专利名称：紧凑高效的热电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及固态冷却、加热和发电系统的改进结构。
背景技术：
热电装置(TEs)利用某些材料的特性在有电流时形成跨越材料的温度梯度。传统热电装置利用P型和N型半导体作为装置内的热电材料。它们以获得所需加热和冷却功能的方式被物理地和电气地配置，。
在热电装置中使用的最常见的结构如图1所示。通常，P型和N型热电元件102被排列在两个衬底104之间的矩形组件100中。电流I通过两种元件类型。这些元件通过铜分流器(shunts)106串行连接，该铜分流器106鞍坐(saddle)于元件102的末端。当施加DC电压108时，产生跨越TE元件的温度梯度。TEs通常用来冷却液体，气体和其它对象。
自从20世纪60年代以来，固态冷却、加热和发电(SSCHP)系统被用于军事和航空设备、温度控制和发电应用。商业用途受到限制，由于这类系统相对于所执行的功能价格昂贵，而且功率密度较低，所以这类SSCHP系统与商业上可接受的系统相比，体积太大、价格太贵、效率太低、重量太重，因此其商业引用受到制约。
近年来，材料的改进使此类系统的效率和功率密度增加到目前系统的100倍成为可能。
发明内容
在题为“Improved Efficiency Thermoelectrics Utilizing ThermalIsolation”的、共同待决的专利申请号09/844818中所描述的几何结构的效率增益对许多重要的应用产生额外的50％到100％的提高。连同所做出的材料上的改进，就有可能获得四倍或更多倍的系统效率增益。这些重要改进的前景已经重新点燃了人们对该技术的兴趣，并促使人们开发用于各种新应用的SSCHP系统。
总而言之，本发明公开了一组新型SSCHP结构。这些结构实现了紧凑高效的能量转换，并且成本相对较低。一般地，公开了几个实施例，其中热电元件或模块夹在热交换器之间。热电模块被有利地定向以便对于任意两个夹持热交换器的模块，相同温度类型侧(type side)面对热交换器。例如，每个夹持热交换器的热电元件的较冷侧面对相同的热交换器，并彼此相对。优选地，从而至少一种工作介质通过至少两个热交换器，以便对工作介质冷却或加热。该结构具有附加的益处，即其利用可制造的系统中热绝缘的优点，如美国专利申请号09/844818所描述的那样，该可制造的系统表现出高的系统效率和功率密度，如上面参考所指出的那样。如美国申请09/844818所解释的那样，一般地，热电设备通过细分热电元件的整个组件为热绝缘子组件(subassemblies)或部件(sections)以增加或提高效率。例如，热交换器可以被细分以便在工作介质流动的方向提供热绝缘。例如，热电系统具有多个形成热电阵列的热电元件，该热电元件具有冷却侧和加热侧，其中多个热电元件至少在跨阵列的一个方向上基本彼此绝缘。优选地，热绝缘是在工作介质流动的方向上。该热绝缘可通过如下方式提供使热交换器按部件配置，以使热交换器在工作流体流动的方向上具有热绝缘的部分。
在本公开中，对于工作流体具有相同温度类型的热交换器的顺序使用本身提供了一种类型的热绝缘。此外，热交换器或TE元件，或TE元件的部分或任何组合可被配置以在工作流体流动的方向上提供热绝缘，该工作流体流动在由一系列或一序列热交换器所提供的热绝缘的正上方或上方，在热交换器的序列中至少有一种工作流体顺序流过。
对于冷却和/或加热应用所公开的原理同样可应用于发电应用。对于特定应用，可按某种方式调整该系统以使效率最大化，但总的原理都是适用的。
本申请中所描述的具体实施例降低了构造的复杂度和SSCHP装置的成本，同时还保持或提高了来自热绝缘的效率增益。
本公开的第一个方面涉及改进的热电系统，该热电系统具有多个热电模块，其中的至少一些彼此间是基本热绝缘的，每个模块具有一个较热侧和一个较冷侧。至少一种固态工作介质与顺序的多个热电模块中的至少两个是热连通(thermal communication)的，以使工作介质被热电模块中的至少两个按阶段(stage)地逐步冷却或加热。
在一个优选实施例中，工作介质包括多个固定到旋转轴的盘状介质，且该介质形成一种堆叠结构，且热电模块夹持盘状介质中的至少一些。有利的是，工作介质包括多个工作介质，其形成热电模块和工作介质交替的堆叠结构。优选地，工作介质基本热绝缘多个热电模块中的至少一些。
本发明的另一个方面涉及改进的热电系统，其具有多个热电模块，其中的至少一些彼此间是基本热绝缘的，每个模块具有一个较热侧和一个较冷侧。提供了多个热传递装置，每个和多个热电模块中的至少一个是热连通的，其中至少两个热传递装置接收一个第一工作流体，该工作流体流过热传递装置。至少一个导管连接在不同平面中的热传递装置中的至少两个，以使第一工作流体流过至少两个热传递装置中的第一个并随后继续流过至少两个热传递装置中的第二个，且随其经过至少两个热传递装置而按阶段被冷却或加热。
在一个实施例中，热传递装置中的至少一些中的每一个都被至少两个热电模块夹持。此外，优选地，至少两个热电模块具有面对被夹持的热传递装置的较冷侧。
在一个实施例中，热电模块和热传递装置形成一个叠层，较冷侧面对较冷侧并被至少一个热传递装置隔开，且较热侧面对较热侧并被至少一个热传递装置隔开。
