DE102016225358A1 - Energy harvester system and transport container - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energie-Harvester-System (5), umfassend eine Schwingvorrichtung (4) und einen Energie-Harvester (7), wobei von außen auf das Energie-Harvester-System (5) wirkende Beschleunigungen über die Schwingvorrichtung (4) in eine rotatorische Bewegung wandelbar sind und die rotatorische Bewegung über den Energie-Harvester (7) in eine translatorische Bewegung wandelbar ist und dadurch der Energie-Harvester (7) elektrische Energie erzeugt, wobei die rotatorische Bewegung über eine Gewindespindel (30) in die translatorische Bewegung wandelbar ist.Ferner betrifft die Erfindung einen Transportbehälter (1) mit einem Energie-Harvester-System (5).The invention relates to an energy harvester system (5) comprising a vibrating device (4) and an energy harvester (7), wherein externally acting on the energy harvester system (5) accelerations on the vibrating device (4) in a rotary movement are convertible and the rotary movement on the energy harvester (7) is convertible into a translational movement and thereby the energy harvester (7) generates electrical energy, wherein the rotational movement via a threaded spindle (30) in the translational movement Furthermore, the invention relates to a transport container (1) with an energy harvester system (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Energie-Harvester-System mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und einen Transportbehälter.The invention relates to an energy harvester system with the features of the preamble of claim 1 and a transport container.

Stand der TechnikState of the art

Als Energy Harvesting bezeichnet man die Gewinnung von geringen Energiemengen aus beispielsweise Vibration, Temperaturdifferenzen oder Luftströmungen zur Verwendung in mobilen Geräten. Als Wirkprinzipien werden dabei verschiedene physikalische Effekte genutzt, insbesondere der piezoelektrische Effekt, der thermoelektrische und der photoelektrische.Energy harvesting refers to the extraction of small amounts of energy from, for example, vibration, temperature differences or air currents for use in mobile devices. As active principles different physical effects are used, in particular the piezoelectric effect, the thermoelectric and the photoelectric.

Der piezoelektrische Effekt nutzt mechanische Krafteinwirkung, um daraus elektrische Leistung zu gewinnen. Selten sind jedoch Kräfte aus Schwingungen erhältlich, sodass eine Kraftübersetzung die nutzbare Leistung erhöht. Häufig werden Kraftübersetzungen mit Festkörpergelenken eingesetzt, beispielsweise bekannt aus dem Dokument US 4,952,835 A .The piezoelectric effect uses mechanical force to generate electrical power. Rarely, however, are forces from vibrations available, so that a power transmission increases the usable power. Frequently, force translations are used with solid joints, for example, known from the document US 4,952,835 A ,

Nachteilig ist jedoch eine erforderliche präzise Längeneinstellung unter Vermeidung von Reibungshysterese.However, a disadvantage is a required precise length adjustment while avoiding friction hysteresis.

Transportbehälter, insbesondere Container werden im weltweiten Güterhandel im Schiff-, Schienen- und Straßenverkehr eingesetzt. Dabei steigt der Bedarf an Systemen zur Überwachung und Verfolgung einzelner Transporteinheiten. Speziell bei wertvollen oder empfindlichen Frachtgütern ist die Ortung der Transportbehälter sinnvoll.Transport containers, in particular containers, are used in worldwide freight trading in shipping, rail and road transport. The demand for systems for monitoring and tracking individual transport units is increasing. The location of the transport containers makes sense especially for valuable or sensitive freight.

Die elektrische Versorgung der Systeme zur Überwachung und Verfolgung der Transportbehälter erfolgt über Batterien, wobei die Batteriekapazität die Gesamtkosten des Systems zu einem Großteil beeinflusst. Die Batteriekapazität wird durch die geplante Lebensdauer und den erforderlichen Leistungsbedarf des Systems festgelegt, wobei lange Frachtwege eine lange Lebensdauer voraussetzen.The electrical supply of the systems for monitoring and tracking the transport containers via batteries, wherein the battery capacity affects the total cost of the system to a large extent. Battery capacity is determined by the system's planned life and power requirements, with long freight routes requiring a long service life.

Aufwendig ist der Austausch oder das Aufladen der Batterie während der Transportbehälter, beispielsweise verladen oder an entsprechenden Lagerorten zwischengespeichert wird.Elaborate is the replacement or charging of the battery while the transport container, for example, loaded or cached at appropriate storage locations.

Bei ladefähigen Batterien können Energieformen genutzt werden, die während des Transports auftreten. Bekannte Energiewandler sind beispielsweise Photovoltaikelemente zur Nutzung solarer Energie. Nachteilig an dieser Lösung ist die Lagerung von Transportbehältern beispielsweise unter Deck eines Frachters.Chargeable batteries can use forms of energy that occur during transport. Known energy converters are, for example, photovoltaic elements for the use of solar energy. A disadvantage of this solution is the storage of transport containers, for example, under the deck of a freighter.

