JP2014158337A - Alkali metal thermoelectric converter - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase a throughput of alkali metal ions for a solid electrolyte, without making the manufacturing difficult, in an alkali metal thermoelectric converter.SOLUTION: An alkali metal thermoelectric converter 1 includes: a closed container 2 having a heat receiving section 51, a heat radiating section 52, and a circulation path 28 of alkaline metal formed to pass through the heat receiving section and heat radiating section; a solid electrolyte 33 provided to delimit the circulation path in the heat receiving section, so as to allow passage of alkaline metal ions, and having an anode side face 38 and a cathode side face 37; an anode 7 provided on the anode side face side; a cathode 36 provided on the cathode side face side; and transportation means 46 for transmitting the alkaline metal in the circulation path to the anode side face of solid electrolyte. The anode side face has a plurality of protrusions 35, and the cathode side face is formed more smoothly than the anode side face.

Description

本発明は、アルカリ金属熱電気変換器に関する。   The present invention relates to an alkali metal thermoelectric converter.

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).

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(BASE)である固体電解質が配置され、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 alkali metal thermoelectric converter 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 the heat receiving part and the heat radiating part are disposed in the sealed container. An alkali metal circulation path is defined so as to pass through, and in the high temperature part which is a part corresponding to the heat receiving part of the circulation path, the circulation path is divided into an upstream high temperature part upstream and a downstream high temperature part downstream. A solid electrolyte, which is β-alumina solid electrolyte (BASE), is disposed in the sealed container so as to divide, a cathode member is disposed upstream of the high temperature portion, and an anode member is disposed downstream of the high temperature portion. .

アルカリ金属熱電気変換器の動作原理は、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、イオンのみが固体電解質中を移動し、電子は陰極部材に接続されている外部負荷を通過して陽極部材へ向かう。固体電解質を通過したイオンは固体電解質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固体電解質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 the alkali metal thermoelectric converter 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, only ions move through the solid electrolyte, and the electrons are connected to the cathode member. Passes through the external load and heads toward the anode member. Ions that have passed through the solid electrolyte recombine with electrons on the anode member on the downstream side of the high temperature portion of the solid electrolyte 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 solid electrolyte by a wick pump or an electromagnetic pump using capillary force.

アルカリ金属熱電気変換器の発電効率は、固体電解質を通過するアルカリ金属イオンの量に大きく依存する。そのため、固体電解質のカソード側面及びアノード側面の表面積を増大させることによって、固体電解質とアルカリ金属との接触面積が増大し、アノード側面においては固体電解質内に進入するアルカリ金属イオンの量が増大し、カソード側面においては固体電解質外に離脱するアルカリ金属イオンの量が増大することが期待される。固体電解質のカソード側面及びアノード側面の表面積を増大させるために、固体電解質を円筒状に形成し、筒部を波形に湾曲させ、カソード側面及びアノード側面に凹凸を設けたものがある(例えば、特許文献2参照)。   The power generation efficiency of the alkali metal thermoelectric converter greatly depends on the amount of alkali metal ions passing through the solid electrolyte. Therefore, by increasing the surface area of the cathode side surface and the anode side surface of the solid electrolyte, the contact area between the solid electrolyte and the alkali metal increases, and the amount of alkali metal ions entering the solid electrolyte increases on the anode side surface. On the cathode side, it is expected that the amount of alkali metal ions released from the solid electrolyte will increase. In order to increase the surface area of the cathode side surface and anode side surface of the solid electrolyte, the solid electrolyte is formed in a cylindrical shape, the cylindrical portion is curved into a corrugated shape, and irregularities are provided on the cathode side surface and the anode side surface (for example, patents). Reference 2).

特許第2601889号公報Japanese Patent No. 2601889 特開平3−178584号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-178484

アルカリ金属熱電気変換器では、固体電解質のカソード側面上にカソードが形成されることがある。カソードは、気体のナトリウムが通過できるように、多孔質の薄膜として形成されることが多い。そのため、BASEのカソード側面に凹凸が形成されるとカソードをカソード側面上に均一に形成することが困難になり、カソードの断線やカソードとカソード側面との接触不良等が生じる虞がある。また、固体電解質のアノード側面及びカソード側面の両面に凹凸が形成されると、固体電解質を成形する際に成形型の分離(抜き出し)が困難になる場合があり、成形を含む製造が困難になる。   In an alkali metal thermoelectric converter, the cathode may be formed on the cathode side surface of the solid electrolyte. The cathode is often formed as a porous thin film so that gaseous sodium can pass through. Therefore, if unevenness is formed on the side surface of the cathode of the BASE, it becomes difficult to form the cathode uniformly on the side surface of the cathode, and there is a possibility that disconnection of the cathode or poor contact between the cathode and the side surface of the cathode may occur. In addition, when irregularities are formed on both the anode side surface and the cathode side surface of the solid electrolyte, it may be difficult to separate (extract) the molding die when molding the solid electrolyte, which makes it difficult to manufacture including molding. .

本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであって、アルカリ金属熱電気変換器において、製造を困難化することなく、アルカリ金属イオンの固体電解質に対する通過量を増大させることを課題とする。   This invention is made | formed in view of the above background, Comprising: It makes it a subject to increase the passage amount with respect to the solid electrolyte of an alkali metal ion, without making manufacture difficult in an alkali metal thermoelectric converter. .

上記課題を解決するために、本発明は、アルカリ金属熱電気変換器(1)であって、受熱部(51)、放熱部(52)、及び前記受熱部及び前記放熱部を通過するように形成されたアルカリ金属の循環路(28)を有する密閉容器(2)と、アルカリ金属イオンの通過を許容し、前記受熱部における前記循環路を区切るように設けられ、アノード側面(38)及びカソード側面(37)を有する固体電解質(33)と、前記アノード側面側に設けられたアノード(7)と、前記カソード側面側に設けられたカソード(36)と、前記循環路内のアルカリ金属を前記固体電解質の前記アノード側面側に輸送する輸送手段(46)とを有し、前記アノード側面は、複数の凸部(35)を有し、前記カソード側面は前記アノード側面よりも平滑に形成されていることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the present invention is an alkali metal thermoelectric converter (1), which passes through a heat receiving part (51), a heat radiating part (52), and the heat receiving part and the heat radiating part. A sealed container (2) having a formed alkali metal circulation path (28); and an anode side face (38) and a cathode provided to permit passage of alkali metal ions and to divide the circulation path in the heat receiving section. A solid electrolyte (33) having a side surface (37), an anode (7) provided on the anode side surface side, a cathode (36) provided on the cathode side surface side, and an alkali metal in the circulation path; Transport means (46) for transporting the solid electrolyte to the anode side surface side, the anode side surface has a plurality of convex portions (35), and the cathode side surface is formed more smoothly than the anode side surface. Characterized in that it is.

この構成によれば、凸部の存在により、固体電解質のアノード側面の表面積が増大し、アノード側面とアルカリ金属との接触面積が増大する。これにより、イオン化してアノード側面から固体電解質内に移動するアルカリ金属の量が増大する。一方、カソード側面は、平滑に形成されているため、カソード側面上へのカソードの形成が容易になる。また、カソード側面が平滑に形成されることによって、固体電解質の成形が容易になる。本件出願人らの研究によれば、従来のアルカリ金属熱電気変換器では、固体電解質内のイオン空孔の量よりも固体電解質を通過するイオンの量が大幅に少ない可能性がある。すなわち、固体電解質内にイオンの通路が余剰に存在する可能性がある。そのため、固体電解質を通過するアルカリ金属イオンの量は、アルカリ金属が電子を放出してアノード側面に進入する過程が、アルカリ金属イオンが電子を受け取りカソード側面から出る過程よりも大きく影響すると考えられる。そのため、カソード側面を平滑にし、アノード側面に凸部を設けることによって、カソードのカソード側面への形成を容易にすると共に、固定電解質を通過するアルカリ金属イオンの量を増大させることができる。   According to this configuration, the surface area of the anode side surface of the solid electrolyte increases due to the presence of the convex portion, and the contact area between the anode side surface and the alkali metal increases. This increases the amount of alkali metal that ionizes and migrates from the anode side into the solid electrolyte. On the other hand, since the cathode side surface is formed smoothly, it is easy to form the cathode on the cathode side surface. Further, since the cathode side surface is formed smoothly, the solid electrolyte can be easily formed. According to the applicant's research, in a conventional alkali metal thermoelectric converter, the amount of ions passing through the solid electrolyte may be significantly less than the amount of ion vacancies in the solid electrolyte. That is, there may be an excess of ion paths in the solid electrolyte. Therefore, it is considered that the amount of alkali metal ions passing through the solid electrolyte has a larger influence on the process in which alkali metal emits electrons and enters the anode side surface than the process in which alkali metal ions receive electrons and exit from the cathode side surface. Therefore, by smoothing the cathode side surface and providing a convex portion on the anode side surface, the cathode can be easily formed on the cathode side surface, and the amount of alkali metal ions passing through the fixed electrolyte can be increased.

上記の発明において、前記凸部は、前記固体電解質の本体部から外方へと突出した板片状をなすようにしてもよい。   In the above invention, the convex portion may have a plate-like shape projecting outward from the main body portion of the solid electrolyte.

この構成によれば、凸部を板片状(フィン状)として表面積を効率よく拡張することができる。   According to this configuration, the surface area can be efficiently expanded by making the convex portion into a plate shape (fin shape).

上記の発明において、前記循環路は、前記受熱部において入口通路(17)及び出口通路(18)を備えたチャンバ(27)を有し、前記固体電解質は、一端に開口を有して他端が閉じられた筒形に形成され、前記チャンバ内に前記開口が前記出口通路と連通するように配置され、前記チャンバ内を前記入口通路側と前記出口通路側とに区切り、外面が前記入口通路側を向く前記アノード側面となり、内面が前記カソード側面となるようにするとよい。   In the above invention, the circulation path has a chamber (27) having an inlet passage (17) and an outlet passage (18) in the heat receiving portion, and the solid electrolyte has an opening at one end and the other end. Is formed in a closed cylindrical shape, the opening is disposed in the chamber so as to communicate with the outlet passage, the chamber is divided into the inlet passage side and the outlet passage side, and an outer surface is the inlet passage. It is preferable that the anode side surface is directed to the side, and the inner surface is the cathode side surface.

この構成によれば、成形が比較的容易な筒形の固体電解質を使用して循環路を区切ることができる。また、固体電解質は、筒形の内側を平滑なカソード側面、外側を凸部が設けられたアノード側面とすることによって、成形が容易になる。   According to this configuration, the circulation path can be partitioned using a cylindrical solid electrolyte that is relatively easy to mold. In addition, the solid electrolyte can be easily formed by providing a cylindrical cathode side surface on the inner side of the cylindrical shape and an anode side surface provided with projections on the outer side.

上記の発明において、前記固体電解質は円筒形に形成され、前記カソード側面をなす内面が円筒面に形成されているようにしてもよい。   In the above invention, the solid electrolyte may be formed in a cylindrical shape, and an inner surface forming the cathode side surface may be formed in a cylindrical surface.

この構成によれば、カソード側面を平滑に形成することできる。   According to this configuration, the cathode side surface can be formed smoothly.

上記の発明において、前記凸部は、前記固体電解質の外周面に沿って周方向に延在し、環状の板片状をなすようにしてもよい。   In the above invention, the convex portion may extend in the circumferential direction along the outer peripheral surface of the solid electrolyte to form an annular plate piece.

この構成によれば、固体電解質の外周面に比較的多くの凸部を配置することができる。   According to this structure, a comparatively many convex part can be arrange | positioned on the outer peripheral surface of a solid electrolyte.

上記の発明において、前記チャンバの前記入口通路側を画成する部分は、導電性材料を含み、前記アノードを構成するようにしてもよい。   In the above invention, a portion defining the inlet passage side of the chamber may include a conductive material to constitute the anode.

この構成によれば、チャンバの入口通路側を画成する部分がアノードを兼ねるため、別途アノードを設ける必要がなく、部品点数を省略することができる。   According to this configuration, since the portion defining the inlet passage side of the chamber also serves as the anode, it is not necessary to separately provide an anode, and the number of parts can be omitted.

上記の発明において、前記カソードは、前記カソード側面上に設けられた多孔質体であってもよい。   In the above invention, the cathode may be a porous body provided on a side surface of the cathode.

この構成によれば、気体のアルカリ金属の流れを阻害することなく、カソードと固体電解質、気相の三相界面を広くすることできる。   According to this configuration, the three-phase interface between the cathode, the solid electrolyte, and the gas phase can be widened without hindering the flow of gaseous alkali metal.

上記の発明において、前記輸送手段は、前記循環路内に設けられたウィック(46)であってよい。また、前記輸送手段は、前記密閉容器を回転させることにより、遠心力によって前記アルカリ金属を輸送してもよい。また、前記輸送手段は、電磁誘導作用により前記アルカリ金属を輸送する電磁ポンプであってもよい。   In the above invention, the transportation means may be a wick (46) provided in the circulation path. The transport means may transport the alkali metal by centrifugal force by rotating the closed container. The transporting means may be an electromagnetic pump that transports the alkali metal by electromagnetic induction.

これらの構成によれば、各種輸送手段を用いて、アルカリ金属を輸送することができる。   According to these configurations, the alkali metal can be transported using various transportation means.

以上の構成によれば、アルカリ金属熱電気変換器において、製造を困難化することなく、アルカリ金属イオンの固体電解質に対する通過量を増大させることができる。   According to the above configuration, in the alkali metal thermoelectric converter, the amount of alkali metal ions passing through the solid electrolyte can be increased without making the production difficult.

第1実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の断面図Sectional drawing of the alkali metal thermoelectric converter which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の平面図であって、1つのセルを破断して示すIt is a top view of the alkali metal thermoelectric converter which concerns on 1st Embodiment, Comprising: One cell is broken and shown 第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の断面図Sectional drawing of the alkali metal thermoelectric converter which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器を自動車の排気系に配置した概略図Schematic diagram in which an alkali metal thermoelectric converter according to a second embodiment is arranged in an exhaust system of an automobile. 固体電解質の変形例を示す断面図Sectional view showing a modification of the solid electrolyte

以下、図面を参照して、本発明に係るアルカリ金属熱電気変換器の実施形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of an alkali metal thermoelectric converter according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は第1実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の断面図であり、図2は第1実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の平面図であって、1つのセルを破断して示す図である。図1及び図2に示すように、アルカリ金属熱電気変換器(AMTEC)1は、外殻をなす密閉容器2を有する。密閉容器2は、軸線Aが上下に延びる円盤状の第1ケーシング5と、第1ケーシング5の下面中央部に設けられた円筒状の第2ケーシング6と、第1ケーシング5の上面外周部に設けられた複数(本実施形態では8個)の円筒状の第3ケーシング7とを有する。第1ケーシング5は、耐熱性及び絶縁性を有する材料から形成されている。第2ケーシング6は、熱伝導性及び耐熱性を有する材料から形成されている。複数の第3ケーシング7は、熱伝導性、耐熱性、及び電気伝導性を有する材料から形成されている。第1ケーシング5は高分子材料から形成され、第2ケーシング6及び複数の第3ケーシング7は、ステンレス鋼やアルミ合金等の金属材料から形成されてよい。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of an alkali metal thermoelectric converter according to the first embodiment, and FIG. 2 is a plan view of the alkali metal thermoelectric converter according to the first embodiment. FIG. As shown in FIG.1 and FIG.2, the alkali metal thermoelectric converter (AMTEC) 1 has the airtight container 2 which makes an outer shell. The hermetic container 2 includes a disk-shaped first casing 5 with an axis A extending vertically, a cylindrical second casing 6 provided at the center of the lower surface of the first casing 5, and an outer peripheral portion of the upper surface of the first casing 5. A plurality of (three in this embodiment) cylindrical third casings 7 provided. The 1st casing 5 is formed from the material which has heat resistance and insulation. The second casing 6 is formed from a material having thermal conductivity and heat resistance. The plurality of third casings 7 are formed of a material having thermal conductivity, heat resistance, and electrical conductivity. The first casing 5 may be formed from a polymer material, and the second casing 6 and the plurality of third casings 7 may be formed from a metal material such as stainless steel or an aluminum alloy.

