(57)【要約】改良された熱電発電システム（１００）は、熱エネルギーのスループットを改善し増加させるために、回転熱電構成（１３５）を用いる。これらのシステムは、ヘテロ構造の熱電材料、非常に薄くめっきされる材料、および堆積される熱電材料を使用することによって、さらに増強されて、前のバルク材料の一般的な出力密度よりも実質的に高い出力密度で作動する。いくつかの構成を開示する。
2005529573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの熱電モジュールを有する少なくとも１つの回転熱電アセンブリを備え、
前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリは、少なくとも１つの作動流体を受け入れ、前記作動流体からの熱を電気に変換する熱電発電装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリは、少なくとも１つの高温側熱交換器および少なくとも１つの低温側熱交換器を備える請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの高温側熱交換器は、前記少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの高温側ヒートパイプと、
前記少なくとも１つの高温側ヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器のフィンと、
を少なくとも備える請求項２に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの低温側熱交換器は、前記少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの低温側ヒートパイプと、
前記少なくとも１つの低温側ヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器のフィンと、
を少なくとも備える請求項３に記載の熱電発電装置。
【請求項５】
前記ヒートパイプは、流体を収容し、前記ヒートパイプは、前記回転熱電アセンブリの回転による遠心力によって、前記流体の液相が前記ヒートパイプ内の一部分に集まるような向きに配置される請求項３に記載の熱電発電装置。
【請求項６】
前記低温側ヒートパイプ内の流体は、前記少なくとも１つの熱電モジュールとの境界面の少なくとも一部分において液相であり、前記高温側ヒートパイプ内の流体は、前記少なくとも１つの熱電気モジュールとの境界面の少なくとも一部分において気相である請求項５に記載の熱電発電装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの低温側熱交換器は、
前記少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの低温側ヒートパイプと、
前記少なくとも１つの低温側ヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器のフィンと、
を少なくとも備える請求項２に記載の熱電発電装置。
【請求項８】
前記ヒートパイプは、流体を収容し、
前記ヒートパイプは、前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリの回転による遠心力によって、前記流体の液相が、前記ヒートパイプ内の一部分に集まるような向きに配置される請求項７に記載の熱電発電装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリを回転させるように前記回転熱電アセンブリに連結されたモータをさらに備える請求項２に記載の熱電発電装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリを回転させることによって、前記熱交換器の少なくとも１つを通ってかつ／または横切って前記作動流体が流出入される請求項９に記載の熱電発電装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの作動流体は、前記少なくとも１つの熱電アセンブリを回転させる請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの高温側熱交換器は、前記少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの高温側ヒートパイプと、
前記少なくとも１つの高温側ヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器のフィンと、
を備える請求項１１に記載の熱電発電装置。
【請求項１３】
前記ヒートパイプは、流体を収容し、
前記ヒートパイプは、前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリの回転による遠心力によって、前記流体の液相が、前記ヒートパイプ内の一部分に集まるような向きに配置される請求項１２に記載の熱電発電装置。
【請求項１４】
少なくとも１つの低温側熱交換器は、前記少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの低温側ヒートパイプと、
前記少なくとも１つの低温側ヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器のフィンと、
を備える請求項１１に記載の熱電発電装置。
【請求項１５】
前記ヒートパイプは、流体を収容し、
前記ヒートパイプは、前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリの回転による遠心力によって、前記流体の液相が前記ヒートパイプ内の一部分に集まるような向きに配置される請求項１４に記載の熱電発電装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリは、複数の熱電モジュールを備え、前記熱電モジュールの少なくともいくつかは、前記熱電モジュールのその他のいくつかから断熱されている請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリは、少なくとも１つの高温側熱交換器を備え、
前記高温側熱交換器は、前記高温側熱交換器の他の部分から実質的に断熱された複数の部分を有する請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの作動流体回転熱電アセンブリは、さらに、廃熱を除去するために低温作動流体を受け入れる請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項１９】
少なくとも１つの熱電モジュールを有する、少なくとも１つの熱電アセンブリで発電する方法は、
前記少なくとも１つの熱電アセンブリを回転させるステップと、
電気を生成するように少なくとも１つの熱電モジュール全体に温度勾配を作り出すために、少なくとも第１の作動流体を、前記少なくとも１つの熱電アセンブリの第１の側を通ってかつ／または横切って流すステップと、
前記少なくとも１つの熱電モジュールから電気を伝達するステップと、
を含む発電方法。
【請求項２０】
少なくとも１つの第２の作動流体を、前記少なくとも１つの熱電アセンブリの第２の側を通ってかつ／または横切って流すステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの熱電アセンブリは、少なくとも１つの第１の側の熱交換器、および少なくとも１つの第２の側の熱交換器を有し、前記少なくとも１つの第１の作動流体を流すステップは、前記少なくとも１つの第１の作動流体を、前記第１および／または第２の側の熱交換器を通ってかつ／または通過させて流すステップを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの第１の側の熱交換器は、前記少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの第１の側のヒートパイプと、
