Компактные высокоэффективные термоэлектрические системы

Компактные высокоэффективные термоэлектрические системы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предпосылки изобретения

Область применения изобретения

Настоящее описание относится к усовершенствованным конструкциям твердотельных систем охлаждения, нагревания и выработки электроэнергии.

Описание уровня техники

В термоэлектрических устройствах используются свойства некоторых материалов, заключающиеся в том, что в присутствии электрического тока в материале создается температурный градиент. В обычных термоэлектрических устройствах в качестве термоэлектрического материала используются дырочные и донорные полупроводники. Эти полупроводники с точки зрения физических и электрических свойств выполнены с обеспечением необходимой функции нагревания или охлаждения.

Самая распространенная конструкция, используемая в известных до настоящего времени термоэлектрических устройствах, показана на фиг.1. В целом дырочные и донорные термоэлектрические элементы 102 расположены в прямоугольном устройстве 100 между двумя подложками 104. Ток I проходит через элементы обоих типов. Элементы 102 последовательно соединены медными шунтами 106, посаженными на их торцы. Подводимое напряжение 108 постоянного тока создает в термоэлектрических элементах температурный градиент.Термоэлектрические устройства обычно используются для охлаждения жидкостей, газов и различных объектов.

Твердотельные системы охлаждения, нагревания и выработки электроэнергии (ТСОНВЭ) используются с шестидесятых годов двадцатого столетия в военном и аэрокосмическом оборудовании, а также в системах регулирования температуры и выработки электроэнергии. Коммерческое использование этих систем ограничено, поскольку они являются слишком дорогими для выполняемой ими функции и имеют низкую удельную мощность, так что ТСОНВЭ имеют большие размеры, более высокую стоимость, меньшую эффективность и больший вес по сравнению с системами аналогичного назначения, имеющимися на рынке.

Недавние успешные разработки материалов открывают перспективы повышения эффективности и удельной мощности примерно в сто раз по сравнению с существующими системами.

Сущность изобретения

Повышение эффективности, обеспечиваемое в конструкциях, описанных в одновременно находящейся на рассмотрении заявке №09/844818 под названием «Термоэлектрическое устройство повышенной эффективности с теплоизоляцией», позволяет повысить производительность на 50-100% при применении этих конструкций во многих важных областях. В сочетании с осуществляемыми усовершенствованиями материала возможен выигрыш в эффективности системы в четыре раза и более. Перспективы этих существенных усовершенствований привели к возрождению интереса к этой технологии и к усилиям по разработке ТСОНВЭ для применения в новых областях.

В целом здесь описано новое семейство конструкций ТСОНВЭ. Эти конструкции являются компактными, обеспечивают высокоэффективное преобразование энергии и могут иметь относительно низкую стоимость. Главным образом, описано несколько вариантов их исполнения, в которых термоэлектрические элементы или модули размещены между теплообменниками. Термоэлектрические модули преимущественно ориентированы так, что в любых двух модулях, между которыми помещен теплообменник, стороны с одинаковой температурной функцией обращены к этому теплообменнику. Например, охлаждающие стороны каждого из термоэлектрических элементов, между которыми расположен теплообменник, обращены к одному теплообменнику и таким образом друг к другу. Предпочтительно, по меньшей мере одну рабочую среду последовательно пропускают через по меньшей мере два теплообменника, так что их функция нагревания или охлаждения дополнительно нагревает или охлаждает рабочую среду. Дополнительная выгода такой конфигурации состоит в том, что она позволяет использовать преимущества теплоизоляции, описанной в заявке №09/844818 на патент США, в промышленно применимых системах, обладающих, как указано выше, высокой эффективностью и удельной мощностью. Как указано в заявке, повышение эффективности термоэлектрического устройства, главным образом, достигается путем подразделения всего блока термоэлектрических элементов на теплоизолированные узлы или части. Например, теплообменники могут быть разделены на части для создания теплоизоляции в направлении потока рабочей среды. Так, термоэлектрическая система имеет множество термоэлектрических элементов, образующих термоэлектрический массив, который имеет охлаждающую и нагревающую сторону, причем термоэлектрические элементы из указанного множества по существу изолированы друг от друга по меньшей мере в одном направлении. Предпочтительно указанная теплоизоляция создается в направлении потока рабочей среды. Эта теплоизоляция может быть создана благодаря выполнению теплообменника разборным, причем части теплообменника теплоизолированы в направлении потока рабочей текучей среды.

