专利名称：一种改进的具有电输入与电输出装置的热电单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热电发电与制冷单元，尤其涉及热电发电机与/或制冷器，其利用由紧密连接的热电偶制成的轮环(torus)，这些热电偶利用具有低的电阻和高的塞贝克效应的热电结，使得由热电元件两端的最大温差所感应的很大的电流在轮环内循环。
为了寻求可靠的无噪音的并且没有运动部件的用于把热能转换为电能的能量转换器，使工程师们重新认识被称为热电效应的现象。一百多年来已为人们所知的这些效应，使得能够研制小的自含的电源，然而因为其太小而未找到在家庭或商业发电上的实际应用。
一种普通的电开关一般仅使用同一种金属，其中不试图加热或冷却任何元件，不会由于开关元件之间的不同而产生热电电压。常规开关中的电阻在电流流经开关时会引起电压降，并构成流经由开关的闭合而建立的闭合电路的循环电流的电阻负载。
基于塞贝克效应的热电发电与制冷是一种物理现象，根据这种现象，使用热电偶检测温度，热电偶由两种不同的一般是金属或金属的合金的材料交叉重叠而形成。如所熟知的那样，具有被保持在不同温度下的一对结的热电偶产生电位差，该电位差被用于测量两个结之间的特定的温度差。一个施加的温度差将在热电偶两端产生电压，或在产生流经热电偶的环路的电流，构成小容量的发电装置。热电发电的这个方面被广泛地用于太空应用中，例如用于在1977年发射的至今已有20多年而仍然发回图像的VoyagerⅠ和VoyagerⅡ卫星上。在热电发电的这种应用中，放射性材料为热电发电机提供热能，因而提供长寿命的能源。类似的热电发电装置也将用于即将到来的Cassini土星飞行。热电固态能量转换的优点包括体积小，重量轻，无噪音操作和在长的寿命期间内无故障地发电。
热电发电和制冷已有大约一百多年的历史了，是由塞贝克在1822年发现的。多年来，对塞贝克的工作进行了大量的改进与分析，并根据对这个早期的发现而进行的改进申请了许多专利。这方面的大部分工作涉及寻找产生最高的塞贝克结电压的金属组合或合金，用于串联的热电偶或热电元件，以便产生高的电压，用于提供电流向电气负载供电。
大部分热电发电机使用一组串联连接的结，用于产生驱动电气负载的电流。一般地说，具有高的塞贝克电压的材料也具有趋于减少通过电路的电流的高的电阻。先前的热电发电机和制冷器使用合金，以便对在相同的热电偶温差下产生高的塞贝克电压。合金的塞贝克电压一般是构成该合金的工业纯金属(99％)的几倍，然而发现合金的电阻一般是纯金属的10倍。如果电路只含有产生流经电路的电流的串联的热电元件，则在任何热电元件中的较高的电阻将急剧地减少流经电路的电流。
本发明的结构在许多方面和以下的美国专利不同，这些专利是Buist申请的4,859,250,5,022,928,Fritts申请的2,919,553,3,326,727,Von Koch申请的3,119,739,Harkness申请的3,090,875,Toulmin申请的2,864,879,Salver申请的2,425,647,Findley申请的2,415,005,以及本发明人申请的下列美国专利4,997,047 High Speed Electromagnetically AcceleratedEarth Drill；5,024,137 Fuel Assisted Electromagnetic Launcher；5,168,118 Method for Electromagnetic Acceleration of anObject；5,168,939 Oil Well Drill；5,393,350 Thermoelectric Generator and Magnetic EnergyStorage Unit；以及5,597,976 A Thermoelectric Generator and Magnetic EnergyStorage Unit with Controllable Electric Output。
本发明的目的在于使由热电发电机产生的电功率为最大，并提供一种实用的转换器，其可以产生可以用于直接而不需要借助于公用电网向家庭和工业负载供电的交流电压和电流。
本发明的另一个目的在于使在热电结的轮环中循环的电流为最大，并借以使在强磁场中存储的能量最大。使循环电流为最大是通过下述方法实现的1减少轮环内的内部电阻；
2如此选择用于构成轮环的热电结的材料，使得产生最高的电流，这和低的内部电阻一致；以及3使热片和冷片之间的热流最小，借以保持各个结具有最高的温差，因而具有最高的塞贝克驱动电压。
具体地说，本发明的热电单元使用这样的材料构成热电结，使得热电结产生符号相反的塞贝克电压，这里称为p型材料系统和n型材料系统，并且所用的材料具有高的塞贝克电压和高的导电率(低的电阻)。
本发明的另一个目的在于，通过干扰轮环内的循环电流而产生0-240V范围内的交流的(“AC”)或者直流的(“DC”)高能电输出功率。
本发明的一个附加的目的在于，通过使用涂敷有一薄层热电材料的高电导率和高导热率的铜或银芯，提供一种使p型和n型热电元件具有改进的导电率和高的塞贝克电压的新方法。热电元件的上述结构形成作为高塞贝克电压、高电导率发电机工作的热电结，借以在轮环内产生较高的循环电流，因而在相同的温差和热流下，从热电发电机输出较高的功率。
本发明的一个附加的目的在于，在热电元件以及热片和冷片之间使用有螺纹的结，使得热电元件作为热电阻器，用于减少热片和冷片之间的热流，借以增加热电结上的温差，因而增加热电单元的总的热电转换效率。
本发明的另一个目的在于，使用通过利用具有互补的高塞贝克电压的不同金属镀敷有螺纹的铜芯而形成的热电元件，使得高电导率的热电元件也产生高的热电结电压。
本发明的另一个目的在于，通过在热片和冷片的两侧上上开槽用于接收热电元件来减少片两端的电阻，热电元件安装在槽中，借以减少从热片或冷片的一边到另一边的热电元件之间的长度。
本发明的另一个目的在于，局部地把有螺纹的杆包括螺纹在内压扁成为椭圆形，使得保留螺纹杆上的螺纹，同时又减少交错的热结和冷结之间的材料距离和电阻。
本发明的一个附加目的在于，使用薄的金属涂层作为电阻的铜连接器，用于热电元件的螺纹的尖端和热金属片以及冷金属片连接，因为由电镀金属层制成的互连和连结比合金的热电结不呈现较小的电阻。
本发明的一个有关的目的在于，使用电镀层在热片和冷片以及热电元件上提供抗腐蚀抗氧化层，例如通过用铂或钯电镀热片上的火焰和热气接触到的区域，或作为排出的用于加热热电发电机的气体的催化转换剂，借以减少污染，同时阻止加热的热片氧化。
本发明的另一个附加的目的在于，使用电镀层形成金属平面连接，使得改善热电结的寿命，使其和环境隔绝，并在器件的寿命期间保持结的高塞贝克电压特性。
本发明的另一个目的在于，提供一种使用低导热率热电元件的热电单元，所述热电元件由沿着导电的低导热率的纵向表面相互连结的两半构成，这样构成的低导热率热电元件被接收在在热电单元的热片和冷片中形成的槽中。
本发明的另一个目的在于，使用专用的带箍包围热电单元，用于承受在轮环内产生的洛仑兹力，带箍围绕环形的电流存储环固定，在热电结上保持预应力。
