(57)【要約】  改良型熱電構成部品、熱的にはっきりと区別できる区域を有する環境における改良型熱電構成部品の熱統合のための方法、および、熱電発電システムを開示する。概して、熱電構成部品は、比較的高温の環境および低温の環境における配置のための対向する表面を有する熱電デバイスと、対向する表面の少なくとも１つに近接して装着されている拡張表面とを含み、該拡張表面は、高温の環境または低温の環境のうちの少なくとも一方に浸されている少なくともある部分を有する多孔質材料の層である。上記方法は、熱電デバイスのアレイの対向する側面に近接して、かつ、これを覆って第１表面板および第２表面板を設置する工程と、第１表面板に近接して多孔質材料の第１層を設けて、改良型熱電構成部品を形成する工程と、加熱された環境に隣接して第１表面板を位置決めする工程とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
比較的高温の環境および低温の環境との接触のために配置されている表面を有する熱電デバイスと、
前記熱電デバイスの表面のうちの少なくとも１つに近接して装着されている拡張表面であって、前記高温または低温の環境のうちの少なくとも一方に浸されている少なくともある部分を有する多孔質材料の層を含む前記拡張表面と、
を含む、改良型熱電構成部品。
【請求項２】
比較的高温の環境および低温の環境が、エンジン内に存在し、かつ、前記表面の両方が、これに近接して多孔質材料の層を含み、さらに、前記多孔質材料の層の両方の少なくともある部分が、それぞれ高温の環境および低温の環境に配置されている、請求項１に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項３】
前記多孔質材料が、熱伝導性を有し、かつ、金属、セラミックおよび黒鉛化炭素のうちの１つを含む、請求項１に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項４】
前記セラミックが、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭化ハフニウムおよび炭化タンタルの群から選択される、請求項３に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項５】
前記多孔質材料が、低い熱膨張係数を有し、かつ、金属、セラミックおよび黒鉛化炭素のうちの１つを含む、請求項１に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項６】
前記多孔質材料が、熱伝導性を有し、かつ、金属が、銅、アルミニウム、錫、ニッケル、銀および金の群から選択される、請求項４に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項７】
前記多孔質材料が、延性があり、かつ、熱電構成部品への対流熱伝達を増大させるために高温または低温の環境のうちの一方から迅速に熱を伝達する、請求項１に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項８】
対向する表面板間に挟まれた前記熱電デバイスのアレイをさらに含み、前記拡張表面が、対向する表面板の主要表面のうちの一方に隣接かつ近接して装着されている、請求項１に記載の熱電構成部品。
【請求項９】
エンジンが、ナセルを有する航空機エンジンであり、かつ、熱電デバイスが、１つの多孔質層がエンジンナセル内の流体と接触するようにナセル内の表面に装着されている、請求項２に記載の熱電構成部品。
【請求項１０】
熱電デバイスのアレイを設けること、
熱電デバイスのアレイの一側面に近接して、かつ、これを覆って第１表面板を設置すること、
熱電デバイスのアレイの対向する側面に近接して、かつ、これを覆って第２表面板を設置すること、
第１表面板に近接して多孔質材料の第１層を設けることにより、改良型熱電構成部品を形成すること、および、
加熱された環境に隣接して前記第１表面板を位置決めすること
を含む、熱電デバイスの熱統合のための方法。
【請求項１１】
加熱された環境が、航空機エンジン内に存在し、
第２表面板に近接して多孔質材料の第２層を設けること、および、
冷却された環境に隣接して前記第２表面板を位置決めすること
をさらに含む、請求項１０に記載の熱電デバイスの熱統合のための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、熱電デバイスに関し、より詳細には、流体流からの対流熱伝達により発電するための改良された熱電デバイスおよび熱電デバイスの機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼タービン／システムは、発電のために広く用いられている。ガスタービンエンジンとしても知られている燃焼タービンは、天然ガス、石油または微細粒子材料といった燃料源を利用することが知られている。ガス燃料燃焼タービン／発電機システムは、他の種類の発電システムよりも速く動作可能状態とすることができるので、電気エネルギーの特に魅力的な発生方法となっている。
