專利名稱：改進(jìn)的熱電發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用熱電器件的發(fā)電領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
盡管很久以前人們就已經(jīng)知道可用熱電器件產(chǎn)生電力，但由于當(dāng)前的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)效率以及這類發(fā)電機(jī)的功率密度非常低，因此熱電發(fā)電的應(yīng)用還很少。
歷史上，固態(tài)發(fā)電系統(tǒng)由位于熱源和散熱器之間的TE模塊或者獨(dú)立TE元件組成。這些部件是使用在發(fā)電機(jī)本身中不運(yùn)動(dòng)的部件來設(shè)計(jì)的。一般地，使用熱工作流體和冷工作流體作為熱源和冷源的系統(tǒng)采用風(fēng)扇來把所述流體傳遞到所述組件。
在其他的應(yīng)用中，壓縮空氣和燃料在發(fā)電機(jī)內(nèi)燃燒。在另外的其他應(yīng)用中，例如在汽車排放廢氣電能轉(zhuǎn)換器中，通過排放系統(tǒng)將熱輸送到發(fā)電機(jī)。在這些設(shè)備中，通過外部風(fēng)扇提供冷卻劑或者通過經(jīng)由翅片散熱器的自由對(duì)流來散發(fā)廢熱。
在應(yīng)用中，例如在使用核同位素作為熱源的發(fā)電機(jī)中，配置單獨(dú)的TE元件以產(chǎn)生電能。每個(gè)TE元件在熱端固定到一個(gè)同位素?zé)嵩瓷?，而在冷端則固定到廢熱散熱器上。運(yùn)行期間無部件移動(dòng)。
發(fā)明內(nèi)容
與典型的以前的笨重材料相比，新的異質(zhì)結(jié)構(gòu)(hetrostructure)熱電材料、量子隧道、特薄鍍膜以及沉積熱電材料在更高的功率密度下運(yùn)行，為獲得更高的系統(tǒng)效率提供了可能。
具有高功率密度的熱電裝置的成功運(yùn)行需要在TE模塊冷端和熱端具有較高的熱交換速率。實(shí)現(xiàn)該目的的一個(gè)方式是通過對(duì)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)以使其有助于提高流體流動(dòng)速率從而提高熱能產(chǎn)量。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，將熱交換器的一部分用作風(fēng)扇葉片，從而可促進(jìn)工作流體流動(dòng)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)能夠降低進(jìn)入風(fēng)扇的能量、簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并縮小尺寸。
此外，通過使用熱管可提高許多系統(tǒng)中的傳熱速率，這是本領(lǐng)域所公知的。這類設(shè)備采用雙相(液相和汽相)流將含熱量從一個(gè)表面?zhèn)鬟f到另一個(gè)表面。在熱源表面上的散發(fā)熱量之處，利用流體的汽化熱來吸取熱能。蒸汽流到散熱器端的溫度較低的表面上，在那里冷凝并釋放汽化熱。冷凝流體通過毛細(xì)作用和/或重力返回到熱源端。
正確設(shè)計(jì)的熱管是非常高效的，并且可在溫差非常低的情況下傳遞較大的熱通量。高效運(yùn)行的一些關(guān)鍵在于，液體的返回過程應(yīng)當(dāng)高效，而且整個(gè)熱源端應(yīng)當(dāng)始終是潤濕的，以便總有可用來蒸發(fā)和帶走熱能的液體。同樣地，重要的是，由于熱管工作流體通常是相對(duì)較差的導(dǎo)熱體，冷的散熱器端并不積蓄液體。因此，散熱器端應(yīng)該有效地排出液體以保持有效的導(dǎo)熱表面。
在此處所述的一個(gè)實(shí)施例中，正確定向的熱管與旋轉(zhuǎn)熱交換元件結(jié)合一起，利用熱交換器旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力來改進(jìn)性能。通過風(fēng)扇和泵產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)加速度可達(dá)到數(shù)千個(gè)Gs，以便在正確設(shè)計(jì)的情況下，可將液相高效地從散熱器端傳送到所述熱源端。由于此時(shí)離心力有利地提高了液相流動(dòng)，較冷端比較熱端更接近旋轉(zhuǎn)軸線的設(shè)計(jì)能夠表現(xiàn)出非常理想的傳熱特性。因此，這樣的設(shè)計(jì)提高了功率密度、降低了損耗。
最后，與申請(qǐng)?zhí)枮?9/844,818的、名稱為Improved EfficiencyThermoelectrics Utilizing Thermal Isolation的美國專利申請(qǐng)所述的熱絕緣體相結(jié)合的發(fā)電機(jī)，可進(jìn)一步提高性能。
所述的一個(gè)方面包括一個(gè)熱電發(fā)電機(jī)，其具有至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件，該旋轉(zhuǎn)熱電組件具有至少一個(gè)熱電模塊。所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件接納至少一種工作流體，并將來自該工作流體的熱轉(zhuǎn)換成電力。有優(yōu)勢(shì)的是，所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件包括至少一個(gè)較熱端熱交換器和至少一個(gè)較冷端熱交換器。在一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一個(gè)較熱端熱交換器具有與所述至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)較熱端熱管；以及與所述至少一個(gè)較熱端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器翅片。在一個(gè)實(shí)施例中，所述的至少一個(gè)較冷端熱交換器具有與所述至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)較冷端熱管；以及與該至少一個(gè)較冷端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器翅片。在一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一種工作流體為至少一種較熱工作流體和至少一種較冷工作流體。
優(yōu)選地，所述熱管容納流體，并且該熱管被定向以致所述旋轉(zhuǎn)熱電組件旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力使所述流體的液相聚集在所述熱管的一部分上。例如，較冷端熱管內(nèi)的流體在所述至少一個(gè)熱電模塊的一個(gè)界面的至少一部分上為液相，而較熱端熱管內(nèi)的流體在所述至少一個(gè)熱電模塊的界面的至少一部分上為汽相。
在一個(gè)實(shí)施例中，與所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件連接的電機(jī)使所述的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件旋轉(zhuǎn)。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一種下作流體使所述至少一個(gè)熱電組件旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，該旋轉(zhuǎn)對(duì)貫穿或橫穿所述熱交換器的工作流體進(jìn)行抽吸，或者對(duì)貫穿和橫穿所述熱交換器的工作流體進(jìn)行抽吸。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件具有多個(gè)熱電模塊，所述熱電模塊中的至少一些與該熱電模塊中的至少一些其他的模塊熱絕緣。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述的至少一個(gè)較熱端熱交換器具有多個(gè)與該較熱端熱交換器的其他部分充分熱絕緣的部分。