本发明的另一个目的在于，使用带箍包围热电单元，带箍中具有绝缘间隙，对作为二次绕组的带箍解耦。
本发明的一个有关的目的在于，在由热片和冷片形成的环和带箍之间设置弹簧，用于保持所需的预应力，以便克服洛仑兹力，而不管由于温度变化而使线圈收缩和膨胀。
本发明的另一个目的在于，构成一种包围热片的新型的黑色箱体，把红外线热再次反射回热片，从而改善加热热片的室的效率，借以升高热片的温度，增加热电结两边的温差，增加在轮环中循环的电流的幅值，增加作为热电发电机的热电单元的电功率输出效率，所有这些都是对相同数量的燃料而言的。
本发明的另一个目的在于，使用流体，例如空气，水，或其它液体从热电发电机的冷片吸走热量，并然后能够在热泵、散热器或其它装置中使用所述流体，从而吸走流体中的热量，使流体冷却，然后再通过热电单元使流体循环。
本发明的另一个目的在于，利用小功率的磁致动的功率输出开关，该开关由纵向振动的螺纹衔铁构成，衔铁沿一个方向受电磁线圈的机械作用，在相反方向上受弹簧作用。衔铁被设置在在一对直接相邻的片之间形成的较大的螺纹孔中，衔铁和孔二者都有相同螺距的螺纹。螺纹衔铁和螺纹孔构成一个通断开关，用于打开和闭合一个电流通过轮环而循环的环路，使得当衔铁的螺纹和孔在上下两个位置接触时，电流通过轮环，当不接触时，则在轮环中的电流的中断产生用于驱动电气负载的电输出，这样，所述开关作为一种低功率输入高功率输出器件而工作。
本发明的另一个目的在于，提供一种机械输入，用于致动在利用热电单元发电时使用的振动开关的电磁线圈，或者使用手指操作的机械方法，其中一个单向弹簧驱动的振动体迫使电磁线圈振动若干个周期，直到热电单元的电输出能够自供电给一个正弦波发生器为止，所述正弦波发生器为振动、电压产生、电流遮断开关供电。此外，手指操作的压电发生器可以首先提供用于点燃燃烧室的火花。在热电单元达到操作温度之后，然后使用压电发生器存储足够的电能，用于给正弦波发生器供电，从而驱动电磁线圈，直到热电发电机的功率输出可以驱动外部电负载为止。
本发明的另一个目的在于，提供一种新的方法，用于从通过轮环循环的电流中吸取电能，其中通过在轮环中的一个热电结的直接相邻的一对片之间插入霍耳效应开关，并通过控制外部施加的垂直于通过轮环而循环的电流的磁场而不必断开轮环。在施加外部磁场时，一个电压出现在轮环的两边，其和磁场强度以及循环电流成正比，并根据外部磁场的特性，可以以交流或直流的形式从热电单元中吸取功率。用这种方式产生的电功率可被用于操作电气负载，而不中断通过轮环流动的循环电流，并且没有振动或噪声。
本发明的另一个目的在于，通过控制施加于为热电发电机产生热量的燃烧室的燃料的流动来控制由热电单元产生的电压。
本发明的另一个目的在于，提供一种热电发电机，其燃烧来自外部安装在热电单元上的箱体中的甲烷、丙烷或丁烷气体。
本发明的另一个目的在于，提供一种热电发电机，其通过对热片下方的风冷的燃料燃烧区提供向上开口的排气管使得可以燃烧任何类型的燃料。
本发明的另一个目的在于，在热电发电机的顶上在排热管开口的上方提供一个辅助的栅格，用于接收用于烹调的容器。
本发明的热电单元通过使大电流流经串联的最好被设置而形成轮环的热电偶而建立磁场。通过对热片提供热量，使冷片冷却，并干扰环路中的循环电流，可以从这种热电单元中吸取电能。用这种方式产生的电能可以是高电压，高能的交流或直流输出。发电机的效率取决于热电结使用具有互补的高塞贝克电压，高导电率(低电阻)以及在直接相邻的一对热片和冷片之间的具有相当低的导热率的交错的p型和n型材料系统。
驱动电流通过轮环的电压是围绕形成热电单元的轮环的串联连接(电气短路)的环路的热电电压之和。热电单元提供电功率的能力可以通过由结数乘以热电结电压乘以通过轮环而循环的电流来确定。轮环的环形作为变压器的一次侧工作，在由循环电流产生的磁场中存储着能量。对循环电流的合适的干扰将产生向外部负载供电的电压。
另一些结构在直接相邻的一对热片和冷片之间提供相当低的导热率，同时还提供高的导电率(低电阻)。在这些低导热率元件的一个实施例中，被设置在热片和冷片之间并和热片冷片并置的螺纹杆的短段可以减少热流，并借以相应地增加温差，并且当用作发电机时增加热电单元的热电效率。为了改善用于发电的单元的热电转换效率，连接热片和冷片的螺纹的尖端适当地涂敷提供互补的高塞贝克电压的作为电子发射器和电子收集器的材料。用这种方式构成的热电结的作用相当于一个热阻器，其具有沿着螺纹杆的楔形边缘径向操作的平面热梯度，从而大大减少通过热电结的热流，同时在螺纹尖端和热片与冷片之间保持高的温差。热电结的这种结构和实心的不同金属块配合而形成的用于发电的热电结相比，在发电性能方面，其热电转换效率提高10倍。通过在热片和冷片之间附加热阻，用于产生通过轮环而循环的预定电流所需的热量被减少80％。通过含有这些涂敷的螺纹杆来在热片和冷片之间形成热电结，可以使热电转换效率从4％提高到12％。这种热电单元的改进的热设计在热电单元使用相同的热量(燃料)和相同的重量(质量)的情况下可以提供较大功率的发电机/输出装置。
为了进一步提高轮环中的导电率(减少电阻)，在热片和冷片中形成槽，使得减少通过轮环而循环的电流经过的距离。在装配轮环时，在热片和冷片中的槽接收低导热率元件，例如上述的螺纹杆。通过使热片和冷片开槽来除去铜路径长度的一半，对于L/A为1的铜路径，使由于铜路径长度而产生的电阻从1.72×10-6欧姆减少到8.6×10-7欧姆，这使通过轮环而循环的电流的数量增加一倍，而在低导热率热电结元件两边的温差只减少百分之几。
局部地把螺纹杆压扁成为椭圆形减少了ρL/A中的L，因而进一步增加通过轮环而循环的电流。由于压扁螺纹杆的一种专用模具包括螺纹，从而在压扁期间保留螺纹杆上的螺纹。通过局部压扁螺纹杆，使螺纹尖端在局部压扁的螺纹杆的一侧上和热片接触，而在另一边，螺纹杆和冷片接触，来减少热电元件内围绕环路的长度。通过把螺纹杆局部压扁可以减少交错的热结和冷结之间的材料距离和电阻。
由在低导热率元件上涂镀的材料而形成的互连与连接不呈现对于合金热电结所发生的高的电阻率。因此，环形的热电单元可通过应用薄的金属镀层在杆的螺纹尖端和构成轮环的热金属片与冷金属片之间形成欧姆铜连接来进行装配。镀层也可以有利地用于形成保护层，防止热片和冷片的腐蚀和氧化，并用于保护低导热率热电元件。在火焰和热气接触到的区域热片的铂或钯的镀层作为当热电单元用作热电发电机时而产生的排出气体的催化转换剂。这具有减少污染的效果，同时防止当热电单元用于发电时热片被氧化。如果热电发电机被安装在内燃发电机内以便由内燃发电机的废气加热，则减少污染是尤其重要的。在本发明中，这种镀层可以用于形成类似于半导体器件中的硅平面结的金属平面结，从而改善结的寿命，使其和环境隔绝，并在器件的寿命期间内维持结的高塞贝克电压特性。
改进的元件使电阻从10-6减少到10-7欧姆，并对于每组热电结使塞贝克电压增加一倍。选择的用于互补高塞贝克电压的材料被镀在无氧的，局部压扁的有螺纹的铜杆上。这些低导热率元件具有有螺纹的横截面，以便减少热流，增加温差，并增加发电机的整个热电效率。
