DE102016216265A1

DE102016216265A1 - Haushaltsgerät mit einer autarken Energieversorgung und Verfahren zum Betrieb eines solchen Haushaltsgeräts

Info

Publication number: DE102016216265A1
Application number: DE102016216265.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Badeja; Paul Koop; Viktor Kraus
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2018-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Haushaltsgerät 10 mit einer Steuereinrichtung 11 und mindestens einem Sensorknoten 2, 14, umfassend mindestens einen mikromechanischen Sensor 4, 6, mindestens eine Auswerteeinheit 4, 6, eine autarke Energieversorgungseinheit 8, 13 und eine Schnittstelle zur drahtlosen Datenkommunikation 7, wobei die Steuereinrichtung 11 und der Sensorknoten 2, 14 eingerichtet sind, drahtlos zu kommunizieren, wobei die autarke Energieversorgungseinheit 8, 13 mindestens ein Piezoelement 8, 13 zur Energieerzeugung umfasst und eingerichtet ist, durch mechanische Verformung des mindestens einen Piezoelementes 8, 13 Energie zu erzeugen und den mindestens einen Sensorknoten 2, 14 mit der erzeugten Energie zu versorgen. Die Erfindung betrifft außerdem ein zum Betrieb eines solchen Haushaltsgeräts geeignetes Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Haushaltsgerät mit einer Steuereinrichtung und mindestens einem Sensorknoten, umfassend mindestens einen mikromechanischen Sensor, mindestens eine Auswerteeinheit, eine autarke Energieversorgungseinheit und eine Schnittstelle zur drahtlosen Datenkommunikation, wobei die Steuereinrichtung und der Sensorknoten eingerichtet sind, drahtlos zu kommunizieren. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Haushaltsgeräts.
Der Einsatz einer Vielzahl an Sensoren in Haushaltsgeräten zur Überwachung und Steuerung des Betriebs ist bekannt. Auch ein batterieloser Betrieb von Sensoren oder Sensoranordnungen ist bereits bekannt, der es ermöglicht, Sensoren auch unabhängig von der Energieversorgung des Haushaltsgeräts betreiben zu können. So können beispielsweise auch Messdaten, wie etwa eine Temperatur, in einem ausgeschalteten Haushaltsgerät überwacht werden und gegebenenfalls Maßnahmen eingeleitet werden, falls diese Messdaten Veranlassung zu einer erforderlichen Maßnahme geben.
Eine Herausforderung ist in diesem Zusammenhang die Energieversorgung von Sensoren oder auch Sensoranordnungen, die an beweglichen Teilen eines Haushaltsgeräts angebracht sind, etwa in der Trommel einer Waschmaschine oder eines Waschtrockners. Hier wäre es wünschenswert, eine möglichst kompakt ausgestaltete Energieversorgung bereitstellen zu können, die flexibel in einem Haushaltsgerät platziert werden kann. Ebenso wäre es wünschenswert, wenn dabei die Energieausbeute hoch genug wäre, um nahezu oder vollständig auf eine Batterieversorgung verzichten zu können.
Haushaltsgeräte mit Sensoren und autarker Energieversorgung sind bereits bekannt. Die Veröffentlichung DE 10 2012 217 975 A1 beschreibt ein Haushaltsgerät mit einer Steuereinrichtung zum Steuern von Betriebsprozessen des Haushaltsgeräts, und mit einer batterielosen elektronischen Sensoreinheit zum Erfassen zumindest eines Betriebsparameters des Haushaltsgeräts, wobei die Sensoreinheit einen Generator zum Bereitstellen elektrischer Energie für die Sensoreinheit aus nicht-elektrischer Energie sowie einen Sender aufweist, der zum drahtlosen Übertragen eines zumindest einen Betriebsparameter charakterisierenden Funksignals an die Steuereinrichtung ausgebildet ist. Der Generator ist ein thermoelektrischer Generator mit zwei thermischen Kontaktflächen, der zum Bereitstellen der elektrischen Energie aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktflächen ausgebildet ist.
