利用熱隔離的效率改善的熱電裝置的制作方法

專利名稱：利用熱隔離的效率改善的熱電裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及更高效地產生熱和/或冷條件的改進的熱電裝置。
背景技術：
在有電流存在時，熱電裝置(TEs)利用某些材料的性能沿著該材料形成熱梯度。傳統的熱電裝置利用P型和N型半導體作為裝置內的熱電材料。這些材料在物理結構上以及電學上被設計成具有需要的加熱或冷卻功能。
一些與用于冷卻和加熱的TEs有關的基本公式、理論、學術論文、測試方法和數據在Electronic Refrigeration中的H.J.Goldsmid(英格蘭NW2 5JN倫敦Brondesbury公園207號Pion Ltd.公司)的文章中描述過(1986)。圖1中示出了目前在熱電裝置中采用的最普通結構。通常，P型和N型熱電元件102排列在矩形組件100內兩個基片104之間。電流I穿過兩種元件。這些元件通過焊接在元件102末端的銅分路件(copper shunt)106進行串聯連接。在加有直流電壓108時，該電壓可在整個TE元件上產生溫度梯度。圖2為流動示意圖，圖3為目標(object)圖。圖2和圖3均示出了采用圖1的TE組件100的一般系統圖。
當電流經過熱電元件時，該熱電元件一端變冷而另一端變熱。TEs一般用于對液體、氣體和固體冷卻。
用于最普通形式TE裝置的基本公式如下(1)---qc=αITc-12I2R-KΔT]]>(2)qin＝αIΔT+I2R(3)---qh=αITh+12I2R-KΔT]]>其中qc為冷卻率(從冷側焓的遷移率)，qin為系統的能量輸入，而qh為系統的熱量輸出，其中α＝塞貝克系數
I＝電流Tc＝冷側絕對溫度Th熱側絕對溫度R＝電阻K＝熱導率在這里，α、R和K假定為常數，或者是在適當溫度范圍內適宜的平均值。
在穩態下，輸入和輸出能量平衡(4)qc+qin＝qh另外，為了分析在制冷和加熱工業中采用設備的性能，需要進行下面定義(5)β＝qc/qin＝冷卻性能系數(COP)(6)γ＝qh/qin＝加熱COP從公式(4)得到(7)qc/qin+qin/qin＝qh/qin(8)β+1＝γ于是β和γ建立了緊密聯系，而γ始終比β大1。
如果計算這些公式，就會得到β或γ為最大值以及qc或qin為最大值的條件。
如果β最大值確定為βm，而對于qc最大值時COP為βcm，則結果如下(9)---βm=TcΔTc(1+ZTm-ThTc1+ZTm+1)]]>(10)---βcm=(12ZTc-ΔTZTcTh)]]>其中
(12)---Tm=Tc+Th2]]>以及；其中λ＝材料熱導率；以及ρ＝材料電阻需要注意的是，對于具有平行側邊的簡單固體形狀，有K＝λ×面積/長度。
類似地，R＝(ρ×長度)/面積。這樣，在形狀上的任何變化，如長度、面積、重心指數(conality)等的變化，均可影響K和R。另外，如果柔性元件的形狀通過機械的或其它手段改變，則K和R也變化。
βm和qcm只取決于Z、Tc和Th。這樣，Z稱為優良指數，是表示TE系統性能特征的基本參數。Z的大小決定著具有圖1幾何形狀和其它所有幾何形狀的熱電性能以及目前熱電裝置的使用。
采用當前的材料，熱電裝置具有一定的空間和一些商業用途。但是，用途是有限的，因為系統效率太低，而不能與采用象氟里昂那樣液體的大多數冷卻系統(如在電冰箱、汽車采暖通風和空調(HVAC)系統、建筑采暖通風和空調(HVAC)系統、家庭空調器中等采用的系統)競爭。
當從公式(9)得到的最大熱電效率與卡諾循環效率Cm(對于任何冷卻系統的理論最大系統效率)比較時，這種限制就更明顯了；(13)---βmCm=TcΔT(1+ZTm-ThTc1+ZTm+1)TcΔT=(1+ZTm-ThTc1+ZTm+1)]]>注意，作為校驗，如果Z→∞，則β→Cm。最好的商業TE材料具有的Z值可使乘積ZTa≈1幾種商業材料在一些較窄溫度范圍上為ZTa＝1。但是在目前商業材料中ZTa不超過1。圖4示出了這種情況。有些實驗材料可實現ZTa＝2到4，但是這些材料沒有形成產業化。一般地，較好材料可以購買到，但這并不妨害本發明的好處。
熱電裝置的幾種結構目前用于汽車座位冷卻系統、便攜式冷卻器和電冰箱、科學研究用的高效液體系統、電子設備和光纖系統以及紅外線傳感系統的冷卻。
所有這些裝置的共同點在于，Th在TE的熱側得到補償，同樣Tc在冷側得到補償。在大多數這種裝置中，TEs采用氧化鋁基片(熱的良導體)作為熱側和冷側端板，而銅或鋁散熱片或散熱塊作為在至少一側上的熱交換器。
這樣，條件可非常近似地由圖5中的示意圖來表示。在這種情況下，ΔT分成在冷側的ΔTc和熱側的ΔTh，其中ΔT＝ΔTc+ΔTh。
將公式(1)和(2)代入公式(5)中可得到(14)---β=qcqm=αITc-12I2R-KΔTαIΔT+I2R]]>而其中ΔT是ΔTc和ΔTh的和。因此，例如，如果ΔTc＝ΔTh，則ΔT＝2ΔTc。由于隨著ΔT增加，效率降低，因此就特別需要使ΔT盡可能小。一種選擇是使流過熱側的流體比流過冷側的多很多。為此，來自熱側的熱流公式為(15)qh＝CpMΔTh其中CP為每單位時間(如，每秒)經過熱側的流體熱容。
這樣，如果對于給定的需要值qh而CPM非常大時，ΔTh就非常小。然而，這樣存在的不足的是，需要較大的風扇或泵以及大量廢流體(也就是說，沒有被冷卻但作為過程的一部分排出以獲得更有效冷卻的流體)。
第二種選擇是使在熱側的散熱片很大，從而使熱被動地散掉。這樣的實例是在汽車中的低能源TE，其中熱側與汽車底盤有非常好的熱接觸；或者在潛艇中的TE系統，其中TE與船體也因此與海水有非常好的熱接觸。但是，這些方法通常很難實現，或者成本、重量或其它條件限制了它們的使用。這樣的結果是，在大多數裝置中，ΔT實際上比ΔTc大，效率因此受到影響。

發明內容
一般地，通過把熱電元件的整個組件分成熱隔離的分組件，可得到提高效率的熱電裝置。通過利用熱隔離，并控制要經過熱電裝置各部分進行冷卻或加熱的材料的流動方向和位置，可提高總效率。通過改變總熱電裝置各部分的ΔT以及物理學、熱學和電學性能，也可提高效率。
本發明的一個方面涉及與至少一種要冷卻或加熱媒質一起使用的一種熱電系統。該系統具有形成具有冷側和熱側的熱電陣列的多個熱電元件；其中多個熱電元件在整個陣列上至少一個方向上彼此充分熱隔離。至少一個熱交換器位于冷側和/或熱側至少之一上并與至少一個熱電元件熱傳遞。熱交換器設計成可有效地保持熱電元件的熱隔離。
在一個實施例中，如液體、固體或這兩種組合的媒質在至少一個方向上移動穿過陣列至少一側的至少一部分。在另一個實施例中，熱電元件的至少一個特征，比如電阻，可在媒質移動方向上改變。電阻可以多種方式改變，如通過改變熱電元件的長度、改變熱電元件的橫截面積、改變每個熱電元件的機械結構，或者通過改變至少一種熱電材料的電阻率以及適用于用途的其它方式。
在又一個實施例中，經過陣列中的至少一些熱電元件的電流不同。
較好的是，熱交換器包括多個部分，如柱銷、散熱片或熱管，每一部分與至少一個熱電元件熱傳遞，至少一些部分在媒質移動方向上與其它所述部分充分熱隔離。最好是，該部分的熱隔離與熱電元件的熱隔離對應，從而提供了有效熱隔離的分組件。在一個實施例中，熱交換器位于每個冷側和熱側上。可選擇的是，一側具有散熱片，另一側具有熱交換器。散熱片通過熱管可聯接到熱電陣列的一側上，該熱管在一端與陣列熱接觸，而在另一端與散熱片接觸。在另一個實施例中，熱電元件還受到至少一個磁場作用。
較好的是，熱電系統的至少一個特征可經過對熱電系統的機械結構調整而動態調節。與所述熱電系統聯接的控制系統根據至少一個輸入到控制系統的輸入信號來調節該機械結構。最好是，經過調節，該控制系統進行操作以動態地提高效率。可設置有算法，根據該算法，控制系統進行操作。在一個實施例中，根據至少一個輸入到控制系統的信號，控制系統調節至少一個特征。
各種特征，比如熱隔離、特征變化、電流變化、提供磁場和控制系統等可根據具體用途組合使用或單獨使用。
本發明的另一個方面涉及一種制造改進的熱電系統的方法，其中該熱電系統與至少一種如流體、固體或流體和固體組合的要冷卻或加熱媒質一起使用，該方法包括的步驟有使多個熱電元件形成具有冷側和熱側的熱電陣列；其中多個熱電元件在整個陣列上至少一個方向上彼此充分熱隔離；以及從熱電陣列的至少一側交換熱量，其交換熱量方式充分保持熱電元件的熱隔離。
在該方法的一個實施例中，媒質在至少一個方向上、移動穿過陣列至少一側的至少一部分。該方法的另一個實施例進一步包括的步驟有，在媒質移動方向上改變熱電元件的至少一個特征，比如電阻或機械結構。例如，電阻可以通過比如改變長度、橫截面積、機械結構或至少一些熱電元件的電阻率等任何方式來改變。在一個實施例中，改變的步驟包括對至少一個特征進行動態調節。最好是，根據對來自傳感器或用戶的至少一個參數的估算，可進行調節。算法可用來控制該調節。
在一個實施例中，交換熱量的步驟包括提供熱交換器，該熱交換器包括多個部分，每個部分與至少一個熱電元件熱傳遞，而這些部分中的至少一些在媒質運動方向上與其它所述部分充分熱隔離。該部分可采取如柱銷、散熱片和熱管等許多結構，或者采用其它適當的熱交換器材料。在一個實施例中，交換熱量的步驟包括在冷側和熱側上進行熱量交換。可選擇地，該方法包括從熱電陣列的至少一側進行散熱的步驟。
在另一個實施例中，該方法還包括改變經過陣列中至少一些熱電元件的電流的步驟。在又一個實施例中，該方法還包括使熱電元件受到至少一種磁場作用的步驟。
下面結合多個附圖，對本發明的這些和其它特征進一步詳細描述。


下面結合附圖來詳細描述優選實施例。
圖1A和1B示出了一種傳統的熱電裝置；圖2示出了在傳統流體加熱或冷卻應用中的一種傳統熱電裝置；圖3示出了用于對材料或部件進行冷卻的一種傳統熱電元件；圖4示出了對各種熱電材料效率的測量；圖5示出了傳統熱電裝置的一般化條件示意圖；圖6示出了熱電系統的一般化方框圖；圖7A示出根據本發明熱電系統的第一實施例及伴隨的溫度輪廓；圖7B和7C示出了圖7A熱電系統的更詳細結構；圖7D和7E示出了圖7A的熱電系統的可替代實施例，該實施例中包括根據本發明的附加的增強結構；圖8示出了根據本發明的用于從相對兩側流動的熱電系統；圖9A-9E示出了具有圖7A-E以及圖8特征的熱電裝置實例，但是利用了用于熱交換器和熱電元件的不同的幾何形狀；圖10示出了利用控制系統的本發明熱電系統的另一實施例，其中該控制系統使經過該熱電系統各部分的電流發生改變；圖11示出了根據本發明一個方面的熱電系統的又一個實施例，其中通過機械方式得到熱電元件中電阻變化；圖12示出了根據本發明的熱電系統的又一個實施例，其中依靠對磁場的應用進一步提高了效率；圖13示出了又一個實施例，其中依靠穿過TE元件長度的磁場進一步提高了效率；圖14示出了根據本發明的一種熱電系統，其中要冷卻的材料是固體而不是流體；圖15A-15G示出了沿著根據本發明一種隔離元件熱電系統長度的溫度輪廓的幾個實例；圖16示出了熱電系統的又一個實施例，其中在無用側的流體在拆開的熱電陣列的長度方向橫穿流動；圖17示出了熱電系統的又一個實施例，其中在無用側的流體在拆開的陣列長度方向橫穿流動，但與圖16不同的是流動從相對端開始的；圖18示出了熱電系統的又一個實施例，其中在無用側的流體沒有橫穿陣列的整個長度。
具體實施例方式
為了達到描述的目的，利用實例和具體實施例來介紹本發明。雖然提出各種實例來表明如何采用不同結構來獲得需要的改進，但是這些具體實施例僅僅是示意性的，在任何情況下都不限制提出的本發明。
圖6示出了整個TE系統600的一般方框圖。具有熱側603和冷側604的熱電組件601與電源602進行電連接。熱電組件601與熱側603上的熱側熱交換器607以及在冷側604上的熱交換器608進行良好的熱接觸。熱側603上的流體源605和冷側604的流體源606配有適當的管道或導管，使其中的流體流過各自對應的熱交換器607和608。加熱的流體609和冷卻的流體610在圖中右側從該系統中流出。為了某些應用(下面給出的實例)，熱交換器607和608中之一可由散熱片來代替，從而就不需要在那一側的流體源或流體。
一般地，如貫穿本說明書中的進一步細節中描述的那樣，本發明通過增強熱電系統結構，沿著陣列在要加熱或冷卻介質流動方向，在各元件之間或熱電系統各級之間提供熱隔離，從而提高了熱電系統的效率。下面大量的實例集中在冷卻上。然而，該原理也同樣可用于加熱。圖7A示出了根據本發明充分提高效率的TE系統700的第一實施例。如描述的那樣，TE元件陣列701包括中間夾有多個TE元件704的熱側基片702和冷側基片703。多個柱銷705與TE元件704通過熱側基片702和冷側基片703而具有良好的熱接觸，并形成TE系統700的熱交換器。如圖所示，柱銷705具有非常象釘子的結構，其頭部706與TE元件704(熱側和冷側)有良好的熱接觸。最好是，柱銷705由銅或其它具有高熱導率的材料制成。根據用途以及傳熱發生的流體，柱銷705可用其它熱交換器結構或幾何形狀來代替。下面描述了這樣一些幾何結構，如熱導管和散熱片。這些熱交換器應使從柱銷到柱銷流體流動方向的熱傳遞最小，同時保持從TE元件704到柱銷705的良好熱傳遞。
熱側基片702和冷側基片703由具有這樣材料和/或者幾何形狀來構成，即可使在流體流動方向沿著TE元件陣列701長度產生不良熱傳導。最好是，基片702和703很薄，從而其相對不良熱傳導不會明顯影響從TE元件704到柱銷705的熱傳遞。熱側基片702和冷側基片703與TE元件陣列701保持在一起，并具有可在TE元件704之間提供需要的傳統電連接的導電部。最好是，材料可選擇地在兩側覆蓋有銅或其它導電覆層(用于電路或到柱銷705上的熱附著)，其中銅具有約0.050mm厚度。一種優選材料為Kapton MT或其它柔性、電絕緣、印制電路材料。對于Kapton MT，熱導率約為0.5W/mK，厚度約為0.025mm。可選擇的是，熱導率可充分大，例如為20W/mK，并且，如果熱側基片702和冷側基片703足夠薄(在一實施例中小于0.05mm)，或者形狀設計成可在流動方向上在相鄰柱銷之間提供熱隔離，則在性能上仍然具有凈正效應(net positive effect)。TE系統700結構的目的是使TE元件704彼此在流體流動方向上充分隔離，但仍然與相應的熱交換器有良好的熱接觸。
上面描述了一個具體的熱交換器。為了通過本發明獲得效率增益，重要的是，熱交換器應該在局部點水平上有效。換句話說，重要的是，在熱交換器的每個點，使加熱或冷卻的媒質達到接近于在該點熱交換器的溫度。當要冷卻的媒質穿過熱電系統時，該媒質和位于每處的熱交換器之間的溫度差可降低熱效率。這樣，根據本發明，熱電元件在流動方向充分熱隔離，該熱交換器同樣優選地與熱電元件進行熱連接，但是在流動方向上充分熱隔離，同時考慮到移動媒質的特性，該熱交換器設計成在任何給定位置，在熱交換器和要冷卻或加熱的媒質之間的溫度差比從內部到外部總溫度差小。
另外，熱電元件之間的熱隔離水平取決于平衡(trade-offs)和具體應用。例如，熱傳導對于熱交換器是需要的，但是沿著從熱電元件到熱電元件的基片的熱隔離也是需要的。雖然從元件到元件的良好熱隔離可提高效率，但是，可通過來自熱電元件和熱交換器之間的不良局部熱傳導的效率損失，或者在熱交換器和要冷卻或加熱媒質之間的不充分熱傳遞，對效率進行彌補。這樣，每種應用需要對這些三種相互關聯的特性進行平衡以得到實際的、盡管對于具體應用中不是始終最理想的設計。
圖7B和7C中更詳細地示出了圖7A的TE系統的一種可能結構。圖7B為圖7A的TE系統700一部分的邊緣視圖。圖7C為從冷側基片的底部從TE側看與圖7B中基片垂直的基片視圖。圖7C示出了用于TE元件704陣列(對于四個元件寬)的一種電路圖形的可能設計。沿寬度或長度，元件數量選擇與用途匹配，同時也可以是任意數量。冷側基片703在圖中示出，熱側基片702在本例中以相同方式形成。基片703由電絕緣層714組成，該電絕緣層714提供一種結構，在該結構上形成把TE元件704連接在一起的電路715。在電絕緣層的相對一側為柱銷705可與之有良好熱接觸的金屬襯墊716(圖7B)。例如通過焊接或環氧樹脂粘接可得到這種接觸。其它方法也是合適的。如果柱銷直接固定到電絕緣層714上，同時具有良好的熱接觸和熱傳送性能，金屬襯墊716就不需要了。該柱銷可以是電絕緣層的延伸部，從而柱銷或者具有這種作用的其它部件可作為一個整體。可選擇的是，或者可結合的是，電絕緣層可以為各向異性從而其熱導率在從TE元件到柱銷方向較高，而在流動方向較低。使垂直于平面發生良好熱傳遞的另一方法是讓電絕緣層714很薄。雖然電絕緣層714最好在其流動方向具有良好的熱絕緣性，但是該熱絕緣性可在絕緣層上通過間隙717來提供或進一步增強，從而絕緣層的熱導率可由TE元件704之間的空氣或其它媒質來代替。在一個實施例中，間隙717可填充有具有較高熱絕緣性的材料。
圖7A的TE系統700設計成使流體從右邊向左邊流動。具有周圍環境溫度TA的流體710通過適當的管道711進入，并直接經過作為熱交換器的柱銷705。流體在左側流出，其中被冷卻的流體712具有冷卻溫度TC，而加熱的流體713具有較高溫度TH。在該實施例中，柱銷705，包括其頭部706，彼此沒有良好的熱接觸，從而每個柱銷與在流體流動方向的其它柱銷有效地熱隔離。較好的是，TE元件陣列701，具體地說是基片702、703設計成在流體流動方向上是熱的不良導體，而在TE元件704和柱銷705之間提供了良好的熱傳導性。
TE元件704可以是傳統的TE元件。然而，對圖7A設計中TE元件陣列701的TE元件704改型可進一步提高效率。在一個實施例中，TE元件704的結構設計成在圖7A中右端上具有較低的電阻，并且向左電阻增加，或者相反，但是增加電阻方向與流動方向匹配。最好是，在較高電阻端的最后一個TE元件的電阻大約等于傳統TE元件的電阻。比較有利的是，在x方向(在圖7A中從右到左)的電阻R近似為
(16)---R(x)=R0(xL)]]>其中R0＝在傳統TE中一元件的電阻，以及R(x)＝在x處TE元件的電阻。
其中恒定電流經過TE。
需要注意的是，由于R(0)將為零，公式(16)就不是很嚴密了。不過，如果R(0)小于 就會有實質性的好處(假定經過整個TE的電流I為恒定值)。另外，需要注意的是，在除了流體流出的端部以外的任何點，由于ΔT(x)和R(x)在別處較低，于是效率要比傳統裝置高，這在下面公式中可以看出。在任何點x處的效率或者COP可近似為(17)βp(x)=αITc-12IR(x)-KΔT(x)αIΔT(x)+I2R(x)]]>其中(18)R(x)＝在x處TE元件的電阻(19)ΔT(x)＝在x處的ΔT(20)βp＝具有該幾何形狀的COP電阻R(x)小于R0，從而I2R(x)小于I2R0，同時ΔT(x)小于ΔT(L)。在除了L以外的每個點x，比較有利的是，R(x)小于R0，同時ΔT(x)小于ΔT(L)，從而分子在L處具有最小值。同樣，比較有利的是，分母在x處更小，從而對于所有小于L的x，則β(x)大于β(L)。從0到L對β(x)的積分即為裝置的COP，如果由于流體流動方式或在流體方向上熱導率與傳統TE系統中相同，β實際上為常數，則通過上述方法得到的積分值大于COP。總之，由于在整個TE系統700的熱側基片702和冷側基片703(ΔT)之間的平均溫差比傳統系統中的小，因此，圖7A的TE系統比傳統TE系統具有提高的效率，從而提高了熱力效率。這些特性在圖7A中的溫度輪廓圖中示出。對COP詳細計算表明，βp最好是比類似傳統裝置的COP大50％到150％。
圖7D中示出了用于獲得沿著裝置長度方向增加電阻的TE系統結構的一個實例。在該結構中，同樣地，TE元件陣列721包括中間夾有多個TE元件724的熱側基片722和冷側基片723。通過熱側基片722和冷側基片723，多個柱銷725與TE元件724具有良好的熱接觸，形成TE系統720的熱交換器。同樣，沿著TE元件陣列721的熱導率最好最小，這在圖7C的實例中以熱側基片722和冷側基片723中的間隙726的形式示出。在圖7C中流動從左側到右側，其中具有周圍溫度TA的流體727通過適當管道728，并流過起熱交換器作用的柱銷725。該流體以具有溫度TC的冷卻流體729和具有溫度TH的加熱流體730在右側流出。在該實例中，通過改變TE元件724長度來使其電阻發生變化，其中較好的是，在入口736具有最小電阻和最短TE元件731，而在TE系統720的出口端737有最大電阻和最長TE元件732。TE元件724的電阻也因此和其長度最好與圖7D底部所示溫度輪廓的兩個曲線734和735的ΔT(x)733成正比。需要注意的是，這兩個曲線不是象在圖7A中那樣的直線。ΔT(x)曲線的函數形式通過R(x)和電流以及其它影響流體加熱和冷卻的因素控制。無論ΔT(x)曲線的是什么函數形式，元件的電阻最好為一般形式。
圖7E中示出了根據本發明的TE系統740的又一個實例。除了熱側基片742為熱交換器外，該實施例與圖7D中所示的相同。從由TE系統740產生熱量的角度看，熱側基片742為散熱片。最好是，從由TE系統740產生熱量的角度看，該散熱片實際上無限大。在該結構中，TE元件陣列741包括中間夾有多個TE元件744的熱側基片742和冷側基片743。通過冷側基片743，多個柱銷745與TE元件744具有良好的熱接觸，形成TE系統740的冷側熱交換器。如果在使用中需要加熱而不是冷卻，則通過把電流方向顛倒，就可使熱側和冷側對調。同樣，在冷側基片743，沿著TE元件陣列741長度的熱導率最小。如圖7D所示，通過冷側基片743上的間隙746，可加強或得到熱隔離。如在前面實例中所描述的，間隙746可以充滿空氣或其它低熱導率的材料。在圖7E中，流動從左邊到右邊，其中具有周圍環境溫度TA的流體747進入到適當管道748內，并從作為熱交換器的柱銷745旁流過。作為具有較涼溫度TC的冷卻流體749的流體在右邊流出。較好的是，通過改變TE元件744長度來使其電阻發生變化，其中在TE系統740的入口具有最小電阻和最短TE元件751，而在TE系統740的出口端有最大電阻和最長TE元件752。在該實例中，可以看出，TE元件744的電阻也因此和其長度與圖7E底部所示溫度輪廓圖中的兩個曲線754和755的ΔT(x)753大致成正比。在該實例中，曲線755是直線，因為熱側基片742實際上為無限大的散熱片。這種散熱片742可以是容器的壁，其中該壁的另外一側與通過外部手段保持在常溫下的大量流體接觸。
