(57)【要約】熱電発電機は、少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントを有している。第１の熱電セグメントは、第１の熱電セグメントを流れる、流体圧力を持つ作動流体を有している。熱電発電機は、少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントをさらに有している。第２の熱電セグメントは、第２の熱電セグメントを作動流体が流れることができるように構成可能である。熱電発電機は、流体圧力の作用時に動くことができる少なくとも１つの第１の可変流れ素子をさらに有している。第１の可変流れ素子は、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れに対する第２の熱電セグメントの流れ抵抗を修正する。
2011530270.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備えた第１の熱電セグメントであって、該第１の熱電セグメントを流れる、流体圧力を持つ作動流体を有する第１の熱電セグメントと、
少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントであって、該第２の熱電セグメントを前記作動流体が流れることができるように構成可能な第２の熱電セグメントと、
前記流体圧力の作用時に動くことができ、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れに対する前記第２の熱電セグメントの流れ抵抗を修正する少なくとも１つの第１の可変流れ素子と、
を有する熱電発電機。
【請求項２】
前記第１の可変流れ素子の動きは、前記第２の熱電セグメントの前記少なくとも１つの熱電モジュールへの熱出力または熱流束の伝達を修正する、請求項１に記載の熱電発電機。
【請求項３】
前記第１の可変流れ素子の動きは、前記第２の熱電セグメントの前記少なくとも１つの熱電モジュールからの廃熱の除去割合を修正する、請求項１に記載の熱電発電機。
【請求項４】
前記第１の熱電セグメントと前記第２の熱電セグメントは、並列で、互いに流体連絡している、請求項１に記載の熱電発電機。
【請求項５】
前記第１の熱電セグメントと前記第２の熱電セグメントは、直列で、互いに流体連絡している、請求項１に記載の熱電発電機。
【請求項６】
前記第１の可変流れ素子は、前記第２の熱電セグメントの出力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、前記第２の熱電セグメントの前記流れ抵抗を修正する、請求項１に記載の熱電発電機。
【請求項７】
前記第１の可変流れ素子は、前記第２の熱電セグメントの入力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、前記第２の熱電セグメントの前記流れ抵抗を修正する、請求項１に記載の熱電発電機。
【請求項８】
前記第１の可変流れ素子は弁を有している、請求項１に記載の熱電発電機。
【請求項９】
前記弁はフラッパ弁である、請求項８に記載の熱電発電機。
【請求項１０】
前記作動流体が通って流れることができるように構成可能なコンジットをさらに有する、請求項１に記載の熱電発電機。
【請求項１１】
前記流体圧力の作用時に動くことのできる第２の可変流れ素子をさらに有し、該第２の可変流れ素子は、少なくとも、該コンジットを流れる前記作動流体の流れに対する前記コンジットの流れ抵抗を修正する、請求項１０に記載の熱電発電機。
【請求項１２】
前記コンジットは、前記第１の熱電セグメント及び前記第２の熱電セグメントと、並列に流体連絡している、請求項１０に記載の熱電発電機。
【請求項１３】
前記コンジットは、前記第１の熱電セグメントと前記第２の熱電セグメントの少なくとも一方と、直列に流体連絡している、請求項１０に記載の熱電発電機。
【請求項１４】
前記コンジットは熱電モジュールを有していない、請求項１０に記載の熱電発電機。
【請求項１５】
前記流体圧力が作用したときに動くことのできる第２の可変流れ素子をさらに有し、該第２の可変流れ素子は、少なくとも、第３の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れに対する該第３の熱電セグメントの流れ抵抗を修正する、請求項１４に記載の熱電発電機。
【請求項１６】
少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントと、
少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントと、
前記第１の熱電セグメントを通る作動流体の流れを許可しながら、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に許可する第１の位置と、前記第１の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止しながら、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に許可する第２の位置と、前記第１の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止しながら、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に阻止する第３の位置と、を含む複数の位置に位置することができる可動部材と、
を有する、熱電発電機。
【請求項１７】
前記可動部材の前記位置は、前記作動流体から前記第１の熱電セグメント及び前記第２の熱電セグメントへの熱出力の伝達を修正するように選択可能である、請求項１６に記載の熱電発電機。
【請求項１８】
前記可動部材の前記位置は、前記第１の熱電セグメント及び前記第２の熱電セグメントからの廃熱の除去割合を修正するように選択可能である、請求項１６に記載の熱電発電機。
【請求項１９】
コントローラをさらに有し、前記可動部材は前記複数の位置を移動することによって、前記コントローラから受信した信号に応答する、請求項１６に記載の熱電発電機。
【請求項２０】
前記コントローラは、熱出力伝達システム、熱出力源、またはそれらの両方と接続しており、前記熱出力伝達システムは熱出力を前記熱出力源から前記熱電発電機に伝達する、請求項１９に記載の熱電発電機。
【請求項２１】
前記熱出力伝達源はエンジンである、請求項２０に記載の熱電発電機。
【請求項２２】
前記エンジンは内燃エンジンである、請求項２１に記載の熱電発電機。
【請求項２３】
前記コントローラは１つ以上のセンサから信号を受信する、請求項１９に記載の熱電発電機。
【請求項２４】
前記１つ以上のセンサの少なくとも１つは、前記作動流体の流体圧力、流量、または温度、あるいはそれらの組み合わせに応答する、請求項２３に記載の熱電発電機。
【請求項２５】
前記圧力、流れ、または温度、あるいはそれらの組み合わせは前記熱電発電機内のものである、請求項２４に記載の熱電発電機。
【請求項２６】
前記圧力、流れ、または温度、あるいはそれらの組み合わせは、前記熱出力伝達システム、前記熱出力源、またはそれらの両方の中のものであり、前記熱出力伝達システムは熱出力を前記熱出力源から前記熱電発電機に伝達する、請求項２４に記載の熱電発電機。
【請求項２７】
前記第１の熱電セグメントと前記第２の熱電セグメントは、並列で、互いに流体連絡している、請求項１６に記載の熱電発電機。
【請求項２８】
前記第１の熱電セグメントと前記第２の熱電セグメントは、直列で、互いに流体連絡している、請求項１６に記載の熱電発電機。
【請求項２９】
前記可動部材は、前記第２の位置または前記第３の位置にあるときに、前記第１の熱電セグメントの出力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、前記第１の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止し、前記可動部材は、前記第３の位置にあるときに、前記第２の熱電セグメントの出力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止する、請求項１６に記載の熱電発電機。
【請求項３０】
前記可動部材は、前記第２の位置または前記第３の位置にあるときに、前記第１の熱電セグメントの入力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、前記第１の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止し、前記可動部材は、前記第３の位置にあるときに、前記第２の熱電セグメントの入力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止する、請求項１６に記載の熱電発電機。
【請求項３１】
前記可動部材は、実質的に直線状の変位によって、前記複数の位置のうち少なくとも２つの間を移動する、請求項１６に記載の熱電発電機。
【請求項３２】
前記可動部材は、回転軸を中心とする実質的な回転変位によって、前記複数の位置のうち少なくとも２つの間を移動する、請求項１６に記載の熱電発電機。
【請求項３３】
前記回転軸は、前記第１の熱電セグメントと前記第２の熱電セグメントの少なくとも一方を通る前記作動流体の流れ方向と実質的に平行である、請求項３２に記載の熱電発電機。
【請求項３４】
前記回転軸は、前記第１の熱電セグメントと前記第２の熱電セグメントの少なくとも一方を通る前記作動流体の流れ方向に対し実質的に垂直である、請求項３２に記載の熱電発電機。
【請求項３５】
第１の熱電セグメントと、第２の熱電セグメントと、コンジットと、を有し、前記第１の熱電セグメントと、前記第２の熱電セグメントと、前記コンジットのうち少なくとも２つは、各々が少なくとも１つの熱電モジュールを有している複数の熱電セグメントと、
前記第１の熱電セグメントを通る作動流体の流れを許可しながら、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に許可し、かつ前記コンジットを通る前記作動流体の流れを同時に許可する第１の位置と、前記第１の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止しながら、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に許可し、かつ前記コンジットを通る前記作動流体の流れを同時に許可する第２の位置と、前記第１の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止しながら、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に阻止し、かつ前記コンジットを通る前記作動流体の流れを同時に許可する第３の位置と、前記第１の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止しながら、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に阻止し、かつ前記コンジットを通る前記作動流体の流れを同時に阻止する第４の位置と、を含む複数の位置に位置することができる可動部材と、
を有する、熱電発電機。
【請求項３６】
前記第１の熱電セグメントと、前記第２の熱電セグメンと、前記コンジットは、各々が少なくとも１つの熱電モジュールを有している、請求項３５に記載の熱電発電機。
【請求項３７】
前記コンジットは熱電モジュールを有していない、請求項３５に記載の熱電発電機。
【請求項３８】
複数の熱電モジュールを操作する方法であって、
少なくとも１つの第１の熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントに、流体圧力を持つ作動流体を流すことと、
前記流体の前記流体圧力が閾値圧力を超えたときに、少なくとも１つの第２の熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントに、前記作動流体を流すことと、
前記流体の前記流体圧力が前記閾値圧力を超えていないときに、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止することと、
を有する、方法。
【請求項３９】
前記複数の熱電モジュールの効率を高め、電力出力特性を修正し、またはそれらの両方を行うように、前記閾値圧力を選択することをさらに有する、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記複数の熱電モジュールを操作することは、前記複数の熱電モジュールに熱出力を伝達することを有する、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記複数の熱電モジュールを操作することは、前記複数の熱電のモジュールから廃熱を除去することを有する、請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
複数の熱電モジュールを操作する方法であって、
少なくとも１つの第１の熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントを通る流れを許可しながら、少なくとも１つの第２の熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントを通る流れを同時に許可する第１の位置と、前記第１の熱電セグメントを通る流れを阻止しながら、前記第２の熱電セグメントを通る流れを同時に許可する第２の位置と、前記第１の熱電セグメントを通る流れを阻止しながら、前記第２の熱電セグメントを通る流れを同時に阻止する第３の位置と、を含む複数の位置から可動部材の位置を選択することによって、前記第１の熱電セグメントを通る作動流体の流れと、前記第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れと、を変化させることを有する、方法。
【請求項４３】
