專利名稱：低溫固態式熱電能源轉換器及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種低溫固態式熱電能源轉換器及其應用，主要系提供一種可完全處于熱溫環境中，即產生電流之固態式陶瓷狀熱電能量轉換應用，由于無需制冷端之設計，而可使整體浸入熱溫中，利于廣泛應用在任何具有熱源之場合，包括低溫域及高溫域。
背景技術：
有關廢熱產品之機具，如計算機的CPU或CHIP SET芯片組的熱量，為積熱發生熱量，必須以強制方式冷卻，而利用了風扇，由主機電源取得電力作熱溫帶放以冷卻CPU，新進更有以制冷芯片的冷卻方式，唯其功率需求極大，耗費電能，難被廣泛利用，最近更有制冷式熱電裝置取得電能設計如臺灣第90129981號之「高效率熱電冷卻器之冷卻點設計」，以及第89127635號之「由熱電材料的薄板制造復數個元件芯片的方法」等所指的熱電元件，皆需有熱沉之制冷端結構存在，其工作情況基本上同有再次廢熱的生成，或需以額外能源施以外力冷卻，也就是其工作條件基礎為需有冷及熱二種基本工作模式。
隨著CPU運算的速度越來越高，相對其產生的熱量也越可觀，以INTEL P4的CPU為例，其1GHz之其發熱量可達50W以上，而更高頻的2～3GHz的CPU發熱量更在80W以上，即使同樣的問題亦在通信與光電業產生，隨著電子通訊業的發達及繁多的使用者，其強制冷卻的功率新進有明顯增大的需求趨勢，相對由該需求而可反向了解到所需的電力來源需求大幅增加，以及所排除的廢熱累計相當可觀。
因此若能以封閉回路的CLOSE LOOP方式應用在上述之電子器材，得無須外來電力提供冷卻輔助，也就是能利用該電子系統所發生的廢熱，直接轉換為電能，產生所需電力來推動散熱風扇，達成自我冷卻的效果，為目前之相關器材應用全新開拓的領域。
根據臺灣資策會于2002年9月的統計數字指出，2002年全球桌上型計算機市場規模以達到105,655千臺，而筆記型計算機則有30,003千臺，若以每臺計算機所需散熱風扇耗能需求在3.5W來推算，全球則在該散熱的能源全球總消耗為4.76億瓦的電力，相當一座50萬KW級的電廠，若能充分有效的在該前述的電子器材形成封閉式的能源回收利用，無須外來能源，對世界地球整體環境以能源節約有著莫大的助益。

發明內容有關本發明的原理，系利用陶瓷材料持續吸收周圍環境的熱能所致溫度增加，產生相變，同時晶格沿極化軸方向產生應變，正電荷中心與負電荷中心發生異向位移，造成電位差而持續產生電流，本質上無需刻意營造熱源，工作過程無任何污染或噪音，為目前環保及能源應用最前衛實施樣態。
本發電元件，基本上系以熱傳導系數共價鍵結離子為主的陶瓷材料，并利用相異價電子數離子產生的空缺來控制導電性，達到不同的能量轉換效益。
本發明之低溫固態式熱電能源轉換器，該轉換器包含至少一具具有焦電性之熱應變電子陶瓷之發電元件，經由受熱后，讓發電元件元素晶格沿極化軸方向產生應變，導致晶格內構成共價鍵離子的正電荷中心與負電荷中心異向位移，而產生電位差發生電流，所發生電流經由發電元件正負二面介電涂層汲引導出，形成熱電效應，以支持產生廢熱轉化電能過程。
本發明之低溫固態式熱電能源轉換器之應用，尤指提供受熱發電之裝置，主要系由一能源端供給負載端作為動能依據，一熱電效應發電元件，從負載端取得廢電后形成熱電效應發生電流，經由一轉換電路輸出可利用電能。
本發明之低溫固態式熱電能源轉換器之應用，尤指提供資訊處理器作為自我能源供給之散熱裝置，主要包括一熱電效應之發電元件，一散熱抽風機，其中該發電元件系由處理器取得電源，經熱電效應發生電流，提供驅動散熱裝置，形成封閉電性回路之自我供電機制，達成散熱輔助。

圖1為本發明基礎運用例。
圖1之1圖為系統基礎應用圖。
圖2及3為晶格變化產生電位差之晶格結構模型圖。
圖4系為本發明之單側受溫運用基本示意圖。
圖5系為本發明實施應用例。
圖6系為本發明以熱浸方式實施基礎示意圖。
圖6之1圖為本發明之野外應用圖示。
圖6之2圖為本發明之浸熱工作實施例。
