CN105450079A - 振动能收集器及智能流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动能收集器及智能流量计，该振动能收集器设置在流体空间内，其中该振动能收集器包括：发电单元，该发电单元在流体的运动作用下产生弯曲形变，并基于该形变产生并输出电信号。所述智能流量计包括所述振动能收集器，该振动能收集器为智能流量计提供电源。通过使用本发明的振动能收集器，可以实现将流体运动过程中产生的机械能(振动能)转换为电能而进行收集，并且该振动能收集器具有结构简单、成本低的优点。

Description

振动能收集器及智能流量计

技术领域

本发明涉及一种振动能收集器及智能流量计，特别涉及一种收集流体能量的器件，以及应用该振动能收集器的智能流量计。

背景技术

近来，日常生活中常见的各种形式的能量都在逐渐的被有效收集，比如利用热电效应或热释电效应可以将热能收集转换为电能，利用压电效应和摩擦效应可以将部分机械能转换为电能，虽然这类能量收集的功率还比较小，但是却已经能初步用在一些微电子器件中，使得微电子器件无需借助外电源而得以驱动。此外，对于流体空间(如管道)中流体运动产生的机械能的收集变得日趋重要，但是，目前还没有基于流体运动过程将机械能转换为电能的收集器。

发明内容

本发明的目的是提供一种振动能收集器及智能流量计，以解决现有技术中无法将流体运动过程中产生的机械能转换为电能的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种振动能收集器，设置在流体空间内，其中，该振动能收集器包括：发电单元，该发电单元在流体的运动作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号。

本发明还提供了一种智能流量计，包括上述的振动能收集器，所述振动能收集器设置在流体空间中，所述电信号为所述智能流量计提供电源。

通过上述技术方案，在流经流体的流体空间内设置发电单元，发电单元在流体的运动作用下会产生形变，并基于该形变产生并输出电信号。由此可以实现将流体运动过程中产生的机械能(振动能)转换为电能而进行收集，并且该振动能收集器具有结构简单、成本低的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，以使本发明的内容更加清晰，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，且附图中的示意图尺寸和实际尺寸并未严格呈现一定的缩放比例，附图所示内容并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施方式的振动能收集器的方框图；

图2是根据本发明实施方式的振动能收集器的发电单元的结构示意图；

图3是根据本发明实施方式的振动能收集器的发电单元的优选结构示意图；

图4A和4B是根据本发明实施方式的振动能收集器的输出电信号图；以及

图5是根据本发明实施方式的振动能收集器的工作原理图。

附图标记说明

10流体空间20发电单元22第一部件

24第二部件220第一摩擦层222第一导电层

240第二摩擦层242第二导电层26支撑部件

28电流表

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明实施方式的振动能收集器的方框图。

如图1所示，本发明实施方式提供的振动能收集器设置在流体空间10内，其中，该振动能收集器包括：发电单元20，该发电单元20在流体的运动作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号。

通过在流经流体的流体空间内设置发电单元，发电单元在流体的运动作用下会产生形变，并基于该形变产生并输出电信号。由此可以实现将流体运动过程中产生的机械能(振动能)转换为电能而进行收集，并且该振动能收集器具有结构简单、成本低的优点。

图2是根据本发明实施方式的振动能收集器的发电单元的结构示意图。

如图2所示，图1所示的发电单元20包括第一部件22和第二部件24，所述第一部件22包括第一摩擦层220和第一导电层222，所述第二部件24包括第二摩擦层240和第二导电层242，其中：所述第一导电层222设置在所述第一摩擦层220上且与所述流体空间10的内壁接触；所述第二导电层242设置在所述第二摩擦层240上；在存在流体的运动作用时所述第一摩擦层220与所述第二导电层242相互接触和分离，并通过所述第一导电层222和所述第二导电层242输出所述电信号。

