JP2002078364A - Optical and thermal electron power generation method and apparatus - Google Patents
Optical and thermal electron power generation method and apparatusInfo
- Publication number
- JP2002078364A JP2002078364A JP2000260140A JP2000260140A JP2002078364A JP 2002078364 A JP2002078364 A JP 2002078364A JP 2000260140 A JP2000260140 A JP 2000260140A JP 2000260140 A JP2000260140 A JP 2000260140A JP 2002078364 A JP2002078364 A JP 2002078364A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- emitter
- cesium
- thermionic
- irradiation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光利用熱電子発電
方法およびその装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric generation method utilizing light and an apparatus therefor.
【０００２】[0002]
【従来の技術】熱電子発電は、熱エネルギーから電気エ
ネルギーへの直接変換法の一つであり、金属面が加熱さ
れると電子が放出される熱電子放出現象を利用して、熱
エネルギーを電気エネルギーに変換する方式である。2. Description of the Related Art Thermionic power generation is one of the direct conversion methods from thermal energy to electric energy. Thermal energy is generated by utilizing a thermal electron emission phenomenon in which electrons are emitted when a metal surface is heated. This is a method of converting to electric energy.
【０００３】かかる熱電子発電器は以下のような利点を
有している。まず、小型化が可能であり、可動部がない
静止器であるために静粛性に優れ、保守が容易である。
また、機械的なエネルギーを介さずに電気エネルギーに
変換されるために発電効率が高い。[0003] Such a thermionic generator has the following advantages. First, since it is a stationary device that can be reduced in size and has no moving parts, it has excellent quietness and is easy to maintain.
In addition, since power is converted into electrical energy without passing through mechanical energy, power generation efficiency is high.
【０００４】これらのことから、太陽光等を利用した分
散型発電等への応用に適していると考えられる。[0004] From these facts, it is considered to be suitable for application to distributed power generation using sunlight or the like.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱電子
発電器は未だ実用化には至っていない。熱電子発電器は
一般に高温で動作するため、高温動作による陰極の寿
命、あるいはその安定性が問題となるからである。ま
た、陰極から放出される電子は電極間空間に空間電荷と
してとどまるが、両電極間に生ずる空間電荷効果が大き
いと十分な電流が取り出せない。空間電荷効果を低減す
るためには電極間の距離を極端に短くするか、発電器内
にセシウムを封入し、セシウムイオンを生成して空間電
荷を中和することが考えられる。However, thermionic generators have not yet been put to practical use. This is because the thermionic generator generally operates at a high temperature, and thus the life of the cathode due to the high-temperature operation or the stability thereof becomes a problem. Electrons emitted from the cathode remain as space charges in the space between the electrodes, but if the space charge effect generated between the two electrodes is large, a sufficient current cannot be taken out. In order to reduce the space charge effect, it is conceivable that the distance between the electrodes is extremely short or cesium is sealed in the generator to generate cesium ions to neutralize the space charge.
【０００６】これまでにも熱電子発電器に磁界を印加し
て出力電流特性の検討を行ったもの、Ｘｅランプを光源
として光照射することで、出力電流の増大現象が起こる
ことを明らかにした研究等がある。Although the output current characteristics have been examined by applying a magnetic field to the thermionic generator, it has been found that the output current increases by light irradiation using a Xe lamp as a light source. There is research.
【０００７】熱電子発電器内に封入されているセシウム
は５６０〜６６０ｎｍの波長域にセシウム分子の吸収帯
が存在しており、この付近の光を照射するのが有効であ
ると思われる。そこで、本発明は、単色性が良く、発振
波長が可変である色素レーザ光を用い、熱電子発電器に
光照射を行ったときの出力電流の波長依存性、及び光照
射による出力電流の増大効果を利用した低温動作熱電子
発電器の基礎的な実験を行った。Cesium enclosed in a thermionic generator has an absorption band of cesium molecules in a wavelength range of 560 to 660 nm, and it is considered effective to irradiate light near this. Therefore, the present invention uses a dye laser beam having a good monochromaticity and a variable oscillation wavelength, and the wavelength dependence of the output current when the thermoelectron generator is irradiated with light, and the increase of the output current due to the light irradiation. A basic experiment of a low-temperature operating thermoelectric generator utilizing the effect was performed.
【０００８】一方、従来からの太陽電池は太陽光波長の
うちのごく一部しか活用されておらず、結果として、発
電効率は１０％程度と低い。On the other hand, conventional solar cells use only a small part of the wavelength of sunlight, and as a result, the power generation efficiency is as low as about 10%.
【０００９】本発明は、上記状況に鑑みて、強力な光で
ある太陽光波長を十分に活用して、発電効率の向上を図
り得る光利用熱電子発電方法およびその装置を提供する
ことを目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a light-utilizing thermoelectron power generation method and an apparatus therefor that can sufficiently improve the power generation efficiency by making full use of the sunlight wavelength, which is strong light. And
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕光利用熱電子発電方法において、強力な光をレン
ズを使って集光し、前記強力な光の長波長域でエミッタ
電極を加熱するとともに、短波長域光を前記エミッタ電
極近傍のアルカリ金属原子に照射し、該アルカリ金属原
子を励起・電離させて放電を起こさせ、前記エミッタ電
極近傍の負の空間電荷を中和させ、エミッタ電流を増大
させることを特徴とする。According to the present invention, in order to achieve the above object, [1] In a light-utilizing thermoelectron power generation method, strong light is condensed using a lens, and the length of the strong light is reduced. While heating the emitter electrode in the wavelength region, the short-wavelength region light is irradiated on the alkali metal atoms near the emitter electrode to excite and ionize the alkali metal atoms to cause a discharge, and a negative space near the emitter electrode is generated. It is characterized by neutralizing the charge and increasing the emitter current.
【００１１】〔２〕上記〔１〕記載の光利用熱電子発電
方法において、前記強力な光として太陽光を用いること
を特徴とする。[2] The light-utilizing thermoelectron power generation method according to [1], wherein sunlight is used as the strong light.
【００１２】〔３〕上記〔１〕記載の光利用熱電子発電
方法において、前記短波長域光として色素レーザを用い
ることを特徴とする。[3] In the light-utilizing thermoelectron power generation method according to the above [1], a dye laser is used as the short-wavelength band light.
【００１３】〔４〕上記〔１〕記載の光利用熱電子発電
方法において、前記アルカリ金属原子としてセシウム原
子を用いることを特徴とする。[4] The light-utilizing thermoelectron power generation method according to [1], wherein a cesium atom is used as the alkali metal atom.
【００１４】〔５〕光利用熱電子発電装置において、電
気炉内に配置される低圧セシウム封入型熱電子発電管
と、レンズを使って強力な光を集光し、その強力な光の
長波長域でエミッタ電極を加熱する手段と、短波長域光
をそのエミッタ電極近傍のアルカリ金属原子に照射し、
このアルカリ金属原子を励起・電離させて放電を起こさ
せ、前記エミッタ電極近傍の負の空間電荷を中和させる
手段とを具備する。[5] In a light-utilizing thermoelectron power generation device, a low-pressure cesium-enclosed thermoelectron power generation tube arranged in an electric furnace and a lens are used to collect strong light, and the long wavelength of the strong light is used. Means for heating the emitter electrode in the region, and irradiating the alkali metal atoms near the emitter electrode with short-wavelength region light,
Means for exciting and ionizing the alkali metal atoms to cause a discharge to neutralize negative space charges near the emitter electrode.
【００１５】〔６〕上記〔５〕記載の光利用熱電子発電
装置において、前記レンズはフレネルレンズであること
を特徴とする。[6] The light-utilizing thermoelectron power generator according to the above [5], wherein the lens is a Fresnel lens.
【００１６】〔７〕上記〔５〕又は〔６〕記載の光利用
熱電子発電装置において、前記強力な光は太陽光である
ことを特徴とする。[7] The light-utilizing thermionic power generator according to the above [5] or [6], wherein the strong light is sunlight.
【００１７】〔８〕上記〔５〕又は〔６〕記載の光利用
熱電子発電装置において、前記短波長域光は色素レーザ
であることを特徴とする。[8] The light-utilizing thermoelectron power generator according to the above [5] or [6], wherein the short wavelength region light is a dye laser.
【００１８】[0018]
〔９〕上記〔８〕記載の光利用熱電子発電
装置において、前記色素レーザをポンピングするエキシ
マレーザを備えることを特徴とする。[9] The light-utilizing thermoelectron generator according to the above [8], further comprising an excimer laser for pumping the dye laser.
【００１９】〔１０〕上記〔５〕又は〔６〕記載の光利
用熱電子発電装置において、前記アルカリ金属原子はセ
シウム原子であることを特徴とする。[10] The light-utilizing thermoelectron generator according to the above [5] or [6], wherein the alkali metal atom is a cesium atom.
【００２０】〔１１〕光利用熱電子発電方法において、
強力な光をレンズを使って集光し、前記強力な光でエミ
ッタ電極を加熱するとともに、前記エミッタ電極近傍の
アルカリ金属原子に照射し、空間電荷中和度αを１０-2
以下となし、エミッタからの熱電子放出電流を１０-3Ａ
／ｃｍ2 となし、エミッタ仕事関数φE を２．２ｅＶと
することにより、光照射によって電極間空間に放電を誘
起し、高効率で大出力を得られる点火モード動作を行う
ことを特徴とする。[11] In the light-utilizing thermionic power generation method,
A strong light is condensed using a lens, and the emitter electrode is heated with the strong light, and is irradiated on an alkali metal atom near the emitter electrode to reduce the space charge neutralization degree α to 10 −2.
The emission current of thermions from the emitter is 10 -3 A
/ Cm 2 and an emitter work function φ E of 2.2 eV, thereby inducing a discharge in the space between the electrodes by light irradiation and performing an ignition mode operation capable of obtaining a large output with high efficiency. .
【００２１】〔１２〕上記〔１１〕記載の光利用熱電子
発電方法において、前記光照射は太陽光照射であること
を特徴とする。[12] The method for utilizing thermoelectric power utilizing light described in [11], wherein the light irradiation is irradiation with sunlight.
【００２２】〔１３〕上記〔１１〕記載の光利用熱電子
発電方法において、前記光照射は太陽光照射であり、フ
レネルレンズを使って集光し、電力と温水を得ることを
特徴とする。[13] In the photothermographic power generation method according to the above [11], the light irradiation is sunlight irradiation, and the light is condensed using a Fresnel lens to obtain electric power and hot water.
【００２３】〔１４〕上記〔１１〕記載の光利用熱電子
発電方法において、前記熱電子発電器のエミッタは光ト
ラップ機能を有することを特徴とする。[14] In the light utilizing thermionic power generation method according to the above [11], the emitter of the thermionic generator has a light trapping function.
【００２４】[0024]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【００２５】まず、本発明の実施例を示す光利用熱電子
発電装置について説明する。First, a thermoelectric generator utilizing light according to an embodiment of the present invention will be described.
【００２６】図１は本発明の実施例を示す光利用熱電子
発電装置の模式図である。FIG. 1 is a schematic view of a light-utilizing thermionic power generation device showing an embodiment of the present invention.
【００２７】この図において、１は電気炉、２はその電
気炉１に設けられるフレネルレンズからなる第１の光照
射用窓、３はその電気炉１に設けられる第２の光照射用
窓、４は低圧セシウム封入型熱電子発電管（熱電子発電
器）、５は熱電子発電器４内に配置されるコレクタ、６
はエミッタ、７はそのエミッタ６に配置されるヒータ、
８はセシウム溜め、９はヒータ７に接続されるヒータ加
熱用電源、１０はダイオード、１１はコレクタ５とエミ
ッタ６間に接続される直流可変電源、１２は外部抵抗、
２１は太陽光、３１はエキシマレーザ、３２は色素レー
ザである。In this figure, 1 is an electric furnace, 2 is a first light irradiation window made of a Fresnel lens provided in the electric furnace 1, 3 is a second light irradiation window provided in the electric furnace 1, Reference numeral 4 denotes a low-pressure cesium-encapsulated thermionic power generation tube (thermoelectron generator);
Is an emitter, 7 is a heater arranged on the emitter 6,
8 is a cesium reservoir, 9 is a heater heating power supply connected to the heater 7, 10 is a diode, 11 is a DC variable power supply connected between the collector 5 and the emitter 6, 12 is an external resistor,
21 is sunlight, 31 is an excimer laser, and 32 is a dye laser.
【００２８】そこで、熱電子発電器４はパイレックス
（登録商標）ガラス製であり、直径約５０ｍｍ、長さ約
１４０ｍｍで、二方向に光照射用の窓が設けられてい
る。高温に加熱されるエミッタ６から熱電子放出が起こ
り、放出される電子をコレクタ５で捕集し出力電流を得
る。エミッタ６は直径約１５ｍｍの円筒形のニッケル製
で渦巻状ヒータにより加熱される傍熱型の構造である。
コレクタ５は直径約４０ｍｍのステンレス製であり、エ
ミッタ６に光を照射できるように中心が約１５ｍｍのモ
リブデンメッシュ（メッシュ線径０．１ｍｍφ、２０ｍ
ｅｓｈ／ｉｎｃｈ）でできており、この部分の光の透過
率は約８５％である。またエミッタ６とコレクタ５の電
極間隔は、電極間にレーザ光を照射することを考え約１
５ｍｍとした。なお、熱電子発電器４内にはセシウム溜
め８があり、セシウムが封入されている。The thermoelectric generator 4 is made of Pyrex (registered trademark) glass, has a diameter of about 50 mm and a length of about 140 mm, and has windows for light irradiation in two directions. Thermions are emitted from the emitter 6 heated to a high temperature, and the emitted electrons are collected by the collector 5 to obtain an output current. The emitter 6 is made of nickel having a diameter of about 15 mm and has an indirectly heated structure heated by a spiral heater.
The collector 5 is made of stainless steel having a diameter of about 40 mm, and a molybdenum mesh having a center of about 15 mm (mesh wire diameter 0.1 mmφ, 20 m) so that the emitter 6 can be irradiated with light.
esh / inch), and the light transmittance of this portion is about 85%. The distance between the electrodes of the emitter 6 and the collector 5 is set to about 1 in consideration of irradiating a laser beam between the electrodes.
5 mm. Note that a cesium reservoir 8 is provided in the thermionic generator 4, and cesium is sealed therein.
【００２９】このような光利用熱電子発電装置は、熱電
子発電器４、光源である色素レーザ３２（Ｌａｍｂｄａ
Ｐｈｙｓｉｃ社製、ＬＰＤ３００２Ａ）、色素レーザ
３２をポンピングするためのエキシマレーザ３１（Ｌａ
ｍｂｄａ Ｐｈｙｓｉｃ社製、ＬＰＸ２０５ｉ）、及び
測定用の外部回路で構成される。色素レーザ３２のレー
ザ媒質はローダミン６４０をメタノール溶解したもの
で、発振波長６１５〜６６０ｎｍ、半値幅３３ｎｓであ
る。ポンピング用のエキシマレーザ３１のレーザ媒質は
ＸｅＣｌで、発振波長３０８ｎｍ、半値幅３０ｎｓ、最
大エネルギー約５００ｍＪである。熱電子発電器４は電
気炉１内に設置され、炉温度を調節することにより、熱
電子発電器４内のセシウム蒸気圧を制御する。炉温度
は、熱電子発電器４下部にあるセシウム溜め８の近くに
置いたクロメル−アルメル熱電対で測定した。エミッタ
６の温度測定は光高温計（Ｃｈｉｎｏ社製パイロスタＭ
ＯＤＥＬ ＩＲ−Ｕ）を用いた。エミッタ６は、ヒータ
加熱用電源９からのダイオード１０による６０Ｈｚ半波
整流電流を用いて加熱し、表面温度を変化させる。半波
整流電流を用いているのは、加熱電流で生じる電界が放
出される電子に影響を与え、出力電流が減少することや
ノイズの影響を避けるためである。したがって、ここで
の測定は全て、ヒータ加熱用の半波整流電流休止間に行
った。Such a thermoelectric generator utilizing light includes a thermionic generator 4, a dye laser 32 (Lambda) as a light source.
Physic, LPD3002A), an excimer laser 31 for pumping a dye laser 32 (La
It is composed of LBDA Physic LPX205i) and an external circuit for measurement. The laser medium of the dye laser 32 is obtained by dissolving rhodamine 640 in methanol, and has an oscillation wavelength of 615 to 660 nm and a half width of 33 ns. The laser medium of the pumping excimer laser 31 is XeCl, and has an oscillation wavelength of 308 nm, a half width of 30 ns, and a maximum energy of about 500 mJ. The thermionic generator 4 is installed in the electric furnace 1, and controls the cesium vapor pressure in the thermionic generator 4 by adjusting the furnace temperature. The furnace temperature was measured with a Chromel-Alumel thermocouple placed near the cesium reservoir 8 below the thermionic generator 4. The temperature of the emitter 6 is measured by an optical pyrometer (Pyrosta M manufactured by Chino).
ODEL IR-U). The emitter 6 is heated using a 60-Hz half-wave rectified current from a diode 10 from a heater heating power supply 9 to change the surface temperature. The reason why the half-wave rectified current is used is to prevent the electric field generated by the heating current from affecting the emitted electrons, reducing the output current and avoiding the influence of noise. Therefore, all the measurements here were performed during the half-wave rectification current pause for heater heating.
【００３０】光照射実験を行う前に、エミッタ６とコレ
クタ５の両電極間に三角波電圧を印加し、印加電圧が０
Ｖの時の熱電子発電器４の出力電流を短絡電流値として
求めた。三角波電圧はヒータ加熱用の６０Ｈｚ半波整流
電流の休止している半サイクル間に印加した。図２にエ
ミッタ温度に対する短絡電流特性を示す。これは、エミ
ッタ温度の増加によりセシウムの接触電離が盛んに起こ
り空間電荷が中和されるためと考えられる。今回実験し
た範囲内では、光照射を行う前の短絡電流はせいぜい
０．６Ａ／ｍ2 程度の小さなものであった。Before conducting the light irradiation experiment, a triangular wave voltage is applied between the two electrodes of the emitter 6 and the collector 5 so that the applied voltage becomes zero.
The output current of the thermionic generator 4 at V was obtained as a short-circuit current value. The triangular wave voltage was applied during the resting half cycle of the 60 Hz half-wave rectified current for heating the heater. FIG. 2 shows the short-circuit current characteristics with respect to the emitter temperature. This is considered to be due to the fact that contact ionization of cesium occurs actively due to an increase in the emitter temperature, and the space charge is neutralized. Within the range tested this time, the short-circuit current before light irradiation was as small as 0.6 A / m 2 at most.
【００３１】光照射実験の際には、ヒータ加熱用の６０
Ｈｚ半波整流電流が休止している半サイクル間に単発で
光を照射する。レーザ光は二枚のレンズを用いてビーム
径約１０ｍｍの平行ビームにした。実験用の光源はパル
ス発振を用いたので、その出力電流は時間とともに変化
する。従って三角波電圧源を用い短絡電流値を簡単に求
めることは困難であるため、熱電子発電器４の出力電流
の目安としてエミッタ６とコレクタ５の電極間に予め２
Ｖの直流バイアスをコレクタ５側が正電位となるように
印加し、外部抵抗１２の電圧降下から出力電流を測定し
た。At the time of the light irradiation experiment, 60
Light is radiated only once during the half cycle in which the Hz half-wave rectified current is paused. The laser beam was converted into a parallel beam having a beam diameter of about 10 mm using two lenses. Since the experimental light source used pulse oscillation, its output current changes with time. Therefore, it is difficult to easily obtain a short-circuit current value using a triangular-wave voltage source.
A DC bias of V was applied such that the collector 5 side became a positive potential, and the output current was measured from the voltage drop of the external resistor 12.
【００３２】また、この実験では、エミッタ６とコレク
タ５の電極間空間に光照射を行う時を空間照射、コレク
タ５を通過させ、エミッタ電極に光照射を行うときを電
極照射と呼ぶことにする。出力電流波形の一例を図３に
示す。In this experiment, light irradiation to the space between the electrodes of the emitter 6 and the collector 5 is called space irradiation, and light irradiation to the emitter electrode through the collector 5 is called electrode irradiation. . FIG. 3 shows an example of the output current waveform.
