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【発明の名称】 対流型熱流を用いるエネルギー変換効率の改善された熱発電装置
【発明者】 【氏名】ベル ロン イー．
【課題】効率の改善された熱発電システムを提供する。

【解決手段】熱電素子６０２のアレイを通して対流が活発に促進され、該熱電素子のアレイが発電に使用される。熱パワーの対流が、１つ又は複数の熱電素子のアレイを通って、該熱電素子のアレイの少なくとも一端へと引き起こされ、それによって効率が向上する。熱パワーがアレイに加えられて、アレイにわたって温度勾配が生じる。熱電システムを別の発電システム６２４と組み合わせて、コージェネレーションシステムを形成することもできる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作中にそれらの間で温度勾配を示す、少なくとも１つの第１の端と、少なくとも１つの第２の端とを有する少なくとも１つの熱電素子のアレイを形成する複数の熱電素子を備えており、前記少なくとも１つの熱電素子のアレイの少なくとも一部が、前記熱電素子のアレイの少なくとも一部の少なくとも一方の端へのほぼ定常状態の対流式熱輸送を可能とするように構成されている熱発電装置のシステム。
【請求項２】
前記アレイの少なくとも一部を通る少なくとも１種の対流媒体が、前記ほぼ定常状態の対流式熱輸送を提供するものであり、前記少なくとも１種の対流媒体が、通常は前記少なくとも１つの第１の端から前記少なくとも１つの第２の端へ流れるものである請求項１記載の熱発電装置。
【請求項３】
前記少なくとも１種の対流媒体が、前記熱電素子の少なくとも幾つかに沿って流れるものである請求項２記載の熱発電装置。
【請求項４】
前記少なくとも１種の対流媒体が、前記熱電素子の少なくとも幾つかに沿って、且つ前記熱電素子の少なくとも幾つかを通って流れるものである請求項２記載の熱発電装置。
【請求項５】
少なくとも１種の対流媒体が、前記熱電素子の少なくとも幾つかを通って流れるものである請求項２記載の熱発電装置。
【請求項６】
前記熱電素子の少なくとも幾つかが透過性である請求項５記載の熱発電装置。
【請求項７】
前記熱電素子の少なくとも幾つかが多孔性である請求項６記載の熱発電装置。
【請求項８】
前記熱電素子の少なくとも幾つかがハニカム構造である請求項５記載の熱発電装置。
【請求項９】
前記熱電素子の少なくとも幾つかが筒状である請求項５記載の熱発電装置。
【請求項１０】
前記筒状素子の少なくとも幾つかが、少なくとも１つの第１の導電型の熱電材料から構成されており、前記筒状素子の少なくとも幾つかが、少なくとも１つの第２の導電型の熱電材料から構成されている請求項９記載の熱発電装置。
【請求項１１】
少なくとも１つの熱電素子が、少なくとも１つの第１の組の同心円状筒体で形成されている請求項９記載の熱発電装置。
【請求項１２】
前記同心円状筒体の少なくとも幾つかが、第１の導電型の熱電材料と第２の導電型の熱電材料との間で交互になっている請求項１１記載の熱発電装置。
【請求項１３】
前記アレイの少なくとも一部が、前記対流媒体の少なくとも一部と、前記少なくとも１つの熱電素子のアレイとの間の熱輸送を改善する少なくとも１つの熱輸送における特徴を備える請求項２記載の熱発電装置。
【請求項１４】
前記熱電素子の少なくとも幾つかが筒状であり、前記少なくとも１つの熱輸送における特徴が前記筒状の熱電素子の少なくとも幾つかの内部にある請求項１３記載の熱発電装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの熱輸送における特徴が前記熱電素子の少なくとも幾つかの間にある請求項１３記載の熱発電装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの熱輸送における特徴が少なくとも１種の対流媒体の流れ撹乱における特徴である請求項１３記載の熱発電装置。
【請求項１７】
第１の複数の熱電素子が熱輸送のために第１の型に構成されており、第２の複数の熱電素子が対流式熱輸送のために第２の型に構成されている請求項２記載の熱発電装置。
【請求項１８】
前記少なくとも１種の対流媒体の少なくとも一部が、少なくとも１種の熱電素子であり、該対流媒体の熱電材料が、前記熱電素子の少なくとも幾つかを形成している請求項２記載の熱発電装置。
【請求項１９】
前記少なくとも１種の対流媒体の少なくとも一部が、少なくとも１種の熱電素子であり、該対流媒体の熱電材料が、前記熱電素子の少なくとも幾つかの一部を形成しており、少なくとも１つの固体の熱電素子が、同じ前記熱電素子の第２の部分を形成している請求項２記載の熱発電装置。
【請求項２０】
前記少なくとも１種の対流媒体の少なくとも一部が少なくとも１種の流体である請求項２記載の熱発電装置。
【請求項２１】
前記少なくとも１種の対流媒体の少なくとも一部が少なくとも１種の気体である請求項２０記載の熱発電装置。
【請求項２２】
前記少なくとも１種の対流媒体の少なくとも一部が少なくとも１種の燃料である請求項２０記載の熱発電装置。
【請求項２３】
前記少なくとも１種の対流媒体の少なくとも一部が、コージェネレーションプロセスにおいても使用される少なくとも１種の作動材料である請求項２０記載の熱発電装置。
【請求項２４】
前記熱電素子の少なくとも幾つかがそれぞれ熱電素子のアレイから形成されている請求項２記載の熱発電装置。
【請求項２５】
コージェネレータの作動流体として前記対流媒体を有し、前記熱発電装置のシステムと共に動作するように構成された少なくとも１つのコージェネレータをさらに含んでいる請求項１記載の熱発電装置。
【請求項２６】
前記少なくとも１つのコージェネレータの少なくとも一部が、前記少なくとも１種の対流媒体の燃焼を含んでいる少なくとも１つの燃焼プロセス部を有する請求項２５記載の熱発電装置。
【請求項２７】
前記少なくとも１つのコージェネレータが少なくとも１つの内燃機関を備えている請求項２６記載の熱発電装置。
【請求項２８】
前記少なくとも１つのコージェネレータが少なくとも１つの外燃機関を備えている請求項２６記載の熱発電装置。
【請求項２９】
前記少なくとも１つのコージェネレータが少なくとも１つのタービン発電機を備えている請求項２６記載の熱発電装置。
【請求項３０】
前記少なくとも１つのコージェネレータの少なくとも一部が、前記少なくとも１種の対流媒体の膨張を含んでいる少なくとも１つの膨張プロセス部を有する請求項２５記載の熱発電装置。
【請求項３１】
前記少なくとも１つのコージェネレータが少なくとも１つのタービン発電機を備える請求項３０記載の熱発電装置。
【請求項３２】
前記少なくとも１つのコージェネレータの少なくとも一部が、前記少なくとも１種の対流媒体における少なくとも１つの相変化プロセス部を含んでいる請求項２５記載の熱発電装置。
【請求項３３】
前記コージェネレータの作動流体の少なくとも一部が水又は水蒸気である請求項２５記載の熱発電装置。
【請求項３４】
前記少なくとも１つのコージェネレータの少なくとも一部が、前記少なくとも１種の対流媒体を伴う少なくとも１つの電気化学プロセス部を含んでいる請求項２５記載の熱発電装置。
【請求項３５】
前記少なくとも１つの電気化学プロセス部が少なくとも１つの燃料電池を含んでいる請求項３４記載の熱発電装置。
【請求項３６】
少なくとも幾分か、前記少なくとも１種の対流媒体を用いて動作するように構成された少なくとも１つの加熱又は冷却システムをさらに含んでいる請求項１記載の熱発電装置。
【請求項３７】
前記少なくとも１つの加熱又は冷却システムが、少なくとも１つの吸収システムを備えている請求項３６記載の熱発電装置。
【請求項３８】
熱発電装置のシステムへの熱の導入を通して該熱発電装置のシステムの動作中にそれらの間で少なくとも１つの温度勾配を示す、少なくとも１つの第１の端と、少なくとも１つの第２の端とを有する少なくとも１つの熱電素子のアレイを形成する複数の熱電素子を備えた熱発電装置のシステムにおける効率を改善する方法であって、
前記アレイの少なくとも一部を通して能動的に熱パワーをほぼ定常状態に対流させるステップと、
前記少なくとも１つの熱電素子のアレイからパワーを発生させるステップとを含む方法。
【請求項３９】
前記熱を対流させるステップが、前記少なくとも１つの熱電素子のアレイの少なくとも一部を通して、少なくとも１種の対流媒体を流すステップを含む請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
少なくとも幾分か、前記少なくとも１種の対流媒体を用いてパワーをコージェネレーティングするステップをさらに含む請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
前記コージェネレーティングするステップが、少なくとも１つのコージェネレータで、前記少なくとも１種の対流媒体の少なくとも一部を燃焼させるステップを含む請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
前記少なくとも１つのコージェネレータが、少なくとも１つのタービン発電機を備えている請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
前記コージェネレーティングするステップが、前記少なくとも１種の対流媒体の少なくとも一部を膨張させるステップを含む請求項４０記載の方法。
【請求項４４】
前記少なくとも１つのコージェネレータが、少なくとも１つのタービン発電機を備えている請求項４３記載の方法。
【請求項４５】
前記コージェネレーティングするステップが、前記少なくとも１種の対流媒体の少なくとも一部を用いた少なくとも１つの電気化学プロセス部を含む請求項４０記載の方法。
【請求項４６】
前記少なくとも１つの電気化学プロセス部が少なくとも１つの燃料電池プロセスを含む請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
少なくとも幾分か、前記少なくとも１種の対流媒体を用いて加熱又は冷却を行うステップをさらに含む請求項４０記載の方法。
【請求項４８】
前記加熱又は冷却ステップが、少なくとも１つの吸収ステップである請求項４７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、より高い効率で温度差を電気エネルギーに変換するための改善された熱発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱発電装置（ＴＥ：ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）は、ある種の材料の特性を利用して、その熱電にわたる温度差があるとき、その端子間に電位を生じさせる。従来の熱発電装置は、その装置内で熱電材料としてＰ型及びＮ型半導体を利用する。熱電に関係する冷却及び加熱のための幾つかの基本方程式、理論、研究、テスト方法及びデータが、アングリスト・スタンレー．Ｗ（Ａｎｇｒｉｓｔ，ＳｔａｎｌｅｙＷ．）の「直接エネルギー変換第３版（Ｄｉｒｅｃｔ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，３rd ｅｄｉｔｉｏｎ）、アリン・アンド・バコン・インコーポレイテッド（Ａｌｌｙｎａｎｄ Ｂａｃｏｎ，Ｉｎｃ．）アメリカ合衆国２２１０マサチューセッツ州ボストン（Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ．２２１０，ＵＳＡ）」（１９７６年）に記載されている。熱発電装置において、今日使用されている最も一般的な構成を図１に示す。一般に、Ｐ型及びＮ型の熱電素子１０２は、２枚の基板１０４間のアセンブリ１００内に配列されている。熱電素子１０２は、該熱電素子１０２の両端にはんだ付けされた銅の分路１１８によって直列に接続されている。温度ＴHの熱源１０６及び温度ＴCの熱シンク１０８を介して、熱発電装置全体に温度差が加えられる。ペルティエ効果により、装置の端子１１６に電圧（Ｖ）１１０が生じ、この電圧を使用して、負荷（Ｒ0）１１４に電流（Ｉ）１１２を流すことができる。
【０００３】
図２は、図１のシステム内でのパワーの流れを示す。簡単のために２つの熱電素子２０２だけが示されている。これらの熱電素子２０２は、高温及び低温の基板２０４の間に挟まれ、分路２１８によって電気的に直列に接続されている。入力熱エネルギーの熱源２０６は温度ＴHに保たれ、低温側の熱源２０８は温度ＴCに保たれる。分路２１８の端子からパワーが引き出され、負荷に提供される。ここで仕事（Ｗ）２１４がなされる。熱ＱHが左から入り、廃熱ＱCが右から排出される。内部損失Ｉ2Ｒが、それぞれ半分ずつ高温端及び低温端に、均等に分配される。
【０００４】
熱発電装置のための最も一般的な形の基本方程式は、次の通りである。
【０００５】
【数１】


