DE102015226824A1

DE102015226824A1 - Piezoelectric energy converter

Info

Publication number: DE102015226824A1
Application number: DE102015226824.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gruenberger; Michael Kurz; Dirk Vahle; Toni Jankowski
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2017-07-06
Also published as: WO2017114649A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie, umfassend mindestens ein piezoelektrisches Element (1), das in axialer Richtung be- und entlastbar ist, so dass über den piezoelektrischen Effekt eine elektrische Spannung erzeugbar ist, die einem Stromverbraucher oder einem Stromspeicher zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist das piezoelektrische Element (1) mit einem Druckkolben (2) verbunden, der über ein Kopplervolumen (3) mit einem Initialkolben (4) hydraulisch gekoppelt ist, wobei das piezoelektrische Element (1), der Druckkolben (2) und der Initialkolben (4) in einem ein- oder mehrteilig ausgebildeten Gehäuse (5) angeordnet sind.The invention relates to a piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy, comprising at least one piezoelectric element (1) which can be loaded and unloaded in the axial direction, so that on the piezoelectric effect, an electrical voltage can be generated, the current consumer or a Power memory can be supplied. According to the invention, the piezoelectric element (1) is connected to a pressure piston (2) which is hydraulically coupled via a coupler volume (3) to an initial piston (4), wherein the piezoelectric element (1), the pressure piston (2) and the initial piston ( 4) are arranged in a one or more parts housing (5).

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Energiewandler mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a piezoelectric energy converter with the features of the preamble of claim 1.

Mit Hilfe des piezoelektrischen Energiewandlers soll mechanische Energie, insbesondere die Bewegungsenergie einer schwingenden Masse, in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Energieumwandlung beruht auf dem piezoelektrischen Effekt. Der piezoelektrische Energiewandler umfasst hierzu mindestens ein piezoelektrisches Element.With the help of the piezoelectric energy converter mechanical energy, in particular the kinetic energy of a vibrating mass to be converted into electrical energy. The energy conversion is based on the piezoelectric effect. For this purpose, the piezoelectric energy converter comprises at least one piezoelectric element.

Stand der TechnikState of the art

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 001 163 A1 ist ein piezoelektrischer Generator mit mindestens einer Piezoeinheit bekannt, die zur Erzeugung eines Wechselstroms periodisch verspannt wird. Die Piezoeinheit ist hierzu im Wesentlichen radial zur Drehachse einer in einer Drehbewegung antreibbaren Generatorwelle angeordnet, die eine Exzentrizität besitzt, so dass hierüber die periodische Verspannung der Piezoeinheit bewirkbar ist. Bei jedem Verspannen wird ein Stromsignal erzeugt. Denn beim Verspannen wird die Piezoeinheit gestaucht und beim Entspannen entlastet. Dies führt zu einem ladungssaugenden und ladungsverdrängenden Prozess und damit zu einem elektrischen Stromwechsel. Der piezoelektrische Generator soll auf diese Weise zur Stromerzeugung eingesetzt werden können.From the publication DE 10 2009 001 163 A1 a piezoelectric generator with at least one piezoelectric unit is known, which is clamped periodically to generate an alternating current. For this purpose, the piezo unit is arranged substantially radially to the axis of rotation of a generator shaft which can be driven in a rotary motion and which has an eccentricity, so that the periodic clamping of the piezo unit can be effected thereby. Each time a voltage is applied, a current signal is generated. Because when clamping the piezo unit is compressed and relieved when relaxing. This leads to a charge-sucking and charge-displacement process and thus to an electrical current change. The piezoelectric generator should be able to be used in this way for power generation.

Aus der Patentschrift DE 10 2011 052 439 B4 ist ferner eine Fahrzeugsitzvorrichtung bekannt, die einen Fahrzeugsitz und eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Fahrzeugsitzes an einem Fahrzeugboden umfasst. Ferner ist eine Energiewandlungsvorrichtung vorgesehen, mittels welcher Bewegungsenergie, die im Benutzungszustand der Fahrzeugsitzvorrichtung aus einer Relativbewegung des Fahrzeugsitzes relativ zu dem Fahrzeugboden resultiert, in elektrische Energie wandelbar ist. Zur Wandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie kann die Energiewandlungsvorrichtung mindestens ein piezoelektrisches Element umfassen. Darüber hinaus werden alternative Konzepte zur Energiewandlung angegeben.From the patent DE 10 2011 052 439 B4 Further, a vehicle seat device is known which comprises a vehicle seat and a fastening device for fastening the vehicle seat to a vehicle floor. Furthermore, an energy conversion device is provided, by means of which kinetic energy, which results in the use state of the vehicle seat device from a relative movement of the vehicle seat relative to the vehicle floor, can be converted into electrical energy. For converting kinetic energy into electrical energy, the energy conversion device may comprise at least one piezoelectric element. In addition, alternative concepts for energy conversion are given.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktive Lösung für einen piezoelektrischen Energiewandler anzubieten, der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist. Ferner soll der piezoelektrische Energiewandler vielseitig einsetzbar und an die jeweiligen Einsatzbedingungen leicht anpassbar sein.The invention has for its object to provide a constructive solution for a piezoelectric energy converter, which is simple and inexpensive to produce. Furthermore, the piezoelectric energy converter should be versatile and easily adaptable to the particular conditions of use.

Zur Lösung der Aufgabe wird der piezoelektrische Energiewandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem, the piezoelectric energy converter with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie vorgeschlagene piezoelektrische Energiewandler umfasst mindestens ein piezoelektrisches Element, das in axialer Richtung be- und entlastbar ist, so dass über den piezoelektrischen Effekt eine elektrische Spannung erzeugbar ist, die einem Stromverbraucher oder einem Stromspeicher zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist das piezoelektrische Element mit einem Druckkolben verbunden, der über ein Kopplervolumen mit einem Initialkolben hydraulisch gekoppelt ist, wobei das piezoelektrische Element, der Druckkolben und der Initialkolben in einem ein- oder mehrteilig ausgebildeten Gehäuse angeordnet sind.The piezoelectric energy converter proposed for converting mechanical energy into electrical energy comprises at least one piezoelectric element which can be loaded and unloaded in the axial direction, so that an electrical voltage can be generated via the piezoelectric effect, which can be supplied to a current consumer or to a power store. According to the invention, the piezoelectric element is connected to a pressure piston which is hydraulically coupled via a coupler volume with an initial piston, wherein the piezoelectric element, the pressure piston and the initial piston are arranged in a one or more parts housing.

