CN111064389B - 一种正背压双侧激励的气压能量转换器 - Google Patents

Abstract

一种正背压双侧激励的气压能量转换器，属于微能源收集技术领域。压电基座的环形压电片密封槽及环形端盖密封槽内均放置有密封圈，压电基座的阶梯型孔的台阶端面上设置有压电片，密封盖设置在压电基座的阶梯型孔内，密封盖与压电基座可拆卸固定连接，上端盖设置在压电基座上且二者可拆卸固定连接，上端盖与压电基座之间形成背压腔室，连接基座中的连接基座内螺纹与压电基座外螺纹旋合连接，密封盖的导气孔与压电基座的气体流道相通设置，气体流道内旋合有丝堵，丝堵中心设有节流孔。本发明具有简单的结构，并可将机械能转化为电能的技术优势，在气动系统智能化及微能源收集与转化技术中具有广阔的实际应用前景。

Description

一种正背压双侧激励的气压能量转换器

技术领域

本发明涉及一种正背压双侧激励的气压能量转换器，属于微能源收集技术领域。

背景技术

当前利用光伏、静电、压电等手段收集自然能源转化为电能并存储的研究已渗透到许多领域，例如光伏电池车载充电装置能够通过将光能转化为电能，并存储于蓄电池中以延长电池的续航里程。

压电材料具有能量转换效率高、装置结构简单、不受电磁干扰以及使用寿命长等优势，其具有的正压电效应可有效转化振动、冲击等能量为电能，因此成为微能源收集领域所利用的主要材料之一。同时为了满足气动系统节能、环保、绿色、可持续发展的行业发展需求，气动系统中许多无线传感器功耗已经降低至毫瓦甚至微瓦级水平。因此，利用压电材料对气动系统自身能量进行电能转化，并通过整流电路将电能存储于蓄电池，可成为一种延长蓄电池使用寿命的新方法。

现有无线传感器采用蓄电池供电，而现有技术下蓄电池的能量密度有限，不能够长时间供电，这就带来了无线传感器需要频繁更换的问题。实际情况中，往往需要大量的无线传感器，一方面废弃的电池会污染环境；另一方面为众多传感器更换电池费时费力，造成不必要的人力资源浪费。因此需要一种能量转换装置，可以直接将环境能量转化为电能，为无线传感器供电。本发明将基于此设计一种能量气体能量直接转化为电能的装置。

发明内容

本发明的目的在于设计一种可以将气体能量直接转化为电能的装置，该部分电能可为传感器直接提供能量，使其正常工作，通过正背压的激励提高能量转化效率，设计了一种正背压双侧激励的气压能量转换器。

本发明通过压电材料收集气动系统环境能量转化为电能从而为蓄电池供电，以达到为传感器持续稳定供能的目的。

本发明的技术特点是：传统的压电能量转化方式是在一侧施加压力，压电片会有电能产生。在实验室发现如果在压电片背压侧施加一定的载荷，可使电能输出得到显著的提升，例如直径为25mm的压电陶瓷，在30kPa的背压预载荷下，施加200kPa的正向压力，输出电能是无背压状态下的300％。本发明为实现电能的提升，设计了一种正背压双侧激励的气压能量转换器。该转换器可以实现双侧激励，并且通过调节节流孔开度可实现气体压力能的充分利用，选用不同开度的节流孔进行装配，加工时可分别加工0.2,0.4,0.6,0.8,1.0mm的节流孔，根据需要进行装配，以此调节上下层的压力差。

实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种正背压双侧激励的气压能量转换器，包括上端盖、连接基座、密封盖、压电基座、压电片及丝堵；

