TWI604640B - 熱電感測裝置 - Google Patents

Description

熱電感測裝置

本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種熱電感測裝置。

現今無線通訊技術中，無線感測網路(Wireless Sensor Networks，WSN)以眾多低成本且體積小的感測器設置於預定感測範圍，並透過多個感測器彼此間之訊息傳遞，藉以應用於如自然環境或工業環境等領域之監控用途。隨著無線感測器的技術不斷進步，近年來無線感測網路已經廣泛被應用於如軍事監控、環境監測、家庭健康檢測等領域上。然而，在無線感測器的數目增加時，強制要求更換電池的電力為數百甚至數千，而使得無線感測網路的維護成本顯著增加，且系統的可靠度也相對降低。因此，各種相關的解決方法因應而生，而熱電發電便是其中之一。

熱電發電是基於塞貝克效應（Seebeckeffect），以溫度差直接轉換為電能，即一種能將熱能轉換成電能的方法。一旦能量收集供電被部署在熱源上，無線感測網路成為自供電，即可實現了電源的自主權。然而，若熱電發電是由​​超低電壓（小於0.5 V）來實現連續且免維護無線感測網路的執行操作，則受限於小功率（1毫瓦或子1毫瓦）以及熱電發電器（thermoelectric generator ，TEG）設備大小的限制。

本發明提供一種熱電感測裝置，具有較佳的工作效益。

本發明的熱電感測裝置，其包括一載體、一容置單元、至少一隔熱件、至少一熱電發電單元、一無線訊號發射單元以及一感測單元。載體具有一容置空間。容置單元配置於載體的容置空間內。隔熱件配置於載體的容置空間內，且位於載體與容置單元之間。熱電發電單元配置於載體的容置空間內，且位於載體與容置單元之間，以藉由載體與容置單元之間的溫度差而發電。無線訊號發射單元配置於載體上。感測單元配置於載體上。

在本發明的一實施例中，上述的容置單元可拆卸地配置於載體的容置空間內。

在本發明的一實施例中，上述的容置單元的形狀包括多面體或圓柱體。

在本發明的一實施例中，上述的無線訊號發射單元配置於載體上，且位於容置空間之外。

在本發明的一實施例中，上述的感測單元配置於載體上，且位於容置空間之外。

在本發明的一實施例中，上述的無線訊號發射單元與感測單元整合為一無線傳感器模組。

在本發明的一實施例中，上述的隔熱件直接接觸容置單元與載體。

在本發明的一實施例中，上述的熱電發電單元直接接觸容置單元與載體。

在本發明的一實施例中，上述的熱電感測裝置更包括一相變化材料，填充於容置單元內，以藉由相變化而吸收熱能或釋放熱能。

在本發明的一實施例中，上述的感測單元包括一三軸數位陀螺儀、一溫濕度感測器、一數位溫度感測器、一重力加速度感測器、一光電晶體測器、一光敏電阻感測器、一串列式全球定位系統（Globe Positioning System，GPS）衛星接收模組、一土壤溫溼度感測器、一數位光照度感測模組、一可燃性氣體感測器、一人體感測器、一溫度感測器、一酒精感測器、一直流馬達感測器、一空氣品質感測器、一聲音感測器、一雙重輸出火焰感測器、一超音波測距感測器、一微波移動感測器、一繼電器模組、一一氧化碳感測器、一紅外線接收模組、一近接金屬開關模組、一氨氣感測器、一振動檢測感測器、一紫外線感測器、一凝露感測器、一觸摸感測器、一光遮斷紅外計數模組、一傾斜感測器、一土壤溫濕度感測模組、一步進馬達模組、一步進馬達+紅外感測模組、一電流過流檢測模組、一電壓過壓檢測模組、一鉑電阻溫度感測模組、一重力加速度感測器、一二氧化碳感測器或上述的組合。

基於上述，在本發明的熱電感測裝置的設計中，熱電發電單元是藉由載體與容置單元之間的溫度差而發電，以供無線訊號發射單元以及感測單元使用。其中，由於本發明的熱電感測裝置具有隔熱件，可有效熱隔絕載體與容置單元，使兩者之間的熱能無法互相傳導，因此本發明的熱電發電單元即可透過小溫度差而產生高瓦數的電力，可發揮最大的工作效能。如此一來，可有效提升本發明的熱電感測裝置的工作效益。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1繪示為本發明的一實施例的一種熱電感測裝置的示意圖。請參考圖1，在本實施例中，熱電感測裝置100a包括一載體110a、一容置單元120a、至少一隔熱件130a、至少一熱電發電單元140a、一無線訊號發射單元150a以及一感測單元160a。載體110a具有一容置空間112a，而容置單元120a配置於載體110a的容置空間112a內。隔熱件130a配置於載體110a的容置空間112a內，且位於載體110a與容置單元120a之間。熱電發電單元140a配置於載體110a的容置空間112a內，且位於載體110a與容置單元120a之間，以藉由載體110a與容置單元120a之間的溫度差而發電。無線訊號發射單元150a配置於載體110a上。感測單元160a配置於載體110a上。

