Неравновесная термоэлектрическая система для охлаждения и нагрева

Настоящее изобретение относится к усовершенствованным термоэлектрическим системам с повышенной эффективностью. Термоэлектрическая система содержит множество термоэлектрических элементов, формирующих по меньшей мере один массив термоэлектрических элементов, имеющих по меньшей мере одну первую сторону и по меньшей мере одну вторую сторону, между которыми в процессе работы имеет место по меньшей мере один температурный градиент. Термоэлектрические элементы находятся в тепловой связи с теплообменником, расположенным по меньшей мере на первой или второй стороне, а по меньшей мере часть массива термоэлектрических элементов предназначена для работы между, по меньшей мере, первым и вторым уровнями электрического тока. По меньшей мере первый уровень электрического тока лежит ниже такого уровня электрического тока, который обеспечивает, по существу, максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы. Система снабжена сердечником, содержащим теплопроводную секцию и теплоизолированную секцию, а массив термоэлектрических элементов размещен между сердечником и корпусом и выполнен с возможностью вращения. Использование изобретения позволит повысить эффективность работы системы. 2 н. и 31 з.п. ф-лы, 17 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к усовершенствованным термоэлектрическим устройствам для выработки тепла и/или холода с большей эффективностью за счет работы в неравновесных условиях.

Уровень техники

В термоэлектрических устройствах (ТУ) используется свойство некоторых материалов при наличии тока создавать в материале температурный градиент. В обычных термоэлектрических устройствах в качестве термоэлектрического материала внутри устройства используются полупроводники n- и p-типа. Их физические и электрические свойства подбирают так, чтобы обеспечить желательное нагревание или охлаждение.

В настоящее время различные виды термоэлектрических устройств используются для систем охлаждения автомобильных сидений, для портативных холодильников и морозильников, для распределительных систем, для научных приложений, для охлаждения электронных устройств и волоконно-оптических систем, для охлаждения инфракрасных систем и для многих других приложений. Однако обычным термоэлектрическим системам присуще множество недостатков, и современный уровень эффективности обычных термоэлектрических систем ограничивает их практическое использование.

Некоторые фундаментальные уравнения, теории, научные результаты, испытательные методы и данные, относящиеся к термоэлектрическим системам, предназначенным для охлаждения и нагревания, описаны в работе Angrist, Stanley W., Direct Energy Conversion, 3d Edition, Allyn & Bacon, Inc., Boston, MA (1976). Наиболее общая конструкция, используемая в термоэлектрических устройствах в настоящее время, показана на фиг.1А. В общем случае, термоэлектрические элементы 12 p-типа и n-типа оказываются зажаты между двумя подложками 14 в сборке 10.

Термоэлектрические элементы 12 последовательно соединены посредством медных шунтов 16, припаянных к концам элементов 12. Ток, I, протекает через элементы обоих типов. При приложении постоянного напряжения 18 в элементах термоэлектрической системы создается температурный градиент.

Сущность изобретения

Как подробно описано ниже, потери в термоэлектрическом устройстве можно снизить при использовании термоэлектрической системы в неравновесном состоянии. Конкретную работу можно понять, обратившись к фиг.1В, на которой показано изменение температурного профиля 100 в элементах термоэлектрической системы, имеющих холодную сторону 101 в плоскости О и горячую сторону 106 в плоскости L.

Горячая сторона 106 является поглотителем тепла, и ее температура со временем не меняется. Температура холодной стороны 101 со временем понижается и в конечном счете возникает стационарный равновесный профиль 104, в момент времени, обозначенный t_s, при температуре холодной стороны 101, равной T_cs. Температура T_cs холодной стороны 101 в состоянии равновесия частично зависит от того, какое количество тепла было передано холодной стороной 101 на охлаждение рабочей жидкости или предмета, помещенного в этом месте.

Температура Т_А характеризует элемент термоэлектрической системы при однородной температуре до момента подачи на него тока. Температурный профиль 102 в момент t₁ показывает распределение температуры вскоре после пропускания тока, но задолго до установления равновесия в момент t_s времени. В момент t₁ времени температура холодной стороны 101 равна T_C1. В точке X=Х1 температура становится выше 5 температуры Т_A окружающей среды, вследствие джоулева разогрева в пределах элемента термоэлектрической системы. При X=L температура горячей стороны 106 равна Т_A вследствие условия отвода теплового потока. Аналогично в чуть более поздний момент t₂ времени температура Т_C2 холодной стороны 101 понижается и точка X в пределах термоэлектрической системы, в которой элемент термоэлектрической системы имеет температуру Т_A, сдвигается налево в точку X=Х2.

До момента t₅ времени теплота, образуемая в элементе за счет джоулева тепла, частично отводится к поглотителю тепла на горячем конце 106. В момент времени t₅ этот эффект сводится на нет. Еще через некоторый интервал времени происходит передача тепла от поглотителя тепла 106 к элементу термоэлектрической системы. Таким образом, до момента t₅ отсутствует поступление тепла к элементу термоэлектрической системы из рабочего конца 106 поглотителя тепла, так что все охлаждение в точке X=0 относится только к самому элементу. Кроме того, некоторые потери эффективности охлаждения вследствие нагрева за счет джоулева тепла компенсируются отводом тепла от горячей стороны 106, что таким образом немного уменьшает количество джоулева тепла в элементе термоэлектрической системы (далее ТЭ элементе).

Совокупность этих эффектов можно использовать для уменьшения потерь при охлаждении ТЭ элемента и, таким образом, для повышения эффективности охлаждения. Аналогичных преимуществ можно достичь при таком режиме нагревания и в такой термоэлектрической (ТЭ) системе, в которой имеются отдельные секции для охлаждения и нагрева рабочих жидкостей.

Примеры конструкций, в которых используется этот эффект, иллюстрируются на нижеследующих чертежах. Эти и аналогичные конструкции, которые дают такой же или аналогичный эффект, также являются частью настоящего изобретения.

Предложена термоэлектрическая система, содержащая множество термоэлектрических элементов, образующих по меньшей мере один массив термоэлектрических элементов, имеющий по меньшей мере одну первую сторону и по меньшей мере одну вторую сторону, между которыми во время работы системы создается по меньшей мере один температурный градиент. Термоэлектрические элементы находятся в тепловой связи по меньшей мере с одним теплообменником, расположенным по меньшей мере на первой или второй стороне, причем по меньшей мере часть массива термоэлектрических элементов сформирована для работы в пределах или в интервале между по меньшей мере первым и вторым различными уровнями тока, причем по меньшей мере первый уровень тока меньше такого уровня тока, при котором имеет место, по существу, максимальное охлаждение или нагревание термоэлектрической системы в стационарном состоянии. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения переход между по меньшей мере первым и вторым уровнями тока происходит, по существу, быстро, т.е. без достижения равновесия на каждом уровне. Предпочтительно по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов осуществляют теплообмен по меньшей мере с одной рабочей жидкостью во время работы при первом уровне тока и/или во время работы при втором уровне тока. Предпочтительно первый уровень тока, по существу, ниже такого уровня тока, при котором достигается, по существу, максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы, и в одном из вариантов выполнения настоящего изобретения, по существу, равен нулю. В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения второй уровень тока меньше, равен или превышает такой уровень тока, при котором достигается, по существу, максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы.

