專利名稱：利用分段熱電元件的熱電發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
002本申請涉及固態(tài)冷卻、加熱以及發(fā)電系統(tǒng)的改進配置。

背景技術(shù)：
003熱電裝置(TE)利用某些材料的特性在存在電流流動時產(chǎn)生材料兩端的溫度梯度。傳統(tǒng)的熱電裝置使用P-型和N-型半導(dǎo)體作為裝置內(nèi)的熱電材料。這些熱電材料在物理和電學(xué)方面采用可以獲得預(yù)期的加熱或冷卻功能的方式進行配置。
004圖1A示出了目前熱電裝置中使用的最常用的配置。通常，P-型和N型熱電元件102被排列在兩個襯底104之間的矩形組件100內(nèi)。電流I流過這兩種元件類型。這些元件通過套在元件102末端的銅分流器106串聯(lián)在一起。當(dāng)施加直流電壓108時，會在TE元件兩端產(chǎn)生溫度梯度。TE通常用于冷卻液體、氣體和固體物體。
005從20世紀(jì)60年代起，固態(tài)冷卻、加熱和發(fā)電(SSCHP)系統(tǒng)就一直用于軍事和航空航天儀器、溫度控制和發(fā)電應(yīng)用。其在商業(yè)上的使用受到了限制，因為這種系統(tǒng)對于要實現(xiàn)的功能來說太昂貴，并且具有低的功率密度，所以SSCHP系統(tǒng)因為較大、較昂貴、效率較低而不能被商業(yè)所接受。
006近來的材料改善可提供這樣的保證增長的效率和功率密度達到現(xiàn)有系統(tǒng)的一百倍。但是，熱電(TE)裝置的使用還是受到低效率、低功率密度和高成本的限制。
007根據(jù)TE設(shè)計指南(Melcor Corporation″ThermoelectricHandbook″1995 pp.16-17)可知，在目前的TE材料中，ZT＝0.9的模塊在峰值效率下產(chǎn)生的冷卻功率大約是最大冷卻功率的22％。因此，為了達到最高可能的效率，與運行在最大冷卻情況下所需的模塊數(shù)目相比，需要多個TE模塊。結(jié)果，為達到有效運行所需的TE模塊的成本明顯偏高，并且產(chǎn)生的系統(tǒng)實際偏大。
008根據(jù)文獻(例如，參見Goldsmid，H.J.″Electronic Refrigeration″1986，p.9)可知，最大熱冷卻功率可以記作 其中 qCOPT是最佳熱冷卻功率； IOPT是最佳電流； α是塞貝克(Seebeck)系數(shù)； R是系統(tǒng)電阻； K是系統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)； ΔT是熱側(cè)和冷側(cè)溫度的差值；以及 TC是冷側(cè)溫度。
而且，從Goldsmid的文獻中，可知 其中 Z是熱電材料品質(zhì)因數(shù)(figure of merit)； TAVE是熱側(cè)和冷側(cè)溫度的平均值；以及 將(2)代入(1)得到 009等式(3)右側(cè)括號中的項與TE系統(tǒng)的大小(或尺寸)無關(guān)，所以冷卻量qOPT僅僅是材料特性和K的函數(shù)。對于圖1中的幾何圖形，K可以記作 其中，λ是N型和P型材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)；AC是元件的面積；而L是每個元件的長度。
010由于α是固有的材料特性，所以只要比率LC/AC是固定的，則最佳熱功率qOPT-將是相同的。電流等于IOPT時，電阻為 其中，ρTE是TE元件的固有平均電阻系數(shù)；ROC是TE材料電阻；而RPC是寄生電阻。
011此時，假設(shè)RP為零，則R是常數(shù)。如果LC/AC是固定的，則IOPT是常數(shù)。只有當(dāng)比率LC/AC變化時，K才會變化，從而qCOPT和ROC變化，從而IOPT才會變化。
012通常，對于同樣的冷卻輸出，較小的裝置是有利的。例如，在熱電系統(tǒng)中重要的限制在于當(dāng)固定值A(chǔ)C時，隨著長度LC減小，寄生電阻損耗與TE材料損耗的比率φC變得相對大 013這一點可參考圖1C，其描繪了典型的熱電偶(TE couple)。當(dāng)一些寄生損耗出現(xiàn)時，設(shè)計合理的TE的最大寄生損耗之一來自于分流器106。每個TE元件102的分流器106的電阻約為 其中，GC是TE元件之間的間隙；BC是TE元件和分流器的廣度(breadth)；WC是TE元件和分流器寬度(width)；TC是分流器厚度；而PSC是分流器電阻系數(shù)。
014對于圖1的幾何圖形，TE元件的電阻是 其中，LC是TE元件長度。
因此，在(6)中使用等式(7)和(8)，得到

發(fā)明內(nèi)容
015在某些實施例中，提供一種熱電系統(tǒng)。該熱電系統(tǒng)包括第一熱電元件，該第一熱電元件包括相互電通信的第一組多個分段。該熱電系統(tǒng)進一步包括第二熱電元件，該第二熱電元件包括相互電通信的第二組多個分段。該熱電系統(tǒng)進一步包括熱傳遞裝置，該熱傳遞裝置至少包括第一部分和第二部分。第一部分夾在第一熱電元件和第二熱電元件之間。第二部分從第一部分凸出并且被配置為與工作介質(zhì)熱通信。
016在某些實施例中，提供一種熱電系統(tǒng)。該熱電系統(tǒng)包括多個熱電元件，其中至少一些熱電元件包括多個分段。該熱電系統(tǒng)進一步包括多個熱傳遞裝置，其中至少一些熱傳遞裝置至少包括第一部分和第二部分。第一部分夾在多個熱電元件中的至少兩個熱電元件之間，以形成熱電元件和熱傳遞裝置的至少一個堆疊(stack)。第二部分從該堆疊中凸出并且被配置為與工作介質(zhì)熱通信。
017在某些實施例中，提供一種制造熱電系統(tǒng)的方法。該方法包括提供多個熱電元件，其中至少一些熱電元件包括多個分段。該方法進一步包括提供多個熱傳遞裝置，其中至少一些熱傳遞裝置至少包括第一部分和第二部分。該方法進一步包括組裝多個熱電元件和多個熱傳遞裝置以形成熱電元件和熱傳遞裝置交替的至少一個堆疊。熱傳遞裝置的第一部分夾在至少兩個相鄰的熱電元件之間。熱傳遞裝置的第二部分從堆疊中凸出并且被配置為與工作介質(zhì)熱通信。
018根據(jù)附圖和以下更為具體的說明，本公開的上述和其它方面將是顯而易見的。



019圖1A-1B描述傳統(tǒng)的TE模塊。
020圖1C描述傳統(tǒng)的熱電偶。
021圖2描述具有熱隔離且其工作介質(zhì)反向流動的SSCHP系統(tǒng)的一般布置。
022圖3描述當(dāng)工作介質(zhì)在系統(tǒng)中前進時介質(zhì)中出現(xiàn)的溫度變化。
023圖4A-4B描述具有三個TE模塊、四個翅片換熱器和液體工作介質(zhì)的系統(tǒng)。
024圖5A-5B描述具有兩個TE模塊、分段式(segmented)換熱器的系統(tǒng)，以實現(xiàn)與單一換熱器的一定程度的熱隔離以及液體介質(zhì)的反向流動。
025圖6描述氣態(tài)介質(zhì)系統(tǒng)，其具有兩個TE模塊和管道式風(fēng)扇(ducted fan)以控制液體流動。
026圖7A-7D描述固態(tài)介質(zhì)系統(tǒng)，其具有反向流動以進一步提高性能。TE元件利用高的長度-厚度比率來實現(xiàn)增加的熱隔離。
027圖8描述具有TE元件的系統(tǒng)，其安排使得電流直接通過陣列，從而可以降低成本、減小重量和大小，同時可以改進性能。
027圖8描述具有TE元件的系統(tǒng)，布置這些TE元件使得電流直接通過陣列，從而在提供改進的性能的同時降低成本、重量和大小。
028圖9描述具有TE元件、熱管和換熱器的系統(tǒng)，其簡易且成本低。熱側(cè)和冷側(cè)由通過熱管的熱傳輸分離開。
029圖10描述一流體系統(tǒng)，其中流體被泵送(pump)通過換熱器和TE模塊陣列，以實現(xiàn)一端低溫，從而從氣體或來自流體或氣體的沉淀物中冷凝(condense)出水分。該系統(tǒng)具有預(yù)防措施來分流工作流體流動，以通過降低陣列的各部分間的溫差來提高效率。
030圖11描述一陣列，在該陣列中工作流體在不同位置進入并退出，且其中部分系統(tǒng)以反向流動模式運行，部分系統(tǒng)以平行流動模式運行。
031圖12描述具有降低的寄生電阻損耗的堆疊式TE系統(tǒng)。
032圖13A描述堆疊式系統(tǒng)的優(yōu)選實施例中TE元件和換熱構(gòu)件的細節(jié)。
033圖13B描述由圖13A所示的元件構(gòu)造的堆疊式系統(tǒng)的一部分。
034圖14描述另一TE元件和換熱器配置。
035圖15描述又一TE元件和換熱器配置。
036圖16描述具有并行電連接的兩行垂直TE元件的堆疊式配置。
037圖17描述具有兩行并行電連接的TE元件的冷卻/加熱組件。
038圖18描述具有兩個并行電連接的TE元件的另一配置。
039圖19描述一部分與另一部分電隔離的換熱器元件。
040圖20描述一部分與另一部分電隔離的換熱器元件的另一配置。
041圖21描述一部分與另一部分電隔離的換熱器元件的又一配置。
042圖22描述配置在一組電隔離且熱隔離的部分中的換熱器分段。
043圖23描述根據(jù)圖22的原理構(gòu)造的冷卻器/加熱器。
044圖24A描述TE元件沿流體流動方向排列的換熱分段。
045圖24B描述圖24A的分段，其被配置為隔離元件換熱器陣列，其中電流的流動基本平行于工作介質(zhì)流動。
046圖25A描述一種設(shè)計的分段，其被配置為隔離元件換熱器陣列，其中電流的流動基本垂直于電流流動的方向。
047圖25B描述圖25A中組件的平面圖。
048圖26A描述寄生電阻減小的TE換熱器模塊，其在相對高的電壓下運行。
049圖26B描述使用圖26A的TE模塊的換熱器陣列的平面圖。
050圖27描述熱傳遞到運動的固體構(gòu)件的隔離元件與堆疊式配置。
051圖28描述在液體和氣體之間進行熱傳遞的隔離元件堆疊式陣列。
052圖29描述具有低寄生電阻以便在圖28的堆疊式陣列中使用的換熱器模塊。
053圖30描述隔離元件換熱器分段，其具有固體熱沉(heat sink)和運動的氣態(tài)工作流體。
054圖31A描述TE元件基本位于中心的換熱器元件，以加倍來自元件的熱傳遞。
055圖31B描述基本用于液體的另一熱傳遞元件，其TE元件基本位于中心。
056圖31C描述TE元件基本位于中心的又一換熱器。
057圖32根據(jù)本文描述的某些實施例示意性地圖示說明示例性熱電系統(tǒng)的一部分。
058圖33A和圖33B根據(jù)本文描述的某些實施例分別顯示各種P型和N型熱電材料的作為溫度函數(shù)的品質(zhì)因數(shù)(ZT)。
059圖34描述摻雜不同量的碘的三種不同碲化鉛成分的作為溫度函數(shù)的品質(zhì)因數(shù)ZT。
060圖35顯示在流動方向上串行構(gòu)造的三個TE元件之間沖突兼容的功率曲線。
061圖36根據(jù)本文描述的某些實施例顯示長寬比變化的三個TE元件之間的功率曲線。
062圖37示意性描述傳統(tǒng)配置中的一對分段TE元件。
063圖38顯示使用模型計算模擬的三種不同配置的平均效率。
064圖39顯示熱電系統(tǒng)的模型分析的示例，其中TE厚度是變化參數(shù)。
065圖40顯示使用夾在7個銅制熱傳遞裝置中的6個碲化鉍(Bi2Te3)TE元件建立的原型系統(tǒng)的示例。
066圖41是顯示圖40的六個Bi2Te3元件各自的發(fā)電曲線的圖表。
067圖42顯示分段TE元件的初次試驗的實驗結(jié)果。

具體實施例方式068在此說明書的上下文中，術(shù)語熱電模塊和TE模塊是廣義上普通且常用的含義，它們可以是(1)傳統(tǒng)的熱電模塊，諸如由加利福尼亞的圣迭哥的Hi Z Technologies公司生產(chǎn)的熱電模塊，(2)量子隧道轉(zhuǎn)換器，(3)熱離子模塊，(4)磁熱模塊，(5)利用熱電效應(yīng)、磁熱效應(yīng)、量子效應(yīng)、隧道效應(yīng)和熱離子效應(yīng)的一個或任意組合的元件，(6)上述(1)到(6)的任意組合、陣列、組件和其它結(jié)構(gòu)。術(shù)語熱電元件更具體地表示利用熱電效應(yīng)、熱離子效應(yīng)、量子效應(yīng)、隧道效應(yīng)以及這些效應(yīng)的任意組合而運行的單個元件。
069在以下描述中，熱電系統(tǒng)或SSCHP系統(tǒng)通過示例的方式進行描述。但是，本發(fā)明的用意在于這種技術(shù)和描述包括所有SSCHP系統(tǒng)。
070因此，本發(fā)明通過使用為達到說明和圖示目的的特定實施例中的示例進行介紹。以下描述的各種示例圖示了各種配置，并且可以用于實現(xiàn)預(yù)期的改善。根據(jù)此說明書，特定實施例和示例僅是說明性的，而不意欲以任何方式限制所介紹的發(fā)明。此外，應(yīng)當(dāng)理解術(shù)語冷卻側(cè)、加熱側(cè)、冷側(cè)、熱側(cè)、較冷側(cè)、較熱側(cè)等等不表示任何特定溫度，而是相對術(shù)語。例如，熱電元件或陣列或模塊的“熱”側(cè)可以是環(huán)境溫度，而“冷”側(cè)的溫度比環(huán)境溫度更低。反之亦然。因此，術(shù)語彼此之間是相對的，以表明熱電的一側(cè)比反向指定的溫度側(cè)溫度更高或更低。
071標(biāo)題為“Improved Efficiency Thermoelectrics Utilizing ThermalIsolation”的美國專利6,539,735描述的不同幾何圖形的效率增益為很多重要應(yīng)用產(chǎn)生了額外的50％到100％的提高。結(jié)合使用的材料的改進，關(guān)于四個或更多因素的系統(tǒng)效率增益在不久的將來似乎是可能的。這些真實的改進前景已經(jīng)使人們恢復(fù)了對該技術(shù)的興趣以及為新應(yīng)用開發(fā)SSCHP系統(tǒng)的努力。
072一般說來，本公開描述了SSCHP配置的新家族。這些配置實現(xiàn)了緊湊、高效的能量轉(zhuǎn)換，并且成本可以相對較低。一般地，公開了多個實施例，其中TE元件或模塊(本文中統(tǒng)稱為元件)被夾在換熱器之間。TE元件被有利地確定方向，使得夾入換熱器的任意兩個元件面向換熱器的溫度類型側(cè)是相同的。例如，夾入換熱器的每個TE元件的較冷側(cè)面向相同的換熱器或分流器，因此彼此間的側(cè)面也相同。在一組配置中，至少一種工作介質(zhì)順序通過至少兩個換熱器，使得對工作介質(zhì)進行冷卻或加熱。這種配置實現(xiàn)的額外的好處是它在可制造系統(tǒng)中利用了美國專利6,539,725描述的熱隔離的優(yōu)點，所述可制造系統(tǒng)展示了上述參考文件中提到的高系統(tǒng)效率和功率密度。如在上述專利中所說明的，TE裝置一般通過將TE元件的整個組件細分成熱隔離的子部件或分段來實現(xiàn)增大的或者提高的效率。例如，換熱器可以進行細分以在工作介質(zhì)流動的方向提供熱隔離。例如，TE系統(tǒng)有多個TE元件，這些TE元件形成具有冷卻側(cè)和加熱側(cè)的TE陣列，其中多個TE元件在跨越陣列的至少一個方向上基本彼此隔離。優(yōu)選地，熱隔離在工作介質(zhì)流動的方向上?？梢酝ㄟ^將換熱器配置為多個分段來提供熱隔離，使得換熱器具有在工作流體流動的方向上熱隔離的部分。
073在本發(fā)明中，連續(xù)使用具有相同溫度類型的換熱器用于工作流體以在其內(nèi)部提供一種類型的熱絕緣。此外，換熱器或TE元件或TE模塊或任意組合可以被配置為在工作流體流動方向上提供熱絕緣，并且可以由至少一個工作流體依次通過的一系列換熱器或換熱器序列提供上述熱絕緣。
074公開的冷卻和/或加熱應(yīng)用的原理同樣適用于發(fā)電應(yīng)用，并且任何配置、設(shè)計細節(jié)以及可以以任意方式被組合以產(chǎn)生發(fā)電組件的相似部分也是適用的。在某種意義上，可以以某種方式對系統(tǒng)進行調(diào)整以使給定應(yīng)用的效率最大化，但是一般原理是適用的。
075此應(yīng)用描述的實施例降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和SSCHP裝置的成本，同時仍保持或提高了源于熱隔離的效率增益。
076還公開了幾個通過使用較少的TE材料降低成本并且有助于接近峰值效率的操作的實施例。很多實施例實現(xiàn)了寄生損耗的顯著降低(例如，參見圖12-31)。
077公開的實施例的一方面涉及具有多個N型熱電元件和多個P型熱電元件的熱電系統(tǒng)。優(yōu)選地，提供多個第一分流器和多個第二分流器。至少一些第一分流器被夾在至少一個N型熱電元件和至少一個P型熱電元件之間，并且至少一些第二分流器被夾在至少一個P型熱電元件和至少一個N型熱電元件之間，從而形成具有第一分流器和第二分流器相互交替的熱電元件堆疊，其中至少一些第一分流器和至少一些第二分流器在不同的方向從該堆疊中凸出(project away)。
078優(yōu)選地，熱電元件被構(gòu)造得很薄，諸如對于超晶格和異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱電設(shè)計從5微米到1.2毫米，從20微米到200微米，在其它實施例中從100微米到600微米。這些設(shè)計為顯著降低熱電材料的使用作準(zhǔn)備。
079在一實施例中，熱電系統(tǒng)還包括電耦合到該堆疊的電流源，該驅(qū)動電流連續(xù)穿過熱傳遞裝置和熱電元件。在另一實施例中，熱傳遞裝置使至少一些P型熱電元件與至少一些N型熱電元件熱隔離。
080在一實施例中，熱傳遞裝置接受工作流體以給定的方向流過該熱傳遞裝置。優(yōu)選地，熱傳遞裝置是換熱器，并且可以具有外殼和位于外殼內(nèi)的一個或多個換熱器元件。
081在另一實施例中，至少一些第一分流器是由與第二分流器部分電隔離但熱耦合到第二分流器部分的第一電極部分構(gòu)成的。
