JP2014100042A - Alkali metal thermoelectric transducer and operating method thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase a power generation voltage per unit volume of a β alumina solid electrolyte member (BASE) by enlarging an ion driving force without further elevating the temperature of a heat receiving part.SOLUTION: An alkali metal thermoelectric transducer 10 comprises: a sealed container 12 which includes a heat receiving part B exposed under a high-temperature fluid and a heat dissipating part C exposed under a low-temperature fluid and in which a circulation path of an alkali metal is defined to pass these parts B and C; a β alumina solid electrolyte member 30 disposed within the sealed container 12 so as to divide the circulation path at a high-temperature part which is a portion corresponding to the heat-receiving part in the circulation path, into a high-temperature part upstream side at an upstream side and a high-temperature part downstream side at a downstream side; a cathode member 34 disposed at the high-temperature part upstream side; and an anode member 31 disposed at the high-temperature part downstream side. The sealed container 12 is rotated around a rotation axial line A so as to increase a pressure difference between both sides of the β alumina solid electrolyte member 30 by a centrifugal force.

Description

本発明は、アルカリ金属熱電気変換器およびその運転方法に関し、さらに詳細には、βアルミナ固体電解質部材を用いたアルカリ金属熱電気変換器およびその運転方法に関する。   The present invention relates to an alkali metal thermoelectric converter and an operation method thereof, and more particularly to an alkali metal thermoelectric converter using a β alumina solid electrolyte member and an operation method thereof.

熱電気変換器として、ナトリウム(Na)等のアルカリ金属のイオン伝導性を有するβアルミナ固体電解質部材を用いたアルカリ金属熱電気変換器(AMTEC)が知られている(例えば、特許文献1)。   As a thermoelectric converter, an alkali metal thermoelectric converter (AMTEC) using a β alumina solid electrolyte member having ion conductivity of alkali metal such as sodium (Na) is known (for example, Patent Document 1).

AMTECは、高温流体に曝される受熱部と低温流体に曝される放熱部とを有する真空の密閉容器を有し、当該密閉容器内に前記受熱部と前記放熱部とを通過するようにアルカリ金属の循環路が画定され、前記循環路の前記受熱部に対応する部分である高温部において当該循環路を上流側の高温部上流側と下流側の高温部下流側とに区切るように前記密閉容器内にβアルミナ固体電解質部材(BASE)が配置され、前記高温部上流側には陰極部材が配置され、前記高温部下流側には陽極部材が配置されている。   The AMTEC has a vacuum sealed container having a heat receiving part exposed to a high temperature fluid and a heat radiating part exposed to the low temperature fluid, and an alkali is provided so as to pass through the heat receiving part and the heat radiating part in the sealed container. A metal circulation path is defined, and in the high temperature portion that is a portion corresponding to the heat receiving portion of the circulation path, the hermetic passage is divided into an upstream high temperature section upstream and a downstream high temperature section downstream. A β-alumina solid electrolyte member (BASE) is disposed in the container, a cathode member is disposed upstream of the high temperature part, and an anode member is disposed downstream of the high temperature part.

AMTECの動作原理は、アルカリ金属が陰極部材側、すなわち高温部上流側でイオンと電子とに分離し、イオンのみがBASE中を移動し、電子は陰極部材に接続されている外部負荷で電力を発生して陽極部材へ向かう。BASEを通過したイオンはBASEの高温部下流側において陽極部材上の電子と再結合して元のアルカリ金属になる。高温部下流側のアルカリ金属は、低温部において凝縮した後、毛細管力を利用したウィックポンプや電磁ポンプによってBASEの高温部上流側に連続的に輸送され、循環されている。   The operating principle of AMTEC is that the alkali metal is separated into ions and electrons on the cathode member side, that is, on the upstream side of the high temperature part, and only the ions move in the BASE, and the electrons are powered by an external load connected to the cathode member. Generated toward the anode member. The ions that have passed through the BASE recombine with electrons on the anode member downstream of the high temperature portion of the BASE to become the original alkali metal. The alkali metal on the downstream side of the high temperature part is condensed in the low temperature part, and then continuously transported and circulated to the upstream side of the high temperature part of the BASE by a wick pump or an electromagnetic pump using capillary force.

AMTECの発電効率は、BASEを通過するアルカリ金属イオンの量に大きく依存する。アルカリ金属イオンがBASEを通過する駆動力(イオン駆動力)は、BASEの両側の高温部上流側と高温部下流側との圧力差に決まる。   The power generation efficiency of AMTEC largely depends on the amount of alkali metal ions passing through BASE. The driving force (ion driving force) through which the alkali metal ions pass through the BASE is determined by the pressure difference between the high temperature part upstream side and the high temperature part downstream side of the BASE.

従来のAMTECでは、上述の圧力差は、専ら密閉容器の受熱部と放熱部とにおけるアルカリ金属の蒸気圧差、つまり受熱部と放熱部との温度差によって与え、その上で、連続発電のために、毛細管力を利用したウィックポンプや電磁ポンプによってアルカリ金属をBASEの高温部上流側に連続的に輸送することが行われている。   In the conventional AMTEC, the above pressure difference is given solely by the alkali metal vapor pressure difference between the heat receiving part and the heat radiating part of the sealed container, that is, the temperature difference between the heat receiving part and the heat radiating part. In addition, the alkali metal is continuously transported to the upstream side of the high temperature portion of the BASE by a wick pump or an electromagnetic pump using a capillary force.

特許第2601889号公報Japanese Patent No. 2601889

AMTECにおいて、大型化を図らずに、BASEの単位容積当たりの発電電圧(出力密度)を高くするには、前記圧力差を更に大きくしてイオン駆動力を増大する必要がある。このことに対して従来のAMTECでは、イオン駆動力を増大させるために、アルカリ金属の飽和蒸気圧を利用して受熱部の更なる高温化を図る必要がある。しかし、密閉容器等を構成する材料の熱的耐久性の観点から受熱部の更なる高温化には限界があり、廃熱利用によって受熱部を高温化する場合には、高温の廃熱が必要で、利用できる廃熱源が限られることにもなる。   In AMTEC, in order to increase the power generation voltage (output density) per unit volume of BASE without increasing the size, it is necessary to further increase the ion driving force by increasing the pressure difference. On the other hand, in the conventional AMTEC, in order to increase the ion driving force, it is necessary to further increase the temperature of the heat receiving part by using the saturated vapor pressure of alkali metal. However, there is a limit to further increasing the temperature of the heat receiving part from the viewpoint of the thermal durability of the materials that make up the sealed container, etc., and high temperature waste heat is required when the temperature of the heat receiving part is increased by using waste heat. This limits the available waste heat sources.

圧力差を大きくする方法としては、ウィックポンプや電磁ポンプのポンプ能力を大きくすることが考えられる。しかし、ウィックポンプには表面張力に限界があり、電磁ポンプ(〜1気圧)では高効率化が課題になり、また電磁発熱によるエネルギ損失を伴う。   As a method of increasing the pressure difference, it is conceivable to increase the pump capacity of the wick pump or the electromagnetic pump. However, the surface tension of the wick pump is limited, and the efficiency of the electromagnetic pump (up to 1 atm) becomes a problem, and energy loss due to electromagnetic heat generation is accompanied.

本発明が解決しようとする課題は、受熱部の更なる高温化を図ることなくイオン駆動力を増大し、BASEの単位容積当たりの発電電圧を高くすること、また、これまでは大きい圧力差を得ることが困難であった低温熱源の利用を可能にすることである。   The problem to be solved by the present invention is to increase the ion driving force without increasing the temperature of the heat receiving part, to increase the power generation voltage per unit volume of BASE, and to increase the pressure difference so far. It is possible to use a low-temperature heat source that has been difficult to obtain.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、高温流体に曝される受熱部(B)と低温流体に曝される放熱部(C)とを有し、前記受熱部(B)と前記放熱部(C)とを通過するようにアルカリ金属の循環路が画定された密閉容器(12)と、前記循環路の前記受熱部(B)に対応する部分である高温部において前記循環路を上流側の高温部上流側と下流側の高温部下流側とに区切るように前記密閉容器(12)内に配置されたβアルミナ固体電解質部材(30)と、前記高温部上流側に配置された陰極部材(34)と、前記高温部下流側に配置された陽極部材(31)とを有するアルカリ金属熱電気変換器であって、遠心力によって前記アルカリ金属の前記高温部下流側における圧力に対する前記高温部上流側における圧力の差が増大するように所定の回転軸線(A)周りに前記密閉容器(12)を回転させる回転装置(42)を有する。   The alkali metal thermoelectric converter according to the present invention has a heat receiving part (B) exposed to a high temperature fluid and a heat radiating part (C) exposed to a low temperature fluid, and the heat receiving part (B) and the heat radiating part ( C) and an airtight container (12) in which an alkali metal circulation path is defined, and a high temperature part corresponding to the heat receiving part (B) of the circulation path. A β alumina solid electrolyte member (30) disposed in the sealed container (12) so as to be divided into a high temperature part upstream side and a downstream high temperature part downstream side, and a cathode member ( 34) and an anode member (31) disposed on the downstream side of the high temperature part, the alkali metal thermoelectric converter upstream of the high temperature part with respect to the pressure of the alkali metal on the downstream side of the high temperature part by centrifugal force The pressure difference on the side increases Having a predetermined rotation axis rotating device for rotating the closed container (12) to (A) around (42) on.

この構成によれば、遠心力を利用してβアルミナ固体電解質部材(30)の両側の高温部上流側と高温部下流側との圧力差が高くなり、アルカリ金属のイオンがβアルミナ固体電解質部材(30)を通過する駆動力が増大する。これに伴いβアルミナ固体電解質部材(30)の陰極側におけるアルカリ金属のイオンと電子との分離が促進され、受熱部(B)の更なる高温化を図ることなくβアルミナ固体電解質部材(30)の単位容積当たりの発電電圧が高くなる。   According to this configuration, the pressure difference between the high temperature part upstream side and the high temperature part downstream side of both sides of the β alumina solid electrolyte member (30) is increased by utilizing centrifugal force, and alkali metal ions are converted into β alumina solid electrolyte member. The driving force passing through (30) increases. Accordingly, separation of alkali metal ions and electrons on the cathode side of the β-alumina solid electrolyte member (30) is promoted, and the β-alumina solid electrolyte member (30) can be obtained without further increasing the temperature of the heat receiving portion (B). The generated voltage per unit volume of becomes higher.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、好ましくは、前記高温部上流側は、前記低温部よりも前記回転軸線Aの径方向外方に配置されている部分を含んでいる。   In the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention, preferably, the upstream side of the high temperature portion includes a portion disposed radially outward of the rotation axis A from the low temperature portion.

この構成によれば、回転軸線(A)周りの密閉容器(12)の回転による遠心力によって、低温部から高温部上流側へアルカリ金属が輸送され、βアルミナ固体電解質部材(30)の両側の高温部上流側と高温部下流側との圧力差が高まる。   According to this configuration, the alkali metal is transported from the low temperature part to the high temperature part upstream side by the centrifugal force caused by the rotation of the sealed container (12) around the rotation axis (A), and the both sides of the β alumina solid electrolyte member (30) are transported. The pressure difference between the high temperature part upstream side and the high temperature part downstream side increases.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、好ましくは、前記低温部が前記高温部上流側に連通する部分は、当該低温部が前記高温部下流側に連通する部分に対して前記回転軸線(A)の径方向外方に配置されている。   In the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention, preferably, the portion where the low temperature part communicates with the upstream side of the high temperature part is the rotation axis (A) with respect to the part where the low temperature part communicates with the downstream side of the high temperature part. ) Is arranged radially outward.