В настоящем описании само по себе последовательное использование для рабочей текучей среды теплообменников одной температурной функции обеспечивает некоторую теплоизоляцию. Кроме того, теплообменники или термоэлектрические элементы, а также их части или любые комбинации могут быть выполнены с созданием теплоизоляции в направлении потока рабочей текучей среды в дополнение к теплоизоляции, имеющей место благодаря наличию ряда или последовательности теплообменников, через которые последовательно проходит по меньшей мере одна рабочая текучая среда.

Принципы, изложенные здесь применительно к системам охлаждения и/или нагревания, в равной степени применимы и для систем, предназначенных для выработки энергии. Система может быть отлажена с достижением максимальной для данной области применения эффективности, но основные принципы действуют в любом случае.

Конкретные варианты выполнения, описанные в этой заявке, позволяют упростить конструкцию ТСОНВЭ и снизить их стоимость, одновременно сохранив или даже увеличив их эффективность благодаря теплоизоляции.

Первый аспект настоящего изобретения включает термоэлектрическую систему, содержащую множество термоэлектрических модулей, по меньшей мере некоторые из которых по существу теплоизолированы друг от друга и каждый из которых имеет горячую сторону и холодную сторону. По меньшей мере одни твердые рабочие средства, выполненные с возможностью перемещения, находятся в тепловом контакте последовательно по меньшей мере с двумя из указанного множества термоэлектрических модулей, так что эти рабочие средства постепенно охлаждаются или нагреваются поэтапно по меньшей мере двумя из указанного множества термоэлектрических модулей, при этом рабочие средства выполнены с возможностью их перемещения по мере их нагревания или охлаждения относительно по меньшей мере двух из указанного множества термоэлектрических модулей.

В одном из предпочтительных вариантов исполнения указанные рабочие средства содержат множество дисковидных средств, установленных на вращающемся валу и образующих с термоэлектрическими модулями, между которыми расположены по меньшей мере некоторые дисковидные средства, конфигурацию наподобие штабеля. Преимущественно указанные рабочие средства могут содержать множество рабочих средств, образующих конфигурацию наподобие штабеля, в котором эти рабочие средства чередуются с термоэлектрическими модулями. Предпочтительно рабочие средства по существу теплоизолируют по меньшей мере некоторые из указанного множества термоэлектрических модулей.

Еще один аспект настоящего изобретения включает термоэлектрическую систему, содержащую множество термоэлектрических модулей, по меньшей мере некоторые из которых по существу теплоизолированы друг от друга, при этом каждый термоэлектрический модуль имеет горячую сторону и холодную сторону. В этой системе также имеется множество теплопередающих устройств, каждое из которых находится в тепловом контакте по меньшей мере с одним из указанного множества термоэлектрических модулей, при этом по меньшей мере два из указанных теплопередающих устройств расположены в различных плоскостях и сообщаются друг с другом посредством первой рабочей текучей среды, при этом указанная первая рабочая текучая среда, которая проходит последовательно через по меньшей мере два из этих теплопередающих устройств, охлаждается или нагревается поэтапно, по мере прохождения через по меньшей мере два из этих теплопередающих устройств, причем эти теплопередающие устройства представляют собой теплообменники, включающие корпус и теплообменные пластины.

В одном из вариантов исполнения каждое из по меньшей мере некоторых из указанного множества теплопередающих устройств расположено по меньшей мере между двумя термоэлектрическими модулями. Кроме того, предпочтительно холодная сторона по меньшей мере одного из множества термоэлектрических модулей обращена к расположенному между этими модулями теплопередающему устройству.

В одном из вариантов исполнения термоэлектрические модули и теплопередающие устройства образуют штабель, в котором указанные холодные стороны по меньшей мере некоторых из указанных термоэлектрических модулей в основном обращены друг к другу и отделены по меньшей мере одним теплопередающим устройством, а горячие стороны по меньшей мере некоторых из указанных термоэлектрических модулей также в основном обращены друг к другу и отделены по меньшей мере одним теплопередающим устройством.

