CN113556056A - 一种用于流体管道的压电薄膜阵列式压电俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于流体管道的压电薄膜阵列式压电俘能器，以解决传统供能技术所带来的污染、更换频繁等诸多弊端以及在液体管路中进行能量收集等技术问题。本发明结构包括前端盖、水密接头、密封压盖、压电固定环、壳体、弹性缓冲垫块、压电薄膜(带塑封绝缘)、后端盖、O形圈、引流管、导线等。为了增加发电量本发明将多个压电薄膜进行环形阵列式排布，引流管的导流口采用了多种不同形状、不同尺寸的孔，并增加了弹性缓冲垫块用以增强压电薄膜的形变效果，进而显著提高压电俘能器的俘能效率。本发明能够在高压工况下进行俘能，且具结构紧凑、稳定性强等优势，在低电功耗电子设备以及压电式俘能技术领域具有广泛的应用前景。

Description

一种用于流体管道的压电薄膜阵列式压电俘能器

技术领域

本发明涉及一种用于流体管道的压电薄膜阵列式压电俘能器，属于低电功耗电子设备供能技术领域。

背景技术

随着工业智能化水平的不断发展，使得电磁阀、传感器等一些低电功耗元件的研发取得了一定的进步，这也使得大量的低电功耗元件在流体管道系统中得到了广泛应用。众所周知，管道系统因其自身独特的特点而被广泛的应用于流体机械、石油化工等行业的流体输送中，然而，由于受到泵固有频率影响，在这些流体管道系统中输送的流体介质存在着丰富的压力脉动能量，如能将这些压力脉动能量收获转化成电能为系统中的低电功耗元件进行供电，既解决了复杂工况下外接电源或电池带来的复杂性，而且达到了节能环保的目的。因此，研究一种用于流体管道低电功耗元件供能的压电俘能器，以解决传统供能技术所带来的诸多弊端显得尤为迫切和需要。

压电俘能器是一种能量收集装置，其利用压电材料的正压电效应能将流体的压力势能转换为电能，由于其具有能量密度高、清洁无污染、力电转换性能好和易于微型化等优势，现已被国内外大量研究人员广泛研究。目前大多数压电俘能器结构简单、功能单一且更多的应用于气动系统中，由于受到密封和绝缘问题的影响，在液体管路中应用极少。因此，针对液体管路中丰富的压力脉动能量，研究出一种俘能功率大、效率高的多功能压电俘能器对压电式俘能技术的发展及其应用具有非常重要的现实意义。

发明内容

针对流体管路中介质流动所产生的压力脉动，本发明提供了一种用于流体管道的压电薄膜阵列式压电俘能器，该俘能器既可应用于气动系统中，也可安装于液体管路中进行俘能，为了增加发电量本发明将多个压电薄膜进行环形阵列式排布，并增加了弹性缓冲垫块用以增强压电薄膜的形变效果，进而增大俘能效果。

一种用于流体管道的压电薄膜阵列式压电俘能器包括前端盖1、水密接头2、密封压盖3、压电固定环4、壳体5、弹性缓冲垫块6、压电薄膜(带塑封绝缘)7、后端盖8、O形圈(9、11、12、14)、引流管10、导线13。

所述的前端盖其中间位置为进液(气)孔，左右两端分别设有外螺纹，左端外螺纹用于连接外管道，右端外螺纹用于连接壳体，最右端突出的一个圆环状结构用于顶住压电固定环，并且有一定的预留空间用于放置导线，两外螺纹之间为六棱柱形状的扳手夹紧位置，用于紧固和拆卸。

所述的壳体为圆柱形，两端分别设有内螺纹用于连接前、后端盖，中间位置为圆柱形空腔，在圆柱形空腔基础上加工N(N为≥4的正整数)个矩形凹槽用于放置弹性缓冲垫块，为了防止压电固定环转动，在壳体的左端内螺纹右侧与壳体中轴线垂直的面上设置了一个固定销放置孔。