第1ケーシング5の下面中央部には第1孔11が凹設されている。第1孔11は、断面円形の有底筒孔であり、その軸線が軸線Aと同軸に配置されている。第1ケーシング5の下面中央部の第1孔11の周囲には、第3ケーシング7の数に対応した数(本実施形態では8個)の第2孔12が凹設されている。各第2孔12は、断面円形の有底筒孔であり、その軸線が軸線Aと平行に配置されている。各第2孔12は、第1孔11よりも軸線A方向に長く、すなわち深さが深く形成されている。各第2孔12は、軸線Aを中心とした周方向に、互いに45°の間隔をおいて配置されている。   A first hole 11 is recessed in the center of the lower surface of the first casing 5. The first hole 11 is a bottomed cylindrical hole having a circular cross section, and its axis is arranged coaxially with the axis A. The number of second holes 12 corresponding to the number of the third casings 7 (eight in this embodiment) is recessed around the first holes 11 at the center of the lower surface of the first casing 5. Each second hole 12 is a bottomed cylindrical hole having a circular cross section, and its axis is arranged in parallel with the axis A. Each second hole 12 is longer in the direction of the axis A than the first hole 11, that is, has a deep depth. The second holes 12 are arranged in the circumferential direction around the axis A with an interval of 45 ° from each other.

第1ケーシング5の上面の外周部には、第3ケーシング7の数に対応した数(本実施形態では8個)の第3孔13が凹設されている。各第3孔13は、断面円形の有底筒孔であり、その軸線が軸線Aと平行に配置されている。各第3孔13は、軸線Aを中心とした周方向に、互いに45°の間隔をおいて配置されている。各第2孔12の中心と各第3孔13の中心は、軸線Aを中心とした周方向において互いに偏倚している。   The number of third holes 13 corresponding to the number of third casings 7 (eight in the present embodiment) is recessed in the outer peripheral portion of the upper surface of the first casing 5. Each third hole 13 is a bottomed cylindrical hole having a circular cross section, and its axis is arranged in parallel with the axis A. The third holes 13 are arranged at an interval of 45 ° in the circumferential direction around the axis A. The center of each second hole 12 and the center of each third hole 13 are offset from each other in the circumferential direction about the axis A.

第1ケーシング5の下面には、複数の第2孔12の内側において第1孔11を囲むように、円筒形状の隔壁14が下方へと突設されている。すなわち、隔壁14は第1孔11と各第2孔12との間を区画するように配置されている。隔壁14の下端は開口端となっている。隔壁14の内周面は、円筒面に形成されており、基端部(上端部)が他の部分に対して内径が小さく形成されている。すななち、隔壁14は、内部の上端部に内径が小さく設定された絞り部15を有する。   A cylindrical partition wall 14 projects downward from the lower surface of the first casing 5 so as to surround the first hole 11 inside the plurality of second holes 12. That is, the partition wall 14 is disposed so as to partition the first hole 11 and each second hole 12. The lower end of the partition wall 14 is an open end. The inner peripheral surface of the partition wall 14 is formed in a cylindrical surface, and the base end portion (upper end portion) has a smaller inner diameter than other portions. In other words, the partition wall 14 has a narrowed portion 15 whose inner diameter is set small at the upper end portion inside.

第1ケーシング5の内部には、第1ケーシング5の径方向に延び、隣接する第2孔12と第3孔13とを連通する入口通路17が複数形成されている。各入口通路17の端部は、第2孔12の側面と第3孔13の側面とに開口している。また、第1ケーシング5の内部には、第1孔11から第1ケーシング5の径方向に延びて各第3孔13に繋がる複数の出口通路18が形成されている。各出口通路18の端部は、第1孔11の側面と第3孔13の底面とに開口している。入口通路17は出口通路18及び第1孔11に連通しないように配置され、出口通路18は入口通路17及び第2孔12に連通しないように配置されている。   A plurality of inlet passages 17 extending in the radial direction of the first casing 5 and communicating with the adjacent second hole 12 and third hole 13 are formed inside the first casing 5. The end of each inlet passage 17 opens to the side surface of the second hole 12 and the side surface of the third hole 13. In addition, a plurality of outlet passages 18 extending from the first hole 11 in the radial direction of the first casing 5 and connected to the third holes 13 are formed in the first casing 5. The end of each outlet passage 18 opens to the side surface of the first hole 11 and the bottom surface of the third hole 13. The inlet passage 17 is disposed so as not to communicate with the outlet passage 18 and the first hole 11, and the outlet passage 18 is disposed so as not to communicate with the inlet passage 17 and the second hole 12.

第2ケーシング6は、円筒部6Aと、円筒部6Aの一端を閉じる端壁6Bとを有し、円筒部6Aの他端は開口端となっている。第2ケーシング6は、開口端が上方を向き、内部に隔壁14を受容するように第1ケーシング5の下面に接合される。第2ケーシング6は円筒部6Aの軸線が軸線Aと同軸となるように配置される。第1ケーシング5と第2ケーシング6とが接合された状態において、円筒部6Aと隔壁14とは同心に配置され、隔壁14の突出端部(下端部)は第2ケーシング6の端壁6Bに対して空隙を介して対向する。これにより、第2ケーシング6内には、隔壁14の内周面によって画成された第1通路21と、第2ケーシング6の端壁6Bと端壁6B付近の円筒部6Aとによって画成された第2通路22と、隔壁14の外周面と第2ケーシング6の円筒部6Aの内周面とによって画成された第3通路23とが形成される。第3通路23は、第1通路21を囲むように、第1通路21の径方向外方に配置されている。第2通路22は、第1通路21と第3通路23との下端部同士を互いに連通している。   The second casing 6 has a cylindrical portion 6A and an end wall 6B that closes one end of the cylindrical portion 6A, and the other end of the cylindrical portion 6A is an open end. The second casing 6 is joined to the lower surface of the first casing 5 so that the opening end faces upward and the partition wall 14 is received inside. The second casing 6 is disposed so that the axis of the cylindrical portion 6A is coaxial with the axis A. In the state where the first casing 5 and the second casing 6 are joined, the cylindrical portion 6A and the partition wall 14 are disposed concentrically, and the protruding end portion (lower end portion) of the partition wall 14 is formed on the end wall 6B of the second casing 6. On the other hand, they face each other through a gap. Thus, the second casing 6 is defined by the first passage 21 defined by the inner peripheral surface of the partition wall 14 and the end wall 6B of the second casing 6 and the cylindrical portion 6A in the vicinity of the end wall 6B. The second passage 22 and the third passage 23 defined by the outer peripheral surface of the partition wall 14 and the inner peripheral surface of the cylindrical portion 6A of the second casing 6 are formed. The third passage 23 is disposed radially outward of the first passage 21 so as to surround the first passage 21. The second passage 22 communicates the lower ends of the first passage 21 and the third passage 23 with each other.

第2ケーシング6の円筒部6Aの外周面には、複数のフィン25が突設されている。フィン25は、第2ケーシング6の外面の面積を拡大し、第2ケーシング6と外部熱源(外部雰囲気)との熱交換を促進する効果を奏する。   A plurality of fins 25 project from the outer peripheral surface of the cylindrical portion 6 </ b> A of the second casing 6. The fin 25 enlarges the area of the outer surface of the 2nd casing 6, and there exists an effect which accelerates | stimulates the heat exchange with the 2nd casing 6 and an external heat source (external atmosphere).

第3ケーシング7は、円筒部7Aと、円筒部7Aの一端を閉じる端壁7Bとを有し、円筒部7Aの他端は開口端となっている。第3ケーシング7は、開口端が第3孔13と連通するように、第1ケーシング5の上面に接合される。すなわち、第3ケーシング7は、円筒部7Aの軸線が第3孔13の軸線と一致し、第3孔13を閉じるように配置される。これにより、第3ケーシング7及び第3孔13によってチャンバ27が画成される。   The third casing 7 has a cylindrical portion 7A and an end wall 7B that closes one end of the cylindrical portion 7A, and the other end of the cylindrical portion 7A is an open end. The third casing 7 is joined to the upper surface of the first casing 5 so that the open end communicates with the third hole 13. That is, the third casing 7 is disposed so that the axis of the cylindrical portion 7 </ b> A coincides with the axis of the third hole 13 and closes the third hole 13. Thereby, the chamber 27 is defined by the third casing 7 and the third hole 13.

