CN102931879A - 热电－压电复合型柔性微发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热电－压电复合型柔性微发电装置。包括热端柔性薄片、冷端柔性薄片、柔性热电波纹片和两倍于柔性热电波纹片波纹个数的带状压电模块；整片柔性热电波纹片夹在热端柔性薄片和冷端柔性薄片之间并粘接成一体；热端柔性薄片和冷端柔性薄片的内表面粘附有多条相互平行并等距排列的带状压电模块，带状压电模块粘附于柔性热电波纹片与热端柔性薄片或冷端柔性薄片形成的波纹间隔处。本发明发展了一种可同时收集环境中热能和机械能的耦合发电技术，增大了微发电构件的单位体积能量产出，提供了一种结构紧凑、能长期服役的复合型微发电构件。本发明针对体内植入式医疗装置的长期服役供电需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种体内植入式发电装置，尤其涉及一种热电－压电复合型柔性微发电装置。
背景技术
可植入式医疗装置（IMDs）种类繁多，用途广泛，在现代医疗技术中发挥着重要作用，常见的包括：心脏起搏器、除颤器、药物泵、监护器等。体内植入式医疗装置的长期正常工作一般需要可靠、稳定、持久、充足的电源提供保证，当前主要采用锂电池作为其电源。然而，在体内植入式医疗装置整体空间有限的情况下，微小型锂电池有限的电量往往不能满足医疗装置所需要的持久供电十年甚至以上的要求。由于电能衰竭而更换植入式医疗装置，则需要进行外科手术，给病人带来了再次的痛苦和经济负担。可见，开发能够达到体内植入式医疗装置长期服役要求的供电技术，具有重要意义。
当前，除锂电池外，用于植入式医疗装置的新型供电方法主要有：（a）核电池，（b）生物燃料电池，（c）无线能量传输方法，（d）能量收集与发电方法。采用核电池供电具有能量密度高的优势，但其在体内工作的安全性及其昂贵的价格限制了其在植入式医疗装置中的应用。生物燃料电池利用生物体内的葡萄糖等物质作为燃料，在酶或催化剂的作用下进行化学反应并产生电压；但由于催化剂寿命有限，以及生物燃料电池长期工作带来的反应产物引起的安全性忧虑，目前生物燃料电池难以满足植入式医疗装置的长期要求。无线能量传输技术通过电磁波、电磁耦合、超声波、光波等无线传输方式对体内植入式电源进行充电或直接供电，采用该方法往往需要病人长期配戴外部附加机构，给病人的日常生活和活动带来不便，而且电磁波等长期辐射对植入式医疗装置的工作以及人体组织是否有影响也有待研究。而生物体内植入式能量收集与发电方法，则不需要任何外部装置，直接收集体内的热能或机械能进行发电，具有明显优势和应用潜力。
生物体内的温差以及呼吸、肌肉伸展、血液流动、心脏跳动等过程都蕴含着丰富持久的热能或机械能，收集生物体内热能和机械能进行发电，理论上可以为植入式医疗装置提供永久电源，从而根本上解决植入式医疗装置的长期服役问题。采用热电材料可直接将体内温差转化为电能，具有可靠、持久、集成度高以及无运动部件等特点，适合于植入式医疗装置供电；而利用压电材料可将生物体的运动机械能转化为电能。一些研究尝试利用热电材料或压电材料开发微小型能量收集器并用于植入式医疗装置供电，但至今仍未发现将能量收集器广泛应用于植入式医疗装置供电的相关报道。
从已有微小型能量收集器的研究报道中可以发现，目前微小型能量收集器仍不能很好地满足植入式医疗装置的供电需求。主要存在的问题有：
(1) 当前微发电构件的发电功率不甚理想，往往不能满足植入式医疗装置的供电需求；
(2) 鉴于植入式生物环境，微发电构件宜采用柔性结构，一般为柔性薄膜结构，但考虑到热电转换的温差需要，现有柔性薄膜结构难以实现与周围生物环境的有效热交换并保证一定的温差。
