(57)【要約】  エネルギー変換装置は、高温流体を受け取るように構成された少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)、冷却液を受け取るように構成された少なくとも１つの冷源チャンバ(２７５，３７５)及び、少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)及び少なくとも１つの冷源チャンバ(２７５，３７５)と熱が流通する、複数の熱電素子(２７２，２７３，７７３)を備えることができ、熱電素子は温度勾配にさらされたときに電圧を発生するように構成されている。少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)はその中に受け取られる高温流体の触媒変換を行うように構成することができる。少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)及び少なくとも１つの冷源チャンバ(２７５，３７５)は熱膨張係数が比較的低い材料で形成することができる。
2012508342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー変換装置において、
高温流体を受け取るように構成された少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)、
冷却液を受け取るように構成された少なくとも１つの冷源チャンバ(２７５，３７５)、及び
前記少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)及び前記少なくとも１つの冷源チャンバ(２７５，３７５)と熱が流通する複数の熱電素子(２７２，２７３，７７３)、
を備え、
前記少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)はその中に受け取った前記高温流体の触媒変換を実施するように構成され、
前記熱電素子(２７２，２７３，７７３)は温度勾配にさらされると電圧を発生するように構成され、
前記少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)及び前記少なくとも１つの冷源チャンバ(２７５，３７５)が、熱膨張係数が比較的低い材料で形成されることを特徴とするエネルギー変換装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)及び前記少なくとも１つの冷源チャンバ(２７５，３７５)が、約２０℃〜約１０００℃の温度範囲において熱膨張係数が約３０×１０-７℃-１より低い材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)及び前記少なくとも１つの冷源チャンバ(２７５，３７５)がガラス-セラミック材料で形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギー変換装置。
【請求項４】
熱膨張係数が比較的低い前記材料が、コージェライトセラミック、コージェライトガラス-セラミック、リチウムアルミノケイ酸ガラス-セラミック及びシリサイド材料から選ばれることを特徴とする請求項３に記載のエネルギー変換装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)が、内燃機関からの排気ガスを受け取るように構成されることを特徴とする請求項４に記載のエネルギー変換装置。
【請求項６】
熱膨張係数が比較的低い材料を含む複数の基板(２８２，２８４，２９２，２９４)をさらに備え、前記基板が凹所を定め、結合されて前記少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)及び前記少なくとも１つの冷源チャンバ(２７５，３７５)を形成することを特徴とする請求項５に記載のエネルギー変換装置。
【請求項７】
前記複数の熱電素子(２７２，２７３，７７３)が２枚の基板の間に配置され、前記熱電素子の第１の側で前記熱源チャンバ(２５５，３５５)と熱接触し、前記熱電素子の、前記第１の側とは逆の、第２の側で前記冷源チャンバ(２７５，３７５)と熱接触していることを特徴とする請求項６に記載のエネルギー変換装置。
【請求項８】
前記熱電素子(２７２，２７３，７７３)が、マンガン、コバルト及びスズの酸化物から選ばれる材料でつくられることを特徴とする請求項７に記載のエネルギー変換装置。
【請求項９】
前記熱電素子(２７２，２７３，７７３)がドープトシリコン-ゲルマニウム合金でつくられることを特徴とする請求項７に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１０】
熱を電気エネルギーに変換するための方法において、前記方法が、
熱膨張係数が比較的低い材料で形成された少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)を通して高温流体を流す工程、
前記熱源チャンバを流過している前記高温流体の触媒変換を実施する工程、
熱膨張係数が比較的低い材料で形成された少なくとも１つの冷源チャンバ(２７５，３７５)を通して冷却液を流す工程、
複数の熱電素子(２７２，２７３，７７３)にかけて、前記複数の熱電素子と前記少なくとも１つの熱源チャンバ及び前記少なくとも１つの冷源チャンバの間の熱交換により、温度勾配を形成する工程、及び
