CN111181441A - 一种柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器 - Google Patents
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Abstract
一种柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器，属于能量收集技术领域。连接件的上下圆形凹槽内均装有压电基座，每个压电基座的环形凸台外端均粘接有密封薄膜，每个密封薄膜外表面均粘接有多个压电片基板，多个压电片基板外表面粘接有多个压电片，位于上方的多个压电片基板外表面和位于下方的多个压电片基板外表面均设置有密封座，每个密封座外端均设置有密封盖，且密封盖设置在端盖内，端盖与连接件通过多个螺栓可拆卸固定连接，开设在压电基座上的泄压通孔一与开设在连接件上的泄压通孔二同轴相通设置，端盖上的螺钉孔内拧入螺钉，螺钉作用于密封盖上。本发明可直接将气体压力能转化为电能，产生的电能可存储于蓄电池以延长蓄电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器，属于能量收集技术领域。
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将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，通过周向分布的压电片实现能量收集效率的提高，据此提供一种柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器。
本发明所涉及的技术特点在于：传统利用压电材料进行能量收集时，多采用单点激励，而利用均布载荷施加于压电材料表面的设计也大多没有考虑约束方式对压电材料应变的影响，不能使压电材料电能输出达到最大化，因此本发明充分考虑能量最大输出的问题，在此基础上进行设计。首先密封形式可以根据具体情况进行变化，可以采用密封圈压紧的方式，也可以用胶进行粘合；压电片部分采用多片结构，其中扇形压电片的最佳中心角度根据各压电片之间的间隙以及整体尺寸变化，根据角度对扇形压电片进行周向排布，使面积利用达到最大化，每一个扇形压电片都相当于一块电池，将多个扇形压电片通过串联或并联连接起来，使得电能输出最大化；压电片与基板的形状，可根据实际情况进行调整，达到应变均匀的目的。本发明通过结构设计可在一定程度上提高气体能量向电能转化与输出的效果。
实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器，包括两个端盖、两个密封盖、两个节流片、两个密封座、两个压电基座、连接件、两个密封薄膜、多个压电片基板及多个压电片；
所述两个端盖上均设有端盖进气孔、进气流道一及多个螺钉孔，所述进气流道一开设在端盖内侧壁上；所述两个密封盖中部均设有相通的大直径孔和小直径孔，所述大直径孔内壁设有环槽，所述环槽内安装有孔用弹簧挡圈，环槽与大直径孔的台肩端面之间为节流片槽，所述节流片槽内安装有节流片，大直径孔位于孔用弹簧挡圈外端为密封盖进气孔，所述小直径孔为出气孔；所述节流片中心处设有中心通孔；所述密封座外端面开有环形密封槽一，所述环形密封槽一内放置有密封圈一；所述压电基座一侧端面外周边设有环形凸台，所述环形凸台侧壁上开有与所述环形凸台内腔相通的泄压通孔一；所述连接件两相对端面中部分别设有上圆形凹槽和下圆形凹槽，所述上圆形凹槽侧壁外端和下圆形凹槽侧壁外端均设有导电胶槽，上圆形凹槽及下圆形凹槽侧壁沿竖向设有相通的进气流道二，上圆形凹槽侧壁设有与其相通的泄压通孔二；连接件所述两相对端面位于上圆形凹槽和下圆形凹槽外侧均设有环形密封槽二，每个所述环形密封槽二内均放置有密封圈二；
连接件的上圆形凹槽和下圆形凹槽内均装有压电基座，每个压电基座的环形凸台外端均粘接有密封薄膜，每个所述密封薄膜外表面均粘接有多个压电片基板，所述多个压电片基板外表面粘接有多个压电片，位于上方的多个压电片基板外表面和位于下方的多个压电片基板外表面均设置有密封座，每个密封座外端均设置有密封盖，且密封盖设置在端盖内，端盖与连接件通过多个螺栓可拆卸固定连接，所述泄压通孔一与泄压通孔二同轴相通设置，每个所述螺钉孔内拧入一个螺钉，所述螺钉作用于密封盖上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过本发明的气压能量转换器可直接将气体压力能转化为电能，产生的电能可存储于蓄电池以延长蓄电池的使用寿命，避免因频繁更换电池造成的环境污染问题以及人力资源浪费问题。
