(57)【要約】【課題】本発明は、熱電子発電素子と複数のアルカリ金属熱電変換素子との発電出力、および熱の流れを直列接続化した複合発電素子および複合発電システムに関するものである。【解決手段】熱電子発電素子と複数のアルカリ金属熱電変換素子とを電気的に直列に接続すると共に、前記両者の熱的結合を整合させることにより、熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される小型で効率のよい複合発電素子を提供する。また、本発明は、前記複合発電素子を直列および／または並列に接続することによって、電圧または電流を大きく取り出すことができる複合発電システムを提供する。【選択図】　図１
2004055984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッタ電極とコレクタ電極とを備えた熱電子発電素子と：
前記熱電子発電素子のコレクタ電極に接合されたカソード電極と、
前記カソード電極の内側に固体電解質管を介して設けられたアノード電極と、
液体ナトリウムを気化するエバポレータと、
前記液体ナトリウムを前記エバポレータに輸送する金属ウイック管と、
を有する複数のアルカリ金属熱電変換素子と：
前記アルカリ金属熱電変換素子を収納する上部密閉容器と：
前記液体ナトリウムが収納されている下部密閉容器と：
前記上部密閉容器と下部密閉容器とを電気絶縁する絶縁部材および熱遮蔽する熱シールド板と：
を備えていることを特徴とする熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子。
【請求項２】
前記コレクタ電極は、下方を開放した有底筒状体のエミッタ電極の内部に接するように収納されていると共に、複数のアルカリ金属熱電変換素子のカソード電極が並列に接合されていることを特徴とする請求項１に記載された熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子。
【請求項３】
前記アルカリ金属熱電変換素子において、前記固体電解質管の内側上部に設けられているエバポレータでナトリウムを蒸発させることにより、前記固体電解質管の内部に設けられているアノード電極上で凝縮させ、その蒸発潜熱を放出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載された熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子。
【請求項４】
前記熱電子発電素子のコレクタ電極は、金属フェルトを介してアルカリ金属熱電変換素子の外側カソードと接合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載された熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子。
【請求項５】
負出力端子の取り出し位置は、前記熱シールド板の上部に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載された熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子。
【請求項６】
前記液体ナトリウムは、ウイック材と共に下部密閉容器の下部に充填されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載された熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子。
【請求項７】
前記熱電子発電素子のコレクタ電極とアルカリ金属熱電変換素子のカソード電極とは同電位であり、前記下部密閉容器は、複数のアルカリ金属熱電変換素子のアノードを金属ウイック管を通じて並列に接続することにより前記アノード電極と同電位であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載された熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子。
【請求項８】