以上の構成により、第1〜第3ケーシング5〜7からなる密閉容器2の内部には、第1通路21、第2通路22、第3通路23、第2孔12、入口通路17、チャンバ27、出口通路18、第1孔11を順に通過して最初の第1通路21に到る循環路28が形成される。循環路28は、各第3ケーシング7に対応して複数に分岐し(本実施形態では8つ)、第1通路21、第2通路22、第3通路23、及び第1孔11が共通部分となる。   With the above configuration, the first passage 21, the second passage 22, the third passage 23, the second hole 12, the inlet passage 17, and the chamber 27 are provided inside the sealed container 2 including the first to third casings 5 to 7. A circulation path 28 that passes through the outlet passage 18 and the first hole 11 in order and reaches the first first passage 21 is formed. The circulation path 28 is branched into a plurality corresponding to each third casing 7 (eight in the present embodiment), and the first passage 21, the second passage 22, the third passage 23, and the first hole 11 are common portions. It becomes.

第3ケーシング7の円筒部7Aの外周面には、複数のフィン31が突設されている。フィン31は、第3ケーシング7の外面の面積を拡大し、第3ケーシング7と外部熱源(外部雰囲気)との熱交換を促進する効果を奏する。   A plurality of fins 31 project from the outer peripheral surface of the cylindrical portion 7 </ b> A of the third casing 7. The fin 31 expands the area of the outer surface of the third casing 7 and has an effect of promoting heat exchange between the third casing 7 and an external heat source (external atmosphere).

チャンバ27には、アルカリ金属イオンの通過を許容する固体電解質33が設けられている。本実施形態では、固体電解質33は高温下でナトリウムイオンの通過を許容するβアルミナ固体電解質又はβ''アルミナ固体電解質である。固体電解質33は、βアルミナ又はβ''アルミナの焼結材によって構成されている。   The chamber 27 is provided with a solid electrolyte 33 that allows passage of alkali metal ions. In the present embodiment, the solid electrolyte 33 is a β-alumina solid electrolyte or a β ″ -alumina solid electrolyte that allows passage of sodium ions at a high temperature. The solid electrolyte 33 is made of a sintered material of β alumina or β ″ alumina.

固体電解質33は、円筒部33Aと、円筒部33Aの一端を閉じる端壁33Bとを有し、一端が開口した有底円筒形をなす。固体電解質33は、開口端が第3孔13の底部に開口した出口通路18と連通するように第1ケーシング5に接合される。すなわち、固体電解質33は、チャンバ27に開口した出口通路18を閉じるように第3孔13の底部に接合される。固体電解質33が第1ケーシング5に接合された状態において、固体電解質33の円筒部33Aは第3ケーシング7の円筒部7Aと同心に配置され、固体電解質33の端壁33Bは、第3ケーシング7の端壁7Bと空隙を介して対向するように配置される。これにより、チャンバ27は、固体電解質33の外面と第3ケーシング7及び第3孔13の内面とによって画成された外室27Aと、固体電解質33の内側に画成された内室27Bとに区画される。入口通路17は外室27Aに連通し、出口通路18は内室27Bに連通する。   The solid electrolyte 33 has a cylindrical portion 33A and an end wall 33B that closes one end of the cylindrical portion 33A, and has a bottomed cylindrical shape with one end opened. The solid electrolyte 33 is joined to the first casing 5 so that the open end communicates with the outlet passage 18 opened at the bottom of the third hole 13. That is, the solid electrolyte 33 is joined to the bottom of the third hole 13 so as to close the outlet passage 18 opened to the chamber 27. In a state where the solid electrolyte 33 is joined to the first casing 5, the cylindrical portion 33 </ b> A of the solid electrolyte 33 is disposed concentrically with the cylindrical portion 7 </ b> A of the third casing 7, and the end wall 33 </ b> B of the solid electrolyte 33 is It arrange | positions so that the end wall 7B of this may be opposed via a space | gap. Accordingly, the chamber 27 is divided into an outer chamber 27A defined by the outer surface of the solid electrolyte 33 and the inner surfaces of the third casing 7 and the third hole 13, and an inner chamber 27B defined inside the solid electrolyte 33. Partitioned. The inlet passage 17 communicates with the outer chamber 27A, and the outlet passage 18 communicates with the inner chamber 27B.

固体電解質33は、円筒部33Aの外周面に複数の凸部35を有する。凸部35は、円筒部33Aの外周面の表面積を拡大する目的で形成されている。本実施形態では、凸部35は、円筒部33Aの外周面から外方へと突出した板片(フィン)であり、外周面の周方向に延在して環状となっている。複数の凸部35は、円筒部33Aの軸線方向において互いに空隙を介して配置されている。   The solid electrolyte 33 has a plurality of convex portions 35 on the outer peripheral surface of the cylindrical portion 33A. The convex portion 35 is formed for the purpose of expanding the surface area of the outer peripheral surface of the cylindrical portion 33A. In the present embodiment, the convex portion 35 is a plate piece (fin) that protrudes outward from the outer peripheral surface of the cylindrical portion 33A, and extends in the circumferential direction of the outer peripheral surface and has an annular shape. The plurality of convex portions 35 are arranged with gaps therebetween in the axial direction of the cylindrical portion 33A.

固体電解質33の円筒部33Aの内周面は、滑らかな(平滑な)円筒面(円周面)に形成されている。すなわち、円筒部33Aの内周面は、外周面よりも滑らかに形成されている。ここでの、滑らかな面や平滑な面は、曲面を含む連続した面を意味し、稜や谷等の急峻な凹凸がない面をいう。本実施形態では、固体電解質33の円筒部33Aの内周面は、軸線方向における各部において内径が一定に形成されている。固体電解質33は、内周面の内径が一定であり、外周面に複数の凸部35を有するため、径方向における肉厚が軸線方向に進むにつれて変化する。   The inner peripheral surface of the cylindrical portion 33A of the solid electrolyte 33 is formed as a smooth (smooth) cylindrical surface (circumferential surface). That is, the inner peripheral surface of the cylindrical portion 33A is formed more smoothly than the outer peripheral surface. Here, a smooth surface or a smooth surface means a continuous surface including a curved surface, and means a surface having no steep irregularities such as ridges and valleys. In the present embodiment, the inner peripheral surface of the cylindrical portion 33A of the solid electrolyte 33 has a constant inner diameter at each portion in the axial direction. Since the solid electrolyte 33 has a constant inner diameter on the inner peripheral surface and a plurality of convex portions 35 on the outer peripheral surface, the thickness in the radial direction changes as the axial direction proceeds.

固体電解質33の円筒部33Aの内周面及び端壁33Bの内面には、導電性及び通気性を有するカソード(陽極)36が設けられている。カソード36は、例えばモリブデン等の薄膜電極である。カソード36は、気体及び液体のアルカリ金属が通過できるように多孔質(三次元網目構造)に形成されている。カソード36は、例えばスパッタリング等の公知の積層手法によって形成される。これにより、固体電解質33の円筒部33Aの内周面及び端壁33Bの内面はカソード側面37を構成する。カソード36は、円筒部33Aの内周面及び端壁33Bの内面(カソード側面37)の大部分、好ましくは全域を覆うように設けられている。これにより、カソード36によって電子が供給されるカソード側面37の面積がより広く形成される。固体電解質33の円筒部33Aの外周面、凸部35の外面、及び端壁33Bの外面はアノード側面38を構成する。アノード側面38の表面積は、カソード側面37の表面積の2倍以上であることが好ましい。   A cathode (anode) 36 having conductivity and air permeability is provided on the inner peripheral surface of the cylindrical portion 33A of the solid electrolyte 33 and the inner surface of the end wall 33B. The cathode 36 is a thin film electrode such as molybdenum. The cathode 36 is formed in a porous shape (three-dimensional network structure) so that gas and liquid alkali metal can pass therethrough. The cathode 36 is formed by a known lamination technique such as sputtering. Thereby, the inner peripheral surface of the cylindrical portion 33 </ b> A of the solid electrolyte 33 and the inner surface of the end wall 33 </ b> B constitute a cathode side surface 37. The cathode 36 is provided so as to cover most of the inner peripheral surface of the cylindrical portion 33A and the inner surface (cathode side surface 37) of the end wall 33B, preferably the entire region. Thereby, the area of the cathode side surface 37 to which electrons are supplied by the cathode 36 is formed wider. The outer peripheral surface of the cylindrical portion 33A of the solid electrolyte 33, the outer surface of the convex portion 35, and the outer surface of the end wall 33B constitute an anode side surface 38. The surface area of the anode side surface 38 is preferably at least twice the surface area of the cathode side surface 37.