Die Veröffentlichung EP 1 895 043 A1 beschreibt eine Waschmaschine und/oder einen Wäschetrockner, insbesondere für den Haushaltsgebrauch, ausgestattet mit einer rotierenden Trommel zur Aufnahme von zu waschenden und/oder zu trocknenden Wäschestücken, und ebenfalls ausgestattet mit Kontrollmitteln, welche mindestens einen funktionalen Parameter der Maschine messen können, wie die Feuchte der Wäschestücke. Die besagten Messmittel sind mit der Kontrolltafel verbunden, um diese entsprechend der erkannten Messgröße zu betreiben. Die Messmittel umfassen dabei einen Generator für elektrische Energie, welcher direkt mit der rotierenden Trommel assoziiert ist und mit der Kontrolltafel der Maschine drahtlos kommuniziert. Der Generator für elektrische Energie umfasst einen Permanentmagneten, welcher frei in einem Rohr aus nicht-leitendem Material gleitet, wobei auf dessen äußerer Oberfläche wenigstens eine Spule gewunden ist, welche mit einer elektrischen Schalttafel verbunden ist, welche in der Lage ist, ein Spannungssignal zu elaborieren und an die Kontrolltafel der Maschine zu senden.
Die Veröffentlichung EP 1 997 951 A1 beschreibt eine Waschmaschine, umfassend eine rotierende Wäschetrommel mit einer frontalen Zugangsöffnung. Die Waschmaschine umfasst weiterhin ein elektrisches Gerät, angepasst an die Trommel und einen elektrischen Generator, welcher in die Trommel eingebaut ist und die Rotation der Trommel nutzt, um die zum Betreiben des elektrischen Gerätes notwendige elektrische Energie zu erzeugen.
Die Veröffentlichung WO 2004/022836 A2 beschreibt einen Wäschetrockner mit einer sich drehenden Trommel zur Aufnahme von zu trocknender Wäsche, wobei die Trommel eine Sensoreinrichtung aufweist zur Bestimmung eines physikalischen Werts im Inneren der Trommel, und wobei die Sensoreinrichtung signalübertragend mit einer Steuerung des Wäschetrockners verbunden ist. Dabei ist die signalübertragende Verbindung draht- und berührungslos ausgebildet.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Haushaltsgerät mit einer autarken Energieversorgung für mindestens einen darin angeordneten Sensorknoten bereitzustellen. Vorzugsweise soll dabei die autarke Energieversorgung flexibel im Haushaltsgerät positioniert werden können und kompakt sein. Außerdem soll ein zum Betrieb dieses Haushaltsgeräts geeignetes Verfahren bereitgestellt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe wird nach dieser Erfindung erreicht durch ein Haushaltsgerät, sowie ein zum Betrieb dieses Haushaltsgeräts geeignetes Verfahren mit den Merkmalen der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen aufgeführt. Bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts entsprechen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt, auch wenn dies hierin nicht explizit festgestellt ist.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Haushaltsgerät mit einer Steuereinrichtung und mindestens einem Sensorknoten, umfassend mindestens einen mikromechanischen Sensor, mindestens eine Auswerteeinheit, eine autarke Energieversorgungseinheit und eine Schnittstelle zur drahtlosen Datenkommunikation, wobei die Steuereinrichtung und der Sensorknoten eingerichtet sind, drahtlos zu kommunizieren, wobei die autarke Energieversorgungseinheit mindestens ein Piezoelement umfasst und eingerichtet ist, durch mechanische Verformung des mindestens einen Piezoelements Energie zu erzeugen und den mindestens einen Sensorknoten mit der erzeugten Energie zu versorgen.
Erfindungsgemäß bedeutet der hierin verwendete Begriff „autark“, dass die Energieversorgungseinheit eingerichtet ist, selbstständig Energie zu erzeugen, d.h. unabhängig von der Energieversorgung des Haushaltsgeräts.
In dem erfindungsgemäßen Haushaltsgerät umfasst die Energieversorgungseinheit hierzu mindestens ein Piezoelement und ist eingerichtet, durch mechanische Verformung des mindestens einen Piezoelements Energie zu erzeugen. Damit nutzt die Erfindung vorteilhaft den sogenannten piezoelektrischen Effekt aus, bei dem durch mechanische Deformation elektrische Ladung erzeugt wird.
