(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
管の少なくとも一部であって、第一の流体が前記管の前記少なくとも一部を通って前記管の軸方向に沿って流れることを可能にするように構成された、管の少なくとも一部と、
第一の熱電アセンブリおよび第二の熱電アセンブリであって、前記第一の熱電アセンブリおよび前記第二の熱電アセンブリの各々は、前記管および第二の流体と熱的に連通し、かつ、
前記管の外周の周囲に、前記軸方向に対して略垂直に伸長する少なくとも一つの第一のシャントと、
前記少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通し、かつ電気的に連通する少なくとも一つの第一の熱電素子と、
前記少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通し、かつ電気的に連通する少なくとも一つの第二の熱電素子であって、前記少なくとも一つの第一のシャントの少なくとも一部は、前記少なくとも一つの第一の熱電素子と前記少なくとも一つの第二の熱電素子との間に挟まれ、前記少なくとも一つの第一の熱電素子および前記少なくとも一つの第二の熱電素子は前記管から電気的に分離されている、少なくとも一つの第二の熱電素子と、
前記少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通し、かつ前記第二の流体と熱的に連通する少なくとも一つの熱交換器であって、前記少なくとも一つの第一のシャントから略外方へ伸長する複数のフィンを含む少なくとも一つの熱交換器と、
を含む、第一の熱電アセンブリおよび第二の熱電アセンブリと、
前記管の前記外周の周囲に、前記軸方向に対して略垂直に伸長し、かつ前記管と熱的に連通する少なくとも一つの第二のシャントであって、前記少なくとも一つの第二のシャントのうちの少なくとも一部は、前記管から電気的に分離され、前記第一の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第二の熱電素子および前記第二の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第一の熱電素子と熱的に連通し、前記第一の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第二の熱電素子および前記第二の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第一の熱電素子と電気的に連通し、かつ、前記第一の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第二の熱電素子および前記第二の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第一の熱電素子の間に挟まれている、少なくとも一つの第二のシャントと、
を含む熱電システムであって、
前記熱電システムが、前記第一の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第一の熱電素子、前記第一の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第一のシャント、前記第一の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第二の熱電素子、前記少なくとも一つの第二のシャント、前記第二の熱電素子の前記少なくとも一つの第一の熱電素子、前記第二の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第一のシャント、および前記第二の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第二の熱電素子を通る電流経路を有するように、前記第一の熱電アセンブリ、前記少なくとも一つの第二のシャント、および前記第二の熱電アセンブリは、互いに直列に電気的に連通している、
ことを特徴とする熱電システム。  
【請求項２】
前記電流経路は前記軸方向に対して略平行な方向にある、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電システム。
【請求項３】
前記少なくとも一つの第一のシャントは前記管を包囲し、前記少なくとも一つの第二のシャントは前記管を包囲している、ことを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の熱電システム。
【請求項４】
前記第一の熱電アセンブリおよび前記第二の熱電アセンブリの各々は、前記少なくとも一つの熱交換器から前記少なくとも一つの第一のシャントを電気的に分離する少なくとも一つの電気的絶縁性層をさらに含む、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱電システム。
【請求項５】
前記第一の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの熱交換器と、前記第二の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの熱交換器は、互いに機械的に結合されている、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の熱電システム。
【請求項６】
前記第一の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの熱交換器および前記第二の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの熱交換器のうちの少なくとも一つは、前記熱電システムの部品間での動きに応じてコンプライアントである、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の熱電システム。
【請求項７】
前記少なくとも一つの第二のシャントは、前記管に沿ってスライドし、前記熱電システム内の熱膨張もしくは熱収縮に応じて前記管との熱的連通を保持するように構成される、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の熱電システム。
【請求項８】
前記第一の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの熱交換器および前記第二の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの熱交換器の間にあって、前記第一の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの熱交換器を前記第二の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの熱交換器に機械的に結合する少なくとも一つのコンプライアント素子であって、前記第一の熱電アセンブリおよび前記第二の熱電アセンブリの熱膨張もしくは熱収縮に応じてコンプライアントである少なくとも一つのコンプライアント素子と、
前記熱電システムの第一の端部で前記管の周囲に伸長する第一のキャップと、
前記熱電システムの第二の端部で前記管の周囲に伸長する第二のキャップと、
をさらに含み、
前記第一のキャップ、前記第二のキャップ、前記第一の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの熱交換器、前記第二の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの熱交換器、前記少なくとも一つのコンプライアント素子は、前記少なくとも一つの第一の熱電素子および前記少なくとも一つの第二の熱電素子を包含する容器の少なくとも一部を形成する、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の熱電システム。
【請求項９】
前記容器は、前記少なくとも一つの第一の熱電素子および前記少なくとも一つの第二の熱電素子を前記容器内に密封する、ことを特徴とする請求項８に記載の熱電システム。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの第二のシャントは、前記管に加わる放射状方向の圧縮力を増大させることによって、温度上昇に応答する、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の熱電システム。
【請求項１１】
前記電流経路は、前記第一の熱電アセンブリ、前記少なくとも一つの第二のシャント、および前記第二の熱電アセンブリを一度通る、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の熱電システム。
【請求項１２】
前記少なくとも一つの第一のシャントは、第一のセグメントと、第二のセグメントと、前記第一のセグメントおよび前記第二のセグメントの間の電気的絶縁性材料と、少なくとも一つの第一のｐ型熱電素子および少なくとも一つの第一のｎ型熱電素子を含む前記少なくとも一つの第一の熱電素子と、少なくとも一つの第二のｐ型熱電素子および少なくとも一つの第二のｎ型熱電素子を含む前記少なくとも一つの第二の熱電素子と、を含み、前記少なくとも一つの第一のシャントの前記第一のセグメントは、前記少なくとも一つの第一のｐ型熱電素子および前記少なくとも一つの第二のｎ型熱電素子の間に挟まれ、前記少なくとも一つの第一のシャントの前記第二のセグメントは、前記少なくとも一つの第一のｎ型熱電素子および前記少なくとも一つの第二のｐ型熱電素子の間に挟まれている、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の熱電システム。
【請求項１３】
前記少なくとも一つの第一のシャントは、第一のセグメントの少なくとも幾つかの間に電気的絶縁性材料を有する前記複数の第一のセグメントと、複数のｐ型熱電素子および複数のｎ型熱電素子を含む前記少なくとも一つの第一の熱電素子と、複数のｐ型熱電素子および複数のｎ型熱電素子を含む前記少なくとも一つの第二の熱電素子と、を含み、前記複数の第一のセグメントのうちの各第一のセグメントは、前記少なくとも一つの第一の熱電素子のうちの一つの熱電素子と、異なるドーピング型を有する前記少なくとも一つの第二の熱電素子のうちの一つの熱電素子との間に挟まれている、ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の熱電システム。
【請求項１４】
前記少なくとも一つの第二のシャントは、第二のセグメントのうちの少なくとも幾つかの間に電気的絶縁性材料を有する前記複数の第二のセグメントを含み、前記複数の第二のセグメントのうちの各第二のセグメントは、前記第一の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第二の熱電素子のうちの一つの熱電素子と、異なるドーピング型を有する前記第二の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第一の熱電素子のうちの一つの熱電素子との間に挟まれている、ことを特徴とする請求項１３に記載の熱電システム。
【請求項１５】
管の少なくとも一部であって、前記管の軸方向に沿って前記管の前記少なくとも一部を通って流れる第一の流体を有する、管の少なくとも一部と、
複数の熱電アセンブリであって、前記複数の熱電アセンブリの各熱電アセンブリは、前記管、および前記第一の流体とは異なる第二の流体と熱的に連通し、かつ、
前記管の外周の周囲に、前記軸方向に対して略垂直な面内で伸長する少なくとも一つの第一のシャントと、
前記少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通し、かつ電気的に連通する少なくとも一つの第一の熱電素子と、
前記少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通し、かつ電気的に連通する少なくとも一つの第二の熱電素子であって、前記少なくとも一つの第一のシャントの少なくとも一部は、前記少なくとも一つの第一の熱電素子および前記少なくとも一つの第二の熱電素子の間に挟まれ、前記少なくとも一つの第一の熱電素子および前記少なくとも一つの第二の熱電素子は、前記管から電気的に分離されている、第二の熱電素子と、
前記少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通し、かつ前記第二の流体と熱的に連通する複数の熱交換器であって、少なくとも一つの熱交換器が前記少なくとも一つの第一のシャントから略外方へ伸長する複数のフィンを含む、複数の熱交換器と、
を含む複数の熱電アセンブリと、
複数の第二のシャントであって、前記複数の第二のシャントのうちの各第二のシャントは、前記管の前記外周の周囲に、前記軸方向に対して略垂直な平面内で伸長し、かつ前記管と熱的に連通し、前記複数の第二のシャントのうちの各第二のシャントの少なくとも一部は、前記管から電気的に分離され、前記複数の熱電アセンブリのうちの二つの熱電アセンブリと熱的に連通し、前記複数の熱電アセンブリのうちの前記二つの熱電アセンブリと電気的に連通し、かつ前記複数の熱電アセンブリのうちの前記二つの熱電アセンブリの間に挟まれ、前記複数の熱電アセンブリのうちの少なくとも幾つかと前記複数の第二のシャントのうちの少なくとも幾つかは互いに直列に電気的に連通する、複数の第二のシャントと、
を含むことを特徴とする熱電システム。
【請求項１６】
前記複数の熱電アセンブリのうちの各熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第一のシャントは前記管を包囲し、前記複数の第二のシャントのうちの各第二のシャントは前記管を包囲する、ことを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【請求項１７】
前記複数の熱電アセンブリと前記複数の第二のシャントは、前記軸方向に沿って互いに交互に並んでおり、前記複数の熱電アセンブリと前記複数の第二のシャントを通る電流経路は、前記軸方向に対し略平行な方向にある、ことを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【請求項１８】
前記複数の熱電アセンブリのうちの各熱電アセンブリは、前記管から前記少なくとも一つの第一の熱電素子を電気的に分離し、かつ、前記管から前記少なくとも一つの第二の熱電素子を電気的に分離する少なくとも一つの電気的絶縁性層をさらに含む、ことを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【請求項１９】
前記複数の熱電アセンブリのうちの互いに隣接する熱電アセンブリの前記複数の熱交換器は、互いに機械的に結合されている、ことを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【請求項２０】
前記複数の熱電アセンブリのうちの二つの隣接する熱電アセンブリの前記複数の熱交換器の間に少なくとも一つの電気的絶縁性層をさらに含む、ことを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【請求項２１】
前記複数の熱交換器のうちの少なくとも一つの熱交換器は、前記熱電システムの部品間の動きに応じてコンプライアントである、ことを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【請求項２２】
前記複数の第二のシャントのうちの少なくとも幾つかの第二のシャントは、前記管に沿ってスライドし、前記熱電システム内の熱膨張もしくは熱収縮に応じて、前記管との熱的連通を保持するように構成される、ことを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【請求項２３】
複数のコンプライアント素子であって、各コンプライアント素子は、隣接する熱電アセンブリのうちの前記少なくとも一つの熱交換器の間にあって、前記隣接する熱電アセンブリのうちの前記少なくとも一つの熱交換器を互いに機械的に結合する、複数のコンプライアント素子と、
前記熱電システムの第一の端部で前記管の周囲に伸長する第一のキャップと、
前記熱電システムの第二の端部で前記管の周囲に伸長する第二のキャップと、
をさらに含み、
前記第一のキャップ、前記第二のキャップ、前記複数の熱交換器および前記複数のコンプライアント素子は、前記第一の熱電素子と前記第二の熱電素子とを含有する容器の少なくとも一部を形成する、ことを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【請求項２４】
前記容器は前記容器内に前記第一の熱電素子および前記第二の熱電素子を密封する、ことを特徴とする請求項２３に記載の熱電システム。
【請求項２５】
前記複数の第二のシャントは、前記管に加わる放射状方向の圧縮力を増大させることによって、温度上昇に応答する、ことを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【請求項２６】
前記少なくとも一つの第一のシャントは、複数の第一のセグメント間に電気的絶縁性材料を有する前記複数の第一のセグメントを含み、前記少なくとも一つの第一の熱電素子は、複数のｐ型熱電素子および複数のｎ型熱電素子を含み、前記少なくとも一つの第二の熱電素子は、複数のｐ型熱電素子および複数のｎ型熱電素子を含み、前記複数の第一のセグメントのうちの各第一のセグメントは、前記少なくとも一つの第一の熱電素子のうちの１つの熱電素子と、異なるドーピング型を有する前記少なくとも一つの第二の熱電素子のうちの１つの熱電素子との間に挟まれている、ことを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【請求項２７】
前記複数の第二のシャントのうちの各第二のシャントは、第二のセグメントのうちの少なくとも幾つかの間に電気的絶縁性材料を有する前記複数の第二のセグメントを含み、前記複数の第二のセグメントのうちの各第二のセグメントは、前記第一の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第二の熱電素子のうちの１つの熱電素子と、異なるドーピング型を有する前記第二の熱電アセンブリの前記少なくとも一つの第一の熱電素子のうちの１つの熱電素子との間に挟まれている、ことを特徴とする請求項２６に記載の熱電システム。
【請求項２８】
前記熱電システムを通る電流経路は、前記複数の熱電アセンブリの各熱電アセンブリおよび前記複数の第二のシャントのうちの各第二のシャントを複数回通る、ことを特徴とする請求項２７に記載の熱電システム。
【請求項２９】
前記複数のフィンのうちの前記フィンは、互いに略平行な前記少なくとも一つの第一のシャントから略外方へ、前記軸方向に対して略垂直に伸長している、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電システム。
【請求項３０】
前記複数のフィンのうちの前記フィンの少なくとも幾つかは、前記軸方向に対して略平行な平面内にある、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電システム。
【請求項３１】
前記複数のフィンのうちの前記フィンの少なくとも幾つかは、前記軸方向に対して垂直な平面内にある、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電システム。
【請求項３２】
前記複数のフィンのうちの前記フィンは、互いに略平行な前記少なくとも一つの第一のシャントから略外方へ、前記軸方向に対して垂直に伸長している、ことを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【請求項３３】
前記複数のフィンのうちの前記フィンの少なくとも幾つかは、前記軸方向に対して略平行な平面内にある、ことを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【請求項３４】
前記複数のフィンのうちの前記フィンの少なくとも幾つかは、前記軸方向に対して垂直な平面内にある、ことを特徴とする請求項１５に記載の熱電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、概して熱電性冷却、加熱および発電システムに関する。
【０００２】
［関連出願に対する相互参照］
本出願は、２０１１年６月６日に出願された米国仮出願番号６１／４９３，８７１、２０１１年６月６日に出願された米国仮出願番号６１／４９３，９２６、２０１１年６月６日に出願された米国仮出願番号６１／４９３，９３５、２０１１年１２月２日に出願された米国仮出願番号６１／５６６，１９４に対する優先権の利益を享受する権利を主張し、その各々は、本明細書に参照によってその全体において組み入れられる。本出願は、本明細書と同日に出願された“Systems and Method for Reducing Current and Increasing Voltage in Thermoelectric Systems”と題された米国特許出願整理番号  ＿＿に関連し、本明細書に参照によってその全体において組み入れられる。本出願は、本明細書と同日に出願された、“Thermoelectric Devices With Reduction of Interfacial Losses”と題された米国特許出願整理番号  ＿＿にも関連し、本明細書に参照によってその全体において組み入れられる。
【０００３】
［連邦によって後援された研究開発に関する宣言］
米国政府は、Ｎｏ．ＤＯＥ  ＤＥ−ＦＣ２６−０４ＮＴ４２２７９およびＤＯＥ  ＤＥ−ＥＥ０００５３８７の契約条件のもとで、本発明もしくは本発明の一部におけるある権利を有することを主張しうる。
【背景技術】
【０００４】
熱電（ＴＥ）モジュール（例えば、４０ｍｍ×４０ｍｍ正方形）は、具体的な適所の加熱および冷却への適用のために製造されてきた。これらのモジュールは、電極とともに接続され、かつ、二つのセラミック基板間に挟まれたＴＥ材料を含む。これらのモジュールは、熱電デバイスおよびシステム用の基礎的要素として利用されてきた。それらは、しばしば、熱交換器に接続され、高温側および低温側（もしくは、廃棄側および供給側）間に挟まれる。しばしば、モジュールのセラミック基板によって生成される熱抵抗は、熱交換器にそれらを接続するために使用される界面材料による熱抵抗と同様に、非常に大きく、熱電デバイスの性能に対して有害である。さらには、液体から気体（ガス）へのＴＥ適用に対して、ガス側は、しばしば主な制限因子のうちの一つである。液体の熱伝達係数と比較して、低いガスの熱伝達係数を補償するために、十分に大きな熱伝達表面面積を有する設計を備えることがしばしば困難である。これによって、ＴＥデバイスに対するインピーダンスの不整合および再度、性能の低下を引き起こす。
【発明の概要】
【０００５】
