JP4182719B2 - 熱電発電装置 - Google Patents
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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配設された燃焼器と、この燃焼器を熱源として熱電変換により発電する熱電モジュール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、携帯機器などの小型の電子機器の電源として利用可能な超小型のマイクロ電源が各所で研究開発されており、この種の電源として、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９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内に配設され燃料を燃焼させるための触媒を保持する触媒保持筒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が金属膜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つの熱電モジュール１’，１’と、各熱電モジュール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、熱電モジュール１’は、高温側の熱交換基板である熱伝導性基板１１’が燃焼器２’の筒状体５２に固着されている。
【０００４】
また、図９に示す構成よりも熱電変換効率を改善できる熱電発電装置として、図１０に示すように、燃料を燃焼させるための触媒層６３を有する燃焼器２’’において熱電モジュール１’の高温側の熱伝導性基板１１’が固着される熱伝導性材料からなる端板６１の形状を工夫することで触媒層６３の表面積を増大させた構成のものが提案されている（例えば、特許文献２）。すなわち、図１０に示す構成の熱電発電装置は、端板６１の断面形状を櫛形状とすることにより、熱電モジュール１’の高温側の熱伝導性基板１１’との対向面とは反対側の面において触媒層６３が被着される部位の表面積を増大させている。なお、端板６１は、機械加工性の良好なアルミニウムダイキャストなどで形成されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平４−８５９７３号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】
特開平９−３２９０５８号公報（第３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、携帯電話などの小型の電子機器に組み込める小型電池サイズ（単４電池や釦電池など）の電源の実現には熱源となる燃焼器の小型化が課題となっており、全体としてのサイズが数ｃｍ３程度の超小型電源を実現するためには、燃焼器を一般的なＩＣやＬＳＩのチップサイズで実現することが不可欠な技術となる。しかしながら、従来の機械加工をベースとして形成される燃焼器２’，２”の構成では、材料、加工精度、触媒の形成方法などの制約から更なる小型化の要求に適応できず、材料、加工精度、触媒の形成方法などの抜本的な見直しが必要となっている。
【０００７】
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、従来に比べて小型化が可能な熱電発電装置を提供することにある。
【０００８】
【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層が燃料用流路内に配設された燃焼器と、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薄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前記金属薄膜に伝達することで発電する発電ユニットとを備え、発電ユニットは、厚み方向の一面に前記金属薄膜が形成された熱伝導性材料からなる平板状の第１の基板を有し、燃焼器は、第１の基板の他面に重ねて固着された平板状の第２の基板を有し、第１の基板と第２の基板との互いの対向面の一方に溝を設けることにより燃料用流路が形成され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、平板状の第１の基板と平板状の第２の基板との互いの対向面の一方に溝を設けておき第１の基板と第２の基板とを固着することにより平板形の燃焼器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を形成したものに比べて第１の基板の厚み方向における厚さ寸法および当該厚み方向に直交する面内における外形寸法を小さくすることが可能となり、発電ユニットの外形を小さくしても燃焼器の外形寸法を発電ユニットの外形寸法と揃えることができ、装置全体の小型化を図ることができる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第２の基板は、熱絶縁材料により形成されて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、前記燃焼器で発生した熱を前記発電ユニットにおける前記金属膜へ効率良く伝達することができる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記第１の基板はシリコン基板であり、前記第２の基板はガラス基板であ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、前記第１の基板と前記第２の基板との熱膨張係数差を比較的小さくすることができて前記燃焼器の反りを抑制することができ、また、前記第１の基板と前記第２の基板とを陽極接合により固着することができるから、前記第１の基板と前記第２の基板とを気密性良く強固に固着することができる。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記燃焼器は、前記第２の基板に前記溝が形成され、前記溝の内面に前記触媒層が被着さ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、前記溝をサンドブラスト法により形成することができるので、前記溝の幅を数十μｍ程度まで狭くすることができ、しかも、前記溝の内面に多数の微細な凹凸が形成される（前記溝の内面が粗面化される）から、前記溝の内面に対する前記触媒層の密着性を向上できて、前記燃焼器の長寿命化を図ることができる。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記第２の基板が熱伝導性材料により形成され、前記第２の基板における前記第１の基板との対向面とは反対側の面に形成された別の金属薄膜により対となる異種導電形の２つの半導体エレメント間を繋いだ熱電素子を有する別の発電ユニットを備え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、前記燃焼器を熱源として前記第２の基板の厚み方向の両側に設けられた２つの発電ユニットにより発電することができ、発電効率の高効率化を図ることができる。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記燃料用流路は、前記第２の基板の厚み方向に直交する面内で引き回されてなることを特徴とする。この請求項６の発明の構成によれば、前記燃料用流路の流路長を長くすることができるとともに、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができる。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記燃料用流路は、前記第２の基板の厚み方向に直交する面内でスパイラル状に形成されてなることを特徴とする。この請求項７の発明の構成によれば、請求項６の発明と同様、前記燃料用流路の流路長を長くすることができるとともに、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができる。
