CN101611504A - 利用分段热电元件的热电发电系统 - Google Patents

Abstract

一种热电系统，其包括第一热电元件，该第一热电元件包括相互电通信的第一组多个分段。该热电系统进一步包括第二热电元件，该第二热电元件包括相互电通信的第二组多个分段。该热电系统进一步包括热传递装置，该热传递装置至少包括第一部分和第二部分。第一部分夹在第一热电元件和第二热电元件之间。第二部分从第一部分凸出并且被配置为与工作介质热通信。

Description

利用分段热电元件的热电发电系统

【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60/834,006的美国临时专利申请的权益，其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：

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

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：

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

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：

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

【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：

$\left(4\right)---K=\frac{\mathrm{\λ}{A}_C}{L_C},$

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q_OPT-将是相同的。电流等于I_OPT时，电阻为：

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

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，从而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：

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

【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：

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

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：

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

其中，L_C是TE元件长度。

因此，在(6)中使用等式(7)和(8)，得到：

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

发明内容

【015】在某些实施例中，提供一种热电系统。该热电系统包括第一热电元件，该第一热电元件包括相互电通信的第一组多个分段。该热电系统进一步包括第二热电元件，该第二热电元件包括相互电通信的第二组多个分段。该热电系统进一步包括热传递装置，该热传递装置至少包括第一部分和第二部分。第一部分夹在第一热电元件和第二热电元件之间。第二部分从第一部分凸出并且被配置为与工作介质热通信。

【016】在某些实施例中，提供一种热电系统。该热电系统包括多个热电元件，其中至少一些热电元件包括多个分段。该热电系统进一步包括多个热传递装置，其中至少一些热传递装置至少包括第一部分和第二部分。第一部分夹在多个热电元件中的至少两个热电元件之间，以形成热电元件和热传递装置的至少一个堆叠(stack)。第二部分从该堆叠中凸出并且被配置为与工作介质热通信。

【017】在某些实施例中，提供一种制造热电系统的方法。该方法包括提供多个热电元件，其中至少一些热电元件包括多个分段。该方法进一步包括提供多个热传递装置，其中至少一些热传递装置至少包括第一部分和第二部分。该方法进一步包括组装多个热电元件和多个热传递装置以形成热电元件和热传递装置交替的至少一个堆叠。热传递装置的第一部分夹在至少两个相邻的热电元件之间。热传递装置的第二部分从堆叠中凸出并且被配置为与工作介质热通信。

【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描述传统的TE模块。

【020】图1C描述传统的热电偶。

【021】图2描述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描述具有TE元件的系统，其安排使得电流直接通过阵列，从而可以降低成本、减小重量和大小，同时可以改进性能。

【027】图8描述具有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描述具有降低的寄生电阻损耗的堆叠式TE系统。

【032】图13A描述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描述另一TE元件和换热器配置。

【035】图15描述又一TE元件和换热器配置。

【036】图16描述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描述具有两个并行电连接的TE元件的另一配置。

【039】图19描述一部分与另一部分电隔离的换热器元件。

【040】图20描述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描述根据图22的原理构造的冷却器/加热器。

【044】图24A描述TE元件沿流体流动方向排列的换热分段。

【045】图24B描述图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描述图25A中组件的平面图。

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

【049】图26B描述使用图26A的TE模块的换热器阵列的平面图。

【050】图27描述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TE元件基本位于中心的又一换热器。

【057】图32根据本文描述的某些实施例示意性地图示说明示例性热电系统的一部分。

【058】图33A和图33B根据本文描述的某些实施例分别显示各种P型和N型热电材料的作为温度函数的品质因数(ZT)。

【059】图34描述掺杂不同量的碘的三种不同碲化铅成分的作为温度函数的品质因数ZT。

【060】图35显示在流动方向上串行构造的三个TE元件之间冲突兼容的功率曲线。

【061】图36根据本文描述的某些实施例显示长宽比变化的三个TE元件之间的功率曲线。

【062】图37示意性描述传统配置中的一对分段TE元件。

【063】图38显示使用模型计算模拟的三种不同配置的平均效率。

【064】图39显示热电系统的模型分析的示例，其中TE厚度是变化参数。

【065】图40显示使用夹在7个铜制热传递装置中的6个碲化铋(Bi₂Te₃)TE元件建立的原型系统的示例。

【066】图41是显示图40的六个Bi₂Te₃元件各自的发电曲线的图表。

【067】图42显示分段TE元件的初次试验的实验结果。

具体实施方式

【068】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。

【069】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。

【070】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。

【071】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。

【072】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子部件或分段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分段来提供热隔离，使得换热器具有在工作流体流动的方向上热隔离的部分。

【073】在本发明中，连续使用具有相同温度类型的换热器用于工作流体以在其内部提供一种类型的热绝缘。此外，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热绝缘，并且可以由至少一个工作流体依次通过的一系列换热器或换热器序列提供上述热绝缘。

【074】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。

【075】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。

【076】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)。

【077】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)。

【078】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。

【079】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。

【080】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。

【081】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。

【082】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。

【083】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。

【084】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。

【085】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。

【086】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。

【087】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。

【088】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。

【089】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。

【090】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。

【091】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。

【092】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。

【093】图3的下半部分描述了较冷侧工作介质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。

【094】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。

【095】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。

【096】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。

【097】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的特定数目不是限制性的，可以提供其它数目。

【098】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。

【099】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。

【100】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。

【101】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。

【102】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。

【103】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。

【104】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。

【105】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。

【106】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。

【107】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。

【108】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。

【109】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。

【110】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。

【111】图7C描述了系统700的改进版，其中TE模块701被分段以实现热隔离。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。

【112】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。

【113】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。

【114】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。

【115】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。

【116】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。

【117】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。

【118】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。

【119】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。

【120】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。

【121】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。

【122】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。

【123】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。

【124】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。

【125】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。

【126】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。

【127】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等分离较冷侧和较热侧。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。

【128】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。

【129】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。

【130】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。

【131】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。

【132】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。

【133】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。

【134】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。

【135】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。

【136】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。

【137】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。

【138】TE元件110、112在电流流动方向的长度是L_C 116；其广度是B_C 117；其宽度是W_C 118，其距离是G_C 120。分流器106的厚度是T_C 109。

【139】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)。

【140】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：

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

其中，

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

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

因此，

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

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

【141】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)：

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

【142】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，

$\left(16\right)---\frac{L_C}{L_B}\≈6.4$

【143】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。

【144】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：

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

并且，因为：

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

(19)A_C＝6.4A_B。

【145】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：

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

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

【146】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。

【147】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°以外的角度也是优选的。

【148】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。

【149】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。

【150】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。

【151】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。

【152】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。

【153】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。

【154】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。

【155】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。

【156】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。

【157】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。

【158】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。

【159】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。

【160】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。

【161】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。

【162】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。

【163】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。

【164】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。

【165】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。

【166】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。

【167】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。

【168】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。

【169】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。

【170】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。

【171】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。

【172】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。

【173】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。

【174】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。

【175】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流动的方向使用更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。

