JPH0732590U - 熱電発電腕時計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱電発電素子の発電出力をエネルギー源とし
て利用する熱電発電腕時計において、発電出力を向上さ
せるために腕時計の裏蓋とケース間に生じる温度差をで
きるだけ大きくとることが可能な構造を提供する。 【構成】 ケース１０を表面処理することで、放熱層７
０を設ける。その放熱層７０は、微小な凹凸を有する薄
膜をコーティングする、高熱伝導性物質からなる薄膜を
コーティングする、あるいはケース表面自体を荒らすこ
とで凹凸を形成することにより作られる。 【効果】 放熱層があることでケースの外気による冷却
効率が向上し、従来より裏蓋との間の温度差が大きくで
きる。これにより、熱電発電素子の発電出力が向上す
る。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、熱電発電素子を内部に保持しその発電エネルギーで駆動する熱電発 電腕時計に関し、とくに発電効率向上に有効な温度差を拡大させるための構造に 関する。

【０００２】

【従来の技術】

熱電発電素子をエネルギー源として用いた腕時計の構造について、図３の断面 図を用いて説明する。腕時計の中には微小な熱電発電素子６０が、その空きスペ ースを利用して装着されている。

【０００３】 図３に示すように、熱電発電素子６０は時計モジュール５０と裏蓋２０間のス ペースに装着されており、その温接点６１は裏蓋２０に接触し、冷接点６２は金 属製のモジュールカバー５３を介してケース１０と熱的に接触している。

【０００４】 裏蓋２０は使用者の腕に直接接触しているため体温近辺まで暖められるが、ケ ース１０は外気により常に冷やされているため両者の間には温度差が生じる。

【０００５】 そこで、両者に接している熱電発電素子６０の温接点６１および冷接点６２間 にも温度差が生じ、それに伴い熱電発電素子６０には起電力が生じ、時計の必要 とするエネルギーが供給されることになる。

【０００６】 この熱電発電素子６０の発電量を左右する要素として、熱電発電素子６０に含 まれている熱電対の材料特性および熱電対数が重要であるのは言うまでもない。

【０００７】 しかしもう一つ、与えられた温度差は非常に重要な要素である。これについて 図４のグラフを用いて説明する。熱電発電素子６０材料としてはＢｉＴｅ合金を 用いた。

【０００８】 図４（ａ）のグラフは温度差が１℃の場合、熱電発電素子の熱電対の対の数を １０００対、２０００対、３０００対と変化させたときの電流電圧特性であり、 図４（ｂ）は熱電対の対の数１０００の場合、温度差を１℃、２℃、３℃と変化 させたときの電流電圧特性である。

【０００９】 図４のグラフで明らかなように、熱電対数を増大させると、熱電対数に比例し て電圧も増大する。

【００１０】 しかしながら、内部抵抗も比例して増えるため電流値は変化することがない。 つまり、出力としては熱電対数に１次的に比例することとなる。

【００１１】 さらにこの場合は１対の形状を変えてないため素子全体としては面積が増えて しまう。これに比べて、温度差を増大した場合、電圧および電流ともに比例して 増えていることがわかる。

【００１２】 つまり、出力は温度差に２次的に比例するものであり、多少の温度差の違いで も非常に効果があることがわかる。

【００１３】 では実際の温度差はどの程度であるかというと、気温２５℃の場合で裏蓋２０ とケース１０の温度差はせいぜい２℃ほどである。

【００１４】 それは裏蓋からの熱伝導によりケースも温められてしまい、外気による冷却が 間に合わないからである。

【００１５】 この熱伝導を抑えるため、従来から図３に見られるように、ケース１０と裏蓋 ２０の間には熱絶縁体４０を挟み、両者が接触しないようにしてきた。

【００１６】 しかしこれによって得られる温度差が約２℃である。実際の腕と外気の温度差 は少なくとも１０℃はあり、それを充分活用しているとはいえない。

【００１７】 そこでさらに温度差を広げるためには、裏蓋２０からの熱伝導を抑えるだけで なく、ケース１０を積極的に冷却することも重要な課題である。それにはケース １０自体の放熱効率を高める必要がある。しかしながらケース１０側の積極的な 改良は従来ほとんどなされていない。

【００１８】 一般的に高温になることを避けるために放熱させる手段としては、表面に放熱 用のフィンを付けることがよく用いられる。これについてはたとえば特開昭５３ −６９６７７号公報にも記載され、機械的に加工したフィンの熱電発電腕時計へ の応用も考えられている。