【００１５】
請求項８の発明は、請求項６の発明において、前記燃料用流路は、前記第２の基板の厚み方向に直交する面内で蛇行していることを特徴とする。この請求項８の発明の構成によれば、請求項６の発明と同様、前記燃料用流路の流路長を長くすることができるとともに、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができる。
【００１６】
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記燃料用流路は、前記第２の基板の厚み方向に直交する面内で複数に分岐されてなることを特徴とする。この請求項９の発明の構成によれば、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態の燃焼熱電発電装置は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、燃料用流路３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）からなる触媒層４（図２（ｂ）参照）が燃料用流路３内に配設された燃焼器２と、燃焼器２を熱源として発電する熱電モジュール１とを備えている。ここに、燃料用流路３には、例えば、炭化水素（例えば、メタン、ブタンなど）や水素などの燃料ガスと空気との混合燃料が燃料として供給される。
【００１８】
熱電モジュール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と称す）１１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（図示例では、３２個）の熱電素子１３とを備えている。なお、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、熱電モジュール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、低温側の熱交換基板の冷却効率を上げるには、第２の熱伝導性基板１２における第１の熱伝導性基板１１との対向面とは反対側の面に多数の放熱フィンを有する放熱板を固着すればよく、さらに冷却用ファンなどを設ければ冷却効率をより向上できる。
【００１９】
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との対向面にパターン形成された金属材料（例えば、チタン、白金、銅など）からなる第１の金属薄膜（図示せず）を介して繋がれている。そして、熱電モジュール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（例えば、チタン、白金、銅など）からなる多数の第２の金属薄膜１４により直列接続されており、燃焼器２で発生した熱が上記第１の金属薄膜に伝達することにより発電するようになっている。なお、各半導体エレメント１３ａ，１３ｂは角柱状に形成されており、各半導体エレメント１３ａ，１３ｂの長手方向の一端部と第１の金属薄膜とは半田などにより物理的および電気的に接合してあり、同様に、各半導体エレメント１３ａ，１３ｂの長手方向の他端部と第２の金属薄膜１４とも半田などにより物理的および電気的に接合してある。
【００２０】
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形熱電半導体材料により形成されている。また、熱電モジュール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。
【００２１】
ところで、熱電モジュール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（例えば、チタン、白金、銅など）からなる一対の出力用電極１８ａ，１８ｂ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、熱電モジュール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、本実施形態では、熱電モジュール１が発電ユニットを構成している。
【００２２】
上述の燃焼器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、熱絶縁性基板２１における第１の熱伝導性基板１１との対向面には、燃料用流路３を形成するための溝５（図２（ａ）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とを固着することによって、燃料用流路３が形成されている。また、燃焼器２は、溝５の内面の全体に亘って触媒層４が被着されており（触媒層４は、溝５の内底面と内側面とに跨って被着されている）、燃料用流路３内に触媒層４が配設されることになる。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溝５の平面形状がスパイラル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３の平面形状もスパイラル状に形成されている。なお、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。また、本実施形態では、第１の熱伝導性基板１１が第１の基板を構成し、熱絶縁性基板２１が第２の基板を構成している。
【００２３】
ここにおいて、本実施形態では、上述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ので、溝５をサンドブラスト法によって形成してある。しかして、溝５として開口幅が数十μｍの比較的微細なパターンを加工でき、さらに加工面に上記開口幅に比べて十分に微細な凹凸が形成される（つまり、溝５の内面が粗面化される）ので、溝５の内面に対する触媒層２４の密着性を向上できる。また、熱絶縁性基板２１としてガラス基板を用い、第１の熱伝導性基板１１としてシリコン基板を用いているので、図２（ａ）に示すように溝５および触媒層４を形成した熱絶縁性基板２１と第１の熱伝導性基板１１とを図２（ｂ）に示すように厚み方向を一致させて重ね合わせて陽極接合により固着することができ、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としてガラス基板を用い、第１の熱伝導性基板１１としてシリコン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比較的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）。
