TWI543703B - 同時散熱及發電之快速熱傳裝置 - Google Patents

Description

同時散熱及發電之快速熱傳裝置

本發明係有關於一種同時散熱及發電之快速熱傳裝置，尤指涉及一種改良傳統熱虹吸式熱管與朗肯循環，特別係指不需毛細結構及增壓泵且能同時散熱及發電而應用於需要快速傳熱或廢熱利用之場合之快速導熱裝置。

在日常生活中，有許多設備係需要散熱才能維持正常功能，如個人電腦之中央處理單元或空調設備之冷凝器。另外，工業界也有許多廢熱排放至環境未能妥善利用，如金屬冶鍊爐及工業窯爐。熱管(Heat Pipe)因具有絕佳之熱傳導性能，遠超過鋁、銅、銀及金等金屬，常被用來當作散熱模組；並且，熱管還能組成熱交換器回收工業製程廢熱。

基本上，熱管係一內含工作流體之封閉腔體，藉由腔體內作動流體持續循環之氣液二相變化，及氣與液流體於吸熱端及散熱端間汽往液返之對流，使腔體表面呈現快速均溫之特性而達到傳熱之目的；其作動機制為，液相作動流體於吸熱端蒸發成氣相，此一瞬間在腔體內產生局部高壓，驅使氣相作動流體高速流向散熱端，氣相作動流體於散熱端凝結成液相後，藉由重力、毛細力及離心力等迴流至吸熱端，循環作動。由此可知，熱導管作動時，氣 流係由氣壓壓力差驅動，液流則須依使用時之作動狀態，採用或設計適合之迴流驅動力。熱管之形式可分為毛細多孔回路熱管、環路式熱管及熱虹吸式熱管，雖然該毛細多孔回路熱管及該環路式熱管皆有非常高之理論熱通量，惟其內部需要毛細結構，這不僅會增加製造困難，亦會增加製造成本；而該熱虹吸式熱管如第3圖所示，傳統之熱虹吸式熱管主要係由一蒸發器101、一氣體管路102、一冷凝器103及一液體管路104所組成，藉著該蒸發器101內之液態工作流體吸收熱源熱能達到沸點而汽化，然後因氣液密度差而上升經該氣體管路102流入該冷凝器103內，在該冷凝器103散熱而凝結成液態工作流體，最後藉重力作用經該液體管路104流回該蒸發器101，因而形成循環。熱源可以係太陽熱能、高功率電子元件、內燃機廢熱、工業廢熱、地熱、海洋溫差或核子反應爐等。該熱虹吸式熱管主要係藉著氣液密度差與重力作用，不需要毛細結構及增壓泵即可產生自然循環，將熱源熱能從該蒸發器101轉移至該冷凝器103消散，因此引起學術界與工業界之關注，惟傳統之熱虹吸式熱管只能散熱無法發電。

另一面，傳統之朗肯循環系統常見於燃煤火力發電廠或有機朗肯循環發電設備，如第4圖所示，主要包括一鍋爐201、一高壓氣體管路202、一膨脹渦輪203、一低壓氣體管路204、一冷凝器205、一低壓液體管路206、一增壓泵浦207及一高壓液體管路208。熱源將流經該鍋爐201內之液態工作流體加熱成高壓氣態工作流體，此高壓氣態工作流體經該高壓氣體管路202推動該膨脹渦輪203作功，膨脹作功後之低壓氣態工作流體經該低壓氣體管路204進入該冷凝器205，被冷 卻凝結為液態工作流體，最後經該低壓液體管路206與該增壓泵207增壓後，經過該高壓液體管路208送回該鍋爐201。朗肯循環系統主要係藉著工作流體吸熱與膨脹方能作功發電，且需要該增壓泵207對工作流體增壓方能將工作流體引流回該鍋爐201或蒸發器，因此體積較大且成本增加。