Dadurch, dass der Druckkolben und der Initialkolben hydraulisch gekoppelt sind, erfolgt die Kraftübertragung berührungsfrei. Das heißt, dass sich die beiden Kolben nicht kontaktieren. Auf diese Weise tritt über die Lebensdauer auch kein mechanischer Kontaktverschleiß ein, der kompensiert werden müsste, um eine Drift der Einstellwerte zu verhindern. Ferner erleichtert das hydraulische Kopplervolumen den Einstellprozess, da die Einstellung einmalig beim Befüllen des Kopplervolumens mit einem Hydraulikmedium, beispielsweise mit Öl oder Wasser, vorgenommen wird.Characterized in that the pressure piston and the initial piston are hydraulically coupled, the power transmission takes place without contact. This means that the two pistons do not contact each other. In this way occurs over the life and no mechanical contact wear, which would have to be compensated to prevent drift of the set values. Furthermore, the hydraulic coupler volume facilitates the adjustment process, since the adjustment is made once when filling the coupler volume with a hydraulic medium, for example with oil or water.

Über das im Kopplervolumen vorhandene Hydraulikmedium kann zudem ein automaischer Temperaturausgleich bewirkt werden, so dass Temperaturschwankungen keinen oder nur einen unbedeutenden Einfluss auf die Einstellwerte haben.In addition, an automatic temperature compensation can be effected via the hydraulic medium present in the coupler volume so that temperature fluctuations have no or only insignificant influence on the setting values.

Wird der Initialkolben durch äußere Krafteinwirkung gegenüber dem Gehäuse axial verschoben, so dass sich das Kopplervolumen verkleinert, wird das im Kopplervolumen vorhandene Hydraulikmedium komprimiert. Dies führt zu einer auf den Druckkolben wirkenden hydraulischen Druckkraft, die vom Druckkolben auf das piezoelektrische Element übertragen wird, so dass dieses in axialer Richtung gestaucht wird. Durch den piezoelektrischen Effekt wird bei der Stauchung des piezoelektrischen Elements eine elektrische Spannung erzeugt, die direkt nutzbar oder zur späteren Nutzung einem Speicher zuführbar ist.If the initial piston is displaced axially by external force acting on the housing, so that the coupler volume decreases, the hydraulic medium present in the coupler volume is compressed. This leads to an acting on the pressure piston hydraulic pressure force which is transmitted from the pressure piston to the piezoelectric element, so that this is compressed in the axial direction. By the piezoelectric effect, an electrical voltage is generated during the compression of the piezoelectric element, which is directly usable or fed to a memory for later use.

Die auf den Initialkolben einwirkende äußere Kraft kann insbesondere durch eine schwingende Masse bewirkt werden, die den Initialkolben wiederholt in axialer Richtung belastet. Die Bewegungsenergie der schwingenden Masse wird dann mittels des piezoelektrischen Energiewandlers in elektrische Energie umgewandelt, die wiederum zum Betrieb einer elektrischen oder elektronischen Vorrichtung, beispielsweise eines Sensors, einer Schaltung oder einer Funkeinheit, verwendbar ist.The external force acting on the initial piston can in particular be effected by an oscillating mass which repeatedly loads the initial piston in the axial direction. The kinetic energy of the oscillating mass is then converted into electrical energy by means of the piezoelectric energy converter Energy converted, in turn, for operation of an electrical or electronic device, such as a sensor, a circuit or a radio unit, is used.

Eine vorteilhafte Anwendung des piezoelektrischen Energiewandlers wird in Verbindung mit einem Transportcontainer gesehen. Beispielsweise kann ein piezoelektrischer Energiewandler in der Weise an einen Transportcontainer angebracht werden, dass der Initialkolben einen Anschlag für eine Tür des Transportcontainers ausbildet. Die Bewegungsenergie der am Initialkolben anschlagenden Tür wird mittels des piezoelektrischen Energiewandlers in elektrische Energie umgewandelt, die wiederum zur Betätigung einer Öffnungs- und/oder Schließvorrichtung der Tür einsetzbar ist.An advantageous application of the piezoelectric energy converter is seen in connection with a transport container. For example, a piezoelectric energy converter can be attached to a transport container in such a way that the initial piston forms a stop for a door of the transport container. The kinetic energy of the door striking the initial piston is converted by the piezoelectric energy converter into electrical energy, which in turn can be used to actuate an opening and / or closing device of the door.

Darüber hinaus ist eine Vielzahl anderer Anwendungen denkbar und möglich.In addition, a variety of other applications is conceivable and possible.

Um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, können mehrere piezoelektrische Elemente in gestapelter Anordnung eingesetzt werden. Derartige Anordnungen sind auch als Piezomodul bzw. Piezo-Stack bekannt. Solche Module finden beispielsweise als Schaltelemente in Kraftstoffinjektoren Einsatz, so dass bei der Realisierung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Energiewandlers auf bereits bestehende Piezomodule zurückgegriffen werden kann. Auf diese Weise kann die Umsetzung besonders kostengünstig gestaltet werden.In order to achieve a high power density, a plurality of piezoelectric elements can be used in a stacked arrangement. Such arrangements are also known as a piezo module or piezo stack. Such modules are used, for example, as switching elements in fuel injectors, so that can be used in the realization of the piezoelectric energy converter according to the invention on existing piezo modules. In this way, the implementation can be made particularly cost.

Die hydraulische Kopplung besitzt ferner den Vorteil, dass über das Flächenverhältnis der das Kopplervolumen begrenzenden hydraulischen Wirkflächen in einfacher Weise eine Kraftübersetzung oder Kraftuntersetzung realisierbar ist.The hydraulic coupling also has the advantage that a force transmission or force reduction can be realized in a simple manner via the area ratio of the hydraulic active surfaces delimiting the coupler volume.

Die das Kopplervolumen begrenzenden Wirkflächen sind vorliegend am Druckkolben und am Initialkolben ausgebildet. Um eine Kraftübersetzung oder eine Kraftuntersetzung zu erzielen, weist vorzugsweise der Druckkolben eine das Kopplervolumen begrenzende hydraulische Wirkfläche A₁ auf, die größer oder kleiner als eine das Kopplervolumen begrenzende hydraulische Wirkfläche A₂ des Initialkolbens gewählt ist. Ob eine Kraftübersetzung oder Kraftuntersetzung erzielt werden soll, hängt insbesondere vom jeweiligen Einsatzort des piezoelektrischen Energiewandlers ab. Entsprechend ist das Flächenverhältnis der hydraulischen Wirkflächen zu wählen. Die hydraulische Kopplung der beiden Kolben vergrößert somit den Einsatzbereich des vorgeschlagenen piezoelektrischen Energiewandlers.The active substance bounding the coupler volume are presently formed on the pressure piston and on the initial piston. In order to achieve a force transmission or a force reduction, the pressure piston preferably has a hydraulic effective area A ₁ bounding the coupler volume, which is selected to be greater or smaller than a hydraulic effective area A _{2 of} the initial piston defining the coupler volume. Whether a power transmission or power reduction is to be achieved depends in particular on the particular location of the piezoelectric energy converter. Accordingly, the area ratio of the hydraulic active surfaces to choose. The hydraulic coupling of the two pistons thus increases the range of application of the proposed piezoelectric energy converter.

