TWI578597B - Thermoelectric components - Google Patents

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Description

熱電元件
本創作係有關一種熱電元件，特別是指一種相對具有較佳熱傳導效能，以及相對較具適用性的熱電元件。
熱電元件因為能夠在足夠的溫差下產生電動勢，透過將熱能與電能交互轉換的方式以熱生電，因此尤適合將此技術導入工業廢熱與汽車廢熱回收之應用，達到二氧化碳之排放減量；當然，熱電元件經由通電產生將熱流由冷端帶至熱端之逆反應時，即可產生所謂的熱電致冷效果，為散熱、小型冷凍器之用途。
隨著熱電材料之特性與熱電模組發電性能之提升，在現實生活中已可見到許多使用熱電元件的設備；例如：露營用的手提冷卻器、露營用的小型發電柴爐、汽車內的行動冰箱、電腦的CPU散熱器，甚至廢熱回收系統等。
目前普遍習用的熱電元件，多係將多組P-N熱電對規則排列，置於兩片氧化鋁陶瓷基板之間，利用銲料將Cu金屬電極與P-N熱電對連結，使其構成預期的電性串聯效果；然而，類似習用熱電元件多係以薄板、片狀之型體呈現，僅能由單一平面與熱源接觸，且在與熱源之接觸型態上亦受到較多的限制，以致於普遍存在熱傳導效能不足，以及適用性不足等缺點。
有鑒於此，本發明即在提供一種相對具有較佳熱傳導效能，以及相對較具適用性的熱電元件，為其主要目的者。
為了達到上述目的，本發明之熱電元件，基本上包括有：一殼管電極、一芯桿電極，以及至少一塞件；其中：該殼管電極，係由導電材料加工成為具有預先設定容積空間的殼管狀形體，且於其中一端形成一供裝填電解液的填充口；該芯桿電極，係由導電材料加工成為供對應伸入該殼管電極內部的桿狀形體；該至少一塞件，係以構成該殼管電極與該芯桿電極絕緣以及將該殼管電極之填充口封閉的型態設於該殼管電極與該芯桿電極之間；以及；該熱電元件，且於該殼管電極內封存有同時與該殼管電極及該芯桿電極接觸的電解液。
利用上述結構特徵，本發明之熱電元件，可在殼管電極、芯桿電極與電解液之間產生電化學反應，使當殼管電極與芯桿電極之間形成溫度差異時，可透過電解質之氧化還原反應將熱能直接轉化為電能，進而讓殼管電極及芯桿電極產生電動勢，除可作為散熱用途之外，更具備可額外輸出電能之特性；尤其，整體熱電元件係可利用殼管電極與芯桿電極之間的結構設計，提供較多的熱源接觸面積，甚至可採取直接浸入熱源的方式使用，相對具有較佳熱傳導效能，以及相對較具適用性。
依據上述技術特徵，所述該熱電元件，係進一步於該芯桿電極相對伸出該殼管電極外部之區段處，套設有一由導電材料加工製成的電極帽。
依據上述技術特徵，所述該熱電元件，係進一步於該芯桿電極相對伸出該殼管電極外部之區段處，套設有一由絕緣材料加工製成的絕緣套，該絕緣套且設有一供該芯桿電極之端面露出的電極接孔。
依據上述技術特徵，所述該熱電元件，係進一步於該芯桿電極對應伸入該殼管電極內部之區段處，套設至少一由絕緣材料加工製成的支撐墊圈。
依據上述技術特徵，所述該熱電元件，係進一步於該芯桿電極相對伸出該殼管電極外部之區段處，套設有一由導電材料加工製成的電極帽；以及，於該芯桿電極對應伸入該殼管電極內部之區段處，套設至少一由絕緣材料加工製成的支撐墊圈。
依據上述技術特徵，所述該熱電元件，係進一步於該芯桿電極相對伸出該殼管電極外部之區段處，套設有一由絕緣材料加工製成的絕緣套，該絕緣套且設有一供該芯桿電極之端面露出的電極接孔；以及，於該芯桿電極對應伸入該殼管電極內部之區段處，套設至少一由絕緣材料加工製成的支撐墊圈。
所述該電解液，係為混有金屬奈米粉末的奈米流體。
所述該電解液，係為混有金屬奈米粉末及界面活性劑的奈米流體。
所述該電解液，係為混有二氧化鈦、氧化鋅或氧化鋁其中一種金屬奈米粉末的奈米流體。
所述該電解液，係為混有二氧化鈦、氧化鋅或氧化鋁其中一種金屬奈米粉末及界面活性劑的奈米流體。
所述該電解液，係為混有碲化鉛、碲化鉍、碲化鎘、矽鍺合金其中一種半導體奈米粉末的奈米流體。
所述該電解液，係為混有石墨烯奈米粉末的奈米流體。
所述該電解液，係為混有碲化鉛、碲化鉍、碲化鎘、矽鍺合金其中一種半導體奈米粉末及界面活性劑的奈米流體。
所述該電解液，係為混有石墨烯奈米粉末及界面活性劑的奈米流體。
所述該電解液，係為於純水當中混入2wt%之氧化鈦金屬奈米粉末、2wt%之乳化劑及2wt%之分散劑的奈米流體。
所述該殼管電極係由鋁或其合金加工成型。
所述該芯桿電極係為一碳棒。
所述該電極帽係由銅或其合金加工成型。
所述該絕緣套係由鐵氟龍加工成型。
所述該熱電元件，係於負壓環境下將該電解液封存於該殼管電極內部。
本發明所揭露之熱電元件，除可作為散熱用途，並且額外輸出電能之外，更可利用殼管電極與芯桿電極之間的結構設計，提供較多的熱源接觸面積，甚至可採取直接浸入熱源的方式使用，俾相對具有較佳熱傳導效能，以及相對較具適用性。尤其，整體結構設計更有助於奈米材料產生氧化還原反應之速率，以相對更為積極、可靠之手段提升整體熱電元件之熱效率。
本發明即在提供一種相對具有較佳熱傳導效能，以及相對較具適用性的熱電元件，如第1圖至第4圖所示，本發明之熱電元件30，基本上包括有：一殼管電極31、一芯桿電極32，以及至少一塞件33；其中：
該殼管電極31，係由導電材料加工成為具有預先設定容積空間311的殼管狀形體，且於其中一端形成一供裝填電解液37的填充口312；於實施時，所述該殼管電極31係可以由鋁或其合金加工成型。
該芯桿電極32，係由導電材料加工成為供對應伸入該殼管電極31內部的桿狀形體；於實施時，所述該芯桿電極32係可以為一碳棒。
該至少一塞件33，係以構成該殼管電極31與該芯桿電極32絕緣以及將該殼管電極31之填充口312封閉的型態設於該殼管電極31與該芯桿電極32之間；以及；整體熱電元件30，且於該殼管電極31內封存有同時與該殼管電極31及該芯桿電極32接觸的電解液37。
原則上，本發明之熱電元件30，係可在殼管電極31、芯桿電極32與電解液37之間產生電化學反應，使當殼管電極31與芯桿電極32之間形成溫度差異時，可透過電解質之氧化還原反應將熱能直接轉化為電能，進而讓殼管電極31及芯桿電極32產生電動勢，除可作為散熱用途之外，更具備可額外輸出電能之特性，可進一步將所產生之電能傳送至用電設備10或其他儲電設備，將所排放的熱能轉換成電能回收再利用。
尤其，整體熱電元件30係可利用殼管電極31與芯桿電極32之間的結構設計，提供較多的熱源接觸面積，甚至可採取直接浸入熱源的方式使用；例如，在第4圖所示之使用狀態下，本發明之熱電元件30係可直接穿過廢液排放管20之管壁而直接浸入其所輸送的高溫廢液21中，除可增加與高溫廢液21之間的接觸效果之外，更不致於受到廢液排放管20之管壁阻礙，因此相對具有較佳熱傳導效能，以及相對較具適用性。
在上揭第1圖至第4圖所示之實施例中，本發明之熱電元件30，於實施時，係可如圖所示，進一步於該芯桿電極32相對伸出該殼管電極31外部之區段處，套設有一由導電材料加工製成的電極帽34，使增加整體熱電元件30與應用電路之間的配線便利性；於實施時，所述該電極帽34係可以由銅或其合金加工成型。
整體熱電元件30，亦可如第5圖至第7圖所示，係進一步於該芯桿電極32相對伸出該殼管電極31外部之區段處，套設有一由絕緣材料加工製成的絕緣套35，該絕緣套35且設有一供該芯桿電極32之端面露出的電極接孔351，使增加整體熱電元件30與應用電路之間的配線便利性及安全性；於實施時，所述該絕緣套35係可以由鐵氟龍加工成型。
在第5圖至第7圖所示之實施例中，整體熱電元件30，係進一步於該芯桿電極32對應伸入該殼管電極31內部之區段處，套設至少一由絕緣材料加工製成的支撐墊圈36，再者，支撐墊圈36與絕緣套35可為一體成形之設計，更進一步其支撐墊圈36設有外螺紋，殼管電極31設有內螺紋可使絕緣套35鎖故於殼管電極31中，使得以提升整體熱電元件30之穩定度及可靠度。
當然，整體該熱電元件，不論係以於該芯桿電極相對伸出該殼管電極外部之區段處，套設有一由導電材料加工製成的電極帽之結構型態呈現；或是以於該芯桿電極相對伸出該殼管電極外部之區段處，套設有一由絕緣材料加工製成的絕緣套，該絕緣套且設有一供該芯桿電極之端面露出的電極接孔之結構型態呈現，皆以進一步於該芯桿電極對應伸入該殼管電極內部之區段處，套設至少一由絕緣材料加工製成的支撐墊圈為佳。
值得一提的是，本發明之熱電元件已有實際的樣品製作完成，且經過一連串的性能分析及熱電性能檢測試驗之後，含有奈米金屬粉末(顆粒)之電解液與純水、海水相較具有較佳的熱傳導係數，且在實際的氧化還原反應中，因為環境溫度越高，化學反應隨溫度增加速率會增加因此電能越高，且若壓力下降，液氣轉換的相變化點越低，亦即殼管電極內之壓力越低，其可產生的熱性能相對越好。
換言之，本發明之熱電元件，在上揭各種可能實施之結構型態下，所述該熱電元件，係以於負壓環境下將該電解液封存於該殼管電極內部為佳。以及，所述該電解液，係以混有金屬奈米粉末的奈米流體為佳，當然又以混有金屬奈米粉末及界面活性劑的奈米流體為較佳，至於所述該界面活性劑係可以由預先設定比例的乳化劑及分散劑組成，主要藉由加入介面活性劑增加奈米流體的懸浮穩定性。
當然，所述該電解液，係可以進一步為混有二氧化鈦、氧化鋅或氧化鋁其中一種金屬奈米粉末的奈米流體；以及，混有碲化鉛、碲化鉍、碲化鎘、矽鍺合金其中一種半導體奈米粉末的奈米流體；再者，混有石墨烯奈米粉末的奈米流體；，進一步為混有二氧化鈦、氧化鋅或氧化鋁其中一種金屬奈米粉末及界面活性劑的奈米流體，進一步為混有碲化鉛、碲化鉍、碲化鎘、矽鍺合金其中一種半導體奈米粉末及界面活性劑的奈米流體，進一步為混有石墨烯奈米粉末及界面活性劑的奈米流體。在一較佳之實施例中，所述該電解液，係可以為於純水當中混入2wt%之氧化鈦金屬奈米粉末、2wt%之乳化劑及2wt%之分散劑的奈米流體。
與傳統習用技術相較，本發明所揭露之熱電元件，除可作為散熱用途，並且額外輸出電能之外，更可利用殼管電極與芯桿電極之間的結構設計，提供較多的熱源接觸面積，甚至可採取直接浸入熱源的方式使用，俾相對具有較佳熱傳導效能，以及相對較具適用性。尤其，整體結構設計更有助於將其用以產生氧化還原之材料奈米化，以相對更為積極、可靠之手段提升整體熱電元件之熱效率。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
10‧‧‧用電設備
20‧‧‧廢液排放管
21‧‧‧高溫廢液
30‧‧‧熱電元件
31‧‧‧殼管電極
311‧‧‧容積空間
312‧‧‧填充口
32‧‧‧芯桿電極
33‧‧‧塞件
34‧‧‧電極帽
35‧‧‧絕緣套
351‧‧‧電極接孔
36‧‧‧支撐墊圈
37‧‧‧電解液
第1圖係為本發明第一實施例之熱電元件外觀結構圖。 第2圖係為本發明第一實施例之熱電元件結構分解圖。 第3圖係為本發明第一實施例之熱電元件結構剖視圖。 第4圖係為本發明第一實施例之熱電元件使用狀態結構剖視圖。 第5圖係為本發明第二實施例之熱電元件外觀結構圖。 第6圖係為本發明第二實施例之熱電元件結構分解圖。 第7圖係為本發明第二實施例之熱電元件結構剖視圖。
10‧‧‧用電設備
20‧‧‧廢液排放管
21‧‧‧高溫廢液
30‧‧‧熱電元件
31‧‧‧殼管電極
32‧‧‧芯桿電極
33‧‧‧塞件
34‧‧‧電極帽
37‧‧‧電解液

Claims (22)

  1. 一種熱電元件，該熱電元件(30)包括：一殼管電極(31)、一芯桿電極(32)，以及至少一塞件(33)；其中： 該殼管電極(31)，係由導電材料加工成為具有預先設定容積空間的殼管狀形體，且於其中一端形成一供裝填電解液(37)的填充口； 該芯桿電極(32)，係由導電材料加工成為供對應伸入該殼管電極(31)內部的桿狀形體； 該至少一塞件(33)，係以構成該殼管電極(31)與該芯桿電極(32)絕緣以及將該殼管電極(31)之填充口封閉的型態設於該殼管電極(31)與該芯桿電極(32)之間；以及； 該熱電元件(30)，且於該殼管電極(31)內封存有同時與該殼管電極(31)及該芯桿電極(32)接觸的電解液(37)。
