JP2003102186A - 熱発電システムを有する機器への充電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱発電時計へ外部から熱を加えて充電する
際、簡便に温度差を与える事の出来、コスト的にも安価
な外部充電装置の構成および構造を提供する。 【解決手段】 温度差を利用して発電する熱発電機器の
外部充電装置の熱源手段として、温度の上昇につれ抵抗
値が増大すると共にキュリー温度以上では抵抗値が急激
に上昇する半導体であり、特にヒーターのキュリー温度
が３０℃から６０℃のＰＴＣサーミスタを用いる。ま
た、冷却手段としては自然空冷であったり送風ファンを
用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度差を利用して
発電する熱発電システムを有し、かつ前記熱発電システ
ムによって発電した電力を充電する充電システムを有す
る機器を充電する為の外部充電装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来技術】熱発電システムを有する電子機器を外部の
充電システムによって充電する従来技術には、特開平１
１―１７６４９１号公報があり、外部エネルギーを用い
て温度差を作る手段を有する充電器と、この充電器に近
接または接触して置かれる熱発電器を有する電子機器と
により電子機器の充電システムを構成し、環境によらず
に電子機器に温度差を与えて発電させることが出来ると
いう利点があるとなっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
１１―１７６４９１号公報に記載された従来例の構成は
本願図３に示すように充電すべき電子機器に対して高温
熱源手段、低温熱源手段及び高温熱源温度測定手段、低
温熱源温度測定手段、更に温度制御手段、温度指示手段
等から成る温度制御システムを用い、電力コントロール
を行うことで温度コントロールを行い、電子機器に温度
差を生じさせて発電を行うというものであり、温度制御
の為に外部充電システムが複雑になるという問題があっ
た。

【０００４】また、同じく特開平１１―１７６４９１号
公報の他の実施例では、電流を流すと一方が発熱し、他
方が冷却する熱半導体素子を用い、熱半導体素子に電気
エネルギーを与えることで温度差を作り出し、熱発電器
を有する電子機器に接近または接触させて発電を行うも
のであるが、電子機器に納められた熱発電システム自体
が高価な熱半導体素子を使っており、同じ熱半導体素子
を電子機器の熱源手段に用いる事はコスト的に合わない
という問題があった。

【０００５】本発明の目的は、上記問題を解決し、熱発
電時計へ外部から熱を加えて充電する際、簡便に温度差
を与える事の出来コスト的にも安価な外部充電装置の構
成および構造を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決する為の手段】前記課題を解決する為に、
温度差を利用して発電する熱発電システムを有し、かつ
前記熱発電システムによって発電した電力を充電する充
電システムを有する機器を充電する為の外部充電装置に
おいて、前記外部充電装置の熱源手段として温度の上昇
につれ抵抗値が増大すると共に、キュリー温度以上では
抵抗値が急激に上昇する半導体であり、特にこの半導体
はＰＴＣサーミスタを用いることを特徴とする。

【０００７】また、前記外部充電装置によって前記熱発
電システムを有する機器を加熱充電する際の熱源手段と
して用いるＰＴＣヒーターのキュリー温度が３０℃から
６０℃であることを特徴とする。

【０００８】また、前記熱発電システムを有する機器と
接触する前記外部充電装置の受け面の形状は、前記機器
との接触面積が増えるような形状である事を特徴とす
る。

【０００９】また、前記外部充電装置によって前記熱発
電システムを有する機器を発電させる際の冷却手段が自
然空冷であったり、送風ファンを用いることを特徴とす
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の実施の
形態を詳述する。本発明は、熱発電システムを有する電
子機器に利用できるが、以下の説明では電子機器の一般
的なものとして電子時計を用いて説明する。

【００１１】まず、本発明の説明に用いる熱発電時計１
は図４に示すような断面構造をしている。つまり金属製
の文字板２、指針３を取り付けた時計モジュール４が樹
脂中枠５を介して金属製の時計ケース上胴６に納められ
ており、時計モジュール４の下側には熱発電ユニット７
が配置されている。

【００１２】図５は熱発電ユニット７の断面図であり、
ｎ型−ＢｉＴｅ系合金８ａとｐ型−ＢｉＴｅ系合金８ｂ
の細い柱が対をなして交互に並び、千対以上の柱がエポ
キシ樹脂８ｃで固められており、その上下端に金属皮膜
で形成した接続パターン８ｄで直列に接続した熱発電ブ
ロック７ａおよび、熱発電ブロック７ａの下側に金属製
の裏ブタ１１と接触するブロック吸熱板７ｂ、そして熱
発電ブロック７ａの上側に時計モジュール４の金属部分
と接触するブロック放熱板７ｃ、及びフレキシブル回路
基板7ｄから構成されている。

