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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie mit mindestens einem Piezoelement, wobei mindestens ein Wärmeausdehnungselement mit dem Piezoelement in Wirkverbindung steht.
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US 2002/0043895 A1 zeigt eine Anordnung, bei der piezoelektrische Materialien verwendet werden, um Energie aus einer ersten Form in eine nutzbare zweite Form umzuwandeln. In einer Ausführungsform kann die Anordnung als Mikro-Wärmekraftmaschine verwendet werden, die Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt. Hierzu durchläuft die Vorrichtung einen Carnot-Prozess, in dem ein Volumen, das eine Zwei-Phasen-Füllung aufweist, komprimiert wird, danach einer Wärmezufuhr ausgesetzt wird, so dass sich das Volumen ausdehnt, und schließlich Wärme abgeführt wird. Bei der Wärmeausdehnung wird ein Piezoelement verformt und kann dementsprechend elektrische Energie abgeben.
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Eine weitere Vorrichtung ist aus
US 6,407,484 B1 bekannt. Ein Piezoelement ist zwischen zwei Trägern aufgehängt, die durch zwei dachförmige Elemente miteinander verbunden sind. Wenn eine Kraft auf den First der dachförmigen Elemente ausgeübt wird, dann wird das Piezoelement gestreckt und wandelt dadurch mechanische Energie in elektrische Energie um. Dieser Vorgang wird kurz als ”Erzeugen von elektrischer Energie” bezeichnet. In die entgegengesetzte Richtung zieht sich das Piezoelement von selbst zusammen.
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US 7,183,937 B2 beschreibt eine Einrichtung zum Messen des Luftdrucks in einem Reifen, wobei das Messsignal leitungslos nach außen übertragen wird. Die elektrische Energie, die für die Versorgung der Sensoren und für die Sendeleistung erforderlich ist, wird durch eine Anordnung von Piezoelementen erzeugt, die am Reifen befestigt ist, wobei der Reifen hier die Trägereinrichtung bildet. Wenn der Reifen verformt wird, verformen sich auch die Piezoelemente und erzeugen damit die elektrische Energie.
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Aus
DE 100 62 028 C2 ist ein thermoelektrischer Signalgeber mit einem Bimetallelement, bestehend aus zumindest einer Metallschicht und zumindest einer piezoelektrischen Schicht, bekannt. Auf der einen Seite weist das Bimetallelement eine Druckfeder und auf der andren Seite eine Vorspannvorrichtung auf. Durch die Vorspannvorrichtung ist die Schnapptemperatur T einstellbar. In einer Ausgestaltung ist das Bimetallelement und ein Piezobiegeelement durch eine Koppelstange miteinander verbunden. In einer anderen Ausgestaltungsform liegt eine piezoelektrische Schicht direkt an einer Metallschicht an.
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Aus
DE 10 2004 030 442 A1 ist ein Thermostatventil für Heizkörper mit einer Ventilspindel, einer Flüssigkeit und einem piezobetriebenen Sender bekannt. An der Ventilspindel ist ein scheibenförmiges Kraftübertragungselement angeflanscht, das auf das Piezoelement Zug oder Druck, entsprechend der Position der Ventilspindel, ausübt. Bei axialer Dehnung generiert das Piezoelement Energie, welche uber eine Verbindung in den Sender eingespeist wird.
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Aus
DE 100 21 852 A1 ist ein Verfahren zur Versorgung eines autonomen Mikrosystems mit elektrischer Energie bekannt, wobei die elektrische Energie zumindest teilweise durch Umwandlung thermischer und/oder mechanischer Energieformen erzeugt wird. Zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Temperaturschwankungen vergrößert entweder ein Bimetallstreifen in Abhängigkeit der Temperatur seine Durchbiegung und übt auf ein Piezoelement eine Kraft aus (
4). In einer anderen Ausgestaltungsform befindet sich ein Stab in einem Gehäuse, wobei beide unterschiedliche Temperaturkoeffizienten haben. Bei Temperaturschwankungen übt der Stab eine Kraft auf das Piezoelement aus (
5). In einer weiteren Ausführungsform ist eine Kugel mit vier Piezoelementen bis umschlossen, wodurch Beschleunigung in elektrische Energie umgewandelt werden kann (
6).
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Aus
WO 2006/046937 A1 ist eine Maschine bekannt, die aus Umgebungsvibration Energie gewinnt. Die Maschine kann ein piezoelektrisches Element, ein magnetisches Element oder ein kapazitives Element aufweisen. Massen werden durch die Vibration in Schwingung gebracht und durch Zug und Druck, unter anderem am piezoelektrischen Element, wird elektrische Energie gewonnen. Das piezoelektrische Element ist einseitig an einem Arm befestigt oder bildet selbst eine Art Feder.
