DE102009043217A1

DE102009043217A1 - Piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe eines Fluidsstroms, Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung des Energiewandlers und Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102009043217A1
Application number: DE102009043217A
Authority: DE
Inventors: Alexander Frey; Ingo Dr. Kühne
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-02-17
Also published as: WO2011012403A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element, in das eine durch einen Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Ebenso wird ein entsprechendes Verfahren angegeben. Auf der Basis der Schwingungen wird mechanische Kraft in das Piezoelement eingekoppelt. Über die Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts wird elektrische Energie gewonnen. Realisiert ist der piezoelektrische Energiewandler vorzugsweise in der MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)-Technologie. Verwendung finden die Vorrichtung und das Verfahren im Zusammenhang mit energieautarken Systemen, beispielsweise in der Reifensensorik.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie. Daneben werden ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe des piezoelektrischen Energiewandlers und eine Verwendung des Verfahrens angegeben.
Sensoren, die auf der MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)-Technologie basieren, werden zunehmend eingesetzt. Besonders interessant sind hierbei Sensorknoten und Netzwerke, die energieautark funktionieren. Solche Systeme beziehen die zum Betrieb einzelner Komponenten notwendige elektrische Energie nicht aus einer Netzversorgung oder einer Batterie, sondern über einen geeigneten Energiewandler aus der Umgebung.
Ein bedeutendes Feld liegt dabei in der Automobilindustrie, beispielsweise im Zusammenhang mit Reifenkontrollsystemen (Reifensensorik). Heutige Reifendruckkontrollsysteme überwachen Druckschwankungen im Autoreifen, indem sie Druck und Temperatur in bestimmten Intervallen messen und die Ergebnisse drahtlos an eine Kontrolleinheit senden. Dafür notwendige elektrische Bauteile sind über ein Ventil an einer Felge des Autoreifens befestigt. Die für den Betrieb des Reifendruckkontrollsystems notwendige Energie wird von einer Batterie geliefert. Die Batterie begrenzt die Lebensdauer des Reifendruckkontrollsystems.
Neue Konzepte erfordern, dass das Reifendruckkontrollsystem nicht mehr auf der Felge, sondern direkt auf der Innenseite des Reifenlatsches (Reifenaufstandsfläche) platziert wird.
Auf diese Weise ist es möglich, neben Druck und Temperatur auch physikalische Eigenschaften zwischen Autoreifen und Fahrbahn zu vermessen und daraus gewonnene Daten für eine Fahrdynamik nutzbar zu machen. Eine derartige Ausweitung des Reifenkontrollsystems bedeutet aber kürzere Mess- und Sendeintervalle, eine höhere Messfrequenz und damit eine wesentlich kürzere Lebensdauer der Batterie.
Darüber hinaus ist es notwendig, das Reifenkontrollsystem zu miniaturisieren, so dass dessen Masse erheblich reduziert und damit eine Laufeigenschaft des Autoreifens nicht negativ beeinflusst wird (zum Beispiel durch größere Unwucht).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Energiewandler bereitzustellen, der für den Einsatz für Reifenkontrollsysteme geeignet ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element (Piezoelement) angegeben, in das eine durch einen Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung des piezoelektrischen Energiewandlers durch Einkoppeln einer durch den Fluidstrom hervorgerufenen Kraft in das piezoelektrische Element angegeben, so dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Verwendung des Verfahrens zur Gewinnung von elektrischer Energie angegeben. Die Art der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Fluidstrom auftritt, beispielsweise in einem Reifen eines Kraftfahrzeugs.
Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, den Fluidstrom derart an einem geeignet ausgestalteten piezoelektrischer Element vorbeizuleiten, dass dieses zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Diese mechanischen Schwingungen werden dazu benutzt, elektrische Energie zu gewinnen.
Das Fluid ist vorzugsweise ein Gas oder Gasgemisch. Denkbar ist auch ein Fluid in Form einer Flüssigkeit. Die Flüssigkeit ist dabei vorzugsweise elektrisch isolierend.
Das piezoelektrische Element weist eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht, piezoelektrischer Schicht und weiterer Elektrodenschicht auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschichtaufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten resultiert.
Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kann aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nichtmetallische, elektrisch leitende Materialien.
