紧凑高效的热电系统技术方案

本发明专利技术描述了在可制造的系统中利用工作介质流动或运动方向中的热绝缘的优点的几种紧凑高效的热电系统。这类结构具有高的系统效率和功率密度。公开了利用多个热电模块或热电元件的几个不同的实施例和应用，该热电模块或热电元件被夹持在热交换器之间。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及固态冷却、加热和发电系统的改进结构。
技术介绍
热电装置(TEs)利用某些材料的特性在有电流时形成跨越材料的温度梯度。传统热电装置利用P型和N型半导体作为装置内的热电材料。它们以获得所需加热和冷却功能的方式被物理地和电气地配置，。在热电装置中使用的最常见的结构如图1所示。通常，P型和N型热电元件102被排列在两个衬底104之间的矩形组件100中。电流I通过两种元件类型。这些元件通过铜分流器(shunts)106串行连接，该铜分流器106鞍坐(saddle)于元件102的末端。当施加DC电压108时，产生跨越TE元件的温度梯度。TEs通常用来冷却液体，气体和其它对象。自从20世纪60年代以来，固态冷却、加热和发电(SSCHP)系统被用于军事和航空设备、温度控制和发电应用。商业用途受到限制，由于这类系统相对于所执行的功能价格昂贵，而且功率密度较低，所以这类SSCHP系统与商业上可接受的系统相比，体积太大、价格太贵、效率太低、重量太重，因此其商业引用受到制约。近年来，材料的改进使此类系统的效率和功率密度增加到目前系统的100倍成为可能。
技术实现思路
在题为“Improved Efficiency Thermoelectrics Utilizing ThermalIsolation”的、共同待决的专利申请号09/844818中所描述的几何结构的效率增益对许多重要的应用产生额外的50％到100％的提高。连同所做出的材料上的改进，就有可能获得四倍或更多倍的系统效率增益。这些重要改进的前景已经重新点燃了人们对该技术的兴趣，并促使人们开发用于各种新应用的SSCHP系统。总而言之，本专利技术公开了一组新型SSCHP结构。这些结构实现了紧凑高效的能量转换，并且成本相对较低。一般地，公开了几个实施例，其中热电元件或模块夹在热交换器之间。热电模块被有利地定向以便对于任意两个夹持热交换器的模块，相同温度类型侧(type side)面对热交换器。例如，每个夹持热交换器的热电元件的较冷侧面对相同的热交换器，并彼此相对。优选地，从而至少一种工作介质通过至少两个热交换器，以便对工作介质冷却或加热。该结构具有附加的益处，即其利用可制造的系统中热绝缘的优点，如美国专利申请号09/844818所描述的那样，该可制造的系统表现出高的系统效率和功率密度，如上面参考所指出的那样。如美国申请09/844818所解释的那样，一般地，热电设备通过细分热电元件的整个组件为热绝缘子组件(subassemblies)或部件(sections)以增加或提高效率。例如，热交换器可以被细分以便在工作介质流动的方向提供热绝缘。例如，热电系统具有多个形成热电阵列的热电元件，该热电元件具有冷却侧和加热侧，其中多个热电元件至少在跨阵列的一个方向上基本彼此绝缘。优选地，热绝缘是在工作介质流动的方向上。该热绝缘可通过如下方式提供使热交换器按部件配置，以使热交换器在工作流体流动的方向上具有热绝缘的部分。在本公开中，对于工作流体具有相同温度类型的热交换器的顺序使用本身提供了一种类型的热绝缘。此外，热交换器或TE元件，或TE元件的部分或任何组合可被配置以在工作流体流动的方向上提供热绝缘，该工作流体流动在由一系列或一序列热交换器所提供的热绝缘的正上方或上方，在热交换器的序列中至少有一种工作流体顺序流过。对于冷却和/或加热应用所公开的原理同样可应用于发电应用。对于特定应用，可按某种方式调整该系统以使效率最大化，但总的原理都是适用的。本申请中所描述的具体实施例降低了构造的复杂度和SSCHP装置的成本，同时还保持或提高了来自热绝缘的效率增益。本公开的第一个方面涉及改进的热电系统，该热电系统具有多个热电模块，其中的至少一些彼此间是基本热绝缘的，每个模块具有一个较热侧和一个较冷侧。