BR112015022574B1 - Dispositivo e sistema termoelétrico - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO E SISTEMA TERMOELÉTRICO. A presente revelação refere-se a dispositivos termoelétricos que podem ser úteis para uma ampla faixa de aplicações termoelétricas, por exemplo, geração termoelétrica em alta temperatura e condicionamento de fluido. Os dispositivos termoelétricos podem incluir um ou mais trocadores de calor (por exemplo, trocador(s) de calor com refrigerante) e uma ou mais camadas termoelétricas localizadas adjacentes (por exemplo, em lados opostos) do trocador(s) de calor. A camada(s) termoelétrica e o trocador(s) de calor podem ser circundados por um invólucro, que produz uma barreira contra fluido externo (por exemplo, fluxo de fluido quente). O invólucro pode conduzir termicamente o calor entre o ambiente externo e a camada(s) termoelétrica. Em alguns casos, o trocador(s) de calor pode ser espaçado de e móvel em relação à parede interna do invólucro (por exemplo, deslizante), o que pode acomodar os efeitos de expansão térmica que surgem entre o trocador(s) de calor e o invólucro. O invólucro pode incluir uma superfície conforme adaptada para corresponder substancialmente com a forma da camada(s) termoelétrica, por exemplo, com a aplicação de um vácuo. Um ou mais membros termicamente condutivos (por exemplo, aletas de condução de calor) podem (...).

Description

CAMPO

[001] Aspectos da presente revelação se referem, de forma geral, a aparelhos e métodos que podem ser usados em cooperação com sistemas termoelétricos.

DISCUSSÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

[002] Geradores termoelétricos são dispositivos que convertem a energia térmica, que surge de uma diferença de temperatura, em energia elétrica usando um fenômeno chamado o “efeito Seebeck”.

[003] Devido a sua capacidade de converter a energia térmica produzida por uma diferença de temperatura diretamente em eletricidade dentro de uma forma de estado sólido compacta, os termoelétricos receberam uma quantidade significativa de atenção. Por exemplo, os termoelétricos podem ser úteis para recuperar eficientemente o calor residual em altas temperaturas de plataformas de energia intensiva, tal como motores de combustão em automóveis.

[004] Sistemas de TEG convencionais impõem desafios, particularmente em altas temperaturas devido aos efeitos da expansão térmica, resultando em dificuldades na confiabilidade, acondicionamento (por exemplo, isto é, tamanho, peso, versatilidade) e desempenho. Adicionalmente, esses desafios frequentemente levam a projetos de sistemas que exigem maiores níveis de complexidade para serem viáveis, o que também aumenta o custo.

SUMÁRIO

[005] A presente revelação refere-se a novos projetos de um dispositivo termoelétrico e aspectos opcionais para uma ampla faixa de aplicações, particularmente essas relacionadas com a geração termoelétrica em altas temperaturas, embora aplicações para modalidades apresentadas aqui possam envolver o condicionamento de fluido também. Os projetos únicos descritos são capazes de superar ou evitar vários desafios confrontando os sistemas termoelétricos existentes que limitam a aceitação do mercado em termos de desempenho do sistema, mobilidade (tamanho, peso, confiabilidade), versatilidade e custo.

[006] Em uma modalidade, um dispositivo termoelétrico é apresentado. O dispositivo inclui pelo menos um trocador de calor; pelo menos uma camada termoelétrica em comunicação térmica com o pelo menos um trocador de calor e um invólucro circundando a pelo menos uma camada termoelétrica e o pelo menos um trocador de calor, o invólucro produzindo uma barreira para a pelo menos uma camada termoelétrica e o pelo menos um trocador de calor de um fluido localizado fora do invólucro, em que uma porção do invólucro é adaptada para conduzir o calor e fica em comunicação térmica com a pelo menos uma camada termoelétrica e em que o pelo menos um trocador de calor é espaçado de e móvel em relação a uma superfície interna do invólucro para acomodar a expansão térmica do pelo menos um trocador de calor e do invólucro.

[007] Em outra modalidade, um sistema termoelétrico é apresentado. O sistema inclui um duto definindo um espaço de fluxo que aloja uma corrente do fluxo do fluido, o duto tendo uma entrada disposta para acomodar a entrada do fluido no espaço de fluxo e uma saída disposta para acomodar a saída do fluido do espaço de fluxo e um dispositivo termoelétrico disposto dentro do espaço de fluxo. Nas modalidades relacionadas, componentes de abafamento do ruído podem ser fornecidos com relação às modalidades dos dispositivos termoelétricos, por exemplo, dentro do espaço de fluxo dos dutos.

[008] Em outra modalidade, uma estrutura termoelétrica é apresentada. A estrutura inclui um trocador de calor tendo uma entrada, uma saída e canais adaptados para encaminhar o fluxo do fluido entre a entrada e a saída; uma primeira camada termoelétrica presa rigidamente em um primeiro lado do trocador de calor e uma segunda camada termoelétrica presa rigidamente em um segundo lado do trocador de calor, oposto ao primeiro lado.

[009] Em outra modalidade, um trocador de calor é apresentado. O trocador de calor inclui uma superfície conforme adaptada para corresponder substancialmente com a forma de uma estrutura disposta adjacente à superfície e uma pluralidade de membros termicamente condutores que se estendem de, circundando e em contato com uma região externa da superfície conforme, a pluralidade de membros termicamente condutores adaptada para transferir o calor entre a superfície conforme e um ambiente circundante.

[010] Em uma modalidade, uma chave térmica é apresentada. A chave térmica inclui um canal separando um primeiro componente estrutural e um segundo componente estrutural e uma composição de fluido contida dentro do canal configurada, tal que a condutividade térmica entre o primeiro e o segundo componentes estruturais muda à medida que a composição do fluido muda a fase entre líquido e vapor na sua temperatura de ebulição.

[011] Em ainda outra modalidade, um composto da interface térmica é apresentado. O composto da interface térmica inclui uma lâmina de superfície conforme adaptada para corresponder substancialmente com uma forma de uma estrutura disposta adjacente à superfície e uma composição disposta em pelo menos um lado da superfície da lâmina conforme produzindo uma condutividade térmica mais alta através de uma interface formada entre dois componentes em contato com e dispostos em lados opostos da lâmina da superfície conforme do que sem a composição.

[012] Vantagens, novos aspectos e objetivos da presente revelação se tornarão evidentes a partir da descrição detalhada seguinte quando considerada em conjunto com os desenhos acompanhantes, que são esquemáticos e que não são planejados para serem desenhados em escala. Por finalidades de clareza, nem todo componente é rotulado em cada figura, nem todo componente de cada modalidade é mostrado onde a ilustração não é necessária para permitir que esses versados na técnica entendam os aspectos da presente revelação.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[013] Os desenhos acompanhantes não são planejados para serem desenhados em escala. Nos desenhos, cada componente idêntico ou quase idêntico que é ilustrado em várias figuras é representado por um numeral semelhante. Várias modalidades da presente revelação serão agora descritas, por meio de exemplo, com referência aos desenhos acompanhantes.

[014] A figura 1 ilustra uma vista em perspectiva com um recorte parcial da cerâmica superior de um dispositivo de módulo termoelétrico,

[015] A figura 2 mostra uma vista da seção transversal do dispositivo termoelétrico da figura 1,

[016] A figura 3 mostra uma vista em perspectiva de um dispositivo termoelétrico de acordo com algumas modalidades,

[017] A figura 4 ilustra uma vista da seção transversal do dispositivo do módulo termoelétrico da figura 3,

[018] A figura 5 mostra uma vista em perspectiva de outro dispositivo termoelétrico de acordo com algumas modalidades,

[019] A figura 6 mostra uma vista da seção transversal de um plano lateral através do dispositivo termoelétrico da figura 5,

[020] As figuras 7 e 8 ilustram uma vista em perspectiva de ainda outro dispositivo termoelétrico de acordo com algumas modalidades,

[021] A figura 9 representa uma disposição de aletas em tiras de acordo com algumas modalidades,

[022] A figura 10 mostra uma vista da seção transversal das superfícies da camada termoelétrica interagindo com um invólucro conforme com aletas, esquematicamente ilustrando as deflexões térmicas durante a operação, onde as deflexões mostradas como ampliadas para ilustrar o conceito visualmente,

[023] A figura 11 representa uma vista do conceito da seção transversal longitudinal da modalidade da figura 5 e mostra esquematicamente os efeitos da expansão térmica de acordo com algumas modalidades,

[024] A figura 12 ilustra uma vista da seção transversal de um dispositivo de módulo termoelétrico de alta temperatura de dois estágios de acordo com algumas modalidades,

[025] A figura 13 ilustra uma vista da seção transversal lateral de outro dispositivo termoelétrico de acordo com algumas modalidades,

[026] A figura 14 representa uma vista em perspectiva próxima dos módulos termoelétricos em contato com um trocador de calor de acordo com algumas modalidades,

[027] A figura 15 ilustra uma vista da seção transversal lateral de outro dispositivo termoelétrico de acordo com algumas modalidades,

[028] A figura 16 mostra uma vista da seção transversal lateral de um dispositivo termoelétrico com uma parede lateral do invólucro compressível, de acordo com algumas modalidades,

[029] A figura 17 representa vistas de conceito de um volume interior, por meio do qual as setas e a forma substancialmente cuboide representam um exemplo das dimensões laterais mais externas de um espaço de duto,

[030] A figura 18 mostra uma vista em perspectiva de um sistema termoelétrico de acordo com algumas modalidades, por meio do que um dispositivo termoelétrico fica localizado dentro do espaço do duto,

[031] A figura 19 representa uma vista de um invólucro em formato de cuboide de acordo com algumas modalidades, junto com uma vista da seção transversal próxima de uma parede lateral,

[032] A figura 20 mostra vistas próximas da seção transversal de vários invólucros em formato de cuboide de acordo com algumas modalidades,

[033] A figura 21 mostra uma tabela de alguns tipos de aspectos de abafamento de ruído e algumas características para sistemas de silenciador de acordo com algumas modalidades,

[034] A figura 22 representa uma vista em perspectiva de um sistema de silenciador termoelétrico de acordo com algumas modalidades,

[035] A figura 23a ilustra uma vista da seção transversal de um sistema de silenciador termoelétrico de acordo com algumas modalidades,

[036] A figura 23b ilustra uma vista da seção transversal longitudinal/axial de um sistema de silenciador termoelétrico com uma câmara reativa de entrada estendida no topo e fundo de acordo com algumas modalidades,

[037] A figura 23c ilustra uma vista da seção transversal longitudinal/axial de um sistema de silenciador termoelétrico com uma câmara reativa de comprimento médio de acordo com algumas modalidades,

[038] A figura 23d ilustra uma vista da seção transversal lateral de um sistema de silenciador termoelétrico envolvendo um tubo de saída e pluralidade de dispositivos dentro de um duto de acordo com algumas modalidades,

[039] A figura 23e ilustra uma vista da seção transversal longitudinal/axial de um sistema de silenciador termoelétrico com uma pluralidade de dispositivos termoelétricos gerais com disposições de abafamento de ruído os circundando dentro de um espaço de fluxo de acordo com algumas modalidades,

[040] A figura 24 mostra uma vista em perspectiva de um sistema termoelétrico verticalmente empilhado de acordo com algumas modalidades,

[041] A figura 25 representa uma vista em perspectiva do sistema termoelétrico horizontalmente empilhado de acordo com algumas modalidades,

[042] A figura 26 mostra uma vista da seção transversal de um dispositivo termoelétrico de acordo com algumas modalidades,

[043] A figura 27 ilustra ranhuras de canal ao longo de uma lâmina, junto com uma seção transversal próxima de uma chave térmica de acordo com algumas modalidades e

[044] As figuras 28a e 28b ilustram uma vista da seção transversal próxima dos canais de fluido contidos de uma chave térmica de acordo com algumas modalidades.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[045] A presente revelação refere-se a dispositivos termoelétricos que podem ter uma arquitetura que pode ser útil para uma variedade de aplicações, incluindo geração termoelétrica (por exemplo, sistema de exaustão de um motor de combustão incluindo, mas não limitado a esses em veículos) e condicionamento de fluido (por exemplo, aquecimento e esfriamento de fluidos). Várias modalidades dos dispositivos termoelétricos de acordo com a presente revelação são capazes de executar a conversão termoelétrica entre energia térmica e elétrica.

[046] Certas modalidades dos dispositivos termoelétricos e sistemas descritos aqui são capazes de operar confiantemente, por exemplo, como geradores termoelétricos (TEGs), puxando a energia de um gradiente térmico produzido, pelo menos em parte, de um fluido em alta temperatura (por exemplo, até 700 graus C e mais alta) localizado em um “lado quente” do dispositivo. Como tal, modalidades da presente revelação podem permitir que grandes diferenças de temperatura existam entre o “lado quente” e o “lado frio” de um TEG, o que geralmente permite a produção estável da energia elétrica. A operação de tais dispositivos pode permitir a transferência do calor de um fluido quente para um fluido comparativamente mais frio via um novo sistema de troca de calor de componentes que incorpora materiais termoelétricos que podem ser usados para converter uma porção do calor transferido diretamente para eletricidade.

[047] Em algumas modalidades, um dispositivo termoelétrico inclui um ou mais trocadores de calor em comunicação térmica com uma ou mais camadas termoelétricas. O trocador(s) de calor pode incluir uma entrada, uma saída e canais adaptados para encaminhar o fluxo do fluido através deles. Em alguns casos, as camadas termoelétricas podem ser dispostas em lados opostos do trocador(s) de calor. A camada(s) termoelétrica pode ou não ser rigidamente presa no trocador(s) de calor.

