典型地，现场仪器广泛地分布在整个过程工厂中且通过过程控制回 路连接至控制系统。现场仪器典型地需要用于操作的电力供给。通过控 制回路本身或单独的电力配线给所述仪器提供电力。每个现场仪器所需 要的功率量通常相当小，且典型地在大约50毫瓦或更小的量级上。
当配线用于控制回路时，所述配线典型地被包封在电配线导管中， 所述电配线导管需要机械托架(mechanical mounting)，用于在很长距离 上支撑在过程设备的框架上。通常，在很长距离上的现场仪器的配线成 本超过了现场仪器本身的成本。
当无线通信回路(loop)用于与现场仪器通信时，无线通信回路不给 现场仪器提供电力供给，且需要单独的电力供给配线。
虽然对于典型的现场仪器所需要的功率非常低，但现场仪器通常处 于过程工厂中的非常热、危险或不可接近的位置。在这样的位置，使用 化学电池作为现场仪器中的低功率的电源可能是不切实际的。在这样的 位置的环境通常很脏或遮蔽阳光，使得使用太阳能电池用于电力供给是 不切实际的。工厂环境中的太阳能电池和电池需要太多的维护，而不能 用于许多现场仪器应用中的电力供给。
工厂中的过程设备典型地包括锅炉、蒸汽管道系统、加热罐和被加 热或冷却至不同于过程工厂中的周围空气温度的温度的其它的设备。出 现了很大的温度差，且废弃的热量在周围空气和过程设备之间流动。由 于废弃热量流而丢失的能量的量常常远超过现场仪器所需的电力的量。

公开了一种热电发电机组件。所述热电发电机组件包括热电发电 机。所述热电发电机具有热接点凸缘、冷接点凸缘和热电电力输出端。 从用于为工业过程监控系统中的现场装置提供动力的热量差，热电发电 机组件产生电力。
附图说明
图1显示输送加热的过程流体经过热电发电机组件的过程管道。
图2显示热电发电机组件的剖视主视图。
图3显示图2中的热电发电机组件的剖视侧视图。
图4显示用于热电发电机组件的夹具。
图5显示热电发电机组件的热特征。
图6显示作为热和冷接点温度之间的差的函数的可利用的热电功率 图。
图7显示热电发电机组件的平面视图。
图8A-8D显示吸热器的示例性实施例。

在下面描述的实施例中，热电发电机组件利用从加热(或冷却)的 过程流体流到工业过程环境中的周围温度的废弃热量。所述热电发电机 组件包括具有与冷接点凸缘分隔开的热接点凸缘的热电发电机装置。
通过把热接点凸缘安装至被连接至过程热源的过程热量拾取器，所 述热接点凸缘被保持处于接近过程流体温度的温度。热量拾取器具有与 过程热源的形状配合的形状，且可采用多种形式，例如具有与对应的过 程容纳装置的凸弧状表面配合的凹弧状表面的管道适配器、燃烧热量拾 取器、蒸汽管线吸热器或其它的热交换装置。所述热量拾取器优选地由 铝或铜形成，且在热接点凸缘和过程热源之间提供低热阻。各种类型的 夹具可被用于保持过程热量拾取器与过程热源的紧密热接触。这些夹具 也可用于把热电发电机组件机械地安装至过程热源。
所述冷接点凸缘被保持在接近周围环境温度的温度。吸热器可采用 如下面在图1-8D的部分中描述的各种形式。吸热器在工业过程环境中的 周围环境温度与冷接点凸缘之间提供低热阻。
通过使用过程热量拾取器或吸热器的结合，在热接点凸缘和冷接点 凸缘之间保持大的温度差。由大的温度差提高热电发电机的功率输出， 以给使用的电路提供充足的功率。
在一个实施例中，连接至热电电力输出端的电路包括调整器电路和 把能量储存在电容中的能量储存电路。能量储存电路检测何时功率输出 超过使用需求，并把多余的电力耦合至电容。能量储存电路检测何时功 率输出不能满足使用需求并从电容提供补充功率至调整器电路。在另一 个实施例中，由来自无线电线路(wireless link)的命令可把使用电路设 置在低功率关闭模式或冷启动模式。
所述技术广泛地应用至工业过程环境，例如石油和天然业、汽油精 炼厂、化学加工、食品和饮料加工、HVAC、金属和冶金加工、采矿、纺 织品业、重型机械业和其它的工业过程环境。
