專利名稱：具有中間回路的熱電發(fā)電器的制作方法
具有中間回路的熱電發(fā)電器相關(guān)申請(qǐng)的橫向參考0001本發(fā)明涉及并且要求2005年6月28日提交的第60/694，746號(hào)題為 Freedom Car & Vehicle Technologies Program的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的權(quán)聯(lián)邦政府贊助研究與發(fā)展研究所的有關(guān)聲明 100002美國(guó)政府可以要求由美國(guó)能源部授予的合同號(hào)第 DE-FC26-04NT42279之下的，本發(fā)明或者本發(fā)明的部分中的某些權(quán)利。技術(shù)領(lǐng)域0003本申請(qǐng)涉及熱電發(fā)電領(lǐng)域，并且更特別地，涉及用于改進(jìn)來自 15熱電材料的功率產(chǎn)生的系統(tǒng)，特別地在系統(tǒng)中在熱電材料兩側(cè)的溫度差 異存在限制的情況下。
背景技術(shù)：
0004熱電材料是固態(tài)設(shè)備，當(dāng)電流通過時(shí)其操作變?yōu)橐贿吚涠硪?20邊熱。它們也可以通過維持熱電材料兩側(cè)的溫度差異產(chǎn)生電能。然而在 許多操作條件下，熱電發(fā)電器容易受到改變的熱通量、熱側(cè)邊熱源溫度、 冷側(cè)邊溫度、和其他可變的條件的聯(lián)合的影響。另外，設(shè)備性質(zhì)比如TE 導(dǎo)熱性、品質(zhì)因數(shù)Z、熱交換器性能通常都具有可以聯(lián)合以大體上降低設(shè) 備性能的范圍。結(jié)果，與設(shè)計(jì)相比，性能變化和在預(yù)先確定的設(shè)定點(diǎn)操25作可以導(dǎo)致性能退化。0005任何不是100%效率的消耗能量的過程經(jīng)常以熱的形式產(chǎn)生廢能量。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生大量的廢熱，表示發(fā)動(dòng)機(jī)的低效率。己經(jīng)考慮嘗 試捕獲和使用一些這種廢熱的各種方法，以便增進(jìn)任何類型的發(fā)動(dòng)機(jī)的 效率，比如機(jī)動(dòng)車中的發(fā)動(dòng)機(jī)。將熱電材料用于機(jī)動(dòng)車的排氣系統(tǒng)己經(jīng) 30 被關(guān)注(見第6，986,247號(hào)題為Thermoelectric Catalytic Power GeneratorwithPreheat的美國(guó)專利)。然而，排氣系統(tǒng)在各溫度和熱通量變化很大。 因此，因?yàn)闊犭姲l(fā)電器典型地被設(shè)計(jì)以在熱側(cè)邊溫度的小范圍內(nèi)有效地 操作，所以使用廢氣用于熱電發(fā)電器的熱側(cè)邊不是最理想的。另外，用 于被連接到發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的熱電發(fā)電器的合邏輯的冷側(cè)邊冷卻劑是已經(jīng)提 5供的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑。然而，冷卻劑需要被維持在相當(dāng)熱的溫度用于有效 的發(fā)動(dòng)機(jī)操作。因此，使用現(xiàn)有的冷卻劑限制了可以在熱電發(fā)電器兩側(cè) 建立的溫度梯度，由此限制了有效的廢熱回收。發(fā)明內(nèi)容100006在過去，來自廢熱的熱電(TE)發(fā)電受困于許多原因。描述的 發(fā)明解決了一些這種過失，極大地改進(jìn)了TE發(fā)電器的能力。所述改進(jìn)通 常通過在冷側(cè)邊提供中間回路、在熱側(cè)邊提供中間回路或者在這兩個(gè)側(cè) 邊提供中間回路來獲得，并且在一個(gè)實(shí)施例中，提供對(duì)中間回路或者多 個(gè)回路的改進(jìn)的控制。歸因于從機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱的極大的可變15性，本發(fā)明在使用來自機(jī)動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱作為熱能源的熱電發(fā)電系 統(tǒng)的情況下被提出。這個(gè)實(shí)例允許發(fā)明特征的有效的公開。然而，本發(fā) 明不限制于用于機(jī)動(dòng)車或者甚至用于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱電發(fā)電器。本發(fā)明在任 何熱電發(fā)電系統(tǒng)中具有應(yīng)用。0007為了使用熱電材料有效地最大化廢熱回收系統(tǒng)的性能，在熱電 20發(fā)電器模塊(TGM)兩側(cè)維持最高的溫度差異通常是理想的。這樣做的 一種方法是保持熱側(cè)邊的溫度盡可能高。另一種方法是更好地控制冷側(cè) 邊溫度。通過使用中間傳熱回路和對(duì)熱側(cè)邊、冷側(cè)邊或者兩者的那個(gè)回 路的合適控制，可以獲得功率產(chǎn)量和/或效率的顯著改進(jìn)。0008在過去(見美國(guó)專利號(hào)第6,986，247) ， TE模塊已經(jīng)被提議作為25運(yùn)送熱流體的導(dǎo)管或者管道周圍的內(nèi)襯，比如機(jī)動(dòng)車的排氣系統(tǒng)。這提 供了熱流體和TE材料之間的直接的接觸，這是所期望的，以最大化TE材 料的熱側(cè)邊的溫度和在TE材料兩側(cè)的溫差。這對(duì)于在那里熱流體流動(dòng)速 率和溫度不改變的靜態(tài)系統(tǒng)可能是優(yōu)良甚至最佳的。TE元件可以被設(shè)計(jì) 以提供與熱流體流動(dòng)完善的阻抗匹配。這種阻抗匹配是重要的，因?yàn)樵?0件幾何結(jié)構(gòu)可以極大地影響能夠有效地被傳送穿過TE元件的熱量。對(duì)于靜態(tài)系統(tǒng)，熱電系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)成穩(wěn)態(tài)操作在最大效率，穩(wěn)態(tài)操作在最 大功率輸出，或者穩(wěn)態(tài)操作在設(shè)計(jì)師可以接受的這兩者的結(jié)合。