В одном из вариантов исполнения пластины теплообменника образуют ступени в направлении потока рабочей текучей среды, обеспечивая тем самым создание дополнительной теплоизоляции по меньшей мере для одного термоэлектрического модуля, находящегося в тепловом контакте с теплообменником. Предпочтительно указанная рабочая текучая среда протекает через указанные по меньшей мере два теплопередающих устройства в одном и том же направлении.

Еще один аспект настоящего изобретения включает термоэлектрическую систему, содержащую множество донорных термоэлектрических элементов и множество дырочных термоэлектрических элементов. Система также имеет множество твердых и выполненных с возможностью перемещения теплопередающих устройств, по меньшей мере некоторые из которых расположены каждое между по меньшей мере одним донорным термоэлектрическим элементом и по меньшей мере одним дырочным термоэлектрическим элементом с образованием конфигурации наподобие штабеля из указанных термоэлектрических элементов и теплопередающих устройств. В одном из вариантов исполнения указанная система дополнительно содержит источник тока, электрически соединенный с указанным штабелем, так что ток возбуждения последовательно проходит через термоэлектрические элементы и теплопередающие устройства. Предпочтительно теплопередающие устройства теплоизолируют по меньшей мере некоторые из дырочных термоэлектрических элементов по меньшей мере от некоторых донорных термоэлектрических элементов. Преимущественно в теплопередающие устройства поступает рабочая текучая среда, протекающая через них в заданном направлении.

В одном из вариантов исполнения пластины теплообменника указанной термоэлектрической системы расположены внутри корпуса и образуют сегменты, по меньшей мере один из которых по существу теплоизолирован по меньшей мере от одного другого сегмента.

В одном из вариантов исполнения указанная термоэлектрическая система содержит по меньшей мере один канал, обеспечивающий проточный проход от первого теплообменника ко второму теплообменнику.

Эти и другие аспекты и варианты выполнения настоящего изобретения описаны более подробно ниже со ссылками на чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг.1А и 1В изображают обычный термоэлектрический модуль.

Фиг.2 изображает общую конструкцию ТСОНВЭ с теплоизоляцией и противоточным перемещением рабочих сред.

Фиг.3 иллюстрирует температурные изменения, происходящие в рабочих средах при их прохождении через систему.

Фиг.4А и 4В изображают систему с тремя термоэлектрическими модулями, пластинчатыми теплообменниками и жидкими рабочими средами.

Фиг.5А и 5В изображают систему с двумя термоэлектрическими модулями и сегментированным теплообменником для создания теплоизоляции и противотока жидких рабочих сред.

Фиг.6 изображает систему с газообразными рабочими средами, имеющую два термоэлектрических модуля и расположенный в канале вентилятор для регулирования потока текучей среды.

Фиг.7А-7D изображают систему с твердыми средами и с противотоком для еще большего улучшения характеристик. Большая величина соотношения длины и толщины данных термоэлектрических элементов обеспечивает дополнительную теплоизоляцию.

Фиг.8 изображает систему, в которой термоэлектрические элементы расположены так, что ток проходит непосредственно через их массив, так что снижаются стоимость, вес и размеры системы при одновременном улучшении ее характеристик.

Фиг.9 изображает систему, содержащую термоэлектрические элементы, теплопроводы и теплообменники и имеющую простую конструкцию и низкую стоимость. Горячая и холодная стороны разделены благодаря передаче тепла через теплопроводы.

Фиг.10 изображает систему, в которой текучая среда нагнетается через массив из теплообменника и термоэлектрического модуля таким образом, что на одном конце создается низкая температура для конденсирования влаги из газа или выведения осаждаемых веществ из жидкости или газа. Эта система позволяет пускать поток рабочей текучей среды параллельно для повышения эффективности за счет снижения разности температур на концах указанного массива.

Фиг.11 изображает массив, в котором рабочая текучая среда поступает и выходит в нескольких местах и в котором часть системы работает в режиме противотока, а часть - в режиме прямотока.

