专利名称：基于设在流动流体中的热电模块产生电流和/或电压的装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及用于产生电流和/电压的装置，包括:用于使流体在装置的进口和出口之间流动的部件，热电模块，其包括暴露于流体的第一活性表面，热电模块包括孔且设在装置的进口和出口之间的流体通道中，第一活性表面基本上垂直于流体的流动方向。
背景技术：
对于发电应用增加了对热电的关注，特别在主要能量消耗是以无任何用处的热量形式散失的工业环境下。散失的热量通常以约100° C的温度由气体或液体介质传输，使能量回收方案几乎无效且难于实施。为了回收一部分排掉的能量，已经开发了热电模块以包围传输高温的产品或气体的管路。如图1所示，从横截面上看，这样的装置包括管子1，其中流体在高温下流动(垂直于图1纸张的平面)形成热源。管子I的外表面包上多个基本热电模块2，每一个热电模块2包括串联电连接且并联热连接的热电偶3a、3b，从而在模块的第一表面的位置形成热结，并且在模块的与第一表面相对的第二表面的位置形成冷结。热结由连接元件4表示，该连接元件4和由热电材料制造的两个块体5a、5b电连接以形成热电偶。冷结在图1中由连接元件6表示，串联地连接两个相邻的热电偶。在图1中，模块的第一表面弯曲以贴身地随着管子I的外表面。管子I插入热交换器7中，六边形的热交换器7包括用于冷却液的流动的内管8。每个模块2的第二表面与该热交换器7热接触以优化热结和冷结之间的热梯度。于是，利用热梯度能通过塞贝克效应产生电流，或者能在“能量回收”功能上提供负载，或者能在“传感器”功能上测量电压。在前面描述的装置中，热电模块设置在管子I周围，管子I的耐热性承受着在热结位置上温度的降低。于是，根据管子I的尺寸、管子I的厚度和所用的材料，温度梯度或多或少可优化。文献JP2001065858描述了一种装置，其具有流动通过热电元件的气体。
发明内容
本发明的目的是提供当能源之一为运动流体形式时能产生电流和/或更多电压的装置以优化能量回收。该目的倾向于通过所附权利要求满足，更具体地通过这样的事实满足:热电模块包括热电偶，每个热电偶包括在热电模块的第一活性表面的位置彼此电连接的两个导电块以形成相关的热结或冷结，热电偶在模块的第二活性表面的位置串联电连接以形成互补的结，并且热电偶集成在绝热基板中，热电模块由制作在基板中的通孔穿透。根据一个实施例，模块包括将第一活性表面连接到第二活性表面的孔的矩阵，热电偶块相邻于四个孔。根据另一个实施例，模块包括将第一活性表面连接到第二活性表面的以错列形式设置的一系列的孔，热电偶块相邻于三个孔。根据另一个实施例，模块包括将第一活性表面连接到第二活性表面的孔的矩阵，成组的四个热电偶块由四个孔围绕，每个块相邻于这四个孔中的两个孔。
从以下对于本发明的特定实施例的描述，其它的优点和特征将变得更加明显，给出的特定实施例仅出于非限定性示例的目，并表示在附图中，其中:图1示出了根据现有技术的产生电流的装置。图2至4示出了根据本发明的装置的不同实施例。图5和6示出了根据本发明的装置在计算机柜中的两个特定实施方式。图7至10示出了用在本发明中的热电模块的几何形状的不同实施例。
