CN106329994A - 环形微孔增流式菱形压电俘能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置，以解决当前用于转化工业环境中气体能量的压电俘能装置存在的能量转化效率低的问题。本发明包括微孔增流器和菱形压电俘能装置两部分组成，其中微孔增流器与菱形压电俘能装置通过紧定螺钉紧固连接。所述微孔增流器可对高压小流量气体的流量进行放大，菱形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。通过能量管理电路对产生的电能进行整流，可以持续有效的为低功耗电子设备供能。在低功耗电子设备、物联网节点以及低功耗传感器供能领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置，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。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
为解决传统压电俘能装置能量转化效率低的问题，本发明公开一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置，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：
所述一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置由微孔增流器和菱形压电俘能装置两部分组成，其中微孔增流器与菱形压电俘能装置通过紧定螺钉紧固连接。所述的微孔增流器包括进气孔、环形高压容气腔、增流装置螺纹连接孔、锥形吸气端、微型射流孔和锥形气流喷射端；所述的菱形压电俘能装置包括圆形受风板、发电端固定架和菱形压电发电组件。
所述的微孔增流器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，所述锥形吸气端位于微孔增流器的诱导气体吸入端，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微孔增流器的排气端壁面，所述锥形气流喷射端位于微孔增流器的排气端。
所述的菱形压电俘能装置中圆形受风板设置有加压端连接孔，菱形压电发电组件通过加压端连接孔与圆形受风板固接，所述圆形受风板设置有导向圆柱，圆形受风板通过导向圆柱在发电端固定架中滑动；所述发电端固定架设置有螺纹连接孔，紧定螺钉与螺纹连接孔螺纹连接，所述发电端固定架设置有发电机排气孔，发电机排气孔沿周向阵列布置，所述发电端固定架设置有受压端连接孔，菱形压电俘能装置通过受压端连接孔与发电端固定架固接，所述发电端固定架设置有圆形凹槽，圆形凹槽位于发电端固定架中心轴线上；所述菱形压电发电组件设置有发电基板、压电发电元件，发电基板与压电发电元件粘接。
本发明的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所发明的微孔增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，激励出口处菱形压电俘能装置，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一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置的结构示意图；
图2所示为本发明提出的微孔增流器剖视图；
图3所示为本发明提出的锥形吸气端剖视图；
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菱形压电俘能装置结构示意图；
图7所示为本发明提出的圆形受风板剖视图；
图8所示为本发明提出的发电端固定架剖视图；
图9所示为本发明提出的菱形压电发电组件结构示意图；
图10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10说明本实施方式。本实施方式提供了一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置的具体实施方案。所述一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置由微孔增流器1和菱形压电俘能装置2两部分组成，其中微孔增流器1与菱形压电俘能装置2通过紧定螺钉3紧固连接。
所述的微孔增流器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；所述微孔增流器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；所述微孔增流器1设置有锥形吸气端1-4，所述锥形吸气端1-4位于微孔增流器1的诱导气体吸入端，诱导气体由锥形吸气端1-4进入微孔增流器1；所述微孔增流器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紧贴微孔增流器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；所述微孔增流器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喷出微孔增流器1。
所述的菱形压电俘能装置2包括圆形受风板2-1、发电端固定架2-2和菱形压电发电组件2-3。所述圆形受风板2-1设置有加压端连接孔2-1-1，菱形压电发电组件2-3通过加压端连接孔2-1-1与圆形受风板2-1固接，本具体实施方式中采用环氧树脂胶粘接的方式进行固接，所述圆形受风板2-1设置有导向圆柱2-1-2，圆形受风板2-1通过导向圆柱2-1-2在发电端固定架2-2中滑动，压缩菱形压电发电组件2-3产生形变，实现混合气体能量的俘获。通过能量管理电路对产生的电能进行整流与管理，可以直接为物联网节点等低功耗器件供能。所述发电端固定架2-2设置有螺纹连接孔2-2-1，紧定螺钉3与螺纹连接孔2-2-1螺纹连接，所述发电端固定架2-2设置有发电机排气孔2-2-2，发电机排气孔2-2-2沿周向阵列布置，混合气体经由发电机排气孔2-2-2排出菱形压电俘能装置2，所述发电端固定架2-2设置有受压端连接孔2-2-3，菱形压电俘能装置2通过受压端连接孔2-2-3与发电端固定架2-2固接，本具体实施方式中采用环氧树脂胶粘接的方式进行固接，所述发电端固定架2-2设置有圆形凹槽2-2-4，圆形凹槽2-2-4位于发电端固定架2-2中心轴线上，导向圆柱2-1-2可以在圆形凹槽2-2-4中滑动。所述菱形压电发电组件2-3设置有发电基板2-3-1、压电发电元件2-3-2，发电基板2-3-1与压电发电元件2-3-2粘接，本具体实施方式中采用环氧树脂胶粘接，压电发电元件2-3-2选用美国精量电子(深圳)有限公司生产的PZT压电陶瓷片。
