CN100426546C - 低温固态式热电能源转换器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温固态式热电能源转换器及其应用，主要系提供以低温工作之电能转换器应用方式，其系利用人为或自然环境所产生废热，使特定晶格结构的材料因温度变化，晶格沿极化轴方向产生应变，导致晶格内构成共价键离子的正电荷中心与负电荷中心异向位移，造成电位差而发生电流，系完全处于热源的环境之下持续将热能转换为电能，提供广泛应用于产生废热能之器材或设备中，能将废热能转换为电能，达能源再生及辅助能源的目标，此外，亦可扩大规模与范围，取代传统的机→电发电设备，如火力发电、汽电共生、地热、太阳能等场合辅助发电应用。

Description

低温固态式热电能源转换器及其应用

【技术领域】

本发明涉及一种低温固态式热电能源转换器及其应用，主要是提供一种可完全处于热温环境中，即产生电流之固态式陶瓷状热电能量转换应用，由于无需制冷端之设计，而可使整体浸入热温中，利于广泛应用在任何具有热源之场合，包括低温域及高温域。

【背景技术】

有关废热产品之机具，如计算机的CPU或CHIP SET芯片组的热量，为积热发生热量，必须以强制方式冷却，而利用了风扇，由主机电源取得电力作热温带放以冷却CPU，新进更有以制冷芯片的冷却方式，唯其功率需求极大，耗费电能，难被广泛利用，最近更有制冷式热电装置取得电能设计如台湾第90129981号之“高效率热电冷却器之冷却点设计”，以及第89127635号之“由热电材料的薄板制造复数个元件芯片的方法”等所指的热电元件，皆需有热沉之制冷端结构存在，其工作情况基本上同有再次废热的生成，或需以额外能源施以外力冷却，也就是其工作条件基础为需有冷及热二种基本工作模式。

随着CPU运算的速度越来越高，相对其产生的热量也越可观，以INTEL P4的CPU为例，其1GHz之其发热量可达50W以上，而更高频的2～3GHz的CPU发热量更在80W以上，即使同样的问题亦在通信与光电业产生，随着电子通讯业的发达及繁多的使用者，其强制冷却的功率新进有明显增大的需求趋势，相对由该需求而可反向了解到所需的电力来源需求大幅增加，以及所排除的废热累计相当可观。

因此若能以封闭回路的CLOSE LOOP方式应用在上述之电子器材，得无须外来电力提供冷却辅助，也就是能利用该电子***所发生的废热，直接转换为电能，产生所需电力来推动散热风扇，达成自我冷却的效果，为目前之相关器材应用全新开拓的领域。

根据台湾资策会于2002年9月的统计数字指出，2002年全球桌上型计算机市场规模以达到105,655千台，而笔记型计算机则有30,003千台，若以每台计算机所需散热风扇耗能需求在3.5W来推算，全球则在该散热的能源全球总消耗为4.76亿瓦的电力，相当一座50万KW级的电厂，若能充分有效的在该前述的电子器材形成封闭式的能源回收利用，无须外来能源，对世界地球整体环境以能源节约有着莫大的助益。

【发明内容】

有关本发明的原理，是利用陶瓷材料持续吸收周围环境的热能所致温度增加，产生相变，同时晶格沿极化轴方向产生应变，正电荷中心与负电荷中心发生异向位移，造成电位差而持续产生电流，本质上无需刻意营造热源，工作过程无任何污染或噪音，为目前环保及能源应用最前卫实施样态。

本发电元件，基本上是以热传导是数共价键结离子为主的陶瓷材料，并利用相异价电子数离子产生的空缺来控制导电性，达到不同的能量转换效益。

本发明之低温固态式热电能源转换器，该转换器包含：至少一具具有焦电性之热应变电子陶瓷之发电元件，经由受热后，让发电元件元素晶格沿极化轴方向产生应变，导致晶格内构成共价键离子的正电荷中心与负电荷中心异向位移，而产生电位差发生电流，所发生电流经由发电元件正负二面导电涂层汲引导出，形成热电效应，以支持产生废热转化电能过程。

本发明之低温固态式热电能源转换器的应用，尤指提供受热发电之装置，主要是由一能源端供给负载端作为动能依据，一热电效应发电元件，从负载端取得废热后形成热电效应发生电流，经由一转换电路输出可利用电能。