Im einfachsten Fall kann also die Energieversorgungseinheit aus einem Piezoelement bestehen, von welchem die durch Verformung erzeugte Energie zur Versorgung des mindestens einen Sensorknotens abgegriffen werden kann, beispielsweise über elektrische Kontaktierungen. Darüber hinaus sind aber komplexere Ausgestaltungen in jeder Form möglich, wie hierin anhand einiger nicht einschränkender Ausführungsbeispiele beschrieben wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts weist die Energieversorgungseinheit zusätzlich einen Energiespeicher auf. Der Energiespeicher ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt und kann technisch auf jegliche Weise realisiert werden, also beispielsweise ein Akkumulator sein. Der Energiespeicher kann zudem in ein Piezoelement implementiert sein oder auch eigenständig ausgebildet sein. Jedenfalls dient der Energiespeicher dazu, die von der Energieversorgungseinheit erzeugte Energie zu speichern und bei Bedarf den mindestens einen Sensorknoten mit Energie zu versorgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Energieversorgungseinheit dann so eingerichtet, dass erzeugte Energie im Energiespeicher gespeichert wird, wenn der mindestens eine Sensorknoten inaktiv ist, und dass der mindestens eine Sensorknoten direkt mit Energie versorgt wird, wenn dieser aktiv ist.
„Aktiv“ bedeutet hierin, dass der Sensorknoten Energie benötigt. Aktiv ist der mindestens eine Sensorknoten also bereits dann, wenn er in einem betriebsbereiten Zustand ist, auch wenn keine Messung und/oder Auswertung eines Signals erfolgt. Auch ein Ruhezustand kann also ein aktiver Zustand sein.
Inaktiv bedeutet hierin, dass der mindestens eine Sensorknoten keine Energie benötigt. Dies ist also beispielsweise dann der Fall, wenn der mindestens eine Sensorknoten abgeschaltet ist.
Zur Erzeugung von Energie weist die Energieversorgungseinheit mindestens ein Piezoelement auf. Bevorzugt weist die Energieversorgungseinheit zwei Piezoelemente aufweis, und besonders bevorzugt eine Vielzahl an Piezoelementen. Die Art und Ausgestaltung des mindestens einen Piezoelements ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, solange eine Umwandlung einer mechanischen Deformation in Energie erfolgen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts ist das mindestens eine Piezoelement ein piezokeramisches Biegeelement.
Die Form des Biegeelementes ist dabei erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, es kann jegliche geometrische Form aufweisen. Bevorzugt ist es jedoch, wenn das Biegeelement flächig ausgestaltet ist, besonders bevorzugt in rechteckiger Form. Auch die Größe und die Auslenkung des Biegeelementes sind erfindungsgemäß nicht eingeschränkt. Sie werden im Allgemeinen von der Platzierung des Piezoelementes im Haushaltsgerät abhängen, sowie von der auf das Piezoelement ausgeübten mechanischen Belastung.
Jedenfalls umfasst ein piezokeramisches Biegeelement im Allgemeinen eine Biegestruktur und Elektroden. Die Biegestruktur kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden, also beispielsweise eine Schichtstruktur sein. Die Biegestruktur kann auch eine Kombination aus einer oder zwei piezokeramischen Komponenten sein, die auch mindestens eine Zwischenlage aufweisen können. Die piezokeramischen Komponenten können dabei auch aus einzelnen Schichten und/oder Multischichten bestehen, deren Schichtdicke ebenfalls nicht eingeschränkt ist.
Auch das piezokeramische Material ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, es kann sich beispielsweise um Bleizirkonattitanat handeln, aber auch jede andere Piezokeramik kann verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts weist jedenfalls das piezokeramische Biegeelement eine piezokeramische Schicht mit einer Schichtdicke von 100 bis 500 μm auf. Bevorzugt liegt die Schichtdicke im Bereich von 150 bis 250 μm, und ist beispielsweise 200 μm.
Vorzugsweise ist diese Schicht dann als Platte ausgebildet und weist jeweils an der Oberseite und der Unterseite eine Flächenelektrode auf, sowie jeweils eine Kontaktierung und zwei elektrische Anschlüsse.
Besonders bevorzugt ist das piezokeramische Biegeelement zusätzlich mit einem polymeren Material ummantelt, welches der Isolierung und der Vorspannung des Biegeelementes dient.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts ist das mindestens eine Piezoelement ein mikromechanischer Energiewandler und umfasst als piezoelektrisches Material ein Metalloxid.
