WO2017138290A1 - 熱電子発電素子 - Google Patents

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WO2017138290A1
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electrodes
substrate
substrates
spacer
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Inventor
裕治 木村
片岡　光浩
Original Assignee
株式会社デンソー
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N3/00—Generators in which thermal or kinetic energy is converted into electrical energy by ionisation of a fluid and removal of the charge therefrom
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect

Definitions

  • thermoelectric power generation element that converts thermal energy into electrical energy.
  • thermoelectric power generation element converts the thermal energy into electric energy by utilizing the phenomenon that the hot electrons are emitted from the surface of the high temperature electrode.
  • the thermoelectrons are emitted by raising the temperature of the emitter electrode, and the collector Reach the electrode.
  • thermoelectric power generation element In order to realize high-efficiency power generation for such a thermoelectric power generation element, it is considered to improve the thermoelectron emission efficiency by using the tunnel phenomenon by shortening the distance between the electrodes to the order of nanometers. Has been. Further, it has been found in principle that the effect of space charge is reduced and the power generation output is increased if the electrode interval is reduced.
  • Patent Document 1 proposes a method of holding a spacer made of an insulator between electrodes in order to maintain an electrode interval.
  • This disclosure aims to provide a thermionic power generation element capable of suppressing leakage current.
  • a thermionic power generation element includes a pair of electrodes arranged so as to face each other, and heat energy is converted into electrical energy using thermoelectrons moving between the pair of electrodes.
  • a thermoelectric power generation element for conversion two substrates arranged to face each other, two electrodes disposed between the two substrates in a state of being separated from each other, and stacked on the two substrates, respectively
  • One is made of an insulator.
  • the spacer is arranged in a state of being separated from the two electrodes, and the two electrodes and the spacer are electrically insulated by the substrate made of an insulator, the leakage through the spacer Current can be suppressed.
  • thermoelectric power generation element concerning 1st Embodiment. It is sectional drawing of the thermoelectron power generating element concerning 2nd Embodiment.
  • FIG. 3 is a view taken in the direction of arrow III in FIG. 2.
  • thermoelectric generator of this embodiment includes a pair of electrodes arranged so as to face each other, and converts thermal energy into electrical energy using thermoelectrons moving between the pair of electrodes. .
  • thermoelectric generator of this embodiment is disposed between two substrates 1 and 2 that are disposed so as to face each other, and two substrates 1 and 2 that are separated from each other.
  • Two electrodes 3 and 4 and a spacer 5 are respectively provided on two substrates 1 and 2.
  • the substrate 1 has a configuration in which a conductive substrate 12 is laminated on an insulating substrate 11.
  • the insulating substrate refers to a substrate made of a high resistance material such as an oxide, nitride, ceramic, or a high resistance semiconductor material.
  • the insulating substrate 11 is made of AlN having high thermal conductivity, and the conductive substrate 12 is made of molybdenum, SUS, or the like.
  • the substrate 2 is an insulating substrate made of, for example, AlN, Al 2 O 3 or the like.
  • the electrode 3 is laminated on the conductive substrate 12.
  • the electrode 3 is an emitter electrode that emits thermoelectrons when heat from a heat source is applied, and is made of a conductive material such as a metal or a low-resistance semiconductor material.
  • the semiconductor material is, for example, diamond, Si, GaN, SiC, BN, GaAs, InP, or the like.
  • the electrode 3 is made of tungsten.
  • the electrode 3 has a work function smaller than that of the conductive substrate 12. Therefore, by adjusting the temperature of the high-temperature gas flowing through the pipe 8 to be described later, many of the thermoelectrons are emitted from the electrode 3 out of the conductive substrate 12 and the electrode 3, and few thermoelectrons are emitted from the conductive substrate 12. In this state, the thermionic power generation element can be operated.
  • an electrode 4 is laminated on the substrate 2.
  • the electrode 4 is a collector electrode that captures thermoelectrons emitted from the electrode 3 and is made of a conductive material such as a metal or a low-resistance semiconductor material.