前記少なくとも１つの第１の側のヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器フィンと、
を少なくとも備える請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ヒートパイプは、流体を収容し、
前記ヒートパイプは、前記少なくとも１つの熱電アセンブリの回転による遠心力によって、前記流体の液相が、前記ヒートパイプ内の一部分に集まるような向きに配置される請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの第２の側の熱交換器は、
前記少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの第２の側のヒートパイプと、
前記少なくとも１つの第２の側のヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器フィンと、
を少なくとも備える請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記ヒートパイプは、流体を収容し、
前記ヒートパイプは、前記少なくとも１つの熱電アセンブリの回転による遠心力によって、前記流体の液相が、前記ヒートパイプ内の一部分に集まるような向きに配置される請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２の側のヒートパイプ内の流体は、前記少なくとも１つの熱電モジュールとの境界面の少なくとも一部分において液相であり、前記第１の側のヒートパイプ内の流体は、前記少なくとも１つの熱電モジュールとの境界面の少なくとも一部分において気相である請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの熱電アセンブリに連結されたモータが、前記熱電アセンブリを回転させる請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
前記少なくとも熱電アセンブリを回転させるステップによって、前記少なくとも第１の作動流体が、前記熱交換器を通ってかつ／または横切って流出入する請求項に１９に記載の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも１つの熱電アセンブリは、複数の熱電モジュールを備え、
本方法は、さらに、前記熱電モジュールの少なくともいくつかを前記熱電モジュールの少なくとも他のいくつかから実質的に断熱するステップを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項３０】
前記少なくとも１つの熱電アセンブリは、少なくとも１つの第１の側の熱交換器を備え、
前記第１の側の熱交換器は、複数の部分を有し、前記方法は、さらに、前記複数の部分のいくつかを前記第１の側の熱交換器の前記複数の部分の他のものから実質的に断熱するステップを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項３１】
前記回転ステップは、前記少なくとも１つの熱電アセンブリを回転させるために前記第１の作動流体を用いることを少なくとも含む請求項１９に記載の方法。
【請求項３２】
熱電発電システムは、
少なくとも１つの高温作動流体源と、
少なくとも１つの低温作動流体源と、
少なくとも１つの熱電モジュールを有する少なくとも１つの回転熱電アセンブリであって、当該回転熱電アセンブリは、前記少なくとも１つの高温作動流体を受け入れ、前記高温作動流体からの熱を電気に変換する前記回転熱電アセンブリと、
前記少なくとも１つの高温作動流体および前記少なくとも１つの低温作動流体用の排気部と、
前記回転熱電アセンブリから電気を伝達する少なくとも１つの電気伝達システム。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリは、少なくとも１つの高温側熱交換器、および少なくとも１つの低温側熱交換器を含む請求項３２に記載の熱電発電システム。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの高温側熱交換器は、
前記少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの高温側ヒートパイプと、
前記少なくとも１つの高温側ヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器フィンと、
を少なくとも備える請求項３２に記載の熱電発電システム。
【請求項３５】
前記少なくとも１つの低温側熱交換器は、
前記少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの低温側ヒートパイプと、
前記少なくとも１つの低温側ヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器フィンと、
を少なくとも備える請求項３４に記載の熱電発電システム。
【請求項３６】
前記ヒートパイプは、流体を収容し、
前記ヒートパイプは、前記回転熱電アセンブリの回転による遠心力によって、前記流体の液相が前記ヒートパイプ内の一部分に集まるような向きに配置される請求項３５に記載の熱電発電システム。
【請求項３７】
前記低温側ヒートパイプ内の流体は、前記少なくとも１つの熱電モジュールとの境界面の少なくとも一部分において液相であり、前記高温側ヒートパイプ内の流体は、前記少なくとも１つの熱電モジュールとの境界面の少なくとも一部分において気相である請求項３５に記載の熱電発電システム。
【請求項３８】
前記回転熱電アセンブリを回転させるために、前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリに連結されたモータをさらに備える請求項３２に記載の熱電発電システム。
【請求項３９】
前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリを回転させるステップによって、前記少なくとも１つの高温作動流体が、前記高温側熱交換器を通ってかつ／または横切って流出入される請求項３８に記載の熱電発電システム。
【請求項４０】
前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリは、複数の熱電モジュールを含み、前記熱電モジュールの少なくともいくつかは、前記熱電モジュールの他の少なくともいくつかから断熱される請求項３２に記載の熱電発電システム。
【請求項４１】
前記少なくとも１つの回転熱電アセンブリは、少なくとも１つの高温側熱交換器を備え、
前記高温側熱交換器は、前記高温側熱交換器の他の部分から実質的に断熱された複数の部分を有する請求項３２に記載の熱電発電システム。
【請求項４２】
前記少なくとも１つの回転アセンブリは、さらに、廃熱を除去するために低温作動流体を受け入れる請求項３２に記載の熱電発電システム。
【請求項４３】
前記高温および／または低温作動流体は、少なくとも、前記回転熱電アセンブリを回転させる請求項３２に記載の熱電発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電装置を使用する発電の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力を生成するために熱電装置を使用可能であると長年考えられてきたが、現在の発電装置の設計の効率およびそのような発電装置の出力密度が低過ぎることから、熱電発電は、ほとんど利用されてこなかった。
【０００３】
歴史的に見て、固体発電システムは、熱源とヒートシンクとの間に配置されたＴＥモジュールまたは独立型ＴＥ素子から構成される。部品は、発電装置自体の中に可動部なしで設計されている。一般に、加熱または冷却源として高温および低温作動流体を使用するシステムは、アセンブリに流体を給送するためにファンを使用する。