少なくとも二つの複合発電素子を並列または直列に接続して発電出力を取り出すことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載された熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電子発電素子と複数のアルカリ金属熱電変換素子との発電出力、および熱の流れを直列接続化した複合発電素子および複合発電システムに関するものである。本発明は、前記熱電子発電素子と複数のアルカリ金属熱電変換素子の両者を直列接続化することにより、熱から電力への変換効率の向上と、小型化を図るものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子との複合発電素子を説明するための模式図である。図５において、複合発電素子は、熱電子発電素子５１と、ナトリウムヒートパイプ５２と、密閉容器５３と、アルカリ金属熱電変換素子５４とから構成されている。
【０００３】
熱電子発電素子５１は、熱エネルギーを受け取るエミッタ電極５１１と、当該エミッタ電極５１１が高温に加熱されて放出された熱電子を集めるコレクタ電極５１２とから構成されている。
【０００４】
ナトリウムヒートパイプ５２は、前記熱電子発電素子５１によって得られた熱エネルギーをアルカリ金属熱電変換素子５４に伝えるものであり、内部表面に形成されているウイック材５２１と、内部に収納されている液体ナトリウム５２２とから構成される。
【０００５】
密閉容器５３は、熱電子発電素子５１の下部に絶縁セラミック５１３を介して取り付けられていると共に、前記ナトリウムヒートパイプ５２と、後述するアルカリ金属熱電変換素子５４と、液体ナトリウム５３１と、ヒートシールド５３２と、ウイック管５３３と、前記液体ナトリウム５３１を気化させるエバポレータ５３４とが収納されている。なお、下部には、液体ナトリウム５３１を冷却するための、図示されていない、ラジエータが設けられている。
【０００６】
前記複数のアルカリ金属熱電変換素子５４は、前記ナトリウムヒートパイプ５２の周囲に設けられており、固体電解質からなるベース管５４３と、その内部に設けられたカソード電極５４１と、その外部に設けられたアノード電極５４２とから構成されている。また、前記複数のアルカリ金属熱電変換素子５４は、それぞれプラスおよびマイナスの出力端子を有し、これらを直列に接続して出力とする。
【０００７】
従来の複合発電素子の熱電子発電素子５１は、エミッタ電極５１１によって、太陽熱、原子力エネルギー、燃焼熱等の熱源から熱エネルギーを受け取り、高温で加熱され、熱電子を放出する。前記放出された熱電子は、前記エミッタ電極５１１に対向配置されたコレクタ電極５１２に集められ、前記コレクタ電極５１２を負、エミッタ電極５１１を正とする起電力を発生させる。
【０００８】
また、前記コレクタ電極５１２の熱エネルギーは、ナトリウムヒートパイプ５２に伝達される。前記密閉容器５３の上方部に配置された複数のアルカリ金属熱電変換素子５４は、前記ナトリウムヒートパイプ５２から熱エネルギーを熱伝導および輻射による熱として受け取る。
【０００９】
一方、密閉容器５３内の液体ナトリウム５３１は、ウイック管５３３の毛細管力によって上部に配置されているエバポレータ５３４によって気化される。気化されたナトリウムは、ナトリウム圧力の高いベース管５４３外のアノード電極５４２から圧力の低いベース管５４３内のカソード電極５４１にイオン化された状態で移動する。この際のイオンの移動が起電力となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示す従来の複合発電素子は、熱エネルギーをナトリウムヒートパイプ５２を介して、アルカリ金属熱電変換素子５４に伝達させるため、ナトリウムヒートパイプ５２の存在によって、小型化ができないという課題があった。また、前記従来の複合発電素子は、ナトリウムヒートパイプ５２の放熱部の近傍に配置し、その熱伝導および輻射熱を利用して加熱するため、固体電解質からなるβアルミナベース管５４３の熱伝導が悪く、均一に加熱することが困難であるという課題があった。
【００１１】
前記従来の複合発電素子は、ナトリウムヒートパイプ５２を介して熱流の整合を図っているが、ナトリウムヒートパイプ５２が存在するために、複合発電素子としての大きさが大きくなり、それに伴う熱損失も増大するという課題があった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上のような課題を解決するためのものであり、熱電子発電素子と複数のアルカリ金属熱電変換素子とを電気的に直列に接続すると共に、前記両者の熱的結合を整合させることにより、熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される小型で効率のよい複合発電素子を提供することを目的とする。また、本発明は、前記複合発電素子を直列および／または並列に接続することによって、電圧または電流を大きく取り出すことができる複合発電システムを提供することを目的とする。
