CN111313758A - 一种应用于人体医疗及健康监测的柔性可穿戴温差发电器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于温差发电领域，涉及一种应用于人体医疗及健康监测的柔性可穿戴温差发电器，包括至少一个温差发电器，该温差发电器包括热端传热结构、与热端传热结构相匹配的冷端传热结构以及匹配设置在热端传热结构与冷端传热结构之间的电偶元件层；热端传热结构包括至少一块热层铜片组合模块以及与热层铜片组合模块匹配设置的热层基片，冷端传热结构包括与热层铜片组合模块匹配的冷层铜片组合模块以及冷层基片；电偶元件层包括若干个平铺的n型电偶元件和p型电偶元件，n型电偶元件和p型电偶元件与热层铜片组合模块以及冷层铜片组合模块匹配连接。本发明整体结构的柔性好，收集热能的同时热量散失少，发电能力强、适应性好并且便于穿戴。
Description
技术领域
本发明属于温差发电领域，涉及一种应用于人体医疗及健康监测的柔性可穿戴温差发电器。
背景技术
随着经济和社会的飞速发展，医疗技术得到了越来越多的关注，相应的功能增强型传感器的使用也越来越广泛，尤其在医疗保健和健康监测方面已经越来越受欢迎。传感器的功率要求范围涵盖超低功率(nW)、中等功率(μW)和大功率(mW)。温差发电器(TEG)可以与各种传感器完美地集成在一起，通过利用人体余热发电形成自供电的可穿戴设备。根据塞贝克效应，将温差发电器(TEG)放置在人体皮肤(热端)和环境(冷端)之间就可以产生连续的电功率输出。为了适应人体皮肤的弯曲表面，通常将电偶材料做得很薄，并简化散热结构，以制作柔性温差发电器(TEG)。现有的柔性温差发电器(TEG)通常采用喷涂、焊接以及复杂的化学工艺，制作程序复杂，不利于柔性可穿戴温差发电器(TEG)的推广使用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种节能，收集热能，提供发电能力强、适应性好并且便于穿戴的应用于人体医疗及健康监测的柔性可穿戴温差发电器。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种温差发电器，包括热端传热结构、与热端传热结构相匹配的冷端传热结构以及匹配设置在热端传热结构与冷端传热结构之间的电偶元件层；
热端传热结构包括至少一块热层铜片组合模块以及与热层铜片组合模块匹配设置的热层基片，冷端传热结构包括与热层铜片组合模块匹配的冷层铜片组合模块以及冷层基片；
电偶元件层包括若干个平铺的n型电偶元件和p型电偶元件，n型电偶元件和p型电偶元件与热层铜片组合模块以及冷层铜片组合模块匹配连接。
可选的，每块热层铜片组合模块包括若干个热层铜片，相邻热层铜片之间相隔且不接触；
每块冷层铜片组合模块包括与热层铜片数量匹配的冷层铜片，相邻冷层铜片之间相隔且不接触；
热层铜片与冷层铜片的一端均同方向进行两次弯折后分别得到热层铜片较短端以及冷层铜片较短端。
可选的，热层铜片还包括与热层铜片较短端平行的热层铜片较长端，该热层铜片较长端的长度小于热层基片的宽度；
热层铜片较短端与热层铜片较长端之间的距离与热层基片的厚度相同。
可选的，冷层铜片还包括与冷层铜片较短端平行的冷层铜片较长端，该冷层铜片较长端的长度小于冷层基片的宽度；
冷层铜片较短端与冷层铜片较长端之间的距离等于冷层基片的厚度加上电偶元件层的厚度。
可选的，n型电偶元件和p型电偶元件数量相等，且数量均与热层铜片相同；
冷层铜片的数量比热层铜片数量多一块。
可选的，n型电偶元件和p型电偶元件相互交叉平铺且互不接触，每个n型电偶元件和p型电偶元件的两端均分别与热层铜片较短端以及冷层铜片较短端固定连接。
可选的，热层铜片组合模块超过1块时，相邻的热层铜片组合模块之间还设置有热膜隔层；相邻电偶元件层之间通过导线串联或者并联。
一种应用于人体医疗及健康监测的柔性可穿戴温差发电器，应用如上述的一种温差发电器，包括单个或多个温差发电器；多个温差发电器之间电并联或电串联。
可选的，温差发电器的热端传热结构在远离冷端传热结构的一端上还匹配设置有热层薄膜，冷端传热结构在远离热端传热结构的一端上还匹配设置有冷层薄膜。
