(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の熱電素子を組み合わせて、高効率で小型の発電装置を実現する。【解決手段】動作中に比較的低温側および比較的高温側を有するアセンブリを形成する複数の熱電素子を有し、作動媒体は、複数の熱電素子の少なくともいくつかの比較的低温側から廃熱を集め、上記の廃熱を集めた後、作動媒体はさらに加熱され、次に複数の熱電素子の少なくともいくつかの比較的高温側にその熱の少なくとも一部を分配し、それによって、複数の熱電素子の少なくともいくつかで電力を生成する。【選択図】図１３Ａ
2011211900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作中に比較的低温側および比較的高温側を有するアセンブリを形成する複数の熱電素子を備え、作動媒体が前記複数の熱電素子の少なくともいくつかの前記比較的低温側から廃熱を集め、前記廃熱を集めた後、前記作動媒体がさらに加熱され、前記複数の熱電素子の少なくともいくつかの前記比較的高温側にその熱の少なくとも一部を分配し、前記作動媒体が前記複数の熱電素子の少なくともいくつかの比較的低温側又は比較的高温側に沿って流れる間に前記作動流体と前記複数の熱電素子との間で少なくともいくらかの熱伝達が起こり、前記さらに加熱された後の作動媒体が、加熱される前の作動媒体から実質的に熱的に隔離され、それによって、複数の熱電素子の少なくともいくつかに関して電力を生成し、
前記アセンブリから前記電力を伝達する少なくとも１つの電気システムを備える熱電発電システム。
【請求項２】
前記作動媒体が熱源から加熱される請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項３】
前記熱源は燃焼である請求項２に記載の熱電発電システム。
【請求項４】
前記熱源は太陽である請求項２に記載の熱電発電システム。
【請求項５】
前記熱源は同位体である請求項２に記載の熱電発電システム。
【請求項６】
前記作動媒体は固体である請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項７】
前記作動媒体は流体である請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項８】
前記作動媒体は、前記作動流体の燃焼によって加熱される請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項９】
前記作動媒体は、流体および固体の組み合わせである請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項１０】
複数の熱電素子の少なくともいくつかは、前記作動媒体を通過させることが可能であるように構成される請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項１１】
複数の熱電素子の少なくともいくつかは、多孔性である請求項１０に記載の熱電発電システム。
【請求項１２】
複数の熱電素子の少なくともいくつかは、前記アセンブリの前記比較的高温側の方向において、前記作動媒体によって対流熱を輸送することが可能であるように構成される請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項１３】
発電制御装置をさらに備える請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項１４】
前記発電制御装置は、作動媒体の移動速度を制御する請求項１３に記載の熱電発電システム。
【請求項１５】
複数の熱交換器をさらに備え、前記熱交換器の少なくともいくつかが前記熱電素子の少なくともいくつかと熱接触状態にある請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項１６】
前記熱交換器の少なくともいくつかが、作動媒体の移動方向において、熱絶縁を提供する請求項１５に記載の熱電発電システム。
【請求項１７】
前記複数の熱電素子の少なくとも１つが、前記アセンブリの前記比較的高温側の方向において前記作動媒体によって対流熱を輸送することが可能であるように構成され、少なくとも複数の別の前記熱電素子が作動媒体の移動方向において、熱絶縁を提供するように構成される請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項１８】
前記作動媒体は作動流体であり、当該作動流体は、前記複数の熱電素子の少なくとも１つによって熱を対流し、それによって加熱される請求項１７に記載の熱電発電システム。
【請求項１９】
熱電発電システムを用いる電力の生成方法であって、
動作中に比較的低温側および比較的高温側を有するアセンブリを形成する複数の熱電素子と熱的に作用して作動媒体を移動するステップと、
熱を複数の熱電素子の少なくともいくつかの前記比較的低温側から前記作動媒体に伝達するステップと、
さらなる熱を前記作動媒体に加えるステップと、
前記さらに熱を加えられた後の作動媒体を熱をさらに加える前の作動媒体から実質的に熱的に隔離し、前記作動媒体から複数の熱電素子の少なくともいくつかの前記比較的高温側に熱を分配し、それによって、複数の熱電素子の少なくともいくつかでは電力を生成するステップと、を含み、
前記作動媒体が前記複数の熱電素子の少なくともいくつかの前記比較的高温側又は前記比較的低温側に沿って流れる間に、前記作動媒体と前記複数の熱電素子との間で少なくともいくらかの熱伝達が起こる、方法。
【請求項２０】
さらなる熱を追加する前記ステップは、前記作動媒体の燃焼を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
さらなる熱を追加する前記ステップは、前記作動媒体の太陽による加熱を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記作動媒体を複数の熱電素子の少なくともいくつかを通過させるステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記熱電素子の少なくとも１つの前記比較的高温側の方向において、前記作動媒体によって熱を対流させるステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
基準に適合させるために、前記発電を制御するステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記基準が効率である請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記作動媒体の移動速度を制御するステップをさらに含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
作動媒体の移動方向において、前記熱電素子の少なくともいくつかを熱的に絶縁するステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
少なくともいくつかの熱伝達は、前記熱媒体と前記複数の熱電素子の少なくともいくつかとの間で実質的に直接行われる、請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項２９】
前記作動媒体は、前記比較的低温側から熱を実質的に直接集める、請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項３０】
前記作動媒体は、前記比較的高温側に熱を実質的に直接分配する、請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項３１】
前記作動媒体は、前記複数の熱電素子の少なくともいくつかの比較的低温側から熱を実質的に直接集め、前記複数の熱電素子の少なくともいくつかの比較的高温側へ熱を実質的に直接分配する、請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項３２】
前記作動媒体は、前記比較的低温側から熱を集める間、前記比較的低温側に沿って流れる、請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項３３】
前記作動媒体は、前記比較的高温側へ熱を分配する間、前記比較的高温側に沿って流れる、請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項３４】
前記作動媒体は、前記比較的低温側から熱を集める間、前記複数の熱電素子の少なくともいくつかの比較的低温側に沿って流れ、前記比較的高温側へ熱を分配する間、前記複数の熱電素子の少なくともいくつかの比較的高温側に沿って流れる、請求項１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】
先行関連仮出願および特許出願
本出願は、２００２年２月１１日に出願された米国特許出願公開第１０／０７４，５４３号明細書の一部継続出願である２００２年６月６日に出願された米国特許出願公開第１０／１６４，６５６号明細書の一部継続出願であり、２００１年１０月２日に出願された米国特許出願公開第０９／９７１，５３９号明細書の一部継続出願であり、２００１年７月３１日に出願された米国特許出願公開第０９／９１８，９９９号明細書（現在では、米国特許第６，５９８，４０５号明細書）の一部継続出願であり、２００１年２月９日に出願された先行出願の米国特許仮出願第６０／２６７，６５７号明細書に関連し、その出願日の利益を主張する２００１年４月２７日に出願された米国特許出願公開第０９／８４４，８１８号明細書（現在では、米国特許第６，５３９，７２５号明細書）の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、熱電装置を用いる発電の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
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。
【０００４】
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、発電装置中に可動部品がない状態で設計されている。一般に、加熱源または冷却源として高温作動流体および低温作動流体を用いるシステムは、アセンブリに流体を給送するためにファンまたはポンプを用いる。
【０００５】
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のさらに他の応用では、熱は排気システム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またはフィン付きラジエータによる自由対流によって除去される。
【０００６】
熱源として核同位体を用い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に取り付けられる。動作中、部品は不動である。
【０００７】
固体ＴＥ発電について述べた文献は、宇宙船における使用（非特許文献１）を考慮して書かれ、効率ではなく信頼性が主要目的である地球への応用に関連しているか、または今日の応用ではシステム性能を最適化する必要はない公式モデル（非特許文献２）を用いているかのいずれかである。自動車排出物およびエンジン冷却剤、工場の廃棄処理熱、電力生成による熱電併給システムなどによる廃熱回収をはじめとする現在および将来の応用のためのＴＥ発電サイクルの開発および使用に対する需要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願第０９／８４４，８１８号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５９８，４０５号明細書
【特許文献３】米国特許第６，５３９，７２５号明細書
【特許文献４】米国特許出願第１０／２２７，３９８号明細書
【特許文献５】米国特許出願第０９／９７１，５３９号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】アングリスト・スタンレー・Ｗ．（Ａｎｇｒｉｓｔ，ＳｔａｎｌｅｙＷ．）著、「直接エネルギ変換第３版（Ｄｉｒｅｃｔ Ｅｎｅｒｇｙ 変換，３ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ）、アリン・アンド・バコン・インコーポレイテッド（Ａｌｌｙｎａｎｄ Ｂａｃｏｎ，Ｉｎｃ．）（ボストン（Ｂｏｓｔｏｎ）、１９７６）、第４章、１４０〜１６５頁