被设置在直接相邻的热片和冷片之间的低导热率元件的另一种结构是装入在热片和冷片中形成的槽中的销柱。这些销柱由沿着在热片和冷片之间的导电的低导热率的纵向表面相互邻接的两半构成。每个低导热率元件可被镀上对热电偶提供互补的高塞贝克电压的材料层。这些材料可以从包括铋，康铜，镍，硒，碲，硅，锗，锑，镍铬合金，铁，镉，钨，金，铜，锌和银的组中选择，并且铋和锑是分别用于提供p型结和n型结的优选材料。镀在低导热率元件上的镀层可以用导电层例如铜覆盖。代替用构成热电结的互补高塞贝克电压材料涂敷低导热率元件，或除去用构成热电结的互补高塞贝克电压材料涂镀低导热率元件之外，在热片和冷片中的槽可以利用上述材料涂镀。每个片的第一侧上的槽利用提供一种类型的结的材料层涂镀，而在每个片的相对侧上的槽利用提供另一种类型的结的材料涂镀。然后，这些片被如此设置，使得相同的材料形成涂镀接收相同的低导热率元件的槽的层。相同的材料可以和用于涂镀低热导率元件一样用于涂镀所述的槽，并且用于涂镀槽的材料也可以用导电材料覆盖。
专用带箍包围着热电发电机，用于承受由通过轮环而循环的电流产生的洛仑兹力。当电流在一个环路中流动时，电流在其自身上施加一个力，这个力被称为洛仑兹力。该力的方向沿径向，并可用公式F=q(E+V×B)来描述。带箍被装在轮环上，以便在片和低热导率元件之间的电连接处保持预应力。带箍用于维持预应力，以便抵销大的循环电流产生的洛仑兹力。带箍含有绝缘间隙，以便对带箍解耦，使其不成为作为变压器的原绕组作用的电流环的变压器的二次绕组，如果从通过环形热电单元而循环的电流吸取能量的话。设置在带箍和热片与冷片之间的线圈弹簧使带箍可以保持用于克服洛仑兹力所需的应力，尽管由于温度变化使轮环收缩与膨胀。
如果热电单元用作发电机，为了改善用于加热热片的室的效率，围绕热片构成一个新型的黑色箱体，用于把红外热再次反射回热片。在利用火焰加热器工作时，已经发现催化燃烧器产生的热量的大部分呈红外辐射的形式。这种红外辐射通过热片行进，在排气口被排掉。黑色箱体的设置把这红外辐射的一部分送回热片上，对在燃烧室内燃烧相同数量的燃料而言，可以升高热片的温度，增加热电结的温差，增加环路中电流的幅值，增加发电机的潜在的电功率输出。
作为发电机工作的热电单元的两个实施例使用液体冷却作为冷片的冷源。在一种开口的槽形容器中，所有的冷片被浸在水槽中，当水从热电的冷结吸收足够的热量而沸腾时就蒸发。一种封闭的支管装置使用液体冷却热电单元的冷片，办法是或者使水或液体冷却剂通过冷片一次然后再将冷却剂排出，或者使水或液体冷却剂通过散热器再循环以便冷却液体，然后在封闭和连续的条件下使液体通过热电单元再循环。
作为发电机操作的热电单元的另一个实施例采用风冷。一个由热电发电机产生的电能的一小部分供电的吹风机对着冷片吹风，从而从热电结吸取热量，并把热量传递给气流而排放在环境中或在热泵或其它系统中使用。
通过破坏由循环电流产生的磁场，在轮环内循环的大的电流允许从热电单元中吸取电能。作为发电机操作时，可以用不同的方式从热电单元吸取功率。一种简单的吸取电功率的方式是使用纵向振动的有螺纹的衔铁，其位于一个在直接相邻的一对片之间形成的直径较大的有螺纹的孔中。振动衔铁借助于电磁线圈的机械作用沿一个方向被驱动，而借助于弹簧的作用沿另一个方向被驱动。用这种方式操作时，有螺纹的衔铁和孔形成一个通断开关，其打开与闭合通过轮环而循环的电流的环路。当衔铁的螺纹和孔在上下位置接触时，电流通过轮环流动。而当衔铁和有螺纹的孔不接触时，围绕轮环的电流的中断产生通常用于驱动外部电负载的电输出。如果热片和冷片由相似的材料制成并由陶瓷隔片分开而提供有螺纹的孔，同时衔铁由在热电性能方面和热片与冷片不同的材料制成则是有利的。用这种方式，当金属的衔铁接触热片和冷片的不同的材料时，衔铁的纵向运动产生塞贝克电压。
电磁线圈机械地激励振动电压产生开关。电磁线圈由正弦波发生器供电，正弦波发生器在热电发电机开始工作之后从热电发电机中接收功率。开关沿纵向振动的频率是由于磁场的破坏而感应的输出电压的频率的一半。为了启动电磁线圈的振动作用而不使用电池，发明了两种方法；(1)手指操作的机械方法，其中使用单向弹簧赋能的振动装置强迫电磁线圈振动若干周期，直到发电机的电输出本身可以给正弦波发生器供电为止，以及(2)首先存储用于向正弦波发生器供电的电能的手指操作的压电方法。手指，弹簧以及振动装置的质量机械地使电磁线圈，因而同样使振动开关，操作若干周期，使得通过机械装置而不使用电池使热电发电机自启动。振荡的振动装置停止在离开电操作的衔铁的位置，并准备在需要时进行另一次手动启动或手指触发。通过把按钮压电器件装入电路中，手指操作的压电发生器也可以用于点火热电发电机的燃烧器。压电发生器可以提供足够的功率，用于强迫电磁线圈振动若干周期，直到热电发电机的电输出产生足以操作振动开关的功率为止。
从循环电流吸取电能的另一种方法是使用霍耳效应器件。垂直于在固定导体中流动的电流施加的磁场在导体两端产生电压，其和电流垂直并和施加的外部磁场垂直。用这种方式产生的电压叫做霍耳电压。如果磁场改变极性(或是正弦的)，霍耳电压也将是正弦的，从而产生交流电压。通过把接点(连接)放在环中一个热电结的一段的两端，并通过控制外部施加的磁场，电压将出现在接点上，该电压和磁场强度以及循环电流成正比。根据外部磁场的特性，可以以交流或直流的形式从发电机环路中吸取电功率。可以不中断环中的电流而吸取电能。对外部磁路的低电压输入使得从发电机产生高电压输出，该高电压输出可以用于操作电气负载。不需要打开开关，因而没有振动或噪声。
当一个特斯拉的磁场施加于通过50,000安培的热电单元中的一个特定的热电段上时，在该段上则产生1600V的霍耳电压。调节施加的磁场强度可以控制输出电压，施加的磁场的频率决定输出的电功率的频率。通过使用三个不同的霍耳开关部分，并通过利用微处理器-控制器控制磁场，可以产生具有三个不同输出的三相功率。
用于新型的热电发电机的输出电压控制的一种最简单的方法是控制供给燃烧室的燃料的流量，从而控制在热电系统内产生的热量，改变存储的磁能的数量。通过大致地控制在发电机内的燃烧室的燃料流量，控制发电机的结的温差，相当均匀的通过热电结到冷片的热量然后或者通到水池通过沸腾带走热量，或者送到由风扇强制风冷的环境空气中。在最简单的改型中，通过增加热量，电压增加到所需的120V或208V，用于操作家用或工业负载。更复杂的，已经成功地使用固态电压控制，不过，这是适用于第三世界国家的最简单的方法。
本发明的一个优点在于，本发明的热电发电机通过在没有运动部件的系统中燃烧任何所需类型的燃料产生有用的电流。
本发明的一个附加的优点在于，提供了一种改进的元件，其由无氧的局部压扁的具有有螺纹的截面的铜芯上镀上选择的高塞贝克材料制成，把电阻从10-6欧姆减少到10-7欧姆，对于每个连接元件组，使塞贝克电压提高一倍，使热流减少，增加温差，因而增加发电机的整个热电转换效率。
本发明的一个更大的优点在于，增加了热片和冷片之间的热阻，用于驱动电流所需的热量被减少80％，使热电转换效率从4％上升到12％。
本发明还有一个优点在于，使轮环由热电元件构成，所述热电元件由特殊类型的工业纯金属镀上互补的高塞贝克电压材料而成，使电流提高了10倍，这是因为，和由纯金属的合金的组合制成的结相比，纯金属的电阻减少了10倍。
