熱電裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開的方面總體上涉及可與熱電系統(tǒng)配合使用的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱電發(fā)電器是利用所謂“塞貝克效應(yīng)”的現(xiàn)象將由溫差所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。
[0003]由于能夠在緊湊的固態(tài)形式中由溫差所產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成電，因而熱電器件已受到大量的關(guān)注。例如，熱電器件可用于高效率地在高溫下從能量密集平臺(諸如汽車中的內(nèi)燃發(fā)動機(jī))中回收余熱。
[0004]常規(guī)的TEG (熱電發(fā)電器)系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)，尤其是在高溫下由于熱膨脹效應(yīng)所造成的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致在可靠性、封裝(即，尺寸、重量、通用性)和性能中的難點(diǎn)。此外，這些挑戰(zhàn)經(jīng)常導(dǎo)致被實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要提高的復(fù)雜程度，這也增加了成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本公開涉及用于大范圍用途的熱電裝置的新型設(shè)計(jì)和可選特征，尤其是與高溫下熱電發(fā)電有關(guān)的新型設(shè)計(jì)和可選特征，盡管本文中所給出實(shí)施例的應(yīng)用也會涉及到流體調(diào)節(jié)。所描述的獨(dú)特設(shè)計(jì)能夠克服或避免現(xiàn)有熱電系統(tǒng)所面臨的若干挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)在系統(tǒng)性能、移動性(尺寸、重量、可靠性)、通用性和成本方面限制了市場接受度。
[0006]在一個實(shí)施例中，提供一種熱電裝置。該裝置包括至少一個熱交換器；與至少一個熱交換器熱連通的至少一個熱電層；及包圍至少一個熱電層和至少一個熱交換器的包封物，該包封物為至少一個熱電層和至少一個熱交換器提供與位于包封物外部的流體的屏障，其中一部分的包封物適合于傳導(dǎo)熱并且與至少一個熱電層熱連通，并且其中至少一個熱交換器與包封物內(nèi)表面間隔并且可相對于包封物內(nèi)表面移動從而適應(yīng)至少一個熱交換器和包封物的熱膨脹。
[0007]在另一個實(shí)施例中，提供一種熱電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:限定容納流體流動流的流動空間的管道，該管道具有布置為容納進(jìn)入流動空間的流體的進(jìn)口和布置為容納從流動空間中排出的流體的出口 ；及設(shè)置在流動空間內(nèi)部的熱電裝置。在相關(guān)的實(shí)施例中，在熱電裝置的實(shí)施例中可設(shè)置噪聲降低部件，例如在管道流動空間的內(nèi)部。
[0008]在另一個實(shí)施例中，提供一種熱電結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括具有進(jìn)口、出口和通道的熱交換器，這些通道適合于引導(dǎo)流體在進(jìn)口與出口之間流動；牢固地附接到熱交換器第一側(cè)的第一熱電層；和牢固地附接到與第一側(cè)相反的熱交換器第二側(cè)的第二熱電層。
[0009]在另一個實(shí)施例中，提供一種熱交換器。該熱交換器包括一致的表面，該一致的表面適合于與設(shè)置在與該表面相鄰位置的結(jié)構(gòu)的形狀大體上一致；及從一致的表面的外部區(qū)域延伸出的、包圍該外部區(qū)域且與該外部區(qū)域接觸的多個導(dǎo)熱構(gòu)件，這些多個導(dǎo)熱構(gòu)件適合于在一致的表面與周圍環(huán)境之間傳遞熱。
