JP2008228478A

JP2008228478A - 熱電子発電装置

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Publication number: JP2008228478A
Application number: JP2007064802A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Makino; 至洋牧野
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】エミッタ（21,41)及びコレクタ（22,42）の間隔を狭くして熱電子発電装置（1）の発電効率を高めつつ、熱歪み等に起因するエミッタ（21,41)及びコレクタ（22,42）の接触を防止する。
【解決手段】第１熱源に接続される高温側部材（13）と第２熱源に接続される低温側部材（14）とは、第１方向に相対して配置される。エミッタ（21,41)とコレクタ（22,42）とは、エミッタ（21,41)が高温側部材（13）に接触しかつ、コレクタ（22,42）が低温側部材（14）に接触した状態で、第１方向とは異なる第２方向に熱電子が移動するように所定の間隙を隔てて配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、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が所定の間隙を隔てて配置された熱電子発電素子を備えかつ、エミッタを相対的に高温の第１熱源に接続した熱電子発電装置に関する。

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。熱電子発電装置は、エミッタを高温熱源に接続する一方、コレクタを低温熱源に接続することによって構成されており、エミッタとコレクタは、熱電子発電素子の発電効率を高めるために、例えば真空中で所定の間隙を隔てて配置され、熱的にほぼ絶縁されている。

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ー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、起電力を高める上では、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。

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熱源の温度を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・７Ａｌ_２Ｏ_３の結晶を母体とするエレクトライド（Ｃ１２Ａ７エレクトライド：例えば、非特許文献１参照）は、常温常圧で安定して存在し、仕事関数がおよそ０．６ｅＶを示す場合がある。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。尚、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。

しかし、低温度域での発電では、出力電圧が小さくならざるを得ない。そこで、熱電子発電装置の出力電圧を上げるために、複数の熱電子発電素子を電気的に直列に接続した構成を採用することが考えられる。
特開平７−３２２６５９号公報「機能材料」，シーエムシー出版，2005年3月5日発売号（2005年４月号），Vol.25 No.4，ｐ．５６〜６４

ところで、熱電子発電素子においては、その発電効率の観点から、エミッタとコレクタとは、例えば１０μｍ以下の、極めて狭い間隔に、均一に配置することが望ましい。しかしながらその場合、熱電子発電素子の作動環境下においては、例えば熱歪みや振動等の要因によって、エミッタとコレクタとが互い接触して短絡が発生する虞がある。

また、前述したように、複数の熱電子発電素子を電気的に直列に接続した熱電子発電装置では、相対向して配置した高温側の部材及び低温側の部材のそれぞれに対し、複数のエミッタ及び複数のコレクタを支持させることによって、各エミッタと各コレクタとを相対して配置させることになる。しかしながらこの構成では、エミッタとコレクタとの間隔を小さくするために、高温側の部材と低温側の部材とを近接して配置しなければならず、前述した、熱歪み等に起因するエミッタとコレクタとの接触が生じやすくなってしまう。

一方で、こうした熱電子発電素子の短絡を防止しようとすれば、エミッタとコレクタとの間隔を比較的大きくしなければならないが、そうすると、発電効率が低下してしまうことになる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エミッタ及びコレクタの間隔を狭くして熱電子発電装置の発電効率を高めつつ、熱歪み等に起因するエミッタ及びコレクタの接触を防止することにある。

第１の発明は、熱電子を放出するエミッタ(21,41）と該熱電子を捕集するコレクタ(22,42）とが所定の間隙を隔てて配置された熱電子発電素子（10）を備えかつ、前記エミッタ(21,41）を相対的に高温の第１熱源に接続した熱電子発電装置を前提としている。

そして、この熱電子発電装置は、前記第１熱源に接続される高温側部材（13）と、当該高温側部材（13）に対して第１方向に相対して配置されかつ、相対的に低温の第２熱源に接続される低温側部材（14）と、をさらに備え、前記エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）とが、前記エミッタ(21,41）が前記高温側部材（13）に接触しかつ、前記コレクタ(22,42）が前記低温側部材（14）に接触した状態で、前記第１方向とは異なる第２方向に前記熱電子が移動するように所定の間隙を隔てて配置されていることを特徴としている。

