CN108784228A - 基于热虹吸原理的保温杯发电系统及方法 - Google Patents

基于热虹吸原理的保温杯发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于热虹吸原理的保温杯发电系统及方法，属于传热领域。该系统提出将温差发电元件（6）应用在保温杯上，其热端与内胆（3）底部紧密接触，吸收杯中热水的热量，冷端与散热器（7）紧密连接，散热器（7），流体腔（8）与外壳（4）组成一个基于热虹吸原理的传热装置，利用此装置把冷端热量传递到保温杯外壳（4）上通过对流换热散发到周围环境中。温差发电元件（6）产生的电能被储存在超级电容器（12）中用以驱动显示组件（9），将测温元件（10）和重力传感器（11）测得的水温和水量显示出来。本发明温度和水量的显示解决了传统保温杯功能单一的缺点，热虹吸原理的利用加强了温差发电元件冷端散热量，提高了发电效率。

Description

基于热虹吸原理的保温杯发电系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于热虹吸原理的保温杯发电系统及方法，特别是温差发电技术冷端热虹吸原理散热的方法，属于传热领域。
背景技术
现在传统的保温杯只有储水与保温的功能，对于一下特别的人群，如病人在吃药时，有时需要知道杯中热水的温度和水量，这就是传统保温杯无法实现的功能。再者，长时间放置的保温杯内热水的热量会散发到环境中，这部分热量传统保温杯无法得到利用，是一种资源浪费。
温差发电是一种新型的发电方式，结构紧凑，没有震动或噪声，安全无污染。但是也存在不可忽视的缺陷，在发电过程中温差能利用的最大困难是温差太小，能量密度太低。所以温差能转换电能的关键是强化传热技术。温差发电虽然有人已经提出了用在保温杯上了，但是没有很好的设计冷端散热，还没有人提出过将热虹吸管应用到保温杯的温差发电冷端散热上去。
综上所述，本发明提出一种基于热虹吸原理的保温杯发电系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于为了克服上述现有技术的不足，提供一种基于热虹吸原理的保温杯发电系统及方法。
一种基于热虹吸原理的保温杯发电系统，其特征在于：包括杯体和杯座；其中杯体包括内胆和外壳；其中内胆侧壁外表面紧贴有绝热层；绝热层与外壳之间为流体腔的环形通道部分；内胆底部和外壳底部之间为流体腔的液体聚集区。
流体腔液体聚集区内安装温差发电元件和散热器，其热端与内胆底部紧密接触从其热水中吸收热量，冷端与散热器的一面紧密接触，把热量传递给散热器。
上述流体腔中工质是水、或有机工质。流体腔内抽真空然后注入工质，工质的充液量为占整个流体腔内部容积的22～45％，或者工质的灌装液位超过温差发电元件冷端5～60mm；流体腔环形区域(蒸汽流动区)的流通截面积不宜过小，流通截面积的大小应该以蒸汽流速不能达到当地声速为宜，这样可以避免使系统在工作时产生声速极限。
上述杯体还安装有显示组件；杯座内安装有超级电容器；内胆底部装有测温元件和重力传感器；显示组件包含电路板与LED数码显示器，显示器通过导线与超级电容器的输出端口相连接，超级电容器的充电端口与温差发电元件输出端口相连接；测温元件和重力传感器与显示组件中电路板内的信号处理模块相连接。这样设计可以在不增加保温杯体积的情况下加装相关器件，也可保证测得的水温和水量更加准确。
所述的基于热虹吸原理的保温杯发电系统，其特征在于：上述外壳的外侧壁面可以加装半球形突起的肋片，这样设计可以增加外壳与周围空气的对流换热面积，减小热阻。
所述的基于热虹吸原理的保温杯发电系统，其特征在于：上述散热器可以设置有针状肋且肋高与肋间距之比要大于0.1；也可以设置直肋或者斜肋且肋厚与肋间距之比要大于0.1。这样设计可以增加工质与散热器接触的面积，减小对流换热热阻，增强换热效果。
所述的基于热虹吸原理的保温杯发电系统，其特征在于：上述绝热层为真空层或保温材料层,或真空层与保温材料层的组合。这样设计可以保证杯中热水热量只能从内胆底部离开，而不会对热虹吸管的工作造成影响。
所述的基于热虹吸原理的保温杯发电系统，其特征在于：上述保温材料层的材料导热系数范围是0～0.2W/m·K。
