专利名称：热电过渡冷却和加热系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过在不平衡条件下的操作，以较高效率改进产生加热和/或冷却条件的热电电路。
背景技术：
热电装置(TEs)利用某些材料当通以电流时在该材料中产生热梯度的特性。传统的热电装置利用P型和N型半导体作为装置中的热电材料。这些装置被用物理和电子的方法加以构造以提供所需的加热或冷却功能。
几种热电装置结构目前用于汽车座椅冷却系统、便携式冷却器和冰箱、分配系统(dispensing system)、科学应用、电子和光导纤维系统的冷却、红外线系统的冷却以及其他许多用途。然而，传统的热电装置有许多产生低效之处，所以传统热电装置的电流效率指标限制了它们的实际应用。
某些有关热电装置冷却和加热的基本方程、理论、研究、试验方法和数据在Angrist，Stanley W.所著的《Direct Energy Conversion》，3dEdition，Allyn & Bacon，Inc.，Boston，MA(1976)中有所说明。目前在热电装置中所使用的最普通的结构示于图1A。通常，P型和N型热电元件12被夹在组件10中两个衬板14之间。热电元件12借助于焊接在该热电元件端部的铜制支路而串连。电流I流过两种类型的元件。当施加直流电压18时，在热电元件中就会产生温度梯度。
发明内容
如本说明书进一步详细说明的，通过在不平衡条件下操作热电装置，可使该热电装置中损失减少。参考图1B可理解该特定的操作，此图展示出一个热电元件的温度分布曲线100的变化，其中冷侧101位于O处而热侧106位于L处。热侧106是散热器并且温度不随时间而改变。冷侧101的温度随时间而降低，并最终在ts时达到与时间无关的平衡分布曲线104和冷侧101温度TCS。冷侧101的平衡温度TCS部分取决于被传递到冷侧101以冷却处于该位置的工作流体或物体的热能的大小。
温度TA表示热电元件在通电流之前处于均匀温度。温度分布曲线102描绘出初次通电流后不久在时刻t1尚远未达到在时刻ts建立平衡的温度分布。在时刻t1，冷侧101的温度是TC1。在点X＝X1，由于热电元件内部产生的焦耳热，温度改变到超过环境温度TA。在X＝L处，由于加上了散热器的条件，热侧106温度是TA。类似地，在一个稍后的时刻t2，冷侧101的温度TC2变低，并且热电元件内该处热电元件温度为TA的坐标X已向左移至X＝X2。
一直到时刻t5为止，热电元件中的部分焦耳热都被传导到热端106的散热器。在t5时该效果为零。在略微更长的时间后，热量将从散热器106被传导进入热电元件。因此，一直到t5都没有热量从热端106散热器进入热电元件，导致在X＝0处所有的制冷量均被保留在该热电元件内。另外，部分源自焦耳热的损失从热侧106被传导出来，因此略微减少了热电元件的焦耳热量。
这些综合效应能被用以从热电元件中减少冷却损失并由此提供净效益。在加热模式下，以及对具有冷却和加热工作流体的独立部分的热电元件系统来说，可取得类似的效益。
以下用
利用此种效应的代表性设计。这些设计以及体现出相同或相似性能的相关设计也是本发明的一部分。
所公开的热电系统具有多个热电元件，该多个热电元件构成至少一个热电阵列，该阵列具有至少一个第一侧和至少一个第二侧，在它们之间在工作时出现至少一个温度梯度。各热电元件至少在第一侧或第二侧与至少一个热交换器进行热交换，其中该热电阵列的至少一部分被设计成工作于至少不同的第一和第二电流强度之间或之中，其中至少上述第一电流强度低于提供基本上最大稳态热电冷却量或加热量的电流强度。在一个实施例中，在至少第一和第二电流强度之间的工作在每一电流强度上都基本上是过渡性的或不平衡的。优选的是，至少所述热电元件的一部分与至少一种工作流体交换热，同时这类热电元件工作于第一电流强度和/或同时这类热电元件工作于第二电流强度。有利的是，第一电流强度基本低于提供基本最大稳态热电冷却量或加热量的电流强度，且其在一个实施例中基本上是零。在一个实施例中，第二电流强度低于、等于或高于提供基本最大稳态热电冷却量或加热量的电流强度。
电流强度至少可在第一和第二电流强度之中变化，在这些电流强度之间变化，和/或在程序设定的电流强度之中或之间被变化。电流强度也可被变化以提供一种循环模式，如正弦波等等。电流强度最好经过选择以提供优于稳态的工作效率。
在一个所述实例中，所述至少一个热电阵被设计成可移动的，以使至少一些热电元件在预定的时间段内耦合到至少一个电源上，并在预定的时间段内从至少一个电源上断开。这种设计可使至少一些热电元件与至少一种工作流体交换热，同时与电源断开，和/或同时与电源耦合。
