(57)【要約】【課題】  輻射光を発生する輻射光発生装置において、照射対象に照射される輻射光の波長領域の絞り込みに関する新規技術を提供すること。【解決手段】  輻射光発生装置（２）は、加熱されることにより輻射光を発生し、特定の第１波長領域に輻射率のピークを有する第１輻射材（３）と、前記輻射光の照射対象（５）と前記第１輻射材との間に設けられ、前記第１波長領域と重ならない第２波長領域における輻射率が前記第１輻射材の前記第２波長領域における輻射率よりも低い第２輻射材（４）と、を備え、前記第２輻射材の前記第２波長領域における輻射率は、当該第２輻射材の前記第１波長領域における輻射率よりも低い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱されることにより輻射光を発生し、特定の第１波長領域に輻射率のピークを有する第１輻射材（３）と、
前記輻射光の照射対象（５）と前記第１輻射材との間に設けられ、前記第１波長領域と重ならない第２波長領域における輻射率が前記第１輻射材の前記第２波長領域における輻射率よりも低い第２輻射材（４）と、
を備え、前記第２輻射材の前記第２波長領域における輻射率は、当該第２輻射材の前記第１波長領域における輻射率よりも低いことを特徴とする輻射光発生装置（２）。
【請求項２】
前記第１波長領域は、前記輻射光を電力に変換する光電変換素子の受光感度波長領域内に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の輻射光発生装置。
【請求項３】
前記第１輻射材を構成する材料が、サーメットであることを特徴とする請求項２に記載の輻射光発生装置。
【請求項４】
前記第１輻射材を構成する材料が、ＦｅＳｉ2 であることを特徴とする請求項２に記載の輻射光発生装置。
【請求項５】
前記第１輻射材を構成する材料が、希土類元素を含むことを特徴とする請求項２に記載の輻射光発生装置。
【請求項６】
前記第１輻射材を構成する材料が、金属酸化物を含むことを特徴とする請求項２に記載の輻射光発生装置。
【請求項７】
前記第１輻射材を構成する材料が、希土類元素と金属酸化物とを含むことを特徴とする請求項２に記載の輻射光発生装置。
【請求項８】
前記希土類元素として、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｅｒ、ＤｙまたはＴｂを含むことを特徴とする請求項５または７に記載の輻射光発生装置。
【請求項９】
前記金属酸化物として、ＮｉまたはＣｏの酸化物を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の輻射光発生装置。
【請求項１０】
前記第２輻射材を構成する材料が、Ｍｏ、Ｐｄ、ＰｔまたはＷであることを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項に記載の輻射光発生装置。
【請求項１１】
前記第１輻射材の前記照射対象と対向する側の面に前記第２輻射材が積層されたことを特徴とする請求項２〜１０のいずれか１項に記載の輻射光発生装置。
【請求項１２】
前記照射対象は光電変換素子であり、
前記第２輻射材の露出面は、前記光電変換素子の受光面に対向配置されることを特徴とする請求項１１に記載の輻射光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輻射光を発生する輻射光発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、この種の輻射光発生装置として、熱光起電力発電において輻射光を発生する輻射体として使用可能な熱光起電力発電用エミッタ（以下、単にエミッタともいう）が考えられている。このようなエミッタと光電変換素子とを備えた熱光起電力発電システムでは、何らかの手段でエミッタが加熱され、加熱されたエミッタから発生される輻射光は光電変換素子により電気エネルギに変換される（特許文献１参照）。
【０００３】
従来のエミッタが発生する輻射光は幅広い波長分布を有するが、光電変換素子は、半導体バンドギャップに対応する吸収端波長（例えば、Ｓｉでは１．１μｍ）より短波長の光しか、電気エネルギに変換することができない。そのため、エミッタから光電変換素子に向けて照射された輻射光の多くが電気エネルギに変換されず、無駄となっていた。また、電気エネルギに変換されなかった輻射光は、熱となって消費され、光電変換素子の温度を上げてその光電変換性能を低下させる。そこで、特許文献１では、エミッタを構成するセラミックスの配合を調整することにより、光電変換に寄与する輻射光の割合を向上させることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９８６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１に記載のエミッタでは、発生される輻射光を所望の波長領域に十分に絞り込むことができず、光電変換素子にて電気エネルギに変換できない輻射光も多く発生される。具体的には、受光感度波長領域（光電変換効率の高い波長領域）が０．４〜１．７μｍであるＧａＳｂ系光電変換素子で電気に変換できない波長成分が残存する。