他の応用では、加圧された空気および燃料が、発電装置内において燃焼される。自動車の廃棄電力変換装置などさらに他の応用では、熱は、排気装置により発電装置に給送される。これらの装置では、廃熱は、外部ファンによる冷却剤の供給か、またはフィン付きラジエーターによる自由対流によって除去される。
【０００４】
熱源として核同位体を使用する発電装置などの応用では、個々のＴＥ素子は、電力を生成するように構成される。各ＴＥ素子は、高温側の同位体熱源および低温側の廃熱ラジエーターに取り付けられる。作動中、部品は不動である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
新規でヘテロ構造で熱電性があり、量子トンネリングし、非常に薄くめっきされ、堆積される熱電材料が、従来のバルク材料の一般的な出力密度よりも実質的に高い出力密度で作動し、システム効率を高める可能性を提供する。
【０００６】
高出力密度を有する熱電装置をうまく作動させるには、ＴＥモジュールの低温および高温側において高い熱伝達率が必要である。これを達成する１つの方法は、流体の高い流速、したがって高い熱エネルギーのスループットに役立つ回転機械の設計による。１つの好ましい実施形態では、熱交換器の一部分がファンブレードの役割をし、それにより作動流体の流れを提供する回転システムが、ファンへの力を減少させ、システムの設計を単純化し、サイズを小さくすることができる。
【０００７】
さらには、本技術において周知のように、多くのシステムにおける熱伝達率は、ヒートパイプの使用により高くなり得る。このような装置は、一つの表面から別の表面へ熱含量を輸送するために二つの相（液体と蒸気）の流れを用いる。熱源の表面において熱を取り除く場合、その流体の気化熱を用いて、熱エネルギーが引き出される。蒸気は、ヒートシンク側の低温の表面へ流れ、そこで、凝縮し、したがって気化熱は用いない。凝縮した流体は、毛管現象および／または重力により熱源側へ戻る。
【０００８】
適切に設計されたヒートパイプは、非常に効率がよく、また温度差が非常に少ない、大量の熱流束を輸送する。効率のよい作動のためのいくつかの手掛かりは、液体の戻りプロセスの効率がよく、かつ熱源側全体が、常時湿っていて、液体を用いて、蒸発させて熱エネルギーを除去することが常に可能であることである。同様に、ヒートパイプ作動流体の熱伝導率が、一般に、比較的低いので、低温のシンク側には、液体がたまらないということが重要である。したがって、シンク側には、有効な熱伝導面を維持するために、液体を効率よく流すべきである。
【０００９】
ここに説明した一実施形態では、適切な向きに配置されたヒートパイプは、熱交換部材の回転と組み合わされ、熱交換器を回転させることにより生じる遠心力を用いて、性能を改善する。ファンとポンプとにより生じる回転加速度は、数千Ｇになり得、その結果、適切な設計で、液相が、ヒートシンク側から熱源側へ非常に効率よく輸送され得る。低温端部が、高温端部よりも回転軸線に接近している設計は、遠心力が好ましくは液相の流れを増加させることから、非常に望ましい熱輸送特性を示し得る。その結果、そのような設計は、出力密度を増加させ、損失を低減させた。
【００１０】
最後に、効率が改善された熱電気利用型断熱というタイトルの米国特許出願第０９／８４４，８１８号明細書に記載の断熱と組み合わされた発電装置が、性能をさらに向上させ得る。
【００１１】
説明した１つの態様は、少なくとも１つの熱電モジュールを有する少なくとも１つの回転熱電アセンブリを備える熱電発電装置を含む。少なくとも１つの回転熱電アセンブリは、少なくとも１つの作動流体を受け入れ、作動流体からの熱を電気に変換する。有利なことに、少なくとも１つの回転熱電アセンブリは、少なくとも１つの高温側熱交換器および少なくとも１つの低温側熱交換器を含む。一実施形態では、少なくとも１つの高温側熱交換器は、少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの高温側ヒートパイプと、少なくとも１つの高温側ヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器フィンとを有する。一実施形態では、少なくとも１つの低温側熱交換器は、少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの低温側ヒートパイプと、少なくとも１つの低温側ヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器フィンとを有する。一実施形態では、少なくとも１つの作動流体は、少なくとも１つの高温作動流体および少なくとも１つの低温作動流体である。
【００１２】
好ましくは、ヒートパイプは、流体を収容し、またヒートパイプは、回転熱電アセンブリの回転による遠心力により、前記ヒートパイプ内の一部分に流体の液相が集まるような向きに配置される。例えば、低温側ヒートパイプ内の流体は、少なくとも１つの熱電モジュールとの境界面の少なくとも一部分における液相内にあり、また、高温側ヒートパイプ内の流体は、少なくとも１つの熱電モジュールとの境界面の少なくとも一部分における気相内にある。
【００１３】
一実施形態では、少なくとも１つの回転熱電アセンブリに連結されたモータは、少なくとも１つの回転熱電アセンブリを回転させる。別の実施形態では、少なくとも１つの作動流体は、少なくとも１つの熱電アセンブリを回転させる。好ましくは、回転によって、作動流体が、熱交換器を通ってまたは横切って、あるいは熱交換器を通ってかつ横切って流出入される。
【００１４】
１つの好ましい実施形態では、少なくとも１つの回転熱電アセンブリは、複数の熱電モジュールを有し、熱電モジュールの少なくともいくつかは、熱電モジュールの他の少なくともいくつかから断熱されている。別の実施形態では、少なくとも１つの高温側熱交換器は、高温側熱交換器の他の部分から実質的に断熱された複数の部分を有する。
【００１５】
ここに記載された別の態様は、少なくとも１つの熱電モジュールを有する少なくとも１つの熱電アセンブリで発電する方法を含む。本方法は、少なくとも１つの熱電アセンブリを回転させるステップと、少なくとも１つの熱電モジュールを横切って温度勾配を生じさせて電気を生成するように、少なくとも１つの第１の作動流体を、少なくとも１つの熱電アセンブリの第１の側の中を通ってかつ／またはそこを通り過ぎて流すステップと、少なくとも１つの熱電モジュールからの電気を伝達するステップとを含む。一実施形態では、本方法は、さらに、少なくとも１つの第２の作動流体を、少なくとも１つの熱電アセンブリの第２の側の中を通ってかつ／またはそれを通り過ぎて流すステップを含む。回転は、モータを用いるなど、種々の数の方法で、作動流体自体によって、また熱電アセンブリを回転させ得る他のどんな方法でも行うことができる。
【００１６】
少なくとも１つの熱電アセンブリは、少なくとも１つの第１の側の熱交換器および少なくとも１つの第２の側の熱交換器を有し、少なくとも第１の作動流体を流すステップは、少なくとも第１の作動流体を、前記第１および／または第２の熱交換器の中を通ってかつ／または通り過ぎて流すステップを含むことが好ましい。
【００１７】
本装置の場合と同様に、一実施形態では、少なくとも、少なくとも１つの第１の側の熱交換器は、少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの第１の側のヒートパイプと、少なくとも１つの第１の側のヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器フィンとを有する。有利なことに、ヒートパイプは、流体を収容し、また少なくとも１つの熱電アセンブリの回転による遠心力によって、前記ヒートパイプ内の一部分に、前記流体の液相が集まるような向きに配置される。本方法のための構成は、本装置の場合と同様である。
【００１８】
説明される別の態様は、少なくとも１つの高温作動流体源と、少なくとも１つの低温作動流体源と、少なくとも１つの熱電モジュールを有する少なくとも１つの回転熱電アセンブリとを有する熱電発電システムを含み、回転熱電アセンブリは、少なくとも１つの高温作動流体を受け入れ、高温作動流体からの熱を電気に変換する。本システムはまた、少なくとも１つの高温作動流体および少なくとも１つの低温作動流体用の排気部と、回転熱電アセンブリから電気を伝達する少なくとも１つの電気伝達システムも有することが好ましい。
