(57)【要約】  従来の発電方法とは異なる新しい概念に基づき、投入エネルギーが少なく、発電効率が良く、クリーンで、枯渇する心配のない、安定した発電を可能とする。  自由電子を保有する電子供給体２０と、電子供給体２０に電気導通状態に設けられる電子放出ポート３０と、電子放出ポート３０に電気絶縁場Ｆを介して対向配置されると共に電界を付加して電子を吸引放出させる電子引出電極４０と、電子引出電極４０によって放出された電子を受け取る電子受容体５０と、電子放出ポート３０からの放出電子が電子引出電極４０に吸収されるのを防止する電子吸収防止手段とを備え、電子引出電極４０に正電圧を加えることで電子放出ポート３０から電子を電界放出させ、この放出電子を、電子受容体５０で受け取らせて集める構成とした。
2007116524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由電子を保有する材料からなる電子供給体と、該電子供給体に対して電気導通状態に設けられた電子放出ポートと、該電子放出ポートに電気絶縁場を介して対向配置されると共に電界を付加して電子を吸引放出させるための電子引出電極と、該電子引出電極によって放出された電子を受け取るための電子受容体と、前記電子放出ポートから放出された電子が前記電子引出電極に吸収されるのを防止するための電子吸収防止手段とを備え、前記電子引出電極に正電圧を加えることで前記電子放出ポートから電子を電界放出させると共に、この電界放出した電子を、前記電子引出電極に吸収させることなく、別に配置した前記電子受容体で受け取らせて集める構成としたことを特徴とする電界放出発電装置。
【請求項２】
請求項１において、電子放出ポートは、電子放出に対するエネルギー障壁の小さい材料及び／若しくは形状で構成されていることを特徴とする電界放出発電装置。
【請求項３】
請求項１において、電子放出ポートは、電子供給体の表面に準１次元物質をその長手方向が電子放出方向となるように立設して構成されていることを特徴とする電界放出発電装置。
【請求項４】
請求項３において、準１次元物質は、カーボン・ナノチューブであることを特徴とする電界放出発電装置。
【請求項５】
請求項１において、電気絶縁場は、絶縁空間若しくは絶縁物質により構成されることを特徴とする電界放出発電装置。
【請求項６】
請求項１において、電子吸収防止手段は、電子引出電極の材料を準２次元物質とし、電子放出ポートから放出された電子が量子トンネル現象によって前記電子引出電極に吸収されることなく貫通されるようにして構成してあることを特徴とする電界放出発電装置。
【請求項７】
請求項１において、電子吸収防止手段は、電子放出ポートから放出されて電子引出電極に向かう電子の軌道を変更する電子軌道変更電極であることを特徴とする電界放出発電装置。
【請求項８】
請求項１において、電子吸収防止手段は、電子受容体を電子引出電極の前に配置することで、電子放出ポートから放出され電子引出電極に向かう電子を電子引出電極の手前で受け取るように構成してあることを特徴とする電界放出発電装置。
【請求項９】
請求項１において、電子受容体に向かう電子を加速する加速電極を設けたことを特徴とする電界放出発電装置。
【請求項１０】
請求項１において、電子受容体に向かう電子の軌道を分散させて電子受容体での受電子位置が集中するのを防止する受電子位置分散手段を設けたことを特徴とする電界放出発電装置。
【請求項１１】
請求項１において、電子受容体は複数個を相互に絶縁状態にして設け、電子放出ポートから放出された電子を前記複数個の電子受容体に振り分ける電子振り分け手段を設けたことを特徴とする電界放出発電装置。
【請求項１２】
請求項１において、電子受容体に到達した電子が２次放出するのを防止するための２次放出防止手段を設けたことを特徴とする電界放出発電装置
【請求項１３】
請求項１において、電子受容体と電子供給体とを電気接続し途中に電気的負荷を配する構成としたことを特徴とする電界放出発電装置。
【請求項１４】
請求項１において、電子引出電極に交流電圧を加えることで、電子放出ポートから放出される電子の量を変化させて、交流発電させる構成としたことを特徴とする電界放出発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電界放出（放射）を利用した発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギーを得る方法としての発電には、古くから行われている水力発電、風力発電の他、太陽光発電、潮力発電等の自然エネルギーを利用する発電が知られている。また化石燃料を用いた火力発電や、原子力を用いた原子力発電が知られている。
前記化石燃料を用いた発電においては、原料となる化石燃料が有限であることから、何れ枯渇し、社会のニーズに応えられなくなるという問題をかかえている。
また前記太陽光や風力等の自然エネルギーを利用した発電においては、利用する自然エネルギーである太陽光や風力の供給は自然条件に依存するので、我々が電力を必要とする際に必ず発電が行われる保障がないという欠点がある。
また原子力発電の場合は、安全性の問題や設備等の問題がある。【０００３】
一方、本発明者は、太陽光を物質に受光させて熱エネルギーに変換し、これによって加熱された物質から熱電子を放出させ、この熱電子放出を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換することによる発電方法を提供した（特許文献１〜４）。
また熱エネルギーを電気エネルギーに変換する装置としては、次の特許文献５も提供されている。
一方、電界を加えて電子を放出させる電界電子放出を用いた装置として、次の特許文献６が提供されている。
【特許文献１】特許第３４４９６２３号公報
【特許文献２】特開２００３−１８９６４６号公報
【特許文献３】特開２００３−２５０２８５号公報
【特許文献４】特開２００４−１４０２８８号公報
【特許文献５】特開２００３−２５８３２６号公報
【特許文献６】特表平１１−５１０３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが上記特許文献１〜４の発明は、何れも熱エネルギーを物体に与え、これによって加熱された物体中から熱電子を放出させ、放出された電子を回収して発電を行う方法を採用したものである。即ち外部から熱エネルギーを与えて、これを電気エネルギーに変換する方式の発電装置であり、大きな電気エネルギーを得るためには、それ相当の大きな熱エネルギーの投入を必要とする。
また上記特許文献５の発明には、電界放出を利用した素子や装置が開示されている。しかし、あくまでも電気エネルギーと熱エネルギーとの変換装置である。また発電に関しては、加熱による熱電子放出を利用した発電にとどまるものである。
また特許文献６の発明には、電界電子放出材料、電界電子放出装置が開示されている。しかし電界電子放出装置において示されたものは、電子の電界放出を放電装置、電子ガン、ディスプレイ等、何れも放出電子そのものを利用した装置であり、発電に利用するといった技術思想が全く存在しないものである。【０００５】
そこで本発明は従来における発電方法とは全く異なる新しい概念に基づき、投入エネルギーが少なく、且つ十分に効率のよい発電を得ることができると共に、クリーンで、枯渇する心配のない、安定した発電が可能な新たな発電装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するため、本発明者は種々の実験と検討を重ねた結果、電界が物質に作用することで物質中の電子が物質の表面から放出される電界放出現象をうまく利用することで、熱電子放出による発電とは異なる、より効率のよい新たな発電が可能であることを知得し、本発明を完成した。
電界が、例えば自由電子が多い物質の狭い領域に集中すると、物質表面から電子が真空中等に放出される。この現象は電界放出として知られている。この場合は外部から熱エネルギーを加えなくとも、電界によって電子が放出される。放出された電子をうまく収集することにより、電子による電気エネルギーを外部に取り出すことができる。
物質に加える電界については、前記電界の集中度を高くすることで、加える正電荷の強さを低く抑えることができる。
また電界を加えられる材料は、自由電子が多く、電子を放出する放出領域のエネルギー障壁を低くすることで、電界放出を行いやすくすることができる。
一方、電界を発生させる電界の発生源については、電界を材料に及ぼすだけで電流が流れない限り、電荷の消耗、即ちエネルギー消費は理論的には生じない。別の言い方をすれば、材料から電界放出された電子が電界発生源に到達して吸収されない限りにおいて、電界発生源でのエネルギー消費は生じない。
以上のようにして本発明では、材料中の自由電子を効率よく電界放出させ、且つこの電界放出させた電子を電界発生源以外の受電子材料に適切に収集して蓄積することで、実用可能な発電を完成させている。このとき電子放出材料に電界を加える電界発生源でのエネルギー消費は最小限に抑えられる。【０００７】