  • the electrode 4 is made of tungsten.
  • the electrode 4 is cooled by a refrigerant flowing through a pipe 9 described later.
  • the electrode 3 and the electrode 4 are plate-shaped.
  • the upper surface of the electrode 3 is smaller in size than the upper surface of the conductive substrate 12, and the electrode 3 is laminated on the inner peripheral portion of the upper surface of the conductive substrate 12.
  • the upper surface of the electrode 4 is smaller in size than the lower surface of the substrate 2, and the electrode 4 is laminated on the inner peripheral portion of the lower surface of the substrate 2.
  • a spacer 5 is connected to the outer periphery of the upper surface of the conductive substrate 12 and the lower surface of the substrate 2.
  • the spacer 5 is for keeping the distance between the electrode 3 and the electrode 4 constant, and is made of SUS here. As shown in FIG. 1, the spacer 5 is disposed between the two substrates 1 and 2 while being separated from the two electrodes 3 and 4, and is connected to the two substrates 1 and 2.
  • the electron-emitting device of this embodiment includes two spacers 5.
  • the two spacers 5 are arranged on both sides of the electrodes 3 and 4 in the in-plane direction of the substrates 1 and 2 and the electrodes 3 and 4.
  • the spacer 5 has a cylindrical shape, and is arranged so that the longitudinal direction thereof coincides with the thickness direction of the substrates 1 and 2 and the electrodes 3 and 4. And it is screwed from the outer side of the board
  • the dimension of the spacer 5 in the longitudinal direction is a dimension that combines the thickness of the electrodes 3 and 4 and the distance between the two electrodes.
  • the spacer 5 defines the distance between the two electrodes. Yes.
  • the substrate 1, the electrode 3, and the spacer 5 are electrically insulated from the electrode 4 by the substrate 2 which is an insulating substrate.
  • thermoelectric generator is arranged in the housing 6.
  • the housing 6 is configured by a rectangular parallelepiped frame having a hollow inside, and the thermoelectric power generation element is disposed in a cavity formed inside the housing 6.
  • the housing 6 is made of a metal such as copper or molybdenum. Since copper has a high thermal conductivity, heat exchange between the electrodes 3 and 4 of the thermionic power generation element and the outside of the casing 6 is efficiently performed by configuring the casing 6 with copper. Power generation efficiency can be improved. In addition, since molybdenum has a high melting point, it is possible to suppress destruction of the casing 6 due to heat from outside by configuring the casing 6 with molybdenum.
  • a part of the frame constituting the housing 6 is made of an insulator such as alumina.
  • a portion made of an insulator in the housing 6 is referred to as an insulating portion 61.
  • the substrate 1 is connected to the inner surface of the housing 6.
  • substrate 2 is connected to the surface facing the surface to which the board
  • FIG. The inside of the housing 6 is a vacuum chamber whose pressure is reduced compared to the atmospheric pressure, and Cs is enclosed.
  • a load 7 is arranged outside the housing 6.
  • a through-hole that penetrates the insulating portion 61 in the thickness direction is formed in the housing 6, and the load 7 is connected to the electrodes 3 and 4 via wiring that passes through the through-hole.
  • the pipe 8 is a pipe through which high-temperature gas flows by a pump (not shown), and is connected to a portion corresponding to the substrate 1 on the outer surface of the housing 6.
  • the pipe 9 is a pipe through which cooling water, which is a refrigerant, flows by a pump (not shown), and is connected to a portion corresponding to the substrate 2 on the outer surface of the housing 6.
  • thermoelectrons When the electrode 3 is heated by heat exchange with the high-temperature gas flowing through the pipe 8, thermoelectrons are emitted from the electrode 3 and reach the electrode 4. The thermoelectrons return to the electrode 3 through the load 7. Thereby, electric power can be supplied to the load 7. At this time, emission of thermoelectrons from the electrode 4 can be suppressed by cooling the electrode 4 by heat exchange with the cooling water flowing through the pipe 9.
  • thermoelectric power generation element can generate power with high efficiency by shortening the distance between the electrodes to the order of nanometers.
