WO2011069838A1 - Passives element zur strömungserzeugung in mechanisch verformbaren umgebungen - Google Patents

Passives element zur strömungserzeugung in mechanisch verformbaren umgebungen Download PDF

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WO2011069838A1
WO2011069838A1 PCT/EP2010/068240 EP2010068240W WO2011069838A1 WO 2011069838 A1 WO2011069838 A1 WO 2011069838A1 EP 2010068240 W EP2010068240 W EP 2010068240W WO 2011069838 A1 WO2011069838 A1 WO 2011069838A1
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WO
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passive element
energy
pae
mechanical
piezoelectric
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PCT/EP2010/068240
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Inventor
Alexander Frey
Ingo KÜHNE
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/185—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using fluid streams
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings

Definitions

  • Passive element for generating flow in mechanically deformable environments
  • the invention relates to an arrangement for converting mechanical energy into electrical energy. Furthermore, the invention relates to a method for converting mechanical energy into electrical energy using a piezoelectric element.
  • the object of the present invention is to provide an arrangement and a method for a self-sufficient energy supply for decentralized systems, in particular in the industrial environment, be ⁇ .
  • the object is achieved by an arrangement for converting mechanical energy into electrical energy, the Anord ⁇ voltage comprising:
  • a passive element for generating a fluid stream, wherein the passive element that mechanical energy is generated in case of mechanical deformation of the environment acting on passive element and thereby a flow of fluid at an opening of the passive is such mounted on a mechanically warp ⁇ cash environment, Generated elements;
  • the type of order ⁇ conversion of mechanical energy into electrical energy described can be used anywhere where a fluid stream on ⁇ occurs or can be produced, for example, in a tire of a motor vehicle.
  • the fluid stream is at a suitably configured art DER piezoelectric element bypasses that this is excited to mechanical Schwingun ⁇ gen. These mechanical vibrations are used to generate electrical energy.
  • the gewonne ⁇ ne energy is a consumer (eg decentralized actuators or sensors) provided.
  • the arrangement according to the invention can be used in any dynamically deformable environments. For example, in conveyor belts, at the reversal points of the elastic conveyor belt is deformed or in industrial automation (eg robots), where there are many moving parts, eg
  • the piezoelectric element consists of at least one piezoelectric layer and electrode layers.
  • the Elect ⁇ clear layers can be made of various metals or metal alloys. Examples of the electrode material are platinum, titanium and a platinum / titanium alloy. Also conceivable are non-metallic, electrically conductive materials.
  • the piezoelectric layer can just ⁇ if consist of different materials. Examples include piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (A1N). Piezoelectric organic materials such as polyvinylidene difluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) are also conceivable.
  • PVDF polyvinylidene difluoride
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Electrode layers can be applied to an optional carrier layer. This increases the stability of the piezoelekt ⁇ step element. Due to the fluid flow, the piezoelectric element is excited to mechanical vibrations. When flui ⁇ sized impact excitation, the piezoelectric element, such as a piezo flag, a decaying oscillation learns. About the pie ⁇ zoelektrischen effect, a periodic charge separation between the electrodes. The recoverable from laser-making flow is then externally as electrical energy for Ver ⁇ addition. An electrical connection to the electrodes and a corresponding wiring provide the electrical current for consumers.
  • the piezoelectric element is curved, for example, or suitable flow geometries are located on its surface, or the flow is as perpendicular as possible to the piezoelectric flag.
  • the fluid is preferably a gas or gas mixture.
  • a fluid in the form of a liquid is preferably electrically insulating.
  • a first advantageous embodiment of the invention is that the passive element is formed as a membrane of elastic material which is tightly connected in its entire edge region with the deformable environment.
  • rubber can be used as an elastic material.
  • the Memb can ⁇ ran for example, be sealed by gluing or vulcanizing to the environment. Such embodiments are easy to produce.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the membrane is substantially circular.
  • a further advantageous embodiment of the invention lies in the fact that the passive element has means for ensuring that the passive element forms a sufficient cavity. This ensures that sufficient fluid flow is generated.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that as a means for securing the cavity of the passive element, a spring connection between the passive element and the mechanically deformable environment is attached, wherein the first end of the spring is mounted substantially centrally on the passive element and starting therefrom in lot ⁇ right direction, the second end of the spring is attached to the mechanically deformable environment.
  • This arrangement is easy to produce. Furthermore, it makes sense to design the arrangement so that the spring stiffness of the spring is minimized, followed by the spring stiffness of the membrane. Both spring stiffness should, however, significantly lower fail, as the spring stiffness of mechanically verformba ⁇ ren environment itself.
  • the piezoelectric element has a piezo-flag.
  • the piezoelectric element is designed as a bending ⁇ element, preferably as a piezo-flag.
  • the bending element is, for example, a piezoelectric bending ⁇ converter .
  • ceramic green sheets printed with a metallization for the electrode layers are stacked on top of one another and sintered. The result is a monolithic bending transducer.
  • the bending transducer can be configured as desired, example ⁇ as bimorph.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the piezo-flag has a substantially triangular base. This causes a high efficiency in energy conversion.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element is formed as a membrane ⁇ forms and the fluid flow impinges substantially perpendicular to the membrane and wherein the membrane has at least two intersecting membrane slots.
  • a lateral Memb ⁇ ran tomesser (diameter of a diaphragm opening of the slit diaphragm) is, for example a few ym.
  • the diaphragm diameter is, for example, from the range of 100 ym to 10 mm ⁇ be selected.
  • the slots reduce the stiffness of the membrane.
  • the piezoelectric membrane is mounted in the energy wall ⁇ ler so that the fluid flow substantially perpendicular to them and makes them vibrate.
  • the membrane ⁇ slots intersect advantageously substantially at the center of the membrane and form triangles in the membrane structure.
  • the force of the fluid flow is used by the triangular arrangement in this way for efficient Ener ⁇ giewandlung.
  • the piezoelectric energy converter has piezoelectric elements with a substantially triangular base, which are arranged so that a substantially square overall area results, and wherein the
  • the piezoelectric elements are connected via their respective side edges with the inside of the energy ⁇ converter or with a fluid flow guide of the energy converter. The arrangement ensures efficient energy conversion.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that a plurality of piezoelectric energy converters are connected behind ⁇ each other.
  • the energy produced ⁇ amount is increased. It is thus also supplied systems ⁇ to that require larger amounts of energy. Furthermore, this allows the power generation system to be scaled with respect to the required energy.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the passive element is designed as a deformable bag, in particular ⁇ special rubber bag, and the outer surface of the bag with inner surfaces of the mechanically deformable environment is substantially completely connected, wherein the bag within the mechanically deformable environment is attached and the fluid flow is generated by expansion or reduction of the bag volume.
  • the rubber bag is integrated or embedded in a substantially completely mechanically deformable environment. Mechanical changes in order ⁇ lim thereby act directly on the rubber bag and causing an expansion or reduction of the bag volume. Due to the resulting pressure or suction effect, the fluid flow is generated.
  • the object is further achieved by a method for converting mechanical energy into electrical energy by generating a fluid stream through mechanical Ener ⁇ gieein Koch on a passive element and by coupling a caused by the fluid flow force in a piezo-zoelektharis element such that the piezoelectric element is excited to mechanical vibrations.
