(57)【要約】  熱電式発電ユニットは、１つ以上の分離した導管ならびに実質的に平坦な第１および第２の低温側板を含んでいる高温側熱交換器（ＨＨＸ）を含んでいる。第１の複数の熱電素子は、上記第１の低温側板と上記ＨＨＸの第１の側部との間にあり；かつ第２の複数の熱電素子は、上記第２の低温側板と上記ＨＨＸの第２の側部との間にあり得る。複数の固定具は、複数の上記ＨＨＸ導管の外側の位置において、上記第１および第２の低温側板の間に伸び得る。複数の上記固定具は、上記第１の複数のうち複数の熱電素子の間にある複数の間隙の範囲内および上記第２の複数の熱電素子の間にある複数の間隙の範囲内に配置され得る。複数の上記固定具は、上記第１の低温側板および上記ＨＨＸの上記第１の側部に上記第１の複数の熱電素子を備え得、上記第２の低温側板と上記ＨＨＸの上記第２の側部との間に上記第２の複数の熱電素子を備え得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の側部、第２の側部および１つ以上の分離した導管を含んでいる、高温側熱交換器；
実質的に平坦な第１の低温側板；
実質的に平坦な第２の低温側板；
上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の低温側板との間に配列されている、第１の複数の熱電素子；
上記高温側熱交換器の上記第２の側部と上記第２の低温側板との間に配列されている、第２の複数の熱電素子；ならびに
上記高温側熱交換器の上記１つ以上の分離した導管の外側にある位置のそれぞれにおいて、上記第１の低温側板と上記第２の低温側板との間に伸びている、複数の固定具を含んでおり、
複数の上記固定具が、上記第１の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある複数の間隙の範囲内および上記第２の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある複数の間隙の範囲内に配置されており、
複数の上記固定具が、上記高温熱交換器の上記第１の側部と上記第１の低温側板との間に、上記第１の複数の熱電素子を押えつけており、上記高温側熱交換器の上記第２の側部と上記第２の低温側板との間に、上記第２の複数の熱電素子を押えつけている、
熱電式発電ユニット。
【請求項２】
上記第１の複数の熱電素子のうち第１の部分集合が、中心に配置されており、上記第１の複数の熱電素子のうち第２の部分集合が、周辺に配置されており；
複数の上記固定具のうち第１の部分集合が、上記複数の第１の熱電素子のうち上記第１の部分集合に第１の力を加えており；
複数の上記固定具のうち第２の部分集合が、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第２の部分集合に第２の力を加えており；
上記第１の力が上記第２の力より大きい、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項３】
上記第１の複数の熱電素子のうち第３の部分集合が、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第１の部分集合と上記第１の複数の熱電素子のうち上記第３の部分集合との間に配置されており、
複数の上記固定具のうち第３の部分集合が、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第３の部分集合に第３の力を加えている、請求項２に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項４】
上記第１の力が上記第３の力の約１．５倍であり、上記第１の力が上記第２の力の約３倍である、請求項３に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項５】
上記第１の力が約１１〜１３ｋＮであり、上記第３の力が約７〜９ｋＮであり、上記第２の力が約３〜５ｋＮである、請求項３に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項６】
上記第１の力が上記第２の力の少なくとも約１．５倍である、請求項２に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項７】
固定具のそれぞれが、
ボルトまたはネジ釘；および
上記ボルトまたはネジ釘に沿って配置されている、バネ、ベルビル座金またはバネ座金
を含んでいる、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項８】
複数の上記固定具のうち第１の部分集合が、複数の上記固定具のうち第２の部分集合より多くの、上記ボルトまたはネジ釘に沿って配置されているバネ、ベルビル座金またはバネ座金を含んでいる、請求項７に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項９】
上記第１の複数の熱電素子が、上記第１の低温側板と上記第１の上記高温側交換器との間において、複数の列および行に配列されており、上記固定具がそれぞれ、上記複数の列および行の間にある間隙に配置されている、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１０】
上記第１の複数の熱電素子のうち４つの熱電素子ごと、および上記第２の複数の熱電素子のうち４つの熱電素子ごとに、４つの固定具を含んでいる、請求項９に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１１】
上記高温側熱交換器が、上記１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内に配置されている複数のフィンをさらに含んでいる、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１２】
上記複数のフィンが、ステンレス鋼、ニッケルメッキを施した銅、またはステンレス鋼によって被覆した銅を含んでいる、請求項１１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１３】
上記１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内における上記複数のフィンの密集度が、１インチにつき少なくとも１２のフィンである、請求項１１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１４】
上記高温側熱交換器が、当該高温側熱交換器をパイプフランジに密閉して連結するために構成されている、少なくとも１つのネジ棒を含んでいる、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１５】
上記第１の低温側板が、複数のピンフィン、複数の直線状のフィンまたはオフセットフィンをさらに含んでいる、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１６】
上記複数のピンフィンが、列形配列またはねじれ形配列に配列されている、請求項１５に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１７】
上記複数の熱電素子が回路基板上に配置されている、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１８】
上記第１の複数の熱電素子が熱電材料を含んでおり、当該熱電材料が、四面銅鉱、マグネシウムケイ化物、マグネシウムケイ化スズ化物、シリコン、シリコンナノワイヤ、ビスマステルル化物、スクッテルド鉱、鉛テルル化物、ＴＡＧＳ（tellurium-antimony-germanium-silver）、亜鉛アンチモン化物、シリコンゲルマニウム、および半ホイスラー化合物からなる群から選択される、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１９】
上記第１の低温側板および上記第２の低温側板のうち少なくとも１つが、高効率な低温側熱交換器を含んでおり；
上記高温側熱交換器が、高効率な高温側熱交換器を含んでいる、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項２０】
上記第１の低温側板が、冷却剤流入用の入口および冷却剤流出用の出口を含んでおり、当該入口および出口が、互いに上記第１の低温側板の同じ側部上にある、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項２１】
上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、カプトンフィルム；
上記第１の低温側板と上記第１の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、カプトンフィルム；
上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、マイカシート；
上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、グラファイトシート；
上記第１の低温側板と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、ギャップパッド；および
上記第１の低温側板と上記第１の複数の熱電素子の少なくとも１つとの間に配置されている、陽極化層
のうち少なくとも１つをさらに含んでいる、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項２２】
第１の側部、第２の側部および１つ以上の分離した導管を含んでいる高温側熱交換器を準備すること；
実質的に平坦な第１の低温側板を準備すること；
実質的に平坦な第２の低温側板を準備すること；
上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器の上記第１の側部との間に、第１の複数の熱電素子を配列すること；
上記第２の低温側板と上記高温側熱交換器の上記上記第２の側部との間に、第２の複数の熱電素子を配列すること；
上記高温側熱交換器の上記１つ以上の分離した導管の外側にあり、上記第１の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある間隙の範囲内にあり、かつ上記第２の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある間隙の範囲内にある複数の位置のそれぞれに、上記第１の低温側板と上記第２の低温側板との間に伸びている複数の固定具を配置すること；
上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器の上記第１の側部との間に上記第１の複数の熱電素子、および上記第２の低温側板と上記熱交換器の上記第２の側部との間に上記第２の複数の熱電素子を、複数の上記固定具によって押えつけること
を含んでいる、熱電式発電ユニットを組み立てる、方法。
【請求項２３】
上記第１の複数の熱電素子のうち第１の部分集合を中央に配置すること；
上記第１の複数の熱電素子のうち第２の部分集合を周辺に配置すること；
複数の上記固定具のうち第１の部分集合を用いて、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第１の部分集合に、第１の力を加えること；および
複数の上記固定具のうち第２の部分集合を用いて、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第２の部分集合に、第２の力を加えることをさらに含んでおり、
上記第１の力が上記第２の力より大きい、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
上記第１の複数の熱電素子のうち上記第１の部分集合と上記第１の複数の熱電素子のうち当該第３の部分集合との間にある、上記第１の複数の熱電素子のうち第３の部分集合を配置すること；および
複数の上記固定具のうち第３の部分集合を用いて、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第３の部分集合に、第３の力を加えることをさらに含んでおり、
上記第３の力が、上記第１の力より大きく、上記第２の力より小さい、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
上記第１の力が上記第３の力の約１．５倍であり、上記第１の力が上記第２の力の約３倍である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
上記第１の力が約１１〜１３ｋＮであり、上記第３の力が約７〜９ｋＮであり、上記第２の力が約３〜５ｋＮである、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
上記第１の力が上記第２の力のすくなくとも１．５倍である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
それぞれの固定具が、
ボルトまたはネジ釘；および
上記ボルトまたはネジ釘に沿って配置されている、バネ、ベルビル座金またはバネ座金
を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
複数の上記固定具のうち第１の部分集合が、複数の上記固定具のうち第２の部分集合より多くの、上記ボルトまたはネジ釘に沿って配置されているバネ、ベルビル座金またはバネ座金を含んでいる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
上記第１の複数の熱電素子を、上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器の上記第１の側部との間において、複数の列および行に配列すること；ならびに
複数の上記列および行の間にある複数の間隙の範囲内に、複数の上記固定具をそれぞれ配置することをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項３１】
４つの熱電素子ごとに４つの固定具を配置することを含んでいる、請求項３３に記載の方法。
【請求項３２】
上記高温側熱交換器が、上記１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内に配置されている複数のフィンをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項３３】
上記フィンが、ステンレス鋼、ニッケルメッキを施した銅、またはステンレス鋼によって被覆した銅を含んでいる、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
上記１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内における上記複数のフィンの密集度が、１インチにつき少なくとも１２のフィンである、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
上記高温側熱交換器が、少なくとも１つのネジ棒を含んでおり、上記方法が、当該少なくとも１つのネジ棒を介して、パイプフランジに当該高温側熱交換器を密閉して連結することをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項３６】
