CN1849714A

CN1849714A - 高功率密度热电系统

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Publication number: CN1849714A
Application number: CNA2004800263586A
Authority: CN
Inventors: L·E·贝尔
Original assignee: BSST LLC
Current assignee: BSST LLC
Priority date: 2003-08-18
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2024-08-17
Also published as: WO2005020340A2; JP2007503121A; US20040076214A1; US7587902B2; US6959555B2; CN100456507C; JP4994034B2; WO2005020340A3; US20050263177A1; US8079223B2; US20100031988A1; EP1665402A2; EP1665402B1

Abstract

本发明描述了利用热隔离优点的多个紧凑、高效和高功率密度的热电系统。这些结构呈现高系统效率和高功率密度。某些结构极大地减少了所需的热电材料数量。

Description

高功率密度热电系统

继续申请信息

[001]这个申请是2002年8月23日提交的10/227398号美国专利申请和2003年3月31日提交的10/405001号美国专利申请的部分延续，10/405001号美国专利申请是2001年4月27日提交的6539725号美国专利的延续，该专利和2001年2月9日提交的60/267657号美国临时专利申请相关，并且要求其优先权。

技术领域

[002]本公开涉及固态冷却、加热和发电系统的改进结构。

背景技术

[003]热电器件(TEs)利用某些材料的特性，在存在电流时产生贯穿材料的温度梯度。传统的热电器件利用P型和N型半导体作为器件内的热电材料。它们被物理地和电学地配置的方式使得能够获得所希望的加热或冷却功能。

[004]图1A示例说明了当今在热电器件中使用的最普通的结构。通常，P型和N型热电元件102排列在两个基片104之间的矩形组合件100中。电流I穿过两种类型元件。这些元件通过附在元件102末端的铜分流器106串联连接。当施加DC电压108时，其产生贯穿热电元件的温度梯度。热电器件一般被用于冷却液体、气体和固体物体。

[005]自从20世纪60年代以来，固态冷却、加热和发电(SSCHP)系统已经被用于军事和航空航天装置、温度控制和发电应用。商业应用已经被限制，因为这种系统对于所执行的功能来说成本太高，而且功率密度低，所以SSCHP系统比已经可商业接受的系统更大、更昂贵、更笨重并且效率低。

[006]最近的材料改进有希望提高效率和提供高达现有系统的100倍的功率密度。但是，热电(TE)器件使用已经被低效率、低功率密度和高费用所限制。

[007]从热电设计指南(Melcor公司“Thermoelectric Handbook”，1995，pp16-17)可知的是，在当今的热电材料中，由ZT＝0.9的组件(module)在最高效率产生的冷却功率是最大冷却功率的约22％。因此。为了达到最高的可能效率，与在最大冷却的操作所需的数量相比，需要数个热电组件(TE modules)。结果，高效工作的热电组件的成本明显更高，并且结果系统实质更大。

[008]从文献(例如见Goldsmid，H.J.“Electronic Refrigeration”1986，p.9)可知的是，最大的热冷却功率能够写成：

(1) - - - q_{COPT} = I_{OPT} α_{C} - \frac{1}{2} I_{OPT}^{2} R - KΔT

其中q_COPT是最佳的冷却热功率，

I_OPT是最佳的电流，

α是塞贝克系数，

R是系统电阻，

K是系统导热性，

ΔT是热侧和冷侧温度之间的差，

Tc是冷侧温度。

此外，从Goldsmid的文献可知，

(2) - - - I_{OPT} = \frac{α}{R} \frac{1}{(\sqrt{{ZT}_{AVE} - 1})} = \frac{α}{R (M - 1)}

其中Z是材料的热电质量因数或优值，

T_AVE是热侧和冷侧温度的平均值，

M = \sqrt{{ZT}_{AVE} + 1}

将方程(2)代入(1)中产生：

(3) - - - q_{OPT} = [\frac{{ZT}_{C}}{(M - 1)} (\frac{ΔT}{T_{C}} - \frac{1}{2 (M - 1)} - ΔT)] K

[009]方程(3)右边括号内的项和热电系统的尺寸(或尺度)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的几何形状，K可以写成：

(4) - - - K = \frac{{λA}_{C}}{L_{C}}

其中λ是N&P材料的平均热导率，

A_C是元件的面积，

L是每个元件的长度。

[010]由于α是固有的材料特性，只要比例L_C/A_C是固定的，最优的热功率q_OPT就是相同的。对于电流等于I_OPT，电阻是：

(5) - - - R_{C} = R_{OC} + R_{PC} = \frac{ρ_{TE} L_{C}}{A_{C}} + R_{PC}

其中ρ_TE是热电元件固有的平均电阻率，

R_OC是热电材料电阻，

R_PC是寄生电阻。

[011]现在，假设R_P是0，那么R是常数。如果L_C/A_C是固定不变的，I_OPT就是常数。仅当比例L_C/A_C改变时，K就改变，因此q_COPT和R_OC改变，因此I_OPT改变。

[012]通常，对于相同的冷却输出，使器件更小是有利的。在热电系统中的一个重要限制是，例如对于固定的A_C，长度L_C变短，寄生电阻性损耗和热电材料损耗之比φ_C变得较大。

(6) - - - φ_{C} = \frac{R_{PC}}{R_{OC}}

[013]这可通过参考图1C看出，该图显示了典型的热电偶。当出现几个寄生损耗时，最大的良好设计的TE之一是来自分流器106的那个。每个热电元件102的分流器106的电阻近似是：

(7) - - - R_{PC} \approx (\frac{B_{C} + G_{C}}{W_{C} T_{C}}) P_{SC}

其中G_C是热电元件之间的间距。

B_C是热电元件和分流器幅度。

W_C是热电元件和分流器宽度。

T_C是分流器厚度。

P_SC是分流器电阻率。

[014]对于图1的几何形状，热电元件的电阻是：

(8) - - - R_{OC} = \frac{P_{TE} L_{C}}{B_{C} W_{C}}

其中L_C是热电元件长度。

因此，将方程(7)和(8)代入(6)中，得到：

(9) - - - φ_{C} \approx B_{C} (\frac{B_{C} + G_{C}}{T_{C} L_{C}}) \frac{P_{SC}}{P_{TE}}

发明内容

[015]题为“Improved Efficiency Thermoelectrics Utilizing ThermalIsolation”的美国6539735[Lyl]号专利描述的几何结构的效率提高为许多重要应用产生额外的50％到100％的效率提高。结合正在进行的材料改进，在不久的将来可能获得4倍或更多的系统效率提高。这些实质改进的前景已经导致人们重新开发SSCHP系统用于新应用的技术兴趣和努力。

[016]总而言之，这个公开描述了一族新的SSCHP结构。这些结构实现了紧凑、高效的能量转换，并且成本较低。一般地，公开了几个实施例，其中热电(TE)元件或组件(在这个文本里总称为元件)被夹在热交换器之间。热电元件被有利地定向，使得对于夹住热交换器的任何两个元件，相同的温度类型侧面对该热交换器。例如，夹住热交换器的每个热电元件的较冷侧面对同一热交换器或分流器，因此彼此面对。在一组结构中，至少一个工作介质被至少两个热交换器顺序穿过，所以提供的冷却或加热附加在该工作介质上。这个结构具有增加的好处，它利用了可制造系统中的热隔离的优点，这些系统呈现了如上面的参考文献中记载的高系统效率和功率密度，如在6539725号美国专利中描述的。如在这个专利中解释的，通常热电器件通过将热电元件的整个组合件再分成热隔离的子部件或部分来实现增加的或提高的效率。例如，热交换器可被细分，从而在工作介质流动的方向提供热隔离。例如，热电系统具有多个热电元件，它们形成具有冷却侧和加热侧的热电阵列，其中该多个热电元件在贯穿所述阵列的至少一个方向上是彼此基本隔离的。优选地，热隔离是在工作介质流动的方向。这个热隔离可通过这样来提供：在子部件中配置热交换器，使得该热交换器具有在工作流体流动的方向被热隔离的部分。

[017]在本公开内容中，为工作流体顺序使用同样温度类型的热交换器在其自身中提供了一种热隔离。此外，热交换器或热电元件或热电组件或任何组合可被配置，以在工作流体流动方向提供热隔离，该热隔离超过了通过具有一系列热交换器所提供的热隔离，所述热交换器被至少一个工作流体顺序穿过。

[018]所公开的用于冷却和/或加热应用的原理同样适用于发电应用，而且可以以任意方式组合来产生用于发电的组合件的任何结构、设计细节和类似零件也是适用的。可以以使给定应用的效率最大的方式来调整系统，但是应用的是一般的原理。

[019]在这个申请中描述的实施例减少了SSCHP器件的结构复杂性和费用，但是仍然保持或提高了来自热隔离的效率提高或增加。

[020]还公开了几个实施例，其通过使用较少的热电材料减少了费用，并且促进操作更接近峰值效率。许多实施例实现了极大减少寄生损耗(见图12-31)。

[021]结合附图更详细描述了本发明的这些和其他方面及实施例。

[022]所公开实施例的一个方面包括一种热电系统，其具有多个N型热电元件和多个P型热电元件。优选地，提供多个第一分流器和多个第二分流器。至少某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，并且至少某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，从而形成一热电元件叠层，具有交替的第一和第二分流器，其中至少某些第一分流器和至少某些第二分流器在不同的方向从所述叠层突出出来。

[023]优选地，热电元件被构造得非常薄，比如对于超晶格和异质结构热电设计，厚度为5微米到1.2毫米，20微米到200微米，并且在另一实施例中，厚度为100到600微米。这些设计显著减少了热电材料的用量。

[024]在一个实施例中，所述热电系统进一步包括一个电耦合到所述叠层的电流源，驱动电流横穿过串联的传热装置和热电元件。在另一实施例中，所述传热装置将至少某些P型热电元件与至少某些N型热电元件热隔离。