この構成によれば、回転軸線(A)周りの密閉容器(12)の回転による遠心力によって、低温部から高温部上流側へアルカリ金属が輸送され、βアルミナ固体電解質部材(30)の両側の高温部上流側と高温部下流側との圧力差が高まる。   According to this configuration, the alkali metal is transported from the low temperature part to the high temperature part upstream side by the centrifugal force caused by the rotation of the sealed container (12) around the rotation axis (A), and the both sides of the β alumina solid electrolyte member (30) are transported. The pressure difference between the high temperature part upstream side and the high temperature part downstream side increases.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、好ましくは、前記高温部下流側は前記βアルミナ固体電解質部材(30)の配置位置より前記回転軸線(A)の径方向内方において前記低温部に連通している。   In the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention, preferably, the downstream side of the high temperature portion communicates with the low temperature portion radially inward of the rotation axis (A) from the arrangement position of the β alumina solid electrolyte member (30). doing.

この構成によれば、低温部を回転軸線(A)の径方向に延在させることができる。なお、高温部下流側ではアルカリ金属は密度が低い気体であるため、遠心力の影響を受け難く、高温部下流側から低温部へと移動することができ、アルカリ金属の循環は阻害されない。   According to this configuration, the low temperature portion can be extended in the radial direction of the rotation axis (A). In addition, since the alkali metal is a gas having a low density on the downstream side of the high temperature part, the alkali metal is hardly affected by the centrifugal force, and can move from the downstream side of the high temperature part to the low temperature part, and the circulation of the alkali metal is not hindered.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、好ましくは、前記高温部は前記密閉容器(12)の前記回転軸線(A)に沿う方向における一側に配置され、前記低温部は前記密閉容器の前記回転軸線(A)に沿う方向における他側に配置されている。   In the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention, preferably, the high temperature portion is disposed on one side in the direction along the rotation axis (A) of the sealed container (12), and the low temperature portion is the one of the sealed container. It arrange | positions in the other side in the direction in alignment with a rotating shaft line (A).

この構成によれば、高温部と低温部とが一つの回転軸線(A)上に存在するから、密閉容器(12)が回転軸線(A)周りに回転しても、高温部及び低温部の回転軸線(A)に沿う方向の位置が変わることがなく、受熱部は常に高温流体に曝される定位置に、放熱部は常に高温流体に曝される定位置に各々配置される。   According to this configuration, since the high temperature part and the low temperature part exist on one rotation axis (A), even if the sealed container (12) rotates around the rotation axis (A), the high temperature part and the low temperature part The position in the direction along the rotational axis (A) does not change, the heat receiving part is always located at a fixed position where it is exposed to the high temperature fluid, and the heat radiating part is always located at a fixed position where it is exposed to the high temperature fluid.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、好ましくは、前記高温部は前記低温部に対して鉛直上方側に配置されている。   In the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention, preferably, the high temperature part is arranged vertically above the low temperature part.

この構成によれば、高温部から低温部へのアルカリ金属の流れに重力が作用し、高温部から低温部へのアルカリ金属の流れが円滑になると共に、再始動に備えてアルカリ金属を低温部に溜められる。   According to this configuration, gravity acts on the flow of the alkali metal from the high temperature portion to the low temperature portion, the flow of the alkali metal from the high temperature portion to the low temperature portion becomes smooth, and the alkali metal is removed from the low temperature portion in preparation for restart. Can be stored.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、好ましくは、βアルミナ固体電解質(30)の前記高温部上流側の面に凸部(33、37)が一体形成されている。   In the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention, preferably, convex portions (33, 37) are integrally formed on the surface of the β alumina solid electrolyte (30) on the upstream side of the high temperature portion.

この構成によれば、凸部(33、37)によってβアルミナ固体電解質(30)の高温部上流側、つまりアノード側におけるβアルミナ固体電解質(30)とアルカリ金属との接触面積が増大する。それに伴いβアルミナ固体電解質(30)を通過するイオン量が増加することに応じてアノード側で分離する電子量が増え、発電容量が増大する。   According to this configuration, the contact area between the β-alumina solid electrolyte (30) and the alkali metal on the upstream side of the high-temperature part of the β-alumina solid electrolyte (30), that is, the anode side is increased by the convex portions (33, 37). Accordingly, as the amount of ions passing through the β-alumina solid electrolyte (30) increases, the amount of electrons separated on the anode side increases, and the power generation capacity increases.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、好ましくは、前記密閉容器(12)は、円盤状中空部(16)を内部に画定する円盤部(14)と、前記円盤部(14)の一方の盤面側の外周部から軸線方向に突出するように周方向に間隔をおいて配置され、前記円盤状中空部に連通する第1の円柱状中空部(20)を内部に画定する複数の外側筒部(18)と、前記円盤部(14)の他方の盤面側の中心部から軸線方向に突出し、前記円盤状中空部(16)に連通する第2の円柱状中空部(24)を内部に画定する中心筒部(22)と、前記円盤状中空部(16)を、それぞれ、前記一方の盤面側及び前記他方の盤面側に位置する第1の円盤状中空部(16A)及び第2の円盤状中空部(16B)に区画する円盤状内部隔壁(26)と、前記円盤状内部隔壁(26)の中心部から、前記中心筒部(22)の内部を径方向に区分するように、前記中心筒部(22)の突出端近傍に至るまで延出し、前記第1の円盤状中空部(16A)を前記第2の円柱状中空部(24)の突出端近傍に連通させる筒状内部隔壁(28)とを有し、前記βアルミナ固体電解質部材(30)は、前記円盤状内部隔壁(26)から前記第1の円柱状中空部(20)内に、前記外側筒部(18)の内部を径方向に区分するように突出し、かつ、先端を閉じられ、前記第2の円盤状中空部(16B)に連通する内室(20A)を有する筒体により構成される。   In the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention, preferably, the sealed container (12) includes a disk part (14) defining a disk-shaped hollow part (16) therein, and one of the disk parts (14). A plurality of outer cylinders which are arranged at intervals in the circumferential direction so as to protrude in the axial direction from the outer peripheral portion on the disk surface side and which define a first cylindrical hollow portion (20) communicating with the disc-shaped hollow portion inside A second cylindrical hollow portion (24) projecting in the axial direction from the center portion on the other disc surface side of the portion (18) and the disc portion (14) and communicating with the disc-like hollow portion (16) A first cylindrical hollow portion (16A) and a second hollow cylindrical portion (22) that define the central cylindrical portion (22) and the disk-shaped hollow portion (16) are positioned on the one disk surface side and the other disk surface side, respectively. A disc-shaped inner partition wall (26) partitioned into a disc-shaped hollow portion (16B), and the circle Extending from the center of the inner wall partition (26) to the vicinity of the projecting end of the center tube (22) so as to divide the inside of the center tube (22) in the radial direction, A cylindrical inner partition wall (28) that communicates the disk-shaped hollow portion (16A) in the vicinity of the protruding end of the second cylindrical hollow portion (24), and the β alumina solid electrolyte member (30) The disk-shaped inner partition wall (26) projects into the first cylindrical hollow portion (20) so as to divide the inside of the outer cylindrical portion (18) in the radial direction, and the tip is closed. It is comprised by the cylinder which has an inner chamber (20A) connected to 2 disk shaped hollow parts (16B).

この構成によれば、回転する一つの密閉容器(12)に複数個のβアルミナ固体電解質部材(30)が組み込まれていることにより、発電電圧が高い変換器が得られる。   According to this configuration, a converter having a high generated voltage can be obtained by incorporating a plurality of β-alumina solid electrolyte members (30) in one rotating sealed container (12).

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、好ましくは、前記中心筒部(22)は前記回転軸線(A)と同心に配置されている。   In the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention, preferably, the central tube portion (22) is arranged concentrically with the rotation axis (A).

この構成によれば、密閉容器(12)の回転軸線(A)周りの回転において、偏心荷重による回転バランスの不均衡が生じない。   According to this configuration, in the rotation around the rotation axis (A) of the sealed container (12), there is no imbalance in the rotation balance due to the eccentric load.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、好ましくは、前記第1の円盤状中空部(16A)と前記中心筒部(22)の内部との連通部に、前記の流れを絞る絞り部(32)が形成されている。   The alkali metal thermoelectric converter according to the present invention preferably has a throttle part (32) for restricting the flow at a communication part between the first disc-shaped hollow part (16A) and the inside of the central cylinder part (22). ) Is formed.

この構成によれば、密閉容器(12)の回転時に、中心筒部(22)内のアルカリ金属が第1の円盤状中空部(16A)へ逆流することが抑制される。   According to this configuration, when the sealed container (12) is rotated, the alkali metal in the central cylindrical portion (22) is prevented from flowing back to the first disk-shaped hollow portion (16A).

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、好ましくは、前記中心筒部(22)は、円筒体により構成され、内周面(22B)が前記円盤部(14)の側から突出端側に向かうに従って内径が小さくなるテーパ形状になっている。   In the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention, preferably, the central tube portion (22) is formed of a cylindrical body, and an inner peripheral surface (22B) is directed from the disk portion (14) side to a protruding end side. Accordingly, the taper shape has a smaller inner diameter.

この構成によれば、遠心力によって内周面(22B)に押し付けられたアルカリ金属に上向きの流れ成分が与えられ、中心筒部(22)内より円盤部(14)の側へ向かうアルカリ金属の流れが円滑になる。   According to this structure, the upward flow component is given to the alkali metal pressed against the inner peripheral surface (22B) by the centrifugal force, and the alkali metal is directed from the center tube portion (22) toward the disk portion (14). The flow becomes smooth.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、好ましくは、前記筒状内部隔壁(28)は、円筒体により構成され、内周面(28A)が前記円盤状内部隔壁(26)の側から延出端側に向かうに従って内径が大きくなるテーパ形状になっている。   In the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention, preferably, the cylindrical inner partition wall (28) is formed of a cylindrical body, and an inner peripheral surface (28A) extends from the disk-shaped inner partition wall (26) side. It has a tapered shape in which the inner diameter increases toward the end side.

この構成によれば、遠心力によって内周面(28A)に押し付けられたアルカリ金属に下向きの流れ成分が与えられ、中心筒部(22)内を降下するアルカリ金属の流れが円滑になる。   According to this structure, the downward flow component is given to the alkali metal pressed against the inner peripheral surface (28A) by the centrifugal force, and the flow of the alkali metal descending in the center tube portion (22) becomes smooth.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、一つの使用例として、前記受熱部が内燃機関の排気ガスと熱交換可能に配置され、排気ガスを熱源として動作する。   The alkali metal thermoelectric converter according to the present invention, as one example of use, is arranged such that the heat receiving part is capable of exchanging heat with the exhaust gas of the internal combustion engine, and operates using the exhaust gas as a heat source.

この使用例によれば、廃熱利用によってアルカリ金属熱電気変換器が動作する。   According to this use example, the alkali metal thermoelectric converter operates by using waste heat.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器の運転方法は、高温流体に曝される受熱部(B)と低温流体に曝される放熱部(C)とを有し、前記受熱部(B)と前記放熱部(C)とを通過するようにアルカリ金属の循環路が画定された密閉容器(12)と、前記循環路の前記受熱部(B)に対応する部分である高温部において前記循環路を上流側の高温部上流側と下流側の高温部下流側とに区切るように前記密閉容器(12)内に配置されたβアルミナ固体電解質部材(30)と、前記高温部上流側に配置された陰極部材(34)と、前記高温部下流側に配置された陽極部材(31)とを有するアルカリ金属熱電気変換器の運転方法であって、前記アルカリ金属の前記高温部下流側における圧力に対する前記高温部上流側における圧力の差が増大するように、前記密閉容器(12)を所定の回転軸線(A)周りに回転させ、前記アルカリ金属に遠心力を与える。   The operation method of the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention includes a heat receiving portion (B) exposed to a high temperature fluid and a heat radiating portion (C) exposed to a low temperature fluid, and the heat receiving portion (B) and the above In the sealed container (12) in which an alkali metal circulation path is defined so as to pass through the heat radiating part (C), and in the high temperature part corresponding to the heat receiving part (B) of the circulation path, Β-alumina solid electrolyte member (30) disposed in the sealed container (12) so as to be divided into an upstream high-temperature part upstream side and a downstream high-temperature part downstream side, and a high-temperature part upstream side An operation method of an alkali metal thermoelectric converter having a cathode member (34) and an anode member (31) arranged on the downstream side of the high temperature part, the pressure against the pressure of the alkali metal on the downstream side of the high temperature part Increased pressure difference upstream of hot section So that the said closed container (12) is rotated to a predetermined rotational axis (A) around it gives centrifugal force to the alkali metal.