前記可動部材の位置は、前記複数の熱電モジュールの効率を高め、電力出力特性を修正し、またはそれらの両方を行うように選択される、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記複数の熱電モジュールを操作することは、前記複数の熱電のモジュールに熱出力を伝達することを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記複数の熱電モジュールを操作することは、前記複数の熱電のモジュールから廃熱を除去することを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントであって、該第１の熱電セグメントを流れる、温度を持つ作動流体を有する第１の熱電セグメントと、
少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントであって、該第２の熱電セグメントを前記作動流体が流れることができるように構成可能な第２の熱電セグメントと、
自身の温度に応答して動くように構成され、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れに対する前記第２の熱電セグメントの流れ抵抗を修正する少なくとも１つの第１の可変流れ素子と、
を有する、熱電発電機。
【請求項４７】
前記第１の可変流れ素子の動きは、前記第２の熱電セグメントの前記少なくとも１つの熱電モジュールへの熱出力または熱流束の伝達を修正する、請求項４６に記載の熱電発電機。
【請求項４８】
前記第１の可変流れ素子の動きは、前記第２の熱電セグメントの前記少なくとも１つの熱電モジュールからの廃熱の除去割合を修正する、請求項４６に記載の熱電発電機。
【請求項４９】
前記第１の可変流れ素子は、第１の温度で第１の形状を、前記第１の温度と異なる第２の温度で第２の形状をとる構造を有している、請求項４６に記載の熱電発電機。
【請求項５０】
前記構造はバイメタルを有している、請求項４９に記載の熱電発電機。
【請求項５１】
前記構造は形状記憶合金を有している、請求項４９に記載の熱電発電機。
【請求項５２】
前記第１の可変流れ素子は、第１の温度で第１の相にあり、前記第１の温度と異なる第２の温度で第２の相にある材料を有している、請求項４６に記載の熱電発電機。
【請求項５３】
前記材料はワックスを有し、前記第１の相は前記第１の温度で固体であり、前記第２の相は前記第２の温度で液体である、請求項５２に記載の熱電発電機。
【請求項５４】
複数の熱電モジュールを操作する方法であって、
少なくとも１つの第１の熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントに、温度を持つ作動流体を流すことと、
前記温度が閾値温度を超えたときに、少なくとも１つの第２の熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントに、前記作動流体を流すことと、
前記温度が前記閾値温度を超えていないときに、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止することと、
を有する、方法。
【請求項５５】
前記複数の熱電モジュールの効果を高め、電力出力特性を修正し、またはそれらの両方を行うように前記閾値温度を選択することをさらに有する、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
作動流体が通って流れることを許可するように構成された入力部と、
前記作動流体が通って流れることを許可するように構成された出力部と、
実質的に互いに平行な複数の細長い熱電セグメントであって、該複数の細長い熱電セグメントの少なくとも１つは少なくとも１つの熱電モジュールを有し、各熱電セグメントは、前記作動流体が該熱電セグメントを通って前記入力部から前記出力部へ流れることを許可するように構成可能である、複数の細長い熱電セグメントと、
複数の前記熱電セグメントのうちの少なくとも１つの第１の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを許可し、複数の前記熱電セグメントのうちの少なくとも１つの第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止するように位置することができる、少なくとも１つの可動部材と、
を有する、熱電発電機。
【請求項５７】
前記複数の熱電セグメントは、前記熱電セグメントと垂直な平面上で、概ね円形の断面を有している、請求項５６に記載の熱電発電機。
【請求項５８】
前記少なくとも１つの可動部材は、前記熱電セグメントと概ね平行な回転軸を中心に回転するように構成されている、請求項５７に記載の熱電発電機。
【請求項５９】
前記熱電セグメントの各々は、前記熱電セグメントと垂直な平面上で、概ね台形の断面を有している、請求項５７に記載の熱電発電機。
【請求項６０】
前記複数の熱電セグメントは互いに、概ね同一面上に揃えられている、請求項５６に記載の熱電発電機。
【請求項６１】
前記少なくとも１つの可動部材は、前記熱電セグメントと概ね垂直な方向に沿って実質的に直線状に移動するように構成されている、請求項６０に記載の熱電発電機。
【請求項６２】
前記複数の熱電セグメントの各々は、前記熱電セグメントと垂直な平面上で、概ね長方形の断面を有している、請求項６０に記載の熱電発電機。
【請求項６３】
前記少なくとも１つの可動部材は、前記第１の熱電セグメントと前記第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に許可する第１の位置と、前記第１の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを許可しながら、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に阻止する第２の位置と、前記第１の熱電セグメントと前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に阻止する第３の位置と、を含む複数の位置に位置することができる、請求項５６に記載の熱電発電機。
【請求項６４】
前記少なくとも１つの可動部材は、回転軸を中心とした実質的な回転変位によって、前記複数の位置のうち少なくとも２つの間を動く、請求項６３に記載の熱電発電機。
【請求項６５】
前記回転軸は前記熱電セグメントと実質的に平行である、請求項６４に記載の熱電発電機。
【請求項６６】
前記回転軸は前記熱電セグメントと実質的に垂直である、請求項６４に記載の熱電発電機。
【請求項６７】
前記少なくとも１つの可動部材の前記位置は、前記作動流体から前記第１の熱電セグメント及び前記第２の熱電セグメントへの熱出力の伝達を修正するように選択可能である、請求項６３に記載の熱電発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本願は、本明細書に参照によってその全体が援用される、２００８年７月２９日に出願された米国仮特許出願第６１／０８４，６０６号に対する優先権の利益を主張する。
【０００２】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発についての声明
米国政府は、米国エネルギー省によって授与された契約第ＤＥ−ＦＣ２６−０４ＮＴ４２２７９号の条項に基づき、本発明または本発明の一部において特定の権利を有することを主張することができる。
【０００３】
本出願は、熱電発電機に関し、特に、熱源の温度と熱流束とが変動する熱電素子からの動力の発生を改善する装置に関する。
【背景技術】
【０００４】
熱電素子は、電流が通過すると一方の側が冷たく他方の側が熱くなるように作動する固体デバイスである。それらは、熱電素子を横切る温度差を維持することによって、発電することもできる。しかし、多くの作動条件下で、熱電発電は、変化する熱流束と、高温側熱源温度と、低温側排熱温度と、その他の変動する条件と、の組み合わせを受ける。さらに、熱電素子の熱コンダクタンス、性能指数Z、熱交換器の性能など、装置特性のすべてが一定範囲の製造公差を有しており、それらが組み合わされて装置の性能を一般に低下させる。その結果、性能が変動し、所定の設定点での作動が設計値に対する性能低下につながる可能性がある。
【０００５】
１００％の効率ではないいかなるエネルギー消費過程も、通常は熱の形態の、無駄なエネルギーを発生する。例えば、内燃エンジンは相当量の廃熱を発生する。自動車などの内燃エンジンの効率を改善するために、この廃熱を捕捉し有用な形態に変換する様々な方法が考えられてきた。熱電素子を自動車の排気系に配置することが考えられてきた（「プレヒートを伴う熱電触媒発電機」という名称の米国特許第６，９８６，２４７号明細書を参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、排気系は熱と熱流束とが大きく変化するため、効率的な装置を提供することは現実的でない。一例では、自動車の廃熱回収システムの性能低下は、最適な性能と比較して非常に大きくなる可能性があり、少なくとも３０％に達することがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
特定の実施態様において、熱電発電機は、少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントを有している。第１の熱電セグメントは、第１の熱電セグメントを流れる、流体圧力を持つ作動流体を有している。熱電発電機はさらに、少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントを有している。第２の熱電セグメントは、第２の熱電セグメントを作動流体が流れることができるように構成可能である。熱電発電機はさらに、流体圧力の作用時に動くことができる第１の可変流れ素子を有している。第１の可変流れ素子は、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れに対する第２の熱電セグメントの流れ抵抗を修正する。
【０００８】
特定の実施態様において、熱電発電機は、少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントと、少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントと、を有している。熱電発電機はさらに、第１の位置と、第２の位置と、第３の位置と、を含む複数の位置に位置することができる可動部材を有している。第１の位置は、第１の熱電セグメントを通る作動流体の流れを許可しながら、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に許可する。第２の位置は、第１の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止しながら、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に許可する。第３の位置は、第１の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止しながら、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に阻止する。
【０００９】
特定の実施態様において、熱電発電機は、第１の熱電セグメントと、第２の熱電セグメントと、コンジットと、を有している。第１の熱電セグメントと、第２の熱電セグメントと、コンジットのうち少なくとも２つは、各々が少なくとも１つの熱電モジュールを有している。熱電発電機はさらに、第１の位置と、第２の位置と、第３の位置と、第４の位置と、を含む複数の位置に位置することができる可動部材を有している。第１の位置は、第１の熱電セグメントを通る作動流体の流れを許可しながら、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に許可し、かつコンジットを通る作動流体の流れを同時に許可する。第２の位置は、第１の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止しながら、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に許可し、かつコンジットを通る作動流体の流れを同時に許可する。第３の位置は、第１の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止しながら、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に阻止し、かつコンジットを通る作動流体の流れを同時に許可する。第４の位置は、第１の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止しながら、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れを同時に阻止し、かつコンジットを通る作動流体の流れを同時に阻止する。
【００１０】
特定の実施態様において、方法は、複数の熱電モジュールを操作する。この方法は、少なくとも１つの第１の熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントに作動流体を流すことを有している。流体は流体圧力を有している。この方法はさらに、流体の流体圧力が閾値圧力を超えたときに、少なくとも１つの第２の熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントに、作動流体を流すことを有している。この方法はさらに、流体圧力が閾値圧力を超えていないときに、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止することを有している。
【００１１】
特定の実施態様において、方法は、複数の熱電モジュールを操作する。この方法は、第１の位置と、第２の位置と、第３の位置と、を含む複数の位置から可動部材の位置を選択することによって、第１の熱電セグメントを通る作動流体の流れと、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れと、を変化させることを有している。第１の位置は、少なくとも１つの第１の熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントを通る流れを許可しながら、少なくとも１つの第２の熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントを通る流れを同時に許可する。第２の位置は、第１の熱電セグメントを通る流れを阻止しながら、第２の熱電セグメントを通る流れを同時に許可する。第３の位置は、第１の熱電セグメントを通る流れを阻止しながら、第２の熱電セグメントを通る流れを同時に阻止する。