【００１９】
一実施形態では、少なくとも１つの回転熱電アセンブリは、少なくとも１つの高温側熱交換器、および少なくとも１つの低温側熱交換器を含む。前の方法および装置の説明の場合と同様に、一実施形態では、少なくとも、少なくとも１つの高温側熱交換器は、少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの高温側ヒートパイプと、少なくとも１つの高温側ヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器フィンとを有する。同様に、一実施形態では、少なくとも、少なくとも１つの低温側熱交換器は、少なくとも１つの熱電モジュールと熱伝達する少なくとも１つの低温側ヒートパイプと、少なくとも１つの低温側ヒートパイプと熱伝達する複数の熱交換器フィンとを備え得る。断熱もまた用いることができる。
【００２０】
これらおよび本説明の他の態様および利点は、以下の、好ましい実施形態のさらに詳細な説明から明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
この説明に関して、熱電モジュールまたはＴＥモジュールという用語は、通常のまたは通例の意味を広義で用いるものであって、（１）カリフォルニア州サンディエゴのハイ  ゼット  テクノロジーズ  インコーポレイテッドにより製造される熱電モジュールなどの、通常の熱電モジュール、（２）量子トンネリングコンバータ、（３）熱電子モジュール、（４）磁気熱量モジュール、（５）熱電気、磁気熱量、量子トンネリング及び熱電子効果の１つを利用した素子またはそのいずれかを組み合わせることによる素子、（６）上記（１）から（６）の種々の組み合わせ、アレイ、アセンブリ、および他の構造体である。
【００２２】
この説明において、低温、高温、比較的低温、比較的高温および同様の語は、相対的な用語であり、温度範囲を意味するものではない。例えば、低温側の熱交換器は、実際には、人が触れてみると非常に高温だが、高温側よりなお温度が低い場合がある。これらの用語は、単に、ＴＥモジュール中に温度勾配が存在することを示すために使用される。
【００２３】
さらに、この応用において説明する実施形態は、単に例であって、本発明を限定するものではなく、それは、特許請求の範囲において定められる。
【００２４】
図１Ａから図１Ｆは、回転熱電発電装置１００の構成全体を示す。図１Ａは、斜視図である。図１Ｂは、図１Ａのスロット１２６から見える、回転アセンブリ１３５の図である。図１Ｃは、回転熱電発電装置１００の断面である。図１Ｄから図１Ｆは、発電装置の種々の部分の詳細をさらに示している。（図１Ｂおよび図１Ｃにおいて最もよく分かる）回転アセンブリ１３５は、ＴＥモジュール１０１を含み、ＴＥモジュール１０１は、一方の側において、熱伝達フィンなどの高温側熱交換器１０２と、かつ他方の側において、熱伝達フィンなど低温側熱交換器１０３と良好な熱接触をする。絶縁体１０９が、高温側と低温側とを隔離する。絶縁体１０９は、モータ回転子１１０に回転部を一体的に連結する。ＴＥモジュール１０１は、説明目的のためにここに図示され、ＴＥ素子１０４および回路構成要素１２９からなる。接点１２４、１２５において、配線１２３は、相互に電気的に分離されている、シャフトアセンブリ１３０の部分１１７、１１９へ、ＴＥモジュール１０１を電気的に接続し、ＴＥモジュール１０１と、高温側熱交換器１０２と、低温側熱交換器１０３と、絶縁体１０７、１０９と、配線１２３と、回路構成要素１２９と、シャフト部分１１７、１１９とは、すべて、一体的に回転可能なユニットを形成している。
【００２５】
モーターアセンブリ１１１が、ベアリング１４４によってモータ回転子１１０に連結されている（図１Ｆ）。スリップリングコンタクト１１８が、シャフト部材１１９と電気的に接続されており、また、スリップリングコンタクト１２０が、シャフト部材１１７と電気的に接続されている。配線１２２は、回路構成要素１３２および、回路基板または他の通常の回路接続上のトレースなどの、図示していない他の回路構成要素によりスリップリングコンタクト１１８および１２０への接続を行う。配線１２２は、さらに、回路基板１１２および図示していない他の回路構成要素を通じてモーターアセンブリ１１１への接続を行う。
【００２６】
（図１Ａにおいて最もよく分かる）スポーク１１３は、（図１Ｃの）内壁１１４をモーターベース１１６へ、よってモーターアセンブリ１１１に機械的に取り付ける。高温側流体フィルタ１２８が、外側ハウジング１３１へ取り付けられ、低温側流体フィルタ１２７が、羽根１１５により支持され、外側ハウジング１３１の延長部１３３に取り付けられる。スロットなどの、外側ハウジングの開口部１２６によって、流体１０６、１０８が外側ハウジング１３１から流れ得る。高温作動流体１０５、１０６（図１Ｃおよび図１Ｄ）が、外壁１３１、開口部１２６、絶縁体１０９、フィルタ１２８およびＴＥモジュール１０１によって画定されたチャンバに閉じ込められる。低温作動流体１０７、１０８が、内壁１１４、羽根１１５、外側ハウジング延長部１３３、モーターベース１１６、およびフィルタ１２７により閉じ込められる。
【００２７】
高温流体１０５が、高温側フィルタ１２８を通って流れ、高温側熱交換器１０２へ熱を伝達する。高温側熱交換器１０２とＴＥモジュール１０１との間の境界面は、このように加熱される。同様に、低温流体１０７が、低温側フィルタ１２７を通って流れ、低温側熱交換器１０３から熱を吸収する。したがって、低温側熱交換器１０３とＴＥモジュール１０１との間の境界面が、冷却される。ＴＥモジュール１０１中の温度勾配（熱の流れ）が、電力を生成する。その電力は、配線１２３から、接点１２４、１２５、シャフト部分１１７、１１８、スリップリングコンタクト１１８、１２０を通って、配線１２２へ流れる（図１Ｆにおいて最もよく分かる）。
【００２８】
モータ回転子１１０に作用するモーターアセンブリ１１１は、回転アセンブリを回転させる。一実施形態では、熱交換器１０２、１０３は、回転アセンブリの回転軸線から遠ざかる長手方向に向けられたフィンとして構成される。この構成では、熱交換器１０２、１０３は、有利なことに、遠心ファンまたはブロワのファンブレードとして機能し、それにより、ＴＥモジュール１０１中の温度の差異を維持するために、連続的に作動流体１０５、１０７を流出入させる。ＴＥモジュール１０１中の熱の流れの一部分は、連続的に電力に変換される。高温作動流体１０５は、高温側熱交換器１０２を通過すると冷却され、排出流体１０６として開口部１２６から出て行く。同様に、低温作動流体１０７は、低温側熱交換器１０３を通過すると加熱され、排出流体１０８として開口部１２６から出て行く。
【００２９】
この回転熱電発電装置の利点を、以下の図において回転アセンブリ１３５に特有の構成で詳細に説明する。１ユニットとしての、熱交換器の熱電モジュールの回転によって、１つまたはそれ以上の熱交換器は、作動流体を流出入させるためのファンブレードとして使用可能である。さらに、回転についての他の利点および効果は、以下にさらに説明するように、発電システムの効率が上昇すること、および出力密度が増加することである。
【００３０】
図１Ｄは、発電装置１００の低温および高温側作動流体の流れをさらに拡大した図を示す。ＴＥモジュール１０１は、高温側熱交換器１０２および低温側熱交換器１０３と良好な熱伝達をしている。２つの側は、絶縁体１０９によって隔離されている。高温側流体１０５および１０６は、外壁１３１および絶縁体１０９により閉じ込められる。同様に、低温側流体１０７、１０８は、内壁ダクト１１４および絶縁体１０９により閉じ込められる。絶縁体１０９、ＴＥモジュール１０１および熱交換器１０２、１０３が１ユニットとして動くように、モータ回転子１１０は、絶縁体１０９に不動に取り付けられる。配線１２３は、図１Ｆの説明においてさらに詳細に述べるような回転スリップリング１１８、１２０にＴＥモジュール１０１を接続する。モータ回転子１１０は、ベアリング１４４（図１Ｆ）によって、モータドライバ１４０およびシャフト１３０（図１Ｆに詳細に示す）に接続される。配線１２３は、ＴＥモジュール１０１とシャフト１３０とを接続する。