カソード36には、導電性を有する接続部材(リード)41の一端が接続されている。接続部材41は、他端が出口通路18内へと延び、出口通路18から第1ケーシング5を貫通して外部に延びている。本実施形態では、接続部材41は、カソード36の表面に接続された第1接続部材41Aと、一端が第1接続部材41Aに接続される一方、他端が出口通路18内へと延び、出口通路18から第1ケーシング5を貫通して外部に延びた第2接続部材41Bとを有している。   One end of a conductive connection member (lead) 41 is connected to the cathode 36. The other end of the connection member 41 extends into the outlet passage 18, and extends to the outside through the first casing 5 from the outlet passage 18. In the present embodiment, the connecting member 41 includes a first connecting member 41A connected to the surface of the cathode 36, one end connected to the first connecting member 41A, and the other end extending into the outlet passage 18, And a second connecting member 41B extending from the passage 18 to the outside through the first casing 5.

第1接続部材41Aは、導電性を有し、気体及び液体のアルカリ金属が通過可能な多孔質(三次元網目構造)の金属(発泡金属体)から形成されている。第1接続部材41Aは、例えばモリブデン等の金属の多孔質材料であってよい。第1接続部材41Aは、円筒部33Aの内部(内室27B)の大部分を占めるように設けられていてもよい。   The first connecting member 41A is made of a porous (three-dimensional network structure) metal (foamed metal body) that has conductivity and allows gas and liquid alkali metals to pass through. The first connecting member 41A may be a metal porous material such as molybdenum, for example. The first connecting member 41A may be provided so as to occupy most of the inside (inner chamber 27B) of the cylindrical portion 33A.

第2接続部材41Bは、導電性を有し、気体及び液体のアルカリ金属が通過することができないように形成されたバルク(塊)の金属体である。第2接続部材41Bは、例えばモリブデンやニッケル等を含む金属の柱状体やワイヤーであってよい。第2接続部材41Bの一端は、第1接続部材41Aに挿入され、第1接続部材41Aと電気的に接続されている。第2接続部材41Bが第1ケーシング5を貫通する部分には、気体及び液体のアルカリ金属の漏出を防止するために、シール42が設けられている。第2接続部材41Bの外端には導電性を有する配線43が設けられている。これにより、カソード36、第1接続部材41A、第2接続部材41B、及び配線43は電気的に接続されている。なお、他の実施形態では、第2接続部材41Bが省略され、配線43が第1ケーシング5の内方へと挿入され、第1接続部材41Aに直接に接続されていてもよい。この場合には、配線43は気体及び液体のアルカリ金属が通過することができないように形成され、第1ケーシングとの隙間をシール42によってシールされる。また、第1接続部材41Aがカソード36を覆うように積層された薄膜として形成され、第2接続部材41B又は配線43が薄膜状の第1接続部材41Aに接続されるようにしてもよい。   The second connecting member 41 </ b> B is a bulk metal body that has conductivity and is formed so that gas and liquid alkali metal cannot pass therethrough. The second connection member 41B may be a metal columnar body or wire containing, for example, molybdenum or nickel. One end of the second connection member 41B is inserted into the first connection member 41A and is electrically connected to the first connection member 41A. A seal 42 is provided at a portion where the second connecting member 41B penetrates the first casing 5 in order to prevent leakage of gas and liquid alkali metal. Conductive wiring 43 is provided at the outer end of the second connection member 41B. Accordingly, the cathode 36, the first connection member 41A, the second connection member 41B, and the wiring 43 are electrically connected. In other embodiments, the second connecting member 41B may be omitted, and the wiring 43 may be inserted inward of the first casing 5 and directly connected to the first connecting member 41A. In this case, the wiring 43 is formed so that gas and liquid alkali metal cannot pass through, and the gap with the first casing is sealed by the seal 42. Alternatively, the first connection member 41A may be formed as a thin film laminated so as to cover the cathode 36, and the second connection member 41B or the wiring 43 may be connected to the thin film-like first connection member 41A.

第3ケーシング7は、アノードとして機能する。第3ケーシング7には、導電性を有する配線44が設けられている。1組の第3ケーシング7、固体電解質33、カソード36、及び配線43、44は1つのセル45を構成する。配線43、44は、他のセル45と直列や並列に接続され、外部負荷(不図示)に接続される。   The third casing 7 functions as an anode. The third casing 7 is provided with conductive wiring 44. One set of the third casing 7, the solid electrolyte 33, the cathode 36, and the wirings 43 and 44 constitute one cell 45. The wirings 43 and 44 are connected to other cells 45 in series or in parallel, and are connected to an external load (not shown).

第2ケーシング6の第3通路23内には、ウィックポンプ46が設けられている。ウィックポンプ46は、毛細管力によって液体を輸送する輸送手段である。ウィックポンプ46は、多孔材料である網ウィックや繊維状ウィック、焼結金属ウィックであってよい。ウィックポンプ46は、第3通路23内に加え、第2孔12内や、入口通路17内にも設けられてもよい。   A wick pump 46 is provided in the third passage 23 of the second casing 6. The wick pump 46 is a transport means for transporting liquid by capillary force. The wick pump 46 may be a mesh wick, a fibrous wick, or a sintered metal wick that is a porous material. The wick pump 46 may be provided in the second hole 12 or the inlet passage 17 in addition to the third passage 23.

循環路28内は、真空になっており、アルカリ金属が封入されている。本実施形態では、イオン化した際にβアルミナ固体電解質又はβ''アルミナ固体電解質を通過可能なナトリウムがアルカリ金属として使用されている。   The inside of the circulation path 28 is evacuated and filled with alkali metal. In the present embodiment, sodium that can pass through β-alumina solid electrolyte or β ″ alumina solid electrolyte when ionized is used as an alkali metal.

複数の第3ケーシング7は高温熱源に曝され、受熱部51として機能し、第2ケーシング6は低温熱源に曝され、放熱部52として機能する。循環路28は、受熱部51である第3ケーシング7と、放熱部52である第2ケーシング6とを通過するように配置されている。熱を受けることによって第3ケーシング7及びチャンバ27は高温になり、熱を放出することによって第2ケーシング6、第1通路21、第2通路22、第3通路23は第3ケーシング7及びチャンバ27より低温になる。稼動時には、第2ケーシング6、第1通路21、第2通路22、及び第3通路23の温度はアルカリ金属の融点より高く、沸点より低くなる。また、稼動時には、第3ケーシング7及びチャンバ27の温度はアルカリ金属の沸点以上になることが好ましい。   The plurality of third casings 7 are exposed to a high temperature heat source and function as the heat receiving part 51, and the second casing 6 is exposed to a low temperature heat source and functions as the heat radiating part 52. The circulation path 28 is disposed so as to pass through the third casing 7 that is the heat receiving portion 51 and the second casing 6 that is the heat radiating portion 52. The third casing 7 and the chamber 27 are heated by receiving heat, and the second casing 6, the first passage 21, the second passage 22, and the third passage 23 are discharged from the third casing 7 and the chamber 27 by releasing heat. It becomes cooler. During operation, the temperatures of the second casing 6, the first passage 21, the second passage 22, and the third passage 23 are higher than the melting point of the alkali metal and lower than the boiling point. In operation, the temperature of the third casing 7 and the chamber 27 is preferably equal to or higher than the boiling point of the alkali metal.

次に、以上のように構成したアルカリ金属熱電気変換器1の作用について説明する。アルカリ金属熱電気変換器1は、受熱部51において熱を受け、放熱部52をおいて熱を放出することによって、循環路28内のアルカリ金属は、第1通路21、第2通路22、第3通路23において主に液体として存在し、外室27Aにおいて液体と気体とが混在した状態として存在する。これにより、ウィックポンプ46の内室27B側においてはアルカリ金属が蒸発し、その結果ウィックポンプ46は毛細管力により液体のアルカリ金属を外室27A側へと輸送する。これにより、固体電解質33のアノード側面38にアルカリ金属が供給される。   Next, the operation of the alkali metal thermoelectric converter 1 configured as described above will be described. The alkali metal thermoelectric converter 1 receives heat at the heat receiving portion 51 and releases heat at the heat radiating portion 52, so that the alkali metal in the circulation path 28 flows into the first passage 21, the second passage 22, the second passage. The three passages 23 exist mainly as a liquid, and the outer chamber 27A exists as a mixture of liquid and gas. As a result, the alkali metal evaporates on the inner chamber 27B side of the wick pump 46, and as a result, the wick pump 46 transports the liquid alkali metal to the outer chamber 27A side by capillary force. As a result, the alkali metal is supplied to the anode side surface 38 of the solid electrolyte 33.

