本發(fā)明涉及一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置，屬于低功耗電子設(shè)備供能技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著先進制造裝備技術(shù)不斷朝著智能化、輕量化、微型化和集成化方向邁進，并伴隨著其與低功耗電子設(shè)備供能技術(shù)的深度融合，使得大量的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點、低功耗傳感器和低功耗器件等低功耗電子設(shè)備在先進制造裝備技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。同時這也對低功耗電子設(shè)備的供能技術(shù)水平提出了較高的要求。因此，對低功耗器件、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點等低功耗電子設(shè)備進行穩(wěn)定可靠的持續(xù)供能，是保證其正常工作的前提。當前先進制造裝備技術(shù)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點、低功耗器件等的供能方式主要包括電源直接供能和化學(xué)電池供能兩種方式。其中，電源直接供能方式存在電磁干擾嚴重、系統(tǒng)布線復(fù)雜等問題，而化學(xué)電池供電方式則存在電池使用壽命有限、需定期更換以及環(huán)境污染等不足。由此可見，研究一種新型能源俘獲技術(shù)以解決傳統(tǒng)供能技術(shù)所帶來的諸多問題顯得尤為重要。

基于壓電元件的自供能技術(shù)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾和壽命長等優(yōu)點，已成為當前環(huán)境微能源俘獲與轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究熱點問題之一。其可將工業(yè)環(huán)境中大量存在的清潔可再生的微能源（如氣體壓力能）轉(zhuǎn)化為需要的電能并為低功耗電子設(shè)備持續(xù)可靠的供電，該技術(shù)研究可有效解決傳統(tǒng)電源供電帶來的布線復(fù)雜以及化學(xué)電池供電帶來的需定期更換、污染環(huán)境等問題。然而，當前工業(yè)環(huán)境中能量收集裝置大多不能將氣體壓力能直接轉(zhuǎn)化為電能，或能量轉(zhuǎn)化效率較低制約了此類裝置在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點、低功耗傳感器和低功耗器件等低功耗電子設(shè)備供能技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決當前工業(yè)環(huán)境中用于俘獲氣體壓力能的微能源俘獲裝置存在的能量俘獲效率低等技術(shù)問題，本發(fā)明公開一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置，可為低功耗設(shè)備提供一種供能裝置。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

所述一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置包括微孔隙流量調(diào)節(jié)器、扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置和鎖緊螺釘，微孔隙流量調(diào)節(jié)器通過鎖緊螺釘與扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置螺紋連接；微孔隙流量調(diào)節(jié)器包括氣流入口、氣流入口螺釘、氣流入口密封圈、固定套筒、氣流出口密封圈、氣流出口和氣流出口螺釘；氣流入口通過氣流入口螺釘與固定套筒螺紋連接，氣流出口通過氣流出口螺釘與固定套筒螺紋連接；氣流入口通過氣流入口密封圈與固定套筒氣體密封，氣流出口通過氣流出口密封圈與固定套筒氣體密封；所述扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置包括風扇、壓電發(fā)電組件、發(fā)電機安裝架和固定銷，風扇與壓電發(fā)電組件螺紋連接，壓電發(fā)電組件與發(fā)電機安裝架固定。

所述的氣流入口設(shè)置有吸氣孔，氣流入口設(shè)置有氣流入口螺紋孔，氣流入口螺釘與氣流入口螺紋孔螺紋連接，氣流入口設(shè)置有氣流入口密封圈凹槽，氣流入口設(shè)置有氣流入口連通孔。所述固定套筒設(shè)置有套筒螺紋孔a，套筒螺紋孔a與氣流入口螺釘螺紋連接，固定套筒設(shè)置有進氣孔，固定套筒設(shè)置有套筒螺紋孔b，氣流出口螺釘與套筒螺紋孔b螺紋連接。所述氣流出口設(shè)置有氣流出口連通孔、氣流出口密封圈凹槽、氣流出口螺紋孔，氣流出口螺紋孔與氣流出口螺釘螺紋連接，氣流出口設(shè)置有增流裝置螺紋連接孔，增流裝置螺紋連接孔與鎖緊螺釘螺紋連接，氣流出口設(shè)置有錐形噴氣口。

