CN102239579A - 增强的绝热热电装置 - Google Patents

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R·W·迪勒
D·T·克莱恩
J·兰德拉多尔
F·R·哈里斯
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Abstract

在某些实施例中，热电系统包括至少一个单元。该至少一个单元可以包括沿第一方向延伸的第一多个导电分流器、沿与第一方向不平行的第二方向延伸的第二多个导电分流器以及第一多个热电(TE)元件。第一多个TE元件可以包括第一TE元件、第二TE元件和第三TE元件，所述第一TE元件位于第一多个分流器的第一分流器与第二多个分流器的第二分流器之间并且与上述两者电通信，所述第二TE元件位于第二分流器与第一多个分流器的第三分流器之间并且与上述两者电通信，所述第三TE元件位于第三分流器与第二多个分流器的第四分流器之间并且与上述两者电通信。

Description

增强的绝热热电装置
本申请要求2008年8月1日所提交的美国临时申请No.61/137,747的优先权的利益，该申请通过引用以其整体合并到此。
技术领域
本发明涉及用于固态冷却、加热和发电系统的改进的配置。
背景技术
热电(TE)冷却器、加热器和发电机的设计常常受如下限制的影响，即将由热侧和冷侧的不同热膨胀引起的热剪切应力保持在引起过早失效的限度以下。所引发的剪切应力可以导致部分立即失效(例如断裂等)或快速的疲劳失效，使得鲁棒性和使用寿命短得不能接受。图1A显示了未加电状态下的典型的TE模块100，图1B显示了加电的(例如工作在冷却/加热模式)或具有顶侧和底侧间所引发的温度差(例如工作在发电模式)的TE模块100。出于解释说明的目的，图1A所示的TE模块100被配置为工作在冷却/加热模式，使得当开关102闭合时，上侧104被加热。当没有电流流过时，TE模块100被假定不具有由顶部基底108和/或分流器110以及底部基底112和/或分流器114在TE元件106中所引发的剪切应力。由于基底和分流器的热膨胀系数(CTE)，横跨TE元件106的温度差引发上部热侧104中的尺寸变化118，如图1B中所示。TE模块100的上部热侧104与下部冷侧116之间的相对移动导致热诱发的剪切应力120，如图1B中虚线所指明的。如果所引发的运动足够长(或由于几何因数和/或热力条件)，则可能超出材料系统的应力限度，并且在温度差反复施加的情况下，该系统可能立即失效或退化。
这些条件被典型TE系统200(如图2中所绘)的制造者所理解，并且其导致设计限制，该设计限制影响了尺寸、最大循环温度偏差以及运行循环直到失效的次数。为了改进耐用性，使用了各种设计特征，包括如图3中所绘的第一基底302的分割，使得TE系统300有效地具有支撑多个更小的TE子模块304的第二基底。此方法和其他在顶部基底302与底部基底306之间允许某些灵活性的方法已被用来减小引发应力的温度差。(参见例如美国专利No.6,672,076)
发明内容
在某些实施例中，热电系统包括至少一个单元。该至少一个单元可以包括沿第一方向延伸的第一多个导电分流器、沿与第一方向不平行的第二方向延伸的第二多个导电分流器以及第一多个热电(TE)元件。第一多个TE元件可以包括第一TE元件、第二TE元件和第三TE元件，所述第一TE元件位于第一多个分流器的第一分流器与第二多个分流器的第二分流器之间并且与上述两者电通信，所述第二TE元件位于第二分流器与第一多个分流器的第三分流器之间并且与上述两者电通信，所述第三TE元件位于第三分流器与第二多个分流器的第四分流器之间并且与上述两者电通信。电流可以大致平行于第一方向流过第一分流器、流过第一TE元件，大致平行于第二方向流过第二分流器、流过第二TE元件，大致平行于第一方向流过第三分流器、流过第三TE元件，以及大致平行于第二方向流过第四分流器。
在某些实施例中，热电系统包括具有第一部分和第二部分的第一热传递结构。该第二部分可以被配置为与第一工作媒质产生热交换。该热电系统可以包括具有第一部分和第二部分的第二热传递结构。该第二部分可以被配置为与第二工作媒质产生热交换。该热电系统可以包括具有第一部分和第二部分的第三热传递结构。该第二部分可以被配置为与第一工作媒质产生热交换。该热电系统可以包括第一多个热电(TE)元件以及第二多个热电(TE)元件，所述第一多个热电(TE)元件被夹在第一热传递结构的第一部分与第二热传递结构的第一部分之间，所述第二多个热电(TE)元件被夹在第二热传递结构的第一部分与第三热传递结构的第一部分之间，以便形成TE元件和热传递结构的堆叠。第一热传递结构的第二部分以及第三热传递结构的第二部分可以在第一方向上从堆叠中凸出出来，并且第二热传递结构的第二部分可以在与第一方向大致相反的第二方向上从堆叠中凸出出来。
在某些实施例中，热电系统包括细长的分流器、第一热电(TE)元件、第二热电(TE)元件以及热传递结构，所述分流器包括多个层，所述第一热电(TE)元位于分流器第一侧上并且与该分流器产生电通信和热交换，所述第二热电(TE)元件位于分流器第一侧上并且与该分流器产生电通信和热交换，所述热传递结构位于分流器第二侧上并且与该分流器产生热交换。
在某些实施例中，热电系统包括热传递结构和通常以串联方式彼此电通信的第一多个热电(TE)元件，所述热传递结构包括第一管道和至少一个第二管道，所述第一管道被配置为允许工作媒质流入与第一管道热交换，所述至少一个第二管道被配置为允许工作媒质流入与至少一个第二管道热交换。第一多个TE元件可以包括第一数量的TE元件和第二数量的TE元件，所述第一数量的TE元件与第一管道的第一侧产生热交换并且与至少一个第二管道基本热隔绝，所述第二数量的TE元件与至少一个第二管道的第一侧产生热交换并且与第一管道基本热隔绝。该热电系统可以包括通常以串联方式彼此电通信的第二多个热电(TE)元件。第二多个TE元件包括第三数量的TE元件和第四数量的TE元件，所述第三数量的TE元件与第一管道的第二侧产生热交换并且与至少一个第二管道基本热隔绝，所述第四数量的TE元件与至少一个第二管道的第二侧产生热交换并且与第一管道基本热隔绝。该热电系统可以包括第一多个导电分流器，其与第一数量的TE元件以及与第三数量的TE元件电通信，使得第一数量的TE元件中的至少一些与第二数量的TE元件中的至少一些以并联方式电通信。
在某些实施例中，热电系统包括通常以串联方式彼此电通信的第一多个热电(TE)元件。第一多个热电(TE)元件可以通过第一多个导电分流器以串联方式彼此电相连。该热电系统可以包括通常以串联方式彼此电通信的第二多个热电(TE)元件。第二多个热电(TE)元件可以通过第二多个导电分流器以串联方式彼此电相连。该热电系统可以包括至少一个导电元件，其与第一多个导电分流器中的至少一个以及与第二多个导电分流器中的至少一个电通信。第一多个TE元件中的至少一部分通过至少一个导电元件与第二多个TE元件中的至少一部分以并联方式电相连。
在某些实施例中，热电系统包括至少一个热电(TE)元件以及与至少一个TE元件产生热交换的热传递装置。该热传递装置可以被配置为允许工作媒质流入与热传递装置的热交换。该热传递装置可以包括异质材料，所述异质材料在工作媒质流方向上具有第一热导率而在大致垂直于媒质流方向的方向上具有第二热导率。第二热导率高于第一热导率。
附图说明
图1A是不加电的典型TE模块；
图1B是加电的图1A所示TE模块，其显示了在TE元件上引发的剪切应力；
图2是包括多个如图1A和图1B中所示TE模块的典型TE系统；
图3是与图2的TE系统类似的典型TE系统，其包括被分割的顶部基底以构成多个子模块；
图4A是图2所示TE系统的侧视图，显示了流过该TE系统的电流；
图4B是图2所示TE系统的部分剖开顶视图，显示了流过该TE系统的电流；
图5A是根据本文所述某些实施例的示例TE系统的透视图，显示了流过该TE系统的电流；
图5B是图5A所示TE系统的侧视图；
图5C是图5A所示TE系统的正面横截面图，显示了流过该TE系统的电流；
图6是根据本文所述某些实施例的具有分段底部基底的示例TE系统的透视图；
图7是根据本文所述某些实施例的在两个TE模块之间具有基底的示例TE系统的正面横截面图；
图8A是根据本文所述某些实施例的具有分段顶部基底和底部基底的示例TE系统的透视图；
图8B是图8A所示TE系统的正面横截面图；
图9A是根据本文所述某些实施例的在顶部和底部上具有翅片热传递结构并且在两个TE模块之间具有热传递结构的示例TE系统的侧视图；
图9B是根据本文所述某些实施例的附接到分流器的示例翅片热传递结构的透视图；
图9C是根据本文所述某些实施例的与分流器相集成的示例翅片热传递结构的透视图；
图10A是根据本文所述某些实施例的示例TE系统的侧视图，显示了流过该TE系统的电流；