鑑於傳統熱虹吸式熱管只能散熱無法發電，以及傳統朗肯循環系統需要增壓泵對工作流體增壓才能將工作流體引流回蒸發器等缺點，故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時達到不需毛細結構及增壓泵而能同時兼具散熱及發電功能之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種改良傳統熱虹吸式熱管與朗肯循環，使其成為一不需毛細結構及增壓泵而能同時散熱及發電之快速導熱裝置。

本發明之次要目的係在於，提供一種具有可同時散熱及發電之功能，並能使得裝置小型化以大幅減低成本，進而達到節省能源損耗之功效之快速導熱裝置。

為達以上之目的，本發明係一種同時散熱及發電之快速熱傳裝置，係包括一蒸發器、一高壓蒸氣管、一冷凝器、一直流發電機、一散熱鰭片、一集液槽、一液體回流管以及一支撐結構所構成，其中：該蒸發器係盛裝工作流體之高壓容器，具有上、下區域，其上區域係充滿氣態工作流體，下區域則為液態工作流體，並且，該蒸發器上方另設有一充填口及閥門充填該工作流體，下方則與一熱源接觸，用以藉著該熱源經壁厚傳導熱能，使內部下區域中液態 工作流體吸收熱源之熱能沸騰氣化，上區域中氣態工作流體便由該蒸發器上方出口經該高壓蒸氣管送出；該高壓蒸氣管上端出口連接至該冷凝器內部下方之噴嘴，下端入口則連接至該蒸發器之上區域，用以將該蒸發器內高壓之氣態工作流體導引至該冷凝器中；該冷凝器內部上下兩側各裝設一上軸承及一下軸承，且在該上、下軸承之間係固定有一葉輪及一轉軸，該冷凝器經由該噴嘴接受該高壓蒸氣管流入之高壓氣態工作流體，使其衝擊該葉輪轉動，經膨脹及接觸其內壁後，再傳導熱能至該散熱鰭片，於散熱後凝結成為液態工作流體；該直流發電機係裝設於該冷凝器外部上側，接受該葉輪經該轉軸傳輸動力而轉動發電；該散熱鰭片係裝設於該冷凝器外部之散熱機構，將流經該葉輪後接觸該冷凝器內壁低壓之氣態工作流體之熱能，透過該冷凝器壁厚之熱傳導，以空氣對流之方式釋放至外部環境而凝結成為液態；該集液槽係裝設於該冷凝器外部下方，用以收集盛裝凝結後之液態工作流體，其下端並設有一控制該集液槽內積聚之液態工作流體從該液體回流管流入該蒸發器之逆止閥；該液體回流管上端入口連接該集液槽，下端出口則連接至該蒸發器之下區域，用以將該集液槽內之液態工作流體導引至該蒸發器中；以及該支撐結構係用以固定支撐該快速熱傳裝置，使其整體能以直立方式豎立於熱源上方。

於一具體實施例中，上述工作流體係可為水、二氧化碳、氨、冷 媒類、苯類或烷類。

於一具體實施例中，上述充填口及閥門於平時閥門關閉，當作為充填工作流體、抽真空、溫度與壓力量測時，閥門開啟。

於一具體實施例中，上述轉軸係連接該葉輪與該直流發電機，將該葉輪動力傳輸至該直流發電機，並藉著該上軸承與該下軸承垂直固定於該冷凝器。

於一具體實施例中，上述上軸承與下軸承係固定該轉軸並作為該轉軸與該冷凝器之間低摩擦轉動接觸面。

於一具體實施例中，上述噴嘴係位於該高壓蒸氣管出口端，正對該葉輪入口側。

於一具體實施例中，上述逆止閥係設於該集液槽下端與該液體回流管上端入口之間，更包括用以防止該蒸發器下區域內部高壓之液態工作流體從該液體回流管逆流進入該集液槽與該冷凝器。

