Проектирование и разработка керамического нагревателя с автономным питанием

2020-10-14 07:56:33 fandoukeji

В суровую холодную зиму люди предпочитают отопительные продукты. Существует бесконечное количество продуктов для обогрева, от бутылок с горячей водой до электрического отопления и химического отопления. По мере увеличения количества видов отопительных продуктов потребности людей в них становятся все выше и выше, являются ли они энергосберегающими и экологичными, и их легко носить Это также стало основным условием выбора для пользователей. Поэтому некоторые портативные грелки для рук и нагревательные наклейки на рынке стали популярными нагревательными приборами.Хотя эти изделия удовлетворяют требованиям пользователей по функциональности и удобству, в большинстве из них используются химические вещества для выработки тепла или аккумуляторы и зарядка. Одноразовые изделия, в которых используются химические вещества для выработки тепла, серьезно загрязняют окружающую среду и нарушают концепцию экологической защиты окружающей среды.Использование электроэнергии для выработки тепла потребляет энергию и противоречит концепции энергосбережения. В то же время, люди не одобряют такие проблемы с безопасностью, как низкотемпературные ожоги.


1. Преимущества автономных обогревателей

В обогревателе, сконструированном на этот раз, используется пассивный источник питания и устройство сбора энергии для преобразования кинетической энергии окружающей среды в электрическую. Пьезоэлектрический материал создает положительный пьезоэлектрический эффект под действием внешней силы, тем самым генерируя электрическую энергию, а пьезоэлектрический коллектор энергии, который использует пьезоэлектрическую вибрацию для выработки электроэнергии, имеет характеристики высокой плотности мощности и простой конструкции.


Этот обогреватель также имеет две особенности: во-первых, он может преобразовывать механическую энергию, генерируемую в повседневной жизни людей, в электрическую за счет положительного пьезоэлектрического эффекта пьезокерамики. На этой основе он оснащен устройством контроля температуры для работы или путешествий. Люди несут. Во-вторых, когда люди нагреваются на открытом воздухе, само человеческое тело является источником энергии, поэтому нет необходимости искать зарядное оборудование; устройство контроля температуры может не только улучшить комфорт людей, но и повысить коэффициент использования электроэнергии, что соответствует текущим требованиям энергосбережения и защиты окружающей среды. .


2. Конструкция общей схемы автономного отопителя.

Общая конструкция пьезоэлектрического керамического самонагревающегося и регулируемого по температуре нагревателя показана на рисунке 1. Он в основном включает пьезоэлектрическую керамическую самогенераторную часть, стабилизированную электрическую часть, часть токоприемника, часть контроля температуры и часть нагрева. . Нагреватель использует пьезоэлектрический керамический источник питания с автономным питанием в качестве сердечника, обеспечивает питание для нагрева материалов за счет сбора стабильной электроэнергии и осуществляет контроль диапазона температур с помощью устройства контроля температуры. Он не только не имеет характеристик внешнего источника питания, но и обеспечивает экономию энергии. идея.


Рисунок 1 Общая конструкция автономного нагревателя


2.1 Общая схема принципиальной конструкции нагревателя


Этот продукт представляет собой портативный нагреватель с автономным питанием и регулируемой температурой на основе пьезокерамики. Процесс проектирования включает преобразование физических величин в ряде устройств, таких как выработка электроэнергии, сбор тока, стабилизация мощности, контроль температуры и т. Д., Поэтому конструкция схемы также реализует функцию нагревателя. Одним из важных моментов, как показано на рисунке 2, является принципиальная схема общей структуры функции нагревателя.


Рисунок 2 Общий принцип конструкции автономного нагревателя


2.2 Конструкция пьезоэлектрической керамической части для выработки собственной энергии