Bevorzugt ist der Druckkolben mittels der Federkraft einer Feder gegen das piezoelektrische Element axial vorgespannt. Die axiale Vorspannung führt zu einer kraftschlüssigen Verbindung des Druckkolbens mit dem piezoelektrischen Element. Der Kraftschluss stellt die Kraftübertragung vom Druckkolben auf das piezoelektrische Element sicher. Die zur axialen Vorspannung des Druckkolbens vorgesehene Feder ist vorzugsweise einerseits am Gehäuse und andererseits an einem Bund des Druckkolbens abgestützt. Die Abstützung am Bund des Druckkolbens kann unmittelbar oder mittelbar über eine Spannhülse erfolgen. Die mittelbare Abstützung der Feder über die Spannhülse ermöglicht eine Verkürzung des Druckkolbens, so dass eine in axialer Richtung besonders kompakt bauende Anordnung erzielbar ist. Ferner unterstützt ein verkürzter Druckkolben eine ausschließlich axiale Belastung des piezoelektrischen Elements.Preferably, the pressure piston is axially biased by the spring force of a spring against the piezoelectric element. The axial bias leads to a frictional connection of the pressure piston with the piezoelectric element. The frictional connection ensures the transmission of power from the pressure piston to the piezoelectric element. The provided for the axial bias of the pressure piston spring is preferably supported on the one hand on the housing and on the other hand on a collar of the pressure piston. The support on the collar of the pressure piston can be made directly or indirectly via a clamping sleeve. The indirect support of the spring on the clamping sleeve allows a shortening of the pressure piston, so that in the axial direction particularly compact structure can be achieved. Furthermore, a shortened pressure piston supports exclusively axial loading of the piezoelectric element.

Zur Stauchung des piezoelektrischen Elements ist ein Gegenlager erforderlich. Bevorzugt ist daher das piezoelektrische Element an seinem dem Druckkolben abgewandten Ende am Gehäuse abgestützt. Darüber hinaus kann das dem Druckkolben abgewandte Ende des piezoelektrischen Elements in das Gehäuse eingelassen sein. Auf diese Weise wird zugleich eine Lagefixierung in radialer Richtung erreicht.For compression of the piezoelectric element, an abutment is required. Preferably, therefore, the piezoelectric element is supported at its end remote from the pressure piston on the housing. In addition, the pressure piston facing away from the end of the piezoelectric element may be embedded in the housing. In this way, a position fixation in the radial direction is achieved at the same time.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das piezoelektrische Element an seinem dem Druckkolben abgewandten Ende elektrische Anschlussleitungen aufweist, die aus dem Gehäuse geführt sind. Die elektrischen Anschlussleitungen dienen der Ableitung der mittels des piezoelektrischen Elements erzeugten elektrischen Spannung. Ferner ist der piezoelektrische Energiewandler über die elektrischen Anschlussleitungen mit einem Stromverbraucher oder einem Stromspeicher verbindbar.Alternatively or additionally, it is proposed that the piezoelectric element has at its end facing away from the pressure piston electrical connection lines which are guided out of the housing. The electrical connection lines serve to dissipate the electrical voltage generated by means of the piezoelectric element. Furthermore, the piezoelectric energy converter can be connected via the electrical connection lines with a power consumer or a power storage.

Vorteilhafterweise ist bzw. sind der Druckkolben und/oder der Initialkolben über das Gehäuse hubbeweglich geführt. Im Gehäuse ist hierzu mindestens eine Bohrung ausgebildet. Die Führung des Druckkolbens verhindert eine radiale Auslenkung und damit eine Querbelastung des piezoelektrischen Elements. Über die Führung des Initialkolbens kann zugleich eine Abdichtung des Kopplervolumens nach außen bewirkt werden. Hierzu ist das Führungsspiel entsprechend eng auszulegen. Alternativ oder ergänzend kann außenumfangseitig in den Initialkolben mindestens ein ringförmiges Dichtelement eingesetzt sein, das den Führungsspalt abdichtet.Advantageously, the pressure piston and / or the initial piston is guided in a lift-movable manner via the housing. In the housing, at least one bore is formed for this purpose. The guidance of the pressure piston prevents a radial deflection and thus a transverse load of the piezoelectric element. At the same time a seal of the coupler volume to the outside can be effected via the leadership of the initial piston. For this purpose, the leadership game is interpreted accordingly narrow. Alternatively or additionally, at least one annular sealing element, which seals the guide gap, may be inserted on the outer peripheral side into the initial piston.

Die im Gehäuse ausgebildete Bohrung ist vorzugsweise als Stufenbohrung ausgeführt und bildet mindestens eine als Hubanschlag für den Initialkolben dienende Stufe aus. Die als Hubanschlag dienende Stufe begrenzt weiterhin vorzugsweise den Hub des Initialkolbens in Richtung des Druckkolbens, so dass hierüber das piezoelektrische Element vor einer Überbelastung gesichert ist. Ferner kann durch den Hubanschlag ein Kontakt des Initialkolbens mit dem Druckkolben verhindert werden.The bore formed in the housing is preferably designed as a stepped bore and forms at least one serving as a stroke stop for the initial piston level. The serving as a stroke stop further preferably limits the stroke of the initial piston in the direction of the pressure piston, so that over this the piezoelectric element is secured against overloading. Furthermore, by the stroke stop contact of the initial piston with the pressure piston can be prevented.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Initialkolben ein- oder mehrfach gestuft ausgeführt ist. Beispielsweise kann der Initialkolben einen dem Druckkolben zugewandten Endabschnitt mit verringertem Außendurchmesser besitzen, so dass ein als Anschlagfläche dienende ringförmiger Absatz ausgebildet wird, der mit der als Hubanschlag dienenden Stufe der Bohrung des Gehäuses zusammenwirkt. Der Endabschnitt mit verringertem Außendurchmesser kann ferner zur Abdichtung des Kopplervolumens genutzt werden, wenn die im Gehäuse ausgebildete Bohrung im Bereich des Endabschnitts an dessen Außendurchmesser angepasst ist.In addition, it is proposed that the initial piston is executed one or more stages. For example, the initial piston may have a pressure piston-facing end portion with a reduced outer diameter, so that serving as a stop surface annular shoulder is formed, which cooperates with the serving as a stroke stop stage of the bore of the housing. The reduced outer diameter end portion may be further utilized to seal the coupler volume when the bore formed in the housing is conformed to the outside diameter of the end portion thereof.