  • Patent Document 1 proposes a method of holding a spacer made of an insulator between electrodes in order to maintain an electrode interval.
  • a method using a spacer as a method for maintaining the electrode interval is advantageous in both control of the electrode interval and reliability, and a thermoelectric power generation element using such a spacer can be manufactured at low cost.
  • the spacer 5 is disposed in a state of being separated from the electrodes 3 and 4, and the electrode 4 and the spacer 5 are electrically insulated by the substrate 2 that is an insulating substrate.
  • the leakage current via 5 can be suppressed.
  • the thickness of the spacer becomes thinner and the insulation becomes lower as the electrode interval becomes shorter, so that current leakage between the electrodes increases.
  • the length of the spacer 5 is determined by the distance between the substrate 1 and the substrate 2, and if the distance between the substrate 1 and the substrate 2 is constant, the distance between the electrode 3 and the electrode 4 changes. However, the length of the spacer 5 does not change. Therefore, it is possible to shorten the distance between the electrode 3 and the electrode 4 while maintaining the length of the spacer 5 and maintaining the insulating property, and it is possible to further suppress current leakage.
  • the electrode 3 is electrically insulated from the electrode 4 by the substrate 2 which is an insulating substrate, the insulation between the electrode 3 and the electrode 4 can be easily achieved by increasing the thickness of the substrate 2. Can be increased.
  • the spacer 5 when the spacer 5 is in contact with the electrode 3 or the electrode 4, the spacer 5 needs to be made of an insulating material.
  • the spacer 5 is arranged in a state of being separated from the electrode 3 and the electrode 4, and the electrode 3 is electrically insulated from the electrode 4 by the substrate 2 which is an insulating substrate. Therefore, the spacer 5 can be made of a conductive material such as metal.
  • the electrode 3 and the electrode 4 are made of tungsten.
  • the electrode 3 and the electrode 4 may be made of a semiconductor material mainly composed of diamond.
  • the semiconductor material containing diamond as a main component refers to a material obtained by adding semiconductor impurities to diamond, for example.
  • a semiconductor material containing diamond as a main component is also one in which graphite or the like is present at the crystal grain boundary of diamond.
  • the electrode 3 and the electrode 4 may be composed of a silicon substrate and an N-type diamond layer laminated on the silicon substrate.
  • Diamond has a work function smaller than that of carbon nanotubes, other semiconductor materials, and metal materials, and has a characteristic of easily emitting electrons. Therefore, by forming the electrode 3 with a semiconductor material mainly composed of diamond, It can generate electricity at low temperatures. When the electrode 3 is configured as described above, power can be generated at a temperature of 1000 ° C. or lower, for example, about 200 ° C.
  • the substrate 2 of the present embodiment has an opening 21 that penetrates the substrate 2 in the thickness direction and exposes the surface of the electrode 4 on the substrate 2 side.
  • the thermoelectric generator of this embodiment includes fins 10 for heat transfer between the electrode 4 and the outside of the substrate 2, and the electrode 4 is cooled by air cooling.
  • the fin 10 is formed from the surface of the electrode 4 to the outside of the substrate 2 through the opening 21. Thereby, the heat transfer area between the electrode 4 and the outside of the substrate 2 becomes larger than that in the first embodiment.
  • thermoelectric generator of this embodiment includes a plurality of fins 10. As shown in FIGS. 2 and 3, an opening 62 is formed in the housing 6, and the plurality of fins 10 extend to the outside of the housing 6 through the opening 62.
  • the insulating part 61 is formed in the whole center part in thickness directions, such as the board
  • the part and the part connected to the substrate 2 are electrically insulated by the insulating part 61.
  • thermoelectric power generation element of this embodiment provided with the fins 10, the efficiency of heat exchange between the electrode 4 and the outside of the housing 6 can be improved, and the power generation efficiency can be improved.
  • the substrate 1 may include only one of the insulating substrate 11 and the conductive substrate 12.
