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    重庆时时彩技巧稳赚法: 用于可变热功率源的热电发电机.pdf

    关 键 词:
    用于 变热 功率 热电 发电机
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    摘要
    申请专利号:

    CN200980138130.9

    申请日:

    2009.05.29

    公开号:

    CN102165614A

    公开日:

    2011.08.24

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):H01L 35/30申请公布日:20110824|||实质审查的生效IPC(主分类):H01L 35/30申请日:20090529|||公开
    IPC分类号: H01L35/30; F01N5/02 主分类号: H01L35/30
    申请人: BSST有限责任公司
    发明人: L·E·贝尔; D·T·克莱恩
    地址: 美国加利福尼亚州
    优先权: 2008.07.29 US 61/084,606; 2008.10.15 US 12/252,314
    专利代理机构: 北京纪凯知识产权代理有限公司 11245 代理人: 赵蓉民
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN200980138130.9

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2013.10.16|||2011.10.05|||2011.08.24

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种热电发电机包括第一热电段,其包括至少一个热电???。该第一热电段具有带有流体压力从其中流过的工作流体。该热电发电机进一步包括第二热电段,其包括至少一个热电???。该第二热电段可以配置为允许工作流体从其中流过。该热电发电机进一步包括至少第一可变流元件,在流体压力施加到第一可变流元件之后,该第一可变流元件可以移动。第一可变流元件改变第二热电段对从其中流过的工作流体的流动的流阻。

    权利要求书

    1.一种热电发电机,包括:包括至少一个热电??榈牡谝蝗鹊缍?,所述第一热电段具有带有流体压力从其中流过的工作流体;包括至少一个热电??榈牡诙鹊缍?,所述第二热电段可以被配置为允许所述工作流体从其中流过;至少第一可变流元件,在将所述流体压力施加到所述第一可变流元件之后,所述第一可变流元件可以移动,所述第一可变流元件改变所述第二热电段对从其中流过的所述工作流体的流动的流阻。2.根据权利要求1所述的热电发电机,其中所述第一可变流元件的移动改变热功率或热通量向所述第二热电段的所述至少一个热电??榈氖渌?。3.根据权利要求1所述的热电发电机,其中所述第一可变流元件的移动改变从所述第二热电段的所述至少一个热电??橹幸瞥先鹊乃俾?。4.根据权利要求1所述的热电发电机,其中所述第一热电段和所述第二热电段彼此以并联方式流体连通。5.根据权利要求1所述的热电发电机,其中所述第一热电段和所述第二热电段彼此以串联方式流体连通。6.根据权利要求1所述的热电发电机,其中所述第一可变流元件通过至少部分地阻挡所述第二热电段的输出端来改变所述第二热电段的流阻。7.根据权利要求1所述的热电发电机,其中所述第一可变流元件通过至少部分地阻挡所述第二热电段的输入端来改变所述第二热电段的流阻。8.根据权利要求1所述的热电发电机,其中所述第一可变流元件包括阀。9.根据权利要求8所述的热电发电机,其中所述阀是舌形阀。10.根据权利要求1所述的热电发电机,进一步包括可以配置为允许所述工作流体从其中流过的管道。11.根据权利要求10所述的热电发电机,进一步包括第二可变流元件,在将所述流体压力施加到所述第二可变流元件之后,所述第二可变流元件可以移动,所述第二可变流元件至少改变所述管道对从其中流过的所述工作流体的流动的流阻。12.根据权利要求10所述的热电发电机,其中所述管道以并联方式与所述第一热电段和所述第二热电段流体连通。13.根据权利要求10所述的热电发电机,其中所述管道以串联方式与所述第一热电段和所述第二热电段中的至少一个流体连通。14.根据权利要求10所述的热电发电机,其中所述管道不包括热电???。15.根据权利要求14所述的热电发电机,进一步包括第二可变流元件,在将所述流体压力施加到所述第二可变流元件之后,所述第二可变流元件可以移动,所述第二可变流元件至少改变所述第三热电段对从其中流过的所述工作流体的流动的流阻。16.一种热电发电机,包括:具有至少一个热电??榈牡谝蝗鹊缍?;具有至少一个热电??榈牡诙鹊缍?;可以定位于多个位置的可移动元件,所述多个位置包括:第一位置,其允许工作流体流过所述第一热电段,同时允许所述流体流过所述第二热电段;第二位置,其阻止所述工作流体流过所述第一热电段,同时允许所述工作流体流过所述第二热电段;第三位置,其阻止所述工作流体流过所述第一热电段,同时阻止所述工作流体流过所述第二热电段。17.根据权利要求16所述的热电发电机,其中所述可移动元件的位置是可选择的,以改变热功率从所述工作流体到所述第一热电段和所述第二热电段的输送。18.根据权利要求16所述的热电发电机,其中所述可移动元件的位置是可选择的,以改变从所述第一热电段和从所述第二热电段中移除废热的速率。19.根据权利要求16所述的热电发电机,进一步包括控制器,其中所述可移动元件通过在所述多个位置间移动而响应于从所述控制器接收的信号。20.根据权利要求19所述的热电发电机,其中所述控制器与热功率输送系统或热功率源或二者通信,所述热功率输送系统将热功率从所述热功率源输送到所述热电发电机。21.根据权利要求20所述的热电发电机,其中所述热功率输送源是发动机。22.根据权利要求21所述的热电发电机,其中所述发动机是内燃发动机。23.根据权利要求19所述的热电发电机,其中所述控制器从一个或多个传感器接收信号。24.根据权利要求23所述的热电发电机,其中所述一个或多个传感器中的至少一个响应于所述工作流体的流体压力、流量或温度,或其组合。25.根据权利要求24所述的热电发电机,其中所述压力、流量或温度或其组合是所述热电发电机内的。26.根据权利要求24所述的热电发电机,其中所述压力、流量或温度或其组合是热功率输送系统或热功率源或二者内的,所述热功率输送系统将热功率从所述热功率源输送到所述热电发电机。27.根据权利要求16所述的热电发电机,其中所述第一热电段和所述第二热电段彼此以并联方式流体连通。28.根据权利要求16所述的热电发电机,其中所述第一热电段和所述第二热电段彼此以串联方式流体连通。29.根据权利要求16所述的热电发电机,其中所述可移动元件通过在所述第二位置或所述第三位置时至少部分地阻挡所述第一热电段的输出端来阻止所述工作流体流过所述第一热电段,并且所述可移动元件通过在第三位置时至少部分地阻挡所述第二热电段的输出端来阻止所述工作流体流过所述第二热电段。30.根据权利要求16所述的热电发电机,其中所述可移动元件通过在所述第二位置或所述第三位置时至少部分地阻挡所述第一热电段的输入端来阻止所述工作流体流过所述第一热电段,并且所述可移动元件通过在所述第三位置时至少部分地阻挡所述第二热电段的输入端来阻止所述工作流体流过所述第二热电段。31.根据权利要求16所述的热电发电机,其中所述可移动元件在所述多个位置中的至少两个之间移动大体为直线的位移。32.根据权利要求16所述的热电发电机,其中所述可移动元件在所述多个位置中的至少两个之间围绕旋转轴移动大体为旋转的位移。33.根据权利要求32所述的热电发电机,其中所述旋转轴大体上平行于所述工作流体流过所述第一热电段和所述第二热电段中至少一个的流动方向。34.根据权利要求32所述的热电发电机,其中所述旋转轴大体上垂直于所述工作流体流过所述第一热电段和所述第二热电段中至少一个的流动方向。35.一种热电发电机,包括:多个热电段,其包括:第一热电段;第二热电段;以及管道;其中所述第一热电段、所述第二热电段及所述管道中的至少两个各自包括至少一个热电???;以及可以定位于多个位置的可移动元件,所述多个位置包括:第一位置,其允许工作流体流过所述第一热电段,同时允许所述工作流体流过所述第二热电段并且同时允许所述工作流体流过所述管道;第二位置,其阻止所述工作流体流过所述第一热电段,同时允许所述工作流体流过所述第二热电段并且同时允许所述工作流体流过所述管道;第三位置,其阻止所述工作流体流过所述第一热电段,同时阻止所述工作流体流过所述第二热电段并且同时允许所述工作流体流过所述管道;以及第四位置,其阻止所述工作流体流过所述第一热电段,同时阻止所述工作流体流过所述第二热电段并且同时阻止所述工作流体流过所述管道。36.根据权利要求35所述的热电发电机,其中所述第一热电段、所述第二热电段及所述管道中的每一个均包括至少一个热电???。37.根据权利要求35所述的热电发电机,其中所述管道不包括热电???。38.一种操作多个热电??榈姆椒?,所述方法包括:使工作流体流过包括至少第一热电??榈牡谝蝗鹊缍?,所述流体具有流体压力;当所述流体的流体压力超过临界压力时,使所述工作流体流过包括至少第二热电??榈牡诙鹊缍?;以及当所述流体的流体压力未超过所述临界压力时,阻止所述工作流体流过所述第二热电段。39.根据权利要求38所述的方法,进一步包括选择所述临界压力从而提高所述多个热电??榈男?、改变所述多个热电??榈牡绻β适涑鎏匦曰蛄秸?。40.根据权利要求38所述的方法,其中操作所述多个热电??榘ń裙β适渌偷剿龆喔鋈鹊缒??。41.根据权利要求38所述的方法,其中操作所述多个热电??榘ù铀龆喔鋈鹊缒?橹幸瞥先?。42.一种操作多个热电??榈姆椒?,所述方法包括:通过从多个位置中为可移动元件选择位置来改变流过包括至少第一热电??榈牡谝蝗鹊缍蔚墓ぷ髁魈宓牧鞫土鞴ㄖ辽俚诙鹊缒?榈牡诙鹊缍蔚墓ぷ髁魈宓牧鞫秸?,所述多个位置包括:第一位置,其允许流过所述第一热电段同时允许流过所述第二热电段;第二位置,其阻止流过所述第一热电段同时允许流过所述第二热电段;以及第三位置,其阻止流过所述第一热电段同时阻止流过所述第二热电段。43.根据权利要求42所述的方法,其中选择所述可移动元件的位置以提高所述多个热电??榈男?、改变所述多个热电??榈牡绻β适涑鎏匦曰蛄秸?。44.根据权利要求42所述的方法,其中操作所述多个热电??榘ń裙β适渌偷剿龆喔鋈鹊缒??。45.根据权利要求42所述的方法,其中操作所述多个热电??榘ù铀龆喔鋈鹊缒?橹幸瞥先?。46.一种热电发电机,包括:包括至少一个热电??榈牡谝蝗鹊缍?,所述第一热电段具有从其中流过的工作流体,所述流体具有温度;包括至少一个热电??榈牡诙鹊缍?,所述第二热电段可以配置为允许所述工作流体从其中流过;至少第一可变流元件,其被配置为响应于所述第一可变流元件的温度而移动,所述第一可变流元件改变所述第二热电段对从其中流过的所述工作流体的流动的流阻。47.根据权利要求46所述的热电发电机,其中所述第一可变流元件的移动改变向所述第二热电段中的至少一个热电??榈娜裙β驶蛉韧康氖渌?。48.根据权利要求46所述的热电发电机,其中所述第一可变流元件的移动改变从所述第二热电段的至少一个热电??橹幸瞥先鹊乃俾?。49.根据权利要求46所述的热电发电机,其中所述第一可变流元件包括如下结构,其在第一温度时具有第一形状而在与所述第一温度不同的第二温度时具有第二形状。50.根据权利要求49所述的热电发电机,其中所述结构包括双金属。51.根据权利要求49所述的热电发电机,其中所述结构包括形状记忆合金。52.根据权利要求46所述的热电发电机,其中所述第一可变流元件包括如下材料,其在第一温度时处于第一相而在与所述第一温度不同的第二温度时处于第二相。53.根据权利要求52所述的热电发电机,其中所述材料包括蜡并且在所述第一温度下所述第一相是固态而在所述第二温度下所述第二相是液态。54.一种操作多个热电??榈姆椒?,所述方法包括:使工作流体流过包括至少第一热电??榈牡谝蝗鹊缍?,所述工作流体具有温度;当所述工作流体的温度超出临界温度时,使所述工作流体流过包括至少第二热电??榈牡诙鹊缍?;当所述温度未超出临界压力时,阻止所述工作流体流过所述第二热电段。55.根据权利要求54的方法,进一步包括选择所述临界温度从而提高所述多个热电??榈男?、改变所述多个热电??榈牡绻β适涑鎏匦曰蛄秸?。56.一种热电发电机,包括:输入部分,其被配置为允许工作流体从其中流过;输出部分,其被配置为允许所述工作流体从其中流过;大体上彼此平行的多个细长热电段,所述热电段中的至少一个包括至少一个热电???,每个热电段可以配置为允许所述工作流体从所述输入部分通过其中流到所述输出部分;以及至少一个可移动元件,其可以定位为允许所述工作流体流过所述多个热电段的至少第一热电段并且阻止所述工作流体流过所述多个热电段的至少第二热电段。57.根据权利要求56所述的热电发电机,其中所述多个热电段在与所述热电段垂直的平面上具有大致圆形的横截面。58.根据权利要求57所述的热电发电机,其中所述至少一个可移动元件被配置为围绕旋转轴旋转,所述旋转轴大致平行于所述热电段。59.根据权利要求57所述的热电发电机,其中所述热电段中的每一个在与所述热电段垂直的平面上具有大致梯形的横截面。60.根据权利要求56所述的热电发电机,其中所述热电段彼此大致共面。61.根据权利要求60所述的热电发电机,其中所述至少一个可移动元件被配置为沿大致与所述热电段垂直的方向大体上直线移动。62.根据权利要求60所述的热电发电机,其中所述热电段中的每一个在与所述热电段垂直的平面上具有大致矩形的横截面。63.根据权利要求56所述的热电发电机,其中所述至少一个可移动元件可以定位于多个位置,所述多个位置包括:第一位置,其同时允许工作流体流过所述第一热电段和所述第二热电段;第二位置,其允许所述工作流体流过所述第一热电段,同时阻止所述工作流体流过所述第二热电段;以及第三位置,其同时阻止所述工作流体流过所述第一热电段和所述第二热电段。64.根据权利要求63所述的热电发电机,其中所述至少一个可移动元件在所述多个位置中的至少两个之间围绕旋转轴移动大体上旋转的位移。65.根据权利要求64所述的热电发电机,其中所述旋转轴大体上平行于所述热电段。66.根据权利要求64所述的热电发电机,其中所述旋转轴大体上垂直于所述热电段。67.根据权利要求63所述的热电发电机,其中所述至少一个可移动元件的位置是可选择的,以改变热功率从所述工作流体到所述第一热电段和所述第二热电段的输送。

    说明书

    用于可变热功率源的热电发电机

    优先权要求

    本申请要求2008年7月29日所提出的美国临时专利申请No.61/084,606的优先权的利益,该申请通过引用以其整体合并到此。关于联邦资助的R&D的声明

    按照美国能源部所颁布的No.DE-FC26-04NT42279号合同条款,美国政府可以要求对此发明或此发明的某些部分享有特定权利。

    技术领域

    本发明涉及热电能发电领域,更具体来说是涉及用于改进由热电偶(thermoelectrics)进行发电的系统,其中热源的温度和热通量是变化的。

    背景技术

    热电偶是当电流通过时工作为在一侧变冷而在另一侧变热的固态器件。它们还可以通过维持跨越该热电偶的温度差来产生电能。然而在许多工作条件下,热电发电机需要承受变化的热通量、热侧热源温度、冷侧散热温度以及其他可变条件的结合。此外,该器件属性,如TE导热性、品质因素Z、热交换性能,都具有一定范围的制造容差,所述容差的相互结合通?;峤档推骷阅?。因此,性能改变以及预设点上的运行会导致性能相比于设计值降低。

    任何不是以100%的效率消耗能量的过程都会产生能量的损耗,通常是以热能的方式。例如,内燃发动机会产生大量的废热。为了改进(如汽车中)内燃发动机的效率,已有多种收集一部分此类废热并将其转换为可用形式的手段。已经想到在汽车的排气系统上加装热电偶的方法(参看标题为“Thermoelectric?Catalytic?Power?Generator?with?Preheat”的美国专利No.6,986,247)。然而,由于排气系统的热量和热通量的变化很大,所以提供一种有效的系统已是不现实的。通过示例的方式,相比于理想的性能,汽车废热回收系统性能的下降可以是非常明显的,总计至少为30%。

    发明内容

    在某些实施例中,热电发电机包括第一热电段,其包括至少一个热电???。该第一热电段具有带有流体压力从其中流过的工作流体。该热电发电机进一步包括第二热电段,其包括至少一个热电???。该第二热电可以配置为允许工作流体从其中流过。该热电发电机进一步包括至少第一可变流元件,在流体压力施加到该第一可变流元件之后,该第一可变流元件可以移动。第一可变流元件改变第二热电段对从其中流过的工作流体的流动的流阻。

    在某些实施例中,热电发电机包括具有至少一个热电??榈牡谝蝗鹊缍魏途哂兄辽僖桓鋈鹊缒?榈牡诙鹊缍?。该热电发电机进一步包括可以定位在多个位置的可移动元件,多个位置包括第一位置、第二位置和第三位置。第一位置允许工作流体流过第一热电段,同时允许工作流体流过第二热电段。第二位置阻止工作流体流过第一热电段,同时允许工作流体流过第二热电段。第三位置阻止工作流体流过第一热电段,同时阻止工作流体流过第二热电段。

    在某些实施例中,热电发电机包括多个热电段,其包括第一热电段、第二热电段和管道。第一热电段、第二热电段和管道中的至少两个各自包括至少一个热电???。该热电发电机进一步包括可以定位在多个位置的可移动元件,多个位置包括第一位置、第二位置、第三位置和第四位置。第一位置允许工作流体流过第一热电段,同时允许工作流体流过第二热电段,并且同时允许工作流体流过管道。第二位置阻止工作流体流过第一热电段,同时允许工作流体流过第二热电段,并且同时允许工作流体流过管道。第三位置阻止工作流体流过第一热电段,同时阻止工作流体流过第二热电段,并且同时允许工作流体流过管道。第四位置阻止工作流体流过第一热电段,同时阻止工作流体流过第二热电段,并且同时阻止工作流体流过管道。

    在某些实施例中,一种方法操作多个热电???。该方法包括使工作流体流过包括至少第一热电??榈牡谝蝗鹊缍?。该流体具有流体压力。该方法进一步包括当流体的流体压力超过临界压力时使工作流体流过包括至少第二热电??榈牡诙鹊缍?。该方法进一步包括当所述流体的流体压力未超过临界压力时阻止工作流体流过第二热电段。