液体及び気体のアルカリ金属は、アノード側面38において、電子を放出し、アルカリ金属イオンとなって固体電解質33内に進入する。アノード側面38において放出された電子は、液体のアルカリ金属及び第3ケーシング7を介して配線44へと流れる。   The liquid and gaseous alkali metals emit electrons at the anode side surface 38 and enter the solid electrolyte 33 as alkali metal ions. The electrons emitted from the anode side surface 38 flow to the wiring 44 through the liquid alkali metal and the third casing 7.

固体電解質33中のアルカリ金属イオンは、カソード側面37においてカソード36から電子を受け取り、気体のアルカリ金属になる。気体のアルカリ金属は、カソード36、内室27B、出口通路18、第1孔11を介して第1通路21に到り、温度が低下して液体になる。液体のアルカリ金属は、第2通路22を介して第3通路23に到り、ウィックポンプ46によって外室27A側へと輸送される。   The alkali metal ions in the solid electrolyte 33 receive electrons from the cathode 36 at the cathode side surface 37 and become gaseous alkali metal. The gaseous alkali metal reaches the first passage 21 via the cathode 36, the inner chamber 27B, the outlet passage 18, and the first hole 11, and the temperature is lowered to become a liquid. The liquid alkali metal reaches the third passage 23 via the second passage 22, and is transported to the outer chamber 27 </ b> A side by the wick pump 46.

以上のように構成したアルカリ金属熱電気変換器1では、複数の凸部35によって固体電解質33のアノード側面38の表面積が増大されているため、アルカリ金属とアノード側面38との接触面積が増大する。アルカリ金属が電子を放出して固体電解質33内に進入する際のメカニズムは、アノード側面38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ーを有するものが電子を放出して固体電解質33内に進入するものと考えられる。そのため、アルカリ金属とアノード側面38との接触面積を増大させるほど、高い運動エネルギーを有するアルカリ金属がアノード側面38に近傍に位置する確率が高くなるため、固体電解質33内へと進入するアルカリ金属イオンの数が増大する。これにより、アルカリ金属熱電気変換器1の出力が増加する。アルカリ金属熱電気変換器1の出力が増加すると、受熱部51の低温化やアルカリ金属熱電気変換器1の小型化が可能になる。   In the alkali metal thermoelectric converter 1 configured as described above, since the surface area of the anode side surface 38 of the solid electrolyte 33 is increased by the plurality of convex portions 35, the contact area between the alkali metal and the anode side surface 38 increases. . The alkali metal emits electrons and enters the solid electrolyte 33. Among the alkali metals existing in the vicinity of the anode side surface 38, those having a certain or higher kinetic energy emit electrons and enter the solid electrolyte 33. It is thought that it will enter. Therefore, as the contact area between the alkali metal and the anode side surface 38 is increased, the probability that an alkali metal having high kinetic energy is located in the vicinity of the anode side surface 38 is increased, so that the alkali metal ions that enter the solid electrolyte 33. The number of increases. Thereby, the output of the alkali metal thermoelectric converter 1 increases. When the output of the alkali metal thermoelectric converter 1 increases, the temperature of the heat receiving portion 51 can be lowered and the size of the alkali metal thermoelectric converter 1 can be reduced.

一方、カソード側面37は、アノード側面38よりも滑らかに形成されているため、カソード側面37上へのカソード36の形成が容易になり、カソード36の断線やカソード36とカソード側面37との接触不良等を防止することができる。また、固体電解質33の成形が容易になると共に、固体電解質33の成形型からの引き抜きが容易になる。   On the other hand, since the cathode side surface 37 is formed more smoothly than the anode side surface 38, it is easy to form the cathode 36 on the cathode side surface 37, and disconnection of the cathode 36 or poor contact between the cathode 36 and the cathode side surface 37. Etc. can be prevented. In addition, the solid electrolyte 33 can be easily molded, and the solid electrolyte 33 can be easily pulled out from the mold.

本件出願人らの研究によれば、従来のアルカリ金属熱電気変換器では、固体電解質内のイオン空孔の量よりも固体電解質を通過するイオンの量が大幅に少ない可能性がある。そのため、固体電解質を通過するアルカリ金属イオンの量は、アルカリ金属が電子を放出してアノード側面に進入する過程が、アルカリ金属イオンが電子を受け取りカソード側面から出る過程よりも大きく影響すると考えられる。そのため、カソード側面37よりもアノード側面38の表面積を増大させる方が固体電解質33中を通過するアルカリ金属イオンの量を増大させる効果が高いと考えられる。そのため、カソード側面37を平滑にし、アノード側面38に凸部35を設けることによって、カソードのカソード側面への形成の容易化と、固定電解質を通過するアルカリ金属イオンの量(アノード側面38においてアルカリ金属から放出される電子の量)の増大化とを両立させることができる。カソード側面37よりもアノード側面38の表面積を増大させる方が固体電解質33中を通過するアルカリ金属イオンの量を増大させる効果が高いため、アノード側面38の表面積がカソード側面37の表面積より大きくなるほど好ましく、上記効果が顕著になる。少なくともアノード側面38の表面積は、カソード側面37の表面積の2倍以上であることが好ましい。   According to the applicant's research, in a conventional alkali metal thermoelectric converter, the amount of ions passing through the solid electrolyte may be significantly less than the amount of ion vacancies in the solid electrolyte. Therefore, it is considered that the amount of alkali metal ions passing through the solid electrolyte has a larger influence on the process in which alkali metal emits electrons and enters the anode side surface than the process in which alkali metal ions receive electrons and exit from the cathode side surface. Therefore, it is considered that increasing the surface area of the anode side surface 38 rather than the cathode side surface 37 has a higher effect of increasing the amount of alkali metal ions passing through the solid electrolyte 33. Therefore, the cathode side surface 37 is smoothed, and the projections 35 are provided on the anode side surface 38, thereby facilitating the formation of the cathode on the cathode side surface and the amount of alkali metal ions that pass through the fixed electrolyte (the alkali metal ions on the anode side surface 38). Increase in the amount of electrons emitted from the substrate. Since it is more effective to increase the amount of alkali metal ions passing through the solid electrolyte 33 than to increase the surface area of the anode side surface 38 than to the cathode side surface 37, the surface area of the anode side surface 38 is preferably larger than the surface area of the cathode side surface 37. The above effects become remarkable. The surface area of at least the anode side surface 38 is preferably at least twice the surface area of the cathode side surface 37.

凸部35は、板片状(フィン状)に形成されることによって、表面積を効率よく拡張することができる。   The convex portion 35 can be efficiently expanded in surface area by being formed in a plate shape (fin shape).

第1実施形態では、第1〜第3通路21〜23等に存在する液体のアルカリ金属を外室27Aに輸送するための輸送手段としてウィックポンプ46を使用したが、ウィックポンプ46に代えて電磁誘導作用により前記アルカリ金属を輸送する電磁ポンプとしてもよい。電磁ポンプは、第2ケーシング6の円筒部6Aの外周面上に設けるとよい。   In the first embodiment, the wick pump 46 is used as a transportation means for transporting the liquid alkali metal existing in the first to third passages 21 to 23 to the outer chamber 27A. It is good also as an electromagnetic pump which conveys the said alkali metal by an induction effect. The electromagnetic pump may be provided on the outer peripheral surface of the cylindrical portion 6 </ b> A of the second casing 6.