图1显示工业过程工厂100的一部分。过程管道102穿过工业过程 工厂100，传送过程流体104。过程流体104可以是蒸汽、热的气体/液体 混合物、天然气、油或化学品。在过程循环的至少一部分期间把过程流 体104加热至显著地在过程工厂100中的周围空气温度之上的温度。过 程流体104和周围温度之间的温度差在过程工厂的过程循环的至少一部 分期间典型地在50-100摄氏度的范围内。在过程工厂循环的其它部分期 间，特别是在工厂的关闭和启动期间，过程流体处于较低的温度，该温 度差可能小于50摄氏度。
第一现场装置106包括检测过程流体104的流量的流量变送器。第 一现场装置106通过回路108连接至电子组件110。第二现场装置112包 括检测过程流体104的压力的压力变送器。第二现场装置112通过第二 回路114连接至电子组件110。第三现场装置116包括检测过程流体104 的温度的温度变送器。第三现场装置116通过回路118连接至电子组件 110。现场装置106、112和116是示例性的现场装置，其它类型的已知 的现场装置可与电子组件110一起使用。回路108、114、118可包括两 线式控制电流4-20mA的线回路、无线电回路、二线式控制电流多点有线 回路(multidrop wired loop)、现场总线和其它已知类型的过程装置回 路。在一个实施例中，回路108、114、118是有线回路，局部的储存和 传送设备110给有线回路108、114、118提供电力。
第一天线122(也被称为发射机应答器122)沿着管线124连接至电 子组件110中的收发器126。第二天线130沿着管线132连接至中央控制 计算机134。第二天线130和中央控制计算机134远离第一天线122。在 第二天线130和第一天线122之间建立无线通信线路136。无线通信线路 136在中央控制计算机134和现场装置106、112、116之间传送过程数据 和指令通信。在一个实施例中，如图所示第一和第二天线122、130是定 向天线。无线通信线路136可在任何适合的波段操作，所述波段包括 HF、VHF、UHF、微波段、红外频带和光频带。依赖于对于特定应用所 选择的载波波长，发射机应答器(天线)122、130可包括无线电天线、 波导或光电子部件。
电子组件110储存过程数据，和使用无线通信线路136用于在中央 控制计算机134和现场装置106、112、116之间传送过程数据。通过使 用电子组件110，不需要通信配线在现场装置106、112、116和中央控制 计算机134之间延伸长距离。
热电源140提供电力输出142至电子组件110。热电源140具有热接 点，所述热接点具有热连接至管道102的凹弧形管道适配器。所述热电 源140具有冷接点，所述冷接点具有包括诸如销状物或鳍状物的间隔开 的突出物的吸热器。通过图2-3中示出的实例的方式在下文中更加详细地 描述热电源140。调整器电路144接收电力输出142和提供调整的电力输 出146。
在这个实施例中，使用电路包括通过数据总线156连接在一起的收 发器126和现场仪器接口148。使用电路126、148接收调整的输出146 且由调整的输出146对使用电路126、148供电。为了给现场装置106、 112、116提供供电电流、给现场仪器接口148供电和给收发器126供 电，使用电路126、148对电力有使用要求。在一些实施例中，天线122 包括有源发射机应答器部件，且被包含在由调整的输出146供电的使用 电路中。在一个实施例中，现场仪器接口148包括控制功能和提供过程 控制输出160至现场控制装置。在另一个实施例中，现场控制装置包括 电流至压力转换器162，所述电流至压力转换器162提供控制压力至控制 工业过程流体的流量的控制阀164。过程控制输出可使用诸如二线式4- 20mA过程控制电流回路的传统工业通信协议、Hart或其它的已知的工业 通信协议。现场仪器接口148的控制功能可是从现场仪器106、112、116 接收的工业过程数据的功能或可是从中央控制计算机134无线地接收的 工业过程数据的功能或是上述的两个功能。