0009然而，當(dāng)系統(tǒng)變?yōu)閯?dòng)態(tài)的的時(shí)候，在機(jī)動(dòng)車由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的情
況下，在這里溫度和熱通量的范圍變化很大，設(shè)計(jì)用于特定的調(diào)整條件
5的熱電發(fā)電系統(tǒng)可能只生產(chǎn)其容量的一小部分，或者在某種操作條件下 甚至變?yōu)闊o用的。在本發(fā)明中，通過提供分離的傳熱回路用于冷側(cè)邊、 熱側(cè)邊或者兩者，并且提供合適的控制用于這樣的一個(gè)或多個(gè)回路，在 實(shí)際應(yīng)用中可以獲得使這樣的系統(tǒng)切實(shí)可行的實(shí)質(zhì)的改進(jìn)。
0010本發(fā)明的一個(gè)方面包括熱電發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一熱電發(fā)電 10器，該熱電發(fā)電器包含具有至少一個(gè)冷側(cè)邊和至少一個(gè)熱側(cè)邊的熱電材 料，所述熱電發(fā)電器被配置成當(dāng)溫度梯度呈現(xiàn)在所述至少一個(gè)冷側(cè)邊和 所述至少一個(gè)熱側(cè)邊兩側(cè)的時(shí)候產(chǎn)生電功率。中間傳熱回路是與所述至 少一個(gè)熱側(cè)邊保持熱聯(lián)系，并且與所述至少一個(gè)主熱源保持熱聯(lián)系。控 制器與所述中間傳熱回路中的流動(dòng)控制設(shè)備保持聯(lián)系，并且被適合于響 15應(yīng)源于至少一個(gè)主熱源的熱的改變，控制在中間傳熱回路中的熱流動(dòng)。0011在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)進(jìn)一步包括蓄熱器。蓄熱器可以在中間 回路中，同主熱源聯(lián)合或者同中間回路和主熱源兩者聯(lián)合。有利地，在 中間傳熱回路和主熱源之間的熱交換器促進(jìn)了熱功率從主熱源到中間傳 熱回路的移動(dòng)。優(yōu)選地，依賴于來自主熱源的熱和熱電材料的容量，熱
20交換器旁路是經(jīng)由控制器可控制的，以使得來自主熱源的一些或全部的
熱繞過熱交換器。
0012本發(fā)明的另一方面包括用于主熱源的熱電發(fā)電系統(tǒng)。熱電發(fā)電 器具有帶至少一個(gè)冷側(cè)邊和至少一個(gè)熱側(cè)邊的熱電材料，所述熱電發(fā)電
器被配置成當(dāng)溫度梯度呈現(xiàn)在所述至少一個(gè)冷側(cè)邊和所述至少一個(gè)熱側(cè)
25邊兩側(cè)的時(shí)候產(chǎn)生電功率。中間傳熱回路優(yōu)選地是與所述至少一個(gè)熱側(cè)
邊保持熱聯(lián)系，并且與所述至少一個(gè)熱耗散設(shè)備保持熱聯(lián)系。優(yōu)選地， 熱耗散設(shè)備是從主熱源分離的。與所述中間傳熱回路中的流動(dòng)控制設(shè)備 保持聯(lián)系的控制器適合于控制在中間傳熱回路中熱流動(dòng)，以響應(yīng)用于熱 電材料的操作條件的和/或來自主熱源的熱輸出的改變。
300013在一個(gè)實(shí)施例中，熱源是發(fā)動(dòng)機(jī)，其具有主冷卻劑系統(tǒng)。優(yōu)選地，中間傳熱回路可以熱連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的主冷卻劑系統(tǒng)，這樣在發(fā)動(dòng)機(jī) 預(yù)熱期間，從熱電材料到中間傳熱回路傳送的熱被進(jìn)一步傳送到發(fā)動(dòng)機(jī) 的主冷卻系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，由此降低發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)熱時(shí)間。進(jìn)一步地，熱交換 器被有利地提供在中間熱回路和主熱源之間，具有經(jīng)由控制器可控制的 5可選擇的熱交換器旁路，以使得來自主熱源的一些或全部的熱繞過熱交 換器。
0014另外本發(fā)明的另一個(gè)方面包括使用熱電發(fā)電器從來自主熱源的
廢熱產(chǎn)生功率的方法，所述熱電發(fā)電器包含熱電材料，該熱電材料具有 至少一個(gè)冷側(cè)邊和至少一個(gè)熱側(cè)邊，所述熱電發(fā)電器被配置成當(dāng)溫度梯
10度呈現(xiàn)在所述至少一個(gè)冷側(cè)邊和所述至少一個(gè)熱側(cè)邊兩側(cè)的時(shí)候產(chǎn)生電