图10B是10A所示分流器的透视图；
图10C是10A所示TE系统的透视图；
图11是根据本文所述某些实施例的与图10A所示TE系统相似的包括分段分流器的示例TE系统的透视图；
图12是根据本文所述某些实施例的具有电绝缘段的示例分流器的透视图；
图13是根据本文所述某些实施例的示例TE模块的透视图；
图14是根据本文所述某些实施例的示例TE模块的透视图，其具有六十个图13所示的TE模块的阵列；
图15是图14所示的TE模块对于冷侧流体进口温度与热侧流体进口温度之间的不同温度差的、电压作为电流函数的绘图；
图16是图14所示的TE模块对于冷侧流体进口温度与热侧流体进口温度之间的不同温度差的、电功率作为电流函数的绘图；
图17是对于不同冷侧流体进口温度和流体的、电功率作为热侧流体进口温度的函数的绘图，；
图18A是根据本文所述某些实施例的具有十个图14所示TE模块堆叠的示例TE系统的透视图；
图18B是图18A所示的TE系统在热流进口和冷流进口之间具有207℃的温度差的情况下所测得的电功率作为电流函数的绘图；
图19是根据本文所述某些实施例的示例TE模块的透视图；
图20是图19所示的TE模块对于不同热流进口温度的、电压作为电流函数的测量值和计算机模型计算值的绘图；
图21是图19所示的TE模块对于不同热流进口温度的、电功率作为电流函数的测量值和计算机模型计算值的绘图；
图22是图19所示的TE模块在热侧流体温度在50℃与190℃之间循环的情况下所测得的电功率作为热循环的函数的绘图；
图23是六十个图19所示的TE模块的单层阵列的对于不同的冷侧流体进口温度和热侧流体进口温度所测得的电压作为电流的函数的绘图；
图24是六十个图19所示的TE模块的单层阵列的对于不同的冷侧流体进口温度和热侧流体进口温度所测得的电功率作为电流的函数的绘图；
图25是六十个图19所示的TE模块的单层阵列的所测得的转换器电功率输出和转换器转换效率作为电功率输出函数的绘图；
图26A示意性地显示了以串联方式电连接的TE元件；
图26B示意性地显示了以并联方式电连接的TE元件；
图26C示意性地显示了以串联和并联方式电连接的TE元件；
图27是根据本文所述某些实施例的示例TE系统的实施例的顶视图，该TE系统具有两个TE模块，其中每个TE模块具有电串联的TE元件并且TE模块在其间具有选择电连接；
图28A是根据本文所述某些实施例的示例TE系统的正面横截面图，该TE系统在基底的任一侧上具有TE模块，并且所述各TE模块在其间具有至少一个电连接；
图28B是根据本文所述某些实施例的示例TE系统的正面横截面图，该TE系统在基底的任一侧上具有两个TE模块，并且基底同一侧上的各TE模块在其间具有至少一个电连接，并且相对侧上的各TE模块在其间具有至少一个电连接；
图29是常规TE系统的侧视图，显示了在冷却后由该TE系统的部件的不同收缩所引发的剪切应力；
图30是根据本文所述某些实施例的具有分流器的示例TE系统的侧视图，所述分流器包括多个层；
图31A是根据本文所述某些实施例的具有形成在其中的槽的示例片层的顶视图；以及
图31B是根据本文所述某些实施例的图31A所示示例片层被折叠以形成翅片热传递结构的顶视图。
具体实施方式
为了降低TE系统成本并改进性能(例如对于高功率密度高热功率设计(例如HVAC)和废热回收系统)，期望新的解决方案。在这样的设计中，TE元件在横截面积上可以相对更大，使得热引发的应力在元件自身内更高。基底可以由平台所取代，如挤压管、铜焊的片层翅片结构等。在某些应用中，平台可以由铝或铜制成以提高性能、降低重量和/或制造成本，以及出于其他有益的原因。然而，有用的基底替换材料如铜和铝具有4-6倍于传统氧化铝基底的热膨胀系数(CTE)。这些设计加上其他涉及期望改进当受到震动和摇摆时的耐用性的配置可以从减小剪切应力的新设计中得利。
本文中所说明的某些实施例解决了不同热膨胀的有害影响。例如，可以重新配置TE模块的电流流通路径。还可以将热传递结构设计为减小由不同热膨胀所引发的应力。可以使用任意典型的热电材料，例如，可以使用掺杂的n型和p型的碲化铋。
温度差引发的应力减小的热电系统
通常，常规TE模块200具有大致在一个方向上流通的电流。图4A显示了图2所示的常规TE模块200的侧视图。例如，电流路径302显示在图4A中从左向右流。电流流通路径302蜿蜒在大致垂直于顶部基底108和底部基底112并且大致平行于TE元件106的行的平面中。然而，电流流通路径302在大致平行于顶部基底108和底部基底112的平面上基本上是直线的，如图4B中的部分剖开顶视图所示。
与此相反，在某些实施例中，电流流通路径302蜿蜒在至少两个平面中。图5A显示了示例TE系统500的透视图，该系统包括至少一个单元，其中电流流通路径502蜿蜒在至少两个平面中。单元可以包括可操作地连接在一起的多个TE元件和多个导电分流器。一个或多个单元可以被置于与一个或多个其他单元电通信，以形成TE系统。例如，多个单元可以被置于彼此以串联和/或并联方式电通信，以形成TE系统。
在某些实施例中，第一多个导电分流器514沿第一方向延伸，而第二多个导电分流器510沿与第一方向不平行的第二方向延伸。在某些实施例中，第一多个导电分流器510和第二多个导电分流器514大致彼此垂直。第一多个导电分流器514可以被布置为大致彼此平行的两行。相似地，第二多个分流器514可以被布置为大致彼此平行的两行。例如，热电材料可以是适当地掺杂的n型和p型的碲化铋，约为2mm长(在电流方向上)并且在其他尺寸上约为3mmx3mm从而形成了约为9mm2的横截面积。替换地，TE元件506可以更长并且由碲化铅段和碲化铋段制成，碲化铅段的各部分承受250℃至500℃间的温度，碲化铋段的各部分承受最高大约250℃的温度。
在某些实施例中，TE系统包括具有第一多个TE元件506的单元，所述第一多个TE元件506与第一多个导电分流器510和第二多个导电分流器514电通信。在某些实施例中，第一TE元件506a位于第一多个分流器510的第一分流器510a与第二多个分流器514的第二分流器514a之间并且与上述二者电通信。第二TE元件506b位于第二分流器510b与第一多个分流器510的第三分流器510b之间并且与上述二者电通信。第三TE元件506c位于第三分流器510b和第二多个分流器514的第四分流器514b之间并且与上述二者电通信。电流大致平行于第一方向流过502第一分流器510a、流过第一TE元件506a，大致平行于第二方向流过第二分流器514a、流过第二TE元件506b，大致平行于第一方向流过第三分流器510b、流过第三TE元件506c，大致平行于第二方向流过第四分流器514b。在某些实施例中，该单元进一步包括与第四分流器514b电通信的第四TE元件506d，其中电流流过第四TE元件506d。
在某些实施例中，电流流通路径302可以蜿蜒在大致垂直于第一基底508和/或第二基底512的两个平面中，如图5A-C中所示。在某些实施例中，第一基底508是顶部基底而第二基底512是底部基底。例如，电流502沿大致彼此平行的方向流过第一分流器510a和第三分流器510b，并且电流502在大致彼此反平行的方向上流过第二分流器514a和第四分流器514b。
与常规TE模块200相比，图5A-C中所示的TE模块500可以具有对热梯度改进的耐用性。第一分流器510能够基本上独立于彼此移动，使得在第一分流器510的平面内并且垂直于第一分流器510的长度的方向上(例如，在垂直于电流方向的方向上或在图5B中所示的左-右方向上)引发最小剪切应力。每个第一分流器510均可以起到图3中子模块304的作用。如果第二基底512是相对大的表面，则不同热膨胀仍会是第一分流器510的长度方向上的因数。相反地，如果第一基底58是相对大的表面，则不同热膨胀仍会是第二分流器514的长度方向上的因数。如果第一分流器510的长度或各TE元件506之间的距离超过若干毫米而且该基底具有相对高的CTE(例如铝或铜)，那么这可能会是严重的问题。如果该CTE是氧化铝的4-6倍，则即使第一分流器510的长度或各TE元件506之间的距离短，也可以导致由热差所引起的高应力。如果TE模块500工作在加热和冷却两种模式，如果第一分流器510材料和第二基底512材料具有完全不同的CTE，或者如果TE模块500与具有大温度差(例如，直至1000℃)的发电机一起使用，则该应力甚至可能更大。