Подробное описание предпочтительного варианта исполнения

В настоящем описании термин «термоэлектрический модуль» используют в широком смысле его обычного значения, включающего: (1) обычные термоэлектрические модули, такие как модули, выпускаемые фирмой Hi Z Technologies, Inc., Сан-Диего, Калифорния, (2) квантовые туннельные преобразователи, (3) термоионные модули, (4) магнитно-тепловые модули, (5) элементы, в которых используется термоэлектрический, магнитно-тепловой, квантовый, туннельный или термоионный эффект или любая комбинация этих эффектов, (6) любая комбинация, массив, узел или другая конструкция из указанных модулей (1)-(6). Термин «термоэлектрический элемент» является более специфическим и используется для обозначения отдельного элемента, работающего на основе термоэлектрического, термоионного, квантового или туннельного эффекта или любой комбинации этих эффектов.

В последующем описании приведены примеры исполнения термоэлектрических систем или ТСОНВЭ. Тем не менее, подразумевается, что такая технология и описания охватывают все ТСОНВЭ.

Таким образом, изобретение представлено с использованием примеров конкретных вариантов исполнения, служащих для описательных и иллюстративных целей. Описанные ниже различные примеры иллюстрируют различные конфигурации и могут применяться для выполнения необходимых усовершенствований. В соответствии с настоящим описанием особые варианты исполнения и примеры приведены только в качестве иллюстрации и ни в коем случае не ограничивают представленное изобретение. Кроме того, следует понимать, что термины «охлаждающая сторона», «нагревающая сторона», «холодная сторона», «горячая сторона» и т.д. не указывают на конкретную температуру, а являются относительными терминами. Например, термин «горячая сторона» может относиться к стороне термоэлектрического элемента, массива или модуля, имеющей температуру окружающей среды, с учетом того, что термин «холодная сторона» будет относиться к стороне, имеющей более низкую температуру по сравнению с температурой окружающей среды. Возможно и обратное. Таким образом, данные термины являются взаимосвязанными и указывают, что одна сторона термоэлектрического элемента имеет более высокую или более низкую температуру по сравнению со стороной, обозначенной противоположным термином.

На фиг.2 показан первый обобщенный вариант исполнения преимущественной конструкции термоэлектрического массива 200. Массив 200 имеет множество термоэлектрических модулей 201, 211, 212, 213, 218, которые расположены с обеспечением эффективной теплопередачи между ними и теплообменниками 202, 203, 205, расположенными с первой стороны, и теплообменниками 206, 207, 209, расположенными со второй стороны. Термины «теплообменники, расположенные с первой стороны» и «теплообменники, расположенные со второй стороны» не подразумевают и не предполагают, что эти теплообменники расположены на одной или другой стороне всей ТСОНВЭ, а только лишь указывают на то, что они расположены с обеспечением теплопередачи между ними и холодной или горячей стороной термоэлектрических модулей. Как видно из чертежа, теплообменники фактически расположены между термоэлектрическими модулями. Таким образом, они расположены с обеспечением теплопередачи между ними и первой или второй стороной термоэлектрических модулей. Холодная сторона первого термоэлектрического модуля 201 находится в термическом контакте с теплообменником 205, расположенным с первой стороны, а горячая сторона этого модуля находится в термическом контакте со впускным теплообменником 206, расположенным со второй стороны. Вторая рабочая среда 215, например текучая среда, поступает в массив 200 в правом верхнем углу фиг.2 через теплообменник 206 и выходит из массива слева снизу из последнего или выпускного теплообменника 209. Первая рабочая среда 216 поступает в массив слева сверху через впускной теплообменник 202 и выходит из указанного массива справа снизу из последнего или выпускного теплообменника 205. К каждому термоэлектрическому модулю 201 (и аналогичным образом к другим термоэлектрическим модулям) присоединены электрические провода 210, которые присоединены к источнику энергии (не показан). По первым каналам 208, показанным линиями на фиг.2, передается вторая рабочая среда 215, а по вторым каналам 204 передается первая рабочая среда 216 последовательно через различные теплообменники 202, 203, 205, 206, 207 и 209, как показано на чертеже.

