專利名稱：管道熱電發(fā)電機組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)過程控制器或監(jiān)控系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及用 于這種系統(tǒng)的熱電發(fā)電。
背景技術(shù)：
典型地，現(xiàn)場儀器廣泛地分布在整個過程工廠中且通過過程控制回 路連接至控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場儀器典型地需要用于操作的電力供給。通過控 制回路本身或單獨的電力配線給所述儀器提供電力。每個現(xiàn)場儀器所需
要的功率量通常相當小，且典型地在大約50毫瓦或更小的量級上。
當配線用于控制回路時，所述配線典型地被包封在電配線導(dǎo)管中， 所述電配線導(dǎo)管需要機械托架(mechanical mounting)，用于在很長距離 上支撐在過程設(shè)備的框架上。通常，在很長距離上的現(xiàn)場儀器的配線成 本超過了現(xiàn)場儀器本身的成本。
當無線通信回路(loop)用于與現(xiàn)場儀器通信時，無線通信回路不給 現(xiàn)場儀器提供電力供給，且需要單獨的電力供給配線。
雖然對于典型的現(xiàn)場儀器所需要的功率非常低，但現(xiàn)場儀器通常處 于過程工廠中的非常熱、危險或不可接近的位置。在這樣的位置，使用 化學(xué)電池作為現(xiàn)場儀器中的低功率的電源可能是不切實際的。在這樣的 位置的環(huán)境通常很臟或遮蔽陽光，使得使用太陽能電池用于電力供給是 不切實際的。工廠環(huán)境中的太陽能電池和電池需要太多的維護，而不能 用于許多現(xiàn)場儀器應(yīng)用中的電力供給。
工廠中的過程設(shè)備典型地包括鍋爐、蒸汽管道系統(tǒng)、加熱罐和被加 熱或冷卻至不同于過程工廠中的周圍空氣溫度的溫度的其它的設(shè)備。出 現(xiàn)了很大的溫度差，且廢棄的熱量在周圍空氣和過程設(shè)備之間流動。由 于廢棄熱量流而丟失的能量的量常常遠超過現(xiàn)場儀器所需的電力的量。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種熱電發(fā)電機組件。所述熱電發(fā)電機組件包括熱電發(fā)電 機。所述熱電發(fā)電機具有熱接點凸緣、冷接點凸緣和熱電電力輸出端。 從用于為工業(yè)過程監(jiān)控系統(tǒng)中的現(xiàn)場裝置提供動力的熱量差，熱電發(fā)電 機組件產(chǎn)生電力。


圖1顯示輸送加熱的過程流體經(jīng)過熱電發(fā)電機組件的過程管道。
圖2顯示熱電發(fā)電機組件的剖視主視圖。
圖3顯示圖2中的熱電發(fā)電機組件的剖視側(cè)視圖。
圖4顯示用于熱電發(fā)電機組件的夾具。
圖5顯示熱電發(fā)電機組件的熱特征。
圖6顯示作為熱和冷接點溫度之間的差的函數(shù)的可利用的熱電功率圖。
圖7顯示熱電發(fā)電機組件的平面視圖。 圖8A-8D顯示吸熱器的示例性實施例。
具體實施例方式
在下面描述的實施例中，熱電發(fā)電機組件利用從加熱(或冷卻)的 過程流體流到工業(yè)過程環(huán)境中的周圍溫度的廢棄熱量。所述熱電發(fā)電機 組件包括具有與冷接點凸緣分隔開的熱接點凸緣的熱電發(fā)電機裝置。
通過把熱接點凸緣安裝至被連接至過程熱源的過程熱量拾取器，所 述熱接點凸緣被保持處于接近過程流體溫度的溫度。熱量拾取器具有與 過程熱源的形狀配合的形狀，且可采用多種形式，例如具有與對應(yīng)的過 程容納裝置的凸弧狀表面配合的凹弧狀表面的管道適配器、燃燒熱量拾 取器、蒸汽管線吸熱器或其它的熱交換裝置。所述熱量拾取器優(yōu)選地由 鋁或銅形成，且在熱接點凸緣和過程熱源之間提供低熱阻。各種類型的 夾具可被用于保持過程熱量拾取器與過程熱源的緊密熱接觸。這些夾具 也可用于把熱電發(fā)電機組件機械地安裝至過程熱源。
所述冷接點凸緣被保持在接近周圍環(huán)境溫度的溫度。吸熱器可采用如下面在圖l-8D的部分中描述的各種形式。吸熱器在工業(yè)過程環(huán)境中的 周圍環(huán)境溫度與冷接點凸緣之間提供低熱阻。
通過使用過程熱量拾取器或吸熱器的結(jié)合，在熱接點凸緣和冷接點 凸緣之間保持大的溫度差。由大的溫度差提高熱電發(fā)電機的功率輸出， 以給使用的電路提供充足的功率。
在一個實施例中，連接至熱電電力輸出端的電路包括調(diào)整器電路和 把能量儲存在電容中的能量儲存電路。能量儲存電路檢測何時功率輸出 超過使用需求，并把多余的電力耦合至電容。能量儲存電路檢測何時功 率輸出不能滿足使用需求并從電容提供補充功率至調(diào)整器電路。在另一
