TWI399513B - 可將動能轉換為電能的熱管及其相關散熱模組 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種熱管及其相關散熱模組，尤指一種可將動能轉換成電能之熱管及其相關散熱模組。
隨著電子科技的進步，電子產品所能提供的功能越來越複雜及強大，這同時也代表了其內部的微處理器之運算速度必須越來越快，使其可應付龐大的系統作業工作量。然而當微處理器之運算速度不斷加快時，其在運作過程中所產生的熱能也會不斷向上飆昇，這些累積於電子產品內部的熱能如未經過適當的散熱處理，就會導致電子產品內部的元件因過熱而出現當機甚至短路損毀的情形。因此許多用來排除電子產品內部微處理器所產生之熱能的輔助性裝置隨之因應而生，而熱管即是近年來於此領域中應用廣泛的代表性裝置之一。
熱管的排熱效率極高，舉例說明，若將熱管和同體積金屬棒的二端置於同樣溫差下，熱管的導熱量將可達到金屬棒的一千倍以上。然在現今環保的考量，如何設計出一高效益的熱管應用方式以降低其廢熱的排放量以及達到能量回收再利用的功效，便為現今熱管機構在散熱設計上所要努力之課題。
本發明係提供一種可將動能轉換為電能的熱管，其包含有一導電中空殼體，其具有一第一端以及一第二端，該第一端係連接於一發熱元件，該第二端為一散熱端；一導電毛細結構層，其係形成於該導電中空殼體之內壁上，該導電毛細結構層儲存有一液體，該液體可受該發熱元件加熱至汽化狀態並向該第二端移動；一壓電元件，其係連接於該導電毛細結構層上；以及一可撓性元件，其係設置於該壓電元件之一側，該可撓性元件用來受汽化狀態之該液體帶動以對該壓電元件施力，藉以使該壓電元件產生電能；其中該壓電元件所產生之電能係經由該導電毛細結構層傳導至該導電中空殼體，且該導電中空殼體係用來將該發熱元件產生之熱能傳導至該液體，以及將該液體吸收之熱能由該第二端排除。
本發明另提供一種可將動能轉換為電能的散熱模組，其包含有一發熱元件；一熱管，其係設置於該發熱元件以及一散熱裝置之間，該熱管包含有一導電中空殼體，其具有一第一端以及一第二端，該第一端係連接於該發熱元件，該第二端為一散熱端連接於該散熱裝置；一導電毛細結構層，其係形成於該導電中空殼體之內壁上，該導電毛細結構層儲存有一液體，該液體可受該發熱元件加熱至汽化狀態並向該第二端移動；一壓電元件，其係連接於該導電毛細結構層上；以及一可撓性元件，其係設置於該壓電元件之一側，該可撓性元件用來受汽化狀態之該液體帶動以對該壓電元件施力，藉以使該壓電元件產生電能；以及一儲電裝置，其係電連接於該熱管，該儲電裝置用來儲存該壓電元件所產生之電能；其中該導電中空殼體係用來將該發熱元件產生之熱能傳導至該液體，以及將該液體吸收之熱能傳導至該散熱裝置。
請參閱第1圖，其為本發明一較佳實施例一散熱模組10之示意圖。散熱模組10包含有一發熱元件12、一散熱裝置14、一熱管16，以及一儲電裝置18。散熱模組10係較佳地應用於一般常見的電子裝置(如個人電腦等)的散熱上；發熱元件12係可為一般常見在電子裝置內在運作時會產生熱能之元件，如中央處理器(Center Processing Unit,CPU)晶片、視頻圖像陣列(Video Graphics Array,VGA)晶片等，而散熱裝置14則是用來排除發熱元件12所產生之熱能，在此實施例中，散熱裝置14係較佳地為散熱鰭片與風扇之組合(如第1圖所示)，但不受此限。