所述的微孔增流器1，其特征在于进气孔1-1的直径D3与锥形吸气端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中心与锥形吸气端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；微孔增流器1中的锥形吸气端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。
所述的菱形压电俘能装置2中圆形受风板2-1的圆周直径为D5，其与锥形气流喷射端1-6的最小直径D2的比值为K=D5/D2，K的取值满足的范围为0.5~0.9，本具体实施方式中K的取值为0.6，所述的导向圆柱2-1-2具有长度值M，M的取值满足的范围为25~40 mm，本具体实施方式中M的取值为30 mm；所述的发电端固定架2-2中圆形凹槽2-2-4具有长度值L，L与M的比值为N=L/M，N的取值满足的范围为0.3~0.8，本具体实施方式中N的取值为0.5；所述的菱形压电发电组件2-3中发电基板2-3-1为菱形，利用菱形结构可以将圆形受风板2-1的运动位移进行放大，增大菱形压电发电组件2-3的形变量，提高俘能效率，菱形每条边的长度都为c，长轴长度为a，短轴长度为b，b与a的比值为V=b/a，V的取值满足的范围为0.3~1.7，通过调节V的值可以改变位移放大倍数，本具体实施方式中V的取值为0.3。
所述的能量管理电路由二极管（D6~D9）和电容C1组成。当增流气体从锥形气流喷射端1-6流出后，作用在圆形受风板2-1，压缩菱形压电发电组件2-3产生形变，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，本发明所设计的一种环形微孔增流式菱形压电俘能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微孔增流器相连接的菱形压电俘能装置进行电能的转化。本发明的技术优势在于微孔增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微孔增流器，以此达到增流效果。菱形压电俘能装置的技术优势在于菱形四边形具有不稳定性，在外界扰动力作用下易发生形变，其四个边两两相连又兼具力的传导与力的分解作用，可有效保护压电元件不会因形变过大而造成损坏。因此，菱形压电俘能装置可充分利用微孔增流器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，本发明设计的一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置，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。本发明设计的一种环形微孔增流式菱形压电俘能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)
1.一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置，其特征在于该压电俘能装置由微孔增流器（1）和菱形压电俘能装置（2）两部分组成，其中微孔增流器（1）与菱形压电俘能装置（2）通过紧定螺钉（3）紧固连接；所述的微孔增流器（1），包括进气孔（1-1）、环形高压容气腔（1-2）、增流装置螺纹连接孔（1-3）、锥形吸气端（1-4）、微型射流孔（1-5）和锥形气流喷射端（1-6）；所述的菱形压电俘能装置（2）包括圆形受风板（2-1）、发电端固定架（2-2）和菱形压电发电组件（2-3）。
2.根据权利要求1所述的一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置，其特征在于所述的微孔增流器（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，所述锥形吸气端（1-4）位于微孔增流器（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）紧贴微孔增流器（1）的排气端壁面，所述锥形气流喷射端（1-6）位于微孔增流器（1）的排气端。
3.根据权利要求1所述的一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置，其特征在于所述的菱形压电俘能装置（2）中圆形受风板（2-1）设置有加压端连接孔（2-1-1），菱形压电发电组件（2-3）通过加压端连接孔（2-1-1）与圆形受风板（2-1）固接，所述圆形受风板（2-1）设置有导向圆柱（2-1-2），圆形受风板（2-1）通过导向圆柱（2-1-2）在发电端固定架（2-2）中滑动；所述发电端固定架（2-2）设置有螺纹连接孔（2-2-1），紧定螺钉（3）与螺纹连接孔（2-2-1）螺纹连接，所述发电端固定架（2-2）设置有发电机排气孔（2-2-2），发电机排气孔（2-2-2）沿周向阵列布置，所述发电端固定架（2-2）设置有受压端连接孔（2-2-3），菱形压电俘能装置（2）通过受压端连接孔（2-2-3）与发电端固定架（2-2）固接，所述发电端固定架（2-2）设置有圆形凹槽（2-2-4），圆形凹槽（2-2-4）位于发电端固定架（2-2）中心轴线上；所述菱形压电发电组件（2-3）设置有发电基板（2-3-1）、压电发电元件（2-3-2），发电基板（2-3-1）与压电发电元件（2-3-2）粘接。
4.根据权利要求1所述的一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置，其特征在于所述微孔增流器（1）中进气孔（1-1）的直径为D3；所述锥形吸气端（1-4）的最大直径为D1，所述锥形吸气端（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）中心与锥形吸气端（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所述的一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置，其特征在于所述的菱形压电俘能装置（2）中圆形受风板（2-1）的圆周直径为D5，其与锥形气流喷射端（1-6）的最小直径D2的比值为K=D5/D2，K的取值满足的范围为0.5~0.9，所述的导向圆柱（2-1-2）具有长度值M，M的取值满足的范围为25~40 mm；所述的发电端固定架（2-2）中圆形凹槽（2-2-4）具有长度值L，L与M的比值为N=L/M，N的取值满足的范围为0.3~0.8；所述的菱形压电发电组件（2-3）中发电基板（2-3-1）为菱形，每条边的长度都为c，长轴长度为a，短轴长度为b，b与a的比值为V=b/a，V的取值满足的范围为0.3~1.7。
6.根据权利要求1所述的一种环形微孔增流式菱形压电俘能装置，其特征在于所述的菱形压电发电组件（2-3）中压电发电元件（2-3-2）选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。
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