專利名稱：可逆熱電循環(huán)中熱和功轉(zhuǎn)換的方法和熱電轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電現(xiàn)象，包括但不限于熱電過(guò)程中的電能產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的方 法，并可用于熱轉(zhuǎn)換成電功以及相反過(guò)程的可逆循環(huán)熱電轉(zhuǎn)換，例如，用 于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的依靠熱電加熱、冷卻等的兩個(gè)熱源之一的電能的過(guò)程， 其中執(zhí)行電子氣體形式的工質(zhì)的熱電循環(huán)可逆轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)：
如果熱力學(xué)過(guò)程的機(jī)械功是這個(gè)熱力學(xué)過(guò)程的特性的函數(shù)，則熱電過(guò) 程的電功是電荷(或電量)的輸運(yùn)功，并且在電路中實(shí)現(xiàn)。該功等于電場(chǎng)
強(qiáng)度與所輸運(yùn)的電量的乘積，電荷(或電子氣體的電荷的張力(tension)) 在所述電場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)。就熱力學(xué)過(guò)程中的分子氣體形式的工質(zhì)而言，與電荷 載流子有關(guān)的溫度和熵具有相同的意義。當(dāng)過(guò)多的能量可以以電磁輻射的 量子的形式排放時(shí)，電子氣體的功通過(guò)以下而獲得它的熱效應(yīng)、它的電 效應(yīng)、以及電荷載流子的復(fù)合、即電子和空穴的復(fù)合的不可逆過(guò)程。
熱轉(zhuǎn)換成電荷載流子的電功的熱電轉(zhuǎn)換方法是已知的，其利用電子氣 體的環(huán)形循環(huán)(circular cycle),基于電場(chǎng)和溫度梯度同時(shí)存在時(shí)的熱和 電過(guò)程的相互關(guān)系，還基于在電子通量對(duì)具有電子和空穴電導(dǎo)率的半導(dǎo)體 的原子的影響過(guò)程中的熱輸運(yùn)。所述方法在于使用熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)熱電偶的閉 合電路中的電流載流子(電子和空穴)沿與電場(chǎng)相反的方向的輸運(yùn)功。
實(shí)現(xiàn)電能的直接獲得的功是以在高溫和低溫兩個(gè)源的熱轉(zhuǎn)換的可逆 廣義熱電循環(huán)中的高溫和低溫?zé)嵩吹哪芰繛榇鷥r(jià)，所述循環(huán)包括一些電量 通過(guò)熱電偶的接觸的等溫過(guò)程的兩段。此外，該功也在兩個(gè)閉合的等距離 熱過(guò)程的段實(shí)現(xiàn)，其由通過(guò)熱電偶的半導(dǎo)體元件的電流的運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的電 量的變化來(lái)表征。
因?yàn)槿魏我阎臒犭娧h(huán)可以表示為基本卡諾循環(huán)的和，任何已知循 環(huán)的熱效率不能超過(guò)卡諾循環(huán)的熱效率。卡諾循環(huán)i殳定了工作于兩個(gè)熱源 的兩個(gè)給定溫度水平之間的任何半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換器的熱電效率的極限。
在熱轉(zhuǎn)換成電功的正循環(huán)中，熱電發(fā)電器的輸出端子處的最大可能電 功由所供給的熱的熱電有效能決定，即由環(huán)境溫度下電子氣體從它的初始 狀態(tài)到無(wú)效能(不能轉(zhuǎn)換成功)狀態(tài)的最大功決定。在理想的正可逆卡諾 循環(huán)中，所供給的熱的有效能與包含于所述熱中的無(wú)效能是分開(kāi)的。以電 子氣體的有用電功的形式抽取熱的有效能，而熱的無(wú)效能以廢熱的形式排 入環(huán)境。
在T.塞貝克的直接熱電效應(yīng)中，熱電運(yùn)動(dòng)力(thermo-emf)產(chǎn)生于 電路中，該電路包括串聯(lián)連接(利用金屬橫構(gòu)件)的非均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體 偶。那些導(dǎo)體或半導(dǎo)體之間的接頭保持不同的溫度。如果接頭被加熱，則 電子從n型半導(dǎo)體遷移進(jìn)入冷卻的接頭，進(jìn)入金屬，而空穴通過(guò)p型半導(dǎo) 體向涼接頭遷移。在此過(guò)程中，熱被抽取，電荷載流子的熵增加。在此過(guò) 程中，發(fā)生熱的抽取和電荷載流子熵的增加。thermo-emf與接頭上的溫 差和塞貝克系數(shù)的乘積成比例，塞貝克系數(shù)取決于溫度和電荷載流子的密 度以及導(dǎo)體的物理特性，并且對(duì)于具有空穴和電子電導(dǎo)率的半導(dǎo)體達(dá)到其 最大值。
如果沿著導(dǎo)體有溫差，即，在導(dǎo)體的較暖的部分，電流載流子的平均 能量變得比較冷的部分高，則發(fā)生W.湯姆遜(開(kāi)爾文)效應(yīng)所謂的湯 姆遜熱在導(dǎo)體內(nèi)隨電流排放，該電流由湯姆遜系數(shù)來(lái)表征，相對(duì)于通過(guò)導(dǎo) 體的電流和溫度梯度不均勻。當(dāng)溫度梯度和電流的方向從相同變成相反 時(shí)，湯姆遜系數(shù)改變其符號(hào)。
詢爾帖和湯姆遜效應(yīng)設(shè)定了在電流流過(guò)接頭的過(guò)程中通過(guò)接頭抽取 到半導(dǎo)體中的總熱量。
在逆過(guò)程中，在電流流過(guò)兩個(gè)不同導(dǎo)體的接頭的過(guò)程中發(fā)生P.珀?duì)柼?的熱電效應(yīng)除了電流方向相同時(shí)的焦耳熱或電流方向相反時(shí)所抽取的 熱，還有所謂的珀?duì)柼麩嵩跓峤宇^(thermojunction)排放。和與電流強(qiáng) 度的平方成比例且總是在導(dǎo)體中排放的焦耳熱相比，珀?duì)柼麩崤c電流強(qiáng)度 的一次和珀?duì)柼禂?shù)成比例，珀?duì)柼禂?shù)為溫度的函數(shù)。珀?duì)柼麩岬姆?hào) 取決于接頭中的電流的方向。如果電路中的電流方向使得具有較低能量的 電子從相鄰原子"抽取"熱并將其輸運(yùn)到電路的另一個(gè)部分，則一個(gè)接頭 被冷卻而另 一個(gè)才妄頭纟皮加熱。
在熱泵的加熱循環(huán)中，逆過(guò)程中的電功轉(zhuǎn)換成熱的熱電轉(zhuǎn)換方法是已 知的。保持在高于環(huán)境溫度的溫度的熱的接頭將包含以下兩個(gè)組合分量的
熱釋放到加熱的體積作為必要的電功所供給的有效能和作為來(lái)自環(huán)境的 熱而抽取的無(wú)效能。由熱的熱接頭所排放的熱量超過(guò)由冷的熱接頭所抽取 的熱量。這個(gè)差等于來(lái)自外部源的所使用的能量。如果熱接頭的溫度不同， 則這個(gè)能量用來(lái)實(shí)現(xiàn)保持電流沿著與電路中出現(xiàn)的電勢(shì)差的方向相反的 方向的功(才艮據(jù)塞貝克效應(yīng))(Seebeck, T丄，1822， Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperaturdifferenz, Abhand. Deut. Akad. Wiss. Berlin, 265-373 )。
而且，如果必要的有效能的量以電功的形式供給到冷卻體，則在冷卻 循環(huán)中，在逆過(guò)程中使用的電功的熱電轉(zhuǎn)換方法是已知的，其中所述電功 的量等于應(yīng)該從冷卻的體積去除并傳給環(huán)境的無(wú)效能流。在熱電冷卻循環(huán) 中，電荷載流子流伴隨有熱流，電子氣體起冷卻劑的作用，能量從較涼的 熱接頭到較熱的熱接頭(Peltier, J.C., 1834， Nouvelles experiences sur la caloriecete des courans electriques. Ann.. Chem.; LVI, 371-387 )。
