TWI566500B - 利用熱電轉換效應的充放電裝置 - Google Patents

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Description

利用熱電轉換效應的充放電裝置
本發明係有關於一種充放電裝置，特別是關於一種利用熱電轉換效應的充放電裝置。
現有之穿戴式裝置多以一外接式接頭(如:mirco USB)透過一連接線連接一外部電源供應器進行充電。然而，若該穿戴式裝置需符合防水防塵需求時，穿戴式裝置外接式接頭所在位置需要增加額外的防水防塵設計，如此會增加設計困難度及製造成本。且對使用者而言，需隨身攜帶一條連接線以連接外部電源供應器進行充電，並不方便。因此另外發展出一種以磁感應、磁共振、太陽能、機械能進行能量轉換的無接頭充電方式。然而，利用磁感應及磁共振的充電方式需配合對應充電板設置才能進行充電。而太陽能及機械能的充電方式則須依賴使用者的操作環境是否具有足夠光源或使用者的活動量。
因此，上述之充電方法均不是最有效的方法。即需一種能解決上述問題的充放電裝置。
本發明內容之一技術態樣是在提供一種利用熱電轉換效應的充放電裝置，至少包含一熱電轉換模組、一電流路徑提供單元以及一充/放電元件。熱電轉換模組，設置於一穿戴式裝置的一上蓋和一下蓋間，用以根據上蓋和下蓋間之一溫度差產生一電流。電流路徑提供單元，耦接此熱電轉換模組，用以提供一第一電流路徑和一第二電流路徑。充/放電元件，耦接此電流路徑提供單元。其中當此下蓋溫度高於此上蓋溫度時，此電流經由此第一電流路徑對此充/放電元件進行充電，以及當此上蓋溫度高於此下蓋溫度時，此電流經由此第二電流路徑對此充/放電元件進行充電。
在一實施例中，此充放電裝置，更包括：一第三電流路徑，此充/放電元件透過此第三電流路徑提供一第一電流給此熱電轉換模組，以升溫此上蓋溫度以及降溫此下蓋溫度，其中此第一電流係以一第一電流方向流經此熱電轉換模組。
在一實施例中，此充放電裝置，更包括一第四電流路徑，此充/放電元件透過此第四電流路徑提供一第二電流給此熱電轉換模組，以升溫此下蓋溫度以及降溫此上蓋溫度，其中此第二電流係以一第二電流方向流經此熱電轉換模組，此第一電流方向和此第二電流方向相反。
在一實施例中，充放電裝置，更包括：一開關設置於此熱電轉換模組和此電流路徑提供單元、此第三電流路徑以及此第四電流路徑間，用以切換選擇此電流路徑提供單元、此第三電流路徑和此第四電流路徑其中之一耦接此熱電轉換模組。
在一實施例中，充放電裝置，更包括：一電壓調節單元設置於此充/放電元件和此電流路徑提供單元、此第三電流路徑以及此第四電流路徑間。
在一實施例中，充放電裝置，更包括：一脈衝產生器設置於此充/放電元件和此電流路徑提供單元、此第三電流路徑以及此第四電流路徑間，用以將此充/放電元件輸出的電流轉換成脈衝信號輸出給此第三電流路徑或此第四電流路徑，以及將此電流路徑提供單元輸出的電流轉換成脈衝信號輸出給此充/放電元件。
在一實施例中，熱電轉換模組更包括：複數個P型熱電材料和複數個N型熱電材料，其中此些個P型熱電材料以及此些個N型熱電材料以P-N對方式串連連結形成此熱電轉換模組。
在一實施例中，使用鉍碲化合物或銻碲化合物形成此些個P型熱電材料以及此些個N型熱電材料。
在一實施例中，一第一溫度感測器和一第二溫度感測器分別設置於此上蓋上和此下蓋上，以分別檢測此上蓋的溫度和此下蓋的溫度。
在一實施例中，充放電裝置，更包括一第一絕緣材料將此上蓋分成一第一上蓋部分和一第二上蓋部分，以及一第二絕緣材料將此下蓋分成一第一下蓋部分和一第二下蓋部分，此熱電轉換模組，設置於此第一上蓋部分和此第一下蓋部分間，以及一第三溫度感測器和一第四溫度感測器分別設置於此第二上蓋部分和此第二下蓋部分。