本発明の電界放出発電装置は、自由電子を保有する材料からなる電子供給体と、該電子供給体に対して電気導通状態に設けられた電子放出ポートと、該電子放出ポートに電気絶縁場を介して対向配置されると共に電界を付加して電子を吸引放出させるための電子引出電極と、該電子引出電極によって放出された電子を受け取るための電子受容体と、前記電子放出ポートから放出された電子が前記電子引出電極に吸収されるのを防止するための電子吸収防止手段とを備え、前記電子引出電極に正電圧を加えることで前記電子放出ポートから電子を電界放出させると共に、この電界放出した電子を、前記電子引出電極に吸収させることなく、別に配置した前記電子受容体で受け取らせて集める構成としたことを第１の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第１の特徴に加えて、電子放出ポートは、電子放出に対するエネルギー障壁の小さい材料及び／若しくは形状で構成されていることを第２の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第１の特徴に加えて、電子放出ポートは、電子供給体の表面に準１次元物質をその長手方向が電子放出方向となるように立設して構成されていることを第３の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第３の特徴に加えて、準１次元物質は、カーボン・ナノチューブであることを第４の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第１の特徴に加えて、電気絶縁場は、絶縁空間若しくは絶縁物質により構成されることを第５の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第１の特徴に加えて、電子吸収防止手段は、電子引出電極の材料を準２次元物質とし、電子放出ポートから放出された電子が量子トンネル現象によって前記電子引出電極に吸収されることなく貫通されるようにして構成してあることを第６の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第１の特徴に加えて、電子吸収防止手段は、電子放出ポートから放出されて電子引出電極に向かう電子の軌道を変更する電子軌道変更電極であることを第７の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第１の特徴に加えて、電子吸収防止手段は、電子受容体を電子引出電極の前に配置することで、電子放出ポートから放出され電子引出電極に向かう電子を電子引出電極の手前で受け取るように構成してあることを第８の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第１の特徴に加えて、電子受容体に向かう電子を加速する加速電極を設けたことを第９に特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第１の特徴に加えて、電子受容体に向かう電子の軌道を分散させて電子受容体での受電子位置が集中するのを防止する受電子位置分散手段を設けたことを第１０の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第１の特徴に加えて、電子受容体は複数個を相互に絶縁状態にして設け、電子放出ポートから放出された電子を前記複数個の電子受容体に振り分ける電子振り分け手段を設けたことを第１１の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第１の特徴に加えて、電子受容体に到達した電子が２次放出するのを防止するための２次放出防止手段を設けたことを第１２の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第１の特徴に加えて、電子受容体と電子供給体とを電気接続し途中に電気的負荷を配する構成としたことを第１３の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第１の特徴に加えて、電子引出電極に交流電圧を加えることで、電子放出ポートから放出される電子の量を変化させて、交流発電させる構成としたことを第１４の特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の電界放出発電装置によれば、電子引出電極に正電圧が加えられることで該電子引出電極と電子供給体の電子放出ポートとの間に電界が生じ、電子放出ポートに拘束されている自由電子に加わるクーロン力が増大し、電子の運動エネルギーが上昇する。これによって電子のもつエネルギーが電子放出ポートの表面のエネルギー障壁を超えると、その電子は電子放出ポートから電気絶縁場に放出される。このときの条件としては、電子放出ポートにおけるエネルギー障壁ができるだけ低くなるように、材料やポートの形状を考慮することが重要となる。また電子引出電極による電界で生じるクーロン力を電子放出に必要な強さにまで増大させるために、且つ付加される正電圧を低く抑えるために、前記電子引出電極をできるだけ電子放出ポートに近接させることが重要である。
前記電子引出電極による正電圧付加によって電子放出ポートから電界放出された電子は、電気絶縁場を前記電子引出電極に向けて吸引されて飛翔するが、電子吸収防止手段によって、電子引出電極に到達して吸収されるのが阻止され、代わって電子受容体に受け取られる。これによって電子放出された電子は電子受容体に集められ、電子受容体における電子数が増大する。即ち、発電状態となる。
電子受容体の状態は、電気的に中性乃至マイナス状態にするのが、電子と原子核との結合を防ぎ、効率のよい発電を行うのに好ましい。しかしその一方、電子受容体のマイナス電荷が増大するに従って反発力が増し、電子の受け入れが難しくなる。これを解消するには、電子の飛翔速度を増大させて運動エネルギーを増加させること、或いは電子受容体のマイナス電荷を電子受容体の表面から他の位置に移動させて表面のマイナス電荷を小さく保持することが重要となる。
前記電子引出電極に加えられる正電荷は、電界放出して電子が電子引出電極に到達しない限りにおいて、理論上において消費されることがないので、必要なエネルギー（付加電圧）の消費を十分に抑制することが可能である。
以上より請求項１に記載の発明の電界放出発電によれば、電子の電界放出現象を利用して、電界放出に必要なエネルギーの消費を少なく抑制しながら、電界放出した電子を電子受容体に収集し、効率よく発電を行うことが可能となる。
また請求項１に記載の発明の電界放出発電装置によれば、熱エネルギーを付加し、この熱エネルギーによって熱電子を放出させて発電に供する従来の方式、即ち熱エネルギーを電気エネルギーに変換させる方式の従来の発電に比較して、十分に省エネルギーでの発電が可能である。
しかも請求項１に記載の発明の電界放出発電装置によれば、太陽光などの自然エネルギーを用いた場合の不安定な発電ではなく、運転制御が容易で且つ安定した電力の取得が可能な発電を得ることができる。【０００９】
また請求項２に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、電子放出ポートを電子放出に対するエネルギー障壁の小さい材料及び／若しくは形状とすることで、電界放出を容易にすることができる。
固体中の電子は原子中の電子と同様に束縛されており、通常の状態では固体中から電子が分離されることはない。電界などにより固体中から電子を真空中に放出させるために必要な最少のエネルギーを仕事関数ＥＷ（ｗｏｒｋ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）と呼ぶ。この仕事関数ＥＷが、前記固体が有する電子放出に対するエネルギー障壁である。
エネルギー障壁の小さい材料、即ち仕事関数ＥＷの小さい材料としては、例えば原子の例としてセシウム（ＥＷ＝１．８１ｅｖ）、カルシウム（ＥＷ＝３．２ｅｖ）、トリウム（ＥＷ＝３．４ｅｖ）、モリブデン（ＥＷ＝４．３ｅｖ）、タングステン（ＥＷ＝４．５２ｅｖ）がある。更に、仕事関数ＥＷの小さい化合物の例としては、酸化バリウム（ＥＷ＝１．６ｅｖ）、酸化カルシウム（ＥＷ＝１．６１ｅｖ）、酸化トリウム（ＥＷ＝１．６６ｅｖ）がある。
またエネルギー障壁の小さい形状、即ち仕事関数ＥＷの小さい形状（結晶構造を含む）としては、例えば後述するカーボン・ナノチューブ、カーボン・ウォール、カーボン・ナノホーン、ダイヤモンド、ＢＮナノチューブ（ウィスカ）がある。
なお電子放出ポートの表面層が量子トンネル現象の期待される積層構造になされたものも、エネルギー障壁の小さい物質及び／若しくは形状に含むものとする。【００１０】
また請求項３に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、電子放出ポートは準１次元物質により、その準１次元物質の長手方向が電子放出方向になるように立設して構成される。
準１次元物質とは、電子の放出に関して１次元物質としての作用と実質的に同様の作用をなす物質を意味する。この準１次元物質としては、例えばカーボン・ナノチューブを用いることができるが、十分に細く（ナノオーダ乃至ミクロンオーダ）微細加工された導電物質を用いることが可能である。
準１次元物質の場合には、電子は１次元方向にのみ移動し、その先端から電界放出される。準１次元物質の長手方向を電子放出方向と一致させることで、電子の電界放出が容易となる。また電子の電界放出に対する準１次元物質によるエネルギー障壁が低くなると考えられる。
準１次元物質は多数本を電子放出ポートに立設して構成することができる。多数本を立設構成することで、その各々から電子の電界放出がなされ、全体として多数の電子を効率よく電界放出させることができる。【００１１】
また請求項４に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項３に記載の構成による作用効果に加えて、準１次元物質がカーボン・ナノチューブであることにより、電子の（自由）移動性を十分に良好にすることができる。またカーボン・ナノチューブをその長手方向を電子放出方向に一致するようにして電子放出ポートに立設することで、効率のよい電子放出を可能とすることができる。【００１２】