【００３３】図３中のカーソルＸは光照射前の出力電流
で、カーソルＯは光照射後のピーク出力電流である。こ
れらの波形の実験条件は共通で、セシウム蒸気圧は２．
８Ｐａ、エミッタ温度は８７０Ｋであり、図３（ａ）は
空間照射、図３（ｂ）は電極照射の例である。両者を比
較すると、図３（ａ）に示す空間照射の方が遅く立ち上
がり、図３（ｂ）に示す電極照射では鋭く立ち上がった
後、ゆっくり立ち上がっていることが分かる。図３
（ｂ）に示す電極照射ではエミッタに光照射されるため
光電子放出が起こり、立ち上がりの鋭いものとなると考
えられる。A cursor X in FIG. 3 is an output current before light irradiation, and a cursor O is a peak output current after light irradiation. The experimental conditions for these waveforms were common, and the cesium vapor pressure was 2.
8A, the emitter temperature is 870 K, FIG. 3A shows an example of space irradiation, and FIG. 3B shows an example of electrode irradiation. A comparison between the two shows that the space irradiation shown in FIG. 3A rises later, and the electrode irradiation shown in FIG. 3B rises sharply and then rises slowly. FIG.
In the electrode irradiation shown in (b), the emitter is irradiated with light, so that photoelectrons are emitted, and it is considered that the emission becomes sharp.
【００３４】（照射光の波長による出力電流特性）照射
光の波長に対する熱電子発電器の出力電流密度特性を図
４に示す。光照射はエミッタとコレクタの電極間空間に
照射する空間照射時のものである。光照射を行ったとき
の熱電子発電器の出力電流は照射光の波長により、著し
く変化している。そして波長６１８ｎｍ付近と６３０ｎ
ｍ付近を中心に、幅広い波長領域で比較的大きな出力電
流が得られている。波長６４０ｎｍ以降の領域ではあま
り大きな出力電流は得られていない。しかし時折、鋭い
ピークがいくつか現れている。特に出力電流の大きくな
る領域ではセシウムの遷移に共鳴した波長であり、光電
離が活発に起こる。このために電極間に存在する空間電
荷が効率よく中和され、出力電流の増大効果が顕著にな
ると考えられる。波長６１８ｎｍと６３０ｎｍ付近の幅
広い二つのピークはセシウムの分子遷移、そして以後、
数度現れる波長域の非常に狭い鋭いピークは、セシウム
の原子遷移によるものと思われる。(Output Current Characteristics According to Wavelength of Irradiation Light) FIG. 4 shows the output current density characteristics of the thermionic generator with respect to the wavelength of irradiation light. Light irradiation is at the time of space irradiation in which the space between the electrodes of the emitter and the collector is irradiated. The output current of the thermionic generator at the time of light irradiation changes significantly depending on the wavelength of irradiation light. And the wavelength around 618nm and 630n
A relatively large output current is obtained in a wide wavelength region around m. In the region after the wavelength of 640 nm, a very large output current is not obtained. However, occasionally, several sharp peaks appear. In particular, in a region where the output current is large, the wavelength is a wavelength that resonates with the transition of cesium, and photoionization actively occurs. Therefore, it is considered that the space charge existing between the electrodes is efficiently neutralized, and the effect of increasing the output current becomes remarkable. The two broad peaks around 618 nm and 630 nm are the cesium molecular transition, and
The very narrow sharp peak in the wavelength range that appears several times is probably due to the cesium atomic transition.
【００３５】電極照射のときも波長に対する出力電流特
性は、図４と同様の傾向を示した。そしてセシウム蒸気
圧、エミッタ温度を変化させたときも同様の結果が得ら
れた。When the electrode was irradiated, the output current characteristics with respect to the wavelength showed the same tendency as in FIG. Similar results were obtained when the cesium vapor pressure and the emitter temperature were changed.
【００３６】熱電子発電の実際の応用を考えると、例え
ば太陽光のように波長域の広い光源を用いるときは、分
子遷移のピークのように幅広く大きな出力電流が得られ
る波長域の光を照射して動作させるのが有効であろう。
以後の実験では、セシウムの分子遷移によるもののう
ち、大きな出力電流が得られた６２７ｎｍの波長を選択
した。Considering the actual application of thermionic power generation, when a light source having a wide wavelength range, such as sunlight, is used, light of a wavelength range in which a wide and large output current can be obtained, such as a peak of molecular transition, is applied. It would be effective to operate it.
In the subsequent experiments, a wavelength of 627 nm at which a large output current was obtained was selected from those due to the molecular transition of cesium.
【００３７】なお、エミッタとコレクタの間隔は、約１
５ｍｍで照射光のビーム径は約１０ｍｍであり、照射光
の位置を移動させると熱電子発電器の出力電流も変化
し、最適な照射位置が存在していることが実験より明ら
かとなった。The distance between the emitter and the collector is about 1
At 5 mm, the beam diameter of the irradiation light was about 10 mm. When the position of the irradiation light was moved, the output current of the thermionic generator also changed, and it became clear from experiments that the optimum irradiation position exists.
【００３８】従って、電極間空間において熱電子発電器
出力電流の最大となるような位置で実験を行った。その
位置は、エミッタからレーザビームの中心までが約５ｍ
ｍの所であった。 （照射光のビーム径に対する出力電流特性）電極間隔と
照射光のビーム径を比較すると照射光のビーム径の方が
小さいため、ビーム径を変化させたときの出力電流密度
の測定を行った。その結果を図５に示す。照射光のビー
ム断面積を大きくすると、出力電流も大きくなってい
く。つまりビーム径を小さくしてレーザエネルギー密度
を大きくすることにより、同じレーザエネルギーならば
両極間の広い範囲に光照射を行い空間電荷を中和させた
方が、効果的に出力電流が増大すると言える。また、レ
ーザエネルギーの高いときの方がビーム径に対する出力
電流の依存性は大きい。しかし、何れの場合でもビーム
径が狭いほど出力電流の増加の割合は大きく、ビーム径
が広くなるにつれ飽和傾向を示した。Therefore, an experiment was conducted at a position where the output current of the thermionic generator becomes maximum in the space between the electrodes. The position is about 5m from the emitter to the center of the laser beam.
m. (Output Current Characteristics for Irradiation Light Beam Diameter) When comparing the distance between the electrodes and the irradiation light beam diameter, the irradiation light beam diameter was smaller. Therefore, the output current density when the beam diameter was changed was measured. The result is shown in FIG. As the beam cross-sectional area of the irradiation light increases, the output current also increases. That from particular increasing the laser energy density by reducing the beam diameter, it was a wide range of between the electrodes to neutralize the space charge performs light irradiation if the same laser energy, the effective output current increases I can say. In addition, when the laser energy is high, the dependence of the output current on the beam diameter is greater. However, in each case, the smaller the beam diameter, the greater the rate of increase in the output current, and the larger the beam diameter, the more the saturation tendency was exhibited.
【００３９】（光照射による熱電子発電器の出力電流の
改善）空間照射時のエミッタ温度に対する出力電流密度
特性を図６に示す。(Improvement of Output Current of Thermionic Generator by Light Irradiation) FIG. 6 shows the output current density characteristics with respect to the emitter temperature during space irradiation.
【００４０】セシウム蒸気圧１．８Ｐａ以上の時、出力
電流はエミッタ温度の上昇とともに大きくなっていき、
ピークを迎えてから減少していく。エミッタ温度が高く
なると熱電子放出は盛んになり、熱電子発電器の出力電
流は増加していく。しかしエミッタ温度がある値以上に
なると、エミッタ表面のセシウムの吸着量が減り、陰極
の仕事関数はニッケルの値に近づき大きな値になる。し
たがって、電子が放出され難くなり、出力電流にピーク
が現れるようになる。なお、セシウム蒸気圧は高くなる
ほど、出力電流のピークはエミッタ温度の高い方へシフ
トしている。蒸気圧が高いときは、電極表面に吸着する
セシウムの層が厚くなっている。When the cesium vapor pressure is 1.8 Pa or more, the output current increases as the emitter temperature increases.
It decreases after reaching the peak. As the emitter temperature increases, thermionic emission increases, and the output current of the thermionic generator increases. However, when the emitter temperature exceeds a certain value, the amount of cesium adsorbed on the emitter surface decreases, and the work function of the cathode approaches the value of nickel and increases. Therefore, electrons are less likely to be emitted, and a peak appears in the output current. Note that, as the cesium vapor pressure increases, the peak of the output current shifts toward higher emitter temperatures. When the vapor pressure is high, the cesium layer adsorbed on the electrode surface is thick.
【００４１】したがって、吸着しているセシウムを蒸発
させるのに、より高いエミッタ温度を必要とするためと
考えられる。Therefore, it is considered that a higher emitter temperature is required to evaporate the adsorbed cesium.
【００４２】エミッタ温度９４０Ｋ、セシウム蒸気圧
９．９Ｐａの時、エミッタの仕事関数を文献〔Ｊ．Ｍ．
Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｈ．Ｆ．Ｗｅｂｓｔｅｒ：“Ｔｈｅｒ
ｍｏｎｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ”，
Ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ
ｌ．ＸＶＩＩ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ Ｉｎ
ｃ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９６２）〕による値１．６９
ｅＶと仮定したときのリチャードソン・ダッシュマンの
式による放出電子流は、１ｋＡ／ｍ2 となり、出力電流
は放出電流の５％程度と小さく、まだ、空間電荷が十分
中和されているとは言えない。When the emitter temperature is 940 K and the cesium vapor pressure is 9.9 Pa, the work function of the emitter is described in the literature [J. M.
Houston, H .; F. Webster: "Ther
monic Energy Conversion ",
Advance in Electronics Vo
l. XVII, Academic Press In
c. New York (1962)] 1.69
The emitted electron current according to the Richardson-Dashman equation when eV is assumed to be 1 kA / m 2 , the output current is as small as about 5% of the emitted current, and the space charge is still sufficiently neutralized. I can not say.
【００４３】電極照射時のエミッタ温度に対する出力電
流特性を図７に示す。FIG. 7 shows the output current characteristics with respect to the emitter temperature at the time of electrode irradiation.
【００４４】実験条件は空間照射のときと同じである。
セシウム蒸気圧２．８Ｐａ以下の時は、電極照射の出力
電流は空間照射の約半分ほどの値となっている。光照射
をエミッタに行うことで電極の加熱効果が起こり、吸着
しているセシウムが蒸発して減少する。このため電極の
仕事関数は大きくなり、電子が放出され難くなるので出
力電流は小さくなる。しかし、セシウム蒸気圧が９．９
Ｐａのように高いときでは、電極照射の出力電流は空間
照射のものと同程度の値が得られた。これは蒸気圧が高
くなると、電極表面に吸着するセシウム層も厚くなるた
めであると考えられる。このように今回実験した範囲内
では、電極方向に光を照射することより、電極間空間に
照射した方が大きな出力電流を得ることができた。The experimental conditions are the same as for the space irradiation.
When the cesium vapor pressure is 2.8 Pa or less, the output current of the electrode irradiation is about half the value of the space irradiation. By performing light irradiation on the emitter, a heating effect of the electrode occurs, and the adsorbed cesium evaporates and decreases. As a result, the work function of the electrode increases, and electrons are hardly emitted, so that the output current decreases. However, the cesium vapor pressure was 9.9.
When the current was high, such as Pa, the output current of the electrode irradiation was similar to that of the space irradiation. It is considered that this is because the higher the vapor pressure, the thicker the cesium layer adsorbed on the electrode surface. Thus, within the range tested in this experiment, a larger output current could be obtained by irradiating the space between the electrodes than by irradiating the light in the electrode direction.
【００４５】次に、光照射の効果を見るために、光照射
前と光照射後の出力電流の比を図８と図９に表す。いず
れの実験条件でも増加率に極大値が現れる。その値は数
百倍にも達しており、光照射によりエミッタ温度９００
Ｋ付近の出力電流が著しく改善されている。この時、光
照射前の出力電流密度は０．１Ａ／ｍ2 程度と小さく、
リチャードソン・ダッシュマンの式による放出電子流の
０．０３％にすぎない。電極の寿命を考慮すると増加率
の極大付近で動作させるのが有効であると考えられる。Next, in order to see the effect of light irradiation, FIGS. 8 and 9 show the ratio of the output current before and after light irradiation. A maximum value appears in the increase rate under any of the experimental conditions. The value reaches several hundred times, and the emitter temperature becomes 900
The output current near K is significantly improved. At this time, the output current density before light irradiation is as small as about 0.1 A / m 2 ,
It is only 0.03% of the emitted electron current according to Richardson Dashman's equation. Considering the life of the electrode, it is considered effective to operate it near the maximum of the increase rate.
【００４６】空間照射時のレーザエネルギーに対する出
力電流密度特性を図１０に示す。FIG. 10 shows the output current density characteristics with respect to the laser energy at the time of spatial irradiation.
【００４７】レーザエネルギーを大きくしていくと出力
電流も大きくなっていく。しかし、エミッタ温度の低い
ときでは、レーザエネルギーの値を大きくしても出力電
流はあまり変化せず、飽和傾向を示す。エミッタ温度が
低いときは放出される熱電子そのものの量が少なく、空
間電荷を十分中和するイオンが生成されれば、レーザエ
ネルギーが増加しても出力電流は増加しない。逆にエミ
ッタ温度が高温になると放出される電子の量が多く、レ
ーザエネルギーが高くなると生成されるセシウムイオン
の量も多くなり、出力電流は増加する。エミッタ温度が
高いとき、レーザエネルギーに対し出力電流密度はまだ
飽和していないので、空間電荷を中和するのに十分なエ
ネルギーの光照射により一桁以上大きな出力電流が得ら
れると期待できる。As the laser energy increases, the output current also increases. However, when the emitter temperature is low, the output current does not change much even if the value of the laser energy is increased, indicating a saturation tendency. When the emitter temperature is low, the amount of emitted thermoelectrons is small, and if ions that sufficiently neutralize space charge are generated, the output current does not increase even if the laser energy increases. Conversely, when the emitter temperature increases, the amount of emitted electrons increases, and when the laser energy increases, the amount of cesium ions generated increases, and the output current increases. When the emitter temperature is high, the output current density is not yet saturated with respect to the laser energy. Therefore, it can be expected that an output current greater than one order of magnitude can be obtained by irradiating light with energy sufficient to neutralize space charge.
【００４８】電極照射時のレーザエネルギー出力電流特
性を図１１に表す。この時の出力電流も、空間照射のと
きと同様の傾向を示しており、エミッタ温度が低いとき
は飽和傾向を示し、エミッタ温度が高いときは、レーザ
エネルギーにより出力電流が増加する。 （出力電流波形の評価）エミッタ温度に対する出力電流
波形のピーク時間の特性を図１２に表す。FIG. 11 shows a laser energy output current characteristic during electrode irradiation. The output current at this time also shows the same tendency as in the case of space irradiation. When the emitter temperature is low, the output current tends to be saturated, and when the emitter temperature is high, the output current increases due to laser energy. (Evaluation of Output Current Waveform) FIG. 12 shows the characteristic of the peak time of the output current waveform with respect to the emitter temperature.
【００４９】エミッタ温度が低温領域のときほど、出力
電流は遅く立ち上がっている。そしてエミッタ温度が高
温になるにつれ、出力電流は速く立ち上がるようになり
エミッタ温度８５０Ｋ以上の領域では、ピーク時間はほ
ぼ一定値に近づいている。The output current rises more slowly as the emitter temperature becomes lower. Then, as the emitter temperature becomes higher, the output current rises faster, and in the region where the emitter temperature is 850 K or more, the peak time approaches a substantially constant value.
【００５０】エミッタ温度が低温時では放出電子の初速
度は小さく、そしてエミッタ温度の上昇につれ初速度も
大きくなる。従ってエミッタ温度が高くなるとピーク時
間は速くなるものと思われる。また、空間照射と電極照
射のピーク時間を比較してみると、電極照射の方が出力
電流の立ち上がりが速くなっている。When the emitter temperature is low, the initial velocity of the emitted electrons is low, and the initial velocity increases as the emitter temperature increases. Therefore, it seems that the peak time becomes faster as the emitter temperature becomes higher. Also, comparing the peak times of the space irradiation and the electrode irradiation, the output current rises faster in the electrode irradiation.
【００５１】エミッタ温度に対する出力電流波形の半値
幅を図１３に示す。エミッタ温度の低い領域では、特に
半値幅も広くなっており、温度の上昇に伴って半値幅は
狭くなる。エミッタ温度が高くなると多くの電子放出が
起こる。そして、放出された電子とセシウムイオンとの
再結合が起こり、セシウムイオンの消滅は速くなる。FIG. 13 shows the half width of the output current waveform with respect to the emitter temperature. In a region where the emitter temperature is low, the half width is particularly wide, and the half width is narrowed as the temperature rises. As the emitter temperature increases, more electrons are emitted. Then, recombination of the emitted electrons and cesium ions occurs, and the cesium ions disappear quickly.
【００５２】従って、出力電流波形の半値幅も狭くなる
と考えられる。空間照射と電極照射の半値幅を比較する
と、電極照射の方が狭い。電極照射ではエミッタの加熱
効果による熱電子放出、または光電子放出現象のため
に、多くの電子が放出され、セシウムイオンの消滅する
時間がさらに速まるためであると思われる。Therefore, it is considered that the half width of the output current waveform is also reduced. Comparing the half widths of the space irradiation and the electrode irradiation, the electrode irradiation is narrower. This is probably because many electrons are emitted due to thermionic emission or photoelectron emission due to the heating effect of the emitter in the electrode irradiation, and the time for cesium ions to disappear is further increased.
【００５３】上記したように、熱電子発電器に光照射を
行うと、光電離によるセシウムイオンの生成により、出
力電流の増大効果が起こる。このためエミッタ温度は比
較的低温領域でも大きな出力電流が得られる。その時出
力電流は照射する光の波長に大きく依存する。特に、セ
シウムの分子遷移によるものと思われる広い波長域での
増大効果、そしてセシウムの原子遷移によるものと思わ
れる非常に狭い波長域での増大効果の起こることが明ら
かになった。As described above, when light is irradiated to the thermionic generator, the effect of increasing the output current occurs due to the generation of cesium ions by photoionization. Therefore, a large output current can be obtained even at a relatively low emitter temperature range. At that time, the output current largely depends on the wavelength of the light to be irradiated. In particular, it was found that an increasing effect in a wide wavelength range, which is considered to be due to the molecular transition of cesium, and an increasing effect in a very narrow wavelength range, which is thought to be due to the atomic transition of cesium.
【００５４】ここで得られた出力電流密度は、４５Ａ／
ｍ2 と十分大きな値とはいえない。しかし、レーザエネ
ルギーに対し出力電流には飽和していない。即ち、空間
電荷を十分中和するほどイオンが生成されていない。光
照射により高い出力電流のレベルまで空間電荷を中和す
ることが出来るならば、熱電子発電器の動作温度を低温
化させる一つの有力な方法となることが期待できる。The output current density obtained here is 45 A /
This is not a sufficiently large value of m 2 . However, the output current is not saturated with respect to the laser energy. That is, ions are not generated enough to sufficiently neutralize the space charge. If space charge can be neutralized to a high output current level by light irradiation, it can be expected to be one powerful method for lowering the operating temperature of the thermionic generator.
【００５５】太陽光等を利用した分散型発電を考えると
き、単に太陽光を熱エネルギーに変換するだけでなく、
積極的に光エネルギーの一部をセシウムイオン生成のた
めに利用するような装置とすることにより、熱電子発電
器の動作温度を低温化させ、その動作寿命を格段に延ば
すことが可能である。When considering distributed power generation using sunlight or the like, not only simply converting sunlight into heat energy,
By using a device in which a part of light energy is positively used for generating cesium ions, the operating temperature of the thermionic generator can be lowered and the operating life thereof can be significantly extended.
【００５６】なお、上記実施例では、強力な光として、
太陽光を挙げたが、強力な光源があれば、この熱電子発
電器の熱源に利用できる。具体的には、太陽光、溶鉱炉
等からの放射光、核融合装置内の放射光、原子炉の燃料
の発光等がこれに相当する。In the above embodiment, the intense light is
Although sunlight was mentioned, if a strong light source is available, it can be used as a heat source for this thermionic generator. Specifically, it corresponds to sunlight, radiated light from a blast furnace or the like, radiated light in a nuclear fusion device, light emission of nuclear reactor fuel, and the like.