【０００６】
【数２】


【０００７】
【数３】


【０００８】
ここで、ｑCは低温端から出る熱、ｑHは高温端に入る熱、Ｗは負荷内で消費されるパワーである。尚、ここでの各記号は以下のものを表す。
【０００９】
α＝ゼーベック係数
Ｉ＝電流
ＴC＝低温端の絶対温度
ＴH＝高温端の絶対温度
ΔＴ＝ＴH−ＴC、温度差
Ｒ＝熱発電装置の電気抵抗
Ｋ＝熱伝導率
ＲL＝外部負荷の電気抵抗
ここで、α、Ｒ及びＫは、定数とされる値又は適切な温度範囲にわたって適切に平均された値である。また、熱流及び電流は１次元とし、条件は時間と共に変化しないと仮定する。
【００１０】
さらに、熱発電装置の性能を定量化するために、効率を次式で表す。
【００１１】
【数４】


【００１２】
数式２と数式３を組み合わせると、次式が得られる。
【００１３】
【数５】


【００１４】
最大の性能を達成するには、熱発電装置の内部抵抗を、負荷の抵抗に適合させなければならない。
【００１５】
【数６】


【００１６】
負荷の抵抗と内部抵抗との比として上式を導入すると、数式５を以下のように書き換えることができる。
【００１７】
【数７】


【００１８】
上式で
【００１９】
【数８】


【００２０】
は性能指数として知られている材料特性である。
【００２１】
ｍの最適値は、次式で求められる。
【００２２】
【数９】


【００２３】
ここで、ＴA＝（ＴH＋ＴC）／２は平均温度である。
【００２４】
したがって、数式７に数式９を代入すると、次式の通り最大の効率が得られる。
【００２５】
【数１０】


