CN107405007A - 具有热电织物的能量收集垫 - Google Patents
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Abstract
本文公开了能量收集垫、冷却垫的系统和方法。在一些方面中，能量收集垫可以包括：身体支承件，其具有配置成支承睡眠者的近侧表面；和柔性热电织物，其包括至少一个p型层，该至少一个p型层与至少一个n型层耦接以提供至少一个p‑n结。可以柔性热电织物被配置成与身体支承件的近侧表面热连通，使得当近侧表面被加热时，柔性热电织物产生电流。
Description
背景技术
本公开内容一般地涉及垫组合件，具体地涉及使用热电织物的能量收集垫组合件。
为了保持体内平衡，人体在睡眠期间产生热能和动能，其随后消散至环境。两种形式的能量可以通过数种方法来收集以发电(例如，用于小型电子设备、涓流充电电池等)。用于收集能量的目前方法效率低和/或不方便。
已经采用热电系统来尝试捕获能量。例如，已经注意到现有设计(例如，WO2014062187 A1)使用在垫内部周围间隔开的多个热电部件。由于传递到没有部件的区域的热不用于发电，所以部件之间的分离降低了有效性。部件数量的增加将降低垫舒适性，因为部件特征不是柔性的或不舒适。部件的稀疏定位导致与睡眠者在垫上的位置相关的功效的降低，因为睡眠者必须保持在部件上方的理想位置以产生最大的电力。例如，在WO2014062187 A1中部件的稀疏定位导致与睡眠者在垫上的位置相关的效率的降低。睡眠者必须保持在部件上方的理想位置以实现最大的电力产生。热电部件的刚性性质要求将它们较深埋进垫中以保持舒适性，这进一步降低了其效率。此外，刚性热电部件的制造昂贵，因此使其用于垫应用是不理想的。
因此，仍然需要在垫组合件中收集能量的改善系统、装置和方法。具体地，期望生产成本更低、更舒适、更容易集成并且可在大表面如垫上提供更好的分布式功能的系统、装置和方法。
发明内容
在一些方面中，能量收集垫可以包括：身体支承件，其具有被配置成支承睡眠者的近侧表面；和柔性热电织物，其包括至少一个p型层，该至少一个p型层与至少一个n型层耦接以提供至少一个p-n结。柔性热电织物可以配置成与身体支承件的近侧表面热连通，使得当近侧表面被加热时，柔性热电织物产生电流。
在另一些方面中，能量收集垫组合件可以包括：身体支承件，其具有配置成支承睡眠者的近侧表面；和用于收集热能和动能的柔性热电织物。柔性热电织物可以具有至少一个p型层，该至少一个p型层与至少一个n型层耦接以提供至少一个p-n结。此外，可以将柔性热电织物与身体支承件的近侧表面热连通，使得当近侧表面被加热时，柔性热电织物产生电流，并且可以将柔性热电织物沿着身体支承件的近侧表面设置，使得当动能被传递至身体支承件的近侧表面时，柔性能量收集织物产生电流。
上述和其他特征通过附图和具体实施方式来例示。
附图说明
结合附图根据以下详细描述将更充分地理解本公开内容，其中：
图1是可以形成柔性热电织物的展开的(expanded)热电装置的侧视图；
图2是示例性热电装置；
图3是示例性柔性热电织物的侧视图；
图4是包括柔性热电织物的示例性垫组合件的透视剖视图；
图5是包括柔性热电织物的示例性垫组合件的剖视图；
图6是示例性柔性热电织物的透视图；
图7是关于柔性热电织物的佩尔捷(Peltier)效应的图；以及
图8是关于柔性热电织物的塞贝克(Seebeck)效应的图。
具体实施方式
现在将描述某些示例性方面以提供对本文所公开的装置、系统、方法和/或套件的结构、功能、制造和用途的原理的整体理解。在附图中示出了这些方面的一个或更多个实例。本领域技术人员应理解，本文所公开的并在附图中示出的装置、系统、方法和/或套件在本质上是非限制性的和示例性的，并且本发明的范围仅由权利要求所限定。可以将与所描述的任一方面示出或描述的特征与其他方面的特征组合。这样的修改和变化旨在包括在本公开内容的范围内。