【０００６】
また、Ａｌ2Ｏ3，ＭｇＯ等のセラミックスにＮｉやＣｏの酸化物またはイオンを添加することで、発生される輻射光を所望の波長領域に絞り込む研究もなされている。しかしながら、この場合も、ＧａＳｂ系光電変換素子で電気に変換できない波長成分が残存する。
【０００７】
なお、輻射光を発生する装置は、例えば暖房，加熱等、発電以外の用途にも使用される場合があるが、その場合も、照射対象に照射される輻射光を所望の波長領域に絞り込むことが要請される場合がある。
【０００８】
そこで、本発明は、輻射光を発生する輻射光発生装置において、照射対象に照射される輻射光の波長領域の絞り込みに関する新規技術を提供することを目的としてなされた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達するためになされた本発明の輻射光発生装置（２）では  第１輻射材（３）は、加熱されることにより輻射光を発生し、その輻射率は特定の第１波長領域にピークを有する。前記輻射光の照射対象（５）と第１輻射材との間には第２輻射材（４）が設けられる。この第２輻射材は、第１波長領域と重ならない第２波長領域における輻射率が第１輻射材の第２波長領域における輻射率よりも低い。また、この第２輻射材の第２波長領域における輻射率は、当該第２輻射材の前記第１波長領域における輻射率よりも低い。
【００１０】
ここで、一般的に、各輻射材の輻射率は吸収率と等しい。従って、各輻射材の透過率がほぼ０であるとすると、反射率＝１−輻射率と考えることができる。このため、第１輻射材から照射対象に向かう輻射光のうち、第２波長領域に属する波長の輻射光は、その多くが第２輻射材によって反射されて照射対象に届かない。一方、第１輻射材から照射対象に向かう輻射光のうち、第１波長領域に属する波長の輻射光は、その多くが第２輻射材によって一旦吸収された後、再び輻射光として第２輻射材から輻射されて照射対象に届く。このため、本発明では、第２波長領域に属する輻射光は、第１波長領域に属する輻射光に比べて、照射対象に照射されるのが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明が適用された熱光起電力発電システムの構成を表す説明図である。
【図２】そのシステムの光電変換素子の変換効率波長依存性を表すグラフである。
【図３】参考例の輻射材の輻射光スペクトルを表す図である。
【図４】第１輻射材，第２輻射材の輻射率を個々に表す図（Ａ）、及び、両者を積層してなる前記システムの輻射光発生装置の輻射率を表す図（Ｂ）である。
【図５】前記システムの変形例の構成を表す説明図である。
【図６】前記システムの他の変形例の構成を表す説明図である。
【図７】前記システムの更に他の変形例の構成を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［熱光起電力発電システムの構成］
次に、本発明の実施形態を図面に基き説明する。本実施形態の輻射光発生装置２を備えた熱光起電力発電システム１は、図１に示すように、第１輻射材３と第２輻射材４とからなる輻射光発生装置２と、光電変換素子５とを備えている。輻射光発生装置２の第１輻射材３は、燃焼ガスの噴射等により加熱され、輻射光を発生する。第２輻射材４は、第１輻射材３の光電変換素子５側の面に積層されている。光電変換素子５は、輻射光発生装置２の第２輻射材４から発生される輻射光を電力に変換する。第１輻射材３及び第２輻射材４は、いずれも矩形の板状（他の多角形板状や円板状であってもよい）に構成され、板厚方向に積層されることで輻射光発生装置２を構成する。なお、以下の説明において、輻射光発生装置２の表面のうち、光電変換素子５に対向する面（第２輻射材４の露出面）を、輻射面７ともいう。光電変換素子５は、発電用の受光面が輻射面７と平行に対向するように配置される。
【００１３】