【００２６】
図３は、異なる高温端温度、及び異なる性能指数、Ｚに対する熱発電装置の効率を示している。このグラフから読み取れるように、熱発電装置の効率を上げるには、Ｚ及びＴHの高い値が必要である。市販の材料は、ＺＴA≒１であり、ある種の新しい実験材料は、ＺＴA≒１．５である。一般に使用される熱発電装置の材料には、ＴH≒５００℃の場合、適切に不純物を添加した鉛テルル化合物（Ｐｂ熱電）が、或いはＴHが１０００℃の場合、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）を含む。一般に、よりよい材料が市販されるようになっても、本発明の利益が生かせなくなることはない。
【００２７】
図３から、２５％を超える理論的効率が可能であることがわかる。避けられない損失、現在の材料上の制限及び信頼性を考慮すると、実際の効率は４％から８％が限界であった。今日の材料では、熱発電装置が、特定の航空産業用及び幾つかの商業用に使用されてきた。しかし、一般にシステム効率が、別のタイプの発電機のものと競争するには低すぎるので、使用は限定されていた。それにも拘わらず、熱電の別の性質からの利益がその低い効率よりまさる応用例において、熱発電装置の幾つかの構成が、現在使用されている。これらには、メンテナンスなしで、複数年の信頼性が要求される、熱流束のセンシング、廃熱の変換、及び特定の惑星間宇宙探査機用の電源などの応用例がある。つまり、従来の装置において、条件は上述したもので示される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
商用の装置は、装置内の熱輸送が熱電素子の材料特性によって制約される点で共通している。既存の装置には、熱電アセンブリ内の熱輸送が改善されているものはなかった。
【００２９】
熱発電装置の改善された効率が、装置自体の内部におけるほぼ定常状態の対流式熱輸送によって達成される。熱電システム（熱電素子又はそのアレイ）が、熱輸送流体の流れを可能とし、移動物質に熱エネルギーを輸送し、又は熱を輸送するために熱電材料自体が移動するように構成されたシステムを設計することにより、全体の効率を改善することができる。改善された効率の代わりに、或いはそれと組み合わせて、ほぼ定常状態の対流式熱輸送を使用して、廃熱（低温）側の熱束、ｑCを低減させることができる。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の一態様は、少なくとも１つの熱電素子のアレイを使用する熱発電システムを含む。該アレイは、複数の熱電素子、又は１つ又は複数の熱電素子のアレイを含んで構成されているとよい。該アレイは、動作中にそれらの間で温度勾配を示す高温端及び低温端を有する。本発明によれば、熱電素子のアレイの少なくとも一部は、少なくとも１つのアレイを通る対流式熱輸送を促進するように構成されている。これを達成するために、前記アレイは、該アレイの少なくとも一部を通る少なくとも１種の対流媒体の流れを可能にし、前記アレイの少なくとも一部の一方の端から他方の端へのほぼ定常状態の対流式熱輸送を提供するように構成されている。一実施の形態では、前記流れは、前記熱電素子のアレイの少なくとも一部の前記低温端から前記高温端に流れる。
【００３１】
一実施の形態では、前記対流媒体が、前記熱電素子の少なくとも幾つかを通って、又は前記熱電素子に沿って（該熱電素子の間及び／又は周辺を）流れる。別の実施の形態では、前記対流媒体が、前記熱電素子に沿って、且つその中を通って流れる。好ましい一実施の形態では、前記熱電素子中を流れることを可能とするために、熱電素子又はそのアレイは透過性又は中空であるとよい。あるアレイでは、透過性の熱電素子と中空の熱電素子との両方の組み合わせも使用される。一実施の形態では、前記熱電素子は透過性を提供するように多孔性となる。別の実施の形態では、素子は筒状であり、又はハニカム構造を有する。このような流れは、通常、（螺旋状を含めて）前記熱電素子の長手方向に沿って、又は前記熱電素子の中を通って、或いは、それらの組み合わせとして実現される。
【００３２】
特定の一実施の形態では、前記熱電素子の少なくとも幾つかが、同心円状筒体を形成しており、該同心円状筒体の間を前記対流媒体が流れるようになっている。一実施の形態では、熱電素子が第１の組の同心円状筒体で形成されており、各筒状部分が前記第１の組の同心円状筒体における隣の筒状部分と同じ導電型の熱電材料で構成されている。このような実施の形態では、第２組の同心円状筒体が、前記第１組とは異なる導電型の熱電材料から形成される。或いは、筒体が、同心で、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料との間で交互になっていてもよい。
【００３３】
別の実施の形態では、前記対流媒体の少なくとも一部が熱電材料である。そして、前記対流媒体の熱電材料は、前記熱電素子の少なくとも幾つかを形成している。さらに、一実施の形態では、対流媒体の少なくとも一部が熱電材料であり、該対流媒体の熱電材料が、前記熱電素子の少なくとも幾つかの第１の部分を形成しており、固体の熱電材料が、同じ前記熱電素子の第２の部分を形成している。例えば、前記固体の熱電材料が筒状、或いは別の中空状の形状であり、前記対流媒体の熱電材料が、前記固体の熱電材料中を流れる。この組み合わせにより、熱電素子の少なくとも幾つかが形成される。一実施の形態では、前記対流媒体は、空気などの流体、固体、又はスラリーなど流体と固体との組み合わせである。
【００３４】
一構成では、第１の複数の熱電素子が、対流式熱輸送のために第１の型に構成されており、第２の複数の熱電素子が、対流式熱輸送のために第２の型に構成されている。例えば、第１の複数の熱電素子が透過性のものであり、第２の複数の熱電素子が前記アレイ中を移動する前記対流材料で構成された熱電素子であるとよい。熱電素子を分ける一例としては、第１の複数の熱電素子が第１の導電型の熱電素子であり、第２の複数の熱電素子が第２の導電型の熱電素子であるものが挙げられる。
【００３５】
別の実施の形態では、前記熱電素子の少なくとも幾つかは、対流を利用しないが、別の熱電素子は対流用に構成されている。例えば、対流を利用しない熱電素子が第１の導電型のもので、対流を利用する熱電素子が第２の導電型のものである。
【００３６】
前記アレイの少なくとも一部には、少なくとも幾らかの対流媒体と、少なくとも幾つかの前記熱電素子又はそのアレイとの間の熱輸送を改善する少なくとも１つの熱輸送における特徴があることが好ましい。例えば、前記熱電素子又はそのアレイが筒状、或いは別の中空状の形状であるところでは、熱輸送における特徴は、前記筒状の熱電素子の少なくとも幾つかの内部にある。前記対流媒体が、前記熱電素子の外側に沿って流れるところでは、熱輸送における特徴は、前記熱電素子の少なくとも幾つかの間にある。このような熱輸送における特徴の一例としては、対流媒体の流れ攪乱における特徴がある。
【００３７】
さらなる別の実施の形態では、少なくとも１つのコージェネレータが、前記熱発電装置のシステムと共に動作するように構成されている。一実施の形態では、前記コージェネレータの少なくとも一部が、前記対流媒体の燃焼を含む少なくとも１つの燃焼プロセス部を含んでいる。該燃焼プロセスは、少なくとも１つの内燃機関、或いは少なくとも１つの外燃機関で行われ得る。別の燃焼プロセスも可能である。例えば、一実施の形態では、前記コージェネレータが、少なくとも１つのタービン発電機を備えている。タービン発電機は、膨張を含む膨張プロセス、前記対流媒体の相変化プロセス、又は燃焼プロセスの少なくとも１つを使用して動作することができる。例えば、作動流体は、水蒸気に相変化する水でもよい。
【００３８】
一実施の形態では、前記コージェネレータは、燃料電池などの前記対流媒体を使用する少なくとも１つの電気化学プロセス部を含む。別の実施の形態では、吸収システムなどの加熱及び／又は冷却システムは、少なくとも幾分か、前記熱発電装置からの前記対流媒体を用いて動作するように構成されている。
【００３９】
本発明の別の態様は、熱発電装置のシステムへの熱の導入を通して該システムの動作中にそれらの間で少なくとも１つの温度勾配を示す、少なくとも１つの第１の端と、少なくとも１つの第２の端とを有する少なくとも１つの熱電素子のアレイを備えた熱発電システムにおける効率を改善する方法を含む。該方法は、前記アレイの少なくとも一部を通して能動的に熱パワーをほぼ定常状態に対流させるステップと、少なくとも１つの熱電素子のアレイからパワーを発生させるステップとを含む。