功率。該方法包括從主熱源傳送熱到中間傳熱回路，其中中間傳熱回路 與熱耗散設(shè)備保持熱聯(lián)系。熱的流動(dòng)是在中間傳熱回路中被控制，以響 應(yīng)主熱源的操作條件的改變。0015在一個(gè)實(shí)施例中，主熱源是發(fā)動(dòng)機(jī)，其具有主冷卻系統(tǒng)。在這 15個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)選地，中間傳熱回路可以熱連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的主冷卻劑系 統(tǒng)。由此，在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱期間，熱從熱電材料傳送到中間傳熱回路，并 且進(jìn)一步傳送到發(fā)動(dòng)機(jī)的主冷卻系統(tǒng)，由此降低發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)熱時(shí)間。0016在一個(gè)實(shí)施例中，從主熱源到中間回路的熱的流動(dòng)基于主熱源 的改變的熱通量和熱電發(fā)電器的容量被控制。 200017發(fā)明的更多的方面和特征結(jié)合下面的詳細(xì)描述被公開。


0018圖l說明了有冷側(cè)邊中間傳熱回路的熱電發(fā)電系統(tǒng)。
0019圖2說明了有冷側(cè)邊中間傳熱回路的熱電發(fā)電系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施
25例。
0020圖3說明了有熱側(cè)邊中間傳熱回路的熱電發(fā)電系統(tǒng)。0021圖4說明了有熱側(cè)邊中間傳熱回路的熱電發(fā)電系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施 例，其與圖3中描述的類似但是有增加的熱容量存儲(chǔ)器。0022圖5說明了有熱側(cè)邊中間傳熱回路的熱電發(fā)電系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施 30例，其與圖3中描述的類似但是有增加的熱容量存儲(chǔ)器。
具體實(shí)施例方式
0023機(jī)動(dòng)車的廢熱回收被用作本發(fā)明的實(shí)例。然而，本發(fā)明適用于 改進(jìn)發(fā)電、廢熱回收、熱電聯(lián)產(chǎn)、發(fā)電功率增大、及其他用途的性能。
5作為另外的實(shí)例，本發(fā)明可以用于利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑、潤(rùn)滑油、制動(dòng)裝 置、催化轉(zhuǎn)化器和小汽車、卡車、公共汽車、火車、飛機(jī)及其他交通工 具中的其他來源中的廢熱。類似地，來自化學(xué)過程、玻璃制造、水泥生 產(chǎn)、以及其他工業(yè)的過程的廢熱可以被利用。其他來源的廢熱比如來自 生物廢物、垃圾焚燒、垃圾場(chǎng)燒化、油井燒化可以被使用。功率可以從
10太陽、核、地?zé)峒捌渌麩嵩瓷a(chǎn)。便攜式的、初級(jí)的、備用的、應(yīng)急的、 遠(yuǎn)程的、個(gè)人的和其他功率產(chǎn)生設(shè)備的應(yīng)用也是本發(fā)明的一部分。另外， 本發(fā)明可以耦連到熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的其他設(shè)備，比如光電的、燃料電池、 燃料電池轉(zhuǎn)化器、核能的、內(nèi)部的、外部的和催化燃燒室，以及其他有 益的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。也應(yīng)該理解，這里在任何實(shí)施例中描述的TE模塊的
15數(shù)量并不重要，而僅僅是被選擇用來說明發(fā)明。
0024為了描述和說明的目的，本發(fā)明使用實(shí)例和特定實(shí)施例被介紹。 盡管實(shí)例被提出以顯示不同的配置可以如何被用來實(shí)現(xiàn)期望的改進(jìn)，特 定實(shí)施例只是說明性的并且不意指以任何方式限定所提出的發(fā)明。也應(yīng) 該注意這里使用的術(shù)語熱電材料或者熱電元件可以意味著單個(gè)熱電元件
20和元件集合或者元件陣列。進(jìn)一步地，術(shù)語熱電材料不是限制性的，而 是通常用于包括熱電材料和所有其他的固態(tài)冷卻和加熱設(shè)備。另外，術(shù) 語熱和冷卻或者冷是彼此相對(duì)的，并不表明任何相對(duì)于室溫或同等物的 特定溫度。最后，術(shù)語工作流體不限于單一流體，而可以指一種或者更 多種工作流體。
25冷側(cè)邊中間回路
0025熱電發(fā)電器模塊(TGM)所暴露的冷側(cè)邊溫度經(jīng)常由冷側(cè)邊回 路控制。在發(fā)動(dòng)機(jī)情況下，這種冷側(cè)邊回路可以是傳統(tǒng)的交通工具冷卻 器冷卻劑回路、獨(dú)立冷卻劑回路或熱耗散器、或者兩者的組合。冷卻器 冷卻回路具有已經(jīng)可獲得的優(yōu)點(diǎn)。幾乎不需要另外的設(shè)計(jì)工作。冷卻劑
30回路的容量只需要足夠處理從通過TGM傳送的廢熱傾倒進(jìn)入冷卻劑回路的另外的熱。
0026傳統(tǒng)的冷卻器中的溫度維持在大約80°-110°C?；谧罴寻l(fā)動(dòng)機(jī) 性能和足夠的風(fēng)扇尺寸確定這些溫度。通過在啟動(dòng)期間將另外的廢熱從 TGM系統(tǒng)傾倒進(jìn)入冷卻器冷卻劑回路，由于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和催化轉(zhuǎn)化器增加
5的預(yù)熱速度，可以實(shí)現(xiàn)大量降低燃料消耗和散發(fā)。在主冷卻器冷卻系統(tǒng) 中另外的廢熱也有在較冷的環(huán)境以較快的時(shí)間使客室預(yù)熱的益處，對(duì)其 他交通工具流體的預(yù)熱時(shí)間也有改進(jìn)，比如機(jī)油和其他發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑液體。 使用傳統(tǒng)的冷卻器冷卻劑回路以維持TGM的冷側(cè)邊具有積極的效果。0027然而，把冷卻器用作TGM的冷側(cè)邊吸熱器限制了使冷側(cè)邊溫度
