可逆热电循环中热和功转换的方法和热电转换器的制作方法

专利名称：可逆热电循环中热和功转换的方法和热电转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电现象，包括但不限于热电过程中的电能产生和转换的方 法，并可用于热转换成电功以及相反过程的可逆循环热电转换，例如，用 于半导体结构中的依靠热电加热、冷却等的两个热源之一的电能的过程， 其中执行电子气体形式的工质的热电循环可逆转换。
背景技术：
如果热力学过程的机械功是这个热力学过程的特性的函数，则热电过 程的电功是电荷(或电量)的输运功，并且在电路中实现。该功等于电场
强度与所输运的电量的乘积，电荷(或电子气体的电荷的张力(tension)) 在所述电场中实现。就热力学过程中的分子气体形式的工质而言，与电荷 载流子有关的温度和熵具有相同的意义。当过多的能量可以以电磁辐射的 量子的形式排放时，电子气体的功通过以下而获得它的热效应、它的电 效应、以及电荷载流子的复合、即电子和空穴的复合的不可逆过程。
热转换成电荷载流子的电功的热电转换方法是已知的，其利用电子气 体的环形循环(circular cycle),基于电场和温度梯度同时存在时的热和 电过程的相互关系，还基于在电子通量对具有电子和空穴电导率的半导体 的原子的影响过程中的热输运。所述方法在于使用热能来实现热电偶的闭 合电路中的电流载流子(电子和空穴)沿与电场相反的方向的输运功。
实现电能的直接获得的功是以在高温和低温两个源的热转换的可逆 广义热电循环中的高温和低温热源的能量为代价，所述循环包括一些电量 通过热电偶的接触的等温过程的两段。此外，该功也在两个闭合的等距离 热过程的段实现，其由通过热电偶的半导体元件的电流的运动所导致的电 量的变化来表征。
因为任何已知的热电循环可以表示为基本卡诺循环的和，任何已知循 环的热效率不能超过卡诺循环的热效率。卡诺循环i殳定了工作于两个热源 的两个给定温度水平之间的任何半导体热电转换器的热电效率的极限。
在热转换成电功的正循环中，热电发电器的输出端子处的最大可能电 功由所供给的热的热电有效能决定，即由环境温度下电子气体从它的初始 状态到无效能(不能转换成功)状态的最大功决定。在理想的正可逆卡诺 循环中，所供给的热的有效能与包含于所述热中的无效能是分开的。以电 子气体的有用电功的形式抽取热的有效能，而热的无效能以废热的形式排 入环境。
在T.塞贝克的直接热电效应中，热电运动力(thermo-emf)产生于 电路中，该电路包括串联连接(利用金属横构件)的非均质导体或半导体 偶。那些导体或半导体之间的接头保持不同的温度。如果接头被加热，则 电子从n型半导体迁移进入冷却的接头，进入金属，而空穴通过p型半导 体向凉接头迁移。在此过程中，热被抽取，电荷载流子的熵增加。在此过 程中，发生热的抽取和电荷载流子熵的增加。thermo-emf与接头上的温 差和塞贝克系数的乘积成比例，塞贝克系数取决于温度和电荷载流子的密 度以及导体的物理特性，并且对于具有空穴和电子电导率的半导体达到其 最大值。
如果沿着导体有温差，即，在导体的较暖的部分，电流载流子的平均 能量变得比较冷的部分高，则发生W.汤姆逊(开尔文)效应所谓的汤 姆逊热在导体内随电流排放，该电流由汤姆逊系数来表征，相对于通过导 体的电流和温度梯度不均匀。当温度梯度和电流的方向从相同变成相反 时，汤姆逊系数改变其符号。
询尔帖和汤姆逊效应设定了在电流流过接头的过程中通过接头抽取 到半导体中的总热量。
在逆过程中，在电流流过两个不同导体的接头的过程中发生P.珀尔帖 的热电效应除了电流方向相同时的焦耳热或电流方向相反时所抽取的 热，还有所谓的珀尔帖热在热接头(thermojunction)排放。和与电流强 度的平方成比例且总是在导体中排放的焦耳热相比，珀尔帖热与电流强度 的一次和珀尔帖系数成比例，珀尔帖系数为温度的函数。珀尔帖热的符号 取决于接头中的电流的方向。如果电路中的电流方向使得具有较低能量的 电子从相邻原子"抽取"热并将其输运到电路的另一个部分，则一个接头 被冷却而另 一个才妄头纟皮加热。
在热泵的加热循环中，逆过程中的电功转换成热的热电转换方法是已 知的。保持在高于环境温度的温度的热的接头将包含以下两个组合分量的
热释放到加热的体积作为必要的电功所供给的有效能和作为来自环境的 热而抽取的无效能。由热的热接头所排放的热量超过由冷的热接头所抽取 的热量。这个差等于来自外部源的所使用的能量。如果热接头的温度不同， 则这个能量用来实现保持电流沿着与电路中出现的电势差的方向相反的 方向的功(才艮据塞贝克效应)(Seebeck, T丄，1822， Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperaturdifferenz, Abhand. Deut. Akad. Wiss. Berlin, 265-373 )。
而且，如果必要的有效能的量以电功的形式供给到冷却体，则在冷却 循环中，在逆过程中使用的电功的热电转换方法是已知的，其中所述电功 的量等于应该从冷却的体积去除并传给环境的无效能流。在热电冷却循环 中，电荷载流子流伴随有热流，电子气体起冷却剂的作用，能量从较凉的 热接头到较热的热接头(Peltier, J.C., 1834， Nouvelles experiences sur la caloriecete des courans electriques. Ann.. Chem.; LVI, 371-387 )。