綜上所述，本發明充放電裝置係配合一電流路徑提供單元所提供之不同電流路徑，使得不論是體表溫度高於外界環境溫度，或是外界環境溫度高於體表溫度，均可對充/放電元件進行充電，故可達到充分利用溫差效益之目的。
以下將以實施方式對上述之說明作詳細的描述，並對本發明之技術方案提供更進一步的解釋。
為了使本發明內容之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。
其中圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本發明造成不必要的限制。
本發明充放電裝置的熱電轉換模組係利用穿戴者的體表溫度和外界環境之溫差進行熱電轉換來對穿戴式裝置內之充/放電元件進行充電。同時配合一電流路徑提供單元所提供之不同電流路徑，使得不論是體表溫度高於外界環境溫度，或是外界環境溫度高於體表溫度，均可對充/放電元件進行充電，故可達到充分利用溫差效益之目的。由於本發明係利用熱電轉換方式來進行充電，因此在穿戴式裝置上將不需額外設置外接式接頭，可大幅降低設計困難度及製造成本。
第1圖所示為根據本發明一較佳實施例之充放電裝置概略圖。第2A圖和第2B圖所示一穿戴式裝置概略圖，其可應用本發明充放電裝置進行充電以及調節溫度。其中本發明充放電裝置100包括有一熱電轉換模組110、一電流路徑提供單元120以及一充/放電元件130。充/放電元件130為一可以進行重複充放電過程的電池或電容。
熱電轉換模組110可將熱與電兩種不同型態的能量互相進行轉換，在一實施例中，此熱電轉換模組110可設置在如第2A圖和第2B圖所示穿戴式裝置200的上蓋210與下蓋220間，下蓋220貼近穿戴者皮膚的體表溫度，而上蓋210貼近環境溫度，熱電轉換模組110則利用體表溫度和環境溫度之溫差進行熱能與電能之轉換。其中熱電轉換模組110包括多個P型熱電材料111和N型熱電材料112以P-N對方式串連連結形成。在一實施例中，可使用鉍碲化合物或銻碲化合物形成此P型熱電材料111和N型熱電材料112。其中，每一P-N對中的P型熱電材料111和N型熱電材料112一端通過一導流片113進行連接。而每一P-N對中的P型熱電材料111和N型熱電材料112的另一端則分別連接兩導流片113，來與相鄰之另兩P-N對連接形成串連結構。其中導流片113主要進行導電、導熱作用，在一實施例中，可選用導電和導熱性能良好的銅質導流片。在導流片113和上蓋210間，以及導流片113和下蓋220間更具有一電絕緣的熱耦合層114，在一實施例中，可選擇電絕緣性能良好同時傳熱能力強的材料，如氧化鈹陶瓷。此外，在上蓋210和下蓋220之 P型熱電材料111之側邊更分別設置有一第一溫度感測器115和一第二溫度感測器116，用以分別感測環境溫度和體表溫度。
當進行熱能轉換電能時，以P型熱電材料111為例，在有溫差的狀態下，熱端的多數載子(電洞)有較大的機率由熱端往冷端移動，因此整體表現如同電流由熱端流向冷端。同樣，N型熱電材料112上的多數載子(電子)也是一樣的狀況，熱端的多數載子(電子)有較大的機率由熱端往冷端移動，因此整體表現如同電流由冷端流向熱端。而當這一對P型熱電材料111及N型熱電材料112以導流片113彼此串接後，在有溫差的狀態下整體迴路將形成電流。