CN101145595B - 基于热电效应的电能发生器 - Google Patents

Abstract

一种基于热电效应的电能发生器，其包括设置在两个管子(4，5)之间的热电材料层(1)，该两个管子以彼此不同的温度导引两个流动流体(F1，F2)。管子(4，5)中的每个管子都具有与热电材料层(1)的相应的侧面以热传导方式相接触的壁，以及其用于相应流动流体的通道的空腔由一种多孔材料(6)所充满，或者由隔膜(4f，5f)分隔成许多子通道，以便在流动流体(F1，F2)中的每个流动流体与相应管子(4，5)的壁之间，以及在所述壁与热电材料层的相应的侧面(H，C)之间获得大的热交换表面。

Description

基于热电效应的电能发生器

技术领域

本发明涉及基于热电效应的的电能发生器，本发明尤其涉及下述类型的电能发生器，该电能发生器包括：

-热电材料层，该层由热电材料制成的一系列元件而构造成或者由分布的若干热电单元而构造成；

-以与热电材料层的两个对置的侧面相平行且与它们相邻接的方式用于导引高温状态下的第一流动流体和低温状态下的第二流动流体的装置；

所述装置以这样的方式引导，即，产生从与第一流动流体相邻接的侧面穿过所述热电材料层向与第二流动流体相邻接的侧面的热传递，

以便在两个电气接点之间产生一电势差，所述接点与热电材料层的两个对置的侧面电气连接。

在本说明书和附加的权利要求书中，术语“热电材料层”应理解为是既指由热电材料制造的一对或多对元件，又指若干热电单元的配置，该单元包括在元件本身内，除了热电材料外，还有相应的电气连接触点，这些将在下面进行更详细的说明。

背景技术

以有效的方式来利用存在于两个流动流体之间的温度差，以便通过热电效应来产生电能的问题在过去已经着手进行了，但是至今没有以令人满意的方式加以解决。主要的困难是能否在电能产生过程中获得一个满意的效率。这可以参照图1中所示的简图来说明。在该图中，附图标记1表示热电材料层，该材料层有两个相对置的侧面H、C，该对置侧面分别由彼此之间具有相反方向的热流动流体F1和冷流动流体F2所叠盖。为了使热电材料层1获得最大工作效率，理想状态是由Ti表示的温度图所代表的状态。按照所述的理想状态，两种流体的每一种流体的温度在流动流体内在离开热电材料层1的不同距离处的各个位置上都保持恒定，以便使得全部温度突变ΔT发生在热电材料层1内的两个相对置的侧面H、C之间。但是，实际上，真正的温度图是由Tr表示的温度图，如同可看到的那样，通过热电材料层1所发生的温度突变是很小的，大部分温度变化实际上是通过两个流动流体中的每个流动流体的层流层L内发生的。

而附图2示出了附加板，作为替代形式，在具有固体-固体界面的热电发生器的情况下，其状态就接近理想状态。参看图2，附图标记1还表示热电材料层，而附图标记2和3则表示具有高的导热性的两个材料层，该两个材料层处于不同的温度下。再参看图2，用Ti所表示的温度图示出了与热电材料层的最佳利用相对应的理想的温度变化。如上所述，在上面的理想状态下，两个材料层2、3之间的全部温度突变ΔT发生在热电材料层1内。在图2中，用Tr所表示的温度可看作实际状态。如同可看到的那样，通过热电材料层发生的温度突变与存在于两个材料层2、3之间的温度差并不完全相同，但是几乎相等，通过2、3层中的每一层发生的温度变化实际上非常小。

发明内容

本发明的目的是提供在本说明书开始时指出的那种类型的电能发生器，也就是说，那种利用在两个流动流体之间的温度差的电能发生器，该两个流动流体叠盖在热电材料层的两个对置的侧面上，与具有固体-固体界面的热电发生器相比较，这种电能发生器能提供相当高的效率。

