较佳实施例的详细描述
本发明的一个较佳实施例可如下所述地构成：
制作“蛋格栅”
注塑成型的格栅
此装蛋格栅的较佳实施例采用如图15A和B以及16A和B所示的型模注
塑而成。图15A和B示出了型模的底部20，图16攻B示出了型模的顶部22。
在图18中示出顶部和底部处于其模塑位置。采用众所周知的塑料模塑技术将
一种高温热塑性材料、如Dupont Zenite生产的液晶聚合树脂经过注入口24
注射到一注塑机26中、如图17所示。采用Dupont Zenite塑料时，干燥机保持
在275°F，并且料桶温度在喷嘴后部是为625°F，在喷嘴附近是640°F。底部
模具和顶部模具大约都保持在200°F。Zenite材料大约在550°F时熔融。以通
常的方式，流体状塑料经过注入口24、通道28和道口30进入模具腔。图18
示出了通气口34。如图17所示的，制成零件由注射杆32顶出。由申请供应
商所制定的初始产量是以每小时约50个“装蛋格栅”的速度生产质量很好的
格栅。一个工人很容易将此速度提高到每小时200个格栅，并且最终工艺可完
全自动化。这比工人采用现有技术的方法将已恰当开槽的绝缘材料层装配成热
电组件格栅时每小时只能生产3个格栅要快得多。
图1A中示出了一个注塑完成的蛋格栅。此实施例包括可装100个热电元
件的盒子(空间)。在一较佳实施例中，可去除两个角空间而为电导线提供一较
强的基部。元件的尺寸为5.1毫米×5.1毫米×3.0毫米。格栅底部的空间尺寸为
5.1毫米×5.1毫米。在图1中示出了蛋格栅的俯视图。图2至9示出了格栅的
多个截面。图10是侧视图，图11是一截面图，该截面图示出了由蛋格栅形成
的一个盒子的放大图。请注意，盒子壁的上部是如图11中Y处所示的倾斜5
度。在此实施例中，盒壁的直形部分如图11中X处所示的形成一0.2英寸的
正方形。此尺寸可允许有正0.001英寸的公差而为具有负0.001公差的0.200
英寸正方形的热电元件提供一紧配合。请注意，图11和12所示的支撑凸缘62
在蛋格栅两表平面之间的中间平面处绕蛋格栅外围设置。此支撑凸缘可为格栅
提供额外的强度，以及在接下来的组件制造过程中可被利用，并且在安装制成
的组件时也是有用的。
图12示出了装蛋格栅的俯视图，并且各位置都标出了P和N元件。这些
元件都由安装者放在这些位置上，并保证各元件都牢固地靠在图1和11所示
的挡块10上。然后，在蛋格栅顶部和底部喷射导体材料，再反顶部和底部磨
光，直至所有绝缘表面的顶部都没有导体材料。以下详细地讨论用于安装蛋格
栅的较佳程序。图13和14示出了在如图12所示的位置13-13和14-14处的制
成品的截面实例。图14中是表示将所有热电元件电串联连接的效果是怎样的。
在此特定的截面中，热表面在顶部，电子流是从左到右。
安装热电元件
热电元件
采用几种众所周知的技术中的任一种来制备尺寸为5.1毫米×5.1毫米×3.0
毫米的热电元件，这些技术如由美国新泽西州Park Ridge的Noyes数据公司于
1970年出版的Slttig编辑的热电材料一书所描述的。较佳的材料是高温应用的
碲化铅和低温下应用的碲化铋。这些元件也可从供应商处方便地购到，如办公
室位于美国新泽西州Trenton的Melcor公司。一半的元件应是“n”元件，另
一半是“p”元件。
填蛋格栅
如图12所示在蛋格栅的适当盒子中放入“p”元件，并保证各元件都贴
靠在挡块上。如图12所示地在蛋格栅的适当盒子中放入“n”元件，保证各
