CN1496468A

CN1496468A - 利用热隔离的效率改善的热电装置

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Publication number: CN1496468A
Application number: CNA028062353A
Authority: CN
Inventors: Le; L·E·贝尔
Original assignee: BSST LLC
Current assignee: BSST LLC
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2004-05-12
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: RU2315250C2; EP1366328A1; EP1366328B1; ATE404830T1; WO2002065030A1; ATE506582T1; CN100427849C; RU2003124958A; DE60228205D1; EP1366328A4; EP1912030B1; KR20030082589A; US20050072165A1; US20020139123A1; US7111465B2; KR100860015B1; US6539725B2; DE60239840D1; EP1912030A1; JP4041972B2

Abstract

本发明公开了提高效率的热电***和制造这种热电***的方法。在整个热电***(700)的至少一个方向上的热电元件(704)之间进行充分热隔离，这比传统热电阵列具有提高的效率。也为联接到热电元件上的至少一个热交换器(705)提供了充分的热隔离。在一个实施例中，热电元件的性能，如电阻或电流等，在整个热电阵列的至少一个方向上也是变化的。另外，在一个实施例中，可根据动态调节标准改变热电元件的机械结构。

Description

利用热隔离的效率改善的热电装置

技术领域

本发明涉及更高效地产生热和/或冷条件的改进的热电装置。

背景技术

在有电流存在时，热电装置(TEs)利用某些材料的性能沿着该材料形成热梯度。传统的热电装置利用P型和N型半导体作为装置内的热电材料。这些材料在物理结构上以及电学上被设计成具有需要的加热或冷却功能。

一些与用于冷却和加热的TEs有关的基本公式、理论、学术论文、测试方法和数据在 Electronic Refrigeration中的H.J.Goldsmid(英格兰NW2 5JN伦敦Brondesbury公园207号Pion Ltd.公司)的文章中描述过(1986)。图1中示出了目前在热电装置中采用的最普通结构。通常，P型和N型热电元件102排列在矩形组件100内两个基片104之间。电流I穿过两种元件。这些元件通过焊接在元件102末端的铜分路件(copper shunt)106进行串联连接。在加有直流电压108时，该电压可在整个TE元件上产生温度梯度。图2为流动示意图，图3为目标(object)图。图2和图3均示出了采用图1的TE组件100的一般***图。

当电流经过热电元件时，该热电元件一端变冷而另一端变热。TEs一般用于对液体、气体和固体冷却。

用于最普通形式TE装置的基本公式如下：

(1) - - - q_{c} = αI T_{c} - \frac{1}{2} I^{2} R - KΔT

(2)q_in＝αIΔT+I²R

(3) - - - q_{h} = α {IT}_{h} + \frac{1}{2} I^{2} R - KΔT

其中q_c为冷却率(从冷侧焓的迁移率)，q_in为***的能量输入，而q_h为***的热量输出，其中：

α＝塞贝克系数

I＝电流

T_c＝冷侧绝对温度

T_h热侧绝对温度

R＝电阻

K＝热导率

在这里，α、R和K假定为常数，或者是在适当温度范围内适宜的平均值。

在稳态下，输入和输出能量平衡：

(4)q_c+q_in＝q_h

另外，为了分析在制冷和加热工业中采用设备的性能，需要进行下面定义：

(5)β＝q_c/q_in＝冷却性能系数(COP)

(6)γ＝q_h/q_in＝加热COP

从公式(4)得到：

(7)q_c/q_in+q_in/q_in＝q_h/q_in

(8)β+1＝γ

于是β和γ建立了紧密联系，而γ始终比β大1。

如果计算这些公式，就会得到β或γ为最大值以及q_c或q_in为最大值的条件。

如果β最大值确定为β_m，而对于q_c最大值时COP为β_cm，则结果如下：

(9) - - - β_{m} = \frac{T_{c}}{Δ T_{c}} (\frac{\sqrt{1 + {ZT}_{m}} - \frac{T_{h}}{T_{c}}}{\sqrt{1 + {ZT}_{m}} + 1})

(10) - - - β_{cm} = (\frac{\frac{1}{2} {ZT}_{c} - ΔT}{{ZT}_{c} T_{h}})

其中：

(12) {- - - T}_{m} = \frac{T_{c} + T_{h}}{2}

以及；

其中：λ＝材料热导率；以及

ρ＝材料电阻

需要注意的是，对于具有平行侧边的简单固体形状，有

K＝λ×面积/长度。

类似地，R＝(ρ×长度)/面积。这样，在形状上的任何变化，如长度、面积、重心指数(conality)等的变化，均可影响K和R。另外，如果柔性元件的形状通过机械的或其它手段改变，则K和R也变化。

β_m和q_cm只取决于Z、T_c和T_h。这样，Z称为优良指数，是表示TE***性能特征的基本参数。Z的大小决定着具有图1几何形状和其它所有几何形状的热电性能以及目前热电装置的使用。

采用当前的材料，热电装置具有一定的空间和一些商业用途。但是，用途是有限的，因为***效率太低，而不能与采用象氟里昂那样液体的大多数冷却***(如在电冰箱、汽车采暖通风和空调(HVAC)***、建筑采暖通风和空调(HVAC)***、家庭空调器中等采用的***)竞争。

当从公式(9)得到的最大热电效率与卡诺循环效率C_m(对于任何冷却***的理论最大***效率)比较时，这种限制就更明显了；

(13) - - - \frac{β_{m}}{C_{m}} = \frac{\frac{T_{c}}{ΔT} (\frac{\sqrt{1 + Z T_{m}} - \frac{T_{h}}{T_{c}}}{\sqrt{1 + {ZT}_{m}} + 1})}{\frac{T_{c}}{ΔT}} = (\frac{\sqrt{1 + {ZT}_{m}} - \frac{T_{h}}{T_{c}}}{\sqrt{1 + {ZT}_{m}} + 1})

注意，作为校验，如果Z→∞，则β→C_m。最好的商业TE材料具有的Z值可使乘积：

ZT_a≈1

几种商业材料在一些较窄温度范围上为ZT_a＝1。但是在目前商业材料中ZT_a不超过1。图4示出了这种情况。有些实验材料可实现ZT_a＝2到4，但是这些材料没有形成产业化。一般地，较好材料可以购买到，但这并不妨害本发明的好处。

热电装置的几种结构目前用于：汽车座位冷却***、便携式冷却器和电冰箱、科学研究用的高效液体***、电子设备和光纤***以及红外线传感***的冷却。

所有这些装置的共同点在于，T_h在TE的热侧得到补偿，同样T_c在冷侧得到补偿。在大多数这种装置中，TEs采用氧化铝基片(热的良导体)作为热侧和冷侧端板，而铜或铝散热片或散热块作为在至少一侧上的热交换器。

这样，条件可非常近似地由图5中的示意图来表示。在这种情况下，ΔT分成在冷侧的ΔT_c和热侧的ΔT_h，其中ΔT＝ΔT_c+ΔT_h。

将公式(1)和(2)代入公式(5)中可得到：

(14) - - - β = \frac{q_{c}}{q_{m}} = \frac{α {IT}_{c} - \frac{1}{2} I^{2} R - KΔT}{αIΔT + I^{2} R}

而其中ΔT是ΔT_c和ΔT_h的和。因此，例如，如果ΔT_c＝ΔT_h，则ΔT＝2ΔT_c。由于随着ΔT增加，效率降低，因此就特别需要使ΔT尽可能小。一种选择是使流过热侧的流体比流过冷侧的多很多。为此，来自热侧的热流公式为：

(15)q_h＝C_pMΔT_h

其中C_P为每单位时间(如，每秒)经过热侧的流体热容。

这样，如果对于给定的需要值q_h而C_PM非常大时，ΔT_h就非常小。然而，这样存在的不足的是，需要较大的风扇或泵以及大量废流体(也就是说，没有被冷却但作为过程的一部分排出以获得更有效冷却的流体)。