【００１２】
特定の実施態様において、熱電発電機は、少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントを有している。第１の熱電セグメントは、第１の熱電セグメントを流れる作動流体を有し、流体は温度を有している。熱電発電機はさらに、少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントを有している。第２の熱電セグメントは、第２の熱電セグメントを作動流体が流れることができるように構成可能である。熱電発電機はさらに、自身の温度に応答して動くように構成された少なくとも１つの第１の可変流れ素子を有している。第１の可変流れ素子は、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れに対する第２の熱電セグメントの流れ抵抗を修正する。
【００１３】
特定の実施態様において、方法は、複数の熱電モジュールを操作する。この方法は、少なくとも１つの第１の熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントに作動流体を流すことを有し、作動流体は温度を有している。この方法はさらに、温度が閾値温度を超えたときに、少なくとも１つの第２の熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントに、作動流体を流すことを有している。この方法はさらに、温度が閾値温度を超えていないときに、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止することを有している。
【００１４】
特定の実施態様において、熱電発電機は、作動流体が通って流れることを許可するように構成された入力部を有している。熱電発電機はさらに、作動流体が通って流れることを許可するように構成された出力部を有している。熱電発電機はさらに、実質的に互いに平行な複数の細長い熱電セグメントを有している。複数の細長い熱電セグメントの少なくとも１つは少なくとも１つの熱電モジュールを有している。各熱電セグメントは、作動流体が熱電セグメントを通って入力部から出力部へ流れることを許可するように構成可能である。熱電発電機はさらに、複数の熱電セグメントのうちの少なくとも１つの第１の熱電セグメントを通る作動流体の流れを許可し、複数の熱電セグメントのうちの少なくとも１つの第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止するように位置することができる、少なくとも１つの可動部材を有している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】熱電素子を用いた従来の発電システムの一般化したブロック図である。
【図２】様々な作動温度での、熱電モジュールの電力出力が重ね書きされた、電流に対する電圧を示すグラフである。
【図３】理論ピーク効率とピーク理論電力の作動点を示す、熱電モジュールの高温側温度に対する効率を示すグラフである。
【図４】様々な高温側作動温度での、熱電モジュールを通る電流に対する熱電モジュールの高温側熱流束を示すグラフである。
【図５】熱電モジュールについて、電力が重ね書きされた、電流に対する電圧を示すグラフである。
【図６】改良された電力発生を行いながら作動する熱電発電機について、電力が重ね書きされた、電流に対する電圧を示すグラフである。
【図７】熱電モジュールの一部を示す図である。
【図８】図７の熱電モジュールについて電力が重ね書きされ、電流に対する電圧を示す、別の作動状態を説明するグラフである。
【図９】熱源から発電する用途のための熱電発電機の一実施形態の図である。
【図１０】図９の発電システムの熱電発電機の要素の一実施形態の図である。
【図１１】図９の発電システムの複数の熱電発電機の要素の他の実施形態の図である。
【図１２Ａ】１つの角度から見た熱電発電機の一実施形態の図である。
【図１２Ｂ】異なる角度から見た図１２Ａに示す熱電発電機の同じ実施形態の図である。
【図１３Ａ】１つの角度から見た熱電発電機の一実施形態の図である。
【図１３Ｂ】異なる角度から見た図１３Ａに示す熱電発電機の同じ実施形態の図である。
【図１４】熱電発電機の一実施形態を示す図である。
【図１５】図１４に示す実施形態と同様であるが、コントローラと、コントローラによって選択的に切断可能な、直列に接続されている熱電モジュールと、をさらに示す熱電発電機の実施形態の図である。
【図１６】熱電のセグメントを流体接続するための構成の模式図である。
【図１７】複数の熱電セグメントを流体接続するための他の構成の模式図である。
【図１８】複数の熱電モジュールの操作方法の一例の流れ図である。
【図１９】熱電発電機の他の実施形態を示す図である。
【図２０】複数の熱電モジュールの操作方法の一例の流れ図である。
【図２１】バイメタル温度応答可変流れ素子の一実施形態を示すである。
【図２２】複数の熱電モジュールの操作方法の一例の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書で説明するいくつかの実施形態は、標準的なシステムよりも効率的に発電可能な熱電発電システムに関し、熱出力が可変である熱出力源に特に適している。いくつかの実施形態は廃熱再生、廃熱回収及び発電用途の多くに有用である。しかし、熱電発電システムの様々な態様を説明するために、車両の排気に含まれている熱出力から発電する特定の実施形態を説明する。この特定の例は、変化する作動条件下においても発電に影響する条件を監視し制御する発電システムを構成するという利点を示している。実質的な改良は、（例えば「熱カップル流を利用する効率的な熱電素子」という名称で、参照によってその全体が本明細書に援用される米国特許第６，６７２，０７６号明細書に説明されているような）熱電カップルの特性の制御、並びに作動流体の質量流量、作動電流（または電圧）、熱電素子形状因子及びシステム容量の制御から得ることができる。その全体が参照によって本明細書に援用される「断熱を利用する効率的な熱電素子」という名称の米国特許第６，５３９，７２５号明細書に記載のように、流れ方向に断熱が生じるように熱電装置を構成することによっても改良を行うことができる。このように、一実施形態では、発電するように作動する熱電カップルの数の制御と、冷却条件の制御と、冷却流体の流量の制御と、温度及び熱電材料特性の制御のうち、少なくとも１つを行うことが好ましい。
【００１７】
自動車の廃熱回収を例として用いているが、いくつかの実施形態は、発電、廃熱再生、コジェネレーション、発電量の増加及びその他の用途の性能を改善するように適用することができる。いくつかの実施形態は、自動車、トラック、バス、列車、航空機及びその他の車両のエンジン冷却水、トランスミッションオイル、ブレーキ、触媒コンバータ及びその他の熱源の廃熱利用に利用可能である。同様に、化学プロセス、ガラス製造、セメント製造及び他の工業上のプロセスからの廃熱を利用可能である。生物廃棄物、ごみ焼却、廃棄物集積場のバーンオフ、油井のバーンオフなど、他の廃熱源を使用可能である。電力は、太陽、核、地熱及び他の熱源から作ることが可能である。可搬、１次、待機、緊急、遠隔、個人用及び他の発電装置への適用も、本明細書で説明するいくつかの実施形態と互換性がある。さらに、いくつかの実施形態を、光電池、燃料電池、燃料電池改質器、核、内燃、外燃、触媒燃焼器などのコジェネレーションシステム、及び他の有利なコジェネレーションシステムにおける他の装置と連結することができる。本明細書のどの実施形態で説明される熱電モジュールの数も、何ら重要ではなく、実施形態の説明のために選択されているだけである。
【００１８】
所望の改良を達成するためにどれだけ様々な構成を採用することができるかを示すためにいくつかの例を示しているが、特定の実施形態は単なる例示にすぎず、提示される発明を限定することは一切意図していない。本明細書で使用する場合、熱電または熱電素子という用語は個々の熱電素子だけでなく、素子の集合または素子のアレイを意味することもある。さらに、熱電という用語は限定的な意味ではなく、熱イオン及び他の全ての固体冷却装置及び固体加熱装置を含むように使用される。さらに、高温または冷温若しくは低温という用語は相対的であって、室温などに対する特定の相対温度を示すものではない。最後に、作動流体という用語は１つの流体に限定されず、１つ以上の作動流体を指すこともある。
【００１９】
本明細書の特定の図面は、本明細書で説明するいくつかの実施形態による熱電発電機のいくつかの可能な例を示しているにすぎない。他の変形例も可能であって、様々な実施形態と互換性がある。システムは、少なくとも一部が互いに独立して作動可能な、少なくとも２つの、任意の数の熱電モジュールからなっていてよい。熱電発電機のある例においては、熱電モジュールの各々は異なる容量を有している。これは、図１０に関連してより詳細に説明され、異なる大きさで図示されている通りである。熱電モジュールに異なる容量を持たせることと、各熱電モジュールを運転とは独立して起動させあるいは切断するように熱出力を切り替える能力と、によって、本明細書で説明するコントローラは作動条件を実質的に変更できるように適応可能となっている。
【００２０】
自動車の排気はエンジンからの廃熱を提供する。この廃熱を、熱電発電機を利用した発電の熱出力源として使用することができる。この特定の用途は、本明細書で開示されているいくつかの実施形態の利点を説明するために選択されているが、それはこの特定の用途が、排気の熱出力が連続して変化する非常に変動しやすい作動条件のよい例を示しているからである。熱電発電システムに入力される熱出力源として使用される排気の実際の温度及び熱流束は、相当程度変動する。触媒コンバータの出口での排気温度は、一般的に４５０℃から６５０℃まで変化し、熱流束は、アイドル状態と素早い加速状態との間で１０倍を超えて変化することが多い。従って、この特定の用途は、本明細書で開示しているいくつかの実施形態の使用を適切に示している。
【００２１】
図１は、単純な熱電（ＴＥ）発電システム１００を示している。熱出力源１０２は熱電モジュール１０４の高温側に熱を供給する。熱電モジュール１０４は、高温側熱交換器１０６と低温側熱交換器１０８とを有することができる。低温側熱交換器は、熱電モジュール１０４による発電に使用されない熱の熱出力経路を提供することができる。通常、空気または液体冷却材などのヒートシンク１１０が、廃熱を熱電発電機から除去するために循環している。熱電モジュール１０４を横切る熱勾配によって負荷１１２に電力を供給するための電流が発生する。
【００２２】
このような熱電発電機１００は、ピーク効率または実質的にそれに近い効率での熱電作動を維持するために、定常状態に対して設計される。このような設計基準から条件が変動したときには、図２〜４を参照してさらに説明するように、熱電効率は低下し、あるいは負値にさえなる。
【００２３】
本明細書で開示される実施形態の利点の理解を促進するために、熱電効率についての簡単な背景を図２〜４を参照して説明する。ＺＴave＝１（熱電素子の温度重み付き平均ＺＴ）の熱電材料についての典型的な発電性能曲線を図２に示している。図２において、熱電素子組み立て品の電圧出力Ｖ（Ｉ）を、電流出力Ｉの関数として、３つの高温側温度、すなわち２００℃での温度Ｔ1、４００℃での温度Ｔ2及び６００℃での温度Ｔ3に対する３つの線２１０，２１２，２１４でプロットしている。対応する電力出力曲線２２０，２２２，２２４がグラフに重ね書きされている。これらは電力出力Ｐ、ここでＰ＝Ｉ＊Ｖ（Ｉ）、として従来のやり方で計算された、グラフ内の特定の点での熱電素子からの電力に対応している。
【００２４】
説明上、低温側温度は、３つの高温側温度のすべてについて同じであると仮定している。図２からわかるように、電力は電圧と電流の関数である。理想的には、熱電素子は、ピーク効率２３０、ピーク電力２４０、またはこれらの２つの中間のいずれかで作動する。熱源からの熱流束は増加するが熱電素子の高温側温度は同じままの場合（例えば、排気流量は増加するが温度は変化しない場合）、図２に示すように、最大電力出力は固定されたままである。高温側温度が同じ場合、利用可能な余剰熱流束は、電流Ｉを増加させることなく熱電素子を流れることができない。しかし、電力曲線２２０，２２２，２２４に示すように、高温側の同じ温度に対する電流の増加は実際には電力Ｐを減少させることになる。従って、高温側温度を上昇させることができない限り、余分な熱出力はより高い電力出力に貢献しない。同様に、最適な電力出力（Ｐｍ）２４０に対する熱流束よりも少ない熱流束しか利用できない場合、ピーク電力は実現されない。これは、実質的に最適な効率で作動する場合にも当てはまる。非定常状態で作動している発電機については、性能に影響する要因を監視し制御するように構成されている熱電システムが有利であり、発電機の出力を修正し性能を改善するために使用できる。
【００２５】
ピーク効率とピーク電力での作動について、効率と高温側温度の関係を図３に示している。ピーク効率での作動を示す曲線３１０とピーク電力での作動を示す曲線３２０とが図示されている。熱電組み立て品を通過する熱流束Ｑhは、高温側と低温側の温度が固定されている場合、電流Ｉと共に変化する。その結果、ピーク効率はピーク電力出力の電圧及び電流とは異なる電圧及び電流で発生する。ただし、熱流束Ｑhは熱電材料と装置特性の関数であって、これらの特性と電流Ｉとによって定められる値を有している。負荷電流Ｉの変化などによって条件が変化すると、効率とＱhが変化する。
【００２６】
図４に、Ｑｈの変化を電流Ｉと共に示している。この図では、２００℃の温度Ｔ1，４００℃の温度Ｔ2及び６００℃の温度Ｔ3の３つの異なる高温側温度での熱電素子の作動を示す、３つの熱流束曲線４１０，４２０，４３０を示している。これらの曲線に、ピーク作動効率曲線４５０とピーク作動電力曲線４６０とが重ね書きされている。熱流束Ｑhを示す３つの熱流束曲線４１０，４２０，４３０の破線部分は、電圧（従って電力出力）が負になる十分に大きい電流Ｉでの作動を示している。
【００２７】
前述した性能は、電力出力のピーク値の近くでは、電流ＩとＱhの緩やかな変化に対する性能低下が小さく、そのため、Ｑｈのわずかな変化に対する性能は目立って低下しないという特性を有している。しかし、熱出力制御装置と相互作用する他のいくつかの要因が、システム効率の低下の実質的な原因となっている。これらの要因を以下で説明し、効率へのこれらの影響を低減させる機構及び構成を説明する。これらは本発明の一部である。
【００２８】
図５は、１つの熱電素子（ユニカップル）、熱電素子のＮとＰの対（カップル）及びカップルの群のいずれかについて、電流に対する出力電圧と電力の特性を示す典型的な図である。一定の低温側温度に対し異なる高温側温度の値が示されている。多くの場合、いくつかのこのような素子を電気的に直列に接続して、発電モジュールを構成することが有利である。多くの場合、図７（以下で詳細を説明する）に示すように、モジュールの一方の端部で，発電機の熱電素子の高温側と熱的に接触している熱交換器に高温の作動流体が流入し作動流体が熱交換器を通過しまたは通り過ぎるように、モジュールを作動させることが好ましい。図５に示すように、作動中は、例えば、６００℃を多少超える流体が流入し第１の熱電カップルの高温端部が６００℃で作動し、流体が冷却され、第２のカップルが４００℃で作動し、第３のカップルが２００℃で作動するように、熱電カップルに伝えられる熱が作動流体を冷却する。従って、上流の熱電カップルに熱出力を放出することで高温流体が冷却するにつれ、カップルの高温側温度は徐々に低下する。
【００２９】
例えば、複数のカップルが同一である場合、電力出力の曲線は図５に示すようになることがあろう。同じ電流Ｉが各カップルを通って流れるようにカップルが直列に接続されている場合、各カップルの総電力出力への寄与は、作動点Ａ，Ｂ，Ｃに対応する電力の総和となるであろう。図示のように、６００℃の点Ａで作動するカップルからは最大電力が発生しているが、点Ｂ（４００℃）で作動しているカップルからの出力は最適ではなく、点Ｃ（２００℃）で作動しているカップルからの出力は実際のところわずかに負であり、他の２つのカップルからの電力出力を減少させている。
【００３０】
場合によっては、各カップルがピーク電力出力を発生する電流で作動することが望ましい。これを実現するため、いくつかの条件を制御して熱電発電機からより最適な性能、つまり図６に示すグラフにより近い状態を得ることができる。図６では、システムは、たとえ温度または熱流束が変化しても、より高い効率で作動できるように構成されている。例えば、各カップルの発電がピーク電力点またはピーク効率点で作動するように、カップルの形状因子（かたち）が有利に調整可能であり（熱対流を利用する効果的な熱電素子」という名称の米国特許明細書第６，６７２，０７６号と、「断熱を利用する効果的な熱電素子」という名称の米国特許明細書第６，５３９，７２５号とに説明されているように、またはその他の任意の適切な態様で）、あるいは大きさが設定されている。例えば、電力出力を最大にする場合は、３つのカップルが６００℃、４００℃及び２００℃で作動している熱電モジュールについて、図６に示す特性を有するように、当業者には公知のように（例えば、アングリスト著「直接エネルギー変換」、第３版、第４章を参照）、複数のカップルの大きさを設定することができよう。この場合、熱電カップルと、モジュールの熱伝導特性及び電力出力は、図６のＡ′，Ｂ′，Ｃ′で示すように、電力出力を実質的に最大にする電流で全ての段階を実質的に作動させることによって最大化される。ピーク効率または他の作動条件での作動のため、他の所望の性能特性を達成するように他の設計基準を使用することができる。
【００３１】
図７は、単純な熱電発電機７００の模式図である。この図の熱電発電機７００は、高温側シャント７０６，７０７，７０８と低温側シャント７１０とによって直列に電気接続された３対の熱電素子７０９を有している。高温側流体７０１は高温側ダクト７１６に（例えば入力ポートの位置で左から）流入し、熱交換器７０３，７０４，７０５と良好に熱的に接触し、高温側ダクト７１６から（出力ポートの位置で右へ）流出する。熱交換器７０３，７０４，７０５は、高温側シャント７０６，７０７，７０８と良好な熱的接触状態にある。低温側流体７１２は低温側ダクト７１１に（例えば入力ポートの位置で右側から）流入し、低温側ダクト７１１から（例えば出力ポートの位置で左側へ）流出する。熱電発電機７００は電力を外部の負荷（不図示）に送るように電気接続部７１４，７１５を有している。
【００３２】
作動時には、高温側流体７０１が高温側ダクト７１６に流入し、熱を熱交換器７０３に伝える。熱量のいくらかを熱交換器７０３に渡すことによって冷却された高温側流体７０１は、それから、さらに熱量を熱交換器７０４に、そしてさらにいくらかの熱を熱交換器７０５に伝える。その後、高温側流体７０１は高温側ダクト７１６から（例えば出力ポートの位置で右側へ）流出する。熱は、高温側熱交換器７０３，７０４，７０５から高温側シャント７０６，７０７，７０８に、さらに熱電素子７０９へと伝えられる。熱電素子７０９も、低温側シャント７１０と良好な熱的接続状態にあり、低温側シャント７１０は低温側ダクト７１１と良好な熱的接続状態にあり、低温側ダクト７１１は低温側流体７１２と良好な熱的接続状態にある。高温側流体７０１と低温側流体７１２の温度差のために、熱電素子７０９では温度差が発生し、それにより、電力が熱電素子７０９によって発生し、電気接続部７１４，７１５を通して取り出される。
【００３３】
図７に示す熱電発電機７００は、図６に模式的に示す作動特性を得るために、高温側でのピーク温度６００℃、４００℃及び２００℃を、特定の条件下でしかとることができない。例えば、図６に示す性能を達成する作動流体条件が、流体質量流が減少し、これに対応する応分の量だけ入口温度が上昇することによって変更されると、第１の熱電カップルは、依然として６００℃であるが、他の２つのカップルの温度は低下することになる。図８に模式的に示すような条件が発生することがあり、この場合、作動点Ａ″，Ｂ″，Ｃ″は、熱電素子が図７に示すように接続されたときに、最適性能を有する熱電モジュールを与えない。図５に示し前述したのと同様に、結果として生じる作動電流の不均衡は電力出力を減少させることになり、好ましくない。
【００３４】
例えばエンジンの廃熱から発電する熱電発電システム９００の有利な構成を、図９に模式的に示している。エンジンからの高温排気９０３が高温側ダクト９０１を通過し、低温排気９０４として流出する。高温側熱交換器９０２は、高温側ダクト９０１と良好な熱的接続状態にあり、それによって、排気９０３と熱的接続状態にある。本実施形態において、ポンプ９０９は高温側作動流体９０６を圧送する。熱電モジュールからなる熱電発電機９１９は、高温側作動流体９０６，９０５，９０７と良好な熱的接続状態にある。低温側冷却液９１１は、冷却液ダクト９１０内に含まれており、熱電発電機９１９、エンジン９１３及びラジエータ９１４との良好な熱的接触状態で通過する。ポンプ９１５は低温側作動流体９１１を、低温側ダクト９１０を通して圧送する。弁９１２は低温側作動流体９１１の流れ方向を制御する。様々な連絡流路、動力源及び信号送信器が、その他の装置９１８として集合的に構成されている。コントローラ９１６は、その他の装置９１８、ポンプ９１５、少なくとも１つまたは複数のセンサ（不図示）、熱電モジュール９１９及び車両の他の部分に、ハーネスまたはバス９１６，９１７を通して接続されている。
【００３５】
作動時には、高温側ダクト９０１を通る高温排気９０３が、高温側作動流体コンジット９０２を通る高温側作動流体９０６を加熱する。この高温側作動流体９０６は、熱電発電機９１９の高温側に熱をもたらす。熱電発電機９１９は、概ね図７の説明で述べたように作動し、電力を発生する。ポンプ９１５は低温側作動流体（冷却液）９１１を圧送し、未使用の（廃）熱を熱電発電機９１９から除去する。低温側冷却水９１１内に吸収された廃熱の方向は弁Ｖ1９１２によって設定される。弁９１２は、電流作動条件に依存して、低温側冷却水を最も有利な用途に向けるように使用することができる。例えば、弁Ｖ1９１２は低温側作動流体９１０を、始動時などで低温であればエンジンに向けてもよいし、廃熱を除去するようにラジエータ９１４に向けてもよい。コントローラ９１６は、燃料及び空気の質量流量、圧力、排気温度、エンジン回転数、その他の利用可能な関連する情報などの（例えば、そのいくつかは自動車で現在利用可能な複数のセンサからの）情報源を利用して、ポンプ９０９，９１５からの流れと熱電発電機９１９内の制御とを調整して、廃熱回収装置９００からの所望の出力を実現する。
【００３６】
本明細書で開示されている特定の実施形態については、高温側の流体（この場合９０６）は、蒸気、ＮａＫ、ＨｅＸｅ混合物、加圧空気、高沸点油、または任意の他の有利な流体とすることができる。さらに、高温側流体９０６は、例えばエチレングリコール／水混合物中に分散しているナノ粒子などの多相系、相変化多相系、または任意の他の有利な材料系であってもよい。さらに、直接の熱結合を利用し不要な要素を取り除くことによって、ヒートパイプを含む固体材料系で上述の流体ベースの系を置き換えることができる。
【００３７】
本明細書で開示している特定の実施形態については、低温側ループは、フィン付きのアルミニウムチューブ状コア、蒸発冷却塔、衝突液体クーラ、ヒートパイプ、車両エンジン冷却水、水、空気、または他の任意の移動または静止している有利な吸熱装置、などの任意の除熱機構を採用することができる。
【００３８】
コントローラ１６は、センサ及び他の入力に基づいて、熱電発電機９１９並びに高温側及び低温側熱交換器を制御する。コントローラ９１６は、少なくとも一部が電力発生の実行、制御、調整または修正を行う機能を監視し制御する。熱電発電機９１９の例を図１０と１１の説明において、より詳細に示している。繰り返すが、本明細書で説明するこのようなコントローラの動作は、この特定の実施形態に限定されない。
【００３９】
熱電コントローラ９１６は、以下の部品−すなわち、高温排気を計測し、監視し、発生させ、または制御する装置のための機構；熱電発電機９１９内の部品；弁、ポンプ、圧力センサ、フローセンサ、温度センサなどの低温側ループ内の装置；発電のために有利な他の任意の入力または出力装置―のいずれかまたは全ての作動状態と通信し、及び／または監視する。コントローラの有利な機能は、熱電発電機の電気出力を有利に変化させるように、高温側流体と低温側流体の少なくとも一方の作動を変化させることである。例えば、コントローラはポンプ速度を制御し、変化させ、監視し、弁を操作し、熱エネルギーの貯蔵量または使用量を管理し、熱電発電機の出力電圧または電流を変化させることができ、さらには高温排気の生成や作動になんらかの有利な変化をもたらす、といった他の機能を実行することができる。制御特性の例として、装置が車両内で廃熱回収に利用され、低温側流体がエンジン冷却水である場合、２方向弁をコントローラまたは任意の他の制御機構によって制御し、流れを有利な向きに向けることができる。
【００４０】
ガソリンエンジンは、いったん暖機されると、より効率的に作動する。熱電発電機９１９から廃熱を除去することによって加熱される低温側ループの流れは、適切な向きに向けられた場合、エンジンの加熱を加速させることができる。あるいは、加熱された低温側冷却水９１０は、乗員用の空気を加熱するように熱交換器を通し、それから熱電発電機の入口に戻ってもよいし、エンジンの加熱を補助するようにエンジンに向けられてもよい。エンジンが高温である場合、低温側冷却水は、ラジエータまたは任意のその他の有利な吸熱装置に向けられ、エンジンを迂回して、それから熱電発電機の入口に戻ってもよい。
【００４１】
図１０は、図９の熱電発電機９１９の例として、１つの考え得る実施形態である熱電発電機９１９Ａを示している。熱電装置９１９Ａは３つの熱電発電機、すなわちＴＥＧ１  １０１１と、ＴＥＧ２  １０１２と、ＴＥＧ３  １０１３と、を有している。本実施形態では、熱電発電機１０１１，１０１２，１０１３の各々は、高温側ダクト１００３，１００４と熱的に接続している。高温側ダクト１００３，１００４は高温側流体１００１，１００２を有している。低温側ダクト１００８，１００９も同様に、低温側作動流体１００６，１００７を有している。高温側弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３  １００５は、高温側流体１００１，１００２の熱電発電機ＴＥＧ１  １０１１，ＴＥＧ２  １０１２，ＴＥＧ３  １０１３への流れをそれぞれ制御する。同様に、低温側弁Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６  １０１０は、低温側流体の熱電発電機ＴＥＧ１  １０１１，ＴＥＧ２  １０１２，ＴＥＧ３  １０１３への流れをそれぞれ制御する。ワイヤハーネス１０１４は、熱電発電機ＴＥＧ１  １０１１，ＴＥＧ２  １０１２，ＴＥＧ３  １０１３で発生した電力を車両の他の部分に送る。燃料及び空気の質量流量、圧力、排気温度、エンジン回転数並びに全ての他の利用可能な関連する情報などの、熱電発電機９１９Ａの作動を調整するための情報源及び制御機構と、ポンプ、弁１００５，１００６及び全ての他の機構への接続は示していない。
【００４２】
作動時には、高温側流体１００１の流れは、熱出力を熱電発電機ＴＥＧ１  １０１１，ＴＥＧ２  １０１２，ＴＥＧ３  １０１３に供給し、適切に機能している弁Ｖ1〜Ｖ6  １００５，１００６によって操作することができる。例として、熱出力の入力が低い場合、１つの熱電発電機ＴＥＧ１  １０１１の高温側を加熱し低温側を冷却するように、弁Ｖ1，Ｖ4  １００５，１００６が開かれる。他の弁Ｖ2〜Ｖ6は第２の熱電発電機ＴＥＧ２  １０１２と第３の熱電発電機ＴＥＧ３  １０１３の加熱を防止する状態に維持される。ポンプ９０９（図９に図示）は、第１の熱電発電機ＴＥＧ１  １０１１の電力出力を最大にする高温側流体９０１の流れを供給するように調整される。同様に、ポンプ９１５（図９に図示）は、第１の熱電発電機ＴＥＧ１  １０１１の電力出力を最大にする高温側流体１００１の流れを供給するように調整される。利用可能な熱出力が増加すると、第２の熱電発電機ＴＥＧ２  １０１２を作動させるように、弁Ｖ2，Ｖ5  １００５，１００６を作動させることができる。第１の熱電発電機ＴＥＧ１  １０１１と第２の熱電発電機ＴＥＧ２  １０１２とからの電力出力を最大にするように、ポンプ９０９（図９を参照）をコントローラ９１６で調整することができる。
【００４３】
あるいは、第１の熱電発電機ＴＥＧ１  １０１１を弁Ｖ1，Ｖ4  １００５，１００６（または弁Ｖ1だけ）を閉じることによって停止させることも、それによって性能がさらに改善されるのであれば可能であろう。同様に、より高い熱出力では、ＴＥＧ３  １０１３を単独で、またはＴＥＧ１  １０１１とＴＥＧ２  １０１２の少なくとも一方と組み合わせて、作動させることができる。図８に示す制御装置、センサ、弁及びポンプが作動を調整する。
【００４４】
図１０は熱電発電機９１９の１つの考え得る実施形態だけを示している。他の変形例も可能である。例えば装置は、少なくとも一部が互いに独立して作動可能な、少なくとも２つの、任意の数の熱電モジュールから構成することができる。図１０に異なるサイズで示すように、このような各熱電モジュールは異なる容量を有しているのが有利である。熱電モジュールに異なる容量を持たせることと、各熱電モジュールを運転とは独立して起動させあるいは切断するように熱出力を切り替える能力とによって、コントローラ９１６は実質的に変化する作動条件に対応することができる。
【００４５】
図１１は、熱電発電機９１９（図９）用の、他の代替の熱電装置９１９Ｂを示している。同様に、この熱電装置９１９Ｂは、自動車の排気などの変化する熱源からの出力効率を改善するように構成されている。図示のように、熱電装置１１００は、高温側熱源１１０１と熱的に良好に連絡している３つの熱電発電機ＴＥＧ１  １１０４，ＴＥＧ２  １１０５，ＴＥＧ３  １１０６を有している。自動車の例では、これは排気または他の高温流体とすることができる。高温側熱源１１０１は、高温側ダクト１１０２を通して流れることが好ましい。本実施形態では、高温側熱ダクトは、３つの高温側ダクト１１１１，１１１２，１１１３に分割されており、各々が熱源１１０１の一部を担うように構成されている。図１１において、高温側熱源１１０１は、３つの高温側ダクト１１１１，１１１２，１１１３を通して、熱電発電機ＴＥＧ１  １１０４，ＴＥＧ２  １１０５，ＴＥＧ３  １１０６と熱的に接続している。出力弁１１０８は高温側流体１１０３を出力として制御する。低温側ダクト１１１４，１１１５内の低温側流体１１０９，１１１０は、熱電発電機ＴＥＧ１  １１０４，ＴＥＧ２  １１０５，ＴＥＧ３  １１０６を冷却する。低温側流体１１０９の流れは、弁Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3  １１０７によって制御される。
【００４６】
熱電装置９１９Ｂの作動は図９と１０について説明した原理に従っているが、高温側作動流体９０６が省略されており、熱出力は独立した高温側作動流体ループなしに伝えられる。例えば、本実施形態では、排気はコンジット１１０１を通って流れ、独立した作動流体は供給されない。本実施形態では、熱電発電機ＴＥＧ１  １１０４，ＴＥＧ２  １１０５，ＴＥＧ３  １１０６は、高温側熱交換器（不図示）を通して結合され、直接の結合、排気流内への挿入、ヒートパイプ、または任意の他の適切な機構などによって、高温排気に熱的に接続している。図１１には、好ましくは容量の異なる３つの熱電発電機ＴＥＧ１  １１０４，ＴＥＧ２  １１０５，ＴＥＧ３  １１０６を、図１０と同様に示している。弁Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3  １１０７と、不図示の他の装置、ポンプ、センサ及び他の機構が低温側作動流体１１１０の流れを制御する。作動時には、弁１１０８が熱電モジュールＴＥＧ１  １１０４，ＴＥＧ２  １１０５，ＴＥＧ３  １１０６への排気流を制御する。様々な熱電発電機ＴＥＧ１  １１０４，ＴＥＧ２  １１０５，ＴＥＧ３  １１０６が、入力条件と所望の電気出力とに応じて組み合わされる。排気弁Ｖ4  １１０８は１つ以上の弁とすることができる。
【００４７】
上述のように、３つの熱電発電機を示しているが、任意の数のうち、少なくとも２つ以上を使用可能である。各熱電発電機は、異なる高温側温度及び／または異なる低温側温度の間で作動する複合モジュールとすることができる。
【００４８】
さらに、実施形態によっては、排気流を高温側流路のいずれかまたは全てを通る方向に向け、発電に関連しない性能、例えば、排気背圧の調整、燃焼効率の改善、排出物質の調整または任意の他の理由のために、性能を変化させることができる。さらに、熱電モジュールの構成は、流体の流れから廃熱を回収する場合に、その構成が雑音や燃焼の特性を調整できるように工夫されており、マフラー、触媒コンバータ、粒子の捕捉または処理の全てまたは一部の特性、あるいは全体的なシステム作動に有用な装置とのあらゆる望ましい一体化を組み込むことができる。
【００４９】
図１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ，１４は、本明細書に述べる特定の実施形態に係る熱電（ＴＥ）発電機１２００の例を模式的に示している。図１２Ａ，１２Ｂに（別々の視点から）示す例などの特定の実施形態において、熱電発電機１２００は、入力部１２０２と、出力部１２０４と、細長い複数の熱電セグメント１２０６と、少なくとも１つの可動部材１２０８と、を有することができる。入力部１２０２は、作動流体１２１０が通って流れるように構成することができる。出力部１２０４は、作動流体１２１０が通って流れるように構成することができる。細長い複数の熱電セグメント１２０６は、実質的に互いに平行であってよく、複数のセグメント１２０６の少なくとも１つは、少なくとも１つの熱電モジュール１２１２を備えることができる。各熱電セグメント１２０６は、作動流体１２１０が入力部１２０２から出力部１２０４へ流れるように構成可能とすることができる。少なくとも１つの可動部材１２０８は、作動流体１２１０が複数の熱電セグメント１２０６のうち、少なくとも１つの第１の熱電セグメントを通って流れ、作動流体１２１０が複数の熱電セグメント１２０６のうち、少なくとも１つの第２の熱電セグメントを通って流れることが阻止されるように位置することができる。
【００５０】
熱電発電機１２００の入力部１２０２と出力部１２０４は、少なくとも、１つ以上の可動部材１２０８によって塞がれあるいは阻止されていない時に、作動流体１２１０が通って流れることを許可する。図１２Ａ，１２Ｂの矢印１２２５は、熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れ方向を概略的に表している。従って、可動部材１２０８によって流れが完全に阻止されていない場合、作動流体１２１０は概略的には、入力部１２０２を通り、次に細長い複数の熱電セグメント１２０６を通り、次に出力部１２０４を通って流れる。作動流体１２１０が入力部１２０２と出力部１２０４との間を流れる時に、熱電セグメント１２０６以外にも、作動流体１２１０が通って流れる熱電発電機１２００の他の介在部品が存在してもよい。入力部１２０２と出力部１２０４は、１つ以上のパイプ、チューブ、ベント、ダクト、コンジットなどを有していてよく、一般的には、作動流体１２１０が通過可能な様々なやり方で構成することができる。入力部１２０２と出力部１２０４は、作動流体１２１０が通過できるようにされているが、特定の実施形態では、流れは必ずしも妨害されたり邪魔されたりしなくてもよい。従って、例えば、実施形態によっては、入力部１２０２と出力部１２０４は、網、メッシュ、または何らかの種類の一様でない表面を有していてよく、他の実施形態では、入力部１２０２と出力部１２０４は、作動流体１２１０が流れる流路が設けられているだけでよい。実施形態によっては、入力部１２０２と出力部１２０４は、出力部１２０４から流出した作動流体１２１０が最終的に入力部１２０２に戻るように、再循環装置と流体結合していてもよい。実施形態によっては、熱電発電機１２００の入力部１２０２と出力部１２０４は、他の熱電発電機１２００の入力部１２０２と出力部１２０４に、並列または直列で流体接続されていてもよい。実施形態によっては、複数の熱電発電機１２００の入力部１２０２と出力部１２０４の間の流体接続は、直列の流体接続と並列の流体接続の組合せを有することができる。
【００５１】
複数の熱電セグメント１２０６は、様々な断面形状をとることができ、様々な構成で相互に配置することができる。例えば、図１２Ａ，１２Ｂ（別々の視点）に模式的に示すような実施形態では、複数の熱電セグメント１２０６は、熱電セグメント１２０６と垂直な平面内で概ね円形の断面をとることができる。さらに、特定の実施形態では、各熱電セグメント１２０６は、図１２Ｂに模式的に示すように、複数の熱電セグメント１２０６と垂直な平面内で概ね台形の断面をとることができる。しかし、個々の熱電セグメント１２０６は他の断面形状をとることもでき、他の断面形状は、概ね三角形の形状、パイ片形状の形状、概ね環状に区分された形状を含むが、これらに限定されない。図１２Ａ，１２Ｂに示す熱電セグメント１２０６は、隣接しているセグメント１２０６と共通する辺を共有しているが、特定の他の実施形態では、セグメント１２０６は互いに離れていてもよい。
【００５２】
図１３Ａ，１３Ｂは、熱電セグメント１２０６が互いに概ね同一面に揃えられた熱電発電機１２００の例を（別々の視点から）模式的に示している。特定のこのような実施形態では、各熱電セグメント１２０６は、図１３Ｂに模式的に示すように、複数の熱電セグメント１２０６と垂直な平面内で概ね長方形の断面をとることができる。しかし、個々の熱電セグメント１２０６は他の断面形状をとることができ、他の断面形状は、概ね正方形、概ね台形及び概ね三角形を含むが、これらに限定されない。図１３Ａ，１３Ｂに模式的に示す熱電セグメント１２０６は、隣接しているセグメント１２０６と共通する辺を共有しているが、特定の他の実施形態では、セグメント１２０６は互いに離れていてもよい。
【００５３】
図１４は、熱電セグメント１２０６が互いに概ね同一面に揃えられた熱電発電機１２００の他の例を模式的に示している。この例においては、各熱電セグメント１２０６は直線領域と湾曲領域とを有している。一般に、特定の実施形態において、熱電発電機１２００は、直線状の熱電セグメント１２０６と湾曲した熱電セグメント１２０６の少なくともいずれかを有することができ、あるいは図１４に模式的に示すように、直線領域と湾曲領域の両方を備えた熱電セグメント１２０６を有することができる。各熱電セグメント１２０６の断面形状は図１４には示していないが、上述のように、概ね正方形、概ね台形及び概ね三角形などの、しかしこれらに限定されない多くの断面形状が可能である。図１４に模式的に示す熱電セグメント１２０６は隣接しているセグメント１２０６と共通する辺を共有しているが、特定の他の実施形態では、セグメント１２０６は互いに離れていてもよい。
【００５４】
熱電セグメント１２０６の少なくとも１つは、少なくとも１つの熱電モジュール１２１２を有しているが、実施形態によっては、複数の熱電セグメント１２０６の各々が１つ以上の熱電モジュール１２１２を有している。例えば、図１２Ａ，１２Ｂに示す熱電発電機１２００の例は、７つの熱電セグメント１２０６と、熱電モジュール１２１２のないコンジット１２０７と、を有している。特定のこのような実施形態において、熱電モジュール１２１２のないコンジット１２０７は効果的にバイパスの役割を果たす。これはこのコンジット１２０７を通る作動流体１２１０が、どの熱電モジュール１２１２とも熱的に接続されていないためである。従って、バイパスとしての役割のあるコンジット１２０７は、いずれの熱電モジュール１２１２にも熱的な負荷をかけることなく、作動流体１２１０の一部が複数の熱電セグメント１２０６を通過できるようにする。このように、バイパスの役割のあるコンジット１２０７は、バイパスが存在しないと熱電モジュール１２１２の組み合わされた熱容量に対して過負荷を与える可能性のある作動流体１２１０の流量を、熱電発電機１２００が調整できるようにする。
【００５５】
熱電セグメント１２０６とモジュール１２１２の他の考え得る構成を、図１３Ａ，１３Ｂに（別々の視点から）模式的に示している。図１３Ａ，１３Ｂは、７つの熱電セグメント１２０６を有する熱電発電機１２００の実施形態を示しており、７つの熱電セグメント１２０６のうち６つは、各熱電セグメント１２０６の両側に取り付けられた２つの熱電モジュール１２１２を有している。同様に、熱電モジュール１２１２のない熱電セグメント１２０６は、前述のようにバイパスの役割を効果的に果たす。
【００５６】
各熱電モジュール１２１２は１つ以上の熱電素子を有しており、熱電モジュール１２１２と作動流体１２１０との間での熱エネルギーの伝導を促進する１つ以上の熱交換器を、任意に有することができる。１つ以上の熱電素子は電子装置であり、多くの場合、その電子装置の少なくとも一部に熱的勾配が加えられたときに電力を発生することができる固体電子部品である。熱電モジュール１２１２は、米国特許第６，５３９，７２５号明細書、第６，６２５，９９０号明細書及び第６，６７２，０７６号明細書に記載されているような様々な構成を実現することができ、これらの明細書の各々は、参照によって、その全体が本明細書に援用される。しかし、熱エネルギーを電気エネルギーに変換可能な、あらゆる機能的熱電素子を、本明細書で説明している特定の実施形態と互換性のある熱電モジュール１２１２を構成するために使用することができる。
【００５７】
特定の熱電モジュール１２１２内に複数の熱電素子が存在する場合、熱電素子の間で様々な電子的接続が可能である。例えば、熱電素子を電気的に互いに直列で接続すること、電気的に互いに並列で接続すること、または直列接続と並列接続の組み合わせで電気的に接続することが可能である。実施形態によっては、例えば、同じ種類の異なる数の熱電素子を直列に互いに接続することによって、様々な熱容量の熱電モジュール１２１２を作ることができる。
【００５８】
熱電セグメント１２０６の熱電モジュール１２１２は、様々な構成で電気接続することができる。例えば、実施形態によっては、熱電モジュール１２１２を直列に電気接続してもよいし、並列に電気接続してもよいし、直列接続と並列接続の組み合わせによって電気接続してもよい。特定の実施形態において、熱電発電機１２００は図１５に示すように、並列に電気接続された熱電モジュール１２１２のアレイを有している（以下により詳細に説明する）。
【００５９】
実施形態によっては、複数の熱電セグメント１２０６または複数の熱電セグメント１２０６のサブセットが互いに流体連絡していてもよい。熱電セグメント１２０６間の流体連絡は、図１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ，１４に模式的に示す実施形態のように、２つ以上の熱電セグメント１２０６が並列に互いに流体連絡している態様とすることができる。しかし、２つ以上の熱電セグメント１２０６は、直列に流体接続されてもよく、直列の流体接続と並列の流体接続の組み合わせによって流体接続されてもよい。図１６，１７は、熱電セグメント１２０６を流体接続する２つの構成例を模式的に示している。ただし、熱電セグメント１２０６を接続する他の構成も、本明細書で述べる特定の実施形態と互換性がある。図１６と１７のいずれにおいても、矢印１２２５は流れ方向を示している。図１６では、２つの弁１２３０が閉じているときに、熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０用の、流れが平行な２つの流路がある。弁１２３０のいずれかが開くと、平行な流路とともに直列の流路が形成される。図１７では、連続した各熱電セグメント１２０６を流れることで作動流体１２１０の少なくとも一部が各熱電セグメント１２０６を直列に流れるように、熱電セグメント１２０６が接続されている。さらに、作動流体１２１０の少なくとも一部が熱電セグメント１２０６のいくつか（例えば、１２０６ａ，１２０６ｃ，１２０６ｅ）を通って第１の方向の平行に流れ、作動流体の少なくとも一部が熱電セグメント１２０６のいくつか（例えば、１２０６ｂ，１２０６ｄ，１２０６ｆ）を通って第１の方向とは反対の第２の方向に平行に流れる。
【００６０】
少なくとも１つの可動部材１２０８を、図１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ，１４に模式的に示すような様々な態様で移動するように、複数の熱電セグメント１２０６に対して配置し、または取り付けることができる。例えば、図１２Ａ，１２Ｂに模式的に示す例のような実施形態では、少なくとも１つの可動部材１２０８を、熱電セグメント１２０６と概ね平行な回転軸を中心に回転するように構成することができる。例えば、少なくとも１つの可動部材１２０８は、作動流体１２１０が通って流れることができる１つ以上の孔を備えることができ、少なくとも１つの可動部材を回転させることによって、他の熱電セグメント１２０６を通る流れを塞ぎながら、選択された熱電素子１２０６に孔を揃えることができる。このことは図１２Ａ，１２Ｂに示されており、可動部材１２０８は、可動部材１２０８が熱電セグメント１２０６ｃ〜１２０６ｇとコンジット１２０７を通る作動流体１２１０の流れを実質的に塞ぎ、一方、作動流体１２１０が相対的に妨げられることなく、熱電セグメント１２０６ａ，１２０６ｂを流れることが可能なように位置している。図１４に模式的に示す例のような他の実施形態では、少なくとも１つの可動部材１２０８は、熱電セグメント１２０６に対し概ね垂直な回転軸を中心に回転するように構成することができる。例えば、少なくとも１つの可動部材１２０８は、選択した熱電セグメント１２０６を通る流れを許可し他の熱電セグメント１２０６を通る流れを塞ぐように回転させることができるバッフルを有することができる。図１３Ａ，１３Ｂに模式的に示すようなさらに他の実施形態において、少なくとも１つの可動部材１２０８は、熱電セグメント１２０６に対し概ね垂直な方向に沿って実質的に直線状に移動するように構成してもよい。例えば、少なくとも１つの可動部材１２０８は、選択した熱電セグメント１２０６を通る流れを許可し他の熱電セグメント１２０６を通る流れを塞ぐように移動させることができる。このことは図１３Ａ，１３Ｂに示されており、可動部材１２０８は、可動部材１２０８が熱電セグメント１２０６ｂ〜１２０６ｆとコンジット１２０７を通る作動流体１２１０の流れを実質的に塞ぎ、一方、作動流体１２１０が相対的に妨げられることなく、熱電セグメント１２０６ａを流れることが可能なように位置している。しかし、可動部材１２０８は回転運動だけまたは直線運動だけに限定する必要はない。そのため、実施形態によっては、可動部材１２０８は回転運動と直線運動の組み合わせによって移動してもよい。さらに、回転運動はセグメント１２０６に垂直でも平行でもない回転軸を中心としてもよい。
【００６１】
実施形態によっては、少なくとも１つの可動部材１２０８は、作動流体１２１０が複数の熱電セグメント１２０６のうち少なくとも１つの第１の熱電セグメント１２０６を流れることを許可し、作動流体１２１０が複数の熱電セグメント１２０６のうち少なくとも１つの第２の熱電セグメント１２０６を流れることを阻止するように位置することができる。実施形態によっては、少なくとも１つの可動部材１２０８は、第１の位置と第２の位置と第３の位置とを含む複数の位置に位置することができる。第１の位置では、作動流体１２１０は、第１と第２の熱電セグメント１２０６を同時に流れることができる。第２の位置では、作動流体１２１０は、第１の熱電セグメント１２０６を流れることができるが、同時に、第２の熱電セグメント１２０６を流れることが阻止される。第３の位置では、第１と第２の熱電セグメント１２０６を流れることが同時に阻止される。
【００６２】
図１２，１４に模式的に示す例のような実施形態では、少なくとも１つの可動部材１２０８は、回転軸を中心とした実質的な回転変位によって、複数の位置（例えば、第１、第２及び第３の位置）のうち少なくとも２つの間を移動する。図１２Ａ，１２Ｂの例によって示すように、回転軸は熱電セグメント１２０６に対して実質的に平行であってよく、あるいは図１４に示すように、回転軸は熱電セグメント１２０６に対して実質的に垂直であってよい。しかし、他の実施形態は、熱電セグメント１２０６に実質的に平行でも実質的に垂直でもない回転軸を中心に回転する１つ以上の可動部材１２０８を有することができる。図１３Ａ，１３Ｂに模式的に示す例のような他の実施形態では、少なくとも１つの可動部材１２０８が、実質的に直線状の変位によって、複数の位置（例えば、第１、第２及び第３の位置）のうち少なくとも２つの間を移動する。特定の実施形態では、１つ以上の可動部材１２０８は各熱電セグメント１２０６に対応していてもよい。例えば、各熱電セグメント１２０６は、熱電セグメント１２０６を通る流れを選択的に許可しまたは阻止する可動部材１２０８を有することができる。可動部材１２０８を個別に作動させることによって、作動流体１２１０が１つ以上の選択された熱電セグメント１２０６を流れ、その他の熱電セグメント１２０６を流れないように制御することができる。
【００６３】
特定の実施形態において、少なくとも１つの可動部材１２０８は、熱電セグメント１２０６の入力端部を少なくとも部分的に閉じることによって、作動流体１２１０の熱電セグメント１２０６を通る流れを阻止することができる。例えば、図１２Ａ，１２Ｂ及び図１３Ａ，１３Ｂに模式的に示す熱電発電機１２００は、１つ以上の熱電セグメント１２０６の入力端部を塞ぐために可動部材１２０８を用いている。あるいは、少なくとも１つの可動部材１２０８は、熱電セグメント１２０６の出口端部を少なくとも部分的に閉じることによって、作動流体１２１０の熱電セグメント１２０６を通る流れを阻止してもよい。例えば、模式的に図１４に示す熱電発電機１２００の例は、１つ以上の熱電セグメント１２０６の出口端部を塞ぐために可動部材１２０８を用いている。特定の実施形態において、少なくとも１つの可動部材１２０８は、各熱電セグメント１２０６に対応した１つ以上の可動部材１２０８を有していてよく、これらの可動部材１２０８はそれぞれの熱電セグメント１２０６の入力端部または出力端部を選択的に塞ぐように位置することができる。特定のこのような実施形態において、少なくともいくつかの可動部材１２０８は、それぞれの熱電セグメント１２０６の入力端部を選択的に塞ぎ、少なくともいくつかの可動部材１２０８は、それぞれの熱電セグメント１２０６の出力端部を選択的に塞ぐ。
【００６４】
実施形態によっては、少なくとも１つの可動部材１２０８の位置を複数の位置から選択することで、作動流体１２１０から第１及び第２の熱電セグメント１２０６への熱出力の伝達が修正される。特定の実施形態において、可動部材１２０８の位置は、第１の熱電セグメント１２０６または第２の熱電セグメント１２０６からの廃熱の除去割合を修正するように選択することができる。以上の説明は、２つを超える熱電セグメント１２０６と、３つを超える位置に位置することができる１つ以上の可動部材１２０８と、有し、それによって２つを超える熱電セグメント１２０６を通る流れを選択的に許可し阻止する機構を実現する実施形態を含んでいる。
【００６５】
作動流体１２１０は、入力部１２０２から熱電セグメント１２０６を通って出口部１２０４まで流れることによって、熱エネルギーを熱電モジュール１２１２（及び熱電モジュール１２１２の熱電素子）へ供給する。作動流体１２１０は、熱エネルギーを運搬し、作動流体１２１０が熱電セグメント１２０６を通る時に熱エネルギーを熱電モジュール１２１２に伝達することができる任意の材料を有することができる。例えば、実施形態によっては、作動流体１２１０は蒸気、ＮａＫ、ＨＥ及びＸｅ気体、圧縮空気、または高沸点油を有することができる。実施形態によっては、作動流体１２１０は、例えば、水とエチレングリコールの混合物内に分散しているナノ粒子を含む多相系を有していてよく、相変化多相系を有することもできる。１つ以上の熱電モジュール１２１２が１つ以上の熱交換器を備えている実施形態では、熱交換器は一般に、作動流体１２１０から熱電モジュール１２１２及び熱電素子への熱エネルギーの伝導を促進する。熱伝導は、例えば、１つ以上の熱伝導特徴部（例えば、フィン、ピンまたはタービュレータ）の存在によって促進することができる。この熱伝導特徴部は熱交換器と一体化されており、作動流体１２１０が熱電セグメント１２０６を流れる流路内に延びている。特定の実施形態において、熱交換器と熱電モジュール１２１２は、参照によってその全体が本明細書に援用される米国特許第６，５３９，７２５号明細書に記載されているように、流れ方向に断熱されるように構成されている。
【００６６】
特定の実施形態において、熱電発電機１２００は、１つ以上の可動部材１２０８の動きまたは位置を制御するように構成されたコントローラ１２１４も有することができる。例えば、特定の実施形態の１つ以上の可動部材１２０８は、複数の位置の間を移動することによって、コントローラ１２１４から受信した信号に応答する。実施形態によっては、１つ以上の可動部材１２０８の動きまたは位置を制御することによって、コントローラ１２１４は、１つ以上の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れに影響を及ぼすことができる。従って、実施形態によっては、コントローラ１２１４は、作動流体１２１０から１つ以上の熱電モジュール１２１２への熱出力の伝達を選択的に修正することができる。例えば、コントローラ１２１４は、どの熱電モジュール１２１２が作動流体１２１０から熱出力を受け取り、どれが受け取らないかを効果的に制御することができる。このように、作動流体１２１０から熱出力を受け取る熱電モジュールの数を修正し、作動流体１２１０から熱出力を受け取る個々の熱電モジュール１２１２を選択することによって、熱電発電機１２００の熱容量をコントローラ１２１４によって調整することができる。実施形態によっては、熱電発電機１２００が大きさと熱容量の少なくとも一方が異なる熱電モジュール１２１２を備えることで、調整可能性が増大する。
【００６７】
特定の実施形態において、コントローラ１２１４は、熱電モジュール１２１２間の電子的接続を選択的に変更するように作動することができる。例えば、図１５のコントローラ１２１４は、特定の熱電モジュール１２１２が他の熱電モジュール１２１２と並列に電気接続されないように、特定の熱電モジュール１２１２を回路から選択的に切断できるように構成されている。従って、実施形態によっては、熱電発電機１２００の熱容量は、熱電モジュール１２１２の電気接続を調整することによって調整することができる。図１５に示す実施形態は、各熱電モジュール１２１２が選択的に並列に接続または切断できるように構成されているが、他の実施形態では、コントローラ１２１４は熱電モジュール１２１２の全体のうち、サブセットの電気接続を制御するだけであってもよい。さらに、他の実施形態において、コントローラ１２１４は、熱電モジュール１２１２を選択的に直列に接続または切断してもよく、熱電モジュール１２１２を選択的に並列に接続または切断してもよく、熱電モジュール１２１２間の直列電気接続及び並列電気接続を同時に制御してもよい。
【００６８】
特定の実施形態において、コントローラ１２１４は、１つ以上の可動部材１２０８の動きまたは位置を制御し、さらに熱電モジュール１２１２間の電子接続の制御または変更を行うことができる。従って、実施形態によっては、コントローラ１２１４が個々の熱電モジュール１２１２を選択的に、熱的及び電気的に熱電発電機１２００から連結解除できるように、作動流体１２１０による熱電モジュール１２１２への熱出力の伝達と熱電モジュール１２１２の電気接続性を、コントローラ１２１４によって調和した形態で制御することができる。
【００６９】
さらに、実施形態によっては、熱電発電機１２００は、熱電発電機１２００の作動中に作動流体１２１０の１つ以上の物理的特性を計測するように構成されている１つ以上のセンサを有することができる。例えば、熱電セグメント１２０６に連結されている１つ以上のセンサは、１つ以上の熱電セグメント１２０６を流れる作動流体１２１０の流体圧力、温度、流量あるいはそれらの組み合わせを計測することができる。例えば、１つ以上のこれらの物理特性は、熱電発電機１２００の一部分内（例えば熱電セグメント１２０８内）で計測することができる。計測値は、センサとコントローラ１２１４との間の電気接続によってコントローラ１２１４に中継され、それによってコントローラ１２１４が作動流体１２１０の物理特性を監視することができる。従って、実施形態によっては、コントローラ１２１４は１つ以上のセンサから１つ以上の信号を受信するように構成され、さらに、作動流体１２１０の変化する物理的特性に応答して熱電モジュール１２１２を熱電発電機１２００に（電気的及び熱的に）選択的に結合または結合解除するように、１つ以上の信号を１つ以上の可動部材１２０８に送信することによって応答するように構成されていてもよい。特定のこのような実施形態は、熱電発電機１２００の作動効率と総電力出力との少なくとも一方を増加させるために、有利である。従って、コントローラ１２１４は、１つ以上の圧力センサ、温度センサまたはフローセンサによって求められる熱電発電機１２００の作動特性に応答して１つ以上の可動部材１２０８の位置を制御することによって、熱電発電機１２００の作動を変更することができる。
【００７０】
図１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ，１４に模式的に示す例のような特定の実施形態において、熱電発電機１２００は、少なくとも１つの熱電モジュール１２１２を備えた第１の熱電セグメント１２０６と、少なくとも１つの熱電モジュール１２１２を備えた第２の熱電セグメント１２０６と、複数の位置に位置することができる可動部材１２０８と、を有することができる。可動部材１２０８が位置することのできる複数の位置は、第１の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れを許可しながら第２の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れを同時に許可する第１の位置と、第１の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れを阻止しながら第２の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れを同時に許可する第２の位置と、第１の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れを阻止しながら第２の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れを同時に阻止する第３の位置と、を含むことができる。
【００７１】
図１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ，１４に模式的に示す例のような特定の実施形態において、複数の熱電セグメント１２０６は、第３の熱電セグメント１２０６をさらに有していてよく、少なくとも２つの熱電セグメント１２０６は各々が少なくとも１つの熱電モジュール１２１２を有することができる。可動部材１２０８（２つ以上が存在していてもよいが）は、第１の位置と、第２の位置と、第３の位置と、第４の位置とを含む複数の位置に位置することができる。第１の位置にあるときには、可動部材１２０８は、第１と、第２と、第３の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れを同時に許可する。第２の位置にあるときには、可動部材１２０８は、第１の熱電セグメント１２０６を通る作動流体の流れを阻止しながら、第２と第３の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れを同時に許可する。第３の位置にあるときには、可動部材１２０８は、第１と第２の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れを同時に阻止しながら、第３の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れを同時に許可する。第４の位置にあるときには、可動部材１２０８は、第１と、第２と、第３の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れを同時に阻止する。
【００７２】
図１８は、本明細書で説明している特定の実施形態による複数の熱電モジュール１２１２の操作方法の例１８００の流れ図である。方法１８００は、図１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ，１４の熱電発電機１２００の例に関連して以下に説明するが、他の構成も使用可能である。方法１８００は、作動ブロック１８１０において、複数の位置から可動部材１２０８の位置を選択することによって、第１の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れと第２のセグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れの両方を変化させることを有している（各熱電セグメントは熱電モジュールを有している）。複数の位置は、第１の熱電セグメントを通る流れを許可しつつ第２の熱電セグメントを通る流れを同時に許可する第１の位置と、第１の熱電セグメントを通る流れを阻止しつつ第２の熱電セグメントを通る流れを同時に許可する第２の位置と、第１の熱電セグメントを通る流れを阻止しつつ第２の熱電セグメントを通る流れを同時に阻止する第３の位置と、を含んでいる。特定の実施形態では、可動部材１２０８の位置は、複数の熱電モジュール１２１２の効率を高め、電力出力特性を修正し、またはそれらの両方を行うように選択することができる。特定のこのような方法は、作動ブロック１８２０において、複数の熱電モジュールに熱出力を伝達することと、複数の熱電モジュールから廃熱を除去することの少なくとも一方をさらに有している。特定の実施形態において、方法１８２０は、複数の熱電モジュールから廃熱を除去することをさらに有している。
【００７３】
熱出力源と伝達システムは、熱出力を熱電発電機１２００に伝達するように、熱電発電機１２００に熱的に結合されることができる。多くの異なる種類の熱源を熱電発電機１２００と共に使用することができ、原則的に、伝達可能な熱エネルギーを供給可能ないかなる装置も利用することができる。例えば、熱出力源はエンジン（例えば内燃エンジン）であってよく、熱出力伝達システムは冷却水コンジットまたは排気コンジットを有することができる。コントローラ１２１４は、熱出力伝達システム、熱出力源、またはそれらの両方の作動状態に応答することができる。例えば、作動状態を検出するように構成されているセンサは、信号をコントローラに送信して、熱出力伝達システム、熱出力源、またはそれらの両方の作動に関する情報を提供するように使用することができる。例えば、センサは、熱出力伝達システム内、熱出力伝達源内、またはそれらの両方の中の１つ以上の圧力、流れまたは温度に応答することができる。従って、コントローラ１２１４は、１つ以上の圧力センサ、温度センサ、またはフローセンサによって求められる熱出力伝達システム、熱出力伝達源、またはそれらの両方の作動特性に応答して１つ以上の可動部材１２０８の位置を制御することによって、熱電発電機１２００の作動を変更することができる。より一般的には、コントローラ１２１４は、熱電発電機１２００、熱出力源、または熱出力伝達システムの作動特性の任意の組み合わせに応答する可動部材１２０８の制御によって、熱電発電機１２００の作動状態を変更することができる。
【００７４】
図１９は、本明細書で説明している特定の実施形態による熱電発電機１２００の他の例を模式的に示している。図１９に模式的に示すような特定の実施形態では、熱電発電機１２００は、第１の熱電セグメント１２０６と、第２の熱電セグメント１２０６と、少なくとも１つの第１の可変流れ素子１２１６ａと、を有することができる。第１の熱電セグメント１２０６は、少なくとも１つの熱電モジュール１２１２を有することができ、第１の熱電セグメント１２０６はある流体圧力で流れる作動流体１２１０を有することができる。第２の熱電セグメント１２０６は少なくとも１つの熱電モジュール１２１２を有することができ、第２のセグメント１２０６は作動流体１２１０が流れることができるように構成可能とすることができる。第１の可変流れ素子１２１６ａは、第１の可変流れ素子１２１６ａへのこの流体圧力の作用時に動くことができ、第１の可変流れ素子１２１６ａは、第２の熱電セグメント１２０６を流れる作動流体１２１０の流れに対する第２の熱電セグメント１２０６の流れ抵抗を修正する。
【００７５】
図１９に模式的に示す例のような特定のこのような実施形態において、熱電発電機１２００は、作動流体１２１０が流れることができるように構成可能な第３の熱電セグメント１２０６をさらに有していてよく、第３の熱電セグメント１２０６は少なくとも１つの熱電モジュール１２１２をさらに有することができる。さらに、図１９に模式的に示す例のような特定のこのような実施形態において、熱電発電機１２００は第２の可変流れ素子１２１６ｂをさらに有することができる。第１の可変流れ素子１２１６ａと同様に、第２の可変流れ素子１２１６ｂは、第２の可変流れ素子１２１６ｂにこの流体圧力が作用したときに動くことができ、第２の可変流れ素子１２１６ｂは、少なくとも、第３の熱電セグメント１２０６を流れる作動流体１２１０の流れに対する第３の熱電セグメント１２０６の流れ抵抗を修正する。
【００７６】
図１９に模式的に示す例示的な実施形態において、熱電セグメント１２０６（例えば３つの）は互いに概ね同一面に揃えられた構成で配置されており、並列で互いに流体連絡している。他の構成では、熱電セグメント１２０６は、２つ、３つ、４つ、またはそれ以上の熱電セグメント１２０６が直列で互いに流体連絡するように接続されていてもよい。熱電発電機１２００内の熱電セグメント１２０６間の直列流体接続と並列流体接続の組み合わせも、実現可能である。
【００７７】
特定の実施形態において、熱電発電機１２００は熱電モジュールを有していない１つ以上のコンジット１２０７をさらに有している。特定の実施形態において、コンジット１２０７は、第１の熱電セグメント１２０６及び第２の熱電セグメント１２０６と、並列で流体連絡している。特定の実施形態において、コンジット１２０７は、第１の熱電セグメントと第２の熱電セグメントの少なくとも一方と、直列で流体連絡している。特定の実施形態において、熱電発電機１２００は第２の可変流れ素子１２１６をさらに有していてよく、第２の可変流れ素子１２１６（第２の可変流れ素子に流体圧力が作用したときに動くことが可能）は、少なくとも、コンジット１２０７を通る作動流体１２１０の流れに対するコンジット１２０７の流れ抵抗を修正することができる。例えば、図１９に模式的に示す例示的な実施形態の３つの熱電セグメント１２０６は、コンジット１２０７に並列で選択的に流体連絡している。この例において、第３の可変流れ素子１２１６ｃ（第３の可変流れ素子１２１６ｃに流体圧力が作用したときに動くことが可能）は、少なくとも、コンジット１２０７を通る作動流体１２１０の流れに対するコンジット１２０７の流れ抵抗を修正することができる。従って、コンジット１２０７は、いずれの熱電モジュール１２１２への熱負荷の作用も回避する作動流体１２１０の流路を実現することによって、バイパスとしての役割を効果的に果たす。このように、コンジット１２０７は、熱電発電機１２００が、バイパスが存在しないと熱電モジュール１２１２の組み合わされた熱容量に対して過負荷になる可能性のある作動流体１２１０の流量を調整することを可能にする。
【００７８】
１つ以上の可変流れ素子１２１６は、作動流体１２１０の流れに対する熱電セグメント１２０６の流れ抵抗を修正することによって、熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れに影響を及ぼす。可変流れ素子は、図１９に模式的に示すように熱電セグメント１２０６の出力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、または熱電セグメント１２０６の入力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、熱電セグメント１２０６の流れ抵抗を修正することができる。特定の実施形態において、可変流れ素子１２１６は弁を有することができる。例えば、特定のこのような実施形態において、弁はフラッパ弁とすることができる。フラッパ弁は一般に、実質的に平坦な閉塞部材と、閉塞部材に取り付けられたヒンジとを有する弁であり、閉塞部材はヒンジによって定められた軸線を中心に実質的に回転変位することで動くことができる。フラッパ弁が閉位置にあるときは、閉塞部材は、閉塞部材の平面が流体の流れ方向に対して実質的に垂直となる方向に向いており、従って、流体が流れることができる有効断面積が減少し、あるいは無くなる。フラッパ弁が開位置にあるときは、閉塞部材は、閉塞部材の平面が流体の流れ方向に対して実質的に垂直とならない方向に向いており、従って、流体が閉塞部材によって相対的に妨害されずに流れることができる実質的な断面積が開かれる。
【００７９】
可変流れ素子１２１６は、可変流れ素子１２１６への流体圧力の作用時に動くことができる。例えば、可動流れ素子１２１６は、対応している熱電セグメント１２０６をより多くの流れが通るように、可変流れ素子１２１６に作用する流体圧力に対して応答することができる。従って、１つ以上の可変流れ素子１２１６の作動により、熱電セグメント１２０６の流れ抵抗は熱電セグメント１２０６内の流体圧力に依存することができる。熱電セグメント１２０６の流れ抵抗の変動によって、熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流量が変動することがある。従って、作動流体１２１０は熱出力を搬送することができるため、熱電セグメント１２０６の熱電モジュール１２１２に伝達される熱出力または熱流束の量は、可変流れ素子１２１６の動きによって修正することができる。例えば、第１の可変流れ素子１２１６の動きは、第２の熱電セグメント１２０６の少なくとも１つの熱電モジュールへの熱出力または熱流束の伝達を修正することができる。同様に、熱電セグメント１２０６の熱電モジュール１２１２からの廃熱の除去割合は、熱電セグメント１２０６の流れ抵抗を生じさせる可変流れ素子１２１６の動きによって修正することができる。例えば、第１の可変流れ素子１２１６の動きは、第２の熱電セグメント１２０６の少なくとも１つの熱電モジュール１２１２からの廃熱の除去割合を修正することができる。
【００８０】
可変流れ素子１２１６を使用することで、熱電発電機１２００を有している複数の熱電モジュール１２１２を、１つ以上の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れが作動状態に応じて調整されるように作動させることができる。そのような作動状態の１つは、熱電セグメント１２０６内の作動流体１２１０の流体圧力である。図２０は、本明細書で説明している特定の実施形態による複数の熱電モジュール１２１２の操作方法の例２０００の流れ図である。方法２０００は、第１の作動ブロック２０１０において、少なくとも第１の熱電モジュール１２１２を有する第１の熱電セグメント１２０６に、流体圧力を有する作動流体１２１０を流すことを有している。方法２０００は、第２の作動ブロック２０２０において、流体の流体圧力が閾値圧力を超えたときに、少なくとも第２の熱電モジュール１２１２を有する第２の熱電セグメント１２０６に、作動流体１２１０を流すことをさらに有している。方法２０００は、作動ブロック２０３０において、作動流体１２１０の流体圧力が閾値圧力を超えていないときに、第２の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れを阻止することをさらに有している。特定の実施形態では、閾値圧力は、熱電モジュール１２１２の効率を高め、電力出力特性を修正し、またはそれらの両方を行うように選択することができる。特定の実施形態において、方法２０００は熱出力を複数の熱電モジュール１２１２に伝達することをさらに有している。特定の実施形態において、方法２０００は複数の熱電モジュール１２１２から廃熱を除去することをさらに有している。
【００８１】
本明細書で説明している特定の実施形態において、熱電発電機１２００は、作動流体の流体圧力に応答する可変流れ素子１２１６の代わりに（または加えて）、作動流体の温度に応答する可変流れ素子１２１６を有することもできる。従って、熱電発電機１２００は、第１の熱電セグメント１２０６と、第２の熱電セグメント１２０６と、少なくとも１つの第１の可変流れ素子１２１６と、を有することができる。第１の熱電セグメント１２０６は、少なくとも１つの熱電モジュール１２１２を有することができ、第１の熱電セグメント１２０６は、第１の熱電セグメント１２０６を流れる作動流体１２１０を有することができる。第２の熱電セグメント１２０６は、少なくとも１つの熱電モジュール１２１２を有することができ、第２のセグメント１２０６は作動流体１２１０が流れることができように構成可能であってよい。第１の可変流れ素子１２１６は、第１の流れ素子１２１６の温度に応答して動くことができるように構成することができ、第１の可変流れ素子１２１６は、第２の熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れに対する第２の熱電セグメント１２０６の流れ抵抗を修正する。
【００８２】
可変流れ素子１２１６は、熱電発電機１２００の特定の領域内の作動流体１２１０の温度に応答することができる。従って、温度応答可変流れ素子１２１６の移動は、作動流体１２１０の温度に応答することができる。可変流れ素子１２１６の動きは熱電セグメント１２０６の流れ抵抗を修正し、熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流量は温度に依存することができる。作動流体１２１０は熱出力を搬送するため、熱電セグメント１２０６の熱電モジュール１２１２に伝達される熱出力または熱流束の量は、熱電セグメント１２０６の流れ抵抗を生じさせる可変流れ素子１２１６の動きによって修正することができる。同様に、熱電セグメント１２０６の熱電モジュール１２１２からの廃熱の除去割合は、熱電セグメント１２０６の流れ抵抗を生じさせる可変流れ素子１２１６の動きによって修正することができる。
【００８３】
適切な温度応答可変流れ素子１２１６は、様々な機構によって機能することができる。例えば、このような可変流れ素子１２１６は、第１の温度で第１の形状をとり、第１の温度と異なる第２の温度で第２の形状をとる構造を有することができる。特定のこのような実施形態において、この構造は図２１に模式的に示すように、バイメタルまたは形状記憶合金を有している。１つの温度範囲内で、バイメタルの帯は熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流れ方向に対して湾曲し、従って、熱電セグメント１２０６を通る作動流体１２１０の流路を少なくとも部分的に塞ぐ。しかし、図２１にも示すように、他の温度範囲では、バイメタルの帯は実質的にまっすぐで作動流体１２１０の流れ方向と平行であり、それによって、作動流体１２１０は相対的に妨害されずに帯を通りすぎて流れることができる。
【００８４】
温度応答可変流れ素子１２１６は、他の機構によって機能することもできる。特定の実施形態の可変流れ素子１２１６は、第１の温度で第１の相にあり、第１の温度と異なる第２の温度で第２の相にある材料を有することができる。特定のこのような実施形態において、この材料はワックスを有し、第１の相は第１の温度で固体であり、第２の相は第２の温度で液体である。特定の実施形態の可変流れ素子１２１６は、温度変化に応答して伸張したり収縮したりする材料を有することができる。そのような可変流れ素子１２１６は、第１の温度で流路を塞ぐように伸張し、第２の温度で流路を開くように収縮することができる。
【００８５】
図２２は、温度応答可動部材１２０８の使用に対応した複数の熱電モジュール１２１２の操作方法の一例の流れ図を示している。方法２２００は、第１の作動ブロック２２１０において、少なくとも第１の熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントに、ある温度の作動流体を流すことを有している。方法２２００は、第２の作動ブロック２２２０において、流体の温度が閾値温度を超えたときに、少なくとも第２の熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントに作動流体を流すことをさらに有している。方法２２００は、作動ブロック２２３０において、温度が閾値温度を超えていないときに、第２の熱電セグメントを通る作動流体の流れを阻止することをさらに有している。特定のこのような実施形態では、閾値温度は、複数の熱電モジュールの効率を高め、電力出力特性を修正し、またはそれらの両方を行うように選択することができる。
【００８６】
本発明の様々な実施形態を上述した。本発明をこれらの特定の実施形態を参照して説明したが、この説明は本発明を例示することを意図しており、限定することは意図していない。添付の特許請求の範囲で定められている本発明の真の趣旨と範囲から逸脱することなく、当業者は様々な修正及び適用に想到することが可能であろう。
【図１】
2011530270.tif 000003
【図２】
2011530270.tif 000004
【図３】
2011530270.tif 000005
【図４】
2011530270.tif 000006
【図５】
2011530270.tif 000007
【図６】
2011530270.tif 000008
【図７】
2011530270.tif 000009
【図８】
2011530270.tif 000010
【図９】
2011530270.tif 000011
【図１０】
2011530270.tif 000012
【図１１】
2011530270.tif 000013
【図１２Ａ】
2011530270.tif 000014
【図１２Ｂ】
2011530270.tif 000015
【図１３Ａ】
2011530270.tif 000016
【図１３Ｂ】
2011530270.tif 000017
【図１４】
2011530270.tif 000018
【図１５】
2011530270.tif 000019
【図１６】
2011530270.tif 000020
【図１７】
2011530270.tif 000021
【図１８】
2011530270.tif 000022
【図１９】
2011530270.tif 000023
【図２０】
2011530270.tif 000024
【図２１】
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【図２２】
2011530270.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成23年3月29日(2011.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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備えた第１の熱電セグメントであって、該第１の熱電セグメントを流れる、流体圧力と温度を持つ作動流体を有する第１の熱電セグメントと、
少なくとも１つの熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントであって、該第２の熱電セグメントを前記作動流体が流れることができるように構成可能な第２の熱電セグメントと、
前記温度または前記流体圧力に応答して動くように構成され、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れに対する前記第２の熱電セグメントの流れ抵抗を修正する少なくとも１つの第１の可変流れ素子と、
を有する熱電発電機。
【請求項２】
前記第１の可変流れ素子は、前記流体圧力に応答して動くように構成されている、請求項１に記載の熱電発電機。
【請求項３】
前記第１の可変流れ素子は、回転軸を中心とした実質的な回転変位によって、複数の位置のうち少なくとも２つの間を動く、請求項１または２に記載の熱電発電機。
【請求項４】
前記回転軸は前記熱電セグメントと概ね平行である、請求項３に記載の熱電発電機。
【請求項５】
前記回転軸は前記熱電セグメントと実質的に垂直である、請求項３に記載の熱電発電機。
【請求項６】
複数の前記熱電セグメントは互いに、概ね同一面上に揃えられている、請求項１または２に記載の熱電発電機。
【請求項７】
前記第１の可変流れ素子は、前記第１の熱電セグメント及び前記第２の熱電セグメントからの廃熱の除去割合を修正するように構成されている、請求項１または２に記載の熱電発電機。
【請求項８】
前記第１の可変流れ素子はフラッパ弁を有している、請求項１または２に記載の熱電発電機。
【請求項９】
前記作動流体が通って流れることができるように構成可能なコンジットと、
前記流体圧力の作用時に動くことができ、少なくとも、前記コンジットを流れる前記作動流体の流れに対する前記コンジットの流れ抵抗を修正する第２の可変流れ素子と、
を有する、請求項１または２に記載の熱電発電機。
【請求項１０】
前記第１の可変流れ素子は、前記第２の熱電セグメントの出力端部を少なくとも部分的に塞ぐことによって、前記第２の熱電セグメントの前記流れ抵抗を修正する、請求項１または２に記載の熱電発電機。
【請求項１１】
コントローラをさらに有し、前記第１の可変流れ素子は前記コントローラから受信した信号に応答する、請求項１または２に記載の熱電発電機。
【請求項１２】
前記コントローラは１つ以上のセンサから信号を受信し、前記１つ以上のセンサは、前記温度または前記流体圧力を測定するように構成されている、請求項１１に記載の熱電発電機。
【請求項１３】
前記コントローラは、選択的に、前記第１の熱電セグメントまたは前記第２の熱電セグメントと電気的に接続または切断するように構成されている、請求項１１に記載の熱電発電機。
【請求項１４】
前記第１の可変流れ素子は、前記第１の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを許可しながら、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に許可する第１の位置と、前記第１の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止しながら、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に許可する第２の位置と、前記第１の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止しながら、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを同時に阻止する第３の位置と、を含む複数の位置に位置することができる、請求項１または２に記載の熱電発電機。
【請求項１５】
前記第１の熱電セグメントと前記第２の熱電セグメントは、並列で、互いに流体連絡している、請求項１または２に記載の熱電発電機。
【請求項１６】
複数の熱電モジュールを操作する方法であって、
少なくとも１つの第１の熱電モジュールを備えた第１の熱電セグメントに、流体圧力と温度を持つ作動流体を流すことと、
前記作動流体の前記流体圧力が閾値圧力を超えたときまたは前記作動流体の前記温度が閾値温度を超えたときに、少なくとも１つの第２の熱電モジュールを備えた第２の熱電セグメントに、前記作動流体を流すことと、
前記作動流体の前記流体圧力または前記温度が前記閾値圧力または前記閾値温度を超えていないときに、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止することと、
を有する、方法。
【請求項１７】
前記作動流体の前記流体圧力が前記閾値圧力を超えていないときに、前記第２の熱電セグメントを通る前記作動流体の流れを阻止することを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の熱電モジュールの効率を高め、電力出力特性を修正し、またはそれらの両方を行うように、前記閾値圧力を選択することをさらに有する、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数の熱電モジュールを操作することは、前記複数の熱電のモジュールから廃熱を除去することを有する、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の熱電セグメントと前記第２の熱電セグメントは、並列で、互いに流体連絡している、請求項１６または１７に記載の方法。
【国際調査報告】
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