【００１９】 しかしながら機械加工によるフィンは、ミリメートルオーダーの板状構造とな っているため、それをケースにとりつけることは技術的にも難しく、さらに問題 として、腕時計は機能性はもとよりその装飾性が価値として重要なため、凹凸が 大きいフィンを取り付けることが非常に困難といわざるをえない。

【００２０】

【考案が解決しようとする課題】

上記のように、熱電発電腕時計においては素子に起電力を発生させるケースと 裏蓋との温度差が重要である。

【００２１】 しかしながら従来の構成ではまだ充分体温と外気温の差を効率よく利用するも のであるとは考えられない。

【００２２】

【考案の目的】

そこで本考案の目的は上記の問題を解決し、時計ケースに改良を施すことによ り積極的にケースの温度を低下させ裏蓋との温度差を従来以上に高め、熱電発電 素子の発電効率を高めるとともに、外観上も装飾品としても充分価値のある腕時 計を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】

上記の目的を達成するため本考案の熱電発電腕時計においては、下記に記載の 構造を採用する。

【００２４】 本考案の熱電発電腕時計は、ケースと裏蓋とモジュールと熱電対を多数配する 熱電発電素子とを備え、熱電発電素子はその温接点が裏蓋に、冷接点がケースに 接するようケースと裏蓋の間に設置され、ケースは表面に放熱層を設ける。

【００２５】

【実施例】

本考案の実施例における熱電発電腕時計を、図１を用いて説明する。図１は本 考案の熱電発電腕時計を示す断面図である。

【００２６】 図１に示すように、本考案の腕時計も一般のものと同様に外装は金属製のケー ス１０と裏蓋２０とガラス３０とから構成する。

【００２７】 さらにケース１０と裏蓋２０間の熱伝導を抑制するために両者の間にはプラス チック性の熱絶縁体４０を装着する。

【００２８】 内部には表示用の針５１と、文字盤５２と、そして駆動部を備えたモジュール ５０とが取り付けられている。

【００２９】 このモジュール５０には、モジュールカバー５３が備えられており、モジュー ルカバー５３と裏蓋２０に挟まれた形で、熱電発電素子６０を設置する。

【００３０】 熱電発電素子６０はＢｉＴｅ合金による熱電対（図示せず）が多数配されたも のであり、温接点６１部分が裏蓋２０と接し、冷接点６２部分がモジュールカバ ー５３と接するようになっている。

【００３１】 モジュールカバー５３は金属製でありケース１０と熱的に接触しているため、 ほぼケース１０と同温度になり、裏蓋２０との間で温度差が保たれる。

【００３２】 熱電発電素子６０はこの温度差を効率的に利用するため、両者に密着させる必 要があり、本考案においてはモジュールカバー５３にバネ性を持たせ、裏蓋２０ をネジ２１で固着することで、熱電発電素子６０をモジュールカバー５３と裏蓋 ２０に密着して挟み込むようにしている。

【００３３】 ところで、ケース１０は一般にステンレス、チタン、あるいはアルミニウムな どからなるが、本考案においてはそれぞれの材料の表面処理を行い新たに放熱層 ７０を設け、外気への放熱効率を高めるようにする。以下にその具体的な構成を 示す。

【００３４】 第１の実施例における放熱層７０は、微小な凹凸を無数に有する薄膜である。 以下にこの放熱層７０の形成方法を示す。

【００３５】 アノード、熱フィラメント、および蒸発源となるチタンを備えた真空槽中にケ ース１０をカソードとして設置する。

【００３６】 そして真空槽内を真空に排気した後、アルゴンおよび窒素を導入し熱電子によ るプラズマを発生さ、電子ビーム法により蒸発させたチタンをプラズマガスと反 応させて膜形成する。

【００３７】 この方法はプラズマ中で金属の蒸着を行ういわゆるイオンプレーティング法と 同じである。

【００３８】 最適ガス圧と最適カソード電圧とで膜形成すると、導入した窒素および真空層 の吸着ガスから生じる酸素と炭素がチタンと化合し、ＴｉＮＯＣ膜となり光沢の ある黒色の膜がケース１０表面に形成される。

【００３９】 この薄膜は１μｍ以下の微小な凹凸を有しているため微視的に表面積が非常に 増大しており、放熱効率が大変良好である。またこの凹凸のためもあり、見た目 には黒色に非常に近い色となり時計外装として良好である。