所有已知的基于常规热电循环的热和功的转换方法由于概念上不可 避免的热损^<而具有有限的热电效率，所述热损耗出现在A^工质-电子气 体去除热的某一部分的过程中，借助于这个过程，热供给剂(heat supplying agent)的熵的减小得到补偿。实际上，由于该过程的不可逆性， 即使;最高效率的热转换器(thermotransformer)中，因为大的热损耗， 有用功甚至达不到最大可能值的五分之一。
最接近所提出的方法的技术方案是基于半导体结构中的热电循环的 热功转换方法(loffe. A.F" 1957， Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling, Infosearch, London )。在已知的正循环中，来自 热供给剂的热进入该循环，并在电荷载流子的熵增加的;^文热过程中部分地 转变成有用的电功。之后，放出汤姆逊热，并且发生第二源的温度处的电 子气体电荷的熵减少的等温过程，其冷却具有金属横构件的半导体的热接 头，在其过程中，废热形式的热从循环中散发到热抽取器(低温循环)例 如环境中，此时发生热的热有效能的劣化，这是循环效率的降低的主要原 因。供给到所述循环的热的部分被释放给热接收剂，其补偿正循环中的热 供给剂的减少的熵，与热供给剂和热去除剂的温度之比成比例。在可逆热 交换的过程中，热去除剂和供给剂的熵的改变相等且符号相反。
由于以下事实，所有已知的循环的热电效率不足废有效能从系统中 排出，由此降低了它们的热效率和有效能的效率。
这样，需要一种方法和/或处理系统，为上述问题提供更有效的方案。 具体地，需要提供一种在热电循环中更有效地转换热和功的方法。

发明内容
根据本发明，如在此所实施和广泛描述的，符合本发明原理的方法和 系统用于在热电循环中转换热和功，其中电子气体的电荷栽流子循环经历
至少第一和第二热源，其特征在于热在循环的单元之间交换，所述单元 表示热电循环的热力学表示的相邻段。其中的术语"电子气体"泛指由金属 或p型半导体的n型所提供的电子和"空穴，，。术语"热源"泛指热源和热沉， 不考虑它们是绝热的还是等温的。术语"热力学表示，，泛指所有已知的热力 学图，特别是TS-和el-曲线。
根据本发明的方法和它的实施例对于解决以下问题是有用的通过所 修改的热力学循环提高热和功转换的热电效率，其超出了卡诺循环的极 限。这通过以下实现和已知的循环相比，改变有效能节省(即节省能量 载流子的有效能)和无效能闭合(即没有热损耗的那些)再生可逆热电循 环中的热交换结构，所述循环满足热力学第一和第二定律的要求，由用于 利用两个热源的温度水平之间的电子气体形式的工质的系统的广义热力 学定律来公式化，但没有热损，并且没有第二源的热(熵)劣化，由此提 供高于卡诺循环的热电效率。
如在此所实施和广泛描述的，根据本发明的另一方面，符合本发明原 理的方法和系统提供一种根椐权利要求13的热电转换器。
可以通过本发明的实践了解。目'的和优,存々会通过所附权利要^中特别指^ 的要素和组合来实现和达到。本发明的实施例在详述部分和所附从属权利 要求中公开。
可以理解，前面的概述和以下的详述只是示例性的和说明性的，对本 发明和它的实施例不是限制性的。
附图简述
并入本说明书并构成其一部分的


了本发明的实施例的示例,
并结合所述描述，解释了本发明的原理。在附图中
图1示例性地表示一个电路的框图，其描述热电有效能节省过程中的 热和功转换的方法的本质。
图2示例性地表示解释热转换成功的热力学转换的性质的图。该热力 学图以TS曲线解释在正常(正)类型(顺时针方向实现)的热电正有效 能节省循环a-b-c-d中热转换成功的方法的本质，其中T是温度，S是熵。
图3示例性地表示有效能图，其以ei曲线解释在正常类型的热电正 有效能节省循环a-b-c-d中热转换成功的方法的本质，其中e是有效能，i 是焓。
图4示例性地表示热图，其以TS曲线解释在非正常类型(逆时针方 向实现)的热电正、可逆有效能节省循环a-b-c-d中热和功转换的方法的 本质，其中T是温度，S是熵。
图5示例性地表示有效能图，其以ei曲线解释在非正常类型的热电 正有效能节省循环a-b-c-d中热转换成功的方法的本质，其中e是有效能， i是焓。
图6示例性地表示热图，其以TS曲线解释在正常类型的热电加热有 效能节省循环a-b-c-d中功转换成热的方法的本质，其中T是温度，S是 熵。
图7示例性地表示有效能图，其以ei曲线解释在正常类型的热电加 热有效能节省循环a-b-c-d中功转换成热的方法的本质，其中e是有效能， i是焓。
图8示例性地表示热图，其以TS曲线解释在非正常类型的热电加热 有效能节省循环a-b-c-d中功转换成热的方法的本质，其中T是温度，S
图9示例性地表示有效能图，其以ei曲线解释在非正常类型的热电 加热有效能节省循环a-b-c-d中功转换成热的方法的本质，其中e是有效 能，i是焓。
图10示例性地通过框图表示正有效能节省热电转换器的设计示例， 其可用来将环境的热转变成电能，且反之亦然。
详述
现在将通过基于热力学蒸汽循环过程解释本发明来详细参考本发明 的原理，其示例在附图中说明。这里所提到的示例的目的是解释本发明， 并不以任何形式限制本发明。