[025]在一个实施例中，所述传热装置接受工作流体在限定的方向流过它们。优选地，所述传热装置是热交换器，并且可具有其内包括一个或多个热交换器元件的外壳。

[026]在另一实施例中，至少某些第一分流器是由第一电极部分构成的，其和第二分流器部分电绝缘(或电隔离)并且热耦合到第二分流器部分。

[027]本公开的这些和其他方面从以下更详细的描述变得更加清楚。

附图说明

[028]图1A-1B显示了传统的热电组件。

[029]图1C显示了传统的热电偶。

[030]图2显示了SSCHP系统的一般结构，显示了其工作介质的热隔离和逆流运动。

[031]图3显示了当工作介质通过所述系统时，发生在介质中的温度变化。

[032]图4A-4B显示了具有三个热电组件、四个散热片热交换器和液体工作介质的系统。

[033]图5A-5B显示了一个系统，其具有两个热电组件、实现与单个热交换器一定程度的热隔离的分块热交换器、和液体介质的逆流。

[034]图6显示了具有两个热电组件和控制流体流动的有导流罩的风扇的气态介质系统。

[035]图7A-7D显示了具有进一步增强性能的逆流的固体介质系统。热电(TE)元件利用高长厚比来实现增加的热隔离。

[036]图8显示的系统的热电元件被排列成可以使电流直接穿过阵列，并且因此降低了费用、重量和减小了尺寸而提供了提高的性能。

[037]图9显示的系统简单且成本低，其具有热电元件、导热管和热交换器。热侧和冷侧被通过导热管的传热隔开。

[038]图10显示了一个流体系统，其中流体被抽吸通过热交换器和热电组件阵列，从而在一端达到低温，以从气体将水汽冷凝出来或从液体或气体冷凝出沉淀物。所述系统具有分流工作流体流动的装置或构造，以通过降低穿过阵列部分的温差来提高效率。

[039]图11显示了一个阵列，其中工作流体在不同位置进入和排出，并且其中系统的一部分以逆流模式工作，一部分以平行流模式工作。

[040]图12显示了一个叠层热电系统，其具有减少的寄生电阻。

[041]图13A显示了叠层系统的优选实施例中的热电元件和热交换构件的细节。

[042]图13B显示了由图13A所示的元件构成的叠层系统的一部分。

[043]图14显示了另一热电元件和热交换器结构。

[044]图15显示了又一热电元件和热交换器结构。

[045]图16显示了一种叠层结构，其具有电并联的两竖直列的热电元件。

[046]图17显示了一个冷却/加热组合件，其具有两行电并联的热电元件。

[047]图18显示了具有电并联的两个热电元件的另一种结构。

[048]图19显示了一种热交换器元件，其一部分和另一部分电绝缘。

[049]图20显示了一部分和另一部分电绝缘的热交换器元件的另一种结构。

[050]图21显示了一部分和另一部分电绝缘的热交换器元件的又一种结构。

[051]图22显示了配置在一个电绝缘和热隔离部分的阵列中的热交换器块。

[052]图23显示了根据图22的概念构造的冷却器和加热器。

[053]图24A显示了一热交换块，其中热电元件在流体流动的方向对齐。

[054]图24B显示了图24A的多个热交换块，其被构造成隔离的元件热交换器阵列，在其中电流一般平行于工作介质流。

[055]图25A显示了块的一种设计，其被构造成隔离的元件热交换器阵列，在其中电流一般垂直于电流的方向流动。

[056]图25B是图25A中组合件的俯视图。

[057]图26A显示了一热电热交换器组件，其具有减少的寄生电阻，并且在相对高的电压工作。

[058]图26B是使用图26A的热电组件的热交换器阵列的俯视图。

[059]图27显示了隔离的元件和叠层结构，其向运动的固体构件进行传热。

[060]图28显示了隔离的元件层阵列，其具有在液体和气体之间的传热。

[061]图29显示了具有低寄生电阻的热交换器组件，其在图28的叠层阵列中使用。

[062]图30显示了隔离的元件热交换器块，其具有固体散热器和运动的气态工作流体。

[063]图31A显示了一热交换器元件，其中热电元件一般在中央，以使来自该元件的传热成为大约双倍的。

[064]图31B显示了一般用于液体的另一传热元件，其中热电元件一般在中央。

[065]图31C显示了又一热交换器，其中热电元件一般在中央。

具体实施方式

[066]在本说明书的上下文中，术语热电组件和TE组件是使用它们普通和通常含义的广义，其含义是(1)传统的热电组件，比如那些由California，San Diego的Hi Z Technologies Inc.公司生产的热电组件，(2)量子隧道转换器，(3)热离子组件，(4)磁致热的组件，(5)利用热电、磁致热、量子、隧道和热离子效应中的一种或者任意组合的元件，(6)上面(1)到(6)的任意组合、阵列、组合件和其他结构。术语热电元件更具体地表示使用热电、热离子、量子、隧道效应和这些效应的任意组合工作的单个元件。

[067]在以下的描述中，热电或SSCHP系统是通过例子描述的。但是意图是这种技术和描述包含所有的SSCHP系统。

[068]据此，通过在用于描述和说明目的的特殊实施例中使用例子来介绍本发明。以下描述的各种例子示例说明了各种结构，并且可用于实现所希望的改进。根据本描述，特殊的实施例和例子仅仅是示例说明，而不打算在任何方面限制给出的本发明。此外，应该理解的是术语冷却侧、加热侧、冷侧、热侧、较冷侧、较热侧等等不表示任何特定的温度，而是相对的术语。例如，热电元件或阵列或组件的“热”侧可以是处于周围温度，而“冷”侧是处于比周围环境更冷的温度。相反也是正确的。因此，术语是彼此相对的，以表示热电的一侧的温度比相反指定的温度侧高或低。

[069]图2示例说明了热电阵列200的有利排列的第一个概括实施例。阵列200具有多个热电组件201、211、212、213、218，它们与多个第一侧热交换器202、203、205和多个第二侧热交换器206、207、209进行良好的传热。第一侧热交换器和第二侧热交换器的指定不暗示或表示热交换器在整个SSCHP系统的一侧或另一侧，而是仅仅表示它们与热电组件的较冷侧或较热侧进行热交换。这从图中可以明显的看出，其中热交换器实际被夹在热电组件之间。在这个意义上，它们与热电组件的第一侧或第二侧进行热交换。第一热电组件201的较冷侧和第一侧热交换器205热接触，而热电组件201的热侧和入口第二侧热交换器206热接触。第二工作介质215比如流体在图2的右上角通过入口第二侧热交换器206进入阵列200，而且在靠近左下角处从最后的或出口第二侧热交换器209排出。第一工作介质216在左上角通过入口第一侧热交换器202进入，并且在靠近右下角处从最后的或出口第一侧热交换器205排出。连接到电源(没有示出)的电线210(并且类似地对于其他热电组件)连接到每个热电组件201。第一管道208，在图2中表示成线条，其输送第二工作介质215，而第二管道204输送第一工作介质216顺序地通过各种热交换器202、203、205、206、207和209，如所描述的。

[070]在工作时，当第二工作介质215向下通过入口第二侧热交换器206时，它从热电组件201吸收热量。第二工作介质215穿过管道208，向上进入和穿过第二侧热交换器207。热电组件211和212的较热侧与热交换器207进行良好的热交换，热电组件211和212被配置成使得它们各自的较热侧面向彼此，以夹住第二侧热交换器207。当第二侧工作介质215穿过第二侧热交换器207时，它进一步被加热。第二侧工作介质215然后穿过第二侧热交换器209，在此热电组件213和218的较热侧把第二侧热交换器209夹在中间，并且将热量传给第二侧热交换器209，进一步加热第二侧工作介质215。从热交换器209，第二工作介质215从出口或最后的第二侧热交换器209排出阵列200。

[071]类似地，第一工作介质216在图2的左上角进入入口的第一侧热交换器202。这个热交换器202与热电组件218的较冷侧进行良好的热交换。当第一工作介质216穿过入口第一侧热交换器202，穿过另一个第一侧热交换器203，最后穿过出口第一侧热交换器205时，它被冷却，在第一侧热交换器205处它作为较冷的工作介质217排出。

[072]热电冷却和加热是由通过电线210进入热电组件218、并且类似地进入所有其他热电组件的电能提供的。

[073]因此，总而言之，工作介质在阵列的左手侧被放置成与热电组件的冷侧处于良好的热接触，所以从介质吸取热量。所述介质然后接触第二和第三热电组件，在此吸取额外的热量，进一步冷却所述介质。随着所述介质通过所需的级数前进到右边，渐进的冷却过程得以继续。所述介质在被冷却适当的量之后在右边排出。同时，第二介质在极右侧进入所述系统，并且当它穿过第一级时被逐渐加热。它然后进入下一级，在此它被进一步加热，诸如此类。在一级的热量输入是从邻接的热电组件的冷侧和这些组件中的电源吸取的热量合量。当热侧介质在一般地从右到左方向运动时，它被逐渐加热。

[074]除了上面描述的几何形状之外，如果两种介质都在同一温度进入并且逐渐变得更热和更冷，所述系统就提供益处。类似地，介质能够在阵列内的任何位置被从冷侧或热侧移开，或者加入到冷侧或热侧。阵列可以是任何有用数量的块，比如5、7、35、64和更多数量的块。

[075]也能够通过颠倒这个过程来运转所述系统，热介质和冷介质与热电组件接触，并且热介质和冷介质从相对端运动(如图2所示，但是热介质作为介质216进入，冷介质作为介质215进入)。这样引入的贯穿热电组件的温度梯度产生电流和电压，因此将热能转换成电能。所有这些工作模式和以下在文本中描述的是本发明的一部分。

[076]如图2所示例说明的，将热交换器分隔成一系列的级就在工作介质的流动方向提供了热电组件之间的热隔离。2001年4月27日提交的题为Improved Efficiency Thermoelectrics Utilizing Thermal Isolation的美国专利6539725号详细描述了热隔离原理，其在整个本说明书中通过各种容易制造的特殊且实际的例子进行展示。这个专利申请因此通过引用整个并入。

[077]如在美国专利6539725号中描述的，如在图2中显示的逆流(counter flow)结构中的介质的逐渐加热和冷却能够产生比同样条件下没有热隔离优点的单个热电组件更高的热力学效率。图2所示的结构因此介绍了一种SSCHP系统200，其通过在紧凑的、可容易地生产的设计中的夹在热电组件之间的热交换器块或级获得热隔离。

[078]除了上面提到的特征，热电组件本身可被构造成可以在介质流动的方向提供热隔离，并且每个热交换器或某些热交换器可被配置，以在整个结构的个体热交换器中提供热隔离，如将在图5或其他适当结构中进一步描述的。通常，热交换器可在流动方向被分块，以沿着单个热电组件流比如热电组件218和入口热交换器202提供改进的热隔离。

