CN106357157A - 一种多孔射流谐振式压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔射流谐振式压电俘能器，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的问题。本发明由多孔阵列式增流装置和圆筒阵列式压电发电装置两部分组成，多孔阵列式增流装置与圆筒阵列式压电发电装置通过紧定螺钉紧固连接。所述多孔阵列式增流装置可对高压小流量气体的流量进行放大，圆筒阵列式压电发电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
本发明涉及一种多孔射流谐振式压电俘能器，属于发电和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。
利用压电发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，结合压电发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。当前的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，制约了其在物联网节点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，本发明公开一种多孔射流谐振式压电俘能器，为低功耗电子设备提供一种可持续工作、能量转化效率高的供能用俘能器。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种多孔射流谐振式压电俘能器由多孔阵列式增流装置和圆筒阵列式压电发电装置两部分组成，所述多孔阵列式增流装置与圆筒阵列式压电发电装置通过紧定螺钉紧固连接；所述的多孔阵列式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、锥形吸气端、微型射流孔和锥形气流喷射端；所述圆筒阵列式压电发电装置由发电装置固定支座、压电发电元件、谐振弹簧和扰流圆柱组成。
所述的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多孔阵列式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多孔阵列式增流装置的排气端壁面，所述锥形气流喷射端位于多孔阵列式增流装置的排气端。
所述的圆筒阵列式压电发电装置中发电装置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，所述发电装置固定支座设置有固定槽，压电发电材料与固定槽固接，所述发电装置固定支座设置有发电组件进气口、发电组件排气口，发电组件进气口和发电组件排气口分别位于发电装置固定支座两侧端面；所述压电发电元件端部与固定槽固接；所述谐振弹簧与压电发电元件侧面固接；所述扰流圆柱设置有圆柱固定槽，扰流圆柱通过圆柱固定槽与压电发电元件端部固接。
本发明的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所发明的多孔阵列式增流装置对小流量高压气体进行流量放大，所放大的流量通过锥形气流喷射端喷出，激励出口处圆筒阵列式压电发电装置，使内部压电发电组件产生弯曲形变，以达到利用放大气流进行能量收集与电能的转化效果，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一种多孔射流谐振式压电俘能器的结构示意图；
图2所示为本发明提出的多孔阵列式增流装置剖视图；
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圆筒阵列式压电发电装置结构示意图；
图7所示为本发明提出的圆筒阵列式压电发电装置左视图；
图8所示为本发明提出的发电装置固定支座结构示意图；
图9所示为本发明提出的扰流圆柱结构示意图；
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多孔射流谐振式压电俘能器的具体实施方案。其特征在于所述一种多孔射流谐振式压电俘能器由多孔阵列式增流装置1和圆筒阵列式压电发电装置2两部分组成，所述多孔阵列式增流装置1与圆筒阵列式压电发电装置2通过紧定螺钉3紧固连接。
所述的多孔阵列式增流装置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；所述多孔阵列式增流装置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；所述多孔阵列式增流装置1设置有锥形吸气端1-4，所述锥形吸气端1-4位于多孔阵列式增流装置1的诱导气体吸入端，诱导气体由锥形吸气端1-4进入多孔阵列式增流装置1；所述多孔阵列式增流装置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紧贴多孔阵列式增流装置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；所述多孔阵列式增流装置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喷出多孔阵列式增流装置1。
所述圆筒阵列式压电发电装置2由发电装置固定支座2-1、压电发电元件2-2、谐振弹簧2-3和扰流圆柱2-4组成。所述发电装置固定支座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，所述发电装置固定支座2-1设置有固定槽2-1-2，压电发电元件2-2与固定槽2-1-2固接，所述发电装置固定支座2-1设置有发电组件进气口2-1-3、发电组件排气口2-1-4，发电组件进气口2-1-3和发电组件排气口2-1-4分别位于发电装置固定支座2-1两侧端面，混合气体经由发电组件进气口2-1-3进入圆筒阵列式压电发电装置2，再通过发电组件排气口2-1-4排除圆筒阵列式压电发电装置2。所述压电发电元件2-2端部与固定槽2-1-2固接，所述压电发电元件2-2可选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF，本具体实施方式中压电发电元件2-2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。所述谐振弹簧2-3与压电发电元件2-2侧面固接，本具体实施方式中通过环氧树脂胶粘接的方式实现压电发电元件2-2与谐振弹簧2-3的固接。所述扰流圆柱2-4设置有圆柱固定槽2-4-1，扰流圆柱2-4通过圆柱固定槽2-4-1与压电发电元件2-2端部固接，本具体实施方式中通过环氧树脂胶粘接的方式实现压电发电元件2-2与扰流圆柱2-4的固接。混合气体作用在压电发电元件2-2，使其产生变形实现能量的俘获。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。
