CN201349188Y - 一种热管式热电模块及其发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热管式热电模块，包括一热管，该热管的底段为热段，顶段为冷段，热段和冷段之间为中段；此外，所述热管其热段的外壁及端头设有保温封闭层而构成热管式热电模块的温差段，所述保温封闭层至少有部分由热电模块构成，所述热电模块的一面以热传导形式包裹封闭在热段的外面；所述各热电模块之间以串联和/或并联的方式连接。本实用新型还公开了一种使用上述热管式热电模块的发电装置。本实用新型利用热管作为热电模块的导热、散热装置，解决了温差发电中热电模块冷热两面难以形成比较高且比较稳定温差的问题以及冷端散热不快的问题，有效提高了热电模块的热电转换效率，并为余热多级利用奠定了基础。

Description

一种热管式热电模块及其发电装置

技术领域

本实用新型涉及热电技术领域，尤其涉及一种结合热管技术的热电模块及其发电装置。

背景技术

热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover实用新型的一种利用“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管的传热原理就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。热管一般由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，且充入适当的液体，这种液体沸点低、容易挥发。吸液芯设在管壁，由毛细多孔材料构成。热管的一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料在毛细力的作用下流回蒸发段。如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。热管依靠自身内部工作液体的相变来实现传热，具有很高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向可逆性、恒温特性(可控热管)和良好的环境适应性。

目前，热管技术被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式。采用热管技术使得散热器即便使用低转速、低风量的电机，同样可以获得满意的效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到了良好的解决，开辟了散热行业的新天地。

利用热电模块的温差发电机是利用塞贝尔效应，将热能直接转换为电能的一项新型节能技术装备，其工作原理是在两块不同性质的半导体两端设置一个温差，从而在半导体两端产生直流电压而输出电能。这是一种直接将热能转换成电能的全固态能量转换方式，具有体积小、重量轻、无振动、无噪音、寿命长等优点，在工业余热或废热利用方面具有广阔的应用前景。

虽然热电模块发电已有诸多应用，但长久以来受热电转换效率低和较大成本的限制，温差发电技术向工业和民用产业的普及受到很大的制约。之所以热电转换效率低，一方面是由于半导体器件热电材料的热电优值Z不够高；另一方面是热电模块其冷热两面难以形成足够高和稳定的温差。当热电模块的两面发生温差时，其两输出端便产生正负电势。接通电路后，由于电流的运动，使得热迅速地从热端向冷端转移。在此过程中，如果不能迅速、有效地将转移过来的热输送出去，并导入其他空间或物质体，热电模块其两面的温差就会消失，从而电势也就消失了。因此，热电模块发电装置是否能发电或高效发电，不仅仅取决于热电模块半导体热电材料的热电转换效率，还取决于与其配合的散热或导热装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将热管与热电模块相结合的热管式热电模块，旨在利用热管作为导热元件，以保证热电模块其冷热两面具有比较高且稳定的温差，从而有效提高热电模块的热电转换效率。本实用新型的另一目的在于提供一种使用上述热管式热电模块的发电装置。

本实用新型的目的通过以下技术方案予以实现：

本实用新型提供的一种热管式热电模块，包括一热管，该热管的底段为热段，顶段为冷段，热段和冷段之间为中段；此外，所述热管其热段的外壁及端头设有保温封闭层而构成热管式热电模块的温差段，所述保温封闭层至少有部分由热电模块构成，所述热电模块的一面以热传导形式包裹封闭在热段的外面；所述各热电模块之间以串联和/或并联的方式连接。本实用新型利用热管的高导热性、优良的等温性和热流密度的可逆性，将热管作为热电模块的导热、散热装置，以解决温差发电中热电模块冷热两面难以形成比较高、比较稳定温差的问题以及冷端散热不快的问题。为使热管的热段能够充分、高效地将热电模块冷面的散发出的热量迅速传递出去，热管的热段不允许直接与高温环境接触，即热段未被热电模块包裹的部分必须进行保温封闭，以保证热管传导的是在高温环境中经过热电模块的热量。

