【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子腕時計などの電源として適用可能な熱電素子を用いた発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子腕時計などのエネルギー源を得るために熱電素子によってユーザーの体温と外気との温度差を用いて発電することが考えられている。このために、図７に示すように、腕時計装置１の計時および運針を行うモジュール２と、裏蓋３との間に熱電素子１０を設置し、熱電素子１０の温接点側１１を裏蓋３の側に、また、冷接点側１２をモジュールカバーなどの熱伝導体４を介してケース５に接続するようにしている。
図８（ａ）に示すように、熱電素子１０は、テルル化ビスマスなどの複数のｐ型およびｎ型半導体ユニット１３が所定の空間１４を開けて温接点１１および冷接点１２を構成する熱伝導体の支持板に挟まれて構成されており、これらの半導体ユニット１３が所定の起電圧を発生するように電極１５によって直列に接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような腕時計装置１においては、体温が裏蓋３からケース５に伝達されてしまうので、裏蓋３とケース５の間に断熱材６を設けておいても熱電素子１０で利用できる温度差は２°Ｃ程度である。一方、熱電素子の起電力は温度差にほぼ比例し、その値（ゼーベック係数）は最も優れたものでも１°当たり２００μＶ程度にすぎない。
このため、時計のモジュールを駆動するための１Ｖ〜１．５Ｖ程度の電圧を確保するには数千個の半導体ユニット１３を直列に接続することが必要となり、これらを図８（ｂ）に示したように空間１４を開けて配置する必要がある。
【０００４】
ここで、作動に必要な最低電圧が１Ｖであるモジュールを駆動するために、１．５Ｖの起電力を２°Ｃの温度差で確保できる熱電素子１０について検討する。例えば、計時装置１において熱電素子１のために確保できる面積は１００ｍｍ２ 程度であり、上記のゼーベック係数を備えた半導体ユニット１３を採用するとしても、この面積に３７５０個の半導体ユニット１３を配置する必要がある。
１００ｍｍ２ に３７５０個もの半導体ユニット１３を並べると、半導体ユニット１３の一辺の長さは０．１５ｍｍ程度になる。さらに、これらの半導体ユニット１３をある程度の空間１４を開けて配置する必要があり、半導体ユニット１３をバルクから切断して組み立てることを考慮すると空間１４の長さは０．１ｍｍ程度が必要である。従って、熱電素子ユニット１０の内部で半導体ユニット１３と空間１４の占める割合はほぼ１：１となり、熱電素子ユニット１０の面積の半分程度しか実際に発電を行う半導体ユニット１３のために割くことができない。このため、面積当たりの発電効率は小さく、発電可能な電力も非常に低く、実際に腕時計などに搭載してエネルギー源として使用することは現実的には難しい。
【０００５】
温接点１１と冷接点１２の温度差を大きくすることにより、起電力が大きくなるので半導体ユニット１３の数を低減して面積効率を向上することができる。このためには、ケース５の表面に放熱領域を設けたり、ケース５と裏蓋３との間の断熱性能を向上するなどの手段が必要であり、装置が大型で高価になってしまう。さらに、放熱領域などを設けても温度差で１°程度の改善が見られる程度であり、それほど熱電素子ユニットの面積効率を向上できるものではない。
【０００６】
そこで、本発明においては、熱電素子ユニットの面積効率を飛躍的に向上し、小型で発電能力の大きな熱発電装置を提供することを目的としている。さらに、熱電素子を用いた発電を行う際に、発電装置内における損失をできるかぎり削減し、熱電素子の熱起電力を効率良く利用できる熱発電装置およびその制御方法を提供することを目的としている。また、本発明の発電能力の大きな熱発電装置を用いて、熱電素子を実用に供することが可能な電気機器を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、熱電素子内の半導体ユニットを所定の電圧を確保できるように直列に接続する代わりに、昇圧手段を設けることにより、熱電素子が発生する起電圧を低減することができるようにしている。熱電素子の起電圧を低減することにより、熱電素子を構成する半導体ユニットを直列に接続する数を削減でき、熱電素子を構成する半導体ユニットの数を大幅に小さくできる。従って、熱電素子の表面積のうち半導体ユニットの占める面積を増大でき、発電電力を増加できる。すなわち、本発明の熱発電装置は、温度差によって熱起電力を発生する熱電素子と、この熱起電力を昇圧して供給可能な昇圧手段とを有することを特徴としている。そして、昇圧した熱起電力を蓄電手段に蓄えることにより、安定して外部に電力を提供できると共に、熱電素子の起電力を低減できるようにしている。
【０００８】
昇圧手段としては、昇圧倍率を制御でき、さらに、昇圧時の損失の少ない、熱起電力を一時的に蓄えて放出する複数のコンデンサーと、これらのコンデンサーの接続を制御して昇圧を行う制御手段とを備えた昇圧手段を採用できる。また、直流の熱起電力を交流に変換する手段と、交流の電圧を昇圧する手段と、昇圧された交流を整流する手段とを備えた昇圧手段も採用可能であり、高い昇圧倍率を得ることができる。また、交流の電圧を昇圧する手段として、圧電トランスフォーマを用いることができる。
【０００９】
昇圧された後の電力を蓄える蓄電手段として、熱電素子から供給された熱起電力を主として蓄えるのに十分な容量を備えたコンデンサーや２次電池などを採用することにより、昇圧手段と熱電素子との間に蓄電機能を備えた回路素子を設けずに熱起電力の全てを蓄電手段に蓄えることができる。また、蓄電手段と熱電素子との接続は昇圧手段によって絶つことができるので、蓄電手段に蓄えられた電力が熱電素子に対し昇圧手段を介して逆に供給され、熱電素子が発熱するといった事態を防止できる。従って、昇圧手段と熱電素子の間に逆流阻止のための回路素子、例えばダイオードなどを設けなくて良く、これらを直結できるので、ダイオードなどによる順方向電圧損失やリーク損失を防止できる。
【００１０】
昇圧手段を設けた熱発電装置においては、熱起電力の有無を判定する工程と、熱起電力が発生していないときは昇圧手段の動作を停止する工程とを設けることにより、昇圧手段の無駄な動作による電力の浪費を防止できる。また、コンデンサーを用いて昇圧を行う場合、蓄電手段から電荷がコンデンサーによってくみ上げられ、熱電素子に流れるのを防止することができる。さらに、蓄電手段の電圧を判定する工程と、蓄電手段の電圧が規定値以上になったときは昇圧手段の動作を停止する工程とを設けることにより、蓄電手段の過充電を防止でき、ＩＣなどの処理部に印加される電圧も一定値以下に保持できる。
【００１１】
また、熱電素子に逆方向の温度差が発生し、通常の熱起電力と逆の電圧が発生する可能性がある。従って、逆の電圧が発生したときに電力の供給先であるＩＣなどの処理部に悪影響を及ぼさないように、熱電素子から発生した逆方向の電圧の電流を短絡する短絡手段を設けておくことが望ましい。この短絡手段としては、順方向電圧が低いショットキーバリア・ダイオードを熱電素子と並列に接続しておくことが望ましい。
【００１２】