【非特許文献２】Ｉｋｏｍａ、Ｋ．ら著、「ガソリンエンジン自動車用の熱電モジュールおよび発電装置（ＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓＭｏｄｕｌｅ ａｎｄ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｆｏｒ Ｇａｓｏｌｉｎｅ ＥｎｇｉｎｅＶｅｈｉｃｌｅｓ）」、第１７回国際熱電学会（１７ｔｈ ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ）、日本、名古屋（１９９８）、４６４〜４６７頁
【非特許文献３】ベル、Ｌ．Ｅ．（Ｂｅｌｌ，Ｌ．Ｅ．）著、「熱電システム動作効率を改善するための熱絶縁の利用（Ｕｓｅｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｔｏ Ｉｍｐｒｏｖｅ ＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＳｙｓｔｅｍ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）」、第２１回国際熱電学会会報（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ２１ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ）、カリフォルニア州ロングビーチ（ＬｏｎｇＢｅａｃｈ，ＣＡ）、２００２年８月
【非特許文献４】ベル、Ｌ．Ｅ．（Ｂｅｌｌ，Ｌ．Ｅ．）著、「対流熱輸送の利用による向上した熱電システム熱力学効率（ＩｎｃｒｅａｓｅｄＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ＴｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｂｙ Ｕｓｅ ｏｆ Ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）」、第２１回国際熱電学会会報（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ２１ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ）、カリフォルニア州ロングビーチ（Ｌｏｎｇ Ｂｅａｃｈ，ＣＡ）、２００２年８月
【非特許文献５】キーズ・ウィリアム・Ｍ．（Ｋｅｙｓ，Ｗｉｌｌｉａｍ Ｍ．）およびロンドン・アレクサンダー・Ｌ．（Ｌｏｎｄｏｎ，Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｌ．）による「小型熱交換器第３版（ＣｏｍｐａｃｔＨｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ，３ｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ）」１９８４年、マグローヒル・インコーポレイテッド（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ）刊
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
新規の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動作し、システム効率を高める可能性を提供する。さらに、熱電（ＴＥ）材料およびシステムにおける最近の進歩により、発電用のＴＥの潜在的な使用に対する関心が再び起こり始めている。可動部品がたとえあるにしてもごくわずかであり、静かに動作し、環境に優しい上、廃棄電力回収が見込めるというＴＥシステムの固有の特性は、さらに関心を集めている。
【００１１】
高出力密度を有する熱電装置をうまく動作させるには、ＴＥモジュールの低温側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、したがって高い熱出力のスループットに役立つ回転設計による。好ましい一実施形態において、熱交換器の一部分がファンブレードとして機能し、それにより作動流体の流れを導く回転システムが、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。
【００１２】
さらに、当業界において周知であるように、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、１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（液相と気相）の流れを用いる。熱源の表面において熱を除去する場合、流体の気化熱を用いて、熱出力が引き出される。蒸気は、ヒートシンク側の低温の表面へ流れて凝縮するため、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。
【００１３】
適切に設計されたヒートパイプは、非常に効率がよく、温度差が非常に少ない状態で大量の熱流束を輸送する。効率のよい動作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出力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ため、低温のシンク側には液体が蓄積しないということが重要である。したがって、シンク側は、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。
【００１４】
「熱絶縁を利用した効率改善型熱電システム（Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）」という名称の特許文献１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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本開示の一態様は、動作中に比較的低温側および比較的高温側を有するアセンブリを形成する複数の熱電素子を有する熱電発電システムを含む。作動媒体は、複数の熱電素子の少なくともいくつかの低温側から廃熱を集める。廃熱を集めた後、作動媒体はさらに加熱され、次に複数の熱電素子の少なくともいくつかの比較的高温側にその熱の少なくとも一部を分配し、それによって、複数の熱電素子の少なくともいくつかでは電力を生成する。少なくとも１つの電気システムは、上記アセンブリから電力を輸送し、制御装置が最適化するため、またはそうでなければ特定の所望の応用のための動作を制御するために設けられることが好ましい。
【００１６】
一実施形態において、作動流体は、太陽、燃焼、同位体などの熱源から加熱される。一実施形態において、作動媒体は、固体、流体または固体材料および流体材料の組み合わせである。
【００１７】
一実施形態において、複数の熱電素子の少なくともいくつかは、作動媒体は多孔性または穴を有するなどの作動媒体を通過させることができるように構成されている。この実施形態において、熱は、熱電素子の比較的高温側の方向に作動媒体による対流によって移動されることが好ましい。
【００１８】
他の実施形態において、複数の熱交換器は、熱電素子の少なくともいくつかと熱伝導状態にある。熱交換器の少なくともいくつかは、作動媒体の移動方向において断熱されていることが好ましい。
【００１９】
さらに別の実施形態において、複数の熱電素子の少なくとも１つは、熱電素子の比較的高温側の方向において作動媒体によって対流熱を移動させることを可能にするように構成され、それ以外の熱電素子の少なくとも複数は、作動媒体の移動方向において断熱を提供するように構成される。
【００２０】
本開示の別の態様は、熱電による電力の生成方法を含み、この方法は複数のステップを伴う。作動媒体は、動作中に比較的低温側および比較的高温側を有するアセンブリを形成する複数の熱電素子と熱相互作用するような態様で移動される。熱は、複数の熱電素子の少なくともいくつかの比較的低温側から作動媒体に輸送され、次にさらなる熱が作動媒体に加えられる。続いて、熱は、作動媒体から複数の熱電素子の少なくともいくつかの比較的高温側に分配され、それによって、複数の熱電素子の少なくともいくつかでは電力を生成する。
【００２１】
一実施形態において、さらなる熱は、作動媒体の燃料、太陽熱の供給、同位体の使用、別のプロセスによる廃熱の使用またはこれらをはじめとする熱源のいくつかの組み合わせによって加えられる。他の実施形態において、熱は、熱電素子の高温側の方向に少なくとも１つの熱電素子を介して作動媒体による対流によって移動される。
【００２２】
本方法は、最大効率、最大ピーク電力出力などの基準、いくつかの組み合わせまたは特定の応用向けの何か別の基準に適合するように、発電を制御することを含む。たとえば、作動媒体の速度は、効率などの動作変数を最適化するために制御されてもよい。
【００２３】
これらの態様および別の態様および本説明の利点は、以下の好ましい実施掲載のさらに詳細な説明から明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】従来のＴＥ発電装置の構成要素を示している。
【図１Ｂ】ＴＥモジュール中に温度差を形成するために、高温流体および低温流体、モータおよび熱交換器フィンを有する熱電発電装置の概略構成を示している。電力は高温側の流体の流れの中の熱出力から生成される。
【図１Ｃ】ＴＥモジュール中に温度差を形成するために、高温流体および低温流体、モータおよび熱交換器フィンを有する熱電発電装置の概略構成を示している。電力は高温側の流体の流れの中の熱出力から生成される。
【図１Ｄ】ＴＥモジュール中に温度差を形成するために、高温流体および低温流体、モータおよび熱交換器フィンを有する熱電発電装置の概略構成を示している。電力は高温側の流体の流れの中の熱出力から生成される。
【図１Ｅ】ＴＥモジュール中に温度差を形成するために、高温流体および低温流体、モータおよび熱交換器フィンを有する熱電発電装置の概略構成を示している。電力は高温側の流体の流れの中の熱出力から生成される。
【図１Ｆ】ＴＥモジュール中に温度差を形成するために、高温流体および低温流体、モータおよび熱交換器フィンを有する熱電発電装置の概略構成を示している。電力は高温側の流体の流れの中の熱出力から生成される。
【図１Ｇ】ＴＥモジュール中に温度差を形成するために、高温流体および低温流体、モータおよび熱交換器フィンを有する熱電発電装置の概略構成を示している。電力は高温側の流体の流れの中の熱出力から生成される。
【図１Ｈ】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および図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している。
【図２Ａ】回転固体発電装置において略軸方向に流体を流すためのＴＥモジュール、ヒートパイプ、および熱交換器アセンブリを示している。
【図２Ｂ】図２Ａのアセンブリの詳細な断面図を示している。
【図２Ｃ】図２Ａのアセンブリのセグメントの第２の図を示している。
【図３Ａ】回転発電装置において略軸方向に流体を流すための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を示している。
【図３Ｂ】図３Ａのアセンブリの詳細な断面図を示している。
【図４】高温流体および低温流体が、略同一方向に互いに略平行に流れる軸流型発電装置を示している。発電装置は、エネルギ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】高温流体および低温流体が、略同一方向に互いに略平行に流れる半径流型発電装置を示している。発電装置は、効率を改善するために、熱絶縁およびヒートパイプを用いている。
【図６】高温流体および低温流体が、互いに略反対方向に流れる軸流型発電装置を示している。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有利である。
【図７】高温流体および低温流体が、互いに略反対方向に流れる半径流型発電装置を示している。ＴＥモジュールは断熱されることが有利である。ヒートパイプは、効率および出力密度を上昇させるために使用される。
【図８】略半径流および略軸流の両方を有する発電装置を示している。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ために用いられる。