本发明的另一个目的是，提供一种上面提到的电能发生器，该发生器由比较简单并且成本较低的结构构造成。

本发明的再一个目的是，提供一种可以在很广范围内应用的电能发生器，它既可以具有平行顺流的流动流体(最好是方向相反的逆流流动流体)，也可以具有互相垂直的流动流体。

本发明的又一个目的是，提供上面确定的这种电能发生器，它可以配置成能产生较高效率并具有较小的外形尺寸结构，以及特别是它还能在以下情况中应用，此处该两个流动流体分别由在进入燃烧室的进口处的燃料混合物流和离开上述燃烧室的出口处的燃烧过的气体流所构造成。

为了实现所述目的，本发明的主题是在本说明书开始时提到的那种电能发生器，其特征在于，用来导引上述第一流体和上述第二流体的上述装置是由第一管和第二管构造成的，管子的壁与热电材料层的两个对置的侧面处于热传导接触状态，每个管子通道中的空腔都由多孔材料所占据，或者被隔膜分隔成多个子通道，以便在每个流动流体、相应的管子的壁与热电材料的相应的侧面之间获得较大的表面。

由于上述特征，虽然以流动流体操作，本发明的电能发生器也能适合在更接近于上面参看图2对于固体-固体界面型的发生器说明过的情况下工作。

导引每个流动流体的上述每个管子的壁都由具有高导热性的材料制成。

此外，在本发明的最佳实施例中，导引上述两个流动流体的热电材料层和两个管子都具有沿纵向部段的结构，以便将由连续的管子组成的每个管子通过中空的隔离件(由热绝缘材料制成)而互相隔开，而热电材料层也由连续的热电部段组成，这些部段是通过热绝缘材料制成的隔离件(或者通过气隙)而互相隔离的，以这样的方式即，热传递基本上只在两个上述管子的对向部段之间，穿过相应的热电部段发生，而基本上不会沿着每个管子的纵向发生。

本发明的另一个较优选的且较重要的特征在于，形成热电材料部段的材料在不同部段中是可以不同的，这种选择取决于工作温度的范围，通过这样的方式该材料的热电效率根据它所承受的温度值是最佳的。

在一个实施例中，热电材料层是由热电单元的分布所构造成的，每个热电单元由一系列的电串联和热并联连接的热电元件所构造成，不同的热电单元的触点可以根据用户的需要互相连接成串联或并联连接。

根据另一个实施例(该实施例是先前实施例的可供选择的替换方案)，热电材料层是由一系列由热电材料3成的元件所构造成的，以及将所述元件互相连接的电触点是由用来导引第一和第二流动流体的相同管子所构造成的，在此情况下，每个管子的壁由导电材料制成，或者涂敷有一层导电材料。

在后一个实施例的情况下，该处可以是一些设想的电能发生器的不同结构，在第一种结构中，两个管子的部段彼此之间相对交错设置，以便限定一个连续地通过热电材料层的不同的部段的螺旋形电路，或者，这些部段还可以由n型和p型半导体材料的元件形成。在第二种结构中，两个管子的部段彼此对向设置，以及其中设有电连接装置，该装置用来以这样一种方式在同一管子的两个相邻的部段中进行电气的相互连接，以便在这种情况下限定一个连续地通过热电材料层的不同的部段的螺旋形电路。

在上述第一实施例的情况下，热电材料层或热电材料层的部段是由许多热电单元形成的，每个热电单元包括各自的电触点，从而实现了简单化，即，用于两种流动流体的管子不再需要由导电材料制成或者被涂敷有导电材料，因为它们不再形成电路的一部分。它们改为保持其主要功能，即，在由它们导引的流动流体与热电材料层的相应的侧面之间提供效率高的热传递。由于上面涉及的简单化，利用热电单元的该最佳实施例既适合用于流体的平行流动的情况，又适合用于流动流体的互相垂直的情况。