所述上端盖上设有上端盖进气螺纹孔和压力测量连接孔；所述连接基座中部上下端贯通，连接基座内壁设有连接基座内螺纹；所述密封盖侧壁上端设有环形外沿一，所述环形外沿一上设有导气孔和密封盖引线槽，所述密封盖引线槽两端通至密封盖的内外侧壁；所述压电基座外形由上至下由大直径圆柱体、中直径圆柱体及小直径圆柱体组成，压电基座上端面设有多个压电基座螺纹连接孔，压电基座设有阶梯型孔，所述阶梯型孔的台阶端面上设有环形压电片密封槽，压电基座上端面位于压电基座螺纹连接孔外侧设有环形端盖密封槽，所述小直径圆柱体外壁设有压电基座外螺纹，压电基座上设有贯通其上下端面的气体流道，所述气体流道下部为螺纹孔，所述中直径圆柱体侧壁上设有贯通其壁厚的背压流道，压电基座上端面设有压电基座引线槽；

所述环形压电片密封槽及环形端盖密封槽内均放置有密封圈，阶梯型孔的台阶端面上设置有压电片，密封盖设置在压电基座的阶梯型孔内并低靠在压电片上，密封盖的环形外沿一设置在压电基座的上端面，密封盖与压电基座可拆卸固定连接，上端盖设置在压电基座上且二者可拆卸固定连接，上端盖与压电片之间形成正压力腔室，所述压电片与压电基座之间形成背压腔室，连接基座中的连接基座内螺纹与压电基座外螺纹旋合连接，所述导气孔与气体流道相通设置，气体流道内旋合有丝堵，丝堵中心设有节流孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

气动系统正常工作情况下，圆形压电片受到高压气体载荷作用而产生机械变形，通过材料本身存在的正压电效应可实现本发明的电能输出。本发明具有简单的结构并可将机械能转化为电能的技术优势，在气动系统智能化及微能源收集与转化技术中具有广阔的实际应用前景，具有背压预载荷压力的结构设计可有效增大发电量，实现能量的充分利用，通过节流孔可使上下两层腔室实现压力差分布，以此来将较高的压力能进行分级充分收集，增大能量收集效率。

附图说明

图1为本发明的正背压双侧激励的气压能量转换器的主剖视图。

图2为压电基座与丝堵装配的主剖视图。

图3为上端盖的主剖视图。

图4为图3的俯视图。

图5为连接基座的主剖视图。

图6为图5的俯视图。

图7为密封盖的主剖视图。

图8为图7的俯视图。

图9为图8的A-A截面的剖视图。

图10为压电基座的主剖视图。

图11为图10的俯视图。

图12为图11的B-B截面的剖视图。

图13为丝堵的主剖视图。

图14为图13的俯视图。

图15为图2的C处局部放大图。

图16为压电片的俯视图。

图17为本发明的正背压双侧激励的气压能量转换器表示正压力腔室、背压腔室、下层腔室的主剖视图。

上述附图中涉及到的部件名称及标号如下：

上端盖1、上端盖进气螺纹孔1-1、压力测量连接孔1-2、法兰连接孔1-3、连接基座2、连接基座内螺纹2-1、连接基座法兰连接孔2-2、密封盖3、密封盖固定通孔3-1、导气孔3-2、密封盖引线槽3-3，压电基座4、压电基座螺纹连接孔4-1、环形压电片密封槽4-2、环形端盖密封槽4-3、压电基座法兰连接孔4-4、压电基座外螺纹4-5、气体流道4-6、背压流道4-7、压电基座引线槽4-8、节流孔5、压电片6、金属铜片6-1、压电陶瓷6-2、正压力腔室7、背压腔室8、下层腔室9。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：如图1-图16所示，本实施方式披露了一种正背压双侧激励的气压能量转换器，其特征在于：包括上端盖1、连接基座2、密封盖3、压电基座4、压电片6及丝堵；