082圖2圖示了熱電陣列200的有利布局的第一個廣義實施例。陣列200具有多個TE模塊201、211、212、213、218，其與多個第一側(cè)換熱器202、203、205和多個第二側(cè)換熱器206、207、209保持良好的熱通信。名稱“第一側(cè)換熱器”和“第二側(cè)換熱器”不暗示或表示換熱器在整個SSCHP系統(tǒng)的一側(cè)或另一側(cè)上，只表示它們與熱電模塊的較冷側(cè)或較熱側(cè)進行熱通信。根據(jù)附圖可以清楚地看到換熱器實際夾在熱電模塊之間。在這個意義上，換熱器與熱電模塊的第一側(cè)或第二側(cè)進行熱通信。第一TE模塊201的較冷側(cè)與第一側(cè)換熱器205熱接觸，而TE模塊201的熱側(cè)與入口第二側(cè)換熱器206熱接觸。第二工作介質(zhì)215(諸如流體)在圖2的右上角通過入口第二側(cè)換熱器206進入陣列200，且在左下角從最后或出口第二側(cè)換熱器209退出。第一工作介質(zhì)216在左上角通過入口第一側(cè)換熱器202進入陣列，且在右下角從最后或出口第一側(cè)換熱器205退出。連接到電源(未顯示)的電線210(對于其它TE模塊與此類似)連接到每個TE模塊201。第一管道208(在圖2中表示為線)傳送第二工作介質(zhì)215，第二管道204傳送第一工作介質(zhì)216，順序通過所描述的各換熱器202、203、205、206、207和209。
083在運行過程中，當(dāng)向下通過入口第二側(cè)換熱器206時，第二工作介質(zhì)215從TE模塊201吸熱。第二工作介質(zhì)215經(jīng)過管道208，向上進入且通過第二側(cè)換熱器207。與換熱器207進行良好的熱通信的是TE模塊211和212的較熱側(cè)，這兩個TE模塊已經(jīng)被配置為使得其各自的較熱側(cè)面向彼此以夾入(sandwich)第二側(cè)換熱器207。第二側(cè)工作介質(zhì)215在經(jīng)過第二側(cè)換熱器207時被進一步加熱。第二側(cè)工作介質(zhì)215接著經(jīng)過第二側(cè)換熱器209，其中TE模塊213、218的較熱側(cè)也夾入第二側(cè)換熱器209并傳遞熱量給第二側(cè)換熱器209，從而進一步加熱第二側(cè)工作介質(zhì)215。通過換熱器209，第二工作介質(zhì)215從出口或最后第二側(cè)換熱器209退出陣列200。
084類似地，第一工作介質(zhì)216從圖2的左上角進入入口第一側(cè)換熱器202。換熱器202與TE模塊218的較冷側(cè)保持良好的熱通信。第一工作介質(zhì)216在經(jīng)過入口第一側(cè)換熱器202時被冷卻，再經(jīng)過另一側(cè)換熱器203，并最終通過出口第一側(cè)換熱器205，在這里工作介質(zhì)成為較冷的工作介質(zhì)217退出。
085熱電冷卻和加熱由電力提供，該電力通過配線210進入TE模塊218，且類似地進入所有其它TE模塊。
086因此，總的說來，工作介質(zhì)與TE模塊的冷側(cè)在陣列的左手邊保持良好的熱接觸，從而將熱量從介質(zhì)中提取出來。之后，介質(zhì)接觸第二和第三TE模塊，此時額外的熱量被提取，介質(zhì)被進一步冷卻。隨著介質(zhì)向右前進通過預(yù)期數(shù)目的階段，累加冷卻的過程繼續(xù)。被冷卻適當(dāng)次數(shù)后，介質(zhì)在右側(cè)退出。同時，第二介質(zhì)在最右側(cè)進入系統(tǒng)，并且當(dāng)經(jīng)過第一階段時被逐漸加熱。之后，它進入下一階段，被進一步加熱，依此類推。每個階段的熱輸入是從鄰近的TE模塊的冷側(cè)提取熱量的結(jié)果，并且電力進入這些模塊。當(dāng)沿大致為從右向左的方向運動時，熱側(cè)介質(zhì)被逐漸加熱。
087除以上描述的幾何圖形外，如果兩種介質(zhì)均以相同的溫度進入并逐漸變熱以及變冷，系統(tǒng)還提供好處。與此類似，介質(zhì)可以在陣列內(nèi)的任意位置從冷側(cè)或熱側(cè)去除或者添加到冷側(cè)或熱側(cè)。陣列可以是任意有用數(shù)目的分段，諸如5，7，35，64以及更大數(shù)目的分段。
088系統(tǒng)還可以通過反轉(zhuǎn)熱冷介質(zhì)與TE模塊接觸的過程，以及熱冷介質(zhì)從相反兩端運動的過程來運行(如圖2所示，只是熱介質(zhì)作為介質(zhì)216進入而冷介質(zhì)作為介質(zhì)215進入)。TE模塊兩端感生的溫度梯度產(chǎn)生電流和電壓，從而將熱能轉(zhuǎn)換成電能。所有這些工作模式和下文描述的模式都是本發(fā)明的部分。
089如圖2所圖示的，將換熱器分離成一系列階段在工作介質(zhì)從TE模塊向TE模塊流動的方向提供了熱隔離。于2001年4月27日遞交的標(biāo)題為“First Improved Efficiency Thcrmoelectrics Utilizing ThermalIsolation”的美國專利申請6,539,725詳細描述了熱隔離的原理，并且為了易于制造，貫穿本說明書通過各種具體且實用的示例展示了該原理。該專利申請通過引用整體并入本文。
090如美國專利6,539,725所述，在圖2所描述的反向流動配置中逐步加熱和冷卻介質(zhì)會比在無熱隔離好處的單個TE模塊中的相同條件下產(chǎn)生更高的熱力學(xué)效率。因此，圖2所示的配置展示的SSCHP系統(tǒng)200通過夾在熱電模塊之間的換熱器的多個分段或階段來獲得熱隔離，該熱電模塊的設(shè)計緊湊且易于生產(chǎn)。
091除了以上提到的特征外，熱電模塊本身可以被構(gòu)造成在介質(zhì)流動的方向提供熱隔離，并且每個換熱器或一些換熱器可以被配置成通過將在圖5中進一步描述的配置或其它適當(dāng)配置在單個換熱器中提供熱隔離。一般說來，換熱器可以在流動的方向被分段以沿著單個TE模塊(諸如TE模塊218)與入口換熱器202的流動方向提供增強的熱隔離。
092圖3描述了與圖2的整體設(shè)計相同的陣列300，其包括連接在一起的多個TE模塊301和較冷側(cè)換熱器302、305和307，使得第一工作介質(zhì)315沿著所示連續(xù)的換熱器-換熱器路徑前進。與此類似，多個熱側(cè)換熱器309、311和313沿著箭頭所示的方向依次或以分段的方式傳送較熱側(cè)工作介質(zhì)317。TE模塊301如圖2的描述被布置且供電。
093圖3的下半部分描述了較冷側(cè)工作介質(zhì)的冷側(cè)溫度或溫度變化303、304、306、308以及較熱側(cè)工作介質(zhì)的熱側(cè)溫度310、312、314。
094較冷側(cè)工作介質(zhì)315進入并經(jīng)過入口較冷側(cè)換熱器302。工作介質(zhì)在經(jīng)過入口較冷側(cè)換熱器302的溫降303通過冷側(cè)溫度曲線TC中的下降303來表示。當(dāng)經(jīng)過下一階段較冷側(cè)換熱器305時，較冷側(cè)工作介質(zhì)315被進一步冷卻，如溫降304所示，并且當(dāng)它再經(jīng)過第三較冷側(cè)換熱器307時，伴隨溫降306。在溫度308時較冷側(cè)工作介質(zhì)315成為較冷液體316退出。與此類似，較熱側(cè)工作介質(zhì)317進入第一或入口較熱側(cè)換熱器309并且在第一溫度310時退出，如圖3中較熱側(cè)溫度曲線TH所示。如圖2中所提到的，較熱側(cè)工作介質(zhì)分階段在陣列300中前進，逐漸變熱，經(jīng)過出口較熱側(cè)換熱器313后最終在較熱溫度314時成為較熱工作流體318退出。容易看到，通過增加階段的數(shù)目(即TE模塊和換熱器的數(shù)目)，可以增加冷卻功率和加熱功率的數(shù)量，每個換熱器產(chǎn)生的溫度變化會減小，并且/或者可增加通過陣列的介質(zhì)的數(shù)量。如美國專利6,539,725的教導(dǎo)，在具有更多的階段時，雖然降低了速率，但是也會提高效率。
095以上引用的實驗和描述表明可通過圖2和3的配置實現(xiàn)的熱隔離和逐步加熱與冷卻會導(dǎo)致顯著的效率增益，因此是至關(guān)重要的。使用這種系統(tǒng)，通過實驗測試已經(jīng)達到100％以上的效率增益。
096圖4A描述了具有三個TE模塊402、四個換熱器403和兩個管道405的陣列400，其配置如圖2和圖3所述。較冷側(cè)工作流體和較熱側(cè)工作流體分別在較冷側(cè)入口404和較熱側(cè)入口407進入，并且分別在較冷側(cè)出口406和較熱側(cè)出口408退出。圖4B是換熱器403的一個實施例的更為詳細的視圖。圖中所示為適用于流體介質(zhì)的類型。換熱器組件403包括具有入口410和出口411的外殼412、換熱器翅片414和流體分布歧管(manifold)413。陣列400的運行與圖2和3中描述的本質(zhì)上是相同的。圖4中TE模塊402的數(shù)目是三，但是可以是任意數(shù)目。優(yōu)選地，外殼412是導(dǎo)熱的，其由適當(dāng)材料制成，諸如防腐蝕的銅或鋁。在一個實施例中，換熱器翅片414優(yōu)選是焊接或蒸焊(braise)到外殼412的折疊銅或鋁，以實現(xiàn)TE模塊界面良好的導(dǎo)熱性。翅片414可以是任何形狀，但優(yōu)選是適于實現(xiàn)系統(tǒng)期望的熱傳遞特性的設(shè)計。詳細的設(shè)計指南可以在W.M.Kays和A.L.London的“CompactHeat Exchangers”第三版中找到?？商娲?，可以使用任何其它適當(dāng)?shù)膿Q熱器，諸如穿孔翅片、平行板、百葉窗式翅片、金屬絲網(wǎng)等等。這些配置在此領(lǐng)域是眾所周知的，并且可以在圖2到圖11中任一圖的任意配置中使用。
097圖5A描述了圖4中管道連接的可替換配置，以提供從換熱器階段到換熱器的流動。陣列500具有第一TE模塊501和第二TE模塊510，三個換熱器502、503和506以及一管道504。當(dāng)然，正如之前的實施例和配置，兩個第一側(cè)換熱器502、503和一個第二側(cè)換熱器506的特定數(shù)目不是限制性的，可以提供其它數(shù)目。
098圖5B圖示了換熱器502、503、506的優(yōu)選實施例的放大視圖。圖5B中所示的換熱器配置將適用于其它實施例，并且可以在圖2-8和圖11的任一配置中使用。這種配置中的一個或多個換熱器的優(yōu)選實施例具有外殼516，其中分段的換熱器翅片511被間隙513分離。工作流體通過入口505進入并通過出口508退出。作為間隙的替代，換熱器可以被制成各向異性的，使得一部分是導(dǎo)熱的，而另一部分是不導(dǎo)熱的，來替代在換熱器翅片之間實際的物理間隙。這一點是為了在流動方向上在單個換熱器分段和另一單個換熱器分段之間獲得熱隔離。除了在圖2-5描述的實施例中通過具有各階段換熱器來提供的熱隔離之外，這里提供的將是又一熱隔離。
099優(yōu)選地，第一工作流體507(例如將被加熱)進入入口505并向下經(jīng)過與第一TE模塊501熱通信的入口或第一換熱器502。工作流體507在底部退出并通過管道504被傳導(dǎo)到隨后的換熱器503，在這里它又沿向下的方向通過第二TE模塊510，并成為較熱工作流體508退出。優(yōu)選地，第二工作流體517從圖5A的底部通過入口518進入，并向上行進通過第三換熱器506，經(jīng)過TE模塊501和510的較冷側(cè)(在本示例中)。換熱器506與TE模塊501和510的較冷側(cè)保持良好的熱通信。根據(jù)以上引用的美國專利6,539,725的教導(dǎo)，通過這種布置，工作流體507和517形成反向流動系統(tǒng)。
100優(yōu)選地，圖5B詳細示出的換熱器502、503和506被構(gòu)造成從TE模塊501、510的表面，通過外殼516，到換熱器翅片511(顯示為四個隔離分段)具有高的導(dǎo)熱性。但是，希望在流動方向具有低的導(dǎo)熱性，以使每個換熱器分段與其它分段熱隔離。如果隔離是有效的，并且TE模塊501和510在其垂直方向(工作流體流動的方向)沒有表現(xiàn)出高的內(nèi)部導(dǎo)熱性，則陣列500將得益于熱隔離并且能夠以較高的效率運行。實際上，陣列500會有反應(yīng)，仿佛陣列被構(gòu)造成具有更多個TE模塊和更多個換熱器。
101圖6描述了又一加熱器/冷卻器系統(tǒng)600，該系統(tǒng)被設(shè)計成優(yōu)選地對工作氣體進行操作。加熱器/冷卻器系統(tǒng)600具有TE模塊601、602，這些模塊與第一側(cè)換熱器603、605以及第二側(cè)換熱器604保持良好的熱通信。第一工作流體(諸如空氣或其它氣體606)被容納在管道607、708、610中，第二工作流體616被容納在管道615、613中。風(fēng)扇或泵609、614被安裝在管道608、615內(nèi)。
102第一工作流體606通過入口管道607進入系統(tǒng)600。工作流體606經(jīng)過第一換熱器603，例如在這里被加熱(或被冷卻)。之后，工作流體606經(jīng)過風(fēng)扇609，風(fēng)扇609用于將工作流體606泵送通過管道608，且通過第二換熱器605，在這里它被進一步加熱(或冷卻)，且從出口導(dǎo)管610排出。與此類似，工作流體(諸如空氣或其它氣體)通過入口管道615進入。工作流體被第二風(fēng)扇或泵614推動通過第三換熱器604，在此示例中它在這里被冷卻(或加熱)。被冷卻的(或被加熱的)工作流體616通過出口管道613退出。
103系統(tǒng)600可以具有多個分段，這些分段包括圖5B所述的額外TE模塊和換熱器以及被隔離、分段的換熱器。也可以具有多個風(fēng)扇或泵以提供額外的泵送力。此外，一個管道(例如607、608)可以具有一種流體，而其它管道613、615可以具有第二類型的氣體?？商娲?，一側(cè)可以有液態(tài)工作流體，而另一側(cè)可以有氣體。因此，系統(tǒng)并不受限于工作介質(zhì)是流體還是液體。此外，應(yīng)當(dāng)注意出口管道613可以排布在風(fēng)扇管道609周圍。
104圖7A描述了加熱和冷卻系統(tǒng)700，其優(yōu)選使用流體。該組件具有帶有多個第一側(cè)工作介質(zhì)703和多個第二側(cè)工作介質(zhì)704的多個TE模塊701。在本示例中，第一側(cè)工作介質(zhì)703和第二側(cè)工作介質(zhì)704都形成圓盤。第一側(cè)工作介質(zhì)703被連接到第一側(cè)軸709，而第二側(cè)工作介質(zhì)704被連接到第二側(cè)軸708。軸708、709依次分別連接到第一側(cè)馬達706和第二側(cè)馬達705，并且連接到對應(yīng)的軸承707。馬達旋轉(zhuǎn)的優(yōu)選方向如箭頭710和711所示。
105分離器717將陣列分成兩部分并定位TE模塊701。由分離器717定位的TE模塊701被間隔開，使得交替地夾入第一側(cè)工作介質(zhì)703和第二側(cè)工作介質(zhì)704。對于任意兩個TE模塊701，模塊被定向使得如之前的實施例一樣其冷側(cè)和熱側(cè)面向彼此。工作介質(zhì)703、704與TE模塊701保持良好的熱通信。優(yōu)選在熱電元件701和工作介質(zhì)703、704之間的界面提供熱油脂或類似物質(zhì)。通過以下有關(guān)工作介質(zhì)703、704的操作的討論，使用油脂的目的將是顯而易見的。第一側(cè)外殼部分714和第二側(cè)外殼部分715包含受系統(tǒng)700調(diào)控的流體。電線712、713連接TE模塊701以便為TE模塊提供驅(qū)動電流。
106圖7B是圖7A的系統(tǒng)700的一部分在7B-7B處的截面圖。第一流體721和第二流體723與其流動方向通過箭頭721和723表示。第一流體如箭頭722表示的退出，而第二流體如箭頭724表示的退出。系統(tǒng)700通過使電流經(jīng)過電線712和713到達TE模塊701而運行。TE模塊701的冷側(cè)和熱側(cè)面向彼此，以圖2和圖3所示的方式布置。例如，其相鄰的冷側(cè)面向第一側(cè)工作介質(zhì)703，其熱側(cè)面向第二側(cè)工作介質(zhì)704。分離器717提供定位TE模塊701以及將陣列700的熱側(cè)與被冷卻側(cè)分離的雙重功能。
107例如，為了理解運行，假設(shè)第二流體723將被冷卻。冷卻通過與第二側(cè)介質(zhì)704的熱交換發(fā)生。當(dāng)?shù)诙?cè)介質(zhì)704旋轉(zhuǎn)時，其表面與TE模塊701的較冷側(cè)接觸的部分在任何給定時間被冷卻。當(dāng)該部分通過第二馬達705的作用而旋轉(zhuǎn)遠離TE模塊701時，第二介質(zhì)704冷卻第二側(cè)流體，之后，該流體在出口724退出。第二流體通過外殼部分715和分離器717被限定在陣列700內(nèi)。
108與此類似，第一流體721被與TE模塊701的較熱側(cè)保持熱接觸的第一側(cè)介質(zhì)703加熱。旋轉(zhuǎn)(箭頭711所示)將第一介質(zhì)703的較熱部分移動到第一流體721可以經(jīng)過且可以通過熱接觸而被加熱的位置。第一流體721被限定在外殼714和分離器717之間并在出口722退出。
109如以上所提到的，導(dǎo)熱油脂或液態(tài)金屬，諸如水銀，可用于提供TE模塊701與介質(zhì)703、704在接觸區(qū)域良好的熱接觸。
110如以上所提到的，圖7A和7B的配置也可以有利地用于冷卻或加熱外部組件，諸如微處理器、激光二極管等等。在這樣的示例中，圓盤將利用熱油脂或液態(tài)金屬等來接觸部件以傳遞熱量給部件或傳遞來自部件的熱量。