如第1圖所示，熱管16係設置於發熱元件12以及散熱裝置14之間，熱管16係用來將發熱元件12所產生之熱能傳導至散熱裝置14，再利用散熱裝置14加以排除，於此針對熱管的基本散熱原理進行簡述；一般而言，熱管結構主要是將液體加在一根細長、中空、兩端封閉的金屬管中，此一管子的內壁有一層毛細結構層，此外，由於金屬管內壓力極低，因此位於毛細結構層內的液體在約攝氏30度左右即可蒸發。如此一來，當金屬管的一端置於發熱元件而為高溫端，另一端置於散熱裝置而為低溫端時，熱傳導現象即開始進行。首先，發熱元件所產生之熱能會穿過金屬管壁進入毛細結構層中，此時毛細結構層內的液體會因為受熱而開始產生蒸發的現象，蒸發後的氣體聚集在金屬管之高溫端，同時亦會開始向金屬管之低溫端流動，當氣體到達金屬管之低溫端時，便會遇冷而再度凝結回液體，此時，氣體在冷凝過程所散發之熱能就會透過毛細結構層及金屬管壁傳到金屬管外部進而達到排熱之效果，而這些因氣體冷凝所產生的液體，則會因毛細現象(Capillary Pumping)的作用，再次藉由毛細結構層而流回至高溫端，如此不斷地循環下去，以排除金屬管之高溫端所傳來之熱能。
接著請參閱第2圖，其係為第1圖所示熱管16之內部結構部份示意圖。如第2圖所示，熱管16包含有一導電中空殼體20、一導電毛細結構層22、至少一壓電元件24(於第2圖中顯示16個，但不受此限)，以及至少一可撓性元件26(於第2圖中顯示16個，但不受此限)。導電中空殼體20具有一第一端P1
以及一第二端P2
，第一端P1
係連接於發熱元件12，第二端P2
係連接於散熱裝置14，而導電毛細結構層22係形成於導電中空殼體20之內壁上(如第2圖所示)。導電毛細結構層22儲存有一液體23，液體23可受發熱元件12加熱至汽化狀態並開始向第二端P2
移動。也就是說，液體23係可用來吸收發熱元件12所產生之熱能，並接著移動至散熱裝置14加以排除，藉以達到散熱的效果。在此實施例中，導電中空殼體20以及導電毛細結構層22係較佳地由銅所組成，而液體23係較佳地為純水。如第2圖所示，每一壓電元件24係連接於導電毛細結構層22上，在此實施例中，壓電元件24係較佳地由鋯鈦酸鉛材質所組成，其係為一具有高壓電耦合和介電常數的壓電陶瓷，當對其施加應力時，其內部係會產生極化現象(polarization)，並接著在兩導電面間產生電場或電位移，從而在其表面產生感應電荷，藉以產生相對應之電能；而每一可撓性元件26則是分別設置於相對應之壓電元件24的一側，可撓性元件26係用來受汽化狀態之液體23帶動以對相對應之壓電元件24施力，藉以使壓電元件24產生電能，其相關配置設計係可如第2圖所示，也就是壓電元件24以及可撓性元件26係相互對應地垂直連接於導電毛細結構層22上。
另外，如第1圖所示，上述儲電裝置18係電連接於熱管16，儲電裝置18用來儲存壓電元件24所產生之電能，儲電裝置18係可為一般常見用來儲存電能的裝置，如電容裝置或充電電池等，至於上述用來電連接儲電裝置18以及熱管16的方式，其相關電路設計係常見於先前技術中，故於此不再詳述。
以下係針對散熱模組10之作動進行詳細的描述。請參閱第1圖、第2圖以及第3圖，第3圖係為第2圖所示可撓性元件26施力於壓電元件24上之示意圖。當上述發熱元件12於運作過程中開始發熱時，導電中空殼體20就會將發熱元件12所產生之熱能傳導至儲存於導電毛細結構層22內的液體23。此時，處於凝結狀態的液體23就會在吸收發熱元件12所產生之熱能後產生汽化現象而離開導電毛細結構層22且聚集於導電中空殼體20的第一端P1
(如第3圖所示)，並開始從導電中空殼體20之第一端P1
(即高溫端)往第二端P2
(即低溫端)移動，而在到達第二端P2
