一种具有多层相变材料散热器的可穿戴热电发电器制造技术

本发明专利技术提供一种具有多层相变材料散热器的可穿戴热电发电器，属于温差发电技术领域。该装置包括吸热膜模块、发电模块、散热膜模块和相变散热模块，发电模块包含热电臂、势垒层、导流条，相变散热器模块包含相变材料和隔离物，吸热膜模块包含吸热膜和集成板，散热膜模块包含散热膜和集成板，从下到上的相变材料的相变温度依次降低，相变潜热增加；所选密封材料需根据相变温度与外界温度的高低而定，当相变温度大于外界温度，热电发电器的密封材料选择高热导系数的材料，当相变温度小外界温度，散热器的密封材料选择绝热材料。本发明专利技术采用相变材料作为散热材料，通过多相变层和最外层曲面来增加散热速率，保持热电臂冷热端的温差。保持热电臂冷热端的温差。保持热电臂冷热端的温差。

【技术实现步骤摘要】
一种具有多层相变材料散热器的可穿戴热电发电器


[0001]本专利技术涉及温差发电
，特别是指一种具有多层相变材料散热器的可穿戴热电发电器。

技术介绍

[0002]人体能量大部分以热量的形式释放，皮肤与外界的温差平均约5℃
‑
30℃，因此人体可以很好的作为可穿戴热电发电器的热源。可穿戴热电发电器能将人体散发低品位热量转化为有效电能，这类发电器将有可能为一些功率要求小于毫瓦级的无线传感器等微型设备提供足够的电压或功率。可穿戴热电发电器的输出性能受热电臂材料、热电臂组装结构、热电臂尺寸和热电臂冷热端温差大小等因素影响。其中保持恒定温差是保证热电发电器输出稳定性能的基础，目前不少研究学者用铜、泡沫铜等作为散热材料，这些材料应用到可穿戴领域会存在造价成本高和笨重的缺点，这违背了可穿戴设计便捷性的初衷。相变材料具有价格低和密度小等优点。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是提出一种具有多层相变材料散热器的可穿戴热电发电器，其具有节能、回收低品质热量、质轻、散热器有一定温度梯度和温差在一定时间保持恒定的优点。本专利技术采用相变材料作为散热材料，通过多相变层和最外层曲面来增加散热速率，保持热电臂冷热端的温差。
[0004]该装置包括吸热膜模块、发电模块、散热膜模块和相变散热器模块，吸热膜模块、发电模块、散热膜模块和相变散热器模块依次叠置，吸热膜模块包含吸热膜和集成板，发电模块包含热电臂、势垒层、导流条，散热膜模块包含散热膜和集成板，相变散热器模块包含密封装置、隔离物、相变材料和最外层散热曲面。
[0005]进一步地，所选热电臂之间存在空隙，热电臂的尺寸受热电半导体材料的塞贝克系数、热导率、电导率、输出功率和输出电压和温差等因素的影响，热电臂的高度范围为500um
‑
5mm，热电臂的底面为圆形或正方形；热电臂包括p型热电臂和n型热电臂，p型热电臂和n型热电臂顶部通过导流条连接，p型热电臂和n型热电臂截面积中心距离范围为160um
‑
6.6mm；热电臂之间为空隙装填封装材料，封装材料具备低热导率、具有柔性和绝缘性能，封装材料选择绝缘且热导系数不大于0.03W/(m.K)的材料制成。
[0006]进一步地，所选热电臂底面为圆形时，半径范围为100um
‑
2mm；热电臂底面为正方形时，边长范围为80um
‑
2mm。
[0007]进一步地，所选吸热膜具有高热导和绝缘性能，是连接皮肤热端处密封材料和热电臂发电结构热端的中间介质；散热膜具有吸热快、热导率高及绝缘性能；吸热膜和散热膜的具体形状根据热电臂的尺寸确定，吸热膜和散热膜的导热系数至少为2W/m.K。
[0008]进一步地，所选势垒层位于导流条和热电臂之间，势垒层厚度范围为0.05
‑
0.2mm。
[0009]进一步地，所选导流条具备高电导率和热导率性能，导流条厚度范围为50um
‑
0.5mm。
[0010]进一步地，所选相变材料具备相变转换温度低和热膨胀系数小的特点，相变材料类别包含有机相变材料、无机相变材料、金属基相变材料和复合相变材料；相变材料结构具有一层以上相变材料，第一层相变材料的熔点最高且相变潜热较高，第二层相变材料熔点低于前一层相变材料且相变潜热小于等于前一层相变材料，以此类推。
[0011]进一步地，所选有机相变材料包括C
60
、石蜡(如十四烷、十六烷、十八烷、二十烷等)；无机相变材料包括高温熔融盐、结晶水合盐类，其中高温熔融盐包括氟化盐、氯化盐、硝酸盐、硫酸盐、芒硝；金属基相变材料的金属基为铝；复合相变材料包含金属基相变复合材料、陶瓷基相变复合材料和碳质纳米相变复合材料，金属基相变复合材料包括铝基和镍基，碳质纳米相变复合材料包括石墨烯纳米复合材料、石蜡泡沫铝复合材料、石蜡纳米石墨烯、石蜡纳米铜和芒硝纳米铜。
[0012]进一步地，所选隔离物包括碳、石墨或铝中的一种或多种，隔离物置于相邻两层相变材料之间，隔离物热导率不小于300W/m.K。
[0013]进一步地，所选最外层散热曲面包括圆弧曲面、针形曲面。