さらに、熱電素子の温接点および冷接点の間の温度差が大きい場合は、大きな起電圧が発生する。このため、昇圧手段における損失を防止できるように昇圧手段をバイパスして熱電素子と蓄電手段を直結できるようにしておくことが望ましい。また、蓄電手段から熱電素子に対する逆流を防止する必要があるので、バイパスする手段は、熱電素子から蓄電手段の方向にのみ電流を流す一方向性手段であることが望ましい。このような一方向性手段は、逆方向のもれ電流の小さなシリコン・ダイオードを用いることができる。また、一方向性手段として、起電圧が蓄電手段の充電電圧より高いときにのみ接続状態となるスイッチを採用することも可能である。
【００１３】
さらに、蓄電手段と直列にスタート用抵抗成分を接続し、このスタート用抵抗成分をバイパスするバイパス手段を設けるが望ましい。蓄電手段に電圧のないスタート時はスタート用抵抗成分で電圧降下が発生するので、少なくともこの電圧降下分の電圧の電力を外部に接続されたＩＣなどの処理部に供給することができる。
従って、蓄電手段に電力が殆ど残っていない状態であっても、蓄電手段の電圧復帰を待たず、すぐにＩＣなどの処理部が動作を開始するのに必要な規定の電圧を供給できる。スタート用抵抗成分およびバイパス手段を備えている熱発電装置においては、蓄電手段自体の電圧や、スタート用抵抗成分も含めた電圧によって蓄電手段の電圧を判定し、蓄電手段の電圧が規定値以上になったときはバイパス手段を用いてスタート用抵抗成分をバイパスするように制御できる。
蓄電手段に電圧復帰特性がある場合には、処理部の電力消費により蓄電手段の電圧が低下し処理部が動作を停止し、その後に電圧復帰する。この電圧復帰によりバイパス手段で蓄電手段が処理部に直結されるので、蓄電手段に適当な電圧がある限り、蓄電された電力を使用して、処理部を再稼働させることができる。
【００１４】
このように、本発明の熱発電装置は、熱電素子の起電圧を昇圧手段を用いて適当な電圧に昇圧できるので、熱電素子の起電圧を低くすることが可能となり、面積効率を大幅に向上できる。従って、本発明の熱発電装置は小さな面積で十分な熱起電力を得ることができるので、この熱発電装置から供給される電力によって実際に処理を行う処理装置を備えた電気機器を提供できる。
このような電気機器は、電池なしで何時でも何処でも処理装置の機能を発揮させることができ、さらに、小型化できるので携帯に好適な電気機器である。また、電池なしで処理部を駆動できるので、電池の廃棄などの問題も解決できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明の一例として熱電素子ユニットを搭載した腕時計装置の構成をブロック図によって示してある。本例の腕時計装置１は、熱発電装置２０と、この熱発電装置２０から供給された電力によって動作する処理部９を備えており、先に図７に基づき説明したものと同様に計時表示部７などを駆動するモジュール（ＩＣモジュール）２と裏蓋３の間に熱電素子ユニット１０を設置可能なものである。
【００１６】
本例の熱発電装置２０は、温度差によって起電圧が発生し、それによる熱起電力を取り出すことができる熱電素子ユニット１０と、熱起電力を昇圧して大容量コンデンサーあるいは２次電池などの蓄電部２１に供給する昇圧部３０を備えている。
本例の熱発電装置２０は、熱電素子１０に所定の温度差、すなわち、温接点１１の側が冷接点１２の側より温度が高くなったときに矢印ｉの方向に熱起電力が発生するように構成されている。熱電素子１０に逆の温度差が印加されると逆方向の起電力が発生し、処理部９などに逆方向の起電力が印加される可能性がある。
そこで、本例においては、逆方向の起電力を短絡できるように熱電素子１０と並列にショットキーバリア・ダイオード２２を設置してある。
一方向性素子としてシリコン・ダイオードを採用してももちろん良いが、ショットキーバリア・ダイオードの方が順方向電圧が低いので、処理部９に逆方向の電圧が印加される危険性を低くできる。また、熱電素子１０にいずれの方向の温度差が印加された場合であっても、その熱起電力を利用できるように熱電素子ユニット１０と昇圧部３０との間に整流回路を設けることも可能であるが、後述するように整流回路を構成するダイオードによる順方向電圧の損失やもれ電流による損失が発生するので好ましくない。
特に、腕時計装置１などにおいては、温度差の方向が通常は安定しているので整流回路を省くことにより熱発電装置内における損失を低減できる。
【００１７】
本例の昇圧部３０は、４つの補助コンデンサー３１を備え、これらの接続を昇圧制御回路３２で切り替えて最大４倍昇圧が可能な回路である。補助コンデンサー３１を用いた昇圧部３０は、接続を切り替えるためのスイッチなどによる抵抗が２０Ω程度と低く、昇圧部３０における損失が非常に小さい。従って、熱電素子ユニット１０から供給される熱起電力を効率良く昇圧し蓄電部２１に充電することができる。この昇圧部３０の昇圧倍数や昇圧動作のオンオフは制御部４０によって制御される。
本例の制御部４０は、熱電素子ユニット１０の起電圧を監視し、熱電素子ユニット１０に起電圧が発生したときのみ昇圧部３０を動かすようにしており、昇圧部３０において蓄電部２１に蓄えられた電力が浪費されないようにしている。
また、昇圧後の電圧を監視することによって、適当な電圧が得られるように昇圧倍数を設定し、温度差が小さく熱電素子ユニット１０の起電圧が低くなったときでも熱電素子ユニット１０から供給される熱起電力を蓄電部２１に充電できるようにしている。
【００１８】
さらに、制御部４０は、蓄電部２１の充電電圧も監視しており、蓄電部２１の充電電圧が電圧Ｖｍ１に達すると昇圧を中止し、電圧Ｖｍ２に低下すると昇圧を再開するようになっている。熱電素子ユニット１０の起電圧は蓄電部２１の充電電圧より低いので昇圧を中止すると蓄電部２１の充電が中断され、過充電を防止することができる。また、処理部９に印加される電圧が異常に高くなるのを防止できるので処理部９の破損などのトラブルも未然に防止できる。
【００１９】
熱電素子ユニット１０は、ペルチェ素子と同様の構成であるので、電力が逆に供給されると電力を消費して温度差を発生する。本例の熱発電装置２０においては、蓄電部２１に大容量のものを採用し、熱起電力を昇圧部３０で昇圧した後に蓄積するようにしている。従って、蓄電部２１と熱電素子ユニット１０は昇圧部３０を介しており、直には接続されないので、蓄電部２１に充電された電力が昇圧部３０を通って熱電素子ユニット１０に逆流することがない。このため、熱電素子ユニット１０と昇圧部３０を直結することが可能であり、逆流防止ダイオードなどを設けた場合に発生する順方向電圧による損失を防止できる。
【００２０】
本例の熱発電装置２０は、さらに、昇圧部３０をバイパスして熱電素子１０と蓄電部２１を接続するシリコン・ダイオード２３を設けてある。
これはコールドスタート時のように、腕時計装置１の蓄電部２１に電荷が殆ど蓄積されていない場合、昇圧部３０は駆動するための電力が供給されないので、熱電素子に起電力が生じてもそれを蓄電部２１に伝達できず、起動できないといった問題を解決するためである。すなわち、腕時計装置１を腕に装着した直後などはケース５と裏蓋３との温度差が非常に大きくなるので、熱電素子１０には大きな起電圧が発生する。
この起電圧を前述のシリコン・ダイオード２３を通じて蓄電側に供給することで、昇圧部３０を駆動可能とする。なお、熱起電圧が蓄電側の電圧よりも高い間は、昇圧部３０を通じて充電するよりもシリコン・ダイオード２３を通じて直接充電する方が損失が少ないので、昇圧回路を駆動するのは熱電素子１０の起電圧が蓄電部２１の電圧以下に低下した後の方が望ましい。
【００２１】
