JP4687305B2 - Thermoelectric generator - Google Patents
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Description
本発明は、熱電子を放出するエミッタと熱電子を捕集するコレクタとを備える熱電子発電素子に関するものである。 The present invention relates to a thermionic power generation element including an emitter that emits thermoelectrons and a collector that collects thermoelectrons.
従来より、高温の金属表面から熱電子が放出される現象を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電子発電素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。熱電子発電素子は、熱電子を放出するエミッタと該熱電子を捕集するコレクタとを備えている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a thermoelectric power generation element that directly converts thermal energy into electrical energy using a phenomenon in which thermoelectrons are emitted from a high-temperature metal surface is known (for example, see Patent Document 1). The thermoelectron power generation element includes an emitter that emits thermoelectrons and a collector that collects the thermoelectrons.
特許文献１には、炉壁などを貫通させて設置される熱電子発電素子が開示されている。この熱電子発電素子は、エミッタとコレクタとが共に一端が半球状に閉塞された円筒状に形成されている。コレクタは、エミッタよりも小径に形成されて、所定の間隔を隔ててエミッタの内側に配置されている。この熱電子発電素子は、エミッタの半球状に形成された端部の外側に炉内の高温のガス流が供給され、コレクタの内側に空気などの冷却材が供給される。 Patent Document 1 discloses a thermionic power generation element that is installed through a furnace wall or the like. This thermoelectron power generation element is formed in a cylindrical shape in which both an emitter and a collector are closed in a hemispherical shape. The collector is formed to have a smaller diameter than the emitter, and is disposed inside the emitter with a predetermined interval. In this thermoelectron power generation element, a high-temperature gas flow in the furnace is supplied outside the hemispherical end of the emitter, and a coolant such as air is supplied inside the collector.
ここで、固体から真空中に電子を放出するのに必要な最低エネルギは仕事関数と呼ばれており、熱電子発電素子の起電力はエミッタの仕事関数とコレクタの仕事関数の差によって定められる。このため、エミッタの仕事関数は大きいことが望ましく、コレクタの仕事関数は小さいことが望ましい。エミッタについては、より高温の熱源を採用すれば、仕事関数の大きな材料を使用でき、そうすると出力電圧もより大きくなる。逆に、コレクタについては、材料の特性上、仕事関数の下限値があり、その値は一般に２ｅＶ程度であるが、電極間にセシウムを封入すると、セシウムがコレクタに吸着されてコレクタの仕事関数が小さくなることが知られている。この熱電子発電素子でエミッタに仕事関数がおよそ２ｅＶの材料を用いた場合、従来は、エミッタ側の温度をおよそ１２００Ｋ以上の高温に設定することが必要であった。 Here, the minimum energy required for emitting electrons from the solid into the vacuum is called a work function, and the electromotive force of the thermoelectric generator is determined by the difference between the work function of the emitter and the work function of the collector. For this reason, it is desirable that the work function of the emitter be large and the work function of the collector be small. For the emitter, if a higher temperature heat source is used, a material having a high work function can be used, and the output voltage is also increased. On the other hand, the collector has a lower limit of the work function due to the characteristics of the material, and the value is generally about 2 eV. However, when cesium is sealed between the electrodes, the cesium is adsorbed by the collector, and the work function of the collector is reduced. It is known to become smaller. When a material having a work function of about 2 eV is used for the emitter in this thermoelectron generator, it has been conventionally necessary to set the temperature on the emitter side to a high temperature of about 1200K or higher.
一方、低温度域で熱電子発電を行うことを考えた場合、例えばエミッタ側の温度をＴ＝５００Ｋとすると、仕事関数と温度の関係式（リチャードソン−ダッシュマンの式）から仕事関数はおよそ０．７ｅＶ以下でなければならないが、従来は上述したようにこのような条件を満たす材料は発見されていなかった。しかし、２００３年に発見された、１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3の結晶を母体とするエレクトライドは、常温常圧で安定して存在し、仕事関数がおよそ０．６ｅＶを示す。そこで、この材料を用いると、５００Ｋ程度の低温度域での熱電子発電が可能になると考えられる。なお、エレクトライドは、イオン結晶の中で、陰イオンの占めるべき位置を電子が占める物質である。
ところで、炉壁などに設置する従来の熱電子発電素子では、機器の排熱を利用した熱電子発電システムを構成しようとすると、機器の大幅な設計変更が必要であった。このため、従来の熱電子発電素子は非常に使い勝手が悪いものになっていた。また、上述したように、エミッタの温度が５００Ｋ程度の低温度域で熱電子発電を行うことができる可能性がある。この場合、加熱用流体のエネルギー密度が低いので、従来の熱電子発電素子の構成では、エミッタを十分に加熱することができない場合がある。 By the way, in the conventional thermoelectric power generation element installed on a furnace wall or the like, when it is intended to configure a thermoelectric power generation system that uses the exhaust heat of the equipment, a significant design change of the equipment is required. For this reason, the conventional thermoelectric power generation element has become very inconvenient. Further, as described above, there is a possibility that thermionic power generation can be performed in a low temperature range where the temperature of the emitter is about 500K. In this case, since the energy density of the heating fluid is low, the emitter may not be heated sufficiently with the conventional configuration of the thermoelectric generator.
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱電子を放出するエミッタと熱電子を捕集するコレクタとを備える熱電子発電素子において、加熱用流体中に配置可能な熱電子発電素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric power generating element including an emitter that emits thermoelectrons and a collector that collects thermoelectrons in a heating fluid. It is an object of the present invention to provide a thermionic power generation device that can be disposed in a space.
第１の発明は、熱電子を放出するエミッタ（11）と、該エミッタ（11）に対向して配置されて該エミッタ（11）が放出した熱電子を捕集するコレクタ（12）と備え、上記エミッタ（11）が加熱されると発電する熱電子発電素子（10）を対象とする。そして、中空の容器状に形成されると共に上記エミッタ（11）が設けられる第１部材（5）と、上記第１部材（5）の内部に収容されると共に上記コレクタ（12）が設けられる第２部材（6）とを備え、上記第１部材（5）の外側を流れる加熱用流体によって上記エミッタ（11）が加熱される。 1st invention is equipped with the emitter (11) which discharge | releases a thermoelectron, and the collector (12) which is arrange | positioned facing this emitter (11) and collects the thermoelectron which this emitter (11) emitted, The target is a thermoelectric power generation element (10) that generates electricity when the emitter (11) is heated. A first member (5) formed in a hollow container shape and provided with the emitter (11), and a first member (5) accommodated inside the first member (5) and provided with the collector (12). The emitter (11) is heated by a heating fluid that includes two members (6) and flows outside the first member (5).
第１の発明では、コレクタ（12）が設けられた第２部材（6）が、中空の容器状に形成された第１部材（5）に収容されている。つまり、コレクタ（12）は、その全周囲が第１部材（5）で覆われている。従って、熱電子発電素子（10）の外側からエミッタ（11）を加熱用流体で加熱したとしても、コレクタ（12）の温度上昇は第１部材（5）によって抑制される。 In the first invention, the second member (6) provided with the collector (12) is accommodated in the first member (5) formed in a hollow container shape. That is, the collector (12) is entirely covered with the first member (5). Therefore, even if the emitter (11) is heated with the heating fluid from the outside of the thermoelectric generator (10), the temperature rise of the collector (12) is suppressed by the first member (5).
第２の発明は、第１の発明において、上記第２部材（6）は、平板状に形成されてその両面にそれぞれ上記コレクタ（12）が設けられ、上記第１部材（5）には、上記第２部材（6）の一方のコレクタ（12）に対向する部分と他方のコレクタ（12）に対向する部分とに上記エミッタ（11）が１つずつ設けられている。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the second member (6) is formed in a flat plate shape, and the collector (12) is provided on both sides thereof, and the first member (5) One emitter (11) is provided in each of the part facing the one collector (12) and the part facing the other collector (12) of the second member (6).
第２の発明では、コレクタ（12）が平板状に形成された第２部材（6）の両面にそれぞれ設けられている。また、エミッタ（11）は、第１部材（5）における第２部材（6）の一方のコレクタ（12）に対向する部分と他方のコレクタ（12）に対向する部分とにそれぞれ設けられている。つまり、第２の発明では、一対のエミッタ（11）とコレクタ（12）とが、平板状の第２部材（6）の両側にそれぞれ配置されている。 In the second invention, the collector (12) is provided on both surfaces of the second member (6) formed in a flat plate shape. In addition, the emitter (11) is provided in a portion of the first member (5) facing the one collector (12) and a portion facing the other collector (12) of the second member (6). . That is, in the second invention, the pair of emitters (11) and collectors (12) are arranged on both sides of the flat plate-like second member (6).
第３の発明は、第１又は２の発明において、上記第２部材（6）には、上記コレクタ（12）を冷却するための冷却用流体が流通する冷却用流体通路（27）が形成されている。 According to a third invention, in the first or second invention, a cooling fluid passage (27) through which a cooling fluid for cooling the collector (12) flows is formed in the second member (6). ing.
第３の発明では、第２部材（6）の冷却用流体通路（27）をコレクタ（12）を冷却するための冷却用流体が流通する。この熱電子発電素子（10）は、外側からエミッタ（11）を加熱する際に、第１部材（5）で加熱用流体からコレクタ（12）への熱伝達を遮りながら冷却用流体でコレクタ（12）を冷却する。 In the third invention, the cooling fluid for cooling the collector (12) flows through the cooling fluid passage (27) of the second member (6). When the emitter (11) is heated from the outside, the thermoelectric power generation element (10) is cooled by the collector (cooling fluid) while blocking heat transfer from the heating fluid to the collector (12) by the first member (5). 12) Cool down.
第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、上記エミッタ（11）の外面には、該エミッタ（11）と上記加熱用流体との熱交換を促進するためのフィン部材（25）が設けられている。 According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, a fin member for promoting heat exchange between the emitter (11) and the heating fluid is provided on the outer surface of the emitter (11). (25) is provided.
第４の発明では、エミッタ（11）の外面にフィン部材（25）が設けられている。エミッタ（11）は、フィン部材（25）を介して加熱用流体と熱交換する。このため、エミッタ（11）における加熱用流体との伝達面積が増大し、エミッタ（11）と加熱用流体の熱交換が促進される。 In the fourth invention, the fin member (25) is provided on the outer surface of the emitter (11). The emitter (11) exchanges heat with the heating fluid via the fin member (25). For this reason, the transmission area with the heating fluid in the emitter (11) increases, and heat exchange between the emitter (11) and the heating fluid is promoted.
第５の発明は、請求項１から４の何れか１に記載の熱電子発電素子（10）と、加熱用流体を供給する熱源と、上記熱源からの加熱用流体が流通すると共に上記熱電子発電素子（10）が設置される加熱用流体通路（30）とを備えている熱電子発電システム（1）を対象とする。 According to a fifth aspect of the present invention, the thermoelectron generator (10) according to any one of claims 1 to 4, a heat source for supplying a heating fluid, a heating fluid from the heat source circulates, and the thermoelectrons. A thermionic power generation system (1) including a heating fluid passage (30) in which the power generation element (10) is installed is targeted.
第５の発明では、請求項１から４の何れか１に記載の熱電子発電素子（10）が、熱源から供給される加熱用流体が流通する加熱用流体通路（30）に設置されている。この熱電子発電システム（1）では、熱源で加熱された加熱用流体によって熱電子発電素子（10）のエミッタ（11）を加熱することで発電が行われる。 In the fifth invention, the thermoelectric generator (10) according to any one of claims 1 to 4 is installed in a heating fluid passage (30) through which a heating fluid supplied from a heat source flows. . In this thermionic power generation system (1), power is generated by heating the emitter (11) of the thermionic power generation element (10) with a heating fluid heated by a heat source.