【176】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。

【177】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。

【178】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。

【179】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。

【180】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。

【181】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。

【182】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。

【183】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。

【184】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。

【185】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。

【186】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。

【187】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。

【188】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。

【189】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。

【190】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。

【191】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。

【192】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。

【193】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。

【194】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。

【195】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。

【196】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。

【197】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。

【198】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。

【199】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。

【200】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。

【201】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。

【202】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。

【203】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。热电发电系统

【204】本文所述的某些实施例提供新颖的热电发电(TPG)系统，该热电发电系统将现有的本领域的材料技术与优化的热量管理合并。本文所述的某些实施例的数值模型的结果可以模拟系统运行和方便其设计。根据本文所述的某些实施例，也可以使用先进的多参数、基于梯度的最优化技术来更好的理解各种设计变量和参数之间的相互作用，以便向着优化TPG系统设计的方向前进。

【205】在本文所述的某些实施例中，该系统包括一系列分段的热电(TE)元件(如每个TE元件可以包括多达三种不同材料)。优选某些实施例将工作流体流动方向上的热隔离与直接集成的高功率密度TE材料合并到热传递装置中。在某些实施例中，电流平行于热源和热沉表面运行，有利地允许集成具有多个几何自由度的TE材料。在某些实施例中，此设计属性与热隔离热力循环相结合，该系统优选允许系统的每个TE元件可以被半独立地优化。在某些实施例中，每个P型元件和每个N型元件可以选择不同的长宽比，以便在运行期间每个TE元件的TE材料层可以为应用于TE层的温度范围中的品质因数(ZT)提供足够高(如可能的最高或足够高以提供所需的效率)的值。本文所述的某些实施例的增大的设计灵活性有利地帮助解决与分段TE元件和流体流动相关的TE材料兼容性问题，该兼容性问题通常降低系统的性能。本文所述的某些实施例也有利地实现了在仍保持优良的热接触和电接触的同时消除热膨胀失配的影响。本文所述的某些实施例也选择包括电、热连接器设计和最小化界面阻抗的额外设计考虑以优化TE系统的设计。某些实施例的系统适于废热回收和主要电力应用。

【206】使用热电技术发电的潜能在最近几年有显著地增加。某些地方正在研制品质因数(ZT)显著大于1的先进的新的更高温材料，诸如密歇根州立大学(例如参考K.F.Hsu et al.，“Cubic AgPbmSbTe2+m：BulkThermoelectric Materials with High Figure of Merit，”Science，Vol.303，Feb.6，2004，PP.818-821)和麻省理工学院(MIT)的林肯实验室(例如参考T.C.Harman et al.，“Quantum Dot Superlattice ThermoelectricMaterials and Devices，”Science，Vol.297，(2002)，pp.2229-2232)。此外，喷射推进实验室(JPT)已经在发展材料分段概念上取得巨大成功(例如参考T.Caillat et al.，“Development of High Efficiency SegmentedThermoelectric Unicouples，”20^th Int’l Conf.on Thermoelectrics，Beijing，China，2001，PP.282-285)。

【207】同时，BSST公司已经证明在流动方向上热隔离的优势(例如参考L.E.Bell，“Use of Thermal Isolation to Improve ThermoelectricSystem Operating Efficiency，”21^st Int’l Conf.on Thermoelectrics，LongBeach，California，2002，PP.477-487；and R.W.Diller et al.，“ExperimentalResults Confirming Improved Performance of Systems Using ThermalIsolation，”21^st Int’l Conf.on Thermoelectrics，Long Beach，California，2002，PP.548-550)。这些优势可以包括改进的HVAC性能系数(COP)，以及高功率密度设计，其需要传统基于TE的发电机设计的TE材料用量的大约1/6(例如参考L.E.Bell，“High Power Density ThermoelectricSystem，”23^rd Int’l Conf.on Thermoelectrics，Adelaide，Australia，2004)。

【208】本文所述的某些实施例以这些发展为基础并利用其他设计创新来进一步增加可以使用热电技术从热源提取能量的数量。优选某些实施例与高功率密度概念结合(例如参考L.E.Bell，“AlternateThermoelectric Thermodynamic Cycles with Improved Powder GenerationEfficiencies，”22^nd Int’l Conf.on Thermoelectrics，Heraulr，France，2003)。

【209】图32根据本文所述的某些实施例示意性图示说明部分示例性热电系统3200。在某些实施例中，由图32示意性图示说明的配置有利地提供各种优势，这些优势将在下面详细讨论。在某些实施例中，由图32示意性图示说明的配置更易于适应不同厚度、面积和热膨胀系数的TE元件。此配置也可以适应高功率密度材料的使用、被设计大小以提供高功率密度运行的TE元件和工作流体流动方向上的热隔离。

【210】热电系统3200包括第一热电元件3210，该第一热电元件3210包括相互电通信的第一组多个分段3212。热电系统3200进一步包括第二热电元件3220，该第二热电元件3220包括相互电通信的第二组多个分段3222。热电系统3200进一步包括热传递装置3230，该热传递装置至少包括第一部分3232和第二部分3234。第一部分3232夹在第一热电元件3210和第二热电元件3220之间。第二部分3234从第一部分3232凸出并且被配置为与工作介质(未显示)热通信。

【211】在某些实施例中，至少一些第一组多个分段3212相互串行电通信，至少一些第二组多个分段3222相互串行电通信。在某些实施例中，至少一些第一组多个分段3212相互串行/并行电通信，至少一些第二组多个分段3222相互串行/并行电通信。

【212】图32示意性图示说明示例性堆叠，该堆叠包括由第一TE元件3210和第二TE元件3220分隔的三个热传递装置3230。某些其他实施例包括至少一个堆叠，该至少一个堆叠包括多个TE元件(交替的P型和N型TE元件)和热传递装置，其中热传递装置被夹在多个TE元件中的至少两个TE元件之间。

【213】某些实施例的热传递装置3230提供从第一TE元件3210到第二TE元件3220的电通道，从而实现TE p-n耦(couple)，以便电流源的电流串行经过第一TE元件3210、热传递装置3230和第二TE元件3220。在某些此种实施例中，电流串行经过第一组多个分段3212并且串行经过第二组多个分段3222。

