CN109742970B - 基于磁相变合金-热释电材料的热能收集器 - Google Patents

Abstract

本发明属于热能收集领域，具体涉及一种基于磁相变合金‑热释电材料的热能收集器。一种基于磁相变合金‑热释电材料的热能收集器，所述热能收集器包括固定台，热释电片，磁相变合金片，永磁体，悬梁臂，加热台；所述悬梁臂一端下方设置固定台并固定在固定台上，悬梁臂另一端下表面粘有热释电片，热释电片下方粘有磁相变合金片，磁相变合金片下方放置加热台，所述永磁体悬置于热释电片上方。本发明实现的基本前提是热释电材料的温度能发生瞬间的大幅度变化，通过利用悬梁臂和悬梁臂末端粘接反铁磁‑铁磁相变合金实现往复运动，同时在合金片上粘接热释电材料，利用合金良好的导热性，使得热释电材料出现快速的温度变化，从而实现热能到电能的转换。

Description

基于磁相变合金-热释电材料的热能收集器

技术领域

本发明属于热能收集领域，具体涉及一种基于磁相变合金-热释电材料的热能收集器。

背景技术

热能收集器可以代替一些传统电池为传感器持续供电，在废热、自然热收集等领域具有很高的应用价值。目前常用的热能收集器利用的是材料的热电性、热释电性、热弹性和热磁性，而这些类型的热能收集器存在工艺复杂、成本较高、适用条件受限等一系列问题，为了克服这些问题，将磁性材料和热能收集器相联系开始受到人们的关注。

目前现有利用磁性材料制作热能收集器的技术正在不断提高，在2011年R.D.James等人通过加热Ni₄₅Co₅Mn₄₀Sn₁₀合金直接利用线圈将热能转换为电能，利用的是法拉第电磁感应定律，其峰值电压可以达到0.6mV。但是该热能收集器存在一些问题，只能单次转换热能，不能重复转换，同时也受到线圈匝数和磁场强度影响。

为了克服只能单次转换热能，在2015年Marcel Gueltig等人利用悬梁臂结构，在悬梁臂末端粘接Ni_50.4Co_3.7Mn_32.8In_13.1和在其周围缠绕线圈来实现不断重复的将热能转换为电能。但是小型器件的能量收集效率受切割磁感线运动速度，线圈匝数，磁通量大小的限制，转换效率低。人们为了克服这些问题和更好的利用磁性材料，发现基于材料热释电效应效应的热能收集技术是一种高效的热能利用方式，那么如何将热释电材料和磁性材料相联系起来开始受到人们的关注。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于磁相变合金-热释电材料的热能收集器，以实现热能到电能的持续转换。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于磁相变合金-热释电材料的热能收集器，所述热能收集器包括固定台，热释电片，磁相变合金片，永磁体，悬梁臂，加热台；

所述悬梁臂一端下方设置固定台并固定在固定台上，悬梁臂另一端下表面粘有热释电片，热释电片下方粘有磁相变合金片，磁相变合金片下方放置加热台，所述永磁体悬置于热释电片上方。

所述热释电片通过环氧树脂粘接在悬梁臂上，热释电片通过环氧树脂粘接磁相变合金片。

所述的磁相变合金片的材质为反铁磁-铁磁相变合金，在温度升高时发生弱磁马氏体到铁磁奥氏体的磁性相变，合金的相变温度在40℃到200℃之间。

所述热释电片的材质为热释电材料，选自单晶材料、金属氧化物陶瓷及薄膜材料或高分子有机聚合物及其复合材料。

所述热释电片的材质为压电单晶。

所述悬梁臂的材料为柔性聚合物。

所述柔性聚合物为聚酰亚胺。

所述永磁体距离悬梁臂上表面5-20mm，永磁体)的尺寸为50～1000mm×20～50mm×5～10mm，永磁体周围磁场强度在1000Oe以上。

所述永磁体采用支架悬置，永磁体在支架上的位置可调，从而实现永磁体高度可调。

一种采用上述的热能收集器收集热能的方法，当磁相变合金片接触热源时，温度升高；

磁相变合金片的导热性使得热释电片上出现快速的温度变化；由于热释电材料具有热释电效应，温度的迅速变化使热释电片上下表面间产生电压，即实现了热能到电能的转换；

磁相变合金片发生弱磁性到铁磁性的磁性转变，永磁体对合金片产生吸引力，合金片进而被吸起；此时，合金片由于远离热源，温度降低；这使得热释电片的温度也发生变化，该温度变化将再次致使热释电材料上下表面间产生电压；同时，合金片由于冷却转变回弱磁态，磁铁的吸引力消失，悬梁臂伸直，合金片回到初始位置继续重复以上过程；

上述周期不断重复，热能会被不断转换为电能。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明实现的基本前提是热释电材料的温度能发生瞬间的大幅度变化，通过利用悬梁臂和悬梁臂末端粘接反铁磁-铁磁相变合金实现往复运动，同时在合金片上粘接热释电材料，利用合金良好的导热性，使得热释电材料出现快速的温度变化，从而实现热能到电能的转换。

(2)本发明可以具有更高的转换效率，同时工作温度范围可控，不会受到线圈匝数、磁场强度等因素的限制，不需要存在温度梯度才能正常工作，就可以实现热释电材料瞬时的大幅度温度变化，进而完成热能到电能的转换。

(3)同时本发明具有结构简单、制备便捷以及节能高效的特点，满足实际应用。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是基于磁相变合金-热释电材料的热能收集器的结构示意图。

图2是基于磁相变合金-热释电材料的热能收集器的工作原理图。

图3是实施例中基于磁相变合金-热释电材料的热能收集器的实物图。

图4是实施例中Ni₄₅Mn_36.91In_13.09Co₅合金在0.1T外磁场下的热磁曲线图。

图5是实施例中基于磁相变合金/热释电材料的热能收集器的电压-时间关系图。

附图标记说明：

1-固定台，2-热释电片，3-磁相变合金片，4-永磁体，5-悬梁臂，6-加热台。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明公开了一种基于磁相变合金-热释电材料的热能收集器，所述的热能收集器包括热释电片2、悬梁臂5、永磁体4以及磁相变合金片3。

本发明的热能收集器制备过程是：先利用环氧树脂将热释电片2粘接在反铁磁-铁磁相变合金片上，随后将悬梁臂5末端与热释电材料粘接，并将未粘接的一端固定在固定台1(或任意能固定住悬臂的物件)上，最后在合金片3上方固定一个永磁体4。

本发明涉及热释电能量收集器的工作原理是：当磁相变合金片3接触热源时，温度升高；合金片3的导热性使得热释电片2上出现快速的温度变化；由于热释电片2具有热释电效应，温度的迅速变化使其上下表面间产生电压，即实现了热能到电能的转换；之后，由于合金片3发生弱磁性到铁磁性的磁性转变，永磁体4对合金片3产生吸引力，合金片3进而被吸起；此时，合金片3由于远离热源，温度降低；这使得热释电片2的温度也发生变化，该温度变化将再次致使热释电片2上下表面间产生电压；同时，合金片3由于冷却转变回弱磁态，磁铁的吸引力消失，悬梁臂5伸直，合金片3回到初始位置继续重复以上过程。上述周期不断重复，热能会被不断转换为电能。

进一步地，所述的磁相变合金片3为反铁磁-铁磁相变合金，其会在温度升高时发生弱磁马氏体到铁磁奥氏体的磁性相变，同时合金的相变温度在40℃到200℃之间。

进一步地，热释电片2具有热释电效应，其类型有单晶材料、金属氧化物陶瓷及薄膜材料和高分子有机聚合物及其复合材料三类，因为压电单晶具有优良的热释电性，所以热释电材料优选为压电单晶。

进一步地，悬梁臂5所用材料为柔性聚合物，优选为聚酰亚胺，聚酰亚胺具有较低的弹性模量，可以更好地使器件持续不断的使热能转换为电能。

进一步地，永磁体4是由支架台固定，支架是常用的铁架台，可以通过调节螺母位置来自由控制永磁体高度(永磁体尺寸为50～1000mm×20～50mm×5～10mm，永磁体周围磁场强度在1000Oe以上)。

实施例1

本发明涉及热能收集器使用的反铁磁-铁磁相变合金为Heusler(赫斯勒)型NiMnInCo合金，成分为Ni₄₅Mn_36.91In_13.09Co₅。所述的反铁磁-铁磁相变合金以高纯金属单质Ni、Co、Mn和In为原料，按照合金表达式精确配比各金属单质，通过电弧熔炼法制备；熔炼在高纯氩气氛围保护下进行；熔炼后的合金在850℃退火72小时，随后淬火并通过线切割进行尺寸调整；最后，根据设计图搭建能量收集器。所制备的热能收集器可以实现对恒定热源80℃的热能收集。

如图1所示，为基于磁相变合金/热释电材料的热能收集器的结构示意图。如图2所示，是基于磁相变合金/热释电材料的热能收集器的工作原理图。其工作原理是：当反铁磁-铁磁相变合金接触热源时，温度升高；合金片3的导热性使得热释电片2上出现快速的温度变化；由于热释电片2具有热释电效应，温度的迅速变化使其上下表面间产生电压，即实现了热能到电能的转换；之后，由于合金片发生弱磁性到铁磁性的磁性转变，永磁体对合金片产生吸引力，合金片进而被吸起；此时，合金片由于远离热源，温度降低；这使得热释电材料的温度也发生变化，该温度变化将再次致使热释电材料上下表面间产生电压；同时，合金片由于冷却转变回弱磁态，磁铁的吸引力消失，悬梁臂伸直，合金片回到初始位置继续重复以上过程。上述周期不断重复，热能会被不断转换为电能。

如图3所示，是实施例中基于磁相变合金/热释电材料的热能收集器的实物图。在实施例中悬梁臂选用聚酰亚胺，尺寸为7mm×5mm。热释电材料选用压电单晶，其成分为PIN-PMN-PT，尺寸为5mm×2mm×1mm。磁性合金成分为Ni₄₅Mn_36.91In_13.09Co₅，尺寸为5mm×5mm×1mm。热源保持在80℃。

如图4所示，是实施例中Ni₄₅Mn_36.91In_13.09Co₅合金在0.1T外磁场下的热磁曲线图。数据通过综合物性测量系统(Physical Property Measurement System：PPMS)得到。合金马氏体相变温度为338K，奥氏体相变温度为355K。在发生马氏体相变时，合金由高温铁磁性转变为低温弱磁性，与之相反的是发生奥氏体相变时合金由低温弱磁性转变为高温铁磁性。这种磁性变化配合永磁的吸引力会导致悬臂梁周期性的弯曲/恢复。

如图5所示，是实施例中基于磁相变合金/热释电材料的热能收集器的电压-时间曲线。测试前，压电单晶两边被接上导线，压电单晶上出现温度波动时引起的电压信号会经过导线被电荷放大器和示波器采集到。如图所示，测得的峰值电压可达到2.3V。

Claims (9)

1.一种基于磁相变合金-热释电材料的热能收集器，其特征在于，所述热能收集器包括固定台(1)，热释电片(2)，磁相变合金片(3)，永磁体(4)，悬梁臂(5)，加热台(6)；

所述悬梁臂(5)一端下方设置固定台(1)并固定在固定台(1)上，悬梁臂(5)另一端下表面粘有热释电片(2)，热释电片(2)下方粘有磁相变合金片(3)，磁相变合金片(3)下方放置加热台(6)，所述永磁体(4)悬置于热释电片(2)上方；

所述的磁相变合金片(3)的材质为反铁磁-铁磁相变合金，在温度升高时发生弱磁马氏体到铁磁奥氏体的磁性相变，合金的相变温度在40℃到200℃之间。

2.根据权利要求1所述的热能收集器，其特征在于，所述热释电片(2)通过环氧树脂粘接在悬梁臂(5)上，热释电片(2)通过环氧树脂粘接磁相变合金片(3)。

3.根据权利要求1所述的热能收集器，其特征在于，所述热释电片(2)的材质为热释电材料，热释电材料为单晶材料、金属氧化物陶瓷及薄膜材料或高分子有机聚合物及其复合材料。

4.根据权利要求3所述的热能收集器，其特征在于，所述热释电片(2)的材质为压电单晶。

5.根据权利要求1所述的热能收集器，其特征在于，所述悬梁臂(5)的材料为柔性聚合物。

6.根据权利要求5所述的热能收集器，其特征在于，所述柔性聚合物为聚酰亚胺。

7.根据权利要求1所述的热能收集器，其特征在于，所述永磁体(4)距离悬梁臂(5)上表面5-20mm，永磁体(4)的尺寸为50～1000mm×20～50mm×5～10mm，永磁体(4)周围磁场强度在1000Oe以上。

8.根据权利要求1所述的热能收集器，其特征在于，所述永磁体(4)采用支架悬置，永磁体(4)在支架上的位置可调，从而实现永磁体(4)高度可调。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述的热能收集器收集热能的方法，其特征在于，当磁相变合金片(3)接触热源时，温度升高；

磁相变合金片(3)的导热性使得热释电片(2)上出现快速的温度变化；由于热释电材料具有热释电效应，温度的迅速变化使热释电片(2)上下表面间产生电压，即实现了热能到电能的转换；

磁相变合金片(3)发生弱磁性到铁磁性的磁性转变，永磁体(4)对合金片产生吸引力，合金片进而被吸起；此时，合金片由于远离热源，温度降低；这使得热释电片(2)的温度也发生变化，该温度变化将再次致使热释电材料上下表面间产生电压；同时，合金片由于冷却转变回弱磁态，磁铁的吸引力消失，悬梁臂(5)伸直，合金片回到初始位置继续重复以上过程；

上述周期不断重复，热能会被不断转换为电能。

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