本发明还有一个优点在于，形成了类似于半导体技术中硅平面结的金属平面热电结，改善了热电结的寿命，使热电结和环境隔离，并在器件的寿命期间维持热电结的高塞贝克电压特性。
本发明的这些和其它的优点特点和目的通过下面结合附图进行的详细说明本领域的普通技术人员可更加清楚地看出。
图1是本发明的热电发电机的透视图，表示热电发电机的外部特征和气体燃料箱；图2是表示轮环、热电元件、以及热电发电机的振动输出开关的透视图；图3是表示轮环、热电元件、以及热电发电机的振动输出开关的顶视图；图4是用于约束热电发电机的预先施加应力的绝缘带箍的透视图；图5是表示轮环、热电元件、环，以及热电元件和带箍之间的弹簧的局部顶视图；图6是在热的和冷的铜片之间使用铜杆进行热电元件的欧姆连接的示意图；图7是在热的和冷的铜片之间使用铁杆进行热电元件的互补连接的示意图；图8是一个示意图，上图表示在热片和冷片之间的有螺纹的杆状低导热率元件，下面相应的曲线表示在一对热片和冷片之间的温度梯度和片之间的位置的关系，说明热电转换效率比图9所示的实心的由不同材料制成的热电偶增加10倍；图9是一个示意图，上图表示在热片和冷片之间的实心的不同材料，下面相应的曲线表示在一对热片和冷片之间的温度梯度和片之间的位置的关系，说明热电转换效率比图8所示的有螺纹的杆状低热导率元件减少10倍；图10是表示有螺纹的杆状低导热率元件被装配到热片和冷片的槽中时的示意地局部截面图；图11是表示具有开槽的热片和冷片的热电结的电流路径的长度的示意图，下面是热电结的电模型；图12是表示串联的具有开槽的热片和冷片的热电结的电流路径的长度的示意图，下面是串联的热电结的电模型；图13A是用作低导热率元件的的有螺纹的杆的纵剖面示意图和横截面示意图；图13B是用作低导热率元件的的被局部压平的有螺纹的杆的纵剖面示意图和横截面示意图，说跨过局部压平的杆的缩短的电路长度；图14是压平的低导热率元件在开槽的热片和冷片中对齐时的横截面示意图；图15是表示被涂镀的热电结和在热片和冷片上的催化涂层的示意的局部截面图；图16是表示由铜焊或电镀而形成的平面热电结的局部截面图；图17是通过热电发电机的中心线取的示意的截面图，表示把红外热从排气口返回热片的黑色箱体再加热器；图18是表示空气冷却的通过热电发电机的中心线取的示意的局部截面图；图19是表示水冷却的通过热电发电机的中心线取的示意的局部截面图；图20是热电发电机的水冷管道的示意的项视图；图21是用于热电发电机的机电自启动系统的示意图，其使用图25所示的振动开关，其中利用压电发生器用于点燃气体供能的热电发电机中的燃烧室；图22是使用图25所示的电流中断振动开关的用于启动热电发电机的机械装置的示意图；图23是处于开路状态的用于从热电发电机中提取电功率的振动的电流遮断开关的示意图；图24是处于闭路状态的振动的电流遮断开关的示意图；图25是振动电流遮断开关的示意的截面图，图A表示闭合状态，其中不同的金属衔铁被电磁线圈吸起，使得衔铁螺纹和热片及冷片的螺纹接触，图B表示开路状态，衔铁处于中部，不接触热片和冷片，图C表示闭合状态，衔铁由弹簧向下加力，使得衔铁螺纹和热片及冷片的螺纹接触；图26是振动电流遮断开关的示意图，其中利用电容振荡电路，以便改善电输出波形的正弦波质量；图27是示意的顶视图，表示使用振动电流遮断开关实现热电发电机的电输出连接；图28是热电发电机的热电偶轮环的示意图，表示用于从轮环中吸取功率而不中断电流的的霍耳效应器件，图A表示朝向纸面的叠加的磁场，图B表示背离纸面的叠加的磁场，说明在导体中电流向着一侧急速前进时，电子的移动在导体中产生跨过导体的，垂直于磁场和电流的电压；图29是热电发电机的热电偶轮环的示意图，表示一个霍耳效应器件，其产生由MOSFET开关遮断的电压，从而产生交流输出电流；图30是热电发电机的热电偶轮环的示意图，表示在轮环中的电流和相关的磁场；图31是低导热率元件的示意图，其也是和热片与冷片接触的霍耳效应器件，并且还说明电流，热流，霍耳效应器件的叠加的磁场和跨在低导热率元件上的电压；图32是低导热率元件-霍耳效应器件的示意图，表示被夹在热片与冷片之间的元件和与电功率输出电路的电气串联连接；图33是局部剖视示意图，表示被夹在热片与冷片之间的低导热率元件-霍耳效应器件；图34A是纵剖面示意图，表示跨过两个低导热率元件-霍耳效应器件的6极电磁体；图34B是跨过冷片的6极电磁体的端部纵剖面示意图35是热电发电机的示意图，表示在对系统供热的情况下，热源，冷源，以及在以发电方式工作的轮环中的电流；图36是以冷却方式工作的热电发电机的示意图，用于热电制冷，把热量吸入系统的一部分中，并把其转移到系统的另一部分；图37是低导热率元件的另一个实施例的平面图，其借助于邻接两个半个元件而形成导电的，低导热率的纵向表面而形成；图38A-C是用于说明热电结的另一个实施例的平面图，其使用图27所示的另一个实施例的低导热率元件构成；图39是一个示意图，说明由图2-5所示的轮环产生电功率的另一种技术；以及图40是一个示意图，说明在图2-5所示的轮环在用于热电制冷时的操作。
在图1-3中，适用于作为热电发电机40的热电单元利用在紧密堆叠的热电偶的轮环60中的大的循环电流来产生合适的电输出。串联的热电偶构成轮环60，每个热电偶55(图10和图15所示)包括热片66和冷片65以及夹在其间的低导热率元件64。如图10,15,16所示，导电材料层67T,94Au，和94Ag可以插在低导热率元件64和片65与66之间。热电发电机40还包括圆周装置(带箍61)，用于把热电偶保持在轮环60内，用于在热片66(图6,7，和10)的加热端51加热热片66的装置(图17中的燃烧器77)，用于在冷片65的冷却端53冷却(图17-20中的水82或空气100)冷片65的装置，和用于从轮环60中吸取电输出电流的装置(图3和23-27中的振动开关70，图29的霍耳效应发生器140，或图39中的科耳皮兹振荡器159)。如图35所示，从热源150经过包括在轮环60中的热电结到达散热器151的热流感应通过轮环60而循环的电流，如图35字母I和箭头所示。
在图6和图7中，每个热片66被制成一个细长的元件，具有接触端52和加热端51，每个冷片65被制成一个细长的元件，具有接触端54和冷却端53。每个片65和66由相同材料，即具有高电导率最好是工业纯铜制成。热片和冷片66和65在接触端用至少一个低导热率元件64隔开并和其接触，低导热率元件具有由高的互补塞贝克电压的不同导电金属制成的表面。如果低导热率元件64由一种材料制成，这种材料最好是工业纯镍。每个低导热率元件64可被镀上一层导电材料层67或67A，例如工业纯铜层67或铁层67A，用于和片65,66接触。
在图8和图10-16中，低导热率元件64T和64FT以及导电材料层67被构成，使得具有和热片与冷片66,65接触的小的表面积，以便减少热传递。低热导率元件64T和导电材料层67T在和热片与冷片66,65接触的外表面上制成有螺纹。如图8的曲线所示，和图9所示的无螺纹的低导热率元件64相比，有螺纹的杆状低导热率元件64T和导电材料层67T使热的和冷的热电结之间的温差增加10倍，从而使热电转换效率增加。