可选的，热层薄膜与冷层薄膜的大小根据具体的温差发电器个数匹配设置。
本发明的有益效果在于：本发明通过电偶材料增强其热能利用率，采用n型电偶元件和p型电偶元件平铺于热层基片上，增强整体结构的柔性，采用弯折式铜片有利于热能的传导，从结构上，有利于热量散失少，使其在弯折的凹槽部位热量集中；同时本专利从结构设计上采用热层基片、弯折的铜片紧贴热层基片上下表面以及侧面，这大大增加了热量的收集面积，降低了热泄露，从而传给电偶元件，产生足够的温差来发电。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明一种温差发电器的整体结构装配图；
图2为图1的局部放大图；
图3为本发明具体实施例1的整体结构爆炸图；
图4为热层铜片结构示意图；
图5为冷层铜片结构示意图；
图6为图3中热层铜片组合模块与热层基片配合安装的装配图；
图7为图3中电偶元件层串联安装示意图；
图8为图3中电偶元件层并联安装示意图；
图9为图3中冷层铜片组合模块与冷层基片配合安装的装配图；
图10为图3中单个n型电偶元件以及单个p型电偶元件与单个冷层铜片以及单个热层铜片的连接关系示意图；
图11为本发明具体实施例2的整体结构示意图。
附图标记：冷层薄膜1、冷层基片2、冷层铜片组合模块3、电偶元件层4、热层基片5、热层薄膜6、热膜隔层7、热层铜片组合模块8、n型电偶元件9、p型电偶元件10、热层铜片11、冷层铜片12、冷层铜片较短端13、串联导线14、并联导线15、冷层铜片较长端16、热层铜片较短端17、热层铜片较长端18。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
具体实施例1，
请参阅图1～图10，为一种应用于人体医疗及健康监测的柔性可穿戴温差发电器，包括热端传热结构、与热端传热结构相匹配的冷端传热结构以及匹配设置在热端传热结构与冷端传热结构之间的电偶元件层4。
热端传热结构包括两块热层铜片组合模块8以及分别与两块热层铜片组合模块8匹配设置的两块热层基片5，两块热层铜片组合模块8之间还设置有热膜隔层7，每块热层铜片组合模块8设有12个热层铜片11，每个热层铜片11不可互相接触，相邻的热层铜片11之间的距离可保持为1mm，热层铜片11的作用为集热、导电、散热；其中热层铜片11的结构如图4所示，其形状由一条厚度为0.02mm-0.5mm的长条形铜片进行两次90度弯折而成，弯折后热层铜片较长端18的长度略小于热层基片5的宽度为23mm、热层铜片较短端17的长度为4mm，热层铜片较短端17与热层铜片较长端18之间的距离相间0.6mm，与热层基片5的厚度相同，使热层铜片较短端17与热层铜片较长端18之间形成的凹槽正好可以嵌入热层基片5；12个热层铜片11与热层基片5配合后如图6所示。
在本实施例中，热膜隔层7为长条形，其长度、厚度均与热层基片5相同，其宽度为0.4mm，设置在两行热层铜片组合模块8中心位置，目的是将两块热层铜片组合模块8分开，同时将两行电偶元件层4分开。
冷端传热结构包括两块冷层铜片组合模块3以及一块冷层基片2，每块冷层铜片组合模块3设有13个冷层铜片12，每个冷层铜片12不可互相接触，相邻的冷层铜片12之间的距离可保持为1mm，冷层铜片12的作用为导电、散热，对于冷层铜片12如图5所示，与热层铜片11同理，由一条厚度为0.02mm-0.5mm的长条形铜片进行两次90度弯折而成，图中展示了冷层铜片较长端16和冷层铜片较短端13之间的关系，其参数唯一与热层铜片11不同的是：冷层铜片较长端16和冷层铜片较短端13之间的距离相间为1.6mm，该距离等于电偶元件层4的厚度与冷层基片2的厚度之和。
在本实施例中，热层铜片11与冷层铜片12的材料相同，都为铜制薄片。
在本实施例中，热层基片5和冷层基片2具有一定的柔性，都为长薄片，厚0.05mm-1mm；冷层基片2的宽度＝热层基片5的宽度×2+热膜隔层7的宽度+冷层铜片12的厚度×2；热层基片5与冷层基片2的材料均采用绝缘、极低热导率的气凝胶。
电偶元件层4包括平铺的两行的n型电偶元件9和p型电偶元件10，在本实施例中设有24个n型电偶元件9和24个p型电偶元件10，一共24对，共两行，每行12对；24个n型电偶元件9和24个p型电偶元件10以1mm的距离在冷层基片2和热层基片5之间相间排成两列；即每个n型电偶元件9两侧是两个p型电偶元件10，每个p型电偶元件10两侧是两个n型电偶元件9；如图7所示，黑色表示p型电偶元件10，灰色表示n型电偶元件9，通过串联导线14将两行电偶元件串联起来，达到行与行之间的串联目的，如图8所示，采用并联方式，通过并联导线15将两行电偶元件并联起来，达到行与行之间的并联目的(其中“+”表示正极，负号“-”表示负极)。
n型电偶元件9与p型电偶元件10的两端分别与热层铜片较短端17和冷层铜片较短端13固定接触，使每个电偶元件连接一个热层铜片11和一个冷层铜片12，如图10所示，其中热层铜片较短端17和冷层铜片较短端13都紧贴热层基片5，电偶元件的端部距铜片较短端的端部都设置为1mm，同时电偶元件的底部都紧贴于铜片较短端的上表面(所述电偶元件包括p型电偶元件10和n型电偶元件9，铜片较短端包括冷层铜片较短端13和热层铜片较短端17)，其中图10隐藏了冷层基片2。
在本实施例中，n型电偶元件9和p型电偶元件10可采用碲化铋材料，电偶元件与热层基片5和冷层基片2之间可采用胶合固定。
在本实施例中，n型和p型电偶元件10尺寸相同，为长条形，其长度略小于热层基片5的宽度，其宽度＝(铜片宽度-1mm)/2，厚度范围为0.2mm～1mm。
热层薄膜6采用胶合覆盖在热端传热结构中热层铜片较长端18的底部，冷层薄膜1采用胶合覆盖在冷端传导结构中冷层铜片较长端16的顶部；热层薄膜6与皮肤接触，冷层薄膜1与空气接触，热层薄膜6与冷层薄膜1材料一致，尺寸一致，它们的外形都为薄片状。
在本实施例中，热层薄膜6与冷层薄膜1均起到绝缘作用，组成本发明温差发电器的外壳。
具体实施例2，
请参阅图11，图11由3个具体实施例1中的温差发电器并列排列，与具体实施例1不同，具体实施例2中的冷层薄膜1与热层薄膜6选择尺寸更大的以实现贴合具体实施例2中整体结构的目的，其中这3个温差发电器既可以使用串联导线14串联连接也可以使用并联导线15并联连接，图中没有给出具体的导线，是为了表示温差发电器在横向方向上拓展时既可以是串联延展也可以是并联延展；其中温差发电器之间的具体配合关系为：相邻的温差发电器的热层基片5相连，因为热层基片5的绝缘作用，使相邻温差发电器工作互不影响，相邻温差发电器之间的冷层铜片组合模块3没有接触，使相邻温差发电器工作互不影响；选用3个温差发电器并列排列只是为了形象表达本发明温差发电器多行排列时的具体结构，由图11所示，热层薄膜6的大小可根据所制得的温差发电器行数来灵活设置，作用只为外壳与绝缘，薄膜与人体皮肤接触，同样，冷层薄膜1与热层薄膜6的作用相同，图11没有画出，只为表达多行结构的温差发电器配合关系。
以下给出本发明的工作原理和使用方法：本发明通过电偶元件层4中的电偶对将人体皮肤表面散失的热量转换为电能，通过弯折式的铜片串联p型电偶元件10和n型电偶元件9，可以增强其热能利用率。
具体工作方式及能量传递过程如下：热能由底部向上传递，透过绝缘材料的高热导的热层薄膜6，然后传至热层铜片组合模块8，并通过热层铜片组合模块8进行传导，因为热层基片5为绝热材料，绝大部分热量通过热层铜片组合模块8传递到n型电偶元件9和p型电偶元件10的一端(即热端)，此端所在层为整个温差发电器的中部，而n型电偶元件9和p型电偶元件10的另外一端与冷层铜片组合模块3相连，进而透过冷层薄膜1向环境散热，环境即为冷源，进而使n型电偶元件9和p型电偶元件10的两端，一端为热端向里，另一端为冷端向外，从而产生温差，每对n型电偶元件9和p型电偶元件10产生载流子迁移现象，因为铜片的串联，即可将每对n型电偶元件9和p型电偶元件10的效果叠加，若外接几μW功率的可穿戴传感设备和电子电路，例如超低功率无线电、手表等等，进而形成回路，产生电流，通过实验可测得最后转化的电能为微瓦级，即能满足相关微电子设备。