前記複数の熱電素子により電圧を発生する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)及び前記少なくとも１つの冷源チャンバ(２７５，３７５)の熱膨張係数が比較的低い前記材料が、ガラス-セラミック材料を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)を通して前記高温流体を流す工程が、前記少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)を通して内燃機関からの排気ガスを流す工程を含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの冷源チャンバ(２７５，３７５)を通して前記冷却液を流す工程が、前記少なくとも１つの冷源チャンバ(２７５，３７５)を通して自動車冷却液システムからの冷却液を流す工程を含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの熱源チャンバ(２５５，３５５)を通して前記高温流体を流す前記工程中に前記高温流体の流れに乱れを発生させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２００８年１０月２７日に出願された欧州特許出願公開第０８３０５７３４.９号の優先権の恩典を主張する。この特許出願明細書は本明細書に参照として含まれる。
【技術分野】
【０００２】
本教示は反応過程からの廃熱を変換するための熱発電装置の利用に向けられる。さらに詳しくは、本教示は触媒変換も実施するように構成された熱発電装置に向けられる。
【背景技術】
【０００３】
エネルギー源として炭化水素燃料(例えば、石炭、ガソリン、ディーゼル燃料、等)に依存する動力システムの効率を高めるための手段として、熱発電装置の使用が提案されている。現在、ガソリンのような燃料の燃焼から得られるエネルギーのほぼ７５％は熱及びその他の損失によって浪費され、車輌を動かし、例えば様々な電子コンポーネントのような、装置及びアクセサリに電力を供給するために車輌によって利用されているエネルギーは約２５％でしかない。ディーゼル燃料の場合はエネルギーの約３４％が利用される。
【０００４】
車輌の電力需要は、例えば、益々多くの電気コンポーネント及びエレクトロニクスが車輌に付加されていることから、増大し続けている。熱電気回生システムは、現在無駄に捨てられている熱エネルギーの一部を直接電力変換に利用することで炭化水素動力車輌の効率を高めることができ、現在例えば交流発電機に用いられている車輌の機械的エネルギーを節約できるであろう。この結果、燃料の燃焼によって供給される化学エネルギー全体の正味の節約を得ることができる。
【０００５】
多くの動力発生用途、例えば自動車用途では、大きな温度勾配が存在する。したがって、環境ＣＯ２を減少させ、動力供給のためにエンジンにかかる負荷が減ることによって使用するエンジンを容易に軽量及び低出力にすることができ、エンジンが始動してしまえば電力は熱発電モジュールから供給できるであろうから使用するバッテリーを容易に小形にすることができ、及び／または交流発電機のような装置の使用をおそらくは排するかまたは最小限にとどめることができる、熱発電装置を利用する廃熱エネルギーの電気エネルギーへの変換が望ましいであろう。
【０００６】
熱発電装置の理想最大出力電力は温度勾配に大きく依存する。したがって、燃焼反応からの排気ガスの温度が比較的高い場所に、例えば自動車用途ではエンジンブロックの近くに、熱発電装置を配置することが望ましいであろう。
【０００７】
しかし、いくつかの従来の熱発電装置の使用には、例えばそのような装置がつくられる材料を含む、そのような装置の構成の観点において難題がもち上がり得る。例えば、従来の熱発電装置には比較的小さい、例えば約１００℃未満の、温度勾配の下で動作する材料を含む熱発電装置がある。例えば、自動車用途における温度勾配を含む、燃焼後プロセスで遭遇する温度勾配のような比較的大きな温度勾配の下で動作すると、そのような従来の熱発電装置は付随する熱−機械的応力に耐えることができないであろう。さらに、比較的高い熱膨張係数を示す材料は熱発電装置の高温側と低温側の間で異なる膨張(伸縮)をおこし、よって装置内の熱電素子に過剰な歪を生じさせ得る。
【０００８】
毒性が別の問題を提起し、この問題はいくつかの従来の熱発電装置がつくられる材料の使用により、特にｐ型およびｎ型の熱電素子がつくられる材料に対して生じ得る。例えば自動車用途のような民生用途においては特に、毒性材料の使用は望ましくないであろう。
【０００９】
例えば自動車用途におけるような、燃焼排気ガスに触媒変換を施す場合、排気ガスが最も高温の場所またはその近傍の排気ガス流内に触媒変換システムを配置することも望ましい。そのような場所は、触媒変換システムの効率が比較的高くなる温度まで燃焼後触媒変換システムを暖機する(立ち上がり時間と称される)遅延時間が必要であることが多いことから望ましいであろう。立ち上がり時間の前では、コールドスタート汚染がおこり得る。
【００１０】
触媒変換システム及び熱発電装置はいずれも排気ガス流内の非常に高温の場所に配置されることで恩恵をもたらすから、いずれのプロセスも高温排気ガスを利用できるように、触媒変換を熱発電と組み合わせた装置を提供することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の触媒変換システムでは、発熱反応である、触媒変換反応からの熱は一般に集められるかまたは変換されることはなく、したがって浪費される。したがって、発熱触媒変換反応からの廃熱を、例えば電気エネルギーのような、別の形態のエネルギーに変換することによって利用することは、さらに望ましいであろう。
【００１２】
さらに、比較的大きい温度勾配に耐え、及び／または毒性問題を課さないように構成され、そのような材料でつくられている熱発電装置を提供することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
さらなる目的及び望ましい特徴は、ある程度は以降の説明に述べられ、ある程度はその説明から明らかであろうし、本教示に実施によって習得され得る。本教示の目的及び特徴の少なくともいくつかは添付される特許請求の範囲に特に指摘される要素及び組合せを用いて実現され、達成され得る。
【００１４】
上記の全般的説明及び以降の詳細な説明がいずれも例示及び説明でしかなく、本教示または特許請求の範囲の限定でないことは当然である。
【００１５】
様々な実施形態例にしたがえば、本教示は、