所述風扇設(shè)置有風扇外螺紋，風扇設(shè)置有固定銷安裝孔a，固定銷安裝孔a與固定銷連接，壓電發(fā)電組件設(shè)置有彈性基板和壓電元件，壓電元件和彈性基板膠粘連接，壓電發(fā)電組件設(shè)置有固定銷安裝孔b，固定銷安裝孔b與固定銷連接，壓電發(fā)電組件設(shè)置有壓電發(fā)電組件內(nèi)螺紋，壓電發(fā)電組件內(nèi)螺紋與風扇外螺紋螺紋連接；壓電發(fā)電組件設(shè)置有彈性基板，彈性基板設(shè)置有直梁a、L型梁和直梁b，彈性基板設(shè)置有固定凸塊，固定凸塊與發(fā)電組件安裝孔連接，彈性基板設(shè)置有弧形鉸鏈Ⅰ、弧形鉸鏈Ⅱ與弧形鉸鏈Ⅲ。所述發(fā)電機安裝架設(shè)置有發(fā)電機進氣端，發(fā)電機安裝架設(shè)置有安裝架螺紋孔，鎖緊螺釘與安裝架螺紋孔螺紋連接，發(fā)電機安裝架設(shè)置有發(fā)電組件安裝孔和排氣孔。

所述氣流入口與氣流出口結(jié)構(gòu)間的重合長度為b，b的取值范圍為5~15 mm；所述氣流入口連通孔直徑為d₁，b與d₁的比值為G=b/d₁，G的取值范圍為0.1~0.5；氣流出口連通孔的直徑為d₂，d₁與d₂的比值為Z=d₁/d₂，Z的取值范圍為0.6~0.8；錐形噴氣出口的直徑為d₃，錐形噴氣出口與氣流出口連通孔的直徑比為C=d₃/d₂，C取值滿足的范圍為1~1.5。

所述風扇中的風扇外螺紋長度為H，H的取值范圍為10~15；所述彈性基板中的直梁a與L型梁的相對偏角為θ，θ的取值范圍為10~20°；所述弧形鉸鏈Ⅰ的圓角半徑值為R₁，R₁的取值范圍為1~3 mm；所述弧形鉸鏈Ⅱ的圓角半徑為R₂，R₂與R₁的比M=R₂/R₁，M的取值范圍為0.2~1；所述弧形鉸鏈Ⅲ的圓角半徑值R₃，R₃與R₁的比值為N=R₃/R₁，N的取值范圍為0.2~1。

所述的壓電發(fā)電組件中的壓電元件可選用壓電陶瓷片PZT或柔性強韌性壓電元件PVDF。

該能量俘獲裝置的工作原理是利用壓電元件的正壓電效應(yīng)可將氣體的壓力能量轉(zhuǎn)化為電能。該能量俘獲裝置能夠在高壓小流量氣體的作用下誘導(dǎo)外界空氣進行定向流動，可對誘導(dǎo)后的外界空氣進行增速，在氣體增速后從氣流出口流出并作用于與微孔隙流量調(diào)節(jié)器相連接的扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置進行電能的轉(zhuǎn)化。微孔隙流量調(diào)節(jié)器具有一圈環(huán)狀微型孔隙，由于孔隙的直徑極小，因此，在高壓氣體的作用下噴射出的氣流很快。由于快速的氣體流動導(dǎo)致能量俘獲裝置內(nèi)部壓力小于外界環(huán)境空氣壓力，因此外部空氣會均勻的吸入微孔隙流量調(diào)節(jié)器，以達到增流的目的。扭轉(zhuǎn)式發(fā)電機的技術(shù)特點在于其采用盤型陣列式結(jié)構(gòu)，可以在較小的空間上布置盡可能多的壓電元件，通過各個梁的扭轉(zhuǎn)促使壓電元件產(chǎn)生形變，更加高效的俘獲氣體中的壓力能。其設(shè)計的鉸鏈結(jié)構(gòu)可以降低發(fā)電機的扭轉(zhuǎn)剛度，增大壓電元件的形變量使其發(fā)電量達到最大。

