TWI725554B - 應用於水面上之光驅動轉子 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種應用於水面上之光驅動轉子，該轉子係於底板上表面覆蓋有導熱薄片之基部，並由基部朝外延伸有自底板邊緣處向下彎折之複數引腳，且導熱薄片上表面附著有吸光材料，當底板位於水面上時，可使導熱薄片之複數引腳接觸水面，並於光源照射於吸光材料提供導熱薄片致熱所需的光能，便可將產生的熱經由複數引腳傳導至水面而局部加熱同側水面形成表面張力的梯度變化，使轉子受到表面張力的作用不對等(即合力不為零)或合力為零情況下，會因施力矩不為零而產生移動或轉動，此種轉子之三層式結構設計選用材料(如蓋玻片、銅箔及石墨)都是便宜且容易取得的，並於製作過程也是容易的，從而實現結構簡單、便於製作及節省成本之效用。

Description

應用於水面上之光驅動轉子

本發明係提供一種應用於水面上之光驅動轉子，尤指轉子包括底板、導熱薄片及吸光材料三層式結構設計，可透過光源照射吸光材料使導熱薄片致熱而局部加熱水面，藉由表面張力會隨溫度變化的特性，可提供驅動轉子轉動所需之合力矩。

按，驅動技術是人類生活及生產的應用當中所不可或缺的重要組成部分，隨著現代社會、科技日益的進步，驅動技術也朝向現代化快速發展，而現代先進的驅動技術及其應用，將進一步促進人類社會的不斷發展和進步。

再者，現代先進的電磁式驅動技術包括以原有的電磁驅動技術為基礎進行部分改進，還有在一般通用電機技術上進一步發展的新型電機技術，而除了電磁式驅動技術以外，其他各種非電磁式驅動技術也在不斷發展，如壓電驅動技術、磁致伸縮驅動技術、光驅動技術、靜電驅動技術與分子馬達等，其中，現有的光驅動技術已揭露了多種可利用光照射物體受熱產生升溫，以改變其浮在液體上的表面張力或馬倫哥尼效應使物體轉動的轉子，包括透過成長奈米碳管於十字形的聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)特殊基板製作出的 轉子，以及使用氣相沉積、雷射微影、化學蝕刻製作出的形狀不對稱微型齒輪轉子，便可藉由高功率或特定波長的雷射、聚焦的陽光或發光二極體(light emitting diode，LED)燈作為加熱源，使液體感受到轉子吸熱產生的局部升溫而造成表面張力的梯度變化，讓轉子周圍在表面張力不對等的情況下可產生淨力矩不為零的旋轉運動。

惟該製作出的不對稱微型齒輪轉子尺寸相當小(直徑大約為18μm)，必須使用奈米製程設備才能製作，即使為了增進吸光效率而加大尺寸(如直徑為5mm、10mm)，仍會有材料取得不易、製作工序複雜、不易加工及成本十分昂貴的問題。

故，發明人有鑑於上述習用之問題與缺失，乃搜集相關資料經由多方的評估及考量，並經由多次的設計與修改，始有此種應用於水面上之光驅動轉子的發明專利誕生。

本發明之主要目的乃在於轉子之底板上表面覆蓋有導熱薄片所具之基部，並於基部周圍處設有自底板邊緣處向下彎折之複數引腳，且導熱薄片上表面附著有吸光材料，當底板位於水面上時，可透過光源照射於吸光材料提供導熱薄片致熱所需的光能，並由導熱薄片將產生的熱經由複數引腳傳導至水面後，便可局部加熱同側水面而形成表面張力的梯度變化，使轉子在各個角落處受到的表面張力作用不對等(即合力不為零)或合力為零情況下，會因施力矩不為零而產生移動或轉動，此種轉子之三層式結構設計選用材料(如蓋玻片、電解用銅箔及石墨等)都是便宜且容易取得的，並於製作過程也是容易的，從而實現結構簡單、便於製作及節 省成本之效用。

本發明之次要目的乃在於導熱薄片之基部各側邊至底板邊緣之間為可預留有一間隙，可避免導熱薄片側邊與底板邊緣過於貼齊所造成其接觸水面之現象，並使導熱薄片除了各角落處之引腳，其餘部位不會接觸或傳導熱至水中，且因各引腳為反折至底板底部，使其平貼於底板底面上後可有效減少其阻力，並確保導熱薄片產生的熱能傳導至水中，而導熱薄片之引腳接觸水面之寬度與位置，係決定水面感受到局部加熱的變因，並關係到其加熱的範圍，故對於表面張力作用於轉子的施力矩及轉速具有重大的影響。