高温流体を受け取るように構成された少なくとも１つの熱源チャンバ、
冷却液を受け取るように構成された少なくとも１つの冷源チャンバ、及び
少なくとも１つの熱源チャンバ及び少なくとも１つの冷源チャンバと熱が流通する複数の熱電素子、
を備え、
少なくとも１つの熱源チャンバはその中に受け取った流体の触媒変換を実施するように構成され、
熱電素子は温度勾配にさらされると電圧を発生するように構成され、
少なくとも１つの熱源チャンバ及び少なくとも１つの冷源チャンバは熱膨張係数が比較的低い材料で形成される、
エネルギー変換装置を考える。
【００１６】
様々な実施形態例において、本教示は熱を電気エネルギーに変換する方法も考える。本方法は、
熱膨張係数が比較的低い材料で形成された少なくとも１つの熱源チャンバを通して高温流体を流す工程、
熱源チャンバを流過している流体の触媒変換を実施する工程、
熱膨張係数が比較的低い材料で形成された少なくとも１つの冷源チャンバを通して冷却液を流す工程、及び
複数の熱電素子にかけて、複数の熱電素子と少なくとも１つの熱源チャンバ及び少なくとも１つの冷源チャンバの間の熱交換により温度勾配を形成する工程、
を含むことができる。本方法は複数の熱電素子により電圧を発生する工程も含む。
【００１７】
本教示は以下の詳細な説明だけから、または添付図面を合わせることで、理解することができる。図面は本教示のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み込まれて本明細書の一部をなす。図面は本教示の１つないしさらに多くの実施形態例を示し、記述とともに、いくつかの原理及び動作の説明に役立つ。
【００１８】
以下の詳細な説明では例証のための実施形態が参照されるが、当業者にはそのような実施形態の多くの別形、改変及び変形が明らかであろう。したがって特許請求される主題は広範に捉えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、それぞれのシリンダからの排気管が本教示にしたがう熱発電／触媒変換装置のそれぞれと流通している、自動車エンジンブロックの一実施形態例の斜視図である。
【図２】図２は図１の熱発電／触媒変換装置の１つの断面図である。
【図３】図３は本教示にしたがう熱発電／触媒変換装置の別の実施形態例の断面図である。
【図４】図４は図２の熱発電／触媒変換装置の熱源チャンバの一実施形態例の部分断面図である。
【図５】図５は図１のエンジンブロック、排気管及び熱発電／触媒変換装置の断面図である。
【図６】図６は図２の熱源チャンバの内表面領域上のフィンの一実施形態例の側面図である。
【図７】図７は、本教示にしたがって用いられ得る、熱電素子及び電極の一実施形態例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
それらの例が添付図面に示される様々な実施形態例をここで詳細に参照する。様々な実施形態例には本開示を限定する目的はない。逆に、本開示は別形、改変及び等価物を包含するとされる。
【００２１】
本教示は触媒変換と熱発電を複合する装置及び方法を考える。さらに詳しくは、本教示は熱発電装置の熱源チャンバの触媒変換チャンバとしての利用を提供する。このようにすれば、発熱触媒変換反応熱エネルギー及び燃焼後熱エネルギーのいずれも熱発電に用いることができる。本装置は、排気ガスが非常に高温であり、したがって熱電発電装置の動作のために比較的大きな温度勾配環境を提供する場所に近い、燃焼システム内の位置に配することができる。例えば自動車用途では、様々な実施形態例において、熱発電／触媒変換複合装置は、排ガスが実質的に最高温度にある、シリンダブロックのすぐ外側に配置することができる。そのような配置により、最大温度勾配を得ることができ、よって排気ガス及び発熱触媒反応のいずれからも大きな発電能力を得ることができる。
【００２２】
本教示はさらに、高温流体及び低温流体を循環させるチャンバを定める基板を形成するための熱膨張係数(ＣＴＥ)が比較的低い材料の利用を考える。例えば、本教示は熱源チャンバ及び冷源チャンバへのモノリシックガラス-セラミック構造の使用を考える。そのような構成は、大きな温度勾配を含む高温環境に良く耐えることができ、同時に比較的高速で効率の良い触媒立ち上げ効果も提供できる。前者に関して、例えば様々なガラス-セラミック材料のような、ＣＴＥが比較的低い材料により、熱発電装置の高温側と低温側の間の異なる膨張効果を最小限に抑えることで、熱発電／触媒変換装置が破損せずに比較的高い熱-機械応力に耐えることが可能になり得る。後者に関して、比較的大きな熱容量も示すそのような材料により、高められた触媒反応及びより短い立ち上げ時間が可能になり得る。発熱触媒反応を受けた燃焼後エネルギーを用いることで熱発電能力が高められる。
【００２３】
本教示の実施形態例にしたがう熱発電／触媒変換装置の作成に用いることができる、所望のＣＴＥを示す、適する材料は、２００８年９月２４日に公開された、名称を「ガラス-セラミック熱発電モジュール(GLASS-CERAMIC THERMOELECTRIC MODULE)」とする、国際公開第２００８/１０６０９９号パンフレットに開示されている。このパンフレットはその全体が本明細書に参照として含まれる。本明細書に参照として含まれる、国際公開第２００８/１０６０９９号パンフレットは燃焼後用途に用いるための熱発電装置を作成するための様々な方法も開示し、そのような作成方法は、適切であるようなまた当業者には明白であるであろうような改変を施して、本教示の熱発電／触媒変換装置を形成するためにも用いることもできる。
【００２４】
上に論じた様々な態様に加え、本教示にしたがう様々な実施形態例においては、熱発電／触媒変換複合装置構成は、触媒部位とのガスの相互作用を促進し、所要スペースを最小化し、振動に耐える得る能力を高め、及び／または従来の触媒変換システムのいくつかにともなう金属容器に密封する必要をなくすこともできる。
【００２５】
