具有中間迴路的熱電發電器的製作方法

2023-05-13 16:19:01

專利名稱：具有中間迴路的熱電發電器的製作方法
具有中間迴路的熱電發電器相關申請的橫向參考0001本發明涉及並且要求2005年6月28日提交的第60/694，746號題為 Freedom Car & Vehicle Technologies Program的美國臨時專利申請的權聯邦政府贊助研究與發展研究所的有關聲明 100002美國政府可以要求由美國能源部授予的合同號第 DE-FC26-04NT42279之下的，本發明或者本發明的部分中的某些權利。技術領域0003本申請涉及熱電發電領域，並且更特別地，涉及用於改進來自 15熱電材料的功率產生的系統，特別地在系統中在熱電材料兩側的溫度差 異存在限制的情況下。
背景技術：
0004熱電材料是固態設備，當電流通過時其操作變為一邊冷而另一 20邊熱。它們也可以通過維持熱電材料兩側的溫度差異產生電能。然而在 許多操作條件下，熱電發電器容易受到改變的熱通量、熱側邊熱源溫度、 冷側邊溫度、和其他可變的條件的聯合的影響。另外，設備性質比如TE 導熱性、品質因數Z、熱交換器性能通常都具有可以聯合以大體上降低設 備性能的範圍。結果，與設計相比，性能變化和在預先確定的設定點操25作可以導致性能退化。0005任何不是100%效率的消耗能量的過程經常以熱的形式產生廢能量。例如，發動機產生大量的廢熱，表示發動機的低效率。己經考慮嘗 試捕獲和使用一些這種廢熱的各種方法，以便增進任何類型的發動機的 效率，比如機動車中的發動機。將熱電材料用於機動車的排氣系統己經 30 被關注(見第6，986,247號題為Thermoelectric Catalytic Power GeneratorwithPreheat的美國專利)。然而，排氣系統在各溫度和熱通量變化很大。 因此，因為熱電發電器典型地被設計以在熱側邊溫度的小範圍內有效地 操作，所以使用廢氣用於熱電發電器的熱側邊不是最理想的。另外，用 於被連接到發動機系統的熱電發電器的合邏輯的冷側邊冷卻劑是已經提 5供的發動機冷卻劑。然而，冷卻劑需要被維持在相當熱的溫度用於有效 的發動機操作。因此，使用現有的冷卻劑限制了可以在熱電發電器兩側 建立的溫度梯度，由此限制了有效的廢熱回收。發明內容100006在過去，來自廢熱的熱電(TE)發電受困於許多原因。描述的 發明解決了一些這種過失，極大地改進了TE發電器的能力。所述改進通 常通過在冷側邊提供中間迴路、在熱側邊提供中間迴路或者在這兩個側 邊提供中間迴路來獲得，並且在一個實施例中，提供對中間迴路或者多 個迴路的改進的控制。歸因於從機動車發動機產生的廢熱的極大的可變15性，本發明在使用來自機動車的發動機的廢熱作為熱能源的熱電發電系 統的情況下被提出。這個實例允許發明特徵的有效的公開。然而，本發 明不限制於用於機動車或者甚至用於發動機的熱電發電器。本發明在任 何熱電發電系統中具有應用。0007為了使用熱電材料有效地最大化廢熱回收系統的性能，在熱電 20發電器模塊(TGM)兩側維持最高的溫度差異通常是理想的。這樣做的 一種方法是保持熱側邊的溫度儘可能高。另一種方法是更好地控制冷側 邊溫度。通過使用中間傳熱迴路和對熱側邊、冷側邊或者兩者的那個回 路的合適控制，可以獲得功率產量和/或效率的顯著改進。0008在過去(見美國專利號第6,986，247) ， TE模塊已經被提議作為25運送熱流體的導管或者管道周圍的內襯，比如機動車的排氣系統。這提 供了熱流體和TE材料之間的直接的接觸，這是所期望的，以最大化TE材 料的熱側邊的溫度和在TE材料兩側的溫差。這對於在那裡熱流體流動速 率和溫度不改變的靜態系統可能是優良甚至最佳的。TE元件可以被設計 以提供與熱流體流動完善的阻抗匹配。這種阻抗匹配是重要的，因為元30件幾何結構可以極大地影響能夠有效地被傳送穿過TE元件的熱量。對於靜態系統，熱電系統可以被設計成穩態操作在最大效率，穩態操作在最 大功率輸出，或者穩態操作在設計師可以接受的這兩者的結合。