此處所述的另一個(gè)方面包括利用至少一個(gè)熱電組件發(fā)電的一種方法，其中該熱電組件具有至少一個(gè)熱電模塊。該方法包括使所述至少一個(gè)熱電組件旋轉(zhuǎn)、使至少一種第一工作流體貫穿和/或經(jīng)過所述至少一個(gè)熱電組件的一個(gè)第一端以形成貫穿所述至少一個(gè)熱電模塊的溫度梯度而發(fā)電、并把來自所述至少一個(gè)熱電模塊的電力連通。在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法還包括使至少一個(gè)第二工作流體貫穿和/或經(jīng)過所述至少一個(gè)熱電組件的第二端?？赏ㄟ^例如電機(jī)、工作流體本身以及任何其他可行方式等多種方式獲得所述旋轉(zhuǎn)。
優(yōu)選地，所述至少一個(gè)熱電組件具有至少一個(gè)第一端熱交換器以及至少一個(gè)第二端熱交換器，并且使所述至少一種第一工作流體經(jīng)過的所述步驟包括，使所述至少一種第一工作流體貫穿和/或經(jīng)過所述第一和/或第二端熱交換器。
如同所述設(shè)備一樣，在一個(gè)實(shí)施例中，所述至少所述至少一個(gè)第一端熱交換器具有與所述至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)第一端熱管；以及與所述至少一個(gè)第一端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器翅片。有優(yōu)勢(shì)的是，所述熱管容納流體，并被定向以致所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力使所述流體的液相聚集在所述熱管的一部分上。這個(gè)方法的配置如同所述設(shè)備一樣。
所述的另一個(gè)方面包括一種熱電發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有至少一個(gè)較熱工作流體的一個(gè)源、至少一個(gè)較冷工作流體的一個(gè)源以及具有至少一個(gè)熱電模塊的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件，其中所述旋轉(zhuǎn)熱電組件接納所述至少一種較熱工作流體并且把來自所述較熱工作流體的熱量轉(zhuǎn)換成電力。優(yōu)選地，該系統(tǒng)還具有用于所述至少一種較熱和所述至少一種較冷工作流體的排出裝置，以及至少一個(gè)把電力從所述旋轉(zhuǎn)熱電組件傳送出去的電氣連通系統(tǒng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件包括至少一個(gè)較熱端熱交換器和至少一個(gè)較冷端熱交換器。與前面所述的方法和設(shè)備一樣，在一個(gè)實(shí)施例中，至少所述至少一個(gè)較熱端熱交換器具有與所書至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)較熱端熱管；以及與所述至少一個(gè)較熱端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器翅片。同樣地，在一個(gè)實(shí)施例中，至少所述至少一個(gè)較冷端熱交換器可具有與所述至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)較冷端熱管；以及與所述至少一個(gè)較冷端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器。還可利用熱絕緣體。
從以下優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)說明中，可明顯看出本描述中的這些及其他的方面和優(yōu)點(diǎn)。
圖1A-1C示出了熱電發(fā)電器的一種總體方案，其中熱和冷流體流經(jīng)電機(jī)和熱交換器翅片，以形成貫穿TE模塊的溫差。從熱端流體流內(nèi)的熱能中產(chǎn)生電能。
圖1D示出了用于發(fā)電機(jī)的冷端和熱端工作流體運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)視圖。
圖1E示出了TE模塊和熱交換器的剖面圖。
圖1F示出了用于把TE模塊產(chǎn)生的電能傳遞到外部系統(tǒng)的集流環(huán)組件實(shí)施例的附加細(xì)節(jié)。
圖1G還示出了熱電發(fā)電器的一種總體方案，其中工作流體的流動(dòng)和壓力使發(fā)電機(jī)組件旋轉(zhuǎn)，因此消除了對(duì)圖1C和1D所示電機(jī)的需要。
圖2A示出了用于在旋轉(zhuǎn)固態(tài)發(fā)電機(jī)中大致軸向流體流的TE模塊、熱管和熱交換器組件。
圖2B為圖2A組件的詳細(xì)橫剖面圖。
圖2C為圖2A組件一個(gè)片段的第二視圖。
圖3A示出了用于在旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)中大致徑向流體流的TE模塊、熱管和熱交換器組件的剖面圖。
圖3B示出了圖3A組件詳細(xì)橫剖面圖。
圖4示出了軸向流動(dòng)發(fā)電機(jī)，其中熱和冷流體通常在相同總方向上彼此平行流動(dòng)。發(fā)電機(jī)利用熱絕緣體和熱管以提高能量轉(zhuǎn)換效率。
圖5示出了一個(gè)徑向流動(dòng)發(fā)電機(jī)，其中熱和冷流體通常在相同方向上彼此平行流動(dòng)。發(fā)電機(jī)利用熱絕緣體和熱管以提高效率。
圖6示出了一個(gè)軸向流發(fā)電機(jī)，其中熱和冷流體在大致彼此相對(duì)方向上流動(dòng)。有利地，TE模塊和熱交換器熱絕緣，以提高效率并提高功率密度。
圖7示出了一個(gè)軸向流發(fā)電機(jī)，其中熱和冷流體在大致彼此相對(duì)方向上流動(dòng)。有利地，TE模塊之間熱絕緣。使用熱管以提高效率和功率密度。
圖8示出了具有大致徑向和軸向流的發(fā)電機(jī)。利用固體傳導(dǎo)熱交換元件，以在TE模塊和熱端翅片之間傳遞熱量。
圖9示出了軸向流發(fā)電機(jī)的一部分，其中電流圍繞轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線的圓形方向上流過TE元件或者模塊。
圖10示出了熱電發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)方框圖。
具體實(shí)施例方式
在本描述中，術(shù)語“熱電模塊”或者“TE模塊”是指它們普通和習(xí)慣含義的廣義，其中為(1)傳統(tǒng)的熱電模塊，例如由加利福尼亞州圣地亞哥Hi Z Technologies，Inc制造的；(2)量子隧道轉(zhuǎn)換器；(3)熱離子模塊；(4)磁熱模塊；(5)利用熱電、磁熱、量子、隧道和熱離子效應(yīng)中之一或者任何組合的部件；(6)以上(1)到(6)的任何組合、排列、集合及其他結(jié)構(gòu)。
在描述中，詞語“冷”、“熱”、“較冷”、“較熱”等等是相對(duì)術(shù)語，而不表示任何具體溫度范圍。例如，冷端熱交換器事實(shí)上人摸著覺得很熱，但仍然比熱端冷。這些術(shù)語只用于表示貫穿TE模塊存在的溫度梯度。
此外，在本申請(qǐng)中描述的實(shí)施例僅僅是示例，而不是對(duì)發(fā)明的限制，本發(fā)明在權(quán)利要求書中限定。
圖1A-1F示出了用于旋轉(zhuǎn)熱電發(fā)電機(jī)100的總體方案圖。圖1A為一個(gè)透視圖。圖1B為可通過圖1A中的槽口126可見的轉(zhuǎn)子組件135。圖1C為通過旋轉(zhuǎn)熱電發(fā)電機(jī)100的剖面圖。圖1D-1F提供了該發(fā)電機(jī)各個(gè)部分的附加細(xì)節(jié)。轉(zhuǎn)子組件135(如圖1B和圖1C所示)由TE模塊101組成，該組件與一端的熱端熱交換器102(例如熱交換器翅片)以及另一端的冷端熱交換器103(例如熱交換器翅片)具有良好熱接觸。絕緣體109隔離熱端和冷端。絕緣體109把轉(zhuǎn)子部件剛性地連接到電機(jī)轉(zhuǎn)子110。此處出于說明的目的示出了TE模塊101，該模塊由TE元件104和電路129組成。導(dǎo)線123在接觸點(diǎn)124、125處把TE模塊101電連接到彼此電絕緣的軸組件130的部分117、119上，TE模塊101，熱端熱交換器102，冷端熱交換器103，絕緣體107、109，導(dǎo)線123，電路129和軸部分117、119一起形成了剛性可旋轉(zhuǎn)單元。