【００４０】
一実施の形態では、熱を対流させるステップが、前記少なくとも１つの熱電素子のアレイの少なくとも一部を通して、少なくとも１種の対流媒体を流すステップを含む。さらなる別の実施の形態では、少なくとも幾分か、前記少なくとも１種の対流媒体を用いてパワーをコージェネレーティングするさらなるステップが提供される。一実施の形態では、コージェネレーティングするステップは、少なくとも１つのコージェネレータで、前記少なくとも１種の対流媒体の少なくとも一部を燃焼させるステップを含む。一実施の形態では、コージェネレータは、少なくとも１つのタービン発電機を備えている。或いは、前記コージェネレーティングするステップは、前記少なくとも１種の対流媒体の少なくとも一部の膨張を含んでもよい。同様に、前記コージェネレーティングするステップは、さらに、又はその代わりに、前記少なくとも１種の対流媒体の少なくとも一部を用いた、燃料電池などの少なくとも１つの電気化学プロセス部を含んでもよい。
【００４１】
さらに別の実施の形態では、上記方法は、少なくとも幾分か、前記少なくとも１種の対流媒体を用いて加熱又は冷却を行うステップをさらに含む。加熱及び／又は冷却システムの一例としては、少なくとも幾分か、前記熱発電装置を通して流す対流媒体を用いる吸収システムの動作がある。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の熱発電装置を示す図である。
【図２】従来の熱発電装置内及び該熱発電装置からのパワーの流れを示す図である。
【図３】従来の熱発電装置によって達成され得る理論的効率を示す図である。
【図４】装置内での対流式熱輸送を使用する熱発電装置及びその内部でのパワーの流れを示す図である。
【図５】対流式熱輸送を使用し、その内部で加熱された対流流体が別の目的に完全に利用される、熱発電装置によって達成され得る理論的効率を示す図である。
【図６】コージェネレータと共に働き、装置内で対流式熱輸送を使用する熱発電装置、及び該システム内のパワーの流れを示す図である。
【図７】関連するコージェネレータと共に、装置内での対流式熱輸送を使用する熱発電装置によって達成され得るシステム全体の効率を示す図である。
【図８】コージェネレータと共に働き、対流式熱輸送を使用する熱発電装置を利用するシステム内で達成され得るキャパシティゲインを示す図である。
【図９】筒状熱電素子を示す熱電素子のアレイの一部を詳細に示した図である。
【図１０】混合羽根を有する筒状熱電素子を示す熱電素子のアレイの一部を詳細に示した図である。
【図１１Ａ】入れ子状の同心円状筒体から構成された熱電素子を示す熱電素子のアレイの一部を詳細に示した図である。
【図１１Ｂ】入れ子状の同心円状筒体から構成された熱電素子を示す熱電素子のアレイの一部を詳細に示した図である。
【図１２】熱電素子の長手方向に沿った対流を示す熱電素子のアレイの一部を詳細に示した図である。
【図１３Ａ】羽根によって生じる追加的な混合を伴う熱電素子の長手方向に沿った対流を示す熱電素子のアレイの一部を詳細に示した図である。
【図１３Ｂ】羽根によって生じる追加的な混合を伴う熱電素子の長手方向に沿った対流を示す熱電素子のアレイの一部を詳細に示した図である。
【図１４Ａ】ハニカム構造を有する熱電素子を示す熱電素子のアレイの部分を詳細に示した図である。
【図１４Ｂ】ハニカム構造を有する熱電素子を示す熱電素子のアレイの部分を詳細に示した図である。
【図１５】筒状熱電素子のアレイの一部を示した図である。
【図１６】熱電素子のアレイに入る前に混合される対流式熱輸送流体としての反応物流体の使用を示す熱電素子のアレイの一部を詳細に示した図である。
【図１７】熱電素子のアレイから出た後に混合される対流式熱輸送流体としての反応物流体の使用を示す熱電素子のアレイの一部を詳細に示した図である。
【図１８】対流式熱輸送流体として液体熱電材料を使用する対流式熱輸送を伴う熱発電装置の一部を詳細に示した図である。
【図１９】コージェネレータの作動流体として使用される対流式流体を利用する熱発電装置の統合例を示す図である。
【図２０】タービン発電機の作動流体として空気を有する熱発電装置の別の統合例を示す図である。
【図２１】吸収加熱及び冷却システムを有する熱発電装置の統合例を示す図である。
【図２２】燃料電池システムを有する熱発電装置の統合例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
例及び具体的な実施の形態を説明の目的で使用して、本発明を紹介する。以下に述べる様々な例により、所望の改善を得るために利用できる様々な構成が例示される。本発明によれば、特定の実施の形態及び例は、例示的なものにすぎず、示された発明及びこれらの発明の様々な態様を限定するための方法として意図されたものではない。さらに、冷却側、加熱側、低温端、高温端、より低温端、より高温端などの用語は、特定の温度を示すものではなく、相対的な意味での用語であることを理解されたい。例えば、熱電素子又はそのアレイの「高温」、「加熱」又は「より高温」側が周囲温度の場合、「低温」「冷却」又は「より低温」側は周囲温度より低い。逆に、熱電素子又はそのアレイの「低温」、「冷却」又は「より低温」側が周囲温度の場合、「高温」、「加熱」又は「より高温」側は周囲温度より高い。したがって、これらの用語は互いに相対的であり、熱電素子の一方の側が、反対側よりも、より高い又はより低い温度であることを示す。
【００４４】
図４は、第１の実施の形態に係る熱発電装置を示す。Ｐ型及びＮ型の熱電素子４０２が、アセンブリ内で２枚の基板４０４の間に配列されている（簡単のため２つの熱電素子だけを示す）。この特定の実施の形態では、熱電素子４０２は、多孔性であること、又はその別の方法で流体を通し得るものであることが好ましい。一般に、２つより多い素子が使用される。しかし、説明のためには２つの素子で十分である。さらに、「熱電素子」という用語は、この説明の文脈で、個別のＰ型又はＮ型の熱電素子を示すように取られがちであるが、熱電素子のアレイも使用される。したがって、熱電素子のアレイが示されるとき、その用語は、アレイのアレイも指す。例えば、いわゆる熱電素子４０２の各々が、多くの個別のＰ型及びＮ型の熱電素子のアレイから構成されていてもよい。一実施の形態では、アセンブリは長方形である。最後に、熱電素子は、文献で論じられているような従来の素子、ヘテロ構造、固体と液体のスラリー、ナノ構造などのタイプのものとなり得、また、熱電／熱イオン構造又は材料の組み合わせともなり得る。したがって、本明細書で使用される熱電素子又は熱電材料という用語は、広い意味を意図している。
【００４５】
熱電素子４０２は、該熱電素子４０２の両端にはんだ付けされた銅の分路４１８によって直列に接続されている。温度ＴHの熱源４０６及び温度ＴCの熱シンク４０８を介して熱発電装置全体に温度差が加えられ、熱発電装置の端子４１８に生成されるべき電圧が起こされ、それにより、負荷を介して電流Ｉが駆動され、仕事４１４（Ｗ）がなされる。低温側多岐筒体４１０及び高温側多岐筒体４１２は、それぞれ熱シンク４０８及び熱源４０６に組み込まれている。多岐筒体４１０及び４１２は、基板４０４及び分路４１８の孔４２０を介して、熱電素子４０２の端部に接続されている。温度ＴCの対流流体４２２が導入され、アセンブリを通ってポンプ４１６によって輸送される。
【００４６】
動作中、熱ＱHが熱発電装置の左からに入り、熱ＱCが熱発電装置の右から出る。（非常に一般的に使用される）対流流体４２２は、熱電素子４０２を通るときに加熱されるので、内部で発生した熱（Ｉ2Ｒ熱）の一部が左から右に移動する。対流流体４２２は、温度ＴCで装置に入り、温度ＴHで装置から出る。本発明に係るシステムの特性が対流熱の輸送によって、どのように影響されるかをより理解するために、対流式熱輸送を利用する熱発電装置で発電及び熱流を制御する方程式を以下に展開し、上述した従来の熱発電装置のものと比較する。従来の熱発電装置での発電の説明における場合と同様に、材料の特性は電流及び温度によって変化せず、熱流及び電流は１次元であり、条件は時間と共に変化しないと仮定する。今回の場合、新しいパラメータδが導入され、これは装置内での伝導熱輸送と対流熱輸送の比である。即ち以下の通りである。
【００４７】
【数１１】