根据本发明的另一个优选特征，该电能发生器的全部结构最好通过具有非常低导热性的材料层(例如硅补强剂)与外界相绝缘。

该电能发生器的结构可以这样地发展，以便采取不同于细长条状的直线结构，例如一种本身多次弯曲的结构。

附图说明

本发明的其他特征和优点可在下面参照附图的附加板所作的说明中出现，这些附图只是用来提供非限制性的实例，附图中：

图1和2分别示出了具有上面已经描述过的具有气体-固体界面和固体-固体界面的常规的热电发生器中的工作情况；

图3是本发明的第一个实施例的热电发生器的截面的示意的透视图；

图4示出了图3的一种变化形式；

图5是本发明第一个实施例的横截面示意图；

图5A是以透视图的形式示出的图5细节的放大的比例的示意图；

图6示出了在燃烧室预先配置方面与图5不同的一种变化形式；

图7示出了图5的另一种变化形式，其不同处在于，它用彼此相互成直角方向的两种流动流体来取代具有平行并相反方向的两种流动流体；以及

图8、9、10和11示出了本发明发生器的另外一些替代结构；

具体实施方式

参看图3，附图标记1表示作为一个整体的板形热电材料元件，该热电材料元件可以以任何一种的已知方法制造，它被设置在两个管子之间(或管子的部段之间，下面将对此将作详细描述)，该管子在所示出的实例中分别用附图标记4和5来表示，每个管子都是由具有高导热性的金属材料的挤压件构造成的。正如在附图中所看到的，每个管子4都有一外壁，该外壁限定两个主要平面和相对置的表面(分别是4a，4b和5a、5b)以及两个对置的纵向表面(分别是4c、4d和5c、5d)。所述壁限定出通道的空腔，该通道又借助多个相互垂直的隔膜4f和5f分隔成多个子通道4e和5e。上述结构趋向于在图1和图2中所示出的具有气体-固体界面和固体-固体界面的两种常规解决方法之间提供一种混合的解决方案。换句话说，本发明的热电发生器利用了存在于两种流动流体之间的温度差，而且预先设置了隔膜4f和5f，以便提供很大的热交换表面，该表面会产生更接近图2中所示温度曲线图的真实的温度曲线图Tr，而不是在图1中所示的温度曲线图。

图4示出了图3的一种变化形式，其中，每一个管子或管子的部段4、5只有外壁4a、4b、4c、4d，(同样也有5a、5b、5c、5d)，而不是呈现出具有分成许多子通道的通道空腔的挤压组件的形式。流体通道的空腔由多孔材料所充满，该多孔材料作为一个整体由附图标记6来表示，该材料例如是由具有高导热性的材料(铜、铝、二氧化硅等)制作的多孔材料，它与上述的外壁热接触。

图5示出了一优选实施例，其中，热电发生器是利用图3的方案获得的，但是用于第一流动流体F1的管子和用于第二流动流体F2的第二管以及热电材料层1都被沿纵向分隔成若干部段，它们中的每个分别用附图标记4、5和1来表示。用来引导流动流体F1的管子的连续部段4和用来引导流体F2的管子的连续部段5在每个部段和另一个部段之间都包括由热绝缘材料制成的中空隔离件7(见图5A)。

此外，在图5所示的实施例中，热电材料层的每个部段1都用热绝缘材料制作的隔离件8与邻接的部段分开。另一个可供选择的形式是，可以用简单的空气间隙来代替隔离件8。

另外，在图5中所示的实施例的特定情况下，每个热电部段1都由包括平面分布的电串联和热并联连接的热电元件9的阵列组成。热电单元的触点可以互相连接成串联连接或者并联连接。

具有将管子分隔成分开的部段4、5以及热绝缘材料制成的隔离件7的上述配置结构可以保证热传递只在对向的部段4、5之间，且通过相应的热电部段1垂直地进行(如图中看到的)，而沿着用来导引流动流体F1、F2的两个管子的任何一个管子的纵向基本上没有热传递。

图6与图5不同之处在于，电发生器可以以这样一种方式与任何已知类型的燃烧室10相连接，即，使得冷流动由在燃烧室10的入口处的燃料混合物流动所构成，而热流动则由在燃烧室10的出口处的燃烧过的气体所构成。当然，燃烧室可以安装有用来在该燃烧室10内进行点火的任何已知类型的装置。根据现有技术，燃烧室10也可以以微型燃烧室的形式实施，以便将它结合到尺寸减小的热电发生器中。

图7基本上与图5相似，其不同处只在于，管子4、5的部段应这样配置，以便引导相应的流动流体F1和F2沿互相垂直的方向流动。

图8至11示出了本发明的一实施例的替代配置结构，其中构想到使用由n型和p型半导体材料的元件交替地构成的热电元件来作热电部段1。在所述实施例的情况下，连接到每个热电部段1的两个对置侧面的电触点由管子4、5的相同部段构造成。在这种情况下，管子4、5的各个部段必须是由导电材料的壁构造成，或者无论如何要镀上一层导电材料。

在图8的情况下，管子4、5的各个部段以这样的方式彼此之间相对交错，即获得一个单螺旋形(serpentine)电路，该电路连续地横向穿过不同的热电部段1。

图9与图8的不同处在于，此处管子相结合的是参照图6所示的已经描述过的燃烧室10。

图10与图8的不同处在于，其中，管子4、5的各个部段彼此精确地对向和配对设置。在这种情况下，通过不同的热电部段的电连续性由电桥来保证，该电桥在管子4的两个彼此相邻的部段和管子5的彼此相邻的部段内连接在一起。优选的是将所述的电桥结合到隔离件7内。为此，在某些隔离件7(图10中的颜色较深部分)呈现出图5A中可以看到的结构，但它们已涂敷上一层导电材料。

最后，图11与图10的不同处仅在于，它构想到热电发生器与上面已经描述过的燃烧室相结合。

在所有上面讨论过的实施例中，热电部段和管子部段的数量可以是任何的。此外，可以设想到使用与长条状直线结构不同的结构，例如本身多次弯曲的结构。

如上所述，优选的是发生器的整个结构都用具有低的导热性的材料层(例如硅补强剂)与外界绝缘。

此外，如上所述，对于不同的热电部段根据各自的工作温度范围可以设想到使用不同的材料，以便对每个温度范围都能获得最佳的热电效率。

在具有上述构想到的实施例中，上述燃烧室10可以由能够将太阳能以热量形式传递给进入流体的任何装置所取代，例如一种通常称为“太阳能灶”的装置。

当然，在不偏离本发明原理的情况下，对于本文中只是作为实例所描述和图示的结构细节和实施例可以做出较大的变化，而不会脱离本发明的范围。

Claims (19)

1.一种电能发生器，包括：

-热电材料层(1)，该层由一系列热电元件构造成或者由分布的若干热电单元而构造成；

-以与热电材料层(1)的两个对置的侧面(H，C)相平行且与它们相邻接的方式用于导引高温状态下的第一流动流体(F1)和低温状态下的第二流动流体(F2)的装置(4，5)；

所述装置以这样的方式引导，即，产生从与第一流动流体(F1)相邻接的侧面(H)穿过所述热电材料层(1)向与第二流动流体(F2)相邻接的侧面(C)的热传递，

以便在两个电气接点之间产生一电势差，所述接点与热电材料层(1)的两个对置的侧面(H，C)电气连接，

所述发生器的特征在于，所述用来导引第一流动流体(F1)和第二流动流体(F2)的装置由第一管和第二管(4，5)构造成，该管的壁与热电材料层(1)的两个对置的侧面(H，C)呈热传导接触，每个管子(4，5)的通道的空腔由多孔材料(6)所占据，或者由隔膜(4f，5f)分隔成多个子通道(4e，5e)，