能量储存电路150接收电力输出142且在能量储存电路检测到电力 输出142超过使用需要时把电力从电力输出142耦合至电容152。当能量 储存电路150检测到电力输出142不能满足使用需要时，能量储存电路 150从电容152提供补充电力154至调整器144。仅当电容152降低至充 满的充电水平之下时，能量储存电路150才选择地耦合电力至电容152。 能量储存电路150连接至数据总线156以检测显示是否正满足使用需要 的数据。数据总线156连接至调整器电路144、收发器126和现场仪器接 口148，用于获得关于使用需要和来自热电源140的电力输出的数据。在 一个实施例中，数据总线156也传送来自无线线路136和收发器126的 模式变化命令。
现场仪器接口148连接至一个或多个现场仪器106、112、140、162 以给现场仪器106、112、140、162供电和传送数据和命令。提供至现场 仪器106、112、140、162的电力是热电电力。
在一个实施例中，由来自无线线路136的关闭命令可把使用电路 126、148置于关闭模式。关闭命令允许能量储存电路150起到给电容提 供电力的作用，使得在关闭模式之后的冷启动模式期间储存的能量可用 于使用电路126、128。在这个实施例中，在关闭模式期间和冷启动模式 期间使用电路126在低功率模式运行。在一个实施例中，电容152包括 一个或多个超级电容器以提供大的能量储存而不使用电池。
典型地使用微处理器电路实施电子组件110，所述电子组件110可使 用热电电力储存和发送数据。数据储存可在本地在电子组件110中进行 或可即时地发送至中央控制室。可成组地或通过单独的传输进行数据传 输。
图2显示剖视主视图，图3显示被按装至管道202的热电发电机组 件200的剖视侧视图。管道202充满了沿由箭头206指示的方向流动的 热过程流体204。所述管202可选择地被包在热管道绝缘体208的层中以 降低废热损失。
热电发电机组件200包括具有热接点凸缘212和冷接点凸缘214的 热电发电机210和热电电力输出端216(图2)。
热电发电机组件200包括吸热器220。吸热器220具有被热连接至冷 接点凸缘214的多个突出物222。在突出物222之间设置空气流动空间 224。在各种各样的实施例中，突出物222是如图所示的大体圆柱形的销 状物、鳍状物或提供用于把热量耦合至空气流动空间中的空气的大表面 积的其它形状。其它类型的吸热器也可被使用，例如下面结合图7-8D描 述的吸热器。
热电发电机组件200包括管道适配器226。管道适配器226具有被热 连接至热接点凸缘212的凹的、大致圆柱形、弧形表面228。凹弧表面 228具有与管道202的对应的凸弧表面230配合的形状和尺寸。
在一个实施例中，凹弧表面228在不超过180度的弧上延伸。在这 个实施例中，在没有滑过管道202的开口端的情况下，凹弧表面228可 与凸弧表面230配合。
由螺栓234、236机械地把夹具232连接至管道适配器226。螺栓 234、236被拧紧，夹具232将凹弧表面228驱向管道202的凸外表面 230。
在一个实施例中，可除去夹具232，使得热电发电机组件200在安装 过程中不必滑过管道202的开口端。
在一个实施例中，凹弧表面228的直径可大于管道202的直径。在 这个实施例中，通过紧固夹具232来压缩凹弧表面228以与管道202配 合。
在另一个实施例中，凹弧表面228的直径小于管道202的直径。在 本实施例中，通过紧固夹具232扩大凹弧表面以与管道202配合。
因此，可制造这样的管道适配器226，所述管道适配器226不但适合 特定的标称管道尺寸(例如标称的4″的管)，而且可通过由紧固夹具 232压缩或扩大凹弧表面228的直径而适合于具有稍微不同的直径的管 (不同的壁厚或管壁厚度号码)。
在一个实施例中，管道适配器226包括具有相对于主要热流方向成 横向的大横截面的大而重的固体金属主体，从而提供低的热阻。对于管 道适配器226，铝和铜是优选的金属。
在一个实施例中，绝热材料240的层设置在热接点凸缘212和冷接 点凸缘214的外周边缘之间。所述绝热材料240从热电发电机210向外 延伸。在一个实施例中，绝热材料240包括耐火陶瓷材料。
管道适配器226完全安装在管道202的外部。在没有在管道202中 切孔的情况下完成所述安装。避免使用温度计套管。
在一个实施例中，可变形的导热涂料(未显示)设置在凹面228和 凸面230之间。在紧固所述夹具232的过程中导热涂料被挤出，并剩下 涂料的薄层，该涂料的薄层填充凹弧表面228和管道202之间的间隙。 该薄层降低了表面228和230之间的热阻。在一个实施例中，导热涂料 包括传统的吸热油脂(heat sink grease)。
除了管道适配器或过程容纳装置适配器之外，其它类型的过程热源 适配器也可被使用，例如下面结合图7描述的燃烧室适配器。其它热源 适配器可被制造以适合热源的特定形状，且不破坏加压的过程流体容纳 装置。
在一个实施例中，温度传感器250被安装至管道适配器226用于检 测过程流体的温度。导线252从温度传感器250连接至温度变送器(例 如图1中的温度变送器116)。通过把温度传感器250设置在管道适配器 226上避免对于温度传感器250使用温度计管套。不使用温度计管套获得 了重要的过程温度信息。优选地温度传感器250是电阻温度探测器 (RTD)。绝热体(例如绝热体208和240)降低了自管道适配器226的 热损失和最小化了过程204和温度传感器250之间的任何温度差。
温度传感器250可提供关于过程流体的重要诊断信息。如果在正输 送气态流体的管道中有泄漏，那么管道中的压力立即降低，这依次降低 由温度传感器250检测的温度。如果检测到的温度降到它的噪声值以 下，警报可被传送以检查泄露。在另一种情形中，如果由于堵塞的管线 或其它的下游阻碍了流动的原因管线压力升高，流动的液体或气体的温 度增加，并且另一种类型的警报可被传送。
因此，通过测量管线的温度，可即时地探测到关于泄露和堵塞管线 的信息。这对于管线延伸数英里接数英里的过程工业是非常有用的信 息。这对于工厂中的管道系统也同样是这样。
如图4所示，夹具400可包括当通过拧紧螺栓404、406紧固夹具 400时被给与能量的弹簧402。夹具400是示例性的，可使用有或没有弹 簧的各种类型的夹具。当包括弹簧时，弹簧可是压缩弹簧或拉伸弹簧。 弹簧可被形成为任何已知的形状，包括螺旋弹簧、片簧和扭簧。为了在 管道由于热膨胀而改变尺寸时提供相对恒定的夹紧力，优选使用弹簧。 具有围绕管道和管道适配器的金属带的软管夹也可用于夹紧。
图5是根据简化的热模型着重热方面的热电发电机组件500的说明 图。在热上显示的热电发电机组件500可与在机械上显示的热电发电机 组件200相对照。热电发电机组件500包括具有热接点凸缘504和冷接 点凸缘506的热电发电机502和热电电力输出连接器508。热电发电机组 件500具有与冷接点凸缘506热连接的带有突出物512的吸热器510。在 突出物512之间有空气流动空间514。(由实心箭头指示的)空气流516 穿过空气流动空间514。管道适配器520具有被热连接至热接点凸缘504 的圆柱形凹弧表面522。凹弧表面522具有与管道526的对应的凸弧表面 524配合的形状和尺寸。
热电发电机502在热接点凸缘504(处于温度Th)和冷接点凸缘 506(处于温度Tc)之间具有热阻530。对于在管线526中的流动的流体 534，管道适配器520和管线526具有热阻532。吸热器510在冷接点凸 缘506和流动的周围空气516之间具有热阻534。(由空心箭头540、 542、544、546，548所指示的)主热流从流动的流体534通过热阻 532、530、534流至流动的空气516。由于所述主热流，在热接点凸缘 504和冷接点凸缘506之间建立温度差(Th-Tc)。热电电力输出508取 决于这种温度差来发电。保持热接点凸缘温度Th尽可能地接近流体的温 度Tf是一个目的，保持冷接点凸缘温度Tc尽可能地接近周围空气温度 Ta也是一个目的。
