(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、発電効率がよく、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た電子放出ポート３０と、電子放出ポート３０とは電気絶縁状態に配置され、電子放出ポート３０中の電子ｅを電子放出方向へ線形加速する電子加速電極４０と、電子放出ポート３０とは電気絶縁空間Ｆを介して対向して配置され、電子放出ポート３０から放出された電子ｅを受け取るための電子受容体５０とを備え、電子加速電極４０に正電圧を加えることで電子放出ポート３０中の電子を線形加速して弾道電子として電気絶縁空間Ｆに放出させ、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。
2007122709.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、該電子放出ポートとは電気絶縁状態に配置されると共に電子放出ポート中の電子を電子放出方向へ線形加速するための１乃至複数の電子加速電極と、前記電子放出ポートとは電気絶縁空間を介して対向して配置されると共に電子放出ポートから放出された電子を受け取るための電子受容体とを備え、前記電子加速電極に正電圧を加えることで前記電子放出ポート中の電子を線形加速して弾道電子として前記電子放出ポートから前記電気絶縁空間に放出させると共に放出された電子を前記電子受容体で受け取らせて集める構成としてあることを特徴とする線形加速発電装置。
【請求項２】
請求項１において、電子放出ポートは、電子供給体の表面に１乃至複数の準１次元導電体を立設して構成してあることを特徴とする線形加速発電装置。
【請求項３】
請求項２において、準１次元導電体は、カーボン・ナノチューブであることを特徴とする線形加速発電装置。
【請求項４】
請求項２又は３において、電子加速電極は準２次元導電体からなり、準１次元導電体が立設されてなる電子放出ポートに対し、該電子放出ポートの側周囲に電気絶縁状態に配置してあることを特徴とする線形加速発電装置。
【請求項５】
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てあることを特徴とする線形加速発電装置。
【請求項６】
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てあることを特徴とする線形加速発電装置。
【請求項７】
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てあることを特徴とする線形加速発電装置。
【請求項８】
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てあることを特徴とする線形加速発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は線形加速発電装置に関し、より詳しくは、線形加速された電子が物質から空間中に放出されるの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、物質中で電子を電界によって線形加速し、この線形加速された弾道電子（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ）を物体から空間中に放出させるという弾道放出を利用することで、熱電子放出等のエネルギー変換を伴う既存の発電方式とは全く異なり、エネルギー変換を伴わない新たな発電方式により、効率のよい発電が可能であることを知得し、本発明を完成した。【０００７】
ところで、電界中に電子が存在すると、電子は加速される。電子を１次元方向に加速する場合、その加速器を線形加速装置（ｌｉｎｅａｒ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）と言う。
準１次元の形状を持つ物質として、例えばカーボン・ナノチューブがある。このカーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）の特徴の１つはアスペクト比である。即ち、ＣＮＴの直径に比較して、その長さが桁違いに長い。例えば単層カーボン・ナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）の直径は１ｎｍ付近にあり、フェルミ波長のオーダに近づく。このためカーボン・ナノチューブは、電子を実質的に１次元方向に移動させることが可能な準１次元の形状を持つ物質として機能することができる。準１次元物質内を１次元方向に加速される電子は弾道電子となる。
特に単層のカーボン・ナノチューブ中の電子が電界により加速されると、無散乱状態でバリスティックな電子移動を行う。即ち、カーボン・ナノチューブの如き準１次元導電体を利用することで、電子を弾道電子として線形加速し、該準１次元導電体の端点から空間に放出させることができる。
なおカーボン・ナノチューブは金属性と半導体性のものがあるが、金属性のものを用いることで電子の線形加速を効率よく行うことができる。【０００８】
準１次元導電体であるカーボン・ナノチューブの先端点から空間中に放出された電子は、障害物が存在しない限り、空間中を飛翔する。放出された弾道電子の軌道上に導電性体が存在すると、電子はその導電性体に衝突し、吸収される。この飛翔弾道電子を受け入れて吸収する導電性体を電子受容体（コレクタ）とする。
電子が前記電子受容体に吸収されると、電子受容体は負電荷を帯びる。即ち、弾道電子の衝突を繰り返し受ける電子受容体は負電位になる。よって電子受容体が他から絶縁状態に保持されている場合には、その負電位は次第に大きくなる。
電子受容体に電子が吸収されることで負電位が次第に大きくなる。そして最終的には、電子受容体に接近する電子は逆方向の大きな電界の作用を受け、電子受容体に到達することができなくなる。このときの臨界電位が線形加速発電装置の起電力となる。
電子が十分に線形加速されて放出される場合には、前記の起電力は容易に数十〜数百ボルトになることができる。
電子受容体に捕獲された電子を外部へ送り出す（送電する）ことで電力を取り出し、利用することができる。【０００９】