【００２４】
ところで、熱電モジュール１は、第１の熱伝導性基板１１において燃料用流路３の両端近傍に、燃料用流路３と連通する貫通孔１６が厚み方向に貫設されており、また、第２の熱伝導性基板１２には厚み方向において貫通孔１６に重なる部位に貫通孔１５が形成されている。さらに、第１の熱伝導性基板１１と第２の熱伝導性基板１２との間には、第１の熱伝導性基板１１の厚み方向において重なる貫通孔１６，１５とともに上記燃料の流路を形成する２つの円筒状の流通管１７が挟まれている。ここに、流通管１７はガラス製であって、第１の熱伝導性基板１１の厚み方向に軸方向が一致する形で配設され上記軸方向の一端部が第１の熱伝導性基板１１における貫通孔１６の周部に接合され他端部が第２の熱伝導性基板１２における貫通孔１５の周部に接合されている。
【００２５】
したがって、本実施形態の熱電発電装置では、図１（ｂ）における左下の貫通孔１５−図１（ｂ）における左側の流通管１７−図１（ｂ）における左上の貫通孔１６−スパイラル状の燃料用流路３−図１（ｂ）における右上の貫通孔１６−図１（ｂ）における右下の貫通孔１５の流路が形成されることになり、上記燃料が左下の貫通孔１５と右下の貫通孔１５とのいずれか一方から導入され、上記燃料の燃焼により生じた排ガス（二酸化炭素）が他方の貫通孔１５から排出される。なお、本実施形態では、流通管１７の材料としてガラスを採用しているが、流通管１７の材料はガラスに限定するものではなく、断熱性および耐熱性を有するプラスチックなどを採用してもよい。
【００２６】
ところで、本実施形態では、各熱伝導性基板１１，１２としてそれぞれシリコン基板を採用しているので、貫通孔１５，１６を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形成することができる。なお、貫通孔１５，１６は、例えば、誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用いて各熱伝導性基板１１，１２に適宜エッチング用のマスクを形成してから貫通孔１６，１５の形成予定領域をエッチングすることによって形成すればよい。
【００２７】
以上説明した本実施形態の熱電発電装置では、燃料用流路３に上記燃料が供給されると、上記燃料が触媒層４の表面に接触して燃焼し、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に形成されている上記第１の金属薄膜に伝達されるので、熱電モジュール１が発電することになる。
【００２８】
しかして、本実施形態の熱電発電装置では、燃焼器２が熱電モジュール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３が形成されているので、溝５および触媒層４を形成した熱絶縁性基板２１と第２の熱伝導性基板１２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’，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の厚さ寸法および当該厚み方向に直交する面内における外形寸法を小さくすることが可能となり、発電ユニットたる熱電モジュール１の外形（平面サイズ）を小さくしても燃焼器２の外形寸法を熱電モジュール１の外形寸法と揃えることができ、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２の熱伝導性基板１２に固着する上記第２の基板（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、上記燃料の燃焼により発生した熱は主に第２の熱伝導性基板１２へ伝達することになり、上記燃料の燃焼により発生した熱を熱電モジュール１における上記第１の金属薄膜へ効率良く伝達することができる。
【００２９】
また、本実施形態では、熱絶縁性基板２１の厚み方向に直交する面内における燃料用流路３の平面形状がスパイラル状であって、上記面内で引き回されいるので、熱絶縁性基板２１の小型化を図りながらも燃料用流路３の流路長を長くすることができるとともに、触媒層４において上記燃料と接触可能な表面の面積を大き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３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）。
【００３０】
ところで、本実施形態では、熱絶縁性基板２１に形成した溝５の内面に触媒層４を被着してあるが、図３（ａ）に示すように第１の熱伝導性基板１１において溝５に対応する部位に触媒層４を被着しておき、図３（ｂ）に示すように第１の熱伝導性基板１１と熱絶縁性基板２１とを固着するようにしてもよい。図３（ｂ）の構成を採用する場合には、微細な溝５の内面に触媒層４を被着する場合に比べて触媒層４の厚みの均一性を高めることができるとともに、触媒層４の微細加工によるパターニングが容易になる。
【００３１】
また、本実施形態では、図４に示すように熱絶縁性基板２１に設ける溝５を熱絶縁性基板２１の厚み方向に直交する面内でスパイラル状の平面形状としてあるが、上記面内における溝５の平面形状は例えば図５に示すように蛇行したつづら折れ状の形状として上記面内で引き回すようにしても、熱絶縁性基板２１の小型化を図りながらも燃料用流路３の流路長を長くすることができるとともに、触媒層４において上記燃料と接触可能な表面の面積を大き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。また、図６に示すように、熱絶縁性基板２１の厚み方向に直交する面内で溝５の両端間の中間部を複数（図示例では、６つ）に分岐するようにしてもよく、この場合には、燃料用流路３も上記面内で分岐されることになるので、触媒層４において上記燃料と接触可能な表面の面積を大き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。
【００３２】
また、燃料用流路３は第１の熱伝導性基板１１と熱絶縁性基板２１との互いの対向面の一方に溝５を設けることにより燃料用流路３を形成すればよく、例えば図７（ａ）に示すように第１の熱伝導性基板１１に溝５を設けて当該溝５の内面に触媒層４を被着しておき、第１の熱伝導性基板１１と熱絶縁性基板２１とを図７（ｂ）のように重ねて固着するようにしてもよい。ここにおいて、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場合に微細な開口幅の溝５を形成するには、誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングや、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。