一方、熱電素子ユニット１０の起電圧が低くなった場合は、上述したように蓄電部２１から熱電素子ユニット１０に電力が逆に流れるのを阻止する必要がある。従って、本例のシリコン・ダイオード２３のように熱電素子１０から蓄電部２１に向かって一方向に電力を供給する回路が必要である。
シリコン・ダイオード２３は、逆方向電圧が印加されたときの漏れ電流が小さいので、昇圧部３０をバイパスして蓄電部２１に向かって一方向に電力を供給する回路に適している。ダイオードに代わり、熱電素子ユニット１０と蓄電部２１の電圧差によってオンオフするスイッチング回路によって昇圧部３０をバイパスする回路を設けてももちろん良い。
【００２２】
さらに、本例の熱発電装置２０においては、蓄電部２１と直列にスタート用抵抗２５と、これをバイパスするバイパススイッチ２６を設けてある。コールドスタート時のように蓄電部２１に電荷が殆ど蓄積されていないときに熱電素子ユニット１０からの熱起電力を供給すると、蓄電部２１にある程度の電荷が蓄積されるまで蓄電部２１の両端には処理部９を稼働させられる程度の電圧（規定電圧Ｖｄ）が発生しない。
従って、容量の大きな蓄電部２１を採用すると、熱電素子ユニット１０が発電を開始してから処理部９が実際に機能を発揮できるまで非常に長い時間が必要になる。これに対し、本例のように蓄電部２１と直列にスタート用抵抗２５を設けると、充電時にスタート用抵抗２５で電圧降下が発生するので、この電圧降下により規定電圧Ｖｄを確保できる。従って、処理部９を即スタートすることができ、同時に蓄電部２１にも充電することができる。
また、蓄電部２１が充電され規定電圧Ｖｄが確保できるようになると、スタート用抵抗２５は損失成分になるのでバイパススイッチ２６によってスタート用抵抗２５をバイパスして電力を処理部９に提供できるようにしている。
【００２３】
本例の熱発電装置２０においては、バイパススイッチ２６の制御を蓄電部２１の電圧を監視しながら制御回路４０が行うようにしている。熱電素子１０からの電力の供給がない状態で蓄電部２１が放電して規定電圧Ｖｄ以下に電圧が降下すると処理部９は機能を停止し、同時に、バイパススイッチ２６がオープンする。しかし、その後、蓄電部２１の電圧が復帰して規定電圧Ｖｄに達すると、バイパススイッチ２６がオンし、スタート用抵抗２５をバイパスして処理部９に電力を供給できる状態として、処理部９がリセットされるといつでも処理部９が動作できる状態にしている。スタート用抵抗２５は、本例のように抵抗成分であっても良く、あるいはダイオードの順方向電圧を用いて規定電圧Ｖｄを確保しても良い。
【００２４】
このように、熱発電装置２０の電力は計時機能を備えた処理部９に供給され、熱電素子ユニット１０に温度差が発生すれば処理部９が動作するためのエネルギーを確保できるようにしている。熱発電装置２０の出力端子２８には、小容量の補助コンデンサー２９が接続されており、スタート直後などに短時間電圧が変動しても処理部９が継続して機能できるようにしている。
【００２５】
図２に示したタイミングチャートに基づき、本例の熱発電装置２０の制御動作を説明する。時刻ｔ１に腕時計装置１がユーザの腕に装着されると温度差によって熱電素子ユニット１０に起電圧が発生する。腕に装着された直後は温度差が大きいので、起電圧も大きく、この熱起電力がダイオード２３を介して昇圧部３０をバイパスして蓄電部２１およびそれに直列に接続されたスタート用抵抗２５に供給される。
時刻ｔ１にはバイパススイッチ２６がオープンしているので、スタート用抵抗２５における電圧降下によって電位差が発生し、補助コンデンサー２９が充電される。時刻ｔ２に、補助コンデンサー２９の電圧が処理部９の起動電圧Ｖｉ（例えば１．５Ｖ）に達すると処理部９が機能を開始する。腕時計装置１が腕に装着されて時間が経過すると、温度差が小さくなり熱電素子ユニット１０の起電圧も低下する。
時刻ｔ３に基準電圧Ｖｓ（例えば１．２Ｖ）に達すると昇圧部３０が昇圧を開始し、熱電素子ユニット１０から供給される熱起電力を昇圧してスタート用抵抗２５および蓄電部２１に供給する。
昇圧部３０は、所定の電圧が確保できるように熱電素子ユニット１０の起電力に対応して昇圧倍率を適宜変えながら昇圧を行う。蓄電部２１が充電され、時刻ｔ４に充電電圧が安定して電力を供給可能な規定電圧Ｖｄ（例えば１Ｖ）に達するとバイパススイッチ２６がオンし、スタート用抵抗２５をバイパスして処理部９に電力が供給される。
【００２６】
時刻ｔ５に腕時計装置１が腕から外されると、温度差が小さくなるので起電圧も減少し、時刻ｔ６に熱電素子ユニット１０が発電を停止する。これによって、昇圧部３０も昇圧を中止する。処理部９は、蓄電部２１が放電することによって供給される電力によって継続して機能を維持でき、時刻ｔ７に蓄電部２１の電圧が低下して規定電圧Ｖｄを切ると機能を停止する。同時に、バイパススイッチ２６がオープンし、即スタートできる状態となる。
【００２７】
本例の蓄電部２１は、いったん電圧が低下しても適当な時間が経過すると電圧が復帰するようになっており、時刻ｔ８に電圧が復帰して規定電圧Ｖｄに達すると、バイパススイッチ２６がオンする。これによって、処理部９には機能を開始できる電圧が印加される。従って、時刻ｔ９にリセットされ、例えば、計時装置２の時刻合わせが行われると、処理部９は処理を再開する。
【００２８】
時刻ｔ１０に再び腕時計装置１が装着されると、温度差によって熱電素子ユニット１０が発電を再開する。初期は、温度差が大きいため昇圧部３０をバイパスしてダイオード２３を介して蓄電部２１が充電される。
時刻ｔ１１に温度差が低下して起電圧が所定の電圧Ｖｓに達すると、熱電素子ユニット１０の起電圧が低くとも蓄電部２１に熱起電力を蓄積できるように昇圧部３０が昇圧を開始する。充電を継続し、時刻ｔ１２に上限電圧Ｖｍ１に達すると、昇圧部３０は昇圧を中止し、過充電を防止する。
時刻ｔ１３に処理部９に給電することによって蓄電部２１の電圧が下限電圧Ｖｍ２に達すると昇圧部３０は昇圧を再開し、熱電素子ユニット１０から供給された熱起電力を蓄電部２１に蓄える。
【００２９】
時刻ｔ１４に腕から腕時計装置１が外されると熱起電力が低下し、時刻ｔ１５に熱電素子１０が発電を停止する。これにより昇圧部３０は昇圧を停止し、以降は蓄電部２１の放電によって処理部９が処理を継続して行う。そして、時刻ｔ１６に規定電圧Ｖｄ以下になると処理部９は機能を停止し、バイパススイッチ２６がオープンして即スターとできる状態となる。
【００３０】
図３および図４に基づき、本例の熱発電装置２０において採用可能な熱電素子ユニット１０を従来の熱電素子ユニット９０と比較して説明する。本例の熱発電装置２０は、４倍に昇圧可能な昇圧部３０を備えている。
従って、熱電素子ユニット１０の起電圧が、従来の熱電素子ユニット９０のほぼ１／４であっても蓄電部２１に充電でき、処理部９を機能させることができる。例えば、図４に示すように、従来の熱電素子ユニット９０が１６個の半導体ユニット１３によって構成され、１６個を直列に接続することによって所定の電圧が確保できるものとする。
先に説明したように、これら１６個の半導体ユニット１３は空間１４によって仕切られており、半導体ユニット１３の幅ａと空間１４の幅ａがほぼ同じになる。
【００３１】