(第2実施形態)
第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器60は、慣性力を利用してアルカリ金属を輸送する構成となっている。図3は、第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の断面図である。図3に示すように、第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器60は、第1実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器1と比較して、ウィックポンプ46が省略され、代わりに密閉容器2を回転させる機構が設けられている。アルカリ金属熱電気変換器60のうちで、アルカリ金属熱電気変換器1と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
The alkali metal thermoelectric converter 60 according to the second embodiment is configured to transport an alkali metal using inertial force. FIG. 3 is a cross-sectional view of an alkali metal thermoelectric converter according to the second embodiment. As shown in FIG. 3, the alkali metal thermoelectric converter 60 according to the second embodiment omits the wick pump 46 and is sealed instead of the alkali metal thermoelectric converter 1 according to the first embodiment. A mechanism for rotating the container 2 is provided. In the alkali metal thermoelectric converter 60, the same components as those of the alkali metal thermoelectric converter 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

第2ケーシング6の端壁6Bには、軸線Aと同軸となる回転軸61が下方へと突設されている。回転軸61はカップリング62によって電動モータ63の出力軸64に連結されている。電動モータ63のケーシング65は、基台66に固定されている。電動モータ63は軸線Aを中心として密閉容器2を回転させる。チャンバ27は、軸線Aの径方向において第1〜第3通路23よりも軸線Aから離れた位置にある。   A rotating shaft 61 that is coaxial with the axis A is provided on the end wall 6B of the second casing 6 so as to protrude downward. The rotating shaft 61 is connected to the output shaft 64 of the electric motor 63 by a coupling 62. A casing 65 of the electric motor 63 is fixed to the base 66. The electric motor 63 rotates the sealed container 2 about the axis A. The chamber 27 is located farther from the axis A than the first to third passages 23 in the radial direction of the axis A.

回転軸61の外周部には電気絶縁部材67を介してアノード用スリップリング68及びカソード用スリップリング69が取り付けられている。アノード用スリップリング68及びカソード用スリップリング69には、直列又は並列に接続された各セル45の配線43、44が接続されている。アノード用スリップリング68及びカソード用スリップリング69には、それぞれ集電ブラシ(不図示)が個別に摺接し、回転している密閉容器2から外部(固定側)に集電できる構造になっている。集電ブラシには、外部負荷(不図示)が接続される。   An anode slip ring 68 and a cathode slip ring 69 are attached to the outer peripheral portion of the rotating shaft 61 via an electrical insulating member 67. The anode slip ring 68 and the cathode slip ring 69 are connected to wirings 43 and 44 of the respective cells 45 connected in series or in parallel. Each of the anode slip ring 68 and the cathode slip ring 69 has a structure in which current collecting brushes (not shown) are individually slidably contacted to collect current from the rotating sealed container 2 to the outside (fixed side). . An external load (not shown) is connected to the current collecting brush.

第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器60には、密閉容器2が電動モータ63によって軸線Aを中心として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が第3通路23から第2孔12、入口通路17を介して外室27Aに輸送される。絞り部15は、第1通路21に存在するアルカリ金属が第1孔11側へと逆流することを防止する。   In the alkali metal thermoelectric converter 60 according to the second embodiment, the sealed container 2 is rotated about the axis A by the electric motor 63, thereby generating centrifugal force. Here, the alkali metal is transported from the third passage 23 to the outer chamber 27A through the second hole 12 and the inlet passage 17 by centrifugal force. The throttle portion 15 prevents the alkali metal present in the first passage 21 from flowing back to the first hole 11 side.

第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器1では、隔壁14の内面を突出端側(下端側)に進むほど拡径するようにテーパ状とし、第2ケーシング6の円筒部の内壁を開口端側(上端側)に進むほど拡径するようにテーパ状としてもよい。これらの構成によれば、軸線Aを中心として密閉容器2が回転された際に、慣性力により径方向外方に移動しようとする液体のアルカリ金属は、隔壁14の内面側に導かれて下方に移動し、第2ケーシング6の円筒部6Aの内周面に導かれて上方に移動する。これらの作用によって、外室27A側への液体のアルカリ金属の輸送が促進される。   In the alkali metal thermoelectric converter 1 according to the second embodiment, the inner surface of the partition wall 14 is tapered so as to increase in diameter toward the protruding end side (lower end side), and the inner wall of the cylindrical portion of the second casing 6 is opened. It is good also as a taper shape so that a diameter may be expanded, so that it goes to an end side (upper end side). According to these configurations, when the sealed container 2 is rotated about the axis A, the liquid alkali metal that is to be moved radially outward by the inertial force is guided to the inner surface side of the partition wall 14 and moved downward. And is guided to the inner peripheral surface of the cylindrical portion 6A of the second casing 6 and moves upward. By these actions, transport of the liquid alkali metal to the outer chamber 27A side is promoted.

図4は、第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器60を自動車の排気系に配置した概略図である。図4に示すように、密閉容器2の受熱部51である第2ケーシング6は、内燃機関の排気管70のメイン通路71内に配置され、高温流体である排気ガスと熱交換可能となっている。これにより、第3ケーシング7は排気ガスによって加熱される。   FIG. 4 is a schematic view in which an alkali metal thermoelectric converter 60 according to the second embodiment is arranged in an automobile exhaust system. As shown in FIG. 4, the 2nd casing 6 which is the heat receiving part 51 of the airtight container 2 is arrange | positioned in the main channel | path 71 of the exhaust pipe 70 of an internal combustion engine, and heat exchange is possible with the exhaust gas which is a high temperature fluid. Yes. Thereby, the third casing 7 is heated by the exhaust gas.

密閉容器2の放熱部52である第2ケーシング6はメイン通路71と並列に配置されたバイパス通路72内に配置されている。バイパス通路72の排気ガス入口74は開閉弁75によって開閉される。バイパス通路72には外気取入口76が形成されており、外気取入口76には外気取入用のリード弁77が取り付けられている。排気管70と第1ケーシングとの間、及び排気管70と回転軸61との間には、排気の漏出を防ぐためのシール部材78、79が設けられている。   The second casing 6 that is the heat radiating portion 52 of the sealed container 2 is disposed in a bypass passage 72 that is disposed in parallel with the main passage 71. The exhaust gas inlet 74 of the bypass passage 72 is opened and closed by an opening / closing valve 75. An external air intake 76 is formed in the bypass passage 72, and a reed valve 77 for external air intake is attached to the external air intake 76. Seal members 78 and 79 are provided between the exhaust pipe 70 and the first casing and between the exhaust pipe 70 and the rotary shaft 61 to prevent exhaust leakage.

アルカリ金属熱電気変換器60の始動時には、第2ケーシング6の予熱のために、開閉弁75を開いてバイパス通路72に排気ガスを流し、排気ガスによって放熱部52を加熱する。放熱部52の予熱は、第1〜第3通路21〜23において固体となったアルカリ金属を液化させるために行われる。放熱部52の予熱が完了した後は、開閉弁75を閉じ、リード弁77によってバイパス通路72に外気を取り込み、放熱部52を受熱部51より低い温度に保つ。放熱部52の適正温度は受熱部51の温度により決まり、100〜500℃程度であればよい。以上の構成により、アルカリ金属熱電気変換器60は内燃機関の排気ガスを熱源として動作する。   When the alkali metal thermoelectric converter 60 is started, the pre-heating of the second casing 6 is performed by opening the on-off valve 75 and allowing exhaust gas to flow through the bypass passage 72 and heating the heat radiating portion 52 with the exhaust gas. The preheating of the heat radiating portion 52 is performed to liquefy the alkali metal that has become solid in the first to third passages 21 to 23. After the preheating of the heat dissipating part 52 is completed, the on-off valve 75 is closed, the outside air is taken into the bypass passage 72 by the reed valve 77, and the heat dissipating part 52 is kept at a lower temperature than the heat receiving part 51. The appropriate temperature of the heat radiating unit 52 is determined by the temperature of the heat receiving unit 51 and may be about 100 to 500 ° C. With the above configuration, the alkali metal thermoelectric converter 60 operates using the exhaust gas of the internal combustion engine as a heat source.

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、固体電解質33の円筒部33Aの外周面(アノード側面38)に形成される凸部81は、図5に示すように、円筒部33Aの外周面から放射状に突出すると共に、固体電解質の軸線方向に延在する形状であってもよい。   Although the description of the specific embodiment is finished as described above, the present invention is not limited to the above embodiment and can be widely modified. For example, the convex portions 81 formed on the outer peripheral surface (anode side surface 38) of the cylindrical portion 33A of the solid electrolyte 33 project radially from the outer peripheral surface of the cylindrical portion 33A as shown in FIG. The shape may extend in the direction.