電機(jī)組件111通過軸承144(圖1F)連接到該電機(jī)轉(zhuǎn)子110上。集流環(huán)觸頭118與軸元件119電氣連通，并且集流環(huán)觸頭120也與軸元件117電氣連通。導(dǎo)線122通過電路132和其他沒有示出的電路(例如電路板上的跡線或者其他傳統(tǒng)的電路連接件)連接到集流環(huán)觸頭118和120上。導(dǎo)線122也通過電路板112及其他沒有示出的電路連接到電機(jī)組件111上。
輻條113(最好如圖1A所示)把內(nèi)壁114(圖1C中的)機(jī)械地固定到電機(jī)底座116上，從而固定該電機(jī)組件111上。熱端流體過濾器128固定到外殼131上，而冷端流體過濾器127由葉片115支撐并被固定到外殼131的延伸部分133上。外殼上的開口126，例如槽口，可使流體106、108通過外殼131。熱工作流體105、106(圖1C和圖1D)被封閉在由外壁131、開口126、絕緣體109、過濾器128和TE模塊101所限定的腔內(nèi)。冷工作流體107、108通過內(nèi)壁114、葉片115、外殼延伸部分133、電機(jī)底座116以及過濾器127封閉。
熱流體105穿過熱端過濾器128并把熱傳遞到熱端熱交換器102。因此，熱端熱交換器102和TE模塊101之間的界面被加熱。類似地，冷流體107穿過冷端過濾器127并從冷端熱交換器103吸收熱。因此，冷端熱交換器103和TE模塊101之間的界面被冷卻。貫穿TE模塊101的溫度梯度(熱流)產(chǎn)生電能。該電能通過導(dǎo)線123傳送到接觸點(diǎn)124、125傳送到軸部分117、118，并通過集流環(huán)觸頭118、120傳遞到導(dǎo)線122(最好如圖1F所示)。
作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子110上的電機(jī)組件111使該轉(zhuǎn)子組件旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，換熱器102、103設(shè)計(jì)成在離開該轉(zhuǎn)子組件的旋轉(zhuǎn)軸縱向定向的翅片。在該結(jié)構(gòu)中，有利的是，換熱器102、103作為離心式風(fēng)扇或者鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)扇葉片并從而連續(xù)地抽吸工作流體105、107，以在整個(gè)TE模塊101上保持溫差。貫穿TE模塊101的熱流的一部分連續(xù)地轉(zhuǎn)換為電能。熱工作流體105在穿過熱端熱交換器102時(shí)被冷卻，然后經(jīng)由開口126作為廢流體106流出。類似地，冷工作流體107在穿過冷端熱交換器103時(shí)，被加熱，然后經(jīng)由開口126作為廢流體108流出。
利用附圖中旋轉(zhuǎn)組件135的具體結(jié)構(gòu)詳細(xì)描述旋轉(zhuǎn)熱電發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。熱交換器熱電模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)作為一個(gè)單元允許將一個(gè)或多個(gè)換熱器用作抽吸工作流體的風(fēng)扇葉片。此外，在提高發(fā)電系統(tǒng)效率以及增加功率密度方面，可得到其他的旋轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)和用途，這些將在下面進(jìn)一步解釋。
圖1D示出了發(fā)電機(jī)100的冷端和熱端工作流體運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)視圖。TE模塊101與熱端熱交換器102和冷端熱交換器103熱連通。這兩端通過絕緣體109隔離。熱端流體105和106容納于外壁131和絕緣體109中。類似地，冷端流體107，108容納于內(nèi)壁管道114和絕緣體109中。電機(jī)轉(zhuǎn)子110剛性地固定到絕緣體109上，以便絕緣體109、TE模塊101和換熱交換器102、103作為一個(gè)單元運(yùn)行。導(dǎo)線123把TE模塊101連接到旋轉(zhuǎn)集流環(huán)118、120，其中集流環(huán)118，120在圖1F的討論中更詳細(xì)描述。電機(jī)轉(zhuǎn)子110通過軸承144(圖IF)連接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器140和軸130(圖1F詳細(xì)示出)。導(dǎo)線123連接到TE模塊101和軸130。
對(duì)熱交換器102加熱的熱流體105和對(duì)熱交換器103冷卻的冷流體107在整個(gè)TE模塊101上形成溫度梯度。熱流體105被冷卻并排出，而冷流體107被加熱而排出。通過作為鼓風(fēng)機(jī)或者徑流式風(fēng)扇的葉片的熱交換器102元件部分的轉(zhuǎn)動(dòng)形成熱流體105的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子110和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器140產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。由外殼和絕緣體來引導(dǎo)流體流。
圖1E示出了TE模塊101和換熱器102、103的剖面圖。圖中示出的熱交換器102、103為本領(lǐng)域公知的折疊翅片，但也可以是任何其他合適的熱交換器設(shè)計(jì)，例如，可在如下出版物中找到的任何有利的設(shè)計(jì)Kays，William M.，and London，Alexande L.，Compact HeatExchangers，3rd Edition，1984，McGraw-Hill，Inc?？刹捎脽峁芎腿魏纹渌募夹g(shù)以提高熱交換。
圖1F示出了用于把TE模塊101產(chǎn)生的電能傳送到外部系統(tǒng)的集流環(huán)組件實(shí)施例的附加細(xì)節(jié)。該組件由絕緣體109中的導(dǎo)線123組成，導(dǎo)線123中的一根電連接到內(nèi)軸119，而另一根電連接到外軸117。電絕緣體142把內(nèi)外軸117、119機(jī)械地連接起來。有優(yōu)勢(shì)的是，內(nèi)軸119機(jī)械地連接到電機(jī)轉(zhuǎn)子110和軸承144。集流環(huán)觸頭118電連接到內(nèi)軸119上，并且集流環(huán)觸頭120電連接到外軸117上。
圖1G示出了熱電發(fā)電器的可選結(jié)構(gòu)，其中該熱電發(fā)電器采用工作流體的流動(dòng)和壓力使發(fā)電機(jī)組件旋轉(zhuǎn)，因此消除了對(duì)圖1C和1D所示電動(dòng)機(jī)的需要。
如圖1G所示，除了風(fēng)扇150和絕緣體109固定一起以形成可旋轉(zhuǎn)單元外，TE 101、熱交換器102、103和包括該熱電發(fā)電器轉(zhuǎn)動(dòng)部件的有關(guān)部件與圖1D中相同。軸承152、軸130和輻條116、151形成用于該轉(zhuǎn)動(dòng)部件的懸掛。
在運(yùn)行中，工作流體105推動(dòng)風(fēng)扇150。來自風(fēng)扇的力使該轉(zhuǎn)動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)。在該實(shí)施例中，該旋轉(zhuǎn)會(huì)吸入冷工作流體107，從如圖2-圖7以及圖9的描述中所討論的轉(zhuǎn)動(dòng)中可知，該旋轉(zhuǎn)還提供其他的用處。
所示的風(fēng)扇150為一個(gè)獨(dú)立部件。同樣的功能可通過利用其他具有熱交換器或其他部件的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，其中的熱交換器或者其他部件的形狀和位置被設(shè)計(jì)成可以利用在較熱、較冷和/或排出流體流中獲得的力來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。例如，這種系統(tǒng)可被用于汽車內(nèi)燃機(jī)的排氣流中。在這樣一個(gè)實(shí)例中，本來只是廢熱的能量被轉(zhuǎn)換為電能，并且排放流使旋轉(zhuǎn)熱電組件旋轉(zhuǎn)。