In einem weiteren Beispiel können Rotoren zur Nutzung des Fahrtwindes Energie zum Laden der Batterie erzeugen, wobei dies einen zusätzlichen Aufbau auf oder an dem Transportbehälter voraussetzt und dadurch die Transportbehälter nicht mehr oder mit erhöhtem Platzbedarf stapelbar sind, was die Lagerkosten erhöht.In another example, rotors for utilizing the airstream may generate energy to charge the battery, which requires additional construction on or at the shipping container, and thus the transport containers are no longer or stackable with increased space, which increases storage costs.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Energie-Harvester-System bereit zu stellen, dass einfach aufgebaut, kostengünstig herstellbar und universal einsetzbar ist, sowie einen Transportbehälter mit einem Energie-Harvester-System bereit zu stellen, der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist, wobei die Vorteile eines konventionellen Transportbehälters, beispielsweise die Stapelbarkeit, nicht eingeschränkt werden soll.The object of the invention is to provide an energy harvester system that is simple in construction, inexpensive to produce and universally applicable, and to provide a transport container with an energy harvester system, which is simple and inexpensive to manufacture, wherein the advantages of a conventional transport container, such as the stackability, should not be limited.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Energie-Harvester-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Transportbehälter vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem, the energy harvester system with the features of claim 1 and a transport container is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Energie-Harvester-System umfasst eine Schwingvorrichtung und einen Energie-Harvester, wobei von außen auf das Energie-Harvester-System wirkende Beschleunigungen über die Schwingvorrichtung in eine rotatorische Bewegung, bzw. in eine Drehbewegung wandelbar ist und die rotatorische Bewegung über den Energie-Harvester in eine translatorische Bewegung wandelbar ist und dadurch der Energie-Harvester elektrische Energie erzeugt. Erfindungsgemäß ist die rotatorische Bewegung über eine Gewindespindel in die translatorische Bewegung wandelbar.The energy harvester system according to the invention comprises a vibrating device and an energy harvester, wherein externally acting on the energy harvester system accelerations on the vibrating device in a rotational movement, or in a rotational movement is convertible and the rotational movement over the energy -Harvester is convertible into a translational movement and thus the energy harvester generates electrical energy. According to the invention, the rotational movement can be converted via a threaded spindle into the translatory movement.

Durch die Schwingvorrichtung werden in vorteilhafter Weise auf das System wirkende Beschleunigungen aufgenommen und in eine Drehbewegung gewandelt. Die Schwingvorrichtung wird durch die Beschleunigungen erregt und wird in eine Schwingung um eine Drehachse des Energie-Harvesters versetzt. Die oszillierende, rotatorische Bewegungsenergie wird in vorteilhafter Weise durch den Energie-Harvester, speziell durch die Gewindespindel in eine translatorische, bzw. lineare Bewegung gewandelt, wobei dabei durch den Energie-Harvester elektrische Energie erzeugt wird. Die Übersetzung in eine lineare Bewegung, bzw. lineare Schwingung ergibt eine eindeutige, quasieindimensionale Schwingungsbewegung, so dass der Energie-Harvester einfach aufgebaut werden kann. By the oscillating device acting on the system accelerations are advantageously recorded and converted into a rotational movement. The vibrating device is excited by the accelerations and is set in vibration about an axis of rotation of the energy harvester. The oscillating, rotational kinetic energy is advantageously converted by the energy harvester, especially by the threaded spindle in a translational or linear movement, in which case electrical energy is generated by the energy harvester. The translation into a linear motion, or linear vibration results in a unique, quasi-dimensional vibratory motion, so that the energy harvester can be easily constructed.

Eine Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Gewindespindel aus einer Gewindestange und einer Ausnehmung eines Gehäuses des Energie-Harvesters gebildet ist. In einer Weiterbildung ist die Gewindespindel eine Kugelgewindespindel, die sich in vorteilhafter Weise dadurch auszeichnet, dass sie hohe Genauigkeiten und eine hohe Spielfreiheit aufweisen. Ferner weisen derartige Gewindespindeln hohe Wirkungsgrade von ca. 95% auf.An embodiment of the invention provides that the threaded spindle is formed from a threaded rod and a recess of a housing of the energy harvester. In a further development, the threaded spindle is a ball screw spindle, which is characterized in an advantageous manner in that they have high accuracies and a high freedom of play. Furthermore, such threaded spindles have high efficiencies of about 95%.

In einer Weiterführung der Erfindung weist die Schwingvorrichtung einen Hebelarm auf, der mit der Gewindestange drehfest verbunden ist. Durch diese Anordnung ist in vorteilhafter Weise eine spielfreie Übertragung der Drehbewegung auf die Gewindestange möglich.In a further development of the invention, the oscillating device on a lever arm which is rotatably connected to the threaded rod. By this arrangement, a play-free transmission of the rotational movement is possible on the threaded rod in an advantageous manner.