詳細來說，本實施例的載體110a是用來承載容置單元120a與熱電發電單元140a，其中載體110a的容置空間112a可為一密閉空間，或是為一非密閉空間，於此並不加以限制。容置單元120a可拆卸地配置於載體110a的容置空間112a內，其中容置單元120a的形狀例如是圓柱體，但並不以此為限。在本實施例中，熱電感測裝置100a還包括一相變化材料170a，其中相變化材料170a填充於容置單元120a內，以藉由相變化而吸收熱能或釋放熱能。舉例來說，當容置單元120a接收熱能時，相變化材料170a藉由相變化而吸收熱能，而容置單元120a未接收熱能時，相變化材料170a藉由相變化而釋放熱能。此處，相變化材料170a例如水、液態甲烷、液態瓦斯、冷媒或汽油。使用者可透過拆卸的方式將容置單元120a移出載體110a，以填充或置換容置單元120a內的相變化材料170a，具有較佳的使用靈活度。

再者，如圖1所示，本實施例的隔熱件130a具體化為直接接觸容置單元120a與載體110a，以有效熱隔絕載體110a與容置單元120a，使兩者之間的熱能無法互相傳導。當然，於其他未繪示的實施例中，隔熱件130a與容置單元120a之間與/或隔熱件130a與載體110a之間亦可增設絕熱材料層，以更進一步有效隔離載體110a與容置單元120a之間的熱傳導效應。須說明的是，本實施例並不限制隔熱件130a的尺寸大小及形狀，只要能使載體110a與容置單元120a之間不互相接觸，即屬本發明所欲保護的範圍。

另一方面，本實施例的熱電發電單元140a具體化為直接接觸容置單元120a與載體110a，以藉由載體110a與容置單元120a之間的溫度差而發電，而供無線訊號發射單元150a以及感測單元160a使用。當然，為了提高熱傳導效率，於其他未繪示的實施例中，亦可於熱電發電單元140a與容置單元120a之間設置導熱膏、導熱膠或石墨片，於此並不加以限制。為了更清楚說明，下表一表示為載體110a及容置單元120a之間的溫度差△T與熱電發電單元140a所產生的電力P的實驗數據。

表一 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> △T(℃) </td><td> 1 </td><td> 2 </td><td> 3 </td><td> 4 </td><td> 5 </td><td> 6 </td><td> 7 </td><td> 8 </td><td> 9 </td><td> 10 </td></tr><tr><td> P(mW) </td><td> 0.3 </td><td> 1.0 </td><td> 2.3 </td><td> 4.1 </td><td> 6.4 </td><td> 9.2 </td><td> 12.5 </td><td> 16.3 </td><td> 20.5 </td><td> 25.3 </td></tr><tr><td> △T(℃) </td><td> 11 </td><td> 12 </td><td> 13 </td><td> 14 </td><td> 15 </td><td> 16 </td><td> 17 </td><td> 18 </td><td> 19 </td><td> 20 </td></tr><tr><td> P(mW) </td><td> 30.6 </td><td> 36.3 </td><td> 42.5 </td><td> 49.3 </td><td> 56.5 </td><td> 64.1 </td><td> 72.3 </td><td> 81.0 </td><td> 90.1 </td><td> 99.8 </td></tr><tr><td> △T(℃) </td><td> 21 </td><td> 22 </td><td> 23 </td><td> 24 </td><td> 25 </td><td> 26 </td><td> 27 </td><td> 28 </td><td> 29 </td><td> 30 </td></tr><tr><td> P(mW) </td><td> 109.9 </td><td> 120.5 </td><td> 131.5 </td><td> 143.1 </td><td> 155.1 </td><td> 167.6 </td><td> 180.6 </td><td> 194.1 </td><td> 208.1 </td><td> 222.5 </td></tr><tr><td> △T(℃) </td><td> 31 </td><td> 32 </td><td> 33 </td><td> 34 </td><td> 35 </td><td> 36 </td><td> 37 </td><td> 38 </td><td> 39 </td><td> 40 </td></tr><tr><td> P(mW) </td><td> 237.4 </td><td> 252.8 </td><td> 268.7 </td><td> 285.0 </td><td> 301.9 </td><td> 319.2 </td><td> 336.9 </td><td> 355.2 </td><td> 373.9 </td><td> 393.1 </td></tr><tr><td> △T(℃) </td><td> 41 </td><td> 42 </td><td> 43 </td><td> 44 </td><td> 45 </td><td> 46 </td><td> 47 </td><td> 48 </td><td> 49 </td><td> 50 </td></tr><tr><td> P(mW) </td><td> 412.8 </td><td> 433.0 </td><td> 453.6 </td><td> 474.7 </td><td> 496.3 </td><td> 518.4 </td><td> 540.9 </td><td> 563.9 </td><td> 587.4 </td><td> 611.4 </td></tr><tr><td> △T(℃) </td><td> 51 </td><td> 52 </td><td> 53 </td><td> 54 </td><td> 55 </td><td> 56 </td><td> 57 </td><td> 58 </td><td> 59 </td><td> 60 </td></tr><tr><td> P(mW) </td><td> 635.8 </td><td> 660.7 </td><td> 686.1 </td><td> 711.9 </td><td> 738.2 </td><td> 765.0 </td><td> 792.3 </td><td> 820.0 </td><td> 848.3 </td><td> 876.9 </td></tr><tr><td> △T(℃) </td><td> 61 </td><td> 62 </td><td> 63 </td><td> 64 </td><td> 65 </td><td> 66 </td><td> 67 </td><td> 68 </td><td> 69 </td><td> 70 </td></tr><tr><td> P(mW) </td><td> 906.1 </td><td> 935.7 </td><td> 965.8 </td><td> 996.4 </td><td> 1027.4 </td><td> 1058.9 </td><td> 1090.9 </td><td> 1123.4 </td><td> 1156.3 </td><td> 1189.7 </td></tr></TBODY></TABLE>

