(57)【要約】      （修正有）【課題】ターボチャージャーの圧縮機段からのガスと、ガスを処理する中間冷却器の伝熱流体との間で使用する燃費向上のための熱電発電機システムを提供する。【解決手段】システム１００が、中間冷却器１３４によって処理される、ターボチャージャー１２２の圧縮機段１２６からのガス１３０と熱接触する第１の端子１６２と、中間冷却器内で使用するための伝熱流体１４２と接触する第２の端子１６４と、第１の端子と前記第２の端子との間の熱電材料１６８とを備え、熱電発電機１６０が、ガスと伝熱流体との間の温度差を電流に転換する。さらに熱電材料から負荷１９０に伝送される電流フローを制御するために制御装置１７０を設けることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャー（１２２）の圧縮機段（１２６）を出るガス（１３０）を加熱または冷却する中間冷却器（１３４）と共に使用するための熱電発電機システム（１００）であって、
熱電発電機（１６０）が、前記中間冷却器（１３４）によって処理される、前記ターボチャージャー（１２２）の前記圧縮機段（１２６）からのガス（１３０）と熱接触する第１の端子（１６２）と、
前記中間冷却器（１３４）内で使用するための伝熱流体（１４２）と熱接触する第２の端子（１６４）と、
前記ガス（１３０）と前記伝熱流体（１４２）との間の温度差を電流に転換するために、前記第１の端子（１６２）と前記第２の端子（１６４）との間の熱電材料（１６８）と
を備える、熱電発電機システム（１００）。
【請求項２】
前記伝熱流体（１４２）が、不凍液を含む、請求項１に記載の熱電発電機システム（１００）。
【請求項３】
前記第１の端子（１６２）が、前記ターボチャージャー（１２２）の前記圧縮機段（１２６）から前記中間冷却器（１３４）に前記ガス（１３０）を運搬する導管（１３２）と熱接触する、請求項１に記載の熱電発電機システム（１００）。
【請求項４】
前記第２の端子（１６４）が、前記中間冷却器（１３４）に前記伝熱流体（１４２）を運搬する導管（１６６）と熱接触する、請求項１に記載の熱電発電機システム（１００）。
【請求項５】
前記熱電材料（１６８）から負荷（１９０）に伝送される電流フローを制御するための制御装置（１７０）を更に備える、請求項１に記載の熱電発電機システム（１００）。
【請求項６】
ターボチャージャー（１２２）の圧縮機段（１２６）を出るガス（１３０）を加熱または冷却する中間冷却器システム（１０２）であって、
前記ターボチャージャー（１２２）の前記圧縮機段（１２６）を出る前記ガス（１３０）が伝熱流体（１４２）と熱接触するようになって、前記ガス（１３０）を加熱または冷却する伝熱インターフェース（１４０）と、
熱電発電機（１６０）であって、前記ガス（１３０）と熱接触する第１の端子（１６２）と、前記伝熱流体（１４２）と熱接触する第２の端子（１６４）と、前記第１の端子（１６２）と前記第２の端子（１６４）との間の熱電材料（１６８）とを備え、前記ガス（１３０）と前記伝熱流体（１４２）との間の温度差を電流に転換する熱電発電機（１６０）と
を備える中間冷却器システム（１０２）。
【請求項７】
前記伝熱インターフェース（１４０）が、前記ガス（１３０）を受け取るためのチャンバ（１４４）を含み、前記チャンバ（１４４）の内部（１４６）が、前記ガス（１３０）が通って流れる複数の管（１５０）を含み、前記伝熱流体（１４２）が前記チャンバ（１４４）を通過するとき、前記伝熱流体（１４２）が前記チャンバ（１４４）を充填し、前記複数の管（１５０）を取り囲む、請求項６に記載の中間冷却器システム（１０２）。
【請求項８】
前記伝熱流体（１４２）が、不凍液を含む、請求項６に記載の中間冷却器システム（１０２）。
【請求項９】
前記ガス（１３０）が、空気または給気を含む、請求項６に記載の中間冷却器システム（１０２）。
【請求項１０】
前記第１の端子（１６２）が、前記ターボチャージャー（１２２）の前記圧縮機段（１２６）から前記中間冷却器（１３４）に前記ガス（１３０）を運搬する導管（１３２）と熱接触する、請求項６に記載の中間冷却器システム（１０２）。
【請求項１１】
前記第２の端子（１６４）が、前記中間冷却器（１３４）に前記伝熱流体（１４２）を運搬する導管（１６６）と熱接触する、請求項６に記載の中間冷却器システム（１０２）。
【請求項１２】
前記熱電材料（１６８）から負荷（１９０）に伝送される電流フローを制御するための制御装置（１７０）を更に備える、請求項６に記載の中間冷却器システム（１０２）。