In einer Weiterbildung ist an dem der Gewindestange gegenüberliegendem Ende des Hebelarms eine Masse angeordnet. Durch das zusätzliche Gewicht am Ende des Hebelarms wird die Schwingung der Schwingvorrichtung verstärkt, wodurch mehr Bewegungsenergie über den Energie-Harvester in elektrische Energie gewandelt werden kann. Das Gewicht, das auch als Schwingmasse bezeichnet werden kann, ist variabel veränderbar, so dass es auf die jeweiligen Anforderungen eingestellt werden kann.In one development, a mass is arranged on the threaded rod opposite end of the lever arm. The additional weight at the end of the lever arm amplifies the vibration of the vibrating device, allowing more kinetic energy to be converted into electrical energy via the energy harvester. The weight, which can also be referred to as an oscillating mass, is variably variable, so that it can be adjusted to the respective requirements.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Energie-Harvester zumindest das Gehäuse, die Gewindespindel und einen Energiewandler zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie umfasst, wobei die Gewindespindel und der Energiewandler zueinander koaxial auf einer Gehäuseachse in dem Gehäuse angeordnet sind.A further development of the invention provides that the energy harvester comprises at least the housing, the threaded spindle and an energy converter for converting mechanical energy into electrical energy, wherein the threaded spindle and the energy converter are arranged coaxially with each other on a housing axis in the housing.

Durch die Einbindung der Gewindespindel und des Energiewandlers in das Gehäuse des Energie-Harvesters wird in vorteilhafter Weise eine modulare Bauweise ermöglicht, die kompakt ist, wodurch der Energie-Harvester als ein Modul vertrieben und verbaut werden kann. Die koaxiale Anordnung auf der Gehäuseachse ermöglicht in vorteilhafter Weise eine verlustarme und stabile Übertragung der Bewegungsenergie von der Gewindespindel auf den Energiewandler.By incorporating the threaded spindle and the energy converter in the housing of the energy harvester a modular design is made possible in an advantageous manner, which is compact, whereby the energy harvester can be distributed and installed as a module. The coaxial arrangement on the housing axis advantageously enables a low-loss and stable transmission of kinetic energy from the threaded spindle to the energy converter.

In einer Weiterbildung ist der Energiewandler zwischen der Gewindespindel und einem Anschlag des Gehäuses angeordnet.In a further development of the energy converter between the threaded spindle and a stop of the housing is arranged.

Der Anschlag sorgt in vorteilhafter Weise für eine definierte und feste Positionierung des Energiewandlers in dem Energie-Harvester. Ferner bietet eine derartige Ausführung einen günstig herzustellenden Aufbau und eine stabile axiale Führung. Besonders vorteilhaft ist es, den Energiewandler zwischen der Gewindespindel und dem Anschlag des Gehäuses vorzuspannen.The stop provides advantageously for a defined and fixed positioning of the energy converter in the energy harvester. Furthermore, such a design offers a low-cost construction and a stable axial guidance. It is particularly advantageous to bias the energy converter between the threaded spindle and the stop of the housing.

Der erfindungsgemäße Aufbau des Energie-Harvester-Systems ermöglicht somit in vorteilhafter Weise eine quasi-biegefreie Übertragung der Schwingungsbewegung auf den piezoelektrischen Energiewandler, wodurch der Wirkungsgrad erhöht und die Lebensdauer verlängert wird. Ferner wird in vorteilhafter Weise ein einfacher Aufbau des Energie-Harvesters erreicht so dass in einfacher Weise das Aufbringen einer definierten Vorlast möglich ist, wodurch Zugspannungen vermieden werden können. Dies ist über eine gezielte Nullstellung der Gewindespindel möglich, in der eine Vorlast, bzw. Vorspannung auf den Energiewandler aufgebracht wird.The construction of the energy harvester system according to the invention thus advantageously allows a quasi-bending-free transmission of the oscillatory motion to the piezoelectric energy converter, which increases the efficiency and extends the service life. Furthermore, a simple construction of the energy harvester is achieved in an advantageous manner so that the application of a defined preload is possible in a simple manner, whereby tensile stresses can be avoided. This is possible via a targeted zero position of the threaded spindle, in which a preload, or bias is applied to the energy converter.

In einer Weiterführung ist zwischen der Gewindespindel und dem Energiewandler ein Zwischenelement angeordnet.In a continuation, an intermediate element is arranged between the threaded spindle and the energy converter.

Das Zwischenelement ragt mit einem Ende in eine Nut des Gehäuses hinein, wobei das Zwischenelement durch die Nut in axialer Richtung der Gehäuseachse geführt und gegen eine Verdrehung um die Gehäuseachse gesichert ist.The intermediate element protrudes with one end into a groove of the housing, wherein the intermediate element is guided through the groove in the axial direction of the housing axis and secured against rotation about the housing axis.