【０００３】
ガスタービンエンジンは、典型的には、吸気側および排熱側を含む。ホイール内の複数のファンブレードから典型的に形成されている圧縮機により、空気が燃焼室内へ強制的に送り込まれる。インジェクターは、燃焼室内へ燃料を注入し、燃料が点火される。タービンエンジンは、天然ガス、ガソリン、ケロシンおよび基本的にいかなる燃えるものをも含む多種多様な燃料により動作可能である。燃焼の結果形成される高温の燃焼ガスは、ホイール内のファンブレード型構造物からこれも典型的に形成されている（１つまたは複数の）タービンを回転させる。（１つまたは複数の）タービンは、主軸に接続されており、該主軸は、発電機に接続されている。（１つまたは複数の）タービンが回転するとともに、主軸は回転し、かつ、発電機を動作させて、エネルギーを生成する。排熱は、タービンエンジン発電機からタービンエンジンの排熱端における大気中へ追い出される。
【０００４】
熱電デバイス（ＴＤ）は、デバイスの両端に温度差が印加されると電気を発生させることができるデバイスである。熱電デバイス（ＴＤ）は、典型的には、正方形または矩形であり、その上側と下側のエンドキャップが同じ寸法を有しており、かつ、典型的には、熱電デバイスより発生した電力は、一組の電源線を介して伝達される。熱電デバイス（ＴＤ）は、典型的には、薄型（例えば、厚みほぼ２〜３ミリメートル程度）、小型（例えば、２〜３平方センチメートル）、平坦かつ脆い。したがって、熱電デバイスが振動、絶え間ない温度変化およびその他の過酷な条件といった過酷な環境条件に晒されかねない自動車、航空機などのような輸送手段における用途に対しては特に、熱電デバイスは、個々に取り扱うことが難しい可能性がある。その大きさと、各熱電デバイスがほんの少量の電力しか発生しないということとに起因して、有用な量の電力を発生させるために多くの熱電デバイスが一つに結束される。さらに、熱電デバイスは概して、高い温度差においてより高いエネルギー変換効率をもたらす。このことにより、材料において比較的大きい熱膨張が起きる可能性がある。異なる材料に付随する熱勾配および異なる熱膨張係数に起因して、熱的に誘導された応力が生じることがある。
【０００５】
上で触れたように、熱電デバイスの効率は概して、熱電デバイスの熱源（高温側面）およびヒートシンク（低温側面）と典型的に呼ばれる２つの対向する側面の間の温度差、すなわち、デルタ温度が大きくなるとともに向上する。また、エネルギー変換効率は、周囲の構造材料または間隙を介した熱エネルギーの漏洩なしに、熱電デバイスのみを介して熱流を通すあらゆる設備に対して最大化される。したがって、取り扱いを簡素化し、かつ、熱を電気に変換するにあたって高い性能を達成するために、最終設置前に複数の熱電デバイスをモジュールまたはアセンブリ内に入れることができる。
【０００６】
図１は、複数の熱電デバイス１０２が２枚の構造用板１０４と構造用板１０６との間に配置されている公知の一熱電発電機アセンブリ１００またはモジュールの例である。構造用板１０４および１０６の各々は、熱電モジュール１００の高温側面と低温側面との両方に熱を拡散させるために熱伝導材料から作られていてもよい。上側の構造用板１０４のような板のうちの一方は、低温拡散板を画定してもよく、かつ、熱電デバイス１０２の各々の低温側面１０８と熱的に結合していてもよい。下側の構造用板１０６のような他方の板は、高温拡散板を画定し、かつ、熱電デバイス１０２の各々の高温側面１１０と結合していてもよい。板１０４および板１０６の各々は、熱電デバイス１０２の各々の低温側面１０８および高温側面１１０とそれぞれ熱的に結合していてもよい。熱電デバイス１０２を通る熱流を最大化するために、真空間隙１１６または絶縁材料を用いて、モジュール１００内の各熱電デバイス１０２を分離してもよい。側面からの熱損失を防ぐために、追加の絶縁体を要することもある。
【０００７】
図２は、金属製表面板同士の間に挟まれた熱電デバイス３２のアレイ３０を示している。熱電デバイスのアレイの一方の側面は、加熱されたまたは「高温」環境に晒されており、かつ、アレイの該加熱側面を第１表面板３４が覆っている。熱電デバイスのアレイの対向する側面は、より冷たいまたは「低温」環境に晒されており、かつ、第２表面板３６がアレイの該「低温」側面を覆っている。表面板３４および３６は、隣接して配されているデバイスのアレイの側面の上方で、それぞれ、熱または冷気を均一に分散させるよう作用する。
【０００８】
図３は、タービンエンジン内に設置されている熱電発電機１０１を模式的に示しており、ここでは、より高温の熱源とより低温のヒートシンクとが互いに近接して容易に利用可能で、例えば、コンパートメントカウリングまたはノズルにより分離されている。図３は、２００９年６月２５日提出の米国特許公開番号２００９／０１５９１１０Ａ１を有する本願と同じ出願人が保有する同時係属特許出願（その開示全体をここに全体として含める）からのものである。熱電発電機１０１は、その一方の側面、すなわち、高温側面１０３がタービンエンジン１０５から熱を受けるよう、かつ、その別の側面、すなわち、低温側面１０４が空気流１０８に熱を与えるように設置可能である。熱電発電機１０１の両端の温度差デルタＴに起因する熱電発電機１０１を通る熱流により、熱電発電機１０１の端子１１２の両端で電圧デルタＶが発生する。発電するための１つ以上の熱電発電機１０１のそのような使用は、タービンエンジンによる機械的作業を必要としないので、非常に効率的であり得る。それどころか、そのような使用は、熱電発電機１０１の有無に関わらずタービンエンジンにより生成された廃熱を用いる。
【０００９】
熱電発電機１０１は、タービンエンジンコアカウリングに近接し、かつ、タービンエンジンノズルに近接してタービンエンジン上に設けることができる。これらの箇所の両方が、熱源および冷却源を提供する。熱源は、タービンエンジンの高温ガスである。冷却源は、空気流である。
【００１０】
典型的な機械駆動式発電機を有するタービンエンジンにとって、電力需要の増加は結果として、燃料消費の増加、空気汚染の増大および排気温度の上昇を生じる。空気汚染は、典型的には、二酸化炭素、酸化窒素および上層大気の水蒸気を含む。しかしながら、熱電発電機を用いると、そのような電力需要の増加は、燃料消費の増加、排気温度の上昇および空気汚染の増大を生じない。
【００１１】
熱電発電機は、電力需要が増加しているとき、タービンエンジンに対する負荷を増大させない。熱電発電機は、タービンエンジンコンパートメントおよび／またはノズル内の廃熱を捕捉することにより発電する。したがって、タービンエンジンの効率は、熱電発電機の追加により大幅に低下することはなく、かつ、機械駆動式発電機の除去により大幅に向上する可能性がある。
【００１２】
このような背景に反して、気体および液体といった流体から生じる強制対流により熱流が左右される用途において、熱電デバイスの端から端までの大きな温度勾配を構築することは困難であることが見出されている。すなわち、流体流は通常、熱電デバイスの端から端までの大きな温度勾配の構築に十分な速度で熱を伝達することができない。さらに、熱電デバイスは、熱応力および機械的応力を受けると、脆性および機械的故障を示すことが見出されている。
【００１３】
これらの欠点を克服しようとして、熱伝達を受動的に増やし、かつ、ＴＥＣデバイスの端から端までのより大きな温度勾配を構築するためにヒートパイプが用いられてきた。しかしながら、ヒートパイプは、より大量の電力生産の見込みがある高温設備において熱電デバイスを使用できなくすることが見出されている。ヒートパイプの使用およびポンプ圧送冷却材ループに付随する課題には、余分のまたは過剰な重量の追加、システムにおける冷却材の利用可能性および信頼性（すなわち、可動部品を有する能動部品）が含まれる。
【発明の概要】
【００１４】
したがって、流体とともに熱流束が強制対流により影響される場合における熱電デバイスの端から端までの大きな温度勾配を構築する問題に対する受動的な解決法が大いに望まれるであろう。
【００１５】
本開示の一態様において、改良型熱電構成部品は、比較的高温の環境および低温の環境における配置のための対向する表面を有する熱電デバイスと、熱電デバイスの対向する表面のうちの少なくとも１つに近接して装着されている拡張表面であって、高温または低温の環境のうちの少なくとも一方に浸されている少なくともある部分を有する多孔質材料の層を含む拡張表面と、を含む。熱電構成部品の一変形例において、熱電デバイスの対向する表面の両方が、これに近接して多孔質材料の層を含み、かつ、多孔質材料の層の両方の少なくともある部分が、それぞれ高温の環境および低温の環境に配置されている。別の変形例において、多孔質材料は、熱伝導性を有し、かつ、金属、セラミックおよび黒鉛化炭素のうちの１つを含む。セラミックは、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭化ハフニウムおよび炭化タンタルの群から選択される。さらに別の変形例において、多孔質材料は、低い熱膨張係数を有する。さらに別の変形例において、多孔質材料は、熱伝導性を有し、かつ、金属が、銅、アルミニウム、錫、ニッケル、銀および金の群から選択される。多孔質材料は、延性があり、かつ、熱電構成部品への対流熱伝達を増大させるために高温または低温の環境のうちの一方から迅速に熱を伝達する。熱電デバイスのアレイを対向する表面板間に挟むことができ、ここで、拡張表面は、対向する表面板の主要表面のうちの一方に隣接かつ近接して装着されている。
【００１６】
本開示の別の態様において、熱電デバイスの熱統合のための方法は、熱電デバイスのアレイを設ける工程、熱電デバイスのアレイの一側面に近接して、かつ、これを覆って第１表面板を設置する工程、熱電デバイスのアレイの対向する側面に近接して、かつ、これを覆って第２表面板を設置する工程、第１表面板に近接して多孔質材料の第１層を設けることにより、改良型熱電構成部品を形成する工程、および、加熱された環境に隣接して第１表面板を位置決めする工程を含む。該方法は、第２表面板に近接して多孔質材料の第２層を設ける工程、および、冷却された環境に隣接して第２表面板を位置決めする工程をさらに含む。
【００１７】
本開示のさらに別の態様において、熱電発電システムは、エンジン、および、エンジンに近接して配置されている少なくとも１つの熱電デバイスを含み、該熱電デバイスは、エンジンに近接してその少なくとも１つの表面上に多孔質層を含む。熱電デバイスは、エンジンの熱源および環境の冷却源に近接して配置されている。熱電デバイスは、多孔質層を持つ２つの対向する表面を有し、一方の表面がエンジンに近接して配置されており、他方の表面が空気流に近接して配置されている。一実施形態において、エンジンは、タービンエンジンであり、かつ、熱電デバイスは、排気ノズルに近接してエンジンに装着されている。別の実施形態において、エンジンは、タービンエンジンであり、かつ、燃焼セクションに近接してエンジンに装着されるモジュールを形成するために、対向する表面板の間に挟まれている熱電デバイスのアレイを含む。表面板のうちの少なくとも一方は、多孔質材料を支持している。
【００１８】
本開示のさらに別の態様において、熱電エネルギーを発生させるための方法は、エンジンに近接して少なくとも１つの熱電デバイスを装着することを含み、該熱電デバイスは、エンジンに近接してその少なくとも１つの表面上に多孔質層を含み、ここで、熱電デバイスは、エンジンの熱源および冷却源に近接して配置される。熱電デバイスは、多孔質層を持つ２つの対向する表面を有し、一方の表面がエンジンに近接して配置されており、他方の表面が空気流に近接して配置されている。一変形例において、エンジンは、タービンエンジンを含み、かつ、熱電デバイスは、排気ノズルに近接してエンジンに装着されている。別の変形例において、エンジンは、タービンエンジンを含み、かつ、モジュールを形成するために、対向する表面板の間に挟まれている熱電デバイスのアレイをさらに含み、該モジュールは、燃焼セクションに近接してエンジンに装着されている。
【００１９】
装置および装置に関する方法のさらなる態様をここに開示する。上で取り上げた特徴ならびに本開示のその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から当業者により認められ、かつ、理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、公知の熱電デバイスの一実施形態を示している。
【図２】図２は、高温側表面板および低温側表面板がアレイの高温側面および低温側面を覆っている熱電デバイスのアレイの斜視図である。
【図３】図３は、使用中の従来の熱電デバイスの模式図である。
【図４】図４は、熱源および冷却源に近接して位置している改良型熱電デバイスの模式的断面図である。
【図５】図５は、本開示の改良型熱電デバイスの検討されている配置を示すタービンエンジンの断面図である。
【図６ａ】図６ａは、タービンエンジンのあるセクションに装着された改良型熱電デバイスのアレイの想定される一構成を示している。
【図６ｂ】図６ｂは、タービンエンジンのあるセクションに装着された改良型熱電デバイスのアレイの第２の想定される構成を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
ここで、添付の図面を参照しつつ以下に本開示の実施形態をより完全に説明する。ただし、数多くの種々の実施形態が検討されているので、本開示は、ここに記載される実施形態に限定されるものとして解釈してはならず、むしろ、これらの実施形態は、本開示が完璧かつ完全となり、かつ、当業者に本開示の範囲をよりよく伝えるように提供されている。
【００２２】
その最も広い意味において、本開示は、従来の熱電変換器の効率を高める能力を有する改良型熱電デバイスを提示する。本開示はまた、改良型熱電アセンブリであって、高温源と低温源との間のエンジンにおける戦略的に位置付けられた環境に配置されているそのようなデバイスのアレイを含む改良型熱電アセンブリを含むエンジン構成をも包含する。
【００２３】
図４は、本開示に係る改良型熱電デバイスＩＴＤを示している。一般に、改良型熱電デバイスＩＴＤの上側表面４０２ａと下側表面４０２ｂとの各々または両方は、それぞれ、これに取り付けられているか、または、近接して配置されている実質的に平坦な表面拡張要素４０４を支持している。表面拡張要素は、高熱伝導率、流体適合性、高温度生存性、低熱膨張係数、高比表面積、低密度といった特性を有するいかなる材料から作られるフィン、上部板または多孔質媒体の層としても構成可能である。そのような特性をもたらすであろう材料には、金属（例えば、銅、アルミニウム、錫、ニッケル、銀、金）、セラミックス（例えば、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ハフニウム、炭化タンタル）および炭素（例えば、黒鉛化炭素）が含まれるが、これらに限定はされない。
【００２４】
表面拡張要素は、高温域Ｈおよび低温域Ｃに隣接して位置するように改良型熱電デバイスの上側表面および下側表面に装着されていることにより、熱電デバイスの対応する表面の上方のそれぞれの区域における熱伝達を効果的に拡散させ、かつ、強化する。高温域および低温域における流体流は、同じ方向とすることも、反対方向とすることもでき、かつ、流れは、改良型熱電デバイスの上側表面および下側表面と平行とすることも、垂直とすることもできる。表面拡張要素は、改良型熱電デバイスＩＴＤと直接または間接的に結合可能である。多孔質表面拡張要素４０４は、流体流の一部または全部が要素４０４を通って流れるように熱電デバイスに相対して配されねばならない。気体流（流れ）は、ＴＥデバイスに対して任意の向きとすることができる。また、（例えば、あるアレイに）単一のＴＥデバイスまたは任意の数のＴＥデバイスが存在可能である。ＴＥデバイスは、「高温側面」または「低温側面」のいずれかに設置されてもよく、または、それらの中間に挟まれていてもよい。高温側面および低温側面上に描写されている多孔質材料は、同じ材料や寸法でなくてもよい。
【００２５】
図５は概して、航空機支持構造物に装着されているエンジンナセル５０２内に収容されているタービンエンジン５００を示している。エンジンは、吸気セクション５０６、圧縮機セクション５０８、燃焼セクション５１０、タービンセクション５１２およびノズルセクション５１４を含む。送風ダクト５２２は、ファンカウリング５２６内の吸気ファン５２４と、ナセル５０２の下流端とエンジンコアケーシング５３２の外部表面５３０との間で画定されているファン排気ノズル５２８との間で延在しており、該エンジンコアケーシング５３２は、ナセルの下流端の近傍において最大の直径を有する。エンジンコアケーシングの内側表面は、エンジンのノズルセクションにおけるエンジンコアとともに、燃焼されたガスの下流への流れを制約する。
【００２６】
タービンエンジン５００は、位置している吸気ファン５２４を用いて、送風ダクト５２２を通って流入する空気流のある部分Ａ１を駆動することにより効率化を達成する。流入空気流の残りは、圧縮機セクション５０８を通って下流へ移動し、そこで圧縮され、次いで、燃焼セクションへ移動して、そこで燃焼室５３４内で燃焼させられる。タービンセクション５１２に位置している一組の高圧および低圧タービンは、エンジン空気流における流体エネルギーを機械エネルギーに変換するために用いられる。その後、「低温の」ファン空気流および「高温の」燃焼ガスは、エンジンから排気される。ガス溶接トーチが用いられる軍用型のエンジンの場合、より低温のファン空気流と高温のコア排気空気流との両方がともにノズルセクション内に運ばれ、タービンから排気される。たいていの民間型のエンジンの場合、空気流は、排気時に分離されたままであり、このことにより重量および抗力が抑えられる結果となる。
【００２７】
図５において描写されているようなエンジン構成において、本開示の改良型熱電デバイスにとっての最適箇所は、温度差が最大となるであろう箇所であるとして決定されてきた。１つの箇所は、送風ダクトの内側表面の外部表面におけるエンジンのタービンセクションに６０２として概して示されている。２つめの箇所は、ノズルセクションの下流部分の内側表面上のエンジンのノズルセクションにおいて６０４として概して示されている。デバイスは、単一のユニットとして用いることができ、または、加熱または冷却された環境に晒されている一方または両方の表面が拡張表面を持っているユニットのアレイとして形成することができる。
【００２８】
そのようなタービンセクションおよびノズルセクションの箇所において、熱電交換デバイスは、互いに近接して高温環境と低温環境の両方に晒されている。すなわち、改良型熱電デバイスＩＴＤの一方の表面は、比較的高温の環境、例えば、タービンエンジンの高温ガスに晒されているだろうし、かつ、改良型熱電デバイスＩＴＤの別の側面は、比較的低温の環境、例えば、空気流に晒されているだろう。そのような箇所は、発電要件を満たす一方で、タービンエンジンにおいて通常見られる望ましくないほどの高圧および望ましくないほどの高速空気流から保護されている。ターボファンエンジン、ターボジェットエンジン、ターボプロップエンジンおよびターボシャフトタービンエンジンといったいくつかの種類のタービンエンジンがよく用いられている。そのようなタービンエンジンは、航空機、船舶および陸上輸送手段に動力供給するために用いることができる。それらはまた、発電やその他の目的にも用いることができる。改良型熱電デバイスＩＴＤは、航空機のための電力のすべてを供給するよう、かつ／または、航空機のための追加の電力を供給するよう構成することができる。ここに開示されている種類の熱電デバイスは、タービンエンジンの高価な再設計を行う必要なしに、または、航空機の定評のある空気力学的設計を変更する必要なしに航空機に追加可能である。当業者が認めるであろうように、航空機の空気力学的設計を変更することは、場合によっては航空機の空気力学的性能に悪影響を及ぼす可能性がある。航空機の空気力学的設計を変更することはまた、費用のかかる飛行試験の必要を生じかねない。
【００２９】
図６ａおよび図６ｂは、本開示により検討されている改良型熱電デバイスＩＴＤの２つの構成例を示している。改良型熱電デバイスＩＴＤの想定される構成がここに示されているものに限定されないこと、ならびに、改良型熱電デバイスおよび拡張表面要素のその他の構成および配置が当業者にとって明らかとなるであろうことは、理解されるべきである。
【００３０】
図６ａは、タービンの内部または外部壁Ｗに近接して位置している１つの表面６０４を有するように見える改良型熱電デバイス６０２の第１の型を描写している。壁Ｗは、「高温域」Ｈを構成可能であり、熱電デバイスの対向する側面６０６は、ファン駆動された外気または液体冷却材といった「低温域」Ｃ（すなわち、温度が「高温」域Ｈにおける温度より低い温度域）に晒されている可能性がある。熱電デバイスは、これに装着された拡張表面要素６０８を有している可能性がある。熱電デバイス６０２と拡張表面要素６０８との間に追加の界面要素６１０を設けることもできる。
【００３１】
図６ｂは、タービンの内部または外部壁Ｗに近接して装着されている改良型熱電デバイス６１２の第２の型を描写している。壁Ｗは、「高温域」Ｈを構成しているか、または、これに晒されており、熱電デバイスの対向する側面６１６は、ファン駆動された外気といった「低温域」Ｃに晒されている。熱電デバイスは、一方の側面６１４に装着された拡張表面要素６１８と、対向する側面６１６に装着された第２拡張表面要素６２０とを有する。改良型熱電デバイス６１２と拡張表面要素６１８との間に追加の界面要素６２２を設けることもできる。任意に、第２界面要素６２４を熱電デバイス６１２と拡張表面要素６２０との間に設けることもできる。
【００３２】
界面要素に用いられる材料は、金属（導体および半導体の両方）、セラミックスならびに炭素といった熱伝導性物質とすることができる。界面要素は、腐食を防ぐために作動流体から熱電デバイスを隔離すること、接着の促進または構成部品の形成におけるような製造プロセスを容易にすること、材料間の熱膨張係数の大きな不一致の防止といった応力緩和を提供することなどを含む数多くの用途を有する。
【００３３】
本発明は、熱電発電システムに関し、該装置は、エンジンおよびエンジンに近接して配置されている少なくとも１つの熱電デバイスを含み、前記熱電デバイスは、その表面上に前記エンジンに近接して多孔質層を含む。
上記システムにおいて、熱電デバイスは、エンジンの熱源および環境の冷却源に近接して配置されていてもよい。
上記システムにおいて、熱電デバイスは、前記多孔質層を持つ２つの対向する表面を有していてもよく、一方の表面が、エンジンに近接して配置されており、かつ、他方の表面が、空気流に近接して配置されている。
上記システムにおいて、エンジンは、タービンエンジンであってもよく、かつ、熱電デバイスが、排気ノズルに近接してエンジンに装着されていてもよい。
上記システムにおいて、エンジンは、タービンエンジンであってもよく、かつ、モジュールを形成するために対向する表面板間に挟まれた熱電デバイスのアレイをさらに含み、前記モジュールが、燃焼セクションに近接してエンジンに装着されている。
上記システムにおいて、前記表面板のうちの少なくとも１つは、前記多孔質材料を支持している。
本発明は、熱電エネルギーを発生させるための方法に関し、該方法は、エンジンに近接して少なくとも１つの熱電デバイスを装着することを含み、前記熱電デバイスは、その少なくとも１つの表面上に前記エンジンに近接して多孔質層を含み、熱電デバイスは、エンジンの熱源および冷却源に近接して配置されている。
上記方法において、熱電デバイスは、前記多孔質層を持つ２つの対向する表面を有していてもよく、一方の表面が、エンジンに近接して配置されており、かつ、他方の表面が、空気流に近接して配置されている。
上記方法において、前記エンジンが、タービンエンジンを含み、かつ、熱電デバイスが、排気ノズルに近接してエンジンに装着されていてもよい。
上記方法において、前記エンジンが、タービンエンジンを含み、かつ、モジュールを形成するために対向する表面板間に挟まれた熱電デバイスのアレイをさらに含んでもよく、前記モジュールが、燃焼セクションに近接してエンジンに装着されている。
【００３４】
本開示は、熱伝導材料の「高温」（例えば、エンジン排気）および「低温」（例えば、バイパス空気もしくは外気、水、油、グリコールまたはその他の冷却材流体）領域が存在するか、または、発生可能な航空機エンジンに関連して、改良型熱電装置の使用を説明したが、はっきりと区別できる高温環境および低温環境が存在するあらゆる技術分野において有用である。例えば、自動車または機関車用途において使用される場合、低温環境は、外部空気流または液体冷却材とすることが可能であろう。産業用または発電所用途においては、低温環境は、液体冷却材とすることが可能であろう。
【００３５】
本開示は、好適な実施形態を参照しつつ記述したが、本開示の範囲を逸脱することなく、さまざまな変更をおこなってもよく、かつ、その要素の代わりに均等物を用いてもよいことは当業者により理解されるだろう。
【図１】
2014503990.tif 000003
【図２】
2014503990.tif 000004
【図３】
2014503990.tif 000005
【図４】
2014503990.tif 000006
【図５】
2014503990.tif 000007
【図６ａ】