【００５７】化石燃料の燃焼熱でエミッタを加熱し、発
電効率改善のための補助放電に光電離・励起を利用する
こともできる。すなわち、熱源に化石燃料の燃焼熱を、
補助放電に光電離を用いた高効率発電にも本発電器を応
用できる。この場合も、コジェネレーションが可能であ
る。It is also possible to heat the emitter with the heat of combustion of fossil fuel and use photoionization / excitation for auxiliary discharge for improving power generation efficiency. In other words, the heat of combustion of fossil fuel
The generator can also be applied to high-efficiency power generation using photoionization for auxiliary discharge. In this case, cogeneration is also possible.
【００５８】また、本発明は、太陽エネルギーを熱源と
する家庭用コジェネレーションシステムとして利用でき
る。これと同じ方式で、農業用コジェネレーションシス
テムにも応用できる。宇宙で利用すれば、太陽エネルギ
ーの密度が高く、紫外光成分も大きいので、発電量は著
増する。宇宙船の動力用電源にも利用できる。The present invention can be used as a household cogeneration system using solar energy as a heat source. In the same way, it can be applied to agricultural cogeneration systems. If used in space, the density of solar energy is high and the ultraviolet light component is large, so the power generation will increase significantly. It can also be used as a power supply for spacecraft.
【００５９】更に、製鉄用溶鉱炉などの大型炉の廃熱を
用いて発電することができる。Further, power can be generated using waste heat of a large furnace such as a blast furnace for iron making.
【００６０】核融合が実現した段階で、発生エネルギー
を電気に変換しなければならない。その場合にも、本発
明は有効である。At the stage when nuclear fusion is realized, the generated energy must be converted to electricity. The present invention is also effective in such a case.
【００６１】上記したように、太陽電池と太陽熱温水器
の２つの機能を併せ持つ装置であるため、太陽エネルギ
ーを熱源とするコジェネレーションシステムが構築され
る。これは同時に太陽エネルギーの高効率利用を意味す
る。As described above, since the device has both functions of a solar cell and a solar water heater, a cogeneration system using solar energy as a heat source is constructed. This also means highly efficient use of solar energy.
【００６２】太陽電池と比べて、製造コストは著しく低
く（数分の１以下）、家庭用の装置として普及し易い条
件を持っている。また、故障が少なく装置の維持が容易
である。As compared with solar cells, the manufacturing cost is extremely low (several fractions or less), and there is a condition that it is easy to spread as a household device. Further, the number of failures is small and the maintenance of the device is easy.
【００６３】光エネルギーは電極の支持を簡略化できる
ので、電極からの熱伝導損失を抑えることができ、高効
率発電を可能とする。Since light energy can simplify the support of the electrodes, heat conduction loss from the electrodes can be suppressed, and high-efficiency power generation can be achieved.
【００６４】温水を取り出す代わりに、熱電素子を使え
ば、発電力はさらに高められる。If a thermoelectric element is used instead of taking out hot water, power generation can be further increased.
【００６５】次に、本発明の他の実施例の光利用熱電子
発電方法について説明する。Next, a thermoelectric generation method utilizing light according to another embodiment of the present invention will be described.
【００６６】セシウム雰囲気中の高温タングステン表面
から放出される熱電子放出電流密度は、セシウム蒸気温
度Ｔｃs が５００Ｋ付近の場合には、１４００Ｋ以下の
エミッタ温度ＴE で極大値を持つ。セシウム原子は極め
て低い励起電圧と電離電圧を持つため、太陽光によりセ
シウムを励起および電離させることができる。これらの
現象を利用して、太陽光のみまたは他の熱源との併用に
より、低いエミッタ温度ＴE で動作する新しいタイプの
熱電子発電器（ＴＥＣ）を開発できる。[0066] thermionic emission current density emitted from the hot tungsten surface in cesium atmosphere, when cesium vapor temperature Tc s is around 500K has a maximum value in the following emitter temperature T E 1400 K. Since cesium atoms have extremely low excitation and ionization voltages, cesium can be excited and ionized by sunlight. Using these phenomena, the combination with sunlight alone, or other heat sources, can develop lower emitter temperature T new types of thermionic generator operating at E a (TEC).
【００６７】本発明では、低いエミッタ温度ＴE で動作
する熱電子発電器の出力特性改善の観点から、太陽光と
類似した広い放射スペクトルを持つキセノンランプ光の
照射効果を調べた。[0067] In the present invention, from the viewpoint of thermionic generator output characteristic improvement of operating at a lower emitter temperature T E, was examined irradiation effect of xenon lamp light having a broad emission spectrum similar to sunlight.
【００６８】この結果、以下の三つの条件を満たす場合
に、熱電子発電器出力特性は光照射により大幅に改善さ
れることが明らかになった。As a result, it was found that when the following three conditions were satisfied, the output characteristics of the thermionic generator were significantly improved by light irradiation.
【００６９】すなわち、 （１）空間電荷中和度α＜１０-2とする。That is, (1) The degree of neutralization of space charge α <10 −2 .
【００７０】（２）熱電子放出電流密度Ｊe ＞１０-3Ａ
／ｃｍ3 とする。(2) Thermionic emission current density J e > 10 −3 A
/ Cm 3 .
【００７１】（３）エミッタ仕事関数φE ＞２．２ｅＶ
とする。(3) Emitter work function φ E > 2.2 eV
And
【００７２】これらの条件は、熱電子発電器の電極間空
間に大きな負の空間電位が形成されることを意味する。
光照射によって電極間の電位の谷に生成された電子はコ
レクタ前面の電子シースで加速され、セシウム原子を電
離する。これにより、光照射により点火モードへの遷移
を加速したり、熱電子発電器の出力電流を増加させるこ
とができる。These conditions mean that a large negative space potential is formed in the interelectrode space of the thermionic generator.
Electrons generated in the valley of the potential between the electrodes by light irradiation are accelerated by the electron sheath on the front surface of the collector, and ionize cesium atoms. Thereby, the transition to the ignition mode can be accelerated by light irradiation, and the output current of the thermionic generator can be increased.
【００７３】以下、この実施例を詳細に説明する。Hereinafter, this embodiment will be described in detail.
【００７４】熱電子発電器は可動部を持たなくても、熱
を電気に直接変換することができる。また、熱電子発電
器は高い仕事関数を持つ高温のエミッタと低い仕事関数
を持つ低温のコレクタから構成され、出力特性を改善す
るためにセシウムガスが封入されている。多くの場合、
熱電子発電器は小型のシステムであり、メンテナンス上
の問題がない。A thermionic generator can directly convert heat to electricity without having any moving parts. The thermionic generator is composed of a high-temperature emitter having a high work function and a low-temperature collector having a low work function, and is filled with cesium gas to improve output characteristics. In many cases,
Thermionic generators are small systems and have no maintenance problems.
【００７５】熱から電気へのエネルギー変換は、高温エ
ミッタからの熱電子放出によって行われる。熱エネルギ
ーにより励起された金属（エミッタ）内の電子は、金属
表面から飛び出し、冷却された電極（コレクタ）により
捕集される。外部抵抗がエミッタとコレクター間につな
がれていれば、抵抗を介して電流が流れる。実用上は、
熱電子発電器の出力電流密度は、１０〜５０Ａ／ｃｍ2
でなければならない。これが満たされる時、熱電子発電
器は、騒音や機械的な振動の無い、小型で高効率な発電
器として利用される途が開ける。高い出力電流密度を取
り出すためには、エミッタ前面の電子集積を抑制する必
要があるので、エミッタとコレクタの間隔は０．１ｍｍ
以下とされている。また、熱電子発電器を高出力の得ら
れる点火モードで動作するために、エミッタ温度ＴE は
２０００Ｋ、セシウム温度は５００〜６００Ｋに維持さ
れる。Energy conversion from heat to electricity is performed by thermionic emission from the hot emitter. Electrons in the metal (emitter) excited by the thermal energy jump out of the metal surface and are collected by the cooled electrode (collector). If an external resistor is connected between the emitter and the collector, current flows through the resistor. In practice,
The output current density of the thermionic generator is 10 to 50 A / cm 2
Must. When this is met, thermionic generators will be available for use as small, efficient generators without noise or mechanical vibration. In order to obtain a high output current density, it is necessary to suppress electron integration on the front surface of the emitter.
It is as follows. Further, in order to operate thermionic generator with ignition mode capable of obtaining a high output, the emitter temperature T E is 2000 K, cesium temperature is maintained at 500～600K.
【００７６】熱電子発電器の最も将来性のある用途は、
地上用と宇宙用に分けられる。前者としては、火力発電
の前段階に組み込んだトッピング、工場のコジェネレー
ションシステム、太陽エネルギー発電あるいは化石燃料
の燃焼熱を利用する家庭用コジェネレーションシステム
などを挙げることができる。The most promising applications of thermionic generators are:
It is divided into ground and space applications. Examples of the former include a topping incorporated in a stage prior to thermal power generation, a cogeneration system in a factory, a home cogeneration system using solar energy power generation or combustion heat of fossil fuels, and the like.
【００７７】後者は原子力エネルギーを熱源として、宇
宙船や探査衛星の電源に用いられる〔文献：Ｍ．Ｋａｎ
ｄｏ：Ｊ．Ｐｌａｓｍａ ＆ Ｆｕｓｉｏｎ Ｒｅｓ．
７０（１９９４）１０４５〔ｉｎ Ｊａｐａｎｅｓ
ｅ〕。旧ソ連は「ＴＯＰＡＺ」と命名された熱電子発電
原子炉を完成させたが、この出力は６ｋＷである。１９
８７年及び１９８８年には、ＴＯＰＡＺを人工衛星コス
モスに搭載し、宇宙での試運転に成功している〔文献：
Ｎ．Ｓ．Ｒａｚｏｒ：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｐｌａｓ
ｍａ Ｓｃｉ．１９（１９９１）１１９１〕。一方、オ
ランダのＷｏｌｆｆ等〔文献：Ｌ．Ｒ．Ｗｏｌｆｆ，
Ｗ．Ｂ．Ｖｅｌｔｋａｍｐ ａｎｄ Ｖ．Ｉ．Ｙａｒｉ
ｇｉｎ．Ｐｒｏｃ．２ｎｄ Ｉｎｔｅｒｓｏｃ．Ｃｏｎ
ｆ．Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉ
ｎｇ ｉｎ Ｓｐａｃｅ，Ｐｈｙｓ．ｏｆ Ｔｈｅｒｍ
ｉｏｎｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＰＴ
Ｉ Ｓｕｋｈｕｍｉ，Ｇｅｏｒｇｉａ，Ｕ．Ｓ．Ａ．，
１９９１，ｐ７２〕は、ＴＥＣＴＥＭと呼ばれる燃焼熱
で加熱される熱電子発電器を開発した。家庭での利用を
想定して、ＴＥＣＴＥＭは０．５ｋＷの電気出力と、１
０ｋＷに相当する温水を供給できる。この場合、エネル
ギーの総合変換効率は８０％に達する。ＴＥＣＴＥＭ開
発の主要な問題点は、エミッタの高温加熱システムの確
立であった。発電効率は７％と予測されるが、これには
ＤＣからＡＣへの変換に伴う損失も考慮されている。The latter uses nuclear energy as a heat source and is used as a power source for spacecrafts and exploration satellites. Kan
do: J. Plasma & Fusion Res.
70 (1994) 1045 [in Japans
e]. The former Soviet Union has completed a thermionic power reactor named TOPAZ, which has a power output of 6 kW. 19
In 1987 and 1988, the TOPAZ was mounted on the artificial satellite Cosmos and successfully commissioned in space [Reference:
N. S. Razor: IEEE Trans. Plas
ma Sci. 19 (1991) 1191]. On the other hand, Wolff et al. R. Wolff,
W. B. Veltkamp and V.K. I. Yari
gin. Proc. 2nd Intersoc. Con
f. Nuclear Power Engineeri
ng in Space, Phys. of Therm
ionic Energy Converter, PT
I Sukhumi, Georgia, U.S.A. S. A. ,
1991, p72] developed a thermionic generator called TECTEM which is heated by combustion heat. Assuming home use, TECTEM has an electrical output of 0.5 kW and 1
Hot water equivalent to 0 kW can be supplied. In this case, the total energy conversion efficiency reaches 80%. A major issue in TECTEM development was the establishment of a high temperature heating system for the emitter. The power generation efficiency is expected to be 7%, taking into account the losses associated with the conversion from DC to AC.
【００７８】多くの場合、熱電子発電器は非点火モード
と比較して大きな出力が得られる点火モードで動作され
る〔文献：Ｒ．Ｈ．Ｂｕｌｌｉｓ，Ｌ．Ｋ．Ｈａｎｓｅ
ｎ，Ｃ．Ｗａｒｎｅｒ，Ｊ．Ｍ．Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｍ．
Ｆ．Ｋｏｓｋｉｎｅｎ ａｎｄ Ｎ．Ｓ．Ｒａｚｏｒ．
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３８（１９６７）３４２
５〕。これは電極間で生成されたセシウムイオンがエミ
ッタ近傍の負の空間電荷を総和するからである。しかし
ながら、通常、点火モード動作は非点火モードより高い
エミッタ温度と高いセシウム圧力が必要になる。それゆ
え、点火モード動作に利用できる熱源が制限されるの
で、特別に工夫されたエミッタ加熱システムが必要にな
る。In many cases, the thermionic generator is operated in an ignition mode in which a large output is obtained as compared with the non-ignition mode [R. H. Bullis, L .; K. Hanse
n, C.I. Warner, J .; M. Houston, M .;
F. Koskinen and N.M. S. Razor.
J. Appl. Phys. 38 (1967) 342
5]. This is because the cesium ions generated between the electrodes sum up the negative space charges near the emitter. However, ignition mode operation typically requires higher emitter temperatures and higher cesium pressures than non-ignition mode. Therefore, a specially engineered emitter heating system is required because the heat sources available for ignition mode operation are limited.
【００７９】本発明の実施例では、低いエミッタ温度Ｔ
E で動作する熱電子発電器を実現することであり、これ
によって、従来の点火モード動作の熱電子発電器に比べ
てメンテナンスや熱電子発電器製造が簡便化される上
に、種々の熱源や電極材料が利用できるなど、多くの優
れた利点が得られる。良く知られているように、セシウ
ムの付着した耐熱性金属、例えばタングステン、モリブ
テン、タンタルなどでは、それらの温度とセシウム温度
によってその仕事関数が変化する〔文献：Ｎ．Ｓ．Ｒａ
ｚｏｒ ａｎｄ Ｃ．Ｗａｒｎｅｒ；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．３５（１９６４）２５８９〕。In the embodiment of the present invention, the low emitter temperature T
This is to realize a thermionic generator that operates at E , which simplifies maintenance and production of thermionic generators compared to a conventional thermionic generator that operates in ignition mode, and also enables various heat sources and Many excellent advantages are obtained, such as the availability of electrode materials. As is well known, the work function of a refractory metal to which cesium adheres, such as tungsten, molybdenum, and tantalum, varies depending on the temperature and the cesium temperature [Literature: N. S. Ra
zor and C.I. Warner; Appl. P
hys. 35 (1964) 2589].
【００８０】例えば、タングステンの実質的な仕事関数
は、その温度が１４００Ｋ以下の時、タングステン表面
にセシウムの薄膜が形成される結果、仕事関数は４．５
ｅＶから１．７ｅＶに低下する。それ故、セシウム蒸気
圧が高い場合には１４００Ｋ程度の低いタングステン温
度でも、多量の熱電子放出が生じる。しかしながら、多
量の電子が電極間空間に蓄積されるので、熱電子発電器
の出力電流は低いレベルに留まる。この問題は、補助放
電により高密度のプラズマを維持できれば、解決するこ
とができる。For example, the substantial work function of tungsten is such that when its temperature is 1400 K or less, a thin film of cesium is formed on the surface of tungsten, so that the work function is 4.5.
It drops from eV to 1.7 eV. Therefore, when the cesium vapor pressure is high, a large amount of thermionic emission occurs even at a low tungsten temperature of about 1400K. However, the output current of the thermionic generator remains at a low level because a large amount of electrons are accumulated in the space between the electrodes. This problem can be solved if high-density plasma can be maintained by the auxiliary discharge.
【００８１】熱電子発電器内のセシウム原子は電離電圧
が３．８９ｅｖ、励起準位は１．４ｅＶと低いため、太
陽光によってセシウムが励起および電離されて、原子状
または分子状のイオンを作ることができる。本実施例で
は太陽光と類似したスペクトルを有するキセノンショー
トアークランプを用いて入射光窓を通してプラズマおよ
びエミッタを照射し、出力特性の改善効果を調べた。こ
の結果、光照射によって短絡電流の増加ならびに非点火
モードから点火モードへの遷移の加速が見出された。こ
こで観察された現象は、キセノンランプの照射により生
成された原子状および分子状イオンに起因すると思われ
る。Cesium atoms in the thermionic power generator have a low ionization voltage of 3.89 ev and an excitation level of 1.4 eV, so that cesium is excited and ionized by sunlight to form atomic or molecular ions. be able to. In the present example, the plasma and the emitter were irradiated through the incident light window using a xenon short arc lamp having a spectrum similar to that of sunlight, and the effect of improving the output characteristics was examined. As a result, it was found that the light irradiation increased the short-circuit current and accelerated the transition from the non-ignition mode to the ignition mode. The phenomenon observed here is thought to be due to atomic and molecular ions generated by irradiation with a xenon lamp.
【００８２】ここで得られた結果は、新たな発想に基づ
く熱電子発電器の開発につながると考えられる。すなわ
ち、太陽エネルギーを高効率で電力と温水の生成に利用
するか、もしくは、これを補助放電の発生に利用して低
温のエミッタ温度ＴE で動作する熱電子発電器の出力特
性の改善に役立てることである。本願発明者らは〔文
献：Ａ．Ｏｇｉｎｏ，Ｗ．Ｚｈｅｎｇ ａｎｄ Ｍ．Ｋ
ａｎｄｏ；Ｔｒａｎｓ．ＩＥＥ．Ｊｐｎ．Ａ１１９（１
９９９）１１２０〔ｉｎ Ｊａｐａｎｅｓｅ〕で、可視
光より長波長の光でエミッタを加熱し、これよりも短波
長の光でセシウム原子の励起と電離を行う熱電子発電器
を製作し、キセノンランプからの放射光を電気に直接変
換できたことを報告している。この実験結果は、光照射
型熱電子発電器では照射光でセシウムイオンが生成され
ているため、出力特性が改善されることを示唆してい
る。The results obtained here are considered to lead to the development of a thermionic generator based on a new idea. That is, whether to use solar energy to generate electricity and hot water with high efficiency, or, help to improve the output characteristics of the thermionic generator which operates at a low temperature of the emitter temperature T E by utilizing this to the generation of auxiliary discharge That is. The present inventors [Literature: A. Ogino, W.M. Zheng and M.S. K
and Trans; IEEE. Jpn. A119 (1
999) At 1120 [in Japan], a thermionic generator that heats the emitter with light having a wavelength longer than that of visible light and excites and ionizes cesium atoms with light having a shorter wavelength than that of the xenon lamp was manufactured. It reports that synchrotron radiation could be directly converted into electricity. This experimental result suggests that in the light irradiation type thermoelectron generator, cesium ions are generated by irradiation light, so that output characteristics are improved.
【００８３】エミッタからコレクタへの電子流束は電極
間空間に蓄積された熱電子によって強く乱される。熱電
子発電器研究の重点は、この負の空間電荷を緩和するこ
とである。負の空間電荷を減少する方法として、二つの
方法がある。一つは二つの電極間隔を極めて狭くするこ
とで、真空型熱電子発電器の場合では１０μｍ以下とさ
れる。真空型熱電子発電器は常に空間電荷制限領域で動
作されるため、出力電流は熱電子放出電流を超えること
がない。高エミッタ温度ＴE と極小電極間隔を必要とす
るこのタイプの熱電子発電器では、エミッタから蒸発す
る材料がコレクタをコーティングしたり電極の熱膨張に
よる短絡などの問題が生じる。The electron flux from the emitter to the collector is strongly disturbed by the thermoelectrons accumulated in the space between the electrodes. The focus of thermionic generator research is to mitigate this negative space charge. There are two ways to reduce negative space charge. One is to make the distance between the two electrodes extremely small, and in the case of a vacuum thermoelectric generator, it is 10 μm or less. Since the vacuum thermoelectric generator is always operated in the space charge limited region, the output current does not exceed the thermionic emission current. This type of thermionic generator, which requires a high emitter temperature TE and a minimum electrode spacing, has problems such as short-circuiting due to the material evaporated from the emitter coating the collector or thermal expansion of the electrode.
