JP4067750B2 - 光利用熱電子発電方法およびその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光利用熱電子発電方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱電子発電は、熱エネルギーから電気エネルギーへの直接変換法の一つであり、金属面が加熱されると電子が放出される熱電子放出現象を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する方式である。
【０００３】
かかる熱電子発電器は以下のような利点を有している。まず、小型化が可能であり、可動部がない静止器であるために静粛性に優れ、保守が容易である。また、機械的なエネルギーを介さずに電気エネルギーに変換されるために発電効率が高い。
【０００４】
これらのことから、太陽光等を利用した分散型発電等への応用に適していると考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱電子発電器は未だ実用化には至っていない。熱電子発電器は一般に高温で動作するため、高温動作による陰極の寿命、あるいはその安定性が問題となるからである。また、陰極から放出される電子は電極間空間に空間電荷としてとどまるが、両電極間に生ずる空間電荷効果が大きいと十分な電流が取り出せない。空間電荷効果を低減するためには電極間の距離を極端に短くするか、発電器内にセシウムを封入し、セシウムイオンを生成して空間電荷を中和することが考えられる。
【０００６】
これまでにも熱電子発電器に磁界を印加して出力電流特性の検討を行ったもの、Ｘｅランプを光源として光照射することで、出力電流の増大現象が起こることを明らかにした研究等がある。
【０００７】
熱電子発電器内に封入されているセシウムは５６０〜６６０ｎｍの波長域にセシウム分子の吸収帯が存在しており、この付近の光を照射するのが有効であると思われる。そこで、本発明は、単色性が良く、発振波長が可変である色素レーザ光を用い、熱電子発電器に光照射を行ったときの出力電流の波長依存性、及び光照射による出力電流の増大効果を利用した低温動作熱電子発電器の基礎的な実験を行った。
【０００８】
一方、従来からの太陽電池は太陽光波長のうちのごく一部しか活用されておらず、結果として、発電効率は１０％程度と低い。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑みて、強力な光である太陽光波長を十分に活用して、発電効率の向上を図り得る光利用熱電子発電方法およびその装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光利用熱電子発電方法において、強力な光をレンズを使って集光し、前記強力な光の長波長域でエミッタを中空状にしてその中に反射面を有する光トラップ用突起を形成した光トラップ付きエミッタ電極を加熱するとともに、短波長域光を前記エミッタ電極近傍のアルカリ金属原子に照射し、該アルカリ金属原子を励起・電離させて放電を起こさせ、前記エミッタ電極近傍の負の空間電荷を中和させ、エミッタ電流を増大させることを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の光利用熱電子発電方法において、前記強力な光として太陽光を用いることを特徴とする。
【００１２】
〔３〕上記〔１〕記載の光利用熱電子発電方法において、前記アルカリ金属原子としてセシウム原子を用いることを特徴とする。
【００１３】
〔４〕光利用熱電子発電装置において、電気炉内に配置される低圧セシウム封入型熱電子発電管と、レンズを使って強力な光を集光し、該強力な光の長波長域でエミッタを中空状にしてその中に反射面を有する光トラップ用突起を形成した光トラップ付きエミッタ電極を加熱する手段と、短波長域光を前記エミッタ電極近傍のアルカリ金属原子に照射し、該アルカリ金属原子を励起・電離させて放電を起こさせ、前記エミッタ電極近傍の負の空間電荷を中和させる手段とを具備することを特徴とする。
【００１４】
〔５〕上記〔４〕記載の光利用熱電子発電装置において、前記レンズはフレネルレンズであることを特徴とする。
【００１５】
〔６〕上記〔４〕又は〔５〕記載の光利用熱電子発電装置において、前記強力な光は太陽光であることを特徴とする。
【００１６】
〔７〕上記〔４〕又は〔５〕記載の光利用熱電子発電装置において、前記アルカリ金属原子はセシウム原子であることを特徴とする。
【００１７】
〔８〕光利用熱電子発電方法において、強力な光をレンズを使って集光し、前記強力な光でエミッタを中空状にしてその中に反射面を有する光トラップ用突起を形成した光トラップ付きエミッタ電極を加熱するとともに、前記エミッタ電極近傍のアルカリ金属原子に照射し、空間電荷中和度αを１０-2以下となし、エミッタからの熱電子放出電流を１０-3Ａ／ｃｍ2 となし、エミッタ仕事関数φE を２．２ｅＶとすることにより、光照射によって電極間空間に放電を誘起し、高効率で大出力を得られる点火モード動作を行うことを特徴とする。
【００１８】
〔９〕上記〔８〕記載の光利用熱電子発電方法において、前記光照射は太陽光照射であることを特徴とする。
【００１９】
〔１０〕上記〔８〕記載の光利用熱電子発電方法において、前記光照射は太陽光照射であり、フレネルレンズを使って集光し、電力と温水を得ることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
まず、本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置について説明する。
【００２２】
図１は本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の模式図である。
【００２３】
この図において、１は電気炉、２はその電気炉１に設けられるフレネルレンズからなる第１の光照射用窓、３はその電気炉１に設けられる第２の光照射用窓、４は低圧セシウム封入型熱電子発電管（熱電子発電器）、５は熱電子発電器４内に配置されるコレクタ、６はエミッタ、７はそのエミッタ６に配置されるヒータ、８はセシウム溜め、９はヒータ７に接続されるヒータ加熱用電源、１０はダイオード、１１はコレクタ５とエミッタ６間に接続される直流可変電源、１２は外部抵抗、２１は太陽光、３１はエキシマレーザ、３２は色素レーザである。
【００２４】
そこで、熱電子発電器４はパイレックスガラス製であり、直径約５０ｍｍ、長さ約１４０ｍｍで、二方向に光照射用の窓が設けられている。高温に加熱されるエミッタ６から熱電子放出が起こり、放出される電子をコレクタ５で捕集し出力電流を得る。エミッタ６は直径約１５ｍｍの円筒形のニッケル製で渦巻状ヒータにより加熱される傍熱型の構造である。コレクタ５は直径約４０ｍｍのステンレス製であり、エミッタ６に光を照射できるように中心が約１５ｍｍのモリブデンメッシュ（メッシュ線径０．１ｍｍφ、２０ｍｅｓｈ／ｉｎｃｈ）でできており、この部分の光の透過率は約８５％である。またエミッタ６とコレクタ５の電極間隔は、電極間にレーザ光を照射することを考え約１５ｍｍとした。なお、熱電子発電器４内にはセシウム溜め８があり、セシウムが封入されている。
【００２５】
このような光利用熱電子発電装置は、熱電子発電器４、光源である色素レーザ３２（Ｌａｍｂｄａ Ｐｈｙｓｉｃ社製、ＬＰＤ３００２Ａ）、色素レーザ３２をポンピングするためのエキシマレーザ３１（Ｌａｍｂｄａ Ｐｈｙｓｉｃ社製、ＬＰＸ２０５ｉ）、及び測定用の外部回路で構成される。色素レーザ３２のレーザ媒質はローダミン６４０をメタノール溶解したもので、発振波長６１５〜６６０ｎｍ、半値幅３３ｎｓである。ポンピング用のエキシマレーザ３１のレーザ媒質はＸｅＣｌで、発振波長３０８ｎｍ、半値幅３０ｎｓ、最大エネルギー約５００ｍＪである。熱電子発電器４は電気炉１内に設置され、炉温度を調節することにより、熱電子発電器４内のセシウム蒸気圧を制御する。炉温度は、熱電子発電器４下部にあるセシウム溜め８の近くに置いたクロメル−アルメル熱電対で測定した。エミッタ６の温度測定は光高温計（Ｃｈｉｎｏ社製パイロスタＭＯＤＥＬ ＩＲ−Ｕ）を用いた。エミッタ６は、ヒータ加熱用電源９からのダイオード１０による６０Ｈｚ半波整流電流を用いて加熱し、表面温度を変化させる。半波整流電流を用いているのは、加熱電流で生じる電界が放出される電子に影響を与え、出力電流が減少することやノイズの影響を避けるためである。したがって、ここでの測定は全て、ヒータ加熱用の半波整流電流休止間に行った。
【００２６】
光照射実験を行う前に、エミッタ６とコレクタ５の両電極間に三角波電圧を印加し、印加電圧が０Ｖの時の熱電子発電器４の出力電流を短絡電流値として求めた。三角波電圧はヒータ加熱用の６０Ｈｚ半波整流電流の休止している半サイクル間に印加した。図２にエミッタ温度に対する短絡電流特性を示す。これは、エミッタ温度の増加によりセシウムの接触電離が盛んに起こり空間電荷が中和されるためと考えられる。今回実験した範囲内では、光照射を行う前の短絡電流はせいぜい０．６Ａ／ｍ2 程度の小さなものであった。
【００２７】
光照射実験の際には、ヒータ加熱用の６０Ｈｚ半波整流電流が休止している半サイクル間に単発で光を照射する。レーザ光は二枚のレンズを用いてビーム径約１０ｍｍの平行ビームにした。実験用の光源はパルス発振を用いたので、その出力電流は時間とともに変化する。従って三角波電圧源を用い短絡電流値を簡単に求めることは困難であるため、熱電子発電器４の出力電流の目安としてエミッタ６とコレクタ５の電極間に予め２Ｖの直流バイアスをコレクタ５側が正電位となるように印加し、外部抵抗１２の電圧降下から出力電流を測定した。
【００２８】
また、この実験では、エミッタ６とコレクタ５の電極間空間に光照射を行う時を空間照射、コレクタ５を通過させ、エミッタ電極に光照射を行うときを電極照射と呼ぶことにする。出力電流波形の一例を図３に示す。
【００２９】
図３中のカーソルＸは光照射前の出力電流で、カーソルＯは光照射後のピーク出力電流である。これらの波形の実験条件は共通で、セシウム蒸気圧は２．８Ｐａ、エミッタ温度は８７０Ｋであり、図３（ａ）は空間照射、図３（ｂ）は電極照射の例である。両者を比較すると、図３（ａ）に示す空間照射の方が遅く立ち上がり、図３（ｂ）に示す電極照射では鋭く立ち上がった後、ゆっくり立ち上がっていることが分かる。図３（ｂ）に示す電極照射ではエミッタに光照射されるため光電子放出が起こり、立ち上がりの鋭いものとなると考えられる。
【００３０】
（照射光の波長による出力電流特性）
照射光の波長に対する熱電子発電器の出力電流密度特性を図４に示す。光照射はエミッタとコレクタの電極間空間に照射する空間照射時のものである。光照射を行ったときの熱電子発電器の出力電流は照射光の波長により、著しく変化している。そして波長６１８ｎｍ付近と６３０ｎｍ付近を中心に、幅広い波長領域で比較的大きな出力電流が得られている。波長６４０ｎｍ以降の領域ではあまり大きな出力電流は得られていない。しかし時折、鋭いピークがいくつか現れている。特に出力電流の大きくなる領域ではセシウムの遷移に共鳴した波長であり、光電離が活発に起こる。このために電極間に存在する空間電荷が効率よく中和され、出力電流の増大効果が顕著になると考えられる。波長６１８ｎｍと６３０ｎｍ付近の幅広い二つのピークはセシウムの分子遷移、そして以後、数度現れる波長域の非常に狭い鋭いピークは、セシウムの原子遷移によるものと思われる。
【００３１】
電極照射のときも波長に対する出力電流特性は、図４と同様の傾向を示した。そしてセシウム蒸気圧、エミッタ温度を変化させたときも同様の結果が得られた。
【００３２】
熱電子発電の実際の応用を考えると、例えば太陽光のように波長域の広い光源を用いるときは、分子遷移のピークのように幅広く大きな出力電流が得られる波長域の光を照射して動作させるのが有効であろう。以後の実験では、セシウムの分子遷移によるもののうち、大きな出力電流が得られた６２７ｎｍの波長を選択した。
【００３３】
なお、エミッタとコレクタの間隔は、約１５ｍｍで照射光のビーム径は約１０ｍｍであり、照射光の位置を移動させると熱電子発電器の出力電流も変化し、最適な照射位置が存在していることが実験より明らかとなった。
【００３４】
従って、電極間空間において熱電子発電器出力電流の最大となるような位置で実験を行った。その位置は、エミッタからレーザビームの中心までが約５ｍｍの所であった。
（照射光のビーム径に対する出力電流特性）
電極間隔と照射光のビーム径を比較すると照射光のビーム径の方が小さいため、ビーム径を変化させたときの出力電流密度の測定を行った。その結果を図５に示す。照射光のビーム断面積を大きくすると、出力電流も大きくなっていく。つまりビーム径を小さくしてレーザエネルギー密度を大きくすることにより、同じレーザエネルギーならば両極間の広い範囲に光照射を行い空間電荷を中和させた方が、効果的に出力電流が増大すると言える。また、レーザエネルギーの高いときの方がビーム径に対する出力電流の依存性は大きい。しかし、何れの場合でもビーム径が狭いほど出力電流の増加の割合は大きく、ビーム径が広くなるにつれ飽和傾向を示した。
【００３５】
（光照射による熱電子発電器の出力電流の改善）
空間照射時のエミッタ温度に対する出力電流密度特性を図６に示す。
【００３６】
セシウム蒸気圧１．８Ｐａ以上の時、出力電流はエミッタ温度の上昇とともに大きくなっていき、ピークを迎えてから減少していく。エミッタ温度が高くなると熱電子放出は盛んになり、熱電子発電器の出力電流は増加していく。しかしエミッタ温度がある値以上になると、エミッタ表面のセシウムの吸着量が減り、陰極の仕事関数はニッケルの値に近づき大きな値になる。したがって、電子が放出され難くなり、出力電流にピークが現れるようになる。なお、セシウム蒸気圧は高くなるほど、出力電流のピークはエミッタ温度の高い方へシフトしている。蒸気圧が高いときは、電極表面に吸着するセシウムの層が厚くなっている。
【００３７】
したがって、吸着しているセシウムを蒸発させるのに、より高いエミッタ温度を必要とするためと考えられる。
【００３８】
エミッタ温度９４０Ｋ、セシウム蒸気圧９．９Ｐａの時、エミッタの仕事関数を文献〔Ｊ．Ｍ．Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｈ．Ｆ．Ｗｅｂｓｔｅｒ：“Ｔｈｅｒｍｏｎｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ”，Ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏｌ．ＸＶＩＩ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ Ｉｎｃ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９６２）〕による値１．６９ｅＶと仮定したときのリチャードソン・ダッシュマンの式による放出電子流は、１ｋＡ／ｍ2 となり、出力電流は放出電流の５％程度と小さく、まだ、空間電荷が十分中和されているとは言えない。
【００３９】
電極照射時のエミッタ温度に対する出力電流特性を図７に示す。
【００４０】
実験条件は空間照射のときと同じである。セシウム蒸気圧２．８Ｐａ以下の時は、電極照射の出力電流は空間照射の約半分ほどの値となっている。光照射をエミッタに行うことで電極の加熱効果が起こり、吸着しているセシウムが蒸発して減少する。このため電極の仕事関数は大きくなり、電子が放出され難くなるので出力電流は小さくなる。しかし、セシウム蒸気圧が９．９Ｐａのように高いときでは、電極照射の出力電流は空間照射のものと同程度の値が得られた。これは蒸気圧が高くなると、電極表面に吸着するセシウム層も厚くなるためであると考えられる。このように今回実験した範囲内では、電極方向に光を照射することより、電極間空間に照射した方が大きな出力電流を得ることができた。
【００４１】
次に、光照射の効果を見るために、光照射前と光照射後の出力電流の比を図８と図９に表す。いずれの実験条件でも増加率に極大値が現れる。その値は数百倍にも達しており、光照射によりエミッタ温度９００Ｋ付近の出力電流が著しく改善されている。この時、光照射前の出力電流密度は０．１Ａ／ｍ2 程度と小さく、リチャードソン・ダッシュマンの式による放出電子流の０．０３％にすぎない。電極の寿命を考慮すると増加率の極大付近で動作させるのが有効であると考えられる。
【００４２】
空間照射時のレーザエネルギーに対する出力電流密度特性を図１０に示す。
【００４３】
レーザエネルギーを大きくしていくと出力電流も大きくなっていく。しかし、エミッタ温度の低いときでは、レーザエネルギーの値を大きくしても出力電流はあまり変化せず、飽和傾向を示す。エミッタ温度が低いときは放出される熱電子そのものの量が少なく、空間電荷を十分中和するイオンが生成されれば、レーザエネルギーが増加しても出力電流は増加しない。逆にエミッタ温度が高温になると放出される電子の量が多く、レーザエネルギーが高くなると生成されるセシウムイオンの量も多くなり、出力電流は増加する。エミッタ温度が高いとき、レーザエネルギーに対し出力電流密度はまだ飽和していないので、空間電荷を中和するのに十分なエネルギーの光照射により一桁以上大きな出力電流が得られると期待できる。
【００４４】
電極照射時のレーザエネルギー出力電流特性を図１１に表す。この時の出力電流も、空間照射のときと同様の傾向を示しており、エミッタ温度が低いときは飽和傾向を示し、エミッタ温度が高いときは、レーザエネルギーにより出力電流が増加する。
（出力電流波形の評価）
エミッタ温度に対する出力電流波形のピーク時間の特性を図１２に表す。
【００４５】
エミッタ温度が低温領域のときほど、出力電流は遅く立ち上がっている。そしてエミッタ温度が高温になるにつれ、出力電流は速く立ち上がるようになりエミッタ温度８５０Ｋ以上の領域では、ピーク時間はほぼ一定値に近づいている。
【００４６】
エミッタ温度が低温時では放出電子の初速度は小さく、そしてエミッタ温度の上昇につれ初速度も大きくなる。従ってエミッタ温度が高くなるとピーク時間は速くなるものと思われる。また、空間照射と電極照射のピーク時間を比較してみると、電極照射の方が出力電流の立ち上がりが速くなっている。
【００４７】
エミッタ温度に対する出力電流波形の半値幅を図１３に示す。エミッタ温度の低い領域では、特に半値幅も広くなっており、温度の上昇に伴って半値幅は狭くなる。エミッタ温度が高くなると多くの電子放出が起こる。そして、放出された電子とセシウムイオンとの再結合が起こり、セシウムイオンの消滅は速くなる。
【００４８】
従って、出力電流波形の半値幅も狭くなると考えられる。空間照射と電極照射の半値幅を比較すると、電極照射の方が狭い。電極照射ではエミッタの加熱効果による熱電子放出、または光電子放出現象のために、多くの電子が放出され、セシウムイオンの消滅する時間がさらに速まるためであると思われる。
【００４９】
上記したように、熱電子発電器に光照射を行うと、光電離によるセシウムイオンの生成により、出力電流の増大効果が起こる。このためエミッタ温度は比較的低温領域でも大きな出力電流が得られる。その時出力電流は照射する光の波長に大きく依存する。特に、セシウムの分子遷移によるものと思われる広い波長域での増大効果、そしてセシウムの原子遷移によるものと思われる非常に狭い波長域での増大効果の起こることが明らかになった。
【００５０】
