温度梯度。
[0030]在某些实施例中，包封物包围由热电材料制成的至少一个热电层，该热电层相应地包围至少一个冷却剂热交换器的一部分。热电层的冷侧可与冷却剂热交换器热连通，同时热电层的热侧可与一部分的包封物热连通。除了包括是导热的且与热电层热连通的表面外，冷却剂热交换器也可包括用于管理流入和流出热交换部的冷却剂流动的进口和出口集管、以及用于引导流动到和流动经过包封物壁的冷却剂流动的连接到集管(或管)的延伸部。
[0031]虽然在包封物外部的部件被容纳于其中，但在一些实施例中这些部件不必基本上附接到包封物(下面更详细地描述)。例如，热交换器可与大部分的包封物内表面间隔并且可相对于该内表面移动，从而适应热交换器和包封物的热膨胀。此外，包封物的外表面可任选地包括结构性部件/构件(例如从包封物延伸出的多个翅片)，这些部件/构件可增强包封物与位于包封物外部的流体之间的热传递。
[0032]在一些实施例中，热电装置结构包括类似于大体上为低剖面的平面形状(例如大体上为平的且高度相对较短)的部件，图5-图8说明性地示出了这些部件。图5示出了在立方体形状热电装置50的上方且围绕该热电装置的流体流动。
[0033]在一些实施例中，热电装置50包括具有内表面的包封物51，热电层63被设置在该包封物51上。热电层可在相对侧上包围低剖面冷却剂热交换器64，该热交换器64包括一个或多个大体上为平的热交换部。热交换部的形状可允许总体包封物形状大体上类似于低剖面矩形立方体。所谓低剖面的形状是指其中可以是或可以不是相同的其宽度和长度显著地大于其高度(经常大于2倍、通常可以是5至20倍)的形状。
[0034]冷却剂经过进口 52流动进入包封物并且经过出口 53而排出并且被引导至内部热交换器部件(例如，引导管、集管、热交换部件)。电线(即，用于热电发电、控制、感测)可在接线端口 54处经过包封物并且到达热电层以及在包封物内部的任何其它控制或感测部件。
[0035]翅片55可包括在包封物相对侧上的用于增强来自围绕热电装置且在热电装置上方流动的热流体的热传递。翅片可被设计成具有满足期望用途的某些要求的形状和图案。应当理解的是，附图中所示出的翅片设计是通用的并且未必是优选实施例。在机动车辆排气系统中，例如翅片密度通常将不会如此高，从而将会引起过大的压力降、增加在发动机出口处的背压、并最终降低发动机效率。然而，过低的翅片密度通常会导致较低的用于给定热流体温度的包封物温度，从而导致热电装置输出性能的下降。
[0036]可采用一些翅片图案选项，例如百叶窗式、条形、开缝式、偏移的、穿孔的等。翅片可适合于从包封物的各部分向外延伸，并且可任选地沿相同装置的包封物呈现不同的截面积、图案、或几何形状。翅片可形成为包封物的整体部分(例如具有翅片的挤制包封物)或者作为单独翅片部件而连接到一部分的包封物表面。
[0037]图6示出了经过热电发电器的一个实施例的侧面的剖视图，图中显示了在包封物内部的内部部件以及从包封物的上表面和下表面向外延伸的翅片55。图6示出了在由点线所代表的水平平面周围大体上对称的几何形状(在图6中，为了内构件的可见性，将大部分的底部翅片隐藏)。
[0038]包封物51容纳用于发电的部件，包括两层的热电器件63，各热电器件被设置在冷却剂热交换部64的两个相对侧上。利用流动经过通道65 (例如，延伸入和延伸出且垂直于剖视图的平面的通道)的冷却剂流体使冷却剂热交换部64冷却，并且相应地使热电层63的冷侧部冷却。
[0039]如附图中所示，这个结构导致在贯穿冷却剂热交换器的中心的水平平面周围的明显的对称性。该对称性提供相对简单和紧凑的结构并且也在维持装置的平的界面组装中发挥作用，例如通过显著地减小由于因热膨胀造成的机械应力所导致的不平整效应，会由于穿越位于这种紧凑结构内部的组件(从热的包封物到冷的热交换器)的大温度梯度而出现该不平整效应，如下面进一步描述。
[0040]包封物还包括片61 (或板)，在一些实施例中，这些片可将在内部结构相对侧上的内部部件夹在一起并且包括这些内部部件，从而在部件的界面处形成接触压力。热电层63界面的热侧部可以例如与包封物片61热联接。如图中进一步示出，可提供周围空间67，包封物片61在该周围空间上方延伸或悬突，该包封物片61被侧壁62包围。在一些实施例中，该侧壁62跨越上和下片61之间的距离。该侧壁可与与包封物51的一个或多个片(例如挤制、冲压、拉伸的片)接触，可附接到(例如，附着、连接、紧固、夹紧、焊接、钎焊)该片，或者与该片形成为整体。