【００１３】
（第１発明）
第１発明の熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子は、エミッタ電極とコレクタ電極とを備えた熱電子発電素子と：前記熱電子発電素子のコレクタ電極に接合されたカソード電極と、前記カソード電極の内側に固体電解質管を介して設けられたアノード電極と、液体ナトリウムを気化するエバポレータと、前記液体ナトリウムを前記エバポレータに輸送する金属ウイック管と、を有する複数のアルカリ金属熱電変換素子と：前記アルカリ金属熱電変換素子を収納する上部密閉容器と：前記液体ナトリウムが収納されている下部密閉容器と：前記上部密閉容器と下部密閉容器とを電気絶縁する絶縁部材、および熱遮蔽する熱シールド板と：を備えていることを特徴とする。
【００１４】
（第２発明）
第２発明の熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子において、コレクタ電極は、下方を開放した有底筒状体のエミッタ電極の内部に接するように収納されていると共に、複数のアルカリ金属熱電変換素子のカソード電極が並列に接合されていることを特徴とする。
【００１５】
（第３発明）
第３発明の複合発電素子におけるアルカリ金属熱電変換素子において、前記固体電解質管の内側上部に設けられているエバポレータでナトリウムを蒸発させることにより、前記固体電解質管の内部に設けられているアノード電極上で凝縮させ、その蒸発潜熱を放出することを特徴とする。
【００１６】
（第４発明）
第４発明の熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子において、前記熱電子発電素子のコレクタ電極は、アルカリ金属熱電変換素子の外側カソードと、直接、あるいは金属フェルトを介して接合されていることを特徴とする。
【００１７】
（第５発明）
第５発明の熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子において、負出力端子の取り出し位置は、前記熱シールド板の上部に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
（第６発明）
第６発明の熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子において、液体ナトリウムは、ウイック材と共に下部密閉容器の下部に充填されていることを特徴とする。
【００１９】
（第７発明）
第７発明の熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子において、前記熱電子発電素子のコレクタ電極とアルカリ金属熱電変換素子のカソード電極とは、同電位であり、前記下部密閉容器は、複数のアルカリ金属熱電変換素子のアノード電極が金属ウイック管を通じて並列に接続されていることを特徴とする。
【００２０】
（第８発明）
第８発明の熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電システムは、少なくとも二つの複合発電素子を並列または直列に接続して発電出力を取り出すことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１発明）
第１発明の複合発電素子は、熱電子発電素子と、アルカリ金属熱電変換素子と、アルカリ金属熱電変換素子を収納する上部密閉容器と、液体ナトリウムを収納すると共に前記ナトリウムをアルカリ金属熱電変換素子に輸送するウイック管が格納されている下部密閉容器と、前記上部密閉容器と下部密閉容器とを電気的および熱的に遮蔽する絶縁部材および熱シールド板とから構成されている。
【００２２】
前記熱電子発電素子は、熱エネルギーを受け取り、熱電子を放出するエミッタ電極と、前記エミッタ電極に対向配置されており、前記放出された熱電子を集めるコレクタ電極とを備えている。そして、前記エミッタ電極が正、コレクタ電極が負となる起電力が発生する。前記起電力の大きさは、エミッタ電極の仕事関数とコレクタ電極の仕事関数の差に比例し、出力電流密度は、熱電子放出に関するリチャードソンの式によって規定される。
【００２３】
アルカリ金属熱電変換素子は、たとえば、筒状の固体電解質管の内側に設けられたアノード電極と、前記固体電解質管の外側に設けられたカソード電極と、内部に設けられ液体ナトリウムを気化するエバポレータとから構成されている。また、複数の前記カソード電極は、前記熱電子発電素子のコレクタ電極に接合されている。また、前記固体電解質管の外側に設けられたカソード電極、および内側に設けられたアノード電極は、多孔質の性質を有するものである。
