[发明专利]基于空间变化的分布式传输性质的具有增强最大温差的热电元件和装置

说明书

本文所提供的是一种热电元件，该热电元件包括冷端、热端以及具有热端与冷端之间的长度的p型或n型材料。p型或n型材料具有本征塞贝克系数(S)、电阻率(ρ)和热导率(λ)。S、ρ和λ中的两个或更多个中的每个通常沿从冷端到热端的长度增加。可在提供增强最大温差的单级热电装置中提供热电元件。单级热电装置可相互组合，以提供具有甚至进一步增强的最大温差的多级热电装置。

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时专利申请No.62/800346(2019年2月1日提交，并且标题为“Optimally Distributed Transport Properties Combined with Variable Leg Areafor Highest Performance Thermoelectric Device”)的权益，通过引用将其完整内容结合在本文中。

技术领域

本申请涉及具有分布式传输性质的热电元件和装置。

背景技术

具有分布式传输性质(DTP)的材料在相同温度下在材料内的不同空间位置处具有变化性质(塞贝克系数、电阻率和热导率)。这个概念也被描述为功能梯度材料。由Reich等人于1966年提交并且作为美国专利No.3564860于1971年发布的专利申请首次描述为利用分布式珀耳帖效应的材料要求保护“在所述热结与所述冷结之间沿其空间幅度具有不同热电性质”的材料，并且进一步陈述在冷结处的塞贝克系数的绝对值“显著小于在所述热结处的材料的塞贝克系数的绝对值”。

Buist在“The Extrinsic Thomson Effect(ETE)“(International Conferenceon Thermoelectrics(Cardiff，Wales，1991))中将一种方式描述为非本征汤姆逊效应。在这篇文章中，他描述针对三级装置的测试结果，其具有最大温差中的高达20％增益。Walczak、Seifert和Muller的小组进行建模研究，使用他们所说的如在“Modeling ofsegmented Peltier cooling with discrete and continuous concentrationfunction”(Materials Science Forum 492-493:507-516(2005))和“Optimizationstrategies for segmented Peltier coolers”(Physica Status Solidi(a)203(8):2128-2141(2006))中描述的功能梯度材料(FGM)效应，实现了10-20％的最大温差。他们声称在大于五级的情况下不能取得充分改进。Korzhuev和Nikhesina在“Efficiency of low-grade heat recovery using various thermoelectric converters”(Journal ofThermoelectricity No.1,4:63-70(2011))也描述创造“...20％以上”的改进的效果。研究FGM的Kaliazin等人在“Rigorous calculations related to functionally graded andsegmented thermoelectrics”(International Conference on Thermoelectrics(2001))中声明“实际性能系数实际上能够与由Ioffe公式所给出的性能系数显著不同，特别在最高温度状况(regime)中”。Semeniouk等人在“Single stage thermoelectric coolers withtemperature difference of 80K”(International Conference on Thermoelectrics(St.Petersburg,Russia,1995))中描述通过提拉法制作具有两段中的分布式性质的装置，取得针对单级装置的83K的最大温差。Bian和Shakouri在“Beating the maximum coolinglimit with graded thermoelectric materials”(Applied Physics Letters 89:212101-1to-3(2006))中描述“冷却增强归因于焦耳加热和珀耳帖冷却分布的重新分布”。他们推断“能够取得具有相同ZT的均匀材料的两倍以上的最大冷却温度”。