所述上端盖1上设有上端盖进气螺纹孔1-1和压力测量连接孔1-2(用于测量出腔室内部的压力及压力变化，以便进行压力的调节与控制)；所述连接基座2中部上下端贯通，连接基座2内壁设有连接基座内螺纹2-1；所述密封盖3侧壁上端设有环形外沿一，所述环形外沿一上设有导气孔3-2和密封盖引线槽3-3，所述密封盖引线槽3-3两端通至密封盖3的内外侧壁；所述压电基座4外形由上至下由大直径圆柱体、中直径圆柱体及小直径圆柱体组成，压电基座4上端面设有多个压电基座螺纹连接孔4-1，压电基座4设有阶梯型孔，所述阶梯型孔的台阶端面上设有环形压电片密封槽4-2，压电基座4上端面位于压电基座螺纹连接孔4-1外侧设有环形端盖密封槽4-3，所述小直径圆柱体外壁设有压电基座外螺纹4-5，压电基座4上设有贯通其上下端面的气体流道4-6，所述气体流道4-6下部为螺纹孔，所述中直径圆柱体侧壁上设有贯通其壁厚的背压流道4-7，压电基座4上端面设有压电基座引线槽4-8；

所述环形压电片密封槽4-2及环形端盖密封槽4-3内均放置有密封圈，阶梯型孔的台阶端面上设置有压电片6，密封盖3设置在压电基座4的阶梯型孔内并低靠在压电片6上，密封盖3的环形外沿一设置在压电基座4的上端面，密封盖3与压电基座4可拆卸固定连接，上端盖1设置在压电基座4上且二者可拆卸固定连接，上端盖1与压电片6之间形成正压力腔室7，所述压电片6与压电基座4之间形成背压腔室8，连接基座2中的连接基座内螺纹2-1与压电基座外螺纹4-5旋合连接(在螺纹处缠绕生胶带可保证转换器的密封性)，所述导气孔3-2与气体流道4-6相通设置，气体流道4-6内旋合有丝堵，丝堵中心设有节流孔5(导气孔3-2可将气体从上端盖1与密封盖3之间形成的腔室传入气体流道4-6，经过气体流道4-6和与气体流道4-6相连通的节流孔5进入下层腔室9，密封盖引线槽3-3与压电基座引线槽4-8可使压电片6的正负极引线从转换器内部引至外部)。

压电片6由金属铜片6-1及压电陶瓷6-2组成，所述压电陶瓷6-2通过胶粘接在金属铜片6-1上。

压电片6的金属导线通过密封盖引线槽3-3与压电基座引线槽4-8连接至外部环境；压电片密封槽4-2内部放入密封圈可起到密封作用；节流孔5可选用不同孔径，通过更换不同孔径来调节上下容腔的压力差。

上端盖进气螺纹孔1-1可连接气动管接头(气动管接头大小可根据标准件选配，上端盖进气螺纹孔1-1大小可根据需求自由加工)，气体经由气动管接头流入上端盖进气螺纹孔1-1，使正压力腔室7内部产生压力变化。该压力变化通过压力测量连接孔1-2进行测量(测量压力时选用可插拔式的压力传感器即可实现内部压力的测量)。

背压流道4-7可将气体引入背压腔室8，从而增加反向压力，提高发电能力，通过此结构设计，本发明可实现正背压双侧的压力作用。

具体实施方式二：如图1、图3所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述上端盖1侧壁下端设有环形外沿二，所述环形外沿二上均布设有四个法兰连接孔1-3。

具体实施方式三：如图1、图5、图10所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述连接基座2侧壁下端设有环形外沿三，所述环形外沿三上均布设有四个连接基座法兰连接孔2-2。

连接基座法兰连接孔2-2可与压电基座法兰连接孔4-4相连接，使得整个装置可连续叠加多个连接基座2、密封盖3、压电基座4和丝堵上的节流孔5。因此通过本设计可实现多层压电片6的持续叠加，根据所需能量大小不同酌情增加压电层数。

具体实施方式四：如图1、图7-图9所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述密封盖3的环形外沿一上均布设有四个密封盖固定通孔3-1，所述导气孔3-2与四个密封盖固定通孔3-1位于同一圆周上。

