CN201222695Y - 基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置，包括：至少一个内装液态金属的空心密封环形通道主体，该空心密封环形通道主体的环形通道内安装有控制液态金属流动方向的单向阀；至少一个流体发电单元；流体发电单元由紧贴在空心密封环形通道主体的环形通道内侧壁上相对放置的正极板和负极板组成和镶嵌于环形通道主体的上下端面之上或位于环形通道主体的上下方的一对永磁体。该发电装置为一种借助于人体自身运动诱发器件内的液体金属跟随运动，使之切割磁力线，从而输出电量以满足各类移动或植入医疗器件电能需求的发电装置。

Description

基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种可对移动式电子器械提供电能的发电装置，特别涉及一种可穿戴或便携的借助于人体自身能量诱发金属流体跟随运动，从而切割磁力线继而输出电量以满足各类移动式电子器件电能需求的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置。

背景技术

当前，随着医学技术的飞速发展，满足各类治疗及诊断目的的植入人体式医用装置以及可穿戴式医疗器械的种类日益增多，如植入到体内的起搏器、除颤器、监护器、神经刺激器、药物泵以及可穿戴的微型温度、心电、血压监测器乃至治疗器械等。同时，大量便携式移动电子设备如手机、MP3、照相机、掌上电脑等层出不穷，极大地满足了人类日益丰富的物质文化生活的需要。在这些器械的工作中，供电技术始终是一个重大关键环节，但现有充电技术都存在这样那样的问题。比如，植入体内的电器需要一次植入后能确保供电的持久性，但现有方案难以满足这一现实需求；至于对可穿戴式医疗器械以及手机一类的消费品，频繁充电不可避免，使用者因忘记充电而导致器件不能工作的事情时有发生，同时，一个不能忽视的问题是，此类充电耗时较长，因而也导致许多能量损失，设想，随着全球数以亿计的手机的大量使用，每天由此所消耗的能源是十分巨大的。因此，寻找一种可随意充电且对外界能源依赖性较小的永久性供能技术，具有至关重要的现实意义。

长期以来，就各类器件能源供应技术的开发，一直为世界各国所高度重视，但进展有限。近年来，随着大量移动电子设备、可穿戴式医疗器械及植入器件的提出和相继研制成功，更使长寿命、高效、可灵活充电的微能源系统的研制开发被提升到了一个前所未有的层面。由于任何电池的寿命总是有限的，因此，对各类器件适时有效地实施充电成为一个重要需求。比如，对于植入人体的医用装置，为减小多次手术的伤害，必须尽量避免定期从病人体内取出相应器件后再予以充电的麻烦；而对于可穿戴式器械以及手机等一类的生活必备电器，若能彻底摆脱定期充电的事情，无疑是十分令人愉悦的，特别是，由此将节省大量的能源消耗。在通向这一目标方面，借助于人体自身能量或外部非损伤式输入的能量发展出的永久性供能系统具有独特价值。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可借助于人体自身运动诱发器件内的液体金属跟随运动，使之切割磁力线，从而输出电量以满足各类移动或植入医疗器件电能需求的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置。