Das Zwischenelement sorgt in vorteilhafter Weise für eine drehfreie Übertragung der Druckkräfte von der Gewindespindel auf den Energiewandler. Die Verdrehkräfte werden im Gehäuse abgestützt, so dass nur axiale Kräfte auf den Energiewandler ausgeübt werden. The intermediate element advantageously ensures a rotationally free transmission of the pressure forces from the threaded spindle to the energy converter. The torsional forces are supported in the housing, so that only axial forces are exerted on the energy converter.

In einer bevorzugten Ausführung ist der Energiewandler ein piezoelektrischer Energiewandler. Piezoelektrische Energiewandler zeichnen sich in vorteilhafter Weise durch eine kleine Bauweise von beispielsweise wenigen Zentimetern auf und sie sind in der Lage auch geringe mechanische Bewegungen, beispielsweise im Mikrometer-Bereich, in elektrische Energie umzuwandeln. Dadurch kann durch den piezoelektrischen Energiewandler auf engstem Raum eine mechanische Verformung, beispielsweise die eines Transportbehälters in elektrische Energie umgewandelt werden, so dass beispielsweise elektrische Verbraucher wie Sensoren, Kommunikationseinheiten oder Batteriespeichersysteme gespeist werden.In a preferred embodiment, the energy converter is a piezoelectric energy converter. Piezoelectric energy converters are advantageously characterized by a small construction of, for example, a few centimeters and they are able to convert even small mechanical movements, for example in the micrometer range, into electrical energy. As a result, a mechanical deformation, for example that of a transport container, can be converted into electrical energy by the piezoelectric energy converter in a confined space, so that, for example, electrical consumers such as sensors, communication units or battery storage systems are fed.

Ferner betrifft die Erfindung einen Transportbehälter mit einem zuvor beschriebenen Energie-Harvester-System.Furthermore, the invention relates to a transport container with a previously described energy harvester system.

Dieser kann beispielsweise ein Gehäuse, zumindest einen piezoelektrischen Energiewandler zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie, zumindest einen Speicher zur Speicherung der elektrischen Energie und zumindest einen an den Speicher angebundenen elektrischen Verbraucher umfassen, wobei das Gehäuse des Energie-Harvesters mittelbar oder unmittelbar mit einem Gehäuse des Transportbehälters verbunden ist.This can for example comprise a housing, at least one piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy, at least one memory for storing the electrical energy and at least one connected to the memory electrical consumer, the housing of the energy harvesters directly or indirectly with a Housing of the transport container is connected.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung.Further advantages will become apparent from the following description and the drawings.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.

Es zeigen:

• 1: Ein erfindungsgemäßes Energie-Harvester-System;
• 2: eine perspektivische Darstellung eines Transportbehälters und
• 3: eine Schemazeichnung eines Systems zur Überwachung und Verfolgung von Transportbehältern.

Show it:

• 1 : An inventive energy harvester system;
• 2 : A perspective view of a transport container and
• 3 : A schematic drawing of a system for monitoring and tracking transport containers.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Energie-Harvester-System 5. Das Energie-Harvester-System 5 umfasst eine Schwingvorrichtung 4 und einen Energie-Harvester 7, wobei von außen auf das Energie-Harvester-System 5 wirkende Beschleunigungen über die Schwingvorrichtung 4 in eine rotatorische Bewegung wandelbar sind und die rotatorische Bewegung über den Energie-Harvester 7 in eine translatorische Bewegung wandelbar ist, wodurch der Energie-Harvester 7 elektrische Energie erzeugt. Die rotatorische Bewegung ist über eine Gewindespindel 30 in die translatorische Bewegung wandelbar. 1 shows an inventive energy harvester system 5 , The energy harvester system 5 comprises a vibrating device 4 and an energy harvester 7 , being from the outside on the energy harvester system 5 acting accelerations on the vibrating device 4 can be transformed into a rotational movement and the rotational movement via the energy harvester 7 is convertible into a translational movement, causing the energy harvester 7 generates electrical energy. The rotary movement is via a threaded spindle 30 convertible into the translatory movement.

Der Energie-Harvester 7 umfasst zumindest ein Gehäuse 40, die Gewindespindel 30 und einen Energiewandler 10 zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie, wobei der Energiewandler 10 in dieser Ausführungsform ein piezoelektrischer Energiewandler 10 ist.The energy harvester 7 includes at least one housing 40 , the threaded spindle 30 and an energy converter 10 for converting mechanical energy into electrical energy, wherein the energy converter 10 in this embodiment, a piezoelectric energy converter 10 is.