  • This indirect nature of the energy input of the mechanical environment energy in the piezoelectric element has the advantage that the fluid flow can be produced in a very defined and a potential mechanical overload in the environment at geeigne ⁇ ter design of the passive element on not coupled directly to the piezoelectric element. Thus, a defect or destruction is avoided.
  • 3 shows a second example of a passive element for
  • 5 shows a piezoelectric diaphragm in plan view, to Ver ⁇ application in a piezoelectric energy converter
  • 6 shows an exemplary piezoelectric lobe (or egg NEN piezoelectric bending beam) having a substantially triangular base
  • 7 shows an exemplary arrangement of piezoelectric elements.
  • Figure 1 shows an example of the basic concept of the inventive arrangement A. The idea is based on converting the mechanical energy of a mechanically deformable environment U by a suitable technical arrangement in a fluidic flow FS. Under fluidic flow or fluid idstrom here are understood both gaseous and liquid Strö ⁇ ments. This fluid flow FS can then be used to drive an electromechanical energy converter EW.
  • the arrangement A for converting mechanical Energy in electrical energy comprises a passive element PAE for generating the fluid flow FS, wherein the passive ele ⁇ ment PAE the shape of a mechanically deformable environment U (eg tire lash, conveyor belt, or rubber sleeve for the protection of joints in industrial robots) is attached to that at mechanical deformation of the environment U a mechanical energy is generated, which acts on the passive element PAE and thereby generates a fluid flow FS at an opening 0 ( Figures 2 and 3) of the passive element PAE and a nen piezoelectric energy converter EW with at least one piezoelectric element PE ( Figure 4) into the one caused by the fluid stream FS mechanical force can be turned ⁇ coupled such that the piezoelectric element of the energy converter EW is excited to mechanical vibrations.
  • Electrodes of the piezoelectric element and a corresponding Verkabe ⁇ ment the generated electrical power for consumers is provided (eg for sensors or actuators). These sensors and actuators can thus be supplied with power autonomously.
  • This indirect type of energy coupling from the mechanical ambient energy in the energy converter EW has the advantage that a fluid flow FS can be generated very defined and a potential mechanical overload case in the environment U with a suitable design of the passive element PAE for flow generation not directly to the energy converter EW couples over. Thus, a defect or destruc ⁇ tion is (or at least a life impairment) of the energy converter EW avoided.
  • FIG. 2 shows a first example of a passive element PAE for flow generation FS.
  • the passive element PAE for flow generation FS can in the simplest case be a circular membrane of elastic material (eg rubber), which is tightly connected in the complete edge area with the deformable environment U (eg by means of adhesive bonding or by vulcanization).
  • An opening 0 (inlet or outlet) in the membrane provides pressure equalization when the trapped volume changes. This in turn leads to the formation of a fluidic flow FS.
  • the illustration of Figure 2 shows an undeformed disposition of the passive element PAE confining ⁇ Lich the mechanically deformable environment associated with the passive element PAE U.
  • the existing in Figure 2 spring F is optional and assists in addition, that the membrane ei ⁇ ne ordinary ie sufficient Spans cavity to generate a sufficient fluid flow FS.
  • the spring can be dispensed with if the stiffness of the rubber membrane is sufficient to clamp a sufficient cavity.
  • FIG. 3 shows a second example of a passive element PAE for flow generation FS, in which figure the passive element PAE is deformed.
  • the deformation of the passive element PAE in this example a membrane
  • the deformation of the passive element PAE is effected by the mechanical deformation of the environment U and leads to a reduction in volume (reduction) of the cavity formed by the passive element PAE and the mechanical deformable environment U.
  • This reduction in volume leads to a pressure increase in the cavity and causes an outward fluid flow FS at the opening 0 of the passive element, ie the membrane.
  • the spring stiffness of the spring F is as low as possible, followed by the spring stiffness of the membrane. Both spring stiffness should be significantly lower than the spring stiffness of the mechanical verformba ⁇ ren neighborhood U itself.
  • the passive element PAE is deformable. ren sack, in particular form as a rubber bag.
  • the outer surface of the bag is substantially completely connected to the inner surfaces of the mecha ⁇ cally deformable environment U, the bag within the mechanically deformable neighborhood U (eg integrated ortientbet ⁇ tet) is mounted, and the fluid stream FS by expansion or reduction the bag volume is generated.
  • the bag outer surface may be substantially positively connected to the inner surfaces of the mechanically deformable environment U.
  • the energy generated can also be increased by energy converters EW connected one behind the other. By consecutively ge ⁇ switched or cascaded power converter EW a Skal--regulation can take place with respect to the required electric power. In this way, the respectively required electrical energy for a corresponding application or application can be provided adequately and as needed.
  • the passive element PAE prevents a direct coupling of the mechanical ambient energy into the energy converter EW (overload protection).
  • FIG. 4 shows an example of a piezoelectric energy converter EW (in a lateral cross section) for use in the arrangement A according to the invention.
  • the piezoelectric energy converter EW is used for converting mechanical energy into electrical energy.
  • the energy converter EW has a piezoelectric element PE.
  • the piezo ⁇ electric element PE has a layer sequence of electric ⁇ den slaughter ES, piezoelectric layer and other Elekt- Roden slaughter ES auf.
  • the piezoelectric layer is a piezoceramic layer PKS with zinc oxide.
  • the piezoceramic layer comprises aluminum nitride.
  • Another alternative is lead zirconate titanate.
  • the electrode layers ES are made of platinum.
  • the conclusion forms a Trä ⁇ ger für TS made of silicon.
  • the support layer is silicon dioxide or silicon nitride.
  • the piezoelectric element PE is advantageously arranged in a housing chamber GK of a housing G of the energy converter EW. It is ensured that the fluid flow FS is passed to the piezoelectric element PE over. In this case, an induced by the fluid flow FS mecha ⁇ African force is coupled into the piezoelectric element PE. The result is the deflection AL of the piezoelectric element PE and, as a consequence thereof, the charge separation, on the basis of which electrical energy can be obtained via the electrodes, which can be provided to consumers (eg sensors, actuators) via suitable contacting and cabling.
  • consumers eg sensors, actuators
  • a fluid flow inlet FSE and a fluid stream outlet FSA are integrated and disposed opposite to each other in the housing wall of the energy G ⁇ coupler EW.
  • Fluidstrom- inlet FSE and fluid flow outlet FSA may also be disposed on the same side of the housing G.
  • a single (joint) opening of the housing G for fluid flow inlet FSE and fluid flow outlet FSA may also be disposed on the same side of the housing G.
  • the fluid stream generated by the passive element PAE FS is passed through suitable mechanisms of the opening 0 of the passive element PAE to the fluid flow inlet of the FSE ⁇ energy converter EW.
  • suitable mechanisms for fluid flow control for example, a pipe or a tunnel guide can be used.
  • the mechanisms used for fluid flow control ensure that in the fluid flow FS as little or no losses as possible occur. Losses would reduce the energy efficiency of the energy ⁇ transducer EW.
  • the piezoelectric element PE is a bent piezo-flag.
  • the piezo-flag is designed such that the piezo-flag is excited to vibrate by the passing of the fluid flow FS and thus by the coupling of the mechanical force.
  • a periodic ⁇ charge separation between the electrodes about the piezo-electric effect, a periodic ⁇ charge separation between the electrodes.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element PE is formed as a membrane M and has a substantially circular base surface.