方法实现，所述过程可以是半导体结构中的电子气体的电荷载流子的热和 功的可逆循环转换。在电子气体至少与两个热源的相互作用以及热电系统 的边界处的热交换的过程中，珀尔帖和汤姆逊热的有效能的交换，可以在 周期性过程中、第一热源的极限等熵线之间的系统边界实现，所述周期性 过程由电子气体的非周期性完全热功转换形成，其中电子气体通过第二热 源以循环方式变换到它的初始状态，结果为电子气体在所述系统内的非互 逆变换的不同段的热有效能的理想再生以及在第二热源的温度场中它的 熵的不可逆增加。
因此，在满足非互逆变换过程中电子气体的有效能的平衡时，可以实 现汤姆逊热的理想再生，而笫 一源的熵的变化可以在恒定温度和电场强度
(电势)、在工质的熵的永久-循环变化的不可逆过程中得到补偿，而没 有与第二源的热交换以及没有由电子气体所实现的电功。
因此， 一个优选实施例的特征在于在处于恒定势能值以及恒定电子 气体电荷值的循环段进行热交换。热交换可以是汤姆逊热的热有效能的再 生热交换。
另 一优选实施例的特征在于循环内的汤姆逊热的热有效能的热交换 段由热交换的等有效能过程段闭合。热交换段可以是汤姆逊热的热有效能 的再生热交换段。热交换的等有效能过程可以是具有热的恒定热有效能的 多方过程。
另 一优选实施例的特征在于循环内的汤姆逊热的热有效能的热交换 段由具有恒定势能值、具有恒定电子气体电荷值、或具有等温和等熵过程 的段的组合来闭合。
另 一优选实施例包括相对于热力学表示顺时针方向实现正循环，其中 热从第一热源供给到电子气体，由此，电子气体的熵增加以及电子气体从 第一热源抽取热的等温过程的温度被设为高于在第二源的温度场中的电 子气体的热无效能状态的温度。其中的术语"正循环"指的是将热转换成电
功的过程。
另 一个实施例包括相对于热力学表示逆时针方向实现正循环，其中热 从第一热源供给到电子气体，由此，电子气体的熵增以及电子气体从第一 热源抽取热的等温过程的温度被设为低于在第二源的温度场中的电子气 体的热无效能状态的温度。
另一优选实施例包括相对于热力学表示逆时针方向实现逆循环，其中 将电子气体的热传到被加热的环境以及电子气体的熵减的等温过程的温 度被设为高于在第一源的温度场中的电子气体的热无效能状态的温度。其 中的术语"逆循环"指的是电功转换成热的过程。
另一优选实施例包括相对于热力学表示顺时针方向实现逆循环，其 中将电子气体的热传到被加热的环境以及电子气体的熵减的等温过程的 温度被设为低于在第二源的温度场中的电子气体的热无效能状态的温度。
另一优选实施例的特征在于环境用作第一热源，低温局部绝热源用 作第二源。此外，正有效能节省循环的电功的某一部分可被用于附加的冷 却循环，该循环可以利用在第二源的温度场中的热抽取的等温过程实现。
进一步优选的实施例特征在于环境用作第一热源，高温局部绝热源 用作第二源。此外，正有效能节省循环的电功的某一部分可#:用于附加的 加热循环，该循环可以利用在第二源的温度场中的放热的等温过程实现。
此外，发生以电磁辐射的量子形式的电子和空穴的复合的不可逆过程。
另一优选实施例是特征在于电功利用电功形式的连续去除和恢复而 在绝热系统中供给和积蓄。
另 一优选实施例的特征在于热做功的能力的尺度根据表达式 ^W"&建立，其中，^是循环中温度变化的比率，^是循环中电子气体 的势能变化的比率。为了这个变化，使用来自第一热源的热，供给到正有 效能节省循环的电子气体的等温过程。第二源的温度场中的工质的温度 (处于无效能状态)固定。有效能节省循环可以实现，温度和电子气体势 能的变化的程度(比率)可以测量，并且热做功的能力可以确定。
此外，本发明的主题是用于执行上述方法的热电转换器，包括至少一 个具有电子和空穴电导率的半导体偶、金属接头、半导体与金属横构件的 冷却和加热热接头，其特征在于所述偶或每个偶中的一个半导体以在排
放汤姆逊热的过程中具有恒定电子气体势能的单元的形式实施，而所述偶 或每个偶中的第二半导体以在汤姆逊热的过程中具有恒定电子气体电荷 的单元的形式实施。在两个半导体之间，放置热交换器，优选地具有汤姆 逊热的热有效能的理想再生，同时满足电子气体在它通过半导体的非互逆 变换的过程中的热有效能的平衡。它们之间的金属横构件可以以具有用于 熵补偿的单元的绝热系统的形式实施。
热电转换器的一个优选实施例的特征在于热交换器以热管或多孔陶 瓷的形式实施。
在另一优选实施例中，热电转换器包括用于熵补偿的单元。该单元可 以以绝热热源中的超导横构件的形式实施，或以一单元的形式实施，该单 元在恒定的电势、温度、焓为电子气体的积蓄不可逆地腾出一些体积，无 需传导功并且无需在恒定电荷下释放电子气体。
在热电转换器的另 一优选实施例中，附加热电转换器连接到所述热转 换器。附加热转换器可以放进所述热转换器中，利用有效能节省循环和熵 补偿的绝热系统，放进绝热源中。这个附加热转换器的金属横构件可以位 于绝热源中。附加热转换器可以有利地与主热转换器电连接。
在热电转换器的另一优选实施例中，电子气体的温度的等熵转换器与 所述半导体中的一个串联连接。等熵转换器可以有利地在有效能循环内放 置在热转换器中。举一个非限制性的例子，它可以按美国专利申请 2003/0072351Al实现。
现在将通过基于热电过程的解释来更加详细地参考本发明的原理及 其实施例，其示例在附图中说明。这里所提到的示例仅仅用于解释的目的， 并不以任何形式限制本发明。
所提出的热电有效能节省过程中的热和功转换方法可以按以下方式 实现图1中示出一个电路，其包括至少一个不同导体的金属输出接触4、 5及n型2和p型3的半导体的偶，串联连接并由传导元件(线)1分离， 放置于绝热积蓄热源7中。导体1和绝热源7用来补偿热供给剂的熵。接 触4、 5与半导体2、 3的金属热接头和导体1的热接头具有不同的温度， 因为接触4、 5具有温度T3的热供给剂，其为高温源(例如，环境)，而 导体1位于具有低温T1 (例如，用于顺时针方向实现的正常正循环的液 化氮)或高温(例如，用于逆时针方向实现的非正常正循环的熔化的盐) 的载体的绝热壳7内。在导体4和半导体3之间，安装有电子气体6的温
度的等熵转换器。在半导体2和3之间，借助于热交换器8，建立了针对 汤姆逊热的有效能的理想再生的条件，同时满足在汤姆逊热从半导体2 非互逆地传到半导体3的过程中电子气体的有效能的平衡。
在加热热接头4、 6和2、 5的过程中，电子通过n型半导体向冷却的 接头3、 l迁移，而空穴通过p型半导体向凉接头2、 l迁移。在此过程中， 珀尔帖热被抽取，电荷载流子的熵增加。在接触4、 5上，产生thermo-emf, 其与所述热接头上的温度差和塞贝克系数的乘积成比例。
沿着所述半导体的温度差使得半导体2的较暖部分中的电流载流子 的平均能量比较凉部分大，汤姆逊热在半导体2中随电流排放，半导体3 中的汤姆逊热4皮抽取。珀尔帖和汤姆逊效应确定在电流通过的过程中通过 热接头带到半导体的总热量。
当来自外部源的电流通过热电转换器时，珀尔帖热在热接头上排放。 处于比环境温度高的温度的热的热接头将包括以下两种分量的热给予所 加热的物体以必要的电功的形式所供给的有效能，和以来自环境凉接头 的热的形式所抽取的无效能。由较暖的热接头所排放的热量，超过由较凉 的热接头所抽取的热量一个值，该值为来自所使用的外部源的电能的值。 如果热接头的温度不同，则这个能量用来实现电流载流子沿着与电势差相 反的方向的输运功，所述电势根据塞贝克定律产生于所述电路中(Seebeck, T.J" 1822, Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperaturdifferenz， Abhand. Deut. Akad. Wiss. Berlin, 265-373 )。
作为没有任何保留的能量转换方法，热力学第 一定律论述了热和功的 等价性。热力学第二定律并不禁止一个源的热完全转换为功的可能性，如 果在这些过程中还实现了一些其它的变化。例如，在电子气体的热转换成 功的完全可逆转换的非周期性等温热电过程中，电子气体的电荷发生改 变。
在热转变成功的正循环过程中，高温源的热应该供给到热的热接头 (如笫一定律所要求的)。此外，所述热应该从冷的热接头抽取到低温源 (如第二定律所要求的)，同时发生补偿的熵生成。
热力学第二定律适用于热电效应，电能具有零熵，但其转变成热能的 过程是不可逆的，因为同时发生了由于在导体和芯中排放焦耳热而导致的 熵增的过程。
在电子气体的环形循环中，如果热电偶电路是闭合的并且产生并保持 了恒定温差，则三种热电效应就同时发生，而珀尔帖、汤姆逊和塞贝克系 数之间的关系由开尔文关系设定。根据热力学第一定律，如果通过给定的 电荷量，则在由热电运动力所执行的环形循环中的电子气体的功由所供给 的热量和所抽取的热量的差确定。
针对包括经历任何变化的所有体的孤立系统的热力学第 一和笫二定 律是分离的，因为它们以可逆等式和不可逆不等式的形式对应地公式化。
仅通过以下，它们可以统一成广义热力学定律确定两个热源的系统中的 一个源的热和功的完全可逆循环转换、但没有所述环形循环中的第二源的 熵劣化的条件。
源实现一^源的、热^换成功的可逆完全循环转换、但没有样本循环中的第 二源的熵劣化的可能性和条件。
对于在电子气体的环形循环中的电子气体电荷载流子的热和功的可 逆热电转换，如能量转换方法所示，所述一个源的热和电子气体电荷载流 子的功是等价的，并且在循环过程中是完全可逆的，该循环过程由电荷载 流子的非周期性完全热功转换形成，借助了电子气体通过第二热源变换到 初始状态的循环变换，结果是非互逆转换的热有效能的理想再生以及电子 气体在无热交换及由电子气体传导的功时在恒定温度和电场强度下的熵 的不可逆增加。
由此实现了根据所述方法的可逆有效能节省的热功转换。实现所述循 环的有效能节省(即，节省能量载体的有效能)或没有无效能损耗(即， 在理想循环中没有废热)伴随着高温热源-热供给剂的熵的专门补偿变 化。根据所述广义定律，三个物理相对量(physical antipode)-熵、有 效能和无效能的相互作用彻底改变了热交换的结构，并且主要提高了再生 热电循环中的可逆热功转换方法的效率，所述循环在两个热源的温度水平 之间实现，利用电子气体形式的工质，没有从一个热源到另一个热源的热 的部分有效能的传输，并且没有另一个源的熵劣化。
在正常类型的正有效能节省热电循环a-b-c-d的图2中，在等温(AT -O)过程a-b中热到功的转换以TS曲线示出。在这一过程中，在等熵线 S2和S3段，热QT1等于珀尔帖和汤姆逊热之和，其由热接头5、 2及4、 6抽取并完全转换成电子气体的热电有效能。热供给剂-高温T3的源(例
如环境)的熵减小，等于珀尔帖和汤姆逊热之和的热在等温过程b-C被给
予热接头5、 2及4、 6。在此过程中，所供给的热的有效能完全转换成电 荷载流子的功，其伴随有电荷的增加和电场强度的增加。在热的相互作用 中，通过系统的限制所传输的熵被交换。因此，如果热供给剂的熵减小， 则电子气体的熵及其电荷增加。在与热供给剂的热交换段，熵的变化相等 且符号相反。
利用在非互逆变换2-8-3 (图1中)、c-d (图2中)和3-8-2 (图1中)、 d-a或a，-b (图2中)中的汤姆逊热QRG的热有效能的完全理想再生， 同时满足有效能的平衡，实现了返回到初始状态。汤姆逊热QRG形式的 电子气体的热有效能以非互逆方式在所述循环内再生，即在相反(不相似) 段2-8-3 (图1中)、部分c-d (在图2的图中)和3-8-2 (图1中)、部分 d-a或a，-b(在图2的图中)。在循环的过程中，在穿过第二源的绝热壳7 的限制之前，汤姆逊热QRG形式的电子气体的热有效能从电子气体自 身分离，并通过实施为例如热管的热交换器8供给到半导体3。热供给剂 的温度-汤姆逊热的温度-在段2-8-3 (图1中)、部分c-d (图2中)、在 释放汤姆逊热的过程中以恒定电势(电场强度)和电荷减少、沿着半导体 2减小到低温Tl的载流子温度。
在温度从T3减小到Tl时从等势或等张(isotonic)段(具有恒定的 强度，AE = 0) c-d段抽取的电子气体的汤姆逊热QRG的热有效能应该 等于在等密度(具有恒定电荷密度，Aq = 0)段d-a的汤姆逊热的热有效 能，其是将电子气体的温度从T1增加到T2所需要的。
可以示出，如果以下条件满足，则
tf t; t， r,,或盯ri站o-55 "V^-cfr'nnv(a,—
其中k是由半导体特性所确定的系数；盯"战'。""^。"对应地是在等压和等 密度过程中温度变化的程度(比率)。
所述公式使我们能够基于以下过程中的已知值Tl和T3来计算T2， 在图2所示的正常正有效能节省循环a-b-c-d的相邻段的再生过程及图4 所示的非正常正有效能节省循环a，-b-c-d的相反,殳的再生过程。
在已知的正(非广义)卡诺循环中，在热的两条极限等熵线之间，发 生热转变成功(主要过程)和返回到初始状态(辅助、补偿过程)两者，
其中热移到冷却器。在有效能节省循环中，在热的两条极限等熵线Sl、 S2之间，仅仅发生抽取所供给的热及改变电荷载流子的主要过程，而返 回到初始状态的辅助过^f呈在如下情况下进行传递到等熵线Sl (在图2 的正常循环a-b-c-d中，在循环的相邻段的汤姆逊热的再生，或图4的 a，-b-c-d中，在相反#更的再生)或S3 (在非正常循环1-2-5-6中，在循环 的相反段的汤姆逊热的再生，或在l-2-5，-6中，在相邻段的再生)，其位 于所转换的热的极限等熵线之外，在低温(在正常循环中)或高温(在非 正常循环中)的第二源7的温度场的条件下，对于电子气体的有效能是闭 合的。在热有效能的状态实现电子气体通过第二源7,没有与它进行热交 换，并且没有传导功。
由借助于没有传导功的电子气体的无效能的体积变化进行熵补偿的 系统l，例如横构件或横条(cross-strap),来执行补偿熵的过程。电子气 体的无效能流被导入系统l,以便实现熵补偿过程。在通过系统l且完成 热供给剂的熵补偿过程之后，电子气体在通过半导体3的过程中，完全吸 收所供给的汤姆逊热的热有效能，并提高它的温度和熵，代价是由于电子 气体载流子与再生器的相同部分以逆序的热接触而产生的汤姆逊热，但却 以非互逆方式，例如，在恒定电荷的条件下，由于在恒定场强和恒定电荷 下针对p和n型材料的塞贝克系数的差而向着较低的温度和熵。再生过程 在满足有效能平衡时实现，即，理想地没有有效能损耗，可以是完全可逆 的并且完全独立于源。
环境的热在环境温度、在热的热接头上被供给到接触板4、 5。冷的 热接头2、 l和3、 l可以例如保持在源7的液化氮的温度。当发电器电路 闭合且电流通过时，产生以下三种热电效应塞贝克、珀尔帖、汤姆逊， 并且可以通过为横构件1选择合适的材料，在液化氮温度在低温接头1 中建立超导效应。当环境热供给到金属接触板5、 4且p-n结的超导横构 件1被冷却时，仇ermo-emf在半导体偶上产生(塞贝克效应)。汤姆逊热 通过再生热交换器8在半导体2、 3之间交换，同时满足热有效能平衡， 以便使得在每个半导体的温度梯度场中的相同温度下，电荷载流子(电子 和空穴)在返回到初始状态的段的熵值不同。这通过以下而实现选择半 导体2、 3的thermo-emf系数的合适值，以及再生过程的不同条件-在恒 定电场强度和恒定电量的条件下。功的某一部分可用于在a-b段返回到初 始状态的过程，以便通过电子气体的温度从T2绝热增加到T3 (图2)的 单元6将电势提高到初始状态。
电流通过绝热源7中的超导横构件1不伴有电子耗散、热的排放以及 积蓄低温9源7的熵劣化。如果在半导体2、 3的两端存在温度梯度，贝'J 发生劣化，原因是由于它们的热传导，蓄热器7抽取从半导体的热端传输 到冷端的热。此外，由于绝热壳7的不完善的隔热，热渗透到源7中。
热转换器和它的电子气体在环形循环中可以实现何种变化？这些由 可逆循环过程中的熵守恒定律确定。在实现可逆循环后，转换器没有任何 结果地返回到初始状态。可逆过程在这种情况下相当于该过程不存在。因 此循环机器和它的电子气体在整个循环中的熵保持不变，这相当于在所述 机器中没有任何变化。
因为上述可逆循环过程中的熵守恒定律也适用于整个系统，作为整体 考虑，考虑到所有体，熵应该被提高，以便封闭系统的熵平衡。有效能节 省热电循环中的不可逆熵变的补偿过程，不是通过象在卡诺循环中将电子 气体的热释放到热接收剂，而是通过改变在将电子气体的热有效能通过去
除汤姆逊热转变成无效能之后产生的无效能来进行。在绝热源温度场中， 在汤姆逊热从电子气体抽取及iiA补偿系统1中所腾出的体积的过程中， 在非可逆连续循环过程中、在恒定温度和电场强度发生电荷变化及体积、 势无效能的非可逆熵变以及电子气体的熵，而没有传导功。