[079]图3显示了和图2相同的一般设计的阵列300，其由多个热电组件301和相连的较冷侧热交换器302、305和307组成，所以第一工作介质315顺序或连续通过所示的热交换器到热交换器路径。类似地，多个热侧热交换器309、311和313以连续的或分级的方式在箭头所示的方向传输较热侧工作介质317。热电组件301如图2的显示那样被排列和供电。

[080]图3的下半部显示了较冷侧工作介质的冷侧温度或温度变化303、304、306、308和较热侧工作介质的热侧温度310、312和314。

[081]较冷侧工作介质315进入并穿过入口较冷侧热交换器302。在穿过入口较冷侧热交换器302时，所述工作介质的温度下降303由冷侧温度曲线T_C中的下降303表示。当较冷侧工作介质315穿过下一级较冷侧热交换器305时，它被进一步冷却，如温度下降304所表示的，并且当它再次穿过第三个较冷侧热交换器307时伴随温度下降306。较冷侧工作介质315在温度308作为较冷的流体316排出。类似地，较热侧工作介质317进入第一或入口较热侧热交换器309，并且在第一温度310排出，如图3中的较热侧温度曲线T_H所表示的。较热侧工作介质逐级前进通过阵列300，如图2所表示的，逐渐变得更热，在通过出口较热侧热交换器313之后，最后作为较热的工作流体在318和较热的温度314排出。容易看出，通过增加级(也就是热电组件和热交换器)的数量，可以增加冷却和加热功率量，每个热交换器产生的温度变化可以减少，和/或通过阵列的介质量增加。如在美国6539725号专利中讲述的，有更多的级，效率也能够提高，虽然是以减小的速度。

[082]上面引用的实验和描述显示图2和3的结构可实现的热隔离与渐进或逐步加热和冷却能够导致显著增加效率，因此是重要的。这种系统在实验室测试中已经实现了超过100％的效率增加。

[083]图4A显示了具有如在图2和3显示的那样配置的三个热电组件402、四个热交换器403和两个管道405的阵列400。较冷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排出。图4B是热交换器403的一个实施例的更详细视图。它被显示为适合流体介质的类型。热交换器组合件403由具有入口410和出口411的外壳412、热交换器散热片414和流体分配歧管413组成。阵列400的运转实质与图2和3中显示的相同。热电组件402的数量在图4中是三个，但是可以是任何数量。有利地，外壳412是导热的，由合适的材料制造，比如防侵蚀的铜或铝。在一个实施例中，热交换器散热片414有利地是焊接或钎焊到(braised)外壳412的折叠铜或铝，从而实现穿过交接面到热电组件的良好导热性。散热片414可以是任何的形式，但优选是很适合实现系统所需的传热性能的设计。详细的设计指南可在W.M.Kays和A.L.London所著的“Compact Heat Exchangers”第三版中找到。或者，可以使用任何其他合适的热交换器，比如多孔散热片式、平行板式、百叶散热片式、线网式等等热交换器。这些结构是本领域公知的，而且可用于图2到11中的任何结构中。

[084]图5A显示了图4的一种替代结构，其用于管道连接，以提供从热交换器级到热交换器的流动。阵列500具有第一和第二热电组件501和510，三个热交换器502、503和506，以及管道504。当然，和前面的实施例和结构一样，不限于特定数量的两个第一侧热交换器502、503和一个第二侧热交换器506，可以提供其他数量。

[085]图5B示例说明了热交换器502、503、506的优选实施例的放大视图。如图5B所示的这个热交换器结构适合其他实施例，并且可用于图2到8和图11中的任何结构。这种结构的一个或多个热交换器的这个有利实施例具有外壳516，其内具有由间隙513隔开的分块的热交换器散热片511。工作流体介质通过入口505进入并通过出口508排出。作为间隙的替代，热交换器可被制造成各向异性的，以便它对于一部分是导热的，对另一部分是不导热的，而不是在热交换器散热片之间具有实际的物理间隙。要点是在流动方向在一个体热交换器块和另一个体热交换器块的级之间获得热隔离。这是除了通过具有图2-5显示的实施例中的热交换器级所提供的热隔离之外，所提供的热隔离。

[086]有利地，例如要被加热的第一工作流体507进入入口505，并且向下通过与第一热电组件501进行热交换的入口或第一热交换器502。工作流体507在底部排出，并且通过管道504被传给后续的热交换器503，在此它再次向下穿过第二热电组件510，并且作为较热的工作流体508排出。优选地，第二工作流体517从图5A的底部通过入口518进入，并且向上通过第三热交换器506，热交换器506穿过热电组件501和510的较冷侧(在当前的例子中)。热交换器506与热电组件501和510的较冷侧可以进行良好的热交换。通过这种布置，工作流体507和517形成了逆流(counter flow)系统，和上面引用的美国6539725号专利的原理一致。

[0087]优选地，图5B详细示出的热交换器502、503和506被构造成从热电组件501、510的表面，穿过外壳516并且到热交换器散热片511(被图示为四个隔离的块)具有高导热性。但是，理想的是在流动方向具有低导热性，从而每个热交换器块和其他块都热隔离。如果隔离是显著的，并且热电组件501和510在它们的竖直方向(工作流体流动的方向)不表现高内部导热性，阵列500就受益于热隔离，并且在更高的效率工作。其实，阵列500能够作出反应，就好像它是由更多热电组件和更多热交换器构成的阵列一样。

[088]图6显示了又一加热器/冷却器系统600，其被设计成和工作气体一起有利地工作。加热器/冷却器600具有热电组件601、602，它们与第一侧热交换器603、605和第二侧热交换器604进行良好的热交换。第一工作流体，比如空气或其他气体606包含在通道607、608和610中，并且第二工作流体616由通道613、615包含。风扇或泵609、614安装在通道608、615内。

[089]第一工作流体606通过入口通道607进入系统600。工作流体606穿过第一热交换器603，在此处其被例如加热(或冷却)。工作流体606然后穿过风扇609，该风扇起到将工作流体606泵送通过通道608的作用，并且通过第二热交换器605，在此处它被进一步加热(或冷却)，然后排出出口通道610。类似地，工作流体比如空气或其他气体通过入口通道615进入。它被第二风扇或泵614推动通过第三热交换器604，在此处，在这个例子中它被冷却(或加热)。冷却(或加热)的工作流体616通过出口通道613排出。

[090]系统600具有多个块，这些块由额外的热电组件和热交换器，和如图5B显示的隔离的、分块的热交换器组成。它也可具有多个风扇或泵，以提供额外的泵送动力。此外，一个通道，例如通道607、608能够具有一种流体，而另一通道613、615具有第二类型的气体。替代地，一侧可具有一种液体工作流体而另一侧具有气体。因此，所述系统不被限制为工作介质是流体或液体。此外，应该注意出口通道613的路线可被规定为围绕风扇通道609。

[091]图7A显示了有利于和流体一起使用的加热和冷却系统700。该部件具有多个热电部件701，其具有多个第一侧工作介质703和多个第二侧工作介质704。在当前的例子中，第一侧工作介质703和第二侧工作介质704都形成盘状。第一侧工作介质703被附到第一侧轴709，第二侧工作介质704被附到第二侧轴708。轴708、709依次被分别附到第一侧电机706和第二侧电机705，以及对应的轴承座707。电机旋转的优选方向由箭头710和711表示。

[092]分隔装置717将阵列分成两部分，并且定位热电组件701。热电组件701由分隔装置717保持在位置上，它们被间隔以交替地夹住第一侧工作介质703和第二侧工作介质704。对于任何两个热电组件701，这些组件被定向，使得它们的冷侧和热侧彼此面对，如前面的实施例那样。工作介质703、704和热电元件701有良好的热交换。在热电元件701和工作介质703、704之间的交接面有利地提供热油脂等等。用油脂的目的在以下关于工作介质703、704的工作的讨论中变得清楚。第一侧外壳部分714和第二侧外壳部分715包含系统700调节的流体。电线712、713连接到热电组件701，以为热电组件提供驱动电流。

[093]图7B是图7A的系统700的一部分沿7B-7B线的横截面图。第一流体721和第二流体723沿着它们的流动方向由箭头721和723表示。第一流体排出如箭头722表示的，第二流体排出如箭头724表示的。系统700通过传递电流穿过电线712和713到热电组件701来工作。热电组件701具有它们彼此面对的冷侧和热侧，如图2和3显示的方式那样排列。例如，它们相邻的冷侧都面对第一侧工作介质703，并且它们的热侧面对第二侧工作介质704。分隔装置717起双重作用：即定位热电组件701和隔开阵列700的热侧和被冷却侧。

[094]为了理解操作，例如假设第二流体723要被冷却。冷却是通过与第二侧介质704进行热交换发生的。随着第二侧介质704旋转，它们与热电组件701的较冷侧接触的表面部分在任何指定的时间被冷却。随着那个部分通过第二电机705的动作旋转离开热电组件701，第二介质704冷却第二侧流体，该流体然后在出口724排出。第二流体被外壳部分715和分隔装置717限制在阵列700内。

[095]类似地，第一流体721被第一侧介质703加热，介质703和热电组件701的较热侧热接触。旋转(由箭头711表示)移动第一介质703的加热部分到第一流体721能够穿过它们并且通过热接触被加热的地方。第一流体721被包含在外壳714和分隔装置717之间，并且在出口722排出。

[096]如上面提到的，导热油脂或液体金属比如水银能够用于在接触区域提供热电组件701和介质703、704之间的良好热接触。

[097]如上面提到的，图7A和7B的结构可以有利地用于冷却或加热外部的部件，比如微处理器、激光二极管等等。在这种情况下，圆盘使用热油脂或液体金属等等接触该部分，以在它们之间传输热量。

[098]图7C显示了系统700的修改版本，其中热电组件701被分块，以实现热隔离。图7C显示了部分阵列700的详细视图，其中热电组件701和702传输热能，以加热运动的介质704和703(在这个例子中的转动的圆盘)。运动的介质704和703分别绕轴733和734旋转。