2、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。
3、本发明采用的结构紧凑，气流通过的流道以及压电片上方的空间可以做到很小，放置在气动系统中，对系统本身产生的影响在允许的范围内。通过对气体压力能的利用，提高了整体气动系统对能源的利用效率。
附图说明
图1为本发明的柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器整体结构的主剖视图。
图2为端盖的主剖视图。
图3为图2的俯视图。
图4为图3的A-A截面的剖视图。
图5为密封盖的主剖视图。
图6为图5的俯视图；
图7为节流片的主剖视图。
图8为图7的俯视图。
图9为密封座的主剖视图。
图10是图9的俯视图。
图11为压电基座的主剖视图。
图12为图11的俯视图。
图13为连接件的主剖视图。
图14为图13的俯视图。
图15为图14的B-B截面的剖视图。
图16为密封薄膜的主视图。
图17为图16的左视图。
图18为多个压电片基板排布的主视图。
图19为图18的左视图。
图20为多个压电片排布的主视图。
图21为图20的左视图。
图22为图1的C处局部放大图。
图23为图1的D处局部放大图。
图24为图5的E处局部放大图。
上述附图中涉及到的部件名称及标号如下：
端盖1、端盖进气孔1-1、进气流道一1-2、螺钉孔1-3、连接孔一1-4、密封盖2、密封盖进气孔2-1、孔用弹簧挡圈2-2、节流片槽2-3、出气孔2-4、节流片3、中心通孔3-1、密封座4、环形密封槽一4-1、压电基座5、泄压通孔一5-1、连接件6、导电胶槽6-1、进气流道二6-2、环形密封槽二6-3、泄压通孔二6-4、连接孔二6-5、密封薄膜7、压电片基板8、压电片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24所示，本实施方式披露了一种柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器，包括两个端盖1、两个密封盖2、两个节流片3、两个密封座4、两个压电基座5、连接件6、两个密封薄膜7、多个压电片基板8及多个压电片9；
所述两个端盖1上均设有端盖进气孔1-1、进气流道一1-2及多个螺钉孔1-3；所述两个密封盖2中部均设有相通的大直径孔和小直径孔，所述大直径孔内壁设有环槽，所述环槽内安装有孔用弹簧挡圈2-2(安装孔用弹簧挡圈2-2的目的是固定节流片3的位置)，环槽与大直径孔的台肩端面之间为节流片槽2-3，所述节流片槽2-3内安装有节流片3，大直径孔位于孔用弹簧挡圈2-2外端为密封盖进气孔2-1，所述小直径孔为(通向压电片9的)出气孔2-4；所述节流片3中心处设有中心通孔3-1(根据要求开不同孔径的中心通孔3-1)；所述密封座4外端面开有环形密封槽一4-1，所述环形密封槽一4-1内放置有密封圈一；所述压电基座5一侧端面外周边设有环形凸台，所述环形凸台侧壁上开有与所述环形凸台内腔相通的泄压通孔一5-1；所述连接件6两相对端面中部分别设有上圆形凹槽和下圆形凹槽(连接件6上下为对称结构)，所述上圆形凹槽侧壁外端和下圆形凹槽侧壁外端均设有导电胶槽6-1，上圆形凹槽及下圆形凹槽侧壁沿竖向设有相通的进气流道二6-2，上圆形凹槽侧壁设有与其相通的泄压通孔二6-4；连接件6所述两相对端面位于上圆形凹槽和下圆形凹槽外侧均设有环形密封槽二6-3，每个所述环形密封槽二6-3内均放置有密封圈二；
连接件6的上圆形凹槽和下圆形凹槽内均装有压电基座5，每个压电基座5的环形凸台外端均粘接有密封薄膜7，每个所述密封薄膜7外表面均粘接有多个压电片基板8，所述多个压电片基板8外表面粘接有多个压电片9，位于上方的多个压电片基板8外表面和位于下方的多个压电片基板8外表面均设置有密封座4，每个密封座4外端均设置有密封盖2，且密封盖2设置在端盖1内，端盖1与连接件6通过多个螺栓可拆卸固定连接，所述泄压通孔一5-1与泄压通孔二6-4同轴相通设置，每个所述螺钉孔1-3内拧入一个螺钉，所述螺钉作用于密封盖2上。
