JP2004165300A - Thermoelectric generator - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料用流路を通過する燃料を燃焼させるための触媒が燃料用流路内に設けられた燃焼器と、この燃焼器を熱源として熱電変換により発電する発電ユニットとを備えた熱電発電装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、熱電材料に温度差を与えたときに生じる熱起電力を利用して熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電装置が、非常用電源、携帯用電源、僻地用電源、廃熱回収装置などの分野で注目されている。この種の熱電発電装置としては、燃焼熱、触媒燃焼熱、排気熱などを利用した熱源を備えたものが提案されており、触媒燃焼熱を利用した熱源を備えた熱電発電装置は、燃料の流量調整によって容易に熱源の発熱温度を調節できるという特長や、燃料の流路を面状として燃焼熱を発電部へ効率的に熱入力できるという特長などを有している。
【0003】
従来、触媒燃焼熱を発生する熱源を備えた熱電発電装置としては、図11に示すように、熱伝導性材料からなる筒状体52および筒状体52内に形成される燃焼室に配設され燃料を燃焼させるための触媒を保持した触媒保持筒53を有する燃焼器2’と、対となる異種導電形の2つの半導体エレメント13a,13b間を金属膜13cで繋いだ複数の熱電素子13が金属材料からなる導電パターン14’を介して直列接続され燃焼器2’を熱源として発電する2つの発電ユニット1’,1’と、各発電ユニット1’,1’それぞれの低温側の熱交換基板である熱伝導性基板12’,12’に固着されそれぞれ多数のフィン56が突設された2つの放熱板55,55とを備えたものが提案されている(例えば、特許文献1)。なお、各発電ユニット1’,1’は、高温側の熱交換基板である熱伝導性基板11’,11’が燃焼器2’の筒状体52に固着されている。
【0004】
【特許文献1】
特開平4−85973号公報(第3頁、第1図)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図11に示した構成の熱電発電装置では、燃料を燃焼させるための触媒を保持した触媒保持筒53を有しているが、燃焼器2’の小型化を図ると、燃料によっては燃焼が発生しにくくなることがあるので、燃焼を開始する温度が比較的低い燃料や混合ガスを用いる必要があり、水素やメタノールなどの危険な燃料を用いる必要があった。
【0006】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、燃焼を開始する温度が比較的高い燃料を使用可能な熱電発電装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、上記目的を達成するために、燃料用流路を通過する燃料を燃焼させるための触媒が燃料用流路内に設けられた燃焼器と、対となる異種導電形の2つの半導体エレメント間を金属膜を介して繋いだ熱電素子を有し燃焼器で発生した熱が金属膜に伝達されることで発電する発電ユニットと、燃焼器に付設され燃料用流路内の燃料へ熱エネルギを与えることが可能なエネルギ源とを備えてなることを特徴とする。この請求項1の発明の構成によれば、燃焼器に付設され燃料用流路内の燃料へ熱エネルギを与えることが可能なエネルギ源を備えていることにより、燃焼器の小型化を図りながらも燃焼を開始する温度が比較的高い燃料を使用することが可能となる。
【0008】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記燃焼器は、厚み方向に重ねて固着される一対の基板間に前記燃料用流路が形成され、前記エネルギ源は、前記燃焼器において前記厚み方向の一面側に設けられジュール熱により前記燃料用流路内の燃料を加熱するマイクロヒータからなることを特徴とする。この請求項2の発明の構成によれば、前記燃焼器が一対の基板を厚み方向に重ねて固着することにより形成されているので、従来のような機械加工を利用して燃焼器を形成したものに比べて前記燃焼器の小型化を図ることが可能となり、しかも、前記エネルギ源がマイクロヒータからなるので、前記燃焼器の大型化を防止することが可能になるとともに、前記エネルギ源の駆動に伴う消費電力の増加を少なくすることが可能になる。
【0009】
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記燃焼器は、前記一対の基板のうち一方の基板における他方の基板との対向面に溝を設けることにより前記燃料用流路が形成され、前記マイクロヒータは、前記一方の基板において前記溝の底壁を兼ねる絶縁薄膜に積層された金属薄膜からなることを特徴とする。この請求項3の発明の構成によれば、前記燃料用流路内の燃料を効率的に加熱することが可能となる。
【0010】
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記エネルギ源は、前記燃料用流路に沿った複数箇所に設けられてなることを特徴とする。この請求項4の発明の構成によれば、燃焼せずに前記燃料用流路を通過する燃料を少なくすることが可能となる。
【0011】
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記エネルギ源は、前記燃料用流路の全長に亘って形成されてなることを特徴とする。この請求項5の発明の構成によれば、燃焼せずに前記燃料用流路を通過する燃料を少なくすることが可能となる。
【0012】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
以下、本実施形態の熱電発電装置について図1〜図7を参照しながら説明する。
【0013】
本実施形態の熱電発電装置は、燃料用流路2aを通過する燃料を燃焼させるための触媒(例えば、白金など)が燃料用流路2a内に設けられた燃焼器2と、燃焼器2を熱源として発電する熱電モジュールからなる発電ユニット1とを備えている。ここに、燃料用流路2aには、例えば、外部から供給される炭化水素(例えば、メタン、ブタンなど)や水素などの燃料と空気とを混合した混合ガスを燃料用流路2aへ供給する。