Alternativ oder ergänzend kann der Initialkolben einen Abschnitt aufweisen, der über eine Stufe in einen Führungsabschnitt übergeht und gemeinsam mit dem Gehäuse ein im Wesentlichen ringförmiges Volumen begrenzt, in dem eine Feder zur axialen Vorspannung und/oder zur Rückstellung des Initialkolbens angeordnet ist. Die Abstützung der Feder erfolgt hierzu an der am Initialkolben ausgebildeten Stufe.Alternatively or additionally, the initial piston may have a section which merges via a step into a guide section and together with the housing defines a substantially annular volume in which a spring for axially biasing and / or for resetting the initial piston is arranged. The support of the spring is done for this purpose at the formed on the initial piston stage.

Sofern die Feder der Vorspannung des Initialkolbens dient, ist diese bevorzugt dazu ausgelegt, einer im Ruhezustand auf den Initialkolben von außen einwirkenden Kraft standzuhalten. Die Feder gewährleistet auf diese Weise, dass zwischen dem Initialkolben und dem Druckkolben ein ausreichend großer Axialspalt verbleibt, der das Kopplervolumen bildet. Ferner kann das Kopplervolumen weitgehend drucklos bzw. mit Umgebungsdruck beaufschlagt sein. Auf diese Weise wird die Leckage nach außen verringert und zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen können entfallen.If the spring serves to bias the initial piston, it is preferably designed to withstand a force acting on the initial piston in the rest state from the outside. The spring ensures in this way that between the initial piston and the pressure piston, a sufficiently large axial gap remains, which forms the coupler volume. Furthermore, the coupler volume can be largely pressureless or subjected to ambient pressure. In this way, the leakage is reduced to the outside and additional sealing measures can be omitted.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das Kopplervolumen mit einem Hydraulikmedium befüllt ist, das eine möglichst geringe Kompressibilität besitzt. Als Hydraulikmedium eignet sich daher insbesondere ein Hydrauliköl oder ein hydraulikölähnliches Fluid. Eine geringe Kompressibilität des Hydraulikmediums besitzt den Vorteil, dass jede Veränderung der von außen auf den Initialkolben einwirkenden Kraft zu einer direkten Be- oder Entlastung des Druckkolbens und damit des piezoelektrischen Elements führt. Auf diese Weise kann die Effizienz des piezoelektrischen Energiewandlers gesteigert werden.It is also proposed that the coupler volume is filled with a hydraulic medium which has the lowest possible compressibility. Therefore, a hydraulic oil or a hydraulic oil-like fluid is particularly suitable as the hydraulic medium. A low compressibility of the hydraulic medium has the advantage that any change in the force acting from the outside on the initial piston force leads to a direct loading or unloading of the pressure piston and thus of the piezoelectric element. In this way, the efficiency of the piezoelectric energy converter can be increased.

Auf die Effizienz des piezoelektrischen Energiewandlers wirkt sich ferner die Genauigkeit der Führungsspalte zwischen dem Gehäuse und dem Druckkolben sowie dem Gehäuse und dem Initialkolben aus. Wobei eine gewisse Leckage hinnehmbar ist oder sogar erwünscht sein kann. Beispielsweise kann der Führungsspalt zwischen dem Gehäuse und dem Druckkolben zur Wiederbefüllung des Kopplervolumens genutzt werden, wenn das an den Führungsspalt anschließende Volumen, in dem vorzugsweise das piezoelektrische Element angeordnet ist, ebenfalls mit dem Hydraulikmedium befüllt ist.On the efficiency of the piezoelectric energy converter also affects the accuracy of the guide gaps between the housing and the pressure piston and the housing and the initial piston. Whereby a certain leakage is acceptable or even desirable. For example, the guide gap between the housing and the pressure piston for refilling the Kopplervolumens be used when the adjoining the guide gap volume, in which preferably the piezoelectric element is arranged, is also filled with the hydraulic medium.

Vorteilhafterweise besitzt der Initialkolben einen Endabschnitt, der das Gehäuse in axialer Richtung überragt. Die Stirnfläche des Endabschnitts bildet eine leicht zugängliche Kraftangriffsfläche, so dass durch diese Maßnahme die Betätigung des piezoelektrischen Energiewandlers vereinfacht wird.Advantageously, the initial piston has an end portion which projects beyond the housing in the axial direction. The end face of the end portion forms an easily accessible force application surface, so that the operation of the piezoelectric energy converter is simplified by this measure.

Des Weiteren bevorzugt ist ein Füllventil zur Befüllung des Kopplervolumens mit einem Hydraulikmedium vorgesehen. Das Füllventil kann in das Gehäuse des piezoelektrischen Energiewandlers integriert sein. Mittels des Füllventils kann insbesondere die erstmalige Befüllung des Kopplervolumens mit dem Hydraulikmedium bewirkt werden. Sofern das Kopplervolumen über einen Führungsspalt mit mindestens einem weiteren Volumen verbunden ist, wird vorzugsweise auch diese über das Füllventil mit dem Hydraulikmedium befüllt.Furthermore, a filling valve for filling the coupler volume with a hydraulic medium is preferably provided. The filling valve may be integrated in the housing of the piezoelectric energy converter. By means of the filling valve, in particular the first-time filling of the coupler volume with the hydraulic medium can be effected. If the coupler volume is connected via a guide gap with at least one further volume, this is preferably also filled via the filling valve with the hydraulic medium.

Wie bereits erwähnt kann das Kopplervolumen im Ruhezustand des piezoelektrischen Energiewandlers drucklos bzw. mit Umgebungsdruck beaufschlagt sein, um die Leckage zu verringern. Alternativ kann das Kopplervolumen jedoch auch mit einem Druck beaufschlagt werden, der oberhalb des Umgebungsdrucks liegt. Das Druckniveau ist entsprechend der jeweiligen Anwendung bzw. entsprechend der auf den Initialkolben von außen einwirkenden Kraft zu wählen. Beispielsweise kann der Druck im Kopplervolumen zwischen 10 bis 100 bar liegen. Der Druck kann insbesondere so hoch gewählt werden, dass er bei einer Entlastung des Initialkolbens automatisch dessen Rückstellung bewirkt. In diesem Fall kann auf eine axiale Vorspannung des Initialkolbens mittels einer Feder verzichtet werden. As already mentioned, the volume of the coupler in the quiescent state of the piezoelectric energy converter can be pressurized or subjected to ambient pressure in order to reduce the leakage. Alternatively, however, the coupler volume can also be subjected to a pressure which is above the ambient pressure. The pressure level must be selected according to the respective application or according to the force acting on the initial piston from the outside. For example, the pressure in the coupler volume can be between 10 and 100 bar. In particular, the pressure can be selected so high that it automatically causes its return upon relief of the initial piston. In this case, can be dispensed with an axial bias of the initial piston by means of a spring.

