专利名称：使用温差发电器和相变材料发电的制作方法
技术领域：
本申请涉及利用温差发电器发电，更具体地，涉及利用温差发电器/热电发电机和相变材料发电
背景技术：
能量收集器从通常被忽略的和未被利用的能源中生成电能。能源和转换电的方法包括将光能转换成电的光伏器件、将振动能转换成电的悬臂压电梁、和将热流转换成电的热电器件/温差电器件。这些能量收集器和方法可以适用于各种应用。随着小功率的电子器件日益普遍，能量收集器和方法提供了电力电子器件不需要电池或甚至电源配线的有用方式。由于设计和安装电线的成本与其重量和改进的难度，电线在许多应用中是不需要的。例如，由于更换电池比较困难，以及某些电池造成环境危害或引起安全隐患，所以在飞机上是不需要电池的。此外，电池在低温情况下功能较差。在某些情形下，利用低功率能量收集器可以为偶尔需要中等数量的电源的电子器件提供动力。在这些情形中，由能量收集器产生的电能存储在电容器或可再充电电池中。温差发电器是利用1821年发现的被称为塞贝克效应的物理学原理的器件。如果两个不同材料的导体(例如铜和铁)在其端部均连接在一起形成两个接合点，并且一个接合点保持在比另一个接合点更高的温度，则两个接合点之间的电压差将上升。各种温差发电器均是商售的。一个这种模块是Hi-Z公司的HZ-2。模块的大小是I. 15英寸xl. 15英寸x0. 20英寸，以及该模块包含14x14的热电元件列。
发明内容
在一个方面，公开了能量收集器，其包括当热梯度强加在其第一主要表面和第二主要表面之间时适应于根据塞贝克效应产生电的热电器件；封住放置用于与热电器件的第一主要表面进行热传递的相变材料的外罩，从而在相变材料和热电器件之间进行热传递；以及电耦合热电器件的无线电发射机。该无线电发射机能够发射信号。在另一个方面，公开了能量收集器，其包括当热梯度强加在其第一主要表面和第二主要表面之间时适应于根据塞贝克效应产生电的热电器件、封住放置用于与热电器件的第一主要表面进行热传递的相变材料的外罩以及在外罩内的为相变材料提供更加均匀的热分布的导电翅片。适用于能量收集器的此处公开的任何实施例可以安装到衬底上，衬底是经历温度变化的可移动器件的零件，温度变化是由其移动产生的。已经讨论的特征、功能和优势可以在各种实施例中独立地实现，或可以与其他实施例组合实现，关于下面的附图和说明书可以理解其进一步的细节。
图I是能量收集器的一个实施例的透视图。
图2是能量收集器的另一个实施例的透视图。图3是能量收集器的两个实施例的顶部平面图，其比较器件内建立的固态。图4是示出了图 3的两个器件在温度T2和T2^的差异的曲线图。图5示出了适用于图3的能量收集器的热电路图。图6是包括相应的热电路图的能量收集器的一个实施例的顶部平面图。图7是能量收集器的可选实施例的顶部平面图。
具体实施例方式下面的详细描述将说明本发明的一般原理，在附图中额外地示出其实例。在附图中，相同的参考数字表明相同的或功能相似的元件。首先参考图1-3，当翅片16存在时一般由参考数字10表明示出的能量收集器，而当翅片不存在时一般由参考数字10'表明示出的能量收集器。能量收集器10、10'适应于从热差或热梯度生成电能。为此，能量收集器10、10'包括热电器件20，当通过主要表面40、42中的至少一个受到温度变化的影响而将热梯度施加到其第一主要表面40和第二主要表面42(参考图3)之间时热电器件20根据热电效应产生电。如此处所使用的，术语“热电效应”包含塞贝克效应(Seebeck effect)、拍耳贴效应(Peltier effect)、汤姆逊效应(Thomson effect)，这些在许多教科书中都被称为是珀耳贴-塞贝克效应。热电器件20受到的温度变化可以是由热电器件20热导电(thermallyconductively)安装到的衬底24移动引起的。在一个实施例中，衬底24可以是诸如飞机的移动交通工具的零件。衬底24可以是飞机壁，飞机壁在飞机起飞、飞行和/或降落期间将经历温度变化。