[048] Um invólucro pode circundar a camada(s) termoelétrica e o trocador(s) de calor, produzindo uma barreira do fluido (por exemplo, corrente de fluxo quente) localizado fora do invólucro. Em algumas modalidades, o invólucro pode ele próprio se comportar como um trocador de calor e pode conduzir termicamente o calor entre o ambiente externo e a camada(s) termoelétrica. Em algumas modalidades, o trocador(s) de calor pode ser espaçado de e móvel em relação à parede interna do invólucro, o que pode acomodar os efeitos da expansão térmica que surge entre o trocador(s) de calor e o invólucro.

[049] Como descrito aqui, o invólucro de um dispositivo termoelétrico pode agir como um trocador de calor. Em algumas modalidades, um trocador de calor (por exemplo, que cerca outros componentes, tal como camadas termoelétricas ou outros trocadores de calor) pode incluir uma superfície conforme adaptada para corresponder substancialmente com a forma de uma estrutura vizinha (por exemplo, camada termoelétrica disposta adjacente a ela). Em algumas modalidades, a superfície conforme pode incluir uma composição adequada que serve para aumentar a condutividade térmica da superfície conforme. O trocador de calor pode ainda incluir um ou mais membros estruturais (por exemplo, aletas de condução de calor) que se estendem dele, que podem ser adequados para transferir o calor entre a superfície conforme e o ambiente circundante.

[050] Módulos termoelétricos convencionais para geração elétrica usados em aplicações de temperatura baixa a moderada (tipicamente < 275 graus C no lado quente) são dispositivos planares relativamente finos similares a esse mostrado na figura 1. O módulo mostrado na figura 1 é composto de uma série de pares termoelétricos, cada um incluindo materiais termoelétricos do tipo n 1 e do tipo p 2 eletricamente conectados por interligações metálicas 3. Uma pluralidade desses pares é interligada formando um circuito elétrico, produzindo eletricidade quando o calor flui através dos pares. O fluxo do calor é acionado por uma diferença de temperatura entre os lados quente e frio dos pares (por exemplo, módulo).

[051] O circuito da figura 1 é eletricamente isolado em lados opostos, o que é frequentemente realizado proporcionando substratos cerâmicos 4 mecanicamente acoplados nas interligações metálicas. O processo de acoplamento mecânico dos substratos cerâmicos nas interligações metálicas, chamado metalização, envolve prender rigidamente um substrato cerâmico no lado quente (que aparece recortado na figura 2, então a disposição do circuito fica visível) e outro substrato cerâmico no lado frio do circuito. Uma vista da seção transversal de um módulo termoelétrico convencional é mostrada ainda na figura 2. Tais módulos termoelétricos são de estado sólido e carentes de partes móveis.

[052] Entretanto, as altas temperaturas de tais aplicações impõem desafios significativos para satisfazer os requisitos de desempenho, mobilidade (isto é, compacto, leve, confiabilidade) e custo para os módulos, dispositivos e sistemas que incorporam os termoelétricos. Por exemplo, como mostrado nas figuras 3 e 4, um módulo termoelétrico de alta temperatura convencional (> 300 graus C para a temperatura do lado quente) frequentemente exige materiais termoelétricos de alto desempenho 6, 7 para executar em altas temperaturas. Os módulos termoelétricos também frequentemente exigem uma cerâmica de lado quente singular 5 para cada par termoelétrico, de modo a compensar as expansões térmicas significativas e os estresses incorridos do gradiente de temperatura substancial produzido entre o lado quente e o lado frio. Como mostrado na figura 3, para essa modalidade, o lado superior 5 e o lado inferior 4 representam os lados quente e frio, respectivamente. Além disso, a maior parte dos materiais termoelétricos em tais temperaturas mais altas frequentemente exige a operação dentro de um ambiente inerte para protegê- los contra a oxidação, tipicamente exigindo um invólucro vedado dentro de um dispositivo ou sistema.

[053] Sistemas convencionais de gerador termoelétrico (TEG) frequentemente envolvem um trocador de calor refrigerante e materiais termoelétricos que são dispostos fora de um duto que confina o fluxo do gás quente. Esses sistemas de TEG são também pesadamente integrados no duto, por meio disso o sistema é intimamente preso no duto. O duto é usado como uma superfície de base de troca de calor do lado quente, no qual as aletas são presas. O calor é transferido através das aletas e do duto do fluido quente, para os termoelétricos, localizados fora do duto, e finalmente rejeitado através do trocador de calor refrigerante. Tipicamente, esses sistemas incluem um revestimento externo em conjunto com o duto e outros componentes, formando uma cavidade ou invólucro, que contêm e protegem os termoelétricos e o trocador de calor refrigerante do ambiente externo.

[054] Como discutido acima, vários problemas surgem quando implementando sistemas termoelétricos convencionais, particularmente em altas temperaturas. Entretanto, os dispositivos termoelétricos e os sistemas de acordo com a presente relação superam muitos dos problemas associados com sistemas termoelétricos tradicionais.

[055] Embora as modalidades descritas aqui, em vários casos, descrevam dispositivos e componentes no contexto de geração de força, os dispositivos termoelétricos apresentados aqui podem também ser adaptados para condicionamento de um fluido igualmente, para o esfriamento ou o aquecimento, que, em alguns casos, pode afetar a temperatura geral e/ou a tendência para a reação química de um fluido. Para aplicações de condicionamento do fluido, a eletricidade pode ser usada para energizar materiais termoelétricos, de modo a direcionar a energia térmica para ou do fluido. Tais adaptações podem utilizar certas modalidades que incluem arquiteturas de dispositivo de acordo com essas reveladas aqui.

[056] Várias modalidades dos dispositivos termoelétricos, bem como seus componentes, podem incluir qualquer forma adequada, por exemplo, cuboide, cúbica, cilíndrica ou outras formas ou combinações delas. Uma modalidade de um dispositivo termoelétrico que se presta a compacidade é um dispositivo tendo uma forma cuboide retangular de pequeno perfil, como apresentado de forma ilustrativa aqui.

[057] Pode ser verificado que, como apresentado aqui, uma forma que é substancialmente similar a um cuboide retangular não é necessária para exibir atributos estritos de um cuboide. Por exemplo, bordas e cantos respectivos do cuboide retangular podem exibir transições graduais (por exemplo, arredondada, cônica, chanfrada, etc.) e outros aspectos, tais como depressões, transições, entalhes, aletas, reentrâncias, protuberâncias, etc. podem ser exibidos em qualquer lugar, o que pode desviar dos atributos estritos de um cuboide. Tais formas podem ter quaisquer dimensões adequadas, quer elas sejam aspectos dentro ou ao longo do cuboide ou na sua periferia.

[058] Em várias modalidades, como discutido acima, a arquitetura do dispositivo termoelétrico inclui um invólucro, em que uma porção do invólucro transfere o calor entre um fluido quente, que circunda o dispositivo e os componentes internos dentro do invólucro. O invólucro, que é composto, ele próprio, de um ou mais componentes, define um espaço fechado que produz uma barreira protetora para os componentes internos dentro do espaço fechado contra o fluido quente localizado fora e circundando o invólucro. Em alguns casos, o fluido circundante poderia não ser a única fonte de calor, já que a combustão ou outra fonte de calor de alta temperatura pode emitir radiação térmica significativa para irradiar o dispositivo.

[059] Em algumas modalidades, o dispositivo termoelétrico inclui um invólucro à prova de gás, entretanto, pode ser verificado que invólucros estritamente à prova de gás não são necessários para cada modalidade do invólucro. Os componentes que compõem o invólucro podem funcionar como uma barreira protetora ou, além disso, podem ser usados para outras finalidades do dispositivo (por exemplo, transferência de calor, interface térmica com os termoelétricos internos, suporte estrutural, etc.). Adicionalmente, o invólucro pode compensar ou de outra forma acomodar a expansão térmica entre os componentes do conjunto, que pode surgir de gradientes de temperatura através dele, por exemplo, entre o interior de um trocador de calor fechado e o exterior do invólucro.

[060] Em certas modalidades, o invólucro circunda pelo menos uma camada termoelétrica composta de materiais termoelétricos que circundam, por sua vez, uma porção de pelo menos um trocador de calor refrigerante. O lado frio da camada termoelétrica pode ficar em comunicação térmica com o trocador de calor refrigerante enquanto o lado quente da camada termoelétrica pode ficar em comunicação térmica com uma porção do invólucro. Além de incluir superfícies que são termicamente condutoras e termicamente se comunicam com a camada termoelétrica, o trocador de calor refrigerante pode também incluir tubos de comunicação de entrada e saída para controlar o fluxo para dentro e para fora da seção(s) de troca do calor com refrigerante e a extensão para os tubos de comunicação (ou tubulação) para encaminhar o fluxo do refrigerante para e através da parede do invólucro.

[061] Embora os componentes internos do invólucro fiquem contidos nele, esses componentes, em algumas modalidades, não precisam ficar substancialmente presos no invólucro (descrito em mais detalhes abaixo). Por exemplo, o trocador de calor pode ser espaçado de e móvel em relação a muita da superfície interna do invólucro para acomodar a expansão térmica do trocador de calor e do invólucro. Adicionalmente, a superfície exterior do invólucro pode incluir opcionalmente componentes estruturais/membros (por exemplo, uma pluralidade de aletas que se estendem do invólucro) que podem aumentar a transferência de calor entre o invólucro e o fluido localizado fora do invólucro.

[062] Em algumas modalidades, a arquitetura do dispositivo termoelétrico inclui componentes se assemelhando substancialmente a formas planares de pequeno perfil (por exemplo, substancialmente planos e relativamente de altura curta) e é mostrada de forma ilustrativa nas figuras 5 a 8. A figura 5 ilustra o fluxo do fluido sobre e ao redor de um dispositivo termoelétrico em formato de cuboide 50.

[063] Em algumas modalidades, o dispositivo termoelétrico 50 inclui um invólucro 51 com uma superfície interna, na qual as camadas termoelétricas 63 são dispostas. As camadas termoelétricas podem circundar, em lados opostos, um trocador de calor refrigerante de pequeno perfil 64, que inclui uma ou mais seções de troca de calor substancialmente planas. A forma da seção(s) de troca de calor pode permitir uma forma geral de invólucro substancialmente similar a um cuboide retangular de pequeno perfil. Uma forma que é de pequeno perfil é uma na qual a sua largura e comprimento, que podem ou não ser os mesmos, são substancialmente maiores do que a sua altura, frequentemente maior do que um fator de dois; fatores de 5 a 20 podem ser comuns.

[064] O fluxo do refrigerante entra no invólucro através de uma entrada 52 e sai através de uma saída 53 e é encaminhado para os componentes internos do trocador de calor (por exemplo, tubos de encaminhamento, tubos de comunicação, componente(s) de troca de calor). A fiação elétrica (isto é, para força termoelétrica, controle, detecção) pode ser encaminhada através do invólucro em um orifício de fiação elétrica 54 e para as camadas termoelétricas e qualquer outro componente de controle ou detecção dentro do invólucro.

[065] As aletas 55 podem ser incluídas em lados opostos do invólucro para aumentar a transferência do calor de um fluido quente que circunda e flui sobre o dispositivo termoelétrico. As aletas podem ser projetadas para serem de uma forma e padrão que satisfazem certos requisitos para uma aplicação desejada. Pode ser verificado que o projeto de aleta apresentado representado na figura é genérico e não necessariamente uma modalidade preferida. Em um sistema de exaustão de veículo motor, por exemplo, a densidade de aletas geralmente não seria tão alta, tal que a queda de pressão excessiva incorresse, aumentando a contrapressão na saída do motor e finalmente reduzindo a eficiência do motor. Entretanto, uma densidade de aleta muito pequena pode geralmente resultar em menores temperaturas de invólucro para uma dada temperatura de fluido quente, resultando em uma redução no desempenho de saída do dispositivo termoelétrico.

[066] Várias opções de modelos de aleta podem ser utilizadas, por exemplo, com veneziana, tira, lancetada, deslocada, perfurada, etc. As aletas podem ser adaptadas para se estenderem para fora das porções do invólucro e podem exibir opcionalmente diferentes áreas de seção transversal, modelos ou geometria ao longo do invólucro para o mesmo dispositivo. As aletas podem ser formadas como uma parte integral do invólucro (por exemplo, invólucro extrusado com aletas) ou unidas como componentes separados de aletas em uma porção da superfície do invólucro.

[067] A figura 6 representa uma vista da seção transversal através de um plano lateral de uma modalidade de um gerador termoelétrico, mostrando os componentes internos dentro do invólucro, bem como as aletas 55 se estendendo para fora da superfície superior e inferior do invólucro. A figura 6 ilustra uma geometria substancialmente simétrica ao redor do plano horizontal representado pela linha pontilhada. (Na figura 6, as aletas inferiores são principalmente ocultas da visão para visibilidade dos internos.)

[068] O invólucro 51 contém componentes para geração de força incluindo duas camadas de termoelétricos 63, cada uma disposta em dois lados opostos da seção de troca de calor com refrigerante 64. A seção de troca de calor com refrigerante 64 é esfriada pelo fluido refrigerante fluindo através das passagens 65 (por exemplo, canais que se estendem para dentro e para fora e perpendiculares ao plano da vista da seção transversal) e esfria, por sua vez, a porção do lado frio das camadas termoelétricas 63.

[069] Como evidente na figura, essa arquitetura resulta em simetria substancial ao redor de um plano horizontal que se estende através do centro do trocador de calor refrigerante. Essa simetria produz uma arquitetura relativamente simples e compacta e também exerce a função de manter planos os conjuntos de interface do dispositivo, por exemplo, reduzindo significativamente os efeitos fora de nivelamento devido aos estresses mecânicos da expansão térmica, que podem ocorrer devido aos grandes gradientes de temperatura através do conjunto (do invólucro quente para o trocador de calor frio) dentro de tal estrutura compacta, discutida mais abaixo.

[070] O invólucro ainda inclui as lâminas da base 61 (ou placas) que, em algumas modalidades, podem imprensar e comprimir os componentes internos em lados opostos da arquitetura interna, criando a pressão de contato nas interfaces dos componentes. A porção do lado quente da interface das camadas termoelétricas 63 pode, por exemplo, ser termicamente acoplada com as lâminas da base do invólucro 61. Como ainda mostrado, um espaço periférico 67 é fornecido sobre o qual as lâminas da base do invólucro 61 se estendem ou sobrepairam, que é emparedado por uma parede lateral 62. Em algumas modalidades, essa parede lateral 62 se estende por uma distância entre as lâminas da base superior e inferior 61. A parede lateral pode ficar em contato com, pode ser presa a (por exemplo, aderida, unida, presa, apertada, soldada, soldada com solda forte) ou pode ser integralmente formada com uma ou mais das lâminas (por exemplo, extrusada, estampada, trefilada) do invólucro 51.

[071] Várias modalidades da parede lateral podem depender do tipo do invólucro utilizado (como discutido mais tarde). Em algumas modalidades, o espaço 67 contém componentes adicionais que isolam os internos da periferia (por exemplo, barreira de radiação, isolamento, etc.) e/ou complementam o tipo de invólucro utilizado (como discutido mais abaixo).

[072] Um leiaute geral dos componentes internos é mostrado nas figuras 7 e 8 e pode residir dentro do invólucro 51 (o invólucro é mostrado como sendo transparente nessas figuras, de modo que os componentes internos fiquem visíveis). Depois que o fluido refrigerante entra no invólucro através da entrada 52, o fluido refrigerante é direcionado pelo tubo de comunicação de entrada 66 para dentro das passagens 65 dentro da seção de troca de calor com refrigerante 64. O fluido refrigerante facilita a transferência do calor (por exemplo, por convecção) para longe da seção de troca de calor 64, que fica em contato com as camadas termoelétricas 63 que circundam as superfícies superior e inferior da seção de troca de calor 64, resultando na comunicação térmica entre elas. O fluido refrigerante flui para dentro do tubo de comunicação de saída 67, resultando em uma troca de calor fluindo contrária através do TEG, onde o fluido quente sobre o invólucro flui em uma direção oposta. Pode ser verificado que o fluxo do refrigerante pode também ser direcionado para fluir na direção oposta, se desejado. O refrigerante é então encaminhado do tubo de comunicação de saída 67 para um tubo de saída 68 que eventualmente descarrega o fluido refrigerante do invólucro na saída 53.

[073] Essa arquitetura geral produz uma forma básica que pode ser adaptada para apresentar uma estrutura compacta que possibilita um desempenho termoelétrico melhorado sobre uma ampla faixa de condições de fluxo (por exemplo, temperaturas, tipos de fluido, taxas de fluxo do fluido) enquanto relativamente simples, versátil e potencialmente de custo efetivo para numerosas aplicações.

[074] Em várias modalidades, o invólucro é hermeticamente vedado sob vácuo e suas lâminas da base 61 correspondem com e pressionam contra as superfícies do lado quente das camadas termoelétricas 63. As lâminas da base 61 do invólucro podem formar uma interface térmica (por exemplo, ficar em comunicação térmica) com e geralmente deslizar ao longo das superfícies internas respectivas das lâminas do invólucro. Para algumas modalidades, em geral, as camadas termoelétricas podem permanecer soltas do invólucro conforme.

[075] A compressão e as pressões de contato resultantes que surgem ao longo da interface(s) respectiva da camada(s) termoelétrica e lâmina(s) do invólucro podem resultar de uma pressão diferencial aplicada por vácuo produzida sobre as lâminas superior e inferior ou porções do invólucro. Dessa forma, a pressão fora do invólucro (por exemplo, pressão atmosférica) pode ser maior do que a pressão dentro do invólucro (por exemplo, pressão subatmosférica, vácuo). Em tal disposição, distribuições da pressão de contato uniformes e relativamente iguais ao longo da interface podem ser obtidas, mesmo se a superfície da camada termoelétrica não é perfeitamente plana porque as lâminas do invólucro são finas o suficiente para curvarem elasticamente e, em alguns casos, estirar sem deformação. Tal elasticidade permite que as lâminas correspondam com as superfícies do lado quente da camada(s) termoelétrica. Enquanto para algumas modalidades, as superfícies do lado frio da camada(s) termoelétrica são mecanicamente acopladas no trocador de calor, pode ser verificado que nem toda modalidade exige tal configuração. Nesse caso, a distribuição da pressão aplicada por vácuo pode também servir para comprimir e imprensar os componentes internos do dispositivo termoelétrico, de modo a produzir pressões de contato de interface térmica adequadas para transferência de calor nas outras interfaces do componente também.

[076] A concordância também possibilita que o invólucro se ajuste e continue a transmitir pressões compressivas bem distribuídas ao longo das interfaces térmicas do dispositivo, sobre uma ampla faixa de operação do dispositivo. A capacidade do invólucro de deslizar em relação a e/ou corresponder fisicamente com as camadas termoelétricas ao redor das quais o invólucro é disposto permite a compensação dinâmica dos efeitos da expansão térmica, até mesmo em temperaturas extremamente altas, que podem incluir temperaturas até 700 graus C ou mais.

[077] Consequentemente, um invólucro conforme sob vácuo, por exemplo, propicia uma maneira simples através da qual satisfazer requisitos de desafio sob condições relativamente severas, de modo a obter interfaces térmicas efetivas, enquanto também evitando o uso de mecanismos de fixação ou de compressão convencionais e volumosos; tais mecanismos podem exigir estruturas que são relativamente grossas e volumosas, de modo que seus mecanismos de fixação (isto é, parafusos, molas, etc.) podem transmitir a força adequadamente (frequentemente excessiva, mas geralmente presente), de modo a distribuir a pressão, em uma maneira relativamente uniforme, para as áreas de contato da interface. Como um resultado, essas abordagens convencionais produzem sistemas que não são muito compactos ou leves.

[078] Embora o invólucro possa incluir qualquer material adequado, em algumas modalidades, o invólucro inclui lâminas que são finas o suficiente para curvarem elasticamente, porém sem deformar, permitindo que as lâminas correspondam, por exemplo, com as superfícies das camadas termoelétricas. Uma variedade de materiais de invólucro pode ser utilizada, de plásticos a metais, por exemplo. Lâminas finas podem incluir um ou mais metais, já que muitos metais possuem propriedades elásticas até um limite (por exemplo, o limite de deformação).

[079] Como descrito aqui, a elasticidade é a capacidade de um material retornar para sua forma original depois de ser submetido ao estresse mecânico (por exemplo, curvatura, estiramento). Adicionalmente, a finura da lâmina para obter a concordância do invólucro pode também reduzir a trajetória de condução geral (por exemplo, resistência térmica) através do invólucro. Essa capacidade de outra forma maior de o calor ser conduzido através da lâmina do invólucro pode melhorar o desempenho térmico do invólucro para um dado material e/ou pode possibilitar o uso de materiais alternativos que podem ter condutividade térmica relativamente mais baixa, porém ter propriedades adequadas para aplicações apropriadas (por exemplo, maior resistência à deformação, resistência corrosiva, etc.). Materiais resistentes à corrosão para o invólucro e/ou aletas podem ser preferíveis para aplicações em alta temperatura envolvendo fluidos corrosivos e oxidantes, tal como fluxos de exaustão do motor. Uma discussão de opções de material e da capacidade de fabricação e montagem é fornecida mais abaixo.

[080] Quaisquer aletas presas no invólucro podem ser projetadas, de modo a não restringir muito a concordância do invólucro. Uma tal modalidade de uma disposição de aleta, mostrada na figura 9, envolve várias tiras de aletas unidas na lâmina da base do invólucro 61. Em várias modalidades, uma tira de aletas pode incluir uma tira de material que é transformada em uma forma que aparece como uma forma de onda, quando vista pela entrada de ar para as aletas (isto é, quadrada, retangular, senoidal, etc. ou uma combinação dessas formas). Tais disposições podem também ter venezianas ou outros realces de fluxo cortados ou adicionados nas tiras de aletas.

[081] A disposição mostrada na figura 9 é uma forma quadrada retangular que é relativamente alta, com espaçamento mais curto de aletas (aletas por polegada), como representado nas figuras. Essa disposição de aletas inclui filas repetidas de aletas em tiras separadas 55 que também exibem um comprimento de fluxo relativamente curto (que fica na direção do fluxo do fluido), por meio do que uma quantidade adequada de espaço existe entre cada fileira de tiras de aletas (isto é, espaçamento entre aletas), de modo que tiras de aletas individuais não interferirão umas com as outras quando o trocador de calor (por exemplo, invólucro conforme) corresponde com uma superfície.

[082] Em certas modalidades, o comprimento de fluxo de uma tira de aletas individual não deve ser muito longo ou, de outra forma, adicionará mais rigidez do que é desejado para o trocador de calor (por exemplo, invólucro conforme), negando sua concordância nessa região. Para muitas modalidades, um comprimento de fluxo máximo de 1,30 cm (0,51”) pode ser usado aproximadamente. Tais disposições de aletas permitem que a lâmina da base curve ou corresponda razoavelmente em qualquer direção, incluindo planos que são laterais, longitudinais e esses no meio dessas direções. Essa flexibilidade permite que a lâmina da base do invólucro com os realces de aletas corresponda com as superfícies imperfeitas substancialmente planas das camadas termoelétricas viradas para fora.

[083] Outras modalidades de tipos de aleta que podem ser adaptadas para uso para um trocador de calor conforme incluem aletas de pino e aletas individuais de união em uma lâmina da base (ou aletas formadas com a base). Por exemplo, a figura 10 representa de forma conceitual o invólucro correspondendo com as superfícies da camada termoelétrica dentro do plano lateral mostrando dois pares termoelétricos (termopares singulares) quando eles sofrem deflexão significativa devido à expansão térmica pelo grande gradiente de temperatura através do par termoelétrico fornecido pelo fluxo de calor do lado quente (topo) para o lado frio (fundo) do par. (As deflexões na figura 10 são visualmente exageradas e ampliadas para a percepção visual.) Tal expansão térmica, em alguns casos, faz com que a cerâmica segmentada vergue ‘fora do plano’, por exemplo, na ordem de 0,00254 cm (0,001”). Como mostrado de forma conceitual, a lâmina da base conforme 61 (com a disposição de aletas 55) é capaz de corresponder substancialmente com os contornos da superfície não plana das cerâmicas singulares 5. Naturalmente, uma lâmina da base sem as aletas pode corresponder pelo menos tão bem quanto, ou melhor do que, uma lâmina da base com aletas; contudo, as aletas podem ser projetadas, de modo a não restringirem muito a concordância do invólucro.

[084] Outra modalidade de aleta pode usar uma pluralidade de substratos de metal ou cerâmicos, onde cada aleta pode ser relativamente estreita e alta, de modo a ser presa em um invólucro conforme e disposta em uma formação, similar a essa da formação de aletas descrita acima. Para formações de substrato cerâmico, para algumas modalidades, os substratos podem ser metalizados para prender em um invólucro de metal. Tais formações de substrato podem ser usadas para um dispositivo depois do tratamento (isto é, conversores catalíticos, filtros de particulado de diesel). Dessa forma, essa modalidade pode ser usada como um dispositivo depois do tratamento que também produz força termoelétrica.

[085] Para aumentar mais a efetividade da interface térmica entre a camada termoelétrica e a lâmina da base do invólucro, um material da interface térmica (não mostrado nas figuras) pode ser inserido entre a camada termoelétrica e a lâmina da base. Por exemplo, um material da interface térmica pode incluir uma folha de grafite conforme, folha de cobre, blocos de nanotubo de carbono e/ou materiais relacionados, graxa, entre outras opções e pode ser inserido no meio das cerâmicas singulares 5 e da lâmina da base do invólucro 61.

[086] Como evidente na figura 6, a arquitetura do dispositivo resulta em simetria substancial ao redor de um plano horizontal que se estende através do centro do trocador de calor refrigerante. Essa simetria não somente propicia uma arquitetura simples e compacta, mas também reduz os efeitos de fora de nivelamento dos componentes. Componentes fora de nivelamento podem incluir distorções ou deflexões incluindo componentes de superfície que não ficam mais nivelados ou paralelos entre si, ou quando um ou mais dos componentes se estendem, ou se projetam, com relação aos outros componentes, o que de outra forma surgiria pelos estresses mecânicos devido aos efeitos das expansões térmicas resultantes de gradientes de temperatura significativos através do conjunto (por exemplo, do invólucro quente para o trocador de calor frio) dentro de tal estrutura compacta. Portanto, tal simetria ainda dá origem a um conjunto interfacial efetivamente plano de componentes.

[087] Em uma variedade de modalidades, as camadas termoelétricas 63 são móveis (por exemplo, deslizantes) em relação ao invólucro 51. Em algumas modalidades, o trocador de calor (por exemplo, seção de troca do calor 64, tubos de comunicação de entrada/saída 66/67 e o encaminhamento do tubo 68) é móvel (por exemplo, deslizante) em relação ao invólucro e, como mostrado na seção transversal da figura 6, uma porção do trocador de calor fica também espaçada do invólucro. Entretanto, como ainda mostrado nas figuras 7 e 8, outras porções do trocador de calor não são espaçadas do invólucro. Por exemplo, os tubos que encaminham o fluido refrigerante da entrada 66 e da saída 68 através da parede lateral do invólucro 62 na entrada 52 e na saída 53 do refrigerante, respectivamente, atravessam uma abertura do invólucro, para a circulação adequada do refrigerante através deles.