具体实施例方式与现有技术中热电模块设置在热源或冷源流动之外且围绕其中有流体流动的管子的装置不同，下面描述的装置包括直接设置在流体中的热电模块，冷流体或热流体穿过热电模块而流动以利用模块中的温度梯度，同时限制对流体流动的干扰。该热电模块可提供电流和/或电压参数。根据应用，可采用其中的一个参数，或另一个参数，或这二个参数(功率)。如图2至4的装置的纵向截面所示，用于产生电流和/或电压的装置包括使流体在装置的进口 9和出口 10之间流动的部件。这些流体循环部件可为风扇、泵或本领域技术人员可实施的能使流体流动的任何其它类型的部件。包括孔的热电模块2设置在装置的进口 9和出口 10之间的流体通道(由箭头Fl和F2表示)中，以使流体可流动穿过模块，而没有后者妨碍流体的流动。热电模块2包括暴露到流体的第一活性表面11，所述第一活性表面11基本上垂直于流体的流动方向。换言之，第一活性表面11在流体方向上面对流体。在热电学中，模块的活性表面是能配备有热结或冷结的表面，热结或冷结设计为利用温度梯度通过塞贝克效应产生电流和/或产生电压。在图2至4中，热电模块设置在管子I中。该管子I可在箭头Fl和F2所示的流动方向上传输液体或气体的流体。在某些应用中，管子I可不被有形化(materialized)。装置还可进一步具有比流体流动的截面小的尺寸。传统上，热电模块2可包括多个串联电连接且并联热连接的热电偶3a、3b。热电偶可包括由导电材料制造的两个块5a、5b以提高热电效应。例如，对于流体温度在20° C和200° C之间的流体采用BiTe合金，对于温度在300° C和600° C之间的流体采用PbTe合金，并且对于温度大于600° C的流体米用SiGe合金。通常，同一热电偶3a的两个块5a、5b包括不同的材料和/或具有不同掺杂类型的材料，N-掺杂或P-掺杂。在通常的方式下，每个热电偶3a、3b包括两个导电块5a、5b,两个导电块5a、5b在模块2的第一活性表面11的位置彼此电连接以形成相应的热结或冷结(取决于流体的温度)，热电偶3a、3b在模块的第二活性表面12的位置串联电连接，优选与第一活性表面11相对，以形成互补结。在图2至4中，热电偶3a的两个块5a、5b由电连接元件4串联电连接，电连接元件4优选位于模块的第一活性表面的位置，以形成热结或冷结，这取决于流动在管子I中的流体是热的还是冷的。热或冷的意思是指使得在热电模块的两个活性表面之间建立大于10° C的温度梯度的温度。典型地采用在10° C和1000° C之间的值，并且在标准方式下，采用在10° C和100° C之间的值。于是，热电偶3a、3b在模块2的第二活性表面12的位置串联电连接以形成与在第一活性表面11位置所形成的结的类型相互补的冷结或热结。可通过位于第二活性表面12位置的导电联接元件6而实现联接。在图2至4中，第一活性表面11与第二活性表面12相对且平行。带孔的热电模块2可包括多个通孔13，以将模块2的第一活性表面11连接至模块2的第二活性表面12。热电偶3a、3b优选集成在基板14中，基板14优选的厚度基本上等于热电偶3a、3b的高度或热电偶3a、3b的块5a、5b的高度。换言之，连接元件4和联接元件6可与图2至4所示的基板14齐平,或者在基板14的每一侧上形成凸起(未示出)。本领域的技术人员自然还可实施其它设置。然后，将能使流体自由流动通过热电模块2的通孔13制作在基板14中，并且可根据孔的特定几何形状在基板14中钻孔。基板14可选择为任何性质的，例如，陶瓷、氧化物等。然而，选择聚合物或塑料类型的基板是有益地，以便能具有一定的弹性、且能制造大面积的部件以及易于穿孔而形成通孔。基板14所用的材料优选为良好的绝热体以限制块5a、5b的温度增加，从而在热电模块2的两个活性表面11、12之间保持最佳的温度梯度。实际上，如图2至4所示，块5a、5b有益地由基板14沿着它们的纵轴被包上。第一活性表面和第二活性表面11、12之间的通孔13的内壁由基板14限定，其与热电偶是分开的。换言之，当流体流动通过热电模块2时，它不会在块5a、5b的长度上碰到它们。