При работе вторая рабочая среда 215 по мере ее прохождения через теплообменник 206 поглощает тепло от модуля 201. Вторая рабочая среда 215 проходит через канал 208 вверх в теплообменник 207 и через него. Горячие стороны термоэлектрических модулей 211 и 212 расположены с обеспечением эффективной теплопередачи между ними и теплообменником 207, при этом указанные модули выполнены так, что их соответствующие горячие стороны обращены друг к другу, а между ними находится теплообменник 207. Вторая рабочая среда 215, проходящая по второй стороне, нагревается, проходя через теплообменник 207. Затем вторая рабочая среда 215 проходит через теплообменник 209, который также расположен между горячими сторонами термоэлектрических модулей 213 и 218 и которому от этих сторон также передается тепло, дополнительно нагревающее вторую рабочую среду 215. Из массива 200 вторая рабочая среда 215 выходит через выпускной или последний теплообменник 209.

Аналогично, первая рабочая среда 216 поступает во впускной теплообменник 202 в левом верхнем углу фиг.2. Теплообменник 202 расположен с обеспечением эффективной теплопередачи между ним и холодной стороной термоэлектрического модуля 218. Первая рабочая среда 216 охлаждается, проходя через теплообменник 202, еще один теплообменник 203 и, наконец, через выпускной теплообменник 205, откуда она выходит в виде холодной рабочей среды 217.

Термоэлектрическое охлаждение и нагревание обеспечивается при прохождении электрического тока по проводам 210 в модуль 218 и аналогично в остальные термоэлектрические модули.

Таким образом, рабочая среда находится в хорошем термическом контакте с холодной стороной термоэлектрического модуля с левой стороны массива таким образом, что тепло отводится от этой среды. Затем среда контактирует со вторым и третьим термоэлектрическими модулями, где она продолжает отдавать тепло, дополнительно охлаждаясь. Процесс последовательного охлаждения среды продолжается по мере ее продвижения направо через заданное количество ступеней. Рабочая среда выходит справа после ее охлаждения до необходимой температуры. Одновременно в дальнем правом конце в систему поступает вторая рабочая среда, которая последовательно нагревается по мере ее прохождения через первую ступень. Затем она поступает во вторую ступень, где нагревается еще больше, и так далее. Тепло, поглощенное одной ступенью, является результирующим от тепла, отведенного от холодных сторон смежных термоэлектрических модулей, и электрической энергии, поступившей на эти модули. Среда, проходящая по горячей стороне, постепенно нагревается по мере ее перемещения в направлении справа налево.

В дополнение к описанной выше конструкции следует отметить, что система имеет преимущество, если обе среды входят в систему с одинаковой температурой и постепенно нагреваются или охлаждаются. Аналогично эти две среды могут быть отведены или подведены к холодной или горячей стороне в любом месте массива. Массивы могут иметь любое подходящее количество сегментов, например 5, 7, 35, 64 и более.

Система может также действовать в обратном порядке, т.е. горячая и холодная среды по-прежнему находятся в контакте с термоэлектрическими модулями, при этом горячая среда и холодная среда поступают с противоположных концов, как на фиг.2, но горячая среда поступает, как среда 216, а холодная среда поступает, как среда 215. Температурный градиент, создаваемый таким образом в термоэлектрических модулях, создает электрический ток или напряжение, преобразуя тем самым тепловую энергию в электрическую. Все эти режимы работы, а также режимы, описанные ниже, входят в объем изобретения.

Как показано на фиг.2, разделение теплообменника на ряд ступеней создает теплоизоляцию в направлении потока рабочей среды от одного термоэлектрического модуля к другому. В заявке на патент США №09/844818, озаглавленной «Первое термоэлектрическое устройство повышенной эффективности с теплоизоляцией» и поданной 27 апреля 2001 года, подробно описаны принципы теплоизоляции, которые использованы в описанных здесь различных конкретных практических примерах простого изготовления. Эта заявка полностью включена в настоящее описание посредством ссылки.

Как описано в указанной заявке на патент США, постепенное нагревание и охлаждение среды в противоточной конструкции, как показано на фиг.2, может создавать более высокий термодинамический КПД, чем при аналогичных условиях в одиночном термоэлектрическом модуле, где отсутствуют преимущества теплоизоляции. Таким образом, конструкция, показанная на фиг.2, представляет собой систему ТСОНВЭ с массивом 200, в которой обеспечена теплоизоляция между сегментами или ступенями теплообменников, расположенными между термоэлектрическими модулями с образованием конструкции, характеризующейся компактностью и простотой в изготовлении.

