TWI718731B - 熱電單元以及具有該熱電單元及壓電單元的發電裝置 - Google Patents

Abstract

本發明之發電裝置包含有一殼體、一壓電單元設於該殼體、以及一熱電單元設於該殼體之一側，該熱電單元包含有熱電晶片，該熱電晶片包含有一基板、一第一熱電元件、以及一第二熱電元件，該基板之頂面設有一凹槽，該第一熱電元件具有一第一熱端設於該頂面、以及一第一冷端位於該凹槽上方，該第二熱電元件具有一第二熱端設於該頂面、以及一第二冷端位於該凹槽上方，該第二冷端與該第一冷端電性連接，使該第一、二熱端之間產生電位差，其中該第一、二熱電元件具有不同的席貝克係數(Seebeck coeffient)。藉此，該發電裝置可同時收集人體熱能及活動能，並可提升發電效率。

Description

熱電單元以及具有該熱電單元及壓電單元的發電裝置

本發明與發電裝置有關，特別是指一種基於熱電與壓電原理的發電裝置。

德國物理學家Thomas Johann Seebeck於1821年發現，將兩個不同的金屬或半導體之一端彼此連接，並於另一端構成一迴路，即形成一熱電偶，當兩接點間有溫差時，其單位溫差所產生的電壓差稱為席貝克效應(Seebeck effect)。席貝克效應也被後人作為重要的綠能基礎，不僅可利用環境能量轉換成電能，還能有效轉換人體熱能為電能，由席貝克效應所產生的輸出電壓可表示為：

，其中，V _out為熱電材料產生的電位差，N為熱電偶數量，α _p與α _n分別為二熱電材料的席貝克係數，T _h與T _c分別為熱端與冷端之溫度，該熱端即溫度相對較高之一端，該冷端即溫度相對較低之一端。

一般發電裝置的熱電晶片係將二呈柱狀的熱電材料以垂直基板的方式設於該基板上，亦即該二熱電材料之一端設於該基板上，並以其遠離基板的另一端彼此電性連接，使得二熱電材料的熱端及冷端位置呈上下關係，此結構雖然可藉由熱端與冷端之間的溫差達到發電效果，然而，為了製造出較大的溫差以提升轉換效率，常用的手段便是增加熱電材料的長度或者增加熱端與冷端間的距離，然而，如此一來，又會增加熱電晶片的厚度，與現行科技發展以輕薄為主的趨勢背道而馳。因此，如何提升發電裝置的轉換效率，並降低整體體積，即成為本領域技術人員共同追隨的目標。

本發明之一目的在於提供一種熱電單元，具有熱能與電能間之高轉換效率，且其整體結構較為輕薄。本發明之另一目的在於提供一種發電裝置，可同時收集人體熱能及活動能，並可提升發電效率。

為了達成上述一目的，本發明之熱電單元包含有一熱電晶片，該熱電晶片包含有一基板、一第一熱電元件、以及一第二熱電元件，該基板之頂面設有一凹槽，該第一熱電元件具有一第一熱端設於該頂面、以及一第一冷端位於該凹槽上方，該第二熱電元件具有一第二熱端設於該頂面、以及一第二冷端位於該凹槽上方，該第二冷端與該第一冷端電性連接，使該第一、二熱端之間產生電位差，其中該第一、二熱電元件具有不同的席貝克係數(Seebeck coeffient)。藉此，該熱電單元具有熱能與電能間之高轉換效率，且其整體結構較為輕薄。

為了達成本發明之另一目的，本發明之發電裝置包含有一殼體、一壓電單元設於該殼體、以及一熱電單元設於該殼體之一側。藉此，該發電裝置可同時收集人體熱能及活動能，並可提升發電效率。

以下藉由二較佳實施例配合圖式，詳細說明本發明的技術內容及特徵，如第1至3圖所示，係本發明第一較佳實施例所提供之發電裝置1，包含有一殼體3、一熱電單元10設於該殼體3之一側、一壓電單元30設於該殼體3、以及一儲能單元40設於該殼體3且分別與該熱電單元10及該壓電單元30電性連接。本實施例的發電裝置1可應用在手錶或其他穿戴式裝置。