Vorzugsweise ist der mikromechanische Energiewandler dann ein piezoelektrischer Biegebalken.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Metalloxid Zinkoxid.
In einer überdies bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts umfasst der mikromechanische Energiewandler einen ein- oder mehrlagigen Membranaufbau, der eine untere und eine obere Platinelektrode, sowie mindestens eine Zinkoxidschicht umfasst. Besonders bevorzugt liegt dann die Schichtdicke der Zinkoxidschicht im Bereich von 100 bis 300 μm und die maximale Auslenkung in einem Bereich von 30 bis 50 μm. Ganz besonders bevorzugt beträgt die Schichtdicke jedoch ungefähr 200 μm und die maximale Auslenkung ungefähr 40 μm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts umfasst die autarke Energieversorgungseinheit zusätzlich mindestens ein Thermopile-Element und/oder mindestens ein magnetbasiertes Induktionselement und ist eingerichtet, mittels des Thermopile-Elements und/oder des magnetbasierten Induktionselements zusätzlich Energie zu erzeugen.
Erfindungsgemäß ist das Haushaltsgerät nicht eingeschränkt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Haushaltsgerät jedoch ein wasserführendes Haushaltsgerät mit einer Trommel zur Aufnahme von zu behandelnden Gegenständen.
Das Haushaltsgerät ist dann bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Waschmaschine, einem Waschtrockner und einem Trockner. Ganz besonders bevorzugt ist das wasserführende Haushaltsgerät eine Waschmaschine oder ein Waschtrockner.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts ist das Haushaltsgerät jedenfalls ein wasserführendes Haushaltsgerät mit einer Trommel zur Aufnahme von zu behandelnden Gegenständen und das mindestens eine Piezoelement ist derart an der Außenseite der Trommel angeordnet, dass es bei Rotation der Trommel verformt werden kann.
Vorzugsweise ist dabei das mindestens eine Piezoelement hängend an der Trommelaußenseite angebracht und wird durch Kontakt mit der Gehäusewand des Haushaltsgerätes verformt. Besonders bevorzugt können auch zwei oder mehr Piezoelemente auf diese Weise an der Außenwand der Trommel angebracht sein.
Die durch die Verformung des mindestens einen Piezoelementes durch die Trommelrotation erzeugte Energie kann dann von diesem abgegriffen werden. Hierzu kann das mindestens eine Piezoelement insbesondere auch elektrische Kontaktierungen aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Trommel einen Riemenantrieb auf und das mindestens eine Piezoelement ist derart in Kontakt mit dem Riemenantrieb angeordnet, dass es durch diesen verformt werden kann.
Hierzu ist dann das mindestens eine Piezoelement vorzugsweise an der Außenseite der Trommel parallel zur Trommel angebracht. Die Verformung kann dann durch die Anpresskraft des Riemens gegenüber der Trommel hervorgerufen werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Wäschemitnehmer in der Trommel angebracht und das mindestens eine Piezoelement dabei auf Höhe des mindestens einen Wäschemitnehmers an der Außenseite der Trommel angeordnet. Für den Fall, dass der mindestens eine Sensorknoten in dem mindestens einen Wäschemitnehmer angeordnet ist, kann auf diese Weise vorteilhaft die Energieversorgungseinheit besonders nah an dem Sensorknoten platziert werden.
In einer überdies bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts ist in der Trommel des wasserführenden Haushaltsgeräts mindestens ein Wäschemitnehmer angeordnet und das mindestens eine Piezoelement ist derart im oder am Wäschemitnehmer angeordnet, dass es durch den Aufprall von Wäschestücken auf den mindestens einen Wäschemitnehmer während der Rotation der Trommel verformt werden kann.
Ist in dem mindestens einen Wäschemitnehmer ebenfalls der mindestens eine Sensorknoten angebracht, so kann auf diese Weise vorteilhaft die Energieversorgungseinheit vollständig in diesen integriert werden. Der mindestens eine Sensorknoten kann dann als ein kompaktes modulares Bauteil inklusive der Energieversorgungseinheit gefertigt werden.