熱電アセンブリは、ある方向に沿ってコンジットを通って流れる第一の流体を有するように構成されたほぼ管状の流体コンジットと熱的に連通するように構成されるように提供される。熱電アセンブリは、コンジット周囲に伸長するように構成された少なくとも一つのシャントを含む。熱電アセンブリは、少なくとも一つのシャントと熱的に連通し、かつ電気的に連通する少なくとも一つの第一の熱電素子をさらに含む。熱電アセンブリは、少なくとも一つのシャントと熱的に連通し、かつ電気的に連通する少なくとも一つの第二の熱電素子をさらに含む。少なくとも一つのシャントの少なくとも一部は、少なくとも一つの第一の熱電素子と少なくとも一つの第二の熱電素子との間に挟まれる。少なくとも一つの第一の熱電素子と少なくとも一つの第二の熱電素子は、コンジットから電気的に分離される。熱電アセンブリは、少なくとも一つのシャントと熱的に連通し、第二の流体と熱的に連通するように構成された少なくとも一つの熱交換器をさらに含む。
【０００６】
熱電システムは、ある方向に沿ってほぼ管状の流体コンジットの少なくとも一部を通って第一の流体が流れることを可能にするように構成されたほぼ管状の流体コンジットの少なくとも一部を含むように提供される。熱電システムは、第一の熱電アセンブリと第二の熱電アセンブリとをさらに含み、第一の熱電アセンブリおよび第二の熱電アセンブリの各々は、コンジットと熱的に連通し、コンジット周囲に伸長する少なくとも一つの第一のシャントと、少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通し、かつ電気的に連通する少なくとも一つの第一の熱電素子と、少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通し、かつ電気的に連通する少なくとも一つの第二の熱電素子とを含み、少なくとも一つの第一のシャントの少なくとも一部は、少なくとも一つの第一の熱電素子と少なくとも一つの第二の熱電素子との間に挟まれ、少なくとも一つの第一の熱電素子と少なくとも一つの第二の熱電素子は、コンジットから電気的に分離される。また、熱電システムは、少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通し、かつ第二の流体と熱的に連通する少なくとも一つの熱交換器を含む。熱電システムは、コンジット周囲に伸長し、コンジットと熱的に連通する少なくとも一つの第二のシャントをさらに含む。少なくとも一つの第二のシャントのうちの少なくとも一部は、コンジットから電気的に分離され、第一の熱電アセンブリの少なくとも一つの第二の熱電素子と、第二の熱電アセンブリの少なくとも一つの第一の熱電素子と熱的かつ電気的に連通し、その間に挟まれる。第一の熱電アセンブリ、少なくとも一つの第二のシャントおよび第二の熱電アセンブリは、お互いに直列に電気的に連通し、熱電システムは、第一の熱電アセンブリの少なくとも一つの第一の熱電素子、第一の熱電アセンブリの少なくとも一つの第一のシャント、第一の熱電アセンブリの少なくとも一つの第二の熱電素子、少なくとも一つの第二のシャント、第二の熱電アセンブリの少なくとも一つの第一の熱電素子、第二の熱電アセンブリの少なくとも一つの第一のシャントおよび第二の熱電アセンブリの少なくとも一つの第二の熱電素子を通る電流経路を有する。
【０００７】
熱電システムは、ある方向に沿ってほぼ管状の流体コンジットの少なくとも一部を通って流れる第一の流体を有するほぼ管状の流体コンジットの少なくとも一部を含むように提供される。熱電システムは、複数の熱電アセンブリをさらに含み、複数の熱電アセンブリのうちの各熱電アセンブリは、コンジットと熱的に連通し、以下を含む。それは、コンジット周囲に伸長する少なくとも一つの第一のシャントと、少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通し電気的に連通する少なくとも一つの第一の熱電素子と、少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通し、電気的に連通する少なくとも一つの第二の熱電素子と、を含み、少なくとも一つの第一のシャントの少なくとも一部は、少なくとも一つの第一の熱電素子と少なくとも一つの第二の熱電素子との間に挟まれ、少なくとも一つの第一の熱電素子と少なくとも一つの第二の熱電素子は、コンジットから電気的に分離される。熱電システムは、少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通し、かつ、第二の流体と熱的に連通する複数の熱交換器を含む。熱電システムは、複数の第二のシャントをさらに含み、複数の第二のシャントのうちの各第二のシャントは、コンジット周囲に伸長し、コンジットと熱的に連通する。複数の第二のシャントのうちの各第二のシャントの少なくとも一部は、コンジットから電気的に分離され、複数の熱電アセンブリのうちの二つの熱電アセンブリと熱的、電気的に連通し、かつその間に挟まれる。複数の熱電アセンブリのうちの少なくも幾つかと、複数の第二のシャントのうちの少なくとも幾つかは、お互いに直列して電気的に連通する。
【０００８】
熱電システムは、ある方向に沿ってほぼ管状の流体コンジットの少なくとも一部を通って流体が流れることを可能にするように構成されたほぼ管状の流体コンジットの少なくとも一部を含むように提供される。熱電システムは、コンジット周囲に伸長し、コンジットと熱的に連通する少なくとも二つの熱電アセンブリをさらに含み、少なくとも二つの熱電アセンブリは第一の熱電アセンブリと第二の熱電アセンブリとを含む。第一の熱電アセンブリおよび第二の熱電アセンブリのうちの各々は、少なくとも一つの第一のシャントと、少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通しかつ電気的に連通し、コンジットから電気的に分離された複数の熱電素子と、少なくとも一つの第一のシャントと熱的に連通する少なくとも一つの熱交換器とを含み、少なくとも一つの第一のシャントの少なくとも一部は、複数の熱電素子のうちの少なくとも二つの熱電素子の間に挟まれる。熱電システムは、第一の熱電アセンブリと第二の熱電アセンブリとをともに機械的に結合する少なくとも一つのコンプライアント素子をさらに含み、少なくとも一つのコンプライアント素子は、熱電システムの部品間の動きに応じてコンプライアントである。
【０００９】
熱電アセンブリは、第一の方向にほぼ沿って少なくとも一つの第一の流体コンジットを通って第一の流体が流れることを可能にするように構成された少なくとも一つの第一の流体コンジットを含むように提供される。熱電アセンブリは、第一の方向にほぼ平行な少なくとも一つの第二の流体コンジットを通って第二の流体が流れることを可能にするように構成された少なくとも一つの第二の流体コンジットをさらに含む。熱電アセンブリは、少なくとも一つの第一の流体コンジットの少なくとも一部の周囲に伸長し、少なくとも一つの第一の流体コンジットの少なくとも一部と熱的に連通するように構成された複数の第一のシャントをさらに含む。熱電アセンブリは、少なくとも一つの第二の流体コンジットの少なくとも一部の周囲に伸長し、少なくとも一つの第二の流体コンジットの少なくとも一部と熱的に連通するように構成された複数の第二のシャントをさらに含む。熱電アセンブリは、複数の第一のシャントと熱的に連通し、電気的に連通し、少なくとも一つの第一の流体コンジットおよび少なくとも一つの第二の流体コンジットから電気的に分離された複数の第一の熱電素子をさらに含む。熱電アセンブリは、複数の第一のシャントおよび複数の第二のシャントと熱的に連通し、電気的に連通する複数の第二の熱電素子をさらに含み、複数の第一のシャントのうちの各第一のシャントは、複数の第一の熱電素子のうちの少なくとも一つの第一の熱電素子と、複数の第二の熱電素子のうちの少なくとも一つの第二の熱電素子との間に挟まれ、複数の第二のシャントのうちの各第二のシャントは、複数の第一の熱電素子のうちの少なくとも一つの第一の熱電素子と、複数の第二の熱電素子のうちの少なくとも一つの第二の熱電素子との間に挟まれる。
【００１０】
熱電システムは、複数の熱電アセンブリを含むように提供される。複数の熱電アセンブリのうちの各熱電アセンブリは、第一の方向にほぼ沿って少なくとも一つの第一の流体コンジットを通って第一の流体が流れることを可能にするように構成された少なくとも一つの第一の流体コンジットと、第一の方向とほぼ平行に少なくとも一つの第二の流体コンジットを通って第二の流体が流れることを可能にするように構成された少なくとも一つの第二の流体コンジットと、少なくとも一つの第一の流体コンジットの少なくとも一部の周囲に伸長し、少なくとも一つの第一の流体コンジットの少なくとも一部と熱的に連通するように構成された複数の第一のシャントと、少なくとも一つの第二の流体コンジットの少なくとも一部の周囲に伸長し、少なくとも一つの第二の流体コンジットの少なくとも一部と熱的に連通するように構成された複数の第二のシャントと、複数の第一のシャントと熱的に連通し、電気的に連通し、少なくとも一つの第一の流体コンジットおよび少なくとも一つの第二の流体コンジットから電気的に分離された複数の第一の熱電素子と、複数の第一のシャントおよび複数の第二のシャントと熱的に連通し、電気的に連通する複数の第二の熱電素子と、を含み、複数の第一のシャントのうちの各第一のシャントは、複数の第一の熱電素子のうちの少なくとも一つの第一の熱電素子と、複数の第二の熱電素子のうちの少なくとも一つの第二の熱電素子との間に挟まれ、複数の第二のシャントのうちの各第二のシャントは、複数の第一の熱電素子のうちの少なくとも一つの第一の熱電素子と、複数の第二の熱電素子のうちの少なくとも一つの第二の熱電素子との間に挟まれる。熱電アセンブリは、少なくとも一つの第一の流体コンジットの少なくとも一部と、少なくとも一つの第二の流体コンジットの少なくとも一部と、複数の第一のシャントと、複数の第二のシャントと、複数の第一の熱電素子と、複数の第二の熱電素子とを包囲するように構成された筐体を含む。熱電アセンブリは、お互いにほぼ平行である。
【００１１】
熱電アセンブリは、第一の表面を有する流体コンジットを含むように提供される。熱電アセンブリは、第二の表面を有する筐体をさらに含む。熱電アセンブリは、筐体内に包囲された複数の熱電素子をさらに含み、複数の熱電素子は、第一の表面と第二の表面との間に挟まれ、第一の表面および第二の表面と熱的に連通し、かつ電気的に連通する。熱電アセンブリは、複数の導電性、熱伝導性を有するシャントをさらに含み、複数のシャントは、複数の熱電素子と熱的に連通し、かつ電気的に連通し、複数のシャントは、流体コンジットと熱的に連通する第一組のシャントと、筐体と熱的に連通する第二組のシャントとを含む。熱電アセンブリは、筐体と熱的に連通し、筐体から離れる方向に伸長する複数の熱交換器をさらに含む。
【００１２】
上記の記述は、発明者によって熟考された熱電アセンブリ、熱電システムもしくはその双方の種々の特徴および構成を詳述する。以下の段落に開示された他の特徴および構成と上記の記述によるこれらの特徴および構成との組み合わせを含む熱電アセンブリと熱電システムと同様に、発明者は、上記の記述からこれらの特徴および構成の組み合わせを含む熱電アセンブリおよび熱電システムを熟考したことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
種々の構成は、例示的な目的のために添付の図面において示され、本明細書で記述された熱電アセンブリもしくはシステムの範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。さらには、開示された異なる構成の種々の特徴は、本開示の一部であるさらなる構成を形成するためにお互いに組み合わせることができる。任意の特徴もしくは構造は除去し、変化させ、省略することができる。図面を通して、参照番号は、関連する構成要素間の対応を示すために再利用されることがある。
【図１Ａ】ある方向に沿って、コンジットを通って流れる第一の流体を有するように構成された管状の流体コンジットと熱的に連通するよう構成される、例示的な熱電アセンブリの分解組み立て図を概略的に示す。
【図１Ｂ】当該方向に垂直な平面における、図１Ａの例示的な熱電アセンブリの軸方向の切片の部分的側面図を概略的に示す。
【図１Ｃ】内部部品がお互いから間隔を開けられた複数のプレートを含む、少なくとも一つのシャントの別の例示的な構成の透視図を概略的に示す。
【図１Ｄ】複数のプレートおよびプレートに結合された熱電素子を含む内部部品と、外部リング部品とを含む少なくとも一つのシャントを有する例示的な熱電アセンブリの前面図を概略的に示す。
【図１Ｅ】ほぼ涙滴形状を有するフィンを含む少なくとも一つの熱交換器を有する複数の例示的な熱電アセンブリを概略的に示す。
【図２Ａ】外部リング部品と、スロットによってお互いから間隔を開けられた複数のプレートを有する内部部品とを含む少なくとも一つのシャントを備える熱電アセンブリの例示的な構成の透視図を概略的に示す。
【図２Ｂ】複数のフィンと、フィンにろう付けされたリングもしくは管を含む少なくとも一つの熱交換器の透視図を概略的に示す。
【図２Ｃ】複数のプレートを含む少なくとも一つのシャントを備える熱電アセンブリの別の例示的な構成を概略的に示す。
【図２Ｄ】お互いから部品を電気的に分離するために部品間に間隙もしくはスロットを備える４つの部品を含む例示的なシャントを概略的に示す。
【図２Ｅ】図２Ｃおよび図２Ｄに従って、複数の熱電アセンブリを含む例示的な熱電システムを概略的に示す。
【図３】各挿入物がシャントの残りと熱的に連通するが、シャントの残りから電気的に分離されている、別の例示的な構成の断面図を概略的に示す。
【図４】複数の熱電アセンブリ用の少なくとも一つの熱交換器を提供する例示的な構成の円柱状管を概略的に示す。
【図５Ａ】例示的な熱電システム（例えばカートリッジ）の断面図を概略的に示す。
【図５Ｂ】図５Ａの例示的な熱電システムの一部の断面図を概略的に示す。
【図６Ａ】別の例示的な熱電システム（例えばカートリッジ）を概略的に示す。
【図６Ｂ】図６Ａの例示的な熱電システムの断面の透視図を概略的に示す。
【図７Ａ】筐体内に図１−３、図５および図６の例示的な熱電アセンブリおよび例示的な熱電システムと互換性のある例示的な複数のカートリッジを概略的に示す。
【図７Ｂ】断面図に示されたカートリッジのうちの一つを備える、図７Ａの例示的な複数のカートリッジを概略的に示す。
【図７Ｃ】筐体内に図４の例示的な熱電アセンブリおよび例示的な熱電システムと互換性のある例示的な複数のカートリッジを概略的に示す。
【図７Ｄ】種々の構成において複数のバッフルを備える例示的な複数のカートリッジの端面図を概略的に示す。
【図７Ｅ】種々の構成において複数のバッフルを備える例示的な複数のカートリッジの端面図を概略的に示す。
【図７Ｆ】種々の構成において複数のバッフルを備える例示的な複数のカートリッジの端面図を概略的に示す。
【図７Ｇ】種々の構成において複数のバッフルを備える例示的な複数のカートリッジの端面図を概略的に示す。
【図８Ａ】コンジットと同軸の管状部分を含む少なくとも一つの例示的な電気的コンジットを概略的に示す。
【図８Ｂ】第一のキャップおよび第二のキャップのうちの少なくとも一つと複数の熱電アセンブリとの間の、少なくとも一つの例示的なばねを概略的に示す。
【図８Ｃ】お互いに流体連通する内部管と外部管とを有する流体コンジットを含む例示的な熱電システムを概略的に示す。
【図８Ｄ】お互いに流体連通する内部管と外部管とを有する流体コンジットを含む例示的な熱電システムを概略的に示す。
【図８Ｅ】一つ以上の凹部と、流体コンジットの対応する凹部へと伸長する少なくとも一つの突出を有する少なくとも一つのシャントと、を有する流体コンジットを含む例示的な熱電システムを概略的に示す。
【図８Ｆ】一つ以上の凹部と、流体コンジットの対応する凹部へと伸長する少なくとも一つの突出を有する少なくとも一つのシャントと、を有する流体コンジットを含む例示的な熱電システムを概略的に示す。
【図８Ｇ】一つ以上の凹部と、流体コンジットの対応する凹部へと伸長する少なくとも一つの突出を有する少なくとも一つのシャントと、を有する流体コンジットを含む例示的な熱電システムを概略的に示す。
【図９Ａ】電流経路が、一度、各熱電アセンブリと各第二のシャントとを通る、例示的な熱電システムの種々の図を概略的に示す。
【図９Ｂ】電流経路が、一度、各熱電アセンブリと各第二のシャントとを通る、例示的な熱電システムの種々の図を概略的に示す。
【図９Ｃ】電流経路が、一度、各熱電アセンブリと各第二のシャントとを通る、例示的な熱電システムの種々の図を概略的に示す。
【図９Ｄ】電流経路が、一度、各熱電アセンブリと各第二のシャントとを通る、例示的な熱電システムの種々の図を概略的に示す。
【図１０Ａ】電流経路が、ニ度、各熱電アセンブリと各第二のシャントとを通る、別の例示的な熱電システムの種々の図を概略的に示す。
【図１０Ｂ】電流経路が、ニ度、各熱電アセンブリと各第二のシャントとを通る、別の例示的な熱電システムの種々の図を概略的に示す。
【図１０Ｃ】電流経路が、ニ度、各熱電アセンブリと各第二のシャントとを通る、別の例示的な熱電システムの種々の図を概略的に示す。
【図１０Ｄ】電流経路が、ニ度、各熱電アセンブリと各第二のシャントとを通る、別の例示的な熱電システムの種々の図を概略的に示す。
【図１１Ａ】少なくとも一つのコンプライアント素子によって、お互いに機械的に結合される隣接する熱電アセンブリの少なくとも一つの熱交換器を概略的に示す。
【図１１Ｂ】第一および第二の熱電アセンブリに機械的に結合され、標準の構成で取り付けられた少なくとも一つのベローを含む例示的なコンプライアント素子を概略的に示す。
【図１１Ｃ】第一および第二の熱電アセンブリに機械的に結合され、転置された構成で取り付けられた少なくとも一つのベローを含む例示的なコンプライアント素子を概略的に示す。
【図１１Ｄ】一つ以上の畳み込みを有するように形成された単一の一体部品である例示的なベローを概略的に示す。
【図１１Ｅ】一つ以上の畳み込みを有するように形成された単一の単位部品である例示的なベローを概略的に示す。
【図１１Ｆ】隣接する熱電アセンブリに機械的に結合された少なくとも一つの電気的に絶縁性の部分を含む例示的な弾性素子を概略的に示す。
【図１１Ｇ】隣接する熱電アセンブリに機械的に結合された少なくとも一つの電気的に絶縁性の部分を含む例示的な弾性素子を概略的に示す。
【図１１Ｈ】隣接する熱電アセンブリに機械的に結合された少なくとも一つの電気的に絶縁性の部分を含む例示的な弾性素子を概略的に示す。
【図１１Ｉ】隣接する熱電アセンブリに機械的に結合された少なくとも一つの電気的に絶縁性の部分を含む例示的な弾性素子を概略的に示す。
【図１２Ａ】熱電システムを形成するための例示的な作製プロセスを示す、例示的な熱電システムの分解組み立て透視図を概略的に示す。
【図１２Ｂ】例示的なベローを概略的に示す。
【図１２Ｃ】例示的な第二のシャントを概略的に示す。
【図１２Ｄ】例示的な熱電アセンブリを概略的に示す。
【図１３】円柱状熱電性発電機（ＴＥＧ）を概略的に示し、挿入図は、当該円柱状ＴＥＧを作成するために使用することができる、例示的な線形熱電アセンブリを概略的に示す。
【図１４Ａ】例示的な熱電アセンブリの種々の図を概略的に示す。
【図１４Ｂ】例示的な熱電アセンブリの種々の図を概略的に示す。
【図１４Ｃ】例示的な熱電アセンブリの種々の図を概略的に示す。
【図１５】少なくとも幾つかの熱電アセンブリがほぼ円形構成に配置される例示的な熱電システムを概略的に示す。
【図１６Ａ】中央の第一の流体コンジットの逆側に二つの積層を有する例示的な熱電アセンブリを概略的に示す。
【図１６Ｂ】図１４Ａ−図１４Ｃと互換性のある複数の熱電アセンブリを含む例示的な熱電システムを概略的に示す。
【図１６Ｃ】図１６Ａと互換性のある複数の熱電アセンブリを含む例示的な熱電システムを概略的に示す。
【図１７】車両の排気用の複数の熱電アセンブリのうちの一組を含む熱電システムの例示的なパッケージング構成を概略的に示す。
【図１８】車両排気用のお互いに直列な二組を有する複数の熱電アセンブリの二組を含む、熱電システムの例示的なパッケージング構成を概略的に示す。
【図１９】排気が熱電アセンブリに対して横方向に流れる車両排気用の熱電システムの例示的なパッケージング構成を概略的に示す。
【図２０】熱電素子を密閉する筐体と、平坦な表面とを有する流体コンジットを含む例示的な熱電アセンブリを概略的に示す。
【図２１】図２０の例示的な熱電アセンブリの端面図を概略的に示す。
【図２２】筐体の幅に沿って伸長する複数のひだを含む例示的な筐体を概略的に示す。
【図２３Ａ】図２０−図２２の例示的な熱電アセンブリに従う、４つの熱電アセンブリを各々含む例示的な熱電システムを概略的に示す。
【図２３Ｂ】図２０−図２２の例示的な熱電アセンブリに従う、４つの熱電アセンブリを各々含む例示的な熱電システムを概略的に示す。
【図２４】図２０−図２２の例示的な熱電アセンブリに従う、複数の熱電アセンブリを含む熱電システムにおける例示的な圧縮力を概略的に示す。
【図２５Ａ】ストーンヘンジ構成における放射状に接続される例示的な熱電素子を概略的に示す。
【図２５Ｂ】ストーンヘンジ構成における軸方向に接続される例示的な熱電素子を概略的に示す。
【図２６】素子を通る熱伝達および電流が、ほぼ円周方向であるように熱電素子が配置された例示的なモジュール設計を概略的に示す。
【図２７Ａ】フィン構造の最大直径近くに溶着されたビードを有する例示的な高温側熱交換器フィン（陰影をつけて示された一部品）の一部を概略的に示す。
【図２７Ｂ】各高温側シャントが他の内部素子に対して独立して動くことができるように、中に湾曲を有する管である外部ケースを有する湾曲を概略的に示す。
【図２８Ａ】過度の高温側流体温度から発電機システムを保護するための例示的な一方法を概略的に示す。
【図２８Ｂ】図２７Ｂに示された熱交換器構造を作製するために使用することができる高温側内部熱交換器部材用の例示的な設計を概略的に示す。
【図２９Ａ】熱電デバイスに対する電流対電圧曲線（Ｉ−Ｖ曲線）と、同一図における電流対高温側の熱流束（ＱＨ−Ｉ曲線）を示す。
【図２９Ｂ】温度アクティブな高温側熱導体による温度過上昇の保護用の例示的な一方法を概略的に示す。
【図２９Ｃ】熱的にアクティブなシムによる温度過上昇保護用の例示的な一方法を概略的に示す。
【図３０Ａ】コンジットが、一端に注入口、他端に注出口を備え、かつ、内部熱交換増進フィーチャを備える管である、低温側熱交換器を概略的に示す。
【図３０Ｂ】低温側流体注入口および注出口の双方が同一の端にある管構成における例示的な管を概略的に示す。
【図３０Ｃ】注入口および注出口が同一端にあるがほぼ同軸ではない、例示的なほぼＵ形状の低温側熱交換器システムを概略的に示す。
【図３１】エンジンの排気と流体連通するＴＥＧの例示的な適用を概略的に示す。
【発明の詳細な説明】
【００１４】
ある構成および実施例が本明細書で開示されるが、本発明の主題は、具体的に開示された構成における実施例を超えて、他の代替体的な構成および／もしくは使用へと拡大し、その改変および均等物へも拡大する。したがって、本明細書に添付された請求項の範囲は、以下に記述される具体的な構成のうちの如何なるものによっても限定されることはない。例えば、本明細書に開示される任意の方法もしくはプロセスにおいて、本方法もしくはプロセスの作用もしくは動作は、任意の適切な順序で実施されてもよく、開示された任意の特定の順序に限定される必要はない。種々の動作は、ある構成を理解するうえで役立つような方法で、同様に、複数の個別の動作として記述されてもよい。しかしながら、記述の順序は、これらの動作が順序に依存することを暗示するように解釈されるべきではない。さらには、本明細書に記述される構造、システムおよび／もしくはデバイスは、統合されたコンポーネントとして具現化されてもよいし、個別のコンポーネントとして具現化されてもよい。種々の構成を比較する目的で、ある態様およびこれらの構成の利点が記述される。このような態様もしくは利点のうちの全てが任意の特定の構成によって必ずしも達成される必要はない。したがって、例えば、種々の構成は、本明細書で教示されるか、もしくは示唆されるような他の態様もしくは利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示されるような一つの利点もしくは複数の利点を達成するか最適化する方法で実行されてもよい。