【００１３】尚、ブロック吸熱板７ｂに接着されたフレ
キシブル回路基板７ｄは熱発電ブロック７ａの接続パタ
ーン８ｄとハンダ付けされており、発電した電気を時計
モジュール４内の図示しない回路基板に供給するもので
あり、熱発電ブロック７ａとブロック吸熱板７ｂ、及び
熱発電ブロック７ａとブロック放熱板７ｃは互いに熱伝
導性の高い接着剤によって接着されている。

【００１４】図４の熱発電時計の断面図で示すように裏
ブタ１１と伝熱板９との間及び、時計ケース上胴６との
間には樹脂中胴１０が配置され、また、熱発電ユニット
７の外周にはリング状の伝熱板９が配置され、樹脂中胴
１０、裏ブタ１１と共に図示しないネジで時計ケース上
胴６に固定された構造となっている。更に、伝熱板９は
熱発電ユニット７のブロック放熱板７ｃ及び時計ケース
上胴６と接触した構造となっている。

【００１５】以上の構造により、熱発電時計１を腕に装
着することによって、体温が吸熱経路１５で示すように
裏ブタ１１から熱発電ユニット７のブロック吸熱板７ｂ
を介して熱発電ブロック７ａの下端を加熱し、熱発電ブ
ロック７ａの上下に温度差を生じさせることによって、
ゼーベック効果により発電を行うものである。尚、本実
施例において、裏ブタ１１は凸型の断面形状をしてお
り、時計形態時に裏ブタ１１がより腕に密着し、腕から
の体温の伝熱をより良くなるように配慮したものであ
る。

【００１６】更に、熱発電時計１を携帯し続けること
で、熱が熱発電ブロック７ａを介してブロック放熱板７
ｃに伝わってくるが、放熱経路１６ａのようにブロック
放熱板７ｃから伝熱板９、時計ケース上胴６を経由し
て、また、放熱経路１６ｂのようにブロック放熱板７ｃ
と接触している時計モジュール４、文字板２を経由して
熱が伝熱され、時計ケース上胴６の外部へ放熱されるこ
とで熱発電ユニット７の上下で温度差が確保され、発電
し続けるものである。尚、裏ブタ１１とブロック吸熱板
７ｂ、またブロック放熱板７ｃと時計モジュール４、ブ
ロック放熱板７ｃと伝熱板９、伝熱板９と時計ケース上
胴６の間には図示しない薄い熱伝導シートを挟んで熱抵
抗を減らして、熱伝導性を向上させるようにしてある。

【００１７】図１は本発明に係わる第１実施形態による
充電システムの概念を示したものであり、熱発電システ
ムを有する熱発電時計１を充電するための外部充電器２
０における熱源手段２１としてＰＴＣサーミスタを用い
たものであり、熱発電時計１内部の熱発電ユニット７の
上下に温度差を作るための冷却は自然放熱によるもので
ある。

【００１８】通常の半導体は温度が上昇すると抵抗が小
さくなるが、これとは逆に温度が上昇すると抵抗値が大
きくなる正の温度係数を持った半導体が正特性サーミス
タ、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ
ｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタである。ＰＴ
Ｃサーミスタの代表的な例はチタン酸バリウムを主成分
とした半導体セラミックスであり、強誘電体相から常誘
電体相へ結晶転移する温度以上で電気抵抗値が著しく増
加する特性（ＰＴＣ特性）を有する。

【００１９】図８はＰＴＣサーミスタの温度に対する抵
抗特性図の一例であり、温度が上がると抵抗値が指数的
に増加する事を表している。学術的には相転移する温度
がキュリー温度であり、その温度以上では抵抗値が急激
に上昇する。簡略化の為に２５℃の温度での抵抗値が倍
となる温度をキュリー温度と表現する場合、図８はキュ
リー温度が４０℃のＰＴＣサーミスタの温度に対する抵
抗特性図である。尚、キュリー温度は材料組成や焼結条
件によって設定でき、例えば材料組成ではＰｂ添加によ
りキュリー点が上昇し、Ｓｒ添加によりキュリー点が低
下する挙動を示す。

【００２０】ＰＴＣサーミスタは電圧を印加するとジュ
ール熱により自己発熱するが、図８に示すように抵抗値
が指数的に増大し、流れる電流が減少して電力が抑えら
れる為に発熱温度が低下する。一方、温度が下がって抵
抗値が低下すると電流が増加し、再び電力が増加するた
め発熱する。この動作の繰り返しの自己制御機能によっ
て定温発熱体として働くものであり、前記の特性により
サーモスタットが不要で、また電圧変動、周囲の環境温
度に表面温度が左右されにくく、また更に、電源電圧が
１００Ｖ、２００Ｖ兼用可能であるという特徴がある。

【００２１】図６は本実施例によるＰＴＣサーミスタを
熱源手段として組み込んだ外部充電器２０に熱発電時計
１を載せた状態である。また、図７は前記外部充電器２
０の部分断面図であり、ＰＴＣサーミスタ２３はセラミ
ックス製のパッケージのヒーターユニット２４内に封入
されており、温度調節用のＮＢＲ製のゴムシート２５を
挟んでＡｌ製のヒーター放熱板２６を載せており、ネジ
２７を介してヒーターユニット２４、ゴムシート２５、
ヒーター放熱板２６をケース２８に固定した構造であ
る。また、熱発電時計１は外部充電器２０上の４本の支
柱２０ａで保持され、時計ケース上胴６が外気に触れ、
空気の自然対流で冷却され易い構造となっている。

【００２２】更に、熱発電時計１の裏ブタ１１の断面形
状は図４で示す様に凸型をしており、前記裏ブタ１１と
接触するヒーター放熱板２６は裏ブタ１１と合わさるよ
うな凹型をしており、外部充電器からヒーター放熱板２
６に伝わった熱を裏ブタ１１に伝熱しやすいように配慮
したものである。但し、本実施例では凸型の裏ブタ形状
に対してヒーター放熱板を凹型としたが、腕の形状に合
わせて凹型にした裏ブタに対して、凸型のヒーター放熱
板にしても構わないし、また、裏ブタ、ヒーター放熱板
共にフラットとする事も可能である。また、多少伝熱性
能が劣るが、裏ブタまたはヒーター放熱板が凹型または
凸型に対して、他方をフラットとすることも可能であ
る。

【００２３】前述のように外部充電器２０のヒーター放
熱板２６上に熱発電時計１を載せることでＰＴＣサーミ
スタ２３からの熱を裏ブタ１１から取り入れ、熱発電時
計１の時計ケース上胴６から自然放熱することで熱発電
ユニットの上下に温度差を生じさせて、発電を行うもの
である。

【００２４】キュリー温度４０℃のＰＴＣヒーターを組
み込んだ外部充電器に熱発電時計を載せて室温２５℃の
無風状態で充電した場合（電源電圧ＡＣ１００Ｖ）、温
度が安定した状態ではＡｌ製のヒーター放熱板温度が５
２．２℃、ブロック吸熱板温度が４８．３℃、ブロック
吸熱板温度が４５．２℃、時計上胴の上面温度が４２．
５℃となり、発電ユニットの上下で３．１℃の温度差が
得られ、発電電圧として１．４５Ｖの電圧が得られた。
取得できる電流は熱発電時計に組み込まれた２次電池の
電池電圧によって変化する為、一概に言えないが、電池
容量２．５ｍＡ・ｈの２次電池の容量をほぼ空の状態か
らフル充電にする迄に掛かった時間は約３０時間であっ
た。

【００２５】図９は本発明による外部充電器の回路図で
あり、ＰＴＣサーミスタ２３、ＡＣ電源２９のほかスイ
ッチ３０と動作中であることを表示するネオン管３１、
及びヒューズ３２から成る単純な回路構成となってい
る。安全上の問題でネオン管３１、ヒューズ３２、スイ
ッチ３０を付けているが、無くても機能するものであ
る。

【００２６】また、商用電源は日本国外ではＡＣ２４０
Ｖの場合もあるが、その電圧で動作させた場合、外部充
電器のヒーター放熱板の温度がＡＣ１００Ｖ時に比べて
約１０℃程度高くなったが、熱発電充電器のヒーター放
熱板の上に温度調節用に２ｍｍ厚のＮＢＲゴムを配置す
ることによって、ＡＣ１００Ｖとほぼ同等の温度とする
ことができ、外部充電器に大きな変更を加えなくとも使
うことが出来るものである。

【００２７】尚、本実施例ではキュリー温度が４０℃の
ＰＴＣヒーターを用いて説明したが、キュリー温度が３
０℃でのＰＴＣヒーターであれば、電源電圧１００Ｖで
駆動時にはヒーター放熱板の表面温度４０℃程度であ
り、図７に示すヒーター放熱板２６とヒーターユニット
２４との間の温度調節の為の温度調節板２５は不要とな
る。

【００２８】また、キュリー温度６０℃のＰＴＣヒータ
ーを電源電圧１００Ｖで駆動させた場合、ヒーター放熱
板の表面温度が７０℃程度となり、ヒーター放熱板２６
の上に載せるＮＢＲ製の温度調節板が４ｍｍ厚でその表
面温度が５０℃程度となる。よって、自然空冷によって
冷却する場合、熱発電充電器の熱源として用いるＰＴＣ
サーミスタの特性はキュリー温度が３０℃から６０℃の
範囲のものが適当である。但し、冷却ファンを用いれば
更に高温のキュリー温度のＰＴＣサーミスタを使うこと
は可能である。

