CN101225756A - 热管式发电元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热管式发电元件，可用于将热能转换成电能。热管式发电元件包括一热管。此热管有密闭的一内部空间，且通过此热管两端的一温度差，以产生一压力差，由一蒸发端往一冷凝端产生一气流。一气流发电元件，有至少一旋转部分位于该热管的该内部空间，通过该气流的推动，产生一电源。又，一电极结构，将该电源引出而此热管仍维持一气密状态。又，本发明将多个热管式发电元件构成一阵列热发电装置，或设置于会产生热源的装置中，以利用废热将一般的废能源以电能形式回收。

Description

热管式发电元件

技术领域

本发明涉及一种热能与电能转换技术，特别是涉及一种热管式发电元件，且可以设置于一装置使具有热能或热源回收功能，以及用以组合构成一热发电装置。

背景技术

能源是日常生活中不可缺少的一部分。能源可以用多种形式存在，其中常见的就是热能、电能与光能形式。以能源角度来说，一些热能或是电能实际产生一些效益。然而，有一些能源因效率转换原因是属于废能源(waste energy)，将被排放到环境，而不会继续使用。例如，一电子装置利用电能进行一些功能操作，而它因此也发热产生废热。这些废热一般仅被散热到环境，不会被加以利用。另外，如果能量是以光能或是热能存在，但是所需要的是电能，则就需要有效率的转换装置或系统来转变。

当今广泛应用的传统能源，例如石油，已日渐缺乏。因此，寻由有效的能源应用与回收也是目前的重要课题之一。更是，有别于资源有限的石油能源，取之不绝的太阳能也是可以考虑利用。而太阳能也可以将其转换成热能、电能等形式。

因此，如何利用回收一些废热转变成有效能源，一直是各方急需解决的课题之一。如何设计出有效率的将热源以转换成电源进行各类型能源应用，也是一般能源研究者一直在思考的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热管式发电元件，可以有效利用热源，例如是废热，以将其转换成电源，如此可以作为回收废热，或是直接将热能(源)转换成可以实际利用的电能。

本发明又提供一种热发电装置，利用多个上述热管式发电元件，以构成可以利用热能进行发电的装置。

本发明又提供一种具有热能(源)回收功能的装置，在此装置中，配置有由多个上述热管式发电元件所组成的单元，将废热转换成电能，而回收此电能。

本发明提出一种热管式发电元件，可用于将热能转换成电能。热管式发电元件包括一热管。此热管有密闭的一内部空间，且通过此热管两端的一压力差，由一蒸发端往一冷凝端产生一气流。一气流发电元件，具有至少一转动部位于该热管的该内部空间，通过该气流的推动，产生一电源。又，一电极结构，耦接于该气流发电元件，将该电源引出。

依照本发明的较佳实施例所述的热管式发电元件，上述的气流发电元件是一微涡轮蒸气发电元件。

依照本发明的较佳实施例所述的热管式发电元件，上述的电极结构是一金属烧结结构，包括至少一对电极穿过该热管的一管壁与该气流微发电元件连接；或是一端点结构连接到在外壁的外侧的该线圈。

依照本发明的较佳实施例所述的热管式发电元件，上述的气流发电元件包括可旋转的一线圈，以及可产生一磁场的一磁铁元件，其中通过该线圈与该磁场的作用，产生该电源。

依照本发明的较佳实施例所述的热管式发电元件，上述的管壁包括：

一外壁，在该蒸发端与外界的一热源直接接触；以及

一内壁，该内壁使在该冷凝端冷却后的一液体，流回到该蒸发端，而被再度汽化以产生该气流。

依照本发明的较佳实施例所述的热管式发电元件，上述的管壁的该外壁是一连续的密闭壳体。

依照本发明的较佳实施例所述的热管式发电元件，上述的管壁的该外壁包括一第一端壁、一第二端壁，以及一连接壁，其中该连接壁承载该气流发电元件，以及连接该第一端壁与第二端壁，其中该电极结构穿过该连接壁与该气流发电元件连接。