【００１５】
本明細書で記述される熱電システムは、熱電材料を介して電力を発生するために二つの流体間の温度差を利用する熱電式発電機（ＴＥＧ）である可能性がある。あるいは、本明細書で記述される熱電システムは、ある流体から別の流体へと熱を移動させるために使用される固体状態ヒートポンプとして作用し、それによって熱電材料を介して二流体間の温度差を生成するヒータ、クーラ、もしくはその双方である可能性がある。各流体は、液体、ガスもしくはそれらの組み合わせであり、二流体は、双方とも液体、双方ともガス、もしくは一方が液体で他方がガスである可能性がある。
【００１６】
熱電システムは、使用法、電力出力、加熱／冷却容量、性能係数（ＣＯＰ）もしくは電圧に依存して、単一の熱電アセンブリ（例えば、単一のカートリッジ）を含むか、一群の熱電アセンブリ（例えば、一群のカートリッジ）を含む可能性がある。本明細書で記述される実施例は、発電機もしくは加熱／冷却システムのうちのいずれかに関連して記述されうるが、記述される特徴は、発電機もしくは加熱／冷却システムのいずれかで使用することができる。
【００１７】
熱電アセンブリおよび熱電システムは、著しい温度差（例えば、６００℃まで）に晒されることがあるため、熱電アセンブリ、圧縮システム、主支持および電力端子の一部に対する熱膨張および応力除去を許容する、本明細書で記述される多くの特徴が存在する。
【００１８】
本明細書で記述されるようなある例示的な熱電アセンブリおよびシステムは、他の設計よりも高性能であり、これまで存在しなかったモジュール方式の手段を提供することができ、より低いコストでの製造と、さらなる適用およびパッケージ寸法に対する適応性を提供する。
【００１９】
本明細書で記述されるある例示的な熱電アセンブリおよびシステムは、ある適用に対して、加熱、冷却もしくは発電モードで使用することもできる。（暖気運転などの）特定の動作相の間、温度制御（加熱および冷却の双方）を利用し、その後、有効な発電を提供するために、他の動作相の間に温度差を提供するプロセスが存在する。加熱および冷却は、オーバーヒート、加速劣化もしくは低温による性能低下などの故障を回避するために再度利用することができる。モジュール設計を利用する例示的な構成は、熱電システム（例えば、カートリッジ）をシェル（外殻）に統合するための手段と、当該相の範囲のプロセスに理想的に適合しうる管状熱交換器を利用するための手段を提供することができる。熱電性は、その後、加熱、冷却および発電を提供するために、その性能における一意的な解法を提供することができる。
【００２０】
本明細書で記述されるようなある例示的な熱電システムは、熱電性加熱、冷却および熱電性発電に対する新規のモジュールによるアプローチを提供する。これらの新規のモジュールもしくはカートリッジは、高温および低温の熱伝達表面を含み、熱電材料をより直接的に熱交換器へと組み込むことができる。このより直接的な組み込みは、熱抵抗性を減少させることができ、熱電システムの性能（例えば、ＣＯＰもしくは最大温度差）を改善する。
【００２１】
シェル側のガスおよび管側の液体を利用することによって、フィンの備えられた外部管を備える本明細書で記述されるようなある例示的な熱電システムは、従来の他の熱電システムよりも、ガス側により大きな熱伝達表面を提供することができる。このような構成は、熱電システムのガス側および液体側の間の熱インピーダンス不整合を低減させるか、または回避することができる。
【００２２】
本明細書で使用されるような“シャント”および“熱交換器”という用語は、広義の妥当な解釈を有し、コンポーネントの一部分からコンポーネントの別の部分へと熱が流れることを可能にするコンポーネント（例えば、熱伝導性デバイスもしくは材料）を含むがそれには限定されない。シャントは、熱電アセンブリもしくはシステムのうちの一つ以上の熱電材料（例えば、一つ以上の熱電素子）と熱的に連通し、かつ、一つ以上の熱交換器と熱的に連通することができる。本明細書で記述されるシャントは、シャントの一部分からシャントの別の部分へと電流が流れることを可能にする（例えば、それによって複数の熱電材料もしくは熱電素子間の電気的連通を提供する）ために、導電性であり、一つ以上の熱電材料と電気的に連通する可能性がある。熱交換器は、熱電アセンブリもしくはシステムの一つ以上のシャントおよび一つ以上の作動流体と熱的に連通する可能性がある。一つ以上のシャントおよび一つ以上の熱交換器の種々の構成を使用することができる（例えば、一つ以上のシャントおよび一つ以上の熱交換器は、同一の一体素子の一部である可能性があり、一つ以上のシャントは一つ以上の熱交換器と電気的に連通する可能性があり、一つ以上のシャントは、一つ以上の熱交換器から電気的に分離される可能性があり、一つ以上のシャントは、熱電素子と熱的に直接連通する可能性があり、一つ以上のシャントは、一つ以上の熱交換器と熱的に直接連通する可能性があり、介在材料が一つ以上のシャントおよび一つ以上の熱交換器の間に配置される可能性がある）。さらには、本明細書で使用されるように、“低温”“高温”“より低温の”“より高温の”などの用語は、相対的な用語であって、特定の温度もしくは温度範囲を意味するものではない。
【００２３】
熱電アセンブリ
図１Ａは、ある方向に沿うか、もしくは、ほぼある方向に沿ってコンジットを通って流れる第一の流体を有するように構成される管状もしくはほぼ管状の（図示されていない）流体コンジットと熱的に連通するように構成された例示的な熱電アセンブリ１０の分解組み立て図を概略的に示し、図１Ｂは、当該方向に垂直な平面における、図１Ａの例示的な熱電アセンブリ１０の軸方向の切片の部分的な側面図を概略的に示す。図１Ａおよび図１Ｂは、熱電アセンブリ１０の例示的な一構造を示すが、以下により十分に示されるように、他のフィーチャ、構造もしくは構成が、図１Ａおよび図１Ｂのように示されるものに加えて、もしくはその代わりに使用される可能性がある。
【００２４】
熱電アセンブリ１０は、コンジット（管）の周囲に伸長するように構成された少なくとも一つのシャント（分路）２０を含む。熱電アセンブリ１０は、少なくとも一つのシャント２０と熱的および電気的に連通する少なくとも一つの第一の熱電素子３０ならびに、少なくとも一つのシャント２０と熱的および電気的に連通する少なくとも一つの第二の熱電素子４０をさらに含む。少なくとも一つのシャント２０の少なくとも一部は、少なくとも一つの第一の熱電素子３０と少なくとも一つの第二の熱電素子４０との間に挟まれる。少なくとも一つの第一の熱電素子３０と少なくとも一つの第二の熱電素子４０は、コンジットから電気的に分離される。熱電アセンブリ１０は、少なくとも一つのシャント２０と熱的に連通し、かつ、第二の流体と熱的に連通するように構成された少なくとも一つの熱交換器５０をさらに含む。例えば、コンジットは、ある方向に伸長する細長い形状を有し、少なくとも一つのシャント２０は、当該方向にほぼ垂直にコンジットを包囲するように構成され、少なくとも一つの熱交換器５０は、当該方向にほぼ垂直にコンジットを包囲するように構成される可能性がある。
【００２５】
少なくとも一つのシャント２０は、一つ以上の、電気的、熱的に伝導性の材料（例えば、銅、アルミニウム）を含む可能性がある。以下により十分に記述されるように、少なくとも一つのシャント２０は、（例えば、コンジットから少なくとも一つのシャント２０を電気的に分離するため、および／もしくは、コンジットから少なくとも一つのシャント２０を熱的に分離するため）熱電アセンブリ１０のコンポーネント間の電気的分離を提供するように構成された、一つ以上の電気的に絶縁性（例えば、誘電性）材料もしくは層をさらに含む可能性がある。図１Ａおよび図１Ｂは、一体の環状シャント２０を示すが、他の構成の少なくとも一つのシャント２０が複数のシャント２０もしくはともに結合されたシャント部品を含む可能性がある。例えば、少なくとも一つのシャント２０は、各々が環のうちの扇形形状を有する複数の部品を含む可能性があり、他の形状（例えば、パイ形状、楔形、台形、長方形、多角形、不規則形状）もまた使用することができる。少なくとも一つのシャント２０が複数のパイ・楔形状部品を含むある構成においては、部品は、あるパイ・楔形状部品から、別の部品に対して電気的な分離を提供するために、その端部に沿って電気的に絶縁性の層を含み、それによって、有効に電圧を増加させ、熱電アセンブリ１０に対する電流を減少させるのに役立つ可能性がある。少なくとも一つのシャント２０は、完全にもしくは部分的に、機械加工、鋳造、鍛造もしくは他の作製技術によって形成することができる。少なくとも一つのシャント２０の材料は、以下により十分に記述されるように、温度変化に応じて所望の熱膨張もしくは収縮を提供するように選択することができる。
【００２６】
シャント２０は、穴部２１を通ってコンジットを伸長させるように構成された穴部２１を（例えば、シャント２０の中心部において）有しうる。例えば、コンジットを通る流体の流れの方向は、コンジットの軸に沿うか、もしくはほぼ軸に沿ったものであり、シャント２０は、当該軸に対して垂直、もしくはほぼ垂直にコンジットを包囲するように構成することができる。図１Ａおよび図１Ｂに示されたシャント２０は、コンジットを通る流体の流れに対して垂直な平面において、ほぼ円形の断面を有する管状もしくはほぼ管状の流体コンジット周囲に伸長するように構成された環形状を有する。このような構成においては、穴部２１は、ほぼ円形である可能性がある。他の構成に対しては、穴部２１、コンジットの断面の外部周囲長、シャント２０の外部周囲長は、利用に依存して他の形状（例えば、楕円、長方形、正方形、多角形、不規則な形状）を有する可能性がある。図１Ａおよび図１Ｂは、ほぼ同一の形状を有する穴部２１とシャント２０の外部周囲長を示すが、穴部２１の形状とシャント２０の外部周囲長は、他の構成においては、お互いに異なる可能性がある。
【００２７】
少なくとも一つのシャント２０は、外部部品２２（例えば、外部リング）と、外部部品２２と熱的に連通し、かつ外部部品２２から内側（例えば、放射状）方向へ伸長する内部部品２３とを含む可能性がある。外部部品２２と内部部品２３は、一体部品の一部であるか、または、シャント２０を形成するためにともに結合された個別の部品である可能性がある。図１Ａおよび図１Ｂにおいては、外部部品２２は、一体のリングを含み、内部部品２３は、コンジットが穴部２１を通って伸長することを可能にするように構成された穴部２１を含む一体の円形プレートを含む。図１Ｃは、少なくとも一つのシャント２０の別の例示的な構成の透視図を概略的に示し、内部部品２３は、（例えば、間隙もしくはスロットによって、もしくは電気的に絶縁性の材料によって）お互いから間隔を開けられた複数のプレート２４を含む。図１Ｃに示された各プレート２４は、環のうちの扇形の形状を有するが、コンジットおよび少なくとも一つのシャント２０の断面形状に部分的に依存して、他の形状（例えば、パイ形状、楔形、台形、長方形、多角形、不規則な形状）もまた使用することができる。
【００２８】
図２Ａは、外部リング部品２２と、プレート２４を有する内部部品２３とを含む少なくとも一つのシャント２０を備える、熱電アセンブリ１０の例示的な構成の透視図を概略的に示す。図２Ａには示されていないが、少なくとも一つのシャント２０は、熱電アセンブリ１０を電気配線が通るための空間を提供することができる。図２Ｂは、複数のフィン５１（例えば、ステンレススチール）と、フィン５１にろう付けされたリングもしくは管５２（例えば、ステンレススチール）とを含む少なくとも一つの熱交換器５０の透視図を概略的に示す。本明細書でより完全に記述されるように、管５２の内部表面は、電気的に絶縁性のコーティング（例えば、プラズマスプレーアルミナ）を含む可能性がある。
【００２９】
図２Ｃは、スロット２５によってお互いから空間を開けられた複数のプレート２４を含む少なくとも一つのシャント２０を備える熱電アセンブリ１０の別の例示的な構成を概略的に示す。スロット２５は、プレート２４が加熱によって膨張することを可能にすることができる。少なくとも一つのシャント２０は、（例えば、お互いからプレート２４を電気的に分離するため）プレート２４の間のスロット２５を備える環のうちの各１／４の扇型である４つのプレート２４を含む（図２Ｃには、４つのプレート２４のうちの２枚だけが示される）。各プレート２４は、第一の側に複数の第一の熱電素子３０を有し、第二の側に複数の第二の熱電素子４０を有する。各プレート２４は、各々が熱交換器５０に機械的に結合され、かつ、熱的に連通するコンジット周囲の１／４の経路に伸長し、図２Ｃに示されるようにテーパード型の（次第に細くなる）複数のフィン５１を含む。
【００３０】
図２Ｄは、お互いから部品を電気的に分離するために部品間に間隙もしくはスロット２５を備える、４つの部品２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを含む例示的なシャント２０を概略的に示す。シャント２０は、お互いに対して付着され（例えば、留め金でとめられ）るように構成され、かつお互いから４つの部品２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの空間を開けるように構成された突出を含む一対のカプラ（連結器）２８をも含む可能性がある。カプラ２８は、４つの部品のお互いからの電気的分離を維持するために、電気的に絶縁性の材料を含む可能性がある。図２Ｅは、図２Ｃおよび図２Ｄに従う、複数の熱電アセンブリ１０を含む例示的な熱電システム１００を概略的に示す。
【００３１】
図１Ｂおよび図１Ｃに示されるように、外部部品２２および内部部品２３は、コンジットを通る流体の流れの方向に対して平行な平面において、“Ｔ”形状の断面をシャント２０に対して与え、他の構成においては、シャント２０は、他の形状（例えば、“Ｙ”形状、“Ｉ”形状）を有する可能性がある。図１Ｂおよび図１Ｃに示された外部部品２２は流体の流れ方向に対してほぼ平行な二つの方向に伸長するが、他の構成においては、外部部品２２は、コンジットに沿うかほぼ沿った一つの方向にのみ伸長するか、流体の流れ方向に平行ではない（例えば、流体の流れ方向に垂直かほぼ垂直な）一つ以上の方向に伸長するか、内部部品２３上のコンジットに沿うかほぼ沿って伸長しない可能性がある。
【００３２】
少なくとも一つのシャント２０は、少なくとも一つのシャント２０に対してコンジットからの直接の適切な熱的経路が存在しない（例えば、少なくとも一つのシャント２０は、コンジットと直接熱的に連通しない）ように、コンジットから実質的に熱的に分離されるように構成される可能性がある。例えば、少なくとも一つのシャント２０の内部部品２３は、（例えば、間隙によって、もしくは断熱性の材料によって）コンジットから間隔を開けられるように構成される可能性がある。コンジットから内部部品２３への間隔を開けることによって、少なくとも一つのシャント２０とコンジットとの間の電気的分離もまた提供することができる。
【００３３】
外部部品２２は、熱膨張の第一の係数を有し、内部部品２３は、（例えば、少なくとも一つのシャント２０が高温側のシャントである構成に対して）熱膨張の第一の係数よりも大きい熱膨張の第二の係数を有する可能性がある。例えば、図１Ｄは、外部リング部品２２と、複数のプレート２４およびプレート２４に結合された熱電素子３０を含む内部部品２３とを含む少なくとも一つのシャント２０を有する例示的な熱電アセンブリ１０の前面図を概略的に示す。少なくとも一つのシャント２０の温度上昇に応じて、外部リング部品２２は、膨張して直径が増加し、プレート２４はその長さが増加して、（矢印で示されるように）コンジットに向かって膨張する。外部リング部品２２の熱膨張の係数よりも大きいプレート２４の熱膨張の係数を有することによって、コンジットから内部方向もしくは外部方向への熱電素子３０の移動は、有効に最小限化することができる。他の構成においては、（例えば、少なくとも一つのシャント２０が低温側シャントである構成に対して）熱膨張の第一の係数が、熱膨張の第二の係数よりも大きい可能性がある。
【００３４】
少なくとも一つの第一の熱電素子３０と少なくとも一つの第二の熱電素子４０は、各々、（例えば、発電への適用のために）一つ以上の熱電材料に対する電圧差を生成するために、一つ以上の熱電材料に適用される温度差を有するように構成されるか、もしくは、（例えば、加熱／冷却への適用のために）一つ以上の熱電材料に対する温度差を生成するために一つ以上の熱電材料に印加される電圧差を有するように構成される、一つ以上の熱電材料を含む。少なくとも一つの第一の熱電素子３０は、第一のドーピング型（例えば、ｎ型もしくはｐ型）の熱電素子を含み、少なくとも一つの第二の熱電素子４０は、第一のドーピング型とは異なる第二のドーピング型（例えば、ｐ型もしくはｎ型）の熱電素子を含む可能性がある。例えば、少なくとも一つの第一の熱電素子３０は、ｎ型の熱電材料のみを含み、少なくとも一つの第二の熱電素子４０がｐ型の熱電材料のみを含むか、または、少なくとも一つの第一の熱電素子のうちの一部はｎ型およびｐ型双方の材料を含み、少なくとも一つの第二の熱電素子のうちの一部はｎ型およびｐ型双方の材料を含む可能性がある。
【００３５】
少なくとも一つの第一の熱電素子３０と、少なくとも一つの第二の熱電素子４０は、各々、一つ以上の材料の一つ以上の層を含み、以下により十分に記述されるように、熱電アセンブリ１０および熱電システム１００全体に適合するように構成された形状（例えば、平面、円柱、平行六面体、菱形、立方体、プラグ形状、ブロック形状）を有し、熱電アセンブリ１０もしくは熱電システム１００全体の熱的経路もしくは全体の効率化を容易にする。少なくとも一つの第一の熱電素子３０および少なくとも一つの第二の熱電素子４０は、熱電アセンブリ１０もしくは熱電システム１０全体の熱的経路もしくは全体の効率化を容易にするために、少なくとも一つのシャント２０に結合されるか統合される可能性がある。少なくとも一つの第一の熱電素子３０は、（例えば、以下により十分に記述されるように、コンジットと熱的に連通する第二のシャントなどの熱電アセンブリ１０の他のコンポーネントによってか、もしくは直接的のいずれかで）コンジットと熱的に連通するように構成され、少なくとも一つの第一の熱電素子３０は、（例えば、以下により十分に記述されるように、コンジットと熱的に連通する第三のシャントなどの熱電アセンブリ１０の他のコンポーネントによってか、もしくは直接的のいずれかで）コンジットと熱的に連通するように構成される可能性がある。
【００３６】
少なくとも一つの第一の熱電素子３０は、少なくとも一つのシャント２０の第一の側に配置され、少なくとも一つの第二の熱電素子４０は、少なくとも一つのシャント２０の第二の側に配置され、少なくとも一つのシャント２０の少なくとも一部は、少なくとも一つの第一の熱電素子３０と少なくとも一つの第二の熱電素子４０との間に挟まれる。例えば、図１Ａ、図１Ｂおよび図２に示されるように、シャント２０の内部部品２３のうちの少なくとも一部（例えば、一つ以上のプレート２４のうちの少なくとも一部）は、少なくとも一つの第一の熱電素子３０と少なくとも一つの第二の熱電素子４０との間に挟まれる。少なくとも一つの第一の熱電素子３０は、シャント２０に対して直接機械的に結合されるか、熱電アセンブリ１０は、少なくとも一つの第一の熱電素子３０とシャント２０との間の介在材料（例えば、結合材料）を含む可能性がある。同様に、少なくとも一つの第二の熱電素子４０は、シャント２０に対して直接機械的に結合されるか、または、熱電アセンブリ１０は、少なくとも一つの第二の熱電素子４０とシャント２０との間に介在材料（例えば、結合材料）を含む可能性がある。
【００３７】
少なくとも一つのシャント２０の内部部品２３は、外部リング部品２２と熱的に連通し、かつ、外部リング部品２２から内部方向へと伸長する第一部分を含み、第一部分は、複数の凹部もしくは穴部２６を含む可能性がある。内部部品２３は、第一部分に機械的に結合され、かつ複数の挿入物２７を含む第二部分をさらに含む可能性がある。挿入物２７は、凹部もしくは（例えば、複数の穴部２６を通って伸長する）穴部２６に適合するように構成され、挿入物２７は少なくとも一つの第一の熱電素子３０と、お互いから電気的に分離された少なくとも幾つかの挿入物２７を備える少なくとも一つの第二の熱電素子４０との間に挟まれる可能性がある。各挿入物２７は、少なくとも一つの第一の熱電素子３０および機械的に結合された少なくとも一つの第二の熱電素子４０と熱的および電気的に連通する可能性があり、少なくとも一つの第一の熱電素子３０は、少なくとも一つの第二の熱電素子と直列に電気的に連通し、外部部品２２から内部部品２３の挿入物２７を通って、少なくとも第一の熱電素子３０および少なくとも一つの第二の熱電素子４０への熱的経路が存在する。
【００３８】
例えば、図１Ａに概略的に示されるように、各挿入物２７は、挿入物２７に取り付けられた対応する第一の熱電素子３０（例えば、円柱状ペレット）と挿入物２７に取り付けられた対応する第二の熱電素子４０（例えば、円柱状ペレット）との間に挟まれた銅のディスクもしくは円柱を含む可能性がある。穴部２６および挿入物２７は、内部部品２３に沿ってほぼ対称に配置される。穴部２６と挿入物２７の他の形状（例えば、正方形、三角形、楕円、多角形、不規則な形状）および配置（例えば、非対称）もまた使用することができる。各挿入物２７は、対応する穴部２６内に配置され、穴部２６を包囲する内部部品２３の材料に（例えば、ロウ付け、溶接もしくは接着剤を使用して）機械的に結合することができる。挿入物２７は内部部品２３の包囲する部分と同一の材料もしくは異なる材料を含む可能性がある。
【００３９】
少なくとも一つのシャント２０の一部は、少なくとも一つのシャント２０の残りの部分と熱的に連通したまま、少なくとも一つのシャント２０の残りの部分から電気的に分離することができる。例えば、図１Ａのシャント２０は、一つ以上の電気的に絶縁性の層は、十分に熱的伝導性を有し、十分に電気的に絶縁性を有し、挿入物２７はシャント２０の残りの部分と熱的に連通するが、シャント２０の残りの部分から電気的に分離されるように、挿入物２７とシャント２０の残りの部分との間の一つ以上の電気的に絶縁性の層（電気的絶縁性層）を含む。一つ以上の電気的に絶縁性の層は、挿入物２７の外部周囲上、凹部もしくは穴部２６の内部表面上またはその双方の上に存在する可能性がある。例えば、電気的に絶縁性の層は、電気的に絶縁性の材料（例えば、酸化アルミニウム、窒化物、赤銅鉱、アルミン酸塩）のプラズマスプレーによって、挿入物２７の外部周囲上または凹部もしくは穴部２６の内部表面上に配置することができる。
【００４０】