この第１の発明では、高温側部材（13）及び低温側部材（14）が第１方向に相対するのに対し、エミッタ(21,41）及びコレクタ(22,42）は、第１方向とは異なる第２方向に熱電子が移動するよう相対している。このため、熱歪み等によって、高温側部材（13）と低温側部材（14）との第１方向に対する間隔が変化したとしても、エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）との間隔はほとんど変化しない。従って、エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）との間隔を小さく設定しても、エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）とは接触しない。

また、高温側部材（13）及び低温側部材（14）の第１方向に対する間隔は、エミッタ(21,41）及びコレクタ(22,42）の間隔とは独立して設定することが可能になる。

第２の発明は、第１の発明において、熱電子発電装置が、前記高温側部材（13）と低温側部材（14）との間隔を調整する第１調整部材(31,61）と、前記エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）との間隔を調整する第２調整部材（32）と、をさらに備え、前記第１及び第２調整部材(31,32,61）によって、前記高温側部材（13）と低温側部材（14）との第１方向に対する間隔と、前記エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）との第２方向に対する間隔とが、互いに独立して調整可能に構成されていることを特徴としている。

第２の発明では、エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）との間隔調整が、高温側部材（13）と低温側部材（14）との間隔調整とは独立して行い得る。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記熱電子発電装置が、前記熱電子発電素子（10）を複数備え、前記複数の熱電子発電素子（10）が、電気的に直列に接続されていることを特徴としている。

第３の発明では、複数の熱電子発電素子（10）が、電気的に直列に接続されているため、熱電子発電装置の出力電圧が、熱電子発電素子（10）の個数分だけ高められる。

また、第３の発明では、複数のエミッタ(21,41）が高温側部材（13）に接触する一方、複数のコレクタ(22,42）が低温側部材（14）に接触するため、前述したように、熱歪み等に起因する、エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）との接触が生じやすい構造であるものの、その各エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）とは、第２方向に間隙を隔てて配置されているため、エミッタ(21,41）及びコレクタ(22,42）の接触が効果的に防止される。

第４の発明は、第３の発明において、熱電子発電装置が、前記熱電子発電素子（10）同士を電気的に接続する導電部（50）を備え、前記導電部（50）が、当該導電部（50）を介した熱伝導を抑制するヒートチョーク構造を有していることを特徴としている。

この第４の発明では、複数の熱電子発電素子（10）同士を電気的に直列に接続した熱電子発電装置の発電効率の低下が抑制される。つまり、熱電子発電素子（10）は、効率よく発電するために高温側のエミッタ(21,41）と低温側のコレクタ(22,42）を熱的にほぼ絶縁する必要がある。しかし、エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）とが導電部（50）により連結された構成では、その導電部（50）を介してエミッタ(21,41）からコレクタ(22,42）へ熱が伝達されて、発電効率が低下してしまう虞がある。

これに対し第４の発明では、導電部（50）がヒートチョーク構造を有していることによって、エミッタ(21,41）からコレクタ(22,42）への熱伝導が抑制される。よって、熱電子発電装置の発電効率の低下が抑制される。

上記第１の発明によれば、エミッタ(21,41）及びコレクタ(22,42）を、高温側部材（13）及び低温側部材（14）が相対向する方向とは異なる方向に相対させていることで、熱歪み等によって高温側部材（13）と低温側部材（14）との間隔が変化したとしても、エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）との間隔はほとんど変化しない。その結果、エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）との接触による短絡を防止することができるため、エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）と間隔を小さくして発電効率を向上させることができる。

上記第２の発明によれば、エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）との間隔を調整する部材（32）を、高温側部材（13）と低温側部材（14）との間隔を調整する部材（31,61）とは別にすることで、エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）との間隔調整を独立して行うことができ、エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）との間隔を最適にした発電効率の高い熱電子発電装置を、効率よく製造することができる。

上記第３の発明によれば、複数の熱電子発電素子（10）を電気的に直列に接続することで、出力電圧を高めることができ、低温度域で機能する熱電子発電装置において有利になる。

上記第４の発明によれば、熱電子発電素子（10）同士を互いに接続する導電部（50）がヒートチョーク構造を有していることで、複数の熱電子発電素子（10）を直列に接続した構成において、熱伝導に起因する発電効率の低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。この実施形態の熱電子発電装置は、自動車のエンジンの排気ガスを熱源として発電を行うように構成されている。