【００３１】
高温流体１０５が熱交換器１０２を加熱し、低温流体１０７が熱交換器１０３を冷却することによって、温度勾配が、ＴＥモジュール１０１中に生じる。高温流体１０５は、冷却されて排出され、冷却流体１０７は、加熱されて排出される。高温流体１０５の流れは、ブロワまたはラジアルファンの羽根の役割をする、熱交換器１０２の構成要素を回転させることにより生じる。モータ回転子１１０およびモータドライバ１４０が、回転を生じさせる。流体の流れは、外側ハウジングおよび絶縁体により導かれる。
【００３２】
図１Ｅは、ＴＥモジュール１０１および熱交換器１０２、１０３の断面を示す。熱交換器１０２、１０３は、先行技術において知られているような折り畳み型フィンとして示されているが、熱交換器を他の適切な設計にしてもよく、一例として、１９８４年マグローヒル  インコーポレイテッド刊の、ケイ  ウィリアム  エム．およびロンドン  アレクサンダー  エル．による「小型熱交換器  第３版」に見いだされる好ましい種々の設計にしてもよい。熱伝達を促進するために、ヒートパイプおよび他の技術を組み込み可能である。
【００３３】
図１Ｆは、ＴＥモジュール１０１により生成された電力を外部システムへ給送するためのスリップリングアセンブリの実施形態の詳細をさらに示す。本アセンブリは、絶縁体１０９中の配線１２３を備え、この配線１２３は、一端が内側シャフト１１９に電気的に接続され、かつ他端が外側シャフト１１７へ電気的に接続されている。電気絶縁体１４２が、内側シャフト１１７および外側シャフト１１９を機械的に連結している。有利なことには、外側シャフト１１９は、モータ回転子１１０およびベアリング１４４に機械的に連結されている。スリップリングコンタクト１１８は、内側シャフト１１９に電気的に接続され、スリップリングコンタクト１２０は、外側シャフト１１７に電気的に接続されている。
【００３４】
図１Ｇは、熱電発電装置の代替構成を示し、この代替構成では、発電装置アセンブリを回転させるために作動流体の流れおよび圧力を用い、これよって図１Ｃ及び図１Ｄに示す電気モータが不要となる。
【００３５】
図１Ｇに示すように、ＴＥ１０１、熱交換器１０２、１０３、および熱電発電装置の回転可能な部分を含む関連の部品は、ファン１５０および絶縁体１０９が、回転可能な１ユニットを形成するように取り付けられていること以外は、図１Ｄに示したものと同じである。ベアリング１５２、シャフト１３０およびスポーク１１６、１５１が、回転可能な部品用のサスペンションを形成している。
【００３６】
作動中、作動流体１０５が、ファン１５０を動かす。ファンからの力が、回転可能な部分を回転させる。この実施形態では、回転は、低温作動流体１０７を吸い込むように作用するとともに、図２から図７および図９の説明において述べた回転による他の利点を提供する。
【００３７】
ファン１５０は、別個の部分として示している。同じ機能は、熱交換器、またはさらに他の部分であって、より高温の排出流体および／または低温の排出流体の流れに利用可能な力を用いて、回転を引き起こすような形状および配置にされたさらに他の部分を有する他の設計を用いることによって達成することができる。例えば、そのようなシステムは、自動車の場合のように、内燃機関の排気流内において用いることができる。そのような例では、そうでなければ単に廃熱になるものが、電気に変換され、また排気流は、回転熱電アセンブリを回転させる。
【００３８】
モータ回転子１１０、絶縁体１０９、１４２、およびシャフト１１７、１１９は、１ユニットとして回転し、ベアリング１４４により支持されている。スリップリング１１８、１２０は、回転ユニット内において生成された電力を外部の電気回路へ給送する。スリップリング１１８、１２０は、当該技術において既知のどんな設計にしてもよく、また、シャフト１１７、１１９は、導電性があるか、あるいは導電性ワイヤまたは部材を含む、実行可能などんな構成にしてもよい。電力伝達部および構成は、回転ユニットから外部の回路構成要素へ電力を給送するどんな設計にもすることができる。
【００３９】
図１は、単一の回転アセンブリを示すが、多数の回転アセンブリも考えられることを理解すべきである。
【００４０】
図２Ａは、図１に全体を示した形態の熱電発電装置用の回転アセンブリ２００の断面図を示す。回転アセンブリ２００は、外側ヒートパイプ２０２の円形アレイと、内側ヒートパイプ２０３の円形アレイと良好な熱接触をするリング形のＴＥモジュール２０１を備える。高温側熱交換器２０４は、外側ヒートパイプ２０２と良好な熱接触をしており、また、低温側熱交換器２０５は、内側ヒートパイプ２０３と良好な熱接触をしている。回転アセンブリ２００は、回転軸線２１１の周りにおいて概ね対称である。
【００４１】
作動中、回転アセンブリ２００は、回転軸線２１１の周りを回転する。高温流体（図示せず）は、高温側熱交換器２０４に接触し、この高温側熱交換器２０４は、外側ヒートパイプ２０２から、ＴＥモジュール２０１の外面へ熱流束を伝達する。熱流束の一部分は、ＴＥモジュール２０１によって電力に変換される。廃熱流束は、内側ヒートパイプ２０３から、低温側熱交換器２０５へ、最後に低温側熱交換器２０５と接触した低温流体（図示せず）へと進んでいく。
【００４２】
図２Ｂは、回転アセンブリ２００の、ヒートパイプを通る断面のさらに詳細な図を示す。図２Ａにおけるように、ヒートパイプ２０２および２０３は、ＴＥモジュール２０１と熱接触している。ＴＥ素子２０８および電気回路構成要素２０９が、ＴＥモジュール２０１を完成させる。１つの好ましい実施形態では、ヒートパイプ２０２、２０３は、熱伝達流体を収容する、密封されたシェル２１４、２１５から構成される。作動中に、回転アセンブリ２００が、軸線２１１の周りを回転している間、回転力は、熱伝達流体の液相を、各ヒートパイプ２０２、２０３の回転軸線から遠い方へ押しやる。回転によって引き起こされる外向きの力の方向を、矢印２１０により示す。例えば、ヒートパイプ２０２では、液相２０６は、気相との境界面２１２を形成する。高温側熱交換器２０４は、高温側ヒートパイプシェル２１４と良好な熱接触をする。同様に、低温側ヒートパイプ２０３、２１５は、液相の熱伝達流体２０７と、気相との境界面２１３を有する。低温側熱交換器２０５は、低温側ヒートパイプシェル２１５と良好な熱伝達状態にある。
【００４３】
回転アセンブリ２００の回転により引き起こされる外向きの力２１０は、液相２０６および２０７を図２Ｂに示す位置へ押しやるように作用する。高温ガス（図示せず）が、外側の熱交換器フィン２０４から外側のヒートパイプシェル２１４へ熱を伝達する。熱流束は、高温側の液相２０６の一部分を蒸発させる。蒸気は、高密度の液相２０６になるので、矢印２１０により示す方向とは反対方向の内側へ流れる。ＴＥモジュール２０１の境界面に接するヒートパイプ２０２内、および高温側ヒートパイプシェル２１４内の気相の流体は、熱量の一部分を、ＴＥモジュール２０１へ伝達し、凝縮して液相になる。回転が引き起こした力は、高密度の液相を矢印２１０により示す方向に押しやる。さらに多くの熱が、高温側熱交換器２０４により吸収され、外側ヒートパイプシェル２１４へ、それからＴＥモジュール２０１の外面へ伝達されると、流体サイクルは、繰り返し行われる。
【００４４】
同様に、ＴＥモジュール２０１の内側からの廃熱は、内側のヒートパイプ流体の液相２０７を、沸騰させ、内側のヒートパイプシェル２１５の内部へ内向きに対流させる。低温作動流体（図示せず）は、低温側熱交換器２０５からの熱、および低温側のヒートパイプシェル２１５の隣接した部分の熱を除去する。これは、流体２０７の凝縮を引き起こす。液相は、矢印２１０により示す方向に遠心力によって押しやられ、ＴＥモジュール２０１および内側のヒートパイプシェル２１５の境界面に蓄積する。このサイクルは、定期的に続けて繰り返され、流体が、１つの場所で絶えず蒸発し、別の場所で凝縮し、遠心力によって最初の場所へ逆流される。
【００４５】