依照本发明的较佳实施例所述的热管式发电元件，上述的热管的蒸发端与外界的一热源接触，而冷凝端与外界的一散热区接触。

依照本发明的较佳实施例所述的热管式发电元件，上述的热管的该蒸发端更设置有一光与热转换结构，以将一光能转换成一热能，做为该热源。

本发明提出一种热发电装置，包括一容置单元，有一热源接收面，在热源接收面上分布有多个容置空间。多个如前述的热管式发电元件，分别设置于所述容置空间。又，一电能集合结构，将每一所述热管式发电元件所产生的该电源，集合后输出。

本发明提出一种具有热能(源)回收功能的装置，包括一主体单元，以执行所预定的一功能，其中该主体单元会产生一废热源。又，至少一个如前述之热管式发电元件，利用该废热源做为该热源，以转换成一回收电源。

本发明利用一具有散热功能的热管，且设置可以利用气流发电的装置在热管中，利用热管内的气流，例如蒸气，可以推动装置进行发电。通过烧结技术制作电极，以将所产生的电能引出与利用。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1为传统热管的结构剖面示意图；

图2为传统发电机制示意图；

图3为本发明一实施例热管式发电元件的结构剖面立体示意图；

图4为本发明一实施例对应图3的热管式发电元件的结构剖面示意图；

图5为本发明一实施例热管式发电元件的结构剖面示意图；

图6为本发明的热管式发电元件对应于传统循环发电机制的示意图；

图7为本发明的热管式发电元件对应于传统热力工作(thermal workdiagram)的示意图；

图8为本发明另一实施例热发电单元的剖面示意图；

图9A为本发明另一实施例热发电装置的结构剖面示意图；

图9B为本发明另一实施例热发电装置的结构上视示意图；

图10～图11为本发明另一些实施例结构示意图；

图12为本发明另一产生电源的机制示意图；

图13～图14为本发明另一些实施例剖面结构示意图；

图15为对应图14在另一方向的剖面结构示意图。

主要元件符号说明

100：壁壳               600：热源蒸发器单元

102：毛细现象的物质     602：涡轮发电单元

104：蒸发端             604：气体凝结单元

106：绝热端中间区域     606：帮浦单元

108：冷凝端             700：饱和蒸汽曲线

110：箭头               702：实际的朗肯循环

120：线圈               704：理想的朗肯循环

122：磁铁               706：路径

124：磁铁               708：路径

126：电极               710：路径

200：外壁               800：热发电单元

202：内壁               801：热管

204：磁铁               802：蒸发端

206：涡轮发电单元       804：聚焦反射部

208：气流微发电元件     806：穿透聚焦盖部

210：烧结式电极结构     808：太阳能吸收结构

210a：电极              900：容置单元

210b：电极              920、922：袖套结构

220：连接壁             1000、1036：线圈

1002、1004、1008：磁铁  1038：电极

1006、1010：磁场        1040：结构单元

1030：转子

1032、1034：磁铁

具体实施方式

在考虑热装置的一些传统设计中，热管(heat pipe)是常见的设计。本发明在研究传统的热管机制后，提出进一步设计，以达到发电的能力。以下举一些实施例作为说明，但是本发明不仅仅限制于所举的实施例。

首先说明热管的散热机制。图1绘示传统热管的结构剖面示意图。一壁壳100会围成一管状的密闭(sealed)空间。在此密闭空间内在一低压下会预先充入一热媒介物质。依照物质气相与液相之间潜热变化的特性，低饱和蒸气压会降低液体汽化的温度，同时也容易凝结成液体。又，气体凝结时会释放出能热能以散热，以及液体汽化时会吸收热能。如此，热管大致上可分成三个区域：蒸发端104、中间区域106、以及冷凝端108。充入的物质会在管内部毛细空间凝结成液体，通过壁壳100上的物质102，例如具有毛细现象的物质102的毛细作用，液体会被导引到蒸发端104。例如，蒸发端104受热后会处在一相对于冷凝端108为高温的高压环境，在蒸发端104液体在受热过程中处于一潜变临界范围区间，临界温度以上就会被蒸发成气体。由于气相的体积远比液相的体积大，只要有微量的液体被蒸发成气体，就会造成强大的蒸气气流往冷凝端108流动，冷凝端108处释放能量，液体再回流至蒸发端104，构成如箭头110所示的循环路径。

