CN106575697B - 热电设备及其加工和使用方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种热电设备(20)及其加工和使用方法。该热电设备(20)包括热靴部(24)和围绕热靴部设置的冷靴部(28)。由热电材料形成的导热元件(32)延伸在热靴部(24)和冷靴部(28)之间并发电以响应两者之间的温度差别。在操作中，热靴部(24)被加热和延伸的速率高于冷靴部(28)。热靴部(24)和冷靴部(28)之间的结构和空间关系保持导热元件(32)的热电材料在热电设备(20)的操作中处于压缩状态。

Description

热电设备及其加工和使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年10月8日提交的、申请号为62061384的美国临时专利申请和2014年8月12日提交的、申请号为62036304的美国临时专利申请的优先权，并以引用的方式将上述专利申请的整体并入本申请。

技术领域

本公开内容描述用于热电设备的装置。也公开了用于加工热电设备的方法和使用热电设备发电的方法。

背景技术

此部分提供关于本公开内容的背景技术，不一定是现有技术。

随着日益强调能源效率和可替代能源，增加效率及降低成本的能源产生及存储的方法连续不断地被提出。一种再生而不是浪费热能的方法是通过使用热电设备。热电设备通常包括毗邻热源设置的热靴部和毗邻散热器设置的冷靴部。热靴部和冷靴部线性对齐且间隔设置。一对热电腿部延伸在热靴部和冷靴部之间以热耦合连接热靴部和冷靴部，以作为导热电路的一部分。该对热电腿部与热靴部和冷靴部一起形成热电偶。此外，热电腿部由不同的热电材料制成，该些热电材料发电以响应穿过其长度的不同温度差别和温度梯度。用在热电腿部的不同热电材料通常是半导体。例如，一种可以用在每一个热电腿部的热电材料由方钴矿组成。用在该些热电腿部的每一热电材料发电以响应不同的温度梯度，可利用该电流执行工作。产生的电流量不仅取决于热电材料的选择如半导体，还取决于热源、散热器之间的温度梯度以及该对热电腿部与热靴部和冷靴部的接触面的大小。

尽管此技术具有一个有前途的前景，但是，作为真实世界的发电机，它的应用面临重要的障碍，即长期可靠性。由于热电设备自身必要的结构产生了一个问题，需要使用具有不同的热膨胀速率的不同材料。由于用于热靴部、冷靴部和该对热电腿部的材料以不同的速率膨胀，传统的热电设备因为热电腿部、热靴部和冷靴部的接触界面的材料的不同热膨胀经常失效。这些失效的频率需要单个的热电设备并联作为热电模块的一部分而不是串联，以使该些热电偶中的一个或多个失效后，允许热电模块操作。此设置更加昂贵，需要更加复杂的控制结构，且在任何特定的运用中电子器件都占用更大的空间。

发明内容

根据本公开内容的一方面，描述了一种用于热电设备的装置。热电设备通常包括毗邻热源设置的热靴部和毗邻散热器设置的冷靴部。至少一个导热元件延伸在热靴部和冷靴部之间以热耦合连接热靴部和冷靴部。该至少一个导热元件发电以响应热靴部和冷靴部之间的温度差别。冷靴部通常围绕热靴部延伸。在热电设备的操作中，因为热靴部通过热源加热，热靴部膨胀的速率高于冷靴部。由于热靴部和冷靴部之间的结构和空间关系，在热电设备的操作中，该至少一个导热元件在热靴部和冷靴部之间处于压缩状态。已发现，与空载和/或拉伸相比，当形成该至少一个导热元件的材料处于压缩状态时，该材料的弹性得到了改善。因此，公开的该热电设备避免了该至少一个导热元件由于热膨胀造成的失效。

根据本公开内容的另一方面，冷靴部围绕热靴部环形延伸，在热靴部和冷靴部之间形成了一环形空腔。该至少一个导热元件设置在环形空腔内并被径向压缩在热靴部和冷靴部之间。根据本公开内容的再一方面，冷靴部围绕热靴部同轴延伸，在热靴部和冷靴部之间形成了一空腔。该至少一个导热元件设置在空腔内且包括发电以响应热靴部和冷靴部之间的温度差别的阳性腿部和阴性腿部。

还根据本公开内容的另一方面，该热电设备(例如，热电偶)包括热靴部和冷靴部，冷靴部围绕热靴部延伸以在两者之间形成空腔。多个导热元件设置在位于热靴部和冷靴部之间的空腔内。多个导热元件中的每一个包含热电材料且从热靴部到冷靴部向外延伸。根据此结构设置，在热电偶的操作中，多个导热元件被压缩在热靴部和冷靴部之间，以响应热靴部相对于冷靴部更大的热膨胀。相应地，在热电设备或热电偶的操作中，所有公开的设置有利于保持(多个)导热元件处于压缩状态。

根据本公开内容的另一方面，还描述了一种用于加工热电设备的方法。有利地，此种加工方法生成热电设备，其中，(多个)导热元件的热电材料在热电设备的整个操作中保持压缩状态。另外，根据本公开内容，描述了一种采用热电设备发电的方法。

有利地，公开的热电设备及其加工和使用方法促进了通过热电设备的高热流，并提供了(多个)导热元件、热靴部和冷靴部之间的最佳接触面。在热电设备的操作中，可选地当根据不同部件的结构设置和尺寸热电设备不工作时，由于本设计保持热电材料在热靴部和冷靴部之间处于压缩状态，本公开的结构不受与失效相关的热膨胀的影响，所以公开的热电设备优于传统的设计。

附图说明

在此描述的附图仅是用来解释说明选中的实施例而不是所有的可能实施，且不能用来限制公开的范围。本发明其他的优点容易理解，结合附图，通过参照以下详细描述，本发明变得更好理解，附图中：