図面を参照して以下に説明される熱発電／触媒変換装置の実施形態例は自動車用途に関して論じられるが、例えば、使用できる電気エネルギーへの廃熱の変換及び／または様々な排気流への触媒変換の実施が望ましいであろう、定置発電装置及び燃焼システムのような、様々な用途に実施形態例が有用であり得ることが当業者には当然であろう。
【００２６】
ここで図１を参照すれば、４気筒内燃機関のシリンダブロック１００の一実施形態例の簡略な斜視図が、それぞれのシリンダ１２０から本教示の様々な実施形態例にしたがう熱発電／触媒変換複合装置１５０のそれぞれに向かう排気管１１０とともに、示されている。それぞれのシリンダ１２０からの燃焼後排気ガス,Ｇは、図１において排気ガス流を簡略に表す矢印によって示されるように、上流排気管１１０からそれぞれの熱発電／触媒変換複合装置１５０を通って下流排気管１３０から出る。
【００２７】
図１の斜視図に示されるように、熱発電／触媒変換複合装置１５０は実質的にプレーナ型の、以下でさらに詳細に説明されるように、中央基板層が(例えばシリンダ１２０から高温排気ガスを受け取るように構成された)熱源チャンバを形成し、外部基板層が(例えば冷却液を受け取るように構成された)冷源チャンバを形成する、積層基板構成を有することができる。やはり以下でさらに詳細に説明されるように、複数の熱電素子を有する熱電素子層が、熱源チャンバとそれぞれの冷源チャンバの間に、熱源チャンバ及びそれぞれの冷源チャンバと熱接触して配置される。さらに、本教示の基板層及び熱発電／触媒変換装置を作成するための方法例に関する詳細も以下で論じられる。
【００２８】
図１に示される４気筒内燃機関が例示に過ぎず、所望に応じて、いかなる数のシリンダを有するエンジンも適切な数の熱発電／触媒変換複合装置とともに用いられ得ることが当業者には当然であろう。さらに、一実施形態例において、熱発電／触媒変換装置を形成するための本明細書に開示される材料により、エンジンのシリンダの全てにわたって単一の熱発電装置を利用することが可能であり、しかも付随する熱-機械的応力に耐え得るであろう。
【００２９】
図２は本教示にしたがう熱発電／触媒変換複合装置１５０の一実施形態例の断面図を示す。図２に示される断面図は、例えば、図１に示される装置１５０の軸線に実質的に垂直な装置１５０の面(すなわち装置１５０の短辺に平行な面)でとられた断面を表す。
【００３０】
図２に示されるように、熱発電／触媒変換装置１５０は、(例えば、図１及び５に示される排気管１１０のような、排気管を介して)エンジンからの高温排気ガスと流通している複数、この場合は２つ、の熱源チャンバ２５５を備える。熱源チャンバ２５５は、以下でさらに詳細に説明されるように、チャンバ２５５の内表面領域上に触媒を帯びることによって触媒変換チャンバとしてもはたらく。様々な実施形態例において、図２に示されるように、熱源チャンバ２５５は従来の排気管と実質的に同じであるがアスペクト比が一層平らな、断面積を有することができる。そのような平らなアスペクト比の結果、チャンバ２５５の内表面領域での熱交換及び／またはの触媒との相互作用が最大化され得る。非限定的な例として、熱源チャンバ２５５は、約５ｍｍ〜約２０ｍｍ、例えば約１４ｍｍの深さ,ｄ、及び約３０ｍｍ〜約６０ｍｍ、例えば約４５ｍｍの幅,ｗを有することができる。
【００３１】
熱源チャンバ２５５の外側で熱源チャンバ２５５と逆の側に、熱電素子２７２，２７３の層２７０，２７１がある。熱電素子２７２，２７３の層２７０，２７１は熱源チャンバ２５５を定める基板２８２及び２８４の互いに背を向ける側に実質的に対称に配置され、よって装置１５０全体の実質的に中央に熱源チャンバ２５５を配置することができる。例として、熱電素子はｐ型熱電素子２７２及びｎ型熱電素子２７３を有することができる。電極２７６が隣り合う素子２７２，２７３と電気的に接触することができる。それぞれの熱電素子層２７０，２７１の熱源チャンバ２５５と逆の側に、冷却流体を受け取るように構成された冷源チャンバ２７５がある。例えば、様々な実施形態例において、チャンバ２７５は、例えば(図２に参照数字１０００で簡略に示される)自動車の冷却システムから、流入ポート及び流出ポート２２２，２２４を介して冷却液を受け取ることができる。
【００３２】
すなわち、熱電素子２７２，２７３は一方の側で熱源としての熱源チャンバ２５５と、また逆の側で冷源としての冷源チャンバ２７５と、熱交換している。したがって、当業者には周知のように、熱電素子２７２，２７３に熱源チャンバ２５５から冷源チャンバ２７５にかかる温度勾配は、熱電素子２７２，２７３を電圧を発生させ、電極２７６によって、発電させることができる。発電された電気を装置２５０から、例えば、蓄電装置及び／または、直接に、発電された電気を使うことができる電子コンポーネント及びその他のコンポーネントに伝えるために、電気リード(図示せず)を電極２７６に接触させて配置することができる。
【００３３】
図７に一例が示される、別の実施形態においては、図２に示されるようにｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子を素子の両側に設けられた素子接続電極とともに用いる代わりに、熱電素子７７３は、一連のｐ型素子またはｎ型素子を、１つの熱電素子の低温側を隣の熱電素子の高温側に接続するために用いられるＳ字形電極とともに有することができる。熱電素子７７３は，高温側または低温側の、一方の側だけで相互に連結することができる。本実施形態例において、熱電素子７７３の連結部は冷源チャンバ７７５にある。そのような構成では、例えば図７において熱電素子７７３の冷源チャンバ７７５とは逆側の末端部分を互いに対して運動できるようにすることで、高温側と低温側の伸縮差にともなって熱電素子７７３に過剰な歪がかかるリスクを低めることができる。熱電素子及び電極についてのそのような構成は、２００７年６月１４日に公開された、名称を「熱発電装置(THERMOELECTRIC DEVICE)」とする、国際公開第２００７/０６５９５４Ａ１号パンフレットにさらに詳細に説明されている。このパンフレットはその全体が本明細書に参照として含まれる。
【００３４】
様々な実施形態例において、自動車冷却回路からの冷却液が冷源チャンバ２７５を流過することができ、冷却液の温度は約６５℃〜約７０℃の範囲にあり得る。そのような温度範囲はかなり高い、例えば約３５０℃〜約８５０℃の範囲の、温度で作動している熱電素子材料に望ましいであろう。例えば、本明細書に説明される熱電素子材料の様々な例に対して、温度勾配の高温側にともなう温度は一般に通常の熱発電装置用途のいくつかにおける温度より高いが、低温側の温度がそのような通常の用途におけるほど低い必要はない。高い低温側温度を利用できる能力は、例えば自動車用途のような、発電用途において、冷却液を適切な温度まで冷却するためにラジエータまたはその他の装置を利用する必要がなくなることから、有益であり得る。高動作温度において比較的高い無次元良度指数,ＺＴを有する熱電材料を用いることで、そのような高い冷却液温度の使用が可能になり得る。
【００３５】
様々な実施形態例において、例えば図１に示されるように、高温の排気ガスは熱発電／触媒変換装置に一方のチャンバ２５５から入り、実質的にＵ字形の通路で装置を流過し、他方のチャンバ２５５から出る。したがって、以下でさらに詳細に説明されるように、ガスはそれぞれのチャンバ２５５内で実質的に対向する方向に流れることができる。しかし、そのようなＵ字形の流れパターンは例示であり、本教示の熱発電／触媒変換装置の熱源チャンバまたは冷源チャンバ内で様々な流れパターンを用い得ることが当業者には当然であろう。そのような流れパターンは、流過する流体の流れを制御するためにチャンバ内に、バッフル、壁、バルブ、ダイアフラム、等を含むがこれらには限定されない、様々な構造を設けることでつくり出すことができる。例えば、熱源チャンバ内の流れは同じ方向にあり、エンジンのそれぞれのシリンダからの排気が分流され、転流されて、熱発電／触媒変換装置のそれぞれの熱源チャンバに入ることができる。そのような場合、それぞれのチャンバからの流れは合流して単一の排気管から装置を出ることができる。
【００３６】
１つから１つより多くの範囲のいかなる数の熱源チャンバも、それぞれの熱源チャンバを２つの冷源チャンバの間に挟み込んで、設け得ることも当業者には当然であろう。例えば、本明細書に参照として含まれる、国際公開第２００８/１０６０９９号パンフレットに示され、説明されるような、別の実施形態例において、１つないしさらに多くの冷源チャンバを１つないしさらに多くの熱源チャンバの一方の側だけに配することができるが、そのような構成では効率がある程度低下することになり得るであろう。
【００３７】
例えば、図３を参照すれば、それぞれがそれぞれの両側に２つの対応する冷源チャンバ３７５を有し、よって熱源チャンバ３５５が実質的に中央に配された３つの熱源チャンバ３５５を備える、一実施形態例の熱発電／触媒変換装置３５０が示されている。高温流体はチャンバ３５５のそれぞれを同じ方向に、または異なる方向に(例えば、流れの方向はチャンバ３７５の内の２つで、第３のチャンバ内の流れの方向と異なる、同じ方向とすることができる)通って循環することができる。
【００３８】
中央の熱電チャンバ２５５を通って循環している排気ガスの流体流路を変えるための、バッフル及び斜壁の使用の一実施形態例が図４の熱発電／触媒変換装置２５０の部分断面図に示されている。図４に示される断面図は熱源チャンバ２５５だけを示し、熱発電／触媒変換装置２５０の軸線に実質的に平行な面でとられている。図４に矢印で示されるように、排気ガス,Ｇは、車輌のエンジンの１つないしさらに多くのシリンダから延びる(図４には示されていない)排気管と流通して連結する流入開口４０５を通って中央熱源チャンバ２５５の一方に入ることができる。図４の実施形態例においては、一連のバッフル４１０で２つのチャンバ２５５を相互に分離することができる。バッフル４１０は、それぞれのチャンバ２５５内の一連の斜壁４１５及び４２０の周りを流れている排気ガス,Ｇのほとんどがバッフル４１０に打ちあたるように、配置することができる。しかし、連続するバッフル４１０の間隙により、排気ガスの一部,Ｐがチャンバ２５５の全長を流れずにバイパスして、一方のチャンバ２５５から他方のチャンバに直接に流れることが可能になり得る。
【００３９】
あるいは、一連の間隔をおいたバッフルで２つのチャンバを分離する代わりに、チャンバ２５５の実質的に全長にわたって延びる単一の壁を設けることができる。そのような壁の長さ及び配置は、例えば図４の主ガス流,Ｇで示される態様で、流入開口４０５及び流出開口４２５とは逆の側のチャンバ２５５の端の近くで一方のチャンバから次のチャンバにガスが流れることができるような、長さ及び配置である。
【００４０】
上述したように、それぞれの熱源チャンバ２５５には、それぞれのチャンバ２５５を通るガス,Ｇの流れに蛇行経路をとらせる一連の斜壁を設けることができる。例えば、図３の実施形態例において、それぞれのチャンバ２５５には交互に配置された長尺斜壁４１５と短尺斜壁４２０が設けられる。様々な実施形態例にしたがえば、壁４１５及び４２０はほぼ４５°傾けられるが、他の傾角も本教示の範囲にあると考えられ、所望の混合パターン及び／またはガス流パターンを達成するために選ぶことができる。図４に示されるように、ガス,Ｇを一方のチャンバ２５５から他方のチャンバに概ねＵ字形の流路で流し、それぞれのチャンバ２５５内では蛇行流路を達成するように、斜壁４１５，４２０及び、チャンバ２５５を分離している、バッフル４１０(または単壁)を合わせて構成することができる。
【００４１】
ガス,Ｇの蛇行流路及びバイパス部分,Ｐは中央チャンバ２５５内の分子相互作用を強め、温度一様性を高める、乱流を形成することができる。そのような効果は、熱電素子へのさらに一様な熱伝達を与えることによって、熱伝達及び触媒変換反応のいずれも強めることができる。以下でさらに詳細に論じられるように、チャンバ２５５には、バッフル及び／または斜壁４１５，４２０が設けられているだけでなく、例えば、熱源チャンバ２５５内の熱伝達を高め、触媒表面積を大きくすることによって、熱伝達及び／または触媒変換を促進するように構成された(簡略化目的のため図４または５には示されていない)フィンを設けることができる。図４の実施形態において、そのようなフィンはバッフル４１０の片面または両面に、及び／またはチャンバ２５５を定める内壁表面部分に沿って、設けることができる。
【００４２】
次に図５を参照すれば、図１の４気筒エンジンブロック１００の一実施形態例の断面が、エンジンブロック１００のそれぞれのシリンダ１２０に対応する熱発電／触媒変換装置１５０とともに示されている。図５に示される断面はシリンダ１２０及び熱発電／触媒変換装置１５０の軸線に実質的に垂直な面でとられている。図４と同様に、図５に示されるチャンバ２５５は簡略化のためフィンが省かれて示されているが、チャンバ２５５がフィンを備え得ることが当業者には当然であろう。
【００４３】
上述したように、本教示の熱発電／触媒変換装置の熱源チャンバ及び冷源チャンバを形成するための、例えばガラス-セラミックのような、ＣＴＥが比較的低い材料の使用により、比較的大きな温度勾配にさらされた時でも過剰な応力を発生させずに(例えば１００ｍｍ×２００ｍｍ程度の)比較的大きな基板の使用が可能になり得る。そのように設置面積が比較的大きな熱発電／触媒変換装置を使用できることから、エンジンから装置に排気を流すための適切な流通構造による、エンジンブロックのシリンダの２つないしさらに多くにかけての単一の装置の使用及び配置が可能になり得る。それにもかかわらず、いくつかの状況においては、図５の実施形態例に示されるように、シリンダ毎に１台の熱発電／触媒変換装置を用いることが望ましいであろう。例えば、いくつかの場合、(例えばアルミニウムシリンダブロックを含む)シリンダブロック１００の材料は熱発電／触媒変換装置の比較的低いＣＴＥと余りにも大きく異なるＣＴＥを示す。そのような熱的不整合により、熱発電／触媒変換装置がエンジンブロック１００に結合されるところに連結問題が生じ、望ましくない応力がかかり得る。シリンダ１２０毎に１台の熱発電／触媒変換装置１５０を備えることにより、ＣＴＥ不整合は装置１５０とシリンダブロック１００の間のフラット−フラット連結によって局所的に対処することができる。フラット−フラット連結により、対向する装置１５０の面とブロック１００の面が熱伸縮中に、気密性を失わず及び／または望ましくない応力を生じずに、互いに対して横方向に滑ることが可能になり得る。
【００４４】
図２に示されるように、様々な実施形態例において、熱源チャンバ２５５の内表面領域２５８は触媒を帯びる表面積を大きくし、熱交換も強めるためのフィン２６０を備える。様々な実施形態例において、フィン２６０はチャンバ２５５の長辺側面上に配置することができるが、フィン２００が本教示の範囲から逸脱しない数多くの配置をとり得るであろうことが当業者には当然であろう。フィン２６０は基板層２８２及び２８４のそれぞれの形成中に成形されるマイクロフィンとすることができ、その実施形態例が以下でさらに詳細に説明される。
【００４５】
様々な実施形態例にしたがう、チャンバ２５５の側面上の一組のフィンを示す図６を参照すれば、フィン２６０の高さ,ｈｆは約１００μｍ〜約３ｍｍの範囲とすることができ、例えば高さ,ｈｆは約１ｍｍとすることができる。さらにフィン２６０は基部において約４０μｍ〜約１ｍｍの範囲の幅,ｗｆを有することができ、例えば幅,ｗｆは約０.４ｍｍとすることができる。フィン２６０はテーパをかけることができ、例えば、チャンバ２５５の内表面２５８に基部が接する円錐または切頭円錐の形状を示す。フィンの基部から自由端への角度は約５°〜約２０°の範囲とすることができ、例えば約１５°とすることができる。フィン２６０のテーパ形状は熱伝達を高めることができ、成形プロセス時の離型を容易にすることもできる。様々な実施形態において、隣り合うフィン２６０間のピッチ,ｐは約０.２ｍｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができ、例えばピッチ,ｐは約１ｍｍとすることができる。
【００４６】
例えば、高さ、幅、テーパ角、ピッチ及び／または配置を含む、フィンの構成が、所望の表面積、熱交換特性及び／または触媒相互作用特性を達成するために、変更され得ることが当業者には当然であろう。チャンバ２５５の他の内表面部分と同様に、フィン２６０は、例えば、白金(Ｐｔ)、パラジウム(Ｐｄ)及び／またはロジウム(Ｒｈ)のような、高温触媒材料を含む触媒粒子を帯びることができる。例として、当業者には周知の、薄め塗膜被着法を用いて、フィン２６０及び熱源チャンバの他のいずれの内表面にも、触媒粒子を施すことができる。
【００４７】
様々な実施形態例にしたがえば、熱電素子及び電極を除いて、熱発電／触媒変換装置の本体部分(例えば、図２の実施形態例に示される、基板２８２，２８４，２９２，２９４，２９６及び２９８)は、例えば、本明細書に参照として含まれる国際公開第２００８/１０６０９９号パンフレットに例えば説明される材料を含むが、これらには限定されない、ＣＴＥが比較的低いガラス-セラミック材料のような、ＣＴＥが比較的低い材料で作成することができる。上述したように、本教示の実施形態例にしたがう熱発電／触媒変換装置の本体部分の形成に適する材料は：
・排気またはその他の燃焼後廃ガスに対する化学的耐性あるいは燃焼後暴露温度における耐酸化性；
・注目する動作温度(例えば約２０℃〜約１０００℃)において、例えば約３０×１０−７℃−１未満の、低い熱膨張係数(ＣＴＥ)、例えば約１０×１０−７℃−１から約２０×１０−７℃−１の範囲のＣＴＥ；
・熱電層の低温側で十分な熱伝導を達成し、よって熱電素子内の温度勾配確立を促進するための、例えば約２０℃〜約１０００℃の温度範囲において、例えば約２.５Ｗ/ｍ・Ｋをこえる、比較的高い熱伝導度；
・高速の触媒反応及び立ち上げに、及び高温における最大効率を熱電素子に与える高速暖機に有益であり得る、昇温速度及び冷却速度を低めるための比較的大きな熱容量；及び
・燃焼後排気ガスの温度と同等であるように、例えば、持続的には約８００℃、ピークでは約９５０℃の、良好な耐熱性；
の内の１つないしさらに多くを示すことができる。
【００４８】