線形加速発電装置において、準１次元導電体中の電子を線形加速するための電界は、電子加速電極を用いて与えられる。この電子加速電極が前記準１次元導電体に対して電気絶縁状態に隔離されて配置される場合には、前記準１次元導電体内にある電子は前記電子加速電極に到達することなく、準１次元導電体内を線形加速され、やがて準１次元導電体の先端から電気絶縁空間に放出される。電子が電子加速電極に到達することはない。即ち、放出された電子が電子加速電極の正電荷に吸収されることはなく、また電子加速電極の電荷消耗（エネルギー損失）も理論上は生じない。
以上のようにして本発明では、準１次元導電体の自由電子を線形加速することで弾道電子として先端から放出させ、且つこの放出させた電子を電子加速電極以外の電子受容体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。このとき電子加速電極に加える正電荷の消耗、即ち電気エネルギーの消費は最小限に抑えられる。【００１０】
本発明の線形加速発電装置は、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、該電子放出ポートとは電気絶縁状態に配置されると共に電子放出ポート中の電子を電子放出方向へ線形加速するための１乃至複数の電子加速電極と、前記電子放出ポートとは電気絶縁空間を介して対向して配置されると共に電子放出ポートから放出された電子を受け取るための電子受容体とを備え、前記電子加速電極に正電圧を加えることで前記電子放出ポート中の電子を線形加速して弾道電子として前記電子放出ポートから前記電気絶縁空間に放出させると共に放出された電子を前記電子受容体で受け取らせて集める構成としてあることを第１の特徴としている。
また本発明の線形加速発電装置は、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１乃至複数の準１次元導電体を立設して構成してあることを第２の特徴としている。
また本発明の線形加速発電装置は、上記第２の特徴に加えて、準１次元導電体は、カーボン・ナノチューブであることを第３の特徴としている。
また本発明の線形加速発電装置は、上記第２又は第３の特徴に加えて、電子加速電極は準２次元導電体からなり、準１次元導電体が立設されてなる電子放出ポートに対し、該電子放出ポートの側周囲に電気絶縁状態に配置してあることを第４の特徴としている。
また本発明の線形加速発電装置は、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てあることを第５の特徴としている。
また本発明の線形加速発電装置は、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てあることを第６の特徴としている。
また本発明の線形加速発電装置は、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てあることを第７の特徴としている。
また本発明の線形加速発電装置は、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てあることを第８の特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の線形加速発電装置によれば、電子加速電極に正電圧が加えられることで、電子放出ポート中の電子が電子加速電極によるクーロン力によって電子放出方向に線形加速され、弾道電子となって、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空間に放出される。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。また電子加速電極による電子の加速を電子放出に必要な速度まで増大させるために、且つ電子加速電極に付加される正電圧を低く抑えるために、前記電子加速電極をできるだけ電子放出ポートの周囲に近接させることが重要である。
電子放出ポートから放出された電子は、電気絶縁空間を電子受容体に向けて飛翔し、電子受容体に衝突し、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、前記電子の線形加速の度合い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等が重要となる。
前記電子加速電極に加えられる正電荷は、電子加速電極が電子放出ポートと電気絶縁状態にあり、また放出した電子が電子加速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（投入電力）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に記載の発明の線形加速発電装置によれば、電子の線形加速による絶縁空間への放出現象を利用して、電子の線形加速に必要なエネルギーの消費を少なく抑制しながら、電気絶縁空間に放出され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に記載の発明の線形加速発電装置によれば、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、エネルギー効率の良好な発電が可能である。
しかも請求項１に記載の発明の線形加速発電装置によれば、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。【００１２】
また請求項２に記載の線形加速発電装置によれば、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、電子供給体の表面に１乃至複数の準１次元導電体を立設して構成される。
準１次元導電体とは、電子の放出に関して１次元の導電体としての作用と実質的に同様の作用、即ち非常に細長い形状を有する導電体で、電子が１次元方向に移動（加速）されるものを意味する。
準１次元導電体の場合には、電子加速電極を作用させることで電子は実質的に１次元方向にのみ移動、加速され、その先端から放出される。準１次元導電体の長手方向を電子放出方向と一致させることで、電子の放出が容易となる。また準１次元導電体を用いる場合、その先端からの電子の放出に対するエネルギー障壁が低くなると考えられる。
準１次元導電体は多数本を電子供給体の表面に立設して電子放出ポートとすることができる。多数本を立設構成することで、電子供給体にある自由電子は多数本の準１次元導電体を経て各先端から放出されるので、全体として多数の電子を効率よく線形加速、放出させることができる。【００１３】
