CN101517764A - 高容量热电温度控制系统 - Google Patents

Abstract

一种热电系统，包括第一组多个热电元件和第二组多个热电元件。该热电系统还包括多个热传递装置。每个热传递装置具有与第一组多个热电元件的两个或更多个热电元件进行热通信的第一侧以及与第二组多个热电元件的一个或更多个热电元件进行热通信的第二侧，从而形成热电元件和热传递装置堆叠。第一组多个热电元件的两个或更多个热电元件彼此之间并行地电通信，而第一组多个热电元件的两个或更多个热电元件与第二组多个热电元件的一个或更多个热电元件串行地电通信。

Description

高容量热电温度控制系统

【001】本申请是2005年5月24日提交的申请号为11/136,334的美国专利申请的部分继续申请，其通过引用整体并入本文，该申请是2003年8月18日提交的申请号为6,959,555的美国专利申请的继续申请，其通过引用整体并入本文，该申请是2002年8月23日提交的申请号为7,231,772的美国专利申请的部分继续申请，其通过引用整体并入本文，该申请是2003年3月31日提交的申请号为7,111,465的美国专利申请的部分继续申请，其通过引用整体并入本文，该申请是2001年4月27日提交的申请号为6,539,725的美国专利申请的继续申请，其通过引用整体并入本文，该申请涉及于2001年2月9日提交的申请号为60/267,657的美国临时专利申请并要求其权益，该临时专利申请通过引用整体并入本文。本申请还要求于2006年7月28日提交的申请号为60/834,005的美国临时专利申请和于2006年7月28日提交的申请号为60/834,007美国临时专利申请的权益，两者均通过引用整体并入本文。

技术领域

【002】本申请涉及固态冷却、加热以及发电系统的改进配置。

背景技术

【003】热电装置(TE)利用某些材料的特性在存在电流流动时产生材料两端的温度梯度。传统的热电装置使用P-型和N-型半导体作为装置内的热电材料。这些热电材料在物理和电学方面采用可以获得预期的加热或冷却功能的方式进行配置。

【004】图1A示出了目前热电装置中使用的最常用的配置。通常，P-型和N型热电元件102被排列在两个衬底104之间的矩形组件100内。电流I流过这两种元件类型。这些元件通过套在元件102末端的铜分流器106串联在一起。当施加直流电压108时，会在TE元件两端产生温度梯度。TE通常用于冷却液体、气体和固体物体。

【005】从20世纪60年代起，固态冷却、加热和发电(SSCHP)系统就一直用于军事和航空航天仪器、温度控制和发电应用。其在商业上的使用受到了限制，因为这种系统对于要实现的功能来说太昂贵，并且具有低的功率密度，所以SSCHP系统因为较大、较昂贵、效率较低而不能被商业所接受。

【006】近来的材料改善可提供这样的保证：增长的效率和功率密度达到现有系统的一百倍。但是，热电(TE)装置的使用还是受到低效率、低功率密度和高成本的限制。

【007】根据TE设计指南(Melcor Corporation″ThermoelectricHandbook″1995 pp.16-17)可知，在目前的TE材料中，ZT＝0.9的模块在峰值效率下产生的冷却功率大约是最大冷却功率的22％。因此，为了达到最高可能的效率，与运行在最大冷却情况下所需的模块数目相比，需要多个TE模块。结果，为达到有效运行所需的TE模块的成本明显偏高，并且产生的系统实际偏大。

【008】根据文献(例如，参见Goldsmid，H.J.″Electronic Refrigeration″1986，p.9)可知，最大热冷却功率可以记作：

(1) $q_{\mathrm{COPT}}=I_{\mathrm{OPT}}{\mathrm{\α}}_C-\frac{1}{2}{I^2}_{\mathrm{OPT}}R-\mathrm{K\ΔT},$

其中：

q_COPT是最佳热冷却功率；

I_OPT是最佳电流；

α是塞贝克(Seebeck)系数；

R是系统电阻；

K是系统导热系数；

ΔT是热侧和冷侧温度的差值；以及

T_C是冷侧温度。

而且，从Goldsmid的文献中，可知：

(2) $I_{\mathrm{OPT}}=\frac{\mathrm{\α}}{R}\frac{1}{\left(\sqrt{{\mathrm{ZT}}_{\mathrm{AVE}}-1}\right)}=\frac{\mathrm{\α}}{R(M-1)},$

其中：

Z是热电材料品质因数(figure of merit)；

T_AVE是热侧和冷侧温度的平均值；以及

$M=\sqrt{{\mathrm{ZT}}_{\mathrm{AVE}}+1}.$

将(2)代入(1)得到：

(3) $q_{\mathrm{OPT}}=[\frac{{\mathrm{ZT}}_C}{(M-1)}(\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_C}-\frac{1}{2(M-1)})-\mathrm{\ΔT}]K.$

【009】等式(3)右侧括号中的项与TE系统的大小(或尺寸)无关，所以冷却量q_OPT仅仅是材料特性和K的函数。对于图1中的几何图形，K可以记作：

(4) $K=\frac{\mathrm{\λ}{A}_C}{L_C},$

其中，λ是N型和P型材料的平均导热系数；A_C是元件的面积；而L是每个元件的长度。

【010】由于α是固有的材料特性，所以只要比率L_C/A_C是固定的，则最佳热功率

将是相同的。电流等于I_OPT时，电阻为：

(5) $R_C=R_{\mathrm{OC}}+R_{\mathrm{PC}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{TE}}{L}_C}{A_C}+R_{\mathrm{PC}},$

其中，ρ_TE是TE元件的固有平均电阻系数；R_OC是TE材料电阻；而R_PC是寄生电阻。

【011】此时，假设R_P为零，则R是常数。如果L_C/A_C是固定的，则I_OPT是常数。只有当比率L_C/A_C变化时，K才会变化，从而q_COPT和R_OC变化，因此I_OPT才会变化。

【012】通常，对于同样的冷却输出，较小的装置是有利的。例如，在热电系统中重要的限制在于当固定值A_C时，随着长度L_C减小，寄生电阻损耗与TE材料损耗的比率φ_C变得相对大：

(6) ${\mathrm{\φ}}_C=\frac{R_{\mathrm{PC}}}{R_{\mathrm{OC}}}.$

【013】这一点可参考图1C，其描绘了典型的热电偶(TE couple)。当一些寄生损耗出现时，设计合理的TE的最大寄生损耗之一来自于分流器106。每个TE元件102的分流器106的电阻约为：

(7) $R_{\mathrm{PC}}\≈\left(\frac{B_C+G_C}{W_C{T}_C}\right)P_{\mathrm{SC}},$

其中，G_C是TE元件之间的间隙；B_C是TE元件和分流器的广度(breadth)；W_C是TE元件和分流器宽度(width)；T_C是分流器厚度；而P_SC是分流器电阻系数。

【014】对于图1的几何图形，TE元件的电阻是：

(8) $R_{\mathrm{OC}}=\frac{P_{\mathrm{TE}}{L}_C}{B_C{W}_C},$

其中，L_C是TE元件长度。

因此，在(6)中使用等式(7)和(8)，得到：

(9) ${\mathrm{\φ}}_C=B_C\left(\frac{B_C+G_C}{T_C{L}_C}\right)\left(\frac{P_{\mathrm{BC}}}{P_{\mathrm{TE}}}\right).$

发明内容

【015】在某些实施例中，提供了一种热电系统。该热电系统包括第一组多个热电元件和第二组多个热电元件。该热电系统还包括多个热传递装置。每个热传递装置具有与第一组多个热电元件的两个或更多个热电元件进行热通信的第一侧以及与第二组多个热电元件的一个或更多个热电元件进行热通信的第二侧，从而形成热电元件和热传递装置堆叠。第一组多个热电元件的两个或更多个热电元件彼此之间并行地电通信，而第一组多个电气元件的两个或更多个热电元件与第二组多个热电元件的一个或更多个热电元件串行地电通信。

【016】在某些实施例中，提供了一种热电系统。该热电系统包括多个热电模块和多个热传递装置。每个热传递装置包括外壳和在外壳内的一个或更多个换热器元件。每个热传递装置接受要流过该热传递装置的工作流体。至少一些热传递装置与多个热电模块的至少两个热电模块进行热通信，并且夹在所述至少两个热电模块中间以形成交替的热电模块和热传递装置堆叠，如此布置从而沿着工作介质运动的方向提供热隔离。

【017】在某些实施例中，提供了一种热电系统。该热电系统包括多个热电模块和多个热传递装置。每个热传递装置接受要流过该热传递装置的工作流体。至少一些热传递装置与多个热电模块的至少两个热电模块进行热通信，并且夹在所述至少两个热电模块中间以形成交替的热电模块和热传递装置堆叠，如此布置从而沿着工作介质运动的方向提供热隔离。第一工作流体通过流过第一组热传递装置被冷却，第二工作流体通过流过第二组热传递装置被加热。

【018】根据附图和以下更为具体的说明，本公开的上述和其它方面将是显而易见的。

附图说明

【019】图1A-1B描述了传统的TE模块。

【020】图1C描述了传统的热电偶。

【021】图2描述了具有热隔离且其工作介质反向流动的SSCHP系统的一般布置。

【022】图3描述了当工作介质在系统中前进时介质中出现的温度变化。

【023】图4A-4B描述了具有三个TE模块、四个翅片换热器和液体工作介质的系统。

【024】图5A-5B描述了具有两个TE模块、分段式(segmented)换热器的系统，以实现与单一换热器的一定程度的热隔离以及液体介质的反向流动。

【025】图6描述了气态介质系统，其具有两个TE模块和管道式风扇(ducted fan)以控制液体流动。

【026】图7A-7D描述了固态介质系统，其具有反向流动以进一步提高性能。TE元件利用高的长度-厚度比率来实现增加的热隔离。

【027】图8描述了具有TE元件的系统，布置这些TE元件使得电流直接通过阵列，从而在提供改进的性能的同时降低成本、重量和大小。

【028】图9描述了具有TE元件、热管和换热器的系统，其简易且成本低。热侧和冷侧由通过热管的热传输分离开。

【029】图10描述了一流体系统，其中流体被泵送(pump)通过换热器和TE模块阵列，以实现一端低温，从而从气体或来自流体或气体的沉淀物中冷凝(condense)出水分。该系统具有预防措施来分流工作流体流动，以通过降低阵列的各部分间的温差来提高效率。

【030】图11描述了一阵列，在该阵列中工作流体在不同位置进入并退出，且其中部分系统以反向流动模式运行，部分系统以平行流动模式运行。

【031】图12描述了具有降低的寄生电阻损耗的堆叠式TE系统。

【032】图13A描述了堆叠式系统的优选实施例中TE元件和换热构件的细节。

【033】图13B描述了由图13A所示的元件构造的堆叠式系统的一部分。

【034】图14描述了另一TE元件和换热器配置。

【035】图15描述了又一TE元件和换热器配置。

【036】图16描述了具有并行电连接的两行垂直TE元件的堆叠式配置。

【037】图17描述了具有两行并行电连接的TE元件的冷却/加热组件。

【038】图18描述了具有两个并行电连接的TE元件的另一配置。

【039】图19描述了一部分与另一部分电隔离的换热器元件。

【040】图20描述了一部分与另一部分电隔离的换热器元件的另一配置。

【041】图21描述了一部分与另一部分电隔离的换热器元件的又一配置。

【042】图22描述了配置在一组电隔离且热隔离的部分中的换热器分段。

【043】图23描述了根据图22的原理构造的冷却器/加热器。

【044】图24A描述了TE元件沿流体流动方向排列的换热分段。

【045】图24B描述了图24A的分段，其被配置为隔离元件换热器阵列，其中电流的流动基本平行于工作介质流动。

【046】图25A描述了一种设计的分段，其被配置为隔离元件换热器阵列，其中电流的流动基本垂直于电流流动的方向。

【047】图25B描述了图25A中组件的平面图。

【048】图26A描述了寄生电阻减小的TE换热器模块，其在相对高的电压下运行。

【049】图26B描述了使用图26A的TE模块的换热器阵列的平面图。

【050】图27描述了热传递到运动的固体构件的隔离元件与堆叠式配置。

【051】图28描述了在液体和气体之间进行热传递的隔离元件堆叠式阵列。

【052】图29描述了具有低寄生电阻以便在图28的堆叠式阵列中使用的换热器模块。

【053】图30描述了隔离元件换热器分段，其具有固体热沉(heat sink)和运动的气态工作流体。

【054】图31A描述了TE元件基本位于中心的换热器元件，以加倍来自元件的热传递。

【055】图31B描述了基本用于液体的另一热传递元件，其TE元件基本位于中心。

【056】图31C描述了TE元件基本位于中心的又一换热器。

【057】图32示意性地图示了根据本文描述的某些实施例的示例性热传递装置的局部剖视图。

【058】图33是与本文描述的某些实施例兼容的示例性热电系统部件的视图。

【059】图34示意性地图示了与本文描述的某些实施例兼容的换热器部件或示例性堆叠式热电系统的工作流体路径和电连接。

【060】图35图示了安装在测试夹具(fixture)中的示例部件。

【061】图36示出了对图33的部件进行测试所测量的性能结果和模拟的模型结果的对比关系。

【062】图37图示了图33的部件在ΔT_c＝10℃且ΔT_h＝5℃(图36中曲线的最高位置)时的COP和基于传统热电模块的无热隔离设计的性能间的对比关系。

【063】图38示出了具有多个部件的热电装置(为了图示去掉了前面的覆盖物和隔离体)。

【064】图39示出了对图38中的装置进行测量的实验结果和计算的模型结果的对比关系。

【065】图40示意性地图示了当工作流体绕行热电系统时，三个热电系统的温度轮廓。

【066】图41示出了测量的温度增长(ΔT＝T_OUT-T_IN)与从模型计算得到的温度增长间的关系。

【067】图42示出了用于在各种条件下对模型进行验证的示例性热电系统。

【068】图43示出了针对不同数量的热隔离阶段可达到的最大ΔT_C。

【069】图44示出了最大功率时热隔离的效果。

【070】图45示意性地图示了与本文描述的某些实施例兼容的、利用液体的交叉连接的配置。

【071】图46示意性地图示了根据本文描述的某些实施例将温度适中的液体引入加热侧中的效果，其中其温度与最初流动的温度匹配。

【072】图47示出了根据本文描述的某些实施例用于从气体中去除蒸气(例如，空气的除湿)的示例性热电系统的示例性温度分布。

【073】图48示出了传统的热电系统与利用热隔离从空气流中去除水分的热电系统之间的相对能力。

【074】图49示出了放大的传统热电系统与放大的热隔离热电系统之间除湿能力的对比关系。

具体实施方式

【075】在此说明书的上下文中，术语热电模块和TE模块是广义上普通且常用的含义，它们可以是(1)传统的热电模块，诸如由加利福尼亚的圣迭哥的Hi Z Technologies公司生产的热电模块，(2)量子隧道转换器，(3)热离子模块，(4)磁热模块，(5)利用热电效应、磁热效应、量子效应、隧道效应和热离子效应的一个或任意组合的元件，(6)上述(1)到(6)的任意组合、阵列、组件和其它结构。术语热电元件更具体地表示利用热电效应、热离子效应、量子效应、隧道效应以及这些效应的任意组合而运行的单个元件。