これに対し、本例の熱発電装置２０に採用できる熱電素子ユニット１０は、図３に示したように、昇圧することによって４つの半導体ユニット１３によって所定の電圧が確保できる。従って、熱電素子ユニットの面積が同じであれば、図３（ａ）に示すように、半導体ユニット１３の占める面積を２．２５倍にできる。熱電素子ユニットにおいては、発電時の出力電流は半導体ユニット１３の面積にほぼ比例するので、図３（ａ）に示したケースでは、１つの半導体ユニット１３の面積が９ａ２ になりから９倍の電流が得られる。一方、熱電素子ユニット１０の起電圧は従来の熱電素子ユニット９０の１／４になるので、本例の熱電素子ユニット１０では２．２５倍の熱起電力が得られる。
【００３２】
また、同じ熱起電力を得るケースを考えると、１つの半導体ユニット１３から４倍の電流が得られれば良いので、図３（ｂ）に示すように、面積が４ａ２ の半導体ユニット１３を４つ設ければ良い。従って、本例の熱電素子ユニット１０の面積を従来の熱電素子ユニット９０のほぼ半分（正確には、２５／４９）にすることができる。このように、熱電素子ユニット１０から供給された熱起電力を昇圧して蓄積することにより、熱電素子ユニット１０で発生させる起電圧を低減できる。従って、熱電素子ユニット１０に設ける半導体ユニット１３の数量を低減できるので、熱電素子ユニット１０の面積効率を大幅に向上することができる。さらに、半導体ユニット１３の数量を低減できるので、熱電素子ユニット１０の構成を簡略化でき、価格的にも有利になる。また、同じ出力を得るのであれば、熱電素子ユニットの面積も小さくなるので、スペースメリットおよび価格的なメリットがある。このため、本例の熱発電装置２０を採用することによって、小型で携帯に適した電気機器に、処理部９を動作させるために十分な発電量を備えた熱電素子ユニット１０を搭載できる。従って、実際に腕などに装着するだけで計時装置や、他の通信装置、情報処理装置などを機能させることができる熱発電装置および電気機器を提供することが可能になる。
【００３３】
このように、熱電素子１０の起電圧を昇圧することにより、熱電素子１０の面積効率を非常に向上できる。昇圧する手段は、本例のコンデンサーを用いた回路に限定されず、例えば、図５に示したように、インバータ回路３５によって熱電素子ユニット１０から供給された直流の熱起電力を交流化し、さらに、圧電トランス３６によって昇圧したのち整流回路３７で直流に戻す構成の昇圧部３０を採用することも可能である。圧電トランス３６を採用することにより、昇圧倍率を簡易な構成で高く設定することができる。
従って、熱電素子ユニット１０の起電圧を低く設定することができるので、上記と同様、あるいはそれ以上に面積効率の高い熱電素子ユニット１０を採用することができる。
【００３４】
また、図６に示すように、熱電素子ユニット１０から供給された熱起電力をインバータ回路３５によって交流化し、トランス３４を介して複数の整流ユニット３８ａ〜３８ｄによって直流化することも可能である。そして、整流ユニット３８ａ〜３８ｄの直流出力を切り替え回路３９によって切り替えることにより、昇圧倍率を簡単に設定することも可能である。本例の昇圧部３０は、トランス３４の巻線および整流ユニット３８ａ〜３８ｄの組み合わせを変更することにより、昇圧倍率を自由に設定できる。
【００３５】
上記にかぎらず昇圧部３０としては様々な構成を採用することが可能であり、昇圧倍率も４倍に限定されず、３倍以下であっても良いし、また、５倍以上に昇圧することも可能である。昇圧倍率を大きくすることにより、熱電素子ユニット１０の面積効率を大幅に向上することが可能であるが、昇圧部の構成が複雑になり、また、昇圧部における損失が上昇する傾向がある。
従って、適当な昇圧倍率を選択することにより、熱電素子ユニットの面積効率が高く小型で安価に提供でき、さらに、熱発電装置内における損失も小さく、処理部に供給する全体のエネルギー変換効率が高い熱発電装置を提供することができる。
【００３６】
このように、本例の熱発電装置２０を内蔵した電気機器は、例えば、腕に装着して温度差を設けたり、あるいは、太陽光を用いて温度差を設けるなどの方法により、内蔵した処理部９を稼働するためのエネルギーを自然界から得ることができる。従って、電池は不要であり、いつでも何処でも処理部９の機能を発揮できる電気機器を提供することができる。 また、電池が不要になるので、廃棄された電池の処理する必要もなくなる。
また、処理部９は、上記の計時装置に限定されるものではなく、ページャ、電話機、無線機、補聴器、万歩計、電卓、電子手帳などの情報処理装置、ＩＣカード、ラジオ受信機など電力によって機能を発揮する様々なものを採用できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の熱発電装置は、熱電素子から得られた熱起電力を昇圧して蓄積するようにしており、これにより、熱電素子の起電圧を低く設定することが可能になる。このため、熱電素子ユニットを構成する半導体ユニットの数を低減して、個々の半導体ユニットの面積を増大できる。
従って、熱電素子ユニットの面積効率を大幅に向上することが可能となり、小型で携帯に適した腕時計装置のような電気機器に収納可能で、十分な発電性能を備えた熱発電装置を提供できる。
さらに、面積効率が向上するので、熱電素子も小型化および高出力化でき、また、構成も簡略化できるので、安価で、実際に携帯型装置のエネルギー源として使用できる熱発電装置を提供することができる。
そして、本発明の熱発電装置をエネルギー源とした計時装置などの処理装置を搭載した電気機器を採用することにより、何時でも何処でも電池切れなどの心配なしに機能を発揮させられる電気機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱発電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す熱発電装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】図１に示す熱発電装置に採用可能な熱電素子ユニットの構成例を示す図である。
【図４】従来の熱電素子ユニットの構成例を比較のために示す図である。
【図５】図１に示す熱発電装置に採用可能な昇圧部の異なった例を示すブロック図である。
【図６】図１に示す熱発電装置に採用可能な昇圧部の異なった例を示すブロック図である。
【図７】熱電素子を内蔵した腕時計装置の構成例を示す断面図である。
【図８】熱電素子の構成例を示す図であり、図８（ａ）は断面の構成を示し、図８（ｂ）は平面の構成を示してある。
【符号の説明】
１・・腕時計装置、２・・ＩＣモジュール、３・・裏蓋、４・・熱伝導体、５・・ケース、６・・断熱材、７・・表示体、９・・処理部、１０・・熱電素子ユニット、１１・・温接点、１２・・冷接点、１３・・半導体ユニット、１４・・空間、２０・・熱発電装置、２１・・蓄電部、２２・・短絡用ダイオード、２３・・昇圧部のバイパス用ダイオード、２５・・スタート用抵抗、２６・・抵抗のバイパススイッチ、２９・・補助コンデンサー、３０・・昇圧部、３１・・昇圧用コンデンサー、３２・・昇圧制御回路、３４・・トランス、３５・・インバータ回路、３６・・圧電トランスフォーマ、３７・・整流回路、３８・・整流ユニット、３９・・切り替え回路、４０・・制御部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generation device using a thermoelectric element applicable as a power supply for an electronic wristwatch or the like.