111圖7C描述了系統(tǒng)700的改進版，其中TE模塊701被分段以實現(xiàn)熱隔離。圖7C示出了陣列700的部分的詳細視圖，其中TE模塊701和702將熱能傳遞給熱運動介質(zhì)704和703(在此示例中為旋轉(zhuǎn)的圓盤)。運動介質(zhì)704和703分別圍繞軸733和734旋轉(zhuǎn)。
112在一個實施例中，優(yōu)選地，工作介質(zhì)704和703以相反的方向旋轉(zhuǎn)，如箭頭710和711所示。當(dāng)運動介質(zhì)704、703旋轉(zhuǎn)時，來自TE模塊701和702的不同部分的熱傳遞開始與運動介質(zhì)704、703熱接觸并逐步改變它們的溫度。例如，第一TE模塊726在特定位置加熱運動介質(zhì)704。當(dāng)運動介質(zhì)704逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，在該位置的運動介質(zhì)704的材料運動直至接觸第二TE模塊725。之后，運動介質(zhì)704的相同部分運動到其它TE模塊分段701。當(dāng)運動介質(zhì)703逆時針方向旋轉(zhuǎn)且接合TE模塊701并隨后接合TE模塊725和726時，發(fā)生相反的動作。
113優(yōu)選地，運動介質(zhì)704、703在徑向和軸向方向具有良好的導(dǎo)熱性，在其角方向即運動方向的導(dǎo)熱性較差。使用此特征，從一個TE模塊725到另一TE模塊726通過運動介質(zhì)704、708的傳導(dǎo)性實現(xiàn)的熱傳遞被最小化，從而達到有效的熱隔離。
114作為TE模塊或分段701、725、726的一種選擇，可以用單個TE元件或多個TE元件分段替代。在此情形下，如果與其在運動介質(zhì)704、703運動方向的長度相比，TE元件701很薄，并且在此方向的導(dǎo)熱性相對較差，則它們將在其長度上表現(xiàn)出有效的熱隔離。它們將傳導(dǎo)熱量，并因此作出熱反應(yīng)，好像它們是由分離的TE模塊701構(gòu)成的一樣。此特征與運動介質(zhì)704、703內(nèi)運動方向上的低導(dǎo)熱性結(jié)合可以實現(xiàn)有效的熱隔離，并因此提供增強的性能。
115圖7D描述了運動介質(zhì)704、703的可選配置，其中介質(zhì)被構(gòu)造成具有輪輻(spoke)727和731的車輪729和732的形狀。在輪輻727和731之間的空間內(nèi)且與其保持良好的熱接觸的是換熱器材料728和730。
116系統(tǒng)700可以在圖7D所示的又一模式中運行。在此配置中，工作流體(未顯示)沿著陣列700的軸線作軸向運動，經(jīng)過工作介質(zhì)704、703，連續(xù)地從軸向上一個介質(zhì)704到下一運動介質(zhì)704等等，直至經(jīng)過最后的介質(zhì)704并退出。與此類似，分離的工作流體(未顯示)經(jīng)過在軸向上通過陣列700的單個運動介質(zhì)703。在此配置中，管道714和715以及分離器717被定形，以形成圍繞運動介質(zhì)704、703并分離介質(zhì)704和703的連續(xù)環(huán)。
117當(dāng)工作流體在軸向上流動時，熱能通過換熱器728和730被傳遞給工作流體。優(yōu)選地，例如，熱側(cè)工作流體通過換熱器728，并在工作流體運動經(jīng)過換熱器730的相反方向上運動經(jīng)過陣列700。在此工作模式中，陣列700用作逆流換熱器，一連串有序的換熱器728、730逐步加熱和冷卻經(jīng)過它們的各自的工作流體。如圖7C所示，熱活性組件可以是TE模塊701，其被構(gòu)造成在運動介質(zhì)704、703運動的方向具有有效的熱隔離?？商娲兀琓E模塊701和702可以是圖7C所示的分段。在后一種情形下，運動介質(zhì)704、703進一步優(yōu)選為在運動方向上具有低的導(dǎo)熱性，以便熱隔離運動介質(zhì)704、703外面的圓盤729和732的部分。
118可替代地，設(shè)計可以進一步包括部分729和732中的徑向槽(未顯示)，這些徑向槽承受來自TE模塊701和702的熱傳遞，以在運動方向?qū)崿F(xiàn)熱隔離。
119圖8示出了熱電系統(tǒng)800的另一實施例，系統(tǒng)800在第一側(cè)換熱器803和第二側(cè)換熱器808之間具有多個TE元件801(有陰影線)和802(無陰影線)。電源805提供電流804，并通過配線806、807連接到換熱器808。系統(tǒng)800具有管道和泵或風(fēng)扇(未顯示)，以移動熱側(cè)工作介質(zhì)和冷側(cè)工作介質(zhì)通過陣列800，例如，如圖2、3、4、5、6和7所述。
120在此設(shè)計中，TE模塊(具有多個TE元件)被TE元件801和802代替。例如，有陰影線的TE元件801可以是N型TE元件，而無陰影線的TE元件802可以是P型TE元件。對于此設(shè)計，優(yōu)選將換熱器803和808配置為具有很高的導(dǎo)電性。例如，換熱器803、808的外殼以及它們的內(nèi)部翅片或其它類型的換熱器構(gòu)件可以用銅或其它具有高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的材料制成。可替代地，換熱器803和808可以與TE元件801和802保持很好的熱通信，但是電隔離開。在此情形下，電分流器(未顯示)可以連接到TE元件801和802的表面，以通過與圖1所示類似的方式將其電連接，但是分流器以環(huán)形方式通過換熱器803和808。
121不管如何配置，例如，經(jīng)過N型801到達P型TE元件802的直流電流804將冷卻夾在二者之間的第一側(cè)換熱器803，并且之后經(jīng)過P型TE元件802到達N型TE元件801的電流804將加熱夾在二者之間的第二側(cè)換熱器808。
122陣列800可以表現(xiàn)出最小尺寸和熱損耗，因為可以取消或減少分流器、基底和標(biāo)準(zhǔn)TE模塊的多根電連接器線。而且，如果這些組件被設(shè)計成具有高導(dǎo)電性和電容量，則TE元件801和802可以是容納高電流的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在這樣的配置中，陣列800可產(chǎn)生高熱功率密度。
123圖9描述了與圖8所述的一般類型相同的熱電系統(tǒng)900，該系統(tǒng)具有P型TE元件901和N型TE元件902，二者位于第一側(cè)熱傳遞構(gòu)件903和第二側(cè)熱傳遞構(gòu)件905之間并與其保持良好的熱接觸。在此配置中，熱傳遞構(gòu)件903和905具有導(dǎo)熱棒或加熱管的形狀。連接到熱傳遞構(gòu)件903和905并與其保持良好的熱通信的是換熱器翅片904、906等等。第一管道907限制第一工作介質(zhì)908和909的流動，而第二管道914限制第二工作流體910和911的流動。電連接器912和913將電流傳導(dǎo)到圖8所述的交替P型和N型TE元件901、902形成的堆疊。
124在運行中，通過示例的方式，電流通過第一連接器912進入陣列900，經(jīng)過交替的P型TE元件901(有陰影線)和N型TE元件902(無陰影線)，并通過第二電連接器913退出。在此過程中，第一工作介質(zhì)908逐漸變熱，因為它被來自熱傳遞翅片904的傳導(dǎo)加熱，而熱傳遞翅片904反過來通過第一熱傳遞構(gòu)件903被傳導(dǎo)加熱。第一管道907圍繞并限制第一工作介質(zhì)908，所以它以變化了的溫度作為工作流體909退出。第一管道907的部分使TE元件901、902和第二側(cè)熱傳遞構(gòu)件905與第一(此情形下是熱的)工作介質(zhì)908和909絕熱。與此類似，第二工作介質(zhì)910通過第二管道914進入，當(dāng)經(jīng)過第二側(cè)換熱器906時被冷卻(此示例中)，并且作為被冷卻的流體911退出。TE元件901、902向第二側(cè)熱傳遞構(gòu)件905提供冷卻，從而向換熱器翅片906提供冷卻。第二側(cè)管道914用于限定第二(此示例中被冷卻的)工作介質(zhì)910，并且使其與陣列900的其它部分絕緣。
125盡管在圖8-9的實施例中被描繪成用于單個TE元件，但是TE模塊可以代替TE元件901、902。此外，在某些情形下，優(yōu)選將TE元件901、902與熱傳遞構(gòu)件903、905電隔離，并且使電流通過分流器(未顯示)。而且，換熱器904、906可以是對系統(tǒng)功能有利的任何設(shè)計。與其它實施例相同，可以看到圖8和圖9的配置提供相對容易的可制造的系統(tǒng)，并依靠熱隔離提供提高的效率。例如，在圖8中，在P型和N型熱電元件之間交替的換熱器808、803將是較冷或較熱的換熱器類型中的一種，但是將彼此適當(dāng)絕熱，并導(dǎo)致P型和N型熱電元件彼此適當(dāng)絕熱。
126圖10描述了提供熱隔離的另一熱電陣列系統(tǒng)(1000)。優(yōu)選地，此配置可以執(zhí)行系統(tǒng)的功能，該系統(tǒng)利用相同介質(zhì)的冷卻和加熱來除濕或去除沉淀物、薄霧、可冷凝的蒸氣、反應(yīng)產(chǎn)物等等，并將介質(zhì)返回到稍微超出其最初溫度的溫度。
127系統(tǒng)1000包括由交替的P型TE元件1001和N型TE元件1002形成的堆疊，還具有散布的冷側(cè)熱傳遞元件1003和熱側(cè)熱傳遞元件1004。在所述的實施例中，為較冷側(cè)熱傳遞元件1003和較熱側(cè)熱傳遞元件1004提供換熱器翅片1005、1006。較冷側(cè)管道1018和較熱側(cè)管道1019引導(dǎo)陣列1000內(nèi)的工作流體1007、1008和1009。風(fēng)扇1010拉動工作流體1007、1008和1009通過陣列1000。優(yōu)選地，當(dāng)從TE元件堆疊流經(jīng)較冷側(cè)時，較冷絕緣體1012熱隔離工作流體1007，而當(dāng)從TE元件堆疊流經(jīng)較熱側(cè)時，較熱絕緣體1020優(yōu)選隔離工作流體。擋板(baffle)1010等分離較冷側(cè)和較熱側(cè)。在一個優(yōu)選實施例中，擋板1010具有多個通道1010用于工作流體1021經(jīng)過。與此類似，在一個實施例中，流體通道1017允許流體1016進入熱側(cè)流動通道。
128篩網(wǎng)(screen)1011或其它多孔工作流體流動限制器將陣列1000的較冷側(cè)和較熱側(cè)分離。冷凝物、固態(tài)沉淀物、液體等1013在陣列1000的底部聚集，并且可以經(jīng)過閥1014且通過管口1015取出。
129如圖9的描述中所討論的，電流通過TE元件1001和1002的流動(未顯示)冷卻較冷側(cè)熱傳遞元件1003并加熱較熱側(cè)熱傳遞元件1004。在運行過程中，當(dāng)工作流體1007向下經(jīng)過較冷側(cè)時，沉淀物、水氣或來自工作流體1007的其它冷凝物1013會在陣列1000的底部聚集。根據(jù)需要，閥1014可以被打開，并且沉淀物、水氣或冷凝物1013可以通過管口1015去除或由任何其它適當(dāng)裝置提取出來。
130優(yōu)選地，一些工作流體1021可以從較冷側(cè)經(jīng)過旁路通道1020到達較熱側(cè)。通過這種設(shè)計，并非使所有較冷側(cè)流體1007經(jīng)過流動限制器1011，而是可用來局部降低較熱側(cè)工作流體的溫度，從而提高陣列1000在某些條件下的熱力學(xué)效率。旁路通道1020和流動限制器1011之間流動的適當(dāng)均衡可以通過對系統(tǒng)流動特性的適當(dāng)設(shè)計來實現(xiàn)。例如，可以通過包含閥來控制流動，且具體通道可以被打開或關(guān)閉。在一些使用中，流動限制器1011也可以用作過濾器以從液體或氣態(tài)工作流體1008中去除沉淀物，或從氣態(tài)工作流體1008中去除薄霧或霧。
131優(yōu)選地，其它較熱側(cè)冷卻液1016可以通過側(cè)通道1017進入陣列1000，同樣是為了達到減低較熱側(cè)工作流體的溫度或提高陣列1000的效率的目的。
132這種配置可以在流動限制器1011處產(chǎn)生很冷的條件，使得工作流體1008可以具有對大量的沉淀物、冷凝物或水氣的去除能力。在可選的工作模式中，可以反轉(zhuǎn)風(fēng)扇1010的電源并操作系統(tǒng)以便加熱工作流體并使其返回到冷卻狀態(tài)。這有利于去除加熱過程形成的反應(yīng)產(chǎn)物、沉淀物、冷凝物、水氣等等。在一個優(yōu)選實施例中，流動限制器1011和/或換熱器1005和1006可以具有對系統(tǒng)中發(fā)生的過程起到提高、更改、使能、避免作用或者對其有其他影響的催化劑特性。對于液態(tài)工作流體，一個或多個泵可代替風(fēng)扇/馬達1010從而達到優(yōu)越的性能。
133圖11描述了在設(shè)計方面與圖2和圖3類似的熱電陣列1100，但是其中工作介質(zhì)通過系統(tǒng)的路徑改變了。陣列1100具有分散在換熱器1102之間的TE模塊1101。多個入口端1103、1105、1107傳導(dǎo)工作介質(zhì)通過陣列1100。多個出口端1104、1106和1108傳導(dǎo)來自陣列1100的工作介質(zhì)。
134在運行過程中，通過示例的方式，要被冷卻的工作介質(zhì)在第一入口端1103進入并且經(jīng)過多個換熱器1102，從而逐漸冷卻(此示例中)，并通過第一出口端1104退出。從陣列1100中去除熱量的一部分工作介質(zhì)通過第二入口端1105進入，經(jīng)過換熱器1102，在此過程中被逐漸加熱，并通過第二出口端1106退出。
135去除熱量的工作介質(zhì)的第二部分進入第三入口端1107，當(dāng)經(jīng)過一些換熱器1102時被加熱，并且通過第三出口端1108退出。
136這種設(shè)計允許從通過第一入口端1103到第一出口端1104的冷卻側(cè)工作介質(zhì)被高效冷卻，因為此示例中熱側(cè)工作介質(zhì)在兩個位置進入，并且TE模塊1101上產(chǎn)生的溫度差異會平均低于工作介質(zhì)在單端口進入產(chǎn)生的溫度差異。如果通常的溫度梯度平均起來比較低，則在大多數(shù)情形下，產(chǎn)生的系統(tǒng)效率將是比較高的?？梢哉{(diào)整通過第二入口端1105和第三入口端1107的相對流速以達到預(yù)期的性能或?qū)ψ兓耐獠織l件作出響應(yīng)。通過示例的方式，通過第三入口端1107的較高流速(最有效的情形是，將通過該端口的流動方向反轉(zhuǎn)使得第三出口端1108成為入口)會引起在第一出口端1104退出的冷側(cè)工作介質(zhì)的較冷出口溫度。
137傳統(tǒng)熱電100的基本潛在連接的更多細節(jié)在圖1C中示出。如以上提到的，P型元件110和N型元件112是本領(lǐng)域眾所周知的類型。分流器106與P型TE元件110和N型TE元件112連接并保持良好的電連接。通常，大量的這種TE元件和分流器被連接到一起以形成TE模塊，如圖1A所示。
138TE元件110、112在電流流動方向的長度是LC 116；其廣度是BC 117；其寬度是WC 118，其距離是GC 120。分流器106的厚度是TC 109。
139尺寸BC、WC和LC以及TE材料的品質(zhì)因數(shù)Z、電流122和工作溫度確定冷卻、加熱或產(chǎn)生的電能量，這是本領(lǐng)域眾所周知的(例如，參見Angrist，S.W.″Direct Energy Conversion″3rd Ed.1977 Ch.4)。
140圖12描述的設(shè)計改變了圖1的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在某種意義上降低了所需熱電材料的數(shù)量和分流器106中寄生電阻的大小。TE配置1200具有多個傳導(dǎo)類型交替的第一側(cè)TE元件1201、1202，其連續(xù)地夾在分流器1203和多個第二側(cè)分流器1204之間，使得電流1209垂直于分流器的廣度BB和寬度WB經(jīng)過，而不是如圖1C所示基本平行于廣度。對于圖12的設(shè)計，RPB與ROB的比率φB為 其中， 因此， 其中 TB是分流器厚度 LB是TE元件長度 PSB是分流器電阻率 BB是TE元件和分流器的有效廣度 WB是TE元件和分流器的有效寬度 141如果φC被設(shè)為等于φB，則寄生電阻損耗將對圖1C和圖12的配置的性能具有相同比例的影響。為了對比的目的，假設(shè)兩種配置的材料特性是相同的，則 (14)φC＝φB 或在B中使用等式(9和12) 142對于目前的典型的熱電模塊； BC≈1.6mm WC≈1.6mm GC≈1.6mm TC≈0.4mm 并且，假設(shè) TB≈2mm PSB＝PSC 則， 143因此，長度LB可以是LC的1/6.4，并且產(chǎn)生的圖12的設(shè)計的電阻損耗不會超過傳統(tǒng)TE模塊的電阻損耗。如果是這種情形，并且所有其它損耗被忽略或適當(dāng)減少，利用圖12的配置的TE系統(tǒng)將與圖1C的系統(tǒng)將具有相同的運行效率，但是LB＝LC/6.4。
144新配置的體積可以與圖1C的體積相比。對于相同的qOPT，面積比一定保持相同，所以 并且，因為 (19)AC＝6.4AB。
145兩種熱電材料的體積比為 (20)VC＝ACLC (21)VB＝ABLB 并且 146因此，在這些假設(shè)下，同樣需要1/41的TE材料。盡管實際的電勢降低由于所做假設(shè)的正確性而不會完全實現(xiàn)，不過有益于降低使用的TE材料的數(shù)量，并因此也有益于降低成本和大小。