所有已知的基于常規(guī)熱電循環(huán)的熱和功的轉(zhuǎn)換方法由于概念上不可 避免的熱損^<而具有有限的熱電效率，所述熱損耗出現(xiàn)在A^工質(zhì)-電子氣 體去除熱的某一部分的過(guò)程中，借助于這個(gè)過(guò)程，熱供給劑(heat supplying agent)的熵的減小得到補(bǔ)償。實(shí)際上，由于該過(guò)程的不可逆性， 即使;最高效率的熱轉(zhuǎn)換器(thermotransformer)中，因?yàn)榇蟮臒釗p耗， 有用功甚至達(dá)不到最大可能值的五分之一。
最接近所提出的方法的技術(shù)方案是基于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的熱電循環(huán)的 熱功轉(zhuǎn)換方法(loffe. A.F" 1957， Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling, Infosearch, London )。在已知的正循環(huán)中，來(lái)自 熱供給劑的熱進(jìn)入該循環(huán)，并在電荷載流子的熵增加的;^文熱過(guò)程中部分地 轉(zhuǎn)變成有用的電功。之后，放出湯姆遜熱，并且發(fā)生第二源的溫度處的電 子氣體電荷的熵減少的等溫過(guò)程，其冷卻具有金屬橫構(gòu)件的半導(dǎo)體的熱接 頭，在其過(guò)程中，廢熱形式的熱從循環(huán)中散發(fā)到熱抽取器(低溫循環(huán))例 如環(huán)境中，此時(shí)發(fā)生熱的熱有效能的劣化，這是循環(huán)效率的降低的主要原 因。供給到所述循環(huán)的熱的部分被釋放給熱接收劑，其補(bǔ)償正循環(huán)中的熱 供給劑的減少的熵，與熱供給劑和熱去除劑的溫度之比成比例。在可逆熱 交換的過(guò)程中，熱去除劑和供給劑的熵的改變相等且符號(hào)相反。
由于以下事實(shí)，所有已知的循環(huán)的熱電效率不足廢有效能從系統(tǒng)中 排出，由此降低了它們的熱效率和有效能的效率。
這樣，需要一種方法和/或處理系統(tǒng)，為上述問(wèn)題提供更有效的方案。 具體地，需要提供一種在熱電循環(huán)中更有效地轉(zhuǎn)換熱和功的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，如在此所實(shí)施和廣泛描述的，符合本發(fā)明原理的方法和 系統(tǒng)用于在熱電循環(huán)中轉(zhuǎn)換熱和功，其中電子氣體的電荷栽流子循環(huán)經(jīng)歷
至少第一和第二熱源，其特征在于熱在循環(huán)的單元之間交換，所述單元 表示熱電循環(huán)的熱力學(xué)表示的相鄰段。其中的術(shù)語(yǔ)"電子氣體"泛指由金屬 或p型半導(dǎo)體的n型所提供的電子和"空穴，，。術(shù)語(yǔ)"熱源"泛指熱源和熱沉， 不考慮它們是絕熱的還是等溫的。術(shù)語(yǔ)"熱力學(xué)表示，，泛指所有已知的熱力 學(xué)圖，特別是TS-和el-曲線。
根據(jù)本發(fā)明的方法和它的實(shí)施例對(duì)于解決以下問(wèn)題是有用的通過(guò)所 修改的熱力學(xué)循環(huán)提高熱和功轉(zhuǎn)換的熱電效率，其超出了卡諾循環(huán)的極 限。這通過(guò)以下實(shí)現(xiàn)和已知的循環(huán)相比，改變有效能節(jié)省(即節(jié)省能量 載流子的有效能)和無(wú)效能閉合(即沒(méi)有熱損耗的那些)再生可逆熱電循 環(huán)中的熱交換結(jié)構(gòu)，所述循環(huán)滿足熱力學(xué)第一和第二定律的要求，由用于 利用兩個(gè)熱源的溫度水平之間的電子氣體形式的工質(zhì)的系統(tǒng)的廣義熱力 學(xué)定律來(lái)公式化，但沒(méi)有熱損，并且沒(méi)有第二源的熱(熵)劣化，由此提 供高于卡諾循環(huán)的熱電效率。
如在此所實(shí)施和廣泛描述的，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，符合本發(fā)明原 理的方法和系統(tǒng)提供一種根椐權(quán)利要求13的熱電轉(zhuǎn)換器。
可以通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解。目'的和優(yōu),存々會(huì)通過(guò)所附權(quán)利要^中特別指^ 的要素和組合來(lái)實(shí)現(xiàn)和達(dá)到。本發(fā)明的實(shí)施例在詳述部分和所附從屬權(quán)利 要求中公開(kāi)。
可以理解，前面的概述和以下的詳述只是示例性的和說(shuō)明性的，對(duì)本 發(fā)明和它的實(shí)施例不是限制性的。
附圖簡(jiǎn)述
并入本說(shuō)明書(shū)并構(gòu)成其一部分的


了本發(fā)明的實(shí)施例的示例,
并結(jié)合所述描述，解釋了本發(fā)明的原理。在附圖中
圖1示例性地表示一個(gè)電路的框圖，其描述熱電有效能節(jié)省過(guò)程中的 熱和功轉(zhuǎn)換的方法的本質(zhì)。
圖2示例性地表示解釋熱轉(zhuǎn)換成功的熱力學(xué)轉(zhuǎn)換的性質(zhì)的圖。該熱力 學(xué)圖以TS曲線解釋在正常(正)類型(順時(shí)針?lè)较驅(qū)崿F(xiàn))的熱電正有效 能節(jié)省循環(huán)a-b-c-d中熱轉(zhuǎn)換成功的方法的本質(zhì)，其中T是溫度，S是熵。
圖3示例性地表示有效能圖，其以ei曲線解釋在正常類型的熱電正 有效能節(jié)省循環(huán)a-b-c-d中熱轉(zhuǎn)換成功的方法的本質(zhì)，其中e是有效能，i 是焓。
圖4示例性地表示熱圖，其以TS曲線解釋在非正常類型(逆時(shí)針?lè)?向?qū)崿F(xiàn))的熱電正、可逆有效能節(jié)省循環(huán)a-b-c-d中熱和功轉(zhuǎn)換的方法的 本質(zhì)，其中T是溫度，S是熵。
圖5示例性地表示有效能圖，其以ei曲線解釋在非正常類型的熱電 正有效能節(jié)省循環(huán)a-b-c-d中熱轉(zhuǎn)換成功的方法的本質(zhì)，其中e是有效能， i是焓。
圖6示例性地表示熱圖，其以TS曲線解釋在正常類型的熱電加熱有 效能節(jié)省循環(huán)a-b-c-d中功轉(zhuǎn)換成熱的方法的本質(zhì)，其中T是溫度，S是 熵。
圖7示例性地表示有效能圖，其以ei曲線解釋在正常類型的熱電加 熱有效能節(jié)省循環(huán)a-b-c-d中功轉(zhuǎn)換成熱的方法的本質(zhì)，其中e是有效能， i是焓。
圖8示例性地表示熱圖，其以TS曲線解釋在非正常類型的熱電加熱 有效能節(jié)省循環(huán)a-b-c-d中功轉(zhuǎn)換成熱的方法的本質(zhì)，其中T是溫度，S
圖9示例性地表示有效能圖，其以ei曲線解釋在非正常類型的熱電 加熱有效能節(jié)省循環(huán)a-b-c-d中功轉(zhuǎn)換成熱的方法的本質(zhì)，其中e是有效 能，i是焓。
圖10示例性地通過(guò)框圖表示正有效能節(jié)省熱電轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)示例， 其可用來(lái)將環(huán)境的熱轉(zhuǎn)變成電能，且反之亦然。
詳述
現(xiàn)在將通過(guò)基于熱力學(xué)蒸汽循環(huán)過(guò)程解釋本發(fā)明來(lái)詳細(xì)參考本發(fā)明 的原理，其示例在附圖中說(shuō)明。這里所提到的示例的目的是解釋本發(fā)明， 并不以任何形式限制本發(fā)明。
