CN106329993A - 面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置，以解决当前用于转化工业环境中气体能量的能量俘获装置存在的能量转化效率低的问题。本发明由多孔增流型射流器、保压增速激励式发电机组件和紧定螺钉三部分组成，其中多孔增流型射流器和保压增速激励式发电机组件通过紧定螺钉紧固连接。所述多孔增流型射流器可对高压小流量气体的流量进行放大，保压增速激励式发电机组件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
本发明涉及一种面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置，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。
利用压电元件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能量俘获装置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
为解决传统能量俘获装置能量转化效率低的问题，本发明公开一种面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置，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：
所述一种面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置，由多孔增流型射流器、保压增速激励式发电机组件和紧定螺钉三部分组成，其中多孔增流型射流器和保压增速激励式发电机组件通过紧定螺钉紧固连接；所述的多孔增流型射流器设置有进气孔、高压气体环形容腔、增流装置螺纹连接孔、锥形引流端、微型射流孔和锥形气流喷射端；所述保压增速激励式发电机组件由固定架、扇形压电发电组件、矩形压电发电组件和扰流板组成，扇形压电发电组件与固定架紧固连接，矩形压电发电组件和固定架紧固连接，扰流板与矩形压电发电组件紧固连接。
所述的多孔增流型射流器中进气孔位于高压气体环形容腔的圆柱表面上，所述增流装置螺纹连接孔与紧定螺钉螺纹连接，所述锥形引流端位于多孔增流型射流器的诱导气体吸入端，所述微型射流孔位于高压气体环形容腔的压缩气体喷射端面，所述微型射流孔紧贴多孔增流型射流器的排气端壁面，所述锥形气流喷射端位于多孔增流型射流器的排气端。
所述保压增速激励式发电机组件中固定架设置有发电机进气端、发电机出气端，发电机进气端和发电机出气端分别位于固定架两侧端面，所述固定架设置有安装孔Ⅰ，扇形压电发电组件通过安装孔Ⅰ安装固定在固定架上，所述固定架设置有安装螺纹孔，安装螺纹孔与紧定螺钉螺纹连接，所述固定架设置有安装孔Ⅱ，矩形压电发电组件通过安装孔Ⅱ安装固定在固定架上；所述扇形压电发电组件设置有扇形弹性基板、压电元件Ⅰ，所述扇形弹性基板与压电元件Ⅰ粘接；所述矩形压电发电组件设置有矩形弹性基板、压电元件Ⅱ，矩形弹性基板与压电元件Ⅱ粘接；所述扰流板设置有安装沉孔，扰流板通过安装沉孔与矩形压电发电组件固定连接，所述扰流板设置有内弧面、外弧面。
本发明的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所发明的多孔增流型射流器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气流喷射端喷出，激励出口处保压增速激励式发电机组件，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，提高能量俘获装置的能量转化效率。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面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置的结构示意图；
图2所示为本发明提出的多孔增流型射流器结构示意图；
图3所示为本发明提出的锥形引流端剖视图；
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锥形气流喷射端剖视图；
图6所示为本发明提出的保压增速激励式发电机组件结构示意图；
图7所示为本发明提出的固定架结构示意图；
图8所示为本发明提出的扇形压电发电组件结构示意图；
图9所示为本发明提出的矩形压电发电组件结构示意图；
图10所示为本发明提出的扰流板结构示意图；
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
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面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置的具体实施方案。所述一种面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置由多孔增流型射流器1、保压增速激励式发电机组件2和紧定螺钉3组成，其中多孔增流型射流器1和保压增速激励式发电机组件2通过紧定螺钉3紧固连接。
所述的多孔增流型射流器1设置有进气孔1-1、高压气体环形容腔1-2，所述的进气孔1-1位于高压气体环形容腔1-2的圆柱表面上，压缩气体通过进气孔1-1进入高压气体环形容腔1-2；所述多孔增流型射流器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；所述多孔增流型射流器1设置有锥形引流端1-4，所述锥形引流端1-4位于多孔增流型射流器1的诱导气体吸入端，诱导气体由锥形引流端1-4进入多孔增流型射流器1；所述多孔增流型射流器1设置有微型射流孔1-5，所述微型射流孔1-5位于高压气体环形容腔1-2的压缩气体喷射端面，所述微型射流孔1-5紧贴多孔增流型射流器1的排气端壁面，压缩气体经由微型射流孔1-5喷出高压气体环形容腔1-2；所述多孔增流型射流器1设置有锥形气流喷射端1-6，混合气体经由锥形气流喷射端1-6喷出多孔增流型射流器1。