上記第１の低温側板が、複数のピンフィン、複数の直線状のフィンまたはオフセットフィンをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項３７】
複数の上記ピンフィンが、列形配列またはねじれ形配列に配列されている、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
上記第１の複数の熱電素子を回路基板上に配置することをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項３９】
上記第１の複数の熱電素子が、熱電材料を含んでおり、当該熱電材料が、四面銅鉱、マグネシウムケイ化物、マグネシウムケイ化スズ化物、シリコン、シリコンナノワイヤ、ビスマステルル化物、スクッテルド鉱、鉛テルル化物、ＴＡＧＳ（tellurium-antimony-germanium-silver）、亜鉛アンチモン化物、シリコンゲルマニウム、および半ホイスラー化合物からなる群から選択される、請求項２２に記載の方法。
【請求項４０】
上記第１の低温側板および第２の低温側板のうち少なくとも１つが、高効率な低温側熱交換器を含んでおり；
上記高温側熱交換器が、高効率な高温側熱交換器を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項４１】
上記第１の低温側板が、冷却剤流入用の入口および冷却剤流出用の出口を含んでおり、当該入口および出口が、互いに上記第１の低温側板の同じ側部上にある、請求項２２に記載の方法。
【請求項４２】
上記第１の低温側板および上記第１の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子の間に、カプトンフィルムを配置すること；
上記第１の低温側板と上記第１の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に、カプトンフィルムを配置すること；
上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に、マイカシートを配置すること；
上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に、グラファイトシートを配置すること；
上記第１の低温側板と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に、ギャップパッドを配置すること；および
上記第１の低温側板と上記第１の複数の熱電素子の少なくとも１つとの間に、陽極化層を配置すること
のうち少なくとも１つをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願に対する相互参照）
本願は、参照によってその内容の全体が本明細書に組み込まれる、２０１４年１０月２日に出願した米国仮出願第62/059,084号（発明の名称「THERMOELECTRIC GENERATING UNIT AND METHODS OF MAKING AND USING SAME」）の利益を主張する。
【０００２】
本願は、参照によってその内容の全体が本明細書に組み込まれる、２０１４年１０月２日に出願した米国仮出願第62/059,092号（発明の名称「THERMOELECTRIC GENERATORS FOR RECOVERING WASTE HEAT FROM ENGINE EXHAUST, AND METHODS OF MAKING AND USING THE SAME」）の利益を主張する。
【０００３】
本願は、参照によってその内容の全体が本明細書に組み込まれる、本願と同日に出願したＰＣＴ特許出願（TBA）号（発明の名称「THERMOELECTRIC GENERATORS FOR RECOVERING WASTE HEAT FROM ENGINE EXHAUST, AND METHODS OF MAKING AND USING THE SAME」）の利益を主張する。
【０００４】
本願は、熱電式発電ユニットに関する。本発明が非常に広範囲の用途を有していることは、認識される。
【背景技術】
【０００５】
熱電（ＴＥ）素子は、基部構造に対する複数の直列鎖状配置において配列されている複数の熱電脚を用いてしばしばパッケージされている。複数の熱電脚のそれぞれは、高い導電性および相対的に高い熱抵抗性によって特徴づけられ得るｐ型の熱電材料またはｎ型の熱電材料を含み得る。１つ以上のｐ型ＴＥ脚は、直列の鎖状の、または電気的に直列の熱的に平行の、または電気的に平行の熱的に平行の、配置において、各方向にからのコンダクタを介して、１つ以上のｎ型ＴＥ脚と対を形成して結合され得る。
１つのコンダクタは、ＴＥ脚の端部に結合されており、他のコンダクタはＴＥ脚の他の端部に結合されている。
２つの電極として２つのコンダクタを用いて熱電素子の上部／下部領域の全体にバイアス電圧が印加されるとき、温度差は、接続の低温側につながれている熱電素子が冷却（例えばペルチェ）装置として使用されるように生成される。熱電素子が、ＴＥ脚の第１の端部領域におけるコンダクタ、および接続の高温側と接しているＴＥ脚の第２の端部領域におけるコンダクタとの熱接続を受けると、熱電素子は、エネルギー変換（例えばジーベック）素子として、接続の全体にわたって電位を生成可能である。
【０００６】
エネルギー変換効率は、いわゆる熱電密度、すなわち「熱電性能指数」ＺＴによって測定され得る。ＺＴは、ＴＳ２σ／ｋに等しい。ここで、Ｓは、熱電材料のジーベック係数、σは熱電材料の導電性、ｋは熱電材料の熱伝導性である。ジーベック効果を利用する熱電素子のＺＴの値を上昇さえるために、高性能な熱電材料を探索すること、および低コストな製造プロセスを開発することが、主要な関心である。しかし、新たな材料の組合せ、および新たな環境要求は、熱電素子をパッケージングするための改善された技術の必要性を明らかにしている。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、熱電式発電ユニットに関する。本発明が非常に広範囲の用途を有していることは、認識される。
【０００８】
一局面にしたがって、熱電式発電ユニットは、第１の側部、第２の側部および１つ以上の分離した導管を含んでいる、高温側熱交換器；実質的に平坦な第１の低温側板；ならびに実質的に平坦な第２の低温側板を含んでいる。上記熱電式発電ユニットは、上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の低温側板との間に配列されている、第１の複数の熱電素子；および上記高温側熱交換器の上記第２の側部と上記第２の低温側板との間に配列されている、第２の複数の熱電素子をさらに含み得る。上記熱電式発電ユニットは、上記高温側熱交換器の上記１つ以上の分離した導管の外側にある位置のそれぞれにおいて、上記第１の低温側板と上記第２の低温側板との間に伸びている、複数の固定具をさらに含み得る。複数の上記固定具は、上記第１の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある複数の間隙の範囲内および上記第２の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある複数の間隙の範囲内に配置され得る。複数の上記固定具は、上記高温熱交換器の上記第１の側部と上記第１の低温側板との間に、上記第１の複数の熱電素子を押えつけており、上記高温側熱交換器の上記第２の側部と上記第２の低温側板との間に、上記第２の複数の熱電素子を押えつけ得る。
【０００９】
いくつかの実施形態において、上記第１の複数の熱電素子のうち第１の部分集合が、中心に配置されており、上記第１の複数の熱電素子のうち第２の部分集合が、周辺に配置されている。複数の上記固定具のうち第１の部分集合が、上記複数の第１の熱電素子のうち上記第１の部分集合に第１の力を加え得る。複数の上記固定具のうち第２の部分集合が、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第２の部分集合に第２の力を加え得る。上記第１の力が上記第２の力より大きくてもよい。例えば、上記第１の力は、上記第２の力の約１．５倍である。いくつかの実施形態において、上記第１の複数の熱電素子のうち第３の部分集合が、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第１の部分集合と上記第１の複数の熱電素子のうち上記第３の部分集合との間に配置されている。複数の上記固定具のうち第３の部分集合が、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第３の部分集合に第３の力を加え得る。いくつかの実施形態において、上記第１の力は、上記第３の力の約１．５倍であり、上記第１の力は、上記第２の力の約３倍である。いくつかの実施形態において、上記第１の力が約１１〜１３ｋＮであり、上記第３の力が約７〜９ｋＮであり、上記第２の力が約３〜５ｋＮである。
【００１０】
いくつかの実施形態において、固定具のそれぞれは、ボルトまたはネジ釘；および上記ボルトまたはネジ釘に沿って配置されている、バネ、ベルビル座金またはバネ座金を含んでいる。いくつかの実施形態において、複数の上記固定具のうち第１の部分集合が、複数の上記固定具のうち第２の部分集合より多くの、上記ボルトまたはネジ釘に沿って配置されているバネ、ベルビル座金またはバネ座金を含んでいる。
【００１１】
いくつかの実施形態において、上記第１の複数の熱電素子が、上記第１の低温側板と上記第１の上記高温側交換器との間において、複数の列および行に配列されており、上記固定具がそれぞれ、上記複数の列および行の間にある間隙に配置されている、いくつかの実施形態において、上記第１の複数の熱電素子のうち４つの熱電素子ごと、および上記第２の複数の熱電素子のうち４つの熱電素子ごとに、４つの固定具を含んでいる。
【００１２】
いくつかの実施形態において、上記高温側熱交換器が、上記１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内に配置されている複数のフィンをさらに含み得る。いくつかの実施形態において、上記複数のフィンが、ステンレス鋼、ニッケルメッキを施した銅、またはステンレス鋼によって被覆した銅を含んでいる。いくつかの実施形態において、上記１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内における上記複数のフィンの密集度が、１インチにつき少なくとも１２のフィンである。
【００１３】
いくつかの実施形態において、上記高温側熱交換器が、当該高温側熱交換器をパイプフランジに密閉して連結するために構成されている、少なくとも１つのネジ棒を含んでいる。
【００１４】
いくつかの実施形態において、上記第１の低温側板が、複数のピンフィン、複数の直線状のフィンまたはオフセットフィンをさらに含んでいる。いくつかの実施形態において、上記複数のピンフィンが、列形配列またはねじれ形配列に配列されている。
【００１５】
いくつかの実施形態において、上記複数の熱電素子が回路基板上に配置されている。
【００１６】
いくつかの実施形態において、上記第１の複数の熱電素子が熱電材料を含んでおり、当該熱電材料が、四面銅鉱、マグネシウムケイ化物、マグネシウムケイ化スズ化物、シリコン、シリコンナノワイヤ、ビスマステルル化物、スクッテルド鉱、鉛テルル化物、ＴＡＧＳ（tellurium-antimony-germanium-silver）、亜鉛アンチモン化物、シリコンゲルマニウム、および半ホイスラー化合物からなる群から選択される。
【００１７】
いくつかの実施形態において、上記第１の低温側板および上記第２の低温側板のうち少なくとも１つが、高効率な低温側熱交換器を含んでおり；上記高温側熱交換器が、高効率な高温側熱交換器を含んでいる。
【００１８】
いくつかの実施形態において、上記第１の低温側板が、冷却剤流入用の入口および冷却剤流出用の出口を含んでおり、当該入口および出口が、互いに上記第１の低温側板の同じ側部上にある。
【００１９】
いくつかの実施形態は、上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、カプトンフィルム；
上記第１の低温側板と上記第１の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、カプトンフィルム；上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、マイカシート；上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、グラファイトシート；上記第１の低温側板と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、ギャップパッド；および上記第１の低温側板と上記第１の複数の熱電素子の少なくとも１つとの間に配置されている、陽極化層のうち少なくとも１つを含んでいる。
【００２０】
他の局面にしたがって、熱電式発電ユニットを組み立てる、方法は、第１の側部、第２の側部および１つ以上の分離した導管を含んでいる高温側熱交換器を準備すること；実質的に平坦な第１の低温側板を準備すること；および実質的に平坦な第２の低温側板を準備することを含んでいる。上記方法は、上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器の上記第１の側部との間に、第１の複数の熱電素子を配列すること；および上記第２の低温側板と上記高温側熱交換器の上記上記第２の側部との間に、第２の複数の熱電素子を配列することを含み得る。上記方法はまた、上記高温側熱交換器の上記１つ以上の分離した導管の外側にあり、上記第１の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある間隙の範囲内にあり、かつ上記第２の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある間隙の範囲内にある複数の位置のそれぞれに、上記第１の低温側板と上記第２の低温側板との間に伸びている複数の固定具を配置することを含み得る。上記方法はまた、上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器の上記第１の側部との間に上記第１の複数の熱電素子、および上記第２の低温側板と上記熱交換器の上記第２の側部との間に上記第２の複数の熱電素子を、複数の上記固定具によって押えつけることを含み得る。
【００２１】
いくつかの実施形態において、上記方法は、上記第１の複数の熱電素子のうち第１の部分集合を中央に配置すること；上記第１の複数の熱電素子のうち第２の部分集合を周辺に配置すること；複数の上記固定具のうち第１の部分集合を用いて、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第１の部分集合に、第１の力を加えること；および複数の上記固定具のうち第２の部分集合を用いて、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第２の部分集合に、第２の力を加えることをさらに含み得る。上記第１の力が上記第２の力より大きい。例えば、上記第１の力が上記第３の力の約１．５倍である。いくつかの実施形態において、上記方法は、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第１の部分集合と上記第１の複数の熱電素子のうち当該第３の部分集合との間にある、上記第１の複数の熱電素子のうち第３の部分集合を配置すること；および複数の上記固定具のうち第３の部分集合を用いて、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第３の部分集合に、第３の力を加えることをさらに含んでいる。上記第３の力が、上記第１の力より大きく、上記第２の力より小さい。いくつかの実施形態において、上記第１の力が上記第３の力の約１．５倍であり、上記第１の力が上記第２の力の約３倍である。いくつかの実施形態において、上記第１の力が約１１〜１３ｋＮであり、上記第３の力が約７〜９ｋＮであり、上記第２の力が約３〜５ｋＮである。