【214】某些实施例的热传递装置3230也提供从工作流体到TE元件3210、3220的热路径。电流平行于由图32示意性图示说明的配置中的热源和热沉表面流动，从而允许集成具有多个几何自由度的TE材料。在某些实施例中，热传递装置3230热隔离至少一些TE元件与至少一些其他TE元件。在某些实施例中布置多个热传递装置3230以在工作介质流动方向上提供热隔离。

【215】在某些实施例中，热传递装置3230的第二部分3234在至少一个方向上(如在大致沿着工作介质移动方向的方向上)比热传递装置3230的第一部分3232更宽。在某些实施例中，第二部分3234具有大致平坦的表面，该表面被配置成与工作介质热通信。

【216】在某些实施例中，该堆叠包括多个第一热传递装置和多个第二热传递装置，其中第一热传递装置和第二热传递装置沿着堆叠交替。第一热传递装置在第一方向上凸出，第二热传递装置在与第一方向不同的第二方向上凸出。如图32示意性图示说明，在某些实施例中，第二方向通常与第一方向相反。在某些实施例中，第一热传递装置被配置为与第一工作介质(如流动的第一工作流体)热通信，第二热传递装置被配置为与第二工作介质(如流动的第二工作流体)热通信。

【217】在某些实施例中，具有第一部分3232和从第一部分3232凸出的第二部分3234的热传递装置3230比矩形的热传递装置可以多提供一个或多于一个优势。为了降低热传递装置3230的电阻和重量，优选使第一部分3232在电流流动方向上的厚度最小化。此外，优选优化在大致垂直于电流流动方向的平面中的第一部分3232的尺寸以便为TE元件3210、3220提供足够的电导率和热导率。优选增加第二部分3234沿着工作介质流动方向的厚度和/或表面面积以在热源或热沉和热传递装置3230的第一部分3232之间提供较大的热导管，从而避免大的热阻。还优选第二部分3234在大致沿着堆叠的方向上比较宽，且在大致垂直于堆叠的方向上比较短。保持第二部分3234在大致垂直于堆叠的方向上比较短可以有利地减少热源或热沉到TE元件表面的热阻。在设计热传递装置3230的最终尺寸时可分别考虑重量、结构稳定性、TE表面面积和界面处的温度梯度。

【218】在某些实施例中，第一组多个分段3212包括2种、3种、4种或更多种不同的热电材料。在某些实施例中，第二组多个分段3222包括2种、3种、4种或更多种不同的热电材料。例如，如图32所示，第一组多个分段3212具有三个包括不同TE材料(如分别为p-CeFe₃RuSb₁₂、p-TAGS和p-Bi₂Te₃)的P型分段3212a、3212b、3212c，第二组多个分段3222具有三个包括不同TE材料(如分别为n-CoSb₃、n-PbTe和n-Bi₂Te₃)的N型分段3222a、3222b、3222c。在图32中，第一TE元件3210受到左边的具有热端的水平温度梯度的作用，第二TE元件3220受到右边的具有热端的水平温度梯度的作用。下面将进行更全面的描述，通过将TE材料分段，某些实施例的TE元件可以被设计成在温度范围内更易实现较高的平均ZT，在该温度范围内TE元件可以通过将TE元件中的每一个TE元件的材料性质与TE元件中的运行温度梯度或温度分布匹配来运行。

【219】TE元件的能量转换系数通常随着TE元件平均尺寸的品质因数ZT的增加而急剧增大。图33A和33B分别显示与本文所述某些实施例兼容的各种P型和N型热电材料的作为温度函数的品质因数(ZT)。材料可以具有一组一个或多于一个热电性质，该热电性质在指定温度确定材料的性能效率，而且品质因数是该组一个或多于一个热电性质中的一个示例参数特征。

【220】例如，对于低温(如低于150℃)，针对P型和N型材料Bi₂Te₃均具有最高ZT。对于中间温度(如150-500℃)，TAGS是最佳P型材料，Zn₄Sb₃是此近似温度范围内的另一种选择。对于相同的近似温度范围，PbTe具有针对N型材料的高ZT。对于较高的温度范围(如500-700℃)，方钴矿(如p-CeFe₄Sb₁₂、n-CoSb₃)具有高的ZT。本文所述的某些实施例利用TE元件，其中材料和/或材料组合在使用的温度范围内提供足够高(如可能的最高或足够高以提供所需的效率)的平均ZT。

【221】作为TE材料性质的示例，图34描述掺杂不同量的碘的三种不同碲化铅成分(用M₁、M₂、M₃表示)的作为温度函数的品质因数ZT。图34显示没有一种材料在从100℃到570℃的整个温度范围内具有最高的ZT。成分M₁在从100℃到335℃的温度范围内具有最高的ZT，成分M₂在从335℃到455℃的温度范围内具有最高的ZT，成分M₃在从455℃到570℃的温度范围内具有最高的ZT。如果在100℃到570℃的温度范围内TE元件是使用任何单一成分制造的，则平均ZT将实质上比由全部三种成分制造的平均ZT低，其中这三种成分被适当配置以便每种成分或TE分段处于使这三种成分具有最高ZT的温度范围内。尽管图34对应的是掺杂碘的各种碲化铅成分，但是其他材料和掺杂也与本文所述的各种实施例兼容(参考图33A和33B)。

【222】在某些实施例中，第一TE元件3210和第二TE元件3220中的一个包括P型TE材料，而第一TE元件3210和第二TE元件3220中的另一个包括N型TE材料。在某些此种实施例中，选择不同P型和N型TE材料的第一TE元件3210和第二TE元件3220的分段以在第一TE元件3210和第二TE元件3220的分段运行的温度范围内提供足够高(如可能的最高或足够高以提供所需的效率)的平均ZT。

【223】例如，第一组多个分段3212至少包括第一TE分段和第二TE分段，该第一TE分段和第二TE分段包括不同的材料。在某些实施例中，可以配置热电系统3200以使其运行，从而第一TE分段处于第一温度范围内，第二TE分段处于第二温度范围内。第一TE分段在第一温度范围内比在第二温度范围内的运行效率更高。第二TE分段在第二温度范围内比在第一温度范围内的运行效率更高。

【224】参考图32的系统3200，在某些实施例中，第一TE元件3210包括具有不同材料的三个TE分段3212a、3212b、3212c。配置系统3200以使其运行，从而第一TE分段3212a处于第一温度范围内，第二TE分段3212b处于第二温度范围内，第三TE分段3212c处于第三温度范围内。第一TE分段3212a在第一温度范围内比在第二温度范围或第三温度范围内的运行效率更高。第二TE分段3212b在第二温度范围内比在第一温度范围或第三温度范围内的运行效率更高，第三TE分段3212c在第三温度范围内比在第一温度范围或第二温度范围内的运行效率高。