この運転方法によれば、遠心力を利用してβアルミナ固体電解質部材(30)の両側の高温部上流側と高温部下流側との圧力差が高くなり、アルカリ金属のイオンがβアルミナ固体電解質部材(30)を通過する駆動力が増大する。これに伴いβアルミナ固体電解質部材(30)の陰極側におけるアルカリ金属のイオンと電子との分離が促進され、受熱部(B)の更なる高温化を図ることなくβアルミナ固体電解質部材(30)の単位容積当たりの発電電圧が高くなる。   According to this operation method, the pressure difference between the high temperature part upstream side and the high temperature part downstream side of both sides of the β alumina solid electrolyte member (30) is increased by utilizing centrifugal force, and alkali metal ions are converted into β alumina solid electrolyte. The driving force passing through the member (30) increases. Accordingly, separation of alkali metal ions and electrons on the cathode side of the β-alumina solid electrolyte member (30) is promoted, and the β-alumina solid electrolyte member (30) can be obtained without further increasing the temperature of the heat receiving portion (B). The generated voltage per unit volume of becomes higher.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器の運転方法は、好ましくは、前記密閉容器(12)を前記βアルミナ固体電解質部材(30)の配置位置に対して回転半径方向に離れた位置にある回転軸線(A)周りに回転させる。   The operation method of the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention is preferably such that the hermetic container (12) is located at a position away from the arrangement position of the β-alumina solid electrolyte member (30) in the rotational radial direction. (A) Rotate around.

この運転方法によれば、密閉容器(12)の回転軸線(A)周りの回転によってβアルミナ固体電解質部材(30)の配置位置に遠心力が作用し、βアルミナ固体電解質部材(30)の両側の高温部上流側と高温部下流側との圧力差が高くなる。   According to this operation method, the centrifugal force acts on the arrangement position of the β-alumina solid electrolyte member (30) by the rotation around the rotation axis (A) of the sealed container (12), and both sides of the β-alumina solid electrolyte member (30) are applied. The pressure difference between the upstream side of the high temperature part and the downstream side of the high temperature part becomes high.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器の運転方法は、好ましくは、前記遠心力によって前記βアルミナ固体電解質部材(30)の上流側と下流側との前記アルカリ金属の圧力差を高め、前記βアルミナ固体電解質部材(30)の陰極側における前記アルカリ金属のイオンと電子との分離を促進するように前記遠心力の大きさを設定する。   The operation method of the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention preferably increases the pressure difference of the alkali metal between the upstream side and the downstream side of the β alumina solid electrolyte member (30) by the centrifugal force. The magnitude of the centrifugal force is set so as to promote the separation of the alkali metal ions and electrons on the cathode side of the solid electrolyte member (30).

この運転方法によれば、遠心力によってβアルミナ固体電解質部材(30)の陰極側における前記アルカリ金属のイオンと電子との分離が促進される。   According to this operation method, the separation of the alkali metal ions and electrons on the cathode side of the β-alumina solid electrolyte member (30) is promoted by centrifugal force.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器によれば、遠心力を利用してβアルミナ固体電解質部材の両側の高温部上流側と高温部下流側との圧力差が高くなり、アルカリ金属のイオンがβアルミナ固体電解質部材を通過する駆動力が増大する。受熱部の更なる高温化を図ることなくβアルミナ固体電解質部材の単位容積当たりの発電電圧が高くなる。   According to the alkali metal thermoelectric converter of the present invention, the pressure difference between the high temperature part upstream side and the high temperature part downstream side of both sides of the β alumina solid electrolyte member is increased by utilizing centrifugal force, and the alkali metal ions are converted into β. The driving force passing through the alumina solid electrolyte member is increased. The power generation voltage per unit volume of the β alumina solid electrolyte member is increased without further increasing the temperature of the heat receiving portion.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器の第1の実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows 1st Embodiment of the alkali metal thermoelectric converter by this invention. 第1の実施形態によるアルカリ金属熱電気変換器の平面図。The top view of the alkali metal thermoelectric converter by 1st Embodiment. 本発明によるアルカリ金属熱電気変換器の第2の実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows 2nd Embodiment of the alkali metal thermoelectric converter by this invention. 本発明によるアルカリ金属熱電気変換器の第3の実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows 3rd Embodiment of the alkali metal thermoelectric converter by this invention. 図4の線V−Vに沿った拡大断面図。FIG. 5 is an enlarged sectional view taken along line VV in FIG. 4. 本発明によるアルカリ金属熱電気変換器の第4の実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows 4th Embodiment of the alkali metal thermoelectric converter by this invention. 第4の実施形態によるアルカリ金属熱電気変換器の平面図。The top view of the alkali metal thermoelectric converter by 4th Embodiment. 本発明によるアルカリ金属熱電気変換器の使用例を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the usage example of the alkali metal thermoelectric converter by this invention. 本発明によるアルカリ金属熱電気変換器の他の実施形態を示す概略構成図The schematic block diagram which shows other embodiment of the alkali metal thermoelectric converter by this invention

以下に、本発明によるアルカリ金属熱電気変換器の第1の実施形態を、図1、図2を参照して説明する。   Below, 1st Embodiment of the alkali metal thermoelectric converter by this invention is described with reference to FIG. 1, FIG.

アルカリ金属熱電気変換器(AMTEC)10は、外殻をなす密閉容器12を有する。密閉容器12は、ステンレス鋼等、高熱伝導性と高耐熱性とを備えた金属により構成されている。   An alkali metal thermoelectric converter (AMTEC) 10 has an airtight container 12 that forms an outer shell. The hermetic container 12 is made of a metal having high thermal conductivity and high heat resistance, such as stainless steel.

密閉容器12は水平に配置された一つの円盤部14を有する。円盤部14は円盤状中空部16を内部に画定している。   The hermetic container 12 has a single disk portion 14 disposed horizontally. The disk portion 14 defines a disk-shaped hollow portion 16 therein.

円盤部14の上方の盤面側(上側盤面)には、当該円盤部14の外周部から軸線方向上側に鉛直に突出した複数の外側円筒部18が周方向に等間隔をおいて、円盤部14の中心に対して点対称の位置に配置されている。複数の外側円筒部18は、各々、上端を上部端壁18Aによって閉じられ、下端側にて円盤状中空部16に連通する第1の円柱状中空部20を内部に画定している。   On the disk surface side (upper disk surface) above the disk portion 14, a plurality of outer cylindrical portions 18 projecting vertically upward from the outer peripheral portion of the disk portion 14 in the axial direction are equally spaced in the circumferential direction. It is arranged at a point-symmetrical position with respect to the center. Each of the plurality of outer cylindrical portions 18 has an upper end closed by an upper end wall 18A, and defines a first columnar hollow portion 20 communicating with the disk-shaped hollow portion 16 on the lower end side.

円盤部14の下方の盤面側(下側盤面)には、当該円盤部14の中心部から軸線方向下側に鉛直に突出した一つの中心円筒部22が配置されている。中心円筒部22は、下端を下部端壁22Aによって閉じられ、上端側にて円盤状中空部16に連通する第2の円柱状中空部24を内部に画定している。   On the disk surface side (lower disk surface) below the disk portion 14, one central cylindrical portion 22 that protrudes vertically downward from the center portion of the disk portion 14 in the axial direction is disposed. The central cylindrical portion 22 has a lower end closed by a lower end wall 22A and defines a second columnar hollow portion 24 communicating with the disk-shaped hollow portion 16 on the upper end side.

円盤部14内には円盤状内部隔壁26が水平に設けられている。円盤状内部隔壁26は、円盤状中空部16を、上方の盤面側に位置する上側円盤状中空部(第1の円盤状中空部)16Aと、下方の盤面側に位置する下側円盤状中空部(第2の円盤状中空部)16Bとに区画している。   A disc-shaped inner partition wall 26 is horizontally provided in the disc portion 14. The disk-shaped inner partition wall 26 includes a disk-shaped hollow portion 16 having an upper disk-shaped hollow portion (first disk-shaped hollow portion) 16A positioned on the upper disk surface side and a lower disk-shaped hollow positioned on the lower disk surface side. Section (second disk-shaped hollow portion) 16B.

中心円筒部22内には当該中心円筒部22と同心に円筒状内部隔壁28が鉛直に設けられている。円筒状内部隔壁28は、中心円筒部22の内部を径方向に区分するように、円盤状内部隔壁26の中心部から第2の円柱状中空部24内を中心円筒部22の突出端(下端)近傍に至るまで延出し、自身の筒内空間(内側中空部24A)をもって上側円盤状中空部16Aを第2の円柱状中空部24の突出端(下端)近傍に連通させる。   A cylindrical inner partition wall 28 is provided vertically in the central cylindrical portion 22 concentrically with the central cylindrical portion 22. The cylindrical inner partition wall 28 protrudes from the center of the disk-shaped inner partition wall 26 into the second cylindrical hollow portion 24 so as to divide the inside of the center cylindrical portion 22 in the radial direction (lower end). ) Extends to the vicinity, and communicates the upper disk-shaped hollow portion 16A with the vicinity of the protruding end (lower end) of the second columnar hollow portion 24 with its own in-cylinder space (inner hollow portion 24A).

つまり、円筒状内部隔壁28は、第2の円柱状中空部24を、上端側にて上側円盤状中空部16Aに連通する内側中空部24Aと、上端側にて下側円盤状中空部16Bに連通する外側中空部24Bとに区画している。円筒状内部隔壁28は下部端壁22Aに接合することはなく、円筒状内部隔壁28の下端と下部端壁22Aとの間に間隙があることにより、内側中空部24Aと外側中空部24Bとは、円筒状内部隔壁28の下端側にて互いに連通している。   That is, the cylindrical inner partition wall 28 has the second columnar hollow portion 24 connected to the inner hollow portion 24A communicating with the upper disk-shaped hollow portion 16A on the upper end side and the lower disk-shaped hollow portion 16B on the upper end side. It divides into the outer hollow part 24B which connects. The cylindrical inner partition wall 28 is not joined to the lower end wall 22A, and there is a gap between the lower end of the cylindrical inner partition wall 28 and the lower end wall 22A, so that the inner hollow portion 24A and the outer hollow portion 24B are The cylindrical inner partition wall 28 communicates with the lower end side.

円盤状内部隔壁26には円盤状内部隔壁26から第1の円柱状中空部20内に鉛直に延出したβアルミナ固体電解質部材(BASE)30が取り付けられている。BASE30は、好ましいものとして、高温雰囲気中でナトリウム(Na)等のアルカリ金属のイオンを伝導する特性(イオン導電性)を有するβ"アルミナの焼結材によって構成されている。   A β-alumina solid electrolyte member (BASE) 30 extending vertically from the disk-shaped inner partition wall 26 into the first cylindrical hollow portion 20 is attached to the disk-shaped inner partition wall 26. The BASE 30 is preferably made of a β ”alumina sintered material having a characteristic (ion conductivity) of conducting alkali metal ions such as sodium (Na) in a high temperature atmosphere.

