(57)【要約】【課題】 太陽光等の熱エネルギーを効率よく電気的エネルギーに変換が可能なエネルギー変換装置を提供する。【解決手段】  エネルギー変換装置1は、真空容器2、電子放出電極3、電子加速電極4、電子加速電源5および電子収集電極6を備えている。電子収集電極6は、電子通過用貫通孔7aが設けられており電子放出電極3に近い放出電極側電極板7と、電子通過用貫通孔が設けられており電子加速電極4に近い加速電極側電極板とからなる。より多くの電子が加速電極側電極板8に収集されることを利用して、加速電極側電極板8を負極、放出電極側電極板7を正極とすることにより、電気エネルギーが取り出される。【選択図】    図１
2007267533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、真空容器内に配置され外部からの熱エネルギーによる温度上昇によって真空中に電子を放出する電子放出電極と、真空容器内に電子放出電極と対向するように配置された電子加速電極と、電子放出電極にマイナス端子が、電子加速電極にプラス端子がそれぞれ接続された電子加速電源と、電子放出電極と電子加速電極との間に配置された電子収集電極とを備えているエネルギー変換装置において、
電子収集電極は、電子通過用貫通孔が設けられており電子放出電極に近い少なくとも１つの放出電極側電極板と、電子通過用貫通孔が設けられており電子加速電極に近い少なくとも１つの加速電極側電極板とからなり、より多くの電子が加速電極側電極板に収集されることを利用して、加速電極側電極板を負極、放出電極側電極板を正極とすることにより、電気エネルギーが取り出されることを特徴とするエネルギー変換装置。
【請求項２】
電子収集電極のすべての電極板の貫通孔の重なりによって形成される合成開口の開口率が３０〜７０％の範囲とされていることを特徴とする請求項１記載のエネルギー変換装置。
【請求項３】
電子放出電極は、カーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とする請求項１記載のエネルギー変換装置。
【請求項４】
カーボンナノチューブは、基板上に金属めっきを介して転写されたものであることを特徴とする請求項３記載のエネルギー変換装置。
【請求項５】
電子加速電極は、複数の電極板からなり、複数の電極板を走査するように電子加速電源による電圧が印加されていることを特徴とする請求項１記載のエネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭や石油などの化石燃料を燃焼させることによる得られるエネルギーは、二酸化炭素排出による地球温暖化など、地球環境の悪影響を与えるとともに、埋蔵量にも限りがあり、永久的なものではない。このような化石燃料に代替となるエネルギー源として、太陽光発電や地熱発電等、さまざまなエネルギー源の研究が鋭意なされている。
【０００３】
その一つとして、太陽光などから得られた熱エネルギー源から電気エネルギーに効率良く、変換可能としたエネルギー変換装置が知られている。（特許文献１参照）。
【０００４】
このエネルギー変換装置は、真空容器と、真空容器内に配置され外部からの熱エネルギーによる温度上昇によって真空中に電子を放出する電子放出電極と、真空容器内に電子放出電極と対向するように配置された電子加速電極と、電子放出電極にマイナス端子が、電子加速電極にプラス端子がそれぞれ接続された電子加速電源と、電子放出電極と電子加速電極との間に配置された電子収集電極とを備えている。
【０００５】
このエネルギー変換装置によると、太陽光による熱により加熱されることで、電子放出電極は電子を放出し、放出された電子は、電子加速電極側へ加速移動する。このとき、移動する電子を電子収集電極で収集することで、電子の無くなった電子放出電極を正極、電子収集電極側が負極として、電子を移動させ、電気エネルギーを発生させる。
【特許文献１】特許第３４４９６２３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１のエネルギー変換装置によると、電子放出電極を正極、電子収集電極を負極として、両電極間に負荷をかけるので、両電極間が実質上同電位となり、電気を効率良く取り出すことができないという問題があった。
【０００７】
本発明では、上記の問題を鑑みて、太陽光等の熱エネルギーを効率よく電気的エネルギーに変換が可能なエネルギー変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によるエネルギー変換装置は、真空容器と、真空容器内に配置され外部からの熱エネルギーによる温度上昇によって真空中に電子を放出する電子放出電極と、真空容器内に電子放出電極と対向するように配置された電子加速電極と、電子放出電極にマイナス端子が、電子加速電極にプラス端子がそれぞれ接続された電子加速電源と、電子放出電極と電子加速電極との間に配置された電子収集電極とを備えているエネルギー変換装置において、電子収集電極は、電子通過用貫通孔が設けられており電子放出電極に近い少なくとも１つの放出電極側電極板と、電子通過用貫通孔が設けられており電子加速電極に近い少なくとも１つの加速電極側電極板とからなり、より多くの電子が加速電極側電極板に収集されることを利用して、加速電極側電極板を負極、放出電極側電極板を正極とすることにより、電気エネルギーが取り出されることを特徴とするものである。
