專利名稱：用于現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備的熱電發(fā)電機(jī)組件的制作方法
用于現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備的熱電發(fā)電機(jī)組件背景技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)儀器通常廣泛地遍布于過(guò)程工廠，并由過(guò)程控制環(huán)連接到控制系 統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)儀器通常需要用于運(yùn)行的電力供給。所述電力可以通過(guò)控制環(huán)自 身或通過(guò)單獨(dú)的電力線供給所述儀器。每個(gè)儀器所需的電量通常很小，并通常在大約50毫瓦或更少的量級(jí)上。當(dāng)將線用于控制環(huán)時(shí)，所述線通常被封閉在電線管道中，所述電線管 道需要機(jī)械安裝以在長(zhǎng)距離上支撐在過(guò)程設(shè)備的框架上。經(jīng)常，在長(zhǎng)距離 上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器進(jìn)行布線的費(fèi)用超過(guò)所述現(xiàn)場(chǎng)儀器自身的費(fèi)用。當(dāng)無(wú)線通信環(huán)用于與現(xiàn)場(chǎng)儀器通信時(shí)，所述無(wú)線通信環(huán)不向所述現(xiàn)場(chǎng) 儀器提供電能，因而需要單獨(dú)的電力供應(yīng)線。盡管典型的現(xiàn)場(chǎng)儀器所需的功率非常低，但是現(xiàn)場(chǎng)儀器經(jīng)常位于過(guò)程 工廠中很熱的、危險(xiǎn)的或無(wú)法接近的位置。在這些位置處，將化學(xué)電池用 作現(xiàn)場(chǎng)儀器中的低功率源可能是不現(xiàn)實(shí)的。在這種位置上的環(huán)境經(jīng)常是臟 的或者被遮蔽了陽(yáng)光的，利用太陽(yáng)能電池進(jìn)行電力供應(yīng)是不現(xiàn)實(shí)的。太陽(yáng) 能電池和其它電池在所述的工廠環(huán)境中需要太多的維護(hù)以至于不能用于 在許多現(xiàn)場(chǎng)儀器應(yīng)用中的電力供應(yīng)。在工廠中的過(guò)程設(shè)備通常包括鍋爐、蒸汽管道、加熱水箱、熱油氣管 線、制冷液體(例如液氮、液氦等)以及其它裝備，所述裝備能被加熱或 冷卻到不同于所述過(guò)程工廠中的環(huán)境空氣溫度的溫度。形成大的溫度差， 且廢熱在周圍環(huán)境的空氣和所述過(guò)程設(shè)備之間流動(dòng)。由于廢熱流所造成的 能量損失量經(jīng)常大大超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)儀器所需的電能。熱電發(fā)電機(jī)的功率和電壓通常直接正比于在熱電發(fā)電機(jī)的熱板和冷 板之間的溫度差或溫度梯度。采用熱流結(jié)合熱電偶來(lái)提供電力是已知的， 例如可從德國(guó)Gebrauchsmusterschrift DE 20107112U1和US專利6， 891, 477B2。然而，存在多個(gè)實(shí)際問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容熱電發(fā)電機(jī)組件包括熱電發(fā)電機(jī)。所述熱電發(fā)電機(jī)具有間隔開(kāi)的熱和 冷結(jié)接凸緣。所述熱結(jié)接凸緣具有接頭，所述接頭的形狀適用于熱耦合過(guò) 程容器。所述熱電發(fā)電機(jī)產(chǎn)生用于給過(guò)程設(shè)備提供電力的熱電電力輸出。 在一個(gè)示例結(jié)構(gòu)中，所述熱電發(fā)電機(jī)組件包括散熱器。所述散熱器熱耦合 到周圍環(huán)境的空氣并具有散熱器凸緣。在另一個(gè)示例結(jié)構(gòu)中，所述熱電發(fā) 電機(jī)組件包括熱管組件。所述熱管組件包括在循環(huán)室中的流體。所述循環(huán) 室具有安裝到所述冷結(jié)接凸緣上的蒸發(fā)器凸緣。所述循環(huán)室具有安裝到所 述散熱器凸緣上的冷凝器凸緣。至少一部分所述流體將熱量從所述蒸發(fā)器 凸緣傳遞到所述冷凝器凸緣。在冷結(jié)接凸緣上的熱管組件與在過(guò)程工業(yè)中 可利用的多種類型的熱流一起使用的實(shí)施例中，可以在所述過(guò)程工業(yè)中提 供更多的有效的熱電發(fā)電。