方法實(shí)現(xiàn)，所述過(guò)程可以是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的電子氣體的電荷載流子的熱和 功的可逆循環(huán)轉(zhuǎn)換。在電子氣體至少與兩個(gè)熱源的相互作用以及熱電系統(tǒng) 的邊界處的熱交換的過(guò)程中，珀?duì)柼蜏愤d熱的有效能的交換，可以在 周期性過(guò)程中、第一熱源的極限等熵線之間的系統(tǒng)邊界實(shí)現(xiàn)，所述周期性 過(guò)程由電子氣體的非周期性完全熱功轉(zhuǎn)換形成，其中電子氣體通過(guò)第二熱 源以循環(huán)方式變換到它的初始狀態(tài)，結(jié)果為電子氣體在所述系統(tǒng)內(nèi)的非互 逆變換的不同段的熱有效能的理想再生以及在第二熱源的溫度場(chǎng)中它的 熵的不可逆增加。
因此，在滿足非互逆變換過(guò)程中電子氣體的有效能的平衡時(shí)，可以實(shí) 現(xiàn)湯姆遜熱的理想再生，而笫 一源的熵的變化可以在恒定溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度
(電勢(shì))、在工質(zhì)的熵的永久-循環(huán)變化的不可逆過(guò)程中得到補(bǔ)償，而沒(méi) 有與第二源的熱交換以及沒(méi)有由電子氣體所實(shí)現(xiàn)的電功。
因此， 一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的特征在于在處于恒定勢(shì)能值以及恒定電子 氣體電荷值的循環(huán)段進(jìn)行熱交換。熱交換可以是湯姆遜熱的熱有效能的再 生熱交換。
另 一優(yōu)選實(shí)施例的特征在于循環(huán)內(nèi)的湯姆遜熱的熱有效能的熱交換 段由熱交換的等有效能過(guò)程段閉合。熱交換段可以是湯姆遜熱的熱有效能 的再生熱交換段。熱交換的等有效能過(guò)程可以是具有熱的恒定熱有效能的 多方過(guò)程。
另 一優(yōu)選實(shí)施例的特征在于循環(huán)內(nèi)的湯姆遜熱的熱有效能的熱交換 段由具有恒定勢(shì)能值、具有恒定電子氣體電荷值、或具有等溫和等熵過(guò)程 的段的組合來(lái)閉合。
另 一優(yōu)選實(shí)施例包括相對(duì)于熱力學(xué)表示順時(shí)針?lè)较驅(qū)崿F(xiàn)正循環(huán)，其中 熱從第一熱源供給到電子氣體，由此，電子氣體的熵增加以及電子氣體從 第一熱源抽取熱的等溫過(guò)程的溫度被設(shè)為高于在第二源的溫度場(chǎng)中的電 子氣體的熱無(wú)效能狀態(tài)的溫度。其中的術(shù)語(yǔ)"正循環(huán)"指的是將熱轉(zhuǎn)換成電
功的過(guò)程。
另 一個(gè)實(shí)施例包括相對(duì)于熱力學(xué)表示逆時(shí)針?lè)较驅(qū)崿F(xiàn)正循環(huán)，其中熱 從第一熱源供給到電子氣體，由此，電子氣體的熵增以及電子氣體從第一 熱源抽取熱的等溫過(guò)程的溫度被設(shè)為低于在第二源的溫度場(chǎng)中的電子氣 體的熱無(wú)效能狀態(tài)的溫度。
另一優(yōu)選實(shí)施例包括相對(duì)于熱力學(xué)表示逆時(shí)針?lè)较驅(qū)崿F(xiàn)逆循環(huán)，其中 將電子氣體的熱傳到被加熱的環(huán)境以及電子氣體的熵減的等溫過(guò)程的溫 度被設(shè)為高于在第一源的溫度場(chǎng)中的電子氣體的熱無(wú)效能狀態(tài)的溫度。其 中的術(shù)語(yǔ)"逆循環(huán)"指的是電功轉(zhuǎn)換成熱的過(guò)程。
另一優(yōu)選實(shí)施例包括相對(duì)于熱力學(xué)表示順時(shí)針?lè)较驅(qū)崿F(xiàn)逆循環(huán)，其 中將電子氣體的熱傳到被加熱的環(huán)境以及電子氣體的熵減的等溫過(guò)程的 溫度被設(shè)為低于在第二源的溫度場(chǎng)中的電子氣體的熱無(wú)效能狀態(tài)的溫度。
另一優(yōu)選實(shí)施例的特征在于環(huán)境用作第一熱源，低溫局部絕熱源用 作第二源。此外，正有效能節(jié)省循環(huán)的電功的某一部分可被用于附加的冷 卻循環(huán)，該循環(huán)可以利用在第二源的溫度場(chǎng)中的熱抽取的等溫過(guò)程實(shí)現(xiàn)。
進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例特征在于環(huán)境用作第一熱源，高溫局部絕熱源 用作第二源。此外，正有效能節(jié)省循環(huán)的電功的某一部分可#:用于附加的 加熱循環(huán)，該循環(huán)可以利用在第二源的溫度場(chǎng)中的放熱的等溫過(guò)程實(shí)現(xiàn)。
此外，發(fā)生以電磁輻射的量子形式的電子和空穴的復(fù)合的不可逆過(guò)程。
另一優(yōu)選實(shí)施例是特征在于電功利用電功形式的連續(xù)去除和恢復(fù)而 在絕熱系統(tǒng)中供給和積蓄。
另 一優(yōu)選實(shí)施例的特征在于熱做功的能力的尺度根據(jù)表達(dá)式 ^W"&建立，其中，^是循環(huán)中溫度變化的比率，^是循環(huán)中電子氣體 的勢(shì)能變化的比率。為了這個(gè)變化，使用來(lái)自第一熱源的熱，供給到正有 效能節(jié)省循環(huán)的電子氣體的等溫過(guò)程。第二源的溫度場(chǎng)中的工質(zhì)的溫度 (處于無(wú)效能狀態(tài))固定。有效能節(jié)省循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)，溫度和電子氣體勢(shì) 能的變化的程度(比率)可以測(cè)量，并且熱做功的能力可以確定。
此外，本發(fā)明的主題是用于執(zhí)行上述方法的熱電轉(zhuǎn)換器，包括至少一 個(gè)具有電子和空穴電導(dǎo)率的半導(dǎo)體偶、金屬接頭、半導(dǎo)體與金屬橫構(gòu)件的 冷卻和加熱熱接頭，其特征在于所述偶或每個(gè)偶中的一個(gè)半導(dǎo)體以在排
放湯姆遜熱的過(guò)程中具有恒定電子氣體勢(shì)能的單元的形式實(shí)施，而所述偶 或每個(gè)偶中的第二半導(dǎo)體以在湯姆遜熱的過(guò)程中具有恒定電子氣體電荷 的單元的形式實(shí)施。在兩個(gè)半導(dǎo)體之間，放置熱交換器，優(yōu)選地具有湯姆 遜熱的熱有效能的理想再生，同時(shí)滿足電子氣體在它通過(guò)半導(dǎo)體的非互逆 變換的過(guò)程中的熱有效能的平衡。它們之間的金屬橫構(gòu)件可以以具有用于 熵補(bǔ)償?shù)膯卧慕^熱系統(tǒng)的形式實(shí)施。
熱電轉(zhuǎn)換器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的特征在于熱交換器以熱管或多孔陶 瓷的形式實(shí)施。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，熱電轉(zhuǎn)換器包括用于熵補(bǔ)償?shù)膯卧?。該單元?以以絕熱熱源中的超導(dǎo)橫構(gòu)件的形式實(shí)施，或以一單元的形式實(shí)施，該單 元在恒定的電勢(shì)、溫度、焓為電子氣體的積蓄不可逆地騰出一些體積，無(wú) 需傳導(dǎo)功并且無(wú)需在恒定電荷下釋放電子氣體。
在熱電轉(zhuǎn)換器的另 一優(yōu)選實(shí)施例中，附加熱電轉(zhuǎn)換器連接到所述熱轉(zhuǎn) 換器。附加熱轉(zhuǎn)換器可以放進(jìn)所述熱轉(zhuǎn)換器中，利用有效能節(jié)省循環(huán)和熵 補(bǔ)償?shù)慕^熱系統(tǒng)，放進(jìn)絕熱源中。這個(gè)附加熱轉(zhuǎn)換器的金屬橫構(gòu)件可以位 于絕熱源中。附加熱轉(zhuǎn)換器可以有利地與主熱轉(zhuǎn)換器電連接。
在熱電轉(zhuǎn)換器的另一優(yōu)選實(shí)施例中，電子氣體的溫度的等熵轉(zhuǎn)換器與 所述半導(dǎo)體中的一個(gè)串聯(lián)連接。等熵轉(zhuǎn)換器可以有利地在有效能循環(huán)內(nèi)放 置在熱轉(zhuǎn)換器中。舉一個(gè)非限制性的例子，它可以按美國(guó)專利申請(qǐng) 2003/0072351Al實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)在將通過(guò)基于熱電過(guò)程的解釋來(lái)更加詳細(xì)地參考本發(fā)明的原理及 其實(shí)施例，其示例在附圖中說(shuō)明。這里所提到的示例僅僅用于解釋的目的， 并不以任何形式限制本發(fā)明。
所提出的熱電有效能節(jié)省過(guò)程中的熱和功轉(zhuǎn)換方法可以按以下方式 實(shí)現(xiàn)圖1中示出一個(gè)電路，其包括至少一個(gè)不同導(dǎo)體的金屬輸出接觸4、 5及n型2和p型3的半導(dǎo)體的偶，串聯(lián)連接并由傳導(dǎo)元件(線)1分離， 放置于絕熱積蓄熱源7中。導(dǎo)體1和絕熱源7用來(lái)補(bǔ)償熱供給劑的熵。接 觸4、 5與半導(dǎo)體2、 3的金屬熱接頭和導(dǎo)體1的熱接頭具有不同的溫度， 因?yàn)榻佑|4、 5具有溫度T3的熱供給劑，其為高溫源(例如，環(huán)境)，而 導(dǎo)體1位于具有低溫T1 (例如，用于順時(shí)針?lè)较驅(qū)崿F(xiàn)的正常正循環(huán)的液 化氮)或高溫(例如，用于逆時(shí)針?lè)较驅(qū)崿F(xiàn)的非正常正循環(huán)的熔化的鹽) 的載體的絕熱殼7內(nèi)。在導(dǎo)體4和半導(dǎo)體3之間，安裝有電子氣體6的溫
度的等熵轉(zhuǎn)換器。在半導(dǎo)體2和3之間，借助于熱交換器8，建立了針對(duì) 湯姆遜熱的有效能的理想再生的條件，同時(shí)滿足在湯姆遜熱從半導(dǎo)體2 非互逆地傳到半導(dǎo)體3的過(guò)程中電子氣體的有效能的平衡。
在加熱熱接頭4、 6和2、 5的過(guò)程中，電子通過(guò)n型半導(dǎo)體向冷卻的 接頭3、 l遷移，而空穴通過(guò)p型半導(dǎo)體向涼接頭2、 l遷移。在此過(guò)程中， 珀?duì)柼麩岜怀槿。姾奢d流子的熵增加。在接觸4、 5上，產(chǎn)生thermo-emf, 其與所述熱接頭上的溫度差和塞貝克系數(shù)的乘積成比例。
沿著所述半導(dǎo)體的溫度差使得半導(dǎo)體2的較暖部分中的電流載流子 的平均能量比較涼部分大，湯姆遜熱在半導(dǎo)體2中隨電流排放，半導(dǎo)體3 中的湯姆遜熱4皮抽取。珀?duì)柼蜏愤d效應(yīng)確定在電流通過(guò)的過(guò)程中通過(guò) 熱接頭帶到半導(dǎo)體的總熱量。
當(dāng)來(lái)自外部源的電流通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換器時(shí)，珀?duì)柼麩嵩跓峤宇^上排放。 處于比環(huán)境溫度高的溫度的熱的熱接頭將包括以下兩種分量的熱給予所 加熱的物體以必要的電功的形式所供給的有效能，和以來(lái)自環(huán)境涼接頭 的熱的形式所抽取的無(wú)效能。由較暖的熱接頭所排放的熱量，超過(guò)由較涼 的熱接頭所抽取的熱量一個(gè)值，該值為來(lái)自所使用的外部源的電能的值。 如果熱接頭的溫度不同，則這個(gè)能量用來(lái)實(shí)現(xiàn)電流載流子沿著與電勢(shì)差相 反的方向的輸運(yùn)功，所述電勢(shì)根據(jù)塞貝克定律產(chǎn)生于所述電路中(Seebeck, T.J" 1822, Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperaturdifferenz， Abhand. Deut. Akad. Wiss. Berlin, 265-373 )。
作為沒(méi)有任何保留的能量轉(zhuǎn)換方法，熱力學(xué)第 一定律論述了熱和功的 等價(jià)性。熱力學(xué)第二定律并不禁止一個(gè)源的熱完全轉(zhuǎn)換為功的可能性，如 果在這些過(guò)程中還實(shí)現(xiàn)了一些其它的變化。例如，在電子氣體的熱轉(zhuǎn)換成 功的完全可逆轉(zhuǎn)換的非周期性等溫?zé)犭娺^(guò)程中，電子氣體的電荷發(fā)生改 變。
在熱轉(zhuǎn)變成功的正循環(huán)過(guò)程中，高溫源的熱應(yīng)該供給到熱的熱接頭 (如笫一定律所要求的)。此外，所述熱應(yīng)該從冷的熱接頭抽取到低溫源 (如第二定律所要求的)，同時(shí)發(fā)生補(bǔ)償?shù)撵厣伞?br> 熱力學(xué)第二定律適用于熱電效應(yīng)，電能具有零熵，但其轉(zhuǎn)變成熱能的 過(guò)程是不可逆的，因?yàn)橥瑫r(shí)發(fā)生了由于在導(dǎo)體和芯中排放焦耳熱而導(dǎo)致的 熵增的過(guò)程。
在電子氣體的環(huán)形循環(huán)中，如果熱電偶電路是閉合的并且產(chǎn)生并保持 了恒定溫差，則三種熱電效應(yīng)就同時(shí)發(fā)生，而珀?duì)柼?、湯姆遜和塞貝克系 數(shù)之間的關(guān)系由開(kāi)爾文關(guān)系設(shè)定。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，如果通過(guò)給定的 電荷量，則在由熱電運(yùn)動(dòng)力所執(zhí)行的環(huán)形循環(huán)中的電子氣體的功由所供給 的熱量和所抽取的熱量的差確定。
針對(duì)包括經(jīng)歷任何變化的所有體的孤立系統(tǒng)的熱力學(xué)第 一和笫二定 律是分離的，因?yàn)樗鼈円钥赡娴仁胶筒豢赡娌坏仁降男问綄?duì)應(yīng)地公式化。
僅通過(guò)以下，它們可以統(tǒng)一成廣義熱力學(xué)定律確定兩個(gè)熱源的系統(tǒng)中的 一個(gè)源的熱和功的完全可逆循環(huán)轉(zhuǎn)換、但沒(méi)有所述環(huán)形循環(huán)中的第二源的 熵劣化的條件。
源實(shí)現(xiàn)一^源的、熱^換成功的可逆完全循環(huán)轉(zhuǎn)換、但沒(méi)有樣本循環(huán)中的第 二源的熵劣化的可能性和條件。
對(duì)于在電子氣體的環(huán)形循環(huán)中的電子氣體電荷載流子的熱和功的可 逆熱電轉(zhuǎn)換，如能量轉(zhuǎn)換方法所示，所述一個(gè)源的熱和電子氣體電荷載流 子的功是等價(jià)的，并且在循環(huán)過(guò)程中是完全可逆的，該循環(huán)過(guò)程由電荷載 流子的非周期性完全熱功轉(zhuǎn)換形成，借助了電子氣體通過(guò)第二熱源變換到 初始狀態(tài)的循環(huán)變換，結(jié)果是非互逆轉(zhuǎn)換的熱有效能的理想再生以及電子 氣體在無(wú)熱交換及由電子氣體傳導(dǎo)的功時(shí)在恒定溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度下的熵 的不可逆增加。
由此實(shí)現(xiàn)了根據(jù)所述方法的可逆有效能節(jié)省的熱功轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)所述循 環(huán)的有效能節(jié)省(即，節(jié)省能量載體的有效能)或沒(méi)有無(wú)效能損耗(即， 在理想循環(huán)中沒(méi)有廢熱)伴隨著高溫?zé)嵩?熱供給劑的熵的專門補(bǔ)償變 化。根據(jù)所述廣義定律，三個(gè)物理相對(duì)量(physical antipode)-熵、有 效能和無(wú)效能的相互作用徹底改變了熱交換的結(jié)構(gòu)，并且主要提高了再生 熱電循環(huán)中的可逆熱功轉(zhuǎn)換方法的效率，所述循環(huán)在兩個(gè)熱源的溫度水平 之間實(shí)現(xiàn)，利用電子氣體形式的工質(zhì)，沒(méi)有從一個(gè)熱源到另一個(gè)熱源的熱 的部分有效能的傳輸，并且沒(méi)有另一個(gè)源的熵劣化。
在正常類型的正有效能節(jié)省熱電循環(huán)a-b-c-d的圖2中，在等溫(AT -O)過(guò)程a-b中熱到功的轉(zhuǎn)換以TS曲線示出。在這一過(guò)程中，在等熵線 S2和S3段，熱QT1等于珀?duì)柼蜏愤d熱之和，其由熱接頭5、 2及4、 6抽取并完全轉(zhuǎn)換成電子氣體的熱電有效能。熱供給劑-高溫T3的源(例
如環(huán)境)的熵減小，等于珀?duì)柼蜏愤d熱之和的熱在等溫過(guò)程b-C被給
予熱接頭5、 2及4、 6。在此過(guò)程中，所供給的熱的有效能完全轉(zhuǎn)換成電 荷載流子的功，其伴隨有電荷的增加和電場(chǎng)強(qiáng)度的增加。在熱的相互作用 中，通過(guò)系統(tǒng)的限制所傳輸?shù)撵乇唤粨Q。因此，如果熱供給劑的熵減小， 則電子氣體的熵及其電荷增加。在與熱供給劑的熱交換段，熵的變化相等 且符號(hào)相反。
利用在非互逆變換2-8-3 (圖1中)、c-d (圖2中)和3-8-2 (圖1中)、 d-a或a，-b (圖2中)中的湯姆遜熱QRG的熱有效能的完全理想再生， 同時(shí)滿足有效能的平衡，實(shí)現(xiàn)了返回到初始狀態(tài)。湯姆遜熱QRG形式的 電子氣體的熱有效能以非互逆方式在所述循環(huán)內(nèi)再生，即在相反(不相似) 段2-8-3 (圖1中)、部分c-d (在圖2的圖中)和3-8-2 (圖1中)、部分 d-a或a，-b(在圖2的圖中)。在循環(huán)的過(guò)程中，在穿過(guò)第二源的絕熱殼7 的限制之前，湯姆遜熱QRG形式的電子氣體的熱有效能從電子氣體自 身分離，并通過(guò)實(shí)施為例如熱管的熱交換器8供給到半導(dǎo)體3。熱供給劑 的溫度-湯姆遜熱的溫度-在段2-8-3 (圖1中)、部分c-d (圖2中)、在 釋放湯姆遜熱的過(guò)程中以恒定電勢(shì)(電場(chǎng)強(qiáng)度)和電荷減少、沿著半導(dǎo)體 2減小到低溫Tl的載流子溫度。
在溫度從T3減小到Tl時(shí)從等勢(shì)或等張(isotonic)段(具有恒定的 強(qiáng)度，AE = 0) c-d段抽取的電子氣體的湯姆遜熱QRG的熱有效能應(yīng)該 等于在等密度(具有恒定電荷密度，Aq = 0)段d-a的湯姆遜熱的熱有效 能，其是將電子氣體的溫度從T1增加到T2所需要的。
可以示出，如果以下條件滿足，則
tf t; t， r,,或盯ri站o-55 "V^-cfr'nnv(a,—
其中k是由半導(dǎo)體特性所確定的系數(shù)；盯"戰(zhàn)'。""^。"對(duì)應(yīng)地是在等壓和等 密度過(guò)程中溫度變化的程度(比率)。
所述公式使我們能夠基于以下過(guò)程中的已知值Tl和T3來(lái)計(jì)算T2， 在圖2所示的正常正有效能節(jié)省循環(huán)a-b-c-d的相鄰段的再生過(guò)程及圖4 所示的非正常正有效能節(jié)省循環(huán)a，-b-c-d的相反,殳的再生過(guò)程。
在已知的正(非廣義)卡諾循環(huán)中，在熱的兩條極限等熵線之間，發(fā) 生熱轉(zhuǎn)變成功(主要過(guò)程)和返回到初始狀態(tài)(輔助、補(bǔ)償過(guò)程)兩者，
其中熱移到冷卻器。在有效能節(jié)省循環(huán)中，在熱的兩條極限等熵線Sl、 S2之間，僅僅發(fā)生抽取所供給的熱及改變電荷載流子的主要過(guò)程，而返 回到初始狀態(tài)的輔助過(guò)^f呈在如下情況下進(jìn)行傳遞到等熵線Sl (在圖2 的正常循環(huán)a-b-c-d中，在循環(huán)的相鄰段的湯姆遜熱的再生，或圖4的 a，-b-c-d中，在相反#更的再生)或S3 (在非正常循環(huán)1-2-5-6中，在循環(huán) 的相反段的湯姆遜熱的再生，或在l-2-5，-6中，在相鄰段的再生)，其位 于所轉(zhuǎn)換的熱的極限等熵線之外，在低溫(在正常循環(huán)中)或高溫(在非 正常循環(huán)中)的第二源7的溫度場(chǎng)的條件下，對(duì)于電子氣體的有效能是閉 合的。在熱有效能的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)電子氣體通過(guò)第二源7,沒(méi)有與它進(jìn)行熱交 換，并且沒(méi)有傳導(dǎo)功。
由借助于沒(méi)有傳導(dǎo)功的電子氣體的無(wú)效能的體積變化進(jìn)行熵補(bǔ)償?shù)?系統(tǒng)l，例如橫構(gòu)件或橫條(cross-strap),來(lái)執(zhí)行補(bǔ)償熵的過(guò)程。電子氣 體的無(wú)效能流被導(dǎo)入系統(tǒng)l,以便實(shí)現(xiàn)熵補(bǔ)償過(guò)程。在通過(guò)系統(tǒng)l且完成 熱供給劑的熵補(bǔ)償過(guò)程之后，電子氣體在通過(guò)半導(dǎo)體3的過(guò)程中，完全吸 收所供給的湯姆遜熱的熱有效能，并提高它的溫度和熵，代價(jià)是由于電子 氣體載流子與再生器的相同部分以逆序的熱接觸而產(chǎn)生的湯姆遜熱，但卻 以非互逆方式，例如，在恒定電荷的條件下，由于在恒定場(chǎng)強(qiáng)和恒定電荷 下針對(duì)p和n型材料的塞貝克系數(shù)的差而向著較低的溫度和熵。再生過(guò)程 在滿足有效能平衡時(shí)實(shí)現(xiàn)，即，理想地沒(méi)有有效能損耗，可以是完全可逆 的并且完全獨(dú)立于源。
環(huán)境的熱在環(huán)境溫度、在熱的熱接頭上被供給到接觸板4、 5。冷的 熱接頭2、 l和3、 l可以例如保持在源7的液化氮的溫度。當(dāng)發(fā)電器電路 閉合且電流通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生以下三種熱電效應(yīng)塞貝克、珀?duì)柼愤d， 并且可以通過(guò)為橫構(gòu)件1選擇合適的材料，在液化氮溫度在低溫接頭1 中建立超導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)環(huán)境熱供給到金屬接觸板5、 4且p-n結(jié)的超導(dǎo)橫構(gòu) 件1被冷卻時(shí)，仇ermo-emf在半導(dǎo)體偶上產(chǎn)生(塞貝克效應(yīng))。湯姆遜熱 通過(guò)再生熱交換器8在半導(dǎo)體2、 3之間交換，同時(shí)滿足熱有效能平衡， 以便使得在每個(gè)半導(dǎo)體的溫度梯度場(chǎng)中的相同溫度下，電荷載流子(電子 和空穴)在返回到初始狀態(tài)的段的熵值不同。這通過(guò)以下而實(shí)現(xiàn)選擇半 導(dǎo)體2、 3的thermo-emf系數(shù)的合適值，以及再生過(guò)程的不同條件-在恒 定電場(chǎng)強(qiáng)度和恒定電量的條件下。功的某一部分可用于在a-b段返回到初 始狀態(tài)的過(guò)程，以便通過(guò)電子氣體的溫度從T2絕熱增加到T3 (圖2)的 單元6將電勢(shì)提高到初始狀態(tài)。
電流通過(guò)絕熱源7中的超導(dǎo)橫構(gòu)件1不伴有電子耗散、熱的排放以及 積蓄低溫9源7的熵劣化。如果在半導(dǎo)體2、 3的兩端存在溫度梯度，貝'J 發(fā)生劣化，原因是由于它們的熱傳導(dǎo)，蓄熱器7抽取從半導(dǎo)體的熱端傳輸 到冷端的熱。此外，由于絕熱殼7的不完善的隔熱，熱滲透到源7中。
熱轉(zhuǎn)換器和它的電子氣體在環(huán)形循環(huán)中可以實(shí)現(xiàn)何種變化？這些由 可逆循環(huán)過(guò)程中的熵守恒定律確定。在實(shí)現(xiàn)可逆循環(huán)后，轉(zhuǎn)換器沒(méi)有任何 結(jié)果地返回到初始狀態(tài)。可逆過(guò)程在這種情況下相當(dāng)于該過(guò)程不存在。因 此循環(huán)機(jī)器和它的電子氣體在整個(gè)循環(huán)中的熵保持不變，這相當(dāng)于在所述 機(jī)器中沒(méi)有任何變化。
因?yàn)樯鲜隹赡嫜h(huán)過(guò)程中的熵守恒定律也適用于整個(gè)系統(tǒng)，作為整體 考慮，考慮到所有體，熵應(yīng)該被提高，以便封閉系統(tǒng)的熵平衡。有效能節(jié) 省熱電循環(huán)中的不可逆熵變的補(bǔ)償過(guò)程，不是通過(guò)象在卡諾循環(huán)中將電子 氣體的熱釋放到熱接收劑，而是通過(guò)改變?cè)趯㈦娮託怏w的熱有效能通過(guò)去