また請求項５に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、電気絶縁場が絶縁空間若しくは絶縁物質により構成されることにより、絶縁空間の場合には電子は絶縁空間に電界放出され、絶縁空間を飛翔する。この絶縁空間を真空空間或いはそれに準ずる空間とすることで、真空管的な発電装置或いは発電モジュールを構成することが可能となる。
また絶縁物質を電気絶縁場とすることで、固体チップからなる発電モジュールを容易に構成することができる。
前記の発電モジュールを多数個集合させることで、発電出力を増大させることが可能である。【００１３】
また請求項６に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、電子吸収防止手段は、電子引出電極の物質を準２次元物質とし、電子放出ポートから放出された電子が量子トンネル現象によって前記電子引出電極に吸収されることなく貫通されるようにして構成してあるので、電子放出ポートから放出された電子は、電子引出電極に達しても、該電子引出電極において原子核等に拘束される（電子が吸収される）ことなく、背後に貫通して、電子受容体に受け取られることができる。従って電子受容体を電子引出電極の背後に配置することで、何ら特別な電子受け取りの手段を別に施すことなく、電界放出された電子を確実に電子受容体で受け取ることができる。電子受容体には正電圧を加える必要がないので、受け取られた電子が自由電子として利用できなくなるのを抑制することができ、発電効率を上げることができる。
前記準２次元物質とは、電子の貫通に関して２次元物質としての作用と実質的に同様の作用をなす物質を意味し、より具体的には厚みが非常に薄くて電子の量子トンネル現象が期待できる材料を意味する。量子トンネル現象の効果を上げるには、飛翔する電子の速度（運動エネルギー）を増大すること、及び準２次元物質の厚みを薄くして電子を拘束する確率を低下することが重要となる。【００１４】
また請求項７に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、電子吸収防止手段は、電子放出ポートから放出されて電子引出電極に向かう電子の軌道を変更する電子軌道変更電極であるので、電子放出ポートから放出された電子は、電子引出電極に達することなく、その途中で飛翔軌道を変更され、電子受容体に受け取られることができる。この装置の場合は電子軌道変更電極が別に必要となるが、電子引出電極を準２次元物質で構成する等の特別な材料にする必要がなくなるメリットがある。また電子軌道変更電極についても、正電圧や負電圧を保持できるものであれば、特別な材料で構成する必要がないというメリットがある。【００１５】
また請求項８に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、電子吸収防止手段は、電子受容体を電子引出電極の前に配置することで、電子放出ポートから放出され電子引出電極に向かう電子を電子引出電極の手前で受け取るように構成してあるので、電子放出ポートから放出された電子は、電子引出電極に達することなく、その手前で電子受容体に受け取られることができる。この装置の場合は電子受容体を配置するスペースを確保する必要があるが、そのようなスペースが確保できれば、他に何ら特別な電子受け取りの手段を施すことなく、電界放出された電子を確実に電子受容体で受け取ることができる。電子受容体には正電圧を加える必要がないので、受け取られた電子が原子核等に吸収されて自由電子として利用できなくなる割合を少なく抑制することができ、発電効率を上げることができる。【００１６】
また請求項９に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、電子受容体に向かう電子を加速する加速電極を設けたので、電子受容体に向かう電子速度の増大による運動エネルギーの増大を図ることができ、電子受容体が負電圧状態に帯電している場合においても、該負電圧によって発生するクーロンの法則の反発作用に電子が打ち勝って、電子が電子受容体に到達する確率を上げることができる。即ち、発電効率を向上させることができる。【００１７】
また請求項１０に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、電子受容体に向かう電子の軌道を分散させて電子受容体での受電子位置が集中するのを防止する受電子位置分散手段を設けたので、該受電子位置分散手段により、電子が電子受容体の一部に集中的して衝突することによって電子受容体の破損を招くような不都合を防止し、装置の耐久性を増すことができる。【００１８】
また請求項１１に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、電子受容体は複数個を相互に絶縁状態にして設け、電子放出ポートから放出された電子を前記複数個の電子受容体に振り分ける電子振り分け手段を設けたので、該電子振り分け手段により、電子放出ポートから放出された電子が複数の電子受容体に振り分けられて受け取られるので、電子受容体に蓄積する電子による飛翔電子への反発作用を少なくすることができ、個々の電子受容体での電子受け取りをより容易に効率よく行うことができる。
１つの電子受容体のみで全ての放出電子を受け取る場合には、多数の電子を急激に受け取ることで電子受容体の負電荷の蓄積が急増しやすく、よって飛来電子を反発する等、電子の受け取り率が悪くなる事態が生じ得る。一方、複数の電子受容体を用いて電子を振り分けて受け取る場合には、個々の電子受容体においては、電子の増加が急激には行われないことから、受け取った電子を他の場所に移行させ或いは使用に供することで、負電荷の増加を適当に防止することが可能となる。従って引き続き飛来する電子を、負電荷によって反発させることなく、電子受容体で効率よく受け取ることができる。【００１９】
また請求項１２に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、電子受容体に到達した電子が２次放出するのを防止するための２次放出防止手段を設けたので、電界放出された電子受容体に飛来した電子を確実に拘束して受け取ることができる。よって発電効率を上げることができる。【００２０】
また請求項１３に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、電子受容体と電子供給体とを電気接続し途中に負荷を配する構成としたので、電子受容体で受け取った電子を電気的負荷に供給して仕事を行わせることができる。電気的負荷を経た電子は電子供給体に戻る。即ち、電子の循環を行うことができる。【００２１】
また請求項１４に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、電子引出電極に交流電圧を加えることで、電子放出ポートから放出される電子の量を変化させて、交流発電させる構成としたので、電子引出電極に加える交流電圧の周期と振幅を調整することで、所望の交流を発電することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明は第１の実施形態に係る電界放出発電装置を示す概略断面構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に加速電極を付加した例を示す概略断面構成図である。
【図３】電子引出電極をカーボン・ナノチューブの組み合わせで構成した場合に、電子引出電極を電子が貫通する状態を説明する図である。
【図４】電子放出ポート及び電子引出電極の具体的構成の１例を示す図である。
【図５】電子引出電極をカーボン・ナノチューブの架橋現象を用いて構成する途中の状態を説明する図である。
【図６】電子引出電極をカーボン・ナノチューブの架橋によって構成した具体的１例を示す図である。
【図７】電子受容体の具体的構成の１例を説明する図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に受電子位置分散手段を付加した例を説明する図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に電子振り分け手段を付加した例を説明する図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に、電子振り分け手段を付加した場合に対応して構成される電力取出回路の具体的構成の１例を説明する図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に２次放出防止手段を付加した１例を説明する図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に２次放出防止手段を付加した他の１例を説明する図である。
【図１３】図１３は第１の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に２次放出防止手段を付加した更に他の１例を説明する図である。
【図１４】図１２に示す２次放出防止手段を適用した本発明の第２の実施形態に係る電界放出発電装置の１例を示す概略断面構成図である。
【図１５】図１３に示す２次放出防止手段を適用した本発明の第２の実施形態に係る電界放出発電装置の他の例を示す概略断面構成図である。