  • the substrate 2 may be a conductive substrate. That is, it is only necessary that at least one of the two substrates to which the spacer 5 is connected is made of an insulator.
  • the electrode 4 is cooled by air cooling, but a pipe is installed so as to be in contact with the fin 10, and heat exchange through the fin 10 between the refrigerant flowing in the pipe and the electrode 4 is performed.
  • the electrode 4 may be cooled.
  • the openings 21 are formed in the substrate 2 and the fins 10 are connected to the electrodes 4.
  • the openings are formed in the substrate 1, so that heat is transferred between the electrodes 3 and the outside of the substrate 1. Fins may be arranged.
  • the thermionic power generation element may be provided with only one spacer 5. Further, the thermionic power generation element may include three or more spacers 5.

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Abstract

互いに対向するように配置された一対の電極を備え、一対の電極の間を移動する熱電子を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子であって、互いに対向するように配置された２つの基板（１、２）と、互いに離された状態で２つの基板の間に配置され、２つの基板にそれぞれ積層された２つの電極（３、４）と、２つの電極から離された状態で２つの基板の間に配置され、２つの基板と接続され、２つの電極の間の距離を規定するスペーサ（５）と、を備え、２つの基板のうち少なくともいずれか一方は、絶縁体で構成されている。

Description

熱電子発電素子 関連出願への相互参照
　本出願は、２０１６年２月１１日に出願された日本特許出願番号２０１６－２４２３９号に基づくもので、ここにその記載内容が参照により組み入れられる。
　本開示は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子に関するものである。
　熱電子発電素子は、高温の電極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変換するものであり、エミッタ電極を高温にすることで熱電子が放出され、コレクタ電極に到達する。
　このような熱電子発電素子について、高効率な発電を実現するために、電極間の距離をナノメートルオーダー程度に短くすることで、トンネル現象を利用して熱電子放出効率を向上させることが検討されている。また、電極間隔を狭くすれば空間電荷の影響が小さくなり、発電出力が大きくなることが原理的に分かっている。
　しかし、このような微小な間隔で電極を保持することは困難であり、機械加工による方法では加工精度上の限界の寸法である。
　これについて、例えば特許文献１では、電極間隔を維持するために絶縁体で構成されるスペーサを電極間に保持する方法が提案されている。
特表２００２－５４０６３６号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の装置では、電極に直接スペーサが接続されているため、スペーサの表面を電流がリークしやすい。
　本開示は、リーク電流を抑制できる熱電子発電素子を提供することを目的とする。
　本開示の１つの観点によれば、熱電子発電素子は、互いに対向するように配置された一対の電極を備え、一対の電極の間を移動する熱電子を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子であって、互いに対向するように配置された２つの基板と、互いに離された状態で２つの基板の間に配置され、２つの基板にそれぞれ積層された２つの電極と、２つの電極から離された状態で２つの基板の間に配置され、２つの基板と接続され、２つの電極の間の距離を規定するスペーサと、を備え、２つの基板のうち少なくともいずれか一方は、絶縁体で構成されている。