通过设计热电元件，而使得其活动电路或电阻受到调节，可以得到额外的改进。在一个所说明的实施例中，热电阵列被设置于一种大致圆形的结构中，并且被设计成绕着旋转轴的第一方向旋转，而且有至少一种工作流体沿着与上述旋转方向相反的方向从至少一个热交换器中流过。同样，上述至少一种工作流体也可沿上述第一方向从至少一个热交换器中流过。可将热电效应用于冷却、加热、或者同时冷却和加热。
还公开了一种提高具有多个热电元件的热电系统的效率的方法。所述方法包括构成至少一个热电阵列，该阵列具有至少一个第一侧和至少一个第二侧，它们之间在工作时出现至少一个温度梯度。电源以一种非稳态方式被施加在所述至少一个热电阵中的至少一部分热电元件上，以在至少第一和第二不同的电流强度之中或之间操作至少一些热电元件，其中至少第一电流强度低于提供基本最大稳态热电冷却量或加热量的电流强度。
在一个实施例中，至少一些热电元件与至少一种工作流体交换热。当该热电元件工作于第一电流强度，和/或当该热电元件工作于第二电流强度时，至少一些热电元件可与至少一种工作流体交换热。优选的是，第一电流强度基本低于提供基本最大稳态热电冷却量或加热量的电流强度。在一个实施例中，该第一电流强度基本为零。
电流强度可以是程序设定的、可变的、或以其他方式施加的。电流也可以用一种循环模式来施加。在一个例子中，对至少一些热电元件通电的步骤包括在预定时间段将热电元件耦合到电源上，并在预定时间段将热电元件从电源上断开。
附加的步骤包括调节至少一些热电元件的电阻。
图1A表示传统的热电装置。
图1B表示热电元件中的过渡温度分布曲线。
图2A表示利用过渡效应实现冷却的热电装置。
图2B是图2A所示冷却装置的旋转密封部分的详图。
图3展示出当热电元件在流体中移动时热电元件的典型冷侧的温度分布曲线。
图4A表示热电元件和被安上的散热体/翅片。
图4B表示图4A所示组件的尺寸。
图5表示热电元件的加热的过渡温度分布曲线。
图6表示冷却和加热一或多种流体的热电装置。
图7表示一种热电元件的过渡温度分布曲线，其有效活动长度随时间变化。
图8A表示一种利用热电元件的热电装置，该热电元件的有效活动长度随时间变化。
图8B表示图8A所示热电元件的细节。
图9表示图8A所示的热电元件及其与凸轮表面的相互作用的进一步细节。
图10表示一种使用可变活动长度的元件的冷却/加热热电装置。
图11表示图10所示热电装置的热电元件的详图。
图12A表示用于过渡冷却或加热的采用流体或薄浆液热电材料的热电装置。
图12B表示图12A中所示的电极、热电材料、散热器、和翅片的结构细节。
具体实施例方式
为描述和说明目的，本发明是利用举例和特定实施例来介绍的。虽然举出了各种例子来表明如何用不同的设计实现所需的改进，但是特定的实施例仅用于说明本发明而绝非意图限定所揭示的本发明。还要注意的是，此处所用的术语“热电元件”可指独立的热电元件，也可指元件或者元件阵列的集合。进一步的说，术语“热电”不是限定性的，而是被用来包括热离子和所有其他固态冷却和加热装置。另外，术语“热”与“凉”或“冷”是彼此之间相对而言的，并不表明任何相对于室温之类的特定温度。最后，术语“工作流体”不限定于为单一流体，而是可指一种或多种工作流体。
除非另行说明，下面的描述是以冷却装置为出发点的，即主要输出物是冷流体，而排放物是热。相反的情况可以通过将热电装置电源的极性调换而实现。
图1B在上面已作了说明。其探讨的原理被用于如下的进一步说明。另外，在下面的装置中，可以发生这样的情况在此情况下，元件是被过渡性地通电，所以该元件的温度分布曲线是到达ts时刻的温度分布曲线。在本说明书中，通常情况下，例如对非平衡电源的用途而言，冷侧的运行温度降至TA和稳态温度TCS之间，TCS基本上是热电装置的稳态电流运行的最冷点(即最低温度)。有利的是，这样做可以增加热能转换，而在某些情况下则提高了整个系统的效率。还应该理解的是，术语“过渡”不限于“通电”和“断电”状态，或任何特定的工作循环或工作时间，其仅用于描述非平衡供电的应用或对热电系统中的至少一些热电元件的变化。
图2A(总图)和图2B(通过线2B-2B垂直于图2A平面的剖面图)表示利用热电元件的过渡通电效应的热电冷却器200的实施例。
