて運転中も静止状態を維持する圧縮機ステータブレード１３０の列を含むことができる。圧縮機ステータブレード１３０は一般的に、互いに円周方向に間隔を置いて配置されかつ回転軸線の周りに固定される。圧縮機ロータブレード１２５は、円周方向に間隔を置いて配置されかつシャフト１１０に取付けられる。運転中にシャフト１１０が回転すると、圧縮機ロータブレード１２５は、該シャフト１１０の周りで回転する。当業者には分かるように、圧縮機ロータブレード１２５は、シャフト１１０の周りで回転すると、該圧縮機ロータブレード１２５が圧縮機１０５を通って流れる空気又は流体に対して運動エネルギーを与えるように構成される。
【００１１】
図１に示すように、タービン１１５もまた、複数の段を含むことができる。各段は、運転中にシャフト１１０が回転する複数のタービンバケット又はタービンロータブレード１３５と、運転中も静止状態を維持する複数のノズル又はタービンステータブレード１４０とを含む。タービンステータブレード１４０は一般的に、互いに円周方向に間隔を置いて配置されかつ回転軸線の周りに固定される。タービンロータブレード１３５は、タービンホイール（図示せず）上に取付けて、シャフト１１０の周りで回転するようにすることができる。タービンステータブレード１４０及びタービンロータブレード１３５は、タービン１１５の高温ガス通路内に位置することが分かるであろう。
【００１２】
使用中に、圧縮機１０５内での圧縮機ロータブレード１２５の回転により、空気源（例えば、周囲空気）から取得した空気の流れを加圧することができる。燃焼器１２０内において、加圧空気が燃料源から取得した燃料と混合されかつ点火燃焼されると、エネルギーを放出することができる。作動流体と呼ぶことができる燃焼器１２０からの発生高温ガスの流れは次に、タービンロータブレード１３５上に導かれる。作動流体の流れにより、シャフト１１０の周りでのタービンロータブレード１３５の回転が生じる。作動流体の流れのエネルギーは、回転ブレードの機械的エネルギーに変換される。従って、シャフト１１０は、ロータブレード及び該シャフト間の連結により回転する。シャフト１１０の機械的エネルギーは次に、圧縮機ロータブレード１２５の回転を駆動するために使用して、必要な加圧空気の供給を行なうようにすることができる。また、一実施形態では、シャフト１１０の機械的エネルギーを発電機（図示せず）で使用して、電気を生成することができる。
【００１３】
図１に示すように、ガスタービンエンジン１００は、タービン１１５から発生した熱排出（排熱）を受ける熱排出（排熱）端部１４５を含む。タービン１１５内に、熱電モジュール１５０が設置される。一実施形態では、熱電モジュール１５０は、熱排出端部ケーシング１６０上の熱排出端部１４５においてタービンケーシング１５５内に設置することができる。熱電モジュール１５０は、タービンエンジンから発生した排熱を熱電気エネルギーに変換する。熱電モジュール１５０及びその作動の詳細については、以下に示しかつ図２に関して説明する。本発明の一実施形態では、熱電モジュール１５０により発生された熱電気エネルギーは、ガスタービンエンジン１００の周りに設置された複数の電気部品１６５に電力を供給するために使用することができる。一実施形態では、複数の電気部品には、タービンに対するセンサ（例えば、有線及び無線センサ）又は周辺機器を含むことができる。熱電モジュール１５０を使用してタービンに対するセンサ（例えば、有線及び無線センサ）又は周辺機器に電力を供給することにより、それらのシステムは、最早寄生的なものではなくなるので、スタンドアロン型システム、並びにアドオン又はアップグレードとして一層魅力的のもとなる。図１には３つの電気部品（それぞれ圧縮機１０５、タービン１１５及び燃焼器１２０における１つ）のみを図示しているが、付加的部品を設けることができること並びに本発明の実施形態はいかなる特定の個数にも限定されるべきではないことは、当業者には分かるであろう。さらに、熱電モジュール１５０により発生された熱電気エネルギーはガスタービンエンジン１００から離れて設置された他の部品に対して適用することができることが、当業者には分かるであろう。別の実施形態では、熱電モジュール１５０により発生された熱電気エネルギーは、ガスタービンエンジン１００により発電された電力を増大させるために使用することができる。
【００１４】
図２は、熱排出端部ケーシング１６０に関連する熱電モジュール１５０のより詳細図を示している。図２に示すように、熱電モジュール１５０は、熱排出端部ケーシング１６０においてタービンエンジンのケーシング内に設置された熱電素子２００の乱流配置を含む。熱電素子２００は、電気的に直列に連結されかつ熱的に並列に連結される。複数の熱電素子２００の各々は、熱接点２１５及び冷接点２２０において互いに結合された第１の熱電材料２０５及び第２の熱電材料２１０を含む。冷接点２２０は、該冷接点における伝熱抵抗を増大させる断熱層２２５で被覆され、それによって該冷接点における温度を低下させる。一実施形態では、第１の熱電材料２０５は、Ｎ型半導体材料とすることができ、一方、第２の熱電材料２１０は、Ｐ型半導体材料とすることができる。熱電モジュール１５０内で使用することができるＮ型及びＰ型半導体材料の例示的であるが非限定的な実施例には、電気の良導体であるが熱の不良導体であるテルル化ビスマスが含まれる。他の実施例には、シリコンゲルマニウム及びテルル化カドミウムを含むことができる。断熱層２２５は、冷接点２２０における伝熱抵抗を増大させることができるあらゆるタイプの断熱材料とすることができる。熱電モジュール１５０で使用するのに好適である断熱材料の例示的であるが非限定的な実施例には、断熱皮膜、ポリカーボネートテープ又はセラミックテープが含まれる。本発明の実施形態で使用することができる断熱皮膜の非限定的な実施例には、イットリア安定化ジルコニア（９．５％のＹ2Ｏ3、５．２％のＧｄ2Ｏ3、５．６％のＹｂ2Ｏ3、残部ＺｒＯ2）がある。市場で購入可能なポリカーボネートテープ又はアルミナ製のセラミックテープは、本発明の実施形態で使用することができるポリカーボネートテープ又はセラミックテープの１つの実施例である。