所述保压增速激励式发电机组件2为面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置的电能产生装置。所述保压增速激励式发电机组件2由固定架2-1，扇形压电发电组件2-2，矩形压电发电组件2-3和扰流板2-4组成。扇形压电发电组件2-2与固定架2-1紧固连接，矩形压电发电组件2-3和固定架2-1紧固连接，扰流板2-4与矩形压电发电组件2-3紧固连接。所述固定架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进入保压增速激励式发电机组件2；所述固定架2-1设置有安装孔Ⅰ2-1-2，扇形压电发电组件2-2通过安装孔Ⅰ2-1-2安装固定在固定架2-1上；所述固定架2-1设置有安装螺纹孔2-1-3，安装螺纹孔2-1-3与紧定螺钉3螺纹连接；所述固定架2-1设置有安装孔Ⅱ2-1-4，矩形压电发电组件2-3通过安装孔Ⅱ2-1-4安装固定在固定架2-1上；所述固定架2-1设置有发电机出气端2-1-5，混合气体经发电机出气端2-1-5排出固定架2-1。所述扇形压电发电组件2-2设置有扇形弹性基板2-2-1、压电元件Ⅰ2-2-2，所述扇形弹性基板2-2-1与压电元件Ⅰ2-2-2粘接，本具体实施方式中采用环氧树脂胶粘接，压电元件Ⅰ2-2-2选用美国精量电子(深圳)有限公司生产的PZT压电陶瓷片。所述矩形压电发电组件2-3设置有矩形弹性基板2-3-1、压电元件Ⅱ2-3-2，矩形弹性基板2-3-1与压电元件Ⅱ2-3-2粘接，本具体实施方式中采用环氧树脂胶粘接，压电元件Ⅱ2-3-2选用美国精量电子(深圳)有限公司生产的PZT压电陶瓷片。所述扰流板2-4设置有安装沉孔2-4-1，扰流板2-4通过安装沉孔2-4-1与矩形压电发电组件2-3固定连接；所述扰流板2-4设置有内弧面2-4-2、外弧面2-4-3，用于阻挡混合气体，促使矩形压电发电组件2-3偏转。通过能量管理电路对产生的电能进行整流与管理，可以直接为物联网节点等低功耗器件供能。
所述的多孔增流型射流器1，其特征在于进气孔1-1的直径D3与锥形引流端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与锥形气流喷射端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中心与锥形引流端1-4的直线距离L1和进气孔1-1中心与锥形气流喷射端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；多孔增流型射流器1中的锥形引流端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°；锥形气流喷射端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。
所述扇形压电发电组件2-2沿周向圆形阵列布置，所述4n个扇形压电发电组件2-2共同组成圆形，n的取值为大于或等于1的整数，本具体实施方式中n的取值为1。所述扇形压电发电组件2-2设置有扇形弹性基板2-2-1和压电元件Ⅰ2-2-2，所述扇形弹性基板2-2-1具有半径值R，R的取值满足的范围为35~45 mm，本具体实施方式中R的取值为40 mm；所述压电元件Ⅰ2-2-2具有长度值a，a的取值与R的取值的比值为M=a/R，M的取值满足的范围为0.3~0.7，本具体实施方式中M的取值为0.3；所述压电元件Ⅰ2-2-2具有宽度值b，b的取值与a的取值的比值为N=b/a，N的取值满足的范围为0.2~0.4，本具体实施方式中N的取值为0.2。所述扰流板2-4设置有内弧面2-4-2和外弧面2-4-3，所述内弧面2-4-2具有圆角半径值R1，R1的取值满足的范围为5~10 mm，本具体实施方式中R1的取值为6 mm；所述外弧面2-4-3具有圆角半径值R2，R2与R1的比值为K=R2/R1，K的取值满足的范围为1~2.5，本具体实施方式中K的取值为1.5。
所述的能量管理电路由二极管（D6~D9）和电容C1组成。当混合气体从锥形气流喷射端1-6流出后，激励扇形压电发电组件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：利用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，本发明所设计的面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获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，在气体增速后从锥形气流喷射端流出并激励与多孔增流型射流器相连接的保压增速激励式发电机组件组件进行电能的转化。本发明的技术优势在于多孔增流型射流器具有多个微型射流孔，微型射流孔可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多孔增流型射流器，以此达到增流效果。本发明所设计的面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置的技术优势在于轴向布置两层压电发电组件，利用前一级压电发电组件具有的结构刚性，增大冲击气流的能量，突然释放作用在后一级压电发电组件上，增大压电发电组件的形变量，提高电能产生效率。