[0010]在一個實(shí)施例中，提供一種熱開關(guān)。該熱開關(guān)包括:將第一結(jié)構(gòu)部件與第二結(jié)構(gòu)部件分隔開的通道；及被封閉在通道內(nèi)部的流體組合物，該通道構(gòu)造成使得當(dāng)流體組合物在其沸騰溫度下在液體與蒸氣之間發(fā)生相變時第一結(jié)構(gòu)部件與第二結(jié)構(gòu)部件之間的熱傳導(dǎo)發(fā)生變化。
[0011]在另一個實(shí)施例中，提供一種熱界面復(fù)合材料。該熱界面復(fù)合材料包括適合于與設(shè)置在與該表面相鄰位置的結(jié)構(gòu)的形狀大體上一致的一致的表面片；及設(shè)置在一致的表面片的至少一側(cè)上的組合物，該組合物提供比沒有該組合物情況下更高的熱傳導(dǎo)，該熱傳是跨越在與一致的表面片相對側(cè)接觸且設(shè)置在一致的表面片相對側(cè)上的兩個部件之間所形成界面。
[0012]當(dāng)結(jié)合附圖閱讀以下的詳細(xì)描述時，本公開的優(yōu)點(diǎn)、新型特征和目的將變得顯而易見；這些附圖是示意性的并且并非意圖按比例繪制。為了清楚的目的，在每個附圖中并未標(biāo)注每個部件，而且各圖示的實(shí)施例的每個部件允許本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本公開的各方面。
【附圖說明】
[0013]附圖并非意圖是按比例繪制。在圖示中，在各種附圖中用類似的附圖標(biāo)記來表示各相同或幾乎相同的部件?，F(xiàn)在將通過舉例并參照附圖來描述本公開的各種實(shí)施例。
[0014]圖1示出了熱電模塊裝置的頂部陶瓷件的局部剖視透視圖；
圖2示出了圖1的熱電裝置的剖視圖；
圖3示出了根據(jù)一些實(shí)施例的熱電裝置的透視圖；
圖4示出了圖3的熱電模塊裝置的剖視圖；
圖5示出了根據(jù)一些實(shí)施例的另一個熱電裝置的透視圖；
圖6示出了穿過圖5的熱電裝置的側(cè)面的剖視圖；
圖7和圖8示出了根據(jù)一些實(shí)施例的又一個熱電裝置的透視圖；
圖9示出了根據(jù)一些實(shí)施例的條形翅片布置；
圖10示出了與具有翅片的一致包封物相互作用的熱電層表面的剖視圖，圖中示意性地示出了操作期間的熱偏轉(zhuǎn)，其中所示的偏轉(zhuǎn)被放大以便視覺地說明概念；
圖11示出了圖5的實(shí)施例的概念性縱向剖視圖，并且示意性地示出了根據(jù)一些實(shí)施例的熱膨脹效應(yīng)；
圖12示出了根據(jù)一些實(shí)施例的二級高溫?zé)犭娔K裝置的剖視圖；
圖13示出了根據(jù)一些實(shí)施例的另一個熱電裝置的橫向剖視圖；
圖14示出了根據(jù)一些實(shí)施例的與熱交換器接觸的熱電模塊的近距離透視圖；
圖15示出了根據(jù)一些實(shí)施例的另一個熱電裝置的橫向剖視圖；
圖16示出了根據(jù)一些實(shí)施例的具有可壓縮包封物側(cè)壁的熱電裝置的橫向剖視圖；
圖17示出了內(nèi)部空間的概念視圖，其中箭頭和大體上長方體形狀代表了管道空間的最外面?zhèn)认虺叽绲囊粋€例子；
圖18示出了根據(jù)一些實(shí)施例的熱電系統(tǒng)的透視圖，其中熱電裝置位于管道空間的內(nèi)部；
圖19示出了根據(jù)一些實(shí)施例的長方體形狀包封物的示圖、以及側(cè)壁的近距離剖視圖； 圖20示出了根據(jù)一些實(shí)施例的各種長方體形狀包封物的近距離剖視圖； 圖21示出了根據(jù)一些實(shí)施例的一些類型的聲音減弱特征及消音器系統(tǒng)的一些特性的表格；
圖22示出了根據(jù)一些實(shí)施例的熱電消音器系統(tǒng)的透視圖；
圖23a示出了根據(jù)一些實(shí)施例的熱電消音器系統(tǒng)的剖視圖；
圖23b示出了根據(jù)一些實(shí)施例的具有頂部和底部延伸進(jìn)口反作用室的熱電消音器系統(tǒng)的縱向/軸向剖視圖。
圖23c示出了根據(jù)一些實(shí)施例的具有中等長度反作用室的熱電消音器系統(tǒng)的縱向/軸向剖視圖；
圖23d示出了根據(jù)一些實(shí)施例的將出口管和多個裝置封閉在管道內(nèi)部的熱電消音器系統(tǒng)的橫向剖視圖；
圖23e示出了根據(jù)一些實(shí)施例的具有多個普通熱電裝置的熱電消音器系統(tǒng)的縱向/軸向剖視圖，所述普通熱電裝置具有在流動空間內(nèi)部的圍繞在它們周圍的聲音減弱裝置；