Umfasst die Energieversorgungseinheit zusätzlich mindestens ein Thermopile-Element und ist das erfindungsgemäße Haushaltsgerät ein wasserführendes Haushaltsgerät mit einer Trommel und mindestens einem darin angeordneten Wäschemitnehmer, so kann das mindestens eine Thermopile-Element in oder an dem Wäschemitnehmer angeordnet sein. In Kontakt mit warmer Wäsche beispielsweise oder auch durch warme Prozessluft in einem Trockner, kann dann an den beiden Enden des Thermopile-Elements eine Temperaturdifferenz erzeugt werden. Die erzeugte Spannungsdifferenz kann dann an einem Ende abgegriffen werden. Auch hier ist es durch die Anordnung des Thermopile-Elements im oder am Wäschemitnehmer möglich, die Energieversorgungseinheit vollständig in einen im Wäschemitnehmer angebrachten Sensorknoten zu integrieren.
Umfasst die Energieversorgungseinheit zusätzlich mindestens ein magnetisches Induktionselement, also beispielsweise eine Spule und einen Magneten, und ist das erfindungsgemäße Haushaltsgerät ein wasserführendes Haushaltsgerät mit einer Trommel und mindestens einem darin angeordneten Wäschemitnehmer, so kann die Spule in dem mindestens einen Wäschemitnehmer angeordnet werden und der Magnet kann am Gehäuse des Haushaltsgeräts befestigt werden, so dass durch die Trommelbewegung die Spule in einem definierten Abstand an dem Magneten vorbeigeführt werden kann. Der hierdurch erzeugte Induktionsstrom kann dann abgegriffen werden. Zusätzlich kann zur Verstärkung des Wirkungsgrades auch ein Magnetflusssammler verwendet werden, um durch die Öffnung in der Trommel die Magnetfelder an die Spule weiterzuleiten.
In einer alternativen Ausführungsform kann auch der Magnet in dem Wäschemitnehmer angeordnet sein und zwar derart beweglich, dass er bei einer Hoch- und Runterbewegung der Trommel an der benachbarten Spule vorbeistreifen kann. Ist in dem mindestens einen Wäschemitnehmer ebenfalls der mindestens eine Sensorknoten angebracht, so kann auch auf diese Weise vorteilhaft die Energieversorgungseinheit vollständig in den Sensorknoten integriert werden. Der mindestens eine Sensorknoten kann dann auch hier als ein kompaktes modulares Bauteil inklusive der Energieversorgungseinheit gefertigt werden.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines Haushaltsgeräts mit einer Steuereinrichtung und mindestens einem Sensorknoten, umfassend mindestens einen mikromechanischen Sensor, mindestens eine Auswerteeinheit, eine autarke Energieversorgungseinheit und eine Schnittstelle zur drahtlosen Datenkommunikation, wobei die Steuereinrichtung und der Sensorknoten eingerichtet sind, drahtlos zu kommunizieren, wobei die autarke Energieversorgungseinheit mindestens ein Piezoelement umfasst und eingerichtet ist, durch mechanische Verformung des mindestens einen Piezoelements Energie zu erzeugen und den mindestens einen Sensorknoten mit der erzeugten Energie zu versorgen, wobei es die folgenden Schritte umfasst:

(a) Einschalten des Haushaltsgeräts;
(b) Mechanisches Verformen des mindestens einen Piezoelementes und Umwandeln der mechanischen Verformung in Energie;
(c) Versorgen des mindestens einen Sensorknotens mit der in Schritt (b) erzeugten Energie, wenn der Sensorknoten aktiv ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die autarke Energieversorgungseinheit zusätzlich einen Energiespeicher und das Verfahren umfasst zusätzlich einen Schritt (d): Speichern der in Schritt (b) erzeugten Energie im Energiespeicher, wenn der Sensorknoten inaktiv ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Haushaltsgerät ein wasserführendes Haushaltsgerät mit einer Trommel zur Aufnahme von zu behandelnden Gegenständen und das mindestens eine Piezoelement ist an der Außenseite der Trommel derart angeordnet, dass es bei Rotation der Trommel verformt wird und dass Schritt (a) zusätzlich umfasst: und Rotieren der Trommel mit einer vorgegebenen Drehzahl N_set1.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Trommel mindestens einen Wäschemitnehmer auf und das mindestens eine Piezoelement ist derart im oder am Wäschemitnehmer angeordnet, dass es durch Wäschestücke während der Rotation der Trommel verformt wird.