10降低到80。C以下而不會(huì)不利地影響發(fā)動(dòng)機(jī)效率的能力。因此，依照本發(fā) 明的一個(gè)方面，中間冷卻回路或者單機(jī)冷卻回路用于TGM的冷側(cè)邊為冷 側(cè)邊溫度中可能的降低作準(zhǔn)備。這允許了TGM兩側(cè)溫度差異的增加。這 種中間冷卻回路的冷卻可以通過另外的風(fēng)扇或者更大表面積的吸熱器提 供。在一個(gè)實(shí)施例中，交通工具的主底盤可以提供大的吸熱器。
10028在另一個(gè)實(shí)施例中，在啟動(dòng)期間中間回路被耦連到主冷卻劑冷 卻器或者與主冷卻劑冷卻器保持熱聯(lián)系，并且在其他操作中去耦連。這 將允許更快的預(yù)熱時(shí)間，還允許最大化TGM的冷側(cè)邊冷卻系統(tǒng)的有益的 作用。下面描述的實(shí)施例并入了這些特征。
0029圖1示意性地說明了在將來自于發(fā)動(dòng)機(jī)或者任何其他的熱源用 20作熱電發(fā)電器模塊的熱功率源的情況下，熱電發(fā)電系統(tǒng)100的一個(gè)實(shí)施 例。熱電發(fā)電系統(tǒng)100具有熱電發(fā)電器模塊(TGM) 101，輔助的冷卻裝 置，其可以是技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的任何氣-液熱交換器比如輔助的冷卻器 104、輔助的冷側(cè)邊工作流體回路118、輔助泵121或者技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知 的控制流體流動(dòng)的其他設(shè)備，輔助的冷側(cè)邊工作(傳熱)流體114，旁路 25 120，和熱側(cè)邊工作流體107比如排出的廢氣、過熱蒸汽，或者任何熱源。 在分離的熱側(cè)邊傳熱回路中熱側(cè)邊工作流體107也可以是輔助的傳熱流 體，其中熱從排出的廢氣獲得。這種輔助的傳熱流體將涉及圖3進(jìn)一步 討論。輔助的冷側(cè)邊傳熱流體114可以是液體或者熔鹽比如液態(tài)金屬或 者NaK。它還可以是傳熱流體比如乙二醇/水或者由陶氏(Dow)制成的 30乙二醇/水或者本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的其他有利的傳熱流體。它還可以是過熱的或者飽和的水蒸氣或者另一種類型的兩相流體。輔助的冷側(cè)邊傳熱
流體114也可以是氣體，像氦、氫、空氣、或者二氧化碳或者可以在大 氣壓以上操作以降低泵抽吸損耗的任何其他的高傳熱氣體。TGM 101包 括熱側(cè)邊和冷側(cè)邊熱交換器、TE元件、和TE元件之間的電插接件(未
5顯示)，優(yōu)選地并入了在工作流體流動(dòng)方向上的熱隔離，如第6,539,729 號(hào)，題為Efficiency Thermoelectrics Utilizing Thermal Isolation的美國(guó)專禾U 所描述的，在這里該專利通過引用合并于此。在TGM 304中的TE元件 可以是熱隔離的改進(jìn)的高功率密度設(shè)計(jì)或者可以用本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)己知的 標(biāo)準(zhǔn)的熱電模塊制成。
io0030熱電發(fā)電系統(tǒng)100在冷側(cè)邊經(jīng)由熱交換器(hex) 109被耦連到 發(fā)動(dòng)機(jī)或者任何其他的熱源102的冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)具有主冷卻 器103、第一旁路105、第二旁路119、恒溫器或者閥門或者其他技術(shù)領(lǐng) 域內(nèi)已知的流體控制機(jī)構(gòu)106、冷卻器閥門或者技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的其他流 體控制機(jī)構(gòu)112、主冷卻劑113、和主泵108。這種到發(fā)動(dòng)機(jī)102的冷卻
15系統(tǒng)的連接是可選擇的。通過提供互連，在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱期間，發(fā)動(dòng)機(jī)、 客室及其類似物的更快的預(yù)熱時(shí)間可以被實(shí)現(xiàn)。之后可以意識(shí)到中間冷 側(cè)邊工作流體回路118可以從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)完全地去耦連，并且提供 本發(fā)明的中間冷側(cè)邊傳熱回路的益處，不受對(duì)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻劑系統(tǒng) 的操作限制的限定。
200031控制器150監(jiān)控并控制操作。許多傳感器在關(guān)鍵地方有利地放 置以監(jiān)控系統(tǒng)。這些傳感器優(yōu)選是溫度和/或流體傳感器。之后控制器和 控制機(jī)構(gòu)比如泵108、 121以及閥門110、 112聯(lián)系。顯示的特定的連接 只是示例性的，并且傳感器和控制連接被提供以適合于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。0032在穩(wěn)態(tài)操作中，主冷卻劑113使用主泵108循環(huán)通過主冷卻劑
25回路117。主冷卻劑113經(jīng)過主冷卻器103并且已經(jīng)被氣流116冷卻之后 回到發(fā)動(dòng)機(jī)102，氣流116可以是撞壓(mm)或者風(fēng)扇空氣，流動(dòng)橫過 典型的橫向流動(dòng)熱交換器中的主冷卻器103。這是用于交通工具冷卻系統(tǒng) 的標(biāo)準(zhǔn)的操作。在交通工具啟動(dòng)期間，對(duì)于恒溫器106阻止主冷流113 通過主冷卻器103，引導(dǎo)主冷流113通過旁路105和回到發(fā)動(dòng)機(jī)102也是