至少一种固态工作介质与顺序的多个热电模块中的至少两个是热连通(thermal communication)的，以使工作介质被热电模块中的至少两个按阶段(stage)地逐步冷却或加热。在一个优选实施例中，工作介质包括多个固定到旋转轴的盘状介质，且该介质形成一种堆叠结构，且热电模块夹持盘状介质中的至少一些。有利的是，工作介质包括多个工作介质，其形成热电模块和工作介质交替的堆叠结构。优选地，工作介质基本热绝缘多个热电模块中的至少一些。本专利技术的另一个方面涉及改进的热电系统，其具有多个热电模块，其中的至少一些彼此间是基本热绝缘的，每个模块具有一个较热侧和一个较冷侧。提供了多个热传递装置，每个和多个热电模块中的至少一个是热连通的，其中至少两个热传递装置接收一个第一工作流体，该工作流体流过热传递装置。至少一个导管连接在不同平面中的热传递装置中的至少两个，以使第一工作流体流过至少两个热传递装置中的第一个并随后继续流过至少两个热传递装置中的第二个，且随其经过至少两个热传递装置而按阶段被冷却或加热。在一个实施例中，热传递装置中的至少一些中的每一个都被至少两个热电模块夹持。此外，优选地，至少两个热电模块具有面对被夹持的热传递装置的较冷侧。在一个实施例中，热电模块和热传递装置形成一个叠层，较冷侧面对较冷侧并被至少一个热传递装置隔开，且较热侧面对较热侧并被至少一个热传递装置隔开。在一个实施例中，热传递装置是热交换器，其包括外壳和热交换器翅片，热交换器翅片在工作流体流动的方向上形成台阶，以便为至少一个热电模块提供额外的热绝缘，与热交换器热交换。优选地，至少一个导管被配置以使工作流体流过至少两个热传递装置，其通过在同一方向上导管流动连接。然而本专利技术的另一个方面涉及具有多个N型热电元件和多个P型热电元件的热电系统。提供多个热传递装置，以便形成堆叠结构的热电元件和热交换装置，多个热传递装置中的至少一些的每个都被至少一个N型热电元件和至少一个P型热电元件夹持。在一个实施例中，该系统进一步具有电耦合到该叠层的电流源，驱动电流串行地流过热传递装置和热电元件。优选地，热传递装置将P型热电元件中的至少一些与N型热电元件中的至少一些热绝缘。有利的是，热传递装置接收工作流体以在限定方向上使其流过其中。在一个实施例中，热传递装置是热交换器，该热交换器包括一个外壳，该外壳内有分段形成的热交换器元件，且其中所述段中的至少一个与所述段中的至少另一个基本热绝缘。在一个实施例中，至少一个导管提供从第一热交换器到第二热交换器的流体通路，以使流过第一热交换器和第二热交换器的工作流体被分阶段冷却或加热。本专利技术的这些和其它的方面以及实施例将在下面结合附图更详细地说明。附图说明图1A和图1B描绘了传统的TE模块。图2描绘了SSCHP系统的总布局，该SSCHP系统中具有热绝缘和其工作介质的反向流动运动。图3描绘随着工作介质流过该系统发生在介质中的温度变化。图4A和图4B描绘一个具有三个TE模块、翅片热交换器和液体工作介质的系统。图5A和图5B描绘一个具有两个TE模块，和为实现热绝缘和液体介质的反向流动的分段的热交换器的系统。图6描绘具有两个TE模块和为控制流体流动的管道式通风机(ducted fans)的气体介质系统。图7A-图7D描绘了一个固态介质系统，该系统具有反向流动以进一步增强性能。TE元件利用高的长度对厚度比率实现附加的热绝缘。图8描绘具有TE元件的系统，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的热电系统，其包括：多个热电模块，其中至少一些是彼此间基本热绝缘的，每个模块具有一个较热侧和一个较冷侧；以及至少一种与所述多个热电模块中的至少两个依次地热连通的固态工作介质，以致所述工作介质由所述热电模块中的至少两个 分阶段地逐步被冷却或加热。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：LE贝尔，
申请(专利权)人：BSST有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]