[088] A mobilidade relativa entre o invólucro, camadas termoelétricas e trocador de calor permite graus adequados de liberdade durante as expansões térmicas e contrações para evitar ou de alguma forma reduzir o estresse mecânico entre os componentes. Por exemplo, o invólucro quente (ou trocador de calor quente) pode ser capaz de expandir e deslizar livremente ao longo das camadas termoelétricas, que residem no trocador de calor esfriador. A tubulação de entrada 66 e a tubulação de saída 68 que são presas em regiões respectivas da parede lateral do invólucro 62, 63 podem se conectar em proximidade, o que ainda permite que o invólucro se mova termicamente e expanda livremente. Adicionalmente, essas fixações podem ficar localizadas a jusante no dispositivo (com relação ao fluxo do fluido quente), onde as temperaturas do invólucro e do fluido são mais frias.

[089] Na direção planar (isto é, horizontal com relação à seção transversal mostrada na figura 11), que se estende substancialmente ao longo das superfícies largas das lâminas da base do invólucro 61, como mostrado na figura 11, as lâminas da base do invólucro 61 são configuradas para expandir termicamente com um aumento na temperatura em relação ao trocador de calor e camadas termoelétricas 63 (como indicado pelas setas tracejadas) e, na realidade, as lâminas 61 são capazes de se moverem e deslizarem sobre as camadas termoelétricas 63, que estão em contato de interface térmica com as lâminas da base do invólucro 61. Enquanto as lâminas da base 61 deslizam ao longo das camadas termoelétricas 63, as lâminas da base 61 se ajustam e continuam a corresponder com e aplicar pressões de contato térmico distribuídas nos internos. É observado que na figura 11, aletas opcionais não são mostradas por clareza na visualização de outros aspectos.

[090] Perpendicular à direção planar, a distância de expansão do invólucro (essa da parede lateral, mostrada como orientada ao longo da direção vertical da figura 11) é muito menor devido à sua altura curta, resultando em pouca diferença de expansão térmica entre o invólucro e os componentes internos quando comparado com a quantidade de expansão térmica na direção planar. Em muitas modalidades, a parede lateral 62 pode ser mais rígida do que as lâminas da base, de modo a produzir uma armação que suporta as periferias das lâminas da base superior e inferior 61. De acordo com essa estrutura, as lâminas conformes da base superior e inferior 61 compensam a pequena expansão térmica (em uma direção perpendicular ao plano definido pelas lâminas superior e inferior) continuando a corresponder com e aplicar pressões de contato térmico distribuídas nos internos.

[091] Em algumas modalidades, um grande vácuo é usado para obter um grau desejável de concordância e pressões de contato da interface térmica. Um grande vácuo que resulta, essencialmente, na ausência de um meio de gás (ou presença comparativamente pequena de gás) também elimina muito a transferência do calor convectivo dentro dos espaços entre as estruturas termoelétricas, bem como entre o invólucro e o trocador de calor refrigerante. De outra forma, sob certas condições de operação, tal transferência de calor convectivo poderia resultar em fuga(s) térmica substancial, contribuindo para as perdas parasíticas que degradam a eficiência do sistema. Adicionalmente, se os componentes internos (por exemplo, materiais termoelétricos) são sensíveis aos ambientes de oxidação, um grande vácuo pode eliminar qualquer necessidade de um gás inerte; entretanto, pode ser verificado que se um vácuo parcial é desejado, um gás inerte (por exemplo, nitrogênio, argônio) pode também ser usado, por exemplo, para proteger os componentes internos, por exemplo, contra oxidação.

[092] Em várias modalidades, onde o invólucro se estende ou sobrepaira além das camadas termoelétricas 63 e porções do trocador de calor refrigerante 64, 66, 67, 68, a periferia do invólucro apresenta um espaço para isolar e proteger os componentes dentro do volume interno do invólucro.

[093] Em alguns casos, reforços estruturais, tal como uma braçadeira, podem ser usados para suportar a lâmina fina do invólucro na região da projeção, que de outra forma, ausente a braçadeira, pode tender a deformar, falhar ou desmontar. Outros elementos estruturais podem proporcionar afastamentos para posicionar os componentes internos do invólucro e limitar o seu movimento em relação ao invólucro, produzindo um suporte estrutural adicional para o dispositivo. Barreiras de radiação suspensas, tal como a folha de alumínio refletiva, podem também ser usadas para reduzir a transferência do calor radioativo térmico (outra forma de fuga de calor parasítico) do invólucro quente para os internos, tal como para os tubos de comunicação do trocador de calor. Se desejado, outros tipos de reforços estruturais e isoladores (isto é, aerogéis, cerâmicas, etc.) podem ser utilizados, que podem depender do projeto fabricado do invólucro e/ou se um vácuo completo é utilizado ou não.

[094] As camadas termoelétricas podem ser integradas em lados opostos de uma seção de troca de calor do refrigerante cerâmica, que é substancialmente plana. Essa construção se assemelha de forma conceitual a um módulo termoelétrico de dois estágios, cuja vista da seção transversal é mostrada na figura 12. Aqui, nessa modalidade, as cerâmicas superiores são mostradas como estando no lado quente e as cerâmicas inferiores são mostradas como estando no lado frio. Em tal módulo, duas camadas termoelétricas diferentes 81, 82 são presas em ambos os lados de uma cerâmica sólida plana intermediária 80. Em uma modalidade, uma seção de troca de calor 64, que pode ser feita de cerâmica, metal ou outro material, substitui a cerâmica sólida intermediária 80.

[095] Uma camada termoelétrica 63 incorporada nos dispositivos termoelétricos descritos aqui pode incluir qualquer disposição de camadas ou subcamadas termoelétricas adequadas. Nas modalidades da presente revelação, duas camadas termoelétricas similares de alta temperatura 63 são mecanicamente acopladas (por exemplo, rigidamente presas) em lados opostos de uma seção de troca de calor com refrigerante cerâmica plana 64, como mostrado na figura 13. Como mostrado, as camadas termoelétricas são integradas com uma seção de troca de calor substancialmente plana. Dessa forma, as camadas termoelétricas 63 podem ser produzidas como de um estágio, dois estágios ou qualquer outra disposição de módulo de múltiplos estágios, incluindo uma ou mais subcamadas, e nem toda camada entre uma pluralidade de camadas termoelétricas precisa ser do mesmo projeto ou materiais para um dado dispositivo. As interligações do lado frio das camadas termoelétricas 63 podem ser presas na seção de troca de calor com refrigerante 64 por qualquer maneira adequada, por exemplo, pela metalização da seção de troca de calor cerâmica para as interligações metálicas 3.

[096] Em algumas modalidades, materiais termoelétricos de alta temperatura 86, 87 mecanicamente acoplam (por exemplo, rigidamente se ligam) a e são imprensados entre as interligações enquanto as cerâmicas singulares 5 são metalizadas com e mecanicamente acopladas (por exemplo, rigidamente presas) nas interligações do lado quente. Finalmente, um material da interface térmica 84 (por exemplo, folha de grafite conforme, folha de cobre, graxa, entre outros) pode residir nas superfícies viradas para fora das cerâmicas singulares 5 e pode funcionar para aumentar mais o contato térmico entre as camadas termoelétricas e o invólucro.

[097] Uma modalidade onde um termoelétrico integrado é fabricado pode envolver prender os tubos de comunicação de entrada e saída do refrigerante de metal na entrada e saída correspondentes da seção de troca de calor cerâmica. Em algumas modalidades, tal fixação pode envolver a metalização. Uma modalidade pode incluir a metalização usando diretamente o material do tubo de comunicação. Outra modalidade pode envolver metalizar ligeiramente a cerâmica e subsequentemente unir o metal do tubo de comunicação na cerâmica metalizada, tal como por uma solda forte ou outra técnica adequada. Tubos de comunicação de metal podem então ser unidos em um invólucro de metal para receber ou expelir o fluido refrigerante.

[098] Em outra modalidade do trocador de calor, uma seção de troca de calor com refrigerante e os tubos de comunicação são compostos do mesmo material, o que pode simplificar a união desses componentes por solda forte ou soldagem. Os termoelétricos poderiam ser integrados em uma seção de troca de calor de metal, que pode incluir uma cobertura eletricamente isolante (não necessariamente uma cobertura cerâmica) entre o trocador de calor e as interligações de metal do lado frio dos termoelétricos. Similarmente, para algumas modalidades, uma cobertura ou material eletricamente isolante pode ser usado entre as interligações do lado quente dos termoelétricos e as lâminas do invólucro, para prender camadas termoelétricas, ligadas, unidas ou revestidas nas interligações ou lâmina ou como uma lâmina separada entre elas.

[099] Em contraste com os termoelétricos integrados no trocador de calor refrigerante como descrito em uma modalidade acima, outra modalidade pode incluir opcionalmente separar as camadas termoelétricas planares ou módulos simplesmente colocados em contato e em ambos os lados de um trocador de calor refrigerante substancialmente plano, como mostrado nas figuras 14 e 15, que representam módulos de alta temperatura com lados quentes singulares 90. Essa configuração pode ser auxiliada pelos materiais da interface térmica 84 em qualquer um ou ambos os lados do módulo. Na modalidade ilustrativa da figura 15, módulos termoelétricos separados ficam em contato com uma seção de troca de calor com refrigerante substancialmente plana.

[0100] Outra modalidade usada com uma seção de troca de calor com refrigerante cerâmica pode incluir uma fixação mecânica (por exemplo, união, ligação) da cerâmica do lado frio com o trocador de calor cerâmico para melhorar ainda a resistência de contato térmico no lado frio. Ainda, outra modalidade pode utilizar camadas termoelétricas separadas ou módulos, mas sem cerâmicas em um ou ambos os lados, por meio disso no lado na ausência da cerâmica, uma camada eletricamente isolante (cobertura ou lâmina separada) é aplicada. Outras modalidades variadas podem também ser utilizadas por um versado na técnica.

[0101] Outro tipo de invólucro, que foi descrito em uma variedade de modalidades, é uma parede lateral do invólucro compressível ou concordante, por meio do que uma modalidade pode tomar a forma mostrada na figura 16. É observado que aletas opcionais e mecanismos de fixação não são mostrados nessa figura por simplicidade. Diferente de um invólucro a vácuo conforme, por meio do qual a concordância do invólucro ocorre na interface entre os internos e a lâmina da base e menos na parede lateral, se alguma, a concordância de um invólucro compressível pode ser efetivamente invertida. Isto é, para algumas modalidades, a lâmina(s) de base pode ser menos propensa à concordância enquanto a parede(s) lateral pode exibir um grau de concordância comparativamente mais alto. Na figura 16, uma parede lateral fina substancialmente semicircular 77 pode propiciar complacência adicional ou flexibilidade para as diferenças da expansão térmica na direção da altura (por exemplo, perpendicular às lâminas da base 76 que são mais rígidas), enquanto capaz de suportar um alto vácuo, a despeito de uma parede relativamente fina.

[0102] Ainda, similar aos outros invólucros descritos aqui, o invólucro compressível produz uma barreira de isolamento e proteção para os componentes internos que incluem as camadas termoelétricas em contato com um trocador de calor refrigerante (e componentes associados), e sobrepaira os internos ao redor da periferia do invólucro, resultando em algum espaço que é emparedado pela parede lateral flexível 77. Também, como descrito acima, o invólucro pode ser móvel em relação ao trocador de calor refrigerante para compensar a expansão e contração térmica da lâmina do invólucro ou da placa (em uma direção paralela às placas).

[0103] Em uma variedade de modalidades, o invólucro compressível pode ser à prova de gás, incluindo modalidades com alto vácuo, vácuo parcial com ou sem um gás inerte ou simplesmente com um gás inerte. Esse vácuo serve a finalidades similares como descrito nas modalidades anteriores e ainda produz forças compressivas para as interfaces do componente interno transmitidas pela placa de base.

[0104] Em algumas modalidades, pressões compressivas maiores do que essas criadas por um vácuo podem ser atingidas com a adição de prendedores mecânicos incluindo parafusos, pinos, molas em tensão através do vão, entre outros, que podem ser realizados fora do invólucro à prova de gás e não interferir com a vedação do invólucro. Entre outras modalidades, usando tais prendedores, membros de reforço que lateralmente se estendem através dos topos das aletas produzem um reforço estrutural adicional por toda a aleta e estrutura da placa de base para minimizar a deflexão da placa de base e, na realidade, produzem pressões bem distribuídas da interface compressiva transmitidas pelas placas. Em algumas modalidades, tais membros de reforço podem ser periodicamente dispostos, com qualquer estrutura geométrica adequada. Por exemplo, membros de reforço podem ser relativamente largos ou estreitos com relação um ao outro e dispostos em uma configuração alternada de largo e estreito.

[0105] Outras modalidades de invólucro podem não incluir um invólucro compressível à prova de gás, permitindo construções de parede lateral mais simples. Contudo, pode ser preferível utilizar estruturas mecanicamente concordantes, de modo a manter a interface térmica efetiva entre os componentes deslizantes para aplicações envolvendo a operação em alta temperatura, de modo a ajustar as expansões térmicas. Para modalidades não à prova de gás, algumas dessas construções podem variar de fixar paredes laterais de metal ou simplesmente encher o invólucro com isolamento compressível (que pode ainda ser uma versão compressível) ou uma combinação dessas abordagens. Para um invólucro incompressível ou não concordante (à prova de gás ou não), a complacência relativa entre os componentes internos pode ser obtida, tal como um bloco de interface térmica conforme ou concordante, que pode possuir algumas propriedades elásticas, entre outras opções.

