JP5114092B2

JP5114092B2 - 電圧を発生させるための方法および少なくとも１つの熱電モジュールの温度を調整するためのシステム

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Publication number: JP5114092B2
Application number: JP2007122230A
Authority: JP
Inventors: ベン・ピー・フー
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2013-01-09
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Also published as: EP1855328A2; JP2007305993A; US20070261729A1; CN101072004A; US7915516B2; CN101072004B; EP1855328B1; EP1855328A3

Description

発明の分野
この発明は、電力システムに関し、より具体的には、熱電モジュールを用いて電力を発生させることに関する。

発明の背景
「熱電効果」とは、熱電材料の対向する表面間の温度差が電圧に変換されることであり、またその逆でもある。熱電効果は、一例として「ペルティエ効果」または「ゼーベック効果」としての形態で知られており、携帯型の飲料クーラおよび自動車で使用される小型電気冷却システムで用いられる技術である。熱電モジュール全体に電圧を印加すると、熱電モジュールの半導体材料を通して電流が流れるようになる。電流が熱電モジュールを通って流れると、熱電モジュールは熱電モジュールの冷却側から熱をモジュールの反対側に引き出す。この冷却側は、固体冷却装置として機能する筐体と結合される。

逆に、熱電効果を用いて、熱電モジュールの一方の表面が比較的高温にさらされ、対向する表面が比較的低温にさらされるように熱電モジュールを配置することで、電圧を発生させることもできる。電圧で温度差を生じさせるのではなく、温度差を用いて電圧を発生させるのである。

図１は、電圧を発生させるために用いられる熱電モジュール１００を示す。熱電モジュール１００は、高温熱源１１０と低温熱源１２０との間に位置し、高温熱源１１０に向けられる熱電モジュール１００の第１の表面１４０と、低温熱源１２０に向けられる熱電モジュール１００の第２の表面１５０との間に温度差ΔＨ１３０を生み出す。温度差１３０の結果として、熱電モジュール１００は電圧差ΔＶ１６０を発生させる。

熱電モジュールを用いて電力を発生させることには、複数の問題が伴なう。第一に、熱電モジュールの表面間の温度差が大きくなるほど、熱電効果の結果として生じる電圧が大きくなる。したがって、熱電モジュールの一方の側を反対の側よりはるかに高温、またははるかに低温の環境に配置することが望ましい。温度差が小さすぎると、熱電モジュールは十分な電圧を発生しなくなる。第二に、温度差の変化は発生する電圧に影響する。したがって、その差が予期したものより小さいと、熱電モジュールは十分な電圧を発生することができない。一方、温度差が予期された、または所望されたものより大きいと、熱電モジュールは大きすぎる電圧を発生する可能性があり、その余剰の電圧が、熱電モジュールから電圧を受ける装置に損傷を与えるおそれがある。第三に、現在利用可能な熱電モジュールは、比較的壊れやすい。そのため、非常に高い温度差を生み出すために熱電モジュールの一方の表面を非常に高温の環境にさらそうとすると、高温の熱によって熱電モジュールが損傷する可能性がある。

熱電モジュールを用いて発電することに関心が高まっている。結局のところ、無数のエンジン、モータ、火炉、照明、電気回路、およびその他の装置が、動作の副産物として廃熱を発生させている。しかも、それらのエンジンおよび他の装置を冷却して、それらの機能を維持したり、それらを損傷しないよう保護したりするために、エネルギを費やさなければならない。同様に、地熱源などの自然の熱源が生じる熱は、発電するための機会を浪
費していることになるのである。この浪費されている、または余剰の熱を熱電モジュールで利用することができれば、使用されていない熱源から別の方法で電気エネルギを発生させることができる。あいにく、十分な温度差を保ったり、過剰な温度差を防止したりする上での問題点によって、または単純に温度差を調節できないことで、熱電モジュールを用いて発電する実用性および有効性が損なわれている。

発明の概要
この発明の実施例は、熱電モジュールの動作条件を望ましい範囲内に保つために、熱電モジュールに温度調整を加えることに向けられている。この発明の実施例は、有利に、熱電モジュールを高温から保護し、または熱電モジュールを所望の温度差内で維持することができる。

一実施例では、熱電モジュールの動作状態がモニタリングされる。モニタリングされている動作状態が所望の範囲を超える時が特定される。モニタリングされている動作状態が所望の範囲を超えたと判定されると、動作状態を所望の範囲内に向けるために、温度条件に温度調整が加えられる。動作状態のモニタリングは、熱電モジュールの１つの表面に隣接する環境の動作温度、熱電モジュールの一部の表面温度、熱電モジュールの第１の表面と第２の表面との温度差、または熱電モジュールの出力電圧を測定することを含んでいてもよい。所望の範囲には、熱電モジュールが熱損傷を受けるレベルを下回る温度範囲、または熱電モジュールに所望の最小出力電圧を発生させることのできる温度差が含まれる。

この発明の実施例を、以下の図面を参照して詳細に説明する。
詳細な説明
この発明の実施例は、熱源に向けられた熱電モジュールの温度を調節することに関する。熱電モジュールの温度または熱電モジュール全体の温度差を調節することで、熱電モジュールの出力電圧を調節し、かつ、熱電モジュールを損傷しないよう保護することができる。

図２は、この発明のある実施例で用いられる熱電モジュール２００の全体的な概略図である。熱電モジュール２００の第１の表面２１０は、入力熱源２２０に向けられている。入力熱源２２０は、１つの態様では、エンジン冷却剤ラインまたはエンジン排気管などの廃熱源である。入力熱源２２０は、主要な熱源から熱を伝達する「高温」ヒートシンクを含んでいてもよい。たとえば、主要な熱源がエンジンである場合、入力熱源２２０は、エンジンブロックから通っている排気ラインまたは冷却ラインから熱を伝達するヒートシンクを含んでいてもよい。この発明の実施例は、制御可能なヒートシンク、または、たとえばヒートシンクに伝達される熱を調節できる熱源を含み、熱電モジュール２００の熱損傷を防止するようにしてもよい。