Ganz besonders bevorzugt ist auch ein maximaler und ein minimaler Wert L_max, L_min für einen Ladezustand eines Energiespeichers in der Steuereinrichtung hinterlegt, so dass bei einem Unterschreiten von L_min die Trommel mit der hinterlegten Drehzahl N_set1 rotiert werden kann, um den Energiespeicher wieder aufzuladen.
Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile. Die autarke Energieversorgungseinheit für einen Sensorknoten kann durch die Verwendung von Piezoelementen besonders kompakt hergestellt und damit einfach und flexibel, auch auf beweglichen Teilen in einem Haushaltsgerät platziert werden. Auch die Implementierung in den Sensorknoten selbst ist möglich. Es kann auf eine Batterieversorgung des Sensorknotens nahezu oder gänzlich verzichtet werden, womit auch keine Batteriewartung mehr notwendig wird und die Lebensdauer des Sensorknotens erhöht werden kann. Die erzeugte Energiemenge kann bei Bedarf durch Verwendung mehrerer Piezoelemente und/oder bei zusätzlicher Verwendung von Thermopile-Elementen und/oder magnetischen Induktionselementen noch gesteigert werden. So können auch Sensoren mit erhöhtem Energiebedarf, wie optische Sensoren, in dem Sensorknoten Energie-autark betrieben werden. Außerdem kann vorteilhaft Energie auf einfache Weise während der Durchführung eines Behandlungsprogramms bei Trommelrotation erzeugt werden. Auf ein gesondertes Programm zur Energieerzeugung kann damit verzichtet werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsformen. Hierbei wird Bezug genommen auf die 1 bis 4.
1 zeigt in einer nicht einschränkenden Ausführungsform einen schematischen Ausschnitt eines als Waschmaschine ausgestalteten erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts. Der Ausschnitt zeigt einen Teil einer Trommel 1, auf welchem ein Wäschemitnehmer 3 angeordnet ist. In dem Wäschemitnehmer 3 ist ein Sensorknoten 2 angeordnet. Der Sensorknoten 2 weist einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit mehreren Messachsen 4 und einer integrierten Auswerteeinheit, sowie einen mikromechanischem Drucksensor 6 mit einer Membran 5 und einer integrierten Auswerteeinheit auf. Desweiteren verfügt der Sensorknoten 2 auch über eine Funkeinheit 7 zur drahtlosen Datenübermittlung an eine Steuereinrichtung, welche hier nicht gezeigt ist. Der Sensorknoten 2 ist hierin als platzsparendes modulares Bauteil mit den Abmessungen 3 × 3 × 0.95 mm³ ausgeführt. Durch die räumliche Nähe der beiden mikromechanischen Sensoren 4 und 6 in dem modularen Bauteil können beide Sensoren die gleiche Messstelle erfassen. Die Messstelle ist hierin die Sensorknoten-seitige Fläche des Wäschemitnehmers 3.
Desweiteren weist der in 1 gezeigte Wäschemitnehmer 3 auch eine autarke Energieversorgungseinheit 8 auf. Diese umfasst ein piezokeramisches Biegeelement mit elektrischen Kontaktierungen, über welche die durch Verformung erzeugte Energie abgegriffen werden kann. Desweiteren weist das piezokeramische Biegeelement auch einen integrierten Energiespeicher auf.
2 zeigt in einer nicht einschränkenden Ausführungsform die Funktionsweise der im Wäschemitnehmer 3 angeordneten autarken Energieversorgungseinheit 8. Befindet sich ein Wäschestück 9 in der Trommel 1, so übt dieses durch den Aufprall auf den Wäschemitnehmer 3 bei rotierender Trommel 1 eine Belastung aus. Die Belastung führt zu einer Verformung des piezokeramischen Biegeelementes 8, welche aufgrund des piezoelektrischen Effekts in Energie umgewandelt wird. Die somit erzeugte Energie kann dann zur Energieversorgung des Sensorknotens 2 genutzt werden oder auch in dem im piezokeramischen Biegeelement 8 integrierten Energiespeicher gespeichert werden.