  • the piezoelectric diaphragm M is mounted in the energy converter ⁇ EW, that the fluid stream FS is true in Wesentli ⁇ surfaces perpendicular to them and bring to vibrate.
  • the circular shape allows generating maximum electrical energy and maximum electrical voltage with minimal mechanical stress on the membrane.
  • the piezoelectric membrane M can be connected by an adhesive bond at its edges with the frame of the energy converter EW.
  • the piezoelectric diaphragm M has a layer sequence of Elect ⁇ clear layer, a piezoelectric layer, and further on electrical den slaughter. Several such layer sequences can be stacked on top of each other, so that a multi-layer structure with stacked, alternately arranged
  • Electrode layers and piezoelectric layers results.
  • a deflection (deformation) of the piezoelectric layer which is caused by the action of the mechanical force of the fluid flow FS on the piezoelectric layer, leads to the charge transfer or charge separation in the piezoelectric layer (piezoelectric effect).
  • the two electrode layers and the piezoelectric layer are arranged to each other such that an induced on the La ⁇ dung charge flow separation for the production of electrical energy can be used. As a result, mechanical energy is converted into electrical energy.
  • the electrode material of the electrode layers can consist of a wide variety of metals or metal alloys. Examples of the electrode material are platinum, titanium and a platinum / titanium alloy. Also conceivable are non-metallic, electrically conductive materials.
  • the piezoelekt ⁇ generic layer may also consist of a wide variety Materi- alen. Examples include piezoelectric kera ⁇ mix materials such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (A1N). Piezoelectric organic materials such as polyvinylidene difluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) are also conceivable.
  • PVDF polyvinylidene difluoride
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • FIG. 5 shows a piezoelectric element PE formed as a piezoelectric membrane M in plan view, for use in a piezoelectric energy converter EW in the inventive arrangement A.
  • the circular shape of the membrane M allows generating maximum electrical energy and maximum electrical voltage with minimal mechanical stress on the membrane M.
  • Such counter bearings are, for example, a stop surface integrated in the housing lower part or a corresponding stop structure in the housing cover. This stop surface or stop structure ensure that the membrane M can not deflect further. They limit the degree of deflection and thus act as overload protection for the membrane M.
  • a lateral membrane diameter (diameter of a membrane opening of the membrane slit) is a few ym.
  • the membrane diameter is, for example ⁇ selected from the range of 0.5 ym to 50 ym.
  • the membrane M is easily elastically deformable.
  • the membrane slot extends partially or entirely along ei ⁇ ner thickness direction of the membrane M by the diaphragm reciprocated by M.
  • the membrane slot MS be designed in the form of a blind hole or as a through hole.
  • the membrane slots MS are advantageously oriented radially toward the center of the membrane and arranged around the center (star-shaped).
  • the piezoelectric membrane is mounted in the energy wall ⁇ ler so that the fluid flow FS is substantially perpendicular to them and makes them vibrate.
  • the Memb ⁇ ranschlitze MS intersect advantageously in Wesentli ⁇ chen in the center of the diaphragm M and form triangles in the membrane structure.
  • the force effect of the fluid flow FS is used by the triangular arrangement in this way for an efficient energy conversion.
  • the piezoelectric element PE can be based on MEMS technology (Micro Electro Mechanical Systems), designed both as a pebble or as a piezo membrane. With this technology, a piezoelectric energy converter EW and an arrangement A with very small lateral dimensions are accessible. In addition, very thin layers can be formed. For example, the layer thicknesses of the electrode layers are 0.1 .mu.m to 0.5 .mu.m.
  • the piezoelectric element PE is designed as a thin piezoelectric ⁇ cal flag or membrane.
  • the piezoelectric element PE has a very low mass.
  • a carrier layer TS may be provided at ⁇ play, a support layer made of silicon, polysilicon, Silicon dioxide (Si0 2 ) or silicon nitride (S13N 4 ).
  • Layer thickness of the carrier layer is selected from the range of 1 ym to 100 ym.
  • the carrier layer TS is optional.
  • FIG. 6 shows an exemplary piezoelectric lobe (or a piezoelectric bending beam) with a substantially triangular base area.
  • the fluid flow FS is substantially perpendicular to an end face of the piezo triangle PE and causes the piezo flag to vibrate.
  • Base surface causes a high efficiency in the energy conversion ⁇ ment.
  • the piezoelectric lobe according to FIG. 6 can be used, for example, in the energy converter according to FIG. 4 according to the invention.
  • FIG 7 shows an exemplary arrangement of piezoelectric elements PE, each having a substantially triangular Grundflä ⁇ che for use in a piezoelectric energy converter.
  • the piezoelectric elements (PE) are arranged so that a substantially square total surface area of the fluid stream impinges substantially resul ⁇ advantage and wherein perpendicular to the total base area.
  • the piezoelectric elements PE Ele ⁇ are connected via their respective side edges with the inner side of the power converter and with a Fluidstromrak- tion of the energy converter. The arrangement ensures efficient energy conversion.
  • Arrangement for converting mechanical energy into electrical energy comprising: a passive element for generating a fluid flow, wherein the passive element is attached to a mechanically deformable environment such that upon mechanical deformation of the environment a mechanical energy is generated acting on the mechanical element and thereby generates a fluid flow at an opening of the passive element; and a piezoelectric energy converter with at least one piezoelectric element ment, in the one caused by the fluid flow mecha ⁇ African force can be coupled such that the piezo ⁇ electric element is excited to mechanical vibrations and electricity is generated by the piezoelectric effect, the local for a self-sufficient power supply, in particular for de ⁇ central Systems (eg actuators or sensors) is used ⁇ bar.
  • de ⁇ central Systems eg actuators or sensors
  • This indirect way of coupling energy from the mechanical ambient energy into the piezoelectric element has the advantage that the fluid flow can be generated in a highly defined manner and does not directly couple a potential mechanical overload in the environment with a suitable design of the passive element to the piezoelectric element. Thus, a defect or destruction is avoided.

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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Abstract

Anordnung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, die Anordnung umfassend: ein passives Element zur Erzeugung eines Fluidstroms, wobei das passive Element dergestalt an einer mechanisch verformbaren Umgebung angebracht ist, dass bei mechanischer Verformung der Umgebung eine mechanische Energie erzeugt wird, die auf das mechanische Element einwirkt und dabei einen Fluidstrom an einer Öffnung des passiven Elements erzeugt; und einen piezoelektrischen Energiewandler mit mindestens einem piezoelektrischen Element, in das eine durch den Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und über den piezoelektrischen Effekt Strom erzeugt wird, der für eine autarke Versorgung, insbesondere für dezentrale lokale Systeme (z.B. Aktoren oder Sensoren) verwendbar ist. Diese indirekte Art der Energieeinkopplung von der mechanischen Umgebungsenergie in das piezoelektrische Element hat den Vorteil, dass der Fluidstrom sehr definiert erzeugt werden kann und eine potentielle mechanische Überlast in der Umgebung bei geeigneter Auslegung des passiven Elementes nicht direkt auf das piezoelektrische Element überkoppelt. Somit wird ein Defekt oder eine Zerstörung vermieden.

Description

Beschreibung
Passives Element zur Strömungserzeugung in mechanisch verformbaren Umgebungen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines piezo- elektrischen Elementes.
