CN106230313B - 物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置，以解决当前压电发电装置在高压气体直接冲击压电发电装置俘获电能时存在俘能功率小、效率低等技术问题。本发明由阶梯式微孔隙增流装置、扭转式发电机组件和紧定螺钉三部分组成。阶梯式微孔隙增流装置增大小流量高压气体的流量，并通过扭转式发电机组件实现能量俘获。本发明具有气体流量放大功能，并对放大流量的气体进行压电能量收集，显著提高压电发电装置的功率，提升俘能效率3倍以上，通过全桥整流电路可以持续有效的为低功耗电子设备供能，在物联网节点、低功耗电子设备以及低功耗传感器供能技术领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置，属于低功耗电子设备供能技术领域。
背景技术
随着制造装备技术智能化水平的不断提高，并伴随着其与物联网技术的深度融合，大量的物联网节点在机械制造装备领域得到广泛应用。对物联网节点进行稳定、可靠的持续供电，是保证物联网节点正常工作的前提。当前机械制造领域的物联网节点供能方式主要包括电源直接供电和化学电池供电两种方式。其中，电源直接供电方式存在电磁干扰严重、系统布线复杂等问题，而化学电池供电方式则存在电池使用寿命有限、需定期更换以及环境污染等不足。因此，需研究一种用于物联网节点供能的新型能源供给技术以解决传统供能技术所带来的诸多弊端。
利用压电材料的正压电效应俘获环境微能源转化为电能的环境能源收集技术，由于具有能量转换效率高、清洁无污染、不受电磁干扰以及使用寿命长等优势，成为微能源转化与供给技术的研究热点。压缩气体具有的能量是工业生产中大量存在的能量形式，其具备安全清洁可再生等优势。因此，合理利用工业生产环境中的气体能量，结合压电材料的正压电效应将气体能量转化为电能为无线物联网节点供能，可有效解决传统电源供电带来的布线复杂及电池供电带来的需定期更换、污染环境等问题，对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。传统的压电发电的装置普遍利用工业环境中的高压气体直接冲击压电发电装置来俘获电能，使得传统气体冲击式压电发电装置存在俘能功率小、效率低的问题，限制了压电发电装置在低功耗电子设备供能技术领域的发展与应用。
发明内容
为解决已有压电发电装置在高压气体直接冲击压电发电装置俘获电能时存在俘能功率小、效率低等技术问题，本发明公开物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置，为低功耗器件提供一种功率大、效率高的供能装置。
本发明所采用的技术方案是：
所述物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置由阶梯式微孔隙增流装置、扭转式发电机组件和紧定螺钉组成；所述阶梯式微孔隙增流装置和扭转式发电机组件通过紧定螺钉紧固连接；所述阶梯式微孔隙增流装置设置有圆锥式吸气端、锥形出气端、增流端螺纹连接孔、供气孔、一级微型射流孔、二级微型射流孔和挡环；所述扭转式发电机组件由安装架、风扇、压电发电组件和固定销组成，安装架与阶梯式微孔隙增流装置通过紧定螺钉进行螺纹连接，风扇和压电发电组件通过固定销进行连接。
所述圆锥式吸气端位于阶梯式微孔隙增流装置的吸气端，锥形出气端位于阶梯式微孔隙增流装置的出气端，所述增流端螺纹连接孔靠近锥形出气端，所述增流端螺纹连接孔与紧定螺钉螺纹连接，所述一级微型射流孔和二级微型射流孔位于阶梯式微孔隙增流装置的中部，一级微型射流孔和二级微型射流孔之间设置有挡环，挡环可阻隔一级微型射流孔和二级微型射流孔，所述供气孔靠近二级微型射流孔。
所述安装架设置有发电机进气端，混合气体经由发电机进气端进入扭转式发电机组件作用在风扇上，所述安装架设置有安装架螺纹孔，紧定螺钉与安装架螺纹孔螺纹连接，所述安装架设置有压电发电组件安装孔，压电发电组件通过压电发电组件安装孔与安装架紧固连接，所述安装架设置有排气孔，混合气体经由排气孔排出扭转式发电机组件。
所述风扇设置有风扇外螺纹，风扇通过风扇外螺纹与压电发电组件螺纹连接，所述风扇设置有固定销安装孔a，固定销与固定销安装孔a配合连接；所述压电发电组件设置有弹性基板、压电元件，压电元件和弹性基板粘接，所述压电发电组件设置有固定销安装孔b，固定销与固定销安装孔b配合连接，所述压电发电组件设置有压电发电组件内螺纹，风扇外螺纹与压电发电组件内螺纹螺纹连接。