【０００９】
電子放出電極と電子加速電極間に、両電極とは分離した形で電子収集電極が設けられる。電子収集電極は、互いに平行な複数枚（通常は１対）の電極板で構成され、電子放出電極から放出されて電子加速電極へ加速されながら移動する電子を収集する。電子収集用の電極板を複数枚設けることにより、各電極板に滞留する電子量に差ができる（電子放出電極から距離の遠い電極板の電子通過用貫通孔が電子放出を増進させかつ電子の軌道を曲げることから、電子放出電極から距離の遠い電極板ほど電子量は多くなる）ので、電子量の多い方の電極板を負極に、電子量の少ない方の電極板を正極とすることで、電気エネルギーとして取り出す（発電する）ことができる。
【００１０】
電子収集電極の各電極板に設けられる電子通過用貫通孔は、例えば、一方向に長いスリット状のものとされ、これが複数並列状に配置される。そして、互いに対向する電極板同士は、それらの貫通孔同士が互いに直交するように配置される。その結果、電子収集電極のすべての電極板の貫通孔は、互いに重なり合う部分を有するものとされる。貫通孔は、すべての貫通孔同士が互いに重なり合う部分（合成開口）を有するように形成されればよく、その形状は任意である。例えば、一方向に長いスリット状の貫通孔同士を直交させる代わりに、一方を他方に対して所定量ずらす（平行移動させる）ことにより、合成開口を確保するようにしてもよく、貫通孔が円形や方形とされてもよい。
【００１１】
電子収集電極のすべての電極板の貫通孔の重なりによって形成される合成開口の開口率は、３０〜７０％の範囲とされていることが好ましい。
【００１２】
電子収集電極の合成開口の開口率（すべての電子収集電極板を重ね合わせたときの開口率：全開を１００％とする）が、３０％未満になると、電子加速電極に至る電子量が著しく減少し、電子の加速性が低下することで、電子の移動が起こりにくくなる。７０％を超えると、電子収集電極にて収集される電子量が著しく減少し、電気エネルギーへの変換効率が低下する。前記から、電子の加速性と、電子収集電極における電子量の兼ね合いを考慮すると、合成開口の開口率は、４５〜６０％がより好ましい。各電極板ごとの開口率は、同じでもよく異なっていてもよく、合成開口の開口率の条件を満たし、かつ、電子放出電極から距離の遠い電極板ほど電子量が多くなるという条件を満たす範囲で種々変更することができる。
【００１３】
また、電子放出電極は、カーボンナノチューブにより構成されていることが好ましい。
【００１４】
カーボンナノチューブは、直径が数ｎｍ〜数十ｎｍと極めて細いことから、１〜５Ｖ／μｍの低い電界強度にて電子放出が起こるため、他の電極材料と比べて、電子加速電源の低電圧化が可能となる。また、従来の電極よりも厚みを薄くすることができる。
【００１５】
また、カーボンナノチューブは、基板上に金属めっきを介して転写されたものであることが好ましい。
【００１６】
カーボンナノチューブにおける電子放出は、カーボンナノチューブの先端部で起こるため、電子放出電極表面に対して、略垂直上に配向させるように構成するのが好ましい。しかしながら、電子放出電極は、最低でも５００℃以上で加熱されるため、接着剤や樹脂類によってカーボンナノチューブを所定状態で固定することは困難である。そこで、基板上に金属めっきを介して転写することで、金属めっき上にカーボンナノチューブを略垂直上に配向した状態で保持させ、これにより、高温下でのカーボンナノチューブの保持が可能となる。めっき金属は特に限定されないが、銅やニッケルが好ましい。また、めっき方法としては、無電解めっきが好ましい。また、転写先となる基板の材料は、任意であるが、導電材料であることが好ましい。
【００１７】
このような電子収集電極は、転写元基板（例えばガラス基板）上にカーボンナノチューブを形成するステップと、カーボンナノチューブの先端部を転写用基板としてのメッシュ（例えば、カーボンナノチューブ配置用の孔が設けられた導電材料製のもの）で保持しながら金属めっき（例えば無電解ニッケルめっき）を行うステップと、転写元基板を剥がすことにより、略垂直状に配向したカーボンナノチューブを金属めっきを介して基板上に得るステップと、金属めっき表面部分を薬液で除去してカーボンナノチューブの先端部を露出させるステップとによって製造することができる。
【００１８】
電子加速電極は、細分化された複数の電極板からなり、細分化された電極板を走査するように電子加速電源による電圧が印加されていることが好ましい。
【００１９】
