CN106301075B - 气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器 - Google Patents
气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器，以解决当前用于转化工业环境中气体能量的压电俘能器存在的能量转化效率低等问题。本发明由环形孔增流装置、栅格式压电俘能装置和紧定螺钉三部分组成，其中环形孔增流装置与栅格式压电俘能装置通过紧定螺钉进行紧固连接。所述环形孔增流装置可对高压小流量气体的流量进行放大，栅格式压电俘能装置可将气体的压力能转化为电能。本发明可将气体流量进行放大，并对流量放大的气体的压力能进行俘获，显著提升压电俘能器的电能产生效率，可将电能产生效率提高3倍以上，在低功耗电子设备、物联网节点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
本发明涉及一种气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器，属于低功耗电子设备供能技术领域。
背景技术
随着制造装备技术的智能化水平不断提高及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。目前，对物联网节点进行稳定、可靠的持续供电，是保证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有电源直接供电和化学电池供电两种方式。其中，电源直接供电方式导致电磁干扰严重、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。
利用压电元件的正压电效应俘获环境微能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。气体动能是工业生产中大量存在的能量形式，其同样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，结合压电元件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。当前用于俘获工业环境中气体能量的压电俘能器存在能量转化效率低的问题，制约了其在低功耗传感器等低功耗电子器件供能技术领域的应用。
发明内容
为解决传统压电俘能器能量转化效率低的问题，本发明公开一种气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器，为低功耗传感器等低功耗电子器件提供一种可持续工作、能量转化效率高的供能装置。
本发明所采用的技术方案是：
所述的一种气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器由环形孔增流装置、栅格式压电俘能装置和紧定螺钉三部分组成，其中环形孔增流装置与栅格式压电俘能装置通过紧定螺钉进行紧固连接。所述的环形孔增流装置设置有进气孔、环形高压容气腔、增流装置螺纹连接孔、引流口、微型射流孔和气流喷射口。所述的栅格式压电俘能装置包括发电固定支座和压电发电组件。
所述的环形孔增流装置中进气孔位于环形高压容气腔的圆柱表面上，所述增流装置螺纹连接孔与紧定螺钉螺纹连接，所述引流口位于环形孔增流装置的诱导气体吸入端，所述微型射流孔位于环形高压容气腔的压缩气体喷射端面，所述微型射流孔紧贴环形孔增流装置的排气端壁面，所述气流喷射口位于环形孔增流装置的排气端。
所述栅格式压电俘能装置中发电固定支座设置有发电端螺纹连接孔，紧定螺钉与发电端螺纹连接孔螺纹连接，所述的发电固定支座设置有发电组件固定槽，用于安装固定压电发电组件，所述的发电固定支座设置有发电端进气口，发电端进气口位于发电固定支座端部，所述的发电固定支座设置有排气孔，排气孔阵列布置于发电固定支座侧面；所述压电发电组件由压电元件固定板和压电发电元件组成；所述压电元件固定板设置有压电元件固定槽，压电发电元件通过压电元件固定槽和压电元件固定板紧固连接，所述压电元件固定板设置有激振栅格，激振栅格沿轴向阵列布置。
本发明的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所发明的环形孔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气流喷射口喷出，激励出口处栅格式压电俘能装置，使内部压电发电组件产生弯曲形变，利用正压电效应实现电能转化，以达到利用放大气流进行能量收集转化的效果，提高压电俘能器的能量转化效率。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，电能产生效率提高3倍以上，在低功耗传感器等低功耗电子器件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气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器的结构示意图；
图2所示为本发明提出的环形孔增流装置剖视图；
图3所示为本发明提出的引流口剖视图；
图4所示为本发明提出的微型射流孔结构剖视图；
图5所示为本发明提出的气流喷射口剖视图；
图6所示为本发明提出的栅格式压电俘能装置结构示意图；
图7所示为本发明提出的发电固定支座结构剖视图；
图8所示为本发明提出的发电固定支座左视图；
图9所示为本发明提出的压电发电组件结构示意图；
图10所示为本发明提出的压电元件固定板剖视图；
图11所示为本发明提出的能量管理电路原理图。
具体实施方式
结合图1~图11说明本实施方式。本实施方式提供了一种气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器的具体实施方案。所述气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器由环形孔增流装置1、栅格式压电俘能装置2和紧定螺钉3三部分组成，其中环形孔增流装置1与栅格式压电俘能装置2通过紧定螺钉3进行紧固连接。
所述的环形孔增流装置1设置有进气孔1-1、环形高压容气腔1-2，所述的进气孔1-1位于环形高压容气腔1-2的圆柱表面上，压缩气体通过进气孔1-1进入环形高压容气腔1-2；所述环形孔增流装置1设置有增流装置螺纹连接孔1-3，紧定螺钉3与增流装置螺纹连接孔1-3螺纹连接；所述环形孔增流装置1设置有引流口1-4，所述引流口1-4位于环形孔增流装置1的诱导气体吸入端，诱导气体由引流口1-4进入环形孔增流装置1；所述环形孔增流装置1设置有微型射流孔1-5，所述微型射流孔1-5位于环形高压容气腔1-2的压缩气体喷射端面，所述微型射流孔1-5紧贴环形孔增流装置1的排气端壁面，压缩气体经由微型射流孔1-5喷出环形高压容气腔1-2；所述环形孔增流装置1设置有气流喷射口1-6，混合气体经由气流喷射口1-6喷出环形孔增流装置1。
所述栅格式压电俘能装置2中发电固定支座2-1设置有发电端螺纹连接孔2-1-1，紧定螺钉3与发电端螺纹连接孔2-1-1螺纹连接，所述的发电固定支座2-1设置有发电组件固定槽2-1-2，用于安装固定压电发电组件2-2，所述的发电固定支座2-1设置有发电端进气口2-1-3，发电端进气口2-1-3位于发电固定支座2-1端部，混合气体经由发电端进气口2-1-3进入栅格式压电俘能装置2，作用在压电发电元件2-2-2上，使压电发电元件2-2-2产生形变，实现混合气体的能量俘获，通过能量管理电路对产生的电能进行整流与管理，可以直接为气动系统中低功耗器件供能。所述的发电固定支座2-1设置有排气孔2-1-4，排气孔2-1-4阵列布置于发电固定支座2-1侧面，混合气体经由排气孔2-1-4排出栅格式压电俘能装置2；所述压电发电组件2-2由压电元件固定板2-2-1和压电发电元件2-2-2组成；所述压电元件固定板2-2-1设置有压电元件固定槽2-2-1-1，压电发电元件2-2-2通过压电元件固定槽2-2-1-1和压电元件固定板2-2-1紧固连接，本具体实施方式中采用环氧树脂胶粘接固定，所述压电元件固定板2-2-1设置有激振栅格2-2-1-2，激振栅格2-2-1-2沿轴向阵列布置，压电发电元件2-2-2可在激振栅格2-2-1-2中振动。
所述的环形孔增流装置1，其特征在于进气孔1-1的直径D3与引流口1-4的最大直径D1之间的比值为O=D3/D1，O的取值满足的范围为0.2~0.6，本具体实施方式中O的取值为0.3；进气孔1-1直径D3与气流喷射口1-6的最小直径D2之间的比值为G=D3/D2，G的取值满足的范围为0.2~0.4，本具体实施方式中G的取值为0.2；进气孔1-1中心与引流口1-4的直线距离L1和进气孔1-1中心与气流喷射口1-6直线距离L2之间的比值为F=L1/L2，F的取值满足的范围为0.5~1，本具体实施方式中F的取值为0.6；环形孔增流装置1中的引流口1-4的最大直径为D1，垂直于D1方向的圆锥夹角为θ，θ的取值满足的范围为0~60°，本具体实施方式中θ的取值为30°；气流喷射口1-6的最小直径为D2，垂直于D2方向的锥形夹角为α，α的取值满足的范围为0~20°，本具体实施方式中α的取值为15°；微型射流孔1-5的直径d与进气孔1-1直径D3的比值为J=d/D3，J的取值满足的范围为0.05~0.1，本具体实施方式中J的取值为0.08。
所述压电发电组件2-2中的压电元件固定板2-2-1的宽度W，长度为L，W的取值满足的范围为40~55 mm，本具体实施方式中W的取值为45 mm，W与L的比值为K=W/L，K的取值满足的范围为0.6~0.8，本具体实施方式中K的取值为0.6，所述发电组件固定槽2-1-2的宽度为B，W与B的比值为M=W/B，W的取值满足的范围为0.85~0.95，本具体实施方式中W的取值为0.9；所述压电发电元件2-2-2的宽度为c，激振栅格2-2-1-2的宽度b，c的取值满足的范围为5~10 mm，本具体实施方式中c的取值为5 mm，c与b的比值为N=c/b，N的取值满足的范围为0.7~0.9，本具体实施中N的取值为0.8。所述压电发电组件2-2可布置p层，p≥1，本具体实施方式中p取2，所述压电发电元件2-2-2可沿轴线对称布置m组，轴向阵列布置n个，m、n≥1，本具体实施方式中m取2，n取4，采用多组阵列的形式可提高电能产生效率。所述压电发电元件2-2-2可选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF，本具体实施方式中选用美国精量电子(深圳)有限公司生产的柔性强韧性压电材料PVDF。
所述的能量管理电路由二极管（D6~D9）和电容C1组成。当混合气体从气流喷射口1-6流出后，激励压电发电元件2-2-2，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流出到输出端低功耗器件进行供电。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100~1000 μF。
工作原理：压电元件的正压电效应可以将气体的冲击能量转化为电能，本发明所设计的气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器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，基于管径内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，在气体增速后从气流喷射口流出并激励与环形孔增流装置相连接的栅格式压电俘能装置进行电能的转化。本发明的技术优势在于环形孔增流装置具有多个微型射流孔，微型射流孔可将高压气体以极快的形式喷出，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吸进环形孔增流装置，以此达到增流效果。栅格式压电俘能装置的技术优势在于压电发电元件与激振栅格之间留有微小空隙，在高速气体通过空隙时会引发振动，压电元件在振动的影响下进行气体能量向电能的转化。因此，栅格式压电俘能装置可充分利用环形孔增流装置所增加的气体流量进行气体能量向电能的转化。
综合以上所述内容，本发明设计的气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器，可将冲击作用的气体的流量放大，并利用增流增速后的混合气体冲击作用于压电元件上，实现电能的转化，提高电能转化效率。本发明设计的气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器可将电能转化效率提高3倍以上，对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。
Claims (6)
1.一种气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器，其特征在于该压电俘能器由环形孔增流装置（1）、栅格式压电俘能装置（2）和紧定螺钉（3）三部分组成，其中环形孔增流装置（1）与栅格式压电俘能装置（2）通过紧定螺钉（3）进行紧固连接；所述的环形孔增流装置（1）设置有进气孔（1-1）、环形高压容气腔（1-2）、增流装置螺纹连接孔（1-3）、引流口（1-4）、微型射流孔（1-5）和气流喷射口（1-6）；所述的栅格式压电俘能装置（2）包括发电固定支座（2-1）和压电发电组件（2-2）。
2.根据权利要求1所述的一种气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器，其特征在于所述的环形孔增流装置（1）中进气孔（1-1）位于环形高压容气腔（1-2）的圆柱表面上，所述增流装置螺纹连接孔（1-3）与紧定螺钉（3）螺纹连接，所述引流口（1-4）位于环形孔增流装置（1）的端面，所述微型射流孔（1-5）位于环形高压容气腔（1-2）的压缩气体喷射端面，所述微型射流孔（1-5）紧贴环形孔增流装置（1）的排气端壁面，所述气流喷射口（1-6）位于环形孔增流装置（1）的排气端。
3.根据权利要求1所述的一种气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器，其特征在于所述栅格式压电俘能装置（2）中发电固定支座（2-1）设置有发电端螺纹连接孔（2-1-1），紧定螺钉（3）与发电端螺纹连接孔（2-1-1）螺纹连接，所述的发电固定支座（2-1）设置有发电组件固定槽（2-1-2），用于安装固定压电发电组件（2-2），所述的发电固定支座（2-1）设置有发电端进气口（2-1-3），发电端进气口（2-1-3）位于发电固定支座（2-1）端部，所述的发电固定支座（2-1）设置有排气孔（2-1-4），排气孔（2-1-4）阵列布置于发电固定支座（2-1）侧面；所述压电发电组件（2-2）由压电元件固定板（2-2-1）和压电发电元件（2-2-2）组成；所述压电元件固定板（2-2-1）设置有压电元件固定槽（2-2-1-1），压电发电元件（2-2-2）通过压电元件固定槽（2-2-1-1）和压电元件固定板（2-2-1）紧固连接，所述压电元件固定板（2-2-1）设置有激振栅格（2-2-1-2），激振栅格（2-2-1-2）沿压电元件固定板（2-2-1）长度方向阵列布置。
4.根据权利要求1所述的一种气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器，其特征在于所述环形孔增流装置（1）中进气孔（1-1）的直径为D3；所述引流口（1-4）的最大直径为D1，所述引流口（1-4）的锥角为θ，θ的取值满足的范围为0~60°；D3与 D1的比值为O=D3/D1，O的取值满足的范围为0.2~0.6；所述气流喷射口（1-6）的最小直径D2，所述气流喷射口（1-6）的锥角为α，α的取值满足的范围为0~20°； D3与D2的比值为G=D3/D2，G的取值满足的范围为0.2~0.4；所述进气孔（1-1）中心与引流口（1-4）端面的直线距离为L1，所述进气孔（1-1）中心与气流喷射口（1-6）端面的直线距离为L2，L1与L2的比值为F=L1/L2，F的取值满足的范围为0.5~1；所述微型射流孔（1-5）的直径为d，d与 D3的比值为J=d/D3，J的取值满足的范围为0.05~0.1。
5.根据权利要求1所述的一种气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器，其特征在于所述压电发电组件（2-2）中的压电元件固定板（2-2-1）的宽度W，长度为L，W的取值满足的范围为40~55 mm，W与L的比值为K=W/L，K的取值满足的范围为0.6~0.8，所述发电组件固定槽（2-1-2）的宽度为B，W与B的比值为M=W/B，W的取值满足的范围为0.85~0.95；所述压电发电元件（2-2-2）的宽度为c，激振栅格（2-2-1-2）的宽度b，c的取值满足的范围为5~10 mm，c与b的比值为N=c/b，N的取值满足的范围为0.7~0.9。
6.根据权利要求1所述的一种气动系统低功耗器件供能多孔增流激振式压电俘能器，其特征在于所述压电发电组件（2-2）中的压电发电元件（2-2-2）选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。
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