所述的压电固定环为圆柱形，中间设有圆形通孔用于进出液(气)体，左、右两底面分别设有一个O形圈槽。在最左端底面处还设有一个矩形截面凹槽用于安装密封压盖，在矩形截面凹槽的底面还设有两个O形圈槽用于密封，从此凹槽的底面分别挖去N个螺纹孔和N个矩形截面通孔，其总体呈等距环形阵列排布，矩形截面通孔和螺纹孔两两间隔分布，螺纹孔用于固定密封压盖，矩形截面通孔用于放置压电薄膜，矩形截面通孔其截面大小不一，靠近密封压盖处矩形开口面积稍大，其目的是为了连接导线和加入防水密封胶，远离密封压盖处矩形开口面积稍小，其目的是便于安装压电薄膜。在右端底面处还设有两个固定销放置孔，分别用于固定压电固定环本身和引流管。

所述的密封压盖为圆环状，上面设有N个圆形沉头通孔和N个圆形标准通孔两种，总体呈等距环形阵列排布，圆形沉头通孔和圆形标准通孔两两间隔分布，圆形沉头通孔用于放置水密接头，圆形标准通孔用于螺栓固定。

所述的弹性缓冲垫块为长方体形状具有耐腐蚀性的软材质，其上表面凸起区的圆柱形凸起部位呈等距分布，且凸起区的圆柱体直径依次增大，即凸起效果越来越明显。

所述的后端盖中间位置为进液(气)孔，左右两端分别设有外螺纹，左端外螺纹用于连接壳体，右端外螺纹用于连接外管道，两外螺纹之间为六棱柱形状的扳手夹紧位置，用于紧固和拆卸；在最左端的端面上设置了一个O形圈槽。

所述的引流管形状为正多边形截面的N(N为≥4的正整数)棱柱体，其中间为圆柱形导流通孔，两端分别加工有一个圆柱体形状引流管固定头用于固定引流管，为防止转动在长方体左端端面上设置一个固定销放置孔。引流管的侧面上为引流孔区，引流孔有两种类型，分别为矩形导流口和圆形导流口，矩形导流口数量为M(M为≥1的正整数)个，总体呈等距分布，且自左向右矩形面积逐渐增大；两个圆形导流口分布在引流管的最右端，且靠近矩形导流口的直径稍小。

所述的压电薄膜为矩形形状，正、负电极分布在同一端，压电薄膜采用Mylar(YAEB类绝缘材料)真空封装。当液体充满引流管与压电薄膜之间形成的一个空隙时，其产生的压力脉动使得压电薄膜产生形变，进而产生电能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明基于压电薄膜，将流体管路中的压力脉动能量采用压电俘能技术进行回收，把压力能变为电能进行收集，用于驱动电磁阀和传感器等低电功耗元件。本装置可安装于管道中的任意位置，结构紧凑，稳定性更强。

(2)本发明采用多个压电薄膜环形阵列排布，可根据流体管道直径不同定制不同规格的压电俘能器，压电俘能器直径越大，可放置的压电薄膜数量就越多。因此，发电量也就更大，俘能效率更高。