Viele neue Anwendungen erfordern eine ausgefeilte Sensorik und/oder Aktorik. Oftmals ist diese lokal verteilt oder de¬ zentral angebracht, was dazu führt, dass eine elektrische Energieversorgung aufwendig und teuer ist (z.B. durch Verlegen von elektrischen Zuführungen) . Bei einigen Anwendungen ist eine physische Anbindung solcher dezentralen Aktor- bzw. Sensorknoten gänzlich unmöglich, so dass diese völlig autark betrieben werden müssen. Solche Systeme müssen sich selbst mit elektrischer Energie versorgen.
Es ist bekannt, solche dezentralen Sensor- oder Aktorsysteme mit Batterien zur Stromversorgung auszustatten. Die Batterie begrenzt aber die Einsatz- bzw. Lebensdauer des Systems. Sol- che batteriebetriebenen dezentralen Systeme erfordern weiterhin einen beträchtlichen Wartungsaufwand, da die Batterien von Zeit zu Zeit gewechselt werden müssen. Ist kein Batterie¬ wechsel möglich, fallen solche Systeme aus. Weiterhin sind Systeme bekannt, die über eine Solarzelle mit Energie versorgt werden. Im Bereich der Industrieautomatisie¬ rung und den damit oft einhergehenden deutlich reduzierten Lichtbudgets ist der Einsatz dieser Systeme aber begrenzt. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren für eine autarke Energieversorgung für dezentrale Systeme, insbesondere im industriellen Umfeld, be¬ reitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, die Anord¬ nung umfassend:
- ein passives Element zur Erzeugung eines Fluidstroms, wobei das passive Element dergestalt an einer mechanisch verform¬ baren Umgebung angebracht ist, dass bei mechanischer Verformung der Umgebung eine mechanische Energie erzeugt wird, die auf passive Element einwirkt und dabei einen Fluidstrom an einer Öffnung des passiven Elements erzeugt; und
- einen piezoelektrischen Energiewandler mit mindestens einem piezoelektrischen Element, in das eine durch den Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Die beschriebene Art der Um¬ wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Fluidstrom auf¬ tritt bzw. erzeugt werden kann, beispielsweise in einem Reifen eines Kraftfahrzeugs. Der Fluidstrom wird dabei der- art an einem geeignet ausgestalteten piezoelektrischen Element vorbeigeleitet, dass dieses zu mechanischen Schwingun¬ gen angeregt wird. Diese mechanischen Schwingungen werden dazu benutzt, elektrische Energie zu gewinnen. Die gewonne¬ ne Energie wird einem Verbraucher (z.B. dezentrale Aktoren oder Sensoren) zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht den autarken Betrieb dieser dezentralen Systeme, d.h. ohne Verkabelung oder Batteriebetrieb. Diese Systeme können somit prinzipiell wartungsfrei betrieben werden. Die erfindungsgemäße Anordnung kann in beliebig dynamisch verformbaren Umgebungen eingesetzt werden. Z.B. bei Förderbändern, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband verformt wird oder in der Industrieautomatisierung (z.B. Roboter), wo es sehr viele bewegliche Teile gibt, die z.B.
durch mechanisch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Aber auch ein Reifenlatsch ist als mechanisch verformbare Umgebung verwendbar. Diese in einer industriellen Umgebung sowieso schon vorhandenen mechanischen Bewegungen - also vorliegenden kinetischen Energien, die auch in definierten und bekannten Bewegungsrichtungen vorliegen, lassen sich durch die erfindungsgemäße Anordnung „ernten". Der Energiewandler in der Anordnung wird somit mit kinetischer mechanischer Energie versorgt, die eine schon vorhandene Infrastruktur bereitstellt.
Das piezoelektrische Element besteht aus mindestens einer piezoelektrische Schicht und Elektrodenschichten. Die Elekt¬ rodenschichten können dabei aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Platin/Titan- Legierung. Denkbar sind auch nicht-metallische, elektrisch leitende Materialien. Die piezoelektrische Schicht kann eben¬ falls aus unterschiedlichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialen wie Blei- zirkonattitanat (PZT) , Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (A1N) . Piezoelektrische organische Materialien wie Polyviny- lidendifluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar. Die piezoelektrische Schicht und die
Elektrodenschichten können auf einer optionalen Trägerschicht aufgebracht sein. Dies erhöht die Stabilität des piezoelekt¬ rischen Elementes. Aufgrund des Fluidstroms wird das Piezo- element zu mechanischen Schwingungen angeregt. Bei der flui¬ dischen Stoßanregung erfährt das Piezoelement , beispielsweise eine Piezo-Fahne, eine abklingende Schwingung. Über den pie¬ zoelektrischen Effekt wird eine periodische Ladungstrennung zwischen den Elektroden erzeugt. Der daraus gewinnbare La- dungsfluss steht dann extern als elektrische Energie zur Ver¬ fügung. Über eine elektrische Ankontaktierung an den Elektroden und eine entsprechende Verkabelung wird der elektrische Strom für Verbraucher bereitgestellt. Um zu gewährleisten, dass die Kraft des Fluidstroms effizient in das Piezoelement eingekoppelt werden kann, ist das Piezoelement beispielsweise gekrümmt oder es befinden sich an seiner Oberfläche geeignete Anströmungsgeometrien oder die Anströmung erfolgt möglichst senkrecht zur Piezofahne. Das Fluid ist vorzugsweise ein Gas oder Gasgemisch. Denkbar ist auch ein Fluid in Form einer Flüssigkeit. Die Flüssigkeit ist dabei vorzugsweise elektrisch isolierend.
Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das passive Element als Membran aus elastischem Material ausgebildet ist, die in ihrem kompletten Randbereich mit der verformbaren Umgebung dicht verbunden ist. Als elas- tisches Material kann z.B. Gummi verwendet werden. Die Memb¬ ran kann z.B. durch Kleben oder Vulkanisieren mit der Umgebung dicht verbunden sein. Solche Ausgestaltungen sind leicht herstellbar . Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Membran im Wesentlichen kreisförmig ist.
