TWI387685B - 熱管式發電元件、熱發電裝置、熱能回收裝置 - Google Patents

Description

熱管式發電元件、熱發電裝置、熱能回收裝置

本發明是有關於一種熱能與電能轉換技術，且特別是有關於一種熱管式發電元件，且可以設置於一裝置使具有熱能或熱源回收功能，以及藉以組合構成一熱發電裝置。

能源是日常生活中不可缺少的一部分。能源可以用多種形式存在，其中常見的就是熱能、電能與光能形式。以能源角度來說，一些熱能或是電能實際產生一些效益。然而，有一些能源因效率轉換原因是屬於廢能源(waste energy)，將被排放到環境，而不會繼續使用。例如，一電子裝置利用電能進行一些功能操作，而它因此也發熱產生廢熱。這些廢熱一般僅被散熱到環境，不會被加以利用。另外，如果能量是以光能或是熱能存在，但是所需要的是電能，則就需要有效率的轉換裝置或系統來轉變。

當今廣泛應用的傳統能源，例如石油，已日漸缺乏。因此，尋由有效的能源應用與回收也是目前的重要課題之一。更是，有別於資源有限的石油能源，取之不絕的太陽能也是可以考慮利用。而太陽能也可以將其轉換成熱能、電能等形式。

因此，如何利用回收一些廢熱轉變成有效能源，一直是各方急需解決的課題之一。如何設計出有效率的將熱源以轉換成電源進行各類型能源應用，也是一般能源研究者一直在思考的問題。

本發明提供一種熱管式發電元件，可以有效利用熱源，例如是廢熱，以將轉換成電源，如此可以作為回收廢熱，或是直接將熱能(源)轉換成可以實際利用的電能。

本發明又提供一種熱發電裝置，利用多個上述熱管式發電元件，以構成可以利用熱能進行發電的裝置。

本發明又提供一種具有熱能(源)回收功能的裝置，在此裝置中，配置有由多個上述熱管式發電元件所組成的單元，將廢熱轉換成電能，而回收此電能。

本發明提出一種熱管式發電元件，可用於將熱能轉換成電能。熱管式發電元件包括一熱管。此熱管有密閉的一內部空間，且藉由此熱管兩端的一壓力差，由一蒸發端往一冷凝端產生一氣流。一氣流發電元件，具有至少一轉動部位於該熱管的該內部空間，藉由該氣流的推動，產生一電源。又，一電極結構，耦接於該氣流發電元件，將該電源引出。

依照本發明的較佳實施例所述的熱管式發電元件，上述之氣流發電元件是一微渦輪蒸氣發電元件。

依照本發明的較佳實施例所述的熱管式發電元件，上述之電極結構是一金屬燒結結構，包括至少一對電極穿過該熱管的一管壁與該氣流微發電元件連接；或是一端點結構連接到在外壁的外側的該線圈。

依照本發明的較佳實施例所述的熱管式發電元件，上述之氣流發電元件包括可旋轉的一線圈，以及可產生一磁場的一磁鐵元件，其中藉由該線圈與該磁場的作用，產生該電源。

依照本發明的較佳實施例所述的熱管式發電元件，上述之管壁包括：一外壁，在該蒸發端與外界的一熱源直接接觸；以及一內壁，該內壁使在該冷凝端冷卻後的一液體，流回到該蒸發端，而被再度汽化以產生該氣流。

依照本發明的較佳實施例所述的熱管式發電元件，上述之管壁的該外壁係一連續的密閉殼體。

依照本發明的較佳實施例所述的熱管式發電元件，上述之管壁的該外壁包括一第一端壁、一第二端壁，以及一連接壁，其中該連接壁承載該氣流發電元件，以及連接該第一端壁與第二端壁，其中該電極結構穿過該連接壁與該氣流發電元件連接。

依照本發明的較佳實施例所述的熱管式發電元件，上述之熱管的蒸發端與外界的一熱源接觸，而冷凝端與外界的一散熱區接觸。

依照本發明的較佳實施例所述的熱管式發電元件，上述之熱管的該蒸發端更設置有一光與熱轉換結構，以將一光能轉換成一熱能，做為該熱源。

本發明提出一種熱發電裝置，包括一容置單元，有一熱源接收面，在熱源接收面上分佈有多個容置空間。多個如前述之熱管式發電元件，分別設置於所述容置空間。又，一電能集合結構，將每一所述熱管式發電元件所產生的該電源，集合後輸出。

本發明提出一種具有熱能(源)回收功能的裝置，包括一主體單元，以執行所預定的一功能，其中該主體單元會產生一廢熱源。又，至少一個如前述之熱管式發電元件，利用該廢熱源做為該熱源，以轉換成一回收電源。

本發明利用一具有散熱功能的熱管，且設置可以利用氣流發電的裝置在熱管中，利用熱管內的氣流，例如蒸氣，可以推動裝置進行發電。藉由燒結技術製作電極，以將所產生的電能引出與利用。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

在考慮熱裝置的一些傳統設計中，熱管(heat pipe)是常見的設計。本發明在研究傳統的熱管機制後，提出進一步設計，以達到發電的能力。以下舉一些實施例作為說明，但是本發明不僅僅限制於所舉的實施例。

首先說明熱管的散熱機制。圖1繪示傳統熱管的結構剖面示意圖。一壁殼100會圍成一管狀的密閉(sealed)空間。在此密閉空間內在一低壓下會預先充入一熱媒介物質。依照物質氣相與液相之間潛熱變化的特性，低飽和蒸氣壓會降低液體汽化的溫度，同時也容易凝結成液體。又，氣體凝結時會釋放出能熱能以散熱，以及液體汽化時會吸收熱能。如此，熱管大致上可分成三個區域：蒸發端104、中間區域106、以及冷凝端108。充入的物質會在管內部毛細空間凝結成液體，藉由壁殼100上的物質102，例如具有毛細現象的物質102的毛細作用，液體會被導引到蒸發端104。例如，蒸發端104受熱後會處在一相對於冷凝端108為高溫的高壓環境，在蒸發端104液體在受熱過程中處於一潛變臨界範圍區間，臨界溫度以上就會被蒸發成氣體。由於氣相的體積遠比液相的體積大，只要有微量的液體被蒸發成氣體，就會造成強大的蒸氣氣流往冷凝端108流動，冷凝端108處釋放能量，液體再回流至蒸發端104，構成如箭頭110所示的循環路徑。

熱管的一般應用，例如是用於會產生廢熱的裝置以達到散熱的效果。熱管的基本原理與結構，是一般習此技藝者所知，於此不再詳述。

本發明在考慮產生電能的方式上，一般的發電機置，如圖2所示，也是可以了解的技術。於圖2，一旋轉的線圈120，在一磁場下，例如是由一對磁鐵122、124所產生的磁場，可以產生電流，且藉由電極126引導出來。這是一般基礎的發電原理，也是發電廠所採用的機制。

本發明在思考熱能與電能的產生機制後，新穎地提出一種熱管式發電元件，可以簡易地利用熱能，例如任何裝置所產生的廢熱或是由太陽能轉換成的熱能等等，以轉換成電能。特別是對廢熱而言，可以有效回收能源。甚至，一般廢棄物在焚銷時所產生的熱，也可以被轉換成可使用的電能。

圖3繪示依據本發明一實施例，熱管式發電元件的結構剖面立體示意圖。於圖3，熱管式發電元件包括有一外壁200，構成管狀的一密閉空間。在外壁200的內表面形成有一內壁202。內壁202是使用具有例如毛細作用或是可以液體滲透的的材質。外壁200與內壁202構成一熱管。在熱管內部填充具有低飽和蒸氣壓的一流體物質例如水，或其他液體物質。如此可以構成一般熱管的機制，如圖1所描述。

根據本發明在整體的考量下，更設置一氣流微發電元件208於熱管的中間區域106(參見圖1)。當熱管的大小是微小件時，此氣流發電元件208可以例如是一微元件。本發明不需限制在微元件。然而在實施例中以微元件做為實例來說明。此氣流微發電元件208包括一磁鐵單元204，可以產生發電用的永久磁場。例如，磁鐵單元204固定於內壁202上，且例如位於中間區域。另外，氣流微發電元件(micro steam-flow electric-power device)208還包括一渦輪發電單元206，藉由蒸氣流的推動而旋轉線圈(未示於圖3)，以使線圈與永久磁場依物理定律產升電能。其中，氣流微發電元件208例如可以是一微渦輪蒸氣發電元件(micro turbine steam power generator)，其利用熱管所產生的蒸氣氣流以推動渦輪發電單元206的渦輪，以使旋轉。而設置在渦輪發電單元206的線圈隨著旋轉，而產生電流。但是 ，上述方式不是唯一的設置方式。只要是根據電磁發電的理論所能設置的變化皆允許。例如，也可以將線圈固定地設置在內壁202上，而利用前述渦輪機制，使永久磁場旋轉，如此也可以達到發電的目的。

又，一燒結式電極結構210，有二電極210a、210b將電流引出回收。例如在圖3的實施例中，二電極210a、210b是構成一對例子。然而，依照實際設計需要，可以設置多對的電極。燒結式電極結構210例如可利用一般的陶瓷(或玻璃)與金屬之間的金屬燒結技術來達成，而熱管內的空間可以維持密封。如此，本發明的熱管式發電元件可達成。至於，製造的細節可以依此結構的原則，藉由一般的技術達成。

由於前述的磁鐵與線圈皆是金屬，如果流體物質是水的話，可能會造成金屬生銹與氧化。但是，經適當的防銹處理，此問題就可有效降低，而延長使用壽命。

換句話說，在本發明提出的新穎性的設計前提下，在製造上，可利用一般製造技術，依實際設計需要來達成。

圖4繪示依據本發明一實施例，對應圖3的熱管式發電元件的結構剖面示意圖。於圖4，渦輪發電單元206，藉由氣流的推動而旋轉以發電。又，氣流微發電元件208的位置，不必限定在中間點的位置。一般而言，能利用到氣流的任何位置皆可以。又，熱管也不必是直線管的設計。另外，基於重力的因素以使凝結的液體容易回流，在操作上，熱管可以用垂直地表的方式安置，而蒸發端104較佳 擺設可以設置在下端，增加效率。然而，這也不是唯一的選擇。

接著，根據與圖4相同的設計原則，熱管的管壁也可以適當的變化，以利於製造。圖5繪示依據本發明另一實施例，熱管式發電元件的結構剖面示意圖。於圖5，熱管的外壁200可以包括第一端壁、第二端壁，以及一連接壁220，例如是玻璃或陶瓷物質。其中連接壁220可以承載氣流微發電元件。例如可以與氣流微發電元件預先製作成，而後利用燒結技術，將連接壁220燒結在第一端壁與第二端壁之間。又，例如，該燒結式電極結構可以預先製作，穿過連接壁220與氣流微發電元件的二個電極連接。當然，如果承載氣流微發電元件是另外製作，則為了達成內壁的連續的毛細結構，則也可以預先製作在外圍毛細結構，以達成連續的效果。這也是設計的變化。換句話說，圖5的設計結構與圖4設計結構都是在相同的設計機制下的變化。且，圖4與圖5也不是本發明的僅有變化。

從能源的產生而言，其如圖6所示。圖6繪示本發明的熱管式發電元件發電機制的示意圖。於圖6，一能源的迴路例如包括一蒸發器單元600、一渦輪發電單元602、一氣體凝結單元604、以及一幫浦單元606。幫浦單元606將凝結的液體傳送到蒸發器單元600。熱源蒸發器單元600將液體汽化以產生蒸氣氣流。蒸氣氣流推動渦輪發電單元602以產生電能。

又，根據熱力學的理論，從溫-熵圖來看，例如圖7所示。 圖7繪示本發明的熱管式發電元件對應於傳統熱力工作(thermal work diagram)的示意圖。於圖7，橫軸例如是熵值(entropy S)，而縱軸是溫度T。由實線704圍成的循環是理想的朗肯循環(Rankine cycle)，而由點1、2、3、4所圍成的虛線702是實際的朗肯循環。飽和蒸汽曲線700的上面區域代表高壓，在頂點左邊區域代表液相，頂點右邊區域代表氣相。而飽和蒸汽曲線700的下面區域，代表低壓是液相與氣相的混合區域。在點1到點2的路徑706，是等熵壓縮的特性。在點3到點4的路徑710是對應渦輪發電的部分，在708的區域，即是熱源蒸發器所產生的效益。最後在點4，氣體開始凝結而回到點1。發電的效率會隨蒸氣的速度加快而增加。

本發明的氣流微發電元件可適用於具有足夠熱能的地方。然而，熱能不必限定於廢熱的回收。例如，太陽能也是目前能源開發者積極開發利用的自然資源。一般所能了解，太陽能可以轉換成熱能。因此，本發明已可以利用太陽能所產生的熱能。

圖8繪示依據本發明另一實施例，熱發電單元的剖面示意圖。於圖8，熱發電單元800包括熱管801可以是前述的熱管。然而，在蒸發端802，又包括吸收熱能的一太陽能吸收結構808。太陽能吸收結構808，例如一聚焦反射部804，可以將入射的陽光聚集在熱管801的蒸發端802。在聚焦反射部804，可以設置一穿透聚焦蓋部806，除了吸收太陽能轉變成熱能外，也可減少能量往外部漏出。如此，本發明的熱發電裝置也可以是太陽能發電裝置。對於進一步的利用而言，由於單一的熱發電單元800，所產生的電能較少。因此，如圖9A與9B所示，多個熱發電單元800被組成陣列在一容置單元900。容置單元900設定有一熱源接收面。在熱源接收面上分佈有多個容置空間以容置多個熱發電單元800。另外，在容置單元900上也有電能集合結構，將每一個由熱管式發電元件所產生的電源集合後輸出。

又，如圖9A的熱發電裝置也可以設置在任何會產生熱能的裝置，如此可以構成具有熱源回收功能的裝置。例如，熱發電裝置設置在電腦系統中，除了散熱以外，也可將熱能回收使用。又，例如冷氣機也是產生很多廢熱的裝置，因此，可以將本發明併入其中，回收廢熱。諸如類似的應用不一一列舉。

依照相同的設計原則，以下舉幾個不同實施例做為描述。圖10~11繪示依據本發明另一些實施例結構示意圖。參閱圖10，在熱管中間區域可以再設置一袖套(Sleeve)結構920。袖套結構920可避免蒸氣在中間區域凝結到內壁202。這可以使產生的蒸汽能更有效率使用。又參閱圖11，袖套結構922可以例如還有一錐形結構。錐形結構的方向是至少設置在一邊，以接收蒸氣。蒸氣會被聚集已產生更強的驅動動量。因此，對氣流微發電元件208的驅動能力會更為提昇。又，電極210例如以燒結技術可以被形成於適當的位置。

在前面的一些實例中，其假設線圈是旋轉的而磁鐵是固定的位置。然而，電源也可以藉由其他方式產生。圖12繪示依據本發明另一產生電源的機制示意圖。參閱圖12，當線圈1000相對磁鐵1002是被固定的情形時，磁鐵1002與在對面的磁鐵1004之間的磁場1006，可以對線圈1000產生較多的磁通量。然而，當磁鐵1008是在其他位置時，在磁鐵1002與磁鐵1008之間的磁場1010不對線圈1000產生磁通量。換句話說，當旋轉的磁鐵在線圈1000附近移動，磁通量會改變，如此電源會被產生。

基於圖12的機制，可以有多種不同的設計。圖13~14繪示依據本發明另一些實施例剖面結構示意圖。參閱圖13，至少一個磁鐵可以被形成於內壁202。於如圖13的實例，以兩個磁鐵1034為例。每一個磁鐵1034都配置有線圈1036，且每一個線圈1036一對電極1038，可以在適當位置被引出。磁鐵1034與線圈1036可以構成一結構單元1040，在內壁202上方。於此，如圖10-11地袖套也可以被配置。另外的至少一個旋轉磁鐵1032被設置在轉子1030上。如此，在每一個線圈1036的磁通量會改變，以產生電源。

參閱圖14，在考慮圖5的設計時，有磁鐵1034與線圈1036的結構單元1040可以配置在外壁200上。於此，因為玻璃材質不會將磁場遮蔽，於線圈1036的磁通量仍會被產生，因此產生電源。於此情形，電極1038可以直接連接出去，不必穿過內壁與外壁。圖15繪示對應圖14在另一方向的剖面結構示意圖。參閱圖15，例如多個旋轉磁鐵1032被設置在轉子1030上。轉子1030是由蒸汽所驅動。外部的磁鐵1034分佈於例如是玻璃材質的外壁。玻璃外壁可以利用燒結技術連接。在內面與外面的磁鐵數量可以一個或多個。又，這些線圈1036依照實際設計可以是平行連接或是串聯連接。

在本發明提出新穎的熱管式發電元件，簡單利用熱管，可以回收熱能或是主動利用熱能，轉換成為電能。特別是，本發明也可利用太陽能以轉換成為電能。本發明已提出處理熱能的有效方案。

另一方面，本發明的熱管式發電元件以及其應用，在整體的考量上，也已提供對能源處理的另一種選擇。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．壁殼

