(57)【要約】【課題】  複数のセルを含むアルカリ金属熱電変換器を簡素かつコンパクトに構成する。【解決手段】  セルＡ〜Ｄは、高温室１４を有する高温側ハウジング５と、低温室５８を有する低温側ハウジング６と、高温室を第１室３１と第２室３２とに区画する固体電解質２７と、第２室に設けられたカソード３４と、低温室５８と第１室とを連通する往き通路５５、接続管６１、ハウジング通路２１と、低温室と第２室とを連通する戻り通路５６、集合通路４９と、低温室に貯留された液体のアルカリ金属とを有する。各高温側ハウジングは、中心軸線Ｘに沿った一側に、回転軸線を中心として同軸に配置され、各低温側ハウジングは、回転軸線に沿った他側に配置され、第１室は、回転軸線の径方向において、第２室よりも外方に配置され、かつ低温室よりも外方に配置され、回転軸線回りに各セルを回転させる電動モータ８２を有する。【選択図】    図１
2014191878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を受けて高温になる高温側ハウジングと、放熱して低温になる低温側ハウジングと、前記高温側ハウジング内の高温室を第１室と第２室とに区画するように設けられ、アルカリ金属イオンの通過を許容する固体電解質と、前記第１室に設けられたアノードと、前記第２室に設けられたカソードと、前記低温側ハウジング内の低温室と前記第１室とを連通する第１通路と、前記低温室と前記第２室とを連通する第２通路と、前記低温室に貯留された液体のアルカリ金属とを有するセルを複数有し、
前記各高温側ハウジングは、所定の回転軸線に沿った一側に、前記回転軸線と同軸に、前記回転軸線方向に配列され、
前記各低温側ハウジングは、前記回転軸線に沿った他側に配置され、
前記第１室は、前記回転軸線の径方向において、前記第２室よりも外方に配置され、かつ前記低温室よりも外方に配置され、
前記回転軸線を中心として前記各セルを回転させる駆動装置を有し、回転によって生じる遠心力を利用して、前記第１通路を介して前記低温室内の前記アルカリ金属を前記第１室に移動させることを特徴とするアルカリ金属熱電変換器。
【請求項２】
前記固体電解質のそれぞれは、中心軸線が前記回転軸線と同軸となる筒状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアルカリ金属熱電変換器。
【請求項３】
前記各高温側ハウジングは、前記回転軸線に沿って前記各第２室が互いに連通するように、互いに接合されてい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変換器。
【請求項４】
前記各高温側ハウジングは、導電性を有して前記アノードを兼ね、電気絶縁性を有するスペーサを介して隣り合う前記高温側ハウジングと互いに接合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変換器。
【請求項５】
前記カソードは、前記固体電解質の前記第２室側を向く面に設けられた導電性を有する多孔質電極であり、導電性部材を介して隣り合う前記高温側ハウジングと接続され、各セルは互いに直列に接続されていることを特徴とする請求項４に記載のアルカリ金属熱電変換器。
【請求項６】
前記各低温側ハウジングは、前記回転軸線を中心として周方向に配列されていることを特徴とする請求項５に記載のアルカリ金属熱電変換器。
【請求項７】
前記第２通路は、互いに連通した前記各第２室の１つに連通する集合通路と、前記集合通路から分岐して前記各低温室に延びる複数の分岐通路とを有す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変換器。
【請求項８】
前記回転軸線に沿って前記各第２室を貫通するように導電性を有する１つの中心軸が設けられ、前記中心軸は電気絶縁性を有する部材を介して前記高温側ハウジング及び前記低温側ハウジングを保持し、導電性を有する配線を介してカソードに接続されていることを特徴とする請求項５に記載のアルカリ金属熱電変換器。
【請求項９】
前記固体電解質の前記第１室側を向く部分は、表面積を拡張するための凹凸が設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つの項に記載のアルカリ金属熱電変換器。
【請求項１０】
前記各高温側ハウジングは、内燃機関の排気管における排気浄化装置の下流側部分の内部に配置されることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つの項に記載のアルカリ金属熱電変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ金属熱電変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナトリウムイオン等のアルカリ金属イオンの伝導性を有するβ或いはβ''アルミナを固体電解質として用いたアルカリ金属熱電変換器（ＡＭＴＥＣ）が知られている（例えば、特許文献１）。アルカリ金属熱電変換器は、外部から熱を受けて高温（６００〜１０００℃）になる高温部と、放熱して低温（１００〜５００℃）になる低温部とを有する真空に密閉された容器を有する。容器内には、高温部と低温部とを通過するように循環路が画定され、循環路にはアルカリ金属が封入される。高温部における循環路内には、β或いはβ''アルミナである固体電解質が、循環路を第１室及び第２室に区切るように設けられる。第１室にはアノードが設けられ、第２室にはカソードが設けられる。循環路にはウィックポンプや電磁ポンプ等のポンプが設けられ、ポンプによって低温部における循環路内の液体のアルカリ金属は第１室へと輸送される。
【０００３】