在没有流体的运动作用时，所述第一摩擦层220与所述第二导电层242之间设置有预定间隙。其中，所述预定间隙的范围为2.5mm至10mm。

当流体以一定速率流经流体空间(例如流体空间的入口)时，第二摩擦层240在流体的运动作用下发生振颤(即，第二摩擦层240发生形变)。由此，在这一过程中，第二摩擦层240上设置的第二导电层242可以与第一摩擦层220相互接触和分离，并通过所述第一导电层222和所述第二导电层242输出所述电信号，该输出的电信号(电流/电压信号)与时间的关系如图4A和图4B所示(图4A和4B是根据本发明实施方式的振动能收集器的输出电信号图，其中图4A为短路电流输出示意图，图4B为开路电压输出示意图)。

图3是根据本发明实施方式的振动能收集器的发电单元的优选结构示意图。

如图3所示，所述第一摩擦层220、所述第一导电层222和所述第二导电层242的数量分别为两个，两个所述第一导电层222分别设置在两个所述第一摩擦层220上且分别与所述流体空间10的相对的内壁接触，设置有两个所述第二导电层242的所述第二摩擦层240位于两个所述第一摩擦层220之间。

在图3中，通过分别在流体空间10的上下两个内壁上依次设置第一摩擦层220和第一导电层222(第一部件22为两个，分别设置在流体空间10的上下两个内壁上)，以及分别在所述第二摩擦层240的两个表面上设置所述第二导电层242，由此在存在流体的运动作用时所述第一摩擦层220与所述第二导电层242相互接触和分离的过程中，可以通过所述上部内壁上的第一导电层222和第二摩擦层240的上表面上的所述第二导电层242输出一路电信号，并且通过所述底部内壁上的第一导电层222和第二摩擦层240的下表面上的所述第二导电层242输出一路电信号，通过将两路电信号并联，可以获得较高的电信号输出。

优选地，两个所述第二导电层242与各自相对的所述第一摩擦层220之间的预定间隙可以相等。本领域技术人员可以根据实际情况对该预定间隙进行设定。例如，该预定间隙可以处于2.5mm至10mm的范围内，优选为5mm(也就是，上下两个第一摩擦层220之间的距离可以处于5mm至20mm的范围内，优选为10mm)。

根据本发明一种实施方式，图2和图3中所示的发电单元20还包括支撑部件26，设置在所述流体空间10入口的中间位置，与所述第二摩擦层240的一端连接，用于支撑所述第二摩擦层240。其中，该支撑部件26可以在与所述流体空间的内壁平行的方向上通过粘贴方式设置在所述流体空间10入口的中间位置。通过设置该支撑部件26，可以将所述第二摩擦层240的一端固定，所述第二摩擦层240的另一端仍然为自由端。其中，该支撑部件26可以为具有一定厚度的方形片状物，该支撑部件26的尺寸可以根据实际需要进行选取。例如，可以选取22mm*5mm*2mm的亚克力块作为支撑部件26。

在本发明的其他实施方式中，第二导电层242与各自相对的所述第一摩擦层220之间可以不设定预定间隙，由于具有支撑部件26，从而使得第二导电层242与第二摩擦层240形成的整体在流动气体作用下，可以使第二导电层242与第一摩擦层220互相接触分离。

根据本发明一种实施方式，在所述流体的运动作用下，所述第一部件22保持静止状态，所述第二部件24产生形变。

此外，图2和图3中所示的发电单元20还连接有电流表28。虽然图中所示的为电流表，但本领域技术人员应当理解，还可以根据实际需要替换为相应的检测装置或者负载，例如检测电压的电压表等。

根据本发明一种实施方式，所述第一摩擦层220和/或所述第二摩擦层240为有机高分子薄膜材料，所述有机高分子薄膜材料选自以下中的一种：聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸二乙醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、对二甲苯环二体、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、全氟乙烯-丙烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯-醋酸乙烯共聚物。