【076】在以下描述中，热电系统或SSCHP系统通过示例的方式进行描述。但是，本发明的用意在于这种技术和描述包括所有SSCHP系统。

【077】因此，本发明通过使用为达到说明和图示目的的特定实施例中的示例进行介绍。以下描述的各种示例图示了各种配置，并且可以用于实现预期的改善。根据此说明书，特定实施例和示例仅是说明性的，而不意欲以任何方式限制所介绍的发明。此外，应当理解术语冷却侧、加热侧、冷侧、热侧、较冷侧、较热侧等等不表示任何特定温度，而是相对术语。例如，热电元件或阵列或模块的“热”侧可以是环境温度，而“冷”侧的温度比环境温度更低。反之亦然。因此，术语彼此之间是相对的，以表明热电的一侧比反向指定的温度侧温度更高或更低。

【078】标题为“Improved Efficiency Thermoelectrics Utilizing ThermalIsolation”的美国专利6,539,735描述的不同几何图形的效率增益为很多重要应用产生了额外的50％到100％的提高。结合使用的材料的改进，关于四个或更多因素的系统效率增益在不久的将来似乎是可能的。这些真实的改进前景已经使人们恢复了对该技术的兴趣以及为新应用开发SSCHP系统的努力。

【079】一般说来，本公开描述了SSCHP配置的新家族。这些配置实现了紧凑、高效的能量转换，并且成本可以相对较低。一般地，公开了多个实施例，其中TE元件或模块(本文中统称为元件)被夹在换热器之间。TE元件被有利地确定方向，使得夹入换热器的任意两个元件面向换热器的温度类型侧是相同的。例如，夹入换热器的每个TE元件的较冷侧面向相同的换热器或分流器，因此彼此间的侧面也相同。在一组配置中，至少一种工作介质顺序通过至少两个换热器，使得对工作介质进行冷却或加热。这种配置实现的额外的好处是它在可制造系统中利用了美国专利6,539,725描述的热隔离的优点，所述可制造系统展示了上述参考文件中提到的高系统效率和功率密度。如在上述专利中所说明的，TE装置一般通过将TE元件的整个组件细分成热隔离的部件或部分来实现增大的或者提高的效率。例如，换热器可以进行细分以在工作介质流动的方向提供热隔离。例如，TE系统有多个TE元件，这些TE元件形成具有冷却侧和加热侧的TE阵列，其中多个TE元件在跨越阵列的至少一个方向上基本彼此隔离。优选地，热隔离在工作介质流动的方向上。可以通过将换热器配置为多个部分来提供热隔离，使得换热器具有在工作流体流动的方向上热隔离的部分。

【080】在此公开中，针对工作流体连续使用具有相同温度类型的换热器在其内部提供了一种类型的热隔离。此外，除了由至少一种工作流体依次通过的一连串换热器或换热器序列提供的绝热外，换热器或TE元件或TE模块或任意组合可以被配置为在工作流体流动方向上提供绝热。

【081】公开的冷却和/或加热应用的原理同样适用于发电应用，并且任何配置、设计细节以及可以以任意方式被组合以产生发电组件的相似部分也是适用的。在某种意义上，可以以某种方式对系统进行调整以使给定应用的效率最大化，但是一般原理是适用的。

【082】此应用描述的实施例降低了结构复杂性和SSCHP装置的成本，同时仍保持或提高了源于热隔离的效率增益。

【083】还公开了几个通过使用较少的TE材料降低成本并且有助于接近峰值效率的操作的实施例。很多实施例实现了寄生损耗的显著降低(例如，参见图12-31)。

【084】公开的实施例的一方面涉及具有多个N型热电元件和多个P型热电元件的热电系统。优选地，提供多个第一分流器和多个第二分流器。至少一些第一分流器被夹在至少一个N型热电元件和至少一个P型热电元件之间，并且至少一些第二分流器被夹在至少一个P型热电元件和至少一个N型热电元件之间，从而形成具有第一分流器和第二分流器相互交替的热电元件堆叠，其中至少一些第一分流器和至少一些第二分流器在不同的方向从该堆叠中凸出(project away)。

【085】优选地，热电元件被构造得很薄，诸如对于超晶格和异质结构热电设计从5微米到1.2毫米，从20微米到200微米，在其它实施例中从100微米到600微米。这些设计为显著降低热电材料的使用作准备。

【086】在一实施例中，热电系统还包括电耦合到该堆叠的电流源，该驱动电流连续穿过热传递装置和热电元件。在另一实施例中，热传递装置使至少一些P型热电元件与至少一些N型热电元件热隔离。

【087】在一实施例中，热传递装置接受工作流体以给定的方向流过该热传递装置。优选地，热传递装置是换热器，并且可以具有外壳和位于外壳内的一个或多个换热器元件。

【088】在另一实施例中，至少一些第一分流器是由与第二分流器部分电隔离但热耦合到第二分流器部分的第一电极部分构成的。

【089】图2图示了热电阵列200的有利布局的第一个广义实施例。阵列200具有多个TE模块201、211、212、213、218，其与多个第一侧换热器202、203、205和多个第二侧换热器206、207、209保持良好的热通信。名称“第一侧换热器”和“第二侧换热器”不暗示或表示换热器在整个SSCHP系统的一侧或另一侧上，只表示它们与热电模块的较冷侧或较热侧进行热通信。根据附图可以清楚地看到换热器实际夹在热电模块之间。在这个意义上，换热器与热电模块的第一侧或第二侧进行热通信。第一TE模块201的较冷侧与第一侧换热器205热接触，而TE模块201的热侧与入口第二侧换热器206热接触。第二工作介质215(诸如流体)在图2的右上角通过入口第二侧换热器206进入阵列200，且在左下角从最后或出口第二侧换热器209退出。第一工作介质216在左上角通过入口第一侧换热器202进入阵列，且在右下角从最后或出口第一侧换热器205退出。连接到电源(未显示)的电线210(对于其它TE模块与此类似)连接到每个TE模块201。第一管道208(在图2中表示为线)传送第二工作介质215，第二管道204传送第一工作介质216，顺序通过所描述的各换热器202、203、205、206、207和209。

【090】在运行过程中，当向下通过入口第二侧换热器206时，第二工作介质215从TE模块201吸热。第二工作介质215经过管道208，向上进入且通过第二侧换热器207。与换热器207进行良好的热通信的是TE模块211和212的较热侧，这两个TE模块已经被配置为使得其各自的较热侧面向彼此以夹入(sandwich)第二侧换热器207。第二侧工作介质215在经过第二侧换热器207时被进一步加热。第二侧工作介质215接着经过第二侧换热器209，其中TE模块213、218的较热侧也夹入第二侧换热器209并传递热量给第二侧换热器209，从而进一步加热第二侧工作介质215。通过换热器209，第二工作介质215从出口或最后第二侧换热器209退出阵列200。

【091】类似地，第一工作介质216从图2的左上角进入入口第一侧换热器202。换热器202与TE模块218的较冷侧保持良好的热通信。第一工作介质216在经过入口第一侧换热器202时被冷却，再经过另一侧换热器203，并最终通过出口第一侧换热器205，在这里工作介质成为较冷的工作介质217退出。

【092】热电冷却和加热由电力提供，该电力通过配线210进入TE模块218，且类似地进入所有其它TE模块。

【093】因此，总的说来，工作介质与TE模块的冷侧在阵列的左手边保持良好的热接触，从而将热量从介质中提取出来。之后，介质接触第二和第三TE模块，此时额外的热量被提取，介质被进一步冷却。随着介质向右前进通过预期数目的阶段，累加冷却的过程继续。被冷却适当次数后，介质在右侧退出。同时，第二介质在最右侧进入系统，并且当经过第一阶段时被逐渐加热。之后，它进入下一阶段，被进一步加热，依此类推。每个阶段的热输入是从邻近的TE模块的冷侧提取热量的结果，并且电力进入这些模块。当沿大致为从右向左的方向运动时，热侧介质被逐渐加热。

【094】除以上描述的几何图形外，如果两种介质均以相同的温度进入并逐渐变热以及变冷，系统还提供好处。与此类似，介质可以在阵列内的任意位置从冷侧或热侧去除或者添加到冷侧或热侧。阵列可以是任意有用数目的分段，诸如5，7，35，64以及更大数目的分段。

【095】系统还可以通过反转热冷介质与TE模块接触的过程，以及热冷介质从相反两端运动的过程来运行(如图2所示，只是热介质作为介质216进入而冷介质作为介质215进入)。TE模块两端感生的温度梯度产生电流和电压，从而将热能转换成电能。所有这些工作模式和下文描述的模式都是本发明的部分。

【096】如图2所图示的，将换热器分离成一系列阶段在工作介质从TE模块向TE模块流动的方向提供了热隔离。于2001年4月27日递交的标题为“First Improved Efficiency Thcrmoelectrics Utilizing ThermalIsolation”的美国专利申请6,539,725详细描述了热隔离的原理，并且为了易于制造，贯穿本说明书通过各种具体且实用的示例展示了该原理。该专利申请通过引用整体并入本文。

【097】如美国专利6,539,725所述，在图2所描述的反向流动配置中逐步加热和冷却介质会比在无热隔离好处的单个TE模块中的相同条件下产生更高的热力学效率。因此，图2所示的配置展示的SSCHP系统200通过夹在热电模块之间的换热器的多个分段或阶段来获得热隔离，该热电模块的设计紧凑且易于生产。

【098】除了以上提到的特征外，热电模块本身可以被构造成在介质流动的方向提供热隔离，并且每个换热器或一些换热器可以被配置成通过将在图5中进一步描述的配置或其它适当配置在单个换热器中提供热隔离。一般说来，换热器可以在流动的方向被分段以沿着单个TE模块(诸如TE模块218)与入口换热器202的流动方向提供增强的热隔离。

【099】图3描述了与图2的整体设计相同的阵列300，其包括连接在一起的多个TE模块301和较冷侧换热器302、305和307，使得第一工作介质315沿着所示连续的换热器-换热器路径前进。与此类似，多个热侧换热器309、311和313沿着箭头所示的方向依次或以分段的方式传送较热侧工作介质317。TE模块301如图2的描述被布置且供电。

【100】图3的下半部分描述了较冷侧工作介质的的冷侧温度或温度变化303、304、306、308以及较热侧工作介质的热侧温度310、312、314。

【101】较冷侧工作介质315进入并经过入口较冷侧换热器302。工作介质在经过入口较冷侧换热器302的温降303通过冷侧温度曲线T_C中的下降303来表示。当经过下一阶段较冷侧换热器305时，较冷侧工作介质315被进一步冷却，如温降304所示，并且当它再经过第三较冷侧换热器307时，伴随温降306。在温度308时较冷侧工作介质315成为较冷液体316退出。与此类似，较热侧工作介质317进入第一或入口较热侧换热器309并且在第一温度310时退出，如图3中较热侧温度曲线T_H所示。如图2中所提到的，较热侧工作介质分阶段在阵列300中前进，逐渐变热，经过出口较热侧换热器313后最终在较热温度314时成为较热工作流体318退出。容易看到，通过增加阶段的数目(即TE模块和换热器的数目)，可以增加冷却功率和加热功率的数量，每个换热器产生的温度变化会减小，并且/或者可增加通过阵列的介质的数量。如美国专利6,539,725的教导，在具有更多的阶段时，虽然降低了速率，但是也会提高效率。

【102】以上引用的实验和描述表明可通过图2和3的配置实现的热隔离和逐步加热与冷却会导致显著的效率增益，因此是至关重要的。使用这种系统，通过实验测试已经达到100％以上的效率增益。

【103】图4A描述了具有三个TE模块402、四个换热器403和两个管道405的阵列400，其配置如图2和图3所述。较冷侧工作流体和较热侧工作流体分别在较冷侧入口404和较热侧入口407进入，并且分别在较冷侧出口406和较热侧出口408退出。图4B是换热器403的一个实施例的更为详细的视图。图中所示为适用于流体介质的类型。换热器组件403包括具有入口410和出口411的外壳412、换热器翅片414和流体分布歧管(manifold)413。阵列400的运行与图2和3中描述的本质上是相同的。图4中TE模块402的数目是三，但是可以是任意数目。优选地，外壳412是导热的，其由适当材料制成，诸如防腐蚀的铜或铝。在一个实施例中，换热器翅片414优选是焊接或蒸焊(braise)到外壳412的折叠铜或铝，以实现TE模块界面良好的导热性。翅片414可以是任何形状，但优选是适于实现系统期望的热传递特性的设计。详细的设计指南可以在W.M.Kays和A.L.London的“CompactHeat Exchangers”第三版中找到。可替代地，可以使用任何其它适当的换热器，诸如穿孔翅片、平行板、百叶窗式翅片、金属丝网等等。这些配置在此领域是众所周知的，并且可以在图2到图11中任一图的任意配置中使用。