また請求項３に記載の線形加速発電装置によれば、上記請求項２に記載の構成による作用効果に加えて、準１次元導電体がカーボン・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が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。カーボン・ナノチューブは電子供給体の表面に垂直方向に植設することで立設することができる。勿論、カーボン・ナノチューブは金属性のものを用いる。またカーボン・ナノチューブは先端部が開放されたもの（ｏｐｅｎ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ）を用いることで、先端からの電子放出がより効率よく行える。【００１４】
また請求項４に記載の線形加速発電装置によれば、上記請求項２又は３に記載の構成による作用効果に加えて、電子加速電極は準２次元導電体からなり、準１次元導電体が立設されてなる電子放出ポートに対し、該電子放出ポートの側周囲に電気絶縁状態に配置される。電子加速電極は電子放出ポートに対して電気絶縁状態に配置されることで、電子加速電極に加えられる正電荷の消耗が理論上において生じない。
また電子加速電極を準２次元導電体とすることで、十分にその厚みを薄くすることができ、よって電子供給体の表面に立設される準１次元導電体からなる電子放出ポートの突出寸法が短い場合であっても、薄い厚みの１乃至複数の準２次元導電体を電子放出ポートの側周囲に配置することができる。しかも、準１次元導電体からなる電子放出ポートの先端が電子加速電極から十分に前方へ突出した状態とすることができる。従って電子放出ポートの先端から放出される電子は、もはや電子加速電極が邪魔になることはない。即ち、電子放出ポートの先端から放出された電子は、何ら障害なく電子受容体に向けて飛翔し、到達することができる。【００１５】
また請求項５に記載の線形加速発電装置によれば、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てあるので、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。【００１６】
また請求項６に記載の線形加速発電装置によれば、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てあるので、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ことができる。よって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。【００１７】
また請求項７に記載の線形加速発電装置によれば、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てあるので、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。【００１８】
また請求項８に記載の線形加速発電装置によれば、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てあるので、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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る線形加速発電装置の概略断面構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る線形加速発電装置の要部の詳細を示す断面構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係る線形加速発電装置において、準１次元導電体を網目状に組み合わせることで準２次元導電体からなる電子加速電極を構成した例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る線形加速発電装置において、準１次元導電体を平行に配することで準２次元導電体からなる電子加速電極を構成した例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る線形加速発電装置において、複数の準１次元導電体を立設して電子放出ポートを構成した例を示す図である。
【図６】線形加速発電装置における発電の起電力を説明する図である。
【図７】本発明の実施形態に係る線形加速発電装置において、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８】本発明の実施形態に係る線形加速発電装置において、電子振り分け手段を付加した例を説明する図である。
【図９】本発明の実施形態に係る線形加速発電装置において、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１０】本発明の実施形態に係る線形加速発電装置において、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１１】本発明の実施形態に係る線形加速発電装置の構成おいて、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。
【符号の説明】
【００２０】
１０    真空容器
２０    電子供給体
３０    電子放出ポート
３０ａ  準１次元導電体
４０    電子加速電極
４０ａ  準１次元導電体
４１    電子加速電源
５０    電子受容体
６０    電力取出回路
６１    電気的負荷
７０    電気絶縁体
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
Ｆ      電気絶縁空間
ｅ      電子
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１を参照して、本発明の実施形態に係る線形加速発電装置を説明する。
真空容器１０内の電気絶縁空間Ｆに電子供給体２０、電子放出ポート３０、電子加速電極４０、電子受容体５０が設けられている。また２次放出防止手段１１０が設けられている。
また真空容器１０外に電子加速電源４１、電力取出回路６０が設けられている。【００２２】
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。真空容器１０内は真空乃至減圧された状態の電気絶縁空間Ｆとなっている。