圖7、8、9、10為本發明例舉性實施示意圖。
圖7之1圖為本發明之汽車車體熱回收示意圖。
圖9之1圖為本發明之汽電共生應用示意圖。
圖示元件符號說明1-發電元件10-轉換電路 11-導電涂層12-能源 121-油氣 122-電源13-負載端 14-廢熱交換元2-熱源20-加熱器 21-阻熱圍體 22-熱觸媒3-固定座 31-熱導管33-散熱鰭板34-風箱 35-抽風機4-流體散熱器41-信道 42-氣熱排放裝置 5-熾熱燈體51-反光罩 6-熱流管體 61-熱工作間7-反射碟 71-光源感知器72-方位調整器具體實施方式其基礎應用請參閱圖1所示，其主要系由一塊狀之發電元件1，正負兩面經由導電涂層11汲引出DC電流，該發電元件1可經對流、傳導與輻射作用直接吸收一切環境中之熱源，產生一定之熱電轉換效益。
工作基本原理為利用陶瓷的焦電特性(PYROELECTRICITY)作為熱能與電能直接轉換的基礎，其關系如下；Epyro＝α.ΔT/k.ε0Epyro焦電特性所產生之的電場，Volt/m。
α焦電系數，COULOMB/℃.m2。
k材料介電常數。
ΔT熱源所致的材料溫度變化。
ε0真空電容率，m-1。
以此關系式可確認出具焦電特性的陶瓷材料，其能量轉換率可大于6％，已具有工業應用價值，除外隨著材料性能改善，往后其利用值可再提高。
請再參閱圖1-1，有關本發明應用實施基礎，系負載端13，如馬達或CPU、或汽油引擎等，由能源12取得動力依據后，經工作效率損耗所發生廢熱，得藉由廢熱交換元14(如散熱器)等所集結或導引之后，將廢熱傳達給發電元件1，使之汲取熱能，經由應變工作轉換電能輸出，輸出端利用直流轉換電路10轉換出穩定應用電能，上述為本發明基礎應用方式，依本式基礎，得可推及任何有熱能之場合使用，包括人為刻意安排之熱源，如以油氣121燃化熱能之系統，則達成油電轉換，產生特定發電目的。
能源12若為電力源122，經負載端13工作損耗出之廢熱，如前述經由發電元件1轉換出電流，經轉換電路10處理后，則可直接回饋給電力源122，作能源直接回收，依其效益比，致少可得能源再生之輔助工作。
圖標負載端13依所采用之器材條件(如馬達)必需將機體廢熱排出者，得利用廢熱交換元14配合，強制性將其廢熱帶離，確保負載端13機體安全，因此廢熱交換元14之存在為必要。
有關發電元件1之工作原理，系發電元件1接受溫度之后，使晶格產生應變請參閱圖2及圖3所示，該圖2所示系正電荷中心與負電荷中心在重疊的情況之下，無凈電場產生；若材料因溫度變化致晶格產生應變，使正電荷中心與負電荷中心分離，產生電位差而發生熱電轉換。
該圖2、3系以仿真的方式表示，該正電荷及負電荷其實為一群體狀，圖標上系將其群體之核心位置定義為正電荷中心或負電荷中心，如此可得到簡略的說明。
本發明除了具有基本的熱電轉換能力之外，更實作出具有極高的能量密度，接近4W/cm3并以極低的反應溫度約在60℃即可達到全載輸出的境界。
依本發明之施作，如圖4所示，系在熱源2的散熱面直接貼設發電元件1，使接受其持續溫度而產生一電流。
其電路之形式可應用入圖5所示之熱電驅動散熱裝置，特別可針對計算機中央處理器或變壓器等廢熱利用為熱電轉換依據，經熱電效應而發生電流，為簡化說明，僅舉如處理器之應用說明如下該散熱裝置系由一固定座3，里部經由熱導管31而關系導流熱能，將CPU等芯片組所發生之熱溫導引至散熱鰭板33，相對散熱鰭板33一側形成有風箱34，經由抽風機35的作用以徑流的方式，將冷風帶過散熱鰭板33散熱，然該抽風機35所應用的電能，則直接藉由發電元件1提供，而本發明系將發電元件1直接壓接于CPU等芯片組的發熱端，如圖4之結合方式，而達到一封閉式的回路，又該CPU若運行速度增快所產生較高溫度，相對發電元件1既可接受更高高溫，而產生更大的電能給抽風機35使用，因此抽風機35也會因其直流電位的變化而作高低轉速的作動，高溫時該作動速度率提高，則對散熱鰭板33作較高效率的散熱。
請再參閱圖6所示，該圖系顯示本發明應用之元件1整體表面系可完全接受環境溫度以熱浸的方式應用，本身無須制冷端熱沉作用，可持續接受熱溫而發生電流，供電于應用在任何可取得熱源的場所。
其方便應用如圖6-1所示，可將發電元件1結合轉換電路10，整體構成可方便攜帶的機型，在該發電元件1周邊以任何方式取得熱源2，如在野外以燃燒木材等各種燃料的發熱方式，其發生之熱源2既作用于發電元件1，經由發電元件1所產生的電流，再藉由轉換電路10得提供一穩定的電性。
又有關該熱源2的構成，進一步可利用密閉吸熱的方式，如圖6-2系利用一以燃油或是瓦斯等作為能源之加熱器20，作用于以一熱觸媒22，再由熱觸媒22所發生之熱溫，導入一箱型之阻熱圍體21，使該熱源可停留于圍體21里部，以提供發電元件1取得工作熱能，依照本圖之實施其工作溫度可應用在200℃以下，由加熱器20所發生之效率約在75％，該熱觸媒22可接受加熱器20以間歇性的加熱，如溫度產生溫降時則加熱器20重新激活加溫，在圍體21里部達到約200℃時，則加熱器20既自行停機，以構成間歇性依照溫度條件加熱，本質上該加熱器20不會造成無謂的能源耗費，依此實施方式擴大整體規模即可產生可觀電力，且不會產生有害污染。
相關應用請參閱圖7、8、9、10舉例所示，首先請參閱圖7，系在具有熱流體之散熱器4里部所形成的信道41，利用該信道41提供熱流體流通，且選擇在高溫的位置為佳，得將該元件1以整列的方式架構于該信道41里部，得可取出熱電反應發生電流應用。
本專利進一步實施在汽車廢熱排放路徑當中則可架構于排氣管，或引擎發生高溫的部位，如圖7-1所示，系在氣熱排放裝置42的位置裝設有發電元件1，該發電元件1的體積可依照所需電力質的大小而選用，如本發明實施在汽車電池的充電，則約采用總體積為150cm3之發電元件1得可產生約600W的功率，按一般汽車電池其規格為12V-50A，(而所應用的電流一般正常行車情況下系低于50A)，汽車引擎對發電機帶動發電的耗能約接近1HP其應用能量明顯，又發電機的效率約等于75％所以引擎所需輸出的功率約要800W，也就大約在1.0724馬力以上，所以對于燃油的耗費也明顯潛現。
又本發明應用之發電元件1其工作能量約1cm3體積可產生4W電力，所以應用在汽車電池充電，則需以總體積為150cm3之體積量，既可達到對電池的充電，而且該發電元件1與電池之間，則經由一般機電控制方式以對電池作保護，更由于引擎發動所產生熱能為不斷，則發電元件1所發生的電能，則可造成回路性的提供火星塞升壓電源的利用，或是空調馬達等需要電力運作的汽車任何裝置取得使用電力來源。
本發明更進一步細節性的應用，如圖8所示，本圖系提供一般觀念性無法應用的思考領域，主要系表示在任何發生熱源的地方，皆可作為能源收集及發電轉換之實施例，如可運用在發生熱溫現象之熾熱燈體5熱量集中端，藉由反光罩51的收集，而將熱源集中在頂部，并在該周邊設置發電元件1，既可接受該熾熱燈體5所發生熱溫而代換出電能，提供另種需求，另大型照明燈如水銀燈、鈉氣燈、氦氖燈等其工作效率約50％，又其功率需求一般上仟瓦，因此約有500W以上的能源浪費，若可在相關燈體取得熱源，得在照明現場造就額外可觀能源。
請再參閱圖9，另在熱流管體6內孔里部，可采幅向等分布方式，分布多數之發電元件1，該發電元件1可直接接受熱流管體6里部流動之熱源，產生升溫以致發生電能。
又如圖9-1所示，在熱工作間61所形成之廢熱，經由熱流管體6所排放，該熱流管體6里部則可預先排列有多數的發電元件1，藉以收集由熱流管體6里部所穿流之熱氣，收集其熱能而轉換為電能，并將所發生之電能以并聯方式，回饋入熱工作間61里部所需應用電能的裝置，該熱工作間61若是為發電廠，則其電力輸出端可并聯發電元件1之導通電路以作為能源供構，提高能源利用率，然一般以火力發電之電場，其煙囪排放溫度在低溫的情況之下，然本發明之發電元件1，其工作溫度最低可在約55℃之低溫，因此應用于發電廠的廢熱排放路徑當中為目前唯一能夠利用低溫的設計，因此本發明的應用可擴及在任何低溫約55℃的任何場合。
請再參閱圖10所示，其中為了與能夠擷取自然環境溫度之實施方法，而可利用一反射碟7，經由光源感知器71的追蹤太陽熱源，而在反射碟7的反射中心點位置設有發電元件1，又該光源感知器71系指令方位調整器72保持對太陽方位的對正，可增加光源能量的集中，而依本實施之方式所接受為太陽之熱輻射波，并非太陽之可見光，藉由太陽之熱輻射波同可對發電元件1產生高效的加熱，相同代換出電能，為了更容易讓發電元件1取得自然環境之熱輻射波，而可將發電元件1的表面涂布成黑色易于吸收熱輻射波的涂層以增加吸收熱輻射波之效率，依照本圖之實施為在天氣條件良好的區域，可做全自動自行性的發電，并利用方位調整器72的自動追蹤功能，而可針對太陽輻射源的位置，收集較強烈的熱輻射波，甚至熾熱的光波以及遠紅外線波，當然該反射碟7的能力為具有可反射上述各種熱波的功能。
本發明主要系提供結構堅實、體積大小可因應使用場所，而采用不同大小型體或幾何形狀，細微者可作用于如手提電腦的電力發生輔助風扇散熱，大規模者可形成如發電廠，甚至在外層空間可接受太陽熱風的加熱作用，而提供無噪音及結構簡單、使用壽命冗長，工作時不具機械動態，且所發生電能同可提供蓄電裝置容蓄，所達及應用領域為可覆蓋普遍性的應用階層，本發明之形態基本上類同于精密電子陶瓷，實施上系采用高導電導熱質之元素，和采用晶格內共價鍵離子的不同極性電荷異向位移距離較大的元素所構成將熱能轉換為電能的特性，基本上符合以上條件之元素皆可構成本發明之實施，相對應同為本發明所延伸保護之范圍。
權利要求
1.一種低溫固態式熱電能源轉換器，其特征為該轉換器包含至少一具具有焦電性之熱應變電子陶瓷之發電元件，經由受熱后，讓發電元件元素晶格沿極化軸方向產生應變，導致晶格內構成共價鍵離子的正電荷中心與負電荷中心異向位移，而產生電位差發生電流，所發生電流經由發電元件正負二面介電涂層汲引導出，形成熱電效應，以支持產生廢熱轉化電能過程。
2.根據權利要求1所述的低溫固態式熱電能源轉換器，其特征為該發電元件系經對流、傳導及輻射作用直接吸收一切環境中之熱源，產生一定之熱電轉換效益，可應用于任何的電力驅動設備，并透過陶瓷的焦電特性之一工作基本原理加以熱能與電能轉換。
3.一種低溫固態式熱電能源轉換器之應用，尤指提供受熱發電之裝置，其特征為主要系由一能源端供給負載端作為動能依據，一熱電效應發電元件，從負載端取得廢電后形成熱電效應發生電流，經由一轉換電路輸出可利用電能。
4.根據權利要求3所述的低溫固態式熱電能源轉換器之應用，其特征為發電元件可形成外露狀之隨身攜帶式。
5.根據權利要求3所述的低溫固態式熱電能源轉換器之應用，其特征為該發電元件可接受太陽熱輻射波加溫，經由一反射碟以聚能方式收集太陽之熱輻射波。
6.根據權利要求3所述的低溫固態式熱電能源轉換器之應用，其特征為該能源端是為電能者，則可接受轉換出之電能回饋輔助增加電力。
7.一種低溫固態式熱電能源轉換器之應用，尤指提供資訊處理器作為自我能源供給之散熱裝置，其特征為主要包括一熱電效應之發電元件，一散熱抽風機，其中該發電元件系由處理器取得電源，經熱電效應發生電流，提供驅動散熱裝置，形成封閉電性回路之自我供電機制，達成散熱輔助。
全文摘要
本發明涉及一種低溫固態式熱電能源轉換器及其應用，主要系提供以低溫工作之電能轉換器應用方式，其系利用人為或自然環境所產生廢熱，使特定晶格結構的材料因溫度變化，晶格沿極化軸方向產生應變，導致晶格內構成共價鍵離子的正電荷中心與負電荷中心異向位移，造成電位差而發生電流，系完全處于熱源的環境之下持續將熱能轉換為電能，提供廣泛應用于產生廢熱能之器材或設備中，能將廢熱能轉換為電能，達能源再生及輔助能源的目標，此外，亦可擴大規模與范圍，取代傳統的機→電發電設備，如火力發電、汽電共生、地熱、太陽能等場合輔助發電應用。
文檔編號H01L37/00GK1571179SQ200410027069
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月30日 優先權日2004年4月30日
發明者陳文賓, 鄭乃熒 申請人:童秋月