【００３３】
（実施形態２）
ところで、実施形態１では、発電ユニットたる熱電モジュール１の第１の熱伝導性基板１１に熱絶縁性基板２１を固着することで燃焼器２を形成しているが、本実施形態の熱電発電装置は、図８に示すように、実施形態１と同様の熱電モジュール１を２つ備えており、第１の熱伝導性基板１１同士を重ねて固着することで燃焼器２を形成している点が相違する。すなわち、本実施形態では、図８における左側の熱電モジュール１の第１の熱伝導性基板１１に溝５を設けて当該溝５の内面に触媒層４を被着してあり、同図における右側の熱電モジュール１の第１の熱伝導性基板１１には溝５は設けていない。他の構成は実施形態１と同じである。
【００３４】
しかして、本実施形態では、実施形態１において上記第２の基板を構成していた熱絶縁性基板２１の代わりに、図８における右側の熱電モジュール１の第１の熱伝導性基板１１が固着されることになり、上記第２の基板が熱伝導性材料により形成されているから、燃焼器２を熱源として第２の基板の厚み方向の両側に設けられた２つの熱電モジュール１，１により発電することができ、発電効率の高効率化を図ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１の発明は、上記構成を採用したことにより、平板状の第１の基板と平板状の第２の基板との互いの対向面の一方に溝を設けておき第１の基板と第２の基板とを固着することにより平板形の燃焼器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を形成したものに比べて第１の基板の厚み方向における厚さ寸法および当該厚み方向に直交する面内における外形寸法を小さくすることが可能となり、発電ユニットの外形を小さくしても燃焼器の外形寸法を発電ユニットの外形寸法と揃えることができ、装置全体の小型化を図ることができるという効果がある。
【００３６】
請求項２の発明は、上記構成を採用したことにより、前記燃焼器で発生した熱を前記発電ユニットにおける前記金属膜へ効率良く伝達することができるという効果がある。
【００３７】
請求項３の発明は、上記構成を採用したことにより、前記第１の基板と前記第２の基板との熱膨張係数差を比較的小さくすることができて前記燃焼器の反りを抑制することができ、また、前記第１の基板と前記第２の基板とを陽極接合により固着することができるから、前記第１の基板と前記第２の基板とを気密性良く強固に固着することができるという効果がある。
【００３８】
請求項４の発明は、上記構成を採用したことにより、前記溝をサンドブラスト法により形成することができるので、前記溝の幅を数十μｍ程度まで狭くすることができ、しかも、前記溝の内面に多数の微細な凹凸が形成される（前記溝の内面が粗面化される）から、前記溝の内面に対する前記触媒層の密着性を向上できて、前記燃焼器の長寿命化を図ることができるという効果がある。
【００３９】
請求項５の発明は、上記構成を採用したことにより、前記燃焼器を熱源として前記第２の基板の厚み方向の両側に設けられた２つの発電ユニットにより発電することができ、発電効率の高効率化を図ることができるという効果がある。
【００４０】
請求項６の発明は、上記構成を採用したことにより、前記燃料用流路の流路長を長くすることができるとともに、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができるという効果がある。
【００４１】
請求項７の発明は、上記構成を採用したことにより、請求項６の発明と同様、前記燃料用流路の流路長を長くすることができるとともに、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができるという効果がある。
【００４２】
請求項８の発明は、上記構成を採用したことにより、請求項６の発明と同様、前記燃料用流路の流路長を長くすることができるとともに、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができるという効果がある。
【００４３】
請求項９の発明は、上記構成を採用したことにより、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができ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）は概略分解斜視図、（ｂ）は一部破断した斜視図である。
【図２】同上における燃焼器を示し、（ａ）は概略分解断面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図３】同上における燃焼器の他の構成例を示し、（ａ）は概略分解断面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図４】同上に用いる熱絶縁性基板を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は下面図である。
【図５】同上に用いる熱絶縁性基板の他の構成例を示す下面図である。
【図６】同上に用いる熱絶縁性基板の別の構成例を示す下面図である。
【図７】同上における燃焼器の別の構成例を示し、（ａ）は概略分解断面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図８】実施形態２を示す概略断面図である。
【図９】従来例を示す概略構成図である。
【図１０】他の従来例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 熱電モジュール
２ 燃焼器
３ 燃料用流路
４ 触媒層
５ 溝
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
１４ 第２の金属薄膜
１５ 貫通孔
１６ 貫通孔
１７ 流通管
１８ａ，１８ｂ 出力用電極
【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配設された燃焼器と、この燃焼器を熱源として熱電変換により発電する熱電モジュール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、携帯機器などの小型の電子機器の電源として利用可能な超小型のマイクロ電源が各所で研究開発されており、この種の電源として、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９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内に配設され燃料を燃焼させるための触媒を保持する触媒保持筒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が金属膜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つの熱電モジュール１’，１’と、各熱電モジュール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、熱電モジュール１’は、高温側の熱交換基板である熱伝導性基板１１’が燃焼器２’の筒状体５２に固着されている。
