專利名稱：高功率密度熱電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及固態(tài)冷卻、加熱和發(fā)電系統(tǒng)的改進結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
熱電器件(TEs)利用某些材料的特性，在存在電流時產(chǎn)生貫穿材料的溫度梯度。傳統(tǒng)的熱電器件利用P型和N型半導體作為器件內(nèi)的熱電材料。它們被物理地和電學地配置的方式使得能夠獲得所希望的加熱或冷卻功能。
圖1A示例說明了當今在熱電器件中使用的最普通的結(jié)構(gòu)。通常，P型和N型熱電元件102排列在兩個基片104之間的矩形組合件100中。電流I穿過兩種類型元件。這些元件通過附在元件102末端的銅分流器106串聯(lián)連接。當施加DC電壓108時，其產(chǎn)生貫穿熱電元件的溫度梯度。熱電器件一般被用于冷卻液體、氣體和固體物體。
自從20世紀60年代以來，固態(tài)冷卻、加熱和發(fā)電(SSCHP)系統(tǒng)已經(jīng)被用于軍事和航空航天裝置、溫度控制和發(fā)電應用。商業(yè)應用已經(jīng)被限制，因為這種系統(tǒng)對于所執(zhí)行的功能來說成本太高，而且功率密度低，所以SSCHP系統(tǒng)比已經(jīng)可商業(yè)接受的系統(tǒng)更大、更昂貴、更笨重并且效率低。
最近的材料改進有希望提高效率和提供高達現(xiàn)有系統(tǒng)的100倍的功率密度。但是，熱電(TE)器件使用已經(jīng)被低效率、低功率密度和高費用所限制。
從熱電設(shè)計指南(Melcor公司“Thermoelectric Handbook”，1995，pp16-17)可知的是，在當今的熱電材料中，由ZT＝0.9的組件(module)在最高效率產(chǎn)生的冷卻功率是最大冷卻功率的約22％。因此。為了達到最高的可能效率，與在最大冷卻的操作所需的數(shù)量相比，需要數(shù)個熱電組件(TE modules)。結(jié)果，高效工作的熱電組件的成本明顯更高，并且結(jié)果系統(tǒng)實質(zhì)更大。
從文獻(例如見Goldsmid，H.J.“Electronic Refrigeration”1986，p.9)可知的是，最大的熱冷卻功率能夠?qū)懗?1)---qCOPT=IOPTαC-12IOPT2R-KΔT]]>其中qCOPT是最佳的冷卻熱功率，IOPT是最佳的電流，α是塞貝克系數(shù)，R是系統(tǒng)電阻，K是系統(tǒng)導熱性，ΔT是熱側(cè)和冷側(cè)溫度之間的差，Tc是冷側(cè)溫度。
此外，從Goldsmid的文獻可知，(2)---IOPT=αR1(ZTAVE-1)=αR(M-1)]]>其中Z是材料的熱電質(zhì)量因數(shù)或優(yōu)值，TAVE是熱側(cè)和冷側(cè)溫度的平均值，M=ZTAVE+1]]>將方程(2)代入(1)中產(chǎn)生(3)---qOPT=[ZTC(M-1)(ΔTTC-12(M-1)-ΔT)]K]]>
方程(3)右邊括號內(nèi)的項和熱電系統(tǒng)的尺寸(或尺度)無關(guān)，所以冷卻量qOPT僅僅是材料特性和K的函數(shù)。對于圖1的幾何形狀，K可以寫成(4)---K=λACLC]]>
其中λ是N&P材料的平均熱導率，AC是元件的面積，L是每個元件的長度。
由于α是固有的材料特性，只要比例LC/AC是固定的，最優(yōu)的熱功率qOPT就是相同的。對于電流等于IOPT，電阻是(5)---RC=ROC+RPC=ρTELCAC+RPC]]>其中ρTE是熱電元件固有的平均電阻率，ROC是熱電材料電阻，RPC是寄生電阻。
現(xiàn)在，假設(shè)RP是0，那么R是常數(shù)。如果LC/AC是固定不變的，IOPT就是常數(shù)。僅當比例LC/AC改變時，K就改變，因此qCOPT和ROC改變，因此IOPT改變。
通常，對于相同的冷卻輸出，使器件更小是有利的。在熱電系統(tǒng)中的一個重要限制是，例如對于固定的AC，長度LC變短，寄生電阻性損耗和熱電材料損耗之比φC變得較大。
(6)---φC=RPCROC]]>
這可通過參考圖1C看出，該圖顯示了典型的熱電偶。當出現(xiàn)幾個寄生損耗時，最大的良好設(shè)計的TE之一是來自分流器106的那個。每個熱電元件102的分流器106的電阻近似是(7)---RPC≈(BC+GCWCTC)PSC]]>其中GC是熱電元件之間的間距。
BC是熱電元件和分流器幅度。
WC是熱電元件和分流器寬度。
TC是分流器厚度。
PSC是分流器電阻率。
對于圖1的幾何形狀，熱電元件的電阻是(8)---ROC=PTELCBCWC]]>其中LC是熱電元件長度。
因此，將方程(7)和(8)代入(6)中，得到(9)---φC≈BC(BC+GCTCLC)PSCPTE]]>發(fā)明內(nèi)容
題為“Improved Efficiency Thermoelectrics Utilizing ThermalIsolation”的美國6539735[Lyl]號專利描述的幾何結(jié)構(gòu)的效率提高為許多重要應用產(chǎn)生額外的50％到100％的效率提高。結(jié)合正在進行的材料改進，在不久的將來可能獲得4倍或更多的系統(tǒng)效率提高。這些實質(zhì)改進的前景已經(jīng)導致人們重新開發(fā)SSCHP系統(tǒng)用于新應用的技術(shù)興趣和努力。
總而言之，這個公開描述了一族新的SSCHP結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了緊湊、高效的能量轉(zhuǎn)換，并且成本較低。一般地，公開了幾個實施例，其中熱電(TE)元件或組件(在這個文本里總稱為元件)被夾在熱交換器之間。熱電元件被有利地定向，使得對于夾住熱交換器的任何兩個元件，相同的溫度類型側(cè)面對該熱交換器。例如，夾住熱交換器的每個熱電元件的較冷側(cè)面對同一熱交換器或分流器，因此彼此面對。在一組結(jié)構(gòu)中，至少一個工作介質(zhì)被至少兩個熱交換器順序穿過，所以提供的冷卻或加熱附加在該工作介質(zhì)上。這個結(jié)構(gòu)具有增加的好處，它利用了可制造系統(tǒng)中的熱隔離的優(yōu)點，這些系統(tǒng)呈現(xiàn)了如上面的參考文獻中記載的高系統(tǒng)效率和功率密度，如在6539725號美國專利中描述的。如在這個專利中解釋的，通常熱電器件通過將熱電元件的整個組合件再分成熱隔離的子部件或部分來實現(xiàn)增加的或提高的效率。例如，熱交換器可被細分，從而在工作介質(zhì)流動的方向提供熱隔離。例如，熱電系統(tǒng)具有多個熱電元件，它們形成具有冷卻側(cè)和加熱側(cè)的熱電陣列，其中該多個熱電元件在貫穿所述陣列的至少一個方向上是彼此基本隔離的。優(yōu)選地，熱隔離是在工作介質(zhì)流動的方向。這個熱隔離可通過這樣來提供在子部件中配置熱交換器，使得該熱交換器具有在工作流體流動的方向被熱隔離的部分。
在本公開內(nèi)容中，為工作流體順序使用同樣溫度類型的熱交換器在其自身中提供了一種熱隔離。此外，熱交換器或熱電元件或熱電組件或任何組合可被配置，以在工作流體流動方向提供熱隔離，該熱隔離超過了通過具有一系列熱交換器所提供的熱隔離，所述熱交換器被至少一個工作流體順序穿過。
所公開的用于冷卻和/或加熱應用的原理同樣適用于發(fā)電應用，而且可以以任意方式組合來產(chǎn)生用于發(fā)電的組合件的任何結(jié)構(gòu)、設(shè)計細節(jié)和類似零件也是適用的?？梢砸允菇o定應用的效率最大的方式來調(diào)整系統(tǒng)，但是應用的是一般的原理。
在這個申請中描述的實施例減少了SSCHP器件的結(jié)構(gòu)復雜性和費用，但是仍然保持或提高了來自熱隔離的效率提高或增加。
還公開了幾個實施例，其通過使用較少的熱電材料減少了費用，并且促進操作更接近峰值效率。許多實施例實現(xiàn)了極大減少寄生損耗(見圖12-31)。
結(jié)合附圖更詳細描述了本發(fā)明的這些和其他方面及實施例。
所公開實施例的一個方面包括一種熱電系統(tǒng)，其具有多個N型熱電元件和多個P型熱電元件。優(yōu)選地，提供多個第一分流器和多個第二分流器。至少某些第一分流器被夾在至少一個N型熱電元件和至少一個P型熱電元件之間，并且至少某些第二分流器被夾在至少一個P型熱電元件和至少一個N型熱電元件之間，從而形成一熱電元件疊層，具有交替的第一和第二分流器，其中至少某些第一分流器和至少某些第二分流器在不同的方向從所述疊層突出出來。
優(yōu)選地，熱電元件被構(gòu)造得非常薄，比如對于超晶格和異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱電設(shè)計，厚度為5微米到1.2毫米，20微米到200微米，并且在另一實施例中，厚度為100到600微米。這些設(shè)計顯著減少了熱電材料的用量。
在一個實施例中，所述熱電系統(tǒng)進一步包括一個電耦合到所述疊層的電流源，驅(qū)動電流橫穿過串聯(lián)的傳熱裝置和熱電元件。在另一實施例中，所述傳熱裝置將至少某些P型熱電元件與至少某些N型熱電元件熱隔離。
在一個實施例中，所述傳熱裝置接受工作流體在限定的方向流過它們。優(yōu)選地，所述傳熱裝置是熱交換器，并且可具有其內(nèi)包括一個或多個熱交換器元件的外殼。
在另一實施例中，至少某些第一分流器是由第一電極部分構(gòu)成的，其和第二分流器部分電絕緣(或電隔離)并且熱耦合到第二分流器部分。
本公開的這些和其他方面從以下更詳細的描述變得更加清楚。


圖1A-1B顯示了傳統(tǒng)的熱電組件。
圖1C顯示了傳統(tǒng)的熱電偶。
圖2顯示了SSCHP系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)，顯示了其工作介質(zhì)的熱隔離和逆流運動。
圖3顯示了當工作介質(zhì)通過所述系統(tǒng)時，發(fā)生在介質(zhì)中的溫度變化。
圖4A-4B顯示了具有三個熱電組件、四個散熱片熱交換器和液體工作介質(zhì)的系統(tǒng)。
圖5A-5B顯示了一個系統(tǒng)，其具有兩個熱電組件、實現(xiàn)與單個熱交換器一定程度的熱隔離的分塊熱交換器、和液體介質(zhì)的逆流。
圖6顯示了具有兩個熱電組件和控制流體流動的有導流罩的風扇的氣態(tài)介質(zhì)系統(tǒng)。
圖7A-7D顯示了具有進一步增強性能的逆流的固體介質(zhì)系統(tǒng)。熱電(TE)元件利用高長厚比來實現(xiàn)增加的熱隔離。
圖8顯示的系統(tǒng)的熱電元件被排列成可以使電流直接穿過陣列，并且因此降低了費用、重量和減小了尺寸而提供了提高的性能。
圖9顯示的系統(tǒng)簡單且成本低，其具有熱電元件、導熱管和熱交換器。熱側(cè)和冷側(cè)被通過導熱管的傳熱隔開。
圖10顯示了一個流體系統(tǒng)，其中流體被抽吸通過熱交換器和熱電組件陣列，從而在一端達到低溫，以從氣體將水汽冷凝出來或從液體或氣體冷凝出沉淀物。所述系統(tǒng)具有分流工作流體流動的裝置或構(gòu)造，以通過降低穿過陣列部分的溫差來提高效率。
圖11顯示了一個陣列，其中工作流體在不同位置進入和排出，并且其中系統(tǒng)的一部分以逆流模式工作，一部分以平行流模式工作。
圖12顯示了一個疊層熱電系統(tǒng)，其具有減少的寄生電阻。
圖13A顯示了疊層系統(tǒng)的優(yōu)選實施例中的熱電元件和熱交換構(gòu)件的細節(jié)。
圖13B顯示了由圖13A所示的元件構(gòu)成的疊層系統(tǒng)的一部分。
圖14顯示了另一熱電元件和熱交換器結(jié)構(gòu)。