图1为根据本公开内容构建的、示范性的热电设备的侧透视图；

图2为示出示范性的热电设备的图1沿着线2-2的侧横断面视图；

图3为图1中示范性的热电设备的爆炸透视图；

图4为根据本公开内容构建的、另一示范性的热电设备的侧透视图，该热电设备还包括毗邻冷靴部的冷却结构；

图5为示出示范性的热电设备的图4沿着线5-5的侧横断面视图；

图6为图4中示范性的热电设备的爆炸透视图；

图7为根据本公开内容构建的、另一示范性的热电设备的侧横断面视图，其中多个导热元件沿着设置在热靴部和冷靴部之间的环形空腔轴向间隔设置；

图8为多个相邻设置的示范性的热电设备的侧横断面视图；

图9为安装有示范性的排气管的图4中示范性的热电设备的侧横断面视图；

图10为安装有示范性的放射性棒的图4中示范性的热电设备的侧横断面视图；

图11为示意加工根据本公开内容的热电设备的一种示范性的方法的步骤的流程图；

图12为示意采用根据本公开内容的热电设备发电的一种示范性的方法的步骤的流程图；

图13为根据本公开内容构建的、另一示范性的热电设备的侧透视图；

图14为图13中示范性的热电设备的爆炸透视图；

图15A为图13中示范性的热电设备中示范性的阳性腿部的侧透视图；

图15B为图13中示范性的热电设备中示范性的阴性腿部的侧透视图；以及

图16为多个相邻设置的示范性的热电设备的侧透视图。

具体实施方式

参照附图，其中，贯穿附图中，相同的数字表示对应的部件，公开了一种热电设备20的装置及其加工和使用方法。通常，热电设备20发电响应作用到热电材料22上的温度差别或梯度发电。因此，可以理解，这一热电设备20可选择地被称为热电发电机20或热电偶20。

现参照附图更加充分地描述示范性实施例。提供示范性实施例将使得公开内容彻底，且将充分向本领域技术人员传达范围。叙述了许多具体细节，例如具体组件、设备和方法，以提供对本公开内容的实施例的全面理解。没必要使用具体的细节，示范实施例可以以多种不同的形式体现，也不应该限制本公开内容的范围，这对本领域技术人员是明显的。不能将在此描述的方法步骤、过程及操作解释为必须要求它们以所讨论或叙述的特定顺序履行，除非明确地认定以一种顺序履行。也应理解，也可采用另外的或可替换的步骤。

参照图1，热电设备20包括毗邻热源26设置的热靴部或受热结构24和毗邻散热器30设置的冷靴部或散热结构28。相应地，在热靴部24和冷靴部28之间具有温度差别或温度梯度，热能在热靴部24处流入热电设备20并在冷靴部28从热电设备20扩散。导热元件32在热靴部24和冷靴部28之间延伸。因此，导热元件32热耦合连接热靴部24和冷靴部28。导热元件32由热电材料22制成，以使导热元件32响应热靴部24和冷靴部28之间的温度差别发电。举例来说且没有限制，导热元件32的热电材料22是半导体，其至少部分包括方钴矿。这样的方钴矿材料更加具体地包括钴和锑。

参照图2，在热靴部24和冷靴部28之间，多个绝缘元件34被设置成邻近并夹住每一导热元件32。绝缘元件34具有多种作用。第一，绝缘元件34电隔离每一导热元件32从而避免短路。第二，绝缘元件34热绝缘每一导热元件32。第三，绝缘元件34使每一导热元件32相对于环境密封，以减少或消除热电材料22的腐蚀和/或氧化。在不脱离本公开内容的范围的情况下，可以采用许多不同的绝缘材料，例如，绝缘元件34可以由玻璃陶瓷、云母或其它陶瓷材料制成。

由图2和图3可知，热靴部24围绕中心线C环状延伸，并在其第一端部38和第二端部40之间轴向延伸。热靴部24具有圆柱形形状并且限定了设置在其中的中心孔42。因此热靴部24具有沿圆周约束中心孔42的内表面44和与内表面44相对的外表面46。热靴部24的中心孔42被配置为接收热源26使得热靴部24的内表面44与热源26接触并接收来自热源26的热能。热靴部24具有外径OD1和内径ID1，外径OD1穿过热靴部24的外表面46测量，内径ID1穿过热靴部24的内表面44测量。

热电设备20的冷靴部28围绕热靴部24环状延伸并与热靴部24同轴，且冷靴部28在第一端部48和第二端部50之间轴向延伸。相应地，冷靴部28具有圆柱形形状，冷靴部28具有朝向热靴部24的内表面52和与内表面52相对的外表面54。冷靴部28的内表面52与热靴部24的外表面46径向分离，以使热靴部24和冷靴部28之间形成环形空腔56。冷靴部28具有外径OD2和内径ID2，外径OD2穿过冷靴部28的外表面54测量，内径ID1穿过冷靴部28的内表面52测量。冷靴部28的内径ID2大于热靴部24的外径OD1，以使环形空腔56在热靴部24的外表面46和冷靴部28的内表面52之间径向延伸出预设间距G。应理解，尽管在形状上，热靴部24和冷靴部28在此被描述为以及用图示意为圆柱形，在不脱离本公开内容的范围的情况下，热靴部24和/或冷靴部28可以采用其它的形状，尽管采用其它形状，本热电设备的一些优点可能不能实现。相应地，在形状上，中心孔42可以或可不为圆柱形，且中心孔42可以或可不相对于热靴部24位于中心。