【図１６】交流電源を用いて電界放出される電子の方向を交互に反対方向に変更することできるようにした本発明の第２実施形態に係る電界放出発電装置の更に他の例を示す概略奪面構成図である。
【図１７】図１６に示す装置において、交流電源が正の半サイクルにある状態での電界放出電子の動きを説明する図である。
【図１８】図１６に示す装置において、交流電源が負の半サイクルにある状態での電界放出電子の動きを説明する図である。
【図１９】本発明の第３の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する概略構成図である。
【図２０】本発明の第３の実施形態に係る電界放出発電装置の具体的な１例を説明する断面構成図である。
【図２１】図２０の一部拡大図である。
【図２２】本発明の第４の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する概略構成図である。
【図２３】電子を電界放出する電圧の閾値を説明する図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０    真空容器
２０    電子供給体
３０    電子放出ポート
３１    準１次元物質
４０    電子引出電極
４１    電子引出電源
４２    準１次元物質
５０    電子受容体
６０    電子取出回路
６１    電気的負荷
７０    絶縁隔離部材
８０    加速電極
９０    受電子位置分散手段
１００  電子振り分け手段
１１０  ２次放出防止手段
１３０  電子収集ポート
１４０  電子収集電極
１５１、１５２    第１の電子軌道変更電極
１５４、１５５    第２の電子軌道変更電極
１５７  電子軌道変更電極
１６０  フレーム
Ｆ    電気絶縁場
ｅ    電子
ｎ    原子核
ｓ    引き込み空間
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する。
第１の実施形態では、電界放出された電子ｅは電子引出電極４０をトンネル現象により貫通し、電子受容体５０に達する。【００２５】
図１は電界放出発電装置の概略断面構成図である。
真空容器１０内に電子供給体２０、電子放出ポート３０、電子引出電極４０、電子受容体５０が設けられている。
また真空容器１０外に電子引出電源４１、電力取出回路６０が設けられている。【００２６】
前記真空容器１０はその内部を真空乃至十分に減圧された状態にする容器で、材料の種類は特に限定されるものではない。
前記電子供給体２０は、電子を供給する源となる物質で構成され、金属材料、その他の自由電子を豊富に保有する材料で構成される。
前記電子放出ポート３０は、電子をそこから電界放出する機能を果たすもので、前記電子供給体２０と電気的に導通状態に設けられる。
電子放出ポート３０は、電子の電界放出に対するエネルギー障壁の小さい材料で構成することが好ましい。またエネルギー障壁の小さい形状で構成することが好ましい。
前記電子引出電極４０は、前記電子放出ポート３０に対して電界を付加し、電子放出ポート３０から電子ｅを電界放出させるための電極である。この電子引出電極４０は絶縁隔離部材７０により、電気絶縁場Ｆを介して、電子放出ポート３０と対向配置されている。
前記絶縁隔部材７０は、絶縁物質で構成することができる。
本実施形態の場合、電界放出された電子ｅが電子引出電極４０に到達して吸収されるのを防止するための電子吸収防止手段として、電子引出電極４０を準２次元物質で構成している。
前記電子受容体５０は、電界放出された電子を受け取るためのもので、前記電子引出電極４０の後方に電気絶縁場Ｆを介して配置されている。この電子受容体５０は金属材料等の自由電子の保有能力が大きい材料で構成することができる。
前記電子引出電源４１は、前記電子引出電極４０に正電圧を加える機能を果たすもので、本実施形態では前記電子供給体２０に負電極、前記電子引出電極４０に正電極が加わるように接続している。
前記電力取出回路６０は、前記電子受容体５０に集められた電子ｅを外部に取り出すための回路である。前記電子受容体５０と前記電子供給体２０との間で電気接続されており、その途中に電気的負荷６１が配された構成になされている。
前記電気絶縁場Ｆは、本実施形態では真空若しくは十分な減圧された空間からなる絶縁空間で構成している。【００２７】
上記第１の実施形態に係る電界放出発電装置では、真空容器１０中に配置した電子供給体２０の中に存在する電子ｅが、電子引出電極４０による正の電圧を付加されることによって、電子放出ポート３０から電気絶縁場Ｆに電界放出される。
電気絶縁場Ｆに電界放出された電子ｅは、厚さが非常に薄い準２次元物質からなる電子引出電極４０を、量子トンネル現象によって貫通する。即ち、電界放出された電子ｅは電子引出電極４０によって吸収されるのが防止される。
電子引出電極４０を貫通した電子ｅは、電子受容体５０に達して衝突、吸収される。
電子ｅが吸収された電子受容体５０と前記電子供給体２０との間には、電力取出回路６０が接続されており、電子ｅを吸収した電子受容体５０から電子供給体２０に電子ｅがフィードバックされる。その際、電子ｅが電気的負荷６１の中を移動することにより、電流ｉが流れる。即ち、発電された電気が電気エネルギーとして電気的負荷６１に供給され、エネルギーが利用され、仕事を行う。【００２８】
図２は図１に示す構成に加速電極８０を付加構成した電界放出発電装置を示す。
加速電極８０は、電子受容体５０に向かう電界放出電子を加速させるための電極である。加速電極８０は、絶縁隔離部材７１により、前記電子引出電極４０の後方に電気絶縁場Ｆを介して設けられる。
加速電極８０に対しては正電圧を加える加速電源８１が設けられる。この加速電源８１は、この例では前記電子引出電源４１と直列に結合されており、加速電極８０に対して電子引出電極４０よりも高い正電圧が加わるようにしている。
加速電源８１は、準２次元物質で構成している。
図２の他の構成、機能は図１に示す構成、機能と同じであるので、同じ構成、機能を有する部材、要素には同じ符号を付して、説明を省略する。
この第２の実施形態の装置では、電子供給体２０の電子放出ポート３０から電界放出され且つ準２次元物質からなる電子引出電極４０を貫通した電子ｅは、正電圧が加えられた加速電極８０の持つ電荷のクーロン力によって更に加速される。そして準２次元物質である電子引出電極４０を量子トンネル現象によって貫通し、より高い運動エネルギーをもって電子受容体５０に到達することができる。この場合、電子ｅのもつ運動エネルギーが高いと、電子受容体５０に蓄積された負電荷によるクーロンの法則に従う反発力に打ち勝って電子受容体５０に到達できる可能性が高まり、電子受容体５０での電子ｅの収集効率がよくなる。即ち、発電効率がよくなる。【００２９】
図３は電子引出電極４０に用いられる準２次元物質を、準１次元物質であるカーボン・ナノチューブを略平行に並べて構成した場合において、電界放出された電子ｅが電子引出電極４０に接近する場合を示す。
カーボン・ナノチューブは炭素の６員環などが結合して構成される。電子ｅが準２次元物質からなる電子引出電極４０に電子軌道ｏｒｂに沿って接近する場合、電子ｅは運動エネルギーをもっているので、非常に薄い物質中をトンネル現象により突き抜ける。即ち、準２次元物質の中の原子核ｎに電子ｅが接近しても、飛翔電子ｅは速度を持っているので、原子核ｎに捕獲される確率は低く、大部分の電子は突き抜ける可能性が高いので、トンネル現象により電子ｅが準２次元物質に殆ど吸収されずに飛翔を続行する確率が高い。【００３０】
図４は電子放出ポート３０及び電子引出電極４０の構成例を示す図である。
この例では、電子放出ポート３０を準１次元物質３１により構成し、電子供給体２０の表面に対して準１次元物質３１の長手方向が垂直になるようにして（電子放出方向となるようにして）立設する。準１次元物質３１は複数を立設することができる。複数とすることで、多数の電界放出電子ｅの放出を速やかに行うことができる。
またこの例では、複数個の準１次元物質４２を略平行に間隔をもって配し、端部を基板４３で一体化することで準２次元物質を構成し、電子引出電極４０としている。基板４３と電子供給体２０との間に電子引出電源４１が接続され、電子引出電極４０に正電圧が加えられる。
準１次元物質３１よりなる電子放出ポート３０から電気絶縁場Ｆに電界放出された電子ｅは、電子引出電極４０に向かって飛翔するが、電子引出電極４０の準１次元物質４２の隙間をトンネル現象によりすり抜ける。これによって電界放出電子ｅが電子引出電極４０に吸収されるのを殆ど防止することができる。
なお前記準１次元物質４２を略平行に配する代わりに、準１次元物資を網目状に配して、準２次元物質を構成するようにしてもよい。
準１次元物質３１、４２としてはカーボン・ナノチューブを用いることができる。【００３１】
図５、図６を参照して、電子引出電極４０をカーボン・ナノチューブの架橋によって構成する例を説明する。
電子供給体２０と絶縁隔離部材７０を介して配置される電子引出電極４０として、その基体４４を１対、相互に対向させて配置する。この基体４４は、具体的には鉄、コバルト、ニッケル等の触媒物質とし、絶縁隔離部材７０の上面に積層することで電子供給体２０とは電気的に非導通状態とする。
雰囲気を６５０℃付近に設定すると共に、気体としてメタン、アセチレン等の炭素系ガスを適切に供給し、条件を適切に維持することで、前記基体４４上にカーボン・ナノチューブ、若しくはこれに類する準１次元物質を成長させ、基体４４、４４間に架橋体４５を生成させる。個々のカーボン・ナノチューブは準１次元物質であるが、多数のカーボン・ナノチューブが１対の基体４４間に架橋体４５を構成することで、準２次元物質からなる電子引出電極４０を構成する。