每个螺钉孔1-3内拧入一个螺钉，所述螺钉作用于密封盖2上，一方面将密封座4上的密封圈一压紧，防止压电片9与密封盖2之间形成的腔室漏气；另一方面压紧后，端盖1与密封盖2之间出现空隙，使气体能够继续通过进气流道一1-2，连接件6的进气流道二6-2通到下方对称位置上，在密封薄膜7外边进一步通过下方的密封盖2作用于位于下方的压电片9上。气体通过密封盖2时，流过节流片3，通过改变节流片3中心通孔3-1大小改变进气速率，研究压电片9的发电规律，节流片3由外侧的孔用弹簧挡圈2-2固定在密封盖2上。
当螺栓加载后，端盖1与连接件6压紧，密封圈二变形，将进气流道一1-2与进气流道二6-2之间的气体密封，防止其泄露。
为使压电片9在气体压力作用下变形发电，需要压电片9上下具有一定的压力差，所以在压电基座5上设有泄压通孔一5-1，在连接件6上设有泄压通孔二6-4，且泄压通孔一5-1与泄压通孔二6-4同轴相通，使位于上方的压电片9下方压力始终为大气压，位于下方的压电片9上方压力始终为大气压。
本发明的柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器自供能系统的工作过程为：外部压力变化通过端盖进气孔1-1作用于气压能量转换器，压电片复合结构在气体激励下产生周期性形变，将压力能转化为电能，通过导电胶带将电能输出于外环境以供使用。
具体实施方式二：如图1、图2所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述端盖1上设有四个所述螺钉孔1-3和四个连接孔一1-4，所述四个螺钉孔1-3均布设置在同一圆周上，所述四个连接孔一1-4设置在端盖1的四角处，所述端盖进气孔1-1设置在端盖1中心处。
设置四个螺钉孔1-3的目的是：通过螺钉压紧下方密封盖2，防止漏气。四个连接孔一1-4用来连接转换器整体。
具体实施方式三：如图1、图3、图14所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述连接件6的四角处均设有连接孔二6-5，四个所述连接孔二6-5与四个连接孔一1-4一一对应，每个对应设置的连接孔一1-4及连接孔二6-5内穿入一个所述螺栓，所述端盖1与连接件6之间通过四个螺栓可拆卸固定连接，将转换器整体连接起来。
具体实施方式四：如图1、图24所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，由所述密封薄膜7、压电片基板8及压电片9组成压电片复合结构，所述压电片复合结构与密封座4用胶粘接。
密封薄膜7设置在最里层，目的是密封，防止气体流到由密封薄膜7和压电基座5之间形成的容腔中。
具体实施方式五：如图1、图18-图21所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述多个压电片9和多个基板8的形状均为圆形，每个所述压电片9均由六个大小及形状相同的扇形压电片组成，每个所述基板8均由六个大小及形状相同的扇形基板组成，所述六个大小及形状相同的扇形压电片用胶粘接，六个扇形压电片一一对应粘接在六个扇形基板上，所述六个扇形基板用胶粘接在密封薄膜7上(为最大化发电量)在压电片9与基板8上连接导电胶带将正负极延伸至外部环境中(以供使用)。
本发明的柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器用于气动系统的工作过程为：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，节流阀了解气体的流量，被调节好的气体流入气缸使其正常工作)，所述柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器连接于气缸的进排气管路，由三通进行分流连接，在气压的作用下气压能量转换器激励内部的压电片9发生弯曲变形(压电片9通过切割圆形压电陶瓷获得，金属基板9通过切割金属板，具有一定的抗压能力，压电片9直径可根据需求进行选定)，在下部基板8的带动下，压电材料进行相应的弯折，下层基板8可由铜或钢等金属材料制成，再利用硅胶等柔性材料进行密封，从而将压力能转化为电能。