为了防止短路，基板14的材料自然也是电绝缘的。根据图2的实施例，在第一活性表面11的位置由电连接元件4形成的热结或冷结直接与流体流接触。因此，第一活性表面11的位置的温度更接近于流体的温度，与现有技术中管子产生温度损耗的情况不同。为了防止短路，特别是在流体为导电流体的情况下，第一活性表面11可包上电绝缘且导热的膜，例如，由阳极化铝制造的ΙΟΟμπι至500μπι的薄铝箔；本领域技术人员自然还可采用能防止第一活性表面11的连接元件4的短路的任何类型的部件。图3与图2采用全部相同的参考标记，根据图3所示的改进，为了提高装置的效率，热交换部件15设置在第一活性表面11的位置，其优选与所述第一活性表面11的热结或冷结直接接触。这些热交换部件15的任务是以最优化的方式传输流动在进口 9和出口10之间的流体的热通量，以便以尽可能小的损耗而最大化第一活性表面11的结的温度。这些热交换部件15可由不同形状的叶片形成以吸收流体的热量。例如，可采用直的叶片(称为热沉)或波浪式叶片。本领域的技术人员可理解的是，热交换部件15设置且排列为不阻挡模块2的孔。根据图4所示的改进，装置包括与热电模块2的第二活性表面12热接触的热交换器7。该热交换器7可包括具有流动的水或其他热传递流体的热沉，目的是根据该流体的温度冷却或加热模块2的第二活性表面12。热交换器7设置且排列为不阻挡模块2的孔。
当然，可将图3和4的改进相结合以优化热电模块2的第一活性表面11和第二活性表面12之间的温度梯度。在通常的方式下，如果需要将第一活性表面11与热交换部件15电绝缘以及将第二活性表面12与热交换器7电绝缘，可在各自的界面处设置电绝缘且导热的材料。这样的材料例如可为与前面提及的相同的阳极化铝箔的薄片。为了验证图4的改进以及图3和4的结合效果，制作了高度为1.8m、宽度为Im的计算机柜，在该计算机柜中，设备产生了温度约为60° C的热空气，因此提供的热功率约为30kW。在机柜的一个壁的约70%的壁表面(例如1.8m2)上钻有通孔，以使空气从机柜的内部(形成位入口)流到机柜的外部(形成为出口)。图5和6示出了两种类型的实施方案。在这些图中，气流可由风扇16产生，风扇16例如为沿着壁设置的抽风扇，例如，设置在特定的示范性实施例中的机柜的外部。壁配备有基于r c的冷却液循环的冷却系统以形成用于产生电流和/或电压的装置的热交换器
7。热电模块2设置在机柜内并压靠于壁，模块的第一活性表面11直接指向机柜的内部，并且模块的第二活性表面12与壁接触，即与热交换器7接触。模块中制作的孔形成在壁孔所在的位置，在壁的30%的可用表面上，热电偶的充填率为50%。在图5所示的第一种情况中，热电偶3a、3b具有其与气流直接接触的热结(由连接元件 4 表示)，根据热阻 Rthconvair=I/ (h*S)，其中 h=30ff/m2/K, S=L 8m2 的 30%,于是，Rthconvair约为0.06K/W。在热交换器7这侧，模块的第二活性表面12和冷却液之间的热阻等于Rthexchanger=I/ (h*S) =0.006K/W，其中 h=300W/m2K，且 S=I.8m2 的 30%。在图6所示的第二种情况中，相对于图5，在第一活性表面11的位置增加了热交换部件15，以优化热结的温度。这些热交换部件15可为叶片，其使热交换表面S乘以二十倍。通过该组件，获得的Rth_vair=0.003K/W，其中h仍等于30W/m2/K，并且S=L 8m2的30%乘以二十。根据第三种情况(未示出)，图6的热交换器7通过采用冷壁而优化，所述冷壁为在紧靠热电模块的冷结处具有循环冷却液的热交换器。这使模块和冷却液之间的热阻减小了例如系数10。这样的部件可由与相关结直接接触的板式热交换器实现，或者由执行相同功能的其它类型的热交换器实现。对于这样的布置，获得的