0009然而，當系統變為動態的的時候，在機動車由發動機驅動的情
況下，在這裡溫度和熱通量的範圍變化很大，設計用於特定的調整條件
5的熱電發電系統可能只生產其容量的一小部分，或者在某種操作條件下 甚至變為無用的。在本發明中，通過提供分離的傳熱迴路用於冷側邊、 熱側邊或者兩者，並且提供合適的控制用於這樣的一個或多個迴路，在 實際應用中可以獲得使這樣的系統切實可行的實質的改進。
0010本發明的一個方面包括熱電發電系統。該系統包含一熱電發電 10器，該熱電發電器包含具有至少一個冷側邊和至少一個熱側邊的熱電材 料，所述熱電發電器被配置成當溫度梯度呈現在所述至少一個冷側邊和 所述至少一個熱側邊兩側的時候產生電功率。中間傳熱迴路是與所述至 少一個熱側邊保持熱聯繫，並且與所述至少一個主熱源保持熱聯繫。控 制器與所述中間傳熱迴路中的流動控制設備保持聯繫，並且被適合於響 15應源於至少一個主熱源的熱的改變，控制在中間傳熱迴路中的熱流動。0011在一個實施例中，系統進一步包括蓄熱器。蓄熱器可以在中間 迴路中，同主熱源聯合或者同中間迴路和主熱源兩者聯合。有利地，在 中間傳熱迴路和主熱源之間的熱交換器促進了熱功率從主熱源到中間傳 熱迴路的移動。優選地，依賴於來自主熱源的熱和熱電材料的容量，熱
20交換器旁路是經由控制器可控制的，以使得來自主熱源的一些或全部的
熱繞過熱交換器。
0012本發明的另一方面包括用於主熱源的熱電發電系統。熱電發電 器具有帶至少一個冷側邊和至少一個熱側邊的熱電材料，所述熱電發電
器被配置成當溫度梯度呈現在所述至少一個冷側邊和所述至少一個熱側
25邊兩側的時候產生電功率。中間傳熱迴路優選地是與所述至少一個熱側
邊保持熱聯繫，並且與所述至少一個熱耗散設備保持熱聯繫。優選地， 熱耗散設備是從主熱源分離的。與所述中間傳熱迴路中的流動控制設備 保持聯繫的控制器適合於控制在中間傳熱迴路中熱流動，以響應用於熱 電材料的操作條件的和/或來自主熱源的熱輸出的改變。
300013在一個實施例中，熱源是發動機，其具有主冷卻劑系統。優選地，中間傳熱迴路可以熱連接到發動機的主冷卻劑系統，這樣在發動機 預熱期間，從熱電材料到中間傳熱迴路傳送的熱被進一步傳送到發動機 的主冷卻系統發動機，由此降低發動機的預熱時間。進一步地，熱交換 器被有利地提供在中間熱迴路和主熱源之間，具有經由控制器可控制的 5可選擇的熱交換器旁路，以使得來自主熱源的一些或全部的熱繞過熱交 換器。
0014另外本發明的另一個方面包括使用熱電發電器從來自主熱源的
廢熱產生功率的方法，所述熱電發電器包含熱電材料，該熱電材料具有 至少一個冷側邊和至少一個熱側邊，所述熱電發電器被配置成當溫度梯
10度呈現在所述至少一個冷側邊和所述至少一個熱側邊兩側的時候產生電
功率。該方法包括從主熱源傳送熱到中間傳熱迴路，其中中間傳熱迴路 與熱耗散設備保持熱聯繫。熱的流動是在中間傳熱迴路中被控制，以響 應主熱源的操作條件的改變。0015在一個實施例中，主熱源是發動機，其具有主冷卻系統。在這 15個實施例中，優選地，中間傳熱迴路可以熱連接到發動機的主冷卻劑系 統。由此，在發動機預熱期間，熱從熱電材料傳送到中間傳熱迴路，並 且進一步傳送到發動機的主冷卻系統，由此降低發動機的預熱時間。0016在一個實施例中，從主熱源到中間迴路的熱的流動基於主熱源 的改變的熱通量和熱電發電器的容量被控制。 200017發明的更多的方面和特徵結合下面的詳細描述被公開。


0018圖l說明了有冷側邊中間傳熱迴路的熱電發電系統。
0019圖2說明了有冷側邊中間傳熱迴路的熱電發電系統的另一個實施