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 (5)
1.一种柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器，其特征在于：包括两个端盖(1)、两个密封盖(2)、两个节流片(3)、两个密封座(4)、两个压电基座(5)、连接件(6)、两个密封薄膜(7)、多个压电片基板(8)及多个压电片(9)；
所述两个端盖(1)上均设有端盖进气孔(1-1)、进气流道一(1-2)及多个螺钉孔(1-3)，所述进气流道一(1-2)开设在端盖(1)内侧壁上；所述两个密封盖(2)中部均设有相通的大直径孔和小直径孔，所述大直径孔内壁设有环槽，所述环槽内安装有孔用弹簧挡圈(2-2)，环槽与大直径孔的台肩端面之间为节流片槽(2-3)，所述节流片槽(2-3)内安装有节流片(3)，大直径孔位于孔用弹簧挡圈(2-2)外端为密封盖进气孔(2-1)，所述小直径孔为出气孔(2-4)；所述节流片(3)中心处设有中心通孔(3-1)；所述密封座(4)外端面开有环形密封槽一(4-1)，所述环形密封槽一(4-1)内放置有密封圈一；所述压电基座(5)一侧端面外周边设有环形凸台，所述环形凸台侧壁上开有与所述环形凸台内腔相通的泄压通孔一(5-1)；所述连接件(6)两相对端面中部分别设有上圆形凹槽和下圆形凹槽，所述上圆形凹槽侧壁外端和下圆形凹槽侧壁外端均设有导电胶槽(6-1)，上圆形凹槽及下圆形凹槽侧壁沿竖向设有相通的进气流道二(6-2)，上圆形凹槽侧壁设有与其相通的泄压通孔二(6-4)；连接件(6)所述两相对端面位于上圆形凹槽和下圆形凹槽外侧均设有环形密封槽二(6-3)，每个所述环形密封槽二(6-3)内均放置有密封圈二；
连接件(6)的上圆形凹槽和下圆形凹槽内均装有压电基座(5)，每个压电基座(5)的环形凸台外端均粘接有密封薄膜(7)，每个所述密封薄膜(7)外表面均粘接有多个压电片基板(8)，所述多个压电片基板(8)外表面粘接有多个压电片(9)，位于上方的多个压电片基板(8)外表面和位于下方的多个压电片基板(8)外表面均设置有密封座(4)，每个密封座(4)外端均设置有密封盖(2)，且密封盖(2)设置在端盖(1)内，端盖(1)与连接件(6)通过多个螺栓可拆卸固定连接，所述泄压通孔一(5-1)与泄压通孔二(6-4)同轴相通设置，每个所述螺钉孔(1-3)内拧入一个螺钉，所述螺钉作用于密封盖(2)上。
2.根据权利要求1所述的一种柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器，其特征在于：所述端盖(1)上设有四个所述螺钉孔(1-3)和四个连接孔一(1-4)，所述四个螺钉孔(1-3)均布设置在同一圆周上，所述四个连接孔一(1-4)设置在端盖(1)的四角处，所述端盖进气孔(1-1)设置在端盖(1)中心处。
3.根据权利要求2所述的一种柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器，其特征在于：所述连接件(6)的四角处均设有连接孔二(6-5)，四个所述连接孔二(6-5)与四个连接孔一(1-4)一一对应，每个对应设置的连接孔一(1-4)及连接孔二(6-5)内穿入一个所述螺栓，所述端盖(1)与连接件(6)之间通过四个螺栓可拆卸固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器，其特征在于：由所述密封薄膜(7)、压电片基板(8)及压电片(9)组成压电片复合结构，所述压电片复合结构与密封座(4)用胶粘接。
5.根据权利要求1所述的一种柔性密封下多片周向排布的气压能量转换器，其特征在于：所述多个压电片(9)和多个基板(8)的形状均为圆形，每个所述压电片(9)均由六个大小及形状相同的扇形压电片组成，每个所述基板(8)均由六个大小及形状相同的扇形基板组成，所述六个大小及形状相同的扇形压电片用胶粘接，六个扇形压电片一一对应粘接在六个扇形基板上，所述六个扇形基板用胶粘接在密封薄膜(7)上，在压电片(9)与基板(8)上连接导电胶带将正负极延伸至外部环境中。
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