[0002]
[Prior art]
In order to obtain an energy source such as an electronic wristwatch, it has been considered to generate electric power by using a temperature difference between a user's body temperature and outside air by a thermoelectric element. For this purpose, as shown in FIG. 7, a thermoelectric element 10 is installed between a module 2 for performing timekeeping and hand movement of the wristwatch device 1 and a back cover 3, and the hot junction side 11 of the thermoelectric element 10 is connected to the back cover 3. , And the cold junction side 12 is connected to the case 5 via a heat conductor 4 such as a module cover.
As shown in FIG. 8A, the thermoelectric element 10 includes a plurality of p-type and n-type semiconductor units 13 such as bismuth telluride that open a predetermined space 14 to form the heat junction 11 and the cold junction 12. The semiconductor units 13 are connected in series by electrodes 15 so as to generate a predetermined electromotive voltage.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In such a wristwatch device 1, since the body temperature is transmitted from the back cover 3 to the case 5, even if the heat insulating material 6 is provided between the back cover 3 and the case 5, the temperature difference that can be used by the thermoelectric element 10 is provided. Is about 2 ° C. On the other hand, the electromotive force of the thermoelectric element is almost proportional to the temperature difference, and its value (Seebeck coefficient) is only about 200 μV per degree at best.
For this reason, it is necessary to connect several thousands of semiconductor units 13 in series to secure a voltage of about 1 V to 1.5 V for driving the timepiece module, and these are shown in FIG. It is necessary to arrange the space 14 as described above.
[0004]
Here, a thermoelectric element 10 that can secure an electromotive force of 1.5 V with a temperature difference of 2 ° C. in order to drive a module whose minimum voltage required for operation is 1 V will be considered. For example, the area that can be secured for the thermoelectric element 1 in the timekeeping device 1 is about 100 mm 2, and even if a semiconductor unit 13 having the above-described Seebeck coefficient is employed, it is necessary to arrange 3,750 semiconductor units 13 in this area. There is.
When 3750 semiconductor units 13 are arranged in 100 mm 2, the length of one side of the semiconductor unit 13 is about 0.15 mm. Further, these semiconductor units 13 need to be arranged with a certain space 14 therebetween, and when the semiconductor units 13 are cut from the bulk and assembled, the length of the space 14 needs to be about 0.1 mm. Therefore, the ratio occupied by the semiconductor unit 13 and the space 14 in the thermoelectric element unit 10 is substantially 1: 1, and only about half the area of the thermoelectric element unit 10 can be allocated for the semiconductor unit 13 that actually generates power. . For this reason, the power generation efficiency per area is small, and the power that can be generated is very low, and it is practically difficult to actually mount it on a wristwatch or the like and use it as an energy source.
[0005]
Increasing the temperature difference between the hot junction 11 and the cold junction 12 increases the electromotive force, so that the number of semiconductor units 13 can be reduced and the area efficiency can be improved. For this purpose, means such as providing a heat radiation area on the surface of the case 5 and improving the heat insulating performance between the case 5 and the back cover 3 are necessary, and the device becomes large and expensive. Further, even if a heat radiation area is provided, the temperature difference can be improved by about 1 °, and the area efficiency of the thermoelectric element unit cannot be improved so much.
[0006]
In view of the above, an object of the present invention is to provide a thermoelectric device having a small size and a large power generation capability, by dramatically improving the area efficiency of the thermoelectric element unit. Further, it is another object of the present invention to provide a thermoelectric generator capable of efficiently using the thermoelectromotive force of the thermoelectric element while minimizing the loss in the power generator when generating electric power using the thermoelectric element, and a control method thereof. . It is another object of the present invention to provide an electric device capable of using a thermoelectric element for practical use by using the thermoelectric generator having a large power generation capacity of the present invention.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, in the present invention, the electromotive voltage generated by the thermoelectric element can be reduced by providing the boosting means instead of connecting the semiconductor units in the thermoelectric element in series so as to secure a predetermined voltage. Like that. By reducing the electromotive voltage of the thermoelectric element, the number of semiconductor units constituting the thermoelectric element can be reduced in series, and the number of semiconductor units constituting the thermoelectric element can be significantly reduced. Therefore, the area occupied by the semiconductor unit in the surface area of the thermoelectric element can be increased, and the generated power can be increased. That is, the thermoelectric generator of the present invention is characterized by including a thermoelectric element that generates thermoelectromotive force by a temperature difference, and a booster that can boost and supply the thermoelectromotive force. By storing the boosted thermoelectromotive force in the power storage means, power can be stably provided to the outside, and the electromotive force of the thermoelectric element can be reduced.
[0008]
As the boosting means, a plurality of capacitors capable of controlling the boosting ratio, having a small loss at the time of boosting, and temporarily storing and releasing the thermoelectromotive force, and controlling the connection of these capacitors to perform boosting. Can be employed. In addition, a boosting unit including a unit for converting a DC thermoelectromotive force into an AC, a unit for boosting an AC voltage, and a unit for rectifying the boosted AC can be adopted, and a high boosting ratio can be obtained. Can be. Further, a piezoelectric transformer can be used as a means for increasing the AC voltage.
[0009]
By using a capacitor or a secondary battery having a capacity sufficient to mainly store the thermoelectromotive force supplied from the thermoelectric element as a storage means for storing the boosted power, the boosting means and the thermoelectric element can be used. All of the thermoelectromotive force can be stored in the power storage means without providing a circuit element having a power storage function between them. In addition, since the connection between the power storage means and the thermoelectric element can be cut off by the boosting means, the power stored in the power storage means is supplied to the thermoelectric element in reverse through the boosting means, and the thermoelectric element generates heat. Can be prevented. Therefore, there is no need to provide a circuit element for preventing backflow, such as a diode, between the booster and the thermoelectric element, and these can be directly connected, so that a forward voltage loss and a leakage loss due to the diode can be prevented.
[0010]
In a thermoelectric generator provided with a booster, a step of determining the presence or absence of thermoelectromotive force and a step of stopping the operation of the booster when no thermoelectromotive force is generated provide waste of the booster. Power can be prevented from being wastefully operated. In addition, when boosting is performed using a capacitor, charge can be prevented from being pumped up by the capacitor from the power storage means and flowing to the thermoelectric element. Further, by providing a step of determining the voltage of the power storage means and a step of stopping the operation of the boosting means when the voltage of the power storage means becomes equal to or higher than a specified value, overcharging of the power storage means can be prevented, and The voltage applied to the processing unit can also be kept below a certain value.
[0011]
Further, there is a possibility that a temperature difference in the reverse direction occurs in the thermoelectric element, and a voltage opposite to the normal thermoelectromotive force is generated. Therefore, a short-circuit means for short-circuiting a reverse voltage current generated from a thermoelectric element should be provided so that a processing unit such as an IC to which power is supplied is not adversely affected when a reverse voltage is generated. Is desirable. As the short-circuit means, it is desirable to connect a Schottky barrier diode having a low forward voltage in parallel with the thermoelectric element.
[0012]
Further, when the temperature difference between the hot junction and the cold junction of the thermoelectric element is large, a large electromotive voltage is generated. For this reason, it is desirable that the thermoelectric element and the power storage unit can be directly connected by bypassing the boosting unit so as to prevent loss in the boosting unit. In addition, since it is necessary to prevent backflow from the power storage means to the thermoelectric element, it is desirable that the bypass means be a unidirectional means for flowing current only in the direction from the thermoelectric element to the power storage means. As such a unidirectional means, a silicon diode having a small leakage current in the reverse direction can be used. Further, as the one-way means, it is also possible to adopt a switch that is in a connected state only when the electromotive voltage is higher than the charging voltage of the power storage means.