根据本发明一种实施方式，所述第一摩擦层220和/或所述第二摩擦层240的厚度范围为20微米至0.5毫米。

根据本发明一种实施方式，所述第一导电层222和/或所述第二导电层242为金属，所述金属选自以下中的一种：金、银、铂、铝、铜和镍。

根据本发明一种实施方式，所述第一导电层222和/或所述第二导电层242的厚度范围为20纳米至1毫米。其中，可以通过磁控溅射、电子束蒸发和印刷打印技术等来形成第一导电层222和/或第二导电层242。本领域技术人员应当理解，还可以采用现有技术中其他的方法来形成第一导电层222和/或第二导电层242。

根据本发明一种实施方式，所述第二部件24可以为弹性材料，该弹性材料的弹性模量范围可以为1GPa至15GPa。

根据本发明一种实施方式，所述流体空间10可以为管道。其中，所述管道为正方体管道或长方体管道，所述管道的材料可以选用亚克力。例如，所述管道优选为四方管。对于管道的尺寸，本领域技术人员可以根据实际需要进行设定。两个所述第一摩擦层220之间的距离与沿所述流体空间10延伸方向的所述第二部件24的长度的比例范围为1:2.5至1:18。两个所述第一摩擦层220之间的距离可以为5毫米至20毫米。例如，可以采用长度范围为47mm至87mm(优选为57mm或67mm)、宽度为24mm、高度范围为5mm-20mm(优选为12mm)、管壁厚度为2mm的管道。所述第二部件24在流体空间延伸方向的长度与所述管道的长度相当，优选为与所述管道的长度相等。另外，第二导电层242与第一摩擦层220在流体空间延伸方向的长度相当，以使二者之间能够出现接触面积最大的情况，使电信号输出较大。

根据本发明一种实施方式，当上下两个第一摩擦层220之间的距离为10mm时，采用长度范围为47mm至87mm、宽度为24mm、高度为12mm、管壁厚度为2mm的管道的情况下，所述振动能收集器输出的电信号较强。优选的，当该长度为67mm时，输出的电信号最强。

根据本发明一种实施方式，所述流体为气体或液体，其中，所述气体为空气、二氧化碳、一氧化碳、煤气、氢气、氮气或氩气。此外，气体流经所述管道的速率(简称气体流速)可以处于5m/s至50m/s的范围之间。对于图4A和图4B所示的输出电信号，对应的气体流速为7.6m/s，采用的管道的长度为67mm、宽度为24mm、高度为12mm、管壁厚度为2mm的管道。

本领域技术人员应当理解，上述示例仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。

本发明还提供了一种智能流量计，包括上述的振动能收集器，所述振动能收集器设置在流体空间中，所述电信号为所述智能流量计提供电源。

图5是根据本发明实施方式的振动能收集器的工作原理图。

下面结合图5对本发明的振动能收集器的工作原理进行说明。

如图5中的(1)所示，初始状态下，设置有两个第二导电层242的第二摩擦层240位于两个第一摩擦层220的中间，第一导电层222和第二导电层242之间没有电荷产生；当第二摩擦层240受到流体的运动作用发生振颤而产生向上的变形运动时，第二导电层242可以与上部的第一摩擦层220接触，由此在所述第二摩擦层240上表面上的第二导电层242的表面产生正电荷，在上部的第一摩擦层220的表面产生负电荷，如图5中的(2)所示；当第二摩擦层240向下运动而使第二摩擦层240上表面上的第二导电层242与上部的第一摩擦层220分离时，第二摩擦层240上表面的第二导电层242上的正电荷开始向上部的第一导电层222转移，此时振动能收集器的第一导电层222和第二导电层242之间输出电信号，如图5中的(3)所示；当第二摩擦层240向下变形运动到底部而与底部的第一摩擦层220接触时，第二摩擦层240下表面上的第二导电层242表面带有正电荷，底部的第一摩擦层220表面带有负电荷，如图5中的(4)所示；当第二摩擦层240向上运动而使第二摩擦层240下表面上的第二导电层242与下部的第一摩擦层220分离时，第二摩擦层240下表面的第二导电层242上的正电荷开始向底部的第一导电层222移动，与此同时，随着第二摩擦层240的向上运动，上部的第一导电层222上的正电荷也向第二摩擦层240上表面上的第二导电层242移动，由此得到两路电信号输出，如图5中的(5)所示；当第二摩擦层240上表面上的第二导电层242和上部的第一摩擦层220接触时，无电信号输出，如图5中的(6)所示；当第二摩擦层240运动到中间位置时，第二摩擦层240上表面上的第二导电层242上表面上的正电荷向上部的第一导电层222移动，底部的第一导电层222上的正电荷向第二摩擦层240下表面上的第二导电层242移动，如图5中的(7)所示；当第二摩擦层240向下变形运动到底部而与底部的第一摩擦层220接触时的情形，如图5中的(4)所示。第二部件24将在流体的作用下，按照图5中的(4)→(5)→(6)→(7)→(4)进行循环。