個實施例中，由來自無線電線路(wireless link)的命令可把使用電路設(shè) 置在低功率關(guān)閉模式或冷啟動模式。
所述技術(shù)廣泛地應(yīng)用至工業(yè)過程環(huán)境，例如石油和天然業(yè)、汽油精 煉廠、化學(xué)加工、食品和飲料加工、HVAC、金屬和冶金加工、采礦、紡 織品業(yè)、重型機械業(yè)和其它的工業(yè)過程環(huán)境。
圖1顯示工業(yè)過程工廠100的一部分。過程管道102穿過工業(yè)過程 工廠IOO，傳送過程流體104。過程流體104可以是蒸汽、熱的氣體/液體 混合物、天然氣、油或化學(xué)品。在過程循環(huán)的至少一部分期間把過程流 體104加熱至顯著地在過程工廠100中的周圍空氣溫度之上的溫度。過 程流體104和周圍溫度之間的溫度差在過程工廠的過程循環(huán)的至少一部 分期間典型地在50-100攝氏度的范圍內(nèi)。在過程工廠循環(huán)的其它部分期 間，特別是在工廠的關(guān)閉和啟動期間，過程流體處于較低的溫度，該溫 度差可能小于50攝氏度。
第一現(xiàn)場裝置106包括檢測過程流體104的流量的流量變送器。第 一現(xiàn)場裝置106通過回路108連接至電子組件110。第二現(xiàn)場裝置112包 括檢測過程流體104的壓力的壓力變送器。第二現(xiàn)場裝置112通過第二 回路114連接至電子組件110。第三現(xiàn)場裝置116包括檢測過程流體104 的溫度的溫度變送器。第三現(xiàn)場裝置116通過回路118連接至電子組件 110?，F(xiàn)場裝置106、 112和116是示例性的現(xiàn)場裝置，其它類型的已知 的現(xiàn)場裝置可與電子組件UO —起使用。回路108、 114、 118可包括兩 線式控制電流4-20mA的線回路、無線電回路、二線式控制電流多點有線回路(multidrop wired loop)、現(xiàn)場總線和其它已知類型的過程裝置回 路。在一個實施例中，回路108、 114、 118是有線回路，局部的儲存和 傳送設(shè)備110給有線回路108、 114、 118提供電力。
第一天線122 (也被稱為發(fā)射機應(yīng)答器122)沿著管線124連接至電 子組件110中的收發(fā)器126。第二天線130沿著管線132連接至中央控制 計算機134。第二天線130和中央控制計算機134遠離第一天線122。在 第二天線130和第一天線122之間建立無線通信線路136。無線通信線路 136在中央控制計算機134和現(xiàn)場裝置106、 112、 116之間傳送過程數(shù)據(jù) 和指令通信。在一個實施例中，如圖所示第一和第二天線122、 130是定 向天線。無線通信線路136可在任何適合的波段操作，所述波段包括 HF、 VHF、 UHF、微波段、紅外頻帶和光頻帶。依賴于對于特定應(yīng)用所 選擇的載波波長，發(fā)射機應(yīng)答器(天線)122、 130可包括無線電天線、 波導(dǎo)或光電子部件。
電子組件110儲存過程數(shù)據(jù)，和使用無線通信線路136用于在中央 控制計算機134和現(xiàn)場裝置106、 112、 116之間傳送過程數(shù)據(jù)。通過使 用電子組件110，不需要通信配線在現(xiàn)場裝置106、 112、 116和中央控制 計算機134之間延伸長距離。
熱電源140提供電力輸出142至電子組件110。熱電源140具有熱接 點，所述熱接點具有熱連接至管道102的凹弧形管道適配器。所述熱電 源140具有冷接點，所述冷接點具有包括諸如銷狀物或鰭狀物的間隔開 的突出物的吸熱器。通過圖2-3中示出的實例的方式在下文中更加詳細地 描述熱電源140。調(diào)整器電路144接收電力輸出142和提供調(diào)整的電力輸 出146。
在這個實施例中，使用電路包括通過數(shù)據(jù)總線156連接在一起的收 發(fā)器126和現(xiàn)場儀器接口 148。使用電路126、 148接收調(diào)整的輸出146 且由調(diào)整的輸出146對使用電路126、 148供電。為了給現(xiàn)場裝置106、 112、 116提供供電電流、給現(xiàn)場儀器接口 148供電和給收發(fā)器126供 電，使用電路126、 148對電力有使用要求。在一些實施例中，天線122 包括有源發(fā)射機應(yīng)答器部件，且被包含在由調(diào)整的輸出146供電的使用 電路中。在一個實施例中，現(xiàn)場儀器接口 148包括控制功能和提供過程控制輸出160至現(xiàn)場控制裝置。在另一個實施例中，現(xiàn)場控制裝置包括