除湯姆遜熱轉(zhuǎn)變成無(wú)效能之后產(chǎn)生的無(wú)效能來(lái)進(jìn)行。在絕熱源溫度場(chǎng)中， 在湯姆遜熱從電子氣體抽取及iiA補(bǔ)償系統(tǒng)1中所騰出的體積的過(guò)程中， 在非可逆連續(xù)循環(huán)過(guò)程中、在恒定溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生電荷變化及體積、 勢(shì)無(wú)效能的非可逆熵變以及電子氣體的熵，而沒(méi)有傳導(dǎo)功。
熵的補(bǔ)償生成的實(shí)現(xiàn)以功的損耗為代價(jià)，否則該功會(huì)在以下過(guò)程中被 傳導(dǎo)在工質(zhì)變換到擴(kuò)散、凍結(jié)、凝結(jié)、爆炸或復(fù)合的更穩(wěn)定的狀態(tài)的過(guò)
程中，在為電荷載流子在恒定電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度釋^:某個(gè)體積的非可逆膨脹
過(guò)程中，等等。
以下兩種載流子用作電荷載流子電子和空穴。在這種情況下，熵增 以功的損耗為代價(jià)。該熵增類似于吉布斯悖論中的熵變?cè)趯煞N氣體混 合的過(guò)程中，在去掉它們之間的幾何體積的分隔之后，內(nèi)能、焓、溫度和 壓力不變，但混合物的熵較之混合氣體的熵相加的和增加。
在這種情況下，熵的過(guò)程不伴隨將熱以兩種能量形式釋放到第二源 無(wú)效能，即電子氣體不能^:功的能量部分，或有效能，即電子氣體能夠j坎 功的能量部分。有價(jià)值的熱的有效能在循環(huán)內(nèi)完全使用，這使得該循環(huán)比 針對(duì)電子氣體的卡諾循環(huán)更有效。
在這種方法的框架之內(nèi)，兩個(gè)熱源的功能以及有效能節(jié)省循環(huán)中的熱 交換的結(jié)構(gòu)從概念上不同于卡諾循環(huán)工作源與電子氣體交換熱，而第二 源(絕熱源)可以為這樣的交換閉合。利用第二源，可以實(shí)現(xiàn)電子氣體在
熱無(wú)效能狀態(tài)的電荷的體積變化及熵的轉(zhuǎn)換。在電子氣體在所述循環(huán)中循 環(huán)的過(guò)程中，絕熱源的熱勢(shì)對(duì)于改變絕熱源之外的電子氣體的熱狀態(tài)的熱 狀態(tài)是有用的。絕熱源的有效能在有效能節(jié)省循環(huán)中不使用(同樣地，恒 磁體的有效能在磁電效應(yīng)中不使用)。
一些新現(xiàn)象正在被揭示在利用電子氣體的任何熱電有效能節(jié)省循環(huán) 中，不存在從所述循環(huán)到熱吸收器中的熱流，絕熱源的溫度可以設(shè)為低于 或高于例如環(huán)境的工作源的對(duì)應(yīng)參數(shù)。所述熱力學(xué)循環(huán)可以具有正常(常 規(guī))的熱過(guò)程序列(通路)，即正循環(huán)的順時(shí)針?lè)较?，逆循環(huán)(冷卻和加 熱循環(huán))的逆時(shí)針?lè)较?，或者非正常序列，即正循環(huán)的逆時(shí)針?lè)较?，冷卻 和加熱循環(huán)的順時(shí)4十方向。
在恒定溫度條件下，電子氣體在熱無(wú)效能狀態(tài)通過(guò)絕熱源而沒(méi)有與它 的熱交換，不造成絕熱源的熱能的劣化。發(fā)生局部絕熱源的劣化只是因?yàn)?局部源的不理想的隔熱，例如，杜瓦瓶中積蓄熱載體以及系統(tǒng)的部分的技 術(shù)熱耗散；具體地，由于半導(dǎo)體的熱傳導(dǎo)，如果存在溫度差，熱從熱的熱 接頭傳輸?shù)嚼涞臒峤宇^。
在循環(huán)中，湯姆遜熱的熱有效能的再生熱交換段(圖2的圖中的部分 c-d和d-a或a，-b )，可以由熱交換的單個(gè)等有效能過(guò)程段閉合-在所述熱 的恒定熱有效能的條件下供給或抽取熱的多方過(guò)程，或由具有恒定勢(shì)能 值、具有恒定電子氣體電荷值或具有等熱(圖2的圖中的b-c部分)和等 熵過(guò)程(圖2的圖中的a-b或a，-d部分)的段的組合來(lái)閉合。
在順時(shí)針?lè)较驅(qū)崿F(xiàn)正循環(huán)的過(guò)程中，增加電子氣體的熵和電子氣體抽 取第一源的熱的等溫過(guò)程的溫度可以設(shè)成高于電子氣體在第二源的溫度 場(chǎng)中的熱無(wú)效能狀態(tài)的溫度。
在逆時(shí)針?lè)较驅(qū)崿F(xiàn)正循環(huán)的過(guò)程中，增加電子氣體的熵和抽取第 一源 的熱的等溫過(guò)程的溫度可以設(shè)成低于電子氣體在第二源的溫度場(chǎng)中的熱 無(wú)效能狀態(tài)的溫度。
在通過(guò)施加一些電功以^使實(shí)現(xiàn)逆時(shí)4十方向的逆加熱循環(huán)的正循環(huán)的 轉(zhuǎn)換過(guò)程中，將電子氣體的熱釋放到被加熱的環(huán)境并減小電子氣體的熵的 等溫過(guò)程的溫度可以設(shè)成高于電子氣體在第一源的溫度場(chǎng)中的熱無(wú)效能 狀態(tài)的溫度。
在通過(guò)施加一些電功以便實(shí)現(xiàn)順時(shí)針?lè)较虻哪婕訜嵫h(huán)的正循環(huán)的
轉(zhuǎn)換過(guò)程中，將電子氣體的熱釋力文到被加熱的環(huán)境并減小電子氣體的熵的 等溫過(guò)程的溫度可以設(shè)定成低于電子氣體在第 一 源的溫度場(chǎng)中的熱無(wú)效 能狀態(tài)的溫度。
環(huán)境可被用作第一熱源熱，高溫局部絕熱源可凈皮用作笫二源，非正常 類型的正有效能節(jié)省循環(huán)的電功的某一部分可以使用，并且在第二源的溫 度場(chǎng)中具有放熱的等溫過(guò)程的附加加熱循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)。
在有效能節(jié)省循環(huán)中以電磁輻射量子的形式實(shí)現(xiàn)電子和空穴的非可 逆復(fù)合過(guò)程。
在利用電功形式的連續(xù)抽取和恢復(fù)的絕熱系統(tǒng)中，電功可以在有效能
節(jié)省循環(huán)中被供給和積蓄。熱做功的能力的程度可以根據(jù)表達(dá)式HTlnnp建
立，其中，nT是有效能節(jié)省循環(huán)中溫度變化的程度(比率)，np是循環(huán)中
電子氣體的勢(shì)能的變化的程度(比率)，其中熱被用作第一熱源，供給到 正有效能節(jié)省循環(huán)的電子氣體的等溫過(guò)程，其中第二源的溫度場(chǎng)中的工質(zhì) 的熱無(wú)效能溫度被固定，有效能節(jié)省循環(huán)得以實(shí)現(xiàn)，電子氣體的溫度和勢(shì) 能的變化的程度(比率)得以測(cè)量，并且熱做功的能力得以確定。借助于 半導(dǎo)體熱轉(zhuǎn)換，通過(guò)上述熱電效應(yīng)的同時(shí)使用，可以創(chuàng)建新的熱電電流源、 高溫或低溫?zé)犭姛嵩椿驘犭婋姶泡椛湓?量子光源或UHF發(fā)生器)，其將 環(huán)境的熱能用作它們的能量源。
熱電轉(zhuǎn)換器
熱電轉(zhuǎn)換器已知用于將兩個(gè)熱源的溫度差正轉(zhuǎn)換成電勢(shì)以及將電功 轉(zhuǎn)換成熱的逆轉(zhuǎn)換，該熱被供給到被加熱的環(huán)境或從被冷卻的物體抽取
(Seebeck' T.丄,1822, Magnetische Polarisation der Metalte und Erze durch Temperaturdifferenz' Abhand. Deut. Akad. Wiss. Berlin, 265.373; Peltier,丄C:, 1834, hiouvelles experiences sur ,a caloriecete des coursns e，ectriqu的.Ann.. Chem.; LV1,371-387) Thomson, .W., 1851， On a mechanical theory of thermoelectric currents, Proc, Roy-Soc. Edinburgh, 91-98).
