(57)【要約】【課題】リーク電流を抑制できる熱電子発電素子を提供する。【解決手段】互いに対向するように配置された一対の電極を備え、一対の電極の間を移動する熱電子を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子であって、互いに対向するように配置された２つの基板１、２と、互いに離された状態で２つの基板１、２の間に配置され、２つの基板１、２にそれぞれ積層された２つの電極３、４と、２つの電極３、４から離された状態で２つの基板１、２の間に配置され、２つの基板１、２と接続され、２つの電極３、４の間の距離を規定するスペーサ５と、を備え、２つの基板１、２のうち少なくともいずれか一方は、絶縁体で構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向するように配置された一対の電極を備え、前記一対の電極の間を移動する熱電子を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子であって、
互いに対向するように配置された２つの基板（１、２）と、
互いに離された状態で前記２つの基板の間に配置され、前記２つの基板にそれぞれ積層された２つの電極（３、４）と、
前記２つの電極から離された状態で前記２つの基板の間に配置され、前記２つの基板と接続され、前記２つの電極の間の距離を規定するスペーサ（５）と、を備え、
前記２つの基板のうち少なくともいずれか一方は、絶縁体で構成されている熱電子発電素子。
【請求項２】
前記２つの基板のうち少なくともいずれか一方の基板に、該基板を厚み方向に貫通し、前記２つの電極のうち該基板に積層された電極の該基板の側の面を露出させる開口部（２１）が形成されており、
該電極の表面から前記開口部を通り該基板の外側に至るように形成された、該電極と該基板の外側との伝熱のためのフィン（１０）を備える請求項１に記載の熱電子発電素子。
【請求項３】
前記２つの電極のうち、熱源からの熱が加わることにより熱電子を放出する電極をエミッタ電極とし、
前記２つの電極のうち、前記エミッタ電極から放出された熱電子を捕獲する電極をコレクタ電極としたとき、
前記２つの基板のうち前記コレクタ電極が積層された基板は、冷媒によって冷却されている請求項１または２に記載の熱電子発電素子。
【請求項４】
前記２つの電極のうち一方は、熱源からの熱が加わることにより熱電子を放出する電極であり、
該電極は、半導体材料で構成されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱電子発電素子。
【請求項５】
前記半導体材料は、ダイヤモンドを主成分とする請求項４に記載の熱電子発電素子。
【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熱電子発電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱電子発電素子は、高温の電極表面から熱電子が放出される現象を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、エミッタ電極を高温にすることで熱電子が放出され、コレクタ電極に到達する。
【０００３】
このような熱電子発電素子について、高効率な発電を実現するために、電極間の距離をナノメートルオーダー程度に短くすることで、トンネル現象を利用して熱電子放出効率を向上させることが検討されている。また、電極間隔を狭くすれば空間電荷の影響が小さくなり、発電出力が大きくなることが原理的に分かっている。
【０００４】
しかし、このような微小な間隔で電極間を保持することは困難であり、機械加工による方法では加工精度上の限界の寸法である。
【０００５】
これについて、例えば特許文献１では、電極間隔を維持するために絶縁体で構成されるスペーサを電極間に保持する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００２−５４０６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の装置では、電極に直接スペーサが接続されているため、スペーサの表面を電流がリークしやすい。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、リーク電流を抑制できる熱電子発電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、互いに対向するように配置された一対の電極を備え、一対の電極の間を移動する熱電子を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子であって、互いに対向するように配置された２つの基板（１、２）と、互いに離された状態で２つの基板の間に配置され、２つの基板にそれぞれ積層された２つの電極（３、４）と、２つの電極から離された状態で２つの基板の間に配置され、２つの基板と接続され、２つの電極の間の距離を規定するスペーサ（５）と、を備え、２つの基板のうち少なくともいずれか一方は、絶縁体で構成されている。
