用于时钟的包括机械能源的气动卷绕机构 |
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| 申请号 | CN201180060610.5 | 申请日 | 2011-12-15 | 公开(公告)号 | CN103380404A | 公开(公告)日 | 2013-10-30 |
| 申请人 | 瑞士钟表研究协会; | 发明人 | 达米尼克·佩勒; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及到一种用于时钟的包括机械 能源 的 气动 机构，所述机构被设置为给机械能源充电，包括根据环境 温度 变化，体积能交替膨胀和收缩的密封腔(20,30)。该机构的特征在于所述密封腔包括各个反应物的混合物，所述反应物包括一种与气体 接触 的金属 合金 ，根据 环境温度 的变化，能够产生至少一个 相变 。所述反应物的混合物有利地有一个ΔP/ΔT系数，在操作范围中大致高于0.01bar·℃-1，操作温度范围大致为0至50℃，操作压 力 范围大致为1至50bar。此外，混合物被选择为，与环境温度的变化连续反向相关的最小可能温度差优选小于或等于4℃。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于包括机械能源的时钟的气动机构，所述机构被布置为给所述机械能源充电，并包括一个体积能交替膨胀和收缩的密封腔(20,30)，作为环境温度变化的函数，其特征在于：所述密封腔包括各种反应物的混合物，所述反应物包括用于与气体接触的金属合金，通过所述金属合金和所述气体的反应，所述反应物作为环境温度变化的函数，能够经受至少一个相变， |
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| 说明书全文 | 用于时钟的包括机械能源的气动卷绕机构技术领域[0002] 本发明还涉及一种包括这种气动机构的机芯，该气动机构被布置为所述机芯的机械能源充电。 背景技术[0003] 这种机芯在现有技术中是已知的。特别是，以Atmos为商标的时钟，积家(Jaeger-LeCoultre)已出售很多年了，它具有机械能源，其由填充有流体的密封器的变形历程充电，作为环境温度变化的函数。 [0006] 专利申请JP2003-028049和JP2003-120514公开用于从环境温度的变化产生机械能的设备。特别是，他们利用主要由链烷烃(paraffins)组成的糊剂的相变，从与温度变化相关联的热能来产生机械能。根据用户的具体要求，基于一种给定的石蜡(paraffin)，通过修改一个组分，列出的添加剂允许糊剂的相位变化的温度进行调整。 [0007] 然而，在这些文件所提供的相变之下，即液相和固相之间，仅可以产生小振幅的机械运动。因此，允许这些运动有效利用的转换机构必然具有复杂的结构，不适合在机芯中推行。 发明内容[0008] 本发明的一个主要目的是改进现有技术中已知的机构，通过提供一个气动机构，该气动机构用于更有效地为时钟的机械能源充电，特别是，非常有效可能集成到手表中。 [0009] 为此目的，本发明更具体地涉及到一种上述类型的气动机构，其特征在于密封腔包括各个反应物的混合物，所述反应物包括布置为与气体接触的金属合金，作为环境温度变化的函数，能够经受至少一个相变。此外，反应物的混合物有一个系数ΔP/ΔT，在以下操-1作范围中大致高于0.01巴(bar)·℃ ： [0010] 温度上，大致在0和50℃之间，和 [0011] 压力上，大致在1和50bar之间。 [0012] 此外，各个反应物的混合物被选择为，与环境温度的变化连续反向相关的最小可能温度差，优选大致小于或等于4℃。 [0013] 根据这些特征，本发明的气动机构将可能被有利地作为一种能源使用，来给一个次级的、优选机械的能源供给能量，而不论相应时钟的尺寸。具体而言，物理效应的性质驱动本发明的气动机构，可以使得这种机构产生一个比在现有技术的情况下更小的体积比，特别是，关于上述引用的日本申请的启示，这些申请没有公开密封腔中的反应气体的比例的修改。 [0014] 优选地，本发明的机构包括一种金属合金，与磷酸二氢(dihydrogen)或磷酸二氘钾(dideuterium)反应以形成金属氢化物合金。更特别的是，金属合金可以具有通式AB5，其中A可以是一种金属或一种金属混合物，B可以是一种金属或一种金属混合物。A包括选自组合Ce、La、Nd和Pr中的至少一种元素。B包括选自组合Co、Ni和Sn中的至少一种元素。 [0015] 更为精确地，金属合金选自组合，该组合包括：(La，Ce)(Ni，Co)5，(La，Ce)(Ni，Co)5+ε和(La,Ce)(Ni,Sn)5+ε，通过非限制性解释，其中ε在0和0.2之间。 [0016] 根据这些特征，密封腔中的压力变化，作为环境温度变化的函数，允许足够的能量来供给到相应时钟的机械能源中。 [0017] 根据具体的实施例，系数ΔP/ΔT优选高于0.05bar·℃-1，更优选地高于-10.1bar·℃ ，在以下优选的操作范围中： [0018] 温度上，大致上在15和40℃之间，更优选在15和30℃之间，和/或[0019] 压力上，大致上在1和20bar之间，更优选在1和10bar之间。 [0020] 此外，与环境温度的变化连续反向相关的最小可能温度差优选小于2℃，更优选地小于1℃。 [0021] 根据这些特征，一般，本发明的气动机构具有适用于时钟的使用的共同条件的性质。 [0022] 此外，密封腔被有利地以这样的方式配置，其体积的变化与其变形相关，或与一个可移动元件的运动相关，如活塞，在一个单一方向上，以通过这种变形或运动来优化所做的工作。 [0024] 参照附图，通过下面优选实施例的详细描述，本发明的其它特征和优点将更加清楚的呈现，其通过非限制性示例的方式提供，其中： [0025] 图1示出本发明的原理的框图； [0026] 图2示出本发明的原理论证的相图； [0027] 图3示出用于化合物选择的范特霍夫(van’t Hoff)关系曲线图； [0028] 图4a示出实验测量结果的第一曲线图; [0029] 图4b示出另外的实验测量结果的第二曲线图; [0030] 图4c示出另外的实验测量结果的第三曲线图; [0031] 图5示出在手表中的本发明的气动机构的第一示例性实施例的示意立体图; [0032] 图6示出在手表中的本发明的气动机构的第二示例性实施例的示意立体图。 具体实施方式[0033] 图1显示了一个框图，示出本发明的一般原理。 [0034] 根据本发明的一个优选实施例，气动卷绕机构包括一个初级能源1，该初级能源1允许一个次级能源2以转换机构3的方式充电，所述次级能源2被布置目的是为钟表机芯4供应机械能。 [0035] 优选地，所述初级能源包括一个密封腔，其体积能够交替地膨胀和收缩，作为环境温度变化的反向函数。更具体地说，本发明是基于这样一个事实，即密封腔中包含反应物的混合物，所述反应物包括一种布置为与气体接触的金属合金，所述混合物能够经受至少一个相变，通过金属合金和气体之间的反应，作为环境温度变化的函数，，这种相变对密封腔中存在的气体量有一定的影响，因此对后者的体积有一定的影响。 [0036] 为了保证卷绕机构在通常的时钟运行条件下是非常有效的，反应物的混合物优选-1有一个大致高于0.01巴(bar)·℃ 的系数ΔP/ΔT，在以下操作范围中： [0037] 温度上，大致在0和50℃之间，和 [0038] 压力上，大致在1和50bar之间， [0039] 这样选择，使得温度之间的最小可能差，在所述密封腔中，关于环境温度的连续相反的变化，是大致上小于或等于4℃，优选小于2℃，甚至更优选小于1℃。 [0040] 换句话说，通过举例的方式，反应物的混合物在温度上的增加，在第一步骤中，随后，在第二步骤中，通过在增加过程中从达到的最高温度下降4℃，将有利地引起各自相反的相变，这些相变大致上发生在各自的温度水平，该水平彼此不同至多4℃。 [0041] 这种特征保证，通过本文中时钟的标准使用，所述系统将最普遍的有经验地对温度变化做出反应。 [0042] 具体而言，关于经历的环境温度的变化，本申请人已进行了统计测量，特别是，通过手表。很显然，这些测量结果中，负的或正的相对变化在温度高达约4℃显著发生。由此推断，此值可合理地用作为一种有效的限制值，用于关于环境温度的连续相反的变化的温度之间的差。有利的是，为了提高机构对环境温度变化的灵敏度，2℃甚至1℃也可以作为该限制值，因为1℃或2℃的温度变化被发现比4℃的变化更频繁地发生。 [0043] 从要选择的化合物的角度来看，在如图2所示的相图上，关于温度上升和温度下降，分别地，此值表示曲线必须有一个幅度大致小于或等于4℃的滞后。 [0044] 图2所示的相图示出反应物的混合物的特性符合一定的标准，这在本技术领域是众所周知的，在这里将不做更详细地描述。 [0045] 更确切地说，此图示出反应物的混合物中的磷酸二氢(dihydrogen)的百分比，作为温度T和压力P的函数。特别地，它示出了包括金属氢化物合金和磷酸二氢(dihydrogen)的反应物的混合物的特性。 [0046] 氢与许多过渡金属反应形成氢化物。在这些金属中，镧系元素是最活泼的。这些金属或相应的金属间化合物（M）中的许多形成氢化物（MHn），该氢化物具有与化学计量式（n=1，2，等）有很大不同的化学计量比，并可能形成多相系统。 [0047] 比上面M更加精确地，这些金属间化合物的分子式一般写为ABn。 [0048] 在氢气存在下（一般以磷酸二氢(dihydrogen)的形式，但在本发明中磷酸二氘钾(dideuterium)也是适于使用的），因此，这些金属或金属间化合物形成氢化物，相应的反应伴随热量的释放。该反应中，可伴有相变，然后是一个平衡。 [0049] M+nH2 MH2n+Q；或 [0050] α-相+nH2 β-相+Q。 [0051] 此平衡的条件由磷酸二氢(dihydrogen)的压力和环境温度设定。 [0052] 从图2中显然可见，对于一个给定的温度，相变导致了一个转化高台，根据合金的性质，其可能是相对平坦的。通过非限制性示例的方式，应注意的是LaNi5具有这种类型的高台。 [0053] 可以证明，在高台的压力和温度的倒数之间存在一个关系，称为范特霍夫(van’t Hoff)关系： [0054] [0055] 其中，ΔH和ΔS分别是生成焓和熵，这两个量取决于所考虑的化合物。 [0056] 存在许多具有不同生成焓和熵的氢化物，并且，从图3的图中可以清楚地看到，其示出用于金属化合物的特定选择的范特霍夫(van’t Hoff)关系，它们能在不同的温度范围内工作。 [0057] 本发明的基本原则驻留在这样的一个事实，即上述高台压力用来做机械功，这将允许机芯的机械能源被充电。 [0058] 具体而言，如果考虑在给定温度和处于平衡的、包括金属氢化物合金和磷酸二氢(dihydrogen)的反应物的混合物，将该混合物放置在一个体积可以变化的密封腔中，氢气压力（高于环境压力）有使密封腔的体积增大的趋势。同时，密封腔内部的压力有下降的趋势。为了保持系统的平衡，相变被激活，金属氢化物合金释放氢，以增加密封腔中的压力，使系统返回到平衡。 [0059] 同样地，环境温度的变化趋向于调整系统的平衡，并通过改变其内部压力而修改密封腔的体积。