電流至壓力轉(zhuǎn)換器162，所述電流至壓力轉(zhuǎn)換器162提供控制壓力至控制 工業(yè)過程流體的流量的控制閥164。過程控制輸出可使用諸如二線式4-20mA過程控制電流回路的傳統(tǒng)工業(yè)通信協(xié)議、Hart或其它的已知的工業(yè) 通信協(xié)議?，F(xiàn)場儀器接口 148的控制功能可是從現(xiàn)場儀器106、 112、 116 接收的工業(yè)過程數(shù)據(jù)的功能或可是從中央控制計算機134無線地接收的 工業(yè)過程數(shù)據(jù)的功能或是上述的兩個功能。
能量儲存電路150接收電力輸出142且在能量儲存電路檢測到電力 輸出142超過使用需要時把電力從電力輸出142耦合至電容152。當能量 儲存電路150檢測到電力輸出142不能滿足使用需要時，能量儲存電路 150從電容152提供補充電力154至調(diào)整器144。僅當電容152降低至充 滿的充電水平之下時，能量儲存電路150才選擇地耦合電力至電容152。 能量儲存電路150連接至數(shù)據(jù)總線156以檢測顯示是否正滿足使用需要 的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線156連接至調(diào)整器電路144、收發(fā)器126和現(xiàn)場儀器接 口 148，用于獲得關(guān)于使用需要和來自熱電源140的電力輸出的數(shù)據(jù)。在 一個實施例中，數(shù)據(jù)總線156也傳送來自無線線路136和收發(fā)器126的 模式變化命令。
現(xiàn)場儀器接口 148連接至一個或多個現(xiàn)場儀器106、 112、 140、 162 以給現(xiàn)場儀器106、 112、 140、 162供電和傳送數(shù)據(jù)和命令。提供至現(xiàn)場 儀器106、 112、 140、 162的電力是熱電電力。
在一個實施例中，由來自無線線路136的關(guān)閉命令可把使用電路 126、 148置于關(guān)閉模式。關(guān)閉命令允許能量儲存電路150起到給電容提 供電力的作用，使得在關(guān)閉模式之后的冷啟動模式期間儲存的能量可用 于使用電路126、 128。在這個實施例中，在關(guān)閉模式期間和冷啟動模式 期間使用電路126在低功率模式運行。在一個實施例中，電容152包括 一個或多個超級電容器以提供大的能量儲存而不使用電池。
典型地使用微處理器電路實施電子組件110,所述電子組件110可使 用熱電電力儲存和發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)儲存可在本地在電子組件110中進行 或可即時地發(fā)送至中央控制室?？沙山M地或通過單獨的傳輸進行數(shù)據(jù)傳 輸。圖2顯示剖視主視圖，圖3顯示被按裝至管道202的熱電發(fā)電機組件200的剖視側(cè)視圖。管道202充滿了沿由箭頭206指示的方向流動的 熱過程流體204。所述管202可選擇地被包在熱管道絕緣體208的層中以 降低廢熱損失。熱電發(fā)電機組件200包括具有熱接點凸緣212和冷接點凸緣214的 熱電發(fā)電機210和熱電電力輸出端216 (圖2) 。
熱電發(fā)電機組件200包括吸熱器220。吸熱器220具有被熱連接至冷 接點凸緣214的多個突出物222。在突出物222之間設(shè)置空氣流動空間 224。在各種各樣的實施例中，突出物222是如圖所示的大體圓柱形的銷 狀物、鰭狀物或提供用于把熱量耦合至空氣流動空間中的空氣的大表面 積的其它形狀。其它類型的吸熱器也可被使用，例如下面結(jié)合圖7-8D描 述的吸熱器。熱電發(fā)電機組件200包括管道適配器226。管道適配器226具有被熱 連接至熱接點凸緣212的凹的、大致圓柱形、弧形表面228。凹弧表面 228具有與管道202的對應(yīng)的凸弧表面230配合的形狀和尺寸。在一個實施例中，凹弧表面228在不超過180度的弧上延伸。在這 個實施例中，在沒有滑過管道202的開口端的情況下，凹弧表面228可 與凸弧表面230配合。由螺栓234、 236機械地把夾具232連接至管道適配器226。螺栓 234、 236被擰緊，夾具232將凹弧表面228驅(qū)向管道202的凸外表面 230。在一個實施例中，可除去夾具232，使得熱電發(fā)電機組件200在安裝 過程中不必滑過管道202的開口端。在一個實施例中，凹弧表面228的直徑可大于管道202的直徑。在 這個實施例中，通過緊固夾具232來壓縮凹弧表面228以與管道202配 合。在另一個實施例中，凹弧表面228的直徑小于管道202的直徑。在 本實施例中，通過緊固夾具232擴大凹弧表面以與管道202配合。因此，可制造這樣的管道適配器226，所述管道適配器226不但適合 特定的標稱管道尺寸(例如標稱的4"的管)，而且可通過由緊固夾具232壓縮或擴大凹弧表面228的直徑而適合于具有稍微不同的直徑的管 (不同的壁厚或管壁厚度號碼)。