热管的一般应用，例如是用于会产生废热的装置以达到散热的效果。热管的基本原理与结构，是一般熟悉技术者所知，在此不再详述。

本发明在考虑产生电能的方式上，一般的发电机置，如图2所示，也是可以了解的技术。在图2中，一旋转的线圈120，在一磁场下，例如是由一对磁铁122、124所产生的磁场，可以产生电流，且通过电极126引导出来。这是一般基础的发电原理，也是发电厂所采用的机制。

本发明在思考热能与电能的产生机制后，新颖地提出一种热管式发电元件，可以简易地利用热能，例如任何装置所产生的废热或是由太阳能转换成的热能等等，以转换成电能。特别是对废热而言，可以有效回收能源。甚至，一般废弃物在焚销时所产生的热，也可以被转换成可使用的电能。

图3绘示依据本发明一实施例，热管式发电元件的结构剖面立体示意图。在图3中，热管式发电元件包括有一外壁200，构成管状的一密闭空间。在外壁200的内表面形成有一内壁202。内壁202是使用具有例如毛细作用或是可以液体渗透的的材质。外壁200与内壁202构成一热管。在热管内部填充具有低饱和蒸气压的一流体物质例如水，或其它液体物质。如此可以构成一般热管的机制，如图1所描述。

根据本发明在整体的考虑下，更设置一气流微发电元件208在热管的中间区域106(参见图1)。当热管的大小是微小件时，此气流发电元件208可以例如是一微元件。本发明不需限制在微元件。然而在实施例中以微元件做为实例来说明。此气流微发电元件208包括一磁铁单元204，可以产生发电用的永久磁场。例如，磁铁单元204固定于内壁202上，且例如位于中间区域。另外，气流微发电元件(micro steam-flow electric-power device)208还包括一涡轮发电单元206，通过蒸气流的推动而旋转线圈(未示于图3)，以使线圈与永久磁场依物理定律产生电能。其中，气流微发电元件208例如可以是一微涡轮蒸气发电元件(micro turbine steam power generator)，其利用热管所产生的蒸气气流以推动涡轮发电单元206的涡轮，以使旋转。而设置在涡轮发电单元206的线圈随着旋转，而产生电流。另外，涡轮发电单元206可以用振动式发电单元取代，其中蒸气可以造成振动件的振动以产生电源。但是，上述方式不是唯一的设置方式。只要是根据电磁发电的理论所能设置的变化都允许，如振动式发电器。例如，也可以将线圈固定地设置在内壁202上，而利用前述涡轮机制，使永久磁场旋转，如此也可以达到发电的目的。

又，一烧结式电极结构210，有二电极210a、210b将电流引出回收。例如在图3的实施例中，二电极210a、210b是构成一对例子。然而，依照实际设计需要，可以设置多对的电极。烧结式电极结构210例如可利用一般的陶瓷(或玻璃)与金属之间的金属烧结技术来达成，而热管内的空间可以维持密封。如此，本发明的热管式发电元件可达成。至于，制造的细节可以依此结构的原则，通过一般的技术达成。