[0013]
Further, it is desirable to connect a start resistance component in series with the power storage means, and to provide bypass means for bypassing the start resistance component. At the time of start when there is no voltage in the power storage means, a voltage drop occurs at the start resistance component, so that at least the power corresponding to the voltage drop can be supplied to a processing unit such as an externally connected IC.
Therefore, even when little power remains in the power storage means, it is possible to immediately supply the prescribed voltage necessary for the processing unit such as an IC to start operating without waiting for the voltage recovery of the power storage means. In a thermoelectric generator having a start resistance component and a bypass means, the voltage of the power storage means is determined based on the voltage of the power storage means itself and the voltage including the start resistance component. When this happens, it can be controlled to bypass the start resistance component by using the bypass means.
When the power storage means has a voltage return characteristic, the voltage of the power storage means decreases due to the power consumption of the processing unit, the processing unit stops operating, and then returns to the voltage. Since the power storage unit is directly connected to the processing unit by the bypass unit by the voltage return, the processing unit can be restarted using the stored power as long as the power storage unit has an appropriate voltage.
[0014]
As described above, the thermoelectric generator of the present invention can raise the electromotive voltage of the thermoelectric element to an appropriate voltage using the booster, so that the electromotive voltage of the thermoelectric element can be reduced and the area efficiency is greatly improved. it can. Therefore, the thermoelectric generator of the present invention can obtain a sufficient thermoelectromotive force in a small area, so that it is possible to provide an electric apparatus including a processing device that actually performs processing using the electric power supplied from the thermoelectric generator.
Such an electric device is a portable electric device that can exhibit the function of a processing device anytime and anywhere without a battery and can be downsized. Further, since the processing unit can be driven without a battery, problems such as disposal of the battery can be solved.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a wristwatch device equipped with a thermoelectric element unit as an example of the present invention. The wristwatch device 1 of this example includes a thermoelectric generator 20 and a processing unit 9 that operates by the electric power supplied from the thermoelectric generator 20, and a time display unit similar to that described above with reference to FIG. The thermoelectric element unit 10 can be installed between a module (IC module) 2 for driving the device 7 and the like and the back cover 3.
[0016]
The thermoelectric generator 20 according to the present embodiment includes a thermoelectric element unit 10 that generates an electromotive voltage due to a temperature difference and can extract a thermoelectromotive force caused by the temperature difference, and a thermoelectric element unit that boosts the thermoelectromotive force to generate a large-capacity capacitor or a secondary battery. The power supply unit 30 includes a boosting unit 30 that supplies the power to the power storage unit 21.
The thermoelectric generator 20 according to the present embodiment generates a thermoelectromotive force in the direction of the arrow i when the thermoelectric element 10 has a predetermined temperature difference, that is, when the temperature of the hot junction 11 is higher than that of the cold junction 12. Is configured. When a reverse temperature difference is applied to the thermoelectric element 10, a reverse electromotive force is generated, and the reverse electromotive force may be applied to the processing unit 9 or the like.
Therefore, in this example, the Schottky barrier diode 22 is provided in parallel with the thermoelectric element 10 so that the electromotive force in the reverse direction can be short-circuited.
Of course, a silicon diode may be used as the unidirectional element. However, since the Schottky barrier diode has a lower forward voltage, the danger that a reverse voltage is applied to the processing unit 9 can be reduced. Further, even if a temperature difference in any direction is applied to the thermoelectric element 10, a rectifier circuit can be provided between the thermoelectric element unit 10 and the booster 30 so that the thermoelectromotive force can be used. However, as will be described later, a loss of a forward voltage due to a diode constituting the rectifier circuit and a loss due to leakage current occur, which is not preferable.
In particular, in the wristwatch device 1 or the like, since the direction of the temperature difference is normally stable, the loss in the thermoelectric generator can be reduced by omitting the rectifier circuit.
[0017]
The boosting unit 30 of this example is a circuit that includes four auxiliary capacitors 31 and that can switch the connection of these by a boosting control circuit 32 to boost up to four times at the maximum. The booster 30 using the auxiliary capacitor 31 has a low resistance of about 20Ω due to a switch or the like for switching the connection, and the loss in the booster 30 is very small. Therefore, the thermoelectromotive force supplied from the thermoelectric element unit 10 can be efficiently boosted and the power storage unit 21 can be charged. The multiple of the booster 30 and the on / off of the boost operation are controlled by the controller 40.
The control unit 40 of the present example monitors the electromotive voltage of the thermoelectric element unit 10 and operates the booster 30 only when an electromotive voltage is generated in the thermoelectric element unit 10. Power is not wasted.
Also, by monitoring the voltage after boosting, the boosting multiple is set so as to obtain an appropriate voltage, and the voltage is supplied from the thermoelectric element unit 10 even when the temperature difference is small and the electromotive voltage of the thermoelectric element unit 10 is low. The thermal electromotive force can be charged in the power storage unit 21.
[0018]
Further, control unit 40 also monitors the charging voltage of power storage unit 21, and stops boosting when the charging voltage of power storage unit 21 reaches voltage Vm1, and restarts boosting when the charging voltage of power storage unit 21 drops to voltage Vm2. . Since the electromotive voltage of the thermoelectric element unit 10 is lower than the charging voltage of the power storage unit 21, when the boosting is stopped, the charging of the power storage unit 21 is interrupted, and overcharging can be prevented. In addition, since the voltage applied to the processing unit 9 can be prevented from becoming abnormally high, troubles such as breakage of the processing unit 9 can be prevented.
[0019]
Since the thermoelectric element unit 10 has the same configuration as the Peltier element, when power is supplied in reverse, it consumes power and generates a temperature difference. In the thermoelectric generator 20 of this example, a large-capacity power storage unit 21 is adopted, and the thermoelectromotive force is stored after being boosted by the boosting unit 30. Therefore, since the power storage unit 21 and the thermoelectric element unit 10 are connected via the booster unit 30 and are not directly connected, the power charged in the power storage unit 21 may flow back to the thermoelectric element unit 10 through the booster unit 30. Absent. For this reason, it is possible to directly connect the thermoelectric element unit 10 and the boosting unit 30, and it is possible to prevent a loss due to a forward voltage generated when a backflow prevention diode or the like is provided.
[0020]
The thermoelectric generator 20 of the present example further includes a silicon diode 23 that connects the thermoelectric element 10 and the power storage unit 21 by bypassing the boosting unit 30.
This is because, when a charge is hardly accumulated in the power storage unit 21 of the wristwatch device 1 as in the case of a cold start, the boosting unit 30 is not supplied with power for driving. Is unable to be transmitted to the power storage unit 21 and cannot be started. That is, immediately after the wristwatch device 1 is worn on the wrist, the temperature difference between the case 5 and the back cover 3 becomes very large, so that a large electromotive voltage is generated in the thermoelectric element 10.
By supplying this electromotive voltage to the power storage side through the aforementioned silicon diode 23, the booster 30 can be driven. Note that while the thermo-electromotive voltage is higher than the voltage on the power storage side, charging directly through the silicon diode 23 has less loss than charging through the boosting unit 30. It is more desirable that the voltage after the electromotive voltage has dropped below the voltage of the power storage unit 21.