【請求項１３】
排気（１２４）を含むエンジン（１２０）と、
ターボチャージャー（１２２）の圧縮機段（１２６）に入るガス（１３０）を圧縮するために前記排気（１２４）の少なくとも部分を受け取るターボチャージャー（１２２）と、
前記エンジン（１２０）を通過する前に、前記ターボチャージャー（１２２）の前記圧縮機段（１２６）を出るガス（１３０）を加熱または冷却するための中間冷却器（１３４）であって、前記ターボチャージャー（１２２）の前記圧縮機段（１２６）を出る前記ガス（１３０）が、伝熱流体（１４２）と熱接触するようになって、前記ガス（１３０）を加熱または冷却する伝熱インターフェース（１４０）を含む中間冷却器（１３４）と、
熱電発電機（１６０）であって、前記ガス（１３０）と熱接触する第１の端子（１６２）と、前記伝熱流体（１４２）と熱接触する第２の端子（１６４）と、前記第１の端子（１６２）と前記第２の端子（１６４）との間の熱電材料（１６８）とを備え、前記ガス（１３０）と前記伝熱流体（１４２）との間の温度差を電流に転換する熱電発電機（１６０）と
を備えるエンジンシステム（１０４）。
【請求項１４】
前記伝熱流体（１４２）が、不凍液を含む、請求項１３に記載のエンジンシステム（１０４）。
【請求項１５】
前記ガス（１３０）が、空気または給気を含む、請求項１３に記載のエンジンシステム（１０４）。
【請求項１６】
前記第１の端子（１６２）が、前記ターボチャージャー（１２２）の前記圧縮機段（１２６）から前記中間冷却器（１３４）に前記ガス（１３０）を運搬する導管（１３２）と熱接触する、請求項１３に記載のエンジンシステム（１０４）。
【請求項１７】
前記第２の端子（１６４）が、前記中間冷却器（１３４）に前記伝熱流体（１４２）を運搬する導管（１６６）と熱接触する、請求項１３に記載のエンジンシステム（１０４）。
【請求項１８】
前記中間冷却器（１３４）から前記エンジン（１２０）への前記ガス（１３０）の流れを制御するスロットル弁（１７２）を更に備える、請求項１３に記載のエンジンシステム（１０４）。
【請求項１９】
前記熱電材料（１６８）から負荷（１９０）に伝送される電流フローを制御するための制御装置（１７０）を更に備える、請求項１３に記載のエンジンシステム（１０４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全体的に熱電発電機に関し、より詳細には、ターボチャージャーの圧縮機段からのガスとガスを処理する中間冷却器の伝熱流体との間で使用するための熱電発電機に関する。関連する中間冷却器システムおよびエンジンシステムを更に提供する。
【背景技術】
【０００２】
熱電発電機は、ゼーベック効果（Ｓｅｅｂｅｃｋ  Ｅｆｆｅｃｔ）に基づいて内燃機関内の廃熱を電気に転換するために使用されてきた。典型的には、そのような発電機には、冷却側の熱交換器および高温側の熱交換器、ならびに熱交換器間の熱電材料が含まれる。廃熱は、エンジンの排気またはエンジンの冷媒のどちらかから取り出される。廃熱から電気を生成することによって、発電機は燃費を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／００００２８５号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本開示の第１の態様は、ターボチャージャーの圧縮機段を出るガスを加熱または冷却する中間冷却器と共に使用するための熱電発電機システムであって、中間冷却器によって処理される、ターボチャージャーの圧縮機段からのガスと熱接触する第１の端子と、中間冷却器内で使用するための伝熱流体と熱接触する第２の端子と、第１の端子と第２の端子との間の熱電材料とを備え、ガスと伝熱流体との間の温度差を電流に転換する熱電発電機システムを提供する。
【０００５】
本開示の第２の態様は、ターボチャージャーの圧縮機段を出るガスを加熱または冷却するための中間冷却器システムであって、ターボチャージャーの圧縮機段を出るガスが、伝熱流体と熱接触するようになって、ガスを加熱または冷却する伝熱インターフェースと、熱電発電機であって、ガスと熱接触する第１の端子と、伝熱流体と熱接触する第２の端子と、第１の端子と第２の端子との間の熱電材料とを備え、ガスと伝熱流体との間の温度差を電流に転換する熱電発電機とを備える中間冷却器システムを提供する。
【０００６】