回転アセンブリ２０１の回転により生成される力は、重力の数倍から何千倍になる場合があり、回転子の寸法および回転速度により異なる。そのような遠心力は、ヒートパイプの熱伝達を増加させることができ、それにより、回転アセンブリ２００が、より少ない熱伝達ロスで、かつより高い熱流束で作動可能となる。
【００４６】
図２Ｃは、回転軸線２１１に沿って見た図２Ａの回転アセンブリ２００の断面図を示す。ＴＥモジュール２０１は、外側ヒートパイプ２０２および内側ヒートパイプ２０３と良好な熱接触状態にある。示したようなフィンなどの熱交換器２０４、２０５は、ヒートパイプ２０２、２０３と良好な熱接触状態にある。
【００４７】
図２Ｃは、個々のヒートパイプ部２０２、２０３およびＴＥモジュール２０１を示す。高温作動流体（図示せず）は、外側熱交換器フィン２０４と外側ヒートパイプ２０２との間の流路２１６を流れる。同様に、低温作動流体（図示せず）は、内側熱交換器フィン２０５と内側ヒートパイプ２０３との間の内側流路２１７を流れる。
【００４８】
図３は、代替熱電発電回転アセンブリ３００を示し、この図では、作動流体は、概ね半径方向に流れる。その断面図は、高温側ヒートパイプ３０２および低温側ヒートパイプ３０３と良好な熱接触をする円盤状のＴＥモジュール３０１を示している。高温側ヒートパイプ３０２と良好な熱接触するのは、熱交換器３０４であり、低温側ヒートパイプ３０３と良好な熱接触するのは、低温側の熱交換器３０５である。回転アセンブリ３００は、中心線３１０周りを回転しその周りにおいて概ね対称である。
【００４９】
作動中、回転アセンブリ３００は、図１におけるようなモータにより駆動されて、中心線３１０の周りを回転する。高温側熱交換器３０４（この図ではフィン）と高温側ヒートパイプ３０２との間を概ね半径方向外向きに流れる高温作動流体（図示せず）は、熱交換器３０４および外側ヒートパイプ３０２に、次いでＴＥモジュール３０１に熱を伝達する。同様に、中央側の熱交換器３０３と低温側ヒートパイプ３０５の中を通って概ね半径方向外向きに流れる低温作動流体（図示せず）は、ＴＥモジュール３０１から、低温側ヒートパイプ３０３により対流される熱を除去する。高温側ヒートパイプ３０４から、ＴＥモジュール３０１へ、低温側ヒートパイプ３０５から流出する熱流束の一部分は、ＴＥモジュール３０１によって電力に変換される。
【００５０】
ヒートパイプ３０２、３０３（この実施形態では平坦な管状部として構成されている）の回転は、高温および低温作動流体（図示せず）を外側へ流出させるファンブレードとして機能することが好ましい。有利なことには、熱交換器３０４、３０５、およびヒートパイプ３０２、３０３は、熱伝達、およびファンの流体流出入動作の両方を最大限にするように構成される。したがって、回転アセンブリ３００は、発電装置および作動流体ポンプの両方として機能する。
【００５１】
図３Ｂは、図３Ａに示した回転アセンブリ３００のヒートパイプを通るさらに詳細な断面３１１の図を示す。ＴＥモジュール３０１は、ＴＥ素子３０９および回路構成要素３１０から構成される。ＴＥモジュール３０１は、ヒートパイプ３０２、３０３と良好な熱接触をする。図２の構成の場合と同様に、高温側ヒートパイプ３０２は、液相３０６および気相を有する流体と、境界面３１４とを有する、密封されたシェル３１２から構成される。同様に、低温側ヒートパイプ３０３は、液相３０７および気相を有する流体と、境界面３１５とを含んだ、密封されたシェル３１３から構成される。熱交換器フィン３０４、３０５は、ヒートパイプ３０２、３０３と良好な熱伝達をする。矢印３０８は、回転アセンブリが軸線３１０の周りを回転すると生じる外向きの力の方向を向いている。
【００５２】
作動中に、外向きの力は、ヒートパイプ３０２、３０３内において熱伝達流体の液相３０６、３０７を外側へ押しやり、液相３０６、３０７、並びに境界面３１４および３１５を形成する。高温側熱交換器３０４を流れる高温側作動流体（図示せず）からの熱流束は、流体３０６の部分を蒸発させ、その部分は、高温側ヒートパイプシェル３１２のＴＥモジュール３０１の境界面において凝縮する。同様に、熱流束の一部分は、ＴＥモジュール３０１から、低温側ヒートパイプシェル３１３との境界面へ、それから低温側ヒートパイプ流体３０７内へ伝わり、それによって、流体３０７が沸騰する。低温側熱交換器３０５および低温側作動流体（図示せず）へ伝達されることにより、熱が除去されると、気相は、低温側ヒートパイプシェル３１３の内側の部分に凝縮する。この熱伝達プロセスは、図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃの説明により詳細に記述されたものと類似している。
【００５３】
図４は、別の回転発電装置４００の一方の側の断面を示す。ＴＥモジュール４０１は、低温側熱交換器４０２および高温側熱交換器４０３に熱的に接続される。ここに示した実施形態では、低温側熱交換器４０２は、ヒートパイプ４０４およびフィン４０６の部分を有する。同様に、高温側熱交換器４０３は、ヒートパイプ４０５およびフィン４０７の部分を有する。低温作動流体４０８、４１０は、絶縁体４１６、４２３、４２４およびダクト４１２により形成されたチャンバに閉じ込められる。同様に、高温作動流体４１４および４１５は、絶縁体４２３、４２４および外部のダクト４１１により閉じ込められる。回転絶縁体４１６は、モータ回転子４１７、熱交換器４０２の内側部分、よってＴＥモジュール４０１および熱交換器４０３に一体に連結される。配線４２０およびシュラウド４２５が、ＴＥモジュール４０１に一体に連結される。同様に、ファンブレードアセンブリ４１３が、ＴＥモジュール４０１に一体に取り付けられる。シャフトアセンブリ４１９が、モータ回転子４１７およびベアリング４１８に取り付けられる。スリップリングアセンブリ４２１が、シャフトアセンブリ４１９と電気的に連絡する。絶縁体４２３および４２４は、ラビリンスシール４２２を形成するように構成される。スポーク４０９が、最も左のベアリング４１８を、絶縁体４２４、およびダクト４１１に連結する。
【００５４】
モータ回転子４１７、絶縁体４１６、４２３、ヒートパイプ４０２、４０３、ＴＥモジュール４０１、ファンブレード４１３、配線４２０、シャフト４１９およびシュラウド４２５により形成されるアセンブリは、１ユニットとして回転する。ファンブレード４１３の回転は、高温作動流体４１４、４１５および低温作動流体４０８、４１０に動力を供給する。
【００５５】
高温作動流体４１４は、左から入り、熱エネルギーを高温側熱交換器４０２からＴＥモジュール４０１へ伝達する。高温作動流体４１４の流れは、ファンブレード４１３の回転により押し進められる。同様に、低温作動流体４０８は、左から入り、低温側熱交換器４０３およびＴＥモジュール４０１から廃熱エネルギーを引き出す。図１Ｆの説明においてさらに詳細に述べたように、生じた電力は、配線４２０を通り、シャフトアセンブリ４１９およびスリップリングアセンブリ４２１を通って回転部から出ていく。
【００５６】
ヒートパイプ４０２、４０３は、米国特許出願第０９／８４４，８１８号明細書に教示された目的のために、一つの部分を別の部分から断熱するように分割して構成されており、この出願は、効率が改善された熱電利用型断熱というタイトルで２００１年４月２７日に出願され、参照によってここに組み込まれる。ヒートパイプ４０２、４０３内の熱伝達は、上述のように遠心加速によって増加し、それによって、熱エネルギーの輸送効率が増加し、システムが作動可能な出力密度を可能にする。熱の伝達を増加させるために遠心力を利用することによって、装置全体が、小型化可能となり、好ましくは高い熱出力密度で作動する熱電材料を使用することができる。
【００５７】
シール４２２は、可動な境界から静止した境界で、低温流体４０８から高温流体４１４を適切に分離する種々のシール構成の代表的なものである。いくつかの構成では、入口の形状と組み合わされたファン４１３のポンプ能力によって、シール４２２が不要になる場合がある。あるいは、ファンブレード４１３に代わる外部機構（図示せず）が、熱交換器４０２、４０３から低温作動流体４０８、高温作動流体４２２を流出入する力を提供する場合には、シール４２２は、作動流体４０８、４２２を分離し得る役割を果たし得る。そのような実施形態では、ファン４１３は、省略可能であるか、または、その役割は、代わりの流体ポンプ機構で補うことができる。