之後，導電中空殼體20就會將液體23吸收之熱能傳導至散熱裝置14而加以排除，於此同時，液體23便會遇冷而再度回到凝結狀態，並隨即因毛細現象的作用，而藉由導電毛細結構層22而流回至第一端P1
，如此不斷地循環下去，以排除發熱元件12所產生之熱能。
在處於汽化狀態的液體23往第二端P2
移動的過程中，其所具有的動能會在接觸到可撓性元件26時被可撓性元件26所吸收，以使得可撓性元件26被液體23帶動而產生相對應的撓曲變形。換句話說，當處於汽化狀態的液體23經過如第2圖所示垂直連接於導電毛細結構層22上的可撓性元件26時，透過本身可撓曲之物理特性，可撓性元件26就會從如第2圖所示之結構彎曲成如第3圖所示之結構而碰撞接觸於壓電元件24上。此時，如上所述，壓電元件24就會因接收到從可撓性元件26而來的碰撞應力而藉此產生相對應之電能。接下來，在此實施例中，壓電元件24受可撓性元件26碰撞接觸而產生的電能就會藉由上述儲電裝置18與熱管16之間的電性連接而傳輸至儲電裝置18，以作為後續充電或電能儲存之用。簡言之，在熱管16傳導發熱元件12所產生之熱能至散熱裝置14以進行熱能排除的過程中，可撓性元件26就會被汽化狀態之液體23所帶動而持續不斷地碰撞壓電元件24，藉以使壓電元件24受力而產生電能，而在碰撞過程中壓電元件24所產生的電能則是會進一步地被儲存於儲電裝置18內，從而達到能量回收再利用的環保功效。除此之外，根據能量不滅定律，由於液體23所吸收之熱能有一部份係經由上述動能轉換為電能之設計而被儲電裝置18回收再利用，因此，散熱裝置14所需排除的熱能即可相對應地減少，進而大大地降低散熱裝置14所需的散熱能力，例如散熱裝置14之風扇轉速可相對應地降低或散熱裝置14之散熱結構尺寸可相對應地縮小等。如此一來，不僅可降低散熱裝置14在排除熱量的過程中所產生的噪音，同時亦可縮減散熱裝置14之所需的散熱結構尺寸。
上述可撓性元件26與壓電元件24之配置設計不限於上述實施例，其亦可根據熱管16之實際製造需求而有所變化。舉例來說，壓電元件24係可改以片狀結構之設計貼附於導電毛細結構層22上，而可撓性元件26則是以一特定角度連接於壓電元件24上。如第4圖所示，其為本發明另一較佳實施例熱管16之內部結構部份示意圖。至於其他相關之配置變化，係可以此類推。根據以上的說明，只要是利用可撓性元件與壓電元件之間的碰撞接觸以將熱管內汽化液體所產生的動能轉換成電能的設計，均屬本發明保護之範疇。除此之外，在散熱模組10中，散熱裝置14係可為一可省略之元件，意即熱管16係可僅利用本身金屬高導熱特性以於第二端P2
上自行排除發熱元件12所產生之熱能，藉以簡化散熱模組10之配置設計。至於採用何種配置，端視散熱模組10實際應用需求而定。
相較於先前技術中僅利用熱管進行排除熱能之工作，本發明所提供之散熱模組係可利用儲存於熱管內之液體在傳導熱能的過程中所具有的動能以及設置於熱管內壁上的可撓性元件與壓電元件之組合配置，以將處於汽化狀態之液體於對流時所具有之動能局部轉換成壓電元件經受力後所產生之電能。如此一來，本發明不僅可使散熱模組具有廢熱回收再利用的環保功效，同時亦因液體所吸收之熱能可部份轉為電能之設計，進而大大地降低散熱裝置在排除熱量的過程中所產生的噪音以及縮減散熱裝置所需的散熱結構尺寸。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10．．．散熱模組
12．．．發熱元件
14．．．散熱裝置
16．．．熱管
18．．．儲電裝置
20．．．導電中空殼體
22．．．導電毛細結構層
23．．．液體
24．．．壓電元件
26．．．可撓性元件
P1