《発明の実施形態１》
図１は、実施形態に係る熱電子発電装置（1）の電気回路を示す説明図である。この熱電子発電装置（1）は熱電子発電素子（10）を備え、熱電子発電素子（10）は、熱電子を放出するエミッタ（11）と、該熱電子を捕集するコレクタ（12）とを備えている。エミッタ（11）とコレクタ（12）は、真空中もしくは電気的に中性で電気の通りやすいプラズマ中で所定の微細な間隙を隔てて配置され、熱的にほぼ絶縁されている。

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。

この実施形態では、１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３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。但し、エミッタ（11）及びコレクタ（12）の材料はこれに限るものではない。このＣ１２Ａ７エレクトライドをエミッタ（11）及びコレクタ（12）に使うには、エレクトライド化した１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３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・７Ａｌ_２Ｏ_３の微結晶を金属中に分散させて電極にする方法、また、導電体からなる電極表面にエレクトライド化した１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３の薄膜を形成する方法等が考えられる。

図１において、エミッタ（11）に熱が印加されると、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、発電が行われることとなる。

図２は、実施形態１に係る熱電子発電装置（1）の具体的構成を示す図である。この熱電子発電装置（1）は、相対的に高温の熱源に接続された高温側部材（第１熱源）（13）と、高温側部材（13）に対して第１方向（図２における紙面上下方向）に所定の間隙を隔てて配置されかつ、相対的に低温の熱源に接続された低温側部材（第２熱源）（14）と、それぞれ高温側部材（13）と低温側部材（14）との間に配置された、エミッタ部材（21）及びコレクタ部材（22）と、を備えている。

高温側部材（13）は、図示していないが、自動車の排気ガスが流れる排気ガス通路を備えている。高温側部材（13）は、排気ガスの熱をエミッタ部材（21）に伝達する。

低温側部材（14）は、図示していないが、冷却水が流れる冷却水通路を備え、この冷却水通路は、図示しないラジエータに接続されている。低温側部材（14）は、コレクタ部材（22）から放出される熱を冷却水に吸熱させる。

エミッタ部材（21）は、熱電子発電素子（10）におけるエミッタ（11）として機能する部材であり、高温側部材（13）に接触した状態で、この高温側部材（13）に沿って延びる接触部（21a）と、高温側部材（13）から低温側部材（14）に向かって突出する突出部（21b）と、を含む、正面視で略Ｌ字状に形成されている。エミッタ部材（21）において、コレクタ部材（22）に対し相対向する対向面（21c）は、第１方向に直交する第２方向（図２における紙面左右方向）を向くように設定されている。

コレクタ部材（22）は、熱電子発電素子（10）におけるコレクタ（12）として機能する部材であり、低温側部材（14）に接触した状態で、この低温側部材（14）に沿って延びる接触部（22a）と、低温側部材（14）から高温側部材（13）に向かって突出する突出部（22b）と、を含む、正面視で天地反転の略Ｌ字状に形成されている。コレクタ部材（22）の対向面（22c）は、エミッタ部材（21）と同様に、第２方向を向くように設定されている。このように、エミッタ部材（21）とコレクタ部材（22）とは、互いに同一の形状を有している。

この熱電子発電装置（1）において、エミッタ部材（21）における突出部（21b）の上端面と、コレクタ部材（22）における接触部（22a）との間には、絶縁材料からなる第１調整部材（31）が配置されており、この第１調整部材（31）によって、高温側部材（13）と低温側部材（14）との、第１方向に対する間隔が、所定の間隔となるように規定されている。尚、第１調整部材（31）の配設位置は、これに限るものではない。例えば、コレクタ部材（22）の突出部（22b）との上端面と、エミッタ部材（21）における接触部（21a）との間に、第１調整部材を配置してもよい。また、高温側部材（13）と低温側部材（14）との間に、第１調整部材を配置してもよい。

また、エミッタ部材（21）の対向面（21c）とコレクタ部材（22）の対向面（22c）との間には、絶縁材料からなる第２調整部材（32）が配置され、この第２調整部材（32）によって、エミッタ部材（21）とコレクタ部材（22）との間隔が、所定の間隔となるように規定されている。この第２調整部材（32）は、例えば直径がミクロンオーダーの、シリカ製やカーボン製のファイバ状部材とすることができる。