吸热器510具有这样的优点，即突出物512给空气流516提供了大 的表面积，以带走热量到周围环境。由于突出物512的大的表面积，降 低了热阻534，并且冷接点凸缘温度Tc被保持接近周围环境温度Ta。在 一个实施例中，可增加绝热材料(例如图2-3中的绝热材料240)以减小 吸热器对管道的热暴露。
管道适配器520具有如下优点：在凹弧表面522和管线的凸弧表面 524之间有大配合表面积的接触。由于凹弧表面522的大的表面积，降低 了热阻532，且热接点凸缘的温度Th被保持接近流动的过程流体的温度 Tf。
因为热接点凸缘和冷接点凸缘被流动的流体冷却，因此具有通过热 阻530的优化的热流544。相对于被间隔和绝热体阻塞的泄露热流，优化 了该优化的热流。大的可得到的电力输出508是可利用的。
在一个实施例中，热电发电机组件500包括诸如图1中所示的电路 的电路。因为仅当需要时，能量储存电路在电容中储存电力，所以实际 上，可用于满足电力使用需要的电力输出的仅仅一部分从该电力输出中 取得。减小了电流和减小了所使用的电力输出量，并且相应地减小了热 和冷接点流，从而限制了对冷接点凸缘506的不期望的加热。由于半导 体热电堆具有高效率，因此半导体热电堆优选作为热电源。
热电发电机(TEG)技术提供把热流直接转换成电力。TEG技术是 可更新的、具有很长的运行寿命(15年或更长)，且是环境友好的。 TEG的效率依赖于作为电导率、塞贝克系数和热导率的函数的热电品质 因数。
如图6所示，热电发电机技术能够把过程工厂中可利用的热量转换 成电力，所述电力然后被充足地供给用于数据储存和传输的功率需要是 在50至150mW范围内的(诸如图1中的电子组件的)电子组件中的微 处理器电路。
图7显示热电发电机组件700的平面视图。热电发电机组件700包 括具有热接点凸缘712、冷接点凸缘714和热电电力输出端716的热电发 电机710。
热电发电机组件700包括吸热器720。吸热器720包括工厂空气进口 722和工厂空气出口724。工厂空气进口722连接至接收来自工厂空气源 728的压缩空气的工厂空气管线726。
工厂空气源728典型地包括空气压缩机、压缩空气储存罐、压力调 整器、空气过滤器、空气干燥器和把压缩空气冷却降低至接近工业过程 环境的周围环境温度的热交换器。工厂空气源728可以是传统设计的工 厂空气源和也可提供加压的工厂空气至诸如空气致动阀、起泡器、空气 发动机和其它的过程装置的工厂空气使用装置730。
在压缩空气已经穿过吸热器720中的内部通道732之后，工厂空气 出口724传送加压空气离开吸热器720。吸热器720可包括金属(例如铝 或铜)块，且内部通道732可以是直的或沿弯曲的路径穿过吸热器720。 热量从冷接点凸缘714流至内部通道732中的移动空气。因此，热量被 排出到工业过程环境，且由工厂空气冷却冷接点凸缘714。穿过吸热器 720的工厂空气，在被排出至周围空气之前可被传送至另一工厂空气使用 装置或可被直接从工厂空气出口724排出。
热电发电机组件700包括燃烧室适配器740。在燃烧室744上的门 742设置有通孔746。燃烧室适配器740穿过通孔746。在一个实施例 中，燃烧室适配器740安装至门742。燃烧室适配器740具有连接至热接 点凸缘712的传热板748。轴750从传热板748穿过通孔746延伸至燃烧 室744中的热量拾取器752。热量拾取器通过形成其形状而从燃烧室744 中的火焰加热区域754获取适量的热量，而不干扰燃烧室744中的气 流。热量拾取器752的形状可包括如图所示的平板、格栅或与燃烧室744 中的热气流模式兼容的其它形状。