第一分流器510可以与第一基底508热连接，第二分流器514可以可以与第二基底512热连接。例如，第一分流器510a和第三分流器510b可以与第一基底508热交换，而第二分流器514a和第四分流器514b可以与第二基底512热交换。在某些其他的实施例中，可以在第一分流器510与第一基底508之间和/或在第二分流器514与第二基底512之间安置电绝缘层530，如图5B中所示。第一基底508和第二基底512可以包括热交换器或者可以与热交换器热相连。该热交换器可以被配置为允许工作媒质(例如，热传递流体)流过并与该热交换器产生热交换。在某些实施例中，至少一个热交换器与至少一些TE元件产生热交换。该热交换器可以是例如输送热传递流体的管，如图5C中所示。在某些实施例中，工作媒质在大致平行于第一分流器510沿其延伸的方向的方向上流动。在某些其他实施例中，工作媒质在大致垂直于第一分流器510沿其延伸的方向的方向上流动。在某些实施例中，工作媒质在大致平行于第一方向的方向上流动。在某些其他实施例中，工作媒质中的至少某一些在大致平行于第二方向的方向上流动。
在某些实施例中，第二基底512分成两段或多于两段。例如，如图6中所示，TE模块600包括第二基底512，所述第二基底包括两个段，这两个段大致沿第二分流器514的长度(第二分流器514中电流的方向)延伸并且在大致沿第一分流器510的长度的方向上(第一分流器510中电流的方向)彼此分离。在某些实施例中，第一多个TE元件的TE元件506被布置在大致彼此平行的第一行和第二行中，其中第一TE元件506a和第二TE元件506b位于第一行中而第三TE元件506c和第四TE元件506d位于第二行中。在某些实施例中，第二分流器514的每一行均与第二基底512的一个段相接触并且不与第二基底512的另一段相接触(例如，直接地或在其间具有电绝缘层)。在某些实施例中，下部基底512的每段均是至少一个热交换器。在某些实施例中，至少一个热交换器包括与TE元件506的第一行中的至少某些产生热交换的第一热交换器和与TE元件506的第二行中的至少某些产生热交换的第二热交换器。在某些实施例中，TE模块700具有与第二基底512的一侧产生热交换的第一TE组件520和与第二基底512的相对一侧产生热交换的第二TE组件522，如图7中所示。
如图8A中所示，第一基底508还可以分成两个或多于两个段。以与第二基底512的段相似的方式，第一基底508的段大致沿第一分流器510的长度(例如第一分流器510中电流的方向)延伸并且在大致沿第二分流器512的长度(例如第一分流器508中电流的方向)的方向上彼此分离。在某些实施例中，每个第一分流器510均与第一基底508的至少一个段相接触并且不与第一基底508的另一段相接触(例如，直接地或在其间具有电绝缘层)。在某些实施例中，第一TE组件520与第二基底512的一侧产生热交换，而第二TE组件522与第二基底512的相对一侧产生热交换，如图8B中所示。
在某些实施例中，该热电系统包括具有第一侧和第二侧的第一热交换器以及具有第一侧和第二侧的第二热交换器。第一热交换器的第一侧与第一行TE元件中的至少某一些产生热交换，而第二热交换器的第一侧与第二行TE元件中的至少某一些产生热交换。在某些这样的实施例中，该热电系统进一步包括第三多个导电分流器、沿第二方向延伸的第四多个导电分流器以及第二多个TE元件，所述第三多个导电分流器沿第一方向延伸并且与第一热交换器的第二侧和第二热交换器的第二侧中的至少一个产生热交换。第二多个TE元件包括：第四TE元件，其位于第三多个分流器的第五分流器与第四多个分流器的第六分流器之间并与上述二者电通信；第五TE元件，其位于第六分流器与第三多个分流器的第七分流器之间并与上述二者电通信；以及第六TE元件，其位于第七分流器与第四多个分流器的第八分流器之间并与上述二者电通信。在某些这样的实施例中，电流大致平行于第一方向流过第五分流器、流过第四TE元件，大致平行于第二方向流过第六分流器、流过第五TE元件，大致平行于第一方向流过第七分流器、流过第六TE元件，以及大致平行于第二方向流过第八分流器。
在某些实施例中，热传递流体是液体、气体或浆状体。工作媒质524可以流过热交换器(如第二基底512)，如图9A中所示。在某些实施例中，第一基底508可以是空气热交换器(例如，百叶窗翅片、分支(off-set)翅片)，如图9A-图9C中所示。在某些实施例中，该空气热交换器可以被配置用于空气在大致垂直于工作媒质524流动方向的方向上流过第二基底512，如图9A中所示。在某些其他实施例中，该空气热交换器被配置用于空气在大致平行于工作媒质524流动方向的方向上流过第二基底512。图9B显示了示例翅片类型的热交换器910，其附接到分流器920。图9C显示了作为整体分流器-热交换器部件930的示例翅片类型的热交换器910以及分流器920。
在某些实施例中，该热交换器与分流器具有相对良好的导热接触。例如，该热交换器可以通过导热材料(例如，热油脂)附接于分流器。在某些实施例中，该热交换器不与分流器电通信(例如该热交换器与分流器电绝缘)。类似的标准应用于设计可以垂直地和/或水平地堆叠在一起以构成完整的装置的任何额外TE组件。
在某些实施例中，TE模块被配置为防止TE电路(例如分流器)被导电的热交换器材料短路。可以通过如下多种配置实现分流器与热交换器材料之间的电绝缘同时维持相对良好的热输送特性，包括：阳极电镀翅片、分流器和挤压管；非导电环氧(例如，具有置入的玻璃球、非导电席、或任意其他提供空间从而提供电绝缘的方法)；附接于单个分流器的热交换器段，利用非导电气体作为热传递媒质，如图9A-图9C中所绘；或者任意其他适当的配置。在某些实施例中，在热交换器和分流器之间安置有非导电层。例如，如果该热交换器是铝的，则可以对其进行阳极电镀以在热交换器和分流器之间生成非导电层。也可以提供其他类型的涂层，如氮化铝、其他导热陶瓷、纤维玻璃填充的环氧粘合剂、由高导热性和非导电的带和油脂构成的席以及任意其他高导热、非导电阻挡层。非导电阻挡层还可以包括其他所期望的特性，如机械强度、抗磨损性、低界面间摩擦以及抗腐蚀性。
具有堆叠热电元件配置的热电系统
在美国专利No.6,959,555中描述了热电系统配置的示例，其通过引用合并到此。图10A显示了TE模块1000，其具有多个堆叠在电流1012方向上的TE元件1006。每个TE元件1006均邻近第一热传递结构1004并且邻近第二热传递结构1012，使得TE元件1006被夹在第一热传递结构1004与第二热传递结构1012之间。第一热传递结构1004和第二热传递结构1012可以是分别与第一热交换器1008和第二热交换器1010产生热交换的分流器。在某些实施例中，导热且电绝缘材料位于第一热传递结构1004与第一热交换器1008之间，并且位于第二热传递结构1012与第二热交换器1010之间。例如，氮化铝可以被用作导热且电绝缘材料。该导热且电绝缘材料可以防止第一热传递结构1004与第一热交换器1008以及第二热传递结构1012与第二热交换器1010之间电通信。TE元件1006、第一热传递结构1004和第二热传递结构1012构成堆叠。在某些实施例中，堆积中的各TE元件1006以串联方式彼此电通信。应力由TE元件1006附着到第一热传递结构1004和第二热传递结构1012而引发。然而，与图1B中所示常规TE系统100不同的是，在相邻的各TE元件1006之间不存在剪切力。在某些实施例中，第一热传递结构1004以及第二热传递结构1012各自与多个p-型TE元件以及多个n-型TE元件相邻，如图10C中所示。夹在第一热传递结构1004与第二热传递结构1012之间的TE元件1006在大致垂直于电流流过第一热传递结构1004、第二热传递结构1012和/或TE元件1006的方向的方向上相互分离。
第一热传递结构1004和第二热传递结构1012具有第一部分1030和第二部分1032，如图10B中所示。某些实施例的第一部分1030具有至少一个表面，该表面沿大致与电流流过第一部分1030的方向垂直的方向延伸并且被配置为与多个TE元件产生热交换。第一热传递结构1004的第二部分1032在第一方向上从堆叠凸出出来，而第二热传递结构1012的第二部分1032在第二方向上从堆叠凸出出来。在某些实施例中，第一方向和第二方向是大致彼此相反的。第一热传递结构1004的第二部分1032可以与第一热交换器1008和/或第一工作媒质产生热交换，而第二热传递结构1012的第二部分1032可以与第二热交换器1010和/或第二工作媒质产生热交换。在某些实施例中，第二部分1032比第一部分1030更大。例如，第二部分1032在大致垂直于第一方向和/或第二方向的平面中可以具有比于第一部分1030更大的横截面区域，或者第二部分1032大致在电流1002的方向上可以具有更大的尺寸。在某些实施例中，热传递结构1014大致是T型的。
图10C显示了图10A中TE模块1000的透视图。多个TE元件1006位于第一热传递结构1004与第二热传递结构1012之间。例如，第一多个TE元件1006可以被夹在第一热传递结构1004的第一部分1030与第二热传递结构1012的第一部分1030之间，而第二多个TE元件1006可以被夹在第三热传递结构1004的第一部分1030与第二热传递结构1012的第一部分1030之间。在某些实施例中，第一多个TE元件以并联方式彼此电通信，并且第二多个TE元件以并联方式彼此电通信。