第１室へと輸送された液体のアルカリ金属は、第１室において高温になり、一部が気体になる。気体のアルカリ金属は、固体電解質の表面において電子を放出してアルカリ金属イオンになり、固体電解質内に進入する。放出された電子は、アノードへと流れる。固体電解質内に進入したアルカリ金属イオンは、固体電解質内を通過して第２室側の表面において、カソードから電子を受け取り、気体のアルカリ金属になる。このように、アルカリ金属イオンが固体電解質を通過することによって、電子がアノードからカソードへと外部負荷を介して流れ、電流が発生する。第２室に存在する気体のアルカリ金属は、低温部へと流れて凝縮し、再びポンプによって第１室に輸送される。以上のように構成されたアルカリ金属熱電変換装置は、固体電解質の第１室側及び第２室側の表面におけるアルカリ金属の濃度差を利用した濃淡電池といえる。
【０００４】
アルカリ金属熱電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依存する。そのため、固体電解質の第１室側及び第２室側の表面積を増大させる手法や、第１室及び第２室における気体のアルカリ金属の濃度差（蒸気圧差）を増大させる手法によって発電効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−１７８５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のようなアルカリ金属熱電変換器は、単セルでの起電力が０．１〜０．７Ｖであるため、用途に応じて必要な電位を得るべく複数のセルを互いに接続する必要がある。しかしながら、複数のセルを単純に寄せ集めると、装置全体の体積が増大するという問題がある。特に、電磁ポンプ等の液体アルカリ金属を輸送する手段が重複することによって、装置全体が大型化する。また、各セルを接続するための配線構造が複雑になり、装置構成が複雑になるという問題がある。
【０００７】
本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであって、複数のセルを含むアルカリ金属熱電変換器を簡素かつコンパクトに構成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、熱を受けて高温になる高温側ハウジング（５）と、放熱して低温になる低温側ハウジング（６）と、前記高温側ハウジング内の高温室（１４）を第１室（３１）と第２室（３２）とに区画するように設けられ、アルカリ金属イオンの通過を許容する固体電解質（２７）と、前記第１室に設けられたアノード（５）と、前記第２室に設けられたカソード（３４）と、前記低温側ハウジング内の低温室（５８）と前記第１室とを連通する第１通路（５５、６１、２１）と、前記低温室と前記第２室とを連通する第２通路（５６、４９）と、前記低温室に貯留された液体のアルカリ金属とを有するセル（Ａ〜Ｄ）を複数有し、前記各高温側ハウジングは、所定の回転軸線（Ｘ）に沿った一側に、前記回転軸線を中心として同軸に配置され、前記各低温側ハウジングは、前記回転軸線に沿った他側に配置され、前記第１室は、前記回転軸線の径方向において、前記第２室よりも外方に配置され、かつ前記低温室よりも外方に配置され、前記回転軸線を中心として前記各セルを回転させる駆動装置（８２）を有し、回転によって生じる遠心力を利用して、前記第１通路を介して前記低温室内の前記アルカリ金属を前記第１室に移動させることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、所定の軸線を中心とした回転によって発生する慣性力を利用して、各セルのアルカリ金属を低温室から第１室へと輸送するため、アルカリ金属の輸送手段を各セル間で共通化することができ、アルカリ熱電変換器の装置全体をコンパクトにすることができる。また、回転軸線の一側に各セルの高温側ハウジングを集め、他側に各セルの低温側ハウジングを集めたため、アルカリ熱電変換器の温度管理が容易になる。すなわち、回転軸線の一側を高温環境下に配置し、回転軸線の他側を低温環境下に配置することによって、各高温側ハウジング及び各低温側ハウジングを所望の温度に維持することができる。また、各高温側ハウジングを回転軸線と同軸に回転軸線方向に配列したため、高温側ハウジングの回転軸線の径方向への張り出しが抑制される。高温側ハウジングは内部に固体電解質が配置されるため、低温側ハウジングより大きくなることがある。そのため、各高温側ハウジングを回転軸線に沿って配列することによって、装置全体を回転軸線の径方向においてコンパクトにすることができる。
【００１０】
上記の発明において、前記固体電解質のそれぞれは、中心軸線が前記回転軸線と同軸となる筒状に形成されていてもよい。
【００１１】
この構成によれば、固体電解質は高温側ハウジング内の高温室を同心状に配置された２つの部屋に区画することができ、第２室の径方向外方に第１室を形成することができる。
【００１２】
上記の発明において、前記各高温側ハウジングは、前記回転軸線に沿って前記各第２室が互いに連通するように、互いに接合されていてもよい。
【００１３】
この構成によれば、各セルの第２室を互いに連通させることによって、第２室と各セルの低温室を接続する第２通路を一部共通化することができる。これにより、アルカリ金属熱電変換器の構造を簡素かつコンパクトにすることができる。
【００１４】
上記の発明において、前記各高温側ハウジングは、導電性を有して前記アノードを兼ね、電気絶縁性を有するスペーサ（３７）を介して隣り合う前記高温側ハウジングと互いに接合されていてもよい。
【００１５】
この構成によれば、第１室に導電性を有する液体のアルカリ金属が満たされることによって、導電性を有する高温側ハウジングはアノードとして機能することができる。そのため、高温側ハウジングの他に別途アノードを設ける必要がなく、アルカリ金属熱電変換器の構造を簡素にすることができる。
【００１６】
上記の発明において、前記カソードは、前記固体電解質の前記第２室側を向く面に設けられた導電性を有する多孔質電極であり、導電性部材（６８）を介して隣り合う前記高温側ハウジングと接続され、各セルは互いに直列に接続されてもよい。
【００１７】
