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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie
mit mindestens einem Piezoelement.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus
US 6,407,484 B1 bekannt. Ein Piezoelement
ist zwischen zwei Trägern aufgehängt, die durch
zwei dachförmige Elemente miteinander verbunden sind. Wenn eine
Kraft auf den First der dachförmigen Elemente ausgeübt
wird, dann wird das Piezoelement gestreckt und wandelt dadurch mechanische
Energie in elektrische Energie um. Dieser Vorgang wird kurz als "Erzeugen
von elektrischer Energie" bezeichnet. In die entgegen gesetzte Richtung
zieht sich das Piezoelement von selbst zusammen.
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US 7,183,937 B2 beschreibt
eine Einrichtung zum Messen des Luftdrucks in einem Reifen, wobei das
Messsignal leitungslos nach außen übertragen wird.
Die elektrische Energie, die für die Versorgung der Sensoren
und für die Sendeleistung erforderlich ist, wird durch
eine Anordnung von Piezoelementen erzeugt, die am Reifen befestigt
ist, wobei der Reifen hier die Trägereinrichtung bildet.
Wenn der Reifen verformt wird, verformen sich auch die Piezoelemente
und erzeugen damit die elektrische Energie.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrische Energie lokal
erzeugen zu können.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, dass mindestens ein Wärmeausdehnungselement
mit dem Piezoelement in Wirkverbindung steht.
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Ein
Wärmeausdehnungselement ist ein Element, das seine Ausdehnung
bei einer Temperaturänderung ändert. Beispielsweise
vergrößert das Wärmeausdehnungselement
seine Länge, wenn die Temperatur zunimmt, und verkürzt
seine Länge, wenn die Temperatur abnimmt. Hierbei reichen
vielfach geringe Temperaturunterschiede von wenigen Grad Celsius
oder sogar eines Bruchteils eines Grads Celsius aus, um eine Längenänderung
zu bewirken. Das Piezoelement und das Wärmeausdehnungselement
stehen miteinander in Verbindung. Wenn sich das Wärmeausdehnungselement
ausdehnt oder zusammenzieht, wird das Piezoelement verformt und
wandelt dadurch mechanische Energie in elektrische Energie um. Da
sich an vielen Orten die Temperatur, der das Wärmeausdehnungselement ausgesetzt
ist, fortlaufend ändert, ist es auf diese Weise möglich,
elektrische Energie einfach durch die Temperaturänderung
in der Umgebung zu erzeugen. Bei spielsweise ändert sich
die Temperatur eines Raumes mit Fenstern ohne zusätzliche
Maßnahmen bereits durch das mehr oder weniger stark einfallende
Sonnenlicht. Die dadurch bedingte Temperaturänderung reicht
aus, um ein gewisses Maß an elektrischer Energie zu erzeugen.
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Vorzugsweise
sind das Piezoelement und das Wärmeausdehnungselement mit
einer Trägereinrichtung verbunden. Die Trägereinrichtung
muss hierbei nicht einstückig ausgebildet sein. Es kommt lediglich
darauf an, dass man durch die Ausdehnungsänderung des Wärmeausdehnungselements eine
Verformung des Piezoelements bewirken kann. Durch die Verwendung
einer Trägereinrichtung ergeben sich größere
Freiheiten bei der Anordnung von Wärmeausdehnungselement
und Piezoelement relativ zueinander.
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Vorzugsweise
ist das Wärmeausdehnungselement parallel zum Piezoelement
angeordnet. Wenn das Wärmeausdehnungselement seine Länge ändert,
dann wird das Piezoelement auf Zug beansprucht. Da die Zugrichtung
parallel zur Polarisationsrichtung des Piezoelements ausgerichtet
ist, bewirkt eine Längenänderung eine Spannungserzeugung.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass das Wärmeausdehnungselement parallel
zu mehreren Piezoelementen angeordnet ist. Damit erreicht man zwei
Vorteile. Zum Einen wird bei der gleichen Längenänderung
des Wärmeausdehnungselements eine entsprechend größere
elektrische Leistung erzeugt. Dies gilt auf jeden Fall dann, wenn
das Wärmeausdehnungselement eine Kraft aufbringt, die ausreicht, um
mehrere Piezoelemente gleichzeitig zu betätigen. Zum Anderen
kann man durch eine entsprechende Anordnung da für sorgen,
dass die Biegebeanspruchung der Piezoelemente klein bleibt.