熱電モジュール２００の第２の表面２３０は、制御可能なヒートシンク２４０に向けられている。入力熱源２２０の温度Ｈ２５０と制御可能なヒートシンク２４０の温度Ｃ２６０との差によって、温度差ΔＨ２７０が生じる。熱電モジュール２００全体に与えられる温度差ΔＨ２７０によって、電圧差ΔＶ２８０が生じる。電圧差ΔＶ２８０は、温度差ΔＨ２７０に比例する。

入力熱源２２０がエンジン冷却剤ラインまたはエンジン排気管などの廃熱源である状況において、温度Ｈ２５０は典型的には変動する。上述したように、温度Ｈ２５０の変動により、温度Ｈ２５０が低すぎるか高すぎるかした場合、問題が生じるおそれがある。

このような変動を明らかにすると、制御可能なヒートシンク２４０は、温度Ｃ２６０を変動させて、温度差ΔＨ２７０を変化させることができる。したがって、温度Ｈ２５０が温度Ｃ２６０に対して低すぎる場合、制御可能なヒートシンク２４０を冷却して、温度Ｃ２６０を低下させ、温度差ΔＨ２７０を大きくすることができる。その一方で、温度Ｈ２５０が高すぎる場合、制御可能なヒートシンクＨ２２０の温度を下げて、熱電モジュール２２０を損傷しないように保護することができる。代替的に、温度差ΔＨ２７０が高すぎる電圧差ΔＶ２８０を発生させている場合、制御可能なヒートシンクの温度Ｃ２６０を上昇させて、温度差ΔＨ２７０を小さくし、それによって、電圧差ΔＶ２８０を下げることができる。一実施例では、入力熱源２２０を制御可能なヒートシンク２４０と制御可能に結合させて、熱電モジュール２００全体の温度差を小さくすることができる。それに応じて、入力熱源２２０が主要な熱源から熱を伝達するヒートシンクを含んでいるとき、熱電モジュール２００全体に与えられる温度差ΔＨ２７０を調節するとともに、主要な熱源から伝達される熱も同様に調節して、熱電モジュール２００に与えられる熱を制御することができる。

図３Ａは、熱源２２０によって与えられる温度Ｈ３００が所望されたものより低いときの例示的な事例を示す。この図面およびその他の図面に示す例示的な実施例の場合と同様に、入力熱源２２０は、制御された、または制御されていない熱源を含んでいてもよい。温度Ｈ３００は所望されたものより低いので、温度Ｈ３００と熱電モジュール２００全体の温度Ｃ３２０との温度差ΔＨ３１０によって、所望されたものより小さい電圧差ΔＶ３３０が生じる。

図３Ｂは、制御可能なヒートシンク２４０の温度Ｃ３５０をどのように低下させて、熱源２２０の温度Ｈ３００を変化させずに温度差ΔＨ３６０を大きくするかを一実施例を用いて示す図である。温度差ΔＨ３６０が大きくなると、熱電モジュール２００全体の電圧差ΔＶ３７０が大きくなる。

その一方で、図４は、熱源２２０によって与えられる温度Ｈ４００が所望されたものより高い場合の例示的な事例を示す。温度Ｈ４００と熱電モジュール２００全体の温度Ｃ４２０との温度差ΔＨ４１０は、意図された、または所望されたものより大きくなり、電圧差ΔＶ４３０も所望された、または意図されたものより大きくなる。留意すべき点は、電圧差の変化が必ずしも、温度差の変化の結果として線形な応答となるわけではないということである。したがって、温度Ｈ４００の変化に合わせて調整するために加えられる温度調整は、熱電モジュールの電圧差−温度差応答性を考慮すべきである。

図４Ｂは、制御可能なヒートシンク２４０の温度Ｃ４５０をどのように低下させて、熱源２２０の温度Ｈ４００を変化させずに温度差ΔＨ４６０を小さくするかを示している。温度差ΔＨ４６０を小さくすることで、熱電モジュール２００全体の電圧差ΔＨ４７０が小さくなる。代替的に、熱源２２０が主要な熱源から熱を伝達する入力ヒートシンクを含んでいる場合、以下で詳述するように、主要な熱源からヒートシンクに伝達される熱を調節してもよい。このように、入力熱源２２０に伝達される熱を調節することで、熱電モジュールに与えられる熱を低減して、熱電モジュールを損傷しないように保護することができ、または温度差ΔＨ４６０を調整して、熱電モジュール２００全体の電圧差ΔＶ３７０を小さくすることができる。

図３Ａから図３Ｂおよび図４Ａから図４Ｂの例に示すように、制御可能なヒートシンク２４０の温度を調整し、熱電モジュール２００全体の温度差を変化させて、熱源２２０によって供給された熱の変動に対応することができる。したがって、温度差を変化させると、それによって生じる電圧差を変化させることができる。代替的に、制御可能なヒートシンク２４０によって与えられる温度を調整して、熱電モジュール２００が受ける温度また
は温度差を低減し、熱電モジュールの損傷を軽減するようにしてもよい。さらに代替的に、主要な熱源からヒートシンクに伝達される熱を調節して、熱電モジュール２００が受ける温度または温度差を低減し、熱電モジュールの損傷を軽減するようにしてもよい。

制御可能なヒートシンクは多くの形態で具体化することができ、さらに制御可能なヒートシンクの温度はさまざまなシステムを用いて制御することができる。冷却システムは、流体冷却システムを含んでいてもよく、そのシステムにおいて、流体はガスであってもよく、液体であってもよい。さらに、以下で詳述するように、制御システムを採用して冷却システムの動作を指示させるのが望ましい場合もある。制御システムは熱電モジュールの動作状態をモニタリングでき、その状態の結果として、制御可能なヒートシンクに対する冷却を調整して、熱電モジュール全体の温度差を調整または維持することができる。

