CN109150008A - 一种温差、振动复合型压电俘能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温差、振动复合型压电俘能电池，包括：电池顶盖、上电池外壳、下电池外壳、吸热底座、上弹簧、下弹簧、上压电悬臂梁、下压电悬臂梁、传动杆、碟形热双金属片保持架和碟形热双金属片。其中：所述电池顶盖、上电池外壳、下电池外壳和吸热底座组成了电池壳体部分；所述上弹簧、下弹簧、上压电悬臂梁、下压电悬臂梁、传动杆、碟形热双金属片保持架和碟形热双金属片组成了压电发电部分。当该装置受振动或者吸热底座感受到环境高温时，上、下压电悬臂梁都会发生往复振动，从而提高了能量俘获效率。当该装置布置在微机电设备时，可以满足为微机电设备供电需求，且具有结构简单、环境适应性强、俘能效率高和易于集成等优点。
Description
技术领域
本发明属于压电发电领域，具体涉及一种温差、振动复合型压电俘能电池。
背景技术
近年来，随着微机电设备（MEMS）在无线传感器网络节点、军事武器、航空航天、医疗等领域的应用，微机电设备供电问题引起人们广泛关注。传统化学电池存在电池寿命有限、不易于集成、环境适应性差和有污染等问题，传统线路直接供电并不能应用于特定场合的微机电设备。因此，自供电设备越来越受关注，利用太阳能发电、电磁发电、温差发电、振动发电、风力发电等设备层出不穷，但其各有利弊。其中利用环境振动促使压电发电单元发电的自供电装置由于利于集成、环境适应性强和无电磁干扰等优点成为热门研究方向。然而现有振动俘能装置只能利用环境振动发电，当布置该振动俘能装置的微机电设备不发生振动时，则不能正常发电，因此俘能效率受到限制。
发明内容
为了解决目前利用振动的压电俘能装置只能利用单一环境振动发电的问题，提出了一种温差、振动复合型压电俘能电池。该温差、振动复合型压电俘能电池由电池顶盖、上电池外壳、下电池外壳、吸热底座、上弹簧、下弹簧、上压电悬臂梁、下压电悬臂梁、传动杆、碟形热双金属片保持架和碟形热双金属片构成。当该装置布置到受环境振动的微机电设备中时，上弹簧与下弹簧发生往复变形，带动压电悬臂梁上下振动，压电片产生机械变形发电；当该装置布置到受热的微机电设备或微机电设备处理器本身产生较多热量时，俘能电池的吸热底座会吸收热量，传递到由吸热底座、下电池壳体和碟形热双金属片正中部位组成的密封腔，在密封腔内热空气作用下，碟形热双金属片受热向上变形，带动传动杆向上运动，下压电悬臂梁由受压到被放开则向上运动，上压电悬臂梁受传动杆上端冲击产生往复振动，此时密封腔由于碟形热双金属片受热向上变形，下电池外壳的小圆管口失去碟形热双金属片的阻塞，热空气向上流动冷却，碟形热双金属片经过短暂的冷却时间又向下恢复变形堵住圆管口，这个过程中传动杆释放上压电悬臂梁并冲击下压电悬臂梁，促使压电片产生机械变形发电。该温差、振动复合型压电俘能电池既能利用温差发电、也能利用环境振动发电增加了能量俘获方式，提高了能量俘获效率。当将其布置到适用的微机电设备，可以满足微机电设备用电需求，具有结构简单、环境适应性强、俘能效率高和易于集成等优点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种温差、振动复合型压电俘能电池，包括：电池顶盖、上电池外壳、下电池外壳、吸热底座、上弹簧、下弹簧、上压电悬臂梁、下压电悬臂梁、传动杆、碟形热双金属片保持架，其特征在于还包括碟形热双金属片，其中：所述电池顶盖为薄圆片构件，其下表面正中布置一圆形沉槽，上表面正中布置有电极；所述上电池外壳为带底的圆筒形壳体，圆筒壳底正中布置一通孔；所述下电池外壳由一个小圆管下表面连接一个不带底的大圆柱形壳体组成；所述下电池外壳壳体部分为中空，其内部抽成真空；所述吸热底座为一导热系数较高的薄圆片形构件，其上表面正中布置有一圆形沉槽，下表面正中布置一电极；所述电池顶盖、上电池外壳、下电池外壳、吸热底座依次连接组成电池封闭密封腔体；所述上弹簧和下弹簧均为螺旋弹簧，上弹簧安装在电池顶盖上圆形沉槽中；下弹簧安装在吸热底座上圆形沉槽中；所述上压电悬臂