この構成によれば、カソードと他のセルの高温側ハウジング（アノード）との接続する導電性部材は、互いに連通した第２室を通して配置することができる。そのため、各セルの直列接続を簡素な構造で容易に行うことができる。
【００１８】
上記の発明において、前記各低温側ハウジングは、前記回転軸線を中心として周方向に配列されていてもよい。
【００１９】
この構成によれば、各低温側ハウジングの集合体を回転軸線の軸線方向において短くすることができる。低温側ハウジングは、内部に固体電解質を含まないため、高温側ハウジングよりも小型（細形）に構成することができる。そのため、各低温側ハウジングを回転軸線の周方向に配列しても回転軸線への径方向への張り出しは高温側ハウジングほど大きくはならない。
【００２０】
上記の発明において、前記第２通路は、互いに連通した前記各第２室の１つに連通する集合通路（４９）と、前記集合通路から分岐して前記各低温室に延びる複数の分岐通路（５６）とを有してもよい。
【００２１】
この構成によれば、互いに連通した各第２室から、それぞれの低温室へとアルカリ金属を分配して戻すことができる。
【００２２】
上記の発明において、前記回転軸線に沿って前記各第２室を貫通するように導電性を有する１つの中心軸（３）が設けられ、前記中心軸は電気絶縁性を有する部材（３９、４５）を介して前記高温側ハウジング及び前記低温側ハウジングを保持し、導電性を有する配線（６８）を介してカソードに接続されてもよい。
【００２３】
この構成によれば、回転軸となる中心軸を電気回路の一部として使用することができる。これにより、回転するアルカリ金属熱電変換器と、外部負荷との接続が容易になる。
【００２４】
上記の発明において、前記固体電解質の前記第１室側を向く部分は、表面積を拡張するための凹凸（２９）が設けられていてもよい。
【００２５】
この構成によれば、固体電解質の第１室側を向く部分とアルカリ金属との接触面積が増大し、電子を放出して固体電解質中に進入するアルカリ金属イオンの量が増大する。
【００２６】
上記の発明において、前記各高温側ハウジングは、内燃機関の排気管（８７）における排気浄化装置（８６）の下流側部分の内部に配置されるとよい。
【００２７】
この構成によれば、排気浄化装置を通過した後の高温の排気ガスを利用して各高温側ハウジングを加熱することができる。
【発明の効果】
【００２８】
以上の構成によれば、複数のセルを含むアルカリ金属熱電変換器を簡素かつコンパクトに構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態に係るアルカリ金属熱電変換器の側面図
【図２】実施形態に係るアルカリ金属熱電変換器の高温部を示す断面図
【図３】実施形態に係るアルカリ金属熱電変換器の低温部を示す断面図
【図４】図３のIV−IV断面図
【図５】高温側ハウジングと低温側ハウジングの接続管を介した接続構造を示す説明図
【図６】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
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照して、本発明に係るアルカリ金属熱電変換器の実施形態について説明する。
【００３１】
図１は実施形態に係るアルカリ金属熱電変換器１の側面図である。図１に示すように、アルカリ金属熱電変換器（ＡＭＴＥＣ）１は、上下（鉛直方向）に延在する中心軸線（回転軸線）Ｘに沿って延びている。アルカリ金属熱電変換器１は、第１〜第４の４つのセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを有し、これらのセルＡ〜Ｄは互いに電気的に直列に接続される。
【００３２】
図２は実施形態に係るアルカリ金属熱電変換器１の高温部を拡大して示す断面図であり、図３は実施形態に係るアルカリ金属熱電変換器１の低温部を拡大して示す断面図である。図１〜図３に示すように、アルカリ金属熱電変換器１は、中心軸線Ｘに沿った中心軸３を有している。中心軸３は、導電性を有する金属から形成されている。中心軸３の一端側である上端側は高温環境下に配置され、他端側である下端側は低温環境下に配置される。中心軸３の上端側には、第１〜第４セルＡ〜Ｄの一部をなす高温側ハウジング５がそれぞれ設けられ、下端側には第１〜第４セルＡ〜Ｄの一部をなす低温側ハウジング６がそれぞれ設けられる。
【００３３】
高温側ハウジング５は、各セルＡ〜Ｄにおいて同様の構成を有する。高温側ハウジング５は、円筒部１１と、円筒部１１の一端側に設けられた第１端壁部１２と、円筒部１１の他端側に設けられた第２端壁部１３とを有し、中空の円筒形を呈する。円筒部１１、第１端壁部１２及び第２端壁部１３によって画成される空間を高温室１４とする。円筒部１１、第１端壁部１２及び第２端壁部１３は、導電性を有し、熱伝導性が高い材料、例えば金属から形成される。円筒部１１と第１端壁部１２とは成形時から連続した一部材として形成される。円筒部１１の第２端壁部１３側の端部には、外向きのフランジ部１６が形成されている。フランジ部１６が第２端壁部１３の外縁部に突き当たった状態で、溶接等によって接合されることにより、高温側ハウジング５は一体に形成される。
【００３４】
第１端壁部１２の中央部には貫通孔である第１孔１７が形成され、第２端壁部１３の中央部には貫通孔である第２孔１８が形成されている。第１孔１７及び第２孔１８は、高温側ハウジング５の内部、すなわち高温室１４と高温側ハウジング５の外部とを連通する。第２端壁部１３は、第２孔１８の周縁部に、他の部分に対して肉厚が厚く形成された環状のリング部１９を有している。リング部１９は、高温側ハウジング５（内筒部）の軸線と同軸に形成され、第２端壁部１３の他の部分に対して第１端壁部１２側へと突出している。リング部１９の第１端壁側を向く部分には、高温側ハウジング５の軸線と直交する面をなす内面が形成されている。
【００３５】
リング部１９の内部には、リング部１９の内周部（第２孔１８の孔壁）からリング部１９の外周部へと貫通するハウジング通路２１が形成されている。ハウジング通路２１のリング部１９の内周部に開口した端部を内端、リング部１９の外周部に開口した端部を外端とする。