【００５８】
図５は、熱交換器がファンブレードの役割をする発電装置の構成を示す。ＴＥモジュールおよび熱交換器は、図３に示した構成に、コンセプトが類似している。回転アセンブリ５００は、ＴＥモジュール５０１、低温流体熱交換器５０２、高温流体熱交換器５０３、絶縁体５１５、５１７、スポーク５０８およびモータ回転子５０９からなり、それら全ては、シャフト５１０の周りを回転する一体型ユニットを形成するように相互に一体的に連結されている。低温流体熱交換器５０２は、フィン５０４と良好な熱接触をするヒートパイプを有する。同様に、高温流体熱交換器５０３は、フィン５０５と良好な熱接触をするヒートパイプを有する。絶縁体５１５、５１７およびダクト５０７は、高温作動流体５１１、５１２を閉じ込めるチャンバを形成している。同様に、絶縁体５１５、５１７およびダクト５０６は、チャンバを形成し、それが、低温作動流体５１３、５１４を閉じ込める。高温作動流体５１１と低温作動流体５１３とを隔てるように、シール５１６が、絶縁体５１５、５１７内に形成される。
【００５９】
アセンブリ５００は、モータ回転子５０９が熱交換器５０２、５０３を回転させる動力を提供することにより作動し、それによって、熱交換器５０２から低温流体を、かつ熱交換器５０３から高温流体を引き出すポンプ作用が生じて、ＴＥモジュール５０１に温度勾配が生じる。それにより生じた電力が、図１Ａから図１Ｅに示す設計により、あるいは環境において許容可能な他の伝達方法により、引き出され、外部回路構成要素に伝達される。
【００６０】
いくつかの作動流体は、単一のアセンブリ内において使用可能であることが好ましい。図４の発電装置のような発電装置は、それぞれ異なる構成および／または温度を有するいくつかの高温側作動流体源を有していてもよい。例えば、ボイラー、ドライヤーあるいはその他同種のものからの廃棄高温流体でいくつかの排気ガス源が処理される、廃棄電力生成システムで、この状態を作り出すことができる。このような複数の作動流体源を、回転軸線に沿った位置において壁４１１から導入することができ、その場所で、高温側作動流体４２２が追加された作動流体と混合されると、電力を生じる温度に冷却される。この場合、ＴＥモジュール１０１、ヒートパイプ４０２、２０７、およびフィン４０５、４０９が、流体が流れる方向に１つのセクションから次のセクションへ、それらの構造、サイズ、形状および／または材料が異なり得る結果、ヒートパイプ４０２、２０７、およびフィン４０５、４０９のいくつかにおいて、熱流束が、変化し得る。さらに、絶縁体およびフィン構造体は、異なる流体を隔てるために使用することができる。最後に、１つを超える低温側作動流体４０９、４１０は、少なくとも１つの高温側作動流体と組み合わせて用いることができる。
【００６１】
図６の設計もまた、図４において述べたヒートパイプを利用する。図６のアセンブリ６００は、米国特許出願第０９／８４４，８１８号明細書に教示されている向流を利用し、それは、参照によってここに組込まれる。図６は、さらに別の回転熱電発電装置の断面を示す。有利なことには、この実施形態もまた、熱絶縁を利用する。発電装置アセンブリ６００は、ＴＥモジュール６０１、対になり断熱された熱交換器６０２、６０３と、シュラウド６０７を有するファンアセンブリ６１０、およびシュラウド６１４を有するファンアセンブリ６１３と、絶縁体６１５、６１６、６１９、６２０、６２４と、モータ回転子６１７と、シャフトアセンブリ６１８とから形成された回転アセンブリを有する。
【００６２】
高温側作動流体６１１、６１２は、絶縁体６０９、６１５、６１９、６２０、６２１によって閉じ込められる。低温側作動流体６０４、６０６は、絶縁体６０９、６１５、６１６、６１９、６２１、およびダクト６０８によって閉じ込められる。スポーク６０５は、ベアリング６２２と絶縁体６１５とを連結する。
【００６３】
低温側作動流体６０４は、左から入り、熱交換器６０２から熱エネルギーを吸収し、それにより、熱交換器６０２を冷却し、ファンブレード６１０の遠心作用によって半径方向外向きに流出される。ファンブレード６１０は、内側シュラウド６０７を含んでもよいし、含まなくてもよく、この内側シュラウド６０７は、構造上の支持を提供し、高温作動流体６１１を低温作動流体６０６から隔てておく部分的なシールとして機能し、低温作動流体６０６の流れを導くのを助けるように使用可能である。高温作動流体６１１は、半径方向内向きに入ってきて、高温側熱交換器６０３に熱エネルギーを伝達し、次いで、回転ファンブレード６１３の動作により半径方向外向きに流出される。シュラウド６１４は、ファンブレード６１３に構造上の剛性を加え、出ていく高温作動流体６１２から低温作動流体６０４を隔てる部分的なシールとして機能し、高温作動流体の６１２の流れを導くのを助けるように使用可能である。
【００６４】
図７は、さらに別の回転熱電発電装置の断面を示す。図７の設計は、向流で作動するように構成されている。熱交換器は、熱伝達を増加させるヒートパイプを含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。
【００６５】
図７は、半径流発電装置７００を示す。回転アセンブリは、ＴＥモジュール７０１と、フィン７０４を有する熱交換器７０２、およびフィン７０５を有する熱交換器７０３と、絶縁体７２０と、ファンブレード７２３と、モータ回転子７１８と、シャフト７１９とからなる。ベアリング７２１は、シャフトアセンブリ７１９を、非回転ダクト７１７、内側支持部７０７、スポーク７２２およびダクト７１０に取り付ける。高温作動流体７０６、７０９は、内側支持部７０７、ダクト７１０、絶縁体７２０、ＴＥモジュール７０１および排気ダクト７１１により閉じ込められる。低温作動流体７１２、７１３、７１４は、排気ダクト７１１、７１６、絶縁体７２０、ＴＥモジュール７０１およびダクト７１７により閉じ込められる。シール７１５は、高温作動流体７０９を低温作動流体７１２から隔てる。
【００６６】
アセンブリ７００は、図６の説明において述べたのと同じ一般的なタイプの向流を用いて作動する。それは、フィン７０４を有する高温側熱交換器７０２が、高温作動流体７０６、７０９を流出入させるようにファンブレードを回転させる役割を果たす概ね半径方向に作動する。低温作動流体７１２、７１３、７１４は、熱交換器ヒートパイプ７０３およびフィン７０４により生じる半径方向外向きの力と、ファンブレード７２３の回転が低温側作動流体７１３、７１４に作用することにより生じる半径方向外向きのより大きな力との正味効果の影響を受ける。打ち消す方向に働く力の正味効果によって、流体７１２、７１３、７１４が、図７に示す方向に流れる。次いで、ファンブレード７２３の位置によってより大きなブレードの力が生じ、ファンブレード７２３は、フィン７０５を有する熱交換器７０３より長く、それよりもさらに半径方向外側へ延びている。あるいは、流体７０６、７０９、７１２、７１３、７１４のどの部分も、外部ファンまたはポンプにより動かし得る。そのような構成では、ファン７２３は、あってもよいが、その必要はなく、なくてもよい。
【００６７】
電力は、図１、および図５から図６において述べた方法および設計により、または他の好ましいどんな方法によっても生成され給送される。
【００６８】
図８は、半径方向および軸方向形状を組み合わせた発電装置を示す。全体構成８００は、ＴＥモジュール８０１、熱交換器８０２、８０３、熱分流部８０４、絶縁体８１１、ファンアセンブリ８０８および８０９、ダクト８０７、モータ回転子８１７、およびシャフトアセンブリ８１８からなる回転部を有する。低温作動流体８０５、８１５は、シュラウド８０７、絶縁体８１１、ファンダクト８０８および壁８１０によって閉じ込められる。高温作動流体８１２、８１３は、分流部８０４、シュラウド８０７、絶縁体８１１、８１６および壁８１４により閉じ込められる。ベアリング８１９は、回転シャフトアセンブリ８１８をスポーク８０６および壁８１０に連結する。
【００６９】