为起到集热和保护热电模块的作用，本实用新型中所述温差段的外面设有集热保护套，一方面可以增加热管的热量收集，另一方面也可以保护热电模块免受高温介质的侵害，以延长其使用寿命。此外，本实用新型所述热管式热电模块的中段其外设有保温隔热层，以减少热管在导热过程中热量的损失。

为提高发电效率，本实用新型所述保温封闭层全部由热电模块构成，即热电模块包裹封闭整个热段的外壁及端头。此外，也可以根据需要，所述保温封闭层部分由热电模块构成，部分由保温隔热材料形成的保温绝热层构成。

根据热管以及热电模块形状的不同，热电模块可以采用不同的方式设置在热管的外面。本实用新型所述热电模块的一面与所述热管其热段的外表之间设置有导热固定件。例如，对于圆管状的热管、平面形状的热电模块，可以通过外方内圆的导热筒将热电模块固定在热管的外面。或者，当热管为方型、热电模块为平面形状时，热电模块的一面可以直接贴附在热管其热段的外面；也可以通过导热胶、导热膏或其他导热材料将热电模块粘贴在热管热段的外面。

本实用新型的另一目的通过以下技术方案予以实现：

本实用新型提供的一种发电装置，包括热电组件和环境体系；所述热电组件为一组或一组以上，每组为一个或一个以上所述热管式热电模块的并列组合；所述环境体系为二个或二个以上，且按温度降低秩序依次逐级排列；所述每组热电组件设置在两相邻环境体系之间，其中热电组件各热管式热电模块的温差段置于温度较高的环境体系中，冷段置于温度较低的环境体系中；所述各组热电组件的热电模块之间以串联和/或并联的方式连接。然后与蓄电装置或稳压装置相互连接，便可实施温差发电。本实用新型装置利用热管在传导热量过程中，既能够维持稳定的、与外界环境相等的温度，同时又在几乎没有热量损失的情况下，逐级为温差发电提供冷热面，为温差发电余热提供利用场所，为余热多级利用奠定了基础。

其工作原理如下：

当一组热电组件其热管式热电模块的温差段处于高温环境体系中时，处于热段外壁的热电模块实行第一次温差发电，冷段则将热电模块冷面散发出的热量迅速传递给相邻的第一级相对低温的环境体系，使该级低温环境体系的温度升高。同时，设置在第一级相对低温环境体系中的第二组热电组件的热管式热电模块，其温差段的热电模块实行第二次温差发电后，该组热管式热电模块的冷段将热电模块冷面散发出的热量又迅速传递给相邻的第二级相对低温的环境体系，使该级低温环境体系的温度升高。同时，设置在第二级相对低温环境体系中的第三组热电组件的热管式热电模块，其温差段的热电模块实行第三次温差发电后，该组热管式热电模块的冷段与相邻的第三级相对低温的环境体系相接触，并将热电模块冷面散发出的热量迅速传递给该级环境体系。如此延续下去，只要被冷段传递热量后的那级相对低温的环境体系被加热得足够高，就可以在其中设置更多一组热电组件热管的温差段，再将该组件的冷段与更低温的环境体系接触，从而达到多级温差发电、提高余热利用效率的目的。

本实用新型装置热电组件和环境体系的级(次)数，可根据使用场合的需要进行设置，从而实现对余热进行多级利用和发电，极大地提高了温差发电效率。

关于环境体系，本实用新型装置所述位于始级、温度最高的环境体系可以为高温余热环境体系；所述位于末级、温度最低的环境体系可以为散热装置；所述中间各级环境体系可以为可调式封闭保温容器，所述保温容器中装有水或耐高温导热液体。这些保温容器具有耐一定压力、耐高温、保温隔热以及过压保护的功能，其封闭性是相对的。在特殊情况下，根据需要可以适当开启，以调节容器中的压力和温度，或者使用沸点大于水或150℃、热稳定性高、不易氧化和分解的耐高温导热液体，以防止温度过高、压力过大而导致爆炸或容器损毁。

本实用新型装置中，热电组件其热管式热电模块的温差段和冷段分别置于两个相邻的环境体系中，热管式热电模块的中段则露于外界。为减少热管导热过程中热量的损失，可以通过以下两种方式对中段进行保温隔热处理。一是在所述热管式热电模块的中段，其外设置保温隔热层；二是在所述两相邻环境体系之间设置保温隔热件，该保温隔热件套在各组热电组件其热管式热电模块的中段的外面。