熵的补偿生成的实现以功的损耗为代价，否则该功会在以下过程中被 传导在工质变换到扩散、冻结、凝结、爆炸或复合的更稳定的状态的过
程中，在为电荷载流子在恒定电场强度和温度释^:某个体积的非可逆膨胀
过程中，等等。
以下两种载流子用作电荷载流子电子和空穴。在这种情况下，熵增 以功的损耗为代价。该熵增类似于吉布斯悖论中的熵变在将两种气体混 合的过程中，在去掉它们之间的几何体积的分隔之后，内能、焓、温度和 压力不变，但混合物的熵较之混合气体的熵相加的和增加。
在这种情况下，熵的过程不伴随将热以两种能量形式释放到第二源 无效能，即电子气体不能^:功的能量部分，或有效能，即电子气体能够j坎 功的能量部分。有价值的热的有效能在循环内完全使用，这使得该循环比 针对电子气体的卡诺循环更有效。
在这种方法的框架之内，两个热源的功能以及有效能节省循环中的热 交换的结构从概念上不同于卡诺循环工作源与电子气体交换热，而第二 源(绝热源)可以为这样的交换闭合。利用第二源，可以实现电子气体在
热无效能状态的电荷的体积变化及熵的转换。在电子气体在所述循环中循 环的过程中，绝热源的热势对于改变绝热源之外的电子气体的热状态的热 状态是有用的。绝热源的有效能在有效能节省循环中不使用(同样地，恒 磁体的有效能在磁电效应中不使用)。
一些新现象正在被揭示在利用电子气体的任何热电有效能节省循环 中，不存在从所述循环到热吸收器中的热流，绝热源的温度可以设为低于 或高于例如环境的工作源的对应参数。所述热力学循环可以具有正常(常 规)的热过程序列(通路)，即正循环的顺时针方向，逆循环(冷却和加 热循环)的逆时针方向，或者非正常序列，即正循环的逆时针方向，冷却 和加热循环的顺时4十方向。
在恒定温度条件下，电子气体在热无效能状态通过绝热源而没有与它 的热交换，不造成绝热源的热能的劣化。发生局部绝热源的劣化只是因为 局部源的不理想的隔热，例如，杜瓦瓶中积蓄热载体以及系统的部分的技 术热耗散；具体地，由于半导体的热传导，如果存在温度差，热从热的热 接头传输到冷的热接头。
在循环中，汤姆逊热的热有效能的再生热交换段(图2的图中的部分 c-d和d-a或a，-b )，可以由热交换的单个等有效能过程段闭合-在所述热 的恒定热有效能的条件下供给或抽取热的多方过程，或由具有恒定势能 值、具有恒定电子气体电荷值或具有等热(图2的图中的b-c部分)和等 熵过程(图2的图中的a-b或a，-d部分)的段的组合来闭合。
在顺时针方向实现正循环的过程中，增加电子气体的熵和电子气体抽 取第一源的热的等温过程的温度可以设成高于电子气体在第二源的温度 场中的热无效能状态的温度。
在逆时针方向实现正循环的过程中，增加电子气体的熵和抽取第 一源 的热的等温过程的温度可以设成低于电子气体在第二源的温度场中的热 无效能状态的温度。
在通过施加一些电功以^使实现逆时4十方向的逆加热循环的正循环的 转换过程中，将电子气体的热释放到被加热的环境并减小电子气体的熵的 等温过程的温度可以设成高于电子气体在第一源的温度场中的热无效能 状态的温度。
在通过施加一些电功以便实现顺时针方向的逆加热循环的正循环的
转换过程中，将电子气体的热释力文到被加热的环境并减小电子气体的熵的 等温过程的温度可以设定成低于电子气体在第 一 源的温度场中的热无效 能状态的温度。
环境可被用作第一热源热，高温局部绝热源可净皮用作笫二源，非正常 类型的正有效能节省循环的电功的某一部分可以使用，并且在第二源的温 度场中具有放热的等温过程的附加加热循环可以实现。
在有效能节省循环中以电磁辐射量子的形式实现电子和空穴的非可 逆复合过程。
在利用电功形式的连续抽取和恢复的绝热系统中，电功可以在有效能
节省循环中被供给和积蓄。热做功的能力的程度可以根据表达式HTlnnp建
立，其中，nT是有效能节省循环中温度变化的程度(比率)，np是循环中
电子气体的势能的变化的程度(比率)，其中热被用作第一热源，供给到 正有效能节省循环的电子气体的等温过程，其中第二源的温度场中的工质 的热无效能温度被固定，有效能节省循环得以实现，电子气体的温度和势 能的变化的程度(比率)得以测量，并且热做功的能力得以确定。借助于 半导体热转换，通过上述热电效应的同时使用，可以创建新的热电电流源、 高温或低温热电热源或热电电磁辐射源(量子光源或UHF发生器)，其将 环境的热能用作它们的能量源。
热电转换器
热电转换器已知用于将两个热源的温度差正转换成电势以及将电功 转换成热的逆转换，该热被供给到被加热的环境或从被冷却的物体抽取
(Seebeck' T.丄,1822, Magnetische Polarisation der Metalte und Erze durch Temperaturdifferenz' Abhand. Deut. Akad. Wiss. Berlin, 265.373; Peltier,丄C:, 1834, hiouvelles experiences sur ,a caloriecete des coursns e，ectriqu的.Ann.. Chem.; LV1,371-387) Thomson, .W., 1851， On a mechanical theory of thermoelectric currents, Proc, Roy-Soc. Edinburgh, 91-98).