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Dies
gilt vor allem dann, wenn die Piezoelemente das Wärmeausdehnungselement
gleichmäßig umgeben. Beispielsweise kann man auf
gegenüberliegenden Seiten des Wärmeausdehnungselements jeweils
ein Piezoelement anordnen. Wenn das Wärmeausdehnungselement
seine Länge ändert, dann werden die beiden Piezoelemente
gleichartig gedehnt und die Gefahr, dass sich das Wärmeausdehnungselement
oder die Piezoelemente verbiegen, wird klein gehalten.
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In
einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das
Wärmeausdehnungselement quer zum Piezoelement wirkt. Wenn
das Wärmeausdehnungselement seine Länge ändert,
dann wird das Piezoelement verbogen und gibt damit elektrische Energie
ab.
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Vorzugsweise
ist das Piezoelement zwischen mindestens zwei Wärmeausdehnungselementen
angeordnet, die entgegen gesetzte Wirkrichtungen aufweisen. Mit
dieser Ausgestaltung kann die auf das Piezoelement wirkende Kraft
vergrößert werden, weil nun zwei Wärmeausdehnungselemente
verwendet werden, um das Piezoelement zu komprimieren oder auseinander
zu ziehen. Gleichzeitig wird die Strecke vergrößert, über
die das Piezoelement komprimiert wird. Beides erhöht die
erzeugte, elektrische Energie.
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Bevorzugterweise
ist das Piezoelement mit einem Gleichrichter verbunden. Das Piezoelement erzeugt
in Abhängigkeit von den Kräften, mit denen es
beaufschlagt wird, positive oder negative Spannungen. Durch die
Verwendung eines Gleichrichters kann man dafür sorgen,
dass immer eine Spannung mit einer gewünschten gleichen
Polarität zur Verfügung steht, was die weitere
Behandlung der so erzeugten, elektrischen Energie vereinfacht.
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Bevorzugterweise
ist das Piezoelement mit einem Energiespeicher verbunden. Damit
ist es möglich, die elektrische Energie auch dann zur Verfügung zu
haben, wenn zu dem Zeitpunkt, an dem die elektrische Energie benötigt
wird, gerade keine Temperaturänderung stattfindet. Ein
Energiespeicher kann unterschiedliche Ausbildungen haben. Im einfachsten
Fall verwendet man einen Kondensator mit einer ausreichenden Kapazität.
Auch die Verwendung einer aufladbaren Batterie, die auch als Akkumulator bezeichnet
wird, ist möglich.
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Vorzugsweise
ist das Wärmeausdehnungselement als Balgenelement ausgebildet.
Balgenelemente sind beispielsweise aus Heizkörperthermostatventilaufsätzen
bekannt. Sie ändern ihre Länge mit ausreichender
Kraft bei einer Temperaturänderung.
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Alternativ
dazu kann das Wärmeausdehnungselement einen in einem Zylinder
geführten Kolben aufweisen. Der Kolben begrenzt einen Druckraum,
in dem sich eine Füllung befindet, deren Volumen sich bei
einer Temperaturänderung verändert. Bei der Füllung
kann es sich um ein Gas, eine Flüssigkeit oder einen Feststoff,
beispielsweise Wachs, handeln.
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Alternativ
dazu kann das Wärmeausdehnungselement einen durch eine
Membran verschlossenen Raum aufweisen. In diesem Fall wird sich
bei einer Temperaturänderung die Membran verformen, die
dann direkt oder indirekt, beispielsweise über einen Stößel
oder dergleichen, auf das Piezoelement wirken kann. Grundsätzlich
sind alle Ausgestaltungen für ein Wärmeausdehnungselement
denkbar, bei denen sich eine Volumenänderung ergibt, wenn
sich die Temperatur in der Umgebung des Wärmeausdehnungselements
verändert.