在热电设备20的操作过程中，热靴部24被加热，因此热靴部24以比冷靴部28更高的速率膨胀。由于热靴部24设置在冷靴部28内且至少一个导热元件32间隔设置在两者之间，所以热靴部24的膨胀在热靴部24和冷靴部28之间径向挤压至少一个导热元件32的热电材料22。因此，在热电设备20的操作过程中，至少一个导热元件32在热靴部24和冷靴部28之间处于压缩状态。热电设备20可另外包括围绕冷靴部28圆周方向伸展的至少一个压缩元件58，压缩元件58通过冷靴部28向内朝着热靴部24的压缩给导热元件32施加额外的压缩。以另一种方式陈述，压缩元件58具有与冷靴部58的外表面54相适配的内表面，以使至少一个压缩元件58径向向内给冷靴部28施加压力。当热电设备20处于室温及不工作时，这有利于使至少一个导热元件32的热电材料22处于压缩状态。压缩元件可由多种不同的材料制成，压缩元件可以且没有限制于通过纯黄铜、含黄铜合金或以黄铜作为其中一种组分的混合物制成。

如图1-6所示，冷靴部28的外表面54暴露于外部环境，以使冷靴部28从热电设备20驱散热能或热量。通过示例且没有限制，冷靴部28的外表面54暴露在空气中，以使在热电设备20的操作过程中，对流从冷靴部28带走热量。以这种方式，外部环境本身充当散热器30。图4示出冷靴部28可选择地连接于冷却结构60，冷却结构60驱走冷靴部28的热量。冷却结构60为通常与冷靴部28的外表面54成为一体或连接于外表面54的结构组件。通过示例且没有限制，冷却结构60可以为多个散热片、传递冷却液的冷却管道、一风扇、导热电线或一导热板。在此结构中，冷却结构60和/或外部环境本身充当散热器30。在图4-6中，冷却结构60用一系列的三个从冷靴部28延伸的环形散热片示意。冷却结构60的环形散热片轴向间隔设置，以使环形散热片间的空气流通过对流冷却冷靴部28。当然，冷却结构60的此结构仅仅为示例，可能为许多其它的设置。

热靴部24和冷靴部28可以采用相同的材料制成。通过示例且没有限制，热靴部24和冷靴部28可以采用纯钛、钛合金或以钛作为其中一种组分的混合物制成。已发现，钛特别适用于热靴部24和冷靴部28，这是因为在加热的过程中，钛的膨胀速率大致与方钴矿相同。相应地，热靴部24和至少一个导热元件32之间的结合以及冷靴部28和至少一个导热元件32之间的结合不太可能断裂或以其它方式分离。钛也和方钴矿化学兼容。如果将其它不兼容的材料用于热靴部24和冷靴部28，方钴矿可能会失去导电的能力。可选择地，热靴部24和冷靴部28可以采用不同的材料制成，但是可能达不到优选的优势。例如，热靴部24可以采用具有第一膨胀系数的第一材料制成。应理解，这一热膨胀系数为数值，该数值量化材料响应已知和预设量的热能或热量在体积上膨胀的速率。冷靴部28可以采用具有第二膨胀系数的第二材料制成，第二膨胀系数小于第一膨胀系数，以使当加热时，热靴部24的膨胀速率大于冷靴部28。有利地，这使得在热电设备20的操作过程中，设置在热靴部24和冷靴部28之间的环形空腔56内的至少一个导热元件32保持压缩状态。

该至少一个导热元件32包括阳性腿部62和阴性腿部64。阳性腿部62和阴性腿部64各自在内圆周66和外圆周68之间径向延伸，并在远端部70和近端部72之间轴向延伸。当组装热电设备20时，阳性腿部62的内圆周66和阴性腿部64的内圆周66紧靠热靴部24的外表面46。类似地，阳性腿部62的外圆周68和阴性腿部64的外圆周68紧靠冷靴部28的内表面52。阳性腿部62的近端部72与阴性腿部64的近端部72轴向间隔并相对设置，以在两者之间形成环形腔室74。绝缘元件34设置在环形腔室74内。阳性腿部62和阴性腿部64可具有组分轻微不同的热电材料22，以使穿过阳性腿部62和阴性腿部64的热量产生相反的电子流。通过示例且没有限制，阳性腿部62可由含有钴、锑、铁和铈的方钴矿制成，而阴性腿部64可由含有钴、锑、镱和钡的方钴矿制成。

绝缘元件34还限定一环形间隙76，环形间隙76位于阳性腿部62和阴性腿部64之间的环形腔室74内。环形间隙76在绝缘元件34内形成为狭窄的圆盘形空间，当沿着轴向方向测量时，环形间隙76接近阳性腿部62的远端部72和阴性腿部64的远端部72之间的一半。参照图1-3，热电设备20的冷靴部28可限定一环形缝隙78，该环形缝隙78与绝缘元件34的环形间隙76轴向对齐。以这种方式，环形间隙76开向环形缝隙78并由此开向围绕冷靴部28的外部环境。参照图4-6，热电设备20的热靴部24可选择地限定环形缝隙78。此外，环形缝隙78与绝缘元件34的环形间隙76轴向对齐。在此结构中，环形间隙76开向环形缝隙78并由此开向热靴部24的中心孔42。在两种结构中，环形缝隙78形成间断，使得电流不能通过图1-3中的冷靴部28和图4-6中的热靴部24在阳性和阴性腿部62，64之间流动。这避免热电偶20短路。

图4-6以一对压缩元件58明确地示出热电设备20的压缩元件58，一对压缩元件58各自在环形缝隙78的对立面围绕圆周向冷靴部28延伸。相应地，压缩元件58中的一个压缩热电偶20的阳性腿部62，压缩元件58中的另一个压缩热电偶20的阴性腿部64。