図３は、別の例示的な構成の断面図を概略的に示し、各挿入物２７は、シャント２０の残りと熱的に連通し、シャント２０の残りから電気的に分離される。挿入物２７は、導電性部分２７ａと電気的に絶縁性の部分２７ｂ（例えば、一つ以上の誘電性層、スペーサ、もしくはリング）を含む可能性がある。導電性部分２７ａは、熱電素子３０、４０と熱的および電気的に連通するように、（接着、はんだ付け、焼結、圧着によって）熱電素子３０、４０に取り付けられ、電気的に絶縁性の部分２７ｂは、導電性部分２７ａもしくは穴部２６の内部表面の何れかの上に、適合され、取り付けられ、または配置することができる。導電性部分２７ａは、導電性部分２７ａとシャント２０の包囲領域との間に配置された電気的に絶縁性の部分２７ｂを備える穴部２６に挿入することができる。
【００４１】
少なくとも一つの熱交換器５０は、一つ以上の材料（例えば、アルミニウム、銅、ステンレススチール合金）を含む可能性がある。少なくとも一つの熱交換器５０が腐食性環境に晒される構成においては、腐食に耐えるためにステンレススチール合金を有効に使用することができる。少なくとも一つの熱交換器５０は、少なくとも一つの熱交換器５０と少なくとも一つのシャント２０との間に熱的連通を提供するために、少なくとも一つのシャント２０に対して、ロウ付けされるか、はんだ付けされるか、圧着されるか、接着剤を利用して接着されるか、または機械的に結合される可能性がある。少なくとも一つの熱交換器５０および少なくとも一つのシャント２０は、同一の材料を含み、同一の一体コンポーネントの一部である可能性がある。少なくとも一つの熱交換器５０は、少なくとも一つの熱交換器５０がその形状、構成、方向、もしくは他の属性を温度過上昇に応じて変化させるように、温度に対して敏感（例えば、アクティブ）な一つ以上の材料を含む可能性がある。例えば、少なくとも一つの熱交換器５０は、温度過上昇から熱電素子３０、４０を有効に保護するために移動し、（例えば、動くことによって、少なくとも一つのシャント２０への熱流束を減少させる間隙を生成するために）少なくとも一つのシャント２０から熱的に分離され、遮断されるように構成される形状記憶合金を含む可能性がある。
【００４２】
熱電アセンブリ２０は、少なくとも一つの熱交換器５０と少なくとも一つのシャント２０との間の熱的連通を提供しながら、少なくとも一つのシャント２０から少なくとも一つの熱交換器５０を電気的に分離するため（かつ、少なくとも一つの第一の熱電素子３０と少なくとも一つの第二の熱電素子４０から、少なくとも一つの熱交換器５０を電気的に分離するため）に、少なくとも一つのシャント２０と少なくとも一つの熱交換器５０との間に少なくとも一つの電気的に絶縁性の層を含む可能性がある。例えば、図２Ｂは、複数のフィン５１およびフィン５１にろう付けされたリングもしくは管５２を含む少なくとも一つの熱交換器５０を概略的に示す。電気的に絶縁性（例えば誘電性）の層５３は、管５２と少なくとも一つのシャント２０との間（例えば、管５２の内部表面上もしくは少なくとも一つのシャント２０の外部表面上）に存在する可能性がある。フィン５１および管５２は、ステンレススチールを含み、電気的に絶縁性の層５３は、（例えば、管５２の内部表面上もしくは少なくとも一つのシャント２０の外部表面上にコートされるか、もしくはプラズマスプレーされた）アルミナを含む可能性がある。管５２は、少なくとも一つのシャント２０に対して付着（例えば、ろう付け）され、その結果として、少なくとも一つの熱交換器５０と熱的に連通するが、電気的には分離された少なくとも一つのシャント２０を備える熱電アセンブリ２０をもたらす。
【００４３】
少なくとも一つの熱交換器５０は、（例えば、コンジットの軸に対して垂直もしくはほぼ垂直に）コンジットを包囲するように構成することができる。例えば、図１Ａおよび図１Ｂに概略的に示されるように、少なくとも一つの熱交換器５０は、少なくとも一つのシャント２０と熱的に連通するように、少なくとも一つのシャント２０に対して機械的に結合された複数のフィン５１を含む可能性がある。図１Ａおよび図１Ｂの複数のフィン５１は、各々が一体、環状、平面状、ならびに、コンジット内の流体の流れ方向に垂直な平面において、お互いに対して平行かほぼ平行な少なくとも一つのシャント２０からほぼ外側へ伸長する。フィン５１は、第二の流体（例えば、コンジット内の流体の流れ方向に対してほぼ平行な方向に流れる流体）と熱的に連通するように構成される。
【００４４】
フィン５１の他の形状（例えば、長方形、ひだ状、非平面、らせん状、テーパード）、構成（例えば、お互いに対して貫通する、分割型、個別部品を含む、非平行）および方向を使用することができる。例えば、図１Ｅに概略的に示されるように、複数の熱電アセンブリ１０の各熱電アセンブリ１０は、涙滴形状を有するフィン５１を含む少なくとも一つの熱交換器５０を含む可能性がある。他の不均一なフィン形状と同様に、当該フィン形状は、有効に、より空気力学的な形状を提供し、圧力の降下を減少させ、ならびに／または、フィン５１と第二の流体との間にさらなる熱伝達が必要とされる熱伝達表面面積を増加させることができる。
【００４５】
少なくとも幾つかのフィン５１は、（例えば、コンジット内の流体の流れ方向に平行かほぼ平行な平面において平面形状で）コンジットの長さに沿うかほぼ沿って伸長するか、（例えば、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａに示されるように）コンジット内の流体の流れ方向に対して垂直な平面において伸長するか、または、（例えば、図２Ｃに示されるように）コンジット内の流体の流れ方向に対してゼロではない角度で伸長する可能性がある。フィン５１は、熱膨張による問題を管理するのに役立つように区分化することができる。例えば、少なくとも一つの熱交換器５０は、二つの半環状部分を含み、そのうちの１つは図２Ｃに示され、各部分は、コンジット周囲の半分に伸長するフィン５１を有し、少なくとも一つのシャント２０の２つの１／４の扇形プレート２４と熱的に連通する。熱電システム１００は、このような半環状部分の一対を含み、各対の二つの半環状部分はお互いに対してほぼ平面状であり、当該対を形成する半環状部分間に間隙もしくはスロットを備える。当該間隙もしくはスロットは、熱膨張問題を管理するのに役立つ可能性がある。
【００４６】
別の実施例として、図４は、複数の熱電アセンブリ１０に対して少なくとも一つの熱交換器５０を提供する例示的な構成の円柱状管５２を概略的に示す。管５２は、管５２内部の複数の熱電アセンブリ１０のうちの少なくとも一つのシャント２０ならびに、管５２外部の第二の流体と熱的に連通する。図４に示されるように、管５２は、管５２と第二の流体との間の熱伝達を容易にするための突出（例えば、フィン）を含むか、または、管５２は、実質的に突出がない可能性がある。
【００４７】
少なくとも一つの熱交換器５０は、少なくとも一つのシャント２０に対して、もしくは少なくとも一つのシャント２０からの熱を伝達するように構成され、少なくとも一つの熱交換器は、少なくとも一つの熱交換器５０と少なくとも一つの第一の熱電素子３０を通るコンジットとの間の少なくとも一つの熱的経路を形成し、かつ、少なくとも一つの熱交換器５０と少なくとも一つの第二の熱電素子４０を通るコンジットとの間の少なくとも一つの熱的経路を形成するように構成される。第一の流体は、液体（例えば、水もしくはエンジン冷却剤）またはガス（例えば、空気もしくはエンジン排気）を含み、第二の流体は、液体（例えば、水もしくはエンジン冷却剤）またはガス（例えば、空気もしくはエンジン排気）を含む可能性がある。第一の流体および第二の流体は、お互いに異なる温度であり、少なくとも一つの第一の熱電素子３０と少なくとも一つの第二の熱電素子４０とにわたって温度差が存在する。例えば、第一の流体（例えば冷却剤）は第一の温度であって、第二の流体（例えば、高温のガス）は第一の温度よりも高い第二の温度である可能性がある。別の実施例に対して、第二の温度は、第一の温度よりも低い可能性がある。
【００４８】
少なくとも一つの熱交換器５０の熱膨張係数は、（例えば、少なくとも一つのシャント２０が高温側シャントである構成において）少なくとも一つのシャント２０の熱膨張係数よりも低い可能性がある。当該構成においては、熱電アセンブリ１０の温度上昇は、少なくとも一つの熱交換器５０と少なくとも一つのシャント２０との間の機械的圧力を上昇させ、それによって、少なくとも一つの熱交換器５０と少なくとも一つのシャント２０との間の熱伝導性を増加させる。
【００４９】
カートリッジベース熱電システム
熱電システム１００は、単一の熱電アセンブリ１０を含み、それ自体は、複数のシャント２０、複数の熱電素子３０、４０および（例えば、複数の熱電アセンブリ１０の代わりに単一のスリーブ外に構築された）複数の熱交換器５０を含む。熱電システム１００は、複数の熱電アセンブリ１０（例えば、２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４もしくは１５またはより多くの熱電アセンブリ１０）を含み、それらは、熱電システム１００を形成するために同一の第一の流体コンジット上に、お互いに隣接して、ともに組み合わせられる。以下により詳細に開示されるように、当該構成に対して、熱電アセンブリ１０の少なくとも一つの熱交換器５０は、隣接する熱電アセンブリ１０の少なくとも一つの熱交換器５０へと機械的に結合されるように構成することができる。例えば、図４によって概略的に示されるように、円柱状管５２の一部は、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つのシャント２０および管５２の外部の第二の流体と熱的に連通するため、円柱状管５２の一部は、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの熱交換器５０として機能する可能性がある。さらには、円柱状管５２の別の一部は、第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つのシャント２０および管５２の外部の第二の流体と熱的に連通するため、円柱状管５２の当該一部は、第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの熱交換器５０として機能する可能性がある。円柱状管５２の一部は、お互いに機械的に結合されるため、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの熱交換器５０と第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの熱交換器５０は、お互いに機械的に結合される。
【００５０】
隣接する熱電アセンブリ１０の少なくとも一つの熱交換器５０は、熱電システム１００の部品間の動き（例えば、熱電システム１００内の熱膨張もしくは収縮を含む動きまたは、熱電システム１００に対する機械的衝撃によって引き起こされる動き）に応じて、コンプライアントであるように構成された少なくとも一つのコンプライアント素子５４（例えば、弾性変形するように構成されたフレキシブル（柔軟性）素子）によってお互いに対して機械的に結合される可能性がある。少なくとも一つのコンプライアント素子５４は、熱電アセンブリ１０の一部もしくは熱電システム１００全体の動き（例えば、熱膨張もしくは収縮を含む動きまたは機械的衝撃によって引き起こされる動き）に応じてコンプライアントである（例えば、柔軟性を有しかつ弾性変形できる）少なくとも一つの熱交換器５０の一部を含む可能性がある。例えば、図４の二つの隣接する熱電アセンブリ１０ａ、１０ｂ間の円柱状管５２の一部は、コンプライアントカプラ（例えば、ベローズ）を含む可能性がある。少なくとも一つの熱交換器５０が一つ以上のフィン５１を含む構成に対して、隣接する熱電アセンブリ１０の少なくとも一つの熱交換器５０は、図１１Ａに関連して以下により十分に記述されるように、少なくとも一つのコンプライアント素子５４によってお互いに対して機械的に結合されるように構成することができる。例えば、図１１Ｂによって概略的に示されるように、熱電アセンブリ１０の一つ以上のフィン５１は、熱電システム１００の部品間の動き（例えば、熱電システム１００内の熱膨張もしくは収縮を含む動き、または、熱電システム１００に対する機械的衝撃によって引き起こされる動き）に応じて、柔軟性があり、弾性変形することができる。
【００５１】
図５Ａは、例示的な熱電システム１００の断面図を概略的に示し、図５Ｂは図５Ａの例示的な熱電システム１００の一部の断面図を概略的に示す。図６Ａは、別の例示的な熱電システム１００を概略的に示し、図６Ｂは、図６Ａの例示的な熱電システムの断面透視図を概略的に示す。図５Ａ−図５Ｂおよび図６Ａ−図６Ｂは、例示的な熱電システム１００（例えば、カートリッジユニット）を概略的に示し、各々は、積層された構成で不活性ガス中に密封され（封じ込められ）た交互のｎ型とｐ型の熱電素子３０、４０を備える複数の熱電アセンブリ１０を含む。熱電システム１００は、低温（ＬＴ）流体が中央コンジット１０２（例えば、管）を通って流れ、高温（ＨＴ）ガスが中央コンジット１０２と同心円状の円形フィン５１を通って流れる容器内に配置することができる。熱電システム１００は、それ自体が複数のシャント２０、複数の熱電素子３０、４０および（例えば、複数の熱電アセンブリ１０の代わりに単一のスリーブの外に構築された）複数の熱交換器５０を含む単一の熱電アセンブリ１０を含む可能性がある。熱電システム１００は、複数の熱電アセンブリ１０（例えば、２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４もしくは１５またはより多くの熱電アセンブリ１０）を含み、それらは、熱電システム１００を形成するために同一の第一の流体コンジット上に、お互いに隣接して、ともに組み合わせられる。熱電システム１００は、特定の用途に適合するように構成された寸法（例えば、１４８ｍｍの長さおよび３０ｍｍの外径）を有する可能性がある。
【００５２】
熱電システム１００は、方向１０４に沿うかほぼ沿った管状もしくはほぼ管状の流体コンジット１０２の少なくとも一部を通って第一の流体が流れることを可能にするように構成された管状もしくはほぼ管状の流体コンジット１０２の少なくとも一部を含む。熱電システム１００は、複数の熱電アセンブリ１０（例えば、少なくとも第一の熱電アセンブリ１０ａおよび第二の熱電アセンブリ１０ｂ）をさらに含む。各熱電アセンブリ１０は、コンジット１０２と熱的に連通し、コンジット１０２の周囲に伸長する少なくとも第一のシャント２０（例えば、上述されたように、コンジット１０２から実質的に熱的に分離されうる少なくとも一つのシャント２０）と、少なくとも一つのシャント２０と熱的および電気的に連通する少なくとも一つの第一の熱電素子３０と、少なくとも一つの第一のシャント２０と熱的および電気的に連通する少なくとも一つの第二の熱電素子４０と、を含む。少なくとも一つの第一のシャント２０の少なくとも一部は、少なくとも一つの第一の熱電素子３０と少なくとも一つの第二の熱電素子４０との間に挟まれる。少なくとも一つの第一の熱電素子３０および少なくとも一つの第二の熱電素子４０は、コンジット１０２から電気的に分離される。各熱電アセンブリ１０は、少なくとも一つの第一のシャント２０と熱的に連通し、かつ第二の流体と熱的に連通する少なくとも一つの熱交換器５０（例えば、複数の熱交換器５０）をさらに含む。
【００５３】
熱電システム１００は、コンジット１０２周囲に伸長し、かつコンジット１０２と熱的に連通する少なくとも一つの第二のシャント１１０をさらに含む。少なくとも一つの第二のシャント１１０のうちの少なくとも一部は、コンジット１０２から電気的に分離され、複数の熱電アセンブリ１０の二つの熱電アセンブリ１０と熱的に連通し、電気的に連通し、かつその間に挟まれる（例えば、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの第二の熱電素子４０と第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの第一の熱電素子３０と熱的に連通し、電気的に連通し、かつその間に挟まれる）。複数の熱電アセンブリ１０のうちの少なくとも幾つかと、複数の第二のシャント１１０のうちの少なくとも幾つかは、お互いに電気的に直列に連通する。例えば、第一の熱電アセンブリ１０ａ、少なくとも一つの第二のシャント１１０、第二の熱電アセンブリ１０ｂは、お互いに直列に電気的に連通し、熱電システム１００は、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの第一の熱電素子３０、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの第一のシャント２０、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの第二の熱電素子、少なくとも一つの第二のシャント１１０、第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの第一の熱電素子３０、第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの第一のシャント２０、第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの第二の熱電素子４０を通る電流経路１０４を有する。
【００５４】
熱電システム１００を通る第一の流体および第二の流体のうちの少なくとも一つの流れは、一様である（例えば、連続的流れ）か、またはパルスである可能性がある。パルスの流れは、システムの性能に対して有益でありうるある過渡的効果を提供することができる。電気的なものを含む制御スキームは、パルスの流れに対して最適に設計することができる。
【００５５】
熱電システム１００の熱電アセンブリ１０は、一つ以上の種々の構成、フィーチャ、材料、方向もしくは図１−図４の例示的な熱電アセンブリに関して上述されたような他の属性を有する一つ以上の熱電アセンブリ１０を含む可能性がある。例えば、少なくとも一つの第一の熱電素子は、第一のドーピング型（例えば、ｎ型もしくはｐ型）を有し、少なくとも一つの第二の熱電素子は、第一のドーピング型とは異なる第二のドーピング型（例えば、ｐ型もしくはｎ型）を有する可能性がある。他の実施例に対して、各熱電アセンブリ１０の少なくとも一つの熱交換器５０（例えば、複数の熱交換器５０）は、コンジット１０２周囲（例えば、方向１０４に対して垂直かほぼ垂直）に伸長し、各熱電アセンブリ１０の少なくとも一つの第一のシャント２０は、コンジット１０２に適用される内側（例えば放射状）方向の圧縮力を増加させることによって温度上昇に反応することができ、各熱電アセンブリ１０（例えば、第一の熱電アセンブリ１０ａおよび第二の熱電アセンブリ１０ｂ）は、コンジット１０２から熱電アセンブリ１０を電気的に分離する少なくとも一つの電気的に絶縁性の層を含む可能性がある（それによって、コンジット１０２から少なくとも一つの第一の熱電素子３０を電気的に分離し、かつ、コンジット１０２から少なくとも一つの第二の熱電素子４０を電気的に分離する）。
【００５６】
コンジット１０２は、熱伝導性を有する管（例えば、銅、アルミニウム）を含む可能性がある。コンジット１０２は、コンジット１０２に流体の流れを提供するために他のステンレススチール管へと機械的に結合されうる一つ以上のステンレス管挿入物をさらに含む可能性がある。コンジット１０２は、ある方向に伸長する細長い形状を有しうる。コンジット１０２は、コンジット１０２を通って流れる第一の流体とコンジット１０２との間の熱伝達を容易にするように構成された一つ以上の構造を含む可能性がある。例えば、コンジット１０２は、コンジット１０２の中心に向かってコンジット１０２の内部壁から伸長する突出もしくは挿入物を含み、第一の流体の流れを変化させるか、方向を変えるか、または第一の流体に晒されるコンジット１０２の表面面積を増加させる。このような構造のうちの例は、ワイヤコイル、ねじりテープ、“ドッグイア”を含むがそのいずれにも限定はされない。本技術分野で既知の内部ダクト改良のさらなる方法および構造を使用することもできる。
【００５７】
少なくとも一つの第二のシャント１１０は、一つ以上の電気的および熱的に伝導性の材料（例えば、銅、アルミニウム）を含む可能性がある。少なくとも一つの第二のシャント１１０は、熱電システム１００のコンポーネント間の電気的分離を提供するように（例えば、コンジット１０２から少なくとも一つの第二のシャント１１０を電気的に分離するための）構成された、一つ以上の電気的に絶縁性（例えば、誘電性）の材料もしくは層をさらに含む可能性がある。少なくとも一つの第二のシャント１１０は、単一の一体のシャント１１０もしくは複数の第二のシャント１１０、もしくはともに結合された第二のシャント部品を含む可能性がある。例えば、少なくとも一つの第二のシャント１１０は、環のうちの扇形形状を各々有する複数の部品を含む可能性があるが、他の形状（例えば、パイ形状、楔形、台形、長方形、多角形、不規則な形状）も利用することができる。少なくとも一つの第二のシャント１１０が、複数のパイ・楔形状の部品を含む構成においては、部品は、お互いに対してあるパイ・くさび形状部品からの電気的分離を提供するために、その端部に沿って電気的に絶縁性の層を含み、熱電システム１００用の電圧を増加させ、かつ電流を減少させるために有効に役立つ可能性がある。少なくとも一つの第二のシャント１１０は、完全にもしくは部分的に、機械加工、鋳造、鍛造もしくは他の作製技術によって形成することができる。少なくとも一つの第二のシャント１１０の材料は、温度変化に応じて所望の熱膨張もしくは収縮を提供するように選択することができる。
【００５８】
少なくとも一つの第二のシャント１１０は、コンジット１０２を穴部１１２を通って伸長させるように構成された穴部１１２を（例えば、第二のシャント１１０の中心に）有する可能性がある。例えば、図５Ｂによって概略的に示されるように、コンジット１０２を通る流体の流れの方向１０４は、コンジット１０２の軸に沿うか、またはほぼ軸に沿ったものであり、第二のシャント１１０は、軸に対して垂直か、またはほぼ垂直に（例えば、軸に対して垂直な平面において）コンジット１１０を包囲するように構成することができる。第二のシャント１１０は、一体の環であり、コンジット１０２を通る流体の流れに対して垂直な平面において、ほぼ円形の断面を有する管状もしくはほぼ管状の流体コンジット１０２の周囲に伸長するように構成することができる。当該構成においては、穴部１１２は、ほぼ円形である可能性がある。他の構成に対して、穴部１１２、コンジット１０２の断面の外部周囲および第二のシャント１１０の外部周囲は、他の形状（例えば、楕円、長方形、正方形、多角形、不規則な形状）を有する可能性がる。穴部１１２および第二のシャント１１０の外部周囲は、ほぼ同一の形状を有し、他の構成においては、穴部１１２の形状および第二のシャント１１０の外部周囲は、お互いに異なる可能性がある。
【００５９】
少なくとも一つの第二のシャント１１０は、外部部品１１４（例えば、外部環状プレート）と、外部部品１１４およびコンジット１０２と熱的に連通する内部部品１１６を含む可能性がある。内部部品１１６は、コンジット１０２に沿う（例えば、軸方向に）もしくはほぼ沿って伸長する可能性がある。外部部品１１４および内部部品１１６は、単一の一体部品のうちの一部であるか、または、第二のシャント１１０を形成するためにともに結合された個別の部品である可能性がある。例えば、外部部品１１４は、一体の円形プレートを含み、内部部品１１６は、コンジット１０２が穴部１１２を通って伸長することを可能にするように構成された穴部１１２周囲の一体のリングを含む可能性がある。少なくとも一つの第二のシャント１１０の外部部品１１４は、（例えば、間隙もしくはスロットによって、または電気的に絶縁性の材料によって）お互いに間隔を開けられた複数のプレートを含み、各プレートは、隣接する熱電アセンブリの熱電素子３０、４０と熱的および電気的に連通する。