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Vorzugsweise
weist das Wärmeausdehnungselement eine Füllung
auf, die zumindest teilweise gasförmig ist. Eine gasförmige
Füllung bewirkt eine relativ große Längenänderung
mit der Temperatur. Dies gilt für beide Betätigungsrichtungen.
Gleichzeitig wird eine ausreichende Kraft bereit gestellt, um das
Piezoelement zu beaufschlagen.
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Vorzugsweise
steht das Wärmeausdehnungselement mit einem externen Behälter
in Verbindung. Im externen Behälter befindet sich dann
die gleiche Füllung wie im Wärmeausdehnungselement. Wenn
dann der externe Behälter mit der Umgebungstemperatur beaufschlagt
wird, dann ändert sich die Ausdehnung des Wärmeausdehnungselements in
einem entsprechend größeren Maße. Dadurch kann
man sowohl die Betätigungslänge des Wärmeausdehnungselements
relativ zur Temperatur als auch unter Umständen die Kraft
des Wärmeausdehnungselements vergrößern.
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Auch
ist von Vorteil, wenn das Wärmeausdehnungselement über
eine Getriebeeinrichtung auf das Piezoelement wirkt. Mit der Getriebeeinrichtung ergibt
sich eine Veränderung von Kraft und Weg. In Abhängigkeit
vom verwendeten Piezoelement kann man mit Hilfe der Getriebeeinrichtung
dafür sorgen, dass das Wärmeausdehnungselement
mit einer verminderten Kraft, dafür aber einem größeren
Weg, auf das Piezoelement wirkt. Natürlich ist auch eine
umgekehrte Auslegung der Getriebeeinrichtung möglich.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass das Getriebe einen Übersetzungshebel
aufweist. Der Übersetzungshebel kann als einarmiger oder
als zweiarmiger Hebel ausgebildet sein. Die Einzelheiten richten
sich nach dem zur Verfügung stehenden Platzangebot.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass das Wärmeausdehnungselement eine Kraft
von mindestens 15 N erzeugt. Man kann also ein Wärmeausdehnungselement
verwenden, wie es aus Heizkörperthermostatventilaufsätzen
bekannt ist. Hier werden bereits heute Sicherheitsfedern von ungefähr
70 N verwendet. Eine Kraft von mindestens 15 N reicht für
die meisten Piezoelemente aus, um ausreichend elektrische Energie
zu erzeugen.
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Vorzugsweise
weist das Wärmeausdehnungselement einen Längenausdehnungskoeffizienten
auf, der mindestens 0,25 mm/K beträgt. Es stehen Piezoelemente
zur Verfügung, die bereits bei einer Längenänderung
des Wärmeausdehnungselements von 0,001 mm eine elektrische
Spannung abgeben. Diese Änderung entspricht dann einer
Temperaturänderung von 0,004°C. Bereits kleinere
Temperaturänderungen in der Umgebung des Wärmeausdehnungselements
reichen dann aus, um eine elektrische Leistung zu erzeugen. Eine
Temperaturänderung mit diesem geringen Ausmaß ist
für einen Menschen in einem Raum fast nicht spürbar.
Sie ist aber vielfach vorhanden. Auch Räume, die durch eine
thermostatgeregelte Heizung beheizt werden, haben Temperaturschwankungen
um den Sollwert, wobei die Temperaturschwankungen größer
als die oben angegebenen 0,004°C sind.
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Vorzugsweise
liefert das Piezoelement eine Betriebsenergie für einen
elektrischen Motor. Man kann den Motor dann verwenden, um Elemente
zu verstellen. In einem Heizkörperthermostataufsatz kann
man beispielsweise einen Sollwert mit Hilfe des elektrischen Motors
verstellen.