−熱電子発電装置の製造−
前記構成の熱電子発電装置（1）は、例えば以下の手順によって製造することが可能である。すなわち、先ず、高温側部材（13）と、低温側部材（14）と、エミッタ部材（21）と、コレクタ部材（22）と、をそれぞれ用意する。尚、エミッタ部材（21）とコレクタ部材（22）との電極構成が同じであるときには、同一の部材を２つ用意すればよい。

次に、エミッタ部材（21）の接触部（21a）が高温側部材（13）に接触し、突出部（21b）が高温側部材（13）から突出するように、エミッタ部材（21）を高温側部材（13）に対し取り付ける一方、コレクタ部材（22）の接触部（22a）が低温側部材（14）に接触し、突出部（22b）が低温側部材（14）から突出するように、コレクタ部材（22）を低温側部材（14）に対し取り付ける。

そうして、エミッタ部材（21）における突出部（21b）と、コレクタ部材（22）における接触部（22a）との間には、第１調整部材（31）を介在させる一方で、エミッタ部材（21）とコレクタ部材（22）との対向面（21c,22c）同士の間には、第２調整部材（32）を介在させて、高温側部材（13）と低温側部材（14）とを相対向させる。こうして、高温側部材（13）と低温側部材（14）との間隔は、第１調整部材（31）によって規定される一方で、エミッタ部材（21）の対向面（21c）とコレクタ部材（22）の対向面（22c）との間隔は、第２調整部材（32）によって規定されるようになる。

尚、例えばエミッタ部材（21）及びコレクタ部材（22）の少なくとも一方の対向面（21c,22c）に、第２調整部材（32）を予め担持しておくようにしてもよい。こうしておけば、第２調整部材（32）を、エミッタ部材（21）及びコレクタ部材（22）との間に一々、介在させる必要がなくなり、製造作業の容易化が図られる。

同様に、例えばエミッタ部材（21）の突出部（21b）に対して、第１調整部材（31）を予め固定しておくようにしてもよい。

そうして、熱電子発電素子（10）におけるエミッタ部材（21）が高温側部材（13）に接続されると共に、コレクタ部材（22）が低温側部材（14）に接続された熱電子発電装置（1）が完成する。

尚、前記の製造手順は一例であり、適宜、その各工程の順番を入れ替えたり、所定の工程を省略したり、別の工程を追加したりすることが可能である。

−発電動作−
自動車の運転時、排気ガスが高温側部材（13）の排気ガス通路内を流れ、排気ガスの熱がエミッタ部材（21）に与えられる。これによって、エミッタ部材（21）から熱電子が放出され、コレクタ部材（22）で熱電子が捕集される。そうして熱電子発電素子（10）において起電力が発生する。コレクタ部材（22）から放出される熱は、低温側部材（14）の冷却水通路内を流れる冷却水に吸熱され、ラジエータとの間を循環する。

−実施形態１の効果−
以上のように、この実施形態では、エミッタ部材（21）とコレクタ部材（22）とは、高温側部材（13）と低温側部材（14）とが相対向する第１方向に直交する第２方向に、所定の間隙を隔てて配置されているため、仮に熱歪み等によって高温側部材（13）と低温側部材（14）との間隔が第１方向に変化したとしても、エミッタ部材（21）とコレクタ部材（22）との間隔は変化しない。つまり、エミッタ部材（21）とコレクタ部材（22）とが接触して短絡してしまうことが防止できることから、エミッタ部材（21）とコレクタ部材（22）との間隔を極めて小さく設定することが可能になり、その結果、発電効率を向上させることができる。

また、エミッタ部材（21）とコレクタ部材（22）とを、第１方向とは異なる第２方向に、所定の間隙を隔てて配置する構成において、高温側部材（13）と低温側部材（14）との間隔を調整する第１調整部材（31）と、エミッタ部材（21）とコレクタ部材（22）との間隔を調整する第２調整部材（32）と、を個別に設けることによって、エミッタ部材（21）とコレクタ部材（22）との間隔調整が、高温側部材（13）と低温側部材（14）との間隔調整とは独立して行い得るようになり、熱電子発電装置（1）の製造が容易になる。

さらに、高温側部材（13）と低温側部材（14）との間隔は、エミッタ部材（21）とコレクタ部材（22）との間隔とは無関係に設定することが可能であるため、高温側部材（13）と低温側部材（14）との間隔を比較的大きく設定することも可能である。このことは、高温側部材（13）及び低温側部材（14）等の、配置自由度を高める上で有利である。