在一個實施例中，管道適配器226包括具有相對于主要熱流方向成 橫向的大橫截面的大而重的固體金屬主體，從而提供低的熱阻。對于管 道適配器226，鋁和銅是優(yōu)選的金屬。在一個實施例中，絕熱材料240的層設(shè)置在熱接點凸緣212和冷接 點凸緣214的外周邊緣之間。所述絕熱材料240從熱電發(fā)電機210向外 延伸。在一個實施例中，絕熱材料240包括耐火陶瓷材料。管道適配器226完全安裝在管道202的外部。在沒有在管道202中 切孔的情況下完成所述安裝。避免使用溫度計套管。在一個實施例中，可變形的導(dǎo)熱涂料(未顯示)設(shè)置在凹面228和 凸面230之間。在緊固所述夾具232的過程中導(dǎo)熱涂料被擠出，并剩下 涂料的薄層，該涂料的薄層填充凹弧表面228和管道202之間的間隙。 該薄層降低了表面228和230之間的熱阻。在一個實施例中，導(dǎo)熱涂料 包括傳統(tǒng)的吸熱油脂(heat sink grease)。除了管道適配器或過程容納裝置適配器之外，其它類型的過程熱源 適配器也可被使用，例如下面結(jié)合圖7描述的燃燒室適配器。其它熱源 適配器可被制造以適合熱源的特定形狀，且不破壞加壓的過程流體容納 裝置。在一個實施例中，溫度傳感器250被安裝至管道適配器226用于檢 測過程流體的溫度。導(dǎo)線252從溫度傳感器250連接至溫度變送器(例 如圖1中的溫度變送器116)。通過把溫度傳感器250設(shè)置在管道適配器 226上避免對于溫度傳感器250使用溫度計管套。不使用溫度計管套獲得 了重要的過程溫度信息。優(yōu)選地溫度傳感器250是電阻溫度探測器 (RTD)。絕熱體(例如絕熱體208和240)降低了自管道適配器226的 熱損失和最小化了過程204和溫度傳感器250之間的任何溫度差。溫度傳感器250可提供關(guān)于過程流體的重要診斷信息。如果在正輸 送氣態(tài)流體的管道中有泄漏，那么管道中的壓力立即降低，這依次降低 由溫度傳感器250檢測的溫度。如果檢測到的溫度降到它的噪聲值以 下，警報可被傳送以檢査泄露。在另一種情形中，如果由于堵塞的管線12或其它的下游阻礙了流動的原因管線壓力升高，流動的液體或氣體的溫 度增加，并且另一種類型的警報可被傳送。因此，通過測量管線的溫度，可即時地探測到關(guān)于泄露和堵塞管線 的信息。這對于管線延伸數(shù)英里接數(shù)英里的過程工業(yè)是非常有用的信 息。這對于工廠中的管道系統(tǒng)也同樣是這樣。如圖4所示，夾具400可包括當通過擰緊螺栓404、 406緊固夾具 400時被給與能量的彈簧402。夾具400是示例性的，可使用有或沒有彈 簧的各種類型的夾具。當包括彈簧時，彈簧可是壓縮彈簧或拉伸彈簧。 彈簧可被形成為任何己知的形狀，包括螺旋彈簧、片簧和扭簧。為了在 管道由于熱膨脹而改變尺寸時提供相對恒定的夾緊力，優(yōu)選使用彈簧。 具有圍繞管道和管道適配器的金屬帶的軟管夾也可用于夾緊。圖5是根據(jù)簡化的熱模型著重熱方面的熱電發(fā)電機組件500的說明 圖。在熱上顯示的熱電發(fā)電機組件500可與在機械上顯示的熱電發(fā)電機 組件200相對照。熱電發(fā)電機組件500包括具有熱接點凸緣504和冷接 點凸緣506的熱電發(fā)電機502和熱電電力輸出連接器508。熱電發(fā)電機組 件500具有與冷接點凸緣506熱連接的帶有突出物512的吸熱器510。在 突出物512之間有空氣流動空間514。(由實心箭頭指示的)空氣流516 穿過空氣流動空間514。管道適配器520具有被熱連接至熱接點凸緣504 的圓柱形凹弧表面522。凹弧表面522具有與管道526的對應(yīng)的凸弧表面 524配合的形狀和尺寸。熱電發(fā)電機502在熱接點凸緣504 (處于溫度Th)和冷接點凸緣 506 (處于溫度Tc)之間具有熱阻530。對于在管線526中的流動的流體 534，管道適配器520和管線526具有熱阻532。吸熱器510在冷接點凸 緣506和流動的周圍空氣516之間具有熱阻534。(由空心箭頭540、 542、 544、 546， 548所指示的)主熱流從流動的流體534通過熱阻 532、 530、 534流至流動的空氣516。由于所述主熱流，在熱接點凸緣 504和冷接點凸緣506之間建立溫度差(Th-Tc)。熱電電力輸出508取 決于這種溫度差來發(fā)電。保持熱接點凸緣溫度Th盡可能地接近流體的溫 度Tf是一個目的，保持冷接點凸緣溫度Tc盡可能地接近周圍空氣溫度 Ta也是一個目的。吸熱器510具有這樣的優(yōu)點，即突出物512給空氣流516提供了大 的表面積，以帶走熱量到周圍環(huán)境。由于突出物512的大的表面積，降 低了熱阻534，并且冷接點凸緣溫度Tc被保持接近周圍環(huán)境溫度Ta。在 一個實施例中，可增加絕熱材料(例如圖2-3中的絕熱材料240)以減小 吸熱器對管道的熱暴露。