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Vorzugsweise
sind der Motor und das Piezoelement in einem gemeinsamen Gehäuse
angeordnet, aus dem ein Ausgangselement des Motors nach außen
ragt. Das Ausgangselement des Motors kann beispielsweise eine rotierende
Welle sein. Es ist aber auch möglich, dass der Motor als
Linearmotor ausgebildet ist. In diesem Fall ist das Ausgangselement
als Stößel ausgebildet. Natürlich können
neben dem Motor und dem Piezoelement noch weitere Teile der Vorrichtung
in dem Gehäuse angeordnet sein, beispielsweise ein Energiespeicher
und eine Aufbereitungseinrichtung.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Heizkörperthermostatventilaufsatz
mit einer derartigen Vorrichtung. Man kann die Vorrichtung zum Erzeugen
von elektrischer Energie dann für viele Zwecke verwenden.
Manche Heizkorperthermostatventilaufsätze haben einen elektrischen
Motor, der einen Sollwert verstellen soll. Die elektrische Energie
zum Betreiben dieses Motors kann dann über das Piezoelement
bereitgestellt werden, das wiederum durch ein Wärmeausdehnungselement
betätigt wird. Man kann dann das im Ventilaufsatz ohnehin
vorhandene Wärmeausdehnungselement für die Beaufschlagung
des Piezoelements verwenden. Man kann aber auch ein zusätzliches
Element verwenden.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Warnsystem für Feuer und/oder
Rauch. Das Warnsystem benötigt üblicherweise Batterien,
damit es als unabhängig betrieben werden kann. Wenn man
nun ein derartiges Warnsystem zumindest im Bereich seiner Sensoren mit
einer Vorrichtung ausrüstet, die elektrische Energie durch
eine Verformung eines Piezoelements aufgrund von Temperatureinflüssen
aufweist, dann spart man sich den periodischen Wechsel der Batterien.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
erste Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer
Energie in schematischer Darstellung,
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2 eine
zweite Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer
Energie in perspektivischer Darstellung,
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3 eine dritte Ausgestaltung einer Vorrichtung
zum Erzeugen von elektrischer Energie,
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4 einen
Heizkörperthermostatventilaufsatz in schematischer Darstellung,
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5 ein
Warnsystem für Feuer und/oder Rauch,
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6 eine
vierte Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer
Energie,
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7 eine
fünfte Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erzeugen von
elektrischer Energie,
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8 eine
sechste Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer
Energie,
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9 eine
siebte Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer
Energie,
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10 die
Ausgestaltung nach 6 mit einem Motor,
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11 die
Ausgestaltung nach 10 in einem Gehäuse
und
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12 die
Ausgestaltung nach 6 als Rauchmelder.
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1 zeigt
schematisch eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen von elektrischer
Energie. Die elektrische Energie wird hier durch Umwandeln von mechanischer
Energie in elektrische Energie erzeugt.
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Die
Vorrichtung 1 weist ein Wärmeausdehnungselement 2 auf,
das im vorliegenden Fall als Balgenelement ausge bildet ist. Das
Wärmeausdehnungselement 2 weist eine gefaltete
Außenwand 3 auf, die einen nicht näher
dargestellten hohlen Innenraum umgibt, in dem eine Füllung
angeordnet ist, die zumindest teilweise gasförmig vorliegt.
Wenn sich die Temperatur ändert, der das Wärmeausdehnungselement 2 ausgesetzt
ist, dann dehnt sich die Gasfüllung aus und streckt das
Wärmeausdehnungselement 2. Wenn die Temperatur
sinkt, dann zieht sich das Wärmeausdehnungselement 2 zusammen.
Durch die ziehharmonika-ähnliche Außenwand 3 ist
eine derartige Vergrößerung oder Verkleinerung
der Länge des Wärmeausdehnungselements 2 möglich.
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Das
Wärmeausdehnungselement 2 ist zwischen zwei Bügeln 4, 5 angeordnet,
wobei ein Bügel 4 für die Zwecke der
nachfolgenden Erläuterung dieses Ausführungsbeispiels
als Trägereinrichtung angesehen wird, weil er ortsfest
in einem nicht näher dargestellten Gehäuse angeordnet
ist. Der andere Bügel 5 kann hingegen durch das
Wärmeausdehnungselement 2 vom ersten Bügel 4 weg
oder auf ihn zu bewegt werden. Die Vorrichtung 1 funktioniert aber
auch dann, wenn keiner der Bügel 4, 5 ortsfest angeordnet
ist.