附图说明

图1是本发明的总装结构示意图；

图2是前端盖的结构示意图；

图3是密封压盖的剖视图；

图4是压电固定环左视图的立体剖视图；

图5是压电固定环右视图的立体示意图；

图6是壳体的立体示意图；

图7是弹性缓冲垫块的立体示意图；

图8是后端盖的结构示意图；

图9是引流管的立体示意图；

上述图中标识为：1、前端盖；2、水密接头；3、密封压盖；4、压电固定环；5壳体；6、弹性缓冲垫块；7、压电薄膜(带塑封绝缘)；8、后端盖；9、11、12、14、O形圈；10、引流管；13、导线；1.1、8.3、六角形夹紧部位；1.2、1.3、8.1、8.2外螺纹；1.4、O形圈接触面；3.1、水密接头放置孔；3.2、螺栓固定通孔；4.1、4.3、4.5、8.3、O形圈放置槽；4.2、压电薄膜固定腔；4.4、螺纹孔；4.6、4.7、5.2、10.2、固定销放置孔；5.1、弹性缓冲垫块放置槽；5.3、引线孔；6.1、凸起区；6.2平滑区；10.1、10.5、引流管固定头；10.3矩形导流口；10.4、圆形导流口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。图1是本发明的一种实施例，包括前端盖1、微型水密连接器2、密封压盖3、压电固定环4、壳体5、弹性缓冲垫块6、压电薄膜(带塑封绝缘)7、后端盖8、O形圈(9、11、12、14)、引流管10、导线13。

所述的前端盖其结构如图2所示，左右两端分别设有外螺纹1.2、1.3，外螺纹1.2用于连接外管道，外螺纹1.3用于连接壳体5，最右端端面1.4与压电固定环4接触，两外螺纹之间的六角形夹紧部位1.1用于使用扳手进行紧固和拆卸。所述的后端盖如图8所示，左右两端分别设有外螺纹8.1和8.2，外螺纹8.1用于连接壳体5，外螺纹8.2用于连接外管道，两外螺纹之间的六角形夹紧部位8.3用于使用扳手进行紧固和拆卸；8.4放置的O型圈9与壳体接触密封。

所述的密封压盖3如图3所示，上面设有4个圆形沉头3.1通孔和4个圆形标准通孔3.2两种，总体呈等距环形阵列排布，圆形沉头通孔3.1和圆形标准通孔3.2两两间隔分布，圆形沉头通孔3.1用于放置水密接头2，圆形标准通孔3.2用于螺栓固定。

所述的压电固定环如图4和5所示，两端面分别设有一个O形圈槽4.1和4.3，槽4.3内的O形圈14与前端盖1接触密封，槽4.1内的O形圈11与壳体5接触密封，槽4.3所在的端面处还设有一个矩形截面凹槽用于安装密封压盖3，在矩形截面凹槽的底面还设有两个O形圈槽4.5用于密封，从此凹槽的底面分别挖去4个矩形截面通孔4.2和4个螺纹孔4.4，其总体呈等距环形阵列排布，矩形截面通孔4.2和螺纹孔4.4两两间隔分布，螺纹孔4.4通过螺栓连接用于固定密封压盖3，矩形截面通孔4.2用于放置压电薄膜7，矩形截面通孔4.2截面大小不一，靠近密封压盖3处矩形开口面积稍大，其目的是为了连接导线13和加入防水密封胶，远离密封压盖3处矩形开口面积稍小，其目的是便于安装压电薄膜7。槽4.1所在端面处还设有两个固定销放置孔4.6和4.7分别用于防止引流管10和压电固定环4相对转动。

所述的壳体5如图6所示，在圆柱形空腔基础上加工4个矩形凹槽5.1用于放置弹性缓冲垫块6；为防止压电固定环4转动，设置了固定销放置孔5.2与4.7配合并插入圆柱形的金属固定销。

进一步的，所述的弹性缓冲垫块6如图7所示，其上表面凸起区的圆柱形凸起部位6.1呈等距分布，每两个凸起部位之间形成一个下凹区如6.2所示。

所述的引流管形状如图9所示，其结构为正四边形截面的四棱柱体，两端分别加工有圆柱体引流管固定头10.1和10.5用于固定引流管10，10.1与压电固定环4接触固定，10.5与后端盖8接触固定；为防止其相对转动，在长方体左端端面上设置一个固定销放置孔10.2与压电固定环4中的4.6配合并插入圆柱形的金属固定销。引流管的侧面上为引流孔区，引流孔有两种类型，分别为矩形导流口10.3和圆形导流口10.4，矩形导流口数量为11个；两个圆形导流口分布在引流管10的最右端，且靠近矩形导流口的直径稍小。为了增大压力脉动对压电薄膜的作用效果，每个矩形导流口的中心均正对弹性缓冲快的凸起部位之间的下凹区6.2。