用于冷却和加热的热电装置的过渡运行能够有益于由表现出高度热传导性的材料构成的或者具有表现出高度热传导性的热电元件尺寸的热电系统的性能。这样的系统的示例采用了小于0.5mm厚的常规铋/碲/硒合金元件、典型约5微米厚的异型结构元件、及采用了高热传导材料如某些包合物(clathrates)和合金的系统。为了以高热传导率实现系统的高效率，可通过以过渡模式为热电元件供电而使热损失减少，并采用应用了在此所述概念的设计。然而过渡模式运行经常会在热电元件的交界面之间具有很小的初始温差，允许在比稳态条件下的有效运行电流密度更低的电流密度下，对于至少一部分操作循环进行有效操作。
提供过渡操作主要是为了提高效率。过渡性供电主要发生在至少两个电流强度之间。也可以选择两个以上的电流强度。优选的是，第一电流强度为零，或者是低于实际上导致最大稳态热电冷却电流强度的某一非零电流强度。优选的是，对于非零的第一电流强度来说，该强度基本低于产生实际上最大稳态热电冷却的电流强度。至少第二电流强度低于、等于或高于产生实际上最大稳态热电冷却的电流强度。
通常为获得效率的提高而选择电流强度。如上所述，在一个优选的实施例中，电流是以诸如接通和断开这样的不平衡方式提供的，或是按某种预定程序的或循环的方式而变化的，以使冷(或热)侧温度变化(对冷却来说最好明显低于环境)到通过对热电系统施加稳态电流而获得的最低温度(冷却)(TCS)。在下面的描述中，热电装置是通过切换于至少第一和第二电流强度之间来工作的。切换于三个或更多个电流强度之间也是可采用的。这应该与这样的系统区别开在系统中，高于最大稳态冷却量的冷却能力可以通过暂时将电流增加到大于提供实际上最大稳态冷却量(用于冷却)或加热量(用于加热)的稳态电流强度来获得。
所述装置被外壳201包围，该外壳具有入口202和出口203。在外壳201内是一中心毂204，分为热传导好的部分205和绝热好的部分206。在毂204与外壳201之间是热电元件208的单元210的基本为圆形的阵列207，其中单元210在其外端与热交换器209(例如图2B所示的翅片)有良好的热接触。在单元210之间以及在热电元件208之间有绝缘材料211。在圆周的部分212上安装于外壳201上的是隔流罩213。部分212所覆盖的角度大体上与毂204的热传导部分205所覆盖的角度相同。隔流罩213填充了热交换器的翅片209之间的空间但并不与之接触。隔流罩213与翅片之间的间隙小得足以有效地阻隔热交换介质的流动。电能由滑动接触件214提供给热电元件208，该接触件被安装在只有当任一个单元210处于隔流罩213内时才让该单元的端子保持通电的位置。对于冷却来说，电源的极性是使得与热交换器翅片209热接触良好的的热电元件208的末端变得更冷。
外壳201、隔流罩213、和毂204是固定的。圆形阵列207逆时针旋转。热交换流体(液体、薄浆液或气体)经过入口202进入该装置，温度为TA，并顺时针流过隔流罩213之外的热交换器翅片209。热交换流体也被绝缘材料211阻挡在热电元件208之外。热交换流体经过出口203流出该装置。这样，所述装置就被分为两个区域通电区域213，在该区域中热电元件208和翅片209被冷却；以及不通电区域215，在该区域中发生与热交换流体的热交换而使得该流体被冷却。
应该理解，虽然图2所示热电系统表明了通电与未通电区域，但除零与非零电流强度之外，对这两种不同的区域也可采用两个或更多个的不同电流强度来配置。
上述圆形阵列的旋转速率经过选择，使得在单元210处于隔流罩213(它们在该罩中被通电)中的时间内，这些单元在其两端达到所需的温差。另外，单元210有足够的时间处于其旋转中的未被罩住的部分内，以使得它们通过热交换器流体与翅片209之间交换热含量从而基本返回到环境温度。因此在图2A中，热交换流体当其在单元A的一端进入入口202时开始冷却，而当该流体流出端口203时达到冷却温度TC。废热被收集到毂204的热传导部分205中。在通过热交换器的区域215时，这种废热被毂204的绝热部分206阻挡而不会流回到热电元件208内。
图2B绘出了穿过该装置的一个剖面图，其中多个热电元件208被排成阵列并以电气方式连接，而使得电流从该阵列的一端的接触件214流向另一端。在一个方向上的电流会冷却翅片209，而在相反方向上的电流会加热翅片209。这样排列的热电元件208的数量可以是一个或多个，但有利的是奇数，这是为了便于与旋转的毂204电连接。优选的是，每排热电元件208都被构造成具有如图2所示的接触件214的布置结构，在至少一端与其他各排是电气绝缘的。借助于这种设计，每排可独立于其他排而单独被供电。