在一个实施例中，热传递装置是热交换器，其包括外壳和热交换器翅片，热交换器翅片在工作流体流动的方向上形成台阶，以便为至少一个热电模块提供额外的热绝缘，与热交换器热交换。优选地，至少一个导管被配置以使工作流体流过至少两个热传递装置，其通过在同一方向上导管流动连接。
然而本发明的另一个方面涉及具有多个N型热电元件和多个P型热电元件的热电系统。提供多个热传递装置，以便形成堆叠结构的热电元件和热交换装置，多个热传递装置中的至少一些的每个都被至少一个N型热电元件和至少一个P型热电元件夹持。在一个实施例中，该系统进一步具有电耦合到该叠层的电流源，驱动电流串行地流过热传递装置和热电元件。优选地，热传递装置将P型热电元件中的至少一些与N型热电元件中的至少一些热绝缘。有利的是，热传递装置接收工作流体以在限定方向上使其流过其中。
在一个实施例中，热传递装置是热交换器，该热交换器包括一个外壳，该外壳内有分段形成的热交换器元件，且其中所述段中的至少一个与所述段中的至少另一个基本热绝缘。
在一个实施例中，至少一个导管提供从第一热交换器到第二热交换器的流体通路，以使流过第一热交换器和第二热交换器的工作流体被分阶段冷却或加热。
本发明的这些和其它的方面以及实施例将在下面结合附图更详细地说明。
图1A和图1B描绘了传统的TE模块。
图2描绘了SSCHP系统的总布局，该SSCHP系统中具有热绝缘和其工作介质的反向流动运动。
图3描绘随着工作介质流过该系统发生在介质中的温度变化。
图4A和图4B描绘一个具有三个TE模块、翅片热交换器和液体工作介质的系统。
图5A和图5B描绘一个具有两个TE模块，和为实现热绝缘和液体介质的反向流动的分段的热交换器的系统。
图6描绘具有两个TE模块和为控制流体流动的管道式通风机(ducted fans)的气体介质系统。
图7A-图7D描绘了一个固态介质系统，该系统具有反向流动以进一步增强性能。TE元件利用高的长度对厚度比率实现附加的热绝缘。
图8描绘具有TE元件的系统，该TE元件被安置以便电流直接通过阵列并由此降低成本，重量和尺寸，同时提供改进的性能。
图9描绘一个具有TE元件、热管和热交换器的系统，该系统简单且成本低。热侧和冷侧被热传输热管分开。
图10描绘一种流体系统，其中流体通过热交换器和TE模块阵列抽吸，以便在一端实现低温从而从液体或气体中冷凝出水分或凝结水。该系统装配有分流器以分流工作流体从而通过降低跨越部分阵列的温度差而提高效率。
图11描绘一种阵列，其中工作流体进入并存在于多个位置，且其中该系统的部分以反向流动工作，部分以平行流动模式工作。
具体实施例方式
在本说明书的上下文中，所用的术语热电模块或TE模块是指它们普通和习惯意义的广义理解，即其为(1)传统的热电模块，例如由Hi Z Technologies，Inc.of San Diego，California制造的热电模块，(2)量子隧穿转换器，(3)热离子模块，(4)磁热模块，(5)应用热电、磁热、量子隧穿和热离子效应中的一个或任何组合的元件，(6)上面(1)到(6)的任何组合、阵列、组件或其它的结构。术语热电元件更具体指单个元件，该元件使用热电、热离子、量子隧穿和这些效应的任何组合工作。
在下面的说明中，热电或SSCHP系统通过例子说明。然而，这样的技术和说明有意包括所有的SSCHP系统。
因此，本发明是通过使用例子引入，这些例子是用于描述和说明目的的具体实施例。下面所描述的多个例子说明了多种结构，并可用来实现所需的改进。按照本说明书，具体实施例和例子只是说明性的，并无意以任何方式限制本发明。此外，应该理解，术语冷却侧、加热侧冷侧、热侧、较冷侧和较热侧等不指任何具体温度，而是相对性的术语。例如，在热电元件或阵列或模块的“冷”侧温度比环境温度低的情况下，“热”侧可以是环境温度。反之亦然。因此，这些术语是彼此相对而言的，以指示热电装置的一边温度比指定的相反的温度侧高或低。
图2说明热电阵列200的一种有优势的布局的第一个一般化的实施例。阵列200具有多个TE模块201、211、212、213、218，它们与多个第一侧热交换器202、203、205和多个第二侧热交换器206、207、209具有良好的热连通。所谓的第一侧热交换器和第二侧热交换器并不暗示或表示热交换器在整个SSCHP系统的一侧或另一侧，而只是表示它们与热电模块的较冷侧或较热侧是热连通的。从附图中可看出这是显然的，因为热交换器实际上是夹在热电模块之间。从那个意义上说，它们与热电模块的第一侧或第二侧是热连通的。第一TE模块201的较冷侧和第一侧热交换器205热接触，而TE模块201的热侧与入口第二侧热交换器206热接触。第二工作介质215，例如某种流体，在图2的右上角通过入口第二侧热交换器206进入，且在左下角从最后的或出口第二侧热交换器209附近排出。第一工作介质216在上左角通过入口的一边热交换器202进入，并在下右角从最后的或出口的一边热交换器205离开。连接到电源(未示出)的电线210(对于其它TE模块也类似)连接至每个TE模块201。在图2中以线表示的第一导管208输送第二工作介质215，第二导管204输送第一工作介质216，依次通过多个热交换器202、203、205、206、207和209，如图所示。