圖l示出包括熱管的熱電發(fā)電機(jī)組件。圖2示出與一個(gè)包括熱管的熱電發(fā)電機(jī)相關(guān)和不包括熱管的比較熱電 發(fā)電機(jī)相關(guān)的溫度差的圖。 圖3示出熱管的實(shí)施例。圖4示出熱電輸出的電壓作為在熱電發(fā)電機(jī)的熱、冷結(jié)接凸緣之間的 溫度差的函數(shù)的圖。圖5示出耦合到熱電發(fā)電機(jī)的熱電輸出的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集線器。
具體實(shí)施方式
在下述實(shí)施例中，熱電發(fā)電機(jī)具有熱結(jié)接凸緣或者熱結(jié)接凸緣接頭， 其形狀適用于耦合到被加熱的過(guò)程容器，例如管線或水箱。所述熱結(jié)接凸 緣的形狀提供了在所述熱結(jié)接和所述過(guò)程容器之間的良好的熱傳導(dǎo)。所述 熱電發(fā)電機(jī)具有冷結(jié)接凸緣，所述冷結(jié)接凸緣耦合到熱管的蒸發(fā)器凸緣。 所述熱管的冷凝器凸緣耦合到散熱器。采用所述熱管降低了所述冷結(jié)接凸 緣的溫度，這在所述熱結(jié)接凸緣和所述冷結(jié)接凸緣之間提供更大的溫度 差。增大的溫度差將熱電電力輸出的電壓增加到大于5伏。增加后的溫度6差增加了熱電發(fā)電的效率。所述熱電電力輸出可以被用于為現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備 或現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程數(shù)據(jù)集線器直接供電，而不用使用電壓倍增器或電池?，F(xiàn)場(chǎng)過(guò) 程設(shè)備因而由熱電發(fā)電機(jī)在本地供電，且不需要來(lái)自中央控制室的電力 線。熱電電力足以給所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和所述控制室之間的無(wú)線通信提供能 量，并消除了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制室之間的通信線的需要。下述實(shí)施例也可以與溫度低于環(huán)境溫度的過(guò)程流體一起使用，在此情 況下，熱管被用作"冷管"。圖1示出熱電發(fā)電機(jī)組件200。所述熱電發(fā)電機(jī)組件200包括熱電發(fā)電 機(jī)202。所述熱電發(fā)電機(jī)202具有熱結(jié)接凸緣(熱側(cè))204和冷結(jié)接凸緣206 (冷側(cè))。所述凸緣204、 206彼此間隔開(kāi)。所述熱結(jié)接凸緣204連接到(或 包括)接頭208，所述接頭被成形為用于熱耦合到過(guò)程容器210。所述過(guò)程 容器210裝載被加熱的過(guò)程流體，并為所述熱電發(fā)電機(jī)組件200提供廢熱 源。所述熱電發(fā)電機(jī)組件202產(chǎn)生在電壓水平V下的熱電電力輸出。所述熱 電發(fā)電機(jī)包括熱電元件203。在一個(gè)實(shí)施例中，所述熱電元件203包括半導(dǎo) 體材料。例如所述熱電元件203可以包括具有半導(dǎo)體性質(zhì)的元素Si、 Ge、 Bi、 Sb和Te。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述熱電元件203包括用于提供高品質(zhì) 因數(shù)(figure of merit)的硫族化物。在一個(gè)實(shí)施例中，所述熱、冷結(jié)接凸 緣204、 206被設(shè)置為增大的平板，所述平板大于熱電元件203并伸出到所 述熱電元件203之外。所述外伸的凸緣204、 206提供具有高熱傳導(dǎo)性的大 的熱傳遞表面。外伸凸緣204、 206還包括用于安裝螺栓205的通孔。在一 個(gè)實(shí)施例中，螺栓205由具有高熱阻抗的不銹鋼合金制成，并安裝有絕熱 墊圈207，且螺栓205和墊圈207限制通過(guò)所述螺栓的不希望的熱流。螺栓 205緊固地將熱電發(fā)電機(jī)202裝配到過(guò)程接頭208和熱管組件220上。熱電發(fā)電機(jī)組件200包括散熱器214。散熱器214熱耦合到周圍環(huán)境的 2'飛，開(kāi)兵,歐然益u緣2io。