30標(biāo)準(zhǔn)的。這允許主冷卻劑113，進(jìn)而使得發(fā)動(dòng)機(jī)102更快地預(yù)熱。發(fā)動(dòng)機(jī)被設(shè)計(jì)為當(dāng)它們變暖時(shí)在更高效率運(yùn)行。另外，幫助降低有害發(fā)散的交 通工具的排氣系統(tǒng)中的催化轉(zhuǎn)化器直到其內(nèi)部的溫度達(dá)到用于它的內(nèi)部 催化劑的精確的"點(diǎn)火"溫度才開始生效。由此，通過更快地預(yù)熱發(fā)動(dòng) 機(jī)，降低發(fā)散和增加車用燃料的節(jié)約是可能的。
0033熱電發(fā)電器模塊(TGM) 101是從交通工具的廢熱產(chǎn)生電功率 的熱電發(fā)電系統(tǒng)100中的組件。如果TGM 101的冷側(cè)邊溫度保持盡可能 地冷，那么TGM 101可以更有效率地操作。主冷卻劑113必須在 80°-110°C之間操作以允許發(fā)動(dòng)機(jī)適當(dāng)?shù)夭僮鳌２徽撏饷娴闹車h(huán)境溫度 是多少都是這種情況。在比這個(gè)更低的冷側(cè)邊溫度TGM 101更有效率地
io操作。因此，TGM101被連接到使用輔助的冷卻器104的輔助的冷側(cè)邊 傳熱回路118。輔助的傳熱流體114被輔助的泵121泵抽吸通過輔助的冷 卻器104并回到TGM 101。可以是撞壓或者風(fēng)扇氣流的氣流115流動(dòng)橫 過也可以是橫向流動(dòng)熱交換器的輔助的冷卻器104，從輔助的冷側(cè)邊工作 流體114移除熱。這時(shí)，輔助的冷卻劑114與主冷卻劑113無關(guān)，并且
15由此可以被分離的泵控制并維持在接近于周圍環(huán)境的溫度。
0034在一個(gè)實(shí)施例中，為了在驅(qū)動(dòng)周期自始至終最大化性能并盡可 能多地利用廢熱，主冷卻劑回路117和輔助的冷卻劑回路118被可選擇 的熱交換器109連接起來。在交通工具啟動(dòng)期間，閥門112是打開的， 允許主冷卻劑113流動(dòng)通過熱交換器109。閥門IIO也是打開的，允許輔
20助的冷卻劑114流動(dòng)通過熱交換器109，將存儲(chǔ)在輔助的冷流體114中的 來自TGM 101的廢熱傳送到主冷卻劑113。這允許發(fā)動(dòng)機(jī)和催化轉(zhuǎn)化器 更快地預(yù)熱提供上面描述的益處?？梢岳斫?，熱交換器109可以簡(jiǎn)單地 互連兩個(gè)冷卻回路107、 108，或者可以是熱交換器促進(jìn)了主冷卻劑113 和輔助的冷卻劑114之間的傳熱。
20035當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)102達(dá)到操作溫度，并且催化轉(zhuǎn)化器(未顯示)已經(jīng) 達(dá)到"點(diǎn)火"溫度時(shí)，可能存在于主冷卻劑回路117、中間冷卻劑回路 118、發(fā)動(dòng)機(jī)102和催化轉(zhuǎn)化器(未顯示)的傳感器(未顯示)將這個(gè)信 息傳送給控制器150。之后控制器150關(guān)閉閥門110和112，阻止主冷卻 劑113和輔助的傳熱流體114經(jīng)過熱交換器109。在這個(gè)實(shí)施例中，這樣
30有效地隔離了兩個(gè)系統(tǒng)?？刂破?50也可以控制輔助的泵121和/或主泵108兩者的泵抽吸速度。主冷卻劑113循環(huán)通過旁路119并且輔助的冷流 體前進(jìn)通過旁路120。主冷卻劑回路117可以在一個(gè)溫度操作并且輔助的 傳熱回路118可以在另一個(gè)優(yōu)選地更低的溫度操作。熱側(cè)邊流體107流 動(dòng)通過TGM101以給TGM101的熱側(cè)邊提供熱和更高的溫度。
0036如上面簡(jiǎn)單地提到的，熱側(cè)邊流體107可以是從發(fā)動(dòng)機(jī)102排 出的廢氣，或者在優(yōu)選實(shí)施例中可以是分離的熱側(cè)邊傳熱流體，在這里 將進(jìn)一步解釋。主泵108可以是與那個(gè)輔助的泵121類似的或者不同的 設(shè)備。類似地，主閥門112可以是類似于或者不同于輔助的閥門110。主 冷卻器103可以是類似于或者不同于輔助的冷卻器104。主冷卻劑流體
io 113可以是類似于或者不同于輔助的冷卻劑114。
0037圖2顯示了在許多方面與圖1的那個(gè)實(shí)施例類似的，用于熱電 發(fā)電系統(tǒng)200的另一個(gè)實(shí)施例。發(fā)動(dòng)機(jī)102，比如小汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)，提 供熱源。發(fā)動(dòng)機(jī)102具有使用冷卻器103的冷卻系統(tǒng)。分離的中間冷側(cè) 邊回路使用熱耗散器204代替輔助的冷卻器104，并且氣流115被移除(圖
151)。
0038熱耗散器204代表任何其他類型的熱交換器。例如，它可以是 交通工具的底盤。如同輔助的冷側(cè)邊工作流體214通過輔助的冷卻器104 (圖l)，輔助的冷流體211仍流過熱耗散器204。在這個(gè)實(shí)施例中，與 更緊密的傳熱表面面積和圖1中以輔助的冷卻器104出現(xiàn)的強(qiáng)迫的空氣 20對(duì)流相對(duì)的，傳熱機(jī)構(gòu)優(yōu)選地受控于大的表面面積和對(duì)流。 熱側(cè)邊中間回路