管道適配器520具有如下優(yōu)點在凹弧表面522和管線的凸弧表面 524之間有大配合表面積的接觸。由于凹弧表面522的大的表面積，降低 了熱阻532，且熱接點凸緣的溫度Th被保持接近流動的過程流體的溫度 Tf。因為熱接點凸緣和冷接點凸緣被流動的流體冷卻，因此具有通過熱 阻530的優(yōu)化的熱流544。相對于被間隔和絕熱體阻塞的泄露熱流，優(yōu)化 了該優(yōu)化的熱流。大的可得到的電力輸出508是可利用的。在一個實施例中，熱電發(fā)電機組件500包括諸如圖1中所示的電路 的電路。因為僅當需要時，能量儲存電路在電容中儲存電力，所以實際 上，可用于滿足電力使用需要的電力輸出的僅僅一部分從該電力輸出中 取得。減小了電流和減小了所使用的電力輸出量，并且相應(yīng)地減小了熱 和冷接點流，從而限制了對冷接點凸緣506的不期望的加熱。由于半導(dǎo) 體熱電堆具有高效率，因此半導(dǎo)體熱電堆優(yōu)選作為熱電源。熱電發(fā)電機(TEG)技術(shù)提供把熱流直接轉(zhuǎn)換成電力。TEG技術(shù)是 可更新的、具有很長的運行壽命(15年或更長)，且是環(huán)境友好的。 TEG的效率依賴于作為電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率的函數(shù)的熱電品質(zhì) 因數(shù)。如圖6所示，熱電發(fā)電機技術(shù)能夠把過程工廠中可利用的熱量轉(zhuǎn)換 成電力，所述電力然后被充足地供給用于數(shù)據(jù)儲存和傳輸?shù)墓β市枰?在50至150mW范圍內(nèi)的(諸如圖1中的電子組件的)電子組件中的微 處理器電路。圖7顯示熱電發(fā)電機組件700的平面視圖。熱電發(fā)電機組件700包 括具有熱接點凸緣712、冷接點凸緣714和熱電電力輸出端716的熱電發(fā) 電機710。熱電發(fā)電機組件700包括吸熱器720。吸熱器720包括工廠空氣進口722和工廠空氣出口 724。工廠空氣進口 722連接至接收來自工廠空氣源 728的壓縮空氣的工廠空氣管線726。工廠空氣源728典型地包括空氣壓縮機、壓縮空氣儲存罐、壓力調(diào) 整器、空氣過濾器、空氣干燥器和把壓縮空氣冷卻降低至接近工業(yè)過程 環(huán)境的周圍環(huán)境溫度的熱交換器。工廠空氣源728可以是傳統(tǒng)設(shè)計的工 廠空氣源和也可提供加壓的工廠空氣至諸如空氣致動閥、起泡器、空氣 發(fā)動機和其它的過程裝置的工廠空氣使用裝置730。在壓縮空氣已經(jīng)穿過吸熱器720中的內(nèi)部通道732之后，工廠空氣 出口 724傳送加壓空氣離開吸熱器720。吸熱器720可包括金屬(例如鋁 或銅)塊，且內(nèi)部通道732可以是直的或沿彎曲的路徑穿過吸熱器720。 熱量從冷接點凸緣714流至內(nèi)部通道732中的移動空氣。因此，熱量被 排出到工業(yè)過程環(huán)境，且由工廠空氣冷卻冷接點凸緣714。穿過吸熱器 720的工廠空氣，在被排出至周圍空氣之前可被傳送至另一工廠空氣使用 裝置或可被直接從工廠空氣出口 724排出。熱電發(fā)電機組件700包括燃燒室適配器740。在燃燒室744上的門 742設(shè)置有通孔746。燃燒室適配器740穿過通孔746。在一個實施例 中，燃燒室適配器740安裝至門742。燃燒室適配器740具有連接至熱接 點凸緣712的傳熱板748。軸750從傳熱板748穿過通孔746延伸至燃燒 室744中的熱量拾取器752。熱量拾取器通過形成其形狀而從燃燒室744 中的火焰加熱區(qū)域754獲取適量的熱量，而不干擾燃燒室744中的氣 流。熱量拾取器752的形狀可包括如圖所示的平板、格柵或與燃燒室744 中的熱氣流模式兼容的其它形狀。'在一個實施例中，燃燒室適配器740被安裝至門742，使得可旋轉(zhuǎn)打 開門742，用于檢査燃燒室744的內(nèi)部。在一個實施例中， 一個或多個可移動的關(guān)閉器(shutter) 756被設(shè)置 在燃燒室744中以改變遮蔽熱量拾取器752而遮擋火焰加熱區(qū)域754的 程度，提供恒溫控制。關(guān)閉器756包括螺旋形雙金屬元件，當在燃燒室 744中有高的熱量輸出時，所述雙金屬元件旋轉(zhuǎn)關(guān)閉器的位置，以改變對 熱量拾取器752的遮蔽，從而防止過加熱熱電發(fā)電機組件700。圖8A-8D顯示吸熱器720的示例性實施例。圖8A顯示吸熱器800的一個實施例，其中，工廠空氣以很少的限制或壓降的方式從工廠空氣進口 802穿過通道804流至工廠空氣出口 806。 把工廠空氣出口 806用管道連接至(諸如電流至壓力轉(zhuǎn)換器(I/P)或閥 的)使用裝置808，所述使用裝置808保持充足的空氣流量用于冷卻吸熱 器800。在工廠空氣到達使用裝置808之前，在工廠空氣出口 806和使用 裝置808之間的管810的長度考慮到工廠空氣冷卻。