3 zeigt in einer nicht einschränkenden Ausführungsform einen schematischen Ausschnitt eines als Trockner 10 ausgestalteten erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts. Der Trockner 10 weist eine Steuereinrichtung 11 mit einer Schnittstelle zur drahtlosen Datenübertragung auf. In der Trommel 12 des Trockners sind zwei Wäschemitnehmer 15 angeordnet. In den jeweiligen Wäschemitnehmern 15 sind Sensorknoten 14 angeordnet, welche mindestens einen mikromechanischen Sensor aufweisen, beispielsweise einen Beschleunigungssensor mit mehreren Messachsen. An der Außenseite der Trommel 12 ist in Höhe der beiden Wäschemitnehmer 15 je ein mikromechanisches Piezoelement 13 als autarke Energieversorgungseinheit angebracht. Die von den mikromechanischen Piezoelementen 13 durch Verformung erzeugte Energie kann über elektrische Kontaktierungen an die jeweiligen Sensorknoten 14 in den Wäschemitnehmern 15 übertragen werden.
4 zeigt in einer nicht einschränkenden Ausführungsform die Funktionsweise der an der Außenseite der Trommel 12 angeordneten mikromechanischen Piezoelemente 13 als autarke Energieversorgungseinheit. Rotiert nämlich die Trommel 12 mit einer Drehzahl N, dann werden die jeweiligen mikromechanischen Piezoelemente 13 durch Kontakt mit dem Trocknergehäuse 16 an den Seiten des Gehäuses 16 verformt. Die mikromechanischen Piezoelemente 13 entspannen sich entsprechend, wenn sie die Ober- bzw. Unterseite des Gehäuses 16 passieren (s. 3). Über den piezoelektrischen Effekt wird hierin also durch die Verformung der mikromechanischen Piezoelemente 13 während einer Rotation der Trommel 12 Energie erzeugt, um den jeweiligen Sensorknoten 14 damit autark zu versorgen. Insbesondere vorteilhaft ist dabei, dass die mikromechanischen Piezoelemente 13 auf diese Weise in direkter Nähe zu den Sensorknoten 14 in den Wäschemitnehmer 15 auf der beweglichen Außenseite der Trommel 12 angeordnet werden können.
Bezugszeichenliste

1: Trommel
2: Sensorknoten
3: Wäschemitnehmer
4: Mikromechanischer Beschleunigungssensor mit integrierter Auswerteeinheit
5: Membran
6: Mikromechanischer Drucksensor mit integrierter Auswerteeinheit
7: Funkeinheit zur drahtlosen Datenübermittlung, low power Bluetooth
8: Autarke Energieversorgungseinheit, piezokeramisches Biegeelement mit elektrischen Kontaktierungen und integriertem Energiespeicher
9: Wäschestück
10: Wasserführendes Haushaltsgerät, Trockner
11: Steuereinrichtung mit Schnittstelle zur drahtlosen Datenübertragung
12: Trommel
13: Autarke Energieversorgungseinheit, mikromechanisches Piezoelement
14: Sensorknoten mit mindestens einem mikromechanischen Sensor
15: Wäschemitnehmer
16: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012217975 A1 [0004]
EP 1895043 A1 [0005]
EP 1997951 A1 [0006]
WO 2004/022836 A2 [0007]

Claims

Haushaltsgerät (10) mit einer Steuereinrichtung (11) und mindestens einem Sensorknoten (2, 14), umfassend mindestens einen mikromechanischen Sensor (4, 6), mindestens eine Auswerteeinheit (4, 6), eine autarke Energieversorgungseinheit (8, 13) und eine Schnittstelle zur drahtlosen Datenkommunikation (7), wobei die Steuereinrichtung (11) und der Sensorknoten (2, 14) eingerichtet sind, drahtlos zu kommunizieren, dadurch gekennzeichnet, dass die autarke Energieversorgungseinheit (8, 13) mindestens ein Piezoelement (8, 13) zur Energieerzeugung umfasst und eingerichtet ist, durch mechanische Verformung des mindestens einen Piezoelementes (8, 13) Energie zu erzeugen und den mindestens einen Sensorknoten (2, 14) mit der erzeugten Energie zu versorgen.
