專利名稱：熱電發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱電發(fā)電裝置，其使用熱電模塊以利用溫差將熱能轉(zhuǎn)換為電能， 特別涉及一種熱電發(fā)電裝置，能夠通過廣泛使用高溫流體或者發(fā)出輻射熱的其它各種類型 的熱源來產(chǎn)生電能。
背景技術(shù)：
近年來，隨著工業(yè)科技的進(jìn)步，人們消耗的能量總量加速大幅增加。結(jié)果，由于溫 室氣體例如CO2造成的全球變暖的問題出現(xiàn)?？紤]上述事實(shí)，為了盡可能抑制溫室氣體的產(chǎn)生，目前期待下面發(fā)電裝置的商業(yè) 化，其盡可能將各種工業(yè)例如氣體焚化爐和熱電廠以及汽車內(nèi)燃機(jī)等廢棄和未使用的高溫 熱能回收，作為電能。作為將熱能回收作為電能的發(fā)電裝置，已知利用熱電元件的發(fā)電技術(shù)。熱電元件 使用賽貝克效應(yīng)，其中，溫差在金屬或者半導(dǎo)體的兩端之間給定，從而在高溫部分和低溫部 分之間產(chǎn)生勢差。熱電元件具有這種特性，從而溫差越大，發(fā)電越多。通常，熱電元件經(jīng)常 用作熱電模塊，其結(jié)合了多個(gè)熱電元件。作為使用這種熱電模塊的熱電發(fā)電裝置，通常提出各種類型的結(jié)構(gòu)，用于將內(nèi)燃 機(jī)的廢氣熱能轉(zhuǎn)換成電能，其中通過利用條帶等收緊，熱電模塊被保持在擠壓狀態(tài)，高溫構(gòu) 件和低溫構(gòu)件形成為分別與熱電模塊的高溫表面和低溫表面接觸，并且根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，熱 能被轉(zhuǎn)換成電能(例如見專利文獻(xiàn)1 :日本專利申請(qǐng)Laid-open公開No. 2005-223131和專 利文獻(xiàn)2 日本專利申請(qǐng)Laid-Open公開No. 2004-208476)。大部分現(xiàn)有的熱電發(fā)電裝置，包括上述熱電發(fā)電裝置，涉及到這樣的結(jié)構(gòu)，其中作 為熱源的高溫流體形成為流動(dòng)穿過傳熱管，該管設(shè)置在發(fā)電裝置的中部中。另外，通過被條 帶等從其周圍共同地收緊，多個(gè)熱電模塊在擠壓狀態(tài)中固定到傳熱管的表面。結(jié)果，不均勻 的表面壓力產(chǎn)生在高溫?zé)嵩?、熱電模塊和低溫構(gòu)件之間的接觸面上，取決于設(shè)置熱電模塊 的位置和收緊條帶的程度，其經(jīng)常影響發(fā)電裝置的性能。另外，沒有這樣的結(jié)構(gòu)，其中熱電 模塊利用從高溫?zé)嵩囱由斓臉?gòu)件直接連接到低溫構(gòu)件。為此，發(fā)電裝置可以僅安裝到具有傳熱管的形狀的熱源，因此，限制了將發(fā)電裝置 應(yīng)用到高溫流體的許多熱源或者這樣的熱源，其發(fā)出輻射熱，被用在各種工業(yè)設(shè)備中。

發(fā)明內(nèi)容
考慮上述情況，做出本發(fā)明，本發(fā)明目的是提供一種熱電發(fā)電裝置，通過直接設(shè)置 到各種類型的工業(yè)設(shè)備中現(xiàn)有的高溫?zé)嵩椿蛘呗晕㈤g隔開，能夠提供從熱能到電能的有效 轉(zhuǎn)換，具有緊湊的結(jié)構(gòu)和高性能的發(fā)電功能，且在結(jié)構(gòu)健壯性和可操作性方面極好，例如安 裝和維護(hù)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種熱電發(fā)電裝置，包括高溫構(gòu)件，傳導(dǎo)高溫介質(zhì) 的熱能；低溫構(gòu)件，設(shè)置在與高溫構(gòu)件的高溫介質(zhì)相反一側(cè)上，且在其內(nèi)側(cè)設(shè)置有低溫介質(zhì)
3通道；熱電模塊，被夾在高溫構(gòu)件和低溫構(gòu)件之間，且承載著熱電轉(zhuǎn)換元件，其利用高溫介 質(zhì)和低溫介質(zhì)之間的溫差將熱能轉(zhuǎn)換為電能，低溫介質(zhì)供給低溫介質(zhì)通道；和至少一個(gè)拉 桿，緊固位于低溫構(gòu)件和高溫構(gòu)件之間。另外上述本發(fā)明中，高溫構(gòu)件具有彼此平行的兩個(gè)表面，熱電模塊和低溫構(gòu)件設(shè) 置在高溫構(gòu)件的每個(gè)平行表面上，低溫構(gòu)件通過拉桿緊固在一起。另外，適當(dāng)?shù)氖?，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)構(gòu)造成使得高溫構(gòu)件具有兩個(gè)平行表面和連接該兩 個(gè)平行表面的通孔，熱電模塊和低溫構(gòu)件設(shè)置在高溫構(gòu)件的每個(gè)平行表面上，低溫構(gòu)件通 過拉桿緊固在一起。另外本發(fā)明構(gòu)造成使得低溫構(gòu)件、熱電模塊和拉桿結(jié)合在一個(gè)單元中，多個(gè)單元 設(shè)置在高溫構(gòu)件上。另外，適當(dāng)?shù)氖牵鳛橛糜诶美瓧U緊固低溫構(gòu)件和高溫構(gòu)件的構(gòu)件，設(shè)置多個(gè)彈 簧構(gòu)件，其接觸部形成了線接觸。