因此，當下蓋220溫度高於上蓋210溫度時，由於P型熱電材料111中之電流由熱端(下蓋220)流向冷端(上蓋210)，而N型熱電材料112上的電流由冷端(上蓋210)流向熱端(下蓋220)，因此電流將依路徑161方向流動。反之，當上蓋210溫度高於下蓋220溫度時，由於P型熱電材料111中之電流由熱端(上蓋210)流向冷端(下蓋220)，而N型熱電材料112上的電流由冷端(下蓋220)流向熱端(上蓋210)，因此電流將依路徑162方向流動。由於在使用時，上蓋210的溫度可能高於或低於下蓋220的溫度，□讓此兩種狀況所產生的電流均可對充/放電元件130進行充電，因此，本發明更包括一電流路徑提供單元120，讓延路徑161方向流動的電流，經由電流路徑提供單元120所提供之第一電流路徑對充/放電元件130進行充電。另一方面，則讓延路徑162方向流動的電流，經由電流路徑提供單元120所提供之第二電流路徑對充/放電元件130進行充電。在一實施例中，電流路徑提供單元120為一由四個二極體組成的橋式整流器，當熱電轉換模組110產生延路徑161方向流動的電流時，此時電流經由二極體121, 123所形成的第一電流路徑對充/放電元件130進行充電，並由二極體122, 124避免電流回流。而當熱電轉換模組110產生延路徑162方向流動的電流時，此時電流經由二極體122, 123所形成的第二電流路徑對充/放電元件130進行充電，並由二極體121, 124避免電流回流。藉此達成只要上蓋210和下蓋220間具有溫度差，即可對充/放電元件130進行充電。而在另一實施例中，□達成穩定充電之目的，本發明更可在充電路徑中設置一電壓調節器140，來調控對充/放電元件130進行充電時充電電壓。
此外，由於熱電轉換模組110亦可將電能轉換成熱能，因此本發明可藉由控制充/放電元件130放電電流流經熱電轉換模組110之方向，來控制上蓋210和下蓋220之溫度。第3圖所示為根據本發明另一較佳實施例之充放電裝置概略圖，和前一實施例之主要差異在於增加第一開關151和第二開關152，來選擇是由熱電轉換模組110透過電流路徑提供單元120對充/放電元件130進行充電，或是由充/放電元件130透過第三電流路徑，或是第四電流路徑來對熱電轉換模組110提供電流，以控制上蓋210和下蓋220之溫度。
在一實施例中，當充/放電元件130對熱電轉換模組110通入一直流電時，電流經過P型熱電材料111時，其內的多數載子(電洞)移動的方向是與電流同向，而當電流經過N型熱電材料112時，其內的多數載子(電子)移動的方向是與電流反向。當控制第一開關151和第二開關152耦接接點0時，和第1圖所示之充電結構相同，此時由熱電轉換模組110透過電流路徑提供單元120對充/放電元件130進行充電。而當控制第一開關151和第二開關152耦接接點1時，此時充/放電元件130經第三電流路徑163對熱電轉換模組110通入一直流電，此時因P型熱電材料111內的多數載子(電洞)移動方向是與電流同向，因此帶有能量的載子(電洞)是累積在上蓋210。而N型熱電材料112內的多數載子(電子)移動方向是與電流反向，因此帶有能量的載子(電子)亦是累積在上蓋210。由於帶有能量的載子均是累積在上蓋210，致使上蓋210溫度升高，而帶有能量的載子均遠離下蓋220，致使下蓋220的溫度降低。反之，當控制第一開關151和第二開關152耦接接點2時，此時充/放電元件130經第四電流路徑164對熱電轉換模組110通入一直流電，此時因P型熱電材料111內的多數載子(電洞)移動方向是與電流同向，因此帶有能量的載子(電洞)是累積在下蓋220。而N型熱電材料112內的多數載子(電子)移動方向是與電流反向，因此帶有能量的載子(電子)亦是累積在下蓋220。由於帶有能量的載子均是累積在下蓋220，致使下蓋220溫度升高。而帶有能量的載子均遠離上蓋210，致使上蓋210的溫度降低。