【００３６】
第１端壁部１２の第１孔１７の周縁部には、第２端壁部１３側へ突出した第１位置決め部２３が形成されている。リング部１９の内面には、第１端壁部１２側へ突出した第２位置決め部２４が形成されている。第１位置決め部２３及び第２位置決め部２４は、それぞれ高温側ハウジング５の軸線を中心として環状に延びている。
【００３７】
円筒部１１の外周面には、径方向外方へと突出した複数のフィン２６が設けられている。フィン２６は、熱交換可能な表面積を拡大する目的で設けられている。フィン２６は、円筒部１１の周方向にわたって延在し、環状に形成されてもよい。
【００３８】
高温室１４には、アルカリ金属イオンの通過を許容する固体電解質２７が設けられている。本実施形態では、固体電解質２７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２７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。
【００３９】
固体電解質２７は、両端が開口した円筒形の筒部２８と、筒部２８の外周面に突設されたフィン２９とを有している。フィン２９は、筒部２８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、フィン２９は筒部２８の外周面から外方へと突出した板片であり、外周面の周方向に延在して環状となっている。複数のフィン２９は、筒部２８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。他の実施形態では、フィン２９に代えて筒部２８の外周面に凹凸を形成してもよい。
【００４０】
固体電解質２７の筒部２８は、その内径が第１孔１７及び第２孔１８の直径より大きく、その外径がリング部１９の外径より小さく形成されている。固体電解質２７は、筒部２８の軸線が高温側ハウジング５の軸線と同軸となるように配置される。このとき、筒部２８の一側における端面が第１端壁部１２と当接し、筒部２８の他側における端面がリング部１９の内面に当接する。筒部２８と第１端壁部１２及び第２端壁部１３との当接部は、気密に接合されている。例えば、筒部２８と第１端壁部１２及び第２端壁部１３との間には、耐熱性のパッキン等が介装されてよい。また、第１位置決め部２３及び第２位置決め部２４が、固体電解質２７の筒部２８の両端における内周縁を係止して、高温側ハウジング５に対して固体電解質２７を位置決めする。
【００４１】
固体電解質２７は、高温室１４に配置されることによって、高温室１４を第１室３１と第２室３２とに区画する。第１室３１は、円筒部１１の内周面と、第１端壁部１２及び第２端壁部１３の内面と、フィン２９を含む固体電解質２７の外周面とによって画成される。第２室３２は、固体電解質２７の内側に画成される。第１室３１は、高温側ハウジング５の軸線を中心とした環状に形成され、固体電解質２７を介して第２室３２を同心状に囲むように配置される。すなわち、高温側ハウジング５の径方向において、第１室３１は第２室３２よりも外方に配置されている。リング部１９の外周部は、第１室３１側を向いており、ハウジング通路２１の外端は第１室３１に連通している。第２室３２は、第１孔１７及び第２孔１８を介して高温側ハウジング５の外方に連通している。
【００４２】
固体電解質２７の筒部２８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、筒部２８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２７の筒部２８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２７は、筒部２８の内周面の内径が一定であり、外周面に複数のフィン２９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。筒部２８の内周面を滑らかな円筒面にすることによって、固体電解質２７の成形や、筒部２８の内周面への後述するカソード３４の形成等が容易になる。
【００４３】
固体電解質２７の筒部２８の内周面には、導電性及び通気性を有するカソード３４（陽極）が設けられている。カソード３４は、例えばモリブデン等の薄膜電極である。カソード３４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３４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２７の筒部２８の内周面はカソード３４側面を構成する。カソード３４は、筒部２８の内周面の大部分、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３４によって電子が供給されるカソード３４側面の面積がより広く形成される。
【００４４】
カソード３４の外面（第２室３２側を向く面）には、多孔質リード３５が設けられている。多孔質リード３５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金属体（発泡金属体（三次元網目構造））から形成されている。多孔質リード３５は、カソード３４の外面を全域にわたって覆い、カソード３４と電気的に接続されている。
【００４５】
以上のように構成された高温側ハウジング５、固体電解質２７、カソード３４、及び多孔質リード３５は、互いに組み合わされて高温側ユニットを構成する。
【００４６】
第１〜第４セルＡ〜Ｄの各高温側ハウジング５は、それぞれの軸線が中心軸３と同軸になるように中心軸３の上端側に配置される。このとき、各高温側ハウジング５の第１端壁部１２が上側に配置され、第２端壁部１３が下側に配置される。各高温側ハウジング５は、中心軸３の上端側から第１セルＡ、第２セルＢ、第３セルＣ、第４セルＤの順で配置される。中心軸３は、各セルＡ〜Ｄの第２室３２を貫通するように配置される。
【００４７】