本發明之另一目的乃在於導熱薄片選用具霧面之電解用銅箔的原因除了可利用其熱傳導快的特性以外，並於銅箔的霧面上亦可方便吸光材料(如石墨、碳膠帶等)均勻地塗佈在其表面，使附著有石墨後的銅箔熱吸收率非常高，且因轉子從一開始光源照射到持續轉動，可以穩定提供加熱溫度，不會因時間拉長而累積熱量，即可使水面保持穩定的溫度梯度分佈，以提供轉子具有持續轉動的特性。

1:底板

2:導熱薄片

21:基部

22:引腳

221:接觸段

222:定位端

3:吸光材料

4:水面

E:導熱薄片的各引腳反折至底板底部之長度

L:底板各側邊之長度

S:導熱薄片的基部側邊至底板邊緣間之間隙

t1:底板之厚度

t2:導熱薄片之厚度

W:導熱薄片的引腳接觸水面之寬度

第一圖 係為本發明較佳實施例之俯視圖。

第二圖 係為本發明較佳實施例導熱薄片之平面圖。

第三圖 係為本發明較佳實施例之側視圖。

第四圖 係為本發明較佳實施例於光源照射時之狀態示意圖。

第五圖 係為本發明另一較佳實施例於反折前之俯視圖。

第六圖 係為本發明另一較佳實施例於反折後之俯視圖。

第七圖 係為本發明再一較佳實施例之俯視圖。

第八圖 係為本發明再一較佳實施例之側視圖。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及其構造，茲繪圖就本發明之較佳實施例詳加說明其構造與功能如下，俾利完全瞭解。

請參閱第一、二、三、四圖所示，係分別為本發明較佳實施例之俯視圖、導熱薄片之平面圖、側視圖及光源照射時之狀態示意圖，由圖中可清楚看出，本發明之應用於水面上之光驅動轉子包括底板1、導熱薄片2及吸光材料3，其中：該底板1較佳實施為一多邊形(具有幾何對稱性尤佳)的剛性底板，如玻璃或塑膠所製成之正方形蓋玻片，但並不以此為限，亦可為一遇水不會軟化、變形、吸附加重之材料製成的非剛性底板，如玻璃纖維強化塑膠板，且底板1密度為不大於液體(如容器中裝的水、庭園造景或養殖等用水)的密度(即底板1密度等於或小於液體)，或者是底板1整體承載的重量足以由液體產生的浮力及表面張力所支撐，且底板1可為導熱性較差者為佳，即底板1位於水面上時，不易熱傳導至水面而影響水面的溫度產生變化。

在本發明以下實施例中，底板1係以正方形為最佳實施，主要是因材料可簡單利用正方形以裁剪、沖壓等加工方式製作出最多的底板1面積，不但可以減少材料浪費，並以底板1之材料利用率及轉動效果 而言，也是最佳的應用。

該導熱薄片2為一可撓屈的片材，較佳實施係具有至少一粗糙化表面之電解用銅箔，但並不以此為限，亦可為鋁箔、銀箔、碳纖維片、導熱矽膠片或其他導熱性佳的可撓屈材料所製成，其中該粗糙化的表面可為一電解用銅箔、鋁箔本身所具有的霧面，或者是經粗糙化處理(如利用金屬微粒子附著、表面蝕刻加工後形成微細的凹凸結構等)的表面，而導熱薄片2形狀為近似底板1，並具有覆蓋於底板1上表面的中間處之基部21，且基部21周圍或各角落側邊處分別設有位於底板1邊緣處之複數引腳22。

在本實施例中，導熱薄片2之基部21為近似底板1之正方形設計，並於基部21四個角落處分別朝外延伸有引腳22，且各引腳22上分別自底板1邊緣處向下彎折形成有接觸段221，而導熱薄片2亦可搭配與底板1實際的組裝應用，在引腳22之接觸段221上進一步向內反折形成有平貼於底板1底面上之定位端222，以構成一形狀為非對稱或旋轉對稱之導熱薄片2設計。

該吸光材料3可為石墨，並均勻地附著於導熱薄片2粗糙化的表面上(即上表面)，但並不以此為限，亦可為碳膠帶、奈米碳管、石墨烯或其他吸光表現為接近黑體效果的材料所製成，用以提升導熱薄片2之熱吸收率，也可依使用吸光材料3的不同而採用貼合、化學氣相沉積法等方式成型於導熱薄片2粗糙化的表面上，故在本案以下之說明書內容中皆一起進行說明，合予陳明。

當本發明於製作時，係先將導熱薄片2(如銅箔)剪裁成 多邊形(如正方形、正六邊形、星芒狀等)設計，並於導熱薄片2粗糙化的表面上(如霧面)以塗佈的方式均勻地附著有吸光材料3(如9B鉛筆的石墨筆芯)，而底板1上表面則可均勻塗佈有一薄層真空膏、油膏或潑水劑等形成一層疏水薄膜，但若是上表面本身就具有疏水性的底板1(如塑膠蓋玻片或石墨)，則可免去此一塗佈疏水薄膜的步驟。

另外，導熱薄片2在基部21非粗糙化的表面(如亮面，即下表面)四個角落處也可進一步點上最少量的快乾膠(其點膠量可依二者間之固著強度作適當的調整，但以不增加熱傳導的效果為原則)，並將底板1塗佈有薄層真空膏的表面(即上表面)覆蓋於導熱薄片2點上快乾膠之基部21表面上，使導熱薄片2與底板1穩固黏合後，即可翻轉使其正面朝上，而後再將導熱薄片2於基部21四個角落延伸出底板1邊緣處之複數引腳22向下彎折或反折平貼於底板1底面上，便可完成本發明實施例之轉子樣品製作。

在本實施例中，上述底板1與導熱薄片2之間為形成有一空隙，當底板1的上表面沒有塗佈薄層真空膏時，係利用快乾膠將導熱薄片2四個角落黏合至底板1上表面，使底板1與導熱薄片2之間保留有一空隙而不需整面黏合，以減少導熱薄片2產生的熱直接傳導至底板1上；此外，若是底板1面對導熱薄片2方向之表面為進一步塗佈有一薄層真空膏時，可使二者間之微小空隙為具有疏水性，以避免因毛細現象造成水滲入而吸收導熱薄片2產生的熱，進而影響其熱傳導的效果。

如第二圖所示，上述底板1較佳實施可為各側邊之長度L=18mm的正方形，但並不以此為限，亦可為22mm、24mm或其 他適當的長度，並於導熱薄片2之基部21各側邊至底板1邊緣之間也可預留有一間隙S=1mm，可避免因導熱薄片2側邊與底板1邊緣過於貼齊時所造成其接觸水面之現象，以供導熱薄片2除了基部21各角落處之引腳22之外，其餘部位不會傳導熱至水中，且因各引腳22反折至底板1底部具有一長度E=1mm，使其定位端222平貼於底板1底面上後即可有效減少其阻力，同時也能達到固著定位之效果，進而確保導熱薄片2產生的熱能傳導至水中；另，導熱薄片2之引腳22接觸水面之寬度W=2~6mm與位置，係決定水面感受到局部加熱的變因，並關係到其局部加熱的範圍，故各引腳22接觸水面之寬度與位置，對於表面張力作用於轉子的施力矩及轉速具有重大的影響；又底板1與導熱薄片2為可分別具有一厚度t1=150μm、t2=35μm，但並不以此為限，舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

當本發明上述之轉子靜置於水面4上而呈現漂浮狀態時，可由光源(如太陽光或高強度手電筒等)的光線照射於導熱薄片2表面上之吸光材料3正中間位置，並使吸光材料3吸收光源的幅照度可為太陽光的幅照度範圍(如300~1700W/m²)，或是以放大鏡聚焦或其他增益光源幅照度的方式，使光源的幅照度達到1700W/m²以上，較佳實施可為1000~1400W/m²，即可提供導熱薄片2致熱所需的光能(如5.18~6.8W)，使其從開始照射時的溫度(如接近水溫的21℃)上升至穩定的高溫(如30~50℃)，同時將產生的熱經由導熱薄片2之複數引腳22傳導至溫度較低的水面4，以局部加熱同 側水面4形成表面張力的梯度變化(即引腳22與水面4小面積的接觸，讓水面4在局部的溫度有所變化而產生表面張力的差異)，便可藉由表面張力會隨著溫度變化的特性而運作，使轉子在底板1各個角落處所受到的表面張力作用不對等(即合力不為零)或合力為零情況下，會因施力矩不為零產生移動或轉動，且轉子的轉速與光源的幅照度呈正相關，即光源的幅照度越強會驅使轉子有更小的轉動週期而轉速更快(終端轉速大約為2.55~3.2rad/s)，但是轉子受到光源照射一段時間後，轉動的速度將不會再增加，係因轉子吸收的光能僅用來轉換成克服水面4黏滯阻力所作的負功。

在本實施例中，轉子之導熱薄片2選用具霧面之電解用銅箔的原因除了可利用其熱傳導快的特性以外，並於銅箔的霧面上可方便吸光材料3(如9B鉛筆的石墨筆芯、碳膠帶等)均勻塗佈在其表面，使附著有石墨後的銅箔熱吸收率非常高，且因轉子從一開始光源照射到持續轉動的過程，可以穩定的提供加熱溫度(如31~31.6℃)，不會因時間拉長而累積熱量，即可使水面保持穩定的溫度梯度分佈，以提供轉子具有持續轉動的特性，只要光源不中斷或強度不衰減，轉子就會不停旋轉，此種轉子之底板1、導熱薄片2及吸光材料3三層式結構設計，選用材料都是應用普遍、價格便宜且容易取得的，如使用玻璃或塑膠蓋玻片作為底板1，電解用銅箔作為導熱薄片2，以及石墨作為吸光材料3，並於製作的過程中也是相對容易的，如僅需進行裁切、塗佈及翻折、貼齊等加工，從而實現結構簡單、便於製作及節省成本之效用。

請搭配參閱第五、六圖所示，係分別為本發明另一較佳實 施例於反折前與反折後之俯視圖，由圖中可清楚看出，在本實施例中之底板1與導熱薄片2為面積大小相同之正方形，但彼此間旋轉錯位一角度，並於導熱薄片2之基部21四個角落處為直接自底板1邊緣處向下彎折，以形成有複數引腳22之接觸段221，且該接觸段221上亦可進一步向內反折形成有平貼於底板1底面上之定位端222，也可進一步利用四個角落處點上之快乾膠來確保底板1與導熱薄片2之間的固著，此種導熱薄片2利用與底板1面積相同之正方形，不僅材料的取得容易，並由基部21角落處直接反折平貼於底板1底面上而不須進行裁剪加工，即可精簡製作的程序，更能有效節省材料使用及製作上之成本。

請搭配參閱第七、八圖所示，係分別為本發明再一較佳實施例之俯視圖及側視圖，由圖中可清楚看出，在本實施例中之轉子與第四圖所示之轉子結構主要差異之處在於底板1、導熱薄片2分別為一齒圓盤形之板片，其面積大小可為相同或大致相同，但彼此間旋轉錯位一角度，並於導熱薄片2之圓形基部21周圍處分別形成有齒狀之複數引腳22，且各引腳22尖端側邊處為分別反折平貼於底板1底面上，再於導熱薄片2之基部21表面上附著有吸光材料3，雖然整體形狀(如正方形、正六邊形、星芒狀、齒圓盤形等)和尺寸會有所差異，但其均是利用表面張力會隨溫度變化的特性，藉由導熱薄片2與水面4小面積的接觸，讓水面4的局部溫度改變而產生表面張力的差異，以有效地提供驅動轉子轉動所需之合力矩，且轉子之旋轉方向也可依導熱薄片2之複數引腳22設定水面4被加熱的位置不同而產生順時針或逆時針旋轉。

藉上，本發明上述實施例之轉子為可應用於包含但不限於 科學教育實作器材、玩具開發、養殖漁業設備、庭園造景器材、景觀工程器材、戶外裝置藝術或燈光藝術設計等，其中轉子若是應用於科學教育實作器材時，可直接將底板1靜置於水面4作為轉子漂浮的平台，並由光源照射於吸光材料3使導熱薄片2致熱而局部加熱水面4後，利用表面張力會隨溫度變化的特性，使轉子受到表面張力的作用產生移動或轉動，即可作為以光源加熱溫度改變水的表面張力為原理之教材，不但可提供學生實作的機會，也因此提高了科學實驗與學習的興趣，並有益於啟發對於利用日光能源的多元創新。

此外，轉子之底板1在不影響光源照射於吸光材料3的表面上亦可進一步貼附或塗佈有發光材料(如螢光粉、夜光條、自發光膠帶等)，以作為庭園造景、景觀工程、戶外裝置或燈光藝術設計等轉動裝飾用之燈飾，而轉子之底板1底部也可以錨泊系統(如纜繩、拖底錨鍊等)或軸心等定位於水面4上，其中底板1底部若是連接有具槳葉之軸心時，可由轉子來帶動軸心之槳葉或攪動水的功能，以應用於養殖漁業設備(如魚塭的水車增氧機)，亦可將上述多個轉子結構彼此相互嚙合而類似齒輪組合來倍增放大扭力，以帶動電動機或發電機的軸心旋轉出力，或者是其他可進一步應用轉子在液體上轉動的相關設備或器具，舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

是以，本發明主要針對底板1上表面覆蓋有導熱薄片2之基部21，並由基部21周圍處設有自底板1邊緣處向下彎折用以接觸水面4之複數引腳22，且導熱薄片2上表面附著有吸光材料3，當底板1 位於水面4上時，可透過光源來照射於吸光材料3提供導熱薄片2致熱所需的光能，並將產生的熱經由複數引腳22傳導至水面4局部加熱形成表面張力的梯度變化，使轉子受到表面張力的作用，會因施力矩不為零而產生移動或轉動，此種轉子之三層式結構設計選用材料(如蓋玻片、銅箔及石墨)都是便宜且容易取得的，並於製作過程也是容易的，從而實現結構簡單、便於製作及節省成本之效用。

上述詳細說明為針對本發明一種較佳之可行實施例說明而已，惟該實施例並非用以限定本發明之申請專利範圍，凡其他未脫離本發明所揭示之技藝精神下所完成之均等變化與修飾變更，均應包含於本發明所涵蓋之專利範圍中。

綜上所述，本發明上述之應用於水面上之光驅動轉子於使用時為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，實符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本案，以保障發明人之辛苦發明，倘若 鈞局有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，實感德便。

1:底板

2:導熱薄片

21:基部

22:引腳

221:接觸段

222:定位端

3:吸光材料

Claims (12)

1. 一種應用於水面上之光驅動轉子，包括：一底板，用以作為該轉子位於水面上的平台；一導熱薄片，係具有覆蓋於該底板上表面之基部，並由該基部周圍處設有自該底板邊緣處向下彎折而接觸於該水面之複數引腳，且該些引腳係用以設定該水面被加熱的位置；一吸光材料係附著於該導熱薄片上表面，用以吸收光源照射於其上的光線並提供該導熱薄片致熱所需的光能，使該導熱薄片產生的熱經由該些引腳傳導至該水面局部加熱形成表面張力的梯度變化，藉此提供驅動該轉子轉動所需之合力矩。
2. 如申請專利範圍第1項所述之應用於水面上之光驅動轉子，其中該底板係一玻璃或塑膠所製成之蓋玻片。
3. 如申請專利範圍第1項所述之應用於水面上之光驅動轉子，其中該底板係一玻璃纖維強化塑膠板或石墨。
4. 如申請專利範圍第1項所述之應用於水面上之光驅動轉子，其中該底板為一多邊形或齒圓盤形。
5. 如申請專利範圍第4項所述之應用於水面上之光驅動轉子，其中該底板為一正方形。
6. 如申請專利範圍第1項所述之應用於水面上之光驅動轉子，其中該導熱薄片具有至少一粗糙化表面，並於該粗糙化表面上附著有用以提升該導熱薄片的熱吸收率之吸光材料，且該吸光材料係一石墨、碳膠帶、奈米碳管或石墨烯。
7. 如申請專利範圍第1項所述之應用於水面上之光驅動轉子，其中該導熱薄片係一電解用銅箔、鋁箔、銀箔、碳纖維片或導熱矽膠片。
8. 如申請專利範圍第1項所述之應用於水面上之光驅動轉子，其中該導熱薄片在基部的各角落側邊處為分別朝外延伸有該些引腳，並由該些引腳上分別自該底板邊緣處向下彎折形成有用以接觸該水面設定被加熱的位置之接觸段。
9. 如申請專利範圍第8項所述之應用於水面上之光驅動轉子，其中該導熱薄片在引腳之接觸段上為分別向內反折形成有平貼於該底板底面上之定位端。
10. 如申請專利範圍第1項所述之應用於水面上之光驅動轉子，其中該吸光材料係一石墨、碳膠帶、奈米碳管或石墨烯。
11. 如申請專利範圍第1項所述之應用於水面上之光驅動轉子，其中該導熱薄片在基部下表面的角落處為進一步點上有快乾膠，用以將該導熱薄片角落處黏合至該底板上表面，並於該底板與該導熱薄片之間形成有一空隙。
12. 如申請專利範圍第1項所述之應用於水面上之光驅動轉子，其中該底板面對該導熱薄片方向之表面為進一步塗佈有薄層真空膏、油膏或潑水劑形成一層疏水薄膜，使該底板與該導熱薄片間所形成之空隙具有疏水性。

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