図５Ａおよび図５Ｂならびに図６Ａで示すように、第１の例証的な冷却システムは、空気冷却または別のガスによる冷却を用いる。図５Ａおよび図５Ｂは、空気冷却システムまたは他のガス冷却システムに適したヒートシンクを示す。図５Ａは、複数の冷却フィン５２０を支持する平面ブロック５１０を含むヒートシンク５００を示す。平面ブロック５１０および冷却フィン５２０はいずれも、銅またはアルミ合金などの熱伝導性材料から構成される。平面ブロック５１０は、冷却すべき構成要素の上に配置される。平面ブロック５１０は、構成要素が発生した熱をフィン５２０に伝達する。フィン５２０は、熱の放出のために表面積が大きくなっており、フィン５２０の周囲の環境に向けて熱を放出する。

図５Ｂは、平面ブロックから熱を放出させる１つまたは複数のヒートパイプ５７０を支持する平面ブロック５６０を含むヒートシンク５５０を示す。ヒートパイプは平面ブロックから放熱する。ヒートパイプ５７０は、熱伝達をさらに促進するために、平面ブロック５６０から離れた端部に複数のフィン５８０を含んでいてもよい。一実施例では、ヒートパイプ５７０は中空の密閉管であり、その中には、水、エタノールまたは水銀などの冷却剤が封入されている。ヒートパイプ５７０が重力に沿って作動しているとき、冷却剤が重力によって平面ブロック５６０に隣接する一方の端部に引き付けられる。平面ブロック５６０から放出される熱によって、対向する端部で冷却された冷却剤が蒸発し、そこで冷却剤が凝縮して、平面ブロック５６０に配置された端部の方に戻る。ヒートパイプ５７０が重力に沿わない状況で作動している場合、内部ウィッキング構造が用いられて、凝縮した冷却剤が、平面ブロックに配置された表面の方に引き込まれる。ヒートシンク５００および５５０は２つの例示的な形態のヒートシンクであるが、他のタイプのヒートシンクもまた、空気冷却またはガス冷却を用いる制御可能なヒートシンクの実施に適している。この発明の実施例はさらに、熱電モジュールに温度調整を加えるために、蒸気室ヒートシンクまたはその他任意の望ましい形態のヒートシンクを採用することができる。この発明の実施例は、特定の選択された形態のヒートシンクの使用に限定されることはない。

図６Ａおよび図６Ｂは、熱電モジュールに温度調整を加えて、モジュールを損傷しないように保護し、モジュールの電圧出力を制御し、またはその他の動作上の問題に対応するためのシステムの例示的な実施例を示す。図６Ａおよび図６Ｂのシステムはいずれも、熱電モジュールによって引き出された熱電効果を支える温度差を発生させるために用いられる元の熱源を含むが、図示はしていない。元の熱源は数多くを使用できる。たとえば、自動車、航空機、船舶、またはその他任意のタイプの車両において、その車両を駆動するエンジンは、エンジンの冷却の結果として、およびエンジンの排気で、熱を発生させる。これらの熱源のいずれかまたは両方を利用して熱を供給し、熱電効果を促進することができる。同様に、熱電効果を促進するために、エンジン、モータ、火炉またはその他任意のタイプの機械を含む、機械またはその他の工業システムが、熱電効果の促進に利用できる熱を発生させる。さらに、熱電効果の促進には、地面もしくは太陽からの放射熱または液体もしくは蒸気の地熱など、自然発生する現象を利用してもよい。熱電効果の促進には、こ
れらの熱源またはその他任意の熱源のいずれを用いてもよい。

しかしながら、見やすくするために、これら元の熱源は、図４Ａから図４Ｂおよび図５Ａおよび図５Ｂに図示していないので、図６Ａにも図６Ｂにも図示していない。上述したように、図示の入力ヒートシンクまたは熱源は、元の熱源から熱を伝達して、熱電効果を促進する。一部の実施例では、伝達された熱は熱電モジュールに温度調整を加えるために制御されるか、または伝達された熱は熱電モジュールに温度調整が加えることの一環として制御される。

図６Ａは、制御可能なヒートシンク６０４を装備した熱電モジュール６０２から熱を伝達するのに適した冷却システム６００を示す。制御可能なヒートシンク６０４は、ガス冷却ループ６０６に設けられる。ヒートシンク６０４を通過したガスは、高温Ｃ↑６０８まで加熱される。高温Ｃ↑６０８に達したガスは、対流、ファン、またはその他の原動力（図示せず）によって、冷却ガス源６１２にさらされるまで循環する。冷却ガス源６１２はガスを低温Ｃ↓６１０まで冷却し、そこでガスは、冷却ループ６０６を介して循環し、ヒートシンク６０４から熱を引き出す。

１つの態様では、冷却システム６００は、熱電モジュール６０２の動作状態をモニタリングするセンサ６１６と結合される制御ユニット６１４を含む。制御ユニットは、サーモスタットを含んでいてもよく、または冷却機構６１８に対し、動作状態に基づいて冷却ループ６０６内で行なわれる冷却の度合の制御を指示するように動作可能な別のタイプの制御ロジックを含んでいてもよい。たとえば、センサ６１６は、熱電モジュール６０２の周りの環境温度を含む熱電モジュール６０２の動作温度、または熱電モジュール６０２の表面温度をモニタリングしてもよい。代替的に、熱電モジュール６０２によって生じる電圧差は、熱電モジュール６０２が受ける温度差に比例しているので、センサ６１６は、熱電モジュール６０２によって生じる電圧を、熱電モジュール６０２が受ける温度差を示すものとしてモニタリングしてもよい。