[0021]
On the other hand, when the electromotive voltage of the thermoelectric element unit 10 becomes low, it is necessary to prevent power from flowing backward from the power storage unit 21 to the thermoelectric element unit 10 as described above. Therefore, a circuit that supplies power in one direction from the thermoelectric element 10 to the power storage unit 21 like the silicon diode 23 of the present example is required.
Since the silicon diode 23 has a small leakage current when a reverse voltage is applied, the silicon diode 23 is suitable for a circuit that supplies power in one direction to the power storage unit 21 by bypassing the boosting unit 30. Instead of the diode, a circuit that bypasses the booster 30 may be provided by a switching circuit that is turned on and off by a voltage difference between the thermoelectric element unit 10 and the power storage unit 21.
[0022]
Furthermore, in the thermoelectric generator 20 of the present example, a start resistor 25 and a bypass switch 26 that bypasses the start resistor 25 are provided in series with the power storage unit 21. When a thermoelectric element is supplied from the thermoelectric element unit 10 when electric charge is hardly accumulated in the electric storage unit 21 such as at the time of a cold start, both ends of the electric storage unit 21 are charged until a certain amount of electric charge is accumulated in the electric storage unit 21. Does not generate a voltage (specified voltage Vd) enough to operate the processing unit 9.
Therefore, when the power storage unit 21 having a large capacity is employed, a very long time is required after the thermoelectric element unit 10 starts generating power until the processing unit 9 can actually perform its function. On the other hand, when the start resistor 25 is provided in series with the power storage unit 21 as in the present embodiment, a voltage drop occurs in the start resistor 25 during charging, and the specified voltage Vd can be secured by this voltage drop. Therefore, the processing unit 9 can be started immediately, and the power storage unit 21 can be charged at the same time.
When the power storage unit 21 is charged and the specified voltage Vd can be secured, the start resistor 25 becomes a loss component. Therefore, the power can be supplied to the processing unit 9 by bypassing the start resistor 25 by the bypass switch 26. ing.
[0023]
In the thermoelectric generator 20 of the present example, the control circuit 40 controls the bypass switch 26 while monitoring the voltage of the power storage unit 21. When the power storage unit 21 discharges and the voltage drops below the specified voltage Vd in a state where power is not supplied from the thermoelectric element 10, the processing unit 9 stops functioning, and at the same time, the bypass switch 26 is opened. However, after that, when the voltage of the power storage unit 21 recovers and reaches the specified voltage Vd, the bypass switch 26 is turned on, and the processing unit 9 is set in a state where power can be supplied to the processing unit 9 by bypassing the start resistor 25. The processing unit 9 is ready to operate whenever it is reset. The start resistor 25 may be a resistance component as in this example, or the specified voltage Vd may be secured by using a forward voltage of a diode.
[0024]
As described above, the power of the thermoelectric generator 20 is supplied to the processing unit 9 having a timekeeping function, and if a temperature difference occurs in the thermoelectric element unit 10, energy for operating the processing unit 9 can be secured. . A small-capacity auxiliary capacitor 29 is connected to the output terminal 28 of the thermoelectric generator 20 so that the processing unit 9 can continue to function even if the voltage fluctuates for a short time immediately after the start.
[0025]
The control operation of the thermoelectric generator 20 of this example will be described based on the timing chart shown in FIG. When the wristwatch device 1 is worn on the user's arm at time t1, an electromotive voltage is generated in the thermoelectric element unit 10 due to a temperature difference. Immediately after being mounted on the arm, the temperature difference is large, so the electromotive voltage is also large. This thermoelectromotive force bypasses the boosting unit 30 via the diode 23 and is applied to the power storage unit 21 and the start resistor 25 connected in series thereto. Supplied.
Since the bypass switch 26 is open at the time t1, a potential difference occurs due to a voltage drop in the start resistor 25, and the auxiliary capacitor 29 is charged. At time t2, when the voltage of the auxiliary capacitor 29 reaches the activation voltage Vi (for example, 1.5 V) of the processing unit 9, the processing unit 9 starts functioning. As time elapses after wristwatch device 1 is worn on the wrist, the temperature difference decreases and the electromotive voltage of thermoelectric element unit 10 also decreases.
When the voltage reaches the reference voltage Vs (for example, 1.2 V) at time t3, the booster 30 starts boosting, boosts the thermoelectromotive force supplied from the thermoelectric element unit 10, and supplies the boosted thermoelectromotive force to the start resistor 25 and the power storage unit 21. .
The boosting unit 30 performs boosting while appropriately changing the boosting factor in accordance with the electromotive force of the thermoelectric element unit 10 so that a predetermined voltage can be secured. When the power storage unit 21 is charged, and the charging voltage reaches a specified voltage Vd (for example, 1 V) at which the power can be stably supplied at time t4, the bypass switch 26 is turned on, bypasses the start resistor 25, and passes to the processing unit 9. Power is supplied.
[0026]
When the wristwatch device 1 is removed from the wrist at time t5, the temperature difference becomes smaller, so that the electromotive voltage also decreases, and the thermoelectric element unit 10 stops generating power at time t6. As a result, the booster 30 also stops boosting. The processing unit 9 can continuously maintain its function by the electric power supplied by discharging the power storage unit 21, and stops functioning when the voltage of the power storage unit 21 decreases at time t <b> 7 and drops below the specified voltage Vd. At the same time, the bypass switch 26 is opened to be ready for immediate start.
[0027]
The power storage unit 21 of the present example is configured such that the voltage returns after an appropriate time has elapsed even if the voltage once drops, and when the voltage returns to the specified voltage Vd at time t8, the bypass switch 26 is turned off. Turn on. As a result, a voltage that can start the function is applied to the processing unit 9. Therefore, when the time is reset at the time t9 and, for example, the time of the clock device 2 is adjusted, the processing unit 9 restarts the processing.
[0028]
When wristwatch device 1 is mounted again at time t10, thermoelectric element unit 10 restarts power generation due to the temperature difference. Initially, the temperature difference is large, so that the power storage unit 21 is charged via the diode 23 bypassing the boosting unit 30.
When the temperature difference decreases at time t11 and the electromotive voltage reaches a predetermined voltage Vs, the boosting unit 30 starts boosting so that the thermoelectromotive force can be stored in the power storage unit 21 even if the electromotive voltage of the thermoelectric element unit 10 is low. . When the charging is continued and reaches the upper limit voltage Vm1 at time t12, the booster 30 stops boosting and prevents overcharging.
When the voltage of power storage unit 21 reaches lower limit voltage Vm2 by supplying power to processing unit 9 at time t13, boosting unit 30 restarts boosting, and stores the thermoelectromotive force supplied from thermoelectric element unit 10 in power storage unit 21.
[0029]
When the wristwatch device 1 is removed from the wrist at time t14, the thermoelectromotive force decreases, and the thermoelectric element 10 stops generating power at time t15. As a result, the boosting unit 30 stops boosting, and thereafter, the processing unit 9 continues the processing by discharging the power storage unit 21. Then, when the voltage becomes equal to or lower than the specified voltage Vd at time t16, the processing unit 9 stops its function, and the bypass switch 26 is opened to be in a state where the star can be immediately set.
[0030]
The thermoelectric element unit 10 that can be employed in the thermoelectric generator 20 of the present example will be described in comparison with a conventional thermoelectric element unit 90 with reference to FIGS. 3 and 4. The thermoelectric generator 20 of this example includes a booster 30 that can boost the pressure four times.
Therefore, even if the electromotive voltage of the thermoelectric element unit 10 is approximately ４ of that of the conventional thermoelectric element unit 90, the power storage unit 21 can be charged, and the processing unit 9 can function. For example, as shown in FIG. 4, it is assumed that a conventional thermoelectric element unit 90 is constituted by 16 semiconductor units 13 and a predetermined voltage can be secured by connecting 16 semiconductor units 13 in series.