在一個實施例中， 通道804是彎曲的通道以增加與工廠空氣熱交換的表面積。圖8B顯示了吸熱器820的一個實施例，其中，工廠空氣從工廠空氣 進口 822穿過通道824流至工廠空氣出口 826。把工廠空氣從工廠空氣出 口 826排放至大氣。限制通道824，以限制由吸熱器820對工廠空氣的消 耗。在一個實施例中，所述限制包括用于通道824的長的、窄的彎曲的 形狀。在另一個實施例中，所述限制包括通道中的孔板825。在一個實施 例中，靠近工廠空氣進口 822設(shè)置孔板，從而由于穿過孔板的工廠空氣 的膨脹，給吸熱器提供額外的冷卻?？装蹇砂▽τ诠S空氣的所需消 耗有適合的尺寸的任何類型的一個孔或多個孔。圖8C顯示吸熱器840的一個實施例，其中，工廠空氣從工廠空氣進 口 842穿過閥844和通道846流至工廠空氣出口 848。從工廠空氣出口 848排出工廠空氣。閥844可手動調(diào)節(jié)以設(shè)定對工廠空氣的所需消耗。在 一個實施例中，靠近工廠空氣進口 842設(shè)置閥848，從而由于吸熱器中的 工廠空氣的膨脹，給吸熱器840提供額外的冷卻。圖8D顯示吸熱器860的一個實施例，其中，工廠空氣穿過工廠空氣 進口 862、恒溫控制閥864、通道866和工廠空氣出口 868。從工廠空氣 出口 868排出工廠空氣。恒溫控制闊864包括被熱連接至熱電發(fā)電機組 件上的被選擇的位置用于溫度檢測的充氣式溫度檢測包870。在一個實施 例中，被選擇的位置是冷接點凸緣714。在另一個實施例中，被選擇的位 置是熱接點凸緣712。在另一實施例中，被選擇的位置是在吸熱器860 上、靠近工廠空氣出口 868。也可使用其它的被選擇的位置。充氣式溫度 檢測包870通過毛細管872壓力連接至隔膜874，隔膜874作為溫度的函 數(shù)偏轉(zhuǎn)，以致動調(diào)節(jié)工廠空氣的流量的針閥876。也可考慮組合上面描述的實施例的選擇的特征?？蛇M行改變以適合特定應(yīng)用的需要。在一個實施例，熱側(cè)燃燒室適配器與冷側(cè)有鰭狀物的 吸熱器一起使用。在另一個實施例中，弧形的熱側(cè)適配器與冷側(cè)的工廠 空氣吸熱器一起使用。在另一個實施例中，在熱電發(fā)電機的熱側(cè)和冷側(cè) 都使用吸熱器，冷側(cè)吸熱器由工廠空氣冷卻且熱側(cè)吸熱器由來自蒸汽管 線的蒸汽加熱或由來自加熱的過程管線的加熱的液體加熱。
雖然上面描述的實施例顯示在加熱的管道上的使用，但可以理解， 實施例也可被用于冷卻到周圍環(huán)境溫度之下的管道上，使得顛倒溫度 差。管道和熱接點凸緣可比冷接點凸緣和周圍環(huán)境更冷，所述熱電發(fā)電 機將會正常地運行。在冷管道上的這種安裝中，顛倒了熱電電力的連接 的極性。
雖然參考優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識 到在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在形式和細節(jié)上進行改 變。
權(quán)利要求
1.一種用于工業(yè)過程環(huán)境的現(xiàn)場裝置的熱電發(fā)電機組件，包括熱電發(fā)電機，所述熱電發(fā)電機具有熱接點凸緣和冷接點凸緣，且提供熱電電力輸出；吸熱器，所述吸熱器熱連接至冷接點凸緣，且可連接至工業(yè)過程環(huán)境；過程熱源適配器，所述過程熱源適配器熱連接至熱接點凸緣且具有可連接至過程熱源的過程熱量拾取器；和所述過程熱量拾取器，所述過程熱量拾取器從過程熱源獲取熱量，使得熱電電力輸出足以給至少一個現(xiàn)場裝置供電。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機組件，進一步包括連接至熱接 點凸緣的溫度傳感器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電發(fā)電機組件，其中溫度傳感器包括電 阻溫度探測器(RTD)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機組件，其中，吸熱器具有熱連 接至冷接點凸緣的突出物且在突出物之間具有空氣流動空間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機組件，其中，吸熱器包括進 口、出口和連接進口和出口的通道。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機組件，其中，過程熱源適配器 具有其形狀和尺寸可與工業(yè)過程熱源的對應(yīng)的凸弧表面配合的凹弧表 面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱電發(fā)電機組件，其中，凹弧表面在不超 過180度的弧上延伸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱電發(fā)電機組件，其中，在沒有滑過熱源 的開口端的情況下凹弧表面可與凸弧表面配合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機組件，其中，過程熱量拾取器 包括燃燒熱量拾取器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱電發(fā)電機組件，包括 機械地連接至過程熱量拾取器和將凹弧表面驅(qū)向凸弧表面的夾具。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電發(fā)電機組件，其中，所述夾具是可 除去的，使得熱電發(fā)電機組件不必滑過熱源的開口端。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電發(fā)電機組件，其中，凹弧表面的直 徑大于凸弧表面的直徑，且通過緊固夾具而壓縮凹弧表面以與凸弧表面 配合。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電發(fā)電機組件，其中，凹弧表面的直徑小于工業(yè)過程管線的直徑，通過緊固夾具而擴張凹弧表面以與工業(yè)過 程管線配合。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電發(fā)電機組件，進一步包括當緊固所述夾具時被賦予能量的彈簧。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機組件，包括設(shè)置在熱接點凸緣和冷接點凸緣的外周邊緣之間且從熱電發(fā)電機向 外延伸的絕熱材料層。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機組件，其中，過程熱量拾取器完全在過程熱源的外部。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機組件，其中，過程熱量拾取器安裝至過程熱源，而在過程熱源中沒有切口。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機組件，進一步包括導(dǎo)熱涂料， 該導(dǎo)熱涂料可形變，以填充過程熱量拾取器和過程熱源之間的間隙。
19. 一種用于工業(yè)過程環(huán)境的現(xiàn)場裝置的熱電發(fā)電機組件，包括熱電源，所述熱電源具有連接至過程熱量拾取器的熱接點，所述過 程熱量拾取器可連接至過程熱源，以及所述熱電源具有可連接至工業(yè)過程環(huán)境的冷接點，并且提供電力輸出；調(diào)整器電路，所述調(diào)整器電路接收電力輸出和給現(xiàn)場裝置提供調(diào)整 的輸出；現(xiàn)場裝置使用電路，所述現(xiàn)場裝置使用電路接收調(diào)整的輸出，所述 使用電路對電力具有使用要求；和能量儲存電路，所述能量儲存電路接收電力輸出，所述能量儲存電 路檢測何時電力輸出超過使用要求并把超出的電力輸出耦合至電容，且 所述能量儲存電路檢測何時電力輸出不滿足使用者的需要并從電容耦合補充電力至調(diào)整器電路。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的熱電發(fā)電機組件，其中，僅當電容降至 完全充電水平之下時，能量儲存電路才耦合電力至電容。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的熱電發(fā)電機組件，其中，所述使用電路包括可連接至現(xiàn)場儀器以給現(xiàn)場儀器供電和傳送數(shù)據(jù)的現(xiàn)場儀器接口；和通過無線線路在現(xiàn)場儀器接口和遠位置之間傳送數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的熱電發(fā)電機組件，其中，通過來自無線 線路的命令可把使用電路置于關(guān)閉模式，允許能量儲存電路起到給電容 提供電力的功能，使得在關(guān)閉模式之后的冷啟動模式期間儲存的能量可 用于使用電路。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的熱電發(fā)電機組件，其中，在冷啟動模式 期間使用電路以低功率模式運行。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的熱電發(fā)電機組件，進一步包括在冷接點 凸緣和工業(yè)過程環(huán)境之間連接的吸熱器。
25. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的熱電發(fā)電機組件，其中，所述吸熱器包 括散熱片。
26. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的熱電發(fā)電機組件，其中，所述現(xiàn)場裝置 使用電路包括可連接至現(xiàn)場裝置的過程裝置回路。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的熱電發(fā)電機組件，其中，所述過程裝置 回路包括4-20mA回路。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的熱電發(fā)電機組件，其中，現(xiàn)場裝置使用 電路包括控制4-20mA回路的控制功能。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的熱電發(fā)電機組件，其中，所述4-20mA 回路接收由現(xiàn)場裝置控制的4-20mA輸出。
30. —種用于工業(yè)過程的可現(xiàn)場安裝的電子組件，包括 調(diào)整器電路，所述調(diào)整器電路被配置為提供從可連接至熱電電力發(fā)電機的電力輸入端獲得的調(diào)整的輸出；現(xiàn)場儀器接口，所述現(xiàn)場儀器接口被配置為.由調(diào)整的輸出供電且提 供電力至傳送現(xiàn)場裝置數(shù)據(jù)的二線式過程控制回路；和能量儲存電路，所述能量儲存電路連接至電力輸入端且被配置為儲 存來自熱電電力發(fā)電機的電力并提供儲存的電力至所述接口。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電子組件，其中，所述二線式過程控制 回路從由4-20mA回路和多點電流回路構(gòu)成的組中選取。
32. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電子組件，包括通過無線線路在現(xiàn)場儀器接口和遠位置之間傳送現(xiàn)場裝置數(shù)據(jù)的無 線通信系統(tǒng)。
33. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電子組件，其中，電子組件沒有有線地 連接至遠位置。
34. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電子組件，其中，二線式過程控制回路 連接至現(xiàn)場裝置。
35. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電子組件，其中，所述現(xiàn)場儀器接口包 括控制二線式過程控制回路的控制功能。
36. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電子組件，其中，所述二線式過程控制 回路接收由現(xiàn)場裝置控制的現(xiàn)場裝置數(shù)據(jù)輸出。
37. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電子組件，其中，所述現(xiàn)場裝置將數(shù)據(jù) 傳回至所述遠位置。
38. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電子組件，其中，所述遠位置傳送數(shù)據(jù) 至現(xiàn)場裝置。
39. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電子組件，其中，電力輸入端接收來自 熱電電力發(fā)電機的至少50mW的電力。
40. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電子組件，其中，所述現(xiàn)場儀器接口給 多個回路供電。
41. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電子組件，其中，所述現(xiàn)場儀器接口提 供回路之間的通信。
全文摘要
一種熱電發(fā)電機組件(200)。所述熱電發(fā)電機組件(200)包括熱電發(fā)電機(210)。所述熱電發(fā)電機(210)具有熱接點凸緣(212)、冷接點凸緣(214)和熱電電力輸出端(216)。熱電發(fā)電機組件(200)由熱差產(chǎn)生電力，用于工業(yè)過程監(jiān)控系統(tǒng)中的現(xiàn)場裝置的供電。
文檔編號H01L35/30GK101517762SQ200780035775
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者斯瓦潘·卡克拉博堤, 羅伯特·J·卡什尼亞 申請人:羅斯蒙德公司