【００４０】 このような真空技術を用いた方法のほかに、吹き付けによる塗布方法でも微小 な凹凸を無数に有する薄膜は形成することができる。

【００４１】 粒径が５〜１０μｍの金属あるいはカーボンの微粒子を接着性の有機溶剤中で 混練し、スプレー法によりケース１０に吹き付ける。

【００４２】 このようにして形成される薄膜は微粒子により微小な凹凸を有し、やはり表面 積が非常に大きくなり外気への放熱効率が向上する。

【００４３】 その他、メッキ法などによっても微小な突起を有する薄膜は作成可能である。

【００４４】 第２の実施例における放熱層７０は、高熱伝導物質からなる薄膜である。以下 にこの放熱層７０形成方法を示す。

【００４５】 真空槽中にケース１０を設置し、真空槽内を真空に排気した後、メタンおよび 水素ガスを導入する。ケース１０をカソードとして高周波電圧を印加しプラズマ を発生させると、メタンは分解しダイヤモンド状薄膜としてケース１０表面に付 着する。

【００４６】 これはいわゆるプラズマＣＶＤ法と呼ばれるものである。このとき、場合によ ってはケース１０とダイヤモンド状薄膜の密着性を向上させるためにシリコン薄 膜などの密着層をあらかじめ形成してもよい。

【００４７】 ダイヤモンド状薄膜は、その構造がダイヤモンドに非常に類似しているため、 熱伝導率が非常に高い特性を有している。そのため、外気への放熱効率が向上す る。

【００４８】 またさらに、プラズマエネルギーを増加させる、あるいは高温にするなどによ りダイヤモンド状薄膜にはダイヤモンドの結晶が含まれる場合がある。

【００４９】 このときはさらに熱伝導率が向上するとともに、結晶粒子により薄膜表面には 微小な突起が現れ、表面積増大の効果も付加され、放熱効率はさらに向上させる ことができる。

【００５０】 このダイヤモンド状薄膜は、本質的に可視光の反射がほとんどなく非常に高級 感のある黒色となり、時計外装としても価値のあるものが得られる。

【００５１】 第３の実施例における放熱層７０は、微小な凹凸を有するケース自体の表面変 質層である。以下にこの放熱層７０の形成方法を示すが、これはケース１０の表 面自体を物理的あるいは化学的な手法で処理し凹凸を形成し放熱層７０を設ける 方法である。

【００５２】 大きさ１０μｍほどのセラミックスパウダーを、圧縮空気の力によってケース １０に吹き付ける。これはいわゆるホーニング法と呼ばれるものである。

【００５３】 ホーニング法によりケース１０表面は機械的に荒らされることで、やはり１０ μｍオーダーの凹凸が生じる。この凹凸は表面積を増加させるため、放熱効率は 非常に向上する。

【００５４】 さらにまたケース１０自体に凹凸を設ける方法はプラズマエッチングあるいは 酸などのエッチング液を用いた化学エッチングによっても実現可能である。

【００５５】 あるいは、ケース１０を電解酸化処理を行うことで、膜はポーラスになり凹凸 を形成することができる。

【００５６】 これは、たとえばケース１０がアルミニウムである場合、シュウ酸などの酸の 中で電解酸化処理しアルマイト皮膜を形成するなどが代表的である。

【００５７】 さらに放熱層７０として、上記で述べた各種の放熱層７０を組み合わせたもの はさらに大きな効果がある。その一つとしてホーニング法によって凹凸の形成さ れたケース１０表面にダイヤモンド状薄膜を形成するものがある。

【００５８】 このような手段により、ケース１０表面は凹凸による表面積の増大と熱伝導率 の向上という２つの特性を合わせ持ち、放熱効率はさらに向上する。

【００５９】 本実施例で述べたそれぞれの方法によって形成する放熱層７０の効果について 図２を用いて説明する。

【００６０】 ステンレス製のケース１０のおもて面のみを表面処理し、放熱層７０を設け裏 面の温度を測定する。測定のとき、裏面からは室温より高温のヒータにより加熱 を行う。

【００６１】 図２には表面処理を行ったケース１０の裏面の温度変化を、表面処理を行わな いケース１０の裏面温度との差として示している。

【００６２】 図２のグラフに示すように、表面処理を行わないケース１０の温度は最終的に 約３５℃になっている。また室温は約２５℃である。

【００６３】 図２のグラフにおいて、曲線ａは放熱層７０にダイヤモンド状薄膜を用いる場 合を示し、曲線ｂは放熱層７０がホーニングによる表面処理である場合を示し、 曲線ｃは放熱層７０がホーニング処理とダイヤモンド薄膜を組み合わせたもので ある場合を示し、曲線ｄは放熱層７０が黒色イオンプレーティング膜である場合 を示し、曲線ｅは放熱層７０が微粒子膜である場合の温度変化を表している。