散烈裕o練2io出螺任l木不出j系ifli到然 管組件220的蒸發(fā)器板228。在一個(gè)實(shí)施例中，散熱器214包括多個(gè)銷(未 示出)或多個(gè)鰭，以用于耦合到周圍環(huán)境的空氣的大的熱輻射。熱電發(fā)電機(jī)組件200包括熱管組件220。熱管組件220包括在循環(huán)室224 中的流體222。熱管組件220具有安裝到冷結(jié)接凸緣206上的蒸發(fā)器凸緣 226。熱管組件220具有安裝到散熱器凸緣216上的冷凝器凸緣228。至少一部分流體222從蒸發(fā)器凸緣226流到冷凝器凸緣228，并將熱量從蒸發(fā)器凸 緣226傳遞到冷凝器凸緣228。在下文將結(jié)合圖3所示的示例對(duì)熱管組件220進(jìn)行更詳細(xì)的描述。將熱管組件220設(shè)置在冷結(jié)接凸緣206和散熱器214之間增加了 AT。 在下文中結(jié)合圖2中的圖對(duì)大AT進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng) 熱結(jié)接凸緣204處于超過(guò)100攝氏度的熱結(jié)接溫度范圍中時(shí)，AT增加25。/。。 在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)熱結(jié)接凸緣204處于超過(guò)100攝氏度的熱結(jié)接溫度范 圍中時(shí)，將熱管組件220設(shè)置在冷結(jié)接凸緣206和散熱器之間維持至少50 攝氏度的AT。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)熱結(jié)接凸緣204處于超過(guò)100攝氏度的 熱結(jié)接溫度范圍中時(shí)，在熱電電力輸出212處的電壓水平V至少為6伏。在 另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)熱結(jié)接凸緣204處于超過(guò)100攝氏度的熱結(jié)接溫度范圍 中時(shí)，熱電電力輸出212為至少150毫瓦。熱電功率和電壓通常正比于熱電 模塊203的熱結(jié)接凸緣206和冷結(jié)接凸緣204之間的溫度差。在一個(gè)實(shí)施例中，流體222具有適合于在50攝氏度和150攝氏度之間的 熱結(jié)接溫度范圍的成分。在另一個(gè)實(shí)施例中，流體222包括酒精和水的混 合物，其中酒精和水的比例針對(duì)所應(yīng)用的溫度進(jìn)行優(yōu)化。在另一個(gè)實(shí)施例 中，流體222包括增壓氣體、酒精、'水或其它熱傳導(dǎo)流體的成比例的混合 物，以針對(duì)特定應(yīng)用中的溫度范圍來(lái)優(yōu)化性能。在一個(gè)實(shí)施例中，循環(huán)室224包括內(nèi)部室表面230，其為多孔表面。在 另一個(gè)實(shí)施例中，循環(huán)室224包括內(nèi)部室，所述內(nèi)部室包括毛細(xì)管。循環(huán) 室224優(yōu)選包括中心管或通道232，其具有在蒸發(fā)器凸緣226上垂直對(duì)準(zhǔn)的 孔。圖2示出與兩種不同結(jié)構(gòu)的熱電發(fā)電機(jī)相關(guān)聯(lián)的溫度差的圖。 一種結(jié)構(gòu)包括熱管，而另一種結(jié)構(gòu)不包括熱管。7K平軸線10 4表示熱結(jié)接凸緣(例如結(jié)合圖1的上述熱結(jié)接凸緣204)的溫度THOT，單位為攝氏度。垂直軸線102表示在熱電模塊上的熱結(jié)接 和冷結(jié)接之間的溫度差。虛線106代表在自由的周圍環(huán)境的空氣溫度和熱 結(jié)接凸緣溫度之間的溫度差A(yù)TTOTAL。該虛線106代表熱電發(fā)電機(jī)組件 能夠獲得的最大可得到的溫度差。在實(shí)踐中，在熱結(jié)接凸緣和過(guò)程容器之 間存在高的熱傳導(dǎo)，從而所由于所述熱電發(fā)電機(jī)的熱傳導(dǎo)，熱量從所述熱結(jié)接凸緣傳導(dǎo)到所述冷 結(jié)接凸緣。被傳導(dǎo)的熱量提高了所述冷結(jié)接凸緣的溫度，這降低了能用于 熱電發(fā)電的溫度差。因?yàn)榧訜崴隼浣Y(jié)接凸緣，產(chǎn)生了溫度差的損失。實(shí)際上，僅僅一定百分比的AT TOTAL (虛線106)存在于所述熱結(jié)接凸緣 和所述冷結(jié)接凸緣之間。