Уровни тока могут меняться между крайними значениями по меньшей мере первого и второго уровня, меняться в пределах между этими уровнями и/или меняться между крайними значениями или промежуточными значениями уровней, заданных программно. Кроме того, уровни тока могут меняться, образуя циклическую последовательность, например синусоидальную или аналогичную. Предпочтительно выбор уровней обеспечивает повышение эффективности по сравнению с работой в стационарных условиях.

В одном из описанных примеров по меньшей мере один массив термоэлектрических элементов сформирован с возможностью такого перемещения, что по меньшей мере часть термоэлектрических элементов подключается по меньшей мере к одному источнику энергии в течение заданного промежутка времени и отключается от этого по меньшей мере одного источника энергии в течение заданного промежутка времени. Такая конфигурация может обеспечить теплообмен по меньшей мере некоторых из термоэлектрических элементов по меньшей мере с одной рабочей жидкостью в промежуток времени, когда они отключены от источника электроэнергии и/или в период (промежуток) времени, когда они подключены к источнику электроэнергии.

Дополнительный выигрыш можно получить при таком формировании термоэлектрических элементов, что их активную цепь или сопротивления можно регулировать. В одном из описанных вариантов выполнения настоящего изобретения массив термоэлектрических элементов, по существу, имеет круговую конфигурацию, иными словами термоэлектрические элементы расположены по кругу, и способен вращаться в первом направлении относительно оси вращения, а по меньшей мере одна рабочая жидкость перемещается по меньшей мере вдоль одного теплообменника в направлении, противоположном направлению вращения. Аналогично по меньшей мере одна рабочая жидкость может перемещаться по меньшей мере вдоль одного теплообменника в первом направлении. Термоэлектрический эффект может использоваться для охлаждения, нагревания или как для охлаждения, так и для нагревания.

Кроме того, раскрыт способ повышения эффективности термоэлектрической системы, содержащей множество термоэлектрических элементов. Этот способ включает формирование по меньшей мере одного массива термоэлектрических элементов, имеющих по меньшей мере одну первую сторону и по меньшей мере одну вторую сторону, между которыми во время работы системы создается по меньшей мере один температурный градиент. Энергию по меньшей мере к некоторым из термоэлектрических элементов по меньшей мере в одном массиве термоэлектрических элементов подают так, что они находятся в нестационарном состоянии, причем по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов работают при крайних значениях или в пределах по меньшей мере первого и второго различных уровней тока, причем по меньшей мере первый уровень тока меньше такого уровня тока, при котором имеет место, по существу, максимальное охлаждение или нагревание термоэлектрической системы в стационарном состоянии.

В одном варианте выполнения настоящего изобретения по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов осуществляют теплообмен по меньшей мере с одной рабочей жидкостью. По меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов могут осуществлять теплообмен по меньшей мере с одной рабочей жидкостью во время работы при первом уровне тока и/или во время работы при втором уровне тока. Предпочтительно, чтобы первый уровень тока был, по существу, ниже такого уровня тока, при котором достигается, по существу, стационарное состояние, по существу, с максимальным охлаждением или нагреванием термоэлектрической системы. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения первый уровень тока, по существу, равен нулю.

Уровни тока могут быть заданными, переменными или изменяемыми по специальной программе. Ток можно пропускать в циклической последовательности. В одном примере операция подачи электроэнергии по меньшей мере к некоторым из термоэлектрических элементов включает соединение термоэлектрических элементов с одним источником энергии в течение заданного периода времени и разъединение в течение заданного промежутка времени.

Дополнительная операция включает регулировку сопротивления по меньшей мере некоторых из термоэлектрических элементов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1А изображена известная термоэлектрическая система,

на фиг.1В показаны переходные профили температуры в пределах элемента термоэлектрической системы,

на фиг.2А показано термоэлектрическое устройство, в котором для достижения охлаждения используются эффект нестационарности,

на фиг.2В изображены детали части вращающегося уплотнения в холодильном устройстве, показанном на фиг.2А,

на фиг.4А изображен элемент термоэлектрической системы в контакте с объектом, обладающим теплоемкостью/ребрами,

на фиг.4В показаны размеры сборки, изображенной на фиг.4А,

на фиг.5 показаны температурные профили в нестационарном состоянии при нагревании элемента термоэлектрической системы,

на фиг.6 изображено термоэлектрическое устройство, которое охлаждает и нагревает одну или несколько рабочих жидкостей,

на фиг.7 показан температурный профиль в нестационарном состоянии в элементе термоэлектрической системы с эффективной активной длиной, которая изменяется со временем,

на фиг.8А изображено термоэлектрическое устройство, в котором используется элемент термоэлектрической системы с активной длиной, изменяющейся во времени,

на фиг.8В изображены детали элемента термоэлектрической системы, показанной на фиг.8А,

на фиг.9 изображены дополнительные детали элемента термоэлектрической системы и их взаимодействие с кулачковыми поверхностями фиг.8А,

на фиг.10 показано охлаждающее/нагревательное термоэлектрическое устройство, в котором используются элементы с переменной активной длиной,

на фиг.11 изображены детали элемента термоэлектрической системы для термоэлектрического устройства, показанного на фиг.10,

на фиг.12А изображено термоэлектрическое устройство, в котором используется жидкий или суспензный термоэлектрический материал для охлаждения или нагревания с использованием нестационарного процесса,

на фиг.12В изображены детали конструкции электрода, термоэлектрического материала, поглотителя тепла и ребра, показанные на фиг.12А.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее приведено подробное описание настоящего изобретения с использованием примеров и конкретных вариантов его выполнения, служащих для наглядности и для иллюстрации. Хотя представлено множество примеров, целью которых является показать, как для достижения желательных усовершенствований можно использовать различные конструкции, конкретные варианты выполнения настоящего изобретения служат только для иллюстрации и ни в коей мере не предназначены для ограничения объема изобретения. Кроме того, следует отметить, что термин «термоэлектрический элемент» в контексте настоящего описания может означать индивидуальные термоэлектрические элементы, а также сборки элементов или массивы элементов. Кроме того, термин «термоэлектрический» не является ограничительным, но включает также термоионные и все другие твердотельные охлаждающие и нагревающие устройства. Кроме того, термины «горячий», «прохладный» или «холодный» употребляются только по отношению друг к другу и не связаны с какой-либо конкретной температурой относительно комнатной температуры и т.п. И наконец, термин «рабочая жидкость» не ограничен одной жидкостью, но может относиться к одной или нескольким рабочим текучим средам.