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、電子をそこから前記電気絶縁空間Ｆに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、その先端から電子が放出されるのに対するエネルギー障壁、即ち、電子を電子放出ポートから電気絶縁空間Ｆに放出させるのに必要な最小のエネルギーである仕事関数Ｅｗ（ｗｏｒｋ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が小さい材料を用いて構成することが好ましい。電子放出ポート３０の形状もまたエネルギー障壁、即ち仕事関数Ｅｗの小さい形状で構成することが好ましい。
前記電子加速電極４０は、電子放出ポート３０中の電子を電子放出方向へ線形加速するための電極であり、１乃至複数の電極からなる。電子加速電極４０は前記電子放出ポート３０とは絶縁状態に配置される。
前記電子受容体５０は、電子放出ポート３０から電気絶縁空間Ｆに放出された電子を受け取るためのもので、前記電子放出ポート３０とは電気絶縁空間Ｆを介して対向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。【００２３】
前記電子加速電源４１は、前記電子加速電極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、前記電子加速電極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。【００２４】
上記実施形態に係る線形加速発電装置では、電子供給体２０から電子放出ポート３０に入った電子ｅが、電子加速電極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中を電子放出方向に線形加速され、高速となった電子ｅが、電子放出ポート３０の先端から、弾道電子となって電気絶縁空間Ｆに放出される。
電気絶縁空間Ｆに飛び出した電子ｅは、弾道軌道上を飛翔し、対向配置された受容体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。【００２５】
図２に線形加速発電装置の電子放出ポート３０、電子加速電極４０の詳細を示す。
電子放出ポート３０は、図１、図２においては電子放出ポート３０を１本の準１次元導電体３０ａで表現して、これを電子供給体２０に立設して構成した状態に表現している。準１次元の導電体の場合は、実際には非常に細いものであるが、図面上でが概念的に拡大して表現している。
勿論、電子放出ポート３０は、複数本の準１次元導電体３０ａを束にして構成することができる。
電子放出ポート３０と電子加速電極４０との間は電気絶縁体７０で電気的に隔離されている。よって、電子放出ポート３０から電子加速電極４０に電子が移動することはない。勿論、電子加速電極４０は電子供給体２０からも電気絶縁空間Ｆを介して絶縁状態に保持されている。よって、電子加速電極４０は周囲から電気絶縁性を保持されており、電子加速電源４１から供給される電荷が殆ど保持されており、理論的には電力消費は殆ど発生しない。従って発電効率が良好な発電装置が実現される。
電子放出ポート３０は、多数の準１次元導電体３０ａを電子供給体２０の表面に立設して構成することができる。多数の準１次元導電体３０ａを立設構成することで、電子供給体２０にある自由電子は、立設されたそれぞれの準１次元導電体３０ａを経て、その先端から放出がなされ、全体として多数の電子を効率よく放出させることができる。この場合には、これら多数の準１次元導電体３０ａと電子加速電極４０とは、相互に絶縁状態に保持される。
図２で、電子放出ポート３０はチューブ状に描いているが、これは電子放出ポート３０を準１次元導電体であるカーボン・ナノチューブで構成することを意識したものである。【００２６】
カーボン・ナノチューブを用いて電子放出ポート３０を構成する場合は、電子供給体２０の表面に鉄、コバルト、ニッケル等の触媒物質を積層し、雰囲気を６５０℃付近に設定する等して、適温保持し、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、前記電子供給体２０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る。【００２７】
図２において、電子放出ポート３０を１乃至複数の準１次元導電体で構成する場合に対応した電子加速電極４０として、電子加速電極４０を準２次元導電体で構成するようにしている。準２次元導電体で電子加速電極４０を構成することで、電子加速電極４０の厚みを十分に薄くすることができる。従って電子供給体２０からの突出量（突出寸法）が短い電子放出ポート３０であっても、電子放出ポート３０の側周囲に電子加速電極４０を配置することができ、しかも電子放出ポート３０の先端が加速電極４０よりも前方へ十分に突出するように配置することができる。このように構成することで、電子放出ポート３０中の電子ｅは１乃至複数の電子加速電極４０によって十分に線形加速されると共に、電子放出ポート３０の先端から放出される際には既に電子加速電極４０の位置を越えており、もはや電子加速電極４０が電子の放出の邪魔になることがない。【００２８】
図３は電子加速電極４０を、準１次元導電体４０ａを網目状に組み合わせて重ねることにより、準２次元導電体にして構成した例を示す。準１次元導電体３０ａから構成することができる電子放出ポート３０は、準２次元導電体からなる網目を貫通して設けられる。勿論、電子放出ポート３０と電子加速電極４０とは相互に電気絶縁状態とされる。この場合、電子放出ポート３０の準１次元導電体３０ａ、電子加速電極４０の準１次元導電体４０ａの表面を絶縁物質で被覆するようにしてもよい。準１次元導電体としてカーボン・ナノチューブを用いることができる。【００２９】
図４は、電子加速電極４０を、準１次元導電体４０ａを平行に配することで準２次元導電体にして構成した例を示す。上記図３で既に示す例の場合と同様に、準１次元導電体３０ａから構成することができる電子放出ポート３０は、準２次元導電体からなる平行な隙間を貫通して設けられる。勿論、電子放出ポート３０（３０ａ）と電子加速電極４０とは相互に電気絶縁状態とされる。この場合、上記図３で示す例の場合と同様に、電子放出ポート３０の準１次元導電体３０ａ、電子加速電極４０の準１次元導電体４０ａの表面を絶縁物質で被覆することで、相互の電気絶縁性を確保することができる。準１次元導電体としてカーボン・ナノチューブを用いることができる。【００３０】
図５を参照して、複数の準１次元導電体３０ａを立設して電子放出ポート３０を構成した例を説明する。
この例では、電子供給体２０の表面に多数の準１次元導電体３０ａを幅広く立設構成して電子放出ポート３０とし、且つこれらの準１次元導電体３０ａを貫通させたような状態にして複数の電子加速電極４０を水平方向に配している。そして電子加速電源４１を、電子供給体２０を負極側に、各電子加速電極４０を正極側にして接続している。電子放出ポート３０の各準１次元導電体３０ａと各電子加速電極４０とは相互に電気絶縁状態に保持される。
電子供給体２０の電子は、電子放出ポート３０の各準１次元導電体３０ａを通って、複数の電子加速電極４０によって線形加速され、各電子加速電極４０を貫通したその先の先端から弾道電子ｅとなって放出される。
前記放出された弾道電子ｅは電子受容体５０に衝突し、吸収される。【００３１】
図６を参照して、本発明の線形加速発電装置における発電の起電力を説明する。
電子放出ポート３０から電気絶縁空間Ｆに放出された電子ｅが電子受容体５０に衝突することにより、それに受け取られて吸収される。飛翔する電子ｅは速度ｖ（ｍ／ｓ）で電子受容体５０に衝突する。電子ｅが吸収されることにより電子受容体５０の電位が−Ｖ（ｖｏｌｔ）になる。電子ｅが電子受容体５０に接近すると、減速される。従って、下記の不等式１を満たす速度があれば、電子ｅは電子受容体５０に到達する。
ｍｖ２／２＞ｑＶ・・・・・式１
ここで、ｑ（クーロン）は電子が保有する電荷である。
式１を満たすためには、飛翔電子の初期速度を大きくする必要がある。電子の初期速度は電子加速電極４０に加えられる電圧によって決まる。従って、この線形加速発電装置の起電力は電子加速電極４０に加えられる電圧によって決まる。起電力を大きくするには、電子加速電極４０に加える電圧を大きくすればよい。しかし電子加速電極４０に加える電圧を大きくすると、電子加速電極４０と負極との間にある絶縁体に流れる漏れ電流も大きくなる可能性があるので、極度に電圧を大きくすることは得策ではない。よって発生する起電力は絶縁体の漏れ電流を考慮し、損失が大きくならない範囲内で加速電圧を大きくすることにより決定される。【００３２】
図７を参照して、図１に示す本発明の実施形態に係る線形加速発電装置において、電子受容体５０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、電子放出ポート３０から放出された電子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７では、電子受容体５０を、図１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。【００３３】
図８を参照して、本発明の実施形態に係る線形加速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、電子放出ポート３０と電子受容体５０との間の電気絶縁空間Ｆ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８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。【００３４】
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ｅ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。【００３５】
図９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。【００３６】
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。【００３７】
以上のように、電子振り分け手段１００により、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、電子受容体に多量の電子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。
従って本発明の線形加速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。【００３８】
図１に戻って、本発明の実施形態に係る線形加速発電装置の構成に、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を付加した例を説明する。
この例では、電子受容体５０の背面に電気絶縁空間Ｆを介して導電体１１０ａを配置し、この導電体１１０ａに電源１１０ｂからの正電圧が加わるように構成している。
導電物質体１１０ａに蓄えられた正電荷によって、電子受容体５０の前記導電体１１０ａ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。【００３９】
図１０を参照して、本発明の実施形態に係る線形加速発電装置の構成に、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１１を参照して、本発明の実施形態に係る線形加速発電装置の構成に、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次元絶縁体１１５を介して準２次元導電体１１６を積層している。そして、電源１１７ａを設けて、準２次元絶縁体１１５で隔離された前記準２次元導電体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次元導電体１１６に衝突すると、準２次元導電体１１６中をトンネル現象により通り抜け、更に準２次元絶縁体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次元導電体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次元絶縁体１１５や準２次元導電体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。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
線形加速によって放出される電子を利用した本発明の線形加速発電装置は、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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【国際調査報告】
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