В дополнение к описанным выше свойствам сами термоэлектрические модули могут быть выполнены с обеспечением теплоизоляции в направлении потока рабочей среды, а каждый теплообменник или некоторые из них могут быть выполнены с обеспечением теплоизоляции в отдельном теплообменнике благодаря конструкции, описанной далее со ссылкой на фиг.5, или другой соответствующей конструкции. В целом, теплообменник может быть разделен на сегменты в направлении потока для создания повышенной теплоизоляции вдоль потока в одном термоэлектрическом модуле, например модуле 218 и теплообменнике 202.

На фиг.3 изображен массив 300, конструкция которого в целом аналогична конструкции, показанной на фиг.2, и который состоит из множества термоэлектрических модулей 301 и теплообменников 302, 305 и 307, расположенных с холодной стороны и соединенных так, что первая рабочая среда 315 проходит последовательно из одного теплообменника в другой по траектории, показанной на чертеже. Аналогично рабочую среду 317, проходящую по горячей стороне, пропускают через множество теплообменников 309, 311 и 313, расположенных с горячей стороны, последовательно или поэтапно в показанном стрелками направлении. Расположение модулей 301 и их подсоединение к источнику электропитания аналогичны описанным на фиг.2.

В нижней части фиг.3 показан профиль изменения температуры холодной стороны или изменения температуры 303, 304, 306, 308 рабочей среды, проходящей по холодной стороне, и изменения температуры 310, 312, 314 рабочей среды, проходящей по горячей стороне.

Рабочая среда 315, проходящая по холодной стороне, поступает во впускной теплообменник 302, расположенный с холодной стороны, и проходит через него. Перепад температуры рабочей среды при ее прохождении через теплообменник 302 показан в виде перепада 303 на кривой Т_с температуры холодной стороны. Рабочая среда 315, проходящая по холодной стороне, охлаждается еще больше при ее прохождении через теплообменник 305 следующей ступени, расположенный с холодной стороны, что показано в виде перепада температур 304, а также при ее прохождении через третий теплообменник 307, расположенный с холодной стороны, с сопровождающим это прохождение перепадом температур 306. Рабочая среда 315, проходящая по холодной стороне, выходит в виде холодной текучей среды 316 с температурой 308. Аналогично рабочая среда 317, проходящая по горячей стороне, поступает в первый или впускной теплообменник 309, расположенный с горячей стороны, и выходит с первой температурой 310, как показано на кривой Т_н температуры горячей стороны на фиг.3. Рабочая среда, протекающая по горячей стороне, поэтапно проходит через массив 300, как показано на фиг.2, постепенно нагреваясь, и после прохождения через выпускной теплообменник 313, расположенный с горячей стороны, выходит в виде горячей рабочей текучей среды 318 с более высокой температурой 314. Нетрудно прийти к выводу, что при увеличении количества ступеней (то есть термоэлектрических модулей и теплообменников) энергия нагрева и охлаждения может быть увеличена, а изменение температуры в каждом теплообменнике уменьшено, и/или увеличено количество рабочей среды, проходящей через массив. Как указано в заявке на патент США №09/844818, при большем количестве ступеней также может быть увеличен КПД, хотя и в убывающем соотношении.

Эксперименты и приведенные выше описания показывают, что теплоизоляция и постепенное нагревание и охлаждение, получаемые при конфигурации, показанной на фиг.2 и 3, могут дать существенный выигрыш в КПД и, следовательно, являются важными. В лабораторных испытаниях таких систем был получен прирост более 100%.