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的最接近所提出的熱電轉(zhuǎn)換器的技術(shù)方案是用于發(fā)電、 加熱或冷卻的半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換器(US 6,384,312 ),其包括至少一個(gè)具有電 子和空穴電導(dǎo)率的半導(dǎo)體偶，以及電連接所述對(duì)或每對(duì)的金屬橫構(gòu)件(半 導(dǎo)體與金屬接頭的冷卻和加熱熱接頭)。
因?yàn)闊岷碗娔艿牟煌耆靡约皬乃鱿到y(tǒng)釋放廢熱(這降低了它們
的熱和有效能效率)，已知的熱轉(zhuǎn)換器的熱電轉(zhuǎn)換效率不足。
根據(jù)本發(fā)明及其實(shí)施例的熱電轉(zhuǎn)換器所要解決的問(wèn)題是提高熱和功 的熱轉(zhuǎn)換器的熱電效率。
所述問(wèn)題通過(guò)一種熱轉(zhuǎn)換器解決，其至少包括一個(gè)具有電子和空穴電
導(dǎo)率的半導(dǎo)體偶和金屬橫構(gòu)件，半導(dǎo)體與金屬接頭的熱接頭，由此一個(gè)半 導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器以在排^t湯姆遜熱的過(guò)程中具有電子氣體的恒定勢(shì)能的單元
的形式實(shí)施，由此另一個(gè)以在抽取湯姆遜熱的過(guò)程中具有電子氣體的恒定 電荷的單元的形式實(shí)施。具有湯姆遜熱的理想再生的熱交換器放置在它們 之間，以便滿足電子氣體在它們通過(guò)半導(dǎo)體的非互逆變換過(guò)程中的熱有效 能的平衡。它們之間的金屬接頭(橫構(gòu)件)可以以具有用于熵補(bǔ)償?shù)膯卧?的絕熱系統(tǒng)的形式實(shí)施。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，具有熱有效能熱湯姆遜的理想再生的熱交換器 可以實(shí)施為熱管或多孔陶瓷。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，用于熵補(bǔ)償?shù)膯卧梢詫?shí)施為這樣的單元其 用于在恒定勢(shì)能、溫度、焓非可逆地騰出一些體積以積蓄電子氣體，而沒(méi) 有傳導(dǎo)功和在恒定電荷下的連續(xù)釋放。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，用于熵補(bǔ)償?shù)膯卧梢砸越^熱蓄熱器中的超導(dǎo) 橫構(gòu)件的形式實(shí)施。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，附加熱轉(zhuǎn)換器可以放在所述熱轉(zhuǎn)換器中，在有 效能節(jié)省循環(huán)和熵補(bǔ)償?shù)慕^熱系統(tǒng)內(nèi)，》丈入絕熱源。這個(gè)附加熱轉(zhuǎn)換器的 金屬橫構(gòu)件或橫條可以位于絕熱源內(nèi)。附加熱轉(zhuǎn)換器可以與主熱轉(zhuǎn)換器電 連接。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，電子氣體的溫度的等熵轉(zhuǎn)換器可以在有效能節(jié) 省循環(huán)內(nèi)與半導(dǎo)體串聯(lián)到所述熱轉(zhuǎn)換器中。
在圖10中，示出了正有效能節(jié)省熱電轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)版本的非限制性 示例，其將環(huán)境的熱轉(zhuǎn)變成電能。它包括主熱電電流發(fā)生器l、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9，具有在絕熱殼7中的積蓄低溫源9形式的絕熱自備源 (adiabatic autonomous source)以及內(nèi)置輔助反向轉(zhuǎn)換器10、 2、 3、 4、 5、 7、 8、 9，與主熱發(fā)電器電連接。輔助冷卻輪廓用于補(bǔ)償由絕熱殼7 的非理想隔熱和半導(dǎo)體2、 3的熱傳導(dǎo)的非可逆過(guò)程所引起的絕熱源9的 熵劣化。
熱電轉(zhuǎn)換器包括至少一個(gè)或一組具有電子2或空穴3電導(dǎo)率的串聯(lián)或 級(jí)聯(lián)連接的半導(dǎo)體偶；以例如橫構(gòu)件的形式實(shí)施的熵補(bǔ)償系統(tǒng)l，其在例 如絕熱殼7中的液化氮(78K)的積蓄源的載流子9的溫度變成超導(dǎo)；用 于供給環(huán)境熱的金屬接觸板4、 5，其也可以被用作thermo-emf發(fā)電器的 傳導(dǎo)輸出端子。用于湯姆遜熱的熱接觸可以通過(guò)熱交換器-再生器8的熱 管提供在半導(dǎo)體2、 3的外表面。
環(huán)境熱可以在環(huán)境溫度、在熱的熱接頭上供給到接觸板4、 5。冷的 熱接頭可以保持在液化氮的溫度。當(dāng)發(fā)電器電路閉合且電流通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生 以下三種熱電效應(yīng)塞貝克、珀?duì)柼?、湯姆遜，以及在液化氮溫度、在低 溫接頭1中的超導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)環(huán)境熱被供給到金屬接觸板且p-n結(jié)的超導(dǎo)橫 構(gòu)件被冷卻時(shí)，thermo-emf在半導(dǎo)體偶上產(chǎn)生(塞貝克效應(yīng))。湯姆遜熱 通過(guò)再生熱交換器8在半導(dǎo)體2、 3之間交換。該交換在滿足熱有效能平 衡時(shí)進(jìn)行，以便使得在每個(gè)半導(dǎo)體的溫度梯度場(chǎng)中的相同溫度下，電荷載 流子(電子和空穴)在返回到初始狀態(tài)的段的熵值不同。這通過(guò)以下實(shí)現(xiàn) 選捧半導(dǎo)體2、 3的thermo-emf系數(shù)的合適值以及再生過(guò)程的不同條件， 例如恒定電場(chǎng)強(qiáng)度和恒定電量的條件。功的某一部分可在返回到初始狀態(tài) 的過(guò)程中使用，以便通過(guò)電子氣體溫度的絕熱增加的單元6將電勢(shì)提高到 初始狀態(tài)。
電流通過(guò)絕熱源7中的超導(dǎo)橫構(gòu)件1不伴有電子耗散、熱的排放以及 積蓄低溫源9的熵劣化。如果在半導(dǎo)體2、 3的兩端存在溫度梯度，則發(fā) 生劣化，原因是由于它們的熱傳導(dǎo)，熱從半導(dǎo)體的熱端到冷端傳輸進(jìn)蓄熱 器7。此外，由于絕熱外殼7的不完善的隔熱，熱滲透進(jìn)入源9。
如果滿足了這些條件，環(huán)境熱獲得對(duì)電子氣體做功的能力，而所述循 環(huán)成為有效能節(jié)省循環(huán)，即，電子氣體的有效能在所述循環(huán)中完全使用。 當(dāng)在恒定溫度，在非可逆循環(huán)中，無(wú)傳導(dǎo)功地發(fā)生電荷載流子的體積、勢(shì) 無(wú)效能的熵變時(shí)，在電子在無(wú)效能狀態(tài)通過(guò)超導(dǎo)橫構(gòu)件的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償 熵的過(guò)程。
該熵增的發(fā)生以功的損耗為代價(jià)，在電荷載流子的數(shù)量利用為電子氣 體在恒定溫;1^出 一些空間而增加的過(guò)程中，其可能已經(jīng)在變換成電子超 流體集合的超導(dǎo)的穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程中由電子實(shí)現(xiàn)。
正有效能節(jié)省循環(huán)的效率高于才艮據(jù)卡諾循環(huán)由電子氣體將熱轉(zhuǎn)換成 功的熱電轉(zhuǎn)換的效率，因此，有效能節(jié)省熱發(fā)電器可以與低溫源-熱電冷
卻轉(zhuǎn)換器IO、 2、 3、 4、 5、 7、 8、 9的熵劣化補(bǔ)償?shù)某掷m(xù)工作輪廓一起使 用，所述低溫源根據(jù)去除滲透進(jìn)低溫源9的熱的常規(guī)冷卻熱電循環(huán)工作。
在有效能節(jié)省熱發(fā)電器(其同時(shí)是具有低溫源的熵劣化補(bǔ)償?shù)臒犭姷?溫冷卻器)中，有效能節(jié)省熱發(fā)電器可以用作用于再生轉(zhuǎn)換器IO、 2、 3、 4、 5、 7、 8、 9的電流源，其抽取滲透進(jìn)低溫源的熱。它包括與熱發(fā)電器 相同的元件。然而，其中的低溫接頭可以由一般的金屬實(shí)施。它根據(jù)珀?duì)?帖效應(yīng)工作，所以，金屬低溫接頭10吸熱，而熱的熱接頭排放的熱量超 過(guò)冷低溫?zé)峤宇^所抽取的熱量一個(gè)值，該值為發(fā)電器的能量值，被用來(lái)實(shí) 現(xiàn)沿著與電場(chǎng)相反的方向載流子的輸運(yùn)功。珀?duì)柼?、焦耳熱以及環(huán)境熱在 公用蓄熱板積蓄并有熱發(fā)電器使用。