[0106] O invólucro com uma parede lateral compressível ou a abordagem de invólucro não concordante pode ter características termoelétricas similares com essa do invólucro conforme. Por exemplo, o material termoelétrico pode ser integrado ou mecanicamente acoplado na superfície da cerâmica(s) ou seção(s) da troca de calor de metal do trocador de calor ou lâmina(s) da base do invólucro. Ou, módulo(s) termoelétrico planar inteiramente separado ou camada(s) de outros componentes pode ser utilizado.

[0107] Adicionalmente, em uma variedade de modalidades, a parede lateral do invólucro compressível ou a abordagem do invólucro não concordante pode ter os materiais termoelétricos integrados nas placas do lado quente, pelo que o lado frio da camada termoelétrica pode ficar em contato térmico deslizante com a seção de troca de calor do refrigerante, que pode incorporar opcionalmente um material da interface térmica (por exemplo, graxa térmica ou lâmina). Tal integração seria similar ao método discutido antes relacionado com a integração termoelétrica em ambas as seções de troca de calor com refrigerante de cerâmica e metal, exceto que essas abordagens de integração anteriores seriam aplicadas na base do trocador de calor de cerâmica ou metal no lado quente. Também, o lado frio das camadas termoelétricas pode incluir cerâmicas segmentadas 5, ao invés do lado quente, para aliviar os estresses térmicos.

[0108] Como ainda descrito aqui, o dispositivo termoelétrico pode ser usado para finalidades após o tratamento. Como outra modalidade, os trocadores de calor de cerâmica ou metal no lado quente podem também servir como um substrato para tratar as emissões no fluido quente e funcionar como um dispositivo depois do tratamento, servindo a tais finalidades como um catalisador (por exemplo, conversor catalítico) ou filtro de particulado. O invólucro, que pode incluir uma disposição com aletas, pode também incluir uma cobertura configurada para catalisar as reações do fluido. Esses substratos podem incluir muitos minicanais e passagens resultando em muita área de superfície que, além das superfícies catalíticas, podem também servir como superfícies de troca de calor. Portanto, o dispositivo termoelétrico serviria a uma finalidade dupla: gerar eletricidade e controlar as emissões.

[0109] Pode ser verificado que os sistemas termoelétricos de acordo com a presente revelação podem ser adaptados para incluir modalidades não simétricas. Por exemplo, uma modalidade que é substancialmente em formato de cuboide poderia somente ter uma camada termoelétrica e um conjunto de aletas disposto para um lado do dispositivo e, no lado oposto, sem aletas e um isolante no lugar da camada termoelétrica para produzir uma barreira térmica entre o invólucro e o trocador de calor interno. Outras disposições podem também ser possíveis.

[0110] Em algumas modalidades, o dispositivo termoelétrico fica substancialmente posicionado dentro do volume interior de um duto que define um espaço de fluxo para alojar ou de outra forma confinar um fluido (por exemplo, corrente de fluxo do fluido quente) que circunda e flui sobre o exterior do dispositivo termoelétrico. O duto pode também incluir uma entrada para acomodar a entrada do fluido dentro do espaço de fluxo e uma saída para acomodar a saída do fluxo para fora do espaço de fluxo.

[0111] Como descrito aqui e representado na figura 17, o volume interior ou, de outra forma chamado, o espaço de fluxo do duto é as dimensões laterais mais externas do volume que contém o fluido, quando o fluido passa da entrada do duto para a saída. Embora o dispositivo termoelétrico 50 possa ser posicionado dentro do volume interior ou espaço de fluxo de um duto 40, o dispositivo pode permanecer substancialmente separado dos componentes do duto sem o requisito para que a transferência de calor ocorra entre o dispositivo termoelétrico e os componentes do duto; em outras palavras, a função do dispositivo não exige a comunicação térmica com a estrutura (por exemplo, duto) que confina o fluido que circunda o invólucro.

[0112] Em alguns casos, o dispositivo pode ser opcionalmente espaçado ou de outra forma termicamente isolado da estrutura. O dispositivo pode ser espaçado/termicamente isolado da estrutura, mas não precisa ser. Isolamento térmico, no contexto da presente revelação, não é necessário para excluir a fixação mecânica ou o acoplamento com a estrutura circundante. Ao invés disso, o isolamento térmico é entendido aqui como significando que o dispositivo termoelétrico fica posicionado em relação à estrutura circundante, de modo que qualquer comunicação térmica que ocorra entre o dispositivo e a estrutura não afeta substancialmente a operação termoelétrica do dispositivo.

[0113] Em contraste, nos dispositivos termoelétricos convencionais, para que a conversão termoelétrica ocorra, os dispositivos precisam de comunicação térmica (por exemplo, sendo integralmente acoplados) com a estrutura circundante (por exemplo, o duto) que confina o fluxo do fluido, de modo que um gradiente de temperatura pode ser fornecido para o dispositivo termoelétrico. De outra forma, sem tal comunicação térmica (que produz um gradiente de temperatura adequado), dispositivos termoelétricos convencionais, essencialmente, não funcionariam para sua finalidade planejada.

[0114] Inversamente, modalidades dos dispositivos termoelétricos descritos aqui podem ser formadas separadas e independentes da estrutura circundante que confina a corrente de fluxo do fluido. Dessa forma, o dispositivo termoelétrico pode ser preso de forma removível no duto e, em alguns casos, ter somente uns poucos pontos de fixação que podem suspender mecanicamente o dispositivo termoelétrico dentro do volume interno ou espaço de fluxo do duto através do qual o fluido quente flui.

[0115] A inserção do dispositivo termoelétrico em um duto (por exemplo, duto de veículo, exaustão, etc.) é substancialmente similar a essa de um núcleo aquecedor para um veículo, exceto que aqui o dispositivo termoelétrico pode ser inserido em um duto de exaustão e pode usar o fluido refrigerante para esfriamento do dispositivo (ao invés de para aquecimento do ocupante). Para uma aplicação de carro de passageiros, a figura 18 representa uma modalidade para o dispositivo termoelétrico 50 dentro de um duto 40 que pode exigir contato mínimo com o duto. O dispositivo pode ficar suspenso dentro do duto usando acoplamentos mecânicos (não mostrado nas figuras) localizados em cada lado das paredes laterais 62 do invólucro do dispositivo.

[0116] Como ainda descrito aqui, diferente das regiões de fluxo de entrada e saída para o dispositivo, o espaço restante entre o dispositivo e as paredes do duto pode ser cheio com isolamento de enchimento para eliminar qualquer fluxo desviando do dispositivo (também não mostrado na figura 18 para visibilidade do dispositivo). Algumas modalidades são dispositivos termoelétricos autônomos, em que a entrada do duto e as saídas podem ser conectadas com canalização do sistema de exaustão do motor que pode incluir o silenciador e/ou dispositivos para depois do tratamento.

[0117] Desde que o dispositivo é completo e não precisa ser pesadamente integrado com o duto que confina o fluxo do fluido, o dispositivo pode ser considerado modular. Isto é, o dispositivo pode ser facilmente incorporado ou removido do sistema geral. Devido a essa modularidade, um sistema termoelétrico que é graduável na capacidade é facilmente obtido simplesmente dispondo uma pluralidade de dispositivos termoelétricos em paralelo e/ou em série dentro do espaço de fluxo de um duto ou múltiplos dutos.

[0118] De acordo com o dispositivo termoelétrico revelado aqui, várias modalidades podem tomar a forma de 10 dispositivos em paralelo e empilhados verticalmente dentro de um duto, como mostrado em um exemplo na figura 24, em que 5 kW de força seriam entregues se cada dispositivo gerasse 500W. Similarmente, outras modalidades podem incluir uma pilha horizontal de 8 dispositivos, como mostrado em um exemplo na figura 25, em que 4 kW de força seriam entregues se cada dispositivo gerasse 500W. Esse sistema é também acoplado com um dispositivo para depois do tratamento na entrada que facilita a transição do fluxo de entrada para o duto enquanto produzindo, além de tudo, um pacote muito compacto.

[0119] Certas aplicações e modalidades podem envolver pelo menos uma porção do fluido desviando do dispositivo ou desviando de uma porção do dispositivo. Por exemplo, em alguns casos, podem existir condições de operação do fluido no lado quente, que podem exceder, em certos casos, os limites aceitáveis de temperatura para o dispositivo, causando o superaquecimento e falha potencial. Dessa forma, um desvio do fluido que reduz ou para o fluxo do fluido sobre as regiões sensíveis à temperatura do dispositivo pode ser utilizado. Em outros casos, o fluxo do fluido pode ser excessivo, criando muita contrapressão, o que pode necessitar de alívio de fluxo. Em qualquer caso, esse desvio do fluido pode servir para encaminhar um pouco ou todo o fluxo do fluido através de uma passagem alternativa que se estende em paralelo ao fluxo do fluido no duto principal, embora tal sistema de desvio possa ser implementado de várias formas diferentes.

[0120] Certas modalidades do sistema de desvio do fluido podem usar o espaço onde a largura da aleta termina lateralmente em qualquer lado do dispositivo, entre o invólucro e o duto, como visto nas figuras 17 e 18. Por exemplo, uma parede de divisão adicional pode ser incluída onde a largura da aleta termina para definir uma passagem de fluxo separada para um desvio.

[0121] Em algumas modalidades, um espaço de fluxo que é substancialmente maior do que o dispositivo pode ser utilizado, onde o dispositivo é substancialmente espaçado para um lado do duto e uma parede de divisão pode ser inserida adjacente ao lado do dispositivo, de modo a definir uma passagem de fluxo separada para desvio do fluido.

[0122] Ainda, em outras modalidades, um duto completamente separado de modo geral pode ser usado, servindo como a passagem alternada de fluxo do fluido. Aqui, o fluxo do fluido pode ser controlado usando um amortecedor ou válvula, acionado ativamente (por exemplo, solenoide, motor, etc.) ou passivamente (por exemplo, material termicamente ativado, tais como mola de bimetal, ligas com memória de forma, etc.).

[0123] Variações das modalidades acima mencionadas podem incluir uma pluralidade de dispositivos, pelo que o desvio pode ser produzido entre dispositivos adjacentes.

[0124] Em algumas modalidades, os sistemas termoelétricos de acordo com a presente revelação incluem um ou mais dispositivos termoelétricos combinados com componentes de abafamento de ruído, que podem ser projetados e fabricados em um duto, ou espaço de fluxo confinado por um duto, para funcionar tanto como um silenciador quanto como dispositivo termoelétrico, que é descrito aqui como um silenciador termoelétrico. Tal combinação é sinérgica e atingida com facilidade relativa.

[0125] O dispositivo termoelétrico, que pode incluir disposições termoelétricas de acordo com várias modalidades, pode já ter aspectos nele próprio que atenuam o ruído. O dispositivo termoelétrico pode também acomodar facilmente aspectos e materiais de abafamento de ruído adicionais. Como descrito aqui e entendido para aqueles versados na técnica, componentes de abafamento de ruído podem incluir pelo menos um material de abafamento de ruído, aspecto ou estrutura adaptada para dispersar, interromper, dissipar ou causar interferência destrutiva das ondas sonoras se movimentando dentro de um espaço de fluxo do fluido, incluindo uma pluralidade de passagens, câmaras, paredes, paredes perfuradas, tubos, tubos perfurados ou material acusticamente absortivo e pode ou não ser uma parte integral do dispositivo, duto ou outros componentes do sistema.

[0126] Uma característica do dispositivo que apresenta certas vantagens sobre os sistemas termoelétricos convencionais é que, para várias modalidades, uma porção substancial, se não a integridade, do invólucro do dispositivo e quaisquer aletas que se estendem dele estão viradas para fora e em contato com o fluido circundante, enquanto permanecendo solto do duto. Em contraste, dispositivos termoelétricos convencionais exigem que quaisquer tais aletas fiquem presas diretamente na superfície interna do duto.

[0127] Essa característica de sistemas termoelétricos de acordo com a presente revelação, onde as aletas que se estendem do invólucro são capazes de permanecer soltas da parede interna do duto, propicia que uma área de superfície e volume relativamente grandes (por exemplo, particularmente se o dispositivo é espaçado do duto) fiquem disponíveis para os componentes de abafamento do ruído (por exemplo, localizados ao redor da periferia lateral ao longo do comprimento de fluxo do dispositivo). A disponibilidade da área de superfície e volume adicionais pode ser benéfica para o abafamento do ruído, por exemplo, por acomodar a instalação de componentes de abafamento de ruído. Essa disposição permite que os componentes de abafamento do ruído fiquem expostos diretamente às ondas sonoras do fluido que circunda o dispositivo e, como tal, pode propiciar maior abafamento delas. De acordo com várias modalidades, os componentes de abafamento do ruído podem ficar em contato mecânico com o dispositivo e/ou o duto ou nenhum deles.

[0128] Similarmente, entre uma disposição de múltiplos dispositivos termoelétricos dentro do espaço de fluxo (por exemplo, dentro de um duto), em uma disposição em paralelo ou em série, componentes de abafamento do ruído podem ser dispostos entre porções de dois ou mais tais dispositivos. Por exemplo, disposições de múltiplos dispositivos termoelétricos de acordo com a presente revelação podem incluir perfurações, um tubo de acesso ou furo aberto dentro da parede do duto imediato que produz uma ou mais passagens para outras câmaras ou outros componentes de abafamento do ruído. Tais disposições podem também ser adaptadas para abafar o ruído de outras acústicas para regiões localizadas entre os dispositivos termoelétricos que são dispostos em série (por exemplo, dispositivos termoelétricos localizados a montante e a jusante com relação um ao outro).

