TWI760090B

TWI760090B - 廢冷能量回收發電裝置

Info

Publication number: TWI760090B
Application number: TW110103829A
Authority: TW
Inventors: 黃美嬌; 林明泉; 程泓諭
Original assignee: 國立臺灣大學
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2022-04-01
Also published as: TW202232874A

Abstract

一種廢冷能量回收發電裝置，包含腔室、發電模組及加熱模組。腔室包含低溫流體注入口、低溫流體排出口、高溫流體注入口及高溫流體排出口；發電模組設置於腔室內，發電模組包含具內流道的導冷塊及熱電晶片，熱電晶片設置於導冷塊，內流道與低溫流體注入口及低溫流體排出口連通，自低溫流體注入口注入之低溫流體流經內流道且由低溫流體排出口排出，其中熱電晶片的冷端面向低溫流體；加熱模組加熱由腔室所排出的低溫流體為高溫流體，且高溫流體回流至腔室內使熱電晶片的熱端具有相對高溫後排出腔室，熱電晶片藉由兩端溫差發電。此廢冷能量回收發電裝置可抗凝水及抗結冰。

Description

廢冷能量回收發電裝置

本發明是有關一種發電裝置，尤指一種利用廢冷與室溫間之溫差進行發電，且能抗凝水抗結冰之廢冷能量回收發電裝置。

在食品工業、傳統加工製造業、半導體工業及醫療設備等產業中，常見使用各種低溫氣體作為製程使用，而為了減少低溫氣體的收納及運送體積，一般會以高壓鋼瓶或者液化氣體的形式將氣體收納於特殊容器中，等到實際使用氣體時，經主動式或被動式加熱器將液化氣體加熱至室溫氣體後，再傳輸至應用端使用，抑或使用後經加熱至室溫氣體再排放至大氣。然而，液化氣體本身需要耗能，單純將其加熱還原至室溫室壓等同是能量的平白浪費，不符合節能減碳的環保概念。

本發明提供一種廢冷能量回收發電裝置，利用低溫氣體與室溫間的溫差而發電，具有抗凝水及抗結冰的功效。

本發明所提供的廢冷能量回收發電裝置，包含腔室、發電模組及加熱模組。腔室具有容置空間，腔室包含低溫流體注入口、低溫流體排出口、高溫流體注入口及高溫流體排出口；發電模組設置於容置空間，發電模組包含導冷塊及熱電晶片，熱電晶片設置於導冷塊，導冷塊包含內流道，內流道與低溫流體注入口及低溫流體排出口連通，自低溫流體注入口注入之低溫流體流經內流道且由低溫流體排出口排出，其中熱電晶片的冷端面向低溫流體；加熱模組以外流道連接低溫流體排出口及高溫流體注入口，加熱模組加熱由低溫流體排出口所排出的低溫流體為高溫流體，且高溫流體經高溫流體注入口注入至腔室內，以便加熱腔室內的熱電晶片，使熱電晶片的熱端具有相對高溫，高溫流體並經由高溫流體排出口排出腔室。

在本發明的一實施例中，廢冷能量回收發電裝置更包含第一管路及第二管路，導冷塊包含多個側表面及相對的兩端面，內流道穿設於兩端面，內流道的相對兩端以第一管路及第二管路分別連通至低溫流體注入口及低溫流體排出口。

在本發明的一實施例中，上述之第二管路連通低溫流體排出口且更延伸於腔室外以作為一部份的外流道連接至加熱模組。

在本發明的一實施例中，上述之熱電晶片的個數為多個，分別設置於導冷塊的多個側表面。

在本發明的一實施例中，上述之熱電晶片的個數為多個，設置於至少其中一側表面，且兩相鄰的熱電晶片之間具有一間距。

在本發明的一實施例中，上述之側表面形成有溝槽介於兩相鄰的熱電晶片之間。

在本發明的一實施例中，上述之腔室包含多個側板及兩端板，側板圍設以構成容置空間，兩端板相對設置且與側板連接以密封容置空間。

在本發明的一實施例中，上述之低溫流體注入口及低溫流體排出口分別設置於兩端板，高溫流體注入口設置於側板。

在本發明的一實施例中，上述之導冷塊包含中空殼體，中空殼體具有通道作為內流道，中空殼體上形成有貫穿槽以嵌設熱電晶片。

在本發明的一實施例中，上述之熱電晶片的熱端更設置有散熱鰭片。

本發明將發電模組設置於腔室內，藉由內流道及外流道的設計，使低溫流體流經發電模組之導冷塊的內流道，使熱電晶片的冷端具有相對低溫後，低溫流體流出腔室外並受到加熱模組適當的升溫至接近室溫 (作為高溫流體) 後，引流回注入腔室中，使發電模組沉浸於回注的高溫流體中，而提供熱電晶片的熱端一定的相對高溫，維持熱電晶片的發電效能。由於腔室內相對高壓，因此阻絕大氣進入腔室的可能，使腔室內為無水氣環境，達成抗結冰抗凝水低溫廢冷能量回收的目的。

