JP2007258342A - 熱電子型発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トンネル現象によって一対の電極間を移動する熱電子を利用する熱電子型発電装置において、大きな発電量を実現するための技術を提供すること。
【解決手段】 熱電子型発電装置１０は、熱源からの熱が加わる高温側電極３２と、その高温側電極３２に空間６０を隔てて対向している低温側電極３４を備えている。高温側電極３２の表面３２ａは、平滑な面である。低温側電極３４の表面３４ａには、複数の凹凸が形成されていることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、トンネル現象によって一対の電極間を移動する熱電子を利用する熱電子型発電装置に関する。

温度差に基づくエネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子型発電装置が開発されている。熱電子型発電装置は、空間を隔てて対向している高温側電極と低温側電極を備えている。高温側電極は、熱源からの熱が加わるように構成されている。高温側電極と低温側電極を隔てている空間は、真空状態に保たれていることが多い。このため、高温側電極と低温側電極の間には、温度差が生じる。

従来から知られている熱電子型発電装置の一つに、高温側電極と低温側電極の間に外部から電界が与えられている型式のものがある。この型式の熱電子型発電装置では、外部からの電界によって、熱電子が高温側電極の表面から放出され、低温側電極の表面まで移動する。高温側電極と低温側電極の間に負荷が接続されていると、低温側電極に移動した電子は、負荷を介して高温側電極に戻ることができる。これにより、熱電子型発電装置は、負荷に対して電力を供給することができる。この型式の熱電子型発電装置は、高温側電極と低温側電極の間に電界を与えるための外部装置を必要としている。このため、熱電子型発電装置に必要とされる部品点数が増加する。

部品点数の少ない熱電子型発電装置の一つに、トンネル現象によって、熱電子を高温側電極と低温側電極の間を移動させる型式のものがある。この型式の熱電子型発電装置では、高温側電極と低温側電極の間の空間の距離が短く形成されている。高温側電極と低温側電極の間の距離は、数十ｎｍ以下に形成されている。このため、高温側電極の表面の熱電子は、トンネル現象によって高温側電極の表面から低温側電極の表面まで移動することができる。この型式の熱電子型発電装置は、電界を与えるための外部装置を必要としない。
この型式の熱電子型発電装置の一例は、特許文献１に開示されている。

特開２００４−３４９３９８号公報

この型式の熱電子型発電装置では、大きな発電量を実現するための技術が望まれている。また、この型式の熱電子型発電装置では、大きな発電電圧を実現するための技術も望まれている。
本発明は、トンネル現象を利用する熱電子型発電装置において、大きな発電量を実現する技術又は大きな発電電圧を実現する技術を提供することを目的としている。

本発明は、以下に複数の熱電子型発電装置を提案する。いずれの熱電子型発電装置も、高温側電極の表面の形態と低温側電極の表面の形態に着目している点において共通しており、実質的に対応する特別な技術的特徴を有している。

本発明は、高温側電極の表面の形態と低温側電極の表面の形態が異なっていることを特徴としている。従来のこの型式の熱電子型発電装置では、高温側電極の表面は平滑に形成されており、低温側電極の表面も平滑に形成されている。したがって、従来のこの型式の熱電子型発電装置では、高温側電極の表面の形態と低温側電極の表面の形態が同一であると評価される。本発明者らは、高温側電極の表面の形態と低温側電極の表面の形態が異なっていると、熱電子型発電装置の発電量が増大したり、熱電子型発電装置の発電電圧が増大することを見出し、本発明を創作するに至ったのである。

即ち、本発明は、トンネル現象によって一対の電極間を移動する熱電子を利用する熱電子型発電装置に具現化することができる。本発明の第１の熱電子型発電装置は、熱源からの熱が加わる高温側電極と、その高温側電極に空間を隔てて対向している低温側電極を備えている。本発明の第１の熱電子型発電装置では、高温側電極の表面粗さと低温側電極の表面粗さが異なっていることを特徴としている。
高温側電極の表面粗さと低温側電極の表面粗さが異なっていると、高温側電極の表面の形態と低温側電極の表面の形態が異なっている評価できる。高温側電極の表面の形態と低温側電極の表面の形態が異なっていると、熱電子型発電装置の発電量が増大したり、熱電子型発電装置の発電電圧が増大する。