由于前述的磁铁与线圈都是金属，如果流体物质是水的话，可能会造成金属生锈与氧化。但是，经适当的防锈处理，此问题就可有效降低，而延长使用寿命。

换句话说，在本发明提出的新颖性的设计前提下，在制造上，可利用一般制造技术，依实际设计需要来达成。

图4绘示依据本发明一实施例，对应图3的热管式发电元件的结构剖面示意图。在图4中，涡轮发电单元206，通过气流的推动而旋转以发电。又，气流微发电元件208的位置，不必限定在中间点的位置。一般而言，能利用到气流的任何位置都可以。又，热管也不必是直线管的设计。另外，基于重力的因素以使凝结的液体容易回流，在操作上，热管可以用垂直地表的方式安置，而蒸发端104较佳摆设可以设置在下端，增加效率。然而，这也不是唯一的选择。

接着，根据与图4相同的设计原则，热管的管壁也可以适当的变化，以利于制造。图5绘示依据本发明另一实施例，热管式发电元件的结构剖面示意图。在图5中，热管的外壁200可以包括第一端壁、第二端壁，以及一连接壁220，例如是玻璃或陶瓷物质。其中连接壁220可以承载气流微发电元件。例如可以与气流微发电元件预先制作成，而后利用烧结技术，将连接壁220烧结在第一端壁与第二端壁之间。又，例如，该烧结式电极结构可以预先制作，穿过连接壁220与气流微发电元件的二个电极连接。当然，如果承载气流微发电元件是另外制作，则为了达成内壁的连续的毛细结构，则也可以预先制作在外围毛细结构，以达成连续的效果。这也是设计的变化。换句话说，图5的设计结构与图4设计结构都是在相同的设计机制下的变化。且，图4与图5也不是本发明的仅有变化。

从能源的产生而言，其如图6所示。图6绘示本发明的热管式发电元件对应于传统循环发电机制的示意图。在图6中，一能源的回路例如包括一蒸发器单元600、一涡轮发电单元602、一气体凝结单元604、以及一帮浦单元606。帮浦单元606将凝结的液体传送到蒸发器单元600。热源蒸发器单元600将液体汽化以产生蒸气气流。蒸气气流推动涡轮发电单元602以产生电能。

又，根据热力学的理论，从气相与液相的相图(phase diagram)来看，例如图7所示。图7绘示本发明的热管式发电元件对应于传统热力工作(thermal work diagram)的示意图。在图7中，横轴例如是熵值(entropy S)，而纵轴是温度T。由实线704围成的循环是理想的朗肯循环(Rankine cycle)，而由点1、2、3、4所围成的虚线702是实际的朗肯循环。饱和蒸汽曲线700的上面区域代表高压，在顶点左边区域代表液相，顶点右边区域代表气相。而饱和蒸汽曲线700的下面区域，代表低压是液相与气相的混合区域。在点1到点、2的路径706，是等熵压缩的特性。在点3到点4的路径710是对应涡轮发电的部分，在708的区域，即是热源蒸发器所产生的效益。最后在点4，气体开始凝结而回到点1。发电的效率会随蒸气的速度加快而增加。

本发明的气流微发电元件可适用于具有足够热能的地方。然而，热能不必限定于废热的回收。例如，太阳能也是目前能源开发者积极开发利用的自然资源。一般所能了解，太阳能可以转换成热能。因此，本发明已可以利用太阳能所产生的热能。

图8绘示依据本发明另一实施例，热发电单元的剖面示意图。在图8中，热发电单元800包括热管801可以是前述的热管。然而，在蒸发端802，又包括吸收热能的一太阳能吸收结构808。太阳能吸收结构808，例如一聚焦反射部804，可以将入射的阳光聚集在热管801的蒸发端802。在聚焦反射部804，可以设置一穿透聚焦盖部806，除了吸收太阳能转变成热能外，也可减少能量往外部漏出。如此，本发明的热发电装置也可以是太阳能发电装置。对于进一步的利用而言，由于单一的热发电单元800，所产生的电能较少。因此，如图9A与图9B所示，多个热发电单元800被组成阵列在一容置单元900。容置单元900设定有一热源接收面。在热源接收面上分布有多个容置空间以容置多个热发电单元800。另外，在容置单元900上也有电能集合结构，将每一个由热管式发电元件所产生的电源集合后输出。