另外本發(fā)明構(gòu)造成使得，低溫構(gòu)件包括基材和形成通道的通道材料，通道材料的 剛度等于或大于基材的剛度。另外，基材可由從下列中選擇的元素形成招，銅，鐵，銷，鈦，鎳，錫，錯(cuò)，鋅，鎂，或 者是包括上述元素中任一種作為其主要成分的的化合物或合金另外熱電轉(zhuǎn)換元件可以是直接熱電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體，由從下列中選擇的至少三種或者 更多的元素形成稀土元素，鈾，釷，钚，鈷，鎳，鐵，銠，釕，鈀，鉬，銻，鈦，鋯，鉿，錫，硅，錳， 鋅，硼，碳，氮，氧，鎵，鍺，銦，釩，鈮，鋇，鎂，鉻，鉭，鉬，鋁。另外直接熱電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體可具有下列中任一種的晶體結(jié)構(gòu)方鈷礦結(jié)構(gòu)，填充方 鈷礦結(jié)構(gòu)，Heusler結(jié)構(gòu)，半-Heusler結(jié)構(gòu)，籠形結(jié)構(gòu)。另外，上述發(fā)明中，直接熱電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)是下列中的至少一種或者 化合物或者混合物或者固體溶液鈷和從氧化銅、碳、硼、鈉、和鈣中選擇的物質(zhì)的層狀復(fù) 合氧化物；氮化鋁；氮化鈾；氮化硅；二硫化鉬；含有銻化鈷化合物作為主相的熱電轉(zhuǎn)換 材料，該化合物具有方鈷礦晶體結(jié)構(gòu)；含有籠形化合物作為主相的熱電轉(zhuǎn)換材料；和含有 半-Heusler化合物作為主相的熱電轉(zhuǎn)換材料。根據(jù)上述特征的本發(fā)明，提供一種熱電發(fā)電裝置，能夠利用緊湊的結(jié)構(gòu)以高性能 的發(fā)電功能提供從熱能到電能的有效轉(zhuǎn)換，并且在結(jié)構(gòu)健壯性和操作性方面極好，例如安 裝和維護(hù)。


圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的剖視圖(沿著圖2中的線I-I的剖視 圖)。圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的單元的透視圖。圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的低溫構(gòu)件的透視圖。圖4是本發(fā)明第一實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的熱電模塊的通道結(jié)構(gòu)的剖視圖(沿著 圖1的線IV-IV的剖視圖)。圖5是本發(fā)明第一實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。圖6是本發(fā)明第二實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的剖視圖。
圖7是本發(fā)明第三實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的剖視圖。圖8是本發(fā)明第四實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的單元的透視圖。圖9是沿著圖8的線IX-IX的剖視圖。圖10是本發(fā)明第四實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的低溫構(gòu)件的透視圖。圖11是本發(fā)明第四實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的熱電模塊的通道結(jié)構(gòu)的剖視圖。(沿 著圖9的線XI-XI的剖視圖)。圖12是本發(fā)明第四實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。圖13是本發(fā)明第五實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面參考附圖描述本發(fā)明的熱電發(fā)電裝置的實(shí)施例。第一實(shí)施例(圖1-5)如圖1和2，本實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置1包括高溫構(gòu)件3，通過從熱源(未示出) 供應(yīng)的熱能的傳導(dǎo)，接收熱量；熱電模塊2，接收熱量，其中它的一個(gè)表面(底面)與高溫構(gòu) 件3接觸；和低溫構(gòu)件4，它通過使得從冷卻設(shè)備(未示出)提供的低溫介質(zhì)15在其內(nèi)部 流動(dòng)，冷卻熱電模塊2的其它表面。高溫構(gòu)件3例如具有平板形狀，多個(gè)(圖中為兩個(gè))螺紋孔3a形成在它的一個(gè)側(cè) 面上，通過旋入拉桿，拉桿5c插入到每個(gè)螺紋孔3a中。另外，通過螺桿緊固或者焊接，拉桿 5c可以安裝在高溫構(gòu)件3上。另外，未示出的且結(jié)合了熱源的高溫壁可以直接用作高溫構(gòu) 件3，拉桿可以直接連接到高溫構(gòu)件3。