为了发展一种结构紧凑、能长期服役的复合型微发电构件，能够有效地同时收集体内生物环境中的热能与机械能，进而促进和拓展植入式医疗装置的发展与应用，对于现有的微小型能量收集技术进行改进是十分必要的。
发明内容
为了克服微发电构件的发电功率较低的不足，本发明的目的在于提供一种热电－压电复合型柔性微发电装置。将热电功能结构设计为波纹状，增大了整体厚度及温差，并保持了结构柔性；在热端和冷端柔性薄片的内表面粘附相互平行的带状压电模块，带状压电模块粘附于波纹形柔性热电功能结构与热端或冷端柔性薄片形成的间隔处，提高了空间利用率。该装置可同时收集体内的温差热能和机械能，增大了微发电构件的单位体积能量产出，提供了一种结构紧凑、能长期服役的复合型微发电构件。
本发明的基本原理是：
热电材料可利用塞贝克（Seebeck）效应将热能直接转换成为电能，通过在热源和冷端之间合理选用和布置N型及P型热电臂，可在热电偶两端产生电压。由于单个热电偶发电量过低，一般采用“热路并联，电路串联”的方式将一组热电偶设计并布置形成单排或多排阵列型的热电模块，基于热电材料制作的热电器件具有运行平稳、安静无噪声、安全可靠、寿命长等优点。由于生物体内存在温差，利用微小型热电装置可将体内温差热能转化为电能，进而用于植入式医疗供电。
压电材料在受到压力作用时会在两端面间出现电压，因而可实现机械能和电能的互相转换。采用压电材料可制作传感器元件、声波换能器及致动器。由于生物体内广泛存在着压力和振动，利用微小型压电装置可将体内机械能转化为电能，进而用于植入式医疗供电。
本发明综合利用了热电材料和压电材料的特性，面向体内植入式工作环境，设计了一种热电－压电复合型柔性微发电装置，可同时吸收生物体内的温差热能和机械能，并转化为电能，而且保证了结构柔性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明包括热端柔性薄片、冷端柔性薄片、柔性热电波纹片和两倍于柔性热电波纹片波纹个数的带状压电模块；整片柔性热电波纹片夹在热端柔性薄片和冷端柔性薄片之间并粘接成一体；热端柔性薄片和冷端柔性薄片面积相等并相互平行；热端柔性薄片的内表面粘附有多条相互平行并等距排列的带状压电模块，带状压电模块粘附于柔性热电波纹片与热端柔性薄片形成的波纹间隔处；冷端柔性薄片的内表面粘附有多条相互平行并等距排列的带状压电模块，带状压电模块粘附于柔性热电波纹片与冷端柔性薄片形成的波纹间隔处。
所述柔性热电波纹片其波纹形柔性载体上表面沿着波纹方向覆有多条波纹带形热电薄膜；多条波纹带形热电薄膜之间相互平行并等距间隙排列；每条波纹带形热电薄膜均由台阶形的P型热电薄膜和台阶形的N型热电薄膜交替连接组成；P型热电薄膜和N型热电薄膜交界于柔性热电波纹片与热端柔性薄片或冷端柔性薄片的粘接处；相邻波纹带形热电薄膜中的P型热电薄膜和N型热电薄膜交替排列。
所述每条带状压电模块均由矩形压电模块支撑和多个微悬臂梁压电单元组成；矩形压电模块支撑为粘附于热端柔性薄片或冷端柔性薄片内侧的矩形框，矩形压电模块支撑的内侧制作有相互平行的微悬臂梁压电单元；微悬臂梁压电单元由压电功能薄膜和金属悬臂梁组成，金属悬臂梁的上端面和下端面均制作有一层压电功能薄膜。
所述热端柔性薄片和冷端柔性薄片均由导热柔性薄片制成，厚度为0.2～0.5mm。
所述波纹形柔性载体由绝热绝缘材料制成，厚度为0.1～0.2mm。
本发明具有的有益效果是：
本发明综合利用了热电材料和压电材料的优良特性，设计了基于热电效应和压电效应的复合型微发电装置。本发明采用波纹形的热电功能结构，既实现了冷热端存在较大温差，又保证了结构柔性。本发明发展了一种可同时收集环境中热能和机械能的耦合发电技术，增大了微发电构件的单位体积能量产出，提供了一种结构紧凑、能长期服役的复合型微发电构件。该技术主要针对体内植入式医疗装置的长期服役供电需求，在体内植入式医疗技术中具有重要的应用价值。
附图说明
图1是热电－压电复合型柔性微发电装置整体结构三维示意图。
图2是热电－压电复合型柔性微发电装置整体结构二维示意图。
图3是热电－压电复合型柔性微发电装置中的热端柔性薄片及粘附其内侧的带状压电模块结构示意图。
图4是热电－压电复合型柔性微发电装置中的冷端柔性薄片及粘附其内侧的带状压电模块结构示意图。
图5是热电－压电复合型柔性微发电装置中的微悬臂梁压电单元结构示意图。
图6是热电－压电复合型柔性微发电装置中的柔性热电波纹片结构示意图。
图7是热电－压电复合型柔性微发电装置的输出电路示意图。
图中：1．热端柔性薄片，2．冷端柔性薄片，3．柔性热电波纹片，4．带状压电模块，5．矩形压电模块支撑，6．微悬臂梁压电单元，7．压电功能薄膜，8．金属悬臂梁，9．波纹形柔性载体，10．P型热电薄膜，11．N型热电薄膜。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，本发明所述的热电－压电复合型柔性微发电装置包括热端柔性薄片1、冷端柔性薄片2、柔性热电波纹片3和两倍于柔性热电波纹片3波纹个数的带状压电模块4组成；整片柔性热电波纹片3夹在热端柔性薄片1和冷端柔性薄片2之间并采用导热绝缘的方式粘接成一体；热端柔性薄片1和冷端柔性薄片2面积相等并相互平行；热端柔性薄片1的内表面粘附有多条相互平行并等距排列的带状压电模块4，带状压电模块4粘附于柔性热电波纹片3与热端柔性薄片1形成的波纹间隔处，充分利用了该间隔空间，粘附在热端柔性薄片1内表面的带状压电模块4的个数与柔性热电波纹片3波纹个数一致；冷端柔性薄片2的内表面粘附有多条相互平行并等距排列的带状压电模块4，带状压电模块4粘附于柔性热电波纹片3与冷端柔性薄片2形成的波纹间隔处，充分利用了该间隔空间，粘附在冷端柔性薄片2内表面的带状压电模块4的个数与柔性热电波纹片3波纹个数一致。
如图6所示，柔性热电波纹片3其波纹形柔性载体9上表面沿着波纹方向覆有多条波纹带形热电薄膜；多条波纹带形热电薄膜之间相互平行并等距间隙排列；每条波纹带形热电薄膜均由台阶形的P型热电薄膜10和台阶形的N型热电薄膜11交替连接组成；P型热电薄膜10和N型热电薄膜11交界于柔性热电波纹片3与热端柔性薄片1或冷端柔性薄片2的粘接处；相邻波纹带形热电薄膜中的P型热电薄膜10和N型热电薄膜11交替排列。每条波纹带形热电薄膜中的P型热电薄膜10和N型热电薄膜11在电路上为串联；波纹带形热电薄膜的两端部分别为P型热电薄膜10和N型热电薄膜11，将一端的P型热电薄膜10与相邻波纹带形热电薄膜端部的N型热电薄膜11采用导线连接，而将另一端的N型热电薄膜11与另一侧相邻波纹带形热电薄膜端部的P型热电薄膜10采用导线连接，通过这种连接方式将全部波纹带形热电薄膜在电路上串联，整个串联电路的两端接导线引出。P型热电薄膜10和N型热电薄膜11与热端柔性薄片1通过导热粘接传热，P型热电薄膜10和N型热电薄膜11与冷端柔性薄片2通过导热粘接以及镀铜膜传热。每条P型热电薄膜10和与其相连的N型热电薄膜11组成一个热电单元，并且一端与热端柔性薄片1导热连接，另一端与冷端柔性薄片2导热连接，热电单元在两端温度差的作用下产生电压。柔性热电波纹片3中的P型热电薄膜10和N型热电薄膜11形成多个热电单元，并形成“热路并联，电路串联”的热电单元阵列。热端柔性薄片1、冷端柔性薄片2与柔性热电波纹片3一起组成了热电－压电复合型柔性微发电装置中的热电模块。
如图2、图3、图4、图5所示，每条带状压电模块4均由矩形压电模块支撑5和多个微悬臂梁压电单元6组成；矩形压电模块支撑5为粘附于热端柔性薄片1或冷端柔性薄片2内侧的矩形框，矩形压电模块支撑5的内侧制作有多个相互平行的微悬臂梁压电单元6；微悬臂梁压电单元6由压电功能薄膜和金属悬臂梁8组成，金属悬臂梁8的上端面和下端面均制作有一层压电功能薄膜7。金属悬臂梁8在外界环境的振动和交变压力的作用下发生振动，进而，压电功能薄膜7在应变作用下产生交流电压。每个压电功能薄膜7均连接整流器，将交流转为直流后再进行电路串联。多条粘附于热端柔性薄片和冷端柔性薄片内表面的带状压电模块4组成了热电－压电复合型柔性微发电装置中的压电模块。
如图1、图2、图3、图4所示，热端柔性薄片1和冷端柔性薄片2均由导热柔性薄片制成，厚度为0.2～0.5mm。如图6所示，波纹形柔性载体9由绝热绝缘材料制成，厚度为0.1～0.2mm。
热电－压电复合型柔性微发电装置需要布置在具有较大温度梯度的位置，并保证温度梯度方向与微发电装置垂直，且热端柔性薄片1接触的位置比冷端柔性薄片2接触的位置温度高，进而在柔性热电波纹片3的两端形成温度差。
由于环境温差及振动的不稳定性，热电单元及压电单元产生的电压不宜直接用于供电。如图7所示，热电－压电复合型柔性微发电装置产生的电能经过输出电路的调理和控制后，再向负载供电。热电模块的输出需要DC－DC变换，而压电模块的输出需要整流AC－DC变换，两个模块经变换后的输出再通过电源存储及控制电路后，向负载供电。
Claims (5)
1.一种热电－压电复合型柔性微发电装置，其特征在于：包括热端柔性薄片（1）、冷端柔性薄片（2）、柔性热电波纹片（3）和两倍于柔性热电波纹片（3）波纹个数的带状压电模块（4）；整片柔性热电波纹片（3）夹在热端柔性薄片（1）和冷端柔性薄片（2）之间并粘接成一体；热端柔性薄片（1）和冷端柔性薄片（2）面积相等并相互平行；热端柔性薄片（1）的内表面粘附有多条相互平行并等距排列的带状压电模块（4），带状压电模块（4）粘附于柔性热电波纹片（3）与热端柔性薄片（1）形成的波纹间隔处；冷端柔性薄片（2）的内表面粘附有多条相互平行并等距排列的带状压电模块（4），带状压电模块（4）粘附于柔性热电波纹片（3）与冷端柔性薄片（2）形成的波纹间隔处。
2.根据权利要求1所述的一种热电－压电复合型柔性微发电装置，其特征在于：所述柔性热电波纹片（3）其波纹形柔性载体（9）上表面沿着波纹方向覆有多条波纹带形热电薄膜；多条波纹带形热电薄膜之间相互平行并等距间隙排列；每条波纹带形热电薄膜均由台阶形的P型热电薄膜（10）和台阶形的N型热电薄膜（11）交替连接组成；P型热电薄膜（10）和N型热电薄膜（11）交界于柔性热电波纹片（3）与热端柔性薄片（1）或冷端柔性薄片（2）的粘接处；相邻波纹带形热电薄膜中的P型热电薄膜（10）和N型热电薄膜（11）交替排列。
3.根据权利要求1所述的一种热电－压电复合型柔性微发电装置，其特征在于：所述每条带状压电模块（4）均由矩形压电模块支撑（5）和多个微悬臂梁压电单元（6）组成；矩形压电模块支撑（5）为粘附于热端柔性薄片（1）或冷端柔性薄片（2）内侧的矩形框，矩形压电模块支撑（5）的内侧制作有相互平行的微悬臂梁压电单元（6）；微悬臂梁压电单元（6）由压电功能薄膜和金属悬臂梁（8）组成，金属悬臂梁（8）的上端面和下端面均制作有一层压电功能薄膜（7）。
4.根据权利要求1所述的一种热电－压电复合型柔性微发电装置，其特征在于：所述热端柔性薄片（1）和冷端柔性薄片（2）均由导热柔性薄片制成，厚度为0.2～0.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种热电－压电复合型柔性微发电装置，其特征在于：所述波纹形柔性载体（9）由绝热绝缘材料制成，厚度为0.1～0.2mm。
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