本発明の第１の熱電子型発電装置では、低温側電極の表面の方が、高温側電極の表面よりも算術平均粗さ（Ｒａ）が小さくしてもよい。
上記関係になっていると、高温側電極と低温側電極の間の空間のエネルギー障壁の高さが減少する。このため、トンネル現象によって移動する熱電子量が増大し、熱電子型発電装置の発電量が増大する。

本発明の第１の熱電子型発電装置では、低温側電極の表面の方が、高温側電極の表面よりも凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が小さくしてもよい。
上記関係になっていると、高温側電極と低温側電極の間の空間のエネルギー障壁の高さが減少する。このため、トンネル現象によって移動する熱電子量が増大し、熱電子型発電装置の発電量が増大する。
また、本発明の第１の熱電子型発電装置では、低温側電極の表面の方が、高温側電極の表面よりも算術平均粗さ（Ｒａ）が小さく、且つ凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が小さくなっているのが好ましい。上記現象が確実に得られ、熱電子型発電装置の発電量が増大する。

本発明の第１の熱電子型発電装置では、高温側電極の表面の方が、低温側電極の表面よりも算術平均粗さ（Ｒａ）が小さくしてもよい。
上記関係になっていると、高温側電極と低温側電極の間の空間のエネルギー障壁の高さが増大する。このため、トンネル現象によって移動する熱電子量が減少する。特に、低温側電極から高温側電極まで移動する熱電子量が減少する。このため、高温側電極から低温側電極まで移動する熱電子量と低温側電極から高温側電極まで移動する熱電子量の差が増大する。したがって、両者を拮抗させるのに必要な電圧、即ち開放電圧が増大する。このため、熱電子型発電装置の発電電圧が増大する。

本発明の第１の熱電子型発電装置では、高温側電極の表面の方が、低温側電極の表面よりも凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が小さくしてもよい。
上記関係になっていると、高温側電極と低温側電極の間の空間のエネルギー障壁の高さが増大する。このため、トンネル現象によって移動する熱電子量が減少する。特に、低温側電極から高温側電極まで移動する熱電子量が減少する。このため、高温側電極から低温側電極まで移動する熱電子量と低温側電極から高温側電極まで移動する熱電子量の差が増大する。したがって、両者を拮抗させるのに必要な電圧、即ち開放電圧が増大する。このため、熱電子型発電装置の発電電圧が増大する。
また、本発明の第１の熱電子型発電装置では、高温側電極の表面の方が、低温側電極の表面よりも算術平均粗さ（Ｒａ）が小さく、且つ凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が小さくなっているのが好ましい。上記現象が確実に得られ、熱電子型発電装置の発電電圧が増大する。

本発明の第２の熱電子型発電装置は、熱源からの熱が加わる高温側電極と、その高温側電極に空間を隔てて対向している低温側電極を備えている。高温側電極の表面は、平滑な面である。低温側電極の表面には、複数の凹凸が形成されていることを特徴としている。
低温側電極の表面にのみ複数の凹凸が形成されているので、高温側電極の表面の形態と低温側電極の表面の形態が異なっていると評価できる。低温側電極の表面にのみ複数の凹凸が形成されていると、空間のエネルギー障壁の高さが減少し、熱電子型発電装置の発電量が増大する。

本発明の第２の熱電子型発電装置では、低温側電極の複数の凹凸が、スパッタ法を利用して形成されていることが好ましい。スパッタ法を利用すると、電極の表面に複数の凹凸を形成することができる。