Um zu verhindern, dass der Druck im Kopplervolumen über einen vorgegebenen Grenzwert steigt, kann ferner ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen sein. Auch diese kann in das Gehäuse des piezoelektrischen Energiewandlers integriert sein. Das Druckbegrenzungsventil dient der Überlastsicherung des piezoelektrischen Elements, da zu hohe Druckkräfte zu einer Zerstörung des piezoelektrischen Elements führen könnten. Die über das Druckbegrenzungsventil abgesteuerte Menge wird vorzugsweise einem Speichervolumen zugeführt, damit sie nicht verloren geht. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Volumen handeln, in dem das piezoelektrische Element und der Druckkolben zumindest abschnittsweise aufgenommen sind. Weiterhin vorzugsweise wird am Druckbegrenzungsventil die maximal mögliche Druckdifferenz zwischen dem Kopplervolumen und dem Speichervolumen eingestellt, um das piezoelektrische Element vor Überlast zu schützen.In order to prevent the pressure in the coupler volume from rising above a predefined limit value, a pressure limiting valve can furthermore be provided. These can also be integrated into the housing of the piezoelectric energy converter. The pressure relief valve serves to overload protection of the piezoelectric element, since too high pressure forces could lead to destruction of the piezoelectric element. The amount diverted via the pressure limiting valve is preferably supplied to a storage volume so that it is not lost. This may in particular be a volume in which the piezoelectric element and the pressure piston are accommodated at least in sections. Further preferably, the maximum possible pressure difference between the coupler volume and the storage volume at the pressure relief valve adjusted to protect the piezoelectric element from overload.

Alternativ oder ergänzend kann eine Verbindung des Kopplervolumens mit einem Speichervolumen über eine Drossel und/oder mindestens ein Rückschlagventil hergestellt bzw. herstellbar sein. Bei dem Speichervolumen handelt es sich wiederum bevorzugt um ein Volumen, in dem das piezoelektrische Element und der Druckkolben zumindest abschnittsweise aufgenommen sind. Sofern das Rückschlagventil der Druckentlastung des Kopplervolumens dient, öffnet es in Richtung des Speichervolumens und verhindert, dass Hydraulikmedium aus dem Speichervolumen zurück in das Kopplervolumen strömt. Ein Druckbegrenzungsventil ist in diesem Fall entbehrlich. Das Rückschlagventil kann aber auch zur Wiederbefüllung des Kopplervolumens eingesetzt werden. In diesem Fall öffnet es in Richtung des Kopplervolumens und verhindert, dass Hydraulikmedium aus dem Kopplervolumen in das Speichervolumen abfließt. Die Drossel wirkt in beide Richtungen und sorgt somit für einen kontinuierlichen Druckausgleich.Alternatively or additionally, a connection of the coupler volume with a storage volume via a throttle and / or at least one check valve can be produced or produced. The storage volume is again preferably a volume in which the piezoelectric element and the pressure piston are accommodated at least in sections. If the check valve serves to relieve the pressure of the coupler volume, it opens in the direction of the storage volume and prevents hydraulic fluid from flowing from the storage volume back into the coupler volume. A pressure relief valve is dispensable in this case. The check valve can also be used to refill the Kopperervolumens. In this case, it opens in the direction of the coupler volume and prevents hydraulic fluid from flowing out of the coupler volume into the storage volume. The throttle acts in both directions, thus ensuring continuous pressure equalization.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kopplervolumen mit einem Ausgleichsvolumen verbunden oder verbindbar ist. Das Ausgleichsvolumen dient dem Ausgleich von Verlustmengen durch Leckage. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das System druckbeaufschlagt ist, d. h. das Druckniveau oberhalb des Umgebungsdrucks liegt. Vorzugsweise wird das Ausgleichsvolumen von einem federbelasteten Kolben begrenzt, so dass eine kontinuierliche Nachförderung des Hydraulikmediums gewährleistet ist.In a further development of the invention it is proposed that the coupler volume is connected or connectable to a compensating volume. The compensation volume is used to compensate for loss amounts due to leakage. This is particularly advantageous when the system is pressurized, d. H. the pressure level is above the ambient pressure. Preferably, the compensating volume is limited by a spring-loaded piston, so that a continuous Nachförderung the hydraulic medium is ensured.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Kopplervolumen drucklos, so dass die Leckage nach außen minimal ist. In diesem Fall kann auf ein Ausgleichsvolumen verzichtet werden, so dass der Aufbau des piezoelektrischen Energiewandlers vereinfacht wird. Der Initialkolben ist mittels der Federkraft einer Feder entgegen der Belastungsrichtung axial vorgespannt, so dass die Rückstellung des Initialkolbens gesichert ist.According to a preferred embodiment of the invention, the coupler volume is depressurized, so that the leakage to the outside is minimal. In this case, can be dispensed with a compensation volume, so that the structure of the piezoelectric energy converter is simplified. The initial piston is axially biased by the spring force of a spring against the loading direction, so that the provision of the initial piston is secured.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:Preferred embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. These show:

1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Energiewandler gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, 1 a schematic longitudinal section through a piezoelectric energy converter according to the invention according to a first preferred embodiment,

2 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Energiewandler gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und 2 a schematic longitudinal section through a piezoelectric energy converter according to the invention according to a second preferred embodiment and

3 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Energiewandler gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform. 3 a schematic longitudinal section through a piezoelectric energy converter according to the invention according to a third preferred embodiment.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Der in der 1 schematisch dargestellte piezoelektrische Energiewandler weist ein Gehäuse 5 auf, in dem eine mehrfach gestufte Bohrung 10 ausgebildet ist. Abweichend von der Darstellung kann das Gehäuse 5 mehrteilig ausgeführt sein, um die Ausbildung der mehrfach gestuften Bohrung 10 zu vereinfachen.The Indian 1 schematically illustrated piezoelectric energy converter has a housing 5 in which a multi-stepped bore 10 is trained. Deviating from the illustration, the housing 5 be executed in several parts to the formation of the multi-stepped bore 10 to simplify.

Die Bohrung 10 weist einen ersten Abschnitt auf, in dem ein Initialkolben 4 hubbeweglich aufgenommen ist. Der Initialkolben 4 ist ebenfalls gestuft ausgeführt. Zur Vereinfachung der Ausbildung des gestuften Initialkolbens 4 kann dieser ebenfalls mehrteilig ausgebildet sein. Ein Endabschnitt 12 des Initialkolbens 4, der einen verringerten Außendurchmesser aufweist, überragt das Gehäuse 5, so dass seine Stirnfläche 21 eine Kraftangriffsfläche für eine von außen einwirkende Druckkraft 22 ausbildet. Ein weiterer Abschnitt des Initialkolbens 4, der einen an den Innendurchmesser der Bohrung 10 angepassten Außendurchmesser aufweist, dient als Führungsabschnitt. Ferner bildet dieser Abschnitt eine hydraulische Wirkfläche A₂ aus, die ein innerhalb der Bohrung 10 ausgebildetes Kopplervolumen 3 begrenzt, das mit einem Hydraulikmedium befüllt, das druckbeaufschlagt ist. Um das Kopplervolumen 3 nach außen abzudichten, ist außenumfangseitig in den Initialkolben 4 ein ringförmiges Dichtelement 23 eingesetzt. Ein zwischen den beiden Abschnitten des Initialkolbens 4 ausgebildeter ringförmiger Absatz 24 wirkt mit einer Stufe 11 der Bohrung 10 anschlagbildend zusammen.The hole 10 has a first section in which an initial piston 4 Hubbeweglich is added. The initial piston 4 is also stepped. To simplify the formation of the stepped initial piston 4 this can also be designed in several parts. An end section 12 of the initial piston 4 , which has a reduced outer diameter, projects beyond the housing 5 so that his face 21 a force application surface for an externally applied compressive force 22 formed. Another section of the initial piston 4 , one to the inner diameter of the hole 10 having adapted outer diameter, serves as a guide portion. Furthermore, this section forms a hydraulic active surface A ₂ , the one within the bore 10 trained coupler volume 3 limited, which fills with a hydraulic medium, which is pressurized. To the coupler volume 3 To seal the outside, is the outer circumference side in the initial piston 4 an annular sealing element 23 used. One between the two sections of the initial piston 4 trained annular heel 24 works with a step 11 the bore 10 Shattering together.

Die Bohrung 10 weist einen weiteren Abschnitt auf, der einen deutlich verringerten Innendurchmesser zur abschnittsweisen Aufnahme und Führung eines Druckkolbens 2 besitzt. Die dem Initialkolben 4 zugewandte Stirnfläche des Druckkolbens 2 bildet eine hydraulische Wirkfläche A₁ aus, die ebenfalls das Kopplervolumen 3 begrenzt. Der Druckkolben 2 ist andernends mit mehreren piezoelektrischen Elementen 1 verbunden, die übereinandergestapelt eine Piezoeinheit ausbilden. Zur Aufnahme der mehreren piezoelektrischen Elemente 1 und zur Ausbildung eines Speichervolumens 18 weist die Bohrung 10 einen weiteren Abschnitt auf, der gegenüber dem der Führung des Druckkolbens 2 dienenden Abschnitt einen vergrößerten Innendurchmesser besitzt.The hole 10 has a further section, which has a significantly reduced inner diameter for sectionally receiving and guiding a pressure piston 2 has. The initial piston 4 facing end face of the pressure piston 2 forms a hydraulic effective area A ₁ , which also has the coupler volume 3 limited. The pressure piston 2 is at the other end with several piezoelectric elements 1 connected, the stacked form a piezo unit. For receiving the plurality of piezoelectric elements 1 and for forming a storage volume 18 has the hole 10 a further section opposite to that of the guide of the pressure piston 2 serving portion has an enlarged inner diameter.

Der Druckkolben 2 ist mittels der Federkraft einer Feder 6 gegen die Piezoeinheit axial vorgespannt. Die Feder 6 ist vorliegend als Schraubendruckfeder ausgeführt, die einerseits am Gehäuse 5 und andererseits an einem Bund 8 des Druckkolbens 2 abgestützt ist. Die Piezoeinheit ist an ihrem dem Druckkolben 2 abgewandten Ende in das Gehäuse 5 eingelassen, so dass sie hierüber lagefixiert ist. Das Gehäuse 5 dient zugleich als Widerlager.The pressure piston 2 is by means of the spring force of a spring 6 axially biased against the piezo unit. The feather 6 is present as Helical compression spring executed, on the one hand on the housing 5 and on the other hand on a covenant 8th of the pressure piston 2 is supported. The piezo unit is at its the pressure piston 2 turned away end in the housing 5 let in so that it is fixed in position over this. The housing 5 also serves as an abutment.

Zur Ableitung einer elektrischen Spannung, die basierend auf dem piezoelektrischen Effekt bei einer Stauchung der Piezoeinheit erzeugt wird, weist diese an ihrem dem Druckkolben 2 abgewandten Ende elektrische Anschlussleitungen 9 auf, die durch das Gehäuse 5 gegenüber dem Speichervolumen 18 abgedichtet und zur Verbindung mit einem Stromverbraucher oder einem Stromspeicher durch das Gehäuse 5 nach außen geführt sind.For deriving an electrical voltage, which is generated based on the piezoelectric effect at a compression of the piezoelectric unit, this has at its the pressure piston 2 opposite end electrical connection cables 9 on that through the case 5 opposite the storage volume 18 sealed and for connection to a power consumer or a power storage through the housing 5 are led to the outside.

Erhöht sich die auf den Initialkolben 4 von außen einwirkende Druckkraft 22, wird der Initialkolben 4 nach unten verschoben. Dabei komprimiert er über seine hydraulische Wirkfläche A₂ das im Kopplervolumen 3 vorhandene Hydraulikmedium. Da das Kopplervolumen 3 über eine Drossel 15 mit dem Speichervolumen 18 verbunden ist, erfolgt über die Drossel 15 sowie den Führungsspalt zwischen dem Druckkolben 2 und dem Gehäuse 5 ein verzögerter Druckausgleich. Während dieser Zeit wirkt der Überdruck im Kopplervolumen 3 auf die hydraulische Wirkfläche A₁ des Druckkolbens 2, wobei sich in Abhängigkeit vom Flächenverhältnis A₁/A₂ eine auf die piezoelektrischen Elemente 1 wirkende Druckkraft ergibt. Diese führt zu einer Stauchung der piezoelektrischen Elemente 1 in axialer Richtung, so dass über den Piezoeffekt eine elektrische Spannung generiert wird, die über die elektrischen Anschlussleitungen 9 abgeleitet wird.Increases on the initial piston 4 externally applied compressive force 22 , becomes the initial piston 4 moved down. He compresses his hydraulic effective area A ₂ in the coupler volume 3 existing hydraulic medium. Because the coupler volume 3 via a throttle 15 with the storage volume 18 is connected via the throttle 15 and the guide gap between the pressure piston 2 and the housing 5 a delayed pressure equalization. During this time, the overpressure acts in the coupler volume 3 on the hydraulic active surface A _{1 of} the pressure piston 2 , wherein depending on the area ratio A ₁ / A ₂ on the piezoelectric elements 1 acting pressure force results. This leads to a compression of the piezoelectric elements 1 in the axial direction, so that via the piezoelectric effect, an electrical voltage is generated, via the electrical connection lines 9 is derived.