第一热传递结构1004和/或第二热传递结构1012可以是多个导热段，这些导热段在大致与电流1012方向相垂直的方向上相互分离，如图11中所示。每个导热段可以与至少一个TE元件1006产生热交换。各导热段之间的间隙或间距1040减小了由温度差所引发的应力，这是因为间隙1040允许每个与第一热交换器1008产生热交换的导热段独立于彼此和/或独立于与第二热交换器1010产生热交换的导热段而膨胀和收缩。因此TE模块1000具有多个并联TE元件1006的冗余性和坚固性。
在某些实施例中，热传递结构相邻的导电段彼此机械相连并且相互电绝缘。在某些实施例中，热传递结构在各导热段间包括一个或多个电绝缘间隔层1042，如图12中所示。间隔层1042可以为TE模块1000增加机械刚性。间隔层1042可以是相对坚固且化学性稳定的材料。在某些实施例中，间隔层相对柔软。在其他实施例中，间隔层相对刚硬。间隔层可以包括环氧、聚合物、玻璃、陶瓷等。绝缘的间隔层是电绝缘电路，该电路包括以串联方式相互电通信的TE元件以及导热段。在某些实施例中，所述电路在大致与电流流动的方向相平行的方向上彼此电绝缘。例如，一个电路中电流的方向可以大致与相邻电路相反。由于TE发电机的电压输出近似地与串联电连接中TE元件的数量成比例，所以相比于具有相同尺寸和数量的并联相连的TE元件的装置，图11中的布置具有更高的电压输出。
某些实施例的堆叠可以包括具有较之TE元件1006更低弹性模数的材料。例如，该材料可以被夹在堆叠内热传递结构的第一部分1030与相邻TE元件之间。该材料可以在TE系统工作期间有效地减少TE元件1006上的张力和应力。第一热传递结构1004和第二热传递结构1012之间的温度差可以在堆积中产生张力和应力(例如，压缩的和/或拉伸的)。如果堆积内夹着具有较之TE元件1006更低的弹性模数的材料，则该材料相比于TE元件1006将会变形更多，并且TE元件1006上的张力和应力将更低。通过减小TE元件1006上的张力和应力，可以减少TE元件1006的机械失效。TE系统1000可以包括支撑结构，其通过大致沿堆叠方向的压缩力固定该堆叠。例如，该压缩力可以由螺栓、弹簧等施加。通常，TE元件1006的机械失效之前，TE元件1006可以具有比张应力更大的施加到其上的压缩力。通过将压缩力施加到堆叠，可以减小作用在TE元件1006上的拉伸力，因此可以减小TE元件1006的机械失效。
一个或多个TE模块可以被置于与一个或多个额外TE模块的电通信，以形成TE系统。例如，图13中所示的TE模块1300具有TE元件1006的堆叠、第一热传递结构1004和第二热传递结构1012。在图13所示的示例堆叠中，被夹在第一热传递结构1004与第二热传递结构1012之间的每多个TE元件1006包括两个TE元件1006并且与第一热传递结构1004和第二热传递结构1012产生热交换。夹在第一热传递结构1004与第二热传递结构1012之间的两个TE元件1006被间隙1040隔开。在图13所示的示例堆积中，第一热传递结构1004和第二热传递结构1012被分为两段；但TE模块1300任一端上的第二热传递结构1012未被分为两段。第一热传递结构1004和第二热传递结构1012的分段提供了间隙1044，用于第一热传递结构1004和第二热传递结构1012的热膨胀。
图13中所示的TE模块1300可以与其他相似的TE模块1300电相连，以构成TE系统。例如，图14显示了TE系统1400，其具有图13中所示的六十个TE模块1300的阵列。有十二行相互电通信，并且每一行均具有以串联方式相互电通信的五个TE模块。所述十二行以串联方式电通信。例如，第一行可以具有大致与第二行相反的电流方向，第三行可以具有大致与第一行平行的电流方向，并且第二行位于第一行和第三行之间。然而，各行也可以以并联方式电通信或者以串并联混合的方式电通信。例如，第一对相邻行可以以并联方式彼此电通信，并且第二对相邻行可以以并联方式彼此电通信。第一对相邻行可以与第二对相邻行相邻并且以串联方式与其电通信。可以通过借助导电分流器将两行电连接使一对行以并联方式彼此电通信。在某些实施例中，电绝缘和/或热隔绝材料被布置在一个或多个行之间。例如，可以将采田(caitian)、聚脂薄膜、云母、纤维玻璃等安置在各行之间。
某些实施例包括与第一热传递结构1004产生热交换的第一热交换器以及与第二热传递结构1012产生热交换的第二热交换器。TE系统1400被考虑为单层装置，这是因为TE系统1400具有TE模块1300的单层阵列。在某些实施例中，两个或更多TE系统1400可以被堆叠以构成多层装置。例如，第一TE系统1400的第一热传递结构1004或第二热传递结构1012可以被置于与第二TE系统1400的第一热传递结构1004或第二热传递结构1012的热交换以构成双层装置。在某些实施例中，热交换器可以被夹在第一TE系统1400与第二TE系统1400之间。在某些实施例中，导热且电绝缘的材料位于第一热传递结构1004与第一热交换器之间，以及位于第二热传递结构1012与第二热交换器之间。例如，可以将氮化铝用作导热且电绝缘的材料。导热且电绝缘的材料可以防止第一热传递结构1004与第一热交换器之间以及第二热传递结构1012与第二热交换器之间的电通信。
对如图14中所示配置的TE系统1400的性能进行测试，其中第一热交换器在第一侧上以及第二热交换器在第二侧上。相对冷的流体流过热交换器中的一个并且相对热的流过另一个热交换器，从而维持第一侧与第二侧之间的温度差。冷侧进口温度的范围在5℃至25℃之间。热侧进口温度的范围在98℃至200℃之间，并且热侧和冷侧进口温度之间的最大温度差为205℃。在最大温度差处，图15显示了大于12V的开路电压。针对此条件的最大功率输出在图16中显示为130W。用于图14至图16的测量的冷流体为50/50的水/乙二醇混合物，同时热流体为有机油。掺杂的n-型和p-型的碲化铋被用于TE元件1006。也可以使用其他热电材料。
图17显示了针对如图14中所示配置的TE系统1400作为热流体进口温度的函数的峰值功率的结果。冷侧流体在某些测试中是水，而在其他一些测试中是50/50的水/乙二醇混合物。图17中还显示了针对相同条件的计算数据或模拟数据。针对宽范围的冷侧和热侧进口温度，测量数据点从模拟曲线变化少于10％。利用以下文献中所描述的并且与热交换器模型相集成的模型来生成模拟数据：Crane，D.T.et al.，″Modeling theBuilding Blocks of a 10％Efficient Segmented Thermoelectric PowerGenerator，″International Conference on Thermoelectrics，Corvallis，OR(2008)。该模拟包括一系列能量平衡方程式，这些方程式以类似于关于对热电加热和冷却建模的文章中所述的方式求解(参见例如，Crane，D.T.，″Modeling High-Power Density Thermoelectric Assemblies Which UseThermal Isolation，″23rd International Conference on Thermoelectrics，Adelaide，AU(2004))。
图18A显示了TE系统1800，其具有十个TE系统1400，其堆叠有五个热流体热交换器1812和六个冷流体热交换器1808。(如本文中所用，术语“热”和“冷”指代流过所述热交换器的流体的相对温度。)每个TE系统1400均被夹在热流体热交换器1812与冷流体热交换器1808之间。图18B显示了图18A所示TE系统1800的性能结果。冷进口温度与热进口温度之间的温度差为207℃。TE系统1800具有大于50V的开路电压以及大于500W的峰值功率输出。各热流体热交换器1812以并联方式彼此产生流体交换。与此相似，各冷流体热交换器1808以并联方式彼此产生流体交换。
图19显示了TE模块1900，其具有第一热传递结构1904和第二热传递结构1912。相比于图13所示TE模块1300的第一热传递结构1004和第二热传递结构1012，这些热传递结构1904、1912具有减小的容积。相比于图13所示TE模块1300的热传递结构1004、1012，每个热传递结构1904、1912的第二部分均具有减小的厚度。例如，如果在TE模块1900中使用与图13所示TE模块1300相同量的TE材料并且使用铜作为热传递结构，则图13所示TE模块1300的重量为9.88g而图19所示TE模块1900的重量为5.72g。