Durch die Kreisform lassen sich effizient definierte Fluid- ströme generieren. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das passive Element Mittel aufweist zur Sicher¬ stellung, dass das passive Element eine ausreichende Kavität bildet. Dadurch ist sichergestellt, dass ein ausreichender Fluidstrom generiert wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass als Mittel zur Sicherstellung der Kavität des passiven Elementes eine Federverbindung zwischen dem passiven Element und der mechanisch verformbaren Umgebung angebracht ist, wobei das erste Ende der Feder im Wesentlichen mittig am passiven Element angebracht ist und davon ausgehend in lot¬ rechter Richtung das zweite Ende der Feder an der mechanisch verformbaren Umgebung angebracht ist. Diese Anordnung ist leicht herstellbar. Weiterhin ist es sinnvoll die Anordnung so auszulegen, dass die Federsteifigkeit der Feder möglichst gering ist, gefolgt von der Federsteifigkeit der Membran. Beide Federsteifigkeiten sollten jedoch deutlich geringer ausfallen, als die Federsteifigkeit der mechanisch verformba¬ ren Umgebung selbst.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element eine Piezo-Fahne aufweist. Das piezoelektrische Element ist dabei als Biege¬ element, vorzugsweise als Piezo-Fahne ausgebildet. Dazu ist das Biegeelement beispielsweise ein piezoelektrischer Biege¬ wandler. Zum Herstellen des Biegewandlers werden beispiels- weise mit einer Metallisierung für die Elektrodenschichten bedruckte keramische Grünfolien übereinander gestapelt und gesintert. Es entsteht ein monolithischer Biegewandler. Dabei kann der Biegewandler beliebig ausgestaltet sein, beispiels¬ weise Bimorph.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Piezo-Fahne eine im Wesentlichen dreieckige Grundfläche aufweist. Dies bewirkt eine hohe Effizienz bei der Energiewandlung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element als Membran ausge¬ bildet ist und der Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf die Membran auftrifft und wobei die Membran mindestens zwei sich kreuzende Membranschlitze aufweist. Ein lateraler Memb¬ randurchmesser (Durchmesser einer Membranöffnung des Membranschlitzes) beträgt z.B. wenige ym. Der Membrandurchmesser ist beispielsweise aus dem Bereich von 100 ym bis 10 mm ausge¬ wählt. Durch die Schlitze wird die Steifigkeit der Membran verringert. Die piezoelektrische Membran ist im Energiewand¬ ler so angebracht, dass der Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf sie trifft und zum Schwingen bringt. Die Membran¬ schlitze kreuzen sich vorteilhafter Weise im Wesentlichen im Mittelpunkt der Membran und bilden Dreiecke in der Membran- struktur. Die Krafteinwirkung des Fluidstroms wird durch die Dreiecksanordnung auf diese Weise für eine effiziente Ener¬ giewandlung verwendet. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der piezoelektrischen Energiewandler piezoelektrische Elemente mit im Wesentlichen dreieckiger Grundfläche aufweist, die so angeordnet sind, dass eine im Wesentlichen quadratische Gesamtgrundfläche resultiert und wobei der
Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf die Gesamtgrundflä¬ che auftrifft. Die piezoelektrischen Elemente sind dabei über ihre jeweiligen Seitenränder mit der Innenseite des Energie¬ wandlers bzw. mit einer Fluidstromführung des Energiewandlers verbunden. Die Anordnung stellt eine effiziente Energieumwandlung sicher.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass mehrere piezoelektrische Energiewandler hinter¬ einander geschaltet sind. Dadurch wird die erzeugte Energie¬ menge vergrößert. Es können somit auch Systeme versorgt wer¬ den, die größere Energiemengen benötigen. Weiterhin kann dadurch das Energieerzeugungssystem bezüglich der benötigten Energie skaliert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das passive Element als verformbarer Sack, insbe¬ sondere als Gummisack, ausgebildet ist und die Außenfläche des Sackes mit Innenflächen der mechanisch verformbaren Umgebung im Wesentlichen vollständig verbunden ist, wobei der Sack innerhalb der mechanisch verformbaren Umgebung angebracht ist und der Fluidstrom durch Expansion oder Reduktion des Sackvolumens erzeugt wird. Der Gummisack ist dabei im We- sentlichen vollständig mechanisch verformbaren Umgebung integriert bzw. eingebettet. Mechanische Veränderungen der Um¬ gebung wirken dabei direkt auf den Gummisack und Verursachen eine Expansion oder Reduktion des Sackvolumens. Durch die dabei entstehende Druck- oder Sogwirkung wird der Fluidstrom generiert.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, durch Erzeugen eines Fluidstroms durch mechanische Ener¬ gieeinwirkung auf ein passives Element und durch Einkoppeln einer durch den Fluidstrom hervorgerufenen Kraft in ein pie- zoelektrisches Element, so dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Diese indirekte Art der Energieeinkopplung von der mechanischen Umgebungsenergie in das piezoelektrische Element hat den Vorteil, dass der Fluidstrom sehr definiert erzeugt werden kann und eine potentielle mechanische Überlast in der Umgebung bei geeigne¬ ter Auslegung des passiven Elementes nicht direkt auf das piezoelektrische Element überkoppelt. Somit wird ein Defekt oder eine Zerstörung vermieden. Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen
Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar. Dabei zeigen:
FIG 1 ein Beispiel für das prinzipielle Konzept der er¬ findungsgemäßen Anordnung,
FIG 2 ein erstes Beispiel für ein passives Element zur
Strömungserzeugung,
FIG 3 ein zweites Beispiel für ein passives Element zur
Strömungserzeugung,
FIG 4 beispielhaften piezoelektrischen Energiewand
FIG 5 eine piezoelektrische Membran in Aufsicht, zur Ver¬ wendung in einem piezoelektrischen Energiewandler, FIG 6 eine beispielhafte piezoelektrische Fahne (bzw. ei¬ nen piezoelektrischen Biegebalken) mit einer im Wesentlichen dreieckigen Grundfläche, und FIG 7 eine beispielhafte Anordnung piezoelektrischer Elemente .
Viele neue Anwendungen erfordern eine ausgefeilte Sensorik und/oder Aktorik. Oftmals ist diese lokal verteilt, was dazu führt, dass eine elektrische Energieversorgung aufwendig und damit auch teuer ist (z.B. Verlegen von elektrischen Zuführungen) . Bei einigen Anwendungen ist eine physische Anbindung solcher dezentralen lokalen Systeme gänzlich unmöglich, so dass diese völlig autark betrieben werden müssen. Dies bedeu- tet, dass sich diese Sensoren bzw. Aktoren selbst mit Energie versorgen müssen und die gewonnenen Messgrößen kabellos übertragen werden müssen. In unserer industrialisierten Welt gibt es viele dynamisch verformbare Umgebungen, die zum Ernten von Energie geeignet scheinen. Ein Beispiel sind Förderbänder an deren Umkehrpunkten das elastische Band deutlich verformt wird. In der Industrieautomatisierung (z.B. Roboter) gibt es sehr viele bewegliche Teile, die z.B. durch verformbare Gum¬ mimanschetten geschützt sind. Ein weiteres Beispiel ist in der Automobilindustrie zu finden. Die Lauffläche eines Auto- reifens (Reifenlatsch) wird im Betrieb laufend mechanisch verformt. Diese sowieso vorhandenen mechanisch verformbaren Umgebungen können für die Energieversorgung von autarken Systemen verwendet werden. Figur 1 zeigt ein Beispiel für das prinzipielle Konzept der erfindungsgemäßen Anordnung A. Die Idee beruht darauf, die mechanische Energie einer mechanisch verformbaren Umgebung U durch eine geeignete technische Anordnung in eine fluidische Strömung FS umzuwandeln. Unter fluidischer Strömung bzw. Flu- idstrom werden hier sowohl gasförmige als auch flüssige Strö¬ mungen verstanden. Dieser Fluidstrom FS kann dann dazu benutzt werden einen elektromechanischen Energiewandler EW anzutreiben. Die Anordnung A zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie umfasst ein passives Element PAE zur Erzeugung des Fluidstromes FS, wobei das passive Ele¬ ment PAE der Gestalt an einer mechanisch verformbaren Umgebung U (z.B. Reifenlatsch, Förderband, oder Gummimanschette zum Schutz von Gelenken bei Industrierobotern) angebracht ist, dass bei mechanischer Verformung der Umgebung U eine mechanische Energie erzeugt wird, die auf das passive Element PAE einwirkt und dabei einen Fluidstrom FS an einer Öffnung 0 (Figuren 2 und 3) des passiven Elementes PAE erzeugt und ei- nen piezoelektrischen Energiewandler EW mit mindestens einem piezoelektrischen Element PE (Figur 4) in das eine durch den Fluidstrom FS hervorgerufene mechanische Kraft derart einge¬ koppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element des Energiewandler EW zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Über eine entsprechende elektrische Ankontaktierung an den
Elektroden des Piezoelementes und eine entsprechende Verkabe¬ lung wird der generierte elektrische Strom für Verbraucher bereitgestellt (z.B. für Sensoren oder Aktoren). Diese Sensoren und Aktoren können somit autark mit Strom versorgt wer- den.