此外，在本公开内容中，类似编号的部件通常具有相似的特征，因此不一定完全阐述每个类似编号的部件的每一个特征。此外，就所公开的系统、装置和方法的描述中使用线形或圆形尺寸而言，这种尺寸不旨在限制可以结合这种系统、装置和方法使用的形状的类型。本领域技术人员将认识到，可以确定任何几何形状为这种线性和圆形尺寸的等同物。系统和装置及其部件的尺寸和形状可以至少取决于将使用的系统和装置的部件的尺寸和形状，以及将使用系统和装置的方法和过程。
已经开发了用于各种应用的柔性热电织物。例如而非限制性地，热电织物公开于题为“热电装置及其应用(Thermoelectric Apparatus and Applications Thereof)”的美国公开第2013/0312806号中，并且其通过引用整体并入本文。这些织物可以通过层状p-n结材料利用塞贝克效应以通过热梯度发电。材料的模块可以以串联、并联或组合的形式布置以实现期望的电压和电流额定值。热电织物由于其聚合物结构而保持柔性。这允许当将层设置在垫表面附近时保持舒适性，在垫表面附近处睡眠者可以产生热，并且此处热梯度较大，更有效地发电。术语“睡眠者”通常是指垫的使用者，其可以包括使用者的身体热。如果需要的话，热电织物也可以覆盖整个睡眠表面。这可以降低睡眠者的位置要求，使他们能够在垫上自由移动同时仍然经历均匀的温度分布和能量收集(即，这可以允许连续发电)。使用热电织物作为收集热能和动能的方式使机械装置更靠近身体表面移动，提高了效率。热电织物的柔性性质可以使其不被睡眠者注意到(即，透明的)，保持舒适性同时提供改善的效能。
可以通过由绝缘材料分离的掺杂的p结聚合物和n结聚合物的层合来构建柔性的、基于聚合物的热电织物。这些层合模块可以以串联、并联或以组合的方式堆叠和布置以实现期望的能量收集。可以将基于聚合物的热电织物设置在垫表面附近以提高能量收集过程的效率。
柔性热电织物也可以是压电的。如本文所使用的，“压电”和/或“压电能量收集”意指从遍及织物分布的动力学运动中发电。例如而非限制性地，通过美国公开第2013/0312806号的方法生产的热电织物也具有作为压电的益处。这意味着它们从跨织物的热梯度以及从遍及织物分布的动力学运动中发电。热电和压电效应的组合显著提高了能量收集过程的效率。将这些材料放置在垫表面的附近可以产生足够的电以对外部负载(例如小型电子设备，包括但不限于闹钟、手机、传感器和生物反馈装置)充电或供电。然后可以收集和使用睡觉的人所消耗的能量以发电，从而对这些设备供电。在一些方面中，热电织物的发电能力可以获得至少约0.2W/m2。此外，在一些方面中，热电织物的发电能力可以获得至少约0.8W/m2。因此，如本领域普通技术人员将理解的，假设平均男性睡眠者在垫上的接触面积为1.0m2，则所述热电织物的效率可以足够对外部负载如手机进行充电。表1示出根据本公开内容的一些方面的用于示例性热电织物的示例性热电、压电和组合的能量产生数据。
表1能量收集
如在美国公开第2013/0312806号中更详细地说明，图1示出了形成示例性柔性热电织物的热电装置的展开的侧视图。图1中示出的热电装置包括以交替方式与n型层2耦接的两个p型层1。p型层1和n型层2的交替耦接在设备的相对侧上向热电装置提供具有p-n结4的z-型构型。当p型层1和n型层2为堆叠构型时，将绝缘层3设置在p型层1与n型层2的界面之间。如所示出的，图1中提供的热电装置处于展开的状态以便于对设备的各种部件进行说明和理解。然而，在一些方面中，热电装置不处于展开的状态，使得绝缘层3与p型层1和n型层2相接触。
图1另外地示出了通过由将设备的一侧暴露于热源下而引起的通过热电装置的电流。将电触点X设置到用于向外部负载施加热产生的电流的热电装置上。
再次如在美国公开第2013/0312806号中更详细地说明，图2示出了示例性热电装置200，其中p型层201和n型层202为堆叠构型。p型层201和n型层202可以以堆叠构型通过绝缘层207分离。热电装置200可以通过电触点204、205与外部负载连接。
图3示出了示例性柔性热电织物300。柔性热电织物300可以包括上述关于图1至2的热电装置，使得所述设备形成能够容易地弯曲而不断裂的织物。因此，在一些方面中，柔性热电织物可以包括至少一个p型层，该至少一个p型层与至少一个n型层耦接以提供p-n结，以及至少部分地设置在p型层和n型层之间的绝缘层，p型层包括多个碳纳米颗粒，并且n型层包括多个n-掺杂的碳纳米颗粒。在一些方面中，p型层的碳纳米颗粒是p-掺杂的，并且n型层的碳纳米颗粒是n-掺杂的。在一些方面中，柔性热电织物或设备的p型层还可以包含其中设置碳纳米颗粒的聚合物基体。在一些方面，n型层还包含其中设置n-掺杂的碳纳米颗粒的聚合物基体。在一些方面，本文所述的柔性热电织物或设备的p型层和n型层为堆叠构型。
在一些方面中，p型层的碳纳米颗粒包含富勒烯、碳纳米管、或其混合物。在一些方面中，碳纳米管可以包括单壁碳纳米管(SWNT)、多壁碳纳米管(MWNT)以及p-掺杂的单壁碳纳米管、p-掺杂的多壁碳纳米管、或其混合物。N-掺杂的碳纳米颗粒可以包含富勒烯、碳纳米管、或其混合物。在一些方面中，n-掺杂的碳纳米管还可以包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、或其混合物。
在一些方面，p型层和/或n型层还可以包括其中设置碳纳米颗粒的聚合物基体。不与本发明的目的相悖的任何聚合物材料都可以用于生产聚合物基体。在一些方面中，聚合物基体包含含氟聚合物，所述含氟聚合物包括但不限于聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、或其混合物或共聚物。在一些方面中，聚合物基体包含聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、或其混合物或共聚物。在一些方面中，聚合物基体包含聚烯烃，所述聚烯烃包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、或其混合物或共聚物。聚合物基体还可以包含一种或更多种共轭聚合物并且可以包含一种或更多种半导体聚合物。
如普通技术人员将理解的，材料的“塞贝克系数”是响应跨所述材料的温度差引起的热电电压的大小的量度。在一些方面中，p型层在290°K的温度下的塞贝克系数可为至少约3μV/K。在一些方面中，p型层在290°K的温度下的塞贝克系数为至少约5μV/K。在一些方面中，p型层在290°K的温度下的塞贝克系数为至少约10μV/K。在一些方面中，p型层在290°K的温度下的塞贝克系数为至少约15μV/K或至少约20μV/K。在一些方面中，p型层在290°K的温度下的塞贝克系数为至少约30μV/K。在一些方面中，p型层在290°K的温度下的塞贝克系数为约3μV/K至约35μV/K。在一些方面中，p型层在290°K的温度下的塞贝克系数为约5μV/K至约35μV/K。在一些方面中，p型层在290°K的温度下的塞贝克系数为约10μV/K至约30μV/K。如本文所述的，在一些方面中，p型层的塞贝克系数可以根据碳纳米颗粒的特性(identity)和负载而变化。在一些方面中，例如，p型层的塞贝克系数与p型层的单壁碳纳米管负载成反比。
类似地，n型层在290°K的温度下的塞贝克系数可为至少约-3μV/K。在一些方面中，n型层在290°K的温度下的塞贝克系数为至少约-5μV/K。在一些方面中，n型层在290°K的温度下的塞贝克系数为至少约-10μV/K。在一些方面中，n型层在290°K的温度下的塞贝克系数为至少约-15μV/K或至少约-20μV/K。在一些方面中，n型层在290°K的温度下的塞贝克系数为至少约-30μV/K。在一些方面中，n型层在290°K的温度下的塞贝克系数为约-3μV/K至约-35μV/K。在一些方面中，n型层在290°K的温度下的塞贝克系数为约-5μV/K至约-35μV/K。在一些方面中，n型层在290°K的温度下的塞贝克系数为约-10μV/K至约-30μV/K。在一些方面中，n型层的塞贝克系数可以根据n-掺杂的碳纳米颗粒的特性和负载而变化。在一些方面中，例如，n型层的塞贝克系数与n型层的碳纳米颗粒负载成反比。
如本文和美国公开第2013/0312806号中所述的，在一些方面中，柔性热电织物可以包括绝缘层。绝缘层可以包含一种或更多种聚合物材料。不与本发明的目的相悖的任何聚合物材料都可以用于生产绝缘层。在一些方面中，绝缘层包含聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、或其混合物或共聚物。在一些方面中，绝缘层包含聚烯烃，所述聚烯烃包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、或其混合物或共聚物。在一些方面中，绝缘层包含PVDF。绝缘层可以具有不与本发明的目的相悖的任何期望的厚度。在一些方面中，绝缘层的厚度为至少约50nm。在一些方面中，绝缘层的厚度为约5nm至约50μm。另外地，绝缘层可以具有不与本发明的目的相悖的任何期望的长度。在一些方面中，绝缘层具有基本上与其间设置有绝缘层的p型层和n型层的长度一致的长度。即，在一些方面中，绝缘层、p型层和/或n型层的长度可为至少约1μm。在一些方面中，绝缘层、p型层和/或n型层的长度可为约1μm至约500mm。
在使用中，可以将柔性热电织物并入垫组合件中。这样，可以将垫组合件配置成温度控制垫，另外地或替代性地，可以被配置成产生电荷。图4示出了具有身体支承件402的示例性垫组合件400。身体支承件402具有可以支承身体406的近侧表面404。如所示出的，身体406可以是人体，并且可以配置身体支承件402以支承俯卧、仰卧、半仰卧、坐着或任何其他姿势的身体，只要身体支承件402支承身体的一些部分即可。
图5示出了示例性垫组合件500。如所示出的，垫组合件500可以具有内部支承件502和身体支承表面504。在一些方面中，内部支承件502可以是弹簧、泡沫、空气或本领域已知的任何其他内芯支承结构中的任一种。如所示出的，身体支承表面504可以包括多种层506、508、510、512、514。所述层可以由任何支承材料形成，所述材料包括泡沫、凝胶、织物、羽绒或任何其他已知的支承材料。另外地，可以配置层506、508、510、512、514以允许热从近侧表面或最近层506传递到最远层514。因此，可以将柔性热电织物设置在层506、508、510、512、514中的任意层之间。替代性地和/或另外地，根据本文的公开内容，层506、508、510、512、514中的任意层之可以由示例性柔性热电织物形成。例如，层506可以是装饰性被褥套(decorative quilt mattres topper)。在一些方面中，被子套506可以由柔性热电织物形成。
如图6所示，柔性热电织物608可以由如上所述的堆叠的p-层、n-层和绝缘层形成。因此，可以配置柔性热电织物608以使用佩尔捷效应冷却垫组合件的一部分和/或塞贝克效应以从垫组合件中收集能量。如本文所使用并且如普通技术人员将理解的，“佩尔捷效应”意指在两个不同导体的通电接头处存在加热或冷却。此外，如普通技术人员将理解的，“塞贝克效应”意指响应材料上的温度差引起的热电电压。
图7示出了佩尔捷效应的示例图，当柔性热电织物被设置成使得其与身体支承件的近侧表面热连通时，其可以导致身体支承件表面的冷却。在这种方式中，当电荷相应地移动通过p-层704和n-层706时，织物的最顶层702被冷却。因此，当p-层和n-层通过电路710连接时，沿着织物的最底部表面708消散热量。
图8示出了塞贝克效应的示例图，其可以导致能量收集，即当柔性织物在身体支承件的近侧表面被加热时，例如当人躺在身体支承件上并将其身体热传递到身体支承件的近侧表面时，产生电压。如所示出的，将织物的最顶部表面802暴露于热源(例如，睡眠者的身体热)并且最底部表面808处于比最顶层802更冷的温度下。当p-层804通过负载电阻器810与n-层806连接时，由系统产生电压。
因此，在一些方面中，为了使睡眠表面(即，身体支承件的近侧表面)的温度调节最大化或者使柔性织物产生的电流最大化，可以将织物沿着垫的整个近侧表面设置。如上所述，例如，垫套可以完全由柔性热电织物形成。替代性地，织物可以沿着部分织物策略性地定位，以使近侧表面和织物之间的热连通最大化。即，织物可以以与从身体吸收期望和/或最佳量的身体热量一致的任何方式布置。另外地，示例性热电织物的柔性性质提供了如本文所述的各种优点。例如，他们以较低的成本生产、更舒适、更容易集成并且将在大表面如垫上提供更好的分布式功能。上述公开内容通过允许均匀的热控制减少热点或冷点来解决位置和舒适性问题。这反过来也允许睡眠者自由移动，而不会感到冷却/加热系统效率的变化，并且此外，允许热电系统靠近垫的表面以实现更大的效率。
关于上述描述，应当认识到，用于本发明的部件的最佳组成包括组件、材料、尺寸、形状、形式、功能和操作方式、组装和使用的变化被认为对本领域的技术人员是显而易见的，并且与实例中示出的和说明书中描述的那些的所有等效关系旨在由本发明来包括。因此，前述内容被认为仅仅举例说明本发明的原理。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行各种修改，因此，期望仅在所附权利要求中阐述上述限制。
Claims (20)
1.一种能量收集垫，包括：
身体支承件，其具有被配置为支承睡眠者的近侧表面；以及
柔性热电织物，其包括至少一个p型层，所述至少一个p型层与至少一个n型层耦接以提供至少一个p-n结，
其中所述柔性热电织物被配置成与所述身体支承件的所述近侧表面热连通，使得当所述近侧表面被加热时，所述柔性热电织物产生电流。
2.根据权利要求1所述的垫，其中所述柔性热电织物被配置成向外部负载施加所产生的电流。
3.根据权利要求1所述的垫，其中所述柔性热电织物被进一步配置用于压电能量收集。
4.根据权利要求1所述的垫，其中所述柔性热电织物产生至少约0.2W/m2。
5.根据权利要求1所述的垫，其中所述柔性热电织物沿着所述身体支承件的整个近侧表面设置。
6.根据权利要求1所述的垫，其中所述柔性热电织物包括多个p型层，所述多个p型层与多个n型层耦接以提供多个p-n结。
7.根据权利要求6所述的垫，其中所述多个p型层在290°K下的塞贝克系数为至少约3μV/K。
8.根据权利要求6所述的垫，其中所述多个n型层在290°K下的塞贝克系数为至少约-3μV/K。
9.根据权利要求1所述的垫，其中所述柔性热电织物还包括至少一个绝缘层。
10.根据权利要求1所述的垫，其中所述柔性热电织物包括多个碳纳米管。
11.一种垫组合件，包括：
身体支承件，其具有被配置为支承睡眠者的近侧表面；以及
用于收集热能和动能的柔性热电织物，其具有至少一个p型层，所述至少一个p型层与至少一个n型层耦接以提供至少一个p-n结，
其中所述柔性热电织物与所述身体支承件的所述近侧表面热连通，使得当所述近侧表面被加热时，所述柔性热电织物产生电流，以及
所述柔性热电织物沿着所述身体支承件的所述近侧表面设置，使得当动能被传递至所述身体支承件的所述近侧表面时，所述柔性能量收集织物产生电流。
12.根据权利要求11所述的垫，其中所述柔性热电织物被配置成向外部负载施加所产生的电流。
13.根据权利要求11所述的垫，其中所述柔性热电织物产生至少约0.2W/m2。
14.根据权利要求11所述的垫，其中将所述柔性热电织物沿着所述身体支承件的整个近侧表面设置。
15.根据权利要求11所述的垫，其中所述柔性热电织物包括多个p型层，所述多个p型层与多个n型层耦接以提供多个p-n结。
16.根据权利要求15所述的垫，其中所述多个p型层在290°K下的塞贝克系数为至少约3μV/K。
17.根据权利要求15所述的垫，其中所述多个n型层在290°K下的塞贝克系数为至少约-3μV/K。
18.根据权利要求11所述的垫，其中所述柔性热电织物还包括至少一个绝缘层。
19.根据权利要求11所述的垫，其中所述柔性热电织物包括多个碳纳米管。
20.根据权利要求19所述的垫，其中所述碳纳米管的一部分是单壁碳纳米管。
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