Die Gewindespindel 30 und der Energiewandler 10 sind zueinander koaxial auf einer Gehäuseachse 43 in dem Gehäuse 40 angeordnet, wobei der Energiewandler 10 zwischen der Gewindespindel 30 und einem Anschlag 41 des Gehäuses 40 angeordnet ist. Bevorzugt ist der Energiewandler mechanisch vorgespannt. Der piezoelektrische Energiewandler 10 weist Kontakte 11 auf, die aus einer Öffnung 44 des Gehäuses 40 herausragen.The threaded spindle 30 and the energy converter 10 are mutually coaxial on a housing axis 43 in the case 40 arranged, the energy converter 10 between the threaded spindle 30 and a stop 41 of the housing 40 is arranged. Preferably, the energy converter is mechanically biased. The piezoelectric energy converter 10 has contacts 11 up, coming out of an opening 44 of the housing 40 protrude.

Zwischen der Gewindespindel 30 und dem Energiewandler 10 ist ein Zwischenelement 47 angeordnet, das mit einem Ende 48 in eine Nut 49 des Gehäuses 40 hineinragt, wobei das Zwischenelement 47 durch die Nut 49 in axialer Richtung der Gehäuseachse 43 geführt und gegen eine Verdrehung um die Gehäuseachse 43 gesichert ist.Between the threaded spindle 30 and the energy converter 10 is an intermediate element 47 arranged, with one end 48 in a groove 49 of the housing 40 protruding, wherein the intermediate element 47 through the groove 49 in the axial direction of the housing axis 43 guided and against rotation about the housing axis 43 is secured.

Die Gewindespindel 30 ist aus einer Gewindestange 45 und einer Ausnehmung 46 des Gehäuses 40 des Energie-Harvesters 7 gebildet, wobei die Gewindespindel 30 eine Kugelgewindespindel ist.The threaded spindle 30 is from a threaded rod 45 and a recess 46 of the housing 40 the energy harvester 7 formed, wherein the threaded spindle 30 a ball screw is.

Die Schwingvorrichtung 4 weist einen Hebelarm 42 auf, der mit der Gewindestange 45 drehfest verbunden ist. Ferner ist an dem der Gewindestange 45 gegenüberliegendem Ende des Hebelarms 42 eine Masse m angeordnet. Ferner weist die Schwingvorrichtung 4 nicht dargestellte Anschläge auf, die ein Durchschwingen des Hebelarms 42 in beide Drehrichtungen verhindern wodurch der Spindelhub derart begrenzt ist, dass der piezoelektrische Energiewandler 10 in einem optimalen Zug-Druck-Verhältnis betrieben wird. The oscillating device 4 has a lever arm 42 on that with the threaded rod 45 rotatably connected. Further, on the threaded rod 45 opposite end of the lever arm 42 a mass m arranged. Furthermore, the oscillating device 4 not shown stops, which is a swinging of the lever arm 42 prevent in both directions of rotation whereby the spindle stroke is limited so that the piezoelectric energy converter 10 is operated in an optimal train-pressure ratio.

Durch von außen auf das Energie-Harvester-System 5 wirkende Beschleunigungen wird das System 5, insbesondere der Hebelarm 42 um seine Drehachse in Schwingung versetzt, wobei die Drehachse des Hebelarms 42 der Drehachse 43 des Gehäuses 40 entspricht. Dieser Effekt wird durch das Gewicht m weiter verstärkt.From the outside to the energy harvester system 5 acting accelerations becomes the system 5 , in particular the lever arm 42 about its axis of rotation vibrated, wherein the axis of rotation of the lever arm 42 the axis of rotation 43 of the housing 40 equivalent. This effect is further enhanced by the weight m.

Die dadurch entstehenden Kräfte werden über den Hebelarm 42 und die Gewindestange 45 auf den piezoelektrischen Energiewandler 10 übertragen, wobei die Drehbewegung des Hebelarms 42 auf die Gewindespindel 30 übertragen wird. Die Schraubengeometrie der Gewindestange 45 der Kugelgewindespindel 30 bewegt sich dabei in der Schraubengeometrie der Aufnahme 46 des Gehäuses 40. Zur Aufnahme der wirkenden Beschleunigungen ist das Gehäuse 40 des Energie-Harvesters 7 räumlich, beispielsweise an einer Containerwand, fixiert.The resulting forces are via the lever arm 42 and the threaded rod 45 on the piezoelectric energy converter 10 transferred, with the rotational movement of the lever arm 42 on the threaded spindle 30 is transmitted. The screw geometry of the threaded rod 45 the ball screw 30 moves in the screw geometry of the recording 46 of the housing 40 , To accommodate the acting accelerations is the housing 40 the energy harvester 7 spatially fixed, for example on a container wall.