在工作中，随着第二工作介质215向下通过入口第二侧热交换器206，第二工作介质215从TE模块201吸收热。第二工作介质215通过导管208且向上进入并通过第二侧热交换器207。TE模块211和212的较热侧与热交换器207具有良好的热连通，TE模块211和212被配置为它们各自的较热侧彼此面对以夹持第二侧热交换器207。随着第二侧工作介质215通过第二侧热交换器207，第二侧工作介质215进一步被加热。然后，第二侧工作介质215通过第二侧热交换器209，其中TE模块213和218的较热侧再次夹持并传递热至第二侧热交换器209，进一步加热第二侧工作介质215。从热交换器209，第二工作介质215从出口或最后的第二侧热交换器209离开阵列200。
类似地，在图2的左上角，第一工作介质216进入入口第一侧热交换器202。热交换器202与TE模块218的较冷侧具有良好的热连通。随着第一工作介质216通过入口第一侧热交换器202，接着通过另一个第一侧交换器203并最后通过出口第一侧热交换器205，第一工作介质216被冷却，第一工作介质216在出口第一侧热交换器205处作为较冷工作介质217排出。
通过电线210接入到TE模块218、和类似地接入到所有其它TE模块的电功率，提供了热电冷却和加热。
因此，综上所述，在阵列的左手边，工作介质与TE模块的冷侧具有良好的热接触，以便从介质中吸取热。然后介质接触第二和第三TE模块，其中额外的热被吸取，进一步冷却介质。随着介质通过所需数目的阶段进入到右边，渐进的冷却过程继续。在被冷却适当的量后，介质从右边离开。同时，第二工作介质在远处的右边进入系统，并且随着第二工作介质通过第一阶段，第二工作介质被逐渐加热。然后它进入下一阶段，这里其被进一步加热，依此类推。在第一阶段的热输入是从邻近TE模块的冷侧吸取热的结果，且电功率进入这些模块。随着其在总的从右向左的方向上运动，热侧介质被逐步加热。
除了上述几何形状，如果两种介质以同一温度进入并逐步变热和变冷，系统提供益处。相似地，可在阵列的任何位置处将介质从冷侧或热侧中除去或加入到冷侧或热侧中。该阵列可以是任何有用数目的段，例如5、7、35、64段和更大数目的段。
该系统也可按相反的过程工作，该过程具有与TE模块相接触的热和冷介质，并且热和冷介质从相反的末端运动(如图2所示，但热介质作为介质216进入，而冷介质作为介质215进入)。这样导致跨越TE模块的温度梯度产生电流和电压，因此将热功率转换为电功率。所有这些工作模式和下面描述的模式是本发明的一部分。
如图2所示，分为一系列阶段的热交换器在工作介质的流动方向上为TE模块之间提供了热绝缘。在2001年4月27日提交的、题为“FirstImproved Efficiency Thermoelectrics Utilizing Thermal Isolation”的美国专利申请号09/844818中，详细描述了热绝缘原理，这些热绝缘原理以多种具体的和实用的例子贯穿说明书以便易于制造。特此通过引用将该专利申请完全并入。
如题为“Improved Efficiency Thermoelectrics Utilizing ThermalIsolation”的美国专利申请09/844818所述，在如图2中所示的反向流动结构中，与相同条件下没有热绝缘益处的单个TE模块相比，介质的逐步加热和冷却可产生更高的热力效率。因此，图2所示的结构提供了一种SSCHP系统200，其通过以紧凑的易于制造的设计夹持在热电模块之间的热交换器段或阶段获得热绝缘。
除了上述特征之外，热电模块本身可被构造为在介质流动的方向上提供热绝缘，并且每个热交换器或热交换器中的一些可被配置以通过图5中进一步所描述的结构或其它适当的结构在单个热交换器中提供热绝缘。总的来说，热交换器可以是在介质流动的方向上分段，以沿单个TE模块(例如TE模块218)和入口热交换器202的介质流动提供逐步增强的热绝缘。
图3描绘如图2所示的相同的总设计的阵列300，该阵列300由多个TE模块301和所连接的较冷侧热交换器302、305和307组成，以便第一工作介质315通过后续的热交换器以加热所示的交换器通路。类似地，多个热侧热交换器309、311和313以顺序的或分阶段的方式在箭头所示的方向上输送较热侧工作介质317。TE模块301以如图2所示的方式安置和供电。
图3的下半部分描绘了较冷侧工作介质的冷侧温度或温度变化303、304、306、308，和较热侧工作介质的热侧温度310、312、314。
较冷侧工作介质315进入并通过入口较冷侧热交换器302。在通过入口较冷侧热交换器302中的工作介质的温度下降303由冷侧温度曲线TC中的下降303所指示。较冷侧工作介质315随着其通过下一阶段较冷侧热交换器305而进一步被冷却，如温度下降304所示，且随其通过第三较冷侧热交换器307具有相应的温度下降306。较冷侧工作介质315以处于温度308的较冷流体316离开。类似地，较热侧工作介质317进入第一或入口较热侧热交换器309，并以第一温度310离开，如图3中较热侧温度曲线TH所指示。加热侧工作介质通过分段的阵列300，如图2中所示，逐步变热，最后在通过出口加热侧热交换器313后作为处于较热温度314的较热工作流体318离开。可以看到，通过增加阶段(也就是TE模块和热交换器)的数目，可以增加冷却和加热功率的量，可降低每个热交换器产生的温度变化，和/或通过阵列的介质的量增加。如美国专利申请09/844818所述，在更多阶段的情况下，效率也可增加，虽然增加速率逐渐降低。