【００２２】
いくつかの実施形態において、それぞれの固定具が、ボルトまたはネジ釘；および上記ボルトまたはネジ釘に沿って配置されている、バネ、ベルビル座金またはバネ座金を含んでいる。いくつかの実施形態において、複数の上記固定具のうち第１の部分集合が、複数の上記固定具のうち第２の部分集合より多くの、上記ボルトまたはネジ釘に沿って配置されているバネ、ベルビル座金またはバネ座金を含んでいる。
【００２３】
いくつかの実施形態において、上記方法は、上記第１の複数の熱電素子を、上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器の上記第１の側部との間において、複数の列および行に配列すること；ならびに複数の上記列および行の間にある複数の間隙の範囲内に、複数の上記固定具をそれぞれ配置することをさらに含んでいる。いくつかの実施形態において、４つの熱電素子ごとに４つの固定具を配置することを含んでいる。
【００２４】
いくつかの実施形態において、上記高温側熱交換器が、上記１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内に配置されている複数のフィンをさらに含んでいる。いくつかの実施形態において、上記フィンが、ステンレス鋼、ニッケルメッキを施した銅、またはステンレス鋼によって被覆した銅を含んでいる。いくつかの実施形態において、上記１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内における上記複数のフィンの密集度が、１インチにつき少なくとも１２のフィンである。
【００２５】
いくつかの実施形態において、上記高温側熱交換器が、少なくとも１つのネジ棒を含んでおり、上記方法が、当該少なくとも１つのネジ棒を介して、パイプフランジに当該高温側熱交換器を密閉して連結することをさらに含んでいる。
【００２６】
いくつかの実施形態において、上記第１の低温側板が、複数のピンフィン、複数の直線状のフィンまたはオフセットフィンをさらに含んでいる。いくつかの実施形態において、複数の上記ピンフィンが、列形配列またはねじれ形配列に配列されている。
【００２７】
いくつかの実施形態において、上記方法は、上記第１の複数の熱電素子を回路基板上に配置することをさらに含んでいる。
【００２８】
いくつかの実施形態において、上記第１の複数の熱電素子が、熱電材料を含んでおり、当該熱電材料が、四面銅鉱、マグネシウムケイ化物、マグネシウムケイ化スズ化物、シリコン、シリコンナノワイヤ、ビスマステルル化物、スクッテルド鉱、鉛テルル化物、ＴＡＧＳ（tellurium-antimony-germanium-silver）、亜鉛アンチモン化物、シリコンゲルマニウム、および半ホイスラー化合物からなる群から選択される。
【００２９】
いくつかの実施形態において、上記第１の低温側板および第２の低温側板のうち少なくとも１つが、高効率な低温側熱交換器を含んでおり；上記高温側熱交換器が、高効率な高温側熱交換器を含んでいる。
【００３０】
いくつかの実施形態において、上記第１の低温側板が、冷却剤流入用の入口および冷却剤流出用の出口を含んでおり、当該入口および出口が、互いに上記第１の低温側板の同じ側部上にある。
【００３１】
いくつかの実施形態において、上記第１の低温側板および上記第１の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子の間に、カプトンフィルムを配置すること；上記第１の低温側板と上記第１の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に、カプトンフィルムを配置すること；上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に、マイカシートを配置すること；上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に、グラファイトシートを配置すること；上記第１の低温側板と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に、ギャップパッドを配置すること；および上記第１の低温側板と上記第１の複数の熱電素子の少なくとも１つとの間に、陽極化層を配置することのうち少なくとも１つを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】図１Ａは、いくつかの実施形態に係る熱電式発電ユニットの具体例の概観を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、いくつかの実施形態に係る熱電式発電ユニットの具体例の概観を示す図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、いくつかの実施形態に係る熱電式発電ユニットの具体例の概観を示す図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、いくつかの実施形態に係る熱電式発電ユニットの具体例の概観を示す図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、いくつかの実施形態に係る熱電式発電ユニットの具体例の概観を示す図である。
【図１Ｆ】図１Ｆは、いくつかの実施形態に係る熱電式発電ユニットの具体例の概観を示す図である。
【図１Ｇ】図１Ｇは、いくつかの実施形態に係る熱電式発電ユニットの具体例の概観を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットで使用する熱電アセンブリであって、いくつかの実施形態に係る熱電アセンブリの、具体例の概観を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットで使用する熱電アセンブリであって、いくつかの実施形態に係る熱電アセンブリの、具体例の概観を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットで使用する熱電アセンブリであって、いくつかの実施形態に係る熱電アセンブリの、具体例の概観を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットで使用する固定具であって、いくつかの実施形態に係る固定具の、具体的な配列の例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットで使用する固定具であって、いくつかの実施形態に係る固定具の、具体的な配列の例を示す図である
【図３Ｃ】図３Ｃは、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットで使用する固定具であって、いくつかの実施形態に係る固定具の、具体的な配列の例を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットで使用する固定具の配列の、非限定的な一例を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示された固定具の配列を使用して得られ得る圧力分布の、非限定的な一例を示す図である。
【図５】図５は、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットの排気流量に応じた出力電力であって、いくつかの実施形態に係る出力電力の具体例を、グラフで示した図である。
【図６】図６は、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットの排気流量に応じた電源モジュールの圧力低下であって、いくつかの実施形態に係る圧力低下の具体例を、グラフで示した図である。
【図７】熱電式発電ユニットを準備する具体的な方法におけるステップを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本出願は、熱電式発電ユニットを対象としている。本発明は、より広範囲の応用性を有していることを理解されたい。
【００３４】
例えば、本発明に係る熱電式発電ユニットの実施形態は、エンジンの排気のような排熱を運搬する流体を受けるように形成され得る中央高温側熱交換器と、該高温側熱交換器のいずれかの側部に配列された２つの低温側板と、を含むサンドウィッチ型の配列で供される、複数の熱電素子を含んでいてもよい。いくつかの熱電素子は、高温側熱交換器の一方の側部と、低温側板の一つとの間に配置され得る。またいくつかの熱電素子は、高温側熱交換器の他の側部と他の低温側板との間に配置され得る。排熱を運ぶ流体の漏れを防ぐ間、温度制御を行う範囲の熱電素子、高温側熱交換器、およびそれぞれの低温側板の間の十分な熱的接触を供するように、複数の固定具が上記サンドウィッチ型の配列に圧力をかけ得る。例えば、高温側熱交換器は１つ以上の分離した導管を含み得る。例えば、高温側熱交換器は、排熱を運ぶ流体が流れ得る複合的な分離した導管を含む。例えば固定具は、１つ以上の分離した導管の外側に、熱電式発電ユニット内の高温側熱交換器から流体が漏れる可能性を抑えるために、導管と導管との間の間隙に配列され得る。上述の内容に加えて、または上述の内容に代えて、固定具は熱電素子の間の間隙の範囲内に配置され得る。低温側板は、固定具によって熱電素子上にかかる圧力が、熱電式発電ユニットの温度制御部位にわたって相対的に均一になり得るように、実質的に平坦であり得る。
【００３５】
図１Ａ〜１Ｇは、いくつかの実施形態に係る熱電式発電ユニット（ＴＧＵ）の具体例の概観を示す図である。図１Ａ〜１Ｇに示されたＴＧＵ１００の非限定的な実施形態は、第１の低温側板１１０、高温側熱交換器１２０、第２の低温側板１３０、第１の熱電アセンブリ１６０、第２の熱電アセンブリ１７０、および、複数の固定具１１１を含む。図１Ｃにみられるように、第１の熱電アセンブリ１６０は第１の低温側板１１０と高温側熱交換器１２０の第１の側部１２６との間に配置され得る。また、図１Ｃにみられるように、第２の熱電アセンブリ１７０は高温側熱交換器１２０と、高温側熱交換器１２０の第２の側部との間に配置され得る。固定具１１１は、第１の低温側板１１０、高温側熱交換器１２０、第２の低温側板１３０、第１の熱電アセンブリ１６０、および、第２の熱電アセンブリ１７０を貫通して形作られた穴を通って取付けられ得る。また、固定具１１１は、ＴＧＵの部品どうしが異なる熱膨張を引き起こし得るように制御状態に変化をつけた条件下での、該部品間の十分な熱的接触を維持するように、ＴＧＵ全体に適切な力分布および圧力分布を与える。
【００３６】
いくつかの実施形態では、高温側熱交換器１２０は、第１の側部１２６、第２の側部１２７、および、排熱を運ぶ流体、例えばエンジンからの排気を受けるように構成され得る１つ以上の分離した導管（分離導管）１２１を含む。例えば、１つ以上の分離導管１２１はそれぞれ、流体の入口１２３および流体の出口１２８、ならびに、入口１２３と出口１２８とを互いに流体的につなぐ内腔を含み得る。内腔は、例えば図１Ａ、１Ｂ、および１Ｇに示された矢印１１２によって示される方向に該内腔を通る流体からの熱を抽出するように、形成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、高温側熱交換器１２０はさらに、１つ以上の分離導管１２１のそれぞれの内腔内に配置されたフィンを含み得る。例示しているように、該フィンは例えば、ステンレス鋼、ニッケルメッキを施した銅（nickel plated copper）を含んでいてもよい。１つ以上の分離導管１２１を通る流体からの熱を抽出するために適切なあらゆるフィンの数、フィンを設ける密集度、およびフィンの配列が与えられ得る。例えば、いくつかの実施形態では、１つ以上の分離導管それぞれの内部に、フィンが、１インチ毎に少なくとも１２個の割合で設けられる。ある図示された実施形態では、高温側熱交換器は、高効率高温側熱交換器を含む。ここで使用される「高効率高温側熱交換器」という文言は、熱抵抗が約０．００１５ｍ２Ｋ／Ｗより少ない（例えば、熱抵抗が約０．０００２５ｍ２Ｋ／Ｗより少ない）という特性を持った高温側熱交換器を意味する意図で使用される。
【００３７】
上述の内容に加えて、または上述の内容に代えて、高温側熱交換器１２１は、高温側熱交換器と、パイプフランジまたは排熱を運ぶ流体の他の適切な供給源とを一組として密閉するように形成される、少なくとも１つのネジ棒１２４を、選択的に含んでいてもよい。例えば、図１Ａ〜１Ｇに示された実施形態では、高温側熱交換器１２０の１つ以上の分離導管１２１はそれぞれ、あるパイプフランジの第１領域に４つのネジ棒と高温側熱交換器１２０の２つの連結正面板１２２とを含んでいてもよく、上記パイプフランジの第２領域に高温側熱交換器の２つの連結背面板１２９を含んでいてもよい。高温側熱交換器１２１と、排熱を運搬する流体の供給源とを連結するように、あらゆる適切なタイプ、数、および配列の固定具が使用され得ることを理解されたい。
【００３８】
いくつかの実施形態では、第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０は実質的に平坦である。「実質的に平坦」とは、低温側板が、それぞれ実質的に平面であり互いに並行に並んでいる第１および第２の主表面を含むことを意味する。例えば、「実質的に平坦」とは、低温側板全体にわたる平坦度および平面度が約０．０１０’’以下であるという特性で示される。いくつかの実施形態では、第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０はそれぞれ、熱電式発電ユニット１１０の側部全体を実質的に覆うように、実質的に平坦である。非限定的な一例において、第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０は、実質的に平坦な、金属またはセラミックのような熱伝導性の材質である平板を含んでいてもよい。金属の具体例としては、第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０の片方または両方において使用するために適切となり得る金属は、アルミニウム、銅、モリブデン、タングステン、銅モリブデン合金、ステンレス鋼、およびニッケルで構成されるグループから独立して選択され得る。セラミックの具体例としては、第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０の片方または両方において使用するために適切となり得るセラミックは、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ、および窒化ケイ素で構成されるグループから独立して選択され得る。図示した一実施形態において、第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０のうち片方は、上で列挙した具体例のような金属を含んでもよい。また、同実施形態において、第１の低温側板１３０および第２の低温側板１３０のうち他方は、上で列挙した具体例のようなセラミックを含んでいてもよい。図示した他の一実施形態において、第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０の両方が、上で列挙した具体例のような金属を含んでいてもよい。さらに他の一実施形態において、第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０の両方が、例えば上で列挙した具体例のようなセラミックを含んでいてもよい。