【００４８】
【数１２】


【００４９】
【数１３】


【００５０】
【数１４】


【００５１】
【数１５】


【００５２】
【数１６】


【００５３】
熱発電装置を出る対流流体の熱容量が完全に利用される場合（例えば、燃焼の前に燃料を予熱する場合）、又は別の目的で、数式１３及び数式１４が組み合わされ、対流流体の熱容量が差し引かれる。効率は、次式で与えられる。
【００５４】
【数１７】


【００５５】
δ→∞で、ｑC→αＩＴCとなり、低温シンクをＴCに保持するラジエータがより小さくなり得ることに留意されたい。また、Ｋ（δ）はδの関数であり、δ→０で伝導の値Ｋに近づくことに留意されたい。また、δ＞０の場合、Ｉ2Ｒ熱損失の大部分が、高温端に輸送される。予想されるように、δ→０で項ξ（δ）／２→１／２である。ξ（δ）及びＫ（δ）／Ｋの近似値を表１に示す。
【００５６】
【表１】


【００５７】
表１から読み取れるように、δが増加すると、効率方程式である数式１７の分母が小さくなり、それにより効率が増加する。図５は、このような対流があるシステムの効率を示しており、（対流がない場合の）図３と比較される。曲線３０１は、両図で同一であり、即ち対流がなく、ＴH＝１２００°Ｋの場合である。対流（δ）が増加すると、すべてのＺの値で効率が改善されている。δ≒５の場合、非常に小さいＺの値に対しても、効率が大きく増加している。図示のように、（Ｚの値がより低い）熱電対に使われるようなごく普通の合金を、熱電素子に使用することができ、それによって、材料及び製造の両方のコストを削減することができる。例えば、図５の曲線３０１上のポイント５０１は、銅５５％、ニッケル４５％のＮ型材料と共に作用するニッケル９０％、クロム１０％のＰ型材料では、２０％を少し超える効率を示す。
【００５８】
図６は、別の実施の形態に係る改善された熱発電装置を示す。この場合、熱発電装置は、蒸気発生装置などのコージェネレータと共に作動して電気を発生させる。（上述のように、熱電素子のアレイを含む）Ｐ型及びＮ型の熱電素子６０２は、アセンブリ内の２枚の基板６０４間に配列されている（簡単のため２つの熱電素子だけを示す）。一実施の形態では、アセンブリは長方形である。上記と同様に、一実施の形態では、熱電素子（或いは、熱電素子のアレイ）は多孔性である、又はその別の方法で対流流体を該熱電素子、或いは熱電素子のアレイ内に通し得るものである。熱電素子６０２は、該熱電素子６０２の両端にろう付けされた銅の分路６１８によって直列に接続されている。温度ＴHの熱源６０６及び温度ＴCの熱シンク６０８を介して、熱発電装置全体に温度差が加えられ、熱発電装置の端子６１８に生成されるべき電圧が起こされ、それにより、負荷を介して電流Ｉが駆動され、仕事６１４（Ｗ1）がなされる。低温側多岐筒体６１０及び高温側多岐筒体６１２は、それぞれ熱シンク６０８及び熱源６０６に組み込まれている。多岐筒体６１０及び６１２は、基板６０４及び分路６１８の孔６２０を介して、熱電素子６０２の端に接続されている。（広い意味で定義された）対流流体６２２は、温度ＴCで導入され、アセンブリを通ってポンプ６１６によって輸送される。
【００５９】
動作中、熱ＱHが熱発電装置の左からに入り、熱ＱCが熱発電装置の右から出る。熱電素子６０２を通るときに対流流体６２２が加熱されることにより、内部で発生した熱Ｉ2Ｒが部分的に左から右に移動する。対流流体６２２は、熱発電装置に温度ＴCで入り、熱発電装置を温度ＴHで出て、仕事６２６（Ｗ2）を生成するコージェネレータ６２４を駆動するために使用される。コージェネレータの効率をφとすると、コージェネレータが行う仕事は次式で表される。
【００６０】
【数１８】