ここで得られた出力電流密度は、４５Ａ／ｍ2 と十分大きな値とはいえない。しかし、レーザエネルギーに対し出力電流には飽和していない。即ち、空間電荷を十分中和するほどイオンが生成されていない。光照射により高い出力電流のレベルまで空間電荷を中和することが出来るならば、熱電子発電器の動作温度を低温化させる一つの有力な方法となることが期待できる。
【００５１】
太陽光等を利用した分散型発電を考えるとき、単に太陽光を熱エネルギーに変換するだけでなく、積極的に光エネルギーの一部をセシウムイオン生成のために利用するような装置とすることにより、熱電子発電器の動作温度を低温化させ、その動作寿命を格段に延ばすことが可能である。
【００５２】
なお、上記実施例では、強力な光として、太陽光を挙げたが、強力な光源があれば、この熱電子発電器の熱源に利用できる。具体的には、太陽光、溶鉱炉等からの放射光、核融合装置内の放射光、原子炉の燃料の発光等がこれに相当する。
【００５３】
化石燃料の燃焼熱でエミッタを加熱し、発電効率改善のための補助放電に光電離・励起を利用することもできる。すなわち、熱源に化石燃料の燃焼熱を、補助放電に光電離を用いた高効率発電にも本発電器を応用できる。この場合も、コジェネレーションが可能である。
【００５４】
また、本発明は、太陽エネルギーを熱源とする家庭用コジェネレーションシステムとして利用できる。これと同じ方式で、農業用コジェネレーションシステムにも応用できる。宇宙で利用すれば、太陽エネルギーの密度が高く、紫外光成分も大きいので、発電量は著増する。宇宙船の動力用電源にも利用できる。
【００５５】
更に、製鉄用溶鉱炉などの大型炉の廃熱を用いて発電することができる。
【００５６】
核融合が実現した段階で、発生エネルギーを電気に変換しなければならない。その場合にも、本発明は有効である。
【００５７】
上記したように、太陽電池と太陽熱温水器の２つの機能を併せ持つ装置であるため、太陽エネルギーを熱源とするコジェネレーションシステムが構築される。これは同時に太陽エネルギーの高効率利用を意味する。
【００５８】
太陽電池と比べて、製造コストは著しく低く（数分の１以下）、家庭用の装置として普及し易い条件を持っている。また、故障が少なく装置の維持が容易である。
【００５９】
光エネルギーは電極の支持を簡略化できるので、電極からの熱伝導損失を抑えることができ、高効率発電を可能とする。
【００６０】
温水を取り出す代わりに、熱電素子を使えば、発電力はさらに高められる。
【００６１】
次に、本発明の他の実施例の光利用熱電子発電方法について説明する。
【００６２】
セシウム雰囲気中の高温タングステン表面から放出される熱電子放出電流密度は、セシウム蒸気温度Ｔｃs が５００Ｋ付近の場合には、１４００Ｋ以下のエミッタ温度ＴE で極大値を持つ。セシウム原子は極めて低い励起電圧と電離電圧を持つため、太陽光によりセシウムを励起および電離させることができる。これらの現象を利用して、太陽光のみまたは他の熱源との併用により、低いエミッタ温度ＴE で動作する新しいタイプの熱電子発電器（ＴＥＣ）を開発できる。
【００６３】
本発明では、低いエミッタ温度ＴE で動作する熱電子発電器の出力特性改善の観点から、太陽光と類似した広い放射スペクトルを持つキセノンランプ光の照射効果を調べた。
【００６４】
この結果、以下の三つの条件を満たす場合に、熱電子発電器出力特性は光照射により大幅に改善されることが明らかになった。
【００６５】
すなわち、
（１）空間電荷中和度α＜１０-2とする。
【００６６】
（２）熱電子放出電流密度Ｊe ＞１０-3Ａ／ｃｍ3 とする。
【００６７】
（３）エミッタ仕事関数φE ＞２．２ｅＶとする。
【００６８】
これらの条件は、熱電子発電器の電極間空間に大きな負の空間電位が形成されることを意味する。光照射によって電極間の電位の谷に生成された電子はコレクタ前面の電子シースで加速され、セシウム原子を電離する。これにより、光照射により点火モードへの遷移を加速したり、熱電子発電器の出力電流を増加させることができる。
【００６９】
以下、この実施例を詳細に説明する。
【００７０】
熱電子発電器は可動部を持たなくても、熱を電気に直接変換することができる。また、熱電子発電器は高い仕事関数を持つ高温のエミッタと低い仕事関数を持つ低温のコレクタから構成され、出力特性を改善するためにセシウムガスが封入されている。多くの場合、熱電子発電器は小型のシステムであり、メンテナンス上の問題がない。
【００７１】
熱から電気へのエネルギー変換は、高温エミッタからの熱電子放出によって行われる。熱エネルギーにより励起された金属（エミッタ）内の電子は、金属表面から飛び出し、冷却された電極（コレクタ）により捕集される。外部抵抗がエミッタとコレクター間につながれていれば、抵抗を介して電流が流れる。実用上は、熱電子発電器の出力電流密度は、１０〜５０Ａ／ｃｍ2 でなければならない。これが満たされる時、熱電子発電器は、騒音や機械的な振動の無い、小型で高効率な発電器として利用される途が開ける。高い出力電流密度を取り出すためには、エミッタ前面の電子集積を抑制する必要があるので、エミッタとコレクタの間隔は０．１ｍｍ以下とされている。また、熱電子発電器を高出力の得られる点火モードで動作するために、エミッタ温度ＴE は２０００Ｋ、セシウム温度は５００〜６００Ｋに維持される。
【００７２】
熱電子発電器の最も将来性のある用途は、地上用と宇宙用に分けられる。前者としては、火力発電の前段階に組み込んだトッピング、工場のコジェネレーションシステム、太陽エネルギー発電あるいは化石燃料の燃焼熱を利用する家庭用コジェネレーションシステムなどを挙げることができる。
【００７３】
後者は原子力エネルギーを熱源として、宇宙船や探査衛星の電源に用いられる〔文献：Ｍ．Ｋａｎｄｏ：Ｊ．Ｐｌａｓｍａ ＆ Ｆｕｓｉｏｎ Ｒｅｓ．７０（１９９４）１０４５〔ｉｎ Ｊａｐａｎｅｓｅ〕。旧ソ連は「ＴＯＰＡＺ」と命名された熱電子発電原子炉を完成させたが、この出力は６ｋＷである。１９８７年及び１９８８年には、ＴＯＰＡＺを人工衛星コスモスに搭載し、宇宙での試運転に成功している〔文献：Ｎ．Ｓ．Ｒａｚｏｒ：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉ．１９（１９９１）１１９１〕。一方、オランダのＷｏｌｆｆ等〔文献：Ｌ．Ｒ．Ｗｏｌｆｆ，Ｗ．Ｂ．Ｖｅｌｔｋａｍｐ ａｎｄ Ｖ．Ｉ．Ｙａｒｉｇｉｎ．Ｐｒｏｃ．２ｎｄ Ｉｎｔｅｒｓｏｃ．Ｃｏｎｆ．Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｓｐａｃｅ，Ｐｈｙｓ．ｏｆ Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＰＴＩ Ｓｕｋｈｕｍｉ，Ｇｅｏｒｇｉａ，Ｕ．Ｓ．Ａ．，１９９１，ｐ７２〕は、ＴＥＣＴＥＭと呼ばれる燃焼熱で加熱される熱電子発電器を開発した。家庭での利用を想定して、ＴＥＣＴＥＭは０．５ｋＷの電気出力と、１０ｋＷに相当する温水を供給できる。この場合、エネルギーの総合変換効率は８０％に達する。ＴＥＣＴＥＭ開発の主要な問題点は、エミッタの高温加熱システムの確立であった。発電効率は７％と予測されるが、これにはＤＣからＡＣへの変換に伴う損失も考慮されている。
【００７４】
多くの場合、熱電子発電器は非点火モードと比較して大きな出力が得られる点火モードで動作される〔文献：Ｒ．Ｈ．Ｂｕｌｌｉｓ，Ｌ．Ｋ．Ｈａｎｓｅｎ，Ｃ．Ｗａｒｎｅｒ，Ｊ．Ｍ．Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｍ．Ｆ．Ｋｏｓｋｉｎｅｎ ａｎｄ Ｎ．Ｓ．Ｒａｚｏｒ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３８（１９６７）３４２５〕。これは電極間で生成されたセシウムイオンがエミッタ近傍の負の空間電荷を総和するからである。しかしながら、通常、点火モード動作は非点火モードより高いエミッタ温度と高いセシウム圧力が必要になる。それゆえ、点火モード動作に利用できる熱源が制限されるので、特別に工夫されたエミッタ加熱システムが必要になる。
【００７５】
本発明の実施例では、低いエミッタ温度ＴE で動作する熱電子発電器を実現することであり、これによって、従来の点火モード動作の熱電子発電器に比べてメンテナンスや熱電子発電器製造が簡便化される上に、種々の熱源や電極材料が利用できるなど、多くの優れた利点が得られる。良く知られているように、セシウムの付着した耐熱性金属、例えばタングステン、モリブテン、タンタルなどでは、それらの温度とセシウム温度によってその仕事関数が変化する〔文献：Ｎ．Ｓ．Ｒａｚｏｒ ａｎｄ Ｃ．Ｗａｒｎｅｒ；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５（１９６４）２５８９〕。
【００７６】
例えば、タングステンの実質的な仕事関数は、その温度が１４００Ｋ以下の時、タングステン表面にセシウムの薄膜が形成される結果、仕事関数は４．５ｅＶから１．７ｅＶに低下する。それ故、セシウム蒸気圧が高い場合には１４００Ｋ程度の低いタングステン温度でも、多量の熱電子放出が生じる。しかしながら、多量の電子が電極間空間に蓄積されるので、熱電子発電器の出力電流は低いレベルに留まる。この問題は、補助放電により高密度のプラズマを維持できれば、解決することができる。
【００７７】
熱電子発電器内のセシウム原子は電離電圧が３．８９ｅｖ、励起準位は１．４ｅＶと低いため、太陽光によってセシウムが励起および電離されて、原子状または分子状のイオンを作ることができる。本実施例では太陽光と類似したスペクトルを有するキセノンショートアークランプを用いて入射光窓を通してプラズマおよびエミッタを照射し、出力特性の改善効果を調べた。この結果、光照射によって短絡電流の増加ならびに非点火モードから点火モードへの遷移の加速が見出された。ここで観察された現象は、キセノンランプの照射により生成された原子状および分子状イオンに起因すると思われる。
【００７８】
ここで得られた結果は、新たな発想に基づく熱電子発電器の開発につながると考えられる。すなわち、太陽エネルギーを高効率で電力と温水の生成に利用するか、もしくは、これを補助放電の発生に利用して低温のエミッタ温度ＴE で動作する熱電子発電器の出力特性の改善に役立てることである。本願発明者らは〔文献：Ａ．Ｏｇｉｎｏ，Ｗ．Ｚｈｅｎｇ ａｎｄ Ｍ．Ｋａｎｄｏ；Ｔｒａｎｓ．ＩＥＥ．Ｊｐｎ．Ａ１１９（１９９９）１１２０〔ｉｎ Ｊａｐａｎｅｓｅ〕で、可視光より長波長の光でエミッタを加熱し、これよりも短波長の光でセシウム原子の励起と電離を行う熱電子発電器を製作し、キセノンランプからの放射光を電気に直接変換できたことを報告している。この実験結果は、光照射型熱電子発電器では照射光でセシウムイオンが生成されているため、出力特性が改善されることを示唆している。
【００７９】
エミッタからコレクタへの電子流束は電極間空間に蓄積された熱電子によって強く乱される。熱電子発電器研究の重点は、この負の空間電荷を緩和することである。負の空間電荷を減少する方法として、二つの方法がある。一つは二つの電極間隔を極めて狭くすることで、真空型熱電子発電器の場合では１０μｍ以下とされる。真空型熱電子発電器は常に空間電荷制限領域で動作されるため、出力電流は熱電子放出電流を超えることがない。高エミッタ温度ＴE と極小電極間隔を必要とするこのタイプの熱電子発電器では、エミッタから蒸発する材料がコレクタをコーティングしたり電極の熱膨張による短絡などの問題が生じる。
【００８０】
もう一つの方法は、熱電子発電器中に正のセシウムイオンを導入して、負の空間電荷を中和する手法である。この種の熱電子発電器は、セシウムイオンの生成方法によって、さらに二つに分けられる。セシウム原子の電離電圧はエミッタ電極材料（例えば、タングステンやモリブテン）の仕事関数よりもずっと小さい。このため、高温のエミッタ表面上でセシウム原子はその最外郭の軌道を回る電子を失い、電極間空間に放出される。このようなイオン生成機構は、「表面電離」と呼ばれるが、これは非点火モードにおいて負の空間電荷を平衡するために良く利用される方法である。非点火モード熱電子発電器の動作原理から判るように、セシウムイオンが空間電荷を完全に中和する条件が満たされ、エミッタからの熱電子がセシウム原子と衝突を行わずにコレクタに到達できる場合、非点火モード動作の熱電子発電器の出力電流は、エミッタからの熱電子放出電流に等しくなる。下記に定義されるように、空間電荷中和度αは熱電子に対する電位障壁の目安となる値である。α＜１の場合、エミッタ前面には負の空間電位が発生するので、コレクタに向かう電子の流れが大幅に阻止される。
【００８１】
空間電荷中和度αは下記の式で表示される。
【００８２】
【数１】
ここで、ｎeEとｎiEはエミッタ前面の電子とイオンの密度、ｍとＭは電子とセシウム原子の質量である。また、Γe とΓi はエミッタからの熱電子とイオンの流速であり、次のＲｉｃｈａｒｄｓｏｎ−ＤｕｓｈｍａｎおよびＬａｎｇｍｕｉｒ−Ｓａｈａの式で与えられる。
【００８３】
【数２】
【００８４】
【数３】
ここで、ｋとｈはＢｏｌｔｚｍａｎｎとＰｌａｎｃｋの定数、ＴE とＴｃS はエミッタとセシウム蒸気温度、φE はエミッタの仕事関数、Ｖi はセシウム原子の電離電圧、ＰｃS はセシウム蒸気圧である。
【００８５】
非点火モードでは、電極間のすべての電子とイオンはエミッタで作られる。Ｐｏｉｓｓｏｎの方程式によると、電極間の空間電位分布はエミッタ前面のｎeEとｎiEにより決められる。例えば、ｎiE≧ｎeEの場合には空間電位はエミッタの電位に対して正になる。
【００８６】
図１４は上記式（１）、（２）および（３）を用いて計算した空間電荷中和度αのエミッタ温度ＴE およびセシム蒸気温度ＴｃS への依存性を示す。
【００８７】
この図から明らかなように、実用レベルの１０Ａ／ｃｍ2 の出力電流密度を得るためには、α≧１を満足し、同時に、上記式（２）で与えられる熱電子電流密度を高くしなければならないので、ＴE ＞２０００ＫおよびＴｃS ＞５５０Ｋの条件を満足する必要がある。このＴE とＴｃS の温度における電子の平均自由行程λe は０．０１７ｍｍであるので、無衝突の条件を満足するためには、電極の間隔ｄをλe より小さくしなければならない。
【００８８】
以上の理由から、高温のＴE とＴｃS で動作する熱電子発電器では、高出力電流密度を得るために、電極の間隔を狭くしなければならない。これは熱電子発電器製造の観点から実現が困難であるように思われる。
【００８９】
しかし、最近になって、ＫｕｃｈｅｒｏｖとＮｉｋｏｌａｅｖ〔文献：Ｒ．Ｙａ．Ｋｕｃｈｅｒｏｖ ａｎｄ Ｙｕ．Ｖ．Ｎｉｋｏｌａｅｖ；Ｐｒｏｃ．２９ｔｈ Ｉｎｔｅｒｓｏｃ．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆ．，Ｕ．Ｓ．Ａ，１９９４，ｐ．４９０〕は、セラミックロールの熱膨張により３μｍの微少電極間隔を確保し、高温のＴE とＴｃs でも動作可能な高出力電流の得られる新型の熱電子発電器を開発した。この熱電子発電器では、非点火モード動作で、効率２０％出力密度１０ｗ／ｃｍ2 が得られている。
【００９０】
セシウム原子は多段階または累積電離によって電離される。すなわち、一つセシウム原子は、例え電子のエネルギーがセシウム電離電圧により小さい場合でも、電子と何度も衝突を繰り返すことにより電離される。
【００９１】
このようなセシウム原子が励起状態を経由して電離に至る多段階電離は、負の空間電荷の中和に大きく貢献する。このような電極間の体積電離は、点火モードで動作する熱電子発電器の空間電荷を中和する上で非常に重要である。通常、体積電離により生成されたプラズマの密度は、十分に高いので、負の空間電荷を緩和することができる。結局、点火モードが発生すると電離損失のために出力電圧は減少するものの、出力電流は顕著に増加する。ＫｕｃｈｅｒｏｖとＮｉｋｏｌａｅｖが開発した無衝突、非点火モード動作の熱電子発電器に比べて点火モード動作の熱電子発電器の動作条件はずっと穏やかなために、今日の熱電子発電器研究は点火モードに関するものが主になっている。α≦１と電子−セシウム原子の衝突を保証するために、典型的な電極の間隔ｄとエミッタ温度ＴE の値はそれぞれ０．１から１．００ｍｍ、１４００Ｋから１８００Ｋである。
【００９２】
本実施例では、実用化が期待できる新しいアイデアに基づく熱電子発電器の開発を行っている。セシウム原子特有の低励起電圧および電離電圧に着眼して、太陽光を電極間プラズマおよびエミッタに照射することにより、セシウム原子を励起させる。熱電子発電器への光照射によって、以下に指摘する幾つかの効果が期待される。すなわち、エミッタからの光電子放出、セシウム原子および分子の光励起と光電離、エミッタおよびセシウムガスの加熱が挙げられる。今回の実験では、現象の複雑さを避けるために、光照射時間は３秒内に厳しく制限した。このため、熱電子発電器内で生じる効果は光励起と光電離のみに限定されると考えられる。なぜならば、エミッタと熱電子発電器容器の熱容量は大きいので、それらの温度上昇は５０ｓ以上を要するためである。光照射実験のため、電極間隔の大きい熱電子発電器を製作した。熱電子発電器の光照射では幾つかの利点が期待され、これらは以下のようにまとめられる。
【００９３】
（１）一般に、セシウムガス雰囲気中では、エミッタ温度ＴE が１４００Ｋ以下でエミッタからの熱電子放出電流密度は最大になるが、エミッタ表面での電離により生成されるセシウムイオンは少ない。これは空間電荷の中和が十分行われれば、低エミッタ温度ＴE 、高セシウム蒸気温度ＴｃS 動作でも、熱電子発電器から大きな出力電流が得られることを意味する。
【００９４】
（２）原子状および分子状のセシウムイオンの前駆体であるセシウム励起原子ＣS * が、太陽光の照射によって、熱電子発電器内に数多く生成される。
【００９５】
（３）ＣS * の相互の衝突により自発的に生成されるセシウム分子イオンは、空間電荷を効率よく中和する。これは低エミッタ温度ＴE 動作の熱電子発電器にとって重要である。なぜならば、低エミッタ温度ＴE 動作の熱電子発電器では、表面電離により生成されるセシウム原子は、熱電子より極めて少ないからである。
【００９６】
（４）光照射により生成される多量のＣS * は、非点火モードから点火モードへの遷移を促進させる。
【００９７】
（セシウムの原子および分子過程）
低エミッタ温度ＴE 低セシウム蒸気温度ＴｃS 動作の熱電子発電器は熱源の多様化とメンテナンスの容易さなどの点で幾つかの利点が考えられるが、出力および効率が低いレベルに留まり、実用化するのが困難な状況にある。しかしながら、太陽光照射により点火モードが実現し、高効率で高出力が得られれば、以上のような欠点は解消される。幸い、熱電子発電器中には、仕事関数と電離電圧が低いセシウム蒸気が封入されている。このセシウム蒸気は、熱電子発電器の動作に関して二つの効果を持つ、つまり、一つは高温のエミッタ面上で表面電離により生成されるセシウムイオンが負の空間電荷を中和することであり、他の一つは、コレクタ表面を薄いセシウム薄膜で覆うことによりコレクタの仕事関数φｃを下げることである。しかしながら、この実施例では、セシウム封入の三つ目の効果、すなわち、太陽光照射により誘起される補助放電の点火モードへの遷移効果を提案する。周知のように、太陽光はＵＶから遠赤外域までの広いスペクトル分布を持ち、一方セシウム原子はあらゆる元素中で最低の電離電圧３．８９ｅＶと励起電圧１．４ｅＶを持つ。このため、太陽光照射によりセシウム原子を電離および励起させることができ、この結果、熱電子発電器の出力特性を顕著に改善することが期待される。
【００９８】
ここでは、参考としてセシウムの原子および分子過程について簡単に触れる。
【００９９】