元件贴靠在挡块上。将一2英寸长、1/8英寸宽的铜制网状引线插在位置61、
63中、如图12所示。另外，安装引线的角位置可以变化，这样固体蛋格栅材
料可代替这两个位置处的空隙，以及这两个位置中充满固体塑料。因而，在形
成铜导线连接处的位置上不存在角元件。这样在此实施例中，导线61安装处
的P位置是固体塑料(约0.5立方厘米)，在导线63安装处的N位置是固体塑料
(约0.5立方厘米)。这可提高使铜导线焊接到蛋格栅上的自动化能力。在组件
的热侧上，此塑料可延伸到蛋格栅的整个高度上，但在冷侧上，塑料仅延伸到
与相邻元件相同的高度。铜导线(图12中的标号61、63)位于塑料上，过去通
常将元件放在此处，并且采用一平行间隙点焊机，将铜导线加热到塑料开始软
化的程度，并且导线压入软化的塑料中。使固体塑料角粘接铜导线是一个重要
的优点，因为它可防止角元件被过度加热而使“挡块”(图1和11中的标号
10)融化。当挡块融化时，来自平行间隙焊机的挤压力可使角元件移出位置而
会损坏组件的整体性。由于此困难，对角元件进行焊接需要的技术要求很严
格，所以该工艺难以自动化。而将导线焊入塑料中则较简单的并且允许改变焊
接参数。本发明还可消除由难以将铜导线焊到角元件上所产生的角部支脚破裂
和焊接质量差等问题。
为热电元件提供电连接
对热、冷表面进行金属化
采用弹簧加载的夹子可将多个组件夹到一可转动的芯轴上。在图19A和B
中，示出了夹到此芯轴上的20个组件。然后，在芯轴以55转/分速度下，将
180-240粒度的Al2O3对组件/元件表面进行喷砂处理到达均匀的无光光洁度。
然后，采用压缩空气将组件/元件表面吹净。接着采用如图19A和B所示的热
喷涂装置将一金属热喷涂层施加到露出表面上。这些喷涂技术都是已知的。进
一步的具体细节可从由美国金属协会出版的第九集金属手册中了解。可采用多
种金属来对表面进行涂层。较佳的涂层是双涂层，包括0.006英寸厚的第一钼
涂层和0.06英寸厚的第二铝涂层。涂钼时涂得尽可能快以使热电表面的氧化最
小。为了完成这种重要的粘结涂层，喷枪拿得非常靠近工作区，大约4英寸。
此距离比一般热喷涂工业中涂钼时所用的距离小得多。采用用于导线电弧喷枪
的典型钼喷涂参数以“大约0.0005”的增量使钼涂层达到0.006英寸。采用具
有14号钼的一Metco 5RG导线电弧系统，雾化空气压力为80帕+/-5帕，工作
电压是32VDC(直流电压)，工作电流是175安培+/-10安培。此线夹可采用
50帕压力。必须小心地喷涂铝，这样它不会非常密集和高强度。如果涂层太强，
则会使钼-热电材料界面附近形成很大的应力，这会使热电材料破裂或失效。
采用喷枪在离开工件大约17英寸处进行铝喷涂。此距离比一般热喷射工业中
用于喷涂铝的距离大得多。对于14号铝线，雾化空气压力是50帕+/-5帕，工
作电压是29VDC，工作电流是150+/-10安培。线夹可采用45帕的空气压力。
以此方式，所喷涂的铝足以起到一良好的导电体的作用。上述参数是应用于横
截面大约.200″.2×00″的热电元件的。当横截面尺寸减小时，可以放松喷射参
数，这是因为在钼-铝界面附近产生的热应力较小，所以破裂的可能性也小。
两个涂层都采用如图19A和B所示的系统施加，其时芯轴转速为55转/分，喷
枪前、后运动的速度约为每秒0.2英寸。在对表面进行涂层之后，再重新安装
组件以露出未喷涂的表面并且重复上述过程。
减小组件表面
喷涂表面必须减小以露出蛋格栅壁。为此，将一喷涂过的组件放于表面光
整或研磨机械的安装夹具中。一种较佳的光整方法是采用精密的砂磨或双面研
磨，或者两者皆采用。将组件表面减小到如从图11和12所示的蛋格栅凸缘62
测量的适当高度。然后，将组件从夹具上拆下，将组件反向，减小组件另一面，
直至组件表面离蛋格栅凸缘有适当高度。
施加绝缘密封
此时组件已完成，但在元件和蛋格栅壁之间的空隙中易于聚集湿气。这些
湿气引起热短路并且长时间后会引起腐蚀。采用由Dupont公司制造的聚酰亚
胺薄膜可将一片薄铝层粘到各表面上可密封该组件。已知的薄膜是Kapton牌
的，一适当的薄膜型号为100KJ。当在压力下加热时，此薄膜将粘到其接触的
表面上。通过将一片Kapton牌薄膜放于组件表和一薄铝层之间，铝可牢固地
粘到组件上，但由于有Kapton牌薄膜的隔离，铝与组件不会触电。在图27中
示出了Kapton牌薄膜-铝密封，两层的厚度在图中是夸大的。这可构成较佳实
施例，但铝层也可用铜层或其它金属、陶瓷、玻璃或塑料层替代。自粘的Kapton
牌薄膜也可用具有或不具有粘合剂的类似薄膜或覆层替代。还可以采用不粘上
去的绝缘薄膜和一导电薄膜。
密封组件表面的这一工艺还具有显著加强组件中元件的优点。还可使组件
表面与组件电路实现电隔离。在将组件安装于一热电发电装置或一制冷系统中
时，还可避免组件与热源或散热片电隔离的要求(相应地减少成本)。
检验
将组件热表面加热到250℃，将组件的冷侧降到50℃。测量组件的断路
电压。碲化铋元件电压应为3.2伏左右。然后将一电负载应用到组件上，直至
电压降到1.6伏，再测量电流。计算由组件产生的功率，如P=I×V。希望碲化
铋元件的功率值至少为13瓦。
热电发电装置
图24中所示是一热电发电装置28的示意图，图22和23所示是发电装置
的详细情况。该装置包括一热侧热量交换器40、一第一冷侧热量交换器42、
连接软管43和第二冷侧热交换器44、串联电连接的八个热电组件45以及四
个弹簧加载的压缩元件46。如图24所示，热乙二醇在A处进入热侧热量交换
器40并在B处引出。冷乙二醇在C处进入一个冷侧热量交换器42，从其中经
过，并经过连接软管43(图20所示)，然后，经过另一冷侧热量交换器44并在
D处引出，如图24所示。
热交换器
在此实施例中热侧热量交换器40是一焊接而成的钢结构。热交换器的本
体长14 1/2英寸、宽3英寸。这主要由两个相同的加工而成的翅片段40A和
40B构成。这两段是焊接在一起的，并且如图22所示的在热交换器的相对端
上焊接有短接管40C和40D，以形成一用于热乙二醇的翅片状通道。各冷侧
热量交换器也是一焊接而成的钢结构。它们各自包括一翅片状段42A和44A
以及一盖板42B和44B，它们都焊接在一起，并且焊接到短接管42C和44C
上以形成一用于冷乙二醇的翅片状通道。
压缩元件
压缩元件46包括一钢架46A，该钢架基本上是一有四侧面的矩形框架，
外部尺寸为高5.64英寸、宽33/4英寸、厚13/4英寸。该框架可构成一宽3.12
英寸、高5.02英寸的矩形空间以用于热量交换器，并且热电组件45可配合于
其中。各框架还包括一止推按钮46A1和含有一六角螺母的配合空间的螺母板
46A2。压缩元件46各自在热量交换器和热电组件上提供约1000磅的压力。
这可由一套Bellville弹簧叠片46B实现，各自都在两个热电组件45上中心定
位，各自再夹在两个薄(0.01英寸厚)铝(Al2O3)夹板46之间，如图23所示。应
当注意，如果热电组件45已被绝缘密封件、如图27所示的Kapton牌薄膜-铝
密封件盖住，则铝夹板46C是不必要的。通过螺母46E拧紧调节螺栓46D可
提供负载而压缩弹簧叠片46B。螺栓46D在螺母46E上产生的力矩由螺母板
46A2所阻止。由螺栓46D所产生的向上推力通过调节螺母46E而在顶部吸收，
然后将框架46A支撑到位于压缩元件46相对侧上的止推按钮46A1上。来自
螺栓46D的向下推力通过装垫圈46H和弹簧叠片B在底部吸收。因而，两个
热电组件45藉由止推按钮46A1和弹簧叠片B所提供的约1000磅的对力紧密
压缩地保持在热量交换器之间。
井口干燥设备
在本发明一个较佳实施例中，热电发电装置28插在图25所示的一井口干
燥设备。此热电发电器采用经过管道9引出再沸腾器1的热(375°F)干燥乙二醇
作为其热源，采用经过管道14进入预加热热交换器8的冷(60°F)湿乙二醇作为
其冷源。
装置的性能
串联连接的八个热电组件的总输出功率将在约12伏时为62瓦左右，此时
热侧温度为375°F，冷侧温度约为65°F。通过添加辅助的热电发电装置可获
得额外的功率和较高的电压。如所示的，在上述结构中仅利用了干燥设备可提
供的废能源的很小的百分比。
图26示出了输出功率的曲线，其是几个热乙二醇温度下乙二醇流率的函
数。当流率大于10加仑/分时，可采用将一个以上装置串接来使功率增加。当
流率在30加仑/分以上时，发电装置较好并联连接。当流率在这些范围之外时，
最好重新设计该装置使其更长或更宽。
将发电装置安装在现场的工程师可选择安装的旁路管线和阀以使它们绕
过发电装置。如果不需要或是为了修理，查将发电装置从设备上拆除。如果需
要可设置一流量控制阀，虽然在大多数情况下这是不需要的。当发电装置用于
提供阴极保护时，发电装置一般应连接到一固定电流调节器上，该调节器可自
动地改变系统阻抗以配合系统要求。当发电装置用于提供照明、仪器或通信电
源时，该发电装置一般可连接到一固定电压分路调节器上。使系统工作不需要
电池。然而，当发电装置用于为一诸如通信系统提供电源时，且短时峰值功率
要求高于发电装置正常的功率输出时，那么就应当包括一电池和电池调节器以
便具有这种短期高峰值负载。所有这些辅助设备都是可以“现成”获得的。
通过上文的描述已经对本发明进行了介绍，但这些描述只是示意说明本发
明，并不是把本发明限于所揭示的确定形式。应当理解，对于本技术领域的普
通技术人员而言，还可作出许多修改和变化。例如，除了所述的热电组件外，
还可采用一些热电组件，其中热量交换器和压缩元件的细节可能需要适当地变
化。使组件具有许多个热电元件也是切实可行的，其中单个热电组件就足以提
供所需的电压。还可采用其它已知的将热电元件与热交换器保持良好热接触的
方法。除了所述的那些位置之外，在一些位置上接入热和冷乙二醇管线也是有
利的。已叙述了热量交换器为焊接的碳钢装置。这些热量交换器可根据本说明
书的示教采用其它已知技术制成。当销售充分证明它是适当时，应用者可计划
采用铸铝方式来制造热量交换器，这可大大降低成本。
对于热电组件而言，除了Zenite之外可采用许多其它的材料注塑蛋格栅。
这些包括Xydar、(由基本上与Zenite等同的由Amaco制造的)聚乙烯、硅酮、
聚四氟乙烯和许多其它材料。Zenite由于其在较高温度下的特好的性能(例
如：熔点、热稳定性等)，所以是首选的。同样采用呈“滑泥”形(这是在描述