[0041]侧壁的各种实施例可取决于所采用包封物的类型(如下面所描述)。在一些实施例中，空间67容纳将内件与周向隔离(例如，辐射屏障、绝缘等)并且/或者补充所使用包封物的类型(如下面进一步的论述)的其他部件。
[0042]内部部件的总体布置示于图7和图8中，并且可存在于包封物51的内部(在这些附图中显示该包封物是透明的，因此可看见内部部件)。一旦冷却剂流体经过进口 52进入包封物，进口集管66将冷却剂流体引导进入在冷却剂热交换部64内部的通道65。冷却剂流体促进远离热交换部64的热传递(例如，通过对流)，该热交换部64与包围热交换部64的上和下表面的热电层63接触，从而导致下表面与下表面之间的热连通。冷却剂流体流动进入出口集管67中，从而形成经过TEG的逆流热交换，其中在包封物上方的热流体在相反的方向上流动。应当理解的是，必要时也可在相反的方向上引导冷却剂流。然后，将冷却剂从出口集管67引导至出口管68，该出口管68最终在出口 53处将冷却剂流体从包封物中排出。
[0043]该总体结构提供基本形式，该基本形式可适合于提供紧凑结构，该紧凑结构能够改进在大范围的流动条件(例如温度、流体类型、流体流率)下的热电性能同时是相对地简单、多用途的，并且潜在地对于许多用途而言是具有成本效益的。
[0044]在各种实施例中，在真空下将包封物密闭地密封，其片61与热电层63的热侧表面一致并且挤压抵靠在该热侧表面上。包封物的片61可形成与包封物片的各个内表面的热界面(例如，热连通)并且通常沿各个内表面滑动。在一些实施例中，一般来说，热电层可保持与一致包封物分离的状态。
[0045]沿热电层和包封物片的各个界面的压缩及所产生的接触压力可来自于在包封物上片和下片上所提供的真空施加压差。因此，包封物外部的压力(例如大气压力)可大于包封物内部的压力(例如次大气压、真空)。在这种布置中，可实现沿界面的相对均等且均匀的接触压力分布，即使热电层的表面不是绝对地平，因为包封物片是足够薄以便弹性地弯曲，并且在一些情况下，在不发生屈服下伸展。这种弹性允许片与热电层的热侧表面一致。虽然对于一些实施例而言，热电层的冷侧表面机械联接到热交换器，但应当理解的是，并非每个实施例要求这种构造。在此情况下，真空施加压力分布也可用于将热电装置的内部部件压缩并夹到一起，从而在其它部件界面处提供用于热传递的合适的热界面接触压力。
[0046]一致性也使包封物能够在大范围的装置操作中装置的热界面调节并继续传递良好分布的压缩压力。包封物相对于在其周围设置壳的体热电层滑动和/或物理地与热电层一致的能力允许对热膨胀相应进行动态补偿，甚至在极高的温度下，该温度可包括高达700 °C或更高的温度。
[0047]因此，一致的包封物在真空下例如提供在相对苛刻条件下满足挑战性要求的简单方法，从而实现有效热界面同时也避开常规的体积庞大的压缩或紧固机构的使用；这种机构会需要如下结构:相对较厚且体积庞大的，以便它们的紧固机构(即螺栓、弹簧等)可以适当地传递力(经常过大的，但通常是存在的)从而以相对均匀的方式将压力分布到界面接触区域。结果，这些常规方法获得不是非常紧凑或重量轻的系统。
[0048]虽然包封物可包括任何的合适材料，但在一些实施例中，包封物包括片，该片是足够薄以便仍然在没有屈服的情况下发生弹性弯曲，从而允许这些片与例如热电层的表面一致。可采用多种包封物材料，例如从塑料到金属。薄板可包含一个或多个金属，因为许多金属具有高达限值(例如屈服点)的弹性性能。
[0049]如本文中所描述，弹性是材料在经受机械应力(例如，弯曲、拉伸)后恢复到其原来形状的能力。此外，实现包封物一致性的片的薄度也可减小经过包封物的总体传导路径(例如热阻)。这个经过包封物板传导热的增加的能力可提高给定材料的包封物的热性能，并且/或者使可具有相对较低的导热性，但仍然具有用于适当用途的合适性能(例如，较高的屈服强度、耐腐蚀性等)的替代材料的使用成为可能。用于包封物和/或翅片的耐腐蚀材料可优选地用于涉及到腐蚀性和氧化性流体(如发动机排气流)的高温用途。下面进一步提供对材料选择和制造能力和装配的描述。
[0050]附接到包封物的任何翅片可被设计成不过度地限制包封物一致性。图9中所示翅片布置的一个这种实施例包括连接到包封物片61的一些翅片条。在各种实施例中，翅片条可包括成型为看上去是波形形状的材料条，如从空气进口向翅片看(即，正方形、矩形、正弦形等，或者这些形状的组合)。这种布置也可具有百页窗或者其它切割或加入翅片条中的流动增强件。
[0051]图9中所示出的布置是相对较高的矩形方形形式，并且具有较短的翅片间距(每英寸的翅片)，如附图中所示。该翅片布置包括重复排的单独的条形翅片55，这些翅片也呈现相对较短的流动长度(在流体流动的方向上)，其中在各排的翅片条之间存在合适量的空间(即翅片间的间距)，因此当热交换器(例如一致包封物)与表面一致时单独的翅片条将不相互干扰。
[0052]在某些实施例中，单独翅片条的流动长度不应过长，否则将为热交换器(例如，一致包封物)增加比期望的更多的刚度，从而使在该区域中的其一致性无效。在许多实施例中，0.51〃的最大流动长度可用作经验法则。这种翅片布置允许片合理地弯曲或者在任意方向上(包括是侧向、纵向的平面、以及在在这些方向之间的方向)一致。该柔性允许具有翅片增强的件的包封物片与面向外的热电层的大体上不完全平的表面一致。
[0053]可适用于一致热交换器的翅片类型的其它实施例包括针翅片，并且将单独翅片连接入片中(或者翅片与基部一起成型)。例如，图10概念地示出了当它们由于因由从热电偶热侧(顶部)到冷侧(底部)的热流所提供的经过热电偶的大温度梯度所造成的热膨胀因而经历显著的偏转时与在侧面中的热电层表面一致的包封物，通过显示两个热电偶(单一化的热电偶)。(图10中的偏转被视觉地扩大和放大，以便视觉感知)。在一些情况下，这种热膨胀导致分段的陶瓷件不平地弯曲，例如大约0.001"。如图中概念地示出，一致的片61(具有翅片布置55)能够与单一化的陶瓷件5的非平表面轮廓大体上一致。当然，没有翅片的片可与具有翅片的片一样或者更好地一致；然而，翅片可被设计成不过度地限制包封物一致性。
[0054]另一个翅片实施例可使用多个金属或陶瓷片，其中各翅片可以是相对地较窄和较高，以便附接到一致包封物并且被布置进入阵列，类似于上述的翅片阵列。就陶瓷片阵列而言，在一些实施例中，可将片金属化以便附接到金属包封物。这种片阵列可用于后处理装置(即，催化转化器、柴油机微粒过滤器)。因此，本实施例可用作也产生热电功率的后处理
目.ο
[0055]为了进一步增强热电层与包封物片之间的热界面的有效性，可在热电层与片之间插入热界面材料(在附图中未示出)。例如，热界面材料可包括一致的石墨箔、铜箔、碳纳米管垫块和/或相关材料、油脂等，并且可将该热界面材料在单一化陶瓷件5与包封物片61之间插入。
[0056]如图6中所示，装置结构导致在经过冷却剂热交换器中心的水平平面周围的显著对称。该对称性不仅提供简单且紧凑的结构，而且减小部件的不平整效应。不平整部件可包括畸变或偏转，包括不再相互平齐或平行的表面部件，或者当一个或多个部件相对于其它部件突出或凸出时，将会由于由经过在这种紧凑结构内部的组件(例如，从热的包封物到冷的热交换器)的显著温度梯度所造成的热膨胀效应所导致的机械应力而产生不平整。因此，这种对称性进一步导致各部件的有效地平的界面组装。
[0057]在各种实施例中，热电层63可相对于包封物51移动(例如，滑动)。在一些实施例中，热交换器(例如热交换部64、进口 /出口集管66/67和引导管68)可相对于包封物移动(例如滑动)，并且如图6的截面中所示，一部分的热交换器也与包封物间隔。然而，如图7_图8中进一步所示，热交换器的其它部分并不与包封物间隔。例如，分别在冷却剂进口52和出口 53处引导进口 66和出口 68冷却剂流体经过包封物侧壁62的管穿过包封物的开口，以便实现经过该管的合适的冷却剂循环。
[0058]在包封物、热电层和热交换器之间的相对可移动性允许在热膨胀和收缩期间的充分的自由度，从而避免或减小部件之间的机械应力。例如，热的包封物(或热的热交换器)能够自由地膨胀并且沿热电层滑动，这些热电层存在于较冷的热交换器上。附接到包封物侧壁62、63的各个区域的进口管66与出口管68可近距离地连接，这仍然允许包封物热移动并且自由地膨胀。此外，这些附接可位于其中包封物和流体温度为较冷的装置的下游位置(相对于热流体流动)。
[0059]在平面方向上(S卩，相对于图11中所示的截面为水平的)，如图11中所示，大体上沿包封物片61的大表面延伸的包封物片61构造成当温度相对于热交换器和热电层63升高时发生热膨胀(如虚线箭头所表示)，并且实际上片61能够在热电层63上方移动和滑动，这些热电