圖15顯示了又一熱電元件和熱交換器結(jié)構(gòu)。
圖16顯示了一種疊層結(jié)構(gòu)，其具有電并聯(lián)的兩豎直列的熱電元件。
圖17顯示了一個冷卻/加熱組合件，其具有兩行電并聯(lián)的熱電元件。
圖18顯示了具有電并聯(lián)的兩個熱電元件的另一種結(jié)構(gòu)。
圖19顯示了一種熱交換器元件，其一部分和另一部分電絕緣。
圖20顯示了一部分和另一部分電絕緣的熱交換器元件的另一種結(jié)構(gòu)。
圖21顯示了一部分和另一部分電絕緣的熱交換器元件的又一種結(jié)構(gòu)。
圖22顯示了配置在一個電絕緣和熱隔離部分的陣列中的熱交換器塊。
圖23顯示了根據(jù)圖22的概念構(gòu)造的冷卻器和加熱器。
圖24A顯示了一熱交換塊，其中熱電元件在流體流動的方向?qū)R。
圖24B顯示了圖24A的多個熱交換塊，其被構(gòu)造成隔離的元件熱交換器陣列，在其中電流一般平行于工作介質(zhì)流。
圖25A顯示了塊的一種設(shè)計，其被構(gòu)造成隔離的元件熱交換器陣列，在其中電流一般垂直于電流的方向流動。
圖25B是圖25A中組合件的俯視圖。
圖26A顯示了一熱電熱交換器組件，其具有減少的寄生電阻，并且在相對高的電壓工作。
圖26B是使用圖26A的熱電組件的熱交換器陣列的俯視圖。
圖27顯示了隔離的元件和疊層結(jié)構(gòu)，其向運動的固體構(gòu)件進行傳熱。
圖28顯示了隔離的元件層陣列，其具有在液體和氣體之間的傳熱。
圖29顯示了具有低寄生電阻的熱交換器組件，其在圖28的疊層陣列中使用。
圖30顯示了隔離的元件熱交換器塊，其具有固體散熱器和運動的氣態(tài)工作流體。
圖31A顯示了一熱交換器元件，其中熱電元件一般在中央，以使來自該元件的傳熱成為大約雙倍的。
圖31B顯示了一般用于液體的另一傳熱元件，其中熱電元件一般在中央。
圖31C顯示了又一熱交換器，其中熱電元件一般在中央。
具體實施例方式在本說明書的上下文中，術(shù)語熱電組件和TE組件是使用它們普通和通常含義的廣義，其含義是(1)傳統(tǒng)的熱電組件，比如那些由California，San Diego的Hi Z Technologies Inc.公司生產(chǎn)的熱電組件，(2)量子隧道轉(zhuǎn)換器，(3)熱離子組件，(4)磁致熱的組件，(5)利用熱電、磁致熱、量子、隧道和熱離子效應中的一種或者任意組合的元件，(6)上面(1)到(6)的任意組合、陣列、組合件和其他結(jié)構(gòu)。術(shù)語熱電元件更具體地表示使用熱電、熱離子、量子、隧道效應和這些效應的任意組合工作的單個元件。
在以下的描述中，熱電或SSCHP系統(tǒng)是通過例子描述的。但是意圖是這種技術(shù)和描述包含所有的SSCHP系統(tǒng)。
據(jù)此，通過在用于描述和說明目的的特殊實施例中使用例子來介紹本發(fā)明。以下描述的各種例子示例說明了各種結(jié)構(gòu)，并且可用于實現(xiàn)所希望的改進。根據(jù)本描述，特殊的實施例和例子僅僅是示例說明，而不打算在任何方面限制給出的本發(fā)明。此外，應該理解的是術(shù)語冷卻側(cè)、加熱側(cè)、冷側(cè)、熱側(cè)、較冷側(cè)、較熱側(cè)等等不表示任何特定的溫度，而是相對的術(shù)語。例如，熱電元件或陣列或組件的“熱”側(cè)可以是處于周圍溫度，而“冷”側(cè)是處于比周圍環(huán)境更冷的溫度。相反也是正確的。因此，術(shù)語是彼此相對的，以表示熱電的一側(cè)的溫度比相反指定的溫度側(cè)高或低。
圖2示例說明了熱電陣列200的有利排列的第一個概括實施例。陣列200具有多個熱電組件201、211、212、213、218，它們與多個第一側(cè)熱交換器202、203、205和多個第二側(cè)熱交換器206、207、209進行良好的傳熱。第一側(cè)熱交換器和第二側(cè)熱交換器的指定不暗示或表示熱交換器在整個SSCHP系統(tǒng)的一側(cè)或另一側(cè)，而是僅僅表示它們與熱電組件的較冷側(cè)或較熱側(cè)進行熱交換。這從圖中可以明顯的看出，其中熱交換器實際被夾在熱電組件之間。在這個意義上，它們與熱電組件的第一側(cè)或第二側(cè)進行熱交換。第一熱電組件201的較冷側(cè)和第一側(cè)熱交換器205熱接觸，而熱電組件201的熱側(cè)和入口第二側(cè)熱交換器206熱接觸。第二工作介質(zhì)215比如流體在圖2的右上角通過入口第二側(cè)熱交換器206進入陣列200，而且在靠近左下角處從最后的或出口第二側(cè)熱交換器209排出。第一工作介質(zhì)216在左上角通過入口第一側(cè)熱交換器202進入，并且在靠近右下角處從最后的或出口第一側(cè)熱交換器205排出。連接到電源(沒有示出)的電線210(并且類似地對于其他熱電組件)連接到每個熱電組件201。第一管道208，在圖2中表示成線條，其輸送第二工作介質(zhì)215，而第二管道204輸送第一工作介質(zhì)216順序地通過各種熱交換器202、203、205、206、207和209，如所描述的。
在工作時，當?shù)诙ぷ鹘橘|(zhì)215向下通過入口第二側(cè)熱交換器206時，它從熱電組件201吸收熱量。第二工作介質(zhì)215穿過管道208，向上進入和穿過第二側(cè)熱交換器207。熱電組件211和212的較熱側(cè)與熱交換器207進行良好的熱交換，熱電組件211和212被配置成使得它們各自的較熱側(cè)面向彼此，以夾住第二側(cè)熱交換器207。當?shù)诙?cè)工作介質(zhì)215穿過第二側(cè)熱交換器207時，它進一步被加熱。第二側(cè)工作介質(zhì)215然后穿過第二側(cè)熱交換器209，在此熱電組件213和218的較熱側(cè)把第二側(cè)熱交換器209夾在中間，并且將熱量傳給第二側(cè)熱交換器209，進一步加熱第二側(cè)工作介質(zhì)215。從熱交換器209，第二工作介質(zhì)215從出口或最后的第二側(cè)熱交換器209排出陣列200。
類似地，第一工作介質(zhì)216在圖2的左上角進入入口的第一側(cè)熱交換器202。這個熱交換器202與熱電組件218的較冷側(cè)進行良好的熱交換。當?shù)谝还ぷ鹘橘|(zhì)216穿過入口第一側(cè)熱交換器202，穿過另一個第一側(cè)熱交換器203，最后穿過出口第一側(cè)熱交換器205時，它被冷卻，在第一側(cè)熱交換器205處它作為較冷的工作介質(zhì)217排出。
熱電冷卻和加熱是由通過電線210進入熱電組件218、并且類似地進入所有其他熱電組件的電能提供的。
因此，總而言之，工作介質(zhì)在陣列的左手側(cè)被放置成與熱電組件的冷側(cè)處于良好的熱接觸，所以從介質(zhì)吸取熱量。所述介質(zhì)然后接觸第二和第三熱電組件，在此吸取額外的熱量，進一步冷卻所述介質(zhì)。隨著所述介質(zhì)通過所需的級數(shù)前進到右邊，漸進的冷卻過程得以繼續(xù)。所述介質(zhì)在被冷卻適當?shù)牧恐笤谟疫吪懦?。同時，第二介質(zhì)在極右側(cè)進入所述系統(tǒng)，并且當它穿過第一級時被逐漸加熱。它然后進入下一級，在此它被進一步加熱，諸如此類。在一級的熱量輸入是從鄰接的熱電組件的冷側(cè)和這些組件中的電源吸取的熱量合量。當熱側(cè)介質(zhì)在一般地從右到左方向運動時，它被逐漸加熱。
除了上面描述的幾何形狀之外，如果兩種介質(zhì)都在同一溫度進入并且逐漸變得更熱和更冷，所述系統(tǒng)就提供益處。類似地，介質(zhì)能夠在陣列內(nèi)的任何位置被從冷側(cè)或熱側(cè)移開，或者加入到冷側(cè)或熱側(cè)。陣列可以是任何有用數(shù)量的塊，比如5、7、35、64和更多數(shù)量的塊。
也能夠通過顛倒這個過程來運轉(zhuǎn)所述系統(tǒng)，熱介質(zhì)和冷介質(zhì)與熱電組件接觸，并且熱介質(zhì)和冷介質(zhì)從相對端運動(如圖2所示，但是熱介質(zhì)作為介質(zhì)216進入，冷介質(zhì)作為介質(zhì)215進入)。這樣引入的貫穿熱電組件的溫度梯度產(chǎn)生電流和電壓，因此將熱能轉(zhuǎn)換成電能。所有這些工作模式和以下在文本中描述的是本發(fā)明的一部分。
如圖2所示例說明的，將熱交換器分隔成一系列的級就在工作介質(zhì)的流動方向提供了熱電組件之間的熱隔離。2001年4月27日提交的題為Improved Efficiency Thermoelectrics Utilizing Thermal Isolation的美國專利6539725號詳細描述了熱隔離原理，其在整個本說明書中通過各種容易制造的特殊且實際的例子進行展示。這個專利申請因此通過引用整個并入。
如在美國專利6539725號中描述的，如在圖2中顯示的逆流(counter flow)結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)的逐漸加熱和冷卻能夠產(chǎn)生比同樣條件下沒有熱隔離優(yōu)點的單個熱電組件更高的熱力學效率。圖2所示的結(jié)構(gòu)因此介紹了一種SSCHP系統(tǒng)200，其通過在緊湊的、可容易地生產(chǎn)的設(shè)計中的夾在熱電組件之間的熱交換器塊或級獲得熱隔離。
除了上面提到的特征，熱電組件本身可被構(gòu)造成可以在介質(zhì)流動的方向提供熱隔離，并且每個熱交換器或某些熱交換器可被配置，以在整個結(jié)構(gòu)的個體熱交換器中提供熱隔離，如將在圖5或其他適當結(jié)構(gòu)中進一步描述的。通常，熱交換器可在流動方向被分塊，以沿著單個熱電組件流比如熱電組件218和入口熱交換器202提供改進的熱隔離。
圖3顯示了和圖2相同的一般設(shè)計的陣列300，其由多個熱電組件301和相連的較冷側(cè)熱交換器302、305和307組成，所以第一工作介質(zhì)315順序或連續(xù)通過所示的熱交換器到熱交換器路徑。類似地，多個熱側(cè)熱交換器309、311和313以連續(xù)的或分級的方式在箭頭所示的方向傳輸較熱側(cè)工作介質(zhì)317。熱電組件301如圖2的顯示那樣被排列和供電。
圖3的下半部顯示了較冷側(cè)工作介質(zhì)的冷側(cè)溫度或溫度變化303、304、306、308和較熱側(cè)工作介質(zhì)的熱側(cè)溫度310、312和314。
較冷側(cè)工作介質(zhì)315進入并穿過入口較冷側(cè)熱交換器302。在穿過入口較冷側(cè)熱交換器302時，所述工作介質(zhì)的溫度下降303由冷側(cè)溫度曲線TC中的下降303表示。當較冷側(cè)工作介質(zhì)315穿過下一級較冷側(cè)熱交換器305時，它被進一步冷卻，如溫度下降304所表示的，并且當它再次穿過第三個較冷側(cè)熱交換器307時伴隨溫度下降306。較冷側(cè)工作介質(zhì)315在溫度308作為較冷的流體316排出。類似地，較熱側(cè)工作介質(zhì)317進入第一或入口較熱側(cè)熱交換器309，并且在第一溫度310排出，如圖3中的較熱側(cè)溫度曲線TH所表示的。較熱側(cè)工作介質(zhì)逐級前進通過陣列300，如圖2所表示的，逐漸變得更熱，在通過出口較熱側(cè)熱交換器313之后，最后作為較熱的工作流體在318和較熱的溫度314排出。容易看出，通過增加級(也就是熱電組件和熱交換器)的數(shù)量，可以增加冷卻和加熱功率量，每個熱交換器產(chǎn)生的溫度變化可以減少，和/或通過陣列的介質(zhì)量增加。如在美國6539725號專利中講述的，有更多的級，效率也能夠提高，雖然是以減小的速度。