【図９】電流が、回転子の回転軸を中心にして円方向に、ＴＥ素子またはモジュールおよびヒートパイプ中を流れる軸流型発電装置の一部を示している。
【図１０】熱電発電装置のシステムのブロック図を示している。
【図１１】米国特許第６，５９８，４０５号明細書に教示される対流式ＴＥ発電装置の構成要素を示している。
【図１２Ａ】ＴＥの高温側および低温側が一様な温度であり、低温側が大きなヒートシンクに熱結合され、高温側が加熱移動媒体である従来のＴＥ発電装置の動作を示している。
【図１２Ｂ】図１２Ａの発電装置に類似しているが、作動媒体が比較的高温側プレートを通り過ぎることによって冷却される発電装置を示している。
【図１２Ｃ】高温側移動媒体および低温側移動媒体の両方を備え、ＴＥ発電装置の高温端部および低温端部が一定温度であるＴＥ発電装置を示している。
【図１３Ａ】効率を改善するために廃棄熱出力の再生を用いたスタック設計のＴＥシステムを示している。
【図１３Ｂ】図１３Ａの設計の斜視図を示している。
【図１３Ｃ】図１３Ａに示されるシステムの動作を示している。
【図１４Ａ】比較的低温で効率的に動作し、比較的高温の対流媒体熱源を用いるＴＥ発電装置を示している。
【図１４Ｂ】図１４Ａに示されるシステムの動作を示している。
【図１５Ａ】対流および断熱の両方を用いる熱電併給発電装置を示している。
【図１５Ｂ】図１５Ａに示されるシステムの動作を示している。
【図１６】対流媒体が固体である発電システムを示している。
【図１７Ａ】閉ループにおいて対流流体を用いる廃棄電力回収システムを示している。
【図１７Ｂ】図１７Ａに示されるシステムの動作をさらに示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
新たな熱力学サイクルを用い、ＴＥからの廃熱が加熱と共に比較的高温側に再循環される発電装置が開示される。燃焼をＴＥ発電装置と組み合わせるための方法もまた、開示される。新たな熱力学サイクルと共に用いられるとき、効率を向上する高温側状態および低温側状態の影響をはじめとする効率に影響を及ぼす因子に、重点が置かれる（非特許文献３および非特許文献４）。低温側からの廃熱を除去する利用可能な手段がシステム効率に著しく影響を及ばすシステムにおいて発電のために用いられるとき、熱出力（熱）源は、特に有効である。
【００２６】
これらの設計はまた、熱電子電力変換器、光子電力変換器、磁気熱量電力変換器のほか、熱電電力変換器をはじめとする複数の関連する固体発電技術において有意義に応用される。
【００２７】
参考となる特許出願または特許（それぞれは本願明細書に参照によって援用されるものとする）に詳細に述べられている以下の背景概念は、具体的には、（１）対流式ＴＥ発電および熱電併給（特許文献２）、（２）分離素子型ＴＥシステム（特許文献３）、（３）分離素子スタック設計および高出力密度設計（２００２年８月２３日出願の特許文献４）である。
【００２８】
この説明に関して、熱電モジュール、ＴＥモジュール、ＴＥ素子またはＴＥなる語は、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（ＨｉＺ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．（ＳａｎＤｉｅｇｏ，ＣＡ））により製造される熱電変換器などの従来のの熱電変換器、（２）量子トンネリング変換器、（３）熱電子変換器、（４）磁気熱量モジュール、（５）熱電気、磁気熱量、量子トンネリングおよび熱電子効果の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）上記の（１）から（６）の任意の組み合わせ、アレイ、アセンブリおよび他の構造体である。
【００２９】
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。
【００３０】
さらに、本願において説明する実施形態は、単に例に過ぎず、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義される。
【００３１】
ＴＥ発電装置の基本的な理論的動作は、図１Ａを参照することによってさらに理解されることができる。１つ以上のＴＥ素子１６１および１６２が、一端で熱出力源ＱＨ１６４と、他端で廃熱ＱＣ１６７を除去するために第１および第２のヒートシンク１６６と良好な熱接触をしている。温度ＴＨ１６５の熱出力源１６４は、温度ＴＣ１６８のヒートシンク１６６比較的高温である。温度差ΔＴ１６９があるために、熱出力は、熱出力源１６４からヒートシンク１６６に流れる。熱出力の一部は、適切なＴＥ１６１、１６２によって電力に変換されることができる。
【００３２】
エネルギ変換効率φは、熱入力電力ＱＨ１６４によって除算した出力負荷１７１に等しい。
2011211900.tif 000003
効率はまた、以下のように書くこともできる。
2011211900.tif 000004
括弧内の右側の第１項はカルノーサイクル効率であり、熱力学第二法則に基づく最大の入手可能な効率である。第２項ηＧＴは特定の変換プロセスに関する効率因子で（１未満で）ある。発電装置のこれらの特性は、それが、熱電子、熱電（狭義）、光子、量子トンネリング、磁気熱量またはそれらの任意の組み合わせであるかにあてはまる。因子ηＧＴは特定の種類の発電装置の特性を表す。添え字「ＧＴ」は、発電装置の種類をあらわすために用いられる。たとえば、形態ηＴＥが熱電（狭義）材料システムと解釈されることを示すために、「ＧＴ」は「ＴＥ」に置き換えられる。その場合には、損失を除く理論的な最適効率値は、
2011211900.tif 000005
であり、式中、
2011211900.tif 000006
2011211900.tif 000007
（６）α＝材料システムの正味のゼーベック係数
（７）ｐ＝材料システムの平均電気抵抗
（８）λ＝材料システムの平均熱伝導率
である。
【００３３】
これは公知の結果であり、非特許文献１にさらに詳細に記載されている。
【００３４】
一般に、発電装置の効率または電力出力のいずれかを最適化することが望ましい。簡略化するため、熱電システムおよび高効率におけるその動作について記載する。しかし、説明は他の条件下の動作に当てはまり、さらに一般的には他のＴＥシステムにも当てはまる。
【００３５】
図１Ｂ〜図１Ｇは、回転熱電発電装置１００の概略構成を示す。図１Ｂは斜視図である。図１Ｃは、図１Ｂ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１Ｄは、回転熱電発電装置１００の断面である。図１Ｅ〜図１Ｇは、発電装置の種々の部分のさらなる詳細を示している。（図１Ｃおよび図１Ｄ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から構成され、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と良好な熱接触をしている。絶縁体１０９が、高温側および低温側を隔離する。絶縁体１０９は、モータ回転子１１０に回転部を強固に連結する。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から構成される。接点１２４、１２５において、配線１２３は、互いに電気的に絶縁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、強固な回転可能なユニットを形成している。
【００３６】
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１Ｇ）。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従来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に接続する。配線１２２はまた、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に接続する。
【００３７】
（図１Ｂにおいて最もよく分かる）スポーク１１３は、（図１Ｄの）内壁１１４をモーターベース１１６に機械的に取り付け、それに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に取り付けられ、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から流れることができる。高温作動流体１０５、１０６（図１Ｄおよび図１Ｅ）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。
【００３８】
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。電力は、配線１２３を通って、接点１２４、１２５、シャフト部分１１７、１１８に伝達され、スリップリングコンタクト１１８、１２０を通って、配線１２２に伝達される（図１Ｇにおいて最もよく分かる）。
【００３９】
モータ回転子１１０に作用するモータアセンブリ１１１は、回転アセンブリを回転させる。一実施形態において、熱交換器１０２、１０３は、回転アセンブリの回転軸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中の温度差を維持するために、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。
【００４０】
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、回転に関する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の向上および出力密度の増加において得られると考えられる。
【００４１】
図１Ｅは、発電装置１００の低温側作動流体および高温側作動流体の移動に関する詳細図を示す。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によって分離されている。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ユニットとして移動するように、モータ回転子１１０は、絶縁体１０９に強固に取り付けられる。配線１２３は、図１Ｇの説明においてさらに詳細に記載するように、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１Ｇ）によって、モータドライバ１４０およびシャフト１３０（図１Ｇに詳細に示す）に接続される。電気配線１２３は、ＴＥモジュール１０１およびシャフト１３０を接続する。
【００４２】
熱交換器１０２を加熱する高温流体１０５および熱交換器１０３を冷却する低温流体１０７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の移動は、ブロワまたはラジアルファンの羽根として機能する熱交換器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。
【００４３】
図１Ｆ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、当業界において周知であるような折り畳み型フィンとして示されているが、任意の他の適切な熱交換器設計であってもよく、一例として、非特許文献５に見いだされる任意の好都合な設計にしてもよい。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んでもよい。
【００４４】
図１Ｇ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さらなる詳細を示す。このアセンブリは、絶縁体１０９中の配線１２３からなり、この配線１２３は、一方が内側シャフト１１９に電気的に接続され、かつ他方が外側シャフト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。
【００４５】
図１Ｈ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ることにより、図１Ｄおよびび図１Ｅに示す電気モータが不要となる。
【００４６】
図１Ｈ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部品は、ファン１５０および絶縁体１０９が、１つの回転可能なユニットを形成するように取り付けられている点を除き、図１Ｅ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する。