综合以上所述内容，本发明设计的面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置，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。本发明设计的面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置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)
1.一种面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置，其特征在于该面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置由多孔增流型射流器（1）、保压增速激励式发电机组件（2）和紧定螺钉（3）组成，其中多孔增流型射流器（1）和保压增速激励式发电机组件（2）通过紧定螺钉（3）紧固连接；所述的多孔增流型射流器（1）设置有进气孔（1-1）、高压气体环形容腔（1-2）、增流装置螺纹连接孔（1-3）、锥形引流端（1-4）、微型射流孔（1-5）和锥形气流喷射端（1-6）；所述保压增速激励式发电机组件（2）由固定架（2-1）、扇形压电发电组件（2-2）、矩形压电发电组件（2-3）和扰流板（2-4）组成，扇形压电发电组件（2-2）与固定架（2-1）紧固连接，矩形压电发电组件（2-3）和固定架（2-1）紧固连接，扰流板（2-4）与矩形压电发电组件（2-3）紧固连接。
2.根据权利要求1所述的一种面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置，其特征在于所述的多孔增流型射流器（1）中进气孔（1-1）位于高压气体环形容腔（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，所述锥形引流端（1-4）位于多孔增流型射流器（1）的端面，所述微型射流孔（1-5）位于高压气体环形容腔（1-2）的压缩气体喷射端面，所述微型射流孔（1-5）紧贴多孔增流型射流器（1）的排气端壁面，所述锥形气流喷射端（1-6）位于多孔增流型射流器（1）的排气端。
3.根据权利要求1所述的一种面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置，其特征在于所述保压增速激励式发电机组件（2）中固定架（2-1）设置有发电机进气端（2-1-1）、发电机出气端（2-1-5），发电机进气端（2-1-1）和发电机出气端（2-1-5）分别位于固定架（2-1）两侧端面，所述固定架（2-1）设置有安装孔Ⅰ（2-1-2），扇形压电发电组件（2-2）通过安装孔Ⅰ（2-1-2）安装固定在固定架（2-1）上，所述固定架（2-1）设置有安装螺纹孔（2-1-3），安装螺纹孔（2-1-3）与紧定螺钉（3）螺纹连接，所述固定架（2-1）设置有安装孔Ⅱ（2-1-4），矩形压电发电组件（2-3）通过安装孔Ⅱ（2-1-4）安装固定在固定架（2-1）上；所述扇形压电发电组件（2-2）设置有扇形弹性基板（2-2-1）、压电元件Ⅰ（2-2-2），所述扇形弹性基板（2-2-1）与压电元件Ⅰ（2-2-2）粘接；所述矩形压电发电组件（2-3）设置有矩形弹性基板（2-3-1）、压电元件Ⅱ（2-3-2），矩形弹性基板（2-3-1）与压电元件Ⅱ（2-3-2）粘接；所述扰流板（2-4）设置有安装沉孔（2-4-1），扰流板（2-4）通过安装沉孔（2-4-1）与矩形压电发电组件（2-3）固定连接，所述扰流板（2-4）设置有内弧面（2-4-2）、外弧面（2-4-3）。
4.根据权利要求1所述的一种面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置，其特征在于所述多孔增流型射流器（1）中进气孔（1-1）的直径为D3；所述锥形引流端（1-4）的最大直径为D1，所述锥形引流端（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；所述锥形气流喷射端（1-6）的最小直径D2，所述锥形气流喷射端（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）中心与锥形引流端（1-4）端面的直线距离为L1，所述进气孔（1-1）中心与锥形气流喷射端（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所述的一种面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置，其特征在于所述的扇形压电发电组件（2-2）中扇形弹性基板（2-2-1）具有半径值R，R的取值满足的范围为35~45 mm，所述压电元件Ⅰ（2-2-2）具有长度值a，a的取值与R的取值的比值为M=a/R，M的取值满足的范围为0.3~0.7，所述压电元件Ⅰ（2-2-2）具有宽度值b，b的取值与a的取值的比值为N=b/a，N的取值满足的范围为0.2~0.4；所述扰流板（2-4）设置有内弧面（2-4-2）和外弧面（2-4-3），所述内弧面（2-4-2）具有圆角半径值R1，R1的取值满足的范围为5~10 mm，所述外弧面（2-4-3）具有圆角半径值R2，R2与R1的比值为K=R2/R1，K的取值满足的范围为1~2.5。
6.根据权利要求1所述的一种面向低功耗传感器供能的保压增速激励式能量俘获装置，其特征在于所述压电元件Ⅰ（2-2-2）和压电元件Ⅱ（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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