其中，第一摩擦层220与第二导电层242之间具有摩擦电极序差异，使得二者在发生接触摩擦的过程中能够在表面产生接触电荷。

根据本发明一种优选实施方式，本发明所述的振动能收集器可以置于管壁厚度为2mm、长度为77mm、宽度为24mm、高度为12mm的管道中。其中：第一摩擦层220层采用聚二甲基硅氧烷，厚度为300微米，通过在聚二甲苯硅氧烷的一个表面磁控溅射金属铝形成第一导电层222，其厚度为150纳米。第二摩擦层240采用厚度为50微米的聚酰亚胺薄膜，在第二摩擦层240的上下两面均采用磁控溅射的方式形成第二导电层242，第二导电层242的材料也可以为铝，厚度为200纳米。支撑部件26采用尺寸22mm*5mm*2mm的亚克力块，粘贴在管道的入口中间，起到固定第二摩擦层240的其中一端的作用。流体可以为压缩气体，当压缩气体以7.6m/s的速率通过管道入口时，第二摩擦层240在管道内发生颤振而发生变形运动，第二导电层242分别与管道上下两个表面上设置的第一摩擦层220发生接触和分离，进而对外输出电信号。在该示例下输出的电信号，可以点亮10盏商用LED灯，在黑暗环境中提供小范围的照明。

根据本发明另一优选实施方式，本发明所述的振动能收集器可以置于管壁厚度为2mm、长度为67mm、宽度为24mm、高度为12mm的管道内。其中：第一摩擦层220采用聚四氟乙烯，厚度为100微米，通过在聚四氟乙烯的一个表面磁控溅射铝形成第一导电层222，其厚度为150纳米。第二摩擦层240采用50微米的聚酰亚胺薄膜，在第二摩擦层240的上下两面均采用磁控溅射的方式制备第二导电层242，第二导电层242的材料也可以为铝，厚度为150纳米。支撑部件26采用尺寸为22mm*5mm*2mm的亚克力块，粘贴在管道的入口中间，起到固定第二摩擦层240的其中一端的作用。流体为可以压缩气体，当压缩空气以7.6m/s的速率通过管道入口时，第二摩擦层240在管道内发生颤振而发生形变运动，第二导电层242分别与管道的上下两个表面上设置的第一摩擦层220发生接触和分离，进而对外输出电信号。在该示例下输出的电信号，可以驱动无线传感微型电子电路工作。例如，首先通过变压器对振动能收集器的输出电信号进行变换，使得振动能收集器的输出电压降低，输出电流提高；接着，对变换后的电信号进行整流，整流后的电信号为电容充电；最后，电容里存储的能量可以驱动无线传感器件工作，进而发射出无线信号。

根据本发明又一优选实施方式，本发明所述的振动能收集器可以安装在气体管道中，作为智能气体流量计的一部分，为智能气体流量计提供电源，使智能气体流量计无需额外电源即可进行流量探测和控制，例如将振动能收集器设置在家用天然气管道中，作为智能天然气表的组成部分，为燃气表提供电源，从而使得燃气表可以对天然气管道中的流量值进行读取和无线发送。其中燃气表对天然气管道中的流量值进行读取和无线发送为现有技术，在此不进行赘述。