As described above, these 16 semiconductor units 13 are partitioned by the space 14, and the width a of the semiconductor unit 13 and the width a of the space 14 are substantially the same.
[0031]
On the other hand, as shown in FIG. 3, the thermoelectric element unit 10 that can be employed in the thermoelectric generator 20 of the present embodiment can secure a predetermined voltage by the four semiconductor units 13 by increasing the pressure. Therefore, if the area of the thermoelectric element unit is the same, the area occupied by the semiconductor unit 13 can be increased 2.25 times as shown in FIG. In the thermoelectric element unit, the output current at the time of power generation is substantially proportional to the area of the semiconductor unit 13, and therefore, in the case shown in FIG. Is obtained. On the other hand, since the electromotive voltage of the thermoelectric element unit 10 is 1/4 of that of the conventional thermoelectric element unit 90, the thermoelectric element unit 10 of the present example can obtain 2.25 times the thermoelectromotive force.
[0032]
Further, considering the case where the same thermoelectromotive force is obtained, it is sufficient that four times the current is obtained from one semiconductor unit 13. Therefore, as shown in FIG. 3B, four semiconductor units 13 each having an area of 4a2 are provided. It should be provided. Therefore, the area of the thermoelectric element unit 10 of the present example can be reduced to approximately half (accurately, 25/49) of the conventional thermoelectric element unit 90. As described above, by raising and accumulating the thermoelectromotive force supplied from the thermoelectric element unit 10, the electromotive voltage generated in the thermoelectric element unit 10 can be reduced. Therefore, since the number of semiconductor units 13 provided in the thermoelectric element unit 10 can be reduced, the area efficiency of the thermoelectric element unit 10 can be greatly improved. Furthermore, since the number of the semiconductor units 13 can be reduced, the configuration of the thermoelectric element unit 10 can be simplified, which is advantageous in cost. Further, if the same output is obtained, the area of the thermoelectric element unit is reduced, so that there are advantages in space and cost. For this reason, by employing the thermoelectric generator 20 of this example, it is possible to mount the thermoelectric element unit 10 having a sufficient power generation amount to operate the processing unit 9 in a small and portable electric device. Therefore, it is possible to provide a thermoelectric generator and an electric device that can function a timekeeping device, another communication device, an information processing device, and the like simply by actually wearing the device on an arm or the like.
[0033]
As described above, by increasing the electromotive voltage of the thermoelectric element 10, the area efficiency of the thermoelectric element 10 can be greatly improved. The means for increasing the voltage is not limited to the circuit using the capacitor of the present embodiment. For example, as shown in FIG. 5, the DC thermoelectromotive force supplied from the thermoelectric element unit 10 by the inverter circuit 35 is converted to AC, and It is also possible to employ the booster 30 having a configuration in which the voltage is boosted by the piezoelectric transformer 36 and then returned to DC by the rectifier circuit 37. By employing the piezoelectric transformer 36, the boosting ratio can be set high with a simple configuration.
Therefore, the electromotive voltage of the thermoelectric element unit 10 can be set low, so that the thermoelectric element unit 10 having the same or higher area efficiency can be employed.
[0034]
As shown in FIG. 6, it is also possible to convert the thermoelectromotive force supplied from the thermoelectric element unit 10 into an alternating current by the inverter circuit 35 and a direct current by the plurality of rectification units 38 a to 38 d via the transformer 34. Then, by switching the DC output of the rectifier units 38a to 38d by the switching circuit 39, the boosting ratio can be easily set. The booster 30 of the present example can freely set the boosting magnification by changing the combination of the winding of the transformer 34 and the rectifier units 38a to 38d.
[0035]
Not limited to the above, various configurations can be adopted as the boosting unit 30, and the boosting ratio is not limited to 4 times, and may be 3 times or less, or may be increased to 5 times or more. Is also possible. By increasing the step-up magnification, the area efficiency of the thermoelectric element unit 10 can be greatly improved, but the configuration of the step-up unit becomes complicated and the loss in the step-up unit tends to increase.
Therefore, by selecting an appropriate step-up factor, the area efficiency of the thermoelectric element unit can be increased and it can be provided at a small size and at a low cost. Further, the loss in the thermoelectric generator is small, and the overall energy conversion efficiency supplied to the processing unit is high. A thermoelectric generator can be provided.
[0036]
As described above, the electric device including the thermoelectric generator 20 of the present embodiment may be provided with a built-in process by, for example, providing a temperature difference by attaching to a wrist, or providing a temperature difference by using sunlight. Energy for operating the unit 9 can be obtained from the natural world. Therefore, a battery is unnecessary, and it is possible to provide an electric device that can exhibit the function of the processing unit 9 anytime and anywhere. Further, since a battery is not required, there is no need to dispose of a discarded battery.
Further, the processing unit 9 is not limited to the above-described time measuring device, and may be an information processing device such as a pager, a telephone, a wireless device, a hearing aid, a pedometer, a calculator, an electronic notebook, an IC card, a radio receiver, and the like. A variety of functions can be adopted.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, the thermoelectric generator of the present invention is configured to boost and accumulate the thermoelectromotive force obtained from the thermoelectric element, whereby the electromotive voltage of the thermoelectric element can be set low. become. Therefore, the number of semiconductor units constituting the thermoelectric element unit can be reduced, and the area of each semiconductor unit can be increased.
Therefore, it is possible to greatly improve the area efficiency of the thermoelectric element unit, and it is possible to provide a thermoelectric generator having a sufficient power generation performance, which can be housed in an electric device such as a small and portable wristwatch device.
Further, the present invention provides a thermoelectric generator that is inexpensive and can be actually used as an energy source of a portable device because the area efficiency is improved, the thermoelectric element can be downsized and the output can be increased, and the configuration can be simplified. Can be.
By using an electric device equipped with a processing device such as a timer using the thermoelectric generator of the present invention as an energy source, an electric device can be provided that can function at any time and anywhere without worrying about running out of batteries. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a thermoelectric generator of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the thermoelectric generator shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a thermoelectric element unit that can be employed in the thermoelectric generator shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional thermoelectric element unit for comparison.
FIG. 5 is a block diagram showing another example of a booster that can be employed in the thermoelectric generator shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a block diagram showing a different example of a booster that can be employed in the thermoelectric generator shown in FIG. 1;
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration example of a wristwatch device incorporating a thermoelectric element.
8A and 8B are diagrams illustrating a configuration example of a thermoelectric element, in which FIG. 8A illustrates a cross-sectional configuration, and FIG. 8B illustrates a planar configuration.
[Explanation of symbols]
1. Wristwatch device, 2. IC module, 3. Back cover, 4. Thermal conductor, 5. Case, 6, Thermal insulation, 7, Display, 9, Processing unit, 10. · Thermoelectric element unit, 11 · · · hot junction, 12 · · · cold junction, 13 · · · semiconductor unit, 14 · · · space, 20 · · · thermoelectric generator, 21 · · · power storage unit, 22 · · short-circuit diode, 23 · Booster bypass diode, 25 start resistor, 26 resistor bypass switch, 29 auxiliary capacitor, 30 booster unit, 31 booster capacitor, 32 booster control circuit, 34 ..Transformer, 35..inverter circuit, 36..piezoelectric transformer, 37..rectifier circuit, 38..rectifier unit, 39..switching circuit, 40..control unit