作動は、低温作動流体８０５が、熱交換器８０２を概ね軸方向に流れる以外は、図７において述べたものと同様である。ここに示すように、熱分流部８０４および熱交換器８０２、８０３は、ヒートパイプを含んでもよいし、含まなくてもよい。さらに、熱交換器８０２、８０３、ＴＥモジュール８０１、および熱分流部８０４は、米国特許出願第０９／８４４，８１８号明細書に教示されているような断熱された素子からなるように構成されてもよいし、または構成されなくてもよく、この米国特許第０９／８４４，８１８号明細書は、改良された熱電利用型断熱というタイトルであり、２００１年４月２７日に出願され、参照によってここに組込まれる。
【００７０】
図９は、統合型のＴＥモジュールおよび熱交換器を示す。アセンブリ９００は、回転の中心９０９を有するＴＥモジュール９０１と、フィン９０４を備えた熱交換器９０２と、フィン９０５を備えた熱交換器９０３と、熱絶縁体９０８とのリング状アレイの一部分である。ギャップ９０６、９０７は、個々の熱交換器部分９０２、９０３に連結されたフィン９０４、９０５の部分を電気的に分離する。作動すると、一方の熱交換器９０３は、例えば、冷却され、他方の熱交換器９０２は、加熱されて、ＴＥモジュール９０１中に熱勾配を生じる。電力は、結果として生じる熱の流れにより生じる。
【００７１】
この構成では、ＴＥモジュール９０１は、一部分であるアセンブリ９００のリングの周りを概ね円形方向に電流９１０が流れる別個のＴＥ素子９０１にすることができる。ＴＥモジュール９０１が別個の熱電素子である一部分において、電流９１０を、図示したように流すための素子９０１は、交互にＮ型およびＰ型である。有利なことに、熱交換器９０２、９０３は、隣接したＴＥ素子９０１同士の間の部分に導電性がある。フィン９０４、９０５が、導電性を有し、熱交換器９０２、９０３と電気的に接触する場合、隣接したフィンは、ギャップ９０６、９０７により図示したように他のフィンとは電気的に絶縁しなければならない。１つまたはそれ以上の場所において環状の電流を遮断し、遮断したところで、図７において説明したような電気回路構成要素に接続することによって、電力を引き出すことができる。
【００７２】
あるいは、素子のグループは、隣接した熱交換器９０３、９０２の間にあり、それにより、ＴＥモジュール９０１を形成可能である。そのようなＴＥモジュール９０１は、直列および／または並列に電気接続することができ、ギャップ９０６、９０７が必要なくなるように、内部に電気的な絶縁をする準備をすることができる。高温側と低温側との間の断熱は、絶縁体１００８によって維持可能である。
【００７３】
熱交換器９０２、９０３がヒートパイプを含んでいる場合、作動流体は、内側の熱交換器９０３を冷却し、外側の熱交換器９０２を加熱することが好ましい。
【００７４】
図１０は、熱電発電システム１０００のブロック図を示す。図示したように、本システムは、高温作動流体源１００２と、低温作動流体源１００４と、発電装置アセンブリ１００６と、排出流体出力部１００８と、電力出力部１０１０とを有する。発電装置アセンブリ１００６は、上に開示した実施形態、またはここに教示された原理を用いた同様の実施形態のどの実施形態でも構成される。高温流体源１００２は、発電装置アセンブリ１００６に熱源を提供する。低温流体源１００４は、発電装置アセンブリ１００６の熱電に好ましい温度勾配を作り出すのに十分低い温度の作動流体源を提供する。排出作動流体は、出力部１００８から発電装置アセンブリを出て行く。発電装置アセンブリ１００６からの電力は、電力出力部１０１０から供給される。このシステム１０００は、単に一般的で典型的なシステムであり、本発明の発電装置アセンブリを発電システム内へ組み入れる方法を限定はしない。
【００７５】
この応用における個々の教示は、好ましいどんな方法でも組み合わせ可能である。そのような組み合わせは、本発明の一部分である。同様に、効率が改善された熱電利用型断熱というタイトルの米国特許出願第０９／８４４，８１８号明細書、および回転熱交換器に関連する熱電熱交換器というタイトルの米国特許出願第０９／９７１５３９号明細書の教示は、本願と組み合わせて用いて、本明細書における教示に基づいて変形を生み出すことができ、それは、本発明の一部分である。例えば、高温および／または低温側熱交換器は、一実施形態では、熱交換器の他の部分から実質的に断熱された部分に構成される。同様に、熱電モジュールの部分は、一実施形態では、熱電モジュールの他の部分から断熱されている。
【００７６】
したがって、本発明は、特定のどんな実施形態、または特定の開示にも限定されない。さらに適切に言えば、本発明は、添付の特許請求の範囲により定められ、用語は、通常の一般的な意味を有するように示している。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１Ａ】高温流体および低温流体、モータおよび熱交換器フィンが、ＴＥモジュールを横切って温度差を生じる熱電発電装置の概略構成を示す図である。電力は、高温側の流体の流れにおける熱のエネルギーから生成される。
【図１Ｂ】高温流体および低温流体、モータおよび熱交換器フィンが、ＴＥモジュールを横切って温度差を生じる熱電発電装置の概略構成を示す図である。電力は、高温側の流体の流れにおける熱のエネルギーから生成される。
【図１Ｃ】高温流体および低温流体、モータおよび熱交換器フィンが、ＴＥモジュールを横切って温度差を生じる熱電発電装置の概略構成を示す図である。電力は、高温側の流体の流れにおける熱のエネルギーから生成される。
【図１Ｄ】発電装置用の低温および高温側作動流体の流れを拡大して示した図である。
【図１Ｅ】ＴＥモジュールおよび熱交換器の断面図である。
【図１Ｆ】ＴＥモジュールにより生成された電力を外部システムへ伝達するためのスリップリングアセンブリの実施形態の追加の詳細を示す図である。
【図１Ｇ】作動流体の流れおよび圧力が発電装置アセンブリを回転させることで、図１Ｃ、図１Ｄに示した電気モータが不要になる、熱電発電装置の概略構成をさらに示す図である。
【図２Ａ】回転固体発電装置内に概ね軸方向に流体を流す、ＴＥモジュール、ヒートパイプ、および熱交換器アセンブリの図である。
【図２Ｂ】図２Ａのアセンブリの詳細な断面図である。
【図２Ｃ】図２Ａのアセンブリの部分の第２の図である。
【図３Ａ】回転発電装置内に概ね放射状に流体を流す、ＴＥモジュール、ヒートパイプ、および熱交換器アセンブリの断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａのアセンブリの、詳細な断面図である。
【図４】高温および低温の流体が、概ね同じ方向に、相互に概ね平行に流れる軸流型発電装置を示す図である。発電装置は、エネルギー変換効率を改善するために、断熱部およびヒートパイプを用いている。
【図５】高温および低温流体が、同じ方向に、相互に概ね平行に流れる半径流型発電装置を示す図である。発電装置は、効率を改善するために断熱部およびヒートパイプを用いている。
【図６】高温および低温流体が、相互に概ね反対方向に流れる軸流型発電装置を示す図である。ＴＥモジュールおよび熱交換器は、効率を改善し出力密度を増加させるために断熱されることが好ましい。
【図７】高温および低温流体が概ね反対方向に流れる半径流型発電装置を示す図である。ＴＥモジュールは断熱されることが好ましい。ヒートパイプは、効率および出力密度の両方を上昇させるために使用される。
【図８】概ね半径流および軸流の両方を有する発電装置を示す図である。固体で伝導性のある熱伝達部材は、ＴＥモジュールと高温側のフィンとの間に熱を伝達するように用いられる。
【図９】電流が、回転子の回転軸線の周りを円方向に、ＴＥ素子あるいはモジュール中を流れる軸流型発電装置の一部分を示す図である。
【図１０】熱電発電装置のシステムのブロック図である。
【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１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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