对图19所示的TE模块1900的性能进行测试。分别在图20和图21中显示了电压和功率作为100℃、150℃和190℃的热测温度处的电流的函数。冷侧水浴温度为20℃。图20和图21还显示了用于TE模块1900的模拟建模数据。在0至20A电流范围，对于每个热测温度，模拟建模数据与测量数据的不同小于5％。电界面阻值在模拟建模数据中用作修正系数。针对此特定子组件的电界面阻值为5.5μΩcm2。此估计的电界面阻值可以与以下文献中所描述的那些相对比：Nolas，G.S.et al.，Thermoelectrics-Basic Principles and New Materials Developments，Springer-Verlag(Berlin Heidelberg，2001)。小于10μΩcm2的电界面阻值被考虑为是有合理的。此模型在以下文献中进一步详细地描述：Crane，D.T.et al.，″Modeling the Building Blocks of a 10％Efficient SegmentedThermoelectric Power Generator，″International Conference onThermoelectrics，Corvallis，OR(2008)。
图22显示了来自对图19所示的TE模块1900进行热循环的测试结果。此测试包括将电负载固定在子组件上以及将冷侧50/50的水/乙二醇浴的温度固定在20℃。之后，热测温度在50℃至190℃之间循环。该曲线反映了每一次循环的峰值功率输出。如由图22所示，针对至少1811次循环，峰值功率输出维持恒定。尽管使用中的TE模块可能经历与此测试相比在一个数量级上或在两个更高的数量级上的一定数量的热循环，但被测试的TE模块1900显示了对热循环具有鲁棒性。
图19所示的TE模块1900可以与其他类似的TE模块1900电连接以构成TE系统。例如，可以构成具有六十个TE模块1900的阵列的TE系统，类似于图14所示的TE模块1400。图23和图24中显示了针对有六十个TE模块1900的TE系统的性能测试结果。以与图14所示的TE模块1400相似的方式进行测试。冷水进口温度在从20℃到35℃的范围内，而热油进口温度在从100℃到200℃的范围内。在流体进口温度差为180℃处此TE系统具有大于15V的开路电压且峰值功率输出大于100W。功率在大于250W/L且大于80W/kg处产生，其中容量(例如，升)和质量(例如，公斤)包括TE系统以及热交换器，但不包括流体或连接到热交换器的流体歧管。
通过使用手动改变的电负荷完成上文所论述的性能测试。在应用中，对于一系列不同的输出电压和电流条件实现最优功率输出，手动的性质通常是不实际的。图25显示了与具有六十个图19所示的TE模块1900的TE系统一起使用的功率转换器的测试性能。针对范围从0W至100W的功率输入，该转换器以从93％到大于99％的效率提供输出功率，其中更高的效率出现在更高功率输出处。这些是以下文献中所报道的TE系统的85％的效率更高的转换效率：Nagayoshi，H.et al.，″Evaluation of MultiMPPT Thermoelectric Generator System，″International Conference onThermoelectrics，Jeju，Korea.2007，pp.323-326。
串联和/或并联连接的热电系统
以串联电通信方式连接TE系统以增大工作电压而以并联方式改进可靠性是有利的。图1至图11中所示的TE模块100、1000可以以若干类型的串联和/或并联布置进行配置。图26A显示了以串联电通信方式电连接的TE模块2600。图26B显示了以并联电通信方式电连接的TE模块2600。图26C显示了以串联和并联两种电通信方式电连接的TE模块2600。图26A至26C中所示多个TE模块中的每一个均连接到电压源2602和地2604。在某些实施例中，热电系统包括通常彼此以串联方式电通信的第一多个TE元件和通常彼此以串联方式电通信的第二多个TE元件，其中第一多个TE元件通过第一多个导电分流器以串联方式彼此电连接，第二多个TE元件通过第二多个导电分流器以串联方式彼此电连接。至少一个导电元件与第一多个导电分流器中的至少一个以及与第二多个导电分流器中的至少一个电通信，其中第一多个TE元件中的至少一部分通过至少一个导电元件以并联方式电连接到第二多个TE元件中的至少一部分。
图27显示了具有第一TE模块2740和第二TE模块2742的TE系统2700，与图5A-5C所示的类似，但被修改为在TE系统2700电连接中包括串联和并联冗余。第一TE模块2740包括通常彼此以串联方式电通信的第一多个TE元件，而第二TE模块2742包括通常彼此以串联方式电通信的第二多个TE元件。第一TE模块2740和第二TE模块2742可以彼此大致平行布置，使得两个TE模块2740、2742各自具有彼此大致平行的净电流方向(例如，图27所示从左向右)。两个TE模块2740、2742可以在沿其长度的不同位置处彼此电相连以提供并联冗余。如图27中所示，第一TE模块2740的一个或多个下分流器510可以通过电缆2752、2754与第二TE模块2742的一个或多个下分流器510电相连(例如，第一TE模块2740的下分流器510可以电连接到第二TE模块2742的相邻下分流器510)。所述电缆可以包括金属线、电线、层或其他导电结构。例如，为了显示并联冗余，如果电连接失效、断开或在区域A 2750中开路(例如在第一TE模块2740的TE元件和分流器之间)，则电流仍可以经由第二TE模块2742的区域D 2756流过电缆B 2752和电缆C 2754。因此，在某些实施例中，并联冗余允许电流流过第一TE模块2740的一个或多个TE元件，否则其将由于沿第一TE模块2740的串联电连接中的断路而被中断。虽然，如果这样的电连接失效，则第一TE模块2740的性能将降低，但是TE系统2700将继续以第一TE模块2740的至少一个部分继续运行，从而继续贡献性能。图27还显示了电缆E 2758和F2760所提供的冗余，其中两个TE模块2740、2742以并联方式电相连。在某些实施例中，TE系统2700具有两个或多于两个TE模块。
图28A显示与图7所示TE系统700相似的TE系统2800，但其包括一个或多个额外的电元件2850。在某些实施例中，一个或多个导电元件2850在第一TE模块520的一个或多个TE元件506a、506b与第二TE模块522的一个或多个TE元件506c、506d之间提供电通信。在某些实施例中，热传递结构包括第一导管512a和至少一个第二导管512b，所述第一导管512a被配置为允许工作媒质流入与其进行热交换，所述至少一个第二导管512b被配置为允许工作媒质流入与其进行热交换。第一多个TE元件可以包括第一数量的TE元件506a和第二数量的TE元件506b，所述第一数量的TE元件506a与第一导管512a的第一侧产生热交换并且充分地与至少一个第二导管512b热隔绝，所述第二数量的TE元件506b与至少一个第二导管512b的第一侧产生热交换并且充分地与第一导管512a热隔绝。第二多个TE元件可以包括第三数量的TE元件506c和第四数量的TE元件506b，所述第三数量的TE元件506c与第一导管512a的第二侧产生热交换并且充分地与至少一个第二导管512b热隔绝，所述第四数量的TE元件506b与至少一个第二导管512b的第二侧产生热交换并且充分地与第一导管512a热隔绝。第一多个导电元件2850与第一数量的TE元件506a和第三数量的TE元件506c进行电通信，使得第一多个TE元件中的至少一些以并联方式与第二多个TE元件中的至少一些进行电通信。例如，图28A中所示，第一TE模块520的第二分流器514通过导电元件2850连接到第二TE模块522的第二分流器514。在某些其他的实施例中，第一TE模块520的第一分流器510可以通过导电元件电连接到第二TE模块522的第一分流器510。
还可以使用在第一TE模块520和第二TE模块522之间提供电通信的导电元件的其他配置。如上文所述，分流器510、514可以与热交换器和/或工作媒质产生热交换。在某些实施例中，第一多个TE元件被配置为大致处于共同的第一平面中，而第二多个TE元件被配置为大致处于共同的第二平面中。在某些实施例中，第一平面和第二平面大致平行或非平行。