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Aus
US 2 867 282 A ist ein System zur Unterdrückung von Explosionen bekannt. Es weist einen Behälter mit Feuerloschmittel und einen piezoelektrischen Druckmessgeber auf. Im Falle einer Explosion soll ein Zunder mit Hilfe einer explosiven Substanz und eines elektronischen Kreislaufs (siehe
1 bis
3) dafür sorgen, dass das Feuerlöschmittel aus dem Behälter möglichst schnell zur Bekämpfung der eigentlichen Explosion dient.
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Aus
US 3 239 678 A ist ein piezoelektrisches Energiegewinnungssystem in stark vibrierenden Umgebungen bekannt. Ein Flugzeug weist einen Flügel auf, eine Düse mit einem Austrittsrohr, welches einen piezoelektrischen Energieumwandler besitzt. Letzterer wandelt akustische Energie in elektrische Energie um.
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Aus
GB 2 437 871 A ist ein thermischer Sensor mit einem Hitzemessteil und einem Gehäuse bekannt. Das Hitzemess-teil
11 an das Gehäuse durch ein Schichtelement befestigt, das das Hitzeelement gleichzeitig schützt. Das Schichtelement besteht aus einem äußeren Element und einem inneren Element. Das äußere Element ist platten-artig aufgebaut, während das innere Element einer haftenden Schicht ähnelt. Das Hitzemessteil befindet sich zwischen den beiden Schichten.
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Aus
JP H02-143151 A ist ein Feuersensor bekannt. Der Feuersensor weist ein piezoelektrisches Element, einen Widerstand und einen Summer als Alarm auf. Bei einer abrupten Temperaturvariation fließt ein Strom durch den Widerstand, so dass der Alarm angeht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrische Energie lokal erzeugen zu können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein Wärmeausdehnungselement ist ein Element, das seine Ausdehnung bei einer Temperaturänderung ändert. Beispielsweise vergrößert das Wärmeausdehnungselement seine Länge, wenn die Temperatur zunimmt, und verkürzt seine Länge, wenn die Temperatur abnimmt. Hierbei reichen vielfach geringe Temperaturunterschiede von wenigen Grad Celsius oder sogar eines Bruchteils eines Grads Celsius aus, um eine Längenänderung zu bewirken. Das Piezoelement und das Wärmeausdehnungselement stehen miteinander in Verbindung. Wenn sich das Wärmeausdehnungselement ausdehnt oder zusammenzieht, wird das Piezoelement verformt und wandelt dadurch mechanische Energie in elektrische Energie um. Da sich an vielen Orten die Temperatur, der das Wärmeausdehnungselement ausgesetzt ist, fortlaufend ändert, ist es auf diese Weise möglich, elektrische Energie einfach durch die Temperaturänderung in der Umgebung zu erzeugen. Beispielsweise ändert sich die Temperatur eines Raumes mit Fenstern ohne zusätzliche Maßnahmen bereits durch das mehr oder weniger stark einfallende Sonnenlicht. Die dadurch bedingte Temperaturänderung reicht aus, um ein gewisses Maß an elektrischer Energie zu erzeugen.
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Entweder ist also das Wärmeausdehnungselement parallel zum Piezoelement angeordnet. Wenn das Wärmeausdehnungselement seine Länge ändert, dann wird das Piezoelement auf Zug beansprucht. Da die Zugrichtung parallel zur Polarisationsrichtung des Piezoelements ausgerichtet ist, bewirkt eine Längenänderung eine Spannungserzeugung.
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Oder das Piezoelement und das Wärmeausdehnungselement sind mit einer Trägereinrichtung verbunden. Die Trägereinrichtung muss hierbei nicht einstückig ausgebildet sein. Es kommt lediglich darauf an, dass man durch die Ausdehnungsänderung des Wärmeausdehnungselements eine Verformung des Piezoelements bewirken kann. Durch die Verwendung einer Trägereinrichtung ergeben sich größere Freiheiten bei der Anordnung von Wärmeausdehnungselement und Piezoelement relativ zueinander. Zudem wirkt das Wärmeausdehnungselement quer zum Piezoelement. Wenn das Wärmeausdehnungselement seine Länge ändert, dann wird das Piezoelement verbogen und gibt damit elektrische Energie ab.
