JP2003250285A

JP2003250285A - 熱発電装置、熱発電システムおよび熱発電方法

Info

Publication number: JP2003250285A
Application number: JP2002046901A
Authority: JP
Inventors: Rei Murai; 礼村井; Norio Akamatsu; 則男赤松
Original assignee: JGS KK
Current assignee: JGS KK
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2003-09-05

Abstract

(57)【要約】【課題】熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効
率に優れた熱発電装置、熱発電システムおよび熱発電方
法を提供する。【解決手段】内部が真空或いは不活性ガスに満たされ
た外枠部材１１の一部に外部に露出して設けられ、外部
から前記外枠部材内部に熱を伝導させる熱吸収窓１２
と、前記熱吸収窓を介して前記外枠部材の内部に伝導さ
れた熱エネルギーによって加熱された電子を放出する電
子放出部材２と、前記電子放出部材２から放出された電
子を加速する電子加速部材４と、前記電子収集部材と前
記電子加速部材とを電気的に絶縁する絶縁部材４１と、
前記外枠部材の内部に配置され、前記電子放出部材から
放出され、前記電子加速部材により加速された電子を収
集する電子収集部材３と、を備え、前記電子収集部材を
負極とし、前記電子放出部材を正極とすることにより、
前記電子収集部材から電子を移動させて発電を行う構成
とした

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加熱された熱電子
を利用して発電を行う熱発電装置、熱発電システム及び
熱発電方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】我が国は世界有数の火山国であるので、
熱資源が豊富であり、全世界の約１割に相当する熱エネ
ルギーが日本列島に賦存すると言われている。にもかか
わらず、我が国における地熱発電量は約５３万ｋｗ程度
にすぎない。一方、地熱だけでなく、工場や焼却炉など
で排出される廃熱や太陽熱も有効なエネルギー資源であ
る。地熱や太陽熱はクリーンエネルギーであるので、地
球の温暖化を防止するためにはこれらの熱エネルギーを
積極的に活用する必要がある。

【０００３】このような地熱や太陽熱を利用して発電を
行う熱発電装置については、従来、ゼーベック効果やペ
ルチェ効果などの発電原理を利用したものが知られてい
る。これらの方法は、何れも熱力学第二の法則に基づ
き、高温状態の物質から低温状態の物質へと熱が移動す
る際のエネルギーを利用したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た方法は、例えば、温度差により生じた熱電子が発電素
子中を移動する際に物体中の原子などに衝突することが
あり、エネルギー変換効率が悪く、十分な電力供給が果
たせていないという問題があった。また、発電素子を製
作するのに多大なコストを要していたため、費用対効果
の面でも実用化のレベルに達していないという問題があ
った。

【０００５】本発明の課題は、熱エネルギーから電気エ
ネルギーへの変換効率に優れた熱発電装置、熱発電シス
テムおよび熱発電方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めの手段として、本発明は、以下の構成要素を備えてい
る。なお、各構成要素には、後述する発明の実施の形態
において対応する構成要素を図１〜３に示される符号と
ともに括弧書きして例示する。請求項１記載の発明は、
熱発電装置（例えば、熱発電モジュール１００）におい
て、内部が真空或いは不活性ガスに満たされた外枠部材
１１と、前記外枠部材の一部に外部に露出して設けら
れ、外部から前記外枠部材内部に熱を伝導させる熱伝導
性部材１２と、前記外枠部材の内部に配置され、前記熱
伝導性部材を介して前記外枠部材の内部に伝導された熱
エネルギーによって加熱された電子を放出する電子放出
部材２と、前記電子放出部材との間で電界をかけて前記
電子放出部材から放出された電子を加速する電子加速部
材４と、前記電子収集部材と前記電子加速部材とを電気
的に絶縁する絶縁部材４１と、前記外枠部材の内部に配
置され、前記電子放出部材から放出され、前記電子加速
部材により加速された電子を収集する電子収集部材３
と、を備え、前記電子収集部材を負極とし、前記電子放
出部材を正極とすることにより、前記電子収集部材から
電子を移動させて発電を行う構成としたことを特徴とす
る。