一般地，飞机壁包括内墙板、外部飞机蒙皮以及在内墙板和飞机蒙皮之间的壁空间。能量收集器10可以是热导电地安装到这些层中的任意一层。在飞行期间，飞机可以经历从在地面上的环境温度到大约_28°C的温度变化。在地面操作期间或当停放飞机时，温度变化也可以存在于其他的飞机结构部件中，例如但不限于，液压管路(一般地大约20° F到高于环境温度大约200° F的温度)、发动机、PAC排气管(一般地在大约490° F的温度)。只要选择用于器件结构的材料在这些温度下不会降解、起反应或出故障，那么能量收集器10、10'可以利用这些温度变化。能量收集器10、10'在相变过渡期间也应当能够在一些普遍经历的中点值温度收集能量。尽管飞机用作能量收集器10可以安装到其上的移动交通工具的示例，但是“移动交通工具”并不限于此。移动交通工具可以是轮船、潜水艇、汽车、火车、火箭、飞船、动物或宇宙飞船。如图1-2所示的能量收集器10包括放置成热接触热电器件20的第一主要表面40的第一热导电层18,并包括放置成与热电器件20相反地热接触第一热导电层18的外罩
12。外罩12封住相变材料(PCM) 14。该结构能够在相变材料和热电器件之间进行热传递，以便可以产生电能。在能量收集器10内，在外罩12内存在翅片16，用于接触PCM14。如图6中所示，能量收集器10可以包括包围外罩12和TEG20的绝缘材料/绝缘件22。绝缘材料22是有利的，因为其使得通过环境空气的热损耗降到最小，且使得相变持续时间最长和发电达到最大。在一个实施例中，如图I中所示，能量收集器10可以电耦合增压器件26和/或能够发射信号的无线电发射机30。下面将更详细地讨论能量收集器的10、10'的各个部件。
热电器件20可以是任何已知的和/或商售的器件，例如可以从Hi-ZTechnology，Inc.、EnOcean GmbH和/或Micropelt GmbH获得的温差发电器或类似件。在一个实施例中，热电器件20可以包括在氧化铝陶瓷材料上的BiSn接合点。能量收集器10、10'的一个方面是使得器件微型化。因此，热电器件20要尽可能地小，并且可以是至多大约2. 5mm x
3.3mmx I. 1mm。在另一个实施例中，热电器件20可以是至多大约3. 4cm x 3. Ocm x 1.0cm。为了提高热电器件20和其两个主要表面40、42接触之间的热导电性，可以相反地存在热导电层18、IV。如图1-2中所示，第一热导电层18可以存在于热电器件20和PCM14的外罩12之间，以及第二热导电层18'可以存在于衬底24和热电器件20之间。第一热导电层18和第二热导电层18'可以是具有高的热导电性、良好的间隙填充能力、良好的电介质特性、低的接触应力和长期的可靠性的材料层。在一个实施例中，热导电层18、18'可以是热导电界面衬垫,例如来自3M和/或Laird Technologies的界面衬垫。衬垫的厚度可以是从大约O. 5mm到7_。在一个实施例中，衬垫的厚度是大约Imm到大约5_。在另一个实施例中，热导电层18、18'可以是热界面材料，例如是软化和填充工作温度时的微小间隙的相变热界面材料或者是热导电油脂，其符合啮合面的不规则性，例如从LairdTechnologies获得的。在另一个实施例中,第一热导电层18和第二热导电层18'可以是热复合物或热敏性粘合剂(thermal adhesive),例如Arctic Silver生产的热复合物或热敏性粘合剂。还是参考图1-2，外罩12可以由任意的热导电材料构造。外罩12也应当是足够耐用，从而可以经受住当发生相变时PCM体积的频繁变化、限制PCM通过壁的通道(所以如果材料是易湿的，那么材料将不会变干或干透)以及抗渗漏和侵蚀。合适的热导电材料包括但不限于金属、浸溃金属的塑料和热导电碳。在一个实施例中，外罩12可以是铜或不锈钢。在另一个实施例中，外罩12可以是或包括聚丙烯或聚烯烃聚合物。现在参考图3，在另一个实施例中，仅热接触热电器件20的外罩44的面可以由热导电材料构造，而其他面则不是由热导电材料构造。