《発明の実施形態２》
次に、本発明の実施形態２について説明する。実施形態２に係る熱電子発電装置（1）は、エミッタ部材及びコレクタ部材の形状を実施形態１とは異ならせた例である。

具体的には、図３に示すように、エミッタ部材（41）は、本実施形態では、正面視で略直角三角形状を有しており、その斜辺に相当する面が対向面（41a）として設定されている。このため、エミッタ部材（41）の対向面（41a）は、高温側部材（13）と低温側部材（14）とが相対向する第１方向とは異なる方向を向いている。

また、コレクタ部材（42）は、エミッタ部材（41）と同様に、本実施形態では、正面視で略直角三角形状を有しており、その斜辺に相当する面が対向面（42a）として設定されている。このため、コレクタ部材（42）の対向面（42a）も、高温側部材（13）と低温側部材（14）とが相対向する第１方向とは異なる方向を向いている。

また、実施形態２において、第１調整部材（61）は、高温側部材（13）と低温側部材（14）との間に介在する柱状の部材とされている。

この実施形態２においては、エミッタ部材（41）とコレクタ部材（42）とは、高温側部材（13）と低温側部材（14）とが相対向する第１方向とは異なる方向（第２方向）に、所定の間隙を隔てて配置されているため、仮に熱歪み等によって高温側部材（13）と低温側部材（14）との間隔が第１方向に変化したとしても、エミッタ部材（41）とコレクタ部材（42）との間隔はほとんど変化しない。それによって短絡が防止できる。

また、実施形態１と同様に、第１調整部材（61）と、第２調整部材（32）とが個別に設けられているため、各エミッタ部材（41）と各コレクタ部材（42）との間隔調整が、高温側部材（13）と低温側部材（14）との間隔調整とは独立して行い得るようになり、熱電子発電装置（1）の製造が容易になる。

尚、図３に示すエミッタ部材（41）及びコレクタ部材（42）の形状は一例であり、エミッタ部及びコレクタ部の形状は、それらの対向面が第１方向とは異なる方向に向くのであれば、適宜設定することが可能である。

《発明の実施形態３》
次に本発明の実施形態３について説明する。実施形態３に係る熱電子発電装置（1）は、図４に示すように、複数の熱電子発電素子（10）を、電気的に直列に接続して構成されている。

この実施形態において、高温側部材（13）及び低温側部材（14）はそれぞれ、第１方向に直交する第２方向（図４における紙面左右方向）に延びる部材とされているのに対し、各エミッタ部材及びコレクタ部材は、実施形態１に係る熱電子発電装置（1）のエミッタ部材（21）及びコレクタ部材（22）と同じ構成である。

複数のエミッタ部材（21）は、高温側部材（13）に対して、第２方向に所定の間隔を空けて並んで配置されているのに対し、複数のコレクタ部材（22）は、低温側部材（14）に、第２方向に所定の間隔を空けて並んで配置されている。高温側部材（13）と低温側部材（14）との第１方向に対する間隔が、第１調整部材（31）によって所定の間隔となるように規定される一方、各エミッタ部材（21）の対向面（21c）と各コレクタ部材（22）の対向面（22c）との間隔が、第２調整部材（32）によって規定される点は、実施形態１と同じである。

そうして、実施形態３に係る熱電子発電装置（1）は、隣合う熱電子発電素子（10）同士を、電気的に互いに接続する導線部（50）を有している。この導線部（50）は、例えば銅線からなり、高温側部材（13）と低温側部材（14）との間に配置されて、その一端がエミッタ部材（21）における接触部（21a）に接続されていると共に、その他端がコレクタ部材（22）における接触部（22a）に接続されている。この導線部（50）はまた、比較的小径であり、これによって、各導線部（50）は、エミッタ部材（21）からコレクタ部材（22）へ、当該導線部（50）を介して熱が伝達することを抑制するヒートチョーク構造を有するようになっている。

この実施形態３では、複数の熱電子発電素子（10）を導線部（50）で直列に接続しているので、熱電子発電装置（1）の出力電圧を熱電子発電素子（10）の個数分だけ高めることができる。低温度域での発電では、熱電子発電素子（10）の１つについて出力電圧が小さくなるが、複数の熱電子発電素子（10）を直列に接続することによって出力電圧を上げることができ、有用である。