為讓本發明之上述和其他目的、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是本發明一實施例廢冷能量回收發電裝置的結構示意圖，如圖1所示，廢冷能量回收發電裝置10包括腔室12、發電模組14及加熱模組16。腔室12具有容置空間121，腔室12包含低溫流體注入口18、低溫流體排出口20、高溫流體注入口22及高溫流體排出口24，於一實施例中，腔室12包含多個側板122及兩端板123，側板122例如為四個側板122圍設成具有容置空間121的矩形腔室12，或可為一環狀側板122圍設成圓柱形腔室12，兩端板123相對設置且與側板122連接以密封容置空間121，於一實施例中，低溫流體注入口18及低溫流體排出口20分別相對設置於兩端板123，高溫流體注入口22設置於側板122，惟不限於此。

接續上述說明，發電模組14設置於腔室12的容置空間121，發電模組14包含導冷塊26及熱電晶片28，熱電晶片28設置於導冷塊26。圖2是本發明一實施例導冷塊的側視示意圖，如圖1及圖2所示，導冷塊26包含內流道261，內流道261與低溫流體注入口18及低溫流體排出口20連通。其中導冷塊26包含多個側表面262及相對的兩端面263，於一實施例中，導冷塊26例如為實心的長方體鋁塊，包含四個環設的側表面262及相對的兩端面263，兩端面263分別面向腔室12的兩端板123，內流道261穿設過兩端面263，且熱電晶片28設置於側表面262上，於一實施例中，熱電晶片28可為多個，分別設置於導冷塊26的四個側表面262上。又廢冷能量回收發電裝置10更可包含第一管路30及第二管路32，內流道261的相對兩端以第一管路30及第二管路32分別連通至低溫流體注入口18及低溫流體排出口20，於一實施例中，第一管路30可外接至一低溫流體應用端(圖中未示)，以收集或回收應用端所輸出的低溫流體L1，低溫流體L1流經低溫流體注入口18、第一管路30、內流道261、第二管路32及低溫流體排出口20後排出，其中熱電晶片28的冷端(例如熱電晶片28之附著於導冷塊26的一側)並面向低溫流體L1。低溫流體L1例如為液態氮、液態氧、低溫氮氣、低溫氧氣、乾冰、高純度惰性氣體、或其他含水量低的氣體等。

接續上述說明，加熱模組16設置於腔室12外，並以外流道34連通低溫流體排出口20及高溫流體注入口22，於一實施例中，如圖1所示，第二管路32更延伸於腔室12外以作為一部份的外流道34a連接至加熱模組16。加熱模組16加熱由低溫流體排出口20所排出的低溫流體L1為高溫流體L2，高溫流體L2並經由加熱模組16與高溫流體注入口22之間的外流道34b注入至腔室12的容置空間121，以便加熱腔室12內的熱電晶片28，使熱電晶片28的熱端(例如熱電晶片28之遠離導冷塊26的一側)具有相對高溫，高溫流體L2並經由高溫流體排出口24排出腔室12，其中高溫流體L2例如為一溫度接近室溫的氣體。於此過程中，流體也可依應用端之需求，經管道34a以低溫方式應用後再回送至加熱模組16，或者經管道34b以高溫方式應用後再回送注入至腔室12的容置空間121。於一實施例中，熱電晶片28的熱端更可設置有散熱鰭片(圖中未示)，以提高熱端溫度而增加發電效率。又加熱模組16可為被動式加熱模組或者主動式加熱模組。

其中，高溫流體注入口22的個數可為多個，分別設置於多個側板122，以多方向將高溫流體L2注入至容置空間121內。於一實施例中，如圖1所示，高溫流體注入口22可對應於熱電晶片28的位置，以利對熱電晶片28的熱端提供衝擊流，進而提高熱交換效率，惟不限於此，高溫流體L2回流入腔室12的方式可設計各種管道變化，例如視熱電晶片18的分佈及散熱鰭片之樣式不同，進行不同的流體回流設計，以分散多處高溫流體注入口22。

又，如圖1所示，多個高溫流體排出口24為設置於腔室12的兩側端板123，以採由端板123進行多孔排放，惟不限於此，高溫流體L2排出腔室12的方式可依據需求及安全性考量而變化設計，例如採單一的高溫流體排出口24，將高溫流體L2集中收集後再進行使用、回收，亦或將高溫流體L2(接近室溫的氣體)直接排放至大氣等。

圖3是本發明又一實施例廢冷能量回收發電裝置之發電模組的俯視示意圖，如圖3所示，為了增加發電效率，可在發電模組14之導冷塊26之側表面262的長度方向上設置多個熱電晶片28，甚或多層熱電晶片28，再依實際需要進行多個熱電晶片28之輸出電力線之串聯及並聯，以獲致最佳輸出。其中多個熱電晶片28的兩相鄰熱電晶片28之間具有間距d，使熱電晶片28可適度隔開，不致互相干擾每一熱電晶片28的冷端溫度，裸露未貼有熱電晶片之側表面262以絕熱膠帶覆蓋，以避免低溫導冷塊與高溫流體直接接觸熱傳。於一實施例中，如圖3所示，更在側表面262形成有溝槽264介於兩相鄰的熱電晶片28之間，較佳者，溝槽264的深度可鄰近但不貫穿至內流道261，在圖3所示的實施例中，由於導冷塊26的四個側表面262皆可分別設置有多個熱電晶片28，因此四個側表面262皆形成有溝槽264介於兩相鄰熱電晶片28之間。圖3所示之發電模組14是以三片熱電晶片28為例進行說明，惟不限於此，可視實際應用時之長度及貼附之熱電晶片28數目及尺寸，進行調整變更。

圖4是本發明又一實施例廢冷能量回收發電裝置之發電模組的剖面結構示意圖，如圖4所示，發電模組14A包含導冷塊36及熱電晶片28，其中，導冷塊36為一中空殼體，中空殼體例如呈矩形且中空殼體的側壁361具有一厚度，導冷塊36在長邊方向上由側壁361圍設一通道362，通道362的相對兩端分別形成開口363，其中通道362可視為圖1之實施例所述之內流道261，供低溫流體L1流過；又側壁361上形成有貫穿槽364，熱電晶片28則密合嵌設於貫穿槽364中，其中熱電晶片28的冷端281可直接接觸流經通道362中的低溫流體L1，熱電晶片28的熱端282則直接接觸腔室12內之高溫流體L2。

在本發明實施例廢冷能量回收發電裝置10中，低溫流體L1流經設置於腔室12內之發電模組14的導冷塊26的內流道261，使熱電晶片28的冷端具有相對低溫後，低溫流體L1流出腔室12外並受到加熱模組16適當的升溫至接近室溫 (作為高溫流體) 後，引流回注入腔室12中，使發電模組14沉浸於回注的高溫流體L2中，而提供熱電晶片28的熱端一定的相對高溫，維持熱電晶片28的發電效能。其中，由於低溫流體L1例如為液態氮、液態氧、低溫氮氣、低溫氧氣、乾冰、高純度惰性氣體、或其他含水量低的氣體等，因此高溫流體L2也為含水量極低的流體，又充滿高溫流體L2的腔室12內相對於外部具有相對高壓，阻絕外部大氣進入腔室12的可能，因此腔室12內為無水氣環境，而使廢冷能量回收發電裝置10具有抗結冰及抗凝水的功效，而可避免凝水或結冰損壞熱電晶片或鏽蝕管路，也避免凝水滴落導致鄰近其他設備的損毀。

本發明實施例廢冷能量回收發電裝置10可應用於食品工業、傳統加工製造業、半導體工業及醫療設備等產業。以流體為氮舉例說明，氮氣常壓下的沸點約為攝氏-196度，若溫度低於攝氏-196度則會形成液態氮，隨著製程、超導實驗或冷凍系統對液態氮的使用，液態氮雖會逐漸氣化且慢慢升溫，但仍因溫度極低而不可任意排掉，而藉由本發明實施例廢冷能量回收發電裝置10回收低溫氮氣並適當的控制回注於腔室12之高溫氮氣的溫度，除了可讓熱電晶片28產生溫度差而維持發電之外，更可控制腔室12外殼(例如上述之側板122及端板123)的溫度以及氮氣排出腔室12時的溫度，避免溫度過低或過高而造成人員凍傷或燙傷的危險。

又，上述之接近室溫的高溫流體亦可被收集而接到一應用端使用。以流體為氧舉例說明，將氧氣以高壓鋼瓶運送至醫療院所後，引導低溫的氧氣流經發電模組14的導冷塊26的內流道261，使熱電晶片28的冷端具有相對低溫後，低溫氧氣流出腔室12外並受到加熱模組16適當的升溫至接近室溫後，引流回注入腔室12中，使發電模組12沉浸於回注的室溫氧氣中，且接近室溫的氧氣亦被排出收集以在後續進行使用。

本發明實施例廢冷能量回收發電裝置可經由外掛方式組裝於既有的低溫系統上，在兼顧液態/超低溫流體原有應用端的應用目的下，產生電力供人類使用；同時廢冷能量回收發電裝置因抗凝水及抗結冰，而可不必採用價格相對昂貴的防水型熱電晶片，也可避免結水/冰造成的大幅熱阻，提高發電效率，同時除去凝結之水或冰在發電過程中可能對周遭環境設備或對人員觸電/滑倒之危害風險。

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，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。

10:廢冷能量回收發電裝置

12:腔室

121:容置空間

122:側板

123:端板

14、14A:發電模組

16:加熱模組

18:低溫流體注入口

20:低溫流體排出口

22:高溫流體注入口

24:高溫流體排出口

26、36:導冷塊

261:內流道

262:側表面

263:端面

264:溝槽

28:熱電晶片

281:冷端

30:第一管路

32:第二管路

L1:低溫流體

34、34a、34b:外流道

L2:高溫流體

d:間距

361:側壁

362:通道

363:開口

364:貫穿槽

圖1是本發明一實施例廢冷能量回收發電裝置的結構示意圖。圖2是本發明一實施例導冷塊的側視示意圖。圖3是本發明又一實施例廢冷能量回收發電裝置之發電模組的俯視示意圖。圖4是本發明又一實施例廢冷能量回收發電裝置之發電模組的剖面結構示意圖。