本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型将热管与热电模块相结合，利用热管作为导热元件。不仅为余热利用温差发电提供了维持热电模块冷热两面较高和较稳定温差的解决方法，同时由于处于高温环境的热管被热电模块所包裹，热管所传导的热量主要是热电模块冷面散发的热量，是经过热电转换后的余热，而不是高温环境中还没有经过热电转换的热量。这样更有利于维持较高较稳定的温差。

(2)通过多级(次)设置热电组件和环境体系，对热电模块冷面散发的热量进行二次或多次温差发电，达到了余热多级利用的目的，极大地提高了温差发电总转换效率。

附图说明

下面将结合实施例和附图对本实用新型作进一步的详细描述：

图1是本实用新型实施例所使用的热管的外观示意图(未设置保温封闭层)；

图2是本实用新型实施例热管式热电模块的立体分解示意图；

图3是图2所示实施例热管式热电模块的立体外观示意图；

图4是本实用新型实施例发电装置结构原理示意图；

图5是图4所示实施例发电装置的应用示意图。

图中：热管1，热段1a，冷段1b，中段1c，温差段1d，热电模块2，导热固定件3，集热保护套4，保温隔热层5，热电组件6、6′，高温余热环境体系7，保温容器8、8′，保温隔热件9，入水口10，出水口11，散热装置12，蓄电装置13，稳压装置14，用电器15

具体实施方式

图1、图2、图3所示为本实用新型的一种热管式热电模块的实施例。如图2所示，包括热管1和热电模块2。如图1所示，其中热管1为圆管状并分为三段，其底段为热段1a，顶段为冷段1b，热段1a和冷段1b之间为中段1c。热电模块2的一面通过导热固定件3贴附包裹在热段1a的外壁及端头而构成热管式热电模块的温差段1d，导热固定件3为外方内圆的导热筒(见图2)。此外，若热管1为方型、热电模块2为平面形状，热电模块2的一面也可以直接贴附，或通过导热胶、导热膏或其他导热材料粘贴在热管其热段1a的外壁及端头。

各热电模块2之间以串并联的方式连接。如图2和图3所示，热电模块2的外面设有集热保护套4。此外，可以根据需要，在中段1c的外壁设置保温隔热层5，以减少热管导热过程中热量的损失。

图4、图5所示为本实用新型的发电装置的实施例。如图3所示，包括热电组件6和环境体系，其中热电组件为二组，每组为若干上述热管式热电模块的并列组合；环境体系为三个，且按温度降低秩序依次逐级排列，位于始级、温度最高的环境体系为高温余热环境体系7(如陶瓷辊道窑的缓冷带)，其余二个为温度依次降低的相对封闭的低温环境体系，可以是可调式相对封闭的保温容器8(如装有水或其他液体的锅炉或保温水箱)。各组热电组件6的热电模块之间以串并联的方式连接。然后与蓄电装置或稳压装置相互连接，便可实施温差发电。

如图4所示，第一组热电组件6其热管式热电模块的温差段置于高温余热环境体系7中，冷段则置于装有水的第一级保温容器8中。第二组热电组件6′其热管式热电模块的温差段置于第一级保温容器8，冷段则置于装有水的第二级保温容器8′中。热电组件其热管式热电模块的中段露于外界，为减少热管导热过程中热量的损失，可以对该中段进行保温隔热处理。一种方式是如图2、图3和图4所示在每根热管式热电模块的中段1c设置保温隔热材料而形成保温隔热层5；另一种方式如图5所示在两相邻环境体系之间设置保温隔热件9，该保温隔热件9套在整组热电组件6其热管式热电模块的中段的外面。