    在某些实施例中,一种方法操作多个热电???。该方法包括通过从多个位置(包括第一位置、第二位置和第三位置)中为可移动元件选择位置来改变下述两者,即流过包括至少第一热电??榈牡谝蝗鹊缍蔚墓ぷ髁魈宓牧鞫约傲鞴ㄖ辽俚诙鹊缒?榈牡诙鹊缍蔚墓ぷ髁魈宓牧鞫?。第一位置允许流过第一热电段,同时允许流过第二热电段。第二位置阻止流过第一热电段,同时允许流过第二热电段。第三位置阻止流过第一热电段,同时阻止流过第二热电段。

    在某些实施例中,热电发电机包括第一热电段,其包括至少一个热电???。第一热电段具有从其中流过的工作流体,并且该流体具有温度。该热电发电机进一步包括第二热电段,其包括至少一个热电???。第二热电段可以配置为允许工作流体从其中流过。该热电发电机进一步包括至少第一可变流元件,其被配置为响应于该第一可变流元件的温度而移动。第一可变流元件改变第二热电段对从其中流过的工作流体的流动的流阻。

    在某些实施例中,一种方法操作多个热电???。该方法包括使工作流体流过包括至少第一热电??榈牡谝蝗鹊缍?,并且该流体具有温度。该方法进一步包括当工作流体的温度超过临界温度时使工作流体流过包括至少第二热电??榈牡诙鹊缍?。该方法进一步包括当温度未超过临界温度时阻止工作流体流过第二热电段。

    在某些实施例中,热电发电机包括输入部分,其被配置为允许工作流体从其中流过。该热电发电机进一步包括输出部分,其被配置为允许工作流体从其中流过。该热电发电机进一步包括大体上彼此平行的多个细长热电段。所述热电段中的至少一个包括至少一个热电???。每个热电段可以配置为允许工作流体从输入部分通过其中流到输出部分。该热电发电机进一步包括至少一个可移动元件,其可以定位为允许工作流体流过多个热电段的至少第一热电段并且阻止工作流体流过多个热电段的至少第二热电段。

    附图说明

    图1描绘了利用热电偶的常规发电系统的通用方框图。

    图2是显示热电??樵诓煌ぷ魑露认碌缪苟缘缌鞑⑶业佑泄β适涑龅那咄?。

    图3是显示热电??榈男氏喽杂谌炔辔露鹊那咄?,其确定了在理论峰值效率及理论峰值功率处的工作点。

    图4是显示在不同热侧工作温度上热电??榈娜炔啻Φ娜韧肯喽杂诹鞴鹊缒?榈牡缌鞯那咄?。

    图5是显示热电??榈牡缪苟缘缌鞑⑶业佑泄β实那咄?。

    图6是显示以改进的功率产生而工作的热电发电系统的电压对电流并且叠加有功率的曲线图。

    图7描绘了热电??榈囊徊糠?。

    图8是显示另一工作条件的、描绘了根据图7的热电??榈牡缪苟缘缌鞑⑶业佑泄β实那咄?。

    图9描绘了用于由热源发电的热电发电机的实施例。

    图10描绘了图9所示发电系统的热电发电机部件的一个实施例。

    图11描绘了图9所示发电系统的热电发电机部件的替换实施例。

    图12A描绘了从一个角度所观察的热电发电机的实施例。

    图12B描绘了从另一不同角度所观察的图12A所描绘的热电发电机的同一实施例。

    图13A描绘了从一个角度所观察的热电发电机的实施例。

    图13B描绘了从另一不同角度所观察的图13A所描绘热电发电机的同一实施例。

    图14描绘了热电发电机的实施例。

    图15描绘了热电发电机的实施例,其与图14所描绘的实施例类似,但进一步描绘了控制器和串联连接的热电???,其可以由控制器选择性地断开。

    图16示意性地显示了用于流体连接热电段的方案。

    图17示意性地显示了用于流体连接热电段的另一方案。

    图18是操作多个热电??榈氖纠椒ǖ牧鞒掏?。

    图19描绘了热电发电机的另一个实施例。

    图20是操作多个热电??榈氖纠椒ǖ牧鞒掏?。

    图21描绘了双金属温度响应的可变流元件的一个实施例。

    图22是操作多个热电??榈氖纠椒ǖ牧鞒掏?。

    具体实施方式

    本文中所说明的某些实施例涉及热电发电机系统,其能够相比于标准系统更高效的发电,尤其适用于具有可变热输出的热能量源。某些实施例对于许多废热回收、废热获取以及发电应用是有用的。然而,为了显示热电发电系统的不同方面,描述了特定的实施例,其由交通工具排气中所蕴含的热能产生电能。此特定的示例显示了下述优点:将发电系统设计为即使是在变化的工作条件下,也监测和控制影响电能生产的条件??梢酝ü刂芓E偶属性(例如,如题目为“Efficiency?Thermoelectrics?Utilizing?Convective?Heat?Flow”的美国专利No.6,672,076,该专利通过引用以其整体合并到此)、工作流体质量流、工作电流(或电压)、TE元件规格和系统容量来实现显著的改进?;箍梢酝ü鹊缦低成杓莆诹鞣较蛏暇弑妇?如题目为“Efficiency?Thermoelectric?Utilizing?Thermal?Isolation”的美国专利No.6,539,725,该专利同样通过引用以其整体合并到此)来获得改进。因此,在一个实施例中,所期望的是控制被激活以产生电能、控制冷却条件、控制冷却流体流速和/或控制温度和TE材料属性的热电偶的数量。

    虽然汽车的废热回收被用作示例,但是某些实施例可以应用到改进发电的性能、废热回收、热电发电、电能产量增大和其他应用。某些实施例可以被用来利用轿车、卡车、巴士、航空器及其他交通工具中的发动机冷却剂、润滑油、制动、催化转化器以及其他来源中的废热。与此相似,来自化学处理、玻璃制造、水泥制造和其他工业过程中的废热可以得到利用。如来自生物垃圾、垃圾焚烧、由垃圾场燃烧、油井燃烧的废热可以得到利用??梢源犹裟?、核能、地热能及其他热源产生电能。对于便携的、初级的、备用的、应急的、远程的、个人的或其他的电能生产设备的应用也可以与本文所述的某些实施例相兼容。此外,某些实施例可以与废热发电系统中的其他设备相连接,如光电池、燃料电池、燃料电池转化炉、核能、内、外及催化燃烧室和其他有利的废热发电系统。本文中任意实施例中所说明的TE??榈氖坎痪哂腥魏魏?,仅是被选择用来说明相应的实施例。

    尽管给出了示例以显示如何利用不同的配置来达成所期望的改进,但特定的实施例仅是说明性的,且无意以任何方式限制本发明。如本文中所使用的术语热电或热电元件可以是单个热电元件以及一批元件或元件阵列。此外,术语热电不是限制性的,而是用来包括热电和所有其他固态冷却和加热设备。此外,术语热和凉或冷是相对彼此而言的,且不指示任何相对于室温等的特定温度。最后,术语工作流体未被限制于单一流体,而可以是指一个或多个工作流体。

    本文中的特定图解仅描绘了根据本文所述的某些实施例的TE发电机的一些可能示例。其他的变型是可能的且与不同的实施例兼容。该系统可以由至少为2个的任意数量的TE??樽槌?,所述TE??榭梢灾辽俨糠值夭灰览涤诒舜说毓ぷ?。在某些示例TE发电机中,每个这样的TE??槎季哂胁煌娜萘?,如结合图10更具体地所说明的被描绘为具有不同的尺寸。TE??榫哂胁煌萘恳约白蝗饶芤远懒⒂诠ぷ鞯丶せ罨蛞瞥恳籘E??榈哪芰?,使得本文所说明的控制器能够适合于充分地改变工作条件。

    汽车的排气提供了来自发动机的废热。此废热可以作用热能源,用于借助热电发动机产生电能。此特定的应用被选择用来说明本文所公开的某些实施例的优点,这是因为其提供了一个很好的高度可变化的工作条件的示例,其中排气的热能输出连续变化。被用作热电发电系统的输入热能源的排气的实际温度和热通量的变化显著。催化转化器的排气口处的排气温度通常从450℃变化到650℃,并且排气热通量在空闲和快速加速条件之间的变化常常超过因数10。由此,此特定的应用提供了对本文所公开的某些实施例的应用的足够说明。

    图1显示了简单的热电(“TE”)发电系统100。热能源102将热提供到TE???04的热侧。TE???04可以具有热侧热交换器106以及冷侧热交换器108。该冷侧热交换器可以提供热能管道,用于未被TE???04用在电力形成中的热。通常,散热装置110(如空气或液体冷却剂)进行循环以消除来自TE发电机的废热。横穿TE???04的温度梯度产生电流从而为负载112供电。

    这样的TE发电机100通常被设计为稳态运行,以便在峰值效率处或非??拷逯敌蚀ξ秩鹊绻ぷ?。当条件从这些设计标准改变时,热电效率下降,或者会甚至变为负值,如参照图2-4进一步说明的。

    参照图2-4对热电效率的某些简要背景进行说明,以有助于对本文所公开的实施例的优势进行理解。图2中显示了具有ZTave=1(TE元件的温度加权平均ZT)的TE材料的示例发电特性曲线。在图2中,TE元件组件的电压输出V(I)被绘制为电流输出I的函数,其中三条曲线210、212、214分别针对三个热侧温度200℃的T1、400℃的T2和600℃的T3。叠加在图上的是相应的功率输出曲线220、222、224,其与来自图中特定点处的热电的功率相对应,其以常规方式计算为功率输出P,其中P=I*V(I)。

    出于说明的目的,冷侧温度被假设为针对所有三个热侧温度都是相同的。如图2中所见,功率是电压和电流的函数。理想的状况是,热电偶工作在峰值效率230或峰值功率240或二者之间的某种折中处。如果来自热源的热通量增大,而热电偶热侧的温度维持相同(例如,排气流速增大而温度不改变),则最大电能输出被固定,如图2中所示。在相同热侧温度处,过度的可用热通量在没有电流I增大的情况下不能流过热电偶。然而,如功率曲线220、222、224所示,相同热侧温度的电流增大实际上将实际上减小功率输出P。由此,额外的热能不会贡献到更高的电能输出,除非可以增大热电偶的热侧温度。与此相似,如果相比于最佳功率输出(Pm)240更小的热通量是可用的,则无法实现峰值功率。这对于基本上在最佳效率处的运行也是正确的。针对工作在非稳定条件下的发电机,被设计用来监测和控制影响性能的因数的热电系统是有利的,并且可以被用来修改发电机输出和改进性能。

    图3中显示了针对工作在峰值效率和峰值功率处的效率与热侧温度之间的关系。其中显示了工作在峰值效率310处的曲线以及显示了工作在峰值功率320处的曲线。对于固定的热侧温度和冷侧温度,通过TE组件的热通量Qh随电流I变化。因此,峰值效率出现在不同于峰值功率输出的电压和电流处。应注意的是,热通量Qh是TE材料和器件属性的函数,并且具有由这些属性和电流I所定义的值。如果条件改变(如通过改变负载电流I),则效率和Qh改变。

    图4中提供了Qh随电流I改变的显示。在此显示中,示出了表示热电偶工作在三个不同热侧温度200℃的T1、400℃的T2和600℃的T3下的三个热通量曲线410、420、430。叠加在这些曲线上的是峰值工作效率曲线450和峰值工作功率曲线460。表示热通量Qh的三条热通量曲线410、420、430的虚线部分指示了工作在电流I足够大处,在这里电压(及由此产生的功率输出)是负值。

    上述的性能具有以下特性,即靠近功率输出的峰值处,对于电流I和Qh的适度变化,性能下降是微小的,所以对于Qh的适度变化,性能没有显著降低。然而,与热能控制系统相互作用的一些其他因数对系统效率的减小具有相当影响。这些因数将在下文进行论述,并且描述了减少其对效率影响的机构和设计并且这些是本发明的一部分。

    图5是显示针对单个TE元件(单耦合)、N和P对TE元件(电偶)、或一组电偶的、输出电压和功率相对于电流的特性的示图。给出了针对固定冷侧温度的、在不同热侧温度处的值。通常,若干这类元件串联电连接以形成发电??槭怯欣?。如图7中所示(下文将详述),通常期望操作???,使得在一个端,热工作流体进入并通过与发电机的TE元件的热侧热接触的热交换机。如图5中所示,在运行中,传递到TE电偶的热量冷却工作流体,使得例如该流体可以稍微进入600℃以上,使得第一TE电偶的热端工作在600℃,并且该流体冷却使得第二电偶工作在400℃以及第三电偶工作在200℃。由此,随着热流体冷却(通过将热能交给TE电偶上游),电偶的热侧温度逐渐变低。

    如果例如各电偶是相同的,则功率输出曲线可以如图5中所看到的。如果各电偶串联连接使得相同的电流流过每一电偶,则每一电偶对整体功率输出的贡献可以是与工作点A、B和C相对应的功率之和。如图所绘,最大功率由工作在A点(600℃)处的电偶所产生,而工作在B点(400℃)处的电偶所产生的输出不是最佳的,并且工作在C点(200℃)处的电偶所产生的输出实际上是稍微为负值的,这样,其会减小来自其他两电偶的功率输出。

    在某些情况下,期望每一电偶都工作在产生峰值功率输出的电流。为了将其实现,可以对若干条件进行控制以从TE发电机获得更理想的性能,与图6中所示图更为一致。在图6中,系统被设计为允许以高效率运行,即使温度或热通量可能变化。例如,各电偶的规格(形状)是有利地可调节的(如题目为“Efficiency?Thermoelectrics?Utilizing?Convective?Heat?Flow”的美国专利No.6,672,076或如题目为“Efficiency?Thermoelectric?Utilizing?Thermal?Isolation”的美国专利No.6,539,725所述,或以任意其他适当的方式)或尺寸被设计为使得由每一电偶所产生的功率工作在峰值功率或峰值效率点处。例如,如果要将功率输出最大化,则各电偶的尺寸可以被设计为针对具有工作在600℃、400℃、200℃的电偶的TE???,其具有图6中所示的特性,如本领域技术人员所公知的(参见例如Angrist,“Direct?Energy?Conversion”第三版,第四章)。在此情况下,通过使所有阶段大致工作在基本上最大化功率输出(图6中标为A’、B’和C’)的电流处,来最大化??榈腡E电偶、热传递特性和功率输出。对于工作在峰值效率或其他工作条件,可以使用其他设计标准来达成其他所期望的性能特性。

    图7是简单TE发电机700的示意图。图中所示的TE发电机700具有三对TE元件709,它们通过热侧分流器706、707、708以及冷侧分流器710串联电连接。热侧流体701进入热侧管716(例如从左侧输入端口)并且与热交换器703、704和705良好热接触,而且从热侧管716流出(例如到右侧输出端口)。热交换器703、704和705与热侧分流器706、707、708良好热接触。冷侧流体712进入冷侧管711(例如从右侧输入端口)并且从冷侧管711流出(例如到左侧输出端口)。TE发电机700具有电连接714和715以将功率输送到外部负载(未显示)。

    在运行中,热侧流体701进入热侧管716并且将热量传输到热交换器703。热侧流体701通过将其热含量中的一些交给热交换器703而得以冷却,之后会将其热量的一部分量传递到热交换器704,并之后将一些其他热量传递到热交换器705。之后,热侧流体701从热侧管716流出(例如到右侧输出端口)。热量从热侧热交换器703、704和705输送到热侧分流器706、707、708,之后输送到TE元件709。TE元件709也与冷侧分流器710良好热传导,该冷侧分流器710与冷侧管711良好热传导,该冷侧管711与冷侧流体712良好热传导。由于热侧流体701与冷侧流体712的不同温度,TE元件709会经历温度差,TE元件709借助此温度差产生电能,并且通过电连接714和715提取所述电能。

    针对图6中示意所示的工作特性而在图7中描绘的TE发电机700在特定条件下在热侧上将仅具有600℃、400℃和200℃的峰值温度。例如,如果通过减小流体质量流并且增加入口温度相应的适当的量而改变了实现图6中所示性能的工作流体条件,则第一TE电偶将仍在600℃处,但其他两个电偶的温度将减小??梢圆缤?中示意所示的条件,在其中,当TE元件如图7中所示的连接时,工作点A”、B”和C”不会产生具有最佳性能的TE???。导致的工作电流的不平衡(与图5所示相似并在上文所述)将非预期地减小功率输出。

    图9中示意性地描绘了TE发电机系统900的有利配置,例如用于来自发动机的废热发电。来自发动机的热排气903通过热侧管901并且作为冷排气904离开。热侧热交换器902与热侧管901良好热交换,并且由此与热排气903的热交换。在此实施例中,泵909抽吸热侧工作流体906。由TE??樽槌傻腡E发电机919与热侧工作流体906、905、907良好热交换。冷侧冷却剂911被包含在冷却剂管910中,并且与TE发电机919、发动机913以及散热器914良好热接触而流过。泵915抽吸冷侧工作流体911通过冷侧管910。阀门912控制冷侧工作流体911的流动方向。各种交换通道、能量源和信号发送器共同被称为其他设备918??刂破?16连接到其他设备918、到泵915以及到至少一个传感器或多个传感器(未显示)、到TE???19,并且通过电气配线或总线到交通工具的其他部分。

    在运行中,通过热侧管91的热排气903加热热侧工作流体906,其通过热侧工作流体管902。热侧工作流体906为TE发电机919的热侧提供热量。TE发电机919通常如图7的说明所述地工作,以产生电能。泵915抽吸冷侧工作流体(冷却剂)911,以将未使用的(废)热从TE发电机919中移除。冷侧冷却剂中所吸收的废热由阀门V1912定向。阀门912可以被用来定向冷侧冷却剂,以便基于电流工作条件而最有益的使用。例如,阀门V1912可以将冷侧工作流体910或定向到发动机(如果其是冷的,如在启动期间),或定向到散热器914以消除废热??刂破?16利用信息源(例如来自传感器,其中的一些当前在汽车上可用),如燃料和空气质量流速、压力、排气温度、发动机RPM以及所有其他可用的相关信息来调节来自泵909、915的流,并且在TE发电机919内控制,以达成所期望的来自废热回收系统900的输出。

    针对本文中所公开的某些实施例,热侧流体(此情况下为906)可以是蒸汽、NaK、HeXe混合物、受压空气、高沸点油或任意其他有利的流体。此外,热侧流体906可以是多相系统(例如分散在乙二醇/水混合物中的纳米微粒)、相变多相系统或任意其他有利的材料系统。此外,通过利用直接热连接以及通过消除不需要的部件,固体材料系统(包括热管)可以取代上述基于流体的系统。

    针对本文中所公开的某些实施例,冷侧环路还可以利用任意热消除机构,如带肋片的铝管芯、蒸发冷却塔、冲击式液体冷却剂、热管、交通工具发动机冷却剂、水、空气或任意其他有利的移动的或固定的散热装置。

    控制器916基于传感器和其他输入控制TE发电机919、热侧和冷侧交换器??刂破?16监测和控制如下功能(至少是一部分):生成、控制和调节或修改电能生产。在对图10和图11讨论中更详细地提供了TE发电机919的示例。此外,这里所说明的这样的控制器操作不限于此特定的实施例。

    TE控制器916与任意或所有下列部件的工作条件相通信和/或对其进行监测:用于测量、监测、生成或控制热排气的设备的机构;TE发电机919中的部件;冷侧环路中的设备(如阀门、泵、压力传感器、流、温度传感器);和/或任意其他有利于发电的输入和输出设备??刂破鞯挠欣δ苁歉谋淙炔嗪?或冷侧流体流的运行,以便有利地改变TE发电机的电输出。例如,控制器可以控制、改变和监测抽吸速度、操作阀门、管理热能储存或使用的量以及改变TE发电机输出电压或电流,以及执行其他功能,如调节热排气产生和/或任意其他有利于运行的改变。作为控制特性的示例,如果系统被用于交通工具中的废热回收并且热侧流体是发动机冷却剂,则可以由控制器或任意其他控制机构控制二向阀门以有利地定向流。

    一旦预热,汽油发动机表现得更为高效。如果适当地引导,则通过将废热从TE发电机919中移除而被预热的冷侧环路流可以加快发动机的加热。替换地,经加热的冷侧冷却剂910可以通过热交换器以加热流经的空气并在之后返回到TE发电机入口或被引导到发动机,以帮助对其进行加热。如果发动机是热的,则冷侧冷却剂可以被引导到散热器或任意其他有利的散热装置,绕开发动机并在之后返回到TE发电机入口。

    作为图9中所示的TE发电机919的示例,图10描绘了针对TE发电机919A的一个可能的实施例。TE系统919A具有三个TE发电机TEG1?1011、TEG2?1012和TEG3?1013。在此实施例中,TE发电机1011、1012、1013中的每一个都与热侧管1003、1004热交换。热侧管1003、1004具有热侧流体1001、1002。类似地,冷侧管1008、1009包含冷侧工作流体1006、1007。热侧阀门V1、V2和V31005分别控制流向TE发电机TEG1?1011、TEG2?1012和TEG3?1013的热侧流体1001、1002的流量。相似地,冷侧阀门V4、V5和V6?1010分别控制流向TE发电机TEG1?1011、TEG2?1012和TEG3?1013的冷侧流体的流量。电气配线1014将TE发电机TEG1?1011、TEG2?1012和TEG3?1013所产生的电能输送到车辆的其他部分。没有示出调节TE发电机919A工作的信息源和控制机构如燃料和空气质量流速、压力、排气温度、发动机RPM以及所有其他可用相关信息,以及到泵、阀门1005、1006和所有其他机构的连接。

    在运行中,可以通过适当控制阀门V1-V6?1005、1006来操作向TE发电机TEG1?1011、TEG2?1012和TEG3?1013提供热能的热侧流体1001的流。作为示例,在低热功率输入处,阀门V1和V4?1005、1006可以打开以加热一个TE发电机TEG1?1011的热侧并且冷却其冷侧。其他阀门V2-V6可以保持状态以防止加热TE发电机TEG2?1012和TEG3?1013。泵909(图9中所示)将被调整以提供最大化来自第一TE发电机TEG1?1011的功率输出的热侧流体901的流。相似地,泵915(图9中所示)将被调整以提供最大化来自第一TE发电机TEG1?1011的功率输出的热侧流体1001的流。如果可用的热能增加,则阀门V2?V5?1005、1006可以被驱动以与第二TE发电机TEG2?1012接合。泵909(图9中所示)可以由控制器916进行调整以最大化来自第一TE发电机TEG1?1011和第二TE发电机TEG2?1012的功率输出。

    替换地,可以通过关闭阀门V1和V41005、1006(或仅阀门V1)来关闭第一TE发电机TEG1?1011,如果通过这样的处理进一步改进性能。类似地,在较高热功率处,TEG3?1013可以或被单独接合或与TEG1?1011和/或TEG21012一起接合。图8中所说明的控制装置、传感器、阀门和泵调节运行。

    图10描绘了TE发电机919的仅一个可能的实施例。其他变体是可能的。例如,系统可以由至少两个但是任意数量的TE??樽槌?,这些??榭梢灾辽俨糠值夭灰览涤诒舜硕诵?。有利地,每个这样的TE??槎季哂胁煌娜萘?,如图10中所示的不同尺寸。通过使TE??榫哂胁煌萘恳约白蝗裙β室远懒⒂谠诵械丶せ罨蛞瞥恳籘E??榈哪芰κ沟每刂破?16适合于充分改变工作条件。

    图11描绘了针对TE发电机919(图9)的TE发电机919B的另一个替换实施例。同样,TE发电机919B被设计为改进来自变化热源(如汽车排气)的输出效率。如图所示,TE系统1100具有三个TE发电机TEG1?1104、TEG21105和TEG3?1106,他们与热侧热源1101良好热交换。在汽车示例中,这可以是排气或另一热流体。热侧热源1101优选流过热侧管1102。在此实施例中,热侧热管分为三个热侧管1111、1112、1113,其中每一个都被设计为输送热源1101的某部分。在图11中,热侧热源1101通过三个热侧管1111、1112和1113与TE发电机TEG1?1104、TEG2?1105和TEG3?1106热交换。输出阀门1108控制作为输出的热侧流体1103。冷侧管1114、1115中的冷侧流体1109、1110冷却TE发电机TEG1?1104、TEG2?1105和TEG3?1106。冷侧流体1109的流量由阀门V1、V2和V3?1107控制。

    TE系统919B的运行遵循图9和图10所说明的原理,但热侧工作流体906被省略且热功率在没有单独的热侧工作流体环路的情况下被传递。例如,在此实施例中,排气流过管1101并且没有提供单独的工作流体。在此实施例中,TE发电机TEG1?1104、TEG2?1105和TEG3?1106通过热侧热交换器(未显示)耦合并且通过例如直接耦合、插入排气流、热管或任意其他适当的机构中来与热排气热交换。在图11中,如图10中一样描绘了三个TE发电机TEG1?1104、TEG2?1105和TEG3?1106,优选具有不同容量的。阀门V1、V2和V3?1107以及其他设备、泵、传感器和其他机构(未显示)控制冷侧工作流体1110流。在运行中,阀门1108控制流向TE??門EG1?1104、TEG21105和TEG3?1106的排气流量。取决于输入条件和所期望的电输出,不同的TE发电机TEG1?1104、TEG2?1105和TEG3?1106啮合。排气阀门V4?1108可以是一个或多个阀门。

    如上文所述,尽管显示有三个TE发电机,但可以使用至少两个或更多的任意数量的TE发电机。每个TE发电机可以是工作在不同热侧和/或冷侧温度间的多个???。

    此外,在某些实施例中,排气流可以被引导通过任意或所有热侧路径以改变与电产生无关的性能,例如,调节排气背压、改进燃烧效率、调节排放或任意其他原因。此外,TE??榈墓乖炜梢员簧杓莆沟迷诨厥绽醋粤魈辶鞯姆先鹊那榭鱿?,配置能够调节噪音或燃烧特性以包括消音器、催化转化器、微粒捕集或处理或任意其他期望的与有益于整体系统运行的设备集成的全部或部分特征。

    图12A、12B、13A、13B和图14示意性地显示了根据本文所说明的某些实施例的热电(TE)发电机1200的示例。在某些实施例中,如图12A和图12B中所描绘的示例(从另一视角),TE发电机1200可以包括输入部分1202、输出部分1204、多个细长的TE段1206以及至少一个可移动的元件1208。输入部分1202可以被配置为允许工作流体1210从其中流过。输出部分1204可以被配置为允许工作流体1210从其中流过。多个细长的TE段1206可以彼此基本平行,并且TE段1206中的至少一个可以包括至少一个TE???212。每个TE段1206可以是可配置的,以允许工作流体1210从其中通过并且从输入部分1202流向输出部分1204。至少一个可移动的元件1208可以是可定位的,以允许工作流体1210流过多个TE段1206的至少第一TE段,并且阻止工作流体1210流过多个TE段1206的至少第二TE段。

    TE发电机1200的输入部分1202和输出部分1204允许工作流体1210从其中通过,至少是当其没有被一个或多个可移动元件1208所阻挡或阻止时。图12A和图12B中的箭头通常指示工作流体1210流过TE段1206的方向。由此,当流动未完全被可移动元件1208所阻止时,工作流体1210通常流过输入部分1202,之后流过多个细长的TE段1206,并且之后流过输出部分1204。当工作流体1210在输入部分1202与输出部分1204之间流过时,可能存在TE发电机1200的其他介入部件,工作流体1210通过所述部件额外地流向TE段1206。输入部分1202和输出部分1204可以包括一个或多个热管、管子、通风口、输送管、管道等,并且通??梢砸栽市砉ぷ髁魈?210流过的多种方法进行配置。尽管输入部分1202和输出部分允许工作流体1210从其中通过,但在某些实施例中,流动并非必须是未间断的或未受阻的。因此,例如在某些实施例中,输入部分1202和输出部分1204可以包括格栅(grill)或网孔或某种斑驳的表面,而在某些实施例中,输入部分1202和输出部分1204可以仅提供用于工作流体1210流过的通道。在某些实施例中,输入部分1202和输出部分1204可以流体地耦合到再循环系统,使得从输出部分1204流出的工作流体1210最终返回输入部分1202。在某些实施例中,TE发电机1200的输入部分1202和输出部分1204可以流体地与另一个TE发电机1200的输入部分1202和输出部分1204并联或串联地相连接。在某些实施例中,多个TE发电机1200的输入部分1202与输出部分1204之间的流体连接可以包括并联和串联流体连接的结合。

    多个TE段1206可以具有多种横截面形状,并且可以相对于彼此以多种配置布置。例如,在某些实施例中,如图12A和图12B中示意所示的实施例(从另一视角),多个TE段1206可以在与TE段1206垂直的平面上具有大致为圆形的横截面。此外,在某些这样的实施例中,每个TE段1206可以在与多个TE段1206垂直的平面上具有大致为梯形的横截面,如图12B中示意所示。然而,单个TE段1206还可以具有其他横截面形状,包括但不限于大致三角形、扇形和大致圆形分段。尽管图12A和图12B中所示的TE段1206与相邻的段1206共用一条边,但在其他实施例中,段1206彼此相隔。

    图13A和图13B示意地显示了(从另一视角)示例TE发动机1200,其中TE段1206彼此大致处于同一平面。在某些这样的实施例中,每个TE段1206可以在与多个TE段1206垂直的平面上具有大致为矩形的横截面,如图13B中示意所示。然而,单个TE段1206还可以具有其他横截面形状,包括但不限于大致正方形、大致梯形以及大致三角形。尽管图13A和图13B中所示的TE段1206与相邻的TE段1206共用一条边,但在某些其他实施例中,TE段1206彼此相隔。

    图14示意性地显示了另一个示例TE发动机1200,其中TE段1206彼此大致处于同一平面。在此示例中,每个TE段1206均包括直线区域和曲线区域。通常,在某些实施例中,TE发电机1200可以包括直线的或曲线的TE段1206,或者可以包括具有直线和曲线区域两者的TE段1206,如图14示意性所示。TE段1206的横截面形状在图14中未予显示,但如上文所说明的,许多横截面形状是可能的,包括但不限于大致正方形、大致梯形以及大致三角形。尽管图14中示意所示的TE段1206与相邻的TE段1206共用一条边,但在某些其他实施例中,TE段1206彼此相隔。

    TE段1206中的至少一个包括至少一个TE???212;然而,在某些实施例中,多个TE段1206中的每一个均包括一个或多个TE???212。例如,图12A和图12B中所示的示例TE发电机1200包括7个TE段1206以及没有TE???212的管道1207。在某些这样的实施例中,没有TE???212的管道1207有效地起到旁路的作用,这是因为流经此管道1207的工作流体1210将不会与任何TE段1206产生热交换。因此,起到旁路作用的管道1207允许工作流体1210中的某些流过多个TE段1206而不对任何TE???212施加热负荷。以此方法,起到旁路作用的管道1207允许TE发电机1200处理工作流体1210的流速,否则在没有旁路的情况下,其可能使TE???212的结合热容量超负荷。

    图13A和图13B示意性地显示了(从另一视角)TE段1206和???212的另一可能布置。图13A和图13B显示了包括7个TE段1206的TE发电机1200的一个实施例,所述7个TE段1206中的6个都包括安装在每个TE段1206相对侧上的两个TE???212。同样,没有TE???212的管道1207有效地起到旁路的作用,如上文所述。

    每个TE???212均包括一个或多个TE元件,并且可以可选地包括一个或多个热交换器,其用于促进TE???212与工作流体1210之间的热能传导。一个或多个TE元件是电子设备,通常为固态的电子设备,当热梯度被施加在所述电子设备的至少一部分时,其能够产生电能。TE???212可以体现为多种设计,如美国专利Nos.6,539,725、6,625,990和6,672,076所说明的,上述专利中的每一个通过引用以其整体合并到此。然而,具有将热能转化为电能能力的任何功能TE元件均可以被用来构建与本文中所述某些实施例兼容的TE???212。

    如果在特定的TE???212中存在多个TE元件,则在TE元件之间的多种电连接是可能的。例如,TE元件可以是以串联方式电连接在一起、以并联方式电连接在一起或以串联和并联相结合的方式电连接。在某些实施例中,可以通过例如以串联方式将不同数量的同一类型的TE元件连接在一起来生成热容量变化的TE???212。

    TE段1206的TE???212可以以多种配置电连接。例如,在某些实施例中,TE???212可以以串联方式电连接,它们可以以并联方式电连接,或它们可以以串联和并联相结合的方式电连接。在某些实施例中,TE发电机1200包括以并联方式电相连接的TE???212的阵列,如图15中所示(下文将就此进行更为完全的探讨)。

    在某些实施例中,多个TE段1206或多个TE段1206的子集可以彼此流体连通。TE段1206间的流体连接可以是这样的,即两个或更多TE段1206彼此并联的流体连通,如在图12A、12B、13A、13B和图14中示意所示的情况。然而,两个或更多TE段1206还可以是以串联方式或以串联和并联相结合的方式流体连接。图16和图17示意性地显示了用于流体连接TE段1206的两个示例配置,虽然其他用于连接TE段1206的配置也与本文所述的其他实施例兼容。在图16和图17两者中,箭头1225指示了流动的方向。在图16中,当阀门1230关闭时,存在两个工作流体1210流过TE段1206的流体并联的流动路径。当阀门1230中的任一个打开时,串联流动路径与并联流动路径一起生成。在图17中,TE段1206被连接,使得工作流体1210中的至少一部分通过流过每个连续的TE段1206而串联地流过每个TE段1206。此外,工作流体1210中的至少一部分在第一方向上平行流过TE段1206中的某些(例如,1206a、1206c、1206e)并且在与第一方向相反的第二方向上平行流过TE段1206中的某些(例如,1206b、1206d、1206f)。

    至少一个可移动元件1208可以相对于多个TE段1206被定位或安装,以按照图12A、12B、13A、13B和图14中示意所示的各种方式移动。例如,在某些实施例中,如图12A和图12B中示意所示的示例,至少一个可移动元件1208可以被配置为围绕转动轴旋转,该转动轴大致与TE段1206平行。例如,至少一个可移动元件1208可以包括一个或多个孔洞,工作流体1210可以流过所述孔洞,并且通过旋转至少一个可移动元件,所述孔洞可以与被选择的TE段1206对齐,同时阻挡流过其他TE段1206。这显示在图12A和图12B中,其中可移动元件1208被定位,使得至少一个可移动元件1208基本阻挡工作流体1210流过TE段1206c至1206g以及管道1207,而允许工作流体1210相对未受阻地流过TE段1206a和1206b。在其他实施例中,如图4中示意所示的示例,至少一个可移动元件1208可以被配置为围绕转动轴旋转,该转动轴大致与TE段1206垂直。例如,至少一个可移动元件1208可以包括挡板,其可以被旋转而允许流过被选择的TE段1206并且阻挡流过其他的TE段1206。在另一个实施例中,如图13A和图13B中示意所示的示例,至少一个可移动元件1208可以被配置为大致以直线沿大致与TE段1206相垂直的方向移动。例如,至少一个可移动元件1208可以被转换以允许流过被选择的TE段1206并且阻挡流过其他的TE段1206。这显示在图13A和图13B中,其中可移动元件1208被定位为使得可移动元件1208基本上阻挡工作流体1210流过TE段1206b至1206f以及管道1207,而允许工作流体1210相对未受阻地流过TE段1206a。然而,可移动元件1208无需受限于专门的旋转运动或专门的直线运动。因此,在某些实施例中,可移动元件1208可以以旋转运动和直线运动相结合的方式移动。此外,旋转运动可以围绕与TE段1206既不垂直也不平行的旋转轴。

    在某些实施例中,至少一个可移动元件1208是可以定位的,以允许工作流体1210流过多个TE段1206的至少第一TE段,并且阻止工作流体1210流过多个TE段1206的至少第二TE段。在某些实施例中,至少一个可移动元件1208可以定位在多个位置上,包括第一位置、第二位置和第三位置。在第一位置,工作流体1210同时被允许流过第一和第二TE段1206。在第二位置,工作流体1210被允许流过第一TE段1206,但同时被阻止流过第二TE段1206。在第三位置,工作流体1210同时被阻止流过第一和第二TE段1206两者。

    在某些实施例中,如图12和图14中示意所示的示例,至少一个可移动元件1208围绕旋转轴在多个位置(例如,第一位置、第二位置和第三位置)中的至少两个之间移动大体上为旋转的位移。如图12A和图12B中的示例所示,旋转轴可以大体上与TE段1206平行,或如图14中所示,旋转轴可以大体上与TE段1206垂直。然而,其他实施例可以包括一个或多个可移动元件1208,其围绕与TE段1206大体上既不平行也不垂直的旋转轴旋转。在其他实施例中,如图13A和图13B中示意所示的示例,至少一个可移动元件1208在多个位置(例如,第一位置、第二位置和第三位置)中的至少两个之间移动大体上为直线的位移。在某些实施例中,一个或多个可移动元件1208与每个TE段1206相对应。例如,每个TE段1206可以包括可移动元件1208,其选择性地允许或阻止流过TE段1206。通过分别地驱动可移动元件1208,工作流体1210可以被控制为流过一个或多个被选择的TE段1206并且不流过其他TE段1206。

    在某些实施例中,至少一个可移动元件1208可以通过至少部分地阻挡TE段1206的输入端来阻止工作流体1210流过TE段1206。例如,图12A和图12B以及图13A和图13B中示意所示的TE发电机1200利用可移动元件1208来阻挡一个或多个TE段1206的输入端。替换地,至少一个可移动元件1208可以通过至少部分地阻挡TE段1206的输出端来阻止工作流体流过TE段1206。例如,图14中示意所示的示例TE发电机1200利用可移动元件1208来阻挡一个或多个TE段1206的输出端。在某些实施例中,至少一个可移动元件1208包括一个或多个对应于每个TE段1206的可移动元件1208,并且这些可移动元件1208可以被定位以选择性地阻挡各自的TE段1206的输入端或输出端。在某些这样的实施例中,可移动元件1208中的至少一些选择性地阻挡它们各自的TE段1206的输入端,并且可移动元件1208中的至少一些选择性地阻挡它们各自的TE段1206的输出端。

    在某些实施例中,在多个位置中选择至少一个可移动元件1208的位置改变了从工作流体1210到第一和第二TE段1206的热功率输送。在某些实施例中,可以选择可移动元件1208的位置以改变从第一TE段1206或第二TE段1206中移除废热的速率。前文所述包括具有多于两个TE段1206且还具有一个或多个可移动元件1208的实施例,该可移动元件1208可以定位于多于三个位置,从而提供选择性地允许和阻止流过多于两个TE段1206的机构。

    工作流体1210通过从输入部分1202经过TE段1206并流向输出部分1204来向TE???212(以及向TE???212的TE元件)供给热能。工作流体1210可以包括能够传输热能并且随着工作流体1210流过TE段1206而将其传递到TE???212的材料。例如,在某些实施例中,工作流体1210可以包括蒸汽、NaK、He和Xe气体、受压空气或高沸点油。在某些实施例中,工作流体1210可以是多相系统,其包括例如分散在乙二醇和水混合物中的纳米微粒,或者可以包括相变多相系统。在其中一个或多个TE???212包括一个或多个热交换器的实施例中,该热交换器通常促进热能从工作流体1210传递到TE???212和TE元件??梢酝ü绱嬖诩傻礁萌冉换黄鞯囊桓龌蚨喔鋈却萏卣?例如,翅片导向板、插脚或湍流器)而促进热能传递,当工作流体1210通过TE段1206时,这些特征会延伸到流动路径。在某些实施例中,热交换器和TE???212被配置为在流动方向上具有绝热性,如美国专利No.6,539,725所说明的,该专利通过引用以其整体合并到此。

    在某些实施例中,TE发电机1200还可以包括控制器1214,其被配置为控制一个或多个可移动元件1208的移动或位置。例如,某些实施例中的一个或多个可移动元件1208通过在多个位置中移动而响应于从控制器1214接收的信号。在某些实施例中,通过控制一个或多个可移动元件1208的移动或位置,控制器1214可以影响工作流体1210流过一个或多个TE段1206的流量。因此,在某些实施例中,控制器1214可以选择性地改变从工作流体1210到一个或多个TE段1206的热能输送。例如,控制器1214可以有效地控制哪一个TE???212从工作流体1210中接收热功率,以及哪一个不接收。以此方式,TE发电机1200的热容量可以由控制器1214通过改变从工作流体1210中接收热功率的TE???212的数量以及选择从工作流体1210中接收热功率的单个TE???212来加以调节。在某些实施例中,可以通过使TE发电机1200包括不同尺寸和/或热容量的TE???212来增强可调节性。

    在某些实施例中,控制器1214可以作用为选择性地改变TE???212之间的电连接。例如,图15中的控制器1214被配置为使得其能够选择性地将特定TE???212与电路断开,使得特定TE???212不再以并联方式与其他TE???212连接。因此,在某些实施例中,可以通过调节TE???212的电连接性来调节TE发电机1200的热容量。虽然图15中所显示的实施例被配置为使得每个TE???212能够选择性地以并联方式连接和断开,但在其他实施例中,控制器1214可以仅控制TE???212的全集中子集的电连接性。此外,在其他实施例中,控制器1214可以选择性地以串联方式连接或断开TE???212,选择性地以并联方式连接和断开TE???212,或可以同时控制TE???212之间的串联和并联电连接。

    在某些实施例中,控制器1214可以控制一个或多个可移动元件1208的移动和位置,并且还可以控制或改变TE???212之间的电连接。因此,在某些实施例中,可以由控制器1214以协同方式控制工作流体1210将热功率向TE???212的输送以及TE???212的电连接性,使得控制器1214能够选择性地将单个TE???212在热和电气两者上与TE发电机1200去耦。

    替换地,在某些实施例中,TE发电机1200可以包括一个或多个传感器,所述传感器被配置为在TE发电机1200工作期间测量工作流体1210的一个或多个物理特性。例如,连接到TE段1206的一个或多个传感器可以测量流过一个或多个TE段1206的工作流体1210的流体压力、温度或流速或其组合。例如,可以在TE发电机1200的一部分内(例如,在TE段1208内)测量这些物理特性中的一个或多个。该测量可以由传感器和控制器1214之间的电连接转播到控制器1214,由此允许控制器1214监测工作流体1210的物理特性。因此,在某些实施例中,控制器1214可以被配置为从一个或多个传感器接收一个或多个信号,并且通过以下方式响应:将一个或多个信号发送到一个或多个可移动元件1208,用于响应于工作流体1210物理特性的变化而选择性地将TE???212(在电气和热上)与TE发电机1200耦合和去耦。为了增大TE发电机1200的工作效率和/或整体电功率输出,某些这样的实施例是有利的。因此,控制器1214可以通过响应于TE发电机1200的工作特性而控制一个或多个可移动元件1208的位置来改变TE发电机1200的运行,TE发电机1200的工作特性由一个或多个压力传感器、温度传感器和流量传感器确定。

    在某些实施例中,如图12A、12B、13A、13B和图14中示意性所示的示例,TE发电机1200可以包括具有至少一个TE???212的第一TE段1206、具有至少一个TE???212的第二TE段1206以及可定位于多个位置的可移动元件1208。其中可移动元件1208可以定位的多个位置可以包括第一位置,其允许工作流体1210流过第一TE段1206同时允许工作流体1210流过第二TE段1206;第二位置,其阻止工作流体1210流过第一TE段1206而同时允许工作流体1210流过第二TE段1206;以及第三位置,其阻止工作流体1210流过第一TE段1206同时阻止工作流体1210流过第二TE段1206。

    在某些实施例中,如图12A、12B、13A、13B和图14中示意性所示的示例,多个TE段1206还可以包括第三TE段1206,并且TE段1206中的至少两个可以各自包括至少一个TE???212??梢贫?208(尽管可能多于一个)可以定位在多个位置上,包括第一位置、第二位置、第三位置和第四位置。当处于第一位置时,可移动元件1208同时允许工作流体1210流过第一、第二和第三TE段1206。当处于第二位置时,可移动元件1208阻止工作流体1210流过第一TE段1206但同时允许工作流体流过第二和第三TE段1206。当处于第三位置时,可移动元件1208同时阻止工作流体1210流过第一和第二TE段1206但同时允许工作流体1210流过第三TE段1206。当处于第四位置时,可移动元件1208同时阻止工作流体1210流过第一、第二和第三TE段1206。

    图18是根据本文所说明的某些实施例操作多个TE???212的示例方法1800的流程图。尽管下面针对图12A、12B、13A、13B和图14的示例TE发电机1200描述了方法1800,但也可以使用其他配置。方法1800包括在操作框1810中,通过从多个位置中为可移动元件1208选择位置来改变流过第一TE段1206的工作流体1210的流量以及流过第二TE段1206(每个TE段包括TE???的工作流体1210的流量。多个位置包括第一位置,其允许流过第一TE段同时允许流过第二TE段;第二位置,其阻止流过第一TE段而同时允许流过第二TE段;以及第三位置,其阻止流过第一TE段同时阻止流过第二TE段。在某些实施例中,可以选择可移动元件1208的位置以提高多个TE???212的效率、改变其电功率输出特性或两者。某些这样的方法进一步包括在操作框1820中,将热功率输送到多个TE??楹?或从多个TE??橹幸瞥先?。在某些实施例中,方法1820进一步包括从多个TE??橹幸瞥先?。

    热功率源和输送系统可以与TE发电机1200热连接以将热功率输送到TE发电机1200。多种不同的热功率源可以与TE发电机1200一起使用,并且原理上可以利用任何能够提供可输送热能的装置。例如,热功率源可以是发动机(如,内燃发动机),并且热功率输送系统可以包括冷却剂管道或排气管道??刂破?214可以响应于热功率输送系统或热功率源或二者的工作条件。例如,被配置为检测工作条件的传感器可以被用来将信号发送到控制器以提供关于热功率输送系统或热功率源或两者的信息。例如,传感器可以响应于热功率输送系统中或热功率输送源中或二者中的一个或多个压力、流量或温度。因此,控制器1214可以通过响应于由一个或多个压力传感器、温度传感器或流量传感器确定的热功率输送系统、热功率输送源或二者的工作特性而控制一个或多个可移动元件1208的位置来改变TE发电机1200的运行。更为通常地,控制器1214可以通过响应于TE发电机1200、热功率输送源或热功率输送系统的工作特性的任意组合而控制可移动元件1208来改变TE发电机1200的运行。

    图19示意地显示了根据本文所说明的某些实施例的另一个示例TE发电机1200。在某些实施例中,如图19中示意性所示的示例,TE发电机1200可以包括第一TE段1206、第二TE段1206以及至少一个第一可变流元件1216a。第一TE段1206可以包括至少一个TE???212,并且第一TE段1206可以具有带有流体压力从其中流过的工作流体1210。第二TE段1206可以包括至少一个TE???212,并且第二TE段1206可以被配置为允许工作流体1210从其中流过。在将流体压力施加到第一可变流元件1216a之后,第一可变流元件1216a可以移动,从而改变第二TE段1206对从其中流过的工作流体1210的流阻。

    在某些这样的实施例中,如图19中示意性所示的示例,TE发电机1200可以进一步包括第三TE段1206,其可以被配置为允许工作流体1210从其中流过,并且第三TE段1206可以进一步包括至少一个TE???212。此外,在某些这样的实施例中,如图19中示意性所示的示例,TE发电机1200可以进一步包括第二可变流元件1216b。与第一可变流元件1216a相类似,在将流体压力施加到第二可变流元件1216b之后,第二可变流元件1216a可以移动,从而至少改变第三TE段1206对从其中流过的工作流体1210的流阻。

    在图19中示意性所示的示例实施例中,TE段1206(例如,三个)以相对彼此大致共面布置的方式定位,并且是彼此并联流体连通。在其他配置中,TE段1206可以被连接,使得两个、三个、四个或更多TE段1206彼此串联流体连通。TE发电机1200中TE段1206之间的串联和并联流体连接的组合也是可行的。

    在某些实施例中,TE发电机1200进一步包括一个或多个不包括TE??榈墓艿?207。在某些实施例中,管道1207以并联方式与第一TE段1206和第二TE段1206流体连通。在某些实施例中,管道1207以串联方式与第一TE段和第二TE段中的至少一个流体连通。在某些实施例中,TE发电机1200可以进一步包括第二可变流元件1216,并且第二可变流元件1216(在将流体压力施加到第二可变流元件之后可以移动)可以至少改变管道1207对从其中流过的工作流体1210的流阻。例如,图19中示意性所示的示例实施例中的三个TE段1206以选择性并联方式与管道1207产生流体连通。在此示例中,第三可变流元件1216c(在将流体压力施加到第三可变流元件1216c之后可以移动)可以至少改变管道1207对从其中流过的工作流体1210的流阻。因此,管道1207通过为工作流体1210提供避免将热负载传到任何TE???212的流动路径来有效地起到旁路的作用。以此方式,管道1207允许TE发电机1200处理工作流体1210的流速,否则其可能在缺少旁路的情况下使TE???212的组合热容量超负荷。

    一个或多个可变流元件1216通过改变TE段1206对工作流体1210流动的流阻来影响流过TE段1206的工作流体1210的流量??杀淞髟梢酝ü辽俨糠值刈璧睺E段1206的输出端(如图19中示意所示)或通过至少部分地阻挡TE段1206的输入端来改变TE段1206的流阻。在某些实施例中,可变流元件1216可以包括阀。例如,在某些这样的实施例中,该阀可以是舌形阀,其通常是包括大致平面的阻挡元件以及附着到该阻挡元件的铰链的阀门,所述铰链允许该阻挡元件围绕该铰链所确定的轴移动大致旋转的位移。当舌形阀处于其闭合位置时,该阻挡元件被定向为使得阻挡元件的平面与流体流动方向大致垂直,从而减少或消除流体可能流过的有效横截面积。当舌形阀处于其打开位置时,该阻挡元件被定向为使得阻挡元件的平面与流体流动方向大致垂直,从而打开流体可能相对未受阻挡元件阻止而流过的充分的横截面积。

    在将流体压力施加到可变流元件1216之后,可变流元件1216可以移动。例如,可移动流元件1216可以响应于施加到可变流元件1216的流体压力而允许流过对应的TE段1206的更多流量。因此,通过操作一个或多个可变流元件1216,TE段1206的流阻可以取决于TE段1206内的流体压力。TE段1206的流阻的变化会导致工作流体1210流过TE段1206的流速的变化。因此,由于工作流体1210携带热功率,所以可以通过移动可变流元件1216的来改变输送到TE段1206的TE???212的热功率的量或热通量。例如,可变流元件1216的移动可以改变流向第二TE段1206中至少一个TE??榈娜裙β驶蛉韧康氖渌?。相似地,可以通过移动可变流元件1216影响TE段1206的流阻来改变从TE段1206的TE???212中移除废热的速率。例如,可变流元件1216的移动可以改变从第二TE段1206中的至少一个TE???212中移除废热的速率。

    通过使用可变流元件1216,可以操作包括TE发电机1200的多个TE???212,使得可以根据工作条件调节工作流体1210流过一个或多个TE段1206的流量。一个这样的工作条件是TE段1206中工作流体1210的流体压力。图20是根据本文所说明的某些实施例的操作多个TE???212的示例方法2000的流程图。方法2000包括在第一操作框2010中,使工作流体1210流过包括至少第一TE???212的第一TE段1206,工作流体1210具有流体压力。方法2000进一步包括在第二操作框2020中,当流体的流体压力超出临界压力时,使工作流体1210流过包括至少第二TE???212的第二TE段1206。方法2000进一步包括在操作框2030中,当工作流体1210的流体压力未超出临界压力时,阻止工作流体1210流过第二TE段1206。在某些实施例中,可以选择临界压力以提高多个TE???212的效率、改变多个TE???212的电能输出特性或两者。在某些实施例中,方法2000进一步包括将热功率输送到多个TE???212。在某些实施例中,方法2000进一步包括从多个TE???212中移除废热。

    在本文所说明的某些实施例中,TE发电机1200还可以包括响应于工作流体的温度的可变流元件1216,而不是(或除了)响应于工作流体的流体压力的可变流元件1216。因此,TE发电机1200可以包括第一TE段1206、第二TE段1206以及至少一个可变流元件1216。第一TE段1206可以包括至少一个TE???212,并且第一TE段1206可以具有从其中流过的工作流体1210。第二TE段1206可以包括至少一个TE???212,并且第二TE段1206可以被配置以允许工作流体1210从其中流过。第一可变流元件1216可以被配置为响应于第一可变流元件1216的温度而移动,第一可变流元件1216改变第二TE段1206对工作流体1210流过其中的流动的流阻。

    可变流元件1216可以响应于TE发电机1200某些区域中工作流体1210的温度。因此,温度响应的可变流元件1216的移动可以响应于工作流体1210的温度??杀淞髟?216的移动改变TE段1206的流阻,所以工作流体1210流过TE段1206的流量可以取决于温度。由于工作流体1210携带热功率,所以可以通过可变流元件1216的移动影响TE段1206的流阻来改变输送到TE段1206的TE???212的热功率的量或热通量。相似地,可以通过可变流元件1216的移动影响TE段1206的流阻来改变从TE段1206的TE???212中移除废热的速率。

    适当温度响应的可变流元件1216可以通过各种机构起作用。例如,这样的可变流元件1216可以包括这样的结构,即在第一温度下时具有第一形状而在与第一温度不同的第二温度下时具有第二形状。在某些这样的实施例中,这种结构包括图21中示意所示的双金属或形状记忆合金。在一个温度范围内,双金属带相对于流过TE段1206的工作流体1210的流动方向弯曲,从而至少部分地阻挡工作流体1210流过TE段1206的流动路径。然而,还是如图21中所示,在另一个温度范围内,该双金属带基本是直的并且平行于工作流体1210流动的方向,从而允许工作流体1210相对未受阻挡地流过该带。

    温度响应的可变流元件1216还可以通过其他机构起作用。某些实施例中的可变流元件1216可以包括这样的材料,即在第一温度下时处于第一相而在与第一温度不同的第二温度下时处于第二相。在某些这样的实施例中,所述材料包括蜡并且在第一温度下第一相是固体而在第二温度下其第二相是液体。某些实施例中的可变流元件1216可以包括响应于温度变化而发生扩展和收缩的材料。这样的可变流元件1216能够在第一温度下扩展以阻挡流动路径,并且能在第二温度下收缩以打开流动路径。

    图22是与使用温度响应可移动元件1208一致的操作多个TE???212的示例方法的流程图。方法2200包括在第一操作框2210中,使工作流体流过包括至少第一TE??榈牡谝籘E段,流体具有温度。方法2200进一步包括在第二操作框2020中,当流体的温度超出临界温度时,使工作流体流过包括至少第二TE??榈牡诙E段。方法2200进一步包括在第三操作框2230中,当流体的温度未超出临界温度时,阻止工作流体流过第二TE段。在某些这样的方法中,可以选择临界温度以提高多个TE??榈男?、改变多个TE??榈牡绻β适涑鎏匦曰蛄秸?。

    已经在上文公开了本发明的不同实施例。虽然参照这些特定的实施例对此发明进行了说明,但这些描述意在说明本发明而无意进行限制。在不背离附属权利要求中所限定的本发明的真实精神和范围的情况下,本领域技术人员可以想到各种修改和应用。

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