所述的基于热虹吸原理的保温杯发电系统，其特征在于：上述温差发电元件是半导体温差发电片或半导体制冷片，或半导体发电堆，或半导体制冷电堆，或PN结与印刷电路的集成品。其发电功率要大于0.005W。
所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：上述测温元件可以是热电偶，也可以是热电阻、半导体热敏电阻计、或者双金属温度计。
所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：上述超级电容器安装在杯座里，这样设计可以使电容器远离热水热源，保持电容器较低的工作温度，从而提高电容器的工作电压，电容器的内阻也不会上升，可提高电容器的使用效率；其电容量由用电设备持续工作的时间来确定。电容量计算的方法示例：假设保温杯内所有用电设备的总功率为0.1W，每加一次热水要持续工作6h，工作电压范围为2.5V-5V，恒功率的情况下，所需电容容量：
C—电容量(F)，P—功率(W)，t—时间(t)，U—电压(V)。
所述的基于热虹吸原理的保温杯发电系统的方法，其特征在于包括以下过程：上述温差发电元件的热端与内胆紧密接触，吸收杯中热水的热量，冷端与散热器紧密连接，散热器、流体腔与外壳形成一个封闭空间，其中充装工质组成一个基于热虹吸原理的传热装置，把温差发电元件冷端热量通过此装置传递到外壳上，最后热量经由外壳与周围环境进行对流换热被带走。
上述散热器，流体腔与外壳组成的传热装置，此装置类似于一个异形两相闭式热虹吸管。散热器所在的位置作为此传热装置的蒸发段，外壳超过液体工质液位以上的部分作为此传热装置冷凝段；在散热器处的液态工质通过蒸发形成蒸汽通过流体腔的竖直环形区域上升，在外壳上遇冷凝结成液体，依靠重力的作用回流到散热器处的液体聚集区，从而形成循环。
附图说明
图1是本专利的结构示意图；
图2是本专利的三维结构示意图；
图3是本专利的局部放大图(温差发电元件和散热器)；
图4是本专利的外壳示意图；
图5是本专利的电路图；
图中标号名称：1-杯体、2-杯座、3-内胆，4-外壳，5-绝热层，6-温差发电元件，7-散热器，8-流体腔，9-显示组件，10-测温元件,11-重力传感器，12-超级电容器，13-半球形突起的肋片。
具体实施方法
下面结合附图对本专利进一步说明。
如图1所示，一种基于热虹吸原理的保温杯发电系统及方法通过以下方式进行工作：温差发电元件的热端与内胆底部紧密接触，吸收杯中热水的热量，冷端与散热器紧密连接，散热器，流体腔与外壳组成一个等同于两相闭式热虹吸热管的传热装置，把冷端热量通传递到外壳上，最后热量经由外壳与周围环境进行对流换热被带走；散热器、流体腔与外壳组成一个传热装置，在散热器处的液态工质通过蒸发形成蒸汽通过流体腔的竖直环形通道上升，在外壳内侧壁面上遇冷凝结成液体，依靠重力的作用回流到散热器处的液体聚集区，从而形成热虹吸循环。
如图2所示，三维结构图可以看出整个保温杯的部件整体分布。保温杯外壳上镶嵌有一块LED数码显示屏，显示屏的表面积大约为2.5～25cm2，又因为单色LED显示屏的功率一般为200W左右一个平方，所以此显示屏的功率为0.05～0.5W。
如图3所示，散热器设置针状肋，直肋或者斜肋，肋片的分布可以是多种形状的，这样设计可以增肌散热翅片与流体工质之间对流换热的面积，增强换热效果。
如图4所示，该保温杯的外壳的外侧壁面可以增加半球形突起的肋片，肋片的形状与排布可以参考图4中所示的形式，这么设计可以增加对流换热的面积，加大换热量，显著提高温差发电元件冷热端的温差，提高发电效率。假设超级电容器的充电功率为0.2W，温差发电元件的发电效率为0.5％，由此计算得到冷端散热量为39.8W，外壳与周围环境的温差假设为恒定20℃(这是由于流体腔中流体工质在外壳上冷凝，所以外壳温度较高)，对流换热系数h＝30W/(m2·℃)，计算可得外壳的面积为663cm2，如果保温杯外部尺寸为Φ65×195mm，则外壳表面积最大为400cm2小于663cm2，这时就需要增加半球形突起的肋片来增加换热面积来减小对流换热热阻了。
如图5的电路图所示，温差发电元件发的电首先储存在超级电容器中，然后持续给显示组件供电使其工作；测温元件和重力传感器传来的信号经过显示组件中电路板上的信号处理模块处理最终以数字形式显示在LED数码显示屏上。