Diese indirekte Art der Energieankopplung von der mechanischen Umgebungsenergie in den Energiewandler EW hat den Vorteil, dass ein Fluidstrom FS sehr definiert erzeugt werden kann und ein potentieller mechanischer Überlastfall in der Umgebung U bei geeigneter Auslegung des passiven Elementes PAE zur Strömungserzeugung nicht direkt auf den Energiewandler EW überkoppelt. Somit wird ein Defekt oder eine Zerstö¬ rung (oder zumindest eine Lebensdauerbeeinträchtigung) des Energiewandlers EW vermieden.
Figur 2 zeigt ein erstes Beispiel für ein passives Element PAE zur Strömungserzeugung FS. Das passive Element PAE zur Strömungserzeugung FS kann im einfachsten Fall eine kreisrun- de Membran aus elastischem Material sein (z.B. Gummi), die im kompletten Randbereich mit der verformbaren Umgebung U dicht verbunden ist (z.B. mittels Klebeverbindung oder durch Vulkanisieren) . Eine Öffnung 0 (Ein- bzw. Auslass) in der Membran sorgt für einen Druckausgleich bei Änderung des eingeschlossenen Volumens. Dies wiederum führt zur Ausbildung einer fluidischen Strömung FS. Die Abbildung gemäß Figur 2 zeigt eine unverformte Anordnung des passiven Elementes PAE einschlie߬ lich der mit dem passiven Element PAE verbundenen mechanisch verformbaren Umgebung U. Die in Figur 2 vorhandene Feder F ist optional und unterstützt zusätzlich, dass die Membran ei¬ ne ordentliche d.h. ausreichende Kavität aufspannt, um einen ausreichenden Fluidstrom FS zu generieren. Auf die Feder kann z.B. verzichtet werden, wenn die Steifigkeit der Gummimembran ausreichend ist, um eine ausreichende Kavität aufzuspannen.
Figur 3 zeigt ein zweites Beispiel für ein passives Element PAE zur Strömungserzeugung FS, wobei in dieser Abbildung das passive Element PAE verformt ist. Die Verformung des passiven Elementes PAE (in diesem Beispiel eine Membran) erfolgt durch die mechanische Verformung der Umgebung U und führt zu einer Volumenverkleinerung (Reduktion) der Kavität durch das passive Element PAE und der mechanische verformbaren Umgebung U gebildet wird. Diese Volumenverkleinerung führt zu einem Druckanstieg in der Kavität und verursacht eine nach außen gerichtete Fluidströmung FS an der Öffnung 0 des passiven Elementes, d.h. der Membran. Es ist sinnvoll die Anordnung so auszulegen, dass die Federsteifigkeit der Feder F möglichst gering ist, gefolgt von der Federsteifigkeit der Membran. Beide Federsteifigkeiten sollten jedoch deutlich geringer ausfallen als die Federsteifigkeit der mechanisch verformba¬ ren Umgebung U selbst.
Weitere Ausführungsbeispiele können z.B. in ausgefallenen Ge¬ ometrien des passiven Elementes PAE gesehen werden mit dem Ziel die Volumenänderung möglichst groß zu gestalten bzw. den Fluidstrom FS zu erhöhen. Denkbar sind z.B. kaskadierte passive Einzelelemente PAE oder aber auch Mäanderanordnungen die einen bereits bestehenden Fluidstrom FS additiv verstärken.
Ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung des passiven Elementes PAE liegt darin, das passive Element als verformba- ren Sack, insbesondere als Gummisack auszubilden. Die Außenfläche des Sackes ist dabei mit den Innenflächen der mecha¬ nisch verformbaren Umgebung U im Wesentlichen vollständig verbunden, wobei der Sack innerhalb der mechanisch verformba- ren Umgebung U angebracht ist (z.B. integriert oder eingebet¬ tet) und der Fluidstrom FS durch Expansion oder Reduktion des Sackvolumens erzeugt wird. Die Sackaußenfläche kann dabei im Wesentlichen formschlüssig mit den Innenflächen der mechanisch verformbaren Umgebung U verbunden sein. Auch durch hin- tereinander geschaltete Energiewandler EW kann die erzeugte elektrische Energie erhöht werden. Durch hintereinander ge¬ schaltete bzw. kaskadierte Energiewandler EW kann eine Skal- lierung bezüglich der benötigten elektrischen Energie erfolgen. Auf diese Weise kann die jeweils benötigte elektrische Energie für eine entsprechende Applikation oder Anwendung adäquat und bedarfsgerecht bereitgestellt werden.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen insbesondere darin:
- Erzeugung eines definierten Fluidstromes FS aufgrund einer mechanisch verformbaren Umgebung U.
- Das passive Element PAE verhindert ein direktes Einkoppeln der mechanischen Umgebungsenergie in den Energiewandler EW (Überlastschutz) .
- Es sind keine klassisch beweglichen Teile zur Fluidstromer- zeugung FS notwendig (Robustheit, Lebensdauer, leichte Wartbarkeit) .
- Einfache Indikation bzw. Einbettung in die Umgebung U möglich.
Figur 4 zeigt ein Beispiel für einen piezoelektrischen Energiewandler EW (in einem seitlichen Querschnitt) für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Anordnung A. Der piezoelektrische Energiewandler EW wird verwendet zum Umwandeln von me- chanischer Energie in elektrische Energie. Der Energiewandler EW weist ein piezoelektrisches Element PE auf. Das piezo¬ elektrische Element PE weist eine Schichtfolge von Elektro¬ denschicht ES, piezoelektrischer Schicht und weiterer Elekt- rodenschicht ES auf. Die piezoelektrische Schicht ist eine Piezokeramikschicht PKS mit Zinkoxid. Alternativ dazu weist die piezokeramische Schicht Aluminiumnitrid auf. Eine weitere Alternative stellt Bleizirkonattitanat dar. Die Elektroden- schichten ES sind aus Platin. Den Abschluss bildet eine Trä¬ gerschicht TS aus Silizium. Alternativ dazu ist die Trägerschicht aus Siliziumdioxid oder aus Siliziumnitrid.
Das piezoelektrische Element PE ist vorteilhafter Weise in einer Gehäusekammer GK eines Gehäuses G des Energiewandlers EW angeordnet. Dabei ist dafür gesorgt, dass der Fluidstrom FS an dem piezoelektrischen Element PE vorbei geleitet wird. Dabei wird eine durch den Fluidstrom FS hervorgerufene mecha¬ nische Kraft in das Piezoelement PE eingekoppelt. Es kommt zur Auslenkung AL des piezoelektrischen Elements PE und in Folge davon zur Ladungstrennung, auf deren Basis über die Elektroden elektrische Energie gewonnen werden kann, die über eine geeignete Ankontaktierung und Verkabelung Verbrauchern (z.B. Sensoren, Aktoren) zur Verfügung stellbar ist.
