JPWO2007116524A1 - Field emission power generator - Google Patents
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Abstract
従来の発電方法とは異なる新しい概念に基づき、投入エネルギーが少なく、発電効率が良く、クリーンで、枯渇する心配のない、安定した発電を可能とする。自由電子を保有する電子供給体20と、電子供給体20に電気導通状態に設けられる電子放出ポート30と、電子放出ポート30に電気絶縁場Fを介して対向配置されると共に電界を付加して電子を吸引放出させる電子引出電極40と、電子引出電極40によって放出された電子を受け取る電子受容体50と、電子放出ポート30からの放出電子が電子引出電極40に吸収されるのを防止する電子吸収防止手段とを備え、電子引出電極40に正電圧を加えることで電子放出ポート30から電子を電界放出させ、この放出電子を、電子受容体50で受け取らせて集める構成とした。Based on a new concept different from the conventional power generation method, it enables stable power generation with less energy input, good power generation efficiency, cleanness, and no fear of exhaustion. An electron supply body 20 that holds free electrons, an electron emission port 30 provided in an electrically conductive state in the electron supply body 20, an electron emission port 30 that is opposed to the electron emission port 30 via an electric insulation field F, and an electric field is added thereto An electron extraction electrode 40 that sucks and emits electrons, an electron acceptor 50 that receives the electrons emitted by the electron extraction electrode 40, and an electron that prevents the electrons emitted from the electron emission port 30 from being absorbed by the electron extraction electrode 40. A structure in which electrons are emitted from the electron emission port 30 by applying a positive voltage to the electron extraction electrode 40, and the emitted electrons are received by the electron acceptor 50 and collected.
Description
本発明は電界放出(放射)を利用した発電装置に関する。 The present invention relates to a power generation apparatus using field emission (radiation).
電気エネルギーを得る方法としての発電には、古くから行われている水力発電、風力発電の他、太陽光発電、潮力発電等の自然エネルギーを利用する発電が知られている。また化石燃料を用いた火力発電や、原子力を用いた原子力発電が知られている。
前記化石燃料を用いた発電においては、原料となる化石燃料が有限であることから、何れ枯渇し、社会のニーズに応えられなくなるという問題をかかえている。
また前記太陽光や風力等の自然エネルギーを利用した発電においては、利用する自然エネルギーである太陽光や風力の供給は自然条件に依存するので、我々が電力を必要とする際に必ず発電が行われる保障がないという欠点がある。
また原子力発電の場合は、安全性の問題や設備等の問題がある。As power generation as a method for obtaining electric energy, generation using natural energy such as solar power generation and tidal power generation is known in addition to hydroelectric power generation and wind power generation that have been performed for a long time. Thermal power generation using fossil fuel and nuclear power generation using nuclear power are also known.
The power generation using the fossil fuel has a problem that the fossil fuel as a raw material is limited, and will eventually be depleted and cannot meet the needs of society.
In addition, in power generation using natural energy such as sunlight and wind power, the supply of solar energy and wind power, which are the natural energy used, depends on the natural conditions, so power generation is always performed when we need power. There is a drawback that there is no guarantee that it will be.
In the case of nuclear power generation, there are safety problems and equipment problems.
一方、本発明者は、太陽光を物質に受光させて熱エネルギーに変換し、これによって加熱された物質から熱電子を放出させ、この熱電子放出を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換することによる発電方法を提供した(特許文献1〜4)。
また熱エネルギーを電気エネルギーに変換する装置としては、次の特許文献5も提供されている。
一方、電界を加えて電子を放出させる電界電子放出を用いた装置として、次の特許文献6が提供されている。
The following Patent Document 5 is also provided as an apparatus for converting thermal energy into electrical energy.
On the other hand, the following Patent Document 6 is provided as an apparatus using field electron emission that emits electrons by applying an electric field.
ところが上記特許文献1〜4の発明は、何れも熱エネルギーを物体に与え、これによって加熱された物体中から熱電子を放出させ、放出された電子を回収して発電を行う方法を採用したものである。即ち外部から熱エネルギーを与えて、これを電気エネルギーに変換する方式の発電装置であり、大きな電気エネルギーを得るためには、それ相当の大きな熱エネルギーの投入を必要とする。
また上記特許文献5の発明には、電界放出を利用した素子や装置が開示されている。しかし、あくまでも電気エネルギーと熱エネルギーとの変換装置である。また発電に関しては、加熱による熱電子放出を利用した発電にとどまるものである。
また特許文献6の発明には、電界電子放出材料、電界電子放出装置が開示されている。しかし電界電子放出装置において示されたものは、電子の電界放出を放電装置、電子ガン、ディスプレイ等、何れも放出電子そのものを利用した装置であり、発電に利用するといった技術思想が全く存在しないものである。However, all of the inventions of
The invention of Patent Document 5 discloses an element or device using field emission. However, it is only a conversion device between electric energy and heat energy. As for power generation, it is limited to power generation using thermionic emission by heating.
The invention of Patent Document 6 discloses a field electron emission material and a field electron emission device. However, what is shown in the field electron emission device is a device that uses the emitted electron itself, such as a discharge device, an electron gun, a display, etc., and has no technical idea of using it for power generation. It is.
そこで本発明は従来における発電方法とは全く異なる新しい概念に基づき、投入エネルギーが少なく、且つ十分に効率のよい発電を得ることができると共に、クリーンで、枯渇する心配のない、安定した発電が可能な新たな発電装置の提供を課題とする。 Therefore, the present invention is based on a new concept that is completely different from the conventional power generation method, and it is possible to obtain a sufficiently efficient power generation with less input energy, and a stable power generation that is clean and does not have to be exhausted. An object is to provide a new power generator.
上記課題を達成するため、本発明者は種々の実験と検討を重ねた結果、電界が物質に作用することで物質中の電子が物質の表面から放出される電界放出現象をうまく利用することで、熱電子放出による発電とは異なる、より効率のよい新たな発電が可能であることを知得し、本発明を完成した。
電界が、例えば自由電子が多い物質の狭い領域に集中すると、物質表面から電子が真空中等に放出される。この現象は電界放出として知られている。この場合は外部から熱エネルギーを加えなくとも、電界によって電子が放出される。放出された電子をうまく収集することにより、電子による電気エネルギーを外部に取り出すことができる。
物質に加える電界については、前記電界の集中度を高くすることで、加える正電荷の強さを低く抑えることができる。
また電界を加えられる材料は、自由電子が多く、電子を放出する放出領域のエネルギー障壁を低くすることで、電界放出を行いやすくすることができる。
一方、電界を発生させる電界の発生源については、電界を材料に及ぼすだけで電流が流れない限り、電荷の消耗、即ちエネルギー消費は理論的には生じない。別の言い方をすれば、材料から電界放出された電子が電界発生源に到達して吸収されない限りにおいて、電界発生源でのエネルギー消費は生じない。
以上のようにして本発明では、材料中の自由電子を効率よく電界放出させ、且つこの電界放出させた電子を電界発生源以外の受電子材料に適切に収集して蓄積することで、実用可能な発電を完成させている。このとき電子放出材料に電界を加える電界発生源でのエネルギー消費は最小限に抑えられる。In order to achieve the above object, the present inventor has conducted various experiments and studies, and as a result, has successfully utilized the field emission phenomenon in which electrons in a substance are emitted from the surface of the substance by the action of an electric field on the substance. As a result, it was learned that a more efficient new power generation different from the power generation by thermionic emission was possible, and the present invention was completed.
When the electric field is concentrated in, for example, a narrow region of a substance with many free electrons, electrons are emitted from the surface of the substance into a vacuum or the like. This phenomenon is known as field emission. In this case, electrons are emitted by the electric field without applying heat energy from the outside. By successfully collecting the emitted electrons, the electrical energy from the electrons can be extracted outside.
With respect to the electric field applied to the substance, the strength of the positive charge applied can be kept low by increasing the concentration of the electric field.
In addition, a material to which an electric field can be applied has many free electrons, and it is possible to facilitate field emission by lowering the energy barrier of the emission region that emits electrons.
On the other hand, with respect to an electric field generating source that generates an electric field, charge consumption, that is, energy consumption does not theoretically occur unless an electric current flows only by applying an electric field to a material. In other words, as long as the electrons emitted from the material reach the electric field generation source and are not absorbed, energy consumption at the electric field generation source does not occur.
As described above, in the present invention, free electrons in a material can be efficiently field-emitted, and the field-emitted electrons can be practically collected and stored in an electron-receiving material other than the electric field generation source. Complete power generation. At this time, energy consumption at the electric field generating source that applies an electric field to the electron emission material can be minimized.
本発明の電界放出発電装置は、自由電子を保有する材料からなる電子供給体と、該電子供給体に対して電気導通状態に設けられた電子放出ポートと、該電子放出ポートに電気絶縁場を介して対向配置されると共に電界を付加して電子を吸引放出させるための電子引出電極と、該電子引出電極によって放出された電子を受け取るための電子受容体と、前記電子放出ポートから放出された電子が前記電子引出電極に吸収されるのを防止するための電子吸収防止手段とを備え、前記電子引出電極に正電圧を加えることで前記電子放出ポートから電子を電界放出させると共に、この電界放出した電子を、前記電子引出電極に吸収させることなく、別に配置した前記電子受容体で受け取らせて集める構成としたことを第1の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第1の特徴に加えて、電子放出ポートは、電子放出に対するエネルギー障壁の小さい材料及び/若しくは形状で構成されていることを第2の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第1の特徴に加えて、電子放出ポートは、電子供給体の表面に準1次元物質をその長手方向が電子放出方向となるように立設して構成されていることを第3の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第3の特徴に加えて、準1次元物質は、カーボン・ナノチューブであることを第4の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第1の特徴に加えて、電気絶縁場は、絶縁空間若しくは絶縁物質により構成されることを第5の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第1の特徴に加えて、電子吸収防止手段は、電子引出電極の材料を準2次元物質とし、電子放出ポートから放出された電子が量子トンネル現象によって前記電子引出電極に吸収されることなく貫通されるようにして構成してあることを第6の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第1の特徴に加えて、電子吸収防止手段は、電子放出ポートから放出されて電子引出電極に向かう電子の軌道を変更する電子軌道変更電極であることを第7の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第1の特徴に加えて、電子吸収防止手段は、電子受容体を電子引出電極の前に配置することで、電子放出ポートから放出され電子引出電極に向かう電子を電子引出電極の手前で受け取るように構成してあることを第8の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第1の特徴に加えて、電子受容体に向かう電子を加速する加速電極を設けたことを第9に特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第1の特徴に加えて、電子受容体に向かう電子の軌道を分散させて電子受容体での受電子位置が集中するのを防止する受電子位置分散手段を設けたことを第10の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第1の特徴に加えて、電子受容体は複数個を相互に絶縁状態にして設け、電子放出ポートから放出された電子を前記複数個の電子受容体に振り分ける電子振り分け手段を設けたことを第11の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第1の特徴に加えて、電子受容体に到達した電子が2次放出するのを防止するための2次放出防止手段を設けたことを第12の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第1の特徴に加えて、電子受容体と電子供給体とを電気接続し途中に電気的負荷を配する構成としたことを第13の特徴としている。
また本発明の電界放出発電装置は、上記第1の特徴に加えて、電子引出電極に交流電圧を加えることで、電子放出ポートから放出される電子の量を変化させて、交流発電させる構成としたことを第14の特徴としている。The field emission power generation device of the present invention includes an electron supply body made of a material having free electrons, an electron emission port provided in an electrically conductive state with respect to the electron supply body, and an electric insulation field at the electron emission port. And an electron extraction electrode for attracting and emitting electrons by applying an electric field, an electron acceptor for receiving electrons emitted by the electron extraction electrode, and an electron emission port emitted from the electron emission port An electron absorption preventing means for preventing the electrons from being absorbed by the electron extraction electrode, and by applying a positive voltage to the electron extraction electrode, the field emission of the electron from the electron emission port is achieved. The first feature is that the collected electrons are received by the electron acceptor arranged separately without being absorbed by the electron extraction electrode.