在图13和图14中，低导热率元件64FT和导电材料层67FT包括螺纹被局部地压扁并加上螺纹，以便减少热片和冷片66G,65G之间的距离和通过轮环60而循环的电流的行进长度L。低导热率元件64T,64FT和电导体是分别可用镍和铜制成的有螺纹的杆，其被局部地压扁成为椭圆形，以便通过减少电流行进的长度而减少电阻，同时维持热片和冷片66,65之间的最大的温差。
在图10-12和14中，为了进一步减少L的长度，每个热片和冷片66G,65G包括在每个片65G,66G的接触端52和54的每侧上形成的至少一个槽38。槽38接收接触导电材料层67FT的低导热率元件64FT，借以减少电流的行程L的长度，如图11和12所示。
在图15和16中，每个有螺纹的低导热率元件64T和导电材料层67T以及热片和冷片66G,65G的每个槽38被镀上从包括银和金的组中选择的稀有金属层94Au和/或94Ag，以便增加在低导热率元件64和片65,66中的槽38之间的连接处的导电率。
用于互连构成轮环60的热电元件的材料系统的选择是通过考虑具有很低的电阻率，而不贡献塞贝克电压的材料是否将较大地增加通过轮环60而循环的电流，或者考虑相反类型的材料是否贡献足够的互补的塞贝克电压，以便补偿这种材料的较高的电阻率来进行的。例如，被夹在热和冷的铜片66和65之间的有螺纹的铜的低导热率元件64不产生塞贝克电压，但是铜的电阻率是1.72×10-6欧姆-厘米，这和将产生互补的塞贝克电压的金属例如电阻率为6.80×10-6欧姆-厘米的镍相比，是非常低的。对于使用有螺纹的铁的低导热率元件64的轮环60，其电阻率为9.71×10-6欧姆-厘米，产生18.5×10-6微伏/℃的电压，为了使循环电流最大，铁应当是合理的选择。然而，困难在于，可得到的最好的铁(纯度99.99％)只产生3.0×10-6微伏/℃，而不是18.5×10-6微伏/℃。从这一材料限制看来，最好的材料选择应当是使用铜的低导热率元件64，以便使通过轮环60循环的电流最大。如果能够以合理的价格获得在前面提到的手册中的塞贝克电压，则应当使用铁的有螺纹的低导热率元件64构成轮环60中的热电结。
图37说明被设置在直接相邻的热片和冷片66,65之间的低导热率元件64的一个特另优选的实施例。低导热率元件64被有利地制成圆柱销形，其被装入在热片和冷片66和65中形成的槽38中。这些优选的低导热率元件64通过两个铜的半圆柱沿着导电的、低导热率的纵向表面经过热压或热熔连结而成。在两个半圆柱被热压或热熔相互连结之前，要被叠置的表面被压花而产生当两个半圆柱被叠置时彼此相交的螺纹。热压或热熔连结使相交的螺纹顶部熔合在一起，从而提供两个半圆柱之间的好的导电率，同时在螺纹之间的凹处作为气孔89而保持打开。在两个半圆柱被连结在一起之后，低导热率元件64被放置在相邻的热片和冷片66,65之间，使低导热率的纵向表面在热片和冷片之间对分。
为了建立热电结，每个低导热率元件64可以镀上例如提供互补的高塞贝克电压的材料层。镀上的材料可以从包括铋，康铜，镍，硒，碲，硅，锗，锑，镍铬合金，铁，镉，钨，金，铜，锌和银的组中选择，并且铋和锑是分别用于提供p型结和n型结的优选材料。最佳的n型镀层应当是铋层67Bi，如图38A所示。最佳的P型镀层应是锑层67sb，如图38A所示。如图38A所示，层67Bi和层67Sb在热片66的相对侧上和在冷片65的相对侧上是不同的。如图12所示，有螺纹的和被压扁的有螺纹的p型和n型低导热率元件64也被镀上上述材料的导电层67，最好是铋和锑，它们被设置使得低导热率元件64在热片和冷片66,65的相对侧上具有不同的层67。
如图38B所示，除去用互补的高塞贝克电压材料涂镀低导热率元件64而形成热电结之外，或者代替用互补的高塞贝克电压材料涂镀低导热率元件64而形成热电结，在片66,65中的槽38可以用所述材料涂镀。在每个片65或66的第一侧上的槽38镀上提供一种类型的热电结的材料层例如88Bi，而在每个片65或66的相对侧上的槽38镀上提供另一种类型的热电结的材料层例如88Sb。然后，片66,65被如此设置，使得相同的材料形成涂镀接收相同的低导热率元件64的槽38的层。如果低导热率元件64不镀上高的互补塞贝克电压的材料，也仍然需要匹配接触同一个低导热率元件64的热片和冷片66,65的槽38的材料类型。然而，如果低导热率元件64被镀上高的互补塞贝克电压的材料，则在元件64上的镀层和在片65或66上的叠置的镀层应当是同一种材料。
如图38C所示，涂镀片66,65或低导热率元件64的高的互补塞贝克电压的材料层可以进一步被镀上一层铜材料87Cu。利用层87Cu再次涂镀高的互补塞贝克电压材料层67Bi,67Sb,88Bi，与/或88Sb有助于在每个低导热率元件64和与其接触的片66,65之间形成好的电连接。
在图3-5中，一个圆周装置保持着轮环60的片65,66和低导热率元件64。因而，带箍61包围轮环60，以便承受由循环电流而产生的洛仑兹力。带箍61从强度考虑最好是金属带，其被围绕轮环60(电流存储器件)固定，以便在电结点连接处保持预应力。带箍61包括绝缘间隙63，最好是介电材料例如陶瓷，利用扣环68和弹簧垫片69被设置在带箍61中(图4)，用以在轮环60中保持预应力。绝缘间隙63使带箍61解耦，阻止其成为轮环60的二次绕组。介电的和热绝缘的层62被固定在带箍61和轮环60之间的带箍61上，用以阻止带箍61在电和热方面使热电偶短路。在图5中，环路还包括多个设置在热电偶的轮环60和带箍61之间的线圈弹簧72。压缩的线圈弹簧72使带箍61保持用以克服洛仑兹力而所需的应力，而不管由于温度变化而使带箍61收缩与膨胀。
在轮环60被装上带箍61之后，不管被设置在一对热片和冷片66,65之间的低导热率元件64的形状如何，整个组件在450℃的真空中进行热压缩连结5分钟。在热压缩连结之后，整个轮环60被镀上无电的镍材料，例如高磷处理的，商标为MacDermid,Waterbury,Connecticut生产的ELNIC 100。
在图1和图17中，在热片66的加热端51的用于加热热片66的装置包括在热片66的下方的风冷的燃料燃烧区79，其具有在燃料燃烧区上方的排出开口90，每个热片66的每个加热端51位于燃料燃烧区79内。在燃料燃烧区内，可以燃烧任何类型的燃料，如在催化燃烧器77中一样。如图15所示，每个热片66G在其和燃烧气体接触的无槽的加热端51上可以镀上一层铂或钯71，用作从燃烧区排出的气体的催化转换剂。热片66上镀上层71可以减少污染，并阻止热片66氧化。由热电发电机40产生的电输出电流可以通过控制施加于燃料燃烧区中的燃料的数量进行控制。
燃料燃烧区79配备有燃烧器56，其在图19中表示为一系列的喷气嘴，通过管道57向其提供的燃料包括由外部箱体50(图1)供给的压缩气流。供给燃烧器56的气体燃料最好是甲烷，丙烷，或丁烷气体。燃烧室56还可以被供给气化的液体燃料例如煤油，柴油，燃油，Jet-A,JP-A,JP-4,JP-6,JP-8和汽油。此外，用于在加热端51加热热片66的装置可以是核动力热源。