【００２４】
前記上部密閉容器は、上部が熱電子発電素子に接合されると共に、複数の前記アルカリ金属熱電変換素子が収納されている。前記下部密閉容器は、液体ナトリウムを収納すると共に、前記液体ナトリウムを前記エバポレータに輸送するウイック管が収納されている。前記上部密閉容器と下部密閉容器との間には、電気的に絶縁する絶縁部材および相互の熱が移動しないように遮蔽する熱シールド板が設けられている。
【００２５】
前記下部密閉容器に収納されている液体ナトリウムは、前記ウイック管によってエバポレータに輸送され、固体電解質管の内部で気化される。前記気化されたナトリウムは、内部のアノード電極上で凝縮し、液体ナトリウムとなり、蒸発潜熱を放出してアノード電極を加熱する。ナトリウムは、アノード電極と固体電解質との界面において、イオン化してＮａ＋イオンになる。前記Ｎａ＋イオンは、固体電解質管の内外の蒸気圧力差を駆動力として、前記固体電解質管の内側から外側に向かって流れる。
【００２６】
アルカリ金属熱電変換素子の外側において、Ｎａ＋イオンは、電子を受け取り、ナトリウムの蒸気となって、下部密閉容器の下部の低温部において液化される。前記液化されたナトリウムは、ウイック管によってエバポレータに輸送され、このサイクルを繰り返す。
【００２７】
第１発明は、熱電子発電素子のコレクタ電極と複数のアルカリ金属熱電変換素子のカソードを直接並列に接合したため、小型かつ熱から電力への変換効率を向上させることができた。また、第１発明は、アルカリ金属熱電変換素子における固体電解質管、エバポレータ、ウイック管の形状および構造によって、前記エバポレータによって蒸発したナトリウム蒸気が内部のアノード電極上で蒸発潜熱を放出することによって、アノード電極、ひいては固体電解質管全体を均一に加熱することができるようになった。
【００２８】
第１発明の熱電子発電素子には、複数のアルカリ金属熱電変換素子を全て並列接続させ、各アルカリ金属熱電変換素子の固体電解質管の外側のカソード電極の電位を熱電子発電素子のコレクタ電極と同電位に保つことによって、熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子の電気的直列接続が容易にできる。その際の熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子との熱的電気的バランスは、アルカリ金属熱電変換素子の電極面積と本数、および動作温度を制御することによって実現することができる。
【００２９】
（第２発明）
第２発明の熱電子発電素子は、下方に開放された有底筒状体のエミッタ電極からなり、前記エミッタ電極の内部に接するようにコレクタ電極が収納されている。また、前記コレクタ電極には、複数のアルカリ金属熱電変換素子のカソード電極が並列に接合されている。前記このような形状は、複合発電素子を小型にできるだけでなく、熱を効率良く利用することができる。
【００３０】
（第３発明）
第３発明のアルカリ金属熱電変換素子は、固体電解質管の上方を閉塞し、下方を開放した管状にし、その内部における上部に、ナトリウムを蒸発させるエバポレータが設けられている。前記エバポレータによって蒸発されたナトリウムは、前記固体電解質管の内部に設けられているアノード電極上で凝縮される。前記凝縮される際の蒸発潜熱は、前記固体電解質管を均一に加熱する。
【００３１】
（第４発明）
第４発明において、熱電子発電素子のコレクタ電極は、金属フェルトを介して複数のアルカリ金属熱電変換素子の外側カソード電極に接合されている。前記金属フェルトは、前記両者の良好な熱伝導、電気伝導を図ると同時に、高温加熱時に発生する熱応力による固体電解質管の破壊を防止することができる。
【００３２】
（第５発明）
第５発明において、負出力端子の取り出し位置は、前記熱シールド板の上部に設けられているため、次段の複合発電素子の正出力端子に接続する際の温度差が少なく、リード線による熱損失を軽減することができる。
【００３３】
（第６発明）
第６発明において、液体ナトリウムは、ウイック材と共に下部密閉容器の下方に充填されている。下部密閉容器内の下方にウイック材と共に充填された液体ナトリウムは、無重力状態で前記密閉容器の向きに変化があっても、前記充填されたウイック材と共に保持されるため、ウイック管を通してエバポレータに液体ナトリウムを輸送することができる。
【００３４】
（第７発明）