上面引用的實驗和描述顯示圖2和3的結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)的熱隔離與漸進或逐步加熱和冷卻能夠?qū)е嘛@著增加效率，因此是重要的。這種系統(tǒng)在實驗室測試中已經(jīng)實現(xiàn)了超過100％的效率增加。
圖4A顯示了具有如在圖2和3顯示的那樣配置的三個熱電組件402、四個熱交換器403和兩個管道405的陣列400。較冷和較熱側(cè)工作流體分別在較冷側(cè)入口404和較熱側(cè)入口407進入，并且分別在較冷側(cè)出口406和較熱側(cè)出口408排出。圖4B是熱交換器403的一個實施例的更詳細視圖。它被顯示為適合流體介質(zhì)的類型。熱交換器組合件403由具有入口410和出口411的外殼412、熱交換器散熱片414和流體分配歧管413組成。陣列400的運轉(zhuǎn)實質(zhì)與圖2和3中顯示的相同。熱電組件402的數(shù)量在圖4中是三個，但是可以是任何數(shù)量。有利地，外殼412是導熱的，由合適的材料制造，比如防侵蝕的銅或鋁。在一個實施例中，熱交換器散熱片414有利地是焊接或釬焊到(braised)外殼412的折疊銅或鋁，從而實現(xiàn)穿過交接面到熱電組件的良好導熱性。散熱片414可以是任何的形式，但優(yōu)選是很適合實現(xiàn)系統(tǒng)所需的傳熱性能的設(shè)計。詳細的設(shè)計指南可在W.M.Kays和A.L.London所著的“Compact Heat Exchangers”第三版中找到?；蛘撸梢允褂萌魏纹渌线m的熱交換器，比如多孔散熱片式、平行板式、百葉散熱片式、線網(wǎng)式等等熱交換器。這些結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域公知的，而且可用于圖2到11中的任何結(jié)構(gòu)中。
圖5A顯示了圖4的一種替代結(jié)構(gòu)，其用于管道連接，以提供從熱交換器級到熱交換器的流動。陣列500具有第一和第二熱電組件501和510，三個熱交換器502、503和506，以及管道504。當然，和前面的實施例和結(jié)構(gòu)一樣，不限于特定數(shù)量的兩個第一側(cè)熱交換器502、503和一個第二側(cè)熱交換器506，可以提供其他數(shù)量。
圖5B示例說明了熱交換器502、503、506的優(yōu)選實施例的放大視圖。如圖5B所示的這個熱交換器結(jié)構(gòu)適合其他實施例，并且可用于圖2到8和圖11中的任何結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的一個或多個熱交換器的這個有利實施例具有外殼516，其內(nèi)具有由間隙513隔開的分塊的熱交換器散熱片511。工作流體介質(zhì)通過入口505進入并通過出口508排出。作為間隙的替代，熱交換器可被制造成各向異性的，以便它對于一部分是導熱的，對另一部分是不導熱的，而不是在熱交換器散熱片之間具有實際的物理間隙。要點是在流動方向在一個體熱交換器塊和另一個體熱交換器塊的級之間獲得熱隔離。這是除了通過具有圖2-5顯示的實施例中的熱交換器級所提供的熱隔離之外，所提供的熱隔離。
有利地，例如要被加熱的第一工作流體507進入入口505，并且向下通過與第一熱電組件501進行熱交換的入口或第一熱交換器502。工作流體507在底部排出，并且通過管道504被傳給后續(xù)的熱交換器503，在此它再次向下穿過第二熱電組件510，并且作為較熱的工作流體508排出。優(yōu)選地，第二工作流體517從圖5A的底部通過入口518進入，并且向上通過第三熱交換器506，熱交換器506穿過熱電組件501和510的較冷側(cè)(在當前的例子中)。熱交換器506與熱電組件501和510的較冷側(cè)可以進行良好的熱交換。通過這種布置，工作流體507和517形成了逆流(counter flow)系統(tǒng)，和上面引用的美國6539725號專利的原理一致。
優(yōu)選地，圖5B詳細示出的熱交換器502、503和506被構(gòu)造成從熱電組件501、510的表面，穿過外殼516并且到熱交換器散熱片511(被圖示為四個隔離的塊)具有高導熱性。但是，理想的是在流動方向具有低導熱性，從而每個熱交換器塊和其他塊都熱隔離。如果隔離是顯著的，并且熱電組件501和510在它們的豎直方向(工作流體流動的方向)不表現(xiàn)高內(nèi)部導熱性，陣列500就受益于熱隔離，并且在更高的效率工作。其實，陣列500能夠作出反應，就好像它是由更多熱電組件和更多熱交換器構(gòu)成的陣列一樣。
圖6顯示了又一加熱器/冷卻器系統(tǒng)600，其被設(shè)計成和工作氣體一起有利地工作。加熱器/冷卻器600具有熱電組件601、602，它們與第一側(cè)熱交換器603、605和第二側(cè)熱交換器604進行良好的熱交換。第一工作流體，比如空氣或其他氣體606包含在通道607、608和610中，并且第二工作流體616由通道613、615包含。風扇或泵609、614安裝在通道608、615內(nèi)。
第一工作流體606通過入口通道607進入系統(tǒng)600。工作流體606穿過第一熱交換器603，在此處其被例如加熱(或冷卻)。工作流體606然后穿過風扇609，該風扇起到將工作流體606泵送通過通道608的作用，并且通過第二熱交換器605，在此處它被進一步加熱(或冷卻)，然后排出出口通道610。類似地，工作流體比如空氣或其他氣體通過入口通道615進入。它被第二風扇或泵614推動通過第三熱交換器604，在此處，在這個例子中它被冷卻(或加熱)。冷卻(或加熱)的工作流體616通過出口通道613排出。
系統(tǒng)600具有多個塊，這些塊由額外的熱電組件和熱交換器，和如圖5B顯示的隔離的、分塊的熱交換器組成。它也可具有多個風扇或泵，以提供額外的泵送動力。此外，一個通道，例如通道607、608能夠具有一種流體，而另一通道613、615具有第二類型的氣體。替代地，一側(cè)可具有一種液體工作流體而另一側(cè)具有氣體。因此，所述系統(tǒng)不被限制為工作介質(zhì)是流體或液體。此外，應該注意出口通道613的路線可被規(guī)定為圍繞風扇通道609。
圖7A顯示了有利于和流體一起使用的加熱和冷卻系統(tǒng)700。該部件具有多個熱電部件701，其具有多個第一側(cè)工作介質(zhì)703和多個第二側(cè)工作介質(zhì)704。在當前的例子中，第一側(cè)工作介質(zhì)703和第二側(cè)工作介質(zhì)704都形成盤狀。第一側(cè)工作介質(zhì)703被附到第一側(cè)軸709，第二側(cè)工作介質(zhì)704被附到第二側(cè)軸708。軸708、709依次被分別附到第一側(cè)電機706和第二側(cè)電機705，以及對應的軸承座707。電機旋轉(zhuǎn)的優(yōu)選方向由箭頭710和711表示。
分隔裝置717將陣列分成兩部分，并且定位熱電組件701。熱電組件701由分隔裝置717保持在位置上，它們被間隔以交替地夾住第一側(cè)工作介質(zhì)703和第二側(cè)工作介質(zhì)704。對于任何兩個熱電組件701，這些組件被定向，使得它們的冷側(cè)和熱側(cè)彼此面對，如前面的實施例那樣。工作介質(zhì)703、704和熱電元件701有良好的熱交換。在熱電元件701和工作介質(zhì)703、704之間的交接面有利地提供熱油脂等等。用油脂的目的在以下關(guān)于工作介質(zhì)703、704的工作的討論中變得清楚。第一側(cè)外殼部分714和第二側(cè)外殼部分715包含系統(tǒng)700調(diào)節(jié)的流體。電線712、713連接到熱電組件701，以為熱電組件提供驅(qū)動電流。
圖7B是圖7A的系統(tǒng)700的一部分沿7B-7B線的橫截面圖。第一流體721和第二流體723沿著它們的流動方向由箭頭721和723表示。第一流體排出如箭頭722表示的，第二流體排出如箭頭724表示的。系統(tǒng)700通過傳遞電流穿過電線712和713到熱電組件701來工作。熱電組件701具有它們彼此面對的冷側(cè)和熱側(cè)，如圖2和3顯示的方式那樣排列。例如，它們相鄰的冷側(cè)都面對第一側(cè)工作介質(zhì)703，并且它們的熱側(cè)面對第二側(cè)工作介質(zhì)704。分隔裝置717起雙重作用即定位熱電組件701和隔開陣列700的熱側(cè)和被冷卻側(cè)。
為了理解操作，例如假設(shè)第二流體723要被冷卻。冷卻是通過與第二側(cè)介質(zhì)704進行熱交換發(fā)生的。隨著第二側(cè)介質(zhì)704旋轉(zhuǎn)，它們與熱電組件701的較冷側(cè)接觸的表面部分在任何指定的時間被冷卻。隨著那個部分通過第二電機705的動作旋轉(zhuǎn)離開熱電組件701，第二介質(zhì)704冷卻第二側(cè)流體，該流體然后在出口724排出。第二流體被外殼部分715和分隔裝置717限制在陣列700內(nèi)。
類似地，第一流體721被第一側(cè)介質(zhì)703加熱，介質(zhì)703和熱電組件701的較熱側(cè)熱接觸。旋轉(zhuǎn)(由箭頭711表示)移動第一介質(zhì)703的加熱部分到第一流體721能夠穿過它們并且通過熱接觸被加熱的地方。第一流體721被包含在外殼714和分隔裝置717之間，并且在出口722排出。
如上面提到的，導熱油脂或液體金屬比如水銀能夠用于在接觸區(qū)域提供熱電組件701和介質(zhì)703、704之間的良好熱接觸。
如上面提到的，圖7A和7B的結(jié)構(gòu)可以有利地用于冷卻或加熱外部的部件，比如微處理器、激光二極管等等。在這種情況下，圓盤使用熱油脂或液體金屬等等接觸該部分，以在它們之間傳輸熱量。
圖7C顯示了系統(tǒng)700的修改版本，其中熱電組件701被分塊，以實現(xiàn)熱隔離。圖7C顯示了部分陣列700的詳細視圖，其中熱電組件701和702傳輸熱能，以加熱運動的介質(zhì)704和703(在這個例子中的轉(zhuǎn)動的圓盤)。運動的介質(zhì)704和703分別繞軸733和734旋轉(zhuǎn)。
在一個實施例中，有利地，工作介質(zhì)704和703在相反方向旋轉(zhuǎn)，如箭頭710和711所示。隨著運動的介質(zhì)704、703旋轉(zhuǎn)，來自熱電組件701和702的不同部分的熱量傳輸與它們熱接觸，并且逐漸改變運動介質(zhì)704、703的溫度。例如，第一熱電組件726在特定的位置加熱運動介質(zhì)704。隨著運動介質(zhì)704逆時針旋轉(zhuǎn)，在那個位置的運動介質(zhì)704的材料和第二熱電組件725接觸。運動介質(zhì)704的同一部分然后移到附加的熱電組件塊701。當運動介質(zhì)703逆時針旋轉(zhuǎn)并且嚙合熱電組件701，隨后嚙合熱電組件725和726時發(fā)生相反的動作。
有利地，運動介質(zhì)704、703在徑向和軸向具有良好的導熱性，并且在它們的角方向也就是旋轉(zhuǎn)方向具有不良的導熱性。有了這個特征，通過穿過運動介質(zhì)704和708的傳導性，從一個熱電組件725到另一熱電組件726的熱量傳輸被最小化，因此實現(xiàn)了有效的熱隔離。
作為熱電組件或塊701、725、726的替代，單個熱電元件或幾個熱電元件塊可被替換。在這種情況下，如果熱電元件701與在運動介質(zhì)704、703的旋轉(zhuǎn)方向上的其長度相比非常薄的話，并且在那個方向具有相對不佳的熱傳導性，它們就在其長度之上呈現(xiàn)有效的熱隔離。它們會傳導熱量，因此熱響應，就好像它們是由分開的熱電組件701構(gòu)造的。這個特征和運動介質(zhì)704、703內(nèi)的運動方向上的低熱傳導性結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的熱隔離，因此提供了性能增強。