  2. 如請求項1所述之熱電元件，其中，該熱電元件(30)，係進一步於該芯桿電極(32)相對伸出該殼管電極(31)外部之區段處，套設有一由導電材料加工製成的電極帽(34)。
  3. 如請求項1所述之熱電元件，其中，該熱電元件(30)，係進一步於該芯桿電極(32)相對伸出該殼管電極(31)外部之區段處，套設有一由絕緣材料加工製成的絕緣套(35)，該絕緣套(35)且設有一供該芯桿電極(32)之端面露出的電極接孔(351)。
  4. 如請求項1所述之熱電元件，其中，該熱電元件(30)，係進一步於該芯桿電極(32)對應伸入該殼管電極(31)內部之區段處，套設至少一由絕緣材料加工製成的支撐墊圈(36)。
  5. 如請求項1所述之熱電元件，其中，該熱電元件(30)，係進一步於該芯桿電極(32)相對伸出該殼管電極(31)外部之區段處，套設有一由導電材料加工製成的電極帽(34)；以及，於該芯桿電極(32)對應伸入該殼管電極(31)內部之區段處，套設至少一由絕緣材料加工製成的支撐墊圈(36)。
  6. 如請求項1所述之熱電元件，其中，該熱電元件(30)，係進一步於該芯桿電極(32)相對伸出該殼管電極(31)外部之區段處，套設有一由絕緣材料加工製成的絕緣套(35)，該絕緣套(35)且設有一供該芯桿電極(32)之端面露出的電極接孔(351)；以及，於該芯桿電極(32)對應伸入該殼管電極(31)內部之區段處，套設至少一由絕緣材料加工製成的支撐墊圈(36)。
  7. 如請求項1至6其中任一項所述之熱電元件，其中，該電解液(37)，係為混有金屬奈米粉末的奈米流體。
  8. 如請求項1至6其中任一項所述之熱電元件，其中，該電解液(37)，係為混有金屬奈米粉末及界面活性劑的奈米流體。
  9. 如請求項1至6其中任一項所述之熱電元件，其中，該電解液(37)，係為混有二氧化鈦、氧化鋅或氧化鋁其中一種金屬奈米粉末的奈米流體。
  10. 如請求項1至6其中任一項所述之熱電元件，其中，該電解液(37)，係為混有碲化鉛、碲化鉍、碲化鎘、矽鍺合金其中一種半導體奈米粉末的奈米流體。
  11. 如請求項1至6其中任一項所述之熱電元件，其中，該電解液(37)，係為混有石墨烯奈米粉末的奈米流體。
  12. 如請求項1至6其中任一項所述之熱電元件(30)，其中，該電解液(37)，係為混有二氧化鈦、氧化鋅或氧化鋁其中一種金屬奈米粉末及界面活性劑的奈米流體。
  13. 如請求項1至6其中任一項所述之熱電元件(30)，其中，該電解液(37)，係為混有碲化鉛、碲化鉍、碲化鎘、矽鍺合金其中一種半導體奈米粉末及界面活性劑的奈米流體。
  14. 如請求項1至6其中任一項所述之熱電元件(30)，其中，該電解液(37)，係為混有石墨烯奈米粉末及界面活性劑的奈米流體。
  15. 如請求項1至6其中任一項所述之熱電元件(30)，其中，該電解液(37)，係為於純水當中混入2wt%之氧化鈦金屬奈米粉末、2wt%之乳化劑及2wt%之分散劑的奈米流體。
  16. 如請求項1至6其中任一項所述之熱電元件(30)，其中，該殼管電極(31)係由鋁或其合金加工成型。
  17. 如請求項1至6其中任一項所述之熱電元件(30)，其中，該芯桿電極(32)係為一碳棒。
  18. 如請求項2或5所述之熱電元件(30)，其中，該電極帽(34)係由銅或其合金加工成型。
  19. 如請求項3或6所述之熱電元件(30)，其中，該絕緣套(35)係由鐵氟龍加工成型。
  20. 如請求項1至6其中任一項所述之熱電元件(30)，其中，該熱電元件(30)，係於負壓環境下將該電解液(37)封存於該殼管電極(31)內部。
  21. 如請求項6所述之熱電元件，其中，該支撐墊圈(36)與該絕緣套(35)可為一體成形之設計。
  22. 如請求項6所述之熱電元件，其中，該支撐墊圈(36)設有外螺紋，該殼管電極(31)設有內螺紋。
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