因此，这些其他面可以作为热绝缘材料22，这将在下面更详细地讨论。侧面44与热电器件20进行热传递，并且优选地按照尺寸制造和/或定形为匹配热电器件20的大小，从而使得其间的热导电性最大。外罩12并不限于任何特定的形状或大小。在一个实施例中，外罩12可以是如图1-3中所示的立方体。在如图6中所示的可选实施例中，在图6中一般由60指明的能量收集器包括可以是或包括开孔的外罩12、用于装纳PCM14的导电泡沫62、包围除了外罩12的侧面44之外的外罩12的绝缘材料22，其中外罩12的侧面44接触第一热导电层18，该第一热导电层18热接触热电器件20的第一主要表面40，热接触热电器件20的第二主要表面42热接触第二热导电层18'，第二热导电层18'热接触暴露于大气46的衬底24。PCM14可以包含在泡沫62的单元中，并由密封剂、外罩12或其他封装方式密封在其内。在该实施例中，泡沫62可以按照尺寸制造和/或定形为匹配热电器件20的大小，从而使得其间的热导电性最大。泡沫外罩可以被定形为与上面描述的外罩12相似，并且泡沫外罩可以充分地填充外罩12内的空腔，从而使得泡沫62、PCM14和热电器件20之间的热传递最大。泡沫62也可以被软焊、焊接、铜焊、粘合或其他方式连接到外罩12与温差发电器20热接触的面，从而促进其间高效的传热。
图6也包括适用于能量收集器60的热电路图64。电路图示出了定位在PCM14和大气46之间的每个部件的电阻，其提供了温度变化给衬底24。PCM14是电路图中的水，并且具有指定为T#的温度。大气具有指定为的温度。在一个实施例中，开孔的导电泡沫是碳泡沫。碳泡沫可以是石墨烯泡沫。一个示例性的商售泡沫是来自 GolubicTAOkoppers. com.的 Thomas Golubic 的 KFOAM 碳泡沫。KFOAM具有高度有序的石墨带，其具有大于100W/m · K的高热导电性，与铝相似，但其密度只有铝密度的五分之一(密度范围为O. 35-0. 60g/cc)，并且热膨胀系数接近于硅的热膨胀系数。碳泡沫的开孔 率是大约75% -80%。KFOAM的耐压强度是3. 5Mpa，并且能够用作独立的材料或粘合其他材料，从而增强其特性。碳泡沫也具有均匀密度，从而在具有更少浪费的情况下导致更一致的机加工。因此，KFOAM可以容易地被切割为各种形状和结构。外罩12能够容纳大约一微升到大约1000毫升PCM14，更具体地是容纳二分之一毫升到大约20毫升(ml)PCM14，但是并不限于此。在一个实施例中，外罩可以容纳高达大约2ml PCM14。在外罩12内，如图1-3中所示，可以包括翅片16，其与PCM14进行热传递。翅片16可以按照各种构造定位在外罩12内，从而提供贯穿PCM14的更加均匀的温度。该更加均匀的温度为较高的能量收集性能提供了较高的电压，将参考图3-5说明。图3示出了在能量收集器10和能量收集器10'均处于高于凝固的稳定状态时某一时刻的具有并排排列翅片的能量收集器10和无翅片的能量收集器10'。如图3中所示，相变材料14 (例如，水)包含在容器12中，该容器12热接触热电器件20 (例如温差发电器(TEG))的一个侧面。TEG20的另一个侧面热接触受温度波动影响的衬底24，例如飞机的结构或部件所经历的那些温度波动。作为这里的示例，衬底24是飞机结构的一部分。衬底的温度会随着受到各种温度的部分大气的影响而变化。例如，当飞机从一个高度上升到显著不同的高度时，结构受到一般在较高高度更冷和在较低高度更暖的大气的不同部分的影响。因此，结构的温度将显著变化。例如，结构温度可以从当飞机坐落在机场时的50° F变化到飞机已经上升到巡航高度时的-25° F。在该示例中，热将离开水14通过容器12、TEG20和衬底24转移至大气空气46中。离开水14的热能损耗将最终使得水降低到凝固点，此时经历相变，然后继续下降到接近衬底温度(例如，在该示例中-25° F)的温度。图3限定了两个能量收集器10、10'内感兴趣的温度。温度Tl和Tl'均是在衬底24和TEG20之间的表面界面。T2和T2'均是在TEG20和容器12之间的表面界面。在该示例中，假定能量收集器10中的翅片16非常薄，并且排开极少量的水14。因此两个能量收集器10、10'的体积和质量极其相似。图4通过图表示出了在上面所述的飞机上升过程中这些温度T1、T1'、T2、T2' —般将是如何变化的。当飞机通过大气层上升时，结构温度将迅速下降，最终达到远低于凝固的接近稳态温度(在该示例中示出为-25° F)。这是通过基本相似的曲线Tl和Tl'示出的。温度Τ2和Τ2'也开始迅速下降，但是有一些时间滞后，因为热离开水14通过TEG20传导至结构中。然而，一旦达到-32° F的凝固点，这些温度在相变开始将变得稳定，不太可能承受水过冷阶段。
这种相变开始是两个能量收集器10、10'开始不一致的位置。器件10'中的水将开始首先从最冷的表面凝固，最冷的表面是最接近TEG20的表面，因为从该表面损耗的热最多。当冰在该表面积累时，固体冰能够经受通过其厚度X,的温度梯度，其表面处于凝固点(-32° F)的液体/固体界面，并且最靠近发电机的表面处于位于凝固以下的某温度。因此，器件10'的TEG20的温度梯度(AT' = T2! -Tl')开始下降。在器件10中，内部翅片16能够汲取相变材料14深处的热。因此，PCM的固相(举该示例来说是冰)的形成将遍布在翅片16的较大表面区域，并且其厚度X基本比器件10'中的冰厚度V薄。器件10的较薄冰积累将支撑较小的温度梯度，因此允许温度Τ2高于TEG20的表面温度Τ2'。器件10中的这种较高温度提供了穿过其TEG20的较高的温度梯度(AT = Τ2-Τ1 > AT' = T2r -Tl')。如图4中所示，在时刻tl温度T2高于温度Tl。TEG20提供了与穿过其表面的温度梯度成比例的电压。因此，器件10中的电压将高于器件10'中的电压，于是提供较优良的性能。 能量收集器10优于器件10'的额外的热优势，如图5中的热电路图50和下面的
方程式⑴所示。
(ηΛ
ATteg = (Γ3 - Γ1)-迦--(I )
、Rteg +及容器+尺冰·x y假定T3、T3' =32° F，T1、T1' =-25° F，以及Rtec 在两种设计中是相同的，R K是控制温度T2和T2'的唯一变量。当R K与厚度X成比例时，器件10将清楚地产生比器件10'更高的穿过TEG的温度梯度，给出关系
ATteg =(32-(-25))(^ggI-⑵
乂1^TEG十八容器十八冰.X)如图1-2中所示翅片16通常可以是导电材料的单个大体螺旋形线圈。在另一个实施例中，翅片16可以包含由导电材料构成的多个螺旋形线圈。在可选的实施例中，如图3中所示，翅片16可以是多个延伸穿过至少一部分外罩12的导电材料指状物。本领域的技术人员将理解，其他翅片结构是可以的，并且本发明并不限于这些具体的结构。翅片16可以是或包括与外罩12相同的或不同的导电材料。在一个实施例中，翅片16可以构造为提供较大的表面区域，用于热接触PCM14。在一个实施例中，翅片16可以是如图6的能量收集器60中所示的开孔的导电泡沫62。开孔的导电泡沫的一个示例是诸如上面所述的碳泡沫。在另一个是实施例中，翅片16可以是图7的能量收集器70中所示的导电网状物72，其包含上面所述的图1-3的其他部件。导电网状物可以是通过其他已知技术被机加工、蚀刻、模制或成形为导电材料网，或者网状物可以是利用附加的制造技术在外罩12内形成的微桁架。容纳在能量收集器10的外罩12内并接触翅片16的相变材料14可以是适用于衬底24所经历温度变化的任何合适的相变材料。在一个实施例中，存在能量收集器10中的PCM14是一个响应移动交通工具预期使用期间衬底24所经历的热循环中期的温度的PCM。PCM14提供的优势是延长在表面温度波动期间TEG的热差时间，以便于增加所收集的热电能量。在一个实施例中，PCM14从液体转变为固体且从固体转变为液体。
水是PCM的一个示例。使得从水到冰的相变需要移除334焦耳/克，相反地从冰返回到水的相变则需要增加334焦耳/克。在一个实施例中，另一种PCM可以与水混合。其他合适的PCM包括有机PCM，例如但不限于，月桂酸、三羟甲基乙烷(大约37wt% 的水)、庚酮-4、η-十一烧、ΤΕΑ-16、乙二醇、η-十二烧、thermasorb 43、thermasorb65、憐酸氧二纳、thermasorb 175+和thermasorb 215+;以及无机的PCM,例如但不限于，Mn(NO3)2 · 6H0H+MnCl2 · 4H0H、硅酸钠、锌、铝。PCM也可以是金属PCM，包括二元共晶系统和三元共晶系统。某些示例金属PCM列出于下面的表格I中。表格I
权利要求
1.一种能量收集器，包含 热电器件，其适应于当热梯度施加其第一主要表面和第二主要表面之间时根据塞贝克效应产生电； 外罩，其封住相变材料，所述外罩被放置成用于与所述热电器件的所述第一主要表面进行热传递；和 无线电发射机，其电耦合所述热电器件，所述无线电发射机能够发射信号至无线接收器。
2.根据权利要求I所述的能量收集器，进一步包含放置在所述外罩和所述热电器件的所述第一主要表面之间的第一热导电层。
3.根据权利要求2所述的能量收集器，进一步包含放置成热接触所述热电器件的所述第二主要表面的第二热导电层，所述第二热导电层能够被放置成与正在经历温度变化的介质热接触。
4.根据权利要求I所述的能量收集器，其中所述外罩是或包括热导电的开孔泡沫，并且所述相变材料被用其开孔封住。
5.根据权利要求I所述的能量收集器，其中所述外罩包括其内的至少一个导电翅片，从而为所述相变材料提供更加均匀的热分布。
6.根据权利要求5所述的能量收集器，其中所述导电翅片一般是包含在所述外罩内的导电材料的螺旋形线圈。
7.根据权利要求I所述的能量收集器，其中所述相变材料是或包括水。
8.根据权利要求I所述的能量收集器，进一步包含在所述热电器件和所述无线电发射机之间电通信的电压增压器件。
9.根据权利要求2所述的能量收集器，其中所述热电器件、所述外罩以及所述第一热导电层和所述第二热导电层限定了一个单元，该单元大约是(O. 25cm-l. Ocm)X (O. 25cm_5. 0cm) x (5. Ocm-5. 0cm)的立方体。
10.根据权利要求9所述的能量收集器，其中所述单元是至少部分地由绝缘层包围。
11.一种能量收集器，包含 热电器件，其适应于当热梯度施加在其第一主要表面和第二主要表面之间时根据塞贝克效应产生电； 外罩，其封住相变材料，所述外罩被放置成用于与所述热电器件的所述第一主要表面进行热传递；和 导电翅片，其位于所述外罩内从而为所述相变材料提供更加均匀的热分布。
12.根据权利要求11所述的能量收集器，进一步包含放置在所述外罩和所述热电器件的所述第一主要表面之间的第一热导电层。
13.根据权利要求12所述的能量收集器，进一步包含放置成热接触所述热电器件的所述第二主要表面的第二热导电层，所述第二热导电层能够被放置成热接触正在经历温度变化的介质。
14.根据权利要求11所述的能量收集器，其中所述导电翅片一般地是包含在所述外罩内的导电材料的螺旋形线圈。
15.根据权利要求11所述的能量收集器，其中所述导电翅片是网状导电材料。
全文摘要
本发明公开一种能量收集器。所述能量收集器包括适应于当热梯度施加在其第一主要表面和第二主要表面之间时根据塞贝克效应产生电，封住放置用于与所述热电器件的第一主要表面进行热传递的相变材料的外罩，以及电耦合所述热电器件的无线电发射机，所述无线电发射机能够发射无线信号。在另一个方面中，所述外罩包括其上的导电翅片，从而为所述相变材料提供更加均匀的热分布。
文档编号H02N11/00GK102664559SQ20111043044
公开日2012年9月12日 申请日期2011年12月14日 优先权日2010年12月15日
发明者B·J·米切尔, W·C·桑福德 申请人:波音公司