BASE30は、先端(上端)を閉じられた円筒体をなし、外側円筒部18内に当該外側円筒部18と同心に配置されて外側円筒部18内を径方向に区分し、下端側にて下側円盤状中空部16Bに連通する内室20Aを有する。BASE30の外側には外側円筒部18との間に下端側にて上側円盤状中空部16Aに連通する外室20Bが画定されている。つまりBASE30は、第1の円柱状中空部20を、下端側にて下側円盤状中空部16Bに連通する内室20Aと、下端側にて上側円盤状中空部16Aに連通する外室20Bとに区画している。   The BASE 30 has a cylindrical body with a closed tip (upper end), and is disposed concentrically with the outer cylindrical portion 18 in the outer cylindrical portion 18 so as to divide the outer cylindrical portion 18 in the radial direction, and on the lower end side. The inner chamber 20A communicates with the side disk-shaped hollow portion 16B. An outer chamber 20B communicating with the upper disk-shaped hollow portion 16A is defined between the outer cylindrical portion 18 and the outer cylindrical portion 18 at the lower end side. That is, the BASE 30 includes an inner chamber 20A that communicates the first cylindrical hollow portion 20 with the lower disc-shaped hollow portion 16B at the lower end side, and an outer chamber 20B that communicates with the upper disc-shaped hollow portion 16A at the lower end side. It is divided into.

外室20Bには導電性と通気性とを有する三次元網目構造の発泡金属体(多孔質金属体)が充填されている。発泡金属体は、BASE30の外周面(カソード側)と外側円筒部18の内周面とに導電関係で接触する円筒部分を含み、陽極(カソード)部材31をなしている。陽極部材31は同時にBASE30を外側円筒部18内の所定位置に支持する支持部材を兼ねている。   The outer chamber 20B is filled with a foam metal body (porous metal body) having a three-dimensional network structure having conductivity and air permeability. The foam metal body includes a cylindrical portion that contacts the outer peripheral surface (cathode side) of the BASE 30 and the inner peripheral surface of the outer cylindrical portion 18 in a conductive relationship, and forms an anode (cathode) member 31. The anode member 31 also serves as a support member that supports the BASE 30 at a predetermined position in the outer cylindrical portion 18 at the same time.

上述したように、密閉容器12内には、上側円盤状中空部16A、下側円盤状中空部16B、内室20A、外室20B、内側中空部24A、外側中空部24Bが画成され、これらの空間には、真空雰囲気で、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。なお、図1において、水平破線模様部分は液体のアルカリ金属の存在を、網点模様部分は気体のアルカリ金属の存在を各々示している。   As described above, in the sealed container 12, the upper disc-shaped hollow portion 16A, the lower disc-shaped hollow portion 16B, the inner chamber 20A, the outer chamber 20B, the inner hollow portion 24A, and the outer hollow portion 24B are defined. The space is filled with an alkali metal such as sodium in a vacuum atmosphere. In FIG. 1, the horizontal broken line pattern portion indicates the presence of liquid alkali metal, and the halftone dot pattern portion indicates the presence of gaseous alkali metal.

密閉容器12のうち、内室20A、外室20Bに対応する部分(外側円筒部18)、すなわち密閉容器12の鉛直上方側は、高温流体に曝される受熱部Bになっている。これに対して内側中空部24A、外側中空部24Bに対応する部分(中心円筒部22)、すなわち密閉容器12の鉛直下方側は、低温流体に曝される放熱部Cになっている。   Of the sealed container 12, portions corresponding to the inner chamber 20 </ b> A and the outer chamber 20 </ b> B (the outer cylindrical portion 18), that is, the vertically upper side of the sealed container 12 is a heat receiving part B that is exposed to a high-temperature fluid. On the other hand, the portion corresponding to the inner hollow portion 24A and the outer hollow portion 24B (the central cylindrical portion 22), that is, the vertically lower side of the sealed container 12 is a heat radiating portion C that is exposed to a low-temperature fluid.

このようにして、アルカリ金属が内側中空部24Aから外側中空部24Bと下側円盤状中空部16Bと内室20AとBASE30と外室20B(陽極部材31)と上側円盤状中空部16Aとを経て内側中空部24Aに戻り、途中で放熱部Cと受熱部Bとを通過する、閉じられたループによるアルカリ金属の循環路が画定される。BASE30は、上述の循環路の受熱部Bに対応する部分である高温部において、当該循環路を上流側の高温部上流側(内室20A)と下流側の高温部下流側(外室20B)とに区切るように密閉容器12内に配置されることになる。上側円盤状中空部16Aと内側中空部24Aとの連通部にはアルカリ金属の流れを絞る絞り部32が形成されている。   In this way, the alkali metal passes from the inner hollow portion 24A to the outer hollow portion 24B, the lower disc-shaped hollow portion 16B, the inner chamber 20A, the BASE 30, the outer chamber 20B (anode member 31), and the upper disc-shaped hollow portion 16A. Returning to the inner hollow portion 24A, an alkali metal circulation path is defined by a closed loop that passes through the heat radiating portion C and the heat receiving portion B on the way. The BASE 30 is a portion corresponding to the heat receiving part B of the above-described circulation path, and the upstream side of the circulation path is the upstream side of the high temperature part (inner chamber 20A) and the downstream side of the high temperature part (outer chamber 20B). It arrange | positions in the airtight container 12 so that it may divide into. A throttle part 32 for restricting the flow of the alkali metal is formed at the communication part between the upper disk-shaped hollow part 16A and the inner hollow part 24A.

円盤部14には、高温部上流側、つまり内室20A内に位置する棒状の陰極(アノード)部材34が電気絶縁部材36を介して取り付けられている。陰極部材34は、内室20Aに充満される液体のアルカリ金属の導電性によってBASE30の内周面(アノード側))に導通接続される。   A rod-shaped cathode (anode) member 34 positioned on the upstream side of the high temperature portion, that is, in the inner chamber 20 </ b> A, is attached to the disk portion 14 via an electrical insulating member 36. The cathode member 34 is conductively connected to the inner peripheral surface (anode side) of the BASE 30 by the conductivity of the liquid alkali metal that fills the inner chamber 20A.

密閉容器12の下底部、つまり中心円筒部22の下部端壁22Aには、下部端壁22Aから下方に延出した中心円筒部22と同心の回転中心軸38が設けられている。回転中心軸38はカップリング40によって回転装置である電動モータ42の回転出力軸(ロータ軸)44にトルク伝達関係で連結されている。電動モータ42のステータ側のケーシング46は、固定側部材48に固定されている。電動モータ42は中心円筒部22の中心を通って鉛直に延在する回転軸線A周りに密閉容器12を回転させる。BASE30は回転軸線Aより半径方向外方に離れた位置にある。   A rotation center shaft 38 concentric with the central cylindrical portion 22 extending downward from the lower end wall 22A is provided on the lower bottom portion of the sealed container 12, that is, the lower end wall 22A of the central cylindrical portion 22. The rotation center shaft 38 is connected by a coupling 40 to a rotation output shaft (rotor shaft) 44 of an electric motor 42 as a rotating device in a torque transmission relationship. A casing 46 on the stator side of the electric motor 42 is fixed to a fixed side member 48. The electric motor 42 rotates the hermetic container 12 around the rotation axis A extending vertically through the center of the central cylindrical portion 22. The BASE 30 is located at a position radially outward from the rotation axis A.

回転中心軸38の外周部には電気絶縁部材50を介して陰極用スリップリング52が取り付けられている。陰極用スリップリング52は密閉容器12の外周面に電気絶縁部材54を介して形成された導電部56及びリード線58によって陰極部材34に導通接続されている。回転中心軸38の外周部には陽極用スリップリング60が直接に取り付けられている。陽極用スリップリング60は密閉容器12自体の導電性によって陽極部材31に導通接続されている。陰極用スリップリング52と陽極用スリップリング60とは、各々集電ブラシ(図示省略)が個別に摺接し、回転している密閉容器12より外部(固定側)に集電できる構造になっており、外部負荷(図示省略)が接続される。   A cathode slip ring 52 is attached to the outer peripheral portion of the rotation center shaft 38 via an electrical insulating member 50. The cathode slip ring 52 is conductively connected to the cathode member 34 by a conductive portion 56 and a lead wire 58 formed on the outer peripheral surface of the sealed container 12 via an electric insulating member 54. An anode slip ring 60 is directly attached to the outer peripheral portion of the rotation center shaft 38. The anode slip ring 60 is conductively connected to the anode member 31 by the conductivity of the sealed container 12 itself. Each of the cathode slip ring 52 and the anode slip ring 60 has a structure in which a current collecting brush (not shown) is in sliding contact with each other and can collect current from the rotating sealed container 12 to the outside (fixed side). An external load (not shown) is connected.

なお、本実施形態では、密閉容器12自体の導電性を利用して陽極部材31と陽極用スリップリング60との電気的導通を取るものにおいて、低温側のアルカリ金属との短絡を避けた電極導通構造が成立するよう、円盤状内部隔壁26及び円筒状内部隔壁28は電気絶縁材料によって構成され、円盤部14が下側円盤状中空部16Bの底面をなす面と中心円筒部22の内周面22Bは電気絶縁被膜層23によって絶縁被覆されている。   In the present embodiment, the electrical connection between the anode member 31 and the anode slip ring 60 using the electrical conductivity of the sealed container 12 itself, and the electrode conduction avoiding a short circuit with the alkali metal on the low temperature side. The disk-like inner partition wall 26 and the cylindrical inner partition wall 28 are made of an electrically insulating material so that the structure is established, and the disk portion 14 forms the bottom surface of the lower disk-shaped hollow portion 16B and the inner peripheral surface of the central cylindrical portion 22. 22B is insulatively coated with an electrically insulating coating layer 23.

上述の構成によるAMTEC10には、密閉容器12が電動モータ42によって回転軸線A周りに回転されることにより、遠心力が生じる。ここでは、遠心力によってアルカリ金属の高温部下流側(外室20B)における圧力に対する高温部上流側(内室20A)における圧力の差が増大し、BASE30の陰極側におけるアルカリ金属のイオンと電子との分離を促進する大きさの遠心力が得られるように密閉容器12の回転速度を設定する。   In the AMTEC 10 having the above-described configuration, the sealed container 12 is rotated around the rotation axis A by the electric motor 42, thereby generating a centrifugal force. Here, the difference in pressure on the upstream side of the high temperature part (inner chamber 20A) with respect to the pressure on the downstream side of the high temperature part of the alkali metal (outer chamber 20B) is increased by centrifugal force, and ions and electrons of alkali metal on the cathode side of the BASE 30 are increased. The rotational speed of the sealed container 12 is set so that a centrifugal force having a magnitude that promotes the separation of the closed container 12 is obtained.

前述した循環路中のアルカリ金属は、放熱部Cに対応する低温部である外側中空部24Bにおいて、放熱によって気体より凝縮して液体になる。気体アルカリ金属より高密度である液体アルカリ金属は、遠心力によって中心円筒部22の内周面22Bに押し付けられながら液面が上昇するようにして中心円筒部22の内周面22Bに沿って外側中空部24Bを上昇し、下側円盤状中空部16Bに至る。そして液体アルカリ金属は下側円盤状中空部16Bを径方向外方へ流れて高温部上流側である内室20Aに輸送される。   The alkali metal in the above-described circulation path is condensed from the gas by the heat radiation into the liquid in the outer hollow portion 24B which is the low temperature portion corresponding to the heat radiation portion C. The liquid alkali metal, which has a higher density than the gaseous alkali metal, moves outward along the inner peripheral surface 22B of the central cylindrical portion 22 such that the liquid level rises while being pressed against the inner peripheral surface 22B of the central cylindrical portion 22 by centrifugal force. The hollow portion 24B is lifted and reaches the lower disk-shaped hollow portion 16B. Then, the liquid alkali metal flows radially outward in the lower disc-shaped hollow portion 16B and is transported to the inner chamber 20A on the upstream side of the high temperature portion.