また、凸部35は円筒部33Aの外周面から径方向外方へと柱状に突出する形状や、半球状に形成されてもよい。また、円筒部33Aの外周面を波形に湾曲させ、その突出部としてもよい。また、円筒部33Aの外周面に複数の溝や凹部を凹設し、溝や凹部に囲まれた基面部分を凸部35としてもよい。このように、円筒部33Aの外周面は、表面積を拡大することができる凸部又は凹部を有していればよい。   Moreover, the convex part 35 may be formed in the shape which protrudes in the shape of a column from the outer peripheral surface of 33 A of cylindrical parts to radial direction outward, or hemispherical. Alternatively, the outer peripheral surface of the cylindrical portion 33A may be curved into a corrugated shape to serve as a protruding portion. Alternatively, a plurality of grooves and recesses may be provided on the outer peripheral surface of the cylindrical portion 33A, and a base surface portion surrounded by the grooves and recesses may be used as the protrusions 35. Thus, the outer peripheral surface of the cylindrical portion 33A only needs to have a convex portion or a concave portion that can enlarge the surface area.

カソード側面37となる円筒部33Aの内面は、円筒面に限らず、複数の平面から構成されてもよい。例えば、固体電解質33に断面が三角形や四角形等の角柱状の孔を形成して内孔とした場合、固体電解質のカソード面となる内面は複数の平面から形成される。   The inner surface of the cylindrical portion 33 </ b> A serving as the cathode side surface 37 is not limited to the cylindrical surface, and may be composed of a plurality of flat surfaces. For example, in the case where a hole having a prism shape such as a triangle or a quadrangle is formed as an inner hole in the solid electrolyte 33, the inner surface serving as the cathode surface of the solid electrolyte is formed from a plurality of planes.

また、固体電解質33の形態を上記の実施形態のように筒状にせず、平板状とした場合には、アノード側面38に凸部を設け、カソード側面37を平面に形成するとよい。   Further, when the solid electrolyte 33 is not formed into a cylindrical shape as in the above-described embodiment, but is formed into a flat plate shape, it is preferable that a convex portion is provided on the anode side surface 38 and the cathode side surface 37 is formed flat.

1、60…アルカリ金属熱電気変換器、2…密閉容器、5…第1ケーシング、6…第2ケーシング、7…第3ケーシング、11…第1孔、12…第2孔、13…第3孔、14…隔壁、17…入口通路、18…出口通路、21…第1通路、22…第2通路、23…第3通路、27…チャンバ、27A…外室、27B…内室、28…循環路、33…固体電解質、33A…円筒部、33B…端壁、35…凸部、36…カソード、37…カソード側面、38…アノード側面、41…接続部材、41A…第1接続部材、41B…第2接続部材、43…配線、44…配線、45…セル、46…ウィックポンプ、51…受熱部、52…放熱部、61…回転軸、63…電動モータ、A…軸線   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,60 ... Alkali metal thermoelectric converter, 2 ... Sealed container, 5 ... 1st casing, 6 ... 2nd casing, 7 ... 3rd casing, 11 ... 1st hole, 12 ... 2nd hole, 13 ... 3rd Hole: 14 ... Partition, 17 ... Inlet passage, 18 ... Outlet passage, 21 ... First passage, 22 ... Second passage, 23 ... Third passage, 27 ... Chamber, 27A ... Outer room, 27B ... Inner room, 28 ... Circulatory path 33 ... solid electrolyte 33A ... cylindrical part 33B ... end wall 35 ... convex part 36 ... cathode 37 ... cathode side face 38 ... anode side face 41 ... connecting member 41A ... first connecting member 41B ... 2nd connection member, 43 ... Wiring, 44 ... Wiring, 45 ... Cell, 46 ... Wick pump, 51 ... Heat receiving part, 52 ... Heat radiation part, 61 ... Rotating shaft, 63 ... Electric motor, A ... Axis

Claims (10)

アルカリ金属熱電気変換器であって、
受熱部、放熱部、及び前記受熱部及び前記放熱部を通過するように形成されたアルカリ金属の循環路を有する密閉容器と、
アルカリ金属イオンの通過を許容し、前記受熱部における前記循環路を区切るように設けられ、アノード側面及びカソード側面を有する固体電解質と、
前記アノード側面側に設けられたアノードと、
前記カソード側面側に設けられたカソードと、
前記循環路内のアルカリ金属を前記固体電解質の前記アノード側面側に輸送する輸送手段と
を有し、
前記アノード側面は、複数の凸部を有し、前記カソード側面は前記アノード側面よりも平滑に形成されていることを特徴とするアルカリ金属熱電気変換器。
An alkali metal thermoelectric converter,
A sealed container having a heat receiving portion, a heat radiating portion, and an alkali metal circulation path formed so as to pass through the heat receiving portion and the heat radiating portion;
A solid electrolyte that allows passage of alkali metal ions and is provided so as to delimit the circulation path in the heat receiving part, and has an anode side surface and a cathode side surface;
An anode provided on the side surface of the anode;
A cathode provided on the side surface of the cathode;
Transport means for transporting the alkali metal in the circulation path to the anode side surface side of the solid electrolyte,
The alkali metal thermoelectric converter, wherein the anode side surface has a plurality of convex portions, and the cathode side surface is formed more smoothly than the anode side surface.
前記凸部は、前記固体電解質の本体部から外方へと突出した板片状をなすことを特徴とするアルカリ金属熱電気変換器。   The alkali metal thermoelectric converter, wherein the convex portion has a plate-like shape protruding outward from the main body of the solid electrolyte. 前記循環路は、前記受熱部において入口通路及び出口通路を備えたチャンバを有し、
前記固体電解質は、一端に開口を有して他端が閉じられた筒形に形成され、前記チャンバ内に前記開口が前記出口通路と連通するように配置され、前記チャンバ内を前記入口通路側と前記出口通路側とに区切り、外面が前記入口通路側を向く前記アノード側面となり、内面が前記カソード側面となることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアルカリ金属熱電気変換器。
The circulation path includes a chamber having an inlet passage and an outlet passage in the heat receiving portion,
The solid electrolyte is formed in a cylindrical shape having an opening at one end and closed at the other end, and is disposed in the chamber so that the opening communicates with the outlet passage. 3. The alkali metal thermoelectric converter according to claim 1, wherein an alkali metal thermoelectric converter according to claim 1, wherein the alkali metal thermoelectric converter is divided into an outlet side and an outer surface is the anode side surface facing the inlet channel side, and an inner surface is the cathode side surface. .
前記固体電解質は円筒形に形成され、前記カソード側面をなす内面が円筒面に形成されていることを特徴とする請求項3に記載のアルカリ金属熱電気変換器。   The alkali metal thermoelectric converter according to claim 3, wherein the solid electrolyte is formed in a cylindrical shape, and an inner surface forming the side surface of the cathode is formed in a cylindrical surface. 前記凸部は、前記固体電解質の外周面に沿って周方向に延在し、環状の板片状をなすことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載のアルカリ金属熱電気変換器。   5. The alkali metal thermoelectric converter according to claim 3, wherein the convex portion extends in a circumferential direction along an outer peripheral surface of the solid electrolyte and has an annular plate shape. 前記チャンバの前記入口通路側を画成する部分は、導電性材料を含み、前記アノードを構成することを特徴とする請求項3〜請求項5のいずれか1つの項に記載のアルカリ金属熱電気変換器。   6. The alkali metal thermoelectric according to claim 3, wherein a portion defining the inlet passage side of the chamber includes a conductive material and constitutes the anode. 6. converter. 前記カソードは、前記カソード側面上に設けられた多孔質体であることを特徴とする請求項3〜請求項6のいずれか1つの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 3 to 6, wherein the cathode is a porous body provided on a side surface of the cathode. 前記輸送手段は、前記循環路内に設けられたウィックであることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つの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 7, wherein the transport means is a wick provided in the circulation path. 前記輸送手段は、前記密閉容器を回転させることにより、遠心力によって前記アルカリ金属を輸送することを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つの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 7, wherein the transport means transports the alkali metal by centrifugal force by rotating the sealed container. . 前記輸送手段は、電磁誘導作用により前記アルカリ金属を輸送する電磁ポンプであることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つの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 7, wherein the transport means is an electromagnetic pump that transports the alkali metal by electromagnetic induction.
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