有利的是，当热电元件208中的温差上升时改变电流。如前所述，以多种方式改变电流可以。本说明不限于一个零值电流强度和一个或多个非零值电流强度。如前所述，为获得效率上的提高，可以通过程序设定的电流转换次序来循环变化电流，或以任意一种采用非平衡方式的方法来改变电流。而且，各排排之间的热绝缘是有利的，这点如2001年4月27日申请的与本案一同待审的美国专利申请第09/844,818号中所述，在此将该专利申请结合作为参考资料。另外，得自对流的效率上的提高(如2001年5月申请、题为“Efficiency Thermoelectric UtilizingConvective Heat Flow”的美国专利申请第09/860,725号中所说明的，在此将其结合作为参考资料)也可以和在此所述的原理和结构相结合。
图3利用图2中一个热电元件208的冷侧热交换器209的曲线306，展示出温度分布曲线300。在位置A 302，冷侧热交换器实际上处于温度TA。在位置B 303，冷侧处于温度TC。当该单元208再一次回到位置A 304时，冷侧已返回到温度TA。
当元件208从位置A 302移动到位置B 303时，它们被冷却到TC，导致在冷侧热交换器209处的温度下降ΔTC305而成为TC。在位置B 303，流到那些特定的热电元件208的电流停止，并且热电元件208逆时针旋转到图2中靠近出口203的流体流中。当冷端热交换器209的特定部分逆时针从位置B旋转到位置A时，从图2所示的流体流中吸热，并在曲线306所示的位置A 304加热到温度TA。在位置304，热电元件208与一部分相应的热交换器209旋转脱离靠近入口202的流体流。因为位置A 304与位置A 302是相同的物理位置，所以随着元件208转移到位置B 303被再一次通以电流，而重复循环。当热交换流体从位于入口202处的单元“A”流到位于出口203处的单元“B”时，穿过热交换区域215的流体的温度分布曲线最好从TA基本呈线性地变化到TC。
决定循环速度的主要参数是所施加的电流、热电元件208和热交换器209组件的热质量、工作流体的特性以及流体的流速。
在图4A中，热电元件组件400由N型和P型热电元件、下方电极403和上方热交换器402(即所示实施例的翅片)组成。在该示例中，热交换器402也是与热电元件401电气连接的上方电极。
热电元件组件400借助于通以电流来运行，该电流(未示出)从左边的下方电极403经过左边的热电元件401，经过热交换器402，经过右边的热电元件401，并且最后流过右边的下方电极403，如本技术领域中所公知的。取决于电流的方向，热交换器402既可以被冷却也可以被加热。
图4B展示了与图4A相同的几何结构，具有相同的限定条件，不过附加了长度LS以便更好地详细说明热交换器402。类似地，对于热电元件401附加了长度LT。
同其热容量和重量一起，长度LS有助于确定热交换器402的热质量和热流特性。类似地，LT有助于确定热电元件401的热容量和重量，并由此而决定其热质量和热流特性。有利的是，热交换器402的热质量是热电元件401的1至50倍。实际数值取决于所需的整个热电装置的工作特性，诸如尺寸、热电组件的旋转速度、工作流体的流速，等等。一般来说，上述比值越大，则整个系统的运行就越接近准平衡。
图5显示了一个热电元件的温度分布曲线500，该热电元件具有在X＝0处的热侧504，以及在L处温度为TA的冷侧散热器502。在通电后不久的时刻t1，在X＝0处的热侧504具有温度分布曲线501，而且在此时刻，热侧504的温度为TH1，并且热量已从热侧504渗透到X1。最终的温度分布曲线506是tS，在热侧504处的温度是THS，并且在此时建立稳态温度分布曲线502。在一个中间时刻，产生在时刻ti的分布曲线503，其中热侧504温度为THi，而位置Xi是从热侧504发出的热量在时刻ti所到达的位置。
在加热模式中，元件中的焦耳热做出贡献(除了如在散热器502处的曲线501、506、503的斜率所示，一小部分被损失到散热器502中以外)。有利的是使热电元件500通电，直到热量进入到该热电元件内的渗透深度即点Xi到达L为止。尽管有此条件，仍可使热电元件500通电更长时间，包括允许该热电元件达到平衡温度分布曲线tS的时间。举例来说，可以这样做以便增加热能转换，并且在某些情况下提高整个系统的效率。
图6表示如图2A和图2B所示的两种装置结合起来、以使其中一种运行于加热模式而一种运行于冷却模式的实施例。这样布置的意图是传递由热传导部分所收集的热量，并配合这种热量传递而从装置中排放。在被冷却侧601和被加热侧602之间，所产生的全部热均处于一侧并传递到毂(处于装置的内部并且功能相当于图2A和图2B中的毂204、205、和206)。有利的是，被冷却侧601和被加热侧602共用一个共同的外壳603、一个共同的热交换流体入口604、和一个与毂成一体的驱动电动机605，该电动机用于从被冷却侧601到被加热侧602传递热量。被冷却和被加热的流体通过其各自的出口606和607流出该装置。