Rthexchangerwall 0.l*Rthexchanger=0.000
6K/W。在第一种情况中，对于热结位置的21° C的温度以及冷结位置的16° C的温度，热功率为1400W。对于30%的回收率，所产生的热功率为7.5W，且对于50%的回收率，所产生的热功率为15W。在第二种情况中，对于热结位置的53° C的温度和冷结位置的37° C的温度，热功率为5200W。对于30%的回收率，所产生的热功率为80W，且对于50%的回收率，所产生的热功率为130W。在第三种情况中，对于热结位置的55° C的温度和冷结位置的25° C的温度，热功率为10000W。对于30%的回收率，所产生的热功率为270W，且对于50%的回收率，所产生的热功率为450W。因此，将在第一活性表面11的位置的热交换部件15与第二活性表面12的热交换器7结合使用，能对相同的表面产生更大的电流和/或电压。
孔13的分布和热电偶3a、3b的设置优选为遵照一定的几何形状，以便能使用于产生电流和/或电压的装置尽可能大范围地运行而避免干扰流体流动。图7至10示出了构成用于产生电流和/或电压的装置的一部分的热电模块的四个实施例。这些实施例由模块的截面图示出，流体垂直于纸张平面流动通过模块。图7示出了根据第一实施例的模块的截面图，该模块包括孔13的矩阵，该孔13即通孔13，其将模块的第一活性表面连接到模块的第二活性表面，热电偶块5a相邻于四个孔。该实施例可通过将基板14实际划分成单元格子17而实现。热电偶形成在基板中。单元格子可为柱体形状，该柱体可通过平面中的封闭生成曲线和保持固定方向的、且垂直于该平面的同时通过生成曲线的点的准曲线而形成。在图7中，格子17由柱体形成，该柱体具有准曲线，该准曲线形成了限定四个格子棱边的正方形，四个格子棱边基本上垂直于每个格子17所在位置的第一活性表面和第二活性表面。换言之，柱体包括四个连接第一和第二活性表面的横向表面。热电偶块5a、5b设置在每个格子棱边的位置，相邻的格子17具有公用的两个块。每个格子包括具有纵轴的通孔，纵轴优选平行于格子的棱边，并且优选位于距棱边相等的位置处。换言之，通孔13可具有直的圆柱形状。联接元件和连接元件(未示出)分别设置在第一活性表面和第二活性表面上，或位于第一活性表面和第二活性表面的位置。为了优化几何形状，在图7的纸张平面内，图7的实施例的每个单元格子17的格子截面面积为X2，如果块具有圆形形式的截面，则在相同平面内的块截面面积限定为π *r2, r是块截面的半径。块的最大半径rmax小于x/2以防止块之间的横向接触。在格子为正方形截面的情况下，这限定了能被集成的块的最大面积，即Smaxtanp= π *rmax2=格子表面的 78.5%ο当格子中的通孔13具有直圆柱形状时，通孔13限定了通过面积为π R2，R是基板14中钻孔13的半径。受几何制作条件的限制，R的最大值由X和r的函数所定义。因此，
孔的最大半径Rmax等于1-η导电元件制作在第一活性表面和第二活性表面的位置以形成
连接元件和联接元件(图7中不可见)，并且导电元件将块彼此连接起来。由于几何因素，块
的最大半径rmax将自然严格地小于+考虑到联接元件或连接元件具有纵向尺寸，该纵向