電機(jī)轉(zhuǎn)子110，絕緣體109、142和軸117、119作為一個(gè)單元旋轉(zhuǎn)并由軸承144支撐。集流環(huán)118、120把在旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)產(chǎn)生的電能傳送到外部電路上。集流環(huán)118、120可以是本領(lǐng)域公知的任何設(shè)計(jì)，而且軸117、119可以是任何導(dǎo)電的或者容納導(dǎo)電導(dǎo)線或者元件的可行結(jié)構(gòu)。電力輸送部件和結(jié)構(gòu)可以是把來自旋轉(zhuǎn)單元的電能輸送到外部電路的任何設(shè)計(jì)。
應(yīng)該清楚的是，盡管圖1示出了單個(gè)旋轉(zhuǎn)組件，但多個(gè)旋轉(zhuǎn)組件也是預(yù)料之中的。
圖2A示出了用于圖1所示形式的熱電發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件200的剖視圖。轉(zhuǎn)子組件200由與外熱管202的環(huán)形陣列和內(nèi)熱管203的環(huán)形陣列良好熱接觸的環(huán)狀TE模塊201組成。熱端熱交換器204與外熱管202具有良好熱接觸，而冷端熱交換器205與內(nèi)熱管203具有良好熱接觸。轉(zhuǎn)子組件200通常關(guān)于其旋轉(zhuǎn)軸線211對(duì)稱。
運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子組件200圍繞其旋轉(zhuǎn)軸線211旋轉(zhuǎn)。熱流體(未示出)與熱端熱交換器204接觸，熱端熱交換器204把熱通量傳遞到外熱管202，并傳遞到TE模塊201的外表面。一部分熱通量通過TE模塊201轉(zhuǎn)換為電能。廢熱通量穿過內(nèi)熱管203，然后到達(dá)冷端熱交換器205，最后到達(dá)與冷端熱交換器205接觸的冷卻液(未示出)。
圖2B是穿過熱管的轉(zhuǎn)子組件200的橫截面的更詳細(xì)視圖。如圖2A所示，熱管202和203與TE模塊201熱接觸。TE元件208和電路209構(gòu)成TE模塊201。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，熱管202、203由容納熱交換流體的密封殼214、215組成。運(yùn)行中，當(dāng)轉(zhuǎn)子組件200圍繞軸線211旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)力推動(dòng)熱交換流體的液相離開特定熱管202、203的旋轉(zhuǎn)軸線。箭頭210示出了通過旋轉(zhuǎn)引起的向外力的方向。例如，在熱管202中液相206形成了與汽相的界面212。熱端熱交換器204與熱端熱管殼214具有良好的熱接觸。類似地，冷端熱管203、215具有液相的熱交換流體207和與汽相的界面213。較冷端熱交換器205與冷端熱管殼215具有良好的熱連通。
由轉(zhuǎn)子組件200旋轉(zhuǎn)引起的向外力210強(qiáng)制液相206和207到達(dá)圖2B所示的位置。熱氣(未示出)把來自外部熱交換器翅片204的熱傳遞到外部熱管殼214。熱通量使熱端的一部分液相206蒸發(fā)。由于該蒸汽的位置被稠密的液相取代，因而該蒸汽朝箭頭210所示方向相反的方向向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。在與TE模塊201和熱端熱管殼214的界面接觸的熱管202中的汽相流體把它的一部分熱容量傳遞到TE模塊201，并凝結(jié)為液相。旋轉(zhuǎn)引起的力在箭頭210所示方向上驅(qū)動(dòng)稠密的液相。隨著更多的熱被熱端熱交換器204吸收、傳遞到外部熱管殼214、然后傳遞到TE模塊201外表面，流體循環(huán)反復(fù)進(jìn)行。
類似地，來自TE模塊201內(nèi)側(cè)的廢熱使該內(nèi)熱管流體的液相207沸騰，并向內(nèi)對(duì)流到內(nèi)熱管殼215的內(nèi)部。冷工作流體(未示出)把來自冷端熱交換器205以及冷端熱管殼215相鄰部分的熱散掉。這引起流體207的凝結(jié)。該液相由箭頭210所示方向上的離心力驅(qū)動(dòng)，并積蓄在TE模塊201和內(nèi)熱管殼215界面上。該循環(huán)不斷地重復(fù)，其中流體不斷地在一個(gè)位置蒸發(fā)，在另一個(gè)位置凝結(jié)，并通過離心力輸送回第一位置。
根據(jù)轉(zhuǎn)子尺寸和轉(zhuǎn)速的不同，由轉(zhuǎn)子組件201旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的力可以是重力的幾倍到數(shù)千倍。這種離心力可提高熱管熱交換，因此允許轉(zhuǎn)子組件200以較少的熱交換損失和較高的熱通量運(yùn)行。
圖2C示出了沿著旋轉(zhuǎn)軸線211觀察的圖2A轉(zhuǎn)子組件200的剖面圖。TE模塊201與外熱管202和內(nèi)熱管203具有良好的熱接觸。熱交換器204、205(例如圖中所示翅片)與熱管202、203具有良好的熱接觸。
圖2C示出了單獨(dú)的熱管部分202、03和TE模塊201。熱工作流體(未示出)流過在外部熱交換器翅片204和外熱管202之間的通道216。類似地，冷工作流體(未示出)流過在內(nèi)部熱交換器翅片205和內(nèi)熱管203之間的內(nèi)通道217。
圖3示出了可替換的熱電發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組件300，其中工作流體在大概徑向方向上流動(dòng)。該剖面圖示出了與熱端熱管302和冷端熱管303具有良好的熱接觸的盤狀TE模塊301。與熱端熱管302具有良好熱接觸的是一個(gè)熱交換器304，而與較冷端熱管303具有良好的熱接觸是一個(gè)冷端熱交換器305。轉(zhuǎn)子組件300圍繞一個(gè)中心線310旋轉(zhuǎn)并大致關(guān)于該中心線對(duì)稱。
在運(yùn)行中，在例如圖1中電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)子組件300圍繞中心線310旋轉(zhuǎn)。熱工作流體(未示出)在熱端熱交換器304(在本描述中為翅片)和熱端熱管302之間大概徑向地向外流過，熱工作流體把熱傳遞到熱交換器304和外熱管302，然后傳遞到TE模塊301。類似地，冷工作流體(未示出)穿過中心側(cè)的熱交換器303和較冷端熱管305大概徑向地向外流過，冷工作流體從TE模塊301把通過較冷端熱管303對(duì)流傳熱的熱散去。從較熱端熱管304流動(dòng)到TE模塊301并穿過較冷端熱管305流出的一部分熱通量通過TE模塊301轉(zhuǎn)換為電能。
有優(yōu)勢(shì)的是，熱管302、303的旋轉(zhuǎn)(在該實(shí)施例中設(shè)計(jì)為扁平的管狀截面)起到風(fēng)扇葉片的作用，把熱和冷工作流體(未示出)向外抽吸。有優(yōu)勢(shì)的是，熱交換器304、305和熱管302、303設(shè)計(jì)成使熱交換和風(fēng)扇流體抽吸作用最佳化。因此，轉(zhuǎn)子組件300既作為發(fā)電機(jī)，也作為工作流體泵。
圖3B示出了穿過圖3A所示轉(zhuǎn)子組件300的熱管的更詳細(xì)剖視圖311。TE模塊301由TE元件309和電路310組成。TE模塊301與熱管302、303具有良好的熱接觸。正如圖2結(jié)構(gòu)的情況，較熱端熱管302由密封殼312組成，其中容納具有界面314的液相306和汽相的流體。同樣地，較冷端熱管303由密封殼313組成，其中容納具有界面315的液相307和汽相的流體。熱交換器翅片304、305與熱管302、303具有良好的熱連通。箭頭308指向的是當(dāng)該旋轉(zhuǎn)組件圍繞軸線310旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的向外的力的方向。