（セシウム原子の電離および励起）
基底準位にあるセシウム原子は、電子との衝突または光子の吸収によって、ΔＥ0 のエネルギーを吸収して励起される。これらの過程〔文献：Ｋ．Ｊ．Ｎｙｇａｒｒａｄ；ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．９（１９７３）１０２０．及び文献Ｈ．Ｌ．Ｗｉｔｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅ．Ｐ．Ｇｙｆｔｏｐｏｕｌｏｓ；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６（１９６５）１３２８〕は以下のように記述される。
【０１００】
Ｃｓ（６2 Ｓ1/2 ）＋ΔＥ0 →Ｃｓ* （６2 Ｐ3/2,1/2 ） …（４）
ここで、Ｊ＝３／２に対してはΔＥ0 ＝１．３８ｅＶ、Ｊ＝１／２ではΔＥ0 ＝１．４５ｅＶであり、それらのエネルギーに相当する光の波長は、それぞれ８９４．４ｎｍと８５２．１ｎｍである。上記式（４）のＣｓ* は、それら相互の衝突を通してセシウム励起分子Ｃｓ* 2 になる。Ｃｓ* 2 は更に以下の過程を通して自発的に電離する〔文献：Ｆ．Ｇ．Ｂａｋｓｈｔ，Ｇ．Ａ．Ｄｙｕｚｈｅｖ，Ａ．Ｍ．Ｍａｒｔｓｉｎｏｖｓｋｉｙ，Ｂ．Ｙａ．Ｍｏｙｚｈｅｓ，Ｇ．Ｙｅ．Ｐｉｋｕｓ，Ｅ．Ｂ．Ｓｏｎｉｎ ａｎｄ Ｖ．Ｇ．Ｙｕｒ’ｙｅｖ；Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｂｅｒｔｅｒ ａｎｄ Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｌａｓｍａ，Ｅｎｇ．ｅｄ ｂｙ Ｌ．Ｋ．Ｈａｎｓｅｎ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ／Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ．Ｓｐｒｉｎｇｆｉｅｌｄ，Ｖｉｒｇｉｎｉａ，１９７８）Ｃｈａｐ．５，ｐ．１４０、文献：Ｍ．Ｄ．Ｇｉｂｂｏｎｓ；Ｐｒｏｃ．Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔ Ｃｏｎｆ．，Ｇａｔｌｉｎｂｕｒｇ，Ｔｅｎｎ．，Ｕ．Ｓ．Ａ．，Ｏｃｔ １９６３，ｐ．１０３、文献：Ｊ．Ｙａｍａｄａ ａｎｄ Ｔ．Ｏｋｕｄａ；Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．３５（１９７３）８８１〕。
【０１０１】
Ｃｓ* （６2 Ｐ3/2,1/2 ）＋Ｃｓ* （６2 Ｐ3/2,1/2 ）→Ｃｓ* 2 …（５）
Ｃｓ* 2 →Ｃｓ+ 2 ＋ｅ …（６）
上記式（５）と式（６）で表示される過程では、付加エネルギーを必要としないことを指摘しておきたい。それ故、多量のＣｓ* の生成がある場合には、多くのセシウム分子イオンの存在が考えられる。
【０１０２】
セシウム原子イオンは以下の過程〔文献：Ｋ．Ｊ．Ｎｙｇａｒｒａｄ；ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．９（１９７３）１０２０、文献：Ｄ．Ｈ．Ｐｏｌｌｏｃｋ ａｎｄ Ａ．Ｏ．Ｊｅｎｅｎ；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６（１９６５）３１８４〕で生成される。
【０１０３】
Ｃｓ* （６2 Ｐ3/2,1/2 ）＋ΔＥ1 →Ｃｓ+ ＋ｅ …（７）
Ｃｓ* （６2 Ｓ1/2 ）＋ΔＥ2 →Ｃｓ+ ＋ｅ …（８）
ここで、ΔＥ1 ＝２．５ｅＶ、ΔＥ2 ＝３．８９ｅＶであり、それぞれ、波長５００ｎｍ、３１８ｎｍの光子が有するエネルギーに相当する。太陽光は、セシウム原子を励起および電離するに必要な波長をすべてカバーしている。それ故、太陽光照射により、低エミッタ温度ＴE 、セシウム蒸気温度Ｔｃs 動作の熱電子発電器から優れた効果を引き出すことが期待される。
【０１０４】
上記式（７）により与えられる光電離の断面積σは７×１０-18 ｃｍ2 であり〔文献：Ｎ．Ｄ．Ｍｏｒｇｕｌｉｓ，Ｙｕ．Ｐ．Ｋｏｒｃｈｅｖｏｉ ａｎｄ Ａ．Ｍ．Ｐｒｅｚｈｏｎｓｋｉｉ；Ｚｈ．Ｅｋｓｐ．＆ Ｔｅｏｒ．Ｆｉｚ．５３（１９６７）４１７，Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ；Ｓｏｖ．Ｐｈｙｓ−ＪＥＴＰ２６（１９６８）２７９〕、上記式（８）の断面積より１００倍大きい。これらのデータから、点火モード動作熱電子発電器内のプラズマでは、セシウムが主として多段階電離で生成されていることが理解される。すなわち、１．４ｅＶ程度のエネルギーを有する電子が上記式（４）の過程を通してＣｓ* を生成し、さらにＣｓ* が上記式（７）の過程で電離する。
【０１０５】
（熱電子発電器照射用光源）
セシウム原子は、可視光の波長範囲である３００ｎｍから９００ｎｍまでスペクトルを有する光源を照射することによって、励起または電離される。ほとんどの光源はこの範囲をカバーしている。ここでは、キセノンショートアークランプと太陽光のスペクトルを比較して述べる。
【０１０６】
図１５は地表面における太陽光とキセノンショートアークランプのスペクトル分布をセシウム原子の光電離断面積とともに示している。両光源とも上述の過程を実現するのに必要なスペクトルと十分な光強度を持っていることが判る。キセノンランプ放射光のスペクトルは太陽光と完全には一致していないが、（特に８００ｎｍから１１００ｎｍの波長領域ではそうであるが）、太陽光の模擬光として利用できる。
【０１０７】
エミッタ温度ＴE が高くなると、エミッタから熱放射があり、熱電子発電器の出力特性に影響を与えることが考えられる。この効果を考察するために、図１５に２０００Ｋの黒体の放射スペクトルを示している。この短波長成分は、セシウム原子を励起できるので、点火モード動作の熱電子発電器の出力特性への効果を無視することはできないと考えられる。
【０１０８】
次に、この実施例の光利用熱電子発電装置について説明する。
【０１０９】
図１６は本発明の他の実施例を示す光利用熱電子発電装置の模式図である。
【０１１０】
この図において、４０は熱電子発電器、４１はキセノンランプの照射光、４２はコレクタ、４３はエミッタ、４４は渦巻き状タングステン線、４５は熱放射反射器の支持棒である（本願発明者による発表文献：Ｙ．Ｓｈｉｂａｈａｒａ ａｎｄ Ｍ．Ｋａｎｄｏ；Ｐｒｏｃ．４ｔｈ．Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ Ｇｒａｄｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｔｓｕｋｕｂａ，Ｊａｐａｎ，１９９６（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，１９９６）ｐ．６７３、文献：Ｍ．Ｋａｎｄｏ，Ｈ．Ｆｕｒｕｋａｗａ，Ｍ．Ｉｃｈｉｋａｗａ ａｎｄ Ｓ．Ｙｏｋｏｉ；Ｐｒｏｃ．２９ｔｈ．Ｉｎｔｅｒｓｏｃ．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆ．，Ｕ．Ｓ．Ａ．，１９９４，ｐ．１０６７が類似したものとして挙げられる）。
【０１１１】
図１６に示すように、電極間のセシウム蒸気が効率良くキセノンランプの照射光４１を受けるように、直径３８ｍｍ長さ２０ｍｍのＳＵＳ３０４製円筒状コレクタ４２を使用する。エミッタ４３は直径１８ｍｍの渦巻き状タングステン線４４で６０Ｈｚの半波整流電流により直接加熱される。エミッタ４３とコレクタ４２の最近接エッジの距離は１０ｍｍである。熱電子発電器４０にはセシウムが満たされ、セシウム蒸気温度ＴｃS は、熱電子発電器４０を電気炉の中に入れ、電気炉の温度を調整することにより制御する。熱電子発電器４０はパイレックスガラス製で、光の透過率は波長３５０ｎｍから２０００ｎｍの波長範囲で０．９である。エミッタ温度ＴE は、熱電対と放射温度計で測定され、熱電対で測定される熱電子発電器容器温度をセシウム蒸気温度ＴｃS に等しいと仮定した。
【０１１２】
セシウム原子の光励起・電離に必要な光波長は、近赤外線領域（励起８９０ｎｍ）から紫外線領域（直接電離３１８ｎｍ）にわたっている。このような光の波長成分はすべて太陽光に含まれている。太陽光を利用して熱電子発電器の出力特性改善ができれば、地上用熱電子発電器〔文献；Ｋ．Ｊ．Ｎｙｇａｒｒａｄ；ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．９（１９７３）１０２０．文献；Ｈ．Ｌ．Ｗｉｔｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅ．Ｐ．Ｇｙｆｌｏｐｏｕｌｏｓ；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６（１９６５）１３２８、文献；Ｆ．Ｇ．Ｂａｋｓｈｔ，Ｇ．Ａ．Ｄｙｕｚｈｅｖ，Ａ．Ｍ．Ｍａｒｔｓｉｎｏｖｓｋｉｙ，Ｂ．Ｙａ．Ｍｏｙｚｈｅｓ，Ｇ．Ｙｅ．Ｐｉｋｕｓ，Ｅ．Ｂ．Ｓｏｎｉｎ ａｎｄ Ｖ．Ｇ．Ｙｕｒ’ｙｅｖ；Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕ ｒｅ Ｐｌａｓｍａ，Ｅｎｇ．ｅｄ ｂｙ Ｌ．Ｋ．Ｈａｎｓｅｎ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ／Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ．Ｓｐｒｉｎｇｆｉｅｌｄ，Ｖｉｒｇｉｎｉａ，１９７８）Ｃｈａｐ．５，ｐ．１４０〕の普及が期待できる。
【０１１３】
図１５に示すように、太陽光と類似したスペクトルをもつオゾンレスキセノンランプ（ＸＤ５０００／Ｈ−ＯＬ、東芝ライテック社製）を用いた。ランプの電気入力は１ｋＷから４．５ｋＷまで可変であるが、本実施例では４．５ｋＷ一定で使用する。電気入力のおよそ５０％は熱損失として失われ、残りの５０％が放射光となるが、そのスペクトル分布は３８０ｎｍ以下の紫外光、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光、７８０ｎｍ以上の赤外光に分けられる。
【０１１４】
それぞれの強度比率は３％、１１％、３６％であり、電気入力には依存しない。ランプからの放射光は３５０ｎｍから２０００ｎｍの波長範囲で透過率〔文献；Ｊ．Ｙａｍａｄａ ａｎｄ Ｔ．Ｏｋｕｄａ；Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．３５（１９７３）８８１〕が０．９の三枚の光学レンズ（０１ ＬＰＸ １４５、ＢＫ−７Ａ、Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ Ｃｏｍｐａｎｙ）によって集光されて熱電子発電器に照射される。ランプハウスは、ランプの放射光がハウス内部の放物面鏡で反射され平行光線となる構造を持っている。それ故、ランプの全放射光の僅か１５％程度が、ランプハウスに一番近いレンズを通過する。また、光学レンズとパイレックスガラスの透過率は３５０ｎｍ以下の波長に対して著しく低下するので、紫外光の大部分は熱電子発電器に到達する途中で完全に吸収されていると考えられる。
【０１１５】
以上をまとめると、熱電子発電器に入射する光はほぼ可視光と赤外光とから構成されていて、電気入力が４．５ｋＷの時、熱電子発電器内への入射光パワーは２００Ｗ程度である。
【０１１６】
次に、照射光によるエミッタ加熱について考察する。
【０１１７】
タングステンの放射率は約０．２であるので、エミッタが吸収するパワーは入射光の２０％である。すなわち、エミッタ加熱に使われる入射光のパワーは４０Ｗ程度で、残りの１６０Ｗは熱電子発電器容器の壁の加熱やセシウム原子の励起と電離などに消費される。キセノンランプへの電気入力が４．５ｋＷのときに一分間光を照射すると、エミッタ温度ＴE で１５００Ｋから１５４５Ｋに上昇した。エミッタの仕事関数φE はエミッタ温度に強く依存し、熱電子発電器出力特性もエミッタ温度ＴE の変化に応じた変化を強いられる。この効果を避けるために、本実施例では光照射時間を厳密に３秒以内に制限した。
【０１１８】
図１７は本発明にかかる光利用熱電子発電器の出力特性の測定回路である。
【０１１９】
この図において、４０は熱電子発電器（図１６参照）、５０は電気炉、５１はオゾンレスキセノンランプ、５２は光学レンズ、５３はエミッタ加熱用電源、５４は遅延パルス発生回路、５５は三角波発振器、５６は電力増幅器、５７は負荷抵抗、５８は直流増幅器、５９はサンプリング・ホールディング回路である。
【０１２０】
このように、出力特性の測定回路は、遅延パルス発生回路５４、サンプリング・ホールディング回路５９、三角波発振器５５および負荷抵抗５７によって構成される。
【０１２１】
そこで、熱電子発電器４０のエミッタをヒータ電流で加熱すると、エミッタの両端に５．６Ｖ程度の電圧が発生する。この電圧はエミッタからコレクタに流れる電子流を擾乱する。熱電子発電器４０内の電子とイオンはエミッタと熱平衡状態になっているので、電子の温度Ｔe とイオンの温度Ｔi はエミッタ温度ＴE に等しいと近似できる。エミッタ加熱電流により発生するエミッタ両端の電圧は、電子とイオンの温度より遙に高いので、熱電子発電器内の荷電粒子の運動はこの電圧によって大きな影響を受ける。この擾乱を避けるために、エミッタの加熱には６０Ｈｚの半波整流電流を用い、熱電子発電器出力特性の測定は加熱電流休止時に行わなければならない。
【０１２２】
加熱電流により生じるエミッタ両端の電圧がコレクタに対して正の場合、発電器の出力電流はこの電圧により大幅に抑制される。図１７の測定回路を使えば加熱電流休止時の出力特性を測定できる。
【０１２３】
図１８は本発明にかかる熱電子発電器出力特性測定のタイミングチャートであり、図１８（ａ）には６０Ｈｚ半波加熱電流波形、図１８（ｂ）には遅延パルス、図１８（ｃ）にはサンプリング・ホールディング前の１Ｈｚ三角波、図１８（ｄ）にはサンプリング・ホールディング後の１Ｈｚ三角波、 図１８（ｅ）にはサンプリング・ホールディング前の出力電流、図１８（ｆ）にはサンプリング・ホールディング後の出力電流をそれぞれ示している。
【０１２４】
このように、図１８には、サンプリングとホールディング回路の前後の信号が、６０Ｈｚの半波加熱電流およびサンプリングパルスとともに示されている。幅０．１２ｍｓのパルスを６０Ｈｚ半波電流停止直後の５ｍｓ後に発生させる。サンプリング・ホールディング回路５９は、サンプリングパルスが発生した瞬間の三角波電圧と負荷抵抗５７の電圧値を記録し、次のパルスが到達するまでそれらの信号を維持する。したがって、三角波の電圧波形と負荷抵抗５７の電圧はサンプリングホールディング回路５９によって、図１８に示すように修正される。実験では、三角波電圧の周波数と振幅をそれぞれ１Ｈｚ、３Ｖとした。サンプリング・ホールディング回路からの信号はデジタルオシロスコープで記録された後、パソコンでデータ処理を行う。
【０１２５】
（熱電子発電器の動作条件）
実験で測定される熱電子発電器出力特性の理解を容易にするために、まず初めに熱電子発電器動作条件を述べる。エミッタ温度ＴE は加熱電流ＩH によって制御される。上記のようにＩH を大きくすると、エミッタの両端に大きな電圧が発生し、最悪の場合、エミッタ両端に局部的な放電が発生する。本装置では放電を起こさずにエミッタ温度を１６００Ｋ程度まで加熱できる。セシウム蒸気温度ＴｃS は電気炉５０により制御されるが、熱電子発電器容器のパイレックスガラスは５００Ｋ以上になると、セシウムを吸収して白化する性質がある。このため、セシウム蒸気温度ＴｃS は５００Ｋ以下に制限される。セシウム圧力と電子の平均自由行程λe はセシウム蒸気温度に依存し、その関係を図１９に示す。この図１９から分かるように、本実験の大部分は、電子セシウム原子間衝突が多く生じる条件で行われていることが分かる。
【０１２６】
（照射光のない場合の熱電子発電器出力特性）
図２０に、ＴｃS ＝４００Ｋにおける出力特性をエミッタ温度ＴE の関数として示す。出力電流密度Ｊ0 はエミッタ温度ＴE の増加と共に徐々に増加することがわかる。ＴE ＝１６００Ｋの場合、出力電圧Ｖ0 が−１から−２Ｖの付近でＪ0 は急激に増加し、同時にヒステリシス曲線を描くようになる。曲線上の矢印はヒステリシスの変化の方向を示す。Ｊ0 の急激な増加は点火モード動作の始まり、すなわち電極間での放電の始まりを意味している。このようなヒステリシスは点火モード動作時にしばしば現れる。エミッタを高温に加熱すると多量の熱電子が放出され、両電極間のある電圧ＶD （以下点火開始電圧と呼ぶ）で多段階または累積電離の発生条件が満たされ、放電が始まる。
【０１２７】
一度点火開始電圧ＶD で点火が始まると、体積電離により両電極間に多数の電子やイオンが生成されるので、その後たとえ両電極間での電子の加速電解が減少したとしても放電はしばらくの間維持されることになる。それ故、点火消滅電圧ＶE は点火開始電圧ＶD より高くなる。
【０１２８】
図２１はセシウム蒸気温度ＴｃS をパラメータとして測定したＴE ＝１２８０Ｋにおける出力特性図である。出力電流Ｊ0 はＴｃS ＝４３０Ｋの時に最大となることが分かる。これは定性的には、空間電荷中和度αによって説明できる。
【０１２９】
図２２は、測定された短絡電流密度ＪS のセシウム蒸気温度ＴｃS 依存性を、式（１）（２）および（３）を用いて計算された空間電荷中和度αとエミッタからの熱電子放出電流密度Ｊe とともに示す。短絡電流密度ＪS は出力電圧Ｖ0 ＝０Ｖの時のＪ0 であり、Ｊe はＲｉｃｈａｒｄｓｏｎ−Ｄｕｓｈｍａｎｎの式で計算される。エミッタ仕事関数φE は、ＴE が一定の時、ＴｃS が高くなるとともに低下するので、Ｊe は増加しαは減少する。
【０１３０】
一方、ＴE ＝１２８０Ｋ、ＴｃS ＝４３０Ｋの測定値を除けば、ＴE ＝１２００ＫおよびＴE ＝１２８０Ｋのいずれの場合においても、ＪS はＴｃS の上昇と共に減少する傾向が読み取れる。また、ＴｃS が高温の時には、ＪS はＪe よりも遙に小さいことがわかる。
【０１３１】
この結果から、α＜１の場合、ＪS はＪe の増加よりは、むしろエミッタ近傍の負の空間電位障壁によって制限されていることがわかる。ＴE ＝１２８０Ｋの時、ＴｃS ＝４１５Ｋにおいてα＝１となるため、ＪS の値はＴｃS ＜４１５ＫではＪe に近くなるはずである。１≧α＞０．１の場合には、負の空間電位障壁によるＪS の抑制効果はそれほど顕著でなく、ＪS はＴｃS の上昇と共に徐々に増大することができる。このため、ＴｃS ＝４３０Ｋの時、ＪS は最大となる。α＜０．１の場合には、負の空間電位障壁による抑制効果はＴｃS の上昇に伴うＪe の増大効果に比べてより支配的となり、ＪS はＴｃS の増加とともに減少する。図２２では、ＴE ＝１２００Ｋと１２８０Ｋの場合でＴｃS ＝４００Ｋの時に、ＪS はＪe よりも大きくなっていることに注意する必要がある。これは、セシウム蒸気温度の測定誤差によるものと考えられる。すなわち、セシウム蒸気温度として、熱電対により測定された熱電子発電器容器の壁温度を用いたためである。
【０１３２】
しかしながら、実際にはエミッタ近傍に非常に高い温度領域が存在する。それ故、セシウム蒸気温度の測定値は実際の温度より３０Ｋ程度低くなっていても不自然ではない。熱電子発電器の実験結果を考察する際には、実験データのこのような面にも十分配慮する必要がある。その理由は、熱電子放出電流Ｊe と空間電荷中和度αはいずれもＴｃS に強く依存するからである。