在图17中，黑色箱体再加热器75盖住热片66周围的燃料燃烧区79，用于把由燃料产生的红外热反射回热片66，从而增加热效率。黑色箱体再加热器75包括具有黑色下表面76和隔板78，用于阻止辐射热直接从排气口90排出。在图1中，热电发电机40还包括包围轮环60的支撑基体44，盖43，以及在排气口上方的栅格42，用于接收烹调使用的容器。在热电发电机40的外部上的手柄41能够使相当轻的发电装置容易地携带。
在图17-19中，在冷片65的冷却端53用于冷却冷片65的装置包括冷却室81或102。冷却室81或102含有流体82或100，用于从位于流体中的冷片65的冷却端53带走热量。
在图18中，流体是空气100，冷却装置包括通入冷却室的空气入口104，从冷却室出去的空气出口101，以及和冷却室102相通的风扇103，用于使空气100通过冷却室循环，从而从冷片65带走热量。来自冷却室的空气可以通过外部加热系统105循环，空气对加热系统放出热量，并且空气通过风扇103经冷却室102再次循环。
在图17和图19中，冷却流体是液体，例如水82，冷却室是一个敞开的槽81，冷片65的冷却端53被浸在水82中，水蒸发放出蒸汽80，从而冷却冷片65的冷却端53。
在图20中，冷却流体是液体，例如水82，冷却室是一个封闭的包围冷片65的冷却端53的管道83，并且还包括和管道83相通的泵85。泵85使液体通过管道83循环，液体接触冷片65，因而从中带走热量。从管道83排出的热水可以通过外部散热器86循环，从而加热另一个系统并使水冷却，然后，泵85使水通过管道83再循环。
在图22-27中，示出了一种用于从轮环60吸取电输出电流的装置。在这些图中表示的功率输出装置包括具有纵向振动的有螺纹的衔铁131的开关70。衔铁131通过连杆和能够使衔铁沿一个方向运动的电磁线圈115耦合。弹簧138迫使衔铁131沿和电磁线圈115的方向相反的方向运动。在由相似的导电金属例如工业纯铜制成的热片和冷片66T,65T之间，形成一个比衔铁大的有螺纹的孔139。热片和冷片66T,65T被有螺纹的陶瓷隔离件134隔开(图27)。有螺纹的衔铁131在有螺纹的孔139内纵向运动。衔铁131最好由在热电性能上和制成热片和冷片66或65的材料不同的金属制成。衔铁131和在热片与冷片66T,65T中形成的有螺纹的孔具有相同螺距的螺纹，它们共同构成一个通断开关，用于中断通过轮环60而循环的循环电流。
不同的金属衔铁131的纵向运动产生塞贝克电压，这是由于当开关处于电气闭合位置时，金属衔铁131和热片与冷片66T,65T的材料接触。衔铁131向图25A所示的上方电气闭合位置的运动由电磁线圈115实现，向图25C所示的下方电气闭合位置的运动由弹簧138实现。当衔铁131处于两个电气闭合位置之间时，开关70处于不和螺纹接触的打开位置，如图25B所示，并且通过轮环60而循环的电流被中断，从而产生可用于驱动外部电气负载95的输出电压。
一个如图23,24和26所示的电输出电路130和图1所示的热电发电机40的外部的电输出端子39相连。图23表示振动开关70打开而在输出电路130中产生电流I的情况。在图24中，振动开关70闭合，因而没有电流流入输出电路30。在打开和闭合位置之间的交换对负载95提供交流电流。包括在输出电路130中的电容谐振电路133滤除输出交流中的假信号，从而改善电输出的质量，使其更像正弦波。
图27所示的热和冷开关片66T,65T提供用于向家庭或工业电负载95供电的输出端子135。由轮环60提供的电气环路的交替地打开与闭合产生50/60Hz的120/180V的交流电压。衔铁131以输出电压的频率一半的频率沿纵向振动，所述输出电压是由通过中断循环电流而引起的图30所示的磁场143的衰减感应的。
在图22中，为了向电磁线圈115供电，一个正弦波发生器116从在进行操作之后的热电发电机40通过电接点114接收功率。为了利用机械装置启动热电发电机40，一个手操作的单向弹簧供能的振动装置120被机械地和电磁线圈115相连。通过在枢轴123上旋转，振动装置120在一般情况下由弹簧122抵靠止点124而偏置。按压用质量121加载的振动装置的一端将使在相对端的挺杆125启动电磁线圈115。振动装置120能够激励电磁线圈115振动几个周期，直到热电发电机40的电输出可以自供电给正弦波发生器116而驱动电磁线圈115为止。
在图21中，用于启动热电发电机的另一种装置包括手指操作的压电发生器110，用于通过推动启动按钮111向燃烧室供应火焰点火火花118。压电发生器110还可以用于在电容器117中存储电能112，电容器117通过电压调节器113连接，电压调节器用于向正弦波发生器116供电，以便致动和振动开关70相连的电磁线圈115，如图22所示。
在图28-34中，用于从轮环60吸取输出电流的装置包括霍耳效应发生器140。霍耳效应发生器140包括电磁体147，用于提供垂直于轮环60中的电流I的磁场137。电接点149和沿着轮环60的一段设置在热片和冷片66,65之间的多个热电霍耳效应元件146串联连接。如图31所示，由小箭头144指示的热流从热片66经过热电霍耳效应元件146流向冷片65。同时，由大箭头145表示的大电流通过轮环60循环。垂直于电流145施加的外部磁场137在热电霍耳效应元件上感应电压。图32所示的电输出电路和串联连接的热电霍耳效应元件146相连，因而可以从热电发电机40吸取用于操作电负载95的电能，而不中断轮环60中的电流I。热电元件146的一个优选的形式是一个由镍和铜制成的椭圆件，分别用于低导热率元件和导体，在椭圆件上在有螺纹的结构中镀上不同的金属。
图28说明被垂直于轮环60中的电流I而施加的磁场137在轮环上产生垂直于电流和外部磁场137的电压。这一横向电压叫做霍耳电压。该电压是由于施加的磁场137使电流136在导体中挤向一边而产生的。如果磁场137改变极性(实际上是正弦波)，霍耳电压也将是正弦的，从而产生交流电压。如图29,32和34所示,磁场137由串联连接的线圈148产生，线圈148和串联连接的热电霍耳效应元件146并联。场效应器件141也和线圈148串联，其可以中断通过线圈148的产生外部磁场137的电流。这样，通过场效应器件141的打开和闭合，外部施加的磁场137可以被交替地提供给热电霍耳效应元件146并然后从热电霍耳效应元件146除去。用这种方式，从轮环60吸取的电功率向外部负载95供电，并提供由霍耳效应元件146所产生的电能。
通过使用三个独立的霍耳效应发生器140，可以得到具有三个不同输出的三相功率，每个霍耳效应发生器包括霍耳效应元件146，用于产生外部施加的磁场147的线圈148，以及场效应器件141。对于为产生三相功率所需的每个霍耳效应发生器140的外部施加的磁场的协调，通过响应来自微处理器-控制器的信号，控制场效应器件141的通断来实现。通过检测电网的操作，并使发电机40产生的相和输出频率与电网相匹配，可以产生和电网同相的三相功率。