上面提到的实验和描述，说明了热绝缘和逐步加热和冷却可用图2和图3中的结构实现，并能导致显著的效率增益，因此是重要的。借助这样的系统，在实验测试中实现了超过100％的增益。
图4A所示的阵列400具有三个TE模块402、四个热交换器403和两个导管405，它们被构造为如图2和图3所述的那样。较冷和较热侧工作流体分别在较冷侧入口404和较热侧入口407处进入，并在分别在较冷侧出口406和较热侧出口408处离开。图4B是热交换器403的一个实施例的更详细的视图。其被示为适合流体介质的形式。热交换器组件403由外壳412，热交换器翅片414，和流体分配歧管413组成，外壳412具有入口410和出口411。阵列400的操作基本与图2和图3中描绘的相同。图4中的TE模块402的数目是3个，但可以是任何数目。有优势地，外壳412是导热的，其由合适的材料例如抗腐蚀铜或铝制成。在一个实施例中，有优势地，热交换器414是焊接或熔接(braise)至外壳412的折叠的铜或铝，以便在跨越TE模块的界面上实现良好的导热性。翅片414可以是任何形式，但优选为适于实现系统所需的热传递特性的设计。详细的设计指南可在“Compact HeatExchangers”，Third Edition by W.M.Kays and A.L.London中找到。可替换地，可使用任何其它合适的热交换器，例如穿孔的翅片，平行板，百叶状翅片，丝网等。这样的结构是本领域公知的，且用在图2至图11中任何一个中的任何结构中。
图5A描绘图4的结构的替换结构，以便导管连接提供从热交换器阶段到热交换器的流动。阵列500具有第一和第二TE模块501和510、三个热交换器502、503和506、以及导管504。当然，和前面的实施例和结构一样，两个第一侧热交换器502、503和一个第二侧热交换器506的具体数目不是限制性的，也可提供其它数目的热交换器。
图5B以放大的视图示出了热交换器502、503和506的优选实施例。图5B所示的热交换器结构对其它实施例也合适，且可用在图2-图8以及图11中的任何结构中。这类结构的一个或多个热交换器的有优势的实施例具有外壳516，和由间隙513分开的分段的热交换器翅片511。工作流体通过入口505进入并通过出口508离开。作为间隙的替换，热交换器可被制造，以便它是各向异性的，这样它对一个段是导热的，而对另一个段不导热的，而不是在热交换器翅片之间具有实际的物理间隙。要点是在流动方向上获得在一个热交换器段和另一个热交换器段的阶段之间的热绝缘。除了图2-图5中描述的实施例中的热交换器通过具有阶段而提供的热绝缘之外，这也提供了热绝缘。
有优势地，第一工作流体507(例如其可以是要被加热的流体)进入入口505并向下通过入口或第一热交换器502，第一热交换器502与第一TE模块501是热连通的。工作流体507从底部离开并通过导管504被送到下一个热交换器503，此处其再次在向下的方向上通过第二TE模块510，并作为较热的工作介质508离开。优选地，第二工作流体517从图5A中的底部通过入口518进入并向上流经第三热交换器506，通过TE模块501和510的较冷侧(在本例中)。热交换器506与TE模块501及510良好地热连通。通过这样的安置，工作流体507和517按照上面提到的美国专利申请09/844818所述形成反向流动系统。
优选地，详细示于图5B的热交换器502，503和506被构造成从TE模块501、510的正面(faces)通过外壳516到热交换器翅片511(示为四个绝缘的段)具有高导热性。然而，希望在流动的方向上具有低导热性，以便将每个热交换器段彼此热绝缘。如果绝缘是有效的，且TE模块501和510在垂直方向(工作流体流动的方向)没有高的内部导热性，阵列500将得益于热绝缘并能高效工作。实际上，阵列500可这样响应，如同其是由更多TE模块和更多热交换器构造的阵列。
图6描绘另一个加热器/冷却器系统600，其被设计来用工作气体有益地操作。加热器/冷却器600具有与第一侧热交换器603、605和第二侧热交换器604良好热连通的TE模块601、602。第一工作流体例如空气或其他气体606，被导管607，708，610包含，而第二工作流体616被导管615，613包含。鼓风机或泵609、614被安装在导管608，615中。
第一工作流体606通过入口导管607进入系统600。工作流体606流过第一热交换器603，在此，例如其被加热(或冷却)。然后工作流体606流经鼓风机609，鼓风机用于抽吸工作流体606通过导管608，并通过第二热交换器605，在此其被进一步加热(或冷却)，并从出口导管610排出。类似地，工作流体，例如空气或另一种气体，通过入口导管615进入。工作流体被第二鼓风机或泵614推动通过第三热交换器604，在此，在该例子中，其被冷却(或加热)。冷却(或加热)的工作流体616通过出口导管613离开。