電子供給体２０と前記基体４４との間に電子引出電源４１が接続され、電子引出電源４１により基体４４に正電圧が加えられることで、架橋体４５内の正電荷により電子放出ポート３０（複数の準１次物質を立設構成）内の電子ｅがクーロン力により引き寄せられ、電界放出される。
電界放出された電子ｅは電子引出電極４に向けて飛翔するが、準２次元物質の架橋体４５をトンネル現象によりすり抜け、電子受容体５０に向かう。【００３２】
図７を参照して、電子受容体５０の具体的構成の１例を説明する。
この例では、電子受容体５０は、正電荷部材５１と絶縁部材５２と導電部材５３と受電部材５４とからなる。
図示しない電源により正電荷を加えられる正電荷部材５１の前面に絶縁部材５２の層を介して導電部材５３の層が積層され、この導電部材５３に受電部材５４が多数整列した状態に配設されている。前記導電部材５３は導電性透明膜（ＩＴＯ）とすることができる。
電子供給体２０の電子放出ポート３０から電界放出され、準２次元物質からなる電子引出電極４０をトンネル現象によって貫通した電子ｅは、電子受容体５０の正電荷部材５１により引かれ、受電部材５４に接近し、それに吸収される。吸収されなかった電子ｅは導電部材５３に吸収される。このとき、正電荷部材５１と導電部材５３との間は絶縁部材５２により電子の移動が阻止されている。よって最終的には、受電部材５４に移動する。その結果として、受電部材５４には電子ｅが負電荷として蓄積される。この蓄積された電子ｅは、電力取出回路６０（図１、図２参照）の電気的負荷６１を通過させることにより電気エネルギーとして利用可能となる。【００３３】
図８を参照して、第１の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に受電子位置分散手段９０を付加した例を説明する。
受電位置分散手段９０は、電界放出された電子ｅを収集する電子受容体５０に対して、電子受容体５０に向かう電子ｅの軌道ｏｒｂを分散させることで、電子受容体５０での受電子位置が集中するのを防止するためのものである。
受電子位置分散手段９０は、電子受容体５０の手前に配置され、電子受容体５０に向かう電子ｅの軌道を周期的に或いはランダムに変更する。
図８では、電子受容体５０を、図１や図２に示す状態から９０度回転させて示している。しかしながら、これは説明がしやすいように回転して示しているだけである。
受電子位置分散手段９０は、水平方向の２枚の偏向板９２、９２と垂直方向の２枚の偏向板９４、９４と水平方向の走査電子回路９１と垂直方向の走査電子回路９３によって構成され、水平方向の２枚の偏向板９２、９２は水平方向の走査電子回路９１によって水平方向にスキャンする電気信号が加えられ、垂直方向の２枚の偏向板９４、９４は垂直方向の走査電子回路９３によって垂直方向にスキャンする電気信号が加えられる。水平方向の走査信号により発生する水平方向の電界の変化によって、電子ｅの軌道ｏｒｂは水平方向に曲げられる。また垂直方向の走査信号により発生する垂直方向の電界の変化によって、電子ｅの軌道ｏｒｂは垂直方向に曲げられる。水平方向走査と垂直方向走査の組み合わせによって、電子ｅの軌道ｏｒｂは周期的に或いはランダムに変更され、結果として電子ｅは電子受容体５０の広い範囲に分散して受電される。これによって、電子ｅが電子受容体５０の狭い範囲に集中して受電されることによって生じる電子受容体５０の破損、破壊が防止され、耐久性を増すことができる。【００３４】
図９を参照して、第１の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に電子振り分け手段１００を付加した例を説明する。
真空中を飛翔する電子ｅの電荷が−ｑクーロンであり、その速度がｖであり、電子ｅが電子受容体５０に接近する場合を考察する。電子受容体５０に蓄えられた電荷が−Ｑクーロンであれば、両者の電荷の積ｑ×Ｑに比例するクーロンの反発力が働く。電子ｅの速度ｖが大きい場合には、電子ｅはクーロンの反発力に打ち勝って電子受容体５０に衝突することは可能である。しかし速度ｖが小さい場合には、クーロン力の反発力の作用により電子ｅは電子受容体５０に到達することが不可能となる。従って電子受容体５０に蓄積される負電荷の量が限定され、クーロンの反発力により衝突しなかった電子は加えた電源の正極に吸収される等、電気エネルギーの発生効率が低下する。従って真空中を飛翔する電子ｅの全てを電子受容体５０に吸収させることが重要となる。
電子振り分け手段１００は、電子受容体５０の手前に配置し、電子引出電極４０を貫通して電子受容体５０に向かう電子ｅを振り分けるものである。即ち、電子引出電極４０と電子受容体５０との間の電気絶縁場Ｆ（図１、図２を参照）に、１対の振り分け電極１０１、１０２を対向させて配し、その電極１０１、１０２間を電子ｅが通過するように構成する。前記１対の振り分け電極１０１、１０２に対しては交流電源１０３を接続し、片方の振り分け電極１０１（１０２）に正電圧が加わる場合には、他方の振り分け電極１０２（１０１）には負電圧が加わるようにする。
前記電子振り分け手段１００を設ける場合には、前記電子受容体５０の構成として、振り分けられた電子を受け取る複数個の電子受容体５０を設ける。即ち図９において、電子受容体５０は、絶縁部材５５により相互に絶縁した状態にして、第１電子受容体５６と第２電子受容体５７とを配置する。【００３５】
以上のような構成において、前記交流電源１０３をオンすると、１対の振り分け電極１０１、１０２には一定の周期で正電位と負電位とが加えられる。
今、図面上、左の振り分け電極１０１に正電位、右の振り分け電極１０２に負電位が加えられている期間には、飛翔電子ｅは正電位の方向（左方向）に軌道を曲げられ、左の第１電子受容体５６に衝突、吸収される。また右の振り分け電極１０２に正電位、左の振り分け電極１０１に負電位が加えられている期間には、飛翔電子ｅは右方向に軌道を曲げられ、右の第２電子受容体５７に衝突、吸収される。このようにして、一定の周期で左右の第１電子受容体５６と第２電子受容体５７とに電子が振り分けられて収集される。
電子ｅの収集が１対の電子受容体５６、５７により交互に行われることで、第１電子受容体５６と第２電子受容体５７のそれぞれでは、電子ｅの受容が行われていない期間においては、溜まっている電子ｅを外部に流出させて電力に供すると共に、電子受容体５６、５７内の電子ｅ量を減じて次の周期での電子受け取りの準備とすることができる。【００３６】
図１０を参照して、振り分け手段１００により前記第１電子受容体５６及び第２電子受容体５７に振り分けられて蓄積された電子ｅを取り出し、電力供給に供する電力取出回路６０の具体例の１つを説明する。
電力取出回路６０には、変圧器６２を設け、その１次巻線６３の一端６３ａを第１電子受容体５６に接続し、１次巻線６３の他端６３ｂを第２電子受容体５７に接続する。また１次巻線６３の中央部に中間端子６３ｃを設け、この中間端子６３ｃを電子供給体２０に接続するように構成する。変圧器６２の２次巻線６４の両端６４ａ、６４ｂ間に電圧が出力される。よってこの両端６４ａ、６４ｂ間に電気的負荷６５を接続することで、電気的負荷に対して電力を供給して仕事をさせることができる。【００３７】
前記電子振り分け手段１００により左の振り分け電極１０１に正電位が加えられている期間は、電子は第１電子受容体５６に受け入れられて蓄積される。第１電子受容体５６に蓄積された電子ｅは、電力取出回路６０の１次巻線６３へその一端６３ａから流れてゆき、中間端子６３ｃを通って電子供給体２０へ移動する（循環する）。この際、変圧器６２の２次巻線６４には磁束が発生し、電圧が発生する。通常は２次巻線６４側に電気的負荷６５が接続されるので、電気的負荷６５に電流が流れることによって逆起電力が発生し、この逆起電力によって、第１電子受容体５６から１次巻線６３を通って電子供給体２０に移動する電子の量が制限される。このため第１電子受容体５６に蓄積された電子ｅが十分に放電されるまでには時間を必要とする。
一方、所定のサイクルで前記交流電源１０３の電圧が変化することで、前記電子振り分け手段１００の左の振り分け電極１０１が負電位となり、右の振り分け電極１０２が正電位となると、飛翔電子ｅは第２電子受容体５７に受け入れられて蓄積される。第２電子受容体５７に蓄積された電子ｅは、電力取出回路６０の１次巻線６３へその他端６３ｂから流れてゆき、中間端子６３ｃを通って電子供給体２０へ移動する（循環する）。この際、変圧器６２の２次巻線６４には、前回とは逆の磁束が発生し、正負が逆の電圧が発生する。即ち、電気的負荷６５に流れる電流が前回とは逆方向となる。２次巻線６４の電気的負荷６５に電流が流れることによって逆起電力が発生し、この逆起電力によって、第２電子受容体５７から１次巻線６３を通って電子供給体２０に移動する電子の量が制限される。このため第２電子受容体５７に蓄積された電子ｅが十分に放電されるまでには時間を必要とする。
他方、この期間では、前記第１電子受容体５６に到達する電子ｅは存在しないので、第１電子受容体５６に蓄えられた電子ｅの殆ど全ては変圧器６２の１次巻線６３を経由して電子供給体２０に帰還する。即ち、この期間に第１電子受容体５６に蓄えられた電子ｅは殆ど放電される。よって第１電子受容体５６は、この期間に次の周期における電子ｅの受け入れ態勢が整う。
第２電子受容体５７の場合も同様な経過を経て、電子の受け入れと放電による受け入れ態勢の整えが行われる。