悬在液体中的细陶瓷材料时所用的词)的陶瓷材料也是可以的。在模塑成型之
后，通过干燥和/或(一般是熟石膏)吸收液体的模具而去除液体。然后，烧结构
件增加其强度。实际上，Zenite包括一细玻璃粉末填充料以降低材料成本，并
且可控制其它材料性能。这种填充料可以是某些其它材料、如碳或由玻璃纤维
制成的随后切断的纤维、石墨纤维等。可使用的其它可模塑材料为有机先质，
当它加热时可从有机物转变为无机状态，或它们本身是无机材料。对于高温蛋
格栅来说，材料的这一特性是非常重要的，蛋格栅将与高温热电材料、例如
PbTe和SiGe一起使用，并在大于350℃的高温下工作，而350℃一般是大多
数有机材料的耐温上极限值。这些材料可使蛋格栅承受较高温度值，其时有机
材料一般会丧失其强度。磷酸盐和硅酸盐膏和水泥也可用于制造高温蛋格栅的
材料。
还有其它方法可用于代替所述的注塑方法来制造无间隙蛋格栅。这些方法
包括：
铸塑
有好几种铸塑方法适用于制造蛋格栅。两份环氧树脂可倒入一与上述模具
类似的一个模具中并且固化而形成蛋格栅。通过铸塑方法，这些元件当插入时
可包含在模具中并且铸塑在位。其它可被铸塑的材料是塑料、玻璃、陶瓷和金
属合金。
流铸
铸塑材料的另一种方法是流铸。这是一种成型工艺，其中，一般由熟石膏
制成的一个模具将水从滑泥中抽出。这可留下随后与模型(这将复制蛋格栅结
构)壁一致的沉积物。然后，干燥此沉积物并且烧结成一刚性结构。“滑泥”
由将所制造的构件的粉末构成并且悬在水中。这些粉末可以是有机或无机材
料。
吹塑
将塑料薄膜插入一模具中，并且用压缩空气将其吹成与模具形状一致。
挤压技术
当一蛋格栅在与组件热侧和冷侧面平行的平面中剖切时，可能出现三种不
同的轮廓。这三种轮廓都可以挤压成型。靠近热侧的截面轮廓将构成热侧连接
件的部位。靠近蛋格栅中心的轮廓将构成元件部位，靠近蛋格栅冷侧的截面将
构成冷侧元件部位。各截面可通过一挤压模挤压塑料、玻璃或陶瓷(处于生料
或未烧结状态)而成型。然后，诸挤出件被切成适当厚度并叠加在一起以形成
完整的无间隙蛋格栅。还可以将单个挤出件轮廓切成适当厚度，接下来采用多
种技术将在端部形成所需的形状(以形成挡块和容纳电极)。陶瓷挤出件在成形
操作之后将要烧结。
真空成型
在加热模具上形成薄塑料片以形成所需形状。采用真空或在某些情况下采
用压缩空气将塑料压迫在模具上以形成一无间隙蛋格栅。
传统的机械加工
也可通过对一块塑料中的用于元件的空间进行机械加工而形成无间隙蛋
格栅。甚至某些可加工的陶瓷材料也可被钻孔、成形铣削等而形成所需的蛋格
栅结构。还可采用超声波加工、激光加工和喷水加工技术将一块塑料或陶瓷材
料制成一无间隙蛋格栅。
冲压
可以通过设计一种工具，它可在一片材料上冲出多个所需尺寸的方孔而制
成无间隙蛋格栅。然后，在第二次操作中在孔的底部形成挡块，第二次操作是
将一些材料转移到框架上，使这些材料起到一挡块的作用。
模铸
将需成形的材料(塑料、玻璃、陶瓷浆或金属)倒入一模具腔中以形成所需
形状的蛋格栅。
粉末压缩成型
采用足够的力将金属、塑料、陶瓷或玻璃粉末压入一模型中而具有冲头和
模型混合形状(无间隙蛋格栅的形状)。然后，生料部分推出，随后可烧结以增
加强度。
锻造
在两个半模之间反复锤打要成形的材料，直至对正在成形的片材赋予所需
的模具形状(无间隙蛋格栅)。
因此，所附的权利要求书覆盖了将落于本发明真实精神和范围中的所有修
改和变化。