600．．．熱源蒸發器單元

102．．．毛細現象的物質

602．．．渦輪發電單元

104．．．蒸發端

604．．．氣體凝結單元

106．．．絕熱端中間區域

606．．．幫浦單元

108．．．冷凝端

700．．．飽和蒸汽曲線

110．．．箭頭

702．．．實際的朗肯循環

120．．．線圈

704．．．理想的朗肯循環

122．．．磁鐵

706．．．路徑

124．．．磁鐵

708．．．路徑

126．．．電極

710．．．路徑

200．．．外壁

800．．．熱發電單元

202．．．內壁

801．．．熱管

204．．．磁鐵

802．．．蒸發端

206．．．渦輪發電單元

804．．．聚焦反射部

208．．．氣流微發電元件

806．．．穿透聚焦蓋部

210．．．燒結式電極結構

808．．．太陽能吸收結構

210a．．．電極

900．．．容置單元

210b．．．電極

920、922．．．袖套結構

220．．．連接壁

1000、1036．．．線圈

1002、1004、1008．．．磁鐵

1038．．．電極

1006、1010．．．磁場

1040．．．結構單元

1030．．．轉子

1032、1034．．．磁鐵

圖1繪示傳統熱管的結構剖面示意圖。

圖2繪示傳統發電機制示意圖。

圖3繪示依據本發明一實施例，熱管式發電元件的結構剖面立體示意圖。

圖4繪示依據本發明一實施例，對應圖3的熱管式發電元件的結構剖面示意圖。

圖5繪示依據本發明一實施例，熱管式發電元件的結構剖面示意圖。

圖6繪示本發明的熱管式發電元件，對應於傳統循環發電機制的示意圖。

圖7繪示本發明的熱管式發電元件，對應於傳統熱力工作(thermal work diagram)的示意圖。

圖8繪示依據本發明另一實施例，熱發電單元的剖面示意圖。

圖9A繪示依據本發明另一實施例，熱發電裝置的結構剖面示意圖。

圖9B繪示依據本發明另一實施例，熱發電裝置的結構上視示意圖。

圖10~11繪示依據本發明另一些實施例結構示意圖。

圖12繪示依據本發明另一產生電源的機制示意圖。

圖13~14繪示依據本發明另一些實施例剖面結構示意圖。

圖15繪示對應圖14在另一方向的剖面結構示意圖。

200‧‧‧外壁

202‧‧‧內壁

204‧‧‧磁鐵

206‧‧‧渦輪發電單元

208‧‧‧氣流微發電元件

210‧‧‧電極結構

210a‧‧‧電極

210b‧‧‧電極

Claims (7)

1. 一種熱管式發電元件，適用於將熱能或熱源轉換成電能，包括：一熱管，其中該熱管有密閉的一內部空間，藉由該熱管兩端的一壓力差，由一蒸發端往一冷凝端產生一氣流；一袖套結構，設置於該熱管的一管壁的內表面上的一中間部分，以將該氣流聚集以及避免該氣流凝結到該管壁；一氣流發電元件，位於該袖套結構的表面的一部分上，該氣流發電元件被該袖套結構所包圍與承載，該氣流發電元件具有一旋轉部分，該旋轉部分係藉由被聚集的該氣流推動，以產生一電源；以及一金屬燒結電極結構，包括至少一對電極穿過該熱管的該管壁且連接到該氣流發電元件，以將該電源導出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱管式發電元件，其中該氣流發電元件是一微渦輪蒸氣發電元件。
3. 如申請專利範圍第1項所述之熱管式發電元件，其中該氣流發電元件包括一線圈，以及可產生一磁場的一磁鐵元件，其中該氣流發電元件藉由該線圈與該磁鐵元件的相對旋轉來產生在該線圈上變化的磁通量，以產生該電源。
4. 如申請專利範圍第1項所述之熱管式發電元件，其中該管壁包括：一外壁，在該蒸發端與該熱管外的一熱源直接接觸；以及一內壁，該內壁使在該冷凝端冷卻後的一液體，流回 到該蒸發端，而被再度汽化以產生該氣流。
5. 如申請專利範圍第4項所述之熱管式發電元件，其中該管壁的該外壁係為一連續的密閉殼體。
6. 如申請專利範圍第4項所述之熱管式發電元件，其中該管壁的該外壁包括一第一端壁、一第二端壁，以及非金屬的一連接壁，其中該連接壁連接該第一端壁與第二端壁。
7. 如申請專利範圍第1項所述之熱管式發電元件，其中該熱管的該蒸發端更設置有一光與熱轉換結構，以將一光能轉換成一熱能，做為該熱源。