【００１０】
これによれば、スペーサが２つの電極から離された状態で配置されており、２つの電極とスペーサは、絶縁体で構成された基板により電気的に絶縁されているため、スペーサを介したリーク電流を抑制することができる。
【００１１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態にかかる熱電子発電素子の断面図である。
【図２】第２実施形態にかかる熱電子発電素子の断面図である。
【図３】図２のIII矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１４】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態の熱電子発電素子は、互いに対向するように配置された一対の電極を備え、この一対の電極の間を移動する熱電子を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態の熱電子発電素子は、互いに対向するように配置された２つの基板１、２と、互いに離された状態で２つの基板１、２の間に配置され、２つの基板１、２にそれぞれ積層された２つの電極３、４と、スペーサ５とを備えている。
【００１６】
基板１は、絶縁基板１１に導電性基板１２が積層された構成とされている。ここで、絶縁基板とは、酸化物、窒化物、セラミック、高抵抗の半導体材料等の高抵抗材料で構成された基板をいう。絶縁基板１１は熱伝導率の高いＡｌＮで構成され、導電性基板１２はモリブデン、ＳＵＳ等で構成されている。基板２は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等で構成された絶縁基板である。
【００１７】
図１に示すように、導電性基板１２には電極３が積層されている。電極３は、熱源からの熱が加わることにより熱電子を放出するエミッタ電極であり、金属や低抵抗の半導体材料等の導電材料で構成されている。半導体材料とは、例えば、ダイヤモンド、Ｓｉ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＢＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等である。本実施形態では、電極３はタングステンで構成されている。
【００１８】
なお、電極３は、導電性基板１２に比べて仕事関数が小さくされている。そのため、後述する配管８を流れる高温気体の温度を調整することにより、導電性基板１２と電極３のうち、電極３から熱電子が多く放出され、導電性基板１２からは熱電子がほとんど放出されない状態で、熱電子発電素子を動作させることができる。
【００１９】
図１に示すように、基板２には電極４が積層されている。電極４は、電極３から放出された熱電子を捕獲するコレクタ電極であり、金属や低抵抗の半導体材料等の導電材料で構成されている。本実施形態では、電極４は、タングステンで構成されている。電極４は、後述する配管９を流れる冷媒によって冷却されている。
【００２０】
本実施形態では、電極３および電極４は板状とされている。電極３の上面は、導電性基板１２の上面よりも寸法が小さくされており、電極３は、導電性基板１２の上面の内周部に積層されている。また、電極４の上面は、基板２の下面よりも寸法が小さくされており、電極４は、基板２の下面の内周部に積層されている。そして、導電性基板１２の上面、基板２の下面の外周部には、スペーサ５が接続されている。
【００２１】
スペーサ５は、電極３と電極４との距離を一定に保つためのものであり、ここではＳＵＳで構成されている。図１に示すように、スペーサ５は、２つの電極３、４から離された状態で２つの基板１、２の間に配置され、２つの基板１、２と接続されている。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態の電子放出素子はスペーサ５を２つ備えている。そして、２つのスペーサ５は、基板１、２、電極３、４の面内方向において、電極３、４の両側に配置されている。