【００８４】もう一つの方法は、熱電子発電器中に正の
セシウムイオンを導入して、負の空間電荷を中和する手
法である。この種の熱電子発電器は、セシウムイオンの
生成方法によって、さらに二つに分けられる。セシウム
原子の電離電圧はエミッタ電極材料（例えば、タングス
テンやモリブテン）の仕事関数よりもずっと小さい。こ
のため、高温のエミッタ表面上でセシウム原子はその最
外郭の軌道を回る電子を失い、電極間空間に放出され
る。このようなイオン生成機構は、「表面電離」と呼ば
れるが、これは非点火モードにおいて負の空間電荷を平
衡するために良く利用される方法である。非点火モード
熱電子発電器の動作原理から判るように、セシウムイオ
ンが空間電荷を完全に中和する条件が満たされ、エミッ
タからの熱電子がセシウム原子と衝突を行わずにコレク
タに到達できる場合、非点火モード動作の熱電子発電器
の出力電流は、エミッタからの熱電子放出電流に等しく
なる。下記に定義されるように、空間電荷中和度αは熱
電子に対する電位障壁の目安となる値である。α＜１の
場合、エミッタ前面には負の空間電位が発生するので、
コレクタに向かう電子の流れが大幅に阻止される。Another method is to introduce positive cesium ions into a thermionic generator to neutralize negative space charges. This type of thermionic generator is further divided into two types according to the method of producing cesium ions. The ionization voltage of cesium atoms is much lower than the work function of the emitter electrode material (eg, tungsten or molybdenum). For this reason, on the hot emitter surface, the cesium atom loses the electron in its outermost orbit and is discharged into the interelectrode space. Such an ion generation mechanism, called "surface ionization", is a well-used method for balancing negative space charges in non-ignition mode. As can be seen from the principle of operation of the non-ignition mode thermionic generator, when the condition that cesium ions completely neutralize space charge is satisfied and thermions from the emitter can reach the collector without colliding with cesium atoms The output current of the thermionic generator in non-ignition mode operation is equal to the thermionic emission current from the emitter. As defined below, the space charge neutralization degree α is a value that serves as a measure of a potential barrier to thermoelectrons. When α <1, a negative space potential is generated in front of the emitter,
The flow of electrons towards the collector is greatly blocked.
【００８５】空間電荷中和度αは下記の式で表示され
る。The space charge neutralization degree α is represented by the following equation.
【００８６】[0086]
【数１】 (Equation 1)
【００８７】ここで、ｎeEとｎiEはエミッタ前面の電子
とイオンの密度、ｍとＭは電子とセシウム原子の質量で
ある。また、Γe とΓi はエミッタからの熱電子とイオ
ンの流速であり、次のＲｉｃｈａｒｄｓｏｎ−Ｄｕｓｈ
ｍａｎおよびＬａｎｇｍｕｉｒ−Ｓａｈａの式で与えら
れる。[0087] Here, n eE and n iE is the density of the emitter front face of electrons and ions, m and M is the mass of the electron and the cesium atom. Also, Γ e and Γ i are the flow rates of thermionic electrons and ions from the emitter, and the following Richardson-Dush
man and Langmuir-Saha.
【００８８】[0088]
【数２】 (Equation 2)
【００８９】[0089]
【数３】 (Equation 3)
【００９０】ここで、ｋとｈはＢｏｌｔｚｍａｎｎとＰ
ｌａｎｃｋの定数、ＴE とＴｃS はエミッタとセシウム
蒸気温度、φE はエミッタの仕事関数、Ｖi はセシウム
原子の電離電圧、ＰｃS はセシウム蒸気圧である。Here, k and h are Boltzmann and P
constants lanck, T E and Tc S emitter and cesium vapor temperature, phi E is the work function of the emitter, the V i is the ionization voltage, Pc S cesium vapor pressure of cesium atoms.
【００９１】非点火モードでは、電極間のすべての電子
とイオンはエミッタで作られる。Ｐｏｉｓｓｏｎの方程
式によると、電極間の空間電位分布はエミッタ前面のｎ
eEとｎiEにより決められる。例えば、ｎiE≧ｎeEの場合
には空間電位はエミッタの電位に対して正になる。In the non-ignition mode, all electrons and ions between the electrodes are created at the emitter. According to Poisson's equation, the space potential distribution between the electrodes is n
It is determined by eE and n iE. For example, the spatial potential becomes positive with respect to the emitter potential in the case of n iE ≧ n eE.
【００９２】図１４は上記式（１）、（２）および
（３）を用いて計算した空間電荷中和度αのエミッタ温
度ＴE およびセシム蒸気温度ＴｃS への依存性を示す。[0092] Figure 14 is the formula (1), (2) and (3) shows the dependence of the emitter temperature T E and Seshimu steam temperature Tc S of the space charge neutralization degree α calculated using.
【００９３】この図から明らかなように、実用レベルの
１０Ａ／ｃｍ2 の出力電流密度を得るためには、α≧１
を満足し、同時に、上記式（２）で与えられる熱電子電
流密度を高くしなければならないので、ＴE ＞２０００
ＫおよびＴｃS ＞５５０Ｋの条件を満足する必要があ
る。このＴE とＴｃS の温度における電子の平均自由行
程λe は０．０１７ｍｍであるので、無衝突の条件を満
足するためには、電極の間隔ｄをλe より小さくしなけ
ればならない。As is apparent from this figure, in order to obtain an output current density of a practical level of 10 A / cm 2 , α ≧ 1
Is satisfied, and at the same time, the thermionic current density given by the above equation (2) must be increased, so that T E > 2000
It is necessary to satisfy the conditions of K and Tc S > 550K. Since the mean free path λ e of the electrons at the temperatures of T E and Tc S is 0.017 mm, the distance d between the electrodes must be smaller than λ e to satisfy the collision-free condition.
【００９４】以上の理由から、高温のＴE とＴｃS で動
作する熱電子発電器では、高出力電流密度を得るため
に、電極の間隔を狭くしなければならない。これは熱電
子発電器製造の観点から実現が困難であるように思われ
る。For the above reasons, in a thermionic generator operating at high temperatures T E and Tc S , the interval between the electrodes must be narrowed in order to obtain a high output current density. This seems to be difficult to achieve from a thermionic generator manufacturing standpoint.
【００９５】しかし、最近になって、Ｋｕｃｈｅｒｏｖ
とＮｉｋｏｌａｅｖ〔文献：Ｒ．Ｙａ．Ｋｕｃｈｅｒｏ
ｖ ａｎｄ Ｙｕ．Ｖ．Ｎｉｋｏｌａｅｖ；Ｐｒｏｃ．
２９ｔｈ Ｉｎｔｅｒｓｏｃ．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖ
ｅｒｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆ．，
Ｕ．Ｓ．Ａ，１９９４，ｐ．４９０〕は、セラミックロ
ールの熱膨張により３μｍの微少電極間隔を確保し、高
温のＴE とＴｃs でも動作可能な高出力電流の得られる
新型の熱電子発電器を開発した。この熱電子発電器で
は、非点火モード動作で、効率２０％出力密度１０ｗ／
ｃｍ2 が得られている。However, recently, Kucherov
And Nikolaev [Literature: R. Ya. Kuchero
v and Yu. V. Nikolaev; Proc.
29th Intersoc. Energy Conv
version Engineering Conf. ,
U. S. A, 1994, p. 490] is to ensure a small electrode spacing of 3μm by thermal expansion of the ceramic roll was developed thermionic generator of the new obtained the operable high output current even hot T E and Tc s. In this thermionic generator, in non-ignition mode operation, efficiency 20%, output density 10 w /
cm 2 have been obtained.
【００９６】セシウム原子は多段階または累積電離によ
って電離される。すなわち、一つセシウム原子は、例え
電子のエネルギーがセシウム電離電圧により小さい場合
でも、電子と何度も衝突を繰り返すことにより電離され
る。Cesium atoms are ionized by multi-step or cumulative ionization. That is, one cesium atom is ionized by repeatedly colliding with an electron even if the energy of the electron is smaller than the cesium ionization voltage.
【００９７】このようなセシウム原子が励起状態を経由
して電離に至る多段階電離は、負の空間電荷の中和に大
きく貢献する。このような電極間の体積電離は、点火モ
ードで動作する熱電子発電器の空間電荷を中和する上で
非常に重要である。通常、体積電離により生成されたプ
ラズマの密度は、十分に高いので、負の空間電荷を緩和
することができる。結局、点火モードが発生すると電離
損失のために出力電圧は減少するものの、出力電流は顕
著に増加する。ＫｕｃｈｅｒｏｖとＮｉｋｏｌａｅｖが
開発した無衝突、非点火モード動作の熱電子発電器に比
べて点火モード動作の熱電子発電器の動作条件はずっと
穏やかなために、今日の熱電子発電器研究は点火モード
に関するものが主になっている。α≦１と電子−セシウ
ム原子の衝突を保証するために、典型的な電極の間隔ｄ
とエミッタ温度ＴE の値はそれぞれ０．１から１．００
ｍｍ、１４００Ｋから１８００Ｋである。Such multi-stage ionization in which cesium atoms are ionized via an excited state greatly contributes to neutralization of negative space charges. Such volume ionization between the electrodes is very important in neutralizing the space charge of a thermionic generator operating in ignition mode. Usually, the density of the plasma generated by volume ionization is sufficiently high to reduce the negative space charge. After all, when the ignition mode occurs, the output voltage decreases due to ionization loss, but the output current increases significantly. Today's thermionic generator research is focused on ignition Things are the main. To ensure α ≦ 1 and electron-cesium atom collisions, a typical electrode spacing d
From each 0.1 emitter temperature T value of E 1.00
mm, 1400K to 1800K.
【００９８】本実施例では、実用化が期待できる新しい
アイデアに基づく熱電子発電器の開発を行っている。セ
シウム原子特有の低励起電圧および電離電圧に着眼し
て、太陽光を電極間プラズマおよびエミッタに照射する
ことにより、セシウム原子を励起させる。熱電子発電器
への光照射によって、以下に指摘する幾つかの効果が期
待される。すなわち、エミッタからの光電子放出、セシ
ウム原子および分子の光励起と光電離、エミッタおよび
セシウムガスの加熱が挙げられる。今回の実験では、現
象の複雑さを避けるために、光照射時間は３秒内に厳し
く制限した。このため、熱電子発電器内で生じる効果は
光励起と光電離のみに限定されると考えられる。なぜな
らば、エミッタと熱電子発電器容器の熱容量は大きいの
で、それらの温度上昇は５０ｓ以上を要するためであ
る。光照射実験のため、電極間隔の大きい熱電子発電器
を製作した。熱電子発電器の光照射では幾つかの利点が
期待され、これらは以下のようにまとめられる。In this embodiment, a thermoelectric generator based on a new idea that can be expected to be put to practical use is being developed. Focusing on the low excitation voltage and ionization voltage peculiar to cesium atoms, the cesium atoms are excited by irradiating sunlight between the electrodes and the emitter. The following effects can be expected by irradiating thermionic generator with light. That is, there are photoelectron emission from the emitter, photoexcitation and photoionization of cesium atoms and molecules, and heating of the emitter and cesium gas. In this experiment, the light irradiation time was strictly limited to 3 seconds to avoid the complexity of the phenomenon. For this reason, it is considered that the effects generated in the thermionic generator are limited only to photoexcitation and photoionization. This is because the heat capacity of the emitter and the thermionic generator container is large, so that their temperature rise requires 50 s or more. A thermoelectron generator with a large electrode spacing was fabricated for light irradiation experiments. Several advantages can be expected from light irradiation of thermionic generators, which can be summarized as follows.
【００９９】（１）一般に、セシウムガス雰囲気中で
は、エミッタ温度ＴE が１４００Ｋ以下でエミッタから
の熱電子放出電流密度は最大になるが、エミッタ表面で
の電離により生成されるセシウムイオンは少ない。これ
は空間電荷の中和が十分行われれば、低エミッタ温度Ｔ
E 、高セシウム蒸気温度ＴｃS 動作でも、熱電子発電器
から大きな出力電流が得られることを意味する。[0099] (1) In general, during the cesium gas atmosphere, although the emitter temperature T E is thermionic emission current density from the emitter below 1400K is maximized, cesium ions generated by ionization of the emitter surface is small. This is because if the space charge is sufficiently neutralized, the low emitter temperature T
E, even at high cesium vapor temperature Tc S operation, means that the large output current from the thermionic generator is obtained.
【０１００】（２）原子状および分子状のセシウムイオ
ンの前駆体であるセシウム励起原子ＣS * が、太陽光の
照射によって、熱電子発電器内に数多く生成される。(2) A large number of cesium-excited atoms C S * , which are precursors of atomic and molecular cesium ions, are generated in the thermionic generator by irradiation of sunlight.
【０１０１】（３）ＣS * の相互の衝突により自発的に
生成されるセシウム分子イオンは、空間電荷を効率よく
中和する。これは低エミッタ温度ＴE 動作の熱電子発電
器にとって重要である。なぜならば、低エミッタ温度Ｔ
E 動作の熱電子発電器では、表面電離により生成される
セシウム原子は、熱電子より極めて少ないからである。(3) The cesium molecular ions spontaneously generated by the collision of C S * mutually neutralize space charges efficiently. This is important for thermionic generators with low emitter temperature TE operation. Because of the low emitter temperature T
This is because, in a thermionic generator of E operation, cesium atoms generated by surface ionization are much smaller than thermoelectrons.
【０１０２】（４）光照射により生成される多量のＣS
* は、非点火モードから点火モードへの遷移を促進させ
る。(4) A large amount of C S generated by light irradiation
* Facilitates transition from non-ignition mode to ignition mode.
【０１０３】（セシウムの原子および分子過程）低エミ
ッタ温度ＴE 低セシウム蒸気温度ＴｃS 動作の熱電子発
電器は熱源の多様化とメンテナンスの容易さなどの点で
幾つかの利点が考えられるが、出力および効率が低いレ
ベルに留まり、実用化するのが困難な状況にある。しか
しながら、太陽光照射により点火モードが実現し、高効
率で高出力が得られれば、以上のような欠点は解消され
る。幸い、熱電子発電器中には、仕事関数と電離電圧が
低いセシウム蒸気が封入されている。このセシウム蒸気
は、熱電子発電器の動作に関して二つの効果を持つ、つ
まり、一つは高温のエミッタ面上で表面電離により生成
されるセシウムイオンが負の空間電荷を中和することで
あり、他の一つは、コレクタ表面を薄いセシウム薄膜で
覆うことによりコレクタの仕事関数φｃを下げることで
ある。しかしながら、この実施例では、セシウム封入の
三つ目の効果、すなわち、太陽光照射により誘起される
補助放電の点火モードへの遷移効果を提案する。周知の
ように、太陽光はＵＶから遠赤外域までの広いスペクト
ル分布を持ち、一方セシウム原子はあらゆる元素中で最
低の電離電圧３．８９ｅＶと励起電圧１．４ｅＶを持
つ。このため、太陽光照射によりセシウム原子を電離お
よび励起させることができ、この結果、熱電子発電器の
出力特性を顕著に改善することが期待される。[0103] While thermionic generator of (cesium atoms and molecular processes) low emitter temperature T E low Cesium vapor temperature Tc S operation has several advantages contemplated in terms of ease of diversification and maintenance of the heat source Power and efficiency remain at low levels and are difficult to put into practical use. However, if the ignition mode is realized by irradiating sunlight and high efficiency and high output can be obtained, the above-mentioned disadvantages can be solved. Fortunately, cesium vapor with a low work function and low ionization voltage is encapsulated in the thermionic generator. This cesium vapor has two effects on the operation of the thermionic generator: one is that the cesium ions generated by surface ionization on the hot emitter surface neutralize the negative space charge; Another is to lower the work function φc of the collector by covering the collector surface with a thin cesium thin film. However, this embodiment proposes a third effect of cesium encapsulation, that is, a transition effect of an auxiliary discharge induced by sunlight irradiation to an ignition mode. As is well known, sunlight has a broad spectral distribution from the UV to the far infrared, while cesium has the lowest ionization voltage of 3.89 eV and the excitation voltage of 1.4 eV among all elements. For this reason, cesium atoms can be ionized and excited by sunlight irradiation, and as a result, it is expected that the output characteristics of the thermionic power generator will be significantly improved.
【０１０４】ここでは、参考としてセシウムの原子およ
び分子過程について簡単に触れる。Here, the atomic and molecular processes of cesium will be briefly described for reference.
【０１０５】（セシウム原子の電離および励起）基底準
位にあるセシウム原子は、電子との衝突または光子の吸
収によって、ΔＥ0 のエネルギーを吸収して励起され
る。これらの過程〔文献：Ｋ．Ｊ．Ｎｙｇａｒｒａｄ；
ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．９
（１９７３）１０２０．及び文献Ｈ．Ｌ．Ｗｉｔｔｉｎ
ｇ ａｎｄ Ｅ．Ｐ．Ｇｙｆｔｏｐｏｕｌｏｓ；Ｊ．Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６（１９６５）１３２８〕は以下
のように記述される。(Ionization and Excitation of Cesium Atom) A cesium atom at the ground level absorbs energy of ΔE 0 and is excited by collision with an electron or absorption of a photon. These processes [Literature: K. J. Nygarrad;
IEEE J.I. Quantum Electron. 9
(1973) 1020. And literature H. L. Wittin
g and E. P. Gytopoulos; A
ppl. Phys. 36 (1965) 1328] is described as follows.
【０１０６】 Ｃｓ（６2 Ｓ1/2 ）＋ΔＥ0 →Ｃｓ* （６2 Ｐ3/2,1/2 ） …（４） ここで、Ｊ＝３／２に対してはΔＥ0 ＝１．３８ｅＶ、
Ｊ＝１／２ではΔＥ0＝１．４５ｅＶであり、それらの
エネルギーに相当する光の波長は、それぞれ８９４．４
ｎｍと８５２．１ｎｍである。上記式（４）のＣｓ
* は、それら相互の衝突を通してセシウム励起分子Ｃｓ
* 2 になる。Ｃｓ* 2 は更に以下の過程を通して自発的
に電離する〔文献：Ｆ．Ｇ．Ｂａｋｓｈｔ，Ｇ．Ａ．Ｄ
ｙｕｚｈｅｖ，Ａ．Ｍ．Ｍａｒｔｓｉｎｏｖｓｋｉｙ，
Ｂ．Ｙａ．Ｍｏｙｚｈｅｓ，Ｇ．Ｙｅ．Ｐｉｋｕｓ，
Ｅ．Ｂ．Ｓｏｎｉｎ ａｎｄ Ｖ．Ｇ．Ｙｕｒ’ｙｅ
ｖ；Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｂｅｒｔｅｒ ａｎ
ｄ Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｌａｓｍａ，
Ｅｎｇ．ｅｄ ｂｙ Ｌ．Ｋ．Ｈａｎｓｅｎ（Ｎａｔｉ
ｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏ
ｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ／Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ．Ｓｐｒｉｎｇｆｉｅｌｄ，Ｖｉｒ
ｇｉｎｉａ，１９７８）Ｃｈａｐ．５，ｐ．１４０、文
献：Ｍ．Ｄ．Ｇｉｂｂｏｎｓ；Ｐｒｏｃ．Ｔｈｅｒｍｉ
ｏｎｉｃ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓ
ｔ Ｃｏｎｆ．，Ｇａｔｌｉｎｂｕｒｇ，Ｔｅｎｎ．，
Ｕ．Ｓ．Ａ．，Ｏｃｔ １９６３，ｐ．１０３、文献：
Ｊ．Ｙａｍａｄａ ａｎｄ Ｔ．Ｏｋｕｄａ；Ｊ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．３５（１９７３）８８１〕。Cs (6 2 S 1/2 ) + ΔE 0 → Cs * (6 2 P 3 / 2,1 / 2 ) (4) Here, for J = 3/2, ΔE 0 = 1. 38 eV,
At J = １ ／, ΔE 0 = 1.45 eV, and the wavelengths of light corresponding to those energies are 894.4, respectively.
nm and 852.1 nm. Cs of the above formula (4)
* Means cesium excited molecule Cs
* Becomes 2 . Further, Cs * 2 spontaneously ionizes through the following process [Ref: F.S. G. FIG. Baksht, G .; A. D
yuzhev, A .; M. Martsinovskiy,
B. Ya. Moyzes, G .; Ye. Pikus,
E. FIG. B. Sonin and V.S. G. FIG. Yur'ye
v; Thermionic Converter an
d Low-Temperature Plasma,
Eng. ed by L. K. Hansen (Nati
onal Technical Information
n Service / U. S. Department
of Energy. Springfield, Vir
ginia, 1978) Chap. 5, p. 140; D. Gibbons; Proc. Thermi
Sonic Conversion Specialis
t Conf. Gatlinburg, Tenn. ,
U. S. A. , Oct 1963, p. 103, literature:
J. Yamada and T.S. Okuda; Ph
ys. Soc. Jpn. 35 (1973) 881].