Электроэнергетическая часть этого продукта в основном использует свойства пьезоэлектрической керамической вибрации. Он использует положительный пьезоэлектрический эффект пьезокерамики.Пьезоэлектрическая керамика генерирует электрические заряды под действием внешней силы для преобразования механической энергии в электрическую. Положительный пьезоэлектрический эффект пьезокерамики заключается в том, что при приложении внешней силы она вызывает механическую деформацию, генерируя электрический заряд, а когда внешняя сила снимается, она возвращается в исходное незаряженное состояние. Например, когда человек идет, ступня оказывает давление на землю, а ступня уходит. Земля вернулась в исходное состояние. Пьезоэлектрическая керамическая система PZT, используемая в этом продукте, имеет очень сильные и стабильные пьезоэлектрические характеристики. Поскольку пьезоэлектрическая керамика сама по себе твердая и хрупкая, пьезоэлектрический кристалл и упругое тело соединены, чтобы сформировать пьезоэлектрический вибратор, а поскольку пьезоэлектрический вибратор вибрирует, генерируя большое напряжение и небольшое количество заряда, пьезоэлектрический пакет используется параллельно. Пьезоэлектрический пакет с гибкой толщиной может выдерживать большую силу, чем пьезоэлектрический пакет с гибкой длиной. В случае того же количества пьезоэлектрического вибратора и пьезоэлектрического пакета может выдерживать максимальное усилие, пьезоэлектрический пакет с гибкой толщиной может производить больше Большое течение. После предварительных исследований этот продукт может выделять тепло при выработке электроэнергии. Возьмем, к примеру, теплую детскую наклейку размером 10 см × 5 см, нагрев от комнатной температуры до 40 ℃, сопротивление нагреву из углеродного волокна составляет 3 кОм, сопротивление - 144 Ом / м, а удельная теплоемкость углеродного волокна составляет 0,0008 Дж / (г · к), что занимает всего 6,73 с.


2.3 Состав электрогенерирующей части нагревателя


Несколько частей пьезокерамики соединены последовательно переключателем.Пьезоэлектрическая керамика генерирует электричество за счет вибрации частей тела, а переключатели регулируют количество пьезокерамики, чтобы контролировать количество генерируемой электроэнергии. Наконец, количество слоев n, толщина D и нижняя площадь A пьезоэлектрического пакета определяются в соответствии с двумя условиями требуемого тока и соответствующего объема. Как показано на рисунке 3.


Рисунок 3 Метод пьезоэлемента и схема внутренней структуры


Самогенерирующая часть этого нагревателя представляет собой би-пьезоэлектрическую консольную балочную конструкцию, параллельную электродам, которая состоит из пьезокерамики. Движущийся блок масс используется в качестве упругого материала балки для восприятия приложенной внешней силы; пьезокерамика Он приклеен к основному материалу с определенной эластичностью и прикреплен к свободному концу консольной балки, чтобы гарантировать, что он может генерировать достаточно высокую частоту вибрации при воздействии внешней силы, тем самым максимизируя генерируемый ток. Чтобы устройство для выработки энергии могло иметь более высокую мощность выработки энергии при меньшей интенсивности возбуждения и более широком диапазоне частот, для выработки энергии используются несколько пьезоэлектрических вибраторов.


Метод подключения предполагает параллельное подключение с большим выходным током. В этой конструкции ведущие электроды верхней и нижней керамических пластин соединены вместе и закорочены друг с другом, а затем используются в качестве одного электрода энергогенерирующего устройства, а другой электрод вытягивается из металлической пластины.


2.4 Общая компоновка генерирующей части нагревателя


Основная функция пьезоэлектрического вибратора - преобразование энергии.Поскольку внешняя сила определяет мощность выработки электроэнергии, пьезоэлектрический КПД повышается за счет увеличения внешней силы. В этом продукте используется следующая структура для усиления силы и повышения пьезоэлектрического КПД, как показано на рисунке 4.


Рисунок 4 Общее расположение частей выработки электроэнергии


2.5 Стабильно-токоприемная часть нагревателя


Технология сбора пьезоэлектрической энергии использует пьезоэлектрический эффект пьезоэлектрических материалов для выработки электроэнергии. Конструкция устройства сбора пьезоэлектрической энергии является одним из основных направлений исследований этого продукта. Пьезоэлектрическое устройство сбора энергии этого продукта имеет преимущества небольшого размера, простой конструкции, отсутствия электромагнитных помех, а также простоты обработки и производства. Чтобы добиться непрерывной выработки электроэнергии при использовании нагревателя, необходимо обрабатывать переменный ток, генерируемый пьезокерамикой. Сначала схема выпрямителя используется для преобразования переменного тока, генерируемого вибрацией пьезокерамики, в постоянный ток, но форма волны в это время нестабильна и требует дополнительной фильтрации. Затем используется устройство стабилизации напряжения для стабилизации отфильтрованного восприимчивого напряжения и после обработки В конце концов, ток направляется в схему хранения для достижения стабильного токосъема. Схема фильтра выпрямителя показана на рисунке 5.