图7展示出一个热电元件的温度分布曲线700，该元件有被冷却侧704和被加热侧705，有散热器708，其短时间通电后不久在时刻t1的温度分布曲线703如图所示。在时刻t1，点X1表示出在时刻t1冷量渗透到该热电元件中的距离。分布曲线702表示在时刻ti的相似情况。温度分布曲线701则是稳态分布曲线。
展示这一图形，为的是说明通过在部分热电元件(其在过渡操作期间不是有效工作的)中消除电阻热，可以在过渡电源操作期间获得额外的益处。这可以通过使电路连接作为时间的函数来跟踪渗透到热电元件中的热量或冷量的位置而实现。
例如，在时刻ti，通过在Xi处将电路加到热电元件的端部以使得穿过热电元件的电流通路从Xi到L成为不连续的，就可以消除该热电元件直到点Xi的左侧的部分中的焦耳(电阻)热。这样，就消除了从Xi至端部X＝L处的电阻路径，并且热电元件的那一部分就不对冷却时的电源使用(或在加热模式下的焦耳热)有贡献，而该贡献的一部分是损失到散热器708上的。随着时间的推移，该电路将包含更大部分的热电元件，一直到达稳态的时刻ts、整个热电元件都被包含于该电路中为止。在某些情况下，电路通路的长度可以达到点X1的右边，或大体达到Xi，从而会在电路附着点Xi处发生某些热损失。有利的是，这样做可以提高热电效率，并在某些情况下提高整个系统的效率。
这种效果例如可以借助于图8B、图9和图11所示的设计来取得。但是本发明涵盖所有表现出以下这种特性的配置其如上所述，借助于随时间而改变热电元件的几何形状或电路路径，减少与被冷却(或被加热)-的端部相对的端部处的热损失。
图8A和图8B表示与图2所示相似的实施例，其不同之处是，电流在组件中的与工作流体发生热交换的成一定角度的部分内流动，并且增加了作为旋转位置的函数而改变热电元件的有效长度、进而改变其电阻以获得对应图7所说明的效益的能力。本实施例的目的在于当通电并且热电元件808旋转时，按照温度分布曲线随时间的变化来优化元件的电阻。图8和图2所示装置的另一个差别是，在图8中，所示装置的热交换器翅片不随热电元件808旋转。
图8A所示是总体结构，而图8B所示是沿着垂直于图8A平面的直线8B-8B剖开的剖面图。热电系统800被具有入口802和出口803的外壳801所封装。在外壳801的内部有一中心毂804，该中心毂分为良导热部分806与良绝热部分805。在外壳801内部并且相对于该外壳来说固定的是热交换器翅片809的一个局部环，该局部环覆盖区域816。在毂804与热交换器翅片809之间是热电元件808的圆环807，其中各热电元件的外端与导热材料如导热脂(thermally conductive grease)810有良好的热接触。在邻近热电元件808单元的各区域之间有电气绝缘(并且有利的是也热绝缘)的材料811(见图8B)。有利的是，区域812中的流体受到绝热材料813阻隔。热电系统800的区域812所覆盖的角度大致与毂804的绝热部分805所覆盖的相同。由电路或接触件814对热电元件808提供电力，该电路或接触件被设置得当相应的热电单元处于隔流区域812之外时使端子815保持通电。对于冷却而言，电源的极性为使得接触导热脂810的热电元件808的端部变冷。反接则电流加热，如图2和图5所示。
外壳801、隔流绝热材料813、和毂804是固定的。热电元件808的圆环807则逆时针旋转。温度为TA的热交换流体(液体、薄浆液或气体)通过入口802进入所述装置，并逆时针流过热交换翅片809。热交换流体也被绝缘材料811阻隔，不能流到热电元件808的周围。热交换流体通过出口803流出所述装置。这样，该装置就被分为两个区域不通电区域812和通电区域816，在通电区域中发生与热交换流体的热交换。该圆环形阵列旋转的速度经过选择，使得热电元件808各单元在处于隔流绝缘区域812中(在此区域中它们不被通电)的时间内基本返回到平衡。在通电区域816，当各单元将一部分热含量交换转移到翅片809并进而转移到热交换流体中时，在各单元上得到所需的最大温差。因此，在图8A中，热交换流体在入口802处的区域A开始冷却，并在出口803处达到最冷(或最热)温度。废热被收集到毂804的导热部分805中。此废热被毂804的绝热部分806阻隔而不能到达热交换区域816。