【００２９】一方、ヒーターユニット２４とヒーター放
熱板２６との間に挟む温度調節用のゴムシート２５及び
電源電圧がＡＣ１００Ｖを超える電源電圧で使用する場
合におけるヒーター放熱板上２６の温度調節用のゴム材
質は、ＮＢＲに限らず、シリコーンゴム等でも使用可能
である。

【００３０】図２は本発明に係わる第２の実施例の充電
システム概念を示したものであり、熱発電時計１の外部
充電器２０において、熱源手段２１としてＰＴＣサーミ
スタを用いると共に、冷却手段２２として送風ファンを
用いたものであり、熱発電時計１の上部から風が当るよ
うに外部充電器２０と一体に冷却ファンを配置すること
によって、時計ケース上胴の冷却効率をアップすること
が出来、裏ブタと時計上胴の温度差が大きく取れるもの
である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による熱発
電時計の加熱式充電装置の熱源手段として自己制御機能
によって定温発熱体として働くＰＴＣサーミスタを用い
ることによって、温度測定装置や温度制御装置が必要な
く、加熱式充電装置がシンプルな構成で済むという効果
がある。また更に、熱発電充電器に一体に冷却ファンを
配置することによって、冷却効率が上がり、充電時間が
短く出来るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる第１の実施例の充電システム概
念図である。

【図２】本発明に係わる第２の実施例の充電システム概
念図である。

【図３】従来技術の充電システム概念図である。

【図４】本発明に係わる熱発電時計の断面図である。

【図５】本発明に係わる熱発電ユニットの断面図であ
る。

【図６】本発明の第１実施例に係わる外部充電器に熱発
電時計を載せた平面図である。

【図７】本発明の第１実施例に係わる外部充電器の部分
断面図である。

【図８】本発明に係わるＰＴＣサーミスタの温度に対す
る抵抗特性図である。

【図９】本発明の外部充電器の回路図である。

【符号の説明】

１ 熱発電時計 ２ 文字板 ４ 時計モジュール ６ 時計ケース上胴 ７ 熱発電ユニット ７ａ 熱発電ブロック ７ｂ ブロック吸熱板 ７ｃ ブロック放熱板 ７ｄ フレキシブル回路基板 ８ａ ｎ型-ＢｉＴｅ系合金 ８ｂ ｐ型-ＢｉＴｅ系合金 ８ｄ 接続パターン ９ 伝熱板 １０ 樹脂中胴 １１ 裏ブタ １５ 吸熱経路 １６ａ、１６ｂ 放熱経路 ２０ 外部充電器 ２０ａ 支柱 ２１ 熱源手段 ２２ 冷却手段 ２３ ＰＴＣサーミスタ ２４ ヒーターユニット ２６ ヒーター放熱板

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度差を利用して発電する熱発電システ
   ムを有し、かつ前記熱発電システムによって発電した電
   力を充電する充電システムを有する機器を充電する為の
   外部充電装置において、前記外部充電装置の熱源手段と
   して温度の上昇につれ抵抗値が増大すると共に、キュリ
   ー温度以上では抵抗値が急激に上昇する半導体を用いる
   ことを特徴とする熱発電システムを有する機器への充電
   システム。
2. 【請求項２】 前記半導体がＰＴＣサーミスタであるこ
   とを特徴とする請求項１記載の熱発電システムを有する
   機器への充電システム。
3. 【請求項３】 前記外部充電装置によって前記熱発電シ
   ステムを有する機器を加熱充電する際の熱源手段として
   用いるＰＴＣヒーターのキュリー温度が３０℃から６０
   ℃であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載
   の熱発電システムを有する機器への充電システム。
4. 【請求項４】 前記熱発電システムを有する機器と接触
   する前記外部充電装置の受け面の形状は、前記熱発電シ
   ステムを有する機器との接触面積が増えるような形状で
   ある事を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに
   記載の熱発電システムを有する機器への充電システム。
5. 【請求項５】 前記外部充電装置によって前記熱発電シ
   ステムを有する機器を発電させる際の冷却手段が自然空
   冷であることを特徴とする請求項１から請求項４のいず
   れかに記載の熱発電システムを有する機器への充電シス
   テム。
6. 【請求項６】 前記外部充電装置によって前記熱発電シ
   ステムを有する機器を加熱充電する際の冷却手段として
   送風ファンを用いたことを特徴とする請求項１から請求
   項４のいずれかに記載の熱発電システムを有する機器へ
   の充電システム。