现参照图7，多个导热元件32沿着形成在热靴部24和冷靴部28之间的环形空腔56间隔设置。同样地，多个导热元件32形成热电网络80。如图8所示，多个热电设备20相邻设置以形成热电模块82。应理解，热电模块82中的多个热电设备20可串联连接或并联连接以实现多种想要的电力输出。例如，热电模块82中的多个热电设备20可串联连接以增加热电模块82的电压输出。可选择地，热电模块82中的多个热电设备20可并联连接以增加热电模块82的电流输出。

图9示出连接于并围绕管道84设置的热电设备20。尤其，图9中示出的管道84是排气管84。排气管84以流体连接于内燃机以使热废气通过排气管84(即，管道84)流动。应理解，公开的热电设备20具有较广的应用范围，而图9仅仅是这些应用中的一个。进一步地，应理解，排气管84，如在此使用的，包含所有流体运载结构，运载结构没有限制地包括导管、软管、汽缸、通道、容器及阀体。如图9所示，热靴部24的中心孔42与管道84相接触，管道84被配置为经由其传递流体。流体可被加热，以使热靴部24的内表面84从管道84接收或带走热能(即，通过管道84内的流体加热热靴部24)。根据公开内容的此方面，可有利地利用热电设备20从内燃机产生的热废气中发电。热废气加热排气管84，排气管84反过来加热热电设备20的热靴部24。热废气中的一些热能因此被用来发电的有用目的。否则，当从排气管84中排出的废气进入环境中时，被公开的热电设备20利用的热能便不能利用及被浪费。也应理解，公开的热电设备20可用于任何内燃机，没有限制地包括汽车的火花点火发动机(即，汽油发动机)及压燃式发动机(即，柴油发动机)。

如图10所示，也可以设想，可用公开的热电设备20从原子核或放射性物质36中发电。放射性衰变产生热量。可将可裂变物质36放置在热靴部24的中心孔42中，以使热靴部24的内表面接收来自可裂变物质36的热能。通过示例且没有限制，可裂变物质36可为位于固定或船载发电机的放射性棒36，例如，核燃料棒36。

参照图11，本公开内容还提供用于加工上述热电设备20的方法。该方法包括步骤100，步骤100是创建具有外径OD1的圆柱状热靴部24。如上所述，穿过热靴部24的外表面46测量热靴部24的外径OD1。根据该方法的步骤100，热靴部24由至少部分包括钛的材料制成。因此，热靴部24可由例如，纯钛、钛合金或以钛作为其中一种组分的混合物制成。该方法的步骤102包括创建具有外径OD2和内径ID2的圆柱状冷靴部28，内径ID2大于热靴部24的外径OD1。如上所述，穿过冷靴部28的外表面54测量冷靴部28的外径OD2，穿过冷靴部28的内表面52测量冷靴部28的内径ID2。根据该方法的步骤102，冷靴部28也由至少部分包括钛的材料制成。因此，冷靴部28可由例如，纯钛、钛合金或以钛作为其中一种组分的混合物制成。

该方法的步骤104包括将热靴部24同轴插入冷靴部28内。该方法的步骤106包括在热靴部24和冷靴部28之间热压制热电材料以形成至少一个导热元件32。相应地，根据步骤106形成的至少一个导热元件32具有环形盘状的形状、内径ID3和外径OD3。应理解，在此用来描述公开的热电设备的加工的术语“创建”通常包括“去制作”。因此，术语“创建”包括较宽的加工操作范围，没有限制地包括切削、机加工、成型加工、挤出、锻造、挤压和冲压。进一步地，术语“热压制”包括示例性的加工，在该加工中，将热电材料灌注入热靴部24和冷靴部28之间的环形空腔56，热电材料可以为粉末状。模具向热电材料施加压力和热量，这将热电材料自身与热靴部24和冷靴部28的内表面44、52结合。

该方法的步骤108包括创建具有圆柱形环状形状和内径ID4的至少一个压缩元件58，当压缩元件58和冷靴部28处于相同的温度时，内径ID4小于冷靴部28的外径。该方法的步骤110包括将热靴部24、冷靴部28和导热元件32冷却至第一温度，以使热靴部24、冷靴部28和导热元件32收缩。根据步骤110，将作为组件的热靴部24、冷靴部28和导热元件32冷却减小了冷靴部的外径OD2。应理解，在此使用的术语“冷却”包括但不限制于将受热部件放置在室温环境中，以安放并冷却至室温。该方法的步骤112包括将压缩元件58加热至第二温度，第二温度大于第一温度以使压缩元件58膨胀。根据步骤112，压缩元件58的加热将压缩元件58的内径ID4增大至大于冷靴部28的外径OD2的数值。该方法的步骤114继续将压缩元件58适配在冷靴部28上。因此，根据步骤114，压缩元件58围绕冷靴部28的外表面54放置。该方法进入步骤116，步骤116为均衡导热元件32的第一温度和压缩元件58的第二温度，以向内压缩冷靴部28及压缩热靴部24和冷靴部28之间的导热元件32。根据该方法的步骤116，导热元件32在热电设备20的热靴部24和冷靴部28之间保持压缩状态。有利地，当导热元件32保持在压缩状态时，导热元件32的热电材料不易由于温度应力失效，以使热电设备20的耐久性限得到了提高。

该方法可优选地包括步骤118，步骤118为压缩绝缘元件34使其毗邻导热元件32。根据步骤118，绝缘元件34可安装在位于热靴部24和冷靴部28之间的热电设备20的环形空腔56内，位于导热元件24的一侧或两侧。应理解，在将压缩元件58适配在冷靴部28上的步骤114和均衡导热元件32的第一温度和压缩元件58的第二温度以压缩热靴部24和冷靴部28之间的导热元件32的步骤116之前，可将绝缘元件34安装至毗邻导热元件32，也可不将绝缘元件34安装至毗邻导热元件32。因此，由于根据步骤116均衡第一温度和第二温度，在热靴部24和冷靴部28之间，可压缩绝缘元件34，也可不压缩绝缘元件34。