中心軸線Ｘに沿って見た場合に、第１〜第４セルＡ〜Ｄの各ハウジング通路２１の内端が、中心軸線Ｘを中心として９０°間隔で配置されるように、中心軸線Ｘを中心とした各高温側ハウジング５の回転位置が定められている。すなわち、上側から中心軸線Ｘに沿って見た場合に、時計回りに９０°間隔で、第１セルＡのハウジング通路２１の内端、第２セルＢのハウジング通路２１の内端、第３セルＣのハウジング通路２１の内端、第４セルＤのハウジング通路２１の内端が順に配置されている。
【００４８】
第１セルＡの高温側ハウジング５の第２端壁部１３と、第２セルＢの高温側ハウジング５の第１端壁部１２とは、電気絶縁性を有する第１スペーサ３７を介して互いに接合される。第１スペーサ３７は、中心軸線Ｘを中心とした環状に形成され、第１セルＡの第２端壁部１３と第２セルＢの第１端壁部１２との間を気密に封止し、第１セルＡの第２孔１８と第２セルＢの第１孔１７とを連通させる。同様に、第２セルＢの第２端壁部１３と第３セルＣの第１端壁部１２との間、及び第３セルＣの第２端壁部１３と第４セルＤの第１端壁部１２との間にも第１スペーサ３７が介装されている。これにより、第１〜第４セルＡ〜Ｄの高温側ハウジング５は、第１スペーサ３７を介して互いに電気的に絶縁された状態で、互いに接合されている。第１〜第４セルＡ〜Ｄの第２室３２は、互いに連通し、中心軸線Ｘに沿って延びる通路を形成する。すなわち、各セルＡ〜Ｄにおいて、第２室３２は共通（共用）化されているといえる。
【００４９】
第１セルＡの高温側ハウジング５の上方には、第１セルＡの高温側ハウジング５の第１孔１７を閉塞するリッド３８が設けられている。リッド３８は、導電性を有する金属から形成され、上方に凸となる皿状を呈する。リッド３８は、その外周縁部において電気絶縁性を有する第２スペーサ３９を介して第１セルＡの高温側ハウジング５の第１端壁部１２に接合される。第２スペーサ３９は、中心軸線Ｘを中心とした環状に形成され、第１セルＡの第１端壁部１２とリッド３８との間を気密に封止する。リッド３８の中心部には、貫通孔である挿通孔４１が形成されている。中心軸３は、上端部がリッド３８の挿通孔４１を通過してリッド３８の外方に突出する。中心軸３の上端部には、雄ねじ部（図示しない）が形成され、その雄ねじ部にナット４２が螺着されている。ナット４２とリッド３８との間にはシール部材４３が介装されている。
【００５０】
図４は、図３のIV−IV断面図である。図２〜図４に示すように、第４セルＤの高温側ハウジング５の第２端壁部１３の下側には、４つの低温側ハウジング６を支持するためのホルダ４５が設けられている。ホルダ４５は、電気絶縁性を有する材料、例えば樹脂から形成されている。ホルダ４５は、中心軸線Ｘと同軸に配置され、中央部に中心軸３が挿通される中央孔４６を備えた円板状の基部４７を有している。基部４７の上部外周縁には、上方かつ径方向外方に張り出し、外周縁に沿って延設されたファンネル部４８が設けられている。ホルダ４５は、ファンネル部４８の突出端（上端）において、第４セルＤの第２端壁部１３の下面に気密に接合されている。これにより、ファンネル部４８の内部に形成された１つの集合通路４９は、第４セルＤの第２孔１８を介して第２室３２に連通する。
【００５１】
基部４７の上面５０は、中心側が下方へと最も凹んだテーパ面となっている。基部４７の下部には、中央孔４６の周縁から下方へと突出した筒状の第１カラー部５１が形成されている。第１カラー部５１の内部には中心軸３が挿通されている。中心軸３は、第１カラー部５１の下端部を通過して下方へと突出している。第１カラー部５１の下端部は、外周部が他の部分に対して拡径された拡径部５２を形成している。
【００５２】
基部４７の下部には、第１カラー部５１の周囲に中心軸線Ｘを中心として９０°間隔で４つの嵌合孔５４が凹設されている。各嵌合孔５４は、断面が円形の有底孔であり、下方に向けて開口している。各嵌合孔５４の底面には、それぞれ上方へと延び、基部４７の上面５０に連通する往き通路５５及び戻り通路５６が形成されている。往き通路５５は、各嵌合孔５４の底面において、中心軸線Ｘから径方向に最も離れた部分に形成されている。戻り通路５６は、各嵌合孔５４の底面において、中心軸線Ｘから径方向に最も近い部分に形成されている。各嵌合孔５４の中心軸線Ｘを中心とした回転位置は、各ハウジング通路２１の内端の中心軸線Ｘを中心とした回転位置と一致するように配置されている。
【００５３】
各セルＡ〜Ｄの低温側ハウジング６は、下端が閉塞され、上端が開口した円筒状に形成されている。低温側ハウジング６は導電性を有し、かつ熱伝導性が高い材料、例えば金属から形成されている。低温側ハウジング６は、開口端である上端部が嵌合孔５４に挿入され、気密に接合されることによってホルダ４５に支持される。これにより、各低温側ハウジング６は、中心軸線Ｘを中心として周方向に９０°間隔で配置される。低温側ハウジング６の内部空間である低温室５８は、低温室５８は往き通路５５及び戻り通路５６と連通している。各低温側ハウジング６の第１カラー部５１と相反する側の側部には、複数のフィン５９が外方へと向けて突設されている。フィン５９は、熱交換可能な表面積を拡大する目的で設けられている。
【００５４】
図４に示すように、各低温側ハウジング６の内側部には、２つの凸壁部６０が突設されている。２つの凸壁部６０は、低温側ハウジング６の横断面において中心軸線Ｘの径方向における内方部分を周方向に狭くすると共に、外方部分を内方部分よりも周方向に広くするように設けられている。
【００５５】
図２及び図３に示すように、各セルＡ〜Ｄにおいて、第１室３１は低温室５８及び往き通路５５よりも中心軸線Ｘの径方向において外側に配置されている。
【００５６】