0039如同冷側(cè)邊中間回路一樣，本發(fā)明也陳述了通過TGM的熱側(cè)邊 的中間控制回路解決動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的潛在的阻抗不匹配。在這個(gè)實(shí)施例中， 類似于冷側(cè)邊中間回路，流體的流動(dòng)速率和溫度可以被調(diào)節(jié)以與需要提 25供最大功率輸出和/或增進(jìn)的效率更好的匹配用于動(dòng)態(tài)操作調(diào)整條件。由 此，在操作條件的更大范圍之上發(fā)電器執(zhí)行接近于最佳。0040在中間回路控制流動(dòng)速率的能力控制穿過TE元件的熱通量，在 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中在系統(tǒng)中這是不可能被提議的。它還考慮到更加理想的熱 力學(xué)循環(huán)的實(shí)現(xiàn)，比如在流動(dòng)的方向的熱隔離(如第6，539，729號(hào)美國(guó)專 30利中描述)的實(shí)現(xiàn)。
10041通過在高熱通量的周期存儲(chǔ)熱能量和在低熱通量的周期釋放能 量，熱質(zhì)量也可以在中間回路中被提供，足夠使發(fā)電器系統(tǒng)的功率輸出 在整個(gè)動(dòng)態(tài)循環(huán)中更加恒定?？刂票贸槲俣纫部梢詭椭峁└愣ㄋ?平的功率。這種在高動(dòng)態(tài)范圍條件提供恒定的熱功率水平的能力可以極
5大地簡(jiǎn)化發(fā)電器系統(tǒng)的功率變換和控制。
0042通過并入中間回路，TE發(fā)電器也可以從通常在惡劣環(huán)境下操作 的熱側(cè)邊系統(tǒng)隔離。這可能是在許多情況中希望的，特別是一個(gè)系統(tǒng)的 維護(hù)是必需的，但是不期望打擾到其他系統(tǒng)時(shí)。例如，中間回路允許TE 發(fā)電器系統(tǒng)的TE部分被包含在分離的氣密密封包裝中。這也考慮到了
io TE材料更容易的再循環(huán)。
0043中間回路也提供選擇比主熱源更好的傳熱流體的能力。如果中 間回路流體被選擇具有比主要的熱流體(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣)更 好的傳熱特性，那么熱電發(fā)電器模塊(TGM)可以被構(gòu)造得更小。這個(gè) 壓縮的尺寸增進(jìn)了設(shè)備的耐用性，并且可以使它適合于尺寸、重量和成
15本苛刻的應(yīng)用。
0044中間回路也允許選擇的工作流體在整個(gè)無遮蔽的溫度范圍內(nèi)是 穩(wěn)定的。具有極好的傳熱相關(guān)的熱力學(xué)性質(zhì)的工作流體將最小化與另外 的回路相關(guān)的熱損耗的量。與移動(dòng)流體通過控制回路相關(guān)的泵抽吸損耗 應(yīng)該較小，以便不抵消由TGM產(chǎn)生的功率。
200045通過具有中間回路，工作傳熱流體的可能的陣列被極大地?cái)U(kuò)大 了。液態(tài)金屬比如鎵和NaK具有極好的熱力學(xué)性質(zhì)，并且在寬溫度范圍 內(nèi)是穩(wěn)定的液體。作為液體，它們也將有助于保持泵抽吸損耗在最小值。 然而，它們具有多種不同材料的非常弱的材料可混用性，并且因此，必 定不是用于這種應(yīng)用的好的選擇。但是，中間回路的存在提供了在可能
25的工作流體中考慮這樣的流體的可選項(xiàng)。
0046所考慮的由比如陶氏這樣的公司制造的其他的傳熱液體不能在 某個(gè)溫度之上保持穩(wěn)定。甚至硅樹脂液體在400°C之上也變?yōu)椴环€(wěn)定的。0047對(duì)于本申請(qǐng)，在寬溫度范圍之內(nèi)保持穩(wěn)定的流體通常是氣體。 氣體比如氫和氦具有極好的熱力學(xué)性質(zhì)。不幸的是，氫是高度易燃的流
30體，并且可以引起材料脆化，特別是在高溫度的時(shí)候。然而氦是惰性的，并且由此具有極好的材料可混用性。如果和水相比較，它具有極好的熱 力學(xué)性質(zhì)。在某些方面，它具有比乙二醇方案更好的熱力學(xué)性質(zhì)。它的 主要的缺點(diǎn)是其密度。對(duì)于氦，作為非常輕的氣體，在大氣壓力下泵抽 吸損耗較高。然而，這些泵抽吸損耗可以通過增加流體的工作壓力和將 5氦與少量較重流體相混合而最小化。 一種這樣的流體是氤，它也是惰性 氣體，并且比氦重得多。氙沒有好的熱力學(xué)性質(zhì)，并且比氦更昂貴。由 此，在一個(gè)實(shí)施例中，使用的氙的數(shù)量將被減少到最小。
0048其他的氣體可能用于工作流體。這些包括C02和空氣。這兩種
氣體都比氦重，并且由此不需要附加的氙，但是它們具有更差的熱力學(xué)
10性質(zhì)。
0049圖3顯示了有中間回路控制311的發(fā)電器系統(tǒng)300的第一實(shí)施 例?？赡苁墙煌üぞ叩呐懦龅膹U氣、過熱蒸汽、或者任何熱源的主熱流 體301流過主要的熱交換器(PHX) 303。 PHX303可以是外殼和套管或 者技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的任何其他的熱交換器類型。如果主熱流體301的溫 15度或者質(zhì)量流率超過了預(yù)先設(shè)置的限制，那么三路閥門308或者技術(shù)領(lǐng) 域內(nèi)已知的其他流動(dòng)方向的設(shè)備可以被打開，這樣流動(dòng)將被指向通過旁 路307，而不是通過PHX303。
0050優(yōu)選地，控制系統(tǒng)監(jiān)控溫度和控制器350用于中央系統(tǒng)，并且 調(diào)節(jié)閥門308到恰當(dāng)?shù)乃?，這樣像實(shí)際一樣有效地操作。這有助于保
20護(hù)熱電發(fā)電器模塊(TGM)中的熱電(TE)材料，使之免于過熱。在發(fā) 動(dòng)機(jī)的實(shí)例中，這也可以被用于阻止主熱側(cè)邊回路309中(例如，在排 氣裝置中)過大的反向壓力，在機(jī)動(dòng)車輛的情況下其可以不利地影響交 通工具的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。優(yōu)選地，旁路307發(fā)送主熱流體(事實(shí)上全部 流體的一小部分)繞過PHX 303并返回主熱側(cè)邊回路309，這時(shí)這改進(jìn)