該殼體3具有一基部4、一蓋部5設於該基部4之一側、一支撐部6設於該基部4之另一側、以及一環部7與該支撐部6連接，該環部7具有多數散熱孔8。

需要說明的是，於其他實施例中該殼體3之結構、形狀可有其他變化，只要該殼體3可供該熱電單元10、該壓電單元30、以及該儲能單元40設置即可。

請同時參閱第4圖，該熱電單元10具有一印刷電路板12、一導熱板15設於該印刷電路板12之一側且與該環部7連接、以及多數熱電晶片20與該印刷電路板12上的電路121電性連接，該印刷電路板12具有多數穿孔13，該導熱板15封閉該等穿孔13之一側，該等電熱晶片20貼接於該導熱板15且位於該印刷電路板12之穿孔13中。

如第5、6圖所示，該熱電晶片20包含有一基板21貼接於該導熱板15、多數第一熱電元件23、多數第二熱電元件26、以及多數散熱件29，該基板21之頂面211設有一凹槽212，該第一熱電元件23具有一第一熱端24設於該頂面211、以及一第一冷端25位於該凹槽212上方，該第二熱電元件26具有一第二熱端27設於該頂面211、以及一第二冷端28位於該凹槽212上方，該等第一熱電元件23與該等第二熱電元件26均位於同一假想平面，且該假想平面平行於該基板21之頂面211，該第二冷端28與該第一冷端25電性連接，該第一、二熱電元件23,26具有不同的席貝克係數(Seebeck coeffient)，因此，當該第一、二熱端24, 27與該第一、二冷端25, 28之間具有溫差時，可使該第一、二熱端24,27之間產生電位差。該散熱件29具有一導熱部291以及一散熱部294設於該導熱部291之頂端292，該導熱部291之底端293同時設於該第一冷端25與該第二冷端28，該散熱部294的橫剖面面積大於該導熱部291之橫剖面面積，藉此，該散熱件29有助於降低該第一、二冷端25, 28的溫度，該等熱電晶片20係以其基板21貼接於該導熱板15，其中，多數該第一熱電元件23與該第二熱電元件26彼此串連，且該印刷電路板12上的電路121將該等熱電晶片20彼此串聯以形成較大的電位差。

需要說明的是，該熱電晶片20係利用微機電技術製成，各該熱電晶片20中包含有多數該第一、二熱電元件23, 26彼此串聯而成且呈S形排列，該第一、二熱電元件23, 26的形狀均為L形，於其他實施例中，該第一、二熱電元件23, 26的形狀可有其他變化，例如：三角形、長方形、正方形、梯形或平行四邊形。

於本實施例中，該散熱件29的縱剖面係呈T型，於其他實施例中，該散熱件29的形狀及設置位置可有其他變化，該散熱件29可設於該第一熱電元件23之第一冷端25、或者該第二熱電元件26之第二冷端28、或者同時設於該第一冷端25與該第二冷端28，亦即該散熱件29加速該第一冷端25及該第二冷端28散熱即可。

需要說明的是，於本實施例中，該第一、二熱電元件23,26分別係P型及N型的多晶矽半導體材料所製成，該散熱件29係採用鋁製成，於其他實施例中，該第一、二熱電元件23,26可採用鋁、鎢、鈦、銻、金、鉑、鎳、鉍等席貝克係數不同之金屬材料製成，或是其他類型的半導體材料製成。該散熱件29可採用鎢、鈦等熱傳導性良好的金屬材料製成。

如第7圖所示，該壓電單元30包含有一擺動件32可旋擺地設於該殼體10之基部4、三第一磁鐵33設於該擺動件32上、一壓電片34設於該殼體3之蓋部5、以及一第二磁鐵37設於該壓電片34，該等第一磁鐵33與該第二磁鐵37係相對設置，該壓電片34係呈長條片狀且具有一固定端(頂端)35設於該殼體3之蓋部5、以及一自由端(底端)36供該第二磁鐵37設置，該第二磁鐵37受該第一磁鐵33的磁力作用變化時能使該壓電片34變形進而產生振動，當該振動頻率達該壓電片34之自然頻率時，該壓電片34會產生共振，即可使該壓電片34之兩側穩定生成交流電，藉此可以達到將人體擺動的頻率升頻的效果。其中，該擺動件32係一質量塊且呈半圓形片狀，三該第一磁鐵33係間隔設置，當該擺動件32自然垂下或擺動時，不同的該第一磁鐵33的位置可對應於該第二磁鐵37，以產生吸引或排斥作用力。