内室20Aに輸送された液体アルカリ金属は内室20Aにおいてアルカリ金属イオンと電子とに分離し、イオンのみがBASE30中を移動する。分離した電子は、陰極部材34より陰極用スリップリング52を経て図示されていない外部負荷へ移動し、外部負荷より陽極用スリップリング60を経て陽極部材31へ向かう。BASE30を通過したイオンは高温部下流側である外室20Bにおいて陽極部材31上の電子と再結合し、気体のアルカリ金属になる。   The liquid alkali metal transported to the inner chamber 20A is separated into alkali metal ions and electrons in the inner chamber 20A, and only the ions move through the BASE 30. The separated electrons move from the cathode member 34 to the external load (not shown) through the cathode slip ring 52, and travel from the external load to the anode member 31 through the anode slip ring 60. The ions that have passed through the BASE 30 recombine with electrons on the anode member 31 in the outer chamber 20B on the downstream side of the high temperature portion, and become gaseous alkali metal.

気体アルカリ金属は、陽極部材31を通過して上側円盤状中空部16Aを遠心力に抗して拡散するように径方向内方に移動し、絞り部32を通過して内側中空部24Aを下方に流れ、外側中空部24Bに戻る。この気体アルカリ金属の流れは、遠心力によって外側中空部24Bを上昇するアルカリ金属の流れに引かれるようにして生じる。絞り部32は、密閉容器12の回転時及び回転始動時に、内側中空部24Aのアルカリ金属が上側円盤状中空部16Aへ逆流することを抑制する。   The gaseous alkali metal moves inward in the radial direction so as to diffuse through the anode member 31 and diffuse the upper disk-shaped hollow portion 16A against the centrifugal force, and passes through the throttle portion 32 to move down the inner hollow portion 24A. And return to the outer hollow portion 24B. The flow of the gaseous alkali metal is generated by being drawn by the flow of the alkali metal that rises in the outer hollow portion 24B by centrifugal force. The throttle portion 32 prevents the alkali metal in the inner hollow portion 24A from flowing back to the upper disk-shaped hollow portion 16A when the sealed container 12 is rotated and started.

密閉容器12が回転軸線A周りに回転することにより生じる遠心力は、BASE30の高温部上流側(内室20A)の気体アルカリ金属と高温部下流側(外室20B)の気体アルカリ金属との圧力差を高めるように作用する。すなわち、遠心力によって高温部上流側(内室20A)に十分な液体アルカリ金属が供給されると共に、遠心力によって気体アルカリ金属がBASE30の界面に集められることによって、アルカリ金属の高温部下流側における圧力に対する高温部上流側における圧力の差が増大する。なお、外室20Bは内室20Aより径方向外方に位置する部分を含むが、外室20Bのアルカリ金属は液体より密度が低い気体であるから、この部分の遠心力による圧力上昇は極めて低く、この部分でもアルカリ金属の高温部下流側における圧力に対する高温部上流側における圧力差の増大が図られる。   The centrifugal force generated by the rotation of the sealed container 12 around the rotation axis A is the pressure between the gaseous alkali metal on the upstream side of the high temperature part (inner chamber 20A) and the gaseous alkali metal on the downstream side of the hot part (outer chamber 20B). Acts to increase the difference. That is, sufficient liquid alkali metal is supplied to the upstream side of the high temperature part (inner chamber 20A) by centrifugal force, and gaseous alkali metal is collected at the interface of the BASE 30 by centrifugal force, so that the alkali metal on the downstream side of the high temperature part. The difference in pressure upstream of the high temperature portion with respect to the pressure increases. The outer chamber 20B includes a portion positioned radially outward from the inner chamber 20A. Since the alkali metal in the outer chamber 20B is a gas having a lower density than the liquid, the pressure increase due to the centrifugal force in this portion is extremely low. Even in this portion, the pressure difference on the upstream side of the high temperature portion with respect to the pressure on the downstream side of the high temperature portion of the alkali metal is increased.

これにより、BASE30の両側の高温部上流側(アノード側)と高温部下流側(カソード側)との圧力差が増大し、イオンがBASE30を通過する駆動力(イオン駆動力)が増大する。これに伴いBASE30のアノード側(陰極側)におけるアルカリ金属のイオンと電子との分離が促進され、受熱部Bの更なる高温化を図ることなくBASE30の単位容積当たりの発電電圧が高くなる。   As a result, the pressure difference between the high temperature part upstream side (anode side) and the high temperature part downstream side (cathode side) on both sides of the BASE 30 increases, and the driving force (ion driving force) through which ions pass through the BASE 30 increases. Accordingly, separation of alkali metal ions and electrons on the anode side (cathode side) of the BASE 30 is promoted, and the power generation voltage per unit volume of the BASE 30 is increased without further increasing the temperature of the heat receiving part B.

これにより、低温熱源の利用が可能になる。廃熱利用によって受熱部Bを加熱する場合には、廃熱の低温化が可能になり、自動車の内燃機関の排気ガス等、利用できる廃熱源が拡大される。   Thereby, utilization of a low-temperature heat source is attained. When the heat receiving part B is heated by using waste heat, the waste heat can be lowered, and the available waste heat sources such as exhaust gas of an internal combustion engine of an automobile are expanded.

また、密閉容器12が回転することにより、受熱部Bにおける受熱効果と放熱部Cにおける放熱効果とが高まり、放熱部Cと受熱部Bとの温度差の拡大によっても、BASE30の高温部下流側における圧力に対する高温部上流側における圧力の差が増大する。このことによってもBASE30の単位容積当たりの発電電圧が高くなる効果が得られる。   Further, the rotation of the sealed container 12 increases the heat receiving effect in the heat receiving part B and the heat dissipating effect in the heat radiating part C. Even if the temperature difference between the heat radiating part C and the heat receiving part B increases, The difference in pressure at the upstream side of the high temperature portion with respect to the pressure at is increased. This also has the effect of increasing the power generation voltage per unit volume of BASE30.

また、アルカリ金属をBASE30の高温部上流側に輸送する力は遠心力によって得られるので、ウィックポンプや電磁ポンプを省略することができる。   Moreover, since the force which conveys an alkali metal to the high temperature part upstream of BASE30 is obtained by a centrifugal force, a wick pump or an electromagnetic pump can be omitted.

また、高温部上流側(内室20A)は、放熱部Cに対応する低温部、つまり内側中空部24Aおよび外側中空部24Bより回転軸線Aの径方向外方に配置されているので、更には低温部が下側円盤状中空部16Bを介して高温部上流側(内室20A)に連通する部分(外側中空部24B)は、低温部が上側円盤状中空部16Aを介して高温部下流側(外室20B)に連通する部分(内側中空部24A)に対して回転軸線Aの径方向外方に配置されているから、更には、高温部下流側(外室20B)は、BASE30の配置位置より回転軸線Aの径方向内方において低温部(内側中空部24A)に連通しているので、密閉容器12の回転軸線A周りの回転による遠心力が、BASE30の両側の高温部上流側と高温部下流側とのアルカリ金属の圧力差を高めるように効率よく有効に作用する。   Moreover, since the high temperature part upstream side (inner chamber 20A) is disposed radially outside the rotation axis A from the low temperature part corresponding to the heat radiating part C, that is, the inner hollow part 24A and the outer hollow part 24B, The portion (outer hollow portion 24B) where the low temperature portion communicates with the upstream side of the high temperature portion (inner chamber 20A) via the lower disk-shaped hollow portion 16B is the downstream side of the high temperature portion via the upper disk-shaped hollow portion 16A. Since it is disposed radially outward of the rotation axis A with respect to the portion (inner hollow portion 24A) communicating with (outer chamber 20B), the downstream side of the high temperature portion (outer chamber 20B) is further disposed of BASE30. Since it communicates with the low temperature part (inner hollow part 24A) radially inward of the rotational axis A from the position, the centrifugal force due to the rotation around the rotational axis A of the sealed container 12 is Of the alkali metal with the downstream side of the high temperature part Acting efficiently effectively to increase the force differential.

また、高温部(受熱部B)と低温部(放熱部C)とが一つの回転軸線A上に存在するから、密閉容器12が回転軸線A周りに回転しても、高温部及び低温部の回転軸線Aに沿う方向の位置が変わることがなく、高温部は常に高温流体に曝される定位置に、低温部は常に高温流体に曝される定位置に各々配置される。そして、高温部が低温部に対して鉛直上方側に配置されていることにより、高温部から低温部へのアルカリ金属の流れに重力が作用し、高温部から低温部へのアルカリ金属の流れが円滑になると共に、再始動に備えてアルカリ金属を低温部に溜めることができる。   Moreover, since the high temperature part (heat receiving part B) and the low temperature part (heat radiation part C) exist on one rotation axis A, even if the sealed container 12 rotates around the rotation axis A, the high temperature part and the low temperature part The position in the direction along the rotation axis A does not change, the high temperature part is always located at a fixed position where it is exposed to the high temperature fluid, and the low temperature part is always located at a fixed position where it is exposed to the high temperature fluid. Since the high temperature part is arranged vertically above the low temperature part, gravity acts on the flow of alkali metal from the high temperature part to the low temperature part, and the flow of alkali metal from the high temperature part to the low temperature part is caused. In addition to being smooth, the alkali metal can be stored in the low temperature portion in preparation for restart.

また、回転する一つの密閉容器12に複数個のBASE30が組み込まれていることにより、発電電圧が高い変換器が得られる。   Moreover, the converter with a high generated voltage is obtained by incorporating the several BASE30 in the one airtight container 12 to rotate.

また、中心円筒部22が回転軸線Aと同心に配置され、しかも、円盤部14上における複数の外側円筒部18の配置が回転軸線Aに対して点対称の配置であることにより、密閉容器12の回転軸線A周りの回転において、偏心荷重による回転バランスの不均衡を生じることがない。   Further, since the central cylindrical portion 22 is arranged concentrically with the rotation axis A, and the arrangement of the plurality of outer cylindrical portions 18 on the disk portion 14 is a point-symmetric arrangement with respect to the rotation axis A, the sealed container 12 is arranged. In the rotation around the rotation axis A, there is no rotation balance imbalance due to the eccentric load.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器の第2の実施形態を、図3を用いて説明する。なお、図3において、図1に対応する部分は、図1に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。   A second embodiment of the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention will be described with reference to FIG. 3, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1, and description thereof is omitted.

この実施形態では、中心円筒部22の内周面22Bが円盤部14の側から突出端(下端)側に向かうに従って内径が小さくなるテーパ形状になっている。   In this embodiment, the inner peripheral surface 22B of the central cylindrical portion 22 has a tapered shape in which the inner diameter becomes smaller from the disk portion 14 side toward the protruding end (lower end) side.

このテーパ形状により、遠心力によって内周面22B側に移動したアルカリ金属に上向きの流れ成分が与えられ、外側中空部24Bを下側円盤状中空部16Bへ向かうアルカリ金属の流れが円滑になる。   By this taper shape, an upward flow component is given to the alkali metal moved to the inner peripheral surface 22B side by centrifugal force, and the flow of the alkali metal toward the lower disk-shaped hollow portion 16B through the outer hollow portion 24B becomes smooth.

また、円筒状内部隔壁28の内周面28Aが円盤状内部隔壁26の側から延出端(下端)側に向かうに従って内径が大きくなるテーパ形状になっている。   Further, the inner peripheral surface 28A of the cylindrical inner partition wall 28 has a tapered shape in which the inner diameter increases from the disk-shaped inner partition wall 26 side toward the extended end (lower end) side.

このテーパ形状により、遠心力によって内周面28A側に移動したアルカリ金属に下向きの流れ成分が与えられ、内側中空部24Aを降下するアルカリ金属の流れが円滑になる。   With this taper shape, a downward flow component is given to the alkali metal moved to the inner peripheral surface 28A side by centrifugal force, and the flow of the alkali metal descending the inner hollow portion 24A becomes smooth.