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Vorzugsweise ist auch das parallel zum Wärmeausdehnungselement angeordnete Piezoelement und das Warmeausdehnungselement mit einer Trägereinrichtung verbunden.
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Vorzugsweise ist das Wärmeausdehnungselement parallel zu mehreren Piezoelementen angeordnet. Damit erreicht man zwei Vorteile. Zum Einen wird bei der gleichen Längenänderung des Wärmeausdehnungselements eine entsprechend größere elektrische Leistung erzeugt. Dies gilt auf jeden Fall dann, wenn das Wärmeausdehnungselement eine Kraft aufbringt, die ausreicht, um mehrere Piezoelemente gleichzeitig zu betätigen. Zum Anderen kann man durch eine entsprechende Anordnung dafür sorgen, dass die Biegebeanspruchung der Piezoelemente klein bleibt.
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Dies gilt vor allem dann, wenn die Piezoelemente das Wärmeausdehnungselement gleichmäßig umgeben. Beispielsweise kann man auf gegenüberliegenden Seiten des Warmeausdehnungselements jeweils ein Piezoelement anordnen. Wenn das Wärmeausdehnungselement seine Länge ändert, dann werden die beiden Piezoelemente gleichartig gedehnt und die Gefahr, dass sich das Wärmeausdehnungselement oder die Piezoelemente verbiegen, wird klein gehalten.
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Vorzugsweise ist das Piezoelement zwischen mindestens zwei Wärmeausdehnungselementen angeordnet, die entgegen gesetzte Wirkrichtungen aufweisen. Mit dieser Ausgestaltung kann die auf das Piezoelement wirkende Kraft vergrößert werden, weil nun zwei Warmeausdehnungselemente verwendet werden, um das Piezoelement zu komprimieren oder auseinander zu ziehen. Gleichzeitig wird die Strecke vergrößert, über die das Piezoelement komprimiert wird. Beides erhöht die erzeugte, elektrische Energie.
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Bevorzugterweise ist das Piezoelement mit einem Gleichrichter verbunden. Das Piezoelement erzeugt in Abhängigkeit von den Kräften, mit denen es beaufschlagt wird, positive oder negative Spannungen. Durch die Verwendung eines Gleichrichters kann man dafür sorgen, dass immer eine Spannung mit einer gewünschten gleichen Polarität zur Verfügung steht, was die weitere Behandlung der so erzeugten, elektrischen Energie vereinfacht.
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Bevorzugterweise ist das Piezoelement mit einem Energiespeicher verbunden. Damit ist es möglich, die elektrische Energie auch dann zur Verfügung zu haben, wenn zu dem Zeitpunkt, an dem die elektrische Energie benötigt wird, gerade keine Temperaturänderung stattfindet. Ein Energiespeicher kann unterschiedliche Ausbildungen haben. Im einfachsten Fall verwendet man einen Kondensator mit einer ausreichenden Kapazität. Auch die Verwendung einer aufladbaren Batterie, die auch als Akkumulator bezeichnet wird, ist möglich.
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Vorzugsweise ist das Wärmeausdehnungselement als Balgenelement ausgebildet. Balgenelemente sind beispielsweise aus Heizkörperthermostatventilaufsätzen bekannt. Sie ändern ihre Länge mit ausreichender Kraft bei einer Temperaturänderung.
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Alternativ dazu kann das Wärmeausdehnungselement einen in einem Zylinder geführten Kolben aufweisen. Der Kolben begrenzt einen Druckraum, in dem sich eine Füllung befindet, deren Volumen sich bei einer Temperaturänderung verändert. Bei der Füllung kann es sich um ein Gas, eine Flüssigkeit oder einen Feststoff, beispielsweise Wachs, handeln.
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Alternativ dazu kann das Wärmeausdehnungselement einen durch eine Membran verschlossenen Raum aufweisen. In diesem Fall wird sich bei einer Temperaturänderung die Membran verformen, die dann direkt oder indirekt, beispielsweise über einen Stößel oder dergleichen, auf das Piezoelement wirken kann. Grundsätzlich sind alle Ausgestaltungen für ein Wärmeausdehnungselement denkbar, bei denen sich eine Volumenänderung ergibt, wenn sich die Temperatur in der Umgebung des Wärmeausdehnungselements verändert.
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Vorzugsweise weist das Wärmeausdehnungselement eine Füllung auf, die zumindest teilweise gasförmig ist. Eine gasförmige Füllung bewirkt eine relativ große Längenänderung mit der Temperatur. Dies gilt für beide Betätigungsrichtungen. Gleichzeitig wird eine ausreichende Kraft bereit gestellt, um das Piezoelement zu beaufschlagen.