在運(yùn)行中，該向外的力向外推動(dòng)熱管302，303內(nèi)的熱交換流體的液相，形成液相306、307和界面314以及315。來自流過熱端熱交換器304的熱端工作流體(未示出)的熱通量使一部分流體306蒸發(fā)，蒸發(fā)掉的流體會(huì)在TE模塊301界面處的較熱端熱管殼312處凝結(jié)。類似地，一部分熱通量穿過TE模塊301到達(dá)與較冷端熱管殼313的界面，并到達(dá)較冷端熱管流體307，使流體307沸騰。當(dāng)熱通過傳遞轉(zhuǎn)移到較冷端熱交換器305并到達(dá)較冷端工作流體(未示出)時(shí)，汽相在冷端熱管殼313內(nèi)部的凝結(jié)。這個(gè)傳熱過程類似于在圖2A、2B以及2C中詳細(xì)描述的傳熱過程。
圖4示出了另一個(gè)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)400的一側(cè)的剖面圖。TE模塊401熱連接到較冷端熱交換器402和較熱端熱交換器403。在示出的實(shí)施例中，較冷端熱交換器402具有多段熱管404和翅片406。類似地，較熱端熱交換器403具有多段熱管405和翅片407。較冷工作流體408、410被封閉在由絕緣體416、423、424和管道412形成的腔內(nèi)。類似地，較熱工作流體414和415由絕緣體423、424和外部管道411封閉。轉(zhuǎn)子絕緣體416剛性地連接到電機(jī)轉(zhuǎn)子417、交換器402的內(nèi)部，從而連接到TE模塊401和熱交換器403。導(dǎo)線420和覆蓋物425剛性地連接到TE模塊401上。類似地，風(fēng)扇葉片組件413剛性地附著于TE模塊401上。一個(gè)軸組件419附著到電機(jī)轉(zhuǎn)子417以及軸承418上。一個(gè)集流環(huán)組件421與軸組件419之間電氣連通。絕緣體423和424設(shè)計(jì)成成迷宮式密封422。輻條409把最左側(cè)軸承418連接到絕緣體424上和管道411上。
由電機(jī)轉(zhuǎn)子417，絕緣體416、423，熱管402、403，TE模塊401，風(fēng)扇葉片413，導(dǎo)線420，軸419和覆蓋物425形成的組件作為一個(gè)單元旋轉(zhuǎn)。風(fēng)扇葉片413的旋轉(zhuǎn)為熱和冷工作流體408、410、414、415提供了動(dòng)力。
熱工作流體414從左側(cè)進(jìn)入并把熱能傳遞到熱端熱交換器402，然后傳遞到TE模塊401。通過風(fēng)扇葉片413的旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動(dòng)熱工作流體414的流動(dòng)。類似地，較冷工作流體408從左側(cè)進(jìn)入并吸取來自較冷端熱交換器403和TE模塊401的廢熱能量。產(chǎn)生的電能通過導(dǎo)線420并通過軸組件419和集流環(huán)組件421從旋轉(zhuǎn)部分傳送出，如圖1F中所詳細(xì)描述的。
熱管402、403被分段，以把一部分從另一部分熱絕緣開，其目的在發(fā)明名稱為″Improved Efficency Thermoelectrics Utilizing ThermalIsolation″、于2001年4月21日提交的申請(qǐng)?zhí)?9/844,818的美國專利申請(qǐng)中描述，此處將該申請(qǐng)以引用方式并入。在熱管402、403內(nèi)的熱交換通過如上所述的離心加速度而得到提高，從而提高的系統(tǒng)運(yùn)行的熱能輸送效率以及可接收的功率密度。通過利用離心力以提高熱交換，使整個(gè)設(shè)備更加緊湊，同時(shí)可采用在高的熱功率密度下有利地運(yùn)行的熱電材料。
密封件422表示那些通過移到固定邊界而適當(dāng)?shù)匕褵崃黧w414從冷流體408隔離的任何密封結(jié)構(gòu)。在一些結(jié)構(gòu)中，與進(jìn)口幾何形狀結(jié)合的風(fēng)扇413的抽吸能力可取消對(duì)密封件422的需要?？商鎿Q地，如果風(fēng)扇葉片413的外部的替代機(jī)構(gòu)(未示出)提供通過熱交換器402、403抽吸工作流體408、422的力，則密封件422可起到把較熱和較冷工作流體408、422分離的作用。在這樣實(shí)施例中，可以省略風(fēng)扇413或者它的功能通過可替換的流體泵機(jī)構(gòu)來提供。
圖5示出了將熱交換器作為風(fēng)扇葉片的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。該TE模塊和熱交換器在原理上與圖3中的類似。轉(zhuǎn)子組件500由TE模塊501，較冷流體熱交換器502，較熱流體熱交換器503，絕緣體515、517，輻條508和電機(jī)轉(zhuǎn)子509組成，所有這些都剛性地彼此連接，以形成一個(gè)圍繞軸510旋轉(zhuǎn)的剛體單元。較冷流體熱交換器502具有與翅片504具有良好熱接觸的熱管。類似地，較熱流體熱交換器503與翅片505具有良好熱接觸的熱管。絕緣體515、517和管道507形成限制較熱工作流體511、512的腔。類似地，絕緣體515、517和管道506形成限制較冷工作流體513、514的腔。密封件516形成在絕緣體515、517內(nèi)，以把較熱工作流體511和較冷工作流體513隔開。
通過電機(jī)轉(zhuǎn)子509提供動(dòng)力使熱交換器502、503旋轉(zhuǎn)，組件500運(yùn)行起來，隨后熱交換器產(chǎn)生抽吸作用，以通過熱交換器502、503把熱和冷流體吸出，在TE模塊501上形成溫度梯度。通過圖1A-1E所示的設(shè)計(jì)，或者通過在該環(huán)境中可接受的任何其他的傳遞方法，將所產(chǎn)生的電能取出并傳遞到外部電路。
有優(yōu)勢(shì)的是，可以在單個(gè)組件內(nèi)使用若干工作流體。發(fā)電機(jī)(例如圖4所示的)可具有幾個(gè)熱端工作流體源，其中每個(gè)具有不同的成分和/或溫度。這種情況可能發(fā)生，例如在廢物發(fā)電系統(tǒng)中具有若干待處理廢氣源，該廢氣源具有來自鍋爐、干燥爐等的廢熱流體?？稍谘匦D(zhuǎn)軸線的一個(gè)位置處通過壁411引入這種多工作流體的源，其中在所述的一個(gè)位置處，熱端工作流體422已經(jīng)冷卻到一定的溫度，該溫度使工作流體422與增加的工作流體結(jié)合時(shí)，可有利地產(chǎn)生電能。在這種環(huán)境中，熱通量可在一些熱管402、407和翅片405、409中變化，以便TE模塊101，熱管402、207和翅片405、409的結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀和/或材料在流體流動(dòng)的方向上的一段和下一段不同。此外，絕緣體和翅片結(jié)構(gòu)可用于隔離不同的流體。最后，一種以上的冷端工作流體409、410可結(jié)合至少一種熱端工作流體來使用。
圖6的結(jié)構(gòu)同樣采用如圖4所示的熱管。圖6中組件600利用了申請(qǐng)?zhí)枮?9/844,818美國專利申請(qǐng)中公開的逆流，此處通過引用將該申請(qǐng)并入。圖6示出了又一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電發(fā)電機(jī)的剖面圖。有優(yōu)勢(shì)的是，該實(shí)施例同樣采用熱絕緣。發(fā)電機(jī)組件600具有一個(gè)轉(zhuǎn)子組件，該轉(zhuǎn)子組件包括一個(gè)TE模塊601、成對(duì)的熱絕緣熱交換器602、603，帶有覆蓋物607、614的風(fēng)扇組件610、613，絕緣體615、616、619、620、624，電機(jī)轉(zhuǎn)子617和軸組件618。
較熱端工作流體611、612通過絕緣體609、615、619、620、621限制。較冷端工作流體604、606通過絕緣體609、615、616、619、621和管道608限制。輻條605把軸承622連接到絕緣體615上。
較冷端工作流體604從左側(cè)進(jìn)入，從熱交換器602中吸收熱能，從而使熱交換器602冷卻，然后通過風(fēng)扇葉片610的離心作用被徑向地向外抽吸。風(fēng)扇葉片610可以或者不可以包括內(nèi)罩607，該內(nèi)罩607可被用于提供結(jié)構(gòu)支撐，并作為局部密封件，以保持較熱工作流體611與較冷工作流體606隔離，同時(shí)幫助引導(dǎo)較冷工作流體606的流動(dòng)。較熱工作流體611沿徑向地向內(nèi)方向進(jìn)入，把熱能傳送到較熱端熱交換器603，然后在旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片613作用下被徑向地向外抽吸?？刹捎酶采w物614以增加風(fēng)扇葉片613的結(jié)構(gòu)剛度，并作為局部的密封件，以把較冷工作流體604與排出的較熱工作流體612隔離開，并幫助引導(dǎo)較熱工作流體612的流動(dòng)。