梁由弹性基板、扇形压电片和质量块组成，弹性基板由圆片及圆片外阵列的若干扇形悬臂梁组成，扇形压电片粘贴在扇形悬臂梁上表面；质量块粘贴在扇形悬臂梁外缘上表面；所述上压电悬臂梁上表面连接到上弹簧下端，上弹簧初始处于拉伸状态；所述下压电悬臂梁和上压电悬臂梁为相同构件，其下表面连接到下弹簧上端，下弹簧初始处于压缩状态；所述传动杆为一轴类构件，其下端与下压电悬臂梁上表面接触；所述碟形热双金属片保持架为一圆环状构件，圆环内表面正中布置一周向沉槽；所述碟形热双金属片是由上下层为不同金属材料制成的碟形薄片构件，其中下层的金属材料热膨胀系数远大于上层金属的热膨胀系数；所述碟形热双金属片正中布置有通孔；所述碟形热双金属片中部通孔与传动杆过盈配合安装；所述碟形热双金属片四周安装在碟形热双金属片保持架周向沉槽中；所述碟形热双金属片保持架下表面连接到上电池外壳筒底内表面上，外圆面与电池外壳内圆面接触。
所述碟形热双金属片可以用形状记忆合金制成的碟形薄片代替。
使用时，当该装置布置到受环境振动的微机电设备中时，上弹簧与下弹簧发生往复变形，压电悬臂梁上下振动，压电片产生机械变形发电；当该装置布置到受热的微机电设备或微机电设备本身产生热量时，俘能电池的吸热底座会吸收热量，传递到由吸热底座、下电池壳体和碟形热双金属片正中部位组成的密封腔，在密封腔内热空气作用下，碟形热双金属片受热向上变形，带动传动杆向上运动，下压电悬臂梁由受压到被放开则向上运动，上压电悬臂梁受传动杆上端冲击产生往复振动，此时密封腔由于碟形热双金属片受热向上变形，下电池外壳的小圆管口失去碟形热双金属片的阻塞，热空气向上流动冷却，碟形热双金属片经过短暂的冷却时间又向下恢复变形堵住圆管口，这个过程中传动杆释放上压电悬臂梁并冲击下压电悬臂梁，促使压电片产生机械变形发电。该温差、振动复合型压电俘能电池既能利用温差发电、也能利用环境振动发电增加了能量俘获方式，提高了能量俘获效率。当将其布置到适用的微机电设备，可以满足微机电设备用电需求，具有结构简单、环境适应性强、俘能效率高和易于集成等优点。
附图说明
图1 是本发明的一种温差、振动复合型压电俘能电池安装关系示意图。
图2 是本发明的一种温差、振动复合型压电俘能电池初始状态剖视图。
图3 是本发明的一种温差、振动复合型压电俘能电池受热变形状态剖视图。
具体实施方式
参照图1、图2和图3，本发明一种温差、振动复合型压电俘能电池包括电池顶盖（1）、上电池外壳（2）、下电池外壳（3）、吸热底座（4）、上弹簧（5）、下弹簧（6）、上压电悬臂梁（7）、下压电悬臂梁（8）、传动杆（9）、碟形热双金属片保持架（10），其特征在于还包括碟形热双金属片（11），其中：所述电池顶盖（1）为薄圆片构件，其下表面正中布置一圆形沉槽，上表面正中布置有电极；所述上电池外壳（2）为带底的圆筒形壳体，圆筒壳底正中布置一通孔；所述下电池外壳（3）由一个小圆管下表面连接一个不带底的大圆柱形壳体组成；所述下电池外壳（3）壳体部分为中空，其内部抽成真空；所述吸热底座（4）为一导热系数较高的薄圆片形构件，其上表面正中布置有一圆形沉槽，下表面正中布置一电极；所述电池顶盖（1）、上电池外壳（2）、下电池外壳（3）、吸热底座（4）依次焊接组成电池封闭密封腔体；所述上弹簧（5）和下弹簧（6）均为螺旋弹簧，上弹簧（5）安装在电池顶盖（1）上圆形沉槽中；下弹簧（6）安装在吸热底座（4）上圆形沉槽中；所述上压电悬臂梁（7）由弹性基板（71）、扇形压电片（72）和质量块（73）组成，弹性基板（71）由圆片及圆片外阵列的若干扇形悬臂梁组成，扇形压电片（72）粘贴在扇形悬臂梁上表面；质量块（73）粘贴在扇形悬臂梁外缘上表面；所述上压电悬臂梁（7）上表面焊接到上弹簧（5）下端，上弹簧（5）初始处于拉伸状态；所述下压电悬臂梁（8）和上压电悬臂梁（7）为相同构件，其下表面焊接到下弹簧（6）上端，下弹簧初始处于压缩状态；所述传动杆（9）为一轴类构件，其下端与下压电悬臂梁（8）上表面接触；所述碟形热双金属片保持架（10）为一圆环状构件，圆环内表面正中布置一周向沉槽；所述碟形热双金属片（11）是由上下层为不同金属材料制成的碟形薄片构件，其中下层的金属材料热膨胀系数远大于上层金属的热膨胀系数；所述碟形热双金属片（11）正中布置有通孔；所述碟形热双金属片（11）中部通孔与传动杆（9）过盈配合安装；所述碟形热双金属片（11）四周安装在碟形热双金属片保持架（10）周向沉槽中；所述碟形热双金属片保持架（10）下表面粘接到上电池外壳（2）筒底内表面上，外圆面与电池外壳（2）内圆面接触。