Claims (8)

1.一种基于热虹吸原理的保温杯发电系统，其特征在于：
包括杯体（1）和杯座（2）；
其中杯体（1）包括内胆（3）和外壳（4）,内胆（3）和外壳（4）之间包括绝热层（5）和流体腔（8）；
其中内胆（3）侧壁外表面紧贴有绝热层（5）;绝热层（5）与外壳（4）之间为流体腔（8）的环形通道部分；内胆（3）底部和外壳（4）底部之间为流体腔（8）的液体聚集区；
流体腔（8）的液体聚集区安装温差发电元件（6）和散热器（7）；温差发电元件（6）的热端与内胆（3）底部紧密接触，冷端与散热器（7）紧密接触；
上述流体腔（8）中工质是水、或有机工质;流体腔（8）内抽真空,然后注入工质，工质的充液量为占整个流体腔（8）内部容积的22～45%或者工质的灌装液位的高度超过温差发电元件（6）冷端平面5～60mm；
上述杯体（1）还安装有显示组件（9）；杯座（2）内安装有超级电容器（12）；内胆（3）底部装有测温元件（10）和重力传感器（11）；显示组件（9）包含电路板与LED数码显示器，显示器通过导线与超级电容器（12）的输出端口相连接，超级电容器（12）的充电端口与温差发电元件（6）输出端口相连接;测温元件（10）和重力传感器（11）与显示组件（9）中电路板内的信号处理模块相连接。
2.根据权利要求1所述的基于热虹吸原理的保温杯发电系统，其特征在于：
上述外壳（4）的外侧壁面加装半球形突起的肋片。
3.根据权利要求1所述的基于热虹吸原理的保温杯发电系统，其特征在于：
上述散热器（7）设置有针状肋且肋高与肋间距之比要大于0.1；或者设置直肋或者斜肋且肋厚与肋间距之比要大于0.1。
4.根据权利要求1所述的基于热虹吸原理的保温杯发电系统，其特征在于：
上述绝热层（5）为真空层或保温材料层,或真空层与保温材料层的组合。
5.根据权利要求4所述的基于热虹吸原理的保温杯发电系统，其特征在于：
上述保温材料层的材料导热系数范围是0～0.2W/m·K。
6.根据权利要求1所述的基于热虹吸原理的保温杯发电系统，其特征在于：
上述温差发电元件（6）是半导体温差发电片或半导体制冷片，或半导体发电堆，或半导体制冷电堆，或PN结与印刷电路的集成品。
7.根据权利要求1所述的基于热虹吸原理的保温杯发电系统，其特征在于：
上述测温元件（10）是热电偶，或热电阻，或半导体热敏电阻计，或双金属温度计。
8.根据权利要求1所述的基于热虹吸原理的保温杯发电系统的方法，其特征在于包括以下过程：
上述温差发电元件（6）的热端与内胆（3）紧密接触，吸收杯中热水的热量，冷端与散热器（7）紧密连接，散热器（7），流体腔（8）与外壳（4）形成一个封闭空间，其中充装工质组成一个基于热虹吸原理的传热装置，把温差发电元件（6）冷端的热量通过此装置传递到外壳（4）上，最后热量经由外壳（4）外侧壁面与周围环境进行对流换热被带走;
上述散热器（7），流体腔（8）与外壳（4）组成的传热装置中散热器（7）所在的位置作为此传热装置的蒸发段，外壳（4）超过液体工质液位以上的部分作为此传热装置冷凝段；在蒸发段的液态工质受热蒸发形成蒸汽，蒸汽通过流体腔（8）的竖直环形通道部分上升，在冷凝段遇冷凝结成液体，这些液体又依靠重力的作用沿外壳（4）的内侧壁面回流到蒸发段的液体聚集区，从而形成循环。
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