【００６１】
したがって、システム全体の効率は、次式で表される。
【００６２】
【数１９】


【００６３】
この効率は、Ｋ（−δ）における増加のために減少するが、コージェネレータの効率によって、それ以上に十分に大きいδの値に回復する。このことは、コージェネレータの効率が小さい場合、システム全体の効率がコージェネレータ単独の場合より増加することを示す図７から読み取れる。効率の増加は、δ≒５の場合、ＺＴavが約０．１のところ（ポイント７０１）から、δ≒２の場合、ＺＴavが約０．８５のところ（ポイント７０２）から、δ≒１の場合、ＺＴavが約１．６のところ（ポイント７０３）から始まっている。
【００６４】
統合システムのキャパシティ出力において、重要なゲインを得ることができる。図８は、図６に示したようなシステムのキャパシティの増加を示す。これらのゲインは、Ｚが増加するにつれて、より大きくなっている。対流によって、意味のあるキャパシティＺＴが１．５まで増加される。Ｇｈａｍａｔｙ等の米国特許第６，０９６，９６４号及び米国特許第６，０９６，９６５号に記載されているように、２〜４のような、より大きなＺＴの値の場合、３０％のキャパシティ増加が可能である。
【００６５】
図９から図１４は、図４及び図６に示した熱電素子の代わりに使用される熱電素子の異なる実施の形態を示す。好ましくは、対流流体及び据え付けの素子は、熱電素子又は熱電素子のアレイ内における流れの方向に沿った位置において、それらの間で最小限の温度差を有するように設計されている。図９は、図６に示したように、高温側基板９０２と、低温側基板９０３と、回路９０６と、基板及び回路を貫通する孔９０５と、複数の中空、中実の熱電素子９０４とを備えるシステムにおいて使用される熱電素子の一部９０１を示す。（例えば、液体の熱電材料流体や、或いは、別の非熱電材料流体となり得る）熱輸送流体は、温度ＴCで低温端の孔に入り、温度ＴHで高温端から出る。
【００６６】
図１０は、図６のものと同様に、高温側基板１００２と、低温側基板１００３と、回路１００６と、基板及び回路を貫通する孔１００５と、複数の中空の熱電素子１００４とを備える熱電素子のアレイの一部１００１を示す。図１０は、熱輸送における特徴を示す。図１０は１つの特別な例を示しており、流れを混合するための流れ撹乱における特徴がある。図１０には、中空（例えば筒状）の熱電素子１００４内部に配置された螺旋型羽根１００８で熱輸送における特徴が示されている。螺旋型羽根１００８は、熱輸送流体１００９を回転させて混合する働きをし、それによって、熱電素子１００４から熱輸送流体１００９への熱輸送を増加させる。この特徴は、熱電素子を通って或いは貫通して対流媒体が流れるとき、熱電素子と対流媒体との間の熱輸送を改善するものであり、これによって流れが著しく妨げられないものであれば十分である。
【００６７】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、同心円状筒体１１１４〜１１１６が形成された熱電素子のアレイにおける熱電素子のアレイ１１０１の構造を示す。図１１Ａは、熱電素子１１１４、１１１５及び１１１６の上面図を示す。図１１Ｂは、図１１Ａの線１１Ｂ−１１Ｂにおける断面を示し、温度ＴCの底部から温度ＴHの頂部への流体の流れを示すと共に、基板１１０２、１１０３及び回路１１０６を追加している。熱電素子のアレイ１１０１は、高温側基板１１０２及び低温側基板１１０３と、回路１１０６と、筒体１１１４、１１１５及び１１１６とから構成される。この特定の構成では、筒体は同心円状である。しかし、同心円状であることも筒状形状であることも必ずしも必要ではない。例えば、製造上の考慮により、特定の構造が要求されることもある。回路１１０６及び基板１１０５の孔は、筒体１１１４、１１１５、１１１６間の環状ギャップ１１１７で一列に並んでいる。熱輸送流体１１１８は、環状ギャップ１１１７を通る。図１１には、一例として３つの同心円状筒体が示されている。この例で、筒体は、Ｐ型とＮ型で交互に同心円状に形成されていてもよい。或いは、その同心円状筒体は、各々が同じ導電型から構成され、他方の導電型の熱電素子が別の一組の同心円状筒体から形成されていてもよい。筒体の数は実用的な数であればよい。さらに、熱輸送流体１１１８は、外側の半径が最大の筒体を越えても導かれ得る。繰り返すと、筒体１１１４、１１１５及び１１１６は、基板１１０２と１１０３間で、且つこれらの基板に平行な線１１１９に沿って、流体１１１８と熱平衡に近づくように設計されている。
【００６８】
図１２は、その周辺を熱輸送流体１２０７が流れる複数の固体熱電素子１２０４で構成された、さらに別の熱電素子のアレイ１２０１の構成を示す。熱電素子のアレイ１２０１は、上述のアレイのように、高温側基板１２０２及び低温側基板１２０３と、回路１２０６と、熱輸送流体１２０７をアレイ内に通す回路及び基板の孔１２０５とを備えて構成されている。
【００６９】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、図６の熱電素子のアレイと同様に構成され、熱輸送における特徴が付加された熱電素子のアレイを示す。本実施の形態では、熱輸送における特徴は、熱電素子１３０４の間にある。この図では、熱輸送における特徴は、羽根１３０７から形成された流れ撹乱における特徴にある。そのような羽根の一例を、図１３Ｂに追加して詳細に示す。羽根は、螺旋状の経路で熱輸送流体１３０８を搬送する働きをし、それによって熱輸送を増加させる。断熱材１３０９が、羽根１３０７を囲む周囲の空間に配置されると、さらに熱輸送流体１３０８が搬送され、熱輸送が高められる。図１０と同様に、熱電素子と対流媒体との間の熱輸送を改善する別の特徴を与えることも可能である。
【００７０】
図１４は、図６の熱電素子のアレイと同様に、高温側基板１４０２及び低温側基板１４０３と、回路１４０６とを有するが、図１４Ｂに示されたような、その内部を流体が移動できるハニカム構造で構成された熱電素子１４０４を有するように構成された熱電素子のアレイ１４０１を示している。ハニカムの大きな表面積によって、熱輸送流体１４０５への熱輸送が増加する。
【００７１】
図４及び図６は、特定されていないタイプの対流式熱輸送流体を使用する、対流式熱輸送を示す。図１５〜図２０では、特定のタイプの対流式熱輸送流体における幾つかの例を開示する。図１５は、空気などの不活性流体の使用を示す。図１５に示す熱電素子のアレイ１５０１の部分では、熱電素子１５０４は、回路１５０６に電気的に接続され、高温側基板１５０２と低温側基板１５０３との間に挟まれた中空の筒体として構成されている。空気１５０７は、低温側の基板及び回路１５０５中の孔から温度ＴCで入り、温度ＴHで出る。このタイプの対流式熱輸送流体は、図１５に示した筒状構造で使用されるだけでなく、図４及び図６の熱電素子の構造、図１０及び図１３に記載されたような流れ撹乱における特徴を有する熱電素子の構造、図１１の同心円状筒体、図１２の熱電素子の周囲を流れるもの、図１４のハニカム構造、又は本出願に記載された対流式熱輸送を達成する別の構造においても使用され得る。
【００７２】
図１６及び図１７は、１つ又は複数の反応物からなる対流流体を使用する熱電素子の構造を示しており、図４における熱電素子のアレイの部分を示している。図１６に示した熱電素子のアレイ１６０１の部分では、熱電素子１６０４は、回路１６０６に電気的に接続され、高温側基板１６０２と低温側基板１６０３との間に挟まれた中空の筒体として構成されている。１つ又は複数の反応物流体１６０７及び１６０８が、混合チャンバ１６１０を通って入り、次いで低温側の基板及び回路１６０５中の孔を通って温度ＴCで熱電素子１６０４に入り、温度ＴHで出る。混合され加熱された流体は、触媒セクション１６０９中を通って反応する。それ自身の温度ＴHだけで反応することができる場合は、触媒セクション１６０９を設けなくてもよい。このタイプの対流式熱輸送流体は、図１６に示した筒状構造で使用されるだけでなく、図４の熱電素子の構造、図１０及び図１３に記載された流れ撹乱における特徴を有する熱電素子の構造、図１１の同心円状筒体、図１２の熱電素子の周囲を流れるもの、図１４のハニカム構造、又は本出願に記載された対流式熱輸送を提供し或いは可能とする別の構造においても使用され得る。
【００７３】
図１７に示した熱電素子のアレイ１７０１の部分は、図１６のものと同様であるが、反応物の混合がアレイの出口で行われる。この特定の図では、熱電素子１７０４は、回路１７０６に電気的に接続され、高温側基板１７０２と低温側基板１７０３との間に挟まれた中空の筒体として構成されている。１つ又は複数の反応物流体１７０７及び１７０８は、低温側の基板及び回路１７０５中の孔を通って温度ＴCで熱電素子１７０４に入り、温度ＴHで混合チャンバ１７１０内に出る。混合され加熱された流体は、触媒セクション１７０９中を通って反応する。それ自身の温度ＴHだけで反応することができる場合は、触媒セクション１７０９を設けなくてもよい。このタイプの対流式熱輸送流体は、図１７に示した筒状構造で使用されるだけでなく、図４の多孔性の熱電素子の構造、図１０及び図１３に記載された流れ撹乱における特徴を有する熱電素子の構造、図１１の同心円状筒体、図１２の熱電素子の周囲の流れ、図１４のハニカム構造、又は本出願に記載された熱対流を可能とする別の構造においても使用され得る。