【225】类似地，在某些实施例中，第二组多个分段3222至少包括处于第一温度范围内的第一TE分段和处于第二温度范围内的第二TE分段，其中第一TE分段和第二TE分段包括不同的材料。第一TE分段在第一温度范围内比在第二温度范围内的运行效率高。第二TE分段在第二温度范围内比在第一温度范围内的运行效率高。参考图32，在某些实施例中，第二TE元件3220包括具有不同材料的三个TE分段3222a、3222b、3222c，并且对其配置以使其运行，从而第一TE分段3222a处于第一温度范围内，第二TE分段3222b处于第二温度范围内，第三TE分段3222c处于第三温度范围内。第一TE分段3222a在第一温度范围内比在第二温度范围或第三温度范围内的运行效率高。第二TE分段3222b在第二温度范围内比在第一温度范围或第三温度范围内的运行效率高，第三TE分段3222c在第三温度范围内比在第一温度范围或第二温度范围内的运行效率高。

【226】在某些实施例中，在选择TE材料用作温度函数时也可以考虑各种其他因素，其包括但不限于热稳定性、机械稳定性和成本。在下面将进行更全面的描述，与本文所述的某些实施例兼容的TE元件设计中的另一个因素是：当不同元件分段在显著不同的电流密度下有效时，兼容性与最佳功率输出失配的影响(如兼容性因素)(例如参考J.G.Snyder，“Thermoelectric Power Generation：Efficiency and Compatibility，”Thermoelectrics Handbook，Macro to Nano，Edited by D.M.Rowe，Ph.D.，D.Sc.(2006))。

【227】TE材料的功率曲线与增加的电流之间的关系通常呈抛物线。对于一起使用不同的TE材料的分段TE元件，TE元件和/或分段的功率曲线在显著不同的电流密度下可以具有其最佳的功率输出。功率曲线中的这些差异可能降低分段TE元件的整体效率。

【228】在某些实施例中，其中TE元件中各处的温度不同(如在工作流体流动方向上组装一系列TE元件)，此功率曲线兼容性冲突的影响可能非常显著。图35显示在流动方向上串行构建的三个TE元件之间的功率曲线的兼容性冲突，其中热端温度T_h从700K下降到500K。第一TE元件所处的热端温度T_h＝700K，第二TE元件所处的热端温度T_h＝600K，第三TE元件所处的热端温度T_h＝500K。此示例中这三个TE元件中的每一个的冷端温度T_c保持在300K的恒定温度。理想情况下，每个TE元件将在产生最大功率输出的电流下运行。然而，因为这三个TE元件是串行电连接，所以其每一个都在相同的电流下运行。第一TE元件在电流为130A时具有最大功率，而其他两个TE元件在此电流下的输出功率是次最优的(如小于其相应的最大功率)。特别地，在500K和300K的温度之间运行的第三元件在电流为130A时的输出功率为零。此示例的总的最大输出功率是7.69W，其考虑了下面各个TE元件的各自最大功率输出。在其他示例中，第三元件在第一TE元件的最佳电流下的输出功率可能是负的，所以第三TE元件将功率从其他两个TE元件的功率中减去。

【229】在某些实施例中，优先选择TE元件的形状因子或形状，从而每个TE元件在提供最大功率或最大效率的电流下运行。在某些此种实施例中，TE元件的长宽比在流动方向上可以改变，从而有利地降低TE元件之间的TE兼容性冲突的影响。例如，参考图32，在某些实施例中，第一TE元件3210具有沿着第一方向(如电流流过第一TE元件3210的方向)的第一厚度和在与第一方向大致垂直的平面中的第一横截面积。第二TE元件3220具有沿着第二方向(如电流流过第二TE元件3220的方向)的第二厚度和在与第二方向大致垂直的平面中的第二横截面积。在某些实施例中，第二厚度大于第一厚度。在某些其他实施例中，第一TE元件3210的第一长宽比等于第一横截面积除以第一厚度，第二TE元件3220的第二长宽比等于第二横截面积除以第二厚度。在某些此种实施例中，第二长宽比与第一长宽比不同。例如，可以选择第一长宽比和第二长宽比，从而在运行条件下第一TE元件3210和第二TE元件3220都以最佳效率运行。

【230】图36根据本文所述的某些实施例显示示例装置的长宽比不同的三个TE元件之间的功率曲线。与图35相同，图36的三个TE元件串行构建在流动方向上，其中三个TE元件的热端温度T_h分别是700K、600K和500K，每个TE元件的冷端温度T_c是300K。图35的三个TE元件中的每一个的厚度是1mm。对于图36，第一TE元件的厚度是1mm，第二TE元件的厚度是0.77mm，第三TE元件的厚度是0.5mm。如图36所示，改变串行的第二和第三TE元件的长宽比有利于使电流对齐，在该电流下TE元件实现其最大功率，从而增加装置的总功率密度。图36的示例装置的总的最大功率输出是11.51W，其比图35的示例装置的功率输出提高了50％。

【231】图37示意性描述传统配置3700中的一对分段TE元件。传统配置3700具有第一TE分段的TE元件3710和第二TE元件3720。第一TE元件3710和第二TE元件3720中的每一个都被耦合在电导和热导耦合器3730的一个表面上。第一TE元件3710具有三个P型分段3712a、3712b、3712c(如分别是p-CeFe₃RuSb₁₂、p-TAGS和p-Bi₂Te₃)，第二TE元件3720具有三个N型分段3722a、3722b、3722c(如分别是n-CoSb₃、n-PbTe和n-Bi₂Te₃)。在图37中，温度梯度与顶部的热端垂直。

【232】在如图37示意性显示的传统TE配置中，TE元件3710、3720被集成在TE模块中以便每个TE元件3710、3720沿着电流流动方向具有相同的厚度。此种传统TE配置3700不易于使其自身使用具有不同厚度、面积或长宽比的TE元件。此外，如果TE元件在与电流流过TE元件的方向大致平行的方向上具有相同的厚度但具有不同的热膨胀系数，则此种传统TE配置3700难于控制。在运行温度可以非常高的发电系统中，此热膨胀失配可能尤其麻烦。相反，在本文所述的某些实施例中(如图32示意性图示说明的配置)，热传递装置3230被夹在两个TE元件3210、3220之间，不同厚度、面积和/或长宽比的TE元件有利且容易地合并在系统中。此外，此配置有利地减少或避免与TE元件之间的热膨胀系数不同相关的问题。

【233】在某些实施例中，TE元件的分段之间的温度相互不同(例如热源和热沉之间的TE元件)，分段之间的功率曲线兼容性冲突对整个功率输出和/或效率的影响可能是显著的。在某些实施例中，分段之间的不相容性可以通过为TE元件的每个分段有利地选择不同的长宽比(如横截面积除以厚度)而被至少部分抵消。在某些实施例中，通过保持基本均匀的横截面积和变化每个分段的厚度来改变TE元件不同分段之间的长宽比，以更好地匹配最佳输出功率的电流。在某些其他实施例中，通过构建在分段之间具有不均匀横截面积的分段TE来使分段的长宽比最佳化。