圖24示出了根據(jù)一些實(shí)施例的垂直堆疊的熱電系統(tǒng)的透視圖；
圖25示出了根據(jù)一些實(shí)施例的水平堆疊的熱電系統(tǒng)的透視圖；
圖26示出了根據(jù)一些實(shí)施例的熱電裝置的剖視圖；
圖27示出了根據(jù)一些實(shí)施例的沿板的通道凹槽、以及熱開關(guān)的近距離截面；
圖28a和圖28b示出了根據(jù)一些實(shí)施例的熱開關(guān)的封閉流體通道的近距離剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本公開涉及可具有可用于多種用途的結(jié)構(gòu)的熱電裝置，所述用途包括熱電發(fā)電(例如，內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)，包括但不限于車輛中的內(nèi)燃發(fā)動機(jī))和流體調(diào)節(jié)(例如，流體的加熱和冷卻)。根據(jù)本公開的熱電裝置的各種實(shí)施例能夠執(zhí)行熱能與電能之間的熱電轉(zhuǎn)換。
[0016]本文中所描述熱電裝置和系統(tǒng)的某些實(shí)施例能夠可靠地操作，例如作為熱電發(fā)電器(TEG)，從至少部分地由位于熱電裝置“熱側(cè)”上的高溫流體(例如，高達(dá)700°C以上)所提供的溫度梯度中汲取能量。因此，本公開的實(shí)施例可允許在TEG的“熱側(cè)”與“冷測”之間存在大的溫差，這通常允許電能的穩(wěn)定生產(chǎn)。這種裝置的操作可允許經(jīng)由包含熱電材料的部件的新型熱交換系統(tǒng)將熱從熱流體傳遞至相對較冷流體，所述熱電材料可用于將一部分的所傳遞的熱直接轉(zhuǎn)換成電。
[0017]在一些實(shí)施例中，熱電裝置包括與一個或多個熱電層熱連通的一個或多個熱交換器。熱交換器可包括進(jìn)口、出口和通道，這些通道適合于引導(dǎo)經(jīng)過其中的流體流動。在一些情況下，可將熱電層設(shè)置在熱交換器的相對側(cè)上。熱電層可以或者可以不牢固地附接到熱交換器。
[0018]包封物可包圍熱電層和熱交換器，從而提供與位于包封物外部的流體(例如，熱流)的屏障。在一些實(shí)施例中，包封物自身可起熱交換器的作用，并且可在外部環(huán)境與熱電層之間傳導(dǎo)熱。在一些實(shí)施例中，熱交換器可與包封物內(nèi)壁間隔并且可相對于包封物內(nèi)壁移動，該包封物內(nèi)壁可適應(yīng)在熱交換器與包封物之間所產(chǎn)生的熱膨脹效應(yīng)。
[0019]如本文中所描述，熱電裝置的包封物可起熱交換器的作用。在一些實(shí)施例中，熱交換器(例如，其封閉其它部件，諸如熱電層或其它熱交換器)可包括一致的表面，該一致的表面適合于與相鄰結(jié)構(gòu)(例如，設(shè)置在與其相鄰位置的熱電層)的形狀大體上一致。在一些實(shí)施例中，一致的表面可包含合適的組合物，該組合物是用于增強(qiáng)一致的表面的熱傳導(dǎo)。該熱交換器還可包括從其中延伸出的一個或多個結(jié)構(gòu)構(gòu)件(例如，熱傳導(dǎo)翅片)，該結(jié)構(gòu)構(gòu)件可適合于在一致的表面與周圍環(huán)境之間傳遞熱。
[0020]應(yīng)用于低至中等溫度用途(通常<275°C，在熱側(cè))的用于發(fā)電的常規(guī)熱電模塊是相對較薄的平面型裝置，該裝置類似于圖1中所示的裝置。圖1中所示的模塊是由一系列熱電偶所組成，各熱電偶包括利用金屬連接體3電性連接的η型1和p型2熱電材料。多個這些熱電偶相互連接到一起而形成電路，當(dāng)熱流動經(jīng)過這些熱電偶時產(chǎn)生電。熱流是由熱電偶的熱側(cè)與冷側(cè)之間的溫差(例如模塊)所驅(qū)動。
[0021]圖1的電路被電絕緣于相對側(cè)上，該電路經(jīng)常是通過設(shè)置機(jī)械聯(lián)接到金屬連接體的陶瓷片4而獲得。將陶瓷片機(jī)械聯(lián)接到金屬連接體的過程(被稱為金屬化)包括將一個陶瓷片牢固地附接到電路的熱側(cè)(出現(xiàn)在圖1中的剖視圖中，因此可看見電路布置)并且將另一個陶瓷片附接到電路的冷側(cè)。圖2中還示出了常規(guī)熱電模塊的剖視圖。這種熱電模塊是固體狀態(tài)并且沒有移動部件。
