CN1211353A

CN1211353A - 压热电能转换器与方法

Info

Publication number: CN1211353A
Application number: CN97192351A
Authority: CN
Inventors: Y·R·库切罗夫
Original assignee: Thermodyne Inc
Current assignee: Thermodyne Inc
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1997-02-14
Publication date: 1999-03-17
Also published as: WO1997030508A1; JP2001508637A; CA2238771A1; AU1960397A; US5644184A; EP0954900A1

Abstract

本发明具体化了一种压热电能量转换器(10),并且涉及进行热能至电能转换和致冷的一种方法和装置。本发明利用了一块或多块压热电材料(12、62、72),其上带有导热金属电极(14、64、68),该材料可在高频下共振且与热吸热器(16)和冷吸热器(18)之间有热交流以形成热梯度,从而使热量沿着金属电极(14、64、68)和压热电材料(12、62、72)流动。

Description

压热电能转换器与方法

发明领域

本发明涉及压热电能转换的方法和装置，尤其是涉及利用热电材料的某种电热效应进行热能至电能之直接转换的方法和装置，该方法和装置采用一个或多个具有温度相关热电特性的电容器，以及在工作频率下令电容器共振的方法，该电容器与金属接触材料进行热交流以增加从热吸热器至冷吸热器之热流的转换部分。

发明背景

本发明的开发，是要满足对于能够高效率地将热能转换为电能且功率密度足以应付实际应用之装置的需求。

现有的热电功率转换器包括叠层式电容器和对簧片的利用，这些电容器具有温度相关的电容量，而该簧片被用作热开关，由在各段之间载运热量的蒸汽引起振动，从而令热量以具有适当频率和相位的脉冲形式经过叠层式电容器。另外一种已知装置利用略有不同的能量转换系统概念，在该系统内，电容器电极之间的区域内存在某种第一材料，后者在电容器充电后被某种具有与第一材料相比较低介电常数的第二材料取代。电容器随后放电，并且在电容器再次充电之前，该第一材料被放回到电容器电极之间的区域内。

另有一种方法则是在电容器电极之间使用一种介电常数不同于真空的材料。在此例中，机械功是用来抵抗电场的作用，该装置实际上与电磁式电动机不同。因为这种方法利用了在恒定电荷数下的电容量改变，所以与利用热电材料和电热效应的方法是不同的。在热电作用下，电荷数随温度的变化而改变。倘若相对介电常数也随温度而改变，那只是一个副效应。

还有一种方法利用电热效应来实现热量至电能的热电转换。然而此方法具有很大的时间常数，因为它需要将热电材料以机械方式从热区移到冷区。至于说利用具有温度相关特性之电容器的热循环来产生电能，其低效率与小功率密度显然已经表明此方法不可能具有任何生产电能的实际应用。

因此仍有需要提供一种更为理想的解决方法，将热能转换为电能或利用电能致冷。

发明概要

本发明试图解决如上所述在背景技术中遇到的多个问题。更具体地说，本发明的装置和方法构成热电功率转换领域中的一项重要进展，这一点可由本发明相对于背景技术而实现的下述目标与优势加以证明。

本发明的一个目标是将热电效应与压电效应结合在一起。

本发明的一个进一步目标是通过对某压电效应的商频振荡进行共振来加强工作效率。

此外，本发明的一个目标是加强该热电效应，同时通过在压电振荡中令某金属接触材料与某热电材料发生热交流来降低系统的热惯性。在热电材料旁边的金属可以大幅度缩短热量补充的时间常数，从而加强对所生成电荷的收集。

本发明还有另一个目标是通过匹配装置的热惯性与压电振荡来提高其性能。

本发明的其他目标与优势将由后面的描述来明确表示，或可由本发明的实践而加以体会。

简而言之，上述目标是通过一种包括一块或多块压热电材料板的装置来实现的，该板带有导热金属电极，后者可在高频下共振且与热吸热器和冷吸热器发生热交流，以形成热梯度，从而使热量沿着金属电极和横跨热电材料流动。该压电共振可因热电作用而引起温度的小幅度交替上升与下降。通过利用外接电路取出具有一种符号的热电电荷，即可形成从金属电极至压热电材料的非对称热流。此非对称热流将被转换成电能。此共振可以降低在压热电材料内的耗散损失。此类转换器可以使用绝大多数以不同的效率同时显示出热电特性与压电特性的材料。

附图简要说明

为了更全面地理解实现本发明之上述优势与目标的方式，需要通过参考由附图所显示之特定实施例来更为具体地阐述本发明。应当明白这些图形仅表示本发明的典型实施例，因此不应被认作对本发明范畴的限制，本发明的目前优先实施例及目前所理解的最佳模式将通过附图来更详细地阐述，附图包括：

图1是一个热电转换器的剖面图，该转换器包括了本发明的教导，但不带电子装置部分；

图2是由本发明供电电路的电压随时间变化曲线；

图3是由本发明供电电路的电压随时间变化曲线；

图4是由本发明供电电路的电压随时间变化曲线；

图5显示出一种特定压电陶瓷材料之耗散因子随电压变化的曲线；

图6显示出一种特定压电陶瓷材料之耗散功率随电压变化的曲线；

图7a和7b示出用来支撑一堆热电材料的吸热器；

图8a至8e是不同的热电板与吸热器配置；

图9是一堆热电材料，其上开有盛放液体金属热接触材料的槽；

图10a和图10b所示为叠层热电材料，带有一内部压缩框，以造成压电效应；

图11a为带有整体压缩框的热电材料堆；

图11b是图11a的顶视图；

图12a至12c为具有整体吸热器与压缩框的热电转换器；

图13是共振频率f₀的曲线；

图14是一种特定热电材料之不同振荡模式的频率图；

图15是采用某种PST热电材料之转换器的剖面图；

图16是从热电转换器中汲取电能之电路的一个实施例；

图17是一声耦合PST热电转换器的剖面图；

图18是从热电转换器中汲取电能之电路的另一个实施例；

图19是从热电转换器中汲取电能电路的另一个实施例；

图20是重新计算得到的汲取电路电阻与电压的相关性曲线；

图21是LiTaO₃材料转换功率密度与驱动电场强度的相关性曲线；

图22是PZST材料之转换功率密度的相关性曲线；

图23是热电转换器另一实施例的剖面图；

图24是热电转换器另一实施例的剖面图；

图25是热电转换器另一实施例的剖面图；

图26是显示了图1所示装置的转换模式；

图27是显示了图1所示装置的转换模式，热吸热器和冷吸热器具有相同的初始温度。

图28是频率调整系统的框图。

本发明的详细描述

本发明将一种压热电转换器10具体化，并且说明在图1中所一般显示的能量转换方法和装置。本发明利用一块或多块压热电材料12，其上带有导热金属电极14，该材料可在高频下共振且与热吸热器16和冷吸热器18之间有热交流以形成热梯度，从而使热量沿着金属电极和压热电材料12流动。热吸热器16和冷吸热器18由两块导热材料界定。当热吸热器与冷吸热器之间的初始温度差大于零且施加有电压时，转换器10作为热能至电能转换器而运转。当热吸热器与冷吸热器之间的初始温度相同且施加有电压时，转换器10作为热泵或致冷装置而运转。

该压电共振可因热电作用而引起横跨热电物质的小幅度温度交替上升与下降。通过利用某种去除电荷的一例如带有阈值电压开关或可控硅开关的电阻性负载-外接电路取出一种符号的热电电荷，即可形成从金属电极14至压热电材料12的非对称热流。电荷的去除导致电压差与正负周期中的非对称温度，后者被转换成电能。材料12在其声共振频率处的共振可降低在材料12内的耗散损失。此类转换器可以使用以不同的效率同时显示出热电特性与压电特性的多种材料。

1．工作原理

本发明是基于一种电热效应，使电场的变化引起热电温度的改变(请参阅M.Born所作的热电的量子原理，发表于Reviews of ModernPhysics第17卷第2、3期合刊(1945年4-7月号)第245-251页)。