图39说明从轮环60产生电功率的另一种技术。在图39中，电容器160沿直径方向和轮环60相连，借以和轮环60的电感形成并联谐振电路科耳皮兹振荡器159。一个电操作的短路开关161和位于轮环60的一半上的多个热电结并联。开关161的交替地打开和闭合激励科耳皮兹振荡器159在其固有谐振频率下振荡，固有谐振频率由轮环60的电感的1/4和电容器160的电容确定。因而，由图39中双箭头表示的交流电压162出现在和电容器160以及轮环60相连的端子163之间。交流电压162可以用来驱动外部负载95。和一个端子163相连的整流二极管164对交流电压整流，同时电容器165对整流的交流电压滤波，从而产生端子166之间的直流电压，该电压也可以用于驱动外部负载。
这种新型发电机的应用范围包括从紧急家用电源、家用电机和改造的空气调节设备到第三世界国家的农村用电。发电机40全部是固态的，没有被磨损的运动部件，操作时没有噪声，采用不锈钢结构。这种5kw的发电机40重12kg(27 1bs)，其中包括1小时的燃料供给。此时的热电效率为12％，远大于传统的热电发电机，而为煤油/柴油发电机的效率的一半。这种热电发电机的重量是蒸汽发电机重量的1/10，由于体积、重量、容量和成本，这种发电机对于便携式应用具有很大的实用性。
如图36所示，如果电流流经构成轮环60的热电结，珀尔帖效应将产生温度梯度。热量在冷边151A被吸收，在热边150A被排出，这样便产生安静态的制冷能力。热电制冷器也是非常稳定的，因而可以用于激光二极管或电子元件例如电荷耦合器件、红外检测器、低噪声放大器和计算机芯片的温度稳定。从标准的含氯氟烃和温室制冷气体对环境的影响以及计算机和电子设备需要小容量的局部冷却看来，热电领域需要比当前存在的较高性能的室温材料。此外，作为低温电子学领域(利用高转变温度的超导材料)，愈加需要较低温度(100-200K)和较高性能的热电器件。
热电概念也可以考虑用于汽车工业而用于下一代的交通工具中，不仅为了运输，而且为了控制气候。其它可能的汽车应用包括从使用发电机余热发电到为了舒服而为座位冷却器供电或电子元件的冷却。这些材料目前的最通常的应用是小的热电冷暖器，在许多零售店售价为80-100$。这种设备只需轻按一下开关便可冷却到大约25℃以下，加热到大约55℃以上的环境温度。它还可以被装入汽车车灯中或由小的直流电源操作，在远离交流插座或提供冰的情况下是有用的。这种冷却器的一种较大的形式可能是重要的，例如，在生物应用中用于标本的温度稳定，以及仅仅用于保持冷饮的温度。高性能的热电单元40最初是为5000w的发电机而研制的，虽然不打算用作冷却器，但是仍然能够提供热电制冷，因为在5000w的发电机设计中使用了同样先进的材料系统，使得也可以作为固态冷却器。
图40说明一种用于操作热电单元40进行制冷的方法。在图40中，一个磁线圈170包围着轮环60。在磁线圈170上的绕组171和电子开关172串联连接，并和串联连接的电容173和电阻174相串联。提供给电子开关172的驱动信号交替地接通和打开串联电路，在串联连接的电阻174，电容173和绕组171上施加电压V。在这串联连接的电路上施加的电压周期地且重复地向轮环60中注入由图40小箭头表示的电流175，被叠加在大得多的循环电流176(例如10000安培)上。用这种方式注入轮环的电流产生被从冷片65向热片66传递的热量，从而使轮环60作为热电制冷器工作。
热电单元40的其它应用包括发电机和在应用中的存储性能，例如对电动汽车充电并用作电动汽车的交流电源，作为工业应用的削峰器，用于民用部分的电力保护系统，以及用作电力工业的600Mwh的昼夜电网整平器。
虽然本发明根据本最佳实施例进行了说明，但是，应该理解，这些说明纯属说明而已，并不限制本发明。例如，虽然本发明根据热电结组的环形结构进行了说明，但是应该理解，本发明的环形形式对于力的对称，容易制造和装配而言是最佳的。即，所有的或基本上所有的依次排列在组中而构成热电发电与/或制冷单元的元件的形状相同，借以简化其制造和装配而成为可操作的单元。不过，本发明的热电组可以设计为和轮环60不同的其它形状，例如，由热电元件构成的椭圆形的闭合环路，矩形的闭合环路六角形的闭合环路等。因而，下面的权利要求旨在包括热电元件组的所有的几何结构，其形成一个闭合环路，电流通过这种闭合环路而循环。因而，不脱离本发明的范围和构思，本领域的技术人员在阅读本说明之后，可以作出本发明的各种改变、改型与/或替代的应用。因而，下面的权利要求旨在包括落在本发明范围和构思之内的所有这些改变、改型和替代应用。
权利要求
1一种适用于或者发电或者制冷的热电单元，所述热电单元利用在紧密叠置的热电偶的闭合环路中的大的循环电流，所述热电单元包括被设置而形成闭合环路的一系列热电偶，每个热电偶包括热片和冷片，以及夹在每对直接相邻的热片和冷片之间的导电的、低导热率元件，每个热片被制成具有接触端和加热端的细长形状，每个冷片被制成具有接触端和冷却端的细长形状；每个热片和冷片由高电导率材料制成，在接触端被至少一个低导热率元件分开并和低导热率元件接触，形成在片和低导热率元件之间的连接的材料为热电偶提供互补的高塞贝克电压，借以在加热热片的受热端以及在冷却冷片的受冷端时，一个电流通过闭合的热电偶环路循环；以及用于保持热电偶使其被设置在闭合环路中的圆周装置。
2如权利要求1所述的热电单元，其中低导热率元件被如此构成，使得其具有和热片与冷片的小的表面积接触，从而减少其间的热传递。
3如权利要求2所述的热电单元，其中低导热率元件具有和热片与冷片接触的有螺纹的外部表面。
4如权利要求3所述的热电单元，其中低导热率元件被局部地压扁，借以减少相邻的热片和冷片之间的电流通过闭合环路的距离。
5如权利要求3所述的热电单元，其中每个热片和冷片在每个片的相对侧上形成有至少一个槽，用于接收一个低导热率元件，借以减少通过闭合环路的电流行进的距离。
6如权利要求5所述的热电单元，其中低导热率元件和在热片与冷片中的槽被镀上不同的金属，作为片和为热电偶提供互补的高塞贝克电压的低导热率元件之间的连接。
7如权利要求6所述的热电单元，其中不同的金属从包括铋，康铜，镍，硒，碲，硅，锗，锑，镍铬合金，铁，镉，钨，金，铜，锌和银的组中选择。
8如权利要求1所述的热电单元，其中热片和冷片在每个片的第一侧和第二侧形成有至少一个槽，每个槽接收一个低导热率元件，借以减少通过闭合环路的电流行进的距离；以及低导热率元件由沿着导电的、低导热率的纵向表面相互邻接的两半构成，低导热率元件的方位被这样设置，使得低导热率表面位于接触低导热率元件的热片和冷片之间，借以减少热片和冷片之间的热传导。
9如权利要求8所述的热电单元，其中每个低导热率元件被镀上一层材料，作为片和为热电偶提供互补的高塞贝克电压的低导热率元件之间的连接，所述材料从包括铋，康铜，镍，硒，碲，硅，锗，锑，镍铬合金，铁，镉，钨，金，铜，锌和银的组中选择。
10如权利要求9所述的热电单元，其中镀在每个低导热率元件上的镀层被再镀上一层导电层。
11如权利要求8所述的热电单元，其中在每个片的第一侧上的槽被镀上一层材料，作为片和为热电偶提供互补的高塞贝克电压的低导热率元件之间的连接，所述材料从包括铋，康铜，镍，硒，碲，硅，锗，锑，镍铬合金，铁，镉，钨，金，铜，锌和银的组中选择；以及其中在每个片的第二侧上的槽被镀上一层材料，作为片和为热电偶提供互补的高塞贝克电压的低导热率元件之间的连接，所述材料也从包括铋，康铜，镍，硒，碲，硅，锗，锑，镍铬合金，铁，镉，钨，金，铜，锌和银的组中选择，并且在每个片的第二侧上形成镀层的材料具有相对于在每个片的第一侧上形成镀层的材料相反的塞贝克电压，这些片被如此设置，使得相同的材料形成接收相同的低导热率元件的槽中的镀层。