装置开始工作一定时间后，第一级保温容器8中的水被第一组热电组件6传导过来的热量所加热。此时，设置在第一级保温容器8中的第二组热电组件6′其热管式热电模块的温差段与处于装有水的第二级保温容器8′中的冷段形成温差，并进行温差发电。此时第二组热电组件6′热管的热段迅速将第一级保温容器8中的热量传递到第二级保温容器8′。当第二级保温容器8′中的水温不足够高时，为使第二组热电组件6′热管外壁的热电模块有足够稳定的温差，可以在第二级保温容器8′中设置入水口10和出水口11，采用少量、低速的循环水以维持持续稳定的温差。

此外，当第二级保温容器8′中的水温仍然很高时，可以在该保温容器中继续加设第三组热管式热电模块的热段，并将该组热管的冷段与增加的第三级保温容器相连接。如此延续下去，只要后一级保温容器水温足够高，有余热回收的意义，就可以继续进行如上所述的设置，直至环境体系水温较低，没有必要回收为止。

本实施例装置热电组件和环境体系的级(次)数，可根据使用场合的需要进行设置，从而实现对余热进行多级利用和发电。

如图5所示，为五组热电组件6、四级保温容器8的发电装置。位于始级、温度最高的环境体系为高温余热环境体系7，经过如上所述原理而连接设置的五组热电组件6、四级保温容器8，最后到达位于末级、温度最低的散热装置12，该散热装置12为散热水箱，其上设有入水口10和出水口11，以达到装置散热和维持较低温度的目的。此外，散热装置12也可以采用散热翅片或冷却风扇，散热翅片可直接安装在热电组件热管的冷段。每组热电组件6其热管式热电模块的中段的外面套有保温隔热件9，以减少热管导热过程中热量的损失。各组热电组件6的热电模块之间以串并联方式连接。之后再与蓄电装置13或稳压装置14相连接，最后为用电器15提供电源。

Claims (10)

1、一种热管式热电模块，包括一热管(1)，该热管的底段为热段(1a)，顶段为冷段(1b)，热段和冷段之间为中段(1c)；其特征在于：所述热管其热段(1a)的外壁及端头设有保温封闭层而构成热管式热电模块的温差段(1d)，所述保温封闭层至少有部分由热电模块(2)构成，所述热电模块(2)的一面以热传导形式包裹封闭在热段(1a)的外面；所述各热电模块(2)之间以串联和/或并联的方式连接。

2、根据权利要求1所述的热管式热电模块，其特征在于：所述温差段(1d)的外面设有集热保护套(4)。

3、根据权利要求1所述的热管式热电模块，其特征在于：所述热管式热电模块的中段(1c)其外设有保温隔热层(5)。

4、根据权利要求1或2或3所述的热管式热电模块，其特征在于：所述保温封闭层全部由热电模块(2)构成。

5、根据权利要求1或2或3所述的热管式热电模块，其特征在于：所述保温封闭层部分由热电模块(2)构成，部分由保温隔热材料形成的保温绝热层构成。

6、根据权利要求1所述的热管式热电模块，其特征在于：所述热电模块(2)的一面与所述热管其热段(1a)的外表之间设置有导热固定件(3)。

7、一种发电装置，其特征在于：包括热电组件(6)和环境体系；所述热电组件(6)为一组或一组以上，每组为一个或一个以上权利要求1或2所述热管式热电模块的并列组合；所述环境体系为二个或二个以上，且按温度降低秩序依次逐级排列；所述每组热电组件(6)设置在两相邻环境体系之间，其中热电组件(6)各热管式热电模块的温差段(1d)置于温度较高的环境体系中，冷段(1b)置于温度较低的环境体系中；所述各组热电组件(6)的热电模块之间以串联和/或并联的方式连接。

8、根据权利要求7所述的发电装置，其特征在于：所述位于始级、温度最高的环境体系为高温余热环境体系(7)；所述位于末级、温度最低的环境体系为散热装置(12)；所述中间各级环境体系为可调式封闭保温容器(8)，所述保温容器(8)中装有水或耐高温导热液体。

9、根据权利要求7所述的发电装置，其特征在于：所述热管式热电模块的中段(1c)，其外设有保温隔热层(5)。

10、根据权利要求7所述的发电装置，其特征在于：所述两相邻环境体系之间设置有保温隔热件(9)，该保温隔热件套在各热电组件(6)其热管式热电模块的中段的外面。

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