図５は、高温側ハウジング５と低温側ハウジング６の接続管６１を介した接続構造を示す説明図である。図２及び図５に示すように、各セルＡ〜Ｄの低温側ハウジング６に連通する往き通路５５は、対応するセルＡ〜Ｄの高温側ハウジング５のハウジング通路２１の内端に、接続管６１を介して接続されている。中心軸線Ｘに沿った方向から見て、第１セルＡの低温側ハウジング６は第２セルＢのハウジング通路２１の内端に対応する位置に配置され、第２セルＢの低温側ハウジング６は第３セルＣのハウジング通路２１の内端に対応する位置に配置され、第３セルＣの低温側ハウジング６は第４セルＤのハウジング通路２１の内端に対応する位置に配置され、第４セルＤの低温側ハウジング６は第１セルＡのハウジング通路２１の内端に対応する位置に配置されている。
【００５７】
第１セルＡの接続管６１は、第１セルＡの低温側ハウジング６に連通する往き通路５５に一端が接続され、上方へと延びて第２〜第４セルＤの第２室３２を通過した後、第１セルＡの第２孔１８の内壁に沿って中心軸線Ｘを中心とした反時計回りに延び、第１セルＡのハウジング通路２１の内端に他端が接続されている。第２セルＢの接続管６１は、第２セルＢの低温側ハウジング６に連通する往き通路５５に一端が接続され、上方へと延びて第３及び第４セルＤの第２室３２を通過した後、第２セルＢの第２孔１８の内壁に沿って中心軸線Ｘを中心とした反時計回りに延び、第２セルＢのハウジング通路２１の内端に他端が接続されている。第３セルＣの接続管６１は、第３セルＣの低温側ハウジング６に連通する往き通路５５に一端が接続され、上方へと延びて第４セルＤの第２室３２を通過した後、第３セルＣの第２孔１８の内壁に沿って中心軸線Ｘを中心とした反時計回りに延び、第３セルＣのハウジング通路２１の内端に他端が接続されている。第４セルＤの接続管６１は、第４セルＤの低温側ハウジング６に連通する往き通路５５に一端が接続され、上方へと第４セルＤの高温側ハウジング５の第２孔１８まで延び、その第２孔１８の内壁に沿って中心軸線Ｘを中心とした反時計回りに延び、第４セルＤのハウジング通路２１の内端に他端が接続されている。各接続管６１の端部は、往き通路５５及びハウジング通路２１の内端に挿入され、接合されている。
【００５８】
各セルＡ〜Ｄの低温側ハウジング６の低温室５８は、往き通路５５、接続管６１及びハウジング通路２１を含む第１通路によって、第１室３１に連通している。また、各セルＡ〜Ｄの低温側ハウジング６の低温室５８は、戻り通路５６、集合通路４９を含む第２通路によって第２室３２に連通している。なお、第１〜第３セルＡ〜Ｃの第２室３２は、他のセルの第２室３２を介して集合通路４９に連通しており、他のセルＡ〜Ｄの第２室３２は第２通路の一部といえる。すなわち、各セルＡ〜Ｄにおいて、第２室３２から集合通路４９に到る部分は、各セルＡ〜Ｄにおいて一部共通化されている。代表して第１セルＡについて通路を詳細に説明すると、第１室３１と低温室５８とは、ハウジング通路２１、接続管６１及び往き通路５５を含む第１通路によって連通し、低温室５８と第２室３２とは、戻り通路５６、集合通路４９、第４セルＤの第２室３２、第３セルＣの第２室３２、第２セルＢの第２室３２を含む第２通路によって連通している。
【００５９】
各セルＡ〜Ｄに含まれる第１室３１、ハウジング通路２１、接続管６１、往き通路５５、低温室５８、戻り通路５６、集合通路４９、及び第２室３２からなる通路は、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、βアルミナ又はβ''アルミナである固体電解質２７を、イオン化することによって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。
【００６０】
図３に示すように、第１カラー部５１の下端近傍の外周部には、導電性を有するアノード側スリップリング６５が設けられている。アノード側スリップリング６５は、筒状に形成されて第１カラー部５１の外周面に固着されている。アノード側スリップリング６５は、導電性を有する配線によって第４セルＤの低温側ハウジング６の底面に電気的に接続されている。中心軸３の第１カラー部５１の下端よりも下方に位置する部分の外周部には導電性を有するカソード側スリップリング６６が設けられている。カソード側スリップリング６６は、筒状に形成されて中心軸３の外周面に固着され、電気的に接続されている。
【００６１】
図２に示すように、第２セルＢの多孔質リード３５と第１セルＡの高温側ハウジング５の第２孔１８の孔壁とは、導電性の配線６８によって電気的に接続されている。同様に、第３セルＣの多孔質リード３５と第２セルＢの高温側ハウジング５の第２孔１８の孔壁、及び第４セルＤの多孔質リード３５と第３セルＣの高温側ハウジング５の第２孔１８の孔壁は、それぞれ導電性の配線６８によって電気的に接続されている。第１セルＡの多孔質リード３５は、リッド３８の内面と導電性の配線６８によって電気的に接続されている。リッド３８は、中心軸３と接触しているため、第１セルＡの多孔質リード３５は、配線６８、リッド３８、及び中心軸３を介してカソード側スリップリング６６に電気的に接続されている。
【００６２】
各セルＡ〜Ｄの第１室３１、ハウジング通路２１、接続管６１及び低温側ハウジング６内にアルカリ金属が満たされている場合には、低温側ハウジング６はアノードとして機能する。以上のようにして、第１〜第４セルＡ〜Ｄは、アノード側スリップリング６５及びカソード側スリップリング６６間を直列に接続する。
【００６３】
アノード側スリップリング６５及びカソード側スリップリング６６には、それぞれ外部負荷に接続された集電ブラシ（不図示）が摺接する。この構成により、各スリップリング６５、６６及び集電ブラシを介して回転するアルカリ金属熱電変換器１から外部負荷に電力が供給される。
【００６４】
図３に示すように、中心軸３のカソード側スリップリング６６よりも下方に突出した部分は、下端部を除いて絶縁性を有する第２カラー部材７１に覆われている。中心軸３の下端部は、下端側から嵌合凸部７２と、雄ねじ部７３とを有している。第２カラー部材７１の外周部には、２つのボールベアリング７４と、その間に設けられた筒状のスペーサ７６とが配置される。雄ねじ部７３にナット７５が螺着されることによって、２つのボールベアリング７４とスペーサ７６とは、電気絶縁性を有するワッシャ７８を介したナット７５と第２カラー部材７１の外周部に形成された凸部７７との間で軸線方向から挟持され、位置決めがなされる。２つのボールベアリング７４のアウタレースは、固定された構造体としてのベース７９に支持される。これにより、中心軸３は、ボールベアリング７４を介してベース７９に回転可能に支持される。ナット７５は電気絶縁性を有するワッシャ７８を介してボールベアリング７４に当接するため、中心軸３とボールベアリング７４及びベース７９との間は絶縁されている。