25 了性能或者實(shí)現(xiàn)了一些其他期望的結(jié)果。由此在控制器350的控制下， 閥門308允許部分的流動(dòng)經(jīng)過旁路307，和部分的流動(dòng)經(jīng)過PHX303。優(yōu) 選地，控制器350在對(duì)于至少熱流體301、中間回路流體302和冷側(cè)邊工 作流體305具有傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器傳感器將探測(cè)至少溫 度和可能地流體的流動(dòng)速度。同樣地，控制器350優(yōu)選地提供對(duì)于閥門
30 308和泵306的控制，以控制合適地流過閥門的流動(dòng)速率和比例。051在這個(gè)實(shí)例中，熱經(jīng)由主要的熱交換器PHX 303從主熱流體301 傳送到中間回路熱側(cè)邊工作流體302。在一個(gè)實(shí)施例中，中間回路熱側(cè)邊 工作流體302可以是液體或者熔鹽比如液態(tài)金屬或者NaK。它還可以是 高溫傳熱流體比如由陶氏做的那些。中間流體302可以是過熱的或者飽 5和的蒸汽或者另一種類型的兩相流體。中間流體302還可以是氣體比如 氦、氫、空氣或者二氧化碳或者任何可以在大氣壓力之上操作的其他的 高傳熱氣體，以便降低泵抽吸損耗。
0052如果希望，泵306或者技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的能夠控制流動(dòng)的其他 設(shè)備306可以控制中間回路流體302的熱質(zhì)量流或者熱阻抗以"匹配"
io或者等于熱流體301的熱質(zhì)量流或者熱阻抗。這有助于最大化PHX 303 的效能。這對(duì)于熱流體301流動(dòng)速率或溫度在寬范圍內(nèi)波動(dòng)的系統(tǒng)是特 別重要的。在熱流體流動(dòng)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)最大化PHX 303的效能改進(jìn)了 TGM 304并且由此在整體循環(huán)中改進(jìn)了整體發(fā)電系統(tǒng)300。沒有這種控 審IJ，系統(tǒng)將只在操作熱流體301流動(dòng)的非常窄的范圍內(nèi)以最佳性能操作。
15中間回路309也提供了系統(tǒng)的蓄熱水平。中間回路流體302的熱質(zhì)量提 供熱能量?jī)?chǔ)存的裝置，其可以通過泵306流速而增大。0053中間回路傳熱流體302是圍繞熱側(cè)邊中間回路311并使用泵306 通過TGM 304循環(huán)。TGM 304優(yōu)選地包括熱側(cè)邊和冷側(cè)邊熱交換器、TE 元件、和TE元件之間的電插接件(未顯示)，優(yōu)選地在工作流體流動(dòng)的
20方向并入熱隔離，如美國(guó)專利號(hào)第6,539,729，題為Efficiency Thermoelectrics Utilizing Thermal Isolation所描述。在TGM 304中的TE 元件可以是熱隔離的改進(jìn)的熱功率密度設(shè)計(jì)或者可以用技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知 的標(biāo)準(zhǔn)的熱電模塊制成。冷側(cè)邊流體305流過TGM 304的冷側(cè)邊熱交換 器部分，以完成熱電發(fā)電器。
20054圖4說明了與圖3的那個(gè)系統(tǒng)300非常類似的熱電發(fā)電系統(tǒng)400。 這個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)400包括另外的蓄熱器409。控制器350優(yōu)選地包括增 加的傳感器用于蓄熱器409。傳感器允許控制器350計(jì)算是否另外的蓄熱 器容量是可利用的，并且在系統(tǒng)400的控制操作中有效地使用這個(gè)存儲(chǔ) 器。這個(gè)蓄熱器409可以是有熱質(zhì)量的任何類型的介質(zhì)，包括相變材料
30及類似物。這種蓄熱器409增強(qiáng)了中間回路311的蓄熱容量，在低溫度和直到有熱流體301的質(zhì)量流和包括甚至沒有熱流體301流動(dòng)時(shí)的期間， 中間回路311允許系統(tǒng)400生產(chǎn)有用的功率。當(dāng)沒有熱流體流動(dòng)時(shí)，之 后系統(tǒng)將從蓄熱器"借"熱。同樣地，當(dāng)存在超出系統(tǒng)400能夠有效利 用的過度的熱功率的時(shí)候，熱功率可以被存儲(chǔ)。
0055圖5顯示了與圖4的那個(gè)系統(tǒng)400非常類似的熱電發(fā)電系統(tǒng)系 統(tǒng)500。差別在于蓄熱器509位于熱側(cè)邊回路310中，而不是在中間回路 311中。此外，控制器350優(yōu)選地包括傳感器用于蓄熱器509,以在控制 器350的控制下，探測(cè)蓄熱器409的溫度。如果有空間(體積)、重量、 或者其他的考慮妨礙蓄熱器位于如圖4中它所在的位置，那么在這個(gè)實(shí)
io施例中蓄熱器50在這個(gè)位置是便利的。
權(quán)利要求