第二种选择是使在热侧的散热片很大，从而使热被动地散掉。这样的实例是在汽车中的低能源TE，其中热侧与汽车底盘有非常好的热接触；或者在潜艇中的TE***，其中TE与船体也因此与海水有非常好的热接触。但是，这些方法通常很难实现，或者成本、重量或其它条件限制了它们的使用。这样的结果是，在大多数装置中，ΔT实际上比ΔT_c大，效率因此受到影响。

发明内容

一般地，通过把热电元件的整个组件分成热隔离的分组件，可得到提高效率的热电装置。通过利用热隔离，并控制要经过热电装置各部分进行冷却或加热的材料的流动方向和位置，可提高总效率。通过改变总热电装置各部分的ΔT以及物理学、热学和电学性能，也可提高效率。

本发明的一个方面涉及与至少一种要冷却或加热媒质一起使用的一种热电***。该***具有形成具有冷侧和热侧的热电阵列的多个热电元件；其中多个热电元件在整个阵列上至少一个方向上彼此充分热隔离。至少一个热交换器位于冷侧和/或热侧至少之一上并与至少一个热电元件热传递。热交换器设计成可有效地保持热电元件的热隔离。

在一个实施例中，如液体、固体或这两种组合的媒质在至少一个方向上移动穿过阵列至少一侧的至少一部分。在另一个实施例中，热电元件的至少一个特征，比如电阻，可在媒质移动方向上改变。电阻可以多种方式改变，如通过改变热电元件的长度、改变热电元件的横截面积、改变每个热电元件的机械结构，或者通过改变至少一种热电材料的电阻率以及适用于用途的其它方式。

在又一个实施例中，经过阵列中的至少一些热电元件的电流不同。

较好的是，热交换器包括多个部分，如柱销、散热片或热管，每一部分与至少一个热电元件热传递，至少一些部分在媒质移动方向上与其它所述部分充分热隔离。最好是，该部分的热隔离与热电元件的热隔离对应，从而提供了有效热隔离的分组件。在一个实施例中，热交换器位于每个冷侧和热侧上。可选择的是，一侧具有散热片，另一侧具有热交换器。散热片通过热管可联接到热电阵列的一侧上，该热管在一端与阵列热接触，而在另一端与散热片接触。在另一个实施例中，热电元件还受到至少一个磁场作用。

较好的是，热电***的至少一个特征可经过对热电***的机械结构调整而动态调节。与所述热电***联接的控制***根据至少一个输入到控制***的输入信号来调节该机械结构。最好是，经过调节，该控制***进行操作以动态地提高效率。可设置有算法，根据该算法，控制***进行操作。在一个实施例中，根据至少一个输入到控制***的信号，控制***调节至少一个特征。

各种特征，比如热隔离、特征变化、电流变化、提供磁场和控制***等可根据具体用途组合使用或单独使用。

本发明的另一个方面涉及一种制造改进的热电***的方法，其中该热电***与至少一种如流体、固体或流体和固体组合的要冷却或加热媒质一起使用，该方法包括的步骤有：使多个热电元件形成具有冷侧和热侧的热电阵列；其中多个热电元件在整个阵列上至少一个方向上彼此充分热隔离；以及从热电阵列的至少一侧交换热量，其交换热量方式充分保持热电元件的热隔离。

在该方法的一个实施例中，媒质在至少一个方向上、移动穿过阵列至少一侧的至少一部分。该方法的另一个实施例进一步包括的步骤有，在媒质移动方向上改变热电元件的至少一个特征，比如电阻或机械结构。例如，电阻可以通过比如改变长度、横截面积、机械结构或至少一些热电元件的电阻率等任何方式来改变。在一个实施例中，改变的步骤包括对至少一个特征进行动态调节。最好是，根据对来自传感器或用户的至少一个参数的估算，可进行调节。算法可用来控制该调节。

在一个实施例中，交换热量的步骤包括提供热交换器，该热交换器包括多个部分，每个部分与至少一个热电元件热传递，而这些部分中的至少一些在媒质运动方向上与其它所述部分充分热隔离。该部分可采取如柱销、散热片和热管等许多结构，或者采用其它适当的热交换器材料。在一个实施例中，交换热量的步骤包括在冷侧和热侧上进行热量交换。可选择地，该方法包括从热电阵列的至少一侧进行散热的步骤。

在另一个实施例中，该方法还包括改变经过阵列中至少一些热电元件的电流的步骤。在又一个实施例中，该方法还包括使热电元件受到至少一种磁场作用的步骤。

下面结合多个附图，对本发明的这些和其它特征进一步详细描述。

附图说明

下面结合附图来详细描述优选实施例。

图1A和1B示出了一种传统的热电装置；

图2示出了在传统流体加热或冷却应用中的一种传统热电装置；

图3示出了用于对材料或部件进行冷却的一种传统热电元件；

图4示出了对各种热电材料效率的测量；

图5示出了传统热电装置的一般化条件示意图；

图6示出了热电***的一般化方框图；

图7A示出根据本发明热电***的第一实施例及伴随的温度轮廓；

图7B和7C示出了图7A热电***的更详细结构；

图7D和7E示出了图7A的热电***的可替代实施例，该实施例中包括根据本发明的附加的增强结构；

图8示出了根据本发明的用于从相对两侧流动的热电***；

图9A-9E示出了具有图7A-E以及图8特征的热电装置实例，但是利用了用于热交换器和热电元件的不同的几何形状；

图10示出了利用控制***的本发明热电***的另一实施例，其中该控制***使经过该热电***各部分的电流发生改变；

图11示出了根据本发明一个方面的热电***的又一个实施例，其中通过机械方式得到热电元件中电阻变化；

图12示出了根据本发明的热电***的又一个实施例，其中依靠对磁场的应用进一步提高了效率；

图13示出了又一个实施例，其中依靠穿过TE元件长度的磁场进一步提高了效率；

图14示出了根据本发明的一种热电***，其中要冷却的材料是固体而不是流体；

图15A-15G示出了沿着根据本发明一种隔离元件热电***长度的温度轮廓的几个实例；

图16示出了热电***的又一个实施例，其中在无用侧的流体在拆开的热电阵列的长度方向横穿流动；

图17示出了热电***的又一个实施例，其中在无用侧的流体在拆开的阵列长度方向横穿流动，但与图16不同的是流动从相对端开始的；

图18示出了热电***的又一个实施例，其中在无用侧的流体没有横穿阵列的整个长度。

具体实施方式

为了达到描述的目的，利用实例和具体实施例来介绍本发明。虽然提出各种实例来表明如何采用不同结构来获得需要的改进，但是这些具体实施例仅仅是示意性的，在任何情况下都不限制提出的本发明。

图6示出了整个TE***600的一般方框图。具有热侧603和冷侧604的热电组件601与电源602进行电连接。热电组件601与热侧603上的热侧热交换器607以及在冷侧604上的热交换器608进行良好的热接触。热侧603上的流体源605和冷侧604的流体源606配有适当的管道或导管，使其中的流体流过各自对应的热交换器607和608。加热的流体609和冷却的流体610在图中右侧从该***中流出。为了某些应用(下面给出的实例)，热交换器607和608中之一可由散热片来代替，从而就不需要在那一侧的流体源或流体。

一般地，如贯穿本说明书中的进一步细节中描述的那样，本发明通过增强热电***结构，沿着阵列在要加热或冷却介质流动方向，在各元件之间或热电***各级之间提供热隔离，从而提高了热电***的效率。下面大量的实例集中在冷却上。然而，该原理也同样可用于加热。图7A示出了根据本发明充分提高效率的TE***700的第一实施例。如描述的那样，TE元件阵列701包括中间夹有多个TE元件704的热侧基片702和冷侧基片703。多个柱销705与TE元件704通过热侧基片702和冷侧基片703而具有良好的热接触，并形成TE***700的热交换器。如图所示，柱销705具有非常象钉子的结构，其头部706与TE元件704(热侧和冷侧)有良好的热接触。最好是，柱销705由铜或其它具有高热导率的材料制成。根据用途以及传热发生的流体，柱销705可用其它热交换器结构或几何形状来代替。下面描述了这样一些几何结构，如热导管和散热片。这些热交换器应使从柱销到柱销流体流动方向的热传递最小，同时保持从TE元件704到柱销705的良好热传递。