前記のとおり、電子放出電極からの電子の放出は、カーボンナノチューブの先端部で起こるが、これらの電子放出は、カーボンナノチューブの先端と電子加速電極との距離の短い部分で集中的に発生する。このため、集中的に電子放出するカーボンナノチューブ部分の劣化が激しくなり、電極としての寿命が低下する可能性がある。そこで、電子加速電極を複数に細分化し、細分化された個々の電極板を走査するように順次電圧を印加させることにより、電子放出電極の一部分のみに集中して電子放出が発生することによる電極寿命の低下を防止する。
【発明の効果】
【００２０】
この発明のエネルギー変換装置によると、電子放出電極と電子加速電極との電位差は、電子加速電源によって常に一定に保持され、この結果、電子収集電極の放出電極側電極板および加速電極側電極板には、常に電子が供給され、この際、より多くの電子が加速電極側電極板に収集されるので、加速電極側電極板を負極、放出電極側電極板を正極とすることにより、電気エネルギーが取り出される。こうして、従来の装置における問題点、すなわち、電子放出電極と電子収集電極との間が実質上同電位となり、電気を効率良く取り出すことができないという問題が解消し、熱エネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００２２】
図１に示すように、この発明によるエネルギー変換装置(1)は、真空容器(2)と、真空容器(2)内に配置され外部からの熱エネルギーによる温度上昇によって真空中に電子を放出する電子放出電極(3)と、真空容器(2)内に電子放出電極(3)と対向するように配置された電子加速電極(4)と、電子放出電極(3)がカソードに、電子加速電極(4)がアノードとなるように両電極(3)(4)間に直流電圧を印加する電子加速電源(5)と、電子放出電極(3)と電子加速電極(4)との間に配置された電子収集電極(6)とを備えている。
【００２３】
電子収集電極(6)は、電子放出電極(3)に近い側に配置された放出電極側電極板(7)と、電子加速電極(4)に近い側に配置された加速電極側電極板(8)とからなる。
【００２４】
電子放出電極(3)は、図３に詳しく示すように、方形の導電材料製（例えば、タングステン製）支持板(11)のほぼ全面に熱電子放出可能な複数のカーボンナノチューブ電極(12)が等間隔で配置されたものとされている。
【００２５】
電子加速電極(4)は、全体として方形状であり、同一平面内に所定間隔をおいて並列状に配置された複数の短冊状電極板(4a)(4b)(4c)(4d)に分割されている。各電極板(4a)(4b)(4c)(4d)は、例えばＳＵＳ製とされ、その分割形状は特に限定されない。
【００２６】
電子加速電源(5)は、マイナス側の端子が電子放出電極(3)に接続され、プラス側の端子が電子加速電極(4)の各短冊状電極板(4a)(4b)(4c)(4d)にそれぞれスイッチ(S1)(S2)(S3)(S4)を介して接続されている。これらのスイッチ(S1)(S2)(S3)(S4)は、走査回路(9)によって順次そのオン・オフが切り換えられるようになされており、これにより、電子加速電極(4)は、細分化された各電極板(4a)(4b)(4c)(4d)ごとに直流電圧が印加されるように構成されている。
【００２７】
電子収集電極(6)の放出電極側電極板(7)および加速電極側電極板(8)は、例えばＳＵＳ製の方形状金属板とされ、各電極板(7)(8)には、図２に示すように、一方向に長い電子通過用貫通孔(7a)(8a)が並列状に設けられている。そして、放出電極側電極板(7)と加速電極側電極板(8)とは、一方向に長い貫通孔(7a)(8a)同士が平面から見て直交するように、所定の間隔で対向させられている。
【００２８】
電子通過用貫通孔(7a)(8a)は、放出電極側電極板(7)および加速電極側電極板(8)を重ね合わせたときの合成開口の開口率が５６％になるように調整されている。電子通過用貫通孔(7a)(8a)の形状・大きさ・数は、合成開口の開口率が３０〜７０％（好ましくは４５〜６０％）の範囲内を満足するものであれば、適時調整することができる。
【００２９】
カーボンナノチューブ電極(12)は、次のようにして製作されている。
【００３０】
まず、図４（ａ）に示すように、ガラス基板(21)に所定の間隔で略垂直状に配向したカーボンナノチューブ(22)を成長させる。カーボンナノチューブ(22)の成長は公知方法で実施できる。一例として、ガラス基板(21)上のカーボンナノチューブ(22)を成長させたい部分に金属（鉄等）の錯体を含む溶液を塗布した後、加熱して形成した皮膜上に、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスを用いて一般的な化学蒸着法（ＣＶＤ法）を施すことにより、略垂直状に配向したカーボンナノチューブ(22)を得ることができる。
【００３１】
次いで、図４（ｂ）に示すように、メッシュ（カーボンナノチューブ転写用基板）(23)でカーボンナノチューブ(22)を保持しながら、無電解ニッケルめっき(24)を行う。