【００６４】 図２に見られるように、それぞれの表面処理をしたケース１０とも未処理のケ ース１０に比べ温度が低下していることがわかり、放熱効果が向上していること が確かめられる。

【００６５】 その温度低下はマイナス０．７℃からマイナス１．９℃であり、従来の熱電発 電腕時計の裏蓋２０とケース１０間の温度差が２℃ほどであることを考えると、 この放熱効果は非常に大きなものであり、発電出力に換算すると従来の０．８か ら２．８倍の増大が可能であることを示すものである。

【００６６】 本発明の実施例において、熱電発電素子６０は、裏蓋２０とモジュールカバー ５３の間に挟み込む形で設置しているが、温接点６１が裏蓋２０と接触し、そし て冷接点６２がケース１０と熱的に接触していれば他の位置にあっても問題はな く、たとえばケース１０に直接接するようにモジュール５０およびモジュールカ バー５３の外周部に設置するなども考えられる。

【００６７】 またこのとき熱電発電素子６０をケース１０と裏蓋２０とに密着させるために は、熱絶縁体４０の材料として弾力性のあるプラスチックを用い、その変形を利 用することもできる。

【００６８】 さらに本発明の実施例においては、熱電発電素子６０としてＢｉＴｅ合金を用 いているが、たとえばＢｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｉなどの単一材料あるいはＦｅＳｉ 合金、ＣｒＳｉ合金など材料を用いることもできる。

【００６９】

【考案の効果】

以上の説明から明らかなように、本考案においては、熱電発電腕時計のケース を表面処理し、表面に微小な凹凸を持つあるいは高熱伝導性物質からなる放熱層 を設けている。

【００７０】 このことにより、従来よりケースの温度を低下させ、裏蓋との温度差を大きく 得ることができる。これにより内蔵された熱電発電素子は従来よりかなり大きな 発電出力を得ることができる。つまり本考案の構造を取り入れることで、従来よ り安定した駆動が行え、さらに動作寿命の長い熱電発電腕時計を提供することが できる。

【００７１】 さらに、本考案における放熱層はすべて薄膜からなっているかあるいはケース 自体の表面変質層であるため、外観上も違和感がなく装飾品としての時計の価値 を失わないものである。そして本考案の構造は、今後熱電発電素子をエネルギー 源として用いるその他の電子機器の高効率化にも応用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例における熱電発電腕時計を示す
断面図である。

【図２】本考案の実施例における各種表面処理を施した
ケースの温度変化を表すグラフである。

【図３】従来の熱電発電腕時計を示す断面図である。

【図４】一般的な熱電発電素子の熱電対数あるいは与え
る温度差を変化させた場合の出力特性を表す図面であ
る。

【符号の説明】

１０ ケース ２０ 裏蓋 ４０ 熱絶縁体 ５０ モジュール ５３ モジュールカバー ６０ 熱電発電素子 ６１ 温接点 ６２ 冷接点 ７０ 放熱層

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケースと裏蓋とモジュールと熱電対を多
   数配置する熱電発電素子とを備え、熱電発電素子はその
   温接点が裏蓋に接するように配置し、冷接点がケースに
   接するようケースと裏蓋の間に設置され、ケースは表面
   に放熱層を設けることを特徴とする熱電発電腕時計。
2. 【請求項２】 放熱層は、微小な無数の凹凸をもつ薄膜
   であることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電腕時
   計。
3. 【請求項３】 放熱層は、高熱伝導性物質からなる薄膜
   であることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電腕時
   計。
4. 【請求項４】 放熱層は、ホーニング加工あるいはエッ
   チング加工あるいは電解酸化処理により形成された微小
   な凹凸を有するケース自体の表面変質層であることを特
   徴とする請求項１に記載の熱電発電腕時計。
5. 【請求項５】 放熱層は、微小な無数の凹凸をもつ薄膜
   からなる放熱層、高熱伝導性物質からなる薄膜の放熱
   層、あるいは表面変質層からなる放熱層とから選択され
   る複数種を組み合わせたものであることを特徴とする請
   求項１に記載の熱電発電腕時計。