25例。
0020圖3說明了有熱側邊中間傳熱迴路的熱電發電系統。0021圖4說明了有熱側邊中間傳熱迴路的熱電發電系統的另一個實施 例，其與圖3中描述的類似但是有增加的熱容量存儲器。0022圖5說明了有熱側邊中間傳熱迴路的熱電發電系統的另一個實施 30例，其與圖3中描述的類似但是有增加的熱容量存儲器。
具體實施例方式
0023機動車的廢熱回收被用作本發明的實例。然而，本發明適用於 改進發電、廢熱回收、熱電聯產、發電功率增大、及其他用途的性能。
5作為另外的實例，本發明可以用於利用發動機冷卻劑、潤滑油、制動裝 置、催化轉化器和小汽車、卡車、公共汽車、火車、飛機及其他交通工 具中的其他來源中的廢熱。類似地，來自化學過程、玻璃製造、水泥生 產、以及其他工業的過程的廢熱可以被利用。其他來源的廢熱比如來自 生物廢物、垃圾焚燒、垃圾場燒化、油井燒化可以被使用。功率可以從
10太陽、核、地熱及其他熱源生產。可攜式的、初級的、備用的、應急的、 遠程的、個人的和其他功率產生設備的應用也是本發明的一部分。另外， 本發明可以耦連到熱電聯產系統中的其他設備，比如光電的、燃料電池、 燃料電池轉化器、核能的、內部的、外部的和催化燃燒室，以及其他有 益的熱電聯產系統。也應該理解，這裡在任何實施例中描述的TE模塊的
15數量並不重要，而僅僅是被選擇用來說明發明。
0024為了描述和說明的目的，本發明使用實例和特定實施例被介紹。 儘管實例被提出以顯示不同的配置可以如何被用來實現期望的改進，特 定實施例只是說明性的並且不意指以任何方式限定所提出的發明。也應 該注意這裡使用的術語熱電材料或者熱電元件可以意味著單個熱電元件
20和元件集合或者元件陣列。進一步地，術語熱電材料不是限制性的，而 是通常用於包括熱電材料和所有其他的固態冷卻和加熱設備。另外，術 語熱和冷卻或者冷是彼此相對的，並不表明任何相對於室溫或同等物的 特定溫度。最後，術語工作流體不限於單一流體，而可以指一種或者更 多種工作流體。
25冷側邊中間迴路
0025熱電發電器模塊(TGM)所暴露的冷側邊溫度經常由冷側邊回 路控制。在發動機情況下，這種冷側邊迴路可以是傳統的交通工具冷卻 器冷卻劑迴路、獨立冷卻劑迴路或熱耗散器、或者兩者的組合。冷卻器 冷卻迴路具有已經可獲得的優點。幾乎不需要另外的設計工作。冷卻劑
30迴路的容量只需要足夠處理從通過TGM傳送的廢熱傾倒進入冷卻劑迴路的另外的熱。
0026傳統的冷卻器中的溫度維持在大約80°-110°C。基於最佳發動機 性能和足夠的風扇尺寸確定這些溫度。通過在啟動期間將另外的廢熱從 TGM系統傾倒進入冷卻器冷卻劑迴路，由於對發動機和催化轉化器增加
5的預熱速度，可以實現大量降低燃料消耗和散發。在主冷卻器冷卻系統 中另外的廢熱也有在較冷的環境以較快的時間使客室預熱的益處，對其 他交通工具流體的預熱時間也有改進，比如機油和其他發動機潤滑液體。 使用傳統的冷卻器冷卻劑迴路以維持TGM的冷側邊具有積極的效果。0027然而，把冷卻器用作TGM的冷側邊吸熱器限制了使冷側邊溫度
10降低到80。C以下而不會不利地影響發動機效率的能力。因此，依照本發 明的一個方面，中間冷卻迴路或者單機冷卻迴路用於TGM的冷側邊為冷 側邊溫度中可能的降低作準備。這允許了TGM兩側溫度差異的增加。這 種中間冷卻迴路的冷卻可以通過另外的風扇或者更大表面積的吸熱器提 供。在一個實施例中，交通工具的主底盤可以提供大的吸熱器。
10028在另一個實施例中，在啟動期間中間迴路被耦連到主冷卻劑冷 卻器或者與主冷卻劑冷卻器保持熱聯繫，並且在其他操作中去耦連。這 將允許更快的預熱時間，還允許最大化TGM的冷側邊冷卻系統的有益的 作用。下面描述的實施例併入了這些特徵。
0029圖1示意性地說明了在將來自於發動機或者任何其他的熱源用 20作熱電發電器模塊的熱功率源的情況下，熱電發電系統100的一個實施 例。熱電發電系統100具有熱電發電器模塊(TGM) 101，輔助的冷卻裝 置，其可以是技術領域內已知的任何氣-液熱交換器比如輔助的冷卻器 104、輔助的冷側邊工作流體迴路118、輔助泵121或者技術領域內已知 的控制流體流動的其他設備，輔助的冷側邊工作(傳熱)流體114，旁路 25 120，和熱側邊工作流體107比如排出的廢氣、過熱蒸汽，或者任何熱源。 在分離的熱側邊傳熱迴路中熱側邊工作流體107也可以是輔助的傳熱流 體，其中熱從排出的廢氣獲得。這種輔助的傳熱流體將涉及圖3進一步 討論。輔助的冷側邊傳熱流體114可以是液體或者熔鹽比如液態金屬或 者NaK。它還可以是傳熱流體比如乙二醇/水或者由陶氏(Dow)製成的 30乙二醇/水或者本技術領域內已知的其他有利的傳熱流體。它還可以是過熱的或者飽和的水蒸氣或者另一種類型的兩相流體。輔助的冷側邊傳熱
流體114也可以是氣體，像氦、氫、空氣、或者二氧化碳或者可以在大 氣壓以上操作以降低泵抽吸損耗的任何其他的高傳熱氣體。TGM 101包 括熱側邊和冷側邊熱交換器、TE元件、和TE元件之間的電插接件(未
5顯示)，優選地併入了在工作流體流動方向上的熱隔離，如第6,539,729 號，題為Efficiency Thermoelectrics Utilizing Thermal Isolation的美國專禾U 所描述的，在這裡該專利通過引用合併於此。在TGM 304中的TE元件 可以是熱隔離的改進的高功率密度設計或者可以用本技術領域內己知的 標準的熱電模塊製成。
io0030熱電發電系統100在冷側邊經由熱交換器(hex) 109被耦連到 發動機或者任何其他的熱源102的冷卻系統，所述冷卻系統具有主冷卻 器103、第一旁路105、第二旁路119、恆溫器或者閥門或者其他技術領 域內已知的流體控制機構106、冷卻器閥門或者技術領域內已知的其他流 體控制機構112、主冷卻劑113、和主泵108。這種到發動機102的冷卻
15系統的連接是可選擇的。通過提供互連，在發動機預熱期間，發動機、 客室及其類似物的更快的預熱時間可以被實現。之後可以意識到中間冷 側邊工作流體迴路118可以從發動機冷卻系統完全地去耦連，並且提供 本發明的中間冷側邊傳熱迴路的益處，不受對用於發動機的冷卻劑系統 的操作限制的限定。
200031控制器150監控並控制操作。許多傳感器在關鍵地方有利地放 置以監控系統。這些傳感器優選是溫度和/或流體傳感器。之後控制器和 控制機構比如泵108、 121以及閥門110、 112聯繫。顯示的特定的連接 只是示例性的，並且傳感器和控制連接被提供以適合於系統設計。0032在穩態操作中，主冷卻劑113使用主泵108循環通過主冷卻劑
25迴路117。主冷卻劑113經過主冷卻器103並且已經被氣流116冷卻之後 回到發動機102，氣流116可以是撞壓(mm)或者風扇空氣，流動橫過 典型的橫向流動熱交換器中的主冷卻器103。這是用於交通工具冷卻系統 的標準的操作。在交通工具啟動期間，對於恆溫器106阻止主冷流113 通過主冷卻器103，引導主冷流113通過旁路105和回到發動機102也是
30標準的。這允許主冷卻劑113，進而使得發動機102更快地預熱。發動機被設計為當它們變暖時在更高效率運行。另外，幫助降低有害發散的交 通工具的排氣系統中的催化轉化器直到其內部的溫度達到用於它的內部 催化劑的精確的"點火"溫度才開始生效。由此，通過更快地預熱發動 機，降低發散和增加車用燃料的節約是可能的。
0033熱電發電器模塊(TGM) 101是從交通工具的廢熱產生電功率 的熱電發電系統100中的組件。如果TGM 101的冷側邊溫度保持儘可能 地冷，那麼TGM 101可以更有效率地操作。主冷卻劑113必須在 80°-110°C之間操作以允許發動機適當地操作。不論外面的周圍環境溫度 是多少都是這種情況。在比這個更低的冷側邊溫度TGM 101更有效率地
io操作。因此，TGM101被連接到使用輔助的冷卻器104的輔助的冷側邊 傳熱迴路118。輔助的傳熱流體114被輔助的泵121泵抽吸通過輔助的冷 卻器104並回到TGM 101。可以是撞壓或者風扇氣流的氣流115流動橫 過也可以是橫向流動熱交換器的輔助的冷卻器104，從輔助的冷側邊工作 流體114移除熱。這時，輔助的冷卻劑114與主冷卻劑113無關，並且
15由此可以被分離的泵控制並維持在接近於周圍環境的溫度。
0034在一個實施例中，為了在驅動周期自始至終最大化性能並盡可 能多地利用廢熱，主冷卻劑迴路117和輔助的冷卻劑迴路118被可選擇 的熱交換器109連接起來。在交通工具啟動期間，閥門112是打開的， 允許主冷卻劑113流動通過熱交換器109。閥門IIO也是打開的，允許輔
20助的冷卻劑114流動通過熱交換器109，將存儲在輔助的冷流體114中的 來自TGM 101的廢熱傳送到主冷卻劑113。這允許發動機和催化轉化器 更快地預熱提供上面描述的益處。可以理解，熱交換器109可以簡單地 互連兩個冷卻迴路107、 108，或者可以是熱交換器促進了主冷卻劑113 和輔助的冷卻劑114之間的傳熱。
20035當發動機102達到操作溫度，並且催化轉化器(未顯示)已經 達到"點火"溫度時，可能存在於主冷卻劑迴路117、中間冷卻劑迴路 118、發動機102和催化轉化器(未顯示)的傳感器(未顯示)將這個信 息傳送給控制器150。之後控制器150關閉閥門110和112，阻止主冷卻 劑113和輔助的傳熱流體114經過熱交換器109。在這個實施例中，這樣
30有效地隔離了兩個系統。控制器150也可以控制輔助的泵121和/或主泵108兩者的泵抽吸速度。主冷卻劑113循環通過旁路119並且輔助的冷流 體前進通過旁路120。主冷卻劑迴路117可以在一個溫度操作並且輔助的 傳熱迴路118可以在另一個優選地更低的溫度操作。熱側邊流體107流 動通過TGM101以給TGM101的熱側邊提供熱和更高的溫度。
0036如上面簡單地提到的，熱側邊流體107可以是從發動機102排 出的廢氣，或者在優選實施例中可以是分離的熱側邊傳熱流體，在這裡 將進一步解釋。主泵108可以是與那個輔助的泵121類似的或者不同的 設備。類似地，主閥門112可以是類似於或者不同於輔助的閥門110。主 冷卻器103可以是類似於或者不同於輔助的冷卻器104。主冷卻劑流體
io 113可以是類似於或者不同於輔助的冷卻劑114。
0037圖2顯示了在許多方面與圖1的那個實施例類似的，用於熱電 發電系統200的另一個實施例。發動機102，比如小汽車中的發動機，提 供熱源。發動機102具有使用冷卻器103的冷卻系統。分離的中間冷側 邊迴路使用熱耗散器204代替輔助的冷卻器104，並且氣流115被移除(圖
151)。
0038熱耗散器204代表任何其他類型的熱交換器。例如，它可以是 交通工具的底盤。如同輔助的冷側邊工作流體214通過輔助的冷卻器104 (圖l)，輔助的冷流體211仍流過熱耗散器204。在這個實施例中，與 更緊密的傳熱表面面積和圖1中以輔助的冷卻器104出現的強迫的空氣 20對流相對的，傳熱機構優選地受控於大的表面面積和對流。 熱側邊中間迴路
0039如同冷側邊中間迴路一樣，本發明也陳述了通過TGM的熱側邊 的中間控制迴路解決動態系統的潛在的阻抗不匹配。在這個實施例中， 類似於冷側邊中間迴路，流體的流動速率和溫度可以被調節以與需要提 25供最大功率輸出和/或增進的效率更好的匹配用於動態操作調整條件。由 此，在操作條件的更大範圍之上發電器執行接近於最佳。0040在中間迴路控制流動速率的能力控制穿過TE元件的熱通量，在 傳統的設計中在系統中這是不可能被提議的。它還考慮到更加理想的熱 力學循環的實現，比如在流動的方向的熱隔離(如第6，539，729號美國專 30利中描述)的實現。
10041通過在高熱通量的周期存儲熱能量和在低熱通量的周期釋放能 量，熱質量也可以在中間迴路中被提供，足夠使發電器系統的功率輸出 在整個動態循環中更加恆定。控制泵抽吸速度也可以幫助提供更恆定水 平的功率。這種在高動態範圍條件提供恆定的熱功率水平的能力可以極
5大地簡化發電器系統的功率變換和控制。
0042通過併入中間迴路，TE發電器也可以從通常在惡劣環境下操作 的熱側邊系統隔離。這可能是在許多情況中希望的，特別是一個系統的 維護是必需的，但是不期望打擾到其他系統時。例如，中間迴路允許TE 發電器系統的TE部分被包含在分離的氣密密封包裝中。這也考慮到了
io TE材料更容易的再循環。
0043中間迴路也提供選擇比主熱源更好的傳熱流體的能力。如果中 間迴路流體被選擇具有比主要的熱流體(例如，發動機排出的廢氣)更 好的傳熱特性，那麼熱電發電器模塊(TGM)可以被構造得更小。這個 壓縮的尺寸增進了設備的耐用性，並且可以使它適合於尺寸、重量和成
15本苛刻的應用。
0044中間迴路也允許選擇的工作流體在整個無遮蔽的溫度範圍內是 穩定的。具有極好的傳熱相關的熱力學性質的工作流體將最小化與另外 的迴路相關的熱損耗的量。與移動流體通過控制迴路相關的泵抽吸損耗 應該較小，以便不抵消由TGM產生的功率。
200045通過具有中間迴路，工作傳熱流體的可能的陣列被極大地擴大 了。液態金屬比如鎵和NaK具有極好的熱力學性質，並且在寬溫度範圍 內是穩定的液體。作為液體，它們也將有助於保持泵抽吸損耗在最小值。 然而，它們具有多種不同材料的非常弱的材料可混用性，並且因此，必 定不是用於這種應用的好的選擇。但是，中間迴路的存在提供了在可能
25的工作流體中考慮這樣的流體的可選項。
0046所考慮的由比如陶氏這樣的公司製造的其他的傳熱液體不能在 某個溫度之上保持穩定。甚至矽樹脂液體在400°C之上也變為不穩定的。0047對於本申請，在寬溫度範圍之內保持穩定的流體通常是氣體。 氣體比如氫和氦具有極好的熱力學性質。不幸的是，氫是高度易燃的流
30體，並且可以引起材料脆化，特別是在高溫度的時候。然而氦是惰性的，並且由此具有極好的材料可混用性。如果和水相比較，它具有極好的熱 力學性質。在某些方面，它具有比乙二醇方案更好的熱力學性質。它的 主要的缺點是其密度。對於氦，作為非常輕的氣體，在大氣壓力下泵抽 吸損耗較高。然而，這些泵抽吸損耗可以通過增加流體的工作壓力和將 5氦與少量較重流體相混合而最小化。 一種這樣的流體是氤，它也是惰性 氣體，並且比氦重得多。氙沒有好的熱力學性質，並且比氦更昂貴。由 此，在一個實施例中，使用的氙的數量將被減少到最小。
0048其他的氣體可能用於工作流體。這些包括C02和空氣。這兩種
氣體都比氦重，並且由此不需要附加的氙，但是它們具有更差的熱力學
10性質。
0049圖3顯示了有中間迴路控制311的發電器系統300的第一實施 例。可能是交通工具的排出的廢氣、過熱蒸汽、或者任何熱源的主熱流 體301流過主要的熱交換器(PHX) 303。 PHX303可以是外殼和套管或 者技術領域內已知的任何其他的熱交換器類型。如果主熱流體301的溫 15度或者質量流率超過了預先設置的限制，那麼三路閥門308或者技術領 域內已知的其他流動方向的設備可以被打開，這樣流動將被指向通過旁 路307，而不是通過PHX303。
0050優選地，控制系統監控溫度和控制器350用於中央系統，並且 調節閥門308到恰當的水平，這樣像實際一樣有效地操作。這有助於保
20護熱電發電器模塊(TGM)中的熱電(TE)材料，使之免於過熱。在發 動機的實例中，這也可以被用於阻止主熱側邊迴路309中(例如，在排 氣裝置中)過大的反向壓力，在機動車輛的情況下其可以不利地影響交 通工具的發動機的性能。優選地，旁路307發送主熱流體(事實上全部 流體的一小部分)繞過PHX 303並返回主熱側邊迴路309，這時這改進
25 了性能或者實現了一些其他期望的結果。由此在控制器350的控制下， 閥門308允許部分的流動經過旁路307，和部分的流動經過PHX303。優 選地，控制器350在對於至少熱流體301、中間迴路流體302和冷側邊工 作流體305具有傳感器。在一個實施例中，控制器傳感器將探測至少溫 度和可能地流體的流動速度。同樣地，控制器350優選地提供對於閥門
30 308和泵306的控制，以控制合適地流過閥門的流動速率和比例。051在這個實例中，熱經由主要的熱交換器PHX 303從主熱流體301 傳送到中間迴路熱側邊工作流體302。在一個實施例中，中間迴路熱側邊 工作流體302可以是液體或者熔鹽比如液態金屬或者NaK。它還可以是 高溫傳熱流體比如由陶氏做的那些。中間流體302可以是過熱的或者飽 5和的蒸汽或者另一種類型的兩相流體。中間流體302還可以是氣體比如 氦、氫、空氣或者二氧化碳或者任何可以在大氣壓力之上操作的其他的 高傳熱氣體，以便降低泵抽吸損耗。
0052如果希望，泵306或者技術領域內已知的能夠控制流動的其他 設備306可以控制中間迴路流體302的熱質量流或者熱阻抗以"匹配"
io或者等於熱流體301的熱質量流或者熱阻抗。這有助於最大化PHX 303 的效能。這對於熱流體301流動速率或溫度在寬範圍內波動的系統是特 別重要的。在熱流體流動的動態範圍內最大化PHX 303的效能改進了 TGM 304並且由此在整體循環中改進了整體發電系統300。沒有這種控 審IJ，系統將只在操作熱流體301流動的非常窄的範圍內以最佳性能操作。
15中間迴路309也提供了系統的蓄熱水平。中間迴路流體302的熱質量提 供熱能量儲存的裝置，其可以通過泵306流速而增大。0053中間迴路傳熱流體302是圍繞熱側邊中間迴路311並使用泵306 通過TGM 304循環。TGM 304優選地包括熱側邊和冷側邊熱交換器、TE 元件、和TE元件之間的電插接件(未顯示)，優選地在工作流體流動的
20方向併入熱隔離，如美國專利號第6,539,729，題為Efficiency Thermoelectrics Utilizing Thermal Isolation所描述。在TGM 304中的TE 元件可以是熱隔離的改進的熱功率密度設計或者可以用技術領域內已知 的標準的熱電模塊製成。冷側邊流體305流過TGM 304的冷側邊熱交換 器部分，以完成熱電發電器。
20054圖4說明了與圖3的那個系統300非常類似的熱電發電系統400。 這個熱電發電系統400包括另外的蓄熱器409。控制器350優選地包括增 加的傳感器用於蓄熱器409。傳感器允許控制器350計算是否另外的蓄熱 器容量是可利用的，並且在系統400的控制操作中有效地使用這個存儲 器。這個蓄熱器409可以是有熱質量的任何類型的介質，包括相變材料
30及類似物。這種蓄熱器409增強了中間迴路311的蓄熱容量，在低溫度和直到有熱流體301的質量流和包括甚至沒有熱流體301流動時的期間， 中間迴路311允許系統400生產有用的功率。當沒有熱流體流動時，之 後系統將從蓄熱器"借"熱。同樣地，當存在超出系統400能夠有效利 用的過度的熱功率的時候，熱功率可以被存儲。
0055圖5顯示了與圖4的那個系統400非常類似的熱電發電系統系 統500。差別在於蓄熱器509位於熱側邊迴路310中，而不是在中間迴路 311中。此外，控制器350優選地包括傳感器用於蓄熱器509,以在控制 器350的控制下，探測蓄熱器409的溫度。如果有空間(體積)、重量、 或者其他的考慮妨礙蓄熱器位於如圖4中它所在的位置，那麼在這個實