In addition to the first feature, the field emission power generation device of the present invention has a second feature that the electron emission port is made of a material and / or shape having a small energy barrier against electron emission.
In the field emission power generation device of the present invention, in addition to the first feature, the electron emission port has a quasi-one-dimensional substance standing on the surface of the electron supply body so that its longitudinal direction is the electron emission direction. The third feature is that it is configured.
In addition to the third feature, the field emission power generator of the present invention has a fourth feature that the quasi-one-dimensional substance is a carbon nanotube.
In addition to the first feature described above, the field emission power generation device of the present invention has a fifth feature in that the electrical insulating field is formed of an insulating space or an insulating material.
In addition to the first feature described above, the field emission power generation device of the present invention is characterized in that the electron absorption preventing means uses a quasi-two-dimensional material as the material of the electron extraction electrode, and electrons emitted from the electron emission port are caused by a quantum tunnel phenomenon. A sixth feature is that the electron extraction electrode is configured to penetrate without being absorbed.
In the field emission power generator of the present invention, in addition to the first feature, the electron absorption preventing means is an electron trajectory changing electrode that changes the trajectory of electrons emitted from the electron emission port toward the electron extraction electrode. Is the seventh feature.
In the field emission power generator of the present invention, in addition to the first feature described above, the electron absorption preventing means is arranged so that the electron acceptor is disposed in front of the electron extraction electrode, and is emitted from the electron emission port to the electron extraction electrode. An eighth feature is that the configuration is configured to receive the electrons traveling in front of the electron extraction electrode.
In addition to the first feature described above, the field emission power generator of the present invention is characterized in that an acceleration electrode for accelerating electrons toward the electron acceptor is provided.
In addition to the first feature described above, the field emission power generation device of the present invention disperses the electron trajectory toward the electron acceptor to prevent the electron acceptor positions from being concentrated in the electron acceptor. The tenth feature is that the means is provided.
According to the field emission power generator of the present invention, in addition to the first feature, a plurality of electron acceptors are provided so as to be insulated from each other, and electrons emitted from an electron emission port are supplied to the plurality of electron acceptors. The eleventh feature is that an electronic distribution means for distributing to each other is provided.
In addition to the first feature described above, the field emission power generator according to the present invention is provided with a secondary emission preventing means for preventing secondary emission of electrons that have reached the electron acceptor. It is a feature.
In addition to the first feature described above, the field emission power generator of the present invention has a thirteenth feature in which the electron acceptor and the electron supplier are electrically connected and an electric load is arranged in the middle. .
In addition to the first feature described above, the field emission power generation device of the present invention is configured to generate AC power by changing the amount of electrons emitted from the electron emission port by applying an AC voltage to the electron extraction electrode. This is the fourteenth feature.
請求項1に記載の電界放出発電装置によれば、電子引出電極に正電圧が加えられることで該電子引出電極と電子供給体の電子放出ポートとの間に電界が生じ、電子放出ポートに拘束されている自由電子に加わるクーロン力が増大し、電子の運動エネルギーが上昇する。これによって電子のもつエネルギーが電子放出ポートの表面のエネルギー障壁を超えると、その電子は電子放出ポートから電気絶縁場に放出される。このときの条件としては、電子放出ポートにおけるエネルギー障壁ができるだけ低くなるように、材料やポートの形状を考慮することが重要となる。また電子引出電極による電界で生じるクーロン力を電子放出に必要な強さにまで増大させるために、且つ付加される正電圧を低く抑えるために、前記電子引出電極をできるだけ電子放出ポートに近接させることが重要である。
前記電子引出電極による正電圧付加によって電子放出ポートから電界放出された電子は、電気絶縁場を前記電子引出電極に向けて吸引されて飛翔するが、電子吸収防止手段によって、電子引出電極に到達して吸収されるのが阻止され、代わって電子受容体に受け取られる。これによって電子放出された電子は電子受容体に集められ、電子受容体における電子数が増大する。即ち、発電状態となる。
電子受容体の状態は、電気的に中性乃至マイナス状態にするのが、電子と原子核との結合を防ぎ、効率のよい発電を行うのに好ましい。しかしその一方、電子受容体のマイナス電荷が増大するに従って反発力が増し、電子の受け入れが難しくなる。これを解消するには、電子の飛翔速度を増大させて運動エネルギーを増加させること、或いは電子受容体のマイナス電荷を電子受容体の表面から他の位置に移動させて表面のマイナス電荷を小さく保持することが重要となる。
前記電子引出電極に加えられる正電荷は、電界放出して電子が電子引出電極に到達しない限りにおいて、理論上において消費されることがないので、必要なエネルギー(付加電圧)の消費を十分に抑制することが可能である。
以上より請求項1に記載の発明の電界放出発電によれば、電子の電界放出現象を利用して、電界放出に必要なエネルギーの消費を少なく抑制しながら、電界放出した電子を電子受容体に収集し、効率よく発電を行うことが可能となる。
また請求項1に記載の発明の電界放出発電装置によれば、熱エネルギーを付加し、この熱エネルギーによって熱電子を放出させて発電に供する従来の方式、即ち熱エネルギーを電気エネルギーに変換させる方式の従来の発電に比較して、十分に省エネルギーでの発電が可能である。
しかも請求項1に記載の発明の電界放出発電装置によれば、太陽光などの自然エネルギーを用いた場合の不安定な発電ではなく、運転制御が容易で且つ安定した電力の取得が可能な発電を得ることができる。According to the field emission power generator according to
Electrons emitted from the electron emission port by applying a positive voltage by the electron extraction electrode fly while being attracted toward the electron extraction electrode through the electric insulation field, but reach the electron extraction electrode by the electron absorption preventing means. Is blocked from being absorbed and received by the electron acceptor instead. As a result, the emitted electrons are collected in the electron acceptor, and the number of electrons in the electron acceptor increases. That is, it will be in the power generation state.
It is preferable that the electron acceptor is electrically neutral or negative in order to prevent the bonding between electrons and nuclei and to perform efficient power generation. However, on the other hand, as the negative charge of the electron acceptor increases, the repulsive force increases and it becomes difficult to accept electrons. To solve this problem, increase the kinetic energy by increasing the flight speed of the electrons, or move the negative charge of the electron acceptor from the surface of the electron acceptor to another position to keep the negative charge on the surface small. It is important to do.
The positive charge applied to the electron extraction electrode is theoretically not consumed unless the electrons are field-emitted and the electrons reach the electron extraction electrode, so the consumption of necessary energy (additional voltage) is sufficiently suppressed. Is possible.
As described above, according to the field emission power generation of the invention of the first aspect, the field emission electron is used as the electron acceptor while suppressing the consumption of energy necessary for the field emission by utilizing the electron field emission phenomenon. It is possible to collect and efficiently generate power.
According to the field emission power generator of the invention described in
In addition, according to the field emission power generation device of the first aspect of the present invention, the power generation is not unstable power generation using natural energy such as sunlight, and operation control is easy and stable power acquisition is possible. Can be obtained.
また請求項2に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項1に記載の構成による作用効果に加えて、電子放出ポートを電子放出に対するエネルギー障壁の小さい材料及び/若しくは形状とすることで、電界放出を容易にすることができる。
固体中の電子は原子中の電子と同様に束縛されており、通常の状態では固体中から電子が分離されることはない。電界などにより固体中から電子を真空中に放出させるために必要な最少のエネルギーを仕事関数EW(work function)と呼ぶ。この仕事関数EWが、前記固体が有する電子放出に対するエネルギー障壁である。
エネルギー障壁の小さい材料、即ち仕事関数EWの小さい材料としては、例えば原子の例としてセシウム(EW=1.81ev)、カルシウム(EW=3.2ev)、トリウム(EW=3.4ev)、モリブデン(EW=4.3ev)、タングステン(EW=4.52ev)がある。更に、仕事関数EWの小さい化合物の例としては、酸化バリウム(EW=1.6ev)、酸化カルシウム(EW=1.61ev)、酸化トリウム(EW=1.66ev)がある。
またエネルギー障壁の小さい形状、即ち仕事関数EWの小さい形状(結晶構造を含む)としては、例えば後述するカーボン・ナノチューブ、カーボン・ウォール、カーボン・ナノホーン、ダイヤモンド、BNナノチューブ(ウィスカ)がある。
なお電子放出ポートの表面層が量子トンネル現象の期待される積層構造になされたものも、エネルギー障壁の小さい物質及び/若しくは形状に含むものとする。According to the field emission power generator of claim 2, in addition to the function and effect of the configuration of
The electrons in the solid are constrained in the same manner as the electrons in the atom, and the electrons are not separated from the solid in a normal state. The minimum energy required to emit electrons from a solid into a vacuum by an electric field or the like is called a work function E W (work function). The work function E W is the energy barrier for electron emission in which the solid has.