【０１０７】 Ｃｓ* （６2 Ｐ3/2,1/2 ）＋Ｃｓ* （６2 Ｐ3/2,1/2 ）→Ｃｓ* 2 …（５） Ｃｓ* 2 →Ｃｓ+ 2 ＋ｅ …（６） 上記式（５）と式（６）で表示される過程では、付加エ
ネルギーを必要としないことを指摘しておきたい。それ
故、多量のＣｓ* の生成がある場合には、多くのセシウ
ム分子イオンの存在が考えられる。[0107] Cs * (6 2 P 3 / 2,1 / 2) + Cs * (6 2 P 3 / 2,1 / 2) → Cs * 2 ... (5) Cs * 2 → Cs + 2 + e ... (6 It should be pointed out that no additional energy is required in the processes represented by the above equations (5) and (6). Therefore, in the case where a large amount of Cs * is produced, the presence of many cesium molecular ions is considered.
【０１０８】セシウム原子イオンは以下の過程〔文献：
Ｋ．Ｊ．Ｎｙｇａｒｒａｄ；ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔ
ｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．９（１９７３）１０２０、文
献：Ｄ．Ｈ．Ｐｏｌｌｏｃｋ ａｎｄ Ａ．Ｏ．Ｊｅｎ
ｅｎ；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６（１９６５）３１
８４〕で生成される。The cesium atom ion undergoes the following process [reference:
K. J. Nygarrad; IEEE J .; Quant
um Electron. 9 (1973) 1020; H. Pollock and A. O. Jen
en; Appl. Phys. 36 (1965) 31
84].
【０１０９】 Ｃｓ* （６2 Ｐ3/2,1/2 ）＋ΔＥ1 →Ｃｓ+ ＋ｅ …（７） Ｃｓ* （６2 Ｓ1/2 ）＋ΔＥ2 →Ｃｓ+ ＋ｅ …（８） ここで、ΔＥ1 ＝２．５ｅＶ、ΔＥ2 ＝３．８９ｅＶで
あり、それぞれ、波長５００ｎｍ、３１８ｎｍの光子が
有するエネルギーに相当する。太陽光は、セシウム原子
を励起および電離するに必要な波長をすべてカバーして
いる。それ故、太陽光照射により、低エミッタ温度
ＴE 、セシウム蒸気温度Ｔｃs 動作の熱電子発電器から
優れた効果を引き出すことが期待される。[0109] Cs * (6 2 P 3 / 2,1 / 2) + ΔE 1 → Cs + + e ... (7) Cs * (6 2 S 1/2) + ΔE 2 → Cs + + e ... (8) here, ΔE 1 = 2.5 eV and ΔE 2 = 3.89 eV, which correspond to the energies of photons having wavelengths of 500 nm and 318 nm, respectively. Sunlight covers all wavelengths necessary to excite and ionize cesium atoms. Hence, the sunlight irradiation, lower emitter temperature T E, be drawn excellent effects from thermionic generator cesium vapor temperature Tc s operation is expected.
【０１１０】上記式（７）により与えられる光電離の断
面積σは７×１０-18 ｃｍ2 であり〔文献：Ｎ．Ｄ．Ｍ
ｏｒｇｕｌｉｓ，Ｙｕ．Ｐ．Ｋｏｒｃｈｅｖｏｉ ａｎ
ｄＡ．Ｍ．Ｐｒｅｚｈｏｎｓｋｉｉ；Ｚｈ．Ｅｋｓｐ．
＆ Ｔｅｏｒ．Ｆｉｚ．５３（１９６７）４１７，Ｔｒ
ａｎｓｌａｔｉｏｎ；Ｓｏｖ．Ｐｈｙｓ−ＪＥＴＰ２６
（１９６８）２７９〕、上記式（８）の断面積より１０
０倍大きい。これらのデータから、点火モード動作熱電
子発電器内のプラズマでは、セシウムが主として多段階
電離で生成されていることが理解される。すなわち、
１．４ｅＶ程度のエネルギーを有する電子が上記式
（４）の過程を通してＣｓ* を生成し、さらにＣｓ* が
上記式（７）の過程で電離する。The cross-sectional area σ of photoionization given by the above equation (7) is 7 × 10 −18 cm 2 [Reference: N. D. M
orgulis, Yu. P. Korchevoi an
dA. M. Prezhonskii; Zh. Eksp.
& Teor. Fiz. 53 (1967) 417, Tr
announcement; Sov. Phys-JETP26
(1968) 279], and 10
0 times larger. From these data, it is understood that cesium is mainly generated by multi-stage ionization in the plasma in the ignition mode operating thermoelectric generator. That is,
Electrons having an energy of about 1.4 eV generate Cs * through the process of the above formula (4), and Cs * is ionized in the process of the above formula (7).
【０１１１】（熱電子発電器照射用光源）セシウム原子
は、可視光の波長範囲である３００ｎｍから９００ｎｍ
までスペクトルを有する光源を照射することによって、
励起または電離される。ほとんどの光源はこの範囲をカ
バーしている。ここでは、キセノンショートアークラン
プと太陽光のスペクトルを比較して述べる。(Light Source for Irradiation of Thermoelectric Generator) Cesium atoms have a wavelength range of visible light of 300 nm to 900 nm.
By irradiating a light source having a spectrum up to
Excited or ionized. Most light sources cover this range. Here, the xenon short arc lamp and the spectrum of sunlight are compared and described.
【０１１２】図１５は地表面における太陽光とキセノン
ショートアークランプのスペクトル分布をセシウム原子
の光電離断面積とともに示している。両光源とも上述の
過程を実現するのに必要なスペクトルと十分な光強度を
持っていることが判る。キセノンランプ放射光のスペク
トルは太陽光と完全には一致していないが、（特に８０
０ｎｍから１１００ｎｍの波長領域ではそうである
が）、太陽光の模擬光として利用できる。FIG. 15 shows the spectral distribution of sunlight and a xenon short arc lamp on the ground surface together with the photoionization cross section of cesium atoms. It can be seen that both light sources have the spectrum and sufficient light intensity necessary to realize the above process. Although the spectrum of the xenon lamp radiation does not completely match that of sunlight,
In the wavelength range from 0 nm to 1100 nm), it can be used as a simulation light of sunlight.
【０１１３】エミッタ温度ＴE が高くなると、エミッタ
から熱放射があり、熱電子発電器の出力特性に影響を与
えることが考えられる。この効果を考察するために、図
１５に２０００Ｋの黒体の放射スペクトルを示してい
る。この短波長成分は、セシウム原子を励起できるの
で、点火モード動作の熱電子発電器の出力特性への効果
を無視することはできないと考えられる。[0,113 Once the emitter temperature T E is higher, there is a thermal radiation from the emitter, it is considered to affect the output characteristics of the thermionic generator. In order to consider this effect, FIG. 15 shows an emission spectrum of a black body at 2000K. Since this short wavelength component can excite cesium atoms, it is considered that the effect of the ignition mode operation on the output characteristics of the thermionic generator cannot be ignored.
【０１１４】次に、この実施例の光利用熱電子発電装置
について説明する。Next, a description will be given of a thermoelectric generator utilizing light of this embodiment.
【０１１５】図１６は本発明の他の実施例を示す光利用
熱電子発電装置の模式図である。FIG. 16 is a schematic diagram of a thermoelectric generator utilizing light according to another embodiment of the present invention.
【０１１６】この図において、４０は熱電子発電器、４
１はキセノンランプの照射光、４２はコレクタ、４３は
エミッタ、４４は渦巻き状タングステン線、４５は熱放
射反射器の支持棒である（本願発明者による発表文献：
Ｙ．Ｓｈｉｂａｈａｒａ ａｎｄ Ｍ．Ｋａｎｄｏ；Ｐ
ｒｏｃ．４ｔｈ．Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．Ｆｕｎｃｔｉｏｎ
ａｌｌｙ Ｇｒａｄｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｔｓｕ
ｋｕｂａ，Ｊａｐａｎ，１９９６（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ
Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，１９９６）ｐ．
６７３、文献：Ｍ．Ｋａｎｄｏ，Ｈ．Ｆｕｒｕｋａｗ
ａ，Ｍ．Ｉｃｈｉｋａｗａ ａｎｄ Ｓ．Ｙｏｋｏｉ；
Ｐｒｏｃ．２９ｔｈ．Ｉｎｔｅｒｓｏｃ．Ｅｎｅｒｇｙ
Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃ
ｏｎｆ．，Ｕ．Ｓ．Ａ．，１９９４，ｐ．１０６７が類
似したものとして挙げられる）。In this figure, 40 is a thermionic generator, 4
Numeral 1 denotes irradiation light of a xenon lamp, numeral 42 denotes a collector, numeral 43 denotes an emitter, numeral 44 denotes a spiral tungsten wire, and numeral 45 denotes a support rod of a heat radiation reflector.
Y. Shibahara and M.S. Kando; P
rc. 4th. Int. Symp. Function
all Graded Materials, Tsu
Kuba, Japan, 1996 (Elsevier
Science, Amsterdam, 1996) p.
673, Reference: M.E. Kando, H .; Furukaw
a, M. Ichikawa and S.K. Yokoi;
Proc. 29th. Intersoc. Energy
Conversion Engineering C
onf. , U.S. S. A. , 1994, p. 1067 are similar).
【０１１７】図１６に示すように、電極間のセシウム蒸
気が効率良くキセノンランプの照射光４１を受けるよう
に、直径３８ｍｍ長さ２０ｍｍのＳＵＳ３０４製円筒状
コレクタ４２を使用する。エミッタ４３は直径１８ｍｍ
の渦巻き状タングステン線４４で６０Ｈｚの半波整流電
流により直接加熱される。エミッタ４３とコレクタ４２
の最近接エッジの距離は１０ｍｍである。熱電子発電器
４０にはセシウムが満たされ、セシウム蒸気温度ＴｃS
は、熱電子発電器４０を電気炉の中に入れ、電気炉の温
度を調整することにより制御する。熱電子発電器４０は
パイレックスガラス製で、光の透過率は波長３５０ｎｍ
から２０００ｎｍの波長範囲で０．９である。エミッタ
温度ＴE は、熱電対と放射温度計で測定され、熱電対で
測定される熱電子発電器容器温度をセシウム蒸気温度Ｔ
ｃS に等しいと仮定した。As shown in FIG. 16, a SUS304 cylindrical collector 42 having a diameter of 38 mm and a length of 20 mm is used so that cesium vapor between the electrodes efficiently receives irradiation light 41 of a xenon lamp. Emitter 43 is 18mm in diameter
Is directly heated by the half-wave rectified current of 60 Hz by the spiral tungsten wire 44 of FIG. Emitter 43 and collector 42
Is 10 mm. The thermionic generator 40 is filled with cesium, and the cesium vapor temperature Tc S
Is controlled by placing the thermionic generator 40 in an electric furnace and adjusting the temperature of the electric furnace. Thermionic generator 40 is made of Pyrex glass and has a light transmittance of 350 nm.
Is 0.9 in the wavelength range from to 2000 nm. The emitter temperature TE is measured by a thermocouple and a radiation thermometer, and the temperature of the thermoelectric generator container measured by the thermocouple is determined by the cesium vapor temperature T.
It was assumed to be equal to c S.
【０１１８】セシウム原子の光励起・電離に必要な光波
長は、近赤外線領域（励起８９０ｎｍ）から紫外線領域
（直接電離３１８ｎｍ）にわたっている。このような光
の波長成分はすべて太陽光に含まれている。太陽光を利
用して熱電子発電器の出力特性改善ができれば、地上用
熱電子発電器〔文献；Ｋ．Ｊ．Ｎｙｇａｒｒａｄ；ＩＥ
ＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．９（１
９７３）１０２０．文献；Ｈ．Ｌ．Ｗｉｔｔｉｎｇ ａ
ｎｄ Ｅ．Ｐ．Ｇｙｆｌｏｐｏｕｌｏｓ；Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．３６（１９６５）１３２８、文献；Ｆ．
Ｇ．Ｂａｋｓｈｔ，Ｇ．Ａ．Ｄｙｕｚｈｅｖ，Ａ．Ｍ．
Ｍａｒｔｓｉｎｏｖｓｋｉｙ，Ｂ．Ｙａ．Ｍｏｙｚｈｅ
ｓ，Ｇ．Ｙｅ．Ｐｉｋｕｓ，Ｅ．Ｂ．Ｓｏｎｉｎ ａｎ
ｄ Ｖ．Ｇ．Ｙｕｒ’ｙｅｖ；Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ
Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａ
ｔｕ ｒｅ Ｐｌａｓｍａ，Ｅｎｇ．ｅｄ ｂｙ Ｌ．
Ｋ．Ｈａｎｓｅｎ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃ
ａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ／Ｕ．
Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ．Ｓｐ
ｒｉｎｇｆｉｅｌｄ，Ｖｉｒｇｉｎｉａ，１９７８）Ｃ
ｈａｐ．５，ｐ．１４０〕の普及が期待できる。The light wavelength required for photoexcitation and ionization of cesium atoms ranges from the near infrared region (excitation 890 nm) to the ultraviolet region (direct ionization 318 nm). Such wavelength components of light are all contained in sunlight. If the output characteristics of a thermionic generator can be improved using sunlight, a terrestrial thermionic generator [literature; J. Nygarrad; IE
EEJ. Quantum Electron. 9 (1
973) 1020. Literature; L. Witting a
nd E.E. P. Gyflopoulos; App
l. Phys. 36 (1965) 1328, literature;
G. FIG. Baksht, G .; A. Dyuzhev, A .; M.
Martsinovskiy, B .; Ya. Moyzhe
s, G .; Ye. Pikus, E .; B. Sonin an
dV. G. FIG. Yur'yev; Thermiconic
Converter and Low-Tempera
ture Plasma, Eng. ed by L.
K. Hansen (National Technic
al Information Service / U.
S. Department of Energy. Sp
ringfield, Virginia, 1978) C
hap. 5, p. 140] can be expected to spread.
【０１１９】図１５に示すように、太陽光と類似したス
ペクトルをもつオゾンレスキセノンランプ（ＸＤ５００
０／Ｈ−ＯＬ、東芝ライテック社製）を用いた。ランプ
の電気入力は１ｋＷから４．５ｋＷまで可変であるが、
本実施例では４．５ｋＷ一定で使用する。電気入力のお
よそ５０％は熱損失として失われ、残りの５０％が放射
光となるが、そのスペクトル分布は３８０ｎｍ以下の紫
外光、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光、７８０ｎｍ以
上の赤外光に分けられる。As shown in FIG. 15, an ozone-less xenon lamp (XD500) having a spectrum similar to that of sunlight
0 / H-OL, manufactured by Toshiba Lighting & Technology Corp.). The electrical input of the lamp is variable from 1 kW to 4.5 kW,
In this embodiment, a constant power of 4.5 kW is used. Approximately 50% of the electrical input is lost as heat loss, and the remaining 50% is emitted light, whose spectral distribution is divided into ultraviolet light of 380 nm or less, visible light of 380 nm to 780 nm, and infrared light of 780 nm or more. .
【０１２０】それぞれの強度比率は３％、１１％、３６
％であり、電気入力には依存しない。ランプからの放射
光は３５０ｎｍから２０００ｎｍの波長範囲で透過率
〔文献；Ｊ．Ｙａｍａｄａ ａｎｄ Ｔ．Ｏｋｕｄａ；
Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．３５（１９７３）８８
１〕が０．９の三枚の光学レンズ（０１ ＬＰＸ １４
５、ＢＫ−７Ａ、Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ Ｃｏｍｐ
ａｎｙ）によって集光されて熱電子発電器に照射され
る。ランプハウスは、ランプの放射光がハウス内部の放
物面鏡で反射され平行光線となる構造を持っている。そ
れ故、ランプの全放射光の僅か１５％程度が、ランプハ
ウスに一番近いレンズを通過する。また、光学レンズと
パイレックスガラスの透過率は３５０ｎｍ以下の波長に
対して著しく低下するので、紫外光の大部分は熱電子発
電器に到達する途中で完全に吸収されていると考えられ
る。The respective intensity ratios are 3%, 11% and 36%.
%, Independent of electrical input. The light emitted from the lamp has a transmittance in a wavelength range of 350 nm to 2000 nm [literature; Yamada and T.S. Okuda;
J. Phys. Soc. Jpn. 35 (1973) 88
1] is 0.9 and three optical lenses (01 LPX 14
5, BK-7A, Melles Griot Comp
any) and irradiates the thermionic generator. The lamp house has a structure in which the radiated light of the lamp is reflected by a parabolic mirror inside the house and becomes parallel rays. Therefore, only about 15% of the total radiation of the lamp passes through the lens closest to the lamp house. Further, since the transmittance of the optical lens and Pyrex glass is significantly reduced at a wavelength of 350 nm or less, it is considered that most of the ultraviolet light is completely absorbed on the way to the thermionic generator.
【０１２１】以上をまとめると、熱電子発電器に入射す
る光はほぼ可視光と赤外光とから構成されていて、電気
入力が４．５ｋＷの時、熱電子発電器内への入射光パワ
ーは２００Ｗ程度である。To summarize the above, the light incident on the thermionic generator is substantially composed of visible light and infrared light, and when the electric input is 4.5 kW, the power of the incident light into the thermionic generator is Is about 200W.
【０１２２】次に、照射光によるエミッタ加熱について
考察する。Next, the heating of the emitter by the irradiation light will be considered.
【０１２３】タングステンの放射率は約０．２であるの
で、エミッタが吸収するパワーは入射光の２０％であ
る。すなわち、エミッタ加熱に使われる入射光のパワー
は４０Ｗ程度で、残りの１６０Ｗは熱電子発電器容器の
壁の加熱やセシウム原子の励起と電離などに消費され
る。キセノンランプへの電気入力が４．５ｋＷのときに
一分間光を照射すると、エミッタ温度ＴE で１５００Ｋ
から１５４５Ｋに上昇した。エミッタの仕事関数φE は
エミッタ温度に強く依存し、熱電子発電器出力特性もエ
ミッタ温度ＴE の変化に応じた変化を強いられる。この
効果を避けるために、本実施例では光照射時間を厳密に
３秒以内に制限した。Since the emissivity of tungsten is about 0.2, the power absorbed by the emitter is 20% of the incident light. That is, the power of the incident light used for heating the emitter is about 40 W, and the remaining 160 W is consumed for heating the wall of the thermionic generator container and for exciting and ionizing cesium atoms. When the electrical input to the xenon lamp illuminates one minute light when the 4.5 kW, 1500 K at an emitter temperature T E
To 1545K. Work function phi E of the emitter is strongly dependent on the emitter temperature, thermionic generator output characteristics forced changes in response to changes in emitter temperature T E. In order to avoid this effect, in this embodiment, the light irradiation time is strictly limited to 3 seconds or less.
【０１２４】図１７は本発明にかかる光利用熱電子発電
器の出力特性の測定回路である。FIG. 17 shows a circuit for measuring the output characteristics of the thermoelectric generator utilizing light according to the present invention.
【０１２５】この図において、４０は熱電子発電器（図
１６参照）、５０は電気炉、５１はオゾンレスキセノン
ランプ、５２は光学レンズ、５３はエミッタ加熱用電
源、５４は遅延パルス発生回路、５５は三角波発振器、
５６は電力増幅器、５７は負荷抵抗、５８は直流増幅
器、５９はサンプリング・ホールディング回路である。In this figure, 40 is a thermionic generator (see FIG. 16), 50 is an electric furnace, 51 is an ozone-less xenon lamp, 52 is an optical lens, 53 is a power supply for heating an emitter, 54 is a delay pulse generating circuit, 55 is a triangular wave oscillator,
56 is a power amplifier, 57 is a load resistor, 58 is a DC amplifier, and 59 is a sampling and holding circuit.
【０１２６】このように、出力特性の測定回路は、遅延
パルス発生回路５４、サンプリング・ホールディング回
路５９、三角波発振器５５および負荷抵抗５７によって
構成される。As described above, the output characteristic measuring circuit includes the delay pulse generating circuit 54, the sampling and holding circuit 59, the triangular wave oscillator 55, and the load resistor 57.
【０１２７】そこで、熱電子発電器４０のエミッタをヒ
ータ電流で加熱すると、エミッタの両端に５．６Ｖ程度
の電圧が発生する。この電圧はエミッタからコレクタに
流れる電子流を擾乱する。熱電子発電器４０内の電子と
イオンはエミッタと熱平衡状態になっているので、電子
の温度Ｔe とイオンの温度Ｔi はエミッタ温度ＴE に等
しいと近似できる。エミッタ加熱電流により発生するエ
ミッタ両端の電圧は、電子とイオンの温度より遙に高い
ので、熱電子発電器内の荷電粒子の運動はこの電圧によ
って大きな影響を受ける。この擾乱を避けるために、エ
ミッタの加熱には６０Ｈｚの半波整流電流を用い、熱電
子発電器出力特性の測定は加熱電流休止時に行わなけれ
ばならない。When the emitter of the thermionic generator 40 is heated by the heater current, a voltage of about 5.6 V is generated at both ends of the emitter. This voltage disturbs the electron flow from the emitter to the collector. Since electrons and ions in the thermionic generator 40 is in the emitter and thermal equilibrium, the temperature T i of the electron temperature T e and ions can be approximated to be equal to the emitter temperature T E. Since the voltage across the emitter generated by the emitter heating current is much higher than the temperature of the electrons and ions, the motion of the charged particles in the thermionic generator is greatly affected by this voltage. To avoid this disturbance, a 60 Hz half-wave rectified current must be used for heating the emitter, and the measurement of the output characteristics of the thermionic generator must be performed when the heating current is stopped.
【０１２８】加熱電流により生じるエミッタ両端の電圧
がコレクタに対して正の場合、発電器の出力電流はこの
電圧により大幅に抑制される。図１７の測定回路を使え
ば加熱電流休止時の出力特性を測定できる。When the voltage across the emitter caused by the heating current is positive with respect to the collector, the output current of the generator is largely suppressed by this voltage. Using the measurement circuit of FIG. 17, it is possible to measure the output characteristics when the heating current is stopped.
【０１２９】図１８は本発明にかかる熱電子発電器出力
特性測定のタイミングチャートであり、図１８（ａ）に
は６０Ｈｚ半波加熱電流波形、図１８（ｂ）には遅延パ
ルス、図１８（ｃ）にはサンプリング・ホールディング
前の１Ｈｚ三角波、図１８（ｄ）にはサンプリング・ホ
ールディング後の１Ｈｚ三角波、 図１８（ｅ）にはサ
ンプリング・ホールディング前の出力電流、図１８
（ｆ）にはサンプリング・ホールディング後の出力電流
をそれぞれ示している。FIG. 18 is a timing chart for measuring the output characteristics of the thermionic generator according to the present invention. FIG. 18 (a) shows a 60 Hz half-wave heating current waveform, FIG. 18 (b) shows a delay pulse, and FIG. 18C illustrates a 1 Hz triangular wave before sampling and holding, FIG. 18D illustrates a 1 Hz triangular wave after sampling and holding, FIG. 18E illustrates an output current before sampling and holding, and FIG.
(F) shows the output current after sampling and holding, respectively.
【０１３０】このように、図１８には、サンプリングと
ホールディング回路の前後の信号が、６０Ｈｚの半波加
熱電流およびサンプリングパルスとともに示されてい
る。幅０．１２ｍｓのパルスを６０Ｈｚ半波電流停止直
後の５ｍｓ後に発生させる。サンプリング・ホールディ
ング回路５９は、サンプリングパルスが発生した瞬間の
三角波電圧と負荷抵抗５７の電圧値を記録し、次のパル
スが到達するまでそれらの信号を維持する。したがっ
て、三角波の電圧波形と負荷抵抗５７の電圧はサンプリ
ングホールディング回路５９によって、図１８に示すよ
うに修正される。実験では、三角波電圧の周波数と振幅
をそれぞれ１Ｈｚ、３Ｖとした。サンプリング・ホール
ディング回路からの信号はデジタルオシロスコープで記
録された後、パソコンでデータ処理を行う。Thus, FIG. 18 shows the signals before and after the sampling and holding circuit, together with the 60 Hz half-wave heating current and the sampling pulse. A pulse having a width of 0.12 ms is generated 5 ms after the stop of the 60 Hz half-wave current. The sampling and holding circuit 59 records the triangular wave voltage at the moment when the sampling pulse is generated and the voltage value of the load resistor 57, and maintains those signals until the next pulse arrives. Therefore, the voltage waveform of the triangular wave and the voltage of the load resistor 57 are corrected by the sampling holding circuit 59 as shown in FIG. In the experiment, the frequency and amplitude of the triangular wave voltage were 1 Hz and 3 V, respectively. The signal from the sampling and holding circuit is recorded by a digital oscilloscope and then processed by a personal computer.
【０１３１】（熱電子発電器の動作条件）実験で測定さ
れる熱電子発電器出力特性の理解を容易にするために、
まず初めに熱電子発電器動作条件を述べる。エミッタ温
度ＴE は加熱電流ＩH によって制御される。上記のよう
にＩH を大きくすると、エミッタの両端に大きな電圧が
発生し、最悪の場合、エミッタ両端に局部的な放電が発
生する。本装置では放電を起こさずにエミッタ温度を１
６００Ｋ程度まで加熱できる。セシウム蒸気温度ＴｃS
は電気炉５０により制御されるが、熱電子発電器容器の
パイレックスガラスは５００Ｋ以上になると、セシウム
を吸収して白化する性質がある。このため、セシウム蒸
気温度ＴｃS は５００Ｋ以下に制限される。セシウム圧
力と電子の平均自由行程λe はセシウム蒸気温度に依存
し、その関係を図１９に示す。この図１９から分かるよ
うに、本実験の大部分は、電子セシウム原子間衝突が多
く生じる条件で行われていることが分かる。(Operating conditions of thermionic generator) In order to easily understand the output characteristics of thermionic generator measured in the experiment,
First, the operating conditions of the thermionic generator will be described. The emitter temperature T E is controlled by a heating current I H. When I H is increased as described above, a large voltage is generated across the emitter, and in the worst case, a local discharge occurs across the emitter. In this device, the emitter temperature is reduced to 1 without causing discharge.
It can be heated up to about 600K. Cesium vapor temperature Tc S
Is controlled by the electric furnace 50. Pyrex glass of the thermionic generator container has a property of absorbing cesium and whitening when the temperature exceeds 500K. Therefore, cesium vapor temperature Tc S is limited to below 500K. The cesium pressure and the electron mean free path λ e depend on the cesium vapor temperature, and the relationship is shown in FIG. As can be seen from FIG. 19, most of the experiment was performed under the condition that many collisions between electron and cesium atoms occurred.
【０１３２】（照射光のない場合の熱電子発電器出力特
性）図２０に、ＴｃS ＝４００Ｋにおける出力特性をエ
ミッタ温度ＴE の関数として示す。出力電流密度Ｊ0 は
エミッタ温度ＴE の増加と共に徐々に増加することがわ
かる。ＴE ＝１６００Ｋの場合、出力電圧Ｖ0 が−１か
ら−２Ｖの付近でＪ 0 は急激に増加し、同時にヒステリ
シス曲線を描くようになる。曲線上の矢印はヒステリシ
スの変化の方向を示す。Ｊ0 の急激な増加は点火モード
動作の始まり、すなわち電極間での放電の始まりを意味
している。このようなヒステリシスは点火モード動作時
にしばしば現れる。エミッタを高温に加熱すると多量の
熱電子が放出され、両電極間のある電圧ＶD （以下点火
開始電圧と呼ぶ）で多段階または累積電離の発生条件が
満たされ、放電が始まる。(Output characteristics of thermionic generator without irradiation light)
FIG. 20 shows TcS= Output characteristics at 400K
Mitter temperature TEAs a function of Output current density J0Is
Emitter temperature TEIncrease gradually with increasing
Call TE= 1600K, the output voltage V0Is -1
J near the -2V 0Increase rapidly, and at the same time
Start to draw a cis curve. The arrow on the curve is hysteresis
Indicate the direction of change in J0Sharp increase in ignition mode
Start of operation, that is, start of discharge between electrodes
are doing. This type of hysteresis occurs during ignition mode operation.
Often appear in When the emitter is heated to a high temperature,
Thermionic electrons are emitted and a certain voltage V between both electrodesD(Ignition
Multi-step or cumulative ionization conditions
Filled and discharge begins.
【０１３３】一度点火開始電圧ＶD で点火が始まると、
体積電離により両電極間に多数の電子やイオンが生成さ
れるので、その後たとえ両電極間での電子の加速電解が
減少したとしても放電はしばらくの間維持されることに
なる。それ故、点火消滅電圧ＶE は点火開始電圧ＶD よ
り高くなる。[0133] Once the ignition is started by the ignition start voltage V D,
Since a large number of electrons and ions are generated between the two electrodes due to the volume ionization, the discharge is maintained for a while even if the accelerated electrolysis of the electrons between the two electrodes is reduced. Therefore, the ignition extinction voltage V E is higher than the ignition start voltage V D.
【０１３４】図２１はセシウム蒸気温度ＴｃS をパラメ
ータとして測定したＴE ＝１２８０Ｋにおける出力特性
図である。出力電流Ｊ0 はＴｃS ＝４３０Ｋの時に最大
となることが分かる。これは定性的には、空間電荷中和
度αによって説明できる。FIG. 21 is an output characteristic diagram at T E = 1280 K measured using the cesium vapor temperature Tc S as a parameter. Output current J 0 is seen to be a maximum when Tc S = 430K. This can be qualitatively explained by the space charge neutralization degree α.
【０１３５】図２２は、測定された短絡電流密度ＪS の
セシウム蒸気温度ＴｃS 依存性を、式（１）（２）およ
び（３）を用いて計算された空間電荷中和度αとエミッ
タからの熱電子放出電流密度Ｊe とともに示す。短絡電
流密度ＪS は出力電圧Ｖ0 ＝０Ｖの時のＪ0 であり、Ｊ
e はＲｉｃｈａｒｄｓｏｎ−Ｄｕｓｈｍａｎｎの式で計
算される。エミッタ仕事関数φE は、ＴE が一定の時、
ＴｃS が高くなるとともに低下するので、Ｊe は増加し
αは減少する。FIG. 22 shows the dependence of the measured short-circuit current density J S on the cesium vapor temperature Tc S using the space charge neutralization degree α calculated using the equations (1), (2) and (3) and the emitter. Are shown together with the thermoelectron emission current density Je from the substrate. The short-circuit current density J S is J 0 when the output voltage V 0 = 0 V,
e is calculated by the Richardson-Dushmann equation. Emitter work function φ E is, when T E is constant,
As Tc S increases and decreases, J e increases and α decreases.
【０１３６】一方、ＴE ＝１２８０Ｋ、ＴｃS ＝４３０
Ｋの測定値を除けば、ＴE ＝１２００ＫおよびＴE ＝１
２８０Ｋのいずれの場合においても、ＪS はＴｃS の上
昇と共に減少する傾向が読み取れる。また、ＴｃS が高
温の時には、ＪS はＪe よりも遙に小さいことがわか
る。On the other hand, T E = 1280 K and Tc S = 430
Excluding the measured value of K, T E = 1200 K and T E = 1
In any case of 280K, it can be seen that J S tends to decrease with an increase in Tc S. Also, it can be seen that when Tc S is at a high temperature, J S is much smaller than J e .
【０１３７】この結果から、α＜１の場合、ＪS はＪe
の増加よりは、むしろエミッタ近傍の負の空間電位障壁
によって制限されていることがわかる。ＴE ＝１２８０
Ｋの時、ＴｃS ＝４１５Ｋにおいてα＝１となるため、
ＪS の値はＴｃS ＜４１５ＫではＪe に近くなるはずで
ある。１≧α＞０．１の場合には、負の空間電位障壁に
よるＪS の抑制効果はそれほど顕著でなく、ＪS はＴｃ
S の上昇と共に徐々に増大することができる。このた
め、ＴｃS ＝４３０Ｋの時、ＪS は最大となる。α＜
０．１の場合には、負の空間電位障壁による抑制効果は
ＴｃS の上昇に伴うＪe の増大効果に比べてより支配的
となり、ＪS はＴｃS の増加とともに減少する。図２２
では、ＴE ＝１２００Ｋと１２８０Ｋの場合でＴｃS ＝
４００Ｋの時に、ＪS はＪe よりも大きくなっているこ
とに注意する必要がある。これは、セシウム蒸気温度の
測定誤差によるものと考えられる。すなわち、セシウム
蒸気温度として、熱電対により測定された熱電子発電器
容器の壁温度を用いたためである。From this result, when α <1, J S becomes J e
Rather than being increased by the negative space potential barrier near the emitter. T E = 1280
At K, α = 1 at Tc S = 415K.
The value of J S should be close to J e for Tc S <415K. When 1 ≧ α> 0.1, the effect of suppressing J S by the negative space potential barrier is not so remarkable, and J S is equal to Tc
It can increase gradually as S increases. Therefore, when Tc S = 430K, J S becomes maximum. α <
In the case of 0.1, the inhibitory effect of negative space potential barrier dominant becomes more than the effect of increasing the J e with increasing Tc S, J S decreases with increasing Tc S. FIG.
In the case of T E = 1200K and 1280K, Tc S =
It should be noted that at 400K, J S is greater than J e . This is considered to be due to a measurement error of the cesium vapor temperature. That is, the wall temperature of the thermionic generator container measured by the thermocouple was used as the cesium vapor temperature.
【０１３８】しかしながら、実際にはエミッタ近傍に非
常に高い温度領域が存在する。それ故、セシウム蒸気温
度の測定値は実際の温度より３０Ｋ程度低くなっていて
も不自然ではない。熱電子発電器の実験結果を考察する
際には、実験データのこのような面にも十分配慮する必
要がある。その理由は、熱電子放出電流Ｊe と空間電荷
中和度αはいずれもＴｃS に強く依存するからである。However, a very high temperature region actually exists near the emitter. Therefore, the measured value of the cesium vapor temperature is not unnatural even if it is about 30 K lower than the actual temperature. When examining the experimental results of a thermionic generator, it is necessary to give due consideration to this aspect of the experimental data. The reason is that both the thermionic emission current J e and the degree of space charge neutralization α strongly depend on Tc S.
【０１３９】以上を要約すると、ＴE が低いほど仕事関
数φE が低くなるので、熱電子放出電流密度Ｊe は表面
電離で生成されるセシウムイオン電流密度よりも高くな
る。このため、低ＴE ではエミッタ前面でセシウムイオ
ンよりも電子が過剰になって負の空間電位が生成され、
熱電子電流はこの負の空間電位によりエミッタに引き戻
される。しかし、ＴE が上昇すると電子の蓄積が緩和さ
れるために、Ｊ0 またはＪS を増大させることができ
る。[0139] In summary, since T E The lower the work function phi E is low, the thermal electron emission current density J e is higher than the cesium ion current density generated by thermal ionization. For this reason, at a low TE , the electron becomes more excess than the cesium ion at the front of the emitter, and a negative space potential is generated.
The thermionic current is drawn back to the emitter by this negative spatial potential. However, in order to electron accumulation is mitigated when T E is increased, it is possible to increase the J 0 or J S.
【０１４０】（非点火モード動作の出力特性に及ぼす光
照射効果）図２３の実線は、ＴａｙｌｏｒとＬａｎｇｍ
ｕｉｒ〔文献：Ｊ．Ｂ．Ｔａｙｌｏｒ ａｎｄ Ｉ．Ｌ
ａｎｇｍｕｉｒ；Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．４４（１９３３）
４２３〕により測定されたＪe のＴE とＴｃS への依存
性である。図２３ではＪeと比較するため、ＴｃS が４
００Ｋおよび４５０ＫにおけるＪS の測定値を丸と三角
の記号で表し、●と▲は光照射のない場合の、○と△は
光照射を行った場合の測定値である。また、図中の二つ
の□は、ＴｃS ＝４００Ｋおよび４５０Ｋにおいてα＝
１となるエミッタ温度を示している。これらの□を通る
縦軸に平行な一点鎖線によって領域が二分されている
が、一点鎖線の右側の低ＴE 領域では対応する。ＴｃS
に対してはα＜１，その左側ではα＞１である。α＜１
の領域ではＪS が光照射により数倍程度増加しているこ
とが分かる。(Light Irradiation Effect on Output Characteristics of Non-Ignition Mode Operation) The solid line in FIG. 23 shows Taylor and Langm.
uir [literature: J. et al. B. Taylor and I. L
angmuir; Phys. Rev .. 44 (1933)
423] is the dependence of J e on T E and Tc S. In FIG. 23, Tc S is 4 for comparison with J e .
The measured values of J S at 00K and 450K are indicated by circles and triangles, where ● and ▲ are the values measured without light irradiation, and △ and Δ are the values measured with light irradiation. The two squares in the figure indicate that α = α at Tc S = 400K and 450K.
An emitter temperature of 1 is shown. The region is bisected by a dashed line parallel to the vertical axis passing through these squares, and corresponds to the low TE region on the right side of the dashed line. Tc S
Is α <1, and α> 1 on the left side. α <1
It can be seen that JS is increased about several times by light irradiation in the region of.
【０１４１】しかしながら、一点鎖線の左側の領域でα
＞１の領域ではその増加量は減少している。これらの現
象は、光照射により光電離が生じて負の空間電荷が中和
された結果であると考えられる。要約すると、α＜１の
条件では、光照射は出力電流ＪS の増加に有効であると
言える。However, in the area on the left side of the dashed line, α
In the region of> 1, the amount of increase is reduced. It is considered that these phenomena are the result of the occurrence of photoionization by light irradiation and the neutralization of negative space charges. In summary, under the condition of α <1, it can be said that light irradiation is effective for increasing the output current J S.
【０１４２】（光照射により誘起される点火モードへの
遷移）次に、光照射によるモード遷移の促進効果につい
て調べた。図２１に示される非光照射時における非点火
モードのＴE ＝１２８０Ｋにおける出力特性は、図２４
に示されるように光照射により著しく変化する。すなわ
ち、４３０および５００Ｋを除くすべてのＴｃS におい
て、光照射によって、ＶD は負に留まってはいるが、点
火モードに遷移した。図２５（ａ）および２５（ｂ）
に、ＴE ＝１６００Ｋを一定とし、ＴｃS をパラメータ
として、非光照射時に既に点火モードで動作している熱
電子発電器の光照射前後における出力特性の変化を示
す。図２４の非点火モードの場合と相違して、光照射に
よる出力特性の改善ならびにモード変化の加速効果はか
なり限定されていることが分かる。最後にＴｃS を一定
とし、ＴE を変化させて、光照射による出力特性の変化
を測定した。図２６（ａ）に示されるように、高ＴE で
点火モード動作が確認された。図２６（ｂ）に示すよう
に光照射による、Ｊ0 の増加および点火モードの促進効
果はＴE ＜１３４０Ｋの時に観察された。(Transition to Ignition Mode Induced by Light Irradiation) Next, the effect of promoting the mode transition by light irradiation was examined. Output characteristics at T E = 1280K for non ignition mode in the non-light irradiation shown in FIG. 21, FIG. 24
As shown in (1), it is significantly changed by light irradiation. That is, in every Tc S except 430 and 500K, by light irradiation, but V D is the remains negative, and the transition to the ignition mode. FIGS. 25 (a) and 25 (b)
FIG. 7 shows changes in output characteristics before and after light irradiation of a thermionic generator already operating in the ignition mode during non-light irradiation, with T E = 1600 K being constant and Tc S as a parameter. It can be seen that, unlike the case of the non-ignition mode in FIG. 24, the effect of improving the output characteristics by light irradiation and the effect of accelerating the mode change are considerably limited. Finally, the constant Tc S, by changing the T E, and measuring the change in the output characteristics due to irradiation with light. As shown in FIG. 26 (a), the ignition mode operation in high T E was confirmed. By light irradiation, as shown in FIG. 26 (b), the effect of promoting growth and ignition modes J 0 was observed when T E <1340K.