これらの構成及び効果以外は前述の実施形態と同じであり、前述の実施形態と同様の効果が得られる。   Except for these configurations and effects, the embodiment is the same as the above-described embodiment, and the same effects as those of the above-described embodiment can be obtained.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器の第3の実施形態を、図4、図5を用いて説明する。なお、図4、図5において、図1に対応する部分は、図1に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。   A third embodiment of the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and FIG. 5, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1 and description thereof is omitted.

この実施形態では、BASE30に、BASE30の内周面、つまり高温部上流側の面よりBASE30の中心に向けて突出して軸線方向(BASE30の母線方向)に延在する板状の複数個のフィン37が円周方向に等間隔をおいて一体形成されている。   In this embodiment, a plurality of plate-like fins 37 projecting toward the center of the BASE 30 from the inner peripheral surface of the BASE 30, that is, the surface upstream of the high temperature portion, and extending in the axial direction (bus line direction of the BASE 30). Are integrally formed at equal intervals in the circumferential direction.

このBASE30によれば、フィン37によってBASE30の内周面、つまり高温部上流側であるアノード側の表面積が増大し、この表面積の増大に応じてBASE30のアノード側が内室20A内の液体のアルカリ金属と接触する面積が増大する。   According to the BASE 30, the fin 37 increases the surface area of the inner peripheral surface of the BASE 30, that is, the anode side upstream of the high-temperature portion, and the anode side of the BASE 30 increases as the surface area increases. The area in contact with increases.

ナトリウム等のアルカリ金属が電子を放出してBASE30内に進入する際のメカニズムは、BASE30のアノード側面の近傍に存在するアルカリ金属のうち、一定以上の運動エネルギを有するものが電子を放出してBASE30内に進入するものと考えられる。そのため、BASE30のアノード側面(内周面)とアルカリ金属との接触面積を増大させるほど、高い運動エネルギを有するアルカリ金属がBASE30のアノード側面に近傍に位置する確率が高くなるため、BASE30内へ進入するイオンの数が増大する。これに応じてBASE30のアノード側にて分離する電子量が増え、このことと、密閉容器12の回転による遠心力によってBASE30の高温部上流側(アノード側)と高温部下流側(カソード側)との圧力差を増大することにより、BASE30のアノード側におけるアルカリ金属のイオンとほ電子との分離が促進されることとが相まって発電効率が向上し、BASE30の大型化や受熱部Bの高温化を図ることなく、AMTEC10の発電容量が増大する。   The alkali metal such as sodium emits electrons and enters the BASE 30. Among the alkali metals existing near the anode side surface of the BASE 30, those having a certain kinetic energy or more emit electrons and BASE 30. It is thought that it enters inside. Therefore, as the contact area between the anode side surface (inner peripheral surface) of the BASE 30 and the alkali metal is increased, the probability that an alkali metal having high kinetic energy is located near the anode side surface of the BASE 30 increases. The number of ions to increase increases. Accordingly, the amount of electrons separated on the anode side of the BASE 30 is increased, and due to this, centrifugal force generated by the rotation of the sealed container 12 causes the high temperature portion upstream side (anode side) and the high temperature portion downstream side (cathode side) of the BASE 30. By increasing the pressure difference of BASE30, the separation of alkali metal ions and electrons on the anode side of BASE30 is promoted to improve the power generation efficiency, increasing the size of BASE30 and increasing the temperature of heat receiving part B. Without generating, the power generation capacity of the AMTEC 10 increases.

アノード側では液体のアルカリ金属を導体として陰極部材34との導通が取られるから、BASE30の内周面がフィン37によって凹凸を有する形状でも、その形状に拘らずアノード側の導通が取られる。   On the anode side, conduction with the negative electrode member 34 is performed using a liquid alkali metal as a conductor. Therefore, even when the inner peripheral surface of the BASE 30 is uneven by the fins 37, conduction on the anode side is achieved regardless of the shape.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器の第4の実施形態を、図6、図7を用いて説明する。なお、図6、図7において、図1、図2に対応する部分は、図1、図2に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。   A fourth embodiment of the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7, portions corresponding to those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2, and description thereof is omitted.

この実施形態では、円盤部14と中心円筒部22とが別部材によって構成されている。円盤部14は、合成樹脂製で、円筒状内部隔壁28と一体形成されている。中心円筒部22は、金属製で、回転中心軸38と一体形成されている。   In this embodiment, the disk part 14 and the center cylindrical part 22 are comprised by the separate member. The disk portion 14 is made of synthetic resin and is integrally formed with the cylindrical inner partition wall 28. The central cylindrical portion 22 is made of metal and is integrally formed with the rotation center shaft 38.

外側円筒部18とBASE30との間に画定された外室20Bは、BASE30毎に円盤部14に放射に形成された入口通路27によって中心円筒部22内の内側中空部24Aに連通している。BASE30内の内室20Aは、BASE30毎に円盤部14に放射に形成された出口通路29によって円筒状内部隔壁28内の外側中空部24Bに連通している。   The outer chamber 20 </ b> B defined between the outer cylindrical portion 18 and the BASE 30 communicates with the inner hollow portion 24 </ b> A in the central cylindrical portion 22 through an inlet passage 27 formed radially in the disk portion 14 for each BASE 30. The inner chamber 20 </ b> A in the BASE 30 communicates with the outer hollow portion 24 </ b> B in the cylindrical inner partition wall 28 by an outlet passage 29 formed radially in the disk portion 14 for each BASE 30.

この通路構造では、外側中空部24Bより入口通路27を通って外室20Bに液体のアルカリ金属が供給され、BASE30の外周側から内周側へアルカリ金属のイオンが通過し、内室20Aより出口通路29を通って内側中空部24Aに気体のアルカリ金属が戻される。   In this passage structure, liquid alkali metal is supplied from the outer hollow portion 24B to the outer chamber 20B through the inlet passage 27, and alkali metal ions pass from the outer peripheral side to the inner peripheral side of the BASE 30, and exit from the inner chamber 20A. The gaseous alkali metal is returned to the inner hollow portion 24A through the passage 29.

これにより、BASE30の外周面がアノード側になり、BASE30の内周面がカソード側になる。BASE30の外周面にはBASE30の外周を取り囲むように円盤板状のフィン33が一体形成されている。フィン33はBASE30の軸線方向に間隔をおいて複数個設けられ、各々、BASE30の外周面より外方へ突出している。   Thereby, the outer peripheral surface of BASE30 becomes an anode side, and the inner peripheral surface of BASE30 becomes a cathode side. Disc-shaped fins 33 are integrally formed on the outer peripheral surface of the BASE 30 so as to surround the outer periphery of the BASE 30. A plurality of fins 33 are provided at intervals in the axial direction of the BASE 30, and each protrudes outward from the outer peripheral surface of the BASE 30.

外側円筒部18は、陰極部材を兼ねており、リード線53によって陰極用スリップリング52に導通接続されている。アノード側では外室20Bに存在する液体のアルカリ金属を導体として陰極部材をなす外側円筒部18との導通が取られるから、BASE30の外周面がフィン33によって凹凸を有する形状であっても、その形状に拘らずアノード側の導通が取られる。なお、この実施形態では、外室20Bには発泡金属体が装填されておらず、外室20Bは液体のアルカリ金属を満たされる空間になっている。   The outer cylindrical portion 18 also serves as a cathode member, and is electrically connected to the cathode slip ring 52 by a lead wire 53. On the anode side, conduction with the outer cylindrical portion 18 forming the cathode member using the liquid alkali metal present in the outer chamber 20B as a conductor is taken, so even if the outer peripheral surface of the BASE 30 is uneven by the fins 33, Regardless of shape, conduction on the anode side is taken. In this embodiment, the outer chamber 20B is not loaded with a foam metal body, and the outer chamber 20B is a space filled with a liquid alkali metal.

BASE30の内周面、つまり内室20Aを画定する内周面は軸線方向の全長に亘って同一横断面形状の円周面であり、この内周面には通気性を有する薄膜構造による陽極層35がスパッタリング等によって形成されている。内室20Aには通気性を有する多孔質(三次元網目構造)の金属による接続部材45が充填されている。接続部材45は外周面にて陽極層35に導通接続されている。円盤部14には、バルク金属体によって構成された非通気性の接続端子39が、出口通路29の下側を密閉容器12の内外に貫通するように取り付けられている。接続端子39の一方の端部は内室20A内に位置して接続部材45に導通接続されている。接続端子39の他方の端部は、密閉容器12外にあり、リード線61によって陽極用スリップリング60に導通接続されている。接続端子39が円盤部14を貫通する部分には出口通路29の気密性を保つためのシール部材41が取り付けられている。なお、接続端子39が省略されてリード線61が内室20A内にまで延長され、リード線61の延長端が接続部材45に直接に導通接続されていてもよい。   The inner peripheral surface of the BASE 30, that is, the inner peripheral surface that defines the inner chamber 20 </ b> A is a circumferential surface having the same cross-sectional shape over the entire length in the axial direction, and this inner peripheral surface has an anode layer with a thin film structure having air permeability. 35 is formed by sputtering or the like. The inner chamber 20A is filled with a connecting member 45 made of a porous (three-dimensional network structure) metal having air permeability. The connection member 45 is electrically connected to the anode layer 35 on the outer peripheral surface. A non-breathable connection terminal 39 made of a bulk metal body is attached to the disk portion 14 so as to penetrate the lower side of the outlet passage 29 into and out of the sealed container 12. One end of the connection terminal 39 is located in the inner chamber 20 </ b> A and is conductively connected to the connection member 45. The other end of the connection terminal 39 is outside the sealed container 12 and is conductively connected to the anode slip ring 60 by a lead wire 61. A seal member 41 for keeping the airtightness of the outlet passage 29 is attached to a portion where the connection terminal 39 penetrates the disk portion 14. The connection terminal 39 may be omitted, the lead wire 61 may be extended into the inner chamber 20 </ b> A, and the extended end of the lead wire 61 may be directly connected to the connection member 45.

また、AMTEC10の受熱部Bである外側円筒部18の外周には受熱フィン15が、AMTEC10の放熱部Cである中心円筒部22の外周には放熱フィン25が各々形成されている。   Further, heat receiving fins 15 are formed on the outer periphery of the outer cylindrical portion 18 that is the heat receiving portion B of the AMTEC 10, and heat radiating fins 25 are formed on the outer periphery of the central cylindrical portion 22 that is the heat radiating portion C of the AMTEC 10.

この実施形態でも、密閉容器12が電動モータ42によって回転軸線A周りに回転されることにより、AMTEC10に遠心力が生じる。密閉容器12中のアルカリ金属は、放熱部Cに対応する低温部である外側中空部24Bにおいて、放熱によって気体より凝縮して液体になる。気体アルカリ金属より高密度である液体アルカリ金属は、遠心力によって中心円筒部22の内周面22Bに押し付けられながら液面が上昇するようにして中心円筒部22の内周面22Bに沿って外側中空部24Bを上昇し、入口通路27に至る。そして液体アルカリ金属は、入口通路27を径方向外方へ流れ、高温部上流側である外室20Bに輸送される。   Also in this embodiment, when the sealed container 12 is rotated around the rotation axis A by the electric motor 42, a centrifugal force is generated in the AMTEC 10. The alkali metal in the airtight container 12 is condensed from the gas into a liquid by heat radiation in the outer hollow portion 24B which is a low temperature portion corresponding to the heat radiation portion C. The liquid alkali metal, which has a higher density than the gaseous alkali metal, moves outward along the inner peripheral surface 22B of the central cylindrical portion 22 such that the liquid level rises while being pressed against the inner peripheral surface 22B of the central cylindrical portion 22 by centrifugal force. The hollow portion 24B is lifted and reaches the inlet passage 27. Then, the liquid alkali metal flows radially outward in the inlet passage 27 and is transported to the outer chamber 20B on the upstream side of the high temperature part.