系统600可具有多个段，这些段由如图5B中所示的额外的TE模块和热交换器及绝缘的、分段的热交换器组成。系统600也可以具有多个鼓风机或泵以提供额外的抽吸力。此外，一个导管，例如607、608可具有一种流体，而其他导管613、615可以具有第二种气体。可替换地，一边可以具有液体工作流体，而另一边具有气体。因此，该系统不局限于工作介质是否是流体或液体。此外，应该指出出口导管613的线路可绕鼓风机导管609。
图7A描绘了有利地利用流体的加热和冷却系统700。该组件具有多个TE模块701，TE模块701具有多种第一侧工作介质703和多种第二侧工作介质704。在本例中，第一侧工作介质703和第二侧工作介质704可以形成盘状。第一侧工作介质703被固定在第一侧轴709上，而第二侧工作介质704被固定在第二侧轴708上。轴708，709又被分别固定在第一侧电动机706和第二侧电动机705以及相应的轴承707上。优选的电动机旋转方向由箭头710和711指示。
分离器717将阵列分为两部分并定位TE模块701。由分离器717保持在位置上的TE模块701被分开以便交替地夹持第一侧工作介质703和第二侧工作介质704。对于任何两个TE模块701，这些模块被定向以便它们的冷侧和热侧如前面的实施例那样彼此面对。工作介质703、704和TE元件701良好地热连通。热油脂(thermal grease)等被有利地提供于热电元件701和工作介质703、704之间的界面上。油脂的目的可从下面关于工作介质703、704的操作的讨论中变得明显。第一侧外壳部件714和第二侧外壳部件715包含由系统700所决定的流体。电线712、713连接到TE模块701以为TE模块提供驱动电流。
图7B是沿7B-7B剖切的图7A中系统700一部分的横截面视图。第一流体721和第二流体723和它们的流动方向由箭头721和723表示。第一流体按箭头722所示的方向离开，第二流体按箭头724所示的方向离开。系统700通过经由电线712和713通电至TE模块701而工作。TE模块701让它们的冷侧和热侧彼此面对，其按图2和图3中所述的方式安置。例如，它们邻近的冷侧都面对第一侧工作介质703，而它们的热侧面对第二侧工作介质704。分离器717提供定位TE模块701和将热侧与阵列700的冷侧分开的双重功能。
为了理解工作过程，假定，例如第二流体723将被冷却。冷却是通过与第二侧介质704的热交换而发生的。随着第二侧介质704旋转，它们的表面的部分和TE模块701的较冷侧接触以给定的时间被冷却。随着该部分通过第二电动机705的动作而旋转远离TE模块701，第二介质704冷却第二侧流体，然后该流体在出口724离开。第二流体通过外壳部件715和分离器717被限定在阵列700内。
类似地，第一流体721被与TE模块701的较热侧热接触的第一侧介质703加热。旋转(由箭头711表示)移动第一介质703的加热部分至第一流体721能经过它们并通过热接触而加热的地方。第一流体721被包含在外壳714和分离器717之间并在出口722处离开。
如上所述，导热性油脂或液体金属例如水银，可用来在接触区域在TE模块701和介质703、704之间提供良好的热接触。
如上所述，图7A和图7B的结构可有利地用于冷却或加热外部元件，如微处理器、激光二极管等。在这种情形下，这些盘就与使用热油脂或液体金属等的部件接触以传递热至该部件或从该部件将热传走。
图7C描绘了系统700的改进形式，其中TE模块701被分段以实现热绝缘。图7C示出阵列700的部分的详细视图，其中TE模块701和702传递热功率至热运动介质704和703(在该例中为旋转盘)。运动介质704和703分别绕轴733和734旋转。
在一个实施例中，有优势地，工作介质704和703在相反的方向上旋转，如箭头710和711所示。随着运动介质704、703旋转，热从TE模块701和702的不同部分进入与它们热接触的状态，并递增地改变运动介质704，703的温度。例如，第一TE模块726在特定位置加热运动介质704。在该位置的运动介质704的材料随着运动介质704逆时针旋转而运动到与第二TE模块725接触的位置。然后，运动介质704相同的部分运动到额外的TE模块段701上。随着运动介质703逆时针旋转，相反动作发生，并咬合TE模块701，然后是TE模块725和726。
有利地，运动介质704、703在径向和轴向具有良好的导热性，而在角方向上，也就是运动方向上的导热性差。借助这个特征，从一个TE模块725到另一个TE模块726经运动介质704和708由导热性产生的热传递被最小化，由此实现有效的热绝缘。
作为TE模块或段701、725、726的替换，单个TE元件或几个TE元件段可被替换。在这种情形下，如果TE元件701与它们在运动介质704、703的运动方向上的长度相比非常薄，且在该方向上具有相对差的导热性，那么它们将在长度方向上具有有效的绝缘。它们的导热和热响应如同它们是由分开的TE模块701构造的。该特征与在运动介质704、703的运动方向上的低导热性结合可以实现有效的热绝缘并由此提供性能增强。