【０１３３】
以上を要約すると、ＴE が低いほど仕事関数φE が低くなるので、熱電子放出電流密度Ｊe は表面電離で生成されるセシウムイオン電流密度よりも高くなる。このため、低ＴE ではエミッタ前面でセシウムイオンよりも電子が過剰になって負の空間電位が生成され、熱電子電流はこの負の空間電位によりエミッタに引き戻される。しかし、ＴE が上昇すると電子の蓄積が緩和されるために、Ｊ0 またはＪS を増大させることができる。
【０１３４】
（非点火モード動作の出力特性に及ぼす光照射効果）
図２３の実線は、ＴａｙｌｏｒとＬａｎｇｍｕｉｒ〔文献：Ｊ．Ｂ．Ｔａｙｌｏｒ ａｎｄ Ｉ．Ｌａｎｇｍｕｉｒ；Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．４４（１９３３）４２３〕により測定されたＪe のＴE とＴｃS への依存性である。図２３ではＪe と比較するため、ＴｃS が４００Ｋおよび４５０ＫにおけるＪS の測定値を丸と三角の記号で表し、●と▲は光照射のない場合の、○と△は光照射を行った場合の測定値である。また、図中の二つの□は、ＴｃS ＝４００Ｋおよび４５０Ｋにおいてα＝１となるエミッタ温度を示している。これらの□を通る縦軸に平行な一点鎖線によって領域が二分されているが、一点鎖線の右側の低ＴE 領域では対応する。ＴｃS に対してはα＜１，その左側ではα＞１である。α＜１の領域ではＪS が光照射により数倍程度増加していることが分かる。
【０１３５】
しかしながら、一点鎖線の左側の領域でα＞１の領域ではその増加量は減少している。これらの現象は、光照射により光電離が生じて負の空間電荷が中和された結果であると考えられる。要約すると、α＜１の条件では、光照射は出力電流ＪS の増加に有効であると言える。
【０１３６】
（光照射により誘起される点火モードへの遷移）
次に、光照射によるモード遷移の促進効果について調べた。図２１に示される非光照射時における非点火モードのＴE ＝１２８０Ｋにおける出力特性は、図２４に示されるように光照射により著しく変化する。すなわち、４３０および５００Ｋを除くすべてのＴｃS において、光照射によって、ＶD は負に留まってはいるが、点火モードに遷移した。図２５（ａ）および２５（ｂ）に、ＴE ＝１６００Ｋを一定とし、ＴｃS をパラメータとして、非光照射時に既に点火モードで動作している熱電子発電器の光照射前後における出力特性の変化を示す。図２４の非点火モードの場合と相違して、光照射による出力特性の改善ならびにモード変化の加速効果はかなり限定されていることが分かる。最後にＴｃS を一定とし、ＴE を変化させて、光照射による出力特性の変化を測定した。図２６（ａ）に示されるように、高ＴE で点火モード動作が確認された。図２６（ｂ）に示すように光照射による、Ｊ0 の増加および点火モードの促進効果はＴE ＜１３４０Ｋの時に観察された。
【０１３７】
以上の結果をまとめると、光照射によるモード遷移あるいは出力特性の改善は、主に非点火モードで動作している場合に観測され、点火モード動作時には明瞭でない。これに対する物理的な解釈は次に述べる。
【０１３８】
（光照射により出力特性の改善が得られる条件）
光照射によるモード遷移および出力特性の顕著な改善について検討するために、光照射のない場合のαと熱電子放出電流Ｊe を、前記式（１）、（２）およびＲａｓｏｒとＷａｒｎｅｒにより与えられた式から算出されるφE を用いて計算し、表１〜表３にまとめて表している。
【０１３９】
表１：エミッタ温度ＴE が１２８０Ｋでのセシウム蒸気温度ＴｃS についての熱電子放出電流密度Ｊe 、エミッタの仕事関数φE 、および空間電荷中和度αの値を示している。
【０１４０】
【表１】
なお、* は光照射なし点火、○は光照射あり点火、＠は出力電流の印された増加である。
【０１４１】
表２：エミッタ温度ＴE が１６００Ｋでのセシウム蒸気温度ＴｃS についての熱電子放出電流密度Ｊe 、エミッタの仕事関数φE 、および空間電荷中和度αの値を示している。
【０１４２】
【表２】
なお、* は光照射なし点火、○は光照射あり点火である。
【０１４３】
表３：セシウム蒸気温度ＴｃS が４５０Ｋでのエミッタ温度ＴE についての熱電子放出電流密度Ｊe 、エミッタの仕事関数φE 、および空間電荷中和度αの値を示している。
【０１４４】
【表３】
なお、* は光照射なし点火、○は光照射あり点火、＠は出力電流の印された増加である。
【０１４５】
ここで、コレクタ温度Ｔｃはセシウム蒸気温度ＴｃS に等しいと仮定した。また、低Ｔｃではコレクタはセシウムで完全に被膜されているので、コレクタ仕事関数φｃはセシウムの仕事関数と等しく１．７ｅｖとした。
【０１４６】
表１−表３から分かるように、以下の条件が満足される場合に、光照射によるモード遷移が誘起される。すなわち、
（１）αが１０-2以下であること。
【０１４７】
（２）Ｊe が１０-3Ａ／ｃｍ2 より大きいこと。
【０１４８】
（３）φE が２．２ｅＶより大きいこと。
【０１４９】
前述したように、αは熱電子発電器の空間電位の分布を決定する。すなわち、α＞１ではエミッタ前面にイオンシースが形成され、α＜１では電子シースが形成される。αが小さいほど、エミッタ近傍の負の空間電位の谷は深くなり、空間電位最小値とコレクタ電位との電位差ΔＶは増大する。一端、十分に深い負の空間電位が生成されると、空間電位が最小となる付近で光照射により光電離で生成された電子はこの電位差ΔＶで十分に加速されるので、点火を引き起こすことが可能になると考えられる。
【０１５０】
図２７は本発明にかかる熱電子発電器の光照射により誘起されるモード遷移を表している。
【０１５１】
この図において、熱電子発電器はα＜１で動作し、点線で表すような空間電位分布を有しているが、モード遷移によって実線で示される電位分布に変化する〔文献：Ｎ．Ｓ．Ｒａｓｏｒ：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉ．１９（１９９１）１１９１〕。
【０１５２】
多くの場合、Ｊe が大きいとαは小さくなり、電離周波数は増大する。この理由で上記条件（１）および（２）は、光照射によるモード遷移のための条件となる。一般に、点火モード動作の発生のためには、両電極間の電圧差を十分に大きくする必要がある。高ＴｃS の場合、φE はしばしば２．０ｅＶより小さくなるので、光照射によっても点火モードは生じない。他方、光照射を行わなくても、ＴE を高くすれば、φE が十分高くなって、点火モードを発生させることができる。熱電子発電器が点火モードで動作する場合には、熱電子発電器内の空間電位の最小値はエミッタ電位を下回ることがなく、ΔＶは小さい値に留まる。このため、照射光による出力特性改善効果は限定されたものとなる。
【０１５３】
上記したように、熱電子発電器は、点火モード動作する時に高出力が得られる。しかし、大抵の場合、エミッタ温度を１６００Ｋ以上に、熱電子発電器容器の壁温度を５００Ｋ以上に加熱する必要がある。しかしこれらの条件を満たすことは困難である上、高ＴE とＴｃS 動作に伴って様々な問題が起こる。低ＴE とＴｃS 動作では、熱源の多様化、メンテナンスの容易さなど幾つかの利点がある。本実施例では、低ＴE とＴｃS で動作している熱電子発電器の出力特性に及ぼす太陽光照射効果を調べることである。光照射はセシウム原子を励起および電離させることができ、補助放電を誘起して非点火モードから点火モードへの促進あるいは出力電流の増大をもたらすことができる。
【０１５４】
実験では、光照射用熱電子発電器を用い、太陽光の代わりにキセノンショートアークランプを使用した。エミッタは６０Ｈｚの半波整流電流によって最高で１６００Ｋまで加熱された。熱電子発電器は電気炉に入れて、最高５００Ｋまで加熱された。実験結果から、光照射によるモード遷移は次の条件の下で実現できることが明らかにされた。
（１）α＜１０-2
（２）Ｊe ＞１０-3Ａ／ｃｍ2
（３）φE ＞２．２ｅＶ
これらの条件の下では、空間電位最小値とコレクタ電位の間の差が大となり、電位の谷で光照射により生成された電子がこの大きな電位差により加速され、セシウム原子を電離する。このようにして、太陽光照射を施せば、低ＴE 動作熱電子発電器から十分に高い出力を得ることが期待できる。これは、本質的に太陽光が変換されることを意味する。
【０１５５】
結論として、低ＴE でＴｃS 動作の熱電子発電器へのキセノンランプ光照射は、点火モードを実現する上で有効である。しかし、ＴE とＴｃS の組み合わせは、光照射の優れた効果を十分に引き出すために大変重要である。これには、ＴE とＴｃS に依存するα、Ｊe およびφE を考慮して、最適な組み合わせを探し出すことが必要である。本発明で得られた成果は、太陽光のみをエネルギー源とする新型の熱電子発電器の開発、あるいは、低ＴE 動作の熱電子発電器から高出力を得るための、太陽光を用いた新しい補助放電法の確立につながる。このような熱電子発電器は地上および宇宙での応用が期待でき、環境問題の解決にも貢献できる。
【０１５６】
上記したことから明らかなように、光照射効果を利用する熱電気発電器として、二つの形態が考えられる。
【０１５７】
（１）太陽光利用熱電子発電器（ソーラテック：Ｓｏｌａｒ ＴＥＣ）
これは、発電に必要な全ての熱源を太陽光でまかなうもので、電力と同時に温水が得られる。すなわち、エミッタと発電容器の加熱電極間空間のセシウム原子の励起と電離も、全て太陽光で行う。ただし、電気炉やレーザ、紫外光源などは不要であるが、フレネルレンズ等の集光系は必須である。
【０１５８】
（２）低いエミッタ温度と高めのセシウム蒸気圧で動作する熱電子発電器に、太陽光や各種ランプからの紫外光を照射して補助放電を起こし、出力を大幅に増大させる方式。いわば、光励起利用熱電子発電器（ＰＥＡ−ＴＥＣ：Ｐｈｏｔｏｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ−ａｉｄｅｄ ＴＥＣ）。
【０１５９】
次に、本発明の実施例を示す太陽光利用熱電子発電器用エミッタ（ソーラテック用エミッタ）について説明する。
【０１６０】
前述のようにこのタイプの発電器では、エミッタと発電容器の加熱も電極間空間のセシウム原子の励起と電離も、全て太陽光で行う。照射光のエネルギーが一定の場合、エミッタの表面積を小さくすることによりエミッタ温度は高くなり、電力への変換効率ηも増大する。例として、エミッタ温度が２３００Ｋまで加熱されるとηは１０数％以上に達する。
【０１６１】
図２８は本発明の実施例を示す太陽光利用熱電子発電器用エミッタの構成図であり、図２８（ａ）はその平面図、図２８（ｂ）は図２８（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。
【０１６２】
エミッタはできる限り小さな表面積にしてその温度を２０００Ｋ以上にすることが必要となる。そこで、太陽光でエミッタを効率よく加熱するには、図２８に示すように、エミッタ６１を中空状にしてその中に反射面を有する光トラップ用突起６２を形成し、太陽光６３，６４を捕捉して吸収効率を高くし、エミッタ６１の表面は鏡面状にして放射損失を少なくするのが有効である。
【０１６３】
このような構造のエミッタについて、吸収率を計算したところ、３０％から９０％まで上昇した。
【０１６４】
また、計算に用いたものと同じ形状のエミッタの太陽光による加熱実験を行ったところその吸収率は５１％であった。
【０１６５】
図２９に示す普通の平板状のエミッタ７１では吸収率は３０％であるので、２０％の改善が確かめられた。
【０１６６】
このことにより、光トラップ機能を持つエミッタが太陽光による加熱の場合に有効であることが明らかになった。
【０１６７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１６８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【０１６９】
（Ａ）太陽光波長を十分に活用して、発電効率の向上を図ることができる。
【０１７０】
本発明は、太陽エネルギーを熱源とする家庭、農業、宇宙での利用や、製鉄、冶金、ガラス製造等（溶鉱炉からの廃熱の利用）や、原子力発電（原子炉内の放射光と熱の利用）に適用することができる。
【０１７１】
また、フレネルレンズを使って集光し、太陽光の長波長域でエミッタ電極を加熱し、また短波長域光をそのエミッタ電極近傍のセシウム原子に照射し、これを励起・電離させ放電を起こさせ、前記電極近傍の負の空間電荷を中和させエミッタ電流を増大させることができる。
【０１７２】
その結果、照射光の高効率変換が実現でき、結果としてエネルギー変換効率を１５％に引き上げることに成功した。
【０１７３】
更には、太陽光エネルギーの活用に際しては、上記の太陽電池活用と同時に、長波長域を温水加熱等にも同時に活用する複合エネルギーシステムを構築することができる。
【０１７４】
（Ｂ）太陽光利用熱電子発電器（ソーラテック：Ｓｏｌａｒ ＴＥＣ）を得ることができる。これは発電に必要な全ての熱源を太陽光でまかなうもので、電力と同時に温水が得られる。すなわち、エミッタと発電容器の加熱も電極間空間のセシウム原子の励起と電離も、全て太陽光で行う。ただし、電気炉やレーザ、紫外光源などは不要であるが、フネルレンズ等の集光系は必須である。
【０１７５】
（Ｃ）低いエミッタ温度と高めのセシウム蒸気圧で動作する熱電子発電器に、太陽光や各種ランプからの紫外光を照射して補助放電を起こし、出力を大幅に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の模式図である。
【図２】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置のエミッタ温度に対する短絡電流特性を示す図である。
【図３】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の空間照射および電極照射の出力電流波形を示す図である。
【図４】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の照射光の波長に対する出力電流特性を示す図である。
【図５】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の照射光の断面積に対する出力電流特性を示す図である。
【図６】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の空間照射時のエミッタ温度に対する出力電流特性を示す図である。
【図７】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の電極照射時のエミッタ温度に対する出力電流特性を示す図である。
【図８】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の空間照射時のエミッタ温度に対する出力電流増加率を示す図である。
【図９】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の電極照射時のエミッタ温度に対する出力電流増加率を示す図である。
【図１０】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の空間照射におけるレーザエネルギーに対する出力電流密度を示す図である。
【図１１】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の電極照射におけるレーザエネルギーに対する出力電流密度を示す図である。
【図１２】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置のエミッタ温度に対する出力電流ピーク時間を示す図である。
【図１３】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置のエミッタ温度に対する出力電流波形の半値幅を示す図である。
【図１４】 本発明の他の実施例を示す空間電荷中和度αのエミッタ温度ＴE およびセシウム蒸気温度ＴｃS への依存性を示す図である。
【図１５】 地表面における太陽光とキセノンショートアークランプ２０００Ｋ黒体放射のスペクトル分布をセシウム原子の光電離断面積とともに示す図である。
【図１６】 本発明の他の実施例を示す光利用熱電子発電装置の模式図である。
【図１７】 本発明にかかる光利用熱電子発電器の出力特性の測定回路である。
【図１８】 本発明にかかる熱電子発電器出力特性測定のタイミングチャートである。
【図１９】 本発明にかかる熱電子発電器のセシウム圧力と電子の平均自由行程λe がセシウム蒸気温度に依存する関係を示す図である。
【図２０】 本発明にかかる熱電子発電器のＴｃS ＝４００Ｋにおける出力特性をエミッタ温度ＴE の関数として示す図である。
【図２１】 本発明にかかる熱電子発電器のセシウム蒸気温度ＴｃS をパラメータとして測定したＴE ＝１２８０Ｋにおける出力特性図である。
【図２２】 本発明にかかる熱電子発電器の測定された短絡電流密度ＪS のセシウム蒸気温度ＴｃS 依存性を、空間電荷中和度αとエミッタからの熱電子放出電流密度Ｊe とともに示す図である。
【図２３】 ＴａｙｌｏｒとＬａｎｇｍｕｉｒにより測定されたＪe のＴE とＴｃS への依存性を示す図である。
【図２４】 本発明にかかる熱電子発電器の出力特性図（その１）である。
【図２５】 本発明にかかる熱電子発電器の出力特性図（その２）である。
【図２６】 本発明にかかる熱電子発電器の出力特性図（その３）である。
【図２７】 本発明にかかる熱電子発電器の光照射により誘起されるモード遷移を表す図である。
【図２８】 本発明の実施例を示す太陽光利用熱電子発電器用エミッタの構成図である。
【図２９】 普通の太陽光利用熱電子発電器用エミッタの構成図である。
【符号の説明】
１ 電気炉
２ 第１の光照射用窓
３ 第２の光照射用窓
４ 低圧セシウム封入型熱電子発電管（熱電子発電器）
５，４２ コレクタ
６，４３，６１，７１ エミッタ
７ ヒータ
８ セシウム溜め
９ ヒータ加熱用電源
１０ ダイオード
１１ 直流可変電源
１２ 外部抵抗
２１ 太陽光
３１ エキシマレーザ
３２ 色素レーザ
４０ 熱電子発電器
４１ キセノンランプの照射光
４４ 渦巻き状タングステン線
４５ 熱放射反射器の支持棒
５０ 電気炉
５１ オゾンレスキセノンランプ
５２ 光学レンズ
５３ エミッタ加熱用電源
５４ 遅延パルス発生回路
５５ 三角波発振器
５６ 電力増幅器
５７ 負荷抵抗
５８ 直流増幅器
５９ サンプリング・ホールディング回路
６２ 光トラップ用突起
６３ 太陽光
【発明の属する技術分野】
本発明は、光利用熱電子発電方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱電子発電は、熱エネルギーから電気エネルギーへの直接変換法の一つであり、金属面が加熱されると電子が放出される熱電子放出現象を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する方式である。
【０００３】
かかる熱電子発電器は以下のような利点を有している。まず、小型化が可能であり、可動部がない静止器であるために静粛性に優れ、保守が容易である。また、機械的なエネルギーを介さずに電気エネルギーに変換されるために発電効率が高い。
【０００４】
これらのことから、太陽光等を利用した分散型発電等への応用に適していると考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱電子発電器は未だ実用化には至っていない。熱電子発電器は一般に高温で動作するため、高温動作による陰極の寿命、あるいはその安定性が問題となるからである。また、陰極から放出される電子は電極間空間に空間電荷としてとどまるが、両電極間に生ずる空間電荷効果が大きいと十分な電流が取り出せない。空間電荷効果を低減するためには電極間の距離を極端に短くするか、発電器内にセシウムを封入し、セシウムイオンを生成して空間電荷を中和することが考えられる。
【０００６】
これまでにも熱電子発電器に磁界を印加して出力電流特性の検討を行ったもの、Ｘｅランプを光源として光照射することで、出力電流の増大現象が起こることを明らかにした研究等がある。
【０００７】
熱電子発電器内に封入されているセシウムは５６０〜６６０ｎｍの波長域にセシウム分子の吸収帯が存在しており、この付近の光を照射するのが有効であると思われる。そこで、本発明は、単色性が良く、発振波長が可変である色素レーザ光を用い、熱電子発電器に光照射を行ったときの出力電流の波長依存性、及び光照射による出力電流の増大効果を利用した低温動作熱電子発電器の基礎的な実験を行った。
【０００８】
一方、従来からの太陽電池は太陽光波長のうちのごく一部しか活用されておらず、結果として、発電効率は１０％程度と低い。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑みて、強力な光である太陽光波長を十分に活用して、発電効率の向上を図り得る光利用熱電子発電方法およびその装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光利用熱電子発電方法において、強力な光をレンズを使って集光し、前記強力な光の長波長域でエミッタを中空状にしてその中に反射面を有する光トラップ用突起を形成した光トラップ付きエミッタ電極を加熱するとともに、短波長域光を前記エミッタ電極近傍のアルカリ金属原子に照射し、該アルカリ金属原子を励起・電離させて放電を起こさせ、前記エミッタ電極近傍の負の空間電荷を中和させ、エミッタ電流を増大させることを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の光利用熱電子発電方法において、前記強力な光として太陽光を用いることを特徴とする。
【００１２】
〔３〕上記〔１〕記載の光利用熱電子発電方法において、前記アルカリ金属原子としてセシウム原子を用いることを特徴とする。
【００１３】
〔４〕光利用熱電子発電装置において、電気炉内に配置される低圧セシウム封入型熱電子発電管と、レンズを使って強力な光を集光し、該強力な光の長波長域でエミッタを中空状にしてその中に反射面を有する光トラップ用突起を形成した光トラップ付きエミッタ電極を加熱する手段と、短波長域光を前記エミッタ電極近傍のアルカリ金属原子に照射し、該アルカリ金属原子を励起・電離させて放電を起こさせ、前記エミッタ電極近傍の負の空間電荷を中和させる手段とを具備することを特徴とする。
【００１４】
〔５〕上記〔４〕記載の光利用熱電子発電装置において、前記レンズはフレネルレンズであることを特徴とする。
【００１５】
〔６〕上記〔４〕又は〔５〕記載の光利用熱電子発電装置において、前記強力な光は太陽光であることを特徴とする。
【００１６】
〔７〕上記〔４〕又は〔５〕記載の光利用熱電子発電装置において、前記アルカリ金属原子はセシウム原子であることを特徴とする。
【００１７】
〔８〕光利用熱電子発電方法において、強力な光をレンズを使って集光し、前記強力な光でエミッタを中空状にしてその中に反射面を有する光トラップ用突起を形成した光トラップ付きエミッタ電極を加熱するとともに、前記エミッタ電極近傍のアルカリ金属原子に照射し、空間電荷中和度αを１０-2以下となし、エミッタからの熱電子放出電流を１０-3Ａ／ｃｍ2 となし、エミッタ仕事関数φE を２．２ｅＶとすることにより、光照射によって電極間空間に放電を誘起し、高効率で大出力を得られる点火モード動作を行うことを特徴とする。
【００１８】
〔９〕上記〔８〕記載の光利用熱電子発電方法において、前記光照射は太陽光照射であることを特徴とする。
【００１９】
〔１０〕上記〔８〕記載の光利用熱電子発電方法において、前記光照射は太陽光照射であり、フレネルレンズを使って集光し、電力と温水を得ることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
まず、本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置について説明する。
【００２２】
図１は本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の模式図である。
【００２３】
この図において、１は電気炉、２はその電気炉１に設けられるフレネルレンズからなる第１の光照射用窓、３はその電気炉１に設けられる第２の光照射用窓、４は低圧セシウム封入型熱電子発電管（熱電子発電器）、５は熱電子発電器４内に配置されるコレクタ、６はエミッタ、７はそのエミッタ６に配置されるヒータ、８はセシウム溜め、９はヒータ７に接続されるヒータ加熱用電源、１０はダイオード、１１はコレクタ５とエミッタ６間に接続される直流可変電源、１２は外部抵抗、２１は太陽光、３１はエキシマレーザ、３２は色素レーザである。
【００２４】
そこで、熱電子発電器４はパイレックスガラス製であり、直径約５０ｍｍ、長さ約１４０ｍｍで、二方向に光照射用の窓が設けられている。高温に加熱されるエミッタ６から熱電子放出が起こり、放出される電子をコレクタ５で捕集し出力電流を得る。エミッタ６は直径約１５ｍｍの円筒形のニッケル製で渦巻状ヒータにより加熱される傍熱型の構造である。コレクタ５は直径約４０ｍｍのステンレス製であり、エミッタ６に光を照射できるように中心が約１５ｍｍのモリブデンメッシュ（メッシュ線径０．１ｍｍφ、２０ｍｅｓｈ／ｉｎｃｈ）でできており、この部分の光の透過率は約８５％である。またエミッタ６とコレクタ５の電極間隔は、電極間にレーザ光を照射することを考え約１５ｍｍとした。なお、熱電子発電器４内にはセシウム溜め８があり、セシウムが封入されている。
【００２５】
このような光利用熱電子発電装置は、熱電子発電器４、光源である色素レーザ３２（Ｌａｍｂｄａ Ｐｈｙｓｉｃ社製、ＬＰＤ３００２Ａ）、色素レーザ３２をポンピングするためのエキシマレーザ３１（Ｌａｍｂｄａ Ｐｈｙｓｉｃ社製、ＬＰＸ２０５ｉ）、及び測定用の外部回路で構成される。色素レーザ３２のレーザ媒質はローダミン６４０をメタノール溶解したもので、発振波長６１５〜６６０ｎｍ、半値幅３３ｎｓである。ポンピング用のエキシマレーザ３１のレーザ媒質はＸｅＣｌで、発振波長３０８ｎｍ、半値幅３０ｎｓ、最大エネルギー約５００ｍＪである。熱電子発電器４は電気炉１内に設置され、炉温度を調節することにより、熱電子発電器４内のセシウム蒸気圧を制御する。炉温度は、熱電子発電器４下部にあるセシウム溜め８の近くに置いたクロメル−アルメル熱電対で測定した。エミッタ６の温度測定は光高温計（Ｃｈｉｎｏ社製パイロスタＭＯＤＥＬ ＩＲ−Ｕ）を用いた。エミッタ６は、ヒータ加熱用電源９からのダイオード１０による６０Ｈｚ半波整流電流を用いて加熱し、表面温度を変化させる。半波整流電流を用いているのは、加熱電流で生じる電界が放出される電子に影響を与え、出力電流が減少することやノイズの影響を避けるためである。したがって、ここでの測定は全て、ヒータ加熱用の半波整流電流休止間に行った。
【００２６】
光照射実験を行う前に、エミッタ６とコレクタ５の両電極間に三角波電圧を印加し、印加電圧が０Ｖの時の熱電子発電器４の出力電流を短絡電流値として求めた。三角波電圧はヒータ加熱用の６０Ｈｚ半波整流電流の休止している半サイクル間に印加した。図２にエミッタ温度に対する短絡電流特性を示す。これは、エミッタ温度の増加によりセシウムの接触電離が盛んに起こり空間電荷が中和されるためと考えられる。今回実験した範囲内では、光照射を行う前の短絡電流はせいぜい０．６Ａ／ｍ2 程度の小さなものであった。
【００２７】
光照射実験の際には、ヒータ加熱用の６０Ｈｚ半波整流電流が休止している半サイクル間に単発で光を照射する。レーザ光は二枚のレンズを用いてビーム径約１０ｍｍの平行ビームにした。実験用の光源はパルス発振を用いたので、その出力電流は時間とともに変化する。従って三角波電圧源を用い短絡電流値を簡単に求めることは困難であるため、熱電子発電器４の出力電流の目安としてエミッタ６とコレクタ５の電極間に予め２Ｖの直流バイアスをコレクタ５側が正電位となるように印加し、外部抵抗１２の電圧降下から出力電流を測定した。
【００２８】
また、この実験では、エミッタ６とコレクタ５の電極間空間に光照射を行う時を空間照射、コレクタ５を通過させ、エミッタ電極に光照射を行うときを電極照射と呼ぶことにする。出力電流波形の一例を図３に示す。
【００２９】
図３中のカーソルＸは光照射前の出力電流で、カーソルＯは光照射後のピーク出力電流である。これらの波形の実験条件は共通で、セシウム蒸気圧は２．８Ｐａ、エミッタ温度は８７０Ｋであり、図３（ａ）は空間照射、図３（ｂ）は電極照射の例である。両者を比較すると、図３（ａ）に示す空間照射の方が遅く立ち上がり、図３（ｂ）に示す電極照射では鋭く立ち上がった後、ゆっくり立ち上がっていることが分かる。図３（ｂ）に示す電極照射ではエミッタに光照射されるため光電子放出が起こり、立ち上がりの鋭いものとなると考えられる。
【００３０】
（照射光の波長による出力電流特性）
照射光の波長に対する熱電子発電器の出力電流密度特性を図４に示す。光照射はエミッタとコレクタの電極間空間に照射する空間照射時のものである。光照射を行ったときの熱電子発電器の出力電流は照射光の波長により、著しく変化している。そして波長６１８ｎｍ付近と６３０ｎｍ付近を中心に、幅広い波長領域で比較的大きな出力電流が得られている。波長６４０ｎｍ以降の領域ではあまり大きな出力電流は得られていない。しかし時折、鋭いピークがいくつか現れている。特に出力電流の大きくなる領域ではセシウムの遷移に共鳴した波長であり、光電離が活発に起こる。このために電極間に存在する空間電荷が効率よく中和され、出力電流の増大効果が顕著になると考えられる。波長６１８ｎｍと６３０ｎｍ付近の幅広い二つのピークはセシウムの分子遷移、そして以後、数度現れる波長域の非常に狭い鋭いピークは、セシウムの原子遷移によるものと思われる。
【００３１】
電極照射のときも波長に対する出力電流特性は、図４と同様の傾向を示した。そしてセシウム蒸気圧、エミッタ温度を変化させたときも同様の結果が得られた。
【００３２】
熱電子発電の実際の応用を考えると、例えば太陽光のように波長域の広い光源を用いるときは、分子遷移のピークのように幅広く大きな出力電流が得られる波長域の光を照射して動作させるのが有効であろう。以後の実験では、セシウムの分子遷移によるもののうち、大きな出力電流が得られた６２７ｎｍの波長を選択した。
【００３３】
なお、エミッタとコレクタの間隔は、約１５ｍｍで照射光のビーム径は約１０ｍｍであり、照射光の位置を移動させると熱電子発電器の出力電流も変化し、最適な照射位置が存在していることが実験より明らかとなった。
【００３４】
従って、電極間空間において熱電子発電器出力電流の最大となるような位置で実験を行った。その位置は、エミッタからレーザビームの中心までが約５ｍｍの所であった。
（照射光のビーム径に対する出力電流特性）
電極間隔と照射光のビーム径を比較すると照射光のビーム径の方が小さいため、ビーム径を変化させたときの出力電流密度の測定を行った。その結果を図５に示す。照射光のビーム断面積を大きくすると、出力電流も大きくなっていく。つまりビーム径を小さくしてレーザエネルギー密度を大きくすることにより、同じレーザエネルギーならば両極間の広い範囲に光照射を行い空間電荷を中和させた方が、効果的に出力電流が増大すると言える。また、レーザエネルギーの高いときの方がビーム径に対する出力電流の依存性は大きい。しかし、何れの場合でもビーム径が狭いほど出力電流の増加の割合は大きく、ビーム径が広くなるにつれ飽和傾向を示した。
【００３５】
（光照射による熱電子発電器の出力電流の改善）
空間照射時のエミッタ温度に対する出力電流密度特性を図６に示す。
【００３６】
セシウム蒸気圧１．８Ｐａ以上の時、出力電流はエミッタ温度の上昇とともに大きくなっていき、ピークを迎えてから減少していく。エミッタ温度が高くなると熱電子放出は盛んになり、熱電子発電器の出力電流は増加していく。しかしエミッタ温度がある値以上になると、エミッタ表面のセシウムの吸着量が減り、陰極の仕事関数はニッケルの値に近づき大きな値になる。したがって、電子が放出され難くなり、出力電流にピークが現れるようになる。なお、セシウム蒸気圧は高くなるほど、出力電流のピークはエミッタ温度の高い方へシフトしている。蒸気圧が高いときは、電極表面に吸着するセシウムの層が厚くなっている。
【００３７】
したがって、吸着しているセシウムを蒸発させるのに、より高いエミッタ温度を必要とするためと考えられる。
【００３８】
エミッタ温度９４０Ｋ、セシウム蒸気圧９．９Ｐａの時、エミッタの仕事関数を文献〔Ｊ．Ｍ．Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｈ．Ｆ．Ｗｅｂｓｔｅｒ：“Ｔｈｅｒｍｏｎｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ”，Ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏｌ．ＸＶＩＩ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ Ｉｎｃ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９６２）〕による値１．６９ｅＶと仮定したときのリチャードソン・ダッシュマンの式による放出電子流は、１ｋＡ／ｍ2 となり、出力電流は放出電流の５％程度と小さく、まだ、空間電荷が十分中和されているとは言えない。
【００３９】
電極照射時のエミッタ温度に対する出力電流特性を図７に示す。
【００４０】
実験条件は空間照射のときと同じである。セシウム蒸気圧２．８Ｐａ以下の時は、電極照射の出力電流は空間照射の約半分ほどの値となっている。光照射をエミッタに行うことで電極の加熱効果が起こり、吸着しているセシウムが蒸発して減少する。このため電極の仕事関数は大きくなり、電子が放出され難くなるので出力電流は小さくなる。しかし、セシウム蒸気圧が９．９Ｐａのように高いときでは、電極照射の出力電流は空間照射のものと同程度の値が得られた。これは蒸気圧が高くなると、電極表面に吸着するセシウム層も厚くなるためであると考えられる。このように今回実験した範囲内では、電極方向に光を照射することより、電極間空間に照射した方が大きな出力電流を得ることができた。
【００４１】
次に、光照射の効果を見るために、光照射前と光照射後の出力電流の比を図８と図９に表す。いずれの実験条件でも増加率に極大値が現れる。その値は数百倍にも達しており、光照射によりエミッタ温度９００Ｋ付近の出力電流が著しく改善されている。この時、光照射前の出力電流密度は０．１Ａ／ｍ2 程度と小さく、リチャードソン・ダッシュマンの式による放出電子流の０．０３％にすぎない。電極の寿命を考慮すると増加率の極大付近で動作させるのが有効であると考えられる。
【００４２】
空間照射時のレーザエネルギーに対する出力電流密度特性を図１０に示す。
【００４３】
レーザエネルギーを大きくしていくと出力電流も大きくなっていく。しかし、エミッタ温度の低いときでは、レーザエネルギーの値を大きくしても出力電流はあまり変化せず、飽和傾向を示す。エミッタ温度が低いときは放出される熱電子そのものの量が少なく、空間電荷を十分中和するイオンが生成されれば、レーザエネルギーが増加しても出力電流は増加しない。逆にエミッタ温度が高温になると放出される電子の量が多く、レーザエネルギーが高くなると生成されるセシウムイオンの量も多くなり、出力電流は増加する。エミッタ温度が高いとき、レーザエネルギーに対し出力電流密度はまだ飽和していないので、空間電荷を中和するのに十分なエネルギーの光照射により一桁以上大きな出力電流が得られると期待できる。
【００４４】
電極照射時のレーザエネルギー出力電流特性を図１１に表す。この時の出力電流も、空間照射のときと同様の傾向を示しており、エミッタ温度が低いときは飽和傾向を示し、エミッタ温度が高いときは、レーザエネルギーにより出力電流が増加する。
（出力電流波形の評価）
エミッタ温度に対する出力電流波形のピーク時間の特性を図１２に表す。
【００４５】
エミッタ温度が低温領域のときほど、出力電流は遅く立ち上がっている。そしてエミッタ温度が高温になるにつれ、出力電流は速く立ち上がるようになりエミッタ温度８５０Ｋ以上の領域では、ピーク時間はほぼ一定値に近づいている。
【００４６】
エミッタ温度が低温時では放出電子の初速度は小さく、そしてエミッタ温度の上昇につれ初速度も大きくなる。従ってエミッタ温度が高くなるとピーク時間は速くなるものと思われる。また、空間照射と電極照射のピーク時間を比較してみると、電極照射の方が出力電流の立ち上がりが速くなっている。
【００４７】
エミッタ温度に対する出力電流波形の半値幅を図１３に示す。エミッタ温度の低い領域では、特に半値幅も広くなっており、温度の上昇に伴って半値幅は狭くなる。エミッタ温度が高くなると多くの電子放出が起こる。そして、放出された電子とセシウムイオンとの再結合が起こり、セシウムイオンの消滅は速くなる。
【００４８】
従って、出力電流波形の半値幅も狭くなると考えられる。空間照射と電極照射の半値幅を比較すると、電極照射の方が狭い。電極照射ではエミッタの加熱効果による熱電子放出、または光電子放出現象のために、多くの電子が放出され、セシウムイオンの消滅する時間がさらに速まるためであると思われる。
【００４９】
上記したように、熱電子発電器に光照射を行うと、光電離によるセシウムイオンの生成により、出力電流の増大効果が起こる。このためエミッタ温度は比較的低温領域でも大きな出力電流が得られる。その時出力電流は照射する光の波長に大きく依存する。特に、セシウムの分子遷移によるものと思われる広い波長域での増大効果、そしてセシウムの原子遷移によるものと思われる非常に狭い波長域での増大効果の起こることが明らかになった。
【００５０】
ここで得られた出力電流密度は、４５Ａ／ｍ2 と十分大きな値とはいえない。しかし、レーザエネルギーに対し出力電流には飽和していない。即ち、空間電荷を十分中和するほどイオンが生成されていない。光照射により高い出力電流のレベルまで空間電荷を中和することが出来るならば、熱電子発電器の動作温度を低温化させる一つの有力な方法となることが期待できる。
【００５１】
太陽光等を利用した分散型発電を考えるとき、単に太陽光を熱エネルギーに変換するだけでなく、積極的に光エネルギーの一部をセシウムイオン生成のために利用するような装置とすることにより、熱電子発電器の動作温度を低温化させ、その動作寿命を格段に延ばすことが可能である。
【００５２】
なお、上記実施例では、強力な光として、太陽光を挙げたが、強力な光源があれば、この熱電子発電器の熱源に利用できる。具体的には、太陽光、溶鉱炉等からの放射光、核融合装置内の放射光、原子炉の燃料の発光等がこれに相当する。
【００５３】
化石燃料の燃焼熱でエミッタを加熱し、発電効率改善のための補助放電に光電離・励起を利用することもできる。すなわち、熱源に化石燃料の燃焼熱を、補助放電に光電離を用いた高効率発電にも本発電器を応用できる。この場合も、コジェネレーションが可能である。
【００５４】
また、本発明は、太陽エネルギーを熱源とする家庭用コジェネレーションシステムとして利用できる。これと同じ方式で、農業用コジェネレーションシステムにも応用できる。宇宙で利用すれば、太陽エネルギーの密度が高く、紫外光成分も大きいので、発電量は著増する。宇宙船の動力用電源にも利用できる。
【００５５】
更に、製鉄用溶鉱炉などの大型炉の廃熱を用いて発電することができる。
【００５６】
核融合が実現した段階で、発生エネルギーを電気に変換しなければならない。その場合にも、本発明は有効である。
【００５７】
上記したように、太陽電池と太陽熱温水器の２つの機能を併せ持つ装置であるため、太陽エネルギーを熱源とするコジェネレーションシステムが構築される。これは同時に太陽エネルギーの高効率利用を意味する。
【００５８】
太陽電池と比べて、製造コストは著しく低く（数分の１以下）、家庭用の装置として普及し易い条件を持っている。また、故障が少なく装置の維持が容易である。
【００５９】
光エネルギーは電極の支持を簡略化できるので、電極からの熱伝導損失を抑えることができ、高効率発電を可能とする。
【００６０】
温水を取り出す代わりに、熱電素子を使えば、発電力はさらに高められる。
【００６１】
次に、本発明の他の実施例の光利用熱電子発電方法について説明する。
【００６２】
セシウム雰囲気中の高温タングステン表面から放出される熱電子放出電流密度は、セシウム蒸気温度Ｔｃs が５００Ｋ付近の場合には、１４００Ｋ以下のエミッタ温度ＴE で極大値を持つ。セシウム原子は極めて低い励起電圧と電離電圧を持つため、太陽光によりセシウムを励起および電離させることができる。これらの現象を利用して、太陽光のみまたは他の熱源との併用により、低いエミッタ温度ＴE で動作する新しいタイプの熱電子発電器（ＴＥＣ）を開発できる。
【００６３】
本発明では、低いエミッタ温度ＴE で動作する熱電子発電器の出力特性改善の観点から、太陽光と類似した広い放射スペクトルを持つキセノンランプ光の照射効果を調べた。
【００６４】
この結果、以下の三つの条件を満たす場合に、熱電子発電器出力特性は光照射により大幅に改善されることが明らかになった。
【００６５】
すなわち、
（１）空間電荷中和度α＜１０-2とする。
【００６６】
（２）熱電子放出電流密度Ｊe ＞１０-3Ａ／ｃｍ3 とする。
【００６７】
（３）エミッタ仕事関数φE ＞２．２ｅＶとする。
【００６８】
これらの条件は、熱電子発電器の電極間空間に大きな負の空間電位が形成されることを意味する。光照射によって電極間の電位の谷に生成された電子はコレクタ前面の電子シースで加速され、セシウム原子を電離する。これにより、光照射により点火モードへの遷移を加速したり、熱電子発電器の出力電流を増加させることができる。
【００６９】
以下、この実施例を詳細に説明する。
【００７０】
熱電子発電器は可動部を持たなくても、熱を電気に直接変換することができる。また、熱電子発電器は高い仕事関数を持つ高温のエミッタと低い仕事関数を持つ低温のコレクタから構成され、出力特性を改善するためにセシウムガスが封入されている。多くの場合、熱電子発電器は小型のシステムであり、メンテナンス上の問題がない。
【００７１】
熱から電気へのエネルギー変換は、高温エミッタからの熱電子放出によって行われる。熱エネルギーにより励起された金属（エミッタ）内の電子は、金属表面から飛び出し、冷却された電極（コレクタ）により捕集される。外部抵抗がエミッタとコレクター間につながれていれば、抵抗を介して電流が流れる。実用上は、熱電子発電器の出力電流密度は、１０〜５０Ａ／ｃｍ2 でなければならない。これが満たされる時、熱電子発電器は、騒音や機械的な振動の無い、小型で高効率な発電器として利用される途が開ける。高い出力電流密度を取り出すためには、エミッタ前面の電子集積を抑制する必要があるので、エミッタとコレクタの間隔は０．１ｍｍ以下とされている。また、熱電子発電器を高出力の得られる点火モードで動作するために、エミッタ温度ＴE は２０００Ｋ、セシウム温度は５００〜６００Ｋに維持される。
【００７２】
熱電子発電器の最も将来性のある用途は、地上用と宇宙用に分けられる。前者としては、火力発電の前段階に組み込んだトッピング、工場のコジェネレーションシステム、太陽エネルギー発電あるいは化石燃料の燃焼熱を利用する家庭用コジェネレーションシステムなどを挙げることができる。
【００７３】
後者は原子力エネルギーを熱源として、宇宙船や探査衛星の電源に用いられる〔文献：Ｍ．Ｋａｎｄｏ：Ｊ．Ｐｌａｓｍａ ＆ Ｆｕｓｉｏｎ Ｒｅｓ．７０（１９９４）１０４５〔ｉｎ Ｊａｐａｎｅｓｅ〕。旧ソ連は「ＴＯＰＡＺ」と命名された熱電子発電原子炉を完成させたが、この出力は６ｋＷである。１９８７年及び１９８８年には、ＴＯＰＡＺを人工衛星コスモスに搭載し、宇宙での試運転に成功している〔文献：Ｎ．Ｓ．Ｒａｚｏｒ：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉ．１９（１９９１）１１９１〕。一方、オランダのＷｏｌｆｆ等〔文献：Ｌ．Ｒ．Ｗｏｌｆｆ，Ｗ．Ｂ．Ｖｅｌｔｋａｍｐ ａｎｄ Ｖ．Ｉ．Ｙａｒｉｇｉｎ．Ｐｒｏｃ．２ｎｄ Ｉｎｔｅｒｓｏｃ．Ｃｏｎｆ．Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｓｐａｃｅ，Ｐｈｙｓ．ｏｆ Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＰＴＩ Ｓｕｋｈｕｍｉ，Ｇｅｏｒｇｉａ，Ｕ．Ｓ．Ａ．，１９９１，ｐ７２〕は、ＴＥＣＴＥＭと呼ばれる燃焼熱で加熱される熱電子発電器を開発した。家庭での利用を想定して、ＴＥＣＴＥＭは０．５ｋＷの電気出力と、１０ｋＷに相当する温水を供給できる。この場合、エネルギーの総合変換効率は８０％に達する。ＴＥＣＴＥＭ開発の主要な問題点は、エミッタの高温加熱システムの確立であった。発電効率は７％と予測されるが、これにはＤＣからＡＣへの変換に伴う損失も考慮されている。
【００７４】
多くの場合、熱電子発電器は非点火モードと比較して大きな出力が得られる点火モードで動作される〔文献：Ｒ．Ｈ．Ｂｕｌｌｉｓ，Ｌ．Ｋ．Ｈａｎｓｅｎ，Ｃ．Ｗａｒｎｅｒ，Ｊ．Ｍ．Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｍ．Ｆ．Ｋｏｓｋｉｎｅｎ ａｎｄ Ｎ．Ｓ．Ｒａｚｏｒ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３８（１９６７）３４２５〕。これは電極間で生成されたセシウムイオンがエミッタ近傍の負の空間電荷を総和するからである。しかしながら、通常、点火モード動作は非点火モードより高いエミッタ温度と高いセシウム圧力が必要になる。それゆえ、点火モード動作に利用できる熱源が制限されるので、特別に工夫されたエミッタ加熱システムが必要になる。
【００７５】
本発明の実施例では、低いエミッタ温度ＴE で動作する熱電子発電器を実現することであり、これによって、従来の点火モード動作の熱電子発電器に比べてメンテナンスや熱電子発電器製造が簡便化される上に、種々の熱源や電極材料が利用できるなど、多くの優れた利点が得られる。良く知られているように、セシウムの付着した耐熱性金属、例えばタングステン、モリブテン、タンタルなどでは、それらの温度とセシウム温度によってその仕事関数が変化する〔文献：Ｎ．Ｓ．Ｒａｚｏｒ ａｎｄ Ｃ．Ｗａｒｎｅｒ；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５（１９６４）２５８９〕。
【００７６】
例えば、タングステンの実質的な仕事関数は、その温度が１４００Ｋ以下の時、タングステン表面にセシウムの薄膜が形成される結果、仕事関数は４．５ｅＶから１．７ｅＶに低下する。それ故、セシウム蒸気圧が高い場合には１４００Ｋ程度の低いタングステン温度でも、多量の熱電子放出が生じる。しかしながら、多量の電子が電極間空間に蓄積されるので、熱電子発電器の出力電流は低いレベルに留まる。この問題は、補助放電により高密度のプラズマを維持できれば、解決することができる。
【００７７】
熱電子発電器内のセシウム原子は電離電圧が３．８９ｅｖ、励起準位は１．４ｅＶと低いため、太陽光によってセシウムが励起および電離されて、原子状または分子状のイオンを作ることができる。本実施例では太陽光と類似したスペクトルを有するキセノンショートアークランプを用いて入射光窓を通してプラズマおよびエミッタを照射し、出力特性の改善効果を調べた。この結果、光照射によって短絡電流の増加ならびに非点火モードから点火モードへの遷移の加速が見出された。ここで観察された現象は、キセノンランプの照射により生成された原子状および分子状イオンに起因すると思われる。
【００７８】
ここで得られた結果は、新たな発想に基づく熱電子発電器の開発につながると考えられる。すなわち、太陽エネルギーを高効率で電力と温水の生成に利用するか、もしくは、これを補助放電の発生に利用して低温のエミッタ温度ＴE で動作する熱電子発電器の出力特性の改善に役立てることである。本願発明者らは〔文献：Ａ．Ｏｇｉｎｏ，Ｗ．Ｚｈｅｎｇ ａｎｄ Ｍ．Ｋａｎｄｏ；Ｔｒａｎｓ．ＩＥＥ．Ｊｐｎ．Ａ１１９（１９９９）１１２０〔ｉｎ Ｊａｐａｎｅｓｅ〕で、可視光より長波長の光でエミッタを加熱し、これよりも短波長の光でセシウム原子の励起と電離を行う熱電子発電器を製作し、キセノンランプからの放射光を電気に直接変換できたことを報告している。この実験結果は、光照射型熱電子発電器では照射光でセシウムイオンが生成されているため、出力特性が改善されることを示唆している。
【００７９】
エミッタからコレクタへの電子流束は電極間空間に蓄積された熱電子によって強く乱される。熱電子発電器研究の重点は、この負の空間電荷を緩和することである。負の空間電荷を減少する方法として、二つの方法がある。一つは二つの電極間隔を極めて狭くすることで、真空型熱電子発電器の場合では１０μｍ以下とされる。真空型熱電子発電器は常に空間電荷制限領域で動作されるため、出力電流は熱電子放出電流を超えることがない。高エミッタ温度ＴE と極小電極間隔を必要とするこのタイプの熱電子発電器では、エミッタから蒸発する材料がコレクタをコーティングしたり電極の熱膨張による短絡などの問題が生じる。
【００８０】
もう一つの方法は、熱電子発電器中に正のセシウムイオンを導入して、負の空間電荷を中和する手法である。この種の熱電子発電器は、セシウムイオンの生成方法によって、さらに二つに分けられる。セシウム原子の電離電圧はエミッタ電極材料（例えば、タングステンやモリブテン）の仕事関数よりもずっと小さい。このため、高温のエミッタ表面上でセシウム原子はその最外郭の軌道を回る電子を失い、電極間空間に放出される。このようなイオン生成機構は、「表面電離」と呼ばれるが、これは非点火モードにおいて負の空間電荷を平衡するために良く利用される方法である。非点火モード熱電子発電器の動作原理から判るように、セシウムイオンが空間電荷を完全に中和する条件が満たされ、エミッタからの熱電子がセシウム原子と衝突を行わずにコレクタに到達できる場合、非点火モード動作の熱電子発電器の出力電流は、エミッタからの熱電子放出電流に等しくなる。下記に定義されるように、空間電荷中和度αは熱電子に対する電位障壁の目安となる値である。α＜１の場合、エミッタ前面には負の空間電位が発生するので、コレクタに向かう電子の流れが大幅に阻止される。
【００８１】
空間電荷中和度αは下記の式で表示される。
【００８２】
【数１】
【００８３】
【数２】
【数３】
【００８５】
非点火モードでは、電極間のすべての電子とイオンはエミッタで作られる。Ｐｏｉｓｓｏｎの方程式によると、電極間の空間電位分布はエミッタ前面のｎeEとｎiEにより決められる。例えば、ｎiE≧ｎeEの場合には空間電位はエミッタの電位に対して正になる。
【００８６】
図１４は上記式（１）、（２）および（３）を用いて計算した空間電荷中和度αのエミッタ温度ＴE およびセシム蒸気温度ＴｃS への依存性を示す。
【００８７】
この図から明らかなように、実用レベルの１０Ａ／ｃｍ2 の出力電流密度を得るためには、α≧１を満足し、同時に、上記式（２）で与えられる熱電子電流密度を高くしなければならないので、ＴE ＞２０００ＫおよびＴｃS ＞５５０Ｋの条件を満足する必要がある。このＴE とＴｃS の温度における電子の平均自由行程λe は０．０１７ｍｍであるので、無衝突の条件を満足するためには、電極の間隔ｄをλe より小さくしなければならない。
【００８８】
以上の理由から、高温のＴE とＴｃS で動作する熱電子発電器では、高出力電流密度を得るために、電極の間隔を狭くしなければならない。これは熱電子発電器製造の観点から実現が困難であるように思われる。
【００８９】
しかし、最近になって、ＫｕｃｈｅｒｏｖとＮｉｋｏｌａｅｖ〔文献：Ｒ．Ｙａ．Ｋｕｃｈｅｒｏｖ ａｎｄ Ｙｕ．Ｖ．Ｎｉｋｏｌａｅｖ；Ｐｒｏｃ．２９ｔｈ Ｉｎｔｅｒｓｏｃ．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆ．，Ｕ．Ｓ．Ａ，１９９４，ｐ．４９０〕は、セラミックロールの熱膨張により３μｍの微少電極間隔を確保し、高温のＴE とＴｃs でも動作可能な高出力電流の得られる新型の熱電子発電器を開発した。この熱電子発電器では、非点火モード動作で、効率２０％出力密度１０ｗ／ｃｍ2 が得られている。
【００９０】
セシウム原子は多段階または累積電離によって電離される。すなわち、一つセシウム原子は、例え電子のエネルギーがセシウム電離電圧により小さい場合でも、電子と何度も衝突を繰り返すことにより電離される。
【００９１】
このようなセシウム原子が励起状態を経由して電離に至る多段階電離は、負の空間電荷の中和に大きく貢献する。このような電極間の体積電離は、点火モードで動作する熱電子発電器の空間電荷を中和する上で非常に重要である。通常、体積電離により生成されたプラズマの密度は、十分に高いので、負の空間電荷を緩和することができる。結局、点火モードが発生すると電離損失のために出力電圧は減少するものの、出力電流は顕著に増加する。ＫｕｃｈｅｒｏｖとＮｉｋｏｌａｅｖが開発した無衝突、非点火モード動作の熱電子発電器に比べて点火モード動作の熱電子発電器の動作条件はずっと穏やかなために、今日の熱電子発電器研究は点火モードに関するものが主になっている。α≦１と電子−セシウム原子の衝突を保証するために、典型的な電極の間隔ｄとエミッタ温度ＴE の値はそれぞれ０．１から１．００ｍｍ、１４００Ｋから１８００Ｋである。
【００９２】
本実施例では、実用化が期待できる新しいアイデアに基づく熱電子発電器の開発を行っている。セシウム原子特有の低励起電圧および電離電圧に着眼して、太陽光を電極間プラズマおよびエミッタに照射することにより、セシウム原子を励起させる。熱電子発電器への光照射によって、以下に指摘する幾つかの効果が期待される。すなわち、エミッタからの光電子放出、セシウム原子および分子の光励起と光電離、エミッタおよびセシウムガスの加熱が挙げられる。今回の実験では、現象の複雑さを避けるために、光照射時間は３秒内に厳しく制限した。このため、熱電子発電器内で生じる効果は光励起と光電離のみに限定されると考えられる。なぜならば、エミッタと熱電子発電器容器の熱容量は大きいので、それらの温度上昇は５０ｓ以上を要するためである。光照射実験のため、電極間隔の大きい熱電子発電器を製作した。熱電子発電器の光照射では幾つかの利点が期待され、これらは以下のようにまとめられる。
【００９３】
（１）一般に、セシウムガス雰囲気中では、エミッタ温度ＴE が１４００Ｋ以下でエミッタからの熱電子放出電流密度は最大になるが、エミッタ表面での電離により生成されるセシウムイオンは少ない。これは空間電荷の中和が十分行われれば、低エミッタ温度ＴE 、高セシウム蒸気温度ＴｃS 動作でも、熱電子発電器から大きな出力電流が得られることを意味する。
【００９４】
（２）原子状および分子状のセシウムイオンの前駆体であるセシウム励起原子ＣS * が、太陽光の照射によって、熱電子発電器内に数多く生成される。
【００９５】
（３）ＣS * の相互の衝突により自発的に生成されるセシウム分子イオンは、空間電荷を効率よく中和する。これは低エミッタ温度ＴE 動作の熱電子発電器にとって重要である。なぜならば、低エミッタ温度ＴE 動作の熱電子発電器では、表面電離により生成されるセシウム原子は、熱電子より極めて少ないからである。
【００９６】
（４）光照射により生成される多量のＣS * は、非点火モードから点火モードへの遷移を促進させる。
【００９７】
（セシウムの原子および分子過程）
低エミッタ温度ＴE 低セシウム蒸気温度ＴｃS 動作の熱電子発電器は熱源の多様化とメンテナンスの容易さなどの点で幾つかの利点が考えられるが、出力および効率が低いレベルに留まり、実用化するのが困難な状況にある。しかしながら、太陽光照射により点火モードが実現し、高効率で高出力が得られれば、以上のような欠点は解消される。幸い、熱電子発電器中には、仕事関数と電離電圧が低いセシウム蒸気が封入されている。このセシウム蒸気は、熱電子発電器の動作に関して二つの効果を持つ、つまり、一つは高温のエミッタ面上で表面電離により生成されるセシウムイオンが負の空間電荷を中和することであり、他の一つは、コレクタ表面を薄いセシウム薄膜で覆うことによりコレクタの仕事関数φｃを下げることである。しかしながら、この実施例では、セシウム封入の三つ目の効果、すなわち、太陽光照射により誘起される補助放電の点火モードへの遷移効果を提案する。周知のように、太陽光はＵＶから遠赤外域までの広いスペクトル分布を持ち、一方セシウム原子はあらゆる元素中で最低の電離電圧３．８９ｅＶと励起電圧１．４ｅＶを持つ。このため、太陽光照射によりセシウム原子を電離および励起させることができ、この結果、熱電子発電器の出力特性を顕著に改善することが期待される。
【００９８】
ここでは、参考としてセシウムの原子および分子過程について簡単に触れる。
【００９９】
（セシウム原子の電離および励起）
基底準位にあるセシウム原子は、電子との衝突または光子の吸収によって、ΔＥ0 のエネルギーを吸収して励起される。これらの過程〔文献：Ｋ．Ｊ．Ｎｙｇａｒｒａｄ；ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．９（１９７３）１０２０．及び文献Ｈ．Ｌ．Ｗｉｔｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅ．Ｐ．Ｇｙｆｔｏｐｏｕｌｏｓ；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６（１９６５）１３２８〕は以下のように記述される。
【０１００】
Ｃｓ（６2 Ｓ1/2 ）＋ΔＥ0 →Ｃｓ* （６2 Ｐ3/2,1/2 ） …（４）
ここで、Ｊ＝３／２に対してはΔＥ0 ＝１．３８ｅＶ、Ｊ＝１／２ではΔＥ0 ＝１．４５ｅＶであり、それらのエネルギーに相当する光の波長は、それぞれ８９４．４ｎｍと８５２．１ｎｍである。上記式（４）のＣｓ* は、それら相互の衝突を通してセシウム励起分子Ｃｓ* 2 になる。Ｃｓ* 2 は更に以下の過程を通して自発的に電離する〔文献：Ｆ．Ｇ．Ｂａｋｓｈｔ，Ｇ．Ａ．Ｄｙｕｚｈｅｖ，Ａ．Ｍ．Ｍａｒｔｓｉｎｏｖｓｋｉｙ，Ｂ．Ｙａ．Ｍｏｙｚｈｅｓ，Ｇ．Ｙｅ．Ｐｉｋｕｓ，Ｅ．Ｂ．Ｓｏｎｉｎ ａｎｄ Ｖ．Ｇ．Ｙｕｒ’ｙｅｖ；Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｂｅｒｔｅｒ ａｎｄ Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｌａｓｍａ，Ｅｎｇ．ｅｄ ｂｙ Ｌ．Ｋ．Ｈａｎｓｅｎ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ／Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ．Ｓｐｒｉｎｇｆｉｅｌｄ，Ｖｉｒｇｉｎｉａ，１９７８）Ｃｈａｐ．５，ｐ．１４０、文献：Ｍ．Ｄ．Ｇｉｂｂｏｎｓ；Ｐｒｏｃ．Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔ Ｃｏｎｆ．，Ｇａｔｌｉｎｂｕｒｇ，Ｔｅｎｎ．，Ｕ．Ｓ．Ａ．，Ｏｃｔ １９６３，ｐ．１０３、文献：Ｊ．Ｙａｍａｄａ ａｎｄ Ｔ．Ｏｋｕｄａ；Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．３５（１９７３）８８１〕。
【０１０１】
Ｃｓ* （６2 Ｐ3/2,1/2 ）＋Ｃｓ* （６2 Ｐ3/2,1/2 ）→Ｃｓ* 2 …（５）
Ｃｓ* 2 →Ｃｓ+ 2 ＋ｅ …（６）
上記式（５）と式（６）で表示される過程では、付加エネルギーを必要としないことを指摘しておきたい。それ故、多量のＣｓ* の生成がある場合には、多くのセシウム分子イオンの存在が考えられる。
【０１０２】
セシウム原子イオンは以下の過程〔文献：Ｋ．Ｊ．Ｎｙｇａｒｒａｄ；ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．９（１９７３）１０２０、文献：Ｄ．Ｈ．Ｐｏｌｌｏｃｋ ａｎｄ Ａ．Ｏ．Ｊｅｎｅｎ；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６（１９６５）３１８４〕で生成される。
【０１０３】
Ｃｓ* （６2 Ｐ3/2,1/2 ）＋ΔＥ1 →Ｃｓ+ ＋ｅ …（７）
Ｃｓ* （６2 Ｓ1/2 ）＋ΔＥ2 →Ｃｓ+ ＋ｅ …（８）
ここで、ΔＥ1 ＝２．５ｅＶ、ΔＥ2 ＝３．８９ｅＶであり、それぞれ、波長５００ｎｍ、３１８ｎｍの光子が有するエネルギーに相当する。太陽光は、セシウム原子を励起および電離するに必要な波長をすべてカバーしている。それ故、太陽光照射により、低エミッタ温度ＴE 、セシウム蒸気温度Ｔｃs 動作の熱電子発電器から優れた効果を引き出すことが期待される。
【０１０４】
上記式（７）により与えられる光電離の断面積σは７×１０-18 ｃｍ2 であり〔文献：Ｎ．Ｄ．Ｍｏｒｇｕｌｉｓ，Ｙｕ．Ｐ．Ｋｏｒｃｈｅｖｏｉ ａｎｄ Ａ．Ｍ．Ｐｒｅｚｈｏｎｓｋｉｉ；Ｚｈ．Ｅｋｓｐ．＆ Ｔｅｏｒ．Ｆｉｚ．５３（１９６７）４１７，Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ；Ｓｏｖ．Ｐｈｙｓ−ＪＥＴＰ２６（１９６８）２７９〕、上記式（８）の断面積より１００倍大きい。これらのデータから、点火モード動作熱電子発電器内のプラズマでは、セシウムが主として多段階電離で生成されていることが理解される。すなわち、１．４ｅＶ程度のエネルギーを有する電子が上記式（４）の過程を通してＣｓ* を生成し、さらにＣｓ* が上記式（７）の過程で電離する。
【０１０５】
（熱電子発電器照射用光源）
セシウム原子は、可視光の波長範囲である３００ｎｍから９００ｎｍまでスペクトルを有する光源を照射することによって、励起または電離される。ほとんどの光源はこの範囲をカバーしている。ここでは、キセノンショートアークランプと太陽光のスペクトルを比較して述べる。
【０１０６】
図１５は地表面における太陽光とキセノンショートアークランプのスペクトル分布をセシウム原子の光電離断面積とともに示している。両光源とも上述の過程を実現するのに必要なスペクトルと十分な光強度を持っていることが判る。キセノンランプ放射光のスペクトルは太陽光と完全には一致していないが、（特に８００ｎｍから１１００ｎｍの波長領域ではそうであるが）、太陽光の模擬光として利用できる。
【０１０７】
エミッタ温度ＴE が高くなると、エミッタから熱放射があり、熱電子発電器の出力特性に影響を与えることが考えられる。この効果を考察するために、図１５に２０００Ｋの黒体の放射スペクトルを示している。この短波長成分は、セシウム原子を励起できるので、点火モード動作の熱電子発電器の出力特性への効果を無視することはできないと考えられる。
【０１０８】
次に、この実施例の光利用熱電子発電装置について説明する。
【０１０９】
図１６は本発明の他の実施例を示す光利用熱電子発電装置の模式図である。
【０１１０】
この図において、４０は熱電子発電器、４１はキセノンランプの照射光、４２はコレクタ、４３はエミッタ、４４は渦巻き状タングステン線、４５は熱放射反射器の支持棒である（本願発明者による発表文献：Ｙ．Ｓｈｉｂａｈａｒａ ａｎｄ Ｍ．Ｋａｎｄｏ；Ｐｒｏｃ．４ｔｈ．Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ Ｇｒａｄｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｔｓｕｋｕｂａ，Ｊａｐａｎ，１９９６（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，１９９６）ｐ．６７３、文献：Ｍ．Ｋａｎｄｏ，Ｈ．Ｆｕｒｕｋａｗａ，Ｍ．Ｉｃｈｉｋａｗａ ａｎｄ Ｓ．Ｙｏｋｏｉ；Ｐｒｏｃ．２９ｔｈ．Ｉｎｔｅｒｓｏｃ．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆ．，Ｕ．Ｓ．Ａ．，１９９４，ｐ．１０６７が類似したものとして挙げられる）。
【０１１１】
図１６に示すように、電極間のセシウム蒸気が効率良くキセノンランプの照射光４１を受けるように、直径３８ｍｍ長さ２０ｍｍのＳＵＳ３０４製円筒状コレクタ４２を使用する。エミッタ４３は直径１８ｍｍの渦巻き状タングステン線４４で６０Ｈｚの半波整流電流により直接加熱される。エミッタ４３とコレクタ４２の最近接エッジの距離は１０ｍｍである。熱電子発電器４０にはセシウムが満たされ、セシウム蒸気温度ＴｃS は、熱電子発電器４０を電気炉の中に入れ、電気炉の温度を調整することにより制御する。熱電子発電器４０はパイレックスガラス製で、光の透過率は波長３５０ｎｍから２０００ｎｍの波長範囲で０．９である。エミッタ温度ＴE は、熱電対と放射温度計で測定され、熱電対で測定される熱電子発電器容器温度をセシウム蒸気温度ＴｃS に等しいと仮定した。
【０１１２】
セシウム原子の光励起・電離に必要な光波長は、近赤外線領域（励起８９０ｎｍ）から紫外線領域（直接電離３１８ｎｍ）にわたっている。このような光の波長成分はすべて太陽光に含まれている。太陽光を利用して熱電子発電器の出力特性改善ができれば、地上用熱電子発電器〔文献；Ｋ．Ｊ．Ｎｙｇａｒｒａｄ；ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．９（１９７３）１０２０．文献；Ｈ．Ｌ．Ｗｉｔｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅ．Ｐ．Ｇｙｆｌｏｐｏｕｌｏｓ；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６（１９６５）１３２８、文献；Ｆ．Ｇ．Ｂａｋｓｈｔ，Ｇ．Ａ．Ｄｙｕｚｈｅｖ，Ａ．Ｍ．Ｍａｒｔｓｉｎｏｖｓｋｉｙ，Ｂ．Ｙａ．Ｍｏｙｚｈｅｓ，Ｇ．Ｙｅ．Ｐｉｋｕｓ，Ｅ．Ｂ．Ｓｏｎｉｎ ａｎｄ Ｖ．Ｇ．Ｙｕｒ’ｙｅｖ；Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕ ｒｅ Ｐｌａｓｍａ，Ｅｎｇ．ｅｄ ｂｙ Ｌ．Ｋ．Ｈａｎｓｅｎ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ／Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ．Ｓｐｒｉｎｇｆｉｅｌｄ，Ｖｉｒｇｉｎｉａ，１９７８）Ｃｈａｐ．５，ｐ．１４０〕の普及が期待できる。
【０１１３】
図１５に示すように、太陽光と類似したスペクトルをもつオゾンレスキセノンランプ（ＸＤ５０００／Ｈ−ＯＬ、東芝ライテック社製）を用いた。ランプの電気入力は１ｋＷから４．５ｋＷまで可変であるが、本実施例では４．５ｋＷ一定で使用する。電気入力のおよそ５０％は熱損失として失われ、残りの５０％が放射光となるが、そのスペクトル分布は３８０ｎｍ以下の紫外光、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光、７８０ｎｍ以上の赤外光に分けられる。
【０１１４】
それぞれの強度比率は３％、１１％、３６％であり、電気入力には依存しない。ランプからの放射光は３５０ｎｍから２０００ｎｍの波長範囲で透過率〔文献；Ｊ．Ｙａｍａｄａ ａｎｄ Ｔ．Ｏｋｕｄａ；Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．３５（１９７３）８８１〕が０．９の三枚の光学レンズ（０１ ＬＰＸ １４５、ＢＫ−７Ａ、Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ Ｃｏｍｐａｎｙ）によって集光されて熱電子発電器に照射される。ランプハウスは、ランプの放射光がハウス内部の放物面鏡で反射され平行光線となる構造を持っている。それ故、ランプの全放射光の僅か１５％程度が、ランプハウスに一番近いレンズを通過する。また、光学レンズとパイレックスガラスの透過率は３５０ｎｍ以下の波長に対して著しく低下するので、紫外光の大部分は熱電子発電器に到達する途中で完全に吸収されていると考えられる。
【０１１５】
以上をまとめると、熱電子発電器に入射する光はほぼ可視光と赤外光とから構成されていて、電気入力が４．５ｋＷの時、熱電子発電器内への入射光パワーは２００Ｗ程度である。
【０１１６】
次に、照射光によるエミッタ加熱について考察する。
【０１１７】
タングステンの放射率は約０．２であるので、エミッタが吸収するパワーは入射光の２０％である。すなわち、エミッタ加熱に使われる入射光のパワーは４０Ｗ程度で、残りの１６０Ｗは熱電子発電器容器の壁の加熱やセシウム原子の励起と電離などに消費される。キセノンランプへの電気入力が４．５ｋＷのときに一分間光を照射すると、エミッタ温度ＴE で１５００Ｋから１５４５Ｋに上昇した。エミッタの仕事関数φE はエミッタ温度に強く依存し、熱電子発電器出力特性もエミッタ温度ＴE の変化に応じた変化を強いられる。この効果を避けるために、本実施例では光照射時間を厳密に３秒以内に制限した。
【０１１８】
図１７は本発明にかかる光利用熱電子発電器の出力特性の測定回路である。
【０１１９】
この図において、４０は熱電子発電器（図１６参照）、５０は電気炉、５１はオゾンレスキセノンランプ、５２は光学レンズ、５３はエミッタ加熱用電源、５４は遅延パルス発生回路、５５は三角波発振器、５６は電力増幅器、５７は負荷抵抗、５８は直流増幅器、５９はサンプリング・ホールディング回路である。
【０１２０】
このように、出力特性の測定回路は、遅延パルス発生回路５４、サンプリング・ホールディング回路５９、三角波発振器５５および負荷抵抗５７によって構成される。
【０１２１】
そこで、熱電子発電器４０のエミッタをヒータ電流で加熱すると、エミッタの両端に５．６Ｖ程度の電圧が発生する。この電圧はエミッタからコレクタに流れる電子流を擾乱する。熱電子発電器４０内の電子とイオンはエミッタと熱平衡状態になっているので、電子の温度Ｔe とイオンの温度Ｔi はエミッタ温度ＴE に等しいと近似できる。エミッタ加熱電流により発生するエミッタ両端の電圧は、電子とイオンの温度より遙に高いので、熱電子発電器内の荷電粒子の運動はこの電圧によって大きな影響を受ける。この擾乱を避けるために、エミッタの加熱には６０Ｈｚの半波整流電流を用い、熱電子発電器出力特性の測定は加熱電流休止時に行わなければならない。
【０１２２】
加熱電流により生じるエミッタ両端の電圧がコレクタに対して正の場合、発電器の出力電流はこの電圧により大幅に抑制される。図１７の測定回路を使えば加熱電流休止時の出力特性を測定できる。
【０１２３】
図１８は本発明にかかる熱電子発電器出力特性測定のタイミングチャートであり、図１８（ａ）には６０Ｈｚ半波加熱電流波形、図１８（ｂ）には遅延パルス、図１８（ｃ）にはサンプリング・ホールディング前の１Ｈｚ三角波、図１８（ｄ）にはサンプリング・ホールディング後の１Ｈｚ三角波、 図１８（ｅ）にはサンプリング・ホールディング前の出力電流、図１８（ｆ）にはサンプリング・ホールディング後の出力電流をそれぞれ示している。
【０１２４】
このように、図１８には、サンプリングとホールディング回路の前後の信号が、６０Ｈｚの半波加熱電流およびサンプリングパルスとともに示されている。幅０．１２ｍｓのパルスを６０Ｈｚ半波電流停止直後の５ｍｓ後に発生させる。サンプリング・ホールディング回路５９は、サンプリングパルスが発生した瞬間の三角波電圧と負荷抵抗５７の電圧値を記録し、次のパルスが到達するまでそれらの信号を維持する。したがって、三角波の電圧波形と負荷抵抗５７の電圧はサンプリングホールディング回路５９によって、図１８に示すように修正される。実験では、三角波電圧の周波数と振幅をそれぞれ１Ｈｚ、３Ｖとした。サンプリング・ホールディング回路からの信号はデジタルオシロスコープで記録された後、パソコンでデータ処理を行う。
【０１２５】
（熱電子発電器の動作条件）
実験で測定される熱電子発電器出力特性の理解を容易にするために、まず初めに熱電子発電器動作条件を述べる。エミッタ温度ＴE は加熱電流ＩH によって制御される。上記のようにＩH を大きくすると、エミッタの両端に大きな電圧が発生し、最悪の場合、エミッタ両端に局部的な放電が発生する。本装置では放電を起こさずにエミッタ温度を１６００Ｋ程度まで加熱できる。セシウム蒸気温度ＴｃS は電気炉５０により制御されるが、熱電子発電器容器のパイレックスガラスは５００Ｋ以上になると、セシウムを吸収して白化する性質がある。このため、セシウム蒸気温度ＴｃS は５００Ｋ以下に制限される。セシウム圧力と電子の平均自由行程λe はセシウム蒸気温度に依存し、その関係を図１９に示す。この図１９から分かるように、本実験の大部分は、電子セシウム原子間衝突が多く生じる条件で行われていることが分かる。
【０１２６】
（照射光のない場合の熱電子発電器出力特性）
図２０に、ＴｃS ＝４００Ｋにおける出力特性をエミッタ温度ＴE の関数として示す。出力電流密度Ｊ0 はエミッタ温度ＴE の増加と共に徐々に増加することがわかる。ＴE ＝１６００Ｋの場合、出力電圧Ｖ0 が−１から−２Ｖの付近でＪ0 は急激に増加し、同時にヒステリシス曲線を描くようになる。曲線上の矢印はヒステリシスの変化の方向を示す。Ｊ0 の急激な増加は点火モード動作の始まり、すなわち電極間での放電の始まりを意味している。このようなヒステリシスは点火モード動作時にしばしば現れる。エミッタを高温に加熱すると多量の熱電子が放出され、両電極間のある電圧ＶD （以下点火開始電圧と呼ぶ）で多段階または累積電離の発生条件が満たされ、放電が始まる。
【０１２７】
一度点火開始電圧ＶD で点火が始まると、体積電離により両電極間に多数の電子やイオンが生成されるので、その後たとえ両電極間での電子の加速電解が減少したとしても放電はしばらくの間維持されることになる。それ故、点火消滅電圧ＶE は点火開始電圧ＶD より高くなる。
【０１２８】
図２１はセシウム蒸気温度ＴｃS をパラメータとして測定したＴE ＝１２８０Ｋにおける出力特性図である。出力電流Ｊ0 はＴｃS ＝４３０Ｋの時に最大となることが分かる。これは定性的には、空間電荷中和度αによって説明できる。
【０１２９】
図２２は、測定された短絡電流密度ＪS のセシウム蒸気温度ＴｃS 依存性を、式（１）（２）および（３）を用いて計算された空間電荷中和度αとエミッタからの熱電子放出電流密度Ｊe とともに示す。短絡電流密度ＪS は出力電圧Ｖ0 ＝０Ｖの時のＪ0 であり、Ｊe はＲｉｃｈａｒｄｓｏｎ−Ｄｕｓｈｍａｎｎの式で計算される。エミッタ仕事関数φE は、ＴE が一定の時、ＴｃS が高くなるとともに低下するので、Ｊe は増加しαは減少する。
【０１３０】
一方、ＴE ＝１２８０Ｋ、ＴｃS ＝４３０Ｋの測定値を除けば、ＴE ＝１２００ＫおよびＴE ＝１２８０Ｋのいずれの場合においても、ＪS はＴｃS の上昇と共に減少する傾向が読み取れる。また、ＴｃS が高温の時には、ＪS はＪe よりも遙に小さいことがわかる。
【０１３１】
この結果から、α＜１の場合、ＪS はＪe の増加よりは、むしろエミッタ近傍の負の空間電位障壁によって制限されていることがわかる。ＴE ＝１２８０Ｋの時、ＴｃS ＝４１５Ｋにおいてα＝１となるため、ＪS の値はＴｃS ＜４１５ＫではＪe に近くなるはずである。１≧α＞０．１の場合には、負の空間電位障壁によるＪS の抑制効果はそれほど顕著でなく、ＪS はＴｃS の上昇と共に徐々に増大することができる。このため、ＴｃS ＝４３０Ｋの時、ＪS は最大となる。α＜０．１の場合には、負の空間電位障壁による抑制効果はＴｃS の上昇に伴うＪe の増大効果に比べてより支配的となり、ＪS はＴｃS の増加とともに減少する。図２２では、ＴE ＝１２００Ｋと１２８０Ｋの場合でＴｃS ＝４００Ｋの時に、ＪS はＪe よりも大きくなっていることに注意する必要がある。これは、セシウム蒸気温度の測定誤差によるものと考えられる。すなわち、セシウム蒸気温度として、熱電対により測定された熱電子発電器容器の壁温度を用いたためである。
【０１３２】
しかしながら、実際にはエミッタ近傍に非常に高い温度領域が存在する。それ故、セシウム蒸気温度の測定値は実際の温度より３０Ｋ程度低くなっていても不自然ではない。熱電子発電器の実験結果を考察する際には、実験データのこのような面にも十分配慮する必要がある。その理由は、熱電子放出電流Ｊe と空間電荷中和度αはいずれもＴｃS に強く依存するからである。
【０１３３】
以上を要約すると、ＴE が低いほど仕事関数φE が低くなるので、熱電子放出電流密度Ｊe は表面電離で生成されるセシウムイオン電流密度よりも高くなる。このため、低ＴE ではエミッタ前面でセシウムイオンよりも電子が過剰になって負の空間電位が生成され、熱電子電流はこの負の空間電位によりエミッタに引き戻される。しかし、ＴE が上昇すると電子の蓄積が緩和されるために、Ｊ0 またはＪS を増大させることができる。
【０１３４】
（非点火モード動作の出力特性に及ぼす光照射効果）
図２３の実線は、ＴａｙｌｏｒとＬａｎｇｍｕｉｒ〔文献：Ｊ．Ｂ．Ｔａｙｌｏｒ ａｎｄ Ｉ．Ｌａｎｇｍｕｉｒ；Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．４４（１９３３）４２３〕により測定されたＪe のＴE とＴｃS への依存性である。図２３ではＪe と比較するため、ＴｃS が４００Ｋおよび４５０ＫにおけるＪS の測定値を丸と三角の記号で表し、●と▲は光照射のない場合の、○と△は光照射を行った場合の測定値である。また、図中の二つの□は、ＴｃS ＝４００Ｋおよび４５０Ｋにおいてα＝１となるエミッタ温度を示している。これらの□を通る縦軸に平行な一点鎖線によって領域が二分されているが、一点鎖線の右側の低ＴE 領域では対応する。ＴｃS に対してはα＜１，その左側ではα＞１である。α＜１の領域ではＪS が光照射により数倍程度増加していることが分かる。
【０１３５】