【０１４３】以上の結果をまとめると、光照射によるモ
ード遷移あるいは出力特性の改善は、主に非点火モード
で動作している場合に観測され、点火モード動作時には
明瞭でない。これに対する物理的な解釈は次に述べる。To summarize the above results, the mode transition or the improvement of the output characteristics due to light irradiation is mainly observed when operating in the non-ignition mode, and is not clear when operating in the ignition mode. The physical interpretation of this will be described below.
【０１４４】（光照射により出力特性の改善が得られる
条件）光照射によるモード遷移および出力特性の顕著な
改善について検討するために、光照射のない場合のαと
熱電子放出電流Ｊe を、前記式（１）、（２）およびＲ
ａｓｏｒとＷａｒｎｅｒにより与えられた式から算出さ
れるφE を用いて計算し、表１〜表３にまとめて表して
いる。(Conditions for Improvement of Output Characteristics by Light Irradiation) In order to examine the mode transition and the remarkable improvement of output characteristics by light irradiation, α and thermionic emission current J e without light irradiation are calculated as follows. Formulas (1), (2) and R
calculated using phi E calculated from the formula given by asor and Warner, it represents summarized in Tables 1 to 3.
【０１４５】表１：エミッタ温度ＴE が１２８０Ｋでの
セシウム蒸気温度ＴｃS についての熱電子放出電流密度
Ｊe 、エミッタの仕事関数φE 、および空間電荷中和度
αの値を示している。Table 1 shows the values of thermionic emission current density J e , the work function φ E of the emitter, and the degree of space charge neutralization α for the cesium vapor temperature Tc S when the emitter temperature T E is 1280 K.
【０１４６】[0146]
【表１】 [Table 1]
【０１４７】なお、* は光照射なし点火、○は光照射あ
り点火、＠は出力電流の印された増加である。 * Indicates ignition without light irradiation, o indicates ignition with light irradiation, and Δ indicates the marked increase in output current.
【０１４８】表２：エミッタ温度ＴE が１６００Ｋでの
セシウム蒸気温度ＴｃS についての熱電子放出電流密度
Ｊe 、エミッタの仕事関数φE 、および空間電荷中和度
αの値を示している。Table 2: The values of the thermionic emission current density J e , the work function φ E of the emitter, and the degree of space charge neutralization α for the cesium vapor temperature Tc S at an emitter temperature T E of 1600 K are shown.
【０１４９】[0149]
【表２】 [Table 2]
【０１５０】なお、* は光照射なし点火、○は光照射あ
り点火である。 * Indicates ignition without light irradiation, and o indicates ignition with light irradiation.
【０１５１】表３：セシウム蒸気温度ＴｃS が４５０Ｋ
でのエミッタ温度ＴE についての熱電子放出電流密度Ｊ
e 、エミッタの仕事関数φE 、および空間電荷中和度α
の値を示している。[0151] Table 3: cesium vapor temperature Tc S is 450K
Thermionic emission current density J of the emitter temperature T E in
e , emitter work function φ E , and space charge neutralization degree α
Are shown.
【０１５２】[0152]
【表３】 [Table 3]
【０１５３】なお、* は光照射なし点火、○は光照射あ
り点火、＠は出力電流の印された増加である。 * Indicates ignition without light irradiation, は indicates ignition with light irradiation, and Δ indicates the marked increase in output current.
【０１５４】ここで、コレクタ温度Ｔｃはセシウム蒸気
温度ＴｃS に等しいと仮定した。また、低Ｔｃではコレ
クタはセシウムで完全に被膜されているので、コレクタ
仕事関数φｃはセシウムの仕事関数と等しく１．７ｅｖ
とした。[0154] Here, the collector temperature Tc is assumed to be equal to the cesium vapor temperature Tc S. At low Tc, since the collector is completely coated with cesium, the collector work function φc is equal to the work function of cesium, ie, 1.7 ev.
And
【０１５５】表１−表３から分かるように、以下の条件
が満足される場合に、光照射によるモード遷移が誘起さ
れる。すなわち、 （１）αが１０-2以下であること。As can be seen from Tables 1 to 3, a mode transition is induced by light irradiation when the following conditions are satisfied. That is, (1) α is 10 −2 or less.
【０１５６】（２）Ｊe が１０-3Ａ／ｃｍ2 より大きい
こと。(2) J e is larger than 10 −3 A / cm 2 .
【０１５７】（３）φE が２．２ｅＶより大きいこと。(3) φ E is larger than 2.2 eV.
【０１５８】前述したように、αは熱電子発電器の空間
電位の分布を決定する。すなわち、α＞１ではエミッタ
前面にイオンシースが形成され、α＜１では電子シース
が形成される。αが小さいほど、エミッタ近傍の負の空
間電位の谷は深くなり、空間電位最小値とコレクタ電位
との電位差ΔＶは増大する。一端、十分に深い負の空間
電位が生成されると、空間電位が最小となる付近で光照
射により光電離で生成された電子はこの電位差ΔＶで十
分に加速されるので、点火を引き起こすことが可能にな
ると考えられる。As described above, α determines the distribution of the space potential of the thermionic generator. That is, when α> 1, an ion sheath is formed on the front surface of the emitter, and when α <1, an electronic sheath is formed. As α is smaller, the valley of the negative space potential near the emitter becomes deeper, and the potential difference ΔV between the minimum space potential and the collector potential increases. At one end, when a sufficiently deep negative space potential is generated, electrons generated by photoionization due to light irradiation in the vicinity where the space potential is minimized are sufficiently accelerated by this potential difference ΔV, which may cause ignition. It will be possible.
【０１５９】図２７は本発明にかかる熱電子発電器の光
照射により誘起されるモード遷移を表している。FIG. 27 shows the mode transition induced by light irradiation of the thermionic generator according to the present invention.
【０１６０】この図において、熱電子発電器はα＜１で
動作し、点線で表すような空間電位分布を有している
が、モード遷移によって実線で示される電位分布に変化
する〔文献：Ｎ．Ｓ．Ｒａｓｏｒ：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ
ｓ．Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉ．１９（１９９１）１１９
１〕。In this figure, the thermionic generator operates at α <1 and has a spatial potential distribution as indicated by a dotted line, but changes to a potential distribution indicated by a solid line due to mode transition [Literature: N . S. Rasor: IEEE Tran
s. Plasma Sci. 19 (1991) 119
1].
【０１６１】多くの場合、Ｊe が大きいとαは小さくな
り、電離周波数は増大する。この理由で上記条件（１）
および（２）は、光照射によるモード遷移のための条件
となる。一般に、点火モード動作の発生のためには、両
電極間の電圧差を十分に大きくする必要がある。高Ｔｃ
S の場合、φE はしばしば２．０ｅＶより小さくなるの
で、光照射によっても点火モードは生じない。他方、光
照射を行わなくても、ＴE を高くすれば、φE が十分高
くなって、点火モードを発生させることができる。熱電
子発電器が点火モードで動作する場合には、熱電子発電
器内の空間電位の最小値はエミッタ電位を下回ることが
なく、ΔＶは小さい値に留まる。このため、照射光によ
る出力特性改善効果は限定されたものとなる。In many cases, when J e is large, α becomes small, and the ionization frequency increases. For this reason, the above condition (1)
And (2) are conditions for mode transition by light irradiation. Generally, in order to generate the ignition mode operation, it is necessary to make the voltage difference between the two electrodes sufficiently large. High Tc
For S, since phi E is often less than 2.0 eV, the ignition mode is not caused by the light irradiation. On the other hand, even without light irradiation, if high T E, phi E becomes sufficiently high, it is possible to generate an ignition mode. When the thermionic generator operates in the ignition mode, the minimum value of the space potential in the thermionic generator does not fall below the emitter potential, and ΔV remains small. For this reason, the effect of improving the output characteristics by the irradiation light is limited.
【０１６２】上記したように、熱電子発電器は、点火モ
ード動作する時に高出力が得られる。しかし、大抵の場
合、エミッタ温度を１６００Ｋ以上に、熱電子発電器容
器の壁温度を５００Ｋ以上に加熱する必要がある。しか
しこれらの条件を満たすことは困難である上、高ＴE と
ＴｃS 動作に伴って様々な問題が起こる。低ＴE とＴｃ
S 動作では、熱源の多様化、メンテナンスの容易さなど
幾つかの利点がある。本実施例では、低ＴE とＴｃS で
動作している熱電子発電器の出力特性に及ぼす太陽光照
射効果を調べることである。光照射はセシウム原子を励
起および電離させることができ、補助放電を誘起して非
点火モードから点火モードへの促進あるいは出力電流の
増大をもたらすことができる。As described above, a high output is obtained when the thermionic generator operates in the ignition mode. However, in most cases, it is necessary to heat the emitter temperature to 1600K or higher and the thermionic generator container wall temperature to 500K or higher. But on the satisfying these conditions is difficult, occur various problems with the high T E and Tc S operation. Low TE and Tc
S operation has several advantages, such as diversification of heat sources and ease of maintenance. In the present embodiment, he is to examine the solar radiation effects on the output characteristics of the thermionic power generator operating in low T E and Tc S. Light irradiation can excite and ionize cesium atoms and can induce an auxiliary discharge to promote the non-ignition mode to the ignition mode or increase the output current.
【０１６３】実験では、光照射用熱電子発電器を用い、
太陽光の代わりにキセノンショートアークランプを使用
した。エミッタは６０Ｈｚの半波整流電流によって最高
で１６００Ｋまで加熱された。熱電子発電器は電気炉に
入れて、最高５００Ｋまで加熱された。実験結果から、
光照射によるモード遷移は次の条件の下で実現できるこ
とが明らかにされた。 （１）α＜１０-2 （２）Ｊe ＞１０-3Ａ／ｃｍ2 （３）φE ＞２．２ｅＶ これらの条件の下では、空間電位最小値とコレクタ電位
の間の差が大となり、電位の谷で光照射により生成され
た電子がこの大きな電位差により加速され、セシウム原
子を電離する。このようにして、太陽光照射を施せば、
低ＴE 動作熱電子発電器から十分に高い出力を得ること
が期待できる。これは、本質的に太陽光が変換されるこ
とを意味する。In the experiment, a thermionic generator for light irradiation was used.
A xenon short arc lamp was used instead of sunlight. The emitter was heated up to 1600K by a 60 Hz half-wave rectified current. The thermionic generator was heated up to 500K in an electric furnace. From the experimental results,
It was clarified that the mode transition by light irradiation can be realized under the following conditions. (1) α <10 −2 (2) J e > 10 −3 A / cm 2 (3) φ E > 2.2 eV Under these conditions, the difference between the minimum space potential and the collector potential is large. The electrons generated by the light irradiation at the potential valley are accelerated by this large potential difference, and ionize the cesium atom. In this way, if you irradiate sunlight,
It is expected that a sufficiently high output will be obtained from the low TE operating thermionic generator. This means that sunlight is essentially converted.
【０１６４】結論として、低ＴE でＴｃS 動作の熱電子
発電器へのキセノンランプ光照射は、点火モードを実現
する上で有効である。しかし、ＴE とＴｃS の組み合わ
せは、光照射の優れた効果を十分に引き出すために大変
重要である。これには、ＴEとＴｃS に依存するα、Ｊ
e およびφE を考慮して、最適な組み合わせを探し出す
ことが必要である。本発明で得られた成果は、太陽光の
みをエネルギー源とする新型の熱電子発電器の開発、あ
るいは、低ＴE 動作の熱電子発電器から高出力を得るた
めの、太陽光を用いた新しい補助放電法の確立につなが
る。このような熱電子発電器は地上および宇宙での応用
が期待でき、環境問題の解決にも貢献できる。[0164] In conclusion, the xenon lamp light irradiation of the thermionic generator of Tc S operates at low T E, it is effective in realizing the ignition mode. However, the combination of T E and Tc S is very important to sufficiently bring out the excellent effects of light irradiation. This includes α, J depending on T E and Tc S
It is necessary to find an optimal combination in consideration of e and φ E. The result obtained by the present invention is the development of a new type of thermionic generator using only sunlight as an energy source, or the use of sunlight to obtain high output from a thermionic generator with low TE operation. This leads to the establishment of a new auxiliary discharge method. Such a thermionic generator can be expected to be applied on the ground and in space, and can contribute to solving environmental problems.
【０１６５】上記したことから明らかなように、光照射
効果を利用する熱電気発電器として、二つの形態が考え
られる。As is apparent from the above description, two types of thermoelectric generators utilizing the light irradiation effect can be considered.
【０１６６】（１）太陽光利用熱電子発電器（ソーラテ
ック：Ｓｏｌａｒ ＴＥＣ） これは、発電に必要な全ての熱源を太陽光でまかなうも
ので、電力と同時に温水が得られる。すなわち、エミッ
タと発電容器の加熱電極間空間のセシウム原子の励起と
電離も、全て太陽光で行う。ただし、電気炉やレーザ、
紫外光源などは不要であるが、フレネルレンズ等の集光
系は必須である。(1) Solar-powered thermionic generator (Solar TEC) This is a system in which all heat sources required for power generation are covered by sunlight, and hot water is obtained at the same time as electric power. That is, the excitation and ionization of the cesium atoms in the space between the emitter and the heating electrode of the power generation container are all performed by sunlight. However, electric furnaces, lasers,
Although no ultraviolet light source is required, a light-collecting system such as a Fresnel lens is indispensable.
【０１６７】（２）低いエミッタ温度と高めのセシウム
蒸気圧で動作する熱電子発電器に、太陽光や各種ランプ
からの紫外光を照射して補助放電を起こし、出力を大幅
に増大させる方式。いわば、光励起利用熱電子発電器
（ＰＥＡ−ＴＥＣ：Ｐｈｏｔｏｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ−
ａｉｄｅｄ ＴＥＣ）。(2) A system in which a thermoelectric generator operating at a low emitter temperature and a high cesium vapor pressure is irradiated with sunlight or ultraviolet light from various lamps to cause an auxiliary discharge to greatly increase the output. In other words, a photoelectron generator utilizing photoexcitation (PEA-TEC: Photoexcitation-
aided TEC).
【０１６８】次に、本発明の実施例を示す太陽光利用熱
電子発電器用エミッタ（ソーラテック用エミッタ）につ
いて説明する。Next, a description will be given of an emitter for a thermionic photovoltaic generator utilizing solar light (emitter for solar tech) showing an embodiment of the present invention.
【０１６９】前述のようにこのタイプの発電器では、エ
ミッタと発電容器の加熱も電極間空間のセシウム原子の
励起と電離も、全て太陽光で行う。照射光のエネルギー
が一定の場合、エミッタの表面積を小さくすることによ
りエミッタ温度は高くなり、電力への変換効率ηも増大
する。例として、エミッタ温度が２３００Ｋまで加熱さ
れるとηは１０数％以上に達する。As described above, in this type of power generator, both heating of the emitter and the power generation vessel and excitation and ionization of cesium atoms in the space between the electrodes are all performed by sunlight. When the energy of the irradiation light is constant, the emitter temperature increases by reducing the surface area of the emitter, and the power conversion efficiency η also increases. As an example, when the emitter temperature is heated to 2300K, η reaches more than 10%.
【０１７０】図２８は本発明の実施例を示す太陽光利用
熱電子発電器用エミッタの構成図であり、図２８（ａ）
はその平面図、図２８（ｂ）は図２８（ａ）のＡ−Ａ′
線断面図である。FIG. 28 is a structural diagram of an emitter for a solar thermoelectric generator showing an embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 28B is a plan view thereof, and FIG.
It is a line sectional view.
【０１７１】エミッタはできる限り小さな表面積にして
その温度を２０００Ｋ以上にすることが必要となる。そ
こで、太陽光でエミッタを効率よく加熱するには、図２
８に示すように、エミッタ６１を中空状にしてその中に
反射面を有する光トラップ用突起６２を形成し、太陽光
６３，６４を捕捉して吸収効率を高くし、エミッタ６１
の表面は鏡面状にして放射損失を少なくするのが有効で
ある。The emitter must have a surface area as small as possible and its temperature must be 2000K or higher. To efficiently heat the emitter with sunlight,
As shown in FIG. 8, the emitter 61 is hollow, and a light trapping projection 62 having a reflection surface is formed therein to capture sunlight 63 and 64 to increase the absorption efficiency.
It is effective to reduce the radiation loss by making the surface of the mirror surface mirror-like.
【０１７２】このような構造のエミッタについて、吸収
率を計算したところ、３０％から９０％まで上昇した。When the absorptance of the emitter having such a structure was calculated, it increased from 30% to 90%.
【０１７３】また、計算に用いたものと同じ形状のエミ
ッタの太陽光による加熱実験を行ったところその吸収率
は５１％であった。Further, when an experiment of heating the emitter having the same shape as that used in the calculation with sunlight was performed, the absorption was 51%.
【０１７４】図２９に示す普通の平板状のエミッタ７１
では吸収率は３０％であるので、２０％の改善が確かめ
られた。An ordinary flat emitter 71 shown in FIG.
Since the absorption rate was 30%, an improvement of 20% was confirmed.
【０１７５】このことにより、光トラップ機能を持つエ
ミッタが太陽光による加熱の場合に有効であることが明
らかになった。As a result, it became clear that the emitter having the light trapping function was effective in the case of heating by sunlight.
【０１７６】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and they are not excluded from the scope of the present invention.
【０１７７】[0177]
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
【０１７８】（Ａ）太陽光波長を十分に活用して、発電
効率の向上を図ることができる。(A) The power generation efficiency can be improved by making full use of the wavelength of sunlight.
【０１７９】本発明は、太陽エネルギーを熱源とする家
庭、農業、宇宙での利用や、製鉄、冶金、ガラス製造等
（溶鉱炉からの廃熱の利用）や、原子力発電（原子炉内
の放射光と熱の利用）に適用することができる。The present invention is applicable to household, agriculture, space use, solar power, metallurgy, glass production, etc. (utilization of waste heat from blast furnaces) using solar energy as a heat source, and nuclear power generation (radiation light in nuclear reactors). And the use of heat).
【０１８０】また、フレネルレンズを使って集光し、太
陽光の長波長域でエミッタ電極を加熱し、また短波長域
光をそのエミッタ電極近傍のセシウム原子に照射し、こ
れを励起・電離させ放電を起こさせ、前記電極近傍の負
の空間電荷を中和させエミッタ電流を増大させることが
できる。Also, light is condensed using a Fresnel lens, the emitter electrode is heated in the long wavelength region of sunlight, and short wavelength region light is irradiated on cesium atoms near the emitter electrode to excite and ionize it. Discharge can be caused to neutralize negative space charges near the electrodes, thereby increasing the emitter current.
【０１８１】その結果、照射光の高効率変換が実現で
き、結果としてエネルギー変換効率を１５％に引き上げ
ることに成功した。As a result, high efficiency conversion of irradiation light was realized, and as a result, the energy conversion efficiency was successfully raised to 15%.
【０１８２】更には、太陽光エネルギーの活用に際して
は、上記の太陽電池活用と同時に、長波長域を温水加熱
等にも同時に活用する複合エネルギーシステムを構築す
ることができる。Furthermore, when utilizing solar energy, it is possible to construct a complex energy system that simultaneously utilizes the above-described solar cell and also utilizes the long wavelength region for hot water heating and the like.