冷却機構６１８は、制御されたポート、ファン、または、制御ユニット６１４がセンサ６１６から読み取られた動作状態に応答して命令を出す別の機構を含んでいてもよい。熱源６２０がエンジンからの冷却ラインもしくは排気ライン、または冷却ラインもしくは排気ラインからの熱を伝達するヒートシンクを含む自動車などのシステムでは、冷却機構６１８は、エンジンと機械的に係合するファンを含み、エンジンの動作を利用して冷却ガス源６１２から冷却サイクルへの流れを誘導するようにしてもよい。ファンは、クラッチ機構を含み、制御ユニット６１４からの信号に基づいて空気の流れを選択的に増大させるようにしてもよい。クラッチ機構は、ファンによって加えられる温度調整を制御するために、選択的に制御ユニットと係合し、かつ、制御ユニットと連動することができる。したがって、センサ６１６が、さらに冷却が必要であることを示している場合、制御ユニット６１４は冷却機構６１８と係合して、冷却ガス源６１２と冷却サイクル６０６との接触を増やす。反対に、冷却があまり必要ない場合、制御ユニット６１４は、冷却機構６１８と係合して、冷却サイクル６０６の露出を減らすことができる。代替的に、熱源６２０が高温のジェット排気を含むジェット航空機のようなシステムでは、冷却機構６１８は、冷却サイクル６０６を冷却ガス源６１２としての周囲空気にさらすパネルを含んでいてもよい。ジェットエンジンは、周囲空気が非常に冷たく、本質的に極めて高速で流れているような高度で作動しているので、冷却ガス源６１２にさらされた冷却ループ６０６の部分の制御は、外気に対するパネルの選択的な開閉によって影響を受ける可能性がある。

制御ユニット６１４も、元の熱源（図示せず）から入力ヒートシンクまたは熱源６２０に供給される熱を制御するように動作可能な制御部６２２に結合される。したがって、元の熱源が、エンジン、天然源、または別の源のいずれであっても、制御部は、熱電モジュ
ールに与えられる熱を減少させ、かつ、入力ヒートシンクまたは熱源に与えられる温度差を変化させることができる。制御部６２２は、入力ヒートシンクまたは熱源６２０に伝達される熱を減少させるために用いることのできるバルブまたは同様の制御装置を含んでいてもよい。

図６Ｂは、熱電モジュールの表面の各々に与えられる熱を制御することで、熱電モジュール６５２に与えられる温度差を制御するのに適した別の冷却システム６５０を示す。システム６００（図６Ａ）にあるように、冷却システム６５０は、二次ヒートシンク６５４を装備した熱電モジュール６５２から熱を伝達する。二次ヒートシンク６５４は、ガスまたは液体冷却ループを含んでいてもよい冷却ループ６５６内に配置される。二次ヒートシンク６５４を通過したガスまたは液体の冷却流体は、高温Ｃ↑６５８まで加熱される。高温Ｃ↑６５８に達した流体は、冷却源６６２にさらされるまで、対流、ファン、またはその他の原動力（図示せず）によって循環する。冷却源６６２は、流体を低温Ｃ↓６６０まで冷却し、そこで流体は二次冷却ループ６５６を介して循環し、二次ヒートシンク６５４から熱を引き出す。

冷却システム６５０は、熱電モジュール６５２の動作状態をモニタリングする二次センサ６６８と結合される制御ユニット６６４を含む。制御ユニット６６４は、サーモスタットを含んでいてもよく、または冷却機構６７０に対し、動作状態に基づいて二次冷却ループ６５６内で行なわれる冷却の度合の制御を指示するように動作可能である別のタイプの制御ロジックを含んでいてもよい。たとえば、二次センサ６６８は、熱電モジュール６５２の周りの環境温度を含む熱電モジュール６５２の動作温度、または熱電モジュール６５２の表面温度をモニタリングしてもよい。代替的に、熱電モジュール６５２によって生じる電圧差は、熱電モジュール６５２が受ける温度差に比例するので、二次センサ６６８は、熱電モジュール６５２によって生じた電圧を、熱電モジュール６５２が受ける温度差を示すものとしてモニタリングしてもよい。

冷却機構６７０は、制御されたポート、ファン、または、制御ユニット６６４がセンサ６６８から読み取られた動作状態に応答して命令を出す別の機構を含んでいてもよい。熱源がエンジンからの冷却ラインまたは排気ラインなどの主要な熱源から熱を伝達する一次ヒートシンク６８０を含む自動車などのシステムでは、冷却機構６７０は、エンジンに機械的に係合されるファンを含み、エンジンの動作を利用して冷却源６６２から冷却サイクルへの流れを誘導するようにしてもよい。ファンは、図６Ａに関して上述したように、クラッチ機構を含み、制御ユニット６６４からの信号に基づいて、空気の流れを選択的に増大させてもよい。したがって、センサ６６８が、さらに冷却が必要であることを示している場合、制御ユニット６６４は冷却機構６７０と係合して、冷却ガス源６６２と冷却サイクル６５６との接触を増やす。反対に、冷却があまり必要ない場合、制御ユニット６６４は、冷却機構６７０と係合して、冷却サイクル６５６の露出を減らすことができる。

さらに、主要な熱源から熱を伝達する一次ヒートシンク６８０によって熱が熱電モジュール６５２に与えられるので、熱電モジュール６５２がさらされる動作状態は、一次ヒートシンク６８０に伝達される熱を調整することで調節できる。一次ヒートシンク６８０によって伝達される熱は、数多くの方法で調節可能である。たとえば、熱が流体によって一次ヒートシンク６８０に伝達される場合、流体の流れを、一次ヒートシンク６８０が受ける熱が少なくなるように規制することができる。伝達される熱は、制御ユニット６６４または別の制御ユニットによって調節することができる。制御ユニット６６４は、一次ヒートシンク６８０の温度、熱電モジュール６５２の表面温度または熱電モジュール６５２の周辺の温度を測定する一次センサ６９２と好適に結合される。したがって、制御ユニット６６４は、熱電モジュール６５２が受ける温度または温度差が高すぎるとき、一次ヒートシンク６８０に熱を伝達する流体の流れを規制することができる。