热侧基片702和冷侧基片703由具有这样材料和/或者几何形状来构成，即可使在流体流动方向沿着TE元件阵列701长度产生不良热传导。最好是，基片702和703很薄，从而其相对不良热传导不会明显影响从TE元件704到柱销705的热传递。热侧基片702和冷侧基片703与TE元件阵列701保持在一起，并具有可在TE元件704之间提供需要的传统电连接的导电部。最好是，材料可选择地在两侧覆盖有铜或其它导电覆层(用于电路或到柱销705上的热附着)，其中铜具有约0.050mm厚度。一种优选材料为Kapton MT或其它柔性、电绝缘、印制电路材料。对于Kapton MT，热导率约为0.5W/mK，厚度约为0.025mm。可选择的是，热导率可充分大，例如为20W/mK，并且，如果热侧基片702和冷侧基片703足够薄(在一实施例中小于0.05mm)，或者形状设计成可在流动方向上在相邻柱销之间提供热隔离，则在性能上仍然具有净正效应(net positive effect)。TE***700结构的目的是使TE元件704彼此在流体流动方向上充分隔离，但仍然与相应的热交换器有良好的热接触。

上面描述了一个具体的热交换器。为了通过本发明获得效率增益，重要的是，热交换器应该在局部点水平上有效。换句话说，重要的是，在热交换器的每个点，使加热或冷却的媒质达到接近于在该点热交换器的温度。当要冷却的媒质穿过热电***时，该媒质和位于每处的热交换器之间的温度差可降低热效率。这样，根据本发明，热电元件在流动方向充分热隔离，该热交换器同样优选地与热电元件进行热连接，但是在流动方向上充分热隔离，同时考虑到移动媒质的特性，该热交换器设计成在任何给定位置，在热交换器和要冷却或加热的媒质之间的温度差比从内部到外部总温度差小。

另外，热电元件之间的热隔离水平取决于平衡(trade-offs)和具体应用。例如，热传导对于热交换器是需要的，但是沿着从热电元件到热电元件的基片的热隔离也是需要的。虽然从元件到元件的良好热隔离可提高效率，但是，可通过来自热电元件和热交换器之间的不良局部热传导的效率损失，或者在热交换器和要冷却或加热媒质之间的不充分热传递，对效率进行弥补。这样，每种应用需要对这些三种相互关联的特性进行平衡以得到实际的、尽管对于具体应用中不是始终最理想的设计。

图7B和7C中更详细地示出了图7A的TE***的一种可能结构。图7B为图7A的TE***700一部分的边缘视图。图7C为从冷侧基片的底部从TE侧看与图7B中基片垂直的基片视图。图7C示出了用于TE元件704阵列(对于四个元件宽)的一种电路图形的可能设计。沿宽度或长度，元件数量选择与用途匹配，同时也可以是任意数量。冷侧基片703在图中示出，热侧基片702在本例中以相同方式形成。基片703由电绝缘层714组成，该电绝缘层714提供一种结构，在该结构上形成把TE元件704连接在一起的电路715。在电绝缘层的相对一侧为柱销705可与之有良好热接触的金属衬垫716(图7B)。例如通过焊接或环氧树脂粘接可得到这种接触。其它方法也是合适的。如果柱销直接固定到电绝缘层714上，同时具有良好的热接触和热传送性能，金属衬垫716就不需要了。该柱销可以是电绝缘层的延伸部，从而柱销或者具有这种作用的其它部件可作为一个整体。可选择的是，或者可结合的是，电绝缘层可以为各向异性从而其热导率在从TE元件到柱销方向较高，而在流动方向较低。使垂直于平面发生良好热传递的另一方法是让电绝缘层714很薄。虽然电绝缘层714最好在其流动方向具有良好的热绝缘性，但是该热绝缘性可在绝缘层上通过间隙717来提供或进一步增强，从而绝缘层的热导率可由TE元件704之间的空气或其它媒质来代替。在一个实施例中，间隙717可填充有具有较高热绝缘性的材料。

图7A的TE***700设计成使流体从右边向左边流动。具有周围环境温度T_A的流体710通过适当的管道711进入，并直接经过作为热交换器的柱销705。流体在左侧流出，其中被冷却的流体712具有冷却温度T_C，而加热的流体713具有较高温度T_H。在该实施例中，柱销705，包括其头部706，彼此没有良好的热接触，从而每个柱销与在流体流动方向的其它柱销有效地热隔离。较好的是，TE元件阵列701，具体地说是基片702、703设计成在流体流动方向上是热的不良导体，而在TE元件704和柱销705之间提供了良好的热传导性。

TE元件704可以是传统的TE元件。然而，对图7A设计中TE元件阵列701的TE元件704改型可进一步提高效率。在一个实施例中，TE元件704的结构设计成在图7A中右端上具有较低的电阻，并且向左电阻增加，或者相反，但是增加电阻方向与流动方向匹配。最好是，在较高电阻端的最后一个TE元件的电阻大约等于传统TE元件的电阻。比较有利的是，在x方向(在图7A中从右到左)的电阻R近似为：

(16) - - - R (x) = R_{0} (\frac{x}{L})

其中R₀＝在传统TE中一元件的电阻，以及

R(x)＝在x处TE元件的电阻。

其中恒定电流经过TE。

需要注意的是，由于R(0)将为零，公式(16)就不是很严密了。不过，如果R(0)小于

就会有实质性的好处(假定经过整个TE的电流I为恒定值)。另外，需要注意的是，在除了流体流出的端部以外的任何点，由于ΔT(x)和R(x)在别处较低，于是效率要比传统装置高，这在下面公式中可以看出。在任何点x处的效率或者COP可近似为：

(17) β_{p} (x) = \frac{α {IT}_{c} - \frac{1}{2} IR (x) - KΔT (x)}{αIΔT (x) + I^{2} R (x)}

其中

(18)R(x)＝在x处TE元件的电阻

(19)ΔT(x)＝在x处的ΔT

(20)β_p＝具有该几何形状的COP

电阻R(x)小于R₀，从而I²R(x)小于I²R₀，同时ΔT(x)小于ΔT(L)。在除了L以外的每个点x，比较有利的是，R(x)小于R₀，同时ΔT(x)小于ΔT(L)，从而分子在L处具有最小值。同样，比较有利的是，分母在x处更小，从而对于所有小于L的x，则β(x)大于β(L)。从0到L对β(x)的积分即为装置的COP，如果由于流体流动方式或在流体方向上热导率与传统TE***中相同，β实际上为常数，则通过上述方法得到的积分值大于COP。总之，由于在整个TE***700的热侧基片702和冷侧基片703(ΔT)之间的平均温差比传统***中的小，因此，图7A的TE***比传统TE***具有提高的效率，从而提高了热力效率。这些特性在图7A中的温度轮廓图中示出。对COP详细计算表明，β_p最好是比类似传统装置的COP大50％到150％。