[0129] De forma geral, as geometrias dos modelos de aletas são configuradas para interromper o fluxo do fluido (isto é, pela formação das camadas limites do fluido) para aumentar a transferência do calor e, assim, exercer uma função no abafamento do ruído. Para um dado modelo de aletas, um banco de aletas pode ter alterações intermitentes ou periódicas na geometria das aletas ao longo da direção do fluxo do fluido (por exemplo, com veneziana, deslocado, perfurado, ondulado, etc.) e, assim, conter pequenas passagens de fluxo. Adicionalmente, o deslocamento das geometrias das aletas das aletas com conjuntos estreitos de aletas, tal como essa mostrada no exemplo ilustrativo da figura 9, pode produzir uma mudança distinta na área da seção transversal na direção do fluxo. Essas características podem ser efetivas no abafamento do ruído, por exemplo, pela dispersão, dissipação e interferência destrutiva das ondas sonoras. A superfície do invólucro pode também contribuir para o abafamento do ruído, por exemplo, refletindo as ondas acústicas de volta para dentro de um banco de aletas circundante, resultando em mais absorção da energia da onda. Em algumas modalidades, os componentes de abafamento do ruído podem ser inseridos dentro dos bancos de aletas, ao longo das aletas e conjuntos de aletas e no topo das aletas.

[0130] Para um dispositivo termoelétrico retangular ou cuboide de pequeno perfil, por exemplo, no contexto da conversão do calor de exaustão do motor para energia, o seguinte pode ser aplicável. Pode ser preferível que o fluxo do fluido transite entre tubos tendo uma determinada seção transversal (por exemplo, tubos redondos/circulares) - que podem ser típicos de sistemas de exaustão - e o próprio dispositivo termoelétrico em formato cuboide, através dos volumes de entrada e saída dentro do duto. Esses volumes de entrada e saída podem ser adaptados facilmente para funcionar como câmaras reativas tendo tubos projetados/muito estendidos para dentro de câmaras para maiores efeitos reativos. Para obter um fluxo balanceado lateralmente através do dispositivo termoelétrico (por exemplo, TEG), os eixos geométricos da tubulação de entrada e de saída podem ser dispostos, de modo a ficarem deslocados um do outro. Essa característica pode ser conducente para o abafamento reativo, desde que essa configuração reduz a capacidade do som ser transmitido diretamente do cano de entrada para o cano de saída, resultando em maiores distâncias para as ondas percorrerem e oportunidades das ondas serem desviadas e dissipadas.

[0131] Em algumas modalidades, as técnicas de abafamento de ruído descritas aqui podem ser aplicáveis em um sistema de silenciador termoelétrico para uma exaustão de automóvel, que gera uma assinatura de ruído através de uma faixa de frequências muito ampla, por exemplo, devido a uma ampla faixa de velocidades do motor do automóvel. A figura 22 apresenta uma modalidade para essa aplicação, ilustrando um dispositivo termoelétrico localizado dentro do espaço contido por um silenciador. Dessa forma, as modalidades descritas aqui têm potencial para atingir um abafamento do ruído de banda larga como um silenciador de automóvel e utiliza técnicas similares de abafamento de ruído e aspectos como esses encontrados em silenciadores reativos e absortivos, incluindo esses listados na figura 21.

[0132] Em operação, o gás de exaustão e as ondas sonoras entram no tubo de entrada 100 a partir do sistema de exaustão conectado no motor. A exaustão imediatamente entra em uma câmara de expansão 101 que é adaptada para atenuar o som, da mudança na área da seção transversal; a onda concentrada entrando na câmara a partir do tubo de entrada expande na câmara de expansão, tendo um volume comparativamente maior e dissipa a sua energia através de áreas de superfície maiores. Dessa forma, esse maior volume reduz a intensidade geral da onda.

[0133] As ondas sonoras se expandem para fora na câmara de expansão até que elas alcançam as paredes laterais, onde o som da exaustão é ainda atenuado pela reflexão dos pulsos de som para fora da parede lateral do silenciador, seguido pela interferência destrutiva com as ondas próximas subsequentes. A interferência destrutiva é um método reativo de abafamento que ocorre quando uma onda sonora interfere com outra onda sonora de magnitude e fase igual ou variada e é tipicamente atingida em faixas de frequência mais baixas (< 500 Hz) forçando o gás a atravessar uma série de câmaras, tubos e passagens. A protuberância do tubo de entrada 100 ainda ajuda na atenuação permitindo que algumas ondas propaguem em uma direção oposta a essa do fluxo do gás e reflitam e dissipem contra a frente da câmara, também permitindo uma oportunidade adicional para a interferência destrutiva.

[0134] Uma contração da área da seção transversal ocorre à medida que o gás de exaustão entra no dispositivo e percorre através das formações de aletas 55. O modelo das aletas mostrado aqui é genérico, mas pode ser adaptado para atingir alta transferência de calor e propriedades de atenuação do ruído projetando mudanças frequentes na área da seção transversal e pequenas passagens (em uma escala de mini e microcomprimento) à medida que as ondas sonoras propagam através do dispositivo termoelétrico, resultando na dispersão da onda, dissipação e interferência destrutiva. Tais mudanças na área da seção transversal podem incluir qualquer projeto adequado de aletas, tal como esses apresentados anteriormente na figura 9, bem como perfuradas, escalonadas, com venezianas e aletas onduladas, entre outros tipos. Adicionalmente, a turbulência do fluxo e a interrupção da camada limite podem também dissipar a energia da onda sonora. Esse tipo de atenuação pode ser particularmente adequado para o abafamento de frequências baixas a médias.

[0135] Enquanto o fluxo de exaustão se movimenta através das formações de aletas, as ondas sonoras são frequentemente dispersas pelas aletas e refletidas para fora da superfície externa do invólucro, direcionando as ondas sonoras para fora em direção à periferia do dispositivo e em direção ao perímetro do duto 104 (por exemplo, o topo do duto, fundo e paredes laterais). Dessa forma, o perímetro 104 do duto pode ser forrado com componentes de abafamento de ruído 102 (por exemplo, material de absorção de som incluindo fibra de vidro) para abafar o som da exaustão, como mostrado nas figuras 22 e 23a. Qualquer material de absorção de som pode usar material absortivo que reduz a magnitude da vibração para todas as frequências, particularmente em frequências mais altas (> 500 Hz) e são tipicamente usados em silenciadores absortivos. O material de absorção do som pode também funcionar como um isolador de calor adequado que reduz a perda de calor através das paredes do duto e ainda aumenta o desempenho térmico do dispositivo termoelétrico. (Com o intuito de visibilidade, porções do duto não são mostradas nas figuras no topo e alguns dos lados e algum material de absorção do som também não é mostrado no topo e lados esquerdo acima do dispositivo. Também, a entrada e a saída do refrigerante para e do duto não são expressamente mostradas nas figuras para simplicidade adicional da figura.)

[0136] Quando o fluxo do gás de exaustão sai da formação de aletas do dispositivo termoelétrico, uma expansão da área da seção transversal ocorre em uma segunda câmara reativa 103. O fluido de exaustão flui para dentro da segunda câmara reativa 103 antes de sair através do tubo de saída, que pode ter qualquer forma de seção transversal adequada (por exemplo, circular, retangular, poligonal, etc.), onde o fluido experimenta uma contração da área da seção transversal. A câmara reativa 103 pode também atenuar os sons de baixa frequência refletindo os pulsos de som para fora da parede traseira do silenciador. Essa reflexão das ondas cria a interferência destrutiva. O tubo de saída pode também se projetar para dentro da câmara (não mostrado nas figuras), o que pode ainda produzir uma barreira para que as ondas sonoras não saiam do sistema.

[0137] Ao invés de, ou além de, os componentes de abafamento do ruído 102 ficarem localizados entre o dispositivo termoelétrico e a superfície interna do duto (por exemplo, ao longo do comprimento de fluxo do dispositivo), como mostrado nas figuras 22 e 23a, componentes alternativos de abafamento do ruído podem ser usados, por exemplo, incluindo uma ou mais passagens de fluido, câmaras, paredes ou paredes perfuradas. A figura 23b mostra câmaras dentro do espaço interior do duto que formam duas câmaras reativas estendidas 120 (regiões superior e inferior do duto), estendidas da câmara de entrada da expansão 101 para a câmara de saída 103.

[0138] Similarmente, em outra modalidade, uma câmara reativa estendida para a câmara de saída da expansão 103 pode ser formada simplesmente abrindo a câmara estendida para a câmara de saída 103 e colocando parede em uma abertura para a câmara de entrada 101. Uma modalidade variada é mostrada na figura 23c, que representa duas câmaras reativas isoladas 121 nas regiões superior e inferior do dispositivo, que são construídas para interagir acusticamente com as ondas sonoras tendo percorrido entre as aletas no comprimento médio.

[0139] Para certas modalidades, como mostrado na figura 23d, o sistema pode incluir aspectos adicionais, por exemplo, onde múltiplos dispositivos termoelétricos são dispostos dentro de um duto 104. Os múltiplos dispositivos 50 (não necessariamente cuboides) dentro do duto 104 - ou outros dispositivos termoelétricos 128 que podem ser inseridos dentro de um espaço do duto 104 - podem ser dispostos dentro de uma câmara de alojamento maior 125, que pode também encaminhar o gás da entrada do alojamento, através do duto 104 com os dispositivos termoelétricos 50 ou 128 e para a câmara do alojamento. A câmara do alojamento pode prover um tubo de saída do gás 125, opcionalmente perfurado, que pode opcionalmente se projetar substancialmente para dentro da câmara do alojamento e ser orientado para ficar substancialmente paralelo ao duto # e se estender sobre uma porção substancial da distância da câmara.

[0140] Em algumas modalidades, os volumes de entrada e saída entre os tubos de exaustão e o dispositivo termoelétrica que são formados pelo duto que contém o dispositivo podem ser estendidos para incluir uma variedade de componentes do silenciador. Como as construções do silenciador e do alojamento são frequentemente de forma cuboide, aspectos do sistema do silenciador termoelétrico descrito aqui podem ser facilmente compatíveis com eles. Abordagens similares podem ser usadas para dispositivos para depois do tratamento (por exemplo, conversor catalítico, filtro particulado de diesel, etc.). Como apresentado aqui, os sistemas e métodos de acordo com a presente revelação podem reduzir a queda de pressão da transição do fluxo e/ou o volume total confinado pelo dispositivo e silenciador (e/ou do dispositivo para depois do tratamento) que de outra forma ocorreria com componentes separados. Como um exemplo, a figura 25 representa uma pilha horizontal de 8 dispositivos para entregar 4 kW de força dentro de um duto que pode também utilizar componentes e aspectos de abafamento de ruído para servir como um sistema de silenciador termoelétrico. O dispositivo para depois do tratamento (por exemplo, catalisador) fica localizado na entrada, o que facilita a transição do fluxo de entrada para o duto enquanto apresentando, além de tudo, um pacote muito compacto.

[0141] O sistema de silenciador termoelétrico revelado (com entrada ou saída depois do tratamento opcional) tem o potencial de reduzir significativamente o tamanho geral, o peso, a contrapressão e o custo de um sistema de exaustão com recuperação de calor, quando comparado com sistemas onde o dispositivo termoelétrico e o silenciador de outra forma seriam separados. Pela combinação efetiva de um dispositivo termoelétrico e um silenciador, essa abordagem reduz e/ou pode eliminar a necessidade de um silenciador separado.

[0142] Pode ser verificado que qualquer dispositivo(s) termoelétrico adequado pode ser colocado dentro de um espaço de fluxo apropriado, opcionalmente fechado (por exemplo, tubo de exaustão, duto, silenciador, etc.) e não são limitados às modalidades específicas dos dispositivos termoelétricos descritos aqui. Por exemplo, a descrição acima relacionada com um silenciador termoelétrico incorporando várias modalidades do dispositivo termoelétrica dentro de um duto pode ser aplicável para qualquer dispositivo termoelétrico apropriado (por exemplo, substancialmente cilíndrico, cuboide, combinação de ambos, entre outros), pelo que uma porção substancial, se não a integridade, do dispositivo termoelétrico e qualquer componente(s) termicamente condutivo (por exemplo, aletas ou outras geometrias) que se estende dele é disposta dentro do espaço de fluxo (por exemplo, em contato com o fluido circundante), enquanto opcionalmente permanecendo solto no duto. Por exemplo, uma pluralidade de dispositivos termoelétricos 128 (por exemplo, em formato cilíndrico é mostrada aqui) pode ser disposta em uma disposição, como mostrado na figura 23e, pelo que os componentes de abafamento do ruído 102 podem ficar localizados entre o dispositivo termoelétrico e a superfície interna do duto (por exemplo, ao longo do comprimento de fluxo do dispositivo). Ou, outros tipos de dispositivos termoelétricos podem ser colocados dentro de um espaço de fluxo do fluido, como apropriado.

[0143] Similarmente, deve ser entendido que modalidades de dispositivos termoelétricos da presente revelação podem ser integradas ou de outra forma utilizadas com qualquer sistema termoelétrico. Como mencionado acima, modalidades do dispositivo termoelétrico podem ser colocadas, por exemplo, dentro do espaço de fluxo de um duto ou dispositivo para depois do tratamento ou silenciador. Contudo, os dispositivos termoelétricos descritos aqui podem ser incorporados em outros tipos de sistemas de temperatura relativamente alta.