具有圓形(參)端點(diǎn)的實(shí)線108代表在圖1中的熱電發(fā)電機(jī)202的熱結(jié) 接凸緣204和冷結(jié)接凸緣206之間的有熱管情況下溫度差A(yù)T。熱電發(fā)電機(jī) 202 (由實(shí)線108所表示)包括熱管220 (圖l)。具有鉆石狀( )數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)線110代表在不包括熱管的熱電發(fā)電機(jī) 202的熱結(jié)接凸緣和冷結(jié)接凸緣之間的沒(méi)有熱管情況下溫度差A(yù)T。由實(shí)線 110所表示的熱電發(fā)電機(jī)類似于上述結(jié)合圖1描述的熱電發(fā)電機(jī)202，然而， 熱管220不存在，且散熱器214直接連接到冷結(jié)接凸緣206，如實(shí)線110所示。 實(shí)線110代表在不使用熱管的情況下的AT。從圖2中可以看出，在使用熱 管220的情況下，維持了更大的溫度差。熱管220降低了冷結(jié)接凸緣206的 溫度，增大了溫度差。在虛線106和實(shí)線之間的垂直距離代表由于冷結(jié)接 凸緣的加熱所造成的最大的溫度差損失。當(dāng)采用熱管220時(shí)，最大溫度差 的損失較小。在圖2中，虛線114代表在100度及以上時(shí)在線110和106之間的溫度差 損失的25%(圖2中表示100%)。在圖2中，點(diǎn)線116代表50攝氏度的溫度差。 線108代表在使用熱管情況下(如圖l所示)的溫度差，其位于在100攝氏 度以及100攝氏度以上的點(diǎn)線116以及虛線114的上方。該圖示出，對(duì)于IOO 攝氏度以上的過(guò)程溫度，具有熱管的熱電發(fā)電機(jī)200維持的AT損失與線 110相比至少有25%的改善。該圖還示出，對(duì)于100攝氏度以上的過(guò)程溫度， 具有熱管的熱電發(fā)電機(jī)維持至少50攝氏度的AT。借助通過(guò)利用熱管獲得 的這些改善的AT值，熱電發(fā)電機(jī)在至少6伏的電壓下產(chǎn)生至少150毫瓦的熱電輸出。該電壓足夠高，以使得所述熱電輸出可以被連接以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程 設(shè)備(例如壓力變送器)提供能量，所述現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備在不使用將較低的 熱電電壓提升到5伏以上的水平的電壓倍增器電路的情況下包括額定5伏的電路。電力輸出足夠高且足夠可靠，以使得所述熱電發(fā)電機(jī)可以被連接 以為至少一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備提供高達(dá)150毫瓦的功率而不用使用電池。借助于將熱管用于熱電發(fā)電機(jī)上，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的電力供應(yīng)可以擺脫對(duì)電池 和電壓倍增器電路的依賴。從熱電設(shè)備能夠獲得的電力量也足以滿足所述 現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備中的無(wú)線通信對(duì)于能量的要求。無(wú)線變送器可以由所述熱電 發(fā)電機(jī)提供能量。可選地，可以采用所述熱電發(fā)電機(jī)來(lái)為無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集 線器提供能量，所述數(shù)據(jù)集線器將過(guò)程數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)變送器無(wú)線發(fā)送到在遠(yuǎn) 程位置處的控制系統(tǒng)。
圖3示出熱管300的實(shí)施例。熱管300包括蒸發(fā)器凸緣302、冷凝器凸緣 304和流體循環(huán)室306。流體308借助于周壁312中的填充管310被引導(dǎo)到循 環(huán)室306中。循環(huán)室306優(yōu)選在引入流體308之前被排空。在引入受控量(裝 填)的流體308之后，填充管310被密封。在流體循環(huán)室306的壓力和溫度 的操作條件下，流體308 (或者流體308的分量)在蒸發(fā)器凸緣302處蒸發(fā)， 以冷卻所述蒸發(fā)器凸緣302。熱量314 (來(lái)自熱結(jié)接凸緣，例如圖l中的熱 結(jié)接凸緣206)被施加到蒸發(fā)器凸緣302以蒸發(fā)所述流體。流體30S (或者 流體308的分量)在冷凝器凸緣304處或在周壁312的內(nèi)表面上凝結(jié)。冷凝 器凸緣304被散熱器(例如圖1中的散熱器214)冷卻以凝結(jié)流體318。