第７発明において、熱電子発電素子のコレクタ電極と複数のアルカリ金属熱電変換素子のカソード電極とは、同電位になるように並列接続されている。前記下部密閉容器において、前記複数のアルカリ金属熱電変換素子のアノード電極は、金属ウイック管を通じて並列に接続されている。すなわち、前記熱電子発電素子と複数のアルカリ金属熱電変換素子とは、電気的に直列に接続されている。
【００３５】
（第８発明）
第８発明において、熱電子発電素子と複数のアルカリ金属熱電変換素子とから構成される複合発電素子は、少なくとも二つが並列または直列に接続されて発電出力を取り出すことができ、効率のよい発電システムとなる。
【００３６】
【実施例】
図１は本発明の１実施例である複合発電素子を説明するための模式図である。図１において、複合発電素子は、熱電子発電素子Ａと、複数のアルカリ金属熱電変換素子Ｂと、上部密閉容器Ｃと、下部密閉容器Ｄとから構成されている。
【００３７】
前記熱電子発電素子Ａは、太陽熱、原子力エネルギー、燃焼熱等の熱源から熱エネルギーを受け取ることができる、たとえば、ディスク状に形成されたエミッタ電極１と、前記エミッタ電極１から放出された熱電子を集めるために、前記エミッタ電極１と略同形状で対向して配置されたコレクタ電極２と、前記エミッタ電極１およびコレクタ電極２に接続され、前記エミッタ電極１を正、前記コレクタ電極２を負とする起電力を得るためのエミッタヒートチョーク３およびコレクタヒートチョーク４と、前記エミッタヒートチョーク３およびコレクタヒートチョーク４とを絶縁する絶縁セラミック５とから構成されている。
【００３８】
前記エミッタヒートチョーク３とコレクタヒートチョーク４との間に発生する起電力の大きさは、前記エミッタ電極１の仕事関数と、前記コレクタ電極２の仕事関数の差に比例し、出力電流密度は、熱電子放出に関するリチャードソンの式によって規定される。
【００３９】
図２は本発明の複合発電素子に使用されるアルカリ金属熱電変換素子を説明するための図である。図２において、アルカリ金属熱電変換素子Ｂは、上部に備えられ、ナトリウムを気化し易くするためのウイック材が設けられているエバポレータ７と、たとえば、下部が開放された有底筒状体のβアルミナベース管からなる固体電解質管８と、前記固体電解質管８の外部を覆うガス透過性部材からなるカソード電極９と、前記カソード電極９の外周を取り巻くように設けられた集電リード線９′と、前記固体電解質管８の内側に設けられたガス透過性部材からなるアノード電極１０と、前記アノード電極１０の内側に設けられたアノード金網１０′と、前記固体電解質管８の開放端部をシールするシールキャップ１１と、前記エバポレータ７に液体ナトリウムを輸送するウイック管１２とから構成されている。
【００４０】
前記ウイック管１２は、内部にナトリウムに対して毛細管力を持つウイック材が充填されている。前記ウイック材は、金属ないしセラミック製微粉末焼結体からなる。液体ナトリウム１５は、前記毛細管力によって、下部密閉容器Ｄの下部からウイック管１２を介してエバポレータ７に輸送される。
【００４１】
前記エバポレータ７は、ウイック管１２から輸送されて来た液体ナトリウム１５が気化され易いようにウイック材に保持させる。また、前記カソード電極９の外周に巻かれている集電リード線９′は、カソード電極９が薄膜から構成されているため、電気抵抗が高く、ジュール損失を減らす目的で、金属線が用いられている。前記カソード電極９は、たとえば、Ｍｏ、ＴｉＮ等の材料からなる。
【００４２】
アノード金網１０′は、カソード集電リード線９′と同じ理由により、ジュール損失を減らす目的で、金網としている。シールキャップ１１は、固体電解質管（βアルミナベース管）８の内部がナトリウム蒸気高圧側で、外部が低圧側となるように仕切るものである。
【００４３】
図１において、以上説明したような、複数のアルカリ金属熱電変換素子Ｂのカソード電極９と、前記熱電子発電素子Ａのコレクタ電極２との結合方式には、両者を直接接合する方式と、両者を金属フェルト６を介して接合する方式とが可能である。後者の方式の場合、金属フェルト６は、前記熱電子発電素子Ａのコレクタ電極２と複数のアルカリ金属熱電変換素子Ｂのカソード電極９との電気的および熱的接続を良好に保つためのものであり、また、熱応力により、固体電解質管８が破壊されるのを防止するためのものである。
【００４４】
図１にしたがって、複合発電素子の動作機構について説明する。前記熱電子発電素子Ａのエミッタ電極１は、太陽熱、原子力エネルギー、燃焼熱等の熱源から熱エネルギーを受け取り、熱電子を放出する。前記エミッタ電極１に対向して設けられたコレクタ電極２は、前記放出された熱電子が集められ、コレクタ電極２が負、エミッタ電極１が正となる起電力が発生する。
