CN103545441B - 热量捕获器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热量捕获器，包括：织物、印刷或编织于所述织物上下表面上的第一金属和第二金属构成的闭合回路以及接入所述闭合回路的蓄电设备或用电设备。利用室温液态金属墨水和织物表面的亲和特性，通过印刷方式制备用于热量捕获的温差电器件，制备过程在常温及常规条件下即可完成，对环境要求不高，因而可显著降低温差电器件制备工艺的复杂性，提高其制作效率。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别涉及一种热量捕获器及其制作方法，尤其涉及一种基于热电效应印刷或编织于织物表面的热量捕获器及其制作方法。
背景技术
自1821年德国科学家塞贝克在实验中发现塞贝克效应以来，经珀尔帖、汤姆逊以及开尔文等科学家的大量研究，热电效应理论得到了不断发展，并日趋完善。在两种不同金属所组成的闭合回路中，当两接点的温度不同时，电子会随着温度梯度由高温区往低温区移动，从而产生电流或电荷堆积，在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。基于这一效应制造出的可以实现热能与电能之间相互转换的温差电器件，以及由此延伸出来的传感器和探测器等成为目前温差电学最主要的应用方向。
随着人类对能源的重视程度越来越高，开发可再生能源、提高能源利用率逐步成为世界各国的共识，中低温热量的捕获利用正日益得到关注。近年来，温差电器件已经引起美国、德国、日本等国的高度重视，投入巨资竞相研制。温差电器件因其对工作环境的高度适应性、性能的高度稳定性、寿命长、无须维护、无污染、无震动、无噪音等特点，一经问世就成为研究的热点。经过半个多世纪的发展，温差电器件虽然取得了相当的进步，并在中低温热能捕获领域有着良好的应用前景，但是复杂的制作工艺（如焊接）一直限制着它的进一步推广应用，且一般很难制作于柔性基底上，而此类技术在诸如人体热量捕获并用于驱动移动用电设备方面很有价值。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种热量捕获器及其制作方法，利用室温液态金属墨水和织物表面的亲和特性，通过印刷方式制备用于热量捕获的温差电器件，制备过程在常温及常规条件下即可完成，对环境要求不高，因而可显著降低温差电器件制备工艺的复杂性，提高其制作效率。
（二）技术方案
本发明提供一种热量捕获器，包括：织物、印刷或编织于所述织物上下表面上的第一金属和第二金属构成的闭合回路以及接入所述闭合回路的蓄电设备或用电设备。
更好地，所述第一金属为含有0.1wt%～10wt%氧化物的室温液态金属或掺有0.01wt%～80wt%纳米半导体材料颗粒的含有0.1wt%～10wt%氧化物的室温液态金属或掺有0.01wt%～80wt%有机物的含有0.1wt%～10wt%氧化物的室温液态金属，所述第二金属为含有0.1wt%～10wt%氧化物的室温液态金属或掺有0.01wt%～80wt%纳米半导体材料颗粒的含有0.1wt%～10wt%氧化物的室温液态金属或掺有0.01wt%～80wt%有机物的含有0.1wt%～10wt%氧化物的室温液态金属或固态金属，在所述闭合回路中第一金属和第二金属为两种不同材质的金属。
更好地，所述室温液态金属为镓、钠、钾、汞、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金或钠钾合金中的至少一种。
更好地，所述纳米半导体材料颗粒为粒径1nm～900nm的硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硒化锌颗粒或碲化锌颗粒。
更好地，所述有机物为烷、烯、炔、芳香烃、醇、醛、羧酸或酯。
更好地，所述固态金属为铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金或镍镉合金。
更好地，所述织物为棉织物、毛织物、丝织物、涤纶织物、涤粘、涤腈、涤棉、缎或尼富纺。
更好地，所述织物上的电路包覆有生物相容性材料，所述生物相容性材料包括：生物相容性聚四氟乙烯。
更好地，所述蓄电设备包括：蓄电池、充电电池；所述用电设备包括：电子计算机或便携式电子设备。
本发明还提供一种热量捕获器制作方法，包括以下步骤：S1：将第一金属以线的形式印刷或编织在织物上下表面，中间穿过织物连通；S2：将第二金属以线的形式印刷或编织在织物上下表面，同时保持第一金属和第二金属的两端连通，构成闭合回路；S3：蓄电设备或用电设备通过导线与第一金属中间部连接。
更好地，所述织物的一侧接受来自高温热源的热量，该热源包括：生物发热体、工厂余热、汽车尾气喷管、灶具或太阳发电装置；另一侧处于室温或更低温度。
（三）有益效果
本发明的热量捕获器及其制作方法，利用室温液态金属墨水和织物表面的亲和特性，通过印刷方式制备用于热量捕获的温差电器件，制备过程在常温及常规条件下即可完成，对环境要求不高，因而可显著降低温差电器件制备工艺的复杂性，提高其制作效率。使用该方法得到的温差电器件，可广泛用于回收工业生产、生活等多领域中的中低温热量，尤其通过印刷在服装上，可随时捕获人体热能，大大提高了一次能源的利用效率，同时拓展了温差电器件的应用范围。这种方法也可扩展用于其他类型发电装置的印刷。
附图说明
图1为本发明热量捕获器的热电效应原理图；
图2为本发明热量捕获器制作方法步骤图；
图3为本发明热量捕获器制作过程示意图；
图4为本发明实施例1热量捕获器的结构示意图；
图5为本发明实施例1热量捕获器接点处截面示意图；
图6为本发明实施例2热量捕获器的结构示意图；
图7为本发明实施例3热量捕获器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1并参考图3所示，热量捕获器包括：织物1、印刷或编织于所述织物上下表面上的第一金属21和第二金属22构成的闭合回路以及接入所述闭合回路的蓄电设备或用电设备。所述第一金属21为含有0.1wt%～10wt%氧化物的室温液态金属或掺有0.01wt%～80wt%纳米半导体材料颗粒的含有0.1wt%～10wt%氧化物的室温液态金属或掺有0.01wt%～80wt%有机物的含有0.1wt%～10wt%氧化物的室温液态金属，借助充填有室温液态金属墨水的笔型装置、印刷设备或蘸有室温液态金属的刷子涂覆于织物1表面；所述第二金属22为含有0.1wt%～10wt%氧化物的室温液态金属或掺有0.01wt%～80wt%纳米半导体材料颗粒的含有0.1wt%～10wt%氧化物的室温液态金属或掺有0.01wt%～80wt%有机物的含有0.1wt%～10wt%氧化物的室温液态金属或固态金属，室温液态金属借助充填有室温液态金属墨水的笔型装置、印刷设备或蘸有室温液态金属的刷子涂覆于织物1表面，固态金属直接附着于织物1表面；在所述闭合回路中第一金属21和第二金属22为两种不同材质的金属。
所述的充填有室温液态金属墨水的笔型装置包括：钢笔式笔型装置、圆珠笔式笔型装置、印刷设备或喷头式笔型装置；所述刷子包括毛笔、油画笔或油漆刷。
所述室温液态金属为镓、钠、钾、汞、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金或钠钾合金中的至少一种；所述纳米半导体材料颗粒为粒径1nm～900nm的硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硒化锌颗粒或碲化锌颗粒中的至少一种；所述有机物为烷、烯、炔、芳香烃、醇、醛、羧酸或酯中的至少一种；所述固态金属为铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金或镍镉合金中的一种；所述织物1为棉织物、毛织物、丝织物、涤纶织物、涤粘、涤腈、涤棉、缎或尼富纺中的一种，并且所述织物上的电路包覆有生物相容性材料以避免皮肤直接接触金属受到感染，其生物相容性材料包括：生物相容性聚四氟乙烯。所述蓄电设备包括：蓄电池、充电电池；所述用电设备包括：电子计算机或便携式电子设备。
所述织物1的一侧用于接受来自高温热源TH的热量，该热源可以包括：生物体、工厂余热、汽车尾气喷管、灶具或太阳发电装置等；另一侧处于室温或更低温度TC；所述闭合回路中通过导线4接入蓄电设备或用电设备回收利用电能Vout。所述导线4材质包括：铜质、铝质、钢质、银质或超导材料。
如图2并参考图3所示，热量捕获器制作方法包括以下步骤：
S1：将第一金属21以线的形式印刷或编织在织物1上下表面，中间穿过织物连通；
S2：将第二金属22以同样方式印刷或编织在织物1上下表面，同时保持第一金属21和第二金属22的两端连通，构成闭合回路；
S3：蓄电设备或用电设备通过导线4与第一金属21中间部连接。
实施例1
图4为本发明实施例1热量捕获器的结构示意图，图5为本发明实施例1热量捕获器接点处截面示意图；如图4并参考图5所示，本实施例中织物1选用1mm厚的棉布；在室温下将含有0.25wt%镓氧化物的第一金属（液态镓）21以线的形式涂覆在织物1上表面上，并沿着编织线穿过织物1延伸到下表面，使两端点分别位于织物1上下表面，形成呈连续曲线形状的第一金属21；
同样，在室温下将含有0.25wt%镓氧化物的第二金属（液态镓铟合金）22从织物1上表面第一金属21的端点开始，以线的形式涂覆在织物1上表面上，并沿着编织线穿过织物1延伸到下表面第一金属21的另一端点为止，形成呈连续曲线形状的第二金属22；
第一金属21与第二金属22构成闭合回路，在第一金属21中间通过导线4接入蓄电池3，便完成了本实施例的热量捕获器的制作。
实施例2
图6为本发明实施例2热量捕获器的结构示意图，如图6所示，与实施例1不同的是，热量捕获器不只由一个热电转换回路构成，而是由多个热电转换回路串联组合而成，由此可获得更大量的电能，从而更适应实际需求。
织物1选用1mm厚的涤纶布；在室温下将掺有0.1wt%硅化镁纳米颗粒的含有0.5wt%镓氧化物的第一金属（液态镓）21以线的形式涂覆在织物1上表面上，并沿着编织线穿过织物1延伸到下表面，使两端点分别位于织物1上下表面，形成呈连续曲线形状的第一金属21；
同样，在室温下将含有0.5wt%镓氧化物的第二金属（液态镓铟锡合金）22从织物1上表面第一金属21的端点开始，以线的形式涂覆在织物1上表面上，并沿着编织线穿过织物1延伸到下表面第一金属21的另一端点为止，形成呈连续曲线形状的第二金属22；
重复以上步骤，在织物1上印刷多个由第一金属21与第二金属22构成的闭合回路，并在每个回路的第一金属21中间接入导线4，通过导线4将每个由第一金属21与第二金属22构成的闭合回路串联在一起，最后接到蓄电池3上。便完成了本实施例的可印刷式热量捕获器的制作。
实施例3
图7为本发明实施例3热量捕获器的结构示意图，如图7所示与实施例1和实施例2不同的是，热量捕获器的组成方式改为由多个热电转换回路并联组合而成，而且第二金属22为固态金属而非液态金属，由此除可获得大量的电能外，还可拓展其应用材料的范围。
织物1选用1mm厚的毛织物；
在室温下将掺有0.5wt%乙酸乙酯的含有0.1wt%～10wt%镓氧化物的第一金属（液态镓）21以线的形式涂覆在织物1上表面上，并沿着编织毛线穿过织物1延伸到下表面，使两端点分别位于织物1上下表面，形成呈连续曲线形状的第一金属21；
在室温下将第二金属（康铜线）22的一端与织物1上表面第一金属21的端点接合，并与织物1的毛线编织在一起，沿着编织毛线穿过织物1延伸到下表面与第一金属21的另一端点接合，从而构成由第一金属21和第二金属22组成的闭合回路；
重复以上步骤，在织物1上印刷多个由第一金属21与第二金属22组成的闭合回路，并在每个回路的第一金属21中间接入导线4，通过导线4将每个由第一金属21与第二金属22构成的闭合回路并联在一起，最后接到智能手机5上。便完成了本实施例的可印刷式热量捕获器的制作。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种热量捕获器，其特征在于，包括：织物、印刷于所述织物上下表面上的第一金属和第二金属构成的闭合回路以及接入所述闭合回路的蓄电设备或用电设备；
所述第一金属为含有0.1wt％～10wt％氧化物的室温液态金属或掺有0.01wt％～80wt％纳米半导体材料颗粒的含有0.1wt％～10wt％氧化物的室温液态金属或掺有0.01wt％～80wt％有机物的含有0.1wt％～10wt％氧化物的室温液态金属，所述第二金属为含有0.1wt％～10wt％氧化物的室温液态金属或掺有0.01wt％～80wt％纳米半导体材料颗粒的含有0.1wt％～10wt％氧化物的室温液态金属或掺有0.01wt％～80wt％有机物的含有0.1wt％～10wt％氧化物的室温液态金属或掺有0.01wt％～80wt％有机物的含有0.1wt％～10wt％氧化物的固态金属，在所述闭合回路中第一金属和第二金属为两种不同材质的金属。
2.如权利要求1所述的热量捕获器，其特征在于，所述室温液态金属为镓、钠、钾、汞、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金或钠钾合金中的至少一种。
3.如权利要求1所述的热量捕获器，其特征在于，所述纳米半导体材料颗粒为粒径1nm～900nm的硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硒化锌颗粒或碲化锌颗粒。
4.如权利要求1所述的热量捕获器，其特征在于，所述有机物为烷、烯、炔、芳香烃、醇、醛、羧酸或酯。
5.如权利要求1所述的热量捕获器，其特征在于，所述固态金属为铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金或镍镉合金。
6.如权利要求1所述的热量捕获器，其特征在于，所述织物为棉织物、毛织物、丝织物、涤纶织物、涤粘、涤腈、涤棉、缎或尼富纺。
7.如权利要求1所述的热量捕获器，其特征在于，所述织物上的电路包覆有生物相容性材料，所述生物相容性材料包括：生物相容性聚四氟乙烯。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的热量捕获器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将第一金属以线的形式印刷在织物上下表面，中间穿过织物连通；
S2：将第二金属以线的形式印刷在织物上下表面，同时保持第一金属和第二金属的两端连通，构成闭合回路；
S3：蓄电设备或用电设备通过导线与第一金属中间部连接。
9.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述织物的一侧接受来自高温热源的热量，该热源包括：生物发热体、工厂余热、汽车尾气喷管、灶具或太阳发电装置；另一侧处于室温或更低温度。
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