图7D描绘了用于运动介质704、703的可替换结构，其中介质被构造成具有辐条727和731的轮状物(wheel)729和732的形式。在辐条727和731之间的空间内是热交换器材料728和730，并与之良好地热接触。
系统700可以如图7D所示的另一种模式工作。在该结构中，工作流体(未示出)沿阵列700的轴轴向运动，该阵列700在轴方向上相继地从一个介质704到下一种运动介质704穿过运动介质704、703，依此类推，直到通过最后的介质704并离开。类似地，分开的工作流体(未示出)轴向地通过单个运动介质703，该运动介质703通过阵列700。在该结构中，导管714和715及分离器717被成形，以便形成连续的绕运动介质704，703的环，并将介质704和介质703分开。
随着工作流体轴向流动，热功率通过热交换器材料728和730传递到工作流体。有利地，热侧工作流体，例如，通过热交换器728，在工作流体相反的方向上穿过热交换器730。在该工作模式下，阵列700用作反向流动热交换器，并且一连串的热交换器728和730递增地加热或冷却通过它们的各个工作流体。如图7C所示，热活性元件可以是TE模块701，该TE模块701可被构造以便在运动介质704、703的运动方向上具有有效的热绝缘。可替换地，TE模块701和702可以是如图7C所描绘的段。在后者的情形中，运动介质704、703的导热性在运动的方向上低具有进一步的优点，以便运动介质704、703的外部盘子729和732的部分被热绝缘。
可替换地，该设计可进一步在段729和732中包含径向狭缝(未示出)，段729和732经受来自TE模块701和702的热传递以在运动方向实现热绝缘。
图8描绘热电系统800的另一个实施例，其在第一侧热交换器803和第二侧热交换器808之间具有多个TE元件801(有入口(hatched))和802(无入口的(unhatched))。电源805提供电流804并经电线806、807连接到热交换器808。该系统800具有导管和泵或鼓风机(未示出)以移动热和冷侧工作介质通过阵列800，例如，如图2、3、4、5，6和7所示的。
在该设计中，TE模块(具有多个TE元件)被TE元件801和802取代。例如，有阴影线的TE元件801可以是N型TE元件，而无阴影线的TE元件802可以是P型TE元件。对于该设计，配置热交换器803和808以便其具有非常高的导电性是有利的。例如，热交换器803、808的外壳和它们的内部翅片或其它类型的热交换器元件可以由铜或其它高导热和高导电的材料制成。可替换地，热交换器803和808可以与TE元件801和802良好地热连通，但电绝缘。在这种情形下，电分流器(未示出)可以连接到TE元件801和802的正面以电连接它们，其连接方式类似于图1中所示，但分流器与热交换器803和808形成环路。
无论什么结构，例如，从N型TE元件801到P型TE元件802的DC电流804将冷却夹在它们之间的第一侧热交换器803，而从P型TE元件802到N型TE元件801的电流然后将加热夹在它们之间的第二侧热交换器808。
阵列800具有最小的尺寸和热损失，因为标准TE模块的分流器，衬底和多个电连接器电线可被消除或减少。此外，TE元件801和802可以是异质结构(hetrostructures)，如果元件被设计为具有高导电性和高电容量，该异质结构适应高电流。在这样的结构中，阵列800可产生高热功率密度。
图9描绘了如图8所示的同一类型的热电系统900，其在第一侧热传递元件903和第二侧热传递元件905之间具有P型TE元件901和N型TE元件902，且P型TE元件901和N型TE元件902与第一侧热传递元件903和第二侧热传递元件905具有良好的热接触。在该结构中，热传递元件903和905的形式为导热棒或热管。热交换器翅片904、906或类似物固定至热传递元件903和905，并与之良好地热连通。第一导管907限定第一工作介质908和909的流动，而第二导管914限定第二工作流体910和911的流动。电连接器912和913将电流传导至交替的P型和N型TE元件901、902叠层，如图8所示。
在工作中，以举例的形式，电流经第一连接器912进入阵列900，通过交替的P型TE元件901(有阴影线的)和N型TE元件902(无阴影线的)，并通过第二电连接器913离开。在该过程中，第一工作介质908随着它被热传递翅片904的传导加热而逐步变热，该热传递翅片904又由通过第一热传递元件903的传导加热。第一导管907围绕并限定第一工作介质908，因此其以改变的温度作为工作流体909离开。第一导管907的部分将TE元件901和902及第二侧热传递元件905与第一(在该情形下是热的)工作介质908和909热绝缘。类似地，第二工作介质910通过第二导管914进入，当其通过第二侧热交换器906时被冷却(在该例中)，并且作为被冷却的流体911离开。TE元件901、902提供对第二侧热传递元件905的冷却，从而对热交换器翅片906冷却。第二侧导管914用于限定第二(在该例中被冷却)工作介质910，从而将其与阵列900的其它部分绝缘。