於一具體實施例中，上述逆止閥內具有彈簧機構，當該集液槽內積聚之液態工作流體重量足以克服彈簧力量時便開啟閥門，使液態工作流體從該液體回流管流回該蒸發器。

於一具體實施例中，上述散熱鰭片亦可更換為散熱盤管，環繞於該冷凝器內壁，並在該散熱盤管之入口處通以冷水，當該散熱盤管接觸流經葉輪低壓氣態工作流體，冷水便吸收氣態工作流體之熱能，不僅能使氣態工作流體凝結成為液態而積聚於該集液槽內，並能使冷水加熱成為熱水流出該散熱盤管，俾以達到廢熱二次利用之目的。

於一具體實施例中，上述蒸發器係能承受內部液態工作流體及氣態工作流體受熱膨脹壓力之高壓容器。

於一具體實施例中，上述熱源係可為太陽熱能、高功率電子元件 、內燃機廢熱、工業廢熱、地熱、海洋溫差或核子反應爐。

(本發明部分)

301‧‧‧蒸發器

301a‧‧‧下區域

301b‧‧‧上區域

302‧‧‧工作流體

302a‧‧‧液態工作流體

302b‧‧‧氣態工作流體

303‧‧‧充填口及閥門

304‧‧‧高壓蒸氣管

305‧‧‧噴嘴

306‧‧‧冷凝器

307‧‧‧葉輪

308‧‧‧轉軸

309a‧‧‧上軸承

309b‧‧‧下軸承

310‧‧‧直流發電機

311‧‧‧散熱鰭片

312‧‧‧集液槽

313‧‧‧逆止閥

314‧‧‧液體回流管

315‧‧‧支撐結構

316‧‧‧散熱盤管

(習用部分)

101‧‧‧蒸發器

102‧‧‧氣體管路

103‧‧‧冷凝器

104‧‧‧液體管路

201‧‧‧鍋爐

202‧‧‧高壓氣體管路

203‧‧‧膨脹渦輪

204‧‧‧低壓氣體管路

205‧‧‧冷凝器

206‧‧‧低壓液體管路

207‧‧‧增壓泵浦

208‧‧‧高壓液體管路

第1圖，係本發明之整體架構示意圖。

第2圖，係本發明散熱機構之另一較佳實施示意圖。

第3圖，係傳統之熱虹吸式熱管結構示意圖。

第4圖，係傳統之朗肯循環系統結構示意圖。

請參閱『第1圖及第2圖』所示，係分別為本發明之整體架構示意圖、及本發明散熱機構之另一較佳實施示意圖。如圖所示：本發明係一種同時散熱及發電之快速熱傳裝置，主要包括一蒸發器301、一液態工作流體302a、一氣態工作流體302b、一充填口及閥門303、一高壓蒸氣管304、一噴嘴305、一冷凝器306、一葉輪307、一轉軸308、一上軸承309a、一下軸承309b、一直流發電機310、一散熱鰭片311或一散熱盤管316、一集液槽312、一逆止閥313、一液體回流管314及一支撐結構315所構成。

上述所提之蒸發器301係盛裝工作流體302之高壓容器，具有上、下區域301b、301a，其中上區域301b係充滿氣態工作流體302b，下區域301a則為液態工作流體302a，形成可承受內部液態工作流體302a及氣態工作流體302b受熱膨脹壓力之高壓容器，並且，該蒸發器301上方另設有該充填口及閥門303充填該工作流體302，下方則與一熱源接觸，用以藉著該熱源經壁厚傳導熱能，使內部下區域301a中液態工作流體302a吸收熱源之熱能沸騰氣化，上區域 301b中氣態工作流體302b便由該蒸發器301上方出口經該高壓蒸氣管304送出。

上述所提之高壓蒸氣管304上端出口係連接至該冷凝器306內部下方之噴嘴305，下端入口則連接至該蒸發器301之上區域301b，用以將該蒸發器301內高壓之氣態工作流體導引至該冷凝器306中。