Material having a small energy barrier, i.e. as a material having a low work function E W, for example, cesium Examples of atoms (E W = 1.81ev), calcium (E W = 3.2ev), thorium (E W = 3.4 eV ), Molybdenum (E W = 4.3 ev), and tungsten (E W = 4.52 ev). Furthermore, examples of the compound having a small work function E W include barium oxide (E W = 1.6ev), calcium oxide (E W = 1.61ev), and thorium oxide (E W = 1.66ev).
The small form energy barrier, i.e. as a work function E W small shape (including a crystal structure), described below, for example carbon nanotubes, carbon wall, carbon nanohorn, a diamond, BN nanotubes (whiskers).
It should be noted that the surface layer of the electron emission port having a stacked structure in which a quantum tunnel phenomenon is expected is also included in the substance and / or shape having a small energy barrier.
また請求項3に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項1に記載の構成による作用効果に加えて、電子放出ポートは準1次元物質により、その準1次元物質の長手方向が電子放出方向になるように立設して構成される。
準1次元物質とは、電子の放出に関して1次元物質としての作用と実質的に同様の作用をなす物質を意味する。この準1次元物質としては、例えばカーボン・ナノチューブを用いることができるが、十分に細く(ナノオーダ乃至ミクロンオーダ)微細加工された導電物質を用いることが可能である。
準1次元物質の場合には、電子は1次元方向にのみ移動し、その先端から電界放出される。準1次元物質の長手方向を電子放出方向と一致させることで、電子の電界放出が容易となる。また電子の電界放出に対する準1次元物質によるエネルギー障壁が低くなると考えられる。
準1次元物質は多数本を電子放出ポートに立設して構成することができる。多数本を立設構成することで、その各々から電子の電界放出がなされ、全体として多数の電子を効率よく電界放出させることができる。According to the field emission power generator of claim 3, in addition to the operational effect of the configuration of
A quasi-one-dimensional substance means a substance that has substantially the same action as that of a one-dimensional substance with respect to electron emission. As this quasi-one-dimensional material, for example, carbon nanotubes can be used, but a sufficiently thin (nano-order to micron-order) finely processed conductive material can be used.
In the case of a quasi-one-dimensional material, electrons move only in the one-dimensional direction and are field-emitted from the tip. By making the longitudinal direction of the quasi-one-dimensional substance coincide with the electron emission direction, electron field emission is facilitated. In addition, it is considered that the energy barrier due to the quasi-one-dimensional substance against electron field emission is lowered.
A large number of quasi-one-dimensional materials can be constructed by standing at the electron emission port. By arranging a large number of them upright, field emission of electrons from each of them can be performed, and a large number of electrons can be efficiently emitted as a whole.
また請求項4に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項3に記載の構成による作用効果に加えて、準1次元物質がカーボン・ナノチューブであることにより、電子の(自由)移動性を十分に良好にすることができる。またカーボン・ナノチューブをその長手方向を電子放出方向に一致するようにして電子放出ポートに立設することで、効率のよい電子放出を可能とすることができる。 According to the field emission power generator of claim 4, in addition to the function and effect of the configuration of claim 3, the quasi-one-dimensional substance is a carbon nanotube, so that (free) mobility of electrons Can be made sufficiently good. In addition, it is possible to efficiently emit electrons by standing the carbon nanotubes at the electron emission port so that the longitudinal direction thereof coincides with the electron emission direction.
また請求項5に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項1に記載の構成による作用効果に加えて、電気絶縁場が絶縁空間若しくは絶縁物質により構成されることにより、絶縁空間の場合には電子は絶縁空間に電界放出され、絶縁空間を飛翔する。この絶縁空間を真空空間或いはそれに準ずる空間とすることで、真空管的な発電装置或いは発電モジュールを構成することが可能となる。
また絶縁物質を電気絶縁場とすることで、固体チップからなる発電モジュールを容易に構成することができる。
前記の発電モジュールを多数個集合させることで、発電出力を増大させることが可能である。According to the field emission power generator of claim 5, in addition to the function and effect of the configuration of
Moreover, the electric power generation module which consists of a solid chip can be easily comprised by using an insulating substance as an electrical insulation field.
It is possible to increase the power generation output by collecting a large number of the power generation modules.
また請求項6に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項1に記載の構成による作用効果に加えて、電子吸収防止手段は、電子引出電極の物質を準2次元物質とし、電子放出ポートから放出された電子が量子トンネル現象によって前記電子引出電極に吸収されることなく貫通されるようにして構成してあるので、電子放出ポートから放出された電子は、電子引出電極に達しても、該電子引出電極において原子核等に拘束される(電子が吸収される)ことなく、背後に貫通して、電子受容体に受け取られることができる。従って電子受容体を電子引出電極の背後に配置することで、何ら特別な電子受け取りの手段を別に施すことなく、電界放出された電子を確実に電子受容体で受け取ることができる。電子受容体には正電圧を加える必要がないので、受け取られた電子が自由電子として利用できなくなるのを抑制することができ、発電効率を上げることができる。
前記準2次元物質とは、電子の貫通に関して2次元物質としての作用と実質的に同様の作用をなす物質を意味し、より具体的には厚みが非常に薄くて電子の量子トンネル現象が期待できる材料を意味する。量子トンネル現象の効果を上げるには、飛翔する電子の速度(運動エネルギー)を増大すること、及び準2次元物質の厚みを薄くして電子を拘束する確率を低下することが重要となる。According to the field emission power generator of claim 6, in addition to the function and effect of the configuration of
The quasi-two-dimensional substance means a substance that has substantially the same action as that of a two-dimensional substance with respect to the penetration of electrons. More specifically, the thickness is very thin and an electron quantum tunneling phenomenon is expected. It means a material that can be made. In order to increase the effect of the quantum tunnel phenomenon, it is important to increase the velocity (kinetic energy) of the flying electrons and to reduce the probability of restraining the electrons by reducing the thickness of the quasi-two-dimensional material.
また請求項7に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項1に記載の構成による作用効果に加えて、電子吸収防止手段は、電子放出ポートから放出されて電子引出電極に向かう電子の軌道を変更する電子軌道変更電極であるので、電子放出ポートから放出された電子は、電子引出電極に達することなく、その途中で飛翔軌道を変更され、電子受容体に受け取られることができる。この装置の場合は電子軌道変更電極が別に必要となるが、電子引出電極を準2次元物質で構成する等の特別な材料にする必要がなくなるメリットがある。また電子軌道変更電極についても、正電圧や負電圧を保持できるものであれば、特別な材料で構成する必要がないというメリットがある。
According to the field emission power generator of claim 7, in addition to the function and effect of the configuration of
また請求項8に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項1に記載の構成による作用効果に加えて、電子吸収防止手段は、電子受容体を電子引出電極の前に配置することで、電子放出ポートから放出され電子引出電極に向かう電子を電子引出電極の手前で受け取るように構成してあるので、電子放出ポートから放出された電子は、電子引出電極に達することなく、その手前で電子受容体に受け取られることができる。この装置の場合は電子受容体を配置するスペースを確保する必要があるが、そのようなスペースが確保できれば、他に何ら特別な電子受け取りの手段を施すことなく、電界放出された電子を確実に電子受容体で受け取ることができる。電子受容体には正電圧を加える必要がないので、受け取られた電子が原子核等に吸収されて自由電子として利用できなくなる割合を少なく抑制することができ、発電効率を上げることができる。
According to the field emission power generator of claim 8, in addition to the function and effect of the configuration of
また請求項9に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項1に記載の構成による作用効果に加えて、電子受容体に向かう電子を加速する加速電極を設けたので、電子受容体に向かう電子速度の増大による運動エネルギーの増大を図ることができ、電子受容体が負電圧状態に帯電している場合においても、該負電圧によって発生するクーロンの法則の反発作用に電子が打ち勝って、電子が電子受容体に到達する確率を上げることができる。即ち、発電効率を向上させることができる。
According to the field emission power generator of claim 9, in addition to the operational effect of the structure of
また請求項10に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項1に記載の構成による作用効果に加えて、電子受容体に向かう電子の軌道を分散させて電子受容体での受電子位置が集中するのを防止する受電子位置分散手段を設けたので、該受電子位置分散手段により、電子が電子受容体の一部に集中的して衝突することによって電子受容体の破損を招くような不都合を防止し、装置の耐久性を増すことができる。
According to the field emission power generator of
また請求項11に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項1に記載の構成による作用効果に加えて、電子受容体は複数個を相互に絶縁状態にして設け、電子放出ポートから放出された電子を前記複数個の電子受容体に振り分ける電子振り分け手段を設けたので、該電子振り分け手段により、電子放出ポートから放出された電子が複数の電子受容体に振り分けられて受け取られるので、電子受容体に蓄積する電子による飛翔電子への反発作用を少なくすることができ、個々の電子受容体での電子受け取りをより容易に効率よく行うことができる。
1つの電子受容体のみで全ての放出電子を受け取る場合には、多数の電子を急激に受け取ることで電子受容体の負電荷の蓄積が急増しやすく、よって飛来電子を反発する等、電子の受け取り率が悪くなる事態が生じ得る。一方、複数の電子受容体を用いて電子を振り分けて受け取る場合には、個々の電子受容体においては、電子の増加が急激には行われないことから、受け取った電子を他の場所に移行させ或いは使用に供することで、負電荷の増加を適当に防止することが可能となる。従って引き続き飛来する電子を、負電荷によって反発させることなく、電子受容体で効率よく受け取ることができる。According to the field emission power generator of claim 11, in addition to the function and effect of the structure of
When all the emitted electrons are received by only one electron acceptor, the accumulation of negative charges in the electron acceptor tends to increase rapidly by receiving a large number of electrons, thereby repelling incoming electrons. A situation where the rate goes down can occur. On the other hand, when electrons are distributed and received using a plurality of electron acceptors, the increase in electrons does not occur abruptly at each electron acceptor. Alternatively, by using it, it is possible to appropriately prevent an increase in negative charge. Accordingly, electrons that subsequently fly can be efficiently received by the electron acceptor without being repelled by the negative charge.
