CN118801645A - 一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，具体涉及热电转换技术领域。一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，包括石墨烯震动装置、磁性颗粒和磁电转换装置，石墨烯震动装置包括一个支架和一片石墨烯薄片，石墨烯薄片其边缘固定在所述的支架上，磁性颗粒为永磁体，磁性颗粒设置在所述石墨烯薄片的下方，石墨烯薄片震动时就会引起磁通量的变化。本发明的有益效果在于：本发明通过利用微纳米尺度的石墨烯薄片的热涨落运动，带动磁场的波动，再利用磁场的波动转化为电能，形成一个全固态、免维护的热电转换装置。本发明能更好的开发环境热能、体温或生产过程的余热废热。
Description
技术领域
本发明主要涉及热电转换技术领域，具体是一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置。
背景技术
从人们生活中离不开的手机、平板电脑，到目前越来越普及的电动汽车，人们对能源的需求只增不减。这些用到电池的产品往往有个美中不足的地方就是要定时充电，利用体温、环境的热能或废热来帮助充电的热电转换装置能完全或部分解决定时充电的烦恼，对于类似心脏起搏器等功率微小而又难以更换电池的植入人体的装置，更需要稳定可靠、免维护、长寿命的电能来源，因此为了能够利用环境中的热能，为了有效实现热电转换，发明提供了一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，此发明能实现热电转换，有助于更好开发环境热能和余热废热。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，包括石墨烯震动装置、磁性颗粒和磁电转换装置，其特征在于，所述石墨烯震动装置包括一个支架和一片石墨烯薄片，所述石墨烯薄片其边缘固定在所述的支架上。
所述磁性颗粒为永磁体，所述磁性颗粒设置在所述石墨烯薄片的下方，石墨烯薄片震动时就会引起磁通量的变化，从而在其内部产生涡流及导致局部磁场的波动。
所述磁电转换装置为一个线圈机构，所述线圈机构包括线圈主体、第一引脚和第二引脚，所述线圈主体绕着所述磁性颗粒设置，第一引脚和第二引脚是线圈主体的两端，用于对外输出感应电流而做功。
所述支架为铜或塑料框架。
所述线圈主体通过第一引脚和第二引脚连接到热电偶机构的第一结点的两侧，从线圈主体输出的电流会流经第一结点并产生焦耳热，使所述第一结点的温度升高，并与第二结点产生温差。
一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，包括石墨烯震动装置、磁性颗粒和磁电转换装置，其特征在于，所述石墨烯震动装置包括一个支架和一片石墨烯薄片，所述石墨烯薄片其边缘固定在所述的支架上。
所述磁性颗粒为永磁体，所述磁性颗粒设置在所述石墨烯薄片的下方，石墨烯薄片震动时就会引起磁通量的变化，从而在其内部产生涡流及导致局部磁场的波动。
所述磁电转换装置为一个热电偶机构，所述热电偶机构由两种材料连接而成从而具有第一结点和第二结点，其中第一结点设置在所述磁性颗粒的下方，而第二结点则远离所述磁性颗粒和石墨烯薄片。
所述磁性颗粒嵌入到第一结点中。
所述支架是具有最少一个孔眼的框架。
所述磁性颗粒采用低电阻率同时又具有良导热性的磁性材料。
所述的石墨烯薄片以微弯曲的初始状态将其边缘固定在所述支架的四条边上。
所述磁性颗粒采用高导磁率和高电阻率的材料。
所述热电偶机构的基板采用低导热率的材料，其作用是降低导热率从而减少热耗散。
对比现有技术，本发明的有益效果是：
1、本发明通过利用微纳米尺度的石墨烯薄片的热涨落运动，带动磁场的波动，再利用磁场的波动转化为电能，形成一个全固态、免维护的热电转换装置。本发明能更好的开发环境热能、体温或生产过程的余热废热。
2、本发明技术方案采用的是全固态材料，没有液体或机械部件，安全可靠，没有机械磨损和化学反应，工作寿命长。
3、可以做成体积非常小的换能装置，能为诸如心脏起搏器的小形低功耗设备提供电能。
附图说明
图1为本发明实施例1的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1线圈机构及热电偶机构的结构俯视图；
图3为本发明实施例1石墨烯震动装置的结构示意图；
图4为本发明实施例1热电偶机构及其基板的结构示意图；
图5为本发明实施例2的整体结构示意图；
图6为本发明实施例3的整体结构示意图。
附图中所示标号：1、石墨烯震动装置；11、支架；12、石墨烯薄片；2、磁性颗粒；3、线圈机构；31、线圈主体；32、第一引脚；33、第二引脚；4、热电偶机构；41、第一节点；42、第二结点；43、第一电极；44、第二电极；45、基板。
具体实施方式
结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
实施例1