为实现上述发明目的，本实用新型提供的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置，包括：

至少一个内装液态金属的空心密封环形通道主体，该空心密封环形通道主体的环形通道内安装有控制液态金属流动方向的单向阀；

至少一个流体发电单元；

所述流体发电单元由紧贴在空心密封环形通道主体的环形通道内侧壁上相对放置的正极板和负极板组成；和

镶嵌于所述环形通道主体的上下端面之上或位于所述环形通道主体的上下方的一对永磁体；

所述空心密封环形通道主体的材质为玻璃钢、陶瓷、塑料、橡胶或树脂。

所述环形通道主体的环形通道的水力半径尺度在1纳米至40毫米之间；其纵截面形状为圆形、椭圆形、矩形、三角形或多边形。

所述环形通道主体的环形通道为圆形、螺旋形、弯曲的曲折形。

所述空心密封环形通道主体外表面经磁屏蔽处理。

所述单向阀为多个控制液态金属流动方向一致的单向阀。

所述液体金属为常温下呈液态的镓、铟、镓铟合金、镓铟锡合金、水银或钠钾合金。

所述的正极板和负极板为一对金属片，或者一对喷涂、粘贴、镶嵌或电镀有导电材料的片状电极板，该片状电极板的材质为有机导电材料或金属导电材料，厚度为1nm-1mm。

所述的永磁体为钕铁硼磁体、铁氧体磁体、钴镍磁体、纳米钕铁硼磁体、纳米铁氧体磁体、纳米钴镍磁体、铁磁体、钴磁体或镍体。

所述的发电装置可以是可拆卸的，也可以是固结在用电器件内的。

本实用新型的优点在于：首次引入了基于人体不同能量驱动的金属流体自激式磁感应发电方式以输出电力，无污染绿色化，结构简单的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置，该装置可编制到衣物上，发电装置内的液体金属可以捕获人体各部位如关节动作处的离心力，手臂处随机摆动的位移和震荡等机械能，包括人体运动中衣物因挤压产生的动力；也可以利用液态金属的良好热特性进行热驱动。不同形式的人体能量都可以通过形成入口、出口和流道内部的相对压差的耦合来驱动流体运动，从而形成切割磁力线运动以达到发电的目的；由此制成的发电器可根据需要随时充电。至今国内外尚无直接利用人体自身运动诱发金属流体运动从而通过磁感应发电机产生电力的技术被提出。本实用新型充分地利用了人体自身动能、液体金属本身的金属特性以及易于流动的特点，而实现金属流体磁感应发电的电力输出，因而实现了对移动电器或植入式医疗装置随时充电，并可根据需要通过外界加速运动提升发电能力，是一种永久性发电系统，可以应用于各类移动电子设备、生物微电子机械系统、可穿戴式医疗器械、植入式医疗器件以及组织工程领域中正在发展的半生物-半电器装置，乃至更多场合，此处不一一列举。微流体发电器件与LOC技术、Mems技术具有良好的兼容性，且流道系统具有很好的柔性，可以根据不同器件的外形和输出需求确定相关的尺寸，较之压电和热电器件有更灵活的应用场合。目前，以人体这种随意运动方式驱动金属流体产生电能的方式还未见报道。由于人体走路、运动过程中总是处于不平衡状态，且人体自身手摇方式等易于实施，而作为良好导体的液体金属易于滑动，因而本实用新型提供的产电方式比较直接，在人体自身被动或主动运动的情况下，达到了随时随地充电的效果。各类电器如手机、MP3乃至植入式电子设备可望彻底摆脱定期充电的烦恼，从而成为一种无须充电的电器。

附图说明

附图1为本实用新型的结构示意图；

附图2为图1的A-A剖面的结构示意图；

附图3为含有多个流体发电单元的发电装置的俯视图；

附图4为多个空心环形通道主体叠摞一体的发电装置结构示意图；

附图5为图4的B-B剖面的结构示意图；

附图6为空心环形通道主体为螺旋形的发电装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本实用新型。

实施例1：

附图1为本实用新型的结构示意图；附图2为图1的A-A剖面示意图；由图可知，本实用新型的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置，包括：

至少一个内装液态金属的空心密封环形通道主体1，该空心密封环形通道主体1的环形通道111内安装有控制液态金属流动方向的单向阀12；

至少一个流体发电单元112；

所述流体发电单元112由紧贴在空心密封环形通道主体1的环形通道111内侧壁上相对放置的正极板2和负极板3组成；和

镶嵌于所述环形通道主体1的上下端面之上或位于所述环形通道主体1的上下方的一对永磁体13；

所述空心密封环形通道主体1为材质是玻璃钢、陶瓷、塑料、橡胶或树脂的空心密封环形通道主体；本实施例的空心密封环形通道主体1为玻璃钢材质的空心密封环形通道主体。

所述的液态金属以图1中垂直于纸面的方向穿越所述的一对永磁体13形成的磁场，正极板11和负极板14之间形成电压；连接外负载后，则会产生连续电流。

使用时，将本实用新型的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置佩戴在人体运动幅度和运动频率较大的部位，如手腕、手臂、腿或/和脚上，就可以由人体运动带动液态金属流动，并经过单向阀控制，产生直流电压和电流；可以直接连接负载并驱动工作；如果没有负载运行，可以连接充电电路为充电电池充电，存储电能。

空心密封环形通道主体1的环形通道111的尺寸可以根据需要契合的外部空间的尺寸和大小进行优化。环形通道111的高度可为1μm-40mm之间；本实施例中，构成环形通道111的大圆直径为60mm，小圆直径为44mm，截面的高度为3mm，宽度为14mm。

本实用新型中的空心密封环形通道主体1材料是常温下不与流体、正负极板、永磁体发生化学反应或电磁干涉的电绝缘、弱导磁、化学性质稳定的有机材料或无机材料；可以是高强度的玻璃钢、陶瓷、柔性的塑料或树脂等。环形通道111的加工工艺可以选择一次成型，黏结、微纳加工或显微工艺制备；可以通过化学加工如干法刻蚀或湿法的刻蚀；机械加工；物理性加工如沉积或溅射等方法制备。

本实施例中环形通道111的截面可以是规则的正方形、三角形、圆形、椭圆形、矩形、菱形或者不规则的多边形；环形通道111的水力半径尺度在1纳米至40毫米之间。

所述永磁体可由钕铁硼、钐钴或铝镍钴等材料制做成块状永磁体；液态金属可以为常温下呈液态的镓、铟、镓铟合金、镓铟锡合金、水银或钠钾合金，正极板2和负极板3可以是导电的铝、不锈钢、铜或银等金属片、也可以是喷涂或电镀有导电材料的有机材料电极板或金属电极板，其厚度为1nm-1mm范围内。

本实施例的整体外部封装后，可用磁屏蔽材料涂覆，以免永磁体磁场过强而对人体和周围器件造成不利。本装置可以对负载直接供电，也可以通过电容、超级电容、蓄电池、充电电池储存电能。

实施例2：

如附图3所示，本实施例为多个流体发电单元组合的发电装置。本实施例中包含的流体发电单元可以是一个到一百万个，流体发电单元的正极板2和负极板3之间通过导线14连接；本实施例中按照串联方式连接，前一级流体发电单元的负极板连接下一级流体发电单元的正极板；第一级流体发电单元的正极板为整个发电装置输出的正极，最后一级流体发电单元的负极板为整个发电装置的负极。也可以按照并联连接，各级流体发电单元的正、负极板分别通过导线连接在一起，再作为整个发电装置的正极和负极输出。

空心环形通道主体的环形通道可以是弯曲型的，也可以是圆形、螺旋型的。环形通道密集放置集中在一个区域，也可以稀疏的布置在用电器件之中。

流体发电单元的数量可根据电池所需要的输出电压和采用的液态金属工作性能来确定。

正极板和负极板可以是多层金属片，或者多层喷涂、粘贴、镶嵌或电镀有导电材料的片状电极板，该片状电极板材质为有机或金属导电材料，厚度在1mm到1nm的尺度范围内。本实施例中的空心环形通道主体可以采用导磁材料制成。

实施例3：

附图4为多个密封的空心环形通道主体叠摞一体的发电装置结构示意图；附图5为图4的B-B剖面图；

本实施例中的独立的环形通道可以是1个-10000个；每个独立环形通道内至少放置一个流体发电单元；独立的环形通道之间的流体发电单元通过导线14连接。本实施例中连接方式可以是串联连接，也可以是并联连接，也可以是串联和并联的混合连接。

本实施例中的永磁体可以为钕铁硼磁体、铁氧体磁体、钴镍磁体、纳米钕铁硼磁体、纳米铁氧体磁体、纳米钴镍磁体、铁磁体、钴磁体或镍磁体。可以通过粘贴、嵌镶、喷涂、沉积的方式与环形通道结合。