熱電模塊2，具有矩形板狀，該板狀具有預(yù)定厚度，且熱電模塊設(shè)置成與高溫構(gòu)件 3的一側(cè)面(圖1中上表面)接觸，從而與高溫構(gòu)件3接觸而被加熱。另外，低溫構(gòu)件4例 如以這樣的方式構(gòu)造，使得多個(gè)具有槽的板被層疊，所述槽通過機(jī)械處理形成，并且每個(gè)板 通過銅焊(brazing)連接以形成矩形。低溫構(gòu)件4設(shè)置成與熱電模塊2的外表面(圖1中 的上表面)接觸。圖3示出了安裝結(jié)構(gòu)，其中，接頭8安裝在低溫構(gòu)件4上。如圖3，低溫介質(zhì)通道 4a的冷卻介質(zhì)入口 /出口部分4b形成在低溫構(gòu)件4的外表面中，例如作為螺紋孔，且以這 樣的方式安裝，使得用于管道連接的接頭8通過旋入接頭8而插入。圖4是沿著圖1的線IV-IV的剖視圖，示出了低溫構(gòu)件4等的低溫介質(zhì)通道4a的 結(jié)構(gòu)。如圖4，低溫構(gòu)件4包括低溫介質(zhì)通道4a，其例如形成為螺旋通道，以將低溫介質(zhì)從 冷卻設(shè)備(未示出)供應(yīng)。低溫介質(zhì)通道4a的兩端分別形成了接頭8和8的接頭安裝位 置4d和4d。圖1和2所示的熱電模塊2的外表面與低溫構(gòu)件4接觸，熱電模塊2從熱電發(fā) 電裝置的外表面?zhèn)壤鋮s。如圖1，熱電發(fā)電裝置1包括擠壓構(gòu)件5。擠壓構(gòu)件5具有熱膨脹吸收功能，從而 將低溫構(gòu)件4壓靠在高溫構(gòu)件側(cè)上。具體的，擠壓構(gòu)件5具有拉桿5c，螺紋部分5e和5h在 其兩端上形成到該拉桿。拉桿5c的一端側(cè)上的螺紋部分5e被旋入形成在高溫構(gòu)件3的表 面中的螺紋孔3a中。另外在拉桿5c周圍，設(shè)置墊圈5g;彈簧構(gòu)件5a，例如盤簧，其是彈性 構(gòu)件，通過將多個(gè)彈簧板層疊而形成，從而擠壓低溫構(gòu)件4 ；以及帶凸緣的套筒5f，用作彈 簧構(gòu)件5a的引導(dǎo)裝置。這些部件通過螺母5d緊固，螺母5d擰到螺紋部分5h中，螺紋部分5h設(shè)置在拉桿5c的另一端側(cè)上。如上，本實(shí)施例包括多個(gè)(兩個(gè))拉桿5c，緊固所述低溫構(gòu)件4和高溫構(gòu)件3。本 實(shí)施例構(gòu)造成使得，用作彈簧構(gòu)件5a的導(dǎo)引裝置的套筒5f以及墊圈5f設(shè)置在彈簧構(gòu)件5a 的兩端部上，從而彈性擠壓熱電模塊2，隔熱材料14和低溫構(gòu)件4。這個(gè)結(jié)構(gòu)中，在操作中，熱膨脹系數(shù)之間的差異和溫度分布的差異造成了在拉桿 5c和熱交換單元之間產(chǎn)生熱膨脹的差異，該單元包括高溫構(gòu)件3、熱電模塊2和低溫構(gòu)件4。 根據(jù)溫度的升高，雖然拉桿5c和熱交換單元之間的緊固力由于熱膨脹差異而損失，彈簧構(gòu) 件5a被提前擠壓，因此可防止其間緊固力的損失。圖5示出了熱電發(fā)電裝置1的結(jié)構(gòu)，其中圖1的結(jié)構(gòu)，包括低溫構(gòu)件4，熱電模塊2， 拉桿5c等，被作為一個(gè)單元的熱電發(fā)電裝置單元Ia處理，作為多個(gè)單元，多個(gè)單元Ia安裝 在高溫構(gòu)件3上。熱電發(fā)電裝置1通過將四個(gè)熱電發(fā)電裝置單元Ia均勻地安裝在高溫構(gòu) 件3上而構(gòu)造，例如安裝在現(xiàn)有的高溫壁12上。熱電發(fā)電裝置1通過接收高溫對(duì)流20而 產(chǎn)生能量，且將產(chǎn)生的能量通過共同的電布線13(正電極側(cè)13a和負(fù)電極側(cè)13b)供給外側(cè) 部分。另外，注意，單元的數(shù)目可根據(jù)高溫壁12的尺寸和發(fā)電量而調(diào)節(jié)。還要注意，熱電發(fā) 電裝置1可通過焊接或者連接裝置安裝在高溫壁12上，或者如果可能，它的拉桿5c可直接 連接到高溫壁12。這里參考圖1-5，詳細(xì)描述本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。如圖，本實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置1構(gòu)造成使得高溫構(gòu)件3和低溫構(gòu)件4被彈簧構(gòu) 件5a擠壓，例如盤簧，用于吸收熱膨脹。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，擰螺母5d的量可以被調(diào)節(jié)，從而通過 包括彈簧構(gòu)件5a等的擠壓構(gòu)件5，調(diào)節(jié)擠壓熱電模塊2的力，模塊2被夾在高溫構(gòu)件3和低 溫構(gòu)件4之間。彈簧構(gòu)件5a的反作用力由拉桿5c承受。這樣，具有產(chǎn)生壓力負(fù)荷且吸收熱膨脹功能的擠壓構(gòu)件5以預(yù)定力將與高溫構(gòu)件 3接觸的該熱電模塊2壓靠在低溫構(gòu)件4上。這個(gè)壓力增大了高溫構(gòu)件3和熱電模塊2之 間的粘附，因此降低了高溫構(gòu)件3和熱電模塊2之間的接觸熱阻。螺母5d擰入螺紋部分5h 中，螺紋部分5h形成在拉桿5c的上端上。因此，螺母5d的旋轉(zhuǎn)可以被轉(zhuǎn)換成相對(duì)于彈簧 構(gòu)件5a沿著垂直方向的運(yùn)動(dòng)。