[099]在一个实施例中，有利地，工作介质704和703在相反方向旋转，如箭头710和711所示。随着运动的介质704、703旋转，来自热电组件701和702的不同部分的热量传输与它们热接触，并且逐渐改变运动介质704、703的温度。例如，第一热电组件726在特定的位置加热运动介质704。随着运动介质704逆时针旋转，在那个位置的运动介质704的材料和第二热电组件725接触。运动介质704的同一部分然后移到附加的热电组件块701。当运动介质703逆时针旋转并且啮合热电组件701，随后啮合热电组件725和726时发生相反的动作。

[100]有利地，运动介质704、703在径向和轴向具有良好的导热性，并且在它们的角方向也就是旋转方向具有不良的导热性。有了这个特征，通过穿过运动介质704和708的传导性，从一个热电组件725到另一热电组件726的热量传输被最小化，因此实现了有效的热隔离。

[101]作为热电组件或块701、725、726的替代，单个热电元件或几个热电元件块可被替换。在这种情况下，如果热电元件701与在运动介质704、703的旋转方向上的其长度相比非常薄的话，并且在那个方向具有相对不佳的热传导性，它们就在其长度之上呈现有效的热隔离。它们会传导热量，因此热响应，就好像它们是由分开的热电组件701构造的。这个特征和运动介质704、703内的运动方向上的低热传导性结合，能够实现有效的热隔离，因此提供了性能增强。

[102]图7D显示了运动介质704、703的替代结构，其中介质被构造成轮729和732的形状，它们具有轮辐727和731。热交换材料728和730在轮辐727和731之间的空间，并且与它们有良好的热接触。

[103]系统700能够在图7D显示的又一模式中工作。在这个结构中，工作流体(没有示出)沿着阵列700的轴轴向地运动，顺序地穿过运动介质704、703，在轴向从一个介质704到下一个运动介质704等等，直到它穿过最后的介质704并且排出。类似地，没有显示的分开的工作流体穿过个体运动介质703，轴向地通过阵列700。在这个结构中，通道714、715和分隔装置717被成形，以形成围绕运动介质704、703并且将介质704与介质703分隔开的连续环。

[104]随着工作流体轴向流动，热能通过热交换材料728和730被传给工作流体。有利地，热侧工作流体，例如穿过热交换器728，在所述工作流体运动通过热交换器730的相反方向通过阵列700。在这个工作模式中，阵列700充当逆流热交换器，一连串连续的热交换器728和730逐渐加热和冷却穿过它们的各自的工作流体。如为图7C显示的，热动作组件可以是热电组件701，其能够被构造从而在运动介质704、703的运动方向具有有效的热隔离。替代地，热电组件701和702能够像图7C显示的那样被分块。在后一种情况中，更有利的是运动介质704、703的热传导性在运动方向上低，从而热隔离运动介质704、703的外部盘729和732的部分。

[105]替代地，所述设计在部分729和732中可进一步包含径向槽(没有示出)，以在运动方向实现热隔离，729和732部分受来自热电组件701和702的热量传输的支配。

[106]图8显示了热电系统的另一个实施例800，该系统具有多个在第一侧热交换器803和第二侧热交换器808之间的热电元件801(画阴影线的)和802(未画阴影线的)。电源805提供电流804，并且通过电线806、807连接到热交换器808。系统800具有管道和泵或风扇(没有示出)以运动热侧和冷侧工作介质通过阵列800，如在图2、3、4、5、6和7中所显示的。

[107]在这个设计中，热电组件(具有许多热电元件)被热电元件801和802替代。例如，画阴影线的热电元件801可以是N型热电元件，未画阴影线的热电元件802可以是P型热电元件。对于这个设计，配置热交换器803和808使得它们具有非常高的电传导性是有利的。例如，热交换器803、808的外壳和它们的内部散热片或其他类型的热交换器构件可以由铜或其他高导热和导电材料制造。替代地，热交换器803和808可以与热电元件801和802进行非常好的热交换，但是电绝缘。在无论哪个情况中，电分流器(没有示出)能够被连接到热电元件801和802的面，以和图1所示类似的方式电连接它们，但是分流器循环通过热交换器803和808。

[108]不管结构如何，从N型801到P型热电元件802穿过的DC电流804例如将冷却夹在它们之间的第一侧热交换器803，并且从P型热电元件802到N型热电元件801通过的电流804例如将加热夹在它们之间的第一侧热交换器808。

[109]由于能够除去或减少标准热电组件的分流器、基片和多个电连接线路，所以阵列800具有最小的尺寸和热损失。此外，热电元件801和802可以是能够适应高电流的异质结构，如果组成部分被设计成具有高导电性和高电容的话。在这样的结构中，阵列800能够产生高热功率密度。

[110]图9显示了和图8所述相同的普通类型的热电系统900，其中P型热电元件901和N型热电元件902在第一侧传热构件903和第二侧传热构件905之间，并且和它们处于良好的热接触。在这个结构中，传热构件903和905为热传导杆或热管的形式。热交换器散热片904、906等等附在传热构件903和905上，并且与它们进行良好的热交换。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传导电流给交替的P型和N型热电元件901、902叠层，如在图8中显示的。

[111]在工作时，举例来说，电流通过第一连接器912进入阵列900，穿过交替的P型热电元件901(有阴影线的)和N型热电元件902(没有阴影线的)，并且通过第二电连接器913排出。在处理中，第一工作介质908逐渐变得更热，随着它被来自传热散热片904的传导加热，散热片904已经被通过第一传热构件903的传导加热。第一管道907围绕并且限制第一工作介质908，所以工作介质908像工作流体909一样在变化后的温度排出。部分第一管道907将热电元件901、902和第二侧传热构件905与第一(在这个例子中是热的)工作介质908和909热隔离。类似地，第二工作介质910通过第二管道914进入，当它穿过第二侧热交换器906时被冷却(在这个例子中)，并且作为冷却的流体911排出。热电元件901和902给第二侧传热构件905提供冷却，因此给热交换器散热片906提供冷却。第二侧管道914限制第二(在这个例子中被冷却)工作介质910，并且使它和阵列900的其他部分隔离。

[112]虽然在图8-9的实施例中是针对个体热电元件进行的描述，但是热电元件901、902可被热电组件替换。此外，在某些情况下，使热电元件901、902和传热构件903、905电绝缘，并且传送电流通过分流器(没有示出)是有利的。而且，热交换器904、906可以是有利于系统功能的任何设计。和其他实施例一样，可以看出图8和9的结构提供了相对容易的可制造的系统，其也从热隔离提供了提高的效率。例如，在图8中，在P型和N型热电元件之间交替的热交换器808、803将是更冷或更热的热交换器类型，但是彼此合理地热隔离，并且导致P型和N型热电元件彼此合理地热隔离。

[113]图10显示了提供热隔离的另一个热电阵列系统(1000)。有利地，这个结构可执行系统的功能，该系统利用同一介质的冷却和加热来除湿或者除去沉淀物、薄雾、可冷凝的水汽、反应产物等等，并且使介质回到其原始温度之上。

[114]系统1000由一叠交替的P型热电元件1001和N型热电元件1002组成，其中散置着冷侧传热元件1003和热侧传热元件1004。在该显示的实施例中，为较冷侧传热元件1003和较热侧传热元件1004都提供热交换器散热片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推着工作流体1007、1008和1009通过阵列1000。优选地，当工作流体1007从热电元件叠层通过较冷侧时，较冷侧绝热体1012热隔离工作流体1007，并且当该工作流体从热电元件叠层通过较热侧时，较热侧绝热体1020优选地隔离该工作流体。隔板1010或类似物隔开较冷侧和较热侧。在一个优选实施例中，隔板1010具有让工作流体1021通过的通道1010。类似地，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。

[115]筛网1011或其他多孔的工作流体流动限制器隔开阵列1000的较冷侧和较热侧。冷凝物、固体沉淀物、液体等等1013在阵列1000的底部累积，并且能够通过阀门1014及从管口1015出去。

[116]通过热电元件1001和1002的电流(没有示出)，冷却较冷侧传热元件1003并且加热较热侧传热元件1004，如在图9的显示中讨论的。在工作中，随着工作流体1007向下通过较冷侧，来自工作流体1007的沉淀物、水汽和其他冷凝物或浓缩物1013能够在阵列1000的底部聚集。如要求的，可打开阀门1014，并且可通过管口1015除去或者通过其他任何合适的方法抽出沉淀物、水汽和其他冷凝物或浓缩物1013。

[117]有利地，能够通过旁路通道1020从较冷侧到较热侧传递一些工作流体1021。在这个设计下，并非所有的较冷侧流体1007都穿过流动限制器1011，而是部分可被用于局部降低较热侧工作流体的温度，因此在某些情况下提高了阵列1000的热力学效率。旁路通道1020和流体限制器1011之间流动的适当比例是通过系统流动特性的合适设计实现的。例如，可提供阀门以控制流动，并且可打开或关闭特定的通道。在某些使用中，流动限制器1011也可充当过滤器，以从液体或气体工作流体1008除去沉淀物，或者从气体工作流体1008除去薄雾(mist)或雾气(fog)。

[118]有利地，额外的较热侧冷却剂1016可通过侧通道1017进入阵列1000，也是为了降低较热侧工作流体温度或者提高阵列1000效率的目的。

[119]这个结构能够在流动限制器1011产生非常冷的状态，所以工作流体1008可具有相当大的沉淀物、冷凝物或水汽去除能力。在一替换的工作模式中，可反向风扇1010的电源，而且系统工作，从而加热工作流体并且使它返回冷的状态。这对于除去加热过程形成的反应产物、沉淀物、冷凝物、水汽等等是有利的。在一个有利的实施例中，流动限制器1011和/或热交换器1005和1006能够具有催化性能以增强、改进、启用、禁止或影响能够在系统中发生的过程。对于液体工作流体，一个或多个泵可取代风扇/电机1010，以实现有利的性能。

[120]图11显示了和图2的设计类似的热电阵列1100，但是其中工作介质具有通过系统的替代路径。阵列1100具有散置在热交换器1102之间的热电组件1101。多个入口1103、1105和1107引导工作介质通过阵列1100。多个出口1104、1106和1108引导工作介质离开阵列1100。