圖7D顯示了運動介質(zhì)704、703的替代結(jié)構(gòu)，其中介質(zhì)被構(gòu)造成輪729和732的形狀，它們具有輪輻727和731。熱交換材料728和730在輪輻727和731之間的空間，并且與它們有良好的熱接觸。
系統(tǒng)700能夠在圖7D顯示的又一模式中工作。在這個結(jié)構(gòu)中，工作流體(沒有示出)沿著陣列700的軸軸向地運動，順序地穿過運動介質(zhì)704、703，在軸向從一個介質(zhì)704到下一個運動介質(zhì)704等等，直到它穿過最后的介質(zhì)704并且排出。類似地，沒有顯示的分開的工作流體穿過個體運動介質(zhì)703，軸向地通過陣列700。在這個結(jié)構(gòu)中，通道714、715和分隔裝置717被成形，以形成圍繞運動介質(zhì)704、703并且將介質(zhì)704與介質(zhì)703分隔開的連續(xù)環(huán)。
隨著工作流體軸向流動，熱能通過熱交換材料728和730被傳給工作流體。有利地，熱側(cè)工作流體，例如穿過熱交換器728，在所述工作流體運動通過熱交換器730的相反方向通過陣列700。在這個工作模式中，陣列700充當逆流熱交換器，一連串連續(xù)的熱交換器728和730逐漸加熱和冷卻穿過它們的各自的工作流體。如為圖7C顯示的，熱動作組件可以是熱電組件701，其能夠被構(gòu)造從而在運動介質(zhì)704、703的運動方向具有有效的熱隔離。替代地，熱電組件701和702能夠像圖7C顯示的那樣被分塊。在后一種情況中，更有利的是運動介質(zhì)704、703的熱傳導性在運動方向上低，從而熱隔離運動介質(zhì)704、703的外部盤729和732的部分。
替代地，所述設(shè)計在部分729和732中可進一步包含徑向槽(沒有示出)，以在運動方向?qū)崿F(xiàn)熱隔離，729和732部分受來自熱電組件701和702的熱量傳輸?shù)闹洹?br> 圖8顯示了熱電系統(tǒng)的另一個實施例800，該系統(tǒng)具有多個在第一側(cè)熱交換器803和第二側(cè)熱交換器808之間的熱電元件801(畫陰影線的)和802(未畫陰影線的)。電源805提供電流804，并且通過電線806、807連接到熱交換器808。系統(tǒng)800具有管道和泵或風扇(沒有示出)以運動熱側(cè)和冷側(cè)工作介質(zhì)通過陣列800，如在圖2、3、4、5、6和7中所顯示的。
在這個設(shè)計中，熱電組件(具有許多熱電元件)被熱電元件801和802替代。例如，畫陰影線的熱電元件801可以是N型熱電元件，未畫陰影線的熱電元件802可以是P型熱電元件。對于這個設(shè)計，配置熱交換器803和808使得它們具有非常高的電傳導性是有利的。例如，熱交換器803、808的外殼和它們的內(nèi)部散熱片或其他類型的熱交換器構(gòu)件可以由銅或其他高導熱和導電材料制造。替代地，熱交換器803和808可以與熱電元件801和802進行非常好的熱交換，但是電絕緣。在無論哪個情況中，電分流器(沒有示出)能夠被連接到熱電元件801和802的面，以和圖1所示類似的方式電連接它們，但是分流器循環(huán)通過熱交換器803和808。
不管結(jié)構(gòu)如何，從N型801到P型熱電元件802穿過的DC電流804例如將冷卻夾在它們之間的第一側(cè)熱交換器803，并且從P型熱電元件802到N型熱電元件801通過的電流804例如將加熱夾在它們之間的第一側(cè)熱交換器808。
由于能夠除去或減少標準熱電組件的分流器、基片和多個電連接線路，所以陣列800具有最小的尺寸和熱損失。此外，熱電元件801和802可以是能夠適應高電流的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如果組成部分被設(shè)計成具有高導電性和高電容的話。在這樣的結(jié)構(gòu)中，陣列800能夠產(chǎn)生高熱功率密度。
圖9顯示了和圖8所述相同的普通類型的熱電系統(tǒng)900，其中P型熱電元件901和N型熱電元件902在第一側(cè)傳熱構(gòu)件903和第二側(cè)傳熱構(gòu)件905之間，并且和它們處于良好的熱接觸。在這個結(jié)構(gòu)中，傳熱構(gòu)件903和905為熱傳導桿或熱管的形式。熱交換器散熱片904、906等等附在傳熱構(gòu)件903和905上，并且與它們進行良好的熱交換。第一管道907限制第一工作介質(zhì)908和909的流動，而第二管道914限制第二工作流體910和911的流動。電連接器912和913傳導電流給交替的P型和N型熱電元件901、902疊層，如在圖8中顯示的。
在工作時，舉例來說，電流通過第一連接器912進入陣列900，穿過交替的P型熱電元件901(有陰影線的)和N型熱電元件902(沒有陰影線的)，并且通過第二電連接器913排出。在處理中，第一工作介質(zhì)908逐漸變得更熱，隨著它被來自傳熱散熱片904的傳導加熱，散熱片904已經(jīng)被通過第一傳熱構(gòu)件903的傳導加熱。第一管道907圍繞并且限制第一工作介質(zhì)908，所以工作介質(zhì)908像工作流體909一樣在變化后的溫度排出。部分第一管道907將熱電元件901、902和第二側(cè)傳熱構(gòu)件905與第一(在這個例子中是熱的)工作介質(zhì)908和909熱隔離。類似地，第二工作介質(zhì)910通過第二管道914進入，當它穿過第二側(cè)熱交換器906時被冷卻(在這個例子中)，并且作為冷卻的流體911排出。熱電元件901和902給第二側(cè)傳熱構(gòu)件905提供冷卻，因此給熱交換器散熱片906提供冷卻。第二側(cè)管道914限制第二(在這個例子中被冷卻)工作介質(zhì)910，并且使它和陣列900的其他部分隔離。
雖然在圖8-9的實施例中是針對個體熱電元件進行的描述，但是熱電元件901、902可被熱電組件替換。此外，在某些情況下，使熱電元件901、902和傳熱構(gòu)件903、905電絕緣，并且傳送電流通過分流器(沒有示出)是有利的。而且，熱交換器904、906可以是有利于系統(tǒng)功能的任何設(shè)計。和其他實施例一樣，可以看出圖8和9的結(jié)構(gòu)提供了相對容易的可制造的系統(tǒng)，其也從熱隔離提供了提高的效率。例如，在圖8中，在P型和N型熱電元件之間交替的熱交換器808、803將是更冷或更熱的熱交換器類型，但是彼此合理地熱隔離，并且導致P型和N型熱電元件彼此合理地熱隔離。
圖10顯示了提供熱隔離的另一個熱電陣列系統(tǒng)(1000)。有利地，這個結(jié)構(gòu)可執(zhí)行系統(tǒng)的功能，該系統(tǒng)利用同一介質(zhì)的冷卻和加熱來除濕或者除去沉淀物、薄霧、可冷凝的水汽、反應產(chǎn)物等等，并且使介質(zhì)回到其原始溫度之上。
系統(tǒng)1000由一疊交替的P型熱電元件1001和N型熱電元件1002組成，其中散置著冷側(cè)傳熱元件1003和熱側(cè)傳熱元件1004。在該顯示的實施例中，為較冷側(cè)傳熱元件1003和較熱側(cè)傳熱元件1004都提供熱交換器散熱片1005、1006。較冷側(cè)管道1018和較熱側(cè)管道1019引導陣列1000內(nèi)的工作流體1007、1008和1009。風扇1010推著工作流體1007、1008和1009通過陣列1000。優(yōu)選地，當工作流體1007從熱電元件疊層通過較冷側(cè)時，較冷側(cè)絕熱體1012熱隔離工作流體1007，并且當該工作流體從熱電元件疊層通過較熱側(cè)時，較熱側(cè)絕熱體1020優(yōu)選地隔離該工作流體。隔板1010或類似物隔開較冷側(cè)和較熱側(cè)。在一個優(yōu)選實施例中，隔板1010具有讓工作流體1021通過的通道1010。類似地，在一個實施例中，流體通道1017允許流體1016進入熱側(cè)流動通道。
篩網(wǎng)1011或其他多孔的工作流體流動限制器隔開陣列1000的較冷側(cè)和較熱側(cè)。冷凝物、固體沉淀物、液體等等1013在陣列1000的底部累積，并且能夠通過閥門1014及從管口1015出去。
通過熱電元件1001和1002的電流(沒有示出)，冷卻較冷側(cè)傳熱元件1003并且加熱較熱側(cè)傳熱元件1004，如在圖9的顯示中討論的。在工作中，隨著工作流體1007向下通過較冷側(cè)，來自工作流體1007的沉淀物、水汽和其他冷凝物或濃縮物1013能夠在陣列1000的底部聚集。如要求的，可打開閥門1014，并且可通過管口1015除去或者通過其他任何合適的方法抽出沉淀物、水汽和其他冷凝物或濃縮物1013。
有利地，能夠通過旁路通道1020從較冷側(cè)到較熱側(cè)傳遞一些工作流體1021。在這個設(shè)計下，并非所有的較冷側(cè)流體1007都穿過流動限制器1011，而是部分可被用于局部降低較熱側(cè)工作流體的溫度，因此在某些情況下提高了陣列1000的熱力學效率。旁路通道1020和流體限制器1011之間流動的適當比例是通過系統(tǒng)流動特性的合適設(shè)計實現(xiàn)的。例如，可提供閥門以控制流動，并且可打開或關(guān)閉特定的通道。在某些使用中，流動限制器1011也可充當過濾器，以從液體或氣體工作流體1008除去沉淀物，或者從氣體工作流體1008除去薄霧(mist)或霧氣(fog)。
有利地，額外的較熱側(cè)冷卻劑1016可通過側(cè)通道1017進入陣列1000，也是為了降低較熱側(cè)工作流體溫度或者提高陣列1000效率的目的。
這個結(jié)構(gòu)能夠在流動限制器1011產(chǎn)生非常冷的狀態(tài)，所以工作流體1008可具有相當大的沉淀物、冷凝物或水汽去除能力。在一替換的工作模式中，可反向風扇1010的電源，而且系統(tǒng)工作，從而加熱工作流體并且使它返回冷的狀態(tài)。這對于除去加熱過程形成的反應產(chǎn)物、沉淀物、冷凝物、水汽等等是有利的。在一個有利的實施例中，流動限制器1011和/或熱交換器1005和1006能夠具有催化性能以增強、改進、啟用、禁止或影響能夠在系統(tǒng)中發(fā)生的過程。對于液體工作流體，一個或多個泵可取代風扇/電機1010，以實現(xiàn)有利的性能。
圖11顯示了和圖2的設(shè)計類似的熱電陣列1100，但是其中工作介質(zhì)具有通過系統(tǒng)的替代路徑。陣列1100具有散置在熱交換器1102之間的熱電組件1101。多個入口1103、1105和1107引導工作介質(zhì)通過陣列1100。多個出口1104、1106和1108引導工作介質(zhì)離開陣列1100。
在工作中，舉例來說，待冷卻的工作介質(zhì)在第一入口1103進入，并且穿過幾個熱交換器1102，因此逐漸冷卻(在這個例子中)，并且通過第一出口1104排出。從陣列1100除去熱量的一部分工作介質(zhì)通過第二入口1105進入，穿過熱交換器1102，在這個過程中被逐漸加熱，并且通過第二出口1106排出。
去除熱量的第二部分工作介質(zhì)進入第三入口1107，當它穿過某些熱交換器1102時被加熱，并且通過第三出口1108排出。
這個設(shè)計允許從第一入口1103到第一出口1104穿過的冷側(cè)工作介質(zhì)被有效地冷卻，因為熱側(cè)工作介質(zhì)在這個例子中在兩個位置進入，并且穿過熱電組件1101的結(jié)果溫差平均更低于如果工作介質(zhì)在單個端口進入的情況。如果平均溫度梯度平均起來更低，那么在大多數(shù)情況下，結(jié)果的系統(tǒng)效率就更高?？梢哉{(diào)整通過第二和第三入口1105和1107的相對流速，以實現(xiàn)所希望的性能或響應改變的外部條件。舉例來說，通過第三入口1107的更高流速，而且更有效地，反向通過那部分的流向使得第三出口1108是入口，能夠在冷側(cè)工作介質(zhì)中產(chǎn)生更冷的出口溫度，該冷側(cè)工作介質(zhì)在第一出口1104排出。
