热电装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本公开的方面总体上涉及可与热电系统配合使用的装置和方法。
【背景技术】
[0002]热电发电器是利用所谓“塞贝克效应”的现象将由温差所产生的热能转换成电能的装置。
[0003]由于能够在紧凑的固态形式中由温差所产生的热能直接转换成电，因而热电器件已受到大量的关注。例如，热电器件可用于高效率地在高温下从能量密集平台(诸如汽车中的内燃发动机)中回收余热。
[0004]常规的TEG (热电发电器)系统带来了挑战，尤其是在高温下由于热膨胀效应所造成的挑战，导致在可靠性、封装(即，尺寸、重量、通用性)和性能中的难点。此外，这些挑战经常导致被实现的系统设计需要提高的复杂程度，这也增加了成本。
【发明内容】
[0005]本公开涉及用于大范围用途的热电装置的新型设计和可选特征，尤其是与高温下热电发电有关的新型设计和可选特征，尽管本文中所给出实施例的应用也会涉及到流体调节。所描述的独特设计能够克服或避免现有热电系统所面临的若干挑战，这些挑战在系统性能、移动性(尺寸、重量、可靠性)、通用性和成本方面限制了市场接受度。
[0006]在一个实施例中，提供一种热电装置。该装置包括至少一个热交换器；与至少一个热交换器热连通的至少一个热电层；及包围至少一个热电层和至少一个热交换器的包封物，该包封物为至少一个热电层和至少一个热交换器提供与位于包封物外部的流体的屏障，其中一部分的包封物适合于传导热并且与至少一个热电层热连通，并且其中至少一个热交换器与包封物内表面间隔并且可相对于包封物内表面移动从而适应至少一个热交换器和包封物的热膨胀。
[0007]在另一个实施例中，提供一种热电系统。该系统包括:限定容纳流体流动流的流动空间的管道，该管道具有布置为容纳进入流动空间的流体的进口和布置为容纳从流动空间中排出的流体的出口 ；及设置在流动空间内部的热电装置。在相关的实施例中，在热电装置的实施例中可设置噪声降低部件，例如在管道流动空间的内部。
[0008]在另一个实施例中，提供一种热电结构。该结构包括具有进口、出口和通道的热交换器，这些通道适合于引导流体在进口与出口之间流动；牢固地附接到热交换器第一侧的第一热电层；和牢固地附接到与第一侧相反的热交换器第二侧的第二热电层。
[0009]在另一个实施例中，提供一种热交换器。该热交换器包括一致的表面，该一致的表面适合于与设置在与该表面相邻位置的结构的形状大体上一致；及从一致的表面的外部区域延伸出的、包围该外部区域且与该外部区域接触的多个导热构件，这些多个导热构件适合于在一致的表面与周围环境之间传递热。
[0010]在一个实施例中，提供一种热开关。该热开关包括:将第一结构部件与第二结构部件分隔开的通道；及被封闭在通道内部的流体组合物，该通道构造成使得当流体组合物在其沸腾温度下在液体与蒸气之间发生相变时第一结构部件与第二结构部件之间的热传导发生变化。
[0011]在另一个实施例中，提供一种热界面复合材料。该热界面复合材料包括适合于与设置在与该表面相邻位置的结构的形状大体上一致的一致的表面片；及设置在一致的表面片的至少一侧上的组合物，该组合物提供比没有该组合物情况下更高的热传导，该热传是跨越在与一致的表面片相对侧接触且设置在一致的表面片相对侧上的两个部件之间所形成界面。
[0012]当结合附图阅读以下的详细描述时，本公开的优点、新型特征和目的将变得显而易见；这些附图是示意性的并且并非意图按比例绘制。为了清楚的目的，在每个附图中并未标注每个部件，而且各图示的实施例的每个部件允许本领域技术人员理解本公开的各方面。
【附图说明】
[0013]附图并非意图是按比例绘制。在图示中，在各种附图中用类似的附图标记来表示各相同或几乎相同的部件。现在将通过举例并参照附图来描述本公开的各种实施例。
[0014]图1示出了热电模块装置的顶部陶瓷件的局部剖视透视图；
图2示出了图1的热电装置的剖视图；
图3示出了根据一些实施例的热电装置的透视图；
图4示出了图3的热电模块装置的剖视图；
图5示出了根据一些实施例的另一个热电装置的透视图；
图6示出了穿过图5的热电装置的侧面的剖视图；
图7和图8示出了根据一些实施例的又一个热电装置的透视图；