Die piezoelektrische Schicht kann ebenfalls aus unterschiedlichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialen wie Bleizirkonattitanat (PZT), Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (AlN). Piezoelektrische organische Materialien wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar.
Das piezoelektrische Biegelement ist vorzugsweise als Piezo-Fahne ausgebildet. Dazu ist das Biegelement beispielsweise ein piezoelektrischer Biegewandler. Zum Herstellen des Biegewandlers werden beispielsweise 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, beispielsweise Bimorph.
Im Hinblick auf die angestrebte Miniaturisierung eignet sich zur Realisierung des Biegewandlers besonders die MEMS-Technologie. Mit dieser Technologie ist ein piezoelektrischer Energiewandler mit sehr kleinen lateralen Abmessungen zugänglich. Darüber hinaus können sehr dünne Schichten ausgebildet werden. So betragen die Schichtdicken der Elektrodenschichten beispielsweise 0,1 μm bis 0,5 μm. Die piezoelektrische Schicht ist wenige μm dick, beispielsweise 1 μm bis 10 μm. Das piezoelektrische Element ist als dünne piezoelektrische Membran ausgestaltet. Das piezoelektrische Element verfügt über eine sehr geringe Masse. Außerdem kann ein solches piezoelektrische Element leicht zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Zur Vervollständigung des Piezoelements in Form einer piezoelektrischen Membran kann eine Trägerschicht vorgesehen sein, beispielsweise eine Trägerschicht aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄). Eine Schichtdicke der Trägerschicht ist aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählt.
In einer besonderen Ausgestaltung ist ein Gehäuse mit einer Gehäusekammer vorhanden, in der das piezoelektrische Element angeordnet ist und durch die der Fluidstrom geleitet werden kann. Beispielsweise verfügt eine Gehäuse-Wandung des Gehäuses über einen Fluidstrom-Einlass und einen Fluidstrom-Auslass. Durch den Fluidstrom-Einlass beziehungsweise durch den Fluidstrom-Auslass strömt das Fluid in die Gehäusekammer hinein beziehungsweise aus der Gehäusekammer heraus. Das Fluid wird dabei an dem piezoelektrischen Element vorbeigeleitet und bringt es zum Schwingen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Druckstoßes des Fluidstroms vorhanden. Aufgrund des Druckstoßes wird das Piezoelement zu mechanischen Schwingungen angeregt. Bei einer fluidischen Stoßanregung erfährt das Piezoelement, beispielsweise die Piezo-Fahne, eine abklingende Schwingung. Über den piezoelektrischen Effekt wird eine periodische Ladungstrennung zwischen den Elektroden erzeugt. Der daraus gewinnbare Ladungsfluss steht dann extern als elektrische Energie zur Verfügung.
Um zu gewährleisten, dass die Kraft des Druckstoßes effizient in das Piezoelement eingekoppelt werden kann, ist das Piezoelement beispielsweise gekrümmt oder es befinden sich an seiner Oberfläche geeignete Anströmungsgeometrien.
Bei der Erzeugung des Piezoelements mit Hilfe der MEMS-Technologie ist es über entsprechenden lateralen Zug- bzw. Druckstress in und zwischen den einzelnen Schichten möglich, den Schichtstapel so herzustellen, dass er sich nach Freilegen von Schichten krümmt bzw. leicht aufrollt.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung zur Erzeugung eines Druckstoßes eine elastisch verformbare Wandung auf. Die elastisch verformbare Wandung ist beispielsweise eine Wandung einer Kavität im Mantel eines Autoreifens. Die elastisch verformbare Wandung ist mit dem Autoreifen derart verbunden, dass eine definierte Verformung des Reifenlatsches (Reifenaufstandsfläche) zu einer definierten Verformung der Wandung der Kavität und damit zu einer definierten Verformung der Kavität führt. Aufgrund der definierten Verformung der Kavität bildet sich ein definierter Druckstoß. Im Hinblick auf die oben beschriebene Reifensensorik ist eine solche Lösung besonders vorteilhaft, da durch den Reifen selbst die für den Betrieb der Reifensensorik notwendige Energie bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus sind die beschriebenen Verformungen unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit. Es ist lediglich eine Frequenz der Bildung der Druckstöße von der Fahrgeschwindigkeit abhängig.