本发明之低温固态式热电能源转换器的应用，尤指提供信息处理器作为自我能源供给之散热装置，主要包括一热电效应之发电元件，一散热抽风机，其中该发电元件是由处理器取得电源，经热电效应发生电流，提供驱动散热装置，形成封闭电性回路之自我供电机制，达成散热辅助。

[附图说明]

图1为本发明基础运用例。

图1-1图为***基础应用图。

图2及图3为晶格变化产生电位差之晶格结构模型图。

图4为本发明之单侧受温运用基本示意图。

图5为本发明实施应用例。

图6为本发明以热浸方式实施基础示意图。

图6-1图为本发明之野外应用图示。

图6-2图为本发明之浸热工作实施例。

图7、8、9、10为本发明例举性实施示意图。

图7-1图为本发明之汽车车体热回收示意图。

图9-1图为本发明之汽电共生应用示意图。

图示元件符号说明

1一发电元件    10一转换电路      11一导电涂层

12一能源       121一油气         122一电源

13一负载端     14一废热交换元    2一热源

20一加热器     21一阻热围体      22一热触媒

3一固定座      31一热导管        33一散热鳍板

34-风箱        35一抽风机        4一流体散热器

41一通道       42一气热排放装置  5一炽热灯体

51一反光罩     6一热流管体       61一热工作间

7一反射碟      71一光源感知器    72一方位调整器

【具体实施方式】

其基础应用请参阅图1所示，其主要是由一块状之发电元件1，正负两面经由导电涂层11汲引出DC电流，该发电元件1可经对流、传导与辐射作用直接吸收一切环境中之热源，产生一定之热电转换效益。

工作基本原理为利用陶瓷的焦电特性(PYROELECTRICITY)作为热能与电能直接转换的基础，其关系如下；

E_pyro＝α.ΔT/k.ε0

E_pyro    焦电特性所产生之的电场，Volt/m。

α       焦电系数，COULOMB/℃.m²。

k        材料介电常数。

ΔT      热源所致的材料温度变化。

ε₀      真空电容率，m^-1。

以此关系式可确认出具焦电特性的陶瓷材料，其能量转换率可大于6％，已具有工业应用价值，除外随着材料性能改善，往后其利用值可再提高。

请再参阅图1-1，有关本发明应用实施基础，是负载端13，如马达或C PU、或汽油引擎等，由能源12取得动力依据后，经工作效率损耗所发生废热，得藉由废热交换元14(如散热器)等所集结或导引之后，将废热传达给发电元件1，使之汲取热能，经由应变工作转换电能输出，输出端利用直流转换电路10转换出稳定应用电能，上述为本发明基础应用方式，依本式基础，得可推及任何有热能之场合使用，包括人为刻意安排之热源，如以油气121燃化热能之***，则达成油电转换，产生特定发电目的。

能源12若为电力源122，经负载端13工作损耗出之废热，如前述经由发电元件1转换出电流，经转换电路10处理后，则可直接回馈给电力源122，作能源直接回收，依其效益比，致少可得能源再生之辅助工作。

图标负载端13依所采用之器材条件(如马达)必需将机体废热排出者，得利用废热交换元14配合，强制性将其废热带离，确保负载端13机体安全，因此废热交换元14之存在为必要。

有关发电元件1之工作原理，是发电元件1接受温度之后，使晶格产生应变请参阅图2及图3所示，该图2所示是正电荷中心与负电荷中心在重叠的情况之下，无净电场产生；若材料因温度变化致晶格产生应变，使正电荷中心与负电荷中心分离，产生电位差而发生热电转换。

该图2、3是以仿真的方式表示，该正电荷及负电荷其实为一群体状，图标上是将其群体之核心位置定义为正电荷中心或负电荷中心，如此可得到简略的说明。

本发明除了具有基本的热电转换能力之外，更实作出具有极高的能量密度，接近4W/cm³并以极低的反应温度约在60℃即可达到全载输出的境界。

依本发明之施作，如图4所示，是在热源2的散热面直接贴设发电元件1，使接受其持续温度而产生一电流。

其电路之形式可应用入图5所示之热电驱动散热装置，特别可针对计算机中央处理器或变压器等废热利用为热电转换依据，经热电效应而发生电流，为简化说明，仅举如处理器之应用说明如下：该散热装置是由一固定座3，里部经由热导管31而关是导流热能，将CPU等芯片组所发生之热温导引至散热鳍板33，相对散热鳍板33一侧形成有风箱34，经由抽风机35的作用以径流的方式，将冷风带过散热鳍板33散热，然该抽风机35所应用的电能，则直接藉由发电元件1提供，而本发明是将发电元件1直接压接于CPU等芯片组的发热端，如图4之结合方式，而达到一封闭式的回路，又该CPU若运行速度增快所产生较高温度，相对发电元件1既可接受更高高温，而产生更大的电能给抽风机35使用，因此抽风机35也会因其直流电位的变化而作高低转速的作动，高温时该作动速度率提高，则对散热鳍板33作较高效率的散热。

请再参阅图6所示，该图显示本发明应用之元件1整体表面是可完全接受环境温度以热浸的方式应用，本身无须制冷端热沉作用，可持续接受热温而发生电流，供电于应用在任何可取得热源的场所。

其方便应用如图6-1所示，可将发电元件1结合转换电路10，整体构成可方便携带的机型，在该发电元件1周边以任何方式取得热源2，如在野外以燃烧木材等各种燃料的发热方式，其发生之热源2既作用于发电元件1，经由发电元件1所产生的电流，再藉由转换电路10得提供一稳定的电性。

又有关该热源2的构成，进一步可利用密闭吸热的方式，如图6-2是利用一以燃油或是瓦斯等作为能源之加热器20，作用于以一热触媒22，再由热触媒22所发生之热温，导入一箱型之阻热围体21，使该热源可停留于围体21里部，以提供发电元件1取得工作热能，依照本图之实施其工作温度可应用在200℃以下，由加热器20所发生之效率约在75％，该热触媒22可接受加热器20以间歇性的加热，如温度产生温降时则加热器20重新激活加温，在围体21里部达到约200℃时，则加热器20既自行停机，以构成间歇性依照温度条件加热，本质上该加热器20不会造成无谓的能源耗费，依此实施方式扩大整体规模即可产生可观电力，且不会产生有害污染。

相关应用请参阅图7、8、9、10举例所示，首先请参阅图7，是在具有热流体之散热器4里部所形成的通道41，利用该通道41提供热流体流通，且选择在高温的位置为佳，得将该元件1以整列的方式架构于该通道41里部，得可取出热电反应发生电流应用。

本专利进一步实施在汽车废热排放路径当中则可架构于排气管，或引擎发生高温的部位，如图7-1所示，是在气热排放装置42的位置装设有发电元件1，该发电元件1的体积可依照所需电力质的大小而选用，如本发明实施在汽车电池的充电，则约采用总体积为150cm³之发电元件1得可产生约600W的功率，按一般汽车电池其规格为12V-50A，(而所应用的电流一般正常行车情况下是低于50A)，汽车引擎对发电机带动发电的耗能约接近IHP其应用能量明显，又发电机的效率约等于75％所以引擎所需输出的功率约要800W，也就大约在1.0724马力以上，所以对于燃油的耗费也明显潜现。

又本发明应用之发电元件1其工作能量约1cm³体积可产生4W电力，所以应用在汽车电池充电，则需以总体积为150cm³之体积量，既可达到对电池的充电，而且该发电元件1与电池之间，则经由一般机电控制方式以对电池作保护，更由于引擎发动所产生热能为不断，则发电元件1所发生的电能，则可造成回路性的提供火星塞升压电源的利用，或是空调马达等需要电力运作的汽车任何装置取得使用电力来源。

本发明更进一步细节性的应用，如图8所示，本图是提供一般观念性无法应用的思考领域，主要是表示在任何发生热源的地方，皆可作为能源收集及发电转换之实施例，如可运用在发生热温现象之炽热灯体5热量集中端，藉由反光罩51的收集，而将热源集中在顶部，并在该周边设置发电元件1，既可接受该炽热灯体5所发生热温而代换出电能，提供另种需求，另大型照明灯如水银灯、钠气灯、氦氖灯等其工作效率约50％，又其功率需求一般上仟瓦，因此约有500W以上的能源浪费，若可在相关灯体取得热源，得在照明现场造就额外可观能源。

请再参阅图9，另在热流管体6内孔里部，可采幅向等分布方式，分布多数之发电元件1，该发电元件1可直接接受热流管体6里部流动之热源，产生升温以致发生电能。

又如图9-1所示，在热工作间61所形成之废热，经由热流管体6所排放，该热流管体6里部则可预先排列有多数的发电元件1，藉以收集由热流管体6里部所穿流之热气，收集其热能而转换为电能，并将所发生之电能以并联方式，回馈入热工作间61里部所需应用电能的装置，该热工作间61若是为发电厂，则其电力输出端可并联发电元件1之导通电路以作为能源供构，提高能源利用率，然一般以火力发电之电场，其烟囱排放温度在低温的情况之下，然本发明之发电元件1，其工作温度最低可在约55℃之低温，因此应用于发电厂的废热排放路径当中为目前唯一能够利用低温的设计，因此本发明的应用可扩及在任何低温约55℃的任何场合。

请再参阅图10所示，其中为了与能够撷取自然环境温度之实施方法，而可利用一反射碟7，经由光源感知器71的追踪太阳热源，而在反射碟7的反射中心点位置设有发电元件1，又该光源感知器71是指令方位调整器72保持对太阳方位的对正，可增加光源能量的集中，而依本实施之方式所接受为太阳之热辐射波，并非太阳之可见光，藉由太阳之热辐射波同可对发电元件1产生高效的加热，相同代换出电能，为了更容易让发电元件1取得自然环境之热辐射波，而可将发电元件1的表面涂布成黑色易于吸收热辐射波的涂层以增加吸收热辐射波之效率，依照本图之实施为在天气条件良好的区域，可做全自动自行性的发电，并利用方位调整器72的自动追踪功能，而可针对太阳辐射源的位置，收集较强烈的热辐射波，甚至炽热的光波以及远红外线波，当然该反射碟7的能力为具有可反射上述各种热波的功能。

本发明主要是提供结构坚实、体积大小可因应使用场所，而采用不同大小型体或几何形状，细微者可作用于如手提电脑的电力发生辅助风扇散热，大规模者可形成如发电厂，甚至在外层空间可接受太阳热风的加热作用，而提供无噪音及结构简单、使用寿命冗长，工作时不具机械动态，且所发生电能同可提供蓄电装置容蓄，所达及应用领域为可覆盖普遍性的应用阶层，本发明之形态基本上类同于精密电子陶瓷，实施上是采用高导电导热质之元素，和采用晶格内共价键离子的不同极性电荷异向位移距离较大的元素所构成将热能转换为电能的特性，基本上符合以上条件之元素皆可构成本发明之实施，相对应同为本发明所延伸保护之范围。

Claims (7)

1、一种低温固态式热电能源转换器，其特征为：该转换器包含：至少一具具有焦电性的热应变电子陶瓷的发电元件，经由受热后，让发电元件元素晶格沿极化轴方向产生应变，导致晶格内构成共价键离子的正电荷中心与负电荷中心异向位移，而产生电位差发生电流，所发生电流经由发电元件正负二面导电涂层汲引导出，形成热电效应，以支持产生废热转化电能过程。

2、根据权利要求1所述的低温固态式热电能源转换器，其特征为该发电元件是经对流、传导及辐射作用直接吸收一切环境中的热源，产生一定的热电转换效益，可应用于任何的电力驱动设备，并透过陶瓷的焦电特性之一工作基本原理加以热能与电能转换。

3、一种低温固态式热电能源转换器的应用，其特征为：主要是由一能源端供给负载端作为动能依据，一热电效应发电元件，从负载端取得废热后形成热电效应发生电流，经由一转换电路输出可利用电能。

4、根据权利要求3所述的低温固态式热电能源转换器的应用，其特征为发电元件可形成外露状的随身携带式。

5、根据权利要求3所述的低温固态式热电能源转换器的应用，其特征为该发电元件可接受太阳热辐射波加温，经由一反射碟以聚能方式收集太阳的热辐射波。

6、根据权利要求3所述的低温固态式热电能源转换器的应用，其特征为该能源端为电能，则可接受转换出的电能回馈辅助增加电力。

7、一种低温固态式热电能源转换器的应用，其特征为：主要包括一热电效应的发电元件，一散热抽风机，其中该发电元件是由处理器取得电源，经热电效应发生电流，提供驱动散热装置，形成封闭电性回路的自我供电机制，达成散热辅助。

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