根据现有技术的最接近所提出的热电转换器的技术方案是用于发电、 加热或冷却的半导体热电转换器(US 6,384,312 ),其包括至少一个具有电 子和空穴电导率的半导体偶，以及电连接所述对或每对的金属横构件(半 导体与金属接头的冷却和加热热接头)。
因为热和电能的不完全利用以及从所述系统释放废热(这降低了它们
的热和有效能效率)，已知的热转换器的热电转换效率不足。
根据本发明及其实施例的热电转换器所要解决的问题是提高热和功 的热转换器的热电效率。
所述问题通过一种热转换器解决，其至少包括一个具有电子和空穴电
导率的半导体偶和金属横构件，半导体与金属接头的热接头，由此一个半 导体转换器以在排^t汤姆逊热的过程中具有电子气体的恒定势能的单元
的形式实施，由此另一个以在抽取汤姆逊热的过程中具有电子气体的恒定 电荷的单元的形式实施。具有汤姆逊热的理想再生的热交换器放置在它们 之间，以便满足电子气体在它们通过半导体的非互逆变换过程中的热有效 能的平衡。它们之间的金属接头(横构件)可以以具有用于熵补偿的单元 的绝热系统的形式实施。
在一个优选实施例中，具有热有效能热汤姆逊的理想再生的热交换器 可以实施为热管或多孔陶瓷。
在另一优选实施例中，用于熵补偿的单元可以实施为这样的单元其 用于在恒定势能、温度、焓非可逆地腾出一些体积以积蓄电子气体，而没 有传导功和在恒定电荷下的连续释放。
在另一优选实施例中，用于熵补偿的单元可以以绝热蓄热器中的超导 横构件的形式实施。
在另一优选实施例中，附加热转换器可以放在所述热转换器中，在有 效能节省循环和熵补偿的绝热系统内，》丈入绝热源。这个附加热转换器的 金属横构件或横条可以位于绝热源内。附加热转换器可以与主热转换器电 连接。
在另一优选实施例中，电子气体的温度的等熵转换器可以在有效能节 省循环内与半导体串联到所述热转换器中。
在图10中，示出了正有效能节省热电转换器的设计版本的非限制性 示例，其将环境的热转变成电能。它包括主热电电流发生器l、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9，具有在绝热壳7中的积蓄低温源9形式的绝热自备源 (adiabatic autonomous source)以及内置辅助反向转换器10、 2、 3、 4、 5、 7、 8、 9，与主热发电器电连接。辅助冷却轮廓用于补偿由绝热壳7 的非理想隔热和半导体2、 3的热传导的非可逆过程所引起的绝热源9的 熵劣化。
热电转换器包括至少一个或一组具有电子2或空穴3电导率的串联或 级联连接的半导体偶；以例如横构件的形式实施的熵补偿系统l，其在例 如绝热壳7中的液化氮(78K)的积蓄源的载流子9的温度变成超导；用 于供给环境热的金属接触板4、 5，其也可以被用作thermo-emf发电器的 传导输出端子。用于汤姆逊热的热接触可以通过热交换器-再生器8的热 管提供在半导体2、 3的外表面。
环境热可以在环境温度、在热的热接头上供给到接触板4、 5。冷的 热接头可以保持在液化氮的温度。当发电器电路闭合且电流通过时，产生 以下三种热电效应塞贝克、珀尔帖、汤姆逊，以及在液化氮温度、在低 温接头1中的超导效应。当环境热被供给到金属接触板且p-n结的超导横 构件被冷却时，thermo-emf在半导体偶上产生(塞贝克效应)。汤姆逊热 通过再生热交换器8在半导体2、 3之间交换。该交换在满足热有效能平 衡时进行，以便使得在每个半导体的温度梯度场中的相同温度下，电荷载 流子(电子和空穴)在返回到初始状态的段的熵值不同。这通过以下实现 选捧半导体2、 3的thermo-emf系数的合适值以及再生过程的不同条件， 例如恒定电场强度和恒定电量的条件。功的某一部分可在返回到初始状态 的过程中使用，以便通过电子气体温度的绝热增加的单元6将电势提高到 初始状态。
电流通过绝热源7中的超导横构件1不伴有电子耗散、热的排放以及 积蓄低温源9的熵劣化。如果在半导体2、 3的两端存在温度梯度，则发 生劣化，原因是由于它们的热传导，热从半导体的热端到冷端传输进蓄热 器7。此外，由于绝热外壳7的不完善的隔热，热渗透进入源9。
如果满足了这些条件，环境热获得对电子气体做功的能力，而所述循 环成为有效能节省循环，即，电子气体的有效能在所述循环中完全使用。 当在恒定温度，在非可逆循环中，无传导功地发生电荷载流子的体积、势 无效能的熵变时，在电子在无效能状态通过超导横构件的过程中实现补偿 熵的过程。
该熵增的发生以功的损耗为代价，在电荷载流子的数量利用为电子气 体在恒定温;1^出 一些空间而增加的过程中，其可能已经在变换成电子超 流体集合的超导的稳定状态的过程中由电子实现。
正有效能节省循环的效率高于才艮据卡诺循环由电子气体将热转换成 功的热电转换的效率，因此，有效能节省热发电器可以与低温源-热电冷
却转换器IO、 2、 3、 4、 5、 7、 8、 9的熵劣化补偿的持续工作轮廓一起使 用，所述低温源根据去除渗透进低温源9的热的常规冷却热电循环工作。