また請求項12に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項1に記載の構成による作用効果に加えて、電子受容体に到達した電子が2次放出するのを防止するための2次放出防止手段を設けたので、電界放出された電子受容体に飛来した電子を確実に拘束して受け取ることができる。よって発電効率を上げることができる。
According to the field emission power generator of claim 12, in addition to the function and effect of the structure of
また請求項13に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項1に記載の構成による作用効果に加えて、電子受容体と電子供給体とを電気接続し途中に負荷を配する構成としたので、電子受容体で受け取った電子を電気的負荷に供給して仕事を行わせることができる。電気的負荷を経た電子は電子供給体に戻る。即ち、電子の循環を行うことができる。
According to the field emission power generator of claim 13, in addition to the function and effect of the configuration of
また請求項14に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項1に記載の構成による作用効果に加えて、電子引出電極に交流電圧を加えることで、電子放出ポートから放出される電子の量を変化させて、交流発電させる構成としたので、電子引出電極に加える交流電圧の周期と振幅を調整することで、所望の交流を発電することが可能となる。
According to the field emission power generator of claim 14, in addition to the operational effect of the configuration of
10 真空容器
20 電子供給体
30 電子放出ポート
31 準1次元物質
40 電子引出電極
41 電子引出電源
42 準1次元物質
50 電子受容体
60 電子取出回路
61 電気的負荷
70 絶縁隔離部材
80 加速電極
90 受電子位置分散手段
100 電子振り分け手段
110 2次放出防止手段
130 電子収集ポート
140 電子収集電極
151、152 第1の電子軌道変更電極
154、155 第2の電子軌道変更電極
157 電子軌道変更電極
160 フレーム
F 電気絶縁場
e 電子
n 原子核
s 引き込み空間DESCRIPTION OF
図1を参照して、本発明の第1の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する。
第1の実施形態では、電界放出された電子eは電子引出電極40をトンネル現象により貫通し、電子受容体50に達する。A field emission power generator according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the first embodiment, the field-emission electron e penetrates the
図1は電界放出発電装置の概略断面構成図である。
真空容器10内に電子供給体20、電子放出ポート30、電子引出電極40、電子受容体50が設けられている。
また真空容器10外に電子引出電源41、電力取出回路60が設けられている。FIG. 1 is a schematic cross-sectional configuration diagram of a field emission power generator.
An
In addition, an electronic
前記真空容器10はその内部を真空乃至十分に減圧された状態にする容器で、材料の種類は特に限定されるものではない。
前記電子供給体20は、電子を供給する源となる物質で構成され、金属材料、その他の自由電子を豊富に保有する材料で構成される。
前記電子放出ポート30は、電子をそこから電界放出する機能を果たすもので、前記電子供給体20と電気的に導通状態に設けられる。
電子放出ポート30は、電子の電界放出に対するエネルギー障壁の小さい材料で構成することが好ましい。またエネルギー障壁の小さい形状で構成することが好ましい。
前記電子引出電極40は、前記電子放出ポート30に対して電界を付加し、電子放出ポート30から電子eを電界放出させるための電極である。この電子引出電極40は絶縁隔離部材70により、電気絶縁場Fを介して、電子放出ポート30と対向配置されている。
前記絶縁隔部材70は、絶縁物質で構成することができる。
本実施形態の場合、電界放出された電子eが電子引出電極40に到達して吸収されるのを防止するための電子吸収防止手段として、電子引出電極40を準2次元物質で構成している。
前記電子受容体50は、電界放出された電子を受け取るためのもので、前記電子引出電極40の後方に電気絶縁場Fを介して配置されている。この電子受容体50は金属材料等の自由電子の保有能力が大きい材料で構成することができる。
前記電子引出電源41は、前記電子引出電極40に正電圧を加える機能を果たすもので、本実施形態では前記電子供給体20に負電極、前記電子引出電極40に正電極が加わるように接続している。
前記電力取出回路60は、前記電子受容体50に集められた電子eを外部に取り出すための回路である。前記電子受容体50と前記電子供給体20との間で電気接続されており、その途中に電気的負荷61が配された構成になされている。
前記電気絶縁場Fは、本実施形態では真空若しくは十分な減圧された空間からなる絶縁空間で構成している。The
The
The
The
The
The insulating
In the case of this embodiment, the
The
The electron
The
In the present embodiment, the electric insulating field F is constituted by an insulating space consisting of a vacuum or a sufficiently decompressed space.
上記第1の実施形態に係る電界放出発電装置では、真空容器10中に配置した電子供給体20の中に存在する電子eが、電子引出電極40による正の電圧を付加されることによって、電子放出ポート30から電気絶縁場Fに電界放出される。
電気絶縁場Fに電界放出された電子eは、厚さが非常に薄い準2次元物質からなる電子引出電極40を、量子トンネル現象によって貫通する。即ち、電界放出された電子eは電子引出電極40によって吸収されるのが防止される。
電子引出電極40を貫通した電子eは、電子受容体50に達して衝突、吸収される。
電子eが吸収された電子受容体50と前記電子供給体20との間には、電力取出回路60が接続されており、電子eを吸収した電子受容体50から電子供給体20に電子eがフィードバックされる。その際、電子eが電気的負荷61の中を移動することにより、電流iが流れる。即ち、発電された電気が電気エネルギーとして電気的負荷61に供給され、エネルギーが利用され、仕事を行う。In the field emission power generation device according to the first embodiment, the electrons e existing in the
The electrons e field-emitted to the electric insulating field F penetrate through the
The electrons e that have penetrated the
A
図2は図1に示す構成に加速電極80を付加構成した電界放出発電装置を示す。
加速電極80は、電子受容体50に向かう電界放出電子を加速させるための電極である。加速電極80は、絶縁隔離部材71により、前記電子引出電極40の後方に電気絶縁場Fを介して設けられる。
加速電極80に対しては正電圧を加える加速電源81が設けられる。この加速電源81は、この例では前記電子引出電源41と直列に結合されており、加速電極80に対して電子引出電極40よりも高い正電圧が加わるようにしている。
加速電源81は、準2次元物質で構成している。
図2の他の構成、機能は図1に示す構成、機能と同じであるので、同じ構成、機能を有する部材、要素には同じ符号を付して、説明を省略する。
この第2の実施形態の装置では、電子供給体20の電子放出ポート30から電界放出され且つ準2次元物質からなる電子引出電極40を貫通した電子eは、正電圧が加えられた加速電極80の持つ電荷のクーロン力によって更に加速される。そして準2次元物質である電子引出電極40を量子トンネル現象によって貫通し、より高い運動エネルギーをもって電子受容体50に到達することができる。この場合、電子eのもつ運動エネルギーが高いと、電子受容体50に蓄積された負電荷によるクーロンの法則に従う反発力に打ち勝って電子受容体50に到達できる可能性が高まり、電子受容体50での電子eの収集効率がよくなる。即ち、発電効率がよくなる。FIG. 2 shows a field emission power generation device in which an
The
An
The
The other configurations and functions in FIG. 2 are the same as the configurations and functions shown in FIG. 1, so members and elements having the same configurations and functions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
In the apparatus according to the second embodiment, an electron e emitted from the
図3は電子引出電極40に用いられる準2次元物質を、準1次元物質であるカーボン・ナノチューブを略平行に並べて構成した場合において、電界放出された電子eが電子引出電極40に接近する場合を示す。
カーボン・ナノチューブは炭素の6員環などが結合して構成される。電子eが準2次元物質からなる電子引出電極40に電子軌道orbに沿って接近する場合、電子eは運動エネルギーをもっているので、非常に薄い物質中をトンネル現象により突き抜ける。即ち、準2次元物質の中の原子核nに電子eが接近しても、飛翔電子eは速度を持っているので、原子核nに捕獲される確率は低く、大部分の電子は突き抜ける可能性が高いので、トンネル現象により電子eが準2次元物質に殆ど吸収されずに飛翔を続行する確率が高い。FIG. 3 shows a case where a field emission electron e approaches the
Carbon nanotubes are composed of carbon 6-membered rings. When the electron e approaches the
図4は電子放出ポート30及び電子引出電極40の構成例を示す図である。
この例では、電子放出ポート30を準1次元物質31により構成し、電子供給体20の表面に対して準1次元物質31の長手方向が垂直になるようにして(電子放出方向となるようにして)立設する。準1次元物質31は複数を立設することができる。複数とすることで、多数の電界放出電子eの放出を速やかに行うことができる。
またこの例では、複数個の準1次元物質42を略平行に間隔をもって配し、端部を基板43で一体化することで準2次元物質を構成し、電子引出電極40としている。基板43と電子供給体20との間に電子引出電源41が接続され、電子引出電極40に正電圧が加えられる。
準1次元物質31よりなる電子放出ポート30から電気絶縁場Fに電界放出された電子eは、電子引出電極40に向かって飛翔するが、電子引出電極40の準1次元物質42の隙間をトンネル現象によりすり抜ける。これによって電界放出電子eが電子引出電極40に吸収されるのを殆ど防止することができる。
なお前記準1次元物質42を略平行に配する代わりに、準1次元物資を網目状に配して、準2次元物質を構成するようにしてもよい。
準1次元物質31、42としてはカーボン・ナノチューブを用いることができる。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the
In this example, the
In this example, a plurality of quasi-one-
Electrons e that are field-emitted from the
Instead of arranging the quasi-one-
As the quasi-one-
図5、図6を参照して、電子引出電極40をカーボン・ナノチューブの架橋によって構成する例を説明する。
電子供給体20と絶縁隔離部材70を介して配置される電子引出電極40として、その基体44を1対、相互に対向させて配置する。この基体44は、具体的には鉄、コバルト、ニッケル等の触媒物質とし、絶縁隔離部材70の上面に積層することで電子供給体20とは電気的に非導通状態とする。
雰囲気を650℃付近に設定すると共に、気体としてメタン、アセチレン等の炭素系ガスを適切に供給し、条件を適切に維持することで、前記基体44上にカーボン・ナノチューブ、若しくはこれに類する準1次元物質を成長させ、基体44、44間に架橋体45を生成させる。個々のカーボン・ナノチューブは準1次元物質であるが、多数のカーボン・ナノチューブが1対の基体44間に架橋体45を構成することで、準2次元物質からなる電子引出電極40を構成する。
電子供給体20と前記基体44との間に電子引出電源41が接続され、電子引出電源41により基体44に正電圧が加えられることで、架橋体45内の正電荷により電子放出ポート30(複数の準1次物質を立設構成)内の電子eがクーロン力により引き寄せられ、電界放出される。
電界放出された電子eは電子引出電極4に向けて飛翔するが、準2次元物質の架橋体45をトンネル現象によりすり抜け、電子受容体50に向かう。With reference to FIG. 5 and FIG. 6, an example in which the
A pair of
The atmosphere is set to around 650 ° C., a carbon-based gas such as methane or acetylene is appropriately supplied as a gas, and the conditions are appropriately maintained, so that carbon nanotubes on the
An electron
The field-emission electron e flies toward the electron extraction electrode 4, but passes through the
図7を参照して、電子受容体50の具体的構成の1例を説明する。
この例では、電子受容体50は、正電荷部材51と絶縁部材52と導電部材53と受電部材54とからなる。
図示しない電源により正電荷を加えられる正電荷部材51の前面に絶縁部材52の層を介して導電部材53の層が積層され、この導電部材53に受電部材54が多数整列した状態に配設されている。前記導電部材53は導電性透明膜(ITO)とすることができる。
電子供給体20の電子放出ポート30から電界放出され、準2次元物質からなる電子引出電極40をトンネル現象によって貫通した電子eは、電子受容体50の正電荷部材51により引かれ、受電部材54に接近し、それに吸収される。吸収されなかった電子eは導電部材53に吸収される。このとき、正電荷部材51と導電部材53との間は絶縁部材52により電子の移動が阻止されている。よって最終的には、受電部材54に移動する。その結果として、受電部材54には電子eが負電荷として蓄積される。この蓄積された電子eは、電力取出回路60(図1、図2参照)の電気的負荷61を通過させることにより電気エネルギーとして利用可能となる。An example of a specific configuration of the
In this example, the
A layer of a
Electrons e which are field-emitted from the
図8を参照して、第1の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に受電子位置分散手段90を付加した例を説明する。
受電位置分散手段90は、電界放出された電子eを収集する電子受容体50に対して、電子受容体50に向かう電子eの軌道orbを分散させることで、電子受容体50での受電子位置が集中するのを防止するためのものである。
受電子位置分散手段90は、電子受容体50の手前に配置され、電子受容体50に向かう電子eの軌道を周期的に或いはランダムに変更する。
図8では、電子受容体50を、図1や図2に示す状態から90度回転させて示している。しかしながら、これは説明がしやすいように回転して示しているだけである。
受電子位置分散手段90は、水平方向の2枚の偏向板92、92と垂直方向の2枚の偏向板94、94と水平方向の走査電子回路91と垂直方向の走査電子回路93によって構成され、水平方向の2枚の偏向板92、92は水平方向の走査電子回路91によって水平方向にスキャンする電気信号が加えられ、垂直方向の2枚の偏向板94、94は垂直方向の走査電子回路93によって垂直方向にスキャンする電気信号が加えられる。水平方向の走査信号により発生する水平方向の電界の変化によって、電子eの軌道orbは水平方向に曲げられる。また垂直方向の走査信号により発生する垂直方向の電界の変化によって、電子eの軌道orbは垂直方向に曲げられる。水平方向走査と垂直方向走査の組み合わせによって、電子eの軌道orbは周期的に或いはランダムに変更され、結果として電子eは電子受容体50の広い範囲に分散して受電される。これによって、電子eが電子受容体50の狭い範囲に集中して受電されることによって生じる電子受容体50の破損、破壊が防止され、耐久性を増すことができる。With reference to FIG. 8, an example in which the electron receiving
The power receiving position dispersion means 90 disperses the orbits orb of the electrons e toward the
The electron receiving position dispersion means 90 is disposed in front of the
In FIG. 8, the
The electron receiving position distribution means 90 includes two
図9を参照して、第1の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に電子振り分け手段100を付加した例を説明する。
真空中を飛翔する電子eの電荷が−qクーロンであり、その速度がvであり、電子eが電子受容体50に接近する場合を考察する。電子受容体50に蓄えられた電荷が−Qクーロンであれば、両者の電荷の積q×Qに比例するクーロンの反発力が働く。電子eの速度vが大きい場合には、電子eはクーロンの反発力に打ち勝って電子受容体50に衝突することは可能である。しかし速度vが小さい場合には、クーロン力の反発力の作用により電子eは電子受容体50に到達することが不可能となる。従って電子受容体50に蓄積される負電荷の量が限定され、クーロンの反発力により衝突しなかった電子は加えた電源の正極に吸収される等、電気エネルギーの発生効率が低下する。従って真空中を飛翔する電子eの全てを電子受容体50に吸収させることが重要となる。
電子振り分け手段100は、電子受容体50の手前に配置し、電子引出電極40を貫通して電子受容体50に向かう電子eを振り分けるものである。即ち、電子引出電極40と電子受容体50との間の電気絶縁場F(図1、図2を参照)に、1対の振り分け電極101、102を対向させて配し、その電極101、102間を電子eが通過するように構成する。前記1対の振り分け電極101、102に対しては交流電源103を接続し、片方の振り分け電極101(102)に正電圧が加わる場合には、他方の振り分け電極102(101)には負電圧が加わるようにする。
前記電子振り分け手段100を設ける場合には、前記電子受容体50の構成として、振り分けられた電子を受け取る複数個の電子受容体50を設ける。即ち図9において、電子受容体50は、絶縁部材55により相互に絶縁した状態にして、第1電子受容体56と第2電子受容体57とを配置する。With reference to FIG. 9, the example which added the electronic distribution means 100 to the structure of the field emission electric power generating apparatus which concerns on 1st Embodiment is demonstrated.
Consider the case where the charge of an electron e flying in a vacuum is −q coulomb, its velocity is v, and the electron e approaches the
The electron distribution means 100 is arranged in front of the
When the electron distributing means 100 is provided, a plurality of
以上のような構成において、前記交流電源103をオンすると、1対の振り分け電極101、102には一定の周期で正電位と負電位とが加えられる。
今、図面上、左の振り分け電極101に正電位、右の振り分け電極102に負電位が加えられている期間には、飛翔電子eは正電位の方向(左方向)に軌道を曲げられ、左の第1電子受容体56に衝突、吸収される。また右の振り分け電極102に正電位、左の振り分け電極101に負電位が加えられている期間には、飛翔電子eは右方向に軌道を曲げられ、右の第2電子受容体57に衝突、吸収される。このようにして、一定の周期で左右の第1電子受容体56と第2電子受容体57とに電子が振り分けられて収集される。
電子eの収集が1対の電子受容体56、57により交互に行われることで、第1電子受容体56と第2電子受容体57のそれぞれでは、電子eの受容が行われていない期間においては、溜まっている電子eを外部に流出させて電力に供すると共に、電子受容体56、57内の電子e量を減じて次の周期での電子受け取りの準備とすることができる。In the configuration as described above, when the
In the drawing, during a period in which a positive potential is applied to the
The collection of the electrons e is alternately performed by the pair of
図10を参照して、振り分け手段100により前記第1電子受容体56及び第2電子受容体57に振り分けられて蓄積された電子eを取り出し、電力供給に供する電力取出回路60の具体例の1つを説明する。
電力取出回路60には、変圧器62を設け、その1次巻線63の一端63aを第1電子受容体56に接続し、1次巻線63の他端63bを第2電子受容体57に接続する。また1次巻線63の中央部に中間端子63cを設け、この中間端子63cを電子供給体20に接続するように構成する。変圧器62の2次巻線64の両端64a、64b間に電圧が出力される。よってこの両端64a、64b間に電気的負荷65を接続することで、電気的負荷に対して電力を供給して仕事をさせることができる。Referring to FIG. 10, one example of a
The
前記電子振り分け手段100により左の振り分け電極101に正電位が加えられている期間は、電子は第1電子受容体56に受け入れられて蓄積される。第1電子受容体56に蓄積された電子eは、電力取出回路60の1次巻線63へその一端63aから流れてゆき、中間端子63cを通って電子供給体20へ移動する(循環する)。この際、変圧器62の2次巻線64には磁束が発生し、電圧が発生する。通常は2次巻線64側に電気的負荷65が接続されるので、電気的負荷65に電流が流れることによって逆起電力が発生し、この逆起電力によって、第1電子受容体56から1次巻線63を通って電子供給体20に移動する電子の量が制限される。このため第1電子受容体56に蓄積された電子eが十分に放電されるまでには時間を必要とする。
一方、所定のサイクルで前記交流電源103の電圧が変化することで、前記電子振り分け手段100の左の振り分け電極101が負電位となり、右の振り分け電極102が正電位となると、飛翔電子eは第2電子受容体57に受け入れられて蓄積される。第2電子受容体57に蓄積された電子eは、電力取出回路60の1次巻線63へその他端63bから流れてゆき、中間端子63cを通って電子供給体20へ移動する(循環する)。この際、変圧器62の2次巻線64には、前回とは逆の磁束が発生し、正負が逆の電圧が発生する。即ち、電気的負荷65に流れる電流が前回とは逆方向となる。2次巻線64の電気的負荷65に電流が流れることによって逆起電力が発生し、この逆起電力によって、第2電子受容体57から1次巻線63を通って電子供給体20に移動する電子の量が制限される。このため第2電子受容体57に蓄積された電子eが十分に放電されるまでには時間を必要とする。
他方、この期間では、前記第1電子受容体56に到達する電子eは存在しないので、第1電子受容体56に蓄えられた電子eの殆ど全ては変圧器62の1次巻線63を経由して電子供給体20に帰還する。即ち、この期間に第1電子受容体56に蓄えられた電子eは殆ど放電される。よって第1電子受容体56は、この期間に次の周期における電子eの受け入れ態勢が整う。
第2電子受容体57の場合も同様な経過を経て、電子の受け入れと放電による受け入れ態勢の整えが行われる。
なお前記電力取出回路60の2次巻線64側では交流電圧が発電される。During a period in which a positive potential is applied to the
On the other hand, when the voltage of the
On the other hand, since there is no electron e that reaches the
In the case of the
An AC voltage is generated on the secondary winding 64 side of the
以上のように、電子振り分け手段100により、電界放出電子eを、2つの電子受容体、即ち第1電子受容体56と第2電子受容体57とに交互に振り分けて受容させることで、電子受容体に大量の電子eが蓄積されることが防止でき、よって更なる電子eの受容が妨げられるといった不都合を回避することができ、良好に効率よく電界放出電子eを受け入れて、且つ電子供給体20に帰還させることが可能となる。
従って本発明の発電装置における最大の問題点である電荷の蓄積現象による電気エネルギー発生の効率の低下を阻止することが可能となり、高効率の発電装置を提供することができる。As described above, the electron distribution means 100 distributes and accepts the field emission electrons e to the two electron acceptors, that is, the
Therefore, it is possible to prevent a reduction in the efficiency of electric energy generation due to the charge accumulation phenomenon, which is the biggest problem in the power generator of the present invention, and it is possible to provide a highly efficient power generator.