在圖1C中顯示了傳統(tǒng)熱電件100的基本的下層連接的附加細節(jié)。如上所述，P型元件110和N型元件112是本領(lǐng)域公知的類型。分流器106被附到P型和N型熱電元件110和112，并且與它們處于良好的電連接。通常，大量的這種熱電元件和分流器被連接在一起，以形成熱電組件，如圖1A所示。
熱電元件110、112在電流方向的長度是LC116；它們的幅度是BC117；它們的寬度是WC118；并且它們的間距是GC120。分流器106的厚度是TC109。
尺寸BC、WC和LC，連同熱電材料的質(zhì)量因數(shù)Z、電流122和工作溫度確定了冷卻量、加熱量或產(chǎn)生的電能，如本領(lǐng)域所公知的(例如見Angrist，S.W.“Direct Energy Conversion”3rdEd.1977 Ch4.)。
圖12顯示的設(shè)計改變了圖1的傳統(tǒng)構(gòu)造，其改變方式減少了所需的熱電材料數(shù)量，和分流器106中的寄生電阻的大小。熱電結(jié)構(gòu)1200具有多個交替?zhèn)鲗ь愋偷牡谝粋?cè)熱電元件1201、1202，其被串聯(lián)地夾在多個分流器1203和多個第二側(cè)分流器1204之間，所以電流1209垂直穿過分流器的幅度BB和寬度WB而不是像圖1C那樣通常平行于寬度。對于圖12的設(shè)計，RPB與ROB的比例φB是(10)---φB≈RPBROB]]>
其中(11)---RPB=PSBTBBBWB]]>(12)---ROB=PTELBBBWB]]>所以(13)---φB≈(TBBB)(PSBPTE)]]>其中TB是分流器厚度LB是熱電元件長度ρSB是分流器電阻BB是熱電元件和分流器活動幅度WB是熱電元件和分流器活動寬度[128]如果設(shè)定φC等于φB，寄生電阻損耗就對圖1C和圖12的結(jié)構(gòu)的性能具有相同比例的影響。為了比較，假設(shè)兩個結(jié)構(gòu)的材料特性是相同的，那么(14)φC＝φB或者在B中使用方程(9和12)；(15)---LCLB≈BC(BC+GCTCTB)]]>[129]對于當今的典型熱電組件BB≈1.6mmWC≈1.6mmGC≈1.6mmTC≈0.4mm并且假設(shè)TB≈2mmPSB＝PSC那么(16)---LCLB≈6.4]]>[130]因此長度LB可以是LC的1/6.4，而且圖12中的設(shè)計的導致的電阻損耗不超過傳統(tǒng)的熱電組件的電阻損耗。如果是這樣，并且所有其他損耗是可忽略的或成比例減少，那么利用圖12的結(jié)構(gòu)的熱電系統(tǒng)就有和圖1C的結(jié)構(gòu)相同的工作效率，但是LB=LC6.4.]]> 可以比較新結(jié)構(gòu)和圖1C的結(jié)構(gòu)的體積。對于相同的qOPT，面積比必須保持相同，所以，(17)---LBAB=LCAC]]>并且因為(18)---LBLC=16.4]]>(19)AC＝6.4AB[132]兩個的熱電材料的體積比是(20)VC＝ACLC(21)VB＝ABLB并且(22)---VBVC≈(ABAC)(LBLC)]]>(23)---≈16.42≈1/41]]>[133]因此，對于這些假設(shè)，需要同樣量的熱電材料的1/41。這個極大的可能減少雖然可能因為所做假設(shè)的準確性而不能完全實現(xiàn)，但是它在減少使用的熱電材料量中非常有益，因此對于減少成本和縮小尺寸也是非常有益的。
圖12的熱電疊層結(jié)構(gòu)1200具有長度為LB1205的P型熱電元件1201和N型熱電元件1202。電流的方向是由箭頭1209表示的。熱電元件具有幅度BB和寬度WB。在P型熱電元件1201和N型熱電元件1202之間，在電流方向上是第二側(cè)分流器1204(“PN分流器”)。在N型元件1202和P型元件1201之間，在電流方向上是第一側(cè)分流器1203(“NP分流器”)。PN分流器1204一般從疊層1200以和NP分流器1203相反的方向延伸。不同于180°的角度也是有利的。
如果適當?shù)碾娏?209在所表示的方向中通過，NP分流器1203被冷卻，而PN分流器1204被加熱。通過這個結(jié)構(gòu)，對于相同的熱電元件尺寸，結(jié)構(gòu)1200的寄生電阻損耗一般比圖1的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)100的低。因此，如果熱電元件長度LB1205被縮短，以使兩個結(jié)構(gòu)中的寄生電損耗比相等，熱電元件長度LB1205就更小，并且圖12的結(jié)構(gòu)有利地在比圖1更高的功率密度工作。結(jié)果，圖12的結(jié)構(gòu)1200也使用更少的熱電材料，并且能夠比圖1的傳統(tǒng)設(shè)計更緊湊。
分流器1203、1204能夠起雙重功能傳輸熱能離開熱電元件1201、1202和與外部物體或介質(zhì)比如工作流體進行熱能交換。
圖13A顯示了分流器的一個優(yōu)選實施例1300，其被組合形成熱交換器1302。優(yōu)選地，至少一個熱電元件1301被電連接到熱交換分流器1302的凸起的電極表面1303，比如利用焊接。有利地，分流器1302可主要由良好的熱導體比如鋁構(gòu)成，并且具有整體的包層覆蓋材料1304、1305，其由高導電率材料比如銅制造，以利于熱電元件1301附著和電流在低電阻下流動。
圖13B顯示了一疊層熱電組合件1310的一部分的詳細側(cè)視圖，其由圖13A中的熱電分流器1302和熱電元件1301構(gòu)成。多個具有凸起的電極表面1303的分流器1302被串聯(lián)地電連接到交替的傳導類型的熱電元件1301。
當施加適當?shù)碾娏鲿r，分流器1302將被交替地加熱和冷卻。產(chǎn)生的熱能被分流器1302傳輸離開熱電元件1301。有利地，凸起的電極1303有助于形成可靠、低成本、穩(wěn)定的表面，該表面上附著熱電元件1301。在實踐中，可提供一疊的多個這些部件1310。可以使用疊層陣列，其也進一步便于熱隔離。
電極1303可被有利地成形，以防止焊料使熱電元件1301短路。而且，電極1303可被有利地成形，以控制接觸面積，因此控制通過熱電元件1301的電流密度。
圖14顯示了分流熱交換器1400的一部分的例子。這個部分1400具有增加的表面積，以幫助傳熱。熱電元件1401被附到分流器1402，其優(yōu)選地如圖13A中顯示的那樣構(gòu)造，或者如這個申請中的其他實施例描述的那樣構(gòu)造。熱交換器1403、1404以良好的熱接觸被通過例如釬焊附著到分流器1402上，其中熱交換器1403、1404比如是散熱片。在這個實施例中，工作流體1405穿過熱交換器1403、1404。
有利地，分流器部分1400被配置，以使當工作流體1405穿過熱交換器1403、1404時，熱能被有效地傳輸。此外，材料的尺寸和分流器1402與熱交換器1403、1404的比例被指定，以優(yōu)化當與疊層組合時，比如與圖12和13B顯示的疊層組合時的工作效率。有利地，熱交換器1403、1404可以是百葉式或是多孔的，或者可以被完成所述目的的任何其他熱交換器設(shè)計替代，如那些在W.M.Kays和A.L.London所著的“Compact Heat Exchangers”第三版中描述的熱交換器?？梢酝ㄟ^提供良好熱接觸的環(huán)氧樹脂、軟釬焊或錫焊、硬釬焊、熔焊或任何其他附著方法將熱交換器1403、1404附到分流器1402。
圖15中顯示了分流器塊1500的另一個例子。分流器塊1500由多個分流器元件1501、1502、1503和1504構(gòu)成。分流器元件1501、1502、1503和1504可以被彼此折疊、釬焊、鉚接或者以任何其他方法連接，這些方法為電流1507提供低電阻路徑，以通過和提供從熱電元件1506到分流器1501、1502、1503和1504的低熱阻。熱電元件1506在基部1505或其附近被有利地附著到塊1500。
分流器塊1500描述了圖14的分流器塊1400的一個設(shè)計替換，并且可被成疊地配置，如在圖12和13中顯示的那樣，而且如果希望的話，可處于疊層陣列中。圖14和15的結(jié)構(gòu)都可自動組裝，以降低從這些設(shè)計制造熱電系統(tǒng)的勞動力成本。
分流器塊也可被形成為疊層組合件1600，如在圖16中顯示的。中心分流器1602在第一側(cè)的每一端具有相同傳導類型的第一側(cè)熱電元件1601，并且在中心分流器1602的相對側(cè)的每一端具有相反傳導類型的第二側(cè)熱電元件1605。為了形成一疊分流器1602，在每個中心分流器1602之間放置右分流器1603和左分流器1604，如圖16中所顯示的。右分流器1603被放置在使得左端被夾在熱電元件1601和1605之間的位置，它們處于良好的熱接觸和電接觸狀態(tài)。類似地，左分流器1604被放置在使得右端被夾在熱電元件1601和1605之間的位置，并且它們處于良好的熱接觸和電接觸的狀態(tài)。分流器1602、1603和1604被交替地疊置并且電連接，以形成分流器疊層1600。第一工作流體1607和第二工作流體1608穿過組合件1600。當然，對于圖16所示實施例和在此描述的疊層結(jié)構(gòu)的實施例，疊層可能，并且很可能由疊層中額外的分流器元件組成。僅僅描述了疊層組合件1600的小部分，以供讀者理解。從圖中可以清楚地看出這種疊層可以進一步重復或復制。此外，可提供額外的疊層，其在工作流體流動的方向上熱隔離。
當合適的電流在一個方向被施加通過熱電元件1601、分流器1605、1604時，中心分流器1602將被冷卻，而左和右分流器1604和1606將被加熱。結(jié)果，穿過中心分流器1602的第一工作流體1607將被冷卻，并且穿過右和左分流器1603、1604的第二工作流體1608將被加熱。疊層組合件1600形成固態(tài)熱泵，用于調(diào)節(jié)流體。重要的是要注意疊層1600可具有少量或許多塊，因此能夠在不同的功率級工作，取決于施加的電流量和電壓量、組件尺寸和并入該組合件的塊的數(shù)量。這種疊層的陣列也是有利的。在使用這種疊層1600的陣列的情況下，為了提高的效率，最好在流體流動方向提供熱隔離，如在美國6539725號專利中描述的。
還應該理解分流器1602、1603、1604能夠被其他形狀替代以提高性能，比如但是不限于圖14和15中顯示的那些形狀。
圖17示例說明了圖16顯示的疊層組合件1600的一個變體。對于這個結(jié)構(gòu)，熱電組合件1700由右側(cè)分流器1703和左側(cè)分流器1704構(gòu)成，以形成通常的環(huán)形形狀。右側(cè)分流器1703被有利地配置，以形成和左側(cè)分流器1704一樣的部分環(huán)。在優(yōu)選的實施例中，在工作期間變冷的分流器可比變熱的分流器更大或更小，這取決于器件的特殊目標。應該注意，基本環(huán)形的結(jié)構(gòu)不是必要的，可以使用圖17所示的分流器塊的其他結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生中心流動部分。例如，右側(cè)分流器1703可以是半矩形或半正方形，且左側(cè)分流器1704可以是半矩形或半正方形。類似地，一側(cè)可以是多側(cè)面的，而一側(cè)可以是弓形的。分流器的特定形狀是可變的。交替?zhèn)鲗ь愋偷臒犭娫?701和1702，如為圖16討論的，在疊層組合件1700中被串聯(lián)地電連接。優(yōu)選地，流體1712進入分流器1703、1704形成的中心區(qū)域。流體1712的第一部分1707穿過右側(cè)分流器1703之間，而工作流體1712的第二部分1706穿過左側(cè)分流器1704之間。電源1708被電線1712、1713電連接到熱電元件，電線1712、1713在連接點1710和1711被連接到疊層。風扇1709可附到疊層的一端(或兩端)。也可以使用泵、鼓風機等等。
