用于现场过程设备的热电发电机组件制造技术

一种热电发电机组件(200)包括具有热结接凸缘和冷结接凸缘(204、 206)的热电发电机(202)。所述热结接凸缘包括接头(208)，所述接头 形状适合于热耦合至过程容器(210)。热电发电机(202)产生热电电力 输出(212)。散热器(214)热耦合至周围环境的空气并具有散热器凸缘。 热管组件包括在循环室中的流体。循环室(224)具有安装到冷结接凸缘 的蒸发器凸缘和安装到散热器凸缘的冷凝器凸缘。至少一部分流体将热量 从蒸发器凸缘传输至冷凝器凸缘。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于现场过程设备的热电发电机组件
技术介绍
现场仪器通常广泛地遍布于过程工厂，并由过程控制环连接到控制系 统。现场仪器通常需要用于运行的电力供给。所述电力可以通过控制环自 身或通过单独的电力线供给所述仪器。每个仪器所需的电量通常很小，并通常在大约50毫瓦或更少的量级上。当将线用于控制环时，所述线通常被封闭在电线管道中，所述电线管 道需要机械安装以在长距离上支撑在过程设备的框架上。经常，在长距离 上对现场仪器进行布线的费用超过所述现场仪器自身的费用。当无线通信环用于与现场仪器通信时，所述无线通信环不向所述现场 仪器提供电能，因而需要单独的电力供应线。尽管典型的现场仪器所需的功率非常低，但是现场仪器经常位于过程 工厂中很热的、危险的或无法接近的位置。在这些位置处，将化学电池用 作现场仪器中的低功率源可能是不现实的。在这种位置上的环境经常是脏 的或者被遮蔽了阳光的，利用太阳能电池进行电力供应是不现实的。太阳 能电池和其它电池在所述的工厂环境中需要太多的维护以至于不能用于 在许多现场仪器应用中的电力供应。在工厂中的过程设备通常包括锅炉、蒸汽管道、加热水箱、热油气管 线、制冷液体(例如液氮、液氦等)以及其它装备，所述装备能被加热或 冷却到不同于所述过程工厂中的环境空气温度的温度。形成大的温度差， 且废热在周围环境的空气和所述过程设备之间流动。由于废热流所造成的 能量损失量经常大大超过现场仪器所需的电能。热电发电机的功率和电压通常直接正比于在热电发电机的热板和冷 板之间的温度差或温度梯度。采用热流结合热电偶来提供电力是已知的， 例如可从德国Gebrauchsmusterschrift DE 20107112U1和US专利6， 891, 477B2。然而，存在多个实际问题。
技术实现思路
热电发电机组件包括热电发电机。所述热电发电机具有间隔开的热和 冷结接凸缘。所述热结接凸缘具有接头，所述接头的形状适用于热耦合过 程容器。所述热电发电机产生用于给过程设备提供电力的热电电力输出。 在一个示例结构中，所述热电发电机组件包括散热器。所述散热器热耦合 到周围环境的空气并具有散热器凸缘。在另一个示例结构中，所述热电发 电机组件包括热管组件。所述热管组件包括在循环室中的流体。所述循环 室具有安装到所述冷结接凸缘上的蒸发器凸缘。所述循环室具有安装到所 述散热器凸缘上的冷凝器凸缘。至少一部分所述流体将热量从所述蒸发器 凸缘传递到所述冷凝器凸缘。在冷结接凸缘上的热管组件与在过程工业中 可利用的多种类型的热流一起使用的实施例中，可以在所述过程工业中提 供更多的有效的热电发电。附图说明图l示出包括热管的热电发电机组件。图2示出与一个包括热管的热电发电机相关和不包括热管的比较热电 发电机相关的温度差的图。 图3示出热管的实施例。图4示出热电输出的电压作为在热电发电机的热、冷结接凸缘之间的 温度差的函数的图。图5示出耦合到热电发电机的热电输出的现场数据集线器。具体实施方式在下述实施例中，热电发电机具有热结接凸缘或者热结接凸缘接头， 其形状适用于耦合到被加热的过程容器，例如管线或水箱。