所述碟形热双金属片（11）可以用形状记忆合金制成的碟形薄片代替。
使用时，当该装置布置到受环境振动的微机电设备中时，上弹簧与下弹簧发生往复变形，压电悬臂梁上下振动，压电片产生机械变形发电；当该装置布置到受热的微机电设备或微机电设备本身产生热量时，俘能电池的吸热底座会吸收热量，传递到由吸热底座、下电池壳体和碟形热双金属片正中部位组成的密封腔，在密封腔内热空气作用下，碟形热双金属片受热向上变形，带动传动杆向上运动，下压电悬臂梁由受压到被放开则向上运动，上压电悬臂梁受传动杆上端冲击产生往复振动，此时密封腔由于碟形热双金属片受热向上变形，下电池外壳的小圆管口失去碟形热双金属片的阻塞，热空气向上流动冷却，碟形热双金属片经过短暂的冷却时间又向下恢复变形堵住圆管口，这个过程中传动杆释放上压电悬臂梁并冲击下压电悬臂梁，促使压电片产生机械变形发电。该温差、振动复合型压电俘能电池既能利用温差发电、也能利用环境振动发电增加了能量俘获方式，提高了能量俘获效率。当将其布置到适用的微机电设备，可以满足微机电设备用电需求，具有结构简单、环境适应性强、俘能效率高和易于集成等优点。
Claims (2)
1.一种温差、振动复合型俘能电池，包括：电池顶盖（1）、上电池外壳（2）、下电池外壳（3）、吸热底座（4）、上弹簧（5）、下弹簧（6）、上压电悬臂梁（7）、下压电悬臂梁（8）、传动杆（9）、碟形热双金属片保持架（10），其特征在于还包括碟形热双金属片（11），其中：所述电池顶盖（1）为薄圆片构件，其下表面正中布置一圆形沉槽；所述上电池外壳（2）为带底的圆筒形壳体，圆筒壳底正中布置一通孔；所述下电池外壳（3）由一个小圆管下表面连接一个不带底的大圆柱形壳体组成；所述下电池外壳（3）壳体部分为中空，其内部抽成真空；所述吸热底座（4）为一导热系数较高的薄圆片形构件，其上表面正中布置有一圆形沉槽；所述电池顶盖（1）、上电池外壳（2）、下电池外壳（3）、吸热底座（4）依次连接组成电池封闭密封腔体；所述上弹簧（5）和下弹簧（6）均为螺旋弹簧，上弹簧（5）安装在电池顶盖（1）上圆形沉槽中；下弹簧（6）安装在吸热底座（4）上圆形沉槽中；所述上压电悬臂梁（7）由弹性基板（71）、扇形压电片（72）和质量块（73）组成，弹性基板（71）由圆片及圆片外阵列的若干扇形悬臂梁组成，扇形压电片（72）粘贴在扇形悬臂梁上表面；质量块（73）粘贴在扇形悬臂梁外缘上表面；所述上压电悬臂梁（7）上表面连接到上弹簧（5）下端；所述下压电悬臂梁（8）和上压电悬臂梁（7）为相同构件，其下表面连接到下弹簧（6）上端；所述传动杆（9）为一轴类构件，其下端与下压电悬臂梁（8）上表面接触；所述碟形热双金属片保持架（10）为一圆环状构件，圆环内表面正中布置一周向沉槽；所述碟形热双金属片（11）是由上下层为不同金属材料制成的碟形薄片构件，其中下层的金属材料热膨胀系数远大于上层金属的热膨胀系数；所述碟形热双金属片（11）正中布置有通孔；所述碟形热双金属片（11）中部通孔与传动杆（9）过盈配合安装；所述碟形热双金属片（11）四周安装在碟形热双金属片保持架（10）周向沉槽中；所述碟形热双金属片保持架（10）下表面连接到上电池外壳（2）筒底内表面上，外圆面与电池外壳（2）内圆面接触。
2.根据权利要求1所述的一种温差、振动复合型俘能电池，其特征在于：所述碟形热双金属片（11）可以用形状记忆合金制成的碟形薄片代替。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20190104 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |