一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的制作方法

本发明涉及一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置，属于低功耗电子设备供能技术领域。

背景技术：

随着先进制造装备技术不断朝着智能化、轻量化、微型化和集成化方向迈进，并伴随着其与低功耗电子设备供能技术的深度融合，使得大量的物联网节点、低功耗传感器和低功耗器件等低功耗电子设备在先进制造装备技术领域得到了广泛应用。同时这也对低功耗电子设备的供能技术水平提出了较高的要求。因此，对低功耗器件、物联网节点等低功耗电子设备进行稳定可靠的持续供能，是保证其正常工作的前提。当前先进制造装备技术领域的物联网节点、低功耗器件等的供能方式主要包括电源直接供能和化学电池供能两种方式。其中，电源直接供能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。由此可见，研究一种新型能源俘获技术以解决传统供能技术所带来的诸多问题显得尤为重要。

基于压电元件的自供能技术由于具有结构简单、不发热、无电磁干扰和寿命长等优点，已成为当前环境微能源俘获与转化技术的研究热点问题之一。其可将工业环境中大量存在的清洁可再生的微能源（如气体压力能）转化为需要的电能并为低功耗电子设备持续可靠的供电，该技术研究可有效解决传统电源供电带来的布线复杂以及化学电池供电带来的需定期更换、污染环境等问题。然而，当前工业环境中能量收集装置大多不能将气体压力能直接转化为电能，或能量转化效率较低制约了此类装置在物联网节点、低功耗传感器和低功耗器件等低功耗电子设备供能技术领域的应用。

技术实现要素：

为解决当前工业环境中用于俘获气体压力能的微能源俘获装置存在的能量俘获效率低等技术问题，本发明公开一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置，可为低功耗设备提供一种供能装置。

本发明所采用的技术方案是：

所述一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置包括微孔隙流量调节器、扭转式发电装置和锁紧螺钉，微孔隙流量调节器通过锁紧螺钉与扭转式发电装置螺纹连接；微孔隙流量调节器包括气流入口、气流入口螺钉、气流入口密封圈、固定套筒、气流出口密封圈、气流出口和气流出口螺钉；气流入口通过气流入口螺钉与固定套筒螺纹连接，气流出口通过气流出口螺钉与固定套筒螺纹连接；气流入口通过气流入口密封圈与固定套筒气体密封，气流出口通过气流出口密封圈与固定套筒气体密封；所述扭转式发电装置包括风扇、压电发电组件、发电机安装架和固定销，风扇与压电发电组件螺纹连接，压电发电组件与发电机安装架固定。

所述的气流入口设置有吸气孔，气流入口设置有气流入口螺纹孔，气流入口螺钉与气流入口螺纹孔螺纹连接，气流入口设置有气流入口密封圈凹槽，气流入口设置有气流入口连通孔。所述固定套筒设置有套筒螺纹孔a，套筒螺纹孔a与气流入口螺钉螺纹连接，固定套筒设置有进气孔，固定套筒设置有套筒螺纹孔b，气流出口螺钉与套筒螺纹孔b螺纹连接。所述气流出口设置有气流出口连通孔、气流出口密封圈凹槽、气流出口螺纹孔，气流出口螺纹孔与气流出口螺钉螺纹连接，气流出口设置有增流装置螺纹连接孔，增流装置螺纹连接孔与锁紧螺钉螺纹连接，气流出口设置有锥形喷气口。

所述风扇设置有风扇外螺纹，风扇设置有固定销安装孔a，固定销安装孔a与固定销连接，压电发电组件设置有弹性基板和压电元件，压电元件和弹性基板胶粘连接，压电发电组件设置有固定销安装孔b，固定销安装孔b与固定销连接，压电发电组件设置有压电发电组件内螺纹，压电发电组件内螺纹与风扇外螺纹螺纹连接；压电发电组件设置有弹性基板，弹性基板设置有直梁a、L型梁和直梁b，弹性基板设置有固定凸块，固定凸块与发电组件安装孔连接，弹性基板设置有弧形铰链Ⅰ、弧形铰链Ⅱ与弧形铰链Ⅲ。所述发电机安装架设置有发电机进气端，发电机安装架设置有安装架螺纹孔，锁紧螺钉与安装架螺纹孔螺纹连接，发电机安装架设置有发电组件安装孔和排气孔。

所述气流入口与气流出口结构间的重合长度为b，b的取值范围为5~15 mm；所述气流入口连通孔直径为d₁，b与d₁的比值为G=b/d₁，G的取值范围为0.1~0.5；气流出口连通孔的直径为d₂，d₁与d₂的比值为Z=d₁/d₂，Z的取值范围为0.6~0.8；锥形喷气出口的直径为d₃，锥形喷气出口与气流出口连通孔的直径比为C=d₃/d₂，C取值满足的范围为1~1.5。

所述风扇中的风扇外螺纹长度为H，H的取值范围为10~15；所述弹性基板中的直梁a与L型梁的相对偏角为θ，θ的取值范围为10~20°；所述弧形铰链Ⅰ的圆角半径值为R₁，R₁的取值范围为1~3 mm；所述弧形铰链Ⅱ的圆角半径为R₂，R₂与R₁的比M=R₂/R₁，M的取值范围为0.2~1；所述弧形铰链Ⅲ的圆角半径值R₃，R₃与R₁的比值为N=R₃/R₁，N的取值范围为0.2~1。

所述的压电发电组件中的压电元件可选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电元件PVDF。

该能量俘获装置的工作原理是利用压电元件的正压电效应可将气体的压力能量转化为电能。该能量俘获装置能够在高压小流量气体的作用下诱导外界空气进行定向流动，可对诱导后的外界空气进行增速，在气体增速后从气流出口流出并作用于与微孔隙流量调节器相连接的扭转式发电装置进行电能的转化。微孔隙流量调节器具有一圈环状微型孔隙，由于孔隙的直径极小，因此，在高压气体的作用下喷射出的气流很快。由于快速的气体流动导致能量俘获装置内部压力小于外界环境空气压力，因此外部空气会均匀的吸入微孔隙流量调节器，以达到增流的目的。扭转式发电机的技术特点在于其采用盘型阵列式结构，可以在较小的空间上布置尽可能多的压电元件，通过各个梁的扭转促使压电元件产生形变，更加高效的俘获气体中的压力能。其设计的铰链结构可以降低发电机的扭转刚度，增大压电元件的形变量使其发电量达到最大。

本发明的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所发明的微孔隙流量调节器可在高压小流量气体的作用下诱导外界空气定向移动，并对诱导后的气体进行增速和增流，从气流出口排出作用于与微孔隙流量调节器相连接的扭转式发电装置进行能量转化。本发明设计的发电装置将气体流速和流量放大，进而可将发电效率提高3倍以上。在低功耗传感器、低功耗器件供能等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采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的结构示意图；

图2所示为本发明提出的一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的微孔隙流量调节器结构示意图；

图3所示为本发明提出的一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的气流入口结构剖视图；

图4所示为本发明提出的一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的固定套筒结构剖视图；

图5所示为本发明提出的一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的气流入口与气流出口串接结构剖视图；

图6所示为本发明提出的一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的气流出口结构剖视图；

图7所示为本发明提出的一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的扭转式发电装置结构剖视图；

图8所示为本发明提出的一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的风扇结构剖视图；

图9所示为本发明提出的一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的压电发电组件结构正视图；

图10所示为本发明提出的一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的压电发电组件结构左视图；

图11所示为本发明提出的一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的弹性基板的局部结构放大图；

图12所示为本发明提出的一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的发电机安装架结构剖视图；

图13所示为本发明提出的一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的整流电路示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1~图13说明本实施方式。本实施方式提供了一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的具体实施方案。所述一种采用环隙射流激励的扭转式压电发电机包括微孔隙流量调节器1、扭转式发电装置2和锁紧螺钉3。其中，微孔隙流量调节器1通过锁紧螺钉3与扭转式发电装置2螺纹连接。

所述的微孔隙流量调节器1为一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的流量放大装置。所述微孔隙流量调节器1包括气流入口1-1、气流入口螺钉1-2、气流入口密封圈1-3、固定套筒1-4、气流出口密封圈1-5、气流出口1-6和气流出口螺钉1-7。所述气流入口1-1与固定套筒1-4通过气流入口螺钉1-2螺纹连接；所述气流出口1-6与固定套筒1-4通过气流出口螺钉1-7螺纹连接；所述气流入口1-1与固定套筒1-4通过气流入口密封圈1-3气体密封；所述气流出口1-6与固定套筒1-4通过气流出口密封圈1-5气体密封。所述气流入口1-1设置有吸气孔1-1-1，诱导外界气体由吸气孔1-1-1进入气流入口1-1；所述气流入口1-1设置有气流入口螺纹孔1-1-2，气流入口螺钉1-2与气流入口螺纹孔1-1-2螺纹连接；所述气流入口1-1设置有气流入口密封圈凹槽1-1-3，气流入口密封圈1-3安装固定在气流入口密封圈凹槽1-1-3内；所述气流入口1-1设置有气流入口连通孔1-1-4，诱导气体经由气流入口连通孔1-1-4排出气流入口1-1。所述固定套筒1-4设置有套筒螺纹孔a1-4-1，气流入口螺钉1-2与套筒螺纹孔a1-4-1螺纹连接；所述固定套筒1-4设置有进气孔1-4-2，压缩气体由进气孔1-4-2进入固定套筒1-4；所述固定套筒1-4设置有套筒螺纹孔b1-4-3，气流出口螺钉1-7与套筒螺纹孔b1-4-3螺纹连接。所述气流出口1-6设置有气流出口连通孔1-6-1，混合气体由气流出口连通孔1-6-1进入气流出口1-6；所述气流出口1-6设置有气流出口密封圈凹槽1-6-2，气流出口密封圈1-5安装在气流出口密封圈凹槽1-6-2内；所述气流出口1-6设置有气流出口螺纹孔1-6-3，气流出口螺钉1-7与气流出口螺纹孔1-6-3螺纹连接；所述气流出口1-6设置有增流装置螺纹连接孔1-6-4，锁紧螺钉3与增流装置螺纹连接孔1-6-4螺纹连接；所述气流出口1-6设置有锥形喷气口1-6-5，混合气体经由锥形喷气口1-6-5喷出微孔隙流量调节器1。

所述扭转式发电装置2为一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置的能量俘获装置。所述扭转式发电装置2包括风扇2-1、压电发电组件2-2、发电机安装架2-3和固定销2-4。所述风扇2-1设置有风扇外螺纹2-1-1，风扇2-1通过风扇外螺纹2-1-1与压电发电组件内螺纹2-2-4螺纹连接；所述风扇2-1设置有固定销安装孔a 2-1-2，固定销2-4与固定销安装孔a 2-1-2连接。所述压电发电组件2-2设置有弹性基板2-2-1，所述压电发电组件2-2设置有压电元件2-2-2，所述压电元件2-2-2和弹性基板2-2-1通过环氧树脂AB胶粘接，压电元件2-2-2可将气体压力能转化为电能，通过俘获装置的整流电路对电能进行管理；该具体实施方式中压电元件2-2-2可采用哈尔滨芯明天公司和保定市宏声声学器厂家的压电陶瓷片PZT；该具体实施方式中压电元件2-2-2也可采用美国精量电子（深圳）有限公司的柔性强韧性压电元件PVDF；所述压电发电组件2-2设置有固定销安装孔b 2-2-3，固定销2-4与固定销安装孔b 2-2-3连接；所述压电发电组件2-2设置有压电发电组件内螺纹2-2-4，风扇外螺纹2-1-1与压电发电组件内螺纹2-2-4螺纹连接。所述弹性基板2-2-1设置有直梁a 2-2-1-1，所述弹性基板2-2-1设置有L型梁2-2-1-2，所述弹性基板2-2-1设置有直梁b 2-2-1-3；所述弹性基板2-2-1设置有固定凸块2-2-1-4，固定凸块2-2-1-4与发电组件安装孔2-3-3连接；所述弹性基板2-2-1设置有弧形铰链Ⅰ2-2-1-5，所述弹性基板2-2-1设置有弧形铰链Ⅱ2-2-1-6，所述弹性基板2-2-1设置有弧形铰链Ⅲ 2-2-1-7，用于降低弹性基板的2-3-1的扭转刚度。所述发电机安装架2-3设置有发电机进气端2-3-1，混合气体经由发电机进气端2-3-1进入扭转式发电装置2中并作用在风扇2-1上，风扇2-1在混合气体的作用下发生转动带动压电发电组件2-2产生扭转；所述发电机安装架2-3设置有安装架螺纹孔2-3-2，锁紧螺钉3与安装架螺纹孔2-3-2螺纹连接；所述发电机安装架2-3设置有发电组件安装孔2-3-3，压电发电组件2-2通过插入发电组件安装孔2-3-3与发电机安装架2-3连接；所述发电机安装架2-3设置有排气孔2-3-4，混合气体经由排气孔2-3-4排出扭转式发电装置2。

所述微孔隙流量调节器1中的气流入口1-1与气流出口1-6之间的重合部分长度为b，b取值满足的范围为5~15 mm，通过调节b的值可以改变混合气体的流态；本具体实施方式中b的取值为15 mm。所述固定套筒1-4中的进气孔1-4-2直径为d₀，b与d₀的比值为F=b/d₀，F取值满足的范围为1~2，通过调节F的值可以改变提供的压缩气体的流速；本具体实施方式中F的取值为2。所述气流入口1-1中气流入口连通孔1-1-4直径为d₁，b与d₁的比值为G=b/d₁，G取值满足的范围为0.1~0.5，通过调节G的取值可以改变气体的流速；本具体实施方式中G的取值为0.2。所述气流出口1-6中气流出口连通孔1-6-1的直径为d₂，d₁与d₂的比值为Z=d₁/d₂，Z取值满足的范围为0.6~0.8，通过调节Z值可以改变气体的流量；本具体实施方式中Z的取值为0.7。所述锥形喷气出口1-6-5的直径为d₃，锥形喷气出口1-6-5的直径d₃与气流出口连通孔1-6-1直径d₂的比值为C=d₃/d₂，C取值满足的范围为1~1.5，通过调节C值可以改变气体流速；本具体实施方式中C的取值为1。

所述扭转式发电装置2设置有风扇2-1，所述风扇2-1中的风扇外螺纹2-1-1长度为H，H取值范围满足10~15，通过调节H值可以改变扭转式发电装置2的扭矩；本实施方式中H值的取值为12。所述压电发电组件2-2设置有弹性基板2-2-1，所述弹性基板2-2-1中直梁a 2-2-1-1具有长度值A，A取值满足的范围为20~40 mm，通过调节A值可以改变直梁a 2-2-1-1的刚度；本具体实施方式中A的取值为25 mm。所述弹性基板2-2-1中的直梁a 2-2-1-1与L型梁2-2-1-2的相对偏角为θ，θ取值满足的范围为10~20°，通过改变θ值可以调节压电发电组件2-2的发电效果；本具体实施方式中θ的取值为15°。所述弹性基板2-2-1中的直梁b 2-2-1-3具有长度值B，直梁b 2-2-1-3的长度与直梁a 2-2-1-1的长度A的比值为K=B/A，K取值满足的范围为1~2，通过调节K值可以改变弹性基板2-2-1的形变量；本具体实施方式中K的取值为1.25。所述弧形铰链Ⅰ 2-2-1-5具有圆角半径值R₁，R₁取值满足的范围为1~3 mm；本具体实施方式中R₁的取值为3 mm。所述弧形铰链Ⅱ 2-2-1-6具有圆角半径值R₂，R₂与R₁的比值为M=R₂/R₁，M的取值满足的范围为0.2~1，通过调节M值可以改变弹性基板2-2-1刚度；本具体实施方式中M的取值为0.5。所述弧形铰链Ⅲ 2-3-1-7具有圆角半径值R₃，R₃与R₁的比值为N=R₃/R₁，通过调节N值可以改变弹性基板2-2-1刚度，N取值满足的范围为0.2~1；本具体实施方式中N的取值为0.4。

所述俘获装置的整流电路包括交变的二极管（D₆~D₉）和电容C₁。当增流气体从气流出口1-6流出后，作用于扭转式发电装置2，在正压电效应的作用下会产生正负交替周期性的电信号，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流出到输出端对低功耗电子设备进行供能。所述二极管（D₆~D₉）可以是NI 5408整流二极管，所述电容C₁的电容量范围为100~1000 μF。

综上所述，本发明设计的一种采用环隙射流激励的风车扭转式能量俘获装置，可解决当前工业环境中用于俘获气体压力能的微能源俘获装置存在的能量俘获效率低等技术问题。可将气体流速和流量放大，进而可将发电效率提高3倍以上。在低功耗传感器、低功耗器件等低功耗电子设备供能的技术领域具有广泛的应用前景。