2014503990.tif 000008
【図６ｂ】
2014503990.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成25年10月8日(2013.10.8)
【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】
比較的高温の環境および低温の環境との接触のために配置されている表面（４０２ａ、４０２ｂ）を有する熱電デバイス（ＩＴＤ）と、
前記熱電デバイス（ＩＴＤ）の表面（４０２ａ、４０２ｂ）のうちの少なくとも１つに近接して装着されている拡張表面（４０４）であって、前記高温または低温の環境のうちの少なくとも一方に浸されている少なくともある部分を有する多孔質材料の層を含む前記拡張表面（４０４）と、
を含む、改良型熱電構成部品。
【請求項２】
比較的高温の環境および低温の環境が、エンジン（５００）内に存在し、かつ、前記表面（４０２ａ、４０２ｂ）の両方が、これに近接して多孔質材料の層を含み、さらに、前記多孔質材料（４０４、６１８、６２０）の層の両方の少なくともある部分が、それぞれ高温の環境および低温の環境に配置されている、請求項１に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項３】
前記多孔質材料（４０４、６１８、６２０）が、熱伝導性を有し、かつ、金属、セラミックおよび黒鉛化炭素のうちの１つを含む、請求項１または２に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項４】
前記セラミックが、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭化ハフニウムおよび炭化タンタルの群から選択される、請求項３に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項５】
前記多孔質材料（４０４、６１８、６２０）が、低い熱膨張係数を有し、かつ、金属、セラミックおよび黒鉛化炭素のうちの１つを含む、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項６】
前記多孔質材料（４０４、６１８、６２０）が、熱伝導性を有し、かつ、金属が、銅、アルミニウム、錫、ニッケル、銀および金の群から選択される、請求項４に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項７】
前記多孔質材料（４０４、６１８、６２０）が、延性があり、かつ、熱電構成部品への対流熱伝達を増大させるために高温または低温の環境のうちの一方から迅速に熱を伝達する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項８】
対向する表面板（６２４、６２２）間に挟まれた前記熱電デバイス（ＩＴＤ）のアレイをさらに含み、前記拡張表面（４０４、６１８、６２４）が、対向する表面板（６２４、６２２）の主要表面のうちの一方に隣接かつ近接して装着されている、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項９】
エンジンが、ナセル（５０２）を有する航空機エンジンであり、かつ、熱電デバイス（ＩＴＤ）が、１つの多孔質層がナセル（５０２）内の流体と接触するようにナセル（５０２）内の表面に装着されている、請求項２に記載の改良型熱電構成部品。
【請求項１０】
熱電デバイス（ＩＴＤ）のアレイを設けること、
熱電デバイス（ＩＴＤ）のアレイの一側面に近接して、かつ、これを覆って第１表面板（６２２、６１０）を設置すること、
第１表面板（６２２）に近接して多孔質材料（６１８、６０８）の第１層を設けることにより、改良型熱電構成部品を形成すること、および、
加熱された環境に隣接して前記第１表面板（６２２、６１０）を位置決めすること、を含む、熱電デバイス（ＩＴＤ）の熱統合のための方法。
【請求項１１】
熱電デバイス（ＩＴＤ）のアレイの対向する側面に近接して、かつ、これを覆って第２表面板（６２４）を設置すること、を更に含む、請求項１０に記載の熱電デバイス（ＩＴＤ）の熱統合のための方法。
【請求項１２】
加熱された環境が、航空機エンジン（５００）内に存在し、さらに
第２表面板（６２４）に近接して多孔質材料（６２０）の第２層を設けること、および、
冷却された環境に隣接して前記第２表面板（６２４）を位置決めすること
をさらに含む、請求項１１に記載の熱電デバイス（ＩＴＤ）の熱統合のための方法。
【請求項１３】
前記加熱された環境が航空機エンジン（５００）の中にあり、さらに、
第１の多孔質材料の層（６０８）を前記第１表面板（６１０）に近接して設けることと、
前記第１の表面板（６１０）を熱い環境に隣接して位置決めすることを含む、
請求項１０に記載の熱電デバイス（ＩＴＤ）の熱統合のための方法。
【請求項１４】
前記加熱された環境が、航空機エンジン（５００）内に存在し、さらに
前記熱電デバイス（ＩＴＤ）の拡張された第１の表面要素（６１８）を前記航空機エンジン（５００）のタービンセクション（６０２）の内部壁または外部壁Ｗへの一側面（６１４）に装着し、
