CN211508939U - 一种柔性可穿戴温差发电器及其组合 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于温差发电器领域，涉及一种柔性可穿戴温差发电器及其组合，包括依次设置的冷层薄膜、单行冷层铜片组合模块、绝缘基板、单行热层铜片组合模块、以及热层薄膜；所述绝缘基板上嵌入n型电偶元件和p型电偶元件；单行冷层铜片组合模块、n型电偶元件和p型电偶元件、单行热层铜片组合模块组成发电组；其组合包括至少两个柔性可穿戴温差发电器，同一柔性可穿戴温差发电器内的不同发电组之间、或不同柔性可穿戴温差发电器的不同发电组之间串连或并联；本实用新型的制作工艺简单，回避了原有温差发电装置连接固定，刚度过强，使用过程中易受到外界施加力造成的刚度折断、破损的问题，降低了制作工艺的复杂度，提高了能量利用率。

Description

一种柔性可穿戴温差发电器及其组合

技术领域

本实用新型属于温差发电器领域，涉及一种柔性可穿戴温差发电器及其组合。

背景技术

人体是一个相对恒定的低品位热源，利用温差发电技术可以将人体皮肤散失的一部分余热转化为电能，实现绿色可持续发电。为了适应人体皮肤的弯曲表面，要求温差发电器(TEG)具有一定的柔性，以便于穿戴，实现大面积人体皮肤余热回收。现有的柔性可穿戴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TEG的推广使用。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种柔性可穿戴温差发电器及其组合，通过单行冷层铜片组合模块、单行热层铜片组合模块进行热量收集与散发，提供一种制作工艺简单、适应性好并且便于穿戴的柔性温差发电器。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种柔性可穿戴温差发电器，包括依次设置的冷层薄膜、单行冷层铜片组合模块、绝缘基板、单行热层铜片组合模块、以及热层薄膜；所述绝缘基板上开设有线性排列的矩阵式通孔，通孔内嵌入n型电偶元件和p型电偶元件；每个单行冷层铜片组合模块、一行n型电偶元件和p型电偶元件、每个单行热层铜片组合模块组成一个发电组。

可选的，n型电偶元件和p型电偶元件尺寸相同，其厚度大于或等于绝缘基板的厚度，n型电偶元件和p型电偶元件交错间隔布置。

可选的，n型电偶元件和p型电偶元件厚度大于绝缘基板的厚度，对称固定在绝缘基板上，在绝缘基板两侧露出相同的厚度。

可选的，所述单行冷层铜片组合模块与所述单行热层铜片组合模块对称布置在n型电偶元件和p型电偶元件两侧。

可选的，所述单行冷层铜片组合模块及单行热层铜片组合模块均包括若干线性布置的铜片，位于两端的铜片上与一个n型电偶元件或p型电偶元件相配合；其余铜片均与一个n型电偶元件和p型电偶元件相配合。

可选的，所述单行热层铜片组合模块中位于两侧的铜片连接串联导线或者并联导线。

可选的，所述单行冷层铜片组合模块及单行热层铜片组合模块内铜片交错布置，每个单行冷层铜片组合模块内的铜片在单行热层铜片组合模块内铜片上的投影均只覆盖一个n型电偶元件或p型电偶元件。

可选的，所述n型电偶元件和p型电偶元件均呈正方形，开设在绝缘基板的通孔也呈正方形，n型电偶元件和p型电偶元件与绝缘基板过渡配合。

可选的，所述n型电偶元件和p型电偶元件均呈圆形，开设在绝缘基板的通孔也呈圆形，n型电偶元件和p型电偶元件与绝缘基板过渡配合。

可选的，包括至少两个发电组。

一种柔性可穿戴温差发电器的组合，应用上述的柔性可穿戴温差发电器，包括至少两个柔性可穿戴温差发电器，每个柔性可穿戴温差发电器内包括至少一组发电组，同一柔性可穿戴温差发电器内的不同发电组之间、或不同柔性可穿戴温差发电器的不同发电组之间串连或并联。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的制作工艺简单，回避了原有温差发电装置连接固定，刚度过强，使用过程中易受到外界施加力造成的刚度折断、破损的问题，降低了制作工艺的复杂度，提高了能量利用率。

本实用新型的其他优点、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，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型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