具体实施方式五：如图7、图8、图10、图11所示，本实施方式是对具体实施方式四作出的进一步说明，所述多个压电基座螺纹连接孔4-1的数量为四个，四个所述压电基座螺纹连接孔4-1均布设置在同一圆周上，且四个压电基座螺纹连接孔4-1与四个密封盖固定通孔3-1一一对应设置，密封盖3的密封盖固定通孔3-1与压电基座螺纹连接孔4-1通过螺钉可拆卸固定连接。

具体实施方式六：如图1、图3、图4、图10、图11所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述压电基座4的大直径圆柱体的上端面均布设有四个压电基座法兰连接孔4-4，所述四个压电基座法兰连接孔4-4与四个法兰连接孔1-3一一对应设置，每个法兰连接孔1-3和与其对应的压电基座法兰连接孔4-4内均穿入一个螺栓，上端盖1与压电基座4通过四个所述螺栓可拆卸固定连接(在螺栓加载后使得上端盖1与压电基座4之间得以密封)。

具体实施方式七：如图1、图12、图13、图17所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述背压流道4-7由内螺纹孔和光孔构成，所述内螺纹孔位于背压流道4-7外端。

背压流道4-7可直接连通大气，使得压电片具有稳定的压力差，也可自行连接管接头，通过气管将预载荷气体引入背压腔室8。

本文中一共涉及三个腔室，上端盖1与压电片6之间形成正压力腔室7，压电片6与压电基座4之间形成背压腔室8，背压腔室8通过背压流道4-7与大气相通。为了实现能量的分级利用，可以将压电基座4与另一个压电片6之间形成下层腔室9，由于节流孔5的作用正压力腔室7与下层腔室9会形成压力差。如图17所示，使得压电片6下部产生预压力，在预压力的作用下，压电片6会有更大的电能输出。

具体实施方式八：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述上端盖1、连接基座2、密封盖3、压电基座4及丝堵材质均相同，为铝或钢。

具体实施方式九：如图13所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述丝堵中部由上至下设有相通的大直径孔和小直径孔，所述小直径孔为节流孔5。

本发明的一种正背压双侧激励所设计结构包括压电基座4和密封盖3，压电基座4和密封盖3中间夹持压电片6，密封盖3对压电片6进行压紧实现密封，在压电片6与压电基座4之间形成背压腔室8，压电片6与上端盖1之间形成正压力腔室7，通过对背压腔室8施加压力预载荷来增大能量的转化效率的气压能量转换器工作过程为：

气动执行系统正常工作产生压力变化(由气源进行供气，通过气动三联件对气体进行干燥除杂等处理，再经由调压阀调节压力，换向阀对气体流向进行控制，节流阀控制气体的流量，被调节好的气体流入气缸使其正常工作)，正背压双侧激励的气压能量转换器连接于气缸的进排气孔，在气压的作用下气压能量转换器激励内部的压电片6发生弯曲变形(压电片可选用圆形压电陶瓷，其包含金属基板，具有一定的抗压能力，压电片直径可根据需求进行选定)，从而将压力能转化为电能。转化的电能可通过蓄电池对能量进行存储，再由蓄电池供给磁性开关等用电器件供能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种正背压双侧激励的气压能量转换器，其特征在于：包括上端盖(1)、连接基座(2)、密封盖(3)、压电基座(4)、压电片(6)及丝堵；所述上端盖(1)上设有上端盖进气螺纹孔(1-1)和压力测量连接孔(1-2)；所述连接基座(2)中部上下端贯通，连接基座(2)内壁设有连接基座内螺纹(2-1)；所述密封盖(3)侧壁上端设有环形外沿一，所述环形外沿一上设有导气孔(3-2)和密封盖引线槽(3-3)，所述密封盖引线槽(3-3)两端通至密封盖(3)的内外侧壁；所述压电基座(4)外形由上至下由大直径圆柱体、中直径圆柱体及小直径圆柱体组成，压电基座(4)上端面设有多个压电基座螺纹连接孔(4-1)，压电基座(4)设有阶梯型孔，所述阶梯型孔的台阶端面上设有环形压电片密封槽(4-2)，压电基座(4)上端面位于压电基座螺纹连接孔(4-1)外侧设有环形端盖密封槽(4-3)，所述小直径圆柱体外壁设有压电基座外螺纹(4-5)，压电基座(4)上设有贯通其上下端面的气体流道(4-6)，所述气体流道(4-6)下部为螺纹孔，所述中直径圆柱体侧壁上设有贯通其壁厚的背压流道(4-7)，压电基座(4)上端面设有压电基座引线槽(4-8)；