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Zwischen
den beiden Bügeln 4, 5 sind zwei Piezoelemente 6, 7 angeordnet.
Die Piezoelemente 6, 7 sind jeweils mit den beiden
Bügeln 4, 5 fest verbunden, d. h. durch
die Bügel 4, 5 sowohl auf Zug als auch
auf Druck parallel zur Ausdehnungsrichtung des Wärmeausdehnungselements
belastbar.
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Wie
beispielsweise aus 2 hervorgeht, können
die Piezoelemente 6, 7 mit Hilfe von Nieten 8 mit
den Bügeln 4, 5 verbunden sein.
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Wenn
sich das Wärmeausdehnungselement 2 ausdehnt, dann
werden die beiden Piezoelemente 6, 7 verlängert,
d. h. unter eine Zugspannung gesetzt. Wenn sich das Wärmeausdehnungselement 2 zusammenzieht,
dann ziehen sich auch die Piezoelemente 6, 7 zusammen.
Bei beiden Bewegungen erzeugen die Piezoelemente 6, 7 eine
elektrische Spannung, die über Leitungen 9–12 einer
Aufbereitungseinrichtung 13 zugeführt werden können.
Mit der Aufbereitungseinrichtung 13 ist ein Energiespeicher 14 verbunden,
beispielsweise in Form eines Kondensators oder einer aufladbaren
Batterie, d. h. eines Akkumulators.
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Die
Piezoelemente 6, 7 werden bereits aktiviert, wenn
sich das Wärmeausdehnungselement 2 um 0,001 mm
verlängert. Das Wärmeausdehnungselement 2 ist
so ausgebildet, dass eine derartige Verlängerung bereits
bei einem Temperaturanstieg von 0,004° erfolgt. Der Längenänderungs-
oder Ausdehnungskoeffizient des Wärmeausdehnungselements beträgt
also mindestens 0,25 mm/K. Die Kraft, die das Wärmeausdehnungselement 2 dabei
erzeugt, beträgt mindestens 15 N. Wenn man ein Wärmeausdehnungselement
verwendet, wie es derzeit in vielen Heizkörperthermostatventilaufsätzen
verwendet wird, dann gibt es einen erheblichen Kraftüberschuss,
weil derartige Wärmeausdehnungselemente 2 eine
größere Kraft erzeugen. Vorzugsweise verwendet
man also ein Balgenelement als Wärmeausdehnungselement 2,
das eine relativ weiche Außenwand 3 aufweist und
das mit einer aggressiven Füllung gefüllt ist,
d. h. einer Füllung, deren Volumen sich bei einer Temperaturänderung
relativ stark ändert.
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Wenn
die elektrische Energie nicht gespeichert werden muss, dann kann
man auf den Energiespeicher 14 und gegebenenfalls auf die
Aufbereitungseinrichtung 13 auch verzichten. Da nur relativ geringe
Temperaturänderungen in der Umgebung des Wärmeausdehnungselements 2 erforderlich sind,
um elektrische Energie zu erzeugen, ist davon auszugehen, dass die
Vorrichtung 1 fortlaufend elektrische Energie abgeben kann.
Temperaturänderungen unter 0,05°C sind für
einen Menschen fast nicht spürbar. Sie sind aber in vielen
Fällen vorhanden, beispielsweise dann, wenn der Raum, in
dem die Vorrichtung 1 angeordnet ist, von einem thermostatgeregelten
Heizkörper beheizt wird. Auch bei einer schnellen Regelung
sind derartige Temperaturschwankungen praktisch unvermeidbar.
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2 zeigt
eine abgewandelte Ausgestaltung, bei der gleiche Elemente mit den
gleichen Bezugszeichen versehen sind. Aus Gründen der Übersicht
sind hier die Aufbereitungseinrichtung 13 und der Energiespeicher 14 weggelassen.
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Das
Wärmeausdehnungselement 2 hat hier eine andere
Ausgestaltung. Es weist einen Stößel 15 auf,
der sich am Bügel 5 abstützt. Das Wärmeausdehnungselement 2 weist
darüber hinaus einen Korpus 16 auf, der sich am
Bügel 4 abstützt. Der Korpus 16 kann
eine Feststofffüllung aufweisen, beispielsweise aus Wachs.
Wenn sich die Temperatur in der Umgebung des Wärmeausdehnungselements 2 erhöht,
dann dehnt sich das Wachs aus und treibt den Stößel 15 aus
dem Korpus 16. Dabei werden die Piezoelemente 6, 7 unter
Zugspannung gesetzt und verlängert, so dass über
die Leitungen 9, 10 bzw. 11, 12 eine
elektrische Leistung abgenommen werden kann.
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Bei
der Ausgestaltung nach den 1 und 2 werden
die Piezoelemente 6, 7 auf Zug beansprucht und
gelenkt. 3 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung,
bei der aus Gründen der Übersicht die Trägereinrichtung
mit den Bügeln 4, 5 nicht dargestellt
ist. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind im Übrigen
mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 versehen.
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Das
Wärmeausdehnungselement 2 ist hier gleich aufgebaut
wie in 2. Der Stößel 15, der
aus dem Korpus 16 herausragt, beansprucht das Piezoelement 6 allerdings
nicht in Richtung seiner Längserstreckung, sondern quer
dazu. Wie aus einem Vergleich der 3a und 3b hervorgeht,
wird das Piezoelement 6 verbogen, wenn der Stößel 15 aus dem
Korpus 16 herausgedrückt wird. Auch bei einer derartigen
Biegebeanspruchung gibt das Piezoelement 6 eine Spannung über
die Leitungen 9, 10 ab. Diese Spannung kann, wenn
erforderlich, über die Aufbereitungseinrichtung 13 aufbereitet
und in dem Energiespeicher 14 gespeichert werden.
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4 zeigt
in stark schematisierter Darstellung einen Heizkörperthermostatventilaufsatz 17,
der auf ein Ventilelement 18 wirkt, das mit einem Ventilsitz 19 zusammenwirkt.
Das Ventilelement 18 steuert damit den Zustrom von Heizflüssigkeit
aus einem Zulauf 20 in eine Heizkörperleitung 21.
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In
an sich bekannter Weise weist der Thermostatventilaufsatz 17 ein
Thermostatelement 22 auf, das sich bei einer Temperaturerhöhung
ausdehnt und dadurch das Ventilelement 18 näher
an den Ventilsitz 19 bewegt. Bei einer Temperaturabsenkung
wird das Ventilelement 18 vom Ventilsitz 19 abgehoben.
Das Thermostatelement 22 kann gleich oder ähnlich
aufgebaut sein wie das Wärmeausdehnungselement 2 in
der Vorrichtung nach 1.
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Ein
Motor 23, der in einem Gehäuse 24 des Thermostatventilaufsatzes 17 festgelegt
ist, verändert die Lage des Thermostatelements 22 innerhalb des
Gehäuses und damit den Sollwert. Wenn das Thermostatelement 22 vom
Ventilsitz 19 wegbewegt wird, dann wird bei unveränderter
Länge des Thermostatelements 22 ein größerer Öffnungsquerschnitt zwischen
dem Ventilelement 18 und dem Ventilsitz 19 frei
gegeben.
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Der
Motor 23 ist als Elektromotor ausgebildet. Um ihn zu betätigen,
ist daher eine elektrische Energie notwendig. Diese elektrische
Energie wird durch die Vorrichtung 1 bereit gestellt, bei
der in diesem Ausführungsbeispiel der Bügel 5 über
einen Stempel 25 am Gehäuse 24 festgelegt
ist. Wenn das Wärmeausdehnungselement 2 bei einer
Temperaturänderung seine Temperatur ändert, dann
wird der andere Bügel 4 verlagert und beansprucht
damit die Piezoelemente 6, 7 auf Zug oder auf
Druck, so dass sie eine elektrische Leistung abgeben, die im Energiespeicher
gespeichert werden kann, um bei Bedarf zur Betätigung des
Motors 23 zur Verfügung zu stehen. Der Motor 23 kann
in nicht näher dargestellter Weise eine Ansteuereinrichtung
aufweisen, die über ein Funksignal oder dergleichen angesteuert
werden kann, um den Motor 23 in Betrieb zu setzen.
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5 zeigt
eine Brand- oder Rauchmeldeeinrichtung 26, die Teil eines
Systems zur Feuer- und/oder Rauchmeldung ist. Auch hier ist eine
Vorrichtung 1 zur elektrischen Energieerzeugung in einem
Gehäuse 27 angeordnet und liefert elektrische Energie über
den Energiespeicher 14 an einen Sender 28, der
ebenfalls in dem Gehäuse 27 angeordnet ist. Die
notwendige Information, die gesendet werden soll, wird über
einen Sensor 29 gewonnen.
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6 zeigt
eine Ausgestaltung, die prinzipiell der in 1 dargestellten
entspricht. Das Wärmeausdehnungselement 2 und
das Piezoelement 6 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 30 angeordnet,
so dass das Piezoelement 6 durch das Wärmeausdehnungselement 2 gegen
das Gehäuse 30 gedrückt wird. Das Gehäuse 30 bildet
in diesem Fall eine Trägereinrichtung. Das Piezoelement 6 wird
in diesem Fall auf Druck und auf Zug belastet.
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Zwischen
dem Piezoelement 6 und der Aufbereitungseinrichtung 13 ist
ein Gleichrichter 31 angeordnet. Das Piezoelement 6 liefert
in Abhängigkeit von seiner Kraftbeaufschlagung also in
Zug- und in Druckrichtung, eine positive und eine negative Spannung.
Der Gleichrichter 31 sorgt dafür, dass an der Aufbereitungseinrichtung 13 immer
eine Spannung mit gleicher Polarität zur Verfügung
steht.
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7 zeigt
eine abgewandelte Ausgestaltung, bei der das Piezoelement 6 zwischen
zwei Balgenelementen 2a, 2b eingespannt ist. Die
beiden Balgenelemente 2a, 2b stützen
sich am Gehäuse 30 ab.
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Bei
der in 8 dargestellten Ausgestaltung ist das Balgenelement 2 mit
einem externen Behälter 32 verbunden und zwar über
eine Leitung 33, durch die eine Füllung des Wärmeausdehnungselements 2 in
den Behälter 32 gelangen kann und umgekehrt. Wenn
der Behälter 32 der Umgebungstemperatur ausgesetzt
wird, dann dehnt sich die darin enthaltene Füllung aus.
Der Behälter 32 hat ein konstantes Volumen, so
dass die Füllung nur in das Wärmeausdehnungselement 2 entweichen
kann. Das Wärmeausdehnungselement 2 ändert
dann seine Ausdehnung in Abhängigkeit von der Temperatur
in einem erhöhten Maße.
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Bei
der Ausgestaltung nach 9 ist das Wärmeausdehnungselement 2 mit
dem Piezoelement 6 über eine Getriebeeinrichtung 34 verbunden. Die
Getriebeeinrichtung 34 weist einen doppelarmigen Hebel 35 auf,
der um einen Drehpunkt 36, der mit dem Gehäuse 30 verbunden
ist, verschwenkbar ist. Ein dem Wärmeausdehnungselement 2 zugewandter
Arm 37 ist länger als ein dem Piezoelement 6 zugewandter
Arm 38. Wenn sich das Wärmeausdehnungselement 2 ausdehnt,
dann wird das Piezoelement 6 um eine geringere Strecke
komprimiert. Das Verhältnis zwischen Kompression und Ausdehnung ergibt
sich aus dem Verhältnis der Längen der Arme 37, 38.
Die geringere Kompression des Piezoelements 6 geht einher
mit einer größeren Kraftbeaufschlagung.