如图1-4所示，一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，包括石墨烯震动装置1、磁性颗粒2和磁电转换装置，石墨烯震动装置1包括一个支架11和一片石墨烯薄片12，石墨烯薄片12其边缘固定在支架11上。
其中磁性颗粒2为永磁体，磁性颗粒2设置在石墨烯薄片12的下方，石墨烯薄片12震动时就会引起磁通量的变化，从而在其内部产生涡流及导致局部磁场的波动。
磁电转换装置为一个线圈机构3，线圈机构3包括线圈主体31、第一引脚32和第二引脚33，所述线圈主体31绕着所述磁性颗粒2设置，第一引脚32和第二引脚33是线圈主体31的两端，用于对外输出感应电流而做功。
支架11是一个由四条边围成一个方孔的支架，石墨烯薄片12是单层石墨烯，石墨烯薄片的面积足以覆盖所述支架的方孔，磁性颗粒2是一个圆柱体，磁性颗粒2放置在石墨烯薄片12的下方，在不阻碍石墨烯薄片12的自由运动的前提下使磁性颗粒2尽量靠近石墨烯薄片12，使其磁场能最大限度作用在石墨烯薄片12上，在微观状态下，石墨烯中的原子因热震动而导致石墨烯薄片12偶尔会有大的波动，从而从凹陷的状态变成凸起的状态，随后的偶然的较大波动又会回到凹陷状态，只要环境温度大于绝对0度，微观粒子就会不断热运动，从而使石墨烯薄片12在凹凸方向来回运动，石墨烯具有导电性，在磁场中震动时，石墨烯薄片12内会产生涡流，并引起局部磁场的波动。
本实施例中，线圈主体31在波动的磁场中会产生交变感应电动势，输出的是交流电，线圈机构3的两只引脚32和33还能连接一个二极管整流模块，把交流电转换成直流电再对外输出。
除了采用常见的二极管整流或有源场效应管整流的方案外，本实施例还能结合热电偶机构4实现整流。如附图2所示，线圈主体31通过第一引脚32和第二引脚33连接到热电偶机构4的第一结点41的两侧，从线圈主体31输出的电流会流经第一结点41并产生焦耳热，使第一结点41的温度升高，并与第二结点42产生温差，从而使热电偶机构4的第一电极43和第二电极44之间存在温差电动势，并对外输出直流电。
本实施例中，就算从线圈主体31输出的是交流电，其释放的电能只会使第一结点41的温度升高，由此导致热电偶机构4的两个输出电极43和44之间的温差电动势总是单向的，也就是输出的是直流电，又因为第一结点41离磁性颗粒2有一段距离，就算第一结点41的温度升高并超过磁性颗粒2的居里温度，也不至于导致磁性颗粒2失去永磁性。采用热电偶机构4实现整流的好处是，就算交流电很微弱，也能被一定程度地加以利用，因为热电偶的两个结点之间的温差就算很小也能产生温差电动势。而整流二极管因为有正向压降，交流电压的峰值低过正向压降时会无法被整流，就算峰值勉强高于正向压降其整流的效率也相当低。
线圈主体31采用带磁性的导体制造，成了一个带永磁性的线圈，相当于把原来没有磁性的线圈主体31和磁性颗粒2合二为一，其作用是省去独立设置的磁性颗粒2。
进一步的，所述支架11是具有最少一个孔眼的框架。
进一步的，石墨烯薄片12以微弯曲的初始状态将其边缘固定在支架11的四条边上，其作用是让石墨烯薄片有一定的弯曲应力和震动幅度。
进一步的，磁性颗粒2采用高导磁率和高电阻率的材料，使其能传导磁场波动的同时减少涡流导致的损耗。
进一步的，热电偶机构4的基板采用低导热率的材料，其作用是降低导热率从而减少热耗散，提高热电偶机构4的热电转换效率。
要特别说明的是：两只引脚32和33本质上就是线圈主体31的两端，在实际应用中，两只引脚32和33就算被缩短或省略也不应该视为绕过了本申请的限定范围。
只有在微观上才体现出石墨烯薄片的随机震动，所以本发明的体系尺寸很小但功率也小。以本实施例的整个体系作为单元，通过多单元的并联或串联操作，就能实现功率或电压的提升。
实施例2
如图5所示，一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，包括石墨烯震动装置1、磁性颗粒2和磁电转换装置，石墨烯震动装置1包括一个支架11和一片石墨烯薄片12，石墨烯薄片12其边缘固定在支架11上。
其中磁性颗粒2为永磁体，磁性颗粒2设置在石墨烯薄片12的下方，石墨烯薄片12震动时就会引起磁通量的变化，从而在其内部产生涡流及导致局部磁场的波动。
磁电转换装置为一个热电偶机构4，热电偶机构4由两种材料连接而成从而具有第一结点41和第二结点42，其中第一结点41设置在磁性颗粒2的下方，而第二结点42则远离石墨烯薄片12和磁性颗粒2，其目的是让波动的磁场集中作用在第一结点41上使其内部产生涡流而升温，使热电偶机构4的第一结点41和第二结点42之间产生温差，从而热电偶机构4的第一电极43和第二电极44就有了温差电动势，能对外输出电能做功。
进一步的，磁性颗粒1嵌入到第一结点41中。
进一步的，所述支架11是具有最少一个孔眼的框架。
进一步的，磁性颗粒2采用低电阻率同时又具有良导热性的磁性材料。
进一步的，石墨烯薄片12以微弯曲的初始状态将其边缘固定在支架11的四条边上，其作用是让石墨烯薄片有一定的弯曲应力和震动幅度。
进一步的，热电偶机构4的基板采用低导热率的材料，其作用是降低导热率从而减少热耗散，提高热电偶机构4的热电转换效率。
实施例2与前述实施例1的区别在于磁电转换装置的不同，实施例1采用的是线圈机构3，本实施例采用的是热电偶机构4。