第4圖所示為根據本發明另一較佳實施例之充放電裝置概略圖，和前一實施例之主要差異在於，可利用絕緣材料165將上蓋210分成至少兩個區域，第一上蓋部分211和第二上蓋部分212。以及利用絕緣材料166將下蓋220分成至少兩個區域，第一下蓋部分221和第二下蓋部分222。第一上蓋部分211和第二上蓋部分212之外表面有一斷差，第一下蓋部分221和第二下蓋部分222之外表面亦有一斷差。在本實施例中，除了在第一上蓋部分211和第一下蓋部分221的P型熱電材料111之側邊分別設置有一第一溫度感測器115和第二溫度感測器116外，更在第二上蓋部分212和第二下蓋部分222分別設置一第三溫度感測器117和第四溫度感測器118。藉此絕緣材料165將和絕緣材料166之設置，可在第一上蓋部分211和第一下蓋部分221貼覆於熱源或冷源時，仍可透過第二上蓋部分212和第二下蓋部分222的第三溫度感測器117和第四溫度感測器118，正確判讀周圍之環境溫度和體表溫度。而在另一實施例中，第三溫度感測器117和第四溫度感測器118，亦可改置於側蓋，如第2A圖和第2B圖所示穿戴式裝置的表帶處。
第5圖所示為根據本發明另一較佳實施例之充放電裝置概略圖，和前一實施例之主要差異在於，在電路中增加一脈衝產生器141。當充/放電元件130為鎳鎘或鎳氫電池時，由於鎳鎘或鎳氫電池具有記憶效應會減損電池之壽命，因此□了增加充/放電元件130的壽命，會於電路中增加一脈衝產生器141，讓熱電轉換模組110輸出之電流經由此脈衝產生器141轉換成為脈衝電流來對充/放電元件130進行充電，以消除電池之記憶效應而增加電池壽命。此外，充/放電元件130輸出的電流亦可透過脈衝產生器141以脈衝方式對上蓋210和下蓋220進行加熱或冷卻達到人體感受的舒適度，並節省電源消耗。
綜上所述，本發明充放電裝置係藉由熱電轉換方式來產生一電流對穿戴式裝置內之充/放電元件進行充電，因此不需在穿戴式裝置上額外設置外接式接頭。此外，更配合一電流路徑提供單元所提供之不同電流路徑，使得不論是體表溫度高於外界環境溫度，或是外界環境溫度高於體表溫度，均可對充/放電元件進行充電，故可達到充分利用溫差效益之目的。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，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‧‧‧充放電裝置
110‧‧‧熱電轉換模組
111‧‧‧P型熱電材料
112‧‧‧N型熱電材料
113‧‧‧導流片
114‧‧‧熱耦合層
115‧‧‧第一溫度感測器
116‧‧‧第二溫度感測器
117‧‧‧第三溫度感測器
118‧‧‧第四溫度感測器
120‧‧‧電流路徑提供單元
121,122,123,124‧‧‧二極體
130‧‧‧充/放電元件
140‧‧‧電壓調節器
141‧‧‧脈衝產生器
151‧‧‧開關
161,162‧‧‧路徑
163‧‧‧第三電流路徑
164‧‧‧第四電流路徑
165,166‧‧‧絕緣材料
200‧‧‧穿戴式裝置
210‧‧‧上蓋
211‧‧‧第一上蓋部分
212‧‧‧第二上蓋部分
220‧‧‧下蓋
221‧‧‧第一下蓋部分
222‧‧‧第二下蓋部分