所述弹性基板设置有直梁a、L型梁和直梁b，所述弹性基板设置有固定凸块，固定凸块与压电发电组件安装孔紧固连接，所述弹性基板设置有弧形铰链Ⅰ、弧形铰链Ⅱ和弧形铰链Ⅲ，用于降低弹性基板的扭转刚度。
本发明的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所发明的阶梯式微孔隙增流装置对小流量高压气体进行流量放大，放大流量后的气体通过锥形出气端喷出，激励扭转式发电机组件组件，使内部压电发电组件产生弯曲形变，利用正压电效应实现机械能向电能转化，以达到利用放大气流进行能量收集转化的效果，可显著提高压电发电装置的功率，提升俘能效率3倍以上。本发明具有利用高压小流量气体进行气体流量放大的效果，并兼具充分利用放大的流量进行压电能量收集的技术优势，在低功耗电子设备供能技术领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1所示为本发明提出的物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置的结构示意图；
图2所示为本发明提出的阶梯式微孔隙增流装置结构示意图；
图3所示为本发明提出的圆锥式吸气端剖视图；
图4所示为本发明提出的锥形出气端剖视图；
图5所示为本发明提出的扭转式发电机组件组件结构示意图；
图6所示为本发明提出的安装架结构示意图；
图7所示为本发明提出的风扇结构示意图；
图8所示为本发明提出的压电发电组件主视图；
图9所示为本发明提出的压电发电组件左视图；
图10所示为本发明提出的弹性基板局部视图；
图11所示为本发明提出的全桥整流电路示意图。
具体实施方式
具体实施方式：结合图1~图11说明本实施方式。本实施方式提供了物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置的具体实施方案。所述物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置由阶梯式微孔隙增流装置1、扭转式发电机组件2和紧定螺钉3组成，其中阶梯式微孔隙增流装置1和扭转式发电机组件2通过紧定螺钉3紧固连接。
所述阶梯式微孔隙增流装置1包括有圆锥式吸气端1-1、锥形出气端1-2、增流端螺纹连接孔1-3、供气孔1-4、一级微型射流孔1-5、二级微型射流孔1-6和挡环1-7；
所述圆锥式吸气端1-1位于阶梯式微孔隙增流装置1的吸气端，锥形出气端1-2位于阶梯式微孔隙增流装置1的出气端，所述增流端螺纹连接孔1-3靠近锥形出气端1-2，所述增流端螺纹连接孔1-3与紧定螺钉3螺纹连接，所述一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6位于阶梯式微孔隙增流装置1的中部，一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6之间设置有挡环1-7，挡环1-7可阻隔一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6，所述供气孔1-4靠近二级微型射流孔1-6，高压气体经由所述供气孔1-4同时进入一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6，诱导气体和高压气体组成的混合气体经由一级微型射流孔1-5进行一次空气能放大，经由二级微型射流孔1-6进行二次加速，二次加速后的混合气体通过锥形出气端1-2喷出阶梯式微孔隙增流装置1。
所述扭转式发电机组件2为物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置的电能产生装置，所述扭转式发电机组件2由安装架2-1、风扇2-2、压电发电组件2-3和固定销2-4组成；