尺寸对应于串联电连接的两个块之间的距离，这样元件的宽度优选小于块截面的半径的两倍，并且该元件设置为不阻挡通孔。图8示出了根据第二实施例的热电模块的截面图，格子包括将模块的第一活性表面连接到模块的第二活性表面的一系列错列的孔13，即通孔13，热电偶块5a、5b相邻于三个孔13 (除了模块的边缘块外)。该实施例可通过实际划分基板14而实现，其中热电偶形成在单元格子17中。在图8中，格子17由具有准曲线的柱体形成，准曲线形成限定六条格子棱边的正六边形，六条格子棱边将在每个格子17的位置处的第一活性表面连接到第二活性表面。换言之，每个格子包括将第一活性表面连接到第二活性表面的六个侧表面。热电偶块5a、5b设置在每个格子棱边的位置,两个相邻的格子公用两个相连的侧表面和两个块5a、5b。每个格子17包括具有纵轴的通孔13，该纵轴优选平行于格子棱边，并且优选设置在距格子棱边相等的位置处。换言之，通孔可具有直的圆柱形状。
在格子表面与第一实施例的格子表面相同的情况下，获得格子表面x2=33/2a2 + 2，即a=21/2x + 33/4，其中a为格子的同一侧表面的两个相邻棱边之间的距离，即六边形的边长。为了优化几何形状，在图8的纸张平面内，图8的实施例的每个单元格子的格子截面面积为X2 (相对于第一实施例的表面不变)，如果块具有圆形形式的截面，在附图平面内，块的截面面积限定为n*r2，r是块的半径。块的最大半径小于a/2以防止两个块之间的接触。在六边形截面格子的情况下，这限定了能被集成的热电偶的最大面积为表面的60.4%。与第一实施例一样，当格子中的通孔13具有直圆柱形状时，通孔13限定了截面，即流动面积为n *R2，R是基板14中钻孔的半径。受几何可实现的条件限制，R的最大值由x、a和r的函数所定义。因此，孔的最大半径Rmax等于a-r，即0.62x-r。导电元件(未示出)制作在第一活性表面和第二活性表面的位置以形成连接元件和联接元件。由于几何因素，
块的最大半径将严格地小于f，即0.31x。 因此，六边形格子截面能使流体流过截面大于正方形格子。对于相同的表面单元X2，六边形格子形式的设置能使流体流过截面总是大于截面为正方形格子时的流体流过截面。此外，六边形截面的格子比基于正方形截面的格子更加紧凑，并且因此在同一模块内能集成更多的热电偶。热电模块的基板14的导热率k优选高于空气的导热率(对于具有最好性能的聚酰亚胺来说，k=0.17W/m*K，相比之下，空气的导热率为0.024W/m*K)。因此，在流体的传导率低于基板的情况下，基板14钻孔越多，对于不变的热电偶充填率，热电模块的平均导热率越低，并且热电模块的两个活性表面之间的热梯度越大。因此，这使具有六边形截面格子的实施例具有更高的性能。对于给定的材料、给定的热电偶高度和给定的温度梯度，可存在一最佳热电充填率(热电偶的数量)，以根据模块传输的功率来优化性能。该充填率可证明高于由六边形几何形状限定的60.4%的最大比率。于是，要在热电模块产生的功率和因流体流动而引发的压力损耗之间寻找最佳折衷。换言之，如果要获得小于60.4%的比率，则优选六边形截面的格子结构，并且如果要获得大于60.4%的比率，则优选具有正方形的结构，实际上每种情况都取决于模块和块的几何形状。具有六边形几何形状的截面是最大限度地限制对流体流动的干扰的一种几何形状。能利用第二实施例中的正六边形截面的格子17以一种简单的方式来制造装置，从而避免自身对齐的问题。在这种几何形状中，除了处于热电模块2的边缘的格子外，穿过格子17的同一表面的两个相邻块5a、5b的直线dl实际上是在再遇到另一个块之前已经穿过了这两个块5a、5b中任一侧的孔13。模块的制造方法可基于块材料或热电浆料实现。在块材料的情况下，将要形成未来热电模块2的不同的块5a、5b首先设置且形成在每个六边形格子17的棱边位置，两个相邻格子17具有公用的两个块和两个相接的侧表面。