本開示の第３の態様は、排気を含むエンジンと、ターボチャージャーの圧縮機段に入るガスを圧縮するために排気の少なくとも部分を受け取るターボチャージャーと、エンジンを通過する前に、ターボチャージャーの圧縮機段を出るガスを加熱または冷却するための中間冷却器であって、ターボチャージャーの圧縮機段を出るガスが、伝熱流体と熱接触するようになって、ガスを加熱または冷却する伝熱インターフェースを含む中間冷却器と、熱電発電機であって、ガスと熱接触する第１の端子と、伝熱流体と熱接触する第２の端子と、第１の端子と第２の端子との間の熱電材料とを備え、ガスと伝熱流体との間の温度差を電流に転換する熱電発電機とを備えるエンジンシステムを提供する。
【０００７】
本開示の例示的な態様が、本明細書に説明する問題、および／または考察されない他の問題を解決するために設計されている。
【０００８】
本開示のこれらおよび他の特徴は、本開示の様々な実施形態を図示する添付の図面と併せて考察する本開示の様々な態様の以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態による熱電発電機システム、中間冷却器システムおよびエンジンシステムのブロック図である。
【図２】本発明の実施形態による様々なシステムで使用される熱電発電機の詳細なブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の図面は、必ずしも縮尺通りではないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様だけを図示することを意図しており、したがって、本開示の範囲を限定すると考えるべきではない。図面の中で、図面間の同じ符号は同じ要素を示す。
【００１１】
前述のように、本開示は、ターボチャージャーの圧縮機段からのガスとガスを処理する中間冷却器の伝熱流体との間で使用するための熱電発電機を提供する。関連する中間冷却器システムおよびエンジンシステムを更に提供する。
【００１２】
図１を参照すると、本発明の実施形態による熱電発電機システム１００、中間冷却器システム１０２およびエンジンシステム１０４のブロック図が図示されている。エンジンシステム１０４は、限定しないが、ガス内燃機関、ディーゼルエンジン、ガスタービンなどを含む任意の型のエンジン１２０を含む。ターボチャージャー１２２は、エンジン１２０に作動可能に結合されている。ターボチャージャー１２２は、エンジン１２０からの排気１２４の流れを使用して、後でエンジン１２０によって、例えば燃焼サイクルの中で、使用するための圧縮ガスを生成することができる任意の現在公知の、または将来開発される過給システムを含むことができる。当技術分野で理解されているように、ターボチャージャー１２２は、例えば導管を経て、エンジン１２０から排気１２４の流れを受け取り、排気流の少なくとも部分を取り入れて、圧縮機段１２６に動力を供給する。圧縮機段１２６は、取入れ口１２８を経て、ガス、例えば空気または給気（燃料と混合された空気）を取り入れ、そのガスを圧縮する。ガスが圧縮されるにつれて、ガスの温度が、典型的には、例えば１５０℃から３００℃まで上昇する。圧縮機段１２６によって生成された、上昇した温度のガス１３０は、典型的には温度が高すぎて、エンジン１２０内で効率的な態様で使用することができない。
【００１３】
ガス１３０の温度を下げるために、圧縮された状態のガスが、例えば導管１３２を経て、冷却処理のために中間冷却器１３４に送られる。すなわち、中間冷却器１３４は、ターボチャージャー１２２の圧縮機段１２６を出るガス１３０を冷却する。当技術分野で公知のように、中間冷却器１３４は、特定の場合にはガス１３０を加熱する働きをすることもできる。中間冷却器１３４は、ターボチャージャー１２２の圧縮機段１２６を出るガス１３０が伝熱流体１４２に熱接触するようになって、ガスを冷却または加熱する伝熱インターフェース１４０を含む。伝熱インターフェース１４０は、ガス１３０を受け取るためのチャンバ１４４を含むことができる。チャンバ１４４の内部１４６は、ガスが通って流れる複数の管１５０を含む。伝熱流体１４２は、伝熱流体１４２がチャンバを通過するとき、チャンバ１４４を充填し、複数の管１５０を取り囲む。熱交換器とも呼ばれる伝熱インターフェース１４０は、シェル型および管型装置の両方を含むことができる。伝熱流体１４２は、貯蔵器１５４からポンプ１５２を経て、複数の導管を経てチャンバ１４４の中へ、およびチャンバ１４４の外へと公知の態様で循環することができる。伝熱流体１４２は、複数の管１５０から熱を伝達することができる任意の現在公知の流体、または将来開発される流体を含むことができ、限定しないが、空気、水、不凍液またはその組合せを含むことができる。一実施形態では、伝熱流体は、熱伝達および流体の他の特性を改善するために不凍液を含むことができる。必要であれば、伝熱流体１４２は、任意の公知の方法で、例えばラジエータなどで伝熱流体１４２から熱を伝達させることができる。