[121]在工作中，举例来说，待冷却的工作介质在第一入口1103进入，并且穿过几个热交换器1102，因此逐渐冷却(在这个例子中)，并且通过第一出口1104排出。从阵列1100除去热量的一部分工作介质通过第二入口1105进入，穿过热交换器1102，在这个过程中被逐渐加热，并且通过第二出口1106排出。

[122]去除热量的第二部分工作介质进入第三入口1107，当它穿过某些热交换器1102时被加热，并且通过第三出口1108排出。

[123]这个设计允许从第一入口1103到第一出口1104穿过的冷侧工作介质被有效地冷却，因为热侧工作介质在这个例子中在两个位置进入，并且穿过热电组件1101的结果温差平均更低于如果工作介质在单个端口进入的情况。如果平均温度梯度平均起来更低，那么在大多数情况下，结果的系统效率就更高。可以调整通过第二和第三入口1105和1107的相对流速，以实现所希望的性能或响应改变的外部条件。举例来说，通过第三入口1107的更高流速，而且更有效地，反向通过那部分的流向使得第三出口1108是入口，能够在冷侧工作介质中产生更冷的出口温度，该冷侧工作介质在第一出口1104排出。

[124]在图1C中显示了传统热电件100的基本的下层连接的附加细节。如上所述，P型元件110和N型元件112是本领域公知的类型。分流器106被附到P型和N型热电元件110和112，并且与它们处于良好的电连接。通常，大量的这种热电元件和分流器被连接在一起，以形成热电组件，如图1A所示。

[125]热电元件110、112在电流方向的长度是L_C116；它们的幅度是B_C117；它们的宽度是W_C118；并且它们的间距是G_C120。分流器106的厚度是T_C109。

[126]尺寸B_C、W_C和L_C，连同热电材料的质量因数Z、电流122和工作温度确定了冷却量、加热量或产生的电能，如本领域所公知的(例如见Angrist，S.W.“Direct Energy Conversion”3^rd Ed.1977 Ch4.)。

[127]图12显示的设计改变了图1的传统构造，其改变方式减少了所需的热电材料数量，和分流器106中的寄生电阻的大小。热电结构1200具有多个交替传导类型的第一侧热电元件1201、1202，其被串联地夹在多个分流器1203和多个第二侧分流器1204之间，所以电流1209垂直穿过分流器的幅度B_B和宽度W_B而不是像图1C那样通常平行于宽度。对于图12的设计，R_PB与R_OB的比例φ_B是：

(10) - - - φ_{B} \approx \frac{R_{PB}}{R_{OB}}

其中

(11) - - - R_{PB} = \frac{P_{SB} T_{B}}{B_{B} W_{B}}

(12) - - - R_{OB} = \frac{P_{TE} L_{B}}{B_{B} W_{B}}

所以

(13) - - - φ_{B} \approx (\frac{T_{B}}{B_{B}}) (\frac{P_{SB}}{P_{TE}})

其中T_B是分流器厚度

L_B是热电元件长度

ρ_SB是分流器电阻

B_B是热电元件和分流器活动幅度

W_B是热电元件和分流器活动宽度

[128]如果设定φ_C等于φ_B，寄生电阻损耗就对图1C和图12的结构的性能具有相同比例的影响。为了比较，假设两个结构的材料特性是相同的，那么

(14)φ_C＝φ_B

或者在B中使用方程(9和12)；

(15) - - - \frac{L_{C}}{L_{B}} \approx B_{C} (\frac{B_{C} + G_{C}}{T_{C} T_{B}})

[129]对于当今的典型热电组件：

B_B≈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

那么

(16) - - - \frac{L_{C}}{L_{B}} \approx 6.4

[130]因此长度L_B可以是L_C的1/6.4，而且图12中的设计的导致的电阻损耗不超过传统的热电组件的电阻损耗。如果是这样，并且所有其他损耗是可忽略的或成比例减少，那么利用图12的结构的热电系统就有和图1C的结构相同的工作效率，但是

L_{B} = \frac{L_{C}}{6.4} .

[131]可以比较新结构和图1C的结构的体积。对于相同的q_OPT，面积比必须保持相同，所以，

(17) - - - \frac{L_{B}}{A_{B}} = \frac{L_{C}}{A_{C}}

并且因为

(18) - - - \frac{L_{B}}{L_{C}} = \frac{1}{6.4}

(19)A_C＝6.4A_B

[132]两个的热电材料的体积比是：

(20)V_C＝A_CL_C

(21)V_B＝A_BL_B

并且：

(22) - - - \frac{V_{B}}{V_{C}} \approx (\frac{A_{B}}{A_{C}}) (\frac{L_{B}}{L_{C}})

(23) - - - \approx \frac{1}{{6.4}^{2}} \approx 1 / 41

[133]因此，对于这些假设，需要同样量的热电材料的1/41。这个极大的可能减少虽然可能因为所做假设的准确性而不能完全实现，但是它在减少使用的热电材料量中非常有益，因此对于减少成本和缩小尺寸也是非常有益的。

[134]图12的热电叠层结构1200具有长度为L_B1205的P型热电元件1201和N型热电元件1202。电流的方向是由箭头1209表示的。热电元件具有幅度B_B和宽度W_B。在P型热电元件1201和N型热电元件1202之间，在电流方向上是第二侧分流器1204(“PN分流器”)。在N型元件1202和P型元件1201之间，在电流方向上是第一侧分流器1203(“NP分流器”)。PN分流器1204一般从叠层1200以和NP分流器1203相反的方向延伸。不同于180°的角度也是有利的。

[135]如果适当的电流1209在所表示的方向中通过，NP分流器1203被冷却，而PN分流器1204被加热。通过这个结构，对于相同的热电元件尺寸，结构1200的寄生电阻损耗一般比图1的传统结构100的低。因此，如果热电元件长度L_B1205被缩短，以使两个结构中的寄生电损耗比相等，热电元件长度L_B1205就更小，并且图12的结构有利地在比图1更高的功率密度工作。结果，图12的结构1200也使用更少的热电材料，并且能够比图1的传统设计更紧凑。

[136]分流器1203、1204能够起双重功能：传输热能离开热电元件1201、1202和与外部物体或介质比如工作流体进行热能交换。

[137]图13A显示了分流器的一个优选实施例1300，其被组合形成热交换器1302。优选地，至少一个热电元件1301被电连接到热交换分流器1302的凸起的电极表面1303，比如利用焊接。有利地，分流器1302可主要由良好的热导体比如铝构成，并且具有整体的包层覆盖材料1304、1305，其由高导电率材料比如铜制造，以利于热电元件1301附着和电流在低电阻下流动。

[138]图13B显示了一叠层热电组合件1310的一部分的详细侧视图，其由图13A中的热电分流器1302和热电元件1301构成。多个具有凸起的电极表面1303的分流器1302被串联地电连接到交替的传导类型的热电元件1301。

[139]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传输离开热电元件1301。有利地，凸起的电极1303有助于形成可靠、低成本、稳定的表面，该表面上附着热电元件1301。在实践中，可提供一叠的多个这些部件1310。可以使用叠层阵列，其也进一步便于热隔离。

[140]电极1303可被有利地成形，以防止焊料使热电元件1301短路。而且，电极1303可被有利地成形，以控制接触面积，因此控制通过热电元件1301的电流密度。

[141]图14显示了分流热交换器1400的一部分的例子。这个部分1400具有增加的表面积，以帮助传热。热电元件1401被附到分流器1402，其优选地如图13A中显示的那样构造，或者如这个申请中的其他实施例描述的那样构造。热交换器1403、1404以良好的热接触被通过例如钎焊附着到分流器1402上，其中热交换器1403、1404比如是散热片。在这个实施例中，工作流体1405穿过热交换器1403、1404。

[142]有利地，分流器部分1400被配置，以使当工作流体1405穿过热交换器1403、1404时，热能被有效地传输。此外，材料的尺寸和分流器1402与热交换器1403、1404的比例被指定，以优化当与叠层组合时，比如与图12和13B显示的叠层组合时的工作效率。有利地，热交换器1403、1404可以是百叶式或是多孔的，或者可以被完成所述目的的任何其他热交换器设计替代，如那些在W.M.Kays和A.L.London所著的“Compact Heat Exchangers”第三版中描述的热交换器。可以通过提供良好热接触的环氧树脂、软钎焊或锡焊、硬钎焊、熔焊或任何其他附着方法将热交换器1403、1404附到分流器1402。

[143]图15中显示了分流器块1500的另一个例子。分流器块1500由多个分流器元件1501、1502、1503和1504构成。分流器元件1501、1502、1503和1504可以被彼此折叠、钎焊、铆接或者以任何其他方法连接，这些方法为电流1507提供低电阻路径，以通过和提供从热电元件1506到分流器1501、1502、1503和1504的低热阻。热电元件1506在基部1505或其附近被有利地附着到块1500。

[144]分流器块1500描述了图14的分流器块1400的一个设计替换，并且可被成叠地配置，如在图12和13中显示的那样，而且如果希望的话，可处于叠层阵列中。图14和15的结构都可自动组装，以降低从这些设计制造热电系统的劳动力成本。

[145]分流器块也可被形成为叠层组合件1600，如在图16中显示的。中心分流器1602在第一侧的每一端具有相同传导类型的第一侧热电元件1601，并且在中心分流器1602的相对侧的每一端具有相反传导类型的第二侧热电元件1605。为了形成一叠分流器1602，在每个中心分流器1602之间放置右分流器1603和左分流器1604，如图16中所显示的。右分流器1603被放置在使得左端被夹在热电元件1601和1605之间的位置，它们处于良好的热接触和电接触状态。类似地，左分流器1604被放置在使得右端被夹在热电元件1601和1605之间的位置，并且它们处于良好的热接触和电接触的状态。分流器1602、1603和1604被交替地叠置并且电连接，以形成分流器叠层1600。第一工作流体1607和第二工作流体1608穿过组合件1600。当然，对于图16所示实施例和在此描述的叠层结构的实施例，叠层可能，并且很可能由叠层中额外的分流器元件组成。仅仅描述了叠层组合件1600的小部分，以供读者理解。从图中可以清楚地看出这种叠层可以进一步重复或复制。此外，可提供额外的叠层，其在工作流体流动的方向上热隔离。

[146]当合适的电流在一个方向被施加通过热电元件1601、分流器1605、1604时，中心分流器1602将被冷却，而左和右分流器1604和1606将被加热。结果，穿过中心分流器1602的第一工作流体1607将被冷却，并且穿过右和左分流器1603、1604的第二工作流体1608将被加热。叠层组合件1600形成固态热泵，用于调节流体。重要的是要注意叠层1600可具有少量或许多块，因此能够在不同的功率级工作，取决于施加的电流量和电压量、组件尺寸和并入该组合件的块的数量。这种叠层的阵列也是有利的。在使用这种叠层1600的阵列的情况下，为了提高的效率，最好在流体流动方向提供热隔离，如在美国6539725号专利中描述的。

[147]还应该理解分流器1602、1603、1604能够被其他形状替代以提高性能，比如但是不限于图14和15中显示的那些形状。

[148]图17示例说明了图16显示的叠层组合件1600的一个变体。对于这个结构，热电组合件1700由右侧分流器1703和左侧分流器1704构成，以形成通常的环形形状。右侧分流器1703被有利地配置，以形成和左侧分流器1704一样的部分环。在优选的实施例中，在工作期间变冷的分流器可比变热的分流器更大或更小，这取决于器件的特殊目标。应该注意，基本环形的结构不是必要的，可以使用图17所示的分流器块的其他结构来产生中心流动部分。例如，右侧分流器1703可以是半矩形或半正方形，且左侧分流器1704可以是半矩形或半正方形。类似地，一侧可以是多侧面的，而一侧可以是弓形的。分流器的特定形状是可变的。交替传导类型的热电元件1701和1702，如为图16讨论的，在叠层组合件1700中被串联地电连接。优选地，流体1712进入分流器1703、1704形成的中心区域。流体1712的第一部分1707穿过右侧分流器1703之间，而工作流体1712的第二部分1706穿过左侧分流器1704之间。电源1708被电线1712、1713电连接到热电元件，电线1712、1713在连接点1710和1711被连接到叠层。风扇1709可附到叠层的一端(或两端)。也可以使用泵、鼓风机等等。

[149]当给风扇1709施加电力时，它就泵送流体1712通过组合件1700。当提供具有极性的电流以至于右侧分流器1703被冷却时，工作流体1712的第一流体部分1707通过它们时被冷却。类似地，工作流体的第二部分1706通过加热的左侧分流器1704时被加热。组合件1700形成简单、紧凑的冷却器/加热器，其具有能够通过在它的构造中使用的分流器1703、1704的数量来调节的容量和整体尺寸。显然分流器1703、1704可以是三角形、椭圆或者任何其他有利的形状。此外，分流器可以是图14、15中显示的设计或者任何其他有用的结构。

[150]在图12、14、15、16和17的热电系统的一个实施例中，可以在如图18中所显示的阵列的一个或多个部分中使用超过一个的热电元件。在这个例子中，热电元件1801、1804被连接到在分流器1802、1803的每一侧上的凸起的电极表面。

[151]多个电并联的热电元件1801能够提高机械稳定性，更好的分布热能并且给系统增加电冗余。可以并联使用多于两个的热电元件1801。

[152]在某些应用中，所希望的是具有和图12-13一致的分流器的暴露部分，暴露部分和电极部分电绝缘。这种分流器的一个例子如图19显示。在这个实施例中，电绝缘体1905使分流器1900的电极部分1903和分流器1900的热交换部分1904绝缘。热电元件1901、1902优选安装在电极部分1903上。

[153]在工作时，有利地通过电极部分1903在相反传导类型的热电元件1901、1902之间施加电势，电极部分1903是由高导电率和导热率材料比如铜制成的。热电元件1901、1902产生的热能沿着分流电极1903被传导，穿过电绝缘体1905，并且进入分流器1900的热交换部分1904。有利地，电绝缘体1905是非常好的热导体，比如铝、热传导的环氧树脂等等。如所示的，电绝缘体1905形成的界面形状是薄层V形，以最小化热阻。也可以使用具有适当低的界面热阻的任何其他形状和材料的组合。可以如前面描述的那样使用一叠这样的分流器1900。

[154]电绝缘的一替代形式显示在另一分流器块2000组合件中，图20显示了组合件2000的顶视图。第一热电元件2001被连接到分流器块阵列2000的左分流器2003，并且第二热电元件2002被连接到分流器块阵列2000的右分流器2004。电绝缘体2005被置于左侧分流器块2003和右侧分流器块2004之间。

[155]图20显示的结构提供了热电元件2001和2002之间的电绝缘，同时保持整个分流器2000的机械整体性。在所绘的这个结构中，电绝缘体2005不需要提供特别好的热传导性，因为热能源——热电元件2001和2002能够在不同级冷却或加热左和右分流器块2003、2004，只要电绝缘体2005平均处于热电元件2001和2002之间的中心。应该注意，虽然显示的是两个热电元件2001和两个第二热电元件2002，但是在每一侧可利用更大的热电元件或更多数量的热电元件。选择两个第一热电元件2001和两个第二热电元件2002仅仅是为了示例说明良好稳定的机械结构。应该注意，取决于所希望的电流路径，第一热电元件2001和第二热电元件2002不需要是，但是可以是不同的传导类型。

[156]图21中显示了在分流器2100内实现电绝缘的替代方法。具有两个第一热电元件2101的分流器部分2103被机械地附到具有两个第二热电元件2102的第二分流器部分2104。电绝缘体2106机械地连接分流器部分2103和2104，分流器部分2103和2104也被间隙2105彼此隔开。

[157]在机械连接2106近似处于热电元件2101和2102之间的中心，并且热电元件2101和2102产生大约相等的热能的情况下，电绝缘体2106不需要是良好的热导体。热电元件2101和2102各自给各自的分流器部分2103和2104提供热能。电绝缘体2106可以是背部有粘合剂的Kapton带子、注塑塑料、热熔粘合剂或者任何其他合适的材料。如图21中的俯视图所示，分流器部分2103、2104没有重叠形成叠接。也可以使用具有环氧树脂或者其他电绝缘粘合剂的这样的接头。

[158]图22中的顶视图显示的另一分流器块阵列2200具有位于矩形热电阵列2200中电绝缘的分流器块。第一热电元件2201被热连接到第一分流器部分2202，而第二热电元件2203被热连接到第二分流器部分2204。每个分流器部分通过间隙2210、2211与其他分流器部分电隔离。优选提供在该组合件左侧的电绝缘体2208、在中间的绝缘体2207和在右侧的绝缘体2209。箭头2212表示工作流体流动方向。这个结构可在比没有电绝缘的类似阵列更高的电压和更低的电流工作。如从图20中可见的，第一热电元件2201和第二热电元件2203不需要是，但是可以是不同的传导类型。这取决于所需的电流流动方向。但是热电元件2202、2203可以处于不同的电势。

[159]间隙2210使各个第一分流器部分2202之间彼此有效地热隔离，以及使各个第二分流器部分2204之间彼此有效地热隔离。类似地，侧绝缘体2208、2209既提供热隔离又提供电绝缘，同时机械地将各个分流器连接在一起。中心绝缘体2207沿着它的长度提供电绝缘和热隔离。因此阵列2200被构造成在箭头2212的方向产生热隔离，如在美国6539725号专利中描述的。这个结构能够在比没有电绝缘的类似阵列更高的电压和更低的电流下工作。

[160]图23中显示了利用一般如图22描述的类型的分流器块阵列的冷却系统2300。冷却系统2300具有内分流器块2301、2302，其通过电绝缘材料2320比如绝缘胶布机械地连接。内分流器块2302通过电绝缘和热绝缘材料2321被机械地连接。类似地，内分流器块2301通过电绝缘和热绝缘材料2307被机械地连接。内分流器块2301、2302以图22描述的方式在末端(没有示出)被分别连接到热电元件。热电元件被夹在内分流器块2301、2302和各自的外分流器块2303、2305之间的叠层中。中心的分流器块2301被分别连接到外部的左分流器块2305，而内分流器块2302被连接到右外分流器块2303。优选地，右外分流器块2303通过电绝缘和热绝缘材料2322被类似地机械连接，电绝缘和热绝缘材料2322类似于连接内分流器块2302的电绝缘材料2321。左外分流器块2305被类似地机械地连接。外壳2311容纳一分流器块和热电元件的叠层阵列。线头接栓或接线端子2312和2314被电连接到内块2301。类似地，接线端子2315和2316连接到内分流器块2302。优选地，热绝缘和电绝缘垫片或间隔件2309、2310被置于每个内块和外块之间。

[161]第一工作流体2317穿过内部区域，而第二工作流体2318、2319穿过外部区域。当在接线端子2312和2314、2315和2316之间施加适当极性和大小的电压时，内分流器块2301、2302被冷却。而且，外分流器块2303、2305被加热。因此，穿过内部区域的工作流体2317被冷却，而穿过外分流器块2303、2305的工作流体2318、2319被加热。外壳2311和绝缘体2309、2310包含并隔开冷却的流体2317和被加热的流体2318、2319。

[162]给系统2300中的每个叠层通电的电连接可以串联，以在高电压工作，串联/并联以在该电压的大约一半电压工作或者并联以在该电压的大约1/4电压工作。可以使极性相反以加热内工作流体2317和冷却外工作流体2318、2319。可以在工作流体2317、2318、2319流动的方向使用更多的块，以在甚至更高的电压工作，并且从得到的更有效的热隔离获得更高的效率。

[163]从热隔离实现增强的性能的另一紧凑设计使用组合的分流器和传热块2400，如图24A和24B显示的。这个设计非常类似于图14的设计，但是热电元件2401、2402与流体流动的一般方向同向。相反传导类型的热电元件2401、2402被连接到分流器2404的延伸部分2403。优选地，热交换器2405、2406比如散热片处于与分流器2404良好的热接触状态。当工作流体2409穿过热交换器散热片2405、2406时，其被加热或冷却，这取决于电流流动的方向。

[164]图24B显示了叠层2410的一部分，其由如图24A所示的热电分流器块2400组成。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被连接到热电元件2411。第一工作流体2418沿着叠层2410的下部流动，穿过图24a中第二侧分流器2400a上的热交换器，而工作流体2419有利地在相反方向流动，穿过第一侧分流器2400的热交换器。

[165]当施加合适的电流2417时，叠层2410的上部在当流体2419穿过一个块到下一个块时逐渐冷却流体2419，而且其下部在当流体2418穿过一个分流器2400a到下一个分流器时逐渐加热流体2418。