上述所提之冷凝器306內部上下兩側各裝設該上軸承309a及該下軸承309b，且在該上、下軸承309a、309b之間係固定有該葉輪307及該轉軸308，該冷凝器306經由該噴嘴305接受該高壓蒸氣管304流入之高壓氣態工作流體302b，使其衝擊該葉輪307轉動，經膨脹及接觸其內壁後，再傳導熱能至該散熱鰭片311，於散熱後凝結成為液態工作流體302a。其中，該噴嘴305係位於該高壓蒸氣管304出口端，正對該葉輪307入口側，且該轉軸308係連接該葉輪307與該直流發電機310，將該葉輪307動力傳輸至該直流發電機310，並藉著該上軸承309a與該下軸承309b垂直固定於該冷凝器306，且透過該上軸承309a與該下軸承309b作為該轉軸308與該冷凝器306之間低摩擦轉動接觸面。

上述所提之直流發電機310係裝設於該冷凝器306外部上側，接受該葉輪307經該轉軸308傳輸動力而轉動發電。

上述所提之散熱鰭片311係裝設於該冷凝器306外部，將流經該葉輪後接觸該冷凝器306內壁低壓之氣態工作流體302 b之熱能，透過該冷凝器306壁厚之熱傳導，以空氣對流之方式釋放至外部環境，而使氣態工作流體302b凝結成為液態工作流體302a。並且，該散熱鰭片311係一散熱機構，可以更換為散熱盤管316，環繞於該冷凝器306內壁，如第2圖所示，並在該散熱盤管316之入口處通以冷水，當該散熱盤管316接觸流經該葉輪307低壓氣態工作流體302b，冷水便吸收氣態工作流體302b之熱能，不僅能使其氣態工作流體302b凝結成為液態工作流體302a而積聚於該集液槽312內，並能使冷水加熱成為熱水流出該散熱盤管316，俾以達到廢熱二次利用之目的。

上述所提之集液槽312係裝設於該冷凝器306外部下方，係該冷凝器306最低之處，用以收集盛裝凝結後之液態工作流體302a，其下端與該液體回流管314上端入口之間並設有該逆止閥313，係防止該蒸發器301下區域301a內部高壓之液態工作流體從該液體回流管314逆流進入該集液槽312與該冷凝器306。並且，該逆止閥313內具有彈簧機構，當該集液槽312內積聚之液態工作流體302a重量足以克服彈簧力量時便開啟閥門，使該液態工作流體302a從該液體回流管314流入該蒸發器301。

上述所提之液體回流管314上端入口連接該集液槽312，下端出口則連接至該蒸發器301之下區域301a，用以將該集液槽312內之液態工作流體302a導引至該蒸發器301中。

上述所提之支撐結構315係用以固定支撐該快速熱傳裝置，使 其整體能以直立方式豎立於熱源上方。

其中，該工作流體302可為水、二氧化碳、氨、冷媒類、苯類或烷類等，係以液態或氣態方式充滿於容器與管線內部，在系統內部藉著氣相與液相密度差與重力作用循環流動，同時也藉著氣液兩相變化執行吸熱、膨脹作功與散熱等功能；該充填口及閥門303於平時閥門關閉，當作為充填工作流體302、抽真空、溫度與壓力量測等用途時，閥門開啟。