【００１４】
図１および図２を共に参照すると、各システム１００、１０２、１０４は、圧縮ガス１３０と伝熱流体１４２との間の温度差から電気を生成する熱電発電機１６０を含む。図２は、本発明の実施形態による様々なシステムで使用される熱電発電機１６０の詳細なブロック図である（エンジン１２０は見やすいように取り除かれている）。温度差は、いくつかある要因の中でも特に、エンジン１２０の型、寸法、燃料に依存して異なる可能性がある。熱電発電機１６０は、中間冷却器１３４によって処理される、ターボチャージャー１２２の圧縮機段１２６からのガス１３０と熱接触する第１の端子１６２、および中間冷却器１３４の中で使用するための伝熱流体１４２と熱接触する第２の端子１６４を含む。各端子１６２、１６４は、各ガス流または伝熱流体から熱を伝達することができる任意の構造または材料を含むことができる。一実施形態では、第１の端子１６２は、ターボチャージャー１２２の圧縮機段１２６から中間冷却器１３４にガス１３０を運搬する導管１３２と熱接触する。第１の端子１６２は、導管１３２を取り囲む、または別の方法で導管１３２から熱を吸収することができ、または別の方法でガス１３０から熱を吸収することができる細長い輪または帯を含むことができる。第１の端子１６２は、例えば、絶縁体と高温導管１３２との間の高い伝導性外装の箱型端部で導管１３２に熱的に結合され得る。しかし、他の位置もまた可能である。同様に、第２の端子１６４は、伝熱流体１４２を中間冷却器１３４に運搬する導管１６６と熱接触する。第２の端子１６４は、導管１６６を取り囲む、または別の方法で導管１６６から熱を吸収することができ、または別の方法で伝熱流体１４２から熱を吸収することができる細長い輪または帯を含むことができる。第２の端子１６４は、例えば、絶縁体と低温導管１６６との間の高い伝導率の外装の箱型端部で導管１６６に結合され得る。しかし、他の位置もまた可能である。端子１６２、１６４は、高い熱伝導率を含む、現在公知の、または将来開発される熱交換材料、限定しないが、例えば銅、アルミニウムなどの金属から作製され得る。
【００１５】
図１を参照すると、熱電発電機１６０は、端子１６２と端子１６４との間に熱電材料１６８を更に含む。熱電材料１６８は、温度に依存して、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）、テルル化鉛（ＰｂＴｅ）、酸化カルシウム−マンガン、またはその組合せなど、Ｐ型半導体およびＮ型半導体１８０、１８２などの任意の現在公知の、または将来開発される熱電物質を含むことができる。温度差が、端子１６２、１６４および熱電材料１６８を跨いで配置される場合、熱電効果としても公知であるゼーベック効果によって電気が生成される。すなわち、ターボチャージャー１２２の圧縮機段１２６からの高温ガス１３０が第１の端子１６２と熱接触するようになる場合、熱が端子から熱電材料１６８の中に通過し、それによって、熱電材料１６８（半導体）の電荷担体が、第１の端子１６２から第２の端子１６４に伝播する。電荷担体の蓄積によって実効電荷が生成され、その結果、熱伝達によって電流が生じるとき、静電位が発生する。電流が、端子１６２、１６４から負荷１９０に運搬され、または提供される場合、電線によって制御装置１７０に運搬される。一実施例では、約２８０℃またはそれ以上の温度のガス１３０を用いると、第１の端子と第２の端子との間の温度差が約２５０℃になることができ、それによって、約２４Ｗの電気を生成することができる。
【００１６】
熱電発電機１６０は、熱電材料１６８から負荷１９０に伝送される電流フローを制御するために、すなわち、電流フローがガス１３０と伝熱流体１４２との間の温度差によって生成される場合、選択的に制御装置１７０を更に含むことができる。制御装置１７０は、負荷１９０への単純接続が不適切である場合、電気の伝播を制御するために、任意の現在公知の、または将来開発される電子制御装置を含むことができる。生成された電気は、例えば、システム１００、１０２、１０４の部品である機械制御装置、ポンプ、始動装置などの任意の様々な電気を消費する負荷１９０によって消費され得る。