図11を参照して、第1の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に、電子受容体に到達した電子が2次放出されるのを防止するための2次放出防止手段110を付加した1例を説明する。
この例では、電子受容体50の前面50a、即ち飛翔してくる電子eを受け取る面50aの周囲を囲むようにして絶縁部材からなる絶縁周壁111を設け、絶縁周壁111の開口部にゲート部材112を配置する。ゲート部材112の中央付近には電子受入口113を設けている。また電子受容体50の前面50aは中央部が高く周縁が低くなるような傾斜面にする。
そして電源114を設けて、絶縁周壁111で隔離された前記ゲート部材112に負電圧、前記電子受容体50に正電圧がそれぞれ加わるようにする。
ゲート部材112の電子受入口113を通過した電子eは、電子受容体50の表面50aに衝突する。衝突した電子e或いは2次的に飛び出した電子eは曲がった電子軌道orbに進み、最終的には電子受容体50に吸収される。ゲート部材112と電子受容体50との間に発生する電界は、飛翔電子eを電子受容体50に接近させる力となって働くので、ゲート部材112の電子受入口113を通過した電子eの全てが電子受容体50に吸収される。
電子受容体50に吸収された電子eは、電力取出回路60を経て電子供給体20に帰還すると共に、途中の電気的負荷61で利用される。
なお前記電子受容体50に加わる正電圧は低く或いはゼロに近い方が、収集した電子の利用効率がよくなる。Referring to FIG. 11, secondary emission preventing means 110 for preventing secondary emission of electrons that have reached the electron acceptor is added to the configuration of the field emission power generation device according to the first embodiment. An example will be described.
In this example, the insulating
A
The electrons e that have passed through the
The electrons e absorbed by the
The utilization efficiency of the collected electrons is improved when the positive voltage applied to the
図12を参照して、第1の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に、電子受容体50に到達した電子が2次放出されるのを防止するための2次放出防止手段110を付加した他の1例を説明する。
この例では、電子受容体50の前面に準2次元絶縁物質115を介して準2次元導電物質116を積層している。そして、電源117aを設けて、準2次元絶縁物質115で隔離された前記準2次元導電物質116に負電圧、前記電子受容体50に正電圧がそれぞれ加わるように構成している。
電子受容体50に向かう飛翔電子eは、準2次元導電物質116に衝突すると、準2次元導電物質116中をトンネル現象により通り抜け、更に準2次元絶縁物質115もトンネル現象により通り抜けて、電子受容体50に衝突し、吸収される。
電子受容体50に衝突した電子eは速度が低下し、また準2次元導電物質116に蓄えられた負電荷によるクーロン力を受けるので、電子受容体50から再び準2次元絶縁物質115や準2次元導電物質116を通過して外部に飛び出ることが防止される。即ち、電子受容体50に到達した電子eが2次放出されるのが防止される。Referring to FIG. 12, secondary emission preventing means 110 is added to the configuration of the field emission power generator according to the first embodiment to prevent secondary emission of electrons that have reached
In this example, a quasi-two-dimensional
When the flying electron e toward the
The electron e colliding with the
図13を参照して、第1の実施形態に係る電界放出発電装置の構成に、電子受容体50に到達した電子が2次放出されるのを防止するための2次放出防止手段110を付加した更に他の1例を説明する。
この例では、電子受容体50の背面に絶縁部材118を介して導電物質119を配置し、この導電物質119に電源117bからの正電圧が加わるように構成している。
導電物質119に蓄えられた正電荷によって、電子受容体50の前記導電物質119側の表面(背面)に負電荷が誘導され、電子受容体50の前面(電子eを受け取る面)に正電荷が誘導される。
前記電子受容体50の前面に誘導された正電荷によって、飛翔電子eが引き寄せられ、電子受容体50の前面に確実に到達する。電子受容体50に到達して収集された電子eは、電力取出回路60を経て、電気エネルギーとして利用することができる。Referring to FIG. 13, secondary emission preventing means 110 for preventing secondary emission of electrons reaching
In this example, a
Due to the positive charge stored in the
The flying electrons e are attracted by the positive charges induced on the front surface of the
図14を参照して、図12に示す2次放出防止手段を適用した本発明の第2の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する。
この第2の実施形態に係る電界放出発電装置では、電界放出された電子eが電子引出電極40に吸収されるのを防止する電子吸収防止手段として、電子引出電極40を準2次元物質とし、これによって電子が電子引出電極40をトンネル現象により通過するようにした点において、上記第1の実施形態と共通する。
その一方、第1の実施形態では、電子供給体20と電子引出電極40との間の電気絶縁場Fを絶縁空間としたのに対し、この第2の実施形態では電子供給体20と電子引出電極40との間の電気絶縁場Fを、絶縁物質の層で構成した点において異なる。実際には電気絶縁場Fを準2次元絶縁物質層で構成し、電子供給体20から電界放出された電子eがトンネル現象により準2次元の絶縁物質からなる電気絶縁場Fを貫通するようにしている。
電気絶縁場Fを空間ではなく絶縁物質で構成することで、固体チップからなる発電装置やそのモジュールを容易に構成することが可能になる。発電モジュールを多数個集合させることで、発電出力を増大させることが可能となる。A field emission power generation apparatus according to a second embodiment of the present invention to which the secondary emission preventing means shown in FIG. 12 is applied will be described with reference to FIG.
In the field emission power generation device according to the second embodiment, the
On the other hand, in the first embodiment, the electric insulation field F between the
By configuring the electric insulating field F with an insulating material instead of a space, it is possible to easily configure a power generation device made of a solid chip and its module. By collecting a large number of power generation modules, the power generation output can be increased.
電子供給体20の前記電気絶縁場Fに面する表面には、図示していないが、準1次元物質からなる電子放出ポート30を構成し、電子eが電界放出しやすいようにしている。この場合、電子供給体20の上面の中央領域に準1次元物質が物理的或いは化学的に立設されて電子放出ポート30が構成され、電子供給体20の上面の周辺では電気絶縁場Fが電子供給体20上に直接的に積層されて一体化された構成とすることができる。
前記電子引出電極40と電子供給体20との間には電子引出電源41による電圧が付加される。
電子引出電極40の背後は、2酸化シリコン等の絶縁隔離部材72の積層により電気絶縁場Fが真空空間(減圧空間)として構成され、この電気絶縁場F及び絶縁隔離部材72を介して、2次放出防止手段110(115、116、117a、)が設けられ、更にその背後に電子受容体50が配置されている。
前記2次放出防止手段110は、既に図12で説明したように、準2次元絶縁物質115が電子受容体50に積層され、更にその上に準2次元導電物質116が積層される形で構成されている。そして電源117aにより準2次元導電物質116が負電圧、電子受容体50が正電圧になるようになされている。
前記絶縁隔離部材72と電子引出電極40と準2次元導電物質116で囲まれた真空の電気絶縁場Fは、外部から完全に隔離された空間とされている。即ちこの図14に示す装置は、周囲を真空容器10で囲む必要のない固体装置として構成することができる。Although not shown in the figure, an
A voltage from an electron
Behind the
The secondary emission preventing means 110 has a configuration in which a quasi-two-dimensional
A vacuum electric insulation field F surrounded by the insulating
電子引出電極41によって形成される電界によって、電子eが電子供給体20から電子放出ポート30を経て電界放出される。電界放出された電子eは準2次元物質からなる電気絶縁場Fをトンネル現象で通過し、準2次元物質からなる電子引出電極40もトンネル現象で通過し、絶縁隔離部材72で囲まれた真空の電気絶縁場Fに入る。更に電気絶縁場Fを飛翔して準2次元導電物質116に到達するが、準2次元導電物質116は厚さが極めて薄いので、これをトンネル現象で通過する。更に準2次元絶縁部室115もトンネル現象で通過して、電子受容体50に到達し、吸収される。電子受容体50に一旦到達した電子eは準2次元導電物質115の負電位によって、再び2次放出されるのが防止される。
電子受容体50に吸収された電子eには依然として電荷が存在するので、電子eを電気取出回路60を用いて外部に取り出し、電気的負荷61を介して電気エネルギーとして利用することが可能となる。Due to the electric field formed by the
Since the electron e absorbed in the
図15を参照して、図13に示す2次放出防止手段を適用した本発明の第2の実施形態に係る電界放出発電装置の他の例を説明する。
この図15に示す装置は、図14に示す2次放出手段110(115、116、117a)を図13に示すものに代えている。
本装置では、図14に示す装置の場合と同様に、電子供給体20と電子引出電極40との間の電気絶縁場Fを、絶縁物質の層で構成している。即ち電子供給体20、電子放出ポート30(図示せず)、準2次元絶縁物質の層で構成した電気絶縁場F、電子引出電極40、電子引出電源41を設ける構成は、図14に示す構成と同じである。With reference to FIG. 15, another example of the field emission power generation apparatus according to the second embodiment of the present invention to which the secondary emission preventing means shown in FIG. 13 is applied will be described.
In the apparatus shown in FIG. 15, the secondary discharge means 110 (115, 116, 117a) shown in FIG. 14 is replaced with that shown in FIG.
In the present apparatus, as in the case of the apparatus shown in FIG. 14, the electric insulating field F between the
電子引出電極40の背後は、2酸化シリコン等の絶縁隔離部材73の積層により電気絶縁場Fが真空空間(減圧空間)として構成され、この電気絶縁場F及び絶縁隔離部材73を介して電子受容体50が配置されている。更に電子受容体50の背後に2次放出防止手段110(118、119、117b)が設けられている。
前記2次放出防止手段110は、既に図13において説明したように、電子受容体50の背面に絶縁物質118及び該絶縁物質118で囲まれた真空の電気絶縁場Fを介して導電物質119が配置され、この導電物質119に電源117bによる正電圧が加わるように構成している。電源117bの負電極は電子引出電源41の正電極と接続され、中間位置で電子引出電極40に接続されている。
導電物質119に蓄えられた正電荷によって、電子受容体50の前記導電物質119側の表面(背面)に負電荷が誘導され、電子受容体50の前面(電子eを受け取る面)に正電荷が誘導される。この電子受容体50の前面に誘導された正電荷によって、電気絶縁場Fを飛翔する電子eが引き寄せられ、電子受容体50の前面に確実に到達する。電子受容体50に到達して収集された電子eは、電力取出回路60を経て、電気エネルギーとして利用することができる。
前記絶縁隔離部材73と電子引出電極40と電子受容体50とで囲まれた真空の電気絶縁場F、前記絶縁物質118と電子受容体50と導電物質119とで囲まれた真空の電気絶縁場Fは、外部から完全に隔離された空間とされている。即ち、この図15に示す装置の場合も上記図14に示す装置と同様に、周囲を真空容器10で囲む必要のない固体装置として構成することができる。Behind the
As described above with reference to FIG. 13, the secondary emission preventing means 110 includes the insulating
Due to the positive charge stored in the
A vacuum electric insulation field F surrounded by the insulating
図16を参照して、交流電源を用いて、電界放出される電子eの方向を交互に反対方向に変更することできるようにした本発明の第2の実施形態に係る電界放出発電装置の更に他の1例を説明する。
電子供給体20と準2次元物質からなる電気引出電極40を備え、該電子供給体20と電気引出電極40との間に準2次元絶縁物質からなる電気絶縁場Fが積層されている。前記電子供給体20の前記電気絶縁場Fに面する表面には、図示していないが、多数の準1次元物質を電子放出方向に立設してなる電子放出ポート30を構成し、電子eが電界放出しやすいようにしている。電子供給体20、電子放出ポート30、電気引出電極40の構成は図14、図15に示す装置と同じである。
電子受容体50の前面には準2次元絶縁物質からなる電気絶縁場Fを介して準2次元物質からなる電子収集電極140が積層されている。前記電子受容体50の前記電気絶縁場Fに面する表面には、図示していないが、準1次元物質からなる電子収集ポート130を構成して、電子eを受け取りやすくしている。
この電子収集ポート130の生成或いは構成は、既述した電子放出ポート30の生成或いは構成と同様にすることができる。Referring to FIG. 16, the field emission power generation device according to the second embodiment of the present invention, which is capable of alternately changing the direction of the field-emission electron e to the opposite direction by using an AC power source, is further described. Another example will be described.
The
An
The generation or configuration of the
前記電子引出電極40と電子収集電極140とは絶縁隔離部材74を介して相互に接合され、その間に絶縁隔離部材74で囲まれた真空若しくは減圧空間からなる電気絶縁場Fを介在させている。
The
前記電子供給体20と電子引出電極40との間には電子引出及び電子収集のための交流電源121が接続され、前記電子受容体50と電子収集電極140との間にも電子引出及び収集のための交流電源122が接続されている。
交流電源121と交流電源122は周期を同期させており、電子引出電極40が正電位の期間は電子収集電極140が負電位となり、電子引出電極40が負電位の期間は電子収集電極140が正電位となるように構成している。
以上の構成に係る装置では、電子供給体20と電子引出電極40との間の電気絶縁場F及び電子受容体50と電子収集電極140との間の電気絶縁場Fが何れも絶縁物質で構成され、且つ絶縁隔離部材74で囲まれた真空若しくは減圧空間からなる電気絶縁場Fも固体内に構成することが可能であるから、結局のところ、真空容器10等のケースを必要とすることなく、固体の発電装置や固体の発電モジュール、発電素子を構成することができる。An
The
In the apparatus according to the above configuration, the electric insulating field F between the
今、交流電源121、122として、パルス状波形をもつ正負の電圧を交互に加えた場合の状況を、図17、図18を参照して説明する。
Now, a situation where positive and negative voltages having a pulse waveform are alternately applied as the
先ず交流電源121、122が、正の半期として、電子引出電極40及び電子受容体50に正電圧、電子供給体20及び電子収集電極140に負電圧が加えられている場合は、図17に示す状態となる。
即ちこの場合には、電子引出電極40の正電荷によって、電子供給体20から電子放出ポート30を経て電子eが電気絶縁場Fに電界放出される。電気絶縁場Fは準2次元物質からなるので、電子eはトンネル現象により電気絶縁場Fを通過する。更に準2次元物質からなる電子引出電極40もトンネル効果で通過し、2酸化シリコンからなる絶縁隔離部材74で囲まれた真空若しくは減圧空間からなる電気絶縁場Fに入る。このとき、電子受容体50には正電位が、電子収集電極140には負電位が加えられている。前記電気絶縁場Fに入って飛翔する電子eは電子収集電極140に到達するが、電子収集電極140が準2次元物からなるので、トンネル現象により通過する。更に準2次元絶縁物質からなる電気絶縁場Fもトンネル現象により通過し、電子収集ポート130を介して電子受容体50に到達する。電子受容体50から2次放出しようとする電子eは、負電位にある電子収集電極140によって抑制される。
電子受容体50に収集された電子eは、電力取出回路60に移動されることで、電気的負荷61にて電気エネルギーとして利用される。First, when the
That is, in this case, the electron e is emitted from the
The electrons e collected by the
次に交流電源121、122が、負の半期として、電子収集電極140及び電子供給体20に正電圧、電子受容体50と電子引出電極40に負電圧が加えられている場合は、図18に示す状態となる。
即ちこの半期においては、前記電子受容体50が電子供給体となり、前記電子収集電極140が電子引出電極となる。また前記電子受容体50の表面に構成される電子収集ポート130は電子放出ポートとなる。そして前記電子供給体20は電子受容体となり、前記電子引出電極40は電子収集電極となる。また前記電子供給体20の表面に構成された電子放出ポート30は電子収集ポートとなる。
電子収集電極140に加えられた正電圧によって、電子受容体50から電子収集ポート130を経て電子eが電気絶縁場Fに電界放出される。電気絶縁場Fは準2次元物質からなるので、電子eはトンネル現象により電気絶縁場Fを通過する。更に準2次元物質からなる電子収集電極140もトンネル効果で通過し、2酸化シリコンからなる絶縁隔離部材74で囲まれた真空若しくは減圧空間からなる電気絶縁場Fに入る。このとき、電子供給体20には正電位が、電子引出電極40には負電位が加えられている。前記電気絶縁場Fに入って飛翔する電子eは電子引出電極40に到達するが、電子引出電極40が準2次元物からなるので、トンネル現象により通過する。更に準2次元絶縁物質からなる電気絶縁場Fもトンネル現象により通過し、電子放出ポート30を介して電子供給体20に到達する。電子供給体20から2次放出しようとする電子eは負電位にある電子引出電極40によって抑制される。
電子供給体20に収集された電子eは、電力取出回路60に移動されることで、電気的負荷61にて電気エネルギーとして利用される。Next, when the
That is, in this half year, the
Due to the positive voltage applied to the
The electrons e collected in the
上記のようにして、交流電源121、122の正の半周期では、電子供給体20内の電子eが電界放出されて、電子受容体50に達し、電力取出回路60には電流iが下から上(電子供給体20側から電子受容体50側)に流れる。また交流電源121、122の負の半周期では、電子受容体50内の電子eが電界放出されて、電子供給体20に達し、電力取出回路60には電流iが上から下(電子受容体50側から電子供給体20側)に流れる。即ち、電力取出回路60の電気的負荷61には、交流の電流iが流れる。
前記電気的負荷61として変圧器等を用いて、電圧と電流を調整し、家庭用電源、或いは工場用電源として利用することが可能となる。
上記した本発明では、太陽光等を利用する場合と異なり、雨天でも夜間でも何時でも発電して、これを利用することができる。また熱源等も必要としないので、熱サイクルによる劣化も問題とならない。勿論、静止装置である。よって本発明の装置は、耐久性、実用性、利便性等においてもまた従来の発電装置にはない優れた面を有している。As described above, in the positive half cycle of the
Using the transformer or the like as the
In the present invention described above, unlike the case of using sunlight or the like, it is possible to generate power at any time in the rain or at night and use it. Moreover, since a heat source or the like is not required, deterioration due to thermal cycling is not a problem. Of course, it is a stationary device. Therefore, the device of the present invention has excellent aspects that are not found in conventional power generation devices in terms of durability, practicality, convenience, and the like.
図19を参照して、本発明の第3の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する。
この第3の実施形態は、電子供給体20の電子放出ポート30から電子引出電極40により電界放出された電子eが、電子引出電極40に吸収されるのを防止する電子吸収防止手段として、電子引出電極40に向かって飛翔する電子eの軌道を変更する電子軌道変更電極を設けた点に特徴がある。
即ち、上記の第1、第2の実施形態では、電界放出した電子eが電子引出電極40に吸収されるのを防止するため、電子引出電極40を準2次元物質で構成し、これによって電子eがトンネル現象によって電子引出電極40を通過するようにしていた。しかし本第3の実施形態では、電子吸収防止手段として電子軌道変更電極を用いている。
本第3の実施形態では、電子引出電極40は、飛翔電子eが貫通する必要がないので、準2次元物質とする必要はない。With reference to FIG. 19, a field emission power generation device according to a third embodiment of the present invention will be described.