【００６５】
嵌合凸部７２は、電気絶縁性を有する接続部材８１を介して、ハウジングがベース７９に固定された電動モータ８２の回転軸に連結される。
【００６６】
第１〜第４セルＡ〜Ｄの高温側ハウジング５は高温熱源に曝され、第１〜第４セルＡ〜Ｄの低温側ハウジング６は低温熱源に曝される。これにより、各高温側ハウジング５は受熱部として機能し、各低温側ハウジング６は放熱部として機能する。熱を受けることによって各高温側ハウジング５は高温（例えば、５００℃以上）になり、熱を放出することによって各低温側ハウジング６は高温側ハウジング５より低い低温（例えば１００〜５００℃）になる。稼動時には、各低温側ハウジング６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、各高温側ハウジング５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。
【００６７】
図６は、実施形態に係るアルカリ金属熱電変換器１を自動車の排気系８５に配置した概略図である。図６に示すように、自動車の排気系８５は、内燃機関の排気マニホールド（図示しない）の下流に設けられた触媒コンバータ等の排気浄化装置８６と、その下流に設けられたメイン通路８７と、メイン通路８７に対して並列に分岐したバイパス通路８８とを有している。バイパス通路８８は、上流端及び下流端においてメイン通路８７に連通している。バイパス通路８８の上流端であるメイン通路８７からの分岐部９１には、バイパス通路８８を開閉する第１開閉弁９２が設けられている。また、バイパス通路８８は、第２開閉弁９４によって開閉される外気取入口９５を有している。
【００６８】
メイン通路８７とバイパス通路８８との境界部には第１挿入孔９６が形成され、バイパス通路８８の壁部には第２挿入孔９７が形成されている。アルカリ金属熱電変換器１は、第１挿入孔９６及び第２挿入孔９７を通過し、中心軸線Ｘが上下に延在した状態で、各高温側ハウジング５がメイン通路８７内に配置され、各低温側ハウジング６がバイパス通路８８内に配置され、接続部材８１、ボールベアリング７４及び電動モータ８２がバイパス通路８８の外方に配置される。第１挿入孔９６内にはホルダ４５が配置され、第２挿入孔９７内には中心軸３の各低温側ハウジング６の下端部とアノード側スリップリング６５との間の部分が配置される。第１挿入孔９６とホルダ４５との隙間、及び第２挿入孔９７と中心軸３との間には、排気の漏出を防ぐためのシール部材９９が設けられている。
【００６９】
ボールベアリング７４及び電動モータ８２を支持するベース７９は、図示しない車体骨格や排気系８５を構成する部材等の構造体に取り付けられてよい。この構成により、各高温側ハウジング５は、メイン通路８７内を流れる排気ガス（高温流体）と熱交換し、各低温側ハウジング６は、バイパス通路８８内を流れる排気ガス（高温流体）又は外気（低温流体）と熱交換する。
【００７０】
アルカリ金属熱電変換器１の始動時には、各低温側ハウジング６の加熱のために、第１開閉弁９２を開いてバイパス通路８８に排気ガスを流し、排気ガスによって各低温側ハウジング６を昇温する。各低温側ハウジング６の加熱は、低温室５８内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。各低温側ハウジング６の加熱が完了した後は、第１開閉弁９２を閉じ、かつ第２開閉弁９４を開いてバイパス通路８８に外気を取り込み、各低温側ハウジング６を各高温側ハウジング５より低い温度に保つ。各低温側ハウジング６の適正温度は各高温側ハウジング５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、アルカリ金属熱電変換器１は内燃機関の排気ガスを熱源として動作する。
【００７１】
以下に本実施形態に係るアルカリ金属熱電変換器１の作用について説明する。内燃機関の排気ガスによって、各高温側ハウジング５が高温になり、各低温側ハウジング６が低温になった状態において、アルカリ金属熱電変換器１は電動モータ８２によって中心軸線Ｘを中心として回転させられる。回転が行われると、各低温ハウジング内の液体のアルカリ金属は、回転により生じる遠心力によって、重力に抗して中心軸線Ｘの径方向外方に移動して各低温側ハウジング６の側部を伝い、上方へと移動する。これにより、液体のアルカリ金属の液面は図３に示す鎖線のようになる。なお、液面は、アルカリ金属熱電変換器１の回転速度に応じて変化する。上方へと移動する液体のアルカリ金属は、往き通路５５、接続管６１及びハウジング通路２１を通過して、各セルＡ〜Ｄの第１室３１へと移動し、第１室３１内を満たす。第１室３１は、中心軸線Ｘの径方向において低温室５８よりも外方に配置されており、接続管６１及びハウジング通路２１が低温室５８から第１室３１へと径方向において外方へと延びているため、液体のアルカリ金属は遠心力によって円滑に低温室５８から第１室３１へと移動する。
【００７２】
第１室３１では、液体のアルカリ金属は昇温される。アルカリ金属は、固体電解質２７の第１室３１側を向く面において、電子を放出し、アルカリ金属イオンとなって固体電解質２７内に進入する。放出された電子は、液体のアルカリ金属を介して高温側ハウジング５又は低温側ハウジング６に流れる。すなわち、高温側ハウジング５又は低温側ハウジング６はアノードとして機能する。
【００７３】