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖所示為根據本發明一較佳實施例之充放電裝置概略圖。 第2A圖和第2B圖所示一穿戴式裝置概略圖，其可應用本發明充放電裝置進行充電以及調節溫度。 第3圖所示為根據本發明另一較佳實施例之充放電裝置概略圖。 第4圖所示為根據本發明另一較佳實施例之充放電裝置概略圖。 第5圖所示為根據本發明另一較佳實施例之充放電裝置概略圖。
100‧‧‧充放電裝置
110‧‧‧熱電轉換模組
111‧‧‧P型熱電材料
112‧‧‧N型熱電材料
113‧‧‧導流片
114‧‧‧熱耦合層
115‧‧‧第一溫度感測器
116‧‧‧第二溫度感測器
120‧‧‧電流路徑提供單元
121,122,123,124‧‧‧二極體
130‧‧‧充/放電元件
140‧‧‧電壓調節器
161,162‧‧‧路徑
210‧‧‧上蓋
220‧‧‧下蓋

Claims (7)

  1. 一種利用熱電轉換效應的充放電裝置，至少包含：一熱電轉換模組，設置於一穿戴式裝置的一上蓋和一下蓋間，用以根據該上蓋和該下蓋間之一溫度差產生一電流；一電流路徑提供單元，耦接該熱電轉換模組，用以提供一第一電流路徑和一第二電流路徑；一充/放電元件，耦接該電流路徑提供單元，其中當該下蓋溫度高於該上蓋溫度時，該電流經由該第一電流路徑對該充/放電元件進行充電，以及當該上蓋溫度高於該下蓋溫度時，該電流經由該第二電流路徑對該充/放電元件進行充電；一第三電流路徑，其中該充/放電元件透過該第三電流路徑提供一第一電流給該熱電轉換模組，以升溫該上蓋溫度以及降溫該下蓋溫度，其中該第一電流係以一第一電流方向流經該熱電轉換模組；一第四電流路徑，其中該充/放電元件透過該第四電流路徑提供一第二電流給該熱電轉換模組，以升溫該下蓋溫度以及降溫該上蓋溫度，其中該第二電流係以一第二電流方向流經該熱電轉換模組，該第一電流方向和該第二電流方向相反；以及一開關設置於該熱電轉換模組和該電流路徑提供單元、該第三電流路徑以及該第四電流路徑間，用以切換選擇該電流路徑提供單元、該第三電流路徑和該第四電流路徑其中之一耦接該熱電轉換模組。
  2. 如請求項1所述之充放電裝置，更包括：一電壓調節單元設置於該充/放電元件和該電流路徑提供單元、該第三電流路徑以及該第四電流路徑間。
  3. 如請求項1所述之充放電裝置，更包括：一脈衝產生器設置於該充/放電元件和該電流路徑提供單元、該第三電流路徑以及該第四電流路徑間，用以將該充/放電元件輸出的電流轉換成脈衝信號輸出給該第三電流路徑或該第四電流路徑，以及將該電流路徑提供單元輸出的電流轉換成脈衝信號輸出給該充/放電元件。
  4. 如請求項1所述之充放電裝置，其中該熱電轉換模組更包括：複數個P型熱電材料和複數個N型熱電材料，其中該些個P型熱電材料以及該些個N型熱電材料以P-N對方式串連連結形成該熱電轉換模組。
  5. 如請求項4所述之充放電裝置，其中使用鉍碲化合物或銻碲化合物形成該些個P型熱電材料以及該些個N型熱電材料。
  6. 如請求項1所述之充放電裝置，更包括一第一溫度感測器和一第二溫度感測器分別設置於該上蓋上和該下蓋上，以分別檢測該上蓋的溫度和該下蓋的溫度。
  7. 如請求項1所述之充放電裝置，更包括一第一絕緣材料將該上蓋分成一第一上蓋部分和一第二上蓋部分，以及一第二絕緣材料將該下蓋分成一第一下蓋部分和一第二下蓋部分，其中該熱電轉換模組，設置於該第一上蓋部分和該第一下蓋部分間，以及一第三溫度感測器和一第四溫度感測器分別設置於該第二上蓋部分和該第二下蓋部分。
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