又，如图9A的热发电装置也可以设置在任何会产生热能的装置，如此可以构成具有热源回收功能的装置。例如，热发电装置设置在计算机系统中，除了散热以外，也可将热能回收使用。又，例如冷气机也是产生很多废热的装置，因此，可以将本发明并入其中，回收废热。诸如类似的应用不一一列举。

依照相同的设计原则，以下举几个不同实施例做为描述。图10～图11绘示依据本发明另一些实施例结构示意图。参阅图10，在热管中间区域可以再设置一袖套(Sleeve)结构920。袖套结构920可避免蒸气在中间区域凝结到内壁202。这可以使产生的蒸汽能更有效率使用。又参阅图11，袖套结构922可以例如还有一锥形结构。锥形结构的方向是至少设置在一边，以接收蒸气。蒸气会被聚集已产生更强的驱动动量。因此，对气流微发电元件208的驱动能力会更为提升。又，电极210例如以烧结技术可以被形成于适当的位置。

在前面的一些实例中，其假设线圈是旋转的而磁铁是固定的位置。然而，电源也可以通过其它方式产生。图12绘示依据本发明另一产生电源的机制示意图。参阅图12，当线圈1000相对磁铁1002是被固定的情形时，磁铁1002与在对面的磁铁1004之间的磁场1006，可以对线圈1000产生较多的磁通量。然而，当磁铁1008是在其它位置时，在磁铁1002与磁铁1008之间的磁场1010不对线圈1000产生磁通量。换句话说，当旋转的磁铁在线圈1000附近移动，磁通量会改变，如此电源会被产生。

基于图12的机制，可以有多种不同的设计。图13～图14绘示依据本发明另一些实施例剖面结构示意图。参阅图13，至少一个磁铁可以被形成于内壁202。在如图13的实例，以两个磁铁1034为例。每一个磁铁1034都配置有线圈1036，且每一个线圈1036一对电极1038，可以在适当位置被引出。磁铁1034与线圈1036可以构成一结构单元1040，在内壁202上方。于此，如图10-11地袖套也可以被配置。另外的至少一个旋转磁铁1032被设置在转子1030上。如此，在每一个线圈1036的磁通量会改变，以产生电源。

参阅图14，在考虑图5的设计时，有磁铁1034与磁铁1036的结构单元1040可以配置在外壁200上。于此，因为玻璃材质不会将磁场遮蔽，在线圈1036的磁通量仍会被产生，因此产生电源。在此情形，电极1038可以直接连接出去，不必穿过内壁与外壁。图15绘示对应图14在另一方向的剖面结构示意图。参阅图15，例如多个旋转磁铁1032被设置在转子1030上转子1030是由蒸汽所驱动。外部的磁铁1034分布于例如是玻璃材质的外壁。玻璃外壁可以利用烧结技术连接。在内面与外面的磁铁数量可以一个或多个。又，这些线圈1036依照实际设计可以是平行连接或是串联连接。

在本发明提出新颖的热管式发电元件，简单利用热管，可以回收热能或是主动利用热能，转换成为电能。特别是，本发明也可利用太阳能以转换成为电能。本发明已提出处理热能的有效方案。

另一方面，本发明的热管式发电元件以及其应用，在整体的考量上，也已提供对能源处理的另一种选择。

虽然结合以上较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作一些的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (21)

1.一种热管式发电元件，适用于将热能或热源转换成电能，包括：

热管，该热管有密闭的内部空间，通过该热管两端的压力差，由蒸发端往冷凝端产生一气流；

气流发电元件，有至少一旋转部分位于该热管的该内部空间，通过该气流的推动，产生电源；以及

电极结构，连接到该气流发电元件以将该电源导出。

2.如权利要求1所述的热管式发电元件，其中该气流发电元件是微涡轮蒸气发电元件或是振动式蒸气发电元件。

3.如权利要求1所述的热管式发电元件，其中该电极结构是金属烧结结构，包括至少一对电极穿过该热管的管壁且连接到该气流发电元件。

4.如权利要求1所述的热管式发电元件，其中该气流发电元件包括线圈，以及可产生磁场的磁铁元件，其中通过该线圈与该磁铁元件的相对旋转来产生在该线圈上变化的磁通量，以产生该电源。