上述有效能節(jié)省熱電轉(zhuǎn)換器可用作為通信、計(jì)算4幾提供電功率的電流 源，并同時(shí)提供了微電子部件例如計(jì)算機(jī)處理器、UHF元件等的低溫冷 卻，其利用了環(huán)境熱能并借助于第二熱源，但沒(méi)有它的熵劣化。
此外，可以示出實(shí)現(xiàn)非正常熱電循環(huán)的技術(shù)可能性，制造用于在閉合 體積內(nèi)保持所需要的空氣溫度的熱泵以及借助利用環(huán)境熱能的熱電加熱 機(jī)、熱電量子光源等來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱有效能節(jié)省循環(huán)的可能性。
考慮到在此公開(kāi)的本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)和實(shí)踐，本發(fā)明的修改和改變對(duì)于 本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。提供本發(fā)明的實(shí)施的上述描述的目的是 說(shuō)明和描述。其并非是窮盡的，且并不限制本發(fā)明到所公開(kāi)的精確形式。 根據(jù)上述教導(dǎo)的修改和變化是可能的，或可以從本發(fā)明的實(shí)踐獲得。說(shuō)明 書(shū)和示例應(yīng)當(dāng)僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真實(shí)范圍和精神通過(guò)所附權(quán) 利要求明示。
權(quán)利要求
1.一種用于在熱電循環(huán)中轉(zhuǎn)換熱和功的方法，其中，電子氣體的電荷載流子循環(huán)地經(jīng)歷至少第一和第二(7)熱源，其特征在于熱在所述循環(huán)的單元之間交換，所述單元表示熱電循環(huán)的熱力學(xué)表示的相鄰段(c-d，d-a)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，熱交換以恒定勢(shì)能值以及恒定電子 氣體電荷值在所述循環(huán)的所述段實(shí)現(xiàn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中，所述循環(huán)內(nèi)的湯姆遜熱的熱有 效能的熱交換段由熱交換的等有效能過(guò)程段閉合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中，所述循環(huán)內(nèi)的湯姆遜熱的熱有 效能的熱交換段由具有恒定勢(shì)能值、具有恒定電子氣體電荷值或具有等熱 和等熵過(guò)程的段的組合來(lái)閉合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1到4之一的方法，進(jìn)一步包括執(zhí)行正循環(huán)，其中 熱相對(duì)于熱力學(xué)表示沿順時(shí)針?lè)较驈乃龅?一熱源供給到所述電子氣體， 使得所述電子氣體的熵增加和電子氣體抽取所述第一源的熱的等溫過(guò)程 的溫度(T3)被設(shè)為高于所述第二源的溫度場(chǎng)中的所述電子氣體的熱無(wú) 效能狀態(tài)的溫度(Tl)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、 2和4之一的方法，進(jìn)一步包括執(zhí)行正循環(huán)， 其中熱相對(duì)于熱力學(xué)表示沿逆時(shí)針?lè)较驈乃龅谝粺嵩垂┙o到所述電子 氣體，使得所述電子氣體的熵增加和電子氣體抽取所述第 一源的熱的等溫 過(guò)程的溫度(T3)被設(shè)為低于所述第二源的溫度場(chǎng)中的所述電子氣體的 熱無(wú)效能狀態(tài)的溫度(Tl)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1到4之一的方法，進(jìn)一步包括相對(duì)于熱力學(xué)表示 沿逆時(shí)針?lè)较驁?zhí)行逆循環(huán)，其中所述電子氣體的熱傳輸?shù)奖患訜岬沫h(huán)境以 及所述電子氣體的熵減小的等溫過(guò)程的溫度纟皮-沒(méi)為高于所述第一源的溫 度場(chǎng)中的所述電子氣體的熱無(wú)效能狀態(tài)的溫度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1到4之一的方法，進(jìn)一步包括相對(duì)于熱力學(xué)表示 沿順時(shí)針?lè)较驁?zhí)行逆循環(huán)，其中所述電子氣體的熱傳輸?shù)奖涣Α岬沫h(huán)境以 及所述電子氣體的熵減小的等溫過(guò)程的溫度被^沒(méi)為低于所述第二源的溫 度場(chǎng)中的所述電子氣體的熱無(wú)效能狀態(tài)的溫度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1到8之一的方法，其中，環(huán)境被用作所述第一熱源， 低溫局部絕熱源被用作所述第二源。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，環(huán)境被用作所述第一熱源，高溫 局部絕熱源被用作所述第二源。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1到8之一的方法，其中，利用電功形式的連續(xù)去 除和恢復(fù)，在絕熱系統(tǒng)中供給和積蓄電功。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1到ll之一的方法，其中，熱做功的能力的尺度根 據(jù)表達(dá)式&切&建立，其中，^是所述循環(huán)中溫度變化的比率， 是所 述循環(huán)中電子氣體的勢(shì)能變化的比率。
13. 用于執(zhí)行權(quán)利要求1到12中的任何一項(xiàng)的方法的熱電轉(zhuǎn)換器，包 括至少一個(gè)具有電子和空穴電導(dǎo)率的半導(dǎo)體偶、金屬接頭、半導(dǎo)體與電連 接到所述半導(dǎo)體的金屬橫構(gòu)件的冷卻和加熱熱接頭，其特征在于所述偶 或每個(gè)偶中的一個(gè)半導(dǎo)體以具有恒定電子氣體勢(shì)能的單元的形式實(shí)施，而 所述偶或每個(gè)偶中的另一個(gè)半導(dǎo)體以具有恒定電子氣體電荷的單元的形 式實(shí)施，并且所述偶或每個(gè)偶的兩個(gè)半導(dǎo)體通過(guò)熱交換器連接。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的熱電轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述熱交換器以熱 管或多孔陶瓷的形式實(shí)施。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14的熱電轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括用于熵補(bǔ)償 的單元。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13到15之一的熱電轉(zhuǎn)換器，其特征在于附加熱 電轉(zhuǎn)換器連接到所述熱轉(zhuǎn)換器。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13到16之一的熱電轉(zhuǎn)換器，其特征在于電子氣 體溫度的等熵轉(zhuǎn)換器與所述半導(dǎo)體之一串聯(lián)連接。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13到17之一的熱電轉(zhuǎn)換器，其特征在于用于電 子和空穴復(fù)合的單元與所述半導(dǎo)體之一 串聯(lián)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及在熱電循環(huán)中轉(zhuǎn)換熱和功的過(guò)程，其中電子氣體的電荷載流子循環(huán)經(jīng)歷至少第一和第二(7)熱源。因此，熱在循環(huán)的單元之間交換，所述單元表示熱電循環(huán)的熱力學(xué)表示的相鄰段(c-d，d-a)。該過(guò)程可以沒(méi)有熱損并且沒(méi)有第二源的熱(熵)劣化地執(zhí)行，由此提供高于卡諾循環(huán)的熱電效率。
文檔編號(hào)H01L35/30GK101107722SQ200480044099
公開(kāi)日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2004年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月29日
發(fā)明者亞歷山大·戈?duì)柊?申請(qǐng)人:埃爾湯姆企業(yè)公司