填充流體308的成分和填充流體308的量被選擇以在特定的過(guò)程溫度 范圍內(nèi)優(yōu)化熱傳遞。適合于所述操作溫度的任何已知流體可以被用作流體 308。在一個(gè)實(shí)施例中，流體308包括酒精和水的混合物。循環(huán)室306的內(nèi) 壁優(yōu)選覆蓋有金屬的多孔或燒結(jié)層316，其便于液體流體308凝結(jié)以及液體 流體308回流到蒸發(fā)器凸緣302。可選地，毛細(xì)管可以被設(shè)置在循環(huán)室306 中，來(lái)替代燒結(jié)層316。
中心管318被支撐在循環(huán)室306中。中心管318具有與所施加的熱量314 基本垂直對(duì)準(zhǔn)的孔320，以使得蒸發(fā)流體308在孔320中向上流動(dòng)?？?20 在頂部和底部都是開(kāi)放的。大致環(huán)形(toroidal)的流體流動(dòng)圖案如圖所示 被建立，提供質(zhì)量傳遞，其將熱量從蒸發(fā)器凸緣302向上通過(guò)孔320帶到冷 凝器凸緣304。如圖所示，熱管300可以在冷凝器凸緣304和周壁312處具有 凝結(jié)表面，所述冷凝器凸緣304和周壁312具有比蒸發(fā)器凸緣302大得多的 組合表面區(qū)域?？梢詡鬟f大量的熱量，且所述冷結(jié)接凸緣(例如圖l中的 冷結(jié)接凸緣206)運(yùn)行的溫度與其直接耦合到散熱器的情況相比更接近周 圍環(huán)境。采用熱管，可以在所述熱電發(fā)電機(jī)(例如圖1中的熱電發(fā)電機(jī)202)
10上維持大的AT，結(jié)果在相對(duì)高的電壓下獲得高的熱電發(fā)電。來(lái)自所述冷
結(jié)接凸緣的熱流314趨向于被集中到中心區(qū)域附近，如圖3所示，這是由于
所述熱電元件的中心核心區(qū)域中的熱量的累積。
圖4示出在熱電輸出處的電壓V作為在熱電發(fā)電機(jī)的熱、冷結(jié)接凸緣 之間的溫度差的函數(shù)的圖形。水平軸線402代表以攝氏度為單位的溫度差 AT。垂直軸線404代表熱電輸出處的電壓V。實(shí)線406代表作為溫度差的 函數(shù)的電壓V。如圖4所示，電壓V對(duì)于溫度差高度敏感。通過(guò)熱管的使用 維持大溫度差將電壓V增加到這樣的水平，以至于可以用于為現(xiàn)場(chǎng)變送器 中的5伏電子設(shè)備提供能量而不需使用電壓倍增器電路。如圖4所示，50 度的溫度差可以提供大于6伏的電壓V，并能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的5伏電源提
供能量而不用使用電壓倍增器。
圖5示出現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集線器502，其耦合到熱電發(fā)電機(jī)506 (例如圖l中的 熱電發(fā)電機(jī)200)的熱電輸出504。現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備508、 510可以是現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程 傳感器或現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程致動(dòng)器，由熱電輸出504提供能量。現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備508、 510包括5伏電子電路，所述電子電路由熱電輸出504提供能量。熱電發(fā)電 機(jī)506為現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備508、 510提供能量，而不需要低效的電壓倍增器， 因?yàn)樗鰺犭娸敵龃笥?伏。現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備508、 510的能量提供可以直接 來(lái)自熱電輸出504，如圖所示，或者可以間接地從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集線器502獲得。 現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備508、 510沿著線512、 514與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集線器502交換數(shù)據(jù)。 線512、 514可以是任何類型的通信鏈接，例如有線、無(wú)線或光學(xué)鏈接。線 512、 514也可以將熱電電力攜帶到現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備508、 510。