所述热结接凸 缘的形状提供了在所述热结接和所述过程容器之间的良好的热传导。所述 热电发电机具有冷结接凸缘，所述冷结接凸缘耦合到热管的蒸发器凸缘。 所述热管的冷凝器凸缘耦合到散熱器。采用所述热管降低了所述冷结接凸 缘的温度，这在所述热结接凸缘和所述冷结接凸缘之间提供更大的温度 差。增大的温度差将热电电力输出的电压增加到大于5伏。增加后的温度6差增加了热电发电的效率。所述热电电力输出可以被用于为现场过程设备 或现场过程数据集线器直接供电，而不用使用电压倍增器或电池。现场过 程设备因而由热电发电机在本地供电，且不需要来自中央控制室的电力 线。热电电力足以给所述现场设备和所述控制室之间的无线通信提供能 量，并消除了对现场设备和控制室之间的通信线的需要。下述实施例也可以与温度低于环境温度的过程流体一起使用，在此情 况下，热管被用作冷管。图1示出热电发电机组件200。所述热电发电机组件200包括热电发电 机202。所述热电发电机202具有热结接凸缘(热侧)204和冷结接凸缘206 (冷侧)。所述凸缘204、 206彼此间隔开。所述热结接凸缘204连接到(或 包括)接头208，所述接头被成形为用于热耦合到过程容器210。所述过程 容器210装载被加热的过程流体，并为所述热电发电机组件200提供废热 源。所述热电发电机组件202产生在电压水平V下的热电电力输出。所述热 电发电机包括热电元件203。在一个实施例中，所述热电元件203包括半导 体材料。例如所述热电元件203可以包括具有半导体性质的元素Si、 Ge、 Bi、 Sb和Te。在另一个实施例中，所述热电元件203包括用于提供高品质 因数(figure of merit)的硫族化物。在一个实施例中，所述热、冷结接凸 缘204、 206被设置为增大的平板，所述平板大于热电元件203并伸出到所 述热电元件203之外。所述外伸的凸缘204、 206提供具有高热传导性的大 的热传递表面。外伸凸缘204、 206还包括用于安装螺栓205的通孔。在一 个实施例中，螺栓205由具有高热阻抗的不锈钢合金制成，并安装有绝热 垫圈207，且螺栓205和垫圈207限制通过所述螺栓的不希望的热流。螺栓 205紧固地将热电发电机202装配到过程接头208和热管组件220上。热电发电机组件200包括散热器214。散热器214热耦合到周围环境的 2'飞，开兵,欧然益u缘2io。散烈裕o练2io出螺任l木不出j系ifli到然 管组件220的蒸发器板228。在一个实施例中，散热器214包括多个销(未 示出)或多个鳍，以用于耦合到周围环境的空气的大的热辐射。热电发电机组件200包括热管组件220。热管组件220包括在循环室224 中的流体222。热管组件220具有安装到冷结接凸缘206上的蒸发器凸缘 226。热管组件220具有安装到散热器凸缘216上的冷凝器凸缘228。至少一部分流体222从蒸发器凸缘226流到冷凝器凸缘228，并将热量从蒸发器凸 缘226传递到冷凝器凸缘228。在下文将结合图3所示的示例对热管组件220进行更详细的描述。将热管组件220设置在冷结接凸缘206和散热器214之间增加了 AT。 在下文中结合图2中的图对大AT进行更详细的解释。在一个实施例中，当 热结接凸缘204处于超过100摄氏度的热结接温度范围中时，AT增加25。/。。 在另一个实施例中，当热结接凸缘204处于超过100摄氏度的热结接温度范 围中时，将热管组件220设置在冷结接凸缘206和散热器之间维持至少50 摄氏度的AT。在一个实施例中，当热结接凸缘204处于超过100摄氏度的 热结接温度范围中时，在热电电力输出212处的电压水平V至少为6伏。在 另一个实施例中，当热结接凸缘204处于超过100摄氏度的热结接温度范围 中时，热电电力输出212为至少150毫瓦。