上記第１乃至第４の各発明では、コレクタ（12）を第１部材（5）の内部に収容することで、エミッタ（11）を加熱するために熱電子発電素子（10）を加熱用流体中に配置したとしても、コレクタ（12）の温度上昇が抑制されるようにしている。コレクタ（12）の温度上昇が抑制されると、エミッタ（11）が放出した熱電子を捕集するコレクタ（12）の機能が低下するのを抑制できる。従って、熱電子発電素子（10）を加熱用流体中に配置することが可能になり、熱電子発電素子（10）を機器に組み込む場合も機器の設計変更はほとんど必要ない。よって、使い勝手のよい熱電子発電素子（10）を実現することができる。また、熱電子発電素子（10）を加熱用流体中に配置すると、熱電子発電素子（10）が全周囲から加熱用流体によって加熱されてエミッタ（11）の温度が上昇しやすくなる。従って、低温度域で熱電子発電を行う場合でもエミッタ（11）の温度を十分に上昇させて発電量を確保することができる。 In each of the first to fourth inventions described above, the collector (12) is accommodated inside the first member (5), so that the thermoelectric generator (10) is heated to heat the emitter (11). Even if it is arranged inside, the temperature rise of the collector (12) is suppressed. When the temperature rise of the collector (12) is suppressed, it is possible to suppress a decrease in the function of the collector (12) that collects the thermoelectrons emitted by the emitter (11). Therefore, it becomes possible to arrange the thermoelectric generator (10) in the heating fluid, and even when the thermoelectric generator (10) is incorporated in the device, there is almost no need to change the design of the device. Therefore, an easy-to-use thermoelectric generator (10) can be realized. Further, when the thermoelectric generator (10) is disposed in the heating fluid, the thermoelectron generator (10) is heated from the entire periphery by the heating fluid, and the temperature of the emitter (11) is likely to rise. Therefore, even when thermionic power generation is performed in the low temperature range, the temperature of the emitter (11) can be sufficiently increased to ensure the amount of power generation.
また、上記第２の発明では、１つの熱電子発電素子（10）にエミッタ（11）とコレクタ（12）とが２組配置されるようにしている。２つのコレクタ（12）は、１つの第１部材（5）に収容されている。つまり、コレクタ（12）を収容するための部材が、２つのコレクタ（12）に対して共用で用いられている。よって、熱電子発電素子（10）のコンパクト化を図ることができる。 In the second aspect of the invention, two sets of the emitter (11) and the collector (12) are arranged in one thermoelectron power generation element (10). The two collectors (12) are accommodated in one first member (5). That is, the member for accommodating the collector (12) is used in common for the two collectors (12). Therefore, the thermoelectric generator (10) can be made compact.
また、上記第３の発明では、熱電子発電素子（10）の外側からエミッタ（11）を加熱する際に、冷却用流体でコレクタ（12）を冷却して、コレクタ（12）とエミッタ（11）との温度差が維持されるようにしている。これにより、エミッタ（11）が放出した熱電子を捕集するコレクタ（12）の機能が低下することがないので、熱電子発電が効率的に行われる。 In the third aspect of the invention, when the emitter (11) is heated from the outside of the thermoelectric generator (10), the collector (12) is cooled with a cooling fluid, and the collector (12) and the emitter (11) are cooled. ) Is maintained. Thereby, since the function of the collector (12) which collects the thermoelectrons emitted by the emitter (11) does not deteriorate, thermionic power generation is performed efficiently.
また、上記第４の発明では、エミッタ（11）の外面にフィン部材（25）を設けることで、エミッタ（11）と加熱用流体との熱交換が促進されるようにしている。従って、エミッタ（11）は加熱されやすくなるので、低温度域の熱電子発電を行う場合でもエミッタ（11）の温度を十分に上昇させて発電量を確保することができる。 In the fourth aspect of the invention, the fin member (25) is provided on the outer surface of the emitter (11) so that heat exchange between the emitter (11) and the heating fluid is promoted. Therefore, since the emitter (11) is easily heated, even when thermionic power generation is performed in a low temperature range, the temperature of the emitter (11) can be sufficiently increased to secure the amount of power generation.
また、上記第５の発明では、加熱用流体中に配置可能な上記第１乃至第４の各発明に係る熱電子発電素子（10）を、加熱用流体通路（30）に設置するだけで熱電子発電システム（1）が構成される。従って、この熱電子発電素子（10）を用いることで簡素な熱電子発電システム（1）の実現が可能になる。 In the fifth aspect of the invention, the thermoelectric power generation element (10) according to each of the first to fourth aspects of the invention that can be arranged in the heating fluid is simply installed in the heating fluid passage (30). An electronic power generation system (1) is configured. Therefore, a simple thermoelectron power generation system (1) can be realized by using this thermoelectron power generation element (10).
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
《発明の実施形態》
本発明の実施形態について説明する。この実施形態の熱電子発電システム（1）は、本発明に係る熱電子発電素子（10）が用いられ、自動車のエンジンの排気ガスを利用して発電を行うように構成されている。以下では、先ず熱電子発電素子（10）の構造について説明し、次に熱電子発電システム（1）の構造及び発電動作について説明する。
<< Embodiment of the Invention >>
An embodiment of the present invention will be described. The thermoelectric power generation system (1) of this embodiment uses the thermoelectric power generation element (10) according to the present invention, and is configured to generate electric power using exhaust gas of an automobile engine. Hereinafter, the structure of the thermoelectric power generation element (10) will be described first, and then the structure and power generation operation of the thermoelectron power generation system (1) will be described.
−熱電子発電素子の構造−
本発明に係る熱電子発電素子（10）の斜視図を図１に示し、その断面図を図２に示す。この熱電子発電素子（10）は、中空の容器状に形成された第１部材（5）と、その第１部材（5）の内部に収容された第２部材（6）とを備えている。第１部材（5）は直方体状に形成され、第２部材（6）は平板状に形成されている。
-The structure of thermionic power generation element-
FIG. 1 shows a perspective view of the thermoelectric generator (10) according to the present invention, and FIG. 2 shows a cross-sectional view thereof. The thermoelectric generator (10) includes a first member (5) formed in a hollow container shape and a second member (6) accommodated in the first member (5). . The first member (5) is formed in a rectangular parallelepiped shape, and the second member (6) is formed in a flat plate shape.