【００６０】
図５Ｂに示されるように、外部部品１１４および内部部品１１６は、コンジットを通る流体流れの方向１０４に平行な平面において、第二のシャント１１０に“Ｔ”形状断面を与え、他の構成においては、第二のシャント１１０は、他の形状（例えば、“Ｉ”形状）を有する可能性がある。図５Ｂに示された内部部品１１６は流体流れ方向１０４にほぼ平行な二方向に伸長するが、他の構成においては、内部部品１１６は、コンジットに沿うか、ほぼ沿った唯一つの方向に伸長するか、流体流れ方向に平行ではない一つ以上の方向（例えば、流体流れ方向に垂直か、ほぼ垂直）に伸長するか、または、外部部品１１４を超えてコンジットに沿うかほぼ沿って伸長しない可能性がある。
【００６１】
少なくとも一つの第二のシャント１１０は、コンジット１０２と熱的に連通するように構成され、コンジット１０２から少なくとも一つの第二のシャント１１０へと適切な直接の熱的経路が存在する（例えば、少なくとも一つの第二のシャント１１０は、コンジット１０２と直接熱的に連通する）。例えば、熱電システム１００は、少なくとも一つの第二のシャント１１０の内部部品１１６とコンジット１１２との間に熱的に伝導性の界面材料をさらに含む可能性がある。この界面材料は電気的に絶縁性であって、少なくとも一つの第二のシャント１１０は、コンジット１１２から電気的に分離される。この界面材料は、軟質もしくは機械的にコンプライアントな材料（例えば、熱伝導性を有するグリース）であり、少なくとも一つの第二のシャント１１０（例えば、複数の第二のシャント１１０のうちの少なくとも幾つか）は、熱電システム１００内の熱膨張もしくは収縮に応じて、コンジット１０２と熱的な連通したままでコンジット１０２に沿ってスライドするように構成される。熱電アセンブリ１０は、上述されたように、コンジット１０２から間隔を開けられるため、熱電アセンブリ１０間にコンプライアント素子５４を含む可能性があり、当該構成は、熱電システム１００の部品間の動き（熱電システム１００内の熱膨張もしくは収縮を含む動き、または、熱電システム１００に対する機械的衝撃によって引き起こされる動き）によって、熱電素子３０、４０によって経験されるせん断応力量を減少させることができる。或いは、少なくとも一つの第二のシャント１１０は、熱電システム１００の熱膨張が小さくなることが期待される構成において、コンジット１０２に直接結合することができる。例えば、結合は、少なくとも一つの第二のシャント１１０と、コンジット１０２から電気的に分離された少なくとも一つの第二のシャント１１０を備えるコンジット１０２との間に（例えば、誘電性層によって）形成することができる。
【００６２】
熱電システム１００は、第一の熱電アセンブリ１０ａと少なくとも一つの第二のシャント１１０との間、ならびに、第二の熱電アセンブリ１０ｂと少なくとも一つの第二のシャント１１０との間に界面材料を含む可能性がある。この界面材料は、軟質もしくは機械的にコンプライアントな材料（例えば、熱的および電気的伝導性を有するグリース）であって、少なくとも一つの第二のシャント１１０（例えば、複数の第二のシャント１１０のうちの少なくとも幾つか）は、熱電システム１００の部品間の動き（熱電システム１００内の熱膨張もしくは収縮を含む動き、または、熱電システム１００に対する機械的衝撃によって引き起こされる動き）に応じて、熱電素子３０、４０と熱的および電気的に連通したままで熱電素子３０、４０間でスライドするように構成される。当該構成は、熱電システム１００内の熱膨張もしくは収縮によって、熱電素子３０、４０によって経験されるせん断応力量を減少させることができる。
【００６３】
外部部品１１４は、熱膨張の第一の係数を有し、（例えば、少なくとも一つの第二のシャント１１０が低温側シャントである構成に対して）内部部品１１６は、熱膨張の第一の係数よりも大きい熱膨張の第二の係数を有する可能性がある。少なくとも一つの第二のシャント１１０の温度上昇に応じて、外部部品１１４（例えば、外部環状プレート）は、膨張して直径が増加し、内部部品１１６（例えば、内部リング）は、コンジット１０２に向かって膨張する。外部部品１１４の熱膨張の係数よりも大きな内部部品１１６の熱膨張の係数を有することによって、コンジット１０２から内部もしくは外部方向への熱電素子３０、４０の動きは、有効に最小限化することができる。さらには、少なくとも一つの第二のシャント１１０は、コンジット１０２に適用される内部（例えば、放射状）方向における圧縮力を増加させることによって、温度上昇に対応することができる。他の構成においては、外部部品１１４の熱膨張の係数は、（例えば、少なくとも一つの第二のシャント１１０が高温側シャントである構成に対して）内部部品１１６の熱膨張の係数よりも大きい可能性がある。
【００６４】
図５Ｂによって概略的に示されるように、各熱電アセンブリ１０（例えば、第一の熱電アセンブリ１０ａと第二の熱電アセンブリ１０ｂの各々）は、少なくとも一つの熱交換器５０から少なくとも一つの第一のシャント２０を電気的に分離する少なくとも一つの電気的に絶縁性の層１１８を含み、熱電システム１００は、コンジット１０２と少なくとも一つの第一のシャント２０と少なくとも一つの第二のシャント１１０との間に少なくとも一つの電気的に絶縁性の層１１９を含む可能性がある。例えば、少なくとも一つの電気的に絶縁性の層１１９は、少なくとも一つの第二のシャント５０の一部であるか、コンジット１０２の一部であるか、または、少なくとも一つの第二のシャント５０とコンジット１０２との間に挟まれたコンポーネントである可能性がある。少なくとも一つの電気的に絶縁性の層１１８、１１９は、各々、少なくとも一つの第一のシャント２０、少なくとも一つの第二のシャント５０、コンジット１０２および少なくとも一つの第二のシャント１１０の表面のうちの少なくとも一つの上に形成された個別のコンポーネントもしくはコーティングとしての形状における一つ以上の誘電性材料（例えば、酸化アルミニウム、窒化物、赤銅鉱、アルミン酸塩）を含む可能性がある。少なくとも一つの電気的に絶縁性の層１１８、１１９は、熱電素子３０、４０の所望の動作をキャンセルする短絡回路を回避するように構成される。
【００６５】
複数の熱電アセンブリ１０および複数の第二のシャント１１０は、図５Ｂによって概略的に示されるように、流体の流れ方向１０４に沿ってお互いに互い違いである可能性がある。さらには、複数の熱電アセンブリ１０および複数の第二のシャント１１０を通る電流経路は、コンジット１０２に沿うか、ほぼ沿った（例えば、コンジット１０２の一部分における熱電アセンブリ１０から、コンジット１０２の別の部分における熱電アセンブリ１０に向かう）方向である可能性がある。電流経路は、図５Ｂによって概略的に示されるように、コンジット１０２を通る第一の流れの流体流れ方向１０４にほぼ平行（例えば、流体流れ方向１０４と同一の方向か、流体流れ方向１０４とは逆もしくはほぼ逆の方向のいずれかのコンジット１０２の軸に平行かもしくはほぼ平行な方向）である可能性がある。熱電システム１００の任意の個々のコンポーネントを通る（例えば、任意の一つの第一のシャント２０、任意の一つの第二のシャント１１０、任意の一つの第一の熱電素子３０、もしくは任意の一つの第二の熱電素子４０を通る）電流経路は、流体流れ方向１０４に平行ではない方向であるが、電流経路全体は、コンジット１０２に沿うか、ほぼ沿ったものである。例えば、第二のシャント１１０を通る電流経路は、流体流れ方向１０４に平行ではないが、全体として熱電システム１１０を通る電流経路は、コンジット１０２に沿うかほぼ沿った渦状か階段状パターンである可能性がある。
【００６６】
図５Ｂによって概略的に示されるように、第一の流体および第二の流体の間の第一の熱的経路１２０ａは、少なくとも一つの熱交換器５０、少なくとも一つの第一のシャント２０、少なくとも一つの第一の熱電素子４０、少なくとも一つの第二のシャント１１０およびコンジット１０２を通って伸長し、第一の流体と第二の流体の間の第二の熱的経路１２０ｂは、少なくとも一つの熱交換器５０、少なくとも一つの第一のシャント２０、少なくとも一つの第二の熱電素子３０、少なくとも一つの第二のシャント１１０およびコンジット１０２を通って伸長する可能性がある。第一の流体および第二の流体の相対温度に依存して、第一の熱的経路１２０ａと第二の熱的経路１２０ｂに沿うか、もしくはほぼ沿う熱の流れは、第一の流体から第二の流体へ向かう、もしくは第二の流体から第一の流体へ向かういずれかである可能性がある。
【００６７】
上述されたように、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの熱交換器５０と、第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの熱交換器５０は、お互いに機械的に結合することができる。例えば、図５Ａ−図５Ｂは、隣接する熱電アセンブリ１０の複数の熱交換器５０がお互いに機械的に結合され、第一の熱電アセンブリ１０ａおよび第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの熱交換器５０は、熱電システム１００の部品間の動き（例えば、熱電システム１００内の熱膨張もしくは収縮を含む動き、または、熱電システム１００に対する機械的衝撃によって引き起こされる動き）に応じてコンプライアント（例えば、柔軟性があり弾性変形する）であることを示す。図１１Ｆ−図１１Ｉに関して以下により十分に記述されるように、熱電システム１００は、隣接する熱電アセンブリ１０の熱交換器５０をお互いから電気的に分離する一つ以上の電気的に絶縁性の層も（例えば、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの熱交換器５０と隣接する第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの熱交換器５０との間に）含む可能性がある。例えば、少なくとも一つの電気的に絶縁性の層は、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの熱交換器５０からと、第二の熱電アセンブリ１０ｂからの電流経路を電気的に分離することができる（例えば、図５Ｂに示される少なくとも一つの電気的に絶縁性の層１１８）。別の実施例に対して、少なくとも一つの電気的に絶縁性の層は、各熱電アセンブリ１０の端部フィン５１上にある可能性がある。このような配置は、熱交換器５０とコンジット１０２との間の熱の流れの経路外に、少なくとも一つの電気的に絶縁性の層を配置し、それによって、熱の流れの経路の熱抵抗性を減少させる。しかしながら、当該配置は、第二の流体（例えばガス）の電位を生成する可能性があり、それが望ましいこともあるし、望ましくないこともある。
【００６８】
図６Ａおよび図６Ｂは、少なくとも一つのコンプライアント素子５４（例えば、コンジット１０２周囲に伸長する環状ベローズアセンブリ）を含む例示的な熱電システム１００を概略的に示し、少なくとも一つのコンプライアント素子５４は、隣接する熱電アセンブリ１０の熱交換器５０（例えば、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの熱交換器５０と第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの熱交換器５０）の間に、機械的に結合される。少なくとも一つのコンプライアント素子は、図１１Ｂ−図１１Ｉに関連して以下に記述され、示された構造と互換性がある可能性がある。
【００６９】
熱電システム１００は、複数のカートリッジ１３０を含み、その各々は本明細書で記述されるように複数の熱電アセンブリ１０を含む。カートリッジ１３０は、カートリッジ１３０の熱交換器５０と熱的に連通して流れる第二の流体を含む筐体１３１に包含することができる。例えば、図７Ａおよび図７Ｂは、筐体１３１内の図１−３、図５、図６の例示的な熱電アセンブリ１０および例示的な熱電システム１００と互換性のある例示的な複数のカートリッジ１３０を概略的に示し、図７Ｃは、筐体１３１内の図４の例示的な熱電アセンブリ１０と例示的な熱電システム１００と互換性のある例示的な複数のカートリッジ１３０を概略的に示す。筐体１３１は、カートリッジ１３０に垂直もしくはほぼ垂直な方向、カートリッジ１３０に平行もしくはほぼ平行な方向、またはカートリッジ１３０に対してゼロではない角度でカートリッジ１３０にわたって第二の流体が流れるように方向づけるように構成される可能性がある。フィン５１を有する構成に対して、筐体は、（例えば、図７Ａおよび図７Ｂに示されるように）カートリッジ１３０のフィン５１に沿うか、もしくはほぼ沿って第二の流体が流れるように方向づけるように構成される可能性がある。
【００７０】
カートリッジ１３０は、流体コンジット１０２の幾つかを通る第一の流体の流れがお互いに平行もしくはほぼ平行（例えば、平行流）か、反平行か、お互いから平行もしくはほぼ平行以外の逆もしくはほぼ逆の方向（例えば、対向流）か、お互いから垂直もしくはほぼ垂直方向（例えば、直交流）か、お互いに対して他の角度および方向であるように、組み立てることができる。さらには、カートリッジ１３０は、お互いに対して、かつ第二の流体の流れに対して（例えば、ｘ、ｙ、ｚ方向のうちの少なくとも一つにおいて回転された）種々の方向を有し、圧力降下および熱伝達に関してより有効にパッケージスペースを利用する。カートリッジ１３０は、異なる間隔のねじれ形の構成と同様に直列構成でレイアウトすることができる。
【００７１】
熱電システム１００は、流れの均一性を改善し、第二の流体とカートリッジ１３０との間の熱伝達を改善するように構成された複数のバッフル１８０を含む可能性がある。例えば、図７Ｄ−図７Ｇに概略的に示されるように、バッフル１８０の種々の構成は、カートリッジ１３０周囲の第二の流体の流れの方向を変えることができる。バッフル１８０は、熱伝達を増加させるために境界層を分解することもできる。“シェルおよび管”熱交換器の技術分野で既知のさらなるバッフル方法および構成もまた、カートリッジ１３０と使用されてもよい。
【００７２】
図５Ａおよび図６Ａによって概略的に示されるように、熱電システム１００は、熱電システム１００の第一の端部においてコンジット１０２周囲に伸長する第一のキャップ１３２と、熱電システム１００の第二の端部において、コンジット１０２周囲に伸長する第二のキャップ１３４を含む可能性がある。第一のキャップ１３２と第二のキャップ１３４は、不活性ガス雰囲気中で熱電素子３０、４０を包囲するように構成することができる。例えば、熱電アセンブリ１０が、隣接する熱電アセンブリ１０の熱交換器５０の間で機械的に結合された少なくとも一つのコンプライアント素子５４を含む構成においては、第一のキャップ１３２、第二のキャップ１３４、複数の熱交換器５０および複数のコンプライアント素子５４が、第一の熱電素子と第二の熱電素子とを含む容器の少なくとも一部を形成することができる。例えば、容器は、容器内の第一の熱電素子および第二の熱電素子を密封することができる。第一のキャップ１３２および第二のキャップ１３４は、（例えば、図７Ａに示されるように）筐体１３１に機械的に結合され、熱電システム１００内の熱膨張もしくは収縮に応じて変形するように構成された少なくとも一つの機械的コンプライアント支持１３５（例えばベローズ）を含む可能性がある。
【００７３】
図７Ａおよび図８Ａに概略的に示されるように、熱電システム１００は、熱電システム１００（例えば、複数の熱電アセンブリ１０）との電気的連通を提供するように構成された少なくとも一つの電気的コンジット１３６を含む可能性がある。例えば、図５Ａ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａおよび図８Ａに示されるように、少なくとも一つの電気的コンジットは、流体流れ方向１０４にほぼ平行な方向に、第一のキャップ１３２および第二のキャップ１３４のうちの少なくとも一つを通って伸長することができる。少なくとも一つの電気的コンジット１３６は、図８Ａに概略的に示されるように、コンジット１０２と同軸の管状もしくはほぼ管状の部品を含む可能性がある。少なくとも一つの電気的コンジット１３６は図６Ａ−図６Ｂと図８Ａの挿入画によって概略的に示されるように、コンジット１０２からオフセットされたフィードスルー（貫通接続）部分を含む可能性がある。図７Ａの挿入画によって概略的に示されるように、カートリッジ１３０の電気的コンジット１３６のうちの少なくとも幾つかは、お互いに直列に連通し、熱電システム１００を通る電流経路は、二つ以上のカートリッジ１３０を通って直列に流れる。
【００７４】
少なくとも一つの電気的コンジット１３６は、少なくとも一つの第二のシャント１１０（例えば、コンジット１０２を通って流れる流体が熱交換器５０にわたって流れる流体よりも低温である構成における低温シャント）に電気的に結合されるか、少なくとも一つの第一のシャント２０（例えば、熱交換器５０にわたって流れる流体がコンジット１０２を通って流れる流体よりも低温である構成における低温シャント）に電気的に結合される可能性がある。このような構成は、（それによって効率を減少させる）熱が、電力ラインに沿って伝達するのを有効に減少させるかもしくは回避することができる。例えば、二つの電気的コンジット１３６は、熱電システム１００の第一および最後の低温シャントに直接接続することができる。
【００７５】
熱電素子３０、４０は、少なくとも一つの第一のシャント２０と少なくとも一つの第二のシャント１１０の双方に対して物理的に接着する（例えば、ろう付けもしくははんだ付けする）ことができる。これらの接合のうちの一つがろう付けもしくははんだ付けされていない構成においては、熱電システム１００は、図５Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図８Ｂによって概略的に示されるように、複数の熱電アセンブリ１０（例えば、第一の熱電アセンブリ１０ａと第二の熱電アセンブリ１０ｂ）と、第一のキャップ１３２および第二のキャップ１３４のうちの少なくとも一つとの間に、少なくとも一つのコンプライアント部材１３８（例えば、少なくとも一つのばね）を含む可能性がある。少なくとも一つのコンプライアント部材１３８は、複数の熱電アセンブリ１０および複数の第二のシャント１１０（例えば、第一の熱電アセンブリ１０ａ、少なくとも一つの第二のシャント１１、第二の熱電アセンブリ１０ｂ）を、流体流れ方向１０４にほぼ平行な方向にともに押し付ける圧縮力を生成することができる。界面材料（例えば、熱的および電気伝導性を有するホイル（金属箔））は、熱電素子３０、４０およびシャント２０、１１０の間の熱的および電気的連通を改善ために挿入することができる。少なくとも一つのコンプライアント部材１３８は、熱電素子３０、４０が一定の圧縮（熱電材料にとって望ましい状態）でとどまることを可能にすることができる。図８Ｂによって概略的に示されるように、ベローズ（例えば、銅）は、熱電システム１００に対する二つの電気的コンジット１３６のうちの一つとして役立つ一方で、熱電素子３０、４０上の熱膨張に対して補償して一定の力を維持することによって、少なくとも一つの電気的コンジット１３６と少なくとも一つのコンプライアント部材１３８の双方として役立つ可能性がある。
【００７６】
流体コンジット１０２は、熱電システム１００の同一端において流れ注入口と流れ注出口を有するように構成することができ、流れ注入口と流れ注出口は、お互いに異なる方向（例えば、逆もしくはほぼ逆方向）であり、ある構成においてパッケージングの利点を提供することができる。例えば、図８Ｃおよび図８Ｄは、お互いに流体連通する内部管１０２ａと外部管１０２ｂを有する流体コンジット１０２を含む例示的な熱電システム１００を概略的に示す。内部管１０２ａは、外部管１０２ｂと同軸である可能性がある。他の当該構成においては、流体コンジット１０２は、流体コンジット１０２の端部において、Ｕ形状の管部品を含む可能性がある。
【００７７】
図８Ｅ−図８Ｇは、一つ以上の凹部１０３を有する流体コンジット１０２と、流体コンジット１０２の対応する凹部１０３へと伸長する少なくとも一つの突出１１３を有する少なくとも一つの第二のシャント１１０と、を含む例示的な熱電システム１００を概略的に示す。図８Ｅ−図８Ｇに示される第二のシャント１１０は、各々環のうちの扇形形状（例えば、パイ・楔形状）を有し、流体流れ方向１０４にほぼ垂直な方向に流体コンジット１０２の外部周囲に沿うか、ほぼ沿ってお互いから電気的に分離され、熱電システム１００に対する電圧の増加を促進することができる。図８Ｅ−図８Ｇの例示的な熱電システム１００の凹部１０３は、溝部を含み、突出１１３は、熱電システム１０の熱膨張もしくは収縮に応じて、溝部に適合し、かつ、溝部内で放射状に動くように構成される。例えば、突出１１３は、溝部へと伸長するほぼ平坦な部分を含み、少なくとも一つの第二のシャント１１０よりも速い速度で拡張する流体コンジット１０２で内部に放射状に動くことができる。熱的グリースは、流体コンジット１０２と少なくとも一つの第二のシャント１１０との間の凹部内に配置され、より良好な熱的接触を提供し、放射状の熱膨張もしくは収縮によって引き起こされる動きに対する潤滑を提供する。
【００７８】
単一の電気的経路のカートリッジ構成
図９Ａ−図９Ｄは、例示的な熱電システム１００の種々の図（図９Ａ：透視図、図９Ｂ：部分的分解組み立ての透視図、図９Ｃ：断面透視図、図９Ｄ：断面側面図）を概略的に示し、電流経路は、第一の熱電アセンブリ１０ａ、少なくとも一つの第二のシャント１１０、第二の熱電アセンブリ１０ｂ（例えば、複数の熱電アセンブリ１０のうちの各熱電アセンブリ１０と、複数の第二のシャント１１０のうちの各第二のシャント１１０）を一度通る。図９Ａ−図９Ｄの例示的な熱電システム１００は、図９Ａに示されるように、熱電システム１００の外部表面に沿うか、もしくはほぼ沿って流れる高温の第二の流体と、コンジット１０２を通って流れる低温の第一の流体とを有する可能性があるが、同一の構造は、同様に、高温の第一の流体と低温の第二の流体の構成に対して利用することができる。
【００７９】
各熱電アセンブリ１０のうちの少なくとも一つの第一のシャント２０は、一体の環状であり、各少なくとも一つの第二のシャント１１０は、一体で環状である。図９Ａ−図９Ｄの熱交換器５０は、第一のシャント２０の外部表面にあるが、他の構成は熱交換器５０としてフィンもしくは他の突出もしくは他の構造を含む可能性がある。ｐ型およびｎ型熱電素子は、各熱電アセンブリ１０の相対する側に配置され、ｐ−ｎ−ｐ−ｎ接合を形成し、熱は第二のシャント１１０から熱電素子３０、４０、第一のシャント２０、コンジット１０２へと、カートリッジ１３０の放射状方向に通ることができる。電流は、カートリッジ１３０の一端における陽極から、カートリッジ１３０の他端における陰極へと、カートリッジ１３０の軸方向に流れることができる。カートリッジ１３０によって生成された電力は、高温および低温側の温度、熱流束ならびに熱電システム１００とそのコンポーネントの効率の関数である可能性がある。カートリッジ１３０の電圧（例えば、陽極と陰極間の電位差）は、第一のシャント２０の数と、高温および低温側間の温度差との積に比例する可能性がある。