當給風扇1709施加電力時，它就泵送流體1712通過組合件1700。當提供具有極性的電流以至于右側(cè)分流器1703被冷卻時，工作流體1712的第一流體部分1707通過它們時被冷卻。類似地，工作流體的第二部分1706通過加熱的左側(cè)分流器1704時被加熱。組合件1700形成簡單、緊湊的冷卻器/加熱器，其具有能夠通過在它的構(gòu)造中使用的分流器1703、1704的數(shù)量來調(diào)節(jié)的容量和整體尺寸。顯然分流器1703、1704可以是三角形、橢圓或者任何其他有利的形狀。此外，分流器可以是圖14、15中顯示的設(shè)計或者任何其他有用的結(jié)構(gòu)。
在圖12、14、15、16和17的熱電系統(tǒng)的一個實施例中，可以在如圖18中所顯示的陣列的一個或多個部分中使用超過一個的熱電元件。在這個例子中，熱電元件1801、1804被連接到在分流器1802、1803的每一側(cè)上的凸起的電極表面。
多個電并聯(lián)的熱電元件1801能夠提高機械穩(wěn)定性，更好的分布熱能并且給系統(tǒng)增加電冗余?？梢圆⒙?lián)使用多于兩個的熱電元件1801。
在某些應用中，所希望的是具有和圖12-13一致的分流器的暴露部分，暴露部分和電極部分電絕緣。這種分流器的一個例子如圖19顯示。在這個實施例中，電絕緣體1905使分流器1900的電極部分1903和分流器1900的熱交換部分1904絕緣。熱電元件1901、1902優(yōu)選安裝在電極部分1903上。
在工作時，有利地通過電極部分1903在相反傳導類型的熱電元件1901、1902之間施加電勢，電極部分1903是由高導電率和導熱率材料比如銅制成的。熱電元件1901、1902產(chǎn)生的熱能沿著分流電極1903被傳導，穿過電絕緣體1905，并且進入分流器1900的熱交換部分1904。有利地，電絕緣體1905是非常好的熱導體，比如鋁、熱傳導的環(huán)氧樹脂等等。如所示的，電絕緣體1905形成的界面形狀是薄層V形，以最小化熱阻。也可以使用具有適當?shù)偷慕缑鏌嶙璧娜魏纹渌螤詈筒牧系慕M合?？梢匀缜懊婷枋龅哪菢邮褂靡化B這樣的分流器1900。
電絕緣的一替代形式顯示在另一分流器塊2000組合件中，圖20顯示了組合件2000的頂視圖。第一熱電元件2001被連接到分流器塊陣列2000的左分流器2003，并且第二熱電元件2002被連接到分流器塊陣列2000的右分流器2004。電絕緣體2005被置于左側(cè)分流器塊2003和右側(cè)分流器塊2004之間。
圖20顯示的結(jié)構(gòu)提供了熱電元件2001和2002之間的電絕緣，同時保持整個分流器2000的機械整體性。在所繪的這個結(jié)構(gòu)中，電絕緣體2005不需要提供特別好的熱傳導性，因為熱能源——熱電元件2001和2002能夠在不同級冷卻或加熱左和右分流器塊2003、2004，只要電絕緣體2005平均處于熱電元件2001和2002之間的中心。應該注意，雖然顯示的是兩個熱電元件2001和兩個第二熱電元件2002，但是在每一側(cè)可利用更大的熱電元件或更多數(shù)量的熱電元件。選擇兩個第一熱電元件2001和兩個第二熱電元件2002僅僅是為了示例說明良好穩(wěn)定的機械結(jié)構(gòu)。應該注意，取決于所希望的電流路徑，第一熱電元件2001和第二熱電元件2002不需要是，但是可以是不同的傳導類型。
圖21中顯示了在分流器2100內(nèi)實現(xiàn)電絕緣的替代方法。具有兩個第一熱電元件2101的分流器部分2103被機械地附到具有兩個第二熱電元件2102的第二分流器部分2104。電絕緣體2106機械地連接分流器部分2103和2104，分流器部分2103和2104也被間隙2105彼此隔開。
在機械連接2106近似處于熱電元件2101和2102之間的中心，并且熱電元件2101和2102產(chǎn)生大約相等的熱能的情況下，電絕緣體2106不需要是良好的熱導體。熱電元件2101和2102各自給各自的分流器部分2103和2104提供熱能。電絕緣體2106可以是背部有粘合劑的Kapton帶子、注塑塑料、熱熔粘合劑或者任何其他合適的材料。如圖21中的俯視圖所示，分流器部分2103、2104沒有重疊形成疊接。也可以使用具有環(huán)氧樹脂或者其他電絕緣粘合劑的這樣的接頭。
圖22中的頂視圖顯示的另一分流器塊陣列2200具有位于矩形熱電陣列2200中電絕緣的分流器塊。第一熱電元件2201被熱連接到第一分流器部分2202，而第二熱電元件2203被熱連接到第二分流器部分2204。每個分流器部分通過間隙2210、2211與其他分流器部分電隔離。優(yōu)選提供在該組合件左側(cè)的電絕緣體2208、在中間的絕緣體2207和在右側(cè)的絕緣體2209。箭頭2212表示工作流體流動方向。這個結(jié)構(gòu)可在比沒有電絕緣的類似陣列更高的電壓和更低的電流工作。如從圖20中可見的，第一熱電元件2201和第二熱電元件2203不需要是，但是可以是不同的傳導類型。這取決于所需的電流流動方向。但是熱電元件2202、2203可以處于不同的電勢。
間隙2210使各個第一分流器部分2202之間彼此有效地熱隔離，以及使各個第二分流器部分2204之間彼此有效地熱隔離。類似地，側(cè)絕緣體2208、2209既提供熱隔離又提供電絕緣，同時機械地將各個分流器連接在一起。中心絕緣體2207沿著它的長度提供電絕緣和熱隔離。因此陣列2200被構(gòu)造成在箭頭2212的方向產(chǎn)生熱隔離，如在美國6539725號專利中描述的。這個結(jié)構(gòu)能夠在比沒有電絕緣的類似陣列更高的電壓和更低的電流下工作。
圖23中顯示了利用一般如圖22描述的類型的分流器塊陣列的冷卻系統(tǒng)2300。冷卻系統(tǒng)2300具有內(nèi)分流器塊2301、2302，其通過電絕緣材料2320比如絕緣膠布機械地連接。內(nèi)分流器塊2302通過電絕緣和熱絕緣材料2321被機械地連接。類似地，內(nèi)分流器塊2301通過電絕緣和熱絕緣材料2307被機械地連接。內(nèi)分流器塊2301、2302以圖22描述的方式在末端(沒有示出)被分別連接到熱電元件。熱電元件被夾在內(nèi)分流器塊2301、2302和各自的外分流器塊2303、2305之間的疊層中。中心的分流器塊2301被分別連接到外部的左分流器塊2305，而內(nèi)分流器塊2302被連接到右外分流器塊2303。優(yōu)選地，右外分流器塊2303通過電絕緣和熱絕緣材料2322被類似地機械連接，電絕緣和熱絕緣材料2322類似于連接內(nèi)分流器塊2302的電絕緣材料2321。左外分流器塊2305被類似地機械地連接。外殼2311容納一分流器塊和熱電元件的疊層陣列。線頭接栓或接線端子2312和2314被電連接到內(nèi)塊2301。類似地，接線端子2315和2316連接到內(nèi)分流器塊2302。優(yōu)選地，熱絕緣和電絕緣墊片或間隔件2309、2310被置于每個內(nèi)塊和外塊之間。
第一工作流體2317穿過內(nèi)部區(qū)域，而第二工作流體2318、2319穿過外部區(qū)域。當在接線端子2312和2314、2315和2316之間施加適當極性和大小的電壓時，內(nèi)分流器塊2301、2302被冷卻。而且，外分流器塊2303、2305被加熱。因此，穿過內(nèi)部區(qū)域的工作流體2317被冷卻，而穿過外分流器塊2303、2305的工作流體2318、2319被加熱。外殼2311和絕緣體2309、2310包含并隔開冷卻的流體2317和被加熱的流體2318、2319。
給系統(tǒng)2300中的每個疊層通電的電連接可以串聯(lián)，以在高電壓工作，串聯(lián)/并聯(lián)以在該電壓的大約一半電壓工作或者并聯(lián)以在該電壓的大約1/4電壓工作。可以使極性相反以加熱內(nèi)工作流體2317和冷卻外工作流體2318、2319?？梢栽诠ぷ髁黧w2317、2318、2319流動的方向使用更多的塊，以在甚至更高的電壓工作，并且從得到的更有效的熱隔離獲得更高的效率。
從熱隔離實現(xiàn)增強的性能的另一緊湊設(shè)計使用組合的分流器和傳熱塊2400，如圖24A和24B顯示的。這個設(shè)計非常類似于圖14的設(shè)計，但是熱電元件2401、2402與流體流動的一般方向同向。相反傳導類型的熱電元件2401、2402被連接到分流器2404的延伸部分2403。優(yōu)選地，熱交換器2405、2406比如散熱片處于與分流器2404良好的熱接觸狀態(tài)。當工作流體2409穿過熱交換器散熱片2405、2406時，其被加熱或冷卻，這取決于電流流動的方向。
圖24B顯示了疊層2410的一部分，其由如圖24A所示的熱電分流器塊2400組成。電流2417在箭頭表示的方向流動。多個第一側(cè)分流器2400和多個第二側(cè)分流器2400a被連接到熱電元件2411。第一工作流體2418沿著疊層2410的下部流動，穿過圖24a中第二側(cè)分流器2400a上的熱交換器，而工作流體2419有利地在相反方向流動，穿過第一側(cè)分流器2400的熱交換器。
當施加合適的電流2417時，疊層2410的上部在當流體2419穿過一個塊到下一個塊時逐漸冷卻流體2419，而且其下部在當流體2418穿過一個分流器2400a到下一個分流器時逐漸加熱流體2418。
圖25A顯示了一個替代的熱電疊層結(jié)構(gòu)2500。這個熱電疊層實現(xiàn)了熱隔離的好處，其中工作流體2513在一般垂直于電流流動方向2512的方向上流動。第一分流器2502被電連接到第一熱電元件2501，并且和熱交換器2503、2504處于良好的熱接觸。第二個第一側(cè)分流器2506類似地與它的熱交換器2508處于良好的熱接觸，并且第三個第一側(cè)分流器2505與它的熱交換器2507處于良好的熱接觸。散置在每個第一側(cè)分流器2502、2506和2505之間的是交替類型的熱電元件2501和一般在相反方向突出的第二側(cè)分流器2509、2510和2511，和圖12一樣。沒有全面顯示第二側(cè)分流器2509、2510和2511，它們一般是相同的形狀，并且具有和第一側(cè)分流器2502、2506和2505相同的空間關(guān)系。工作流體2513在箭頭表示的方向穿過疊層組合件。當垂直施加通過熱電元件的合適電流時，第一側(cè)分流器2502、2505和2506被加熱，而第二側(cè)分流器2509、2510和2511被冷卻。當工作流體2513穿過第一熱交換器2507，然后穿過熱交換器2508，最后穿過熱交換器2503時，它被逐漸加熱。完整的疊層組合件使陣列2500的重復部分在電流流動方向被組裝，所以熱交換器2503的頂部和另一陣列部分的下一個順序的熱交換器2504的底部接近地隔開。在工作流體2513流動的方向上的熱隔離是明顯的。
圖25B是圖25A中顯示的陣列部分2500的俯視圖。多個傳導類型交替的熱電元件2501的冷卻，被散置或點綴著多個第一側(cè)分流器2502、2506和2505及多個第二側(cè)分流器2511、2509和2510，所以第一側(cè)分流器2502、2506和2505交替著第二側(cè)分流器2511、2509和2510。分流器被間隙2534隔開，并且每個分流器和熱交換器處于良好的熱接觸。第一工作流體2531沿著上部從右到左穿過，而工作流體2532沿著下部有利地從左到右穿過。優(yōu)選在每對分流器之間提供熱和電絕緣體2533，除了電流流動通過熱電器件和分流器的地方。