晶体能量元素体积的变化服从方程：dU=TdS+EdP(请参阅S.B.Lang所著的热电原理，N.Y.,Gordon and Breach,SciencePublishers,Inc.,1974版第1-10页，其中内容特别包括于此)，其中T是温度、S是熵、E是电场、P是压力。由此：d(U-EP)=TdS-PdE，或

(\frac{&PartialD; T}{&PartialD; E}) S = - (\frac{&PartialD; P}{&PartialD; S})

E.电热系数遵循方程：

q = \frac{&PartialD; T}{&PartialD; E} = - \frac{pT}{ρC}

是热电常数、ρ是密度、C是比热电容、T是绝对温度。利用这些关系式，可以得出温度变化：

ΔT = k \frac{TE}{ρC} p . (1)

此方程定义当电场发生变化时，样品温度的改变。与压电材料的机电系数相似，在此引入范围在0.1至0.9之间的“热电品质系数”k，用以描述材料的耗散损失。对于Pb(Zr,Sn,Ti)O₃系统(PZST-锆酸锡酸钛酸铅)来说，热电品质系数大约为0.1(请参阅B.A.Tuttle和D.A.Payne所著的Pb(Zr,Sn,Ti)O₃“陶瓷的电热性能的微结构效应”，发表于Ferroelectrics第37卷(1981年)第603-606页)。Tuttle也指出PZST的最大值为ΔT=2.6°K。

鉴于热电特性与压电特性由晶格中的格点位移来定义，对绝大多数晶状热电材料来说，应该可以合理地假设对小至大约4埃的单原子层，这些效应都应该是相似的。我们将在后面讨论不具有晶体结构的有机热电材料。如果将交流电压接在一个电容器上，且该电容器由两面带有金属电极的平面形热电材料构成，其温度将会根据方程(1)以交流电的频率相对于其初始温度作正弦波变化。热电物质具有众所周知的低热导率，仅为大约1-20W/(m·K)。如果在热电物质的表面有某种高热导率-约为50-450W/(m·K)-的金属，则在冷周期中热量将从金属流向热电物质，而在热周期中热量将从热电物质流向金属。如果从该循环中汲取如下述方程(6.1)和(6.2)所定义的能量，则热流将是非对称的，且允许热能至电能的转换。

此处的限制因素可能是系统的热惯性。利用非定态热导率方程，可以估算该温度变化速度。如下所示，对于平面形状，只需进行一维计算：

\frac{&PartialD; T}{&PartialD; τ} = \frac{1}{Cp} \frac{&PartialD; q_{x}}{&PartialD; x}, - - - (2)

其中q_x是沿x轴的热量、C热容量、ρ是该热电材料的密度。在此

q_{x} = - λ &PartialD; T / &PartialD; x,

其中λ是热导率。利用对称性，可以得出在平板中点，

这是因为来自两金属电极的相等热流将会相互补偿。这意味着该热流从平板表面的特定值变成在中点的零。这里假设λ_金属>>λ_热电物质，且速率限制来自热电材料。

在本发明中，假设在ΔT=0.1°K的梯度值为3×10⁸K/m，热电物质为PZT5A(锆酸-钛酸铅)，等于方程(1)中的ΔT除以晶格参数。甚至在最坏的情况下，即热流由在表面的最大值线变化至在平板中点的零，温度变化速度大约为10⁵-10⁷K/s，而时间常数

τ_{k} = ΔT \frac{&PartialD; T}{&PartialD; τ} = 10^{- 6} - 10^{- 8} S

。因此，对于高达1MHz的频率来说，热惯性不是限制因素。出于同样的考虑，具有良好热导率-约为10-20W/m·K-的热电物质，例如LiTaO₃，具有约为3×10^-8s的时间常数。对于这些材料来说，如果采用较高的频率，原则上是可能提高转换器比功率的。与此相比，假设沿Y轴的温度差为100K,1厘米长PZT-5A板的时间常数τ_y等于0.5s。转换的条件是：W_xτ_x＞W_yτ_y，其中W_x是热电转换引起的热流，W_y是温度梯度引起的经过金属电极的热流。

现在请参考图1，其中热电材料12起着电容器的作用，并且与热吸热器16和冷吸热器18有热接触，其方式使得热梯度如箭头20所指沿着热电材料12的平面方向。如果从金属电极14至热电材料12的热流得到从热吸热器16至冷吸热器18之热梯度20的补充，且补充速度由转换功率决定，则转换效率的定义为系数k乘以理想卡诺循环效率。对于压热电材料PZT-5A,k可高达0.78。由热吸热器16直接经由压热电材料12至冷吸热器18的流动热量(由箭头22指明)属于损失的热量。此外，在电路中的损失亦会降低转换器10的总体效率。

在没有晶体结构的有机热电物质中存在一种不同的条件。这些材料的热电效应很可能是由温度诱发的分子倾斜引起的(请参阅R.Colbrook等人所著的“热电有机-金属Langmuir-Boldgett膜”，发表于Frroelectrics第92卷(1989年)第381-386页)。倘若确实如此，该速率由特定的分了振荡频率决定，后者约为10⁸-10⁹Hz。与此条件同时存在的是较小的介电常数(电容)，因而可以有较高的工作频率。尽管与陶瓷相比，有机化合物的热电特性不佳，由于可能达到较高的工作频率，是可以得到高效率转换器的。

转换器10的驱动交流频率由将在后面讨论的外接电路确定。取决于介电损失正切(通常为0.001-0.1)、材料的机械品质常数Q(10-105)及转换器10的设计，与此驱动机制相关的损失有可能相当高。倘若转换器10在驱动频率下发生声共振，此类损失可能降至原来的百分之一或更少。因此，如图13所示，驱动频率必须接近材料堆共振的主谐波频率ω₀。如果采用有机热电物质，驱动频率应该接近转换器10高次共振谐波频率n·ω₀。

假设来自外接电路的驱动电压是一正弦波且由下式给出：V(t)=V_osin(ωt)。

下面例举了一块1厘米见方、厚度为100微米之LiTaO₃单晶板的热电作用。此材料的热电常数为230μC/(Km²)、相对介电常数约为50、热导率约为20W/(mK)、密度约为4.6×10³kg/m³、热容量约为500J/(kgK)。假设方程(1)中的k=0.5、工作交流电压振幅为V₀=50V、工作温度为700°K。该电容器的电容为：

C_{o} = \frac{{ϵϵ}_{0} σ}{d}

，其中ε是相对介电常数、ε₀是真空介电常数(8.854×10^-12F/m)、σ是板面积、d是板厚度。在此例中，该板的电容为4.16×10^-10F。

利用方程(1)，在一个周期内的温度下降值为0.017°K(准确度由计算决定，即δ=10^-6)。此温度变化引起的热电电压变化为：

V_p=pσΔT/C_o， (3)其中p为热电系数。代入这些变量，该方程变为：

V_{p} (t) = \frac{kT p^{2}}{{ϵϵ}_{0} pC} V (t) = α V_{o} \sin (ωt) - - - (4)

其中k材料品质常数、T是绝对温度、p是热电系数、ε是相对介电常数、ε₀是真空介电常数、ρ是密度、C是热容量。

在本例中V_p为0.97V，或者说相对于驱动电压V_o有2％的变化，或者说在一个驱动周期内能量变化为4％。此情况已由图2和图3加以反映，图中实正弦线为驱动电压V_o，虚线V是驱动电压V_o与热电电压V_p之和，其中V(t)=V_o(t)+V_p(t)。

利用对电压敏感的电路，图2所示的阴影区域26可用来带动有效负载及补偿驱动损耗。此电路如果由一外接脉冲发生器(例如HewlettPackard 8116A型脉冲与函数发生器或正弦波发生器)加以启动，只要每周期总体能量损耗少于4％，则将能够自行维持。对于LiTaO₃单晶来说，由于其低tanδ(10^-4至10^-3)和高Qm(10⁵)，这些损耗是极小的。在共振时，每周期能量损失不足0.01％，因而可以忽略不计。多晶材料的损耗要高一些，但仍在合理的范围内(例如PZT-5A的损耗为0.5％)，并且可由热电作用轻易地补偿。对于具有高热电系数的材料(例如PZST)来说，V_p可能达到与驱动电压可比的程度。