147圖12的TE堆疊配置1200具有長度為LB1205的P型TE元件1201和N型TE元件1202。電流流動的方向利用箭頭1209表示。TE元件的廣度為BB，寬度為WB。第二側(cè)分流器1204(“PN分流器”)在電流流動的方向上位于P型TE元件1201和N型TE元件1202之間。第一側(cè)分流器1203(“NP分流器”)在電流流動的方向上位于N型1202和P型1201元件之間。PN分流器1204一般在相反的方向從堆疊1200而不是NP分流器1203開始延伸。除180°以外的角度也是優(yōu)選的。
148如果在所指示的方向有適當(dāng)電流1209流過，則NP分流器1203被冷卻并且PN分流器1204被加熱。通過這種配置，對于相同的TE元件尺寸，配置1200的寄生電阻損耗通常比圖1的傳統(tǒng)配置100的寄生電阻損耗低。因此，如果TE長度LB1205被減小以使兩種配置中的寄生電力損耗的比率相等，則TE長度LB1205將變得比較小，并且有利的是，圖12的配置可以以比圖1所示的更高的功率密度運行。結(jié)果，圖12的配置1200也使用較少的熱電材料，并且可以比圖1的傳統(tǒng)設(shè)計更緊湊。
149分流器1203、1204可以提供傳遞熱能遠離TE元件1201、1202以及與外界物體或介質(zhì)諸如工作流體交換熱能的雙重功能。
150圖13A描述了被組合以形成換熱器1302的分流器的優(yōu)選實施例1300的圖示。優(yōu)選地，至少一個TE元件1301被電連接到換熱分流器1302的凸起電極表面1303，諸如使用焊料進行連接。優(yōu)選地，分流器1302可以主要由良好的熱導(dǎo)體(諸如鋁)構(gòu)成，并具有由高導(dǎo)電材料諸如銅組成的整體復(fù)合覆蓋(clad overlay)材料1304、1305以方便TE元件1301連接和電流在低電阻下流動。
151圖13B描述了堆疊式熱電組件1310的一部分的詳細側(cè)視圖，堆疊式熱電組件1310由圖13A中的熱電分流器1302和TE元件1301構(gòu)成。具有凸起電極表面1303的多個分流器1302被串行電連接到導(dǎo)電類型交替的TE元件1301。
152當(dāng)施加適當(dāng)?shù)碾娏鲿r，分流器1302將被交替地加熱和冷卻。產(chǎn)生的熱能被分流器1302從TE元件1301傳送出去。優(yōu)選地，凸起電極1303便于實現(xiàn)可靠、低成本、穩(wěn)定的表面以連接TE元件1301。事實上，可提供多個這些組件1310構(gòu)成的堆疊。也可以使用堆疊陣列，同樣會更便于熱隔離。
153電極1303優(yōu)選被定形以避免焊料使TE元件1301短路。而且，電極1303優(yōu)選被定形以通過TE元件1301控制接觸區(qū)域，并因此控制電流密度。
154圖14描述了分流換熱器的一部分1400的示例。該部分1400具有增大的表面積以幫助熱傳遞。TE元件1401被連接到分流器1402，優(yōu)選如圖13A所示進行構(gòu)造，或如該應(yīng)用中的其它實施例所示進行構(gòu)造。換熱器1403、1404諸如翅片以良好的熱接觸(諸如通過銅焊)連接到分流器1402。在此實施例中，工作流體1405經(jīng)過換熱器1403、1404。
155優(yōu)選地，對分流部分1400進行配置，從而當(dāng)工作流體1405流過換熱器1403、1404時，熱能被有效傳遞。而且，對材料的大小以及分流器1402和換熱器1403、1404的比例進行設(shè)計，以便當(dāng)與諸如圖12和13B中所述的堆疊結(jié)合時最優(yōu)化運行效率。優(yōu)選地，換熱器1403、1404可以是裝有百葉窗的、多孔的或者可以被實現(xiàn)所述目的的其它換熱器設(shè)計代替，諸如W.M.Kays和A.L.London的“Compact HeatExchangers”第3版描述的換熱器。換熱器1403、1404可以通過環(huán)氧樹脂、焊料、銅焊(braze)、焊接或提供良好熱接觸的任何其它連接方法連接到分流器1402。
156圖15描述了分流器分段1500的另一示例。分流器分段1500被構(gòu)造成包括多個分流元件1501、1502、1503和1504。分流元件1501、1502、1503和1504可以彼此疊置、銅焊、鉚接到一起或者以任何其它方式連接，這些方式為電流1507提供低電阻路徑以使其經(jīng)過并提供從TE元件1506到分流器1501、1502、1503和1504的低熱阻。TE元件1506優(yōu)選在基礎(chǔ)部分1505處或基礎(chǔ)部分1505附近被連接到分段1500。
157分流器分段1500描述了可替代圖14的分流器分段1400的設(shè)計，并且可被配置成圖12和13描述的多個堆疊，且之后根據(jù)需要可配置成堆疊陣列。圖14和15中的配置均可被自動組合以降低由這些設(shè)計構(gòu)成的TE系統(tǒng)的勞動成本。
158分流器分段還可以形成為如圖16所示的堆疊組件1600。中心分流器1602在第一側(cè)的每個末端具有導(dǎo)電類型相同的第一側(cè)TE組件1601，并且在中心分流器1602的相對側(cè)的每個末端具有導(dǎo)電類型相反的第二側(cè)TE元件1605。如圖16所示，每個中心分流器1602被置于右分流器1603和左分流器1604之間，形成分流器1602構(gòu)成的堆疊。放置右分流器1603使得左端夾在TE元件1601、1605之間并與其保持良好熱接觸和電接觸。與此類似，放置左側(cè)分流器1604使得右端夾在TE元件1601、1605之間并與其保持良好的熱接觸和電接觸。分流器1602、1603和1604被交替堆疊且電連接以形成分流器堆疊1600。第一工作流體1607和第二工作流體1608經(jīng)過組件1600。當(dāng)然，對于圖16所示的實施例以及此處描述的堆疊配置，該堆疊可以并可能由堆疊中的多個額外的分流器元件構(gòu)成。描述堆疊組件1600的一小部分僅是為了便于讀者理解。在圖中清楚可見這種堆疊的復(fù)制。此外，可以提供其它在工作流體流動的方向上熱隔離的堆疊。
159當(dāng)在通過TE元件1601、分流器1605、1604的一個方向上施加適當(dāng)?shù)碾娏鲿r，中心分流器1602將被冷卻，而左分流器1604和右分流器1606將被加熱。結(jié)果，經(jīng)過中心分流器1602的第一工作流體1607將被冷卻，而經(jīng)過右分流器1603和左分流器1604的第二工作流體1608將被加熱。堆疊組件1600形成用于調(diào)節(jié)流體的固態(tài)熱泵。重要的是要注意到，堆疊1600可以具有很少或很多分段，并且因此可以在不同的功率水平運行，這取決于施加的電流量和電壓量、部件尺寸和包含在組件中的分段的數(shù)量。這種堆疊的陣列也是優(yōu)選的。在使用這種堆疊1600的陣列的情形下，為提高效率優(yōu)選在流體流動的方向提供熱隔離，如美國專利6,539,725所述。
160還應(yīng)當(dāng)理解，為了提高性能，分流器1602、1603、1604可以利用其它形狀代替，例如但不限于圖14和圖15所示的形狀。
161圖17圖示說明了圖16中描述的堆疊組件1600的變體。對于這種配置，TE組件1700由右側(cè)分流器1703和左側(cè)分流器1704構(gòu)成以形成基本圓形的形狀。右側(cè)分流器1703優(yōu)選配置成形成部分圓周，左側(cè)分流器1704與之相同。在一優(yōu)選實施例中，在運行期間變冷的分流器可能比變熱的分流器更大或更小，這取決于裝置的特定目標(biāo)。應(yīng)當(dāng)注意到基本圓形的配置不是必要的，可以使用圖17所示的分流器分段的其它配置以產(chǎn)生中心流動部分。例如，右側(cè)分流器可以是半矩形或半方形，而左側(cè)分流器1704可以是半矩形或方形。與此類似，一側(cè)可以是多邊的，而另一側(cè)可以是弓形的。分流器的特定形狀是可以改變的。如圖16所討論的導(dǎo)電類型交替的TE元件1701和1702在堆疊組件1700中被串行電連接。優(yōu)選地，流體1712流入到分流器1703、1704形成的中心區(qū)域內(nèi)。流體1712的第一部分1707在右側(cè)分流器1703之間流過，而工作流體1712的第二部分1706在左側(cè)分流器1704之間流過。電源1708通過配線1712、1713電連接到TE元件，配線1712、1713在連接1710、1711處連接到堆疊。風(fēng)扇1709可以連接到堆疊的一端(或兩端)。也可以使用泵、鼓風(fēng)機等。
162當(dāng)向風(fēng)扇1709供電時，它泵送工作流體1712通過組件1700。當(dāng)提供具有極性的電流使得右分流器1703被冷卻時，工作流體1712的第一流體部分1707在經(jīng)過這些右分流器時被冷卻。與此類似，工作流體的第二部分1706在經(jīng)過被加熱的左側(cè)分流器1704時被加熱。組件1700形成容量和整體大小可根據(jù)其結(jié)構(gòu)中使用的分流器的數(shù)量進行調(diào)整的簡易的、緊湊的冷卻器/加熱器。很明顯，分流器1703、1704可以是有角的、橢圓形的或者任何其它有利的形狀。而且，分流器可以是圖14中描述的設(shè)計或任何其它有利的配置。
163在圖12、14、15、16和17的熱電系統(tǒng)的一個實施例中，多于一個的TE元件可以在圖18所示的陣列的一個或更多部分中使用。在此示例中，TE元件1801、1804被連接到分流器1802、1803的每一側(cè)上的凸起電極表面1804。
164并行電連接的多個TE元件1801可提高機械穩(wěn)定性，更好地分配熱能以及向系統(tǒng)添加電冗余。多于兩個TE元件1801可被并行使用。
165在某些應(yīng)用中，具有根據(jù)圖12-13與電極部分電隔離的分流器的暴露部分是令人期望的。圖19示出了這種分流器的一個示例。在此實施例中，電絕緣體1905使分流器1900的電極部分1903與分流器1900的換熱部分1904隔離開。TE元件1901、1902優(yōu)選被安裝在電極部分1903上。
166在運行過程中，優(yōu)選通過由高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率材料諸如銅制成的電極部分1903在導(dǎo)電類型相反的TE元件1901、1902之間施加電壓。TE元件1901、1902產(chǎn)生的熱能沿著分流器電極1903傳導(dǎo)，通過電絕緣體1905，并且進入分流器1900的換熱部分1904。優(yōu)選地，電絕緣體1905是非常好的熱導(dǎo)體，諸如氧化鋁、導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂等。如所示，電絕緣體1905形成的界面形狀是淺“V”形以最小化熱阻抗。也可以使用具有適當(dāng)?shù)牡徒缑鏌嶙杩沟娜魏纹渌螤钆c材料組合。這種分流器1900構(gòu)成的堆疊可以如之前描述的那樣被使用。
167圖20描述的另一分流器分段2000組件的頂視圖示出了電隔離的替代形式。第一TE元件2001連接到分流器分段陣列2000的左分流器2003，而第二TE元件2002連接到分流器分段陣列2000的右分流器2004。電絕緣體2005被置于左側(cè)分流器分段2003和右側(cè)分流器分段2004之間。
168圖20中描述的配置提供TE元件2001和2002之間的電隔離，同時保持整個分流器2000的機械完整性。在該配置中，電絕緣體2005不需要提供特別好的導(dǎo)熱性，因為倘若電絕緣體2005一般被置于TE元件2001和2002之間的中心位置，則熱能源、TE元件2001和2002可以在不同程度上冷卻或加熱左分流器分段2003和右分流器分段2004。應(yīng)當(dāng)注意到盡管描述了兩個TE元件2001和兩個第二TE元件2002，但是可以在每側(cè)上使用更大的TE元件或更大數(shù)量的TE元件。選擇兩個第一TE元件2001和兩個第二TE元件2002僅僅是為了圖示說明具有良好穩(wěn)定性的機械結(jié)構(gòu)。還應(yīng)當(dāng)注意到根據(jù)電流的預(yù)期路徑(route)，第一TE元件2001和第二TE元件2002不需要但是可以具有不同的導(dǎo)電類型。
169圖21描述了一種在分流器2100內(nèi)實現(xiàn)電隔離的替代方法。具有兩個第一TE元件2101的分流器部分2103被機械連接到具有兩個第二TE元件2102的第二分流器部分2104。電絕緣體2106機械連接分流器部分2103和2104，分流器部分2103和2104還通過間隙2105彼此分離。
170在機械連接件2106臨近TE元件2101和2102之間的中心位置以及TE元件2101和2102產(chǎn)生的熱能大約相等的情況下，電絕緣體2106不必是好的導(dǎo)熱體。TE元件2101和2102中的每一個向各自的分流器部分2103和2104提供熱能。電絕緣體2106可以是Kapton背粘膠帶(adhesive-backed Kapton tape)、注射成型塑料、熱熔膠或任何其它適當(dāng)材料。如圖21所示的平面圖，分流器部分2103、2104不會重疊形成搭接接頭(lap joint)。也可以使用具有環(huán)氧樹脂或其它電絕緣的粘合劑的這種接頭。
171圖22的頂視圖中描述的另一分流器分段陣列2200具有在矩形TE陣列2200中的電隔離的分流器分段。第一TE元件2201熱連接到第一分流器部分2202，而第二TE元件2203熱連接到第二分流器部分2204。每個分流器部分與其它分流器部分通過間隙2210、2211電分離。優(yōu)選提供在組件左側(cè)的電絕緣體2208、中間的絕緣體2207和右側(cè)的絕緣體2209。箭頭2212表示工作流體的流動方向。與不具有電隔離的類似陣列相比，這種配置可以在更高的電壓和更低的電流下運行。針對圖20應(yīng)注意，第一TE元件2201和第二TE元件2203不必但是可以是不同的導(dǎo)電類型。這將取決于預(yù)期電流流動的方向。然而，TE元件2202、2203的電勢可以不同。
172間隙2210起到使第一分流器部分2202彼此有效熱隔離以及第二分流器部分2204彼此有效熱隔離的作用。與此類似，側(cè)面絕緣體2208、2209提供熱隔離和電隔離，同時機械地將分流器連接在一起。中心絕緣體2207沿其長度提供電隔離和熱隔離。因此，陣列2200被構(gòu)造成在箭頭2212的方向產(chǎn)生熱隔離，如美國專利6,539,725所述。與不具有電隔離的類似陣列相比，這種配置可以在更高的電壓和更低的電流下運行。
173圖23描述一種冷卻系統(tǒng)2300，其基本上使用圖22所述類型的分流器分段陣列。冷卻系統(tǒng)2300具有利用電絕緣材料2320(諸如膠帶)機械連接的內(nèi)部分流器分段2301、2302。內(nèi)部分流器分段2302利用電絕緣且熱絕緣的材料2321機械連接起來。與此類似，內(nèi)部分段2301利用電絕緣且熱絕緣的材料2307機械連接起來。內(nèi)部分流器分段2301、2302分別在末端(未顯示)通過圖22所述的方式連接到TE元件。TE被夾在內(nèi)部分流器分段2301、2302和各自的外部分流器分段2303、2305之間的堆疊中。中心分流器分段2301分別連接到外部左分流器分段2305，而內(nèi)部分流器分段2302連接到外部右分流器分段2303。優(yōu)選地，外部右分流器分段2303通過電絕緣且熱絕緣的材料2322類似地機械連接在一起，材料2322類似于連接內(nèi)部分流器分段2302的電絕緣材料2321。外部左分流器分段2305類似地機械連接在一起。外殼2311支撐分流器分段的堆疊陣列和TE。終端柱2312和2314電連接到內(nèi)部分段2301。類似地，終端2315和2316連接到內(nèi)部分流器分段2302。優(yōu)選地，熱絕緣且電絕緣的隔離物(spacer)2309、2310被置于每個內(nèi)部分段和外部分段之間。
174第一工作流體2317經(jīng)過內(nèi)部區(qū)域，而第二工作流體2318、2319經(jīng)過外部區(qū)域。當(dāng)在終端2312和2314，2315和2316之間施加適當(dāng)極性和大小的電壓時，內(nèi)部分流器分段2301、2302被冷卻。同時，外部分流器分段2303、2305被加熱。因此，經(jīng)過內(nèi)部區(qū)域的工作流體2317被冷卻，而經(jīng)過外部分流器分段2303、2305的工作流體2318、2319被加熱。外殼2311和絕緣體2309、2310容納被冷卻的流體2317和被加熱的流體2318、2319并將被冷卻的流體2317與被加熱的流體2318、2319分離。
175給系統(tǒng)2300中的每個堆疊提供電壓的電連接可以串行地在高電壓下運行，可以串行/并行地在一半電壓下運行或者并行地在1/4電壓下運行。極性可以被反轉(zhuǎn)以加熱內(nèi)部工作流體2317以及冷卻外部工作流體2318、2319?？梢栽诠ぷ髁黧w2317、2318、2319流動的方向使用更多個分段以在甚至更高的電壓下運行，以通過產(chǎn)生的更為有效的熱隔離來實現(xiàn)更好的效率。
176通過熱隔離實現(xiàn)性能提高的另一緊湊的設(shè)計使用圖24A和24B所述的組合分流器和熱傳遞分段2400。該設(shè)計與圖14的設(shè)計很相似，但是具有在流體流動的方向基本對齊的TE元件2401、2402。傳導(dǎo)類型相反的TE元件2401、2402被連接到分流器2404的延伸部分2403。優(yōu)選地，換熱器2405、2406(諸如翅片)與分流器2404有良好的熱接觸。當(dāng)經(jīng)過換熱器翅片2405和2406時，工作流體2409根據(jù)流體流動的方向被加熱或冷卻。