图7D中示出了用于获得沿着装置长度方向增加电阻的TE***结构的一个实例。在该结构中，同样地，TE元件阵列721包括中间夹有多个TE元件724的热侧基片722和冷侧基片723。通过热侧基片722和冷侧基片723，多个柱销725与TE元件724具有良好的热接触，形成TE***720的热交换器。同样，沿着TE元件阵列721的热导率最好最小，这在图7C的实例中以热侧基片722和冷侧基片723中的间隙726的形式示出。在图7C中流动从左侧到右侧，其中具有周围温度T_A的流体727通过适当管道728，并流过起热交换器作用的柱销725。该流体以具有温度T_C的冷却流体729和具有温度T_H的加热流体730在右侧流出。在该实例中，通过改变TE元件724长度来使其电阻发生变化，其中较好的是，在入口736具有最小电阻和最短TE元件731，而在TE***720的出口端737有最大电阻和最长TE元件732。TE元件724的电阻也因此和其长度最好与图7D底部所示温度轮廓的两个曲线734和735的ΔT(x)733成正比。需要注意的是，这两个曲线不是象在图7A中那样的直线。ΔT(x)曲线的函数形式通过R(x)和电流以及其它影响流体加热和冷却的因素控制。无论ΔT(x)曲线的是什么函数形式，元件的电阻最好为一般形式。

图7E中示出了根据本发明的TE***740的又一个实例。除了热侧基片742为热交换器外，该实施例与图7D中所示的相同。从由TE***740产生热量的角度看，热侧基片742为散热片。最好是，从由TE***740产生热量的角度看，该散热片实际上无限大。在该结构中，TE元件阵列741包括中间夹有多个TE元件744的热侧基片742和冷侧基片743。通过冷侧基片743，多个柱销745与TE元件744具有良好的热接触，形成TE***740的冷侧热交换器。如果在使用中需要加热而不是冷却，则通过把电流方向颠倒，就可使热侧和冷侧对调。同样，在冷侧基片743，沿着TE元件阵列741长度的热导率最小。如图7D所示，通过冷侧基片743上的间隙746，可加强或得到热隔离。如在前面实例中所描述的，间隙746可以充满空气或其它低热导率的材料。在图7E中，流动从左边到右边，其中具有周围环境温度TA的流体747进入到适当管道748内，并从作为热交换器的柱销745旁流过。作为具有较凉温度T_C的冷却流体749的流体在右边流出。较好的是，通过改变TE元件744长度来使其电阻发生变化，其中在TE***740的入口具有最小电阻和最短TE元件751，而在TE***740的出口端有最大电阻和最长TE元件752。在该实例中，可以看出，TE元件744的电阻也因此和其长度与图7E底部所示温度轮廓图中的两个曲线754和755的ΔT(x)753大致成正比。在该实例中，曲线755是直线，因为热侧基片742实际上为无限大的散热片。这种散热片742可以是容器的壁，其中该壁的另外一侧与通过外部手段保持在常温下的大量流体接触。

图8中示出了根据本发明采用了TE元件热隔离的TE***800的又一个结构。就象图7A所示的，TE元件阵列801包括热侧基片702、冷侧基片703、多个TE元件704和与TE元件704良好接触的多个柱销705。在该实施例中，和前面一样，在流动方向采用热隔离，但是流体807和流体809来自TE***800的相对两端，其中通过冷侧管808具有周围环境温度T_A流入的流体807用于沿着冷侧流动，而进入热侧管810具有周围环境温度T_A的流体809用于沿着热侧流动。流体807、809流过柱销705，在各自对应的管道808、810的一端流出。在穿过相应的TE***800的热侧和冷侧流动后，最后加热的流体811以温度T_H从一端流出，而最后冷却的具有温度T_C的流体812从另一端流出。

比较有利的一个特定情况是当ΔT(x)和R(x)为常数时，因为此时趋向于这样有用的情况，即可平衡热力效率、容易制造和对减少不用侧(热侧)流动的需要。如果：

(21)ΔT(x)＝ΔT_c＝ΔT_h＝ΔT

则近似地：

(22) - - - β_{c} (x) = \frac{α {IT}_{c} - \frac{1}{2} I^{2} R - KΔT}{αIΔT + I^{2} R}

(23)β_c＝对于该几何形状的COP

如果该近似结果与用于ΔT_H＝ΔT_C的传统装置COP的相关公式相比，则本***将更有效，由于在公式(23)中，ΔT＝ΔT_c，而在传统装置中，

(24)ΔT＝ΔT_c+ΔT_h

同时假定ΔT_c＝ΔT_h，则

(25)ΔT＝2ΔT_c

从而从公式(22)中可知，β_c将比β大(公式14)，作为实例，对于下面设计参数：

α＝10^-1V/K

I＝3A

R＝2Ω

K＝2W/mK

T_c＝280C

ΔT_c＝ΔT_h＝10C

公式(22)得到：

(26)β_c＝2.11

对于ΔT＝2ΔT_c传统设计：

(27)β＝1.40

另外，由于***效率较高，总流量在不用侧809、811的一部分减少，从而在本设计方案中，来自q_in的相对较少热量从不用侧809、811被散失。

图8A的下部示出用于图8A中TE***800的流体温度轮廓图。

所有上述几何形状提供了本发明各种变化，这些变化涉及在流体流动方向上对TE元件进行热隔离。上述披露的隔离元件几何形状的益处包括：

(1)热力效率可实质性地提高；

(2)在主要侧(在具体应用中有利的一侧，冷侧或热侧)流体流动分量可实质性地提高。

虽然上面披露了具体实施例，然而产生或提供上面解释的热隔离效率的任何结构都包括在本发明的范围内。另外，除了通过上面披露的实施例得到的隔离效率外，如对减少电阻的增加也促进了改进。

图7A-E和图8示出了在流动方向上TE元件热隔离的重要特征，其中由于在流动方向上TE元件的电阻增加从而随之元件的性能提高。图9A到9E示出了包含这些特征但是利用了热交换器和TE元件不同几何形状的实施例的另外实例。

图9A和9B示出了TE***900这样的实施例，其中热交换器具有散热片，而没有柱销。图9A为侧视图，而图9B为端视图。如图所示，TE元件阵列901包括中间夹有多个TE元件904的热侧基片902和冷侧基片903。通过热侧基片902和冷侧基片903，多个热交换器905与TE元件904具有良好的热接触。通过最好焊接到基片902和903以及TE元件904上的电路908，建立了从元件到元件的电连接。如图所示，热交换器905包括薄金属散热片的皱褶，该散热片通过基片902和903与TE元件904(热侧和冷侧)具有良好的热接触。最好是，热交换器905由铜或其它材料制成，其中这些材料具有高热导率并具有尽可能平的底部边缘907以提供与基片902和903具有良好接触的最大表面。通过为被间隙909隔开的每排TE元件904设置独立的热交换器905，使在该实施例中在流动方向(与图9B平面垂直)的热导率最小。

图9C示出了TE***920的另一个实施例，该实施例示出了热管925和散热片926的使用。TE元件阵列921包括中间夹有多个TE元件924的冷侧基片923和热侧基片922。在该结构中，TE***设计成用于冷却。同样地，冷侧基片923在流动方向具有较差的热导率。多个热管925通过冷侧基片923与TE元件924具有良好的热接触，同时该热管925把热量在冷侧基片923和热交换器926之间传送，如图所示，该热交换器926在热管925的末端部。在该实施例中，流动方向是从图9C中的底部到顶部。在图9C中示出的TE***920中，热侧基片922与散热片926具有良好的热接触。比较有利的是，从由TE***920产生热量的角度看，散热片926实际上无限大。图中示出的TE***920还采用TE元件924在流动方向上变化的电阻。最低电阻元件927位于流动入口侧929，而最大电阻元件928位于流动出口侧930。此时的电阻与TE元件924的截面积成反比，从入口929到出口930的截面积减少，从而使电阻增加。TE元件924与上面描述过但为了清楚起见没有示出的电路电连接。