【００８０】
例えば、図９Ｄに示されるように、第一のシャント２０の第一の側の少なくとも一つの第一の熱電素子３０は、全てｐ型であり、（例えば、第一のシャント２０、第二のシャント１１０もしくはその双方と電気的に連通することによって）お互いに並列に電気的に連通する可能性がある。第一のシャント２０の第二の側（例えば、第一の側の逆もしくはほぼ逆側）の少なくとも一つの第二の熱電素子４０は、全てｎ型であり、（例えば、第一のシャント２０、第二のシャント１１０もしくはその双方と電気的に連通することによって）お互いに並列に電気的に連通する可能性がある。少なくとも一つの第一の熱電素子３０と少なくとも一つの第二の熱電素子４０は、（例えば、第一のシャント２０、第二のシャント１１０もしくはその双方と電気的に連通することによって）お互いに直列に電気的に連通する可能性がある。このような構成においては、電流は、熱電アセンブリ１０および第二のシャント１１０を通って一度流れることによって、熱電システム１００の一端から他端へと流れる。
【００８１】
二つの電気的経路のカートリッジ構成
図１０Ａ−図１０Ｄは、別の例示的な熱電システム１００の種々の図（図１０Ａ：透視図、図１０Ｂ：部分的分解組み立ての透視図、図１０Ｃ：断面透視図、図１０Ｄ：断面側面図）を概略的に示し、電流経路は、第一の熱電アセンブリ１０ａ、少なくとも一つの第二のシャント１１０、第二の熱電アセンブリ１０ｂ（例えば、複数の熱電アセンブリ１０のうちの各熱電アセンブリ１０と、複数の第二のシャント１１０のうちの各第二のシャント１１０）を少なくとも二度通る。
【００８２】
二つの経路の構成は、図９Ａ−図９Ｄのものと類似のカートリッジの外形の使用を可能にし、類似の電力出力を生成することができるが、出力電圧は二倍の大きさとなる。このような結果は、第一のシャント２０用の二つの１／２のリングと、第二のシャント１１０用の二つの１／２のリングとを使用することによって達成することができる。第一および第二のシャント２０、１１０の半分は、電気的に絶縁性の層（例えば、ガス、真空、プラズマスプレーされた酸化アルミニウムなどの酸化物コーティング、窒化ホウ素、プラスチック、ゴムもしくは任意の他の誘電性材料）を使用して分離することができる。以下に記述されるように、電流は、陽極から、ｐ型熱電素子を備える第一の半分のリング、ｎ型熱電素子、ｐ型素子を備える次の半分のリングへと流れる可能性がある。カートリッジ１３０の端部において、最終の半分のリングのｐ型熱電素子は、（例えば、カートリッジ１３０の端部におけるジャンパによって、カートリッジ１３０の内部か、カートリッジ１３０の外部のいずれかに）同一の軸位置において半分のリングのｎ型熱電素子へと接続することができ、電流は、カートリッジ１３０の前面から陰極へと方向づけることができる。図１０Ａ−図１０Ｄの例示的な熱電システム１００の発電は、単一経路の図９Ａ−図９Ｄの例示的な熱電システム１００の発電と類似し、電圧は、単一経路構成の電圧の二倍である。発電の減少量は、カートリッジ１３０内のさらなるジャンパで生成されるジュール熱に等しい可能性がある。
【００８３】
図１０Ａ−図１０Ｄの例示的な熱電システム１００は、図１０Ａに示されるように、コンジット１０２を通って流れる低温の第一の流体と、熱電システム１００の外部表面に沿うか、もしくはほぼ沿って流れる高温の第二の流体と、を有する可能性があるが、同一の構造は、同様に、高温の第一の流体と低温の第二の流体の構成用に利用することができる。図１０Ａ−図１０Ｄの熱交換器５０は、第一のシャント２０の外部表面にあるが、他の構成は、熱交換器５０としてフィン、他の突出もしくは構造を含む可能性がある。
【００８４】
図１０Ａ−図１０Ｄの例示的な熱電システム１００においては、少なくとも一つの第一のシャント２０は、第一のセグメント１４０、第二のセグメント１４２ならびに第一のセグメント１４０および第二のセグメント１４２間の電気的に絶縁性の材料１４４（例えば、間隙内のガス）を含む。少なくとも一つの第二のシャント１１０は、第一のセグメント１７０、第二のセグメント１７２、ならびに第一のセグメント１７０および第二のセグメント１７２間の電気的に絶縁性の材料１７４（例えば、間隙内のガス）を含む。例えば、少なくとも一つの第一のシャント２０の第一のセグメント１４０、第二のセグメント１４２は、半分のリングを各々含み、少なくとも一つの第二のシャント１１０の第一のセグメント１７０、第二のセグメント１７２は、半分のリングを各々含む。少なくとも一つの第一の熱電素子３０は、少なくとも一つの第一のｐ型熱電素子１５０と少なくとも一つの第一のｎ型熱電素子１５２とを含む可能性がある。少なくとも一つの第二の熱電素子４０は、少なくとも一つの第二のｐ型熱電素子１６０と少なくとも一つの第二のｎ型熱電素子１６２とを含む可能性がある。
【００８５】
少なくとも一つの第一のシャント２０の第一のセグメント１４０は、少なくとも一つの第一のｐ型熱電素子１５０と少なくとも一つの第二のｎ型熱電素子１６２との間に挟まれる可能性がある。少なくとも一つの第一のシャント２０の第二のセグメント１４２は、少なくとも一つの第一のｎ型熱電素子１５２と少なくとも一つの第二のｐ型熱電素子１６０との間に挟まれる可能性がある。少なくとも一つの第二のシャント１１０の第一のセグメント１７０は、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの第二のｎ型熱電素子１６２と、第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの第一のｐ型熱電素子１５０との間に挟まれる可能性がある。少なくとも一つの第二のシャント１１０の第二のセグメント１７２は、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの第二のｐ型熱電素子１６０と、第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの第一のｎ型熱電素子１５２との間に挟まれる可能性がある。
【００８６】
図１０Ｄに示されるように、第一のシャント２０の第一のセグメント１４０の第一の側上の少なくとも一つの第一のｐ型熱電素子１５０は、第一のシャント２０の第一のセグメント１４０の第二の側（例えば、第一の側とは逆もしくはほぼ逆側）上の少なくとも一つの第二のｎ型熱電素子１６２と（例えば、第一のシャント２０の第一のセグメント１４０と電気的に連通することによって）直列に電気的に連通する可能性がある。第一のシャント２０の第二のセグメント１４２の第一の側上の少なくとも一つの第一のｎ型熱電素子１５２は、第一のシャント２０の第二のセグメント１４２の第二の側（例えば、第一の側とは逆もしくはほぼ逆側）上の少なくとも一つの第二のｐ型熱電素子１６０と（例えば、第一のシャント２０の第二のセグメント１４２と電気的に連通することによって）直列に電気的に連通する可能性がある。第二のシャント１１０の第一のセグメント１７０の第一の側上の少なくとも一つの第二のｎ型熱電素子１６２は、第二のシャント１１０の第一のセグメント１７０の第二の側（例えば、第一の側とは逆もしくはほぼ逆側）上の少なくとも一つの第一のｐ型熱電素子１５０と（例えば、第ニのシャント１１０の第一のセグメント１７０と電気的に連通することによって）直列に電気的に連通する可能性がある。第二のシャント１１０の第ニのセグメント１７２の第一の側上の少なくとも一つの第二のｐ型熱電素子１６０は、第二のシャント１１０の第ニのセグメント１７２の第二の側（例えば、第一の側とは逆もしくはほぼ逆側）上の少なくとも一つの第一のｎ型熱電素子１５２と（例えば、第ニのシャント１１０の第ニのセグメント１７２と電気的に連通することによって）直列に電気的に連通する可能性がある。
【００８７】
このような構成においては、電流は、第一の熱電アセンブリ１０ａ、少なくとも一つの第二のシャント１１０、第二の熱電アセンブリ１０ｂを少なくとも二度通って、熱電システム１００の一端から、熱電システム１００の他端へと（例えば、熱電システム１００の他端における適切な電気的コネクタもしくはジャンパを通って）流れる可能性がある。例えば、電流経路は、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの第一のシャント２０の第一のセグメント１４０、少なくとも一つの第二のシャント１１０の第一のセグメント１７０、第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの第一のシャント２０の第一のセグメント１４０を一度通る可能性があり、電流経路は、第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの第一のシャント２０の第二のセグメント１４２、少なくとも一つの第二のシャント１１０の第二のセグメント１７２、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの第一のシャント２０の第二のセグメント１４２を一度通る可能性がある。
【００８８】
複数の電気的経路のカートリッジ構成
図１０Ａ−図１０Ｄの構成を作成することによって、例示的な熱電システム１００を通る電流経路は、熱電アセンブリ１０ａ、少なくとも一つの第二のシャント１１０、第二の熱電アセンブリ１０ｂを複数回（例えば、複数の熱電アセンブリ１０のうちの各熱電アセンブリ１０と複数の第二のシャント１１０のうちの各第二のシャント１１０を通って）通る可能性がある。第一のシャント２０と第二のシャント１１０は、リングセグメントの２、３、４、５、・・・ｋ断片へと分割でき、ｋは任意の正の整数である可能性がある。カートリッジ１３０の電圧は、等価な単一通過のカートリッジ１３０の電圧のｋ倍として計算することができる。ｋが奇数である場合、陽極および陰極は、カートリッジ１３０の逆側の端部である可能性がある。ｋが偶数である場合、陽極および陰極は、カートリッジ１３０の同一側である可能性がある。
【００８９】
少なくとも一つの第一のシャント２０は、少なくとも幾つかの第一のセグメント間に電気的に絶縁性の材料を有する複数の第一のセグメントを含む可能性がある。少なくとも一つの第一の熱電素子３０は、複数のｐ型熱電素子と、複数のｎ型熱電素子とを含む可能性がある。少なくとも一つの第二の熱電素子４０は、複数のｐ型熱電素子と、複数のｎ型熱電素子とを含む可能性がある。複数の第一のセグメントのうちの各第一のセグメントは、少なくとも一つの第一の熱電素子３０の熱電素子と、異なるドーピング型を有する少なくとも一つの第二の熱電素子４０の熱電素子との間に挟まれる可能性がある。少なくとも一つの第二のシャント１１０は、少なくとも幾つかの第二のセグメント間に電気的に絶縁性の材料を有する複数の第二のセグメントを含む可能性がある。複数の第二のセグメントのうちの各第二のセグメントは、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの第二の熱電素子４０の熱電素子と、異なるドーピング型を有する第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの第一の熱電素子３０の熱電素子との間に挟まれる可能性がある。当該構成においては、電流は、熱電システム１００の一端から、第一の熱電アセンブリ１０ａ、少なくとも一つの第二のシャント１１０、第二の熱電アセンブリ１０ｂを複数回通って（例えば、熱電システム１００の他端における適切な電気的コネクタを通って）流れる可能性がある。
【００９０】
熱電アセンブリを機械的に結合するコンプライアント素子
図５Ａ−図５Ｂと図６Ａ−図６Ｂは、少なくとも一つのコンプライアント素子５４によってともに機械的に結合される熱電アセンブリ１０を有する例示的な熱電システム１００を概略的に示す。熱電システム１００は、方向１０４に沿うかほぼ沿う管状もしくはほぼ管状の流体コンジット１０２の少なくとも一部を通って流体が流れることを可能にするように構成された管状もしくはほぼ管状の流体コンジット１０２の少なくとも一部を含む可能性がある。熱電システム１００は、コンジット１０２周囲に伸長し、かつコンジット１０２と熱的に連通する少なくとも二つの熱電アセンブリ１０をさらに含む可能性がある。少なくとも二つの熱電アセンブリ１０は、第一の熱電アセンブリ１０ａと第二の熱電アセンブリ１０ｂとを含む可能性がある。第一、第二の熱電アセンブリ１０ａ、１０ｂの各々は、少なくとも一つの第一のシャント２０、複数の熱電素子３０、４０、少なくとも一つの熱交換器５０を含む可能性がある。複数の熱電素子３０、４０は、少なくとも一つの第一のシャント２０と熱的および電気的に連通し、コンジット１０２から電気的に分離される可能性がある。少なくとも一つの第一のシャント２０の少なくとも一部は、複数の熱電素子３０、４０のうちの少なくとも二つの熱電素子３０、４０の間に挟まれる可能性がある。少なくとも一つの熱交換器５０は、少なくとも一つの第一のシャント２０と熱的に連通する可能性がある。
【００９１】
熱電システム１００は、第一の熱電アセンブリ１０ａと第二の熱電アセンブリ１０ｂとを機械的に結合する少なくとも一つのコンプライアント素子５４をさらに含む可能性がある。少なくとも一つのコンプライアント素子５４は、熱電システムの部品間の動き（例えば、熱電システム１００内の熱膨張もしくは収縮を含む動きまたは、熱電システム１００に対する機械的衝撃によって引き起こされる動き）に応じて、従う（例えば、弾性的に、部分的に弾性的に、もしくは非弾性的に変形する）ように構成することができる。少なくとも一つのコンプライアント素子５４は、少なくとも一つの熱交換器５０の一端もしくは両端にあり、少なくとも一つのシャント２０と熱的に連通する可能性がある。少なくとも一つのコンプライアント素子５４は、隣接する熱電アセンブリ１０の少なくとも一つの熱交換器５０へと機械的に結合されるように構成することができる。
【００９２】
図１Ｂによって概略的に示されるように、少なくとも一つのコンプライアント素子５４は、第一および第二の熱電アセンブリ１０ａ、１０ｂのうちの少なくとも一つの少なくとも一つの熱交換器５０の少なくとも一部を含む。例えば、少なくとも一つの熱交換器５０は、複数のフィン５１を含み、少なくとも一つのコンプライアント素子５４は、第一の熱電アセンブリ１０ａの複数のフィン５１のうちの少なくとも一つのフィン５１を含む。少なくとも一つのフィン５１は、第二の熱電アセンブリ１０ｂの複数のフィン５１のうちの少なくとも１つのフィン５１に溶接することができる。
【００９３】
熱電アセンブリ１０が（例えば、少なくとも一つの熱交換器５０にわたって高温ガスを流すことによって）加熱されると、熱電アセンブリ１０（例えば、少なくとも一つのシャント２０と少なくとも一つの熱交換器５０）は、（図１Ｂに破線で示される）その中央平面に対する軸に沿うかもしくはほぼ沿って（矢印で示されるように）膨張する可能性がある。この膨張を補償するために、少なくとも一つの熱交換器５０の各端部における少なくとも一つのコンプライアント素子５４は、一つの熱電アセンブリ１０の少なくとも一つのシャント２０が（例えば、二つのシャント２０の間の熱電素子３０、４０をバイパスする他のシャント２０へとあるシャント２０からの電気的経路を作成することによって）隣接する熱電アセンブリ１０の少なくとも一つのシャント２０と短絡することなしに、熱電アセンブリ１０の軸方向の熱膨張が生じること、を可能にする。
【００９４】
図１１Ａ−図１１Ｉは、第一の熱電アセンブリ１０ａと第二の熱電アセンブリ１０ｂへと機械的に結合された少なくとも一つのベローズ５５を含むコンプライアント素子５４の種々の例示的な構成を概略的に示す。ベローズ５５は、隣接する熱電アセンブリ１０の各対の間にあり、熱電アセンブリ１０の軸方向への熱膨張もしくは収縮に従うことができる。
【００９５】
図１１Ａのベローズ５５は、少なくとも一つの熱交換器５０のフィン５１と統合される。例えば、熱交換器５０の各端部におけるフィン５１は、隣接する熱交換器５０の隣接するフィン５１へと溶接して形成することができる。フィン５１は、スタンプ（押し型成形）され、形成され、機械加工され、もしくは任意の方法で製造することができ、少なくとも一つの熱交換器５０の両端におけるフィン５１が熱電アセンブリ１０の熱膨張に応じて曲がるように構成される。少なくとも一つのコンプライアント素子５４は、第一の熱電アセンブリ１０ａと第二の熱電アセンブリ１０ｂに機械的に結合された少なくとも一つの膨張ジョイントを含む可能性がある。
【００９６】
図１１Ｂおよび図１１Ｃは、少なくとも一つの熱交換器５０のフィン５１から分離されたコンポーネントであり、第一および第二の熱電アセンブリ１０ａ、１０ｂに（例えば、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの熱交換器５０と、第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの熱交換器５０へと）機械的に結合された少なくとも一つのベローズ５５を含む例示的なコンプライアント素子５４を概略的に示す。少なくとも一つのベローズ５５は、環状であり、コンジット１０２を包囲する可能性がある。二つの熱交換器５０の間の接合は、“溶接されたベローズの畳み込み”を含み、内径周囲もしくは外形周囲に溶接された、レーザもしくはタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）によって接合することができる二つのスタンプされたディスクを含む。これらの製造されたコンプライアント素子５４は、二つの熱交換器５０の間の膨張ジョイントを形成するために、一群として組み立てることができ、端部は、隣接する熱電アセンブリ１０の端部におけるフィン５１に溶接することができる。コンプライアント素子５４は、標準の構成（図１１Ｂ）もしくはその反転された構成（図１１Ｃ）で取り付けることができる。図１１Ｄおよび図１１Ｅは、畳み込みを有する代わりに二つの溶接部分を含む例示的なベローズ５５を概略的に示し、ベローズ５５は一つ以上の畳み込みを有するように形成された単一の一体部品である。
【００９７】
図１１Ｆ−図１１Ｉは、第一の熱電アセンブリ１０ａと第二の熱電アセンブリ１０ｂのうちの少なくとも一つに機械的に結合された少なくとも一つの電気的に絶縁性の部分（電気的絶縁性部分）５６を含む例示的なコンプライアント素子５４を概略的に示す。図１１Ｆおよび図１１Ｇにおいては、少なくとも一つの電気的に絶縁性の部分５６は、第一の熱電アセンブリ１０ａの少なくとも一つの熱交換器５０と、第二の熱電アセンブリ１０ｂの少なくとも一つの熱交換器５０とに機械的に結合された固体（例えば、セラミック）材料（例えば、二つのスタンプされた金属フィン５１の接合にロウ付けされたセラミックリング）を含む。電気的に絶縁性の部分５６は、畳み込みベローズアセンブリの一部として（例えば、図１１Ｂおよび図１１Ｃのベローズ５５の一部として）組み込まれるか、熱電システム１００の作製の一部としての積層中に集積された（例えば、図１１Ａにおけるような）コンプライアントフィン５１を有する二つの熱交換器５０の間に取り付けることができる。図１１Ｈは、少なくとも一つの電気的に絶縁性の部分５６が、その後（例えば、ろう付けによって）接合することができる第一および第二の熱電アセンブリ１０ａ、１０ｂの少なくとも一つの熱交換器５０のうちの少なくとも１つ（例えば、金属フィン５１もしくはベローズ部品のうちの一つもしくはその双方）に誘電性層コーティング（例えば、少なくとも一つのセラミック層もしくはプラズマスプレーアルミナ層）を含む例示的なコンプライアント素子５４を概略的に示す。図１１Ｉは、電気的に絶縁性の部分５６が二つのスタンプされたディスクの接合ではなく、ベローズ５５のベースのうちの片側にある、例示的なコンプライアント素子５４を概略的に示す。当該構成は、例えば、図１１Ｄおよび図１１Ｅの例示的なコンプライアント素子５４と互換性がある。
【００９８】
上述されたように、熱電システム１００は、コンジット１０２と熱的に連通し、コンジット１０２から電気的に分離され、コンジット１０２周囲に伸長する少なくとも一つの第二のシャント１１０を含む可能性がある。少なくとも一つの第二のシャント１１０のうちの少なくとも一部は、第一の熱電アセンブリ１０ａと第二の熱電アセンブリ１０ｂと熱的、電気的に連通し、かつ第一の熱電アセンブリ１０ａと第二の熱電アセンブリ１０ｂとの間に挟まれ、第一の熱電アセンブリ１０ａ、少なくとも一つの第二のシャント１１０および第二の熱電アセンブリ１０ｂがお互いに直列して電気的に連通する。当該構成においては、少なくとも一つの第二のシャント１１０は、（例えば、図５Ａ−図５Ｂおよび図６Ａ−図６Ｂに示されるように）少なくとも一つのベローズ５５とコンジット１０２との間にある可能性がある。
【００９９】
図１２Ａは、熱電システム１００を形成するための例示的な作製プロセスを示す例示的な熱電システム１００の分解組み立て透視図を概略的に示し、図１２Ｂ−図１２Ｄは、例示的なベローズ５５、例示的な第二のシャント１１０、例示的な熱電アセンブリ１０をそれぞれ示す。例示的な熱電システム１００は、各々が第一のシャント２０、複数の熱電素子３０、４０および複数のフィン５１を含む熱交換器５０を有する複数の熱電アセンブリ１０を含む。例示的な熱電システム１００は、コンジット１０２、複数の第二のシャント１１０および複数のコンプライアント素子５４（例えば、熱電アセンブリ１０の軸方向の熱膨張もしくは収縮によって弾性変形するように構成されたベローズ５５）をさらに含む。熱電アセンブリ１０、第二のシャント１１０、ベローズ５５は、ベローズ５５によって機械的に結合された、熱電アセンブリ１０と互い違いの第二のシャント１１０との積層を形成するために、コンジット１０２上をスライドすることができる。熱交換器５０は、隣接するベローズ５５にレーザ溶接することができ、一つ以上のコンプライアント部材１３８（例えば、一つ以上のばね）は、積層の一端もしくは両端に配置することができ、第一のキャップ１３２および第二のキャップ１３４は、積層の端部にレーザ溶接することができる。別の例示的な熱電システム１００においては、ベローズ５５はなく、（例えば、最外部のフィン間の接触を改善するために）熱交換器５０の最外部のフィン５１が隣接する熱交換器５０の隣接するフィン５１に向かって外側に曲げることができる。
【０１００】
線形熱電アセンブリおよび結果として生じる熱電システム
本明細書に参照によってその全体において組み入れられる、米国特許整理番号２０１１／００６７７４２に記述された熱電性発電機（ＴＥＧ）は、多くのすぐれた品質を有する。本明細書で記述された例示的な熱電アセンブリおよびシステムは、幾つかの重要な欠陥を改善しつつ、これらの特性のうちの多くを利用する。
【０１０１】
例示的な円柱状ＴＥＧは、熱的接触を改善するために、リングシャントの内側で熱的に膨張するシリンダの円周応力を利用して開発されてきた。円周応力を最大限に利用するために、リングは、ソリッドリングもしくはスプリット（分割）リングである可能性がある。圧力の降下を最小限に維持したまま大量の流れに適応するために、円柱状ＴＥＧの直径は比較的大きく、結果として、熱電結合の多くの並列接続が生じる。
【０１０２】
これらの多数の並列接続は、ＴＥＧに対する非常に高い電流と非常に低い電圧につながる可能性がある。電力コンバータが電圧を増加させ、かつ電流を減少させるためにシステムに加えられるが、これによってさらなるコストを追加し、貴重なパッケージスペースを占め、効率を低下させる可能性がある。本明細書で記述される例示的な熱電アセンブリおよびシステムは、ＴＥＧに対する電圧／電流スプリットを有効に改善する。