【０１８３】（Ｂ）太陽光利用熱電子発電器（ソーラテ
ック：Ｓｏｌａｒ ＴＥＣ）を得ることができる。これ
は発電に必要な全ての熱源を太陽光でまかなうもので、
電力と同時に温水が得られる。すなわち、エミッタと発
電容器の加熱も電極間空間のセシウム原子の励起と電離
も、全て太陽光で行う。ただし、電気炉やレーザ、紫外
光源などは不要であるが、フネルレンズ等の集光系は必
須である。(B) A thermoelectric generator utilizing solar light (Solar TEC) can be obtained. This is where all the heat needed for power generation is covered by sunlight,
Hot water is obtained at the same time as electric power. That is, the heating of the emitter and the power generation container, and the excitation and ionization of cesium atoms in the space between the electrodes are all performed by sunlight. However, an electric furnace, a laser, an ultraviolet light source, and the like are unnecessary, but a light-collecting system such as a funnel lens is essential.
【０１８４】（Ｃ）低いエミッタ温度と高めのセシウム
蒸気圧で動作する熱電子発電器に、太陽光や各種ランプ
からの紫外光を照射して補助放電を起こし、出力を大幅
に増大させることができる。(C) A thermoelectric generator operating at a low emitter temperature and a high cesium vapor pressure is irradiated with sunlight or ultraviolet light from various lamps to cause an auxiliary discharge, thereby greatly increasing the output. it can.
【図１】本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の
模式図である。FIG. 1 is a schematic view of a light-utilizing thermionic power generation device showing an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の
エミッタ温度に対する短絡電流特性を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a short-circuit current characteristic with respect to an emitter temperature of the photothermographic power generation device according to the embodiment of the present invention.
【図３】本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の
空間照射および電極照射の出力電流波形を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing output current waveforms of space irradiation and electrode irradiation of the photothermographic power generation apparatus showing the embodiment of the present invention.
【図４】本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の
照射光の波長に対する出力電流特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing output current characteristics with respect to the wavelength of irradiation light of the light-utilizing thermionic power generation device showing the embodiment of the present invention.
【図５】本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の
照射光の断面積に対する出力電流特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an output current characteristic with respect to a cross-sectional area of irradiation light of the light-utilizing thermionic power generation device according to the embodiment of the present invention.
【図６】本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の
空間照射時のエミッタ温度に対する出力電流特性を示す
図である。FIG. 6 is a diagram showing an output current characteristic with respect to an emitter temperature at the time of spatial irradiation of the photothermographic power generation apparatus showing the embodiment of the present invention.
【図７】本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の
電極照射時のエミッタ温度に対する出力電流特性を示す
図である。FIG. 7 is a diagram showing an output current characteristic with respect to an emitter temperature when irradiating an electrode of the photothermographic power generation apparatus according to the embodiment of the present invention.
【図８】本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の
空間照射時のエミッタ温度に対する出力電流増加率を示
す図である。FIG. 8 is a diagram showing an output current increase rate with respect to an emitter temperature at the time of spatial irradiation of the photothermographic power generation apparatus according to the embodiment of the present invention.
【図９】本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置の
電極照射時のエミッタ温度に対する出力電流増加率を示
す図である。FIG. 9 is a diagram showing an output current increase rate with respect to an emitter temperature when irradiating an electrode of the photothermographic power generation apparatus according to the embodiment of the present invention.
【図１０】本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置
の空間照射におけるレーザエネルギーに対する出力電流
密度を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an output current density with respect to laser energy in spatial irradiation of the photothermographic power generation apparatus showing an example of the present invention.
【図１１】本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置
の電極照射におけるレーザエネルギーに対する出力電流
密度を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an output current density with respect to laser energy during electrode irradiation of the photothermographic power generation apparatus showing an example of the present invention.
【図１２】本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置
のエミッタ温度に対する出力電流ピーク時間を示す図で
ある。FIG. 12 is a diagram showing an output current peak time with respect to an emitter temperature of the photothermographic power generation apparatus showing the embodiment of the present invention.
【図１３】本発明の実施例を示す光利用熱電子発電装置
のエミッタ温度に対する出力電流波形の半値幅を示す図
である。FIG. 13 is a diagram illustrating a half-value width of an output current waveform with respect to an emitter temperature of the photothermographic power generation device according to the embodiment of the present invention.
【図１４】本発明の他の実施例を示す空間電荷中和度α
のエミッタ温度ＴE およびセシウム蒸気温度ＴｃS への
依存性を示す図である。FIG. 14 shows a space charge neutralization degree α showing another embodiment of the present invention.
In is a diagram showing the dependence of the emitter temperature T E and cesium vapor temperature Tc S.
【図１５】地表面における太陽光とキセノンショートア
ークランプ２０００Ｋ黒体放射のスペクトル分布をセシ
ウム原子の光電離断面積とともに示す図である。FIG. 15 is a diagram showing the spectral distribution of sunlight and a xenon short arc lamp 2000K black body radiation on the ground surface together with the photoionization cross section of cesium atoms.
【図１６】本発明の他の実施例を示す光利用熱電子発電
装置の模式図である。FIG. 16 is a schematic view of a thermoelectric generator utilizing light according to another embodiment of the present invention.
【図１７】本発明にかかる光利用熱電子発電器の出力特
性の測定回路である。FIG. 17 is a circuit for measuring output characteristics of the thermoelectric generator utilizing light according to the present invention.
【図１８】本発明にかかる熱電子発電器出力特性測定の
タイミングチャートである。FIG. 18 is a timing chart for measuring the output characteristics of a thermionic generator according to the present invention.
【図１９】本発明にかかる熱電子発電器のセシウム圧力
と電子の平均自由行程λe がセシウム蒸気温度に依存す
る関係を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the cesium pressure and the mean free path of electrons λ e of the thermionic generator according to the present invention, which depends on the cesium vapor temperature.
【図２０】本発明にかかる熱電子発電器のＴｃS ＝４０
０Ｋにおける出力特性をエミッタ温度ＴE の関数として
示す図である。FIG. 20: Tc S = 40 of the thermionic generator according to the present invention
The output characteristics in 0K is a diagram as a function of the emitter temperature T E.
【図２１】本発明にかかる熱電子発電器のセシウム蒸気
温度ＴｃS をパラメータとして測定したＴE ＝１２８０
Ｋにおける出力特性図である。FIG. 21: T E = 1280 measured using the cesium vapor temperature Tc S of the thermionic generator according to the present invention as a parameter
FIG. 9 is an output characteristic diagram at K.
【図２２】本発明にかかる熱電子発電器の測定された短
絡電流密度ＪS のセシウム蒸気温度ＴｃS 依存性を、空
間電荷中和度αとエミッタからの熱電子放出電流密度Ｊ
eとともに示す図である。FIG. 22 shows the dependence of the measured short-circuit current density J S on the cesium vapor temperature Tc S of the thermionic generator according to the present invention in terms of the space charge neutralization degree α and the thermionic emission current density J from the emitter.
It is a figure shown with e .
【図２３】ＴａｙｌｏｒとＬａｎｇｍｕｉｒにより測定
されたＪe のＴE とＴｃS への依存性を示す図である。FIG. 23 shows the dependence of J e on T E and Tc S as measured by Taylor and Langmuir.
【図２４】本発明にかかる熱電子発電器の出力特性図
（その１）である。FIG. 24 is an output characteristic diagram (No. 1) of the thermionic generator according to the present invention.
【図２５】本発明にかかる熱電子発電器の出力特性図
（その２）である。FIG. 25 is an output characteristic diagram (part 2) of the thermionic generator according to the present invention.
【図２６】本発明にかかる熱電子発電器の出力特性図
（その３）である。FIG. 26 is an output characteristic diagram (part 3) of the thermionic generator according to the present invention.
【図２７】本発明にかかる熱電子発電器の光照射により
誘起されるモード遷移を表す図である。FIG. 27 is a diagram showing a mode transition induced by light irradiation of the thermionic generator according to the present invention.
【図２８】本発明の実施例を示す太陽光利用熱電子発電
器用エミッタの構成図である。FIG. 28 is a configuration diagram of an emitter for a solar utilizing thermoelectric generator showing an embodiment of the present invention.
【図２９】普通の太陽光利用熱電子発電器用エミッタの
構成図である。FIG. 29 is a configuration diagram of an ordinary emitter for a thermoelectric generator utilizing solar light.
１ 電気炉 ２ 第１の光照射用窓 ３ 第２の光照射用窓 ４ 低圧セシウム封入型熱電子発電管（熱電子発電
器） ５，４２ コレクタ ６，４３，６１，７１ エミッタ ７ ヒータ ８ セシウム溜め ９ ヒータ加熱用電源 １０ ダイオード １１ 直流可変電源 １２ 外部抵抗 ２１ 太陽光 ３１ エキシマレーザ ３２ 色素レーザ ４０ 熱電子発電器 ４１ キセノンランプの照射光 ４４ 渦巻き状タングステン線 ４５ 熱放射反射器の支持棒 ５０ 電気炉 ５１ オゾンレスキセノンランプ ５２ 光学レンズ ５３ エミッタ加熱用電源 ５４ 遅延パルス発生回路 ５５ 三角波発振器 ５６ 電力増幅器 ５７ 負荷抵抗 ５８ 直流増幅器 ５９ サンプリング・ホールディング回路 ６２ 光トラップ用突起 ６３ 太陽光REFERENCE SIGNS LIST 1 electric furnace 2 first light irradiation window 3 second light irradiation window 4 low-pressure cesium-encapsulated thermionic power generation tube (thermoelectron generator) 5, 42 collector 6, 43, 61, 71 emitter 7 heater 8 cesium Reservoir 9 Heater heating power supply 10 Diode 11 DC variable power supply 12 External resistance 21 Sunlight 31 Excimer laser 32 Dye laser 40 Thermionic generator 41 Xenon lamp irradiation light 44 Spiral tungsten wire 45 Heat radiation reflector support rod 50 Electricity Furnace 51 Ozone-less Xenon lamp 52 Optical lens 53 Emitter heating power supply 54 Delay pulse generating circuit 55 Triangular wave oscillator 56 Power amplifier 57 Load resistance 58 DC amplifier 59 Sampling and holding circuit 62 Optical trap projection 63 Sunlight
Claims (14)
強力な光の長波長域でエミッタ電極を加熱するととも
に、短波長域光を前記エミッタ電極近傍のアルカリ金属
原子に照射し、該アルカリ金属原子を励起・電離させて
放電を起こさせ、前記エミッタ電極近傍の負の空間電荷
を中和させ、エミッタ電流を増大させることを特徴とす
る光利用熱電子発電方法。1. An intense light is condensed using a lens, an emitter electrode is heated in a long wavelength region of the intense light, and a short wavelength region light is irradiated to an alkali metal atom near the emitter electrode. A photoelectron thermionic power generation method, characterized in that the alkali metal atoms are excited and ionized to cause a discharge to neutralize a negative space charge near the emitter electrode and increase an emitter current.
おいて、前記強力な光として太陽光を用いることを特徴
とする光利用熱電子発電方法。2. The thermoelectric generation method using light according to claim 1, wherein sunlight is used as the intense light.
おいて、前記短波長域光として色素レーザを用いること
を特徴とする光利用熱電子発電方法。3. The method of claim 1, wherein a dye laser is used as the short wavelength light.
おいて、前記アルカリ金属原子としてセシウム原子を用
いることを特徴とする光利用熱電子発電方法。4. The photothermographic power generation method according to claim 1, wherein cesium atoms are used as the alkali metal atoms.
封入型熱電子発電管と、（ｂ）レンズを使って強力な光
を集光し、該強力な光の長波長域でエミッタ電極を加熱
する手段と、（ｃ）短波長域光を前記エミッタ電極近傍
のアルカリ金属原子に照射し、該アルカリ金属原子を励
起・電離させて放電を起こさせ、前記エミッタ電極近傍
の負の空間電荷を中和させる手段とを具備することを特
徴とする光利用熱電子発電装置。5. A (a) low-pressure cesium-enclosed thermionic power generation tube arranged in an electric furnace; and (b) a strong light condensed using a lens, and an emitter in a long wavelength region of the strong light. Means for heating the electrode; and (c) irradiating the alkali metal atoms in the vicinity of the emitter electrode with short-wavelength light to excite and ionize the alkali metal atoms to cause a discharge, thereby producing a negative space in the vicinity of the emitter electrode. And a means for neutralizing the electric charge.
おいて、前記レンズはフレネルレンズであることを特徴
とする光利用熱電子発電装置。6. The thermoelectric generator utilizing light according to claim 5, wherein said lens is a Fresnel lens.
装置において、前記強力な光は太陽光であることを特徴
とする光利用熱電子発電装置。7. The thermoelectric generator utilizing light according to claim 5, wherein the strong light is sunlight.
装置において、前記短波長域光は色素レーザであること
を特徴とする光利用熱電子発電装置。8. The thermoelectric generator utilizing light according to claim 5, wherein the short wavelength light is a dye laser.
おいて、前記色素レーザをポンピングするエキシマレー
ザを備えることを特徴とする光利用熱電子発電装置。9. The thermoelectric generator utilizing light according to claim 8, further comprising an excimer laser for pumping the dye laser.
電装置において、前記アルカリ金属原子はセシウム原子
であることを特徴とする光利用熱電子発電装置。10. The thermoelectric generator utilizing light according to claim 5, wherein the alkali metal atom is a cesium atom.
し、前記強力な光でエミッタ電極を加熱するとともに、
前記エミッタ電極近傍のアルカリ金属原子に照射し、
（ｂ）空間電荷中和度αを１０-2以下となし、（ｃ）エ
ミッタからの熱電子放出電流を１０-3Ａ／ｃｍ2 とな
し、（ｄ）エミッタ仕事関数φE を２．２ｅＶとするこ
とにより、（ｅ）光照射によって電極間空間に放電を誘
起し、高効率で大出力を得られる点火モード動作を行う
ことを特徴とする光利用熱電子発電方法。(A) condensing strong light using a lens, heating the emitter electrode with the strong light,
Irradiating the alkali metal atoms near the emitter electrode,
(B) The degree of space charge neutralization α is set to 10 −2 or less, (c) Thermionic emission current from the emitter is set to 10 −3 A / cm 2, and (d) The emitter work function φ E is 2.2 eV. (E) Inducing a discharge in the space between the electrodes by light irradiation, and performing an ignition mode operation capable of obtaining a large output with high efficiency.
法において、前記光照射は太陽光照射であることを特徴
とする光利用熱電子発電方法。12. The thermoelectric generation method using light according to claim 11, wherein the light irradiation is irradiation with sunlight.
法において、前記光照射は太陽光照射であり、フレネル
レンズを使って集光し、電力と温水を得ることを特徴と
する光利用熱電子発電方法。13. The light utilization thermoelectric power generation method according to claim 11, wherein the light irradiation is sunlight irradiation, and the light is condensed using a Fresnel lens to obtain electric power and hot water. Electronic power generation method.
法において、前記熱電子発電器のエミッタは光トラップ
機能を有することを特徴とする光利用熱電子発電方法。14. The thermoelectric generation method using light according to claim 11, wherein the emitter of the thermoelectric generator has a light trapping function.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000260140A JP4067750B2 (en) | 2000-08-30 | 2000-08-30 | Photothermal thermoelectric power generation method and apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000260140A JP4067750B2 (en) | 2000-08-30 | 2000-08-30 | Photothermal thermoelectric power generation method and apparatus |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002078364A true JP2002078364A (en) | 2002-03-15 |
| JP4067750B2 JP4067750B2 (en) | 2008-03-26 |
Family
ID=18748194
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000260140A Expired - Fee Related JP4067750B2 (en) | 2000-08-30 | 2000-08-30 | Photothermal thermoelectric power generation method and apparatus |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4067750B2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005354752A (en) * | 2004-06-08 | 2005-12-22 | Taiyoko Kenkyusho:Kk | Thermionic power generation system utilizing solar light heat |
| WO2006075691A1 (en) * | 2005-01-14 | 2006-07-20 | Ideal Star Inc. | Plasma source, ion source and method of ion generation |
| JP2012049141A (en) * | 2005-01-14 | 2012-03-08 | Ideal Star Inc | Plasma source, ion source, and ion generation method |
| CN108776169A (en) * | 2018-03-23 | 2018-11-09 | 无锡格林通安全装备有限公司 | A kind of PID gas sensors that humidity can be inhibited to interfere |
| JP2020520094A (en) * | 2017-05-02 | 2020-07-02 | スパーク サーミオニックス, インコーポレイテッドSpark Thermionics, Inc. | System and method for work function reduction and thermionic energy conversion |
-
2000
- 2000-08-30 JP JP2000260140A patent/JP4067750B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005354752A (en) * | 2004-06-08 | 2005-12-22 | Taiyoko Kenkyusho:Kk | Thermionic power generation system utilizing solar light heat |
| WO2006075691A1 (en) * | 2005-01-14 | 2006-07-20 | Ideal Star Inc. | Plasma source, ion source and method of ion generation |
| JP2006222078A (en) * | 2005-01-14 | 2006-08-24 | Ideal Star Inc | Plasma source, ion source, and ion generation method |
| JP2012049141A (en) * | 2005-01-14 | 2012-03-08 | Ideal Star Inc | Plasma source, ion source, and ion generation method |
| JP2014038858A (en) * | 2005-01-14 | 2014-02-27 | Kaneko Hiroyuki | Ion source, and plasma source |
| JP2015149279A (en) * | 2005-01-14 | 2015-08-20 | 金子 博之 | Plasma source, ion source and method of ion generation |
| JP2020520094A (en) * | 2017-05-02 | 2020-07-02 | スパーク サーミオニックス, インコーポレイテッドSpark Thermionics, Inc. | System and method for work function reduction and thermionic energy conversion |
| JP7121364B2 (en) | 2017-05-02 | 2022-08-18 | スパーク サーミオニックス，インコーポレイテッド | Systems and methods for work function reduction and thermionic energy conversion |
| CN108776169A (en) * | 2018-03-23 | 2018-11-09 | 无锡格林通安全装备有限公司 | A kind of PID gas sensors that humidity can be inhibited to interfere |
| CN108776169B (en) * | 2018-03-23 | 2024-02-06 | 无锡格林通安全装备有限公司 | PID gas sensor capable of inhibiting humidity interference |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4067750B2 (en) | 2008-03-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rocca et al. | Energy extraction and achievement of the saturation limit in a discharge-pumped table-top soft X-ray amplifier | |
| US20090212241A1 (en) | Laser heated discharge plasma euv source | |
| Niimi et al. | Development and characterization of a low current capillary discharge for X-ray laser studies | |
| Bellucci et al. | Preliminary characterization of ST2G: Solar thermionic-thermoelectric generator for concentrating systems | |
| Fahy et al. | UTA versus line emission for EUVL: studies on xenon emission at the NIST EBIT | |
| US3899696A (en) | Electric power generation system directly from laser power | |
| JP2002078364A (en) | Optical and thermal electron power generation method and apparatus | |
| Jeong et al. | Ultrafast carrier dynamics on the Si (100) 2× 1 surface | |
| JPS6324532A (en) | X-ray source | |
| Baum et al. | Negative electron affinity photocathodes as high-performance electron sources Part 2: Energy spectrum measurements | |
| Abrikosov et al. | Dynamics of the ion energy spectrum in EUV-induced hydrogen plasma | |
| Mimura et al. | Photoresponse of ap-type Si field emitter | |
| JP2530591B2 (en) | Pulsed laser photoexcitation electron source device suitable for high current density electron emission | |
| Zheng et al. | Effects of illumination on thermionic energy converter characteristics | |
| Schlager et al. | A novel experimental method for in situ diagnostics of electrode workfunctions in high-pressure gas discharge lamps during operation | |
| Weber et al. | Improved bremsstrahlung from diodes with pulse-heated tantalum anodes | |
| WO2005114690A2 (en) | Energy generation method and apparatus | |
| Nassisi et al. | Experimental study of electron generation induced by a XeCl laser | |
| Andreev et al. | Prospects of “water-window” X-ray emission from subpicosecond laser plasmas | |
| Nagel | X-Ray Emission from High-Temperature Laboratory, Plasmas | |
| Konov et al. | Generation of magnetic fields and currents in an optical discharge in a recombining plasma | |
| Ogino et al. | Output characteristics of solar-power-driven thermionic energy converter | |
| Murnane et al. | Sub-picosecond laser produced plasmas | |
| FR2586504A1 (en) | ELECTRICITY GENERATOR AND SHORTWAVE RADIATION | |
| Hernandez-Garcia et al. | Photoelectric field emission from needle cathodes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20031031 |
|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20040129 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040428 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070703 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070830 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080108 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080109 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110118 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |