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1、(10)申请公布号 CN 103210195 A(43)申请公布日 2013.07.17CN103210195A*CN103210195A*(21)申请号 201180054527.7(22)申请日 2011.10.1412/927,466 2010.11.15 USF02C 6/18(2006.01)F02K 1/82(2006.01)F01D 5/28(2006.01)H01L 35/30(2006.01)(71)申请人波音公司地址美国伊利诺伊州(72)发明人 MF斯图拉 D W夸克 J P黄(74)专利代理机构北京纪凯知识产权代理有限公司 11245代理人赵蓉民(54) 发明名称热电装置。
2、的热集成(57) 摘要本发明公开了一种改进的热电部件、一种用于在具有受热不同的区域的环境中对改进的热电部件进行热集成的方法以及一种热电发电系统。一般地，热电部件包括：热电装置，该热电装置具有布置在相对的热环境和冷环境中的相对的表面；以及紧密靠近相对的表面中的至少一个安装的延伸表面，该延伸表面是多孔材料层，多孔材料层的至少一部分浸没在热环境或冷环境中的至少一个中。该方法包括以下步骤：紧密靠近热电装置阵列的相对侧放置第一和第二面片材并且覆盖相对侧；紧密靠近第一面片材提供第一层多孔材料从而形成改进的热电部件；以及邻近受热环境安置第一面片材。(30)优先权数据(85)PCT申请进入国家阶段日2013.。
3、05.13(86)PCT申请的申请数据PCT/US2011/056440 2011.10.14(87)PCT申请的公布数据WO2012/067743 EN 2012.05.24(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书6页 附图4页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书6页 附图4页(10)申请公布号 CN 103210195 ACN 103210195 A1/1页21.一种改进的热电模块，其包含：热电装置，所述热电装置具有被布置为与相对的热环境和冷环境接触的表面，以及延伸表面，所述延伸表面紧密靠近所述热电装置的所述表面中的至少一个表面安装，所述延伸表。
4、面包含多孔材料层，所述多孔材料层的至少一部分浸没在所述热环境或冷环境中的至少一个中。2.根据权利要求1所述的改进的热电部件，其中所述相对的热环境和冷环境在发动机中，并且两个所述表面都包括靠近所述表面的多孔材料层，并且进一步其中两个所述多孔材料层的至少一部分分别被布置在所述热环境和冷环境中。3.根据权利要求1所述的改进的热电部件，其中所述多孔材料是导热的并且包含金属、陶瓷和石墨碳中的一种。4.根据权利要求3所述的改进的热电部件，其中所述陶瓷选自由氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳化铪和碳化钽构成的群组。5.根据权利要求1所述的改进的热电部件，其中所述多孔材料具有低热膨胀系数，并且包含金属、陶瓷和石墨碳中。
5、的一种。6.根据权利要求4所述的改进的热电部件，其中所述多孔材料是导热的，并且所述金属选自由铜、铝、锡、镍、银和金构成的群组。7.根据权利要求1所述的改进的热电部件，其中所述多孔材料是易延展的，并且从所述热环境或冷环境中的一个迅速传递热，从而增加到所述热电部件的对流热传递。8.根据权利要求1所述的改进的热电部件，并且进一步包括夹在相对的面片材之间的所述热电装置的阵列，其中所述延伸表面邻近并且紧密靠近所述相对的面片材的主表面中的一个主表面安装。9.根据权利要求2所述的改进的热电部件，其中所述发动机是具有机舱的飞行器发动机，并且所述热电装置被安装到所述机舱内的表面，使得一个多孔层与所述发动机机舱内。
6、的流体接触。10.一种用于热电装置的热集成的方法，其包含：提供所述热电装置的阵列，紧密靠近所述热电装置的阵列的一侧放置第一面片材并且覆盖所述一侧，紧密靠近所述热电装置的阵列的另一侧放置第二面片材并且覆盖所述另一侧，紧密靠近所述第一面片材提供第一层多孔材料，由此形成改进的热电部件，以及邻近受热环境安置所述第一面片材。11.根据权利要求10所述的用于热电装置的热集成的方法，其中所述受热环境在飞行器发动机中，并且进一步包括紧密靠近所述第二面片材提供第二层多孔材料，以及邻近冷却环境安置所述第二面片材。权 利 要 求 书CN 103210195 A1/6页3热电装置的热集成技术领域0001 本公开总体涉。
7、及热电装置，并且更特别涉及用于通过来自液流的对流热交换来发电的改进的热电装置和（多个）热电装置的布置。背景技术0002 燃气轮机/系统广泛用于发电。已知燃气轮机（也称为燃气涡轮发动机）利用燃料源，例如天然气、石油或极细颗粒材料。因为气体燃料燃气轮机/发电机系统可以比其他类型的发电系统更迅速地进入到操作状态，所以它们已经变为产生电能的特别有吸引力的方式。0003 燃气轮机通常包括进气口侧和热废气侧。压缩器将空气强制压入燃烧室内，压缩器通常由机轮内的多个风扇叶片形成。喷注器将燃料引入到燃烧室内并且燃料被点燃。涡轮发动机能够用多种燃料操作，包括天然气、汽油、煤油以及基本上任何能燃烧的燃料。由于燃烧而。
8、形成的热燃烧气体使（多个）涡轮旋转，涡轮通常也由机轮内的风扇叶片型结构形成。（多个）涡轮连接到主轴，该主轴连接到发电机。在涡轮旋转时，主轴旋转并且操作发电机产生能量。热废气在涡轮发动机的热废气端从涡轮发电机排放进入大气。0004 热电装置（TD）是在装置两端施加温差时能够发电的装置。热电装置（TD）通常是正方形或矩形，其中上下端盖具有相同尺寸，并且通常由热电装置生成的电力经一组电力线传输。热电装置（TD）通常是薄的（例如大约几毫米厚）、小的（例如几平方厘米）、平的且脆的。因此，热电装置难以单个运用，尤其是对于交通工具例如机动车、飞行器等中的应用，在这些应用中，热电装置会面临严酷的环境条件，例如。
9、振动、恒定的温度变化以及其他严酷条件。由于其大小，并且由于每个热电装置仅生成少量电力，所以许多热电装置被捆扎在一起以便生成有用量的电力。此外，热电装置一般在高温差时提供较大的能量转换效率。这会在材料中引起相对大的热膨胀。由于热梯度以及与不同材料关联的不同的热膨胀系数，所以会导致热诱导应力。0005 如在上面提到，热电装置的效率一般随着较大的温差而增加，即随着热电装置的两个相对侧（通常称为热源（heat source）（热侧）和热沉（heat sink）（冷侧）之间的delta温度而增加。同样，对于仅将热流引导通过热电装置而没有任何热能通过周围结构材料或缝隙泄漏的任何安装方式，能量转换效率被最大。
10、化。因此，为了简化运用并且在将热转换成电时实现高性能，在最终安装之前，多个热电装置可以被包装成模块或组件。0006 图1是一个已知的热电发电机组件100或模块的示例，其中在两块结构板104和106之间布置了多个热电装置102。结构板104和106中的每一块可以由导热材料制成，从而将热扩散在热电模块100的热侧和冷侧两者上。这些板中的一块，例如上结构板104，可以定义冷分流板（spreader plate），并且可以热耦合到每一个热电装置102的冷侧108。另一块板，例如下结构板106，可以定义热分流板，并且可以耦合到每一个热电装置102的热侧110。板104和106中的每一块可以分别热耦合到每。
11、一个热电装置102的冷侧108和热侧110。真空缝隙116或隔离材料可以用来将模块100中的每一个热电装置102隔开，从而说 明 书CN 103210195 A2/6页4将流过热电装置102的热流最大化。可以需要另外的隔离来防止通过侧面的热损耗。0007 图2示出夹在金属面片材（face sheet）之间的热电装置32的阵列30。热电装置的阵列的一侧暴露于受热的或“热”环境，并且覆盖阵列受热侧的是第一面片材34。热电装置的阵列的另一侧暴露于冷却的或“冷”环境，并且第二面片材36覆盖阵列的“冷”侧。面片材34和36用作将热或冷分别均匀地分布在其被邻近布置的装置阵列的侧面上。0008 图3示意性地。
12、示出安装在涡轮发动机中的热电发电机101，其中较高温度热源和较低温度热沉容易设置为相互紧密靠近，例如由隔室整流罩或喷口隔开。图3取自提交于2009年6月25日的、美国公开号2009/0159110A1的共同待决、共同拥有的专利申请（其全部公开以其整体合并在此）。热电发电机101可以被安装为，其一侧，即热侧103，从涡轮发动机105接收热，并且其另一侧，即冷侧104，向流动空气108提供热。由于在其两端的温差.DELTA.T而引起热流过热电发电机101，这导致在热电发电机101的端子112之间生成电压.DELTA.V。这种使用一个或更多热电发电机101来发电会是非常高效的，因为其不需要由涡轮发动。
13、机执行机械功。相反，其使用无论热电发电机101是否存在，涡轮发动机都会产生的废热。0009 热电发电机101可以被放置在涡轮发电机上，靠近涡轮发动机芯整流罩并且靠近涡轮发动机喷口。这些位置都提供了热源和冷源。热源是涡轮发动机的热气。冷源是空气流。0010 对于具有通常机械驱动的电气发电机的涡轮发动机，电力需求的增加导致燃料消耗增加、空气污染增加以及废气温度升高。空气污染通常包括二氧化碳、氧化氮和上层大气水蒸汽。然而，当使用热电发电机时，这种电力需求的增加并不导致燃料消耗增加、废气温度升高以及空气污染增加。0011 当电力需求增加时，热电发电机不会增加涡轮发动机的负载。热电发电机通过捕获涡轮发动。
14、机隔室和/或喷口中的废热来发电。因此，热电发电机的增加不会明显降低涡轮发动机的效率，并且机械驱动的电气发电机的消除可以明显提高涡轮发动机的效率。0012 针对该背景，已经发现，在热流由源自流体（例如气体和液体）的强制对流控制的应用中，难以在热电装置两端建立较大的温度梯度。也就是说，流体流动通常不能足够迅速地传递热从而在热电装置两端建立较大的温度梯度。此外，已经发现，热电装置在受到热应力和机械应力时展现出易碎性和机械故障。0013 在克服这些缺点的尝试中，已经使用热管来无源地加强热传递并且在TEC装置两端建立较大的温度梯度。然而，已经发现，热管阻碍了热电装置在潜在需要较大电力生产的高温安装中的使。
15、用。与热管和泵送冷却剂回路的使用关联的挑战包括额外或过多重量的增加、在系统中冷却剂的可用性以及可靠性（即具有移动零件的活动部件）。0014 因此，对于在热通量由具有流体的强制对流控制的场合中在热电装置两端建立较大的温度梯度的问题，非常期望一种无源的解决方案。发明内容0015 在本公开的一个方面中，改进的热电部件包括：热电装置，其具有被布置在相对的热环境和冷环境中的相对表面；以及紧密靠近热电装置的相对表面中的至少一个表面安装的延伸表面，其中延伸表面包括一层多孔材料，多孔材料的至少一部分浸没在热环境或冷说 明 书CN 103210195 A3/6页5环境中的至少一个中。在热电部件的一个变体中，热电。
16、装置的两个相对表面都包括靠近其的一层多孔材料，并且这两层多孔材料的至少一部分分别布置在热环境和冷环境中。在另一变体中，多孔材料是导热的并且包含金属、陶瓷和石墨碳中的一种。陶瓷选自由氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳化铪和碳化钽构成的群组中。在又一变体中，多孔材料具有低热膨胀系数。在又一变体中，多孔材料是导热的，并且金属选自由铜、铝、锡、镍、银和金构成的群组中。多孔材料是易延展的并且从热环境或冷环境中的一个迅速传递热从而增加到热电部件的对流热传递。热电装置的阵列可以夹在相对的面片材之间，其中延伸表面邻近并且紧密靠近相对的面片材的主表面中的一个主表面安装。0016 在本公开的另一方面中，用于热电装置的热集。
17、成的方法包括以下步骤：提供热电装置的阵列；紧密靠近热电装置阵列的一侧放置第一面片材并且覆盖这一侧；紧密靠近热电装置阵列的另一侧放置第二面片材并且覆盖该另一侧；紧密靠近第一面片材提供第一层多孔材料，由此形成改进的热电部件；以及邻近受热环境安置第一面片材。该方法进一步包括以下步骤：紧密靠近第二面片材提供第二层多孔材料；以及邻近冷却环境安置第二面片材。0017 在本公开的又一方面中，热电发电系统包括：发动机；以及靠近该发动机布置的至少一个热电装置，该热电装置包括在其表面上靠近发动机的多孔层。热电装置靠近发动机的热源和环境的冷源布置。热电装置具有支承多孔层的相对的两个表面，一个表面靠近发动机布置，并且。
18、另一表面靠近空气流布置。在一个实施例中，发动机是涡轮发动机，并且热电装置靠近排气喷口安装到发动机。在另一实施例中，发动机是涡轮发动机，并且包括夹在相对的面片材之间的热电装置的阵列，从而形成靠近燃烧区段安装到发动机的模块。面片材中的至少一个支撑多孔材料。0018 在本公开的又一方面中，用于生成热电能的方法包括靠近发动机安装至少一个热电装置，该热电装置包括在其至少一个表面上靠近发动机的多孔层，其中该热电装置靠近发动机的热源和冷源布置。热电装置具有支承多孔层的相对的两个表面，一个表面靠近发动机布置，并且另一表面靠近空气流布置。在一个变体中，发动机包含涡轮发动机，并且热电装置靠近排气喷口安装到发动机。。
19、在另一变体中，发动机包含涡轮发动机，并且进一步包括夹在相对的面片材之间的热电装置的阵列，从而形成模块，该模块靠近燃烧区段安装到发动机。0019 在此公开了设备和与该设备有关的方法的其他方面。从以下详细描述和附图中，本领域技术人员将理解并且明白上面所讨论的特征以及本公开的其他特征和优点。附图说明0020 图1示出已知的热电装置的一个实施例；0021 图2是热电装置的阵列的透视图，其中热侧面片材和冷侧面片材覆盖阵列的热侧和冷侧；0022 图3是在使用中的常规热电装置的示意图；0023 图4是靠近热源和冷源布置的改进的热电装置的示意剖面图；0024 图5是涡轮发动机的剖面图，其示出了本公开的改进的热。
20、电装置的预期的放置；0025 图6a示出安装到涡轮发动机的区段的改进的热电装置的阵列的一个可能配置，说 明 书CN 103210195 A4/6页6以及0026 图6b示出安装到涡轮发动机的区段的改进的热电装置的阵列的第二可能配置。具体实施方式0027 现在在下文中将参考附图更全面地描述本公开的实施例。然而，许多不同的实施例是可预期的，并且本公开不应解释为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开向本领域技术人员透彻、完整并且更好地传达本公开的范围。0028 在其最广泛的意义上，本公开提出了一种改进的热电装置，其具有增加常规热电转换器的效率的能力。本公开还包括发动机配置，该发动机。
21、配置包括改进的热电组件，该改进的热电组件包含这些装置的阵列，这些装置布置在温度的热源和冷源之间的发动机中的战略定位的环境中。0029 图4示出根据本公开的改进的热电装置ITD。一般地，改进的热电装置ITD的上表面402a和下表面402b中的每一个或两者分别支撑附着到其的或紧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为由具有诸如高导热性、流体相容性、耐高温性、低热膨胀系数、高比表面积、低密度的特性的任何材料制成的翅片、覆盖板或多孔介质层。提供这类特性的材料包括但不限于金属（例如铜、铝、锡、镍、银、金）、陶瓷（例如氮化硼、氮化硅、碳化硅、氮化硅、碳化铪、碳化钽）和碳（例。
22、如石墨碳）。0030 表面延伸器元件以如下方式被安装到改进的热电装置的上表面和下表面，即邻近热区H和冷区C有效地布置表面延伸器元件，从而扩散并加强在热电装置的对应表面上方的相应区域中的热传递。在热区和冷区中的流体流动可以是相同方向或相反方向，并且这些流动可以平行于或垂直于改进的热电装置的上表面和下表面。表面延伸器元件可以直接或间接耦合到改进的热电装置ITD。多孔表面延伸器元件404必须与热电装置面对面（vis-s-vis）布置，使得流体流的一部分或全部流过那里。气流（流动）相对于TE装置可以是任意朝向。也可以是单个TE装置或任意数目的TE装置（例如在阵列中）。TE装置可以被安装在“热侧”或“冷。
23、侧”上，或其可以被夹在中间。在热侧和冷侧上示出的多孔材料不需要具有相同的材料或尺寸。0031 图5大体示出了容纳在安装到飞行器支撑结构的发动机舱502中的涡轮发动机500。该发动机包括进气口区段506、压缩机区段508、燃烧区段510、涡轮区段512和喷口区段514。风道522在风扇罩526中的进气风扇524和风扇排气喷口528之间延伸，该风扇排气喷口528被限定在机舱502的下游端和发动机核心机壳532的外表面530之间，发动机核心机壳532在机舱的下游端附近具有其最大直径。发动机核心机壳的内表面与发动机喷口区段处的发动机核心约束燃烧气体的下游流动。0032 涡轮发动机500通过使用设置的进。
24、气风扇524驱动进入空气流的一部分A1经过风道522来实现高效。进入空气流的剩余部分向下游移动通过压缩机区段508，在此进入空气流被压缩，然后进入空气流的剩余部分移动到燃烧区段，在此进气空气流在燃烧室534中燃烧。位于涡轮区段512中的一组高压和低压涡轮用来将发动机空气流中的流体能量转换成机械能。此后，“冷”风扇空气流和“热”燃烧气体从发动机排出。在使用混合器喷口的军用类型发动机的情况下，冷却器风扇空气流和热核心排气空气流都一起带入喷口区段并从涡轮排出。在最商业类型的发动机的情况下，空气流在排出时保持分离，并且这导致较小说 明 书CN 103210195 A5/6页7的重量和阻力。0033 在。
25、诸如图5中示出的发动机配置的情况下，用于本公开的改进的热电装置的最优位置被确定为温差最大的那些位置。一个位置被示为大致在602处，在风道内表面的外部表面处，发动机涡轮区段中。第二位置被示为大致在604处，在发动机下游部分的内表面上，发动机喷口区段中。这些装置可以用作单个单元，或它们可以形成为单元的阵列，其中暴露于受热或冷却环境的一个或两个表面支承延伸表面。0034 在这种涡轮区段位置和喷口区段位置处，热电转换器装置被暴露于相互紧密靠近的热环境和冷环境。即，改进的热电装置ITD的一个表面将暴露于相对热的环境，例如涡轮发动机的热气，并且改进的热电装置ITD的另一表面将暴露于相对冷的环境，例如空气流。
26、。这些位置满足电力产生的要求，同时保护免受通常在涡轮发动机中遇到的不希望的高压和不希望的高速空气流的影响。若干类型的涡轮发动机普遍被使用：涡扇发动机、涡喷发动机、涡桨发动机和涡轴发动机。这类涡轮发动机可以用来向飞行器、船只和陆地交通工具提供动力。它们也可以用于发电和其他目的。改进的热电装置ITD可以被配置为为飞行器提供全部电力，和/或为飞行器提供另外的电力。在此公开的种类的热电装置可以被添加到飞行器，而不必求助于对涡轮发动机进行昂贵的重设计，或不必更改飞行器的已检验的空气动力学设计。如本领域技术人员认识到，更改飞行器的空气动力学设计会潜在地对飞行器的空气动力学性能造成负面影响。更改飞行器的空气。
27、动力学设计也会需要昂贵的飞行测试。0035 图6a和图6b示出了由本公开预期的改进的热电装置ITD的两个示例性配置。应理解，改进的热电装置ITD的可能配置不限于这里示出的配置，并且改进的热电装置和延伸表面元件的其他配置和布置对本领域技术人员将变得明显。0036 图6a示出改进的热电装置602的第一版本，可以看到，其具有紧密靠近涡轮的内壁或外壁W的一个表面604。壁W可以构成“热区”H，并且热电装置的另一侧606可以被暴露于“冷区”C（即，温度比“热”区H中的温度冷的温度区域），例如风扇驱动的环境空气或液体冷却剂。热电装置可以具有安装到那里的延伸表面元件608。另外的接口元件610可以被插入在热。
28、电装置602和延伸表面元件608之间。0037 图6b示出了紧密靠近涡轮的内壁或外壁W安装的改进的热电装置612的第二版本。壁W构成或被暴露于“热区”H，并且热电装置的另一侧616被暴露于“冷区”C，例如风扇驱动的环境空气。热电装置具有安装到一侧614的延伸表面元件618和安装到另一侧616的第二延伸表面元件620。另外的接口元件622可以被插入在改进的热电装置612和延伸表面元件618之间。第二接口元件624可以可选地被插入在热电装置612和延伸表面元件620之间。0038 用于接口元件的材料可以是导热物质，例如金属（导热的和半导热的）、陶瓷和碳。接口元件具有许多用途，包括将热电装置与工作流。
29、体隔离从而防止腐蚀、有助于制造过程（例如促进联结或形成部件）、减轻应力（例如防止材料之间热膨胀系数的较大失配）等。0039 本发明涉及热电发电系统，包含发动机和靠近该发动机布置的至少一个热电装置的设备，所述热电装置包括在其表面上靠近所述发动机的多孔层。0040 在上面描述的系统中，热电装置可以靠近发动机的热源和环境的冷源布置。0041 在上面描述的系统中，热电装置可以具有支承所述多孔层的两个相对表面，一个说 明 书CN 103210195 A6/6页8表面靠近发动机布置，并且另一表面靠近空气流布置。0042 在上面描述的系统中，发动机可以是涡轮发动机，并且热电装置可以靠近排气喷口安装到该发动机。
30、。0043 在上面描述的系统中，发动机可以是涡轮发动机，并且进一步包括夹在相对的面片材之间的热电装置的阵列从而形成模块，所述模块靠近燃烧区段安装到发动机。0044 在上面描述的系统中，所述面片材中的至少一个支撑所述多孔材料。0045 本发明涉及用于生成热电能量的方法，该方法包含靠近发动机安装至少一个热电装置，所述热电装置包括在其至少一个表面上的靠近所述发动机的多孔层，其中该热电装置靠近发动机的热源和冷源布置。0046 在上面描述的系统中，热电装置可以具有支承所述多孔层的两个相对表面，一个表面靠近发动机布置，并且另一表面靠近空气流布置。0047 在上面描述的系统中，其中所述发动机包含涡轮发动机，。
31、并且热电装置可以靠近排气喷口安装到发动机。0048 在上面描述的系统中，其中所述发动机包含涡轮发动机，并且进一步可以包括夹在相对的面片材之间的热电装置的阵列从而形成模块，所述模块靠近燃烧区段安装到发动机。0049 尽管本公开关于飞行器发动机（在其中存在或可以生成导热材料的“热”（例如发动机废气）和“冷”（例如旁通或环境空气、水、油、乙二醇或其他冷却剂流体）区域）描述了改进的热电装置的使用，但是其在存在不同的热环境和冷环境的任何技术领域中都具有效用。例如，如果用在机动车或火车头应用中，则冷环境可以是外部空气流或液体冷却剂。在工业或发电站应用中，冷环境可以是液体冷却剂。0050 尽管参考优选实施例进行了公开，但是本领域技术人员应理解，可以进行各种改变，并且等效物可以替换其元件，而不背离本公开的范围。说 明 书CN 103210195 A1/4页9图1(现有技术)图2(现有技术)说 明 书 附 图CN 103210195 A2/4页10图3(现有技术)图4说 明 书 附 图CN 103210195 A10。