所述的多孔阵列式增流装置1中进气孔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端面的直线距离L1和进气孔1-1中心与锥形气流喷射端1-6端面的直线距离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；多孔阵列式增流装置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。
所述发电端螺纹连接孔2-1-1距离发电组件进气口2-1-3的距离为S，S的取值满足的范围为10~20 mm，本具体实施方式中S的取值为15 mm；所述固定槽2-1-2具有宽度b，深度K，b的取值满足的范围为5~10 mm，K的取值满足的范围为1~3 mm，本具体实施方式中b的取值为6 mm，K的取值为2 mm，两个固定槽（2-1-2）轴向中心距离为A，A的取值满足的范围为10~25 mm，本具体实施方式中A的取值为15 mm；所述发电组件进气口（2-1-3）的直径为D4，D4的取值满足的范围为50~60 mm，本具体实施方式中D4的取值为55 mm；发电组件排气口（2-1-4）的边长为D5，D5的取值满足的范围40~50 mm，本具体实施方式中D5的取值为40 mm；所述压电发电元件2-2关于中心线对称布置，沿宽度方向布置n层，n≥3，沿轴向布置m层，m≥5，本具体实施方式中n的取值为3，m的取值为5；所述扰流圆柱（2-4）的长度为h、直径为D，h与D的比值为M=h/D，M的取值满足的范围为1~3，本具体实施方式中M的取值为2，A与D的比值为C=A/D，C的取值满足的范围为2~5，本具体实施方式中C的取值为3；谐振弹簧（2-3）的自然原长为B，B的取值满足B=A-b。
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，激励压电发电元件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：压电发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多孔射流谐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，在气体增速后从锥形气流喷射端流出并激励与多孔阵列式增流装置相连接的圆筒阵列式压电发电装置进行电能的转化。本发明的技术优势在于多孔阵列式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多孔阵列式增流装置，以此达到增流效果。圆筒阵列式压电发电装置的技术优势在于其采用扰流圆柱增强气体冲击所带来的发电效果，气流在扰流圆柱的影响下可进行附壁流动形成涡流，涡流会含有较高的气体能量，当涡流脱落时将能量释放从而使扰流圆柱带动压电发电元件发生较大形变，压电发电元件直接将气体能量转化为电能，同时谐振弹簧与压电片两两相连，此种连接可产生谐振作用使压电发电元件发生多次形变以收集更多的气体动能。因此，圆筒阵列式压电发电装置可充分利用多孔阵列式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，本发明设计的一种多孔射流谐振式压电俘能器，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发电元件上，实现电能的转化，提高电能转化效率。本发明设计的一种多孔射流谐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)
1.一种多孔射流谐振式压电俘能器，其特征在于该压电俘能器由多孔阵列式增流装置（1）和圆筒阵列式压电发电装置（2）两部分组成，所述多孔阵列式增流装置（1）与圆筒阵列式压电发电装置（2）通过紧定螺钉（3）紧固连接；所述的多孔阵列式增流装置（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）、锥形吸气端（1-4）、微型射流孔（1-5）和锥形气流喷射端（1-6）；所述圆筒阵列式压电发电装置（2）由发电装置固定支座（2-1）、压电发电元件（2-2）、谐振弹簧（2-3）和扰流圆柱（2-4）组成。
2.根据权利要求1所述的一种多孔射流谐振式压电俘能器，其特征在于所述的多孔阵列式增流装置（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，所述锥形吸气端（1-4）位于多孔阵列式增流装置（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）紧贴多孔阵列式增流装置（1）的排气端壁面，所述锥形气流喷射端（1-6）位于多孔阵列式增流装置（1）的排气端。
3.根据权利要求1所述的一种多孔射流谐振式压电俘能器，其特征在于所述的圆筒阵列式压电发电装置（2）中发电装置固定支座（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，所述发电装置固定支座（2-1）设置有固定槽（2-1-2），压电发电元件（2-2）与固定槽（2-1-2）固接，所述发电装置固定支座（2-1）设置有发电组件进气口（2-1-3）、发电组件排气口（2-1-4），发电组件进气口（2-1-3）和发电组件排气口（2-1-4）分别位于发电装置固定支座（2-1）两侧端面；所述压电发电元件（2-2）端部与固定槽（2-1-2）固接；所述谐振弹簧（2-3）与压电发电元件（2-2）侧面固接；所述扰流圆柱（2-4）设置有圆柱固定槽（2-4-1），扰流圆柱（2-4）通过圆柱固定槽（2-4-1）与压电发电元件（2-2）端部固接。
4.根据权利要求1所述的一种多孔射流谐振式压电俘能器，其特征在于多孔阵列式增流装置（1）中所述进气孔（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所述的一种多孔射流谐振式压电俘能器，其特征在于所述的发电装置固定支座（2-1）中发电端螺纹连接孔（2-1-1）距离发电组件进气口（2-1-3）的距离为S，S的取值满足的范围为10~20 mm，所述固定槽（2-1-2）具有宽度b，深度K，b的取值满足的范围为5~10 mm，K的取值满足的范围为1~3 mm，两个固定槽（2-1-2）轴向中心距离为A，所述发电组件进气口（2-1-3）的直径为D4，发电组件排气口（2-1-4）的边长为D5；所述扰流圆柱（2-4）的长度为h、直径为D，h与D的比值为M=h/D，M的取值满足的范围为1~3； A与D的比值为C=A/D，C的取值满足的范围为2~5；谐振弹簧（2-3）的自然原长为B，B的取值满足关系式B=A-b。
6.根据权利要求1所述的一种多孔射流谐振式压电俘能器，其特征在于所述的圆筒阵列式压电发电装置（2）中压电发电元件（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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2016
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