因此彈簧構(gòu)件5a的彎曲量或者擠壓力可以高精度調(diào)節(jié)。高溫操作中，彈簧構(gòu)件5a從高溫構(gòu)件3通過拉桿5c接收熱量。彈簧構(gòu)件5a的盤 簧與墊圈5f線接觸，因此抑制其溫度升高。另外彈簧構(gòu)件5a的盤簧與墊圈5g線接觸，墊 圈與低溫構(gòu)件4接觸，因此，僅少量熱量傳遞到低溫構(gòu)件4。另外通過保持彈簧構(gòu)件5a的溫度較低，可防止彈簧常數(shù)下降。另外，散發(fā)到彈簧 構(gòu)件5a和低溫構(gòu)件4的熱量可以減少，因此有效降低熱能損失。另外拉桿5c的溫度預(yù)計(jì) 達(dá)到400°C或者更高的高溫，取決于用作熱源的設(shè)備，因此，拉桿5c需要由具有蠕變強(qiáng)度的 材料制成。這一點(diǎn)上，適當(dāng)?shù)氖抢瓧U5c的材料例如應(yīng)當(dāng)是奧氏體不銹鋼，例如SUS316和 SUS304 ；鉻鉬鋼，例如21/4Cr-lMo，9Cr-lMo，以及改進(jìn)的9Cr_lMo ；高鎳合金，例如NCF 600 ； 或者氧化物彌散強(qiáng)度鋼。另外，如果具有低熱膨脹系數(shù)的材料用于拉桿5c，彈簧構(gòu)件5a的 量可減少。因?yàn)槔瓧U5c穿過形成在低溫構(gòu)件4中的拉桿通孔4c，相互距離變得相對(duì)小。為了 降低熱能損失，防輻射板17插入到拉桿5c和低溫構(gòu)件4之間。適當(dāng)?shù)氖牵垒椛浒?7應(yīng)當(dāng)由具有低輻射的材料制成，因此薄金屬板例如不銹鋼、碳鋼、或者鋁合金應(yīng)當(dāng)使用。作為 防輻射板17的形狀，管狀薄板容易裝配，多個(gè)成層的管狀薄板具有隔絕性，優(yōu)于單層的管 狀薄板。為了抑制熱能損失，隔熱材料14設(shè)置在沒有與熱電模塊2接觸的高溫構(gòu)件3的一 部分上。低溫構(gòu)件4的材料需要具有耐受大約150°C溫度的強(qiáng)度，低的重量從而較輕，對(duì)于 低溫介質(zhì)15的耐腐蝕性，以及高的導(dǎo)熱性。結(jié)果，適當(dāng)?shù)氖菓?yīng)用鋁合金例如A6061，例如，其 上進(jìn)行陽極化處理(防蝕鋁處理)。如果強(qiáng)烈需要進(jìn)一步較輕的重量、強(qiáng)度和耐腐蝕性，鈦 合金是有效的。相反，如果不需要較輕重量，奧氏體不銹鋼例如SUS304可以使用。另外，有 效的是基材由鋁合金形成，退火的不銹鋼管通過HIP處理埋入到通道中，從而改善耐腐蝕 性，降低重量。另外，注意，低溫構(gòu)件包括基材和形成通道的通道材料，通道材料的剛度等于 或大于基材的剛度。另外，基材可以由從下列中選擇的元素形成鋁，銅，鐵，鉬，鈦，鎳，錫，鋯，鋅，鎂， 或者是包括上述元素中任一種作為其主要成分的的化合物或合金。低溫介質(zhì)通道4a形成在低溫構(gòu)件4內(nèi)。接頭8安裝在低溫介質(zhì)15的入口 /出口 4b上，其設(shè)置在低溫構(gòu)件4的上表面上。雖然圖3示出了這樣的結(jié)構(gòu)，其中，低溫介質(zhì)15的 接頭8安裝在低溫構(gòu)件4的上表面上，接頭8可以安裝在低溫構(gòu)件4的側(cè)表面上。管道9， 例如鋼管，銅管，或者氟樹脂管，連接到接頭8，從而使得低溫介質(zhì)15流動(dòng)穿過多個(gè)低溫構(gòu) 件4。這里，如果低溫構(gòu)件4由HIP處理通過應(yīng)用鋁合金和不銹鋼管制成，不銹鋼管可以形 成為從低溫構(gòu)件4延伸。因此，由于低溫構(gòu)件4不需要設(shè)置有冷卻介質(zhì)入口 /出口部分4b， 管道9的連接可以容易地進(jìn)行。根據(jù)本實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置1，如上所述，圖2的結(jié)構(gòu)作為一個(gè)單元處理，且另 一方面，如圖5，多個(gè)單元(例如四個(gè)單元)連續(xù)安裝在高溫構(gòu)件3的表面上。注意，單元的 數(shù)目不限于這些結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要，其它數(shù)目的單元可以安裝，從而增加發(fā)電量。低溫介質(zhì)15通過入口管座(header)(未示出)穿過管道9供給到每個(gè)單元的低 溫構(gòu)件4。低溫介質(zhì)15流動(dòng)穿過每個(gè)單元的多個(gè)低溫構(gòu)件4。在發(fā)電過程中加熱的低溫介 質(zhì)15通過管道9返回到出口管座(未示出)。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，擠壓構(gòu)件5可調(diào)節(jié)彈簧構(gòu)件5a的彎曲量，從而以預(yù)定力擠壓夾在 高溫構(gòu)件3和低溫構(gòu)件4之間的每個(gè)熱電模塊2，且從而因此有效地在熱電模塊2的上下表 面之間產(chǎn)生溫差。