固体電解質２７中のアルカリ金属イオンは、固体電解質２７の第２室３２側を向く面においてカソード３４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、各セルＡ〜Ｄの第２室３２を通過して集合通路４９に戻り、戻り通路５６を通過して各セルＡ〜Ｄの低温室５８に戻る。なお、温度低下によって第２室３２内及び集合通路４９内において液化したアルカリ金属は、重力によって下方へと移動し、傾斜した基部４７の上面５０によって中央へと集められ、戻り通路５６を通過する。
【００７４】
アルカリ金属がアルカリ金属イオンになって第１室３１から固体電解質２７内に進入する過程、及びアルカリ金属イオンが気体のアルカリ金属となって固体電解質２７から第２室３２へと移動する過程によって、アノード（高温側ハウジング５及び第４セルＤの低温側ハウジング６）及びカソード３４間に電位差が生じる。各セルＡ〜Ｄのアノード（高温側ハウジング５及び第４セルＤの低温側ハウジング６）及びカソード３４は、アノード側スリップリング６５及びカソード側スリップリング６６間においてそれぞれ直列に接続されており、アノード側スリップリング６５及びカソード側スリップリング６６間に電位差が生じる。なお、各セルＡ〜Ｄの第２室３２は互いに連通しているが、第２室３２内に存在するアルカリ金属は高温のため気体として存在するため、各セル間の短絡は生じ難くなっている。
【００７５】
以上のように構成したアルカリ金属熱電変換器１では、中心軸線Ｘを中心とした回転によって生じる慣性力を利用して各セルＡ〜Ｄの低温室５８に貯留された液体のアルカリ金属を、各セルＡ〜Ｄの第１室３１に輸送することができる。そのため、各セルＡ〜Ｄ毎にアルカリ金属を輸送するための輸送手段を設ける場合に比べて、アルカリ金属熱電変換器１をコンパクトに構成することができる。
【００７６】
中心軸３の一端側に各セルＡ〜Ｄの高温側ハウジング５を集め、他端側に低温側ハウジング６を集めたため、複数の高温側ハウジング５を共通の高温熱源に曝すことができると共に、複数の低温側ハウジング６を共通の低温側熱源に曝すことができる。すなわち、アルカリ熱電変換器の温度管理が容易になる。
【００７７】
各高温側ハウジング５を中心軸３と同軸に配置し、円筒状の固体電解質２７を高温側ハウジング５内に中心軸３と同軸に配置したため、第１室３１を高温側ハウジング５の外周部（径方向における外側部分）に配置することができる。各高温側ハウジング５は、内部に筒状の固体電解質２７が同心状に配置されているため、径が大きくなる傾向があるが、各高温側ハウジング５を中心軸線Ｘに沿って直列に配列したため、装置全体として中心軸線Ｘの径方向への張り出しを抑制することができる。
【００７８】
各セルＡ〜Ｄの第２室３２は互いに連通しているため、あるセルの第２室３２は他のセルの第２室３２と集合通路４９とを繋ぐ通路の一部となることができる。すなわち、第２室３２と集合通路４９とを接続する通路が共通化されている。これにより、通路の本数を削減することができると共に、通路の構成を簡素にすることができる。これにより、アルカリ金属熱電変換器１のコンパクト化が図れる。
【００７９】
また、各セルＡ〜Ｄの第２室３２が互いに連通しているため、任意のセルＡ〜Ｄのカソード３４と、その隣のセルＡ〜Ｄのアノード（高温側ハウジング５）とを第２室３２を通過して延びる配線６８によって接続することができる。そのため、配線６８の取り回しが容易であり、回路構成を簡素にすることができる。また、中心軸３に導電性を付与し、多孔質リード３５、配線６８、リッド３８及び中心軸３を介して第１セルＡのカソード３４とカソード側スリップリング６６とを電気的に接続する構成としたため、配線構造を簡素にすることができる。アノード側は、第４セルＤの低温側ハウジング６の底部（下端部）とアノード側スリップリング６５とが電気的に接続されるため、配線を短くすることができ、配線構造を簡素にすることができる。なお、低温側ハウジング６は、低温室５８、往き通路５５、接続管６１、及び第１室３１に満たされた液体のアルカリ金属によって、固体電解質２７の表面においてアルカリ金属から放出された電子が流れる。
【００８０】
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、セルＡ〜Ｄの数は使用目的に応じて適宜増減することが可能である。また、各セルＡ〜Ｄは電気的に並列に接続されてもよい。例えば、隣り合う高温側ハウジング５を互いに接合する共に、第４セルＤの低温側ハウジング６をアノード側スリップリング６５に接続し、各セルＡ〜Ｄの隣り合うカソード３４同士を接続する共に、第１セルＡのカソード３４をリッド３８及び中心軸３を介してカソード側スリップリング６６に接続することによって、各セルＡ〜Ｄを並列に接続することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１…アルカリ金属熱電変換器、３…中心軸、５…高温側ハウジング（アノード）、６…低温側ハウジング（アノード）、１４…高温室、１７…第１孔、１８…第２孔、１９…リング部、２１…ハウジング通路、２７…固体電解質、２８…筒部、２９…フィン（凹凸）、３１…第１室、３２…第２室、３４…カソード、３５…多孔質リード、３７…第１スペーサ、３８…リッド、３９…第２スペーサ、４５…ホルダ、４７…基部、４８…ファンネル部、４９…集合通路、５０…上面、５１…第１カラー部、５５…往き通路、５６…戻り通路（分岐路）、５８…低温室、６１…接続管、６５…アノード側スリップリング、６６…カソード側スリップリング、６８…配線、７１…第２カラー部材、８２…電動モータ（駆動装置）、８５…排気系、８６…排気浄化装置、８７…メイン通路、８８…バイパス通路、Ａ…第１セル、Ｂ…第２セル、Ｃ…第３セル、Ｄ…第４セル、Ｘ…中心軸線（回転軸線）
【図１】
2014191878.tif 000003
【図２】
2014191878.tif 000004
【図３】
2014191878.tif 000005
【図４】
2014191878.tif 000006
【図５】
2014191878.tif 000007
【図６】
2014191878.tif 000008