[0022]然而，對于包括熱電器件的模塊、裝置和系統(tǒng)而言，這種用途的高溫帶來顯著的挑戰(zhàn)，難以滿足在性能、移動性(即，緊湊、輕質(zhì)、可靠性)和成本方面的要求。例如，如圖3和圖4中所示，常規(guī)的高溫?zé)犭娔K(>300°C，熱側(cè)溫度)經(jīng)常需要在高溫下工作的高性能熱電材料6、7。熱電模塊也經(jīng)常需要用于各熱電偶的單一化的熱側(cè)陶瓷件5，以便補(bǔ)償由在熱側(cè)與冷側(cè)之間所產(chǎn)生的明顯溫度梯度所引起的顯著熱膨脹和應(yīng)力。如圖3中所示，對于本實(shí)施例而言，頂側(cè)5和底側(cè)4分別代表熱側(cè)和冷測。另外，在這種較高溫度下大部分熱電材料經(jīng)常要求在惰性環(huán)境中操作以防止它們被氧化，因而通常需要在裝置或系統(tǒng)內(nèi)部的密封包封物。
[0023]常規(guī)的熱電發(fā)電器(TEG)系統(tǒng)經(jīng)常包括冷卻劑熱交換器和熱電材料，該熱交換器和熱電材料被設(shè)置在限制熱氣體流動的管道的外部。這些TEG系統(tǒng)也在很大程度上被并入管道中，在此該系統(tǒng)緊密地附接到管道。該管道被用作熱側(cè)熱交換基面，翅片附接到該基面上。熱從熱流體經(jīng)過翅片和管道被傳遞至位于管道外部的熱電器件，并最終經(jīng)過冷卻劑熱交換器被排放。通常，這些系統(tǒng)包括外殼以及管道和其它部件，從而形成空腔或包封物，該空腔和包封物容納熱電器件和冷卻劑熱交換器并且保護(hù)它們不受外部環(huán)境的影響。
[0024]如上所述，當(dāng)應(yīng)用常規(guī)的熱電系統(tǒng)時產(chǎn)生了一些問題，尤其是在高溫下。然而，根據(jù)本公開的熱電裝置和系統(tǒng)克服了與傳統(tǒng)熱電系統(tǒng)相關(guān)的許多問題。
[0025]盡管在本文中所公開的實(shí)施例中，在一些情況下在發(fā)電的上下文中描述了裝置和部件，但本文中所提供的熱電裝置也可適合于調(diào)節(jié)流體、適合于冷卻或加熱，這些在一些情況下會影響流體的總體溫度和/或化學(xué)反應(yīng)的傾向。就流體調(diào)節(jié)用途而言，電可用于給熱電材料提供動力從而將熱能引導(dǎo)至流體或者從流體中引導(dǎo)出熱能。這種調(diào)整可應(yīng)用包括根據(jù)本文中所公開實(shí)施例的裝置結(jié)構(gòu)的某些實(shí)施例。
[0026]熱電裝置以及其部件的各種實(shí)施例可包括任意的合適形狀，例如長方體、立方體、圓柱形、或其它形狀、或者其組合。使其自身具有緊湊性的熱電裝置的一個實(shí)施例是具有低剖面矩形立方體形狀的裝置，如本文中說明性地示出。
[0027]應(yīng)當(dāng)理解的是，如本文中所提供的，大體上類似于矩形立方體的形狀不要求顯示嚴(yán)格的立方體特性。例如，矩形立方體的各個邊緣和角可顯示逐漸的過渡(例如，圓形的、錐形的、傾斜的等)及其它特征，諸如凹陷、過渡、缺口、翅片、凹口、突起等，并且可呈現(xiàn)在任意位置，這些特征可偏離嚴(yán)格的立方體特性。這種形狀可具有任何合適的尺寸，不論它們是否是在立方體內(nèi)部或者沿立方體或者在其周向處的特征。
[0028]在各種實(shí)施例中，如上所述，熱電裝置結(jié)構(gòu)包括包封物，其中一部分的包封物在圍繞該裝置的熱流體與在包封物內(nèi)部的內(nèi)部部件之間傳遞熱。包封物，其自身是由一個或多個部件組成，限定了封閉空間，該封閉空間為在封閉空間內(nèi)部的內(nèi)部部件提供與位于包封物外部且圍繞包封物的熱流體的防護(hù)屏障。在一些情況下，周圍的流體可能不是僅有的熱源，因?yàn)槿紵蛘吡硪粋€高溫?zé)嵩纯砂l(fā)出顯著的熱輻射來輻射該裝置。
[0029]在一些實(shí)施例中，熱電裝置包括氣密的包封物，然而應(yīng)當(dāng)理解的是嚴(yán)格氣密的包封物對于本公開的每個實(shí)施例而言是不必要的。構(gòu)成包封物的部件可起防護(hù)屏障的作用，或者另外，可用于裝置的其它目的(例如，熱傳遞、與內(nèi)部熱電器件的熱界面、結(jié)構(gòu)支撐等)。而且，包封物可補(bǔ)償或者適應(yīng)該組件的各部件中的熱膨脹，該熱膨脹可由經(jīng)過其中的溫度梯度所引起，例如在封閉熱交換器的內(nèi)部與包封物外部之間的