圖7示出了又一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電發(fā)電機(jī)的剖面圖。圖7的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成在逆流中運(yùn)行。該熱交換器可以或者不可以包括熱管以提高熱傳遞。
圖7示出了一個(gè)徑向流動(dòng)發(fā)電機(jī)700。轉(zhuǎn)子組件由TE模塊701，熱交換器702、703組成，其中該熱交換器帶有翅片704、705，絕緣體720，風(fēng)扇葉片723，電機(jī)轉(zhuǎn)子718和軸719。軸承721把軸組件719固定到非轉(zhuǎn)動(dòng)管道717內(nèi)支架707、輻條722和管道710上。該較熱工作流體706、709通過內(nèi)支架707、管道710、絕緣體720、TE模塊701和排放管711限制。該較冷工作流體712、713、714通過排放管711、716，絕緣體720，TE模塊701和管道717限制。密封件715把該較熱工作流體709從較冷工作流體712中隔離出來。
組件700利用與圖6所示的相同的一般類型的逆流運(yùn)行。該組件與熱端熱交換器702一起在大致徑向上運(yùn)行，其中熱端熱交換器702的翅片704作為旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片，以抽吸較熱工作流體706、709。較冷工作流體712、713、714響應(yīng)于以下兩個(gè)力的總效果，即通過熱交換器熱管703和翅片704產(chǎn)生的徑向向外的力以及通過作用于較冷工作流體713、714上的風(fēng)扇葉片723的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的較大的徑向向外的力。該反作用力的總效果將使流體712、713、714在圖7所示方向上流動(dòng)。由于所述的較大的葉片力由風(fēng)扇葉片723位置而形成，因此與具有翅片705的熱交換器703相比，風(fēng)扇葉片更長而且徑向地向外延伸遠(yuǎn)離更遠(yuǎn)?？商鎿Q地，流體706、709、712、713、714運(yùn)動(dòng)的任何部分可通過外部風(fēng)扇或者泵來產(chǎn)生。在這樣的結(jié)構(gòu)中，風(fēng)扇723可以被去掉，當(dāng)并不是必須被去掉。
通過圖1和圖5-圖6所述的方法和結(jié)構(gòu)或者任何其他優(yōu)選方式來產(chǎn)生并傳輸電能。
圖8示出了結(jié)合了徑向和軸向幾何形狀的發(fā)電機(jī)。該總體結(jié)構(gòu)800具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)部分，該部分由TE模塊801，熱交換器802、803，熱分流器804，絕緣體811，風(fēng)扇組件808、809，管道807，電機(jī)轉(zhuǎn)子817和軸組件818組成。通過覆蓋物807、絕緣體811、風(fēng)道808以及壁810來限制較冷工作流體805、815。通過旁路804，覆蓋物807，絕緣體811、816以及壁814來限制較熱工作流體812、813。軸承819把回轉(zhuǎn)軸組件818連接到輻條806和壁810。
除較冷工作流體805在大致軸向的方向流過熱交換器802以外，運(yùn)行與前面在圖7中所述的類似。如在此處所示，熱分流器804和熱交換器802、803可以或者不可以包括熱管。此外，該熱交換器802，803、TE模塊801和熱分流器804可以或者不可以設(shè)計(jì)成由熱絕緣元件制成，其中該熱絕緣元件描述在名稱為″Improved ThermoelectricsUtilizing Thermal Isolation″、2001年4月27日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?9/844,818的美國專利申請(qǐng)中，此處通過引用將該專利申請(qǐng)并入。
圖9示出了集成的TE模塊和熱交換器。組件900是一個(gè)環(huán)狀陣列的一段，該環(huán)狀陣列包括具有轉(zhuǎn)動(dòng)中心909的TE模塊901、具有翅片904的熱交換器902、具有翅片905的熱交換器903以及和熱絕緣體908。間隙906、907電絕緣各段翅片904、905，其中翅片904，905連接到獨(dú)立的熱交換器部件902、903。當(dāng)運(yùn)行時(shí)，例如，一個(gè)熱交換器903被冷卻，而另一個(gè)熱交換器902被加熱，形成貫穿TE模塊901的熱梯度。通過所生成的熱流產(chǎn)生電能。
在該結(jié)構(gòu)中，TE模塊901可以是單獨(dú)的TE部件901，其具有電流910，電流910在大致圓形的方向上繞一個(gè)環(huán)流動(dòng)，組件900是此環(huán)的一部分。在TE模塊901為單獨(dú)的熱電元件的那個(gè)部分中，為了流體910沿所示方向流動(dòng)，元件901為N型和P型二者擇一。有優(yōu)勢(shì)的是，熱交換器902、903在相鄰的TE元件901之間的部分上是可導(dǎo)電的。如果翅片904、905是可導(dǎo)電的，并且與熱交換器902、903具有良好的電接觸，則相鄰翅片必須像間隙906、907所示的那樣在彼此之間進(jìn)行電絕緣?？赏ㄟ^在一個(gè)或者多個(gè)位置中斷該環(huán)形電流，并在中斷位置處連接到如圖7所述電路上，從而取出電能。
可替換地，元件組可位于相鄰的熱交換器903、902之間，從而形成TE模塊901。這種TE模塊901可串聯(lián)和/或并聯(lián)地電連接，并且可具有用于電絕緣的內(nèi)部裝置，從而不需要間隙906、907。在熱和冷端之間的熱絕緣可通過絕緣體1008保持。
如果熱交換器902、903包括熱管，則有優(yōu)勢(shì)的是，工作流體冷卻內(nèi)部熱交換器903，而加熱外部熱交換器902。
圖10示出了熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)1000的方框圖。如圖所示，該系統(tǒng)具有較熱工作流體源1002、較冷工作流體源1004、發(fā)電機(jī)組件1006、排放流體出口1008和電能出口1010。可以利用上面公開的任何實(shí)施例，或者利用具有此處所述原理的任何類似實(shí)施例來配置發(fā)電機(jī)組件1006。較熱流體1002源為發(fā)電機(jī)組件1006提供熱源。較冷流體1004源提供溫度足夠低的工作流體源，以在發(fā)電機(jī)組件1006中形成貫穿該熱電裝置的有利的溫度梯度。廢工作流體在出口1008排出發(fā)電機(jī)組件。在能量出口1010提供來自發(fā)電機(jī)組件1006的電能。系統(tǒng)1000僅僅是一般性的示例性系統(tǒng)，嚴(yán)格地，在這種方式中，本發(fā)明的發(fā)電機(jī)組件應(yīng)并入到發(fā)電系統(tǒng)中。
在本申請(qǐng)中各個(gè)單獨(dú)的示例可以任何有利的方式組合。這樣的組合屬于本發(fā)明范圍。類似地，發(fā)明名稱為″Improved EfficiencyThermoelectrics Utilizing Thermal Isolation″的、申請(qǐng)?zhí)枮?9/844,818的美國專利申請(qǐng)，以及有關(guān)旋轉(zhuǎn)熱交換器的發(fā)明名稱為″ThermoelectricHeat Exchanger″的申請(qǐng)?zhí)枮?9/971539的美國專利申請(qǐng)中的技術(shù)可與本申請(qǐng)結(jié)合使用以產(chǎn)生本發(fā)明所述的變化，而且這也屬于本發(fā)明的范圍。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，熱和/或冷端的熱交換器被按照部分設(shè)置，這些部分與該熱交換器的其他部分基本熱絕緣。類似地，在一個(gè)實(shí)施例中，該熱電模塊的多個(gè)部分與該熱電模塊的其他部分熱絕緣。