1. 一種熱電發(fā)電系統(tǒng)，包括熱電發(fā)電器，其具有熱電材料，該熱電材料具有至少一個(gè)冷側(cè)邊和至 少一個(gè)熱側(cè)邊，所述熱電發(fā)電器被配置成當(dāng)溫度梯度呈現(xiàn)在所述至少一個(gè) 冷側(cè)邊和所述至少一個(gè)熱側(cè)邊之間的時(shí)候產(chǎn)生電功率；中間傳熱回路，其與所述至少一個(gè)熱側(cè)邊保持熱聯(lián)系并且與至少一個(gè) 主熱源保持熱聯(lián)系；控制器，其與所述中間傳熱回路中的流動(dòng)控制設(shè)備保持聯(lián)系，所述控制器適合于響應(yīng)源于所述至少一個(gè)主熱源的熱的改變來控制所述中間傳熱回路中的熱流動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的所述熱電發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)一步包括蓄熱器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的所述熱電發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在所述中間傳熱回路和所述主熱源之間的熱交換器，且進(jìn)一步包括經(jīng)由所述控制器可控制 的熱交換器旁路，以使得來自所述主熱源的一些或者全部熱繞過所述熱交 換器。
4. —種用于主熱源的熱電發(fā)電系統(tǒng)，所述發(fā)電系統(tǒng)包括熱電發(fā)電器，其具有帶至少一個(gè)冷側(cè)邊和至少一個(gè)熱側(cè)邊的熱電材料， 所述熱電發(fā)電器被配置成當(dāng)溫度梯度呈現(xiàn)在所述至少一個(gè)冷側(cè)邊和所述至少一個(gè)熱側(cè)邊兩側(cè)的時(shí)候產(chǎn)生電功率；中間傳熱回路，其與所述至少一個(gè)熱側(cè)邊保持熱聯(lián)系并與至少一個(gè)熱耗散器設(shè)備保持聯(lián)系，其中所述熱耗散器設(shè)備是和主熱源分離的；和控制器，其與所述中間傳熱回路中的流動(dòng)控制設(shè)備保持聯(lián)系，所述控 制器適合于響應(yīng)用于熱電材料的操作條件的改變來控制所述中間傳熱回路 中的熱流動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的所述熱電發(fā)電系統(tǒng)，其中所述熱源是發(fā)動(dòng)機(jī)，其具有主冷卻劑系統(tǒng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的所述熱電發(fā)電系統(tǒng)，其中所述中間傳熱回路可以 熱連接到所述發(fā)動(dòng)機(jī)的所述主冷卻劑系統(tǒng)，這樣在所述發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱期間，5從所述熱電材料傳送到所述中間傳熱回路的熱將進(jìn)一步被傳送到所述發(fā)動(dòng) 機(jī)的主冷卻系統(tǒng)，由此為所述發(fā)動(dòng)機(jī)降低預(yù)熱時(shí)間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4的所述熱電發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在所述中間傳熱 回路和所述主熱源之間的熱交換器，且進(jìn)一步包括經(jīng)由所述控制器可控制io的熱交換器旁路，以使得來自所述主熱源的一些或者全部所述熱繞過所述 熱交換器。
8. —種從來自主熱源的廢熱發(fā)電的方法，該方法使用具有帶至少一個(gè) 冷側(cè)邊和至少一個(gè)熱側(cè)邊的熱電材料的熱電發(fā)電器，所述熱電發(fā)電器被配15置成當(dāng)溫度梯度呈現(xiàn)在所述至少一個(gè)冷側(cè)邊和所述至少一個(gè)熱側(cè)邊兩側(cè)的時(shí)候產(chǎn)生電功率，所述方法包括如下步驟從所述主熱源傳送熱到中間傳熱回路，所述中間傳熱回路與熱消散器設(shè)備保持熱聯(lián)系；和響應(yīng)于所述主熱源的操作條件的改變，控制所述中間傳熱回路中熱的20 流動(dòng)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的所述方法，其中所述熱源是發(fā)動(dòng)機(jī)，其具有主冷 卻劑系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的所述方法，其中所述中間傳熱回路可以熱連接到所述發(fā)動(dòng)機(jī)的所述主冷卻劑系統(tǒng)，所述方法進(jìn)一步包括如下步驟在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱期間，將熱從所述熱電材料傳送到所述中間傳熱回路，進(jìn)一步到達(dá) 所述發(fā)動(dòng)機(jī)的所述主冷卻劑系統(tǒng)，由此為所述發(fā)動(dòng)機(jī)降低預(yù)熱時(shí)間。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的所述方法，進(jìn)一步包括如下步驟基于改變所述主熱源的熱通量和所述熱電發(fā)電器的所述容量，控制從所述主熱源到所述中間回路的熱的流動(dòng)。
全文摘要
公開了一種用于從熱，典型地從廢熱產(chǎn)生電功率的熱電發(fā)電器。中間傳熱回路形成系統(tǒng)的一部分以允許系統(tǒng)中增加的控制和適應(yīng)性。這允許熱電發(fā)電器面對(duì)動(dòng)態(tài)變化的溫度和熱通量條件，更有效并更有效率地產(chǎn)生功率，比如在這里熱源是機(jī)動(dòng)車的排出的廢氣，或者任何其他的具有動(dòng)態(tài)溫度和熱通量條件的熱源。
文檔編號(hào)F02G5/04GK101313420SQ200680023165
公開日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2006年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月28日
發(fā)明者D·T·克瑞恩, L·E·貝爾 申請(qǐng)人:Bsst有限責(zé)任公司