Haushaltsgerät (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die autarke Energieversorgungseinheit (8, 13) zusätzlich einen Energiespeicher (8) umfasst.
Haushaltsgerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die autarke Energieversorgungseinheit (8, 13) zusätzlich mindestens ein Thermopile-Element und/oder mindestens ein magnetbasiertes Induktionselement umfasst und eingerichtet ist, mittels des Thermopile-Elements und/oder des magnetbasierten Induktionselements zusätzlich Energie zu erzeugen.
Haushaltsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Piezoelement (8, 13) ein piezokeramisches Biegeelement (8) ist.
Haushaltsgerät (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegeelement (8) eine piezokeramische Schicht mit einer Schichtdicke von 100 bis 500 μm aufweist.
Haushaltsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Piezoelement (8, 13) ein mikromechanischer Energiewandler ist (13) und als piezoelektrisches Material ein Metalloxid umfasst.
Haushaltsgerät (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid Zinkoxid ist.
Haushaltsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Haushaltsgerät ein wasserführendes Haushaltsgerät (10) mit einer Trommel (1, 12) zur Aufnahme von zu behandelnden Gegenständen (9) ist.
Haushaltsgerät (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Piezoelement (8, 13) derart an der Außenseite der Trommel (1, 12) angeordnet ist, dass es bei Rotation der Trommel (1, 12) verformt werden kann.
Haushaltsgerät (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trommel (1, 12) einen Riemenantrieb aufweist und das mindestens eine Piezoelement (8, 13) derart in Kontakt mit dem Riemenantrieb angeordnet ist, dass es durch diesen verformt werden kann.
Haushaltsgerät (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trommel (1, 12) mindestens ein Wäschemitnehmer (3, 15) angeordnet ist und das mindestens eine Piezoelement (8, 13) derart im oder am Wäschemitnehmer (3, 15) angeordnet ist, dass es durch Wäschestücke (9) während der Rotation der Trommel (1, 12) verformt werden kann.
Verfahren zum Betrieb eines Haushaltsgeräts (10) mit einer Steuereinrichtung (11) und mindestens einem Sensorknoten (2, 14), umfassend mindestens einen mikromechanischen Sensor (4 6), mindestens eine Auswerteeinheit (4, 6), eine autarke Energieversorgungseinheit (8, 13) und eine Schnittstelle zur drahtlosen Datenkommunikation (7), wobei die Steuereinrichtung (11) und der Sensorknoten (2, 14) eingerichtet sind, drahtlos zu kommunizieren, wobei die autarke Energieversorgungseinheit (8, 13) mindestens ein Piezoelement (8, 13) umfasst und eingerichtet ist, durch mechanische Verformung des mindestens einen Piezoelementes (8, 13) Energie zu erzeugen und den mindestens einen Sensorknoten (2, 14) mit der erzeugten Energie zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: (a) Einschalten des Haushaltsgeräts; (b) Mechanisches Verformen des mindestens einen Piezoelementes und Umwandeln der mechanischen Verformung in Energie; (c) Versorgen des mindestens einen Sensorknotens mit der in Schritt (b) erzeugten Energie, wenn der Sensorknoten aktiv ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die autarke Energieversorgungseinheit (8, 13) zusätzlich einen Energiespeicher (8) umfasst und das Verfahren zusätzlich umfasst einen Schritt (d): Speichern der in Schritt (b) erzeugten Energie im Energiespeicher (8) wenn der Sensorknoten (2, 14) inaktiv ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Haushaltsgerät ein wasserführendes Haushaltsgerät (10) ist mit einer Trommel (1, 12) zur Aufnahme von zu behandelnden Gegenständen (9) und das mindestens eine Piezoelement (8, 13) an der Außenseite der Trommel (1, 12) derart angeordnet ist, dass es bei Rotation der Trommel (1, 12) verformt wird und dass Schritt (a) zusätzlich umfasst: und Rotieren der Trommel (1, 12) mit einer vorgegebenen Drehzahl N_set1.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trommel (1, 12) mindestens einen Wäschemitnehmer (3, 15) aufweist und das mindestens eine Piezoelement (8, 13) derart im oder am Wäschemitnehmer (3, 15) angeordnet ist, dass es durch Wäschestücke (9) während der Rotation der Trommel (1, 12) verformt wird.