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Zu
allen Ausführungsbeispielen ist zu sagen, dass das Piezoelement 6 mit
dem Wärmeausdehnungselement 2 nicht nur in einer
Druck übertragenden Verbindung steht, son dern die Verbindung
auch Zugkräfte überträgt. Dementsprechend
wird dann das Piezoelement 6 durch das Wärmeausdehnungselement 2 wieder
in die Länge gezogen werden, wenn die Temperatur sinkt
und das Wärmeausdehnungselement 2 seine Ausdehnung
verringert.
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Bei
der in 10 dargestellten Anordnung ist
die Vorrichtung nach 6 mit einem elektrischen Motor 23 verbunden,
an dessen Ausgangselement 39 praktisch beliebige Betätigungselemente
angeschlossen werden können. Bei dem Ausgangselement 39 handelt
es sich im einfachsten Fall um eine Ausgangswelle, die sich bei
Betätigung des Motors 23 dreht. Wenn der Motor 23 als
Linearmotor ausgebildet ist, dann kann es sich bei dem Ausgangselement 39 auch
um einen Stößel handeln.
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Bei
der Ausgestaltung nach 11 ist die Vorrichtung nach 10 in
einem Gehäuse 40 angeordnet, in dem der Motor 23,
das Wärmeausdehnungselement 2, das Piezoelement 6,
der Gleichrichter 31, die Aufbereitungseinrichtung 13 und
der Energiespeicher 14 in einem Gehäuse 24 angeordnet sind.
Lediglich das Ausgangselement 39 ragt nach außen.
Natürlich kann das Gehäuse 24 auch noch Betätigungselemente
aufweisen, um beispielsweise den Motor 23 anzusteuern.
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Die
Ausgestaltung nach 12 entspricht prinzipiell der
Ausgestaltung nach 5. Sie ist aber verallgemeinert.
Ein Sensor 40, der mit dem Energiespeicher 14 verbunden
ist, kann durch irgendeine äußere Einflussgröße 41 beaufschlagt
werden. Ein Beispiel ist ein Rauchmelder, dessen Sensor 40 das
Vorhandensein von Rauch feststellt. In ähnlicher Weise kann
ein Feuermel der ausgebildet sein, dessen Sensor 40 Feuer,
Licht, Wärme oder dergleichen erfasst. Der Sensor 40 kann
auch als Feuchtigkeitsmesser, als Windmesser, als Temperatursensor
oder dergleichen ausgebildet sein. Er bekommt seine Energie von
dem Piezoelement 6.
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Das
Wärmeausdehnungselement 2 wurde der Einfachheit
halber als Balgenelement dargestellt. Prinzipiell lässt
sich aber jedes Element verwenden, bei dem eine Volumenänderung
einer Füllung, also einer Flüssigkeit, eines Gases
oder eines Feststoffs, bei einer Änderung der Umgebungstemperatur
zu einer Ausdehnungsänderung, insbesondere einer Längenänderung
führt, die wiederum zu einer Kompression oder einer Verbiegung
eines Piezoelements verwendet werden kann. Es kann sich beispielsweise auch
um eine Kolben-Zylinder-Anordnung handeln oder um einen Raum, der
mit einer Membrane abgeschlossen ist.
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Die
beeinflussende Temperatur kann eine Raumtemperatur, eine Außentemperatur
etc. sein. Man kann aber auch die Temperatur eines kleinen lokalen
Bereiches verwenden, der mit Hilfe einer Art "Fernfühler"
abgefragt wird.
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Man
kann die Kombination von Wärmeausdehnungselement 2 und
Piezoelement 6 zusätzlich auch als Temperaturfühler
verwenden, d. h. bei einer bestimmten Temperatur stellt sich eine
bestimmte Spannung ein.
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Man
kann das Piezoelement 6 einzeln (sogenannter "bulk") verwenden
oder in Kombination mit einem oder mehreren anderen Piezoelementen
(sogenannter "stack"). Im letzten Fall gelten die Aussagen, die
in der Be schreibung für ein einzelnes Piezoelement gemacht
worden sind, auch für den "stack".
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6407484
B1 [0002]
- - US 7183937 B2 [0003]