在某些实施例中，至少一个第二导管包括多个导管。图28B显示了具有四个TE模块520a、520b、522a、522b的TE系统2801。图28B中的TE系统2801与图28A中的TE系统2800相似，但至少一个第二导管包括第二导管512b和第三导管512c、第三TE模块520b、第四TE模块522b以及一个或多个额外导电元件2852。在某些实施例中，热传递结构进一步包括第三导管512c，其被配置为允许工作媒质流入与其进行热交换。TE系统2801可以包括通常以串联方式彼此电通信的第三多个TE元件以及通常以串联方式彼此电通信的第四多个TE元件。第三多个TE元件可以包括与第二导管512b的第一侧产生热交换并且与第三导管512c充分热隔绝的第五数量的TE元件506e，以及与第三导管512c的第一侧产生热交换并且与第二导管512b充分热隔绝的第六数量的TE元件506f。第四多个TE元件可以包括与第二导管512b的第二侧产生热交换并且与第三导管512c充分热隔绝的第七数量的TE元件506g，以及与第三导管512c的第二侧产生热交换并且与第二导管512b充分热隔绝的第八数量的TE元件506h。第二多个导电元件2852与第二数量的TE元件506b和第五数量的TE元件506e电通信，使得第一数量的TE元件与第三数量的TE元件以并联方式电通信。例如，如图28B中所示，第二导电元件2852将第一TE模块520a与第三TE模块520b电连接。第一TE模块520a也可以具有第二模块522a之间的一个或多个电连接。例如，如图28B中所示，第一电连接2850可以将第一TE模块520a与第二TE模块522a电连接。
在某些实施例中，第一TE模块520a或第三TE模块520b中的至少一个与第二TE模块522a或第四TE模块522b电通信。在某些实施例中，第一TE模块520a或第二TE模块522a中的至少一个与第三TE模块520b或第四TE模块522b电通信。例如，第三多个导电元件可以与第四数量的TE元件506d以及与第七数量的TE元件506g电通信，使得第二多个TE元件与第四多个TE元件以并联方式电通信。其他配置是可能的。例如，TE系统可以包括额外的TE模块、导管和/或导电元件。在某些实施例中，第三多个TE元件可以被配置为大致处于共同的第三平面中，而第四多个TE元件被配置为大致处于共同的第四平面中。在某些实施例中，第三平面和第四平面大致平行或非平行。
合成热传递结构
由于相对低的成本以及可成形性，热交换器常常由被挤压的铝空心形状构成以在挤压过程中或之后形成热传递增强特征。然而，对于将TE元件彼此电连接的分流器而言，铜通常优于铝。例如，相比于铝，铜通常具有更好的可焊性、更低的电阻率以及更低的热阻率。因此，TE模块通常具有附接有铝热交换器的铜分流器。然而，铜通常具有比铝更低的CTE，并且铝与铜之间的热膨胀系数(例如，CTE)差或CTE失配通常是足够大的以在TE模块中产生残余应力(例如，当被焊接在一起形成组件之后TE模块的各部件冷却时)。
图29显示了TE模块2900的示例，其具有由铜分流器2902和铝热交换器2904的CTE失配所产生的残余应力。焊料通常在高于室温的温度下固结。在铜分流器和铝热交换器之间的焊料固结之后，各部件继续冷却。随着各部件冷却，各部件根据其CTE压缩或收缩。铜分流器2902具有比铝热交换器2904低的CTE，所以对于相同的温度降低，铜分流器2902的压缩少于铝热交换器2904。图29A中所示的虚线2950显示了被引发的应力，该应力由CTE失配产生在TE元件2906中以及TE元件和分流器分界面中。被引发的应力能够导致TE模块的损坏和失效。铜和铝被用来说明上述示例；然而上述示例适用于具有不同热膨胀系数的任何两种或多于两种材料。
在某些实施例中，热电系统包括一个或多个细长的分流器，其包括多个层。图30显示了具有第一分流器3010和第二分流器3014的TE模块3000的一部分。TE模块3000可以在第一分流器的第一侧上包括第一TE元件3006a和第二TE元件3006b。第一TE元件3006a和第二TE元件3006b与第一分流器3010电通信并与其产生热交换。第一TE元件3006a可以与第二TE元件3006b相隔。第一分流器3010的第二侧可以包括与第一分流器3010产生热交换的热传递结构。在某些实施例中，一个或多个分流器3010、3014是一层或多层的合成物，其中各层的材料互不相同。例如，分流器3010、3014可以具有第一材料构成的第一层3030以及至少一个由第二材料构成的第二层。在某些实施例中，分流器3010、3014是双金属合成物。在某些实施例中，至少一个第二层3040包括分流器3010、3014的第一侧的至少一部分和/或第二层3040位于第一层3030与TE元件3006a、3006b之间。在某些实施例中，第一层3030比第二层3040更厚。在某些实施例中，第一层3030包括轻量且导电的材料(例如，铝、镁、热解石墨、锂-铝合金)，并且第二层3040的至少一部分包括可焊接材料(例如，铜、镍、银、金或包括这些元素的合金)。在某些实施例中，第二层3040的可焊接部分可以是镶嵌、覆盖的，或分流器要被焊接的一部分。在某些实施例中，第一层3030包括铝，而第二层3040包括铜。第一层3030可以是这样的材料，其具有与同其产生热交换的热交换器大致相等的CTE。例如，如果热交换器是铝的，则第一层3030也可以是铝的。在某些实施例中，至少一个第二层3040基本上不会扭曲第一层3030的曲率(例如，在预定的温度范围，如在-200℃与700℃之间)。第二层3040可以十分薄，使得分流器3010、3014具有与第一层3030的热膨胀大致相等的热膨胀，和/或分流器3010、3014的CTE大致与第一层3030的CTE相等。因此，分流器3010、3014以及热交换器具有相似的CTE，相比于分流器和热交换器具有不同CTE的系统，可以减小所引发的应力。有利地，分流器3010、3014中的铜层可以相对薄，这是因为铜通常比铝更昂贵。在某些实施例中，铜层的厚度仅厚到有利于焊接。在某些实施例中，第一层3030和第二层3040结合在一起。例如，第二层3040是第一层3030上的金属覆层或电镀层。在某些实施例中，分流器不随温度变化而卷曲，这是由于卷曲可以将一种形式的有害应力导入到TE模块3000。例如，恒温的双金属材料是合成的，其通常被设计为不会发生卷曲。在某些实施例中，分流器的至少一部分包括热活性材料(例如，由于两种或多于两种材料的热膨胀特性的差别而受到尺寸改变的双金属材料)。
具有热传递隔绝的热传递结构
工作媒质流动方向上的热隔绝可以改进TE系统性能。在某些实施例中，TE系统在工作媒质的流动方向上具有至少部分的热隔绝。在某些实施例中，TE系统包括至少一个TE元件，其中热传递装置与至少一个TE元件产生热交换的。该热传递装置可以被配置为允许工作媒质流入与热传递装置热交换。在某些实施例中，热传递装置在工作媒质的流动方向上具有第一导热率，而在与工作媒质流动方向大致垂直的方向上具有第二导热率。第二导热率通常比第一导热率更高。
常常将带有翅片的热交换器用作热传递装置。然而，其在工作媒质的流动方向上常常是连续的，从而导致最小的热隔绝。可以将带有翅片的热交换器分段为单独的块并各自应用于TE元件从而在各单独的块之间产生不导热的间隙。具有翅片热交换器的TE模块可以具有两个或多于两个由不导热的间隙所分隔的段。每一段均可以在工作媒质的流动方向上被分割。例如，典型的40mmx40mm的TE模块可以具有被分为四个10mmx40mm的段的翅片热交换器，各段间的间隙约为0.7mm。各段被布置为10mm的尺寸在工作流体流动的方向上，并且间隙在工作流体流动的方向上将各段彼此分开。因此，四个段在流动方向上的跨度总共为42.1mm，并且额外的2.1mm在TE模块的工作流体入口和出口侧处被分成两个1mm的突出部分。然而，生产具有多个分段翅片热交换器的成本往往比具有单个翅片热交换器更高。即使材料的量相似，但购买多个分段的成本往往也比单体更高，并且装配多个分段的成本往往比装配单个段更高。
在某些实施例中，单个段热交换器在工作媒质的流动方向上提供了基本热隔绝。在某些实施例中，热交换器包括导热材料主体，其具有多个从其中通过的细长槽。这些槽可以是大致垂直于工作媒质流动的方向。该主体可以具有多个折叠以及多个部分，其彼此大致平行并且平行于工作媒质流动的方向。该主体在工作媒质的流动方向上具有第一热导率，而在大致与工作媒质流动方向相垂直的方向上具有第二热导率。在某些实施例中，第二热导率高于第一热导率。热传递装置可以由单片层导热材料生成。图31A显示了片层3102，其具有多个形成在片层3102内的细长槽3104。在某些实施例中，多个细长槽中的两个或多于两个沿大致垂直于工作媒质运动方向的公共线延伸。沿公共线的两个或多于两个槽各自具有长度并且由宽度充分小于长度的一部分材料彼此分开。各槽之间的那部分材料可以充当系杆3106(tie bar)，该系杆将主体固定在一起成为一体。片层3102可以沿多条大致垂直于槽3104的线被折叠以构成翅片结构3108，如图31B中所示。例如，每个折叠均以约90度的角度折成。在某些实施例中，细长槽和系杆的长度比相对小。在某些实施例中，系杆的大小仅够用于将主体固定在一起成为一体。例如，针对图31A和31B中所示的热传递装置，系杆的长度与细长槽的长度的比例为1∶10。在某些实施例中，沿公共线的各槽之间材料的宽度与这些槽的长度之比约为1/10到1/1000。在某些实施例中，系杆被布置为维持热传递装置的机械稳定性，同时最小化跨过这些槽的材料的各段之间的热传递。