【234】例如，参考图32的示例系统3200，在某些实施例中，第一组多个分段3212的每个分段沿着电流流过第一TE元件3210的方向的厚度与第一组多个分段3212的其他分段的厚度不同。在某些此种实施例中，第二组多个分段3222的每个分段沿着电流流过第二TE元件3220的方向的厚度与第二组多个分段3222的其他分段的厚度不同。在某些实施例中，第一组多个分段3212的每个分段的长宽比等于分段的厚度除以分段的横截面积，第一组多个分段3212的分段的长宽比彼此不同。在某些此种实施例中，第二组多个分段3222的每个分段的长宽比等于分段的厚度除以分段的横截面积，第二组多个分段3222的分段的长宽比彼此不同。在某些实施例中，选择第一组多个分段3212的分段的长宽比和第二组多个分段3222的分段的长宽比，从而在运行条件下第一热电元件3210和第二热电元件3220都以最佳效率运行。

【235】图38显示使用模型计算所模拟的三个不同配置的平均效率。根据本文所述的某些实施例，该模型模拟三个TE元件和两个热传递装置的堆叠的三种不同配置的性能，其中两个热传递装置沿着工作流体流动方向使TE元件相互热隔离。TE元件的热端温度在700℃到300℃之间变化，冷端温度在100℃到150℃之间变化，从而三个TE元件的温度差异分别是550℃、375℃和200℃。

【236】在第一配置中(图38中标有“均匀无分段&长宽比”)，所有三个TE元件是由单一材料制成的(无分段的)，每个TE元件的材料与其他TE元件的材料相同(两种掺杂成N型，一种掺杂成P型)，每种TE元件具有相同的长宽比。在第二配置中(图38中标有“均匀分段&长宽比”)，TE元件被分段以在每个TE元件运行的温度范围内更好地利用最佳ZT，两个N型TE元件以相同的方式被分段，所有三个TE元件具有相同的长宽比。在第三配置中(图38中标有“不均匀分段&长宽比”)，两个N型TE元件在每个TE元件的具体温度范围内被不同地分段，优选每个TE元件的长宽比不同。在所有三种配置中，TE元件被串行电连接以便穿过每个TE元件的电流相同。

【237】图38显示TE材料的兼容性以及TE元件在流动方向上的兼容性导致第一配置的效率比第二配置的效率低35％，同时第二配置的效率比第三配置的效率低15％。沿着流动方向的热隔离TE元件越多，这些差异越显著。图38图示说明由本文所述的某些实施例提供的优势，本文所述的实施例将不均匀分段的TE元件与流动方向上的最佳长宽比相结合。

【238】在使用由图32示意性图示说明的配置的某些实施例中，每个TE元件可以被其他TE元件半独立地优化。例如，每个P型和N型TE元件可以具有不同的横截面积和/或厚度，每个TE元件的每个分段在每个具体的温度范围内具有足够高的ZT。

【239】在某些实施例中，当为高温发电应用选择连接热传递装置和TE元件的材料以组装热电系统时，可以优选考虑热膨胀失配。本文所述的某些实施例利用非刚性连接以至少部分减轻由于热电系统不同部分之间的热膨胀失配产生的热应力。在某些实施例中，非刚性连接有利于防止由于热传递装置和TE元件之间的热膨胀失配导致的复杂情况。在某些实施例中，非刚性连接还有利于防止分段TE元件热端和冷端之间的膨胀失配。

【240】在某些此种实施例中，热电系统在至少一个TE元件和至少一个相邻的热传递装置之间包括一个或多于一个液体金属接头，以提供至少一个非刚性热导和电导连接。例如，由图32示意性图示说明的热电系统3200可以包括第一液体金属接头和第二液体金属接头，其中第一液体金属接头与第一TE元件3210和热传递装置3230热电通信，第二液体金属接头与热传递装置3230和第二TE元件3220热电通信。该接头可以在室温下是液体或可以在比系统运行期间施加在该接头上的温度更低的温度下融化。例如，可以在运行温度远超过焊料熔点的TE元件的热端使用标准SnPb焊料。

【241】利用一个或多于一个液体金属接头可能在热电系统制造中引进多个复杂因素。在某些实施例中，可以使用附加结构提供结构完整性。优选该附加结构是热绝缘的。在某些实施例中，至少一个堆叠通常沿着堆叠方向处于压缩状态。此外，在某些实施例中可以优选提供某种程度的控制以阻止液体金属从连接区域流出并使装置短路。在某些实施例中，可以优选使用合适的材料组合以在界面处阻止由于保持液体金属处于高温而导致的被加速腐蚀或产生不想要的合金(如可能导致脆性连接或降低热导性或电导性)

【242】在某些实施例中，优选使用非刚性接头来减少或消除在热传递装置和热源或热沉之间的界面处形成的热应力。热传递装置3230的第二部分3232可能导致在热传递装置之间的x平面内尤其是在热端形成热应力。热传递装置之间的TE材料的热膨胀系数可能难于与热源的热膨胀系数匹配。因此，在某些实施例中，优选使用液体金属将热传递装置连接到热源上。在某些实施例中，将对界面处的液体金属进行限制以便避免产生两个热传递装置之间的电短路。液体金属可以优选被包含在中间连接区域。在某些实施例中，使用导热油脂将热传递装置连接到热沉(如低于400℃)。在某些实施例中，热电系统处于压缩状态以便在不使用刚性结构连接器的情况下将一切保持在合适位置。在某些实施例中该压缩也可以改进y平面中的热接触和x平面中的热电接触。

【243】在某些实施例中，可以使用钼来提供导热和导电的接头。例如，由图32示意性图示说明的热电系统3200可以包括在第一TE元件3210和热传递装置3230之间的钼层，并包括在热传递装置3230和第二TE元件3220之间的钼层。尽管钼的电导率和热导率是铜的三分之一并且其密度比铜稍大，但是钼可以用作热端的连接器材料。作为耐熔金属，钼不像铜一样易于被多种液体金属腐蚀，并且与铜相比，钼的热膨胀系数非常小。当将热传递装置连接到电绝缘层(如热膨胀系数非常低的陶瓷)时，这些属性是有利的。在某些实施例中，可以使用导热性高且无导电性的氮化铝作为热传递装置和热源之间的屏障。优选在热传递装置和热源或热沉之间使用热隔离来阻止电流流过工作流体。在一些工作流体中流过的电流可能大大加快热传递装置的污染。在高温运行条件下，由于较大的热膨胀系数失配，位于铜上的适当陶瓷层将会破裂。然而，在某些实施例中，钼可以提供良好的保证。钼具有其自身的复杂因素。例如，钼不易于被许多液体金属弄湿，因而增加界面的电阻和热阻。在某些实施例中，为了改进钼的可湿性，钼可以被镀有一薄层的镍和闪蒸的金(gold flash)，TE元件的外部金属化可以是相似的镍/金组合。

【244】在某些实施例中，提供一种制造热电系统的方法。该方法包括提供多个热电元件，其中至少一些热电元件包括多个热电分段。该方法进一步包括提供多个热传递装置，其中至少一些热传递装置至少包括第一部分和第二部分。该方法进一步包括组装多个热电元件和多个热传递装置以形成热电元件和热传递装置交替的至少一个堆叠。热传递装置的第一部分被夹在至少两个相邻的热电元件之间，热传递装置的第二部分从该堆叠中凸出并且被配置为与工作介质热通信。

【245】在某些实施例中，组装多个热电元件和多个热传递装置包括在至少一个热电元件和至少一个相邻热传递装置之间放置液体金属接头，以使该至少一个热电元件和该至少一个相邻热传递装置相互热通信并且串行电通信。

【246】在某些实施例中，至少一些热电元件具有长宽比，该热电元件的长宽比等于在与堆叠大致垂直的平面中的热电元件的横截面积除以在与堆叠大致平行的方向上的热电元件的厚度。该至少一些热电元件的长宽比沿着堆叠彼此不同。在某些此种实施例中，选择长宽比，从而在运行条件下该至少一些热电元件以最佳效率运行。

【247】在某些实施例中，热电元件多个分段中的每个分段的长宽比等于在与堆叠大致垂直的平面中的分段的横截面积除以在与堆叠大致平行的方向上的分段的厚度。分段的长宽比沿着热电元件可以彼此不同。在某些此种实施例中，选择长宽比，从而在运行条件下多个分段中的分段以最佳效率运行。

【248】部分根据先前工作(例如参考D.T.Crane，“OptimizingThermoelectric Waste Heat Recovery from an Automotive CoolingSystem”，PhD Dissertation，University of Maryland，College Park，2003)，使用基于MATLAB的数值稳态模型来建立本文所述的某些实施例的模型。该模型使用联立求解的非线性能量守恒方程来模拟本文讨论的高功率密度的TE装置的某些实施例。当前模型中使用的原理也在由BSST开发的先前的TE模型中使用(例如参考D.T.Crane，“ModelingHigh-Power Density Thermoelectric Assemblies Which Use ThermalIsolation，”23^rd International Conference on Thermoelectrics，Adelaide，AU.2004)。此先前TE模型可以有效用于加热和冷却应用，并且如先前所示对于四种不同的输出其精确度可以精确到7％以内。这些模拟值中的每一个的平均误差小于3％。

【249】某些实施例的TE分段材料信息被合并在使用算法和方程的模型中，该模型由以下文献描述：G.J.Snyder，“Thermoelectric PowerGeneration：Efficiency and Compatibility，”in Thermoelectrics Handbook Macro To Nano，Rowe，D.M.，Editor.CRC Press(Boca Raton，FL，2006)，pp.9-1-9-26。该模型可以用来为给定的一组热端和冷端温度自动求解最佳TE分段。可以允许材料分段的厚度和材料层自身变化以便为给定的电力负载电阻确定最佳性能。该模型还可以通过设定材料层厚度求解偏离额定解。

【250】使用该模型，可以识别并改变某些实施例中的各种设计变量以分析涉及改进效率的权衡。根据本文所述的某些实施例，使用先进的多参数、基于梯度的最优化研究来更好地理解各种设计变量、参数和限制之间的相互作用，并且开发一种最佳的热电发电(TPG)设计。

【251】某些实施例的最优化分析也可以包括参数分析。图39显示此热电系统分析的一个示例，其中可以变化的参数是TE厚度。图39显示高功率密度和高效率之间的权衡。改变TE厚度对TE功率密度的影响比对总的热交换功率密度的影响更显著，其中总的热交换功率密度保持相对不变。使用此参数分析，本文所述的某些实施例可以被设计成具体应用。例如，在汽车废热回收应用中，非常需要具有尽可能高的效率，但是也需要具有高的功率密度。

【252】为本文所述的某些实施例完成初始模型，并且还执行建立和测试一些部分原型装置以使模型完全有效。然后可以根据本文所述的某些实施例更广泛地使用该模型来完成具体装置设计的分析。

【253】图40显示使用夹在7个铜制热传递装置之间的6个Bi₂Te₃TE元件建立的原型系统示例。使用Bi₂Te₃TE元件是因为测试是通过使用具有明确性质的材料在低温下进行的。进行这些测试是为了在将TE材料集成到系统中时更好地隔离问题区域。在系统热端使用铜热传递装置是因为温度比高温应用的中所见的温度更低。在较高温度下使用的某些实施例中，钼热传递装置可以代替在系统热端使用的铜热传递装置。

【254】为了简化组装，图40所示的系统使用矩形TE热传递装置而不是如本文所述的某些实施例中使用的具有比第一部分更宽的第二部分的热传递装置。铜热传递装置放置在铝管上，其用作系统的热沉。铝管被阳极氧化以提供与铜热传递装置的电隔离。一层导热油脂覆盖阳极氧化层以帮助使热阻最小化。两个100W筒形加热器为系统提供热源，并且被包围在阳极氧化的铝壳中。为了简化组装，导热油脂在低温(如小于400℃)下用作铝壳和热传递装置之间的热界面材料。对于某些在较高温度使用的实施例，可以使用液体金属代替。原型测试装置被构建成用以测试上述的部分建立。

【255】图41是显示针对图40的6个Bi₂Te₃元件的发电曲线的图表。通过使用Bi₂Te₃的已知与温度有关的热电系数，可以根据测得的开路电压导出TE元件的温度差异并且和使用热电偶测得的温度差异进行比较。然后将零电流下在热端和冷端温度测量的差异和计算的差异用作所有电流下的温度的偏移。

【256】通过使用Bi₂Te₃的已知与温度有关的电阻率性质，在新的调整温度下计算与电阻相关的电阻率。可以通过从在测得温度差异的具体电流下计算的开路电压中减去在具体电流下测得的电压，然后除以测得的电流，来计算整体接头电阻。该整体接头电阻包括TE元件的电阻以及焊料和TE元件电镀所产生的接触电阻。与TE元件电阻和界面电阻相比，铜热传递装置的电阻可以忽略。从该整体接头电阻中减去计算的TE元件电阻可以得到TE元件两端接头的接触电阻。通过TE元件的已知表面面积，可以计算每个TE元件的界面电阻率。