因此，本發(fā)明并不局限于任何特定的實(shí)施例或者具體的公開內(nèi)容。相反地，發(fā)明由所附的權(quán)利要求限定，其中的術(shù)語具有常規(guī)的和習(xí)慣的含義。
權(quán)利要求
1.一種熱電發(fā)電機(jī)，其包括具有至少一個(gè)熱電模塊的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件，其中所述的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件接納至少一種工作流體，并把來自所述工作流體的熱轉(zhuǎn)換成電力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件包括，至少一個(gè)較熱端熱交換器和至少一個(gè)較冷端熱交換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中至少所述的至少一個(gè)較熱端熱交換器包括，與所述至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)較熱端熱管，以及與所述至少一個(gè)較熱端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器翅片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中至少所述的至少一個(gè)較冷端熱交換器包括，與所述至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)較冷端熱管，以及與所述至少一個(gè)較冷端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器翅片。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中所述熱管容納流體，且其中對(duì)所述熱管進(jìn)行定向，以致由所述旋轉(zhuǎn)熱電組件的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力使所述流體的液相聚集在所述熱管的一個(gè)部分上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中在所述較冷端熱管內(nèi)的所述流體在與所述至少一個(gè)熱電模塊的界面的至少一部分上為液相，而在所述較熱端熱管內(nèi)的所述流體在與所述至少一個(gè)熱電模塊的界面的至少一部分上為汽相。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中至少所述至少一個(gè)較冷端熱交換器包括，與所述至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)較冷端熱管，以及與所述至少一個(gè)較冷端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器翅片。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中所述熱管容納流體，且其中對(duì)所述熱管進(jìn)行定向，以致由所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力使所述流體的液相聚集在所述熱管的一部分上。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電發(fā)電機(jī)，進(jìn)一步包括一個(gè)電機(jī)，其連接到所述旋轉(zhuǎn)熱電組件上，以使所述的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件旋轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中所述的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件的旋轉(zhuǎn)對(duì)貫穿和/或橫穿所述熱交換器中的至少一個(gè)的所述工作流體進(jìn)行抽吸。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中所述至少一種工作流體使所述至少一個(gè)熱電組件旋轉(zhuǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中所述至少一個(gè)較熱端熱交換器包括，與所述至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)較熱端熱管，以及與所述至少一個(gè)較熱端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器翅片。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中所述熱管容納流體，且其中對(duì)所述熱管進(jìn)行定向，以致由所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力使所述流體的液相聚集在所述熱管的一部分上。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中至少一個(gè)較冷端熱交換器包括，與所述至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)較冷端熱管，以及與所述至少一個(gè)較冷端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器翅片。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中所述熱管容納流體，且其中對(duì)所述熱管進(jìn)行定向，以致由所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力使所述流體的液相聚集在所述熱管的一部分上。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件包括多個(gè)熱電模塊，所述熱電模塊中的至少一些與所述熱電模塊中的至少另外的一些熱絕緣。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件包括至少一個(gè)較熱端熱交換器，其中所述的較熱端熱交換器具有多個(gè)這樣的部分，所述部分與所述較熱端熱交換器的其他部分基本上熱絕緣。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)電機(jī)，其中所述至少一種工作流體旋轉(zhuǎn)熱電組件進(jìn)一步接納較冷端工作流體以散掉廢熱。
19.一種利用至少一個(gè)熱電組件發(fā)電的方法，所述熱電組件具有至少一個(gè)熱電模塊，所述方法包括以下步驟使所述至少一個(gè)熱電組件旋轉(zhuǎn)；使至少一種第一工作流體貫穿和/或經(jīng)過所述至少一個(gè)熱電組件的第一端，以形成貫穿所述至少一個(gè)熱電模塊的溫度梯度，從而產(chǎn)生電力；以及使來自所述至少一個(gè)熱電模塊的電力連通。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括使至少一個(gè)第二工作流體貫穿和/或經(jīng)過所述至少一個(gè)熱電組件的第二端。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述至少一個(gè)熱電組件具有至少一個(gè)第一端熱交換器以及至少一個(gè)第二端熱交換器，使所述至少一種第一工作流體經(jīng)過的所述步驟包括，使所述至少一種第一工作流體貫穿和/或經(jīng)過所述第一和/或第二端熱交換器。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中至少所述的至少一個(gè)第一端熱交換器包括，與所述至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)第一端熱管，以及與所述至少一個(gè)第一端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器翅片。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述熱管容納流體，且其中對(duì)所述熱管進(jìn)行定向，以致由所述至少一個(gè)熱電組件的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力使所述流體的液相聚集在所述熱管的一部分上。