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Vorzugsweise steht das Wärmeausdehnungselement mit einem externen Behälter in Verbindung. Im externen Behälter befindet sich dann die gleiche Füllung wie im Wärmeausdehnungselement. Wenn dann der externe Behälter mit der Umgebungstemperatur beaufschlagt wird, dann ändert sich die Ausdehnung des Wärmeausdehnungselements in einem entsprechend größeren Maße. Dadurch kann man sowohl die Betätigungslänge des Wärmeausdehnungselements relativ zur Temperatur als auch unter Umständen die Kraft des Wärmeausdehnungselements vergrößern.
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Auch ist von Vorteil, wenn das Wärmeausdehnungselement über eine Getriebeeinrichtung auf das Piezoelement wirkt. Mit der Getriebeeinrichtung ergibt sich eine Veränderung von Kraft und Weg. In Abhängigkeit vom verwendeten Piezoelement kann man mit Hilfe der Getriebeeinrichtung dafür sorgen, dass das Wärmeausdehnungselement mit einer verminderten Kraft, dafür aber einem größeren Weg, auf das Piezoelement wirkt. Natürlich ist auch eine umgekehrte Auslegung der Getriebeeinrichtung möglich.
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Hierbei ist bevorzugt, dass das Getriebe einen Übersetzungshebel aufweist. Der Übersetzungshebel kann als einarmiger oder als zweiarmiger Hebel ausgebildet sein. Die Einzelheiten richten sich nach dem zur Verfügung stehenden Platzangebot.
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Hierbei ist bevorzugt, dass das Wärmeausdehnungselement eine Kraft von mindestens 15 N erzeugt. Man kann also ein Wärmeausdehnungselement verwenden, wie es aus Heizkorperthermostatventilaufsätzen bekannt ist. Hier werden bereits heute Sicherheitsfedern von ungefähr 70 N verwendet. Eine Kraft von mindestens 15 N reicht für die meisten Piezoelemente aus, um ausreichend elektrische Energie zu erzeugen.
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Vorzugsweise weist das Wärmeausdehnungselement einen Längenausdehnungskoeffizienten auf, der mindestens 0,25 mm/K beträgt. Es stehen Piezoelemente zur Verfügung, die bereits bei einer Längenänderung des Wärmeausdehnungselements von 0,001 mm eine elektrische Spannung abgeben. Diese Änderung entspricht dann einer Temperaturänderung von 0,004°C. Bereits kleinere Temperaturänderungen in der Umgebung des Wärmeausdehnung-selements reichen dann aus, um eine elektrische Leistung zu erzeugen. Eine Temperaturänderung mit diesem geringen Ausmaß ist für einen Menschen in einem Raum fast nicht spürbar. Sie ist aber vielfach vorhanden. Auch Räume, die durch eine thermostatgeregelte Heizung beheizt werden, haben Temperaturschwankungen um den Sollwert, wobei die Temperaturschwankungen größer als die oben angegebenen 0,004°C sind.
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Vorzugsweise liefert das Piezoelement eine Betriebsenergie für einen elektrischen Motor. Man kann den Motor dann verwenden, um Elemente zu verstellen. In einem Heizkörperthermostataufsatz kann man beispielsweise einen Sollwert mit Hilfe des elektrischen Motors verstellen.
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Vorzugsweise sind der Motor und das Piezoelement in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, aus dem ein Ausgangselement des Motors nach außen ragt. Das Ausgangselement des Motors kann beispielsweise eine rotierende Welle sein. Es ist aber auch möglich, dass der Motor als Linearmotor ausgebildet ist. In diesem Fall ist das Ausgangselement als Stößel ausgebildet. Natürlich können neben dem Motor und dem Piezoelement noch weitere Teile der Vorrichtung in dem Gehäuse angeordnet sein, beispielsweise ein Energiespeicher und eine Aufbereitungseinrichtung.