【０００４】
また、図９に示す構成よりも熱電変換効率を改善できる熱電発電装置として、図１０に示すように、燃料を燃焼させるための触媒層６３を有する燃焼器２’’において熱電モジュール１’の高温側の熱伝導性基板１１’が固着される熱伝導性材料からなる端板６１の形状を工夫することで触媒層６３の表面積を増大させた構成のものが提案されている（例えば、特許文献２）。すなわち、図１０に示す構成の熱電発電装置は、端板６１の断面形状を櫛形状とすることにより、熱電モジュール１’の高温側の熱伝導性基板１１’との対向面とは反対側の面において触媒層６３が被着される部位の表面積を増大させている。なお、端板６１は、機械加工性の良好なアルミニウムダイキャストなどで形成されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平４−８５９７３号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】
特開平９−３２９０５８号公報（第３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、携帯電話などの小型の電子機器に組み込める小型電池サイズ（単４電池や釦電池など）の電源の実現には熱源となる燃焼器の小型化が課題となっており、全体としてのサイズが数ｃｍ３程度の超小型電源を実現するためには、燃焼器を一般的なＩＣやＬＳＩのチップサイズで実現することが不可欠な技術となる。しかしながら、従来の機械加工をベースとして形成される燃焼器２’，２”の構成では、材料、加工精度、触媒の形成方法などの制約から更なる小型化の要求に適応できず、材料、加工精度、触媒の形成方法などの抜本的な見直しが必要となっている。
【０００７】
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、従来に比べて小型化が可能な熱電発電装置を提供することにある。
【０００８】
【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層が燃料用流路内に配設された燃焼器と、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薄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前記金属薄膜に伝達することで発電する発電ユニットとを備え、発電ユニットは、厚み方向の一面に前記金属薄膜が形成された熱伝導性材料からなる平板状の第１の基板を有し、燃焼器は、第１の基板の他面に重ねて固着された平板状の第２の基板を有し、第１の基板と第２の基板との互いの対向面の一方に溝を設けることにより燃料用流路が形成され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、平板状の第１の基板と平板状の第２の基板との互いの対向面の一方に溝を設けておき第１の基板と第２の基板とを固着することにより平板形の燃焼器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を形成したものに比べて第１の基板の厚み方向における厚さ寸法および当該厚み方向に直交する面内における外形寸法を小さくすることが可能となり、発電ユニットの外形を小さくしても燃焼器の外形寸法を発電ユニットの外形寸法と揃えることができ、装置全体の小型化を図ることができる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第２の基板は、熱絶縁材料により形成されて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、前記燃焼器で発生した熱を前記発電ユニットにおける前記金属膜へ効率良く伝達することができる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記第１の基板はシリコン基板であり、前記第２の基板はガラス基板であ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、前記第１の基板と前記第２の基板との熱膨張係数差を比較的小さくすることができて前記燃焼器の反りを抑制することができ、また、前記第１の基板と前記第２の基板とを陽極接合により固着することができるから、前記第１の基板と前記第２の基板とを気密性良く強固に固着することができる。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記燃焼器は、前記第２の基板に前記溝が形成され、前記溝の内面に前記触媒層が被着さ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、前記溝をサンドブラスト法により形成することができるので、前記溝の幅を数十μｍ程度まで狭くすることができ、しかも、前記溝の内面に多数の微細な凹凸が形成される（前記溝の内面が粗面化される）から、前記溝の内面に対する前記触媒層の密着性を向上できて、前記燃焼器の長寿命化を図ることができる。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記第２の基板が熱伝導性材料により形成され、前記第２の基板における前記第１の基板との対向面とは反対側の面に形成された別の金属薄膜により対となる異種導電形の２つの半導体エレメント間を繋いだ熱電素子を有する別の発電ユニットを備え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、前記燃焼器を熱源として前記第２の基板の厚み方向の両側に設けられた２つの発電ユニットにより発電することができ、発電効率の高効率化を図ることができる。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記燃料用流路は、前記第２の基板の厚み方向に直交する面内で引き回されてなることを特徴とする。この請求項６の発明の構成によれば、前記燃料用流路の流路長を長くすることができるとともに、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができる。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記燃料用流路は、前記第２の基板の厚み方向に直交する面内でスパイラル状に形成されてなることを特徴とする。この請求項７の発明の構成によれば、請求項６の発明と同様、前記燃料用流路の流路長を長くすることができるとともに、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができる。
【００１５】
請求項８の発明は、請求項６の発明において、前記燃料用流路は、前記第２の基板の厚み方向に直交する面内で蛇行していることを特徴とする。この請求項８の発明の構成によれば、請求項６の発明と同様、前記燃料用流路の流路長を長くすることができるとともに、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができる。