Denkbar ist ebenso eine elastisch verformbare Wandung, die in die Gehäuse-Wandung des Gehäuses des piezoelektrischen Wandlers integriert ist und somit Bestandteil der Gehäuse-Wandung ist. Die elastisch verformbare Wandung ist beispielsweise eine Gummi-Membran.
Mit Hilfe der Vorrichtung zur Erzeugung des Druckstoßes resultiert ein zeitlich sich ändernder Fluidstrom. Es wird ein sich zeitlich ändernder Fluidstrom verwendet. Dabei der sich zeitlich ändernde Fluidstrom nicht nur durch einen Druckstoß, sondern auch durch permanente Druckschwankungen ausgelöst werden, wie sie üblicherweise in Autoreifen während des Abrollens auftreten.
Es ist aber auch denkbar, dass ein stationärer (zeitinvarianter) Fluidstrom zur Erzeugung der mechanischen Schwingungen des piezoelektrischen Elements verwendet wird. Dazu ist beispielsweise in der Gehäusekammer ein Fluidstrom-Hindernis platziert. Durch das Vorbeileiten des Fluidstroms am Fluidstrom-Hindernis kommt es zu Verwirbelungen, die dazu führen, dass ein frei bewegliches Piezoelement zu Schwingungen angeregt wird.
Zusammenfassend ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung folgende besonderen Vorteile:

– Es ist keine seismische Masse erforderlich, wie sie bei einem Feder-Masse-System zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie eingesetzt wird.
– Der piezoelektrische Energiewandler kann resonant betrieben werden, also mit der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Membran. Er muss es aber nicht. Er kann damit breitbandig (Frequenzbereich von wenigen kHz bis einigen hundert kHz) betrieben werden bei gleichbleibend hoher Effizienz bezüglich der Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie.
– Unerwünschte geschwindigkeitsabhängige Fliehkräfte spielen bei der Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie keine Rolle, da eine Masse des Energiewandlers zu vernachlässigen ist.
– Durch die Ausnutzung der Latschverformung, bei der ein Druckstoß des Fluidstroms entsteht, ist eine einfache, in einem Reifen integrierte Erzeugung eines Druckstoßes und damit eine einfache Lösung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie möglich.
– Es ist möglich, statische (sich zeitlich nicht ändernde) Fluidströme im (Auto)Reifen zur Gewinnung elektrischer Energie auszunutzen.
– Die Effizienz, mit der mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann, ist von einer Rotationsgeschwindigkeit des Reifens unabhängig.
– Mit Hilfe des Gehäuses ist ein gekapselter Aufbau möglich, der für einen mechanischen Überlastschutz sorgt.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 bis 4 zeigen jeweils einen piezoelektrischen Energiewandler in einem seitlichen Querschnitt.
5 zeigt einen Reifen von der Seite.
Gegenstand der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele ist jeweils ein piezoelektrischer Energiewandler 1 zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie. Der Energiewandler weist ein piezoelektrisches Element 2 auf. Das piezoelektrische Element weist eine Schichtfolge von Elektrodenschicht, piezoelektrischer Schicht und weiterer Elektrodenschicht auf. Das Element basiert auf der MEMS-Technologie. Die piezoelektrische Schicht ist eine Piezokeramikschicht 21mit Zinkoxid. Alternativ dazu weist die piezokeramische Schicht Aluminiumnitrid auf. Die Elektrodenschichten 22 sind aus Platin. Den Abschluss bildet eine Trägerschicht 23 aus Siliziumnitrid. Alternativ dazu ist die Trägerschicht aus Siliziumdioxid.
Das piezoelektrische Element ist in einer Gehäuse-Kammer 41 eines Gehäuses 4 angeordnet. Dabei ist dafür gesorgt, dass der Fluidstrom 3 an dem piezoelektrischen Element vorbei geleitet wird. Dabei wird eine durch den Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft in das Piezoelement eingekoppelt. Es kommt zur Auslenkung 24 des piezoelektrischen Elements und in Folge davon zur Ladungstrennung, auf deren Basis über die Elektroden elektrische Energie gewonnen werden kann.
Beispiel 1:
Im Gehäuse 4 sind Fluidstrom-Einlass 43 und Fluidstrom-Auslass 44 integriert (1). Das piezoelektrische Element ist eine gebogene Piezo-Fahne. Die Piezo-Fahne ist dabei derart ausgestaltet, dass durch das Vorbeileiten des Fluidstroms und damit durch das Einkoppeln der mechanischen Kraft die Piezo-Fahne zu Schwingungen angeregt wird.
Beispiel 2:
Auch hier sind in der Gehäuse-Wandung 42 Fluidstrom-Einlass 43 und Fluidstrom-Auslass 44 angeordnet (2). Bei dieser Ausgestaltung ist aber eine Vorrichtung 5 zum Erzeugen eines Druckstoßes vorhanden. Diese Vorrichtung ist eine Kavität, die eine elastisch verformbare Wandung 51 aufweist. Durch Ausüben eines mechanischen Drucks auf diese elastisch verformbare Wandung entsteht ein Druckstoß. Dieser Druckstoß wird auf die Piezo-Fahne übertragen. Es kommt zu den oben beschriebenen mechanischen Schwingungen. Die Kavität ist derart in einem Autoreifen 6 angeordnet, dass die Bildung des Reifenlatsches 61 (5). zur Bildung des Druckstoßes führt.
Der Reifenlatsch bildet sich beim Abrollen des Reifens auf einer Fahrbahn 62.
Beispiel 3:
Im Unterschied zum Beispiel 2 ist die elastisch verformbare Wandung der Vorrichtung zum Erzeugen des Druckstoßes in die Gehäuse-Wandung integriert. In einer Ausführungsform ist die Wandung eine Gummi-Membran. Darüber hinaus ist gemäß diesem Beispiel zum Erzeugen des Druckstoßes kein Fluidstrom-Auslass vorhanden.
Beispiel 4:
Im Gegensatz zu den voran beschriebenen Beispielen sieht diese Lösung das Einkoppeln der mechanischen Schwingungen nicht über einen Druckstoß vor. Das Einkoppeln erfolgt durch die Kombination eines zunächst stationären (laminaren) Fluidstroms 31 in Kombination mit einem in der Gehäusekammer 41 angeordneten Fluidstrom-Hindernis (32). Aufgrund des Fluidstrom-Hindernisses kommt es zu Verwirbelungen 33 des Fluidstroms. Der Fluidstrom wird im Bereich der Piezo-Fahne gegenphasig verwirbelt. Dieses Phänomen ist im Übrigen als „Karmannsche Wirbelstraße” bekannt. Entspricht dabei der Wirbel einer Eigenfrequenz einer umströmten Struktur, so wird die Struktur in Schwingungen versetzt. Dies wird hier ausgenutzt. Die Verwirbelungen sorgen dafür, dass es zu mechanischen Schwingungen des Piezoelements kommt. Es wird mechanische Kraft in das Piezoelement eingekoppelt.
Verwendung findet der piezoelektrische Energiewandler zur energieautarken Stromversorgung eines (nicht dargestellten) Reifenkontrollsystems.

Claims

Piezoelektrischer Energiewandler (1) zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element (2), in das eine durch einen Fluidstrom (3) hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.
Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 1, wobei ein Gehäuse (4) mit einer Gehäusekammer (41) vorhanden ist, in der das piezoelektrische Element angeordnet ist und durch die der Fluidstrom geleitet werden kann.
Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Vorrichtung (5) zur Erzeugung eines Druckstoßes des Fluidstroms vorhanden ist.
Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 3, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung des Druckstoßes eine elastisch verformbare Wandung (51) aufweist.
Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Gehäusekammer die Vorrichtung zur Erzeugung des Druckstoßes aufweist.
Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das piezoelektrische Element einen Mehrschichtaufbau mit MEMS-Schichten aufweist.
Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Piezoelement eine Piezo-Fahne aufweist.
Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines piezoelektrischen Energiewandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durch Einkoppeln einer durch den Fluidstrom hervorgerufenen Kraft in das piezoelektrische Element, so dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein stationärer Fluidstrom verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein zeitlich sich ändernder Fluidstrom verwendet wird.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 10 zur Versorgung eines Reifenkontrollsystems mit elektrischer Energie.