なお前記電力取出回路６０の２次巻線６４側では交流電圧が発電される。【００３８】
以上のように、電子振り分け手段１００により、電界放出電子ｅを、２つの電子受容体、即ち第１電子受容体５６と第２電子受容体５７とに交互に振り分けて受容させることで、電子受容体に大量の電子ｅが蓄積されることが防止でき、よって更なる電子ｅの受容が妨げられるといった不都合を回避することができ、良好に効率よく電界放出電子ｅを受け入れて、且つ電子供給体２０に帰還させることが可能となる。
従って本発明の発電装置における最大の問題点である電荷の蓄積現象による電気エネルギー発生の効率の低下を阻止することが可能となり、高効率の発電装置を提供することができる。【００３９】
図１１を参照して、第１の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に、電子受容体に到達した電子が２次放出されるのを防止するための２次放出防止手段１１０を付加した１例を説明する。
この例では、電子受容体５０の前面５０ａ、即ち飛翔してくる電子ｅを受け取る面５０ａの周囲を囲むようにして絶縁部材からなる絶縁周壁１１１を設け、絶縁周壁１１１の開口部にゲート部材１１２を配置する。ゲート部材１１２の中央付近には電子受入口１１３を設けている。また電子受容体５０の前面５０ａは中央部が高く周縁が低くなるような傾斜面にする。
そして電源１１４を設けて、絶縁周壁１１１で隔離された前記ゲート部材１１２に負電圧、前記電子受容体５０に正電圧がそれぞれ加わるようにする。
ゲート部材１１２の電子受入口１１３を通過した電子ｅは、電子受容体５０の表面５０ａに衝突する。衝突した電子ｅ或いは２次的に飛び出した電子ｅは曲がった電子軌道ｏｒｂに進み、最終的には電子受容体５０に吸収される。ゲート部材１１２と電子受容体５０との間に発生する電界は、飛翔電子ｅを電子受容体５０に接近させる力となって働くので、ゲート部材１１２の電子受入口１１３を通過した電子ｅの全てが電子受容体５０に吸収される。
電子受容体５０に吸収された電子ｅは、電力取出回路６０を経て電子供給体２０に帰還すると共に、途中の電気的負荷６１で利用される。
なお前記電子受容体５０に加わる正電圧は低く或いはゼロに近い方が、収集した電子の利用効率がよくなる。【００４０】
図１２を参照して、第１の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に、電子受容体５０に到達した電子が２次放出されるのを防止するための２次放出防止手段１１０を付加した他の１例を説明する。
この例では、電子受容体５０の前面に準２次元絶縁物質１１５を介して準２次元導電物質１１６を積層している。そして、電源１１７ａを設けて、準２次元絶縁物質１１５で隔離された前記準２次元導電物質１１６に負電圧、前記電子受容体５０に正電圧がそれぞれ加わるように構成している。
電子受容体５０に向かう飛翔電子ｅは、準２次元導電物質１１６に衝突すると、準２次元導電物質１１６中をトンネル現象により通り抜け、更に準２次元絶縁物質１１５もトンネル現象により通り抜けて、電子受容体５０に衝突し、吸収される。
電子受容体５０に衝突した電子ｅは速度が低下し、また準２次元導電物質１１６に蓄えられた負電荷によるクーロン力を受けるので、電子受容体５０から再び準２次元絶縁物質１１５や準２次元導電物質１１６を通過して外部に飛び出ることが防止される。即ち、電子受容体５０に到達した電子ｅが２次放出されるのが防止される。【００４１】
図１３を参照して、第１の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に、電子受容体５０に到達した電子が２次放出されるのを防止するための２次放出防止手段１１０を付加した更に他の１例を説明する。
この例では、電子受容体５０の背面に絶縁部材１１８を介して導電物質１１９を配置し、この導電物質１１９に電源１１７ｂからの正電圧が加わるように構成している。
導電物質１１９に蓄えられた正電荷によって、電子受容体５０の前記導電物質１１９側の表面（背面）に負電荷が誘導され、電子受容体５０の前面（電子ｅを受け取る面）に正電荷が誘導される。
前記電子受容体５０の前面に誘導された正電荷によって、飛翔電子ｅが引き寄せられ、電子受容体５０の前面に確実に到達する。電子受容体５０に到達して収集された電子ｅは、電力取出回路６０を経て、電気エネルギーとして利用することができる。【００４２】
図１４を参照して、図１２に示す２次放出防止手段を適用した本発明の第２の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する。
この第２の実施形態に係る電界放出発電装置では、電界放出された電子ｅが電子引出電極４０に吸収されるのを防止する電子吸収防止手段として、電子引出電極４０を準２次元物質とし、これによって電子が電子引出電極４０をトンネル現象により通過するようにした点において、上記第１の実施形態と共通する。
その一方、第１の実施形態では、電子供給体２０と電子引出電極４０との間の電気絶縁場Ｆを絶縁空間としたのに対し、この第２の実施形態では電子供給体２０と電子引出電極４０との間の電気絶縁場Ｆを、絶縁物質の層で構成した点において異なる。実際には電気絶縁場Ｆを準２次元絶縁物質層で構成し、電子供給体２０から電界放出された電子ｅがトンネル現象により準２次元の絶縁物質からなる電気絶縁場Ｆを貫通するようにしている。
電気絶縁場Ｆを空間ではなく絶縁物質で構成することで、固体チップからなる発電装置やそのモジュールを容易に構成することが可能になる。発電モジュールを多数個集合させることで、発電出力を増大させることが可能となる。【００４３】
電子供給体２０の前記電気絶縁場Ｆに面する表面には、図示していないが、準１次元物質からなる電子放出ポート３０を構成し、電子ｅが電界放出しやすいようにしている。この場合、電子供給体２０の上面の中央領域に準１次元物質が物理的或いは化学的に立設されて電子放出ポート３０が構成され、電子供給体２０の上面の周辺では電気絶縁場Ｆが電子供給体２０上に直接的に積層されて一体化された構成とすることができる。
前記電子引出電極４０と電子供給体２０との間には電子引出電源４１による電圧が付加される。
電子引出電極４０の背後は、２酸化シリコン等の絶縁隔離部材７２の積層により電気絶縁場Ｆが真空空間（減圧空間）として構成され、この電気絶縁場Ｆ及び絶縁隔離部材７２を介して、２次放出防止手段１１０（１１５、１１６、１１７ａ、）が設けられ、更にその背後に電子受容体５０が配置されている。
前記２次放出防止手段１１０は、既に図１２で説明したように、準２次元絶縁物質１１５が電子受容体５０に積層され、更にその上に準２次元導電物質１１６が積層される形で構成されている。そして電源１１７ａにより準２次元導電物質１１６が負電圧、電子受容体５０が正電圧になるようになされている。
前記絶縁隔離部材７２と電子引出電極４０と準２次元導電物質１１６で囲まれた真空の電気絶縁場Ｆは、外部から完全に隔離された空間とされている。即ちこの図１４に示す装置は、周囲を真空容器１０で囲む必要のない固体装置として構成することができる。【００４４】
電子引出電極４１によって形成される電界によって、電子ｅが電子供給体２０から電子放出ポート３０を経て電界放出される。電界放出された電子ｅは準２次元物質からなる電気絶縁場Ｆをトンネル現象で通過し、準２次元物質からなる電子引出電極４０もトンネル現象で通過し、絶縁隔離部材７２で囲まれた真空の電気絶縁場Ｆに入る。更に電気絶縁場Ｆを飛翔して準２次元導電物質１１６に到達するが、準２次元導電物質１１６は厚さが極めて薄いので、これをトンネル現象で通過する。更に準２次元絶縁部室１１５もトンネル現象で通過して、電子受容体５０に到達し、吸収される。電子受容体５０に一旦到達した電子ｅは準２次元導電物質１１５の負電位によって、再び２次放出されるのが防止される。
電子受容体５０に吸収された電子ｅには依然として電荷が存在するので、電子ｅを電気取出回路６０を用いて外部に取り出し、電気的負荷６１を介して電気エネルギーとして利用することが可能となる。【００４５】
図１５を参照して、図１３に示す２次放出防止手段を適用した本発明の第２の実施形態に係る電界放出発電装置の他の例を説明する。
この図１５に示す装置は、図１４に示す２次放出手段１１０（１１５、１１６、１１７ａ）を図１３に示すものに代えている。
本装置では、図１４に示す装置の場合と同様に、電子供給体２０と電子引出電極４０との間の電気絶縁場Ｆを、絶縁物質の層で構成している。即ち電子供給体２０、電子放出ポート３０（図示せず）、準２次元絶縁物質の層で構成した電気絶縁場Ｆ、電子引出電極４０、電子引出電源４１を設ける構成は、図１４に示す構成と同じである。【００４６】
電子引出電極４０の背後は、２酸化シリコン等の絶縁隔離部材７３の積層により電気絶縁場Ｆが真空空間（減圧空間）として構成され、この電気絶縁場Ｆ及び絶縁隔離部材７３を介して電子受容体５０が配置されている。更に電子受容体５０の背後に２次放出防止手段１１０（１１８、１１９、１１７ｂ）が設けられている。
前記２次放出防止手段１１０は、既に図１３において説明したように、電子受容体５０の背面に絶縁物質１１８及び該絶縁物質１１８で囲まれた真空の電気絶縁場Ｆを介して導電物質１１９が配置され、この導電物質１１９に電源１１７ｂによる正電圧が加わるように構成している。電源１１７ｂの負電極は電子引出電源４１の正電極と接続され、中間位置で電子引出電極４０に接続されている。
導電物質１１９に蓄えられた正電荷によって、電子受容体５０の前記導電物質１１９側の表面（背面）に負電荷が誘導され、電子受容体５０の前面（電子ｅを受け取る面）に正電荷が誘導される。この電子受容体５０の前面に誘導された正電荷によって、電気絶縁場Ｆを飛翔する電子ｅが引き寄せられ、電子受容体５０の前面に確実に到達する。電子受容体５０に到達して収集された電子ｅは、電力取出回路６０を経て、電気エネルギーとして利用することができる。
前記絶縁隔離部材７３と電子引出電極４０と電子受容体５０とで囲まれた真空の電気絶縁場Ｆ、前記絶縁物質１１８と電子受容体５０と導電物質１１９とで囲まれた真空の電気絶縁場Ｆは、外部から完全に隔離された空間とされている。即ち、この図１５に示す装置の場合も上記図１４に示す装置と同様に、周囲を真空容器１０で囲む必要のない固体装置として構成することができる。【００４７】
図１６を参照して、交流電源を用いて、電界放出される電子ｅの方向を交互に反対方向に変更することできるようにした本発明の第２の実施形態に係る電界放出発電装置の更に他の１例を説明する。
電子供給体２０と準２次元物質からなる電気引出電極４０を備え、該電子供給体２０と電気引出電極４０との間に準２次元絶縁物質からなる電気絶縁場Ｆが積層されている。前記電子供給体２０の前記電気絶縁場Ｆに面する表面には、図示していないが、多数の準１次元物質を電子放出方向に立設してなる電子放出ポート３０を構成し、電子ｅが電界放出しやすいようにしている。電子供給体２０、電子放出ポート３０、電気引出電極４０の構成は図１４、図１５に示す装置と同じである。
電子受容体５０の前面には準２次元絶縁物質からなる電気絶縁場Ｆを介して準２次元物質からなる電子収集電極１４０が積層されている。前記電子受容体５０の前記電気絶縁場Ｆに面する表面には、図示していないが、準１次元物質からなる電子収集ポート１３０を構成して、電子ｅを受け取りやすくしている。
この電子収集ポート１３０の生成或いは構成は、既述した電子放出ポート３０の生成或いは構成と同様にすることができる。【００４８】
前記電子引出電極４０と電子収集電極１４０とは絶縁隔離部材７４を介して相互に接合され、その間に絶縁隔離部材７４で囲まれた真空若しくは減圧空間からなる電気絶縁場Ｆを介在させている。【００４９】
前記電子供給体２０と電子引出電極４０との間には電子引出及び電子収集のための交流電源１２１が接続され、前記電子受容体５０と電子収集電極１４０との間にも電子引出及び収集のための交流電源１２２が接続されている。
交流電源１２１と交流電源１２２は周期を同期させており、電子引出電極４０が正電位の期間は電子収集電極１４０が負電位となり、電子引出電極４０が負電位の期間は電子収集電極１４０が正電位となるように構成している。
以上の構成に係る装置では、電子供給体２０と電子引出電極４０との間の電気絶縁場Ｆ及び電子受容体５０と電子収集電極１４０との間の電気絶縁場Ｆが何れも絶縁物質で構成され、且つ絶縁隔離部材７４で囲まれた真空若しくは減圧空間からなる電気絶縁場Ｆも固体内に構成することが可能であるから、結局のところ、真空容器１０等のケースを必要とすることなく、固体の発電装置や固体の発電モジュール、発電素子を構成することができる。【００５０】
今、交流電源１２１、１２２として、パルス状波形をもつ正負の電圧を交互に加えた場合の状況を、図１７、図１８を参照して説明する。【００５１】
先ず交流電源１２１、１２２が、正の半期として、電子引出電極４０及び電子受容体５０に正電圧、電子供給体２０及び電子収集電極１４０に負電圧が加えられている場合は、図１７に示す状態となる。
即ちこの場合には、電子引出電極４０の正電荷によって、電子供給体２０から電子放出ポート３０を経て電子ｅが電気絶縁場Ｆに電界放出される。電気絶縁場Ｆは準２次元物質からなるので、電子ｅはトンネル現象により電気絶縁場Ｆを通過する。更に準２次元物質からなる電子引出電極４０もトンネル効果で通過し、２酸化シリコンからなる絶縁隔離部材７４で囲まれた真空若しくは減圧空間からなる電気絶縁場Ｆに入る。このとき、電子受容体５０には正電位が、電子収集電極１４０には負電位が加えられている。前記電気絶縁場Ｆに入って飛翔する電子ｅは電子収集電極１４０に到達するが、電子収集電極１４０が準２次元物からなるので、トンネル現象により通過する。更に準２次元絶縁物質からなる電気絶縁場Ｆもトンネル現象により通過し、電子収集ポート１３０を介して電子受容体５０に到達する。電子受容体５０から２次放出しようとする電子ｅは、負電位にある電子収集電極１４０によって抑制される。
電子受容体５０に収集された電子ｅは、電力取出回路６０に移動されることで、電気的負荷６１にて電気エネルギーとして利用される。【００５２】
次に交流電源１２１、１２２が、負の半期として、電子収集電極１４０及び電子供給体２０に正電圧、電子受容体５０と電子引出電極４０に負電圧が加えられている場合は、図１８に示す状態となる。
即ちこの半期においては、前記電子受容体５０が電子供給体となり、前記電子収集電極１４０が電子引出電極となる。また前記電子受容体５０の表面に構成される電子収集ポート１３０は電子放出ポートとなる。そして前記電子供給体２０は電子受容体となり、前記電子引出電極４０は電子収集電極となる。また前記電子供給体２０の表面に構成された電子放出ポート３０は電子収集ポートとなる。
電子収集電極１４０に加えられた正電圧によって、電子受容体５０から電子収集ポート１３０を経て電子ｅが電気絶縁場Ｆに電界放出される。電気絶縁場Ｆは準２次元物質からなるので、電子ｅはトンネル現象により電気絶縁場Ｆを通過する。更に準２次元物質からなる電子収集電極１４０もトンネル効果で通過し、２酸化シリコンからなる絶縁隔離部材７４で囲まれた真空若しくは減圧空間からなる電気絶縁場Ｆに入る。このとき、電子供給体２０には正電位が、電子引出電極４０には負電位が加えられている。前記電気絶縁場Ｆに入って飛翔する電子ｅは電子引出電極４０に到達するが、電子引出電極４０が準２次元物からなるので、トンネル現象により通過する。更に準２次元絶縁物質からなる電気絶縁場Ｆもトンネル現象により通過し、電子放出ポート３０を介して電子供給体２０に到達する。電子供給体２０から２次放出しようとする電子ｅは負電位にある電子引出電極４０によって抑制される。
電子供給体２０に収集された電子ｅは、電力取出回路６０に移動されることで、電気的負荷６１にて電気エネルギーとして利用される。【００５３】
上記のようにして、交流電源１２１、１２２の正の半周期では、電子供給体２０内の電子ｅが電界放出されて、電子受容体５０に達し、電力取出回路６０には電流ｉが下から上（電子供給体２０側から電子受容体５０側）に流れる。また交流電源１２１、１２２の負の半周期では、電子受容体５０内の電子ｅが電界放出されて、電子供給体２０に達し、電力取出回路６０には電流ｉが上から下（電子受容体５０側から電子供給体２０側）に流れる。即ち、電力取出回路６０の電気的負荷６１には、交流の電流ｉが流れる。
前記電気的負荷６１として変圧器等を用いて、電圧と電流を調整し、家庭用電源、或いは工場用電源として利用することが可能となる。
上記した本発明では、太陽光等を利用する場合と異なり、雨天でも夜間でも何時でも発電して、これを利用することができる。また熱源等も必要としないので、熱サイクルによる劣化も問題とならない。勿論、静止装置である。よって本発明の装置は、耐久性、実用性、利便性等においてもまた従来の発電装置にはない優れた面を有している。【００５４】
図１９を参照して、本発明の第３の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する。
この第３の実施形態は、電子供給体２０の電子放出ポート３０から電子引出電極４０により電界放出された電子ｅが、電子引出電極４０に吸収されるのを防止する電子吸収防止手段として、電子引出電極４０に向かって飛翔する電子ｅの軌道を変更する電子軌道変更電極を設けた点に特徴がある。
即ち、上記の第１、第２の実施形態では、電界放出した電子ｅが電子引出電極４０に吸収されるのを防止するため、電子引出電極４０を準２次元物質で構成し、これによって電子ｅがトンネル現象によって電子引出電極４０を通過するようにしていた。しかし本第３の実施形態では、電子吸収防止手段として電子軌道変更電極を用いている。
本第３の実施形態では、電子引出電極４０は、飛翔電子ｅが貫通する必要がないので、準２次元物質とする必要はない。【００５５】
真空乃至減圧された空間からなる電気絶縁場Ｆに、電子供給体２０が配置されている。この電子供給体２０に対して電子引出電極４０が対向して配置されている。電子引出電極４０と電子供給体２０には電子引出電源４１が、電子引出電極４０が正電圧で電子供給体２０が負電圧になるように加えられている。
前記電子供給体２０と電子引出電極４０との間隙に対して直角な側方位置に、第１の電子軌道変更電極１５１、１５２が電源１５３と共に配置されている。また別に第２の電子軌道変更電極１５４、１５５が電源１５６と共に配置され、飛翔電子ｅを電子受容体５０に導くようにしている。
電界放出電子ｅは図に示す電子軌道ｏｒｂを経て電子受容体５０に到達される。【００５６】
前記電子供給体２０は、既述の実施形態においても説明したが、金属材料やその他の自由電子を豊富に保有する材料で構成される。
前記電子供給体２０の電気引出電極４０に対向する面には、図１９には図示しないが、電子放出ポート３０が設けられている。また電子放出ポート３０は、電子をそこから電界放出する機能を果たすもので、前記電子供給体２０と電気的に導通状態に設けられる。電子放出ポート３０は、電子の電界放出に対するエネルギー障壁の小さい材料で構成することが好ましい。またエネルギー障壁の小さい形状で構成することが好ましい。電子放出ポート３０はカーボン・ナノチューブ等の準１次元物質を複数本、電子供給体２０の表面に立設して構成することができる。
前記電子引出電極４０は、前記電子放出ポート３０に対して電界を付加し、電子放出ポート３０から電子ｅを電界放出させるための電極である。
この実施形態の場合は、電子引出電極４０を準２次元物質で構成する必要がない。よって電子引出電極４０の設備が容易に提供できる。
前記電子受容体５０は、電界放出された電子を受け取るためのもので、金属材料等の自由電子の保有能力が大きい材料で構成することができる。電子受容体５０の構成としては、上記図７で説明した符号５１〜５４からなる構成とすることができる。また電子受容体５０には、図８で説明した受電子位置分散手段９０、図９で説明した電子振り分け手段１００、図１１〜図１３で説明した２次放出防止手段１１０を付設してもよい。【００５７】
電子引出電極４０に正電圧が加えられることで、電子供給体２０から電子放出ポート３０を経て電子ｅが電界放出され、電子引出電極４０に向かう。このとき、電子供給体２０と電子引出電極４０との間隙を電子ｅが飛翔する際に、第１の電子軌道変更電極１５１、１５２からのクーロン力を受けて、電子ｅが正電圧の加わった第１の電子軌道変更電極１５１に向けて軌道を変更する。これによって電界放出電子ｅが電子引出電極４０に吸収されるのが防止される。
前記正電圧の加わった第１の電子軌道変更電極１５１に向けて向かう軌道の両側方に第２の電子軌道変更電極１５４、１５５が配置されている。この第２の電子軌道変更電極１５４、１５５によって、飛翔電子ｅの軌道は更に変更され、電子軌道変更電極１５１にも衝突することなく電子受容体５０に衝突し、吸収される。
なお前記第１の電子軌道変更電極１５１、１５２と第２の電子軌道変更電極１５４、１５５は、必ずしも２対を設ける必要はない。要するに、電子引出電極４０に向かう電子ｅを、電子引出電極４０から電子受容体５０に軌道変更させる手段として１乃至複数の電子軌道変更電極を配置すればよい。【００５８】
電子ｅを収集した電子受容体５０は負電荷にチャージされるので、電力取出回路６０により外部に取り出して、電気エネルギーとして利用できる。【００５９】
図２０、図２１を参照して、第３の実施形態に係る電界放出発電装置の具体的な１例を説明する。
真空容器１０の中に電気絶縁物質からなるフレーム１６０が設備され、該フレーム１６０に電子供給体２０が取り付けられている。またこの電子供給体２０に対向して電子引出電極４０がフレーム１６０に取り付けられている。電子引出電源４１により電子引出電極４０に正電圧、電子供給体２０に負電圧が加えられている。図示しないが、前記電子供給体２０には準１次元物質からなる電子放出ポート３０が構成されている。
電子引出電極４０により電子供給体２０から電子放出ポート３０を介して電子ｅが電界放出される。【００６０】
前記電子供給体２０と電子引出電極４０の間隙の側方に対向して、電子軌道変更電極１５７がフレーム１６０に取り付けられている。電子軌道変更電極１５７と電子供給体２０とは電源１５８によって、電子軌道変更電極１５７が正電圧、電子供給体２０が負電圧になるように電圧が加えられている。
電子供給体２０から真空中に電界放出された電子ｅは、電子軌道変更電極１５７により軌道を変更され、矢印の方向に飛行して、一対のゲート部材１７１、１７２で構成された開口１７３から引き込み空間Ｓに入る。引き込み空間Ｓの奥には電子受容体５０がフレーム１６０に取り付けられている。
前記ゲート部材１７１、１７２はフレーム１６０に取り付けられ、電源１７４、１７５によって負電圧が加えられている。また前記電子受容体５０には電源１７４、１７５によって正電圧が加えられている。【００６１】
前記引き込み空間Ｓに入った電子ｅは、正電荷を有する電子受容体５０に引かれて到達する一方、ゲート部材１７２、１７３に反発され、開口１７３からでることができなくなる。
電子受容体５０に収集された電子ｅは電力取出回路６０（第１、第２実施形態を参照）によって取り出され、電気的負荷６１に流れることで電気エネルギーとして利用される。【００６２】
図２２、２３を参照して、本発明の第４の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する。
この第４の実施形態は、電子供給体２０の電子放出ポート３０から電子引出電極４０により電界放出された電子ｅが、電子引出電極４０に吸収されるのを防止する電子吸収防止手段として、電子受容体５０を電子引出電極４０の手前に配置することで、電子引出電極４０に向かって飛翔する電子ｅを電子引出電極４０の手前で受け取るようにした点に特徴がある。
即ち、上記の第１、第２の実施形態では、電界放出した電子ｅが電子引出電極４０に吸収されるのを防止するため、電子引出電極４０を準２次元物質で構成し、また第３の実施形態では電子軌道変更電極を用いた。しかし本第４の実施形態では、電子吸収防止手段として電子引出電極４０の前に電子受容体５０を配置している。
本第４の実施形態では、電子引出電極４０は、飛翔電子ｅが貫通する必要がないので、準２次元物質で構成する必要はない。【００６３】
図２２において、電子供給体２０に電子放出ポート３０が電気導通状態に配置されている。電子放出ポート３０に対して、電子受容体５０を対向させて配置させており、その電子受容体５０の背後に電子引出電極４０が配置されている。前記電子供給体２０、電子放出ポート３０、電子引出電極４０、電子受容体５０は、図示しない真空容器（図１の真空容器１０参照）内に設備され、雰囲気が真空乃至減圧状態の空間からなる電気絶縁場Ｆとされている。
前記電子引出電極４０と電子供給体２０との間は電子引出電源４１によって、電子引出電極４０に正電圧が加わるようになされている。また前記電子受容体５０と電子供給体２０との間に電力取出回路６０が配設され、電気的負荷６１が途中に設けられている。【００６４】
既に図１に示す装置の説明の際に説明したが、前記電子供給体２０は、電子を供給する源となる物質で構成され、金属材料やその他の自由電子を豊富に保有する材料で構成される。また前記電子放出ポート３０は、電子をそこから電界放出する機能を果たすもので、前記電子供給体２０と電気的に導通状態に設けられる。電子放出ポート３０は、電子の電界放出に対するエネルギー障壁の小さい材料で構成することが好ましい。またエネルギー障壁の小さい形状で構成することが好ましい。この電子放出ポート３０は、カーボン・ナノチューブ等の準１次元物質を電子供給体２０の表面に成長させるなどして、多数の準１次元物質が電子供給体２０の表面に立設した状態に構成する。
前記電子引出電極４０は、前記電子放出ポート３０に対して電界を付加し、電子放出ポート３０から電子ｅを電界放出させるための電極である。
前記電子受容体５０は円錐形状とし、その円錐形状の先端側を電子放出ポート３０側に、円錐形状の後端側の背面を前記電子引出電極４０側にして配置している。この電子受容体５０は金属材料等の自由電子の保有能力が大きい材料で構成することができる。【００６５】
正電圧が加えられた電子引出電極４０によって、電子供給体２０から電子放出ポート３０を経て、電子ｅが電界放出される。この電界放出電子ｅは電子受容体５０に衝突し、吸収される。電子ｅを吸収した電子受容体５０には電子ｅが負電荷として蓄積される。蓄積された電子ｅは電力取出回路６０を、電気的負荷６１を介して電子供給体２０にフィード・バックすることにより、電気エネルギーとして利用可能となる。【００６６】
図２３には、電子ｅが電界放出される場合の電圧と電流の関係が示されている。この図には２種類の電界放出特性が記載されている。電子がエミッション（電界放出）を開始する電圧を閾値電圧と呼ぶ。閾値電圧Ｖａより高い電圧が加えられると、電界放出による電流Ｉが流れ始める場合には、これを低い閾値電圧Ｖａと呼ぶ。閾値電圧Ｖｂよりも高い電圧が加えられると、電界放出による電流Ｉが流れ始める場合には、これを高い閾値電圧Ｖｂと呼ぶ。図２２において、円錐形状の電子受容体５０は電子引出電極４０と電子放出ポート３０との間に位置する。電界が電子引出電極４０と電子供給体２０とに加えられているので、電子引出電極４０と電子受容体５０との間に電界が存在する。更に電子受容体５０と電子放出ポート３０との間にも存在する。
本実施形態の場合、電子引出電極４０と電子受容体５０とが向き合う面は互いに殆ど平面であり、電界の集中現象が発生しないので、電子ｅの電界放出は起こりにくい。即ち、その領域における電子の電界放出特性は図２３において高い閾値電圧Ｖｂとなり、電子受容体５０から電子引出電極４０に電子ｅが移動することは殆どない。ところが、電子受容体５０と電子放出ポート３０は互いに細く尖って向き合い。両者の距離も短いので、電界の集中現象が発生し、この場合には低い閾値電圧Ｖａによって電子放出ポート３０から電子ｅが電界放出される。従って、電界放出電子ｅは電子受容体５０に蓄えられることになる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
電子の電界放出を利用した本発明の装置は、従来の火力発電、水力発電、原子力発電、太陽光等の自然エネルギーを用いた発電に代わり、或いは新たに加わるべき発電手段として、投入エネルギーが少なく、クリーンで、安定した電気エネルギーを低コストで供給することが可能であり、産業上の利用可能性が非常に大きいものである。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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