Durch den Druckausgleich zwischen dem Kopplervolumen 3 und dem Speichervolumen 18 reduziert sich die auf die piezoelektrischen Elemente 1 einwirkende Druckkraft bis auf die voreingestellte Federkraft der Feder 6. Reduziert sich zudem die von außen auf den Initialkolben 4 einwirkende Druckkraft 22, wird der Initialkolben 4 durch den Druck im Kopplervolumen 3 in seine Ausgangslage zurückgestellt, wobei sich das Kopplervolumen 3 wieder vergrößert. Über ein Rückschlagventil 16, welches das Kopplervolumen 3 mit dem Speichervolumen 18 verbindet, wird der erforderliche Druckausgleich bewirkt, um bei erneutem Anstieg der von außen auf den Initialkolben 4 einwirkenden Druckkraft 22 den Prozess von vorne zu beginnen.By equalizing the pressure between the coupler volume 3 and the storage volume 18 reduces the on the piezoelectric elements 1 acting pressure force up to the preset spring force of the spring 6 , Reduces also from the outside on the initial piston 4 acting pressure force 22 , becomes the initial piston 4 by the pressure in the coupler volume 3 returned to its original position, wherein the coupler volume 3 enlarged again. Via a check valve 16 indicating the coupler volume 3 with the storage volume 18 connects, the required pressure equalization is effected in order to increase the outside again on the initial piston 4 acting pressure force 22 to start the process from the beginning.

Zur Überlastsicherung der piezoelektrischen Elemente 1 ist ferner ein Druckbegrenzungsventil 14 vorgesehen, an dem die maximal mögliche Druckdifferenz zwischen dem Kopplervolumen 3 und dem Speichervolumen 18 eingestellt ist.For overload protection of the piezoelectric elements 1 is also a pressure relief valve 14 provided at which the maximum possible pressure difference between the coupler volume 3 and the storage volume 18 is set.

Zum Ausgleich von Verlustmengen ist des Weiteren ein Ausgleichsvolumen 19 im Gehäuse 5 ausgebildet, das von einem federbelasteten Kolben 25 begrenzt wird.To compensate for loss amounts is also a compensation volume 19 in the case 5 formed by a spring-loaded piston 25 is limited.

Darüber hinaus weist der piezoelektrische Energiewandler der 1 ein Füllventil 13 auf, das der Befüllung des Kopplervolumens 3 und des Speichervolumens 18 mit dem Hydraulikmedium dient.In addition, the piezoelectric energy converter of 1 a filling valve 13 on, that of filling the coupler volume 3 and the storage volume 18 used with the hydraulic medium.

Der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Energiewandlers dargestellt, die sich im Wesentlichen von der der 1 dadurch unterscheidet, dass der Druck im Kopplervolumen 3 im Wesentlichen dem Umgebungsdruck entspricht. Das heißt, dass das System drucklos ist. Dies hat den Vorteil, dass das System kaum leckagebehaftet ist. Folglich kann auf die Anordnung von Dichtelementen verzichtet werden. Ferner ist kein Ausgleichsvolumen zum Ausgleich von Verlustmengen erforderlich.Of the 2 a further preferred embodiment of a piezoelectric energy converter according to the invention is shown, which is essentially of the 1 It differs in that the pressure in the coupler volume 3 essentially corresponds to the ambient pressure. This means that the system is depressurized. This has the advantage that the system is hardly leaking. Consequently, can be dispensed with the arrangement of sealing elements. Furthermore, no compensation volume is required to compensate for loss amounts.

Der Initialkolben 4 ist vorliegend entgegen der von außen einwirkenden Druckkraft 22 durch die Federkraft einer Feder 20 axial vorgespannt. Die Feder 20 ist in einem Speichervolumen 18‘ aufgenommen, das zwischen dem Initialkolben 4 und dem Gehäuse 5 ausgebildet ist. Der Initialkolben 4 ist hierzu mehrfach gestuft ausgeführt, so dass mehrere ringförmige Absätze 26, 27 ausgebildet werden. Ein erster ringförmiger Absatz 26 dient der Abstützung der Feder 20, die andernends an einer Stufe 11 des Gehäuses 5 abgestützt ist. Ein weiterer Absatz 27 wirkt mit der Stufe 11 des Gehäuses 5 anschlagbildend zusammen. An den Absatz 27 schließt sich ein Endabschnitt des Initialkolbens 4 an, der in den Abschnitt der Bohrung 10 des Gehäuses 5 eintaucht, welcher der Führung des Druckkolbens 2 dient. Innerhalb dieses Abschnitts der Bohrung 10 des Gehäuses 5 begrenzen der Initialkolben 4 und der Druckkolben 2 gemeinsam das Kopplervolumen 3. Die am Initialkolben 4 und am Druckkolben 2 ausgebildeten hydraulischen Wirkflächen A₁ und A₂ sind demnach gleich groß, so dass vorliegend weder eine Kraftübersetzung, noch eine Kraftuntersetzung bewirkt wird. Durch entsprechende Auslegung der hydraulischen Wirkflächen A₁ und A₂ ließe sich dies jedoch in einfacher Weise realisieren.The initial piston 4 is present against the pressure force acting from outside 22 by the spring force of a spring 20 axially biased. The feather 20 is in a storage volume 18 ' recorded between the initial piston 4 and the housing 5 is trained. The initial piston 4 This is carried out several times stepped, so that several annular paragraphs 26 . 27 be formed. A first annular heel 26 serves to support the spring 20 , at the other end at one step 11 of the housing 5 is supported. Another paragraph 27 works with the stage 11 of the housing 5 Shattering together. To the heel 27 closes an end portion of the initial piston 4 in the section of the hole 10 of the housing 5 dips, which the leadership of the pressure piston 2 serves. Within this section of the hole 10 of the housing 5 limit the initial piston 4 and the plunger 2 together the coupler volume 3 , The at the initial piston 4 and on the plunger 2 trained hydraulic active surfaces A ₁ and A ₂ are therefore the same size, so that in the present case neither a force transmission, nor a power reduction is effected. By appropriate design of the hydraulic active surfaces A ₁ and A ₂ , however, this could be realized in a simple manner.

Ändert sich die auf den Initialkolben 4 von außen einwirkende Druckkraft 22, verkleinert oder vergrößert sich das Kopplervolumen 3. Die Kraftamplitude wird über das im Kopplervolumen 3 vorhandene Hydraulikmedium, bei dem es sich vorliegend um ein Hydrauliköl handelt, auf den Druckkolben 2 sowie die damit verbundenen piezoelektrischen Elemente 1 übertragen. Diese erzeugen bei einer Be- und Entlastung eine elektrische Ladung, die an eine elektrische oder elektronische Vorrichtung, wie beispielsweise eine Schaltung, weitergegeben werden kann.Changes to the initial piston 4 externally applied compressive force 22 , reduces or increases the volume of the coupler 3 , The force amplitude is over that in the coupler volume 3 existing hydraulic medium, which in the present case is a hydraulic oil, on the pressure piston 2 and the associated piezoelectric elements 1 transfer. These generate at a load and discharge an electrical charge that can be passed to an electrical or electronic device, such as a circuit.