由上述內容可得知，當載體110a及容置單元120a之間的溫度差達到18℃時，熱電發電單元140a所產生的電力即可達到81mW，此電力已足夠供應中小瓦數的無線訊號發射單元150a及感測單元160a驅動使用。也就是說，本實施例的熱電發電單元140a可透過較小的溫度差，即可產生足夠無線訊號發射單元150a及感測單元160a使用的電力。

另一方面，當載體110a及容置單元120a之間的溫度差達到70℃時，熱電發電單元140a所產生的電力為1189.7mW，其中此電力已經是溫度差為18℃時熱電發電單元140a所產生的電力的14倍之多。也就是說，溫度差的差值相差不到4倍，但熱電發電單元140a所產生的電力的差值卻已相差到14倍之多。簡言之，本實施例的熱電發電單元140a可達到最大的工作效能。

此外，如圖1所示，本實施例的無線訊號發射單元150a與感測單元160a具體化皆為配置於載體110a上且位於容置空間112a之外，但並不以此為限。此處，感測單元160a例如是一三軸數位陀螺儀、一溫濕度感測器、一數位溫度感測器、一重力加速度感測器、一光電晶體測器、一光敏電阻感測器、一串列式全球定位系統（Globe Positioning System，GPS）衛星接收模組、一土壤溫溼度感測器、一數位光照度感測模組、一可燃性氣體感測器、一人體感測器、一溫度感測器、一酒精感測器、一直流馬達感測器、一空氣品質感測器、一聲音感測器、一雙重輸出火焰感測器、一超音波測距感測器、一微波移動感測器、一繼電器模組、一一氧化碳感測器、一紅外線接收模組、一近接金屬開關模組、一氨氣感測器、一振動檢測感測器、一紫外線感測器、一凝露感測器、一觸摸感測器、一光遮斷紅外計數模組、一傾斜感測器、一土壤溫濕度感測模組、一步進馬達模組、一步進馬達+紅外感測模組、一電流過流檢測模組、一電壓過壓檢測模組、一鉑電阻溫度感測模組、一重力加速度感測器、一二氧化碳感測器或上述的組合。

簡言之，在本實施例的熱電感測裝置100a的設計中，熱電發電單元140a是藉由載體110a與容置單元120a之間的溫度差而發電，以供無線訊號發射單元150a以及感測單元160a使用。其中，由於熱電感測裝置100a具有隔熱件130a，可有效熱隔絕載體110a與容置單元120a，使兩者之間的熱能無法互相傳導，因此熱電發電單元140a即可透過小溫度差（如18℃）而產生高瓦數的電力，可發揮最大的工作效能。如此一來，可有效提升本實施例的熱電感測裝置100a的工作效益。