图9D和9E示出了用于冷却的被隔离TE***940的又一个实施例。图9D为端视图，而图9E为侧视图。示出的结构描述了一个制造带散热片的热交换器945的优选方法。如图所示，TE元件阵列941包括热侧基片942和冷侧基片943。至少冷侧基片943在流动方向上具有较低热导率。这些基片942和943中间夹有多个TE元件944，该TE元件944与上述电路949电连接在一起。单个散热片阵列945通过冷侧基片943而与TE元件944具有良好的热接触。不管是否是一整体，经过散热片阵列945流动方向上的热导率也通过邻近散热片区之间间隙946而减少。接头947把整个阵列固定在一起。较好的是，这些接头947与间隙946相比足够小，从而它们不明显增加在相邻散热区之间的热传递。可通过TE元件电阻来得到的增强在图9中示出，其中TE元件944的长度随着从入口950到出口951流动方向而增加。根据前面的实施例，变化的电阻可通过其它方式而获得，如改变TE元件944的截面、改变TE元件材料的电阻率，或者对TE元件的长度、截面和电阻率改变的结合。最后，散热片948与热侧基片942具有良好的热接触。这种散热片最好是图7E和9C中描述的那种。

图10示出了另外实施例，由于在流动方向上TE元件的电阻变化(和隔离的元件)，该实施例获得与前面描述实施例类似的性能增强。在该实施例中，TE元件的电阻在整个装置上是相同的，但施加到元件上的电压沿着流动方向上是变化的。

在图10中示出了TE***1000的实例，其中TE元件1001包括中间夹有多个TE元件1004的热侧基片1002和冷侧基片1003。多个热交换器1005通过热侧基片1002和冷侧基片1003与TE元件1004有良好的热接触。该热交换器1005和基片1002、1003可具有前面实施例中描述的任何结构。象图9A和9B描述的那些一样，热交换器1005通过基片1002和1003与TE元件1004具有良好的热接触(热侧1011和冷侧1010)。如图10所示，在热侧1011和冷侧1010的流动是从左边到右边。具有周围环境温度T_A的流体1009进入到左边，并越过或穿过热交换器1008，流体温度在整个TE***1000上逐渐变化，直到以流体1010和1011在右边流出，其中在冷侧流体1010具有减少的温度T_C，而在热侧流体1011具有升高的温度T_H。通过连接到基片1002和1003以及TE元件1004上的电路1008，建立了从TE元件到TE元件的电连接。不同于前面实施例中基片上的互连电路，基片电路1008不与所有的TE元件1004串联连接。

在图10中，电路1008设计成使与流动方向垂直的单个TE元件1004或TE元件1004行可具有不同电源，从而可使不同电流流经该元件或元件行。因此，如图10所示，在热电阵列1001的不同段或区加有不同的控制电压1020。在一个实施例中，多个传感器1013、1014、1015与控制***1012连接，该控制***1012用于监控TE***。该控制***1012与多个控制电压1020连接，从而控制加在TE阵列1001上不同元件或行上的电流。根据外部条件或***本身条件，通过控制***1012可对沿着TE***1000长度上的电压进行改变。其中一些或全部可存在的这些条件包括外部温度或流量、内部温度或流量，通过具体的TE元件或TE元件行，用户可选择地进行输入以手动控制需要的加热或冷却量。

通过如传感器1013、1014的传感器可对如外部温度或流量、内部温度或流量的条件进行监控。用户可选择的输入可通过控制***1012的旋钮、拔号盘、按钮或其它程序化方式来进行。例如，可为用户提供可选择或结构化输入的用户界面1015。最好是，通过用户界面1015，被监控的条件或借助于传感器1013、1014监控的条件的断路电平(triplevels)可进行修改以使TE***专门满足特殊用途或任意给定时间的特殊条件。传感器1013、1014和1015通过控制电路1012来监控，该控制电路1012采用硬件或软件关系(其特性取决于用途)来使施加的电压根据传感器输入而变化。

这种***的优点是，它可使TE元件1004产生的热能随着需要而变化，以提高效率。例如，这使得对经过TE元件1004的电流随流动条件的变化而随时进行调整。通过公式32可以理解利用本实施例得到效率增益的能力，公式32给出了在沿TE***长度上任意点x处的该***最佳效率I_opt(x)的电流。

(28) - - - I_{opt} = \frac{αΔT (x)}{R (\sqrt{1 + ZT} - 1)}

在公式(28)，参数α和Z为TE材料的性能参数。R为TE元件1004的电阻，在讨论图10中实施例时，该电阻可以认为在整个TE***1000中是恒定的。因此，公式(28)示出对于最佳效率，I_opt与ΔT成正比。为了获得I_opt，需要使在位置x处的元件电压为I_opt和R的乘积。由于在实例中，ΔT从左边的零增加到右边的最大值，最左边元件应该加上尽可能低的实用电压，同时在出口端1010和1011增加到最大值。这样，在图10中，0＜V1＜V2＜V3……＜Vn。最好是，随着流动方向x位置的电压变量近似为：

(29) - - - V (x) = \frac{αΔT (x)}{R (\sqrt{1 + ZT} - 1)}

图11示出了根据本发明一个方面的TE***1100的又一个实例，其中由于通过机械方式对电阻改变，从而性能得到提高。TE元件阵列1101包括中间夹有多个TE元件1104的热侧基片1102和冷侧基片1103。在该实施例中，TE元件1104由容纳在管1110内的液体TE材料1109制成，该管1110末端由互连电路1108和热侧基片1102及冷侧基片1103联合封闭。液体TE材料可能的实例为具有成为液体时温度(室温以上)的铊和碲的混合物(P型)以及汞/铷混合物(N型)。另外实例是P型的混合在汞内的铋和碲化物以及N型的混合在汞内的铋和碲化物。A.F.LOFFE在“半导体热元件”及“热电冷却”(1957年伦敦的INFOSEARCH杂志)一文中描述过一些这样的材料。

多个热交换器1105通过冷侧基片1103与TE元件1104具有良好的热接触。如在该实例中所示的，热交换器1105与图9A和9B描述的那些类似，通过冷侧基片1103与TE元件1104具有良好的热接触。如上所述，该热交换器可以是多个不同的种类，如销钉、散热片或热管，或者是多个其它热交换器型。如以前那样，TE元件1104充分地或至少在冷侧基片1103的流体流动方向上被明显地热隔离。散热片1114(从TE***1100实际上为无限大的角度看)通过热侧基片1102与TE元件1104具有良好的热接触。在该实施例中，在TE元件1104的至少一些或者有可能的话全部设置有柱塞1107。该柱塞具有孔1108，并与致动器1115联接，其中该致动器1115与***控制器1116联接。该***控制器1116联接到多个传感器1117、1118和1119上。例如，该传感器可以是外部传感器1117、内部传感器1118和用户控制的或用户输入的装置1119。最好是，***控制器1116为致动器1115提供基于硬件或微处理器的计算机控制，该***控制器包括致动器1115的电源或驱动器，为致动器1115提供需要的充足电流。通过与基片1102和冷侧基片1103连接并与TE元件1104的表面以及柱塞1107接触的电路1106，实现从TE元件到TE元件的电连接。利用滑动触点1113，可得到柱塞1107与热侧基片1102的电接触。在柱塞1107上的孔1108可使液体TE材料1109在柱塞移动时经过该孔。在任何位置，柱塞1107把液体TE材料分成前区1111和后区1112。在该实施例中，柱塞1107由导电材料制成，该材料的导电率明显大于液体TE材料1109的导电率。当柱塞1107没有完全靠在热侧电路1106上从而后区1112容积不为零时，液体TE材料1109一部分被柱塞1107显著变短，这样，把TE元件1104的电阻减少到小于最大电阻的某些值。这样，可根据固定或随着时间变化的方案来调整柱塞1107的位置，以沿着TE***1100长度方向来改变TE元件1104的电阻。控制方案与图10中描述的类似，不同的是，没有改变加在TE元件1104上的电压，而是通过利用致动器1115来改变柱塞1107的位置，其中致动器1115由响应来自外部传感器1117、内部传感器1118、用户输入传感器1119或其它信号装置的控制器1116或其它电源来控制。