io施例中蓄熱器50在這個位置是便利的。
權利要求
1. 一種熱電發電系統，包括熱電發電器，其具有熱電材料，該熱電材料具有至少一個冷側邊和至 少一個熱側邊，所述熱電發電器被配置成當溫度梯度呈現在所述至少一個 冷側邊和所述至少一個熱側邊之間的時候產生電功率；中間傳熱迴路，其與所述至少一個熱側邊保持熱聯繫並且與至少一個 主熱源保持熱聯繫；控制器，其與所述中間傳熱迴路中的流動控制設備保持聯繫，所述控制器適合於響應源於所述至少一個主熱源的熱的改變來控制所述中間傳熱迴路中的熱流動。
2. 根據權利要求l的所述熱電發電系統，進一步包括蓄熱器。
3.根據權利要求1的所述熱電發電系統，進一步包括在所述中間傳熱迴路和所述主熱源之間的熱交換器，且進一步包括經由所述控制器可控制 的熱交換器旁路，以使得來自所述主熱源的一些或者全部熱繞過所述熱交 換器。
4. —種用於主熱源的熱電發電系統，所述發電系統包括熱電發電器，其具有帶至少一個冷側邊和至少一個熱側邊的熱電材料， 所述熱電發電器被配置成當溫度梯度呈現在所述至少一個冷側邊和所述至少一個熱側邊兩側的時候產生電功率；中間傳熱迴路，其與所述至少一個熱側邊保持熱聯繫並與至少一個熱耗散器設備保持聯繫，其中所述熱耗散器設備是和主熱源分離的；和控制器，其與所述中間傳熱迴路中的流動控制設備保持聯繫，所述控 制器適合於響應用於熱電材料的操作條件的改變來控制所述中間傳熱迴路 中的熱流動。
5.根據權利要求4的所述熱電發電系統，其中所述熱源是發動機，其具有主冷卻劑系統。
6. 根據權利要求5的所述熱電發電系統，其中所述中間傳熱迴路可以 熱連接到所述發動機的所述主冷卻劑系統，這樣在所述發動機預熱期間，5從所述熱電材料傳送到所述中間傳熱迴路的熱將進一步被傳送到所述發動 機的主冷卻系統，由此為所述發動機降低預熱時間。
7. 根據權利要求4的所述熱電發電系統，進一步包括在所述中間傳熱 迴路和所述主熱源之間的熱交換器，且進一步包括經由所述控制器可控制io的熱交換器旁路，以使得來自所述主熱源的一些或者全部所述熱繞過所述 熱交換器。
8. —種從來自主熱源的廢熱發電的方法，該方法使用具有帶至少一個 冷側邊和至少一個熱側邊的熱電材料的熱電發電器，所述熱電發電器被配15置成當溫度梯度呈現在所述至少一個冷側邊和所述至少一個熱側邊兩側的時候產生電功率，所述方法包括如下步驟從所述主熱源傳送熱到中間傳熱迴路，所述中間傳熱迴路與熱消散器設備保持熱聯繫；和響應於所述主熱源的操作條件的改變，控制所述中間傳熱迴路中熱的20 流動。
9. 根據權利要求8的所述方法，其中所述熱源是發動機，其具有主冷 卻劑系統。
10.根據權利要求9的所述方法，其中所述中間傳熱迴路可以熱連接到所述發動機的所述主冷卻劑系統，所述方法進一步包括如下步驟在發動機預熱期間，將熱從所述熱電材料傳送到所述中間傳熱迴路，進一步到達 所述發動機的所述主冷卻劑系統，由此為所述發動機降低預熱時間。
11.根據權利要求8的所述方法，進一步包括如下步驟基於改變所述主熱源的熱通量和所述熱電發電器的所述容量，控制從所述主熱源到所述中間迴路的熱的流動。
全文摘要
公開了一種用於從熱，典型地從廢熱產生電功率的熱電發電器。中間傳熱迴路形成系統的一部分以允許系統中增加的控制和適應性。這允許熱電發電器面對動態變化的溫度和熱通量條件，更有效並更有效率地產生功率，比如在這裡熱源是機動車的排出的廢氣，或者任何其他的具有動態溫度和熱通量條件的熱源。
文檔編號F02G5/04GK101313420SQ200680023165
公開日2008年11月26日 申請日期2006年6月28日 優先權日2005年6月28日
發明者D·T·克瑞恩, L·E·貝爾 申請人:Bsst有限責任公司