以下为功率管理电子电路的两个例子：

1．振幅敏感(图2)。

2．相位与振幅敏感(图3)。

与图2所示电压的电路相比，就相同的转换器10而言，图3所示电压的电路可以汲取更多的功率。在驱动电压下电容器板储存的能量满足：

W_{1} (t) = \frac{C_{o}}{2} V_{o}^{2} \sin^{2} (ωt)

在驱动电压加热电压下电容器板储存的能量满足：

W_{2} (t) = \frac{C_{o}}{2} V_{o}^{2} {(1 + α)}^{2} \sin^{2} (ωt)

相对于图3(相应与振幅敏感功率收获电路)，此两能量之差满足：

ΔW (t) = \frac{C_{o}}{2} V_{o}^{2} (2 α + α^{2}) \sin^{2} (ωt) - - - (5)

对于图3所示的一个周期，转换的电能将为：

Δ W_{cycle} = C_{o} {(V_{o})}^{2} (2 α - α^{2}) {&Integral;}_{o}^{\frac{π}{2}} \sin^{2} (ωt) d (ωt) . - - - (6.1)

对于图2所示的一个周期，转换的电能将为：

Δ W_{cycle} = C_{o} {(V_{o})}^{2} [{(1 + α)}^{2} {&Integral;}_{\arcsin (\frac{V_{o}}{V_{o} + V_{p}})}^{\frac{π}{2}} \sin^{2} (x) dx - {&Integral;}_{\arcsin (\frac{V_{o}}{V_{o} + V_{p}})}^{\frac{π}{2}} dx] - - - (6.2)

如果V_o＞＞V_p方程(6.2)中的积分下限可改为arcsin(1-α)。

对于一堆宽度为1厘米的材料板来说，热吸热器之每平方厘米比转换功率将为：

W=ΔW_周期ωN, (7)其中ω是驱动频率，N是每厘米材料堆的板数。

以一块处于ω=10⁶Hz的LiTaO₃板为例，对于图2所示的开关来说，W等于0.53W/cm²，对于图3所示的开关来说，W等于3.2W/cm²。图21显示了计算结果。有一种可能性是存在的，即作为正周期与负周期之差而储存的能量将储存在共振电路内且由热电材料储存。其结果是在下一个周期中会有较高的振幅，以及各开关之间的差距朝向较高的数值而达到均衡(请参见图4)。在图4中，实正弦线为驱动电压V_o，振幅不断增加的虚线V是驱动电压V_o与热电电压V_p之和，其中V(t)=V_o(t)+V_p(t)。该振幅将不断增加，直至电路损耗可以补偿与增长相关的损耗，后者与电压振幅成正比。如果汲取电压开始于V_z，(V_z＞V_o)，汲取部位在图4中由正弦曲线下阴影区域30反映。此例中的电路必须具有一高频变压器，其中一个绕组与热电物质堆构成共振电路，第二个绕组利用脉冲发生器开始该驱动电压，第三个(汲取)绕组与一阈值电压为V_z的齐纳二极管及一全波整流器串联，后者接在一有用负载上。在该共振电路内的电压到达V_z之前，此电路无法汲取能量。

如果采用PZST材料与相同的驱动电压，则转换功率W将为无法控制的每平方厘米数千瓦，因此驱动电压必须要低得多(请参见图22)。对于某种转换器热电材料来说，在方程6.1和6.2中有意义的数字取决于α，后者本身亦是在热电红外传感器中的一个有意义的数字。如果象在绝大多数热电物质中那样α＜＜1，则有意义的材料数字为：

F_{1} = \frac{T_{c} p^{2}}{ρC}

(8)，其中p是热电系数、ρ是密度、C是热容量。此时有意义的材料数字不依赖于介电常数。倘若α＞＞2(即对于PZST)，有意义的数字为：

F_{2} = \frac{T_{c}^{2} p^{4}}{ϵ ρ^{2} C^{2}}

(9)，其中ε是介电常数。

对于高效率热电物质来说，例如钪钽酸铅(PST)或具有相同几何形状的PZST，计算得到的功率密度在10-100W/cm²的范围之间，这对于低温热电物质来说具有很大的吸引力。

对于室温下的PVDF(氘化Polyvidilene Fluoride)，如果驱动电场强度为1MV/m,ω₀等于2×10⁶Hz，功率密度大约为0.5W/cm²。

在前面，曾经假设由电极14至热电材料12的热流，将由从热吸热器至冷吸热器的热梯度来补充。当功率密度增加时，由于压热电循环耗散损失倾向于加热材料12，且材料12的温度将随功率的增加而升高。如此会形成一个反梯度，后者具有抵消热吸热器与冷吸热器之间温度差的作用。部分热量将随该热流一起在冷吸热器处散失，因此不会影响工作。然而，部分热量将会留在原处，从而减少了该补充热流。当横跨材料12的温度梯度超过热电梯度时，转换器将无法工作。这表明热电材料12必须与冷吸热器有更好的热交流。此问题可由多种方式加以解决，最简单但并非优选的方法是向热吸热器16提供额外的热阻，即增加在热吸热器16处电绝缘层19的厚度，使它大于冷吸热器电绝缘层19的厚度。图23显示一个更为优选的实施例。该设计与图1所示的设计类似，只是增加热导率低于热电材料12之热导率的材料78，后者包括但不限于压制玻璃纤维或云母。图24显示另一个实施例。此设计需要较为复杂的工艺，因为热电材料12和电极14均被做成楔形或其他几何形状，从而使得电极在冷吸热器处具有最宽的截面。由于金属电极14在冷吸热器18附近比较厚，在此区域的热交流程度也就比较高。此例中的声共振在表面80和82之间也要复杂得多。

图25显示另一个实施例，在此热电材料12呈楔形，但电极14却具有平面的形状。声共振发生在表面84与86之间。这样热电材料12与冷吸热器就有更好的热交流。钝性楔88包括某种低热导率材料，包括但不限于可用于高达1500℃的云母和用于低温(T＜200℃)的KAPTON^TM。多孔材料尽管具有低热导率，但由于对声音的衰减作用太强，所以并不适用。

如果在热侧没有热源，并且施加有驱动电压V₀，则会出现致冷效应，这是因为驱动电压和开关装置会造成从电极14至材料12的非对称热流，后者由吸热器进行补充，从而产生冷却效果。图26反映了图1所示装置的转换模式，其中T₁是在没有驱动电压时沿Y轴的平衡态温度分布曲线，T₂是在有驱动电压时的平衡态温度分布曲线，其最高温度点在热吸热器，而最低点在冷吸热器处(L_o是板长度)。现在请参考图27，其中热吸热器与冷吸热器具有相同的初始温度。T₁代表没有驱动电压时温度分布曲线，T₂代表有驱动电压时的温度分布曲线。这是因为热流是不对称的，并且始终保持其非对称性，因而使得热交流较好的吸热器被冷却。由于此过程的净效果依赖于绝对温度的平方，其效率较转换过程的效率为低。换句话说，假设开始于室温且可用热电温度梯度为30K，则就同一个装置而言，转换效率比致冷效率高1.49倍。

如果采用效率很高的热电材料，包括但不限于PZST、PST及类似材料，此致冷装置在利用外接电源进行启动之后，也可通过冷却周围空气或工作液体而起到环境热泵的作用。

2．热力学考虑因素

此装置的两个主要工作模式包括作为热泵或致冷装置，以及作为热电能量转换器。

就不可逆损耗而言，这两种模式的区别在于外接电路内的外部电阻损耗和变压损耗。就同一个装置而言，由于装置的电线可以做得足够粗，且现有高频变压器的效率在0.9-0.95之间，就同一个装置而言，转换器模式的电阻损耗大约要高10％。