本教示の実施形態例にしたがう熱発電／触媒変換装置の基板を形成するために用いることができる材料の例には、コージェライトセラミック、コージェライトガラス-セラミック、リチウムアルミノケイ酸ガラス-セラミック及び、例えば窒化シリコンセラミックのような、シリサイドがあるが、これらには限定されない。本教示の実施形態例にしたがう熱発電／触媒変換装置の基板を形成するために用いることができる材料の一例はコージェライトである。コージェライトは：
・約１００℃〜約９００℃の温度範囲で約１０×１０−７℃−１〜約２０×１０−７℃−１の範囲の比較的低い熱膨張係数(ＣＴＥ)；
・約１.５Ｗ/ｍ・Ｋ〜約４Ｗ/ｍ・Ｋの範囲の比較的高い熱伝導度；
・約０.８Ｊ/ｇ/℃〜約０.９Ｊ/ｇ/℃の範囲の比較的大きな熱容量；及び
・約１０００℃の耐熱性；
を有する。
【００４９】
様々な実施形態例の熱電素子は、当業者には周知の、ｐ型及びｎ型の半導体材料を有することができる。そのような材料には、例えばテルル化ビスマスがある。しかし、テルル化ビスマスは一般に比較的低い、例えば約１５０℃程度の、温度での用途に用いられる。例えば本明細書に説明される自動車用途におけるような、燃焼後用途に用いられる場合、比較的高い温度及び比較的大きな温度勾配に耐えることができる材料を熱電素子に用いることが望ましいであろう。さらに、例えば自動車におけるような、民生用途に用いられる場合、毒性問題を示さない熱電素子材料を用いることが望ましいであろう。さらに、熱発電／触媒変換装置の本体(例えばガラス-セラミック基板)と熱電素子の間の伸縮差の影響を最小限に抑える熱電素子材料を用いることが望ましいであろう。過剰な伸縮差は望ましくない機械的応力を生じさせ、装置構造を破損させ得る。
【００５０】
すなわち、熱電素子に適する材料は：
・約１００℃〜約９００℃の範囲の温度に対し、例えば約６０×１０−７℃−１〜約１００×１０−７℃−１の範囲の、比較的低いＣＴＥ；
・約１Ｗ/ｍ・Ｋ(ワット毎メートル毎ケルビン)〜約３Ｗ/ｍ・Ｋの比較的高い耐熱性；及び
・約１００℃〜約９００℃の範囲の温度において、比較的高い、例えば約０.６〜約１.２の範囲、例えば約１.０〜約１.５の、無次元良度指数,ＺＴ；
を示すことができる。
【００５１】
様々な実施形態例において、酸化物熱電材料を、無毒性であり、約１０００℃〜約１３００℃の範囲の温度で焼結が行われることから高温に耐えることができるので、用いることができる。そのような材料の例には、例えば、マンガン、コバルト及びスズの酸化物がある。
【００５２】
本教示の様々な実施形態例にしたがうｐ型及びｎ型の熱電素子に用いることができる、望ましい特性を示す別の材料は、ドープトシリコン-ゲルマニウム合金、例えばリンドープＳｉ０.８Ｇｅ０.２である。この合金は、約４０×１０−７℃−１〜約５０×１０−７℃−１の範囲の比較的低いＣＴＥを有し、約１０００℃〜約１２００℃の範囲の高温で動作でき、例えば１０００℃において約０.８の、比較的高い無次元良度指数を有する。
【００５３】
様々な実施形態例において、熱電素子は、例えば、２００８年９月４日に公開された、名称を「ガラスを含有する組成物を成形するための方法(METHODS FOR FORMING COMPOSITIONS CONTAINING GLASS)」とする、国際公開第２００８/１０６１６１号パンフレットに説明されているプロセスにしたがう熱間圧縮法または熱間圧延法のような、熱成形法を用いて成形することができる。上記パンフレットはその全体が本明細書に参照として含まれる。
【００５４】
上で論じた材料に加えて、当業者であれば、熱電素子に適する別の材料をどのようにして選択すべきかを、本教示に基づいて、理解するであろう。さらに、本明細書に含まれる、国際公開第２００８/１０６１６１号パンフレットは、本教示の実施形態例に用いることができる、熱電素子に適するその他の材料を開示している。
【００５５】
様々な実施形態例にしたがえば、例えば、銀、金、白金、パラジウム、白金／パラジウム合金、及び銀を被覆した銅またはニッケルのような、様々な電極材料を電極に用いることができる。同業者にはその他の適する電極材料が周知であろう。一実施形態例において、熱電素子を接続するために用いられる電極、例えば図２の実施形態例に示される電極２７６は約１０００℃までの温度にさらされても耐えるように構成された延性電極の形態にあることができる。様々な実施形態例において、電極は基板の適切な表面領域上、例えば図２の基板層２８２，２８４，２９４及び２９６に形成された一連の凹所内に、ペースト(例えば銀ペーストまたは金ペースト)として被着することができ、熱電素子２７２，２７３をペーストに埋め込むことができる。埋め込まれた熱電素子及びペーストは、ペーストを硬化させて、電極(例えば図２の電極２７６)にするため及び／または熱電素子をペーストに結合させるために、加熱することができる。ペースト材料に依存して、硬化は約６５０℃〜約１３００℃の範囲の温度で約１時間ないしさらに長く行うことができる。様々な実施形態例において、硬化は基板を互いに封着した後に行うことができる。
【００５６】
様々な実施形態例にしたがえば、上で論じたように、本教示の熱発電／触媒変換装置は、互いに封着されると、流体循環のため並びに熱電素子の埋込及び収納のための様々なチャンバを形成する、様々な凹所を定める(例えば、上で論じたように、ガラス−セラミックのようなＣＴＥが比較的低い材料でつくられた)複数の基板層で形成された本体部分を有することができる。例えば図２を参照すれば、様々な実施形態例において、それぞれの一方の側に凹所を定める２枚の基板層２８２及び２８４を、それぞれの凹所が対面し、合わさって熱源チャンバ２５５を形成するように、封着し合わせることができる。そのように形成された熱源チャンバ２５５の両背面側に、図２の底面側冷源チャンバを形成する２枚の同様の基板層２９２及び２９４並びに上面側冷源チャンバを形成する基板層２９６及び２９８によって、冷源チャンバ２７５を形成することができる。対面して熱源チャンバ２５５及び冷源チャンバ３７５をそれぞれ形成する凹所を定めるだけでなく、基板層２８２，２８４，２９４及び２９６のそれぞれは、熱源チャンバ２５５及び冷源チャンバ２７５をそれぞれ定める凹所と逆の側に一連の小凹所も定める。この一連の小凹所は熱電素子２７２及び２７３を受け入れるように構成され、熱電素子２７２及び２７３はそれぞれ、基板層２９４と２８２の間及び２９６と２８４の間に確実に固定され、電極２７６を介してそれぞれの層に結合される。