Если не указано иначе, последующее описание относится к охлаждающему устройству, т.е. главным полезным продуктом на выходе является охлажденная жидкость, а отходом является тепло. Противоположный эффект может быть достигнут при изменении полярности источника питания термоэлектрического устройства.

Фиг.1В была описана выше. Принципы, изложенные при ее обсуждении, используются в последующем описании. Кроме того, в описываемых ниже устройствах могут сложиться обстоятельства, при которых питание элементов осуществляется нестационарным образом, в результате чего температурный профиль элемента близок к температурному профилю в момент времени t_S. В настоящем описании обычно рабочая температура холодной стороны, например при нестационарном питании, падает между Т_A и температурой T_CS стационарного процесса, которая соответствует максимальному охлаждению (минимальная температура) при работе термоэлектрической системы при стационарном токе.

Предпочтительно это может быть сделано для увеличения теплопередачи и в некоторых случаях для увеличения эффективности системы в целом. Должно быть также понятно, что термин нестационарный процесс не ограничен состояниями «включено» и «выключено», каким-либо рабочим циклом или временем включения.

Он используется просто для описания неравновесного состояния при включении или изменении питания для по меньшей мере некоторых элементов термоэлектрической системы.

На фиг.2А (общий вид) и на фиг.2В (поперечное сечение по линии 2В-2В, перпендикулярное к плоскости фиг.2А) показан вариант выполнения термоэлектрического холодильника 200, в котором используются эффекты нестационарного питания термоэлектрических элементов.

Работа термоэлектрической системы в нестационарном режиме для охлаждения и нагревания может улучшить параметры термоэлектрических систем, которые выполнены из таких материалов или имеют такие размеры термоэлектрического элемента, что имеют место интенсивные потоки тепла. Примерами таких систем являются системы с обычными сплавами висмут/теллур/селен и с элементами толщиной менее 0,5 мм, элементы на гетероструктурах, обычно толщиной приблизительно 5 микрон, и системы, в которых используются материалы с высокой удельной теплопроводностью, например некоторые клатраты и металлические сплавы. Для достижения высокой эффективности в системах с высокими скоростями теплового потока тепловые потери можно снизить при нестационарном питании термоэлектрических элементов с использованием конфигураций, в которых применены вышеописанные концепции. Кроме того, при работе в нестационарном режиме часто между поверхностями раздела термоэлектрических элементов может иметься очень малая начальная разность температур, что обеспечивает эффективную работу по меньшей мере в части рабочего цикла при плотностях электрического тока ниже, чем это имеет место для эффективной работы в стационарных условиях.

В общем случае работа в нестационарном режиме используется для повышения эффективности. Нестационарное питание в общем случае заключается в изменении тока по меньшей мере между двумя уровнями тока. Можно выбрать и больше, чем два уровня тока. Предпочтительно первый уровень тока является нулевым или некоторым ненулевым уровнем тока, меньшим, чем уровень, который обеспечивает, по существу, максимальное охлаждение термоэлектрической системы в стационарном состоянии.

Предпочтительно значение первого ненулевого уровня тока, по существу, ниже уровня, который обеспечивает, по существу, максимальное охлаждение термоэлектрической системы в стационарном состоянии. По меньшей мере второй уровень тока может быть ниже, равен или выше уровня тока, который обеспечивает, по существу, максимальное охлаждение термоэлектрической системы в стационарном состоянии.

Уровни тока обычно выбирают так, чтобы повысить эффективность системы. Как сказано выше, в предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения токи подаются в нестационарном состоянии, например посредством включения и выключения, или меняются согласно некоторому заданному или циклическому закону с целью получения такой температуры (T_CS) холодной (или горячей) боковой поверхности, которая стремится (предпочтительно значительно ниже окружающей температуры при охлаждении) к минимальной температуре (при охлаждении), достигаемой при стационарном токе через термоэлектрическую систему. В последующем описании используется термоэлектрическая система, работа которой происходит при переключении тока между по меньшей мере первым и вторым уровнями.

Можно также использовать переключение между тремя или более уровнями тока. Это следует отличать от систем, в которых охлаждение сильнее указанного максимального охлаждения в стационарном состоянии может быть получено при временном увеличении тока в термоэлектрической системе выше уровня стационарного тока, который обеспечивает, по существу, максимальное охлаждение в стационарном состоянии (при охлаждении) или максимальное нагревание (при нагревании).

Устройство заключено в корпус 201, который имеет входное отверстие 202 и выходное отверстие 203. Внутри корпуса 201 имеется центральный сердечник 204, разделенный так, что он имеет секции 205 с хорошей удельной теплопроводностью и секцию 206 с хорошей теплоизоляцией. Между сердечником 204 и корпусом 201 размещен, по существу, круговой массив 207 секций 210 из термоэлектрических элементов 208, внешние концы которых находятся в хорошем тепловом контакте с теплообменником 209 (например ребрами, как показано на фиг.2В). Между секциями 210 и между термоэлектрическими элементами 208 имеется теплоизолирующий материал 211. К корпусу 201 по части 212 окружности прикреплен экран 213 для блокировки потока. Часть 212 закрывает угол, по существу, той же величины, что и область, закрытая теплопроводящей секцией 205 сердечника 204. Экран 213 для блокировки потока заполняет пространство между ребрами теплообменника 209, но не касается их. Зазоры между экраном 213 для блокировки потока и ребрами достаточно малы, чтобы эффективно блокировать поток носителя теплообменника.

Электропитание к термоэлектрическим элементам 208 подается через скользящие контакты 214, которые расположены так, что электрический контакт с клеммами любой секции 210 осуществляется только в то время, когда эта секция находится в пределах экрана для блокировки потока. При охлаждении полярность электропитания выбирают так, чтобы концы термоэлектрических элементов 208, которые находятся в хорошем тепловом контакте с ребрами теплообменника 209, охлаждались.

Корпус 201, экран 213 для блокировки потока и сердечник 204 неподвижны.

Круговой массив 207 вращается против часовой стрелки. Жидкость теплообменника (жидкость, суспензия или газ) входит в устройство через входное отверстие 202 при температуре Т_А и проходит по часовой стрелке через ребра теплообменника 209, которые лежат вне пределов экрана 213 для блокировки потока. Кроме того, течение жидкости теплообменника среди термоэлектрических элементов 208 предотвращается изолирующим материалом 211. Жидкость теплообменника выходит из устройства через выходное отверстие 203. Таким образом, устройство разделено на две области: область 213, в которой подано электропитание и в которой термоэлектрические элементы 208 и ребра 209 охлаждаются, и область 215, в которую не подано электропитание и в которой теплообмен с жидкостью теплообменника происходит так, что жидкость охлаждается.