另外，雖然溫差使得在擠壓構(gòu)件5和高溫構(gòu)件3、熱電模塊2和低溫構(gòu)件4之間產(chǎn) 生了熱膨脹差異，擠壓構(gòu)件5設(shè)置有彈簧構(gòu)件5a，彈簧構(gòu)件5a進(jìn)行的緊固的初始量可以在 組件設(shè)置，從而在正常工作過程中向熱電模塊2產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臄D壓力，從而不會(huì)產(chǎn)生過小的 擠壓力足以破壞熱電模塊2的性能，即使是在最大溫度條件下。因此，熱電模塊2的穩(wěn)固性 在組裝時(shí)可以保持。在將本實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置1安裝在各種工廠等中的現(xiàn)有高溫壁12上的情況 中，具有與高溫壁12和熱電模塊2的表面狀態(tài)有良好粘附性能、且具有高導(dǎo)熱率的夾具可 以設(shè)置在高溫構(gòu)件3與另外熱電模塊2之間，并且可通過螺栓緊固或者焊接而固定。另外如果可以，熱電發(fā)電裝置1可以直接安裝在高溫壁12上，而不是高溫構(gòu)件3。 另外，如果高溫壁12具有不良表面狀態(tài)，例如粗糙的表面，高溫壁12和高溫構(gòu)件3可以間隔預(yù)定距離，輻射熱可以用作熱源。另外，高溫構(gòu)件3頻繁暴露到腐蝕性流體，且如上所述，溫度可達(dá)到400°C或更高 的高溫。因此，材料需要具有耐腐蝕性和高的溫度強(qiáng)度。另外，需要焊接和機(jī)加工，且因此 適當(dāng)?shù)氖歉邷貥?gòu)件3的材料是鉻鉬鋼，鐵素體不銹鋼或者奧氏體不銹鋼。為了降低高溫構(gòu)件3和熱電模塊2之間的接觸熱阻或者以平衡溫度分布，傳熱片 層可設(shè)置在其間。這里，傳熱片層的材料適當(dāng)?shù)氖蔷哂袩嶙韬透邔?dǎo)熱率的材料，例如石墨， 銅，貴金屬，例如銅合金和銀，以及涂料，例如基于陶瓷的粘結(jié)劑以及油灰(putty)。另外，為 了降低熱電模塊2和低溫構(gòu)件4之間的接觸熱阻，或者為了平衡溫度分布，硅脂11和傳熱 片層可設(shè)置在其間。另外，未示出的結(jié)合在熱電模塊中的熱電轉(zhuǎn)換元件可以是直接熱電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體， 由從下列中選擇的至少三種或者更多的元素形成稀土元素，鈾，釷，钚，鈷，鐵，銠，釕，鈀， 鉬，鎳，銻，鈦，鋯，鉿，鎳，錫，硅，錳，鋅，硼，碳，氮，氧，鎵，鍺，銦，釩，鈮，鋇，鎂，鉻，鉭，鉬，
ρ O另外，直接熱電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)可以含有下列中的任一種或者混合物或 者化合物或者固體溶液作為它的主要成分方鈷礦結(jié)構(gòu)，填充方鈷礦結(jié)構(gòu)，Heusler結(jié)構(gòu)， 半-Heusler結(jié)構(gòu)，籠形結(jié)構(gòu)。另外，直接熱電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體可以是下列中的至少一種或者化合物或者混合物或者 固體溶液鈷和從氧化銅、碳、硼、鈉、和鈣中選擇的物質(zhì)的層狀復(fù)合氧化物；氮化鈾；氮化 硅；二硫化鉬；含有銻化鈷化合物作為主相的熱電轉(zhuǎn)換材料，該化合物具有方鈷礦晶體結(jié) 構(gòu)；含有籠形(clathrate)化合物作為主相的熱電轉(zhuǎn)換材料；和含有半-Heusler化合物作 為主相的熱電轉(zhuǎn)換材料。如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，通過擠壓構(gòu)件5被負(fù)荷傳遞的低溫構(gòu)件4以預(yù)定力被擠 壓到熱電模塊2，該構(gòu)件5具有產(chǎn)生壓力負(fù)荷和吸收熱膨脹的功能，該模塊與高溫構(gòu)件3接 觸。這個(gè)壓力增加了高溫構(gòu)件3和熱電模塊2之間的粘附，因此降低了高溫構(gòu)件3和熱電 模塊2之間的接觸熱阻。另外，由于螺母5d被擰到拉桿5c上端上形成的螺紋部分5h中， 螺母5d的旋轉(zhuǎn)可以被轉(zhuǎn)換成相對(duì)于彈簧構(gòu)件5a沿著垂直方向的運(yùn)動(dòng)。因此，彈簧構(gòu)件5a 的彎曲量或者擠壓力可以高精度調(diào)節(jié)。另外工作過程中，熱膨脹系數(shù)之間的差異和溫度分 布的差異使得在拉桿5c和熱交換單元之間產(chǎn)生熱膨脹差異，該單元包括高溫構(gòu)件3，熱電 模塊2和低溫構(gòu)件4。然而彈簧構(gòu)件5a被提前擠壓的量大于熱膨脹，因此，緊固力的損失可 以被熱膨脹差異阻止。另外，因?yàn)榈蜏貥?gòu)件4的材料具有低重力、耐腐蝕、高導(dǎo)熱性，本實(shí)施 例可提供一種熱電發(fā)電裝置，能夠提供從熱能到電能有效的轉(zhuǎn)換，具有緊湊和高性能，且在 結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性方面極好。第二實(shí)施例(圖6)參考圖6描述本發(fā)明第二實(shí)施例。圖6是第二實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的剖視圖。 注意，第二實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例相同，相同附圖標(biāo)記或符號(hào)用于與第一實(shí)施例 相對(duì)應(yīng)的那些，省略重復(fù)的描述。本實(shí)施例集中在下面的結(jié)構(gòu)上，其中，熱交換翼片16形成在高溫構(gòu)件3的高溫介 質(zhì)側(cè)上。具體的，如圖6，本實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置1具有與第一實(shí)施例相同結(jié)構(gòu)，除了多
8個(gè)翼片16形成在圖中高溫構(gòu)件3的底面?zhèn)壬稀Ｒ砥?6安裝在高溫流體流過其中的管道和 爐壁上，從而進(jìn)行熱交換。因此，可提供高性能發(fā)電。另外雖然高溫構(gòu)件3例如具有平板形狀，如圖6，其形狀不限于此，例如，高溫構(gòu)件 3可形成以提供圓形，具有曲率，從而可用于圓形管道。另外本實(shí)施例的多個(gè)發(fā)電裝置可以 以圓形管道形狀或者矩形管道形狀的陣列連接，從而形成管道布置，所述管道布置連接到 高溫流體流過其中的管道布置。根據(jù)第二實(shí)施例，熱電發(fā)電裝置可以以緊湊和簡單的結(jié)構(gòu)高性能地提供從熱能到 電能有效的轉(zhuǎn)換，在結(jié)構(gòu)可靠性和多用性方面極好。第三實(shí)施例(圖7)本發(fā)明第三實(shí)施例參考圖7描述。圖7是第三實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的剖視圖。 注意，第三實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)與第一和第二實(shí)施例相同，相同附圖標(biāo)記或符號(hào)用于與第一 和第二實(shí)施例相對(duì)應(yīng)的那些，省略重復(fù)的描述。本實(shí)施例示出了這樣的結(jié)構(gòu)，其中，兩個(gè)單元的熱電發(fā)電裝置設(shè)置成在矩形通道 20的平行表面上彼此相對(duì)，其處，熱交換翼片16形成在高溫構(gòu)件3的高溫介質(zhì)側(cè)上。如圖7，本實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置1具有與第二實(shí)施例大致相同的結(jié)構(gòu)，除了拉桿 5c的緊固結(jié)構(gòu)。所示結(jié)構(gòu)中，翼片16形成在高溫構(gòu)件3的高溫介質(zhì)側(cè)上，從而進(jìn)行高性能 熱交換。另外，雖然高溫構(gòu)件3具有圖7所示的矩形，這個(gè)形狀不限于此。另外，雖然熱電 發(fā)電裝置單元安裝在平坦表面上，高溫介質(zhì)通道可以具有圓形。這種情況中，用于引入高溫 介質(zhì)的管道應(yīng)形成為具有圓形用于方便連接。根據(jù)本實(shí)施例，因?yàn)槔瓧U5c沒有直接緊固到高溫構(gòu)件3，拉桿5c的溫度難以增大。 結(jié)果在工作中，高溫構(gòu)件3的熱膨脹量大于拉桿5c，且與第二實(shí)施例相反，擠壓構(gòu)件5的緊 固力沿著增大緊固力的方向施加。緊固力增大了高溫構(gòu)件3和熱電模塊2之間的粘附，且 降低了高溫構(gòu)件3和熱電模塊2之間的接觸熱阻。另外在圖7結(jié)構(gòu)中，雖然彈簧構(gòu)件5a安 裝在拉桿5c的兩端上，它可以安裝在其一端側(cè)上。熱電模塊2和低溫構(gòu)件4設(shè)置成與高溫構(gòu)件3的表面相對(duì)和平行，且通過拉桿5c 借助于擠壓構(gòu)件5緊固。因此，可以在高溫構(gòu)件3和熱電模塊2之間、以及在熱電模塊2和 低溫構(gòu)件4之間提供均勻的接觸表面壓力。如上所述，根據(jù)第三實(shí)施例，熱電發(fā)電裝置可以以緊湊結(jié)構(gòu)高性能地提供從熱能 到電能的有效轉(zhuǎn)換，且在結(jié)構(gòu)可靠性和多功能性方面極好。第四實(shí)施例(圖8-12)參考圖8-12描述本發(fā)明第四實(shí)施例。圖8是第四實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的單元 的透視圖。圖9是本實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的剖視圖(沿著圖8的線IX-IX的剖視圖)。 注意，第四實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例相同，相同標(biāo)記或符號(hào)表示與第一實(shí)施例相對(duì) 應(yīng)的部件或構(gòu)件，且省略重復(fù)的描述。 如圖8和9，根據(jù)第四實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置1，矩形孔4c通常地例如設(shè)置在熱電 模塊2和低溫構(gòu)件4的中間部中，拉桿5c的數(shù)目被減少到一個(gè)。換句話說，具有產(chǎn)生壓力 負(fù)荷和吸收熱膨脹的功能的擠壓構(gòu)件5的數(shù)目的減少到一個(gè)部分可以節(jié)省熱電發(fā)電裝置1 的安裝區(qū)域的空間，從而增加安裝位置的自由度。另外，緊固彈簧構(gòu)件5a的量可以在一個(gè) 位置被控制，從而增加可操作性和結(jié)構(gòu)可靠性。
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圖10示出了將接頭8和管道9安裝在低溫構(gòu)件4上的結(jié)構(gòu)。如圖10，低溫介質(zhì)通 道4a的入口和出口 4b形成為螺紋孔，例如在低溫構(gòu)件4的外表面上，用于連接管道9的接 頭8被螺合以安裝到其處。拉桿5c可以穿過的矩形孔設(shè)置在低溫構(gòu)件的中間中，這個(gè)孔可 以形成為圓形。圖11示出了低溫介質(zhì)通道4a和低溫構(gòu)件4中與其相關(guān)聯(lián)的部分。如圖11，低溫 構(gòu)件4包括低溫介質(zhì)通道4a，其將低溫介質(zhì)15從冷卻設(shè)備(未示出)供應(yīng)。低溫介質(zhì)通 道4a例如形成為四邊形環(huán)形通道。另外，低溫介質(zhì)通道4a可形成為蜿蜒通道。當(dāng)圖8的 熱電模塊2的外表面與低溫構(gòu)件4接觸時(shí)，熱電模塊2從發(fā)電裝置的外表面?zhèn)缺焕鋮s。圖12的透視圖示出了本實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置的整個(gè)結(jié)構(gòu)。如圖12，根據(jù)本實(shí)施 例，四個(gè)熱電發(fā)電裝置單元均勻安裝在高溫構(gòu)件3上，且通過電布線13連接。實(shí)例示出了 高溫構(gòu)件3從熱源(未示出)接收輻射熱21。根據(jù)上述實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，熱電發(fā)電裝置1的 主要部件或構(gòu)件可安裝在由共同隔熱壁防護(hù)或者冷卻的一部分上，以及鼓風(fēng)設(shè)備的周圍， 或者鋼鐵廠中的焚化爐周圍，具有良好的操作性。如上，根據(jù)本實(shí)施例，熱電發(fā)電裝置可以以緊湊結(jié)構(gòu)高性能地提供從熱能到電能 有效的轉(zhuǎn)換，且在結(jié)構(gòu)健壯性和操作性方面極好。第五實(shí)施例(圖13)參考圖13描述本發(fā)明第五實(shí)施例。圖13的剖視圖示出了本實(shí)施例的熱電發(fā)電裝 置。另外注意，第五實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)與第四實(shí)施例相同，相同的標(biāo)記或符號(hào)表示與第一到 第四實(shí)施例相對(duì)應(yīng)的部件或構(gòu)件，且省略重復(fù)描述。本實(shí)施例具體限定了這樣的結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)單元的熱電發(fā)電裝置設(shè)置成在矩形通 道的平行表面上彼此相對(duì)，其中熱交換翼片形成在高溫構(gòu)件的高溫介質(zhì)側(cè)上。如圖13，本實(shí)施例的熱電發(fā)電裝置1具有大致與第四實(shí)施例相同的結(jié)構(gòu)，除了拉 桿5c的緊固結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)形成為使得翼片16形成在高溫構(gòu)件3的高溫介質(zhì)側(cè)上，從而高 性能地進(jìn)行熱交換操作。高溫構(gòu)件3包括圓形或矩形管道形狀的通孔3b，垂直于熱電模塊 2安裝在其上的表面。拉桿5c插入穿過通孔3b的內(nèi)部，防輻射板17設(shè)置在通孔3b和拉桿 5c之間，從而降低熱能損失。另外，代替防輻射板17，隔熱材料14可填充在其間。另外，因 為通孔3b也起著翼片的作用，性能將提升。因?yàn)槔瓧U5c沒有直接接觸高溫構(gòu)件3，拉桿5c的溫度難以升高。結(jié)果，工作中， 高溫構(gòu)件3的熱膨脹量大于拉桿5c，且與第四實(shí)施例相反，擠壓構(gòu)件5的緊固力沿著增大 緊固力的方向施加。緊固力增加了高溫構(gòu)件3和熱電模塊2之間的粘附，降低了高溫構(gòu)件 3和熱電模塊2之間的接觸熱阻。另外圖13結(jié)構(gòu)中，雖然彈簧構(gòu)件5a安裝在拉桿5c的兩 端上，它可安裝在其一端側(cè)上。根據(jù)本實(shí)施例，因?yàn)闊犭娔K2和低溫構(gòu)件4設(shè)置成與高溫構(gòu)件3的表面相對(duì)且 平行，且通過拉桿5c借助于擠壓構(gòu)件5緊固，可以在高溫構(gòu)件3和熱電模塊2之間、以及熱 電模塊2和低溫構(gòu)件4之間提供均勻的接觸表面壓力。另外根據(jù)本實(shí)施例，作為調(diào)節(jié)給多個(gè)拉桿5c的緊固力的方法，不需要交替地?cái)Q緊 螺母，因此，本實(shí)施例在組裝性能方面極好。如上，根據(jù)本實(shí)施例，熱電發(fā)電裝置可以以緊湊的結(jié)構(gòu)高性能地提供從熱能到電 能有效地轉(zhuǎn)換，在結(jié)構(gòu)可靠性和多功能性方面極好。
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權(quán)利要求