【００３９】
例えば実質的に平坦な平板である第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０はそれぞれ、各固定具受け口１１１を通るよう形作られた複数の孔を含んでいてもよい。一例として、上記孔は、上記実質的に平坦な平板それぞれの、厚みを全部貫通するように伸びていてもよい。他の一例としては、上記孔は、上記実質的に平坦な平板の１つまたは両方の、厚みの一部分だけを通るように伸びていてもよい。いくつかの実施形態では、上記孔は、上記実質的に平坦な平板それぞれの表面を横切る、複数の行および複数の列の中に配列される。
【００４０】
いくつかの実施形態では、実質的に平坦な第１の低温側板１１０および実質的に第２の低温側板１３０の一方または両方が、流体の冷却剤、例えば液体または気体の冷却剤を受けるために形成された、１つ以上の間隙を含む。第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０の一方または両方は、冷却剤を流し込むための１つ以上の入口１１３ａまたは１１３ｂと、冷却剤を排出するための１つ以上の出口１１３ｂまたは１１３ａを含んでいてもよい。例えば、図示および出入口への冷却剤の出し入れを容易にするために、一例では、第１の低温側板１１０のための入口１１３ａまたは１１３ｂならびに出口１１３ｂまたは１１３ａは互いに第１の低温側板と同じ側にあるとともに、第２の低温側板１３０のための入り口１３３ａまたは１３３ｂならびに出口１３３ｂまたは１３３ａは互いに第２の低温側板と同じ側にある。
【００４１】
上述の内容に加えて、または上述の内容に代えて、片方または両方の第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０はさらに複数のピンフィン、複数の直線状のフィン（ストレートフィン）、または複数のオフセットフィンを含み得る。いくつかの実施形態では、これらのフィンは第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０の片方または両方の内側に配置され得る。例えば、これらのフィンは、第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０の片方または両方の範囲内にそれぞれ形作られた導管に配置され得る。これらのフィンはまた、水力直径を変化させることができる。またこれらのフィンは、熱交換の増加に応じて境界層の崩壊を引き起こすことで、流路を変化させることができる。いくつかの実施形態では、ピンフィンは、任意で線状の配列またはジグザグ状の配列で配列され得る。ある非限定的な具体例では、第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０のうち少なくとも１つが高効率低温側熱交換器を含む。ここで使用される「高効率低温側熱交換器」という文言は、熱抵抗が約７．５ｅ−１０ｍ２Ｋ／Ｗより少ないという特性を持った低温側熱交換器を意味する意図で使用される。
【００４２】
図１Ａ〜１Ｇに示された実施形態において、熱電式発電ユニットはさらに、第１の低温側板１１０と高温側熱交換器１２０の第１の側部１２６との間に配列された第１の複数の熱電素子１６１と、第２の低温側板１３０および高温側熱交換器１２０の第２の側部１２７との間に配列された第２の複数の熱電素子１７１とを含む。
【００４３】
ある具体例では、第１の複数の熱電素子１６１は第１の熱電アセンブリ１６０の一部として供されてもよく、第２の複数の熱電素子１７１は第２の熱電アセンブリ１７０の一部として供されてもよい。第１の熱電アセンブリ１６０および第２の熱電アセンブリ１７０の片方または両方での使用に適した熱電アセンブリの、具体例としての実施形態について、以下で図２Ａ〜２Ｃを参照して説明する。以下の、図２Ａ〜２Ｃを参照したより詳細な内容を説明する実施形態では、第１の複数の熱電素子１６１および第２の複数の熱電素子１７１の片方または両方が回路板に配置され得る。
【００４４】
第１の複数の熱電素子１６１は第１の低温側板１１０と高温側熱交換器１２０の第１の側部１２６との間に、行または列状に配列され得る。そして、固定具１１１はそれぞれ、上記行および列の間の間隙の範囲内に配置され得る。例えば、固定具が上記第１の複数のうちの全ての熱電素子１６１を通る必要のないように、固定具１１１は配置され得る。上述の内容に加えて、または上述の内容に代えて、第２の複数の熱電素子１７１は第２の低温側板１３０と高温側熱交換器１２０の第２の側部１２７との間に、行または列状に配列され得る。そして、固定具１１１はそれぞれ、上記行および列の間の間隙の範囲内に配置され得る。例えば、固定具が上記第２の複数のうちの全ての熱電素子１７１を通る必要のないように、固定具１１１は配置され得る。
【００４５】
第１の複数の熱電素子１６１および第２の複数の熱電素子１７１はあらゆる適切な構成を有し得る。例えば、熱電素子１６１および１７１のそれぞれは、１つ以上の熱電脚を含み得る。例えば、熱電素子１６１および１７１のそれぞれは、１つ以上のＰタイプ熱電脚と、１つ以上のＮタイプ熱電脚とを含み得る。それぞれの熱電脚は第１の伝導材料と第２の伝導材料との間に配置された熱電材料を含み得る。Ｐタイプ熱電脚はＮタイプ熱電脚と異なる物質、またはＮタイプ熱電脚と同じ物質であるがドーピングが異なる物質を含み得る。例えば、第１の複数１６１または第２の複数１７１の熱電素子の片方または両方は、四面銅鉱、マグネシウムケイ化物、マグネシウムケイ化スズ化物、シリコン、シリコンナノワイヤ、ビスマステルル化物、スクッテルド鉱、鉛テルル化物、ＴＡＧＳ（tellurium-antimony-germanium-silver）、亜鉛アンチモン化物、シリコンゲルマニウム、および半ホイスラー化合物、または、文献において既知の、もしくはこれから開発されるあらゆる熱電材料からなる群から選択される、熱電材料を含み得る。任意で、１つ以上のＰタイプ熱電脚は電気的に、一続きに、かつ、アセンブリ間の温度の相違に反応して電流を発生させるように１つ以上のＮタイプ熱電脚と熱的に並行に接続されてもよい。熱電素子１６１、１７１それぞれにおいてあらゆる適切な個数の熱電脚が与えられ得る。非限定的な具体例において、それぞれの熱電素子は、１〜１００個のＰタイプ熱電脚および１〜１００個のＮタイプ熱電脚を含み得る。または、非限定的な具体例において、それぞれの熱電素子は、１０〜８０個のＰタイプ熱電脚および１０〜８０個のＮタイプ熱電脚を含み得る。または、非限定的な具体例において、それぞれの熱電素子は、２０〜６０個のＰタイプ熱電脚および２０〜６０個のＮタイプ熱電脚を含み得る。例えば、それぞれの熱電素子は、４８個のＰタイプ熱電脚および４８個のＮタイプ熱電脚を含み得る。熱電素子におけるＰタイプ熱電脚の個数は、該熱電素子におけるＮタイプ熱電脚の個数と同じであり得るが、個数が同じであることは必須ではない。
【００４６】
第１の複数の熱電素子１６１は、高温側熱交換器１２０と第１の低温側板１１０との間の温度の相違に反応して流れる電流を得るように、電気的に接続され得る。第２の複数の熱電素子１７１は、高温側熱交換器１２０と第２の低温側板１３０との間の温度の相違に反応して流れる電流を得るように、電気的に接続され得る。ある非限定的な実施形態において、第１の複数の熱電素子１６１は、１つまたは複数のコンダクタ１４０を用いて第２の複数の熱電素子１７１と電気的に、一続きに接続される。例えば、図１Ｆに示された外部接続の具体例は配線１４１、１４２、および１４３を含む。正配線１４１および負配線１４２はそれぞれ、第１の熱電アセンブリ１６０と第２の熱電アセンブリ１７０とから伸びている。一続きの配線１４３は、アセンブリ１６０、１７０と、互いに電気的に一続きに接続するように、第１の熱電アセンブリ１６０および第２の熱電アセンブリ１７０の両方から伸びている。第１の熱電アセンブリ１６０および第２の熱電アセンブリ１７０それぞれの熱電素子は、直並列な構成で内部的に配線される。
【００４７】
本発明の熱電式発電ユニットで使用され得るのに適した熱電脚、電気的接続、および熱電素子のさらなる具体例は、以下の参考文献、すなわち；ＵＳ特許番号（US Patent No）８，７３６,０１１「ナノ構造に組込まれた低熱伝導材料およびその方法」ＵＳ特許番号９，０５１，１７５「熱電素子のためのバルク−ナノ−リボンおよび／またはナノ多孔構造、および同構造を作成する方法」、ＵＳ特許番号９，０６５，０１７「熱ストレスおよび接触抵抗を減少させる熱電素子、および該素子を形成および使用する方法」、ＵＳ特許番号９，０８２，９３０「ナノ構造化された熱電要素および該要素を作成する方法」、ＵＳ公開番号（US Patent Publication No.）２０１１／０１１４１４６「単一ウエーハー熱電素子」、ＵＳ公開番号２０１２／０１５２２９５「突き出したセグメントでナノ構造が満たされた配列およびその方法」、ＵＳ公開番号２０１２／０２４７５２７「ナノ構造の配列のための電極構造およびその方法」、ＵＳ公開番号２０１２／０２９５０７４「半導体材料におけるロングナノ構造の配列およびその方法」、ＵＳ公開番号２０１２／０３１９０８２「ナノ構造に組込まれた低熱伝導性材料およびその方法」、ＵＳ公開番号２０１３／０１７５６５４「熱電素子のためのバルクナノホール構造、および該構造を作成する方法」、ＵＳ公開番号２０１３／０１８６４４５「熱回復システムのためのモジュール方式の熱電ユニット、およびその方法」、ＵＳ公開番号２０１４／００２４１６３「熱電単一結合アセンブリのための構造および方法」、ＵＳ公開番号２０１４／０１１６４９１「バルク−サイズナノ構造の材料および該材料をナノワイヤの焼結により作成する方法」、ＵＳ公開番号２０１４／０１８２６４４「複脚パッケージ熱電素子の構造および方法」、ＵＳ公開番号２０１４／０１９３９８２「ナノ構造に組込まれた低熱伝導性マトリクス、およびその方法」、ＵＳ公開番号２０１４／０３６０５４６「等電の不純物を含むシリコンベースの熱電材料、そのような材料に基づく熱電素子、および同材料を作成および使用する方法」、ＵＳ公開番号２０１５／０１４７８４２「突き出したセグメントでナノ構造が満たされた配列およびその方法」、ＵＳ公開番号２０１５／０２９５０７４「半導体材料におけるロングナノ構造の配列、およびその方法」、２０１５年４月６日に出願したＵＳ出願番号（US Application No.）１４／６７９，８３７「複脚パッケージアセンブリのためのフレキシブルリードフレーム」、２０１５年４月９日に出願したＵＳ出願番号１４／６８２，４７１「ウルトラ−ロングシリコンのナノ構造、および同物質の形成および転移方法」、に組込まれた内容全体に見受けられる。
【００４８】
さらに図１Ａ〜１Ｇを参照すると、熱電式発電ユニット１００は、第１の低温側板１１０と第２の低温側板１３０との間の、固定具１１１それぞれの位置が１つ以上の分離導管１２１の外側の位置（例えば、高温側熱交換器１２０の分離導管１２１同士の間の位置）に伸びる複数の固定具１１１を含み得る。上述の内容に加えて、または上述の内容に代えて、固定具１１１は、上記第１の複数のうちの熱電素子１６１同士の間の間隙の範囲内と、上記第２の複数の１７１のうちの熱電素子に配置され得る。固定具１１１は、第１の低温側板１１０と高温側熱交換器１２０の第１の側部１２６との間に第１の複数の熱電素子１６１を押えつけるように構成され得る。また、固定具１１１は、第２の低温側板１３０と高温側熱交換器１２０の第２の側部１２７との間に第２の複数の熱電素子１７１を押えつけるように構成され得る。
【００４９】
第１の複数の熱電素子１６１または第２の複数の熱電素子１７１の熱電素子の個数に応じて、あらゆる適切な個数の固定具１１１が供され得る。例えば、１つ、２つ、３つ、４つ、または２つ以上の固定具１１１が、第１の複数の熱電素子１６１または第２の複数の熱電素子１７１の各熱電素子に供され得る。他の具体例としては、第１の複数の熱電素子１６１または第２の複数の熱電素子１７１の１つ、２つ、３つ、４つ、または４つ以上の熱電素子が、各固定具１１１に供され得る。図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニット１００の非限定的な実施形態は、第１の複数の熱電素子のうち４つの熱電素子１６１それぞれに４つずつ固定具を含み、第２の複数の熱電素子のうち４つの熱電素子１７１それぞれに４つずつ固定具を含む。上述のように、熱電素子１６１、１７１は任意で行または列状に配列され得る。固定具１１１は、熱電素子１６１、１７１の行と列との間を通過するように、熱電素子１６１、１７１の行および列から側部に沿って補うように行および列状に配列され得る。
【００５０】
いくつかの実施形態では、固定具１１１はボルトまたはネジ釘を含み得る。例えば、図３Ｂおよび３Ｃに示すような実施形態において、固定具１１１はボルト１１４を含み得る。任意で、固定具１１１はまた、第１の低温側板１１０と第２の低温側板１３０との間に圧をかけるようにボルトおよびネジ釘のスレッドを留め得るナットを含み得る。他の実施形態では、第１の低温側板１１０および第２の低温側板１３０の片方または両方を通る開口部が、第１の低温側板１１０と第２の低温側板１２０との間に圧がはたらくようにボルトおよびネジ釘のスレッドを留め得るスレッドを含み得る。任意で、固定具１１１はまた、ボルトまたはネジ釘に沿って配置されたバネ、ベルビル座金、またはバネ座金を含み得る。例示的に、そのようなバネ、ベルビル座金、またはバネ座金は、制御温度の変化内での熱電式発電ユニット１００の部品の熱拡散を許容して、例えば、第１の低温側板１１０と第２の低温側板１２０との間の圧力を維持しながら、そのような熱拡散に基づくユニット１００に対する予想される損傷を抑制する。固定具１１１は互いに、ボルトまたはネジ釘に沿って配置された異なる数のバネ、ベルビル座金、またはバネ座金を含み得る。例えば、図３Ｂに示された実施形態では、固定具はボルト１１４および４つのベルビル座金１１５を含むのに対し、図３Ｃで示された実施形態では、固定具はボルト１１４と２つのベルビル座金を含む。１つ以上のバネ、ベルビル座金、またはバネ座金が、熱拡散のに対してさらなる適応をもたらすように、１つまたはさらに他のバネ、ベルビル座金、またはバネ座金と反対の位置に配列され得る。
【００５１】
いくつかの実施形態では、熱電式発電ユニット１００は任意で、断熱層、絶縁層、または断熱および絶縁を供する層から成る１つ以上の層を、第１の複数の熱電素子１６１と、高温側熱交換器１２０および第１の低温側板１１０の片方または両方との間に含むか、上記１つ以上の層を、第２の複数の熱電素子１７１と、高温側熱交換器１２０および第２の低温側板１３０の片方または両方との間に含む。このような追加の層は、図１Ｇに、熱電式発電ユニット１００内のあらゆる適切な位置に配置され得る要素であって、
高温側熱交換器１２０の第１の側部１２６と、少なくとも１つの、第１の複数の熱電素子の熱電素子１６１との間に配置されるカプトンフィルム、
高温側熱交換器１２０の第２の側部１２７と、少なくとも１つの、第２の複数の熱電素子の熱電素子１７１との間に配置されるカプトンフィルム、
第１の低温側板１１０と、少なくとも１つの、第１の複数の熱電素子の熱電素子１６１との間に配置されるカプトンフィルム、
第２の低温側板１３０と、少なくとも１つの、第２の複数の熱電素子の熱電素子１７１との間に配置されるカプトンフィルム、
高温側熱交換器１２０の第１の側部１２６と、少なくとも１つの、第１の複数の熱電素子の熱電素子１６１との間に配置されるマイカシート、