外室20Bに輸送された液体アルカリ金属は外室20Bにおいてアルカリ金属イオンと電子とに分離し、イオンのみがBASE30中を移動する。分離した電子は、陰極部材をなす外側円筒部18より陰極用スリップリング52を経て図示されていない外部負荷へ移動し、外部負荷より陽極用スリップリング60を経て陽極層35へ向かう。BASE30を通過したイオンは高温部下流側である内室20Aにおいて陽極層35上の電子と再結合し、気体のアルカリ金属になり、出口通路29を通って内側中空部24Aへ向かう。   The liquid alkali metal transported to the outer chamber 20B is separated into alkali metal ions and electrons in the outer chamber 20B, and only ions move through the BASE 30. The separated electrons move from the outer cylindrical portion 18 forming the cathode member to the external load (not shown) through the cathode slip ring 52, and travel from the external load to the anode layer 35 through the anode slip ring 60. The ions that have passed through the BASE 30 recombine with electrons on the anode layer 35 in the inner chamber 20A on the downstream side of the high temperature portion, become gaseous alkali metal, and go to the inner hollow portion 24A through the outlet passage 29.

このBASE30によれば、フィン33によってBASE30の外周面、つまり高温部上流側であるアノード側の表面積がカソード側の表面積に比して増大し、この表面積の増大に応じてBASE30のアノード側が外室20B内の液体のアルカリ金属と接触する面積が増大する。   According to this BASE 30, the fin 33 increases the surface area of the outer surface of the BASE 30, that is, the anode side upstream of the high temperature portion, as compared with the surface area on the cathode side. The area in contact with the liquid alkali metal in 20B increases.

これにより、この実施形態でも、高い運動エネルギを有するアルカリ金属がBASE30のアノード側面に近傍に位置する確率が高くなるため、BASE30内へ進入するイオンの数が増大する。これに応じてBASE30のアノード側にて分離する電子量が増え、このことと、密閉容器12の回転による遠心力によってBASE30の高温部上流側(アノード側)と高温部下流側(カソード側)との圧力差を増大することにより、BASE30のアノード側におけるアルカリ金属のイオンとほ電子との分離が促進されることとが相まって発電効率が向上し、BASE30の大型化や受熱部Bの高温化を図ることなく、AMTEC10の発電容量が増大する。   Thereby, also in this embodiment, since the probability that the alkali metal having high kinetic energy is located in the vicinity of the anode side surface of the BASE 30 increases, the number of ions entering the BASE 30 increases. Accordingly, the amount of electrons separated on the anode side of the BASE 30 is increased, and due to this, centrifugal force generated by the rotation of the sealed container 12 causes the high temperature portion upstream side (anode side) and the high temperature portion downstream side (cathode side) of the BASE 30. By increasing the pressure difference of BASE30, the separation of alkali metal ions and electrons on the anode side of BASE30 is promoted to improve the power generation efficiency, increasing the size of BASE30 and increasing the temperature of heat receiving part B. Without generating, the power generation capacity of the AMTEC 10 increases.

なお、BASE30のアノード側の表面積は、カソード側の表面積の2倍以上で、カソード側の表面積より大きいほど、アノード側にて分離する電子量の増加、つまり発電出力の増大に関して好ましい。   The surface area on the anode side of BASE 30 is more than twice the surface area on the cathode side and larger than the surface area on the cathode side, which is preferable in terms of an increase in the amount of electrons separated on the anode side, that is, an increase in power generation output.

図7は、廃熱である内燃機関の排気ガスを熱源とするAMTEC10の使用例を示している。AMTEC10の受熱部Bは、内燃機関の排気管100のメイン通路102内にあってメイン通路102を流れる排気ガスと熱交換可能に配置されている。これにより、受熱部Bは排気ガスによって加熱される。排気ガスによる受熱部Bの加熱温度は500℃以上であればよい。   FIG. 7 shows a usage example of the AMTEC 10 using the exhaust gas of the internal combustion engine, which is waste heat, as a heat source. The heat receiving portion B of the AMTEC 10 is disposed in the main passage 102 of the exhaust pipe 100 of the internal combustion engine so as to be able to exchange heat with the exhaust gas flowing through the main passage 102. Thereby, the heat receiving part B is heated by exhaust gas. The heating temperature of the heat receiving part B by the exhaust gas may be 500 ° C. or higher.

AMTEC10の放熱部Cはメイン通路102と並列のバイパス通路104内に配置されている。バイパス通路104の排気ガス入口106は開閉弁108によって開閉される構造になっている。バイパス通路104には外気取入口110が形成されており、外気取入口110には外気取入用のリード弁112が取り付けられている。なお、この使用例のものでは、AMTEC10の受熱部Bに受熱フィン15が、AMTEC10の放熱部Cに放熱フィン25が各々形成されている。なお、符号114、115は各々の気密用の回転シール部である。   The heat radiation part C of the AMTEC 10 is disposed in a bypass passage 104 parallel to the main passage 102. The exhaust gas inlet 106 of the bypass passage 104 is configured to be opened and closed by an on-off valve 108. An outside air inlet 110 is formed in the bypass passage 104, and a reed valve 112 for taking in outside air is attached to the outside air inlet 110. In this usage example, the heat receiving fin 15 is formed in the heat receiving part B of the AMTEC 10, and the heat radiating fin 25 is formed in the heat radiating part C of the AMTEC 10. Reference numerals 114 and 115 denote hermetic rotary seal portions.

AMTEC10の始動時には、放熱部Cの予熱のために、開閉弁108を開いてバイパス通路104に排気ガスを流し、排気ガスによって放熱部Cを加熱する。放熱部Cの予熱は、低温部において固体となったアルカリ金属を液体化させるために行われる。放熱部Cの予熱が完了した後は、開閉弁108を閉じ、リード弁112によってバイパス通路104に外気を取り込み、放熱部Cを受熱部Bより低い温度に保つ。放熱部Cの適正温度は受熱部Bの温度により決まり、100〜500℃程度であればよい。   When the AMTEC 10 is started, in order to preheat the heat dissipating part C, the on-off valve 108 is opened, exhaust gas flows through the bypass passage 104, and the heat dissipating part C is heated by the exhaust gas. The preheating of the heat radiating part C is performed in order to liquefy the alkali metal that has become solid in the low temperature part. After the preheating of the heat dissipating part C is completed, the on-off valve 108 is closed, the outside air is taken into the bypass passage 104 by the reed valve 112, and the heat dissipating part C is kept at a lower temperature than the heat receiving part B. The appropriate temperature of the heat radiating part C is determined by the temperature of the heat receiving part B and may be about 100 to 500 ° C.

これにより、AMTEC10は内燃機関の排気ガスを熱源として動作する。   Thereby, the AMTEC 10 operates using the exhaust gas of the internal combustion engine as a heat source.

以上、本発明を、その好適な形態実施例について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明は上記実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。   Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be understood by those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. The range can be changed as appropriate.

例えば、受熱部Bにおける高温流体との熱交換効率と、放熱部Cにおける低温流体との熱交換効率とを更に高めるために、密閉容器12の外周部に、受熱フィン、放熱フィンが形成されていてもよい。この場合、密閉容器12の回転と共に受熱フィン、放熱フィンも回転するので、熱伝達効率が増大し、熱エネルギの授受、放出を促進することが期待できる。   For example, in order to further increase the heat exchange efficiency with the high temperature fluid in the heat receiving portion B and the heat exchange efficiency with the low temperature fluid in the heat radiating portion C, heat receiving fins and heat radiating fins are formed on the outer peripheral portion of the sealed container 12. May be. In this case, since the heat receiving fins and the heat radiating fins rotate together with the rotation of the sealed container 12, it can be expected that the heat transfer efficiency is increased and the transfer and release of thermal energy is promoted.

また、必ずしも高温部上流側の全体が低温部よりも回転軸線Aの径方向外方に配置されている必要はなく、高温部上流側の少なくとも一部が低温部よりも回転軸線Aの径方向外方に配置されていればよい。つまり、高温部上流側は低温部よりも回転軸線Aの径方向外方に配置される部分を含んでいればよい。   Further, it is not always necessary that the entire upstream side of the high temperature part is arranged radially outward of the rotation axis A with respect to the low temperature part, and at least a part of the upstream side of the high temperature part is radial direction of the rotation axis A with respect to the low temperature part. It only needs to be arranged outward. That is, the upstream side of the high temperature part only needs to include a portion arranged radially outward of the rotation axis A with respect to the low temperature part.

また、AMTEC10は、円盤部14の上側に中心円筒部22が位置し、円盤部14の下側に外側円筒部18が位置する上下反転の配置であっても、上下に傾斜した配置であってもよい。   Further, the AMTEC 10 has an upside down arrangement even when the center cylindrical part 22 is located above the disk part 14 and the outer cylindrical part 18 is located below the disk part 14. Also good.

本発明によるアルカリ金属熱電気変換器は、図8に示されているように、高温流体に曝される受熱部Bと低温流体に曝される放熱部Cとを通過するようにアルカリ金属の循環路72が画定された密閉容器70を具備し、循環路72の受熱部Bに対応する部分である高温部において循環路72を上流側の高温部上流側と下流側の高温部下流側とに区切るようにβアルミナ固体電解質部材(BASE)74が密閉容器70内に配置された基本的構成のものにも適用できる。   As shown in FIG. 8, the alkali metal thermoelectric converter according to the present invention circulates an alkali metal so as to pass through a heat receiving part B exposed to a high temperature fluid and a heat radiating part C exposed to a low temperature fluid. A closed container 70 having a defined path 72 is provided, and the circulation path 72 is divided into an upstream high temperature section upstream and a downstream high temperature section downstream in a high temperature section corresponding to the heat receiving section B of the circulation path 72. The present invention can also be applied to a basic configuration in which a β-alumina solid electrolyte member (BASE) 74 is disposed in a sealed container 70 so as to be separated.

この場合には、BASE74の配置位置が回転半径の外側位置に位置するように回転中心軸76を密閉容器70に取り付け、回転中心軸76を電動モータ78によって回転させればよい。なお、BASE74の高温部上流側には多孔質金属体によって構成された陰極部材80が、高温部下流側には多孔質金属体によって構成された陽極部材82が設けられている。   In this case, the rotation center shaft 76 may be attached to the sealed container 70 so that the position of the BASE 74 is positioned outside the rotation radius, and the rotation center shaft 76 may be rotated by the electric motor 78. A cathode member 80 made of a porous metal body is provided on the upstream side of the high temperature part of the BASE 74, and an anode member 82 made of a porous metal body is provided on the downstream side of the high temperature part.

また、BASE30のアノード側におけるアルカリ金属との接触面積を増大するための凸部は、フィン33、37に限られることなく、蛇腹形状であったり、半球状等の突起であってもよい。   Further, the convex portion for increasing the contact area with the alkali metal on the anode side of the BASE 30 is not limited to the fins 33 and 37, but may be a bellows shape or a hemispherical projection.

また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。   In addition, all the components shown in the above embodiment are not necessarily essential, and can be appropriately selected without departing from the gist of the present invention.

