(57)【要約】【課題】熱エネルギーを電気エネルギーに効率良く変換する。【解決手段】密閉可能な容器１１内にＰＺＴ膜１２とアノード電極１３とを配置する。そして、容器１１内にアルゴンガスを供給してガス雰囲気を形成した後、ＰＺＴ膜１２に温度変化を与えて該ＰＺＴ膜１２から電子を放出させる。この電子は、アノード電極１３に向かって移動し、その途中でアルゴン原子に衝突する。このとき、アルゴン原子は、電子を放出することでプラスイオン化される。そして、アルゴンプラスイオンは、ＰＺＴ膜１２へ移動し、該ＰＺＴ膜１２と衝突する。その結果、ＰＺＴ膜１２からは、さらに電子が放出される。【選択図】図１
2007288923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉可能であって、ガスで満たされる容器と、
前記容器内に配置される焦電体と、
前記容器内に配置されるアノード電極と、
前記焦電体に温度変化を与える温度変化付与手段と、を備え、
前記焦電体に温度変化を与えて該焦電体から電子を前記ガスで満たした前記容器内に放出させ、該電子を前記アノード電極へ移動させることで発電を行うことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記焦電体は、強誘電体であることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記ガスは、不活性ガスであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記ガスは、アルゴンガス、又はアルゴンガスと比較して電離し易いガスであることを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
【請求項５】
前記ガスは、水素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス又はネオンガスであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電装置。
【請求項６】
前記容器内は、１０−６Ｐａ〜１０Ｐａの範囲のガスで満たされることを特徴とする請求項１〜請求項５のうちいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項７】
前記焦電体は、０．０５μｍ〜１０ｍｍの厚みを有することを特徴とする請求項１〜請求項６のうちいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項８】
前記容器には、該容器内にガスを供給するガス供給手段が接続されることを特徴とする請求項１〜請求項７のうちいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項９】
密閉可能であって、ガスで満たされる容器内に焦電体とアノード電極とを配置し、前記焦電体から放出される電子が前記アノード電極に移動することにより発電を行う発電方法であって、
前記焦電体に温度変化を与えて該焦電体から電子を前記ガスで満たした前記容器内に放出させることを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦電体を用いて発電を行う発電装置、及び発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱エネルギーを有効に利用する目的で、該熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電させる発電装置が提案されている。このような発電装置は、例えば、特許文献１〜４で提案されている。
【０００３】
特許文献１〜３には、焦電体（焦電素子）を利用して発電を行う発電装置が提案されている。焦電体は、温度変化を与えることにより自発分極値が減少することで電子を放出する特性を有している。このため、焦電体を利用した発電装置では、焦電体から電子を放出させることで発電を行っている。一方、特許文献４には、例えば、カーボンナノチューブやタングステンなどからなる電子放出部材を利用して発電を行う発電装置が提案されている。特許文献４では、熱を加えることで電子を放出する特性を持つ材料を電子放出部材とし、その電子放出部材から電子を放出させることで発電を行っている。そして、特許文献４では、電子放出部材自身の電子放出効率を上げるために、外枠部材内に不活性ガスを供給して電子放出部材の表面状態を改質し、仕事関数（物質内部にある電子を外部へ放出するために必要な最小エネルギー）を下げることが行われている。
【特許文献１】特開昭６０−２５７７８０号公報
【特許文献２】特開平１１−３３２２６６号公報
【特許文献３】特開２００２−９８５８７号公報
【特許文献４】特開２００３−２５０２８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のような発電装置は、例えば、熱源として排ガスなどを利用し、その熱エネルギーを電気エネルギーに変換することで熱エネルギーの有効利用に大きく貢献できると考えられる。しかしながら、従来から提案されている発電装置は、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が悪く、実用化レベルに達していない。
【０００５】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、熱エネルギーを電気エネルギーに効率良く変換することができる発電装置、及び発電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、  密閉可能であって、ガスで満たされる容器と、前記容器内に配置される焦電体と、前記容器内に配置されるアノード電極と、前記焦電体に温度変化を与える温度変化付与手段と、を備え、前記焦電体に温度変化を与えて該焦電体から電子を前記ガスで満たした前記容器内に放出させ、該電子を前記アノード電極へ移動させることで発電を行うことを要旨とする。
【０００７】
請求項９に記載の発明は、密閉可能であって、ガスで満たされる容器内に焦電体とアノード電極とを配置し、前記焦電体から放出される電子が前記アノード電極に移動することにより発電を行う発電方法であって、前記焦電体に温度変化を与えて該焦電体から電子を前記ガスで満たした前記容器内に放出させることを要旨とする。
【０００８】
請求項１及び請求項９に記載の発明によれば、焦電体から放出された電子は、アノード電極へ向かって移動する途中で、容器内に存在するガスの原子と衝突する。このため、ガス原子は、電離によるイオン化に伴って電子を放出する。したがって、容器内では、ガス原子のイオン化により電子の増幅が行われ、熱エネルギーを電気エネルギーに効率良く変換することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発電装置において、前記焦電体は、強誘電体であることを要旨とする。これによれば、イオン化された原子と強誘電体とが衝突することにより圧電作用が生じ、強誘電体から電子が放出される。したがって、容器内では、圧電作用によって電子の増幅がさらに行われ、熱エネルギーを電気エネルギーに効率良く変換することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発電装置において、前記ガスは、不活性ガスであることを要旨とする。これによれば、容器内に供給されるガスと容器内に配置されるアノード電極の化学反応を抑制することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発電装置において、前記ガスは、アルゴンガス、又はアルゴンガスと比較して電離し易いガスであることを要旨とする。また、請求項５に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発電装置において、前記ガスは、水素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス又はネオンガスであることを要旨とする。これによれば、容器１１内に存在するガスの原子のイオン化を促進させることできる。また、水素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス又はネオンガスを用いることでエネルギー変換に係るコストを抑えることができる。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のうちいずれか一項に記載の発電装置において、前記容器内は、１０−６Ｐａ〜１０Ｐａの範囲のガスで満たされることを要旨とする。これによれば、電子の増幅を促進するための最適な環境を作り出すことができ、エネルギーの変換効率を向上させることができる。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６のうちいずれか一項に記載の発電装置において、前記焦電体は、０．０５μｍ〜１０ｍｍの厚みを有することを要旨とする。これによれば、焦電作用による電子の放出効率が良く、エネルギーの変換効率を向上させることができる。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項７のうちいずれか一項に記載の発電装置において、前記容器には、該容器内にガスを供給するガス供給手段が接続されていることを要旨とする。これによれば、ガス供給手段を作動させることで容器内のガス量を調整でき、電子の増幅を促進させるための最適な環境を容易に作り出すことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、熱エネルギーを電気エネルギーに効率良く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】
【００１６】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１及び図２は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行う発電装置１０の構成を模式的に示したものである。図１及び図２において、密閉可能な容器１１内には、焦電体であり、かつ強誘電体であるＰＺＴ (Pb(Zr,Ti)O3)膜１２とアノード電極１３が配置される。ＰＺＴ膜１２とアノード電極１３は、ＰＺＴ膜１２の表面（電子放出面となる側の面）がアノード電極１３に対向し、所定間隔Ｄ１（例えば、１１０μｍ）を空けて配置される。また、本実施形態において容器１１内には、厚みＤ２が１００μｍとなるＰＺＴ膜１２が配置されている。なお、図１及び図２では、ＰＺＴ膜１２とアノード電極１３の間隔Ｄ１やＰＺＴ膜１２の厚みＤ２を誇張して描いている。また、アノード電極１３は、銅やステンレスなどで形成される。
【００１７】
容器１１には、該容器１１内を減圧する減圧装置（例えば、真空ポンプ）１４が接続される。本実施形態の減圧装置１４は、容器１１内の圧力を常圧（おおよそ０．１０２３ＭＰａ）未満の圧力まで減圧する装置として機能する。また、容器１１には、該容器１１内にガスとしての不活性ガスを供給するガス供給手段としてのガス供給装置１５が接続される。本実施形態では、不活性ガスとしてアルゴンガスを用いている。アルゴンガスは、電離電圧が１５．６９ｅＶとなるガスである。なお、容器１１内に供給するガスは、電離し易いガスの方が好ましい。
【００１８】
また、容器１１外には、ＰＺＴ膜１２に温度変化を与える温度変化付与手段としての温度変化付与装置１６が配置される。温度変化付与装置１６は、加熱装置と冷却装置から構成され、加熱装置による加熱と冷却装置による冷却を所定時間毎（例えば、１秒毎）に繰り返すことでＰＺＴ膜１２に温度変化を与える。また、ＰＺＴ膜１２に温度変化を与える態様としては、前述のように加熱と冷却とを繰り返しても良いし、加熱のみで徐々に温度を高めていくようにしても良い。ＰＺＴ膜１２は、温度変化を与えると自発分極値が減少して表面に電荷が誘起され、電子を放出する。この自発分極値はキュリー温度まで次第に減少し、キュリー温度近傍で大きな勾配で減少する。キュリー温度は、材料特性に応じて異なる。
【００１９】
また、ＰＺＴ膜１２は、図３に示すように、同じ温度変化を与えた場合、厚みＤ２が薄いほど表面に早く電荷が誘起される。図３は、表面に現れる電荷（単位：１０−９Ｃ／ｃｍ２）と時間（単位：ｓｅｃ）の相関図であり、左側の相関線が厚み２５０μｍのＰＺＴ膜１２の場合であり、右側の相関線が厚み０．２４μｍのＰＺＴ膜１２の場合である。
【００２０】
また、図１及び図２において、符号「１７」はカソード電極であり、符号「１８」は負荷抵抗である。カソード電極１７と負荷抵抗１８は、アノード電極１３に対して電気的に接続される。
【００２１】
以下、発電装置１０を用いて発電させる原理を図２にしたがって説明する。
まず、減圧装置１４を作動させて容器１１を減圧する。容器１１内は、好ましくは１０−７Ｐａ以下まで減圧する。これにより、容器１１内は、常圧未満となり真空雰囲気となる。次いで、ガス供給装置１５を作動させて容器１１内にアルゴンガスを供給し、容器１１内にガス雰囲気を形成する。アルゴンガスは、１０−６Ｐａ〜１０Ｐａの範囲、好ましくは、１０−５Ｐａ〜１０−２Ｐａの範囲となるように供給する。なお、ガス供給量が多すぎると容器１１内で電子が移動し難くなり、ガス供給量が少なすぎるとガスと電子の衝突確率が低くなる。そして、ガス雰囲気の形成後、温度変化付与装置１６を作動させてＰＺＴ膜１２を加熱する。すると、ＰＺＴ膜１２は、分極状態の変化によって電子が余り、電子を放出する。図２では、ＰＺＴ膜１２の焦電作用によって放出された電子に符号「ａ」を付している。
【００２２】
そして、焦電作用によりＰＺＴ膜１２から放出された電子は、容器１１内においてアルゴンガス雰囲気中をアノード電極１３に向かって移動する。このとき、放出された電子は、アノード電極１３へ向かう途中、アルゴン原子に衝突する場合がある。このため、電子がアルゴン原子に衝突した場合、そのアルゴン原子は、電子を放出してアルゴンプラスイオンとなる。図２では、アルゴン原子から放出された電子に符号「ｂ」を付している。したがって、容器１１内では、電子とアルゴン原子との衝突により、電子が増幅されることになる。すなわち、本実施形態において不活性ガスは、焦電作用でＰＺＴ膜１２から放出された電子をガス原子に衝突させてイオン化し、そのイオン化に伴って電子を放出させる電子増幅作用を生じさせている。
【００２３】
次いで、イオン化されたアルゴンプラスイオンは、図２において破線矢印で示すようにアノード電極１３（ＰＺＴ膜１２）に向かって移動する。そして、アルゴンプラスイオンは、ＰＺＴ膜１２の表面に衝突する。ＰＺＴ膜１２は、前述のように温度変化を与えることで焦電作用により電子を放出する特性に加えて、振動などの圧力が加えられることでも自発分極値が変化し、電子を放出する特性（圧電作用）を持つ。このため、ＰＺＴ膜１２は、アルゴンプラスイオンが衝突することにより、その運動エネルギーを受けて自発分極値が変化し、電子を放出する。図２では、圧電作用によりＰＺＴ膜１２から放出された電子に符号「ｃ」を付している。したがって、容器１１内では、ＰＺＴ膜１２とアルゴンプラスイオンとの衝突により、電子がさらに増幅されることになる。すなわち、本実施形態では、ＰＺＴ膜１２などの強誘電体を用いることにより、ＰＺＴ膜１２とアルゴンプラスイオンの衝突による圧電作用で電子を放出させる電子増幅作用を生じさせている。
【００２４】
その後、ＰＺＴ膜１２に衝突したアルゴンプラスイオンは、ＰＺＴ膜１２の表面の電子を受け取って中性状態に戻り、容器１１内で滞在する。そして、容器１１内の電子は、アノード電極１３に向かって移動することから、アノード電極１３とカソード電極１７との間に負荷抵抗１８を繋ぐことで電流が流れる。その結果、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【００２５】
このように本実施形態では、ＰＺＴ膜１２に温度変化を与えてアルゴンガス雰囲気中に電子を放出することで、該電子とアルゴン原子を衝突させて電子を増幅させている。さらに、本実施形態では、アルゴン原子のイオン化により、アルゴンプラスイオンとＰＺＴ膜１２を衝突させて電子を増幅させている。そして、容器１１内では、電子とアルゴン原子との衝突、及びアルゴンプラスイオンとＰＺＴ膜１２との衝突が繰り返し行われることで電子が増幅され続けるので、熱エネルギーが電気エネルギーに効率良く変換される。
【００２６】
したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）容器１１内を真空状態とした後に容器１１内にガス雰囲気（本実施形態ではアルゴンガス雰囲気）を形成し、ＰＺＴ膜１２から電子を放出させる。ＰＺＴ膜１２から放出された電子は、アノード電極１３へ向かって移動する途中で、容器１１で滞在するガス原子（本実施形態ではアルゴン原子）と衝突する。このため、ガス原子は、電離によるイオン化に伴って電子を放出する。したがって、容器内では、ガス原子のイオン化により電子の増幅が行われ、熱エネルギーを電気エネルギーに効率良く変換することができる。
【００２７】
（２）また、強誘電体であるＰＺＴ膜１２を用いることで、アルゴンプラスイオンとＰＺＴ膜１２との衝突時に圧電作用が生じ、ＰＺＴ膜１２から電子が放出される。したがって、容器１１内では、圧電作用によって電子の増幅がさらに行われ、熱エネルギーを電気エネルギーに効率良く変換することができる。
【００２８】
（３）また、容器１１に不活性ガス（本実施形態ではアルゴンガス）を供給することで、該ガスと容器１１内に配置されるアノード電極１３との化学反応を抑制することができる。
【００２９】
（４）また、容器１１に電離し易いガス（本実施形態ではアルゴンガス）を供給することで、容器１１内に供給されたガスのイオン化を促進させることできる。また、アルゴンガスを用いることでエネルギー変換に係るコストを抑えることができる。
【００３０】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  容器１１には減圧装置１４やガス供給装置１５が接続され、減圧装置１４による減圧とガス供給装置１５によるガス供給が行われているが、減圧装置１４やガス供給装置１５を用いることなく、容器１１内を減圧した上でアルゴンガス（ガス）を封入するように容器１１を構成しても良い。
【００３１】
○  容器１１内に供給するガスを不活性ガスとする場合には、アルゴンガスに代えて例えば窒素ガスやヘリウムガスなどでも良い。
○  容器１１内に供給するガスは電離し易いガスが好ましく、アルゴンガスに代えて例えば水素ガス、クリプトンガス又はキセノンガスでも良く、これらのガスはアルゴンガスと比較して電離電圧が低いガスである。また、容器１１内に供給するガスとしては、電離し易く、かつ不活性ガスであることがより好ましい。
【００３２】
○  容器１１内に配置する強誘電体としてはＰＺＴ膜１２に代えて、ＰＬＺＴ ((Pb,La)(Zr,Ti)O3) 膜、ＢＳＴ((Ba,Sr)TiO3) 膜、又はＰＬＴ((Pb,La)TiO3) 膜でも良い。
○  容器１１内に配置する強誘電体（本実施形態ではＰＺＴ膜１２）の厚みは、０５μｍ〜１０ｍｍの範囲で変更しても良い。好ましくは、１μｍ〜０．１ｍｍの厚みとする。
【００３３】
○  ＰＺＴ膜１２の表面にメッシュ電極を設けて容器１１外に配置した電子供給源から電子を供給するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】発電装置を示す模式図。
【図２】発電装置を示す模式図。
【図３】ＰＺＴ膜の表面に現れる電荷と時間の関係を示す相関図。
【符号の説明】
【００３５】
１０…発電装置、１１…容器、１２…ＰＺＴ膜、１３…アノード電極、１４…減圧装置、１５…ガス供給装置。
【図１】
2007288923.tif 000003
【図２】
2007288923.tif 000004
【図３】
2007288923.tif 000005