【０１０３】
さらには、低い圧力降下を維持したまま、高い流れに適用するために上述された大直径は、特に、車両もしくは自動車への適用において、パッケージングでの問題を引き起こす可能性がある。本明細書で記述される例示的な熱電アセンブリおよびシステムは、変化するパッケージスペースの必要性に適応する設計柔軟性において顕著な改善を提供することができる。
【０１０４】
設計をその全体において組み立てる前に設計の一部を試験することができることは、有益である可能性がある。従来のＴＥＧにおいては、完全な最終組み立ての前にＴＥＧの部品を試験することは不可能であった。各リングシャントは、最終組み立て前に電気抵抗を試験することができたが、完全な熱電性能は確認することができなかった。本明細書で記述されるある例示的な熱電アセンブリおよびシステムは、モジュール性において顕著な改良を提供することができる。
【０１０５】
幾つかの用途は、一つの位置に集中するのではなく、むしろ拡散する排熱を利用してもよい。例えば、排熱に上手くアクセスすることができる唯一の位置は、主の流体管ではなく、より小さい毛細管にあってもよい。本明細書で記述されるある例示的な熱電アセンブリおよびシステムは、分散した排気および／もしくは冷媒システムへと設計する機会をＴＥＧに対して提供することができる。
【０１０６】
本明細書で記述される例示的な熱電アセンブリおよびシステムは、モジュール性、電圧／電流スプリットおよび設計柔軟性を改善する一方で、従来の円柱状ＴＥＧの設計をできる限り活用する。図１３は、円柱状ＴＥＧ（本明細書に参照によってその全体において組み入れられる、米国特許整理番号２０１１／００６７７４２にさらに記述される）を示し、図１３の挿入画および図１４Ａ−図１４Ｃは、当該円柱状ＴＥＧを作製するために使用することができる例示的な線形熱電アセンブリ２００を概略的に示す。
【０１０７】
例示的な線形熱電アセンブリ２００は、従来の円柱状ＴＥＧが使用していたのと同一の低温管と低温シャントサブアセンブリを使用することができる。しかしながら、本明細書で記述される熱電アセンブリ２００は、より小さい直径の高温管を有し、それによって、より小さい高温リングシャントを有する。本明細書で記述される熱電アセンブリ２００は、線形熱電アセンブリレベルで密封することができる。熱電アセンブリ２００は、ともに密封された少なくとも一つの低温管と少なくとも一つの高温管とを含む可能性がある。熱電アセンブリ２００は、少なくとも３つのシャント（例えば、二つの高温シャントと一つの低温シャント、または二つの低温シャントと一つの高温シャント）を含む可能性がある。
【０１０８】
図１４Ａ−図１４Ｃは、例示的な熱電アセンブリ２００の種々の図（図１４Ａ：側面図、図１４Ｂ：端面図、図１４Ｃ：透視図）を概略的に示す。熱電アセンブリ２００は、第一の方向２１２に沿うかほぼ沿う、少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０を通って第一の流体が流れることを可能にするように構成された少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０を含む可能性がある。熱電アセンブリ２００は、第一の方向２１２に平行かほぼ平行な少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０を通って第二の流体が流れることを可能にするように構成された少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０をさらに含む可能性がある。熱電アセンブリ２００は、少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０の少なくとも一部の周囲に伸長し、かつ、少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０の少なくとも一部と熱的に連通するように構成された複数の第一のシャント２３０をさらに含む可能性がある。熱電アセンブリ２００は、少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０の少なくとも一部の周囲に伸長し、かつ、少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０の少なくとも一部と熱的に連通するように構成された複数の第二のシャント２４０をさらに含む可能性がある。熱電アセンブリ２００は、複数の第一のシャント２３０と熱的および電気的に連通し、かつ、少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０および少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０から電気的に分離された複数の第一の熱電素子２５０をさらに含む可能性がある。熱電アセンブリ２００は、複数の第一のシャント２３０および複数の第二のシャント２４０と熱的および電気的に連通する複数の第二の熱電素子２６０をさらに含む可能性がある。複数の第一のシャント２３０の各第一のシャント２３０は、複数の第一の熱電素子２５０の少なくとも一つの第一の熱電素子２５０と複数の第二の熱電素子２６０の少なくとも一つの第二の熱電素子２６０との間に挟まれる。複数の第二のシャント２４０の各第二のシャント２４０は、複数の第一の熱電素子２５０の少なくとも一つの第一の熱電素子２５０と複数の第二の熱電素子２６０の少なくとも一つの第二の熱電素子２６０との間に挟まれる。
【０１０９】
少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０の各第一の流体コンジット２１０は、管状もしくはほぼ管状であり、３ｍｍと３００ｍｍの間の範囲か、１ｍｍと３０ｍｍの間の範囲か、２ｍｍと２５ｍｍの間の範囲の周囲長を有する可能性がある。少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０の各第二の流体コンジット２２０は、管状もしくはほぼ管状であり、３ｍｍと３００ｍｍの間の範囲か、１ｍｍと３０ｍｍの間の範囲か、２ｍｍと２５ｍｍの間の範囲の周囲長を有する可能性がある。少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０は、第一の方向に垂直な平面において非円形の断面を有し、少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０は、第一の方向に垂直な平面において非円形の断面を有する可能性がある。
【０１１０】
熱電アセンブリ２００は、少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０の少なくとも一部、少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０の少なくとも一部、複数の第一のシャント２３０、複数の第二のシャント２４０、複数の第一の熱電素子２５０、複数の第二の熱電素子２６０を包囲する（例えば、密閉する）ように構成された筐体２７０をさらに含む可能性がある。筐体２７０は、１ｍｍと５０ｍｍの間の範囲か、１ｍｍと１００ｍｍの間の範囲の幅を有し、１ｍｍと５０ｍｍの間の範囲か、１ｍｍと１００ｍｍの間の範囲の高さを有する可能性がある。例えば、図１４に示されるように、筐体２７０は、２５ｍｍの幅と４２ｍｍの高さを有する。
【０１１１】
熱電アセンブリ２００は、筐体２７０の少なくとも一部を通って伸長する少なくとも一つの電気的コネクタ２８０（例えば、フィードスルーピン）をさらに含む可能性がある。少なくとも一つの電気的コネクタ２８０は、複数の第一のシャント２３０と複数の第二のシャント２４０のうちの少なくとも１つと電気的に連通する可能性がある。少なくとも一つの電気的コネクタ２８０は、導電性を有し（例えば、無視できるほどの電気抵抗を有し）、（電気的に絶縁性の材料によってか、間隙によってのいずれかで）キャップ１３２、１３４から電気的に分離される可能性がある。熱電素子２５０、２６０が筐体２７０内に密閉される構成に対して、少なくとも一つの電気的コネクタ２８０は、密封を含む。
【０１１２】
少なくとも一つの第一の熱電素子２５０、少なくとも一つの第一のシャント２３０、少なくとも一つの第二の熱電素子２６０、少なくとも一つの第二のシャント２４０は、お互いに直列に電気的に連通する可能性がある。当該構成においては、電流経路は、複数の第一の熱電素子２５０、複数の第一のシャント２３０、複数の第二の熱電素子２６０、複数の第二のシャント２４０を直列に通る可能性がある。
【０１１３】
このようなある構成においては、複数の第一の熱電素子２５０、複数の第一のシャント２３０、複数の第二の熱電素子２６０、複数の第二のシャント２４０は、第一の方向に平行もしくはほぼ平行に伸長する少なくとも一つの積層２９０を形成する。複数の第一のシャント２３０のうちの各第一のシャント２３０は、少なくとも一つの積層２９０から少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０へと、第一の方向とは垂直もしくはほぼ垂直な第二の方向へと伸長し、複数の第二のシャント２４０のうちの各第二のシャント２４０は、少なくとも一つの積層２９０から少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０へと、第一の方向とは垂直もしくはほぼ垂直の第三の方向へと伸長し、第二の方向は、第三の方向の逆もしくはほぼ逆である。複数の第一のシャント２３０のうちの各第一のシャント２３０は一体であり、複数の第二のシャント２４０のうちの各第二のシャント２４０は一体である可能性がある。
【０１１４】
図１５および図１６Ａ−図１６Ｅは、複数の熱電アセンブリ２００を含む例示的な熱電システム３００を概略的に示す。熱電システム３００に含まれる複数の熱電アセンブリ２００は、図１４Ａ−図１４Ｃに関連して上述されたように筐体２７０を含む一つ以上の熱電アセンブリ２００を含む可能性がある。複数の熱電アセンブリ２００のうちの熱電アセンブリ２００は、図１５および図１６Ａ−図１６Ｅの構成において、お互いに対して平行かもしくはほぼ平行である。例えば、各熱電アセンブリ２００は、ある方向に沿うかほぼ沿って伸長する少なくとも一つの積層２９０を含み、複数の熱電アセンブリ２００の積層２９０は、お互いに平行かもしくはほぼ平行である。
【０１１５】
熱電アセンブリ２００のうちの少なくとも幾つかは、お互いに並列に電気的に連通する可能性がある。熱電アセンブリ２００のうちの少なくとも幾つかの第一の流体コンジット２１０のうちの少なくとも幾つかは、お互いに並列に流体連通する可能性がある。さらには、熱電アセンブリ２００の少なくとも幾つかの少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０は、お互いに並列に流体連通する可能性がある。このような例示的な熱電システム３００は、より大きなガス流を扱うように（例えば、高温排気ガス用の有益な内部バイパスを保持するように）構成される。幾つかの構成においては、第一の流体コンジット２１０のうちの少なくとも幾つかは、お互いに直列に流体連通する可能性がある。幾つかの構成においては、少なくとも幾つかの熱電アセンブリ２００の少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０は、お互いに直列に流体連通する可能性がある。
【０１１６】
図１５の例示的な熱電システム３００においては、熱電アセンブリ２００は、第一の方向に沿うかほぼ沿った積層２９０を各々含み、熱電アセンブリ２００のうちの少なくとも幾つかは、（例えば、第一の方向に垂直かもしくはほぼ垂直な第一の円における少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０と、第一の方向に垂直かもしくはほぼ垂直な第二の円における少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０を備える）ほぼ円形の構成に配置される。図１５に示されるように、第一の円は、第二の円よりも小さい可能性がある。
【０１１７】
図１６Ａは、中央の第一の流体コンジット２１０の相対する側かほぼ相対する側に二つの積層２９０を備える例示的な熱電アセンブリ２００を概略的に示す。図１６Ｂは、図１４Ａ−図１４Ｃと互換性のある複数の熱電アセンブリ２００を含む例示的な熱電システム３００を概略的に示し、熱電アセンブリ２００のうちの少なくとも幾つかは、第一の平面における少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０と、第一の平面と平行かほぼ平行な第二の平面における少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０とを備えて配置される。図１６Ｃは、図１６Ａと互換性のある複数の熱電アセンブリ２００を含む例示的な熱電システム３００を概略的に示し、熱電アセンブリ２００のうちの少なくとも幾つかは、第一の平面における少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０と、第一の平面と平行かほぼ平行な第二の平面における少なくとも一つの第二の流体コンジット２２０とを備えて配置される。図１５と図１６Ａ−図１６Ｃは、本明細書で記述されるようなある熱電アセンブリ２００とシステム３００とによって提供することができる異なるパッケージングスペースに最も適合する性能と設計柔軟性とを強調する。
【０１１８】
図１７−図１９は、少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０を通って流れる車両排気を含む第一の流体を有する車両もしくは自動車排気システムに取り付けられるように構成された種々の例示的な熱電システム３００を概略的に示す。図１７は、車両排気への適用のための複数の熱電アセンブリ２００の一組を含む、熱電システム３００の例示的なパッケージング構成を概略的に示す。図１８は、車両排気への適用のためのお互いに直列の二組を備える複数の熱電アセンブリ２００の二組を含む、熱電システム３００の例示的なパッケージング構成を概略的に示す。図１７および図１８の例示的な熱電システム３００は、お互いに並列に流体連通する一組の熱電アセンブリ２００を有し、熱電アセンブリ２００の少なくとも幾つかの少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０と並列に流体連通するバイパスコンジット３１０を含む可能性がある。熱電システム３００は、少なくとも一つのバイパスコンジット３１０と少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０とを通って流体の流れを方向づけるように構成されたバルブシステムをさらに含む可能性がある。バルブシステムは、バイパスコンジット３１０と少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０との間の可変の流れ割り当てを可能にするように構成された少なくとも一つの比例弁を含む可能性がある。例えば、バルブシステムは、バイパスコンジット３１０を通る流体の流れの一部と、少なくとも一つの第一の流体コンジット２１０を通る流体の流れの一部とを方向づけるように構成された一つ以上のバルブを含む可能性がある（例えば、本明細書に参照によってその全体において組み入れられる、米国特許整理番号２０１０／００２４８５９を参照）。
【０１１９】
図１９は、熱電アセンブリ２００へと横方向に排気が流れる車両排気への適用のための熱電システム３００の例示的なパッケージング構成を概略的に示す。熱電システム３００は、排気を第二の流体コンジットを通って流すための、流れ方向の９０度の変化を生成する少なくとも一つのマニホルドを含む可能性がある。
【０１２０】
熱電システム３００は、少なくとも一つの第一の流体コンジットを通って流れる車両排気を含む第一の流体を有する燃焼システム（例えば、車両排気システム）に取り付けられるように構成される可能性がある。ある構成においては、第一の流体は、燃焼システムによって生成される排熱によって加熱される可能性がある（例えば、本明細書に参照によってその全体において組み入れられる、米国特許整理番号７，６０８，７７７を参照）。
【０１２１】
本明細書に記述されたある例示的な熱電アセンブリ２００とシステム３００は、設計柔軟性と、種々のパッケージングスペースおよび分散型排気システムを含む用途に適合する性能において、顕著な改善を提供することができる。複数の熱電アセンブリ２００は、所望の電圧／電流スプリットに良好に一致するために直列／並列な配置に電気的に接続することができる。この電気的スプリットは、熱電システム３００における動作状態の変化に良好に適合するために動的にすることができる。
【０１２２】
より小径の流体コンジットもしくは管は、高温の熱交換器と高温のリングシャントとの間の熱的接触を改善するために円周応力を利用することができるが、より少ない熱電素子を並列に有することができる。十分に小径の流体コンジットもしくは管は、適切な圧力降下を保持するために使用することができる。この小径の流体コンジットもしくは管は、生じるミスマッチを減少させることで、放射状の熱膨張の良好な管理を提供することもできる。
【０１２３】
（例えば、密封を有する）自身の容器もしくは筐体２７０を有する各熱電アセンブリ２００を備える、各熱電アセンブリ２００は、最終的な熱電システム３００に配置される前に独立して試験することができる。このモジュール性は、熱電システム３００の最終的な作製前に、不良な熱電アセンブリ２００もしくはＴＥＧ部品が存在するか否かを判定するうえで、非常に有効である。それによって、ＴＥＧ全体を置換させることなく、損傷した熱電アセンブリ２００もしくはＴＥＧ部品を除去および置換することを可能にすることもできる。
【０１２４】
包囲された熱電素子を有するアセンブリ
以下に記述される例示的な熱電性発電機は、熱電素子を介して電力を生成するために温度差を有する二つの流体の組み合わせを使用する可能性がある。流体は、液体か、ガスか、もしくはその二つの組み合わせである可能性がある。例示的な熱電性発電機は、使用法、電力出力、電圧に依存して、単一の熱電アセンブリか、もしくは一群の熱電アセンブリを含む可能性がある。
【０１２５】
図２０は、第一の表面４１２を有する流体コンジット４１０、第二の表面を有する筐体４２０、複数の熱電素子４３０、複数の電気的および熱的伝導性を有するシャント４４０、筐体４２０と熱的に連通し、かつ筐体４２０から離れるように伸長する複数の熱交換器４５０を含む、例示的な熱電アセンブリ４００を概略的に示す。複数の熱電素子４３０は、第一の表面４１２と第二の表面４２２との間に挟まれ、第一の表面４１２と第二の表面４２２とに熱的に連通し、電気的に分離される可能性がある。複数のシャント４４０は、複数の熱電素子４３０と熱的および電気的に連通する可能性がある。複数のシャント４４０は、流体コンジット４１０と熱的に連通する第一組のシャント４４２と、筐体４２０と熱的に連通する第二組のシャントとを含む可能性がある。図２１は、図２０の例示的な熱電アセンブリ４００の端面図を概略的に示す。
【０１２６】
流体コンジット４１０は、（例えば、低温の流体が流れるための）金属の平坦な形状の管を含み、第一の表面４１２の少なくとも一部は実質的に平坦である可能性がある。流体コンジット４１０は注入口４１４と注出口４１６とを含む可能性がある。筐体４２０は、一つ以上の金属層を含み、第二の表面は実質的に平坦である可能性がある。図２０および図２１に示されるように、複数の熱交換器４５０は、筐体４２０から離れる方向に伸長する複数のフィン４５２を含む可能性がある。これらのフィン４５２は、フィン４５２を渡って流れる第二の流体（例えば、高温ガス）と熱的に連通するように構成することができる。ある構成においては、熱的経路は、第二の流体からフィン４５２を通って、筐体４２０、複数のシャント４４０、複数の熱電素子４３０、流体コンジット４１０を通って、流体コンジット４１０を通って流れる第一の流体へと通る。
【０１２７】
熱電アセンブリ４００は、流体コンジット４１０と複数のシャント４４０との間に（図示されていない）少なくとも一つの電気的に絶縁性の層をさらに含み、複数のシャント４４０間の短絡を回避することができる。例えば、流体コンジット４１０は、誘電性層で被覆することができる。熱電アセンブリ４００は、筐体４２０と複数のシャント４４０との間に（図示されていない）少なくとも一つの電気的に絶縁性の層をさらに含み、複数のシャント４４０間の短絡を回避することができる。例えば、筐体４２０は、誘電性層で被覆することができる。これらの電気的に絶縁性の層は、流体コンジット４１０と筐体４４０から複数のシャント４４０を電気的に分離し、第一組のシャント４４２は流体コンジット４１０と熱的に連通し、第二組のシャント４４４は、筐体４２０と熱的に連通する。熱電アセンブリ４００は、良好な熱的接触および良好な電気的接触を補償するために、複数の熱電素子４３０と複数のシャント４４０との間に少なくとも一つのコンプライアント導電性インターフェイス（例えば、熱伝導性のグリース）をさらに含む可能性がある。
【０１２８】
複数のシャント４４０（例えば、銅パッド）は、流体コンジット４１０および複数の熱電素子４３０の間と、筐体４２０および複数の熱電素子４３０の間に配置される可能性がある。複数の熱電素子は、ｎ型熱電素子４３２とｐ型熱電素子４３４とを含む可能性がある。複数のシャント４４０と複数の熱電素子４３０は、ｎ型熱電素子４３２がｐ型熱電素子４３４と直列に電気的に連通するように構成され、その一例は図２０に示される。例えば、各シャント４４０は、シャント４４０の相対する側に少なくとも一つのｎ型熱電素子４３２と少なくとも一つのｐ型熱電素子４３４を配置することができる。この“ストーンヘンジ”構成は、熱電素子４３０がお互いに直列に接続されるため、より高い電圧を熱電アセンブリ４００が構築することを可能にする。熱電アセンブリ４００の低温側に取り付けられた熱電素子４３０で、熱膨張の衝撃は最小限化することができる。
【０１２９】
このようなある構成においては、電流経路は、第一組のシャント４４２の第一のシャント、少なくとも一つのｎ型熱電素子４３２、第二組のシャントの第一のシャント、少なくとも一つのｐ型熱電素子４３４および第一組のシャント４４２の第二のシャントを（例えば、図２０に示された“ストーンヘンジ”構成において）通る可能性があり、複数のシャント４４０および複数の熱電素子４３０は、電流が複数のシャント４４０および複数の熱電素子４３０を曲がりくねった経路で通るように構成することができる。幾つかの構成においては、複数のシャント４４０および複数の熱電素子４３０は、電流が一つ以上の積層に対してほぼ軸方向にあるような、第一の表面４１２と第二の表面との間の一つ以上の積層を形成することができる。
【０１３０】