本实施例中的永磁体可以加载在空心环形通道主体外(上下方)，也可以直接制做在空心环形通道主体的上下端面上；可以在每一层空心环形通道主体上都放置永磁体，也可以在叠摞一体的发电装置的最外侧的空心环形通道主体的上下端面上或上下方放置永磁体。

实施例4：

如附图6所示，本实施例为空心环形通道主体的环形通道为螺旋形的发电装置。

本实施例中的环形通道是内装液态金属的空心密封环形，空心环形通道主体可以为圆形、螺旋形或弯曲的曲折形；空心环形通道主体的环形通道内安装有控制液态金属流动方向的单向阀可以是一个或多个，用于控制通道内液体单向流动。

本实施例中的流体通道内的流体发电单元112可以分别是一个到一百万个。环形通道可以是弯曲型的，也可以是圆形、螺旋型的。环形通道集中环绕在一个区域，也可以稀疏的盘布。

流体发电单元的数量可根据发电装置所需要的输出电压和采用的液态金属工作性能来确定。

用作本实用新型的液体金属应满足如下要求：高电导率，高的电导率以降低发电内阻；较小的粘性系数，以减少转化过程中的无功损耗；化学稳定性好，在正常工作温度下对所接触材料不起腐蚀及化学作用，不易在空气环境中发生分解，氧化，风化；无毒，不因为事故造成的异常碎裂带来健康威胁。此外，该工质还应便于获取；具有一定的热稳定性。比如，水银的熔点虽然很低，为-38.87℃，但因有毒性，一般不宜考虑作为工质；另外，特定组份的液体金属钠钾合金的熔点可在-12℃，低于冰点，但这种金属合金易于与水及空气发生反应，因而使用起来有许多不便。不过，若解决好密封问题，这些金属流体独特的低熔点也可能会在特殊的发电场合发挥重要用途，镓等金属在零度附近时易于凝固，而水银或钠钾合金则无此问题，这使其它们成为一种有潜在价值的发电用金属流体。显然，本实用新型装置提供的结构也易于采用这样的流体金属，只是实际过程中可根据要求具体选用。

目前，本实用新型提供的装置中，推荐以镓或其合金为主。镓是柔软的银白色金属，它在大气环境下的熔点很低，仅29.77℃(钱增源，低熔点金属的热物性，北京：科学出版社，1985)，且具有很大的过冷度，在低于熔点很多度的情况下可以保持液体形态，不容易固结；液体镓常温时的动力黏度为1.63mPa·s，略高于水，具有很好的流动特性。然而，镓的导电率为0.0678×10⁶S/cm，远高于一般的等离子体磁流体发电机的工质导电能力，从而大大降低了内阻损耗。这些流动和电学特性表明将镓作为发电器件的工质是十分合适的。在常温下，镓在空气中是稳定的，当温度在260℃以上时，干燥的氧可使镓金属氧化，但生成的氧化膜可防止它继续氧化(《稀有金属知识》编写组，希散金属，北京：冶金工业出版社，1978)。特别是，镓可与许多金属如铋、锡、铟等易于生成熔点低的合金，例如，含锡8％的镓合金熔点为20℃，含铟25％的镓合金在16℃时即熔化。进一步地，采用多元混合物，还可获得熔点更广泛的金属流体，比如(顾学民，龚毅生，臧希文，汤卡罗，吕云阳，曾文臻，无机化学丛书第二卷，北京：科学出版社，1990)，三元低共熔混合物：62.5％Ga，21.5％In，16％Sn的熔点为10.7℃，而三元低共熔混合物：69.8％Ga，17.6％In，12.6％Sn的熔点为5℃。它们均可作为本实用新型提供的发电器中的工作介质。

本实用新型的关键之处在于首次结合了人体随意运动及易于滑动的金属流体，从而方便地实现了随意发电的目的。它具有很多优点，发电器尺寸可以作得很小，因而可用作可穿戴式器件。采用了人体自身运动能驱动，具有随时发电并储能的特点，最有价值的地方在于以人体自身运动驱动液态金属流动切割磁力线从而实现了随时充电；这种方式保证了整个发电器的工作过程完全封闭，无泄露现象，因而使用起来十分方便。

本实用新型的发电器可灵活地对各类移动电子设备及植入体内的微器件提供电力。使用本实用新型专利的方式如下：将发电器设置到相应移动电器的电池部位；根据待需求电力多少，确定人体能量强度，或选择辅助运动，于是，在自身运动或特定强度的诱导机构驱动下，已预先设置好的本发电机构内的金属流体得以运动从而发生切割磁力线行为而产生所需要的电力。此外，本发器件内的蓄电装置可预先充电，这样，本实用新型装置提供的发电器可随时提供能量需求，又能随时储备电能。本实用新型提供的发电模块可在许多移动电子设备及植入式医疗器械工作场合下发挥作用。

本实用新型提供的发电装置结构，并不限于以上所述的情形。原则上，任何人体自身运动诱发的体内电磁感应效应，均可用于发展出可随时充电的内置式发电装置，在此基础上可实现结构及外观形式多样化的微型液体金属发电器。比如，采用外部主动引入的振动机构，可诱发发电器内的液体金属切割磁力线，从而持续不断地产生电力；另外，封装于如衣物一类的柔软磁性材料中的液体金属在接受挤压后可发生变形，其流动会切割磁力线；这些特点也是可行的充电方式。若发电装置尺寸进一步减小后，还可引申出微/纳米化后的电磁式发电器件，由成千上万的微/纳尺度液滴集成的组合式电池可以提供更大的电力输出。而且，本实用新型专利技术也易于发展出与其他发电方式相结合的复合电池，如：金属流体电磁感应+热电发电，金属流体电磁感应+光电发电，金属流体电磁感应+化学电池，金属流体电磁感应+超声电机等。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1、一种基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置，包括：

至少一个内装液态金属的空心密封环形通道主体，该空心密封环形通道主体的环形通道内安装有控制液态金属流动方向的单向阀；

至少一个流体发电单元；

所述流体发电单元由紧贴在空心密封环形通道主体的环形通道内侧壁上相对放置的正极板和负极板组成；和

镶嵌于所述环形通道主体的上下端面之上或位于所述环形通道主体的上下方的一对永磁体；

所述空心密封环形通道主体为玻璃钢、陶瓷、塑料或环氧树脂材质的密封环形通道主体。

2、按权利要求1所述的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置，其特征在于，所述环形通道主体的环形通道的水力半径尺度范围在1纳米至40毫米之间；其纵截面形状为圆形、椭圆形、矩形、三角形或多边形。

3、按权利要求1所述的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置，其特征在于，所述环形通道主体的环形通道为圆形、螺旋形、弯曲的曲折形。

4、按权利要求1、2或3所述的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置，其特征在于，所述空心密封环形通道主体外表面经磁屏蔽处理。

5、按权利要求1、2或3所述的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置，其特征在于，所述单向微阀为多个控制液态金属流动方向一致的单向阀。

6、按权利要求1、2或3所述的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置，其特征在于，所述液体金属为常温下呈液态的镓、铟、镓铟合金、水银或钠钾合金。

7、按权利要求1、2或3所述的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置，其特征在于，所述的正极板和负极板分别为一对金属片，或者一对喷涂、粘贴、镶嵌或电镀有导电材料的片状电极板，其厚度为1nm-1mm范围内；其材质为有机或金属导电材料。

8、按权利要求1、2或3所述的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置，其特征在于，所述的永磁体为钕铁硼永磁体、铁氧体永磁体、钴镍永磁体、纳米钕铁硼永磁体、纳米铁氧体永磁体、纳米钴镍永磁体、铁、钴、镍的金属磁性材料。

9、按权利要求1、2或3所述的基于人体能量驱动的液体金属切割磁力线式发电装置，其特征在于，所述的发电装置是可拆卸的电池或集成加工在用电器件内的供电单元。

Images