毂804不是圆形的或者不位于旋转中心的中央，或是二者兼而有之，为的是起到一种凸轮表面的作用。热电元件808是空心的，而且具有改变其有效长度(如利用作用于上述凸轮表面上的活塞817来改变有效长度)并因此而改变元件的有效电阻的结构。在图9中说明一个示例性的热电元件808的结构细节。
在图8中所展示的概念可以与图2A、2B和图6中就加热和冷却两方面所描述的那些概念相结合，以便在图8A和8B的设计中以位置和提供热绝缘的方式来改变电流。
图9是图8的装置中所使用的热电元件例子的放大图。热电元件901本身是管状的。在中孔902内有一个导电柱塞903，其以滑动接触件904为末端，并且被导电弹簧905所支撑。弹簧905的端部抵靠在滑动接触面906上，与毂的导电且导热的部分907有良好的电接触。在该热电元件的外端是顶盖908。接触件904和顶盖908使得各热电元件901连接在一起。滑动接触件904在一定程度上使得热电元件901的内部部分短路，而该程度是由柱塞903的位置、也就是由毂907的凸轮表面所决定的。滑动接触表面906的形状是由接触角θ和半径R决定的。
图10表示另一种热电系统1000，该系统利用了热电元件的过渡供电。在此结构中，所述装置包含在外壳1001内，该外壳具有主入口1002、主出口1003、旁侧(waste)入口1004、和旁侧出口1005。安装在外壳1001的内侧边的是隔流罩1006，安装在外壳1001的外侧边的是第二隔流罩1007。这些罩以绝缘材料制成，并在结构上实现与图2所示罩213同样的功能。热电组件1008构成的环在外壳内部顺时针旋转。这些热电组件由主侧翅片热交换器1011、旁侧翅片热交换器1012、及形状如柱塞被螺形弹簧(未示出)分开的热电元件1008组成。在图11详细说明了热电组件1008的结构。外壳1001的内缘和外缘既不是圆形，也不是同心圆，或二者兼而有之，以便使它们之间产生径向距离，该距离作为角坐标的函数而变化，从而获得借助图7详细说明的益处。
当热电组件1008旋转时，取决于外壳1001内缘与外缘之间的径向距离，组件1008内部的不同量的热电材料被短路。这会有效地导致热电组件1008的电阻按上述边缘的几何形状变化。热电组件1008只在区域1010被通电，而在区域1009不通电。这是通过使得内缘、或外缘、或是这二者都在整个区域1009中不导电来实现的。温度为环境温度TA的流体在A处进入旁侧入口1004，并顺时针流动而以温度TH在C处流出旁侧出口1005。类似地，流体在A′处以环境温度TA进入主侧入口1002，并顺时针流动而在C′处以温度TC流出主侧出口1003。由于主侧流体的隔流罩1006和旁侧流体的隔流罩1007，在被罩住的不通电的区域1009，既没有主侧流体也没有旁侧流体存在。当热电组件1008刚穿过A-A′剖面后，它的起始温度为环境温度TA，其进入通电区域1010并开始冷却其内部翅片1011而加热外部翅片1012。这种情况在整个通电区域1010上延续，直到刚好在穿过C-C′剖面之前从该通电区域出来为止，在C-C′处该组件两端之间的温差达到所需的最大值。当热电组件穿过通电区域1010时，它们与主侧和旁侧流体进行热交换。在未通电区域1009，当组件返回到A-A′剖面时，其温度返回到接近环境温度。有利的是，旋转速率、材料热质量和电流经过选择以达到所需的性能。使得主侧流体在从A′到C′的流动过程中被冷却，而旁侧流体在从A到C的流动过程中被加热。当作为加热器工作时，电流被反向并且内部的流体加热而外部的流体冷却。
图11表示图10中的热电组件1008的详细结构的例子。有利的是，这些组件彼此之间被材料1108热绝缘和电绝缘。旁侧热电元件1101与处于其外端的旁侧热交换器(典型为翅片)1103有良好热接触，而其内端则在导电管件1105中的柱形孔内移动。同样，主侧热电元件1102与处于其内端的主侧热交换器(典型为翅片)1104有良好热接触，而其外端则在导电管件1105中移动。两个热电元件1101和1102的端面由弹簧1106分开和承载。当图10中的外壳1001的内缘和外缘之间的径向距离变化时，上述弹簧调节热电元件1101和1102的活动长度以实现图7所示的电阻的改进。穿过热电元件1101和1102的通电路径的长度连接位于导电管件1105端部的电触点1107。