На фиг.4А показан массив 400, который содержит три термоэлектрических модуля 402, четыре теплообменника 403 и два канала 405. Рабочие текучие среды, протекающие по холодной и по горячей сторонам, поступают соответственно во впуск 404, расположенный на холодной стороне, и во впуск 407, расположенный на горячей стороне, и выходят соответственно через выход 406, расположенный на холодной стороне, и выход 408, расположенный на горячей стороне. На фиг.4В более подробно показан один из вариантов исполнения теплообменника 403. Он показан в виде устройства, рассчитанного на использование жидкой рабочей среды. Теплообменник 403 содержит наружный корпус 412, имеющий вход 410, выход 411, теплообменные пластины 414 и распределительные устройства 413 для распределения текучей среды. Массив 400 работает преимущественно аналогично массивам, изображенным на фиг.2 и 3. Количество модулей 402, которое на фиг.4 равно трем, может быть любым. Преимущественно корпус 412 является теплопроводным и изготовлен из соответствующего материала, например из меди или алюминия с антикоррозионной защитой. В одном варианте выполнения пластины 414 преимущественно согнуты из меди или алюминия и припаяны к корпусу 412 с обеспечением хорошей теплопроводности через поверхности их соединения с термоэлектрическим модулем. Пластины 414 могут иметь любую форму, но предпочтительно такую, которая позволяет получить заданные свойства теплопередачи системы. Подробное описание конструкции можно найти в работе "Compact Heat Exchangers", третье издание, авторы W.M.Kays и A.L.London. Также могут применяться теплообменники любой другой подходящей конструкции, например с перфорированными ребрами, параллельными пластинами, ребрами в виде жалюзи, проволочной сеткой и так далее. Такие конструкции известны и могут быть использованы в любой из конфигураций в любом из массивов, изображенных на фиг.2-11.

Конструкция, представленная на фиг.5А, имеет иное, нежели в конструкции, показанной на фиг.4, расположение каналов, по которым поток протекает от одной теплообменной ступени к другой. Массив 500 имеет первый и второй термоэлектрические модули 501 и 510, три теплообменника 502, 503 и 506 и канал 504. Как и в предыдущих вариантах исполнения и конструкциях, количество теплообменников 502 и 503, расположенных с первой стороны, не ограничено двумя и может быть иным; соответственно, и теплообменник 506, расположенный со второй стороны, может быть не один.

На фиг.5В показан предпочтительный вариант исполнения теплообменников 502, 503 и 506 в увеличенном масштабе. Конфигурация теплообменника, показанная на фиг.5В, подходит для других вариантов исполнения и может быть использована в любой конструкции, изображенной на фиг.2-8 и фиг.11. Этот преимущественный вариант исполнения одного или нескольких теплообменников имеет наружный корпус 516 и разделенные на сегменты теплообменные пластины 511, разделенные зазорами 513. Рабочая текучая среда поступает через вход 505 и выходит через выход 508. Теплообменник может быть выполнен и без зазоров, но анизотропным, так, что он имеет теплопроводные зоны и нетеплопроводные зоны, заменяющие реальные физические зазоры между теплообменными пластинами. Главное - должна быть обеспечена теплоизоляция между ступенями отдельных сегментов теплообменника в направлении потока. Такая изоляция служит дополнением к теплоизоляции, созданной между ступенями теплообменников в вариантах исполнения, показанных на фиг.2-5.

Преимущественно первая рабочая текучая среда 507, которая, например, должна быть нагрета, поступает во впуск 505 и проходит вниз через впускной или первый теплообменник 502, расположенный с обеспечением теплопередачи между ним и первым термоэлектрическим модулем 501. Рабочая среда 507 выходит снизу и передается по каналу 504 в следующий теплообменник 503, где она вновь проходит вниз, минуя второй термоэлектрический модуль 510, и выходит в виде горячей рабочей среды 508. Предпочтительно вторая рабочая текучая среда 517 поступает снизу, как показано на фиг.5А, через впуск 518 и движется вверх через третий теплообменник 506, минуя холодные стороны (в настоящем примере) термоэлектрических модулей 501 и 510. Теплообменник 506 расположен с обеспечением эффективной теплопередачи между ним и холодными сторонами термоэлектрических модулей 501 и 510. Благодаря такой конструкции рабочие среды 507 и 517 образуют противоточную систему в соответствии с указанной выше заявкой на патент США №09/844818.

Предпочтительно теплообменники 502, 503 и 506, показанные подробно на фиг.5В, сконструированы так, чтобы обеспечить высокую теплопроводность от поверхностей модулей 501, 510, 510 через корпус 516 к пластинам теплообменника 511 (показанным в виде четырех изолированных сегментов). Однако желательно, чтобы в направлении потока теплопроводность была низкой, с тем чтобы термически изолировать друг от друга сегменты теплообменника. Если изоляция существенна, а модули 501 и 510 не обладают высокой внутренней теплопроводностью в вертикальном направлении (направлении потока рабочей текучей среды), то это является преимуществом, и массив 500 может работать с более высоким КПД. Фактически, массив 500 может работать так, как если бы он являлся массивом, состоящим из большего количества термоэлектрических модулей и теплообменников.