【００３２】
ニッケルめっき終了後、図４（ｃ）に示すように、ガラス基板(21)を剥がすことで、略垂直状に配向したカーボンナノチューブ(22)がニッケルめっき(24)を介してメッシュ（カーボンナノチューブ転写用基板）(23)上に転写される。
【００３３】
次いで、ニッケルめっき(24)の表面部分のみを薬液で除去することで、図４（ｄ）に示すように、カーボンナノチューブ(22)の先端部分が露出する。これにより、電子放出を行う先端部が露出されたカーボンナノチューブ(22)がニッケルめっき(24)によって導電材料製基板(23)に保持されたカーボンナノチューブ電極(12)が形成される。
【００３４】
こうして得られたカーボンナノチューブ電極(12)は、図３に示すように、カーボンナノチューブ電極(12)保持用のポケット(11a)が設けられた支持板(11)に支持されて、電子放出電極(3)を形成する。
【００３５】
各電極(3)(4)(6)の間隔については、例えば、電子放出電極(3)−加速電極側電極板(8)間は、５００μｍ（カーボンナノチューブ全長：２００μｍ含む）、加速電極側電極板(8)−放出電極側電極板(7)間は、３００μｍ、放出電極側電極板(7)−電子加速電極(4)間は、２００μｍとされる。各電極(3)(4)(6)の間隔は、この例に限定されるものではない。
【００３６】
図１のエネルギー変換装置(1)によると、太陽光・廃熱等で得られた熱エネルギーによって電子放出電極(3)を加熱するとともに、電子放出電極(3)−電子加速電極(4)間に電子加速電源(5)からの電圧を印加する。このとき、電子加速電極(4)側は、高圧スイッチＳ１〜Ｓ４により、電子加速電極(4)の細分化された電極板(4a)(4b)(4c)(4d)に走査するように電圧を印加するように走査回路(9)にて制御される。電子放出電極(3)が熱エネルギーにより加熱されることで、電子放出電極(3)から電子が放出され、電子加速電極(4)側へ加速しながら移動する。この移動時に、電子の一部は、電子収集電極(6)の放出電極側電極板(7)および加速電極側電極板(8)で収集され、残部が電子加速電極(4)へ到達する。
【００３７】
図５に示すように、電子加速電極(4)から見て、電子放出電極(3)に近い放出電極側電極板(7)の電子通過用貫通孔(7a)が設けられていない部分は、その直下の電子放出電極(3)からの電子放出を抑制する。一方、電子加速電極(4)に近い加速電極側電極板(8)の電子通過用貫通孔(8a)は、電子放出電極(3)からの電子放出を増進させ、また、近隣の貫通孔(8a)は、電子の軌道を曲げる働きをする。したがって、電子加速電極(4)に近い加速電極側電極板(8)により多くの電子が滞留することになる。このため、収集電子量は、放出電極側電極板(7)の電子量＜加速電極側電極板(8)の電子量となる。したがって、電子収集電極(6)は、放出電極側電極板(7)が正極、加速電極側電極板(8)が負極の電源となり、両極(6)(7)間を接続することにより、両電極板(7)(8)間の差分の電気を取り出すことができる。こうして、加速電極側電極板(8)により多くの電子が収集されることを利用して、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【００３８】
なお、上記実施形態では、電子収集電極(6)を２枚の電極板(7)(8)からなるものとしたが、電極板(7)(8)の数は２枚に限らず、３枚以上とすることもできる。３枚以上の場合、電子加速電極(4)に近い電極板から順に低電位（電子量大）となるので、任意の２枚の電極板から電気エネルギーを取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、この発明によるエネルギー変換装置の実施形態を模式的に示す図である。
【図２】図２は、電子放出電極を模式的に示す図である。
【図３】図３は、電子放出電極を模式的に示す図である。
【図４】図４は、カーボンナノチューブ電極の製作工程を模式的に示す図である。
【図５】図５は、電子収集電極による電子の収集を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
(1)   エネルギー変換装置
(2)   真空容器
(3)   電子放出電極
(4)   電子加速電極
(4a)  短冊状電極板
(5)   電子加速電源
(6)   電子収集電極
(7)   放出電極側電極板
(7a)  電子通過用貫通孔
(8)   加速電極側電極板
(8a)  電子通過用貫通孔
(12)  カーボンナノチューブ電極
(22)  カーボンナノチューブ
(23)  転写用基板
(24)  金属めっき
【図１】
2007267533.tif 000003
【図２】
2007267533.tif 000004
【図３】
2007267533.tif 000005
【図４】
2007267533.tif 000006
【図５】
2007267533.tif 000007