【００５７】
基板の両面に凹所を有する基板２８２，２８４，２９４及び２９６のそれぞれに沿う場所において、基板は薄くなった領域を提供する。そのような薄くなった領域は、チャンバ２５５または２７５から熱電素子２７２，２７３への熱伝達を高めることができる。様々な実施形態例において、基板２８２，２８４，２９４及び２９６の薄くなった領域の厚さは約０.４ｍｍ〜約０.８ｍｍの範囲、例えば約０.５ｍｍとすることができ、基板２８２，２８４，２９４及び２９６の全厚は約３ｍｍ〜約１５ｍｍの範囲とすることができる。
【００５８】
様々な実施形態例にしたがえば、基板層は、例えば、本明細書にその全体が参照として含まれる、国際公開第２００８/１０６１６１号パンフレットに開示されているように、ホットプレス法または熱間圧延法によって熱成形することができる。例として、冷源チャンバを形成する基板層の形状は、例えば黒鉛金型のような、熱成形金型を用いて成形することができる。熱源チャンバまたは冷源チャンバを形成するための１つまたはさらに多くの凹所を基板層の一方の側に形成し、熱電素子を受け入れるための１つないしさらに多くの凹所を逆の側に形成するためには、両面プレス工程が有用であり得る。本教示の様々な実施形態例の基板及び対応する基板の凹所を形成するために用いることができる、そのような両面ホットプレス工程のさらなる説明については、国際公開第２００８/１０６１６１号パンフレットを参照されたい。
【００５９】
ガラス-セラミック基板層を形成するために、熱成形を行った後にセラミック化工程が実施される。様々な実施形態例にしたがい、セラミック化工程中またはその後に行われる熱工程において、例えば封着材としての軟質ガラスフリット材料を用いる、熱封着またはフリット封着により、個々の基板層を相互に封着することができる。
【００６０】
本教示の熱発電／触媒変換装置の作成に有用な手法例のさらなる説明については、本明細書に参照として含まれる、国際公開第２００８/１０６１６１号パンフレットを参照されたい。当業者には、様々なその他の手法を本教示の熱発電／触媒変換装置の形成に用いることができ、本明細書に説明される手法に限定されないことは当然であろう。
【００６１】
上述の観点から、当業者であれば、本教示にしたがう熱発電／触媒変換複合装置の様々な実施形態から得ることができる様々な望ましい特徴を認めるであろう。例として、本教示の実施形態例にしたがう装置は、スペースを節約することができ、コストを低減することができ、効率を高めることができ、環境に優しくなることができる。
【００６２】
本教示に基づいて、当業者は、所望のエネルギー変換及び触媒変換を達成するために、熱発電／触媒変換複合装置の、流体循環チャンバ及び熱電層の、材料選択、数、形状及び配置を含む構成、並びに動作を、本発明の教示の範囲を逸脱せずに、どのように改変するべきかを理解するであろう。さらに、本教示の範囲を逸脱せずに、本明細書に説明された装置の作成方法に様々な改変がなされ得る。
【００６３】
本明細書及び添付される特許請求の範囲の目的のため、そうではないことが示されない限り、全ての数値は、量、百分率または比率を表し、本明細書及び特許請求の範囲に用いられるその他の数値は、全ての事例において「約」で修飾されていると理解されるべきである。したがって、逆であることが示されない限り、本明細書及び添付される特許請求の範囲に述べられる数値パラメータは、本発明によって得ようとされる所望の特性に依存して変わり得る、近似値である。最小限でも、特許請求項の範囲に等価な主張の適用を限定しようとするのではなく、それぞれの数値パラメータは少なくとも、報告された有効数字の桁数の下で、及び通常の丸め手法の適用によって、解されるべきである。
【００６４】
本発明の広汎な範囲を述べる数値範囲及びパラメータは近似値であるとしても、特定の例に述べられる数値は可能な限り精確に報告される。しかし、いかなる数値も本質的に、それぞれの試験測定値に見られる標準偏差から必然的に生じるある程度の誤差を含む。さらに、本明細書に開示される全ての範囲はその範囲内に包まれる、どれほどであっても、全ての小範囲を包含することは当然である。
【００６５】
本明細書及び添付される特許請求の範囲に用いられるように、単数形の冠詞‘a’，‘an’及び‘the’、並びにいかなる語のいかなる単数用法も、明白に及び多義的に１つの指示対象に限定されていない限り、複数の指示対象を含むことに注意されたい。本明細書に用いられるように、語句「含む」及びその文法上の異体は限定を目的としておらず、よって、リスト内の項目の列挙は、列挙された項目と置換するかまたは列挙された項目に追加することができる、他の同様の項目の排除ではない。
【００６６】
本発明をそのいくつかの実施形態例に関して詳細に説明したが、添付される特許請求の広汎な範囲を逸脱しない数多くの改変が可能であるから、本発明をそのような実施形態例に限定されると見なすべきでないことは当然である。
【符号の説明】
【００６７】
１５０    熱発電／触媒変換複合装置
２５５，３５５    熱源チャンバ
２７２，２７３，７７３    熱電素子
２７５，３７５    冷源チャンバ
２８２，２８４，２９２，２９４，２９６，２９８    基板
【図１】
2012508342.tif 000003
【図２】
2012508342.tif 000004
【図３】
2012508342.tif 000005
【図４】
2012508342.tif 000006
【図５】
2012508342.tif 000007
【図６】
2012508342.tif 000008
【図７】
2012508342.tif 000009
【国際調査報告】
2012508342.tif 000010