例如，當合適的電流穿過陣列2500時，工作流體2531被逐漸加熱并且工作流體2532被逐漸冷卻。絕緣體2533防止不必要的熱損失，并且也防止工作流體2531、2532混合。如所示的，陣列2500以逆流模式工作，并且利用熱隔離來增強性能。同一陣列2500可以和工作流體2531、2352工作，它們在平行的流動模式中的同一方向運動，并且仍然具有熱隔離的好處，來增強性能。在任一情況下，有利地，并非所有的熱電元件2521具有相同的電阻，但是它們具有根據(jù)個體熱電元件之間的溫度和功率差變化的電阻，如美國6539735號專利中描述的。
圖26A中顯示了另一熱電組件2600，其使用在本說明書中討論的原理來實現(xiàn)在更高電壓的工作以及可能的其他好處，比如更高的功率密度、緊湊尺寸、強度、更高的效率。第一熱電元件2601被夾在第一端分流器2603和第二分流器2604之間。相反傳導類型的第二熱電元件2602被夾在第二分流器2604和第三分流器2605之間。這個模式繼續(xù)到最后端分流器2606。電流2607流進最后端分流器2606，穿過熱電組件并且流出第一端分流器2603，如箭頭2608和2609所表示的。間隙2611防止相鄰分流器之間的電傳導并且減少它們之間的熱傳導。在一個實施例中，第一端分流器2603和最后端分流器2606具有電極表面2612。其他的分流器具有分流表面2614，其是導熱的但是與分流器的主體電絕緣。
在工作時，合適的電流2608穿過熱電組件2600，其加熱上表面和冷卻下表面(或者反之)。圖26A中顯示的熱電組件2600由5個熱電元件和6個分流器組成。有利地，可以利用任何奇數(shù)數(shù)量的熱電元件，其被分流器交替隔開，如所顯示的。此外，超過一個的熱電元件(和圖18解釋的類型相同)可并聯(lián)連接在每對分流器之間。為了實現(xiàn)替代的功能，可以使用偶數(shù)數(shù)量的熱電元件，比如使電能限制在一個表面的電絕緣部分。
圖26B顯示了熱電組件2600的陣列2620。圖26B顯示了圖26A所示類型的兩個熱電組件2600，它們一個疊置在另一個的頂部，而中心傳熱構(gòu)件2635被夾在各個第一側(cè)分流器2604之間。外傳熱構(gòu)件2632和2636被熱耦合到第二側(cè)分流器2605。分流器和傳熱構(gòu)件也可以是任何其他合適類型，例如圖14和15所示的類型。第一熱電組件的第一端分流器2603被電連接到外傳熱構(gòu)件2632。類似地，第一或上部熱電組件的其他端分流器2606被電連接到中心傳熱構(gòu)件2635。類似地，第二熱電組件的第二端分流器2606a被電耦合到中心傳熱構(gòu)件2635，并且第二熱電組件的第一端分流器2603a被電耦合到圖26B底部的外傳熱構(gòu)件2636。除了端分流器2603、2606、2606a、2603a之外，其他的分流器2604、2605具有導熱的電絕緣體2612。此外，和圖26A的結(jié)構(gòu)一樣，分流器具有間隙2611，以彼此電絕緣。電流流動由箭頭2628、2629、2630、2631和2637表示。如所顯示的，熱電元件2601、2602的傳導類型交替。
當合適的電流穿過陣列2620時，第二側(cè)分流器2605和外傳熱構(gòu)件2632和2636被加熱。第一側(cè)分流器2604和中心傳熱構(gòu)件2635被冷卻。對于反向的電流情況就相反。通過調(diào)整熱電元件2601、2602的尺寸和數(shù)量，可以連同相應的電壓一同調(diào)整工作電流。類似地，功率密度可被調(diào)整。應該注意，可以使用更多數(shù)量的分流器和熱電元件，其會加寬圖26B所示的結(jié)構(gòu)。此外，可在垂直方向疊置另外的熱電組件2600。此外，可以提供圖26B平面內(nèi)或之外的這種疊層的陣列，或者利用以上的任何組合。在合適的陣列中，可根據(jù)美國6539725號專利中的描述利用在傳熱或工作流體流動方向的熱隔離原理。
圖27示例說明了熱電組件2700的一個替代實施例，其類似于圖26A的熱電組件2600。端分流器2705、2704被電連接到電源2720和地2709。熱電元件2701、2702在一系列的分流器2703、2704、2705、2706之間被電連接。在這個實施例中，所有的分流器2703、2704、2705、2706通過絕緣體2711與第一和第二傳熱構(gòu)件2707、2708電絕緣。分流器和傳熱構(gòu)件2707、2708處于良好的熱接觸。第一側(cè)傳熱構(gòu)件2708在箭頭2712表示的方向運動。有利地，第二側(cè)傳熱構(gòu)件2707在相反的方向運動，如箭頭2710表示的。
當給熱電組件2700施加合適的電流時，第二側(cè)傳熱構(gòu)件2707被冷卻，而第一側(cè)傳熱構(gòu)件2708被加熱。操作類似于和圖7A、7B、7C和7D的顯示關(guān)聯(lián)的操作。應該記住，第一和第二傳熱構(gòu)件2707、2708不需要是矩形，如從圖27推斷的，而是可以是圓盤形或者任何其他有利的形狀，比如在圖7A中討論的那些。有了有效的設(shè)計，熱電組件2700也可以實現(xiàn)和熱隔離關(guān)聯(lián)的性能益處，如美國6539725號專利討論的一樣。
在一替代實施例中，傳熱構(gòu)件2707和2708不動。在那個結(jié)構(gòu)中，熱電組件2700類似于如圖1顯示的標準組件，但是可以以高功率密度工作，并且可以利用相對薄的熱電元件2701、2702。有利地，熱電組件2700在熱電元件2701、2702上誘發(fā)低的剪應力(shear stress)，其例如由第一側(cè)和第二側(cè)分流器之間的熱膨脹差產(chǎn)生。因為剪切(shear)是由穿過熱電元件2701、2702的溫度差在熱電組件2700中產(chǎn)生的，并且和寬度成比例，所以它遠小于標準熱電組件中的剪切，其中剪切和整體組件寬度成比例。差別可從圖12和圖1中顯示的標準組件的比較看出。具有兩個以上和圖12的結(jié)構(gòu)相同尺寸的熱電元件的標準組件將呈現(xiàn)不利的高剪應力。這種應力限制熱循環(huán)持久性和組件尺寸。
圖27也提供了一個好的示例說明，來顯示如何也可以使用在這個說明書中描述的實施例進行發(fā)電。在這個結(jié)構(gòu)中，為了給負載提供動力或功率，終端2709和2720被連接到負載而不是電源。傳熱構(gòu)件2707、2708以溫度梯度的形式提供熱能。在第一傳熱構(gòu)件2708和第二傳熱構(gòu)件2707之間的溫度梯度導致熱電系統(tǒng)2700在終端2709、2720產(chǎn)生電流，這些終端然后連接到負載或儲能系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)2700可作為發(fā)電機工作。在這個說明書中描述的其他結(jié)構(gòu)也可以以類似的方式被連接，以通過應用溫度梯度并衍生電流來提供發(fā)電系統(tǒng)。
圖28顯示了熱電傳熱系統(tǒng)2800，其使用氣體工作流體2810和液體工作流體2806。在這個實施例中，第一側(cè)分流熱交換器2803是圖24A和圖24B中顯示的構(gòu)造。分流熱交換器2803用氣體工作介質(zhì)2810傳輸熱能。在這個實施例中，第二側(cè)分流熱交換器2804、2805用液體工作介質(zhì)2806傳輸熱能。相反傳導類型的多個熱電元件2801被夾在第二側(cè)分流器2804、2805和分流熱交換器2803之間。第二側(cè)分流熱交換器2804、2805類似地被夾在交替的傳導類型的熱電元件2801之間。電流2812、2813穿過系統(tǒng)2800，如箭頭2812、2813表示的。在這個實施例中，導管2814、2815從一個分流熱交換器2804、2805到下一個分流熱交換器傳遞液體工作介質(zhì)2806。
熱電傳熱系統(tǒng)2800的工作類似于圖24B的顯示，其中一種工作流體2810是氣體，另一工作流體2806是液體。系統(tǒng)2800中顯示的設(shè)計也實現(xiàn)了如美國6539725號專利所描述的熱隔離的好處。
圖29詳細顯示了分流熱交換器2900。這個部件有利地具有由非常好的導熱材料構(gòu)成的容器2901，由非常好的導電材料構(gòu)成的電極2902，以及與容器2901的頂表面和底表面處于良好熱接觸的傳熱散熱片2905、2906。在一個實施例中，容器2901和電極2902是由單一的材料構(gòu)成的，并且在構(gòu)造上是整體的。有利地，容器2901的底表面和電極2902之間的界面2904具有非常低的電阻。流體2909穿過分流熱交換器2900。
在工作時，熱電元件(沒有示出)被電連接到電極2902的頂部和底部。當施加合適的電流通過熱電元件和電極2902時，容器2901和散熱片2905、2906被加熱或冷卻。穿過分流熱交換器2900的工作流體2909被熱交換器2900加熱或冷卻。有利地，分流熱交換器2900的導電性足夠好，以至于它不顯著促成寄生損失。通過使穿過電極2902的電流路徑最短，使貫穿電流路徑的導電率最大并且增加電極2902的橫截面面積可以使這種損失更小。
容器2901的頂表面和底表面，以及散熱片2905和2906在電流流動方向提供足夠的導電率，所以固體電極體2902能夠減小橫截面面積或者被完全去掉，如圖4B中的實施例所示。
圖30顯示了散熱器流體系統(tǒng)3000。交替?zhèn)鲗ь愋偷臒犭娫?001被散置在流體熱交換器3004之間，熱交換器3004每個都具有分流部分3003，以及分流器3002和3005。電流3006、3007流動穿過分流器部分3003、分流器3002和3005以及熱電元件3001。工作流體3009在箭頭表示的方向流動。散熱器3010、3011與分流器3002、3005處于良好的熱接觸，并且與其電絕緣。在具有金屬或者導電散熱器3010、3011的實施例中，有利地具有良好導熱性的電絕緣體3008、3012將電流3001、3007限制在所表示的電路路徑。
當施加合適的電流3006、3007時，熱能被傳給散熱器3010、3011，并且被從工作流體3009傳出。分流熱交換器構(gòu)件3004彼此熱隔離，所以這個實施例實現(xiàn)了來自熱隔離的性能提高或增益。
圖31A顯示了一替代的分流熱交換器實施例3100。分流器部分3101具有電極3102，用于連接到熱電元件(沒有示出)；和傳熱延伸部3108，傳熱延伸部3108與熱交換器3103比如散熱片處于良好的熱接觸。流體3107穿過熱交換器3103。
分流熱交換器3100優(yōu)選具有電極3102，其一般位于各個傳熱延伸部3108之間的中心。在這個實施例中，熱能可在兩個方向流進和流出熱電部件，因此和圖24A顯示的實施例相比，每個熱電元件能夠增加大約兩倍的傳熱能力。分流側(cè)可具有增加的傳熱特性，比如通過合并的熱管道、熱對流或者通過任何其他增加傳熱的方法。
圖31B顯示了傳熱分流器組合件3110，其具有分流器3111、電極3112和流入流體端口3113、3114及流出流體端口3115、3116。傳熱分流器組合件3110能夠具有提高的傳熱能力(每個熱電元件)，和比圖29顯示的系統(tǒng)更大的流體傳送能力。
圖31C顯示了分流器組合件3120，其具有分流器構(gòu)件3121、電極3122和熱交換表面3123、3124。分流器組合件3120能夠具有圖26A和26B顯示的實施例近似兩倍的傳熱能力(每個熱電元件)。但是，與圖26A和26B的使用相反，分流器組合件3120的疊層可在近似的直角彼此交替，并且彼此相對的表面3123和3124可被，例如加熱，并且在和該加熱對近似成直角處的疊層中的下一對的表面會被冷卻。替代地，表面3123、3124可以處于其他角度比如120°，并且中間散置著如圖26顯示的分流器2604。多個側(cè)面的分流器的任何組合是本發(fā)明的一部分。