所述环形压电片密封槽(4-2)及环形端盖密封槽(4-3)内均放置有密封圈，阶梯型孔的台阶端面上设置有压电片(6)，密封盖(3)设置在压电基座(4)的阶梯型孔内并低靠在压电片(6)上，密封盖(3)的环形外沿一设置在压电基座(4)的上端面，密封盖(3)与压电基座(4)可拆卸固定连接，上端盖(1)设置在压电基座(4)上且二者可拆卸固定连接，上端盖(1)与压电片(6)之间形成正压力腔室(7)，所述压电片(6)与压电基座(4)之间形成背压腔室(8)，连接基座(2)中的连接基座内螺纹(2-1)与压电基座外螺纹(4-5)旋合连接，所述导气孔(3-2)与气体流道(4-6)相通设置，气体流道(4-6)内旋合有丝堵，丝堵中心设有节流孔(5)。

2.根据权利要求1所述的一种正背压双侧激励的气压能量转换器，其特征在于：所述上端盖(1)侧壁下端设有环形外沿二，所述环形外沿二上均布设有四个法兰连接孔(1-3)。

3.根据权利要求1所述的一种正背压双侧激励的气压能量转换器，其特征在于：所述连接基座(2)侧壁下端设有环形外沿三，所述环形外沿三上均布设有四个连接基座法兰连接孔(2-2)。

4.根据权利要求1所述的一种正背压双侧激励的气压能量转换器，其特征在于：所述密封盖(3)的环形外沿一上均布设有四个密封盖固定通孔(3-1)，所述导气孔(3-2)与四个密封盖固定通孔(3-1)位于同一圆周上。

5.根据权利要求4所述的一种正背压双侧激励的气压能量转换器，其特征在于：所述多个压电基座螺纹连接孔(4-1)的数量为四个，四个所述压电基座螺纹连接孔(4-1)均布设置在同一圆周上，且四个压电基座螺纹连接孔(4-1)与四个密封盖固定通孔(3-1)一一对应设置，密封盖(3)的密封盖固定通孔(3-1)与压电基座螺纹连接孔(4-1)通过螺钉可拆卸固定连接。

6.根据权利要求2所述的一种正背压双侧激励的气压能量转换器，其特征在于：所述压电基座(4)的大直径圆柱体的上端面均布设有四个压电基座法兰连接孔(4-4)，所述四个压电基座法兰连接孔(4-4)与四个法兰连接孔(1-3)一一对应设置，每个法兰连接孔(1-3)和与其对应的压电基座法兰连接孔(4-4)内均穿入一个螺栓，上端盖(1)与压电基座(4)通过四个所述螺栓可拆卸固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种正背压双侧激励的气压能量转换器，其特征在于：所述背压流道(4-7)由内螺纹孔和光孔构成，所述内螺纹孔位于背压流道(4-7)外端。

8.根据权利要求1所述的一种正背压双侧激励的气压能量转换器，其特征在于：所述上端盖(1)、连接基座(2)、密封盖(3)、压电基座(4)及丝堵材质均相同，为铝或钢。

9.根据权利要求1所述的一种正背压双侧激励的气压能量转换器，其特征在于：所述丝堵中部由上至下设有相通的大直径孔和小直径孔，所述小直径孔为节流孔(5)。

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