第１部材（5）は、図１における前後左右の４側面を構成する板状の遮熱部材（21）と、一対の対向面である上面と下面とにそれぞれ設けられた板状のエミッタ（11）とで構成されている。なお、ここでの説明で用いる「前」「後」「左」「右」は、特にことわらない限り、図１において上記熱電子発電素子（10）を前面側から見た場合の方向を意味している。遮熱部材（21）には、熱伝導率が小さい不導体（例えばシリカガラス）が用いられる。また、エミッタ（11）の外面には、そのエミッタ（11）と後述する排気ガスとの熱交換を促進するためのフィン部材（25,25,…）が複数設けられている。 The first member (5) includes a plate-shaped heat shield member (21) that constitutes four front, rear, left, and right side surfaces in FIG. 1 and plate-shaped emitters ( 11). Note that “front”, “rear”, “left”, and “right” used in the description herein mean directions when the thermoelectric generator (10) is viewed from the front side in FIG. 1 unless otherwise specified. is doing. For the heat shield member (21), a nonconductor (for example, silica glass) having a low thermal conductivity is used. In addition, a plurality of fin members (25, 25,...) For promoting heat exchange between the emitter (11) and exhaust gas described later are provided on the outer surface of the emitter (11).
第２部材（6）は、冷却用流体通路（27）が形成された支持部材（22）と、該支持部材（22）の上面と下面とにそれぞれ設けられたコレクタ（12）とで構成されている。第２部材（6）は、各コレクタ（12）がエミッタ（11）に対して所定の間隔（０．２μｍから５０μｍ）で平行に配置されるように、前後と左右とから遮熱部材（21）によって挟み込まれて第１部材（5）の内部に固定されている。上側のコレクタ（12）は所定の間隔を隔てて上側のエミッタ（11）に対向しており、下側のコレクタ（12）も所定の間隔を隔てて下側のエミッタ（11）に対向している。支持部材（22）には、熱伝導率が大きい金属（例えば、アルミニウム、銅）又はこれらを主成分とする合金が用いられる。 The second member (6) includes a support member (22) in which a cooling fluid passage (27) is formed, and collectors (12) provided on the upper surface and the lower surface of the support member (22), respectively. ing. The second member (6) has a heat shield member (21) from the front and rear and from the left and right so that each collector (12) is arranged in parallel to the emitter (11) at a predetermined interval (0.2 to 50 μm). ) And is fixed inside the first member (5). The upper collector (12) faces the upper emitter (11) with a predetermined distance, and the lower collector (12) also faces the lower emitter (11) with a predetermined distance. Yes. For the support member (22), a metal having a high thermal conductivity (for example, aluminum or copper) or an alloy containing these as a main component is used.
この熱電子発電素子（10）は、エミッタ（11）とコレクタ（12）との間隔が均一で所定の間隔になるように第２部材（6）の両側にエミッタ（11）を１つずつ配置し、エミッタ（11）とコレクタ（12）との間を真空に保持した状態で遮熱部材（21）で第２部材（6）をその周囲から閉じ込めることによって形成される。 This thermionic power generation element (10) is arranged with one emitter (11) on each side of the second member (6) so that the distance between the emitter (11) and the collector (12) is uniform and predetermined. The second member (6) is confined from the surroundings by the heat shield member (21) in a state where the space between the emitter (11) and the collector (12) is kept in a vacuum.
支持部材（22）は、図３に示すような２枚の板状部材（22a,22b）によって構成されている。各板状部材（22a,22b）は、一方の面にコレクタ（12）が設けられ、他方の面に溝（27a）が形成されており、溝（27a）の形成された面同士が当接するように接合されている。各板状部材（22a,22b）の溝（27a）は、板状部材（22a,22b）同士が接合された状態で溝（27a）同士が向かい合うように対称に形成され、それぞれ板状部材（22a,22b）の右面と左面との間を蛇行するように形成されている。これにより、支持部材（22）には、後述する冷却水が流通する冷却用流体通路（27）が形成される。 The support member (22) is composed of two plate-like members (22a, 22b) as shown in FIG. Each plate-like member (22a, 22b) has a collector (12) on one surface and a groove (27a) formed on the other surface, and the surfaces on which the groove (27a) is formed abut each other. Are joined together. The groove (27a) of each plate-like member (22a, 22b) is formed symmetrically so that the grooves (27a) face each other in a state where the plate-like members (22a, 22b) are joined to each other. 22a and 22b) are formed to meander between the right side and the left side. As a result, a cooling fluid passage (27) through which cooling water described later flows is formed in the support member (22).
図２における右側と左側の遮熱部材（21）には、それぞれ貫通孔が形成されている。各貫通孔は、冷却用流体通路（27）に連続して形成されている。遮熱部材（21）には、各貫通孔に接続する断熱チューブ（23）が取り付けられている。 The right and left heat shield members (21) in FIG. 2 are each formed with a through hole. Each through hole is formed continuously to the cooling fluid passage (27). A heat insulating tube (23) connected to each through hole is attached to the heat shield member (21).
この実施形態では、１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3の結晶を母体とするエレクトライド（Ｃ１２Ａ７エレクトライド）が、エミッタ（11）及びコレクタ（12）の材料として用いられている。このＣ１２Ａ７エレクトライドは、常温常圧で安定して存在し、仕事関数がおよそ０．６ｅＶの材料である。 In this embodiment, an electride (C12A7 electride) based on a crystal of 12CaO · 7Al 2 O 3 is used as a material for the emitter (11) and the collector (12). This C12A7 electride is a material having a stable work function at room temperature and normal pressure and a work function of approximately 0.6 eV.