ここで、本実施形態では、光電変換素子５としてＧａＳｂ系光電変換素子を用いた。そのＧａＳｂ系光電変換素子の、光電変換効率（外部量子効率）の波長依存性は図２のようになる。図２に示すように、ＧａＳｂ系光電変換素子の受光感度波長領域は０．４〜１．７μｍである。輻射光発生装置２が発生する輻射光のうち、光電変換素子５によって電気エネルギに変換されない輻射光は、熱となって消費され、光電変換素子５の温度を上げてその光電変換性能を低下させる。このため、輻射光発生装置２の輻射光スペクトルも０，４〜１．７μｍの範囲（以下、範囲Ｅともいう：図４参照）に絞り込むことが要請される。
【００１４】
そこで、本実施形態では、輻射光発生装置２を、第１輻射材３と第２輻射材４とを前述のように積層させて構成した。また、本実施形態では、図４に示す範囲Ｅに輻射率のピークを有する材料で、第１輻射材３を構成した。また、本実施形態では、範囲Ｅよりも長波長領域における輻射率が第１輻射材３の当該領域における輻射率よりも低い材料で、第２輻射材４を構成した。以下、その効果について説明する。
【００１５】
［前記システムの輻射光発生装置の効果］
前掲の特許文献１では、Ｅｒ2Ｏ3，Ｙｂ2Ｏ3を含む希土類酸化物、ＮｉＯやＣｏ3Ｏ4を含む遷移金属酸化物を、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯなどのセラミック性輻射材に添加する、或いはこの希土類酸化物のみで輻射材を形成している。図３における実線は、Ａｌ2Ｏ3とＥｒ3Ａｌ5Ｏ12とからなる輻射材の、１９００Ｋでの輻射光スペクトルである。この場合、その輻射光スペクトルは、１．６μｍ前後の波長を中心としたある幅を持ったスペクトルとなり、特に、長波長側に広い裾野を有するスペクトルとなる。したがって、この輻射材を熱光起電力発電システムに使用する場合、当該輻射材の輻射光スペクトルは、長波長側で更に絞り込まれるのが望ましい。
【００１６】
本実施形態では、次のようにして輻射光の波長領域を絞り込むことができる。以下、第１輻射材３を２０ｍｏｌ％Ｐｒ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3からなる板材で構成し、第２輻射材４をＷからなる板材で構成した場合について説明する。第１輻射材３及び第２輻射材４はいずれもφ２０ｍｍの円板状とし、第１輻射材３の厚さは５ｍｍ、第２輻射材４の厚さは５μｍとした。その場合、第１輻射材３（２０ｍｏｌ％Ｐｒ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3）の輻射率は、波長に応じて図４（Ａ）に実線で示すように変化する。また、第２輻射材４（Ｗ）の輻射率は、波長に応じて図４（Ａ）に破線で示すように変化する。
【００１７】
すなわち、第１輻射材３（２０ｍｏｌ％Ｐｒ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3）は範囲Ｅに属する波長領域に輻射率のピークを有しているが、範囲Ｅよりも長波長領域でも高い輻射率を示し、その領域の輻射光が光電変換素子５の温度を上げる可能性がある。これに対し、第２輻射材４（Ｗ）は、範囲Ｅよりも長波長領域における輻射率が第１輻射材３の当該領域における輻射率よりも低い。また、第２輻射材４の前記長波長領域における輻射率は、当該第２輻射材４の範囲Ｅにおける輻射率よりも低い。
【００１８】
このため、前述のように第１輻射材３と第２輻射材４とを積層すると、輻射面７から輻射される輻射光の輻射率は、図４（Ｂ）に示すようになる。すなわち、第１輻射材３で発生された輻射光のうち、範囲Ｅよりも長波長領域に属する波長の輻射光は、その多くが第２輻射材４によって反射されて輻射面７から輻射されない。一方、第１輻射材３で発生された輻射光のうち、範囲Ｅに属する波長の輻射光は、その多くが第２輻射材４によって一旦吸収された後、再び輻射光として輻射面７から輻射される。
【００１９】
この結果、第１輻射材３で発生された輻射光のうち、範囲Ｅに属し、光電変換素子５により効率的に電力に変換される波長の輻射光は、ある程度弱められるが良好に輻射面７から輻射される。一方、範囲Ｅよりも長波長領域に属し、光電変換素子５の温度を上げてその性能を低下させる波長領域（特に波長２μｍ以上の波長領域）の輻射光は、輻射面７から輻射されるのが良好に抑制される。従って、本実施形態では、熱光起電力発電システム１のエネルギ効率を良好に向上させることができる。
【００２０】
なお、図４（Ａ）に示すように第２輻射材４（Ｗ）単体でも輻射光は０．４〜１．７μｍの範囲に絞り込まれているので第２輻射材４（Ｗ）のみでも十分と予想される。しかし、図２に示すＧａＳｂ光電変換素子の外部量子効率が高い１μｍより長波長の波長域では第２輻射材であるＷの輻射率は急減しており、ＧａＳｂの外部量子効率が高い波長域と輻射率が高い領域は一致していない。その結果、第２輻射材であるＷ単独での発電性能は第１輻射材と第２輻射材を組み合わせた場合よりも低下する。したがって、本発明に基づく第２輻射材単独ではなく第１と第２輻射材を組み合わせた方が発電性能は高くなるので望ましい