参照图12，本公开内容还提供使用热电设备20发电的方法。该方法包括步骤200，步骤200为将热源插入热电设备20的中心孔42内。该方法的步骤202包括通过毗邻热电设备的中心孔42设置的圆柱状的热靴部24从热源26带走热能。步骤204继续通过导热元件32将热能从热靴部24传递至与热靴部24同轴设置的、圆柱状的冷靴部28。根据该方法的步骤204，导热元件32由在热靴部24和冷靴部28之间延伸的热电材料制成。该方法的步骤206包括将热能从冷靴部28驱散以在热靴部24和冷靴部28之间创建温度差别，该方法的步骤208包括通过导热元件32发电响应热靴部24和冷靴部28之间的温度差别发电。根据这些步骤，应理解，公开的热电设备20从热能或热量中发电，该热能或热量是热电设备20从中心孔42中吸收的。换句话说，可用热电设备20将作用到热靴部24的中心孔42上的热能转换为电能。

通常参考图13-16，公开了热电设备的一种可替换结构。如图13和图14所示，热电偶20包括毗邻热源26设置的热靴部24和毗邻散热器30设置的冷靴部28。热靴部24围绕中心线C环状延伸，并在第一端部38和第二端部40之间轴向延伸。尽管热靴部24可以采用多种不同的形状，但是图13和图14中的热靴部24具有圆柱形形状，其在内部限定有中心孔42。相应地，热靴部24具有圆周向约束中心孔42的内表面44和与内表面44相对的外表面46。

冷靴部28通常围绕热靴部24延伸，在冷靴部28和热靴部24之间形成了环形空腔56。尽管冷靴部28可以采用多种不同的形状，但是通过示例且没有限制，冷靴部28优选地具有圆柱形形状。如图13和图14所示，冷靴部28具有内表面52和与内表面52相对的外表面54。冷靴部28围绕热靴部24同轴设置，以在热靴部24的外表面46和冷靴部28的内表面52之间形成空腔56。应理解，热靴部24和冷靴部28可以由多种不同的材料制成，通过示例且没有限制，热靴部24可由包含钛的材料制成，冷靴部28可由包含黄铜的材料制成。

最佳如图14所示，冷靴部28包括第一部分86和第二部分88，第一部分86和第二部分88均具有圆柱形形状。冷靴部28的第一部分86和第二部分88相互对齐且径向间隔设置，以在两者之间限定出环形缝隙78。冷靴部28的第一部分86在第一端部90和第二端部92之间轴向延伸，第二端部92与第一端部90相对设置，冷靴部28的第二部分88在第三端部94和第四端部96之间轴向延伸，第四端部96与第三端部94相对设置。冷靴部28的第二端部92与冷靴部28的第三端部94彼此相对，从而限定出环形缝隙78，环形缝隙78在冷靴部28的第一部分86和冷靴部28的第二部分88之间延伸。如图13所示，冷靴部28的第一端部90可和热靴部24的第一端部38轴向对齐。类似地，冷靴部28的第四端部96可和热靴部24的第二端部40轴向对齐，以使热靴部24和冷靴部28在总长度上是同等延伸的的。

热电偶20还包括绝缘元件34，绝缘元件34轴向定位于冷靴部28的第一部分86和冷靴部28的第二部分88之间。如图13所示，绝缘元件34在热靴部24的外表面46和冷靴部28的外表面54之间径向延伸，以使绝缘元件34延伸至并填充环形缝隙78，环形缝隙78限定在冷靴部28的第一部分86和冷靴部28的第二部分88之间。从而，冷靴部28的第二端部92和第三端部94可以邻接的关系直接与绝缘元件34接触。最佳如图14所示，绝缘元件34因此可为圆盘形。相应地，绝缘元件34将冷靴部28的第一部分86与冷靴部28的第二部分88电隔离。尽管绝缘元件34可由多种不同的材料制成，但是通过示例且没有限制，绝缘元件34可由包含云母的材料制成。也应当理解，环形缝隙78可以可替换地形成在热靴部24而不是冷靴部28，以将热靴部24拆分成两部分。在这一结构中，绝缘元件34将在热靴部24的这两部分之间延伸，以使热靴部24的这两部分互相电隔离。

仍参照图13和图14，热电偶20还包括设置在热靴部24和冷靴部28之间的多个导热元件32。导热元件32在环形空腔56内圆周向间隔设置，并在热靴部24的外表面46和冷靴部28的内表面52之间径向延伸。相应地，在热电偶20的操作过程中，导热元件32在热靴部24和冷靴部28之间被压缩，以响应热靴部24相对于冷靴部28的较大的热膨胀。即，在热电偶20的操作过程中，由于热靴部靠近热源26而冷靴部靠近散热器30，热靴部24的膨胀大于冷靴部28。由于冷靴部28围绕热靴部24向外设置，当热靴部24进行热膨胀时，多个导热元件32被压缩在冷靴部28的内表面52上。有利地，这种压缩增强了导热元件32的结构完整性，从而提高了热热电偶20的可靠性。

图13和图14中示出的多个导热元件32包括至少一个阳性腿部62和至少一个阴性腿部64，阳性腿部62和阴性腿部64一起发电以响应热靴部24和冷靴部28之间的温度差别。该至少一个阳性腿部62可包括多个圆周向间隔设置并沿着相同的间隔弧度延伸以及相对于中心线C垂直延伸的阳性腿部62。类似地，该至少一个阴性腿部64可包括多个圆周向间隔设置并沿着相同的间隔弧度延伸以及相对于中心线C垂直延伸的阴性腿部64。在图14示出的结构中，更具体地有四个阴性腿部64和四个阳性腿部62，使得热电偶20总共包括八个导热元件32。

多个阳性腿部62和多个阴性腿部64被设置在绝缘元件34的相对侧，因此在环形缝隙78的相对侧邻接冷靴部28。相应地，多个阳性腿部62中的每一个阳性腿部62在热靴部24和冷靴部28的第二部分88之间径向延伸，多个阴性腿部64中的每一个阴性腿部64在热靴部24和冷靴部28的第一部分86之间径向延伸。尽管阳性腿部62和阴性腿部64可以具有多种不同的形状和尺寸，但是多个阳性腿部62和多个阴性腿部64中的每一腿部62、64可没有限制地具有矩形或方形横截面。图13和图14中示出了本示例中侧边大约长3毫米(mm)的方形横截面。

多个导热元件32至少部分由热电材料22制成。如图15A所示，该至少一个阳性腿部62包括一对端部200a、200b，端部200a、200b可与铜箔202相对。一对外层204设置在端部200a、200b，直接与铜箔202相邻并位于铜箔202的内侧。该至少一个阳性腿部62的该对外层204可由包含钛的材料制成。一对过渡层206设置为直接与该对外层204相邻并位于该对外层204的内侧。该至少一个阳性腿部62的该对过渡层206可由包含钴的材料制成。该对过渡层206之间设置有中间层208，该至少一个阳性腿部62的该中间层208可由热电材料22制成，热电材料22例如可以是含有方钴矿的材料。如图15B所示，阴性腿部64也包括一对端部210a、210b，端部210a、210b可与铜箔202相对。一对外层212设置在端部210a、210b，直接与铜箔202相邻并位于铜箔202的内侧。阴性腿部64的外层212可由包含钛的材料制成。外层212之间设置有中间层214，该阴性腿部64的中间层214可由热电材料22制成，热电材料22例如可以是含有方钴矿的材料。然而，应理解，用于阴性腿部64的方钴矿材料的组分可与用于阳性腿部62的方钴矿材料不同。

再次参照图13和图14，热靴部24的外表面46包括多个配合面98，多个配合面98圆周向间隔设置。多个配合面98具有平面形状并邻接于多个导热元件32。更具体地说，阳性腿部62的端部200a、200b和阴性腿部64的端部210a、210b包括内端部200a、210a和外端部200b、210b。内端部200a、210a邻接于热靴部24的外表面46，及优选地邻接于配合面98，而外端部200b、210b分别邻接于冷靴部28的第一和第二部分86、88的内表面52。如图16所示，多个热电偶20a、20b以首尾相连的设置方式互相邻接，以形成热电模块82。一个热电偶20b的冷靴部28的第一部分86可连接至相邻的热电偶20a的冷靴部28的第二部分88，以使多个热电偶20a、20b串联以增大电压输出。尽管多个热电偶20a、20b可以多种方式互相连接，但是，图16示出了将热电偶20a、20b的冷靴部28直接连接，以使一个热电偶20b的冷靴部28的第一端部90与相邻的热电偶20a的冷靴部28的第四端部96接触。在图16中，总共有十个热电偶20以这种方式连接，以产生21.1毫欧姆的总电阻。换句话说，每一热电偶20可以产生至少1毫欧姆，更优选地至少2毫欧姆的电阻。

图13中的热电偶20优选地根据下述示例性的方法加工。该方法包括创建圆柱形的热靴部24和圆柱形的冷靴部28的步骤。根据这些步骤，热靴部24可被创建为具有多个配合面98，多个配合面98具有平面形状且围绕热靴部24圆周向间隔设置。还根据这些步骤，热靴部24或冷靴部28被创建为两个单独的部分，以在这两个部分之间限定出环形缝隙78。通过示例且没有限制，热靴部24由包含钛的材料创建。因此，热靴部24为例如纯钛、钛合金或以钛作为其中一种组分的混合物材料。通过示例且没有限制，冷靴部28由包含黄铜的材料创建。因此，冷靴部28为例如纯黄铜、含黄铜合金或以黄铜作为其中一种组分的混合物材料。

该方法包括将热靴部24同轴插入冷靴部28内、创建圆盘状的绝缘元件34和将绝缘元件34定位于环形缝隙78内的步骤。根据这些步骤，在位于绝缘元件34的相对侧的热靴部24和冷靴部28之间创建有空腔56。该方法还包括创建多个导热元件32的步骤。根据此步骤，创建的多个导热元件32可以包括至少一个阳性腿部62和至少一个阴性腿部64，优选地，多个阳性腿部62和多个阴性腿部64。(多个)阳性腿部62被创建为包括：一对相对于铜箔202的端部200a、200b，一对外层204，设置在端部200a、200b，直接与铜箔202相邻并位于铜箔202的内侧，可由包含钛的材料制成，一对过渡层206，设置为直接与该对外层204相邻并位于该对外层204的内侧，可由包含钴的材料制成，和一中间层208，设置在该对过渡层206之间，可由含有方钴矿的热电材料22制成。阴性腿部64被创建为包括：一对相对于铜箔202的端部210a、210b，一对外层212，设置在端部210a、210b，直接与铜箔202相邻并位于铜箔202的内侧，可由包含钛的材料制成，和一中间层214，设置在该对外层212之间，可由含有方钴矿的热电材料22制成。

该方法还包括将热靴部24和冷靴部28之间的至少一个阳性腿部62定位于环形缝隙78的一侧，从而，于绝缘元件34的一侧，以及将热靴部24和冷靴部28之间的至少一个阴性腿部64定位于环形缝隙78的另一侧，从而，于绝缘元件34的另一侧的步骤。在此步骤中，至少一个阳性腿部62为多个阳性腿部62，至少一个阴性腿部64为多个阴性腿部64，此步骤包括将多个阳性腿部62和多个阴性腿部64围绕热靴部24圆周向定位，以在多个阳性腿部62之间创建相等的间隔以及在多个阴性腿部64之间创建相等的间隔。优选地，此步骤还包括使多个阳性腿部62和多个阴性腿部64与热靴部24的多个配合面98对齐，以使多个阳性腿部62和多个阴性腿部64的内端部200a、210a邻接于热靴部24的配合面98。

根据公开的方法，在热电偶20的操作过程中，当热量施加到热靴部、迫使热靴部24以比冷靴部28更大的速率膨胀，多个导热元件32在热靴部24和冷靴部28之间保持压缩状态。有利地，当保持在压缩状态时，多个导热元件32的热电材料不易由于温度应力失效，以使热电偶20的耐久性限得到了提高。

按照上述教导，本发明的许多变动和变化是可能的，当在附上的权利要求的范围内时，也可不按照如具体描述的实施。热电设备20的截面形状可背离示出的圆形几何体。例如且没有限制地，热电设备20的截面形状可为椭圆形、三角形、正方形、矩形或任何其它多边形。在此示意出的材料仅仅是举例，热电设备20的多种组件通常可以由除此公开内容中描述的之外的其它材料制成。另外，在不脱离本公开内容的情形下，热电设备20的多种组件的相对尺寸可以不同于附图中示出的。进一步地，可设置任意数量的热电设备20并联或串联，以形成热电模块82。相应地，图中示出的热电设备20的数量是示范性的，且不应作为限制。至于在此提出的方法，在不脱离本公开内容和附上的权利要求的范围的情形下，步骤的顺序可以脱离它们出现的顺序。

Claims (37)

1.一种用于热电设备的装置包括：

热靴部，毗邻热源设置；

冷靴部，毗邻散热器设置；以及

至少一个导热元件，延伸在热靴部和冷靴部之间，所述至少一个导热元件热耦合连接所述热靴部和所述冷靴部，且所述至少一个导热元件响应所述热靴部和所述冷靴部之间的温度差别发电；以及

至少一个压缩元件，围绕所述冷靴部伸展，所述至少一个压缩元件通过将所述冷靴部向内朝着所述热靴部压缩给所述至少一个导热元件施加额外的压缩；

所述冷靴部围绕所述热靴部设置，以使在热电设备的操作过程，所述热靴部在加热期间的膨胀大于所述冷靴部的膨胀，并压缩位于所述热靴部和所述冷靴部之间的所述至少一个导热元件；

其中，所述至少一个导热元件至少部分包含方钴矿；以及

其中，所述热靴部和所述冷靴部至少部分包含钛。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述热靴部具有带有中心孔的圆柱形形状，所述冷靴部具有圆柱形形状，所述冷靴部围绕所述热靴部环形设置并与所述热靴部同轴，以在所述热靴部和所述冷靴部之间限定出环形空腔。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述热靴部具有外径，所述冷靴部具有大于所述热靴部的外径的内径，以使所述环形空腔沿着预设的间距径向延伸。

4.如权利要求2所述的装置，其中，所述至少一个导热元件设置在所述环形空腔内。

5.如权利要求2所述的装置，其中，所述中心孔与所述热源接触，以使所述热靴部的内表面与所述热源接触并从所述热源接收热能。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个导热元件由热电材料制成。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述至少一个导热元件的热电材料为半导体。

8.如权利要求6所述的装置，其中，所述至少一个导热元件包括阳性腿部和阴性腿部。

9.如权利要求1所述的装置还包括：

绝缘元件，毗邻所述至少一个导热元件设置，延伸在所述热靴部和所述冷靴部之间。

10.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个压缩元件至少部分包含黄铜。

11.一种热电发电机包括：

受热结构，毗邻热源设置；

散热结构，毗邻散热器设置；

至少一个导热元件，径向延伸在所述受热结构和所述散热结构之间，所述至少一个导热元件热耦合连接所述受热结构和所述散热结构，且所述至少一个导热元件响应所述受热结构和所述散热结构之间的温度差别发电；

所述散热结构围绕所述受热结构环状延伸，在所述受热结构和所述散热结构之间形成了环形空腔，其中，所述至少一个导热元件设置在所述环形空腔内并被径向压缩在所述受热结构和所述散热结构之间，以响应所述受热结构相对于所述散热结构更大的热膨胀；以及

至少一个压缩元件，围绕所述散热结构圆周向伸展，所述至少一个压缩元件通过将所述散热结构向内朝着所述受热结构径向压缩给所述至少一个导热元件施加额外的压缩。

12.如权利要求11所述的热电发电机，其中，所述受热结构具有外径，所述散热结构具有大于所述受热结构的外径的内径，以使所述环形空腔沿着预设的间距径向延伸。

13.如权利要求11所述的热电发电机，其中，所述至少一个导热元件包括阳性腿部和阴性腿部。

14.如权利要求13所述的热电发电机，其中，所述阳性腿部和所述阴性腿部各自在内圆周和外圆周之间径向延伸，并在远端部和近端部之间轴向延伸。

15.如权利要求14所述的热电发电机，其中，所述受热结构具有内表面和与所述内表面相对的外表面，所述内表面在所述热电设备上限定有中心孔，所述外表面部分约束所述环形空腔。

16.如权利要求15所述的热电发电机，其中，所述散热结构具有内表面和与所述内表面相对的外表面，所述散热结构的内表面与所述受热结构的外表面相对并部分约束所述环形空腔。

17.如权利要求16所述的热电发电机，其中，所述阳性腿部的内圆周和所述阴性腿部的内圆周邻接于所述受热结构的外表面，所述阳性腿部的外圆周和所述阴性腿部的外圆周邻接于所述散热结构的内表面。

