用于無線設備的集成熱電發生器和系統技術方案

由第一過程部件、部分由第一過程部件內的第一腔形成的第一熱管、以及熱電發生器組件產生電功率。熱電發生器組件在一側熱耦合到散熱物，在另一側耦合到第一熱管。第一過程部件與第一過程流體直接接觸，以及第一腔靠近第一過程流體。熱電發生器組件產生電功率。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術大體上涉及無線設備，更具體地，涉及為無線現場設備網絡中的無線設備供電。
技術介紹
無線設備在工業領域應用中日趨流行。作為無線現場設備網絡的部件，無線設備擴展了控制或過程監控系統的到達范圍，使其超出有線設備的到達范圍，擴展到有線布線可能難以提供或需要昂貴代價才能提供的位置。無線現場設備網絡包括具有中央控制器或網關的無線設備云或節點。無線網絡中的節點能夠發送和接收信息。無線現場設備網絡用于控制和監控不同的過程和環境。例如，無線現場設備網絡 可以用于油田。油田包括眾多以井場為中心的離散位置，所述井場散布在大的區域中。對于整個現場管理，這些孤立位置區域之間的通信是必需的。井場處的無線現場設備網絡監控和控制從流率、井壓和流體溫度到閥狀態和位置以及可能泄漏等一切事物。所得到的數據通過網絡中繼給控制器，所述控制器分析數據并且致動控制機構，以便管理生產或預防事故。無線現場設備網絡是由按無線拓撲組織的多個無線設備(S卩，節點)構成的通信網絡。無線拓撲的示例包括網格網絡(如WirelessHART )以及星型網絡(如Bluetooth )。在無線現場設備網絡中，無線設備是下述設備之一無線收發機、無線數據路由器以及無線現場設備。無線收發機包括集成到單個設備中的收發機和天線。無線數據路由器包括集成到單個設備中的收發機和數據路由器。現場設備是執行控制或過程監控系統或工廠監控系統中的功能的現場安裝的設備，包括在工廠、過程或過程設備的測量、控制和監控中使用的所有設備，包括工廠環境、健康和安全設備。現場設備通常包括至少一個變換器，如傳感器或致動器，并且可以執行控制或告警功能。無線收發機是用于發射和接收基于RF的通信數據的設備。數據路由器是路由無線收發機接收的數據分組的設備，(如果設備的地址與分組中的最終目的地地址匹配)從分組中取出通信凈荷供附屬的現場設備使用，或者將通信凈荷重定向回無線收發機，以中繼回到邏輯路徑中的下一目的地的網絡。例如，在無線網格網絡中，因為每個無線設備必需能夠路由針對其自身的消息以及針對網絡中的其他設備的消息，每個無線設備包括數據路由器。相反，在簡單星型網絡中，無線設備不需要包括數據路由器。針對基于變換器的應用設計的無線網絡系統(如無線現場設備網絡)，必需使用較低功率的RF無線電設備。網絡中的許多設備必須本地供電，因為電力設施(如120V AC設施或供電數據總線)不位于附近，或者在不引入大的安裝代價的情況下，不允許進入必須安裝儀器或變換器的危險位置。“本地供電”意味著由本地電源供電，如便攜式電化學電源(如長壽命電池或燃料電池)，或者低功率清潔能源電源(如振動、太陽能或熱電)。本地電源的公共特性是它們有限的電源容量，無論是在長壽命電池的情況下存儲的電源容量或者是在太陽能電池板的情況下產生的電源容量都是有限的。需要持續超過5年、優選地持續與產品的壽命一樣長的時間的電池。
技術實現思路
本技術的實施例包括第一過程部件、部分由第一過程部件內的第一腔形成的第一熱管、以及熱電發生器組件。熱電發生器組件在一側熱耦合到散熱物，在另一側耦合到第一熱管。第一過程部件與第一過程流體直接接觸，以及第一腔靠近第一過程流體。熱電發生器組件產生電功率。本技術的另一實施例是用于生成在無線現場設備網絡中使用的電功率的方法。過程部件接觸過程流體。在過程流體與過程部件內的密封腔的表面之間傳導熱。通過氣化和冷凝工作流體，在密封腔的表面與熱電發生器組件之間傳遞熱。通過對流和傳導中的至少之一在熱電發生器組件與散熱物之間傳遞熱。從通過熱電發生器組件的熱傳導生成電功率。附圖說明·圖1A-1B示出了安裝在過程法蘭上的包含本技術的無線現場設備。圖2A-2F示出了并入用于為無線溫度測量現場設備供電的熱電偶套管的本技術的實施例。圖3A-3C示出了并入用于為無線溫度測量現場設備供電的熱電偶套管的本技術的另一實施例。圖4A-4C示出了并入用于為無線流測量現場設備供電的均速流量計管的本技術的另一實施例。圖5A-5F示出了并入用于為無線流測量現場設備供電的孔板法蘭的本技術的實施例。圖6A-6E示出了并入用于為無線數據路由器供電的疏水器的本技術的實施例。圖7A-7E示出了并入用于為無線流測量現場設備供電的文氏管的本技術的實施例。圖8A-8F示出了并入用于為無線數據路由器供電的泵殼的本技術的實施例。圖9A-9C示出了并入用于為無線流測量現場設備供電的孔板的本技術的實施例。圖10示出了并入用于為無線流測量現場設備供電的兩個過程部件的每一個中的本技術的實施例。具體實施方式將針對為無線現場設備網格網絡中的無線設備供電，來描述本技術。本領域普通技術人員將理解本技術同樣適用于其他網絡拓撲，而并不僅限于所描述的實施例，本技術將包括落在所附權利要求的范圍內的所有實施例。本技術使用熱電發電來為無線現場設備網格網絡中的無線設備供電。如上面提到的，需要持續超過5年、優選地持續與產品的壽命一樣長的時間的電池。然而，在一些需要頻繁通信、檢測、致動的應用中，足以在合理長的時間中供電的電池過于龐大。這種情況在低溫限制了電池輸出或高溫限制了電池壽命的惡劣氣候中進一步惡化。在可用太陽能輻射非常有限的位置，如靠近北極圈處，為了提供必須的功率，太陽能電池板也必須非常龐大和昂貴。經常，這些應用涉及溫度遠高于或低于環境條件處的過程流體，從而建議使用熱電發電。然而，熱電發電固有地是低效率的。為了滿足用于無線現場設備網絡中的無線設備的能源要求，熱電發電效率必須顯著提高。熱電發生器的轉換效率通常小于1%，并且取決于熱電發生器的材料和設計。另夕卜，在熱(或冷)源與熱電發生器的表面之間的一系列(串聯)熱阻大大降低了可用于熱電發生器進行轉換的熱量。熱阻減慢了與熱流方向垂直的給定橫截面面積上的熱傳遞，降低了單位面積的熱傳遞速率或熱通量。例如，典型的熱電發生器應用是被較冷空氣環繞的容器中的熱的流體(例如，流經管道或裝在槽中)，其中熱傳導元件的一側附著到外部，即容器的未隔熱的截面(將其綁 在上面)，熱傳導元件的另一側與熱電發生器的一個表面物理接觸。與環境空氣接觸的熱交換器附著到熱電發生器的另一表面。對于從容器內的熱的流體到熱電發生器的熱通量，存在三個重要的熱阻容器壁、熱傳導元件與容器表面之間的物理接觸(或缺少物理接觸)、以及通過熱傳導元件的熱阻。容器壁通常用熱導性差的材料制成，如鐵(60W/mK)、不銹鋼(10-40W/mK)、或者鎳基合金(10W/mK)。熱通量必須穿透容器壁的整個厚度，以到達熱傳導元件。一旦熱通量到達容器外壁表面，其必須流入熱傳導元件。將這樣的器件附著到整個容器表面(如管到或槽)充滿了挑戰。熱傳導元件的曲率半徑必須與容器外表面的曲率半徑剛好匹配。容器尺寸和表面紋理變化很大，使得所需的精確適配特別困難。兩個匹配表面之間的一些點接觸必須差不多支持全部熱流過匹配表面的面積，其中小的空氣縫隙(極好的隔熱物)占據了界面的大部分區域。穿透容器壁且穿過容器外表面與熱傳導元件之間的界面的熱流必須傳導通過熱傳導元件，到達熱電發生器的表面。熱傳導元件通常用諸如銅(400W/mK)之類的熱傳導性高的材料制成，但是仍然向熱流提供另一熱阻，限制熱電發生本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種集成熱電發生器，其特征在于包括：第一過程部件，用于直接接觸第一過程流體，所述第一過程部件具有靠近所述第一過程流體的第一腔；第一熱管，部分由所述第一腔形成，所述第一熱管包括第一工作流體；以及熱電發生器組件；其中所述第一熱管熱耦合到所述熱電發生器組件的第一側，以及散熱物熱耦合到所述熱電發生器組件的第二側；其中所述熱電發生器組件產生電功率。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：大衛·馬修·斯特雷，凱利·邁克爾·奧什，
申請(專利權)人：羅斯蒙德公司，
類型：實用新型
國別省市：