【００１６】
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記燃料用流路は、前記第２の基板の厚み方向に直交する面内で複数に分岐されてなることを特徴とする。この請求項９の発明の構成によれば、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態の燃焼熱電発電装置は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、燃料用流路３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）からなる触媒層４（図２（ｂ）参照）が燃料用流路３内に配設された燃焼器２と、燃焼器２を熱源として発電する熱電モジュール１とを備えている。ここに、燃料用流路３には、例えば、炭化水素（例えば、メタン、ブタンなど）や水素などの燃料ガスと空気との混合燃料が燃料として供給される。
【００１８】
熱電モジュール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と称す）１１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（図示例では、３２個）の熱電素子１３とを備えている。なお、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、熱電モジュール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、低温側の熱交換基板の冷却効率を上げるには、第２の熱伝導性基板１２における第１の熱伝導性基板１１との対向面とは反対側の面に多数の放熱フィンを有する放熱板を固着すればよく、さらに冷却用ファンなどを設ければ冷却効率をより向上できる。
【００１９】
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との対向面にパターン形成された金属材料（例えば、チタン、白金、銅など）からなる第１の金属薄膜（図示せず）を介して繋がれている。そして、熱電モジュール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（例えば、チタン、白金、銅など）からなる多数の第２の金属薄膜１４により直列接続されており、燃焼器２で発生した熱が上記第１の金属薄膜に伝達することにより発電するようになっている。なお、各半導体エレメント１３ａ，１３ｂは角柱状に形成されており、各半導体エレメント１３ａ，１３ｂの長手方向の一端部と第１の金属薄膜とは半田などにより物理的および電気的に接合してあり、同様に、各半導体エレメント１３ａ，１３ｂの長手方向の他端部と第２の金属薄膜１４とも半田などにより物理的および電気的に接合してある。
【００２０】
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形熱電半導体材料により形成されている。また、熱電モジュール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。
【００２１】
ところで、熱電モジュール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（例えば、チタン、白金、銅など）からなる一対の出力用電極１８ａ，１８ｂ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、熱電モジュール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、本実施形態では、熱電モジュール１が発電ユニットを構成している。
【００２２】
上述の燃焼器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、熱絶縁性基板２１における第１の熱伝導性基板１１との対向面には、燃料用流路３を形成するための溝５（図２（ａ）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とを固着することによって、燃料用流路３が形成されている。また、燃焼器２は、溝５の内面の全体に亘って触媒層４が被着されており（触媒層４は、溝５の内底面と内側面とに跨って被着されている）、燃料用流路３内に触媒層４が配設されることになる。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溝５の平面形状がスパイラル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３の平面形状もスパイラル状に形成されている。なお、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。また、本実施形態では、第１の熱伝導性基板１１が第１の基板を構成し、熱絶縁性基板２１が第２の基板を構成している。
【００２３】
ここにおいて、本実施形態では、上述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ので、溝５をサンドブラスト法によって形成してある。しかして、溝５として開口幅が数十μｍの比較的微細なパターンを加工でき、さらに加工面に上記開口幅に比べて十分に微細な凹凸が形成される（つまり、溝５の内面が粗面化される）ので、溝５の内面に対する触媒層２４の密着性を向上できる。また、熱絶縁性基板２１としてガラス基板を用い、第１の熱伝導性基板１１としてシリコン基板を用いているので、図２（ａ）に示すように溝５および触媒層４を形成した熱絶縁性基板２１と第１の熱伝導性基板１１とを図２（ｂ）に示すように厚み方向を一致させて重ね合わせて陽極接合により固着することができ、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としてガラス基板を用い、第１の熱伝導性基板１１としてシリコン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比較的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）。
【００２４】
ところで、熱電モジュール１は、第１の熱伝導性基板１１において燃料用流路３の両端近傍に、燃料用流路３と連通する貫通孔１６が厚み方向に貫設されており、また、第２の熱伝導性基板１２には厚み方向において貫通孔１６に重なる部位に貫通孔１５が形成されている。さらに、第１の熱伝導性基板１１と第２の熱伝導性基板１２との間には、第１の熱伝導性基板１１の厚み方向において重なる貫通孔１６，１５とともに上記燃料の流路を形成する２つの円筒状の流通管１７が挟まれている。ここに、流通管１７はガラス製であって、第１の熱伝導性基板１１の厚み方向に軸方向が一致する形で配設され上記軸方向の一端部が第１の熱伝導性基板１１における貫通孔１６の周部に接合され他端部が第２の熱伝導性基板１２における貫通孔１５の周部に接合されている。
【００２５】