[0144] Em conjunto com os sistemas/dispositivos termoelétricos apresentados aqui, ou para outras aplicações que não utilizam termoelétricos, pode ser benéfico utilizar um trocador de calor conforme que corresponde com, se comunica termicamente com e desliza ao longo de uma estrutura (por exemplo, camada(s) termoelétrica, trocador(s) de calor interno) que o trocador de calor circunda ou fica de outra forma adjacente. Em várias modalidades, esse trocador de calor conforme pode ser simplesmente uma superfície conforme, lâmina ou parede, cuja superfície externa foi adaptada para aumentar a transferência de calor com o ambiente (por exemplo, via uma pluralidade de aletas estendidas do invólucro). O tipo e o projeto da aleta podem ser utilizados, de modo a não restringir muito a capacidade do trocador de calor de substancialmente corresponder com e executar como a aplicação particular à mão exige. (Mais sobre aletas para lâminas conforme ou invólucros são discutidos nas seções prévias.) Em algumas modalidades, de acordo com os aspectos descritos aqui, o trocador de calor conforme é um invólucro conforme que circunda uma ou mais camadas termoelétricas e/ou trocadores de calor adicionais.

[0145] Embora aspectos desse trocador de calor conforme possam incluir a lâmina da base de um invólucro ou outros aspectos seu, incluindo os componentes de abafamento do ruído na proximidade do trocador de calor, certos elementos não são necessários para todas as modalidades da presente revelação. Em alguns casos, a estrutura tendo uma forma com a qual o trocador de calor conforme corresponde não tem que ser camadas termoelétricas, mas pode incluir qualquer estrutura adequada, incluindo uma que ela própria mude a forma.

[0146] Além disso, embora a superfície da estrutura possa ser conectada em um invólucro, tal conexão não é necessária para várias modalidades. Ademais, não é necessário em cada modalidade que o deslizamento entre os componentes seja causado pela expansão térmica da superfície conforme ou qualquer componente(s) no qual a superfície esteja acoplada.

[0147] A pressão compressiva que faz com que o trocador de calor corresponda com e faça interface com uma estrutura adjacente pode ser produzida por um vácuo (por exemplo, despressurizado da pressão atmosférica) em um ou mais lados ou outro método. Por exemplo, uma porção da superfície pode ser mecanicamente puxada (por exemplo, criando tensão) ou um diferencial de pressão adequado pode ser gerado através do trocador de calor. Um diferencial de pressão pode ser obtido por métodos diferentes de via o vácuo, por exemplo, a pressão do ambiente circundante pode ser aumentada para acima da pressão atmosférica, quer sob o mar ou dentro de um componente pressurizado, contêiner/recipiente, ou máquina, entre outros.

[0148] O trocador de calor conforme pode também transferir o calor de forma intermitente ou com efetividade térmica variável para a estrutura adjacente devido à variação das pressões compressivas ou variação de qualquer substância da interface - térmica, antiatrito ou de outra forma (isto é, bloco de grafite, fluido, graxa, óleo, etc.) - que possa estar entre os dois.

[0149] Em conjunto com os sistemas/dispositivos termoelétricos apresentados aqui, ou para outras aplicações que não utilizam os termoelétricos, uma chave térmica de estado sólido pode reduzir a capacidade de um membro estrutural conduzir o calor (por exemplo, reduzir a condutividade térmica efetiva do membro estrutural) quando a sua temperatura se eleva acima de um dado valor. Essa capacidade da condutividade térmica ser modulada pode propiciar aplicações com controle operacional, tal como de modo a proteger os componentes contra o superaquecimento. Uma aplicação onde as modalidades de uma chave térmica podem ser incorporadas é em um trocador de calor, em que a condutividade térmica efetiva do trocador de calor pode ser reduzida em resposta a uma elevação na temperatura do trocador de calor acima de um determinado limiar ou valor de corte.

[0150] Tal trocador de calor incorporando uma chave térmica pode ser usado para proteger o material(s) termoelétrico em aplicações de temperatura relativamente alta onde o material(s) termoelétrico é incapaz de operar acima de uma temperatura limite sem falhar. Aqui, o trocador de calor transfere o calor para o material(s) termoelétrico sensível à temperatura, contudo, o trocador de calor pode reduzir a sua condutividade térmica efetiva perto da interface com o material(s) termoelétrico. Dessa forma, a temperatura do material(s) termoelétrico pode permanecer em temperaturas abaixo da temperatura limite, para sua proteção. Embora, em alguns casos, a condutividade térmica efetiva do trocador de calor seja reduzida, os termoelétricos podem ainda ser capazes de executar a sua função, desde que a chave térmica incorporada no trocador de calor pode ser configurada para transferir ainda um pouco do calor para e dos termoelétricos acima da temperatura limite.

[0151] Como mencionado acima, muitos materiais termoelétricos não são capazes de executar em uma maneira adequada em temperaturas excessivamente altas (por exemplo, qualquer ponto entre 500 a 650 graus C e acima é típica) e podem ser protegidos utilizando uma tecnologia de chave térmica de estado sólido muito fina, descrita aqui, que pode ser integrada em qualquer trocador de calor adequado, por exemplo, na sua base

[0152] Uma função básica das chaves térmicas de acordo com a presente revelação é reduzir a condutividade térmica fazendo com que o fluido sofra uma mudança de fase. O fluido pode mudar o estado de um líquido para um gás (por exemplo, em uma temperatura de ebulição ou vaporização ou evaporação) correspondendo com uma temperatura limite desejada. Em um estado gasoso, a maior parte dos fluidos exibe condutividades térmicas muito mais baixas do que no estado líquido.

[0153] Quando implementado em sistemas descritos aqui, esse fluido pode ficar contido adequadamente nas passagens (por exemplo, canais, minicanais, microcanais, ranhuras, vãos, entre outras opções) dentro de um membro sólido, em que a mudança da condutividade térmica efetiva do fluido é desejada. A construção e a localização das passagens podem depender da aplicação, porém não são limitadas a qualquer configuração ou aplicação estrutural particular.

[0154] Para aplicações envolvendo trocadores de calor do lado quente para termoelétricos, em uma variedade de modalidades, uma chave térmica fina pode ser incorporada dentro de uma superfície interna da lâmina da base ou placa 61 do trocador de calor do lado quente, como referenciado na figura 26.

[0155] Como mostrado na figura 27, pequenas passagens, tal como microcanais 112, podem ser formadas na lâmina da base ou placa 61, cheias com um fluido apropriado ou composição de fluido, e fechadas prendendo uma lâmina de cobertura fina 110 sobre a superfície acanalada. Aqui, nessa modalidade ilustrativa, os microcanais são cauterizados na lâmina da base 61.

[0156] As figuras 28a e 28b mostram seções transversais parciais dos canais de fluido fechados. Aqui, nessa modalidade ilustrativa, uma composição de fluido é fechada dentro de microcanais de uma chave térmica e a composição do fluido é mostrada mudando o estado e a condutividade. As figuras 28a e 28b também mostram uma comparação conceitual da chave térmica antes e depois que ela muda o estado, correspondendo com uma condutividade mais alta na sua fase líquida e uma condutividade mais baixa na sua fase de vapor, respectivamente.

[0157] Em várias modalidades, a formação de canais na lâmina da base pode ser realizada através da usinagem mecânica, cauterização química ou estampagem, entre outros. Para um trocador de calor de metal, a fixação da lâmina fina na superfície pode ser realizada através de uma variedade de métodos incluindo solda forte, ligação por difusão, soldagem, entre outros. Enquanto incorporando uma chave térmica, a base do composto e as lâminas finas podem ser configuradas, tal que a espessura geral é ainda fina o suficiente para funcionar como um invólucro conforme. Os microcanais oferecem uma abordagem compacta muito fina para utilizar a chave térmica e pode ser feita para ser muito rasa, minimizando ou de outra forma reduzindo o comprimento da trajetória da condutância térmica para transferir o calor, o que pode ser desejável.

[0158] Ao invés de formar microcanais, uma variedade de outras modalidades pode ser utilizada. Por exemplo, uma chave térmica pode incluir uma depressão formada dentro da base ou lâmina da cobertura do invólucro no qual uma tela fina ou armação é colocada entre eles, de modo a suportar a pressão(s) interfacial (e/ou um vácuo parcial dentro das passagens de fluido) enquanto permitindo que o fluido migre ou escorra por todo o volume do fluido.

[0159] Em várias modalidades, o fluido dentro das passagens pode ficar contido em um volume de passagem fechada, pelo que a pressão da passagem pode ser ajustada ou sintonizada para mudar a temperatura do ponto de ebulição do fluido (isto é, a temperatura limite ou de corte da chave).

[0160] Embora, em alguns casos, o fluido possa residir inteiramente dentro do trocador de calor, em outra modalidade, um tubo (por exemplo, tubo capilar) pode ser fixado na passagem, de modo a estender a passagem e o fluido fora do trocador de calor, para facilidade de acesso para enchimento com o fluido (por exemplo, para reabastecimento ou manutenção) e pressurização ou despressurização da passagem.

[0161] Outra modalidade pode incluir um bulbo 111, como mostrado na figura 26, que adiciona mais volume nas passagens de fluido, que aumenta a versatilidade do projeto com essa abordagem. Embora a figura 26 mostre o bulbo dentro do invólucro, outras modalidades podem utilizar o bulbo fora do invólucro. Esses apêndices, em algumas modalidades, podem ser relativamente rígidos para suportar pressões altas, baixas ou do vácuo. Dentro do bulbo rígido, outras modalidades podem incluir um diafragma compressível cheio com um fluido diferente (ou componente de funcionamento similar), que reduz o seu volume em resposta ao fluido expandindo à medida que o fluido muda de estado.

[0162] Em outras modalidades, o bulbo pode ser flexível para acomodar o fluido em expansão quando ele transita de líquido para gás. Adicionalmente, um bulbo flexível é capaz de equilibrar a sua pressão da passagem dentro para a pressão externa; consequentemente, para um bulbo dentro de um invólucro a vácuo para o dispositivo termoelétrico, o nível da pressão do vácuo dentro do invólucro pode ser sintonizado apropriadamente para ajustar a pressão da passagem da chave térmica e, por sua vez, a temperatura de corte da chave.

[0163] Em certas modalidades, uma pluralidade de chaves térmicas separadas com ou sem bulbos (ou extensões de tubo) pode ser disposta dentro de um trocador de calor ou lâmina. Em várias modalidades, uma chave pode ser posicionada em ou perto da região de entrada do trocador de calor e chaves adicionais podem ficar localizadas ao longo de outras regiões do trocador de calor. A chave(s) pode responder adequadamente quando a temperatura do gás quente flui através do dispositivo, ou do trocador de calor do fluido, de uma extremidade (entrada), perdendo calor e reduzindo a temperatura, para a outra (saída). Nesse caso, chaves térmicas podem ser usadas para fechar a entrada, pela ativação antes dessas chaves que estão localizadas a jusante. Também, algumas chaves térmicas dentro da pluralidade podem ser ajustadas para ativar em temperaturas limites diferentes do que outras, correspondendo com materiais termoelétricos diferentes e suas sensibilidades de temperatura diferentes.

[0164] Uma variedade de fluidos pode ser usada para a chave térmica, incluindo sódio e potássio e suas ligas, tal como NaK, entre outras. Essas substâncias têm condutividades térmicas do líquido substancialmente altas e pontos de ebulição na faixa de 500 a 650 graus C para pressões de vácuo - a faixa de temperatura apropriada para proteger os termoelétricos para aplicações de exaustão do motor. Em outras modalidades, misturas de fluido com mais do que um tipo de fluido podem ser usadas para ajustar o desempenho da chave térmica. Os fluidos podem também ser puros, binários, terciários, entre outras composições de fluido.

[0165] Para um dispositivo termoelétrico de exaustão do motor, as chaves térmicas descritas aqui consideram desnecessária uma passagem de desvio do gás de exaustão volumosa ativada por um amortecedor de liga/desliga, que foi a solução proposta na indústria para os sistemas termoelétricos convencionais para proteger os materiais termoelétricos. A compacidade inerente do dispositivo termoelétrico, a chave térmica (que elimina um desvio separado) e a integração do material de abafamento do silenciador (que pode eliminar um silenciador separado) tornam essa tecnologia de dispositivo e seus sistemas associados atrativos para aplicações em veículos.

[0166] Em conjunto com os sistemas/dispositivos termoelétricos apresentados aqui, ou para outras aplicações que não utilizam termoelétricos, um composto de interface térmica é revelado. O composto de interface térmica inclui duas ou mais substâncias que podem melhorar o contato da interface térmica (por exemplo, condutividade térmica efetiva) entre duas superfícies deslizantes do que com somente uma substância ou nenhuma. Uma aplicação que pode ter tais superfícies deslizantes, e onde o composto da interface térmica pode ser incorporado, está dentro de uma modalidade de um dispositivo termoelétrico.

[0167] A abordagem convencional para reduzir a resistência do contato térmico entre as superfícies deslizantes dos componentes é introduzir um material de interface térmica 84 no meio das superfícies, tais como uma folha ou bloco de grafite conforme, folha de cobre, outras folhas de metal, bloco de nanotubo de carbono, graxa térmica, entre outros. Os materiais sólidos da interface térmica podem pelo menos parcialmente corresponder com e ajudar a ligar os vãos que existem entre as superfícies deslizantes e tipicamente têm condutividades térmicas melhores dentro do sólido do que um líquido térmico ou graxa; entretanto, materiais sólidos de interface térmica introduzem dois lados de contato da interface, o que pode inerentemente introduzir mais resistência de contato térmico e pode diminuir significativamente o benefício da folha de interface térmica. Embora uma substância de interface líquida ou de graxa tipicamente proporcione um contato mais desejável com as superfícies (por exemplo, menor resistência de contato térmico), se aplicada sozinha em uma interface que tem vãos significativos, a menor condutividade térmica do líquido ou graxa pode não resultar em melhor desempenho térmico do que uma folha sólida.

[0168] As abordagens de acordo com a presente revelação para o composto da interface sólida térmica usam uma combinação de um material sólido conforme com um líquido ou graxa em qualquer um ou ambos os lados da folha para reduzir a resistência da interface térmica geral entre as duas superfícies deslizantes - em outras palavras, resultando em uma maior condutividade térmica efetiva através da interface das duas superfícies do que com apenas uma das substâncias (por exemplo, a folha ou a graxa). Conforme, nesse caso particular, é em referência ao material tendo maiores propriedades elásticas do que os componentes sólidos que compõem a interface (isto é, localizada em qualquer lado do material) e imprensam a folha conforme. O material conforme ou a folha pode ligar os vãos maiores entre as duas superfícies deslizantes que podem ser na ordem de mini a microescala, enquanto o líquido adere nas superfícies e pode ligar os vãos na ordem de micro a nanoescala. O segundo componente não tem de permanecer líquido em todos os momentos, entretanto. Uma substância que muda a fase de sólido para líquido no momento que o dispositivo alcança uma condição de operação desejada também seria suficiente, tal como um filme de estanho ou solda.

[0169] Essa abordagem do composto da interface térmica também reduz a possibilidade de ‘bombeamento para fora’ do líquido durante o ciclo térmico, que resulta no líquido migrando para fora da interface deixando os vãos de ar, devido às deformações térmicas cíclicas das superfícies da interface durante o ciclo térmico.

[0170] Uma modalidade pode incluir uma folha de grafite conforme com uma camada fina de graxa em ambos os lados da folha. Experimentos foram conduzidos comparando essa modalidade com uma única folha de grafite e os resultados mostraram que a resistência geral do contato térmico pode ser reduzida para até 40 a 50 por cento em baixas pressões de contato de 103,4 kPa (15 psi), quando comparado com os sistemas onde a folha foi usada sem a graxa (isto é, composição interfacial). Para pressões de contato mais altas, a redução percentual na resistência de contato térmico diminui.

[0171] Embora alguma referência aos materiais, construção e fabricação de uma variedade de modalidades tenha sido mencionada nas seções prévias, atenção particular e detalhes são fornecidos aqui descrevendo a fabricação do invólucro a vácuo conforme e a sua montagem com o dispositivo termoelétrico restante quando relacionado com a forma semelhante a um cuboide retangular de pequeno perfil. Para essa abordagem, embora muitos projetos para os processos de fabricação e de montagem existam e possam ser adequadamente utilizados, somente um número de exemplos representativos é apresentado aqui.

[0172] Uma ampla variedade de materiais de invólucro pode ser utilizada incluindo metais e certos plásticos (dependendo da temperatura do fluido quente na aplicação), entre outros. Entretanto, metais resistentes à corrosão podem ser preferidos, de modo a suportar os fluxos de exaustão do motor corrosivos e oxidantes de alta temperatura por longos períodos de tempo (por exemplo, muitos anos).

[0173] Em algumas modalidades, a lâmina do invólucro e/ou os materiais da aleta podem incluir ácido oxidável, ligas baseadas em níquel (por exemplo, inconel), molibdênio e titânio, entre outros. A lâmina do invólucro e as aletas podem ser finas o suficiente para produzir um grau desejável de concordância elástica sob vácuo, enquanto também produzindo resistência à corrosão considerável ao gás de exaustão da combustão e resistência, o que pode ser particularmente útil para a lâmina da base.

[0174] Métodos de união entre as aletas e o invólucro podem incluir solda forte, caldeamento e ligação por difusão, entre outros.

[0175] Como mostrado antes, a figura 10 mostra um exemplo conceitual da concordância descrita acima, para superfícies da camada termoelétrica. Adicionalmente, experimentos foram conduzidos que verificam a concordância de tal estrutura semielástica, incluindo um protótipo de um dispositivo termoelétrico, similar à forma na figura 19.

[0176] Para fabricar a forma do invólucro, uma modalidade pode incluir o caldeamento de uma caixa em formato de cuboide, para dentro da qual os componentes internos são inseridos. Em um exemplo, um projeto de invólucro de projeto de caixa similar, como mostrado na figura 19, foi fabricado para um protótipo termoelétrico, incluindo a lâmina da base conforme 61 soldada na parede lateral 62 ou armação. Depois que esse invólucro de caixa foi feito, os componentes internos (por exemplo, trocador de calor, materiais termoelétricos, etc.) foram inseridos na extremidade aberta da caixa, que foi subsequentemente emparedada e vedada em uma maneira similar. Esse projeto de protótipo e construção demonstrou sucesso sendo hermético com um alto vácuo produzido nele. Adicionalmente, esse protótipo termoelétrico funcionou como planejado incluindo o invólucro conforme funcionando apropriadamente como revelado aqui - para temperaturas do ar de fluxo do gás até 600 graus C (que foi o limite que o teste suportou) e provavelmente temperaturas mais altas. Esse protótipo tem uma área de cobertura menor do que essa para um carro de passageiros, mas dimensões de altura similares.

[0177] A forma de cuboide de pequena altura das modalidades descritas permite outras abordagens de fabricação que são muito mais fáceis, entretanto. Uma variedade de modalidades pode incluir duas lâminas largas ou metades que são trefiladas ou estampadas para formar a altura relativamente rasa/profundidade dentro das lâminas da base 61 (sem uma parede lateral separada 62), similar a uma configuração de concha de molusco, como mostrado na figura 20 como vistas da seção transversal, que mostram duas opções formadas possíveis. As lâminas da base 61 para as regiões superior e inferior do invólucro podem ser trefiladas juntas na sua periferia, de modo que elas se encontram para formar uma interface que pode ser unida entre as duas lâminas da base ou metades, o que pode eliminar qualquer necessidade da inclusão de uma parede lateral separada do invólucro.

[0178] Os internos - por exemplo, trocador de calor refrigerante 64, camadas termoelétricas 63, suportes estruturais 69 e outros componentes (não explicitamente mostrados) residem dentro do espaço fechado pelas duas metades.

[0179] Abordagens de união possíveis podem incluir caldeamento, solda forte, soldagem, entre outros. O acoplamento mecânico por outros métodos de fixação, travamento, aperto, tapamento, entre outros pode ser utilizado junto com uma gaxeta ou outros métodos de vedação.

[0180] A abordagem da concha de molusco pode ser vantajosa, já que essa configuração não envolve tantas partes quanto nas outras configurações (por exemplo, somente as metades superior e inferior podem ser utilizadas). Na abordagem da concha de molusco, a junção entre as partes unidas não é longa, assim, o risco de falha na junta é reduzido. Ademais, o vácuo dentro do invólucro pode ser puxado depois que o invólucro está vedado.

[0181] Tendo assim descrito vários aspectos das várias modalidades da presente revelação, deve ser verificado que várias alterações, modificações e melhorias prontamente ocorrerão para aqueles versados na técnica. Tais alterações, modificações e melhorias são planejadas como parte dessa revelação e são planejadas para ficarem dentro do espírito e do escopo da invenção. Dessa forma, a descrição precedente e os desenhos são por meio de exemplo somente.

Claims (22)

1. Dispositivo termoelétrico, compreendendo: pelo menos um trocador de calor refrigerante (coolant heat exchanger) (64), tendo um primeiro lado e um segundo lado oposto; uma primeira camada termoelétrica (63) em comunicação térmica com o primeiro lado do pelo menos um trocador de calor refrigerante (64); uma segunda camada termoelétrica (63) em comunicação térmica com o segundo lado do pelo menos um trocador de calor refrigerante (64); e um invólucro (51) circundando a primeira e segunda camada termoelétrica (63) e o pelo menos um trocador de calor refrigerante (64), o invólucro (51) fornecendo uma barreira para a primeira e segunda camadas termoelétricas (63) e o pelo menos um trocador de calor refrigerante (64) a partir de um fluido localizado fora do invólucro (51), CARACTERIZADO pelo fato de que uma porção do invólucro (51) é adaptada para conduzir calor e fica em comunicação térmica com a primeira e segunda camadas termoelétricas (63) e em que o pelo menos um trocador de calor refrigerante (64) é móvel em relação a uma superfície interna do invólucro (51) afim de acomodar a expansão térmica do pelo menos um trocador de calor refrigerante (64) e do invólucro (51).

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o invólucro (51) compreende lâminas de base (61) superior e inferior em comunicação térmica com a primeira e segunda camadas termoelétricas (63), respectivamente, e em que porções das lâminas de base (61) superior e inferior se conformam elasticamente à primeira e segunda camadas termoelétricas (63) para alcançar contato térmico e compensar dinamicamente a expansão térmica.

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda uma pluralidade de aletas (55) que se estendem a partir de uma superfície exterior das porções conformáveis do invólucro (51), a pluralidade de aletas (55) espaçadas uma da outra para que as aletas (55) individuais possam mover-se uma em relação à outra e permitir que as lâminas de base (61) superior e inferior se conformem elasticamente.

4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que a pluralidade de aletas (55) compreende filas repetidas de aletas de tira separadas tendo comprimento de fluxo curto, que está na direção do fluxo de fluido.

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o invólucro (51) compreende uma disposição em forma de concha, em que as lâminas de base superior e inferior são engatáveis e ligadas uma à outra e dispostas opostas e paralelas uma à outra.

6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o invólucro (51) compreende lâminas de base (61) superior e inferior em comunicação térmica com a primeira e segunda camadas termoelétricas (63), respectivamente, e uma parede lateral (62) que se estende pela distância entre as lâminas de base (61) superior e inferior.

7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a parede lateral (62) é complacente para compensar dinamicamente a expansão térmica.

8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que a parede lateral (62) é em forma semicircular.

9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende um material de interface térmica complacente (84) disposto entre o invólucro (51) e a primeira e segunda camadas termoelétricas (63) ou entre o pelo menos um trocador de calor refrigerante (64) e a primeira e segunda camadas termoelétricas (63) para compensar dinamicamente a expansão térmica.

10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a pressão no interior do invólucro (51) é mantida a uma pressão inferior à do exterior do invólucro.

11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda uma pluralidade de aletas (55) que se estendem a partir de uma superfície externa do invólucro (51) para melhorar a transferência de calor para o invólucro (51).

12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo termoelétrico (50) compreende ainda pelo menos um elemento de reforço em comunicação com a pluralidade de aletas (55) para adicionar reforço estrutural.

13. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que pelo menos uma porção do dispositivo (50) está adaptada para tratar emissões do fluido aquecido e funcionar como um dispositivo de pós-tratamento.

14. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo termoelétrico (50) compreende ainda uma pluralidade de aletas (55) dispostas em uma superfície externa do invólucro (51) do dispositivo termoelétrico (50) para melhorar a transferência de calor para o invólucro (51) e em que as aletas (55) funcionam como o dispositivo de pós-tratamento.

15. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende uma entrada (52) para o fluido refrigerante fluir para o trocador de calor refrigerante (64) e uma saída (53) para o fluido refrigerante fluir a partir do trocador de calor refrigerante (64), em que a entrada (52) e a saída (53) passam através do invólucro (51) em proximidade uma da outra para alcançar uma expansão térmica limitada entre as mesmas.

16. Sistema termoelétrico compreendendo: um duto (40) que define um espaço de fluxo que aloja o fluido conforme definido na reivindicação 1 o duto (40) , tendo uma entrada disposta para acomodar entrada de fluido no espaço de fluxo e uma saída disposta para acomodar saída de fluido para fora do espaço de fluxo; e CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo termoeléctrico (50) conforme definido na reivindicação 1 é disposto no espaço de fluxo.

17. Sistema termoelétrico, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda pelo menos um componente de amortecimento de ruído (102) ou dispositivo de pós-tratamento.

18. Sistema termoelétrico, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda uma pluralidade de aletas (55) dispostas numa superfície externa do invólucro (51) do dispositivo termoeléctrico (50) para melhorar a transferência de calor para o invólucro (51) e para amortecer ondas sonoras que viajam no espaço de fluxo.

19. Sistema termoelétrico, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que pelo menos um componente de amortecimento de ruído (102) está disposto dentro do espaço de fluxo entre uma porção do dispositivo termoelétrico (50) e uma superfície interior do duto (104).

20. Sistema termoelétrico, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um segundo dispositivo termoelétrico (128) disposto no espaço de fluxo, em que o dispositivo termoelétrico (50) e o segundo dispositivo termoelétrico (128) são configurados em arranjo em série ou em paralelo e em que o pelo menos um componente de amortecimento de ruído (102) está disposto entre o dispositivo termoelétrico (50) e o segundo dispositivo termoelétrico (128).

21. Sistema termoelétrico, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que o duto compreende uma câmara de expansão (101), uma câmara reativa (103) e uma parte média disposta entre a câmara de expansão (101) e a câmara reativa (103), em que o dispositivo termoelétrico (50) é disposto na porção média, e em que o fluido térmico flui através da entrada (100) para dentro da câmara de expansão (101), a câmara de expansão (101) tendo uma seção transversal maior do que a da entrada (100), e passa sobre o dispositivo termoelétrico (50) e entra na câmara reativa (103), antes de sair através da saída, a saída tendo uma seção transversal menor do que a câmara reativa (103).

22. Sistema termoelétrico, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que um componente de silenciador ou um componente de pós-tratamento é disposto em um volume de entrada (101, 120, 121) do espaço de fluxo no qual o fluido entra ou um volume de saída (103, 120, 121) do espaço de fluxo a partir do qual o fluido sai.

Images