高温側熱交換器１２０の第２の側部１２７と、少なくとも１つの、第２の複数の熱電素子の熱電素子１７１との間に配置されるマイカシート、
高温側熱交換器１２０の第１の側部１２６と、少なくとも１つの、第１の複数の熱電素子の熱電素子１６１との間に配置されるグラファイトシート、
高温側熱交換器１２０の第２の側部１２７と、少なくとも１つの、第２の複数の熱電素子の熱電素子１７１との間に配置されるグラファイトシート、
第１の低温側板１１０と、少なくとも１つの、第１の複数の熱電素子の熱電素子１６１との間に配置されるギャップパッド、
第２の低温側板１３０と、少なくとも１つの、第２の複数の熱電素子の熱電素子１７１との間に配置されるギャップパッド、
第１の低温側板１１０と、少なくとも１つの、第１の複数の熱電素子の熱電素子１６１との間に配置される陽極化層、および
第２の低温側板１３０と、少なくとも１つの、第２の複数の熱電素子の熱電素子１７１との間に配置される陽極化層、
の少なくとも１つを含み得る要素である、要素１５０および１８０として示される。種々の適切な層の具体例としての実施形態を、以下で図２Ａ〜２Ｃを参照して詳述する。
【００５２】
図１Ａ〜図１Ｇに示された熱電式発電ユニット１００は、任意で、さらに、第１の低温側板１１０と、第２の低温側板１３０との間に配置されたスペーサー１２５を含み得る。いくつかの実施形態では、スペーサー１２５は、熱電素子１６１、１７１それぞれを通る熱伝導の経路を介した以外の、高温側熱交換器１２０から第１の低温側板１１０または第２の低温側板１３０への熱伝導を防ぐ絶縁材料を含み得る。
【００５３】
図１Ａ〜１Ｇは、複数の熱電素子のいずれかの側部に配置された高温側熱交換器および低温側板を含む一実施形態を示すが、他の実施形態では、他の個数の高温側熱交換器、低温側板、および複数の熱電素子を含み得ることを理解されたい。ある具体例としての実施形態は、１つの高温側熱交換器、１つの低温側板、上記高温側熱交換器と上記低温側板との間に配置された複数の熱電素子、および、複数の熱電素子に圧力をかけるように配列された複数の固定具を含み得る。高温側熱交換器、低温側板、熱電素子、および固定具は、本明細書の他の箇所に記載されたのと同様に配列され得る。
【００５４】
いくつかの実施形態によれば、熱電式発電ユニット（ＴＧＵ）は拡張可能であり、かつモジュール式の電力供給装置である。いくつかの実施形態では、ＴＧＵはパッケージのスペースに合うのに適するように、および／または、上述のＵＳ仮出願番号６２／０５９，０９２（US Provisional Patent Application No.62/059,092）および、これと同日に提出された、“THERMOELECTRIC GENERATORS FOR RECOVERING WASTE HEAT FROM ENGINE EXHAUST, AND METHODS OF MAKING AND USING THE SAME”という題のＰＣＴ出願番号（ＴＢＡ）において詳述されているような熱電式発電機（ＴＥＧ）システムにおける統合性を向上させるのに適するように、異なるサイズおよび形状で構成され得る。しかしながら、本ＴＧＵは、例えば、ＴＥＧと別に構成される、ＴＥＧ以外の装置にある、またはスタンドアローンのユニットであるなど、そのようなＴＥＧから独立して使用され得るのに適していることを理解されたい。
【００５５】
いくつかの実施形態では、ＴＧＵの電力出力は、入口の温度が４５０℃〜６００℃の範囲内であり、流体の流量が２５ｇ／ｓから５０ｇ／ｓであるときに、３００Ｗを大幅に超える。必須ではないが、一例として、ＴＧＵの物理的サイズは３フィート（ｆｔ）×３フィート×０．５フィート（１０３フィート）または質量が７５ｋｇ未満である。いくつかの実施形態では、ＴＧＵの動作電圧は、６００Ｖを超え得る開放回路電圧を有して、３００Ｖを超え得る。
【００５６】
いくつかの実施形態では、ＴＧＵは低温側熱交換器（ＣＨＸ）または、高性能高温熱交換器を含み得る低温板（ここでは、低温側板と称する）を含み、上記ＣＨＸまたは低温板は、１つ以上のピンフィン、ストレートフィン、オフセットフィン、または他の熱交換の効果を高める構造物を含み得る。ＣＨＸまたは低温側板が複数のピンフィンを含むという非限定的な例において、いくつかの実施形態では、上記ピンフィンはそれぞれ直径約０．５ｍｍであり、直列の構成において互いに相対的に０．５ｍｍの隙間を空けている（ジグザグ状の構成または他の配列、または他の寸法および位置取りもまた可能である）。いくつかの実施形態において、マイクロチャンネルの熱交換器は、ＴＧＵの上記低温側部を効果的に冷却する。以降使用する「約」および「およそ」という文言は、記述した値にプラスまたはマイナス１０パーセントの幅を持たせることを意味することを意図している。
【００５７】
いくつかの実施形態では、ＣＨＸまたは低温側板は、冷却剤流路の入口と出口との両方が上記板の同じ側部上に互いに在るように設けられる。いくつかの実施形態では、この構成がＵ字型の流れを供する。例として、そのようなＵ字型の流れは、熱交換と圧力低下との両方を増加させる。冷却剤流路の入口と出口との両方が上記板の同じ側部上に互いにあるような、とある例示的な構成では、組み立ておよびメンテナンスの目的のために、冷却剤の流体穴（入口および出口）へのアクセスをより容易にすることができる。いくつかの実施形態では、冷却剤の流体穴に加え、電気的接続がまた、一つの他のＴＧＵと上記流体穴との両方が同じ側部にある。例示の通り、そのような構成は、組み立ておよびメンテナンスの目的のために、流体的および電気的な全ての接続を、ＴＧＵ（または特定の実施形態におけるＴＥＧ）と同じ側部において起こるよう促すことができる。
【００５８】
いくつかの実施形態では、ＴＧＵの誘電性の断熱板が複数の方法で供されてもよい。ある１つの非限定的な例では、誘電性の断熱板は電源カードに、または熱電（ＴＥ）素子レベルに、ＣＨＸ（低温側板）または高温側熱交換器（ＨＨＸ）、またはこれらの両方からの電気的な部品を部分的に、十分に、または完全に絶縁するセラミック基板を用いて供され得る。上述の内容に加えて、または上述の内容に代えて、いくつかの実施形態では、（例えばセラミック基板が熱の拡散の不適合に合わせて分かれて設けられているような実施形態、および／または、ＴＥ素子が密封されていないような実施形態、またはこれらの両方の実施形態では）、他の誘電性の保護材が使用され得る。例えば、ＣＨＸまたは低温側板は陽極化され、比較的薄い、電気的に絶縁された層が供され得る。上述の内容に加えて、または上述の内容に代えて、他の具体例として、電気的絶縁性を与えるために、カプトンまたはマイカの薄い層を熱インタフェース材料（ＴＩＭｓ）に加えた構成が挙げられる。図示のように、そのような薄い層は、ＴＩＭｓの高温側または低温側いずれか、または両方の側に適用され得る。上述の内容に加えて、または上述の内容に代えて、いくつかの実施形態では、ＴＥ素子間の接続部位を電気的テープまたはカプトンで部分的に、十分に、または完全に電気的に絶縁するように押さえつけることで、ＴＥ素子間の該接続部位からの電圧の漏れが抑えられ得る。上述の内容に加えて、または上述の内容に代えて、いくつかの実施形態では、ＴＥ素子間の接続部位を部分的に、十分に、または完全に電気的に絶縁するように、等角のコーティングが加えられ得る。
【００５９】
図２Ａ〜２Ｃは、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットで使用する熱電アセンブリであって、いくつかの実施形態に係る熱電アセンブリの、具体例の概観を示す図である。図２Ａ〜２Ｃに示す熱電アセンブリ１６０は、図１Ａ〜１Ｇを参照して説明した熱電アセンブリ１６０および熱電アセンブリ１７０の片方または両方に相当する。
【００６０】
図２Ａ〜２Ｃに示す熱電アセンブリ１６０は、第１の絶縁層２１０と、複数の熱電素子２２１が配置された回路基板２２０と、熱的絶縁層２３０と、第２の絶縁層２４０と、第３の絶縁層２５０と、第４の絶縁層２６０と、第５の絶縁層２７０と、第６の絶縁層２８０と、接着剤２９０とを含み得る。
【００６１】
第１の絶縁層２１０は回路基板２２０上に配置され、該回路基板２２０に配置される熱電素子２２１と実質的に平坦な低温側板（例えば、図１Ａ〜１Ｇを参照して説明した第１の低温側板１１０または第２の低温側板１３０）との間が熱的な絶縁、電気的な絶縁、または熱的および電気的な絶縁を供するように構成され得る。１つの非限定的な実施形態においては、第１の絶縁像２１０は、それぞれ約０．００１インチの厚さを有しているカプトンの１つ以上のフィルム、２つ以上のフィルム、または３つ以上のフィルム、例えば４つ以上のフィルムを含み得る。
【００６２】
回路基板２２０は、熱的絶縁層２３０に配置され、自身の上に配置された複数の熱電素子２２１を含む。熱電素子２２１は任意で、適切な個数の熱電素子２２１を含む集団にまとめられていてもよい。例えば、熱電素子２２１は、１つ、１つ以上、２つ以上、または３つ以上で、集団にまとめられていてもよい。例えば、熱電素子２２１は、４つの熱電素子でまとめられていてもよい。熱電素子２２１、または熱電素子２２１の集団は、図４Ａ〜４Ｂに示されたような方法で列状および行状に配列され得る。
【００６３】
熱的絶縁層２３０は第２の絶縁層２４０の上に配置され得る。また、熱的絶縁層２３０は、高温側から低温側への放射熱を、熱電素子２２１を介すること無く防ぐことができ、かつ、熱電素子２２１が存在しない領域における熱的短絡を防ぐことができる適切な熱的絶縁材料を含み得る。
【００６４】
第２の絶縁層２４０、第３の絶縁層２５０、第４の絶縁層２６０、第５の絶縁層２７０、および第６の絶縁層２８０は、回路基板２２０および該回路基板２２０に配置された熱電素子２２１と、高温側熱交換器（例えば、図１Ａ〜１Ｇを参照して説明した高温側熱交換器１２０）との間の適切な程度の熱的絶縁、電気的絶縁、または熱的絶縁と電気的絶縁との両方を供するように選択され得る。１つの非限定的な実施形態において、第２の絶縁層２４０は第３の絶縁層２５０の上に配置され、１つ以上のカプトンフィルム、２つ以上のカプトンフィルム、または３つ以上のカプトンフィルムを含む。例えば、１枚のカプトンフィルムは、０．００１インチの厚みを有している。いくつかの実施形態では、第３の絶縁層２５０は第４の絶縁層２６０および第５の絶縁層２７０の上に配置され、１つ以上のグラファイトシート、２つ以上のグラファイトシート、または３つ以上のグラファイトシートを含む。例えば、１枚のグラファイトシートは、０．２５インチの厚みを有している。２５１の点線は第３の絶縁層２５０、第４の絶縁層２６０、および第５の絶縁層２７０の関係性の具体例を示す。いくつかの実施形態では、第４の絶縁層２６０は、第５の絶縁層２７０と隣接して配置され、熱電素子１２１の部分集合のみの下に配置され（１つ以上の層が間に配置される）、１つ以上のグラファイトシート、２つ以上のグラファイトシート、または３つ以上のグラファイトシートを含み得る。例えば、１枚のグラファイトシートは、０．２５インチの厚みを有している。いくつかの実施形態では、第５の絶縁層２７０は第６の絶縁層２８０と隣接して配置され、第４の絶縁層２６０と隣接して配置され、熱電素子１２１の部分集合のみの下に配置され（１つ以上の層が間に配置される）、１つ以上のマイカシート、２つ以上のマイカシート、または３つ以上のマイカシートを含み得る。例えば、１０枚のマイカシートは、それぞれが０．００８インチの厚さを有している。いくつかの実施形態では、第６の絶縁層２８０は第５の絶縁層２７０と隣接して配置され、熱電素子１２１の部分集合のみの下に配置され（１つ以上の層が間に配置される）、１つ以上のマイカシート、２つ以上のマイカシート、または３つ以上のマイカシートを含み得る。例えば、７枚のマイカシートは、それぞれが０．０２０インチの厚さを有している。第５の絶縁層２７０および第６の絶縁層２８０のマイカシートは任意で、マイカおよびグラファイトの混合物を含み得る。接着剤２９０、例えばカプトンテープは、図２Ｂ〜２Ｃに示すような方法において、異なる複数の絶縁層を、互いにかつ第２の絶縁層２４０に対して接着するために使用され得る。
【００６５】
なお、図２Ａに示された実施形態において、第６の絶縁層２８０は、高温側熱交換器の１つ以上の分離導管の入口（例えば、排熱を運ぶ流体が最も熱くなり得る位置）と隣接して配置され得る。第５の絶縁層２７０は、高温側熱交換器の１つ以上の分離導管の中央（例えば、排熱を運ぶ流体が、入口に比べ冷たくなり得る位置）と隣接して配置され得る。第４の絶縁層２６０は、高温側熱交換器の１つ以上の分離導管の出口（例えば、排熱を運ぶ流体が、中央よりもさらに冷たくなり得る位置）と隣接して配置され得る。第６の絶縁層２８０は、第５の絶縁層２７０の与える熱電素子２２１と高温側熱交換器との間の熱的絶縁よりも、より大きい熱的絶縁を与え得る。第５の絶縁層２７０は、第４の絶縁層２６０の与える熱電素子２２１と高温側熱交換器との間の熱的絶縁よりも、より大きい熱的絶縁を与え得る。これにより、絶縁層２６０、２７０、および２８０の上に配置された熱電素子２２１から、該熱電素子２２１が熱によるダメージから十分に守られた状態で、適切な熱量が、絶縁層２６０、２７０、および２８０それぞれへと伝えられる。
【００６６】
なお、図２Ａ〜２Ｃにおける要素の特定の配列は、単に例示を意図しており、本発明を限定する意図はない。１つ以上の絶縁層は、熱電素子が熱によるダメージから適切に守られた状態で流体から熱電素子への熱の伝達を促すように、適宜省略または変更されてもよい。
【００６７】
非限定的な構成の１具体例において、複数のＴＥ素子は、配線量または配線の複雑さを低減するように、回路基板または印刷された配線用ハーネスにともに接続されている。そのような実施形態において、回路基板のトレースは、適切に、互いに電気的に絶縁され得る。いくつかの実施形態では、ＴＧＵは、回路基板または配線用ハーネスを通る締め付けボルトの構成を含み得る。いくつかの実施形態では、ボルトと回路基板または配線用ハーネスとの電気的連続性、電気的接触、または電気的通信を防ぐように、ボルトは電気的に絶縁され得る。例えば、カプトンテープをボルトに貼る、および／または、高温電気的絶縁コーティングを施すことにより、ボルトは電気的に絶縁され得る。
【００６８】
本明細書で供されるものとして準備される、具体例としてのＴＧＵは、Ｈｉ−Ｐｏｔテスターで２ｋＶよりも大幅に大きい電圧をかけてテストされた。具体例としてのＴＧＵはまた、メガオームメータで、完全に並行な状態で（全ての高温熱交換器がともに接続された条件で）テストされ、５０モームを超える抵抗値が計測された。
【００６９】
１つの非限定的な例示された実施形態において、ＴＧＵは、２セットのＴＥ素子または電気的にともに回路基板または配線用ハーネスに接続された電源カードに挟まれた２つのＣＨＸ、または低温側板と１セットの高温熱交換器（ＨＨＸ）の導管とを含む。例示のように、ＣＨＸ（低温側板）およびＨＨＸの流体の流れは、互いに関連する直交流構造の流路を形成し得るが、向流構造または並行流構造の流路も選択できる。ＣＨＸ（低温側板）およびＨＨＸを、それを間に挟んでいるＴＥ回路基板と変えるという他の構造も許可され、そして、いくつかの実施形態では、ＨＨＸのセットに対しもう１つのＣＨＸ（低温側板）があってもよい。
【００７０】