筐体４２０は、熱電アセンブリ４００の部品間の動き（例えば、熱電アセンブリ４００内の熱膨張もしくは収縮を含む動きまたは、熱電アセンブリ４００に対する機械的衝撃によって引き起こされる動き）に応じて、コンプライアントであるように構成された（例えば、柔軟性があり弾性変形するように構成された）一つ以上のひだ４２４を含む可能性がある。例えば、図２０および図２２に示されるように、これらのひだ４２４は、筐体４２０の幅に沿うかほぼ沿って伸長する可能性がある。第二組のシャントが複数の行に配列される構成においては、一つ以上のひだ４２４は、複数の行のうちの隣接する行間に配置することができる。複数の熱交換器４５０が複数の行に配列される構成においては、一つ以上のひだ４２４は、複数の行のうちの隣接する行間に配置することができる。ひだ４２４は、筐体４２０の一部の動きを可能にするように配置され、それによって、筐体４２０と流体コンジット４１０との間の熱膨張の（例えば、流体コンジット４１０よりも筐体４２０がより長く伸長する）ミスマッチによる熱電素子４３０に対する応力を最小限化する。
【０１３１】
複数の熱電素子４３０は、筐体４２０内に（例えば、密閉して）包囲することができる。例えば、筐体４２０は、ともに接合されるか、もしくは密封される第一部分と第二部分とを含み、ガスは筐体４２０内に（例えば、密閉して）包囲することができる。筐体４２０が熱電アセンブリ４００全体を包囲する構成においては、筐体４２０は、（例えば、流体コンジット４１０の注入口４１４と、流体コンジット４１０の注出口４１６において、流体コンジット４１０とのみ接触することによって）熱電アセンブリ４００の高温側と低温側との間の熱損失を最小限化するように設計することができる。
【０１３２】
図２３Ａ、図２３Ｂ、図２４は、複数の熱電アセンブリ４００を各々含む例示的な熱電システム５００を概略的に示す。熱電システム５００は、第一の熱電アセンブリ４００ａと第二の熱電アセンブリ４００ｂとを含む可能性がある。例えば、図２３Ａおよび図２３Ｂは、４つの熱電アセンブリ４００ａ、４００ｂ、４００ｃ、４００ｄの二つの構成を示し、高温ガスは、複数の熱交換器４５０の（例えば、長方形の）フィン４５２を通るかもしくはフィン４５２にわたって流れ、低温流体は、（例えば、中央管）流体コンジット４１０を通って流れる。フィン４５２および流体コンジット４１０は、使用法に応じて、種々の形状もしくは材料である可能性がある。熱電アセンブリ４００は、お互いの上面で積層されるか、お互いの横側に積層されるように構成することができる。
【０１３３】
熱電システム５００は、第一の熱電アセンブリ４００ａと第二の熱電アセンブリ４００ｂとを保持するフレーム５１０をさらに含む可能性がある。第一の熱電アセンブリ４００ａの流体コンジット４１０ａは、第二の熱電アセンブリ４００ｂの流体コンジット４１０ｂに平行かほぼ平行である可能性がある。第一の熱電アセンブリ４００ａの複数の熱交換器４５０ａと第二の熱電アセンブリ４００ｂの複数の熱交換器４５０ｂは、第一の熱電アセンブリ４００ａおよび第二の熱電アセンブリ４００ｂのうちの少なくとも一つの熱膨張時に、お互いに（矢印で示される）圧縮力を与えるように構成することができる。
【０１３４】
図２４に示されるように、この圧縮力は、流体コンジット４１０ａ、４１０ｂに対してほぼ垂直な方向である可能性がある。圧縮力は、流体コンジット４１０と第一の熱電アセンブリ４００ａおよび第二の熱電アセンブリ４００ｂのうちの少なくとも一つの複数の熱交換器４５０との間の熱伝達を増加させることができる。並んで配置された熱電アセンブリ４４０を備える、第一の熱電アセンブリ４００ａのフィン４５２は、第一の熱電アセンブリ４００ａが加熱するとき膨張し、隣接する第二の熱電アセンブリ４００ｂのフィン４５２と接触し、結果として、熱電アセンブリ４００内の熱電素子４３０に対する圧縮力をもたらし、それによって熱電アセンブリ４００の高温側と低温側の間の熱伝達を改善する。
【０１３５】
ＴＥＧアーキテクチャおよび温度補償
熱電素子は、適切な特性を達成するために種々のカートリッジ構成に配置することができる。このような設計においては、以下の考慮が有効な機能のために重要でありうる。（ａ）全ての動作温度での周期を通して、熱電素子に比較的均一な力（圧力）を保持することができる。（ｂ）動作温度範囲にわたって、せん断応力および引張応力が最小化され、有効に排除される。（ｃ）熱電素子の高温端と低温端の双方において、電気的、熱的接続由来の寄生損失が、システムの電力出力に悪影響を与えない程度に十分に低くなりうる。（ｄ）熱電アセンブリもしくはシステムは、企図された用途に対して対費用効果が高い可能性がある。（ｅ）熱電素子もしくは熱電システムのいずれかは、システムに対して有害な大気成分、内部流体に対して密封することが可能である（このような流体は、温度を制御するか、または他の目的を達成するために使用されてもよい）。動作においては、高温側と低温側は、大きな温度差に晒される。結果として、熱電素子は、電流の方向に大きな温度勾配を有する可能性がある。従来の構成においては、これによって、ＴＥ素子に対して、大量の熱によって誘発されるせん断応力と一様でない圧縮力とをもたらす。典型的には、力は、高温側と低温側の間の温度差で変化する。熱電素子に対する望ましくない応力を軽減するかもしくは排除して比較的均一な圧力を維持する、３つの基本的構成と幾つかの変形は以下に記述される。
【０１３６】
図２５Ａおよび図２５Ｂは、動作中に上昇する温度勾配の結果として生じる熱的応力を軽減するストーンヘンジ構成の例示的な適応を概略的に示す。図２５Ａは、並列な二つの熱電素子と、直列な八組とを有するストーンヘンジ構成において放射状に接続された熱電素子を示す。この例示的な構成においては、熱電素子は、中心のコア（例えば、低温側）周囲の放射状のｎ及びｐの対で直列に接続され、各対は、隣接する対に対して軸方向に並列に接続される。図２５Ｂは、軸方向に直列に接続された二組の熱電素子を有するストーンヘンジ構成において軸方向に接続された熱電素子を示す。高温側のコンプライアントフィンは、熱電素子上のせん断応力を軽減するために、軸方向の熱膨張に適合する。図２５Ｂに示されるように、対は、放射状に並列、かつ軸方向に直列に接続することができる。また、熱電素子のうちの幾つか（例えば、２から５０）は、対になって軸方向に直列であり、他の群は放射状である。
【０１３７】
好都合なことに、カートリッジシステムは、図２５Ａに示される構造などの構造の部品で構成することができる。低温側に対する高温側の相対的な動きの増大は、熱電の低温端と高温端の位置が、動作中の高温側と低温側の温度変化としての熱膨張による熱電素子の長さの変化に一致するようになる可能性がある。好都合なことに、このことは、熱電素子と高温シャントおよび低温シャント由来の寸法変化に高温側外部リング寸法変化を一致させることによって達成することができる。したがって、熱電が約２０×１０−６ｍｍ／ｍｍの熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する場合、高温側リングは、その値の約１／４のＣＴＥを有するか、図２５Ａおよび図２５Ｂに示される相対的寸法に対して約５×１０−６の値を有する可能性がある。例えば、高温側管は、モリブデン、銅／グラファイト組成物、適切なセラミックなどの低いＣＴＥ材料で形成することができる。また、高温および／もしくは低温側は、図２７Ｂに示されるようなひだなどの膨張フィーチャを有し、動きが高温側と熱電素子との間の相対的な寸法変化に適合することを可能にする。さらには、高温側シャントは厚くされ、非常に高いＣＴＥを有する適切な材料（バイメタルの高膨張側を作成するために使用される材料システムなど）で構成され、さらなる温度補償を提供する。軸方向の寸法変化は、熱電素子／シャントサブアセンブリと高温側リングとの間の相対的な寸法変化によって誘発されるせん断応力を軽減するかもしくは排除するために、軸上のシャントＣＴＥを選択することによって適合することができる。リング間で、図２７Ｂに示されるように、隣接するリング間の接続の屈曲によって適合がなされる可能性がある。放射状の密度、フォームファクタ、熱電素子および筐体コンポーネントの寸法は、（以下に記述されるような）所望の特性を達成するために選択することができる。
【０１３８】
図２５Ａは、熱電素子が放射状方向に電気的に直列に接続されたモジュール設計を示す。種々の数の熱電素子は、低温中心コア周囲に、最密充填から車軸上のスポーク様の熱電素子までの範囲で配列することができる。放射状密度、フォームファクタ、熱電素子および筐体コンポーネントの寸法は、所望の特性を達成するために選択することができる。
【０１３９】
図２６は、熱伝達および素子を通る電流がほぼ円周方向であるように熱電素子が配置される例示的なモジュールの設計を示す。また、電流が円周方向もしくは軸方向に対して角度がある構成は示されていない。本明細書で記述されているのは、電流が放射状方向と軸方向の双方に対してほぼ垂直である構成である。放射状密度、フォームファクタ、熱電素子および筐体コンポーネントの寸法は、所望の特性を達成するために選択することができる。例えば、“高温側”および“低温側”とラベル付けされたコンポーネントは、高温流体が中心にあり、低温流体が外側を冷却するように、逆にすることができる。別の実施例においては、高温側シャントは、高温側と低温側との間の熱膨張の差を部分的もしくは完全に補償するように、圧縮率を有してもよい。さらなる高温側シャントは、コンプライアントフィンから電気的に分離されるか、フィンは、電気的に絶縁性の材料を含む可能性がある。さらなる実施例においては、低温側シャントは、ビア、挿入物もしくは他の構造の利用によって、熱電素子から電気的に分離されるか、または、低温側熱交換器は、電気的に絶縁性であるか、低温側熱交換器と低温側シャントとの間に絶縁性を有してもよい。低温側シャントは、電気的に絶縁性の材料で構成されてもよい。
【０１４０】
好都合なことに、図２５Ａ、図２５Ｂおよび図２６に示された設計システムに対して、（ａ）熱電素子、シャント、リングのＣＴＥは、熱電素子の高温および低温側と其々の取り付けインターフェイスとの間の相対的な寸法変化を減少させるために選択することができ、（ｂ）材料、コンプライアント条件、形状は、動作温度範囲でのせん断能力を最小限化するように選択することができ、（ｃ）熱電素子数の関数である熱インピーダンス、単位長さ当たりのフォームファクタ（例えば、電力密度）、材料特性および高温側熱源と低温側ヒートシンクの熱伝達特性は、結果として生じるシステムから効率的な性能を提供するために整合させることができ、（ｄ）望ましくないせん断応力および引張応力は、高温側熱源と低温側ヒートシンクとにおける熱膨張条件（以下に記述される機構など）によって最小限化することができる。
【０１４１】
高温側熱交換器およびシャント構成
図２７Ａは、フィン構造の最大直径近くの溶着ビードを有する例示的な高温側熱交換器フィンの一部（陰影を付されて示された一部品）を示す。溶接の例示的な目的は、構造的支持の提供、部品の整列、熱電素子と外部環境の間のシール（密封）の提供を含む。好都合なことに、図２７Ａに示されるフィン構造は、動作中の発電機システムの高温側と低温側との間の温度差由来のシステム内の寸法変化に適合するために曲がることができ、高温側作動流体から熱出力を収集するための低抵抗の熱的経路を提供し、構造的支持を提供し、さらなるフィンもしくは他の熱交換器素子（例えば、図２７Ａの右側）に対して低い熱抵抗を有する取り付け表面である可能性がある。
【０１４２】
図２７Ａの右側は、高温側と低温側の間の相対的動きに適合され、かつ相対的動きを可能にするような、曲げ動作の一形態を示す。図２７Ａの左側の陰影を付された部分は、屈曲を示すために、大間隙と小間隙で示される。他の屈曲の設計は、本明細書で記述された構成で利用することができる。一実施例として、図２７Ｂに示された屈曲（管セグメントへと統合された膨張ジョイント）は、各高温側シャントが他の内部素子に対して独立して動くことができるように、高温側シャント間などで、所望の位置で管中に屈曲を有する管である外部ケースを有する。密封ポイントは、フィンの最も外側の端部近くに示されているが、任意の他の好都合な位置にある可能性もある。密封表面は、ベローズ、ダイヤフラム（仕切り板）もしくは他の形状などの任意の他の適切な形状もしくは構造である可能性がある。接合部分は、同一形状である必要はなく、例えば、二つの表面が飲料缶、突出溶接アセンブルもしくは任意の他の適切な密封システムでされるような  回転密封を形成するために形成される可能性がある。
【０１４３】
高温側内部熱交換器部材用の例示的な設計は、図２８Ｂに示され、図２７Ｂに示された熱交換器構造を作製するために使用することができる。ニッケルを被覆された銅材料などのフラットストック、ステンレススチールもしくは他の適切な保護コーティングがストリップへと形成される可能性がある。スリットが形成され、材料は折りたたまれてその後、外部管周囲に巻かれる。スリットは、ル―バ、パーフォレーション（貫通）もしくは任意の他の熱伝達を高めるフィーチャを有してもよい。形成されたストリップはロウ付けされるか、溶接されるか、フィン構造と高温側熱電素子との間に良好な熱的接触を提供する任意のプロセスによって外部高温側表面に取り付けられる。
【０１４４】
“高温側”シャント、熱交換器、もしくは他のコンポーネントとして本明細書で記述されるものは、高温側の位置が内部であって、対応する“低温側”シャント、熱交換器フィンなどが外側表面におけるものであるという意味で転置される可能性があることに留意されたい。したがって、高温側と低温側との位置は交換することができる。このことは、例えば、図２７Aおよび図２７Bで示された熱交換器膨張フィーチャとして使用されうる密封タイプを含むいくつかの包含を有する可能性がある。密封は、例えば、不浸透性ポリマー、低温ガラスもしくは他の低温の適切な密封化合物、密封方法、もしくは密封機構の組み合わせである可能性がある。フィンは、高い熱伝導性のプラスチック、アルミニウム、任意の適切な合成材料システムもしくは他の適切な密封構造である可能性がある。また、熱電素子が密封を必要としない場合、例えば、熱電素子がコンフォーマルコーティングで個々に密封される場合、密封を提供するための屈曲用の設計は改変されるかまたは排除される可能性があることに留意されたい。この設計構成は、本明細書で記述された構成の一部である可能性がある。いくつかの高温側構成が本明細書で議論されるが、記述された構成は可能性のある構成のうちの全てではなく、他の構成は本開示の一部であるが本章では示されていない、文書の他の部分および図面において包含される。
【０１４５】
高温動作安全性
図２８Aは、過度の高温側流体温度から発電機システムを保護するための例示的な一方法を示す。本設計においては、高温側熱交換器素子は、適切なバイメタル、相変化メモリ合金、もしくは任意の他の適切な熱的にアクティブな材料もしくは材料システムなどの、熱的にアクティブな材料で構成することができる。公称動作温度において、熱交換素子は、好都合な方法で高温側熱出力を収集する。高温側流体温度が上昇すると、熱伝達が減少するように材料システムが変形し、熱電素子の高温側などの内部コンポーネントの温度上昇を遅延させるか、または停止させる。図２８Bの右側は高温での高温側熱交換器構造がとる可能性のある形状の一例を示す。フィンは、その最外部表面でお互いに接近し、それによって、高温側流体にさらされる熱交換器の表面面積を減少させ、高温側流体ストリームから熱出力を収集するためのシステムの容量を効率的に減少させる。
【０１４６】
過度の高温側の温度に対してシステムを保護する他の方法は、図２９A−図２９Cに関連して記述される。本明細書で記述されるある構成のうちの一部は、システムを保護するために熱電素子の熱伝達特性を利用するためのものである。図２９Aは、熱電デバイス用の電流対電圧曲線（Ｉ−Ｖカーブ）と同一プロットの電流対高温側熱流束（ＱＨ−Ｉ曲線）を示す。公称動作条件は、Ｉ−Ｖ曲線上の点Ａとして、かつ、Ｉ−ＱＨ曲線上の点Ａ’として示される。点Ａにおいて、システムの電力出力は高く、しばしば最適値に近い。点Ｂは、電圧がゼロに近い条件であり、外部の正味の電圧がない、つまり短絡状態で動作するデバイスに対応する。熱電素子をＢ’で通る対応する熱流束ＱＨは、より大きく、約１０％から５０％大きい。外部測定によって、ユニットの短絡は、熱電素子の見かけ上の熱コンダクタンスを増加させる。今度は、このことは熱電素子の高温側の温度を低下させ、より高い外部温度から熱電素子を保護するのに役立つ。この効果は、デバイスに対して電力を適用する（例えば、逆電圧を印加する）ことによって多少はさらに高められる可能性がある。全体的にみると、ＱＨはこれらの機構によって少なくとも１５％増加し、システム上のより高い外部高温側流体温度の影響を軽減する方法を与える。バイメタルスナップディスクスイッチ、ポジティブ温度ソリッドステートスイッチ、任意の他の適切な機構などの熱的応答性を有する安全スイッチを組み込むことによってシステム内に短絡を誘発することができる。
【０１４７】
温度過上昇の保護に対する別の方法は、温度アクティブな高温側熱コンダクタを示す図２９Ｂに示される。高温側シャントの一部は、シャントが温度過上昇に晒されたとき高温側熱交換器からの熱伝達が減少するように熱的にアクティブである可能性がある。別の方法は、高温側熱交換器とＴＥ素子の高温側との間の熱伝達に影響を与えるために、材料システムが配置される熱的にアクティブなシムを備える高温側シャントを示す図２９Ｃに示される。好都合なことに、材料は、公称動作温度で高い熱伝導性を有するが、より高温では熱伝導性が降下する可逆的相変化材料である可能性がある。
【０１４８】
低温側シャントおよび熱交換器構成
図３０Ａは、コンジットが一端における注入口、他端における注出口および内部熱交換器向上フィーチャを備える管である低温側熱交換器を示す。例えば、管は、アルミニウム押し出し加工もしくは高い熱伝導性を有するプラスチック射出成形アセンブリもしくは押し出し加工である可能性がある。示された例示的な設計においては、低温側流体は、一端へとはいって他端へと出ていく。好都合なことに、低温側熱交換器は、陽極酸化アルミニウムか、低温側シャントに対する高い熱伝導性と電気的分離接続とを有するように作製された他のアルミニウムである。例えば、低温側シャントは、高い熱伝導性のエポキシを備える陽極酸化アルミニウムに永久的に取り付けることができる。あるいは、良好な熱的接続は、高い熱伝導性のグリースで作成することができる。あるいは、シャントは、高温側シャントの電気的分離に関して他部分に記述されたように、低温側シャント内に電気的に絶縁された挿入物を備えて達成された電気的絶縁性を有しつつ良好な熱的接触を達成するために、管に対してはんだ付けもしくはろう付けすることができる。これらの方法もしくは良好な熱的接触および電気的絶縁性を提供する任意の他の方法は、本明細書で記述された構成の一部を形成する可能性がある。
【０１４９】
図３０Ｂは、低温側流体注入口および注出口の双方が同一端にあるように構成された管内の管を示す。図３０Ｂは、低温側作動流体の分配用に（図示される）単一源の中央管を備えるもしくはその逆に（図示されていない）複数源および単一の中央コレクタを備える低温側熱交換器システムをも示す。ベローズは、加熱および冷却中に高温側部材に対して低温側部材の熱的移動を屈曲が補償することを可能にするための他の管設計と同様に、この設計で使用することができる。
【０１５０】
図３０Ｃは、注入口および注出口が同一端にあるがほぼ同軸ではない、ほぼＵ形状の低温側熱交換器システムを示す。示された二つの管に加えて、任意の他の数の管の作製は、本明細書で記述された構成の一部である可能性がある。任意の構成においては、低温側シャント熱交換器システムは、改良内部熱交換器を有し、図３０Ａに示された構造材料と技術を利用することができる。
【０１５１】
図２５−図３０に示された熱電システム、アセンブリおよびコンポーネントは、円形断面を有するものとして示される。楕円、長円、長方形および任意の他の有用な形状などの別の断面形状が、本明細書で記述された構成の一部である可能性がある。高温側熱電素子と低温側コンポーネントは、別の形状を形成するためにともに調節することができる。さらに、図２５−図３０で示された全ての設計は、対称の主軸に対して垂直かほぼ垂直な外部熱流を示す。外部熱交換器フィンもしくは他の熱出力収集コンポーネントは、（例えば、ほぼ内部流体の流れの方向において）外部作動流体の流れがほぼ軸方向であるように配置することができる。また、コンポーネントは、適用のフォームファクタおよび所望の電力出力に依存して、システムが比較的短いか長くなるように配列することができる。
【０１５２】
図３１は、上述されたようなＴＥＧの例示的な適用を示す。エンジンの排気（例えば、車両のエンジン）は、ＴＥＧの高温側入力と流体連通する可能性がある。高温側入力は、一つ以上の熱電アセンブリもしくはカートリッジと流体連通する可能性がある。例えば、ＴＥＧは、二つ以上のＴＥカートリッジを有してもよい。図３１は、２０個のＴＥカートリッジを有するように示される。エンジンの排気は、排気のうちの少なくともいくらかがＴＥＧをバイパスするように、バイパスを含んでもよい。例えば、バイパスは、流体の流れがＴＥＧもしくはバイパスを通って流れるように選択する、および／もしくは変化させることができるように、（例えば、バイパスとＴＥＧとの間の可変の流れ分配を可能にするように構成された少なくとも一つの比例弁を含む）バルブシステムを有してもよい。例えば、バルブシステムは、バイパスを通る流体の流れの一部と、ＴＥＧを通る流体の流れの一部と、を方向づけるように構成された一つ以上のバルブを含む可能性がある。熱電カートリッジの低温側入力は、ＴＥＧの低温側入力と流体連通してもよい。例えば、ＴＥＧの低温側入力は、車両の冷却ループと流体連通してもよい。
【０１５３】
本明細書の種々の構成の議論は、図面に概略的に示された構成に概して従う。しかしながら、本明細書で議論された任意の構成の具体的なフィーチャ、構造、もしくは特徴は、任意の適切な方法で、明確には図示されるか記述されていない一つ以上の個別の構成に組み合わせられてもよいことを予期される。多くの場合においては、一体もしくは連続的構造として記述されるか示されている構造は、一体の（複数の）機能を実施しつつ分離することができる。多くの場合、分離されたものとして記述されるか示される構造は、分離された構造の（複数の）機能を実施しつつ連結したり組み合わせたりすることができる。
【０１５４】
種々の構成が上述されてきた。本発明はこれらの特定の構成を参照して記述されてきたが、この記述は例示的なものであって、限定することを意図するものではない。種々の改変および用途は、添付の請求項において定義されるような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者に対して生じる可能性がある。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図８Ｇ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１１Ｇ】
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【図１１Ｈ】
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【図１１Ｉ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ｄ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６Ａ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３１】
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