虽然为图8-图9中实施例的单独的TE元件做了说明，TE模块可替换TE元件901、902。此外，在某些情形下，将TE元件901、902和热传递元件903、905电绝缘并将电流通过分流器(未示出)是有利的。而且，热交换器904，906可以是任何对系统功能有利的类型的设计。和其它实施例的情况一样，可以看出图8和图9的结构提供了相对容易制造的系统，其由热绝缘提供了增强的效率。例如，在图8中，在P型和N型热电元件之间交替的热交换器808、803要么是较冷的或较热的热交换器类型，但彼此合理地热绝缘，且让P型和N型热电元件彼此合理地热绝缘。
图10描绘另一种提供热绝缘的热电阵列系统(1000)。有利地，该结构可执行一个系统的功能，该系统使用相同的介质冷却和加热以除湿，或去除凝结物、雾霭、可凝结的水汽、反应产物等，并将介质返回至比其起始温度略高的温度。
系统1000由一叠交替的P型TE元件1001和N型元件1002组成，其中散布有冷侧热传递元件1003和热侧热传递元件1004。在所述的实施例中，热交换器翅片1005、1006是为较冷侧热传递元件1003和较热侧热传递元件1004提供的。较冷侧导管1018和较热侧导管1019在阵列1000中控制工作流体1007、1008和1009。鼓风机1010通过阵列1000推动工作流体1007、1008和1009。优选地，较冷侧绝缘件1012热绝缘工作流体1007，同时从TE元件叠层流经较冷侧，而较热侧绝缘件1020优选绝缘工作流体，同时从TE元件叠层流经较热侧。隔离板1010等将较冷和较热侧分开。在一个优选实施例中，隔离板1010具有用于工作流体1021通过的通道1010。类似地，在一个实施例中，流体通道1017允许流体1016进入热侧流动通道。
丝网1011或其它多孔工作流体流动限流器将阵列1000的较冷侧和较热侧分开。冷凝物、固态凝结物、液体等1013在阵列1000的底部积聚，并可以通过阀门1014并由喷口1015流出。
介质流(未示出)流过TE元件1001和1002，冷却较冷侧热传递元件1003，并加热较热侧热传递元件1004，如对图9的描述中所讨论的那样。在工作中，随着工作流体1007向下通过较冷侧，来自工作流体1007的凝结物、湿气或其它冷凝物1013可在阵列1000的底部收集。根据需要，阀门1014可被打开，且凝结物、湿气或冷凝物1013可通过喷口1015除去或通过任何合适的装置分离。
有利地，工作流体1021中的一些可通过旁路通道1020从较冷侧流至较热侧。借助该设计，不是所有的较冷侧流体1007流过流动限流器1011，限流器而是用来局部降低较热侧工作流体的温度，并由此提高阵列1000在某些情形下的热力效率。旁路通道1020和流动限流器1011之间适当比例的流量是通过系统流动特性的合适的设计而实现的。例如，可以包含阀门以控制流动，且特定的通道可以被打开或关闭。在某些用途中，流动限流器1011也可以用作过滤器以从流体或气体工作流体1008中除去凝结物，或从气态工作流体1008中除去湿气或雾霭。
有利地，额外的较热侧冷却剂1016可通过通道1017进入阵列1000，也用于降低较热侧的工作流体温度或增加阵列1000的效率。
该结构可在流动限流器1011中产生非常冷的条件，以便工作流体1008可具有除去相当量的凝结物、冷凝物或湿气的能力。在可替换的工作模式中，提供给鼓风机1010的功率可被反转，系统运行以便加热工作流体并将其返回至冷的状态。
这对除去加热过程形成的反应产物、凝结物、冷凝物、湿气等是有利的。在一个有利的实施例中，流动限流器1011，和/或热交换器1005和1006可具有催化(catalytic)特性，以增强、改变、使能、防止或影响系统中所发生的过程。对于液态工作流体，一个或更多泵可取代鼓风机/电动机1010以实现有利的性能。
图11描绘了热电阵列1100，其类似于图2和图3中的设计，但其中工作介质具有通过系统的替换路径。阵列1100具有TE模块1101，其散布在热交换器1102之间。多个入口端口1103、1105和1107通过阵列1100导通工作介质。多个出口端口1104，1106和1108通过阵列1100导通工作介质。
在工作中，以举例的方式来说明，要被冷却的工作介质进入第一个入口端口1103并通过热交换器1102中的几个，由此逐步冷却(在该例中)，并通过第一出口端口1104离开。从阵列1000中带走热量的工作介质的一部分通过第二入口端口1105进入，通过热交换器1102，在该过程中被逐步加热，并通过第二出口端口1106离开。
带走热量的第二部分工作介质进入第三入口端口1107，随着它通过某些热交换器1102而被加热，并通过第三出口端口1108离开。
该设计允许从第一入口端口1103通到第二出口端口1104的冷侧二工作介质被有效地冷却，因为在该例中热侧工作介质在两个位置进入，且最终的跨越TE模块1101的温度差平均低于如果工作介质在一个端口进入的情形。如果平均温度梯度低于平均值，那么在大多数情况下，最终的系统效率将更高。通过第二和第三入口端口1105和1107的相对流动速率可被调整以实现所需的性能或者以响应变化的外部条件。以举例的方式来说明，通过第三入口端口1107的较高的流动速率，和最有效地，通过该部分的流动方向的反转以致出口端口1108变成入口，可在冷侧工作介质中产生较冷的出口温度，该冷侧工作介质在第一出口端口1104处离开。所有这些变化。