На фиг.6 показана еще одна система нагревания/охлаждения 600, предназначенная преимущественно для работы с рабочими газами. В системе нагревания/охлаждения 600 имеются термоэлектрические модули 601, 602, расположенные с обеспечением эффективной теплопередачи между ними и теплообменниками 603, 605, расположенными с первой стороны, и теплообменником 604, расположенным со второй стороны. Первая рабочая текучая среда 606, такая как воздух или другой газ, содержится в проходах 607, 608, 610, а вторая рабочая среда 616 содержится в проходах 615, 613. В проходах 608, 615 установлены вентиляторы или насосы 609, 614.

Первая рабочая текучая среда 606 поступает в систему нагревания/охлаждения 600 через входной проход 607. Рабочая текучая среда 606 проходит через первый теплообменник 603, где она, например, нагревается (или охлаждается). Затем рабочая текучая среда 606 проходит через вентилятор 609, который нагнетает ее через проход 608 и второй теплообменник 605, где она дополнительно нагревается (или охлаждается) и выходит через выходной проход 610. Аналогичным образом, рабочая текучая среда, такая как воздух или другой газ, поступает через входной проход 615. Вторым вентилятором или насосом 614 она нагнетается через третий теплообменник 604, в котором, в данном примере, она охлаждается (или нагревается). Охлажденная (или нагретая) рабочая среда 616 выходит через выходной проход 613.

В системе нагревания/охлаждения 600 может быть несколько сегментов, состоящих из дополнительных термоэлектрических модулей и теплообменников, и изолированные, разделенные на сегменты теплообменники, как показано на фиг.5В. Также система может содержать несколько вентиляторов или насосов для создания дополнительного нагнетания. Кроме того, один проход, например, 607, 608 может содержать одну текучую среду, а другой проход 613, 615 - газ другого типа. Возможен также вариант, в котором по одной стороне проходит жидкая рабочая текучая среда, а по другой стороне газ. Таким образом, на систему не налагают ограничений относительно того, является ли рабочая среда текучей средой или жидкостью. Кроме того, следует отметить, что проход 613 может проходить вокруг прохода, в котором расположен вентилятор 609.

На фиг.7А изображена система охлаждения/нагревания 700, в которой преимущественно используются текучие среды. Система 700 имеет множество термоэлектрических модулей 701 со множеством рабочих средств 703, расположенных с первой стороны, и со множеством рабочих средств 704, расположенных со второй стороны. В этом примере рабочие средства 703 и 704 образуют диски. Рабочие средства, расположенные с первой стороны, 703 присоединены к расположенному с первой стороны валу 709, а рабочие средства 704, расположенные со второй стороны, присоединены к расположенному со второй стороны валу 708. Валы 709, 708, в свою очередь, присоединены соответственно к двигателю 706, расположенному с первой стороны, и к двигателю 705, расположенному со второй стороны, и к соответствующим подшипникам 707. Предпочтительное направление вращения двигателей показано стрелками 710 и 711.

Массив разделен на две части перегородкой 717, задающей положение модулей 701. Модули 701, закрепленные на своих местах перегородкой 717, разнесены так, что между ними попеременно расположены рабочие средства, расположенные с первой стороны, 703 и рабочие средства, расположенные со второй стороны, 704. Любые два термоэлектрических модуля 701 ориентированы так, что их холодные стороны обращены друг к другу и их горячие стороны обращены друг к другу, как и в предыдущих вариантах исполнения. Рабочие средства 703, 704 расположены с обеспечением эффективной теплопередачи между ними и термоэлектрическими элементами 701. Между внутренними поверхностями термоэлектрических элементов 701 и рабочими средствами 703, 704 предусмотрено наличие теплопроводного смазочного вещества или аналогичного материала. Назначение этого вещества пояснено ниже при описании работы рабочих средств 703, 704. Часть корпуса 714, расположенная с первой стороны, и часть корпуса 715, расположенная со второй стороны, содержат текучую среду, кондиционируемую системой 700. Для создания тока возбуждения в термоэлектрических модулях 701 к ним подсоединены провода 712, 713.

На фиг.7В показан поперечный разрез 7В-7В ча