12如权利要求11所述的热电单元，其中在每个片上的槽中的镀层再被镀上一层导电层。
13如权利要求1所述的热电单元，其中用于保持热电偶被设置在闭合环路中的圆周装置包括一个带箍，其包围热电偶的闭合环路，用于承受在闭合环路中产生的洛仑兹力，带箍围绕闭合环路被固定，用于对热片和冷片以及热电单元的低导热率元件施加预应力，并且带箍包括一个绝缘间隙，用于使作为二次绕组和通过热电偶的闭合环路而循环的电流耦合的带解耦。
14如权利要求13所述的热电单元，还包括被固定在热电偶的闭合环路和带箍之间的多个线圈弹簧，所述线圈弹簧通常处于压缩状态，以便使带箍保持用于克服洛仑兹力所需的应力，而不管由于温度变化而使闭合环路收缩与膨胀。
15如权利要求1所述的热电单元，还包括用于对热片的受热端提供热量的片加热装置；用于从冷片的受冷端除去热量的片冷却装置；以及功率输出装置，用于从闭合环路中吸取电输出电流，以便使热电单元成为热电发电机。
16如权利要求15所述的热电单元，其中热片的受热端被镀上从包括铂和钯的组中选择的材料，从而为从片加热装置排出的气体提供催化转换剂，借以减少污染和热片的氧化。
17如权利要求15所述的热电单元，其中片加热装置包括位于热片下方的风冷的燃料燃烧区，在燃料燃烧区的上方具有排气口，热片的受热端位于燃料燃烧区中。
18如权利要求17所述的热电单元，其中燃料燃烧区还包括一系列的气体喷嘴，其接收由被送入气体喷嘴的压缩气流构成的燃料。
19如权利要求18所述的热电单元，其中压缩气体从包括甲烷，丙烷和丁烷的组中选择。
20如权利要求17所述的热电单元，还包括在热电单元的顶部在排气口的上方的栅格，用于接收烹调容器。
21如权利要求17所述的热电单元，还包括在燃料燃烧区内在热片周围的黑色箱体再加热器，用于把燃料产生的红外热量反射回热片。
22如权利要求17所述的热电单元，其中燃料燃烧区还包括燃烧器，用于接收从包括煤油，柴油燃料，燃油，Jet-A,JP-4,JP-6,JP-8和汽油的组中选择的气化的液体燃料。
23如权利要求15所述的热电单元，其中片加热装置包括核动力热源。
24如权利要求15所述的热电单元，其中片冷却装置包括被设置在热电单元中的冷却室，冷片的受冷端位于冷却室内，冷却室适用于保持流体，用于从位于冷却室内的冷片的受冷端带走热量。
25如权利要求24所述的热电单元，其中所述流体是空气，并且还包括通向冷却室的空气入口和从冷却室出去的空气出口，以及和冷却室连通的风扇，用于使空气通过冷却室循环，以便从冷片带走热量。
26如权利要求25所述的热电单元，其中来自冷却室的空气通过外部加热系统循环，空气对加热系统放出热量，然后被风扇吹回通过冷却室循环。
27如权利要求24所述的热电单元，其中所述流体是液体，冷却室是敞开的槽，冷片的受冷端被浸在液体中。
28如权利要求24所述的热电单元，其中流体是液体，冷却室是包围冷片的受冷端的封闭的管道，热电单元还包括和管道连通、用于通过管道抽吸液体的泵，液体和冷片接触，并从中带走热量。
29如权利要求28所述的热电单元，其中来自封闭管道的流体通过用于冷却流体的外部散热器循环，然后，通过管道进行再循环。
30如权利要求15所述的热电单元，其中用于从闭合环路中吸取电输出电流的功率输出装置包括开关，其包括导电的、沿纵向振动的有螺纹的衔铁，用于带动衔铁沿一个方向纵向运动的电磁线圈，以及用于推动衔铁沿相反方向纵向运动的弹簧；比衔铁较大的有螺纹的孔，其形成在由有螺纹的陶瓷隔离件保持分开的一对片之间，在较大的有螺纹的孔内，衔铁可以纵向运动，衔铁和孔具有螺距相同的螺纹，它们共同形成通断开关，用于响应衔铁的纵向运动打开和闭合电流环路，衔铁从一个由电磁线圈实现的电闭合位置运动到由弹簧实现的另一个电闭合位置，并且当衔铁处于这两个电闭合位置之间时，闭合环路中的电流被中断，从而产生经电输出电路驱动外部电负载的电输出。
31如权利要求30所述的热电单元，其中电输出电路包括电容谐振电路。
32如权利要求30所述的热电单元，还包括正弦波发生器，其和电磁线圈相连，并且在热电单元开始工作从而驱动外部电负载之后，接收来自热电单元的电功率，以及一个手操作的激励装置，其和有螺纹的衔铁以及电磁线圈机械地连接，用于启动有螺纹的衔铁以及电磁线圈的振动，直到热电单元的电输出可以为正弦波发生器的操作供电为止。
33如权利要求30所述的热电单元，还包括正弦波发生器，其和电磁线圈相连，并且在热电单元开始工作从而向电磁线圈供电之后，接收来自热电单元的电功率；以及手指操作的压电装置，用于存储电能，以便向正弦波发生器供电。
34如权利要求30所述的热电单元，其中形成有螺纹的衔铁和有螺纹的孔之间的连接的材料提供互补的高塞贝克电压。
35如权利要求15所述的热电单元，其中用于从闭合环路吸取电输出电流的功率输出装置包括霍耳效应开关，其包括用于施加垂直于闭合环路中的电流的磁场的装置，连接在闭合环路的一部分上的电接点，以及和所述接点相连的电输出电路，使得用于操作外部电负载的电能可以在不中断闭合环路中的电流的情况下被取出。
36如权利要求35所述的热电单元，包括和闭合环路相连的具有三个不同输出的三个霍耳效应开关，并合适地施加垂直的磁场，以便产生三相电功率。
37如权利要求15所述的热电单元，其中用于从闭合环路吸取电输出电流的功率输出装置包括和闭合环路的一组热电偶并联的电子开关，其可以被闭合，从而使所述一组热电偶电气短路；和闭合环路的一组热电偶并联的电容器，借以和闭合环路的电感形成并联谐振电路；以及电子开关驱动装置，用于使电子开关交替地打开和闭合，借以在电容器上感应交流电压，用于驱动外部电负载。
38如权利要求37所述的热电单元，还包括用于把电容器上的交流电压转换成直流电压的整流器。
39如权利要求1所述的热电单元，还包括用于从热片的受热端移去热量的片冷却装置；用于向冷片的受冷端供应热量的片加热装置；以及用于向闭合环路提供电输入电流，借以使热电单元成为热电制冷器的电源装置。
全文摘要
一系列紧密叠置的热电偶形成一个轮环(60),其被电绝缘的带箍(61)保持在压缩状态以便抵抗洛仑兹力。通过低导热率元件(64)和在热片与冷片(66和65)中形成的槽(38)来实现减少电路路径长度而使得在轮环(60)中流通大电流。通过减少热片和冷片(66和65)之间的热传递产生较高的循环电流。在热片和冷片(66和65)与低导热率元件(64)之间形成的热电结最好由不同材料的镀层(67)构成,所述材料包括铋,康铜,镍,硒,碲,硅,锗,锑,镍铬合金,铁,镉,钨,金,铜,锌和银。作为热电发电机(40)操作时,可以使用振动机械开关(70)、霍耳效应发生器(140)、或科耳皮兹振荡器(159)中任何一个从循环电流吸取电功率。
文档编号H01L35/20GK1224534SQ97196104
公开日1999年7月28日 申请日期1997年5月9日 优先权日1997年5月9日
发明者J·M·施勒德 申请人:特莱珀特国际股份有限公司