在某些实施例中，该系杆以与翅片的周期相似的周期布置。该系杆可以被定位为使得通过该系杆的热传递最小化。例如，该系杆可以位于最远离热传递装置与TE模块之间热接触的点处。在系杆位于这样的点处的情况下，一旦将热传递装置安装到TE模块，该系杆便可被(例如在机械上等)移除。该系杆可以任意定位或交错，如图31A和图31B中所示。针对折叠的系杆位置可以是周期性的，但也可以是非周期性的。
在某些实施例中，热传递装置包括两个或多于两个沿公共线延伸的槽。在某些实施例中，热传递装置包括多组槽，每组槽均包括多个沿相应公共线延伸的槽，并且各组槽的公共线彼此大致平行。
细长槽的长度与各细长槽间的系杆的长度之比可以被改变。例如，该比值可以是随机的。细长槽以及系杆的长度也可以被改变或被随机化。两条单独的公共线之间材料部分的宽度也可以是改变的或随机化的。此外，槽的形状和尺寸可以被改变。
如上所述的热传递装置可以具有任意多种的形状和尺寸。例如，热传递装置可以利用片层针对40mmx40mm的TE模块被生产，所述片层为42.1mm宽且具有形成于其中的三行槽。所述槽可以为0.7mm宽、50mm长，并且公共线上各槽之间被选择的间距可以为5mm。这三行或组槽的平行公共线可以相互间隔10mm。所述片层可以被折叠以形成具有选定翅片高度的翅片。片层的长度可以取决于热传递装置的所期望的长度以及翅片的高度。
上述的热传递装置可以适用于任意热传递流体，包括气体、液体等。例如，热传递流体可以是流经和/或流过该热传递装置的空气。槽可以通过切开、气切割、剪切、冲孔或任意其他形式的分割形成。
热传递装置中各槽的热隔绝或形成还可以在该热传递装置已被附接到TE模块之后被执行。例如，热传递装置可以被胶粘连、焊接或铜镀到TE模块。之后，热传递装置的各部分可以被移除以形成槽或其他热隔绝特征。移除方法可以包括剪切、激光切割、研磨、化学腐蚀或其他适当的技术等。其他热隔绝特征可以是能够局部地使导热材料通常在流动方向上中断的任意其他结构。热隔绝特征可以包括分支、百叶窗、切缝、分支翅片、带有狭缝的翅片、百叶窗翅片、针脚翅片阵列(pin fin array)、金属线束等。在某些实施例中，热隔绝特征可以被包含在热传递装置内或是热传递装置的一部分。
具有其他类型结构或特征的热传递装置可以被用来提供各向异性的热传递特性，从而在工作媒质的流动方向上生成至少部分的热隔绝。在某些实施例中，片层包括位于导热材料各行之间的第二材料。该第二材料可以是相对地热导率的材料。该第二材料可以将导热材料各行固定在一起。该第二材料可以是例如聚酰亚胺薄膜、聚酯薄膜、诺梅克斯(Nomex)纸等。该第二材料的形式可以是例如条带、电线、拉环(tab)等。在某些实施例中，该第二材料可以在该热传递装置已被附接到TE模块之后被移除。例如，该第二材料可以是被附接到铜各行之间的铝。随后可以将所述铝化学地或以其他方式移除。也可以使用能够从导热材料移除的其他第二材料。例如，该第二材料可以具有比导热材料更低的熔点，使得该第二材料能够通过加热所述热传递装置而被移除。可能的第二材料的示例是蜡、低熔点的塑料等。溶解及其他处理也可以被用来移除此第二材料。
在某些实施例中，多个翅片可以由如下材料制成，其在流动方向上具有第一热导率，而在与流动方向大致垂直的方向上具有第二热导率，其中，第二热导率高于第一热导率。例如，第一热导率可以是相对低的热导率，而第二热导率可以是相对高的热导率。这样的各向异性的热传递特性可以至少部分地与相邻热电段热隔绝，并且可以具有与如上文所述的物理分隔的热传递装置相类似的优点。
可以使用多种材料来制作各向异性的导热热传递装置。在某些实施例中，热传递装置可以是固有各向异性热导率特性的同质材料。例如，可以使用源自基于热解石墨的GrafTech(Cleveland，OH)的eGraf热扩展材料。此材料具有相对高的各向异性的热导率特性，其中至少一个方向上的热导率为直到约500W/m-K，而垂直方向上的热导率为约5-10W/m-K。
在某些实施例中，热传递装置可以具有各向异性热导率特性的异质材料。例如，织物带(woven ribbon)可以由大致沿工作媒质流的方向(例如带长方向)延伸并且具有低热导率的丝线以及由大致沿垂直于工作媒质流的方向(例如，带宽方向)延伸并且具有高热导率的丝线构成。低热导率的丝线可以由塑料(例如，聚丙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等)、玻璃、粘合剂或其他具有比高热导率的丝线低的热导率的材料制成。高热导率的丝线可以是金属(例如，铜制、铝制的金属线或带等)、陶瓷、碳或其他高热导率纤维(例如碳纳米管)、无机纤维或片层(例如，云母)或其他具有比低热导率的丝线高的热导率的材料。
异质材料可以包括连续的相对低热导率的材料，其充满相对高热导率的材料。高热导率的材料可以在大致垂直于工作媒质流方向的方向上延伸。低热导率的材料可以是片层或由塑料带、塑料膜或任何具有比高热导率的丝线低的热导率的材料制成。高热导率的材料可以充满到低热导率的材料内，例如通过压力配合、浇注、粘合附接或其他连接方法等。有利地，相比于热传递装置的物理分开的段，连续的各向异性的导热热传递装置通常制造成本更低。同样，相比于热传递装置的多个物理分开的段，连续的热传递装置通常易于制作及装配以TE模块。
在某些实施例中，热电系统的至少一部分接近于芯吸介质(wickingagent)以允许水分从该系统转移到该芯吸介质。在某些这样的实施例中，热传递装置的至少一部分是芯吸介质。在某些实施例中，芯吸介质包括被配置为控制由热电系统凝结的水的材料(例如，棉、聚丙烯或尼龙)。在某些实施例中，芯吸介质是一个或多个带、绳或丝线形式的。在某些实施例中，芯吸介质包括抗菌的或杀真菌的介质或用其处理，从而有利地防止真菌疾病或军团病。这类抗菌或杀真菌介质在本领域中是已知的。
已经在上文描述了不同实施例。虽然参照这些特定的实施例进行了说明，但这些描述意在说明而无意进行限制。在不背离附属权利要求中所限定的本发明的真实精神和范围的情况下，本领域技术人员可以想到各种修改和应用。

Claims (43)

1.一种热电系统，包括至少一个单元，所述至少一个单元包括：
沿第一方向延伸的第一多个导电分流器；
沿与所述第一方向不平行的第二方向延伸的第二多个导电分流器；以及
第一多个热电元件，其包括：
位于所述第一多个分流器的第一分流器与所述第二多个分流器的第二分流器之间并且与上述两者电通信的第一热电元件；以及
位于所述第二分流器与所述第一多个分流器的第三分流器之间并且与上述两者电通信的第二热电元件；以及
位于所述第三分流器与所述第二多个分流器的第四分流器之间并且与上述两者电通信的第三热电元件，其中电流大致平行于所述第一方向流过所述第一分流器、流过所述第一热电元件，大致平行于所述第二方向流过所述第二分流器、流过所述第二热电元件，大致平行于所述第一方向流过所述第三分流器、流过所述第三热电元件，以及大致平行于所述第二方向流过所述第四分流器。
2.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述电流以彼此大致平行的方向流过所述第一分流器和所述第三分流器，并且所述电流以彼此大致反平行的方向流过所述第二分流器和所述第四分流器。
3.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述单元进一步包括与所述第四分流器电通信的第四热电元件，其中所述电流流过所述第四热电元件。
4.根据权利要求3所述的热电系统，其中所述至少一个单元包括彼此电串联的多个单元。
5.根据权利要求1所述的热电系统，进一步包括与所述第一多个热电元件中的至少一些产生热交换的至少一个热交换器，所述至少一个热交换器被配置为允许第一工作媒质流过所述至少一个热交换器。
6.根据权利要求5所述的热电系统，其中所述第一工作媒质中的至少一些在大致平行于所述第二方向的方向上流动。
7.根据权利要求5所述的热电系统，其中所述第一多个热电元件中的热电元件被布置在大致彼此平行的第一行和第二行中，其中所述第一热电元件和所述第二热电元件在所述第一行中，而所述第三热电元件在所述第二行中。
8.根据权利要求7所述的热电系统，其中所述至少一个热交换器包括与所述第一行的热电元件中的至少一些产生热交换的第一热交换器以及与所述第二行的热电元件中的至少一些产生热交换的第二热交换器。
