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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022177891
(43)【公開日】2022-12-02
(54)【発明の名称】原子力電池
(51)【国際特許分類】
G21H 1/10 20060101AFI20221125BHJP
【ＦＩ】
G21H1/10
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021084319
(22)【出願日】2021-05-19
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】317015294
【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100111121
【弁理士】
【氏名又は名称】原 拓実
(74)【代理人】
【識別番号】100118474
【弁理士】
【氏名又は名称】寺脇 秀▲徳▼
(74)【代理人】
【識別番号】100141911
【弁理士】
【氏名又は名称】栗原 譲
(72)【発明者】
【氏名】中込 宇宙
(72)【発明者】
【氏名】木村 礼
(72)【発明者】
【氏名】宮寺 晴夫
(72)【発明者】
【氏名】浅野 和仁
(57)【要約】
【課題】熱の利用効率を向上させることのできる原子力電池を得ることにある。
【解決手段】筐体１内に配置された緩衝材２と、この緩衝材２内に配置されアルファ線源
の崩壊熱を発する燃料３を収容する被覆管４と、このアルファ線源の崩壊熱を発する燃料
３を収容する被覆管４を複数配置して構成される熱源集合体６と、この熱源集合体６で発
生する熱を熱電素子７を介して系外に放熱する徐熱部８と、前記筐体１に隣接した前記緩
衝材２と前記熱源集合体６との間、および前記徐熱部８と前記緩衝材２との間に配置され
る断熱材９，１０と、から成ることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】筐体１内に配置された緩衝材２と、この緩衝材２内に配置されアルファ線源
の崩壊熱を発する燃料３を収容する被覆管４と、このアルファ線源の崩壊熱を発する燃料
３を収容する被覆管４を複数配置して構成される熱源集合体６と、この熱源集合体６で発
生する熱を熱電素子７を介して系外に放熱する徐熱部８と、前記筐体１に隣接した前記緩
衝材２と前記熱源集合体６との間、および前記徐熱部８と前記緩衝材２との間に配置され
る断熱材９，１０と、から成ることを特徴とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
筐体内に配置された緩衝材と、
この緩衝材内に配置されアルファ線源の崩壊熱を発する燃料を収容する被覆管と、
このアルファ線源の崩壊熱を発する燃料を収容する被覆管を複数配置して構成される熱
源集合体と、
この熱源集合体で発生する熱を熱電素子を介して系外に放熱する徐熱部と、
前記筐体に隣接した前記緩衝材と前記熱源集合体との間、および前記徐熱部と前記緩衝
材との間に配置される断熱材と、
から成ることを特徴とする原子力電池。
この緩衝材内に配置されアルファ線源の崩壊熱を発する燃料を収容する被覆管と、
このアルファ線源の崩壊熱を発する燃料を収容する被覆管を複数配置して構成される熱
源集合体と、
この熱源集合体で発生する熱を熱電素子を介して系外に放熱する徐熱部と、
前記筐体に隣接した前記緩衝材と前記熱源集合体との間、および前記徐熱部と前記緩衝
材との間に配置される断熱材と、
から成ることを特徴とする原子力電池。
【請求項2】
前記アルファ線源の崩壊熱を発する燃料は、Ａｍ241を含むＡｍ酸化物燃料であること
を特徴とする請求項１記載の原子力電池。
を特徴とする請求項１記載の原子力電池。
【請求項3】
前記アルファ崩壊熱を発する燃料は、Ａｍ241を含むＡｍ金属燃料であることを特徴とす
る請求項１記載の原子力電池。
る請求項１記載の原子力電池。
【請求項4】
前記徐熱部は、ヒートパイプから構成されるフィンを有することを特徴とする請求項1
から請求項３の何れか１項記載の原子力電池。
から請求項３の何れか１項記載の原子力電池。
【請求項5】
前記徐熱部は、圧延材の金属から構成されるフィンを有することを特徴とする請求項１
から請求項３の何れか１項記載の原子力電池。
から請求項３の何れか１項記載の原子力電池。
【請求項6】
前記緩衝材を、前記熱源集合体と前記徐熱部および前記熱電素子が設置されている部分