[0014]热电臂之间存在空隙，热电臂的尺寸受热电半导体材料的塞贝克系数、热导率、电导率、输出功率和输出电压、温差因素的影响，根据热电半导体材料的塞贝克系数、热导率、电导率和计算室温ZT值；根据塞贝克系数和温差计算单个一对热电臂产生的电动势；以器件最大输出效率为目标，计算出一个热电对(亦称π对)提供给负载的电压；根据输出电压和负载电压计算热电对的数量，进而计算内阻和负载电阻；根据给定热电臂的底面积计算热电臂高度。
[0015]本专利技术通过增加串联热电臂的对数来增加或减小热电臂的高度，例如直径为0.5mm计算得到热电臂高度为6mm，对数为7；考虑到柔性的问题，如本专利技术取热电臂的高度为1mm,那么对数变为42对串联热电臂；热电臂的高度与断面直径和正方形边长相近。
[0016]吸热膜具有高热导和绝缘性能，是连接皮肤热端处密封材料和热电臂发电结构热端的中间介质；吸热膜能达到体温和热电臂发电结构热端温度保持相同的效果；散热膜具有吸热快、热导率高及绝缘性能，其作用为保证发电模块的冷端热量快速传到相变散热器；吸热膜和散热膜的具体形状根据热电臂的尺寸来确定，吸热膜和散热膜的导热系数至少为2W/m.K。
[0017]集成板的作用是将若干对由导流条连在一起的pn型热电对集成在一个板上，以免导流条断裂或接触不好，使器件失效。
[0018]密封材料的作用是形成一个腔体用于防止相变材料吸热由固体转变为液体后液体泄漏，密封材料需满足密度小和不与相变材料及集成板或散热膜材料发生反应性能要求；要根据外界温度与相变材料最低熔点相比较来确定密封材料是否需具有高热导或绝热性；当外界温度低于相变材料最低熔点时，为了增加相变材料的散热效果，密封材料需具备高热导率；当外界温度高于相变材料最低熔点时，装置材料需具备绝热性能。
[0019]势垒层根据热电臂材料的化学性能、综合热膨胀系数、热导率和焊接性能因素来确定，势垒层位于导流条和热电臂之间，势垒层厚度范围为0.05
‑
0.2mm。势垒层具体尺寸要根据热电臂材料、工作温度等因素考虑；势垒层能够隔绝热电臂和导流条之间的扩散和物理和化学反应，增加器件的稳定性能；室温以(Bi1‑
x
Sb
x
)2(Te1‑
y
Se
y
)3作为热电臂材料时，综
合考虑选择镍作为势垒层。
[0020]导流条具备高电导率和热导率性能，导流条的尺寸要根据热电臂材料和温差因素确定，一般导流条厚度为热电臂高度的十分之一，一般取导流条厚度范围为50um
‑
0.5mm；室温以(Bi1‑
x
Sb
x
)2(Te1‑
y
Se
y
)3作为热电臂材料时，综合考虑选择本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有多层相变材料散热器的可穿戴热电发电器，其特征在于：包括吸热膜模块(1)、发电模块、散热膜模块(5)和相变散热器模块，吸热膜模块(1)、发电模块、散热膜模块(5)和相变散热器模块依次叠置，吸热膜模块(1)包含吸热膜和集成板，发电模块包含热电臂(2)、势垒层(13)、导流条(3)，散热膜模块(5)包含散热膜和集成板，相变散热器模块包含密封装置、隔离物、相变材料和最外层散热曲面。2.根据权利要求1所述的具有多层相变材料散热器的可穿戴热电发电器，其特征在于：所述热电臂(2)之间存在空隙，热电臂(2)的尺寸受热电半导体材料的塞贝克系数、热导率、电导率、输出功率、输出电压和温差的影响，热电臂(2)的高度范围为500um
‑
5mm，热电臂(2)的底面为圆形或正方形；热电臂(2)包括p型热电臂(11)和n型热电臂(12)，p型热电臂(11)和n型热电臂(12)顶部通过导流条(3)连接，p型热电臂(11)和n型热电臂(12)截面积中心距离范围为160um
‑
6.6mm；热电臂(2)之间为空隙装填封装材料(4)，封装材料(4)具备低热导率、具有柔性和绝缘性能，封装材料(4)选择绝缘且热导系数不大于0.03W/(m.K)的材料制成。3.根据权利要求2所述的具有多层相变材料散热器的可穿戴热电发电器，其特征在于：所述热电臂(2)底面为圆形时，半径范围为100um
‑
2mm；热电臂(2)底面为正方形时，边长范围为80um
‑
2mm。4.根据权利要求1所述的具有多层相变材料散热器的可穿戴热电发电器，其特征在于：所述吸热膜具有高热导和绝缘性能，是连接皮肤热端处密封材料和热电臂(2)发电结构热端的中间介质；散热膜具有吸热快、热导率高及绝缘性能；吸热膜和散热膜的具体形状根据热电臂(2)的尺寸确定，吸热膜和散热...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐桂英，张斌，南博航，杨全鑫，董源，铁健，冯文志，郭涛，辛嘉凯，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：