177圖24B描述了包括圖24A所示的TE分流器分段2400的堆疊2410的一部分。電流2417在箭頭表示的方向流動。多個第一側(cè)分流器2400和多個第二側(cè)分流器2400a連接到TE元件2411。第一工作流體2418沿堆疊2410的較低部分流過圖24a中第二側(cè)分流器2400a上的換熱器，而工作流體2419優(yōu)選在相反的方向流過第一側(cè)分流器2400的換熱器。
178當(dāng)施加適當(dāng)電流2417時，流體2419在從一個分段流向下一個分段的過程中會被堆疊2410的上部逐漸冷卻，而流體2418在從一個分流器2400a流向下一個分流器的過程中會被堆疊2410的下部逐漸加熱。
179圖25A描述了替代的TE堆疊配置2500。該TE堆疊實現(xiàn)了與工作流體2513熱隔離的優(yōu)點，工作流體2513流動的方向基本垂直于電流流動方向2512。第一分流器2502被電連接到第一TE元件2501并且與換熱器2503、2504有良好的熱接觸。類似地，第二個第一側(cè)分流器2506與其換熱器2508有良好熱接觸，而第三個第一側(cè)分流器2505與其換熱器2507有良好熱接觸。散布在每個第一側(cè)分流器2502、2506和2505之間的是類型交替的TE元件2501和基本在相反的方向凸出的第二側(cè)分流器2509、2510和2511，如圖12所示。沒有完全描述的第二側(cè)分流器2509、2510和2511基本具有相同的形狀并且與第一側(cè)分流器2502、2506和2505一樣具有相同的空間關(guān)系。工作流體2513在箭頭表示的方向通過堆疊組件。當(dāng)通過TE元件垂直地施加適當(dāng)?shù)碾娏鲿r，第一側(cè)分流器2502、2505和2506被加熱，并且第二側(cè)分流器2509、2510和2511被冷卻。隨著工作流體2513首先流過換熱器2507，之后通過換熱器2508，并最終通過換熱器2503，其被逐漸加熱。完整的堆疊組件具有陣列2500的重復(fù)部分，這些部分在電流流動方向被組合，使得換熱器2503的頂部被分隔成接近另一陣列部分的下一順序換熱器2504的底部。在工作流體2513流動的方向熱隔離是顯而易見的。
180圖25B是圖25A描述的陣列部分2500的平面圖。傳導(dǎo)類型交替的多個TE元件2501的冷卻散布在多個第一側(cè)分流器2502、2506和2505與多個第二側(cè)分流器2511、2509和2510之間，使得第一側(cè)分流器2502、2506和2505與第二側(cè)分流器2511、2509和2510交替。分流器被間隙2534分離且與每個分流器的換熱器有良好的熱接觸。第一工作流體2531沿著上部從右向左流過，而工作流體2532優(yōu)選沿著下部從左向右流過。提供的熱和電絕緣體2533優(yōu)選在每對分流器之間，除電流流過TE和分流器的地方外。
181例如，當(dāng)適當(dāng)?shù)碾娏髁鬟^陣列2500時，工作流體2531被逐漸加熱，而工作流體2532被逐漸冷卻。絕緣體2533防止不必要的熱損耗，還防止工作流體2531、2532的混合。如所示，陣列2500在反向流動模式下運行，并且使用熱隔離來提高性能。同樣的陣列2500可以與在相同方向以并行流動模式運動的工作流體2531、2532一起運行，并且仍舊具有熱隔離的優(yōu)點以提高性能。在這兩種情形下，TE元件2521的電阻優(yōu)選不完全相同，但是其電阻隨溫度和各TE元件之間的功率差異而變化，如美國專利6,539,735所述。
182圖26A描述了另一TE模塊2600，其使用本說明書討論的原理來實現(xiàn)在更高電壓下的運行以及可能的其它優(yōu)點，諸如更高的功率密度、緊湊的大小、強度、更高效率。第一TE元件2601被夾在第一端分流器2603和第二分流器2604之間。具有相反傳導(dǎo)類型的第二TE元件2602被夾在第二分流器2604和第三分流器2605之間。這種形式持續(xù)到最末端分流器2606。電流2607流入最末端分流器2606，通過TE模塊且從第一端分流器2603退出，如箭頭2608和2609所示。間隙2611避免導(dǎo)電且降低相鄰分流器之間的熱傳導(dǎo)。在一個實施例中，第一端分流器2603和最末端分流器2606具有電極表面2612。其它分流器具有導(dǎo)熱的、但與分流器主體電絕緣的分流器表面2614。
183在運行過程中，適當(dāng)?shù)碾娏?608流過TE模塊2600，同時加熱上表面并冷卻下表面(反之亦然)。圖26A中描述的TE模塊2600包括5個TE元件和6個分流器。優(yōu)選地，可以使用任意奇數(shù)個TE元件，這些TE元件被所示的分流器交替分隔開。而且，多于一個的TE元件(如圖18所示具有相同類型)可以被并行連接在每對分流器之間。為了實現(xiàn)交替的功能性，可使用偶數(shù)個TE，從而使電能限定到一個表面的電隔離部分。
184圖26B示出了TE模塊2600的陣列2620。圖26B示出了彼此頂部堆疊的兩個TE模塊2600，類型如圖26A所示，以及夾在第一側(cè)分流器2604之間的中心熱傳遞構(gòu)件2635。外部的熱傳遞構(gòu)件2632和2636熱耦合到第二側(cè)分流器2605。分流器和熱傳遞構(gòu)件還可以是任何其它適當(dāng)類型，例如圖14和15中介紹的類型。第一TE模塊的第一端分流器2603電連接到外部的熱傳遞構(gòu)件2632。與此類似，第一或上部TE模塊的另一端分流器2006被電連接到中心熱傳遞構(gòu)件2635。與此類似，第二TE模塊的第二端分流器2606a被電耦合到中心熱傳遞構(gòu)件2635，而第二TE模塊的第一端分流器2603a被電耦合到圖26B的底部上的外部熱傳遞構(gòu)件2636。除了端分流器2603、2606、2606a和2603a，其它分流器2604、2605具有導(dǎo)熱的電絕緣體2612。此外，如圖26A中的布局，分流器具有間隙2611以使它們彼此電隔離。電流流動由箭頭2628、2629、2630、2631和2637表示。如所示，TE元件2601、2602的傳導(dǎo)類型交替。
185當(dāng)適當(dāng)?shù)碾娏髁鬟^陣列2620時，第二側(cè)分流器2605和外部熱傳遞構(gòu)件2632和2636被加熱。第一側(cè)分流器2604和中心熱傳遞構(gòu)件2635被冷卻。電流反轉(zhuǎn)時出現(xiàn)相反的情況。工作電流和相應(yīng)電壓可以通過調(diào)節(jié)TE元件2601、2602的尺寸和數(shù)量進行調(diào)節(jié)。與此類似，可以調(diào)節(jié)功率密度。應(yīng)當(dāng)注意可以使用更大數(shù)量的分流器和TE元件，這將加寬圖26B所示的配置。此外，更多的TE模塊2600可以在垂直的方向上堆疊。此外，可以提供從圖26B的平面向內(nèi)或向外的堆疊陣列或者可以使用上述堆疊陣列的任意組合。在適當(dāng)?shù)年嚵兄?，可以根?jù)美國專利6,539,725的說明使用在熱傳遞方向或工作流體流動方向的熱隔離原理。
186圖27圖示了TE模塊2700的可替代的實例，其類型類似于圖26A中的TE模塊2600。端分流器2705、2704被電連接到電源2720和地(ground)2709。TE元件2701、2702被電連接到串聯(lián)的分流器2703、2704、2705、2706之間。在此實施例中，由絕緣體2711將所有分流器2703、2704、2705、2706與第一熱傳遞構(gòu)件2707和第二熱傳遞構(gòu)件2708電隔離開。分流器與熱傳遞構(gòu)件2707、2708有良好的熱接觸。第一側(cè)熱傳遞構(gòu)件2708在箭頭2712表示的方向運動。優(yōu)選地，第二側(cè)熱傳遞構(gòu)件2707在相反的方向運動，如箭頭2710所示。
187當(dāng)向TE模塊2700施加適當(dāng)電流時，第二側(cè)熱傳遞構(gòu)件2707被冷卻且第一側(cè)熱傳遞構(gòu)件2708被加熱。其運行類似于與圖7A、7B、7C和7D所述的相關(guān)運行。應(yīng)當(dāng)注意到第一熱傳遞構(gòu)件2707和第二熱傳遞構(gòu)件2708的形狀不必是可能從圖27中推斷出來的矩形，而可以是圓盤形的或者任何其它適當(dāng)?shù)男螤?，諸如圖7A討論的形狀。通過有效的設(shè)計，TE模塊2700還可以實現(xiàn)與熱隔離相關(guān)的性能優(yōu)勢，如美國專利6,539,725所討論的。
188在可替代的實施例中，熱傳遞組件2707和2708不運動。在此配置中，TE模塊2700類似于圖1所述的標(biāo)準(zhǔn)模塊，但是可以以高功率密度運行并且利用相對薄的TE元件2701、2702。優(yōu)選地，TE模塊2700對TE元件2701、2702產(chǎn)生低的切應(yīng)力，該切應(yīng)力例如是由第一側(cè)和第二側(cè)分流器間的熱膨脹差異產(chǎn)生的。由于切應(yīng)力是由TE元件2701、2702兩端的溫度差別在TE模塊2700內(nèi)產(chǎn)生的，并且與寬度尺寸成比例，所以該切應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)TE模塊中與整個模塊寬度成比例的切應(yīng)力小得多。這種差異可以從圖12與圖1中描述的標(biāo)準(zhǔn)模塊之間的比較看出來。具有兩個以上與圖12所示的配置尺寸相同的TE元件的標(biāo)準(zhǔn)模塊將表現(xiàn)出不利的高切應(yīng)力，尺寸如圖12的配置中的尺寸。這種切應(yīng)力限制熱循環(huán)穩(wěn)定性和模塊大小。
189圖27還提供了一個好的圖示，以描述此說明書描述的實施例可以如何用于發(fā)電。在這樣的配置中，終端2709、2720連接到負載而不是電源，以便向負載提供電能。熱傳遞構(gòu)件2708、2707以溫度梯度的方式提供熱能。第一熱傳遞構(gòu)件2708和第二熱傳遞構(gòu)件2707之間的溫度梯度導(dǎo)致熱電系統(tǒng)2700在終端2709、2720產(chǎn)生電流，這兩個終端可以進一步連接到負載或電能存儲系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)2700可以作為發(fā)電機。說明書中描述的其它配置也可以以類似的方式被耦合以通過施加溫度梯度和產(chǎn)生電流來提供發(fā)電系統(tǒng)。
190TE熱傳遞系統(tǒng)2800在圖28中描述，該系統(tǒng)使用氣態(tài)工作流體2810和液態(tài)工作流體2806。在此實施例中，第一側(cè)分流換熱器2803采用圖24A和圖24B中描述的結(jié)構(gòu)。分流換熱器2803通過氣態(tài)工作介質(zhì)2810傳遞熱能。在此實施例中，第二側(cè)分流換熱器2804、2805通過液態(tài)工作介質(zhì)2806傳遞熱能。傳導(dǎo)類型相反的多個TE元件2801夾在第二側(cè)分流器2804、2805和分流換熱器2803之間。類似地，第二側(cè)分流換熱器2804、2805夾在傳導(dǎo)類型交替的TE元件2801之間。電流2812、2813經(jīng)過系統(tǒng)2800，如箭頭2812、2813所示。在此實施例中，管2814、2815使液態(tài)工作介質(zhì)2806從一個分流換熱器2804、2805流到下一個分流換熱器。
191TE熱傳遞系統(tǒng)2800的運行類似于圖24B描述的系統(tǒng)的運行，其中一種工作流體2810是氣態(tài)的，而其它工作流體2806是液態(tài)的。系統(tǒng)2800中的設(shè)計也實現(xiàn)了美國專利6,539,725所述的熱隔離優(yōu)勢。
192圖29描述了分流換熱器2900的細節(jié)。該組件優(yōu)選具有容器2901、電極2902和熱傳遞翅片2905和2906，容器2901由很好的導(dǎo)熱材料構(gòu)成，電極2902由很好的導(dǎo)電材料構(gòu)成，熱傳遞翅片2905和2906與容器2901的頂表面和底表面有良好的熱接觸。在一個實施例中，容器2901和電極2902由單一的材料構(gòu)成，并且在結(jié)構(gòu)上可以是一個整體。優(yōu)選地，容器2901的底表面與電極2902之間的界面2904具有很低的熱阻抗。流體2909通過分流換熱器2900。
193在運行過程中，TE元件(未顯示)被電連接到電極2902的頂部部分和底部部分。當(dāng)施加適當(dāng)電流穿過TE和電極2902時，容器2901和翅片2905、2906被加熱或冷卻。穿過分流換熱器2900的工作流體2909由換熱器2900加熱或冷卻。優(yōu)選地，分流換熱器2900具有足夠好的導(dǎo)電性，從而不會明顯導(dǎo)致寄生損耗?？梢酝ㄟ^最小化經(jīng)過電極2902的電流路徑長度、最大化穿過電流路徑的導(dǎo)電性以及增大電極2902的橫截面積而使這種損耗變小。
194容器2901的頂表面和底表面、翅片2905和2906在電流流動的方向提供充足的導(dǎo)電性，因此可以減小固體電極體2902的橫截面積或者將其完全除去，如圖4B的實施例中所示。
195圖30描述了熱沉和流體系統(tǒng)3000。傳導(dǎo)類型交替的TE元件3001被散布在流體換熱器3004與分流器3002和3005之間，每個流體換熱器具有分流部分3003。電流3006、3007流過分流部分3003、分流器3002和3005以及TE元件3001。工作流體3009的流動如箭頭所示。熱沉3010、3011與分流器3002、3005有良好的熱接觸但是電絕緣。在具有金屬或其它導(dǎo)電的熱沉3010、3011的實施例中，優(yōu)選具有良好的導(dǎo)熱性的電絕緣體3008、3012將電流流動3001、3007限定到所示的電路。
196當(dāng)施加適當(dāng)電流3006、3007時，將熱能從工作流體3009傳遞給熱沉3010、3011。分流熱傳遞構(gòu)件3004彼此熱隔離，使得此實施例利用熱隔離實現(xiàn)了性能增益。
197圖31A描述了替代的分流換熱器實施例3100。分流部分3101具有電極3102和熱傳遞延伸部分3108，電極3102用于連接到TE元件(未顯示)，延伸部分3108與換熱器3103(諸如翅片)有良好的熱接觸。流體3107流過換熱器3103。
198分流換熱器3100優(yōu)選具有基本位于熱傳遞延伸部分3108之間的中心位置的電極3102。在此實施例中，熱能可以在兩個方向流進以及流出TE組件，因此，與圖24A描述的實施例相比，可以將針對每個TE元件的熱傳遞能力大約增加一倍。分流器側(cè)可能具有增強的熱傳遞特性，諸如通過加入熱管、對流熱流動或利用提高熱傳遞的任何其它方法來實現(xiàn)。
199圖31B描述了具有分流器3111、電極3112和流入流體端3113、3114以及流出流體端3115、3116的熱傳遞分流組件3110。熱傳遞分流組件3110可能具有針對每個TE元件的提高的熱傳遞能力，并且相對于圖29中描述的系統(tǒng)具有更強的流體傳送能力。
200圖31C描述了具有分流構(gòu)件3121、電極3122和換熱表面3123、3124的分流組件3120。分流組件3120針對每個TE組件的熱傳遞能力可接近圖26A和圖26B中描述的實施例的兩倍。但是，與圖26A和圖26B描述的使用相比，分流組件3120構(gòu)成的堆疊彼此將以接近直角的角度交替，且彼此相對的表面3123、3124將例如均被加熱，并且堆疊中與被加熱的那對表面幾乎成直角的下一對表面將被冷卻?？商娲兀砻?123、3124可以成其它角度，諸如120°，并且可以通過圖26所述的分流器2604分散開。多側(cè)分流器的任意組合都是本發(fā)明的部分。
201應(yīng)當(dāng)注意到熱電材料的減少是很顯著的。例如，本文討論的熱電元件在一個通用實施例中可能足夠薄達到5微米至1.2毫米。對于諸如可利用圖31A-C、圖26A-B以及圖27中的實施例實現(xiàn)的超晶格和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的配置，熱電元件的厚度可能在20微米至300微米之間，更為優(yōu)選地是從20微米到200微米，甚至從20微米到100微米。在另一實施例中，熱電元件的厚度在100微米至600微米之間。熱電元件的這些厚度明顯比傳統(tǒng)熱電系統(tǒng)的厚度更薄。
202應(yīng)當(dāng)注意到描述的這些配置不要求TE元件必須裝配到陣列或模塊中。對于一些應(yīng)用，TE元件優(yōu)選直接連接到熱傳遞構(gòu)件，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。還應(yīng)當(dāng)注意到以上描述的特征可以在不偏離本發(fā)明的情況下以任何有利的方式被組合。此外，應(yīng)當(dāng)注意到盡管各個圖形中所示的TE元件看起來具有類似的尺寸，但是陣列或堆疊中TE元件的尺寸可以變化，端類型TE元件可以具有與P型TE元件不同的大小和形狀，在設(shè)計上一些TE元件可以是異質(zhì)(hetero)結(jié)構(gòu)，而其它TE元件的設(shè)計可以是非異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
203一般而言，這些圖形中描述的系統(tǒng)在冷卻/加熱和發(fā)電模式中運行。優(yōu)選地，可以進行細節(jié)變化來最優(yōu)化冷卻、加熱或發(fā)電的性能。例如，期望大的溫度差異(200°F到2000°F)以實現(xiàn)高效率發(fā)電，這是本領(lǐng)域眾所周知的，而小的溫度差異(10°F到60°F)是冷卻和加熱系統(tǒng)的特性。大的溫度差異要求不同的結(jié)構(gòu)材料和具有不同設(shè)計尺寸和材料的可能的TE模塊和元件。然而，對于不同模式的運行，基本概念仍然是相同的。圖5、8和9描述的設(shè)計對于發(fā)電是優(yōu)選地，因為它們提供制作簡易、結(jié)實(rugged)、低成本的設(shè)計的潛力。但是，以上提到的所有設(shè)計對于具體的發(fā)電應(yīng)用都可能使有用的，因此不能排除在外。熱電發(fā)電系統(tǒng) 204本文所述的某些實施例提供新穎的熱電發(fā)電(TPG)系統(tǒng)，該熱電發(fā)電系統(tǒng)將現(xiàn)有的本領(lǐng)域的材料技術(shù)與優(yōu)化的熱量管理合并。本文所述的某些實施例的數(shù)值模型的結(jié)果可以模擬系統(tǒng)運行和方便其設(shè)計。根據(jù)本文所述的某些實施例，也可以使用先進的多參數(shù)、基于梯度的最優(yōu)化技術(shù)來更好的理解各種設(shè)計變量和參數(shù)之間的相互作用，以便向著優(yōu)化TPG系統(tǒng)設(shè)計的方向前進。
205在本文所述的某些實施例中，該系統(tǒng)包括一系列分段的熱電(TE)元件(如每個TE元件可以包括多達三種不同材料)。優(yōu)選某些實施例將工作流體流動方向上的熱隔離與直接集成的高功率密度TE材料合并到熱傳遞裝置中。在某些實施例中，電流平行于熱源和熱沉表面運行，有利地允許集成具有多個幾何自由度的TE材料。在某些實施例中，此設(shè)計屬性與熱隔離熱力循環(huán)相結(jié)合，該系統(tǒng)優(yōu)選允許系統(tǒng)的每個TE元件可以被半獨立地優(yōu)化。在某些實施例中，每個P型元件和每個N型元件可以選擇不同的長寬比，以便在運行期間每個TE元件的TE材料層可以為應(yīng)用于TE層的溫度范圍中的品質(zhì)因數(shù)(ZT)提供足夠高(如可能的最高或足夠高以提供所需的效率)的值。本文所述的某些實施例的增大的設(shè)計靈活性有利地幫助解決與分段TE元件和流體流動相關(guān)的TE材料兼容性問題，該兼容性問題通常降低系統(tǒng)的性能。本文所述的某些實施例也有利地實現(xiàn)了在仍保持優(yōu)良的熱接觸和電接觸的同時消除熱膨脹失配的影響。本文所述的某些實施例也選擇包括電、熱連接器設(shè)計和最小化界面阻抗的額外設(shè)計考慮以優(yōu)化TE系統(tǒng)的設(shè)計。某些實施例的系統(tǒng)適于廢熱回收和主要電力應(yīng)用。
206使用熱電技術(shù)發(fā)電的潛能在最近幾年有顯著地增加。某些地方正在研制品質(zhì)因數(shù)(ZT)顯著大于1的先進的新的更高溫材料，諸如密歇根州立大學(xué)(例如參考K.F.Hsu et al.，“Cubic AgPbmSbTe2+mBulkThermoelectric Materials with High Figure of Merit，”Science，Vol.303，F(xiàn)eb.6，2004，PP.818-821)和麻省理工學(xué)院(MIT)的林肯實驗室(例如參考T.C.Harman et al.，“Quantum Dot Superlattice ThermoelectricMaterials and Devices，”Science，Vol.297，(2002)，pp.2229-2232)。此外，噴射推進實驗室(JPT)已經(jīng)在發(fā)展材料分段概念上取得巨大成功(例如參考T.Caillat et al.，“Development of High Efficiency SegmentedThermoelectric Unicouples，”20th Int’l Conf.on Thermoelectrics，Beijing，China，2001，PP.282-285)。
207同時，BSST公司已經(jīng)證明在流動方向上熱隔離的優(yōu)勢(例如參考L.E.Bell，“Use of Thermal Isolation to Improve ThermoelectricSystem Operating Efficiency，”21st Int’l Conf.on Thermoelectrics，LongBeach，California，2002，PP.477-487；and R.W.Diller et al.，“ExperimentalResults Confirming Improved Performance of Systems Using ThermalIsolation，”21st Int’l Conf.on Thermoelectrics，Long Beach，California，2002，PP.548-550)。這些優(yōu)勢可以包括改進的HVAC性能系數(shù)(COP)，以及高功率密度設(shè)計，其需要傳統(tǒng)基于TE的發(fā)電機設(shè)計的TE材料用量的大約1/6(例如參考L.E.Bell，“High Power Density ThermoelectricSystem，”23rd Int’l Conf.on Thermoelectrics，Adelaide，Australia，2004)。
208本文所述的某些實施例以這些發(fā)展為基礎(chǔ)并利用其他設(shè)計創(chuàng)新來進一步增加可以使用熱電技術(shù)從熱源提取能量的數(shù)量。優(yōu)選某些實施例與高功率密度概念結(jié)合(例如參考L.E.Bell，“AlternateThermoelectric Thermodynamic Cycles with Improved Powder GenerationEfficiencies，”22nd Int’l Conf.on Thermoelectrics，Heraulr，F(xiàn)rance，2003)。
209圖32根據(jù)本文所述的某些實施例示意性圖示說明部分示例性熱電系統(tǒng)3200。在某些實施例中，由圖32示意性圖示說明的配置有利地提供各種優(yōu)勢，這些優(yōu)勢將在下面詳細討論。在某些實施例中，由圖32示意性圖示說明的配置更易于適應(yīng)不同厚度、面積和熱膨脹系數(shù)的TE元件。此配置也可以適應(yīng)高功率密度材料的使用、被設(shè)計大小以提供高功率密度運行的TE元件和工作流體流動方向上的熱隔離。
210熱電系統(tǒng)3200包括第一熱電元件3210，該第一熱電元件3210包括相互電通信的第一組多個分段3212。熱電系統(tǒng)3200進一步包括第二熱電元件3220，該第二熱電元件3220包括相互電通信的第二組多個分段3222。熱電系統(tǒng)3200進一步包括熱傳遞裝置3230，該熱傳遞裝置至少包括第一部分3232和第二部分3234。第一部分3232夾在第一熱電元件3210和第二熱電元件3220之間。第二部分3234從第一部分3232凸出并且被配置為與工作介質(zhì)(未顯示)熱通信。
211在某些實施例中，至少一些第一組多個分段3212相互串行電通信，至少一些第二組多個分段3222相互串行電通信。在某些實施例中，至少一些第一組多個分段3212相互串行/并行電通信，至少一些第二組多個分段3222相互串行/并行電通信。
212圖32示意性圖示說明示例性堆疊，該堆疊包括由第一TE元件3210和第二TE元件3220分隔的三個熱傳遞裝置3230。某些其他實施例包括至少一個堆疊，該至少一個堆疊包括多個TE元件(交替的P型和N型TE元件)和熱傳遞裝置，其中熱傳遞裝置被夾在多個TE元件中的至少兩個TE元件之間。
213某些實施例的熱傳遞裝置3230提供從第一TE元件3210到第二TE元件3220的電通道，從而實現(xiàn)TE p-n耦(couple)，以便電流源的電流串行經(jīng)過第一TE元件3210、熱傳遞裝置3230和第二TE元件3220。在某些此種實施例中，電流串行經(jīng)過第一組多個分段3212并且串行經(jīng)過第二組多個分段3222。
214某些實施例的熱傳遞裝置3230也提供從工作流體到TE元件3210、3220的熱路徑。電流平行于由圖32示意性圖示說明的配置中的熱源和熱沉表面流動，從而允許集成具有多個幾何自由度的TE材料。在某些實施例中，熱傳遞裝置3230熱隔離至少一些TE元件與至少一些其他TE元件。在某些實施例中布置多個熱傳遞裝置3230以在工作介質(zhì)流動方向上提供熱隔離。
215在某些實施例中，熱傳遞裝置3230的第二部分3234在至少一個方向上(如在大致沿著工作介質(zhì)移動方向的方向上)比熱傳遞裝置3230的第一部分3232更寬。在某些實施例中，第二部分3234具有大致平坦的表面，該表面被配置成與工作介質(zhì)熱通信。
216在某些實施例中，該堆疊包括多個第一熱傳遞裝置和多個第二熱傳遞裝置，其中第一熱傳遞裝置和第二熱傳遞裝置沿著堆疊交替。第一熱傳遞裝置在第一方向上凸出，第二熱傳遞裝置在與第一方向不同的第二方向上凸出。如圖32示意性圖示說明，在某些實施例中，第二方向通常與第一方向相反。在某些實施例中，第一熱傳遞裝置被配置為與第一工作介質(zhì)(如流動的第一工作流體)熱通信，第二熱傳遞裝置被配置為與第二工作介質(zhì)(如流動的第二工作流體)熱通信。
217在某些實施例中，具有第一部分3232和從第一部分3232凸出的第二部分3234的熱傳遞裝置3230比矩形的熱傳遞裝置可以多提供一個或多于一個優(yōu)勢。為了降低熱傳遞裝置3230的電阻和重量，優(yōu)選使第一部分3232在電流流動方向上的厚度最小化。此外，優(yōu)選優(yōu)化在大致垂直于電流流動方向的平面中的第一部分3232的尺寸以便為TE元件3210、3220提供足夠的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。優(yōu)選增加第二部分3234沿著工作介質(zhì)流動方向的厚度和/或表面面積以在熱源或熱沉和熱傳遞裝置3230的第一部分3232之間提供較大的熱導(dǎo)管，從而避免大的熱阻。還優(yōu)選第二部分3234在大致沿著堆疊的方向上比較寬，且在大致垂直于堆疊的方向上比較短。保持第二部分3234在大致垂直于堆疊的方向上比較短可以有利地減少熱源或熱沉到TE元件表面的熱阻。在設(shè)計熱傳遞裝置3230的最終尺寸時可分別考慮重量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、TE表面面積和界面處的溫度梯度。
218在某些實施例中，第一組多個分段3212包括2種、3種、4種或更多種不同的熱電材料。在某些實施例中，第二組多個分段3222包括2種、3種、4種或更多種不同的熱電材料。例如，如圖32所示，第一組多個分段3212具有三個包括不同TE材料(如分別為p-CeFe3RuSb12、p-TAGS和p-Bi2Te3)的P型分段3212a、3212b、3212c，第二組多個分段3222具有三個包括不同TE材料(如分別為n-CoSb3、n-PbTe和n-Bi2Te3)的N型分段3222a、3222b、3222c。在圖32中，第一TE元件3210受到左邊的具有熱端的水平溫度梯度的作用，第二TE元件3220受到右邊的具有熱端的水平溫度梯度的作用。下面將進行更全面的描述，通過將TE材料分段，某些實施例的TE元件可以被設(shè)計成在溫度范圍內(nèi)更易實現(xiàn)較高的平均ZT，在該溫度范圍內(nèi)TE元件可以通過將TE元件中的每一個TE元件的材料性質(zhì)與TE元件中的運行溫度梯度或溫度分布匹配來運行。
219TE元件的能量轉(zhuǎn)換系數(shù)通常隨著TE元件平均尺寸的品質(zhì)因數(shù)ZT的增加而急劇增大。圖33A和33B分別顯示與本文所述某些實施例兼容的各種P型和N型熱電材料的作為溫度函數(shù)的品質(zhì)因數(shù)(ZT)。材料可以具有一組一個或多于一個熱電性質(zhì)，該熱電性質(zhì)在指定溫度確定材料的性能效率，而且品質(zhì)因數(shù)是該組一個或多于一個熱電性質(zhì)中的一個示例參數(shù)特征。
220例如，對于低溫(如低于150℃)，針對P型和N型材料Bi2Te3均具有最高ZT。對于中間溫度(如150-500℃)，TAGS是最佳P型材料，Zn4Sb3是此近似溫度范圍內(nèi)的另一種選擇。對于相同的近似溫度范圍，PbTe具有針對N型材料的高ZT。對于較高的溫度范圍(如500-700℃)，方鈷礦(如p-CeFe4Sb12、n-CoSb3)具有高的ZT。本文所述的某些實施例利用TE元件，其中材料和/或材料組合在使用的溫度范圍內(nèi)提供足夠高(如可能的最高或足夠高以提供所需的效率)的平均ZT。
221作為TE材料性質(zhì)的示例，圖34描述摻雜不同量的碘的三種不同碲化鉛成分(用M1、M2、M3表示)的作為溫度函數(shù)的品質(zhì)因數(shù)ZT。圖34顯示沒有一種材料在從100℃到570℃的整個溫度范圍內(nèi)具有最高的ZT。成分M1在從100℃到335℃的溫度范圍內(nèi)具有最高的ZT，成分M2在從335℃到455℃的溫度范圍內(nèi)具有最高的ZT，成分M3在從455℃到570℃的溫度范圍內(nèi)具有最高的ZT。如果在100℃到570℃的溫度范圍內(nèi)TE元件是使用任何單一成分制造的，則平均ZT將實質(zhì)上比由全部三種成分制造的平均ZT低，其中這三種成分被適當(dāng)配置以便每種成分或TE分段處于使這三種成分具有最高ZT的溫度范圍內(nèi)。盡管圖34對應(yīng)的是摻雜碘的各種碲化鉛成分，但是其他材料和摻雜也與本文所述的各種實施例兼容(參考圖33A和33B)。
222在某些實施例中，第一TE元件3210和第二TE元件3220中的一個包括P型TE材料，而第一TE元件3210和第二TE元件3220中的另一個包括N型TE材料。在某些此種實施例中，選擇不同P型和N型TE材料的第一TE元件3210和第二TE元件3220的分段以在第一TE元件3210和第二TE元件3220的分段運行的溫度范圍內(nèi)提供足夠高(如可能的最高或足夠高以提供所需的效率)的平均ZT。
223例如，第一組多個分段3212至少包括第一TE分段和第二TE分段，該第一TE分段和第二TE分段包括不同的材料。在某些實施例中，可以配置熱電系統(tǒng)3200以使其運行，從而第一TE分段處于第一溫度范圍內(nèi)，第二TE分段處于第二溫度范圍內(nèi)。第一TE分段在第一溫度范圍內(nèi)比在第二溫度范圍內(nèi)的運行效率更高。第二TE分段在第二溫度范圍內(nèi)比在第一溫度范圍內(nèi)的運行效率更高。
224參考圖32的系統(tǒng)3200，在某些實施例中，第一TE元件3210包括具有不同材料的三個TE分段3212a、3212b、3212c。配置系統(tǒng)3200以使其運行，從而第一TE分段3212a處于第一溫度范圍內(nèi)，第二TE分段3212b處于第二溫度范圍內(nèi)，第三TE分段3212c處于第三溫度范圍內(nèi)。第一TE分段3212a在第一溫度范圍內(nèi)比在第二溫度范圍或第三溫度范圍內(nèi)的運行效率更高。第二TE分段3212b在第二溫度范圍內(nèi)比在第一溫度范圍或第三溫度范圍內(nèi)的運行效率更高，第三TE分段3212c在第三溫度范圍內(nèi)比在第一溫度范圍或第二溫度范圍內(nèi)的運行效率高。
225類似地，在某些實施例中，第二組多個分段3222至少包括處于第一溫度范圍內(nèi)的第一TE分段和處于第二溫度范圍內(nèi)的第二TE分段，其中第一TE分段和第二TE分段包括不同的材料。第一TE分段在第一溫度范圍內(nèi)比在第二溫度范圍內(nèi)的運行效率高。第二TE分段在第二溫度范圍內(nèi)比在第一溫度范圍內(nèi)的運行效率高。參考圖32，在某些實施例中，第二TE元件3220包括具有不同材料的三個TE分段3222a、3222b、3222c，并且對其配置以使其運行，從而第一TE分段3222a處于第一溫度范圍內(nèi)，第二TE分段3222b處于第二溫度范圍內(nèi)，第三TE分段3222c處于第三溫度范圍內(nèi)。第一TE分段3222a在第一溫度范圍內(nèi)比在第二溫度范圍或第三溫度范圍內(nèi)的運行效率高。第二TE分段3222b在第二溫度范圍內(nèi)比在第一溫度范圍或第三溫度范圍內(nèi)的運行效率高，第三TE分段3222c在第三溫度范圍內(nèi)比在第一溫度范圍或第二溫度范圍內(nèi)的運行效率高。
226在某些實施例中，在選擇TE材料用作溫度函數(shù)時也可以考慮各種其他因素，其包括但不限于熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和成本。在下面將進行更全面的描述，與本文所述的某些實施例兼容的TE元件設(shè)計中的另一個因素是當(dāng)不同元件分段在顯著不同的電流密度下有效時，兼容性與最佳功率輸出失配的影響(如兼容性因素)(例如參考J.G.Snyder，“Thermoelectric Power GenerationEfficiency and Compatibility，”Thermoelectrics Handbook，Macro to Nano，Edited by D.M.Rowe，Ph.D.，D.Sc.(2006))。
227TE材料的功率曲線與增加的電流之間的關(guān)系通常呈拋物線。對于一起使用不同的TE材料的分段TE元件，TE元件和/或分段的功率曲線在顯著不同的電流密度下可以具有其最佳的功率輸出。功率曲線中的這些差異可能降低分段TE元件的整體效率。
228在某些實施例中，其中TE元件中各處的溫度不同(如在工作流體流動方向上組裝一系列TE元件)，此功率曲線兼容性沖突的影響可能非常顯著。圖35顯示在流動方向上串行構(gòu)建的三個TE元件之間的功率曲線的兼容性沖突，其中熱端溫度Th從700K下降到500K。第一TE元件所處的熱端溫度Th＝700K，第二TE元件所處的熱端溫度Th＝600K，第三TE元件所處的熱端溫度Th＝500K。此示例中這三個TE元件中的每一個的冷端溫度Tc保持在300K的恒定溫度。理想情況下，每個TE元件將在產(chǎn)生最大功率輸出的電流下運行。然而，因為這三個TE元件是串行電連接，所以其每一個都在相同的電流下運行。第一TE元件在電流為130A時具有最大功率，而其他兩個TE元件在此電流下的輸出功率是次最優(yōu)的(如小于其相應(yīng)的最大功率)。特別地，在500K和300K的溫度之間運行的第三元件在電流為130A時的輸出功率為零。此示例的總的最大輸出功率是7.69W，其考慮了下面各個TE元件的各自最大功率輸出。在其他示例中，第三元件在第一TE元件的最佳電流下的輸出功率可能是負的，所以第三TE元件將功率從其他兩個TE元件的功率中減去。
229在某些實施例中，優(yōu)先選擇TE元件的形狀因子或形狀，從而每個TE元件在提供最大功率或最大效率的電流下運行。在某些此種實施例中，TE元件的長寬比在流動方向上可以改變，從而有利地降低TE元件之間的TE兼容性沖突的影響。例如，參考圖32，在某些實施例中，第一TE元件3210具有沿著第一方向(如電流流過第一TE元件3210的方向)的第一厚度和在與第一方向大致垂直的平面中的第一橫截面積。第二TE元件3220具有沿著第二方向(如電流流過第二TE元件3220的方向)的第二厚度和在與第二方向大致垂直的平面中的第二橫截面積。在某些實施例中，第二厚度大于第一厚度。在某些其他實施例中，第一TE元件3210的第一長寬比等于第一橫截面積除以第一厚度，第二TE元件3220的第二長寬比等于第二橫截面積除以第二厚度。在某些此種實施例中，第二長寬比與第一長寬比不同。例如，可以選擇第一長寬比和第二長寬比，從而在運行條件下第一TE元件3210和第二TE元件3220都以最佳效率運行。
230圖36根據(jù)本文所述的某些實施例顯示示例裝置的長寬比不同的三個TE元件之間的功率曲線。與圖35相同，圖36的三個TE元件串行構(gòu)建在流動方向上，其中三個TE元件的熱端溫度Th分別是700K、600K和500K，每個TE元件的冷端溫度Tc是300K。圖35的三個TE元件中的每一個的厚度是1mm。對于圖36，第一TE元件的厚度是1mm，第二TE元件的厚度是0.77mm，第三TE元件的厚度是0.5mm。如圖36所示，改變串行的第二和第三TE元件的長寬比有利于使電流對齊，在該電流下TE元件實現(xiàn)其最大功率，從而增加裝置的總功率密度。圖36的示例裝置的總的最大功率輸出是11.51W，其比圖35的示例裝置的功率輸出提高了50％。
231圖37示意性描述傳統(tǒng)配置3700中的一對分段TE元件。傳統(tǒng)配置3700具有第一TE分段的TE元件3710和第二TE元件3720。第一TE元件3710和第二TE元件3720中的每一個都被耦合在電導(dǎo)和熱導(dǎo)耦合器3730的一個表面上。第一TE元件3710具有三個P型分段3712a、3712b、3712c(如分別是p-CeFe3RuSb12、p-TAGS和p-Bi2Te3)，第二TE元件3720具有三個N型分段3722a、3722b、3722c(如分別是n-CoSb3、n-PbTe和n-Bi2Te3)。在圖37中，溫度梯度與頂部的熱端垂直。
232在如圖37示意性顯示的傳統(tǒng)TE配置中，TE元件3710、3720被集成在TE模塊中以便每個TE元件3710、3720沿著電流流動方向具有相同的厚度。此種傳統(tǒng)TE配置3700不易于使其自身使用具有不同厚度、面積或長寬比的TE元件。此外，如果TE元件在與電流流過TE元件的方向大致平行的方向上具有相同的厚度但具有不同的熱膨脹系數(shù)，則此種傳統(tǒng)TE配置3700難于控制。在運行溫度可以非常高的發(fā)電系統(tǒng)中，此熱膨脹失配可能尤其麻煩。相反，在本文所述的某些實施例中(如圖32示意性圖示說明的配置)，熱傳遞裝置3230被夾在兩個TE元件3210、3220之間，不同厚度、面積和/或長寬比的TE元件有利且容易地合并在系統(tǒng)中。此外，此配置有利地減少或避免與TE元件之間的熱膨脹系數(shù)不同相關(guān)的問題。
233在某些實施例中，TE元件的分段之間的溫度相互不同(例如熱源和熱沉之間的TE元件)，分段之間的功率曲線兼容性沖突對整個功率輸出和/或效率的影響可能是顯著的。在某些實施例中，分段之間的不相容性可以通過為TE元件的每個分段有利地選擇不同的長寬比(如橫截面積除以厚度)而被至少部分抵消。在某些實施例中，通過保持基本均勻的橫截面積和變化每個分段的厚度來改變TE元件不同分段之間的長寬比，以更好地匹配最佳輸出功率的電流。在某些其他實施例中，通過構(gòu)建在分段之間具有不均勻橫截面積的分段TE來使分段的長寬比最佳化。
234例如，參考圖32的示例系統(tǒng)3200，在某些實施例中，第一組多個分段3212的每個分段沿著電流流過第一TE元件3210的方向的厚度與第一組多個分段3212的其他分段的厚度不同。在某些此種實施例中，第二組多個分段3222的每個分段沿著電流流過第二TE元件3220的方向的厚度與第二組多個分段3222的其他分段的厚度不同。在某些實施例中，第一組多個分段3212的每個分段的長寬比等于分段的厚度除以分段的橫截面積，第一組多個分段3212的分段的長寬比彼此不同。在某些此種實施例中，第二組多個分段3222的每個分段的長寬比等于分段的厚度除以分段的橫截面積，第二組多個分段3222的分段的長寬比彼此不同。在某些實施例中，選擇第一組多個分段3212的分段的長寬比和第二組多個分段3222的分段的長寬比，從而在運行條件下第一熱電元件3210和第二熱電元件3220都以最佳效率運行。
235圖38顯示使用模型計算所模擬的三個不同配置的平均效率。根據(jù)本文所述的某些實施例，該模型模擬三個TE元件和兩個熱傳遞裝置的堆疊的三種不同配置的性能，其中兩個熱傳遞裝置沿著工作流體流動方向使TE元件相互熱隔離。TE元件的熱端溫度在700℃到300℃之間變化，冷端溫度在100℃到150℃之間變化，從而三個TE元件的溫度差異分別是550℃、375℃和200℃。
236在第一配置中(圖38中標(biāo)有“均勻無分段&長寬比”)，所有三個TE元件是由單一材料制成的(無分段的)，每個TE元件的材料與其他TE元件的材料相同(兩種摻雜成N型，一種摻雜成P型)，每種TE元件具有相同的長寬比。在第二配置中(圖38中標(biāo)有“均勻分段&長寬比”)，TE元件被分段以在每個TE元件運行的溫度范圍內(nèi)更好地利用最佳ZT，兩個N型TE元件以相同的方式被分段，所有三個TE元件具有相同的長寬比。在第三配置中(圖38中標(biāo)有“不均勻分段&長寬比”)，兩個N型TE元件在每個TE元件的具體溫度范圍內(nèi)被不同地分段，優(yōu)選每個TE元件的長寬比不同。在所有三種配置中，TE元件被串行電連接以便穿過每個TE元件的電流相同。
237圖38顯示TE材料的兼容性以及TE元件在流動方向上的兼容性導(dǎo)致第一配置的效率比第二配置的效率低35％，同時第二配置的效率比第三配置的效率低15％。沿著流動方向的熱隔離TE元件越多，這些差異越顯著。圖38圖示說明由本文所述的某些實施例提供的優(yōu)勢，本文所述的實施例將不均勻分段的TE元件與流動方向上的最佳長寬比相結(jié)合。
238在使用由圖32示意性圖示說明的配置的某些實施例中，每個TE元件可以被其他TE元件半獨立地優(yōu)化。例如，每個P型和N型TE元件可以具有不同的橫截面積和/或厚度，每個TE元件的每個分段在每個具體的溫度范圍內(nèi)具有足夠高的ZT。
239在某些實施例中，當(dāng)為高溫發(fā)電應(yīng)用選擇連接熱傳遞裝置和TE元件的材料以組裝熱電系統(tǒng)時，可以優(yōu)選考慮熱膨脹失配。本文所述的某些實施例利用非剛性連接以至少部分減輕由于熱電系統(tǒng)不同部分之間的熱膨脹失配產(chǎn)生的熱應(yīng)力。在某些實施例中，非剛性連接有利于防止由于熱傳遞裝置和TE元件之間的熱膨脹失配導(dǎo)致的復(fù)雜情況。在某些實施例中，非剛性連接還有利于防止分段TE元件熱端和冷端之間的膨脹失配。
240在某些此種實施例中，熱電系統(tǒng)在至少一個TE元件和至少一個相鄰的熱傳遞裝置之間包括一個或多于一個液體金屬接頭，以提供至少一個非剛性熱導(dǎo)和電導(dǎo)連接。例如，由圖32示意性圖示說明的熱電系統(tǒng)3200可以包括第一液體金屬接頭和第二液體金屬接頭，其中第一液體金屬接頭與第一TE元件3210和熱傳遞裝置3230熱電通信，第二液體金屬接頭與熱傳遞裝置3230和第二TE元件3220熱電通信。該接頭可以在室溫下是液體或可以在比系統(tǒng)運行期間施加在該接頭上的溫度更低的溫度下融化。例如，可以在運行溫度遠超過焊料熔點的TE元件的熱端使用標(biāo)準(zhǔn)SnPb焊料。
241利用一個或多于一個液體金屬接頭可能在熱電系統(tǒng)制造中引進多個復(fù)雜因素。在某些實施例中，可以使用附加結(jié)構(gòu)提供結(jié)構(gòu)完整性。優(yōu)選該附加結(jié)構(gòu)是熱絕緣的。在某些實施例中，至少一個堆疊通常沿著堆疊方向處于壓縮狀態(tài)。此外，在某些實施例中可以優(yōu)選提供某種程度的控制以阻止液體金屬從連接區(qū)域流出并使裝置短路。在某些實施例中，可以優(yōu)選使用合適的材料組合以在界面處阻止由于保持液體金屬處于高溫而導(dǎo)致的被加速腐蝕或產(chǎn)生不想要的合金(如可能導(dǎo)致脆性連接或降低熱導(dǎo)性或電導(dǎo)性) 242在某些實施例中，優(yōu)選使用非剛性接頭來減少或消除在熱傳遞裝置和熱源或熱沉之間的界面處形成的熱應(yīng)力。熱傳遞裝置3230的第二部分3232可能導(dǎo)致在熱傳遞裝置之間的x平面內(nèi)尤其是在熱端形成熱應(yīng)力。熱傳遞裝置之間的TE材料的熱膨脹系數(shù)可能難于與熱源的熱膨脹系數(shù)匹配。因此，在某些實施例中，優(yōu)選使用液體金屬將熱傳遞裝置連接到熱源上。在某些實施例中，將對界面處的液體金屬進行限制以便避免產(chǎn)生兩個熱傳遞裝置之間的電短路。液體金屬可以優(yōu)選被包含在中間連接區(qū)域。在某些實施例中，使用導(dǎo)熱油脂將熱傳遞裝置連接到熱沉(如低于400℃)。在某些實施例中，熱電系統(tǒng)處于壓縮狀態(tài)以便在不使用剛性結(jié)構(gòu)連接器的情況下將一切保持在合適位置。在某些實施例中該壓縮也可以改進y平面中的熱接觸和x平面中的熱電接觸。
243在某些實施例中，可以使用鉬來提供導(dǎo)熱和導(dǎo)電的接頭。例如，由圖32示意性圖示說明的熱電系統(tǒng)3200可以包括在第一TE元件3210和熱傳遞裝置3230之間的鉬層，并包括在熱傳遞裝置3230和第二TE元件3220之間的鉬層。盡管鉬的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率是銅的三分之一并且其密度比銅稍大，但是鉬可以用作熱端的連接器材料。作為耐熔金屬，鉬不像銅一樣易于被多種液體金屬腐蝕，并且與銅相比，鉬的熱膨脹系數(shù)非常小。當(dāng)將熱傳遞裝置連接到電絕緣層(如熱膨脹系數(shù)非常低的陶瓷)時，這些屬性是有利的。在某些實施例中，可以使用導(dǎo)熱性高且無導(dǎo)電性的氮化鋁作為熱傳遞裝置和熱源之間的屏障。優(yōu)選在熱傳遞裝置和熱源或熱沉之間使用熱隔離來阻止電流流過工作流體。在一些工作流體中流過的電流可能大大加快熱傳遞裝置的污染。在高溫運行條件下，由于較大的熱膨脹系數(shù)失配，位于銅上的適當(dāng)陶瓷層將會破裂。然而，在某些實施例中，鉬可以提供良好的保證。鉬具有其自身的復(fù)雜因素。例如，鉬不易于被許多液體金屬弄濕，因而增加界面的電阻和熱阻。在某些實施例中，為了改進鉬的可濕性，鉬可以被鍍有一薄層的鎳和閃蒸的金(gold flash)，TE元件的外部金屬化可以是相似的鎳/金組合。
244在某些實施例中，提供一種制造熱電系統(tǒng)的方法。該方法包括提供多個熱電元件，其中至少一些熱電元件包括多個熱電分段。該方法進一步包括提供多個熱傳遞裝置，其中至少一些熱傳遞裝置至少包括第一部分和第二部分。該方法進一步包括組裝多個熱電元件和多個熱傳遞裝置以形成熱電元件和熱傳遞裝置交替的至少一個堆疊。熱傳遞裝置的第一部分被夾在至少兩個相鄰的熱電元件之間，熱傳遞裝置的第二部分從該堆疊中凸出并且被配置為與工作介質(zhì)熱通信。
245在某些實施例中，組裝多個熱電元件和多個熱傳遞裝置包括在至少一個熱電元件和至少一個相鄰熱傳遞裝置之間放置液體金屬接頭，以使該至少一個熱電元件和該至少一個相鄰熱傳遞裝置相互熱通信并且串行電通信。
246在某些實施例中，至少一些熱電元件具有長寬比，該熱電元件的長寬比等于在與堆疊大致垂直的平面中的熱電元件的橫截面積除以在與堆疊大致平行的方向上的熱電元件的厚度。該至少一些熱電元件的長寬比沿著堆疊彼此不同。在某些此種實施例中，選擇長寬比，從而在運行條件下該至少一些熱電元件以最佳效率運行。
247在某些實施例中，熱電元件多個分段中的每個分段的長寬比等于在與堆疊大致垂直的平面中的分段的橫截面積除以在與堆疊大致平行的方向上的分段的厚度。分段的長寬比沿著熱電元件可以彼此不同。在某些此種實施例中，選擇長寬比，從而在運行條件下多個分段中的分段以最佳效率運行。
248部分根據(jù)先前工作(例如參考D.T.Crane，“OptimizingThermoelectric Waste Heat Recovery from an Automotive CoolingSystem”，PhD Dissertation，University of Maryland，College Park，2003)，使用基于MATLAB的數(shù)值穩(wěn)態(tài)模型來建立本文所述的某些實施例的模型。該模型使用聯(lián)立求解的非線性能量守恒方程來模擬本文討論的高功率密度的TE裝置的某些實施例。當(dāng)前模型中使用的原理也在由BSST開發(fā)的先前的TE模型中使用(例如參考D.T.Crane，“ModelingHigh-Power Density Thermoelectric Assemblies Which Use ThermalIsolation，”23rd International Conference on Thermoelectrics，Adelaide，AU.2004)。此先前TE模型可以有效用于加熱和冷卻應(yīng)用，并且如先前所示對于四種不同的輸出其精確度可以精確到7％以內(nèi)。這些模擬值中的每一個的平均誤差小于3％。
249某些實施例的TE分段材料信息被合并在使用算法和方程的模型中，該模型由以下文獻描述G.J.Snyder，“Thermoelectric PowerGenerationEfficiency and Compatibility，”in Thermoelectrics HandbookMacro To Nano，Rowe，D.M.，Editor.CRC Press(Boca Raton，F(xiàn)L，2006)，pp.9-1-9-26。該模型可以用來為給定的一組熱端和冷端溫度自動求解最佳TE分段?？梢栽试S材料分段的厚度和材料層自身變化以便為給定的電力負載電阻確定最佳性能。該模型還可以通過設(shè)定材料層厚度求解偏離額定解。
250使用該模型，可以識別并改變某些實施例中的各種設(shè)計變量以分析涉及改進效率的權(quán)衡。根據(jù)本文所述的某些實施例，使用先進的多參數(shù)、基于梯度的最優(yōu)化研究來更好地理解各種設(shè)計變量、參數(shù)和限制之間的相互作用，并且開發(fā)一種最佳的熱電發(fā)電(TPG)設(shè)計。
251某些實施例的最優(yōu)化分析也可以包括參數(shù)分析。圖39顯示此熱電系統(tǒng)分析的一個示例，其中可以變化的參數(shù)是TE厚度。圖39顯示高功率密度和高效率之間的權(quán)衡。改變TE厚度對TE功率密度的影響比對總的熱交換功率密度的影響更顯著，其中總的熱交換功率密度保持相對不變。使用此參數(shù)分析，本文所述的某些實施例可以被設(shè)計成具體應(yīng)用。例如，在汽車廢熱回收應(yīng)用中，非常需要具有盡可能高的效率，但是也需要具有高的功率密度。
252為本文所述的某些實施例完成初始模型，并且還執(zhí)行建立和測試一些部分原型裝置以使模型完全有效。然后可以根據(jù)本文所述的某些實施例更廣泛地使用該模型來完成具體裝置設(shè)計的分析。
253圖40顯示使用夾在7個銅制熱傳遞裝置之間的6個Bi2Te3TE元件建立的原型系統(tǒng)示例。使用Bi2Te3TE元件是因為測試是通過使用具有明確性質(zhì)的材料在低溫下進行的。進行這些測試是為了在將TE材料集成到系統(tǒng)中時更好地隔離問題區(qū)域。在系統(tǒng)熱端使用銅熱傳遞裝置是因為溫度比高溫應(yīng)用的中所見的溫度更低。在較高溫度下使用的某些實施例中，鉬熱傳遞裝置可以代替在系統(tǒng)熱端使用的銅熱傳遞裝置。
254為了簡化組裝，圖40所示的系統(tǒng)使用矩形TE熱傳遞裝置而不是如本文所述的某些實施例中使用的具有比第一部分更寬的第二部分的熱傳遞裝置。銅熱傳遞裝置放置在鋁管上，其用作系統(tǒng)的熱沉。鋁管被陽極氧化以提供與銅熱傳遞裝置的電隔離。一層導(dǎo)熱油脂覆蓋陽極氧化層以幫助使熱阻最小化。兩個100W筒形加熱器為系統(tǒng)提供熱源，并且被包圍在陽極氧化的鋁殼中。為了簡化組裝，導(dǎo)熱油脂在低溫(如小于400℃)下用作鋁殼和熱傳遞裝置之間的熱界面材料。對于某些在較高溫度使用的實施例，可以使用液體金屬代替。原型測試裝置被構(gòu)建成用以測試上述的部分建立。
255圖41是顯示針對圖40的6個Bi2Te3元件的發(fā)電曲線的圖表。通過使用Bi2Te3的已知與溫度有關(guān)的熱電系數(shù)，可以根據(jù)測得的開路電壓導(dǎo)出TE元件的溫度差異并且和使用熱電偶測得的溫度差異進行比較。然后將零電流下在熱端和冷端溫度測量的差異和計算的差異用作所有電流下的溫度的偏移。
256通過使用Bi2Te3的已知與溫度有關(guān)的電阻率性質(zhì)，在新的調(diào)整溫度下計算與電阻相關(guān)的電阻率?？梢酝ㄟ^從在測得溫度差異的具體電流下計算的開路電壓中減去在具體電流下測得的電壓，然后除以測得的電流，來計算整體接頭電阻。該整體接頭電阻包括TE元件的電阻以及焊料和TE元件電鍍所產(chǎn)生的接觸電阻。與TE元件電阻和界面電阻相比，銅熱傳遞裝置的電阻可以忽略。從該整體接頭電阻中減去計算的TE元件電阻可以得到TE元件兩端接頭的接觸電阻。通過TE元件的已知表面面積，可以計算每個TE元件的界面電阻率。
257通過使用這些計算的與溫度無關(guān)的界面電阻率和與電流無關(guān)的溫度偏移，可以使用標(biāo)準(zhǔn)熱電方程計算圖41所示的發(fā)電曲線。圖41中的虛線表示計算的功率曲線，與其相比，實線表示測得的功率曲線。從圖41可以看出這種評估方法對全部6個元件都非常準(zhǔn)確。
258通過使用匹配的功率曲線，熱端和冷端的表面溫度以及界面電阻率可以被接受并且用以分析其絕對值和其在TE元件之間的一致性。估算的界面電阻率可以與文獻中所述的電阻率進行比較(例如參考G.S.Nolas et al.，“Thermoelectrics-Basic Pinciples and New MaterialsDevelopments，”Springer-Verlag(Berlin Heidelberg，2001))。圖41顯示全部6個TE元件的界面電阻率均小于10μΩcm2，其可以被認(rèn)為是合理值。進行這些測試看出此界面電阻率可以有多小和可以實現(xiàn)的穿過每個TE元件有多一致。在圖41所示的測試中，4個中間TE元件具有相對低的和一致的界面電阻率。兩個端TE元件的電阻率是內(nèi)部TE元件的界面電阻率的2到3倍。此影響可能是由于處于組件的兩端而施加到這些TE元件上的附加應(yīng)力而產(chǎn)生的。
259根據(jù)本文所述的實施例，這些測試Bi2Te3元件的結(jié)果可以用于較高溫度材料的測試和裝置設(shè)計。對于這些TE元件，界面電阻率和穿過界面的溫度下降可以相似。
260圖42顯示初次測試分段TE元件的實驗結(jié)果。測試了具有圖42中所列尺寸和材料的兩種N型TE元件。與圖40和41中的上述配置相同的原型裝置和系統(tǒng)配置也被用于該測試。圖42中還列出冷端槽(bath)的溫度、加熱器設(shè)置和所測得的TE表面的溫度。由于TE元件和層厚的設(shè)計差異以及輕微的溫度下降差異使圖42的曲線不同。圖42顯示功率回收數(shù)量隨著熱端溫度的增加而增加。最佳電流也隨著溫度的增加而稍微增加。元件1在熱端溫度為172℃、電流為8A和熱端溫度為366℃、電流為11.3A時產(chǎn)生最大功率。對這些和其他相似的P型和N型分段元件的進一步測試和分析可以用來如測試Bi2Te3一樣確定相同等級的預(yù)測。
261本文所述的某些實施例顯著改進熱電發(fā)電的能力以實現(xiàn)較高功率輸出和效率。本文所述的某些實施例不僅解決元件內(nèi)部的TE兼容性失配的問題，而且解決流動方向上相關(guān)元件的TE兼容性失配的問題，以顯著改進許多應(yīng)用中的TE系統(tǒng)的性能。在某些實施例中，優(yōu)選使用熱傳遞裝置以幫助將流動方向的熱隔離和不均勻高功率密度元件合并到可用的系統(tǒng)中，其中該熱傳遞裝置具有第二部分，該第二部分從被夾在兩個TE元件之間的第一部分伸出，并且該第二部分比該第一部分寬。某些此種實施例有利于減少熱膨脹失配的影響，否則將更難于構(gòu)建具有不同厚度的元件的TE裝置。本文所述的某些實施例中使用液體金屬接頭來降低熱膨脹失配影響，以有利地幫助構(gòu)建在高運行溫度下結(jié)合在一起的系統(tǒng)。
262本文所述的改進模型和優(yōu)化技術(shù)有利地幫助優(yōu)化某些實施例的設(shè)計概念以使其向TPG系統(tǒng)性能最大化方向發(fā)展。原型建立和測試也幫助使設(shè)計原理和模型有效。根據(jù)本文所述的某些實施例，全尺寸TPG系統(tǒng)可以用來從汽車尾氣重新獲得廢熱，用于主要電力應(yīng)用，或許多其他不同的廢熱回收應(yīng)用，包括與將TE系統(tǒng)集成到燃料電池中相關(guān)的應(yīng)用。
263應(yīng)該注意到本專利的公開展示了本發(fā)明的設(shè)計、配置和應(yīng)用。盡管根據(jù)冷卻性質(zhì)分析了上述討論，但是相似的結(jié)果適于加熱和發(fā)電，并且導(dǎo)出相似的結(jié)論。一些系統(tǒng)，特別是熱離子和異質(zhì)結(jié)構(gòu)類型的系統(tǒng)可以固有地具有高功率密度，在此情況下，本發(fā)明可以更適于適應(yīng)此種系統(tǒng)的性質(zhì)和可能的高功率密度。
264盡管上面圖示說明和討論了幾個示例，但是本說明書僅僅舉例說明本發(fā)明的寬泛概念，本發(fā)明記載在所附權(quán)利要求書中。在權(quán)利要求中，所有術(shù)語歸于其原始和習(xí)慣含義，并且上述描述不將術(shù)語限制在任何具體或特別限定的含義，除非具體明確說明。
權(quán)利要求
1.一種熱電系統(tǒng)，其包括
第一熱電元件，其包括相互電通信的第一組多個分段；
第二熱電元件，其包括相互電通信的第二組多個分段；和
熱傳遞裝置，其至少包括第一部分和第二部分，所述第一部分夾在所述第一熱電元件和所述第二熱電元件之間，所述第二部分從所述第一部分凸出并且被配置為與工作介質(zhì)熱通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第一熱電元件沿著第一方向具有第一厚度，所述第二熱電元件沿著第二方向具有第二厚度，所述第二厚度比所述第一厚度大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中，所述第一熱電元件具有第一厚度、第一橫截面積和第一長寬比，其中所述第一厚度沿著第一方向，所述第一橫截面積在大致與所述第一方向垂直的平面中，所述第一長寬比等于所述第一橫截面積除以所述第一厚度；所述第二熱電元件具有第二厚度、第二橫截面積和第二長寬比，其中所述第二厚度沿著第二方向，所述第二橫截面積在大致與所述第二方向垂直的平面中，所述第二長寬比等于所述第二橫截面積除以所述第二厚度；其中所述第二長寬比與所述第一長寬比不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱電系統(tǒng)，其中選擇所述第一長寬比和所述第二長寬比，以便在運行條件下所述第一熱電元件和所述第二熱電元件都以最佳效率運行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第一組多個分段的每個分段的厚度與所述第一組多個分段的其他分段的厚度不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第二組多個分段的每個分段的厚度與所述第二組多個分段的其他分段的厚度不同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第一組多個分段的每個分段的長寬比等于所述分段的厚度除以所述分段的橫截面積，其中所述第一組多個分段的所述分段的所述長寬比彼此不同。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第二組多個分段的每個分段的長寬比等于所述分段的厚度除以所述分段的橫截面積，其中所述第二組多個分段的所述分段的所述長寬比彼此不同。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱電系統(tǒng)，其中選擇所述第一組多個分段的所述分段的所述長寬比和所述第二組多個分段的所述分段的所述長寬比，以便在運行條件下所述第一熱電元件和所述第二熱電元件都以最佳效率運行。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第一組多個分段至少包括第一熱電分段和第二熱電分段，所述第一熱電分段和所述第二熱電分段包括不同的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電系統(tǒng)，其中配置所述熱電系統(tǒng)以使其運行，從而所述第一熱電分段處于第一溫度范圍內(nèi)，所述第二熱電分段處于第二溫度范圍內(nèi)，其中所述第一熱電分段在所述第一溫度范圍內(nèi)比在所述第二溫度范圍內(nèi)的運行效率更高，所述第二熱電分段在所述第二溫度范圍內(nèi)比在所述第一溫度范圍內(nèi)的運行效率更高。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第一組多個分段包括第三熱電分段，其中配置所述熱電系統(tǒng)以使其運行，從而所述第三熱電分段處于第三溫度范圍內(nèi)，其中所述第三熱電分段在所述第三溫度范圍內(nèi)比在所述第二溫度范圍內(nèi)或所述第一溫度范圍內(nèi)的運行效率更高。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第二組多個分段至少包括第一熱電分段和第二熱電分段，所述第一熱電分段和所述第二熱電分段包括不同的材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱電系統(tǒng)，其中配置所述熱電系統(tǒng)以使其運行，從而所述第一熱電分段處于第一溫度范圍內(nèi)，所述第二熱電分段處于第二溫度范圍內(nèi)，其中所述第一熱電分段在所述第一溫度范圍內(nèi)比在所述第二溫度范圍內(nèi)的運行效率更高，所述第二熱電分段在所述第二溫度范圍內(nèi)比在所述第一溫度范圍內(nèi)的運行效率更高。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第一組多個分段包括第三熱電分段，其中配置所述熱電系統(tǒng)以使其運行，從而所述第三熱電分段處于第三溫度范圍內(nèi)，其中所述第三熱電分段在所述第三溫度范圍內(nèi)比在所述第二溫度范圍內(nèi)或所述第一溫度范圍內(nèi)的運行效率更高。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中至少一些所述第一組多個分段相互串行電通信，至少一些所述第二組多個分段相互串行電通信。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中至少一些所述第一組多個分段相互串行/并行電通信，至少一些所述第二組多個分段相互串行/并行電通信。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第二部分在至少一個方向上比所述第一部分更寬。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第二部分在大致沿著工作介質(zhì)運動方向的方向上比所述第一部分更寬。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第二部分具有一個大致平坦的表面，所述表面被配置為與所述工作介質(zhì)熱通信。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，進一步包括電流源，所述電流源與所述第一熱電元件、所述熱傳遞裝置和所述第二熱電元件電通信，從而來自所述電流源的電流串行穿過所述第一熱電元件、所述熱傳遞裝置和所述第二熱電元件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱電系統(tǒng)，其中所述電流串行穿過所述第一組多個分段并且串行穿過所述第二組多個分段。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，進一步包括第一液體金屬接頭和第二液體金屬接頭，其中所述第一液體金屬接頭與所述第一熱電元件和所述熱傳遞裝置熱電通信，所述第二液體金屬接頭與所述熱傳遞裝置和所述第二熱電元件熱電通信。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第一液體金屬接頭和所述第二液體金屬接頭包括SnPb焊料。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，進一步包括位于所述第一熱電元件和所述熱傳遞裝置之間的鉬層，和位于所述熱傳遞裝置和所述第二熱電元件之間的第二鉬層。
26.一種熱電系統(tǒng)，其包括
多個熱電元件，至少一些所述熱電元件包括多個分段；和
多個熱傳遞裝置，至少一些所述熱傳遞裝置至少包括第一部分和第二部分，所述第一部分被夾在所述多個熱電元件的至少兩個熱電元件之間以便形成熱電元件和熱傳遞裝置的至少一個堆疊，所述第二部分從所述堆疊中凸出并且被配置為與工作介質(zhì)熱通信。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的熱電系統(tǒng)，其中所述熱傳遞裝置使至少一些所述熱電元件與至少一些其他所述熱電元件熱隔離。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的熱電系統(tǒng)，其中所述多個熱傳遞裝置被布置成在工作介質(zhì)流動方向上提供熱隔離。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的熱電系統(tǒng)，其中所述熱電元件包括交替的P型和N型熱電元件。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的熱電系統(tǒng)，其中所述多個熱傳遞裝置包括多個第一熱傳遞裝置和多個第二熱傳遞裝置，所述堆疊包括交替的第一熱傳遞裝置和第二熱傳遞裝置，其中所述第一熱傳遞裝置的所述第二部分在第一方向上凸出，所述第二熱傳遞裝置的所述第二部分在第二方向上凸出，所述第二方向與所述第一方向不同。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第二方向與所述第一方向大致相反。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第一熱傳遞裝置被配置成與第一工作介質(zhì)熱通信，所述第二熱傳遞裝置被配置成與第二工作介質(zhì)熱通信。
33.根據(jù)權(quán)利要求26所述的熱電系統(tǒng)，進一步包括至少一個液體金屬接頭，所述至少一個液體金屬接頭位于至少一個熱電元件和至少一個相鄰熱傳遞裝置之間，而且所述至少一個堆疊通常沿著所述堆疊的方向處于壓縮狀態(tài)。
34.根據(jù)權(quán)利要求26所述的熱電系統(tǒng)，其中設(shè)計至少一些所述熱電元件的大小以提供高功率密度運行。
35.根據(jù)權(quán)利要求26所述的熱電系統(tǒng)，進一步包括電流源，所述電流源與所述堆疊電通信，從而來自所述電流源的電流串行穿過所述熱電元件和所述熱傳遞裝置。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的熱電系統(tǒng)，其中所述電流串行穿過所述至少一些所述熱電元件的所述多個分段。
37.一種制造熱電系統(tǒng)的方法，所述方法包括
提供多個熱電元件，至少一些所述熱電元件包括多個分段；
提供多個熱傳遞裝置，至少一些所述熱傳遞裝置至少包括第一部分和第二部分；以及
組裝所述多個熱電元件和所述多個熱傳遞裝置以形成熱電元件和熱傳遞裝置交替的至少一個堆疊，其中所述熱傳遞裝置的所述第一部分被夾在至少兩個相鄰的熱電元件之間，所述熱傳遞裝置的所述第二部分從所述堆疊中凸出并且被配置為與工作介質(zhì)熱通信。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中組裝所述多個熱電元件和所述多個熱傳遞裝置包括在至少一個熱電元件和至少一個相鄰熱傳遞裝置之間放置一個液體金屬接頭，以設(shè)置所述至少一個熱電元件和所述至少一個相鄰熱傳遞裝置相互熱通信和串行電通信。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中所述至少一些所述熱電元件具有長寬比，熱電元件的所述長寬比等于在與所述堆疊大致垂直的平面中的所述熱電元件的橫截面積除以在大致平行于所述堆疊的方向上的所述熱電元件的厚度，其中所述至少一些所述熱電元件的長寬比沿著所述堆疊彼此不同。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中選擇所述長寬比，從而在運行條件下所述至少一些所述熱電元件以最佳效率運行。
41.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中一個熱電元件的所述多個分段中的每個分段的長寬比等于在與所述堆疊大致垂直的平面中的所述分段的橫截面積除以在大致平行于所述堆疊的方向上的所述分段的厚度，其中所述分段的長寬比沿著所述熱電元件彼此不同。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中選擇所述長寬比，從而在運行條件下所述多個分段的所述分段以最佳效率運行。
全文摘要
一種熱電系統(tǒng)，其包括第一熱電元件，該第一熱電元件包括相互電通信的第一組多個分段。該熱電系統(tǒng)進一步包括第二熱電元件，該第二熱電元件包括相互電通信的第二組多個分段。該熱電系統(tǒng)進一步包括熱傳遞裝置，該熱傳遞裝置至少包括第一部分和第二部分。第一部分夾在第一熱電元件和第二熱電元件之間。第二部分從第一部分凸出并且被配置為與工作介質(zhì)熱通信。
文檔編號H01L35/32GK101611504SQ200780035688
公開日2009年12月23日 申請日期2007年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月28日
發(fā)明者L·E·貝爾, D·T·克蘭 申請人:Bsst有限責(zé)任公司