．．．第一端
P2
．．．第二端
第1圖為本發明較佳實施例散熱模組之示意圖。
第2圖為第1圖所示熱管之內部結構部份示意圖。
第3圖為第2圖所示可撓性元件施力於壓電元件上之示意圖。
第4圖為本發明另一較佳實施例熱管之內部結構部份示意圖。
16．．．熱管
20．．．導電中空殼體
22．．．導電毛細結構層
23．．．液體
24．．．壓電元件
26．．．可撓性元件
P1
．．．第一端
P2
．．．第二端
Claims (15)
- 一種可將動能轉換為電能的熱管，其包含有：一導電中空殼體，其具有一第一端以及一第二端，該第一端係連接於一發熱元件，該第二端為一散熱端；一導電毛細結構層，其係形成於該導電中空殼體之內壁上，該導電毛細結構層儲存有一液體，該液體可受該發熱元件加熱至汽化狀態並向該第二端移動；一壓電元件，其係連接於該導電毛細結構層上；以及一可撓性元件，其係設置於該壓電元件之一側，該可撓性元件用來受汽化狀態之該液體帶動而以碰撞的方式對該壓電元件施力，藉以使該壓電元件產生電能；其中該壓電元件所產生之電能係經由該導電毛細結構層傳導至該導電中空殼體，且該導電中空殼體係用來將該發熱元件產生之熱能傳導至該液體，以及將該液體吸收之熱能由該第二端排除。
- 如請求項1所述之熱管，其中該第二端另連接於一散熱裝置，用來排除該液體吸收之熱能。
- 如請求項1所述之熱管，其中該壓電元件以及該可撓性元件係實質上分別垂直連接於該導電毛細結構層上且相距一特定距離。
- 如請求項1所述之熱管，其中該壓電元件係貼附於該導電毛細結 構層上，該可撓性元件係以一特定角度連接於該壓電元件上。
- 如請求項1所述之熱管，其中該導電中空殼體係電連接於一儲電裝置，藉以將該壓電元件所產生之電能傳輸至該儲電裝置。
- 如請求項1所述之熱管，其中該導電中空殼體以及該導電毛細結構層係由銅所組成。
- 如請求項1所述之熱管，其中該壓電元件係由鋯鈦酸鉛材質所組成。
- 如請求項1所述之熱管，其中該液體係為純水。
- 一種可將動能轉換為電能的散熱模組，其包含有：一發熱元件；一熱管，其係設置於該發熱元件以及一散熱裝置之間，該熱管包含有：一導電中空殼體，其具有一第一端以及一第二端，該第一端係連接於該發熱元件，該第二端為一散熱端連接於該散熱裝置；一導電毛細結構層，其係形成於該導電中空殼體之內壁上，該導電毛細結構層儲存有一液體，該液體可受該發熱元件加熱至汽化狀態並向該第二端移動； 一壓電元件，其係連接於該導電毛細結構層上；以及一可撓性元件，其係設置於該壓電元件之一側，該可撓性元件用來受汽化狀態之該液體帶動而以碰撞的方式對該壓電元件施力，藉以使該壓電元件產生電能；以及一儲電裝置，其係電連接於該熱管，該儲電裝置用來儲存該壓電元件所產生之電能；其中該導電中空殼體係用來將該發熱元件產生之熱能傳導至該液體，以及將該液體吸收之熱能傳導至該散熱裝置。
- 如請求項9所述之散熱模組，其中該壓電元件以及該可撓性元件係實質上分別垂直連接於該導電毛細結構層上且相距一特定距離。
- 如請求項9所述之散熱模組，其中該壓電元件係貼附於該導電毛細結構層上，該可撓性元件係以一特定角度連接於該壓電元件上。
- 如請求項9所述之散熱模組，其中該儲電裝置係為一電容裝置或一充電電池。
- 如請求項9所述之散熱模組，其中該導電中空殼體以及該導電毛細結構層係由銅所組成。
- 如請求項9所述之散熱模組，其中該壓電元件係由鋯鈦酸鉛材質所組成。
- 如請求項9所述之散熱模組，其中該液體係為純水。
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