數(shù)據(jù)沿著數(shù)據(jù)總線516與無(wú)線收發(fā)器518交換。無(wú)線收發(fā)器518在無(wú)線 鏈接520上與控制系統(tǒng)522進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，所述控制系統(tǒng)522位于遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng) 環(huán)境的位置。
"i!iJ^縱做采g^器〕U厶t^f亡調(diào)"P研fBit各:)JU々W日5里1于1語(yǔ)fBJtff〕JZ ， "|還WB]
節(jié)器電路530和能量存儲(chǔ)電路532接收熱電電力輸出504。調(diào)節(jié)器電路530 沿著所調(diào)節(jié)的電力總線534為在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集線器520中的電路提供能量。調(diào) 節(jié)器電路530不包括電壓倍增器電路，并能夠提供5伏的經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的電壓輸 出。能量存儲(chǔ)電路532包括存儲(chǔ)電容536，所述存儲(chǔ)電容536存儲(chǔ)能夠從熱 電電力輸出504獲得的多余能量。當(dāng)所述能量存儲(chǔ)電路感測(cè)到在經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的電力總線534上功率不足時(shí)，能量存儲(chǔ)電路532沿著線538將補(bǔ)充能量耦合到調(diào)節(jié)器電路530。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，所述溫度差可以在過(guò)程流體冷卻到周圍環(huán)境的溫度以下的情況下被顛倒，而非上述的過(guò)程流體比周圍環(huán)境的溫度高的情況，且在此所描述的實(shí)施例對(duì)于這種冷的過(guò)程流體也是同樣有用的?？梢韵胂髮⑦@里所述的實(shí)施例用于冷的過(guò)程流體。
熱管可以被安裝在所述冷結(jié)接凸緣和散熱器之間，提高從所述熱電模塊到環(huán)境的熱傳遞效率。這更增大了穿過(guò)所述熱電模塊的溫度梯度。因此，利用相同的過(guò)程熱量，由所述熱電發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電力遠(yuǎn)大于利用傳統(tǒng)的散熱器所產(chǎn)生的電力。在所述過(guò)程流體比環(huán)境溫度低的情況下，熱管也可以用作"冷管"。所示的實(shí)施例可以被用于為工業(yè)以及家庭用的遠(yuǎn)程位置的傳感器和換能器供電。
盡管已經(jīng)參照優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的修改。
權(quán)利要求
1.一種熱電發(fā)電機(jī)組件，包括熱電發(fā)電機(jī)，其具有間隔開(kāi)的熱結(jié)接凸緣和冷結(jié)接凸緣，所述熱結(jié)接凸緣具有成形為用于熱耦合至過(guò)程容器的接頭，且所述熱電發(fā)電機(jī)產(chǎn)生在至少150毫瓦功率水平上的熱電電力輸出；散熱器，其耦合至周圍環(huán)境的空氣，并具有散熱器凸緣；以及熱管組件，其包括在循環(huán)室中的流體，所述循環(huán)室具有安裝到所述冷結(jié)接凸緣上的蒸發(fā)器凸緣以及被安裝到所述散熱器凸緣上的冷凝器凸緣，至少一部分所述流體將熱量從所述蒸發(fā)器凸緣傳輸?shù)剿隼淠魍咕墶?br> 2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中將所述熱管組件設(shè)置于所述冷結(jié)接凸緣和所述散熱器之間而提高效率，并在大約ioo攝氏度的 熱結(jié)接溫度范圍中維持至少50攝氏度的AT。