【００４５】
前記コレクタ電極２の裏面（排熱側）には、複数本のアルカリ金属熱電変換素子Ｂが接合され、コレクタ電極２の排熱を受けてアルカリ金属熱電変換素子Ｂの動作温度まで加熱されて発電を行う。また、前記発電は、高温時の固体電解質管８のＮａ＋イオン導電性を利用して行われる。前記固体電解質管８の外側には、ガス透過性のあるカソード電極９が、また、内側には、ガス透過性のあるアノード電極１０が設けられている。
【００４６】
前記固体電解質管８の内部には、ナトリウムを気化するエバポレータ７があり、当該エバポレータ７で蒸発したナトリウムがアノード電極１０上で液化して、液体ナトリウム１５となる。この時の蒸発潜熱は、アノード電極１０を加熱する。前記ナトリウムは、イオン化してＮａ＋イオンとなる。前記Ｎａ＋イオンは、固体電解質管８の内外のナトリウム蒸気圧力の差を駆動力として、固体電解質管８を内から外に向かって流れる。
【００４７】
前記固体電解質管８の外側において、Ｎａ＋イオンは、電子を受け取りナトリウム蒸気となって下部密閉容器Ｄの低温部で液化される。前記固体電解質管８の内部におけるナトリウム蒸気圧力は、動作温度１０００Ｋないし１２００Ｋにおいて、約１０５　Ｐａ、その外部のナトリウム蒸気圧力は、凝縮部の温度が４００Ｋないし５００Ｋにおいて、約１Ｐａ以下である。このように、Ｎａ＋イオンは、固体電解質管８における内外のナトリウム蒸気圧力差によって、内側から外側へ駆動される。
【００４８】
ウイック管１２は、きわめて細い金属管で、内部に液体ナトリウム１５に対して毛細管力を持つウイック材が充填されている。下部密閉容器Ｄの低温部で凝縮された液体ナトリウム１５は、前記ウイック管１２によりエバポレータ７に輸送された後、固体電解質管８に輸送され、発電に寄与し、また、下部密閉容器Ｄに戻るといったサイクルを繰り返す。複数のアルカリ金属熱電変換素子Ｂは、全て並列に接続され、カソード電極９は、熱電子発電素子Ａのコレクタ電極２と同電位に保持される。
【００４９】
さらに、本発明の動作機構について詳述する。本発明の複合発電素子は、ナトリウムヒートパイプを介することなく、熱電子発電素子Ａとアルカリ金属熱電変換素子Ｂとが直接一体化されており、両者を流れる熱流に関して、エネルギー保存則が成り立つ必要がある。また、前記複合発電素子の発電出力は、１個の熱電子発電素子Ａと、当該熱電子発電素子Ａに対して並列に接続された複数のアルカリ金属熱電変換素子Ｂとが電気的に直列に接続されている。
【００５０】
したがって、１個の熱電子発電素子Ａと、アルカリ金属熱電変換素子Ｂとは、発電電流が等しくなければならない。熱電子発電素子Ａと複数のアルカリ金属熱電変換素子Ｂの発電特性は、動作温度の影響を受けて変化するが、次の様な関係がある。すなわち、両者の発電特性の典型的な例として、
熱電子発電素子：（Ｖｔ，Ｊｔ）＝（０．８ボルト、５Ａ／ｃｍ２）、
電極面積　Ｓｔ、
アルカリ金属熱電変換素子：（Ｖａ，Ｊａ）＝（０．５ボルト、０．８Ａ／ｃｍ２）、電極面積　Ｓａとすると、
熱電子発電素子Ａと、アルカリ金属熱電変換素子Ｂの発電電流が等しいという条件から、
ＪｔＳｔ＝ＪａＳａ
Ｓａ／Ｓｔ＝Ｊｔ／Ｊａ　は　約６となる。
ただし、ｔは熱電子発電素子、ａはアルカリ金属熱電変換素子
Ｖは電圧、Ｊは電流、Ｓは面積を表す。
【００５１】
すなわち、前記の発電電流が等しくなければならないという条件から、アルカリ金属熱電変換素子Ｂの電極面積は、熱電子発電素子Ａの電極面積の６倍程度が必要なことになる。アルカリ金属熱電変換素子Ｂは、その直径、有効長、並列接続本数等を変えることにより、この電極面積比の値を成り立つようにすることができる。次に、前記アルカリ金属熱電変換素子Ｂが、熱電子発電素子Ａの６倍程度の面積比をもつことを前提として、複合発電素子の動作温度レベルを制御すれば、アルカリ金属熱電変換素子Ｂと熱電子発電素子Ａとが、共に最適条件で発電するために必要とされる熱流速を実現できる。
【００５２】
図３は本発明の他の実施例である複合発電素子を説明するための模式図である。図３において、図１の実施例と異なるところは、熱電子発電素子Ａの形状にある。すなわち、前記熱電子発電素子Ａのエミッタ電極３１およびコレクタ電極３２は、下方を開放した有底筒状体から構成されている。そして、前記エミッタ電極３１は、熱エネルギーを受けるため外側であり、前記コレクタ電極３２は、内側に対向配置されている。前記有底筒状体は、複数のアルカリ金属熱電変換素子Ｂを包むようになっているため、前記エミッタ電極３１で受け入れた熱エネルギーを有効に使用することができる。
【００５３】