10 アルカリ金属熱電気変換器(AMTEC)
12 密閉容器
14 円盤部
16 円盤状中空部
16A 上側円盤状中空部
16B 下側円盤状中空部
18 外側円筒部
20 第1の円柱状中空部
20A 内室
20B 外室
22 中心円筒部
22B 内周面
24 第2の円柱状中空部
24A 内側中空部
24B 外側中空部
26 円盤状内部隔壁
28 円筒状内部隔壁
28A 内周面
30 βアルミナ固体電解質部材(BASE)
31 陽極部材
33 フィン
34 陰極部材
35 陽極層
37 フィン
10 Alkali metal thermoelectric converter (AMTEC)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Sealed container 14 Disc part 16 Disc-shaped hollow part 16A Upper disk-shaped hollow part 16B Lower disk-shaped hollow part 18 Outer cylindrical part 20 1st cylindrical hollow part 20A Inner room 20B Outer room 22 Central cylindrical part 22B Inner peripheral surface 24 2nd cylindrical hollow part 24A inner side hollow part 24B outer side hollow part 26 disk shaped internal partition 28 cylindrical internal partition 28A inner peripheral surface 30 beta alumina solid electrolyte member (BASE)
31 Anode member 33 Fin 34 Cathode member 35 Anode layer 37 Fin

Claims (16)

高温流体に曝される受熱部と低温流体に曝される放熱部とを有し、前記受熱部と前記放熱部とを通過するようにアルカリ金属の循環路が画定された密閉容器と、
前記循環路の前記受熱部に対応する部分である高温部において前記循環路を上流側の高温部上流側と下流側の高温部下流側とに区切るように前記密閉容器内に配置されたβアルミナ固体電解質部材と、
前記高温部上流側に配置された陰極部材と、
前記高温部下流側に配置された陽極部材とを有するアルカリ金属熱電気変換器であって、
遠心力によって前記アルカリ金属の前記高温部下流側における圧力に対する前記高温部上流側における圧力の差が増大するように所定の回転軸線周りに前記密閉容器を回転させる回転装置を有するアルカリ金属熱電気変換器。
A sealed container having a heat receiving portion exposed to a high temperature fluid and a heat radiating portion exposed to a low temperature fluid, and having an alkali metal circulation path defined so as to pass through the heat receiving portion and the heat radiating portion;
Β-alumina disposed in the hermetic container so as to divide the circulation path into an upstream high-temperature part upstream and a downstream high-temperature part downstream in a high-temperature part corresponding to the heat-receiving part of the circulation path A solid electrolyte member;
A cathode member disposed upstream of the high temperature part;
An alkali metal thermoelectric converter having an anode member disposed on the downstream side of the high temperature part,
Alkali metal thermoelectric conversion having a rotating device for rotating the hermetic container around a predetermined rotation axis so that a difference in pressure on the upstream side of the high temperature part with respect to pressure on the downstream side of the high temperature part of the alkali metal is increased by centrifugal force vessel.
前記高温部上流側は、前記低温部よりも前記回転軸線の径方向外方に配置されている部分を含んでいる請求項1に記載のアルカリ金属熱電気変換器。   2. The alkali metal thermoelectric converter according to claim 1, wherein the upstream side of the high temperature part includes a portion disposed radially outward of the rotation axis with respect to the low temperature part. 前記低温部が前記高温部上流側に連通する部分は、当該低温部が前記高温部下流側に連通する部分に対して前記回転軸線の径方向外方に配置されている請求項1または2に記載のアルカリ金属熱電気変換器。   The part where the low temperature part communicates with the upstream side of the high temperature part is disposed radially outward of the rotation axis with respect to the part where the low temperature part communicates with the downstream side of the high temperature part. The alkali metal thermoelectric converter as described. 前記高温部下流側は前記βアルミナ固体電解質部材の配置位置より前記回転軸線の径方向内方において前記低温部に連通している請求項1から3の何れか一項に記載のアルカリ金属熱電変換器。   The alkali metal thermoelectric conversion according to any one of claims 1 to 3, wherein a downstream side of the high temperature portion communicates with the low temperature portion inward in a radial direction of the rotation axis from a position where the β alumina solid electrolyte member is disposed. vessel. 前記高温部は前記密閉容器の前記回転軸線に沿う方向における一側に配置され、
前記低温部は前記密閉容器の前記回転軸線に沿う方向における他側に配置されている請求項1から4の何れか一項に記載のアルカリ金属熱電変換器。
The high temperature part is disposed on one side in the direction along the rotation axis of the sealed container,
The alkali metal thermoelectric converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the low-temperature portion is disposed on the other side in the direction along the rotation axis of the sealed container.
前記高温部は前記低温部に対して鉛直上方側に配置されている請求項5に記載のアルカリ金属熱電変換器。   The alkali metal thermoelectric converter according to claim 5, wherein the high temperature part is arranged vertically above the low temperature part. βアルミナ固体電解質部材の前記高温部上流側の面に凸部が一体形成されている請求項1から6の何れか一項に記載のアルカリ金属熱電気変換器。   The alkali metal thermoelectric converter according to any one of claims 1 to 6, wherein a convex portion is integrally formed on a surface of the β alumina solid electrolyte member on the upstream side of the high temperature portion. 前記密閉容器は、
円盤状中空部を内部に画定する円盤部と、
前記円盤部の一方の盤面側の外周部から軸線方向に突出するように周方向に間隔をおいて配置され、前記円盤状中空部に連通する第1の円柱状中空部を内部に画定する複数の外側筒部と、
前記円盤部の他方の盤面側の中心部から軸線方向に突出し、前記円盤状中空部に連通する第2の円柱状中空部を内部に画定する中心筒部と、
前記円盤状中空部を、それぞれ、前記一方の盤面側及び前記他方の盤面側に位置する第1の円盤状中空部及び第2の円盤状中空部に区画する円盤状内部隔壁と、
前記円盤状内部隔壁の中心部から、前記中心筒部の内部を径方向に区分するように、前記中心筒部の突出端近傍に至るまで延出し、前記第1の円盤状中空部を前記第2の円柱状中空部の突出端近傍に連通させる筒状内部隔壁とを有し、
前記βアルミナ固体電解質部材は、前記円盤状内部隔壁から前記第1の円柱状中空部内に、前記外側筒部の内部を径方向に区分するように突出し、かつ、先端を閉じられ、前記第2の円盤状中空部に連通する内室を有する筒体により構成される請求項1から7の何れか一項に記載のアルカリ金属熱電気変換器。
The sealed container is
A disk portion defining a disk-shaped hollow portion therein;
A plurality of first cylindrical hollow portions that are arranged at intervals in the circumferential direction so as to protrude in the axial direction from an outer peripheral portion of one disk surface side of the disk portion and that communicate with the disk-shaped hollow portion. The outer cylinder of the
A central cylindrical portion that projects in an axial direction from a central portion on the other disk surface side of the disk portion and defines a second cylindrical hollow portion communicating with the disk-shaped hollow portion inside;
A disk-shaped internal partition that divides the disk-shaped hollow part into a first disk-shaped hollow part and a second disk-shaped hollow part located on the one disk surface side and the other disk surface side, respectively;
Extending from the center of the disk-shaped inner partition to the vicinity of the projecting end of the center cylinder so as to divide the inside of the center cylinder in the radial direction, the first disk-shaped hollow is A cylindrical inner partition that communicates with the vicinity of the protruding end of the cylindrical hollow portion of 2,
The β-alumina solid electrolyte member protrudes from the disk-shaped inner partition into the first cylindrical hollow portion so as to divide the inside of the outer cylindrical portion in the radial direction, the tip is closed, and the second The alkali metal thermoelectric converter according to any one of claims 1 to 7, comprising a cylindrical body having an inner chamber communicating with the disc-shaped hollow portion.
前記中心筒部は前記回転軸線と同心に配置されている請求項8に記載のアルカリ金属熱電気変換器。   The alkali metal thermoelectric converter according to claim 8, wherein the central cylinder portion is disposed concentrically with the rotation axis. 前記第1の円盤状中空部と前記中心筒部の内部との連通部に、前記アルカリ金属の流れを絞る絞り部が形成されている請求項8または9に記載のアルカリ金属熱電気変換器。   The alkali metal thermoelectric converter according to claim 8 or 9, wherein a throttle part for restricting a flow of the alkali metal is formed in a communication part between the first disk-shaped hollow part and the inside of the central cylinder part. 前記中心筒部は、円筒体により構成され、内周面が前記円盤部の側から突出端側に向かうに従って内径が小さくなるテーパ形状になっている請求項8から10の何れか一項に記載のアルカリ金属熱電気変換器。   The said center cylinder part is comprised by the cylindrical body, The inner peripheral surface becomes a taper shape from which an internal diameter becomes small as it goes to the protrusion end side from the said disk part side, It is any one of Claim 8 to 10 characterized by the above-mentioned. Alkali metal thermoelectric converter. 前記筒状内部隔壁は、円筒体により構成され、内周面が前記円盤状内部隔壁の側から延出端側に向かうに従って内径が大きくなるテーパ形状になっている請求項7から11の何れか一項に記載のアルリ金属熱電気変換器。   The cylindrical inner partition wall is formed of a cylindrical body, and has an inner peripheral surface that has a tapered shape in which an inner diameter increases from the disk-shaped inner partition wall side toward the extending end side. The Aruri metal thermoelectric converter according to one item. 前記受熱部が内燃機関の排気ガスと熱交換可能に配置された請求項1から12の何れか一項に記載のアルカリ金属熱電気変換器。   The alkali metal thermoelectric converter according to any one of claims 1 to 12, wherein the heat receiving portion is arranged to be able to exchange heat with exhaust gas of an internal combustion engine. 高温流体に曝される受熱部と低温流体に曝される放熱部とを有し、前記受熱部と前記放熱部とを通過するようにアルカリ金属の循環路が画定された密閉容器と、
前記循環路の前記受熱部に対応する部分である高温部において前記循環路を上流側の高温部上流側と下流側の高温部下流側とに区切るように前記密閉容器内に配置されたβアルミナ固体電解質部材と、
前記高温部上流側に配置された陰極部材と、
前記高温部下流側に配置された陽極部材とを有するアルカリ金属熱電気変換器の運転方法であって、
前記アルカリ金属の前記高温部下流側における圧力に対する前記高温部上流側における圧力の差が増大するように、前記密閉容器を所定の回転軸線周りに回転させ、前記アルカリ金属に遠心力を与える運転方法。
A sealed container having a heat receiving portion exposed to a high temperature fluid and a heat radiating portion exposed to a low temperature fluid, and having an alkali metal circulation path defined so as to pass through the heat receiving portion and the heat radiating portion;
Β-alumina disposed in the hermetic container so as to divide the circulation path into an upstream high-temperature part upstream and a downstream high-temperature part downstream in a high-temperature part corresponding to the heat-receiving part of the circulation path A solid electrolyte member;
A cathode member disposed upstream of the high temperature part;
An operating method of an alkali metal thermoelectric converter having an anode member arranged on the downstream side of the high temperature part,
An operation method of applying centrifugal force to the alkali metal by rotating the hermetic container around a predetermined rotation axis so that a difference in pressure on the upstream side of the high temperature part with respect to pressure on the downstream side of the high temperature part of the alkali metal is increased. .
前記密閉容器を前記βアルミナ固体電解質部材の配置位置に対して回転半径方向に離れた位置にある回転軸線周りに回転させる請求項14に記載のアルカリ金属熱電気変換器の運転方法。   The method of operating an alkali metal thermoelectric converter according to claim 14, wherein the sealed container is rotated around a rotation axis located at a position away from the arrangement position of the β-alumina solid electrolyte member in the rotational radius direction. 前記遠心力によって前記βアルミナ固体電解質部材の上流側と下流側との前記アルカリ金属の圧力差を高め、前記βアルミナ固体電解質部材の陰極側における前記アルカリ金属のイオンと電子との分離を促進するように前記遠心力の大きさを設定する請求項14または15に記載のアルカリ金属熱電気変換器の運転方法。   The centrifugal force increases the pressure difference of the alkali metal between the upstream side and the downstream side of the β alumina solid electrolyte member, and promotes separation of the alkali metal ions and electrons on the cathode side of the β alumina solid electrolyte member. The method of operating an alkali metal thermoelectric converter according to claim 14 or 15, wherein the magnitude of the centrifugal force is set as follows.
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