[166]图25A显示了一个替代的热电叠层结构2500。这个热电叠层实现了热隔离的好处，其中工作流体2513在一般垂直于电流流动方向2512的方向上流动。第一分流器2502被电连接到第一热电元件2501，并且和热交换器2503、2504处于良好的热接触。第二个第一侧分流器2506类似地与它的热交换器2508处于良好的热接触，并且第三个第一侧分流器2505与它的热交换器2507处于良好的热接触。散置在每个第一侧分流器2502、2506和2505之间的是交替类型的热电元件2501和一般在相反方向突出的第二侧分流器2509、2510和2511，和图12一样。没有全面显示第二侧分流器2509、2510和2511，它们一般是相同的形状，并且具有和第一侧分流器2502、2506和2505相同的空间关系。工作流体2513在箭头表示的方向穿过叠层组合件。当垂直施加通过热电元件的合适电流时，第一侧分流器2502、2505和2506被加热，而第二侧分流器2509、2510和2511被冷却。当工作流体2513穿过第一热交换器2507，然后穿过热交换器2508，最后穿过热交换器2503时，它被逐渐加热。完整的叠层组合件使阵列2500的重复部分在电流流动方向被组装，所以热交换器2503的顶部和另一阵列部分的下一个顺序的热交换器2504的底部接近地隔开。在工作流体2513流动的方向上的热隔离是明显的。

[167]图25B是图25A中显示的阵列部分2500的俯视图。多个传导类型交替的热电元件2501的冷却，被散置或点缀着多个第一侧分流器2502、2506和2505及多个第二侧分流器2511、2509和2510，所以第一侧分流器2502、2506和2505交替着第二侧分流器2511、2509和2510。分流器被间隙2534隔开，并且每个分流器和热交换器处于良好的热接触。第一工作流体2531沿着上部从右到左穿过，而工作流体2532沿着下部有利地从左到右穿过。优选在每对分流器之间提供热和电绝缘体2533，除了电流流动通过热电器件和分流器的地方。

[168]例如，当合适的电流穿过阵列2500时，工作流体2531被逐渐加热并且工作流体2532被逐渐冷却。绝缘体2533防止不必要的热损失，并且也防止工作流体2531、2532混合。如所示的，阵列2500以逆流模式工作，并且利用热隔离来增强性能。同一阵列2500可以和工作流体2531、2352工作，它们在平行的流动模式中的同一方向运动，并且仍然具有热隔离的好处，来增强性能。在任一情况下，有利地，并非所有的热电元件2521具有相同的电阻，但是它们具有根据个体热电元件之间的温度和功率差变化的电阻，如美国6539735号专利中描述的。

[169]图26A中显示了另一热电组件2600，其使用在本说明书中讨论的原理来实现在更高电压的工作以及可能的其他好处，比如更高的功率密度、紧凑尺寸、强度、更高的效率。第一热电元件2601被夹在第一端分流器2603和第二分流器2604之间。相反传导类型的第二热电元件2602被夹在第二分流器2604和第三分流器2605之间。这个模式继续到最后端分流器2606。电流2607流进最后端分流器2606，穿过热电组件并且流出第一端分流器2603，如箭头2608和2609所表示的。间隙2611防止相邻分流器之间的电传导并且减少它们之间的热传导。在一个实施例中，第一端分流器2603和最后端分流器2606具有电极表面2612。其他的分流器具有分流表面2614，其是导热的但是与分流器的主体电绝缘。

[170]在工作时，合适的电流2608穿过热电组件2600，其加热上表面和冷却下表面(或者反之)。图26A中显示的热电组件2600由5个热电元件和6个分流器组成。有利地，可以利用任何奇数数量的热电元件，其被分流器交替隔开，如所显示的。此外，超过一个的热电元件(和图18解释的类型相同)可并联连接在每对分流器之间。为了实现替代的功能，可以使用偶数数量的热电元件，比如使电能限制在一个表面的电绝缘部分。

[171]图26B显示了热电组件2600的阵列2620。图26B显示了图26A所示类型的两个热电组件2600，它们一个叠置在另一个的顶部，而中心传热构件2635被夹在各个第一侧分流器2604之间。外传热构件2632和2636被热耦合到第二侧分流器2605。分流器和传热构件也可以是任何其他合适类型，例如图14和15所示的类型。第一热电组件的第一端分流器2603被电连接到外传热构件2632。类似地，第一或上部热电组件的其他端分流器2606被电连接到中心传热构件2635。类似地，第二热电组件的第二端分流器2606a被电耦合到中心传热构件2635，并且第二热电组件的第一端分流器2603a被电耦合到图26B底部的外传热构件2636。除了端分流器2603、2606、2606a、2603a之外，其他的分流器2604、2605具有导热的电绝缘体2612。此外，和图26A的结构一样，分流器具有间隙2611，以彼此电绝缘。电流流动由箭头2628、2629、2630、2631和2637表示。如所显示的，热电元件2601、2602的传导类型交替。

[172]当合适的电流穿过阵列2620时，第二侧分流器2605和外传热构件2632和2636被加热。第一侧分流器2604和中心传热构件2635被冷却。对于反向的电流情况就相反。通过调整热电元件2601、2602的尺寸和数量，可以连同相应的电压一同调整工作电流。类似地，功率密度可被调整。应该注意，可以使用更多数量的分流器和热电元件，其会加宽图26B所示的结构。此外，可在垂直方向叠置另外的热电组件2600。此外，可以提供图26B平面内或之外的这种叠层的阵列，或者利用以上的任何组合。在合适的阵列中，可根据美国6539725号专利中的描述利用在传热或工作流体流动方向的热隔离原理。

[173]图27示例说明了热电组件2700的一个替代实施例，其类似于图26A的热电组件2600。端分流器2705、2704被电连接到电源2720和地2709。热电元件2701、2702在一系列的分流器2703、2704、2705、2706之间被电连接。在这个实施例中，所有的分流器2703、2704、2705、2706通过绝缘体2711与第一和第二传热构件2707、2708电绝缘。分流器和传热构件2707、2708处于良好的热接触。第一侧传热构件2708在箭头2712表示的方向运动。有利地，第二侧传热构件2707在相反的方向运动，如箭头2710表示的。

[174]当给热电组件2700施加合适的电流时，第二侧传热构件2707被冷却，而第一侧传热构件2708被加热。操作类似于和图7A、7B、7C和7D的显示关联的操作。应该记住，第一和第二传热构件2707、2708不需要是矩形，如从图27推断的，而是可以是圆盘形或者任何其他有利的形状，比如在图7A中讨论的那些。有了有效的设计，热电组件2700也可以实现和热隔离关联的性能益处，如美国6539725号专利讨论的一样。

[175]在一替代实施例中，传热构件2707和2708不动。在那个结构中，热电组件2700类似于如图1显示的标准组件，但是可以以高功率密度工作，并且可以利用相对薄的热电元件2701、2702。有利地，热电组件2700在热电元件2701、2702上诱发低的剪应力(shear stress)，其例如由第一侧和第二侧分流器之间的热膨胀差产生。因为剪切(shear)是由穿过热电元件2701、2702的温度差在热电组件2700中产生的，并且和宽度成比例，所以它远小于标准热电组件中的剪切，其中剪切和整体组件宽度成比例。差别可从图12和图1中显示的标准组件的比较看出。具有两个以上和图12的结构相同尺寸的热电元件的标准组件将呈现不利的高剪应力。这种应力限制热循环持久性和组件尺寸。

[176]图27也提供了一个好的示例说明，来显示如何也可以使用在这个说明书中描述的实施例进行发电。在这个结构中，为了给负载提供动力或功率，终端2709和2720被连接到负载而不是电源。传热构件2707、2708以温度梯度的形式提供热能。在第一传热构件2708和第二传热构件2707之间的温度梯度导致热电系统2700在终端2709、2720产生电流，这些终端然后连接到负载或储能系统。因此，系统2700可作为发电机工作。在这个说明书中描述的其他结构也可以以类似的方式被连接，以通过应用温度梯度并衍生电流来提供发电系统。

[177]图28显示了热电传热系统2800，其使用气体工作流体2810和液体工作流体2806。在这个实施例中，第一侧分流热交换器2803是图24A和图24B中显示的构造。分流热交换器2803用气体工作介质2810传输热能。在这个实施例中，第二侧分流热交换器2804、2805用液体工作介质2806传输热能。相反传导类型的多个热电元件2801被夹在第二侧分流器2804、2805和分流热交换器2803之间。第二侧分流热交换器2804、2805类似地被夹在交替的传导类型的热电元件2801之间。电流2812、2813穿过系统2800，如箭头2812、2813表示的。在这个实施例中，导管2814、2815从一个分流热交换器2804、2805到下一个分流热交换器传递液体工作介质2806。

[178]热电传热系统2800的工作类似于图24B的显示，其中一种工作流体2810是气体，另一工作流体2806是液体。系统2800中显示的设计也实现了如美国6539725号专利所描述的热隔离的好处。

[179]图29详细显示了分流热交换器2900。这个部件有利地具有由非常好的导热材料构成的容器2901，由非常好的导电材料构成的电极2902，以及与容器2901的顶表面和底表面处于良好热接触的传热散热片2905、2906。在一个实施例中，容器2901和电极2902是由单一的材料构成的，并且在构造上是整体的。有利地，容器2901的底表面和电极2902之间的界面2904具有非常低的电阻。流体2909穿过分流热交换器2900。

[180]在工作时，热电元件(没有示出)被电连接到电极2902的顶部和底部。当施加合适的电流通过热电元件和电极2902时，容器2901和散热片2905、2906被加热或冷却。穿过分流热交换器2900的工作流体2909被热交换器2900加热或冷却。有利地，分流热交换器2900的导电性足够好，以至于它不显著促成寄生损失。通过使穿过电极2902的电流路径最短，使贯穿电流路径的导电率最大并且增加电极2902的横截面面积可以使这种损失更小。

[181]容器2901的顶表面和底表面，以及散热片2905和2906在电流流动方向提供足够的导电率，所以固体电极体2902能够减小横截面面积或者被完全去掉，如图4B中的实施例所示。