Рисунок 5 Схема фильтра выпрямителя самогенератора нагревателя


Схема выпрямителя удвоителя напряжения может использовать более низкий переменный ток, чтобы использовать более высокий эффект выпрямления выдерживаемого напряжения, сохранять напряжение в соответствующих конденсаторах, а затем соединять их последовательно в соответствии с принципом сложения полярности для вывода высокого напряжения, превышающего входное напряжение. Форма волны постоянного напряжения на выходе схемы выпрямителя с удвоителем напряжения недостаточно хороша, поэтому требуется схема фильтра для фильтрации, чтобы уменьшить пульсации выходного напряжения. В этой конструкции системы используется схема четырехкратного выпрямителя напряжения, а конденсатор в схеме также играет роль фильтрации, поэтому он выполняет роль выпрямления и фильтрации.


Что касается схемы повышения постоянного тока, в конструкции системы была выбрана микросхема регулятора напряжения ME2111. Это высокоэффективный повышающий преобразователь постоянного тока в постоянное с синхронным выпрямлением, для которого требуется всего три периферийных компонента (два конденсатора и один индуктор). Его пусковое напряжение низкое, он может работать выше 0,95 В, а КПД может достигать 94%.


После выпрямления, фильтрации и повышения тока электрическая энергия должна быть сохранена, то есть в модуле накопления энергии. В этом продукте используется микросхема HM4601 в качестве основной микросхемы управления. HM4601 регулирует напряжение зарядки литиевой батареи и постоянный ток заряда с помощью контура управления постоянным напряжением и контура управления постоянным током. Он также объединяет температурную защиту, ограничение максимального времени зарядки и функции короткого замыкания на выходе.


2.6 Элемент контроля температуры нагревателя


Устройство контроля температуры - это устройство, которое регулирует и контролирует тепло, выделяемое нагревательным слоем, и оно также является одной из ключевых конструкций этого нагревателя. Ток через часть выработки электроэнергии и стабильного токоприемника воздействует на нагревательный слой, чтобы достичь определенной температуры, позволяющей людям согреться, но температура в это время не самая комфортная для человеческого тела. Поскольку температура, выходящая за пределы контролируемого диапазона, также может причинить вред человеческому телу, например, низкотемпературные ожоги и т. Д., Для решения таких проблем, этот продукт разработан со встроенным устройством контроля температуры, а верхний и нижний пределы температуры контролируются с помощью регулятора температуры. Когда температура в любой точке поверхности достигает верхнего предела температуры 60 ℃, датчик температуры воспринимает сигнал и передает его обратно на термостат, термостат снижает выходной ток, так что температура падает; когда температура падает до нижнего предела температуры 40 ℃, датчик температуры дает обратную связь На термостат подается сигнал на увеличение тока, тем самым повышая температуру. Через этот вид обратной связи по сигналу можно регулировать выходной ток для достижения контроля температуры.


Поскольку человеческое тело подвергается воздействию температур, превышающих температуру тела в течение длительного времени, это вызовет низкотемпературные ожоги. Поэтому термостойкий слой смолы используется для обертывания сердечника нагревательного слоя. Низкотемпературные ожоги.


Вывод


В этой статье используется положительный пьезоэлектрический эффект пьезокерамики для приложения внешних сил для реализации выработки пьезоэлектрической энергии, разрабатывается автономный нагреватель и проводится соответствующий теоретический расчет и анализ. Электроэнергетическая часть этого нагревателя использует консольную балочную конструкцию для приложения давления к пьезоэлектрической керамике для эффективного генерирования большого количества электрического заряда, а затем использует схему фильтра выпрямителя и устройство накопления энергии для преобразования собранного электрического заряда в электрический ток и хранения его в батарее. Для использования нагревательного слоя. Встроенное устройство контроля температуры контролирует температуру в пределах комфортного диапазона температур человеческого тела, что позволяет избежать проблемы безопасности низкотемпературных ожогов. В этом нагревателе используется пьезоэлектрическая керамика в качестве экологически чистого источника энергии для обеспечения пассивного энергоснабжения, он экологичен и безопасен для окружающей среды, удобен в использовании, соответствует концепции энергосбережения и защиты окружающей среды, а также отвечает национальным требованиям по низкоуглеродной технологии и охране окружающей среды.



Взаимодействие с другими людьми