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Die Erfindung betrifft auch einen Heizkörperthermostatventilaufsatz mit einer derartigen Vorrichtung. Man kann die Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie dann für viele Zwecke verwenden. Manche Heizkörperthermostatventilaufsätze haben einen elektrischen Motor, der einen Sollwert verstellen soll. Die elektrische Energie zum Betreiben dieses Motors kann dann über das Piezoelement bereitgestellt werden, das wiederum durch ein Wärmeausdehnungselement betätigt wird. Man kann dann das im Ventilaufsatz ohnehin vorhandene Wärmeausdehnungselement für die Beaufschlagung des Piezoelements verwenden. Man kann aber auch ein zusätzliches Element verwenden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Warnsystem für Feuer und/oder Rauch. Das Warnsystem benötigt üblicherweise Batterien, damit es als unabhängig betrieben werden kann. Wenn man nun ein derartiges Warnsystem zumindest im Bereich seiner Sensoren mit einer Vorrichtung ausrüstet, die elektrische Energie durch eine Verformung eines Piezoelements aufgrund von Temperatureinflussen aufweist, dann spart man sich den periodischen Wechsel der Batterien.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine erste Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie in schematischer Darstellung,
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2 eine zweite Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie in perspektivischer Darstellung,
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3 eine dritte Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie,
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4 einen Heizkörperthermostatventilaufsatz in schematischer Darstellung,
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5 ein Warnsystem für Feuer und/oder Rauch,
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6 eine vierte Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie,
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7 eine fünfte Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie,
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8 eine sechste Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie,
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9 eine siebte Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie,
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10 die Ausgestaltung nach 6 mit einem Motor,
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11 die Ausgestaltung nach 10 in einem Gehäuse und
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12 die Ausgestaltung nach 6 als Rauchmelder.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen von elektrischer Energie. Die elektrische Energie wird hier durch Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie erzeugt.
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Die Vorrichtung 1 weist ein Wärmeausdehnungselement 2 auf, das im vorliegenden Fall als Balgenelement ausgebildet ist. Das Wärmeausdehnungselement 2 weist eine gefaltete Außenwand 3 auf, die einen nicht näher dargestellten hohlen Innenraum umgibt, in dem eine Füllung angeordnet ist, die zumindest teilweise gasförmig vorliegt. Wenn sich die Temperatur ändert, der das Wärmeausdehnungselement 2 ausgesetzt ist, dann dehnt sich die Gasfüllung aus und streckt das Wärmeausdehnungselement 2. Wenn die Temperatur sinkt, dann zieht sich das Wärmeausdehnungselement 2 zusammen. Durch die ziehharmonika-ähnliche Außenwand 3 ist eine derartige Vergrößerung oder Verkleinerung der Länge des Wärmeausdehnungselements 2 möglich.
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Das Wärmeausdehnungselement 2 ist zwischen zwei Bügeln 4, 5 angeordnet, wobei ein Bügel 4 für die Zwecke der nachfolgenden Erläuterung dieses Ausführungsbeispiels als Trägereinrichtung angesehen wird, weil er ortsfest in einem nicht näher dargestellten Gehäuse angeordnet ist. Der andere Bügel 5 kann hingegen durch das Wärmeausdehnungselement 2 vom ersten Bügel 4 weg oder auf ihn zu bewegt werden. Die Vorrichtung 1 funktioniert aber auch dann, wenn keiner der Bügel 4, 5 ortsfest angeordnet ist.
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Zwischen den beiden Bügeln 4, 5 sind zwei Piezoelemente 6, 7 angeordnet. Die Piezoelemente 6, 7 sind jeweils mit den beiden Bügeln 4, 5 fest verbunden, d. h. durch die Bügel 4, 5 sowohl auf Zug als auch auf Druck parallel zur Ausdehnungsrichtung des Wärmeausdehnungselements belastbar.
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Wie beispielsweise aus 2 hervorgeht, können die Piezoelemente 6, 7 mit Hilfe von Nieten 8 mit den Bügeln 4, 5 verbunden sein.
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Wenn sich das Wärmeausdehnungselement 2 ausdehnt, dann werden die beiden Piezoelemente 6, 7 verlängert, d. h. unter eine Zugspannung gesetzt. Wenn sich das Wärmeausdehnungselement 2 zusammenzieht, dann ziehen sich auch die Piezoelemente 6, 7 zusammen. Bei beiden Bewegungen erzeugen die Piezoelemente 6, 7 eine elektrische Spannung, die über Leitungen 9–12 einer Aufbereitungseinrichtung 13 zugeführt werden können. Mit der Aufbereitungseinrichtung 13 ist ein Energiespeicher 14 verbunden, beispielsweise in Form eines Kondensators oder einer aufladbaren Batterie, d. h. eines Akkumulators.