Im Beispiel gemäß Figur 4 sind im Gehäuse G des Energiewand¬ lers EW ein Fluidstrom-Einlass FSE und ein Fluidstrom-Auslass FSA integriert und gegenüber voneinander angeordnet. Für ei¬ nen Fachmann ist es offensichtlich, dass für Fluidstrom- Einlass FSE und Fluidstrom-Auslass FSA auch andere Anordnun¬ gen oder Ausprägungen möglich sind. Fluidstrom-Einlass FSE und Fluidstrom-Auslass FSA können auch an derselben Seite des Gehäuse G angeordnet bzw. angebracht sein. Weiterhin ist es auch möglich eine einzige (gemeinsame) Öffnung des Gehäuses G für Fluidstrom-Einlass FSE und Fluidstrom-Auslass FSA zu ver¬ wenden. Der durch das passive Element PAE erzeugte Fluidstrom FS wird über geeignete Mechanismen von der Öffnung 0 des passiven Elementes PAE zum Fluidstrom-Einlass FSE des Energie¬ wandlers EW geleitet. Als Mechanismen zur Fluidstromlenkung sind z.B. eine Rohr- oder eine Tunnelführung einsetzbar. Die- verwendeten Mechanismen zur Fluidstromlenkung stellen sicher, dass im Fluidstrom FS möglichst keine bzw. wenig Verluste auftreten. Verluste würden die Energieausbeute des Energie¬ wandlers EW reduzieren.
Im Beispiel gemäß Figur 4 ist das piezoelektrische Element PE eine gebogene Piezo-Fahne. Die Piezo-Fahne ist dabei derart ausgestaltet, dass durch das Vorbeileiten des Fluidstroms FS und damit durch das Einkoppeln der mechanischen Kraft die Piezo-Fahne zu Schwingungen angeregt wird. Über den piezo¬ elektrischen Effekt wird eine periodische Ladungstrennung zwischen den Elektroden erzeugt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element PE als Membran M ausgebildet ist und eine im Wesentlichen kreisrunde Grundflä- che aufweist. Die piezoelektrische Membran M ist im Energie¬ wandler EW so angebracht, dass der Fluidstrom FS im Wesentli¬ chen senkrecht auf sie trifft und zum Schwingen bringt. Die Kreisform ermöglicht ein Generieren maximaler elektrischer Energie und maximaler elektrischer Spannung bei minimaler me- chanischer Belastung der Membran. Die piezoelektrische Membran M kann dabei durch eine Klebeverbindung an ihren Rändern mit dem Rahmen des Energiewandlers EW verbunden sein. Die piezoelektrische Membran M weist eine Schichtfolge aus Elekt¬ rodenschicht, piezoelektrischer Schicht und weiterer Elektro- denschicht auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschichtaufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordneten
Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten resultiert. Eine Auslenkung (Verformung) der piezoelektrischen Schicht, die durch Einwirken der mechanischen Kraft des Fluidstroms FS auf die piezoelektrische Schicht hervorgerufen wird, führt zur Ladungsverschiebung bzw. Ladungstrennung in der piezoelektrischen Schicht (piezoelektrischer Effekt) . Die beiden Elektrodenschichten und die piezoelektrische Schicht sind dabei derart aneinander angeordnet, dass ein auf der La¬ dungstrennung hervorgerufener Ladungsfluss zur Gewinnung von elektrischer Energie genutzt werden kann. Im Ergebnis wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kann aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Ti- tan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nichtmetallische, elektrisch leitende Materialien. Die piezoelekt¬ rische Schicht kann ebenfalls aus unterschiedlichsten Materi- alen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische kera¬ mische Materialen wie Bleizirkonattitanat (PZT) , Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (A1N) . Piezoelektrische organische Materialien wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polytetra- fluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar.
Figur 5 zeigt ein piezoelektrisches Element PE ausgebildet als piezoelektrische Membran M in Aufsicht, zur Verwendung in einem piezoelektrischen Energiewandler EW in der erfindungsgemäßen Anordnung A. Die Kreisform der Membran M ermöglicht ein Generieren maximaler elektrischer Energie und maximaler elektrischer Spannung bei minimaler mechanischer Belastung der Membran M. Um eine mechanische Belastung der Membran M weiter zu reduzieren, ist es vorteilhaft, das Gehäuse G mit entsprechenden Widerlagern auszustatten, so dass es zu keiner mechanischen Überlastung der Membran kommt. Derartige Gegen- lager sind beispielsweise eine im Gehäuseunterteil integriert Anschlagfläche oder eine entsprechende Anschlagstruktur im Gehäusedeckel. Diese Anschlagfläche bzw. Anschlagstruktur sorgen dafür, dass sich die Membran M nicht weiter auslenken kann. Sie begrenzen den Grad der Auslenkung und fungieren so- mit als Überlastschutz für die Membran M.
Besonders vorteilhaft ist es, in die Membran mindestens einen Membranschlitz MS zur Verringerung einer Steifigkeit der Membran einzubringen. Durch den Membran-Schlitz MS wird eine Elastizität der Membran M erhöht. Ein lateraler Membrandurchmesser (Durchmesser einer Membranöffnung des Membranschlitzes) beträgt wenige ym. Der Membrandurchmesser ist beispiels¬ weise aus dem Bereich von 0,5 ym bis 50 ym ausgewählt. Die Membran M ist leichter elastisch verformbar. Der Membranschlitz erstreckt sich teilweise oder vollständig entlang ei¬ ner Dickenrichtung der Membran M durch die Membran M hin- durch. Der Membranschlitz MS in Form eines Sacklochs oder als Durchgangsloch ausgebildet sein.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn eine Mehrzahl solcher Membranschlitze MS vorhanden ist. Bei einer Membran M mit kreisrunder Grundfläche GF sind die Membranschlitze MS vorteilhaft radial zum Mittelpunkt der Membran hin ausgerichtet und um den Mittelpunkt herum (sternförmig) angeordnet. Die piezoelektrische Membran ist im Energiewand¬ ler so angebracht, dass der Fluidstrom FS im Wesentlichen senkrecht auf sie trifft und zum Schwingen bringt. Die Memb¬ ranschlitze MS kreuzen sich vorteilhafter Weise im Wesentli¬ chen im Mittelpunkt der Membran M und bilden Dreiecke in der Membranstruktur. Die Krafteinwirkung des Fluidstroms FS wird durch die Dreiecksanordnung auf diese Weise für eine effi- ziente Energiewandlung verwendet.
Das piezoelektrisches Element PE kann auf MEMS-Technologie (Micro Electro Mechanical Systems) basieren, sowohl als Pie- zofahne oder als Piezomembran ausgebildet. Mit dieser Techno- logie sind ein piezoelektrischer Energiewandler EW und eine Anordnung A mit sehr kleinen lateralen Abmessungen zugänglich. Darüber hinaus können sehr dünne Schichten ausgebildet werden. So betragen die Schichtdicken der Elektrodenschichten beispielsweise 0,1 ym bis 0,5 ym. Die piezoelektrische
Schicht ist wenige ym dick, beispielsweise 1 ym bis 10 ym. Das piezoelektrische Element PE ist als dünne piezoelektri¬ sche Fahne oder Membran ausgestaltet. Das piezoelektrische Element PE verfügt über eine sehr geringe Masse. Außerdem kann ein solches piezoelektrische Element PE leicht zu mecha- nischen Schwingungen angeregt werden. Zur Vervollständigung des Piezoelements in Form einer piezoelektrischen Membran oder Fahne kann eine Trägerschicht TS vorgesehen sein, bei¬ spielsweise eine Trägerschicht aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (Si02) oder Siliziumnitrid (S13N4) . Eine
Schichtdicke der Trägerschicht ist aus dem Bereich von 1 ym bis 100 ym ausgewählt. Die Trägerschicht TS ist optional.