【104】图5A描述了图4中管道连接的可替换配置，以提供从换热器阶段到换热器的流动。阵列500具有第一TE模块501和第二TE模块510，三个换热器502、503和506以及一管道504。当然，正如之前的实施例和配置，两个第一侧换热器502、503和一个第二侧换热器506的特定数字不是限制性的，可以提供其它数字。

【105】图5B图示了换热器502、503、506的优选实施例的放大视图。图5B中所示的换热器配置将适用于其它实施例，并且可以在图2-8和图11的任一配置中使用。这种配置中的一个或多个换热器的优选实施例具有外壳516，其中分段的换热器翅片511被间隙513分离。工作流体通过入口505进入并通过出口508退出。作为间隙的替代，换热器可以被制成各向异性的，使得一部分是导热的，而另一部分是不导热的，来替代在换热器翅片之间实际的物理间隙。这一点是为了在流动方向上在单个换热器分段和另一单个换热器分段之间获得热隔离。除了在图2-5描述的实施例中通过具有各阶段换热器来提供的热隔离之外，这里提供的将是又一热隔离。

【106】优选地，第一工作流体507(例如将被加热)进入入口505并向下经过与第一TE模块501热通信的入口或第一换热器502。工作流体507在底部退出并通过管道504被传导到随后的换热器503，在这里它又沿向下的方向通过第二TE模块510，并成为较热工作流体508退出。优选地，第二工作流体517从图5A的底部通过入口518进入，并向上行进通过第三换热器506，经过TE模块501和510的较冷侧(在本示例中)。换热器506与TE模块501和510的较冷侧保持良好的热通信。根据以上引用的美国专利6,539,725的教导，通过这种布置，工作流体507和517形成反向流动系统。

【107】优选地，图5B详细示出的换热器502、503和506被构造成从TE模块501、510的表面，通过外壳516，到换热器翅片511(显示为四个隔离分段)具有高的导热性。但是，希望在流动方向具有低的导热性，以使每个换热器分段与其它分段热隔离。如果隔离是有效的，并且TE模块501和510在其垂直方向(工作流体流动的方向)没有表现出高的内部导热性，则阵列500将得益于热隔离并且能够以较高的效率运行。实际上，阵列500会有反应，仿佛阵列被构造成具有更多个TE模块和更多个换热器。

【108】图6描述了又一加热器/冷却器系统600，该系统被设计成优选地对工作气体进行操作。加热器/冷却器系统600具有TE模块601、602，这些模块与第一侧换热器603、605以及第二侧换热器604保持良好的热通信。第一工作流体(诸如空气或其它气体606)被容纳在管道607、708、610中，第二工作流体616被容纳在管道615、613中。风扇或泵609、614被安装在管道608、615内。

【109】第一工作流体606通过入口管道607进入系统600。工作流体606经过第一换热器603，例如在这里被加热(或被冷却)。之后，工作流体606经过风扇609，风扇609用于将工作流体606泵送通过管道608，且通过第二换热器605，在这里它被进一步加热(或冷却)，且从出口导管610排出。与此类似，工作流体(诸如空气或其它气体)通过入口管道615进入。工作流体被第二风扇或泵614推动通过第三换热器604，在此示例中它在这里被冷却(或加热)。被冷却的(或被加热的)工作流体616通过出口管道613退出。

【110】系统600可以具有多个分段，这些分段包括图5B所述的额外TE模块和换热器以及被隔离、分段的换热器。也可以具有多个风扇或泵以提供额外的泵送力。此外，一个管道(例如607、608)可以具有一种流体，而其它管道613、615可以具有第二类型的气体。可替代地，一侧可以有液态工作流体，而另一侧可以有气体。因此，系统并不受限于工作介质是流体还是液体。此外，应当注意出口管道613可以排布在风扇管道609周围。

【111】图7A描述了加热和冷却系统700，其优选使用流体。该组件具有带有多个第一侧工作介质703和多个第二侧工作介质704的多个TE模块701。在本示例中，第一侧工作介质703和第二侧工作介质704都形成圆盘。第一侧工作介质703被连接到第一侧轴709，而第二侧工作介质704被连接到第二侧轴708。轴708、709依次分别连接到第一侧马达706和第二侧马达705，并且连接到对应的轴承707。马达旋转的优选方向如箭头710和711所示。

【112】分离器717将阵列分成两部分并定位TE模块701。由分离器717定位的TE模块701被间隔开，使得交替地夹入第一侧工作介质703和第二侧工作介质704。对于任意两个TE模块701，模块被定向使得如之前的实施例一样其冷侧和热侧面向彼此。工作介质703、704与TE模块701保持良好的热通信。优选在热电元件701和工作介质703、704之间的界面提供热油脂或类似物质。通过以下有关工作介质703、704的操作的讨论，使用油脂的目的将是显而易见的。第一侧外壳部分714和第二侧外壳部分715包含受系统700调控的流体。电线712、713连接TE模块701以便为TE模块提供驱动电流。

【113】图7B是图7A的系统700的一部分在7B-7B处的截面图。第一流体721和第二流体723与其流动方向通过箭头721和723表示。第一流体如箭头722表示的退出，而第二流体如箭头724表示的退出。系统700通过使电流经过电线712和713到达TE模块701而运行。TE模块701的冷侧和热侧面向彼此，以图2和图3所示的方式布置。例如，其相邻的冷侧面向第一侧工作介质703，其热侧面向第二侧工作介质704。分离器717提供定位TE模块701以及将阵列700的热侧与被冷却侧分离的双重功能。

【114】例如，为了理解运行，假设第二流体723将被冷却。冷却通过与第二侧介质704的热交换发生。当第二侧介质704旋转时，其表面与TE模块701的较冷侧接触的部分在任何给定时间被冷却。当该部分通过第二马达705的作用而旋转远离TE模块701时，第二介质704冷却第二侧流体，之后，该流体在出口724退出。第二流体通过外壳部分715和分离器717被限定在阵列700内。

【115】与此类似，第一流体721被与TE模块701的较热侧保持热接触的第一侧介质703加热。旋转(箭头711所示)将第一介质703的较热部分移动到第一流体721可以经过且可以通过热接触而被加热的位置。第一流体721被限定在外壳714和分离器717之间并在出口722退出。

【116】如以上所提到的，导热油脂或液态金属，诸如水银，可用于提供TE模块701与介质703、704在接触区域良好的热接触。

【117】如以上所提到的，图7A和7B的配置也可以有利地用于冷却或加热外部组件，诸如微处理器、激光二极管等等。在这样的示例中，圆盘将利用热油脂或液态金属等来接触部件以传递热量给部件或传递来自部件的热量。

【118】图7C描述了系统700的改良版，其中TE模块701被分断以实现热隔离。图7C示出了阵列700的部分的详细视图，其中TE模块701和702将热能传递给热运动介质704和703(在此示例中为旋转的圆盘)。运动介质704和703分别围绕轴733和734旋转。

【119】在一个实施例中，优选地，工作介质704和703以相反的方向旋转，如箭头710和711所示。当运动介质704、703旋转时，来自TE模块701和702的不同部分的热传递开始与运动介质704、703热接触并逐步改变它们的温度。例如，第一TE模块726在特定位置加热运动介质704。当运动介质704逆时针方向旋转时，在该位置的运动介质704的材料运动直至接触第二TE模块725。之后，运动介质704的相同部分运动到其它TE模块分段701。当运动介质703逆时针方向旋转且接合TE模块701并随后接合TE模块725和726时，发生相反的动作。

【120】优选地，运动介质704、703在径向和轴向方向具有良好的导热性，在其角方向即运动方向的导热性较差。使用此特征，从一个TE模块725到另一TE模块726通过运动介质704、708的传导性实现的热传递被最小化，从而达到有效的热隔离。

【121】作为TE模块或分段701、725、726的一种选择，可以用单个TE元件或多个TE元件分段替代。在此情形下，如果与其在运动介质704、703运动方向的长度相比，TE元件701很薄，并且在此方向的导热性相对较差，则它们将在其长度上表现出有效的热隔离。它们将传导热量，并因此作出热反应，好像它们是由分离的TE模块701构成的一样。此特征与运动介质704、703内运动方向上的低导热性结合可以实现有效的热隔离，并因此提供增强的性能。

【122】图7D描述了运动介质704、703的可选配置，其中介质被构造成具有轮辐(spoke)727和731的车轮729和732的形状。在轮辐727和731之间的空间内且与其保持良好的热接触的是换热器材料728和730。

【123】系统700可以在图7D所示的又一模式中运行。在此配置中，工作流体(未显示)沿着阵列700的轴线作轴向运动，经过工作介质704、703，连续地从轴向上一个介质704到下一运动介质704等等，直至经过最后的介质704并退出。与此类似，分离的工作流体(未显示)经过在轴向上通过阵列700的单个运动介质703。在此配置中，管道714和715以及分离器717被定形，以形成围绕运动介质704、703并分离介质704和703的连续环。

【124】当工作流体在轴向上流动时，热能通过换热器728和730被传递给工作流体。优选地，例如，热侧工作流体通过换热器728，并在工作流体运动经过换热器730的相反方向上运动经过阵列700。在此工作模式中，阵列700用作逆流换热器，一连串有序的换热器728、730逐步加热和冷却经过它们的各自的工作流体。如图7C所示，热活性组件可以是TE模块701，其被构造成在运动介质704、703运动的方向具有有效的热隔离。可替代地，TE模块701和702可以是图7C所示的分段。在后一种情形下，运动介质704、703进一步优选为在运动方向上具有低的导热性，以便热隔离运动介质704、703外面的圆盘729和732的部分。

【125】可替代地，设计可以进一步包括部分729和732中的径向槽(未显示)，这些径向槽承受来自TE模块701和702的热传递，以在运动方向实现热隔离。

【126】图8示出了热电系统800的另一实施例，系统800在第一侧换热器803和第二侧换热器808之间具有多个TE元件801(有阴影线)和802(无阴影线)。电源805提供电流804，并通过配线806、807连接到换热器808。系统800具有管道和泵或风扇(未显示)，以移动热侧工作介质和冷侧工作介质通过阵列800，例如，如图2、3、4、5、6和7所述。

【127】在此设计中，TE模块(具有多个TE元件)被TE元件801和802代替。例如，有阴影线的TE元件801可以是N型TE元件，而无阴影线的TE元件802可以是P型TE元件。对于此设计，优选将换热器803和808配置为具有很高的导电性。例如，换热器803、808的外壳以及它们的内部翅片或其它类型的换热器构件可以用铜或其它具有高导热性和导电性的材料制成。可替代地，换热器803和808可以与TE元件801和802保持很好的热通信，但是电隔离开。在此情形下，电分流器(未显示)可以连接到TE元件801和802的表面，以通过与图1所示类似的方式将其电连接，但是分流器以环形方式通过换热器803和808。

【128】不管如何配置，例如，经过N型801到达P型TE元件802的直流电流804将冷却夹在二者之间的第一侧换热器803，并且之后经过P型TE元件802到达N型TE元件801的电流804将加热夹在二者之间的第二侧换热器808。

【129】阵列800可以表现出最小尺寸和热损耗，因为可以取消或减少分流器、基底和标准TE模块的多根电连接器线。而且，如果这些组件被设计成具有高导电性和电容量，则TE元件801和802可以是容纳高电流的异质结构。在这样的配置中，阵列800可产生高热功率密度。

【130】图9描述了与图8所述的一般类型相同的热电系统900，该系统具有P型TE元件901和N型TE元件902，二者位于第一侧热传递构件903和第二侧热传递构件905之间并与其保持良好的热接触。在此配置中，热传递构件903和905具有导热棒或加热管的形状。连接到热传递构件903和905并与其保持良好的热通信的是换热器翅片904、906等等。第一管道907限制第一工作介质908和909的流动，而第二管道914限制第二工作流体910和911的流动。电连接器912和913将电流传导到图8所述的交替P型和N型TE元件901、902形成的堆叠。

【131】在运行中，通过示例的方式，电流通过第一连接器912进入阵列900，经过交替的P型TE元件901(有阴影线)和N型TE元件902(无阴影线)，并通过第二电连接器913退出。在此过程中，第一工作介质908逐渐变热，因为它被来自热传递翅片904的传导加热，而热传递翅片904反过来通过第一热传递构件903被传导加热。第一管道907围绕并限制第一工作介质908，所以它以变化了的温度作为工作流体909退出。第一管道907的部分使TE元件901、902和第二侧热传递构件905与第一(此情形下是热的)工作介质908和909绝热。与此类似，第二工作介质910通过第二管道914进入，当经过第二侧换热器906时被冷却(此示例中)，并且作为被冷却的流体911退出。TE元件901、902向第二侧热传递构件905提供冷却，从而向换热器翅片906提供冷却。第二侧管道914用于限定第二(此示例中被冷却的)工作介质910，并且使其与阵列900的其它部分绝缘。

【132】尽管在图8-9的实施例中被描绘成用于单个TE元件，但是TE模块可以代替TE元件901、902。此外，在某些情形下，优选将TE元件901、902与热传递构件903、905电隔离，并且使电流通过分流器(未显示)。而且，换热器904、906可以是对系统功能有利的任何设计。与其它实施例相同，可以看到图8和图9的配置提供相对容易的可制造的系统，并依靠热隔离提供提高的效率。例如，在图8中，在P型和N型热电元件之间交替的换热器808、803将是较冷或较热的换热器类型中的一种，但是将彼此适当绝热，并导致P型和N型热电元件彼此适当绝热。

【133】图10描述了提供热隔离的另一热电阵列系统(1000)。优选地，此配置可以执行系统的功能，该系统利用相同介质的冷却和加热来除湿或去除沉淀物、薄雾、可冷凝的蒸气、反应产物等等，并将介质返回到稍微超出其最初温度的温度。