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Die Piezoelemente 6, 7 werden bereits aktiviert, wenn sich das Wärmeausdehnungselement 2 um 0,001 mm verlängert. Das Wärmeausdehnungselement 2 ist so ausgebildet, dass eine derartige Verlängerung bereits bei einem Temperaturanstieg von 0,004° erfolgt. Der Längenänderungs- oder Ausdehnungskoeffizient des Wärmeausdehnungselements beträgt also mindestens 0,25 mm/K. Die Kraft, die das Wärmeausdehnungselement 2 dabei erzeugt, beträgt mindestens 15 N. Wenn man ein Wärmeausdehnungselement verwendet, wie es derzeit in vielen Heizkörperthermostatventilaufsätzen verwendet wird, dann gibt es einen erheblichen Kraftüberschuss, weil derartige Wärmeausdehnungselemente 2 eine größere Kraft erzeugen. Vorzugsweise verwendet man also ein Balgenelement als Wärmeausdehnungselement 2, das eine relativ weiche Außenwand 3 aufweist und das mit einer aggressiven Füllung gefüllt ist, d. h. einer Füllung, deren Volumen sich bei einer Temperaturänderung relativ stark ändert.
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Wenn die elektrische Energie nicht gespeichert werden muss, dann kann man auf den Energiespeicher 14 und gegebenenfalls auf die Aufbereitungseinrichtung 13 auch verzichten. Da nur relativ geringe Temperaturänderungen in der Umgebung des Wärmeausdehnungselements 2 erforderlich sind, um elektrische Energie zu erzeugen, ist davon auszugehen, dass die Vorrichtung 1 fortlaufend elektrische Energie abgeben kann. Temperaturänderungen unter 0,05°C sind für einen Menschen fast nicht spürbar. Sie sind aber in vielen Fällen vorhanden, beispielsweise dann, wenn der Raum, in dem die Vorrichtung 1 angeordnet ist, von einem thermostatgeregelten Heizkörper beheizt wird. Auch bei einer schnellen Regelung sind derartige Temperaturschwankungen praktisch unvermeidbar.
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2 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung, bei der gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Aus Gründen der Übersicht sind hier die Aufbereitungseinrichtung 13 und der Energiespeicher 14 weggelassen.
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Das Wärmeausdehnungselement 2 hat hier eine andere Ausgestaltung. Es weist einen Stößel 15 auf, der sich am Bügel 5 abstützt. Das Wärmeausdehnungselement 2 weist darüber hinaus einen Korpus 16 auf, der sich am Bugel 4 abstützt. Der Korpus 16 kann eine Feststofffüllung aufweisen, beispielsweise aus Wachs. Wenn sich die Temperatur in der Umgebung des Wärmeausdehnungselements 2 erhöht, dann dehnt sich das Wachs aus und treibt den Stößel 15 aus dem Korpus 16. Dabei werden die Piezoelemente 6, 7 unter Zugspannung gesetzt und verlängert, so dass über die Leitungen 9, 10 bzw. 11, 12 eine elektrische Leistung abgenommen werden kann.
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Bei der Ausgestaltung nach den 1 und 2 werden die Piezoelemente 6, 7 auf Zug beansprucht und gelenkt. 3 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung, bei der aus Gründen der Übersicht die Trägereinrichtung mit den Bügeln 4, 5 nicht dargestellt ist. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind im Übrigen mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 versehen.
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Das Wärmeausdehnungselement 2 ist hier gleich aufgebaut wie in 2. Der Stößel 15, der aus dem Korpus 16 herausragt, beansprucht das Piezoelement 6 allerdings nicht in Richtung seiner Längserstreckung, sondern quer dazu. Wie aus einem Vergleich der 3a und 3b hervorgeht, wird das Piezoelement 6 verbogen, wenn der Stößel 15 aus dem Korpus 16 herausgedrückt wird. Auch bei einer derartigen Biegebeanspruchung gibt das Piezoelement 6 eine Spannung über die Leitungen 9, 10 ab. Diese Spannung kann, wenn erforderlich, über die Aufbereitungseinrichtung 13 aufbereitet und in dem Energiespeicher 14 gespeichert werden.
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4 zeigt in stark schematisierter Darstellung einen Heizkörperthermostatventilaufsatz 17, der auf ein Ventilelement 18 wirkt, das mit einem Ventilsitz 19 zusammenwirkt. Das Ventilelement 18 steuert damit den Zustrom von Heizflüssigkeit aus einem Zulauf 20 in eine Heizkörperleitung 21.
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In an sich bekannter Weise weist der Thermostatventilaufsatz 17 ein Thermostatelement 22 auf, das sich bei einer Temperaturerhöhung ausdehnt und dadurch das Ventilelement 18 näher an den Ventilsitz 19 bewegt. Bei einer Temperaturabsenkung wird das Ventilelement 18 vom Ventilsitz 19 abgehoben. Das Thermostatelement 22 kann gleich oder ähnlich aufgebaut sein wie das Warmeausdehnungselement 2 in der Vorrichtung nach 1.