Должно быть понятно, что хотя термоэлектрическая система, изображенная на фиг.2, иллюстрирует области, в которые подано и не подано питание, она могла также быть выполнена с двумя или более уровнями тока для двух различных областей, причем эти уровни отличаются от нулевого и ненулевого уровней.

Скорость вращения кругового массива выбрана так, что в течение времени, за которое секции 210 находятся в пределах экрана 213 для блокировки потока (в области, где на них подано питание), на этих секциях достигается желательная разность температур. Кроме того, секции 210 проводят достаточно времени в незакрытом экраном секторе вращения, так что они возвращаются, по существу, при температуре окружающей среды за счет теплообмена между жидкостью теплообменника и ребрами 209. Таким образом, на фиг.2А жидкость теплообменника начинает охлаждаться по мере того, как она входит во входное отверстие 202 на одном конце секции и достигает низкой температуры Т_C, когда выходит из выходного отверстия 203. Сбросное тепло собирается в теплопроводящей секции 205 сердечника 204. Этому сбросному теплу не дают поступать назад в термоэлектрические элементы 208, когда они проходят область теплообменника 215 в изолирующей части 206 сердечника 204.

На фиг.2В изображено сечение устройства, в котором множество термоэлектрических элементов 208 объединены в массив и электрически связаны так, чтобы ток проходил от одного конца массива с контактом 214 к другому концу. Ток в одном направлении охлаждает ребра 209, а ток, текущий в противоположном направлении, нагревает ребра 209. Количество термоэлектрических элементов 208 в массиве может быть единицей или больше, но предпочтительно, чтобы оно было четным числом, что облегчает электрическое соединение с вращающейся втулкой 204. Предпочтительно, чтобы каждый ряд таких термоэлектрических элементов 208 в массиве имел контакт 214, изображенный на фиг.2, который электрически изолирован по меньшей мере на одном конце от других рядов. В такой конструкции каждый ряд может быть электрически включен независимо от других рядов.

Может быть, желательно изменить ток при увеличении разности температур на термоэлектрическом элементе 208. Ток можно менять разнообразными способами, как сказано выше. Настоящие иллюстрации не ограничены одним нулевым уровнем и одним или несколькими уровнями тока, отличными от нуля. Как сказано выше, ток может меняться циклически согласно программированной последовательности изменения тока или любым способом, при котором изменение тока в нестационарных условиях позволяет добиться повышения эффективности. Кроме того, тепловая изоляция между рядами является предпочтительной, как раскрыто в одновременно поданной заявке на патент США 09/844818, зарегистрированной 27 апреля 2001 г. и включенной в настоящее описание путем ссылки. Кроме того, эффективность повышается за счет конвекции, как описано в заявке на патент США 09/860725, зарегистрированной 18 мая 2001 г. и включенной в настоящее описание путем ссылки, что также может быть скомбинировано с принципами и конфигурациями, описанными здесь.

На фиг.3 изображен температурный профиль 300 в виде кривой 306, относящийся к холодной стороне теплообменника 209, для термоэлектрического элемента 208, изображенного на фиг.2. В точке А 302, холодная сторона теплообменника фактически находится при температуре Т_А. В точке В 303 холодная сторона находится при температуре Т_С. Когда элемент 208 вновь возвращается в точку А 304, холодная сторона возвратится к температуре Т_А.

Когда элементы 208 смещаются из положения А 302 в положение В 303, они охлаждаются до температуры Т_С, так что температура на холодной стороне теплообменника 209 понижается от T_А 305 до Т_С. В точке В 303 протекание тока в этих термоэлектрических элементах 208 прекращается, и элементы 208 вращаются против часовой стрелки в потоке жидкости, изображенном на фиг.2, около выходного отверстия 203. Когда конкретная часть с холодного конца теплообменника 209 вращается из положения В в А против часовой стрелки, она поглощает тепло из потока жидкости, изображенного на фиг.2, и в положении 304 нагревается до температуры Т_А, как показано кривой 306. В этой точке 304 термоэлектрические элементы 208 с соответствующей частью теплообменника 209, вращаясь, выходят из потока жидкости около входного отверстия 202. Точка 304 физически расположена там же, где и точка 302, поэтому на элементы 208 вновь подается электрический ток, когда они проходят в точку В 303, и цикл повторяется. Температурный профиль жидкости в области 215 теплообменника предпочтительно меняется, по существу, линейно от Т_А до Т_С, по мере перемещения жидкости теплообменника из секции «А» во входном отверстии 202 до секции «В» в выходном отверстии 203.

Главными параметрами, которые определяют скорость цикла, являются ток, теплоемкость сборки из термоэлектрических элементов 208 и теплообменника 209, рабочие свойства жидкости и скорость потока жидкости.

На фиг.4А сборка из термоэлектрических элементов 400 содержит термоэлектрические элементы 401 n-типа и p-типа, нижние электроды 403 и верхние электроды 402 (ребра в иллюстрируемом варианте выполнения настоящего изобретения). В данном примере теплообменник 402 является также верхним электродом, электрически соединенным с термоэлектрическим элементом 401.

Сборка 400 термоэлектрических элементов работает при прохождении тока (не показан) от левого нижнего электрода 403 через левый термоэлектрический элемент 401, через теплообменник 402, через правый термоэлектрический элемент 401 и, наконец, через правый нижний электрод 403, как хорошо известно специалистам в данной области техники. В зависимости от направления протекания тока теплообменник 402 или охлаждается, или нагревается.

На фиг.4В изображена та же конфигурация с теми же самыми позициями, какие показаны на фиг.4А, за исключением того, что теплообменник 402 показан как участок длиной L_S. Аналогично термоэлектрический элемент 401 показан как участок длиной L_T.

Помимо того, что он привносит теплоемкость и вес, участок L_S помогает задать теплоемкость и параметры теплового потока теплообменника 402. Аналогично участок L_E помогает задать теплоемкость и вес термоэлектрического элемента 401 и, таким образом, определяет их теплоемкость и параметры теплового потока. Предпочтительно отношение теплоемкости теплообменника 402 к теплоемкости термоэлектрического элемента 401 составляет от 1 до 50. Фактическое значение зависит от желательных рабочих параметров всего термоэлектрического устройства, таких как размеры, скорость вращения сборки термоэлектрических элементов, скорость течения рабочей жидкости и т.п. В общем случае, чем больше соотношение, тем ближе работа всей системы к квазиравновесному состоянию.