Zur Vermeidung von Verdrehkräften auf den piezoelektrischen Energiewandler 10 ist zwischen diesem und der Gewindestange 45 das Zwischenelement 47 eingesetzt, wobei das Ende 48 des Zwischenelements 47 in die Nut 49 des Gehäuses 40 eingreift. Die Nut 49 dient als Führungsnut und weist eine Geometrie auf, ein Verdrehen des Zwischenelements 47 um die Drehachse 43 des Gehäuses 40 vermeidet, aber eine Längsbewegung in axialer Richtung der Drehachse 43 nicht einschränkt.To avoid torsional forces on the piezoelectric energy converter 10 is between this and the threaded rod 45 the intermediate element 47 used, the end 48 of the intermediate element 47 in the groove 49 of the housing 40 intervenes. The groove 49 serves as a guide groove and has a geometry, a rotation of the intermediate element 47 around the axis of rotation 43 of the housing 40 avoids, but a longitudinal movement in the axial direction of the axis of rotation 43 does not restrict.

Abhängig vom Verdrehwinkel des Hebelarms 42 ergeben sich entsprechende Druckkräfte auf den piezoelektrischen Energiewandler 10, die ein Maß für die erreichbare elektrische Spannung sind.Depending on the angle of rotation of the lever arm 42 arise corresponding pressure forces on the piezoelectric energy converter 10 , which are a measure of the achievable electrical voltage.

Die Druckkräfte werden von einem Übersetzungsfaktor F bestimmt, der im Wesentlichen von der auf das System wirkenden Beschleunigung a, einer Länge L des Hebelarms 42, des Gewichts m der Pendelmasse, einer Steigung p der Gewindespindel 30 und einem Reibradius R, sowie dessen Reibwert µ im Kontakt zwischen der Gewindestange 45 und dem Zwischenelement 47, sowie dem Wirkungsgrad η der Gewindespindel 30 abhängt.The compressive forces are determined by a ratio factor F, which essentially depends on the acceleration a acting on the system, a length L of the lever arm 42 , the weight m of the pendulum mass, a pitch p of the threaded spindle 30 and a friction radius R, as well as its coefficient of friction μ in contact between the threaded rod 45 and the intermediate element 47 , as well as the efficiency η of the threaded spindle 30 depends.

Der Übersetzungsfaktor F berücksichtigt folgende Momentenverhältnisse $$\text{M}L\mathrm{=}\text{m*a*L}$$

$$\text{M}S\mathrm{=}\left(\text{m*a*p}\right)\text{/}\left(2\mathrm{\pi }\text{*}\mathrm{\eta }\right)$$

$$\text{M}R\mathrm{=}\text{m*a*}\mathrm{\mu }\text{*R}$$

wobei $$\text{F}=\text{M}L\text{/}\left(\text{M}R+\text{M}S\right)=\left(\text{L}*2\mathrm{\pi }\text{*}\mathrm{\eta }\right)\text{/}\left(\text{p}+\mathrm{\mu }\text{R}\right)$$

und kann zur Anpassung, bzw. Auslegung einer entsprechenden Nutzfrequenz des piezoelektrischen Energiewandlers 10 herangezogen werden.The translation factor F takes into account the following torque ratios $$\text{M}L\mathrm{=}\text{times}$$

$$\text{M}S\mathrm{=}\left(\text{m * a * p}\right)\text{/}\left(2\mathrm{\pi }\text{*}\mathrm{\eta }\right)$$

$$\text{M}R\mathrm{=}\text{m * a *}\mathrm{\mu }\text{* R}$$

in which $$\text{F}=\text{M}L\text{/}\left(\text{M}R+\text{M}S\right)=\left(\text{L}*2\mathrm{\pi }\text{*}\mathrm{\eta }\right)\text{/}\left(\text{p}+\mathrm{\mu }\text{R}\right)$$

and can be used to adapt or design a corresponding useful frequency of the piezoelectric energy converter 10 be used.

Anwendung findet das in 1 beschriebene Energie-Harvester-System 5 beispielsweise in oder an einem Transportbehälter 1. Eine in 2 gezeigte perspektivische Darstellung eines solchen Transportbehälters 1 umfasst ein Gehäuse 2, einen Rahmen 4 des Gehäuses 2 und zumindest eine Tür 3, wobei der Transportbehälter 1 an einer Vorderseite zwei Türen 3 aufweist. Die Vorderseite ist eine von zwei Abschlussseiten 8 des Transportbehälters 1. Der Transportbehälter 1, insbesondere Container, kann auf seiner Rückseite geschlossen sein, jedoch auch ein oder zwei Türen aufweisen. Die Türen 3 sind durch Scharniere 5 an dem Gehäuse 2 des Transportbehälters 1 angebracht. An seiner Unterseite weist der Transportbehälter 1 Fußelemente 6 auf, die als Aufstandsfläche des Transportbehälters 1, bzw. Containers dienen. Während des Transports wirken auf den Transportbehälter 1 Kräfte und Beschleunigungen, sowie Quer- und Längslasten, die den Transportbehälter 1 in Schwingung versetzen, wodurch beispielsweise ein Rahmen 4 des Transportbehälters 1 in mechanische Schwingungen 50 versetzt wird, bzw. es zu einer Verformung des Rahmens 4 kommt. Die dadurch entstehende mechanische Energie kann durch das Energie-Harvester-System 5 in elektrische Energie gewandelt werden.Application finds that in 1 described energy harvester system 5 for example, in or on a transport container 1 , An in 2 shown perspective view of such a transport container 1 includes a housing 2 a frame 4 of the housing 2 and at least one door 3 , the transport container 1 on one front two doors 3 having. The front is one of two graduation pages 8th of the transport container 1 , The transport container 1 , In particular container, may be closed on its back, but also have one or two doors. The doors 3 are by hinges 5 on the housing 2 of the transport container 1 appropriate. On its underside, the transport container 1 foot elements 6 on, as the footprint of the transport container 1 , or serve containers. During the Transports act on the transport container 1 Forces and accelerations, as well as transverse and longitudinal loads, the transport container 1 vibrate, creating, for example, a frame 4 of the transport container 1 in mechanical vibrations 50 is offset, or it is a deformation of the frame 4 comes. The resulting mechanical energy can through the energy harvester system 5 be converted into electrical energy.