图9示出了根据一些实施例的条形翅片布置；
图10示出了与具有翅片的一致包封物相互作用的热电层表面的剖视图，图中示意性地示出了操作期间的热偏转，其中所示的偏转被放大以便视觉地说明概念；
图11示出了图5的实施例的概念性纵向剖视图，并且示意性地示出了根据一些实施例的热膨胀效应；
图12示出了根据一些实施例的二级高温热电模块装置的剖视图；
图13示出了根据一些实施例的另一个热电装置的横向剖视图；
图14示出了根据一些实施例的与热交换器接触的热电模块的近距离透视图；
图15示出了根据一些实施例的另一个热电装置的横向剖视图；
图16示出了根据一些实施例的具有可压缩包封物侧壁的热电装置的横向剖视图；
图17示出了内部空间的概念视图，其中箭头和大体上长方体形状代表了管道空间的最外面侧向尺寸的一个例子；
图18示出了根据一些实施例的热电系统的透视图，其中热电装置位于管道空间的内部；
图19示出了根据一些实施例的长方体形状包封物的示图、以及侧壁的近距离剖视图； 图20示出了根据一些实施例的各种长方体形状包封物的近距离剖视图； 图21示出了根据一些实施例的一些类型的声音减弱特征及消音器系统的一些特性的表格；
图22示出了根据一些实施例的热电消音器系统的透视图；
图23a示出了根据一些实施例的热电消音器系统的剖视图；
图23b示出了根据一些实施例的具有顶部和底部延伸进口反作用室的热电消音器系统的纵向/轴向剖视图。
图23c示出了根据一些实施例的具有中等长度反作用室的热电消音器系统的纵向/轴向剖视图；
图23d示出了根据一些实施例的将出口管和多个装置封闭在管道内部的热电消音器系统的横向剖视图；
图23e示出了根据一些实施例的具有多个普通热电装置的热电消音器系统的纵向/轴向剖视图，所述普通热电装置具有在流动空间内部的围绕在它们周围的声音减弱装置；
图24示出了根据一些实施例的垂直堆叠的热电系统的透视图；
图25示出了根据一些实施例的水平堆叠的热电系统的透视图；
图26示出了根据一些实施例的热电装置的剖视图；
图27示出了根据一些实施例的沿板的通道凹槽、以及热开关的近距离截面；
图28a和图28b示出了根据一些实施例的热开关的封闭流体通道的近距离剖视图。
【具体实施方式】
[0015]本公开涉及可具有可用于多种用途的结构的热电装置，所述用途包括热电发电(例如，内燃发动机的排气系统，包括但不限于车辆中的内燃发动机)和流体调节(例如，流体的加热和冷却)。根据本公开的热电装置的各种实施例能够执行热能与电能之间的热电转换。
[0016]本文中所描述热电装置和系统的某些实施例能够可靠地操作，例如作为热电发电器(TEG)，从至少部分地由位于热电装置“热侧”上的高温流体(例如，高达700°C以上)所提供的温度梯度中汲取能量。因此，本公开的实施例可允许在TEG的“热侧”与“冷测”之间存在大的温差，这通常允许电能的稳定生产。这种装置的操作可允许经由包含热电材料的部件的新型热交换系统将热从热流体传递至相对较冷流体，所述热电材料可用于将一部分的所传递的热直接转换成电。
[0017]在一些实施例中，热电装置包括与一个或多个热电层热连通的一个或多个热交换器。热交换器可包括进口、出口和通道，这些通道适合于引导经过其中的流体流动。在一些情况下，可将热电层设置在热交换器的相对侧上。热电层可以或者可以不牢固地附接到热交换器。
[0018]包封物可包围热电层和热交换器，从而提供与位于包封物外部的流体(例如，热流)的屏障。在一些实施例中，包封物自身可起热交换器的作用，并且可在外部环境与热电层之间传导热。在一些实施例中，热交换器可与包封物内壁间隔并且可相对于包封物内壁移动，该包封物内壁可适应在热交换器与包封物之间所产生的热膨胀效应。
[0019]如本文中所描述，热电装置的包封物可起热交换器的作用。在一些实施例中，热交换器(例如，其封闭其它部件，诸如热电层或其它热交换器)可包括一致的表面，该一致的表面适合于与相邻结构(例如，设置在与其相邻位置的热电层)的形状大体上一致。在一些实施例中，一致的表面可包含合适的组合物，该组合物是用于增强一致的表面的热传导。该热交换器还可包括从其中延伸出的一个或多个结构构件(例如，热传导翅片)，该结构构件可适合于在一致的表面与周围环境之间传递热。