На фиг.5 показан температурный профиль 500 термоэлектрического элемента с горячей стороной 504, расположенной в точке X=0, и с поглотителем тепла 502 с холодной стороны в точке L, находящимся при температуре Т_A. Горячая сторона 504 в точке X=0 имеет температурный профиль 501 в момент времени t₁, вскоре после приложения электропитания горячая сторона 504 находится при температуре Т_HI и тепло от горячей стороны 504 при этом проходит до точки X₁. Конечным температурным профилем 506 является t_S, температура на горячей стороне 504 равна T_HS, и в этот момент устанавливается стационарный температурный профиль 502. В промежуточное время профиль 503 в момент времени t_i характеризуется температурой Т_HI горячей стороны 504 и точкой X_i, до которой тепло от горячей стороны 504 распространилось за время t_i.

В режиме нагревания имеет место вклад от джоулева тепла в элементе, за исключением малой части, которая теряется в поглотителе 502 тепла, как показано наклоном кривых 501, 506 и 503 в направлении поглотителя 502 тепла. Предпочтительно на термоэлектрическую систему 500 подают питание до момента, когда глубина проникновения тепла в термоэлектрическую систему в точке X_i достигнет L. Несмотря на это условие, питание в термоэлектрическую систему 500 может подаваться в течение более длительных интервалов времени, включая интервалы, которые позволяют термоэлектрическому элементу достичь равновесного температурного профиля T_S. Например, это может быть сделано для повышения теплопередачи, а в некоторых случаях - для увеличения эффективности всей системы.

На фиг.6 показан вариант выполнения настоящего изобретения, состоящий из двух устройств, показанных на фиг.2А и 2В и соединенных для работы: один - в режиме нагревания и один - в режиме охлаждения. Цель такой конфигурации состоит в передаче тепла, собранного в теплопроводящей секции, и согласования его с теплом, удаленным из устройства. Между охлаждаемой областью 601 и нагреваемой областью 602 все произведенное тепло находится на одной стороне и переходит в сердечник (расположенный внутри устройства и функционально эквивалентный сердечнику 204, 205 и 206 на фиг.2А и 2В).

Предпочтительно охлаждаемая область 601 и нагреваемая область 602 имеют общий корпус 603, общее входное отверстие 604 для жидкости теплообменника и приводной двигатель 605 наряду с сердечником, который служит для передачи тепла от охлаждаемой области 601 к нагретой области 602. Охлажденная и нагретая жидкости выходят из устройства через соответствующие выходные отверстия 606 и 607.

На фиг.7 изображены температурные профили 700 для термоэлектрической системы с охлаждаемой областью 704 и нагреваемой областью 705, и с поглотителем 708 тепла, причем питание подается так, чтобы через короткое время в момент t_z температурный профиль 703 был, как показано на чертеже. В момент t₁ времени точка X показывает расстояние, на которое холод проник в термоэлектрический элемент. Профиль 702 показывает аналогичное состояние в момент t₁. Температурный профиль 701 соответствует стационарному состоянию.

Этот график дан для пояснения дополнительного выигрыша, который может быть получен в течение кратковременного приложения питания за счет устранения омического нагрева в частях термоэлектрической системы, которые фактически не активны в процессе нестационарной операции. Это может быть достигнуто, если схемные соединения отслеживают, как функцию времени, места, в термоэлектрической системе, до которых проникли тепло или холод.

Например, в момент времени t₁ джоулево тепло (на омическом сопротивлении) в части термоэлектрической системы, расположенной слева от точки X_i, может быть устранено, если электрическая цепь на конце термоэлектрической системы в X_i работает так, что путь протекания тока не продолжается через термоэлектрическую систему от X_i до L. Таким образом, омический путь от X_i до конца X=L исключается, и эта часть термоэлектрической системы не вносит вклада в преобразование электроэнергии в холод (или тепло за счет джоулева нагревания в режиме нагрева) - эта часть теряется в поглотителе 708 тепла. С течением времени цепь охватывает все большую часть термоэлектрической системы, пока через время t_S не будет достигнуто стационарное состояние, и вся термоэлектрическая система не будет задействована в цепи.

При некоторых обстоятельствах участок цепи может лежать справа от точек XI, или, в общем случае, X_i, так что некоторые тепловые потери в точках прикрепления X_i цепи будут иметь место.

Предпочтительно это может быть сделано для увеличения тепловой энергии и, в некоторых случаях, для увеличения эффективности всей системы.

Этот эффект может быть достигнут, например, в конструкциях, изображенных на фиг.8В, 9 и 11, но настоящее изобретение охватывает все конфигурации, которые обеспечивают снижение тепловых потерь на конце, противоположном охлаждаемому (или нагреваемому), за счет изменения со временем геометрии или электрической цепи в термоэлектрическом элементе системы, как описано выше.

На фиг.8А и 8В показан вариант выполнения настоящего изобретения, аналогичный описанному в связи с фиг.2, за исключением того, что ток протекает в той угловой части сборки, где происходит передача тепла к рабочей жидкости, и имеется возможность изменить эффективную длину, а следовательно, и сопротивления термоэлектрических элементов в зависимости от их углового положения при вращении с целью получения выигрыша, как обсуждалось в связи с фиг.7. Целью этого является оптимизация сопротивления элементов в зависимости от изменения со временем температурного профиля при подаче питания и при вращении термоэлектрического элемента 808. Дополнительное отличие устройства на фиг.8 от устройства на фиг.2 состоит в том, что в устройстве на фиг.8 ребра теплообменника не вращаются вместе с термоэлектрическими элементами 808.

На фиг.8А показан общий вид, а на фиг.8В - поперечное сечение по линии 8В-8В перпендикулярно к плоскости фиг.8А. Термоэлектрическая система 800 заключена в корпус 801, который имеет входное отверстие 802 и выходное отверстие 803. Внутри корпуса 801 имеется центральный сердечник 804, разделенный на секции, включая секцию 806 с хорошей теплопроводностью и секцию 805 с хорошей теплоизоляцией. Внутри корпуса 801 к нему неподвижно прикреплено полукольцо из ребер теплообменника 809, охватывающее область 816. Между сердечником 804 и ребрами теплообменника 809 имеется кольцо 807 из термоэлектрических элементов 808, внешние концы которых находятся в хорошем тепловом контакте с теплопроводящим материалом, например теплопроводящей смазкой 810. Между секциями соседних термоэлектрических элементов 808 имеется электроизолирующий и, предпочтительно, теплоизолирующий материал 811 (фиг.8В).

Предпочтительно поток в пределах области 812 блокирован изолирующим материалом 813. Часть 812 термоэлектрической системы 800 охватывает угол, по существу, равный углу охвата теплоизолирующей секции 805 сердечника 804. Электропитание подается к термоэлектрическим элементам 808 электрической схемой или через контакты 814, которые размещены так, что электропитание на клеммы 815 подано, когда соответствующая термоэлектрическая секция находится вне области 812 блокировки потока. При охлаждении полярность электропитания выбирают так, чтобы концы термоэлектрических элементов 808, которые контактируют с теплопроводящей смазкой 810, охлаждались. Ток противоположного направления приводит к нагреванию, как показано на фиг.2 и фиг.5.

Корпус 801, материал 813 для блокирования потока и сердечник 804 неподвижны. Кольцо 807 из термоэлектрических элементов 808 вращается против часовой стрелки. Жидкость теплообменника (жидкость, суспензия или газ) входит в устройство через входное отверстие 802 при температуре Т_A и проходит против часовой стрелки через ребра теплообменника 809. Изолирующий материал 811 препятствует протеканию жидкости теплообменника вокруг термоэлектрических элементов 808. Жидкость теплообменника выходит из устройства через выходное отверстие 803. Таким образом, устройство разделено на две области: область 812, в которую не подано электропитание, и область 816, в которую подано электропитание и в которой имеет место теплообмен с жидкостью теплообменника. Скорость вращения кругового массива выбрана так, что в течение времени, пока секции 808 термоэлектрических элементов находятся в пределах изолирующей области 812 блокировки потока (в пределах которой на них не подается электропитание), эти элементы, по существу, возвратятся к равновесию. В области 816, на которую подана электроэнергия, в секциях достигается максимальная желательная разность температур за счет передачи части тепловой энергии от ребер 809 в жидкость теплообменника. Таким образом, на фиг.8А жидкость теплообменника начинает охлаждаться в секции А у входного отверстия 802 и достигает самой низкой (или самой высокой) температуры в выходном отверстии 803. Сбросная теплота собирается в теплопроводящей секции 805 сердечника 804. Попаданию этой сбросной теплоты в область 816 теплообменника препятствует изолирующая часть 806 сердечника 804.

Сердечник 804 является либо некруглым, либо нецентрованным относительно оси вращения, или же одновременно некруглым и нецентрованным и действует как эксцентрик. Термоэлектрические элементы 808 являются полыми и могут менять свою эффективную длину, например при помощи плунжеров 817, которые взаимодействуют с эксцентричной поверхностью и изменяют эффективную длину, а следовательно, эффективное сопротивление элементов. Детали конструкции примерного термоэлектрического элемента 808 показаны на фиг.9.

Концепции, иллюстрируемые на фиг.8, могут быть объединены с концепциями, иллюстрируемыми на фиг.2А, 2В и 6, как для режима нагревания, так и для режима охлаждения, что позволяет изменять величину электрического тока в зависимости от места и выполнить тепловую изоляцию согласно конфигурации на фиг.8А и 8В.

На фиг.9 в более крупном масштабе показан пример термоэлектрического элемента, используемого в устройстве на фиг.8. Сам термоэлектрический элемент 901 является трубчатым. В пределах центральной полости 902 перемещается электропроводящий плунжер 903, завершающийся скользящим контактом 904 и подпружиненный электропроводящей пружиной 905. Конец пружины 905 упирается в поверхность 906 скользящего контакта, обеспечивая хороший электрический контакт с электропроводящей и теплопроводящей частью 907 сердечника. На внешнем конце термоэлектрического элемента имеется колпачок 908. Контакт 904 и колпачок 908 служат для последовательного соединения термоэлектрических элементов 901 между собой. Скользящий контакт 904 шунтирует внутреннюю часть термоэлектрического элемента 901 до пределов, задаваемых положением плунжера 903, как определяется эксцентриком сердечника 907. Форма поверхности 906 скользящего контакта определяется углом θ контакта и радиусом R.

На фиг.10 показана еще одна термоэлектрическая система 1000, в которой используется нестационарное питание термоэлектрических элементов. В этой конфигурации устройство находится внутри корпуса 1001, в котором имеется главное входное отверстие 1002, главное выходное отверстие 1003, вторичное входное отверстие 1004 и вторичное выходное отверстие 1005. К внутреннему краю корпуса 1001 прикреплен экран 1006 для блокировки потока, а к внешнему краю корпуса 1001 прикреплен второй экран 1007 для блокировки потока. Эти экраны выполнены из изолирующего материала и геометрически выполняют ту же функцию, что и экран 213 для блокировки потока на фиг.2. Внутри корпуса вращается по часовой стрелке кольцо из термоэлектрических массивов 1008. Эти термоэлектрические массивы состоят из основного ребристого теплообменника 1011, сбросного ребристого теплообменника 1012 и термоэлектрических элементов 1008, имеющих форму плунжеров и разделенных спиральными пружинами (не показаны). Детальное описание конструкции термоэлектрических сборок 1008 иллюстрируется на фиг.11. Внутренний и внешний края корпуса 1001 являются некруглыми и/или неконцентрическими, формируя между собой радиальное расстояние, которое меняется в зависимости от углового положения, что обеспечивает выигрыш, как описано в связи с фиг.7.

При вращении кольца из термоэлектрических массивов 1008 замыкается различное количество термоэлектрического материала в пределах элементов 1008 в зависимости от радиального расстояния между внутренним и внешним краями корпуса 1001. Это приводит к эффективному изменению сопротивления термоэлектрических элементов 1008 согласно геометрии краев. Питание на термоэлектрические массивы 1008 подается только в области 1010 и не подается в области 1009. Это достигается тем, что или внутренний край, или внешний край, или оба выполнены нетокопроводящими в области 1009. Жидкость при температуре Т_А окружающей среды входит в сбросовое входное отверстие 1004 в точке А и перемещается по часовой стрелке к сбросовому выходному отверстию 1005 в точке С с температурой Т_H. Аналогично, жидкость при температуре Т_А окружающей среды вводит в основное входное отверстие 1002 в точке А' и перемещается по часовой стрелке к основному выходному отверстию 1003 в точке С' с температурой Т_C. Посредством экрана 1006 для блокировки главного потока и экрана 1007 для блокировки сбросового потока обеспечивают отсутствие потока как главной, так и сбросовой жидкости в пределах экранированной области 1009, в которую не подается питание. Поскольку термоэлектрический массив 1008 входит в область 1010, в которую подается питание, сразу же после прохождения точек А-А' она исходно находится при температуре Т_A окружающей среды и начинает охлаждать внутренние ребра 1011 и нагревать наружные ребра 1012. Это действие продолжается по всей области 1010, в которую подается питание, пока жидкость не выйдет из области, в которую подается питание, непосредственно перед прохождением точек С-С', в которых разность температур в массиве достигает желательного максимума. Когда термоэлектрические массивы проходят через область 1010, в которую подается питание, они осуществляют теплообмен с потоками главной и сбросовой жидкостей. В области 1009, в которую не подается питание, к моменту, когда массивы возвращаются к точкам А-А', они возвращаются к температуре, близкой к температуре окружающей среды. Предпочтительно скорость вращения, теплоемкость материала и электрический ток выбирают так, чтобы достичь желательных рабочих параметров. Таким образом, главная жидкость охлаждается при перемещении от А' в С', а сбросовая жидкость нагревается при перемещении от А в С. При использовании устройства в качестве нагревателя направление тока меняют на противоположное и жидкость во внутренней части нагревается, а во внешней - охлаждается.

На фиг.11 подробно показан пример конструкции термоэлектрических массивов 1008, изображенных на фиг.10. Предпочтительно массивы электрически и термически изолированы друг от друга материалом 1108. Внешний конец вторичного термоэлектрического элемента 1101 находится в хорошем тепловом контакте с вторичным теплообменником 1103 (обычно в виде ребра). Его внутренний конец перемещается в пределах цилиндрического отверстия в электропроводящей трубке 1105.

Аналогично внутренний конец главного термоэлектрического элемента 1102 находится в хорошем тепловом контакте с главным теплообменником 1104 (обычно в виде ребра). Его внешний конец перемещается в пределах электропроводящей трубки 1105. Концы двух термоэлектрических элементов 1101 и 1102 отделены и подпружинены пружиной 1106. По мере того как радиальное расстояние между внутренним и внешним краями корпуса 1001 на фиг.10 меняется, пружина регулирует активную длину термоэлектрических элементов 1101 и 1102 так, чтобы обеспечить выигрыш за счет изменения омического сопротивления, как обсуждалось в связи с фиг.7. Электрическая цепь проходит через термоэлектрические элементы 1101 и 1102, включая электрические контакты 1107 на концах электропроводящей трубки 1105.

На фиг.12А (общий вид) и фиг.12.В (поперечное сечение по линии 12В-12В, перпендикулярно к плоскости фиг.12А) изображен другой вариант выполнения настоящего изобретения, в котором используется нестационарная подача питания в жидкий термоэлектрический материал 1207. Устройство размещено в корпусе 1201, в котором имеется входное отверстие 1202 и выходное отверстие 1203. В центре расположен сердечник 1204, разделенный на две секции: теплопроводящую секцию 1205 и теплоизолирующую секцию 1206.

Сердечник окружен жидким термоэлектрическим материалом 1207, который в свою очередь окружен кольцом 1208 электродов, выполненных из меди или другого подходящего электропроводящего и теплопроводящего материала. Между кольцом 1208 электродов и корпусом 1201 имеется кольцо из ребристых теплообменных секций 1209, находящихся в хорошем тепловом контакте с электродами 1208. Секция 1209 теплообменных ребер и электроды 1208 могут составлять единую часть. Между сердечником 1204 и кольцом 1208 электродов расположен пористый электропроводящий и теплопроводящий электрод 1210. Пористый электрод 1210 простирается, по существу, на часть окружности, занимаемую теплопроводящей секцией 1205 сердечника 1204. Предпочтительно имеется зубчатый насос 1211, предназначенный для прокачки жидкого термоэлектрического материала 1207 через пористый электрод 1210. Термоэлектрический материал 1207 в виде жидкости или суспензии не может пройти мимо пористого электрода 1210 за счет уплотнения 1212. Как видно на фиг.12В, устройство состоит из слоев конструкции, описанной в связи с фиг.12А, с чередованием жидких термоэлектрических материалов n-типа 1207 и p-типа 1207. Электрическое разделение слоев, а также изоляция между слоями выполнены посредством уплотнений 1213 и 1214. Электрод 1210 соединен деталями 1215 с высокой электропроводностью и теплопроводностью, которые передают тепло к теплопроводящей части сердечника 1205. Детали 1215 разделены радиальными щелями, которые позволяют термоэлектрическому материалу 1207 проходить между электродом 1210 и сердечником 1204. Контакты 1217 соединены с источником электропитания.

Во время работы устройства ребра 1209 и электроды 1208 синхронно вращаются против часовой стрелки.

Корпус 1201, пористый электрод 1210 и сердечник 1204 остаются неподвижными. Термоэлектрический материал 1207 в виде жидкости или суспензии нагнетается против часовой стрелки, проходя через пористый электрод 1210. Часть термоэлектрической жидкости или суспензии 1207, которая находится между пористым электродом 1210 и электродом 1208, оказывается подключенной к электропитанию и на ней создается разность температур, охлаждая поверхность, находящуюся в контакте с вращающимися электродами 1208 (при охлаждении). Поэтому при прохождении через область, в которой подается питание, ребристая секция 1209 охлаждается, достигая наименьшей температуры в точке С. Теплообменная жидкость входит во входное отверстие 1202 при температуре Т_А окружающей среды, проходит мимо ребристых секций 1209 в направлении по часовой стрелке и выходит через выходное отверстие 1203 при температуре Т_С.

Когда охлажденные ребра 1209 проходят точку С, они обмениваются теплом с теплообменной жидкостью, так чтобы к моменту достижения точки А они и электроды 1208, к которым они прикреплены, возвратились, по существу, к температуре окружающей среды. Жидкий или суспензионный термоэлектрический материал 1207 также возвращается к комнатной температуре, поскольку он находится в контакте с кольцом 1208 электродов, вокруг которых он прокачивается. Предпочтительно, чтобы теплообменные жидкости не могли перемещаться в направлении против часовой стрелки благодаря блокирующим уплотнениям, показанным на фиг.2А.

Скорость вращения сборки, теплоемкость электродов 1208 и ребер 1209, а также ток выбирают так, чтобы достичь желательных рабочих параметров.

Система 1200 может также работать в режиме нагревания. Можно создать пару из двух секций - одна нагревающая и одна охлаждающая - аналогично тому, как это сделано на фиг.6.

Другие изменения и сочетания термоэлектрических систем, в которых температура отдельных элементов, жидких или суспензионных элементов может быть достигнута путем сочетания признаков конструкций, показанных на одном или нескольких чертежах, изображенных на фиг.1-12, с признаками, показанными на других чертежах. Например, термоэлектрический материал в виде жидкости или суспензии, как на фиг.12, можно использовать вместо электродов в конфигурации, показанной на фиг.11, причем длину можно регулировать с помощью пористого плунжера, шунтирующего часть термоэлектрического материала, находящегося в цилиндрическом корпусе. В другом примере рабочее направление (направления) потока жидкости (жидкостей) на фиг.8 и 10 может быть заменено на противоположное, и питание можно подводить к области (областям), где поток блокирован, а изолирующие и проводящие части сердечника можно поменять местами, чтобы использовать преимущества уменьшения сопротивления в устройствах, аналогичных изображенному на фиг.2.

Электроды 1208 могут быть выполнены из других материалов, которые являются хорошими проводниками электричества и тепла. Предпочтительно ребра 1209 термически и электрически изолированы друг от друга, но сами являются хорошими проводниками тепла.

Хотя были проиллюстрированы несколько примеров, их описание следует рассматривать просто как иллюстрацию основных концепций изобретения, которые сформулированы в формуле изобретения. В формуле изобретения все термины имеют обычное и общепринятое значение, и описание не ограничивает значения терминов.