从上述实施方式中可以看出，本发明提供的振动能收集器可以实现将流体运动过程中产生的机械能(振动能)转换为电能而进行收集，从而可以为例如LED灯、微型电子器件和燃气表等提供电源，并且该振动能收集器具有结构简单、成本低的优点。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (18)

1.一种振动能收集器，设置在流体空间内，其中，该振动能收集器包括：

发电单元，该发电单元在流体的运动作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号。

2.根据权利要求1所述的振动能收集器，其中，所述发电单元包括第一部件和第二部件，所述第一部件包括第一摩擦层和第一导电层，所述第二部件包括第二摩擦层和第二导电层，其中：

所述第一导电层设置在所述第一摩擦层上且与所述流体空间的内壁接触；

所述第二导电层设置在所述第二摩擦层上；

在存在流体的运动作用时所述第一摩擦层与所述第二导电层相互接触和分离，并通过所述第一导电层和所述第二导电层输出所述电信号。

3.根据权利要求2所述的振动能收集器，其中，所述第一摩擦层、所述第一导电层和所述第二导电层的数量分别为两个，两个所述第二导电层分别设置在所述第二摩擦层的两个表面上，两个所述第一导电层分别设置在两个所述第一摩擦层上且分别与所述流体空间的相对的内壁接触，设置有两个所述第二导电层的所述第二摩擦层位于两个所述第一摩擦层之间。

4.根据权利要求2或3所述的振动能收集器，其中，所述第二导电层与所述第一摩擦层之间设置有预定间隙。

5.根据权利要求4所述的振动能收集器，其中，所述预定间隙的范围为2.5mm至10mm。

6.根据权利要求3所述的振动能收集器，其中，所述发电单元还包括支撑部件，设置在所述流体空间入口的中间位置，与所述第二摩擦层的一端连接，用于支撑所述第二摩擦层。

7.根据权利要求6所述的振动能收集器，其中，在所述流体的运动作用下，所述第一部件保持静止状态，所述第二部件产生形变。

8.根据权利要求7所述的振动能收集器，其中，所述第一摩擦层和/或所述第二摩擦层为有机高分子薄膜材料，所述有机高分子薄膜材料选自以下中的一种：聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸二乙醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、对二甲苯环二体、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、全氟乙烯-丙烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯-醋酸乙烯共聚物。

9.根据权利要求8所述的振动能收集器，其中，所述第一摩擦层和/或所述第二摩擦层的厚度范围为20微米至0.5毫米。

10.根据权利要求7所述的振动能收集器，其中，所述第一导电层和/或所述第二导电层为金属，所述金属选自以下中的一种：金、银、铂、铝、铜和镍。

11.根据权利要求10所述的振动能收集器，其中，所述第一导电层和/或所述第二导电层的厚度范围为20纳米至1毫米。

12.根据权利要求7所述的振动能收集器，其中，所述第二部件为弹性材料，该弹性材料的弹性模量范围为1GPa至15GPa。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的振动能收集器，其中，所述流体空间为管道。

14.根据权利要求13所述的振动能收集器，其中，所述管道为正方体管道或长方体管道。

15.根据权利要求3-12中任一项权利要求所述的振动能收集器，其中，两个所述第一摩擦层之间的距离与沿所述流体空间延伸方向的所述第二部件的长度的比例范围为1:2.5至1:18。

16.根据权利要求15所述的振动能收集器，其中，两个所述第一摩擦层之间的距离为5毫米至20毫米；所述第二部件的长度范围为47毫米至87毫米。

17.根据权利要求1-16中任一项权利要求所述的振动能收集器，其中，所述流体为二氧化碳、煤气、氢气、氮气或氩气。

18.一种智能流量计，其中，包括权利要求1-17中任一项权利要求所述的振动能收集器，所述振动能收集器设置在流体空间中，所述电信号为所述智能流量计提供电源。