需要說明的是，於本實施例中，該壓電片34係採用鋯鈦酸鉛(PZT)材料製成，且係以該固定端35被夾設在該蓋部5，於其他實施例中，該壓電片可由其他壓電材料如石英、鈦酸鋇等製成，該壓電片34與該蓋部5可以膠黏等固定手段固定，此外，該擺動件32之形狀、該第一磁鐵33之數量、該壓電片34之形狀、以及該擺動件32與該壓電片34設置的位置可有其他變化，只要該壓電片34上的第二磁鐵37受磁力作用時可使其變形振動進而產生電位差即可。

該儲能單元40設於該殼體3之支撐部6且包含有一第一轉換電路42、一第二轉換電路44、以及一儲能電容(圖未示)，其中，該第一、二轉換電路42,44分別與該熱電單元10及該壓電單元30電性連接，該儲能電容分別與該第一、二轉換電路42,44電性連接以儲存電能。

實際應用時，該發熱裝置1之導熱板15一側貼抵於人體皮膚以將人體熱能傳導至該熱電晶片20之基板21，使設於該基板21上該第一熱電元件23的第一熱端24及該第二熱電元件26的第二熱端27接收熱能，此時，由於熱能於空氣中的傳導速度相較於該基板慢，使該第一冷端25及該第二冷端28的溫度相較於該第一熱端24及該第二熱端27低，雖然該第一冷端25及該第二冷端28仍會接收來自該第一、二熱端24,27的熱能，然設置於該第一、二冷端25,28上的散熱件29可將其熱能傳導至該散熱部294而加速散失，熱能可進一步經由該環部7之散熱孔8向外排出，使該第一、二熱端24,27與該第一、二冷端25,28之間產生一較顯著的溫差，進而使該第一、二熱端24,27之間產生電位差，並藉由多組該第一、二熱電元件23,26串聯，可形成較大的電壓輸出。此外，由於該熱電晶片20係採用微機電技術製成，其最小單位之厚度達微米等級，相對於目前市售厘米等級的熱電晶片，本發明之熱電晶片20具有較小的體積特別是厚度。

藉由人體活動或擺動，使該擺動件32相對該壓電片34旋擺，該第二磁鐵37受該等第一磁鐵33磁力作用而使該壓電片34變形進而振動，使該壓電片34之兩側產生電位差，藉此，該壓電單元30可避免直接撞擊該壓電片34，降低材料損耗，並藉由升頻轉換的方式，有效利用人體活動能間接使該壓電片變形發電。

藉由上述的結構，該發電裝置1集成該熱電單元20以及該壓電單元30，使該發電裝置1可同時收集人體熱能及活動能，進而可提升發電效率，且其整體結構較為輕薄，使該發電裝置1可直接製成穿戴裝置，如第1圖所示，或者可應用於運動監控、健康管理等裝置，又或者可提升電池續航力，大幅度拓廣了該發電裝置1的應用範圍，並具有市場競爭力。

基於本發明之設計精神，該發電裝置之結構可有其他變化，如第8圖所示，係本發明第二較佳實施例所提供之發電裝置1a，需要說明的是，本實施例沿用前述實施例的部分元件標號，其中採用相同的標號來表示相同或相近的元件，其結構大致與第一實施例相同，其差異在於：該熱電單元10a之印刷電路板12a未設有該些穿孔13且不具有該導熱板15，該熱電晶片20係以其基板21設於該印刷電路板12a上，而該印刷電路板12a之一側係直接貼抵於人體皮膚而可傳導熱能至該等熱電晶片20，如此一來，仍可藉由人體熱能達到相同發電效果。

上述僅為本創作實施例的說明，不可用來限制本創作的專利範圍，舉凡未超脫本創作精神所做的簡易潤飾或變化，例如：該散熱件29可省略不設；或者該印刷電路板12係將該熱電晶片20並聯、或者串並聯；又或者該熱電晶片20之該第一、二熱電元件23,26係間接連接，均應為本創作申請專利範圍所涵蓋。