圖8中示出了根據本發明采用了TE元件熱隔離的TE系統800的又一個結構。就象圖7A所示的，TE元件陣列801包括熱側基片702、冷側基片703、多個TE元件704和與TE元件704良好接觸的多個柱銷705。在該實施例中，和前面一樣，在流動方向采用熱隔離，但是流體807和流體809來自TE系統800的相對兩端，其中通過冷側管808具有周圍環境溫度TA流入的流體807用于沿著冷側流動，而進入熱側管810具有周圍環境溫度TA的流體809用于沿著熱側流動。流體807、809流過柱銷705，在各自對應的管道808、810的一端流出。在穿過相應的TE系統800的熱側和冷側流動后，最后加熱的流體811以溫度TH從一端流出，而最后冷卻的具有溫度TC的流體812從另一端流出。
比較有利的一個特定情況是當ΔT(x)和R(x)為常數時，因為此時趨向于這樣有用的情況，即可平衡熱力效率、容易制造和對減少不用側(熱側)流動的需要。如果(21)ΔT(x)＝ΔTc＝ΔTh＝ΔT則近似地(22)---βc(x)=αITc-12I2R-KΔTαIΔT+I2R]]>(23)βc＝對于該幾何形狀的COP如果該近似結果與用于ΔTH＝ΔTC的傳統裝置COP的相關公式相比，則本系統將更有效，由于在公式(23)中，ΔT＝ΔTc，而在傳統裝置中，(24)ΔT＝ΔTc+ΔTh同時假定ΔTc＝ΔTh，則
(25)ΔT＝2ΔTc從而從公式(22)中可知，βc將比β大(公式14)，作為實例，對于下面設計參數α＝10-1V/KI＝3AR＝2ΩK＝2W/mKTc＝280CΔTc＝ΔTh＝10C公式(22)得到(26)βc＝2.11對于ΔT＝2ΔTc傳統設計(27)β＝1.40另外，由于系統效率較高，總流量在不用側809、811的一部分減少，從而在本設計方案中，來自qin的相對較少熱量從不用側809、811被散失。
圖8A的下部示出用于圖8A中TE系統800的流體溫度輪廓圖。
所有上述幾何形狀提供了本發明各種變化，這些變化涉及在流體流動方向上對TE元件進行熱隔離。上述披露的隔離元件幾何形狀的益處包括(1)熱力效率可實質性地提高；(2)在主要側(在具體應用中有利的一側，冷側或熱側)流體流動分量可實質性地提高。
雖然上面披露了具體實施例，然而產生或提供上面解釋的熱隔離效率的任何結構都包括在本發明的范圍內。另外，除了通過上面披露的實施例得到的隔離效率外，如對減少電阻的增加也促進了改進。
圖7A-E和圖8示出了在流動方向上TE元件熱隔離的重要特征，其中由于在流動方向上TE元件的電阻增加從而隨之元件的性能提高。圖9A到9E示出了包含這些特征但是利用了熱交換器和TE元件不同幾何形狀的實施例的另外實例。
圖9A和9B示出了TE系統900這樣的實施例，其中熱交換器具有散熱片，而沒有柱銷。圖9A為側視圖，而圖9B為端視圖。如圖所示，TE元件陣列901包括中間夾有多個TE元件904的熱側基片902和冷側基片903。通過熱側基片902和冷側基片903，多個熱交換器905與TE元件904具有良好的熱接觸。通過最好焊接到基片902和903以及TE元件904上的電路908，建立了從元件到元件的電連接。如圖所示，熱交換器905包括薄金屬散熱片的皺褶，該散熱片通過基片902和903與TE元件904(熱側和冷側)具有良好的熱接觸。最好是，熱交換器905由銅或其它材料制成，其中這些材料具有高熱導率并具有盡可能平的底部邊緣907以提供與基片902和903具有良好接觸的最大表面。通過為被間隙909隔開的每排TE元件904設置獨立的熱交換器905，使在該實施例中在流動方向(與圖9B平面垂直)的熱導率最小。
圖9C示出了TE系統920的另一個實施例，該實施例示出了熱管925和散熱片926的使用。TE元件陣列921包括中間夾有多個TE元件924的冷側基片923和熱側基片922。在該結構中，TE系統設計成用于冷卻。同樣地，冷側基片923在流動方向具有較差的熱導率。多個熱管925通過冷側基片923與TE元件924具有良好的熱接觸，同時該熱管925把熱量在冷側基片923和熱交換器926之間傳送，如圖所示，該熱交換器926在熱管925的末端部。在該實施例中，流動方向是從圖9C中的底部到頂部。在圖9C中示出的TE系統920中，熱側基片922與散熱片926具有良好的熱接觸。比較有利的是，從由TE系統920產生熱量的角度看，散熱片926實際上無限大。圖中示出的TE系統920還采用TE元件924在流動方向上變化的電阻。最低電阻元件927位于流動入口側929，而最大電阻元件928位于流動出口側930。此時的電阻與TE元件924的截面積成反比，從入口929到出口930的截面積減少，從而使電阻增加。TE元件924與上面描述過但為了清楚起見沒有示出的電路電連接。
圖9D和9E示出了用于冷卻的被隔離TE系統940的又一個實施例。圖9D為端視圖，而圖9E為側視圖。示出的結構描述了一個制造帶散熱片的熱交換器945的優選方法。如圖所示，TE元件陣列941包括熱側基片942和冷側基片943。至少冷側基片943在流動方向上具有較低熱導率。這些基片942和943中間夾有多個TE元件944，該TE元件944與上述電路949電連接在一起。單個散熱片陣列945通過冷側基片943而與TE元件944具有良好的熱接觸。不管是否是一整體，經過散熱片陣列945流動方向上的熱導率也通過鄰近散熱片區之間間隙946而減少。接頭947把整個陣列固定在一起。較好的是，這些接頭947與間隙946相比足夠小，從而它們不明顯增加在相鄰散熱區之間的熱傳遞。可通過TE元件電阻來得到的增強在圖9中示出，其中TE元件944的長度隨著從入口950到出口951流動方向而增加。根據前面的實施例，變化的電阻可通過其它方式而獲得，如改變TE元件944的截面、改變TE元件材料的電阻率，或者對TE元件的長度、截面和電阻率改變的結合。最后，散熱片948與熱側基片942具有良好的熱接觸。這種散熱片最好是圖7E和9C中描述的那種。
圖10示出了另外實施例，由于在流動方向上TE元件的電阻變化(和隔離的元件)，該實施例獲得與前面描述實施例類似的性能增強。在該實施例中，TE元件的電阻在整個裝置上是相同的，但施加到元件上的電壓沿著流動方向上是變化的。
在圖10中示出了TE系統1000的實例，其中TE元件1001包括中間夾有多個TE元件1004的熱側基片1002和冷側基片1003。多個熱交換器1005通過熱側基片1002和冷側基片1003與TE元件1004有良好的熱接觸。該熱交換器1005和基片1002、1003可具有前面實施例中描述的任何結構。象圖9A和9B描述的那些一樣，熱交換器1005通過基片1002和1003與TE元件1004具有良好的熱接觸(熱側1011和冷側1010)。如圖10所示，在熱側1011和冷側1010的流動是從左邊到右邊。具有周圍環境溫度TA的流體1009進入到左邊，并越過或穿過熱交換器1008，流體溫度在整個TE系統1000上逐漸變化，直到以流體1010和1011在右邊流出，其中在冷側流體1010具有減少的溫度TC，而在熱側流體1011具有升高的溫度TH。通過連接到基片1002和1003以及TE元件1004上的電路1008，建立了從TE元件到TE元件的電連接。不同于前面實施例中基片上的互連電路，基片電路1008不與所有的TE元件1004串聯連接。
在圖10中，電路1008設計成使與流動方向垂直的單個TE元件1004或TE元件1004行可具有不同電源，從而可使不同電流流經該元件或元件行。因此，如圖10所示，在熱電陣列1001的不同段或區加有不同的控制電壓1020。在一個實施例中，多個傳感器1013、1014、1015與控制系統1012連接，該控制系統1012用于監控TE系統。該控制系統1012與多個控制電壓1020連接，從而控制加在TE陣列1001上不同元件或行上的電流。根據外部條件或系統本身條件，通過控制系統1012可對沿著TE系統1000長度上的電壓進行改變。其中一些或全部可存在的這些條件包括外部溫度或流量、內部溫度或流量，通過具體的TE元件或TE元件行，用戶可選擇地進行輸入以手動控制需要的加熱或冷卻量。
通過如傳感器1013、1014的傳感器可對如外部溫度或流量、內部溫度或流量的條件進行監控。用戶可選擇的輸入可通過控制系統1012的旋鈕、拔號盤、按鈕或其它程序化方式來進行。例如，可為用戶提供可選擇或結構化輸入的用戶界面1015。最好是，通過用戶界面1015，被監控的條件或借助于傳感器1013、1014監控的條件的斷路電平(triplevels)可進行修改以使TE系統專門滿足特殊用途或任意給定時間的特殊條件。傳感器1013、1014和1015通過控制電路1012來監控，該控制電路1012采用硬件或軟件關系(其特性取決于用途)來使施加的電壓根據傳感器輸入而變化。
這種系統的優點是，它可使TE元件1004產生的熱能隨著需要而變化，以提高效率。例如，這使得對經過TE元件1004的電流隨流動條件的變化而隨時進行調整。通過公式32可以理解利用本實施例得到效率增益的能力，公式32給出了在沿TE系統長度上任意點x處的該系統最佳效率Iopt(x)的電流。
(28)---Iopt=αΔT(x)R(1+ZT-1)]]>在公式(28)，參數α和Z為TE材料的性能參數。R為TE元件1004的電阻，在討論圖10中實施例時，該電阻可以認為在整個TE系統1000中是恒定的。因此，公式(28)示出對于最佳效率，Iopt與ΔT成正比。為了獲得Iopt，需要使在位置x處的元件電壓為Iopt和R的乘積。由于在實例中，ΔT從左邊的零增加到右邊的最大值，最左邊元件應該加上盡可能低的實用電壓，同時在出口端1010和1011增加到最大值。這樣，在圖10中，0＜V1＜V2＜V3……＜Vn。最好是，隨著流動方向x位置的電壓變量近似為(29)---V(x)=αΔT(x)R(1+ZT-1)]]>圖11示出了根據本發明一個方面的TE系統1100的又一個實例，其中由于通過機械方式對電阻改變，從而性能得到提高。TE元件陣列1101包括中間夾有多個TE元件1104的熱側基片1102和冷側基片1103。在該實施例中，TE元件1104由容納在管1110內的液體TE材料1109制成，該管1110末端由互連電路1108和熱側基片1102及冷側基片1103聯合封閉。液體TE材料可能的實例為具有成為液體時溫度(室溫以上)的鉈和碲的混合物(P型)以及汞/銣混合物(N型)。另外實例是P型的混合在汞內的鉍和碲化物以及N型的混合在汞內的鉍和碲化物。A.F.LOFFE在“半導體熱元件”及“熱電冷卻”(1957年倫敦的INFOSEARCH雜志)一文中描述過一些這樣的材料。
多個熱交換器1105通過冷側基片1103與TE元件1104具有良好的熱接觸。如在該實例中所示的，熱交換器1105與圖9A和9B描述的那些類似，通過冷側基片1103與TE元件1104具有良好的熱接觸。如上所述，該熱交換器可以是多個不同的種類，如銷釘、散熱片或熱管，或者是多個其它熱交換器型。如以前那樣，TE元件1104充分地或至少在冷側基片1103的流體流動方向上被明顯地熱隔離。散熱片1114(從TE系統1100實際上為無限大的角度看)通過熱側基片1102與TE元件1104具有良好的熱接觸。在該實施例中，在TE元件1104的至少一些或者有可能的話全部設置有柱塞1107。該柱塞具有孔1108，并與致動器1115聯接，其中該致動器1115與系統控制器1116聯接。該系統控制器1116聯接到多個傳感器1117、1118和1119上。例如，該傳感器可以是外部傳感器1117、內部傳感器1118和用戶控制的或用戶輸入的裝置1119。最好是，系統控制器1116為致動器1115提供基于硬件或微處理器的計算機控制，該系統控制器包括致動器1115的電源或驅動器，為致動器1115提供需要的充足電流。通過與基片1102和冷側基片1103連接并與TE元件1104的表面以及柱塞1107接觸的電路1106，實現從TE元件到TE元件的電連接。利用滑動觸點1113，可得到柱塞1107與熱側基片1102的電接觸。在柱塞1107上的孔1108可使液體TE材料1109在柱塞移動時經過該孔。在任何位置，柱塞1107把液體TE材料分成前區1111和后區1112。在該實施例中，柱塞1107由導電材料制成，該材料的導電率明顯大于液體TE材料1109的導電率。當柱塞1107沒有完全靠在熱側電路1106上從而后區1112容積不為零時，液體TE材料1109一部分被柱塞1107顯著變短，這樣，把TE元件1104的電阻減少到小于最大電阻的某些值。這樣，可根據固定或隨著時間變化的方案來調整柱塞1107的位置，以沿著TE系統1100長度方向來改變TE元件1104的電阻。控制方案與圖10中描述的類似，不同的是，沒有改變加在TE元件1104上的電壓，而是通過利用致動器1115來改變柱塞1107的位置，其中致動器1115由響應來自外部傳感器1117、內部傳感器1118、用戶輸入傳感器1119或其它信號裝置的控制器1116或其它電源來控制。
在本領域都知道，通過使用適當的磁場來增強某些TE材料的性能。圖12示出了TE系統1200的實施例，其中TE元件1204的材料結構是這樣的，它可使磁場加在TE元件的整個寬度上。如圖所示，TE元件陣列1201包括中間夾有多個TE元件1204的熱側基片1202和冷側基片1203。熱交換器1205通過熱側基片1202和冷側基片1203與TE元件1204具有良好的熱接觸。如圖所示，熱交換器1205為如圖9A和9B中描述的任何適當的結構。在該實施例中，如前面那樣，在流動方向上對TE元件1204采用充分或明顯的熱隔離。通過焊接或其它方式固定到熱側基片1202和冷側基片1203以及TE元件1204上的電路1206，可得到TE元件的串聯電連接。例如，對于某些TE材料，可加有適當的磁場，該磁場來自于關于其極性取向成相同方向的永磁鐵(在圖12中N表示北極和S表示南極)。該磁場(由虛線表示)1208穿過TE元件1204的寬度。
圖13示出了TE系統1300的實施例，其中TE元件1304的材料結構是這樣的，它可通過在整個TE元件長度上利用適當磁場可得到增強。如圖所示，TE元件陣列1301包括中間夾有多個TE元件1304的熱側基片1302和冷側基片1303。在該實施例中，熱交換器1305通過冷側基片1303而與永磁鐵1307具有良好的熱接觸，永磁鐵1307又依次地與TE元件1304具有良好的熱接觸。在一個實施例中，磁鐵形成熱交換器。可選擇的是，熱交換器1305與圖9A和9B中描述的類似。在該實施例中，在流動方向對TE元件1304采用了充分或明顯的熱隔離。散熱片1309(從TE系統1300實際上為無限大的角度看)通過熱側基片1302而與TE元件1304具有良好的熱接觸。散熱片1309可由類似鐵等具有高導磁率的材料制成。通過以焊接或其它方式固定到熱側基片1302和冷側基片1303以及TE元件1304上的電路1306，可得到TE元件的串聯電連接。可加有適當的磁場，該磁場來自于關于極性成對取向的永磁鐵(在圖13中N表示北極和S表示南極)。通過高導磁率散熱片1309在熱側上完成磁路。該磁場(由虛線表示)1308因此可充分地穿過TE元件1304的寬度。
在上面披露的實施例中，熱量傳遞或者排出熱量的媒質為液體。圖14示出了用固體代替液體的結構。圖中示出了TE系統1400，其中TE元件陣列1401包括中間夾有多個TE元件1404的熱側基片1402和冷側基片1403。散熱片1409(從TE系統1400實際上為無限大的角度看)通過熱側基片1402而與TE元件1404具有良好的熱接觸。通過以焊接或其它方式固定到熱側基片1402和冷側基片1403以及TE元件1404上的電路1407，可得到TE元件的串聯電連接。被冷卻固體材料1405(在示出的情況)從圖中左邊被移動到右邊，同時通過冷側基片1403而與TE元件1404具有良好的熱接觸。例如通過熱脂1406，可在固體1405和冷側基片1403之間的界面上得到良好的導熱性。當固體1405經過冷側基片1403時，就被TE元件1404逐漸地冷卻。最好是，從TE元件通過基片1403和熱脂1406以及通過固體1405但不沿著固體運動方向，固體材料具有良好的導熱性。固體1405的適當材料可以為復合物或其它各向異性的材料，或者固體1405可以在垂直于運動方向上開槽，同時槽內填有例如絕熱體。
圖15A到15G示出了沿著被隔離元件TE系統長度方向上不同溫度輪廓的實例。在這些所有的附圖中，從右到左表示熱側流動，而從左到右表示冷側流動。對于這些一側具有散熱片的實例中，在帶有散熱片的一側沒有流動。點O始終在左邊，表示冷側流動的進入端和熱側流動的流出端。點L始終在右邊，表示冷側流動的出口端和熱側流動的進入端。水平線始終表示周圍環境溫度TA。圖15A示出了ΔTC＝ΔTH的情況。圖15B示出了ΔTC＞ΔTH的情況。圖15C示出了ΔTC＜ΔTH的情況。圖15D示出了熱側具有無限大散熱片因此ΔTH＝0的情況。圖15E示出了冷側具有無限大散熱片因此ΔTC＝0的情況。圖15F示出了溫度為TCIN＜TA的冷流體進入的情況。圖15G示出溫度為THIN＞TA的熱流體進入的情況。根據本發明的啟示，可預想到其它溫度輪廓，同時設計出形成所有散熱片的可能組合、輸入溫度和輸出溫度的裝置。
在兩種模式的操作中，理想的公式(9)表示當在冷卻模式下的COP是最好的，同樣在加熱模式下COP也是最好的。然而，流速、TE元件電阻對位置的變化，或者TE元件電流對位置的變化對于該應用場合不適用。通過對熱電基本公式推導的這些參數進行調整可使整個系統性能最優化。
圖16示出了TE系統1600的另一個實施例，其中在不用側上的流體橫穿TE陣列1601長度上的區段1609。象在前面的實施例中那樣，TE陣列1601包括其間夾有多個TE元件1604的熱側基片1602和冷側基片1603。多個柱銷1605通過熱側基片1602和冷側基片1603與TE元件1604具有良好的熱接觸，并形成了TE系統1600的熱交換器。如上所述，柱銷1603具有與銷釘類似的形式，其頭部1606與TE元件1604(熱側和冷側)具有良好的熱接觸。最好是，柱銷1605由銅或者其它具有高熱導率的材料制成。根據應用或熱傳遞發生的流體，柱銷1605可用上面已經描述過的其它熱交換器結構或幾何形狀代替。
沿著電路1606的熱側基片1602和冷側基片1603的結構如圖7A到7C中那樣，保持了沿著TE陣列1601長度對TE元件1604的熱隔離。熱側管道1607固定到TE系統1600的熱側上，以在左邊把溫度為TA的流體引入經過在熱側的熱交換器1605，同時在右邊引導溫度為TH的流體流出。多個管道1608固定到TE系統1600的冷側，以把流體引導經過熱交換器1605的多個區段1609。具有溫度TA的流體在兩個管道1608的左端分別進入其各自的最左邊，并在其各自的右端流出。具有溫度TA的流體在兩個管道1608的右端進入其各自的最右端，并在左端流出。附圖示出了在冷側的三個區段1609，其中冷側在示出的實施例中為無用側，其也可以是任意個區段，同時它們不必都具有相同長度或在相同方向流動。冷側出口溫度TC1、TC2等不一定相同，經過每個出口流體量也不一定相同。
因為具有溫度TA的冷側空氣沿著TE系統1600長度在多個點引入，在TE元件1604上的ΔT比如果冷側空氣在排出前經過冷側的所有熱交換器1605時的ΔT要小。如公式10所示，當ΔT較小時，COP變得較大；從而TE系統1600的熱側可比具有單個冷側管道時更暖。在圖16底部的溫度輪廓圖中示出了這種情況。在具有溫度TA的流體進入的每個點(點0、L1、L2…)，上個區的COP變得相對小。具有TA的新流體提高了流體進入級的COP，從而得到了整個該區段的附加的ΔT。需要注意的是，通常，每個區段增加的凈ΔT將使裝置的長度減小，除非在后面一級(L2等)進入的流體具有比TA高的溫度，或者在后面一級的散熱能力足夠大。
圖16中示出的實施例示出了在加熱模式下操作的TE系統。該同一技術與在冷卻模式中類似，用于提高TE系統的性能，其中在不用側的流體在多個點進入。
圖17示出了TE系統1700的另一個實施例，其中在不用側(冷側)的流體在區段1709上橫穿TE陣列1701的長度。圖17不同于圖16的地方在于，在圖17中，流動是從TE系統1700的相對兩端進行的。TE陣列1701與圖16中一樣，包括熱側基片1702、冷側基片1703、多個柱銷1705、電路1706、熱側管道1707和用于熱交換器1705多個區段1709的多個管道1708。
同樣地，圖17中示出的實施例描述了在加熱模式下操作的TE系統。該同一技術與在冷卻模式中類似，用于提高TE系統的性能，其中在不用側的流體在多個點進入。而且，不是所有不用側流體需要在同一方向流動、以相同溫度進入、以相同間隔或相等長度段流動，或者具有相同的流體流速。
圖18示出了TE系統1800的另一實施例，其中在不用側上的流動不用橫穿TE陣列1801的整個長度。就象圖16中那樣，該TE陣列1801包括熱側基片1802、冷側基片1803和多個柱銷1805。熱側管道1807固定到TE系統1800的熱側上，在左邊把具有溫度TA的流體引入，經過在熱側上的熱交換器1 805，并在右邊以溫度TH流出。管道1808固定到TE系統1800的冷側上，以把流體導引經過熱交換器1805。在圖中具有溫度TA的流體在左邊進入到冷側管1808。閥1809具有兩個位置，一個位置(打開)使流體經過整個管道1808流動，從而以溫度TC在右端流出。閥1809的另一個位置(閉合)使流體僅流過管道1808的一部分，從而以溫度TC*在中間位置1810流出。圖中示出了兩個區段1812，但同時可以是任何數量，同時它們不必要是相同長度、具有相同方向的流體流動或具有以相同溫度進入的流體。
如果閥1809處于打開位置，同時TE系統需要只產生較小的ΔT，如圖18底部所示，溫度輪廓為1820和1821(長虛線)。需要注意的是，在流出點L2，冷側曲線的斜率為非零，從而熱流也為非零。因此，在該情況下，TE系統1800仍然從冷側遷移熱量，并仍然把熱量散布給熱側。如果閥仍然處于打開位置，則TE系統1800就需要產生較大的ΔT，為了產生足夠的ΔT，加在TE系統1804上的能量是必要的，同時冷側溫度輪廓近似為曲線1822和1823。需要注意的是，在一些中間點L1，冷側溫度的斜率實際上為零。如果流動能繼續經過L1，則冷側溫度輪廓將繼續沿著曲線1823(短虛線)。如果閥1809關閉，從而使流體從流出點1810處傾瀉出，則除了熱損失外的所有焦耳熱量可用來進一步把熱側溫度提高到TH*，形成熱側溫度輪廓1824。
使流動從TE陣列1801的一部分開始的技術也可用于流動從相對一端開始的裝置中。另外，閥1809和單個冷側管道1808可用多個閥和管道來代替。
在上面描述的所有實施例中，可設置與圖10和11中描述類似的系統控制器。那些描述集中在利用控制器調節TE元件上的電壓(圖10)，并調節柱塞的位置(圖11)。該控制器還可利用來自相同或類似傳感器輸入的信息與硬件或軟件關系一道來調節例如電流(對于TE元件的串聯)或熱側、冷側流速。該軟件關系的形式可以為查找表、公式或其它算法。使用這種控制器從而為提高總效率以減少平均輸入能量或另外改變系統輸出而提供了機會。
上述控制器考慮到了監控幾個參數并根據這些參數來動態調節系統的可能性，然而，該控制系統可以為非常簡單的系統，如由用戶使用的開關等。例如，控制系統可只是一個開關，該開關改變在熱電系統中電流的方向，以從冷卻到加熱進行變化，或者改變電流以動態地調節電流量，從而使冷卻或加熱量變化，其中傳感器輸入為確定溫度太熱或太冷的人。
上述描述建議，每排TE元件在長度、面積、電阻率或在施加的電能上要變化。考慮到可制造性、簡單化和低成本，TE元件組可以相同或設計成子模塊。這樣，不是每排都必須不同。這種簡化仍能提高效率，同時根據采用的不同尺寸、能量、標準的多少而有不同程度改進。
在上述實施例中，其中可采用散熱片，散熱片可由熱管或其它熱傳遞機構來代替。這樣，散熱片或類似部件可距離較遠，或者組件可聯接到另外的一個或多個可把廢熱能排掉的組件上。另外，雖然已經描述了流體和固體用于冷卻或加熱的媒質，然而，流體和固體的組合，如泥漿(Slury)等也可作為冷卻或加熱的媒質。最后，結合熱隔離特性對提高效率的各種方式進行了描述。然而，如改變電阻、改變電流及上述其它提高效率的方式可在具體應用中適當地一起或單獨使用。
上述實施例集中對所提出的TE系統的冷側或冷卻特性進行了討論。通過改變流經這種裝置的電流方向或改變從熱側到冷側的輸出的方向，加熱或加熱和冷卻也可具有相同或者類似結構。對于任意具體使用的最優化可取決于TE系統的特定用途。然而，在具體應用中可出現幾個潛在的差別1)在加熱模式，在汽車、家庭或工業加熱系統中，例如，需要的ΔTH要比ΔTC充分大；2)質量流動比(主要側到不用側)需要調節以使性能最優化；3)目前的TE熱抽汲功率(pumping power)的能力把整個裝置的ΔT限制到約70攝氏度，因此要得到具有高COP的高ΔTH，結構和流動模式需要根據任何具體應用來調整；以及4)當根據需要，系統需要在加熱或冷卻兩種模式下操作時，(HVAC或熱泵系統)設計最好是有足夠的靈活性以在兩種模式下有效地操作。
權利要求
1.與至少一種要冷卻或加熱媒質一起使用的一種熱電系統，包括多個熱電元件，形成具有冷側和熱側的熱電陣列；其中多個熱電元件在整個陣列至少一個方向上彼此充分熱隔離；以及至少一個熱交換器，位于與至少一個熱電元件熱傳遞的至少冷側和/或熱側上，熱交換器設計成可有效地保持熱電元件的熱隔離。
2.根據權利要求1所述的熱電系統，其中至少一種媒質在至少一個方向上移動穿過陣列至少一側的至少一部分。
3.根據權利要求2所述的熱電系統，其中所述一些熱電元件的至少一個特征在媒質移動方向上變化。
4.根據權利要求3所述的熱電系統，其中所述至少一個特征至少包括所述至少一些熱電元件的電阻。
5.根據權利要求4所述的熱電系統，其中所述電阻通過改變所述至少一些熱電元件的長度而變化。
6.根據權利要求4所述的熱電系統，其中所述電阻通過改變所述至少一些熱電元件的橫截面積而變化。
7.根據權利要求4所述的熱電系統，其中所述電阻通過改變所述至少一些熱電元件的機械結構而變化。
8.根據權利要求4所述的熱電系統，其中所述電阻通過改變至少一種熱電材料的電阻率而變化。
9.根據權利要求1所述的熱電系統，其中對于在陣列上至少一些熱電元件，經過所述熱電元件的電流是不同的。
10.根據權利要求2所述的熱電系統，其中所述熱交換器包括多個部分，這些部分中的至少一些與所述至少一個熱電元件熱傳遞，而這些部分中的至少一些在媒質運動方向上與其它所述部分充分熱隔離。
11.根據權利要求10所述的熱電系統，其中所述至少一些所述部分包括柱銷。
12.根據權利要求10所述的熱電系統，其中所述至少一些所述部分包括熱管。
13.根據權利要求10所述的熱電系統，其中所述至少一些所述部分包括散熱片。
14.根據權利要求1所述的熱電系統，其中在每個冷側和熱側上至少有一個熱交換器。
15.根據權利要求1所述的熱電系統，其中一側具有散熱片，同時一側具有至少一個熱交換器。
16.根據權利要求15所述的熱電系統，其中散熱片帶有至少一個熱管，該熱管一端與熱電陣列一側熱傳遞，而另一端與散熱片熱傳遞。
17.根據權利要求1所述的熱電系統，其中所述熱電元件受到至少一種磁場作用。
18.根據權利要求1所述的熱電系統，其中所述媒質包括至少一種流體。
19.根據權利要求1所述的熱電系統，其中所述媒質包括至少一種固體。
20.根據權利要求1所述的熱電系統，其中所述媒質包括至少一種流體和至少一種固體的混合物。
21.根據權利要求3所述的熱電系統，其中所述至少一個特征是通過對所述熱電系統的機械機構進行調整而可動態進行調節。
22.根據權利要求21所述的熱電系統，其中與所述熱電系統聯接的控制系統根據至少一個輸入給所述控制系統的輸入信號來調節機械結構。
23.根據權利要求22所述的熱電系統，其中所述控制系統根據至少一種算法進行操作。
24.根據權利要求3所述的熱電系統，其中與所述熱電系統聯接的控制系統根據至少一個輸入到控制系統的輸入信號來調節該至少一個特征。
25.根據權利要求24所述的熱電系統，其中所述控制系統根據至少一種算法進行操作。
26.與具有取向運動的至少一種要冷卻或加熱媒質一起使用的熱電系統，包括多個熱電元件，形成具有冷側和熱側的熱電陣列，其中這些熱電元件中的至少一些的至少一個特征在媒質運動方向上是變化的。
27.根據權利要求26所述的熱電系統，其中所述至少一個特征包括至少一些熱電元件的至少電阻特征。
28.根據權利要求27所述的熱電系統，其中所述電阻通過改變至少一些熱電元件的長度而變化。
29.根據權利要求27所述的熱電系統，其中所述電阻通過改變至少一些熱電元件的橫截面積而變化。
30.根據權利要求27所述的熱電系統，其中所述電阻通過改變所述至少一些熱電元件的機械結構而變化。
31.根據權利要求27所述的熱電系統，其中所述電阻通過改變至少一種熱電材料的電阻率而變化。
32.根據權利要求26所述的熱電系統，其中所述至少一個特征是通過對所述熱電系統的機械機構進行調整而可動態地進行調節。
33.根據權利要求32所述的熱電系統，其中與所述熱電系統聯接的控制系統根據至少一個輸入到所述控制系統的輸入信號來調節機械結構。
34.根據權利要求33所述的熱電系統，其中所述控制系統根據至少一種算法進行操作。
35.根據權利要求26所述的熱電系統，其中所述至少一個特征包括經過熱電元件的電流。
36.根據權利要求26所述的熱電系統，其中所述熱電陣列至少在冷側或熱側上具有至少一個熱交換器。
37.根據權利要求36所述的熱電系統，其中所述熱交換器包括多個部分，這些部分中的至少一些與至少一個熱電元件熱傳遞，而這些部分中的至少一些在媒質運動方向上與其它所述部分充分熱隔離。
38.根據權利要求37所述的熱電系統，其中所述至少一些所述部分中包括柱銷。
39.根據權利要求37所述的熱電系統，其中所述至少一些所述部分中包括熱管。
40.根據權利要求37所述的熱電系統，其中所述至少一些所述部分中包括散熱片。
41.根據權利要求36所述的熱電系統，其中在每個冷側和熱側上至少有一個熱交換器。
42.根據權利要求36所述的熱電系統，其中一側具有散熱片，另一側具有一個熱交換器。
43.根據權利要求26所述的熱電系統，其中所述熱電元件受到至少一種磁場作用。
44.根據權利要求26所述的熱電系統，其中所述媒質包括至少一種流體。
45.根據權利要求26所述的熱電系統，其中所述媒質包括至少一種固體。
46.根據權利要求26所述的熱電系統，其中所述至少一種媒質包括至少一種流體和至少一種固體的混合物。
47.根據權利要求26所述的熱電系統，其中與所述熱電系統聯接的控制系統根據至少一個輸入到控制系統的輸入信號來調節該至少一個特征。
48.根據權利要求47所述的熱電系統，其中所述控制系統根據至少一種算法進行操作。
49.一種制造改進的熱電系統的方法，其中所述熱電系統與至少一種要冷卻或加熱媒質一起使用，該方法包括的步驟為把多個熱電元件形成在具有冷側和熱側的熱電陣列內；其中多個熱電元件在整個陣列上至少一個方向上彼此充分熱隔離；以及從熱電陣列的至少一側交換熱量，其交換熱量的方式充分保持熱電元件的熱隔離。
50.根據權利要求49所述的方法，還包括的步驟為，在至少一個方向上、穿過陣列至少一側的至少一部分移動該至少一種媒質。
51.根據權利要求50所述的方法，還包括的步驟為，改變熱電元件在媒質移動方向上的至少一個特征。
52.根據權利要求51所述的方法，其中改變的步驟包括對至少一些熱電元件的至少電阻特征進行改變。
53.根據權利要求52所述的方法，其中改變所述電阻的步驟包括改變至少一些熱電元件的長度。
54.根據權利要求52所述的方法，其中改變所述熱電元件電阻的步驟包括改變至少一些熱電元件的橫截面積。
55.根據權利要求52所述的方法，其中改變所述熱電元件電阻的步驟包括改變至少一些熱電元件的機械結構。
56.根據權利要求52所述的方法，其中改變所述熱電元件電阻的步驟包括改變至少一些熱電元件的電阻率。
57.根據權利要求49所述的方法，還包括改變經過陣列中所述至少一些熱電元件的電流。
58.根據權利要求50所述的方法，其中交換熱量的步驟包括提供一個熱交換器，該熱交換器包括多個部分，每個部分與所述至少一個熱電元件熱傳遞，而這些部分中的至少一些在媒質運動方向上與其它所述部分充分熱隔離。
59.根據權利要求58所述的方法，其中至少一些所述部分包括柱銷。
60.根據權利要求58所述的方法，其中至少一些所述部分包括熱管。
61.根據權利要求58所述的方法，其中至少一些所述部分包括散熱片。
62.根據權利要求49所述的方法，交換熱量的步驟包括在冷側和熱側上進行熱量交換。
63.根據權利要求49所述的方法，進一步包括從熱電陣列的至少一側進行散熱。
64.根據權利要求49所述的方法，進一步包括使所述熱電元件受到至少一種磁場作用的步驟。
65.根據權利要求49所述的方法，其中所述媒質包括至少一種流體。
66.根據權利要求49所述的方法，其中所述媒質包括至少一種固體。
67.根據權利要求49所述的方法，其中所述至少一種媒質包括至少一種流體和至少一種固體的混合物。
68.根據權利要求51所述的方法，其中改變的步驟包括通過對熱電系統的機械機構進行調整而動態地調節該至少一個特征。
69.根據權利要求68所述的方法，其中動態調節的步驟包括估算至少一個參數并根據該估算進行調節。
70.根據權利要求69的方法，其中一種算法響應于表示所述至少一個參數的至少一個傳感器輸入，根據該算法進行動態調節步驟。
71.根據權利要求51所述的方法，進一步包括根據至少一個參數的估算值、對至少一個特征進行動態調節的步驟。
72.根據權利要求71所述的方法，其中一種算法響應于表示所述至少一個參數的至少一個傳感器輸入，根據該算法進行動態調節步驟。
73.與至少一種要冷卻或加熱媒質一起使用的熱電系統，包括把多個熱電元件形成在具有冷側和熱側的熱電陣列內的裝置；其中多個熱電元件在整個陣列上至少一個方向上彼此充分熱隔離；以及從熱電陣列的至少一側交換熱量的裝置，其交換熱量方式充分保持熱電元件的熱隔離。
74.根據權利要求73所述的方法，其中所述至少一種媒質在至少一個方向上、穿過陣列至少一側的至少一部分移動。
75.根據權利要求74所述的熱電系統，其中所述熱電元件的至少一個特征在媒質移動方向上被改變。
76.根據權利要求75所述的熱電系統，其中所述至少一個特征包括至少一些熱電元件的電阻。
77.根據權利要求75所述的熱電系統，其中所述至少一個特征包括經過陣列中至少一些熱電元件的電流。
78.根據權利要求74所述的熱電系統，其中交換熱量的裝置包括熱交換器。
79.根據權利要求78所述的熱電系統，其中熱交換器包括多個部分，每個部分均與至少一個熱電元件熱傳遞，而熱交換器的至少一些部分在媒質運動方向上與熱交換器的其它部分充分熱隔離。
80.根據權利要求79所述的熱電系統，其中所述至少一些部分包括柱銷。
81.根據權利要求79所述的熱電系統，其中所述至少一些部分包括熱管。
82.根據權利要求79所述的熱電系統，其中所述至少一些部分包括散熱片。
83.根據權利要求73所述的熱電系統，還包括從熱電陣列的至少一側進行散熱的裝置。
84.根據權利要求73所述的熱電系統，其中所述媒質包括至少一種流體。
85.根據權利要求73所述的熱電系統，其中所述媒質包括至少一種固體。
86.根據權利要求73所述的熱電系統，其中所述至少一種媒質包括至少一種流體和至少一種固體的混合物。
87.根據權利要求75所述的熱電系統，其中所述至少一個特征通過動態調節來改變。
88.根據權利要求87所述的方法，其中一種算法響應于表示所述至少一個參數的至少一個傳感器輸入，根據所述算法進行動態調節。
全文摘要
本發明公開了提高效率的熱電系統和制造這種熱電系統的方法。在整個熱電系統(700)的至少一個方向上的熱電元件(704)之間進行充分熱隔離，這比傳統熱電陣列具有提高的效率。也為聯接到熱電元件上的至少一個熱交換器(705)提供了充分的熱隔離。在一個實施例中，熱電元件的性能，如電阻或電流等，在整個熱電陣列的至少一個方向上也是變化的。另外，在一個實施例中，可根據動態調節標準改變熱電元件的機械結構。
文檔編號H01L35/00GK1496468SQ02806235
公開日2004年5月12日 申請日期2002年2月7日 優先權日2001年2月9日
發明者L·E·貝爾, L E 貝爾 申請人:Bsst公司