In this third embodiment, electrons e emitted from the
That is, in the first and second embodiments described above, in order to prevent the electron e emitted from the field emission from being absorbed by the
In the third embodiment, the
真空乃至減圧された空間からなる電気絶縁場Fに、電子供給体20が配置されている。この電子供給体20に対して電子引出電極40が対向して配置されている。電子引出電極40と電子供給体20には電子引出電源41が、電子引出電極40が正電圧で電子供給体20が負電圧になるように加えられている。
前記電子供給体20と電子引出電極40との間隙に対して直角な側方位置に、第1の電子軌道変更電極151、152が電源153と共に配置されている。また別に第2の電子軌道変更電極154、155が電源156と共に配置され、飛翔電子eを電子受容体50に導くようにしている。
電界放出電子eは図に示す電子軌道orbを経て電子受容体50に到達される。An
First electron
The field emission electrons e reach the
前記電子供給体20は、既述の実施形態においても説明したが、金属材料やその他の自由電子を豊富に保有する材料で構成される。
前記電子供給体20の電気引出電極40に対向する面には、図19には図示しないが、電子放出ポート30が設けられている。また電子放出ポート30は、電子をそこから電界放出する機能を果たすもので、前記電子供給体20と電気的に導通状態に設けられる。電子放出ポート30は、電子の電界放出に対するエネルギー障壁の小さい材料で構成することが好ましい。またエネルギー障壁の小さい形状で構成することが好ましい。電子放出ポート30はカーボン・ナノチューブ等の準1次元物質を複数本、電子供給体20の表面に立設して構成することができる。
前記電子引出電極40は、前記電子放出ポート30に対して電界を付加し、電子放出ポート30から電子eを電界放出させるための電極である。
この実施形態の場合は、電子引出電極40を準2次元物質で構成する必要がない。よって電子引出電極40の設備が容易に提供できる。
前記電子受容体50は、電界放出された電子を受け取るためのもので、金属材料等の自由電子の保有能力が大きい材料で構成することができる。電子受容体50の構成としては、上記図7で説明した符号51〜54からなる構成とすることができる。また電子受容体50には、図8で説明した受電子位置分散手段90、図9で説明した電子振り分け手段100、図11〜図13で説明した2次放出防止手段110を付設してもよい。Although the
Although not shown in FIG. 19, an
The
In the case of this embodiment, it is not necessary to configure the
The
電子引出電極40に正電圧が加えられることで、電子供給体20から電子放出ポート30を経て電子eが電界放出され、電子引出電極40に向かう。このとき、電子供給体20と電子引出電極40との間隙を電子eが飛翔する際に、第1の電子軌道変更電極151、152からのクーロン力を受けて、電子eが正電圧の加わった第1の電子軌道変更電極151に向けて軌道を変更する。これによって電界放出電子eが電子引出電極40に吸収されるのが防止される。
前記正電圧の加わった第1の電子軌道変更電極151に向けて向かう軌道の両側方に第2の電子軌道変更電極154、155が配置されている。この第2の電子軌道変更電極154、155によって、飛翔電子eの軌道は更に変更され、電子軌道変更電極151にも衝突することなく電子受容体50に衝突し、吸収される。
なお前記第1の電子軌道変更電極151、152と第2の電子軌道変更電極154、155は、必ずしも2対を設ける必要はない。要するに、電子引出電極40に向かう電子eを、電子引出電極40から電子受容体50に軌道変更させる手段として1乃至複数の電子軌道変更電極を配置すればよい。By applying a positive voltage to the
Second electron
The first electron
電子eを収集した電子受容体50は負電荷にチャージされるので、電力取出回路60により外部に取り出して、電気エネルギーとして利用できる。
Since the
図20、図21を参照して、第3の実施形態に係る電界放出発電装置の具体的な1例を説明する。
真空容器10の中に電気絶縁物質からなるフレーム160が設備され、該フレーム160に電子供給体20が取り付けられている。またこの電子供給体20に対向して電子引出電極40がフレーム160に取り付けられている。電子引出電源41により電子引出電極40に正電圧、電子供給体20に負電圧が加えられている。図示しないが、前記電子供給体20には準1次元物質からなる電子放出ポート30が構成されている。
電子引出電極40により電子供給体20から電子放出ポート30を介して電子eが電界放出される。A specific example of the field emission power generator according to the third embodiment will be described with reference to FIGS.
A
Electrons e are emitted from the
前記電子供給体20と電子引出電極40の間隙の側方に対向して、電子軌道変更電極157がフレーム160に取り付けられている。電子軌道変更電極157と電子供給体20とは電源158によって、電子軌道変更電極157が正電圧、電子供給体20が負電圧になるように電圧が加えられている。
電子供給体20から真空中に電界放出された電子eは、電子軌道変更電極157により軌道を変更され、矢印の方向に飛行して、一対のゲート部材171、172で構成された開口173から引き込み空間Sに入る。引き込み空間Sの奥には電子受容体50がフレーム160に取り付けられている。
前記ゲート部材171、172はフレーム160に取り付けられ、電源174、175によって負電圧が加えられている。また前記電子受容体50には電源174、175によって正電圧が加えられている。An electron
The electron e emitted from the
The
前記引き込み空間Sに入った電子eは、正電荷を有する電子受容体50に引かれて到達する一方、ゲート部材172、173に反発され、開口173からでることができなくなる。
電子受容体50に収集された電子eは電力取出回路60(第1、第2実施形態を参照)によって取り出され、電気的負荷61に流れることで電気エネルギーとして利用される。The electrons e that have entered the drawing space S are attracted to the
Electrons e collected in the
図22、23を参照して、本発明の第4の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する。
この第4の実施形態は、電子供給体20の電子放出ポート30から電子引出電極40により電界放出された電子eが、電子引出電極40に吸収されるのを防止する電子吸収防止手段として、電子受容体50を電子引出電極40の手前に配置することで、電子引出電極40に向かって飛翔する電子eを電子引出電極40の手前で受け取るようにした点に特徴がある。
即ち、上記の第1、第2の実施形態では、電界放出した電子eが電子引出電極40に吸収されるのを防止するため、電子引出電極40を準2次元物質で構成し、また第3の実施形態では電子軌道変更電極を用いた。しかし本第4の実施形態では、電子吸収防止手段として電子引出電極40の前に電子受容体50を配置している。
本第4の実施形態では、電子引出電極40は、飛翔電子eが貫通する必要がないので、準2次元物質で構成する必要はない。A field emission power generator according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the fourth embodiment, electrons e emitted from the
That is, in the first and second embodiments, the
In the fourth embodiment, the
図22において、電子供給体20に電子放出ポート30が電気導通状態に配置されている。電子放出ポート30に対して、電子受容体50を対向させて配置させており、その電子受容体50の背後に電子引出電極40が配置されている。前記電子供給体20、電子放出ポート30、電子引出電極40、電子受容体50は、図示しない真空容器(図1の真空容器10参照)内に設備され、雰囲気が真空乃至減圧状態の空間からなる電気絶縁場Fとされている。
前記電子引出電極40と電子供給体20との間は電子引出電源41によって、電子引出電極40に正電圧が加わるようになされている。また前記電子受容体50と電子供給体20との間に電力取出回路60が配設され、電気的負荷61が途中に設けられている。In FIG. 22, the
Between the
既に図1に示す装置の説明の際に説明したが、前記電子供給体20は、電子を供給する源となる物質で構成され、金属材料やその他の自由電子を豊富に保有する材料で構成される。また前記電子放出ポート30は、電子をそこから電界放出する機能を果たすもので、前記電子供給体20と電気的に導通状態に設けられる。電子放出ポート30は、電子の電界放出に対するエネルギー障壁の小さい材料で構成することが好ましい。またエネルギー障壁の小さい形状で構成することが好ましい。この電子放出ポート30は、カーボン・ナノチューブ等の準1次元物質を電子供給体20の表面に成長させるなどして、多数の準1次元物質が電子供給体20の表面に立設した状態に構成する。
前記電子引出電極40は、前記電子放出ポート30に対して電界を付加し、電子放出ポート30から電子eを電界放出させるための電極である。
前記電子受容体50は円錐形状とし、その円錐形状の先端側を電子放出ポート30側に、円錐形状の後端側の背面を前記電子引出電極40側にして配置している。この電子受容体50は金属材料等の自由電子の保有能力が大きい材料で構成することができる。As already described in the description of the apparatus shown in FIG. 1, the
The
The
正電圧が加えられた電子引出電極40によって、電子供給体20から電子放出ポート30を経て、電子eが電界放出される。この電界放出電子eは電子受容体50に衝突し、吸収される。電子eを吸収した電子受容体50には電子eが負電荷として蓄積される。蓄積された電子eは電力取出回路60を、電気的負荷61を介して電子供給体20にフィード・バックすることにより、電気エネルギーとして利用可能となる。
Electrons e are emitted from the
図23には、電子eが電界放出される場合の電圧と電流の関係が示されている。この図には2種類の電界放出特性が記載されている。電子がエミッション(電界放出)を開始する電圧を閾値電圧と呼ぶ。閾値電圧Vaより高い電圧が加えられると、電界放出による電流Iが流れ始める場合には、これを低い閾値電圧Vaと呼ぶ。閾値電圧Vbよりも高い電圧が加えられると、電界放出による電流Iが流れ始める場合には、これを高い閾値電圧Vbと呼ぶ。図22において、円錐形状の電子受容体50は電子引出電極40と電子放出ポート30との間に位置する。電界が電子引出電極40と電子供給体20とに加えられているので、電子引出電極40と電子受容体50との間に電界が存在する。更に電子受容体50と電子放出ポート30との間にも存在する。
本実施形態の場合、電子引出電極40と電子受容体50とが向き合う面は互いに殆ど平面であり、電界の集中現象が発生しないので、電子eの電界放出は起こりにくい。即ち、その領域における電子の電界放出特性は図23において高い閾値電圧Vbとなり、電子受容体50から電子引出電極40に電子eが移動することは殆どない。ところが、電子受容体50と電子放出ポート30は互いに細く尖って向き合い。両者の距離も短いので、電界の集中現象が発生し、この場合には低い閾値電圧Vaによって電子放出ポート30から電子eが電界放出される。従って、電界放出電子eは電子受容体50に蓄えられることになる。FIG. 23 shows the relationship between voltage and current when electrons e are field-emitted. In this figure, two types of field emission characteristics are described. A voltage at which electrons start emission (field emission) is called a threshold voltage. If a current I due to field emission starts to flow when a voltage higher than the threshold voltage Va is applied, this is referred to as a low threshold voltage Va. If a current I due to field emission starts flowing when a voltage higher than the threshold voltage Vb is applied, this is called a high threshold voltage Vb. In FIG. 22, the cone-shaped
In the case of the present embodiment, the surfaces where the
電子の電界放出を利用した本発明の装置は、従来の火力発電、水力発電、原子力発電、太陽光等の自然エネルギーを用いた発電に代わり、或いは新たに加わるべき発電手段として、投入エネルギーが少なく、クリーンで、安定した電気エネルギーを低コストで供給することが可能であり、産業上の利用可能性が非常に大きいものである。 The device of the present invention using electron field emission has little input energy as a power generation means to be newly added instead of, or as a new power generation means using natural energy such as conventional thermal power generation, hydroelectric power generation, nuclear power generation, and sunlight. It is possible to supply clean and stable electric energy at a low cost, and the industrial applicability is very large.
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