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中在大約100攝氏度的 熱結(jié)接溫度范圍中，將所述熱管組件設(shè)置于所述冷結(jié)接凸緣和所述散熱器 之間使AT增加至少25。/。。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中在大約100攝氏度的 熱結(jié)接溫度范圍中，電壓水平為至少6伏。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中在大約100攝氏度的 熱結(jié)接溫度范圍中，所述熱電電力輸出為至少150毫瓦。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中所述流體具有適用于 熱結(jié)接溫度范圍在50攝氏度和105攝氏度之間的成分。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中所述流體包括酒精、 水、增壓氣體或其它熱傳導(dǎo)流體的混合物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中所述循環(huán)室包括內(nèi)部 室表面，所述內(nèi)部室表面為多孔表面。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中所述循環(huán)室包括內(nèi)部 室，所述內(nèi)部室包括毛細(xì)管。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中所述循環(huán)室包括中心管，所述中心管垂直對(duì)準(zhǔn)在所述蒸發(fā)器凸緣上方。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中所述熱電發(fā)電機(jī)將 電力提供給在遠(yuǎn)程工業(yè)/家庭位置處的過(guò)程設(shè)備和傳感器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，還包括用于接收所述熱 電電力輸出的現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程變送器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中所述現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程變送 器包括無(wú)線變送器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，還包括用于接收所述熱電電力輸出的無(wú)線收發(fā)器。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，所述熱電發(fā)電機(jī)包括由 包含Si、 Ge或其合金的半導(dǎo)體材料制成的熱電元件。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中所述半導(dǎo)體材料包 括Bi、 Sb、 Te、 Se或其合金的硫族化物。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中所述熱電發(fā)電機(jī)適 用于高達(dá)450攝氏度的腐蝕性環(huán)境。
18. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，還包括現(xiàn)場(chǎng)儀器，所述 現(xiàn)場(chǎng)儀器由所述熱電電力輸出來(lái)供應(yīng)電力，所述現(xiàn)場(chǎng)儀器擺脫對(duì)電池的依 賴。
19. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，還包括現(xiàn)場(chǎng)儀器，所述 現(xiàn)場(chǎng)儀器由所述熱電電力輸出來(lái)供應(yīng)電力，所述現(xiàn)場(chǎng)儀器擺脫對(duì)用于產(chǎn)生 大于所述電壓水平的電勢(shì)差的電壓倍增器電路的依賴。