　これによれば、スペーサが２つの電極から離された状態で配置されており、２つの電極とスペーサは、絶縁体で構成された基板により電気的に絶縁されているため、スペーサを介したリーク電流を抑制することができる。
第１実施形態にかかる熱電子発電素子の断面図である。 第２実施形態にかかる熱電子発電素子の断面図である。 図２のIII矢視図である。
　以下、本開示の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
　（第１実施形態）
　第１実施形態について説明する。本実施形態の熱電子発電素子は、互いに対向するように配置された一対の電極を備え、この一対の電極の間を移動する熱電子を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
　図１に示すように、本実施形態の熱電子発電素子は、互いに対向するように配置された２つの基板１、２と、互いに離された状態で２つの基板１、２の間に配置され、２つの基板１、２にそれぞれ積層された２つの電極３、４と、スペーサ５とを備えている。
　基板１は、絶縁基板１１に導電性基板１２が積層された構成とされている。ここで、絶縁基板とは、酸化物、窒化物、セラミック、高抵抗の半導体材料等の高抵抗材料で構成された基板をいう。絶縁基板１１は熱伝導率の高いＡｌＮで構成され、導電性基板１２はモリブデン、ＳＵＳ等で構成されている。基板２は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等で構成された絶縁基板である。
　図１に示すように、導電性基板１２には電極３が積層されている。電極３は、熱源からの熱が加わることにより熱電子を放出するエミッタ電極であり、金属や低抵抗の半導体材料等の導電材料で構成されている。半導体材料とは、例えば、ダイヤモンド、Ｓｉ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＢＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等である。本実施形態では、電極３はタングステンで構成されている。
　なお、電極３は、導電性基板１２に比べて仕事関数が小さくされている。そのため、後述する配管８を流れる高温気体の温度を調整することにより、導電性基板１２と電極３のうち、電極３から熱電子が多く放出され、導電性基板１２からは熱電子がほとんど放出されない状態で、熱電子発電素子を動作させることができる。
　図１に示すように、基板２には電極４が積層されている。電極４は、電極３から放出された熱電子を捕獲するコレクタ電極であり、金属や低抵抗の半導体材料等の導電材料で構成されている。本実施形態では、電極４は、タングステンで構成されている。電極４は、後述する配管９を流れる冷媒によって冷却されている。
　本実施形態では、電極３および電極４は板状とされている。電極３の上面は、導電性基板１２の上面よりも寸法が小さくされており、電極３は、導電性基板１２の上面の内周部に積層されている。また、電極４の上面は、基板２の下面よりも寸法が小さくされており、電極４は、基板２の下面の内周部に積層されている。そして、導電性基板１２の上面、基板２の下面の外周部には、スペーサ５が接続されている。
　スペーサ５は、電極３と電極４との距離を一定に保つためのものであり、ここではＳＵＳで構成されている。図１に示すように、スペーサ５は、２つの電極３、４から離された状態で２つの基板１、２の間に配置され、２つの基板１、２と接続されている。
　図１に示すように、本実施形態の電子放出素子はスペーサ５を２つ備えている。そして、２つのスペーサ５は、基板１、２、電極３、４の面内方向において、電極３、４の両側に配置されている。
　具体的には、スペーサ５は円柱状とされており、長手方向が基板１、２、電極３、４の厚み方向と一致するように配置されている。そして、長手方向の一方の端部において基板１と接続され、他方の端部において基板２と接続されるように、基板１、２の外側からねじ止めされている。
　スペーサ５の長手方向の寸法は、電極３、４の厚みと、これら２つの電極の間の距離とを合わせた寸法となっており、スペーサ５によって、２つの電極の間の距離が規定されている。
　このような構成により、基板１、電極３、スペーサ５は、絶縁基板である基板２によって、電極４と電気的に絶縁されている。
　図１に示すように、熱電子発電素子は、筐体６の中に配置されている。具体的には、筐体６は、内部が空洞とされた直方体形状の枠体で構成されており、熱電子発電素子は、筐体６の内部に形成された空洞に配置されている。