いくつかの実施形態では、ＨＨＸのセットは、複数の分離したＨＨＸ流路を含む。例えば、ＨＨＸのセットは、熱の拡散を防止する性能を向上させるように、互いが流体工学的に並行に接続した、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ、９つ、１０、または１０以上のＨＨＸ流路を含む。いくつかの実施形態では、そのような構造がＴＧＵにおける熱ストレスを減少させ得る。いくつかの実施形態では、高温熱交換器は具体的には−４０℃または６００℃以下、もしくはそれ以上の温度を経験し得る。いくつかの実施形態においては、高温熱交換器（ＨＨＸの導管）を互いに分離することで、高温熱交換機の長さを減少させることができ、よって絶対的な熱の拡散を減らすことができる。音波の実施形態において、熱の拡散は高温熱交換導管の間で起こり、休止しているＴＧＵと相互作用する効果を低減することができる。いくつかの実施形態において、そのような構造は一部の再現性を増加させ得るので、いくつかの実施形態においては、コスト、例えば体積を減少させ得る。いくつかの実施形態では、そのような構造はまた、組み立てられた高温熱交換器の品質を向上させ得る。例えば、フィンパック、蝋付け表面等の長さの最大値を減少させることによって、組み立てられた高温熱交換器の品質を向上させ得る。加えて、いくつかの実施形態のモジュール構造は、導管を追加すること、または導管を取り除くことによって、種々のサイズのＴＧ−Ｕｓを統合させることができる。
【００７１】
ＨＨＸ、低温側板、および熱電素子の間の十分な熱的接触を維持するように、１つ以上の固定具が、ＴＧＵにかかっている他の１つ以上の固定具と異なる力のかかり具合になるように設けられ得る。例えば、図１Ａ〜１Ｇを参照して上述した特定のＴＧＵの実施形態では、第１の複数の熱電素子１６１のうち第１の部分集合が中央に配置され、第１の複数の熱電素子１７１のうち第２の部分集合が周辺に配置される。例示のように、上記複数の固定具１１１の第１の部分集合は、第１の複数の熱電素子のうち第１の部分集合に、第１の力をかける。また、上記複数の固定具１１１の第２の部分集合は、第１の複数の熱電素子のうち第２の部分集合に、第２の力をかける。第１の力は第２の力よりも強い。１つの非限定的な実施形態において、上記第１の力は、上記第２の力の少なくとも１．５倍である。いくつかの実施形態では、任意で、第１の複数の熱電素子１６１の第３の部分集合が、第１の複数の熱電素子１６１のうち第１の部分集合と、第１の複数の熱電素子１６１の第３の部分集合との間に配置され得る。上記複数の固定具１１１の第３の部分集合は、第１の複数の熱電素子の第３の部分集合に、第３の力をかける。第３の力は第１の力よりも弱く、第２の力より強い。１つの非限定的な実施形態では、上記第１の力は、上記第３の力の約１．５倍であり、上記第１の力は、上記第２の力の約３倍である。例示すると、第１の力は約１１〜１３ｋＮ、第３の力は約７〜９ｋＮ、そして第２の力は約３〜５ｋＮであってよい。いくつかの実施形態では、そのような力の分配により、ＴＧＵに十分に均一な圧力がかけられる。例えば、十分に均一な８０ｐｓｉの圧力が、ＴＧＵにわたってかけられる。
【００７２】
例えば、いくつかの実施形態では、ＴＧＵの設計のためのボルトパターンは、ボルトのねじり具合が非同一に最適化される。いくつかの実施形態では、ＴＧＵの高温部と低温部との交差点での制御インタフェースの圧力は、ＴＧＵのパフォーマンスを向上させるために有用となり得る。いくつかの実施形態では、ボルトどうしの距離を小さくすることで、局所的に圧力を制御することができる。いくつかの実施形態では、ＴＧＵの他の部品の剛性効果を勘定するように、または差し引きするように、ボルト荷重は選択される。例えば、上述のように、固定具１１１はボルトまたはネジを含み得る。そして、固定具１１１はまた、ボルトまたはネジに沿って配置されたバネ、ベルビル座金、またはバネ座金を含み得る。例示のような、バネ、ベルビル座金、またはバネ座金は、制御温度を、例えば第１の低温側板１１０と第２の低温側板１２０との間の圧力を維持している間は熱拡散に起因する熱電式発電ユニット１００のダメージの見込みを減らすような温度に変えることで、熱電式発電ユニット１００の部品に熱を拡散させる。上述の部分集合を再び参照すると、上記複数の固定具の第１の部分集合は、任意で、その部分集合のボルトまたはネジに沿って配置されたバネ、ベルビル座金、またはバネ座金を、上記複数の固定具の上記第２の部分集合よりも多い個数含み得る。
【００７３】
例えば、図３Ａ〜３Ｃは、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットで使用する固定具の、具体的な配列の例を示す図である。いくつかの実施形態によると、図３Ａは、図１Ａ〜１Ｇを参照して上述したものと類似の、第１の低温側板１１０の上面図を示しており、具体例としての固定具であって、第１の低温側板１１０を通る異なる位置での固定具の構造に注釈をつけて示している。さらに具体的には、図３Ａでは、“Ａ”という注釈は図３Ｂで使用されている固定具の構造を示し、“Ｂ”という注釈は、図３Ｃで使用されている固定具の構造を示したものである。注釈１〜３０は、固定具それぞれの番号を明示している。以下の表１は、図３Ａに示した種々の固定具（例えばボルト）に適用され得るねじり力（ボルトトルク）のセットの１具体例を、図３Ａとは異なる方法で総括したものである。
【００７４】
【表１】
2017539074.tif 000003
【００７５】
図４Ａは、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットで使用する固定具の配列の、非限定的な一例を示す図である。いくつかの実施形態によれば、例えば図４Ａは、ＴＧＵの全てのＴＥ素子またはいくつかのＴＥ素子の上に、または該ＴＥ素子を横切ってかけられる圧力を部分的に、十分に、または完全に均一にするために、固定具（ボルト）のねじり力の値を非同一にした場合の、１つの具体的な実施形態の概要を示している。図４Ａでは、中央に配置された第１の部分集合の熱電素子に、約１２ｋＮの力がかけられており、周辺に配置された第２の部分集合の熱電素子に、約４ｋＮの力がかけられており、第１の部分集合と第２の部分集合との間に配置された第３の部分集合の熱電素子に、約８ｋＮの力がかけられている。図４Ｂは、図４Ａに示された固定具の配列を使用して得られ得る圧力分布の、非限定的な一例を示す図である。例えば、図４Ｂは、図４Ａで示したボルトのねじり力の値の非限定的な例に基づいたＴＧＵの回路基板における、各ＴＥ素子にかかる圧力の十分な均一性を示す結果の、シミュレーションの例を示している。図４Ｂにおいて、各アセンブリ４６１は、４つのＴＥ素子４６２を含み得る。加えて、図４Ａおよび図４Ｂでは、上記アセンブリは行４０１〜４０５および列４１１〜４１４に配列され、固定具は上記行および列の間に配置される。
【００７６】
上述の内容に加えて、または上述の内容に代えて、いくつかの実施形態では、流れの方向におけるＨＨＸの長さに沿った熱インタフェースは、変更され得る。そのような構成により、最も高温な位置でのＴＥの交差点の温度の下限値を減少させることによって高温の排気を応用するにあたってのＴＧＵの使用が促進される。そのような構成はまた、ＴＥ素子の高温な交差点の温度を向上させ得る。例えば、ＴＥ素子が該素子に合った負荷で、例示のように最適な負荷で制御し得るような、部分的な、十分な、または完全な、ＴＥ素子の高温な交差点の温度の均一化がなされ得る。
【００７７】
上述の内容に加えて、または上述の内容に代えて、いくつかの実施形態では、小型の熱拡散管理（compact thermal expansion management）が利用される。例えば、いくつかの実施形態では、ＴＧＵは制御下で熱拡散（その拡散は定期的または周期的に、または定期的および周期的であり得る）を実行する。いくつかの実施形態では、ベルビル座金の結合は、ＴＧＵの制御範囲を一部にわたってまたは全体にわたって相対的に安定なままにするため、ボルト（固定具）の負荷−そして、それによるＴＥ素子の圧力−を増やす。いくつかの実施形態では、ＣＨＸと、温度インタフェース材料の低温の交差点との間のインタフェースとしてギャップパッド（gap pad）が使用され得る。そのようなギャップパッドは、部分的に、十分に、または完全に、そのような熱拡散を吸収するのに熱力学的に必要な厚みで作られ得る。
【００７８】
上述の内容に加えて、または上述の内容に代えて、いくつかの実施形態では、熱交換の集中性を向上させ、かつ熱交換圧力低下を減少させるように、ＨＨＸおよび／またはＣＨＸにおいて、熱交換に有利なフィンの位置が利用され得る。例えば、ＴＥ素子は、ＨＨＣおよび／またはＣＨＸ全体にわたって設置される必要性はない。いくつかの実施形態では、複数のフィンは必要とされる位置に設置され、必要とされない位置には設置される必要はない。加えて、いくつかの実施形態では、熱インピーダンスのＴＧＵのエリアの違いとの合致度を向上させるために、フィンの密集度はＴＧＵの領域が異なると変更され得る。
【００７９】
上述の内容に加えて、または上述の内容に代えて、いくつかの実施形態では、ＴＧＵ内の気体の漏れを防ぐために、屈曲パスシーリング（tortuous path sealing）を利用することができる。１つの非限定的な実施形態では、排気ガスの漏れを防ぐため、扇形および三角片の特徴的な形をしたシーリングが利用され得る。
【００８０】
図５は、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットの排気流量に応じた出力電力であって、いくつかの実施形態に係る出力電力の具体例を、グラフで示した図である。図５において、本実施形態に係る熱電式発電ユニット（“電源モジュール”）の高温側熱交換器を通る排気流量の増加に応じて、熱電式発電ユニットにより供給される総電力量が増加していることを理解されたい。加えて、図５において、本実施形態に係る熱電式発電ユニット（“電源モジュール”）の高温側熱交換器を通る排気流の入口の温度の増加に応じて、熱電式発電ユニットにより供給される総電力量が増加していることを理解されたい。
【００８１】
図６は、図１Ａ〜１Ｇに示された熱電式発電ユニットの排気流量に応じた電源モジュールの圧力低下であって、いくつかの実施形態に係る圧力低下の具体例を、グラフで示した図である。図６において、本実施形態に係る熱電式発電ユニット（“電源モジュール”）の高温側熱交換器を通る排気流量の増加に応じて、熱電式発電ユニット内での圧力低下が増えていることを理解されたい。
【００８２】
図７は、いくつかの実施形態に従って熱電式発電ユニットを準備する具体的な方法のステップを示した図である。方法７００は、第１の側部、第２の側部、および１つ以上の分離した導管を含む、高温側熱交換器を準備することを含む（７０１）。具体例としての高温側熱交換器の実施形態は、本明細書のいずれかの箇所、例えば図１Ａ〜１Ｇを参照して供される。
【００８３】
図７の方法７００はまた、実質的に平坦な第１の低温側板を準備することと（７０２）、実質的に平坦な第２の低温側板を準備することと（７０３）、を含む。具体例としての低温側板の実施形態は、本明細書のいずれかの箇所、例えば図１Ａ〜１Ｇを参照して供される。
【００８４】
図７の方法７００はまた、第１の複数の熱電素子を第１の低温側板と高温側熱交換器の第１の側部との間に配列することと（７０４）、第２の複数の熱電素子を、第２の低温側板と高温側熱交換器の第２の側部との間に配列することと（７０５）、を含む。低温側板と熱交換器との間の熱電素子の配列についての具体例は、本明細書のいずれかの箇所、例えば図１Ａ〜１Ｇ、２Ａ〜２Ｃ、３Ａ、および４Ａ〜４Ｂを参照して供される。
【００８５】
図７の方法７００はまた、第１の低温側板と第２の低温側板との間に伸びる複数の固定具を、高温側熱交換器の１つ以上の分離した導管の外側にあり、第１の複数のうち複数の熱電素子の間にある複数の間隙の範囲内にあり、かつ第２の複数のうち複数の熱電素子の間にある複数の間隙の範囲内にある複数の位置のそれぞれに、配置することを含む（７０６）。固定具の配列および構成についての具体例は、本明細書のいずれかの箇所、例えば図１Ａ〜１Ｇ、３Ａ〜３Ｃ、および４Ａ〜４Ｂを参照して供される。
【００８６】
図７の方法７００はさらに、第１の低温側熱交換器と高温側熱交換器の第１の側部との間にある第１の複数の熱電素子、および第２の低温側熱交換器と高温側熱交換器の第２の側部との間にある第２の複数の熱電素子を、上記固定具によって押えつけることを含む（７０７）。固定具を閉めることで生まれるねじり力の具体例は、本明細書のいずれかの箇所、例えば図１Ａ〜１Ｇ、３Ａ〜３Ｃ、および４Ａ〜４Ｂを参照して供される。
【００８７】
任意であるが、例えば図３Ａ〜３Ｃおよび４Ａ〜４Ｂを参照して説明したように、方法７００は中央に配置された、第１の複数の熱電素子のうち第１の部分集合を配置することと、周辺部に配置された、第１の複数の熱電素子のうち第２の部分集合を配置することと、第１の部分集合の固定具で、第１の複数の熱電素子のうち第１の部分集合に第１の力をかけること、第２の部分集合の固定具で、第１の複数の熱電素子のうち第２の部分集合に第２の力をかけること、上記第１の力は上記第２の力より強いこと、を含み得る。非限定的な一例では、上記第１の力は、上記第２の力の少なくとも１．５倍である。図７に示された方法７００のいくつかの実施形態では、それぞれの固定具はボルトまたはネジ釘；および上記ボルトまたはネジ釘に沿って配置されている、バネ、ベルビル座金またはバネ座金を含み得る。任意で、上記固定具の第１集合は、該部分集合のボルトまたはネジに沿って配置されたバネ、ベルビル座金、またはバネ座金を、上記複数の固定具の上記第２の部分集合よりも多い個数含み得る。
【００８８】
任意であるが、例えば図３Ａ〜３Ｃおよび４Ａ〜４Ｂを参照して説明したように、方法７００は、上記第１の複数の熱電素子の第３の部分集合を、上記第１の複数の熱電素子の上記第１の部分集合と、上記第１の複数の熱電素子の上記第３の部分集合との間に配置すること、複数の上記固体具の第３の部分集合が、上記第１の複数の熱電素子の上記第３の部分集合に第３の力を加えること、上記第３の力は、上記第１の力より弱く、上記第２の力より強いこと、をまた、含み得る。非限定的な一例では、上記第１の力は、上記第３の力の約１．５倍であり、上記第１の力は、上記第２の力の約３倍であってもよい。例えば、第１の力は約１１〜１３ｋＮ、第３の力は約７〜９ｋＮ、そして第２の力は約３〜５ｋＮであってよい。いくつかの実施形態では、そのような力の分配により、ＴＧＵに十分に均一な圧力がかけられる。例えば、十分に均一な８０ｐｓｉの圧力が、ＴＧＵにわたってかけられる。
【００８９】
方法７００のいくつかの実施形態は、上記第１の複数の熱電素子を、第１の低温側板と上記高温側交換器の上記第１の側部との間において、複数の行および列に配列すること、および、上記固定具をそれぞれ、上記複数の行および列の間にある間隙に配置することを含む。非限定的な一例では、方法７００は、上記第１の複数の熱電素子のうち４つの熱電素子ごと、および上記第２の複数の熱電素子のうち４つの熱電素子ごとに、４つの固定具を配置することを含み得る。しかしながら、他の個数の固定具が使用に合った個数で使用され得ることを理解されたい。
【００９０】
方法７００のいくつかの実施形態では、上記高温側熱交換器は、１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内に配置されている複数のフィンをさらに配置することを含む。任意で、上記複数のフィンはステンレス鋼、ニッケルメッキを施した銅、またはステンレス鋼によって被覆した銅を含み得る。任意であるが、１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内における上記複数のフィンの密集度は、１インチにつき少なくとも１２のフィンである。
【００９１】
方法７００のいくつかの実施形態では、上記高温側熱交換器は、当該高温側熱交換器をパイプフランジに密閉して連結するために構成されている、少なくとも１つのネジ棒を含んでいる。
【００９２】
方法７００のいくつかの実施形態では、上記第１の低温側板は、複数のピンフィン、複数の直線状のフィンまたはオフセットフィンをさらに備えている。任意で、上記複数のピンフィンは、列形配列もしくはねじれ形配列に配列される、または、真鍮メッキされた複数のオフセットピンフィンを含む。