【００１５】
運転中に、排熱のガス流れが熱排出端部１４５を通って移動すると、熱接点２１５及び冷接点２２０間に温度勾配が生じる。熱電モジュール１５０は、温度勾配を使用して熱電気電圧を発生させる。熱電モジュール１５０による熱電気電圧の発生は、ゼーベック効果に基づくものであり、ゼーベック効果というのは、異なる材料の２つのワイヤ（銅及び鉄のような）をそれらの端部で接合して２つの接点を形成しかつ１方の接点を他方の接点よりも高い温度に保った場合に、それら２つの接点間に電圧差が生じると説明される。
【００１６】
熱電素子２００の乱流配置により、熱電モジュール１５０が、ガスタービンエンジンの外部に配置したのとは対照的に熱排出端部ケーシング１６０上のタービンケーシング内において機能する（つまり、意図する目的のための（例えば、電気装置に電力を供給して電源を補強するための）熱電気エネルギーを生成する熱電気電圧を発生させるのに十分な温度勾配を取得する）ことができる。加えて、熱電素子２００の乱流配置は、熱電モジュール１５０がその所望の機能を実行する（例えば、電気装置に電力を供給して電源を補強する）のを可能にする適当な量の熱電気電圧を発生させるのに十分な必要な温度勾配を取得するために冷却モジュールを使用しない状態で、熱電モジュール１５０を機能させることができる。従って、冷却ポンプを使用することに関連する付加的エネルギーが回避される。さらに、熱電素子２００の乱流配置は、排出ガスからの熱エネルギーの利用を最大限にするのに良く適している。このことは、タービュレータに関連する高い熱伝達率に起因する。
【００１７】
運転中に熱電素子２００の各々の乱流配置により、排熱の乱流流れが生じる。高温排熱ガスの乱流流れは、熱接点２１５における高い局所的熱伝達率を生じる。局所的熱伝達率は冷接点２２０においてより低くなるが、平均熱伝達率は依然として十分に高く、従って冷接点２２０における温度を上昇させる。このことを排除するために、冷接点２２０に対して伝熱抵抗（つまり断熱層２２５）を与えて、該冷接点２２０における入熱を回避する。このことにより、熱接点２１５及び冷接点２２０間に温度勾配（つまり熱接点における入熱及び冷接点における入熱間の温度差）が生じさせることができる。伝熱素子２００の乱流配置は次に、上述したような外部冷却の必要性なしに、自動作動ユニットとして機能することができる。
【００１８】
伝熱素子２００に関連する長さ、厚さ及び他の素子からの間隔のようなその他のパラメータは、温度勾配に影響を与える。当業者には、最大の熱電気電圧を取得するためにこれらのパラメータを精緻化する方法（温度勾配が高ければ高いほど、生成される熱電気電圧が高くなる）が容易に分かるであろう。熱電モジュール１５０は、温度差を使用して熱電気電圧２３５を発生させる。当業者には、図２に示すパターンと対照的に熱電素子２００に対して他の乱流配置パターンを使用することができることが分かるであろう。乱流配置の非限定的な実施例には、「スタック」、「トラック」及び「ジグザグ」構成を含むことができる。
【００１９】
熱電モジュール１５０を使用して電気エネルギーを発生させることは、タービンエンジンが配電網に対してより多くの電力を付加することを助けると思われる。例えば、ガスタービンエンジンからの平均高温ガス温度は、およそ約１０００°Ｆ（約５３８℃）である。約２００〜約３００°Ｆ（約９３〜約１４９℃）の温度差が熱電モジュール１５０において達成された場合には、熱電モジュール１５０の効率は、約２０％〜約３０％の範囲となり、また電力出力は、数百ボルトの範囲内となることができる。これは、熱電モジュールにより取得した電力出力が数ボルトである場合には、ユニット領域を照明するのを助けるのに十分である。これにより、それに関連する最小資本コストで低コスト発電オプションが得られる。さらに、単純サイクルモードで運転されるタービンエンジンの場合に、熱廃棄エネルギーの利用により全体効率の増大に関して利点を得ることができると思われる。
【００２０】
特にその好ましい実施形態に関連して本開示を図示しかつ説明しているが、当業者には様々な変形形態及び修正形態が想起されるであろうことが分かるであろう。従って、特許請求の範囲は全てのそのような修正及び変更を本開示の技術思想の範囲内に属するものとして保護しようとするものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２１】
１００  ガスタービンエンジン
１０５  圧縮機
１１０  シャフト
１１５  タービンセクション
１２０  燃焼器
１２５  圧縮機ロータブレード
１３０  圧縮機ステータブレード
１３５  タービンロータブレード
１４０  タービンステータブレード
１４５  熱排出端部
１５０  熱電モジュール
１５５  タービンケーシング
１６０  熱排出端部ケーシング
１６５  電気部品
２００  熱電素子
２０５  第１の熱電材料
２１０  第２の熱電材料
２１５  熱接点
２２０  冷接点
２２５  断熱層
２３５  熱電気電圧
【図１】
0005898880.tif 000002
【図２】
0005898880.tif 000003