【257】通过使用这些计算的与温度无关的界面电阻率和与电流无关的温度偏移，可以使用标准热电方程计算图41所示的发电曲线。图41中的虚线表示计算的功率曲线，与其相比，实线表示测得的功率曲线。从图41可以看出这种评估方法对全部6个元件都非常准确。

【258】通过使用匹配的功率曲线，热端和冷端的表面温度以及界面电阻率可以被接受并且用以分析其绝对值和其在TE元件之间的一致性。估算的界面电阻率可以与文献中所述的电阻率进行比较(例如参考G.S.Nolas et al.，“Thermoelectrics-Basic Pinciples and New MaterialsDevelopments，”Springer-Verlag(Berlin Heidelberg，2001))。图41显示全部6个TE元件的界面电阻率均小于10μΩcm²，其可以被认为是合理值。进行这些测试看出此界面电阻率可以有多小和可以实现的穿过每个TE元件有多一致。在图41所示的测试中，4个中间TE元件具有相对低的和一致的界面电阻率。两个端TE元件的电阻率是内部TE元件的界面电阻率的2到3倍。此影响可能是由于处于组件的两端而施加到这些TE元件上的附加应力而产生的。

【259】根据本文所述的实施例，这些测试Bi₂Te₃元件的结果可以用于较高温度材料的测试和装置设计。对于这些TE元件，界面电阻率和穿过界面的温度下降可以相似。

【260】图42显示初次测试分段TE元件的实验结果。测试了具有图42中所列尺寸和材料的两种N型TE元件。与图40和41中的上述配置相同的原型装置和系统配置也被用于该测试。图42中还列出冷端槽(bath)的温度、加热器设置和所测得的TE表面的温度。由于TE元件和层厚的设计差异以及轻微的温度下降差异使图42的曲线不同。图42显示功率回收数量随着热端温度的增加而增加。最佳电流也随着温度的增加而稍微增加。元件1在热端温度为172℃、电流为8A和热端温度为366℃、电流为11.3A时产生最大功率。对这些和其他相似的P型和N型分段元件的进一步测试和分析可以用来如测试Bi₂Te₃一样确定相同等级的预测。

【261】本文所述的某些实施例显著改进热电发电的能力以实现较高功率输出和效率。本文所述的某些实施例不仅解决元件内部的TE兼容性失配的问题，而且解决流动方向上相关元件的TE兼容性失配的问题，以显著改进许多应用中的TE系统的性能。在某些实施例中，优选使用热传递装置以帮助将流动方向的热隔离和不均匀高功率密度元件合并到可用的系统中，其中该热传递装置具有第二部分，该第二部分从被夹在两个TE元件之间的第一部分伸出，并且该第二部分比该第一部分宽。某些此种实施例有利于减少热膨胀失配的影响，否则将更难于构建具有不同厚度的元件的TE装置。本文所述的某些实施例中使用液体金属接头来降低热膨胀失配影响，以有利地帮助构建在高运行温度下结合在一起的系统。

【262】本文所述的改进模型和优化技术有利地帮助优化某些实施例的设计概念以使其向TPG系统性能最大化方向发展。原型建立和测试也帮助使设计原理和模型有效。根据本文所述的某些实施例，全尺寸TPG系统可以用来从汽车尾气重新获得废热，用于主要电力应用，或许多其他不同的废热回收应用，包括与将TE系统集成到燃料电池中相关的应用。

【263】应该注意到本专利的公开展示了本发明的设计、配置和应用。尽管根据冷却性质分析了上述讨论，但是相似的结果适于加热和发电，并且导出相似的结论。一些系统，特别是热离子和异质结构类型的系统可以固有地具有高功率密度，在此情况下，本发明可以更适于适应此种系统的性质和可能的高功率密度。

【264】尽管上面图示说明和讨论了几个示例，但是本说明书仅仅举例说明本发明的宽泛概念，本发明记载在所附权利要求书中。在权利要求中，所有术语归于其原始和习惯含义，并且上述描述不将术语限制在任何具体或特别限定的含义，除非具体明确说明。

Claims (42)

1.一种热电系统，其包括：

第一热电元件，其包括相互电通信的第一组多个分段；

第二热电元件，其包括相互电通信的第二组多个分段；和

热传递装置，其至少包括第一部分和第二部分，所述第一部分夹在所述第一热电元件和所述第二热电元件之间，所述第二部分从所述第一部分凸出并且被配置为与工作介质热通信。

2.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述第一热电元件沿着第一方向具有第一厚度，所述第二热电元件沿着第二方向具有第二厚度，所述第二厚度比所述第一厚度大。

3.根据权利要求1所述的热电系统，其中，所述第一热电元件具有第一厚度、第一横截面积和第一长宽比，其中所述第一厚度沿着第一方向，所述第一横截面积在大致与所述第一方向垂直的平面中，所述第一长宽比等于所述第一横截面积除以所述第一厚度；所述第二热电元件具有第二厚度、第二横截面积和第二长宽比，其中所述第二厚度沿着第二方向，所述第二横截面积在大致与所述第二方向垂直的平面中，所述第二长宽比等于所述第二横截面积除以所述第二厚度；其中所述第二长宽比与所述第一长宽比不同。

4.根据权利要求3所述的热电系统，其中选择所述第一长宽比和所述第二长宽比，以便在运行条件下所述第一热电元件和所述第二热电元件都以最佳效率运行。

5.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述第一组多个分段的每个分段的厚度与所述第一组多个分段的其他分段的厚度不同。

6.根据权利要求5所述的热电系统，其中所述第二组多个分段的每个分段的厚度与所述第二组多个分段的其他分段的厚度不同。

7.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述第一组多个分段的每个分段的长宽比等于所述分段的厚度除以所述分段的横截面积，其中所述第一组多个分段的所述分段的所述长宽比彼此不同。

8.根据权利要求7所述的热电系统，其中所述第二组多个分段的每个分段的长宽比等于所述分段的厚度除以所述分段的横截面积，其中所述第二组多个分段的所述分段的所述长宽比彼此不同。

9.根据权利要求8所述的热电系统，其中选择所述第一组多个分段的所述分段的所述长宽比和所述第二组多个分段的所述分段的所述长宽比，以便在运行条件下所述第一热电元件和所述第二热电元件都以最佳效率运行。

10.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述第一组多个分段至少包括第一热电分段和第二热电分段，所述第一热电分段和所述第二热电分段包括不同的材料。

11.根据权利要求10所述的热电系统，其中配置所述热电系统以使其运行，从而所述第一热电分段处于第一温度范围内，所述第二热电分段处于第二温度范围内，其中所述第一热电分段在所述第一温度范围内比在所述第二温度范围内的运行效率更高，所述第二热电分段在所述第二温度范围内比在所述第一温度范围内的运行效率更高。