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中至少所述至少一個(gè)第二端熱交換器包括，與所述至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)第二端熱管，以及與所述至少一個(gè)第二端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器翅片。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述熱管容納流體，且其中對(duì)所述熱管進(jìn)行定向，以致由所述至少一個(gè)熱電組件的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力使所述流體的液相聚集在所述熱管的一部分上。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中在所述第二端熱管內(nèi)的所述流體在與所述至少一個(gè)熱電模塊的界面的至少一部分上為液相，而在所述第一端熱管內(nèi)的所述流體在與所述至少一個(gè)熱電模塊的界面的至少一部分上為汽相。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中與所述至少一個(gè)熱電組件連接的電機(jī)使所述的熱電組件旋轉(zhuǎn)。
28.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述的旋轉(zhuǎn)所述至少熱電組件的步驟對(duì)貫穿和/或橫穿所述熱交換器的所述至少一種第一工作流體進(jìn)行抽吸。
29.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述至少一個(gè)熱電組件包括多個(gè)熱電模塊，所述方法進(jìn)一步包括步驟使所述熱電模塊中的至少一些與所述熱電模塊中的至少其他的一些基本上熱絕緣。
30.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述至少一個(gè)熱電組件包括至少一個(gè)第一端熱交換器，其其中所述的第一端熱交換器具有多個(gè)部分，所述的方法進(jìn)一步包括步驟使所述多個(gè)部分中的一些與所述第一端熱交換器的所述多個(gè)部分中其他一些充分熱絕緣。
31.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述的旋轉(zhuǎn)步驟包括至少利用所述至少一種第一工作流體以使所述至少一個(gè)熱電組件旋轉(zhuǎn)。
32.一種熱電發(fā)電系統(tǒng)，其包括至少一種較熱工作流體的一個(gè)源；至少一種較冷工作流體的一個(gè)源；具有至少一個(gè)熱電模塊的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件，其中所述的旋轉(zhuǎn)熱電組件接納所述至少一種較熱工作流體，并把來自所述較熱工作流體的熱轉(zhuǎn)換成電力；用于所述的至少一種較熱以及所述的至少一種較冷工作流體的排出裝置；以及對(duì)來自所述旋轉(zhuǎn)熱電組件的所述電力進(jìn)行傳送的至少一個(gè)電氣連通系統(tǒng)。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的熱電發(fā)電系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件包括，至少一個(gè)較熱端熱交換器和至少一個(gè)較冷端熱交換器。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的熱電發(fā)電系統(tǒng)，其中至少所述至少一個(gè)較熱端熱交換器包括，與所述至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)較熱端熱管，以及與所述至少一個(gè)較熱端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器翅片。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的熱電發(fā)電系統(tǒng)，其中至少所述至少一個(gè)較冷端熱交換器包括，與所述至少一個(gè)熱電模塊熱連通的至少一個(gè)較冷端熱管，以及與所述至少一個(gè)較冷端熱管熱連通的多個(gè)熱交換器翅片。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的熱電發(fā)電系統(tǒng)，其中所述熱管容納流體，且其中對(duì)所述熱管進(jìn)行定向，以致由所述旋轉(zhuǎn)熱電組件的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力使所述流體的液相聚集在所述熱管的一部分上。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的熱電發(fā)電系統(tǒng)，其中在所述較冷端熱管內(nèi)的所述流體在與所述至少一個(gè)熱電模塊的界面的至少一部分上為液相，而在所述較熱端熱管內(nèi)的所述流體在與所述至少一個(gè)熱電模塊的界面的至少一部分上為汽相。
38.根據(jù)權(quán)利要求32所述的熱電發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)電機(jī)，其連接到所述旋轉(zhuǎn)熱電組件上，以使所述的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件旋轉(zhuǎn)。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的熱電發(fā)電系統(tǒng)，其中所述的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件的旋轉(zhuǎn)對(duì)貫穿和/或橫穿所述熱交換器中的所述至少一種較熱工作流體進(jìn)行抽吸。
40.根據(jù)權(quán)利要求32所述的熱電發(fā)電系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件包括多個(gè)熱電模塊，所述熱電組模塊中的至少一些與所述熱電模塊中至少另外的一些熱絕緣。
41.根據(jù)權(quán)利要求32所述的熱電發(fā)電系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱電組件包括至少一個(gè)較熱端熱交換器，其中所述的較熱端熱交換器具有多個(gè)這樣的部分，所述部分與所述較熱端熱交換器的其他部分基本上熱絕緣。
42.根據(jù)權(quán)利要求32所述的熱電發(fā)電系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)組件還接納較冷工作流體以散掉廢熱。
43.根據(jù)權(quán)利要求32所述的熱電發(fā)電系統(tǒng)，其中至少所述較熱和/或所述較冷工作流體使所述旋轉(zhuǎn)熱電組件旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
一種改進(jìn)的熱電發(fā)電系統(tǒng)(100)，其利用旋轉(zhuǎn)熱電(135)結(jié)構(gòu)來改進(jìn)和增加熱能產(chǎn)量。與典型的以前的笨重材料相比，新的異質(zhì)結(jié)構(gòu)(hetrostructure)熱電材料、特薄鍍膜材料以及沉積熱電材料在更高的功率密度下運(yùn)行，通過利用上述材料使這些系統(tǒng)進(jìn)一步增強(qiáng)。本發(fā)明公開了幾種結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)F25B21/02GK1656348SQ03812288
公開日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2003年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月6日
發(fā)明者L·E·貝爾 申請(qǐng)人:Bsst公司