　筐体６は、銅、モリブデン等の金属で構成されている。銅は熱伝導率が高いため、筐体６を銅で構成することで、熱電子発電素子の電極３、４と筐体６の外部との熱交換が効率よく行われ、熱電子発電素子の発電効率を向上させることができる。また、モリブデンは融点が高いため、筐体６をモリブデンで構成することで、外部からの熱による筐体６の破壊を抑制することができる。
　また、筐体６を構成する枠体の一部は、アルミナ等の絶縁体で構成されている。筐体６のうち、絶縁体で構成された部分を絶縁部６１とする。
　図１に示すように、基板１は筐体６の内側の面に接続されている。そして、基板２は、筐体６の内側の面のうち、基板１が接続された面に対向する面に接続されている。筐体６の内側は大気圧に比べて減圧された真空室とされており、Ｃｓが封入されている。
　筐体６の外側には負荷７が配置されている。筐体６には、絶縁部６１を厚み方向に貫通する貫通孔が形成されており、負荷７は、この貫通孔を通る配線を介して、電極３、４と接続されている。
　また、筐体６の外側には、配管８、配管９が設置されている。配管８は、図示しないポンプにより高温気体が流れる配管であり、筐体６の外側の面のうち、基板１に対応する部分に接続されている。配管９は、図示しないポンプにより冷媒である冷却水が流れる配管であり、筐体６の外側の面のうち、基板２に対応する部分に接続されている。
　配管８を流れる高温気体との熱交換により電極３が加熱されると、電極３から熱電子が放出され、電極４に到達する。そして、熱電子は負荷７を通って電極３に戻る。これにより、負荷７に電力を供給することができる。このとき、配管９を流れる冷却水との熱交換により電極４を冷却することで、電極４からの熱電子の放出を抑制することができる。
　このような熱電子発電素子では、電極間の距離をナノメートルオーダー程度に短くすることで、高効率に発電することができる。しかし、このような微小な間隔で電極を保持することは困難であり、機械加工による方法では加工精度上の限界の寸法である。
　これについて、例えば特許文献１では、電極間隔を維持するために絶縁体で構成されるスペーサを電極間に保持する方法が提案されている。電極間隔を維持する方法としてスペーサを用いる方法は、電極間隔の制御、信頼性共に有利であり、また、このようなスペーサを用いた熱電子発電素子は、安価に作製することができる。
　しかしながら、特許文献１に記載の装置では、電極に直接スペーサが接続されているため、スペーサの表面を電流がリークしやすい。
　これに対し本実施形態では、スペーサ５が電極３、４から離された状態で配置されており、電極４とスペーサ５は、絶縁基板である基板２により電気的に絶縁されているため、スペーサ５を介したリーク電流を抑制することができる。
　また、電極間にスペーサを配置する方法では、電極間隔が短くなるに従いスペーサの厚みも薄くなり、絶縁性が低くなるため、電極間の電流リークが増加する。
　これに対し本実施形態では、スペーサ５の長さは基板１と基板２との距離により定まり、基板１と基板２との距離が一定であれば、電極３と電極４との距離が変化してもスペーサ５の長さは変化しない。そのため、スペーサ５の長さを維持し、絶縁性を保ったまま電極３と電極４との距離を短くすることが可能であり、電流リークをさらに抑制することができる。
　また、本実施形態では、電極３が絶縁基板である基板２によって電極４と電気的に絶縁されているため、基板２の厚みを大きくすることにより、電極３と電極４との絶縁性を容易に高めることができる。
　また、スペーサ５が電極３または電極４に接している場合、スペーサ５を絶縁材料で構成する必要がある。これに対し本実施形態では、スペーサ５が電極３および電極４から離された状態で配置されており、電極３は、絶縁基板である基板２によって、電極４と電気的に絶縁されている。そのため、スペーサ５を金属等の導電材料で構成することができる。
　なお、本実施形態では電極３および電極４をタングステンで構成したが、電極３および電極４を、ダイヤモンドを主成分とする半導体材料で構成してもよい。ここで、ダイヤモンドを主成分とする半導体材料とは、例えばダイヤモンドに半導体不純物が添加されたものをいう。また、ダイヤモンドの結晶粒界にグラファイト等が存在するものも、ダイヤモンドを主成分とする半導体材料とする。例えば、電極３および電極４を、シリコン基板と、このシリコン基板に積層されたＮ型ダイヤモンドの層とで構成してもよい。
　ダイヤモンドは、カーボンナノチューブや他の半導体材料、金属材料に比べて仕事関数が小さく、電子を放出しやすい特性を持っているため、ダイヤモンドを主成分とする半導体材料で電極３を構成することにより、低い温度で発電することができる。電極３を上記の構成とした場合、１０００℃以下の温度、例えば２００℃程度で発電することができる。
　（第２実施形態）