以上所述，係構成一全新之不需毛細結構及增壓泵而能同時散熱及發電之快速熱傳裝置。

當運用時，蒸發器301係經由上方設置之充填口及閥門303充填工作流體302而盛裝有液態工作流體302a及氣態工作流體302b之高壓容器，其下方並與熱源接觸，其中該熱源可為太陽熱能、高功率電子元件、內燃機廢熱、工業廢熱、地熱、海洋溫差或核子反應爐。首先，該蒸發器301吸收熱源之熱能使內部液態工作流體302a沸騰氣化，因氣態工作流體302b受熱膨脹之壓力，以及氣相與液相密度差，該氣態工作流體302b便由高壓蒸氣管304流入冷凝器306。該高壓蒸氣管304內之氣態工作流體302b由該冷凝器306內部之噴嘴305出口，出口之氣態工作流體302b衝擊葉輪307轉動，轉動之葉輪307經由轉軸308驅動直流發電機310轉動發電。該轉軸308藉著上軸承309a與下軸承309b垂直固定於該冷凝器306。衝擊該葉輪307後之氣態工作流體302b膨脹及接觸該冷凝器306內壁，再傳導熱能經該冷凝器306壁厚至散熱鰭片311，然後因空氣對流散熱凝結成為液 態工作流體302a，積聚於集液槽312內。另外，該散熱鰭片311亦可更換為環繞於該冷凝器306內壁之散熱盤管316，可將流經該葉輪307低壓氣態工作流體302b冷卻凝結成為液態工作流體302a，而積聚於該集液槽312內。

當上述集液槽312內積聚之液態工作流體302a重量足夠時，便推開逆止閥313，從液體回流管314流入該蒸發器。該液體回流管314內液態工作流體302a之流向，因該逆止閥313之作用，只能由該冷凝器306流向該蒸發器301，而不能反向流動。該液體回流管314內液態工作流體302a之出口處位於該蒸發器301內部液態工作流體302a表面下方。整體散熱與發電裝置係由支撐結構315固定支撐，以直立方式豎立於熱源上方；然後不斷地重複沸騰氣化與散熱冷凝過程，形成一閉迴路循環。

藉此，本發明能同時散熱及發電之快速熱傳裝置，係可應用於需要快速傳熱或廢熱利用之場合。藉著液態工作流體在蒸發器內吸收熱源之熱能沸騰氣化成為過熱蒸汽，然後因為氣液密度差而上升進入冷凝器內，先推動葉輪轉動驅動發電機，再冷凝成為液態流體，積聚於集液槽內，最後利用液體自重流回蒸發器，接著不斷快速地重複蒸發與冷凝過程，形成一閉迴路循環；相較於傳統只能散熱無法發電，或需要增設增壓泵對工作流體增壓才能將工作流體引流回蒸發器之技術，本發明之裝置係具有可同時散熱及發電之功能，並能使得裝置小型化及大幅減低成本，進而達到節省能源損耗之功效。

綜上所述，本發明係一種同時散熱及發電之快速熱傳裝置，可有 效改善習用之種種缺點，可應用於需要快速傳熱或廢熱利用之場合，具有可同時散熱及發電之功能，並能使得裝置小型化及大幅減低成本，以達到節省能源損耗之功效，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

301‧‧‧蒸發器

301a‧‧‧下區域

301b‧‧‧上區域

302‧‧‧工作流體

302a‧‧‧液態工作流體

302b‧‧‧氣態工作流體

303‧‧‧充填口及閥門

304‧‧‧高壓蒸氣管

305‧‧‧噴嘴

306‧‧‧冷凝器

307‧‧‧葉輪

308‧‧‧轉軸

309a‧‧‧上軸承

309b‧‧‧下軸承

310‧‧‧直流發電機

311‧‧‧散熱鰭片

312‧‧‧集液槽

313‧‧‧逆止閥

314‧‧‧液體回流管

315‧‧‧支撐結構

Claims (9)