Um eine überkritische Belastung der piezoelektrischen Elemente 1 zu verhindern, ist eine Überlastsicherung vorgesehen, die ein Rückschlagventil 17 umfasst. Das Rückschlagventil 17 verbindet das Kopplervolumen 3 mit dem Speichervolumen 18, in dem die piezoelektrischen Elemente 1 aufgenommen sind. Alternativ oder ergänzend kann das Rückschlagventil 17 auch mit dem Speichervolumen 18‘ verbunden sein, das den Initialkolben 4 umgibt. Übersteigt der Druck im Kopplervolumen 3 einen vorgegebenen Grenzwert, öffnet das Rückschlagventil 17 und entlastet das Kopplervolumen 3. To a supercritical load on the piezoelectric elements 1 To prevent, an overload protection is provided, which is a check valve 17 includes. The check valve 17 connects the coupler volume 3 with the storage volume 18 in which the piezoelectric elements 1 are included. Alternatively or additionally, the check valve 17 also with the storage volume 18 ' be connected, that the initial piston 4 surrounds. Exceeds the pressure in the coupler volume 3 a predetermined limit, opens the check valve 17 and relieves the coupler volume 3 ,

Die Rückstellung des Initialkolbens 4 erfordert eine Wiederbefüllung des Kopplervolumens 3. Diese wird durch die Drossel 15 bewirkt, die vorliegend das Kopplervolumen 3 mit dem Speichervolumen 18 und dem Speichervolumen 18‘ verbindet und somit für den erforderlichen Druckausgleich sorgt. Über die Drossel 15 kann das Kopplervolumen 3 auch mit nur einem Speichervolumen 18, 18‘ verbunden sein, um eine Wiederbefüllung zu gewährleisten.The return of the initial piston 4 requires a refilling of the coupler volume 3 , This is through the throttle 15 causes, in this case, the coupler volume 3 with the storage volume 18 and the storage volume 18 ' connects and thus ensures the necessary pressure equalization. About the throttle 15 can the coupler volume 3 even with only one storage volume 18 . 18 ' be connected to ensure refilling.

Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 ist vorliegend die Feder 6 zur axialen Vorspannung des Druckkolbens 2 in Richtung der piezoelektrischen Elemente 1 über eine Spannhülse 7 mit dem Druckkolben 2 verbunden. Anstelle der Feder 6 ist die Spannhülse 7 am Bund 8 des Druckkolbens 2 abgestützt. Der Druckkolben 2 kann auf diese Weise verkürzt werden.In contrast to the embodiment of 1 is the spring here 6 to the axial bias of the pressure piston 2 in the direction of the piezoelectric elements 1 over a clamping sleeve 7 with the pressure piston 2 connected. Instead of the spring 6 is the clamping sleeve 7 at the federal government 8th of the pressure piston 2 supported. The pressure piston 2 can be shortened in this way.

Eine Abwandlung der Ausführungsform der 2 ist in der 3 dargestellt. Hier wird die Drossel 15 durch das Rückschlagventil 16 ersetzt, das den erforderlichen Druckausgleich zwischen dem Kopplervolumen 3 und den Speichervolumina 18, 18‘ herstellt und damit die Wiederbefüllung des Kopplervolumens 3 zur Rückstellung des Initialkolbens 4 gewährleistet. Das Rückschlagventil 16 weist gegenüber der Drossel 15 den Vorteil auf, dass hierüber kein Hydraulikmedium aus dem Kopplervolumen 3 abfließen kann, so dass im Kopplervolumen 3 ein höherer Druck zur Stauchung der piezoelektrischen Elemente 1 aufgebaut werden kann.A modification of the embodiment of the 2 is in the 3 shown. Here is the throttle 15 through the check valve 16 replaced, the required pressure equalization between the coupler volume 3 and the storage volumes 18 . 18 ' and thus the refilling of the coupler volume 3 to reset the initial piston 4 guaranteed. The check valve 16 points opposite the throttle 15 the advantage that over this no hydraulic fluid from the coupler volume 3 can drain, leaving in the coupler volume 3 a higher pressure for compression of the piezoelectric elements 1 can be built.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009001163 A1 [0003]
DE 102011052439 B4 [0004]

Claims

Piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy, comprising at least one piezoelectric element ( 1 ), which can be loaded and unloaded in the axial direction, so that via the piezoelectric effect, an electrical voltage can be generated, which can be supplied to a current consumer or a current memory, characterized in that the piezoelectric element ( 1 ) with a pressure piston ( 2 ) connected via a coupler volume ( 3 ) with an initial piston ( 4 ) is hydraulically coupled, wherein the piezoelectric element ( 1 ), the pressure piston ( 2 ) and the initial piston ( 4 ) in a single or multi-part housing ( 5 ) are arranged.

Energy converter according to claim 1, characterized in that the pressure piston ( 2 ) a hydraulic volume (A ₁ ) bounding the coupler volume and the initial piston ( 4 ) one the coupler volume ( 3 ) have limiting hydraulic active surface (A ₂ ) whose area ratio is preferably selected such that a force transmission or force reduction is effected.

Energy converter according to claim 1 or 2, characterized in that the pressure piston ( 2 ) by means of the spring force of a spring ( 6 ) against the piezoelectric element ( 1 ) is axially biased, preferably the spring ( 6 ) on the one hand on the housing ( 5 ) and on the other hand directly or indirectly via a clamping sleeve ( 7 ) on a bundle ( 8th ) of the pressure piston ( 2 ) is supported.

Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric element ( 1 ) at its the pressure piston ( 2 ) end facing away from the housing ( 5 ) is supported and / or electrical connection lines ( 9 ), which from the housing ( 5 ) are guided.

Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that in the housing ( 5 ) at least one bore ( 10 ) for guiding the pressure piston ( 2 ) and / or the initial piston ( 4 ), wherein preferably the bore ( 10 ) is designed as a stepped bore and at least one as stroke stop for the initial piston ( 4 ) serving level ( 11 ) trains.

Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that the initial piston ( 4 ) is executed one or more stages and / or an end portion ( 12 ), the housing ( 5 ) projects in the axial direction.

Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that a filling valve ( 13 ) for filling the coupler volume ( 3 ) with a hydraulic medium and / or a pressure relief valve ( 14 ) is or are provided.

Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that the coupler volume ( 3 ) via a throttle ( 15 ) and / or at least one check valve ( 16 . 17 ) with a storage volume ( 18 ) is connected or connectable, in which preferably the piezoelectric element ( 1 ) and the pressure piston ( 2 ) are included at least in sections.

Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that the coupler volume ( 3 ) with a compensation volume ( 19 ) is connected or connectable.

Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that the coupler volume ( 3 ) is depressurized and the initial piston ( 4 ) by means of the spring force of a spring ( 20 ) is axially biased against the loading direction.