しかしながら、一点鎖線の左側の領域でα＞１の領域ではその増加量は減少している。これらの現象は、光照射により光電離が生じて負の空間電荷が中和された結果であると考えられる。要約すると、α＜１の条件では、光照射は出力電流ＪS の増加に有効であると言える。
【０１３６】
（光照射により誘起される点火モードへの遷移）
次に、光照射によるモード遷移の促進効果について調べた。図２１に示される非光照射時における非点火モードのＴE ＝１２８０Ｋにおける出力特性は、図２４に示されるように光照射により著しく変化する。すなわち、４３０および５００Ｋを除くすべてのＴｃS において、光照射によって、ＶD は負に留まってはいるが、点火モードに遷移した。図２５（ａ）および２５（ｂ）に、ＴE ＝１６００Ｋを一定とし、ＴｃS をパラメータとして、非光照射時に既に点火モードで動作している熱電子発電器の光照射前後における出力特性の変化を示す。図２４の非点火モードの場合と相違して、光照射による出力特性の改善ならびにモード変化の加速効果はかなり限定されていることが分かる。最後にＴｃS を一定とし、ＴE を変化させて、光照射による出力特性の変化を測定した。図２６（ａ）に示されるように、高ＴE で点火モード動作が確認された。図２６（ｂ）に示すように光照射による、Ｊ0 の増加および点火モードの促進効果はＴE ＜１３４０Ｋの時に観察された。
【０１３７】
以上の結果をまとめると、光照射によるモード遷移あるいは出力特性の改善は、主に非点火モードで動作している場合に観測され、点火モード動作時には明瞭でない。これに対する物理的な解釈は次に述べる。
【０１３８】
（光照射により出力特性の改善が得られる条件）
光照射によるモード遷移および出力特性の顕著な改善について検討するために、光照射のない場合のαと熱電子放出電流Ｊe を、前記式（１）、（２）およびＲａｓｏｒとＷａｒｎｅｒにより与えられた式から算出されるφE を用いて計算し、表１〜表３にまとめて表している。
【０１３９】
表１：エミッタ温度ＴE が１２８０Ｋでのセシウム蒸気温度ＴｃS についての熱電子放出電流密度Ｊe 、エミッタの仕事関数φE 、および空間電荷中和度αの値を示している。
【０１４０】
【表１】
【０１４１】
表２：エミッタ温度ＴE が１６００Ｋでのセシウム蒸気温度ＴｃS についての熱電子放出電流密度Ｊe 、エミッタの仕事関数φE 、および空間電荷中和度αの値を示している。
【０１４２】
【表２】
【０１４３】
表３：セシウム蒸気温度ＴｃS が４５０Ｋでのエミッタ温度ＴE についての熱電子放出電流密度Ｊe 、エミッタの仕事関数φE 、および空間電荷中和度αの値を示している。
【０１４４】
【表３】
【０１４５】
ここで、コレクタ温度Ｔｃはセシウム蒸気温度ＴｃS に等しいと仮定した。また、低Ｔｃではコレクタはセシウムで完全に被膜されているので、コレクタ仕事関数φｃはセシウムの仕事関数と等しく１．７ｅｖとした。
【０１４６】
表１−表３から分かるように、以下の条件が満足される場合に、光照射によるモード遷移が誘起される。すなわち、
（１）αが１０-2以下であること。
【０１４７】
（２）Ｊe が１０-3Ａ／ｃｍ2 より大きいこと。
【０１４８】
（３）φE が２．２ｅＶより大きいこと。
【０１４９】
前述したように、αは熱電子発電器の空間電位の分布を決定する。すなわち、α＞１ではエミッタ前面にイオンシースが形成され、α＜１では電子シースが形成される。αが小さいほど、エミッタ近傍の負の空間電位の谷は深くなり、空間電位最小値とコレクタ電位との電位差ΔＶは増大する。一端、十分に深い負の空間電位が生成されると、空間電位が最小となる付近で光照射により光電離で生成された電子はこの電位差ΔＶで十分に加速されるので、点火を引き起こすことが可能になると考えられる。
【０１５０】
図２７は本発明にかかる熱電子発電器の光照射により誘起されるモード遷移を表している。
【０１５１】
この図において、熱電子発電器はα＜１で動作し、点線で表すような空間電位分布を有しているが、モード遷移によって実線で示される電位分布に変化する〔文献：Ｎ．Ｓ．Ｒａｓｏｒ：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉ．１９（１９９１）１１９１〕。
【０１５２】
多くの場合、Ｊe が大きいとαは小さくなり、電離周波数は増大する。この理由で上記条件（１）および（２）は、光照射によるモード遷移のための条件となる。一般に、点火モード動作の発生のためには、両電極間の電圧差を十分に大きくする必要がある。高ＴｃS の場合、φE はしばしば２．０ｅＶより小さくなるので、光照射によっても点火モードは生じない。他方、光照射を行わなくても、ＴE を高くすれば、φE が十分高くなって、点火モードを発生させることができる。熱電子発電器が点火モードで動作する場合には、熱電子発電器内の空間電位の最小値はエミッタ電位を下回ることがなく、ΔＶは小さい値に留まる。このため、照射光による出力特性改善効果は限定されたものとなる。
【０１５３】
上記したように、熱電子発電器は、点火モード動作する時に高出力が得られる。しかし、大抵の場合、エミッタ温度を１６００Ｋ以上に、熱電子発電器容器の壁温度を５００Ｋ以上に加熱する必要がある。しかしこれらの条件を満たすことは困難である上、高ＴE とＴｃS 動作に伴って様々な問題が起こる。低ＴE とＴｃS 動作では、熱源の多様化、メンテナンスの容易さなど幾つかの利点がある。本実施例では、低ＴE とＴｃS で動作している熱電子発電器の出力特性に及ぼす太陽光照射効果を調べることである。光照射はセシウム原子を励起および電離させることができ、補助放電を誘起して非点火モードから点火モードへの促進あるいは出力電流の増大をもたらすことができる。
【０１５４】
実験では、光照射用熱電子発電器を用い、太陽光の代わりにキセノンショートアークランプを使用した。エミッタは６０Ｈｚの半波整流電流によって最高で１６００Ｋまで加熱された。熱電子発電器は電気炉に入れて、最高５００Ｋまで加熱された。実験結果から、光照射によるモード遷移は次の条件の下で実現できることが明らかにされた。
（１）α＜１０-2
（２）Ｊe ＞１０-3Ａ／ｃｍ2
（３）φE ＞２．２ｅＶ
これらの条件の下では、空間電位最小値とコレクタ電位の間の差が大となり、電位の谷で光照射により生成された電子がこの大きな電位差により加速され、セシウム原子を電離する。このようにして、太陽光照射を施せば、低ＴE 動作熱電子発電器から十分に高い出力を得ることが期待できる。これは、本質的に太陽光が変換されることを意味する。
【０１５５】
結論として、低ＴE でＴｃS 動作の熱電子発電器へのキセノンランプ光照射は、点火モードを実現する上で有効である。しかし、ＴE とＴｃS の組み合わせは、光照射の優れた効果を十分に引き出すために大変重要である。これには、ＴE とＴｃS に依存するα、Ｊe およびφE を考慮して、最適な組み合わせを探し出すことが必要である。本発明で得られた成果は、太陽光のみをエネルギー源とする新型の熱電子発電器の開発、あるいは、低ＴE 動作の熱電子発電器から高出力を得るための、太陽光を用いた新しい補助放電法の確立につながる。このような熱電子発電器は地上および宇宙での応用が期待でき、環境問題の解決にも貢献できる。
【０１５６】
上記したことから明らかなように、光照射効果を利用する熱電気発電器として、二つの形態が考えられる。
【０１５７】
（１）太陽光利用熱電子発電器（ソーラテック：Ｓｏｌａｒ ＴＥＣ）
これは、発電に必要な全ての熱源を太陽光でまかなうもので、電力と同時に温水が得られる。すなわち、エミッタと発電容器の加熱電極間空間のセシウム原子の励起と電離も、全て太陽光で行う。ただし、電気炉やレーザ、紫外光源などは不要であるが、フレネルレンズ等の集光系は必須である。
【０１５８】
（２）低いエミッタ温度と高めのセシウム蒸気圧で動作する熱電子発電器に、太陽光や各種ランプからの紫外光を照射して補助放電を起こし、出力を大幅に増大させる方式。いわば、光励起利用熱電子発電器（ＰＥＡ−ＴＥＣ：Ｐｈｏｔｏｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ−ａｉｄｅｄ ＴＥＣ）。
【０１５９】
次に、本発明の実施例を示す太陽光利用熱電子発電器用エミッタ（ソーラテック用エミッタ）について説明する。
【０１６０】
前述のようにこのタイプの発電器では、エミッタと発電容器の加熱も電極間空間のセシウム原子の励起と電離も、全て太陽光で行う。照射光のエネルギーが一定の場合、エミッタの表面積を小さくすることによりエミッタ温度は高くなり、電力への変換効率ηも増大する。例として、エミッタ温度が２３００Ｋまで加熱されるとηは１０数％以上に達する。
【０１６１】
図２８は本発明の実施例を示す太陽光利用熱電子発電器用エミッタの構成図であり、図２８（ａ）はその平面図、図２８（ｂ）は図２８（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。
【０１６２】
エミッタはできる限り小さな表面積にしてその温度を２０００Ｋ以上にすることが必要となる。そこで、太陽光でエミッタを効率よく加熱するには、図２８に示すように、エミッタ６１を中空状にしてその中に反射面を有する光トラップ用突起６２を形成し、太陽光６３，６４を捕捉して吸収効率を高くし、エミッタ６１の表面は鏡面状にして放射損失を少なくするのが有効である。
【０１６３】
このような構造のエミッタについて、吸収率を計算したところ、３０％から９０％まで上昇した。
【０１６４】
また、計算に用いたものと同じ形状のエミッタの太陽光による加熱実験を行ったところその吸収率は５１％であった。
【０１６５】
図２９に示す普通の平板状のエミッタ７１では吸収率は３０％であるので、２０％の改善が確かめられた。
【０１６６】
このことにより、光トラップ機能を持つエミッタが太陽光による加熱の場合に有効であることが明らかになった。
【０１６７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１６８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【０１６９】
（Ａ）太陽光波長を十分に活用して、発電効率の向上を図ることができる。
【０１７０】
本発明は、太陽エネルギーを熱源とする家庭、農業、宇宙での利用や、製鉄、冶金、ガラス製造等（溶鉱炉からの廃熱の利用）や、原子力発電（原子炉内の放射光と熱の利用）に適用することができる。
【０１７１】
また、フレネルレンズを使って集光し、太陽光の長波長域でエミッタ電極を加熱し、また短波長域光をそのエミッタ電極近傍のセシウム原子に照射し、これを励起・電離させ放電を起こさせ、前記電極近傍の負の空間電荷を中和させエミッタ電流を増大させることができる。
【０１７２】
その結果、照射光の高効率変換が実現でき、結果としてエネルギー変換効率を１５％に引き上げることに成功した。
【０１７３】
更には、太陽光エネルギーの活用に際しては、上記の太陽電池活用と同時に、長波長域を温水加熱等にも同時に活用する複合エネルギーシステムを構築することができる。
【０１７４】
（Ｂ）太陽光利用熱電子発電器（ソーラテック：Ｓｏｌａｒ ＴＥＣ）を得ることができる。これは発電に必要な全ての熱源を太陽光でまかなうもので、電力と同時に温水が得られる。すなわち、エミッタと発電容器の加熱も電極間空間のセシウム原子の励起と電離も、全て太陽光で行う。ただし、電気炉やレーザ、紫外光源などは不要であるが、フネルレンズ等の集光系は必須である。
【０１７５】
（Ｃ）低いエミッタ温度と高めのセシウム蒸気圧で動作する熱電子発電器に、太陽光や各種ランプからの紫外光を照射して補助放電を起こし、出力を大幅に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の模式図である。
【図２】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置のエミッタ温度に対する短絡電流特性を示す図である。
【図３】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の空間照射および電極照射の出力電流波形を示す図である。
【図４】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の照射光の波長に対する出力電流特性を示す図である。
【図５】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の照射光の断面積に対する出力電流特性を示す図である。
【図６】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の空間照射時のエミッタ温度に対する出力電流特性を示す図である。
【図７】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の電極照射時のエミッタ温度に対する出力電流特性を示す図である。
【図８】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の空間照射時のエミッタ温度に対する出力電流増加率を示す図である。
【図９】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の電極照射時のエミッタ温度に対する出力電流増加率を示す図である。
【図１０】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の空間照射におけるレーザエネルギーに対する出力電流密度を示す図である。
【図１１】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の電極照射におけるレーザエネルギーに対する出力電流密度を示す図である。
【図１２】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置のエミッタ温度に対する出力電流ピーク時間を示す図である。
【図１３】 本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置のエミッタ温度に対する出力電流波形の半値幅を示す図である。
【図１４】 本発明の他の実施例を示す空間電荷中和度αのエミッタ温度ＴE およびセシウム蒸気温度ＴｃS への依存性を示す図である。
【図１５】 地表面における太陽光とキセノンショートアークランプ２０００Ｋ黒体放射のスペクトル分布をセシウム原子の光電離断面積とともに示す図である。
【図１６】 本発明の他の実施例を示す光利用熱電子発電装置の模式図である。
【図１７】 本発明にかかる光利用熱電子発電器の出力特性の測定回路である。
【図１８】 本発明にかかる熱電子発電器出力特性測定のタイミングチャートである。
【図１９】 本発明にかかる熱電子発電器のセシウム圧力と電子の平均自由行程λe がセシウム蒸気温度に依存する関係を示す図である。
【図２０】 本発明にかかる熱電子発電器のＴｃS ＝４００Ｋにおける出力特性をエミッタ温度ＴE の関数として示す図である。
【図２１】 本発明にかかる熱電子発電器のセシウム蒸気温度ＴｃS をパラメータとして測定したＴE ＝１２８０Ｋにおける出力特性図である。
【図２２】 本発明にかかる熱電子発電器の測定された短絡電流密度ＪS のセシウム蒸気温度ＴｃS 依存性を、空間電荷中和度αとエミッタからの熱電子放出電流密度Ｊe とともに示す図である。
【図２３】 ＴａｙｌｏｒとＬａｎｇｍｕｉｒにより測定されたＪe のＴE とＴｃS への依存性を示す図である。
【図２４】 本発明にかかる熱電子発電器の出力特性図（その１）である。
【図２５】 本発明にかかる熱電子発電器の出力特性図（その２）である。
【図２６】 本発明にかかる熱電子発電器の出力特性図（その３）である。
【図２７】 本発明にかかる熱電子発電器の光照射により誘起されるモード遷移を表す図である。
【図２８】 本発明の実施例を示す太陽光利用熱電子発電器用エミッタの構成図である。
【図２９】 普通の太陽光利用熱電子発電器用エミッタの構成図である。
【符号の説明】
１ 電気炉
２ 第１の光照射用窓
３ 第２の光照射用窓
４ 低圧セシウム封入型熱電子発電管（熱電子発電器）
５，４２ コレクタ
６，４３，６１，７１ エミッタ
７ ヒータ
８ セシウム溜め
９ ヒータ加熱用電源
１０ ダイオード
１１ 直流可変電源
１２ 外部抵抗
２１ 太陽光
３１ エキシマレーザ
３２ 色素レーザ
４０ 熱電子発電器
４１ キセノンランプの照射光
４４ 渦巻き状タングステン線
４５ 熱放射反射器の支持棒
５０ 電気炉
５１ オゾンレスキセノンランプ
５２ 光学レンズ
５３ エミッタ加熱用電源
５４ 遅延パルス発生回路
５５ 三角波発振器
５６ 電力増幅器
５７ 負荷抵抗
５８ 直流増幅器
５９ サンプリング・ホールディング回路
６２ 光トラップ用突起
６３ 太陽光
Claims (10)
- 強力な光をレンズを使って集光し、前記強力な光の長波長域でエミッタを中空状にしてその中に反射面を有する光トラップ用突起を形成した光トラップ付きエミッタ電極を加熱するとともに、短波長域光を前記エミッタ電極近傍のアルカリ金属原子に照射し、該アルカリ金属原子を励起・電離させて放電を起こさせ、前記エミッタ電極近傍の負の空間電荷を中和させ、エミッタ電流を増大させることを特徴とする光利用熱電子発電方法。
- 請求項１記載の光利用熱電子発電方法において、前記強力な光として太陽光を用いることを特徴とする光利用熱電子発電方法。
- 請求項１記載の光利用熱電子発電方法において、前記アルカリ金属原子としてセシウム原子を用いることを特徴とする光利用熱電子発電方法。
- （ａ）電気炉内に配置される低圧セシウム封入型熱電子発電管と、
（ｂ）レンズを使って強力な光を集光し、該強力な光の長波長域でエミッタを中空状にしてその中に反射面を有する光トラップ用突起を形成した光トラップ付きエミッタ電極を加熱する手段と、
（ｃ）短波長域光を前記エミッタ電極近傍のアルカリ金属原子に照射し、該アルカリ金属原子を励起・電離させて放電を起こさせ、前記エミッタ電極近傍の負の空間電荷を中和させる手段とを具備することを特徴とする光利用熱電子発電装置。 - 請求項４記載の光利用熱電子発電装置において、前記レンズはフレネルレンズであることを特徴とする光利用熱電子発電装置。
- 請求項４又は５記載の光利用熱電子発電装置において、前記強力な光は太陽光であることを特徴とする光利用熱電子発電装置。
- 請求項４又は５記載の光利用熱電子発電装置において、前記アルカリ金属原子はセシウム原子であることを特徴とする光利用熱電子発電装置。
- （ａ）強力な光をレンズを使って集光し、前記強力な光でエミッタを中空状にしてその中に反射面を有する光トラップ用突起を形成した光トラップ付きエミッタ電極を加熱するとともに、前記エミッタ電極近傍のアルカリ金属原子に照射し、
（ｂ）空間電荷中和度αを１０-2以下となし、
（ｃ）エミッタからの熱電子放出電流を１０-3Ａ／ｃｍ2 となし、
（ｄ）エミッタ仕事関数φE を２．２ｅＶとすることにより、
（ｅ）光照射によって電極間空間に放電を誘起し、高効率で大出力を得られる点火モード動作を行うことを特徴とする光利用熱電子発電方法。 - 請求項８記載の光利用熱電子発電方法において、前記光照射は太陽光照射であることを特徴とする光利用熱電子発電方法。
- 請求項８記載の光利用熱電子発電方法において、前記光照射は太陽光照射であり、フレネルレンズを使って集光し、電力と温水を得ることを特徴とする光利用熱電子発電方法。
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