代替的に、図６Ｂに示すように、一次ヒートシンク６８０は、元の熱源（図示せず）から熱を伝達することができ、さらに一次ヒートシンク６８０は別の一次冷却ループ６８２によって冷却される。一次センサ６９２と結合された制御ユニット６６４は、熱電モジュール６５２の動作状態をモニタリングし、さらに、冷却機構６９０を制御して一次ヒートシンク６８０の冷却を調節する。冷却機構６９０は、制御されたポート、ファン、または、制御ユニット６６４が一次センサ６９２から読み取られた動作状態に応答して命令を出す別の機構を含んでいてもよい。したがって、一次センサ６９２が、さらに冷却が必要であることを示している場合、制御ユニット６６４は冷却機構６９０と係合して、冷却源６６８の接触を増やし、この冷却源は、二次冷却ループ６５６で用いられるのと同じ冷却源でもよいし、異なる冷却源でもよい。反対に、冷却があまり必要ない場合、制御ユニット６６４は、冷却機構６９０と係合して、一次冷却サイクル６８２の露出を減らすことができる。

一次ヒートシンク６８０を通過したガスまたは液体の冷却流体は、高温Ｃ↑６８４まで加熱される。高温Ｃ↑６８４に達した流体は、対流、ファン、またはその他の原動力（図示せず）によって、冷却源６８８にさらされるまで循環する。冷却源６８８は流体を低温Ｃ↓６８６まで冷却し、そこで流体は、一次冷却ループ６８２を介して循環し、一次ヒートシンク６８０から熱を引き出す。

図７から図８は、液冷を用いて熱電モジュールを冷却する制御可能なヒートシンクおよび冷却システムを示す。図７は、液冷ヒートシンク７００を示す。ヒートシンク７００は、熱電モジュールなどの冷却すべき構成要素に対して配置される平面ブロック７１０を含む。平面ブロック７１０は、熱電モジュールから冷却管７２０のループに熱を伝達するための熱伝導性材料を含む。冷却管７２０は、図８に関連して説明するように、平面ブロック７１０からの熱を吸収する冷却された液体を受け、それから熱せられた液体を冷却ループを通して運ぶ。このタイプのヒートシンクは、一般的に冷却板熱交換器と呼ばれる。

図８は、ヒートシンク８２０を装備した熱電モジュール８１０から熱を伝達するのに適した液冷システム８００を示す。制御可能なヒートシンク８２０は、図７に関連して説明しているように、液冷ループ８３０に含まれる冷却板熱交換器を含んでいてもよい。ヒートシンク８２０を通過した液体は、高温Ｃ↑８４２まで加熱される。高温Ｃ↑８４２に達した液体は、制御可能なヒートシンク８２０とラジエータ８４４との間の冷却ループ８３０を回るように冷却液を循環させるポンプ８７０によって循環する。冷却液はラジエータ８４４を通って循環するが、これは図７のヒートシンク７００の特徴であってもよい。冷却液はラジエータ８４４を通過する際、熱を冷却源８４６に伝達する。自動車または航空機などのシステムでは、冷却源８４６は、ラジエータ８４４がさらされる周囲空気であってもよい。代替的に、熱電モジュール８１０が、水域、もしくは温泉またはその他の液体の地熱源付近で作動する船舶またはその他のシステムに含まれるとき、冷却源８４６は、河川、湖、または海洋などの水域を含んでいてもよい。冷却源８４６は、冷却液を低温Ｃ↓８４８まで冷却し、そこで冷却液は冷却ループ８３０を介して戻り、ヒートシンク８２０から熱を引き出す。

１つの態様では、冷却システム８００は、熱電モジュール８１０の動作状態をモニタリングするセンサ８６０に結合される制御ユニット８５０を含む。制御ユニット８５０は、サーモスタットを含んでいてもよく、または動作状態に基づいて、ポンプ８７０などの冷却構造に冷却ループ８３０内で行なわれる冷却の度合の制御を指示するように動作可能な別のタイプの冷却ロジックを含んでいてもよい。たとえば、センサ８６０は、熱電モジュール８１０の周りの環境温度を含む熱電モジュール８１０の動作温度、または熱電モジュール８１０の表面温度をモニタリングしてもよい。代替的に、熱電モジュール８１０によって生じる電圧差は、熱電モジュール８１０が受ける温度差に比例しているので、センサ
８６０は、熱電モジュール８１０によって生じる電圧８８０を、熱電モジュール８１０が受ける温度差を示すものとしてモニタリングしてもよい。

一実施例では、ポンプ８７０は、たとえば、熱電モジュール８１０によって生じる電圧８８０の一部から電力が与えられる電気ポンプである。代替的に、ポンプ８７０は、エンジンに機械的に結合され、かつ、エンジンによって駆動されるポンプを含んでいてもよく、ポンプ８７０は、冷却源８４６からラジエータ８４４に伝達される冷却の度合を制御するクラッチ機構を含む。ポンプの制御に用いられるクラッチまたはその他のスイッチ機構は、熱電モジュール８１０によって生じる電圧８８０の一部から電力を受けてもよい。

上述の例示的なシステムまたはその他の温度調整システムを用いて、図９および図１０は、発電するために用いられる熱電モジュールの温度を調整する態様を示す。図９は、熱電モジュールに温度調整を加える一般的な態様である。９１０において、１つまたは複数の熱電モジュールの動作状態がモニタリングされる。動作状態は、たとえば、上述したように熱電モジュール付近の周囲温度または熱電モジュールの表面温度を含んでいてもよい。代替的に、動作状態は、熱電モジュールが受ける温度差を表わす、熱電モジュールの電圧出力を含んでいてもよい。