【００１７】
本発明の実施形態による、ターボチャージャー１２２の圧縮機段１２６を出るガスを加熱または冷却するための中間冷却器システム１０２は、ターボチャージャーの圧縮機段を出るガスが伝熱流体１４２と熱接触するようになって、ガスを加熱または冷却する伝熱インターフェース１４０を含むことができる。中間冷却器システム１０２は、ガスと熱接触する第１の端子１６２と、伝熱流体１４２と熱接触する第２の端子１６４と、その間の熱電材料１６８とを備える熱電発電機１６０を更に含むことができる。更に、必要な場合は、制御装置１７０は熱電材料１６８から伝送される電流フローを制御することができる。
【００１８】
本発明の実施形態によるエンジンシステム１０４は、上記に考察するように、排気１２４を含むエンジン１２０と、ターボチャージャーの圧縮機段１２６に入るガスを圧縮するために、排気の少なくとも部分を受け取るターボチャージャー１２２とを含むことができる。エンジンシステム１０４は、エンジンを通過する前に、ターボチャージャーの圧縮機段１２６を出るガス１３０を加熱または冷却するために、中間冷却器１３４を更に含むことができる。中間冷却器１３４は、ターボチャージャーの圧縮機段を出るガスが伝熱流体１４２に熱接触するようになって、ガスを冷却または加熱する伝熱インターフェース１４０を含む。公知の方法で、エンジン１２０へ投入する冷却されたガスの量を制御するために、スロットル弁１７２（図１）を設けることができる。エンジンシステム１０４は、ガスと熱接触する第１の端子１６２と、伝熱流体１４２と熱接触する第２の端子１６４と、その間の熱電材料１６８とを備える熱電発電機１６０を更に含むことができる。前述のように、必要な場合は、制御装置１７０は熱電材料１６８から伝送される電流フローを制御することができる。
【００１９】
本明細書で使用する用語は、特定の実施例だけを説明するためであり、本開示に限定することを意図しない。本明細書で使用する場合、単数形態の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈でそうではないと明確に示さない限り、複数の形態も含むと意図する。本明細書で使用する場合、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、記載した形態、整数、ステップ、操作、要素および／または構成要素の存在を特定するが、しかし、１つまたは複数の他の形態、整数、ステップ、操作、要素、構成要素および／またはその群の存在または追加を排除するのではないことを更に理解されたい。
【００２０】
以下の特許請求の範囲の中の相当する構造、材料、作用、およびすべての手段または機能的要素を加えたステップの均等物は、詳細に特許請求する場合、他の特許請求する要素と組み合わせて機能を実施するための任意の構造、材料または作用を含むものと意図される。本開示の説明は、例示および説明の目的で提示してきたのであるが、しかし、網羅的であるように意図するのではなく、または開示する形態の開示に限定するように意図するのではない。当業者にとって、本開示の範囲および精神から逸脱せずに、多くの修正形態および変形形態が明らかであろう。本開示の原則および実際的な応用を最もよく説明するために、かつ当業者が、考察した特定の使用に適する様々な修正形態と共に様々な実施形態に対する開示を理解できるようにするために、実施形態を選択し、説明した。
【符号の説明】
【００２１】
１００  熱電発電機システム
１０２  中間冷却器システム
１０４  エンジンシステム
１２０  エンジン
１２２  ターボチャージャー
１２４  排気
１２６  圧縮機段
１２８  取入れ口
１３０  ガス
１３２  導管
１３４  中間冷却器
１４０  伝熱インターフェース
１４２  伝熱流体
１４４  チャンバ
１４６  内部
１５０  管
１５２  ポンプ
１５４  貯蔵器
１６０  熱電発電機
１６２  第１の端子
１６４  第２の端子
１６６  導管
１６８  熱電材料
１７０  制御装置
１７２  スロットル弁
１８０  半導体
１８２  半導体
１９０  負荷
【図１】
2015140806.tif 000003
【図２】
2015140806.tif 000004
【外国語明細書】
2015140806000001.pdf