图12A(总体布置图)和图12B(垂直于图12A的平面、通过线12B-12B的剖视图)表示另一个实施例，该实施例采用了对液体热电材料1207的过渡供电。该装置被包含于具有入口1202和出口1203的外壳1201内。在中心有分成两部分的毂1204，其中一部分为导热部分1205，一部分为绝热部分1206。该毂被液体热电材料1207所环绕，而该液体热电材料又依次被电极1208构成的一个环所环绕，其中上述电极是由铜或其他合适的导电且导热的材料制成的。在电极1208的环和外壳1201之间是与电极1208有良好热接触的热交换翅片部分1209构成的一个环。该热交换翅片部分1209与电极1208可以是一体的。多孔的导热且导电的电极1210位于毂1204和电极1208环之间。多孔电极1210大致延伸到被毂1204的导热部分1205所占据的一部分圆周上。有利的是，提供齿轮泵1211以泵送液体热电材料1207流过多孔电极1210。液体或薄浆液热电材料1207被密封件1212阻止从多孔电极1210旁流。如图12B所示，所示装置由图12A所说明的结构的各层组成，其中交替为N型液体热电材料(N)1207和P和型液体热电材料(P)1207。各层的电隔离以及各层间的密封是以密封件1213和1214来实现的。电极1210被连接到高度导电和导热的部件1215，该部件将热量传递到毂1205的导热部分。部件1205被以径向缝隙分开，该径向缝隙允许热电材料1207在电极1210与毂1204之间通过。接触件1217与电源连接。
在工作中，翅片1209和电极1208一起逆时针旋转。外壳1201、多孔电极1210和毂1204则保持静止。液体或薄浆液热电材料1210被逆时针泵送通过多孔电极1210。处于多孔电极1210和电极1208之间的这部分热电流体或薄浆液1207被通电并在两端产生温差，冷却其与旋转电极1208接触的表面(在冷却模式下)。因此，当其通过被通电区域时，翅片部分1209就变得较冷，而当其出现于位置C时变成最冷。热交换流体以环境温度TA通过入口1202流入，沿顺时针方向流过翅片部分1209，并且以温度TC在出口1203处流出。当被冷却的翅片从位置C出现时，它们与热交换流体交换热，从而使翅片和它们被安于其上的电极1208在到达位置A的时间里基本返回到环境温度。因为当其被泵送转动时与电极1208环保持接触，所以流体或薄浆液热电材料1207也返回到室温。有利的是，热交换流体被图2A中的隔流密封件所阻挡而不能以逆时针方向通过。组件的旋转速率、电极1208和翅片1209的热质量、及电流是经过选择的，以达到所需的性能。
系统1200在加热模式下也能工作。可以用与图6相似的方式装配出两部分一个部分加热而一个部分冷却。
借助于将得自图1到12中的一个或多个附图的设计特点与得自它处的其他设计特点加以组合，可以得到热电系统的的分立元件或液体或薄浆液元件的其他变化和组合。例如，可用与图12中相同的液体或薄浆液热电材料来代替图11所示结构中的电极，其长度可通过一个与柱形外壳中所包含的部分热电材料并联的多孔柱塞来调节。作为另一个例子，图8和图10中的工作流体的流动方向可以被反转，而且电力可以被施加到流体被阻隔的区域，毂的导电部分和绝缘部分可以被调换，以便利用如图2所示装置的减小电阻的益处。
电极1208可由其他导电性和导热性良好的材料制造。有利的是，翅片1209彼此之间电绝缘和热绝缘，但它们自身是热的良导体。
虽然以上已说明了几个例子，但此描述仅限于解释本发明的在所附权利要求中所提出的概括原则。在权利要求中，所有术语均被赋予其普通和习惯的意义，而本说明书并不限定这些术语。
权利要求
1.一种热电系统，其包括构成至少一个热电阵列的多个热电元件，该热电阵列具有至少一个第一侧和至少一个第二侧，它们之间在工作时出现至少一个温度梯度，所述热电元件在至少第一侧或第二侧与热交换器有热交换，其中该热电阵列的至少一部分被配置成在至少第一和第二不同的电流强度之间工作，其中至少所述第一电流强度低于提供基本最大稳态热电冷却量或加热量的电流强度。
2.如权利要求1的热电系统，其中在至少所述第一和所述第二电流强度之间的工作基本在每一电流强度都是过渡性的。
3.如权利要求2的热电系统，其中至少一些所述热电元件与至少一种工作流体交换热，同时这些热电元件在所述第一电流强度工作。
4.如权利要求3的热电系统，其中所述第一电流强度是零。
5.如权利要求2的热电系统，其中至少一些所述热电元件与至少一种工作流体交换热，同时这些热电元件在所述第一电流强度工作。
6.如权利要求5的热电系统，其中所述第一电流强度是零。
7.如权利要求1的热电系统，其中所述第一电流强基本低于提供基本最大稳态热电冷却量或加热量的电流强度。
8.如权利要求1的热电系统，其中所述第二电流强低于、等于或高于提供基本最大稳态热电冷却量或加热量的电流强度。