と設置されていない部分に分割し、前記緩衝材の分割対向面に断熱材を配置したことを特
徴とする請求項１から請求項５の何れか１項記載の原子力電池。
と設置されていない部分に分割し、前記緩衝材の分割対向面に断熱材を配置したことを特
徴とする請求項１から請求項５の何れか１項記載の原子力電池。
【請求項7】
前記徐熱部と前記緩衝材との間に配置される前記断熱材の代わりに前記徐熱部と前記緩
衝材との対向面には空隙部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６の何
れか１項記載の原子力電池。
衝材との対向面には空隙部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６の何
れか１項記載の原子力電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、熱電変換方式に基づく原子力電池に関する。
【背景技術】
【0002】
宇宙探査において各機器の電源確保は重要であり、特に電源寿命は探査可能な範囲に影
響する要素と考えられている。
響する要素と考えられている。
【0003】
宇宙探査用電源には、化学電池、太陽電池、原子力電池が候補として挙げられるが、寿
命の観点から太陽電池、原子力電池が有力である。化学電池は出力が高い一方、寿命が数
カ月オーダーと短い。また、太陽電池は太陽光が到達する範囲で使用可能であるが、太陽
光の到達しない外惑星探査においては、出力が制限されてしまう。一方、原子力電池は外
部環境によらず、燃料寿命がそのまま電源寿命となり数十年オーダーと長い利点がある。
命の観点から太陽電池、原子力電池が有力である。化学電池は出力が高い一方、寿命が数
カ月オーダーと短い。また、太陽電池は太陽光が到達する範囲で使用可能であるが、太陽
光の到達しない外惑星探査においては、出力が制限されてしまう。一方、原子力電池は外
部環境によらず、燃料寿命がそのまま電源寿命となり数十年オーダーと長い利点がある。
【0004】
これまで、ＮＡＳＡはＰｕ238のアルファ線源の崩壊熱を熱電素子により電気に変換す
る原子力電池を開発し、実際の宇宙探査機に使用してきた。Ｐｕ238の半減期は約８７年
となり、1977年にＰｕ238の原子力電池を搭載したボイジャー一号・二号はいまだ航行中
である。しかしながら、日本国内の使用において、Ｐｕ238は核燃料該当物質であるため
取り扱いが難しかった。
る原子力電池を開発し、実際の宇宙探査機に使用してきた。Ｐｕ238の半減期は約８７年
となり、1977年にＰｕ238の原子力電池を搭載したボイジャー一号・二号はいまだ航行中
である。しかしながら、日本国内の使用において、Ｐｕ238は核燃料該当物質であるため
取り扱いが難しかった。
【0005】
そこで、Ｐｕ238の代替え燃料としてＡｍ241が注目を浴びている。Ａｍ241は半減期が
約４３２年とＰｕ238と比較して長いため、出力が小さいが核燃料物質非該当であること
から取り扱いやすく、近年、欧州ではＡｍ241を使用した原子力電池の開発が行われてい
る。今後、日本国内の宇宙開発事業においてもＡｍ241を宇宙用機器の電源としての利用
が想定される。
約４３２年とＰｕ238と比較して長いため、出力が小さいが核燃料物質非該当であること
から取り扱いやすく、近年、欧州ではＡｍ241を使用した原子力電池の開発が行われてい
る。今後、日本国内の宇宙開発事業においてもＡｍ241を宇宙用機器の電源としての利用
が想定される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】Gary L. Bennett, Richard J. Hemler, Alfred Schock, Development and Use of the Galileo and Ulysses Power Sources IAF-94-R.1.362
【非特許文献2】Richard M. Ambrosi et al. European Radioisotope Thermoelectric Generators (RTGs) and Radioisotope Heater Units (RHUs) for Space Science and Exploration Space Sci Rev (2019) 215:55
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上述した原子力電池は、アルファ線源の崩壊熱を熱電素子により電気に変換しているが
、線源を緩衝材により覆い、その外壁に熱電素子を張り付ける構造をしているため、線源
の熱を効率よく利用できていなかった。
、線源を緩衝材により覆い、その外壁に熱電素子を張り付ける構造をしているため、線源
の熱を効率よく利用できていなかった。
【0008】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、熱の利用効率を向
上させることのできる原子力電池を得ることを目的としている。
上させることのできる原子力電池を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記実施形態に係る原子力電池は、筐体内に配置された緩衝材と、この緩衝材内に配置
されアルファ線源の崩壊熱を発する燃料を収容する被覆管と、このアルファ線源の崩壊熱
を発する燃料を収容する被覆管を複数配置して構成される熱源集合体と、この熱源集合体
で発生する熱を熱電素子を介して系外に放熱する徐熱部と、前記筐体に隣接した前記緩衝
材と前記熱源集合体との間、および前記徐熱部と前記緩衝材との間に配置される断熱材と
、
から成ることを特徴とする。
されアルファ線源の崩壊熱を発する燃料を収容する被覆管と、このアルファ線源の崩壊熱
を発する燃料を収容する被覆管を複数配置して構成される熱源集合体と、この熱源集合体
で発生する熱を熱電素子を介して系外に放熱する徐熱部と、前記筐体に隣接した前記緩衝
材と前記熱源集合体との間、および前記徐熱部と前記緩衝材との間に配置される断熱材と
、
から成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明の実施形態に係る原子力電池は、上述した課題を解決するためになされたもので
あり、熱源集合体による熱分布に指向性を持たせ、熱の利用効率を向上させることができ
る。
あり、熱源集合体による熱分布に指向性を持たせ、熱の利用効率を向上させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明に係る原子力電池の実施例について、図を参照して説明する。
【0013】
【0014】
図１において本実施例１は、図面における手前・奥側先端も含めて外部が筐体１で構成
され、この筐体１内には緩衝材２が配置されている。この緩衝材２内にはアルファ線源の
崩壊熱を発する燃料としてＡｍ241を含むＡｍ燃料３を収容する被覆管４が配置され、こ
の被覆管４は図面における手前・奥側先端も含めてその周囲が断熱材５によって覆われ、
Ａｍ燃料３が収容された被覆管４が複数本配置されて熱源集合体６を構成している。この
Ａｍ燃料３はＡｍ241を含むＡｍ酸化物燃料またはＡｍ241を含むＡｍ金属燃料とすること
ができる。
され、この筐体１内には緩衝材２が配置されている。この緩衝材２内にはアルファ線源の
崩壊熱を発する燃料としてＡｍ241を含むＡｍ燃料３を収容する被覆管４が配置され、こ
の被覆管４は図面における手前・奥側先端も含めてその周囲が断熱材５によって覆われ、
Ａｍ燃料３が収容された被覆管４が複数本配置されて熱源集合体６を構成している。この
Ａｍ燃料３はＡｍ241を含むＡｍ酸化物燃料またはＡｍ241を含むＡｍ金属燃料とすること
ができる。
【0015】
この熱源集合体６には熱電素子７を介して徐熱部８が設置され、熱源集合体６で発生し
断熱材５を介して漏れ出た熱は、熱電素子７を介して徐熱部８から外部に放熱される構成
と成っている。この筐体１から突出している徐熱部８にはヒートパイプから構成されるフ
ィン、または圧延材の金属から構成されるフィンを使用することができる。そして、熱源
集合体６と筐体１に隣接した緩衝材２との間、および徐熱部８の周囲である緩衝材２との
間には断熱材９，１０が配置されている。そして、熱源集合体６と断熱材９との間、各Ａ
ｍ燃料３の間隙には緩衝材２が配置されている。
断熱材５を介して漏れ出た熱は、熱電素子７を介して徐熱部８から外部に放熱される構成
と成っている。この筐体１から突出している徐熱部８にはヒートパイプから構成されるフ
ィン、または圧延材の金属から構成されるフィンを使用することができる。そして、熱源
集合体６と筐体１に隣接した緩衝材２との間、および徐熱部８の周囲である緩衝材２との
間には断熱材９，１０が配置されている。そして、熱源集合体６と断熱材９との間、各Ａ
ｍ燃料３の間隙には緩衝材２が配置されている。
【0016】
上述したように断熱材９，１０及び徐熱部８を含む熱電素子７を緩衝材２の内部にそれ
ぞれ設け、緩衝材２の外部を筐体１にて覆う構成としたので、実施例１によれば、熱源集
合体６から発生する熱は断熱材９によって遮られ、筐体１から外部への放熱が減少し徐熱
部８方向に流れるので、熱源集合体６による熱分布に指向性を持たせるとともに、熱源集
合体６による熱源と熱電素子７の距離を短くすることで熱損失を低減し、熱の利用効率を
向上させることができ、Ｐｕ238より発熱量が少ないＡｍ241を含むＡｍ燃料３であっても
、原子力電池として活用することができる。
ぞれ設け、緩衝材２の外部を筐体１にて覆う構成としたので、実施例１によれば、熱源集
合体６から発生する熱は断熱材９によって遮られ、筐体１から外部への放熱が減少し徐熱
部８方向に流れるので、熱源集合体６による熱分布に指向性を持たせるとともに、熱源集
合体６による熱源と熱電素子７の距離を短くすることで熱損失を低減し、熱の利用効率を
向上させることができ、Ｐｕ238より発熱量が少ないＡｍ241を含むＡｍ燃料３であっても
、原子力電池として活用することができる。
【0017】
（実施例２）
図２は実施例２における原子力電池の概略断面図である。以下、図２を参照して実施例
２に係る原子力電池について説明する。なお、図２において図１と同一部分には同一符号
を付し、その部分の構成の説明は省略する。
図２は実施例２における原子力電池の概略断面図である。以下、図２を参照して実施例
２に係る原子力電池について説明する。なお、図２において図１と同一部分には同一符号
を付し、その部分の構成の説明は省略する。
【0018】
【0019】
本実施の形態によれば、緩衝材１２a,１２b,１２c,１２dと４分割したことによって、
緩衝材１２a,１２b,１２cと緩衝材１２dとの接触熱抵抗と断熱材１１によって熱源集合体
６から発生する熱の筐体１から系外への放熱が抑制されて断熱能力が向上し、熱源集合体
６から発生する熱が熱電素子７から確実に徐熱部８から放熱され、熱源集合体６から発生
する熱が緩衝材１２a,１２b,１２cを介して徐熱部８へ伝達されるのを抑制できるので、
より徐熱部８の徐熱能力が向上し、熱の利用効率を向上させることができる。
緩衝材１２a,１２b,１２cと緩衝材１２dとの接触熱抵抗と断熱材１１によって熱源集合体
６から発生する熱の筐体１から系外への放熱が抑制されて断熱能力が向上し、熱源集合体
６から発生する熱が熱電素子７から確実に徐熱部８から放熱され、熱源集合体６から発生
する熱が緩衝材１２a,１２b,１２cを介して徐熱部８へ伝達されるのを抑制できるので、
より徐熱部８の徐熱能力が向上し、熱の利用効率を向上させることができる。
【0020】
（実施例３）
図３は実施例３における原子力電池の概略断面図である。以下、図３を参照して実施例
３に係る原子力電池について説明する。なお、図３において図１と同一部分には同一符号
を付し、その部分の構成の説明は省略する。
図３は実施例３における原子力電池の概略断面図である。以下、図３を参照して実施例
３に係る原子力電池について説明する。なお、図３において図１と同一部分には同一符号
を付し、その部分の構成の説明は省略する。
【0021】
図３において、本実施例３は、実施例１における熱電素子７及び徐熱部８の近傍の緩衝
材２を取り除き、空隙部１３を形成した構成としている。
材２を取り除き、空隙部１３を形成した構成としている。
【0022】
本実施の形態によれば、徐熱部８と緩衝材２が接する伝熱面積が低減するため、熱源集
合体６から発生する熱が緩衝材２を介して徐熱部８へ伝達される伝熱量が低減し、より徐
熱部８の徐熱能力が向上し、熱の利用効率を向上させることができる。
合体６から発生する熱が緩衝材２を介して徐熱部８へ伝達される伝熱量が低減し、より徐
熱部８の徐熱能力が向上し、熱の利用効率を向上させることができる。
【0023】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
【0024】
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を
逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
【0025】
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲
に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【0026】
１…筐体、２…緩衝材、３…Ａｍ燃料、４…被覆管、５…断熱材、６…熱源集合体、７…
熱電素子、８…徐熱部、９…断熱材、１０…断熱材、１１…断熱材、１２a,１２b,１２c,
１２d…緩衝材、１３…空隙部。
熱電素子、８…徐熱部、９…断熱材、１０…断熱材、１１…断熱材、１２a,１２b,１２c,
１２d…緩衝材、１３…空隙部。
【図1】
【図2】
【図3】