在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖2繪示為本發明的另一實施例的一種熱電感測裝置的示意圖。請同時參考圖1與圖2，本實施例的熱電感測裝置100b與圖1的熱電感測裝置100a相似，兩者的差異在於：本實施例的容置單元120b的形狀具體化為多面體，如四面體，其中容置單元120b內可填充相變化材料170b，而容置單元120b配置於載體110b的容置空間112b內，且直接接觸隔熱件130b以及熱電發電單元140b，但並不以此為限。此外，本實施例的無線訊號發射單元150b與感測單元160b可透過一電路板C而整合成一無線傳感器模組W，藉此能夠對無線訊號發射單元150b與感測單元160b實現模組化。

綜上所述，在本發明的熱電感測裝置的設計中，熱電發電單元是藉由載體與容置單元之間的溫度差而發電，以供無線訊號發射單元以及感測單元使用。其中，由於本發明的熱電感測裝置具有隔熱件，可有效熱隔絕載體與容置單元，使兩者之間的熱能無法互相傳導，因此本發明的熱電發電單元即可透過小溫度差而產生高瓦數的電力，可發揮最大的工作效能。如此一來，可有效提升本發明的熱電感測裝置的工作效益。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100a、100b‧‧‧熱電感測裝置

110a、110b‧‧‧載體

112a、112b‧‧‧容置空間

120a、120b‧‧‧容置單元

130a、130b‧‧‧隔熱件

140a、140b‧‧‧熱電發電單元

150a、150b‧‧‧無線訊號發射單元

160a、160b‧‧‧感測單元

170a、170b‧‧‧相變化材料

C‧‧‧電路板

W‧‧‧無線傳感器模組

圖1繪示為本發明的一實施例的一種熱電感測裝置的示意圖。 圖2繪示為本發明的另一實施例的一種熱電感測裝置的示意圖。

100a‧‧‧熱電感測裝置

110a‧‧‧載體

112a‧‧‧容置空間

120a‧‧‧容置單元

130a‧‧‧隔熱件

140a‧‧‧熱電發電單元

150a‧‧‧無線訊號發射單元

160a‧‧‧感測單元

170a‧‧‧相變化材料

Claims (9)

1. 一種熱電感測裝置，包括：一載體，具有一容置空間；一容置單元，配置於該載體的該容置空間內；至少一隔熱件，配置於該載體的該容置空間內，且位於該載體與該容置單元之間，其中該隔熱件直接接觸該容置單元與該載體；至少一熱電發電單元，配置於該載體的該容置空間內，且位於該載體與該容置單元之間，以藉由該載體與該容置單元之間的溫度差而發電；一無線訊號發射單元，配置於該載體上；以及一感測單元，配置於該載體上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的熱電感測裝置，其中該容置單元可拆卸地配置於該載體的該容置空間內。
3. 如申請專利範圍第1項所述的熱電感測裝置，其中該容置單元的形狀包括多面體或圓柱體。
4. 如申請專利範圍第1項所述的熱電感測裝置，其中該無線訊號發射單元配置於該載體上，且位於該容置空間之外。
5. 如申請專利範圍第1項所述的熱電感測裝置，其中該感測單元配置於該載體上，且位於該容置空間之外。
6. 如申請專利範圍第1項所述的熱電感測裝置，其中該無線訊號發射單元與該感測單元整合為一無線傳感器模組。
7. 如申請專利範圍第1項所述的熱電感測裝置，其中該熱電發電單元直接接觸該容置單元與該載體。
8. 如申請專利範圍第1項所述的熱電感測裝置，更包括：一相變化材料，填充於該容置單元內，以藉由相變化而吸收熱能或釋放熱能。
9. 如申請專利範圍第1項所述的熱電感測裝置，其中該感測單元包括一三軸數位陀螺儀、一溫濕度感測器、一數位溫度感測器、一重力加速度感測器、一光電晶體測器、一光敏電阻感測器、一串列式全球定位系統衛星接收模組、一土壤溫溼度感測器、一數位光照度感測模組、一可燃性氣體感測器、一人體感測器、一溫度感測器、一酒精感測器、一直流馬達感測器、一空氣品質感測器、一聲音感測器、一雙重輸出火焰感測器、一超音波測距感測器、一微波移動感測器、一繼電器模組、一一氧化碳感測器、一紅外線接收模組、一近接金屬開關模組、一氨氣感測器、一振動檢測感測器、一紫外線感測器、一凝露感測器、一觸摸感測器、一光遮斷紅外計數模組、一傾斜感測器、一土壤溫濕度感測模組、一步進馬達模組、一步進馬達+紅外感測模組、一電流過流檢測模組、一電壓過壓檢測模組、一鉑電阻溫度感測模組、一重力加速度感測器、一二氧化碳感測器或上述的組合。