また、エミッタ部材（21）とコレクタ部材（22）とが導線部（50）を介して互いに接続されているため、通常では、この導線部（50）を介してエミッタ部材（21）からコレクタ部材（22）に熱が伝達されて発電効率が低下してしまうが、この実施形態３では、導線部（50）がヒートチョーク構造を有しているため、熱伝導が抑制される。その結果、熱電子発電装置（1）の発電効率が低下してしまうことを抑制することができる。

さらに比較的長尺の高温側部材（13）及び低温側部材（14）に対して、複数のエミッタ部材（21）及びコレクタ部材（22）を接続した構成の熱電子発電装置（1）では、熱歪み等に起因して、エミッタ部材（21）及びコレクタ部材（22）の接触が生じやすいものの、この実施形態３では、各エミッタ部材（21）及び各コレクタ部材（22）を、第１方向に直交する第２方向に相対向させているため、各エミッタ部材（21）及び各コレクタ部材（22）の接触が生じ難く、短絡の発生を防止することができる。

尚、ここでは、実施形態１に係るエミッタ部材（21）及びコレクタ部材（22）を複数個並べることによって、熱電子発電装置（1）を構成しているが、実施形態２に係るエミッタ部材（41）及びコレクタ部材（42）を複数個並べることによって、熱電子発電装置（1）を構成してもよいことは言うまでもよい。また、エミッタ部材及びコレクタ部材の形状は特に限定されるものでもない。

《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。

例えば、上記実施形態では、熱電子発電装置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、ガス給湯器又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装置に応用したり、燃料電池の排熱を利用した発電装置に応用することもできる。

また、本発明は低温度域での発電に特に有効であるが、それに限らず、高温度域の発電時に出力電圧を高めるのにも適用できる。

尚、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。

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該熱電子を捕集するコレクタとが所定の間隙を隔てて配置された熱電子発電素子を用いて構成された熱電子発電装置について有用である。

実施形態に係る熱電子発電装置の電気回路を示す説明図である。実施形態１に係る熱電子発電装置の概略構成図である。実施形態２に係る熱電子発電装置の概略構成図である。実施形態３に係る熱電子発電装置の概略構成図である。

符号の説明

１熱電子発電装置
１０熱電子発電素子
１３高温側部材
１４低温側部材
２１エミッタ部材（エミッタ）
２２コレクタ部材（コレクタ）
３１第１調整部材
３２第２調整部材
４１エミッタ部材（エミッタ）
４２コレクタ部材（コレクタ）
５０導線部（導電部）
６１第１調整部材

Claims

熱電子を放出するエミッタ(21,41）と該熱電子を捕集するコレクタ(22,42）とが所定の間隙を隔てて配置された熱電子発電素子（10）を備えかつ、前記エミッタ(21,41）を相対的に高温の第１熱源に接続した熱電子発電装置であって、
前記第１熱源に接続される高温側部材（13）と、当該高温側部材（13）に対して第１方向に相対して配置されかつ、相対的に低温の第２熱源に接続される低温側部材（14）と、をさらに備え、
前記エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）とは、前記エミッタ(21,41）が前記高温側部材（13）に接触しかつ、前記コレクタ(22,42）が前記低温側部材（14）に接触した状態で、前記第１方向とは異なる第２方向に前記熱電子が移動するように所定の間隙を隔てて配置されていることを特徴とする熱電子発電装置。
請求項１に記載の熱電子発電装置において、
前記高温側部材（13）と低温側部材（14）との間隔を調整する第１調整部材(31,61）と、
前記エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）との間隔を調整する第２調整部材（32）と、をさらに備え、
前記第１及び第２調整部材（31,32,61）によって、前記高温側部材（13）と低温側部材（14）との第１方向に対する間隔と、前記エミッタ(21,41）とコレクタ(22,42）との第２方向に対する間隔とが、互いに独立して調整可能に構成されていることを特徴とする熱電子発電装置。
請求項１又は２に記載の熱電子発電装置において、
前記熱電子発電素子（10）を複数備え、
前記複数の熱電子発電素子（10）は、電気的に直列に接続されていることを特徴とする熱電子発電装置。
請求項３に記載の熱電子発電装置において、
前記熱電子発電素子（10）同士を電気的に接続する導電部（50）を備え、
前記導電部（50）は、当該導電部（50）を介した熱伝導を抑制するヒートチョーク構造を有していることを特徴とする熱電子発電装置。