【０００７】請求項１記載の発明によれば、熱伝導性部
材を介して伝導された熱による温度上昇により、電子放
出部材から真空或いは不活性ガス中に放出された電子
は、電子収集部材に収集されるので、その電子収集部材
において過剰となった電子を、電子が不足した電子放出
部材へ移動させる際に電気を発生させることができる。
従って、集められた熱エネルギーを電気エネルギーに変
換することができる。特に、真空或いは不活性ガスが満
たされた容器中を電子が移動することにより電気エネル
ギーを得ることができるので、電子が途中で原子と衝突
してロスすることがなく、熱エネルギーから電気エネル
ギーへの変換効率に優れた熱発電装置を提供できる。更
に、電子加速部材は、絶縁部材によって電子収集部材と
電気的に絶縁されているので、電子加速部材と電子収集
部材との間で電子の移動がほとんどなく、電流もほとん
ど流れないので、エネルギーの損失がほとんどない。従
って、よりエネルギー変換効率が高くなる。

【０００８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の熱
発電装置において、前記外枠部材は、断熱性を有するこ
とを特徴とする。

【０００９】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特
に、外枠部材は断熱性を有するので、内部の熱が外部へ
伝導してロスすることが無く、より効率的な発電を行う
ことができる。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の熱発電装置において、前記電子放出部材と前記電子
加速部材との間に電位差を与えて電界を発生させる電界
発生電源５を備えたことを特徴とする。

【００１１】請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何
れかに記載の熱発電装置において、前記電子放出部材
を、炭素により構成したことを特徴とする。

【００１２】請求項４記載の発明によれば、請求項１〜
３の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、電子放出部材は、炭素により構成さ
れるので、入手が困難でもなく、また、不純物を混入さ
せる必要もないので、製造コストがかかるというような
特殊な材料でもない。さらに、炭素材料は環境を破壊す
る要因にはならない物質であるので、多量に使用しても
環境に影響を及ぼすことがない。

【００１３】請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何
れかに記載の熱発電装置において、前記電子放出部材
を、ダイヤモンド構造物質により構成したことを特徴と
する。

【００１４】請求項５記載の発明によれば、請求項１〜
４の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、ダイヤモンド構造の物質は負性電子
親和力があり、電子が容易に放出される性質を有する物
質であるので、電子放出部材の材料として好適な物質と
して使用できる。

【００１５】請求項６記載の発明は、請求項１〜５の何
れかに記載の熱発電装置において、前記電子放出部材
を、カーボンナノチューブにより構成したことを特徴と
する。

【００１６】請求項６記載の発明によれば、請求項１〜
５の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、カーボンナノチューブは、炭素原子
より構成されるダイヤモンド構造物質のなかでも、直径
が極めて小さい物質であるので、電荷の先端集中現象に
よりカーボンナノチューブの曲率半径が小さい先端部に
集中した電子が放出されやすい。従って、電子放出部材
の材料として好適な物質として使用できる。また、カー
ボンナノチューブはナノメートル単位で実現されるもの
であるため、装置全体のサイズを小さくすることができ
る。装置を小さくすることで、電子が移動する距離を短
くすることができ、エネルギー変換効率を更に向上させ
ることができる。

【００１７】請求項７記載の発明は、請求項１〜３の何
れかに記載の熱発電装置において、前記電子放出部材
を、窒化ホウ素のナノチューブにより構成したことを特
徴とする。

【００１８】請求項７記載の発明によれば、請求項１〜
３の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、窒化ホウ素のナノチューブは、直径
が極めて小さい物質であるので、電荷の先端集中現象に
より窒化ホウ素のナノチューブの曲率半径が小さい先端
部に集中した電子が放出されやすい。従って、電子放出
部材の材料として好適な物質として使用できる。

【００１９】請求項８記載の発明は、請求項１〜７の何
れかに記載の熱発電装置において、前記電子収集部材お
よび前記電子加速部材のうち少なくとも一方を、透明或
いは半透明の導電性物質により構成したことを特徴とす
る。

【００２０】請求項８記載の発明によれば、請求項１〜
７の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、電子収集部材および電子加速部材の
うち少なくとも一方が、透明或いは半透明の導電性物質
により構成されているので、透明感があってデザイン性
に優れた熱発電装置を提供できる。

【００２１】請求項９記載の発明は、請求項１〜８の何
れかに記載の熱発電装置において、前記電子収集部材お
よび前記電子加速部材のうち少なくとも一方を、導電性
の有機化合物により構成したことを特徴とする。