1、1a:發電裝置

3:殼體

4:基部

5:蓋部

6:支撐部

7:環部

8:散熱孔

10、10a:熱電單元

12、12a:印刷電路板

121:電路

13:穿孔

15:導熱板

20:熱電晶片

21:基板

211:頂面

212:凹槽

23:第一熱電元件

24:第一熱端

25:第一冷端

26:第二熱電元件

27:第二熱端

28:第二冷端

29:散熱件

291:導熱部

292:頂端

293:底端

294:散熱部

30:壓電單元

32:擺動件

33:第一磁鐵

34:壓電片

35:固定端

36:自由端

37:第二磁鐵

40:儲能單元

42:第一轉換電路

44:第二轉換電路

第1圖為本發明第一較佳實施例之發電裝置的示意圖； 第2圖為本發明第一較佳實施例之發電裝置的剖面圖； 第3圖為本發明第一較佳實施例之發電裝置的分解圖； 第4圖為本發明第一較佳實施例之發電裝置之熱電單元的示意圖； 第5圖為本發明第一較佳實施例之發電裝置之熱電晶片的示意圖； 第6圖為第5圖沿6-6方向的剖面圖； 第7圖為本發明第一較佳實施例之發電裝置之壓電單元的示意圖； 第8圖為本發明第二較佳實施例之發電裝置之熱電單元的示意圖。

1:發電裝置

4:基部

5:蓋部

6:支撐部

7:環部

8:散熱孔

10:熱電單元

12:印刷電路板

13:穿孔

15:導熱板

20:熱電晶片

30:壓電單元

32:擺動件

34:壓電片

40:儲能單元

42:第一轉換電路

44:第二轉換電路

Claims (11)

1. 一種熱電單元，包含有： 一熱電晶片，包含有一基板、一第一熱電元件、以及一第二熱電元件，該基板之頂面設有一凹槽，該第一熱電元件具有一第一熱端設於該頂面、以及一第一冷端位於該凹槽上方，該第二熱電元件具有一第二熱端設於該頂面、以及一第二冷端位於該凹槽上方，該第二冷端與該第一冷端電性連接，使該第一、二熱端之間產生電位差，其中該第一、二熱電元件具有不同的席貝克係數(Seebeck coeffient)。
2. 如請求項1所述的熱電單元，其中該熱電晶片更包含有一散熱件設於該第一熱電元件之第一冷端、或者該第二熱電元件之第二冷端、或者同時設於該第一冷端該第二冷端。
3. 如請求項2所述的熱電單元，更包含有一印刷電路板、以及多數該熱電晶片，該等熱電晶片與該印刷電路板電性連接。
4. 如請求項3所述的熱電單元，更包含有一導熱板設於該印刷電路板之一側，該印刷電路板具有多數穿孔，該導熱板封閉該等穿孔之一側，該等熱電晶片以其基板貼設於該導熱板且位於該印刷電路板之穿孔中。
5. 如請求項4所述的熱電單元，其中該印刷電路板將該等熱電晶片彼此串聯。
6. 如請求項2至5中任一項所述的熱電單元，其中該散熱件具有一導熱部以及一散熱部設於該導熱部之頂端，該導熱部之底端設於該第一冷端、該第二冷端、或同時設於該第一冷端與該第二冷端，該散熱部的橫剖面面積大於該導熱部之橫剖面面積。
7. 一種發電裝置，包含有一殼體、一壓電單元設於該殼體、以及一如請求項3或4之熱電單元設於該殼體之一側。
8. 如請求項7所述的發電裝置，其中該壓電單元包含有一擺動件可旋擺地設於該殼體、一壓電片設於該殼體、至少一第一磁鐵設於該擺動件上、以及一第二磁鐵設於該壓電片，該第二磁鐵受該第一磁鐵的磁力作用時能使該壓電片變形，進而使該壓電片之兩側產生電位差。
9. 如請求項8所述的發電裝置，其中該壓電片具有一固定端設於該殼體、以及一自由端供該第二磁鐵設置。
10. 如請求項9所述的發電裝置，更包含有一儲能單元設於該殼體，該儲能單元分別與該熱電單元及該壓電單元電性連接。
11. 如請求項7所述的發電裝置，更包含有一儲能單元設於該殼體，該儲能單元分別與該熱電單元及該壓電單元電性連接。

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