因此，本发明采用了一种反应物的混合物，放置在体积可以变化的腔室中，以利用环境温度的变化。 [0060] 应当注意到，在不脱离本发明的范围的情况下，气动机构可以布置为密封腔的体积仅在一个单一方向的变化被利用，即仅体积增加或体积减小，或者在两个方向被利用。 [0061] 通过举例的方式，图2示出，温度从T1变化到T2时，T2高于T1，密封腔的运行状态。温度升高引起密封腔的压力增加，如果密封腔是可以变形的，那么其体积增加，并且同时，反应物的混合物中磷酸二氢的比例降低。 [0062] 应当注意到，密封腔的体积的变化，可能采用两种不同性质的形式，两者都适于在本发明中使用。具体而言，腔室的体积可以通过至少一部分壁的变形而发生变化，或者，可选地，通过一个可移动部件的运动，例如活塞。 [0063] 应当理解，如上文所强调的，在本发明中所用的反应物的混合物优选选择为，当反应物的混合物处于各自的温度时，两个分别与环境温度的增高和降低相关的连续相变发生，这些温度之间的最小可能差小于一个给定的限制值。假设后者的条件满足系统近乎功能可逆。换句话说，关于环境温度的两个连续的相反的变化，各自的温度之间的差异越小，该系统关于环境温度的变化越敏感。因此，仔细选择该参数，通过使其对环境温度的变化更敏感，允许改善本发明的气动机构的操作。 [0064] 因此，本申请人进行的研究特别包括了找出化合物类别，所述化合物适合制造刚才所描述的类型的气动卷绕机构。 [0065] 更精确地说，除了上述条件外，适合于实现这样的机构的化合物必须工作在室温附近的温度范围内，并且大约在此温度下，提供约几巴的压力。 [0066] 另外，由给定的温度变化引起的压力变化必须足够大，以引起密封腔的体积的显著的变化，如果要做足量的机械功，这是一个必要条件。换句话说，比值ΔP/ΔT必须优选高于一个特定的阈值，如上所述。 [0067] 申请人的研究也旨在确定圆满地满足允许该机构做足够的机械功的要求的化合物的类别。 [0068] 为此，带着评估机械功的目的，所述机械功可以从一个容积可变的并且含有上述类型的反应物的混合物的密封腔获得，进行了各种实验测量。 [0069] 在第一步骤中，在测试选定的温度下，金属氢化物合金具有一个室温附近的操作范围，并且提供一个约几巴的压力。LaNi5系列相对较好的满足这些规范。因此，该测试用LaNi4.8Al0.2化合物来实施，铝以它能够承受的循环次数的形式来增加合金的寿命，并且铝允许调整平衡压力。 [0070] 在一个平衡状态下开始，反应物的混合物经受环境温度的变化，在恒定的体积下测定容器中的压力。特别地，相对于手表使用的实际情况，测量在一个温度范围内实施，即关于平均气温28℃±3℃的范围。 [0071] 就整体而言，温度变化约1℃，观察到压力变化约0.1bar。 [0074] 一般来说，由反应物的混合物在弹簧上的机械功，通过下式计算：dW=F·dx，其中F是力，x是弹簧的可动端的位置。因此，dx是一个增量移动，dW是相应的机械功的增量。 [0075] 测量结果可能证明下面关系式的有效性： [0076] F=k(x+l0)；和 [0077] P=at+b。 [0078] 在这些方程中，x从一个任意位置测量，在该位置，弹簧已经在长度上有量10的变形，k为使用弹簧的刚度，t是环境的温度。 [0079] 此外，必须考虑力由下式与压力相关： [0080] F=P·S， [0081] S是活塞的横截面积。 [0082] 因此，得到力的表达式，即： [0083] F=k(x+l0)=S(at+b)。 [0084] 由此，可以推导出下面的机械功表达式： [0085] [0086] 因此，对于环境温度在T0和T1之间的变化，所做机械功为： [0087] [0088] 引入温度变化ΔT0=T1-T0，推导出： [0089] [0090] 如果考虑一个完整的膨胀/收缩周期，所做机械功的上面的表达式变为： [0091] W(T0→T0+ΔT0)+W(T0+ΔT0→T0)＝0 [0092] 因此，在测定装置使用的情况下，在环境温度下降期间，弹簧对气缸做功。 [0093] 这是因为反应物的混合物与弹簧一起相当于一个仅内部交换能量的封闭的热力学系统。因此，在循环的返回阶段，弹簧做功。 [0095] 可以想像，如果一个这样的机构放置在时钟中，并且设置来仅当环境温度在一个方向上变化时做功，其在一个星期内提供的能量可以被表示为如下： [0096] [0097] [0098] 考虑偶数增量ΔT0，ΔT2，...是正的，奇数增量ΔT1，ΔT3，...是负的，得到下面的关系： [0099] [0100] 其中，N是环境温度在一个星期内变化的数量。 [0101] 假设，第一个近似值，假定对任何i值，T2i=Taverage，则： [0102] [0103] 第一个近似值，考虑平均环境温度是28℃，这是可能的。如果将申请人实施的关于环境温度变化的统计测量值输入到上述关系中，在一个星期内产生的总能量被发现大约是67焦耳(joules)，这远远大于手表所需的能量，例如，其可能被估计为大约每星期1焦耳。 [0104] 当然，虽然这个结果的数量级表明测试的气动机构适于引入到时钟，诸如钟，但这将需要进行修改才可引入到手表。 [0105] 从上面的分析可以看出，提供的能量与机构的各部分之间的交换面积成正比，并且反应物的混合物的整体的能量以下面的形式提供到系统： [0106] [0107] 其中，R是系统的特征量（例如，在前述系统中，尤其是活塞直径），d代表移动（例如，在前述系统中，弹簧的移动），K代表要克服的刚度（例如，需充电的弹簧的刚度），而Taverage和ΔT取决于时钟的热过程。 [0108] 由上述显然可见，所做的功高度取决于ΔP/ΔT（a2包含在R2中）的量，正如上面所述的。 [0109] 因此，申请人进行了额外的测量，以便确定可能适合在本发明中使用的金属化合物。 [0110] 在第一步骤中，约20种属于多个化合物类别的组合物，分子式为AB5、AB2、AB等，从氢化属性的角度被合成和检验。使用的化合物的金属成分选自的组合包括：对A金属合金基于Ce、La、Zr、Ti和Mg，对B基于Ni、Fe、Co、Mn、Al、Sn、Si和Ge。 [0111] 氢气压力的测量被作为温度的函数实施，在一个恒定的体积，在应用问题上，温度和压力范围兼容。这些测量之后，这将变得清晰，具有氢化最佳性能（ΔP/ΔT和小的温度滞后）的组合物是分子式为AB5的那些。 [0112] 通过非限制性示例的方式，图4a，4b和4c示出三种组合物，该组合物具有适合于本发明实施的性质，并整理在下面的表中（以非限制性示例的方式，表中ε基本位于0和0.2之间）。 [0113]物质 压力 温度 ΔP/ΔT 滞后 No.1：(La,Ce)(Ni,Co)5 30-38bar 20-32℃ ～0.7bar/℃ <0.5℃ No.2：(La,Ce)(Ni,Co)5+ε 22-31bar 20-32℃ ～0.7bar/℃ <0.5℃ No.3：(La,Ce)(Ni,Sn)5+ε 10-13bar 20-31℃ ～0.3bar/℃ <0.5℃ [0114] 应注意的是，对于特定的所使用的测量系统的一个给定的自由体积，此处所示的微分值ΔP/ΔT是观察到的最低值。如果测量系统进行了优化，如使用一个较小的自由体积，就会导致一个更大的微分。 [0115] 当合金被放置在一个与可变形的密封体接触的小体积的容器（约0.2立方厘米）中时，容器承受对应十度左右（20℃到30℃之间）的加热和冷却的连续的周期的热循环时，本技术领域的技术人员可以毫无困难地执行其它的测量，以评估这样的合金能够提供的力和变形。