在一个实施例中，燃烧室适配器740被安装至门742，使得可旋转打 开门742，用于检查燃烧室744的内部。
在一个实施例中，一个或多个可移动的关闭器(shutter)756被设置 在燃烧室744中以改变遮蔽热量拾取器752而遮挡火焰加热区域754的 程度，提供恒温控制。关闭器756包括螺旋形双金属元件，当在燃烧室 744中有高的热量输出时，所述双金属元件旋转关闭器的位置，以改变对 热量拾取器752的遮蔽，从而防止过加热热电发电机组件700。
图8A-8D显示吸热器720的示例性实施例。
图8A显示吸热器800的一个实施例，其中，工厂空气以很少的限制 或压降的方式从工厂空气进口802穿过通道804流至工厂空气出口806。 把工厂空气出口806用管道连接至(诸如电流至压力转换器(I/P)或阀 的)使用装置808，所述使用装置808保持充足的空气流量用于冷却吸热 器800。在工厂空气到达使用装置808之前，在工厂空气出口806和使用 装置808之间的管810的长度考虑到工厂空气冷却。在一个实施例中， 通道804是弯曲的通道以增加与工厂空气热交换的表面积。
图8B显示了吸热器820的一个实施例，其中，工厂空气从工厂空气 进口822穿过通道824流至工厂空气出口826。把工厂空气从工厂空气出 口826排放至大气。限制通道824，以限制由吸热器820对工厂空气的消 耗。在一个实施例中，所述限制包括用于通道824的长的、窄的弯曲的 形状。在另一个实施例中，所述限制包括通道中的孔板825。在一个实施 例中，靠近工厂空气进口822设置孔板，从而由于穿过孔板的工厂空气 的膨胀，给吸热器提供额外的冷却。孔板可包括对于工厂空气的所需消 耗有适合的尺寸的任何类型的一个孔或多个孔。
图8C显示吸热器840的一个实施例，其中，工厂空气从工厂空气进 口842穿过阀844和通道846流至工厂空气出口848。从工厂空气出口 848排出工厂空气。阀844可手动调节以设定对工厂空气的所需消耗。在 一个实施例中，靠近工厂空气进口842设置阀848，从而由于吸热器中的 工厂空气的膨胀，给吸热器840提供额外的冷却。
图8D显示吸热器860的一个实施例，其中，工厂空气穿过工厂空气 进口862、恒温控制阀864、通道866和工厂空气出口868。从工厂空气 出口868排出工厂空气。恒温控制阀864包括被热连接至热电发电机组 件上的被选择的位置用于温度检测的充气式温度检测包870。在一个实施 例中，被选择的位置是冷接点凸缘714。在另一个实施例中，被选择的位 置是热接点凸缘712。在另一实施例中，被选择的位置是在吸热器860 上、靠近工厂空气出口868。也可使用其它的被选择的位置。充气式温度 检测包870通过毛细管872压力连接至隔膜874，隔膜874作为温度的函 数偏转，以致动调节工厂空气的流量的针阀876。
也可考虑组合上面描述的实施例的选择的特征。可进行改变以适合 特定应用的需要。在一个实施例，热侧燃烧室适配器与冷侧有鳍状物的 吸热器一起使用。在另一个实施例中，弧形的热侧适配器与冷侧的工厂 空气吸热器一起使用。在另一个实施例中，在热电发电机的热侧和冷侧 都使用吸热器，冷侧吸热器由工厂空气冷却且热侧吸热器由来自蒸汽管 线的蒸汽加热或由来自加热的过程管线的加热的液体加热。
虽然上面描述的实施例显示在加热的管道上的使用，但可以理解， 实施例也可被用于冷却到周围环境温度之下的管道上，使得颠倒温度 差。管道和热接点凸缘可比冷接点凸缘和周围环境更冷，所述热电发电 机将会正常地运行。在冷管道上的这种安装中，颠倒了热电电力的连接 的极性。
虽然参考优选的实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会意识 到在不背离本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节上进行改 变。