したがって、本実施形態の熱電発電装置では、図１（ｂ）における左下の貫通孔１５−図１（ｂ）における左側の流通管１７−図１（ｂ）における左上の貫通孔１６−スパイラル状の燃料用流路３−図１（ｂ）における右上の貫通孔１６−図１（ｂ）における右下の貫通孔１５の流路が形成されることになり、上記燃料が左下の貫通孔１５と右下の貫通孔１５とのいずれか一方から導入され、上記燃料の燃焼により生じた排ガス（二酸化炭素）が他方の貫通孔１５から排出される。なお、本実施形態では、流通管１７の材料としてガラスを採用しているが、流通管１７の材料はガラスに限定するものではなく、断熱性および耐熱性を有するプラスチックなどを採用してもよい。
【００２６】
ところで、本実施形態では、各熱伝導性基板１１，１２としてそれぞれシリコン基板を採用しているので、貫通孔１５，１６を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形成することができる。なお、貫通孔１５，１６は、例えば、誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用いて各熱伝導性基板１１，１２に適宜エッチング用のマスクを形成してから貫通孔１６，１５の形成予定領域をエッチングすることによって形成すればよい。
【００２７】
以上説明した本実施形態の熱電発電装置では、燃料用流路３に上記燃料が供給されると、上記燃料が触媒層４の表面に接触して燃焼し、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に形成されている上記第１の金属薄膜に伝達されるので、熱電モジュール１が発電することになる。
【００２８】
しかして、本実施形態の熱電発電装置では、燃焼器２が熱電モジュール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３が形成されているので、溝５および触媒層４を形成した熱絶縁性基板２１と第２の熱伝導性基板１２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’，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の厚さ寸法および当該厚み方向に直交する面内における外形寸法を小さくすることが可能となり、発電ユニットたる熱電モジュール１の外形（平面サイズ）を小さくしても燃焼器２の外形寸法を熱電モジュール１の外形寸法と揃えることができ、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２の熱伝導性基板１２に固着する上記第２の基板（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、上記燃料の燃焼により発生した熱は主に第２の熱伝導性基板１２へ伝達することになり、上記燃料の燃焼により発生した熱を熱電モジュール１における上記第１の金属薄膜へ効率良く伝達することができる。
【００２９】
また、本実施形態では、熱絶縁性基板２１の厚み方向に直交する面内における燃料用流路３の平面形状がスパイラル状であって、上記面内で引き回されいるので、熱絶縁性基板２１の小型化を図りながらも燃料用流路３の流路長を長くすることができるとともに、触媒層４において上記燃料と接触可能な表面の面積を大き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３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）。
【００３０】
ところで、本実施形態では、熱絶縁性基板２１に形成した溝５の内面に触媒層４を被着してあるが、図３（ａ）に示すように第１の熱伝導性基板１１において溝５に対応する部位に触媒層４を被着しておき、図３（ｂ）に示すように第１の熱伝導性基板１１と熱絶縁性基板２１とを固着するようにしてもよい。図３（ｂ）の構成を採用する場合には、微細な溝５の内面に触媒層４を被着する場合に比べて触媒層４の厚みの均一性を高めることができるとともに、触媒層４の微細加工によるパターニングが容易になる。
【００３１】
また、本実施形態では、図４に示すように熱絶縁性基板２１に設ける溝５を熱絶縁性基板２１の厚み方向に直交する面内でスパイラル状の平面形状としてあるが、上記面内における溝５の平面形状は例えば図５に示すように蛇行したつづら折れ状の形状として上記面内で引き回すようにしても、熱絶縁性基板２１の小型化を図りながらも燃料用流路３の流路長を長くすることができるとともに、触媒層４において上記燃料と接触可能な表面の面積を大き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。また、図６に示すように、熱絶縁性基板２１の厚み方向に直交する面内で溝５の両端間の中間部を複数（図示例では、６つ）に分岐するようにしてもよく、この場合には、燃料用流路３も上記面内で分岐されることになるので、触媒層４において上記燃料と接触可能な表面の面積を大き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。
【００３２】
また、燃料用流路３は第１の熱伝導性基板１１と熱絶縁性基板２１との互いの対向面の一方に溝５を設けることにより燃料用流路３を形成すればよく、例えば図７（ａ）に示すように第１の熱伝導性基板１１に溝５を設けて当該溝５の内面に触媒層４を被着しておき、第１の熱伝導性基板１１と熱絶縁性基板２１とを図７（ｂ）のように重ねて固着するようにしてもよい。ここにおいて、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場合に微細な開口幅の溝５を形成するには、誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングや、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。
【００３３】
（実施形態２）
ところで、実施形態１では、発電ユニットたる熱電モジュール１の第１の熱伝導性基板１１に熱絶縁性基板２１を固着することで燃焼器２を形成しているが、本実施形態の熱電発電装置は、図８に示すように、実施形態１と同様の熱電モジュール１を２つ備えており、第１の熱伝導性基板１１同士を重ねて固着することで燃焼器２を形成している点が相違する。すなわち、本実施形態では、図８における左側の熱電モジュール１の第１の熱伝導性基板１１に溝５を設けて当該溝５の内面に触媒層４を被着してあり、同図における右側の熱電モジュール１の第１の熱伝導性基板１１には溝５は設けていない。他の構成は実施形態１と同じである。
【００３４】