本発明の第２の熱電子型発電装置では、低温側電極の表面の複数の凹凸に基づいて求められる平均の曲率半径が、高温側電極の表面と低温側電極の表面の間の距離よりも小さいことが好ましい。
上記関係が得られていると、熱電子型発電装置の発電量が大幅に増大する。
なお、ここでいう凹凸は、様々な形態を含む広義の意味で解釈される。複数の凹凸を構成する個々の凹凸は、共通した形態である必要はなく、それぞれが固有の形態を有していてもよい。また、ここでいう凹凸の寸法は数nmから数十nmである。このため、個々の凹凸は、数百個ないし数千個の原子によって構成されている。したがって、個々の凹凸の形態は、個々の凹凸の輪郭を近似的に結ぶことによって評価される。このようにして捉えられた個々の凹凸の形態から、個々の凹凸の曲率半径が求められる。

本発明の第３の熱電子型発電装置は、熱源からの熱が加わる高温側電極と、その高温側電極に空間を隔てて対向している低温側電極を備えている。高温側電極の表面には、複数の凹凸が形成されている。低温側電極の表面は、平滑な面であることを特徴としている。
高温側電極の表面にのみ複数の凹凸が形成されているので、高温側電極の表面の形態と低温側電極の表面の形態が異なっていると評価できる。高温側電極の表面にのみ複数の凹凸が形成されていると、空間のエネルギー障壁の高さが増大し、熱電子型発電装置の発電電圧が増大する。

本発明の第３の熱電子型発電装置では、高温側電極の表面の複数の凹凸が、スパッタ法を利用して形成されていることが好ましい。スパッタ法を利用すると、電極の表面に複数の凹凸を形成することができる。

本発明の第３の熱電子型発電装置では、高温側電極の表面の複数の凹凸に基づいて求められる平均の曲率半径が、高温側電極の表面と低温側電極の表面の間の距離よりも小さいことが好ましい。
上記関係が得られていると、熱電子型発電装置の発電電圧が大幅に増大する。

本発明の第４の熱電子型発電装置は、熱源からの熱が加わる高温側電極と、その高温側電極に空間を隔てて対向している低温側電極を備えている。高温側電極の表面には、複数の凹凸が形成されている。さらに、低温側電極の表面にも、複数の凹凸が形成されている。本発明の他の一つの熱電子型発電装置では、高温側電極の表面の複数の凹凸に基づいて求められる平均の曲率半径と低温側電極の表面の複数の凹凸に基づいて求められる平均の曲率半径が異なっていることを特徴としている。
高温側電極の表面の複数の凹凸に基づいて求められる平均の曲率半径と低温側電極の表面の複数の凹凸に基づいて求められる平均の曲率半径が異なっていると、高温側電極の表面の形態と低温側電極の表面の形態が異なっていると評価できる。高温側電極の表面の形態と低温側電極の表面の形態が異なっていると、熱電子型発電装置の発電量が増大したり、熱電子型発電装置の発電電圧が増大することができる。

本発明の第４の熱電子型発電装置では、高温側電極の表面の複数の凹凸が、スパッタ法を用いて形成されているのが好ましい。さらに、低温側電極の表面の複数の凹凸も、スパッタ法を用いて形成されているのが好ましい。本発明の第４の熱電子型発電装置では、高温側電極の表面に複数の凹凸を形成する際のスパッタ法の製造条件と低温側電極の表面に複数の凹凸を形成する際のスパッタ法の製造条件が異なっていることを特徴としている。
スパッタ法を利用すると、電極の表面に複数の凹凸を形成することができる。したがって、スパッタ法の製造条件を異ならせると、高温側電極の複数の凹凸に基づいて求められる平均の曲率半径と低温側電極の複数の凹凸に基づいて求められる平均の曲率半径を異ならせることができる。

本発明によると、高温側電極の表面の形態と低温側電極の表面の形態が異なっていることによって、発電量が増大した熱電子型発電装置や、発電電圧が増大した熱電子型発電装置を提供することができる。

本発明の好ましい形態を列記する。
（第１形態） 高温側電極の材料には、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ＢａＯ等の仕事関数の小さい複合材料等が用いられる。
（第２形態） 低温側電極の材料には、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ＢａＯ等の仕事関数の小さい複合材料等が用いられる。
（第３形態） 高温側電極と低温側電極の間の空間の距離は、１００nm以下である。
（第４形態） 高温側電極と低温側電極の間の空間は、真空状態である。

（第１実施例）
図１に、熱電子型発電装置１０の構成を模式的に示す。熱電子型発電装置１０は、トンネル現象によって一対の電極間を移動する熱電子を利用する型式である。このため、熱電子型発電装置１０は、外部から電界を与えるための外部装置を備えていない。

熱電子型発電装置１０は、第１層２０と、高温側電極３２と、低温側電極３４と、第２層４０を備えている。高温側電極３２と低温側電極３４は、空間６０を隔てて対向している。なお、本明細書で高温側電極３２の表面３２ａとは、高温側電極３２の外表面のうち空間６０に露出する面であり、低温側電極３４に対向している面をいう。同様に、本明細書で低温側電極３４の表面３４ａとは、低温側電極３４の外表面のうち空間６０に露出する面であり、高温側電極３２に対向する面をいう。

第１層２０の材料には、シリコン基板が用いられている。第１層２０の材料には、シリコン基板に代えて、銅などの熱伝導率の高いものが用いられてもよい。第１層２０は、熱源側に配置され、熱源からの熱を高温側電極３２に伝熱する。
高温側電極３２は、第１層２０上に形成されている。高温側電極３２の材料には、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ＢａＯ等の仕事関数の小さい複合材料等が用いられている。高温側電極３２は、スパッタ法を利用して、第１層２０上に形成されている。高温側電極３２の表面３２ａは、平滑な面である。スパッタ法の製造条件を調整することによって、高温側電極３２の表面３２ａを平滑にすることができる。
低温側電極３４は、高温側電極３２に空間６０を隔てて対向している。低温側電極３４の材料には、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ＢａＯ等の仕事関数の小さい複合材料等が用いられている。低温側電極３４は、スパッタ法を利用して形成されている。なお、空間６０は、図示しない犠牲層を除去することによって形成される中空空間である。したがって、低温側電極３４は、スパッタ法を利用して、除去される前の犠牲層上に形成される。図示しない犠牲層を除去することによって、高温側電極３２と低温側電極３４が空間６０を隔てて対向する関係が得られる。低温側電極３４の表面３４ａには、複数の凹凸が形成されている。スパッタ法の製造条件を調整することによって、低温側電極３４の表面３４ａに、複数の凹凸を形成することができる。
高温側電極３２と低温側電極３４の間の空間６０の距離Ｇ６０は、概ね０．１〜１００nmで形成されている。空間６０は、真空状態に保たれている。
第２層４０は、低温側電極３４上に形成されている。第２層４０には、シリコンが用いられている。第２層４０には、シリコンに代えて、銅などの熱伝導率の高いものが用いられてもよい。第２層４０は、エピタキシャル成長法、ＣＶＤ法、スパッタ法を利用して、低温側電極３４上に形成されている。
高温側電極３２と低温側電極３４の間には、負荷５０が接続されている。

次に、熱電子型発電素子１０の動作を説明する。
外部の熱源からの熱が高温側電極３２に加わると、高温側電極３２の表面３２ａ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が増加する。高温側電極３２と低温側電極３４の間の空間６０の距離Ｇ６０が短く形成されているので、熱電子の一部は、トンネル現象によって高温側電極３２の表面３２ａから低温側電極３４の表面３４ａまで移動することができる。低温側電極３４に移動した熱電子は、負荷５０を介して高温側電極３２に戻ることができる。これにより、熱電子型発電装置１０は、負荷５０に対して電力を供給することができる。