[0020]应用于低至中等温度用途(通常<275°C，在热侧)的用于发电的常规热电模块是相对较薄的平面型装置，该装置类似于图1中所示的装置。图1中所示的模块是由一系列热电偶所组成，各热电偶包括利用金属连接体3电性连接的η型1和p型2热电材料。多个这些热电偶相互连接到一起而形成电路，当热流动经过这些热电偶时产生电。热流是由热电偶的热侧与冷侧之间的温差(例如模块)所驱动。
[0021]图1的电路被电绝缘于相对侧上，该电路经常是通过设置机械联接到金属连接体的陶瓷片4而获得。将陶瓷片机械联接到金属连接体的过程(被称为金属化)包括将一个陶瓷片牢固地附接到电路的热侧(出现在图1中的剖视图中，因此可看见电路布置)并且将另一个陶瓷片附接到电路的冷侧。图2中还示出了常规热电模块的剖视图。这种热电模块是固体状态并且没有移动部件。
[0022]然而，对于包括热电器件的模块、装置和系统而言，这种用途的高温带来显著的挑战，难以满足在性能、移动性(即，紧凑、轻质、可靠性)和成本方面的要求。例如，如图3和图4中所示，常规的高温热电模块(>300°C，热侧温度)经常需要在高温下工作的高性能热电材料6、7。热电模块也经常需要用于各热电偶的单一化的热侧陶瓷件5，以便补偿由在热侧与冷侧之间所产生的明显温度梯度所引起的显著热膨胀和应力。如图3中所示，对于本实施例而言，顶侧5和底侧4分别代表热侧和冷测。另外，在这种较高温度下大部分热电材料经常要求在惰性环境中操作以防止它们被氧化，因而通常需要在装置或系统内部的密封包封物。
[0023]常规的热电发电器(TEG)系统经常包括冷却剂热交换器和热电材料，该热交换器和热电材料被设置在限制热气体流动的管道的外部。这些TEG系统也在很大程度上被并入管道中，在此该系统紧密地附接到管道。该管道被用作热侧热交换基面，翅片附接到该基面上。热从热流体经过翅片和管道被传递至位于管道外部的热电器件，并最终经过冷却剂热交换器被排放。通常，这些系统包括外壳以及管道和其它部件，从而形成空腔或包封物，该空腔和包封物容纳热电器件和冷却剂热交换器并且保护它们不受外部环境的影响。
[0024]如上所述，当应用常规的热电系统时产生了一些问题，尤其是在高温下。然而，根据本公开的热电装置和系统克服了与传统热电系统相关的许多问题。
[0025]尽管在本文中所公开的实施例中，在一些情况下在发电的上下文中描述了装置和部件，但本文中所提供的热电装置也可适合于调节流体、适合于冷却或加热，这些在一些情况下会影响流体的总体温度和/或化学反应的倾向。就流体调节用途而言，电可用于给热电材料提供动力从而将热能引导至流体或者从流体中引导出热能。这种调整可应用包括根据本文中所公开实施例的装置结构的某些实施例。
[0026]热电装置以及其部件的各种实施例可包括任意的合适形状，例如长方体、立方体、圆柱形、或其它形状、或者其组合。使其自身具有紧凑性的热电装置的一个实施例是具有低剖面矩形立方体形状的装置，如本文中说明性地示出。
[0027]应当理解的是，如本文中所提供的，大体上类似于矩形立方体的形状不要求显示严格的立方体特性。例如，矩形立方体的各个边缘和角可显示逐渐的过渡(例如，圆形的、锥形的、倾斜的等)及其它特征，诸如凹陷、过渡、缺口、翅片、凹口、突起等，并且可呈现在任意位置，这些特征可偏离严格的立方体特性。这种形状可具有任何合适的尺寸，不论它们是否是在立方体内部或者沿立方体或者在其周向处的特征。
[0028]在各种实施例中，如上所述，热电装置结构包括包封物，其中一部分的包封物在围绕该装置的热流体与在包封物内部的内部部件之间传递热。包封物，其自身是由一个或多个部件组成，限定了封闭空间，该封闭空间为在封闭空间内部的内部部件提供与位于包封物外部且围绕包封物的热流体的防护屏障。在一些情况下，周围的流体可能不是仅有的热源，因为燃烧或者另一个高温热源可发出显著的热辐射来辐射该装置。
[0029]在一些实施例中，热电装置包括气密的包封物，然而应当理解的是严格气密的包封物对于本公开的每个实施例而言是不必要的。构成包封物的部件可起防护屏障的作用，或者另外，可用于装置的其它目的(例如，热传递、与内部热电器件的热界面、结构支撑等)。而且，包封物可补偿或者适应该组件的各部件中的热膨胀，该热膨胀可由经过其中的温度梯度所引起，例如在封闭热交换器的内部与包封物外部之间的