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Ein Motor 23, der in einem Gehäuse 24 des Thermostatventilaufsatzes 17 festgelegt ist, verändert die Lage des Thermostatelements 22 innerhalb des Gehäuses und damit den Sollwert. Wenn das Thermostatelement 22 vom Ventilsitz 19 wegbewegt wird, dann wird bei unveränderter Länge des Thermostatelements 22 ein größerer Öffnungsquerschnitt zwischen dem Ventilelement 18 und dem Ventilsitz 19 frei gegeben.
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Der Motor 23 ist als Elektromotor ausgebildet. Um ihn zu betätigen, ist daher eine elektrische Energie notwendig. Diese elektrische Energie wird durch die Vorrichtung 1 bereit gestellt, bei der in diesem Ausführungsbeispiel der Bügel 5 über einen Stempel 25 am Gehäuse 24 festgelegt ist. Wenn das Wärmeausdehnungselement 2 bei einer Temperaturänderung seine Temperatur ändert, dann wird der andere Bügel 4 verlagert und beansprucht damit die Piezoelemente 6, 7 auf Zug oder auf Druck, so dass sie eine elektrische Leistung abgeben, die im Energiespeicher gespeichert werden kann, um bei Bedarf zur Betätigung des Motors 23 zur Verfügung zu stehen. Der Motor 23 kann in nicht näher dargestellter Weise eine Ansteuereinrichtung aufweisen, die über ein Funksignal oder dergleichen angesteuert werden kann, um den Motor 23 in Betrieb zu setzen.
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5 zeigt eine Brand- oder Rauchmeldeeinrichtung 26, die Teil eines Systems zur Feuer- und/oder Rauchmeldung ist. Auch hier ist eine Vorrichtung 1 zur elektrischen Energieerzeugung in einem Gehäuse 27 angeordnet und liefert elektrische Energie über den Energiespeicher 14 an einen Sender 28, der ebenfalls in dem Gehäuse 27 angeordnet ist. Die notwendige Information, die gesendet werden soll, wird über einen Sensor 29 gewonnen.
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6 zeigt eine Ausgestaltung, die prinzipiell der in 1 dargestellten entspricht. Das Wärmeausdehnungselement 2 und das Piezoelement 6 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 30 angeordnet, so dass das Piezoelement 6 durch das Wärmeausdehnungselement 2 gegen das Gehäuse 30 gedrückt wird. Das Gehäuse 30 bildet in diesem Fall eine Trägereinrichtung. Das Piezoelement 6 wird in diesem Fall auf Druck und auf Zug belastet.
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Zwischen dem Piezoelement 6 und der Aufbereitungseinrichtung 13 ist ein Gleichrichter 31 angeordnet. Das Piezoelement 6 liefert in Abhängigkeit von seiner Kraftbeaufschlagung also in Zug- und in Druckrichtung, eine positive und eine negative Spannung. Der Gleichrichter 31 sorgt dafür, dass an der Aufbereitungseinrichtung 13 immer eine Spannung mit gleicher Polarität zur Verfügung steht.
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7 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung, bei der das Piezoelement 6 zwischen zwei Balgenelementen 2a, 2b eingespannt ist. Die beiden Balgenelemente 2a, 2b stutzen sich am Gehäuse 30 ab.
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Bei der in 8 dargestellten Ausgestaltung ist das Balgenelement 2 mit einem externen Behälter 32 verbunden und zwar über eine Leitung 33, durch die eine Füllung des Wärmeausdehnungselements 2 in den Behälter 32 gelangen kann und umgekehrt. Wenn der Behälter 32 der Umgebungstemperatur ausgesetzt wird, dann dehnt sich die darin enthaltene Füllung aus. Der Behälter 32 hat ein konstantes Volumen, so dass die Füllung nur in das Wärmeausdehnungselement 2 entweichen kann. Das Wärmeausdehnungselement 2 ändert dann seine Ausdehnung in Abhängigkeit von der Temperatur in einem erhöhten Maße.