在有效能节省热发电器(其同时是具有低温源的熵劣化补偿的热电低 温冷却器)中，有效能节省热发电器可以用作用于再生转换器IO、 2、 3、 4、 5、 7、 8、 9的电流源，其抽取渗透进低温源的热。它包括与热发电器 相同的元件。然而，其中的低温接头可以由一般的金属实施。它根据珀尔 帖效应工作，所以，金属低温接头10吸热，而热的热接头排放的热量超 过冷低温热接头所抽取的热量一个值，该值为发电器的能量值，被用来实 现沿着与电场相反的方向载流子的输运功。珀尔帖、焦耳热以及环境热在 公用蓄热板积蓄并有热发电器使用。
上述有效能节省热电转换器可用作为通信、计算4几提供电功率的电流 源，并同时提供了微电子部件例如计算机处理器、UHF元件等的低温冷 却，其利用了环境热能并借助于第二热源，但没有它的熵劣化。
此外，可以示出实现非正常热电循环的技术可能性，制造用于在闭合 体积内保持所需要的空气温度的热泵以及借助利用环境热能的热电加热 机、热电量子光源等来实现加热有效能节省循环的可能性。
考虑到在此公开的本发明的说明书和实践，本发明的修改和改变对于 本领域的技术人员是显而易见的。提供本发明的实施的上述描述的目的是 说明和描述。其并非是穷尽的，且并不限制本发明到所公开的精确形式。 根据上述教导的修改和变化是可能的，或可以从本发明的实践获得。说明 书和示例应当仅被认为是示例性的，本发明的真实范围和精神通过所附权 利要求明示。
权利要求
1.一种用于在热电循环中转换热和功的方法，其中，电子气体的电荷载流子循环地经历至少第一和第二(7)热源，其特征在于热在所述循环的单元之间交换，所述单元表示热电循环的热力学表示的相邻段(c-d，d-a)。
2. 根据权利要求1的方法，其中，热交换以恒定势能值以及恒定电子 气体电荷值在所述循环的所述段实现。
3. 根据权利要求1或2的方法，其中，所述循环内的汤姆逊热的热有 效能的热交换段由热交换的等有效能过程段闭合。
4. 根据权利要求1或2的方法，其中，所述循环内的汤姆逊热的热有 效能的热交换段由具有恒定势能值、具有恒定电子气体电荷值或具有等热 和等熵过程的段的组合来闭合。
5. 根据权利要求1到4之一的方法，进一步包括执行正循环，其中 热相对于热力学表示沿顺时针方向从所述第 一热源供给到所述电子气体， 使得所述电子气体的熵增加和电子气体抽取所述第一源的热的等温过程 的温度(T3)被设为高于所述第二源的温度场中的所述电子气体的热无 效能状态的温度(Tl)。
6. 根据权利要求1、 2和4之一的方法，进一步包括执行正循环， 其中热相对于热力学表示沿逆时针方向从所述第一热源供给到所述电子 气体，使得所述电子气体的熵增加和电子气体抽取所述第 一源的热的等温 过程的温度(T3)被设为低于所述第二源的温度场中的所述电子气体的 热无效能状态的温度(Tl)。
7. 根据权利要求1到4之一的方法，进一步包括相对于热力学表示 沿逆时针方向执行逆循环，其中所述电子气体的热传输到被加热的环境以 及所述电子气体的熵减小的等温过程的温度纟皮-没为高于所述第一源的温 度场中的所述电子气体的热无效能状态的温度。
8. 根据权利要求1到4之一的方法，进一步包括相对于热力学表示 沿顺时针方向执行逆循环，其中所述电子气体的热传输到被力。热的环境以 及所述电子气体的熵减小的等温过程的温度被^没为低于所述第二源的温 度场中的所述电子气体的热无效能状态的温度。
9. 根据权利要求1到8之一的方法，其中，环境被用作所述第一热源， 低温局部绝热源被用作所述第二源。
10. 根据权利要求9的方法，其中，环境被用作所述第一热源，高温 局部绝热源被用作所述第二源。
11. 根据权利要求1到8之一的方法，其中，利用电功形式的连续去 除和恢复，在绝热系统中供给和积蓄电功。
12. 根据权利要求1到ll之一的方法，其中，热做功的能力的尺度根 据表达式&切&建立，其中，^是所述循环中温度变化的比率， 是所 述循环中电子气体的势能变化的比率。
13. 用于执行权利要求1到12中的任何一项的方法的热电转换器，包 括至少一个具有电子和空穴电导率的半导体偶、金属接头、半导体与电连 接到所述半导体的金属横构件的冷却和加热热接头，其特征在于所述偶 或每个偶中的一个半导体以具有恒定电子气体势能的单元的形式实施，而 所述偶或每个偶中的另一个半导体以具有恒定电子气体电荷的单元的形 式实施，并且所述偶或每个偶的两个半导体通过热交换器连接。
14. 根据权利要求13的热电转换器，其特征在于所述热交换器以热 管或多孔陶瓷的形式实施。
15. 根据权利要求13或14的热电转换器，进一步包括用于熵补偿 的单元。
16. 根据权利要求13到15之一的热电转换器，其特征在于附加热 电转换器连接到所述热转换器。
17. 根据权利要求13到16之一的热电转换器，其特征在于电子气 体温度的等熵转换器与所述半导体之一串联连接。
18. 根据权利要求13到17之一的热电转换器，其特征在于用于电 子和空穴复合的单元与所述半导体之一 串联连接。
全文摘要
本发明涉及在热电循环中转换热和功的过程，其中电子气体的电荷载流子循环经历至少第一和第二(7)热源。因此，热在循环的单元之间交换，所述单元表示热电循环的热力学表示的相邻段(c-d，d-a)。该过程可以没有热损并且没有第二源的热(熵)劣化地执行，由此提供高于卡诺循环的热电效率。
文档编号H01L35/30GK101107722SQ200480044099
公开日2008年1月16日 申请日期2004年9月29日 优先权日2004年9月29日
发明者亚历山大·戈尔班 申请人:埃尔汤姆企业公司