９２０において、動作状態が熱電モジュールの望ましい動作範囲から外れているかどうかが判定される。たとえば、熱電モジュールの表面温度が高すぎる場合、または熱電モジュールが受ける温度差が熱電モジュールに損傷を与える可能性があるか、もしくは過度の電圧を発生させる可能性があるほど高すぎる場合、動作状態は望ましい範囲を超えていると判定され得る場合がある。その場合、９３０において、熱電モジュールに温度調整が加えられる。たとえば、熱電モジュールに温度調整が加えられる場合、ファン、ポンプ、またはアクセスパネルなどの冷却機構が駆動して、温度調整を加え、熱電モジュールを所望の動作範囲内に戻す。一旦温度調整が加えられると、または、９２０において動作状態が所望の動作範囲を超えていないと判明した場合、熱電モジュールの動作状態は引き続きモニタリングされる。

図１０は、１つまたは複数の熱電モジュールを用いて電力を発生させ、温度調整を加えて熱電モジュールの望ましい動作を促進する態様を示す。１０１０において、熱電モジュールまたはセルの第１の表面が、熱電効果を可能にする温度差を生じさせるために用いられる熱源にさらされる。１０２０において、熱電モジュールまたはセルによって発生した電力は、その電力を保存または使用するシステムによって受けられる。１０３０において、１つまたは複数の熱電モジュールの動作状態がモニタリングされる。

１０４０において、動作状態が熱電モジュールの望ましい動作範囲から外れているかどうかが判定される。その場合、１０５０において、熱電モジュールに温度調整が加えられる。たとえば、熱電モジュールに温度調整が加えられる場合、ファン、ポンプ、またはアクセスパネルなどの冷却機構が駆動して、温度調整を加え、熱電モジュールを所望の動作範囲に戻す。一旦温度調整が加えられると、または、１０３０において動作状態が所望の動作範囲を超えていないと判明した場合、熱電モジュールの動作状態は引き続きモニタリングされる。

上述のとおり、この発明の好ましい実施例および代替の実施例を例示および記載したが、この発明の精神および範囲から逸脱することなく、数多くの変更が可能である。したがって、この発明の範囲は、好ましい実施例の開示によって限定されるものではない。その代わり、この発明は、前掲の特許請求の範囲を参照して、全体が規定されるものとする。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。