同一格子表面的两个相邻块优选由不同的材料形成。其中一个材料优选为P-掺杂且另一个材料为N-掺杂。因此,每个格子17包括六个块,其中三个为P-掺杂，三个为N-掺杂，格子的各块之间为P-掺杂和N-掺杂相交替的。在形成块5a、5b后,将它们沉浸在聚合物中，该聚合物选择为具有低导热率k的聚合物，例如高温环氧树脂(k〈0.5W/m*K)，以便最大化未来热电模块的两个活性表面之间的热梯度。例如，在通过凝固、退火、UV下的交联或其它步骤使聚合物成形后，如果需要则进行抛光，使得每个块的各远端在模块的两个相对表面(未来的活性表面)上均为齐平的。然后，在模块中块齐平的第一表面上进行电连接。步骤是在基板14的第一表面上制作由导电材料制造的平行线(图8中的dl)，这些线可通过与模块材料相兼容的印刷或沉积技术制作。每根线的宽度严格地不为零以使电流流过，并且小于或等于块的直径。线经
过与格子的同一侧表面相关的至少两个块。相邻的两个平行线之间的间距等
权利要求
1.一种用于产生电流和/或电压的装置，包括: 用于使流体在该装置的进口(9)和出口(10)之间流动的部件， 热电模块(2 )，包括暴露于该流体的第一活性表面(11)，该热电模块(2 )包括孔且设在该装置的该进口(9)和该出口(10)之间的该流体的通道中，该第一活性表面(11)基本上垂直于该流体的流动方向， 其特征在于，该热电模块(2)包括热电偶(3a、3b)，每个热电偶(3a、3b)包括在该热电模块(2)的该第一活性表面(11)的位置彼此电连接的两个导电块(5a、5b)以形成相关的热结或冷结，该热电偶(3a、3b)在该模块的第二活性表面(12)的位置串联电连接以形成互补结，并且该热电偶集成在绝热基板(14)中，该热电模块(2)由制作在该基板(14)中的通孔(13)穿透。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其包括与该热电模块(2)的该第二活性表面热接触的热交换器(7)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该热交换器(7)包括水循环热沉。
4.根据权利要求1至3任何一项所述的装置，其特征在于，包括设置在该第一活性表面(11)位置的热交换部件(15 )。
5.根据权利要求1至4任何一项所述的装置，其特征在于，该模块(2)包括将该第一活性表面(11)连接到该第二活性表面(12)的孔(13)的矩阵，热电偶块(5a、5b)相邻于四个孔(13)。
6.根据权利要求1至4任何一项所述的装置，其特征在于，该模块(2)包括将该第一活性表面(11)连接到该第二活性表面(12)的一系列错列的孔(13)，热电偶块相邻于三个孔(13)。
7.根据权利要求1至4任何一项所述的装置，其特征在于，该模块(2)包括将该第一活性表面(11)连接到该第二活性表面(12)的孔的矩阵，四个成组的热电偶块(5a、5b、5c、5d)被四个孔(13)围绕，每个块(5a、5b、5c、5d)相邻于该四个孔(13)中的两个孔(13)。
全文摘要
用于产生电流和/或电压的装置包括用于在装置的进口(9)和出口(10)之间进行流体流动的部件以及具有暴露于流体的第一活性表面(11)的热电模块(2)。热电模块(2)包括孔，并且设置在装置的进口(9)和出口(10)之间的流体通道中，第一活性表面(11)基本上垂直于流体的流动方向。
文档编号H01L35/30GK103081148SQ201180042880
公开日2013年5月1日 申请日期2011年7月4日 优先权日2010年7月6日
发明者J.西蒙, T.加罗弗 申请人:原子能和代替能源委员会