　第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して電極４の冷却方法を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
　図２に示すように、本実施形態の基板２には、基板２を厚み方向に貫通し、電極４の基板２側の面を露出させる開口部２１が形成されている。そして、本実施形態の熱電子発電素子は、電極４と基板２の外側との伝熱のためのフィン１０を備えており、空冷によって電極４が冷却される。フィン１０は、電極４の表面から、開口部２１を通り、基板２の外側に至るように形成されている。これにより、電極４と基板２の外側との伝熱面積が第１実施形態に比べて大きくなる。
　図２に示すように、本実施形態の熱電子発電素子はフィン１０を複数備えている。図２、図３に示すように、筐体６には開口部６２が形成されており、複数のフィン１０は、開口部６２を通って筐体６の外側へ延設されている。
　また、本実施形態では、絶縁部６１は、筐体６を構成する枠体の、基板１等の厚み方向における中央部の全体に形成されており、この枠体のうち基板１に接続された部分と、基板２に接続された部分とが、絶縁部６１によって電気的に絶縁されている。このような構成により、外力によって筐体６が変形し、筐体６の開口端とフィン１０とが接触した場合にも、電極４がフィン１０および筐体６を通して基板１および電極３と電気的に接続されることを抑制することができる。
　フィン１０を備えた本実施形態の熱電子発電素子では、電極４と筐体６の外部との熱交換の効率を向上させ、発電効率を向上させることができる。
　（他の実施形態）
　なお、本開示は上記した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
　例えば、上記第１実施形態では基板１が絶縁基板１１および導電性基板１２を備えているが、基板１が絶縁基板１１および導電性基板１２のうちいずれか一方のみを備えていてもよい。基板１が絶縁基板１１で構成される場合、基板２が導電性基板とされていてもよい。すなわち、スペーサ５が接続される２つの基板のうち少なくともいずれか一方が絶縁体で構成されていればよい。
　また、上記第２実施形態では空冷によって電極４を冷却しているが、フィン１０と接するように配管を設置し、この配管の内部を流れる冷媒と電極４とのフィン１０を介した熱交換により電極４を冷却してもよい。
　また、上記第２実施形態では基板２に開口部２１を形成し、フィン１０を電極４に接続したが、基板１に開口部を形成し、電極３と基板１の外側との伝熱のためのフィンを配置してもよい。
　また、熱電子発電素子がスペーサ５を１つのみ備えていてもよい。また、熱電子発電素子がスペーサ５を３つ以上備えていてもよい。

Claims (5)

  1. 　互いに対向するように配置された一対の電極を備え、前記一対の電極の間を移動する熱電子を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子であって、
    　互いに対向するように配置された２つの基板（１、２）と、
    　互いに離された状態で前記２つの基板の間に配置され、前記２つの基板にそれぞれ積層された２つの電極（３、４）と、
    　前記２つの電極から離された状態で前記２つの基板の間に配置され、前記２つの基板と接続され、前記２つの電極の間の距離を規定するスペーサ（５）と、を備え、
    　前記２つの基板のうち少なくともいずれか一方は、絶縁体で構成されている熱電子発電素子。
  2. 　前記２つの基板のうち少なくともいずれか一方の基板に、該基板を厚み方向に貫通し、前記２つの電極のうち該基板に積層された電極の該基板の側の面を露出させる開口部（２１）が形成されており、
    　該電極の表面から前記開口部を通り該基板の外側に至るように形成された、該電極と該基板の外側との伝熱のためのフィン（１０）を備える請求項１に記載の熱電子発電素子。
  3. 　前記２つの電極のうち、熱源からの熱が加わることにより熱電子を放出する電極をエミッタ電極とし、
    　前記２つの電極のうち、前記エミッタ電極から放出された熱電子を捕獲する電極をコレクタ電極としたとき、
    　前記２つの基板のうち前記コレクタ電極が積層された基板は、冷媒によって冷却されている請求項１または２に記載の熱電子発電素子。
  4. 　前記２つの電極のうち、熱源からの熱が加わることにより熱電子を放出する電極は、半導体材料で構成されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱電子発電素子。
  5. 　前記半導体材料は、ダイヤモンドを主成分とする請求項４に記載の熱電子発電素子。
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