所述安装架2-1设置有发电机进气端2-1-1，混合气体经由发电机进气端2-1-1进入扭转式发电机组件2作用在风扇2-2上，风扇2-2在混合气体的作用下发生转动带动压电发电组件2-3产生扭转；所述安装架2-1设置有安装架螺纹孔2-1-2，紧定螺钉3与安装架螺纹孔2-1-2螺纹连接；所述安装架2-1设置有压电发电组件安装孔2-1-3，压电发电组件2-3通过压电发电组件安装孔2-1-3与安装架2-1紧固连接；所述安装架2-1设置有排气孔2-1-4，混合气体经由排气孔2-1-4排出扭转式发电机组件2。所述风扇2-2设置有风扇外螺纹2-2-1，风扇2-2通过风扇外螺纹2-2-1与压电发电组件2-3螺纹连接；所述风扇2-2设置有固定销安装孔a2-2-2，固定销2-4与固定销安装孔a2-2-2配合连接。所述压电发电组件2-3设置有弹性基板2-3-1、压电元件2-3-2，压电元件2-3-2和弹性基板2-3-1粘接，所述压电发电组件2-3设置有固定销安装孔b2-3-3，固定销2-4与固定销安装孔b2-3-3配合连接；所述压电发电组件2-3设置有压电发电组件内螺纹2-3-4，风扇外螺纹2-2-1与压电发电组件内螺纹2-3-4螺纹连接。所述弹性基板2-3-1设置有直梁a2-3-1-1、L型梁2-3-1-2和直梁b2-3-1-3。所述弹性基板2-3-1设置有固定凸块2-3-1-4，固定凸块2-3-1-4与压电发电组件安装孔2-1-3紧固连接，所述弹性基板2-3-1设置有弧形铰链Ⅰ2-3-1-5、弧形铰链Ⅱ2-3-1-6和弧形铰链Ⅲ 2-3-1-7，用于降低弹性基板的2-3-1的扭转刚度，所述的压电元件2-3-2利用正压电效应，实现气体压力能到电能的转换，通过全桥整流电路可以持续有效的为物联网节点供能。
所述阶梯式微孔隙增流装置1中的圆锥式吸气端1-1的最大直径为D1，D1的取值满足的范围为60~80 mm，通过调节D1的值可以调节诱导气体的进气速度，本具体实施方式中D1的取值为60 mm，所述圆锥式吸气端1-1的锥角为θ，θ的取值满足的范围为0~60°，通过调节θ的值可以调节诱导气体的进气速度，本具体实施方式中θ的取值为20°；所述锥形出气端1-2的最小直径为D2，D2与D1的比值为G=D2/D1，G的取值满足的范围为0.4~0.8，本具体实施方式中G的取值为0.8；所述锥形出气端1-2的锥角为α，α的取值满足的范围为0~20°，通过调节α的值可以调节混合气体的流速，本具体实施方式中α的取值为15°；所述的供气孔1-4直径为D3，D3与D1的比值为F=D3/D1，F的取值满足的范围为0.02~0.1，本具体实施方式中F的取值为0.1；所述供气孔1-4中心与圆锥式吸气端1-1的直线距离为L1，L1的取值满足的范围为10~25mm，本具体实施方式中L1的取值为15 mm；所述供气孔1-4中心与锥形出气端1-2直线距离为L2，L1与L2的比值为J=L1/L2，J的取值满足的范围为0.2~0.5，本具体实施方式中J的取值为0.3，；所述一级微型射流孔1-5的孔径为D4，D4的取值满足的范围是40~60 mm，本具体实施方式中D4的取值为50 mm，所述一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6之间的距离为L3，D4与L3的比值为Z=D4/L3，Z的取值满足的范围为2~5，本具体实施方式中Z的取值为2；所述二级微型射流孔1-6孔径为D5，D5与L3的比值为X=D5/L3，X的取值满足的范围为2~5，本具体实施方式中X的取值为2。
所述直梁a2-3-1-1具有长度值A，A的取值满足的范围为20~30 mm，本具体实施方式中A的取值为20 mm；所述直梁a2-3-1-1与L型梁2-3-1-2的相对偏角为θ，θ的取值满足的范围为5~20°，本具体实施方式中θ的取值为10°。所述直梁b2-3-1-3具有长度值B，B与A的比值为K=B/A，K的取值满足的范围为1~1.5，本具体实施方式中K的取值为1.25。所述弧形铰链Ⅰ2-3-1-5具有圆角半径值R1，R1的取值满足的范围为1~3 mm，本具体实施方式中R1的取值为3 mm；所述弧形铰链Ⅱ2-3-1-6具有圆角半径值R2，R2与R1的比值为M=R2/R1，M的取值满足的范围为0.2~1，本具体实施方式中M的取值为0.5。所述弧形铰链Ⅲ2-3-1-7具有圆角半径值R3，R3与R1的比值为N=R3/R1，N的取值满足的范围为0.2~1，本具体实施方式中N的取值为0.5。
所述的全桥整流电路由二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9和电容C1组成。当增流气体从锥形出气端1-2流出后，激励扭转式发电机组件2，在正压电效应的作用下会产生正负交替周期性变化的电信号，将产生的电信号通过导线连接到全桥整流电路的输入端。当产生正向电信号时，二极管D6和二极管D9导通构成闭合回路，电能可存储于电容C1中；当产生负向电信号时，二极管D7和二极管D8导通构成闭合回路，且整流后的电信号流向与二极管D6、二极管D9闭合回路电信号流向相同，因此电能仍存储于电容C1中。经过整流存储后的电能可经由C1流出到输出端物联网节点进行供电。所述二极管（D6~D9）可以是NI5408整流二极管，所述电容C1的电容量范围为100~1000μF。
工作原理：利用压电材料的正压电效应可以将气体的冲击能量转化为电能，本发明所设计的物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置可在小流量高压气体的作用下诱导外界空气进行定向流动，基于管径与气体间粘性作用力的影响，可将诱导后的外界空气进行增速，在气体增速后从锥形出气端流出并激励与阶梯式微孔隙增流装置相连接的扭转式发电机组件进行电能的转化。本发明的技术优势在于阶梯式微孔隙增流装置能够二次加速将高压气体以极快的速度喷出，快速流动的气体会造成装置内的局部低压，因外界气压大于装置内部气压，为平衡压差会有大量的空气被吸进阶梯式微孔隙增流装置，以此达到增流效果。扭转式发电机的技术优势在于其采用盘型阵列式结构，可以在较小的空间上布置尽可能多的压电元件，通过各个梁的扭转促使压电元件产生形变，更加高效的俘获气体中的压力能。其设计的铰链结构可以降低发电机的扭转刚度，增大压电元件的形变量使其发电量达到最大。
综合以上所述内容，本发明设计的物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置，并对放大流量的气体进行压电能量收集，可显著提高压电发电装置的功率，提升俘能效率3倍以上。通过全桥整流电路可以持续有效的为物联网节点供能，对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。
Claims (9)
1.一种物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置，其特征在于该物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置由阶梯式微孔隙增流装置（1）、扭转式发电机组件（2）和紧定螺钉（3）组成，所述阶梯式微孔隙增流装置（1）和扭转式发电机组件（2）通过紧定螺钉（3）紧固连接；所述阶梯式微孔隙增流装置（1）设置有圆锥式吸气端（1-1）、锥形出气端（1-2）、增流端螺纹连接孔（1-3）、供气孔（1-4）、一级微型射流孔（1-5）、二级微型射流孔（1-6）和挡环（1-7）；所述扭转式发电机组件（2）由安装架（2-1）、风扇（2-2）、压电发电组件（2-3）和固定销（2-4）组成，安装架（2-1）与阶梯式微孔隙增流装置（1）通过紧定螺钉（3）进行螺纹连接，风扇（2-2）和压电发电组件（2-3）通过固定销（2-4）进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置，其特征在于圆锥式吸气端（1-1）位于阶梯式微孔隙增流装置（1）的吸气端，锥形出气端（1-2）位于阶梯式微孔隙增流装置（1）的出气端，所述增流端螺纹连接孔（1-3）靠近锥形出气端（1-2），所述增流端螺纹连接孔（1-3）与紧定螺钉（3）螺纹连接，所述一级微型射流孔（1-5）和二级微型射流孔（1-6）位于阶梯式微孔隙增流装置（1）的中部，一级微型射流孔（1-5）和二级微型射流孔（1-6）之间设置有挡环（1-7），挡环（1-7）可阻隔一级微型射流孔（1-5）和二级微型射流孔（1-6），所述供气孔（1-4）靠近二级微型射流孔（1-6）。
3.根据权利要求1所述的一种物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置，其特征在于安装架（2-1）设置有发电机进气端（2-1-1），混合气体经由发电机进气端（2-1-1）进入扭转式发电机组件（2）作用在风扇（2-2）上，所述安装架（2-1）设置有安装架螺纹孔（2-1-2），紧定螺钉（3）与安装架螺纹孔（2-1-2）螺纹连接，所述安装架（2-1）设置有压电发电组件安装孔（2-1-3），压电发电组件（2-3）通过压电发电组件安装孔（2-1-3）与安装架（2-1）紧固连接，所述安装架（2-1）设置有排气孔（2-1-4），混合气体经由排气孔（2-1-4）排出扭转式发电机组件（2）。
4.根据权利要求1所述的一种物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置，其特征在于所述风扇（2-2）设置有风扇外螺纹（2-2-1），风扇（2-2）通过风扇外螺纹（2-2-1）与压电发电组件（2-3）螺纹连接，所述风扇（2-2）设置有固定销安装孔a（2-2-2），固定销（2-4）与固定销安装孔a（2-2-2）配合连接。
5.根据权利要求1所述的一种物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置，其特征在于所述压电发电组件（2-3）设置有弹性基板（2-3-1）、压电元件（2-3-2），压电元件（2-3-2）和弹性基板（2-3-1）粘接，所述压电发电组件（2-3）设置有固定销安装孔b（2-3-3），固定销（2-4）与固定销安装孔b（2-3-3）配合连接，所述压电发电组件（2-3）设置有压电发电组件内螺纹（2-3-4），风扇外螺纹（2-2-1）与压电发电组件内螺纹（2-3-4）螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的一种物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置，其特征在于弹性基板（2-3-1）设置有直梁a（2-3-1-1）、L型梁（2-3-1-2）和直梁b（2-3-1-3），所述弹性基板（2-3-1）设置有固定凸块（2-3-1-4），固定凸块（2-3-1-4）与压电发电组件安装孔（2-1-3）紧固连接，所述弹性基板（2-3-1）设置有弧形铰链Ⅰ（2-3-1-5）、弧形铰链Ⅱ（2-3-1-6）和弧形铰链Ⅲ（2-3-1-7），用于降低弹性基板（2-3-1）的扭转刚度。
7.根据权利要求1所述的一种物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置，其特征在于圆锥式吸气端（1-1）的最大直径为D1，D1的取值满足的范围为60~80 mm，所述圆锥式吸气端（1-1）的锥角为θ，θ的取值满足的范围为0~60°；所述锥形出气端（1-2）的最小直径为D2，D2与D1的比值为G=D2/D1，G的取值满足的范围为0.4~0.8；所述锥形出气端（1-2）的锥角为α，α的取值满足的范围为0~20°；所述供气孔（1-4）中心与圆锥式吸气端（1-1）的直线距离为L1，L1的取值满足的范围为10~25 mm；所述供气孔（1-4）中心与锥形出气端（1-2）直线距离为L2，L1与L2的比值为J=L1/L2，J的取值满足的范围为0.2~0.5；所述一级微型射流孔（1-5）的孔径为D4，D4的取值满足的范围是40~60 mm；所述二级微型射流孔（1-6）孔径为D5，D5 与L3的比值为X=D5/L3，X的取值满足的范围为2~5。
8. 根据权利要求1所述的一种物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置，其特征在于直梁a（2-3-1-1）具有长度值A，A的取值满足的范围为20~30 mm，直梁a（2-3-1-1）与L型梁（2-3-1-2）的相对偏角为θ，θ的取值满足的范围为5~20°，直梁b （2-3-1-3）具有长度值B，B与A的比值为K=B/A，K的取值满足的范围为1~1.5，弧形铰链Ⅰ（2-3-1-5）具有圆角半径值R1，R1的取值满足的范围为1~3 mm，弧形铰链Ⅱ（2-3-1-6）具有圆角半径值R2，R2与R1的比值为M=R2/R1，M的取值满足的范围为0.2~1，弧形铰链Ⅲ（2-3-1-7）具有圆角半径值R3，R3与R1的比值为N=R3/R1，N的取值满足的范围为0.2~1。
9.根据权利要求1所述的一种物联网节点供能的双射流口射流激励的扭转式压电发电装置，其特征在于所述的压电发电组件（2-3）中的压电元件（2-3-2）可选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。
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