このＣ１２Ａ７エレクトライドをエミッタ（11）に使うには、エレクトライド化した１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3の単結晶をそのまま電極にする方法や、エレクトライド化した１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3の微結晶を金属中に分散させて電極にする方法などが考えられる。また、支持部材（22）の表面にコレクタ（12）を形成するには、ＣＶＤ法による化学蒸着、エレクトライド化した１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3の微結晶を溶かした溶媒を支持部材（22）の表面に塗布して乾燥させた後に熱処理や機械的処理を施す方法、エアロゾルデポジション法により支持部材（22）の表面にエレクトライド化した１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3の微結晶を散布した後に熱処理や機械的処理を施す方法、及びエレクトライド化した１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3の結晶を微粉末にして支持部材（22）に焼結させる方法などが考えられる。 In order to use this C12A7 electride for the emitter (11), the electrified 12CaO · 7Al 2 O 3 single crystal is used as an electrode, or the electrified 12CaO · 7Al 2 O 3 microcrystal is used as a metal. A method in which the electrode is dispersed in the electrode can be considered. Further, in order to form the collector (12) on the surface of the support member (22), a solvent in which the 12CaO · 7Al 2 O 3 microcrystals obtained by chemical vapor deposition and electrification using the CVD method are dissolved is used for the support member (22). A method of applying heat treatment and mechanical treatment after applying to the surface and drying, spraying fine crystals of 12CaO · 7Al 2 O 3 electretized on the surface of the support member (22) by the aerosol deposition method, A method of performing a mechanical treatment, a method of making electrified 12CaO · 7Al 2 O 3 crystals into a fine powder, and sintering the support member (22) are conceivable.
エミッタ（11）は、コレクタ（12）側が熱電子放出面となり、５００Ｋ程度に加熱されると熱電子を放出する。コレクタ（12）は、エミッタ（11）側が熱電子捕集面となり、エミッタ（11）が放出した熱電子を捕集する。 The emitter (11) has a thermoelectron emission surface on the collector (12) side, and emits thermoelectrons when heated to about 500K. In the collector (12), the emitter (11) side becomes a thermoelectron collecting surface and collects the thermoelectrons emitted by the emitter (11).
−熱電子発電装置の構造−
図４は、実施形態に係る熱電子発電システム（1）の電気回路及び動作原理を示す説明図である。この熱電子発電システム（1）は本発明に係る熱電子発電素子（10）を備えている。エミッタ（11）とコレクタ（12）は、所定の間隔でほぼ均一に保持された状態で配置され、その間の空間が真空で保持され、さらに熱的にほぼ絶縁されている。
-The structure of the thermoelectric generator-
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an electric circuit and an operation principle of the thermoelectric power generation system (1) according to the embodiment. This thermionic power generation system (1) includes a thermionic power generation element (10) according to the present invention. The emitter (11) and the collector (12) are arranged in a state of being held almost uniformly at a predetermined interval, and the space between them is held in a vacuum and further thermally insulated.
エミッタ（11）とコレクタ（12）には、負荷（R1）を介して発電回路（C1）が接続されている。この発電回路（C1）は、自動車のバッテリーに接続されている。また、エミッタ（11）とコレクタ（12）には、バイアス電圧を印加するための電源（V）と負荷（R2）とを有するバイアス回路（C2）が接続されている。ここで、負荷（R2）は、負荷（R1）に比べて十分に大きな抵抗値を有するものである。 A power generation circuit (C1) is connected to the emitter (11) and the collector (12) via a load (R1). This power generation circuit (C1) is connected to the battery of the automobile. In addition, a bias circuit (C2) having a power supply (V) for applying a bias voltage and a load (R2) is connected to the emitter (11) and the collector (12). Here, the load (R2) has a sufficiently large resistance value compared to the load (R1).
図４の動作原理図において、エミッタ（11）が加熱されると、エミッタ（11）から熱電子が放出され、この熱電子がコレクタ（12）に捕集される。この熱電子は発電回路（C1）内を流れ、外部から印加しているバイアス電圧（V）分の発電が行われることとなる。これは、バイアス電圧（V）を印加することにより、エミッタ（11）の仕事関数が大きくなったことに相当する。 In the operation principle diagram of FIG. 4, when the emitter (11) is heated, the thermoelectrons are emitted from the emitter (11), and the thermoelectrons are collected by the collector (12). The thermoelectrons flow in the power generation circuit (C1), and power is generated for the bias voltage (V) applied from the outside. This corresponds to an increase in the work function of the emitter (11) by applying the bias voltage (V).
ここで、Ｃ１２Ａ７エレクトライドの仕事関数は０．６ｅＶであるから、バイアス電圧を約０．１Ｖに設定すると、見かけの仕事関数は約０．７ｅＶになる。したがって、式１で表されるリチャードソン−ダッシュマンの式において、電流密度を１(A/cm2)と仮定すると、熱電子発電に必要な作動温度（熱電子がエミッタ（11）から放出される温度）は５００Ｋ程度になる。これは、自動車の排気ガスから得ることができる温度である。 Here, since the work function of C12A7 electride is 0.6 eV, when the bias voltage is set to about 0.1 V, the apparent work function becomes about 0.7 eV. Therefore, in the Richardson-Dashman equation expressed by Equation 1, assuming that the current density is 1 (A / cm 2 ), the operating temperature required for thermionic power generation (thermionic electrons are emitted from the emitter (11)). Temperature) is about 500K. This is the temperature that can be obtained from automobile exhaust.
式１：Ｊ＝AT2exp(-11605V/T)
上記式１において、Ｊは電流密度(A/cm2)、Ａはリチャードソン−ダッシュマン係数（＝120.4A/cm2K2)、Ｖは仕事関数（仕事関数の電圧表示）、Ｔは絶対温度(K)をそれぞれ表している。
Formula 1: J = AT 2 exp (-11605V / T)
In the above equation 1, J is the current density (A / cm 2 ), A is the Richardson-Dashman coefficient (= 120.4 A / cm 2 K 2 ), V is the work function (work function voltage display), and T is absolute Each represents temperature (K).