一種熱電發(fā)電裝置，包括高溫構(gòu)件，傳導(dǎo)高溫介質(zhì)的熱能；低溫構(gòu)件，設(shè)置在高溫構(gòu)件的與高溫介質(zhì)相反的一側(cè)上，且在其中設(shè)置有低溫介質(zhì)通道；熱電模塊，夾在高溫構(gòu)件和低溫構(gòu)件之間，且承載熱電轉(zhuǎn)換元件，熱電轉(zhuǎn)換元件利用高溫介質(zhì)和供給低溫介質(zhì)通道的低溫介質(zhì)之間的溫差將熱能轉(zhuǎn)換為電能；和至少一個(gè)拉桿，緊固在低溫構(gòu)件和高溫構(gòu)件之間。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電裝置，其特征在于，高溫構(gòu)件具有彼此平行的兩個(gè)表 面，熱電模塊和低溫構(gòu)件分別設(shè)置在高溫構(gòu)件的平行表面上，低溫構(gòu)件通過拉桿緊固在一 起。
3.如權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電裝置，其特征在于，高溫構(gòu)件具有兩個(gè)平行表面和連 接兩個(gè)平行表面的通孔，熱電模塊和低溫構(gòu)件設(shè)置在高溫構(gòu)件的每個(gè)平行表面上，且低溫 構(gòu)件通過拉桿緊固在一起。
4.如權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電裝置，其特征在于，低溫構(gòu)件、熱電模塊和拉桿組合成 一個(gè)單元，多個(gè)這種單元設(shè)置在高溫構(gòu)件上。
5.如權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電裝置，其特征在于，還包括，作為用于通過拉桿緊固低 溫構(gòu)件和高溫構(gòu)件的構(gòu)件，設(shè)置多個(gè)彈簧構(gòu)件，彈簧構(gòu)件的接觸部分形成了線接觸。
6.如權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電裝置，其特征在于，低溫構(gòu)件包括基材和形成通道的 通道材料，通道材料的剛度等于或大于基材的剛度。
7.如權(quán)利要求6所述的熱電發(fā)電裝置，其特征在于，基材由從下列中選擇的元素形成 鋁，銅，鐵，鉬，鈦，鎳，錫，鋯，鋅，鎂，或者是包括上述元素中任一種作為其主要成分的的化 合物或合金。
8.如權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電裝置，其特征在于，熱電轉(zhuǎn)換元件是直接熱電轉(zhuǎn)換半 導(dǎo)體，由從下列中選擇的至少三種或者更多的元素形成稀土元素，鈾，釷，钚，鈷，鎳，鐵， 銠，釕，鈀，鉬，銻，鈦，鋯，鉿，錫，硅，錳，鋅，硼，碳，氮，氧，鎵，鍺，銦，釩，鈮，鋇，鎂，鉻，鉭，銀，ο
9.如權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電裝置，其特征在于，直接熱電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體具有下列中 任一種的晶體結(jié)構(gòu)方鈷礦結(jié)構(gòu)，填充方鈷礦結(jié)構(gòu)，Heusler結(jié)構(gòu)，半-Heusler結(jié)構(gòu)，籠形結(jié) 構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的熱電發(fā)電裝置，其特征在于，直接熱電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 是下列中的至少一種或者化合物或者混合物或者固體溶液鈷和從氧化銅、碳、硼、鈉、和鈣 中選擇的物質(zhì)的層狀復(fù)合氧化物；氮化鋁；氮化鈾；氮化硅；二硫化鉬；含有銻化鈷化合物 作為主相的熱電轉(zhuǎn)換材料，該化合物具有方鈷礦晶體結(jié)構(gòu)；含有籠形化合物作為主相的熱 電轉(zhuǎn)換材料；和含有半-Heusl er化合物作為主相的熱電轉(zhuǎn)換材料。
全文摘要
提供一種熱電發(fā)電裝置，包括高溫構(gòu)件，用于傳導(dǎo)高溫介質(zhì)的熱能；低溫構(gòu)件，設(shè)置在高溫構(gòu)件的與高溫介質(zhì)相反側(cè)上，且具有其中的低溫介質(zhì)通道；熱電模塊，夾在那些高溫構(gòu)件和低溫構(gòu)件之間，且具有封裝在其中的熱電轉(zhuǎn)換元件，由于高溫介質(zhì)和低溫介質(zhì)之間的溫差，將熱能轉(zhuǎn)換成電能，該低溫介質(zhì)將供送到低溫介質(zhì)通道中；和一個(gè)或多個(gè)拉桿，用于緊固高溫構(gòu)件和低溫構(gòu)件。
文檔編號(hào)H01L35/30GK101884120SQ200880118808
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2008年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月2日
發(fā)明者中村博, 常岡治, 稻富譽(yù)也, 近藤成仁 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