12.根据权利要求11所述的热电系统，其中所述第一组多个分段包括第三热电分段，其中配置所述热电系统以使其运行，从而所述第三热电分段处于第三温度范围内，其中所述第三热电分段在所述第三温度范围内比在所述第二温度范围内或所述第一温度范围内的运行效率更高。

13.根据权利要求10所述的热电系统，其中所述第二组多个分段至少包括第一热电分段和第二热电分段，所述第一热电分段和所述第二热电分段包括不同的材料。

14.根据权利要求13所述的热电系统，其中配置所述热电系统以使其运行，从而所述第一热电分段处于第一温度范围内，所述第二热电分段处于第二温度范围内，其中所述第一热电分段在所述第一温度范围内比在所述第二温度范围内的运行效率更高，所述第二热电分段在所述第二温度范围内比在所述第一温度范围内的运行效率更高。

15.根据权利要求14所述的热电系统，其中所述第一组多个分段包括第三热电分段，其中配置所述热电系统以使其运行，从而所述第三热电分段处于第三温度范围内，其中所述第三热电分段在所述第三温度范围内比在所述第二温度范围内或所述第一温度范围内的运行效率更高。

16.根据权利要求1所述的热电系统，其中至少一些所述第一组多个分段相互串行电通信，至少一些所述第二组多个分段相互串行电通信。

17.根据权利要求1所述的热电系统，其中至少一些所述第一组多个分段相互串行/并行电通信，至少一些所述第二组多个分段相互串行/并行电通信。

18.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述第二部分在至少一个方向上比所述第一部分更宽。

19.根据权利要求18所述的热电系统，其中所述第二部分在大致沿着工作介质运动方向的方向上比所述第一部分更宽。

20.根据权利要求18所述的热电系统，其中所述第二部分具有一个大致平坦的表面，所述表面被配置为与所述工作介质热通信。

21.根据权利要求1所述的热电系统，进一步包括电流源，所述电流源与所述第一热电元件、所述热传递装置和所述第二热电元件电通信，从而来自所述电流源的电流串行穿过所述第一热电元件、所述热传递装置和所述第二热电元件。

22.根据权利要求21所述的热电系统，其中所述电流串行穿过所述第一组多个分段并且串行穿过所述第二组多个分段。

23.根据权利要求1所述的热电系统，进一步包括第一液体金属接头和第二液体金属接头，其中所述第一液体金属接头与所述第一热电元件和所述热传递装置热电通信，所述第二液体金属接头与所述热传递装置和所述第二热电元件热电通信。

24.根据权利要求23所述的热电系统，其中所述第一液体金属接头和所述第二液体金属接头包括SnPb焊料。

25.根据权利要求1所述的热电系统，进一步包括位于所述第一热电元件和所述热传递装置之间的钼层，和位于所述热传递装置和所述第二热电元件之间的第二钼层。

26.一种热电系统，其包括：

多个热电元件，至少一些所述热电元件包括多个分段；和

多个热传递装置，至少一些所述热传递装置至少包括第一部分和第二部分，所述第一部分被夹在所述多个热电元件的至少两个热电元件之间以便形成热电元件和热传递装置的至少一个堆叠，所述第二部分从所述堆叠中凸出并且被配置为与工作介质热通信。

27.根据权利要求26所述的热电系统，其中所述热传递装置使至少一些所述热电元件与至少一些其他所述热电元件热隔离。

28.根据权利要求26所述的热电系统，其中所述多个热传递装置被布置成在工作介质流动方向上提供热隔离。

29.根据权利要求26所述的热电系统，其中所述热电元件包括交替的P型和N型热电元件。

30.根据权利要求26所述的热电系统，其中所述多个热传递装置包括多个第一热传递装置和多个第二热传递装置，所述堆叠包括交替的第一热传递装置和第二热传递装置，其中所述第一热传递装置的所述第二部分在第一方向上凸出，所述第二热传递装置的所述第二部分在第二方向上凸出，所述第二方向与所述第一方向不同。

31.根据权利要求30所述的热电系统，其中所述第二方向与所述第一方向大致相反。

32.根据权利要求30所述的热电系统，其中所述第一热传递装置被配置成与第一工作介质热通信，所述第二热传递装置被配置成与第二工作介质热通信。

33.根据权利要求26所述的热电系统，进一步包括至少一个液体金属接头，所述至少一个液体金属接头位于至少一个热电元件和至少一个相邻热传递装置之间，而且所述至少一个堆叠通常沿着所述堆叠的方向处于压缩状态。

34.根据权利要求26所述的热电系统，其中设计至少一些所述热电元件的大小以提供高功率密度运行。

35.根据权利要求26所述的热电系统，进一步包括电流源，所述电流源与所述堆叠电通信，从而来自所述电流源的电流串行穿过所述热电元件和所述热传递装置。

36.根据权利要求35所述的热电系统，其中所述电流串行穿过所述至少一些所述热电元件的所述多个分段。

37.一种制造热电系统的方法，所述方法包括：

提供多个热电元件，至少一些所述热电元件包括多个分段；

提供多个热传递装置，至少一些所述热传递装置至少包括第一部分和第二部分；以及

组装所述多个热电元件和所述多个热传递装置以形成热电元件和热传递装置交替的至少一个堆叠，其中所述热传递装置的所述第一部分被夹在至少两个相邻的热电元件之间，所述热传递装置的所述第二部分从所述堆叠中凸出并且被配置为与工作介质热通信。

38.根据权利要求37所述的方法，其中组装所述多个热电元件和所述多个热传递装置包括在至少一个热电元件和至少一个相邻热传递装置之间放置一个液体金属接头，以设置所述至少一个热电元件和所述至少一个相邻热传递装置相互热通信和串行电通信。

39.根据权利要求37所述的方法，其中所述至少一些所述热电元件具有长宽比，热电元件的所述长宽比等于在与所述堆叠大致垂直的平面中的所述热电元件的横截面积除以在大致平行于所述堆叠的方向上的所述热电元件的厚度，其中所述至少一些所述热电元件的长宽比沿着所述堆叠彼此不同。

40.根据权利要求39所述的方法，其中选择所述长宽比，从而在运行条件下所述至少一些所述热电元件以最佳效率运行。

41.根据权利要求37所述的方法，其中一个热电元件的所述多个分段中的每个分段的长宽比等于在与所述堆叠大致垂直的平面中的所述分段的横截面积除以在大致平行于所述堆叠的方向上的所述分段的厚度，其中所述分段的长宽比沿着所述热电元件彼此不同。

42.根据权利要求41所述的方法，其中选择所述长宽比，从而在运行条件下所述多个分段的所述分段以最佳效率运行。

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