9.如权利要求1的热电系统，其中所述电流强度在所述第一电流强度和所述第二电流强度之间变化。
10.如权利要求1的热电系统，其中至少所述第一和至少所述第二电流强度是程序设定的电流强度。
11.如权利要求1的热电系统，其中至少所述第一和至少所述第二电流强度是可变的电流强度，提供循环模式的通电电流。
12.如权利要求1的热电系统，其中至少所述第一和所述第二电流强度是经过选择的，以提供优于稳态工作的改善的效率。
13.如权利要求1的热电系统，其中所述至少一个热电阵列被构造成是移动的，以使得至少一些所述热电元件在一预定时间段耦合到至少一个电源，而在一预定时间段从所述至少一个电源断开。
14.如权利要求13的热电系统，其中至少一些所述热电元件当与所述电源断开时与至少一种工作流体交换热。
15.如权利要求13的热电系统，其中至少一些所述热电元件当被耦合到所述电源时与至少一种工作流体交换热。
16.如权利要求14的热电系统，其中当这些所述热电元件被耦合到电源时，这些所述热电元件不与至少一种工作流体交换热。
17.如权利要求1的热电系统，其中所述热电元件进一步被构造成调节电阻。
18.如权利要求1的热电系统，其中所述热电阵被构造成大体圆形的结构，并且被构造成围绕一旋转轴以第一方向旋转，并且在至少一个热交换器中，有至少一种工作流体沿着与该旋转方向相反的方向流动。
19.如权利要求1的热电系统，其中所述热电阵列被构造成大体圆形的结构，并且被构造成围绕一旋转轴以第一方向旋转，并且在至少一个热交换器中，有至少一种工作流体沿着第一方向流动。
20.如权利要求1的热电系统，其中所述系统是用于冷却的。
21.如权利要求1的热电系统，其中所述系统是用于加热的。
22.如权利要求1的热电系统，其中所述系统是同时用于冷却和加热的。
23.一种在热电系统中提高效率的方法，该热电系统具有构成至少一个热电阵列的多个热电元件，该热电阵列具有至少一个第一侧和至少一个第二侧，它们之间在工作时出现至少一个温度梯度，所述方法包括以非稳态的方式将电力施加到所述至少一个热电阵列中的至少一些所述热电元件的步骤，以使得至少一些所述热电元件在至少第一和第二不同的电流强度之间工作，其中至少所述第一电流强度低于提供基本最大稳态热电冷却量或加热量的电流强度。
24.如权利要求23所述的方法，其中至少一些所述热电元件与至少一种工作流体交换热。
25.如权利要求23的热电系统，其中至少一些所述热电元件与至少一种工作流体交换热，同时这些热电元件在所述第一电流强度工作。
26.如权利要求25的热电系统，其中所述第一电流强度是零。
27.如权利要求23的热电系统，其中至少一些所述热电元件与至少一种工作流体交换热，同时这些热电元件在所述第二电流强度工作。
28.如权利要求23的热电系统，其中至少所述第一和所述第二电流强度是被预先程序设定的电流强度。
29.如权利要求23的热电系统，其中所述第一和所述第二电流强度是可变的电流强度，提供循环模式的通电电流。
30.如权利要求23的热电系统，其中至少所述第一和所述第二电流强度是经过选择的，以提供所述热电系统的优于稳态工作的改善的效率。
31.如权利要求23所述的方法，其中将电力施加到至少一些所述热电元件的步骤包括使这些热电元件在一预定时间段耦合到电源，而在一预定时间段使上述热电元件断电。
32.如权利要求23所述的方法，其中所述第一电流强度基本上是零，而所述第二电流强度则不为零。
33.如权利要求23所述的方法，其中所述第二电流强度不同于所述第一电流强度，所述第二电流强度低于、等于或高于提供基本最大稳态热电冷却量或加热量的电流强度。
34.如权利要求31所述的方法，其中一些所述热电元件在预先规定的时间段内调节电阻。
35.如权利要求24所述的方法，其中所述至少一种工作流体的至少一部分是空气。
36.如权利要求23所述的方法，其中所述热电阵列是用于冷却的。
37.如权利要求24所述的方法，其中所述热电阵是用于加热的。
38.如权利要求24所述的方法，其中所述热电阵列是同时用于冷却和加热的。
全文摘要
一种以非稳态方式操作系统中的热电元件(208)从而提高效率的热电系统。热电元件(208)在预定的时间段内被通电以获得提高的效率。这种效益也可通过在通电期间同时改变热电元件(208)的电阻而使到电阻加热被减至最少来提高。
文档编号H01L35/00GK1617998SQ02827850
公开日2005年5月18日 申请日期2002年3月4日 优先权日2002年2月11日
发明者L·E·贝尔 申请人:Bsst有限责任公司