（態様１）
少なくとも１つの熱電モジュールの少なくとも１つの動作状態をモニタリングするステップを含み、
前記熱電モジュールは熱源に向けられる第１の表面を有し、さらに
モニタリングされている前記動作状態が所望の範囲を超える時を特定するステップと、
モニタリングされている前記動作状態が所望の範囲を超えていると判定されると、前記動作状態を前記所望の範囲内に向けるために温度調整を加えるステップとを含む、方法。
（態様２）
前記動作状態をモニタリングするステップは、
前記熱電モジュールの前記第１の表面および前記第１の表面に対向している第２の表面のうちの少なくとも一方に隣接する環境の動作温度を測定するステップと、
前記熱電モジュールの一部の表面温度を測定するステップと、
前記第１の表面と前記第２の表面との間の温度差を測定するステップと、
前記熱電モジュールの出力電圧を測定するステップとのうちの少なくとも１つを含む、態様１に記載の方法。
（態様３）
前記所望の範囲は、
前記熱電モジュールが熱損傷を受けるレベルを下回る温度範囲と、
前記熱電モジュールに所望の最小出力電圧を発生させることが可能な温度差とのうちの少なくとも一方を含む、態様２に記載の方法。
（態様４）
前記温度調整を加えるステップは、
前記熱電モジュールに隣接する環境に冷却流体を向けるステップと、
前記熱電モジュールの前記第１の表面および前記第２の表面のうちの少なくとも一方にヒートシンクを直接与え、かつ、前記ヒートシンクに前記冷却流体を向けるステップとのうちの少なくとも一方を含み、
前記冷却流体は、ガスおよび液体のうちの少なくとも一方を含む、態様２に記載の方法。
（態様５）
前記冷却流体は、
周囲の冷却源から前記冷却流体を引き出すステップと、
周囲の冷却源および制御可能な冷却源のうちの一方と熱エネルギを交換する冷却ループを用いて前記冷却流体を循環させるステップとのうちの少なくとも一方によって供給される、態様４に記載の方法。
（態様６）
前記冷却ループは、前記熱電モジュールによって発生した出力電圧の一部から動力を得る羽根車によって循環される、態様５に記載の方法。
（態様７）
前記熱源は、主要な熱源から熱を伝達するヒートシンクを含む、態様１に記載の方法。
（態様８）
前記熱電モジュールの前記第１の表面に与えられる温度を制御するために、前記主要な熱源から前記ヒートシンクに伝達される熱を調節するステップをさらに含む、態様７に記載の方法。
（態様９）
電圧を発生させるための方法であって、
熱電モジュールの第１の表面を熱源にさらすステップを含み、前記熱源は、伝達される熱が選択的に制御可能である第１のヒートシンクを含み、さらに
第２のヒートシンクを、前記第１の表面に対向する第２の表面に配置するステップと、
制御可能な冷却源をヒートシンクに結合するステップと、
少なくとも１つの熱電モジュールの少なくとも１つの動作状態をモニタリングするステップと、
モニタリングされている前記動作状態が所望の範囲を超える時を特定するステップと、
モニタリングされている前記動作状態が前記所望の範囲を超えたと判定されると、前記動作状態を前記所望の範囲内に向けるために、前記第１のヒートシンクおよび前記第２のヒートシンクのうちの少なくとも一方に温度調整を加えるステップとを含む、方法。
（態様１０）
前記動作状態をモニタリングするステップは、
前記熱電モジュールの前記第１の表面および前記第２の表面のうちの少なくとも一方付近の環境の動作温度を測定するステップと、
前記熱電モジュールの一部の表面温度を測定するステップと、
前記第１の表面と前記第２の表面との間の温度差を測定するステップと、
前記熱電モジュールの出力電圧を測定するステップとのうちの少なくとも１つを含む、態様９に記載の方法。
（態様１１）
前記所望の範囲は、
前記熱電モジュールが熱損傷を受けるレベルを下回る温度範囲と、
前記熱電モジュールに所望の最小出力電圧を発生させることが可能な温度差とのうちの少なくとも一方を含む、態様１０に記載の方法。
（態様１２）
前記温度調整を加えるステップは、
前記熱電モジュール付近の環境に冷却流体を向けるステップと、
前記冷却流体を前記第１のヒートシンクおよび前記第２のヒートシンクのうちの少なくとも一方に向けるステップとのうちの少なくとも一方を含み、
前記冷却流体は、
ガスと、
液体とのうちの少なくとも一方を含む、態様１１に記載の方法。
（態様１３）
前記冷却流体は、
周囲の冷却源から前記冷却流体を引き出すステップと、
周囲の冷却源および制御可能な冷却のうちの一方と熱エネルギを交換する冷却ループを用いて前記冷却流体を循環させるステップとのうちの少なくとも一方によって供給される、態様１２に記載の方法。
（態様１４）
前記冷却ループはさらに、前記電圧を受けるための導体と結合された電動羽根車を含み、前記電圧の一部は、前記羽根車を駆動して冷却流体を前記冷却ループの中を循環させるために用いられる、態様１３に記載の方法。
（態様１５）
前記熱源は、主要な熱源から熱を伝達するヒートシンクを含む、態様９に記載の方法。
（態様１６）
前記熱電モジュールの前記第１の表面に与えられる温度を制御するために、前記主要な熱源から前記ヒートシンクに伝達される熱を調節するステップをさらに含む、態様１５に記載の方法。
（態様１７）
前記熱源は、
廃熱源と、
天然熱源とのうちの少なくとも一方を含み、
前記廃熱源は、
エンジン排気管と、
エンジン冷却システムと、
工業排気管と、
工業冷却システムとのうちの少なくとも１つを含み、
前記天然熱源は、
地熱源と、
放射熱源とのうちの少なくとも一方を含む、態様９に記載の方法。
（態様１８）
熱源に与えられるように構成された第１の表面を有する少なくとも１つの熱電モジュールの温度を調整するためのシステムであって、
前記熱電モジュールの第２の表面に与えられるように構成された二次ヒートシンクを含み、前記二次ヒートシンクは、熱源に配置されるように構成された前記第１の表面に対向しており、さらに
前記ヒートシンクに結合され、かつ、前記熱電モジュールの前記第２の表面の動作温度を引き下げるように構成された冷却システムと、
前記熱電モジュールの動作温度をモニタリングするように構成されたモニタリング装置と、
前記冷却システムおよび前記モニタリング装置と通信する制御ユニットとを含み、前記制御ユニットは、モニタリングされている前記動作状態が所望の範囲を超える時を特定するように構成されており、かつ、モニタリングされている前記動作状態が前記所望の範囲を超えたと判定すると、前記冷却システムに、前記動作状態を所望の範囲内に向けさせる、システム。
（態様１９）
主要な熱源からの熱を前記熱電モジュールの前記第１の表面に伝達するように構成された一次ヒートシンクをさらに含み、前記制御ユニットはさらに、モニタリングされている前記動作状態が前記所望の範囲を超えたとき、前記主要な熱源から前記一次ヒートシンクに伝達される熱を調節するように構成されている、態様１９に記載のシステム。
（態様２０）
前記動作状態は、
前記熱電モジュールの前記第２の表面付近の環境の動作温度と、
前記熱電モジュールの前記第１の表面付近の環境の動作温度と、
前記熱電モジュールの一部の表面温度と、
前記第１の表面と前記第２の表面との間の温度差と、
前記熱電モジュールの出力電圧とのうちの少なくとも１つを含む、態様１９に記載のシステム。

温度差を受けている結果として、出力電圧を発生させる熱電モジュールのブロック図である（背景技術）。この発明のある実施例に従う制御可能なヒートシンクを装備した熱電モジュールのブロック図である。熱電モジュールによって発生した電圧差を調整するために、温度差および温度調整にさらされている熱電モジュールのブロック図である。熱電モジュールによって発生した電圧差を調整するために、温度差および温度調整にさらされている熱電モジュールのブロック図である。熱電モジュールによって発生した電圧差を調整するために、温度差および温度調整にさらされている熱電モジュールのブロック図である。熱電モジュールによって発生した電圧差を調整するために、温度差および温度調整にさらされている熱電モジュールのブロック図である。空気ベースまたはその他のガスベースの冷却システムにおいて、熱電モジュールに温度調整を加えるのに適したヒートシンクの等角図である。空気ベースまたはその他のガスベースの冷却システムにおいて、熱電モジュールに温度調整を加えるのに適したヒートシンクの等角図である。１つまたは複数の熱電モジュールの１つの表面に温度調整を加えるための空気ベースまたはガスベースの冷却システムのブロック図である。熱電モジュールの対向する両方の表面に対して温度調整を加えるための冷却システムのブロック図である。液体ベースの冷却システムを用いて熱電モジュールに温度調整を加えるのに適したヒートシンクのブロック図である。１つまたは複数の熱電モジュールに温度調整を加えるための液体ベースの冷却システムのブロック図である。熱電モジュールに温度調整を加えて、熱電モジュールの所望の動作レベルを維持する処理のフロー図である。熱電モジュールを用いて発電する一方で、温度調整を加えて熱電モジュールの所望の動作レベルを維持する処理のフロー図である。