【００７４】
反応物流体の混合を、熱電素子のアレイを通る前にするか、後にするかの選択は、反応物流体の特性、反応物流体の熱電素子材料への影響、或いは発電機全体に対する形状面での制約やコスト上の制約など別の考慮事項に基づいてなされる。図１７に示されているように後に混合した場合、特定の熱電素子を通る反応物のそれぞれによって取られるルートは、対流式熱輸送のための任意なものとなり、別の考慮事項によって決まることもある。例えば、反応物の１種が、例えば、Ｎ型熱電材料を損傷することがある場合には、そのような反応物はＰ型材料だけを通過させる。
【００７５】
図１８は、液体の熱電材料が熱電素子の少なくとも一部を形成する熱発電装置の一部を示す。図示のように、アレイ１８０１は、温度ＴHの熱源１８１２、温度ＴCの熱シンク１８１３を含んで構成されている。熱源１８１２及び熱シンク１８１３の内部に、Ｐ型及びＮ型流体熱電材料を、回路１８０６、高温側基板１８０２及び低温側基板１８０３中の孔１８０５に導くチャンネル１８１４がある。熱電流体１８０７及び１８０８は、高温側熱源１８１２に向かって筒体１８１１を通るとき温度ＴHに加熱され、熱シンク１８１３で温度ＴCに戻る。筒体１８１１は、断熱性であることが好ましい。ポンプ１８０９（Ｐ型材料用）及びポンプ１８１０（Ｎ型材料用）は、熱電流体１８０７及び１８０８を推進させる。
【００７６】
液体熱電材料の一例は、液体になる温度（室温以上）でのタリウム及びテルル（Ｐ型）の混合物、及び水銀／ルビジウム（Ｎ型）の混合物である。そのような材料の一部が、Ａ．Ｆ．ロッフェ（Ａ．Ｆ．Ｌｏｆｆｅ）の「半導体熱電素子及び熱電冷却（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＴｈｅｒｍａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｉｎｇ）、インフォサーチ（Ｉｎｆｏｓｅａｃｈ）、ロンドン（Ｌｏｎｄｏｎ）」（１９５７年）に記載されている。別の例は、水銀中でスラリーにしたＰ型ビスマステルル化合物及び水銀中でスラリーにしたＮ型ビスマステルル化合物である。
【００７７】
図１８は、Ｎ型及びＰ型の液体熱電材料の使用を示すが、応用例によっては、一方の型にだけ液体熱電材料を使用し、固体の、多孔性の、筒状の又はハニカム構造の熱電材料を他方の型に使用し、別の幾つかの流体をこれらの素子の間で対流式熱輸送エージェントとすることが望ましい。
【００７８】
図１９から２２は、対流式熱輸送を伴う熱発電装置が、コージェネレータと統合される方法の例を示す。図１９は、熱発電装置１９０２がコージェネレータ１９０３と統合されたコージェネレーションシステム１９０１を示す。熱発電装置１９０２は、上述のもののいずれかと同様に構成された熱電素子（又は熱電素子のアレイ）１９０４（簡単のために２つだけを示す）と、熱電素子を電気的に直列に接続する分路１９０５とで構成されている。負荷１９０６はＲLで表され、直列の分路回路の両端で熱発電装置１９０２に取り付けられており、仕事ＷTEがなされる。熱電素子の低温端には、低温側分路と良好に熱的接触をするボイラー１９０７がある。対流流体１９０９は、流体の加圧もするポンプ１９０８によりシステム中を循環する。対流流体１９０９は、アルコール、ヘキサンなどの低分子量の炭化水素、水、又は比較的低い沸点の別の適当な流体でよく、膨張又は相変化のコージェネレーションシステムで使用される。例えば、水は水蒸気に相変化し、これによりタービンコージェネレータが駆動される。対流流体１９０９は、熱発電装置１９０２の高温端から出て、仕事ＷCGを生成するコージェネレータ１９０３に送られる。熱源ｑHが加えられると、熱の一部が熱電素子１９０４を通って高温端から低温端に輸送され、低温端でボイラー１９０７内の高圧の流体に吸収される。圧力、熱流、及び材料の特性が適切に選択されている場合、吸収された熱は、熱電素子の低温端１９０４で高圧の液体から高圧の気体へと、対流流体１９０９を相変化させる。したがって、ボイラー１９０７は、非常によい熱シンクとして働き、低温端の温度をＴC又はそれに近い温度に保持する。（ここでは気体の）対流流体１９０９は、熱電素子１９０４の長手方向を横切って流れるとき、さらに多くの熱を吸収して、高温（ｑH）で且つ高圧の熱電素子１９０４の高温端から出る。次に、それは、コージェネレータ１９０３内で作動流体として使用される。次いで、コージェネレータ１９０３を通るとき幾分冷却された流体１９１０は、凝縮部１９１０により低圧で温度ＴCに戻され、システムを通って再度循環される。廃熱は、ｑCとして凝縮部１９１０からシステムを出る。
【００７９】
図２０は、熱発電装置２００２をタービン２００３などのコージェネレータと統合したコージェネレーションシステム２００１を示す。一実施の形態では、空気２００４が熱発電装置２００２用の対流流体であり、コージェネレーションタービン２００３用の作動媒体である。熱発電装置２００２は、対流式発電ゾーン２００５、空気吸入ゾーン２００６、及びここでは非対流式で示されているが対流式でも非対流式でもよい発電ゾーン２００７を含むセクションから構成されている。対流式発電ゾーン２００５は、上述のタイプのものでよく、また対流式熱輸送を可能とする別のタイプのものでもよい熱電素子２００８を含んで構成されている。図２０では、簡単のため２本足の熱電素子のアレイだけが示されている。熱発電装置２００２は、熱源ｑHによって温度ＴHに保たれた高温端２０１０、及び廃熱ＱCTEを取り除くラジエータ２０１２によって温度ＴC（ほぼ周囲温度）に保たれた低温端２０１１を有する。対流式の熱電素子２００８は、分路２０１３によって高温端で電気的に接続されている。非対流式の熱電素子２００９は、同様の分路によって分路に低温端で電気的に接続されている。空気２００４を空気吸入ゾーン２００６に導入できる能力を維持しながら、対流式の熱電素子２００８のより低温端と非対流熱電素子２００９のより高温端とが互いに電気的に接続されている。全体として、熱電素子２００８及び２００９は、分路２０１３によって直列に接続されている。
【００８０】
空気２００４は、コンプレッサー２０１４において周囲温度ＴAでコージェネレーションシステム２００１に入る。コンプレッサー２０１４を動作させるために必要なエネルギーをＷCで表す。次いで、空気２００４は、コンプレッサー２０１４によって起こされた圧縮加熱によって、温度ＴMで空気吸入ゾーン２００６に入る。温度ＴMは、温度ＴHより低く、温度ＴCより高い。したがって、対流式発電ゾーン２００５にわたる温度差ＴH−ＴM、及び非対流式発電ゾーン２００６にわたる温度差ＴM−ＴCが合わさって、両方のゾーンで熱発電が起こる。ここでのゾーンの概念は、タービン発電機が、高圧、高温の作動流体を必要とするので、好都合である。この作動流体は、対流流体としても使用され得るので、対流素子の低温端は周囲程低温でなくなる。非対流式発電ゾーンを追加することにより、追加しないときには廃熱であったものを利用することができる。
【００８１】
空気２００４は、熱発電装置２００３の空気吸入ゾーン２００６から高温端２０１０に移るとき、温度をＴHまで増加させ、タービン発電機２００３に移る。廃熱ＱCCGを運ぶ空気２００４は、タービン発電機から比較的低い温度で排出される。
【００８２】
コージェネレーションシステム２００１の全体的効率は、次式で与えられる。
【００８３】
η＝（ＷTE＋ＷCG−ＷC）／ｑH ・・・数式１８
図２０は、タービンコージェネレータと組み合わせた熱発電装置を示すが、コージェネレータの作動流体にかなりの熱を加える必要があるときには、別の型のコージェネレータとの組み合わせも可能である。この特徴をもつ多くの熱力学サイクルの例については、サアド・ミッシェル．Ａ（Ｓａａｄ，ＭｉｃｈｅｌＡ．）の「熱力学：法則と演習（Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ： Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄＰｒａｃｔｉｃｅ）、プレンティス・ホール（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ）、０７４５８ニュージャージー州アッパーサドルリバー（Ｕｐｐｅｒ Ｓａｄｄｌｅ Ｒｉｖｅｒ，ＮＪ， ０７４５８）」（１９９７年）を参照されたい。例えば、ガソリン又はディーゼルの内燃機関を熱発電装置と組み合わせて、熱発電装置の高温端が燃焼位置に熱的に結合され、燃料及び／又は酸化剤が熱発電装置を通る対流流体として使用される。同様の考え方がスターリングエンジンなどの外燃機関にも適用される。これらの場合、熱源を第２の熱発電装置に供給することに加えて高温の燃焼生成物を利用することができる。熱源の熱発電装置の高温端への結合は、燃焼が高温端に接触して行われるようにしてもよく、また熱交換器によって熱源から熱発電装置の高温端へ輸送されるようにしてもよい。