【００２２】請求項９記載の発明によれば、請求項１〜
８の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、電子収集部材および電子加速部材の
うち少なくとも一方が、導電性の有機化合物により構成
されているので、例えば、金属などに比べて、薄膜化、
軽量化、加工性、高融点化などが図れる。

【００２３】請求項１０記載の発明は、熱発電システム
において、請求項１〜９の何れかに記載の熱発電装置を
１モジュールとし、それら複数の熱発電装置を直列又は
並列に接続した集合体としたことを特徴とする。

【００２４】請求項１０記載の発明によれば、請求項１
〜９の何れかに記載の熱発電装置を１モジュールとし、
それら複数の熱発電装置を直列又は並列に接続した集合
体としての熱発電システムを構築することができるの
で、所望の発電量に応じた発電システムとすることがで
きる。

【００２５】請求項１１記載の発明は、発電システムに
おいて、請求項１〜９の何れかに記載の熱発電装置が、
熱源の周囲を囲むように配置されていることを特徴とす
る。

【００２６】請求項１１記載の発明によれば、請求項１
〜９の何れかに記載の熱発電装置が、熱源の周囲を囲む
ように配置されているので、熱源から放出される熱を効
率的に装置内に取り込むことができることとなって、よ
り効率的な発電を行うことができる。

【００２７】請求項１２記載の発明は、発電方法におい
て、外部の熱を、熱伝導部材を介して真空容器内に伝導
させ、この熱により、真空容器内に配置された電子放出
部材を加熱して電子を放出させ、放出された電子を電子
収集部材により収集し、前記電子収集部材を負極とし、
前記電子放出部材を正極とすることにより、前記電子収
集部材から電子を移動させて発電を行うことを特徴とす
る。

【００２８】請求項１２記載の発明によれば、外部の熱
が、熱伝導部材を介して真空容器内に伝導され、この熱
により、真空容器内に配置された電子放出部材が加熱さ
れて電子が放出され、放出された電子が電子収集部材に
より収集され、電子収集部材が負極とされ、電子放出部
材が正極とされることにより、電子収集部材から電子が
移動した際、発電を行うことができるので、集められた
熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができ
る。特に、真空中を電子が移動することにより電気エネ
ルギーを得ることができるので、電子が途中で原子と衝
突してロスすることがなく、熱エネルギーから電気エネ
ルギーへの変換効率に優れた熱発電装置を提供できる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の実施
の形態を詳細に説明する。〔第１の実施の形態〕図１は本発明の熱発電モジュール
の断面側面図である。図１に示す熱発電装置としての熱
発電モジュール１００は、真空容器１と、この真空容器
１内に配置され、加熱されて温度上昇すると内部の電子
ｅを放出する電子放出部材２と、この電子放出部材２か
ら放出された電子ｅを収集する電子収集部材３と、を備
える。また、電子収集部材３の電子放出部材２側と反対
の面に離間して、電子加速部材４が配置されており、電
子放出部材２と電子加速部材４は、それぞれ電界発生電
源５に接続されている。

【００３０】真空容器１は、内部空間を有する外枠部材
１１と、この外枠部材１１の一面に設けられる熱伝導性
部材１２と、を有し、内部空間が真空状態に維持されて
いる。外枠部材１１は、断熱性及び絶縁性材料により構
成され、、熱伝導性部材１２は例えば、熱吸収性の窓、
或いは熱伝導率の高い物質などにより構成されている。

【００３１】電子放出部材２は、電界中において電子ｅ
を放出するものである。具体的には、カーボン、タング
ステン、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、窒化ホ
ウ素のナノチューブなど、電子を放出する性質を持つ物
質を用いる。この電子放出現象は、一般に電界放出と呼
ばれる現象であり、固体表面に強い電界がかかると、電
子を固体内に閉じこめている表面のポテンシャル障壁が
低く且つ薄くなり、電子がトンネル効果により真空中に
放出される現象である。特に、曲率半径が小さい物質が
電界中に置かれると、曲率半径が小さい尖った領域に電
荷が集中し、電子の放出が容易になる。これは、電荷の
先端集中現象といわれる放電工学ではよく知られた現象
である。特に、ダイヤモンド構造（diamond structur
e）の物質は負性電子親和力（Negative Electron Affin
ity）があり、伝導電子が容易に放出される性質を有す
る。

【００３２】このようなダイヤモンド構造的物質には、
カーボンナノチューブのように、主に炭素原子より構成
されるものが挙げられる。このカーボンナノチューブは
直径が小さい細い物質なので電荷の先端集中現象により
カーボンナノチューブ内の電子はクーロン力により最も
プラス電位に近い領域に集中する。ここで、カーボンナ
ノチューブに加えられる電界が電子放出のしきい値より
も大きい場合には、カーボンナノチューブの曲率半径が
小さい先端部に集中した電子の一部が空間に放出され
る。また、このカーボンナノチューブは直径が数ナノメ
ートルの極めて細いチューブ状物質であり、弱い電界で
も電子の放出が起こる。

【００３３】電子収集部材３は、真空容器１内で電子加
速部材４に向かって飛翔する電子ｅを収集する部材であ
る。電子収集部材３は、導電性物質により構成されてお
り、例えば、金、銀、ニッケル等の電気抵抗の低い金属
が好適である。また、電子収集部材３は、導電性有機化
合物で構成してもよい。導電性の有機化合物により構成
することにより、例えば、金属などに比べて、薄膜化、
軽量化、加工性、高融点化などが図れる。更に、電子収
集部材３は、透明な導電性物質を用いることも可能であ
る。透明或いは半透明の導電性物質を用いることによ
り、透明感のあるデザイン性に優れた熱発電装置を提供
できる。電子加速部材４は、電子収集部材３と同様な導
電性物質で構成されている。電子加速部材４は、真空容
器１の外枠部材１１と一体化して設置され、該電子加速
部材４の周囲は絶縁部材４１で覆われ、電界発生電源５
を除く各部と電気的に絶縁されている。従って、電子放
出部材２と電子加速部材４とは電気的に絶縁されている
ので、電子放出部材２と電子加速部材４間で消費される
電力量はほぼ零となっている。

【００３４】電界発生電源５は直流電圧発生装置であ
り、プラス端子５ａとマイナス端子５ｂを備える。電子
加速部材４にはプラス端子５ａが接続され、また、電子
放出部材５にはマイナス端子５ｂが接続される。これに
より、電子加速部材４から電子放出部材２へ向かう電気
力線（電界）が生ずる。

【００３５】次に、この熱発電モジュール１００の発電
の動作について説明する。なお、本実施の形態におい
て、電子放出部材２には、電界中において電子を放出す
る物質としてのカーボンナノチューブを用いた熱発電装
置１００について説明する。

【００３６】まず、電子放出部材２に電界発生電源５の
マイナス端子５ｂを接続し、電子加速部材４のプラス端
子５ａを接続し、電界発生電源５により起電力を加え
る。すると、電子放出部材２の表面に電子ｅが移動して
電子放出部材２は、負の電荷が帯電し、電子加速部材４
の表面には正孔が移動することにより、正の電荷が帯電
する。これにより、電子放出部材２と電子加速部材４と
の間に電界が発生する。この状態で、熱源（図示省略）
より熱吸収窓１２を介して真空容器１内に熱が伝導され
ると、電子放出部材２の表面には熱エネルギーを受けて
運動エネルギーが増加した熱電子ｅが発生する。ここ
で、真空容器１の外枠部材１１は、断熱性を有するの
で、内部に伝導した熱が外部へ再び伝導してロスしてし
まうことが防止される。

【００３７】次いで、熱電子ｅの運動エネルギーが更に
大きくなると、熱電子ｅは電子放出部材２内部から内部
空間に放出される。放出された電子ｅは、電界によって
加速され、電子加速部材４に向かって飛翔する。しか
し、電子加速部材４は、電子放出部材２と絶縁されてい
るので、電子ｅは電子加速部材４には到達できず、その
間に配置された電子収集部材３に衝突して、そこで吸収
される。ここで、電子放出部材２と電子収集部材３との
間の内部空間は真空となっているので、自由電子は気体
分子などに衝突することなく移動することができ、エネ
ルギーロスを減らすことができる。

【００３８】電子収集部材３は、吸収した電子ｅによっ
て定常状態よりも電子ｅが増えて電子過剰状態になり、
電子収集部材３は負電位に帯電し、電池の負極と同じ状
態になる。一方、電子放出部材２は電子が放出されたの
で、電子ｅが不足した状態になり、電子放出部材１は正
電位に帯電し、電池の正極と同じ状態になる。この状態
で、電子放出部材２を正部材とし、電子収集部材３を負
部材とし、両部材の間に電気的な負荷である負荷抵抗６
等を電気的に接続すると、電子収集部材３に吸収され、
過剰となった電子ｅは負荷抵抗６を経由して移動し、電
子ｅが不足する電子放出部材２に復帰する。この電子ｅ
の循環現象により電気エネルギーを得ることが可能にな
る。

【００３９】ここで、電子ｅが電子放出部材２から内部
空間に放出される際には、電子ｅが属している物質が構
成するエネルギーギャップを飛び越えるだけのエネルギ
ーを電子ｅが持っている必要がある。すなわち、電子放
出部材２は放出する電子ｅにその物質から空間に飛翔す
るだけのエネルギーを与えなければならない。すなわ
ち、電子ｅが内部空間に放出されると、電子放出部材２
は電子ｅに与えたエネルギーを失うことになる。従っ
て、電子放出部材２がエネルギーをわずかではあるが失
うことにより、例えば、電子放出部材２の温度が低下す
る。そのため、失ったエネルギーを補充しなければ電子
ｅを内部空間に放出し続けることはできない。そこで、
熱発電モジュール１００は、この失ったエネルギーを、
熱吸収窓１２を介して外部から伝達される熱で補充する
ことにより電子放出部材２からの電子放出を持続する構
成となっている。つまり、この熱発電モジュール１００
は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する、持続的
な発電を可能にしたものである。

【００４０】また、カーボンナノチューブの長さは数マ
イクロメータから数十マイクロメータの範囲であり、そ
の直径が数ナノメートルの極めて細いチューブ状物質で
あるので、本発明の熱発電モジュール１００において、
電子放出部材２は、使用するカーボンナノチューブの量
により任意の容積、形状に調整可能であるので、発電量
に応じた任意の容積、形状とすることができる。特に、
熱エネルギーがカーボンナノチューブに過不足無く供給
される表面積、厚さを有する電子放出部材２の大きさ、
容積であることが好ましい。また、そのカーボンナノチ
ューブは極微細な物質であるので、極小、極薄の電子放
出部材１を形成し、極小、極薄の熱発電モジュール１０
０とすることも可能である。

【００４１】また、ここで、電子加速部材４が消費する
電力を考察する。電子ｅを加速するためには電子加速部
材４にプラスの電圧を加える必要があり、そのため電界
発生電源５を必要とする。電子加速部材４は電子ｅを加
速するためにのみ用いられるので、電子加速部材４に電
子ｅが衝突することはない。すなわち、電子ｅを加速す
るための電源である電界発生電源５は、電子ｅにクーロ
ンの静電気力を作用させるだけであるので、電界発生電
源５から供給される電流はほとんど零に等しい。従っ
て、電界発生電源５が消費する電力は殆ど零に等しい。
このように電界発生電源５において消費される電力はほ
とんど零であるので、発電のために必要な消費電力がほ
とんど零となることとなって、熱エネルギーを電気エネ
ルギーに変換する効率が高く、この熱発電モジュール１
００は極めて実用性が高いと言える。

【００４２】このように、熱発電モジュール１００は、
電界を生じさせるために電界発生電源５から供給される
電流はほとんど零に等しく、電子ｅの発生、供給のため
の熱エネルギー源には、長期的、安定的に供給される可
能性の高い太陽光による熱、地熱、廃熱などが用いられ
ており、熱エネルギーを電気エネルギーに変換すること
ができるので、エネルギー変換効率が良好である。しか
も、本発明の熱発電モジュール１００に用いられる材料
には、特殊な材料（入手が困難な物質や製造コストのか
かる物質）は必要とせず、構造は簡単であるので、その
製造コストは安価であり、普及性があるといえる。

【００４３】また、その材料は、ガラスや合成樹脂、ス
テンレス等の金属を用いて製造することが可能なので、
劣化部がほとんど無く、耐久性に優れ、耐用年数は長
い。また、それら使用材質は環境を破壊する要因にはな
らないので熱発電モジュール１００を多量に使用しても
環境に及ぼす影響は問題とならない。また、その耐久性
を有し、耐用年数が長い熱発電モジュール１００内に各
部材を配置するので、その劣化はほとんどなく保守費用
がわずかでも長期的な使用に耐えることができる。さら
に、本発明の熱発電モジュールは軽量化、小型化が可能
であるので、いかなる場所にも設置することが可能であ
る。以上の効果により本発明の熱発電モジュールは実用
性が非常に高いといえる。

【００４４】また、上記第１の実施の形態における熱発
電モジュール１００において、電子放出部材２を内部に
収納する容器は真空容器１とし、その内部は真空に保た
れているとしたが、これに限らず、熱発電モジュール１
００内部には不活性ガス、例えば、アルゴンやネオン等
を封入するようにしてもよい。この場合、真空容器１は
密封容器となる。このように、密封容器内に不活性ガス
が封入されていると、電子放出効率が向上する。ただ
し、真空の場合に比べ、その不活性ガスを媒介して熱エ
ネルギーが外部に散逸するので、その分エネルギー変換
効率が低下することがある。従って、このような構成の
熱発電モジュールは、熱エネルギーのロスが少なくてす
むような、元々高温の箇所で用いるという場合に適して
いる。

【００４５】また、上記第１の実施の形態における熱発
電モジュール１００において、電子放出部材２がカーボ
ンナノチューブにより構成される場合について説明した
が、これに限らず、電子放出部材２に窒化ホウ素（Ｂ
Ｎ）のナノチューブを用いてもよい。窒化ホウ素のナノ
チューブもカーボンナノチューブと同様に、直径が数ナ
ノメートルの極めて細いチューブ状物質であり、弱い電
界中においても電荷の先端集中現象により、曲率半径が
小さい先端部に集中した電子の放出が起こりやすい物質
であるので、電子放出部材１として有効に機能すること
ができる。また、電子放出部材２と電子収集部材３との
両部材の間に接続する抵抗６は、電子ｅの循環現象によ
る電気エネルギーを取り出し、利用することを説明する
ための模式的なものであり、この抵抗６に対して電子を
通過させて電気エネルギーを使用する機器は任意のもの
である。

【００４６】〔第２の実施の形態〕次に、図２、３を参
照して、本発明の第２の実施の形態である熱発電システ
ムについて説明する。なお、第１の実施の形態と同一の
部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明
する。

【００４７】本実施の形態の熱発電システム２００ユニ
ットは、図２、３に示すように、本発明の熱発電モジュ
ール１００を直列、または並列に複数接続し、集合体と
したものである。

【００４８】前記した熱発電モジュール１００は、その
単体においても発電を行うことができるものであるが、
より多くの発電を行うためには、熱発電モジュール１０
０を直列、または並列に複数接続し、集合体とした熱発
電システムユニット２００とする。

【００４９】具体的には、図２に示すように、所定の形
状およびサイズの基板２０１に熱発電モジュール１００
を、直列、または並列に接続する。ここで、基板２０１
の形状は熱源や設置場所に応じて平面、球面、凹凸面な
ど、自由に設計することができ、サイズも所望する発電
量に応じて自由に決めることができる。このように、熱
発電システムユニット２００は、複数の熱発電モジュー
ル１００を接続することにより構成されるので、その設
置箇所や、所望する発電量に応じた熱発電システムユニ
ット２００とすることができる。

【００５０】また、図３（ａ）に示すように、図２に示
す熱発電システムユニット２００を熱源Ｇの周囲の四方
向に配置して熱源Ｇを囲む熱発電システム３００とする
ことにより、熱源Ｇから放出される熱をより効率的に電
気エネルギーに変換することができる。更に、図３
（ｂ）に示すように、断面視円形の熱源Ｇ’の全周囲を
熱発電システムユニット２００'が覆う熱発電システム
３００' にすれば、更に効率よく熱源Ｇ’の熱エネルギ
ーを電気エネルギーに変換することができる。また、図
３（ｃ）に示すように、熱源Ｇ''の形状に沿って、その
外側を覆うように形成された熱発電システムユニット２
００''により熱発電システム３００''を構成してもよ
い。

【００５１】なお、各構成部材に用いる絶縁性物質等も
任意であり、その他、具体的な細部構造等についても適
宜に変更可能であることは勿論である。

【００５２】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、熱伝導性
部材を介して伝導された熱による温度上昇により、電子
放出部材から真空或いは不活性ガス中に放出された電子
は、電子収集部材に収集されるので、その電子収集部材
において過剰となった電子を、電子が不足した電子放出
部材へ移動させる際に電気を発生させることができる。
従って、集められた熱エネルギーを電気エネルギーに変
換することができる。特に、真空或いは不活性ガスが満
たされた容器中を電子が移動することにより電気エネル
ギーを得ることができるので、電子が途中で原子と衝突
してロスすることがなく、熱エネルギーから電気エネル
ギーへの変換効率に優れた熱発電装置を提供できる。更
に、電子加速部材は、絶縁部材により電子収集部材と電
気的に絶縁されているので、電子加速部材と電子収集部
材との間で電子の移動がほとんどなく、電流もほとんど
流れないので、エネルギーの損失がほとんどない。従っ
て、よりエネルギー変換効率が高くなる。

【００５３】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特
に、外枠部材は断熱性を有するので、内部の熱が外部へ
伝導してロスすることが無く、より効率的な発電を行う
ことができる。

【００５４】請求項３記載の発明によれば、電界発生電
源により、電子放出部材と電子加速部材との間に電位差
が与えられて電界が発生するので、電子放出部材から真
空中に放出された電子をより確実に電子収集部材に収集
させることができることとなって、より効率的な発電を
行うことができる。

【００５５】請求項４記載の発明によれば、請求項１〜
３の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、電子放出部材は、炭素により構成さ
れるので、入手が困難でもなく、また、不純物を混入さ
せる必要もないので、製造コストがかかるというような
特殊な材料でもない。さらに、炭素材料は環境を破壊す
る要因にはならない物質であるので、多量に使用しても
環境に影響を及ぼすことがない。

【００５６】請求項５記載の発明によれば、請求項１〜
４の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、ダイヤモンド構造の物質は負性電子
親和力があり、電子が容易に放出される性質を有する物
質であるので、電子放出部材の材料として好適な物質と
して使用できる。

【００５７】請求項６記載の発明によれば、請求項１〜
５の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、カーボンナノチューブは、炭素原子
より構成されるダイヤモンド構造物質のなかでも、直径
が極めて小さい物質であるので、電荷の先端集中現象に
よりカーボンナノチューブの曲率半径が小さい先端部に
集中した電子が放出されやすい。従って、電子放出部材
の材料として好適な物質として使用できる。また、カー
ボンナノチューブはナノメートル単位で実現されるもの
であるため、装置全体のサイズを小さくすることができ
る。装置を小さくすることで、電子が移動する距離を短
くすることができ、エネルギー変換効率を更に向上させ
ることができる。

【００５８】請求項７記載の発明によれば、請求項１〜
３の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、窒化ホウ素のナノチューブは、直径
が極めて小さい物質であるので、電荷の先端集中現象に
より窒化ホウ素のナノチューブの曲率半径が小さい先端
部に集中した電子が放出されやすい。従って、電子放出
部材の材料として好適な物質として使用できる。

【００５９】請求項８記載の発明によれば、請求項１〜
７の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、電子収集部材および電子加速部材の
うち少なくとも一方が、透明或いは半透明の導電性物質
により構成されているので、デザイン性に優れた熱発電
装置を提供できる。請求項９記載の発明によれば、請求
項１〜８の何れかに記載の発明と同様の効果が得られる
ことは無論のこと、特に、電子収集部材および電子加速
部材のうち少なくとも一方が、導電性の有機化合物によ
り構成されているので、例えば、金属などに比べて、薄
膜化、軽量化、加工性、高融点化などが図れる。

【００６０】請求項１０記載の発明によれば、請求項１
〜９の何れかに記載の熱発電装置を１モジュールとし、
それら複数の熱発電装置を直列又は並列に接続した集合
体としての熱発電システムを構築することができるの
で、所望の発電量に応じた発電システムとすることがで
きる。

【００６１】請求項１１記載の発明によれば、請求項１
〜９の何れかに記載の熱発電装置が、熱源の周囲を囲む
ように配置されているので、熱源から放出される熱を効
率的に装置内に取り込むことができることとなって、よ
り効率的な発電を行うことができる。

【００６２】請求項１２記載の発明によれば、外部の熱
が、熱伝導部材を介して真空容器内に伝導され、この熱
により、真空或いは不活性ガスが満たされた容器内に配
置された電子放出部材が加熱されて電子が放出され、放
出された電子が電子収集部材により収集され、電子収集
部材が負極とされ、電子放出部材が正極とされることに
より、電子収集部材から電子が移動した際、発電を行う
ことができるので、集められた熱エネルギーを電気エネ
ルギーに変換することができる。特に、真空或いは不活
性ガスが満たされた容器中を電子が移動することにより
電気エネルギーを得ることができるので、電子が途中で
原子と衝突してロスすることがなく、熱エネルギーから
電気エネルギーへの変換効率に優れた熱発電装置を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる熱発電モジュール１００の概略
構成を示す断面側面図である。

【図２】熱発電モジュール１００を複数配置して構成さ
れた熱発電システム２００を示す斜視図である。

【図３】熱発電モジュール１００を複数配置して構成さ
れた熱発電システム３００を示す斜視図である。

【符号の説明】

１真空容器２電子放出部材３電子収集部材４電子加速部材５電界発生電源５ａプラス端子５ｂマイナス端子６抵抗１１外枠部材１２熱伝導性部材４１絶縁部材１００熱発電モジュール（熱発電装置）２００、２００'、２００'' 熱発電システムユニ
ット２０１基板３００、３００'、３００'' 熱発電システムＧ、Ｇ'、Ｇ'' 熱源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部が真空或いは不活性ガスに満たされた
外枠部材と、前記外枠部材の一部に外部に露出して設けられ、外部か
ら前記外枠部材内部に熱を伝導させる熱伝導性部材と、前記外枠部材の内部に配置され、前記熱伝導性部材を介
して前記外枠部材の内部に伝導された熱エネルギーによ
って加熱された電子を放出する電子放出部材と、前記電子放出部材との間で電界をかけて前記電子放出部
材から放出された電子を加速する電子加速部材と、前記電子収集部材と前記電子加速部材とを電気的に絶縁
する絶縁部材と、前記外枠部材の内部に配置され、前記電子放出部材から
放出され、前記電子加速部材により加速された電子を収
集する電子収集部材と、を備え、前記電子収集部材を負極とし、前記電子放出部材を正極
とすることにより、前記電子収集部材から電子を移動さ
せて発電を行う構成としたことを特徴とする熱発電装
置。
【請求項２】請求項１記載の熱発電装置において、前記外枠部材は、断熱性を有することを特徴とする熱発
電装置。
【請求項３】請求項１又は２記載の熱発電装置におい
て、前記電子放出部材と前記電子加速部材との間に電位差を
与えて電界を発生させる電界発生電源を備えたことを特
徴とする熱発電装置。
【請求項４】請求項１〜３の何れかに記載の熱発電装置
において、前記電子放出部材を、炭素により構成したことを特徴と
する熱発電装置。
【請求項５】請求項１〜４の何れかに記載の熱発電装置
において、前記電子放出部材を、ダイヤモンド構造物質により構成
したことを特徴とする熱発電装置。
【請求項６】請求項１〜５の何れかに記載の熱発電装置
において、前記電子放出部材を、カーボンナノチューブにより構成
したことを特徴とする熱発電装置。
【請求項７】請求項１〜３の何れかに記載の熱発電装置
において、前記電子放出部材を、窒化ホウ素のナノチューブにより
構成したことを特徴とする熱発電装置。
【請求項８】請求項１〜７の何れかに記載の熱発電装置
において、前記電子収集部材および前記電子加速部材のうち少なく
とも一方を、透明或いは半透明の導電性物質により構成
したことを特徴とする熱発電装置。
【請求項９】請求項１〜８の何れかに記載の熱発電装置
において、前記電子収集部材および前記電子加速部材のうち少なく
とも一方を、導電性の有機化合物により構成したことを
特徴とする熱発電装置。
【請求項１０】請求項１〜９の何れかに記載の熱発電装
置を１モジュールとし、それら複数の熱発電装置を直列
又は並列に接続した集合体としたことを特徴とする熱発
電システム。
【請求項１１】請求項１〜９の何れかに記載の熱発電装
置が、熱源の周囲に配置されていることを特徴とする熱
発電システム。
【請求項１２】外部の熱を、熱伝導部材を介して真空或
いは不活性ガスが満たされた容器内に伝導させ、この熱
により、前記容器内に配置された電子放出部材を加熱し
て電子を放出させ、放出された電子を電子収集部材によ
り収集し、前記電子収集部材を負極とし、前記電子放出
部材を正極とすることにより、前記電子収集部材から電
子を移動させて発電を行うことを特徴とする熱発電方
法。