［本発明の変形例］
なお、前記実施形態において、範囲Ｅが第１波長領域に、範囲Ｅよりも長波長の領域が第２波長領域に、光電変換素子５が照射対象に、それぞれ相当する。また、本発明は前記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、第１輻射材３と第２輻射材４とは必ずしも直接積層固定されなくてもよく、両者の熱膨張率の差を吸収する層が両者の間に設けられてもよい。また、図５に模式的に示す熱光起電力発電システム１１のように、第１輻射材３と第２輻射材４とは隙間を空けて配設されてもよい。
【００２１】
また、第１輻射材３としては、２０ｍｏｌ％Ｐｒ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3以外にも種々の材料を使用することができる。例えば、ＮｉまたはＣｏのイオンまたは酸化物をＡｌ2Ｏ3，ＭｇＯ等のセラミックスに添加した材料、ＦｅＳｉ2 、サーメット等も使用することができる。なお、ＦｅＳｉ2 の熱輻射材料としての特性は特開２０１３−１０４６１７号公報を、サーメットの熱輻射材料としての特性は特開２０１３−２５００４５号公報を、それぞれ参照されたい。
【００２２】
また、第２輻射材４としても、Ｗ以外にも種々の材料を使用することができる。例えば、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ等も使用することができる。また、これらの材料（Ｗも含む）は、融点が８００℃以上であり、熱光起電力発電システム１にはより適切な材料である。
【００２３】
また、第１輻射材３及び第２輻射材４の大きさや形状も、種々に変更することができる。ただし、第２輻射材４の層が厚すぎると、範囲Ｅに属する波長の輻射光が弱められすぎる。逆に、第２輻射材４の層が薄すぎると、範囲Ｅよりも長波長領域の輻射光を十分に抑制することができない。このため、第２輻射材４の厚さは、前記実施形態の場合、１μｍ〜１０μｍとするのが望ましい。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、第１輻射材３または第２輻射材４を構成する材料に応じて適切な厚さは変化する。
【００２４】
また、図６に模式的に示す熱光起電力発電システム２１のように、異なる材料で構成された２つ（３つ以上であってもよい）の第１輻射材３Ａ，３Ｂを順次積層してなる積層体の表面（光電変換素子５側の面）に、第２輻射材４を積層してもよい。２つの第１輻射材３Ａ，３Ｂとしては、例えば、いずれか一方をサーメットで構成してもう一方を希土類元素を含むセラミックスで構成するなど、異種の輻射材が選択されてもよい。なお、前記各実施形態において、希土類元素としては、前述のＰｒの他、Ｓｍ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｔｂ等を使用することもできる。
【００２５】
また、図７に模式的に示す熱光起電力発電システム３１のように、第１輻射材３を円柱状に構成し、第２輻射材４を、第１輻射材３に同軸状に外嵌される円管状に構成し、光電変換素子５を、第２輻射材４に同軸状に外嵌される円管状に構成してもよい。なお、図７に示すように、第１輻射材３，第２輻射材４，光電変換素子５は、軸方向の長さが同じで、軸方向の位置を揃えて配置されている。また、図示省略したが、第１輻射材は、第２輻射材で構成された箱または球体に収納されてもよい。
【００２６】
更に、本発明の輻射光生成装置は、熱光起電力発電システムとしての用途に限らず、特定の波長領域の輻射光を利用した暖房，加熱等の用途にも応用することができる。用途や光電変換素子の変更により、所望の波長領域である第１波長領域や忌避したい波長領域である第２波長領域が変化すれば、第１輻射材，第２輻射材として適切な材料も変化する。
【符号の説明】
【００２７】
１，１１，２１，３１…熱光起電力発電システム            ２…輻射光発生装置
３…第１輻射材              ４…第２輻射材              ５…光電変換素子
【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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【図６】
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【図７】
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