以便在每个流动流体(F1，F2)与相应管子(4，5)的壁之间，以及在所述壁与热电材料层(1)的相应侧面(H，C)之间获得大的热交换表面。

2.如权利要求1所述的电能发生器，其特征在于，每个所述管子(4，5)都由具有高导热性的材料制成。

3.如权利要求1所述的电能发生器，其特征在于，所述管子(4，5)设计成用于沿两个互相平行的方向导引上述流动流体(F1，F2)。

4.如权利要求3所述的电能发生器，其特征在于，上述管子(4，5)设计成用于沿两个互相平行并且互相相反的方向导引上述流动流体(F1，F2)。

5.如权利要求1所述的电能发生器，其特征在于，上述管子(4，5)设计成用于沿两个互相垂直的方向导引上述流动流体(F1，F2)。

6.如权利要求1所述的电能发生器，其特征在于，热电材料层(1)和导引两个上述流动流体(F1，F2)的上述两个管子(4，5)都具有沿纵向部段的结构，使得每个所述管子(4，5)都由一个接一个的管子(4，5)的一系列的部段形成，这些部段通过由热绝缘材料制成的中空的隔离件(7)而互相隔开，同时热电材料层(1)由一个接一个的一系列的热电部段形成，这些部段通过由热绝缘材料制成的隔离件(8)或空气间隙而互相隔开，

以便使得所述热传递只在两个上述管子(4，5)的对向部段之间并穿过相应的热电部段而发生，而不会在纵向上沿着每个管子(4，5)发生。

7.如权利要求6所述的电能发生器，其特征在于，根据不同的工作温度范围，不同的热电部段是由不同的热电材料制成的。

8.如权利要求6所述的电能发生器，其特征在于，两个管子(4，5)在其一端与在燃烧室(10)内的燃料混合物的进口以及从所述燃烧室(10)离开的燃烧过的气体的出口相连接。

9.如权利要求1所述的电能发生器，其特征在于，热电材料层(1)是由热电单元所形成的，该热电单元由电串联和热并联连接的热电元件(9)的阵列所形成，各个热电单元的电触点被互相连接成串联或并联连接。

10.如权利要求6所述的电能发生器，其特征在于，每个热部段是由热电单元所形成的，该热电单元由电串联和热并联连接的热电元件(9)的阵列所形成，各个热电单元的电触点被互相连接成串联或并联连接。

11.如权利要求1所述的电能发生器，其特征在于，热电材料层(1)是由一对或多对热电元件所形成的，以及所述热电元件的电连接触点是由用来导引上述第一和第二流动流体(F1，F2)的相同管子(4，5)所构造成的，每个管子(4，5)的壁由导电材料制成，或者涂敷有一层导电材料。

12.如权利要求6所述的电能发生器，其特征在于，每个热电部段是由一对或多对热电元件所形成的，以及所述热电元件的电连接触点是由用来导引上述第一和第二流动流体(F1，F2)的相同管子(4，5)所构造成的，每个管子(4，5)的壁由导电材料制成，或者涂敷有一层导电材料。

13.如权利要求12所述的电能发生器，其特征在于，两个管子(4，5)的部段彼此之间通过下述方式相对交错设置，即，便于限定一连续地通过不同的热电部段的螺旋形电路。

14.如权利要求12所述的电能发生器，其特征在于，两个管子(4，5)的部段互相对向和在某个位置沿纵向配对设置，并且设有电连接装置，该装置用来以这样一种方式在同一管子的两个相邻的部段中进行电气的相互连接，以便限定一连续地通过不同的热电部段的螺旋形电路。

15.如权利要求14所述的电能发生器，其特征在于，上述电连接装置由所述隔离件(7)构造成，该隔离件的壁设有导电材料的涂敷层。

16.如权利要求1所述的电能发生器，其特征在于，该电能发生器的结构通过具有非常低导热性的材料层与外界相绝缘。

17.如权利要求1所述的电能发生器，其特征在于，该电能发生器提供了细长条状的直线结构。

18.如权利要求1所述的电能发生器，其特征在于，该电能发生器提供了本身多次弯曲的结构。

19.如权利要求6所述的电能发生器，其特征在于，两个管子(4，5)在其一端与一装置的进口和出口相连接，该装置包括用来将太阳能以热量的形式传递给从其中通过的流体的装置。

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