在本领域都知道，通过使用适当的磁场来增强某些TE材料的性能。图12示出了TE***1200的实施例，其中TE元件1204的材料结构是这样的，它可使磁场加在TE元件的整个宽度上。如图所示，TE元件阵列1201包括中间夹有多个TE元件1204的热侧基片1202和冷侧基片1203。热交换器1205通过热侧基片1202和冷侧基片1203与TE元件1204具有良好的热接触。如图所示，热交换器1205为如图9A和9B中描述的任何适当的结构。在该实施例中，如前面那样，在流动方向上对TE元件1204采用充分或明显的热隔离。通过焊接或其它方式固定到热侧基片1202和冷侧基片1203以及TE元件1204上的电路1206，可得到TE元件的串联电连接。例如，对于某些TE材料，可加有适当的磁场，该磁场来自于关于其极性取向成相同方向的永磁铁(在图12中N表示北极和S表示南极)。该磁场(由虚线表示)1208穿过TE元件1204的宽度。

图13示出了TE***1300的实施例，其中TE元件1304的材料结构是这样的，它可通过在整个TE元件长度上利用适当磁场可得到增强。如图所示，TE元件阵列1301包括中间夹有多个TE元件1304的热侧基片1302和冷侧基片1303。在该实施例中，热交换器1305通过冷侧基片1303而与永磁铁1307具有良好的热接触，永磁铁1307又依次地与TE元件1304具有良好的热接触。在一个实施例中，磁铁形成热交换器。可选择的是，热交换器1305与图9A和9B中描述的类似。在该实施例中，在流动方向对TE元件1304采用了充分或明显的热隔离。散热片1309(从TE***1300实际上为无限大的角度看)通过热侧基片1302而与TE元件1304具有良好的热接触。散热片1309可由类似铁等具有高导磁率的材料制成。通过以焊接或其它方式固定到热侧基片1302和冷侧基片1303以及TE元件1304上的电路1306，可得到TE元件的串联电连接。可加有适当的磁场，该磁场来自于关于极性成对取向的永磁铁(在图13中N表示北极和S表示南极)。通过高导磁率散热片1309在热侧上完成磁路。该磁场(由虚线表示)1308因此可充分地穿过TE元件1304的宽度。

在上面披露的实施例中，热量传递或者排出热量的媒质为液体。图14示出了用固体代替液体的结构。图中示出了TE***1400，其中TE元件阵列1401包括中间夹有多个TE元件1404的热侧基片1402和冷侧基片1403。散热片1409(从TE***1400实际上为无限大的角度看)通过热侧基片1402而与TE元件1404具有良好的热接触。通过以焊接或其它方式固定到热侧基片1402和冷侧基片1403以及TE元件1404上的电路1407，可得到TE元件的串联电连接。被冷却固体材料1405(在示出的情况)从图中左边被移动到右边，同时通过冷侧基片1403而与TE元件1404具有良好的热接触。例如通过热脂1406，可在固体1405和冷侧基片1403之间的界面上得到良好的导热性。当固体1405经过冷侧基片1403时，就被TE元件1404逐渐地冷却。最好是，从TE元件通过基片1403和热脂1406以及通过固体1405但不沿着固体运动方向，固体材料具有良好的导热性。固体1405的适当材料可以为复合物或其它各向异性的材料，或者固体1405可以在垂直于运动方向上开槽，同时槽内填有例如绝热体。

图15A到15G示出了沿着被隔离元件TE***长度方向上不同温度轮廓的实例。在这些所有的附图中，从右到左表示热侧流动，而从左到右表示冷侧流动。对于这些一侧具有散热片的实例中，在带有散热片的一侧没有流动。点O始终在左边，表示冷侧流动的进入端和热侧流动的流出端。点L始终在右边，表示冷侧流动的出口端和热侧流动的进入端。水平线始终表示周围环境温度T_A。图15A示出了ΔT_C＝ΔT_H的情况。图15B示出了ΔT_C＞ΔT_H的情况。图15C示出了ΔT_C＜ΔT_H的情况。图15D示出了热侧具有无限大散热片因此ΔT_H＝0的情况。图15E示出了冷侧具有无限大散热片因此ΔT_C＝0的情况。图15F示出了温度为T_CIN＜T_A的冷流体进入的情况。图15G示出温度为T_HIN＞T_A的热流体进入的情况。根据本发明的启示，可预想到其它温度轮廓，同时设计出形成所有散热片的可能组合、输入温度和输出温度的装置。

在两种模式的操作中，理想的公式(9)表示当在冷却模式下的COP是最好的，同样在加热模式下COP也是最好的。然而，流速、TE元件电阻对位置的变化，或者TE元件电流对位置的变化对于该应用场合不适用。通过对热电基本公式推导的这些参数进行调整可使整个***性能最优化。

图16示出了TE***1600的另一个实施例，其中在不用侧上的流体横穿TE阵列1601长度上的区段1609。象在前面的实施例中那样，TE阵列1601包括其间夹有多个TE元件1604的热侧基片1602和冷侧基片1603。多个柱销1605通过热侧基片1602和冷侧基片1603与TE元件1604具有良好的热接触，并形成了TE***1600的热交换器。如上所述，柱销1603具有与销钉类似的形式，其头部1606与TE元件1604(热侧和冷侧)具有良好的热接触。最好是，柱销1605由铜或者其它具有高热导率的材料制成。根据应用或热传递发生的流体，柱销1605可用上面已经描述过的其它热交换器结构或几何形状代替。

沿着电路1606的热侧基片1602和冷侧基片1603的结构如图7A到7C中那样，保持了沿着TE阵列1601长度对TE元件1604的热隔离。热侧管道1607固定到TE***1600的热侧上，以在左边把温度为T_A的流体引入经过在热侧的热交换器1605，同时在右边引导温度为T_H的流体流出。多个管道1608固定到TE***1600的冷侧，以把流体引导经过热交换器1605的多个区段1609。具有温度T_A的流体在两个管道1608的左端分别进入其各自的最左边，并在其各自的右端流出。具有温度T_A的流体在两个管道1608的右端进入其各自的最右端，并在左端流出。附图示出了在冷侧的三个区段1609，其中冷侧在示出的实施例中为无用侧，其也可以是任意个区段，同时它们不必都具有相同长度或在相同方向流动。冷侧出口温度T_C1、T_C2等不一定相同，经过每个出口流体量也不一定相同。

因为具有温度T_A的冷侧空气沿着TE***1600长度在多个点引入，在TE元件1604上的ΔT比如果冷侧空气在排出前经过冷侧的所有热交换器1605时的ΔT要小。如公式10所示，当ΔT较小时，COP变得较大；从而TE***1600的热侧可比具有单个冷侧管道时更暖。在图16底部的温度轮廓图中示出了这种情况。在具有温度T_A的流体进入的每个点(点0、L₁、L₂…)，上个区的COP变得相对小。具有T_A的新流体提高了流体进入级的COP，从而得到了整个该区段的附加的ΔT。需要注意的是，通常，每个区段增加的净ΔT将使装置的长度减小，除非在后面一级(L₂等)进入的流体具有比T_A高的温度，或者在后面一级的散热能力足够大。

图16中示出的实施例示出了在加热模式下操作的TE***。该同一技术与在冷却模式中类似，用于提高TE***的性能，其中在不用侧的流体在多个点进入。

图17示出了TE***1700的另一个实施例，其中在不用侧(冷侧)的流体在区段1709上横穿TE阵列1701的长度。图17不同于图16的地方在于，在图17中，流动是从TE***1700的相对两端进行的。TE阵列1701与图16中一样，包括热侧基片1702、冷侧基片1703、多个柱销1705、电路1706、热侧管道1707和用于热交换器1705多个区段1709的多个管道1708。

同样地，图17中示出的实施例描述了在加热模式下操作的TE***。该同一技术与在冷却模式中类似，用于提高TE***的性能，其中在不用侧的流体在多个点进入。而且，不是所有不用侧流体需要在同一方向流动、以相同温度进入、以相同间隔或相等长度段流动，或者具有相同的流体流速。