3 zeigt eine Schemazeichnung eines Systems zur Überwachung und Verfolgung von Transportbehältern 1, umfassend einen piezoelektrischen Energiewandler 10 zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie, einen Speicher 15 zur Speicherung der elektrischen Energie und zumindest einen an den Speicher 15 angebundenen elektrischen Verbraucher 20. Der piezoelektrische Energiewandler 10 ist zwischen zwei Bauteilen 30, 40 des Energie-Harvesters 7 angeordnet, wobei er auftretende mechanische Schwingungen 50 zwischen den Bauteilen 30, 40 in elektrische Energie umwandelt. Der piezoelektrische Energiewandler 10 ist an dem Speicher 15 zur Speicherung der elektrischen Energie angebunden und der Speicher 15 ist an den elektrischen Verbraucher 20 angebunden. Der piezoelektrische Energiewandler kann sowohl den Speicher 15 aufladen, als auch die elektrischen Verbraucher 20 direkt speisen. 3 shows a schematic drawing of a system for monitoring and tracking of transport containers 1 comprising a piezoelectric energy converter 10 for the conversion of mechanical energy into electrical energy, a memory 15 for storing the electrical energy and at least one to the memory 15 connected electrical load 20. The piezoelectric energy converter 10 is between two components 30 . 40 the energy harvester 7 arranged, whereby he occurring mechanical vibrations 50 between the components 30 . 40 converted into electrical energy. The piezoelectric energy converter 10 is at the store 15 connected to store the electrical energy and the memory 15 is to the electrical consumer 20 tethered. The piezoelectric energy converter can both the memory 15 charge, as well as the electrical consumers 20 dine directly.

Der Energie-Harvester 7 ist derart an dem Gehäuse 1 angeordnet ist, dass durch auf das Gehäuse 1 wirkende Beschleunigungen a elektrische Energie erzeugt wird.The energy harvester 7 is so on the housing 1 is arranged through that on the housing 1 acting accelerations a electrical energy is generated.

Der piezoelektrische Energiewandler 10 kann beispielsweise aus einem Piezostack gebildet sein, der mechanisch oder hydraulisch in einem Piezogehäuse gekoppelt sein kann. Der piezoelektrische Energiewandler 10 erfüllt die Funktion eines Piezogenerators 10.The piezoelectric energy converter 10 For example, it can be formed from a piezo stack, which can be mechanically or hydraulically coupled in a piezo housing. The piezoelectric energy converter 10 fulfills the function of a piezo generator 10 ,

Der Speicher 15 ist als wieder aufladbares Batteriesystem ausgebildet. Elektrische Verbraucher können ein einzelner Verbraucher, beispielsweise ein GPS-Sender sein, oder aus einem System zur Zustand- und/oder Standortbestimmung bestehen. Beispielsweise können Beschleunigungen, Temperaturen, die Öffnung der Tür usw. während des Transports bestimmt und an eine Leitstelle übertragen werden.The memory 15 is designed as a rechargeable battery system. Electrical consumers may be a single consumer, such as a GPS transmitter, or consist of a condition and / or location determination system. For example, accelerations, temperatures, the opening of the door, etc. during transport can be determined and transmitted to a control center.

Der Anbringungsort des Systems zur Überwachung und Verfolgung von Transportbehältern 1 ist in den Figuren nicht dargestellt, bietet sich jedoch nahe des piezoelektrischen Energiewandlers 10 an, um die Leitungslängen zwischen den Komponenten möglichst gering zu halten. Das System kann beispielsweise in oder außerhalb des Transportbehälters 1 sowie in einem Fußelement 6 angebracht sein.The location of the system for monitoring and tracking transport containers 1 is not shown in the figures, but offers close to the piezoelectric energy converter 10 to keep the line lengths between the components as low as possible. The system can, for example, in or outside of the transport container 1 as well as in a foot element 6 to be appropriate.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• US 4952835 A [0003]US 4952835 A [0003]

Claims (12)

Energie-Harvester-System (5), umfassend eine Schwingvorrichtung (4) und einen Energie-Harvester (7), wobei von außen auf das Energie-Harvester-System (5) wirkende Beschleunigungen über die Schwingvorrichtung (4) in eine rotatorische Bewegung wandelbar sind und die rotatorische Bewegung über den Energie-Harvester (7) in eine translatorische Bewegung wandelbar ist und dadurch der Energie-Harvester (7) elektrische Energie erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die rotatorische Bewegung über eine Gewindespindel (30) in die translatorische Bewegung wandelbar ist.Energy harvester system (5), comprising a vibrating device (4) and an energy harvester (7), wherein externally acting on the energy harvester system (5) accelerations on the vibrating device (4) in a rotational movement convertible are and the rotational movement of the energy harvester (7) is convertible into a translational movement and thereby the energy harvester (7) generates electrical energy, characterized in that the rotational movement via a threaded spindle (30) in the translational movement convertible is. Energie-Harvester-System (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (30) aus einer Gewindestange (45) und einer Ausnehmung (46) eines Gehäuses (40) des Energie-Harvesters (7) gebildet ist.Energy Harvester System (5) after Claim 1 , characterized in that the threaded spindle (30) consists of a threaded rod (45) and a recess (46) of a housing (40) of the energy harvester (7) is formed. Energie-Harvester-System (5) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (30) eine Kugelgewindespindel ist.Energy Harvester System (5) after Claim 2 , characterized in that the threaded spindle (30) is a ball screw. Energie-Harvester-System (5) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingvorrichtung (4) einen Hebelarm (42) aufweist, der mit der Gewindestange (45) drehfest verbunden ist.Energy Harvester System (5) after Claim 2 or 3 , characterized in that the oscillating device (4) has a lever arm (42) which is rotatably connected to the threaded rod (45). Energie-Harvester-System (5) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem der Gewindestange (45) gegenüberliegenden Ende des Hebelarms (42) eine Masse (m) angeordnet ist.Energy Harvester System (5) after Claim 4 , characterized in that on the threaded rod (45) opposite end of the lever arm (42) has a mass (m) is arranged. Energie-Harvester-System (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energie-Harvester (7) zumindest das Gehäuse (40), die Gewindespindel (30) und einen Energiewandler (10) zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie umfasst, wobei die Gewindespindel (30) und der Energiewandler (10) zueinander koaxial auf einer Gehäuseachse (43) in dem Gehäuse (40) angeordnet sind.Energy harvester system (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the energy harvester (7) at least the housing (40), the threaded spindle (30) and an energy converter (10) for converting mechanical energy into electrical Energy, wherein the threaded spindle (30) and the energy converter (10) to each other coaxially on a housing axis (43) in the housing (40) are arranged. Energie-Harvester-System (5) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (10) zwischen der Gewindespindel (30) und einem Anschlag (41) des Gehäuses (40) angeordnet ist, insbesondere vorgespannt angeordnet ist.Energy Harvester System (5) after Claim 6 , characterized in that the energy converter (10) between the threaded spindle (30) and a stop (41) of the housing (40) is arranged, in particular biased. Energie-Harvester-System (5) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gewindespindel (30) und dem Energiewandler (10) ein Zwischenelement (47) angeordnet ist.Energy harvester system (5) according to one of Claims 6 or 7 , characterized in that between the threaded spindle (30) and the energy converter (10) an intermediate element (47) is arranged. Energie-Harvester-System (5) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (47) mit einem Ende (48) in eine Nut (49) des Gehäuses (40) hineinragt, wobei das Zwischenelement (47) durch die Nut (49) in axialer Richtung der Gehäuseachse (43) geführt und gegen eine Verdrehung um die Gehäuseachse (43) gesichert ist.Energy Harvester System (5) after Claim 8 , characterized in that the intermediate element (47) protrudes with one end (48) in a groove (49) of the housing (40), wherein the intermediate element (47) through the groove (49) in the axial direction of the housing axis (43) out and secured against rotation about the housing axis (43). Energie-Harvester-System (5) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (10) ein piezoelektrischer Energiewandler (10) ist.Energy harvester system (5) according to one of Claims 6 to 9 , characterized in that the energy converter (10) is a piezoelectric energy converter (10). Transportbehälter (1) mit einem Energie-Harvester-System (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Transport container (1) with an energy harvester system (5) according to one of Claims 1 to 10 , Transportbehälter (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (40) des Energie-Harvesters (7) mittelbar oder unmittelbar mit einem Gehäuse (4) des Transportbehälters (1) verbunden ist.Transport container (1) after Claim 11 , characterized in that the housing (40) of the energy harvester (7) is directly or indirectly connected to a housing (4) of the transport container (1).

Images