図４は本発明の複合発電素子を複数個接続した複合発電システムを説明するための図である。図４において、複合発電素子Ａと複合発電素子Ａ′は、図１に示すものと同じであり、これらが電気的に直列接続されている点で異なっている。すなわち、複合発電素子Ａにおける（−）出力端子（アノード電極）４１と、複合発電素子Ａ′の（＋）入力端子（エミッタ電極）４２とが電気的に接続されている。このような複合発電素子Ａと複合発電素子Ａ′との接続は、高い電圧を取り出すことができる。なお、大きい電流が必要な場合、または高い電圧と電流が必要な場合、前記各複合発電素子を必要な数だけ、並列および／または直列に接続することができる。
【００５４】
前記複合発電素子Ａと複合発電素子Ａ′の接続は、熱シールド板１４の上で行われる。前記熱シールド板１４より上の位置は、温度的に高く保持されており、二つの複合発電素子Ａ、Ａ′を接続しても熱損失を少なくすることができる。なお、図１および図４には、下部密閉容器Ｄを冷却するラジエータが図示されていないが、図３と同様に、備えているものとする。
【００５５】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではない。そして、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。
【００５６】
たとえば、熱電子発電素子の電極形状、材料、アルカリ金属熱電変換素子の直径、有効長、並列接続本数、材料等は、電気的整合、熱的整合を考慮して任意に変えることができる。また、熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子との接続を直列および／または並列接続する方法は、複合発電システムに必要な電圧および電流に合わせて設計することができる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、ナトリウムヒートパイプを使用せずに、熱電子発電素子のコレクタ電極と複数のアルカリ金属熱電変換素子のカソード電極を直接並列に接合したため、小型かつ熱から電力への変換効率を向上させることができた。
【００５８】
本発明によれば、アルカリ金属熱電変換素子における固体電解質管、エバポレータ、ウイック管の形状および構造によって、前記エバポレータによって蒸発したナトリウム蒸気が内部のアノード電極上で蒸発潜熱を放出することによって、アノード電極、ひいては固体電解質管全体を均一に加熱することができるようになった。
【００５９】
本発明によれば、複数のアルカリ金属熱電変換素子を熱電子発電素子のコレクタ電極に並列に直接接続し、前記各アルカリ金属熱電変換素子の固体電解質管の外側のカソード電極の電位を前記熱電子発電素子のコレクタ電極と同電位に保つことによって、熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子の電気的直列接続が容易にできる。
【００６０】
本発明によれば、熱電子発電素子と複数のアルカリ金属熱電変換素子との熱的電気的バランスをアルカリ金属熱電変換素子の電極面積（直径、有効長）と本数、および動作温度を制御することによって容易に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例である複合発電素子を説明するための模式図である。
【図２】本発明の複合発電素子に使用されるアルカリ金属熱電変換素子を説明するための図である。
【図３】本発明の他の実施例である複合発電素子を説明するための模式図である。
【図４】本発明の複合発電素子を複数個接続した複合発電システムを説明するための図である。
【図５】従来の熱電子発電素子とアルカリ金属熱電変換素子との複合発電素子を説明するための模式図である。
【符号の説明】
Ａ・・・熱電子発電素子
Ｂ・・・アルカリ金属熱電変換素子
Ｃ・・・上部密閉容器
Ｄ・・・下部密閉容器
１・・・エミッタ電極
２・・・コレクタ電極
３・・・エミッタヒートチョーク
４・・・コレクタヒートチョーク
５・・・絶縁セラミック
６・・・金属フェルト
７・・・エバポレータ
８・・・固体電解質管
９・・・カソード電極
９′・・・集電リード線
１０・・・アノード電極
１０′・・・アノード金網
１１・・・シールキャップ
１２・・・ウイック管
１３・・・絶縁セラミック
１４・・・熱シールド板
１５・・・液体ナトリウム
１６・・・ラジエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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