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：

图1为本实用新型的斜侧上视图；

图2为本实用新型的爆炸示意图；

图3为两个单行热层铜片组合模块与两行n型电偶元件和p型电偶元件的上视图；

图4为两个单行热层铜片组合模块、两行n型电偶元件和p型电偶元件与绝缘基板以及两个单行冷层铜片配合后的断裂侧视图；

图5为去掉绝缘基板后，两行n型电偶元件和p型电偶元件通过串联导线的串联结构斜侧上视图；

图6为去掉绝缘基板后，两行n型电偶元件和p型电偶元件通过并联导线的并联结构斜侧上视图；

图7为3个相同温差发电器并排所组成的结构上视图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型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实用新型的基本构想，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，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，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。

本实用新型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；在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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，不能理解为对本实用新型的限制，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。

请参阅图1-图7，附图中的元件标号分别表示：热层薄膜1、单行热层铜片组合模块2、n型电偶元件和p型电偶元件3、绝缘基板4、单行冷层铜片组合模块5、冷层薄膜6、n型电偶元件7、p型电偶元件8、热层铜片9、冷层铜片10、串联导线11、并联导线12。

可将本实用新型分为五层，从外向里，分别是第Ⅰ层、第Ⅱ层、第Ⅲ层、第Ⅳ层、第Ⅴ层。第Ⅰ层包括冷层薄膜6；第Ⅱ层包括单行冷层铜片组合模块5；第Ⅲ层包括两行n型电偶元件和p型电偶元件3，以及绝缘基板4；第Ⅳ层包括单行热层铜片组合模块2；第Ⅴ层包括热层薄膜1。

所述绝缘基板4挖有正方形通孔，通孔分两行共计24个，单个通孔的尺寸与单个n型电偶元件7或p型电偶元件8尺寸相同，每行方形通孔按照一定的间距间隔分布；所述绝缘基板4具有一定的柔性，为长薄片，模型厚度设置在0.6mm，其实际厚度范围应该在0.05mm-2mm。

所述n型电偶元件7和p型电偶元件8尺寸相同，为正方形片状，在模型中设计其边长为4mm，厚度为1mm，其实际厚度范围只要略微大于或者等于绝缘基板4的厚度，以便于后面的串联连接。单行n型电偶元件和p型电偶元件3由6对n型电偶元件7和p型电偶元件8组成，每对n型电偶元件7和p型电偶元件8由一个n型电偶元件7和一个p型电偶元件8所组成，相间排列，相邻的电偶元件相距2mm，即相邻两个n型电偶元件相距8mm。所述n型电偶元件7和p型电偶元件8可采用碲化铋材料。

所述n型电偶元件和p型电偶元件3固定在绝缘基板4上构成发电系统的电偶元件部分，每一个电偶元件都以过渡配合的方式安插在绝缘基板4对应的方形小孔上，在本实施例中，所述n型电偶元件和p型电偶元件3共计两行，电偶元件在绝缘基板4上下面露出相同的厚度。

所述单行热层铜片组合模块2由7个热层铜片9所构成，它们间隔排列，之间相距1mm。所述绝缘基板3下面设有相同的单行热层铜片组合模块2；所述单行热层铜片组合模块2的边缘两个铜片分别与一个n型和p型电偶元件接触连接，采用胶合固定；所述单行热层铜片组合模块2的其他五个铜片中的每一块铜片都分别接触一个n型电偶元件和一个p型电偶元件，采用胶合固定，起到导电导热的作用；所述单行热层铜片组合模块2的每两个铜片之间不能相互接触。

所述单行冷层铜片组合模块5由6个冷层铜片10所构成，它们间隔排列，之间相距1mm。所述热层铜片9与冷层铜片10的结构一致，都为长方形薄片，长度设置为11mm，宽度为5mm，厚度设置为0.2mm；所述绝缘基板3上面设有两行相同的单行冷层铜片组合模块5；所述单行冷层铜片组合模块5的6个铜片中的每一块铜片都分别接触一个n型电偶元件和一个p型电偶元件，采用胶合固定，起到导电导热的作用；所述单行冷层铜片组合模块5的每两个铜片之间不能相互接触。

所述热层薄膜1主要包覆在两行热层铜片组合模块2下面，采用胶合固定。

所述冷层薄膜6主要包覆在两行冷层铜片组合模块5上面，采用胶合固定。

所述热层薄膜1与冷层薄膜6均起到绝缘作用，组成本实用新型温差发电器的外壳，因此，上述尺寸只为契合本实用新型时的建模结构，实际可将其扩展，如图7所示，将3个温差发电器并列排列，热层膜尺寸也相应扩大。其中，热层薄膜1与冷层薄膜6的材料均采用高热导率的薄膜材料。

所述绝缘基板4材料采用绝缘、极低热导率的气凝胶。

所述温差发电器发电元件不包括热层薄膜1与冷层薄膜6。

本实用新型通过电偶材料串联增强其热能利用率，同时采用的绝缘基板4具有极低的热导率，基板热量散失少。

优选地，采用上下两层直铜片有利于热能的传导，从结构上，直铜片覆盖了n型和p型电偶元件两端表面，采用导热率极低的绝缘基板使得热量传输主要集中在电偶元件；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。

优选地，电偶元件的位置设计在所述绝缘基板4的靠中央的位置上，这样的设计使得热量的散失更小，以达到最高的能量利用率。

优选地，本实用新型采用两行p型和n型电偶元件电偶对的设计，是为了简化模型，有利于分析结构及实验，多行结构同样具有实际意义。

在图1中，冷层薄膜6采用半透明的表示方法，以显示两行冷层铜片组合模块5的排列方式；同时，图中标出温差发电器的A边和B边，穿戴于人体皮肤表面(比如手臂)时可以弯曲A边或B边。

由图2所示，本实用新型由一片热层薄膜1、两行热层铜片组合模块2、两行n型电偶元件和p型电偶元件3、一个绝缘基板4、两行冷层铜片组合模块5、一片冷层薄膜6所组成(说明顺序由下至上)。其中单个n型电偶元件7用灰色表示，单个p型电偶元件8用黑色表示。

因为热层薄膜1、冷层薄膜6尺寸根据具体温差发电器具体的行数和电偶对数目等参数来灵活设置，其功能只是相当于外壳作用，有绝缘阻隔效果，热层薄膜1与人体皮肤接触，冷层薄膜6与外界接触，因此此处无需提出薄膜对温差发电器发电元件的具体配合关系；又因为薄膜的绝缘作用，薄膜边界应该略微大于温差发电器的发电元件的边界，可设置为薄膜边界应大于3-5mm。

图3由两行热层铜片组合模块2与两行n型电偶元件和p型电偶元件3组成，其组成了温差发电器发电元件的最底层，其具体配合方式如下：n型和p型电偶元件采用导电胶固定在单行热层铜片组合模块2的上表面，而且对于单个热层铜片9的长边，n型和p型电偶元件应该对称分布在热层铜片9的上表面的两边(从图3中看电偶元件分布在热层铜片9靠近上下边的位置)；具体如图3，最右下角的单个p型电偶元件8与其配合的单个热层铜片9的三条边相距0.5mm(从图3上，三条边是指铜片的上边、左边和右边)，此配合也用于该图的其余p型电偶元件与其热层铜片的配合，而对于n型电偶元件如图所示，其三边变为铜片的下边、左边和右边；每行最边缘的单个热层铜片9只设置有一个电偶元件，其多余的长度可用来连接串联导线11或者并联导线12；对于每行中间的单个热层铜片9(单行热层铜片组合模块2去除最边上的单个热层铜片9，如图3所示，每行有5个单个热层铜片9处于中间位置)，这两行10个铜片各配合一对n型和p型电偶元件，即一个单个n型电偶元件7和一个单个p型电偶元件8，其中每行热层铜片组合模块2上表面分布的单行n型电偶元件和p型电偶元件3是n型电偶元件和p型电偶元件相间排列，即每两个相邻的电偶元件不同型。

图4由两行热层铜片组合模块2、两行n型电偶元件和p型电偶元件3与绝缘基板4以及两行冷层铜片组合模块5组成。它是由图3配合好的结构，先跟绝缘基板4配合，再跟两行冷层铜片组合模块5配合，具体配合方式如下：先如图2所示，绝缘基板4已经打好孔洞，孔洞的长宽刚好跟电偶元件的长宽相同，但绝缘基板4的厚度模型设置0.6mm略小于电偶元件的厚度1mm。使电偶元件穿过基板，绝缘基板4可设置在电偶元件的中部，即绝缘基板4上表面离冷层铜片组合模块5下表面的距离等于绝缘基板4下表面离热层铜片组合模块2上表面的距离，再配合上冷层铜片组合模块5就组成了图4所示结构。从图4可看出，从侧面看本实用新型的关键发电位置，冷层铜片组合模块5的分布和热层铜片组合模块2刚好错开，这使得每一个电偶元件只会连接一个单个热层铜片9和一个单个冷层铜片10，这使得每行的每对n型和p型电偶元件能到达串联目的。同时应该强调单行冷层铜片组合模块5和单行n型电偶元件和p型电偶元件3的连接方式与单行热层铜片组合模块2和单行n型电偶元件和p型电偶元件3的连接方式相同。一对n型和p型电偶元件应该对称分布在单个冷层铜片的下表面的两边，如图4所示，标出的单个n型电偶元件7、单个p型电偶元件8与一个单个冷层铜片10配合，在图中标记的处于图左边的单个n型电偶元件7的左侧离单个冷层铜片10的左侧为0.5mm；在图中标记的处于图右边的单个p型电偶元件8的右侧离单个冷层铜片10的右侧为0.5mm。

图5是图4结构去除绝缘基板4后并加上串联导线11的上斜侧视图，即图5由串联导线11、两行热层铜片组合模块2、两行n型电偶元件和p型电偶元件3、两行冷层铜片组合模块5所组成。去除绝缘基板4的目的是为了更清晰地展示两行电偶元件通过热层铜片组合模块2、单行冷层铜片组合模块5以及串联导线11的串联原理。图中还标示了每行电偶元件的正负极，其中使用正号“+”表示正极，负号“-”表示负极，每行各有自己的正极和负极。如图所示，由发电原理且黑色表示p型电偶元件，灰色表示n型电偶元件，可得第一行(如图5所示，该行最左侧的电偶元件为灰色)最左侧为该行的负极，最右侧为该行的正极，同理，第二行最左侧为黑色p型电偶元件，此时第二行的最左端是第二行的正极，最右侧为该行的负极；再使用串联导线11将第一行的负极与第二行的正极相连，即达到行与行之间的串联目的。需要强调连接此模型第一行的负极与第二行的正极时，是采用串联导线11连接第一行最左侧的单个热层铜片11与第二行最左侧的单个热层铜片，同时，实际运用当中应该根据每行最边上的电偶元件类型来连接，灵活处理，图片所示只是模型的设置。

对图6，采用并联方式，并联两行电偶对，同样图6也去除了绝缘基板4，目的同样是为了更清晰地展示其两行电偶对并联原理。图5与图6的区别：图6中的两行电偶对排列顺序一致(有别于图5的部分，图5两行的最左侧为不同类型的电偶元件)，即图6中两行的最左侧都为p型电偶元件，都为正极；最右侧都为n型电偶元件，都为负极。因此通过并联原理，可得：需要两根并联导线12分别将两行的正极和负极分别连接起来，即图中所示，使用正号“+”表示正极，负号“-”表示负极。同时强调，通过看最左侧电偶元件类型只是为了说明其串联或者并联原理，不局限于这种串联或并联方式。

图7由3个温差发电器并列排列与一块大的热层薄膜结合后的上视图，其中这3个温差发电器既可以使用串联导线11串联连接也可以使用并联导线12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绝缘基板4相连，因为绝缘基板4的绝缘作用，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实用新型温差发电器多行排列时的具体结构，由图7所示，热层薄膜1的大小可根据所制得的具体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6与热层薄膜1的作用相同，冷层薄膜6在图7没有画出，只为表达多行结构的温差发电器配合关系，同时表达更多绝缘基板4连接的信息。在实际制作如图7所示的并排温差发电器的结构中，我们也可以制作整块大的绝缘基板4，而不是分别制作，因为绝缘基板本身具有柔性，所以不会太影响其柔性。

以下给出本实用新型的工作原理和使用方式：本实用新型类似于一款可通过人体散热储能并运用于人体医疗及健康监测的新型柔性人体可穿戴温差发电器。通过电偶元件电偶对将人体皮肤表面散失的热量转换为电能，通过冷层和热层铜片组合模块串联p型和n型电偶元件电偶对，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：热能由下向上传递，透过绝缘材料的高热导的热层薄膜1，然后传至两行热层铜片组合模块2，并通过热层铜片组合模块2进行传导，因为绝缘基板4为绝热材料，所以绝大部分热量留在了热层铜片组合模块2附近，构成了两行n型和p型电偶元件的热端；同时相对应的冷端构成如下：因为环境即为冷源，两行冷层铜片组合模块5紧紧贴合在高热导的冷层薄膜6的下表面，其组成了n型电偶元件和p型电偶元件3的冷端；由此可见这样的结构使n型电偶元件7和p型电偶元件8的两端，即空间上的上下两端，分别组成了温差发电器的冷热端，一端为热端向里，另一端为冷端向外，进而产生温差，这种温差使每对n型电偶元件7和p型电偶元件8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7和p型电偶元件8的载流子迁移现象效果叠加，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，可进而形成回路，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。

本实用新型是以两行p、n型电偶相间设置为例进行阐述，在具体的实施例中，采用两行p、n型电偶通过铜片串联为整体构成柔性人体可穿戴温差发电器，并且该发电器每行设有6对，每对由一个n型和一个p型电偶元件组成。本实用新型并不排除对每行设有更多对或更少对电偶结构的温差发电器的保护，也不排除对不同尺寸，如p、n型电偶元件更大或更小或更厚或更薄的温差发电器的保护，也不排除对p、n型电偶元件形状除了矩形之外的具有相同或类似发电效果的其它形状的温差发电器的保护。

对于本实用新型说明书中所有零部件的具体尺寸，零件例如热层薄膜1、单行热层铜片组合模块2的单个铜片、n型电偶元件和p型电偶元件3的单个电偶元件等等，其所有零件的尺寸只是说明书附图模型的尺寸，实际运用中应该是不定的，因此对于结构相同却尺寸不同的温差发电器，本专利也应该对其给予保护；本实用新型保护电偶元件和铜片之间的连接采用导电胶连接的连接方式；同时，本实用新型也保护行与行之间的不同连接方式，如说明书附图图7所示，其中图7采用3个温差发电器并列(行与行之间既可采用电并联也可采用电串联)排列；本实用新型给出相邻行采用串联连接的结构示意图，如图5所示；本实用新型也给出相邻行采用并联连接的结构示意图，如图6所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本实用新型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，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种柔性可穿戴温差发电器，其特征在于，包括依次设置的冷层薄膜、单行冷层铜片组合模块、绝缘基板、单行热层铜片组合模块、以及热层薄膜；所述绝缘基板上开设有线性排列的矩阵式通孔，通孔内嵌入n型电偶元件和p型电偶元件；每个单行冷层铜片组合模块、一行n型电偶元件和p型电偶元件、每个单行热层铜片组合模块组成一个发电组。

2.如权利要求1中所述的柔性可穿戴温差发电器，其特征在于，n型电偶元件和p型电偶元件尺寸相同，其厚度大于或等于绝缘基板的厚度，n型电偶元件和p型电偶元件交错间隔布置。

3.如权利要求2中所述的柔性可穿戴温差发电器，其特征在于，n型电偶元件和p型电偶元件厚度大于绝缘基板的厚度，对称固定在绝缘基板上，在绝缘基板两侧露出相同的厚度。

4.如权利要求1中所述的柔性可穿戴温差发电器，其特征在于，所述单行冷层铜片组合模块与所述单行热层铜片组合模块对称布置在n型电偶元件和p型电偶元件两侧。

5.如权利要求1中所述的柔性可穿戴温差发电器，其特征在于，所述单行冷层铜片组合模块及单行热层铜片组合模块均包括若干线性布置的铜片，位于两端的铜片上与一个n型电偶元件或p型电偶元件相配合；其余铜片均与一个n型电偶元件和p型电偶元件相配合。

6.如权利要求5中所述的柔性可穿戴温差发电器，其特征在于，所述单行热层铜片组合模块中位于两侧的铜片连接串联导线或者并联导线。

7.如权利要求5中所述的柔性可穿戴温差发电器，其特征在于，所述单行冷层铜片组合模块及单行热层铜片组合模块内铜片交错布置，每个单行冷层铜片组合模块内的铜片在单行热层铜片组合模块内铜片上的投影均只覆盖一个n型电偶元件或p型电偶元件。

8.如权利要求1中所述的柔性可穿戴温差发电器，其特征在于，所述n型电偶元件和p型电偶元件均呈正方形，开设在绝缘基板的通孔也呈正方形，n型电偶元件和p型电偶元件与绝缘基板过渡配合。

9.如权利要求1中所述的柔性可穿戴温差发电器，其特征在于，包括至少两个发电组。

10.一种柔性可穿戴温差发电器的组合，其特征在于，应用如权利要求1～8任一项中所述的柔性可穿戴温差发电器，包括至少两个柔性可穿戴温差发电器，每个柔性可穿戴温差发电器内包括至少一组发电组，同一柔性可穿戴温差发电器内的不同发电组之间、或不同柔性可穿戴温差发电器的不同发电组之间串连或并联。

Images