しかして、本実施形態では、実施形態１において上記第２の基板を構成していた熱絶縁性基板２１の代わりに、図８における右側の熱電モジュール１の第１の熱伝導性基板１１が固着されることになり、上記第２の基板が熱伝導性材料により形成されているから、燃焼器２を熱源として第２の基板の厚み方向の両側に設けられた２つの熱電モジュール１，１により発電することができ、発電効率の高効率化を図ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１の発明は、上記構成を採用したことにより、平板状の第１の基板と平板状の第２の基板との互いの対向面の一方に溝を設けておき第１の基板と第２の基板とを固着することにより平板形の燃焼器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を形成したものに比べて第１の基板の厚み方向における厚さ寸法および当該厚み方向に直交する面内における外形寸法を小さくすることが可能となり、発電ユニットの外形を小さくしても燃焼器の外形寸法を発電ユニットの外形寸法と揃えることができ、装置全体の小型化を図ることができるという効果がある。
【００３６】
請求項２の発明は、上記構成を採用したことにより、前記燃焼器で発生した熱を前記発電ユニットにおける前記金属膜へ効率良く伝達することができるという効果がある。
【００３７】
請求項３の発明は、上記構成を採用したことにより、前記第１の基板と前記第２の基板との熱膨張係数差を比較的小さくすることができて前記燃焼器の反りを抑制することができ、また、前記第１の基板と前記第２の基板とを陽極接合により固着することができるから、前記第１の基板と前記第２の基板とを気密性良く強固に固着することができるという効果がある。
【００３８】
請求項４の発明は、上記構成を採用したことにより、前記溝をサンドブラスト法により形成することができるので、前記溝の幅を数十μｍ程度まで狭くすることができ、しかも、前記溝の内面に多数の微細な凹凸が形成される（前記溝の内面が粗面化される）から、前記溝の内面に対する前記触媒層の密着性を向上できて、前記燃焼器の長寿命化を図ることができるという効果がある。
【００３９】
請求項５の発明は、上記構成を採用したことにより、前記燃焼器を熱源として前記第２の基板の厚み方向の両側に設けられた２つの発電ユニットにより発電することができ、発電効率の高効率化を図ることができるという効果がある。
【００４０】
請求項６の発明は、上記構成を採用したことにより、前記燃料用流路の流路長を長くすることができるとともに、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができるという効果がある。
【００４１】
請求項７の発明は、上記構成を採用したことにより、請求項６の発明と同様、前記燃料用流路の流路長を長くすることができるとともに、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができるという効果がある。
【００４２】
請求項８の発明は、上記構成を採用したことにより、請求項６の発明と同様、前記燃料用流路の流路長を長くすることができるとともに、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができるという効果がある。
【００４３】
請求項９の発明は、上記構成を採用したことにより、前記触媒層において燃料と接触可能な表面の面積を大きくすることができるから、前記燃料器での燃焼効率を高めることができ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）は概略分解斜視図、（ｂ）は一部破断した斜視図である。
【図２】同上における燃焼器を示し、（ａ）は概略分解断面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図３】同上における燃焼器の他の構成例を示し、（ａ）は概略分解断面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図４】同上に用いる熱絶縁性基板を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は下面図である。
【図５】同上に用いる熱絶縁性基板の他の構成例を示す下面図である。
【図６】同上に用いる熱絶縁性基板の別の構成例を示す下面図である。
【図７】同上における燃焼器の別の構成例を示し、（ａ）は概略分解断面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図８】実施形態２を示す概略断面図である。
【図９】従来例を示す概略構成図である。
【図１０】他の従来例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 熱電モジュール
２ 燃焼器
３ 燃料用流路
４ 触媒層
５ 溝
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
１４ 第２の金属薄膜
１５ 貫通孔
１６ 貫通孔
１７ 流通管
１８ａ，１８ｂ 出力用電極
Claims (9)
- 燃料用流路を通過する燃料を燃焼させるための触媒層が燃料用流路内に配設された燃焼器と、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薄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前記金属薄膜に伝達することで発電する発電ユニットとを備え、発電ユニットは、厚み方向の一面に前記金属薄膜が形成された熱伝導性材料からなる平板状の第１の基板を有し、燃焼器は、第１の基板の他面に重ねて固着された平板状の第２の基板を有し、第１の基板と第２の基板との互いの対向面の一方に溝を設けることにより燃料用流路が形成されてなることを特徴とする熱電発電装置。
- 前記第２の基板は、熱絶縁材料により形成されてなることを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
- 前記第１の基板はシリコン基板であり、前記第２の基板はガラス基板であることを特徴とする請求項２記載の熱電発電装置。
- 前記燃焼器は、前記第２の基板に前記溝が形成され、前記溝の内面に前記触媒層が被着されてなることを特徴とする請求項３記載の熱電発電装置。
- 前記第２の基板が熱伝導性材料により形成され、前記第２の基板における前記第１の基板との対向面とは反対側の面に形成された別の金属薄膜により対となる異種導電形の２つの半導体エレメント間を繋いだ熱電素子を有する別の発電ユニットを備えることを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
- 前記燃料用流路は、前記第２の基板の厚み方向に直交する面内で引き回されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の熱電発電装置。
- 前記燃料用流路は、前記第２の基板の厚み方向に直交する面内でスパイラル状に形成されてなることを特徴とする請求項６記載の熱電発電装置。
- 前記燃料用流路は、前記第２の基板の厚み方向に直交する面内で蛇行していることを特徴とする請求項６記載の熱電発電装置。
- 前記燃料用流路は、前記第２の基板の厚み方向に直交する面内で複数に分岐されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の熱電発電装置。
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