【0014】
発電ユニット1は、平板状のシリコン基板からなる第1の熱伝導性基板11とと、第1の熱伝導性基板11に対向配置される平板状のシリコン基板若しくは窒化アルミニウム基板からなる第2の熱伝導性基板12と、両熱伝導性基板11,12間に配設された複数個(本実施形態では、32個)の熱電素子13とを備えている。ここに、各熱伝導性基板11,12の外形は矩形状に形成されている。また、発電ユニット1は、第1の熱伝導性基板11が高温側の熱交換基板を構成し、第2の熱伝導性基板12が低温側の熱交換基板を構成しており、第2の熱伝導性基板12における第1の熱伝導性基板11との対向面とは反対側の面には多数の放熱フィン15が固着されている。なお、本実施形態では、第1の熱伝導性基板11と第2の熱伝導性基板12とで燃焼器2の器体を形成する一対の基板を構成しており、第1の熱伝導性基板11が一方の基板を構成し、第2の熱伝導性基板12が他方の基板を構成している。
【0015】
各熱電素子13は、対となる異種導電形の2つの半導体エレメント13a,13bが第1の熱伝導性基板11における第2の熱伝導性基板12との対向面側にパターン形成された金属材料からなる金属膜13c(図3および図5参照)を介して繋がれている。ここに、第1の熱伝導性基板11における第2の熱伝導性基板12との対向面にはシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜からなる第1の絶縁膜16(図1(b)参照)が形成されており、金属膜13cは、第1の絶縁膜16に積層されたTi膜と当該Ti膜に積層されたPt膜と当該Pt膜に積層されたCu膜とで構成されている。なお、第1の絶縁膜16は例えばCVD法により10μm程度の厚さに形成され、各金属膜13cに関して、Ti膜およびPt膜は例えばスパッタ法によりそれぞれ0.05μm、0.1μm程度の厚さに形成され、Cu膜は例えばめっき法により10μm程度の厚さに形成されている。
【0016】
そして、発電ユニット1は、上述の複数個の熱電素子13が第2の熱伝導性基板12における第1の熱伝導性基板11との対向面にパターン形成された金属材料からなる多数の導電パターン14(図2および図4参照)により直列接続されており、燃焼器2で発生した熱が金属膜13cに伝達されることにより発電するようになっている。ここに、第2の熱伝導性基板11における第1の熱伝導性基板11との対向面には第2の絶縁膜(図示せず)が形成されており、各導電パターン14は、第2の絶縁膜に積層されたTi膜と当該Ti膜に積層されたPt膜と当該Pt膜に積層されたCu膜とで構成されている。なお、第2の絶縁膜は例えばCVD法により10μm程度の厚さに形成され、各導電パターン14に関して、Ti膜およびPt膜は例えばスパッタ法によりそれぞれ0.05μm、0.1μm程度の厚さに形成され、Cu膜は例えばめっき法により10μm程度の厚さに形成されている。
【0017】
また、各半導体エレメント13a,13bは角柱状に形成されている。各半導体エレメント13a,13bは長手方向の一端面にニッケルからなる第1の下地めっき層を介して半田からなる第1の表面めっき層が形成されており、300℃程度に加熱することで金属膜13cと接合されている。同様に、各半導体エレメント13a,13bは長手方向の他端面にニッケルからなる第2の下地めっき層を介して半田からなる第2の表面めっき層が形成されており、300℃程度に加熱することで導電パターン14と接合されている。
【0018】
ここにおいて、導電形がp形の半導体エレメント(以下、p形半導体エレメントと称す)13aは、BiTe系のp形熱電半導体材料(例えば、Bi2Te3−Sb2Te3など)により形成され、導電形がn形の半導体エレメント(以下、n形半導体エレメントと称す)13bは、BiTe系のn形熱電半導体材料(例えば、Bi2Te3−Sb2Se3など)により形成されている。また、発電ユニット1は、第1の熱伝導性基板11の厚み方向に直交する面内において、互いに直交する方向それぞれにp形半導体エレメント13aとn半導体エレメント13bとが交互に並んでいる。なお、各半導体エレメント13a,13bは、長手方向に直交する断面が正方形状であって、当該断面における各辺の長さが0.65mm、長手方向の寸法が2mmに設定されているが、これら各寸法は特に限定するものではない。また、各半導体エレメント13a,13bは、それぞれp形熱電半導体材料、n形熱電半導体材料からなり各半導体エレメント13a,13bよりも十分に大きなブロックを形成した後に、ダイシングすることによって形成されている。
【0019】
ところで、発電ユニット1は、第2の熱伝導性基板12における第1の熱伝導性基板11との対向面の2つの隅部にパターン形成された金属材料からなる一対の出力用電極18a,18b(図4参照)を介して外部へ出力を取り出せるようになっている。すなわち、発電ユニット1は、上述の複数個の熱電素子13の直列回路の一端となるp形半導体エレメント13aが一方の出力用電極18aに接続され、上記直列回路の他端となるn形半導体エレメント13bが他方の出力用電極18bに接続されており、出力用電極18a,18b間に接続する外部回路には複数個の熱電素子13の直列回路の両端電圧が印加されることになるのである。なお、各出力用電極18a,18bは、構成材料として導電パターン14と同じ金属材料を採用しており、導電パターン14と同時に形成されている。
【0020】