应该指出的是，在不脱离本发明的情况下，可以组合上述特征。
上面的例子是根据通过施加功率至TE元件和模块而冷却和加热工作介质而讨论的。通过在TE元件和模块的两端施加温度梯度而提取电功率的相反的过程是本领域所公知的。具体地，示于图2、3、4、5、6、7、8、9和11中的结构本身可以用于发电。
一般地，这些图中所描述的系统工作于两种模式。有利地，可实施特定的改变以优化冷却、加热或发电的性能。例如，大温度差(200到2000°F)是可取的以在发电中实现高效率，这是本领域所公知的，而小温度差(10到60°F)是冷却和加热系统的特征。大温度差要求不同的构造材料和不同设计和材料的可能的TE模块和元件。然而，基本思想对于不同的工作模式是相同的。图5、图8和图9中所描述的设计对发电是有利的，因为它们提供了简单，结实，低成本设计和制造的可能性。然而，所有上面提到的设计对于特定的发电应用具有优点，且不能排除。
如上所述，虽然示出了几个例子，但上面的说明仅是本发明主要思想的说明，本发明主要思想在权利要求中给出。在权利要求中，所有术语被归结为它们普通和通常的意义，且上面的说明不限制各个术语为任何特定或具体限定的意义，除非特别地明确指出。
权利要求
1.一种改进的热电系统，其包括多个热电模块，其中至少一些是彼此间基本热绝缘的，每个模块具有一个较热侧和一个较冷侧；以及至少一种与所述多个热电模块中的至少两个依次地热连通的固态工作介质，以致所述工作介质由所述热电模块中的至少两个分阶段地逐步被冷却或加热。
2.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述工作介质包括多个安装到一个旋转轴的盘状介质，且所述介质和所述热电模块形成一个堆叠结构，所述热电模块夹持所述盘状介质中的至少一些。
3.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述工作介质包括多个工作介质，其形成热电模块和工作介质的交替的堆叠结构。
4.根据权利要求3所述的热电系统，其中所述工作介质使所述多个热电模块中的至少一些基本热绝缘。
5.一种改进的热电系统，其包括多个热电模块，其中至少一些是彼此间基本热绝缘的，每个模块具有一个较热侧和一个较冷侧；多个热传递装置，每个均与所述多个热电模块中的至少一个热连通，所述热传递装置中的至少两个接收第一工作流体，所述第一工作流体流过所述热传递装置；以及至少一个导管，其连接至在不同平面中的所述热传递装置中的至少两个，以致所述第一工作流体穿过所述至少两个热传递装置中的第一个，并随后穿过所述至少两个热传递装置中的第二个，且随着它们穿过所述至少两个热传递装置而被分阶段地冷却或加热。
6.根据权利要求5所述的热电系统，其中所述热传递装置中的至少一些中的每一个被夹持在至少两个热电模块之间。
7.根据权利要求6所述的热电系统，其中所述至少两个热电模块的较冷侧面对所述被夹持的热传递装置。
8.根据权利要求5所述的热电系统，其中所述热电模块和热传递装置形成一个叠层，且较冷侧面对较冷侧并被至少一个热传递装置分开，较热侧面对较热侧并被至少一个热传递装置分开。
9.根据权利要求5所述的热电系统，其中所述热传递装置是包括外壳和热交换器翅片的热交换器，所述热交换器翅片在工作流体流动的方向上形成阶段，以便为所述热电模块中的至少一个提供额外的热绝缘，所述热电模块和所述热交换器热连通。
10.根据权利要求5所述的热电系统，其中所述至少一个导管被配置以便工作流体流过所述至少两个热传递装置，所述至少两个热传递装置在同一方向上的所述导管流动连接。
11.一种热电系统，其包括多个N型热电元件和多个P型热电元件；多个热传递装置，其中至少一些中的每个都被夹持在所述N型热电元件中的至少一个和所述P型热电元件中的至少一个之间，以便形成热电元件和热传递装置的一个堆叠结构。
12.根据权利要求11所述的热电系统，进一步包括电连接至所述叠层的电流源，所述驱动电流串行地流过所述热传递装置和热电元件。
13.根据权利要求11所述的热电系统，其中所述热传递装置将所述P型热电元件中的至少一些与所述N型热电元件中的至少一些热绝缘。
14.根据权利要求8所述的热电系统，其中所述热传递装置接收工作流体以在一个限定的方向上流过它们。
15.根据权利要求14所述的热电系统，其中所述热传递装置是热交换器，其包括一个外壳，所述外壳具有在内部分段形成的热交换器元件，且其中所述段中的至少一个与所述段中的至少另一个是基本热绝缘的。
16.根据权利要求15所述的热电系统，进一步包括至少一个导管，其提供从第一热交换器到第二热交换器的流体通路，以便流经所述第一热交换器和所述第二热交换器的工作流体分阶段被被冷却或加热。
全文摘要
本发明描述了在可制造的系统中利用工作介质流动或运动方向中的热绝缘的优点的几种紧凑高效的热电系统。这类结构具有高的系统效率和功率密度。公开了利用多个热电模块或热电元件的几个不同的实施例和应用，该热电模块或热电元件被夹持在热交换器之间。
文档编号H01L35/34GK1714261SQ03819526
公开日2005年12月28日 申请日期2003年8月7日 优先权日2002年8月23日
发明者L·E·贝尔 申请人:Bsst有限责任公司