热电功率和电压通常正比于热电 模块203的热结接凸缘206和冷结接凸缘204之间的温度差。在一个实施例中，流体222具有适合于在50摄氏度和150摄氏度之间的 热结接温度范围的成分。在另一个实施例中，流体222包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电发电机组件，包括：　热电发电机，其具有间隔开的热结接凸缘和冷结接凸缘，所述热结接凸缘具有成形为用于热耦合至过程容器的接头，且所述热电发电机产生在至少１５０毫瓦功率水平上的热电电力输出；　散热器，其耦合至周围环境的空气，并 具有散热器凸缘；以及　热管组件，其包括在循环室中的流体，所述循环室具有安装到所述冷结接凸缘上的蒸发器凸缘以及被安装到所述散热器凸缘上的冷凝器凸缘，至少一部分所述流体将热量从所述蒸发器凸缘传输到所述冷凝器凸缘。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2006.9.28 US 11/529,7671.一种热电发电机组件，包括热电发电机，其具有间隔开的热结接凸缘和冷结接凸缘，所述热结接凸缘具有成形为用于热耦合至过程容器的接头，且所述热电发电机产生在至少150毫瓦功率水平上的热电电力输出；散热器，其耦合至周围环境的空气，并具有散热器凸缘；以及热管组件，其包括在循环室中的流体，所述循环室具有安装到所述冷结接凸缘上的蒸发器凸缘以及被安装到所述散热器凸缘上的冷凝器凸缘，至少一部分所述流体将热量从所述蒸发器凸缘传输到所述冷凝器凸缘。2. 根据权利要求l所述的热电发电机组件，其中将所述热管组件设置于所述冷结接凸缘和所述散热器之间而提高效率，并在大约ioo摄氏度的 热结接温度范围中维持至少50摄氏度的AT。3. 根据权利要求l所述的热电发电机组件，其中在大约100摄氏度的 热结接温度范围中，将所述热管组件设置于所述冷结接凸缘和所述散热器 之间使AT增加至少25。/。。4. 根据权利要求l所述的热电发电机组件，其中在大约100摄氏度的 热结接温度范围中，电压水平为至少6伏。5. 根据权利要求l所述的热电发电机组件，其中在大约100摄氏度的 热结接温度范围中，所述热电电力输出为至少150毫瓦。6. 根据权利要求l所述的热电发电机组件，其中所述流体具有适用于 热结接温度范围在50摄氏度和105摄氏度之间的成分。7. 根据权利要求l所述的热电发电机组件，其中所述流体包括酒精、 水、增压气体或其它热传导流体的混合物。8. 根据权利要求l所述的热电发电机组件，其中所述循环室包括内部 室表面，所述内部室表面为多孔表面。9. 根据权利要求l所述的热电发电机组件，其中所述循环室包括内部 室，所述内部室包括毛细管。10. 根据权利要求l所述的热电发电机组件，其中所述循环室包括中心管，所述中心管垂直对准在所述蒸发器凸缘上方。11. 根据权利要求l所述的热电发电机组件，其中所述热电发电机将 电力提供给在远程工业/家庭位置处的过程设备和传感器。12. 根据权利要求l所述的热电发电机组件，还包括用于接收所述热 电电力输出的现场过程变送器。13. 根据权利要求12所述的热电发电机组件，其中所述现场过程变送 器包括无线变送器。14. 根据权利要求l所述的热电发电机组件，还包括用于接收所述热电电力输出的无线收发器。15. 根据权利要求l所述的热电发电机组件，所述热电发电机包括由 包含Si、 Ge或其合金的半导体材料制成的热电元件。16. 根据权利要求14所述的热电发电机组件，其中所述半导体材料包 括Bi...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯瓦潘·查克拉博蒂，
申请(专利权)人：罗斯蒙德公司，
类型：发明
国别省市：US