【００８４】
図２１は、吸収システム２１０２などの冷却及び／又は加熱システムと組み合わせた熱発電装置２１００を示す。吸収システム２１０１は、破線内で示されている。吸収システム２１０１は、上記サアド（Ｓａａｄ）著の文献の第４４２、４４３頁に記載されているように動作する。ＬｉＢｒに吸収される水など別の作動流体も可能であるが、この例では水に吸収されたアンモニアを使用する。これは、流筒体の隣に矢印で示されているように溶液を機構全体に循環させるポンプ２１０２と、発熱反応によりアンモニアが水に吸収される吸収部２１０３と、吸熱反応によりアンモニアが水から分離する発電部２１０４と、アンモニア蒸気によって運ばれた水蒸気をさらに分離する分離部２１０５と、アンモニア蒸気を凝縮する凝縮部２１０６と、膨張弁２１０７と、蒸発部２１０８とから構成されている。分離された水は、弁２１０９を通って吸収部２１０３に戻される。発電機２１０４への動力源は、低質の熱（ＱL）２１１０である。発電部２１０４からの廃熱（ＱW1）２１１１がある場合は、図示していない熱交換器を通って排気される。吸収部２１０３は、より低温の温度をほぼ一定に維持するために冷却しなければならない。これは、空気を流すフィン付き熱交換器（図示せず）を使用した廃熱（ＱW2）２１１２の除去など、標準の手段で達成される。凝縮部２１０６から除去された熱（ＱH）２１１３は、加熱用に使用され、また、加熱機能が必要でなければ、廃熱として扱うこともできる。熱（ＱC）２１１４は、環境から蒸発部２１０８によって抽出される。
【００８５】
高質の熱源２１１５は、全体システム２１１０の動力を供給する。例えば、燃焼プロセスからの熱（ＱI）は、高温の空気としてシステム内に導入され、熱交換器２１１６を通る。熱交換器２１１６は、分路２１１９によって電気的に直列に接続された熱電素子２１１８から構成された熱電素子のアレイ２１１７の高温端と良好に熱的に接触している。熱電素子のアレイ２１１７の低温端は、発電部２１０４と良好に熱的に接触しており、又は発電部２１０４と、熱パイプ又は別の熱輸送手段により熱的に接続されていてもよい。燃焼プロセスを使用することにより、反応物は、気体又は液体の場合、熱電素子２１１８中を通ることができ、熱電素子のアレイ２１１７の低温端から高温端への対流式熱輸送が達成される。熱交換器２１１６を出た空気は発電部２１０４に送られる。空気の温度、したがって熱交換器２１１６の温度は、発電機２１０４の温度より高い。熱電素子のアレイ２１１７全体にわたるこの温度差により、アレイ２１１７は上述のように熱発電装置となる。アレイの電気出力は、負荷２１２０で利用される。このように、熱電素子２１１７が、高質の熱源２１１５からパワーを発生させ、その「無駄な」熱が、吸収システムに動力を供給するために利用される。
【００８６】
発電部２１０４中に、分路２１２３によって電気的に直列に接続された熱電素子２１２２から構成される第２の熱電素子のアレイ２１２１がある。熱電素子２１２２は、上述のものと同様に構成されており、吸収システムの作動流体が吸収システムを通ることを可能とする（図２１に中空筒体として示されている）。熱電素子のアレイ２１２２の高温端は、低質の熱を輸送する手段と良好に熱的に接触している。熱電素子のアレイ２１２２の低温端は、熱シンク又は熱交換器（図示せず）と良好に熱的に接触している。熱電素子のアレイ２１２２全体にわたるこの温度差によって、アレイ２１２２は、熱発電装置としても働き、したがって追加の低質の熱を利用して電気を発生させる。熱電素子のアレイ２１２２の電力出力は、負荷２１２４で利用される。
【００８７】
図２２は、熱発電装置を電気化学コージェネレータと組み合わせた発電システム２２００を示す。本実施の形態では、電気化学プロセスは燃料電池である。別の電気化学プロセスも可能である。一部の燃料電池システムに固有の通常浪費されている高温ガスが、追加の電気を発生させる熱発電装置に動力を供給するために利用される。図示したシステムの燃料電池の部分は、ベーム（Ｂｏｅｈｍ）及びマアス（Ｍａａｓｓ）等によって開発され、アングリスト・スタンレー．Ｗ（Ａｎｇｒｉｓｔ，Ｓｔａｎｌｅｙ Ｗ．）の「直接エネルギー変換第３版（ＤｉｒｅｃｔＥｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，３rd ｅｄｉｔｉｏｎ）、アリン・アンド・バコン・インコーポレイテッド（Ａｌｌｙｎａｎｄ Ｂａｃｏｎ，Ｉｎｃ．）アメリカ合衆国２２１０マサチューセッツ州ボストン（Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ．２２１０，ＵＳＡ）」（１９７６年）の第４０１〜４０３頁に記載されたものに類似したものである。熱発電装置を燃料電池システムとどのように組み合わせるかを示す例として、この明細書中の以下の記載では、メタノールを燃料とし、水を酸化剤として使用する。異なる排気生成物を伴う異なる燃料を使用し、異なる温度で動作する別のタイプの燃料電池が、これらの相違に適合するように熱発電装置の性質を調整することにより、この明細書に記載された装置に代えることができる。このシステムにおける燃料電池部品の幾つかの要素は、本発明の主要部を記載する目的には付随的であるので、説明を省略する。
【００８８】
空気及びメタノール２２０１が、第１の熱発電装置２２０３の低温端２２０２に導入されて、対流式熱伝導を生じさせる。対流式輸送を使用することにより、上述のように熱発電装置２２０３の性能を高めることができる。熱発電装置２２０３の高温端２２０４において、クラッカ２２０５を動作させるのに必要な熱が燃焼によって生成される。熱発電装置２２０３は、電力出力２２０６を発生させる。空気及びメタノール２２０７がクラッカ２２０５に導入され、その中で水素及び一酸化炭素に変換される。これらの気体は燃料電池２２０８に渡される。燃料電池２２０８内で電気２２０９が発生され、（蒸気として）水及び空気２２１０が排気され、以下に記載するようにさらに使用される。一酸化炭素は、第１の熱発電装置２２０３の高温端２２０４に戻され、元のメタノール−空気の混合物２２０１と共に燃焼される。
【００８９】
例示したように、クラッカ２２０５からの廃熱２２１３及び燃料電池２２０８からの廃熱２２１４は、第２の熱発電装置２２１１及び２２１２に動力を供給するのに使用され、これらの熱発電装置２２１１及び２２１２は、システム動作時に、それぞれ電気パワー２２１５及び２２１６を発生させて純利益が得られる。別の燃料電池システムを使用する場合、その排気生成物２２１０は、十分高温であるので、第２の熱発電装置２２１１用の熱源に加えられ、第２の熱発電装置２２１１の高温端又は廃熱２２１３に導入される（図２２中の破線）。図２２に例示したように、燃料電池２２０８の排気生成物２２１０は、比較的低温であり、以下に述べるような補助的加熱に使用される。第２の熱発電装置２２１１、２２１２の一方又は両方を使用することもでき、また省略することもできる。第２の熱発電装置２２１１、２２１２の一方又は両方は、従来の熱発電装置であってもよく、また上述した原理に従う対流式熱輸送を使用したものであってもよい。図２２に例示したように、第２の熱発電装置２２１２は、燃料電池２２０８を動作させるのに必要な空気２２１７を利用することによって対流式熱輸送を使用する。
【００９０】
残っている廃熱源である、第１の熱発電装置２２０３からの廃熱２２１９、第２の熱発電装置２２１２からの廃熱２２２０、第２の熱発電装置２２１１を通過した冷却された排気２２２１及び第２の熱発電装置２２１２からの廃熱２２２２は、有利である場合、熱交換器２２２３に送られる。熱交換器２２２３では作動流体２２２４が加熱され、図示のように、図の右から左に通過し、高温の作動流体２２２５として排出される。次いで、この高温の作動流体２２２５は、暖房などの別の目的に使用される。作動流体２２２４は、熱交換器２２２３の右端に戻される。有利にも、作動流体２２２５のための実際の順序は、熱電システムにとってその冷却能力の利益が最大となるように選択される。すでに室温近くまで冷却され、熱交換器２２２３中を通過した流体からの排気２２２６は単純に排出される。

特許の図
【出願人】 【識別番号】５０３２８５６８９
【氏名又は名称】ビーエスエスティー エルエルシー
【出願日】 平成２１年６月９日（２００９．６．９）
【代理人】 【識別番号】１１００００７９６
【氏名又は名称】特許業務法人三枝国際特許事務所
【公開番号】 特開２００９−２４７２０６（Ｐ２００９−２４７２０６Ａ）
【公開日】 平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【出願番号】 特願２００９−１３８５３１（Ｐ２００９−１３８５３１）