[182]图30显示了散热器流体系统3000。交替传导类型的热电元件3001被散置在流体热交换器3004之间，热交换器3004每个都具有分流部分3003，以及分流器3002和3005。电流3006、3007流动穿过分流器部分3003、分流器3002和3005以及热电元件3001。工作流体3009在箭头表示的方向流动。散热器3010、3011与分流器3002、3005处于良好的热接触，并且与其电绝缘。在具有金属或者导电散热器3010、3011的实施例中，有利地具有良好导热性的电绝缘体3008、3012将电流3001、3007限制在所表示的电路路径。

[183]当施加合适的电流3006、3007时，热能被传给散热器3010、3011，并且被从工作流体3009传出。分流热交换器构件3004彼此热隔离，所以这个实施例实现了来自热隔离的性能提高或增益。

[184]图31A显示了一替代的分流热交换器实施例3100。分流器部分3101具有电极3102，用于连接到热电元件(没有示出)；和传热延伸部3108，传热延伸部3108与热交换器3103比如散热片处于良好的热接触。流体3107穿过热交换器3103。

[185]分流热交换器3100优选具有电极3102，其一般位于各个传热延伸部3108之间的中心。在这个实施例中，热能可在两个方向流进和流出热电部件，因此和图24A显示的实施例相比，每个热电元件能够增加大约两倍的传热能力。分流侧可具有增加的传热特性，比如通过合并的热管道、热对流或者通过任何其他增加传热的方法。

[186]图31B显示了传热分流器组合件3110，其具有分流器3111、电极3112和流入流体端口3113、3114及流出流体端口3115、3116。传热分流器组合件3110能够具有提高的传热能力(每个热电元件)，和比图29显示的系统更大的流体传送能力。

[187]图31C显示了分流器组合件3120，其具有分流器构件3121、电极3122和热交换表面3123、3124。分流器组合件3120能够具有图26A和26B显示的实施例近似两倍的传热能力(每个热电元件)。但是，与图26A和26B的使用相反，分流器组合件3120的叠层可在近似的直角彼此交替，并且彼此相对的表面3123和3124可被，例如加热，并且在和该加热对近似成直角处的叠层中的下一对的表面会被冷却。替代地，表面3123、3124可以处于其他角度比如120°，并且中间散置着如图26显示的分流器2604。多个侧面的分流器的任何组合是本发明的一部分。

[188]应该注意，热电材料的减少可以是相当惊人的。例如，在此讨论的热电元件在一个一般实施例中可以如5微米到1.2mm一样薄。对于超晶格和异质结构的结构，比如能够使用图31A-C、26A-B和27的实施例实现的结构，热电元件可以在20微米和300微米厚之间，更优选地从20微米到200微米，甚至从20微米到100微米。在另一实施例中，热电元件的厚度是在100微米到600微米之间。热电元件的这些厚度比传统的热电系统薄许多。

[189]应该注意，所述的结构没有必要要求热电元件组装成阵列或组件。对于某些应用，热电元件被有利地直接附到传热构件，因此减少了系统复杂性和成本。还应该注意，上面描述的特征可以以任何有利的方式组合，而不脱离本发明。此外，应该注意虽然在各种图中显示的热电元件呈现类似的尺寸，但是贯穿阵列或叠层的热电元件可变化尺寸，端类型热电元件可以是不同于P型热电元件的尺寸和形状，某些热电元件在设计上可以是异质结构而其他热电元件可以是非异质结构。

[190]一般来说，在这些图中描述的系统既在冷却/加热又在发电模式中工作。有利地，可实现特定的变化以优化冷却、加热或者发电的性能。例如，大的温度差(200到2000°F)是理想的，以实现高效率的发电，如本领域公知的，而小的温度差(10到60°F)是冷却和加热系统的特性。大的温度差要求不同的构造材料以及可能的不同设计尺寸和材料的热电组件和元件。但是，对于不同的工作模式，基本概念仍然是相同的。图5、8和9中显示的设计对于发电是有利的，因为它们提供了制造简单、结实的低成本设计的可能。但是上面提到的所有设计对于特定的发电是有价值的，并且不能被排除在外。

[191]应该注意，在这个专利中的公开内容给出了这个发明的设计、结构和应用。虽然上面的讨论是按照冷却中的特性分析的，但是加热和发电有类似的结果并且导致类似的结论。某些系统，特别是那些热离子和异质结构类型的系统可以具有固有的高功率密度，在这种情况下，本发明更适合适应这种系统的特性和可能的高功率密度。

[192]虽然上面示例说明并且讨论了几个例子，但是本描述仅仅是说明本发明的广泛概念，本发明由所附的权利要求限定。在权利要求中，所有的术语的含义都是它们普通和通常的含义，并且上面的描述不限制这些术语为任何特殊或特殊限定的含义，除非特殊地明白说明。

Claims

1.一种热电系统，其包括：

多个热电组件；

多个第一和第二传热器件，至少某些第一传热器件被夹在至少两个热电组件之间，并且至少某些第二传热器件被夹在至少两个热电组件之间，从而形成至少一个热电组件叠层，所述叠层中具有交替的第一和第二传热器件，其中至少某些第一传热器件和至少某些第二传热器件从所述至少一个叠层在不同方向突出，并且其中至少某些第一或第二传热器件被布置，以在工作介质运动的方向提供热隔离。

2.根据权利要求1所述的热电系统，进一步包括一个电流源，其电耦合到所述叠层，所述电流穿过串联的至少某些所述传热器件和热电组件。

3.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述传热器件使至少某些热电组件与至少某些其他的热电组件热隔离。

4.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述工作介质包括工作流体。

5.根据权利要求1所述的热电系统，其中至少某些所述传热器件是具有多个热交换器元件的热交换器。

6.根据权利要求1所述的热电系统，其中至少某些所述第一传热器件是由电极部分构成的，该电极部分与分流器部分电绝缘并且与其热耦合。

7.根据权利要求1所述的热电系统，其中至少某些热电组件包括热电元件。

8.根据权利要求7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。

9.根据权利要求1所述的热电系统，其中工作介质运动的所述方向是从第一叠层到第二叠层。

10.根据权利要求1所述的热电系统，其中工作介质运动的所述方向一般是朝所述至少一个叠层的方向。

11.一种热电系统，其包括：

多个热电组件；

多个第一传热器件和多个第二传热器件，至少某些第一传热器件被夹在至少两个热电组件之间，并且至少某些第二传热器件被夹在至少两个热电组件之间，从而形成至少一个热电组件叠层，所述热电组件叠层中具有交替的第一和第二传热器件，其中至少某些第一传热器件和至少某些第二传热器件从所述至少一个叠层突出，并且其中至少所述第一或第二传热器件接受至少一个介质，所述介质是液体和/或固体。

12.根据权利要求11所述的热电系统，其中至少某些第一传热器件和至少某些第二传热器件从所述至少一个叠层在不同方向突出。

13.根据权利要求11所述的热电系统，其中至少某些第一传热器件接受第一介质，并且至少某些第二传热器件接受第二介质，所述第一介质是液体和/或固体，并且所述第二介质是从由液体、固体、气体或液体、固体和气体的任意组合组成的组中选择的。

14.根据权利要求11所述的热电系统，其中所述第一介质是液体，并且所述第二介质是气体。

15.根据权利要求11所述的热电系统，其中所述至少一个介质运动，并且至少某些第一或第二传热器件被布置，以在所述至少一个介质运动的方向提供热隔离。

16.根据权利要求11所述的热电系统，进一步包括一个电流源，其电耦合到所述叠层，所述电流流过所述传热器件和热电组件。

17.根据权利要求11所述的热电系统，其中至少某些所述第一热电组件包括P型热电元件而且至少某些所述第二热电组件包括N型热电元件，并且所述传热器件使至少某些所述P型热电元件与至少某些所述N型热电元件热隔离。

18.根据权利要求11所述的热电系统，其中所述至少一个介质是运动的工作介质。

19.根据权利要求11所述的热电系统，其中所述至少一个传热器件是具有多个热交换器元件的热交换器。

20.根据权利要求11所述的热电系统，其中至少某些所述第一传热器件是由电极部分构成的，该电极部分与分流器部分电绝缘并且与其热耦合。

21.一种热电系统，其包括：

多个热电组件，其中至少某些所述热电组件被制成的尺寸可以提供高功率密度操作；

多个第一传热器件和多个第二传热器件，至少某些第一传热器件被夹在至少两个热电组件之间，并且至少某些第二传热器件被夹在至少两个热电组件之间，从而形成热电组件的一个叠置结构并具有交替的第一和第二传热器件。

22.根据权利要求21所述的热电系统，其中至少所述多个热电组件中的一些是N型热电元件，并且至少某些所述热电组件是P型热电元件。

23.根据权利要求22所述的热电系统，其中至少某些所述N型或P型热电元件的厚度在5微米到1.2毫米之间，其在所述热电元件的电流方向具有相对大的面积与长度比。

24.根据权利要求23所述的热电系统，其中所述比是大约6比1。

25.根据权利要求23所述的热电系统，其中至少某些所述N型和/或P型热电元件的厚度在20微米到300微米之间。

26.根据权利要求23所述的热电系统，其中至少某些所述N型和/或P型热电元件的厚度是在20微米到200微米之间。

27.根据权利要求23所述的热电系统，其中至少某些所述N型和/或P型热电元件的厚度是在20微米到100微米之间。

28.根据权利要求23所述的热电系统，其中至少某些所述N型和/或P型热电元件的厚度是在100微米到600微米之间。

29.根据权利要求21所述的热电系统，其中至少某些所述第一或第二传热器件被布置，以在工作介质流动的方向提供热隔离。

30.根据权利要求21所述的热电系统，进一步包括一个电流源，其电耦合到所述叠层，电流穿过串联的所述传热器件和热电组件。

31.根据权利要求22所述的热电系统，其中所述传热器件使至少某些所述P型热电元件与至少某些所述N型热电元件热隔离。

32.根据权利要求21所述的热电系统，其中至少某些所述传热器件接受运动的工作流体。

33.根据权利要求32所述的热电系统，其中至少某些所述传热器件是热交换器，其包括外壳，该外壳内具有多个热交换器元件。

34.根据权利要求21所述的热电系统，其中至少某些所述第一传热器件是由电极部分构成的，该电极部分与分流器部分电绝缘并且与其热耦合。