【００２３】
具体的には、スペーサ５は円柱状とされており、長手方向が基板１、２、電極３、４の厚み方向と一致するように配置されている。そして、長手方向の一方の端部において基板１と接続され、他方の端部において基板２と接続されるように、基板１、２の外側からねじ止めされている。
【００２４】
スペーサ５の長手方向の寸法は、電極３、４の厚みと、これら２つの電極の間の距離とを合わせた寸法となっており、スペーサ５によって、２つの電極の間の距離が規定されている。
【００２５】
このような構成により、基板１、電極３、スペーサ５は、絶縁基板である基板２によって、電極４と電気的に絶縁されている。
【００２６】
図１に示すように、熱電子発電素子は、筐体６の中に配置されている。具体的には、筐体６は、内部が空洞とされた直方体形状の枠体で構成されており、熱電子発電素子は、筐体６の内部に形成された空洞に配置されている。
【００２７】
筐体６は、銅、モリブデン等の金属で構成されている。銅は熱伝導率が高いため、筐体６を銅で構成することで、熱電子発電素子の電極３、４と筐体６の外部との熱交換が効率よく行われ、熱電子発電素子の発電効率を向上させることができる。また、モリブデンは融点が高いため、筐体６をモリブデンで構成することで、外部からの熱による筐体６の破壊を抑制することができる。
【００２８】
また、筐体６を構成する枠体の一部は、アルミナ等の絶縁体で構成されている。筐体６のうち、絶縁体で構成された部分を絶縁部６１とする。
【００２９】
図１に示すように、基板１は筐体６の内側の面に接続されている。そして、基板２は、筐体６の内側の面のうち、基板１が接続された面に対向する面に接続されている。筐体６の内側は大気圧に比べて減圧された真空室とされており、Ｃｓが封入されている。
【００３０】
筐体６の外側には負荷７が配置されている。筐体６には、絶縁部６１を厚み方向に貫通する貫通孔が形成されており、負荷７は、この貫通孔を通る配線を介して、電極３、４と接続されている。
【００３１】
また、筐体６の外側には、配管８、配管９が設置されている。配管８は、図示しないポンプにより高温気体が流れる配管であり、筐体６の外側の面のうち、基板１に対応する部分に接続されている。配管９は、図示しないポンプにより冷媒である冷却水が流れる配管であり、筐体６の外側の面のうち、基板２に対応する部分に接続されている。
【００３２】
配管８を流れる高温気体との熱交換により電極３が加熱されると、電極３から熱電子が放出され、電極４に到達する。そして、熱電子は負荷７を通って電極３に戻る。これにより、負荷７に電力を供給することができる。このとき、配管９を流れる冷却水との熱交換により電極４を冷却することで、電極４からの熱電子の放出を抑制することができる。
【００３３】
このような熱電子発電素子では、電極間の距離をナノメートルオーダー程度に短くすることで、高効率に発電することができる。しかし、このような微小な間隔で電極間を保持することは困難であり、機械加工による方法では加工精度上の限界の寸法である。
【００３４】
これについて、例えば特許文献１では、電極間隔を維持するために絶縁体で構成されるスペーサを電極間に保持する方法が提案されている。電極間隔を維持する方法としてスペーサを用いる方法は、電極間隔の制御、信頼性共に有利であり、また、このようなスペーサを用いた熱電子発電素子は、安価に作製することができる。
【００３５】
しかしながら、特許文献１に記載の装置では、電極に直接スペーサが接続されているため、スペーサの表面を電流がリークしやすい。
【００３６】
これに対し本実施形態では、スペーサ５が電極３、４から離された状態で配置されており、電極４とスペーサ５は、絶縁基板である基板２により電気的に絶縁されているため、スペーサ５を介したリーク電流を抑制することができる。
【００３７】
また、電極間にスペーサを配置する方法では、電極間隔が短くなるに従いスペーサの厚みも薄くなり、絶縁性が低くなるため、電極間の電流リークが増加する問題があった。
【００３８】
これに対し本実施形態では、スペーサ５の長さは基板１と基板２との距離により定まり、基板１と基板２との距離が一定であれば、電極３と電極４との距離が変化してもスペーサ５の長さは変化しない。そのため、スペーサ５の長さを維持し、絶縁性を保ったまま電極３と電極４との距離を短くすることが可能であり、電流リークをさらに抑制することができる。
【００３９】
また、本実施形態では、電極３が絶縁基板である基板２によって電極４と電気的に絶縁されているため、基板２の厚みを大きくすることにより、電極３と電極４との絶縁性を容易に高めることができる。
【００４０】
また、スペーサ５が電極３または電極４に接している場合、スペーサ５を絶縁材料で構成する必要がある。これに対し本実施形態では、スペーサ５が電極３および電極４から離された状態で配置されており、電極３は、絶縁基板である基板２によって、電極４と電気的に絶縁されている。そのため、スペーサ５を金属等の導電材料で構成することができる。
【００４１】
なお、本実施形態では電極３および電極４をタングステンで構成したが、電極３および電極４を、ダイヤモンドを主成分とする半導体材料で構成してもよい。ここで、ダイヤモンドを主成分とする半導体材料とは、例えばダイヤモンドに半導体不純物が添加されたものをいう。また、ダイヤモンドの結晶粒界にグラファイト等が存在するものも、ダイヤモンドを主成分とする半導体材料とする。例えば、電極３および電極４を、シリコン基板と、このシリコン基板に積層されたＮ型ダイヤモンドの層とで構成してもよい。
【００４２】
ダイヤモンドは、カーボンナノチューブや他の半導体材料、金属材料に比べて仕事関数が小さく、電子を放出しやすい特性を持っているため、ダイヤモンドを主成分とする半導体材料で電極３を構成することにより、低い温度で発電することができる。電極３を上記の構成とした場合、１０００℃以下の温度、例えば２００℃程度で発電することができる。
【００４３】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して電極４の冷却方法を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００４４】
図２に示すように、本実施形態の基板２には、基板２を厚み方向に貫通し、電極４の基板２側の面を露出させる開口部２１が形成されている。そして、本実施形態の熱電子発電素子は、電極４と基板２の外側との伝熱のためのフィン１０を備えており、空冷によって電極４が冷却される。フィン１０は、電極４の表面から、開口部２１を通り、基板２の外側に至るように形成されている。これにより、電極４と基板２の外側との伝熱面積が第１実施形態に比べて大きくなる。
【００４５】
図２に示すように、本実施形態の熱電子発電素子はフィン１０を複数備えている。図２、図３に示すように、筐体６には開口部６２が形成されており、複数のフィン１０は、開口部６２を通って筐体６の外側へ延設されている。
【００４６】
また、本実施形態では、絶縁部６１は、筐体６を構成する枠体の、基板１等の厚み方向における中央部の全体に形成されており、この枠体のうち基板１に接続された部分と、基板２に接続された部分とが、絶縁部６１によって電気的に絶縁されている。このような構成により、外力によって筐体６が変形し、筐体６の開口端とフィン１０とが接触した場合にも、電極４がフィン１０および筐体６を通して基板１および電極３と電気的に接続されることを抑制することができる。
【００４７】
フィン１０を備えた本実施形態の熱電子発電素子では、電極４と筐体６の外部との熱交換の効率を向上させ、発電効率を向上させることができる。
【００４８】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００４９】
例えば、上記第１実施形態では基板１が絶縁基板１１および導電性基板１２を備えているが、基板１が絶縁基板１１および導電性基板１２のうちいずれか一方のみを備えていてもよい。基板１が絶縁基板１１で構成される場合、基板２が導電性基板とされていてもよい。すなわち、スペーサ５が接続される２つの基板のうち少なくともいずれか一方が絶縁体で構成されていればよい。
【００５０】
また、上記第２実施形態では空冷によって電極４を冷却しているが、フィン１０と接するように配管を設置し、この配管の内部を流れる冷媒と電極４とのフィン１０を介した熱交換により電極４を冷却してもよい。
【００５１】
また、上記第２実施形態では基板２に開口部２１を形成し、フィン１０を電極４に接続したが、基板１に開口部を形成し、電極３と基板１の外側との伝熱のためのフィンを配置してもよい。
【００５２】
また、熱電子発電素子がスペーサ５を１つのみ備えていてもよい。また、熱電子発電素子がスペーサ５を３つ以上備えていてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１  基板
２  基板
３  電極
４  電極
５  スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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