用两个不同的测量系统实施这些测量，一方面导致波纹管的变形，另一方面导致弹性薄膜的变形。 [0116] 对上面所述的三种合金，以这种方式测量的力和变形允许申请人计算运行一周的过程中所获得的能量的估值，一方面基于实验结果，结合上述公开的有关所做的功的计算方法；另一方面，基于手表在其使用过程中的温度变化周期的特性的统计数据，一周操作中得到的预计能量。 [0117] 这些计算返回下表中给出的估值： [0118]物质 周能量 转换系统 No.1：(La,Ce)(Ni,Co)5 7.2J 薄膜(membrane) No.2：(La,Ce)(Ni,Co)5+ε 5.3J 薄膜(membrane) No.3：(La,Ce)(Ni,Sn)5+ε 0.6J 波纹管(bellows) [0119] 应注意的是，这些是象征性数值。具体而言，计算出的能量的值取决于测量的力和移动的值。然而，这些测量值取决于测量系统所使用的特定几何形状。因此，上述的能量值通过非限制性示例的方式给出；然而，这些值仍然表明所述气动机构可用于卷绕机芯的机械能源。特别是，如以上所示，这些机构适合用于卷绕手表的主发条，这需要约每星期1焦耳的供给，对于一个基本型。 [0120] 应当注意到，关于气动机构的实施，例如上述那些有关时钟的应用，为了顾及可施加的高压力，减少可动区域将可能是有利的。 [0121] 此外，可动元件优选在一个较小的力下经历一个较大的移动，以优化所做的机械功。因此，对于密封腔，使用仅在一维变形的结构将是有利的。 [0122] 在气动机构的功能必须在环境温度可变的两个可能方向作用的情况下，将所述机构设计为关于统计上最可能的平衡温度运作，将可能是有利的。 [0123] 图5示出手表中的这样的气动机构的第一实施例。 [0124] 该装置使用一个具有一般的螺旋形状的密闭腔室20，其长度作为其内部压力的函数可变，位于手表壳体21的底部。反应物的混合物，包括金属氢化物合金和磷酸二氢，被放置在该密封腔中，因此，其长度作为环境温度的函数将可变。 [0126] 在主发条仅在环境温度变化的单一方向上被卷绕的情况下，一个布置在该齿轮和主发条之间的单向传动棘爪是有利的。在卷绕必须发生在环境温度变化的两个方向的情况下，一个布置在该齿轮和主发条之间的换向器是有利地。 [0127] 图6示出本发明的气动机构在手表中的第二示例的装置。 [0128] 与图5中的装置相似，图6中的机构使用一个密封腔30，具有双腔式波纹管的一般形式，其中心角根据其内部压力而可变，并且被放置在手表壳体31的底部。反应物的混合物被放置在该密封腔中，从而其角开口将作为环境温度的函数变化，导致其侧壁的移动。然后，通过一个合适的转换机构，如前面提到的，这种移动能够用来做功。 [0129] 上述说明用于通过非限制性图解的方式来描述特定的实施例，本发明并不限于刚才所描述的特定特征的实施，例如，测试中所提到的化合物。具体而言，其他符合要求的、可在用于卷绕机芯的机械能源的气动机构中采用的化合物，不脱离本发明的范围。可以设想使用其它提供相变的金属合金被涉及到该气动机构的操作，从而获得一个适当大的ΔP/ΔT值。同样地，所述的生产方法是非限制性的，并且仅仅通过示例的方式给出。 [0130] 应当注意到的是，当将其应用到手表时，本发明的气动机构应包括一个腔室，其体积小于5cm3，优选小于2cm3。 [0131] 本领域的技术人员根据其自身的要求修改本发明公开的内容应该没有特别的困难，并且在不脱离本发明的范围的情况下，应该完全能够生产具有上述某些特性的气动卷绕机构。特别是，应当注意到，考虑到相关参数的要求，给出相对宽的取值范围，特别是因为，根据是否要将机芯生产为时钟或手表，这些必须满足的条件有很大的不同。 |
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