20. —種熱電發(fā)電機(jī)組件，包括熱電發(fā)電機(jī)，其具有間隔開(kāi)的熱結(jié)接凸緣和冷結(jié)接凸緣，所述熱 結(jié)接凸緣具有能熱耦合至過(guò)程容器形狀的形狀，且所述熱電發(fā)電機(jī)產(chǎn)生在 至少150毫瓦功率水平上的熱電電力輸出；散熱器，其熱耦合至周圍環(huán)境的空氣，并具有散熱器凸緣；以及 熱管裝置，其用于將循環(huán)室中的流體蒸發(fā)，以將熱量從所述冷結(jié) 接凸緣傳輸?shù)剿錾崞魍咕墶?br> 21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中所述熱管裝置包括耦合到所述冷結(jié)接凸緣的蒸發(fā)器凸緣。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中所述熱電電力輸出為至少6伏。
23. —種用于提供熱電電力輸出的方法，包括步驟使熱結(jié)接凸緣接頭成形為用于耦合至過(guò)程容器；提供具有間隔開(kāi)的熱結(jié)接凸緣和冷結(jié)接凸緣的熱電發(fā)電機(jī)；將所述熱結(jié)接凸緣熱耦合至所述熱結(jié)接凸緣接頭；提供散射器，所述散熱器具有耦合至所述冷結(jié)接凸緣的散熱器凸緣；將熱管組件安裝到所述散熱器；以及提供至少150毫瓦功率水平的熱電電力輸出。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括步驟將所述熱結(jié)接凸緣接 頭成形為圓柱弧形，該形狀與過(guò)程容器相配。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述熱電電力輸出為至少6伏。
26. —種熱電發(fā)電機(jī)組件，包括熱電發(fā)電機(jī)，所述熱電發(fā)電機(jī)具有間隔開(kāi)的熱側(cè)和冷側(cè)，該熱側(cè) 具有成形為用于熱耦合至過(guò)程容器的接頭，該冷側(cè)耦合至熱傳導(dǎo)構(gòu)件，且 所述熱電發(fā)電機(jī)產(chǎn)生至少150毫瓦的熱電電力輸出；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由所述熱電電力輸出提供能量，所述現(xiàn) 場(chǎng)設(shè)備將過(guò)程變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并經(jīng)由數(shù)字協(xié)議進(jìn)行過(guò)程信息的通信。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，其中所述數(shù)字協(xié)議選自 現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議的組可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道協(xié)議(Hart)和現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議 (Fieldbus)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的熱電發(fā)電機(jī)組件，還包括熱管組件，所述 熱管組件包括在循環(huán)室中的流體，所述循環(huán)室具有安裝到所述冷側(cè)上的蒸 發(fā)器凸緣以及被安裝到散熱器上的冷凝器凸緣，至少一部分所述流體將熱 量從所述蒸發(fā)器凸緣傳輸?shù)剿隼淠魍咕墶?br> 全文摘要
一種熱電發(fā)電機(jī)組件(200)包括具有熱結(jié)接凸緣和冷結(jié)接凸緣(204、206)的熱電發(fā)電機(jī)(202)。所述熱結(jié)接凸緣包括接頭(208)，所述接頭形狀適合于熱耦合至過(guò)程容器(210)。熱電發(fā)電機(jī)(202)產(chǎn)生熱電電力輸出(212)。散熱器(214)熱耦合至周圍環(huán)境的空氣并具有散熱器凸緣。熱管組件包括在循環(huán)室中的流體。循環(huán)室(224)具有安裝到冷結(jié)接凸緣的蒸發(fā)器凸緣和安裝到散熱器凸緣的冷凝器凸緣。至少一部分流體將熱量從蒸發(fā)器凸緣傳輸至冷凝器凸緣。
文檔編號(hào)H01L35/30GK101517763SQ200780035788
公開(kāi)日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2007年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者斯瓦潘·查克拉博蒂 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司