图18示出了TE***1800的另一实施例，其中在不用侧上的流动不用横穿TE阵列1801的整个长度。就象图16中那样，该TE阵列1801包括热侧基片1802、冷侧基片1803和多个柱销1805。热侧管道1807固定到TE***1800的热侧上，在左边把具有温度T_A的流体引入，经过在热侧上的热交换器1 805，并在右边以温度T_H流出。管道1808固定到TE***1800的冷侧上，以把流体导引经过热交换器1805。在图中具有温度T_A的流体在左边进入到冷侧管1808。阀1809具有两个位置，一个位置(打开)使流体经过整个管道1808流动，从而以温度T_C在右端流出。阀1809的另一个位置(闭合)使流体仅流过管道1808的一部分，从而以温度T_C ^*在中间位置1810流出。图中示出了两个区段1812，但同时可以是任何数量，同时它们不必要是相同长度、具有相同方向的流体流动或具有以相同温度进入的流体。

如果阀1809处于打开位置，同时TE***需要只产生较小的ΔT，如图18底部所示，温度轮廓为1820和1821(长虚线)。需要注意的是，在流出点L₂，冷侧曲线的斜率为非零，从而热流也为非零。因此，在该情况下，TE***1800仍然从冷侧迁移热量，并仍然把热量散布给热侧。如果阀仍然处于打开位置，则TE***1800就需要产生较大的ΔT，为了产生足够的ΔT，加在TE***1804上的能量是必要的，同时冷侧温度轮廓近似为曲线1822和1823。需要注意的是，在一些中间点L₁，冷侧温度的斜率实际上为零。如果流动能继续经过L₁，则冷侧温度轮廓将继续沿着曲线1823(短虚线)。如果阀1809关闭，从而使流体从流出点1810处倾泻出，则除了热损失外的所有焦耳热量可用来进一步把热侧温度提高到T_H ^*，形成热侧温度轮廓1824。

使流动从TE阵列1801的一部分开始的技术也可用于流动从相对一端开始的装置中。另外，阀1809和单个冷侧管道1808可用多个阀和管道来代替。

在上面描述的所有实施例中，可设置与图10和11中描述类似的***控制器。那些描述集中在利用控制器调节TE元件上的电压(图10)，并调节柱塞的位置(图11)。该控制器还可利用来自相同或类似传感器输入的信息与硬件或软件关系一道来调节例如电流(对于TE元件的串联)或热侧、冷侧流速。该软件关系的形式可以为查找表、公式或其它算法。使用这种控制器从而为提高总效率以减少平均输入能量或另外改变***输出而提供了机会。

上述控制器考虑到了监控几个参数并根据这些参数来动态调节***的可能性，然而，该控制***可以为非常简单的***，如由用户使用的开关等。例如，控制***可只是一个开关，该开关改变在热电***中电流的方向，以从冷却到加热进行变化，或者改变电流以动态地调节电流量，从而使冷却或加热量变化，其中传感器输入为确定温度太热或太冷的人。

上述描述建议，每排TE元件在长度、面积、电阻率或在施加的电能上要变化。考虑到可制造性、简单化和低成本，TE元件组可以相同或设计成子模块。这样，不是每排都必须不同。这种简化仍能提高效率，同时根据采用的不同尺寸、能量、标准的多少而有不同程度改进。

在上述实施例中，其中可采用散热片，散热片可由热管或其它热传递机构来代替。这样，散热片或类似部件可距离较远，或者组件可联接到另外的一个或多个可把废热能排掉的组件上。另外，虽然已经描述了流体和固体用于冷却或加热的媒质，然而，流体和固体的组合，如泥浆(Slury)等也可作为冷却或加热的媒质。最后，结合热隔离特性对提高效率的各种方式进行了描述。然而，如改变电阻、改变电流及上述其它提高效率的方式可在具体应用中适当地一起或单独使用。

上述实施例集中对所提出的TE***的冷侧或冷却特性进行了讨论。通过改变流经这种装置的电流方向或改变从热侧到冷侧的输出的方向，加热或加热和冷却也可具有相同或者类似结构。对于任意具体使用的最优化可取决于TE***的特定用途。然而，在具体应用中可出现几个潜在的差别：

1)在加热模式，在汽车、家庭或工业加热***中，例如，需要的ΔT_H要比ΔT_C充分大；

2)质量流动比(主要侧到不用侧)需要调节以使性能最优化；

3)目前的TE热抽汲功率(pumping power)的能力把整个装置的ΔT限制到约70摄氏度，因此要得到具有高COP的高ΔT_H，结构和流动模式需要根据任何具体应用来调整；以及

4)当根据需要，***需要在加热或冷却两种模式下操作时，(HVAC或热泵***)设计最好是有足够的灵活性以在两种模式下有效地操作。

Claims

1.与至少一种要冷却或加热媒质一起使用的一种热电***，包括：

多个热电元件，形成具有冷侧和热侧的热电阵列；其中多个热电元件在整个阵列至少一个方向上彼此充分热隔离；以及

至少一个热交换器，位于与至少一个热电元件热传递的至少冷侧和/或热侧上，热交换器设计成可有效地保持热电元件的热隔离。

2.根据权利要求1所述的热电***，其中至少一种媒质在至少一个方向上移动穿过阵列至少一侧的至少一部分。

3.根据权利要求2所述的热电***，其中所述一些热电元件的至少一个特征在媒质移动方向上变化。

4.根据权利要求3所述的热电***，其中所述至少一个特征至少包括所述至少一些热电元件的电阻。

5.根据权利要求4所述的热电***，其中所述电阻通过改变所述至少一些热电元件的长度而变化。

6.根据权利要求4所述的热电***，其中所述电阻通过改变所述至少一些热电元件的横截面积而变化。

7.根据权利要求4所述的热电***，其中所述电阻通过改变所述至少一些热电元件的机械结构而变化。

8.根据权利要求4所述的热电***，其中所述电阻通过改变至少一种热电材料的电阻率而变化。

9.根据权利要求1所述的热电***，其中对于在阵列上至少一些热电元件，经过所述热电元件的电流是不同的。

10.根据权利要求2所述的热电***，其中所述热交换器包括多个部分，这些部分中的至少一些与所述至少一个热电元件热传递，而这些部分中的至少一些在媒质运动方向上与其它所述部分充分热隔离。