更进一步的，所述的压电俘能器的工作原理为：流体管路中的液体从前端盖1进入，经过引流管10的引流通道进入后，从后端盖8流出，在此过程中，压电薄膜7始终与弹性缓冲垫块6接触，在引流管10侧面导流口的作用下使液体进入并充满压电薄膜和引流管之间的缝隙，由于液体流动产生的压力脉动使缝隙内的液体压力产生波动，故而引起压电薄膜产生不同程度的形变，进而使其不停的产生电能，并通过导线13把所产生的的电能进行储存或者直接对低功耗元件进行驱动，当流体管路中的流体为气体时，其工作原理与液体相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于流体管道的压电薄膜阵列式压电俘能器，其特征在于：前端盖、水密接头、密封压盖、压电固定环、壳体、弹性缓冲垫块、压电薄膜(带塑封绝缘)、后端盖、O形圈、引流管、导线等。前、后端盖中间位置为进液(气)孔，两端分别设有外螺纹，两外螺纹之间为六棱柱形状的扳手夹紧位置，用于紧固和拆卸，后端盖的其中一端面上设置了O形圈槽用于密封；所述的壳体为圆柱形，两端分别设有内螺纹用于连接前、后端盖，中间位置为圆柱形空腔，在圆柱形空腔基础上加工N(N为≥4的正整数)个矩形凹槽用于放置弹性缓冲垫块，为防止压电固定环转动在壳体的左端内螺纹右侧与壳体中轴线垂直的面上设置了一个固定销放置孔。

2.根据权利要求1所述的一种用于流体管道的压电薄膜阵列式压电俘能器，其特征在于：所述的弹性缓冲垫块为长方体形状具有耐腐蚀性的软材质，其上表面凸起区的圆柱形凸起部位呈等距分布，且凸起区的圆柱体直径依次增大；采用的压电薄膜为矩形形状，正、负电极分布在同一端，压电薄膜用Mylar(YAEB类绝缘材料)真空封装。

3.根据权利要求1所述的一种用于流体管道的压电薄膜阵列式压电俘能器，其特征在于：所述的引流管形状为正多边形截面的N(N为≥4的正整数)棱柱体，其中间为圆柱形导流通孔，两端分别加工有一个圆柱体形状引流管固定头用于固定引流管，为防止转动在长方体左端端面上设置一个固定销放置孔，引流管的侧面为引流孔区，引流孔有两种类型，分别为矩形导流口和圆形导流口，矩形导流口数量为M(M为≥1的正整数)个，总体呈等距分布，且自左向右矩形面积逐渐增大；两个圆形导流口分布在引流管的最右端，且靠近矩形导流口的直径稍小。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于流体管道的压电薄膜阵列式压电俘能器，其特征在于：所述的密封压盖为圆环状，上面设有N(N为≥4的正整数)个圆形沉头通孔和N(N为≥4的正整数)个圆形标准通孔两种，总体呈等距环形阵列排布，圆形沉头通孔和圆形标准通孔两两间隔分布，圆形沉头通孔用于放置水密接头，圆形标准通孔用于螺栓固定；所述的压电固定环为圆柱形，中间设有圆形通孔用于进出液(气)体，左、右两底面分别设有一个O形圈槽。在最左端底面处还设有一个矩形截面凹槽用于安装密封压盖，在矩形截面凹槽的底面还设有两个O形圈槽用于密封，从此凹槽的底面分别挖去N(N为≥4的正整数)个螺纹孔和N(N为≥4的正整数)个矩形截面通孔，其总体呈等距环形阵列排布，矩形截面通孔和螺纹孔两两间隔分布，螺纹孔用于固定密封压盖，矩形截面通孔用于放置压电薄膜，矩形截面通孔其截面大小不一，靠近密封压盖处矩形开口面积稍大，其目的是为了连接导线和加入防水密封胶，远离密封压盖处矩形开口面积稍小，其目的是便于安装压电薄膜。在右端底面处还设有两个固定销放置孔，分别用于固定压电固定环本身和引流管。

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