熱電裝置的熱集成的製作方法
2023-05-04 02:14:41
專利名稱：熱電裝置的熱集成的製作方法
技術領域：
本公開總體涉及熱電裝置，並且更特別涉及用於通過來自液流的對流熱交換來發電的改進的熱電裝置和(多個)熱電裝置的布置。
背景技術：
燃氣輪機/系統廣泛用於發電。已知燃氣輪機(也稱為燃氣渦輪發動機)利用燃料源，例如天然氣、石油或極細顆粒材料。因為氣體燃料燃氣輪機/發電機系統可以比其他類型的發電系統更迅速地進入到操作狀態，所以它們已經變為產生電能的特別有吸引力的方式。燃氣輪機通常包括進氣口側和熱廢氣側。壓縮器將空氣強制壓入燃燒室內，壓縮器通常由機輪內的多個風扇葉片形成。噴注器將燃料引入到燃燒室內並且燃料被點燃。渦輪發動機能夠用多種燃料操作，包括天然氣、汽油、煤油以及基本上任何能燃燒的燃料。由於燃燒而形成的熱燃燒氣體使(多個)渦輪旋轉，渦輪通常也由機輪內的風扇葉片型結構形成。(多個)渦輪連接到主軸，該主軸連接到發電機。在渦輪旋轉時，主軸旋轉並且操作發電機產生能量。熱廢氣在渦輪發動機的熱廢氣端從渦輪發電機排放進入大氣。熱電裝置(TD )是在裝置兩端施加溫差時能夠發電的裝置。熱電裝置(TD )通常是正方形或矩形，其中上下端蓋具有相同尺寸，並且通常由熱電裝置生成的電力經一組電力線傳輸。熱電裝置(TD)通常是薄的(例如大約幾毫米厚)、小的(例如幾平方釐米)、平的且脆的。因此，熱電裝置難以單個運用，尤其是對於交通工具例如機動車、飛行器等中的應用，在這些應用中，熱電裝置會面臨嚴酷的環境條件，例如振動、恆定的溫度變化以及其他嚴酷條件。由於其大小，並且由於每個熱電裝置僅生成少量電力，所以許多熱電裝置被綑紮在一起以便生成有用量的電力。此外，熱電裝置一般在高溫差時提供較大的能量轉換效率。這會在材料中引起相對大的熱膨脹。由於熱梯度以及與不同材料關聯的不同的熱膨脹係數，所以會導致熱誘導應力。如在上面提到，熱電裝置的效率一般隨著較大的溫差而增加，即隨著熱電裝置的兩個相對側(通常稱為熱源(heat source)(熱側)和熱沉(heat sink)(冷側))之間的delta溫度而增加。同樣，對於僅將熱流引導通過熱電裝置而沒有任何熱能通過周圍結構材料或縫隙洩漏的任何安裝方式，能量轉換效率被最大化。因此，為了簡化運用並且在將熱轉換成電時實現高性能，在最終安裝之前，多個熱電裝置可以被包裝成模塊或組件。圖1是一個已知的熱電發電機組件100或模塊的示例，其中在兩塊結構板104和106之間布置了多個熱電裝置102。結構板104和106中的每一塊可以由導熱材料製成，從而將熱擴散在熱電模塊100的熱側和冷側兩者上。這些板中的一塊，例如上結構板104，可以定義冷分流板(spreader plate),並且可以熱f禹合到每一個熱電裝置102的冷側108。另一塊板，例如下結構板106，可以定義熱分流板，並且可以耦合到每一個熱電裝置102的熱側110。板104和106中的每一塊可以分別熱耦合到每一個熱電裝置102的冷側108和熱側110。真空縫隙116或隔離材料可以用來將模塊100中的每一個熱電裝置102隔開，從而將流過熱電裝置102的熱流最大化。可以需要另外的隔離來防止通過側面的熱損耗。圖2示出夾在金屬面片材(face sheet)之間的熱電裝置32的陣列30。熱電裝置的陣列的一側暴露於受熱的或「熱」環境，並且覆蓋陣列受熱側的是第一面片材34。熱電裝置的陣列的另一側暴露於冷卻的或「冷」環境，並且第二面片材36覆蓋陣列的「冷」側。面片材34和36用作將熱或冷分別均勻地分布在其被鄰近布置的裝置陣列的側面上。圖3示意性地示出安裝在渦輪發動機中的熱電發電機101，其中較高溫度熱源和較低溫度熱沉容易設置為相互緊密靠近，例如由隔室整流罩或噴口隔開。圖3取自提交於2009年6月25日的、美國公開號2009/0159110A1的共同待決、共同擁有的專利申請(其全部公開以其整體合併在此)。熱電發電機101可以被安裝為，其一側，即熱側103，從渦輪發動機105接收熱，並且其另一側，即冷側104，向流動空氣108提供熱。由於在其兩端的溫差.DELTA.T而引起熱流過熱電發電機101，這導致在熱電發電機101的端子112之間生成電壓.DELTA.V。這種使用一個或更多熱電發電機101來發電會是非常高效的，因為其不需要由渦輪發動機執行機械功。相反，其使用無論熱電發電機101是否存在，渦輪發動機都會產生的廢熱。熱電發電機101可以被放置在渦輪發電機上，靠近渦輪發動機芯整流罩並且靠近渦輪發動機噴口。這些位置都提供了熱源和冷源。熱源是渦輪發動機的熱氣。冷源是空氣流。對於具有通常機械驅動的電氣發電機的渦輪發動機，電力需求的增加導致燃料消耗增加、空氣汙染增加以及廢氣溫度升高。空氣汙染通常包括二氧化碳、氧化氮和上層大氣水蒸汽。然而，當使用熱電發電機時，這種電力需求的增加並不導致燃料消耗增加、廢氣溫度升高以及空氣汙染增加。當電力需求增加時，熱電發電機不會增加渦輪發動機的負載。熱電發電機通過捕獲渦輪發動機隔室和/或噴口中的廢熱來發電。因此，熱電發電機的增加不會明顯降低渦輪發動機的效率，並且機械驅動的電氣發電機的消除可以明顯提高渦輪發動機的效率。針對該背景，已經發現，在熱流由源自流體(例如氣體和液體)的強制對流控制的應用中，難以在熱電裝置兩端建立較大的溫度梯度。也就是說，流體流動通常不能足夠迅速地傳遞熱從而在熱電裝置兩端建立較大的溫度梯度。此外，已經發現，熱電裝置在受到熱應力和機械應力時展現出易碎性和機械故障。在克服這些缺點的嘗試中，已經使用熱管來無源地加強熱傳遞並且在TEC裝置兩端建立較大的溫度梯度。然而，已經發現，熱管阻礙了熱電裝置在潛在需要較大電力生產的高溫安裝中的使用。與熱管和泵送冷卻劑迴路的使用關聯的挑戰包括額外或過多重量的增力口、在系統中冷卻劑的可用性以及可靠性(即具有移動零件的活動部件)。因此，對於在熱通量由具有流體的強制對流控制的場合中在熱電裝置兩端建立較大的溫度梯度的問題，非常期望一種無源的解決方案。
發明內容
在本公開的一個方面中，改進的熱電部件包括:熱電裝置，其具有被布置在相對的熱環境和冷環境中的相對表面；以及緊密靠近熱電裝置的相對表面中的至少一個表面安裝的延伸表面，其中延伸表面包括一層多孔材料，多孔材料的至少一部分浸沒在熱環境或冷環境中的至少一個中。在熱電部件的一個變體中，熱電裝置的兩個相對表面都包括靠近其的一層多孔材料，並且這兩層多孔材料的至少一部分分別布置在熱環境和冷環境中。在另一變體中，多孔材料是導熱的並且包含金屬、陶瓷和石墨碳中的一種。陶瓷選自由氮化硼、氮化矽、碳化矽、碳化鉿和碳化鉭構成的群組中。在又一變體中，多孔材料具有低熱膨脹係數。在又一變體中，多孔材料是導熱的，並且金屬選自由銅、鋁、錫、鎳、銀和金構成的群組中。多孔材料是易延展的並且從熱環境或冷環境中的一個迅速傳遞熱從而增加到熱電部件的對流熱傳遞。熱電裝置的陣列可以夾在相對的面片材之間，其中延伸表面鄰近並且緊密靠近相對的面片材的主表面中的一個主表面安裝。在本公開的另一方面中，用於熱電裝置的熱集成的方法包括以下步驟:提供熱電裝置的陣列；緊密靠近熱電裝置陣列的一側放置第一面片材並且覆蓋這一側；緊密靠近熱電裝置陣列的另一側放置第二面片材並且覆蓋該另一側；緊密靠近第一面片材提供第一層多孔材料，由此形成改進的熱電部件；以及鄰近受熱環境安置第一面片材。該方法進一步包括以下步驟:緊密靠近第二面片材提供第二層多孔材料；以及鄰近冷卻環境安置第二面片材。在本公開的又一方面中，熱電發電系統包括:發動機；以及靠近該發動機布置的至少一個熱電裝置，該熱電裝置包括在其表面上靠近發動機的多孔層。熱電裝置靠近發動機的熱源和環境的冷源布置。熱電裝置具有支承多孔層的相對的兩個表面，一個表面靠近發動機布置，並且另一表面靠近空氣流布置。在一個實施例中，發動機是渦輪發動機，並且熱電裝置靠近排氣噴口安裝到發動機。在另一實施例中，發動機是渦輪發動機，並且包括夾在相對的面片材之間的熱電裝置的陣列，從而形成靠近燃燒區段安裝到發動機的模塊。面片材中的至少一個支撐多孔材料。在本公開的又一方面中，用於生成熱電能的方法包括靠近發動機安裝至少一個熱電裝置，該熱電裝置包括在其至少一個表面上靠近發動機的多孔層，其中該熱電裝置靠近發動機的熱源和冷源布置。熱電裝置具有支承多孔層的相對的兩個表面，一個表面靠近發動機布置，並且另一表面靠近空氣流布置。在一個變體中，發動機包含渦輪發動機，並且熱電裝置靠近排氣噴口安裝到發動機。在另一變體中，發動機包含渦輪發動機，並且進一步包括夾在相對的面片材之間的熱電裝置的陣列，從而形成模塊，該模塊靠近燃燒區段安裝到發動機。在此公開了設備和與該設備有關的方法的其他方面。從以下詳細描述和附圖中，本領域技術人員將理解並且明白上面所討論的特徵以及本公開的其他特徵和優點。
圖1示出已知的熱電裝置的一個實施例；圖2是熱電裝置的陣列的透視圖，其中熱側面片材和冷側面片材覆蓋陣列的熱側和冷側；圖3是在使用中的常規熱電裝置的示意圖；圖4是靠近熱源和冷源布置的改進的熱電裝置的示意剖面圖；圖5是渦輪發動機的剖面圖，其示出了本公開的改進的熱電裝置的預期的放置；圖6a示出安裝到渦輪發動機的區段的改進的熱電裝置的陣列的一個可能配置，以及圖6b示出安裝到渦輪發動機的區段的改進的熱電裝置的陣列的第二可能配置。
具體實施例方式現在在下文中將參考附圖更全面地描述本公開的實施例。然而，許多不同的實施例是可預期的，並且本公開不應解釋為限於在此闡述的實施例；相反，提供這些實施例是為了使本公開向本領域技術人員透徹、完整並且更好地傳達本公開的範圍。在其最廣泛的意義上，本公開提出了一種改進的熱電裝置，其具有增加常規熱電轉換器的效率的能力。本公開還包括發動機配置，該發動機配置包括改進的熱電組件，該改進的熱電組件包含這些裝置的陣列，這些裝置布置在溫度的熱源和冷源之間的發動機中的戰略定位的環境中。圖4示出根據本公開的改進的熱電裝置ITD。一般地，改進的熱電裝置ITD的上表面402a和下表面402b中的每一個或兩者分別支撐附著到其的或緊密靠近其布置的基本平坦的表面延伸器元件404。表面延伸器元件可以被配置為由具有諸如高導熱性、流體相容性、耐高溫性、低熱膨脹係數、高比表面積、低密度的特性的任何材料製成的翅片、覆蓋板或多孔介質層。提供這類特性的材料包括但不限於金屬(例如銅、鋁、錫、鎳、銀、金)、陶瓷(例如氮化硼、氮化娃、碳化娃、氮化娃、碳化鉿、碳化鉭)和碳(例如石墨碳)。表面延伸器元件以如下方式被安裝到改進的熱電裝置的上表面和下表面，即鄰近熱區H和冷區C有效地布置表面延伸器元件，從而擴散並加強在熱電裝置的對應表面上方的相應區域中的熱傳遞。在熱區和冷區中的流體流動可以是相同方向或相反方向，並且這些流動可以平行於或垂直於改進的熱電裝置的上表面和下表面。表面延伸器元件可以直接或間接耦合到改進的熱電裝置ITD。多孔表面延伸器元件404必須與熱電裝置面對面(vis-s-vis)布置，使得流體流的一部分或全部流過那裡。氣流(流動)相對於TE裝置可以是任意朝向。也可以是單個TE裝置或任意數目的TE裝置(例如在陣列中)。TE裝置可以被安裝在「熱側」或「冷側」上，或其可以被夾在中間。在熱側和冷側上示出的多孔材料不需要具有相同的材料或尺寸。圖5大體示出了容納在安裝到飛行器支撐結構的發動機艙502中的渦輪發動機500。該發動機包括進氣口區段506、壓縮機區段508、燃燒區段510、渦輪區段512和噴口區段514。風道522在風扇罩526中的進氣風扇524和風扇排氣噴口 528之間延伸，該風扇排氣噴口 528被限定在機艙502的下遊端和發動機核心機殼532的外表面530之間，發動機核心機殼532在機艙的下遊端附近具有其最大直徑。發動機核心機殼的內表面與發動機噴口區段處的發動機核心約束燃燒氣體的下遊流動。渦輪發動機500通過使用設置的進氣風扇524驅動進入空氣流的一部分A1經過風道522來實現高效。進入空氣流的剩餘部分向下遊移動通過壓縮機區段508，在此進入空氣流被壓縮，然後進入空氣流的剩餘部分移動到燃燒區段，在此進氣空氣流在燃燒室534中燃燒。位於渦輪區段512中的一組高壓和低壓渦輪用來將發動機空氣流中的流體能量轉換成機械能。此後，「冷」風扇空氣流和「熱」燃燒氣體從發動機排出。在使用混合器噴口的軍用類型發動機的情況下，冷卻器風扇空氣流和熱核心排氣空氣流都一起帶入噴口區段並從渦輪排出。在最商業類型的發動機的情況下，空氣流在排出時保持分離，並且這導致較小的重量和阻力。在諸如圖5中示出的發動機配置的情況下，用於本公開的改進的熱電裝置的最優位置被確定為溫差最大的那些位置。一個位置被示為大致在602處，在風道內表面的外部表面處，發動機渦輪區段中。第二位置被示為大致在604處，在發動機下遊部分的內表面上，發動機噴口區段中。這些裝置可以用作單個單元，或它們可以形成為單元的陣列，其中暴露於受熱或冷卻環境的一個或兩個表面支承延伸表面。在這種渦輪區段位置和噴口區段位置處，熱電轉換器裝置被暴露於相互緊密靠近的熱環境和冷環境。即，改進的熱電裝置ITD的一個表面將暴露於相對熱的環境,例如潤輪發動機的熱氣，並且改進的熱電裝置ITD的另一表面將暴露於相對冷的環境，例如空氣流。這些位置滿足電力產生的要求，同時保護免受通常在渦輪發動機中遇到的不希望的高壓和不希望的高速空氣流的影響。若干類型的渦輪發動機普遍被使用:渦扇發動機、渦噴發動機、渦槳發動機和渦軸發動機。這類渦輪發動機可以用來向飛行器、船隻和陸地交通工具提供動力。它們也可以用於發電和其他目的。改進的熱電裝置ITD可以被配置為為飛行器提供全部電力，和/或為飛行器提供另外的電力。在此公開的種類的熱電裝置可以被添加到飛行器，而不必求助於對渦輪發動機進行昂貴的重設計，或不必更改飛行器的已檢驗的空氣動力學設計。如本領域技術人員認識到，更改飛行器的空氣動力學設計會潛在地對飛行器的空氣動力學性能造成負面影響。更改飛行器的空氣動力學設計也會需要昂貴的飛行測試。圖6a和圖6b示出了由本公開預期的改進的熱電裝置ITD的兩個示例性配置。應理解，改進的熱電裝置ITD的可能配置不限於這裡示出的配置，並且改進的熱電裝置和延伸表面元件的其他配置和布置對本領域技術人員將變得明顯。圖6a示出改進的熱電裝置602的第一版本，可以看到，其具有緊密靠近渦輪的內壁或外壁W的一個表面604。壁W可以構成「熱區』 ,並且熱電裝置的另一側606可以被暴露於「冷區」 C (即，溫度比「熱」區H中的溫度冷的溫度區域)，例如風扇驅動的環境空氣或液體冷卻劑。熱電裝置可以具有安裝到那裡的延伸表面元件608。另外的接口元件610可以被插入在熱電裝置602和延伸表面兀件608之間。圖6b示出了緊密靠近渦輪的內壁或外壁W安裝的改進的熱電裝置612的第二版本。壁W構成或被暴露於「熱區」 H，並且熱電裝置的另一側616被暴露於「冷區」 C，例如風扇驅動的環境空氣。熱電裝置具有安裝到一側614的延伸表面元件618和安裝到另一側616的第二延伸表面元件620。另外的接口元件622可以被插入在改進的熱電裝置612和延伸表面元件618之間。第二接口元件624可以可選地被插入在熱電裝置612和延伸表面元件620之間。用於接口元件的材料可以是導熱物質，例如金屬(導熱的和半導熱的)、陶瓷和碳。接口元件具有許多用途，包括將熱電裝置與工作流體隔離從而防止腐蝕、有助於製造過程(例如促進聯結或形成部件)、減輕應力(例如防止材料之間熱膨脹係數的較大失配)等。本發明涉及熱電發電系統，包含發動機和靠近該發動機布置的至少一個熱電裝置的設備，所述熱電裝置包括在其表面上靠近所述發動機的多孔層。在上面描述的系統中，熱電裝置可以靠近發動機的熱源和環境的冷源布置。在上面描述的系統中，熱電裝置可以具有支承所述多孔層的兩個相對表面，一個表面靠近發動機布置，並且另一表面靠近空氣流布置。在上面描述的系統中，發動機可以是渦輪發動機，並且熱電裝置可以靠近排氣噴口安裝到該發動機。在上面描述的系統中，發動機可以是渦輪發動機，並且進一步包括夾在相對的面片材之間的熱電裝置的陣列從而形成模塊，所述模塊靠近燃燒區段安裝到發動機。在上面描述的系統中，所述面片材中的至少一個支撐所述多孔材料。本發明涉及用於生成熱電能量的方法，該方法包含靠近發動機安裝至少一個熱電裝置，所述熱電裝置包括在其至少一個表面上的靠近所述發動機的多孔層，其中該熱電裝置靠近發動機的熱源和冷源布置。在上面描述的系統中，熱電裝置可以具有支承所述多孔層的兩個相對表面，一個表面靠近發動機布置，並且另一表面靠近空氣流布置。在上面描述的系統中，其中所述發動機包含渦輪發動機，並且熱電裝置可以靠近排氣噴口安裝到發動機。在上面描述的系統中，其中所述發動機包含渦輪發動機，並且進一步可以包括夾在相對的面片材之間的熱電裝置的陣列從而形成模塊，所述模塊靠近燃燒區段安裝到發動機。儘管本公開關於飛行器發動機(在其中存在或可以生成導熱材料的「熱」(例如發動機廢氣)和「冷」(例如旁通或環境空氣、水、油、乙二醇或其他冷卻劑流體)區域)描述了改進的熱電裝置的使用，但是其在存在不同的熱環境和冷環境的任何技術領域中都具有效用。例如，如果用在機動車或火車頭應用中，則冷環境可以是外部空氣流或液體冷卻劑。在工業或發電站應用中，冷環境可以是液體冷卻劑。儘管參考優選實施例進行了公開，但是本領域技術人員應理解，可以進行各種改變，並且等效物可以替換其元件，而不背離本公開的範圍。
權利要求
1.一種改進的熱電模塊，其包含: 熱電裝置，所述熱電裝置具有被布置為與相對的熱環境和冷環境接觸的表面，以及 延伸表面，所述延伸表面緊密靠近所述熱電裝置的所述表面中的至少一個表面安裝，所述延伸表面包含多孔材料層，所述多孔材料層的至少一部分浸沒在所述熱環境或冷環境中的至少一個中。
2.根據權利要求1所述的改進的熱電部件，其中所述相對的熱環境和冷環境在發動機中，並且兩個所述表面都包括靠近所述表面的多孔材料層，並且進一步其中兩個所述多孔材料層的至少一部分分別被布置在所述熱環境和冷環境中。
3.根據權利要求1所述的改進的熱電部件，其中所述多孔材料是導熱的並且包含金屬、陶瓷和石墨碳中的一種。
4.根據權利要求3所述的改進的熱電部件，其中所述陶瓷選自由氮化硼、氮化矽、碳化矽、碳化鉿和碳化鉭構成的群組。
5.根據權利要求1所述的改進的熱電部件，其中所述多孔材料具有低熱膨脹係數，並且包含金屬、陶瓷和石墨碳中的一種。
6.根據權利要求4所述的改進的熱電部件，其中所述多孔材料是導熱的，並且所述金屬選自由銅、鋁、錫、鎳、銀和金構成的群組。
7.根據權利要求1所述的改進的熱電部件，其中所述多孔材料是易延展的，並且從所述熱環境或冷環境中的一個迅速傳遞熱，從而增加到所述熱電部件的對流熱傳遞。
8.根據權利要求1所述的改進的熱電部件，並且進一步包括夾在相對的面片材之間的所述熱電裝置的陣列，其中所述延伸表面鄰近並且緊密靠近所述相對的面片材的主表面中的一個主表面安裝。
9.根據權利要求2所述的改進的熱電部件，其中所述發動機是具有機艙的飛行器發動機，並且所述熱電裝置被安裝到所述機艙內的表面，使得一個多孔層與所述發動機機艙內的流體接觸。
10.一種用於熱電裝置的熱集成的方法，其包含: 提供所述熱電裝置的陣列， 緊密靠近所述熱電裝置的陣列的一側放置第一面片材並且覆蓋所述一側， 緊密靠近所述熱電裝置的陣列的另一側放置第二面片材並且覆蓋所述另一側， 緊密靠近所述第一面片材提供第一層多孔材料，由此形成改進的熱電部件，以及 鄰近受熱環境安置所述第一面片材。
11.根據權利要求10所述的用於熱電裝置的熱集成的方法，其中所述受熱環境在飛行器發動機中，並且進一步包括 緊密靠近所述第二面片材提供第二層多孔材料，以及 鄰近冷卻環境安置所述第二面片材。
全文摘要
本發明公開了一種改進的熱電部件、一種用於在具有受熱不同的區域的環境中對改進的熱電部件進行熱集成的方法以及一種熱電發電系統。一般地，熱電部件包括熱電裝置，該熱電裝置具有布置在相對的熱環境和冷環境中的相對的表面；以及緊密靠近相對的表面中的至少一個安裝的延伸表面，該延伸表面是多孔材料層，多孔材料層的至少一部分浸沒在熱環境或冷環境中的至少一個中。該方法包括以下步驟緊密靠近熱電裝置陣列的相對側放置第一和第二面片材並且覆蓋相對側；緊密靠近第一面片材提供第一層多孔材料從而形成改進的熱電部件；以及鄰近受熱環境安置第一面片材。
文檔編號F02C6/18GK103210195SQ201180054527
公開日2013年7月17日 申請日期2011年10月14日 優先權日2010年11月15日
發明者M·F·斯圖拉, D·W·夸克, J·P·黃 申請人:波音公司