高功率密度熱電系統技術方案

本發明專利技術描述了利用熱隔離優點的多個緊湊、高效和高功率密度的熱電系統。這些結構呈現高系統效率和高功率密度。某些結構極大地減少了所需的熱電材料數量。（*該技術在2024年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本公開涉及固態冷卻、加熱和發電系統的改進結構。
技術介紹
熱電器件(TEs)利用某些材料的特性，在存在電流時產生貫穿材料的溫度梯度。傳統的熱電器件利用P型和N型半導體作為器件內的熱電材料。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構。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串聯連接。當施加DC電壓108時，其產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，固態冷卻、加熱和發電(SSCHP)系統已經被用于軍事和航空航天裝置、溫度控制和發電應用。商業應用已經被限制，因為這種系統對于所執行的功能來說成本太高，而且功率密度低，所以SSCHP系統比已經可商業接受的系統更大、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有系統的100倍的功率密度。但是，熱電(TE)器件使用已經被低效率、低功率密度和高費用所限制。從熱電設計指南(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量相比，需要數個熱電組件(TE modules)。結果，高效工作的熱電組件的成本明顯更高，并且結果系統實質更大。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寫成(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，R是系統電阻，K是系統導熱性，ΔT是熱側和冷側溫度之間的差，Tc是冷側溫度。此外，從Goldsmid的文獻可知，(2)---IOPT=αR1(ZTAVE-1)=αR(M-1)]]>其中Z是材料的熱電質量因數或優值，TAVE是熱側和冷側溫度的平均值，M=ZTAVE+1]]>將方程(2)代入(1)中產生(3)---qOPT=[ZTC(M-1)(ΔTTC-12(M-1)-ΔT)]K]]>方程(3)右邊括號內的項和熱電系統的尺寸(或尺度)無關，所以冷卻量qOPT僅僅是材料特性和K的函數。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。現在，假設RP是0，那么R是常數。如果LC/AC是固定不變的，IOPT就是常數。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。當出現幾個寄生損耗時，最大的良好設計的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]]>
技術實現思路
題為“Improved Efficiency Thermoelectrics Utilizing ThermalIsolation”的美國6539735[Lyl]號專利描述的幾何結構的效率提高為許多重要應用產生額外的50％到100％的效率提高。結合正在進行的材料改進，在不久的將來可能獲得4倍或更多的系統效率提高。這些實質改進的前景已經導致人們重新開發SSCHP系統用于新應用的技術興趣和努力。總而言之，這個公開描述了一族新的SSCHP結構。這些結構實現了緊湊、高效的能量轉換，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面對同一熱交換器或分流器，因此彼此面對。在一組結構中，至少一個工作介質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上。這個結構具有增加的好處，它利用了可制造系統中的熱隔離的優點，這些系統呈現了如上面的參考文獻中記載的高系統效率和功率密度，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，從而在工作介質流動的方向提供熱隔離。例如，熱電系統具有多個熱電元件，它們形成具有冷卻側和加熱側的熱電陣列，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。優選地，熱隔離是在工作介質流動的方向。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電應用，而且可以以任意方式組合來產生用于發電的組合件的任何結構、設計細節和類似零件也是適用的。可以以使給定應用的效率最大的方式來調整系統，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器件的結構復雜性和費用，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。許多實施例實現了極大減少寄生損耗(見圖12-31)。結合附圖更詳細描述了本專利技術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本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種熱電系統，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，以在工作介質運動的方向提供熱隔離。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】US 2003-8-18 10/642,7731.一種熱電系統，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，以在工作介質運動的方向提供熱隔離。2.根據權利要求1所述的熱電系統，進一步包括一個電流源，其電耦合到所述疊層，所述電流穿過串聯的至少某些所述傳熱器件和熱電組件。3.根據權利要求1所述的熱電系統，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.根據權利要求1所述的熱電系統，其中所述工作介質包括工作流體。5.根據權利要求1所述的熱電系統，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.根據權利要求1所述的熱電系統，其中至少某些所述第一傳熱器件是由電極部分構成的，該電極部分與分流器部分電絕緣并且與其熱耦合。7.根據權利要求1所述的熱電系統，其中至少某些熱電組件包括熱電元件。8.根據權利要求7所述的熱電系統，其中所述熱電元件包括交替的P型和N型熱電元件。9.根據權利要求1所述的熱電系統，其中工作介質運動的所述方向是從第一疊層到第二疊層。10.根據權利要求1所述的熱電系統，其中工作介質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，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，所述介質是液體和/或固體。12.根據權利要求11所述的熱電系統，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.根據權利要求11所述的熱電系統，其中至少某些第一傳熱器件接受第一介質，并且至少某些第二傳熱器件接受第二介質，所述第一介質是液體和/或固體，并且所述第二介質是從由液體、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.根據權利要求11所述的熱電系統，其中所述第一介質是液體，并且所述第二介質是氣體。15.根據權利要求11所述的熱電系統，其中所述至少一個介質運動，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運動的方向提供熱隔離。16.根據權利要求11所述的熱電系統，進一步包...

【專利技術屬性】
技術研發人員：LE貝爾，
申請(專利權)人：BSST有限責任公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]