符号の説明

２００、６０２、６５２、８１０熱電モジュール、２１０第１の表面、２２０、２４０、５００、５５０、６０４、６２０、６５４、６８０、６９５、７００、８２０ヒートシンク、２３０第２の表面、２５０、３００温度、２６０、２７０、３１０、３２０、３５０、３６０、４１０、４２０、４５０、４６０温度差、２８０、３３０、３７０、４３０、４７０電圧差、５１０、５６０、７１０平面ブロック、５２０、５８０冷却フィン、５７０ヒートパイプ、６００、６５０、８００冷却システム、６０６、６５６、６８２、８３０冷却ループ、６１０６６０、６８６、８４８低温、６０８、６５８、６８４、８４２高温、６１２、６６２、６８８、８４６冷却源、６１４、６６４、８５０制御ユニット、６１６、６６８、６９２、８６０センサ、６１８、６７０、６９０冷却機構、６２２制御部、７２０冷却管。

Claims

熱源に向けられた第１表面と、冷却源に向けられた第２表面とを有し、前記第１表面と前記第２表面の温度差に対応する電圧を発生する熱電モジュールの動作状態を調整する方法であって、
前記第１表面と前記第２表面の温度差が所望の範囲を超える時を判定するステップと、
前記第１表面と前記第２表面の温度差が所望の範囲を超えていると判定された場合に、前記第１表面の温度と前記第２表面の温度を調節して、前記第１表面と前記第２表面の温度差を前記所望の範囲となるように調節するステップと、
を含み、
前記第２表面の温度を調節するステップは、前記第２表面に設けられた二次ヒートシンクと前記冷却源との間に二次冷却流体を循環させるステップを含み、
前記第１表面の温度を調節するステップは、前記第１表面に設けられた一次ヒートシンクと第２冷却源との間に一次冷却流体を循環させるステップを含む、
方法。
前記二次冷却流体は、前記冷却源および前記二次ヒートシンクと熱エネルギを交換する二次冷却ループにより循環する、請求項１に記載の方法。
前記一次冷却流体は、前記第２冷却源および前記一次ヒートシンクと熱エネルギを交換する一次冷却ループにより循環する、請求項１に記載の方法。
前記一次冷却ループおよび前記二次冷却ループの少なくとも一方は、前記熱電モジュールによって発生した出力電力の一部から動力を得る羽車によって循環される、請求項３に記載の方法。
前記第１表面と前記第２表面の温度差が所望の範囲を超える時を特定するステップは、
前記第１表面に隣接する環境での第１温度と、前記第２表面に隣接する環境での第２温度とを測定するステップと、
前記熱電モジュールの出力電圧を測定するステップと、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
前記所望の範囲は、
前記第１表面の温度が、前記熱電モジュールに熱損傷をもたらす温度を下回ることと、
前記第１表面と前記第２表面との温度差が、前記熱電モジュールに所望の最小出力電圧を発生させることが可能であること、
のうちの少なくとも一方を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
請求項１に記載の方法を実施することにより、熱源に向けられた第１表面と、冷却源に向けられた第２表面とを有し、前記第１表面と前記第２表面の温度差に対応する電圧を発生する熱電モジュールの動作状態を調整するシステムであって、
前記熱源からの熱を前記熱電モジュールの前記第１表面に伝達するように構成された一次ヒートシンクと、
前記第２表面に設けられ、前記冷却源と熱的に接触する二次ヒートシンクと、
前記二次ヒートシンクと結合し、前記第２表面の温度を調節するように構成された二次冷却ループと、
前記第１表面の温度と前記第２表面の温度とを含む、前記熱電モジュールの動作状態をモニタリングするモニタリング装置と、
前記二次冷却ループおよび前記モニタリング装置と通信する制御ユニットとを含み、
前記制御ユニットは、前記第１表面と前記第２表面の温度差が所望の範囲を超える時を判定し、かつ前記第１表面と前記第２表面の温度差が前記所望の範囲を超えたと判定すると、前記一次ヒートシンクに前記第１表面に伝達される熱を調節させ、又は前記二次冷却ループに前記第２表面の温度を調節させて、前記第１表面と前記第２表面の温度差を前記所望の範囲となるように調節するように構成されている、
システム。
請求項１に記載の方法を実施することにより、熱源に向けられた第１表面と、冷却源に向けられた第２表面とを有し、前記第１表面と前記第２表面の温度差に対応する電圧を発生する熱電モジュールの動作状態を調整するシステムであって、
前記熱源からの熱を前記熱電モジュールの前記第１表面に伝達するように構成された一次ヒートシンクと、
前記一次ヒートシンクと第２冷却源との間に一次冷却流体を循環させる一次冷却ループと、
前記第２表面に設けられた二次ヒートシンクと、
前記二次ヒートシンクと前記冷却源との間に二次冷却流体を循環させる二次冷却ループと、
前記第１表面の温度と前記第２表面の温度とを含む、前記熱電モジュールの動作状態をモニタリングするモニタリング装置と、
前記一次冷却ループ、前記二次冷却ループおよび前記モニタリング装置と通信する制御
ユニットとを含み、
前記制御ユニットは、前記第１表面と前記第２表面の温度差が所望の範囲を超える時を判定し、かつ前記第１表面と前記第２表面の温度差が前記所望の範囲を超えたと判定すると、前記一次冷却ループに前記第１表面の温度を調節させ、又は前記二次冷却ループに前記第２表面の温度を調節させて、前記第１表面と前記第２表面の温度差を前記所望の範囲となるように調節するように構成されている、
システム。
前記動作状態は、
前記熱電モジュールの前記第２表面付近の環境の動作温度と、
前記熱電モジュールの前記第１表面付近の環境の動作温度と、
前記熱電モジュールの一部の表面温度と、
前記第１表面と前記第２表面の温度差と、
前記熱電モジュールの出力電圧とのうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載のシステム。