1. Термоэлектрическая система, содержащая множество термоэлектрических элементов, формирующих по меньшей мере один массив термоэлектрических элементов, имеющих по меньшей мере одну первую сторону и по меньшей мере одну вторую сторону, между которыми в процессе работы имеет место по меньшей мере один температурный градиент, причем термоэлектрические элементы находятся в тепловой связи с теплообменником, расположенным по меньшей мере на первой или второй стороне, а по меньшей мере часть массива термоэлектрических элементов предназначена для работы между по меньшей мере первым и вторым уровнями электрического тока, причем по меньшей мере первый уровень электрического тока лежит ниже такого уровня электрического тока, который обеспечивает по существу максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы, при этом система снабжена сердечником, содержащим теплопроводную секцию и теплоизолированную секцию, а массив термоэлектрических элементов размещен между сердечником и корпусом и выполнен с возможностью вращения.

2. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что работа между по меньшей мере первым и вторым уровнями электрического тока по существу является нестационарным процессом на каждом уровне.

3. Термоэлектрическая система по п.2, отличающаяся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов обмениваются теплом по меньшей мере с одной рабочей жидкостью в течение времени, когда такие термоэлектрические элементы работают при первом уровне электрического тока.

4. Термоэлектрическая система по п.2, отличающаяся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов обмениваются теплом по меньшей мере с одной рабочей жидкостью в течение времени, когда такие термоэлектрические элементы работают при втором уровне электрического тока.

5. Термоэлектрическая система по п.3 или 4, отличающаяся тем, что первый уровень электрического тока является нулевым.

6. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что первый уровень электрического тока по существу меньше такого уровня электрического тока, который обеспечивает по существу максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы.

7. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что второй уровень электрического тока выше, равен или ниже такого уровня электрического тока, который обеспечивает по существу максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы.

8. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что уровень электрического тока меняется по меньшей мере между указанными первым и вторым уровнями тока.

9. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере первый и второй уровни электрического тока являются программируемыми уровнями.

10. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере первый и второй уровни электрического тока являются переменными уровнями, обеспечивая циклическую последовательность подачи электрического тока.

11. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере первый и второй уровни электрического тока выбраны так, чтобы обеспечить повышение эффективности системы по сравнению с работой в стационарном состоянии.

12. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один массив термоэлектрических элементов способен перемещаться так, что по меньшей мере часть термоэлектрических элементов оказывается подключена по меньшей мере к одному источнику электроэнергии в течение заданного периода времени и отключена от по меньшей мере одного источника электроэнергии в течение заданного периода времени.

13. Термоэлектрическая система по п.12, отличающаяся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов осуществляют теплообмен по меньшей мере с одной рабочей жидкостью в то время, когда они отключены от источника электроэнергии.

14. Термоэлектрическая система по п.12, отличающаяся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов осуществляют теплообмен по меньшей мере с одной рабочей жидкостью в то время, когда они подключены к источнику электроэнергии.

15. Термоэлектрическая система по п.12, отличающаяся тем, что в течение периода, когда такие термоэлектрические элементы подключены к источнику электроэнергии, такие термоэлектрические элементы осуществляют теплообмен по меньшей мере с одной рабочей жидкостью.

16. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что термоэлектрические элементы выполнены с возможностью изменения их сопротивления.

17. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что массив термоэлектрических элементов имеет в общем случае круговую конфигурацию и способен вращаться в первом направлении относительно оси вращения, и по меньшей мере одна рабочая жидкость перемещается по меньшей мере вдоль одного теплообменника в направлении, противоположном направлению вращения.

18. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что массив термоэлектрических элементов имеет в общем случае круговую конфигурацию и способен вращаться в первом направлении относительно оси вращения, и по меньшей мере одна рабочая жидкость перемещается по меньшей мере вдоль одного теплообменника в первом направлении.

19. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что используется для охлаждения, нагрева и/или как для охлаждения, так и для нагрева.

20. Способ повышения эффективности термоэлектрической системы, содержащей множество термоэлектрических элементов, формирующих по меньшей мере один массив термоэлектрических элементов, имеющий по меньшей мере одну первую сторону и по меньшей мере одну вторую сторону, между которыми в процессе работы имеет место по меньшей мере один температурный градиент, включающий операцию подачи электропитания по меньшей мере на некоторые из термоэлектрических элементов по меньшей мере в одном массиве термоэлектрических элементов при нестационарных условиях, так, чтобы по меньшей мере часть массива термоэлектрических элементов работала между по меньшей мере первым и вторым различными уровнями электрического тока, причем по меньшей мере первый уровень электрического тока лежит ниже такого уровня электрического тока, который обеспечивает по существу максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы, а способ дополнительно включает операцию вращения массива термоэлектрических элементов, размещенного между корпусом и сердечником, содержащим теплопроводную секцию и теплоизолированную секцию.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов осуществляют теплообмен по меньшей мере с одной рабочей жидкостью.

22. Способ по п.20, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов осуществляют теплообмен по меньшей мере с одной рабочей жидкостью в течение времени, когда такие термоэлектрические элементы работают при первом уровне электрического тока.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что первый уровень электрического тока является нулевым.

24. Способ по п.20, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов обмениваются теплом по меньшей мере с одной рабочей жидкостью в течение времени, когда такие термоэлектрические элементы работают при втором уровне электрического тока.

25. Способ по п.20, отличающийся тем, что по меньшей мере первый и второй уровни электрического тока являются программируемыми уровнями.

26. Способ по п.20, отличающийся тем, что первый и второй уровни электрического тока являются переменными уровнями, обеспечивая циклическую последовательность подачи электрического тока.

27. Способ по п.20, отличающийся тем, что по меньшей мере первый и второй уровни электрического тока выбирают так, чтобы обеспечить повышение эффективности системы по сравнению с работой в стационарном состоянии.

28. Способ по п.20, отличающийся тем, что операция подачи электропитания по меньшей мере к некоторым из термоэлектрических элементов включает подключение по меньшей мере к одному источнику электроэнергии в течение заданного периода времени и отключение от по меньшей мере одного источника электроэнергии в течение заданного периода времени.

29. Способ по п.20, отличающийся тем, что первый уровень электрического тока является по существу нулевым, а второй уровень электрического тока является по существу ненулевым.

30. Способ по п.20, отличающийся тем, что второй уровень электрического тока отличается от первого уровня электрического тока, причем второй уровень электрического тока ниже, равен или выше уровня электрического тока, который обеспечивает по существу максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы.

31. Способ по п.28, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов изменяют сопротивление в течение заданного периода времени.

32. Способ по п.21, отличающийся тем, что по меньшей мере часть по меньшей мере одной рабочей жидкости составляет воздух.

33. Способ по п.20, отличающийся тем, что массив термоэлектрических элементов используют для охлаждения, нагрева или как для охлаждения, так и для нагрева.