０．１Ｖの出力電圧は、一般の発電機や電池に比べて非常に小さいが、５００Ｋ程度という低温度域での発電であるから、一対のエミッタ（11）とコレクタ（12）での出力電圧が小さくなることは避けがたい問題である。そこで、本実施形態の熱電子発電システム（1）では、電圧を上げるために、一対のエミッタ（11）とコレクタ（12）との組合せを複数直列に接続している。また、単に直列に接続すると、エミッタ（11）からコレクタ（12）への熱伝導が起こる原因となり、それが発電効率を下げる要因となるので、エミッタ（11）からコレクタ（12）への熱伝導を妨げる構造を採用している。 The output voltage of 0.1V is very small compared to general generators and batteries, but it is generated in a low temperature range of about 500K, so the output voltage at the pair of emitter (11) and collector (12) It is an unavoidable problem that becomes smaller. Therefore, in the thermoelectron power generation system (1) of the present embodiment, a plurality of combinations of a pair of emitters (11) and collectors (12) are connected in series in order to increase the voltage. In addition, if they are simply connected in series, heat conduction from the emitter (11) to the collector (12) occurs, which causes a decrease in power generation efficiency. Therefore, heat conduction from the emitter (11) to the collector (12) Adopting a structure to prevent
具体的には、図５に示すように、この熱電子発電システム（1）は、複数の熱電子発電素子（10,10,…）と、加熱用流体である排気ガスを供給する自動車のエンジン（図示せず）と、エンジンからの排気ガスが流通する加熱用流体通路である排気ガス通路（30）とを備えている。熱源であるエンジンは、その駆動の際に取り込んだ吸気ガスを５００Ｋ程度に加熱し、排気ガスとして排気ガス通路（30）から排出する。 Specifically, as shown in FIG. 5, the thermoelectric power generation system (1) includes a plurality of thermoelectric power generation elements (10, 10,...) And an automobile engine that supplies exhaust gas that is a heating fluid. (Not shown) and an exhaust gas passage (30) which is a heating fluid passage through which exhaust gas from the engine flows. The engine, which is a heat source, heats the intake gas taken in at the time of driving to about 500 K, and exhausts it as exhaust gas from the exhaust gas passage (30).
これらの熱電子発電素子（10,10,…）は、排気ガス通路（30）に配置され、隣り合う熱電子発電素子（10,10）同士が断熱チューブ（23）で接続されている。この断熱チューブ（23）は、図示しないラジエータに接続されている。これにより、支持部材（22）に形成された冷却用流体通路（27）には、断熱チューブ（23）を介して、コレクタ（12）を冷却するための冷却用流体である冷却水がラジエータから供給される。 These thermionic power generation elements (10, 10,...) Are arranged in the exhaust gas passage (30), and adjacent thermionic power generation elements (10, 10) are connected to each other by a heat insulating tube (23). The heat insulating tube (23) is connected to a radiator (not shown). Thus, cooling water, which is a cooling fluid for cooling the collector (12), is supplied from the radiator to the cooling fluid passage (27) formed in the support member (22) via the heat insulating tube (23). Supplied.
また、この熱電子発電システム（1）は、一対のエミッタ（11）とコレクタ（12）との組合せを電気的に直列に接続する導線部（15）を有している。各導線部（15）には銅線が用いられており、一端がエミッタ（11）側の電極端子（図示せず）に、他端がコレクタ（12）側の電極端子（図示せず）に接続されている。具体的に、図５における隣り合う熱電子発電素子（10）間において、エミッタ（11）とコレクタ（12）とが上側と下側とでそれぞれ導線部（15）によって接続されている。また、図５の右端に位置する熱電子発電素子（10）は、上側のコレクタ（12）と下側のエミッタ（11）とが導線部（15）によって接続されている。エミッタ（11）とコレクタ（12）とを接続する導線部（15）は、断熱チューブ（23）の内側を通過するように設けられている。これにより、導線部（15）におけるエミッタ（11）側からコレクタ（12）側への熱伝導が抑制される。また、図示しないが、図５の左端に位置する熱電子発電素子（10）の上側のエミッタ（11）と下側のコレクタ（12）とには、上記バイアス回路が接続されている。バイアス回路からのバイアス電圧は、例えばエミッタ（11）とコレクタ（12）との組合せが１０組であれば１Ｖ（＝0.1×10）に設定される。 In addition, the thermoelectric power generation system (1) includes a conductor portion (15) that electrically connects a combination of a pair of emitters (11) and a collector (12) in series. Copper wire is used for each conductor portion (15), one end is an electrode terminal (not shown) on the emitter (11) side, and the other end is an electrode terminal (not shown) on the collector (12) side. It is connected. Specifically, between adjacent thermionic power generation elements (10) in FIG. 5, the emitter (11) and the collector (12) are connected to each other on the upper side and the lower side by a conducting wire part (15). Further, in the thermoelectric power generation element (10) located at the right end in FIG. 5, the upper collector (12) and the lower emitter (11) are connected by the conducting wire part (15). The conducting wire part (15) connecting the emitter (11) and the collector (12) is provided so as to pass through the inside of the heat insulating tube (23). Thereby, the heat conduction from the emitter (11) side to the collector (12) side in the conductor portion (15) is suppressed. Although not shown, the bias circuit is connected to the upper emitter (11) and the lower collector (12) of the thermoelectric generator (10) located at the left end of FIG. The bias voltage from the bias circuit is set to 1 V (= 0.1 × 10), for example, when there are 10 combinations of the emitter (11) and the collector (12).
−発電動作−
自動車の運転時、エンジンから排出される排気ガスが排気ガス通路（30）内を流れ、排気ガスの熱が各熱電子発電素子（10）の上下両側のエミッタ（11,11）にそれぞれ与えられる。ここで、排気ガスによってエミッタ（11）が約５００Ｋにまで加熱されたとすると、エミッタ（11）の仕事関数が見かけ上約０．７ｅＶになっており、コレクタ（12）の仕事関数が０．６ｅＶであるため、各熱電子発電素子（10）では約０．１Ｖの電圧が出力される。このとき、コレクタ（12）から放出される熱は、冷却用流体通路（27）内を流れる冷却水に吸熱され、ラジエータで外気へ放熱する。この実施形態では一対のエミッタ（11）とコレクタ（12）との組合せが複数直列に接続されているので、出力電圧が所定値（バッテリー電圧）まで高められる。
-Power generation operation-
When the automobile is in operation, the exhaust gas discharged from the engine flows through the exhaust gas passage (30), and the heat of the exhaust gas is given to the upper and lower emitters (11, 11) of each thermionic power generation element (10) . Here, if the emitter (11) is heated to about 500 K by the exhaust gas, the work function of the emitter (11) is apparently about 0.7 eV, and the work function of the collector (12) is 0.6 eV. Therefore, a voltage of about 0.1 V is output from each thermoelectric power generation element (10). At this time, the heat released from the collector (12) is absorbed by the cooling water flowing in the cooling fluid passage (27) and is radiated to the outside air by the radiator. In this embodiment, since a plurality of combinations of the pair of emitters (11) and collectors (12) are connected in series, the output voltage is increased to a predetermined value (battery voltage).
−実施形態の効果−
上記実施形態では、コレクタ（12）を第１部材（5）の内部に収容することで、エミッタ（11）を加熱するために熱電子発電素子（10）を排気ガス中に配置したとしても、コレクタ（12）の温度上昇が抑制されるようにしている。コレクタ（12）の温度上昇が抑制されると、エミッタ（11）が放出した熱電子を捕集するコレクタ（12）の機能が低下するのを抑制できる。従って、熱電子発電素子（10）を排気ガス中に配置することが可能になり、熱電子発電素子（10）を機器に組み込む場合も機器の設計変更はほとんど必要ない。よって、使い勝手のよい熱電子発電素子（10）を実現することができる。また、熱電子発電素子（10）を排気ガス中に配置すると、熱電子発電素子（10）が全周囲から加熱用流体によって加熱されてエミッタ（11）の温度が上昇しやすくなる。従って、この実施形態のように５００Ｋ程度の低温度域で熱電子発電を行う場合でもエミッタ（11）の温度を十分に上昇させて発電量を確保することができる。
-Effect of the embodiment-
In the above embodiment, even if the thermoelectric power generation element (10) is disposed in the exhaust gas to heat the emitter (11) by housing the collector (12) in the first member (5), The temperature rise of the collector (12) is suppressed. When the temperature rise of the collector (12) is suppressed, it is possible to suppress a decrease in the function of the collector (12) that collects the thermoelectrons emitted by the emitter (11). Therefore, it becomes possible to arrange the thermionic power generation element (10) in the exhaust gas, and even when the thermionic power generation element (10) is incorporated in the equipment, there is almost no need to change the design of the equipment. Therefore, an easy-to-use thermoelectric generator (10) can be realized. If the thermoelectric generator (10) is disposed in the exhaust gas, the thermoelectron generator (10) is heated from the entire periphery by the heating fluid, and the temperature of the emitter (11) is likely to rise. Therefore, even when thermionic power generation is performed in a low temperature range of about 500 K as in this embodiment, the temperature of the emitter (11) can be sufficiently increased to ensure the amount of power generation.
また、上記実施形態では、１つの熱電子発電素子（10）にエミッタ（11）とコレクタ（12）とが２組配置されるようにしている。２つのコレクタ（12）は、１つの第１部材（5）に収容されている。つまり、コレクタ（12）を収容するための部材が、２つのコレクタ（12）に対して共用で用いられている。よって、熱電子発電素子（10）のコンパクト化を図ることができる。 In the above embodiment, two sets of the emitter (11) and the collector (12) are arranged in one thermoelectron power generation element (10). The two collectors (12) are accommodated in one first member (5). That is, the member for accommodating the collector (12) is used in common for the two collectors (12). Therefore, the thermoelectric generator (10) can be made compact.
また、上記実施形態では、熱電子発電素子（10）の外側からエミッタ（11）を加熱する際に、ラジエータからの冷却水でコレクタ（12）を冷却して、コレクタ（12）とエミッタ（11）との温度差が維持されるようにしている。これにより、エミッタ（11）が放出した熱電子を捕集するコレクタ（12）の機能が低下することがないので、熱電子発電が効率的に行われる。また、この実施形態の熱電子発電素子（10）では、冷却用流体通路（27）を流通する冷却水が第２部材（6）の両面のコレクタ（12）を共に冷却するように構成されている。従って、コレクタ（12）を冷却するための構成が簡素化されている。 Further, in the above embodiment, when the emitter (11) is heated from the outside of the thermionic power generation element (10), the collector (12) is cooled with cooling water from the radiator, and the collector (12) and the emitter (11 ) Is maintained. Thereby, since the function of the collector (12) which collects the thermoelectrons emitted by the emitter (11) does not deteriorate, thermionic power generation is performed efficiently. In the thermoelectric generator (10) of this embodiment, the cooling water flowing through the cooling fluid passage (27) is configured to cool both the collectors (12) on both sides of the second member (6). Yes. Therefore, the structure for cooling the collector (12) is simplified.
また、上記実施形態では、エミッタ（11）の外面に複数のフィン部材（25,25,…）を設けることで、エミッタ（11）と排気ガスとの熱交換が促進されるようにしている。従って、エミッタ（11）がより加熱されて温度が上昇しやすくなるので、低温度域の熱電子発電を行う場合でもエミッタ（11）の温度を十分に上昇させて発電量を確保することができる。 In the above embodiment, the heat exchange between the emitter (11) and the exhaust gas is facilitated by providing a plurality of fin members (25, 25,...) On the outer surface of the emitter (11). Accordingly, since the temperature of the emitter (11) is further increased and the temperature easily rises, even when thermionic power generation is performed in a low temperature region, the temperature of the emitter (11) can be sufficiently increased to secure the amount of power generation. .
また、上記実施形態では、排気ガス中に配置可能な熱電子発電素子（10）を、加熱用流体通路（30）に設置するだけで熱電子発電システム（1）が構成される。従って、この熱電子発電素子（10）を用いることで簡素な熱電子発電システム（1）の実現が可能になる。 Moreover, in the said embodiment, a thermoelectron power generation system (1) is comprised only by installing the thermoelectron power generation element (10) which can be arrange | positioned in exhaust gas in the fluid passage for heating (30). Therefore, a simple thermoelectron power generation system (1) can be realized by using this thermoelectron power generation element (10).
−実施形態の変形例−
実施形態の変形例について説明する。この変形例では、熱電子発電素子（10）が、共に円筒状に形成された第１部材（5）と第２部材（6）とを備えている。第２部材（6）は、第１部材（5）よりも小径に形成され、第１部材（5）の内側に収容されている。この変形例の熱電子発電素子（10）の斜視図を図６に示し、その断面図を図７に示す。
-Modification of the embodiment-
A modification of the embodiment will be described. In this modification, the thermoelectric generator (10) includes a first member (5) and a second member (6) both formed in a cylindrical shape. The second member (6) is formed with a smaller diameter than the first member (5) and is accommodated inside the first member (5). FIG. 6 shows a perspective view of the thermoelectric generator (10) of this modification, and FIG. 7 shows a cross-sectional view thereof.
具体的に、第１部材（5）は、側面を構成するエミッタ（11）と、両端に取り付けられた円板状の遮熱部材（21）とで構成されている。第２部材（6）は、円筒状の支持部材（22）と、その支持部材（22）の外側面に設けられたコレクタ（12）とで構成されている。支持部材（22）の内側は、冷却用流体通路（27）になっている。第２部材（6）は、コレクタ（12）がエミッタ（11）に対して所定の間隔で配置されるように第１部材（5）に固定されている。なお、この変形例において、第２部材（6）は、支持部材（22）を用いずに、筒状のコレクタ（12）のみの構成としてもよい。 Specifically, the 1st member (5) is comprised by the emitter (11) which comprises a side surface, and the disk-shaped heat-shielding member (21) attached to both ends. The second member (6) includes a cylindrical support member (22) and a collector (12) provided on the outer surface of the support member (22). The inside of the support member (22) is a cooling fluid passage (27). The second member (6) is fixed to the first member (5) such that the collector (12) is disposed at a predetermined interval with respect to the emitter (11). In this modification, the second member (6) may be configured by only the cylindrical collector (12) without using the support member (22).
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
<< Other Embodiments >>
About the said embodiment, it is good also as the following structures.
例えば、上記実施形態では、熱電子発電システム（1）を自動車の排気ガスの排熱を利用して発電するものとして説明したが、ガスバーナー、ガス給湯器またはガスストーブなどにおけるガスの燃焼熱を利用した発電システムに応用したり、燃料電池の排熱を利用した発電システムに応用することもできる。 For example, in the above embodiment, the thermoelectric power generation system (1) has been described as generating power using exhaust heat from the exhaust gas of an automobile. It can also be applied to a power generation system that uses it, or a power generation system that uses the exhaust heat of a fuel cell.
また、上記実施形態では、エミッタ（11）とコレクタ（12）にバイアス回路（C2）を接続することによりエミッタ（11）の仕事関数をコレクタ（12）の仕事関数よりも大きくする構成について説明したが、エミッタ（11）やコレクタ（12）に表面処理をして両者の仕事関数に差を付けたり、材料自体を異ならせるなど、他の構成も考えられる。 In the above embodiment, a configuration has been described in which the bias circuit (C2) is connected to the emitter (11) and the collector (12) so that the work function of the emitter (11) is larger than the work function of the collector (12). However, other configurations are possible, such as surface treatment of the emitter (11) and collector (12) to make a difference between the work functions of the two, and different materials.
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。 In addition, the above embodiment is an essentially preferable illustration, Comprising: It does not intend restrict | limiting the range of this invention, its application thing, or its use.
以上説明したように、本発明は、熱電子を放出するエミッタと熱電子を捕集するコレクタとを備える熱電子発電素子について有用である。 As described above, the present invention is useful for a thermionic power generation device including an emitter that emits thermoelectrons and a collector that collects thermoelectrons.
1 熱電子発電システム
5 第１部材
6 第２部材
10 熱電子発電素子
11 エミッタ
12 コレクタ
25 フィン部材
27 冷却用流体通路
30 排気ガス通路（加熱用流体通路）
1 Thermionic power generation system
5 First member
6 Second part
10 Thermoelectric generator
11 Emitter
12 collector
25 Fin member
27 Cooling fluid passage
30 Exhaust gas passage (heating fluid passage)
Claims (5)
中空の容器状に形成されると共に上記エミッタ（11）が設けられる第１部材（5）と、上記第１部材（5）の内部に収容されると共に上記コレクタ（12）が設けられる第２部材（6）とを備え、
上記第１部材（5）の外側を流れる加熱用流体によって上記エミッタ（11）が加熱されることを特徴とする熱電子発電素子。 An emitter (11) that emits thermoelectrons, and a collector (12) that is disposed opposite to the emitter (11) and collects thermoelectrons emitted by the emitter (11), and the emitter (11) A thermoelectric generator that generates electricity when heated,
A first member (5) formed in the shape of a hollow container and provided with the emitter (11), and a second member accommodated inside the first member (5) and provided with the collector (12) (6)
The thermionic power generation element, wherein the emitter (11) is heated by a heating fluid flowing outside the first member (5).
上記第２部材（6）は、平板状に形成されてその両面にそれぞれ上記コレクタ（12）が設けられ、
上記第１部材（5）には、上記第２部材（6）の一方のコレクタ（12）に対向する部分と他方のコレクタ（12）に対向する部分とに上記エミッタ（11）が１つずつ設けられていることを特徴とする熱電子発電素子。 In claim 1,
The second member (6) is formed in a flat plate shape, and the collectors (12) are provided on both sides thereof,
The first member (5) includes one emitter (11) in a portion of the second member (6) facing one collector (12) and a portion facing the other collector (12). A thermoelectric power generation element provided.
上記第２部材（6）には、上記コレクタ（12）を冷却するための冷却用流体が流通する冷却用流体通路（27）が形成されていることを特徴とする熱電子発電素子。 In claim 1 or 2,
The thermoelectric power generating element according to claim 2, wherein a cooling fluid passage (27) through which a cooling fluid for cooling the collector (12) flows is formed in the second member (6).
上記エミッタ（11）の外面には、該エミッタ（11）と上記加熱用流体との熱交換を促進するためのフィン部材（25）が設けられていることを特徴とする熱電子発電素子。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The thermoelectron generator according to claim 1, wherein a fin member (25) for promoting heat exchange between the emitter (11) and the heating fluid is provided on an outer surface of the emitter (11).
加熱用流体を供給する熱源と、
上記熱源からの加熱用流体が流通すると共に上記熱電子発電素子（10）が設置される加熱用流体通路（30）とを備えていることを特徴とする熱電子発電システム。 The thermionic power generation element (10) according to any one of claims 1 to 4,
A heat source for supplying a heating fluid;
A thermoelectric power generation system comprising: a heating fluid passage (30) in which the heating fluid from the heat source flows and the thermoelectric power generation element (10) is installed.
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