Figur 6 zeigt eine beispielhafte piezoelektrische Fahne (bzw. einen piezoelektrischen Biegebalken) mit einer im Wesentlichen dreieckigen Grundfläche. Der Fluidstrom FS trifft im Wesentlichen senkrecht auf eine Stirnseite des Piezo-Dreiecks PE und bringt die Piezofahne zum Schwingen. Die dreieckige
Grundfläche bewirkt eine hohe Effizienz bei der Energiewand¬ lung. Die piezoelektrische Fahne nach Figur 6 kann z.B. im erfindungsgemäßen Energiewandler nach Figur 4 eingesetzt werden .
Figur 7 zeigt eine beispielhafte Anordnung piezoelektrischer Elemente PE mit jeweils im Wesentlichen dreieckiger Grundflä¬ che zur Verwendung in einem piezoelektrischen Energiewandler. Die piezoelektrischen Elemente (PE) sind so angeordnet, dass eine im Wesentlichen quadratische Gesamtgrundfläche resul¬ tiert und wobei der Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf die Gesamtgrundfläche auftrifft. Die piezoelektrischen Ele¬ mente PE sind dabei über ihre jeweiligen Seitenränder mit der Innenseite des Energiewandlers bzw. mit einer Fluidstromfüh- rung des Energiewandlers verbunden. Die Anordnung stellt eine effiziente Energieumwandlung sicher.
Anordnung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, die Anordnung umfassend: ein passives Element zur Erzeugung eines Fluidstroms, wobei das passive Element dergestalt an einer mechanisch verformbaren Umgebung angebracht ist, dass bei mechanischer Verformung der Umgebung ei- ne mechanische Energie erzeugt wird, die auf das mechanische Element einwirkt und dabei einen Fluidstrom an einer Öffnung des passiven Elements erzeugt; und einen piezoelektrischen Energiewandler mit mindestens einem piezoelektrischen Ele- ment, in das eine durch den Fluidstrom hervorgerufene mecha¬ nische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezo¬ elektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und über den piezoelektrischen Effekt Strom erzeugt wird, der für eine autarke Versorgung, insbesondere für de¬ zentrale lokale Systeme (z.B. Aktoren oder Sensoren) verwend¬ bar ist. Diese indirekte Art der Energieeinkopplung von der mechanischen Umgebungsenergie in das piezoelektrische Element hat den Vorteil, dass der Fluidstrom sehr definiert erzeugt werden kann und eine potentielle mechanische Überlast in der Umgebung bei geeigneter Auslegung des passiven Elementes nicht direkt auf das piezoelektrische Element überkoppelt. Somit wird ein Defekt oder eine Zerstörung vermieden.
Bezugszeiche
U Mechanisch verformbare Umgebung A Anordnung
PAE Passives Element
EW Energiewandler
F Feder
0 Öffnung
PE Piezoelektrisches Element
ES Elektrodenschicht
PKS Piezokeramikschicht
TS Trägerschicht
AL Auslenkung
G Gehäuse
GK Gehäusekämmer
FS Fluidstrom
FSE Fluidstrom-Einlass
FSA Fluidstrom-Aus1ass
M Piezoelektrische Membran
GF Grundfläche
MS Membranschlitz

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (A) zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, die Anordnung (A) umfassend:
a) ein passives Element (PAE) zur Erzeugung eines Flu- idstroms (FS) , wobei das passive Element (PAE) dergestalt an einer mechanisch verformbaren Umgebung (U) angebracht ist, dass bei mechanischer Verformung der Umgebung (U) eine mechanische Energie erzeugt wird, die auf das passive Element (PAE) einwirkt und dabei einen Fluidstrom (FS) an einer Öffnung (0) des passiven Elements (PAE) erzeugt; und
b) einen piezoelektrischen Energiewandler (EW) mit mindestens einem piezoelektrischen Element (PE) , in das eine durch den Fluidstrom (FS) hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element (PE) zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.
2. Anordnung (A) nach Anspruch 1, wobei das passive Element (PAE) als Membran aus elastischem Material ausgebildet ist, die in ihrem kompletten Randbereich mit der verformbaren Umgebung (U) dicht verbunden ist
3. Anordnung (A) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Membran (PAE) im Wesentlichen kreisförmig ist.
4. Anordnung (A) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das passive Element (PAE) Mittel aufweist zur Sicherstellung, dass das passive Element (PAE) eine ausreichende Kavität bil¬ det .
5. Anordnung (A) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Mittel zur Sicherstellung der Kavität des passiven Elementes (PAE) eine Federverbindung zwischen dem passiven Element (PAE) und der mechanisch verformbaren Umgebung (U) ange- bracht ist, wobei das erste Ende der Feder (F) im Wesentli¬ chen mittig am passiven Element (PAE) angebracht ist und da¬ von ausgehend in lotrechter Richtung das zweite Ende der Fe- der (F) an der mechanisch verformbaren Umgebung (U) angebracht ist.
6. Anordnung (A) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE) eine Piezo-Fahne aufweist.
7. Anordnung (A) nach Anspruch 6, wobei die Piezo-Fahne eine im Wesentlichen dreieckige Grundfläche aufweist.
8. Anordnung (A) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE) als Membran (M) ausgebildet ist und der Fluidstrom (FS) im Wesentlichen senkrecht auf die Membran auftrifft und wobei die Membran (M) mindestens zwei sich kreuzende Membranschlitze (MS) aufweist.
9. Anordnung (A) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der piezoelektrischen Energiewandler (EW) piezoelektrische Elemente (PE) mit im Wesentlichen dreieckiger Grundfläche aufweist, die so angeordnet sind, dass eine im Wesentlichen quadratische Gesamtgrundfläche resultiert und wobei der Flu¬ idstrom (FS) im Wesentlichen senkrecht auf die Gesamtgrund¬ fläche auftrifft.
10. Anordnung (A) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo- bei mehrere piezoelektrische Energiewandler (EW) hintereinander geschaltet sind.
11. Anordnung (A) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das passive Element (PAE) als verformbarer Sack, insbe- sondere als Gummisack, ausgebildet ist und die Außenfläche des Sackes mit Innenflächen der mechanisch verformbaren Umgebung (U) im Wesentlichen vollständig verbunden ist, wobei der Sack innerhalb der mechanisch verformbaren Umgebung (U) angebracht ist und der Fluidstrom (FS) durch Expansion oder Re- duktion des Sackvolumens erzeugt wird.
12. Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung einer Anordnung (A) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durch Erzeugen eines Fluidstroms (FS) durch mechanische Energieeinwirkung auf ein passives Element (PAE) und durch Einkoppeln einer durch den Fluidstrom (FS) hervorgerufenen Kraft in ein piezoelektrische Element (PE) , so dass das piezoelektrische Element (PE) zu mechani¬ schen Schwingungen angeregt wird.
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