倘若用1秒的时间长度来考虑所涉及的能量，输入电能是ω₀(C_oV₀ ²)/2，其中ω₀是共振频率、C_o是电容、V₀是驱动电压振幅、(1-k)以热能的形式在热电材料中散失。请参见图1，假设热吸热器的温度为T₂，冷吸热器的温度为T₁，则至此装置的热流为Q_o=(T₂-T₁)(λ₁S₁+λ₂S₂)，其中第二对括弧中的第一个指数对应于金属电极的热导率和截面积，第二个指数对应于热电材料。根据前面给出的方程(6.1)，汲取的能量当量为CoV_o ²(2α+α²)×0.785×ω₀，其中α由前面给出的方程(4)定义。根据定义，汲取的能量不能大于流经电极与热电材料的热流之差。

汲取的能量与流经装置的总热量之比η用于定义转换器的效率。与其他热机相似，它可表达成理想卡诺循环效率(可逆循环)乘以不可逆损失循环。如果代入前段中的公式，则效率的表达式将会变得过于复杂，因而无法象热电能量转换那样来简单地解释。假设该效率的所有组成部分均处于最佳状态，该耗散部分可高达0.8，或η≈K(T₂-T₁)/T₂。

在致冷的情况下，假设α＜＜1且绝大部分热电材料的温度保持在冷吸热器的温度，则致冷系数可以表达为：

ξ = \frac{T_{1}}{T_{2} - T_{1}} k \frac{1.7 p^{2} ω_{o}}{{ϵϵ}_{o} ρC (\frac{Σ λ_{i} S_{i}}{C_{o} V_{o}^{2}} + \frac{(1 - k) ω_{0}}{2 (T_{2} - T_{1})})}

，其中C是该热电材料的热容量、Co是电容、ε是真空的相对介电常数、ρ是密度、p是热电系数、V_o是驱动电压振幅、ω₀是驱动频率。

3．材料

前面曾经讨论了用来表示材料12在转换器10中性能的两个有意义的数字F₁和F₂,F₁=Fcp²/Cρ和F₂=Fcp⁴/ερ²C²，在此T_c是材料12的居里温度、p是热电系数、C是热容量、ρ是密度(所有变量均采用SI单位)。F₂尤其适用于具有极高热电系数(即p＞10²C/m²k)的材料。

F1可用于材料12的近似评估。在此类评估中一定出现的另外两个参数是介电损失(tanσ)和机电品质参数Q_m。鉴于在材料12内散失的热量属于无用的热量，这两个参数均影响着转换器10的效率。单晶材料具有最好的Q_m值，可在10⁴-10⁶之间。对于例如PZT的烧结陶瓷材料来说，其tanσ值在0.1-10％的范围内，并且随频率而下降。这些损耗亦受驱动电压的影响。在实际情况中，声共振条件下的损耗可能会很小。这些损耗可利用整体式多层致动器来加以说明，此类致动器在很多方面与本发明的能量转换器堆很相似。

图5和6表示用PZT类材料制成之整体式压电陶瓷致动器内的耗散损失。此堆的共振频率为60KHz。倘若该堆具有转换器的所有特征，例如实心金属电极且没有涂层，那么在施加足够的热梯度且板厚度小于70微米以使得热电增益超过总体损耗，则它应在10V的驱动电压下发生自共振。

在低于80℃的温度下，氘化聚偏二氟乙烯(简称PVDF)属于优选材料，因为此材料可经济地制成薄层。另一种优选材料是基于钛锆酸铅(Pb(Ti.₄₈Zr.₅₂)O₃或称PZT)的陶瓷材料。其他材料包括锆酸-锡酸-钛酸铅(Pb(Zr.₄₃Sn.₄₃Ti.₁₄)O₃或PZST陶瓷)、钪钽酸铅(PST)、LiTaO₃，以及用于高温场合的LiNbO₃(请参阅S.B.Lang所著的“热电原理”，N.Y.,Gordon and Breach,Science Publishers,Inc.,1974版第69-79页，其中内容特别包括于此)。

表1列举了一些热电材料的特征：

表1

材料	居里温度(K)	F1=TcP²/Cpx10^-12[SI单位]
材料	居里温度(K)	F1=TcP²/Cpx10^-12[SI单位]	PZT-5A	640	29.6
BaNaNb₅O₁₅	833	3.3	PZT-5A	640	29.6
BaNaNb₅O₁₅	833	3.3	PVDF	355	0.136
BaTiO₃	406	1400	PVDF	355	0.136
BaTiO₃	406	1400	LiNbO₃	1483	3.4
LiTaO₃	890	2.2	LiNbO₃	1483	3.4
LiTaO₃	890	2.2	PbScTaO_x(PST)	455	4·10⁸
YMnO₃	933	5·6	PbScTaO_x(PST)	455	4·10⁸
YMnO₃	933	5·6	PZST	440	1.6·10⁶

优选的材料12具有高热电系数且F₁＞10^-9。4．电极电极属于导电导热材料，包括但不限于绝大多数金属，以及某些氮化物和碳化物，例如C、TiN、ZiN、HfN、TiC、ZrC、WC或其组合或合金。电极14可能会受到很大的机械、电及热应力，因而会加大金属电极14与材料12之间的相互扩散。因此，在高温下，采用诸如Au、Au-Ni、Ag、Sn、Cr、Fe、Co、Pd、Ni、Cu、Al、Mg、Ag-Pd或其组合或合金之类的典型材料制成之电极的应用范围将会受到限制。采用重金属，包括但不限于Pt和Ir，来制作电致伸缩堆可以改善这种情况，但成本有可能过于高昂。通过在材料12和电极14之间安置扩散隔离层-包括但不限于SiC、SiN(SiO₂是电介质)，或导电的似金刚石涂层-例如掺硼金刚石或其他p-类金刚石，有可能改善这种情况。其他材料包括W、Re、Os、Ir、Pt、Ag、Nb、Rh、Ru、Mo、Th、U或其组合。其中有些金属不能在空气中使用，需要采用惰性气体或真空作为工作媒介。

对在使用中经受较高的机械应力和较低的热应力电致伸缩堆片来说，已发表的结果是10¹¹-10¹²次循环，这相当于在10KHz频率下连续工作3年，热电能量转换器的寿命周期循环次数应与此结果相近。

如图1所示，电极14的厚度可利用热导率考虑因素来加以确定。在此，T_热和T_冷分别是热吸热器16和冷吸热器18的温度。箭头20、22、24显示了热流传播的方向。确定厚度的条件服从以下方程：

Δ W_{cycle} ω &GreaterEqual; λ \frac{T_{hot} - T_{cold}}{L} ld

(10)，其中ΔW_周期由方程(6.1)或(6.2)定义、ω是驱动频率、λ是电极材料的热导率、L是板高度、1是板宽度(电极覆盖了整块板)、d是电极14的厚度。如果材料12包括一块前面例子中用到的LiTaO₃板，并且用银来做电极14的材料，则电极14的厚度约为1000埃。

倘若吸热器的面积比压热电材料12的成本更重要，通过改变材料12的比面积(同时增加材料12的高度和电极14的厚度)，有可能改变比功率密度。对于采用金属或金刚石电极的1厘米见方PZST板来说，由于热导率的限制，其功率密度的理论极限大约为1000W/cm²。

5．设计

下例假设利用一个温度差为100K的热源进行能量转换，采用一堆100片(厚100μm)1厘米见方的PZT-5A板，以及板间具有匹配热导率的电接触材料(电极)。鉴于该接触金属的热导率大约是PZT热导率的100倍，它对该堆厚度的影响可以忽略不计。该堆的厚度大约为1厘米，因而构成一个1立方厘米的正方体。此堆沿板和电极的热导率造成3.4W/cm²(34KW/m²)的热流。如果共振点电压为3V，则需要超过340KHz的共振频率，这接近于用声速除以长度而得到的频率(-400KHz)。这接近该堆的第一声共振谐波频率。实际共振频率将受到压缩框和热接触材料的影响，因为压电材料堆的共振频率取决于压缩程度。(请参阅M.Aoyagi等人所著的“利用纵向和扭转振动的高转矩超声电机”，发表于1992年IEEE铁电材料应用会议文集第541-544页。)此参考文献表明，通过加力可引起5％的共振频率转移。此外，板堆与吸热器之间的摩擦也可象额外质量那样令共振频率发生转移。

