加熱和冷卻供人使用的空氣的熱電裝置的制作方法

專利名稱：加熱和冷卻供人使用的空氣的熱電裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及熱電裝置領域。本發明尤其適用于利用與熱交換器結合的熱電模塊加熱和冷卻供人使用的空氣的熱電裝置。
利用珀爾帖效應進行加熱和冷卻的熱電裝置在已有技術領域中是眾所周知的。通常，熱電模塊用N型和P型半導體材料，如碲化鉍等做成。N型和P型半導體材料是串聯的。當電流流經電路時，熱量在電路的冷端被吸收并傳送至電路的熱端。將熱端和冷端與一個熱交換器結合，熱量就能從一個流體傳遞到另一流體。熱交換器通常充以氣體或流體媒介，而導致一種媒介加熱，而另一種媒介冷卻。
過去，由于成本昂貴和能源短缺，利用熱電模塊進行熱電冷卻和加熱的實用設備主要限于小規模專門用途。在過去的15至20年中，熱電模塊的設備得到了發展，它們被用于潛水艇和客運列車的大規模冷卻。在大規模設備中利用熱電模塊，需要開發出各種類型的熱電裝置，這些裝置將熱電模塊與熱交換器結合使用，它們設計成能彼此裝配，提供大規模設備所需的冷卻和加熱容量。已有技術的一種熱電裝置包括與熱電模塊相結合的平行流(并流)熱交換器。已有技術的另一種熱電裝置為“空氣交叉流動”設計，其中，夾在熱電模塊之間的熱交換器管道是彼此相對定位的，使熱、冷空氣能垂直流過熱電裝置。這些熱電裝置的典型可見于1970年1月9日授予喬的美國專利3，626，704號和1967年授予牛頓的美國專利DE1，801，768。
這些已有技術裝置的主要缺點是缺少可靠性，并且難以維修。在某些已有技術裝置中，熱電模塊的電流流過熱交換器本身。為了建立該電氣回路，熱電模塊通過熱交換器而電串聯。在某些已有技術的結構中，電氣連接是通過焊接方式將熱電模塊的熱結和冷結附著在熱交換器上而形成的，從而使相鄰的熱電模塊之間及其與熱交換器之間形成牢固的機構連接。由于熱電模塊熱側和冷卻側附著的熱交換器導管承受不同的溫度，它們以不同的比率膨脹和收縮。膨脹和收縮的差異在熱電模塊上產生剪切力，使模塊產生裂縫。
為了克服這些困難，以1973年4月10日授予維德柯維奇的美國專利3，726，100號為代表，有了一種設計方案。在這種方案中，熱交換器導管不焊接在熱電模塊上，而是將熱電模塊夾持在熱和冷的熱交換器導管之間，熱和冷的熱交換器導管藉助螺栓緊壓在毗鄰的熱交換器上，使得熱交換器導管與熱電模塊形成電氣和熱接觸，建立經由熱交換器導管和半導體材料的電氣回路，這樣，使它們成為串聯連接。由于相鄰的熱電模塊仍然彼此牢固地連接，所以還存在某種程度的剪切力。
本發明揭示了一種加熱和冷卻裝置，適用于處理氣體之類的流體。該裝置尤其適用于加熱和冷卻供人使用(例如呼吸)的空氣。該裝置包括一第一流體導管，它構成引導第一流體的流動。在本發明的一個較佳實施例中，該第一流體為空氣，當然也可以是另一種氣體或者是一種液體。
第2流體導管構造成引導第2流體的流動，它是與第1流體導管隔開布置的。在較佳構造情況下，該第2流體也是空氣，當然也可以是另一種氣體，或者是一種液體。熱電裝置設置在第1和第2流體導管之間，它與每一導管作可操作的結合。熱電裝置用于將熱量從第1流體導管的第1流體傳遞到第2流體導管的第2流體，從而冷卻第1流體，并將熱量注入溫度較高的第2流體中。
在本發明的這些實施例中，第2導管內的流體是一種氣體，后文稱其為“第2氣體”，第2流體導管配上一個水分引入裝置，用于將一種液體，例如水，引入第2氣體中。該水分引入裝置可以在導管上相對熱電裝置處于上游的某個位置將液體引入第2流體管道。
在第2氣體流中的水分，亦即液體，從第2氣體中吸取熱量，從而在第2氣體到達第2流體導管與熱電裝置接觸的區域之前，降低第二氣體的溫度。若該液體吸收的熱量相當于液體汽化潛熱，則該液體經受相變，成為氣體，亦即變成蒸汽。當水分從液體變為氣體時，液體吸收能量。同時降低第2氣體流的干球氣溫。這種現象進而促使第1流體導管中流體的溫度與第2流體導管中第2氣體的溫度之間的溫差減小。
在本發明具體適用于加熱或冷卻供人使用的空氣的一個實施例中，第1和第2流體都是氣體，兩個氣體最好都是周圍的空氣。后文稱其為第1氣體和第2氣體。已經發現，在該實施例中，在第2導管中采用水分引入裝置對于將前述溫差減少到最低程度是非常有益的。
熱電材料溫度與導管流體溫度的相關性可以歸結為一個熱阻，該熱阻隨基底材料導熱、氣流速率和對流系數而變化。總體上說，這兩個溫度彼此在15度(攝氏)范圍內。因此，可以理解，第1氣體流的溫度在大致15度(攝氏)范圍內與處在熱電模塊和第1導管連接處的熱電材料的實際溫度對應。第2氣體流的溫度也在大致15度(攝氏)范圍內與熱交換器和第2導管結合處的熱電材料的實際溫度對應。
由此得出，利用前述水分引入裝置降低第2氣體流的干球溫度有助于降低熱電模塊與第2導管結合處的熱電材料溫度。較低的熱電材料溫度進而促使前述兩個結合處的溫度差減至最小。
人們發現，當兩個結合處的溫差趨于最小值時，本發明所采用的熱電裝置達到最佳操作狀態。通過在氣體流與熱電裝置接觸之處的上游將液體引入第2氣體流中，使溫差減到最小值，從而增加了熱電裝置效率，進而在整體上提高加熱和冷卻系統的效率。
在本發明的另一實施例中，對于各個熱電裝置或各個獨立的熱電裝置組的運行控制作出了規定。在一種結構中，熱電裝置包括多個相互隔開布置的熱電模塊，最好排成陣列。每一熱電模塊，或者每一熱交換器組(某些情況下)與一個電源裝置連接，因而，可以個別控制分別供給予各個模塊或模塊組的電量。供給各個模塊的電量通過計算或估計熱電模塊和第1流體導管結合處的熱電材料溫度與熱電模塊和第2流體導管結合處的熱電材料溫度之間的溫差而確定。這樣算出的或估計的溫差用于計算輸入電流，此輸入電流在給定條件和冷卻功率要求下可使熱電模塊或熱電模塊組具有最佳性能。
一功率調節裝置用于控制供給予各熱電模塊的各個相應的電流數值。在較佳結構情況下，功率調節裝置提供給各模塊或模塊組的電流值相當于所計算出的各個最佳電流值。
在某些實施例中，本發明可以包括一個傳感裝置，用于實際檢測前述兩個結合處的熱電材料溫度。作為替換的方式，本發明包含的傳感裝置也可以用于檢測裝置的其它部件或所處理流體的溫度，從而提供數據，且從此數據中估計熱電材料的溫度。例如，可以檢測導管內或導管出、入口處流體的溫度。另外，也可以檢測導管側壁的溫度。
本發明還采用一種自動化控制系統，在其工作過程中，可以周期性或連續地監視由傳感裝置檢測到的溫度讀數。自動化控制系統可以包括用于接收傳感裝置的溫度讀數的計算裝置，然后計算一個或多個熱電模塊的溫差。計算裝置和傳感裝置最好檢測所有熱電模塊的溫度，然后計算各熱電模塊的溫差。這一計算可以在裝置工作過程中周期性或連續地進行。此外，計算裝置例如通過編程，可以根據各熱電模塊或模塊組的溫差而確定其最佳輸入功率。
功率計算裝置可以和計算裝置相連。功率調節裝置適用于調整供給各熱電模塊或模塊組的功率，使其達到由計算裝置為每一模塊所確定的最佳輸入功率。功率調節裝置還可以適用于連續或半連續地調整各熱電模塊的輸入功率。
這了進一步增強裝置的操作性能，第1或第2導管或兩個導管中的流體流動速率可以根據熱負載的反應和環境條件改變。流體流動速率可通過調整風扇、泵或其它傳輸裝置的尺寸，或者調節供給這些傳輸裝置的功率大小，而受到控制。
本發明實施例的采用調節各熱電模塊供給功率的裝置還可以配上作為前述實施例一部分的水分引入裝置。
在上述實施例中，熱電裝置可以包括至少兩個熱電模塊，每一模塊具有第1側和第2側，熱電模塊第1側與第1流體導管平行熱接觸，第2流體導管分成多段，每一段只與一個熱電模塊的第2側熱接觸。這種構造使得第2導管的各段獨立地“漂浮”在第1導管之上，因而，第2導管的每一段彼此無關地擴張和收縮，從而使在第2導管的每一段和第1導管之間的熱電模塊所受到的剪切力最小。最好有一種裝置壓緊第2導管的各段、與第2導管的各段熱接觸的熱電模塊以及第1導管，以使第2導管的各段與第1導管之間實現最佳的熱傳遞。
可以將多個熱電裝置相連，組裝成一個熱電單元。然后，要可以將多個熱電單元可拆卸地相互連合，而組裝成一個具有所需加熱或冷卻容量的熱電裝置。第1導管的流動通道方向最好與第2導管的流動通道方向互相垂直，以便按交叉流動方式加熱或冷卻介質。


圖1是用多個熱電模塊組成的熱電單元的部分分解圖;
圖2是用多個熱電模塊組成的一層兩個熱電單元的部分分解示意圖;
圖3是用兩層圖2所示的熱電單元組成的熱電裝置的立體圖;
圖4是在圖3中的線段4-4處一個熱電單元的剖視圖;
圖5示出本發明應用于飛機及其相關的登機橋的大規模冷卻和加熱示意圖;
圖6和6a是第1流體導管、一個或多個熱電模塊和第2流體導管的側視圖;
圖7是描述在導管上不同位置處第1導管和第2導管中氣體的溫度的圖表;
圖8描述了單個熱電模塊的熱泵容量在不同溫差下隨著通過熱電模塊的電流而變化;
圖9示出熱電模塊的性能系數在不同溫差下隨著通過熱電模塊中的電流而變化;
圖10示出廢氣的蒸發冷卻效應，該圖表以冷卻功率和性能系數與電功率相對;
圖11示出廢氣的蒸發冷卻作用，該圖表以電功率及性能系數與冷卻功率相對。
參見圖1、圖2和圖4，熱電裝置包括第1流體導管11和至少兩個熱電模塊12，每一模塊具有第1側13和第2側14。所有熱電模塊12的第1側13與第1流體導管11平行熱接觸，第2流體導管分成多個區段16。每一區段16只與一個熱電模塊12的第2側14熱接觸。
熱電模塊12置于襯片17的凹槽中，襯片17最好以絕熱材料制成，第1側13大致與襯片17的一側共平面，而第2側14大致與襯片17的相對側共平面。襯片17和熱電模塊12置于第1流體導管11和第2流體導管15之間。各區段16、與其熱接觸的熱電模塊12和第1流體導管11可以通過一加壓裝置而彼此壓緊，該加壓裝置可以調節到使區段16和第1流體導管11之間的熱傳遞達到最佳狀態。區段16和第1流體導管的界面處涂以導熱油脂或其它類似的粘合材料，以形成導熱界面。
熱電模塊12最好是工業中很容易得到的類型。它可以是含有一個n型部件和一個p型部件的熱電偶。各組熱電偶組裝成電氣上串聯和熱并聯。該多組熱電偶被夾持在兩塊電絕緣但導熱的平板之間。n型和p型部件通常分別用半導體材料制成，例如用N型碲化鉍和p型碲化鉍做成。本發明可以采用的熱電模塊的一例是新澤西州特倫頓市的麥爾考材料電子產品公司出售的CP系列麥爾考牌熱電模塊。
第1流體導管11和區段16的較佳結構是用導熱材料做的，如形成通道18的鋁，在通道中流動介質通常是被冷卻或加熱的氣體或液體。為了說明起見，后文中假定兩個導管中的流體都是氣體。應該理解，所指出的氣體，在其它應用中，也可采用液體。
在通道18內可以設置縱向散熱片19，以提高傳熱效率。本發明的組裝結構中，第1導管11的散熱片19以直立定向為佳，例如垂直定向。這一特定取向有利于排出當第1氣流的溫度接近零點溫度時第1氣流所產生的冷凝液。散熱片19的取向使得冷凝液可以借助重力而排出。
第1流體導管11的通道18和區段16的通道18可以彼此相對地取向，使得第1流體導管11中的介質流與區段16中的相平行，但最佳定向如附圖所示是使介質流垂直的。垂直定向是交叉流動構造。
在圖示實施例中，加壓裝置是螺栓20，它帶有偏壓裝置(例如在螺栓每一端上的墊圈21和螺帽22)。擰緊偏壓裝置，以施加所需的壓力。螺栓20穿過一對熱電裝置10，從而將成對的熱電裝置連在一起，并將組裝所需要的螺栓20、墊片21和螺帽22數量減半。螺栓20最好穿過位于熱電模塊12中央的通孔23，并穿過保護套24。
參見圖1、2、3和4，與另一對熱電裝置相連的一對熱電裝置和跨置于未與其它區段16配合的區段16之上的端板25形成一個熱電單元26。熱電單元26用裝配桿27緊固在一起，在每對熱電裝置中，裝配桿27穿過端板25、處于區段16之間的槽28、襯片17和第1熱交換器11。裝配桿27有一偏壓裝置(例如附加在裝配桿每一端的墊片29和裝配螺帽30)，以保持熱電單元中的壓力恒定。
參見圖2和3，多個熱電單元26可彼此連接，形成一個交叉流動熱電裝置31。熱電裝置31的加熱和冷卻容量取決于其中使用的熱電模塊12的數量。在所示實施例中，將兩個或更多的熱電單元26的端部對接在一起，形成一層熱電單元26。然后將兩層或更多層熱電單元26互相堆疊，形成交叉流動熱電裝置31。一個熱電裝置10的熱交換器11的表面配合另一熱電裝置10的流體導管11，而一個熱電裝置10的區段16配合另一熱電裝置10的區段16或端板25。在一個熱電單元的流體導管與另一熱電單元的流體導管配合之處，最好用填片32密封，以將流經第1流體導管11和第2流體導管15的介質的泄漏降低到最低程度。
較好的是將交叉流動熱電裝置31保持在一個框架(未示出)內，該框架帶有水平偏壓裝置(未示出)，以保持熱電單元26的定位。若某一熱電模塊12出故障，只需替換一個熱電單元26，而無需將整個交叉流動熱電裝置31解體，因而該裝置可以迅速和有效地維修。
參見圖5，其中示出熱電裝置用于加熱或冷卻停放的飛機。在飛機到達之前，交叉流動熱電裝置31與第1風扇23連接，該風扇23使空氣在一閉合回路中循環，該回路包括第1風扇33、第1流體導管11、排氣管34、貯氣室35和回氣管36，在該閉合回路中的空氣被加熱至所需溫度。貯氣室35為飛機將要停靠的乘客登機橋，在飛機到達之前，關閉登機橋兩端的門。當飛機到達后，通過改變風檔38的位置，將飛機通過轉向管37加進該閉合回路中。然后，利用已經過預熱或預冷的空氣加熱或冷卻停靠的飛機。使用貯氣室35中預冷或預熱過的空氣有助于對飛機的冷卻或加熱。在操縱熱電裝置的過程中，將周圍空氣從入口36A導入此前的閉合回路中，以形成符合并保持阿什雷(ASHRAE)新鮮空氣標準的混合氣體。周圍空氣通過第2風扇39而被強制送入第2流體導管15中，從而提供流經熱電裝置31的新鮮空氣流。在圖5中示出，第2風扇39置于第2導管15中，處于與熱電裝置31有關的該導管上游。另一種情況下，風扇39置于與熱電裝置有關的第2導管下游。在后一種風扇的設置狀態下，本發明可以避免由于將第2風扇置于與熱電裝置有關的第二導管的上游位置而將熱量添加到第2導管的流體中。在該后一種風扇的布置情況下，由于第2風扇所產生的真空，空氣從第2導管和熱電裝置中抽出，而不是由處于熱電裝置上游的風扇將空氣強行注入裝置中。后一種結構避免了因第2風扇的運轉而在第2流體通過熱電裝置31之前提升流體溫度的可能性。
圖6和6A示出本發明的熱電裝置31的一個實施例，其中，每一熱電模塊12適應于接收為其運轉而單獨地確定的電功率數。本發明還期望對各個模塊組，而不是各個模塊，提供為其運行而分別確定的電功率數。因而應該理解到，在后文的實施例中所提到的是熱電模塊，而在另外的實施例中熱電模塊可以由一組熱電模塊替代。
供給于各熱電模塊12的功率數，是通過分析熱電模塊與第1流體導管11結合處的熱電材料溫度以及熱電模塊與第2流體導管結合處的熱電材料溫度之間的溫差而確定的。
如圖7所示，模塊12與第1流體導管11結合處熱電材料的溫度(在圖6中標為Tc)下降就每一接續模塊12而言，是各自沿著第一流體導管11的長度以遞增的負斜率而實現的。這里假設了對在第二流體導管相應長度范圍內的模塊與第2流體導管15結合處的熱電材料溫度(在此用Th表示)是保持不變的。
引起注意的是，Tc和Th之間的溫差△T沿著第1流體導管長度依次增大。如圖所示，△T沿著前述導管的全長以遞減的斜率增大。環境溫度在本例情況下假設為40度(C)。第1流體導管中氣體的最終溫度為10度(C)。如圖8所示，熱電模塊的熱泵容量在恒定電流下隨著△T值的減小而增大。因而，當熱電材料相對面溫度之間的溫差△T，亦即熱電模塊相對側的兩種氣體溫度之間溫差被減低到最小時，熱電模塊效率最高。
圖9示出熱電模塊在給定的△T下達到最大的性能系數。在此用到的術語“性能系數”(COP)可以理解為表示冷卻或加熱功率除以輸入電功率的比率。圖9所示曲線由下列公式產生COP=Zi·i2·ΔTΔTmZ(i2+ΔTΔCi)]]>其中△Tm＝ 1/2 ZTc2i＝電流Z＝后文定義的熱電材料最優值(質量因數)利用這一信息，本發明通過分別調節流經各熱電模塊的電流，從而達到增強的操作性能。利用圖9的曲線圖，對于跨接在各個熱電模塊12的溫差找出最大的性能系數，從而確定供給各熱電模塊的電流量。△T在流體的流動方向上沿著第1氣體導管長度依次增大，認識到這點后可以懂得，沿著第1氣體導管長度的每一接續模塊的最佳輸入電流是按同一流動方向上沿著導管長度依次增大。
在圖示實施例中，對于指定的熱電模塊12的溫差△T是如此確定的，首先，取得熱電模塊與第1導管結合處熱電材料的溫度讀數，以及熱電模塊與第2導管結合處的熱電材料溫度讀數。這些溫度讀數取自傳感器42。這些傳感器可以是通常結構的，例如如圖所示的通常的通電熱電偶。多個傳感器42a沿模塊12的陣列設置。每一傳感器42a沿模塊12的陣列設置。每一傳感器42a與一相應的熱電模塊12配對，并設置在模塊上，貼緊該熱電模塊12與導管11的安裝位置。在模塊陣列中還安裝了多個傳感器42b。每一傳感器42b與一相應的模塊12配對，并安裝在該模塊上，貼緊各熱電模塊12與導管15的安裝位置。每一傳感器42a最好與一相應的傳感器42b配對，每對傳感器從熱電模塊的相對表面上對溫度取樣。
傳感器42可以與一個計算裝置43連接，該裝置可以是普通的程控微處理器，從各個傳感器接收信號。此外，該計算裝置用于就每一相應的熱電模塊12比較每對傳感器42a和42b的溫度讀數，確定每一熱電模塊的溫差△T。一旦確定某一熱電模塊的△T，計算裝置就按程序確定性能系數的峰值。峰值的確定限定了使熱電模塊達到最佳性能而需供給該熱電模塊的最佳電流。因為熱電模塊在最佳熱電性能下不一定會產生具體應用所需的冷卻功率，所以應該懂得，用戶可能會出于各種原因，而選擇使模塊工作在所確定的峰值附近一個預定范圍內的輸入電流下。在本發明的許多實施例中，微處理機進一步按程序計算各熱電模塊的工作電流(I)。
在較佳方式下，該工作電流(I)處于最佳電流值(Iopt)與最大電流值(Imax)之間的范圍內。
對于本發明的一特定用途，首先給出所需的冷卻功率。對每一熱電模塊計算或測出溫度Th和Tc。對于每一模塊或模塊組，由微處理機利用下式確定數值IoptIopt=KΔT(1+1+ZT-)ST-λ]]>其中，K是熱電模塊的熱電材料的導熱系數，△T＝〔Th-Tc〕，
Z= (S2)/(ρk) 是熱電材料的最優值(質量因數)，其中S是塞貝克(seebeck)系數(熱電系數)，ρ是熱電材料的電靈敏度，k是熱電材料的導電系數。
S是塞貝克系數，T是熱電材料的平均溫度，λ＝ 1/(a) ，l是熱電材料的長度，a是熱電材料的橫截面積。
確定每一模塊或模塊組的數值Imax。Imax定義為Imax=ksλ(1+2ZTn-1)]]>其中，變量K、△T、Z、T、S和λ定義如前。然后，微處理器利用下式計算出供給各模塊或模塊組的工作電流II＝Iopt+β(Imax-Iopt)其中，β可從0.0到1.0不等。
在一種方法中，最初將β設定為0.5。然后由微處理器對每一模塊或模塊組計算出I的各個數值。
用導線把每一熱電模塊連到電流調節器46。該電流調節器還連到微處理器43。微處理器按程序將一個指令傳送給調節器46，使調節器將一定數值的電流I提供給每一熱電模塊，該數值相當于微處理機為該熱電模塊計算出的具體電流值I。
因而，供給各模塊的電流數值等于為各模塊計算出的I的數值。當各個熱電模塊工作于各自的電流下時，檢測排出第1流體導管11的空氣溫度(后文稱為Texit)，亦即，由通常的溫度檢測裝置如溫度計所取樣。然后，Texit與氣溫Tcal相比較，Tcal是根據本技術領域眾所周知的公式計算出的，是在給定用途下達到所需冷卻功率而需要的排出溫度。如果離開冷卻系統的空氣的溫度Texit低于計算出的溫度Tcal，則將β的數值減小某一預選擇的增量，例如0.05。然后利用新的β值再計算各熱電元件的各個I數值。接著，通過微處理器控制的電流調節器46分別將對應于新I數值的電流供給各熱電模塊。然后，再取排出溫度Texit，并與Tcal比較。如果Texit小于Tcal，則將β再降低一預定的增量，例如0.05。若Texit大于Tcal，則β增大某一選定的增量，例如先前為達到當前的β值而給β增加的增量的一半。在兩種情況下，都用β的新值再次計算I。進而向各個模塊提供與該下一批I數值所對應的電流值，并再次對溫度Texit取樣。再次比較Texit的數值與Tcal。然后重復上述增大或減小β，并重新計算β的過程，隨后再計算I，再度調節各模塊的電流I。
這一過程按重復形式的方法繼續進行，直至一組數能使排出溫度等于計算出的溫度值Tcal為止。
本例的裝置可以包括一個微處理機，它用于連續地檢測熱電模塊的溫度，亦即對其取樣，然后，將這些溫度值與I的各個數值比較。另一方面，微處理機可以按程序，以預定的時間間隔，例如每隔一分鐘，檢測各熱電模塊的溫度，亦即對其取樣，進而計算各個I數值。
下面特別指出，為了計算用途，對熱電模塊與第1導管和第2導管結合處的溫度進行取樣。但應該懂得，可以用另外的溫度讀數替代上述結合處的溫度讀數。例如，可以用通常的氣溫裝置檢測靠近導管和每一相應熱電元件結合處的每一導管中的流體的流動溫度。另外，可以用熱電偶或其它測溫裝置檢測靠近每一導管與每一相應熱電元件結合處的每一導管的側壁溫度。應該知道，導管中流體的溫度和導管與熱電材料結合處的熱電材料的溫度彼此相差應該在15℃內。
應該懂得，熱電材料相對側的溫度才是計算電流I數值的關鍵。檢測流體或導管側壁的溫度可以用來作為趨近熱電材料相對側的溫度的方法。因此，這些替代用的溫度讀數對于確定I的數值而言，給出較不精確但仍可接受的溫度近似值。檢測兩根流體導管入口和出口處的溫度也可給出足夠的數據，由此可確定I的數值。此外認識到，也可用其它溫度讀數，使之近似熱電材料相對側的溫度。
計算裝置(例如微處理機)與一個控制裝置，例如用于將工作電流供給各熱電模塊12的電流調節器46配合。應該認識到，現有系統可以構造成并按程序以預定間隔周期性地讀出由傳感器42監測的溫度。另外，該系統可構造成連續監測上述溫度。計算裝置還可構造成可周期性或連續地計算最佳電流值。此外，控制裝置也可構造成連續或周期性地調節供給熱電模塊的電流。繼之，現有系統可以用來配備一種裝置，它響應熱電模塊某一確定的空間范圍內存在的溫度變化，連續地優化各熱電模塊的獨立工作特性。本發明因而避免了向陣列中各熱電模塊提供均勻電流所導致的效率低下，且現有系統將熱電模塊的功耗限制在熱傳遞最佳的電流水平上，從而獲得熱電模塊最佳工作性能。
再次參見圖5，其中示出與第2流體導管15連接的水分引入裝置48。該水分引入裝置可以是多個連到水源的可加壓的注水器。它也可以是其它任何適合于將水噴入流體中的構造。在本發明的一個實施例中，從第1氣體流中以冷凝液形式除去的水分從導管11的散熱片滴下時被收集起來，然后將其注入水分引入裝置中，以便將水分引入第2氣體流中。
當將水噴入第2導管15的氣體流中時，水吸收氣流中含有的熱量。水分對熱量的吸收導致第2氣體流中空氣溫度下降。熱量吸收一直進行至該熱量數值達到水分汽化潛熱值時為止。在這一數值上，水分被蒸發。
水分可以在氣體流進入第2導管與熱電模塊接觸的區域之前被蒸發，這依賴于第2氣體流中空氣的溫度。若水分在第2氣體流受到熱電模塊作用之前已全部蒸發，則由于水分從該氣體流中吸收熱量，第2氣體流到達熱電模塊時處于大大降低的溫度下。
即使水分在已經到達第2導管與熱電模塊相連的部分時尚未全部蒸發，接著第2氣體流與由熱電模塊12加熱過的第2導管的側壁接觸，則第2氣體流，尤其是其中的水分，吸收來自側壁的熱量。水分進行熱量吸收，而第2氣體流的溫度不隨之增加。根據圖8所示的結論，熱電模塊在較低的△T數值下達到較高的熱泵容量，因而，限制第2流體導管中第2氣體流的任一溫度增加使得熱電模塊12的熱泵工作特性提高到最大限度。因此，采用含有水分的空氣使模塊上的△T最大，從而優化熱電材料的效率。
圖10和11示出在與熱電模塊12連接的導管15的上游將濕氣特別是將水引入導管15的第2氣體流中所帶來的益處。兩幅圖線表示來自兩個系統的計算數據，每一系統包括按上述方式設置的第1流體導管、第2流體導管和多個熱電模塊。區別這兩個系統的唯一突出特征是其中之一采用了前述水分引入裝置。如圖10所示，在相同的功耗下，利用水分引入裝置導致蒸發冷卻的系統相對于第二流體導管中不含有第二氣體的蒸發冷卻系統而言，性能系數顯著增大。令人注意的是，在恒定功耗下，利用蒸發冷卻的系統的冷卻功率也顯著高于未含有蒸發冷卻的系統的冷卻功率。
圖11示出，利用蒸發冷卻的系統在給定的冷卻功率要求下功耗顯著降低。此外，圖11也指出配有蒸發冷卻裝置的系統還達到了更佳的性能系數，在低冷卻功率要求下尤其如此。
應該懂得，廢氣，亦即第2流體導管中的氣體，其蒸發冷卻可以歸納入前述使供給各熱電模塊的電流發生變化的實施例中，以達到更好的工作特性。
前述裝置用于提供供人使用的冷卻空氣，但應該知道，將熱電元件的極性顛倒，就會在第1導管11中產生加熱空氣而不是冷卻空氣。
本文中具體參照目前認為是最佳實施方式的實施例對本發明作了圖示和說明，但應該懂得，在本發明的不同實施例中可以作出各種變化，而不致脫離本文中所揭示并由后文的權利要求所限定的發明實質。
權利要求
1.一種用于冷卻或加熱供人使用的氣體(空氣)的裝置，其特征在于，它包括用于導引第1氣體流的第1熱交換器；用于導引第2氣體流的第2熱交換器；置于所述第1熱交換器和第2熱交換器之間的多個熱電模塊，每一熱電模塊在所述第1和第2熱交換器之間延伸，觸及所述第1和第2熱交換器，所述熱電裝置用于將熱量從所述第1氣體流傳遞至所述第2氣體流，從而冷卻所述第1氣體流；用于分別控制供給各相應熱電模塊的功率數值的控制裝置。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，在熱電模塊與第2熱交換器接觸之處的上游，還包括水分供給裝置，該裝置與所述第2流體導管結合，用于將水分引入所述第2氣體流。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，根據為各個熱電模塊所確定的各個最佳輸入功率，向各熱電模塊提供功率。
4.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，在熱電模塊接觸所述第1流體導管和所述第2流體導管之處的附近，包括用于檢測所述熱電模塊的熱電材料溫度的傳感裝置。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述熱電模塊是串聯排列的。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述熱電模塊相互隔開排成一個陣列。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括轉向裝置，用于導引由所述熱電裝置冷卻過的來自所述第1熱交換器的一部分第1氣體流;貯存裝置，用于接納由所述熱電裝置冷卻過的所述部分的第1氣體流，所述貯存光置與所述第1熱交換器互連，并適合于將所述熱電裝置冷卻過的所述部分的第1氣體流的流量回流到所述第1熱交換器。
8.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述傳感裝置適用于檢測每一熱電模塊的所述溫度。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，還包括第1計算裝置，適用于接收取自所述傳感裝置的所述溫度，并從所述溫度中計算出每一熱電模塊的溫差。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述計算裝置還適合于利用每一熱電模塊的所述溫差，計算各個熱電模塊的輸入工作功率。
11.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，還包括控制裝置，用于從所述計算裝置接收所述輸入工作功率，并調節各相應熱電模塊的輸入功率，使其相當于各相應熱電模塊的所述相應輸入工作功率。
12.一種冷卻飛機機艙的方法，其特征在于，包括設置一個第1熱交換器;設置一個第2熱交換器;在所述第1和第2熱交換器之間設置多個熱電模塊，每一熱電模塊與所述第1和第2熱交換器聯合工作;設置一個調節裝置，用于調節供給各熱電模塊的電功率數值;在所述第1熱交換器中通以空氣;在所述第2熱交換器中通以空氣向所述熱電模塊提供電功率;調節提供給各熱電模塊的電功率數;將所述第1熱交換器中的所述空氣通入所述機艙。
13.如權利要求12所述的裝置，其特征在于，還包括一個步驟根據所述熱電模塊的熱電材料相對側面之間的溫差，為每一熱電模塊確定最佳輸入功率。
14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，還包括一個步驟調節供給予各熱電模塊的電功率數值，使其對應于為各相應熱電模塊計算出的最佳輸入功率。
15.如權利要求14所述的裝置，其特征在于，還包括沿所述第1空氣導管的各個位置檢測第一空氣導管中的空氣溫度;沿所述第2空氣導管的各個位置檢測所述第二空氣導管中的空氣溫度;比較在靠近所述熱電模塊的位置的第1空氣導管及第2空氣導管中的溫度，從而計算每一所述熱電模塊的所述溫度差。
16.如權利要求15所述的裝置，其特征在于，還包括在所述與熱電模塊結合的第2空氣導管的上游位置將液體引入所述第2空氣導管。
17.一種向駐留的飛機提供冷卻或加熱過的氣體的裝置，其特征在于，包括用于導引第1氣體流的第1熱電模塊;用于導引第2氣體流的第2熱交換器;置于所述第1和第2熱交換器之間且在其間延伸的熱電裝置，它與所述第1和第2熱交換器接觸，適合于將熱量從所述第1氣體流傳遞至所述第2氣體流，從而冷卻所述第1氣體流。
全文摘要
一種具有第1氣體導管、第2氣體導管和至少一個熱電模塊的加熱和冷卻裝置。在第1實施例中，在與熱電模塊結合的第2導管的上游設置有將水分引入第2氣體導管的結構。在第2氣體導管的氣體中引入水分起到了減小第1和第2導管中氣體溫差的作用，從而優化了熱電模塊工作。在第2實施例中，多個熱電模塊排成陣列，置于氣體導管之間，并與其結合。各熱電模塊的功率調節到分別計算出的最佳輸入功率。計算時采用了熱電模塊與第1和第2氣體導管結合處熱電材料的溫差。
文檔編號B64F1/00GK1094500SQ9312052
公開日1994年11月2日 申請日期1993年11月27日 優先權日1992年11月27日
發明者斯科特·B·格威利姆, 理查德·A·佩爾, 阿倫·V·法爾 申請人:紐摩埃貝克斯有限公司