【００９３】
方法７００のいくつかの実施形態は、上記複数の熱電素子が回路基板上に配置されることを含む。
【００９４】
方法７００のいくつかの実施形態では、上記第１の複数の熱電素子が熱電材料を含んでおり、当該熱電材料が、四面銅鉱、マグネシウムケイ化物、マグネシウムケイ化スズ化物、シリコン、シリコンナノワイヤ、ビスマステルル化物、スクッテルド鉱、鉛テルル化物、ＴＡＧＳ（tellurium-antimony-germanium-silver）、亜鉛アンチモン化物、シリコンゲルマニウム、および半ホイスラー化合物からなる群から選択される。
【００９５】
方法７００のいくつかの実施形態では、上記第１の低温側板および上記第２の低温側板のうち少なくとも１つが、高効率な低温側熱交換器を備えており；上記高温側熱交換器が、高効率な高温側熱交換器を備えている。
【００９６】
方法７００のいくつかの実施形態では、上記第１の低温側板が、冷却剤流入用の入口および冷却剤流出用の出口を備えており、当該入口および出口が、上記第１の低温側板の同じ側部上に互いにある。
【００９７】
方法７００のいくつかの実施形態はさらに、上記高温側熱交換器の上記第１の側部および上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子の間にカプトンフィルムを配置すること；上記第１の低温側板および上記第１の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子の間にカプトンフィルムを配置すること；上記高温側熱交換器の上記第１の側部および上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子の間にマイカシートを配置すること；上記高温側熱交換器の上記第１の側部および上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子の間に、グラファイトシートを配置すること；上記第１の低温側板および上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子の間にギャップパッドを配置すること；ならびに、上記第１の低温側板および上記第１の複数の熱電素子の少なくとも１つの間に陽極化層を配置すること、のうち少なくとも１つを含む。
以下は、本ＴＧＵの、例示的かつ非限定的な１つの実施形態の説明を示している。
・Alphabet Energyは、排熱を集め、当該排熱を電力の新たな供給源に変化させる、今日において世界最大の熱電式発電機を導入した。
・同社の第１製品（Ｅ１と呼ばれる）は、排気筒をともなっており、廃熱を集め、かつAlphabetが特許件を得た熱電材料を使用して、廃熱を電力に変換する。熱電素子は、電力の生成に熱の差をを利用する；一方の側が高温であり、他方の側が低温であり、。
２つの間における温度差が、電子に電流を生成させる。
・Lawrence Berkeley Laboratoryにおいて２００９年に基礎を築かれた上記製品の導入は、中間段階の立ち上げ事業にとっての最初である。
・NASAが、１９５０年代以来、熱電素子を利用しているが、材料費が、それらを高額にした。しかし、シリコンおよび四面銅鉱における新たな進歩が、豊富な資源を用いて高効率な熱電材料を生成することに、Alphabetを導いた。熱電素子は、それらが固体状態である：Ｅ１が移動する部分、作用流体を有しておらず、維持管理を要しないことを意味するため、独特である。
・「Ｅ１を用いれば、排熱は直ちに有用である」と、Alphabet EnergyのＣＥＯであり、創立者であるMatthew L. Scullinは言った。「燃料を節約することは、会社が小さい運営費になる最大のてこの１つである可能性を有している。Ｅ１を用いれば、その可能性が、単純、強力かつ確実な解決のための採掘油＆採掘ガスの産業基準に適合する、世界初の廃熱再生製品によって最終的に実現される。」
・Ｅ１は、１０００ｋＷｅのディーゼル発電機につき２５ｋＷ（１％のエネルギー効率を意味する）まで発電する。Ｅ１の作り出す電力は、さらなる電気設備に動力を供給し得、既存のシステムへの電力を増大させ得、電力負荷を低下させ、言い換えると燃料消費および運転費を低下させる。
・直ちに使える状態のこれらのシステムは、標準的な単一の輸送用コンテナにおいて出荷され、１０００ｋＷのディーゼルエンジンによって運転するとき、年に６００００リットルを超えるディーゼル油を節約する。
・Ｅ１は、エンジンの改装を必要としないし、排気連結装置および電気連結部に関連する単純なプロセスの間に組み込まれる。標準的な接続は２時間に満たずに完了する。ホストエンジン（すなわちタービン）の排気システムに対するすべての更新は、標準的なエンジンの維持管理点検の間に実施され、Ｅ１は、すべての主要なエンジン製造者の背圧制限および保証仕様と適合する。
・燃料経済を向上させること、および良質の電力を生成することに加えて、Ｅ１は、
２３ｄＢＡまでエンジン排気騒音を弱め、
３０％までエンジンの排熱特性を低下させ、
ディーゼル放出物を減少させる（Ｃ０２−１９８０００ｌｂｓ／ｙｒ；ＮＯｘ−３３０６ｌｂｓ／ｙｒ；ＣＯ−３４３ｂｌｓ／ｙｒ；ＨＣ−１０３ｌｂｓ／ｙｒ；ＰＭ−５２ｌｂｓ／ｙｒ）。
・Alphabet Energyの熱電材料は、多様な潜在的な用途（発電の関わる遠隔センサ、監視、遠隔測定、自動車、機関車、採掘設備、船舶、ジェットエンジン、および工場排気流など）を有している基盤技術である。
・ＵＳのLawrence Berkeley National Laboratoryにおける材料科学Ｒ＆Ｄの開拓に基づいて、Alphabet Energyは、登録されているか、または係属中である５０を超える特許を保有している。最高の能力のチームは、熱電素子および材料科学における多くの最高の頭脳、ならびに油＆ガス、自動車および発電産業に基づく豊かな経験を備えている。Alphabet Energyは、上位の投資家（ＴＰＧおよびEncanaを含んでいる）からの資金拠出において、３００万＄を超えて調達している。
以下は、本ＴＧＵの、例示的かつ非限定的な１つの実施形態の説明を示している。
・燃料を節約することは、会社が小さい運営費になる最大のてこの１つである可能性を有している。Ｅ１を用いれば、その可能性が、単純、強力かつ確実な解決のための採掘油＆採掘ガスの産業基準に適合する、世界初の廃熱再生製品によって最終的に実現される。
・世界初の工業規模の熱電式発電機に着手したとき、複雑な電力プラントではなく、単純な産業設備の一部として動作せねばならないことをを知った。油＆ガス、鉱業、エンジン、および燃焼器の産業における数十年の経験を、固体状態の発電における最も聡明な知能と組み合わせたチームを作った。
・業務における運営効率および収益性を向上させる方法の探索に時間を費やした、この分野における設備に、最も需要のある技術的な要求を有している数百の取引先と話した。
・たどり着いたのはＥ１であった。Ｅ１は、排気から排熱を取り、排熱を電力に簡単に変える。その結果は、同じ電力を供給するためにより少ない燃料を必要とするエンジンである。
・Ｅ１の利益：燃料の数％の節約および直接的な少額の資本に対する非常に短い回収は、直ちに実現される。Ｅ１は、ディーゼルガスまたは天然ガスによって運転される、８００〜１４００ｋＷの大きさの連続運転エンジンに最適化されているが、任意のエンジンまたは排気供給源によって動作する。
・Ｅ１を際立たせているのは、その強度、信頼性および単純さだけでなく、維持管理および操作を実質的に必要としないことである。
・設置は、ほとんど目立った広がりなしのたった２時間において可能である。必要なすべての部品は、Ｅ１の、単純かつ容易に運搬可能な１６または２０フィートの運搬コンテナの内部にある。２点の接続のみがある：Ｅ１は、排気管に対して直接につば付けし、それからＥ１から現場のメインブレーカーに配線される。
・Ｅ１の操作は、単純であり、確実である。エンジンからの排気が、Alphabet独自のPowerBlocks熱電素子技術を用いた、移動する部分なしの固体状態における発電する３２のモジュールを通って導かれる。
・ＤＣ電力は、エンジンが供給する同じ位相および電圧において電力をＡＣに変換する、あらかじめパッケージされている電子機器に供給される。冷却された排気は、それから、約２００℃においてコンテナに流れ込み、流れ出す。その間に常に、あらかじめパッケージされたＥ１のラジエータはモジュールを低温に維持する。
・これまでに作製された、最良の効率的な低コストの熱電素子を含んでいるため、Ｅ１の内部にあるモジュールは、画期的である。Ｅ１におけるすべてのものと同様に、それらは、少なくとも１０年の寿命を保証するために、当該分野におけて厳密に試験されている。それらは完全に改良可能であり、Ｅ１を改良可能な既存の唯一の発電機にしている。Alphabetは、熱電材料における進歩を継続させているので、新たなモジュールは、これまで以上の燃料節約をもたらすために、同じシステムにおいて、古いモジュールと交換される。
・Ｅ１によれば、排熱は、直ちに有用である。世界中で最も賢明な前進的な考えの企業のいくつかは、Alphabetの熱電式発電機を用いている。われわれは、様々な産業が燃料費を削減することを援助でき、より効率的な収益の高い業務を築くための営業利益を促進できることに刺激されている。
（代替的な他の実施形態）
他の例において、熱電式発電ユニットは、第１の側部、第２の側部および１つ以上の分離した導管を含んでいる高温側熱交換器；第１の低温側板；ならびに第２の低温側板を含んでいる。上記熱電式発電ユニットは、上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器との間に配列されている第１の複数の熱電素子；および上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器の上記第１の側部との間に配列されている第２の複数の熱電素子をさらに含み得る。上記熱電式発電ユニットは、上記第１の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある複数の間隙の範囲内にある複巣の固定具をさらに含み得、複数の当該固定具は、上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器の上記第１の側部との間において上記第１の複数のうち複数の上記熱電素子を押えつけている。上記複数の固定具は、上記第２の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある間隙にさらに配置され得、複数の当該固定具は、上記第２の低温側板と上記高温側熱交換器の第２の側部との間において上記第２の複数の熱電素子を押えつけている。
他の例において、熱電式発電ユニットを組み立てる方法は、第１の側部、第２の側部および１つ以上の分離した導管を含んでいる高温側熱交換器を準備することを含んでいる。上記方法はまた、実質的に平坦な第１の低温側板を準備すること；および実質的に平坦な低温側板を準備することを含み得る。上記方法はまた、上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器との間に第１の複数の熱電素子を配列すること；および上記第２の低温側板と上記高温側交換機の上記第２の側部との間に第２の複数の熱電素子を配列することを含み得る。上記方法はまた、上記高温側熱交換器の上記１つ以上の分離した導管の外側にあり、かつ上記第１の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある間隙の範囲内にあり、かつ上記第２の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある間隙の範囲内にある位置のそれぞれに、上記第１の低温側板と上記第２の低温側板との間に伸びている複数の固定具を配置することを含み得る。上記方法はまた、上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器の上記第１の側部との間において上記第１の複数の熱電素子、および上記第２の低温側板と上記高温側熱交換器の上記第２の側部の間において上記第２の複数の熱電素子を、複数の上記固定具によって押さえつけることを含み得る。そのような実施形態の非限定的な例は、例えば図１Ａ〜１Ｇ、３Ａ〜３Ｃ、４Ａ、４Ｂおよび７を参照して、明細書に示されている。
本発明の特定の実施形態が説明されているが、説明されている実施形態と等価な他の実施形態があることは、当業者によって理解される。例えば、本発明の種々の実施形態および／または例は、組み合わせられ得る。したがって、本発明が、特に例示されている実施形態によって限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることは、理解される。
【図１Ａ】
2017539074.tif 000004
【図１Ｂ】
2017539074.tif 000005
【図１Ｃ】
2017539074.tif 000006
【図１Ｄ】
2017539074.tif 000007
【図１Ｅ】
2017539074.tif 000008
【図１Ｆ】
2017539074.tif 000009
【図１Ｇ】
2017539074.tif 000010
【図２Ａ】
2017539074.tif 000011
【図２Ｂ】
2017539074.tif 000012
【図２Ｃ】
2017539074.tif 000013
【図３Ａ】
2017539074.tif 000014
【図３Ｂ】
2017539074.tif 000015
【図３Ｃ】
2017539074.tif 000016
【図４Ａ】
2017539074.tif 000017
【図４Ｂ】
2017539074.tif 000018
【図５】
2017539074.tif 000019
【図６】
2017539074.tif 000020
【図７】
2017539074.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成29年5月31日(2017.5.31)
【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】
第１の側部、第２の側部および１つ以上の分離した導管を含んでいる、高温側熱交換器；
実質的に平坦な第１の低温側板；
実質的に平坦な第２の低温側板；
上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の低温側板との間に配列されている、第１の複数の熱電素子；
上記高温側熱交換器の上記第２の側部と上記第２の低温側板との間に配列されている、第２の複数の熱電素子；ならびに
上記高温側熱交換器の上記１つ以上の分離した導管の外側にある位置のそれぞれにおいて、上記第１の低温側板と上記第２の低温側板との間に伸びている、複数の固定具を含んでおり、
複数の上記固定具が、上記第１の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある複数の間隙の範囲内および上記第２の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある複数の間隙の範囲内に配置されており、
複数の上記固定具が、上記高温熱交換器の上記第１の側部と上記第１の低温側板との間に、上記第１の複数の熱電素子を押えつけており、上記高温側熱交換器の上記第２の側部と上記第２の低温側板との間に、上記第２の複数の熱電素子を押えつけている、
熱電式発電ユニット。
【請求項２】
上記第１の複数の熱電素子のうち第１の部分集合が、中心に配置されており、上記第１の複数の熱電素子のうち第２の部分集合が、周辺に配置されており；