为了用串联板连接驱动非共振电路，须使用全部产生的能量，因而使装置变成无用。鉴于PZT的tanδ为0.005，理论上说99.5％的热电循环能量可被汲取用于有用负载，使得此装置具有理想卡诺循环效率的将近一半。在实际应用中，将会有多种损耗存在，例如机械损耗和热损耗，以及外接电路内的损耗。然而，此装置仍然可能接近理想卡诺循环，唯一严重的物理限制条件将是材料12的机电系数。

a．对设计要素的描述

(1)吸热器。对热吸热器16和冷吸热器18的主要要求是热导率。压热电材料12的热导率很低。例如，PZT热电物质的热导率仅为1.7W/(m·K)。基本上说，任何金属或金属合金，只要其再结晶点(T_z=0.4T_m)高于工作温度，在空气中不会氧化，且可进行抛光和涂以绝缘材料，都可供采用。如图7a和7b所示，吸热器16和18也可用来支撑材料12。

吸热器16和18可由具有良好的热导率和低电导率的材料制成，包括但不限于AlN、BeO、SiO₂、SiC、MgO、NiO₂、TiB₂、W₂B₅、SiN。在这种情况下，其内表面必须抛光，但不需要图1所示的电绝缘层19。氮化铝具有比PZT和各种金属都要高得多的硬度，因而可以确保材料12与吸热器16和18之间的低摩擦，以及低损耗。另一种可能性是在材料12表面涂上一层导热的电介质，例如未掺杂的金刚石、铝、氮化铝、氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化钇、氧化镁、氧化铍、氧化硅(玻璃或石英)、二氧化镍、氧化钪、氧化铪、镧系元素的氧化物、氧化钍、氧化铀。在此例中，吸热器16和18可采用石墨或具有导热之石墨润滑的金属。

(2)电绝缘层。吸热器16和18或材料12可涂以某种绝缘材料。下列材料可用于所标明的最高工作温度：TEFLON(＜150℃)、KAPTON(＜250℃)、Al₂O₃或AlN(＜2700℃)、MgO、NiO₂、SiO₂、BeO。倘若材料12是通过与所涂覆的电极共同焙烧而制成，则采用电介质材料的热接触表面最好也同时涂覆和焙烧。然后必须对该涂覆表面进行抛光，以确保良好的热接触。鉴于热阻率是很重要的条件，可利用石墨润滑来降低对平面和光滑度的要求。即使在绝缘层很薄的情况下，如果绝缘层具有可与金属相比的高热导率(即AlN)，也是会有益处的，这是因为超过一半的总热流将经过热导率很高的电极14，因此要求很低的接触损耗。

(3)转换器堆

(a)热电材料厚度。材料12的厚度受到所允许的电压、技术、成本的影响。随着材料12厚度的减少，从单位面积上能够汲取的电荷数将会增加，从而可以提高性能。对于PZT-5A，初始去极化场的强度为0.5V/微米。如果工作电压为3V，这相当于6微米和20微米的可靠工作。对于烧结PZT来说，优选的厚度为至少50微米，此厚度接近由去极化作用确定的极限。采用某种薄膜沉积方法，可制作出非常薄的材料12，其厚度受到金属电极的限制。当低于300X时，材料12展示出会影响其电导率的量子效应。对于不足1V的工作电压，此效应将材料12的厚度限制在1-3微米，举例来说，对于1微米厚的PZT-5A板，工作电压为0.5V。

(b)材料与电极厚度比。在所需的最小频率f_最小下，且当流经电极14的全部热流均转换成电能时，最优接触厚度的近似值为：

t > t_{o} \frac{λo}{λm} • k

其中t和t_o分别为电极14和材料12的厚度、λm、λo分别为电极14和材料12的热导率、k是压缩模式下的机电耦合系数(效率)。在给定温度下的精确值由前面给出的方程(10)确定。

转换器10设计的另一个选择是增加材料12的厚度。例如，将材料12的厚度增加10倍，如果平面形状不变，则效果应该不变。这将使得电容降低到原来的十分之一，质量增加10倍，电压增加10倍。其结果是，温度差和汲取的能量不变，但电压和损耗较高。其难处在于热反应时间将会缩短。另一个难处在于每毫米厚的材料12将需要几百伏的电压，这对于开关、变压器、绝缘层都是有害的。由于这些问题，材料12的最大实用厚度被限制在大约1毫米。

(c)热电材料的长度。取决于温度梯度、热电材料种类、所需的功率密度，吸热器16和18之间材料12的长度可以变化，但短于50mm的长度将可允许单位面积上更高的比热流。如果采用烧结陶瓷材料，由于接触问题，短于1-2mm的长度可能是不实用的。

(d)材料形状。材料12的形状最好是呈板状，并且可象图8a至8e所示的那样变化。

图8b和8c所示的配置具有较大的热接触表面。图8b和8c所示的配置在板中间有孔，可使用更紧凑的压缩框设计。

可以假定，利用与一堆板不同的几何形状，有可能制作出电压很高的转换器，这包括但不限于利用带中心和表面电极的杆状物，令声波从其一端移动到另一端，从而允许低共振频率(例如，请参考由设在美国加州Lake Forest市Morgan Matroc公司电陶瓷分部供应的压电材料)。

(e)热接触材料。干性或液体热接触材料均可能用于材料12与吸热器16和18之间。干性接触材料在使用时可能有或没有润滑。当采用没有润滑的接触材料时，材料12与吸热器16和18的表面必须是平的且经过抛光。在准备阶段，可在材料12与吸热器16和18之间加入少量细微的研磨性粉末，如此可在装置的工作中造成表面自动加工的效果。石墨与Al₂O₃的组合，世氮化硼或金刚石粉末均可被采用。

出于以下原因，也许最好不要采用液体润滑剂。由于某种声毛细效应，液体润滑剂倾向于填满板之间的所有缝隙并将板推开，从而改变共振频率。在较低的温度下，目前有许多可用的电介质液体，并且浸泡在液体内的堆将会以其特定频率工作。在高温下，则可选用液态金属。如果采用液态金属，这些板必须经过气密封闭，即共同焙烧与隔绝。共同焙烧属于多层堆制作的标准技术。此工艺将湿陶瓷与温的层状金属化陶瓷粉末(电极)在高温下(大约为1000℃)压在一起，从而形成整体式堆。当采用气密封闭的板时，材料12或吸热器16和18应带有将液态金属32固定不动的槽(请参见图9)。

(4)将板固定在一起。取决于压热电板材料的类型，现有多种方法可用于将这些板固定在一起。这些方法包括但不限于压缩、胶粘、烧结、扩散焊接、共同焙烧、钎焊等。

即使为确保长寿命和改变效率已对这些板进行了共同焙烧，仍最好采用压缩框将它们固定在一起。压缩可以补偿板内的裂缝与空洞及构成该堆之材料间的空隙，同时保持每种材料的结构完整性。该框可以是在板的内部或外部，内部框具有更为紧凑的形式。该转换器框与已知电致伸缩堆设计(请参阅M.Aoyagi发表于IEEE第九届铁电材料应用国际会议(1992年)第541-544页的文章，其内容特别包括于此)的区别在于，与转换器堆相比，转换器框的热导率必须较小，并且框的组成部分必须能够承受转换器的工作温度。

图10a和10b显示了内部框的例子。在图10a所示的设计中，通过上紧中央杆34上的螺母36来压缩一堆板(材料12)，后者沿着杆34安放。安置在该板堆与螺母36之间的是压缩垫圈38和弹簧40。压缩垫圈38采用具有低热导率的材料，包括但不限于MACOR^TM或其他陶瓷材料，与螺母36一起，也起到隔热的作用。压缩垫圈38也可用具有低热导率的金属制成(图10b)，包括但不限于NiCr合金，封闭于电介质管42之内。弹簧40可在很宽的温度范围内提供均匀的负载，尤其是当电路内没有对共振的电子修正功能时最好能够采用。为尽量减少在高温(200-300℃)因热交换而造成的损耗，该框必须具有低热导率。

外部压缩框可与一种或多种材料12或与吸热器16或18相结合。图11a和11b是一种与堆相结合之压缩框的两个例子。在图11a所示的实施例中，一种或多种材料12构成的堆被安置在压缩框44之内，用螺栓48上紧，后者利用其螺纹旋入并通过压缩框44，项在该堆上。在一种或多种材料12的两端安置有垫圈46。弹簧40安置于该堆之有螺栓48的一端。图11b是图11a所示实施例的顶视图，展示与吸热器16和18的热接触。制作材料最好具有低热导率。如果工作温度足够低，即低于200-300℃，因而辐射热交换与转换器堆的热导率相比很小，则压缩框的制作材料可包括但不限于金属、陶瓷、复合材料。

图12a和12b展示与吸热器结合在一起的压缩框。图12a展示一个内部压缩框，图12b展示一个外部压缩框。图12c显示另一个实施例，反映一个简单化的组件。在图12a至12c所示的实施例中，将一种或多种材料12安置于压缩元件54和支持元件50之间，并通过相对于转换器堆上紧压缩元件54而受到压缩，压缩元件54包括但不限于一根螺栓，后者利用螺纹旋入并穿过压缩元件54。在一种或多种材料12的两端安置有电介质垫圈52。电介质垫圈52可以在一种或多种材料12上均匀分布压缩力。垫圈52必须具有足够的机械强度和少于1W/mK的热导率。垫圈52的工作温度范围必须高于热吸热器的温度。在绝大多数应用中，MACOR^TM可机加工陶瓷材料就很适用，亦可采用基于云母的陶瓷、复合材料、高温陶瓷。

6．共振

共振的转换器堆10与陶瓷共振滤波器和共振激活器很相似，后两者已有很长的制造与应用历史。如果转换器堆系由某种均匀材料制成，则下式给出了厚度共振模式下的共振条件：

n \frac{λ}{2} = L

其中L是堆厚度、λ是声波波长、n=1、2、3……(谐波数或泛音)。波长被定义为：λ=c/f，其中c是该材料的声速、f是频率。因此，共振频率服从：

f = \frac{nc}{2 L}

。一般说来，最小损耗发生于n=1(f₀)。在我们的例子中这一点是不重要的，因为即使n=1，共振频率也是非常高的：对于PZT-5A来说大约为10MHz/mm。实际的共振频率f₀受到许多参数的影响，例如电极厚度、电极材料、压缩框、压缩力、周围环境(气体、空气、液体)、温度、摩擦力。对低于10MHz的频率来说，转换器堆必须足够厚，以承受10MHz/mm。致动器在100KHz左右的致动器具有大约2厘米的厚度。如前所述，转换器高效率工作所要求的最低频率取决于所用的热电材料12。在相同的几何形状与电输入条件下，钪钽酸铅的共振频率应约为PZT-5A之共振频率乘以10⁶。但是，长堆(即堆长度超过其高度或宽度)的制造会带来其他一些问题，例如板的平行性、声衰减、损耗增加等。

共振宽度是一个重要的参数，因为它决定了电路的稳定性，后者在温度变化及震动的条件下有可能出现问题。共振宽度Δf为可发生共振的频率偏移(请参见图13)。鉴于电容随温度而改变，如果能将冷吸热器与热吸热器保持在恒定温度下，将会是有益的。否则，电路必须带有频率修正装置。

对于陶瓷滤波器来说，

\frac{Δf}{f}

一般为1-3％，此数值甚至适用于简单的LC电路。如果此值小于1％，则可能需要针对每个堆来单独调谐电路。

至此，我们已经讨论了转换器堆的纯压缩模式，后者可由外部弹簧或端质量加以影响。此模式易于理解与控制，然而据报道的频率显然高于10KHz(请参见图14)。

图14显示不论振动模式的情形如何，低于10KHz的频率必须得到评估。请注意甚至10KHz的频率，相当于PZT转换器堆大约30年的寿命。

对于在很大温度范围中工作的复杂、大功率系统，即W＞1kW，本发明采用一种不同的转换器系统。尽管声共振频率随温度的变化并不显著，但确实存在且会引起偏移。热电物质之相对介电常数ε的变化具有高得多的重要性，该常数可以容易的加倍或减半。因此，必须利用可变电感(带移动铁心的变压器)来相应调整共振电路的电感值L。利用与电容器堆串联或并联的可变电容，亦可调整频率。如果利用可变电感，则转换器堆的声共振ω₀和电容Co均由L=L(x)进行校准，其中x是铁心的位置。频率调整可利用标准的附属跟踪系统来完成，后者包括温度传感器、预编程的放大器和步进电机。图28显示了整个频率调整系统的框图。更为复杂的系统可包括计算机控制的测量系统，后者可在无负载的周期内测量ω₀，并且相应调整可变电感。此系统还可以控制驱动电压、热源(热吸热器温度)等，如此一来，热吸热器或冷吸热器的温度、或频率、或上述各项的组合，均可受到控制。

7．基于PST的装置

钪钽酸铅复合物(PST)开发方面的最新进展，为人们带来了一种热电系数极高的材料(请参阅A.Patel等人所著的“未致冷的热成像阵列用的铁电陶瓷及薄膜”，发表于1994年在美国宾州州立大学召开的第9届IEEE铁电材料应用国际学术报告会文集第647-652页)。由于此材料的特性(p=2.5C/K·cm²)，它无须利用共振堆来克服效率不足的问题。这样一来，转换器的限制性因素就变成金属电极的热导率。假设10KHz的1V驱动电压和一块1厘米见方1毫米厚板，则转换功率约为30W。如果电极长度为1厘米，此系统需要厚度约为1mm的铜或银电极。如图15所示，此例中转换器的设计，与前面公开的堆叠热电物质设计有所不同，因为在此不需要热电物质堆和薄电极。在此实施例中，最好是呈板状的PST材料被安放在U形电极64之间，后者与热吸热器56和冷吸热器58有热接触。电极64呈U形，以利用较大的接触面积来克服接触热阻。在电极64与吸热器56和58之间放有电绝缘层60。在PST材料62与电绝缘层60之间，存在着空隙66，其中包括空气、气体、真空或诸如电介质之类的耐击穿材料，这是因为电极64的厚度可提供充分的机械稳定性。空隙66必须能够承受电极64之间的电压。通过消除从材料62至吸热器56和58的热流，空隙66提高了转换器的效率。对于靠近冷吸热器58的一侧来说，空隙66并非必须。

PST装置的能量汲取电路与图16所示电路相似。然而，应采取措施保护脉冲或正弦波发生器免受热电电压的影响，对此材料来说后者可能高达几千伏。因此，电绝缘层60必须能够承受热电电压。在发生器的输出端避免高电压的方法之一是采用声耦合。在此，发生器被用来驱动压电板(PZT-5A)，后者与PST板之间不通电，但却存在声耦合。PST的声振荡会产生一个在该板上的振荡电压，由此将引起热电作用。图17显示相应的设计。在此实施例中，下列元件依下列顺序成紧密压缩形式安置于U形电极64和压缩构件74之间，它们是：PST材料62、电极68、电绝缘层70、电极68、压电材料72、板状电极68。电极68包括某种实心金属或合金，包括但不限于Ag或Au/Ni，其厚度至少为100微米。

电绝缘层70应能承受约1Kv的高电压和高达180℃的温度。绝大多数厚度至少为100微米的玻璃或陶瓷绝缘层均足够使用。诸如KAPTON或TEFLON之类的塑料亦是合格材料。