また、燃焼器2は、上述の平板状のシリコン基板からなる第1の熱伝導性基板11と、第1の熱伝導性基板11における第2の熱伝導性基板12との対向面とは反対側の面に重ねて固着された平板状のガラス基板からなる熱絶縁性基板21とで平板形の器体を構成し、第1の熱伝導性基板11における熱絶縁性基板21との対向面には、燃料用流路2aを形成するための断面V字状の溝5(図1および図4参照)が形成されており、熱絶縁性基板21と第1の熱伝導性基板11とを厚み方向に重ねて固着する(積層する)ことによって、燃料用流路2aが形成されている。また、燃焼器2は、溝5の内面にチタンベースのゾル状の白金触媒を担持してある。ここに、燃焼器2は、第1の熱伝導性基板11の厚み方向に直交する面内における凹部5の平面形状がつづら折れ状に形成されており、第1の熱伝導性基板11の厚み方向(つまり、燃焼器2の厚み方向)に直交する面内における燃料用流路2aの平面形状もつづら折れ状となる。なお、熱絶縁性基板21の外形は各熱伝導性基板11,12と外形寸法が同じ矩形状に形成されている。
【0021】
ここにおいて、本実施形態では、第1の熱伝導性基板11としてシリコン基板を採用しているので、半導体の微細加工に用いられるリソグラフィ技術やエッチング技術などを利用したマイクロマシンニング技術によって開口幅が微細な溝5を形成することができる。なお、上述のような断面V字状の溝5を形成するには、第1の熱伝導性基板11であるシリコン基板として例えば主表面が(100)面のシリコン基板を採用し、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)、水酸化カリウム(KOH)などのアルカリ系溶液を用いた異方性のウェットエッチングなどを行えばよい。
【0022】
また、燃焼器2は、第1の熱伝導性基板11としてシリコン基板を用い、熱絶縁性基板21としてガラス基板を用いているので、溝5を形成した第1の熱伝導性基板11と熱絶縁性基板21とを厚み方向が一致するように重ね合わせて陽極接合により固着することができ、両基板11,12を接着剤により固着する場合に比べて、強固で気密性の良い接合を実現できる。また、熱絶縁性基板21としてパイレックス(登録商標)のような耐熱性を有し且つシリコンと熱膨張係数が略等しいガラス基板を用いていることにより、熱絶縁性基板21と第1の熱伝導性基板11との熱膨張係数差を小さくすることができ、熱絶縁性基板21および第1の熱伝導性基板11の反りを抑制することができる(つまり、平板形の燃焼器2の反りを抑制することができる)。
【0023】
なお、本実施形態では、第1の熱伝導性基板11における熱絶縁性基板21との対向面に溝5を形成してあるが、熱絶縁性基板21における第1の熱伝導性基板11との対向面に溝5を形成するようにしてもよく、本実施形態のように熱絶縁性基板21としてガラス基板を採用している場合にはサンドブラスト法によって溝5を形成することができる。
【0024】
また、燃焼器2は、熱絶縁性基板21において燃料用流路2aの両端近傍に、燃料用流路2aと連通する貫通孔21a,21bが厚み方向に貫設されている。なお、各貫通孔21a,21bの開口形状は円形状となっている。
【0025】
さらに、熱絶縁性基板21における第1の熱伝導性基板11との対向面と反対側の面には、一方の貫通孔21aと連通する円筒状の燃料導入管6が熱絶縁性基板21の厚み方向に軸方向が一致する形で配設されるとともに、他方の貫通孔21bと連通する円筒状の排気管7が熱絶縁性基板21の厚み方向に軸方向が一致する形で配設されている。なお、燃料導入管6はガラス製であって、軸方向の一端部が低融点ガラスを用いて熱絶縁性基板21における上記一方の貫通孔21aの周部に固着されている。同様に、排気管7もガラス製であって、軸方向の一端部が低融点ガラスを用いて熱絶縁性基板21における上記他方の貫通孔21bの周部に固着されている。
【0026】
したがって、本実施形態の熱電発電装置では、燃料導入管6−上記一方の貫通孔21a−燃料用流路2a−上記他方の貫通孔21b−排気管7の流路が形成されることになり、図示しない燃料タンクなどから燃料導入管6へ供給される燃料が燃料用流路2aへ導入され、燃料の燃焼により生じた排ガス(二酸化炭素)が排気管7から排出される。要するに、上記一方の貫通孔21aが燃料導入孔を構成し、上記他方の貫通孔21bが排気孔を構成している。
【0027】
一方、本実施形態の熱電発電装置では、燃料用流路2aに燃料と空気との混合ガスが供給されると、混合ガスが燃焼し、この燃焼により生じた熱が第1の熱伝導性基板11を拡散して第1の熱伝導性基板11に形成されている金属膜13cに伝達されるので、発電ユニット1が発電することになる。
【0028】
ところで、燃焼器2は、第1の熱伝導性基板11の溝5の延長方向(つまり、燃料が流れる方向)における途中に他の部位に比べて開口幅が大きく且つ深さ寸法が大きな深溝部5aを形成することによって、上記第1の絶縁膜16の一部からなるダイアフラム部17が形成されており、ダイアフラム部17における第2の熱伝導性基板12との対向面に短冊状にパターニングされた金属薄膜(本実施形態では、Ti薄膜)からなるマイクロヒータ8(図1、図5、図6参照)が配設されている。ここに、マイクロヒータ8は、長手方向の両端部がそれぞれ金属配線9a,9bを介して入力用電極19a,19bに接続されている。なお、本実施形態におけるマイクロヒータ8は、長さ寸法を90μm、幅寸法を10μm、厚さ寸法を50nmにそれぞれ設定してあり、金属膜13cの一部を構成するTi膜と同時に成膜してあるが、これらの各寸法は一例であって特に限定するものではない。また、各金属配線9a,9bおよび各入力用電極19a,19bは、構成材料として金属膜13cと同じ金属材料を採用しており、金属膜13cと同時に形成されている。なお、本実施形態では、マイクロヒータ8が、燃焼器2に付設され燃料用流路2a内の燃料へ熱エネルギを与えることが可能なエネルギ源(燃料の燃焼を開始させる着火源)を構成している。
【0029】
ここに、マイクロヒータ8の形成にあたっては、上述のシリコン基板からなる第1の熱伝導性基板11の一面にシリコン酸化膜からなる上記第1の絶縁膜16を形成し且つ第1の熱伝導性基板11の他面にシリコン酸化膜36を形成することによって、図7(a)に示す構造を得て、その後、溝5および深溝部5aを形成するためにリソグラフィ技術をおよびエッチング技術を利用して第1の熱伝導性基板11の上記他面側のシリコン酸化膜36をパターニングしてから、シリコン酸化膜36をマスクとし、水酸化カリウムや水酸化テトラアンモニウムなどを含むアルカリ系水溶液を用いて第1の熱伝導性基板11を異方性エッチングすることにより、図7(b)に示す構造を得る。ここにおいて、溝5および深溝部5aの開口幅を適宜設定しておくことによって、溝5および深溝部5aを1回の異方性エッチング工程により形成することができる。
【0030】
次に、上記第1の絶縁膜16上にマイクロヒータ8の構成材料からなる金属薄膜38(なお、金属薄膜38は、第1の絶縁膜16上のTi膜と、Ti膜上のPt膜とからなる)を積層することによって図7(c)に示す構造を得てから、リソグラフィ技術を利用して金属薄膜38においてマイクロヒータ8に対応する部位上にパターニングされたレジスト層39を形成することによって、図7(d)に示す構造を得る。その後、レジスト層39をマスクとして金属薄膜38の不要部分を高速原子ビーム(fast atom beam:FAB)を利用してエッチングすることで金属薄膜38の一部からなるマイクロヒータ8を形成することによって、図7(e)に示す構造を得る。その後、レジスト層39を除去することによって、図7(f)に示す構造を得る。
【0031】
しかして、本実施形態の熱電発電装置では、燃焼器2が発電ユニット1の第1の熱伝導性基板11に重ねて固着された平板状の熱絶縁性基板21を有し、第1の熱伝導性基板11における熱絶縁性基板21との対向面に溝5を設けることにより燃料用流路2aが形成されているので、溝5を形成した熱絶縁性基板21と第1の熱伝導性基板11とを固着することにより平板形の燃焼器2を形成することができ、従来のような機械加工を利用して燃焼器2’を形成したものに比べて第1の熱伝導性基板11の厚み方向における燃焼器2の厚さ寸法を小さくすることが可能となり、装置全体の小型化を図ることができる。また、燃焼器2では、第1の熱伝導性基板11に固着する熱絶縁性基板21が熱絶縁材料により形成されているので、上記混合ガスの燃焼により発生した熱は主に第1の熱伝導性基板11へ伝達されることになり、上記混合ガスの燃焼により発生した熱が発電ユニット1における金属膜13cへ効率良く伝達される。
【0032】
また、本実施形態の熱電発電装置では、第1の熱伝導性基板11の厚み方向に直交する面内における燃料用流路2aの平面形状がつづら折れ状であって、上記面内で引き回されいるので、第1の熱伝導性基板11の小型化を図りながらも燃料用流路2aの流路長を長くすることができるから、燃焼器2での燃焼効率を高めることができる(燃料用流路2aに供給された燃料の未燃焼分を少なくすることができる)。
【0033】
しかも、本実施形態の熱電発電装置では、燃焼器2に上述のマイクロヒータ8が設けられているので、燃焼器2の小型化を図りながらも、入力用電極19a,19b間に通電してエネルギ源たるマイクロヒータ8を発熱させて燃料を適宜加熱することにより、ブタンのように水素やメタノールなどに比べて燃焼を開始する温度(着火温度)が比較的高い燃料を使用することが可能となる。なお、着火温度が比較的低い燃料を使用する場合にはマイクロヒータ8に通電しないようにしてもよいことは勿論である。
【0034】
また、本実施形態では、上記エネルギ源が燃焼器2において厚み方向の一面側に設けられジュール熱により燃料用流路2a内の燃料を加熱するマイクロヒータ8からなるので、燃焼器2が大型化するのを防止することが可能になるとともに消費電力の増加を少なくすることが可能になる。また、マイクロヒータ8は、第1の熱伝導性基板11において溝5の底壁を兼ねるダイアフラム部17に積層された金属薄膜からなるので、燃料用流路2a内の燃料を効率的に加熱することが可能となる。なお、本実施形態では、ダイアフラム部17が、上記一方の基板において溝5の底壁を兼ねる絶縁薄膜を構成している。
【0035】
(実施形態2)
本実施形態の熱電発電装置の基本構成は実施形態1と略同じであって、図8〜図10に示すように、深溝部5aが燃料用流路2aに沿った複数箇所に設けられており、各深溝部5aそれぞれに対応してマイクロヒータ8が設けられている点が相違する。すなわち、図8および図9に示した例では、5箇所に深溝部5aが形成されているので、5つのマイクロヒータ8が設けられている。なお、実施形態1と同様の構成には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【0036】
しかして、本実施形態の熱電発電装置では、エネルギ源たるマイクロヒータ8が燃料用流路2aに沿った複数箇所に設けられているので、燃焼せずに燃料用流路2aを通過する燃料を実施形態1に比べて少なくすることが可能となる。
【0037】
なお、本実施形態では、マイクロヒータ8が燃料用流路2aに沿った複数箇所に設けてあるが、2箇所以上であれば1箇所に設けている場合に比べて燃料の未燃焼分を少なくすることが可能となる。また、マイクロヒータ8を燃料用流路2aの全長に亘って形成するようにすれば、燃焼せずに燃料用流路2aを通過する燃料をより少なくすることが可能となる。
【0038】
【発明の効果】
請求項1の発明は、燃料用流路を通過する燃料を燃焼させるための触媒が燃料用流路内に設けられた燃焼器と、対となる異種導電形の2つの半導体エレメント間を金属膜を介して繋いだ熱電素子を有し燃焼器で発生した熱が金属膜に伝達されることで発電する発電ユニットと、燃焼器に付設され燃料用流路内の燃料へ熱エネルギを与えることが可能なエネルギ源とを備えてなるものであり、燃焼器に付設され燃料用流路内の燃料へ熱エネルギを与えることが可能なエネルギ源を備えていることにより、燃焼器の小型化を図りながらも燃焼を開始する温度が比較的高い燃料を使用することが可能となるという効果がある。
【0039】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記燃焼器は、厚み方向に重ねて固着される一対の基板間に前記燃料用流路が形成され、前記エネルギ源は、前記燃焼器において前記厚み方向の一面側に設けられジュール熱により前記燃料用流路内の燃料を加熱するマイクロヒータからなるので、前記燃焼器が一対の基板を厚み方向に重ねて固着することにより形成されていることにより、従来のような機械加工を利用して燃焼器を形成したものに比べて前記燃焼器の小型化を図ることが可能になるという効果があり、しかも、前記エネルギ源がマイクロヒータからなることにより、前記燃焼器の大型化を防止することが可能になるとともに、前記エネルギ源の駆動に伴う消費電力の増加を少なくすることが可能になるという効果がある。