應該注意，熱電材料的減少可以是相當驚人的。例如，在此討論的熱電元件在一個一般實施例中可以如5微米到1.2mm一樣薄。對于超晶格和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，比如能夠使用圖31A-C、26A-B和27的實施例實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，熱電元件可以在20微米和300微米厚之間，更優(yōu)選地從20微米到200微米，甚至從20微米到100微米。在另一實施例中，熱電元件的厚度是在100微米到600微米之間。熱電元件的這些厚度比傳統(tǒng)的熱電系統(tǒng)薄許多。
應該注意，所述的結(jié)構(gòu)沒有必要要求熱電元件組裝成陣列或組件。對于某些應用，熱電元件被有利地直接附到傳熱構(gòu)件，因此減少了系統(tǒng)復雜性和成本。還應該注意，上面描述的特征可以以任何有利的方式組合，而不脫離本發(fā)明。此外，應該注意雖然在各種圖中顯示的熱電元件呈現(xiàn)類似的尺寸，但是貫穿陣列或疊層的熱電元件可變化尺寸，端類型熱電元件可以是不同于P型熱電元件的尺寸和形狀，某些熱電元件在設(shè)計上可以是異質(zhì)結(jié)構(gòu)而其他熱電元件可以是非異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
一般來說，在這些圖中描述的系統(tǒng)既在冷卻/加熱又在發(fā)電模式中工作。有利地，可實現(xiàn)特定的變化以優(yōu)化冷卻、加熱或者發(fā)電的性能。例如，大的溫度差(200到2000°F)是理想的，以實現(xiàn)高效率的發(fā)電，如本領(lǐng)域公知的，而小的溫度差(10到60°F)是冷卻和加熱系統(tǒng)的特性。大的溫度差要求不同的構(gòu)造材料以及可能的不同設(shè)計尺寸和材料的熱電組件和元件。但是，對于不同的工作模式，基本概念仍然是相同的。圖5、8和9中顯示的設(shè)計對于發(fā)電是有利的，因為它們提供了制造簡單、結(jié)實的低成本設(shè)計的可能。但是上面提到的所有設(shè)計對于特定的發(fā)電是有價值的，并且不能被排除在外。
應該注意，在這個專利中的公開內(nèi)容給出了這個發(fā)明的設(shè)計、結(jié)構(gòu)和應用。雖然上面的討論是按照冷卻中的特性分析的，但是加熱和發(fā)電有類似的結(jié)果并且導致類似的結(jié)論。某些系統(tǒng)，特別是那些熱離子和異質(zhì)結(jié)構(gòu)類型的系統(tǒng)可以具有固有的高功率密度，在這種情況下，本發(fā)明更適合適應這種系統(tǒng)的特性和可能的高功率密度。
雖然上面示例說明并且討論了幾個例子，但是本描述僅僅是說明本發(fā)明的廣泛概念，本發(fā)明由所附的權(quán)利要求限定。在權(quán)利要求中，所有的術(shù)語的含義都是它們普通和通常的含義，并且上面的描述不限制這些術(shù)語為任何特殊或特殊限定的含義，除非特殊地明白說明。
權(quán)利要求
1.一種熱電系統(tǒng)，其包括多個熱電組件；多個第一和第二傳熱器件，至少某些第一傳熱器件被夾在至少兩個熱電組件之間，并且至少某些第二傳熱器件被夾在至少兩個熱電組件之間，從而形成至少一個熱電組件疊層，所述疊層中具有交替的第一和第二傳熱器件，其中至少某些第一傳熱器件和至少某些第二傳熱器件從所述至少一個疊層在不同方向突出，并且其中至少某些第一或第二傳熱器件被布置，以在工作介質(zhì)運動的方向提供熱隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，進一步包括一個電流源，其電耦合到所述疊層，所述電流穿過串聯(lián)的至少某些所述傳熱器件和熱電組件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中所述傳熱器件使至少某些熱電組件與至少某些其他的熱電組件熱隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中所述工作介質(zhì)包括工作流體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些所述傳熱器件是具有多個熱交換器元件的熱交換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些所述第一傳熱器件是由電極部分構(gòu)成的，該電極部分與分流器部分電絕緣并且與其熱耦合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些熱電組件包括熱電元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱電系統(tǒng)，其中所述熱電元件包括交替的P型和N型熱電元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中工作介質(zhì)運動的所述方向是從第一疊層到第二疊層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電系統(tǒng)，其中工作介質(zhì)運動的所述方向一般是朝所述至少一個疊層的方向。
11.一種熱電系統(tǒng)，其包括多個熱電組件；多個第一傳熱器件和多個第二傳熱器件，至少某些第一傳熱器件被夾在至少兩個熱電組件之間，并且至少某些第二傳熱器件被夾在至少兩個熱電組件之間，從而形成至少一個熱電組件疊層，所述熱電組件疊層中具有交替的第一和第二傳熱器件，其中至少某些第一傳熱器件和至少某些第二傳熱器件從所述至少一個疊層突出，并且其中至少所述第一或第二傳熱器件接受至少一個介質(zhì)，所述介質(zhì)是液體和/或固體。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些第一傳熱器件和至少某些第二傳熱器件從所述至少一個疊層在不同方向突出。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些第一傳熱器件接受第一介質(zhì)，并且至少某些第二傳熱器件接受第二介質(zhì)，所述第一介質(zhì)是液體和/或固體，并且所述第二介質(zhì)是從由液體、固體、氣體或液體、固體和氣體的任意組合組成的組中選擇的。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電系統(tǒng)，其中所述第一介質(zhì)是液體，并且所述第二介質(zhì)是氣體。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電系統(tǒng)，其中所述至少一個介質(zhì)運動，并且至少某些第一或第二傳熱器件被布置，以在所述至少一個介質(zhì)運動的方向提供熱隔離。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電系統(tǒng)，進一步包括一個電流源，其電耦合到所述疊層，所述電流流過所述傳熱器件和熱電組件。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些所述第一熱電組件包括P型熱電元件而且至少某些所述第二熱電組件包括N型熱電元件，并且所述傳熱器件使至少某些所述P型熱電元件與至少某些所述N型熱電元件熱隔離。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電系統(tǒng)，其中所述至少一個介質(zhì)是運動的工作介質(zhì)。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電系統(tǒng)，其中所述至少一個傳熱器件是具有多個熱交換器元件的熱交換器。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些所述第一傳熱器件是由電極部分構(gòu)成的，該電極部分與分流器部分電絕緣并且與其熱耦合。
21.一種熱電系統(tǒng)，其包括多個熱電組件，其中至少某些所述熱電組件被制成的尺寸可以提供高功率密度操作；多個第一傳熱器件和多個第二傳熱器件，至少某些第一傳熱器件被夾在至少兩個熱電組件之間，并且至少某些第二傳熱器件被夾在至少兩個熱電組件之間，從而形成熱電組件的一個疊置結(jié)構(gòu)并具有交替的第一和第二傳熱器件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱電系統(tǒng)，其中至少所述多個熱電組件中的一些是N型熱電元件，并且至少某些所述熱電組件是P型熱電元件。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些所述N型或P型熱電元件的厚度在5微米到1.2毫米之間，其在所述熱電元件的電流方向具有相對大的面積與長度比。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的熱電系統(tǒng)，其中所述比是大約6比1。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些所述N型和/或P型熱電元件的厚度在20微米到300微米之間。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些所述N型和/或P型熱電元件的厚度是在20微米到200微米之間。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些所述N型和/或P型熱電元件的厚度是在20微米到100微米之間。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些所述N型和/或P型熱電元件的厚度是在100微米到600微米之間。
29.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些所述第一或第二傳熱器件被布置，以在工作介質(zhì)流動的方向提供熱隔離。
30.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱電系統(tǒng)，進一步包括一個電流源，其電耦合到所述疊層，電流穿過串聯(lián)的所述傳熱器件和熱電組件。
31.根據(jù)權(quán)利要求22所述的熱電系統(tǒng)，其中所述傳熱器件使至少某些所述P型熱電元件與至少某些所述N型熱電元件熱隔離。
32.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些所述傳熱器件接受運動的工作流體。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些所述傳熱器件是熱交換器，其包括外殼，該外殼內(nèi)具有多個熱交換器元件。
34.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱電系統(tǒng)，其中至少某些所述第一傳熱器件是由電極部分構(gòu)成的，該電極部分與分流器部分電絕緣并且與其熱耦合。
全文摘要
本發(fā)明描述了利用熱隔離優(yōu)點的多個緊湊、高效和高功率密度的熱電系統(tǒng)。這些結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高系統(tǒng)效率和高功率密度。某些結(jié)構(gòu)極大地減少了所需的熱電材料數(shù)量。
文檔編號F25B33/00GK1849714SQ200480026358
公開日2006年10月18日 申請日期2004年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月18日
發(fā)明者L·E·貝爾 申請人:Bsst有限責任公司