【134】系统1000包括由交替的P型TE元件1001和N型TE元件1002形成的堆叠，还具有散布的冷侧热传递元件1003和热侧热传递元件1004。在所述的实施例中，为较冷侧热传递元件1003和较热侧热传递元件1004提供换热器翅片1005、1006。较冷侧管道1018和较热侧管道1019引导阵列1000内的工作流体1007、1008和1009。风扇1010拉动工作流体1007、1008和1009通过阵列1000。优选地，当从TE元件堆叠流经较冷侧时，较冷绝缘体1012热隔离工作流体1007，而当从TE元件堆叠流经较热侧时，较热绝缘体1020优选隔离工作流体。挡板(baffle)1010等使较冷侧和较热侧分离。在一个优选实施例中，挡板1010具有多个通道1010用于工作流体1021经过。与此类似，在一个实施例中，流体通道1017允许流体1016进入热侧流动通道。

【135】筛网(screen)1011或其它多孔工作流体流动限制器将阵列1000的较冷侧和较热侧分离。冷凝物、固态沉淀物、液体等1013在阵列1000的底部聚集，并且可以经过阀1014且通过管口1015取出。

【136】如图9的描述中所讨论的，电流通过TE元件1001和1002的流动(未显示)冷却较冷侧热传递元件1003并加热较热侧热传递元件1004。在运行过程中，当工作流体1007向下经过较冷侧时，沉淀物、水气或来自工作流体1007的其它冷凝物1013会在阵列1000的底部聚集。根据需要，阀1014可以被打开，并且沉淀物、水气或冷凝物1013可以通过管口1015去除或由任何其它适当装置提取出来。

【137】优选地，一些工作流体1021可以从较冷侧经过旁路通道1020到达较热侧。通过这种设计，并非使所有较冷侧流体1007经过流动限制器1011，而是可用来局部降低较热侧工作流体的温度，从而提高阵列1000在某些条件下的热力学效率。旁路通道1020和流动限制器1011之间流动的适当均衡可以通过对系统流动特性的适当设计来实现。例如，可以通过包含阀来控制流动，且具体通道可以被打开或关闭。在一些使用中，流动限制器1011也可以用作过滤器以从液体或气态工作流体1008中去除沉淀物，或从气态工作流体1008中去除薄雾或雾。

【138】优选地，其它较热侧冷却液1016可以通过侧通道1017进入阵列1000，同样是为了达到减低较热侧工作流体的温度或提高阵列1000的效率的目的。

【139】这种配置可以在流动限制器1011处产生很冷的条件，使得工作流体1008可以具有对大量的沉淀物、冷凝物或水气的去除能力。在可选的工作模式中，可以反转风扇1010的电源并操作系统以便加热工作流体并使其返回到冷却状态。这有利于去除加热过程形成的反应产物、沉淀物、冷凝物、水气等等。在一个优选实施例中，流动限制器1011和/或换热器1005和1006可以具有对系统中发生的过程起到提高、更改、使能、避免作用或者对其有其他影响的催化剂特性。对于液态工作流体，一个或多个泵可代替风扇/马达1010从而达到优越的性能。

【140】图11描述了在设计方面与图2和图3类似的热电阵列1100，但是其中工作介质通过系统的路径改变了。阵列1100具有分散在换热器1102之间的TE模块1101。多个入口端1103、1105、1107传导工作介质通过阵列1100。多个出口端1104、1106和1108传导来自阵列1100的工作介质。

【141】在运行过程中，通过示例的方式，要被冷却的工作介质在第一入口端1103进入并且经过多个换热器1102，从而逐渐冷却(此示例中)，并通过第一出口端1104退出。从阵列1100中去除热量的一部分工作介质通过第二入口端1105进入，经过换热器1102，在此过程中被逐渐加热，并通过第二出口端1106退出。

【142】去除热量的工作介质的第二部分进入第三入口端1107，当经过一些换热器1102时被加热，并且通过第三出口端1108退出。

【143】这种设计允许从通过第一入口端1103到第一出口端1104的冷却侧工作介质被高效冷却，因为此示例中热侧工作介质在两个位置进入，并且TE模块1101上产生的温度差异会平均低于工作介质在单端口进入产生的温度差异。如果通常的温度梯度平均起来比较低，则在大多数情形下，产生的系统效率将是比较高的。可以调整通过第二入口端1105和第三入口端1107的相对流速以达到预期的性能或对变化的外部条件作出响应。通过示例的方式，通过第三入口端1107的较高流速(最有效的情形是，将通过该端口的流动方向反转使得第三出口端1108成为入口)会引起在第一出口端1104退出的冷侧工作介质的较冷出口温度。

【144】传统热电100的基本潜在连接的更多细节在图1C中示出。如以上提到的，P型元件110和N型元件112是本领域众所周知的类型。分流器106与P型TE元件110和N型TE元件112连接并保持良好的电连接。通常，大量的这种TE元件和分流器被连接到一起以形成TE模块，如图1A所示。

【145】TE元件110、112在电流流动方向的长度是L_C 116；其广度是B_C117；其宽度是W_C118，其距离是G_C120。分流器106的厚度是T_C109。

【146】尺寸B_C、W_C和L_C以及TE材料的品质因数Z、电流122和工作温度确定冷却、加热或产生的电能量，这是本领域众所周知的(例如，参见Angrist，S.W.″Direct Energy Conversion″3^rd Ed.1977 Ch.4)。

【147】图12描述的设计改变了图1的传统结构，在某种意义上降低了所需热电材料的数量和分流器106中寄生电阻的大小。TE配置1200具有多个传导类型交替的第一侧TE元件1201、1202，其连续地夹在分流器1203和多个第二侧分流器1204之间，使得电流1209垂直于分流器的广度B_B和宽度W_B经过，而不是如图1C所示基本平行于广度。对于图12的设计，R_PB与R_OB的比率φ_B为：

(10) ${\mathrm{\φ}}_B\≈\frac{R_{\mathrm{PB}}}{R_{\mathrm{OB}}}$

其中，

(11) $R_{\mathrm{PB}}\frac{P_{\mathrm{SB}}{T}_B}{B_B{W}_B}$

(12) $R_{\mathrm{OB}}=\frac{P_{\mathrm{TE}}{L}_B}{B_B{W}_B}$

因此，

(13) ${\mathrm{\φ}}_B\≈\left(\frac{T_B}{B_B}\right)\left(\frac{P_{\mathrm{SB}}}{P_{\mathrm{TE}}}\right)$

其中

T_B是分流器厚度

L_B是TE元件长度

P_SB是分流器电阻率

B_B是TE元件和分流器的有效广度

W_B是TE元件和分流器的有效宽度

【148】如果φ_C被设为等于φ_B，则寄生电阻损耗将对图1C和图12的配置的性能具有相同比例的影响。为了对比的目的，假设两种配置的材料特性是相同的，则：

(14)φ_C＝φ_B

或在B中使用等式(9和12)；

(15) $\frac{L_C}{L_B}\≈B_C\left(\frac{B_C+G_C}{T_C{T}_B}\right)$

【149】对于目前的典型的热电模块；

B_C≈1.6mm

W_C≈1.6mm

G_C≈1.6mm

T_C≈0.4mm

并且，假设：

T_B≈2mm

P_SB＝P_SC

则，

(16) $\frac{L_C}{L_B}\≈6.4$

【150】因此，长度L_B可以是L_C的1/6.4，并且产生的图12的设计的电阻损耗不会超过传统TE模块的电阻损耗。如果是这种情形，并且所有其它损耗被忽略或适当减少，利用图12的配置的TE系统将与图1C的系统将具有相同的运行效率，但是L_B＝L_C/6.4。

【151】新配置的体积可以与图1C的体积相比。对于相同的q_OPT，面积比一定保持相同，所以：

(17) $\frac{L_B}{A_B}=\frac{L_C}{A_C}$

并且，因为：

(18) $\frac{L_B}{L_C}=\frac{1}{6.4}$

(19)A_C＝6.4A_B。

【152】两种热电材料的体积比为：

(20)V_C＝A_CL_C

(21)V_B＝A_BL_B

并且：

(22) $\frac{V_B}{V_C}=\left(\frac{A_B}{A_C}\right)\left(\frac{L_B}{L_C}\right)$

(23) $\≈\frac{1}{{6.4}^2}\≈\frac{1}{41}$

【153】因此，在这些假设下，同样需要1/41的TE材料。尽管实际的电势降低由于所做假设的正确性而不会完全实现，不过有益于降低使用的TE材料的数量，并因此也有益于降低成本和大小。

【154】图12的TE堆叠配置1200具有长度为L_B1205的P型TE元件1201和N型TE元件1202。电流流动的方向利用箭头1209表示。TE元件的广度为B_B，宽度为W_B。第二侧分流器1204(“PN分流器”)在电流流动的方向上位于P型TE元件1201和N型TE元件1202之间。第一侧分流器1203(“NP分流器”)在电流流动的方向上位于N型1202和P型1201元件之间。PN分流器1204一般在相反的方向从堆叠1200而不是NP分流器1203开始延伸。除180°以外的角度也是有利的。

【155】如果在所指示的方向有适当电流1209流过，则NP分流器1203被冷却并且PN分流器1204被加热。通过这种配置，对于相同的TE元件尺寸，配置1200的寄生电阻损耗通常比图1的传统配置100的寄生电阻损耗低。因此，如果TE长度L_B1205被减小以使两种配置中的寄生电力损耗的比率相等，则TE长度L_B1205将变得比较小，并且有利的是，图12的配置可以以比图1所示的更高的功率密度运行。结果，图12的配置1200也使用较少的热电材料，并且可以比图1的传统设计更紧凑。

【156】分流器1203、1204可以提供传递热能远离TE元件1201、1202以及与外界物体或介质诸如工作流体交换热能的双重功能。

【157】图13A描述了被组合以形成换热器1302的分流器的优选实施例1300的图示。优选地，至少一个TE元件1301被电连接到换热分流器1302的凸起电极表面1303，诸如使用焊料进行连接。优选地，分流器1302可以主要由良好的热导体(诸如铝)构成，并具有由高导电材料诸如铜组成的整体复合覆盖(clad overlay)材料1304、1305以方便TE元件1301连接和电流在低电阻下流动。

【158】图13B描述了堆叠式热电组件1310的一部分的详细侧视图，堆叠式热电组件1310由图13A中的热电分流器1302和TE元件1301构成。具有凸起电极表面1303的多个分流器1302被串行电连接到导电类型交替的TE元件1301。

【159】当施加适当的电流时，分流器1302将被交替地加热和冷却。产生的热能被分流器1302从TE元件1301传送出去。优选地，凸起的电极1303便于实现可靠、低成本、稳定的表面以连接TE元件1301。事实上，可提供多个这些组件1310构成的堆叠。也可以使用堆叠阵列，同样会更便于热隔离。

【160】电极1303优选被定形以避免焊料使TE元件1301短路。而且，电极1303优选被定形以通过TE元件1301控制接触区域，并因此控制电流密度。

【161】图14描述了分流换热器的一部分1400的示例。该部分1400具有增大的表面积以帮助热传递。TE元件1401被连接到分流器1402，优选如图13A所示进行构造，或如该应用中的其它实施例所示进行构造。换热器1403、1404诸如翅片以良好的热接触(诸如通过铜焊)连接到分流器1402。在此实施例中，工作流体1405经过换热器1403、1404。

【162】优选地，对分流部分1400进行配置，从而当工作流体1405流过换热器1403、1404时，热能被有效传递。而且，对材料的大小以及分流器1402和换热器1403、1404的比例进行设计，以便当与诸如图12和13B中所述的堆叠结合时最优化运行效率。优选地，换热器1403、1404可以是装有百叶窗的、多孔的或者可以被实现所述目的的其它换热器设计代替，诸如W.M.Kays和A.L.London的“Compact HeatExchangers”第3版描述的换热器。换热器1403、1404可以通过环氧树脂、焊料、铜焊(braze)、焊接或提供良好热接触的任何其它连接方法连接到分流器1402。

【163】图15描述了分流器分段1500的另一示例。分流器分段1500被构造成包括多个分流元件1501、1502、1503和1504。分流元件1501、1502、1503和1504可以彼此叠置、铜焊、铆接到一起或者以任何其它方式连接，这些方式为电流1507提供低电阻路径以使其经过并提供从TE元件1506到分流器1501、1502、1503和1504的低热阻。TE元件1506优选在基础部分1505处或基础部分1505附近被连接到分段1500。

【164】分流器分段1500描述了可替代图14的分流器分段1400的设计，并且可被配置成图12和13描述的多个堆叠，且之后根据需要可配置成堆叠阵列。图14和15中的配置均可被自动组合以降低由这些设计构成的TE系统的劳动成本。

【165】分流器分段还可以形成为如图16所示的堆叠组件1600。中心分流器1602在第一侧的每个末端具有导电类型相同的第一侧TE组件1601，并且在中心分流器1602的相对侧的每个末端具有导电类型相反的第二侧TE元件1605。如图16所示，每个中心分流器1602被置于右分流器1603和左分流器1604之间，形成分流器1602构成的堆叠。放置右分流器1603使得左端夹在TE元件1601、1605之间并与其保持良好热接触和电接触。与此类似，放置左侧分流器1604使得右端夹在TE元件1601、1605之间并与其保持良好的热接触和电接触。分流器1602、1603和1604被交替堆叠且电连接以形成分流器堆叠1600。第一工作流体1607和第二工作流体1608经过组件1600。当然，对于图16所示的实施例以及此处描述的堆叠配置，该堆叠可以并可能由堆叠中的多个额外的分流器元件构成。描述堆叠组件1600的一小部分仅是为了便于读者理解。在图中清楚可见这种堆叠的复制。此外，可以提供其它在工作流体流动的方向上热隔离的堆叠。

【166】当在通过TE元件1601、分流器1605、1604的一个方向上施加适当的电流时，中心分流器1602将被冷却，而左分流器1604和右分流器1606将被加热。结果，经过中心分流器1602的第一工作流体1607将被冷却，而经过右分流器1603和左分流器1604的第二工作流体1608将被加热。堆叠组件1600形成用于调节流体的固态热泵。重要的是要注意到，堆叠1600可以具有很少或很多分段，并且因此可以在不同的功率水平运行，这取决于施加的电流量和电压量、部件尺寸和包含在组件中的分段的数量。这种堆叠的阵列也是优选的。在使用这种堆叠1600的阵列的情形下，为提高效率优选在流体流动的方向提供热隔离，如美国专利6,539,725所述。

【167】还应当理解，为了提高性能，分流器1602、1603、1604可以利用其它形状代替，例如但不限于图14和图15所示的形状。

【168】图17图示说明了图16中描述的堆叠组件1600的变体。对于这种配置，TE组件1700由右侧分流器1703和左侧分流器1704构成以形成基本圆形的形状。右侧分流器1703优选配置成形成部分圆周，左侧分流器1704与之相同。在一优选实施例中，在运行期间变冷的分流器可能比变热的分流器更大或更小，这取决于装置的特定目标。应当注意到基本圆形的配置不是必要的，可以使用图17所示的分流器分段的其它配置以产生中心流动部分。例如，右侧分流器可以是半矩形或半方形，而左侧分流器1704可以是半矩形或方形。与此类似，一侧可以是多边的，而另一侧可以是弓形的。分流器的特定形状是可以改变的。如图16所讨论的导电类型交替的TE元件1701和1702在堆叠组件1700中被串行电连接。优选地，流体1712流入到分流器1703、1704形成的中心区域内。流体1712的第一部分1707在右侧分流器1703之间流过，而工作流体1712的第二部分1706在左侧分流器1704之间流过。电源1708通过配线1712、1713电连接到TE元件，配线1712、1713在连接1710、1711处连接到堆叠。风扇1709可以连接到堆叠的一端(或两端)。也可以使用泵、鼓风机等。

【169】当向风扇1709供电时，它泵送工作流体1712通过组件1700。当提供具有极性的电流使得右分流器1703被冷却时，工作流体1712的第一流体部分1707在经过这些右分流器时被冷却。与此类似，工作流体的第二部分1706在经过被加热的左侧分流器1704时被加热。组件1700形成容量和整体大小可根据其结构中使用的分流器的数量进行调整的简易的、紧凑的冷却器/加热器。很明显，分流器1703、1704可以是有角的、椭圆形的或者任何其它有利的形状。而且，分流器可以是图14中描述的设计或任何其它有利的配置。

【170】在图12、14、15、16和17的热电系统的一个实施例中，多于一个的TE元件可以在图18所示的阵列的一个或更多部分中使用。在此示例中，TE元件1801、1804被连接到分流器1802、1803的每一侧上的凸起电极表面1804。

【171】并行电连接的多个TE元件1801可提高机械稳定性，更好地分配热能以及向系统添加电冗余。多于两个TE元件1801可被并行使用。

【172】在某些应用中，具有根据图12-13与电极部分电隔离的分流器的暴露部分是令人期望的。图19示出了这种分流器的一个示例。在此实施例中，电绝缘体1905使分流器1900的电极部分1903与分流器1900的换热部分1904隔离开。TE元件1901、1902优选被安装在电极部分1903上。

【173】在运行过程中，优选通过由高电导率和热导率材料诸如铜制成的电极部分1903在导电类型相反的TE元件1901、1902之间施加电压。TE元件1901、1902产生的热能沿着分流器电极1903传导，通过电绝缘体1905，并且进入分流器1900的换热部分1904。优选地，电绝缘体1905是非常好的热导体，诸如氧化铝、导热环氧树脂等。如所示，电绝缘体1905形成的界面形状是浅“V”形以最小化热阻抗。也可以使用具有适当的低界面热阻抗的任何其它形状与材料组合。这种分流器1900构成的堆叠可以如之前描述的那样被使用。

【174】图20描述的另一分流器分段2000组件的顶视图示出了电隔离的替代形式。第一TE元件2001连接到分流器分段阵列2000的左分流器2003，而第二TE元件2002连接到分流器分段阵列2000的右分流器2004。电绝缘体2005被置于左侧分流器分段2003和右侧分流器分段2004之间。

【175】图20中描述的配置提供TE元件2001和2002之间的电隔离，同时保持整个分流器2000的机械完整性。在该配置中，电绝缘体2005不需要提供特别好的导热性，因为倘若电绝缘体2005一般被置于TE元件2001和2002之间的中心位置，则热能源、TE元件2001和2002可以在不同程度上冷却或加热左分流器分段2003和右分流器分段2004。应当注意到尽管描述了两个TE元件2001和两个第二TE元件2002，但是可以在每侧上使用更大的TE元件或更大数量的TE元件。选择两个第一TE元件2001和两个第二TE元件2002仅仅是为了图示说明具有良好稳定性的机械结构。还应当注意到根据电流的预期路径(route)，第一TE元件2001和第二TE元件2002不需要但是可以具有不同的导电类型。

【176】图21描述了一种在分流器2100内实现电隔离的替代方法。具有两个第一TE元件2101的分流器部分2103被机械连接到具有两个第二TE元件2102的第二分流器部分2104。电绝缘体2106机械连接分流器部分2103和2104，分流器部分2103和2104还通过间隙2105彼此分离。

【177】在机械连接件2106临近TE元件2101和2102之间的中心位置以及TE元件2101和2102产生的热能大约相等的情况下，电绝缘体2106不必是好的导热体。TE元件2101和2102中的每一个向各自的分流器部分2103和2104提供热能。电绝缘体2106可以是Kapton背粘胶带(adhesive-backed Kapton tape)、注射成型塑料、热熔胶或任何其它适当材料。如图21所示的平面图，分流器部分2103、2104不会重叠形成搭接接头(lap joint)。也可以使用具有环氧树脂或其它电绝缘的粘合剂的这种接头。

【178】图22的顶视图中描述的另一分流器分段阵列2200具有在矩形TE阵列2200中的电隔离的分流器分段。第一TE元件2201热连接到第一分流器部分2202，而第二TE元件2203热连接到第二分流器部分2204。每个分流器部分与其它分流器部分通过间隙2210、2211电分离。优选提供在组件左侧的电绝缘体2208、中间的绝缘体2207和右侧的绝缘体2209。箭头2212表示工作流体的流动方向。与不具有电隔离的类似阵列相比，这种配置可以在更高的电压和更低的电流下运行。针对图20应注意，第一TE元件2201和第二TE元件2203不必但是可以是不同的导电类型。这将取决于预期电流流动的方向。然而，TE元件2202、2203的电势可以不同。

【179】间隙2210起到使第一分流器部分2202彼此有效热隔离以及第二分流器部分2204彼此有效热隔离的作用。与此类似，侧面绝缘体2208、2209提供热隔离和电隔离，同时机械地将分流器连接在一起。中心绝缘体2207沿其长度提供电隔离和热隔离。因此，阵列2200被构造成在箭头2212的方向产生热隔离，如美国专利6,539,725所述。与不具有电隔离的类似阵列相比，这种配置可以在更高的电压和更低的电流下运行。

【180】图23描述一种冷却系统2300，其基本上使用图22所述类型的分流器分段阵列。冷却系统2300具有利用电绝缘材料2320(诸如胶带)机械连接的内部分流器分段2301、2302。内部分流器分段2302利用电绝缘且热绝缘的材料2321机械连接起来。与此类似，内部分段2301利用电绝缘且热绝缘的材料2307机械连接起来。内部分流器分段2301、2302分别在末端(未显示)通过图22所述的方式连接到TE元件。TE被夹在内部分流器分段2301、2302和各自的外部分流器分段2303、2305之间的堆叠中。中心分流器分段2301分别连接到外部左分流器分段2305，而内部分流器分段2302连接到外部右分流器分段2303。优选地，外部右分流器分段2303通过电绝缘且热绝缘的材料2322类似地机械连接在一起，材料2322类似于连接内部分流器分段2302的电绝缘材料2321。外部左分流器分段2305类似地机械连接在一起。外壳2311支撑分流器分段的堆叠阵列和TE。终端柱2312和2314电连接到内部分段2301。类似地，终端2315和2316连接到内部分流器分段2302。优选地，热绝缘且电绝缘的隔离物(spacer)2309、2310被置于每个内部分段和外部分段之间。

【181】第一工作流体2317经过内部区域，而第二工作流体2318、2319经过外部区域。当在终端2312和2314，2315和2316之间施加适当极性和大小的电压时，内部分流器分段2301、2302被冷却。同时，外部分流器分段2303、2305被加热。因此，经过内部区域的工作流体2317被冷却，而经过外部分流器分段2303、2305的工作流体2318、2319被加热。外壳2311和绝缘体2309、2310容纳被冷却的流体2317和被加热的流体2318、2319并将被冷却的流体2317与被加热的流体2318、2319分离。

【182】给系统2300中的每个堆叠提供电压的电连接可以串行地在高电压下运行，可以串行/并行地在一半电压下运行或者并行地在1/4电压下运行。极性可以被反转以加热内部工作流体2317以及冷却外部工作流体2318、2319。可以在工作流体2317、2318、2319流动的方向使用多个分段以在甚至更高的电压下运行，以通过产生的更为有效的热隔离来实现更好的效率。

【183】通过热隔离实现性能提高的另一紧凑的设计使用图24A和24B所述的组合分流器和热传递分段2400。该设计与图14的设计很相似，但是具有在流体流动的方向基本对齐的TE元件2401、2402。传导类型相反的TE元件2401、2402被连接到分流器2404的延伸部分2403。优选地，换热器2405、2406(诸如翅片)与分流器2404有良好的热接触。当经过换热器翅片2405和2406时，工作流体2409根据流体流动的方向被加热或冷却。

【184】图24B描述了包括图24A所示的TE分流器分段2400的堆叠2410的一部分。电流2417在箭头表示的方向流动。多个第一侧分流器2400和多个第二侧分流器2400a连接到TE元件2411。第一工作流体2418沿堆叠2410的较低部分流过图24a中第二侧分流器2400a上的换热器，而工作流体2419优选在相反的方向流过第一侧分流器2400的换热器。

【185】当施加适当电流2417时，流体2419在从一个分段流向下一个分段的过程中会被堆叠2410的上部逐渐冷却，而流体2418在从一个分流器2400a流向下一个分流器的过程中会被堆叠2410的下部逐渐加热。

【186】图25A描述了替代的TE堆叠配置2500。该TE堆叠实现了与工作流体2513热隔离的优点，工作流体2513流动的方向基本垂直于电流流动方向2512。第一分流器2502被电连接到第一TE元件2501并且与换热器2503、2504有良好的热接触。类似地，第二个第一侧分流器2506与其换热器2508有良好热接触，而第三个第一侧分流器2505与其换热器2507有良好热接触。散布在每个第一侧分流器2502、2506和2505之间的是类型交替的TE元件2501和基本在相反的方向凸出的第二侧分流器2509、2510和2511，如图12所示。没有完全描述的第二侧分流器2509、2510和2511基本具有相同的形状并且与第一侧分流器2502、2506和2505一样具有相同的空间关系。工作流体2513在箭头表示的方向通过堆叠组件。当通过TE元件垂直地施加适当的电流时，第一侧分流器2502、2505和2506被加热，并且第二侧分流器2509、2510和2511被冷却。随着工作流体2513首先流过换热器2507，之后通过换热器2508，并最终通过换热器2503，其被逐渐加热。完整的堆叠组件具有阵列2500的重复部分，这些部分在电流流动方向被组合，使得换热器2503的顶部被分隔成接近另一阵列部分的下一顺序换热器2504的底部。在工作流体2513流动的方向热隔离是显而易见的。

【187】图25B是图25A描述的阵列部分2500的平面图。传导类型交替的多个TE元件2501的冷却散布在多个第一侧分流器2502、2506和2505与多个第二侧分流器2511、2509和2510之间，使得第一侧分流器2502、2506和2505与第二侧分流器2511、2509和2510交替。分流器被间隙2534分离且与每个分流器的换热器有良好的热接触。第一工作流体2531沿着上部从右向左流过，而工作流体2532优选沿着下部从左向右流过。提供的热和电绝缘体2533优选在每对分流器之间，除电流流过TE和分流器的地方外。

【188】例如，当适当的电流流过阵列2500时，工作流体2531被逐渐加热，而工作流体2532被逐渐冷却。绝缘体2533防止不必要的热损耗，还防止工作流体2531、2532的混合。如所示，阵列2500在反向流动模式下运行，并且使用热隔离来提高性能。同样的阵列2500可以与在相同方向以并行流动模式运动的工作流体2531、2532一起运行，并且仍旧具有热隔离的优点以提高性能。在这两种情形下，TE元件2521的电阻优选不完全相同，但是其电阻随温度和各TE元件之间的功率差异而变化，如美国专利6,539,735所述。

【189】图26A描述了另一TE模块2600，其使用本说明书讨论的原理来实现在更高电压下的运行以及可能的其它优点，诸如更高的功率密度、紧凑的大小、强度、更高效率。第一TE元件2601被夹在第一端分流器2603和第二分流器2604之间。具有相反传导类型的第二TE元件2602被夹在第二分流器2604和第三分流器2605之间。这种形式持续到最末端分流器2606。电流2607流入最末端分流器2606，通过TE模块且从第一端分流器2603退出，如箭头2608和2609所示。间隙2611避免导电且降低相邻分流器之间的热传导。在一个实施例中，第一端分流器2603和最末端分流器2606具有电极表面2612。其它分流器具有导热的、但与分流器主体电绝缘的分流器表面2614。

【190】在运行过程中，适当的电流2608流过TE模块2600，同时加热上表面并冷却下表面(反之亦然)。图26A中描述的TE模块2600包括5个TE元件和6个分流器。优选地，可以使用任意奇数个TE元件，这些TE元件被所示的分流器交替分隔开。而且，多于一个的TE元件(如图18所示具有相同类型)可以被并行连接在每对分流器之间。为了实现交替的功能性，可使用偶数个TE，从而使电能限定到一个表面的电隔离部分。

【191】图26B示出了TE模块2600的阵列2620。图26B示出了彼此顶部堆叠的两个TE模块2600，类型如图26A所示，以及夹在第一侧分流器2604之间的中心热传递构件2635。外部的热传递构件2632和2636热耦合到第二侧分流器2605。分流器和热传递构件还可以是任何其它适当类型，例如图14和15中介绍的类型。第一TE模块的第一端分流器2603电连接到外部的热传递构件2632。与此类似，第一或上部TE模块的另一端分流器2006被电连接到中心热传递构件2635。与此类似，第二TE模块的第二端分流器2606a被电耦合到中心热传递构件2635，而第二TE模块的第一端分流器2603a被电耦合到图26B的底部上的外部热传递构件2636。除了端分流器2603、2606、2606a和2603a，其它分流器2604、2605具有导热的电绝缘体2612。此外，如图26A中的布局，分流器具有间隙2611以使它们彼此电隔离。电流流动由箭头2628、2629、2630、2631和2637表示。如所示，TE元件2601、2602的传导类型交替。

【192】当适当的电流流过阵列2620时，第二侧分流器2605和外部热传递构件2632和2636被加热。第一侧分流器2604和中心热传递构件2635被冷却。电流反转时出现相反的情况。工作电流和相应电压可以通过调节TE元件2601、2602的尺寸和数量进行调节。与此类似，可以调节功率密度。应当注意可以使用更大数量的分流器和TE元件，这将加宽图26B所示的配置。此外，更多的TE模块2600可以在垂直的方向上堆叠。此外，可以提供从图26B的平面向内或向外的堆叠阵列或者可以使用上述堆叠阵列的任意组合。在适当的阵列中，可以根据美国专利6,539,725的说明使用在热传递方向或工作流体流动方向的热隔离原理。

【193】图27图示了TE模块2700的可替代的实例，其类型类似于图26A中的TE模块2600。端分流器2705、2704被电连接到电源2720和地(ground)2709。TE元件2701、2702被电连接到串联的分流器2703、2704、2705、2706之间。在此实施例中，由绝缘体2711将所有分流器2703、2704、2705、2706与第一热传递构件2707和第二热传递构件2708电隔离开。分流器与热传递构件2707、2708有良好的热接触。第一侧热传递构件2708在箭头2712表示的方向运动。优选地，第二侧热传递构件2707在相反的方向运动，如箭头2710所示。

【194】当向TE模块2700施加适当电流时，第二侧热传递构件2707被冷却且第一侧热传递构件2708被加热。其运行类似于与图7A、7B、7C和7D所述的相关运行。应当注意到第一热传递构件2707和第二热传递构件2708的形状不必是可能从图27中推断出来的矩形，而可以是圆盘形的或者任何其它适当的形状，诸如图7A讨论的形状。通过有效的设计，TE模块2700还可以实现与热隔离相关的性能优势，如美国专利6,539,725所讨论的。

【195】在可替代的实施例中，热传递组件2707和2708不运动。在此配置中，TE模块2700类似于图1所述的标准模块，但是可以以高功率密度运行并且利用相对薄的TE元件2701、2702。优选地，TE模块2700对TE元件2701、2702产生低的切应力，该切应力例如是由第一侧和第二侧分流器间的热膨胀差异产生的。由于切应力是由TE元件2701、2702两端的温度差别在TE模块2700内产生的，并且与宽度尺寸成比例，所以该切应力比标准TE模块中与整个模块宽度成比例的切应力小得多。这种差异可以从图12与图1中描述的标准模块之间的比较看出来。具有两个以上与图12所示的配置尺寸相同的TE元件的标准模块将表现出不利的高切应力，尺寸如图12的配置中的尺寸。这种切应力限制热循环稳定性和模块大小。

【196】图27还提供了一个好的图示，以描述此说明书描述的实施例可以如何用于发电。在这样的配置中，终端2709、2720连接到负载而不是电源，以便向负载提供电能。热传递构件2708、2707以温度梯度的方式提供热能。第一热传递构件2708和第二热传递构件2707之间的温度梯度导致热电系统2700在终端2709、2720产生电流，这两个终端可以进一步连接到负载或电能存储系统。因此，系统2700可以作为发电机。说明书中描述的其它配置也可以以类似的方式被耦合以通过施加温度梯度和产生电流来提供发电系统。

【197】TE热传递系统2800在图28中描述，该系统使用气态工作流体2810和液态工作流体2806。在此实施例中，第一侧分流换热器2803采用图24A和图24B中描述的结构。分流换热器2803通过气态工作介质2810传递热能。在此实施例中，第二侧分流换热器2804、2805通过液态工作介质2806传递热能。传导类型相反的多个TE元件2801夹在第二侧分流器2804、2805和分流换热器2803之间。类似地，第二侧分流换热器2804、2805夹在传导类型交替的TE元件2801之间。电流2812、2813经过系统2800，如箭头2812、2813所示。在此实施例中，管2814、2815使液态工作介质2806从一个分流换热器2804、2805流到下一个分流换热器。

【198】TE热传递系统2800的运行类似于图24B描述的系统的运行，其中一种工作流体2810是气态的，而其它工作流体2806是液态的。系统2800中的设计也实现了美国专利6,539,725所述的热隔离优势。

【199】图29描述了分流换热器2900的细节。该组件优选具有容器2901、电极2902和热传递翅片2905和2906，容器2901由很好的导热材料构成，电极2902由很好的导电材料构成，热传递翅片2905和2906与容器2901的顶表面和底表面有良好的热接触。在一个实施例中，容器2901和电极2902由单一的材料构成，并且在结构上可以是一个整体。优选地，容器2901的底表面与电极2902之间的界面2904具有很低的热阻抗。流体2909通过分流换热器2900。

【200】在运行过程中，TE元件(未显示)被电连接到电极2902的顶部部分和底部部分。当施加适当电流穿过TE和电极2902时，容器2901和翅片2905、2906被加热或冷却。穿过分流换热器2900的工作流体2909由换热器2900加热或冷却。优选地，分流换热器2900具有足够好的导电性，从而不会明显导致寄生损耗。可以通过最小化经过电极2902的电流路径长度、最大化穿过电流路径的导电性以及增大电极2902的横截面积而使这种损耗变小。

【201】容器2901的顶表面和底表面、翅片2905和2906在电流流动的方向提供充足的导电性，因此可以减小固体电极体2902的横截面积或者将其完全除去，如图4B的实施例中所示。

【202】图30描述了热沉和流体系统3000。传导类型交替的TE元件3001被散布在流体换热器3004与分流器3002和3005之间，每个流体换热器具有分流部分3003。电流3006、3007流过分流部分3003、分流器3002和3005以及TE元件3001。工作流体3009的流动如箭头所示。热沉3010、3011与分流器3002、3005有良好的热接触但是电绝缘。在具有金属或其它导电的热沉3010、3011的实施例中，优选具有良好的导热性的电绝缘体3008、3012将电流流动3001、3007限定到所示的电路。

【203】当施加适当电流3006、3007时，将热能从工作流体3009传递给热沉3010、3011。分流热传递构件3004彼此热隔离，使得此实施例利用热隔离实现了性能增益。

【204】图31A描述了替代的分流换热器实施例3100。分流部分3101具有电极3102和热传递延伸部分3108，电极3102用于连接到TE元件(未显示)，延伸部分3108与换热器3103(诸如翅片)有良好的热接触。流体3107流过换热器3103。

【205】分流换热器3100优选具有基本位于热传递延伸部分3108之间的中心位置的电极3102。在此实施例中，热能可以在两个方向流进以及流出TE组件，因此，与图24A描述的实施例相比，可以将针对每个TE元件的热传递能力大约增加一倍。分流器侧可能具有增强的热传递特性，诸如通过加入热管、对流热流动或利用提高热传递的任何其它方法来实现。

【206】图31B描述了具有分流器3111、电极3112和流入流体端3113、3114以及流出流体端3115、3116的热传递分流组件3110。热传递分流组件3110可能具有针对每个TE元件的提高的热传递能力，并且相对于图29中描述的系统具有更强的流体传送能力。

【207】图31C描述了具有分流构件3121、电极3122和换热表面3123、3124的分流组件3120。分流组件3120针对每个TE组件的热传递能力可接近图26A和图26B中描述的实施例的两倍。但是，与图26A和图26B描述的使用相比，分流组件3120构成的堆叠彼此将以接近直角的角度交替，且彼此相对的表面3123、3124将例如均被加热，并且堆叠中与被加热的那对表面几乎成直角的下一对表面将被冷却。可替代地，表面3123、3124可以成其它角度，诸如120°，并且可以通过图26所述的分流器2604分散开。多侧分流器的任意组合都是本发明的部分。

【208】应当注意到热电材料的减少是很显著的。例如，本文讨论的热电元件在一个通用实施例中可能足够薄达到5微米至1.2毫米。对于诸如可利用图31A-C、图26A-B以及图27中的实施例实现的超晶格和异质结构的配置，热电元件的厚度可能在20微米至300微米之间，更为优选地是从20微米到200微米，甚至从20微米到100微米。在另一实施例中，热电元件的厚度在100微米至600微米之间。热电元件的这些厚度明显比传统热电系统的厚度更薄。

【209】应当注意到描述的这些配置不要求TE元件必须装配到阵列或模块中。对于一些应用，TE元件优选直接连接到热传递构件，从而降低系统复杂性和成本。还应当注意到以上描述的特征可以在不偏离本发明的情况下以任何有利的方式被组合。此外，应当注意到尽管各个图形中所示的TE元件看起来具有类似的尺寸，但是阵列或堆叠中TE元件的尺寸可以变化，端类型TE元件可以具有与P型TE元件不同的大小和形状，在设计上一些TE元件可以是异质(hetero)结构，而其它TE元件的设计可以是非异质结构。

【210】一般而言，这些图形中描述的系统在冷却/加热和发电模式中运行。优选地，可以进行细节变化来最优化冷却、加热或发电的性能。例如，期望大的温度差异(200°F到2000°F)以实现高效率发电，这是本领域众所周知的，而小的温度差异(10°F到60°F)是冷却和加热系统的特性。大的温度差异要求不同的结构材料和具有不同设计尺寸和材料的可能的TE模块和元件。然而，对于不同模式的运行，基本概念仍然是相同的。图5、8和9描述的设计对于发电是优选地，因为它们提供制作简易、结实(rugged)、低成本的设计的潜力。但是，以上提到的所有设计对于具体的发电应用都可能使有用的，因此不能排除在外。

高容量热电温度控制系统

【211】热电冷却、加热和温度控制装置具有重要特征，这些重要特征对它们用于若干增长的市场行业具有很大的好处。例如，电子快滑步(chasse)的增长的冷却容量需要使用具有形状因子的小冷却系统，但通过两相压缩器系统不易实现该小冷却系统的形状因子。与此类似，局部冷却和加热系统、静室加热泵和其它应用可以通过将基于两相压缩器的技术转化为安静的、无振动的固态方案而受益。但是，虽然在有限的适用(niche)应用方面有所成功，但调整该技术是缓慢的，部分原因是因为这种固态系统的三个缺陷：

·TE装置的效率通常大约是基于两相压缩器的冷却系统的1/4，导致4倍的运行成本和较大的阻热组件；

·设计的最初成本至少是竞争系统的成本的两倍；以及

·能够最优化TE系统设计的成本、效率、大小和其它重要参数的仿真工具还不可用。

【212】本文描述的某些实施例优选最优化可替代的热力学循环，其几乎能够使重要应用中的效率加倍。某些应用中效率的提高与工作流体的运动有关，诸如在HVAC和温度控制系统中所发现的。结果已经在基于气体和液体的装置中通过实验进行了验证。此外，在本文描述的某些实施例中，在目前热电材料构成和热传递技术的限制条件下，高功率密度热电设计将热电材料的使用降低到实际最小值。在本文描述的某些实施例中已经通过改善的热传递技术和准确的建模软件实现了材料使用的降低。本文描述的某些实施例使用这些技术进步并实现了材料的显著降低。本文描述的某些实施例已经使用可有效最优化复杂性设计的并发多维最优算法进行准确且全面地建模。该模型允许将输入变量设计限制在适于简单制造和其它目的的范围内。而且，可以通过对体积、压降、流速和其它参数的限定而使设计输出受到限制。

【213】这些进步已经用于设计、构造以及测试本文描述的某些实施例，包括但不限于基于热电的固态冷却、加热和具有80瓦和3500瓦的热电输出的温度控制系统。本文描述的某些其它实施例提供具有其它范围的热能输出的热电系统。

【214】本文描述的某些实施例包括基于液体的加热、冷却和温度控制系统。本文描述的某些实施例包括一个或多个以下具体的技术设计目标：

·运行效率比传统热电技术的运行功率至少高50％；

·热电材料使用比具有相同热输出的商用热电模块少25％；

·易于制造并且具有低成本、紧凑和重量最小的前景；

·包含电冗余；

·在冷却模式下的额定热泵送能力为3500瓦；和

·可在50瓦和5000瓦热容量之间放大到更大尺寸或缩小到更小尺寸。

【215】图32示意性地图示了根据本文描述的某些实施例的示例性热传递装置3200的局部剖视图，图33是与本文描述的某些实施例兼容的示例性热电系统部件3300的视图。该热电系统包括多个热电模块(图33中不可见)和多个热传递装置3200。每个热传递装置3200包括一外壳3210和在外壳3210内的一个或更多个换热器元件3220。每个热传递装置3200接受工作流体流过该装置。至少一些热传递装置3200与多个热电模块中的至少两个热电模块进行热通信并且夹在其中间以形成交替的热电模块和热传递装置的堆叠3200。该堆叠被布置成在工作介质运动的方向提供热隔离。在某些实施例中，压缩性地(compressively)加载部件3300以确保机械稳定性。

【216】在某些实施例中，外壳3210包括铜，而一个或更多个换热器元件3220包括铜翅片。某些实施例的外壳3210包括组装到一起以形成外壳3210的多个部分(例如，两个拉开的铜壳)。在某些其它实施例中，外壳3210在结构上与弯曲、折叠和/或去除的材料是一个整体，用于限定工作流体可流过的体积。

【217】在某些实施例中，换热器元件3220包括多个铜翅片。在某些实施例中，热传递装置3200的换热器元件3220在结构上与弯曲、折叠和/或去除的材料是一个整体，用于形成工作流体可流过的部分，从而在换热器元件3220和工作流体之间传递热量。例如，换热器元件3220可包括位于外壳3210的铜壳内的折叠铜翅片。在某些实施例中，换热器元件3220包括两个或更多个翅片组件，如图32的示意性图示。在某些实施例中，外壳3210和一个或更多个换热器元件3220在结构上与弯曲、折叠和/或去除的材料是一个整体，用于形成热传递装置3200。

【218】在某些实施例中，外壳3210包括第一表面3212和基本平行于第一表面3212的第二表面3214。当组装到热电系统中时，第一表面3212与多个热电模块的至少第一热电模块进行热通信和电通信。而且，当组装到热电系统时，第二表面3214与多个热电模块的至少第二热电模块进行热通信和电通信。该第二热电模块还与至少一个第二热电模块进行热通信和电通信。

【219】例如，在某些实施例中，交替的N型和P型热电元件被分别直接焊接或铜焊到热传递装置3200的第一表面3212和第二表面3214。交替的N型和P型热电元件还直接焊接或铜焊到热电系统的邻近热传递装置3200。某些这种实施例优选提供一设计特征，该设计特征消除了包括基底和其它电路组件的传统热电模块组件。

【220】在某些实施例中，每个热传递装置3200包括工作流体进入热传递装置3200的入口3230和工作流体退出热传递装置3200的出口3240。某些实施例中的工作流体沿基本垂直于第一表面3212的方向流过入口3230，并且沿基本垂直于第二表面3214的方向流过出口3240。如图33的示例性部件3300所示，在某些实施例中，热传递装置3200的出口3240流动耦合(例如，通过流体输送管或管道3250耦合)到另一热传递装置3200的入口3230。在某些实施例中，这两个热传递装置3200通过流体管道3250彼此流动耦合，并通过热电模块、另一热传递装置3200和另一热电模块分隔开，以便工作流体以反向流动的方式运动，其中每种流体流过每个第二热传递装置3200。

【221】图34示意性地图示了与本文描述的某些实施例兼容的示例性热电系统的换热器部件3300(例如，堆叠)的工作流体路径以及电连接。在图34中，电流沿着换热器部件(例如，堆叠)3300的长度方向流动。在某些实施例中，部件3300通过包含穿过并行热电元件的电路实现一定程度的电冗余。图34所示的一系列并行冗余可以有利地增加热电系统的装置强度、稳定性和可靠性。

【222】某些实施例的热电系统包括第一组多个热电元件3410、第二组多个热电元件3420和多个热传递装置3200。每个热传递装置3200具有与第一组多个热电元件3410的两个或更多个热电元件3410热通信的第一侧3432和与第二组多个热电元件3420的一个或更多个热电元件3420热通信的第二侧3434，以形成热电元件和热传递装置的堆叠。第一组多个热电元件3410的两个或更多个热电元件3410彼此之间并行地电通信。第一组多个热电元件3410的两个或更多个热电元件3410与第二组多个热电元件3420的一个或更多个热电元件3420串行地电通信。在某些实施例中，第二组多个热电元件3420的一个或更多个热电元件3420包括彼此之间并行地电通信的两个或更多个热电元件3420。

【223】在某些实施例中，第一组多个热电元件3410的热电元件3410是P型的，而在某些这种实施例中，第二组多个热电元件3420的热电元件3420是N型的。某些实施例中的每个热传递装置3200使第一组多个热电元件3410的两个或更多个热电元件3410与第二组多个热电元件3420的两个或更多个热电元件3420热隔离。在某些实施例中，布置该堆叠以在工作介质运动的方向提供热隔离。

【224】在某些实施例中，每个热传递装置3200接受工作流体以在热传递装置3200的总体方向上流过该装置。多个热传递装置的两个或更多个热传递装置3200的总体方向彼此基本平行。例如，图34中热传递装置3200的箭头示出了热传递装置3200中流体流动的总体方向。在某些实施例中，多个热传递装置3200的至少两个热传递装置3200的总体方向基本彼此相反。

【225】正如以上关于图33的描述，热传递装置3430的出口3240流动耦合到另一热传递装置3430的入口3230。例如，如图34中的示意性表示，第一工作流体3440通过流过第一组热传递装置3200被冷却，第二流体3450通过流过第二组热传递装置3200被加热。第一工作流体3440基本沿着堆叠在第一方向流动，而第二工作流体3450基本沿着堆叠在第二方向流动。第一方向和第二方向基本彼此平行。在某些实施例中，第一方向和第二方向基本彼此相反。在图34的示例性配置中，工作流体以反向流动的方式运动，其中每种流体流过每个第二热传递装置3200。某些实施例的热电元件3410、3420在电流流动的方向是交替的P型和N型，以便交替的热传递装置3200是热源和热沉。由此被冷却的工作流体3440经过热传递装置3200时被逐步冷却，被加热的工作流体3450经过热传递装置3200时被逐步加热。

【226】在某些实施例中，工作流体3440、3450可以沿相反的方向流动，如图34的示意性表示。在某些其它实施例中，工作流体3440、3450可以沿相同的方向流动并且可以实现与标准热力学循环的运行类似的性能改善。在某些条件下，诸如在很小的温度差异下，效率会稍微高于通过反向流动实现的效率。在某些实施例中，这种几何形状满足了热隔离的基本条件而不添加额外的组件，并且在实践中可减少用于实现预期的性能特性的组件的总数。

【227】模拟图32示意性图示的热传递装置3200的详细仿真被用于评估设计折中和基础装置性能。在模拟过程中用于限定最终装置参数的参数包括：

·热电元件的面积、厚度和数量；

·在流动方向热隔离分段的数量；

·热传递装置的壳厚度、长度、宽度和构成材料；

·热传递装置的翅片厚度、长度、宽度、间距和构成材料；

·并行热电分段的数量；

·热传递装置的铜焊接头的厚度和材料特性；

·焊接层的厚度和材料特性；以及

·热电电极的电界面特性和热界面特性。

以上列出的前四个参数(除构成材料)被同时最优化以产生下文描述的设计参数。对材料厚度和间隔参数进行了限制以确保可制造性。由于液体流速和温度变化是固定的，因此在最优化期间施加了限制以最优化性能系数(COP)。仿真的输出包括：运行电流和电压、液体压降、热电元件的数量、热电材料的体积、装置重量和体积(不包括：歧管、电力和机械界面组件、外部绝缘体和安装支架)。

【228】图33所示的示例性电路实验板(breadboard)部件3300根据最优设计的仿真输出来构造。示例性部件3300的尺寸是87毫米×39毫米×15毫米。夹在两个热传递装置3200之间的每个热电部分具有四个热电元件，每个元件的横截面积是4毫米×3毫米，且在电流流动方向上的厚度是0.6毫米。这四个热电元件在相邻热传递装置3200之间彼此并行电连接。为了进行性能验证测试，使用水作为工作流体。均匀的热传递特性和热容量特性使得可重复测量流速以及入口和出口温度。与环境和具有实验误差的其它源的热交换被处理并最小化。针对装置的功率输入Q_in利用两种独立的计算方法来计算性能，从而分析测试结果的准确性：

方法1：Q_in＝Q_heated-Q_cooled，和

方法2：Q_in＝IV，

其中加热侧热通量Q_heated＝Fm_heated×C_p×DT_heated，而冷却侧热通量Q_cooled＝Fm_cooled×C_p×DT_cooled。流速是Fm_heated和Fm_cooled，而入口和出口之间对应的温度变化是DT_heated和DT_cooled。流过部件3300的电流是I，而部件3300两端的电压是V。将由两种方法计算的结果Q_in进行对比。

【229】研发测试方法是为了使得通过两种方法测量的测试值在彼此的至少5％内。部件3300安装在图35所示的测试夹具中。部件3300被安装在两个电极之间，将两个电极的温度维持在入口水温度。通过利用液态金属(GaInSn)外部电界面来仿真示例性完备系统的焊料(PbSn)电连接，从而使界面的电热损耗最小化。

【230】图36示出了对部件3300进行测试的测量性能结果与仿真模型结果之间的对比。这些结果示出了在运行参数的宽范围内的良好相关性。当运行条件处于峰值COP并且达到峰值COP右侧(较高电流)时，对于测试的所有温度差异来说，模型结果的准确性在4％内。峰值COP左侧的测试点没有包括在准确性分析内。这种运行条件通常不是令人感兴趣的，因为它们表示的运行条件相对于在峰值右侧处于相同COP的运行条件使用了体积较大且成本较高的装置。此外，与这种运行机制相关联的很大倾斜会引起测试误差和运行的不稳定。

【231】参数epsilon是电流I和I_max的比，I_max是针对最大冷却功率计算的电流。对于测试的热电部件3300，I_max＝440安培。部件3300在输入电流为30安培至150安培时被测试。加热侧到冷却侧的出口温度差异的变化范围是15℃到55℃。输入到部件3300的输入电能从4.89瓦变化到87.49瓦。

【232】图37表示ΔT_c＝10℃和ΔT_h＝5℃(图36中最高的曲线)时部件3300的CPO与基于传统热电模块而无热隔离的设计的性能的对比。与图33中COP为4.30的配置相比，该传统设计的COP为2.25，导致大约91％的提高。百分比提高在更高温差下增加，并且在更低温差下稍微降低。

【233】基于标准TE模块系统和堆叠设计的计算结果，标准热电模块结构与根据本文描述的某些实施例的示例性部件3300的大小、重量、体积和功率的对比在表1中示出。如表1所示，与标准热电模块设计相比，除了大约91％的COP(效率)提高外，部件3300表现出体积、重量以及成本的降低。热电部件体积和重量分别降低约15％和70％；热电材料使用以及因此带来的材料成本大约是四分之一，具体的功率增长到约3.3倍。

表1：

参数	标准设计	部件3300
			ΔTc＝10℃，ΔTh＝5℃时的热冷却功率(瓦)	65.10	65.10
热电材料重量(克)	48.37	11.34
			热传递装置重量(克)	290.0	129.4
其它材料(分流器、基底、密封剂、配线)的重量(克)	146.9	6.1
			总的部件重量(克)	485.3	146.8
体积(公升)	0.0616	0.0521
			功率密度(瓦/公升)	1057	1250
具体冷却功率(瓦/克)	0.134	0.443
			峰值效率(COP)	2.25	4.20

【234】基于这一设计验证水平，完成了全尺寸装置的设计，并且图38示出了该装置，其中前盖和绝缘体被去除。在此装置中，热电元件更改成每层三个元件，每个元件的横截面面积为12毫米×3毫米，厚度为0.6毫米，从而提高了每个热电层的面积。这样做是为了通过优选在每个阶段利用较多的热电面积来满足温度差异较低的特定应用的需求。如图36和图37的结果的对比所示，在绘制的(plotted)具体运行条件下，该装置预计具有的效率稍微高于热电部件3300。该装置被构造成9×3的阵列，并具有1.5毫米的半刚性绝缘体，其位于两个热电部件之间，以便使核心热电组件是紧凑的。辅助部分通过填充了绝缘体的间隙间隔开，以允许热电偶和其它监控装置的接入。辅助部分包括：流体歧管、部件间的电连接以及均匀压缩这些部件的弹簧。没有尝试最小化辅助部分的重量或体积。

【235】图38的装置具有以下额定设计特性：

电流：86安培；

电压：8.7伏；

热冷却功率：3500瓦；

液体流速：0.16公升/秒；

热电材料重量：306克；

装置体积：1.59公升；以及

装置净重：4.33千克。

热电部件(例如，参见图33)被并行连接是为了流体的流动，而热电部件被串行连接是为了电流的流动。引导流体流动的歧管还用作顶部结构构件和底部结构构件。歧管还容纳电连接。

【236】使用水作为工作流体对装置进行测试，并且经计量的水量流过装置的冷却侧和废水(加热)侧。电流、电压、流速以及入口和出口温度被监控。图39示出了测量的实验结果和计算的模型结果之间的对比。基于利用设计模拟工具进行的仿真，实验结果与预计的结果具有良好的一致性。

【237】对图38中整个装置的测试示出了与示例性热电部件3300可比较的精确度，但是由于使用的测试设备的电源和工作流体流速容量的原因，测试局限于较少的运行条件。在测试条件的范围内，结果确实验证了模型的性能预测。而且，由于整个装置和每个热电部件的性能与部件的相同的预计结果一致，所以系统级损耗显得足够小，从而不会导致预计的系统级性能无效。因此，整个装置的结果遵循预计的热电部件的性能。

【238】设计和模型结果示出了在组合的冷却侧和加热侧温度变化(高达30℃)的条件下，符合本文描述的某些实施例的具有液态工作流体的热电冷却器可以具有高的COP。在此范围内，并且对于热功率水平在50瓦和3500瓦之间时，这种系统对于基于液体的冷却应用来说是可行的候选。由于多个同样的部件用于证实在3500瓦的运行，因此对于至少5000瓦热容量的装置，可以期待将观测到很类似的结果。而且，对于加热模式下的运行，将获得类似的性能和模型精确度。因此，冷却、加热和温度控制应用将成为本文描述的某些实施例的TE技术的目标。

在流动方向利用热隔离的应用

【239】在本文描述的某些实施例中，至少一部分单一工作流体利用流动方向的热隔离在热电系统的加热侧和冷却侧循环。在冷却侧上第一次流过的过程中，工作流体被冷却，而在加热侧上反向流过的过程中，工作流体被重新加热到其原始温度以上。在传统的热电装置中，基底的导热性以及其上安装热电电路的热传递构件的导热性趋于使装置的整个表面温度相当一致。本文描述的某些实施例将流动方向的导热性最小化，然后通过在热传递流体流过第一侧时将其冷却，并通过使其在另一侧上反向流过时再次对其加热的方式，使热电装置的任何部件之间的温度差异有利地变小，同时导致COP、ΔT或两者的显著改善。

【240】图4A示意性地图示了符合本文描述的某些实施例的示例性热电系统400。在某些实施例中，热电系统400包括多个热电模块402和多个热传递装置403。每个热传递装置403接受工作流体从其中流过。至少一些热传递装置403与多个热电模块402的至少两个热传递模块402热通信并夹在其中间，以形成由交替的热电模块402和热传递装置403构成的堆叠。该堆叠被布置成沿着工作介质运动的方向提供热隔离。第一工作流体通过流过第一组热传递装置403被冷却，而第二工作流体通过流过第二组热传递装置403被加热。图33示出了符合本文描述的某些实施例的示例性部件3300。

【241】图40示意性地图示了当工作流体环行热电系统时，三个热电系统的温度轮廓。在某些实施例中，在流过第一组热传递装置后，第二工作流体包括第一工作流体。在某些具有冷却负载的这种实施例中，由于Q_L的原因第一工作流体在冷端接收来自负载的温度增长。之后，第一工作流体作为第二工作流体被反馈到加热侧中，并且由于输入功率、IV、负载功率Q_L的共同作用以从入口温度升高的温度退出。

【242】在某些实施例中，第一工作流体反馈到加热侧时的温度取决于热负载的相对大小和泵送热量的装置的最冷阶段的能力。图40中的三个轮廓示出了(i)小热负载或没有热负载、(ii)适中热负载、和(iii)大热负载三种可能的范围。第一工作流体以入口温度T_IN被引入到冷却侧，并且当其沿着冷却侧流到施加热负载的末端部分时被逐渐冷却。第一工作流体被热负载加热并且作为第二工作流体引入到加热侧，并且当沿着加热侧流到出口时进一步被逐渐加热。第二工作流体的出口温度T_OUT比第一工作流体的入口温度T_IN更高。

【243】液体-液体热电装置的计算机模型用于比较传统热电装置的性能和根据本文描述的某些实施例、利用热隔离及两侧上的同一工作流体的装置的性能。图41示出了测量的温度增长(ΔT＝T_OUT-T_IN)与根据模型计算的温度增长紧密相关。

【244】图42示出了用于在各种条件下验证模型的示例性热电系统4200。热电系统4200包括与热电系统4200的冷却侧保持流体通信的入口4210、连接到冷却端4230以便提供热负载的加热器4220、与热电系统4200的加热侧保持流体通信的出口4240以及向热电系统4200的热电元件施加电流的一对电极4250。绝缘泡沫体用于使热电系统4200与外界绝缘。

【245】图43通过绘制在不同数量的热隔离阶段下可获得的最大ΔT_C显示了热隔离对最大ΔT_C的影响。图44示出了热隔离对最大功率的影响。为了进行对比，参数N用作热电系统中存在的热隔离阶段的数量。没有热隔离的传统热电系统用N＝1表示。

【246】可通过额外使流动的重新定向复杂化来提高ΔT_C和负载功率。在某些实施例中，在流过第一组热传递装置的一个或更多个部分后，第二工作流体包括第一工作流体的一个或更多个部分。在某些实施例中，在已经流过第一组热传递装置的多个部分后，第一工作流体的一个或更多个部分包括第一工作流体的多个部分。图45示意性地图示了与本文描述的某些实施例兼容的、利用流体的交叉连接的配置。第一工作流体的多个部分沿着热隔离的堆叠在多个点从冷却侧转移到加热侧上的第二工作流体。这种配置导致入口和出口的高速流动以及在冷端的低速流动。高速流动端的较小的温度差异是提高性能的因素。

【247】在某些实施例中，第二工作流体包括不流过至少一部分第一组热传递装置的一部分第一工作流体。图46示意性地图示了根据本文描述的某些实施例将适当温度的流体引入加热侧中的效果，在加热侧其温度与原始流动的温度匹配。将适当温度的第一工作流体引入到第二工作流体有效地去除了等效流动的限制。在某些实施例中使用冷却流动的好处是利用冷流体来进一步提高性能，使其超过具有单一独立流动的流体的性能。

【248】在某些实施例中，热电系统在大温度差异下提供来自外界的增长的冷却容量，采用的方式比使用传统级联几何结构的方式更为有效。在级联中，除了从最冷装置的冷表面散热外，来自每个较冷装置的废弃热量必须通过所有较高温度的支撑装置，从而将额外的散热负担施加给它们。在本文描述的某些实施例中，当废弃热量从一组热电元件流向下一组热电元件时不会聚集。由于在热电系统的两侧上相同流体的使用去除了与不同流速相关联的自由度，因此有利的是存在施加这种限制的外部理由。在某些实施例中，这个理由可以是由于工作流体的性质、泵送装置、泵送效率或成本或者对流体的必要防护的性质等。

【249】图47示出了根据本文描述的某些实施例用于从气体中去除蒸气(例如，空气除湿)的示例性热电系统的示例性温度轮廓。在图47图示的示例中第一工作流体包括一种蒸气，其温度在该蒸气的冷凝点以上。第一工作流体通过流过第一组热传递装置的至少一部分(例如，热电系统的被冷却侧)被冷却到冷凝点以下的温度，以便至少一部分蒸气冷凝为液体。第二工作流体包括不具有至少一部分蒸气的第一工作流体。

【250】在图示的示例中，最初，第一工作流体湿空气在温度T_IN时引入到热电系统的入口。当湿空气流过热电系统的冷却侧时，湿空气被冷却到要去除的水蒸气的冷凝点或露点。一旦达到冷凝点，则湿度达到100％且从此时开始，热电系统不仅有利地冷却空气，而且去除足够的热量以从空气中冷凝至少一部分水蒸气。在最低温度时，实现预期的水气冷凝，并且现在经除湿的空气(没有一部分水蒸气)被输送到热电系统的加热侧以回到较高的温度(例如，使较少的湿润空气变暖)。例如，出口空气温度T_OUT被提高到入口空气温度T_IN之上，以便为典型的除雾和除霜应用提供所需的热量。其它气体和蒸气也与本文描述的实施例兼容。

【251】利用空气-空气热电系统的数学模型，这种除湿热电系统被仿真为传统热电系统和热隔离的热电系统。选择特定的情况作为分析的示例，也就是确定40℃空气中相对湿度从90％开始的降低。电流和流速被改变以最优化冷却和冷凝湿气的可用功率。除了热隔离(N＝7)，仿真的热电系统等同于127对(couple)40毫米×40毫米的模块并且是其等价物。最适中的热隔离阶段的数量为N＝7。图48示出了传统热电系统和利用热隔离从空气流中除去水的热电系统的相对能力。

【252】在40℃时，在某些实施例中每减少1％的相对湿度就冷凝约1/2克水每立方米是有利的。这样做将露点降低约1/4℃。对于图48中仿真的模块，很明显，这些模块自身的容量太小。但是，如图49所示，将其容量(和大小)按比例放大到5倍导致热隔离的热电系统有意义地降低湿度的能力。图49的直线表示上面提到的除水和露点降低之间的关系。表示的范围包括降低10％到20％的相对湿度。

【253】还应当注意到此专利的公开介绍了本发明的设计、配置和应用。同时以上讨论在冷却特性、加热和发电的类似结果以及得出的类似结论方面进行了分析。一些系统，特别是热离子和异质结构类型，可能具有固有的高功率密度，在这种情形下本发明会更适于提供这种系统的这些特性以及可能的高功率密度。

【254】尽管图示并讨论了上述多个示例，但是此说明书仅仅是对本发明的广泛概念的说明，这些概念在所附权利要求书中记载。在权利要求书中，所有术语归于其普通且惯用的含义，并且除非特别规定，上述说明并不将术语限制为任何具体或特别限定的手段。

Claims (28)

1.一种热电系统，包括：

第一组多个热电元件；

第二组多个热电元件；和

多个热传递装置，每个热传递装置具有与所述第一组多个热电元件的两个或更多个热电元件进行热通信的第一侧以及与所述第二组多个热电元件的一个或更多个热电元件进行热通信的第二侧，从而形成热电元件和热传递装置堆叠，其中所述第一组多个热电元件的所述两个或更多个热电元件彼此之间并行地电通信，而所述第一组多个热电元件的所述两个或更多个热电元件与所述第二组多个热电元件的所述一个或更多个热电元件串行地电通信。

2.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述第二组多个热电元件的所述一个或更多个热电元件包括彼此之间并行地电通信的两个或更多个热电元件。

3.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述第一组多个热电元件的所述热电元件是P型的。

4.根据权利要求3所述的热电系统，其中所述第二组多个热电元件的所述热电元件是N型的。

5.根据权利要求1所述的热电系统，其中每个热传递装置使所述第一组多个热电元件的所述两个或更多个热电元件与所述第二组多个热电元件的所述两个或更多个热电元件热隔离。

6.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述堆叠被布置成在工作介质运动的方向提供热隔离。

7.根据权利要求1所述的热电系统，其中每个热传递装置接受将在所述热传递装置的总体方向流过的工作流体。

8.根据权利要求7所述的热电系统，其中所述多个热传递装置的两个或更多个热传递装置的所述总体方向基本上彼此平行。

9.根据权利要求8所述的热电系统，其中所述多个热传递装置的至少两个热传递装置的所述总体方向基本上彼此相反。

10.根据权利要求7所述的热电系统，其中第一工作流体通过流过第一组所述热传递装置被冷却，而第二工作流体通过流过第二组所述热传递装置被加热。

11.根据权利要求10所述的热电系统，其中所述第一工作流体基本上沿着所述堆叠在第一方向流动，而第二工作流体基本上沿着所述堆叠在第二方向流动，所述第一方向基本平行于所述第二方向。

12.根据权利要求11所述的热电系统，其中所述第一方向基本与所述第二方向相反。

13.根据权利要求1所述的热电系统，其中每个热传递装置包括外壳以及在所述外壳内的一个或更多个换热器元件。

14.一种热电系统，包括：

多个热电模块；和

多个热传递装置，每个热传递装置包括外壳和在所述外壳内的一个或更多个换热器元件，每个热传递装置接受从其中流过的工作流体，至少一些所述热传递装置与所述多个热电模块的至少两个热电模块进行热通信，并且夹在所述多个热电模块的所述至少两个热电模块之间，以形成交替的热电模块和热传递装置的堆叠，如此布置从而沿着工作介质运动的方向提供热隔离。

15.根据权利要求14所述的热电系统，其中所述外壳包括铜，且所述一个或更多个换热器元件包括铜翅片。

16.根据权利要求14所述的热电系统，其中所述外壳和所述一个或更多个换热器元件在结构上是一个整体。

17.根据权利要求14所述的热电系统，其中所述外壳包括第一表面和基本平行于所述第一表面的第二表面，所述第一表面与所述多个热电模块的至少第一热电模块进行热通信和电通信，所述第二表面与所述多个热电模块的至少第二热电模块进行热通信和电通信。

18.根据权利要求17所述的热电系统，其中所述第一热电模块焊接到第一外壳的所述第一表面，而第二热电模块焊接到所述第一外壳的所述第二表面。

19.根据权利要求18所述的热电系统，其中所述第二热电模块焊接到第二外壳的所述第一表面。

20.根据权利要求17所述的热电系统，其中每个热传递装置包括一入口和一出口，所述工作流体通过所述入口进入所述热传递装置，并通过所述出口退出所述热传递装置。

21.根据权利要求20所述的热电系统，其中所述工作流体在基本垂直于所述第一表面的方向流过所述入口，并且在基本垂直于所述第二表面的方向流过所述出口。

22.一种热电系统，包括：

多个热电模块；和

多个热传递装置，每个热传递装置接受从其中流过的工作流体，至少一些所述热传递装置与所述多个热电模块的至少两个热电模块进行热通信，并且夹在所述多个热电模块的所述至少两个热电模块之间，以形成交替的热电模块和热传递装置堆叠，如此布置从而沿着工作介质运动的方向提供热隔离，其中第一工作流体通过流过第一组所述热传递装置被冷却，而第二工作流体通过流过第二组所述热传递装置被加热。

23.根据权利要求22所述的热电系统，其中在流过所述第一组热传递装置的一个或更多个部分之后，所述第二工作流体包括所述第一工作流体的一个或更多个部分。

24.根据权利要求23所述的热电系统，其中在流过所述第一组热传递装置的多个部分之后，所述第一工作流体的所述一个或更多个部分包括所述第一工作流体的多个部分。

25.根据权利要求22所述的热电系统，其中所述第二工作流体包括所述第一工作流体的一部分，该部分不流过所述第一组热传递装置的至少一部分。

26.根据权利要求22所述的热电系统，其中在流过所述第一组热传递装置之后，所述第二工作流体包括所述第一工作流体。

27.根据权利要求26所述的热电系统，其中所述第一工作流体包括温度在蒸气的冷凝点以上的所述蒸气，所述第一工作流体通过流过所述第一组热传递装置的至少一部分而被冷却到所述冷凝点以下的温度，以便所述蒸气的至少一部分冷凝成液体，所述第二工作流体包括不具有所述蒸气的所述至少一部分的所述第一工作流体。

28.根据权利要求27所述的热电系统，其中所述第一工作流体包括水蒸气和空气，并且所述第二工作流体包括去除了至少一部分所述水蒸气的所述第一工作流体。

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