【0040】
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記燃焼器は、前記一対の基板のうち一方の基板における他方の基板との対向面に溝を設けることにより前記燃料用流路が形成され、前記マイクロヒータは、前記一方の基板において前記溝の底壁を兼ねる絶縁薄膜に積層された金属薄膜からなるので、前記燃料用流路内の燃料を効率的に加熱することが可能となるという効果がある。
【0041】
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記エネルギ源は、前記燃料用流路に沿った複数箇所に設けられているので、燃焼せずに前記燃料用流路を通過する燃料を少なくすることが可能となるという効果がある。
【0042】
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記エネルギ源は、前記燃料用流路の全長に亘って形成されているので、燃焼せずに前記燃料用流路を通過する燃料を少なくすることが可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1を示し、(a)は概略断面図、(b)は要部拡大断面図である。
【図2】同上を示す概略斜視図である。
【図3】同上を示す概略斜視図である。
【図4】同上を示す概略分解斜視図である。
【図5】同上を示す概略分解斜視図である。
【図6】同上における要部を示し、(a)は概略下面図、(b)は(a)の要部拡大図である。
【図7】同上におけるマイクロヒータの形成方法を説明するための主要工程断面図である。
【図8】実施形態2を示す概略断面図である。
【図9】同上を示す概略分解斜視図である。
【図10】同上の要部拡大断面図である。
【図11】従来例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
1 発電ユニット
2 燃焼器
2a 燃料用流路
5 溝
5a 深溝部
6 燃料導入管
7 排気管
8 マイクロヒータ
16 第1の絶縁膜
11 第1の熱伝導性基板
12 第2の熱伝導性基板
13 熱電素子
13a p形半導体エレメント
13b n形半導体エレメント
21 熱絶縁性基板
21a 貫通孔
21b 貫通孔[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a thermoelectric device including a combustor in which a catalyst for burning fuel passing through a fuel flow path is provided in the fuel flow path, and a power generation unit that generates power by thermoelectric conversion using the combustor as a heat source. It relates to a power generator.
[0002]
[Prior art]
In recent years, thermoelectric generators that convert thermal energy into electrical energy by using thermoelectromotive force generated when a temperature difference is applied to thermoelectric materials have been developed as emergency power supplies, portable power supplies, remote power supplies, waste heat recovery devices, and the like. Has attracted attention in the field. As this type of thermoelectric generator, there has been proposed a thermoelectric generator having a heat source utilizing combustion heat, catalytic combustion heat, exhaust heat, etc. It has the advantage that the heat generation temperature of the heat source can be easily adjusted by adjusting the flow rate, and that the combustion heat can be efficiently input to the power generation unit by making the fuel flow path planar.
[0003]
Conventionally, as shown in FIG. 11, a thermoelectric generator having a heat source for generating heat of catalytic combustion is provided in a
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-85873 (
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the thermoelectric generator having the configuration shown in FIG. 11 has the
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric generator capable of using a fuel whose combustion starting temperature is relatively high.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention of
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, in the combustor, the fuel flow path is formed between a pair of substrates that are fixedly overlapped in a thickness direction, and the energy source is the combustor. A micro-heater is provided on one surface side in the thickness direction and heats the fuel in the fuel flow channel by Joule heat. According to the configuration of the second aspect of the present invention, since the combustor is formed by stacking and fixing a pair of substrates in the thickness direction, the combustor is formed using conventional machining. It is possible to reduce the size of the combustor as compared with the conventional one, and furthermore, since the energy source comprises a micro heater, it is possible to prevent the combustor from being enlarged, and to drive the energy source. It is possible to reduce an increase in power consumption due to the above.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, in the combustor, the fuel flow path is formed by providing a groove in a surface of one of the pair of substrates facing the other substrate. The micro heater is characterized in that the micro heater is made of a metal thin film laminated on an insulating thin film also serving as a bottom wall of the groove on the one substrate. According to the configuration of the third aspect of the invention, it is possible to efficiently heat the fuel in the fuel flow path.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the invention, the energy source is provided at a plurality of locations along the fuel flow path. According to the configuration of the fourth aspect of the invention, it is possible to reduce the amount of fuel passing through the fuel flow path without burning.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, the energy source is formed over the entire length of the fuel flow path. According to the configuration of the fifth aspect of the present invention, it is possible to reduce the amount of fuel passing through the fuel flow path without burning.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1)
Hereinafter, the thermoelectric generator of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0013]
The thermoelectric generator of the present embodiment includes a
[0014]
The
[0015]
Each
[0016]
The
[0017]
Each of the
[0018]
Here, a semiconductor element having a p-type conductivity (hereinafter, referred to as a p-type semiconductor element) 13a is a BiTe-based p-type thermoelectric semiconductor material (for example, Bi-type). 2 Te 3 -Sb 2 Te 3 The
[0019]
By the way, the
[0020]
In addition, the
[0021]
Here, in the present embodiment, a silicon substrate is employed as the first thermally
[0022]
Further, since the
[0023]
In the present embodiment, the
[0024]
In the
[0025]
Further, on the surface of the
[0026]
Therefore, in the thermoelectric generator of this embodiment, a flow path of the fuel introduction pipe 6-the one through
[0027]
On the other hand, in the thermoelectric generator of the present embodiment, when a mixed gas of fuel and air is supplied to the
[0028]
By the way, the
[0029]
Here, in forming the
[0030]
Next, a metal
[0031]
Thus, in the thermoelectric generator of the present embodiment, the
[0032]
Further, in the thermoelectric generator of the present embodiment, the planar shape of the
[0033]
Moreover, in the thermoelectric generator of the present embodiment, since the above-described
[0034]
Further, in the present embodiment, the above-mentioned energy source is constituted by the
[0035]
(Embodiment 2)
The basic configuration of the thermoelectric generator of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. As shown in FIGS. 8 to 10,
[0036]
However, in the thermoelectric generator of the present embodiment, the
[0037]
In the present embodiment, the
[0038]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, a metal film is formed between a combustor in which a catalyst for burning fuel passing through a fuel flow path is provided in the fuel flow path and two semiconductor elements of a pair of different conductivity types. A power generation unit that has a thermoelectric element connected through a heat generator and generates heat by transmitting heat generated in the combustor to the metal film; and provides heat energy to the fuel in the fuel flow passage attached to the combustor. And an energy source that is attached to the combustor and can apply heat energy to the fuel in the fuel flow path, thereby reducing the size of the combustor. However, there is an effect that it is possible to use a fuel whose combustion start temperature is relatively high.
[0039]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, in the combustor, the fuel flow path is formed between a pair of substrates that are fixedly overlapped in a thickness direction, and the energy source is the combustor. Since the micro combustor is provided on one surface side in the thickness direction and heats the fuel in the fuel flow path by Joule heat, the combustor is formed by stacking and fixing a pair of substrates in the thickness direction. Thereby, there is an effect that it is possible to reduce the size of the combustor as compared with the case where the combustor is formed using conventional machining, and the energy source is formed of a micro heater. This makes it possible to prevent the combustor from being enlarged, and to reduce an increase in power consumption due to driving of the energy source.
[0040]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, in the combustor, the fuel flow path is formed by providing a groove in a surface of one of the pair of substrates facing the other substrate. Since the micro heater is made of a metal thin film laminated on the insulating thin film also serving as the bottom wall of the groove on the one substrate, it is possible to efficiently heat the fuel in the fuel flow channel. effective.
[0041]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, the energy source is provided at a plurality of locations along the fuel flow path. There is an effect that it is possible to reduce the amount of passing fuel.
[0042]
According to a fifth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, since the energy source is formed over the entire length of the fuel flow path, it passes through the fuel flow path without burning. There is an effect that it is possible to reduce the amount of fuel to be generated.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B show a first embodiment, in which FIG. 1A is a schematic sectional view, and FIG.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing the same.
FIG. 3 is a schematic perspective view showing the same.
FIG. 4 is a schematic exploded perspective view showing the same.
FIG. 5 is a schematic exploded perspective view showing the same.
FIGS. 6A and 6B show essential parts of the above, wherein FIG. 6A is a schematic bottom view and FIG. 6B is an enlarged view of the essential parts of FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a main process for describing a method of forming the micro heater in the above.
FIG. 8 is a schematic sectional
FIG. 9 is a schematic exploded perspective view showing the same.
FIG. 10 is an enlarged sectional view of a main part of the above.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
1 power generation unit
2 Combustor
2a Fuel flow path
5 grooves
5a Deep groove
6 Fuel introduction pipe
7 Exhaust pipe
8 Micro heater
16 First insulating film
11 First thermal conductive substrate
12. Second thermal conductive substrate
13 Thermoelectric elements
13a p-type semiconductor element
13b n-type semiconductor element
21 Thermally insulating substrate
21a Through hole
21b Through hole
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