[發明專利]一種具有多層相變材料散熱器的可穿戴熱電發電器

有效

• 申請號: 202110295826.5
• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN113098325B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 徐桂英;張斌;南博航;楊全鑫;董源;鐵健;馮文志;郭濤;辛嘉凱
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H02N11/00
• 分類號: H02N11/00;H05K7/20;C09K5/06
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明提供一種具有多層相變材料散熱器的可穿戴熱電發電器，屬于溫差發電技術領域。該裝置包括吸熱膜模塊、發電模塊、散熱膜模塊和相變散熱模塊，發電模塊包含熱電臂、勢壘層、導流條，相變散熱器模塊包含相變材料和隔離物，吸熱膜模塊包含吸熱膜和集成板，散熱膜模塊包含散熱膜和集成板，從下到上的相變材料的相變溫度依次降低，相變潛熱增加；所選密封材料需根據相變溫度與外界溫度的高低而定，當相變溫度大于外界溫度，熱電發電器的密封材料選擇高熱導系數的材料，當相變溫度小外界溫度，散熱器的密封材料選擇絕熱材料。本發明采用相變材料作為散熱材料，通過多相變層和最外層曲面來增加散熱速率，保持熱電臂冷熱端的溫差。

技術領域

本發明涉及溫差發電技術領域，特別是指一種具有多層相變材料散熱器的可穿戴熱電發電器。

背景技術

人體能量大部分以熱量的形式釋放，皮膚與外界的溫差平均約5℃-30℃，因此人體可以很好的作為可穿戴熱電發電器的熱源。可穿戴熱電發電器能將人體散發低品位熱量轉化為有效電能，這類發電器將有可能為一些功率要求小于毫瓦級的無線傳感器等微型設備提供足夠的電壓或功率。可穿戴熱電發電器的輸出性能受熱電臂材料、熱電臂組裝結構、熱電臂尺寸和熱電臂冷熱端溫差大小等因素影響。其中保持恒定溫差是保證熱電發電器輸出穩定性能的基礎，目前不少研究學者用銅、泡沫銅等作為散熱材料，這些材料應用到可穿戴領域會存在造價成本高和笨重的缺點，這違背了可穿戴設計便捷性的初衷。相變材料具有價格低和密度小等優點。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提出一種具有多層相變材料散熱器的可穿戴熱電發電器，其具有節能、回收低品質熱量、質輕、散熱器有一定溫度梯度和溫差在一定時間保持恒定的優點。本發明采用相變材料作為散熱材料，通過多相變層和最外層曲面來增加散熱速率，保持熱電臂冷熱端的溫差。

該裝置包括吸熱膜模塊、發電模塊、散熱膜模塊和相變散熱器模塊，吸熱膜模塊、發電模塊、散熱膜模塊和相變散熱器模塊依次疊置，吸熱膜模塊包含吸熱膜和集成板，發電模塊包含熱電臂、勢壘層、導流條，散熱膜模塊包含散熱膜和集成板，相變散熱器模塊包含密封裝置、隔離物、相變材料和最外層散熱曲面。

進一步地，所選熱電臂之間存在空隙，熱電臂的尺寸受熱電半導體材料的塞貝克系數、熱導率、電導率、輸出功率和輸出電壓和溫差等因素的影響，熱電臂的高度范圍為500um-5mm，熱電臂的底面為圓形或正方形；熱電臂包括p型熱電臂和n型熱電臂，p型熱電臂和n型熱電臂頂部通過導流條連接，p型熱電臂和n型熱電臂截面積中心距離范圍為160um-6.6mm；熱電臂之間為空隙裝填封裝材料，封裝材料具備低熱導率、具有柔性和絕緣性能，封裝材料選擇絕緣且熱導系數不大于0.03W/(m.K)的材料制成。

進一步地，所選熱電臂底面為圓形時，半徑范圍為100um-2mm；熱電臂底面為正方形時，邊長范圍為80um-2mm。

進一步地，所選吸熱膜具有高熱導和絕緣性能，是連接皮膚熱端處密封材料和熱電臂發電結構熱端的中間介質；散熱膜具有吸熱快、熱導率高及絕緣性能；吸熱膜和散熱膜的具體形狀根據熱電臂的尺寸確定，吸熱膜和散熱膜的導熱系數至少為2W/m.K。

進一步地，所選勢壘層位于導流條和熱電臂之間，勢壘層厚度范圍為0.05-0.2mm。

進一步地，所選導流條具備高電導率和熱導率性能，導流條厚度范圍為50um-0.5mm。

進一步地，所選相變材料具備相變轉換溫度低和熱膨脹系數小的特點，相變材料類別包含有機相變材料、無機相變材料、金屬基相變材料和復合相變材料；相變材料結構具有一層以上相變材料，第一層相變材料的熔點最高且相變潛熱較高，第二層相變材料熔點低于前一層相變材料且相變潛熱小于等于前一層相變材料，以此類推。