前記熱電デバイス（ＩＴＤ）の拡張された第１の表面要素（６２０）を前記航空機エンジン（５００）のタービンセクション（６０２）の内壁または外壁Ｗへの対向側面（６１６）に装着することを含む、請求項１０に記載の熱電デバイス（ＩＴＤ）の熱統合のための方法。
【請求項１５】
前記加熱された環境が、航空機エンジン（５００）内に存在し、さらに
前記熱電デバイス（ＩＴＤ）の拡張された第１の表面要素（６１８）を前記航空機エンジン（５００）の下流部分（６０４）の内部表面上のノズルセクションへの一方の側面（６１４）に装着し、
前記熱電デバイス（ＩＴＤ）の拡張した第１の表面要素（６２０）を前記航空機エンジン（５００）の下流部分（６０４）の内部表面上のノズルセクションへの対向側面（６１６）に装着することを含む、請求項１０に記載の熱電デバイス（ＩＴＤ）の熱統合のための方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
図２は、金属製表面板１０６、１０４同士の間に挟まれた熱電デバイスのアレイを示している。熱電デバイスのアレイの一方の側面は、加熱されたまたは「高温」環境に晒されており、かつ、アレイの該加熱側面を第１表面板１０６が覆っている。熱電デバイスのアレイの対向する側面は、より冷たいまたは「低温」環境に晒されており、かつ、第２表面板１０４がアレイの該「低温」側面を覆っている。表面板１０６および１０４は、隣接して配されているデバイスのアレイの側面の上方で、それぞれ、熱または冷気を均一に分散させるよう作用する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
本開示は、好適な実施形態を参照しつつ記述したが、本開示の範囲を逸脱することなく、さまざまな変更をおこなってもよく、かつ、その要素の代わりに均等物を用いてもよいことは当業者により理解されるだろう。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
比較的高温の環境および低温の環境との接触のために配置されている表面を有する熱電デバイスと、
前記熱電デバイスの表面のうちの少なくとも１つに近接して装着されている拡張表面であって、前記高温または低温の環境のうちの少なくとも一方に浸されている少なくともある部分を有する多孔質材料の層を含む前記拡張表面と、
を含む、改良型熱電構成部品。
（態様２）
比較的高温の環境および低温の環境が、エンジン内に存在し、かつ、前記表面の両方が、これに近接して多孔質材料の層を含み、さらに、前記多孔質材料の層の両方の少なくともある部分が、それぞれ高温の環境および低温の環境に配置されている、態様１に記載の改良型熱電構成部品。
（態様３）
前記多孔質材料が、熱伝導性を有し、かつ、金属、セラミックおよび黒鉛化炭素のうちの１つを含む、態様１に記載の改良型熱電構成部品。
（態様４）
前記セラミックが、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭化ハフニウムおよび炭化タンタルの群から選択される、態様３に記載の改良型熱電構成部品。
（態様５）
前記多孔質材料が、低い熱膨張係数を有し、かつ、金属、セラミックおよび黒鉛化炭素のうちの１つを含む、態様１に記載の改良型熱電構成部品。
（態様６）
前記多孔質材料が、熱伝導性を有し、かつ、金属が、銅、アルミニウム、錫、ニッケル、銀および金の群から選択される、態様４に記載の改良型熱電構成部品。
（態様７）
前記多孔質材料が、延性があり、かつ、熱電構成部品への対流熱伝達を増大させるために高温または低温の環境のうちの一方から迅速に熱を伝達する、態様１に記載の改良型熱電構成部品。
（態様８）
対向する表面板間に挟まれた前記熱電デバイスのアレイをさらに含み、前記拡張表面が、対向する表面板の主要表面のうちの一方に隣接かつ近接して装着されている、態様１に記載の熱電構成部品。
（態様９）
エンジンが、ナセルを有する航空機エンジンであり、かつ、熱電デバイスが、１つの多孔質層がエンジンナセル内の流体と接触するようにナセル内の表面に装着されている、態様２に記載の熱電構成部品。
（態様１０）
熱電デバイスのアレイを設けること、
熱電デバイスのアレイの一側面に近接して、かつ、これを覆って第１表面板を設置すること、
熱電デバイスのアレイの対向する側面に近接して、かつ、これを覆って第２表面板を設置すること、
第１表面板に近接して多孔質材料の第１層を設けることにより、改良型熱電構成部品を形成すること、および、
加熱された環境に隣接して前記第１表面板を位置決めすること
を含む、熱電デバイスの熱統合のための方法。
（態様１１）
加熱された環境が、航空機エンジン内に存在し、
第２表面板に近接して多孔質材料の第２層を設けること、および、
冷却された環境に隣接して前記第２表面板を位置決めすること
をさらに含む、態様１０に記載の熱電デバイスの熱統合のための方法。
【国際調査報告】
2014503990.tif 000010
2014503990.tif 000011