本实施例中，热电偶机构4可以是包括K型、T形或碲化铋基半导体等常用的热电偶。当磁通量变化集中作用在热电偶机构4的第一结点41上，第一结点41内因产生涡流而温度升高，与第二结点42之间产生温差，使热电偶机构4的两个输出电极43和44之间存在温差电动势，从而能对外输出直流电做功。在第一结点41的涡流也会有相应的磁场，跟实施例1中线圈主体31的感应电流引起的磁场类似，同样对石墨烯薄片12的运动产生阻力，所以在第一结点41产生的涡流及其释放的热量也是来源于石墨烯薄片12失去的动能。
本实施例中，磁性颗粒2设置在第一结点41的外上方，磁性颗粒2采用高导磁率和高电阻率的材料，高导磁率有助于把石墨烯薄片12产生的波动磁场传导给第一结点41，高电阻率有助于减少在磁性颗粒2中的涡流引起的损耗。
实施例3
如图6所示，与实施例2不同的是，磁性颗粒2可嵌入式设置在热电偶机构的第一结点41中，其余结构与实施例2相同，其他构成部分可以参考实施例2中的描述。
把磁性颗粒2嵌入到第一结点41中，这样的好处是使波动的磁场更易传导到第一结点41上，空间利用得更紧凑，可供磁性颗粒2的材料选择范围也更广。因为当磁性颗粒2嵌入到第一结点41时，磁性颗粒2与第一结点41有了尽量大的接触面积和热交换速率，就算磁性颗粒2采用电阻率较小的材料，容易在波动的磁场中产生涡流使其自身温度升高，其结果也是会把产生的热量传给第一结点41，同样对第一结点41的升温有贡献，这种让磁性颗粒2先发热再传给热电偶的第一结点41的方式非常适用于高热电转换效率的半导体热电偶。所以，采用嵌入式设计中，磁性颗粒2既能象非嵌入式那样采用高电阻率同时又高导磁率的材料，也能采用低电阻率同时又具有良导热性的磁性材料。
Claims (10)
1.一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，包括石墨烯震动装置、磁性颗粒和磁电转换装置，其特征在于，所述石墨烯震动装置包括一个支架和一片石墨烯薄片，所述石墨烯薄片其边缘固定在所述的支架上；
所述磁性颗粒为永磁体，所述磁性颗粒设置在所述石墨烯薄片的下方，石墨烯薄片震动时就会引起磁通量的变化，从而在其内部产生涡流及导致局部磁场的波动；
所述磁电转换装置为一个线圈机构，所述线圈机构包括线圈主体、第一引脚和第二引脚，所述线圈主体绕着所述磁性颗粒设置，第一引脚和第二引脚是线圈主体的两端，用于对外输出感应电流而做功。
2.根据权利要求1所述的一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，其特征在于，所述支架为铜或塑料框架。
3.根据权利要求1所述的一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，其特征在于，所述线圈主体通过第一引脚和第二引脚连接到热电偶机构的第一结点的两侧。
4.一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，包括石墨烯震动装置、磁性颗粒和磁电转换装置，其特征在于，所述石墨烯震动装置包括一个支架和一片石墨烯薄片，所述石墨烯薄片其边缘固定在所述的支架上；
所述磁性颗粒为永磁体，所述磁性颗粒设置在所述石墨烯薄片的下方，石墨烯薄片震动时就会引起磁通量的变化，从而在其内部产生涡流及导致局部磁场的波动；
所述磁电转换装置为一个热电偶机构，所述热电偶机构由两种材料连接而成从而具有第一结点和第二结点，其中第一结点设置在所述磁性颗粒的下方，而第二结点则远离所述磁性颗粒和石墨烯薄片。
5.根据权利要求4所述的一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，其特征在于，所述磁性颗粒嵌入到第一结点中。
6.根据权利要求1或4所述的一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，其特征在于，所述支架是具有最少一个孔眼的框架。
7.根据权利要求5所述的一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，其特征在于，所述磁性颗粒采用低电阻率同时又具有良导热性的磁性材料。
8.根据权利要求1或4所述的一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，其特征在于，所述的石墨烯薄片以微弯曲的初始状态将其边缘固定在所述支架的四条边上。
9.根据权利要求1或4所述的一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，其特征在于，所述磁性颗粒采用高导磁率和高电阻率的材料。
10.根据权利要求3或4所述的一种利用热震动石墨烯对磁场的扰动实现热电转换的装置，其特征在于，所述热电偶机构的基板采用低导热率的材料。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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