本發(fā)明的有益效果是：在不影響工業(yè)生產(chǎn)的工作情況下，利用所發(fā)明的微孔隙流量調(diào)節(jié)器可在高壓小流量氣體的作用下誘導(dǎo)外界空氣定向移動，并對誘導(dǎo)后的氣體進行增速和增流，從氣流出口排出作用于與微孔隙流量調(diào)節(jié)器相連接的扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置進行能量轉(zhuǎn)化。本發(fā)明設(shè)計的發(fā)電裝置將氣體流速和流量放大，進而可將發(fā)電效率提高3倍以上。在低功耗傳感器、低功耗器件供能等技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明提出的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2所示為本發(fā)明提出的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的微孔隙流量調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3所示為本發(fā)明提出的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的氣流入口結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖4所示為本發(fā)明提出的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的固定套筒結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖5所示為本發(fā)明提出的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的氣流入口與氣流出口串接結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖6所示為本發(fā)明提出的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的氣流出口結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖7所示為本發(fā)明提出的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖8所示為本發(fā)明提出的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的風扇結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖9所示為本發(fā)明提出的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的壓電發(fā)電組件結(jié)構(gòu)正視圖；

圖10所示為本發(fā)明提出的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的壓電發(fā)電組件結(jié)構(gòu)左視圖；

圖11所示為本發(fā)明提出的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的彈性基板的局部結(jié)構(gòu)放大圖；

圖12所示為本發(fā)明提出的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的發(fā)電機安裝架結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖13所示為本發(fā)明提出的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的整流電路示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1~圖13說明本實施方式。本實施方式提供了一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的具體實施方案。所述一種采用環(huán)隙射流激勵的扭轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機包括微孔隙流量調(diào)節(jié)器1、扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置2和鎖緊螺釘3。其中，微孔隙流量調(diào)節(jié)器1通過鎖緊螺釘3與扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置2螺紋連接。

所述的微孔隙流量調(diào)節(jié)器1為一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的流量放大裝置。所述微孔隙流量調(diào)節(jié)器1包括氣流入口1-1、氣流入口螺釘1-2、氣流入口密封圈1-3、固定套筒1-4、氣流出口密封圈1-5、氣流出口1-6和氣流出口螺釘1-7。所述氣流入口1-1與固定套筒1-4通過氣流入口螺釘1-2螺紋連接；所述氣流出口1-6與固定套筒1-4通過氣流出口螺釘1-7螺紋連接；所述氣流入口1-1與固定套筒1-4通過氣流入口密封圈1-3氣體密封；所述氣流出口1-6與固定套筒1-4通過氣流出口密封圈1-5氣體密封。所述氣流入口1-1設(shè)置有吸氣孔1-1-1，誘導(dǎo)外界氣體由吸氣孔1-1-1進入氣流入口1-1；所述氣流入口1-1設(shè)置有氣流入口螺紋孔1-1-2，氣流入口螺釘1-2與氣流入口螺紋孔1-1-2螺紋連接；所述氣流入口1-1設(shè)置有氣流入口密封圈凹槽1-1-3，氣流入口密封圈1-3安裝固定在氣流入口密封圈凹槽1-1-3內(nèi)；所述氣流入口1-1設(shè)置有氣流入口連通孔1-1-4，誘導(dǎo)氣體經(jīng)由氣流入口連通孔1-1-4排出氣流入口1-1。所述固定套筒1-4設(shè)置有套筒螺紋孔a1-4-1，氣流入口螺釘1-2與套筒螺紋孔a1-4-1螺紋連接；所述固定套筒1-4設(shè)置有進氣孔1-4-2，壓縮氣體由進氣孔1-4-2進入固定套筒1-4；所述固定套筒1-4設(shè)置有套筒螺紋孔b1-4-3，氣流出口螺釘1-7與套筒螺紋孔b1-4-3螺紋連接。所述氣流出口1-6設(shè)置有氣流出口連通孔1-6-1，混合氣體由氣流出口連通孔1-6-1進入氣流出口1-6；所述氣流出口1-6設(shè)置有氣流出口密封圈凹槽1-6-2，氣流出口密封圈1-5安裝在氣流出口密封圈凹槽1-6-2內(nèi)；所述氣流出口1-6設(shè)置有氣流出口螺紋孔1-6-3，氣流出口螺釘1-7與氣流出口螺紋孔1-6-3螺紋連接；所述氣流出口1-6設(shè)置有增流裝置螺紋連接孔1-6-4，鎖緊螺釘3與增流裝置螺紋連接孔1-6-4螺紋連接；所述氣流出口1-6設(shè)置有錐形噴氣口1-6-5，混合氣體經(jīng)由錐形噴氣口1-6-5噴出微孔隙流量調(diào)節(jié)器1。

所述扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置2為一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置的能量俘獲裝置。所述扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置2包括風扇2-1、壓電發(fā)電組件2-2、發(fā)電機安裝架2-3和固定銷2-4。所述風扇2-1設(shè)置有風扇外螺紋2-1-1，風扇2-1通過風扇外螺紋2-1-1與壓電發(fā)電組件內(nèi)螺紋2-2-4螺紋連接；所述風扇2-1設(shè)置有固定銷安裝孔a 2-1-2，固定銷2-4與固定銷安裝孔a 2-1-2連接。所述壓電發(fā)電組件2-2設(shè)置有彈性基板2-2-1，所述壓電發(fā)電組件2-2設(shè)置有壓電元件2-2-2，所述壓電元件2-2-2和彈性基板2-2-1通過環(huán)氧樹脂AB膠粘接，壓電元件2-2-2可將氣體壓力能轉(zhuǎn)化為電能，通過俘獲裝置的整流電路對電能進行管理；該具體實施方式中壓電元件2-2-2可采用哈爾濱芯明天公司和保定市宏聲聲學(xué)器廠家的壓電陶瓷片PZT；該具體實施方式中壓電元件2-2-2也可采用美國精量電子（深圳）有限公司的柔性強韌性壓電元件PVDF；所述壓電發(fā)電組件2-2設(shè)置有固定銷安裝孔b 2-2-3，固定銷2-4與固定銷安裝孔b 2-2-3連接；所述壓電發(fā)電組件2-2設(shè)置有壓電發(fā)電組件內(nèi)螺紋2-2-4，風扇外螺紋2-1-1與壓電發(fā)電組件內(nèi)螺紋2-2-4螺紋連接。所述彈性基板2-2-1設(shè)置有直梁a 2-2-1-1，所述彈性基板2-2-1設(shè)置有L型梁2-2-1-2，所述彈性基板2-2-1設(shè)置有直梁b 2-2-1-3；所述彈性基板2-2-1設(shè)置有固定凸塊2-2-1-4，固定凸塊2-2-1-4與發(fā)電組件安裝孔2-3-3連接；所述彈性基板2-2-1設(shè)置有弧形鉸鏈Ⅰ2-2-1-5，所述彈性基板2-2-1設(shè)置有弧形鉸鏈Ⅱ2-2-1-6，所述彈性基板2-2-1設(shè)置有弧形鉸鏈Ⅲ 2-2-1-7，用于降低彈性基板的2-3-1的扭轉(zhuǎn)剛度。所述發(fā)電機安裝架2-3設(shè)置有發(fā)電機進氣端2-3-1，混合氣體經(jīng)由發(fā)電機進氣端2-3-1進入扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置2中并作用在風扇2-1上，風扇2-1在混合氣體的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動帶動壓電發(fā)電組件2-2產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)；所述發(fā)電機安裝架2-3設(shè)置有安裝架螺紋孔2-3-2，鎖緊螺釘3與安裝架螺紋孔2-3-2螺紋連接；所述發(fā)電機安裝架2-3設(shè)置有發(fā)電組件安裝孔2-3-3，壓電發(fā)電組件2-2通過插入發(fā)電組件安裝孔2-3-3與發(fā)電機安裝架2-3連接；所述發(fā)電機安裝架2-3設(shè)置有排氣孔2-3-4，混合氣體經(jīng)由排氣孔2-3-4排出扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置2。

所述微孔隙流量調(diào)節(jié)器1中的氣流入口1-1與氣流出口1-6之間的重合部分長度為b，b取值滿足的范圍為5~15 mm，通過調(diào)節(jié)b的值可以改變混合氣體的流態(tài)；本具體實施方式中b的取值為15 mm。所述固定套筒1-4中的進氣孔1-4-2直徑為d₀，b與d₀的比值為F=b/d₀，F(xiàn)取值滿足的范圍為1~2，通過調(diào)節(jié)F的值可以改變提供的壓縮氣體的流速；本具體實施方式中F的取值為2。所述氣流入口1-1中氣流入口連通孔1-1-4直徑為d₁，b與d₁的比值為G=b/d₁，G取值滿足的范圍為0.1~0.5，通過調(diào)節(jié)G的取值可以改變氣體的流速；本具體實施方式中G的取值為0.2。所述氣流出口1-6中氣流出口連通孔1-6-1的直徑為d₂，d₁與d₂的比值為Z=d₁/d₂，Z取值滿足的范圍為0.6~0.8，通過調(diào)節(jié)Z值可以改變氣體的流量；本具體實施方式中Z的取值為0.7。所述錐形噴氣出口1-6-5的直徑為d₃，錐形噴氣出口1-6-5的直徑d₃與氣流出口連通孔1-6-1直徑d₂的比值為C=d₃/d₂，C取值滿足的范圍為1~1.5，通過調(diào)節(jié)C值可以改變氣體流速；本具體實施方式中C的取值為1。

所述扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置2設(shè)置有風扇2-1，所述風扇2-1中的風扇外螺紋2-1-1長度為H，H取值范圍滿足10~15，通過調(diào)節(jié)H值可以改變扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置2的扭矩；本實施方式中H值的取值為12。所述壓電發(fā)電組件2-2設(shè)置有彈性基板2-2-1，所述彈性基板2-2-1中直梁a 2-2-1-1具有長度值A(chǔ)，A取值滿足的范圍為20~40 mm，通過調(diào)節(jié)A值可以改變直梁a 2-2-1-1的剛度；本具體實施方式中A的取值為25 mm。所述彈性基板2-2-1中的直梁a 2-2-1-1與L型梁2-2-1-2的相對偏角為θ，θ取值滿足的范圍為10~20°，通過改變θ值可以調(diào)節(jié)壓電發(fā)電組件2-2的發(fā)電效果；本具體實施方式中θ的取值為15°。所述彈性基板2-2-1中的直梁b 2-2-1-3具有長度值B，直梁b 2-2-1-3的長度與直梁a 2-2-1-1的長度A的比值為K=B/A，K取值滿足的范圍為1~2，通過調(diào)節(jié)K值可以改變彈性基板2-2-1的形變量；本具體實施方式中K的取值為1.25。所述弧形鉸鏈Ⅰ 2-2-1-5具有圓角半徑值R₁，R₁取值滿足的范圍為1~3 mm；本具體實施方式中R₁的取值為3 mm。所述弧形鉸鏈Ⅱ 2-2-1-6具有圓角半徑值R₂，R₂與R₁的比值為M=R₂/R₁，M的取值滿足的范圍為0.2~1，通過調(diào)節(jié)M值可以改變彈性基板2-2-1剛度；本具體實施方式中M的取值為0.5。所述弧形鉸鏈Ⅲ 2-3-1-7具有圓角半徑值R₃，R₃與R₁的比值為N=R₃/R₁，通過調(diào)節(jié)N值可以改變彈性基板2-2-1剛度，N取值滿足的范圍為0.2~1；本具體實施方式中N的取值為0.4。

所述俘獲裝置的整流電路包括交變的二極管（D₆~D₉）和電容C₁。當增流氣體從氣流出口1-6流出后，作用于扭轉(zhuǎn)式發(fā)電裝置2，在正壓電效應(yīng)的作用下會產(chǎn)生正負交替周期性的電信號，將產(chǎn)生的電信號通過導(dǎo)線連接到全橋整流電路的輸入端。當產(chǎn)生正向電信號時，二極管D₆和二極管D₉導(dǎo)通構(gòu)成閉合回路，電能可存儲于電容C₁中；當產(chǎn)生負向電信號時，二極管D₇和二極管D₈導(dǎo)通構(gòu)成閉合回路，且整流后的電信號流向與二極管D₆、二極管D₉閉合回路電信號流向相同，因此電能仍存儲于電容C₁中。經(jīng)過整流存儲后的電能可經(jīng)由C₁流出到輸出端對低功耗電子設(shè)備進行供能。所述二極管（D₆~D₉）可以是NI 5408整流二極管，所述電容C₁的電容量范圍為100~1000 μF。

綜上所述，本發(fā)明設(shè)計的一種采用環(huán)隙射流激勵的風車扭轉(zhuǎn)式能量俘獲裝置，可解決當前工業(yè)環(huán)境中用于俘獲氣體壓力能的微能源俘獲裝置存在的能量俘獲效率低等技術(shù)問題?？蓪怏w流速和流量放大，進而可將發(fā)電效率提高3倍以上。在低功耗傳感器、低功耗器件等低功耗電子設(shè)備供能的技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。