本发明通过电偶材料串联增强其热能利用率，由于本身设计的结构相对较小，并且对整体结构的柔性有一定的要求，所以采用的p型电偶元件10与n型电偶元件9为长条形状平铺于热层基片5上，而不是块体形状立于热层基片5上，块状p型电偶元件10与n型电偶元件9会大大降低该结构的柔性，不符合本发明的初衷，并且考虑到因为多对长条状p型电偶元件10与n型电偶元件9相对于块状p型电偶元件10与n型电偶元件9会降低一定的功率，具体实施例1从结构设计上采用了热端用两片绝缘热层基片5、弯折的铜片紧贴热层基片5上下表面以及侧面，这大大增加了热量的收集面积，降低了热泄露，从而传给电偶元件，产生足够的温差来发电。
进一步，采用弯折式铜片有利于热能的传导，从结构上，有利于热量散失少，使其在凹槽部位热量集中；从材料上，选择铜片，铜具有很高的导电性和导热性，并且具有一定的柔韧性，保证了结构的整体柔性度。
进一步，设计有热膜隔层7，有利于分开两行电偶元件层4，使各行之间可以独立工作而互不影响；同时，热层隔膜采用与热层基片5同样的材料，以达到绝缘作用。
进一步，本发明具体实施例1中采用两行电偶元件层4的设计，是为简化模型，有利于分析结构及实验，多行结构同样具有实际意义，如具体实施例2中所示。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种温差发电器，其特征在于：包括热端传热结构、与热端传热结构相匹配的冷端传热结构以及匹配设置在热端传热结构与冷端传热结构之间的电偶元件层；
所述热端传热结构包括至少一块热层铜片组合模块以及与热层铜片组合模块匹配设置的热层基片，所述冷端传热结构包括与热层铜片组合模块匹配的冷层铜片组合模块以及冷层基片；
所述电偶元件层包括若干个平铺的n型电偶元件和p型电偶元件，n型电偶元件和p型电偶元件与热层铜片组合模块以及冷层铜片组合模块匹配连接。
2.根据权利要求1所述的一种温差发电器，其特征在于：所述每块热层铜片组合模块包括若干个热层铜片，相邻热层铜片之间相隔且不接触；
每块冷层铜片组合模块包括与热层铜片数量匹配的冷层铜片，相邻冷层铜片之间相隔且不接触；
所述热层铜片与冷层铜片的一端均同方向进行两次弯折后分别得到热层铜片较短端以及冷层铜片较短端。
3.根据权利要求2所述的一种温差发电器，其特征在于：所述热层铜片还包括与热层铜片较短端平行的热层铜片较长端，该热层铜片较长端的长度小于热层基片的宽度；
所述热层铜片较短端与热层铜片较长端之间的距离与热层基片的厚度相同。
4.根据权利要求2所述的一种温差发电器，其特征在于：所述冷层铜片还包括与冷层铜片较短端平行的冷层铜片较长端，该冷层铜片较长端的长度小于冷层基片的宽度；
所述冷层铜片较短端与冷层铜片较长端之间的距离等于冷层基片的厚度加上电偶元件层的厚度。
5.根据权利要求2所述的一种温差发电器，其特征在于：所述n型电偶元件和p型电偶元件数量相等，且数量均与热层铜片相同；
冷层铜片的数量比热层铜片数量多一块。
6.根据权利要求5所述的一种温差发电器，其特征在于：n型电偶元件和p型电偶元件相互交叉平铺且互不接触，每个n型电偶元件和p型电偶元件的两端均分别与热层铜片较短端以及冷层铜片较短端固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种温差发电器，其特征在于：所述热层铜片组合模块超过1块时，相邻的热层铜片组合模块之间还设置有热膜隔层；相邻电偶元件层之间通过导线串联或者并联。
8.一种应用于人体医疗及健康监测的柔性可穿戴温差发电器，应用如权利要求1～7任一所述的一种温差发电器，其特征在于：包括单个或多个温差发电器；多个温差发电器之间电并联或电串联。
9.根据权利要求8所述的一种应用于人体医疗及健康监测的柔性可穿戴温差发电器，其特征在于：温差发电器的热端传热结构在远离冷端传热结构的一端上还匹配设置有热层薄膜，冷端传热结构在远离热端传热结构的一端上还匹配设置有冷层薄膜。
10.根据权利要求9所述的一种应用于人体医疗及健康监测的柔性可穿戴温差发电器，其特征在于：热层薄膜与冷层薄膜的大小根据具体的温差发电器个数匹配设置。
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