9.根据权利要求8所述的热电系统，其中所述第一热交换器具有第一侧和第二侧，所述第一热交换器的所述第一侧与所述第一行的热电元件中的至少一些产生热交换，并且所述第二热交换器具有第一侧和第二侧，所述第二热交换器的所述第一侧与所述第二行的热电元件中的至少一些产生热交换，其中所述热电系统进一步包括：
第三多个导电分流器，其沿所述第一方向延伸并且与所述第一热交换器的所述第二侧以及所述第二热交换器的所述第二侧中的至少一个产生热交换；
沿所述第二方向延伸的第四多个导电分流器；以及
第二多个热电元件，其包括：
位于所述第三多个分流器的第五分流器与所述第四多个分流器的第六分流器之间并与上述二者电通信的第四热电元件；以及
位于所述第六分流器与所述第三多个分流器的第七分流器之间并与上述二者电通信的第五热电元件；以及
位于所述第七分流器与所述第四多个分流器的第八分流器之间并与上述二者电通信的第六热电元件，其中电流大致平行于所述第一方向流过所述第五分流器、流过所述第四热电元件，大致平行于所述第二方向流过所述第六分流器、流过所述第五热电元件，大致平行于所述第一方向流过所述第七分流器、流过所述第六热电元件，并且大致平行于所述第二方向流过所述第八分流器。
10.根据权利要求9所述的热电系统，其中所述第二多个热电元件中的所述热电元件被布置在大致彼此平行且大致平行于所述第一行和第二行的第三行和第四行中，其中所述第四热电元件和所述第五热电元件在所述第三行中，而所述第六热电元件在所述第四行中。
11.根据权利要求10所述的热电系统，其中所述第一热交换器与所述第三行的热电元件产生热交换，并且所述第二热交换器与所述第四行的热电元件产生热交换。
12.根据权利要求11所述的热电系统，进一步包括第三热交换器，其与所述第一多个热电元件产生热交换并且被配置为允许第二工作媒质流过其中。
13.根据权利要求12所述的热电系统，进一步包括第四热交换器，其与所述第二多个热电元件产生热交换并且被配置为允许所述第二工作媒质流过其中。
14.根据权利要求12所述的热电系统，其中所述第三热交换器包括多个翅片。
15.一种热电系统，包括：
具有第一部分和第二部分的第一热传递结构，所述第二部分可以被配置为与第一工作媒质产生热交换；
具有第一部分和第二部分的第二热传递结构，所述第二部分可以被配置为与第二工作媒质产生热交换；
具有第一部分和第二部分的第三热传递结构，所述第二部分可以被配置为与所述第一工作媒质产生热交换；
第一多个热电元件，其被夹在所述第一热传递结构的所述第一部分与所述第二热传递结构的所述第一部分之间；以及
第二多个热电元件，其被夹在所述第二热传递结构的所述第一部分与所述第三热传递结构的所述第一部分之间，以便形成热电元件和热传递结构的堆叠，所述第一热传递结构的所述第二部分以及所述第三热传递结构的所述第二部分在第一方向上从所述堆叠中凸出出来，所述第二热传递结构的所述第二部分在与所述第一方向大致相反的第二方向上从所述堆叠中凸出出来。
16.根据权利要求15所述的热电系统，其中所述第一多个热电元件以并联方式彼此电通信，并且所述第二多个热电元件以并联方式彼此电通信。
17.根据权利要求15所述的热电系统，其中所述第一热传递结构包括多个导热段，所述多个导热段在与电流流过所述堆叠的方向大致垂直的方向上彼此隔开，并且所述第三热传递结构包括多个导热段，所述多个导热段在与电流流过所述堆叠的方向大致垂直的方向上彼此隔开。
18.根据权利要求17所述的热电系统，其中所述第二热传递结构包括多个导热段以及位于所述第二热传递结构的各段之间的一个或多个电绝缘间隔层。
19.根据权利要求15所述的热电系统，其中所述第一多个热电元件中的至少一些大致以串联方式彼此电通信，并且所述第二多个热电元件中的至少一些大致以串联方式彼此电通信。
20.根据权利要求15所述的热电系统，进一步包括具有比所述第一多个热电元件低的弹性模数的材料，所述材料被夹在所述堆叠内至少一个第一部分与相邻热电元件之间。
21.根据权利要求20所述的热电系统，进一步包括支撑结构，其通过大致沿所述堆叠方向上的压缩力固定所述堆叠。
22.一种热电系统，包括：
包括多层的细长分流器；
位于所述分流器的第一侧上并且与所述分流器产生电通信以及热交换的第一热电元件；
位于所述分流器的所述第一侧上并且与所述分流器产生电通信以及热交换的第二热电元件；以及
位于所述分流器的第二侧上并且与所述分流器产生热交换的热传递结构。
23.根据权利要求22所述的热电系统，其中所述多个层包括第一层以及至少一个第二层，所述至少一个第二层包括所述分流器的所述第一侧的至少一部分。
24.根据权利要求23所述的热电系统，其中所述至少一个第二层基本不会扭曲所述第一层的曲率。
25.根据权利要求24所述的热电系统，其中所述第一层包括轻量且导电的材料，并且所述第二层的至少一部分包括可焊接材料。
26.根据权利要求24所述的热电系统，其中所述第一热电元件与所述第二热电元件分开。
27.根据权利要求24所述的热电系统，其中所述分流器的至少一部分包括热活性材料。
28.一种热电系统，包括：
热传递结构，其包括第一管道和至少一个第二管道，所述第一管道被配置为允许工作媒质流入与所述第一管道产生热交换，所述至少一个第二管道被配置为允许工作媒质流入与所述至少一个第二管道产生热交换；
通常以串联方式彼此电通信的第一多个热电元件，所述第一多个热电元件包括：
第一数量的热电元件，其与所述第一管道的第一侧产生热交换并且与所述至少一个第二管道基本热隔绝；以及
第二数量的热电元件，其与所述至少一个第二管道的第一侧产生热交换并且与所述第一管道基本热隔绝；
通常以串联方式彼此电通信的第二多个热电元件，所述第二多个热电元件包括：
第三数量的热电元件，其与所述第一管道的第二侧产生热交换并且与所述至少一个第二管道基本热隔绝；以及
第四数量的热电元件，其与所述至少一个第二管道的第二侧产生热交换并且与所述第一管道基本热隔绝；以及
第一多个导电分流器，其与所述第一数量的热电元件以及与所述第三数量的热电元件电通信，使得所述第一多个热电元件中的至少一些与所述第二多个热电元件中的至少一些以并联方式电通信。
29.根据权利要求28所述的热电系统，其中所述至少一个第二管道包括多个管道。
30.根据权利要求29所述的热电系统，其中所述至少一个第二管道包括两个管道。
31.一种热电系统，其包括：
通常以串联方式彼此电通信的第一多个热电元件，其中所述第一多个热电元件通过第一多个导电分流器以串联方式彼此电相连；
通常以串联方式彼此电通信的第二多个热电元件，其中所述第二多个热电元件通过第二多个导电分流器以串联方式彼此电相连；
至少一个导电元件，其与所述第一多个导电分流器中的至少一个以及与所述第二多个导电分流器中的至少一个电通信，其中所述第一多个热电元件的至少一部分通过所述至少一个导电元件与所述第二多个热电元件的至少一部分以并联方式电相连。
32.一种热电系统，包括：
至少一个热电元件；以及
与所述至少一个热电元件产生热交换的热传递装置，所述热传递装置被配置为允许工作媒质流入与所述热传递装置产生热交换，所述热传递装置包括异质材料，所述异质材料在工作媒质流方向上具有第一热导率而在大致垂直于所述工作媒质流方向的方向上具有第二热导率，所述第二热导率高于所述第一热导率。
33.根据权利要求32所述的热电系统，其中所述热传递装置包括带，该带包括沿所述工作媒质流方向延伸的第一多个丝线以及沿另一方向延伸的第二多个丝线。
34.根据权利要求33所述的热电系统，其中所述第一多个丝线包括第一材料，而所述第二多个丝线包括具有比所述第一材料高的热导率的第二材料。
35.根据权利要求34所述的热电系统，其中所述第一材料是从如下组成的群组中选择的：塑料、玻璃及粘合剂，而所述第二材料是从如下组成的群组中选择的：金属、陶瓷、碳以及无机纤维和片层。
36.根据权利要求32所述的热电系统，其中所述热传递装置包括连续的主体和在所述主体上或内的多个层，其中所述层沿与所述工作媒质流方向大致垂直的方向延伸。
37.根据权利要求32所述的热电系统，其中所述热传递装置包括异质材料。
38.根据权利要求32所述的热电系统，其中所述热传递装置包括导热材料的主体，该主体具有从其通过的多个细长槽，所述槽大致垂直于工作媒质移动的方向，所述主体具有多个折叠和多个部分，所述多个部分彼此大致平行并且平行于所述工作媒质移动的方向。
39.根据权利要求38所述的热电系统，其中所述主体为单片材料。
40.根据权利要求38所述的热电系统，其中所述热传递装置的至少一部分是芯吸介质。
41.根据权利要求38所述的热电系统，其中所述系统的至少一部分接近芯吸介质以允许水分从所述系统转移到所述芯吸介质。
42.根据权利要求32所述的热电系统，其中所述热传递装置的至少一部分是芯吸介质。
43.根据权利要求32所述的热电系统，其中所述系统的至少一部分接近芯吸介质以允许水分从所述系统转移到所述芯吸介质。
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