18.如权利要求14所述的热电发电机，其中，所述阳性腿部的近端部与所述阴性腿部的近端部轴向间隔并相对设置，以在两者之间形成环形腔室。

19.如权利要求18所述的热电发电机还包括：

绝缘元件，设置在所述环形腔室内。

20.如权利要求19所述的热电发电机，其中，所述绝缘元件在所述阳性腿部及所述阴性腿部之间的所述环形腔室内限定出环形间隙。

21.如权利要求20所述的热电发电机，其中，所述散热结构限定出环形缝隙，所述环形缝隙与所述绝缘元件的环形间隙轴向对齐，所述环形缝隙将所述散热结构分成两个电分离部分。

22.如权利要求21所述的热电发电机，其中，所述至少一个压缩元件为一对压缩元件，该对压缩元件在所述环形缝隙的两相对侧各自围绕所述散热结构圆周向延伸，以使所述压缩元件中的一个压缩所述阳性腿部、所述压缩元件中的另一个压缩所述阴性腿部。

23.如权利要求20所述的热电发电机，其中，所述受热结构限定出环形缝隙，所述环形缝隙与所述绝缘元件的环形间隙轴向对齐，所述环形缝隙将所述受热结构分成两个电分离部分。

24.一种使用热电设备发电的方法，该方法包括步骤：

将热源插入热电设备的中心孔内；

通过毗邻热电设备的中心孔设置的圆柱状的热靴部从热源带走热能；

通过至少一个导热元件将热能从热靴部传递至与热靴部同轴设置的、圆柱状的冷靴部，在热靴部和冷靴部之间延伸的所述至少一个导热元件由热电材料制成；

将热能从冷靴部驱散以在热靴部和冷靴部之间创建温度差别；

通过所述至少一个导热元件发电以响应热靴部和冷靴部之间的温度差别；

用至少一个压缩元件将所述冷靴部向内朝着所述热靴部径向压缩以给所述至少一个导热元件施加压缩，其中，所述至少一个压缩元件围绕所述冷靴部圆周向伸展。

25.如权利要求24所述的方法，还包括：将钛或含钛的合金用于热靴部和冷靴部，将方钴矿用于导热元件。

26.如权利要求24所述的方法，还包括：当热电设备处于室温时，用外环形压缩元件以过盈配合的方式径向压缩环形散热器，以保持热电材料处于压缩状态。

27.一种热电偶包括：

热靴部；

冷靴部，围绕所述热靴部延伸；以及

位于所述靴部之间的多个导热元件，所述多个导热元件均包含热电材料并从所述热靴部朝着所述冷靴部向外延伸，以使在所述热电偶的操作过程中，所述多个导热元件在所述热靴部和所述冷靴部之间被压缩，以响应所述热靴部相对于所述冷靴部的更大的热膨胀；以及

至少一个压缩元件，围绕所述冷靴部伸展，所述至少一个压缩元件通过将所述冷靴部向内朝着所述热靴部压缩给所述至少一个导热元件施加额外的压缩；

所述冷靴部包括第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分均具有圆柱形形状，所述冷靴部的所述第一部分和所述第二部分互相对齐并轴向间隔设置，以在所述冷靴部的所述第一部分和所述冷靴部的所述第二部分之间限定出环形缝隙。

28.如权利要求27所述的热电偶，其中，至少一个阳性腿部在所述热靴部和所述冷靴部的所述第二部分之间径向延伸，至少一个阴性腿部在所述热靴部和所述冷靴部的所述第一部分之间径向延伸。

29.如权利要求28所述的热电偶还包括：

圆盘形的绝缘元件，在所述热靴部和所述冷靴部之间径向延伸，所述绝缘元件轴向定位于所述冷靴部的所述第一部分和所述冷靴部的所述第二部分之间，以使所述绝缘元件设置在所述环形缝隙内。

30.如权利要求29所述的热电偶，其中，所述至少一个阳性腿部包括圆周向间隔设置的多个阳性腿部，所述至少一个阴性腿部包括圆周向间隔设置的多个阴性腿部，所述多个阳性腿部和所述多个阴性腿部设置在所述绝缘元件的相对侧。

31.如权利要求27所述的热电偶，其中，至少一个阳性腿部具有矩形横截面，并具有与铜箔相对的一对端部；一对外层，设置在该对端部，直接与铜箔相邻并包含钛；一对过渡层，直接与该对外层相邻并位于该对外层的内侧，且包含钴；和一中间层，设置在该对过渡层之间并包含方钴矿。

32.如权利要求27所述的热电偶，其中，至少一个阴性腿部具有矩形横截面，并具有与铜箔相对的一对端部；一对外层，设置在该对端部，直接与铜箔相邻并包含钛；和一中间层，设置在该对外层之间并包含方钴矿。

33.如权利要求27所述的热电偶，其中，所述多个导热元件在限定在所述热靴部和所述冷靴部之间的一空腔内圆周向间隔设置。

34.如权利要求33所述的热电偶，其中，所述热靴部和所述冷靴部围绕中心线同轴对齐，其中所述多个导热元件沿着相同的间隔径向方向上延伸，并且相对于所述中心线垂直设置。

35.如权利要求27所述的热电偶，其中，所述热靴部具有与所述冷靴部相对的外表面，所述热靴部的外表面包括圆周向间隔设置的多个配合面，所述多个配合面具有平面形状并以邻接关系与所述多个导热元件接触。

36.如权利要求27所述的热电偶，其中，所述热靴部具有圆柱形形状并包含钛，所述冷靴部具有圆柱形形状并包含黄铜。

37.如权利要求27所述的热电偶，其中，多个所述热电偶以首尾相连的设置方式互相邻接，以形成热电模块。