複数の上記固定具のうち第１の部分集合が、上記複数の第１の熱電素子のうち上記第１の部分集合に第１の力を加えており；
複数の上記固定具のうち第２の部分集合が、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第２の部分集合に第２の力を加えており；
上記第１の力が上記第２の力より大きい、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項３】
上記第１の複数の熱電素子のうち第３の部分集合が、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第１の部分集合と上記第１の複数の熱電素子のうち上記第３の部分集合との間に配置されており、
複数の上記固定具のうち第３の部分集合が、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第３の部分集合に第３の力を加えている、請求項２に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項４】
上記第１の力が上記第３の力の約１．５倍であり、上記第１の力が上記第２の力の約３倍である、請求項３に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項５】
上記第１の力が約１１〜１３ｋＮであり、上記第３の力が約７〜９ｋＮであり、上記第２の力が約３〜５ｋＮである、請求項３に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項６】
上記第１の力が上記第２の力の少なくとも約１．５倍である、請求項２に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項７】
固定具のそれぞれが、
ボルトまたはネジ釘；および
上記ボルトまたはネジ釘に沿って配置されている、バネ、ベルビル座金またはバネ座金
を含んでいる、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項８】
複数の上記固定具のうち第１の部分集合が、複数の上記固定具のうち第２の部分集合より多くの、上記ボルトまたはネジ釘に沿って配置されているバネ、ベルビル座金またはバネ座金を含んでいる、請求項７に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項９】
上記第１の複数の熱電素子が、上記第１の低温側板と上記第１の上記高温側交換器との間において、複数の列および行に配列されており、上記固定具がそれぞれ、上記複数の列および行の間にある間隙に配置されている、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１０】
上記第１の複数の熱電素子のうち４つの熱電素子ごと、および上記第２の複数の熱電素子のうち４つの熱電素子ごとに、４つの固定具を含んでいる、請求項９に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１１】
上記高温側熱交換器が、上記１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内に配置されている複数のフィンをさらに含んでいる、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１２】
上記複数のフィンが、ステンレス鋼、ニッケルメッキを施した銅、またはステンレス鋼によって被覆した銅を含んでいる、請求項１１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１３】
上記１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内における上記複数のフィンの密集度が、１インチにつき少なくとも１２のフィンである、請求項１１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１４】
上記高温側熱交換器が、当該高温側熱交換器をパイプフランジに密閉して連結するために構成されている、少なくとも１つのネジ棒を含んでいる、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１５】
上記第１の低温側板が、複数のピンフィン、複数の直線状のフィンまたはオフセットフィンをさらに含んでいる、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１６】
上記複数のピンフィンが、列形配列またはねじれ形配列に配列されている、請求項１５に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１７】
上記複数の熱電素子が回路基板上に配置されている、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１８】
上記第１の複数の熱電素子が熱電材料を含んでおり、当該熱電材料が、四面銅鉱、マグネシウムケイ化物、マグネシウムケイ化スズ化物、シリコン、シリコンナノワイヤ、ビスマステルル化物、スクッテルド鉱、鉛テルル化物、ＴＡＧＳ（tellurium-antimony-germanium-silver）、亜鉛アンチモン化物、シリコンゲルマニウム、および半ホイスラー化合物からなる群から選択される、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項１９】
上記第１の低温側板および上記第２の低温側板のうち少なくとも１つが、高効率な低温側熱交換器を含んでおり；
上記高温側熱交換器が、高効率な高温側熱交換器を含んでいる、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項２０】
上記第１の低温側板が、冷却剤流入用の入口および冷却剤流出用の出口を含んでおり、当該入口および出口が、互いに上記第１の低温側板の同じ側部上にある、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項２１】
上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、カプトンフィルム；
上記第１の低温側板と上記第１の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、カプトンフィルム；
上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、マイカシート；
上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、グラファイトシート；
上記第１の低温側板と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に配置されている、ギャップパッド；および
上記第１の低温側板と上記第１の複数の熱電素子の少なくとも１つとの間に配置されている、陽極化層
のうち少なくとも１つをさらに含んでいる、請求項１に記載の熱電式発電ユニット。
【請求項２２】
第１の側部、第２の側部および１つ以上の分離した導管を含んでいる高温側熱交換器を準備すること；
実質的に平坦な第１の低温側板を準備すること；
実質的に平坦な第２の低温側板を準備すること；
上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器の上記第１の側部との間に、第１の複数の熱電素子を配列すること；
上記第２の低温側板と上記高温側熱交換器の上記上記第２の側部との間に、第２の複数の熱電素子を配列すること；
上記高温側熱交換器の上記１つ以上の分離した導管の外側にあり、上記第１の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある間隙の範囲内にあり、かつ上記第２の複数のうち複数の上記熱電素子の間にある間隙の範囲内にある複数の位置のそれぞれに、上記第１の低温側板と上記第２の低温側板との間に伸びている複数の固定具を配置すること；
上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器の上記第１の側部との間に上記第１の複数の熱電素子、および上記第２の低温側板と上記熱交換器の上記第２の側部との間に上記第２の複数の熱電素子を、複数の上記固定具によって押えつけること
を含んでいる、熱電式発電ユニットを組み立てる、方法。
【請求項２３】
上記第１の複数の熱電素子のうち第１の部分集合を中央に配置すること；
上記第１の複数の熱電素子のうち第２の部分集合を周辺に配置すること；
複数の上記固定具のうち第１の部分集合を用いて、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第１の部分集合に、第１の力を加えること；および
複数の上記固定具のうち第２の部分集合を用いて、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第２の部分集合に、第２の力を加えることをさらに含んでおり、
上記第１の力が上記第２の力より大きい、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
上記第１の複数の熱電素子のうち上記第１の部分集合と上記第１の複数の熱電素子のうち当該第３の部分集合との間にある、上記第１の複数の熱電素子のうち第３の部分集合を配置すること；および
複数の上記固定具のうち第３の部分集合を用いて、上記第１の複数の熱電素子のうち上記第３の部分集合に、第３の力を加えることをさらに含んでおり、
上記第３の力が、上記第１の力より大きく、上記第２の力より小さい、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
上記第１の力が上記第３の力の約１．５倍であり、上記第１の力が上記第２の力の約３倍である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
上記第１の力が約１１〜１３ｋＮであり、上記第３の力が約７〜９ｋＮであり、上記第２の力が約３〜５ｋＮである、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
上記第１の力が上記第２の力のすくなくとも１．５倍である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
それぞれの固定具が、
ボルトまたはネジ釘；および
上記ボルトまたはネジ釘に沿って配置されている、バネ、ベルビル座金またはバネ座金
を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
複数の上記固定具のうち第１の部分集合が、複数の上記固定具のうち第２の部分集合より多くの、上記ボルトまたはネジ釘に沿って配置されているバネ、ベルビル座金またはバネ座金を含んでいる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
上記第１の複数の熱電素子を、上記第１の低温側板と上記高温側熱交換器の上記第１の側部との間において、複数の列および行に配列すること；ならびに
複数の上記列および行の間にある複数の間隙の範囲内に、複数の上記固定具をそれぞれ配置することをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項３１】
４つの熱電素子ごとに４つの固定具を配置することを含んでいる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
上記高温側熱交換器が、上記１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内に配置されている複数のフィンをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項３３】
上記フィンが、ステンレス鋼、ニッケルメッキを施した銅、またはステンレス鋼によって被覆した銅を含んでいる、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
上記１つ以上の分離した導管のそれぞれの範囲内における上記複数のフィンの密集度が、１インチにつき少なくとも１２のフィンである、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
上記高温側熱交換器が、少なくとも１つのネジ棒を含んでおり、上記方法が、当該少なくとも１つのネジ棒を介して、パイプフランジに当該高温側熱交換器を密閉して連結することをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項３６】
上記第１の低温側板が、複数のピンフィン、複数の直線状のフィンまたはオフセットフィンをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項３７】
複数の上記ピンフィンが、列形配列またはねじれ形配列に配列されている、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
上記第１の複数の熱電素子を回路基板上に配置することをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項３９】
上記第１の複数の熱電素子が、熱電材料を含んでおり、当該熱電材料が、四面銅鉱、マグネシウムケイ化物、マグネシウムケイ化スズ化物、シリコン、シリコンナノワイヤ、ビスマステルル化物、スクッテルド鉱、鉛テルル化物、ＴＡＧＳ（tellurium-antimony-germanium-silver）、亜鉛アンチモン化物、シリコンゲルマニウム、および半ホイスラー化合物からなる群から選択される、請求項２２に記載の方法。
【請求項４０】
上記第１の低温側板および第２の低温側板のうち少なくとも１つが、高効率な低温側熱交換器を含んでおり；
上記高温側熱交換器が、高効率な高温側熱交換器を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項４１】
上記第１の低温側板が、冷却剤流入用の入口および冷却剤流出用の出口を含んでおり、当該入口および出口が、互いに上記第１の低温側板の同じ側部上にある、請求項２２に記載の方法。
【請求項４２】
上記第１の低温側板および上記第１の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子の間に、カプトンフィルムを配置すること；
上記第１の低温側板と上記第１の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に、カプトンフィルムを配置すること；
上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に、マイカシートを配置すること；
上記高温側熱交換器の上記第１の側部と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に、グラファイトシートを配置すること；
上記第１の低温側板と上記第１の複数の熱電素子のうち少なくとも１つの熱電素子との間に、ギャップパッドを配置すること；および
上記第１の低温側板と上記第１の複数の熱電素子の少なくとも１つとの間に、陽極化層を配置すること
のうち少なくとも１つをさらに含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【国際調査報告】
2017539074.tif 000022