11.根据权利要求10所述的热电***，其中所述至少一些所述部分包括柱销。

12.根据权利要求10所述的热电***，其中所述至少一些所述部分包括热管。

13.根据权利要求10所述的热电***，其中所述至少一些所述部分包括散热片。

14.根据权利要求1所述的热电***，其中在每个冷侧和热侧上至少有一个热交换器。

15.根据权利要求1所述的热电***，其中一侧具有散热片，同时一侧具有至少一个热交换器。

16.根据权利要求15所述的热电***，其中散热片带有至少一个热管，该热管一端与热电阵列一侧热传递，而另一端与散热片热传递。

17.根据权利要求1所述的热电***，其中所述热电元件受到至少一种磁场作用。

18.根据权利要求1所述的热电***，其中所述媒质包括至少一种流体。

19.根据权利要求1所述的热电***，其中所述媒质包括至少一种固体。

20.根据权利要求1所述的热电***，其中所述媒质包括至少一种流体和至少一种固体的混合物。

21.根据权利要求3所述的热电***，其中所述至少一个特征是通过对所述热电***的机械机构进行调整而可动态进行调节。

22.根据权利要求21所述的热电***，其中与所述热电***联接的控制***根据至少一个输入给所述控制***的输入信号来调节机械结构。

23.根据权利要求22所述的热电***，其中所述控制***根据至少一种算法进行操作。

24.根据权利要求3所述的热电***，其中与所述热电***联接的控制***根据至少一个输入到控制***的输入信号来调节该至少一个特征。

25.根据权利要求24所述的热电***，其中所述控制***根据至少一种算法进行操作。

26.与具有取向运动的至少一种要冷却或加热媒质一起使用的热电***，包括：

多个热电元件，形成具有冷侧和热侧的热电阵列，其中这些热电元件中的至少一些的至少一个特征在媒质运动方向上是变化的。

27.根据权利要求26所述的热电***，其中所述至少一个特征包括至少一些热电元件的至少电阻特征。

28.根据权利要求27所述的热电***，其中所述电阻通过改变至少一些热电元件的长度而变化。

29.根据权利要求27所述的热电***，其中所述电阻通过改变至少一些热电元件的横截面积而变化。

30.根据权利要求27所述的热电***，其中所述电阻通过改变所述至少一些热电元件的机械结构而变化。

31.根据权利要求27所述的热电***，其中所述电阻通过改变至少一种热电材料的电阻率而变化。

32.根据权利要求26所述的热电***，其中所述至少一个特征是通过对所述热电***的机械机构进行调整而可动态地进行调节。

33.根据权利要求32所述的热电***，其中与所述热电***联接的控制***根据至少一个输入到所述控制***的输入信号来调节机械结构。

34.根据权利要求33所述的热电***，其中所述控制***根据至少一种算法进行操作。

35.根据权利要求26所述的热电***，其中所述至少一个特征包括经过热电元件的电流。

36.根据权利要求26所述的热电***，其中所述热电阵列至少在冷侧或热侧上具有至少一个热交换器。

37.根据权利要求36所述的热电***，其中所述热交换器包括多个部分，这些部分中的至少一些与至少一个热电元件热传递，而这些部分中的至少一些在媒质运动方向上与其它所述部分充分热隔离。

38.根据权利要求37所述的热电***，其中所述至少一些所述部分中包括柱销。

39.根据权利要求37所述的热电***，其中所述至少一些所述部分中包括热管。

40.根据权利要求37所述的热电***，其中所述至少一些所述部分中包括散热片。

41.根据权利要求36所述的热电***，其中在每个冷侧和热侧上至少有一个热交换器。

42.根据权利要求36所述的热电***，其中一侧具有散热片，另一侧具有一个热交换器。

43.根据权利要求26所述的热电***，其中所述热电元件受到至少一种磁场作用。

44.根据权利要求26所述的热电***，其中所述媒质包括至少一种流体。

45.根据权利要求26所述的热电***，其中所述媒质包括至少一种固体。

46.根据权利要求26所述的热电***，其中所述至少一种媒质包括至少一种流体和至少一种固体的混合物。

47.根据权利要求26所述的热电***，其中与所述热电***联接的控制***根据至少一个输入到控制***的输入信号来调节该至少一个特征。

48.根据权利要求47所述的热电***，其中所述控制***根据至少一种算法进行操作。

49.一种制造改进的热电***的方法，其中所述热电***与至少一种要冷却或加热媒质一起使用，该方法包括的步骤为：

把多个热电元件形成在具有冷侧和热侧的热电阵列内；其中多个热电元件在整个阵列上至少一个方向上彼此充分热隔离；以及

从热电阵列的至少一侧交换热量，其交换热量的方式充分保持热电元件的热隔离。

50.根据权利要求49所述的方法，还包括的步骤为，在至少一个方向上、穿过阵列至少一侧的至少一部分移动该至少一种媒质。

51.根据权利要求50所述的方法，还包括的步骤为，改变热电元件在媒质移动方向上的至少一个特征。

52.根据权利要求51所述的方法，其中改变的步骤包括对至少一些热电元件的至少电阻特征进行改变。

53.根据权利要求52所述的方法，其中改变所述电阻的步骤包括改变至少一些热电元件的长度。

54.根据权利要求52所述的方法，其中改变所述热电元件电阻的步骤包括改变至少一些热电元件的横截面积。

55.根据权利要求52所述的方法，其中改变所述热电元件电阻的步骤包括改变至少一些热电元件的机械结构。

56.根据权利要求52所述的方法，其中改变所述热电元件电阻的步骤包括改变至少一些热电元件的电阻率。

57.根据权利要求49所述的方法，还包括改变经过阵列中所述至少一些热电元件的电流。

58.根据权利要求50所述的方法，其中交换热量的步骤包括提供一个热交换器，该热交换器包括多个部分，每个部分与所述至少一个热电元件热传递，而这些部分中的至少一些在媒质运动方向上与其它所述部分充分热隔离。

59.根据权利要求58所述的方法，其中至少一些所述部分包括柱销。

60.根据权利要求58所述的方法，其中至少一些所述部分包括热管。

61.根据权利要求58所述的方法，其中至少一些所述部分包括散热片。

62.根据权利要求49所述的方法，交换热量的步骤包括在冷侧和热侧上进行热量交换。

63.根据权利要求49所述的方法，进一步包括从热电阵列的至少一侧进行散热。

64.根据权利要求49所述的方法，进一步包括使所述热电元件受到至少一种磁场作用的步骤。

65.根据权利要求49所述的方法，其中所述媒质包括至少一种流体。

66.根据权利要求49所述的方法，其中所述媒质包括至少一种固体。

67.根据权利要求49所述的方法，其中所述至少一种媒质包括至少一种流体和至少一种固体的混合物。

68.根据权利要求51所述的方法，其中改变的步骤包括通过对热电***的机械机构进行调整而动态地调节该至少一个特征。

69.根据权利要求68所述的方法，其中动态调节的步骤包括估算至少一个参数并根据该估算进行调节。

70.根据权利要求69的方法，其中一种算法响应于表示所述至少一个参数的至少一个传感器输入，根据该算法进行动态调节步骤。

71.根据权利要求51所述的方法，进一步包括根据至少一个参数的估算值、对至少一个特征进行动态调节的步骤。

72.根据权利要求71所述的方法，其中一种算法响应于表示所述至少一个参数的至少一个传感器输入，根据该算法进行动态调节步骤。

73.与至少一种要冷却或加热媒质一起使用的热电***，包括：

把多个热电元件形成在具有冷侧和热侧的热电阵列内的装置；其中多个热电元件在整个阵列上至少一个方向上彼此充分热隔离；以及

从热电阵列的至少一侧交换热量的装置，其交换热量方式充分保持热电元件的热隔离。

74.根据权利要求73所述的方法，其中所述至少一种媒质在至少一个方向上、穿过阵列至少一侧的至少一部分移动。

75.根据权利要求74所述的热电***，其中所述热电元件的至少一个特征在媒质移动方向上被改变。

76.根据权利要求75所述的热电***，其中所述至少一个特征包括至少一些热电元件的电阻。

77.根据权利要求75所述的热电***，其中所述至少一个特征包括经过阵列中至少一些热电元件的电流。

78.根据权利要求74所述的热电***，其中交换热量的装置包括热交换器。

79.根据权利要求78所述的热电***，其中热交换器包括多个部分，每个部分均与至少一个热电元件热传递，而热交换器的至少一些部分在媒质运动方向上与热交换器的其它部分充分热隔离。

80.根据权利要求79所述的热电***，其中所述至少一些部分包括柱销。

81.根据权利要求79所述的热电***，其中所述至少一些部分包括热管。

82.根据权利要求79所述的热电***，其中所述至少一些部分包括散热片。

83.根据权利要求73所述的热电***，还包括从热电阵列的至少一侧进行散热的装置。

84.根据权利要求73所述的热电***，其中所述媒质包括至少一种流体。

85.根据权利要求73所述的热电***，其中所述媒质包括至少一种固体。

86.根据权利要求73所述的热电***，其中所述至少一种媒质包括至少一种流体和至少一种固体的混合物。

87.根据权利要求75所述的热电***，其中所述至少一个特征通过动态调节来改变。

88.根据权利要求87所述的方法，其中一种算法响应于表示所述至少一个参数的至少一个传感器输入，根据所述算法进行动态调节。