5.如权利要求1所述的热管式发电元件，其中该管壁包括：

外壁，在该蒸发端与外界的热源直接接触；以及

内壁，该内壁使在该冷凝端冷却后的一液体，流回到该蒸发端，而被再度汽化以产生该气流。

6.如权利要求5所述的热管式发电元件，其中该管壁的该外壁是连续的密闭壳体。

7.如权利要求5所述的热管式发电元件，其中该管壁的该外壁包括第一端壁、第二端壁，以及连接壁，其中该连接壁承载该气流发电元件，以及连接该第一端壁与第二端壁，其中该电极结构包含电极结构穿过该连接壁与该气流发电元件连接；或是端点结构连接到在外壁的外侧的该线圈。

8.如权利要求1所述的热管式发电元件，其中该热管的该蒸发端更设置有一光与热转换结构，以将一光能转换成一热能，做为该热源。

9.一种热发电装置，包括：

容置单元，有热源接收面，在热源接收面上分布有阵列形式的多个容置空间；以及

多个如权利要求1所述的热管式发电元件，分别设置于所述容置空间。

10.如权利要求9所述的热发电装置，更包括电能集合结构，将每一所述热管式发电元件所产生的该电源，集合后输出。

11.如权利要求9所述的热发电装置，其中每一所述热管式发电元件的该气流发电元件是微涡轮蒸气发电元件或是振动式蒸气发电元件。

12.如权利要求9所述的热发电装置，其中该气流发电元件的该电极结构是金属烧结结构，包括至少一对电极穿过该热管的管壁与该气流发电元件连接。

13.如申请专利范围第9项所述之热发电装置，其中该气流发电元件包括可旋转的线圈，以及可产生磁场的磁铁元件，其中通过该线圈与该磁铁元件的相对旋转来产生在该线圈上变化的磁通量，以产生该电源。

14.如权利要求9所述的热发电装置，其中该管壁包括：

外壁，在该蒸发端与外界的热源直接接触；以及

内壁，该内壁使在该冷凝端冷却后的液体，流回到该蒸发端，而被再度汽化以产生该气流。

15.如权利要求14所述的热发电装置，其中该管壁的该外壁是连续的密闭壳体。

16.如权利要求14所述的热发电装置，其中该管壁的该外壁包括第一端壁、第二端壁，以及连接壁，其中该连接壁承载该气流发电元件，以及连接该第一端壁与第二端壁，其中该电极结构包括电极结构穿过该连接壁与该气流发电元件连接；或是端点结构连接到在外壁的外侧的该线圈。

17.如权利要求9所述的热管式发电元件，其中该热管的该蒸发端更设置有光与热转换结构，以将光能转换成热能，做为该热源。

18.一种具有热能(源)回收功能的装置，包括：

主体单元，以执行所预定的功能，其中该主体单元会产生废热源；以及

至少一个如权利要求1所述的热管式发电元件，利用该废热源做为该热源，以转换成回收电源。

19.如权利要求18所述的具有热能(源)回收功能的装置，其中该热管式发电元件的该气流发电元件是涡轮蒸气发电元件。

20.如权利要求18所述的具有热能(源)回收功能的装置，其中该气流发电元件的该电极结构是金属烧结结构，包括至少一对电极穿过该热管的管壁与该气流发电元件连接。

21.如权利要求18所述的具有热能(源)回收功能的装置，其中该气流发电元件的该管壁包括：

外壁，在该蒸发端与该废热源直接或间接耦接；以及

内壁，该内壁使在该冷凝端冷却后的液体，流回到该蒸发端，而被再度汽化以产生该气流。

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