电极68是涂覆在压电材料上的标准电极涂层，大约为0.25μNi或Au-Ni。Ag或Ag/Pd合金也颇适用。该压电材料必须能够在高达180℃的温度下工作。绝大多数标准PZT复合物都可使用。图17的设计属于一种牢固的设计，具有很高的机械强度与电强度。此类装置的主要考虑因素之一是所有的空气隙均必须足够宽，以承受大约1Kv的交流电压，即空隙至少要有大约1厘米。此转换器也必须配备外壳，用以防潮，或在其中灌注氟利昂以避免击穿。

前面提到的在电极64和压缩构件74之间的元件，受到压缩系统76的压缩作用，系统76包括但不限于利用螺纹旋入并穿过压缩构件74和电极64的一根螺栓。电极64和68与某汲取电路相连，例如图16所示的电路。电介质层70能够承受来自PST的1Kv范围电压且具有很低的超声衰减，其材料包括但不限于石英或高密度氧化铝。压电板72可用居里点高于PST之居里点(180℃)的任何材料制成。压电板电极68与正弦波或脉冲发生器相连。压缩沟件74最好采用电绝缘材料制成。与电极64栓接的螺栓用绝缘材料制成，例如MACOR^TM，也可用表面绝缘的金属制成。电极兼热导体64由绝缘层60-最好是AlN绝缘材料-断绝与吸热器56和58的电交流。汲取电路与图16所示电路基本相同，只是齐纳二极管(实际上是肖特基二极管堆)现在必须承受千伏范围的电压，且汲取变压器的绕组现在是从高压至低压，而非象前面那样反过来。该振荡电压发生器可由外接电池供电，也可由某个汲取电路供电，而只用外接电池启动。如果某装置的功率在千瓦级的范围内，可通过改变施加于压电材料8的驱动频率，实现启动器的计算机控制和优化转换器的效率。

8．电路

从电容器堆上取出电荷的装置属于对振幅敏感或相位与振幅敏感的装置。

图16显示由热电电容器C与1号绕组所构成的共振电路，该绕组作为电感器与热电物质堆形成一个共振回路。电阻R_r代表着此电路的损耗(导线的电阻)。利用实验方法调整具有电感L的绕组1，以达到此堆在室温下的共振频率。随着堆温的升高，其电容将会偏移，因此将电路调整到特定温度范围，例如300-350K。原则上说，此问题可利用可变变压器(带有移动铁心)来加以解决。绕组2安置于齐纳二极管和整流器的两侧。该齐纳二极管由多个肖特基二极管串联组成。每个二极管(MBR340)具有大约0.3V的压降，其频率上限为100MHz。整流器同样的肖特基二极管构成，经过整流的电流供负载RL使用。绕组3用于启动转换器的工作，此目的可利用带电流放大器(射极跟随器)的函数发生器(Hewlett Packard Model8116A)来实现。此例采用基于NTE-56型晶体管的射极跟随器，但是任何能够用于MHz频率的标准电流放大器均可用于此目的。通过改变齐纳二极管内的二极管数目，可以调整转换器堆的工作电压。

另一个装置包括一个开关电路，后者包括一个电感器，该电感器与一个电容器和一个变压器一起构成一共振回路，该变压器具有第一、第二、第三三个绕组，第一绕组与齐纳二极管相连且与该共振回路并联，第二绕组与全波整流器相连，第三绕组接在一台发生器上。

共振频率由转换器堆的声共振确定，并且与诸如厚度、材料、压缩程度、温度、摩擦之类的参数相关。外部电路的共振频率T₀服从下式：

ω_{0} = \frac{1}{2 π \sqrt{LC}} - - - (11)

如果将一堆1厘米长70微米厚PZT-5A板并联在一起，其电容等于3μF，由方程11得出L等于9.4×10^-8H。此电感可利用直径约两毫米的五匝空气芯线圈得到。在共振条件下，电抗性阻抗已全部得到补偿，所剩的只有欧姆性电阻。正弦波交流电的电阻损耗差不多为0.5×V₀ ²×R_r。在10V电压下，这相当于50R_r瓦。根据方程(6)，此转换器堆在200K的温度梯度下可产生0.1W的功率。因此，导线电阻必须小于2×10^-8欧姆。如果采用3mm²直径铜线且绕组加接头的长度为10厘米，则电阻约为0.5×10^-4欧姆，电阻损耗为转换器输出的25％。电容板上的电极将造成约60％的进一步电阻损耗，从而将总体效率限制在可能输出的15％左右。转换器堆本身尚有5％左右的损耗，这样就只剩下0.1W的10％。电极厚度厚好比所用的再厚一些，因为绝大部分热流在流过途中得不到转换，这就进一步降低了转换器的效率。

对于PZT-5A材料来说，解决办法在于采用厚度约为0.5至1.0微米的镍电极，但在两侧均不允许此金属与吸热器接触，如此可限制经过热电材料堆的热流强度。具有高热电系数(p＞＞10^-2-10^-3C/Km²)的材料不存在此问题，因为输出功率足以补偿所有电阻损耗。

该齐纳二极管具有10V的阈值电压，而整流器内的二极管亦有0.5V的压降。如果利用脉冲发生器在绕组3上以相同的共振频率施加振幅为10V的驱动电压，则在回路中将发生共振。但是，由于绕组2的阻抗接近无限大，在其中将不会有任何动静。随着发生器脉冲振幅的提高，将会出现图4所示情况。当脉冲振幅达到阈值电压时，齐纳二极管开始导通，直流电流将流经负载R_L。此时可将发生器关闭，因为电路中的损耗将由热电作用自动补偿。

在高频率(ω₀＞1MHz)和大转换器堆电容(Co＞1μF)的情况下，构成共振电路所需的变压器电感将不到1微享。如果变压器是带螺线绕组的常规型变压器，则由于无法利用铁心将磁流线保持在变压器内，而很难达到高效率。在此情况下，最好采用图19所示的电路。此电路没有汲取绕组2，但工作方式与图16所示电路相同，其差别在于此处的限制因素是二极管的工作频率。肖特基二极管的工作频率可高达100MHz。齐纳二极管可利用多个肖特基二极管串联而成，假设每二极管的压降0.3-0.7V，则Vz=10V需30个二极管。

图18所示电路的设计假设，在于电压的热电分量大到足以直接使用，即对于PZST材料来说比驱动电压大两倍，或者有若干伏的电压。如果此假设不成立，例如采用PZT-5A材料时，则此电路必须再配备一个高频变压器。然而，与T₁不同，此变压器不必是低电感变压器，可以有很高的效率(请参见图19)。对于PZT-5A材料来说，T₂的绕组匝数比必须为10²-10³。

图19所示为一个等效电容为4微法的共振转换器堆。该齐纳二极管由20个肖特基二极管(Motorola MBR340)串联而成，其电压变化速度为10000V/微秒。图20示出此堆之重新计算的电阻与电压相关性R_z=R_z(V)(欧姆对Vz)。在5V处的电阻实际上是无限大，而在10V时电阻为零。高频(标称1MHz)功率变压器T₂初级绕组的电阻为R_o=10欧姆。该整流器桥的最大工作频率为40MHz，负载电阻为10欧姆。变压器T₁的低电阻绕组1与转换器堆C构成共振回路，该转换器堆的共振频率为500KHz。共振由与函数发生器相连的绕组3发动。当共振电压V_o低于5V时，由于齐纳二极管z的阻挡，变压器T₂中将没有电流流过。当电流开始流动时，它将流经电阻R_o+R_z，所汲取的功率将为：

W = \frac{{(V_{o} \sin (ωt) - V_{z})}^{2}}{R_{o} + R_{z}}

。将此方程式对时间积分，可得到在V_o=10V时的平均汲取功率为0.05W。利用部件指标可估算出此电路的损耗为8％，并且可通过采用效率更高的变压器T₂而进一步降低。假设热电功率增益为0.8W，转换器堆之内部损耗约为0.1W，是可以设计出具有合理效率的汲取电路的。

图18和19所示电路可以与图16所示电路相同的原理组装。该齐纳二极管和整流器不仅可用MBR340型肖特基二极管构成，亦可用任何其他市售二极管构成，只要后者能够在所需的电压下以低损耗用于高频且电流可达至少1000A的场合。例如，100个二极管可承受10Kv电压。

该开关电路可具有多种形式，可包括由热电电容器和电感L构成的共振回路，后者由脉冲或正弦波发生器驱动。如果该发生器具有高输出阻抗(1＞1kΩ)，也许可将它直接连在该共振回路的两侧。在一个实施例中，电感L是某高频变压器(至少可用于电容器的共振频率)的第一绕组，第二绕组与发生器相连。另一个实施例包括由热电电容器和电感L构成的共振回路，其中该回路由一脉冲或正弦波发生器驱动，电感L是某高频变压器(至少可用于电容器的共振频率)的第一绕组，第二绕组与发生器相连，并且该回路与一汲取电路并联，该汲取电路包括一个齐纳二极管和某高频变压器(至少可用于电容器的共振频率)的第一绕组，该变压器的第二绕组通过整流器与有用负载相连。该有用负载的一部分可用于为发生器供电。此外，该发生器可由一带有定时器的启动电池供电，且该定时器是有用负载的一部分。

在颁发给John S.Strachan和Harold Aspden两个的标题为《热电能量转换》的美国专利第5,288,336号中，描述了一个包括可控硅电流中断器的更为复杂的电路。从理论上说，利用可控硅中断器可设计出无须启动电池的电路，在此由于热电电压的积累，初始温度变化将提供中断器工作所需的电压。

9．应用

鉴于能量转换是现代文明的基础，高效率能量转换器可以有数不清的应用：现有公用事业发电厂、太阳能发电厂、住宅供电、住宅与太阳能供电、汽车、船只、太阳能与船用、环境用热泵、致冷(冷却、空调等)、航空航天。

发电厂有着数量巨大的潜能为300℃或更低的废热。倘若能以30-50％的卡诺效率转换这些废热，则可将发电厂的总体效率提高15-25％，从而节约相应数目的燃料。

低成本转换器的大量推广，将可减低太阳能聚能器发电厂的资本投入，同时实现比现有蒸汽发电循环更高的效率。较低的工作温度也将减少维护费用。

基于直接热电能量转换的住宅电源，对于铺设输电线困难或不便的边远地区来说，实属理想选择。此类电源的热源可以是化石燃料或太阳能聚能器。太阳能聚能器可以是用太阳能加热的水池，以利用日夜温差。具有一百平方米表面和遮盖的几百立方米的水，在温度差为10℃的区域，可供应一栋住宅所需的电能。

利用热电转换器与带动发电机之常规发动机的组合及电动机，将可以显著单位耗油量所行的路径。

直接能量转换在电动汽车上有着巨大的应用潜力。目前有三种主要的可能方式。一种方式涉及到采用工作温度可达150至300℃的廉价材料作为总体效率提升手段。电动车具有一台常规发动机带动一台发电机，同时用一个转换器阵列作为中间散热器。

另一个方法是采用工作温度约为1000℃的高温转换器。此类汽车将具有较少的移动部件，更高的燃烧温度，以及较干净的废气。目前，高效率燃烧室的热效率约为90-95％，远高于内部燃烧效率。对于装备了约50％卡诺效率转换器的燃烧发动机来说，与具有相似特征的现有汽车相比，耗油量的降低可达二分之一或三分之二。

在汽车上的应用也适用于船只。此外，太阳能聚能器可被用于风帆。将质量轻、成本低的塑料制菲涅耳透镜与热电转换器的组合装在现代硬式风帆上，就可利用风能和电能来驱动船只，并且其太阳能部分可达约100-200W/m²。

鉴于此类转换器可以自行维持的方式利用极小的温度梯度，人们可通过在表面的非对称热交换(例如对一个吸热器进行保温处理)而建立一个温度梯度。此外，此系统在发生故障前将一直运转，可以冷却环境和生产电能。其功率密度将会很低，因为可建立的温度梯度只可能有几度而已。但是，其能量消耗从通常的意义上说是零。此装置必须配备其他某些功能，例如固定的电负载，以避免打断其工作，这将进一步降低其有效功率密度。尽管如此，其潜在的效益远远超出人们所面临的技术难关。

概括起来说，本文所公开的方法和装置，是对现有热电能量转换技艺的一项显著改进。

本发明可以用其他特定形式或方式实施或采用而不偏离其精神或基本特征。从各种意义上来说，在此描述的实施例和方法仅为展示而非限制。本发明范畴由所附的权利要求而非之前的描述来指明。所有在权利要求之等同的意义与范围之内的变化均应包括在权利要求的范畴之内。

Claims

1．一种能量转换装置，包括：

由压热电材料构成的一块或多块板；

与所述一块或多块板交叠在一起构成一个电容器的导热电极；

与所述电极有热交流的热吸热器和冷吸热器；

将所述一块或多块板固定在一起的装置；

与所述电容器耦合以向其施加电压与共振频率的装置；以及

与所述电容器耦合以从其上取出由压热电效应生成之电荷的装置。

2．由权利要求1所定义的一种装置，进一步包括安置于所述一块或多块板与所述电极之间的扩散隔离层。

3．由权利要求1所定义的一种装置，进一步包括安置于该电容器与该吸热器之间的电绝缘层。

4．由权利要求1所定义的一种装置，进一步包括向所述一块或多块板施加某种压缩力的装置。

5．由权利要求4所定义的一种装置，其中压缩装置包括在所述一块或多块板内部的一个压缩框。

6．由权利要求4所定义的一种装置，其中压缩装置包括在所述一块或多块板外部的一个压缩框。

7．由权利要求1所定义的一种装置，其中所述施加电压与共振频率ω₀的装置包括一台函数发生器，并且共振电压服从方程式：V(t)=V₀sin(ωt)，并且所述共振频率ω₀由电容器之内部声共振控制且与该共振电路的关系服从方程式：

ω_{0} = \frac{1}{2 π \sqrt{LC}}

，其中L是电路电感、C是电容器的电容。

8．由权利要求1所定义的一种装置，进一步包括频率调整装置，以根据声共振频率的变化调整共振频率。

9．由权利要求1所定义的一种装置，进一步包括控制热吸热器或冷吸热器温度或其组合的装置。

10．由权利要求1所定义的一种装置，进一步包括控制热吸热器温度和共振电路频率的装置。

11．由权利要求1所定义的一种装置，其中当所述电压被施加后所述热吸热器和冷吸热器之间有一温度差。

12．由权利要求1所定义的一种装置，其中当所述电压被施加后所述热吸热器和冷吸热器之间温度相等。

13．由权利要求1所定义的一种装置，进一步包括与所述电极相邻的电绝缘层，所述热吸热器和冷吸热器与所述电绝缘层发生热交流，并且所述电绝缘层被安置于所述热吸热器和冷吸热器与所述电极之间。

14．由权利要求1所定义的一种装置，进一步包括一种与所述一块或多块板相比热导率较低的材料，所述材料被安置于所述一块或多块板与所述热吸热器之间。

15．一种转换能量的方法，包括如下步骤：

a)将一块或多块用压热电材料构成的板固定在一起，其上带有与所述一块或多块板交叠在一起的导电、导热电极以形成一个电容器，并且所述电极与热吸热器和冷吸热器发生热交流；

b)在所述电容器上施加电压和共振频率；以及

c)从所述电容器上取出由压热电效应生成的电荷。

16．由权利要求17所定义的一种方法，进一步包括向所述一块或多块板施加压缩力的步骤。

17．由权利要求17所定义的一种方法，其中当所述电压被施加后所述热吸热器和冷吸热器之间有一温度差。

18．由权利要求17所定义的一种方法，其中所述当所述电压被施加后所述热吸热器和冷吸热器之间温度相等。