1. 一種同時散熱及發電之快速熱傳裝置，係包括一蒸發器、一高壓蒸氣管、一冷凝器、一直流發電機、一散熱盤管、一集液槽、一液體回流管以及一支撐結構所構成，其中：該蒸發器係盛裝工作流體之高壓容器，具有上、下區域，其上區域係充滿氣態工作流體，下區域則為液態工作流體，並且，該蒸發器上方另設有一充填口及閥門充填該工作流體，下方則與一熱源接觸，用以藉著該熱源經壁厚傳導熱能，使內部下區域中液態工作流體吸收熱源之熱能沸騰氣化，上區域中氣態工作流體便由該蒸發器上方出口經該高壓蒸氣管送出；該高壓蒸氣管上端出口連接至該冷凝器內部下方之噴嘴，下端入口則連接至該蒸發器之上區域，用以將該蒸發器內高壓之氣態工作流體導引至該冷凝器中；該冷凝器內部上下兩側各裝設一上軸承及一下軸承，且在該上、下軸承之間係固定有一葉輪及一轉軸，該冷凝器經由該噴嘴接受該高壓蒸氣管流入之高壓氣態工作流體，使其衝擊該葉輪轉動，經膨脹及接觸其內壁後，再傳導熱能至該散熱盤管，於散熱後凝結成為液態工作流體；該直流發電機係裝設於該冷凝器外部上側，接受該葉輪經該轉軸傳輸動力而轉動發電；該散熱盤管係環繞於該冷凝器內壁之散熱機構，並在該散熱盤管之入口處通以冷水，當該散熱盤管接觸流經該葉輪低壓氣態工作 流體時，以冷水吸收氣態工作流體之熱能使氣態工作流體凝結成為液態工作流體，並使冷水加熱成為熱水流出該散熱盤管，俾以達到廢熱二次利用之目的；該集液槽係裝設於該冷凝器外部下方，用以收集盛裝凝結後之液態工作流體，其下端並設有一控制該集液槽內積聚之液態工作流體從該液體回流管流入該蒸發器之逆止閥，其中該逆止閥內具有彈簧機構，當該集液槽內積聚之液態工作流體重量足以克服彈簧力量時便開啟閥門，使液態工作流體從該液體回流管流回該蒸發器；該液體回流管上端入口連接該集液槽，下端出口則連接至該蒸發器之下區域，用以將該集液槽內之液態工作流體導引至該蒸發器中；以及該支撐結構係用以固定支撐該快速熱傳裝置，使其整體能以直立方式豎立於熱源上方。
2. 依申請專利範圍第1項所述之同時散熱及發電之快速熱傳裝置，其中，該工作流體係可為水、二氧化碳、氨、冷媒類、苯類或烷類。
3. 依申請專利範圍第1項所述之同時散熱及發電之快速熱傳裝置，其中，該充填口及閥門於平時閥門關閉，當作為充填工作流體、抽真空、溫度與壓力量測時，閥門開啟。
4. 依申請專利範圍第1項所述之同時散熱及發電之快速熱傳裝置，其中，該轉軸係連接該葉輪與該直流發電機，將該葉輪動力傳輸至該直流發電機，並藉著該上軸承與該下軸承垂直固定於該冷凝器。
5. 依申請專利範圍第1項所述之同時散熱及發電之快速熱傳裝置， 其中，該上軸承與該下軸承係固定該轉軸並作為該轉軸與該冷凝器之間低摩擦轉動接觸面。
6. 依申請專利範圍第1項所述之同時散熱及發電之快速熱傳裝置，其中，該噴嘴係位於該高壓蒸氣管出口端，正對該葉輪入口側。
7. 依申請專利範圍第1項所述之同時散熱及發電之快速熱傳裝置，其中，該逆止閥係設於該集液槽下端與該液體回流管上端入口之間，更包括用以防止該蒸發器下區域內部高壓之液態工作流體從該液體回流管逆流進入該集液槽與該冷凝器。
8. 依申請專利範圍第1項所述之同時散熱及發電之快速熱傳裝置，其中，該蒸發器係能承受內部液態工作流體及氣態工作流體受熱膨脹壓力之高壓容器。
9. 依申請專利範圍第1項所述之同時散熱及發電之快速熱傳裝置，其中，該熱源係可為太陽熱能、高功率電子元件、內燃機廢熱、工業廢熱、地熱、海洋溫差或核子反應爐。