【００４７】
動作中、作動流体１０５が、ファン１５０を推進する。ファンからの出力が、回転可能な部分を回転させる。この実施形態において、回転は、低温作動流体１０７を吸い込むように作用するほか、図２〜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。
【００４８】
ファン１５０は、別個の部分として示されている。熱交換器、またはさらに他の部分を、比較的高温の流体、比較的低温の流体および／または排出流体の流れに利用可能な出力を用いて、回転を引き起こすような形状および配置にする他の設計を用いることによって、同じ機能を達成することができる。たとえば、そのようなシステムは、自動車の場合のように、内燃機関の排気流において用いることが可能である。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、排気流は回転熱電アセンブリを回転させる。
【００４９】
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、当業界で周知の任意の設計であってもよく、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任意の実行可能な構成であってもよい。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伝播する任意の設計であってもよい。
【００５０】
図１Ｄ〜図１Ｇは単一の回転アセンブリを示すが、複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。
【００５１】
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の円形アレイおよび内側ヒートパイプ２０３の円形アレイと良好な熱接触をするリング形状のＴＥモジュール２０１からなる。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、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２１１の周りを中心にして略対称である。
【００５２】
動作中、回転アセンブリ２００は、回転軸２１１を中心にして回転する。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に熱流束を伝達し、ＴＥモジュール２０１の外面に熱流束を伝達する。熱流束の一部は、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）へと進む。
【００５３】
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の場合のように、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。好ましい一実施形態において、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。動作中、回転アセンブリ２００が軸２１１を中心にして回転している間、回転力は熱伝達流体の液相を特定のヒートパイプ２０２、２０３の回転軸から遠い方へ押しやる。回転によって誘発される外向きの力の方向は矢印２１０によって示される。たとえば、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および気相との境界面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。
【００５４】
回転アセンブリ２００の回転によって誘発される外向きの力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。高温気体（図示せず）が、外側の熱交換器フィン２０４から外側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の一部を蒸発させる。蒸気は、より高密度の液相２０６に置き換わるため、矢印２１０によって示す方向とは反対方向の内側ヘ移動する。ＴＥモジュール２０１の境界面に接触するヒートパイプ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、熱含量の一部をＴＥモジュール２０１へ伝達し、凝縮して液相となる。回転により誘発される力は、高密度の液相を矢印２１０によって示される方向に押しやる。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、次にＴＥモジュール２０１の外面へ伝達されると、流体サイクルが繰り返される。
【００５５】
同様に、ＴＥモジュール２０１の内側からの廃熱は、内側ヒートパイプ流体の液相２０７を沸騰させ、内側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ヒートパイプシェル２１５の隣接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によって示される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つの場所では絶えず蒸発し、別の場所では凝縮して遠心力によって最初の場所へ逆流される。
【００５６】
回転アセンブリ２０１の回転により生成される力は、回転子の寸法および回転速度に応じて、重力の数倍から何千倍になる場合がある。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、より少ない熱伝達損失かつより高い熱流束で動作可能となる。
【００５７】
図２Ｃは、回転軸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。図示されている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。
【００５８】
図２Ｃは、個々のヒートパイプセグメント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。
【００５９】
図３は代替熱電発電回転アセンブリ３００を示しており、この図では、作動流体は略半径方向に流れる。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と良好な熱接触状態にある円盤状の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熱交換器３０５である。回転アセンブリ３００は、中心線３１０を中心にして回転し略対称である。
【００６０】
動作中、回転アセンブリ３００は、図１Ａの場合のようなモータにより駆動されて、中心線３１０を中心にして回転する。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との間を略半径方向の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、中央側熱交換器３０３および比較的低温側ヒートパイプ３０５の中を通って略半径方向の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から比較的低温側ヒートパイプ３０３により対流される熱を除去する。比較的高温側ヒートパイプ３０４からＴＥモジュール３０１へ、比較的低温側ヒートパイプ３０５から流出する熱流束の一部は、ＴＥモジュール３０１によって電力に変換される。
【００６１】
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、高温作動流体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有利である。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。
【００６２】
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と良好な熱接触状態にある。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、比較的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とを有する密封されたシェル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と良好な熱伝達状態にある。矢印３０８は、回転アセンブリが軸３１０を中心にして回転すると生じる外向きの力の方向を指している。
【００６３】
動作中、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と、境界面３１４および３１５とを形成する。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、比較的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、熱流束の一部は、ＴＥモジュール３０１から、比較的低温側ヒートパイプシェル３１３との境界面へ、次に比較的低温側ヒートパイプ流体３０７内へと通過し、それによって、流体３０７が沸騰する。比較的低温側熱交換器３０５および比較的低温側作動流体（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。
【００６４】
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、比較的低温側熱交換器４０２および比較的高温側熱交換器４０３に熱的に接続される。示された実施形態において、比較的低温側熱交換器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、比較的高温側熱交換器４０３は、ヒートパイプ４０５およびフィン４０７のセグメントを有する。比較的低温の作動流体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、比較的高温の作動流体４１４および４１５は、絶縁体４２３、４２４および外側ダクト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の内側部分に強固に連結され、これによってＴＥモジュール４０１および熱交換器４０３に強固に連結される。配線４２０およびシュラウド４２５が、ＴＥモジュール４０１に強固に連結される。同様に、ファンブレードアセンブリ４１３が、ＴＥモジュール４０１に強固に取り付けられる。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と電気的に接続状態にある。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。
【００６５】
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によって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。
【００６６】
高温作動流体４１４は、左から入り、熱エネルギを高温側熱交換器４０２へ、次に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、比較的低温の作動流体４０８は、左から入り、比較的低温側熱交換器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る。
【００６７】
ヒートパイプ４０２、４０３は、２００１年４月２７日出願の「熱絶縁を利用した効率改善型熱電システム（ＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ＴｈｅｒｍａｌＩｓｏｌａｔｉｏｎ）」という名称の特許文献３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区分されており、この特許は参照によって本願明細書に援用されるものとする。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、熱出力の輸送効率が増加し、システムが動作することができる許容可能な出力密度を増大する。熱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、装置全体をさらに小型化することができ、高い熱出力密度で有利に動作する熱電材料を用いることができる。
【００６８】
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を適切に分離する任意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、入口の幾何構成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によって比較的低温の作動流体４０８および比較的高温の作動流体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を分離する役割を果たし得る。そのような実施形態において、ファン４１３は、省略してもよく、またはその役割を代わりの流体ポンプ機構で補ってもよい。
【００６９】
図５は、熱交換器がファンブレードとして機能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、概念が類似している。回転アセンブリ５００は、ＴＥモジュール５０１、比較的低温の流体熱交換器５０２、比較的高温の流体熱交換器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、それらはすべて、シャフト５１０を中心にして回転する固定型ユニットを形成するように互いに強固に連結されている。比較的低温の流体熱交換器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、比較的高温の流体熱交換器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、比較的高温の作動流体５１１、５１２を閉じ込めるチャンバを形成する。同様に、絶縁体５１５、５１７およびダクト５０６は、チャンバを形成し、そのチャンバは比較的低温の作動流体５１３、５１４を閉じ込める。比較的高温の作動流体５１１および比較的低温の作動流体５１３を分離するために、シール５１６が絶縁体５１５、５１７内に形成される。
【００７０】
アセンブリ５００は、熱交換器５０２、５０３を回転させる動力を提供するモータ回転子５０９によって動作し、今度は熱交換器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を生じて、ＴＥモジュール５０１に温度勾配を生じる。それにより生じた電力が、図１Ａ〜図１Ｅに示す設計により、または環境において許容可能な他の伝達方法により、抽出されて外部回路構成要素に伝達される。
【００７１】
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有利である。図４の発電装置のような発電装置は、それぞれ異なる組成および／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。たとえば、ボイラー、ドライヤーあるいは同種のものからの廃棄される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、有利なことに電力を生成する温度に冷却される。この状況において、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おいて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、異なる流体を分離するために用いることができる。最後に、２つ以上の低温側作動流体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。
【００７２】
図６の設計もまた、図４に記載したヒートパイプを利用する。図６のアセンブリ６００は、特許文献１に教示されている向流を利用し、この特許は参照によって本願明細書に援用されるものとする。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、断熱を利用する。発電装置アセンブリ６００は、ＴＥモジュール６０１と、対の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。
【００７３】
比較的高温側作動流体６１１、６１２は、絶縁体６０９、６１５、６１９、６２０、６２１によって閉じ込められる。比較的低温側作動流体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を絶縁体６１５に連結する。
【００７４】
比較的低温側作動流体６０４は、左から入り、熱交換器６０２から熱出力を吸収し、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の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、構造的な支持を提供し、比較的高温の作動流体６１１を比較的低温の作動流体６０６から分離し続けるための部分的なシールとして機能し、比較的低温の作動流体６０６の流れを導くのを助けるために用いることができる。比較的高温の作動流体６１１は、半径方向の内向きに入り、比較的高温側熱交換器６０３に熱出力を伝播し、次いで、回転ファンブレード６１３の作用により半径方向の外向きに流出される。シュラウド６１４は、ファンブレード６１３に構造的な剛性を加え、出ていく比較的高温の作動流体６１２から比較的低温の作動流体６０４を分離するための部分的なシールとして機能し、比較的高温の作動流体の６１２の流れを導くのを助けるように用いることができる。
【００７５】
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、向流で動作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。
【００７６】
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。比較的高温の作動流体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。比較的低温の作動流体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、比較的高温の作動流体７０９を比較的低温の作動流体７１２から分離する。
【００７７】
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種類の向流を用いて動作する。それは、フィン７０４を有する高温側熱交換器７０２が、比較的高温の作動流体７０６、７０９を流出入させるために回転ファンブレードとして機能する略半径方向において動作する。比較的低温の作動流体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の外向きの力と、比較的低温側作動流体７１３、７１４に作用するファンブレード７２３の回転により生じる半径方向の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の効果は、流体７１２、７１３、７１４を図７に示す方向に流すことである。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成され、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の外向きに延びている。あるいは、流体７０６、７０９、７１２、７１３、７１４の任意の部分の移動は、外部ファンまたはポンプにより生じることが可能である。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。
【００７８】
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または任意の他の好都合な方法によって、生成され給送される。
【００７９】
図８は、半径方向および軸方向の幾何構成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。比較的低温の作動流体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。比較的高温の作動流体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。
【００８０】
動作は、比較的低温の作動流体８０５が、熱交換器８０２を略軸方向に流れる点を除き、図７において上述したものと類似している。本願明細書に示すように、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、「熱絶縁を利用した効率改善型熱電システム（ＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ＴｈｅｒｍａｌＩｓｏｌａｔｉｏｎ）」という名称の２００１年４月２７日出願の特許文献１に教示されている断熱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い。この特許出願は参照によって本願明細書に援用されるものとする。
【００８１】
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とからなるリング形状アレイのセグメントである。間隙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の部分を電気的に絶縁する。動作時には、一方の熱交換器９０３はたとえば冷却され、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。
【００８２】
この構成では、ＴＥモジュール９０１は、一部であるアセンブリ９００のリングを中心にして略円形方向に電流９１０が流れる個別のＴＥ素子９０１であってもよい。ＴＥモジュール９０１が個別の熱電素子である部分において、図示したように電流９１０を流すための素子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、隣接する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、隣接するフィンは、間隙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つ以上の場所において環状の電流の流れを遮断し、遮断点に図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、電力を抽出することができる。
【００８３】
あるいは、素子の群は、隣接する熱交換器９０３、９０２の間にあり、それにより、ＴＥモジュール９０１を形成することができる。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、間隙９０６、９０７が不要であるように、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によって維持されてもよい。
【００８４】
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を加熱することが有利である。
【００８５】
図１０は、熱電発電システム１０００のブロック図を示す。図示されているように、このシステムは、比較的高温の作動流体源１００２と、比較的低温の作動流体源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、上に開示した任意の実施形態または本願明細書に教示された原理を用いた任意の類似の実施形態のどの実施形態に関しても構成される。比較的高温の流体源１００２は、発電装置アセンブリ１００６用の熱源を提供する。比較的低温の流体源１００４は、発電装置アセンブリ１００６の熱電に好都合な温度勾配を作り出すのに十分な程度に比較的低温の作動流体源を提供する。排出作動流体は、出力部１００８で発電装置アセンブリから出る。発電装置アセンブリ１００６からの電力は、電力出力部１０１０で供給される。このシステム１０００は、単に一般的な例示のシステムであり、本発明の発電装置アセンブリを発電システム内へ組み込む方法を限定するわけではない。
【００８６】
図１１は、対流熱電発電システム１１２０を示す。 ＴＥ素子１１２１、１１２２は、一定の温度ＴＨ１１２５である一端において比較的高温側プレート１１２３と良好な熱伝達状態にあり、それによって、熱源ＱＨ１１２４と良好な熱伝達状態にある。一定の温度ＴＣ１１２８の他端において、ＴＥ１１２１、１１２２は、比較的低温側プレートまたはヒートシンク１１２６と熱伝達状態にあり、廃熱ＱＣ１１２７を除去する。ダクト１１３６、１１３９は、ＴＥ素子１１２１、１１２２および排気管１１４０を包囲している。負荷１１３１は、配線１１３０によってＴＥ１１２１、１１２２に連結される。対流作動流体１１３３、１１３４および１１３５は、発電装置１１２０を通過する所望の流路にダクト１１３６および１１３９によって閉じ込められる。比較的高温側プレート１１２３と比較的低温側プレート１１２６の温度差は、ΔＴ１２９である。
【００８７】
動作中、空気などの流体１１３３、１１３４は、比較的低温側プレート１１２６の穴１１３７を通って（またはプレートが多孔性であるか、またはプレートが多孔性であり、かつ穴１１３７を通って）ファン１１３２によって流出入され、次に、ＴＥ素子１１２１、１１２２（穴を通るか、またはＴＥが多孔性である）を通り、最後に比較的高温側プレート１１２３（穴１１３８を通るか、または多孔性のプレートを通るか、またはその組み合わせ）を通って流出入される。流体１１３３、１１３４が比較的低温側プレート１１２６から比較的高温側プレート１１２３に移行するとき、ＴＥ素子１１２１、１１２２から熱伝達によって加熱される。流体１１３５は、排気管１１４０を通って温度ＴＨ１１２５で出て行く。熱ＱＨ１１２４は比較的高温側プレート１１２３でシステム１１２０に供給され、負荷１１３１用の電力に部分的に変換される。その熱出力の残りは、加熱された流体１１３５によって絶えず対流によって移動されるか、または比較的低温側プレート１１２６を通って廃熱ＱＣ１１２７として出て行く。負荷１１３１用の電力は、配線１１３０によって伝導される。電力変換効率は一般に、ΔＴ１１２９の増大と共に上昇する。この種の発電装置の動作の詳細は、特許文献２において見出すことができる。
【００８８】
この設計の重要な特性は、熱出力ＱＨ１１２４の一部が廃熱ＱＣ１１２７として比較的低温側プレート１１２６を通って出て行くのではなく、流体１１３３、１１３４を加熱するために利用されることである。したがって、加熱された流体１１３５は、第２のサイクルの部品として用いられることができ、発電装置１１２０によって負荷１１３１に提供されるほかに、電力が生成される。たとえば、排気管１１４０を通って出て行く加熱された流体１１３５は、図１３〜図１７に開示されているものなどの別の発電装置構成と共に用いることが可能である。あるいは、発電装置１１２０は、発電に加えて、すべてまたは部分的に燃焼することができる空気などの高温流体１１３５の源を形成することが可能であり、予熱により燃焼プロセスが向上され、さらに効率を向上させる高温流体源を提供する。
【００８９】
図１３〜図１７に記載の対流熱輸送を用いる次に改善された効率の実施形態をよりよく理解するために、実際的な応用に実際に適用されるときの発電装置１６０の動作および効率の簡単な説明が、図１２に関して記載される。この説明は、現実の世界の設定に適用するとき、効率がいかにして理論的可能性から急激に落ちるかを説明している。
【００９０】
図１２Ａは、初期温度ＴＨ１２０４における作動媒体１２１４の熱出力ＱＨ１２０５である場合の発電装置１２００を示す。実質的に一様な温度ＴＨ１２１２で比較的高温側プレート１２０２は、媒体１２１４およびＴＥ１２０１の比較的高温側と良好な熱接触状態にある。ＴＥ１２０１の比較的低温側は、温度ＴＣ１２０９でヒートシンク１２０８と良好な熱接触をする。廃熱出力ＱＣ１２１０は、ヒートシンク１２０８を通って発電装置１２００から出る。負荷１２２１用の電力は、発電装置１２００によって生成される。対流媒体１２１４が発電装置１２００に入る温度ＴＨ１２０４と出る温度ＴＭ１２１２との間の差により、熱出力ＱＭ１２０３をＴＥ１２０１の比較的高温側に供給する。ＴＥ１２０１中の温度勾配は、ΔＴＣ１２１１である。総温度差は、ΔＴ１２１３である。媒体１２１４は最初は温度ＴＣ１２０６であり、垂直線１２０７によって示されるように印加される熱出力ＱＨ１２０５によって加熱される。
【００９１】
温度ＴＨ１２０４の作動媒体１２１４は、その熱出力の一部ＱＭ１２０３を比較的高温側プレート１２０２に伝達する。次に、作動媒体１２１４は、温度ＴＭでシステムから出る。温度ＴＭからＴＣへの熱出力のバランスは失われるか、または廃棄される。効率φＴＥは、式（９）の括弧内のカルノー項によって部分的に支配される。
2011211900.tif 000008
ＴＭ１２１２がＴＣ１２０４に等しいとき、電力変換効率は０であり、ＴＭ１２１２が効率を増大するときには電力変換効率が上昇する。また、入力電力ＱＨ１２０５の部分ＱＭ１２０３は、熱出力に変換され、ＴＭ１２１２がＴＨ１２０４に等しいとき、部分ＱＭ１２０６は減少する。したがって、ＴＣ１２１１とＴＨ１２０４との間のあるＴＭ１２１２では、効率が最大となる。この解析は、代表的な実際の仮定の場合には、発電装置１２００の効率が図１Ａの発電装置１６０の場合の理論的な可能性の約３２％であることを示している。したがって、実際の応用に適用すると、発電の効率は理論的な可能性をはるかに下回ることが容易に明白となる。その差異は、ＴＣ１２０６からＴＨ１２０４まで作動媒体１２１４を加熱することと、入力熱源ＱＨ１２０５の一部のみがＴＥ１２０１に供給する熱出力ＱＭ１２０３として利用可能であるという状態に、関連している。
【００９２】
図１２Ｂは、発電装置１２００に類似の発電装置１２２０を示しているが、作動媒体１２３９が比較的高温側プレート１２０２を通り過ぎることによってＴＨからＴＭＨ１２３１までΔＴＨ１２３２で冷却される点が異なっている。そのようにすると、作動媒体は、熱出力ＱＭＨ１２２３をＴＥ１２０１に供給し、一方の側で比較的高温側プレート１２０２と、他方の側で比較的低温側プレート１２２８と良好な熱接触をする。作動媒体１２３８は最初はＴＣ１２０９であり、比較的低温側プレート１２２５を通過するときに廃熱ＱＭＣ１２２３を吸収し、温度ＴＭＣ１２３３までΔＴＣ１２３４上昇する。負荷１２１４用の電力は、ＴＥ１２０１によって生成される。作動媒体１２０７は、ＴＣ１２０６でシステムに入り、温度ＴＨ１２０４まで入力電源ＱＨ１２０５によって加熱される。
【００９３】
動作中、たとえば空気の燃焼によって作り出される外部の熱出力ＱＨ１２０５は、高温作動媒体１２３９を生成し、熱出力ＱＭＨ１２２３をＴＥ１２０１の高温側に供給する。負荷１２２１の電力に変換されない熱出力ＱＭＣ１２２９は、作動媒体１２３８を温度ＴＭＣ１２３３まで加熱し、対流媒体が発電装置１２２０から出て行く。したがって、比較的低温側プレート１２２８が温度ＴＭＣ１２３３であり、ＴＣ１２０９より高いことから、総電力入力はＱＨ１２０５であり、部分ＱＭＨ１２２３は発電装置１２００において多い方に制限される。作動媒体１２３８、１２３９は同一材料であり、量が等しいか、またはそうでない場合には略同一の熱量を有する場合には、ΔＴＣ１２３４はΔＴＨ１２３２より若干小さい。熱出力ＱＭＨ１２２３またはＱＭＣ１２２９が０となることから、いずれも０にすべきではない。同様に、差ＴＭＨ１２３１−ＴＭＣ１２３３は、０にすべきではない。または効率
2011211900.tif 000009
は０となる。代表的な状態に関する計算は、効率φ２Ｂが発電装置１６０の理論的効率の約１５％であることを示している。対流媒体が熱出力をＴＥに伝達したり、ＴＥから伝達されたりする要件は、ＴＥ１２０１中の温度差、したがってカルノー効率を実質的に小さくすることができるため、効率は低い。さらに、要件は、用いられる総熱入力の部分を小さくすることを書いてあるに過ぎない。
【００９４】
図１２Ｃは、図１２Ｂの発電装置１２２０に類似の発電装置１２４０を示す。説明は、温度ＴＭＣ１２３３における作動媒体１２３８が、源ＱＨ１２０５によってＴＨ１２０４までΔＴＭＲ１２４２加熱されることを除き、同じである。
【００９５】
動作中、作動媒体１２３８に入る廃熱ＱＭＣ１２２９は、媒体１２３８を温度ＴＭＣまで予熱するために用いられ、その結果熱出力ＱＨ１２０５は、同一の動作および負荷１２２１用の電力出力を達成するために、より少ない熱出力を供給するだけで済む。その結果、このモードで動作する効率は、発電装置１６０の約２３％である。したがって、発電装置１２２０より実質的に効率がよいが、発電装置１６０の理論的効率に比べると相当低い。
【００９６】
したがって、実際の設定に適用したときに、発電装置がそのような低い効率で動作することを考えれば、より高い効率およびより高い出力レベルで電力を生成するために、高温廃棄流体などの図１１のような対流媒体を用いることができる他の設計を識別することが望ましい。図１３Ａは、「コンパクトで高効率な熱電システム（ＣｏｍｐａｃｔＨｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」という名称の特許文献４に記載され、燃料動力式補助発電装置、遠隔発電装置または同等の装置として動作するように構成される種類のスタック設計の発電装置１３００を示す。
【００９７】
有利なことに、発電装置１３００は、対向する型のＴＥ素子１３０４と交互に並べる１つの導電率型のＴＥ素子１３０１を含む。ＴＥ材料は、熱交換器１３０２、１３０５と良好な電気接触および熱接触状態にあり、それらに対し９０°でさらに他の熱交換器１３０６、１３０３と良好な電気接触および熱接触状態にある。これは、図１３Ｂの斜視図においてよりよく分かる。熱交換器１３０２を連結する管路１３０９は、電気絶縁体であり、きわめて低い熱伝導率であることが有利である。同様に、管路１３１４が、熱交換器１３０３を連結する。空気または他の流体１３０７は入口管路１３０８に入り、出口管路１３１０に出る。同様に、排気１３１６は、入口管路１３２０および熱交換器１３０６を通って入り、出口管路１３１５で出る。流体１３０７の移動の一般的な方向は矢印１３０７、１３２１によって示される。排気ガス１３１６の一般的な方向は矢印１３１３によって示される。負荷１３１７は、配線１３２２によって端の熱交換器１３０２および１３０６に連結される。管路１３１０はバーナ１３１１に連結され、燃料タンク１３１８から燃料１３２３が通過するとき、空気１３１２などの作動流体がバーナ１３１１を通過する。バルブ１３１９が燃料の流れを制御する。空気１３０７を発電装置１３００に供給するために、図示されていないが、ブロワまたはポンプがある。バルブは、状態の変化に適合するように、フィードバック制御システムによって制御されることが可能であることが好ましい。
【００９８】
動作中、空気１３１２は、燃料１３２３の流速を制御するバルブ１３１９によって、燃料１３２３と共に燃焼される。結合物は、燃焼時には、空気１３１２を所望の温度まで加熱する。空気の熱出力の一部がＴＥ１３０１、１３０４を通過し、一般に式（２）に基づいて電力を生成する場合には、排気は熱交換器１３０６に入る。このプロセスにおいて、入ってくる空気１３２１は管路１３１０を通って燃焼器１３１１に入る前に増加的に加熱される。排気１３１６が他の熱交換器１３０３を通過することにつながるため、排気は徐々に冷却され、その熱をＴＥ１３０１、１３０４に供給し、各ステージで負荷１３１７用に生成された電力に追加する。このプロセスからの廃熱の一部は、熱交換器１３０２を通過するときに、入ってくる空気１３０７を徐々に加熱する。
【００９９】
排気ガス１３１２の温度を制御して負荷１３１７への電力および発電装置１３００の効率を調整するために、図示されていないが、給気制御に加えて、バルブ１３２３を用いることができる。
【０１００】
水素および酸素などの任意の他の燃料システムを用いることも可能である。プロパンなどの気体燃料もまた、空気１３０７に加えて、同種の第２の発電装置に入れることが可能である。燃焼後、両方の発電装置への熱源を提供するために、排気を適切に分割することができる。あるいは、熱源は、核同位体崩壊、太陽エネルギまたは任意の他の熱源に由来してもよい。発電装置１３００は、示したものより熱交換器１３０２、１３０３およびＴＥ素子１３０１、１３０４の数が多くてもよく、少なくてもよい。同様に、ＴＥ素子１３０１、１３０４は、ＴＥモジュールまたは任意の他の適切な個体エネルギ変換器に置き換えることができる。したがって、電気配線１３２２および負荷１３１７の特性は変化し、特定の応用に関してシステム設計者によって指定されてもよい。太陽熱、核または外部の燃焼システムを用いて熱出力をシステムに伝達する場合には、空気１３０７、１３１２、１３１６は、閉ループシステムまたは開ループシステムのいずれかとして構成されることが可能な任意の適切な流体によって置き換えることが可能である。熱交換器１３０２、１３０３、１３０６はＴＥ１３０１、１３０４から電気的に絶縁されている場合には、媒体は、水銀などの液体金属であってもよく、ＮａＫ、ウッドメタルまたは任意の他の適切な液体金属などの高温で用いることができる水銀に代わる毒性の弱い合金であれば有利である。
【０１０１】
図１３Ｃは、発電装置１３００の動作の概略図１３２３を示す。温度ＴＣＭ１３２４で入る燃焼器１３１１からの排気は、熱交換器１３０３、１３０６と良好な熱伝達状態にあり、今度は、ＴＥ１３０１、１３０４と良好な熱伝達状態にある。排気１３１６は、温度ＴＭＨ１３２４で出る。同様に、温度ＴＣ１３２６の空気１３０７、１３２１および１３１０は、温度ＴＣＭ１３２４まで徐々に加熱される。電力に変換されない排気（図示せず）からの廃熱の部分は、ＴＥ１３０１、１３０４を介して熱交換器１３０２、１３０５および空気１３０７に供給される。熱源は、燃焼器１３１１および燃料１３１８の形態であり、熱出力を発電装置１３２０に供給する。
【０１０２】
たとえば、ＴＭＨ１３２４とＴＣ１３２６との間、ＴＨ１３２５とＴＣＭ１３２４との間および概略図１３２０の他の場所の温度差間の熱の流れは、式（２）に基づき、各ＴＥ１３０１、１３０４間に電力を生成する。燃焼器１３１１からの熱出力に対する発電装置１３００のＴＥ１３０１、１３０４によって生成されたそのような電力すべての合計の比が、システム効率である。この設計では、詳細な計算は、システム損失およびファン（またはブロワ）の出力が無視される場合には、効率は理論的には発電装置１６０の効率の約１３０％までの範囲であることを示している。実際の結果は相当低く、発電装置１６０の４０％〜７０％の範囲であり得る。しかし、上記で説明したように、発電装置１６０の実際の現実的な動作効率が１２％〜２５％である場合には、発電装置１３００は、実際の応用では発電装置１６０の効率の数倍で動作することができる。したがって、効率は、発電装置１２２０および１２４０によって生じる効率より実質的に高い可能性がある。
【０１０３】
図１４Ａは、特許文献３に教示された熱絶縁と、直製アレイの構成では本開示の再循環とを用いる発電装置１４００を示す。発電装置１４００は、比較的高温側熱交換器１４０２および比較的低温側熱交換器１４０３と良好な熱接触状態にあるＴＥ素子１４０１またはＴＥ素子のアレイを有する。空気１４０７はブロワ１４０８に入り、次に、低温側熱交換器１４０３の入口１４０６に達する。加熱された空気１４１０は、ダクト１４１３を通って入る高温燃焼生成物１４１２または他の高温流体と混合室１４１１内で混合される。加熱された空気混合物１４１０は、比較的高温側熱交換器１４０２を通過し、空気混合物１４１４は、排気管１４１６を通してハウジング１４０９を出る。ハウジング１４０９は、アセンブリを包囲する。負荷１４１５は、ＴＥ１４０１に連結される。間隙１４０５が、ＴＥ１４０１および熱交換器１４０２および１４０３の個別のペアリングを隔て、熱的に絶縁する。
【０１０４】
動作は発電装置１３００に類似しているが、ＴＥ１４０１が高温側熱交換器１４０２および低温側熱交換器１４０３とペアを成して、熱絶縁を実現している点が異なっている。動作時にはＴＥ素子またはモジュール間の温度差により、電力が生成され、集められて負荷１４１５に供給される。このシステムは、図１３Ａの発電装置１３００とほぼ同程度に効率的である。
【０１０５】
空気１４０７、１４１０および１４１４は、液体、固体、スラリー、フォーム、流体中に分散されるナノ粒子または任意の他の好都合な媒体などの気体媒体、液体媒体および固体媒体の任意の組み合わせで置き換えることができる。発電装置１３００と同様に、混合室１４１１で任意の熱源を用いて熱出力を供給することができる。最後に、対流媒体は、ポンプまたは電気モータによって閉ループ態様で動作し、ブロワ１４０８に代わってシステムを駆動することができる。閉ループシステムでは、排気１４１４は、ある程度冷却した後、いくつかの態様で入口に戻される。
【０１０６】
図１４Ｂは、図１４Ａの発電装置１４００の動作の概略図１４２０を示す。温度ＴＧの高温気体１４１２は熱出力ＱＨを混合室１４１１に対流させ、それによって、比較的低温側対流媒体１４２１をＴＭＣ１４２５からＴＨ１４２７までΔＴＭ１４２８上昇させる。比較的高温流体１４１０は、冷却され、温度ＴＭＨ１４２６で出る。ＴＥ１４０１は、高温側対流媒体１４１０および低温側対流媒体１４０６と良好な熱接触状態にある。比較的低温側流体１４０６は、温度ＴＣ１４２４で入り、温度ＴＭＣ１４２５で出る。負荷１４１５は、ＴＥ１４０１と電気的に接続される。
【０１０７】
動作中、少なくとも４０個の熱的に絶縁される熱交換器があり、それによって少なくとも２０個のＴＥ１４０１に連結されている場合には、対流媒体１４０６、１４１０の温度分布１４２１、１４２２は、図１４Ｂに示されているように、ほぼ滑らかな傾斜線として現れる。これらの条件下で、式（２）に基づき、それぞれの熱的に絶縁されたＴＥセグメント１４０１が電力に寄与し、その式において個別の高温側の温度をＴＨに低温側の温度をＴＣに置き換えるのであれば、効率は比較的高くなり得る。より少数のＴＥ１４０１を用いることもでき、この場合には一般に若干低い効率を生じる。
【０１０８】
図１５Ａは、対流発電装置部分および絶縁素子発電装置部分を有する熱電併給システム１５００を示す。発電装置１５００は、ファン１５１１、ヒートシンク１５１２、対流式ＴＥ１５０２、対流媒体１５０４、比較的高温側電極１５０５、熱源１５０６、比較的高温流体１５１１、１５０８、複数のＴＥ１５０１に連結される複数の熱的に絶縁される熱交換器１５０７、出口１５０９およびハウジング１５１０を有する。ファン１５１１は、ヒートシンク１５１２を過ぎて対流流体１５０３を流出入し、ヒートシンク１５１２は対流媒体１５０４が通過する対流式ＴＥ１５０２の比較的低温側と良好な熱接触状態にある。これは、多孔性熱電材料を用いて、または熱電材料中の穴を通じて、または任意の他の類似の態様において達成されることができる。対流媒体１５０４は、対流式ＴＥ１５０２を通過し、比較的高温側電極１５０５を通って出て行き、熱源１５０６に達する。対流媒体１５０４の通過を可能にするために、比較的高温側電極１５０５は、多孔性であってもよく、穴を有してもよい。加熱される流体１５１１、１５０８は、複数の熱的に絶縁される熱交換器１５０７を通過し、出口１５０９から出る。ＴＥ１５０１の比較的低温側は、ヒートシンク１５１２と良好な熱接触状態にある。発電装置のハウジング１５１０は、アセンブリを収容する。
【０１０９】
動作中、比較的低温における対流媒体１５０３が、ファンまたはポンプ１５１１によって発電装置１５００を通過するように流出入される。対流媒体１５０３は最初に（穴またはヒートシンクの多孔性部分によって）ヒートシンク１５１２の一部を通過し、次に対流式ＴＥ１５０２を通過する。対流式ＴＥ１５０２は、図１１の説明において簡単に記述したように動作する。対流流体１５０４は、比較的高温側電極１５０５を通り、有利なことに熱源１５０６を通って出る。熱源１５０６は、触媒によるバーナまたは任意の他の適切な熱源であってもよい。生成された熱出力の一部は、ＴＥ１５０２に伝導され、発電装置１５００のその部分で電力を生成する。熱源１５０６によって生成される熱出力のバランスは、熱交換器１５０７を通過し、その熱出力の一部または有利にはほぼすべてが抽出され、熱交換器１５０７によって、ＴＥ１５０１を通過した後に出る。ＴＥ１５０１はまた、対流式ＴＥ１５０２からの電力と結合することができる電力を生成する。
【０１１０】
空気１５０３以外の他の対流媒体を用いることができる。具体的に言えば、熱電併給装置１５００は、ファン１５１１がポンプによって置き換えられる閉ループシステムにおいて低分子量シリコーン油などの低粘性油を用いることができることが有利である。また、対流式ＴＥ１５０２は、特許文献２に開示される構成のような有効外部熱伝達力を備えた固体ＴＥによって、または任意の他の内部熱伝達方法または外部熱伝達方法によって置き変えることができる。対流式ＴＥ１５０２が対流媒体から電気的に絶縁される場合には、液体金属または固体対流媒体を用いることができる。
【０１１１】
図１５Ｂは、熱電併給装置１５００の動作に関する概略図を示す。ＴＥ１ １５０１は、絶縁したＴＥ素子アレイとして動作する１つのＴＥアセンブリを識別し、左のＴＨ１５２２から右下のＴＨＭ１５２５に温度が低下するその比較的高温側１５２１と、ＴＣ１５２３のその比較的低温側を有する。第２のＴＥ発電装置ＴＥ２１５０２は、特許文献２に記載される対流発電技術を用い、ＴＨ１５２２の比較的高温側およびＴＣ１５２３のその比較的低温側を有する。熱源ＱＨ１５２４は、熱出力を対流媒体１５０３に付与し、対流媒体１５０３は対流式ＴＥ１５０２を通って入り、熱的に絶縁されるＴＥ１５０１のそばを通り過ぎることによって加熱された媒体１５１１、１５０８として出る。
【０１１２】
対流媒体１５２１における熱出力の本質的にすべてが熱的に絶縁されるＴＥ１ １５０１によって抽出され、ＴＥ１ １５０１および対流式ＴＥ２ １５０２の両方がほぼ最適な効率で動作される場合には、熱電併給装置 １５００の効率は、熱電材料の場合の発電装置１６０に関して理論的に可能な効率とほぼ同じであり、ＺＴＨは１．０〜２．５である。
【０１１３】
図１６は、電力を生成するために固体対流媒体を用いる発電装置１６００を示す。発電装置１６００は、複数のＴＥ１６０１、負荷１６１４、第１の導電媒体１６０２および第２の導電媒体１６０６、第１の取り付けシャフト１６０５、第２の取り付けシャフト１６０８、断熱プレート１６０４、熱出力源１６１１、比較的高温側熱交換器１６１３および比較的低温側熱交換器１６０９を有する。静止型ＴＥ１６０１は、負荷１６１４に電気的に接続され、第１の移動媒体１６０２および第２の移動媒体１６０６とは電気的に絶縁されているが、良好な熱接触状態にあることが好ましい。図１６に示される実施形態の場合には、第１の移動媒体１６０２および第２の移動媒体１６０６は、示されているように円盤形状である。ＴＥ素子１６０１は、ＴＥ材料の塊を形成し、第１の移動媒体および第２の移動媒体のほぼ外径からほぼ内径まで延在していることが好ましい。有利な実施形態において、ＴＥ素子１６０１は、第１の移動媒体１６０２および第２の移動媒体１６０６の円盤の外周または内周に完全に到達しないように、円盤の幅より若干小さい。電気モータまたは他の駆動機構（図示せず）によって駆動される第１の側のシャフト１６０５は、断熱プレート１６０４に取り付けられ、今度は、第１の対流移動媒体１６０２に取り付けられるため、３つの部品は単一の可動部品を形成する。第２の回転シャフト１６０８は、第２の断熱プレート（見ることはできない）および第２の対流移動媒体１６０６に類似の態様で連結される。矢印１６０３および１６０７はそれぞれ、移動媒体１６０２および１６０６の移動方向を示す。熱源１６１１は、熱出力ＱＨ１６１２を第１の移動媒体１６０２および第２の移動媒体１６０６の両方と良好な熱接触状態にある比較的高温側熱交換器１６１３に供給し、熱出力を第１の移動媒体１６０２および第２の移動媒体１６０６に付与する。同様に、比較的低温側熱交換器１６０９は、比較的高温側熱交換器１６１３から約１８０°の位置で第１の移動媒体１６０２および第２の移動媒体１６０６の両方と良好な熱接触状態にある。比較的低温側熱交換器１６０９は、移動媒体１６０２および１６０６から廃熱出力ＱＣ１６１０を抽出する。移動媒体１６０２、１６０６は図１６の垂直方向および軸方向においてきわめて良好な熱伝導率を有し、回転方向１６０３および１６０７においてきわめて低い熱伝導率を有することが有利である。このような態様で、特許文献３の教示による断熱を得ることができる。これは、銅のスライスが第１の移動媒体および第２の移動媒体を形成し、移動方向においてＴＥ素子１６０１間の間隙より薄いようなエポキシ固着材料によって共に凝固される銅の（パイの一切れのような）小さなスライスを製作することによって得ることも可能である。このような態様で、ＴＥからＴＥへの任意の熱伝導が最小限に抑えられる。あるいは、導電媒体１６０２および１６０６は、軸平面および半径平面において幅および長さを有するように向けられた銅箔などの高い導電率材料からなる積層材料から構成され、銅箔は半径方向の熱伝導率を小さくするために、低い導電率のエポキシ接着剤によって分離されている。熱グリース、液体金属の薄層または任意の他の適切���熱伝達材料は図示していないが、移動媒体１６０２および１６０６を熱交換器１６０９および１６１３と熱接触させることが可能である。
【０１１４】
動作は、概略図１４Ｂの動作に類似しているが、移動媒体１６０２および１６０６が熱出力をＴＥ１６０１に直接伝達する点が異なっている。専門用語および図１４の概略図は、発電装置１６００の動作を記載するために用いられる。
【０１１５】
動作中、熱源１６１１から得られた熱出力ＱＨは、熱交換器１６１３によって移動媒体１６０２に伝達され、移動媒体１６０２が矢印１６０３によって示される方向に移動しながら交換器１６１３と接触する領域を出るときに、移動媒体の温度をＴＨまで上昇させる。熱交換器１６１３を出る移動媒体１６０２は、温度ＴＣ１４２４の熱交換器１６０９と熱接触する前に温度ＴＭＨに冷却するときに、熱出力をＴＥ１６０１に伝達する。移動媒体１６０２は、ＴＣに冷却した後、比較的高温側熱交換器１６１３に向かって矢印１６０３によって示される移動方向に進み続ける。同時に、第２の移動媒体１６０６もまた、比較的低温側熱交換器１６０９との接触によってＴＣ１４２４まで冷却される。第２の移動媒体１６０６が回転するとき、ＴＥ１６０１と良好な熱接触状態にあり、低温側から廃熱出力を抽出する。このプロセスにおいて、第２の移動媒体１６０６は、温度ＴＭＣ１４１５まで加熱される。次に、比較的高温側熱交換器１６１３は、第２の側の媒体１６０６をＴＨ１４２７まで加熱される。したがって、移動媒体１６０２、１６０６およびＴＥ１６０１の温度分布は、温度プロファイル１４２２および１４２１に類似している。一旦、移動媒体１６０２上の点が通過し、熱交換器１６０９によって熱交換器１６０９まで冷却されると、移動媒体１６０２は発電装置１６００の第２の部分の比較的低温側の部分となり、一旦、第２の移動媒体１６０６上の点が熱交換器１６１３によってＴＨ１４２７まで加熱されると、第２の移動媒体１６０６は発電装置１６００の部分の比較的高温側となる。熱出力ＱＨ１６１２は、同位体、触媒によるバーナまたは炎などの任意の適切な熱源であってもよい熱源１６１１に由来することができる。比較的高温側熱交換器１６１３および熱出力源１６１１は、集中した太陽放射線または任意の他の適切な非接触源ＱＨ１６１２などの外部熱出力源ＱＨ１６１２によって置き変えることができる。熱出力ＱＨ１６１２が時間と共に変化する場合には、シャフト１６０５、１６０８の回転速度を変化させて、ＴＨ１４２７を所望の温度に維持することができる。さらに、ＴＭＣ１４２５とＴＭＨ１４２６との間の差を制御することによって、回転速度を変化させて、効率を変更することができる。上述したように、移動媒体の円盤１６０２、１６０６はまた、液体金属から構成されてもよいことを理解すべきである。
【０１１６】
速度を制御するために、有利な実施形態において、入力として少なくとも比較的高温側温度センサ１６４２および比較的低温側温度センサ１６４４を備えた制御装置１６４０が、シャフト１６０５、１６０８の速度を適応制御するために設けられる。ステッパモータまたはサーボモータを用いることによって、適切なフィードバックを備えた制御装置１６４０によって、これらの速度をきわめて簡単に制御することができる。状態の変化と共に、適切な動作の境界線を維持するために、速度を変化させることが可能であるように、フィードバックが円盤の高温側および低温側の温度を監視するために設けられる。たとえば、熱源が、時間の経過と共に電力が変化し、時間の経過と共に廃熱が比較的高温または比較的低温になる廃熱システムである場合には、フィードバックは、廃熱が増大中であるときには円盤の速度を加速し、廃熱が減少中であるときには円盤の速度を減速するための制御システムに備えられる。そのような制御システムは、特定の応用向けの発電装置の動作用の特定の所望のスイートスポットを形成するような最高レベルの効率、最高レベルの電力出力または両方の組み合わせを維持するようにプログラムすることが可能である。出口温度ＴＭＨがＴＭＣより量において低く、追加することが必要な増強する熱のレベルが小さくなるように、円盤を相当低速で移動することによって、きわめて高い効率を得ることができることを留意すべきである。このような態様では、熱の大部分がシステムにおいて再循環し、廃棄されて失われる熱はほとんどない。図１３〜図１７の任意の実施形態の場合には、作動媒体の移動速度を制御するために、類似の制御システムを設けることが可能である。
【０１１７】
図１７は、廃熱出力によって発電される発電装置システム１７００を示す。特定の実施例として、自動車エンジン１７０５の排気システム１７０６からの廃熱出力の回収が提供される。排気１７１３は、触媒コンバータ１７０７、向流熱交換器１７０４、マフラ１７０８および出口１７０９を通過する。複数のＴＥ１７０１は、矢印１７１４、１７１５および１７１６によって示される方向に移動中の移動媒体１７０２および１７０３と良好な熱接触状態にある。移動媒体１７０２、１７０３は、ラジエータ１７１０、ポンプ１７１１および熱交換器１７０４を通過する。負荷１７１２は、ＴＥ１７０１に取り付けられる。
【０１１８】
動作中、エンジン１７０５からの排気１７１３は、触媒コンバータ１７０７によって処理され、排気１７１３が熱出力を移動媒体１７０２、１７０３に伝達する向流熱交換器１７０４に入る。冷却された排気１７１３は、１７０９で出る。加熱された媒体１７０３は、加熱された媒体１７０３を冷却するＴＥ１７０１に熱出力を伝達する。移動した媒体はラジエータ１７１０を通過するときに、さらに冷却される。作動媒体１７０２および１７０３は、ポンプ１７１１によって図１７に示された閉ループ構成に流出入される単一の流体であることが有利である。生成された電力は、負荷１７１２に伝達される。
【０１１９】
発電装置１６００の説明に記載したように、性能を調整し、エンジン１７０５から出力される排気１７１３における変動を補償するために、ポンプ１７１１の速度を変更することができる。
【０１２０】
図１７Ｂは、図１７Ａの発電装置１７００のオペレータに関する概略図１７２０を示す。熱出力源１７２１は、向流熱交換器１７０４で媒体１７０２、１７０３と接触している。高温側媒体１７０２は、温度ＴＨ１７２３で熱交換器１７０４から出て、温度ＴＭＨ１７２４でラジエータ１７１０に入る。廃熱出力ＱＣ１７２５は、その点でシステムから出る。比較的高温媒体１７０３は、ＴＥ１７０１およびラジエータ１７１０を通過するときに、温度ＴＣ１７２６まで冷却される。次に、媒体は、比較的低温側のＴＥ１７０１によってポンプ１７１１を通過し、温度ＴＭＣ１７２２で熱交換器１７０４に入る。
【０１２１】
動作中、媒体１７０２、１７０３は、熱出力ＱＨ１７２１を吸収し、温度ＴＨ１７２３で出る熱交換器１７０４を通る閉ループにおいて流出入される。媒体１７０２は、熱出力をＴＥ１７０１に伝達し、それによって媒体１７０２をＴＭＨ１７２４まで冷却する。廃熱出力ＱＣ１７２５は、ラジエータ１７１０によってシステムから排除され、プロセスにおいて、比較的高温媒体１７０３をＴＣ１７２６まで冷却する。今度は、冷却された媒体１７０２はＴＥ１７０１の低温側から廃熱出力を吸収し、そのプロセスにおいて、媒体１７０２を温度ＴＭＣ１７２２まで加熱する。ＴＥ１７０１を通る熱出力の流れによって生成される電力は、負荷１７１２に分配される。このプロセスは動作中に連続的に生じる。
【０１２２】
図１３〜図１７の種々の発電システムのＴＥにわたって、個別のＴＥ素子の比較的高温側から比較的低温側までの勾配に加えて、ＴＥは、アセンブリの一端からアセンブリの他端まで著しく異なる温度で動作してもよいことを留意されたい。したがって、ＴＥは異なる動作温度および条件の下で最適に動作するように構成されることが有利である。たとえば、比較的高温の温度で動作するＴＥの場合には、ＴＥは、比較的低温の温度で動作するＴＥとは異なるＴＥ材料で構成されてもよい。たとえば、比較的高温のＴＥ素子の場合には、ＴＥ素子はシリコンゲルマニウムまたは同等のものなどの比較的高温の動作温度によく適している材料から構成され、比較的低温のＴＥ素子の場合には、ＴＥ素子はテルル化ビスマスなどの材料から構成され得る。比較的高温の動作温度または比較的低温の動作温度に特に適している他の材料も周知である。
【０１２３】
図１３〜図１７の発電装置においてＴＥの可変動作温度に適応させるための別の有利な態様は、ＴＥ素子の少なくともいくつかの比較的低温側部分を第１の材料から構成し、同ＴＥ素子の比較的低温側部分を第２のＴＥ材料から構成するなどの、非一様な態様で個々のＴＥ素子を構成することである。言い換えれば、単一結合ＴＥ素子として周知であるものを形成するために、個々のＴＥ素子は、少なくとも２つの異なる材料から構成される。２つの材料はまた、同一のＴＥ材料であってもよいが、ＴＥ素子の比較的低温側とは異なるように、比較的高温側からドープされる。たとえば、ＴＥ素子の比較的低温側において第１の濃度レベルでドープし、比較的高温側の場合には異なる濃度レベルでドープすることは、最適な動作に適した特性を提供し得る。あるいは、または組み合わせて、各ＴＥ素子またはＴＥ素子の少なくともいくつかの比較的低温側で用いるのと異なるドープ剤を比較的高温側に用いてもよい。
【０１２４】
さらに別の実施形態において、理想的には、温度変化に基づいてアセンブリにわたって常に変化する態様では、ＴＥの構成が変化する。さらに実際的には、ＴＥは動作範囲の群に分けられ、ＴＥ素子は動作範囲に関して適切に構成される。たとえば、図１７Ｂに示されているように、システムにおけるＴＥにわたる動作温度を表す温度プロファイルの中央を通る点線は、ＴＥを構成するための１つの態様を表す。図の左では、比較的低温の温度で動作するのに適した第１のＴＥ材料から構成される部分は小さいか、全くなく、ＴＥ素子のすべてまたは大部分は比較的高温の温度で動作するためにより優れた特性を有する第２のＴＥ材料から構成される。アセンブリの右側では、各ＴＥ素子のすべてまたは大部分は比較的低温の温度で動作するのにより優れた特性を備えるＴＥ材料から構成され、比較的高温の温度で動作するためにより優れた特性を有するＴＥ材料から構成される各ＴＥ素子の部分は小さいか、全くない。比較的高温側の動作によりよく適しているＴＥ材料から構成される各ＴＥ素子またはＴＥ素子の少なくともいくつかの割合または比は、図１７Ｂの上部分であり、比較的低温側の動作によりよく適しているＴＥ材料から構成される各ＴＥ素子またはＴＥ素子の少なくともいくつかの百分率または一部は、図１７Ｂの下部分であることは明白である。点線は、そのような材料の理論的な分布を記す。実際には、ＴＥ素子は、さらにコストがかかる各ＴＥ素子における漸進的な変化ではなく、２つ以上のカテゴリに分けられる。たとえば、慣例が（比較的高温材料％）／（比較的低温材料％）である場合には、９０％部分／１０％部分から構成されるＴＥ素子の群、５０％部分／５０％部分から構成されるＴＥ素子の群、１０％部分／９０％部分から構成されるＴＥ素子の群である。他の比率もあり得る。
【０１２５】
図１７の実施形態は説明のために用いられるが、ＴＥ構成のこの原理は動作温度がアセンブリにわたって異なる任意のＴＥシステムにもあてはまることを留意すべきである。
【０１２６】
本願明細書の個々の教示は、任意の有利な態様で組み合わせられてもよい。そのような組み合わせは、本発明の一部である。同様に、本願明細書の教示における変形を形成するために、「熱絶縁を利用した効率改善型熱電システム（ＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ＴｈｅｒｍａｌＩｓｏｌａｔｉｏｎ）」という名称の特許文献３および回転熱交換器に関する「熱電熱交換器（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）」という名称の特許文献５の教示は、本願明細書と共に組み合わせて用いることができる。たとえば、一実施形態において、高温側および／または低温側の熱交換器は、熱交換器の他の部分から実質的に熱的に絶縁される部分に構成される。同様に、一実施形態において、熱電モジュールの部分は、熱電モジュールの他の部分から熱的に絶縁される。
【０１２７】
さらに、図１３〜図１７の種々の対流型発電装置を共に組み合わせて、２つの異なるレベルで動作する発電装置を形成することができる。
【０１２８】
したがって、本発明は任意の特定の実施形態または特定の開示に限定されない。さらに正確に言えば、本発明は、添付の特許請求の範囲により定義され、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１Ｈ】
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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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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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