ここで、熱電子型発電素子１０の特徴を説明する。熱電子型発電素子１０は、高温側電極３２の表面３２ａの形態と低温側電極３４の表面３４ａの形態が異なっていることを特徴としている。熱電子型発電素子１０は、高温側電極３２の表面３２ａの表面粗さと低温側電極３４の表面３４ａの表面粗さが異なっていることを特徴としている。高温側電極３２の表面３２ａは平滑であり、低温側電極３４の表面３４ａには複数の凹凸が形成されている。即ち、低温側電極３４の表面３４ａの凹凸の平均間隔（Ｓｍ）は、高温側電極３２の表面３２ａの凹凸の平均間隔（Ｓｍ）よりも小さい。高温側電極３２の表面３２ａは平滑であり、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）は実質的に無限大と評価される。表面粗さを測定する方法は特に限定されないが、例えば光学的手法を利用する方法、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を利用する方法、プローブを利用する方法等が用いられる。また、表面粗さが異なっているとは、好ましくは１０％以上の差があることをいい、より好ましくは１００％以上の差があることをいう。低温側電極３４の表面３４ａの凹凸の平均間隔（Ｓｍ）は、高温側電極３２の表面３２ａの凹凸の平均間隔（Ｓｍ）よりも小さいと、空間６０のエネルギー障壁の高さが減少する。

また、低温側電極３４の表面３４ａの形態は、形成されている複数の凹凸に基づいて求められる平均の曲率半径（以下、低温側電極３４の平均曲率半径という）によっても評価される。ここでいう平均曲率半径は、以下の手法によって測定することができる。低温側電極３４の表面３４ａを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）又は走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）で観察すると、低温側電極３４の表面３４ａに形成されている複数の凹凸の断面図が得られる。個々の凹凸の形態は、個々の凹凸の輪郭を近似的に結ぶことによって評価される。このようにして捉えられた個々の凹凸の形態から、個々の凹凸の形態の曲率半径が求められる。単位面積当たりに存在している凹凸の曲率半径の合計値を、存在する凹凸の個数で割ることによって、平均曲率半径が求められる。
高温側電極３２の表面３２ａは平滑なので、平均曲率半径は実質的に無限大と評価される。したがって、低温側電極３４の平均曲率半径は、高温側電極３４の平均曲率半径よりも小さいと評価される。低温側電極３４の平均曲率半径が、高温側電極３４の平均曲率半径よりも小さいと、空間６０のエネルギー障壁の高さが減少する。

図２に、空間６０のエネルギー障壁を示す。図中の破線Refは、高温側電極３２の表面３２ａ及び低温側電極３４の表面３４ａがいずれも平滑に形成されている場合である。実線１０Ａは、低温側電極３４の平均曲率半径が、空間６０の距離Ｇ６０に略等しい場合である。実線１０Ｂは、低温側電極３４の平均曲率半径が、空間６０の距離Ｇ６０の約１０分の１の場合である。
図２に示すように、低温側電極３４の平均曲率半径が小さくなると、空間６０のエネルギー障壁の高さが小さくなることが分かる。空間６０のエネルギー障壁の高さが小さくなると、高温側電極３２の表面３２ａに存在する熱電子が、トンネル現象によって高温側電極３２の表面３２ａから低温側電極３４の表面３４ａまで移動する現象が活発化する。このため、高温側電極３２の表面３２ａから低温側電極３４の表面３４ａまで移動する熱電子の量が増大する。これにより、熱電子型発電素子１０は、大きな発電量を得ることができる。

図３に、熱電子型発電素子１０の発電量が増大する様子を示す。図３の横軸は、空間６０の距離Ｇ６０に対する低温側電極３４の平均曲率半径の比である。図３の縦軸は、高温側電極３２の表面３２ａ及び低温側電極３４の表面３４ａがいずれも平滑に形成されている場合（図２の破線Ref）の発電量に対する熱電子型発電素子１０の発電量の比である。
図３に示すように、低温側電極３４の平均曲率半径が空間６０の距離Ｇ６０よりも小さくなると、熱電子型発電素子１０の発電量が増大する。空間６０の距離Ｇ６０に対する低温側電極３４の平均曲率半径の比が「１」を下回ると、熱電子型発電素子１０の発電量は顕著に増大する。これにより、空間６０の距離Ｇ６０に対する低温側電極３４の平均曲率半径の比が「１」を下回るように構成すると、熱電子型発電素子１０の発電量が増大する。

熱電子型発電素子１０の他の特徴を記載する。
（１）高温側電極３２の表面３２ａの形態と低温側電極３４の表面３４ａの形態を異ならせるためには、それらの製造条件を異ならせるのが好ましい。高温側電極３２と低温側電極３４は、スパッタ法を利用して形成されている。例えば、スパッタ法の製造条件のうち、成膜速度、温度、圧力等が、高温側電極３２を作製するときと低温側電極３４を作製するときの間で変更されていると、高温側電極３２の表面３２ａの形態と低温側電極３４の表面３４ａの形態を異ならせることができる。
（２）上記の熱電子型発電素子１０では、高温側電極３２の表面３２ａが平滑であり、低温側電極３４の表面３４ａに凹凸が形成されている場合を示してきた。この例に代えて、高温側電極３２の表面３２ａに凹凸が形成されており、低温側電極３４の表面３４ａに凹凸が形成されていてもよい。この場合でも、低温側電極３４の表面３４ａの方が、高温側電極３２の表面３２ａよりも凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が小さく形成されていると、低温側電極３４の平均曲率半径が高温側電極３２の平均曲率半径よりも小さくなる。さらに、低温側電極３４の表面３４ａの方が、高温側電極３２の表面３２ａよりも算術平均粗さ（Ｒａ）が小さく形成されていると、低温側電極３４の平均曲率半径が高温側電極３２の平均曲率半径よりも小さくなる。したがって、空間６０のエネルギー障壁の高さが小さくなり、熱電子型発電素子１０は、大きな発電量を得ることができる。

熱電子型発電素子１０のより詳細な検討を以下に説明する。
上記で説明したように、（１）低温側電極３４の表面３４ａの算術平均粗さ（Ｒａ）及び／又は凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が高温側電極３２の表面３２ａよりも小さいと、あるいは（２）低温側電極３４の平均曲率半径が高温側電極３４の平均曲率半径よりも小さいと、空間６０のエネルギー障壁の高さが減少する。このことは、次のように説明される。空間６０のエネルギー障壁の高さは、電極の仕事関数からバイアス効果に基づく減少幅と鏡像電荷効果に基づく減少幅を引き算することで決定される。バイアス効果に基づく空間６０のエネルギー障壁の高さの減少幅は、上記（１）あるいは（２）の関係が満たされていると、大きくなる。一方、鏡像効果に基づく空間６０のエネルギー障壁の高さの減少幅は、上記（１）あるいは（２）の関係が満たされていると、小さくなる。したがって、上記（１）あるいは（２）の関係が満たされているときに、バイアス効果に基づく空間６０のエネルギー障壁の高さの減少幅が、鏡像効果に基づく空間６０のエネルギー障壁の高さの減少幅を上回ると、空間６０のエネルギー障壁の高さが減少する現象が確実に得られる。

以下の条件で熱電子型発電装置を作成するときは、低温側電極の表面に複数の凹凸を形成するのが好ましい。熱電子型発電装置の発電量が増大することが確認されている。
１．高温側電極及び低温側電極の仕事関数が０．５ｅＶであり、空間の距離が１０nmであり、電極の温度差が５００Ｋ（３００Ｋと８００Ｋ）の場合。
２．高温側電極及び低温側電極の仕事関数が０．５ｅＶであり、空間の距離が５０nmであり、電極の温度差が１００Ｋ（３００Ｋと４００Ｋ）の場合。
３．高温側電極及び低温側電極の仕事関数が１ｅＶであり、空間の距離が５nmであり、電極の温度差が５００Ｋ（３００Ｋと８００Ｋ）の場合。
４．高温側電極及び低温側電極の仕事関数が１ｅＶであり、空間の距離が１０nmであり、電極の温度差が１００Ｋ（３００Ｋと４００Ｋ）の場合。
５．高温側電極及び低温側電極の仕事関数が１．５ｅＶであり、空間の距離が５nmであり、電極の温度差が５００Ｋ（３００Ｋと８００Ｋ）の場合。
６．高温側電極及び低温側電極の仕事関数が１．５ｅＶであり、空間の距離が１０nmであり、電極の温度差が５００Ｋ（３００Ｋと８００Ｋ）の場合。
７．高温側電極及び低温側電極の仕事関数が１．５ｅＶであり、空間の距離が１０nmであり、電極の温度差が１００Ｋ（３００Ｋと４００Ｋ）の場合。

（第２実施例）
図４に、熱電子型発電装置１１０の構成を模式的に示す。熱電子型発電装置１１０の基本的な構成は、第１実施例の熱電子型発電装置１０と同一である。熱電子型発電装置１１０では、高温側電極１３２ａの表面１３２ａの形態と低温側電極１３４の表面１３４ａの形態が、第１実施例の熱電子型発電装置１０のそれとは異なっている。

ここで、熱電子型発電素子１１０の特徴を説明する。熱電子型発電素子１１０は、高温側電極１３２の表面１３２ａの形態と低温側電極１３４の表面１３４ａの形態が異なっていることを特徴としている。高温側電極１３２の表面１３２ａに複数の凹凸が形成されており、低温側電極１３４の表面１３４ａの表面は平滑である。即ち、高温側電極１３２の表面１３２ａの方が、低温側電極１３４の表面１３４ａよりも凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が小さく形成されている。あるいは、高温側電極１３４の平均曲率半径が、低温側電極１３４の平均曲率半径よりも小さく形成されている。高温側電極１３２の表面１３２ａの形態と低温側電極１３４の表面１３４ａの形態が上記関係で異なっていると、空間１６０のエネルギー障壁の高さが増大する。

図５に、空間１６０のエネルギー障壁を示す。図中の破線Refは、高温側電極１３２の表面１３２ａ及び低温側電極１３４の表面１３４ａがいずれも平滑に形成されている場合である。実線１１０Ａは、高温側電極１３２の平均曲率半径が、空間１６０の距離Ｇ１６０に略等しい場合である。実線１１０Ｂは、高温側電極１３２の平均曲率半径が、空間１６０の距離Ｇ１６０の約１０分の１の場合である。
図５に示すように、高温側電極１３２の平均曲率半径が小さくなると、空間１６０のエネルギー障壁が大きくなることが分かる。空間１６０のエネルギー障壁が大きくなると、高温側電極１３２の表面１３２ａから低温側電極１３４の表面１３４ａまで移動する熱電子の量（以下、第１の熱電子量という）が減少するとともに、低温側電極１３４の表面１３４ａから高温側電極１３２の表面１３２ａまで移動する熱電子の量（第２の熱電子量という）も減少する。特に、第２の熱電子量が減少する量は、第１の熱電子量の減少する量よりも大きい。このため、熱電子型発電素子１１０では、第１の電子量と第２の電子量の差が拡大する。

第１の電子量と第２の電子量の差が拡大すると、第１の電子量と第２の電子量を拮抗させるのに必要な電圧（Ｖbias）が増大する。この電圧（Ｖbias）は、開放電圧と呼ばれ、熱電子型発電素子１１が発電できる最大の電圧である。即ち、熱電子型発電素子１１０では、第１の電子量と第２の電子量の差が拡大することによって、大きな発電電圧を得ることができる。

図６に、熱電子型発電素子１１０の発電電圧が増大する様子を示す。図６の横軸は、空間１６０の距離Ｇ１６０に対する高温側電極１３２の平均曲率半径の比である。図６の縦軸は、高温側電極１３２の表面１３２ａ及び低温側電極１３４の表面１３４ａがいずれも平滑に形成されている場合の発電電圧に対する熱電子型発電素子１１０の発電電圧の比である。
図６に示すように、高温側電極１３４の平均曲率半径が空間１６０の距離Ｇ１６０よりも小さくなると、熱電子型発電素子１１０の発電電圧が増大する。空間１６０の距離Ｇ１６０に対する高温側電極１３２の平均曲率半径の比が「１」を下回ると、熱電子型発電素子１１０の発電電圧は顕著に増大する。これにより、空間１６０の距離Ｇ１６０に対する高温側電極１３２の平均曲率半径の比が「１」を下回るように構成すると、熱電子型発電素子１１０の発電電圧が増大することが確認された。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例の熱電子型発電装置の構成を模式的に示す。 第１実施例の熱電子型発電装置の空間のエネルギー障壁を示す。 第１実施例の熱電子型発電装置において、曲率半径の比と発電量の比の関係を示す。 第２実施例の熱電子型発電装置の構成を模式的に示す。 第２実施例の熱電子型発電装置の空間のエネルギー障壁を示す。 第２実施例の熱電子型発電装置において、曲率半径の比と発電電圧の比の関係を示す。

符号の説明

２０、１２０：第１層
３２、１３２：高温側電極
３４、２３４：低温側電極
４０、１４０：第２層
５０：負荷
６０：空間

Claims (13)

1. トンネル現象によって一対の電極間を移動する熱電子を利用する熱電子型発電装置であって、
   熱源からの熱が加わる高温側電極と、
   その高温側電極に空間を隔てて対向している低温側電極を備えており、
   高温側電極の表面の表面粗さと低温側電極の表面の表面粗さが異なっていることを特徴とする熱電子型発電装置。
2. 低温側電極の表面の方が、高温側電極の表面よりも算術平均粗さ（Ｒａ）が小さいことを特徴とする請求項１の熱電子型発電装置。
3. 低温側電極の表面の方が、高温側電極の表面よりも凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が小さいことを特徴とする請求項１又は２の熱電子型発電装置。
4. 高温側電極の表面の方が、低温側電極の表面よりも算術平均粗さ（Ｒａ）が小さいことを特徴とする請求項１の熱電子型発電装置。
5. 高温側電極の表面の方が、低温側電極の表面よりも凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が小さいことを特徴とする請求項１又は４の熱電子型発電装置。
6. トンネル現象によって一対の電極間を移動する熱電子を利用する熱電子型発電装置であって、
   熱源からの熱が加わる高温側電極と、
   その高温側電極に空間を隔てて対向している低温側電極を備えており、
   高温側電極の表面は、平滑な面であり、
   低温側電極の表面には、複数の凹凸が形成されていることを特徴とする熱電子型発電素子。
7. 低温側電極の表面の複数の凹凸は、スパッタ法を利用して形成されていることを特徴とする請求項６の熱電子型発電装置。
8. 低温側電極の表面の複数の凹凸に基づいて求められる平均の曲率半径は、高温側電極の表面と低温側電極の表面の間の距離よりも小さいことを特徴とする請求項６又は７の熱電子型発電装置。
9. トンネル現象によって一対の電極間を移動する熱電子を利用する熱電子型発電装置であって、
   熱源からの熱が加わる高温側電極と、
   その高温側電極に空間を隔てて対向している低温側電極を備えており、
   高温側電極の表面には、複数の凹凸が形成されており、
   低温側電極の表面は、平滑な面であることを特徴とする熱電子型発電素子。
10. 高温側電極の表面の複数の凹凸は、スパッタ法を利用して形成されていることを特徴とする請求項９の熱電子型発電装置。
11. 高温側電極の表面の複数の凹凸に基づいて求められる平均の曲率半径は、高温側電極の表面と低温側電極の表面の間の距離よりも小さいことを特徴とする請求項９又は１１の熱電子型発電装置。
12. トンネル現象によって一対の電極間を移動する熱電子を利用する熱電子型発電装置であって、
    熱源からの熱が加わる高温側電極と、
    その高温側電極に空間を隔てて対向している低温側電極を備えており、
    高温側電極の表面には、複数の凹凸が形成されており、
    低温側電極の表面には、複数の凹凸が形成されており、
    高温側電極の表面の複数の凹凸に基づいて求められる平均の曲率半径と低温側電極の表面の複数の凹凸に基づいて求められる平均の曲率半径が異なっていることを特徴とする熱電子型発電装置。
13. 高温側電極の表面の複数の凹凸は、スパッタ法を用いて形成されており、
    低温側電極の表面の複数の凹凸は、スパッタ法を用いて形成されており、
    高温側電極の表面に複数の凹凸を形成する際のスパッタ法の製造条件と低温側電極の表面に複数の凹凸を形成する際のスパッタ法の製造条件が異なっていることを特徴とする請求項１２の熱電子型発電装置。

Images