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Bei der Ausgestaltung nach 9 ist das Wärmeausdehnungselement 2 mit dem Piezoelement 6 über eine Getriebeeinrichtung 34 verbunden. Die Getriebeeinrichtung 34 weist einen doppelarmigen Hebel 35 auf, der um einen Drehpunkt 36, der mit dem Gehäuse 30 verbunden ist, verschwenkbar ist. Ein dem Wärmeausdehnungselement 2 zugewandter Arm 37 ist länger als ein dem Piezoelement 6 zugewandter Arm 38. Wenn sich das Wärmeausdehnungselement 2 ausdehnt, dann wird das Piezoelement 6 um eine geringere Strecke komprimiert. Das Verhältnis zwischen Kompression und Ausdehnung ergibt sich aus dem Verhältnis der Längen der Arme 37, 38. Die geringere Kompression des Piezoelements 6 geht einher mit einer größeren Kraftbeaufschlagung.
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Zu allen Ausführungsbeispielen ist zu sagen, dass das Piezoelement 6 mit dem Wärmeausdehnungselement 2 nicht nur in einer Druck übertragenden Verbindung steht, sondern die Verbindung auch Zugkräfte überträgt. Dementsprechend wird dann das Piezoelement 6 durch das Wärmeausdehnungselement 2 wieder in die Länge gezogen werden, wenn die Temperatur sinkt und das Wärmeausdehnungselement 2 seine Ausdehnung verringert.
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Bei der in 10 dargestellten Anordnung ist die Vorrichtung nach 6 mit einem elektrischen Motor 23 verbunden, an dessen Ausgangselement 39 praktisch beliebige Betätigungselemente angeschlossen werden können. Bei dem Ausgangselement 39 handelt es sich im einfachsten Fall um eine Ausgangswelle, die sich bei Betätigung des Motors 23 dreht. Wenn der Motor 23 als Linearmotor ausgebildet ist, dann kann es sich bei dem Ausgangselement 39 auch um einen Stößel handeln.
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Bei der Ausgestaltung nach 11 ist die Vorrichtung nach 10 in einem Gehäuse 40 angeordnet, in dem der Motor 23, das Wärmeausdehnungselement 2, das Piezoelement 6, der Gleichrichter 31, die Aufbereitungseinrichtung 13 und der Energiespeicher 14 in einem Gehäuse 24 angeordnet sind. Lediglich das Ausgangselement 39 ragt nach außen. Natürlich kann das Gehäuse 24 auch noch Betätigungselemente aufweisen, um beispielsweise den Motor 23 anzusteuern.
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Die Ausgestaltung nach 12 entspricht prinzipiell der Ausgestaltung nach 5. Sie ist aber verallgemeinert. Ein Sensor 40, der mit dem Energiespeicher 14 verbunden ist, kann durch irgendeine äußere Einflussgröße 41 beaufschlagt werden. Ein Beispiel ist ein Rauchmelder, dessen Sensor 40 das Vorhandensein von Rauch feststellt. In ähnlicher Weise kann ein Feuermelder ausgebildet sein, dessen Sensor 40 Feuer, Licht, Wärme oder dergleichen erfasst. Der Sensor 40 kann auch als Feuchtigkeitsmesser, als Windmesser, als Temperatursensor oder dergleichen ausgebildet sein. Er bekommt seine Energie von dem Piezoelement 6.
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Das Wärmeausdehnungselement 2 wurde der Einfachheit halber als Balgenelement dargestellt. Prinzipiell lässt sich aber jedes Element verwenden, bei dem eine Volumenänderung einer Füllung, also einer Flüssigkeit, eines Gases oder eines Feststoffs, bei einer Änderung der Umgebungstemperatur zu einer Ausdehnungsänderung, insbesondere einer Längenänderung führt, die wiederum zu einer Kompression oder einer Verbiegung eines Piezoelements verwendet werden kann. Es kann sich beispielsweise auch um eine Kolben-Zylinder-Anordnung handeln oder um einen Raum, der mit einer Membrane abgeschlossen ist.
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Die beeinflussende Temperatur kann eine Raumtemperatur, eine Außentemperatur etc. sein. Man kann aber auch die Temperatur eines kleinen lokalen Bereiches verwenden, der mit Hilfe einer Art ”Fernfühler” abgefragt wird.
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Man kann die Kombination von Wärmeausdehnungselement 2 und Piezoelement 6 zusätzlich auch als Temperaturfühler verwenden, d. h. bei einer bestimmten Temperatur stellt sich eine bestimmte Spannung ein.
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Man kann das Piezoelement 6 einzeln (sogenannter ”bulk”) verwenden oder in Kombination mit einem oder mehreren anderen Piezoelementen (sogenannter ”stack”). Im letzten Fall gelten die Aussagen, die in der Beschreibung für ein einzelnes Piezoelement gemacht worden sind, auch für den ”stack”.
