KR20040104382A - 반응장치와 그 제조방법, 개질장치, 전원공급시스템 - Google Patents

반응장치와 그 제조방법, 개질장치, 전원공급시스템 Download PDF

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KR20040104382A
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Abstract

본 발명은 열을 유효하게 이용하여 반응을 행할 수가 있고, 소형화나 박형화에 적합한 반응장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
그 해결수단으로서, 반응장치(6)에 있어서 서로 근접하여 병행되게 연장되는 유로(4a, 4b)를 기판 위에 형성한다. 그리고, 양 유로 사이에 열교환부(8)를 설치하고, 유로 사이에서 열전달을 행함으로써 고효율의 열교환을 실현한다. 또한, 반응장치(6)의 제조방법에 있어서, 쌍을 이루는 유로(4a, 4b)와 열교환부(8)를 각각 다른 기판(7, 15)에 형성하고 나서 양 기판을 접합함으로써, 구성의 간단화나 제조 공정수의 저감을 가능하게 한다.

Description

반응장치와 그 제조방법, 개질장치, 전원공급시스템{REACTOR DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, REFORMER, AND POWER SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 미세 가공 기술을 이용하여 제조되는 반응장치나, 그 반응장치를 이용한 개질장치 및 전원공급시스템에 있어서, 열원으로부터의 열을 유효하게 이용하여 반응을 행하기 위한 기술에 관한 것이다.
연료 전지는 2차 전지 등에 비해서 장수명인 점이나, 에너지 밀도가 높다는점 등의 이유로부터, 휴대형 전자기기 등으로의 이용이 기대되고 있다. 소형의 연료 전지로서는, 수소를 수소흡장재료 등에 저장하여 연료로 하는 방식이나, 메탄올 용액을 연료로서 이용하여, 셀에서 직접 반응시켜 출력을 얻는 다이렉트 메탄올 방식 등이 널리 채용되고 있다. 또, 근래에는 메탄올 등의 탄화수소계 연료를 개질기 (改質器)에 통과시켜 수소를 생성하고, 이를 셀에서 산소와 반응시킴으로써 전기에너지를 얻는, 개질형의 소형 연료 전지의 검토도 행해지고 있다.
그런데, 반도체 프로세스 등을 응용하여 실리콘 웨이퍼 위에 「마이크로ㆍ리액터」라 불리우는 화학반응용 장치를 형성하고 촉매를 이용한 화학반응에 의해, 높은 변환 효율로써 수소를 생성하는 것이 가능하고, 개질기의 소형화에 적합하다.
이와 같은 개질기로서는, 예를 들면 외팔보(cantilever) 구조를 한 튜브형의 반응장치가 알려져 있다(특허문헌1 참조). 이 반응장치에서는 얇은 질화실리콘의 튜브를 이용하여, 2개의 분리된 U자 형상의 유로가 형성되고 있고, 그들 단부(자유단의 부분)가 실리콘으로 덮인 반응 존(zone)으로 되며, 튜브 사이에는 열교환용의 다수의 실리콘 슬래브(Slab)가 걸쳐진 구성을 하고 있다.
특허문헌 1: 국제공개 제 03/013729호 팜플릿
그러나, 종래의 장치에 있어서는 각 유로를 연결하는 열교환부의 온도 분포나 데이터베이스의 구조에 관하여 하기에 나타내는 바와 같은 문제가 있다.
예를 들면, 반응부 내에 있어서 균등한 온도 분포가 얻어지지 않으면 열효율의 저하를 초래할 우려가 있기 때문에, 온도가 높은 장소나 온도가 낮은 장소 등이국부적으로 생기지 않도록 할 필요가 있고, 이에 수반하여 예를 들면, 열교환부의 구조가 복잡화되거나 구성 부품수나 제조 공정수가 증가한다. 따라서, 소형화나 박형화, 효율의 향상에 지장을 가져오고, 제조 공정수의 증가 등이 코스트의 저감을 막는 원인이 된다.
또한, 반응부에 있어서의 불균일한 온도 분포는 부(副)반응을 유발한다고 하는 바람직하지 못한 경우를 초래할 우려가 있어, 반응의 고효율화를 방해하는 원인이 된다.
더욱이, 연소용 연료의 폐열(廢熱)이 유효하게 개질용 연료의 가열에 이용되지 않으면, 유체의 유출(배기)에 수반되는 열의 손실이 커져, 장치로서의 효율을 저하시키는 원인이 된다.
거기서, 본 발명은 열을 유효하게 이용하여 반응을 행할 수가 있고, 소형화나 박형화에 적합한 반응장치의 제공을 과제로 한다.
도 1은, 본 발명에 관련된 전원공급시스템에 대하여 기본 구성을 도시하는 도면.
도 2는, 본 발명에 관련된 개질장치의 기본 구성예를 도시하는 개념도.
도 3은, 도 4 및 도 5와 함께 반응장치의 구조예를 도시하는 도면이고, 본 도면은 촉매 담체 및 열교환 수단이 형성된 기판을 도시하는 도면.
도 4는, 유로를 구성하는 홈이 형성된 기판을 도시하는 도면.
도 5는, 기판 접합 후의 단면 구조를 도시하는 설명도.
도 6은, 단열용 공간의 내벽에 반사막을 형성한 예를 도시하는 도면.
도 7은, 4장의 기판을 이용한 반응장치의 구성예를 도시하는 사시도.
도 8은, 제2기판에 대하여 제조 공정을 예시한 설명도.
도 9는, 제3기판에 대하여 제조 공정을 예시한 설명도.
도 10은, 4장의 기판의 결합에 대하여 제조 공정을 예시한 설명도.
도 11은 제3기판에 대하여 제조 공정의 다른 예를 도시한 설명도.
도 12는 4장의 기판의 결합에 대하여 제조 공정의 다른 예를 도시한 설명도.
도 13은 본 발명에 관련된 각종 구성 형태를 예시한 설명도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 전원공급시스템 2 : 개질장치
3 : 발전장치 4a, 4b: 유로
4a: 가열용 유로 4b: 반응용 유로
5 : 열교환수단 6 : 반응장치
7, 15 : 기판 7, 7A: 제2기판
7a: 오목부 8 : 열교환부
9 : 온도제어용 소자 10 : 온도검출용 소자
14a, 14b: 촉매 담체 15, 15A: 제3기판
15a, 15b: 홈 18 : 오목부
20 : 발열수단 21: 구조체
22: 제1기판 23, 25 : 단열용 공간
26 : 반사막
본 발명에 관련된 반응장치, 개질장치, 전원공급시스템은 쌍을 이루는 유로가 서로 근접하여 병행되게 연장되는 배치로써 기판 위에 형성됨과 동시에, 양 유로 사이에서 열교환을 행하는 열교환수단을 구비한 것이다.
따라서, 이들 발명에 의하면 쌍을 이루는 유로를 접근시킨 상태에서 병행되게 연장되는 배치를 채용하고, 소정 영역(예를 들면, 단열용 공간 내의 한정 영역)에서 열교환수단을 거쳐 유로 사이에서 열전달을 행함으로써, 열교환의 고효율화나 반응부에 있어서의 온도 분포의 균일화를 실현할 수 있다. 또한, 유로끼리를 단지열적으로 접촉시킨 구조에 비해, 열교환수단의 개재에 의해 열적인 접촉 면적을 충분히 확보하는 것이 가능하고, 게다가 열교환수단에 대하여 구조의 복잡화 등을 수반하는 일이 없다.
또한, 본 발명에 관련된 반응장치의 제조방법은, 서로 근접하여 병행되게 배치되는 쌍을 이루는 유로를 기판 위에 형성하는 공정 및 양 유로 사이에서 열교환을 행하기 위한 열교환수단을 다른 기판에 형성하는 공정과, 양 기판을 접합하는 공정을 가진다.
따라서, 이 발명에 의하면 유로와 열교환수단을 각기 다른 기판에 형성하여 양 기판을 접합함으로써 구성의 간단화 및 제조 공정수의 저감이 가능하다.
(실시예)
본 발명은, 유로 내의 유체를 화학적으로 반응시키는 수단을 구비한 반응장치나, 이를 이용한 개질장치(예를 들면, 연료로부터 수소 등을 개질하여 취출하는 장치), 혹은 개질된 물질을 다른 물질과 반응시킴으로써 발전(發電)시키는 전원공급시스템(예를 들면, 수소와 산소를 반응시켜 전기를 얻는 연료전지시스템 등)에 관한 것이고, 소형화나 박형화에 적합한 고온 반응장치 등으로의 적용이 가능하다. 또, 여기서 「전원공급시스템」에는 연료 전지를 이용한 전원 장치나 그 전원장치를 이용하여 구동되는 전자기기, 예를 들면 정보처리장치, 영상기기, 촬상기기, 이동통신 단말장치 등이나 로봇 등이 포함된다.
도 1은 본 발명에 관련된 전원공급시스템의 기본 구성예를 도시하는 도면이다.
전원공급시스템(1)은 개질장치(개질기)(2)와 발전장치(3)를 구비하고 있다.
개질장치(2)는 연소부(2a)와 개질부(2b)를 가지며, 연료 및 공기가 연소부 (2a)를 통과한 후에 배기된다. 또한, 연료나 물이 개질부(2b)로 공급되어 연료가 개질(수증기 개질 등)된다.
또, 연료에는 예를 들면 메탄올이나 에탄올 등의 알코올계 재료나, 천연가스, 프로판, 나프타, 등유, 부탄 등의 탄화수소를 포함하는 재료, 암모니아나 케미컬하이드라이드(NaAlH4, NaBH4등)와 같은 분해에 의해 수소가 얻어지는 재료를 들 수 있다.
개질장치(2)는 쌍을 이루는 유로(한 쌍 또는 복수 쌍)를 가지고 있으며, 임의의 유로가 연료의 가열용 유로로 되어 연소부(2a)를 구성하고, 다른 유로가 반응용 유로로 되어 개질부(2b)를 구성하고 있다. 그리고, 반응용 유로를 거쳐 연료가 개질되고 나서 발전장치(3)로 공급된다.
발전장치(3)는 반응용 유로를 통하여 개질된 유체를 다른 재료와 반응시켜 전기를 발생시키는 것이고, 예를 들면 개질부(2b)의 반응용 유로에 설치된 촉매 담체 위의 촉매에 의해 개질된 수소와, 공기 중의 산소를 반응시켜 전기에너지를 취출하여 전력 공급 대상으로 공급한다. 또, 개질장치(2)와 발전장치(3)의 사이에는, 필요에 따라 일산화탄소 제거장치나 수소분리장치 등의 중간처리장치를 설치할 수 있다.
도 2는 개질장치(2)의 기본 구성예를 도시하는 개념도이다.
쌍을 이루는 유로(4a, 4b)에 대해서는 서로 근접하여 병행되게 연장되는 배치로써 기판 위에 형성되어 있다. 예를 들면, 유로(4a)가 가열용 유로로 되고, 유로(4b)가 반응용 유로로 되어 있으며 화살표를 붙여 나타낸 바와 같이, 각 유로에 있어서의 유체 흐름의 방향이 서로 반대이다.
유로(4a, 4b)의 사이에서 열교환을 행하는 열교환수단(혹은 열교환기)(5)은, 열을 가열용 유로로부터 반응용 유로로 효율좋게 전달시키는 역할을 하고, 유로를 따르도록 배치되어 있다. 예를 들면, 가열용 유로에는 열원 또는 발열수단이 설치되어 있고, 그 발생열이 열교환수단(5)을 거쳐 반응용 유로로 전달됨과 동시에, 반응용 유로에 설치된 촉매 담체 위의 촉매에 의해 개질이 행해지도록 구성된다.
또, 본 예에서는 각 유로가 기판 위에 곡로(曲路)로서 형성되어 있다{사행(蛇行)하고 있다}, 그러나, 이것은 열교환을 충분히 행하기 위하여 유로 길이를 증가시키고, 게다가 소형화하는데 유리하다. 또한, 쌍을 이루는 유로가 한 쌍으로 한정되는 것은 아니기 때문에, 복수 쌍의 유로를 기판 위에 형성한 형태로 실시할 수 있음은 물론이다.
상기 유로(4a, 4b)나 열교환수단(5)의 형성법에 대해서는, 반도체 제조 프로세스 등을 이용한, 소위 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 기술을 이용하는 것이 디바이스의 소형화나 박형화를 실현하는데 있어서 바람직하다(전자 디바이스 기술 및 마이크로 머신 기술의 발달은, 컴팩트한 디바이스의 작성을 가능하게 하고 있다). 예를 들면, 유로(4a, 4b)를 구성하는 홈을 기판에 드라이에칭으로 형성하거나, 열교환수단(5)으로서 열전도성 재료로 형성된 열교환부를 기판에 형성한 구조나, 각종의 히트파이프(heat pipe) 구조를 이용한 형태 등을 들 수 있다.
도 3 내지 도 5는, 개질장치(2)를 구성하는 반응장치(6)의 구조예에 대하여 개략적으로 도시한 것이다(기판 두께 등을 과장해서 도시하고 있다). 또, 도 3은 촉매 담체와 열교환수단이 형성된 기판을 도시하고, 도 4는 유로를 구성하는 홈이 형성된 기판을 도시하고 있으며, 도 5는 이들 기판을 접합한 후의 단면 구조를 도시하고 있다.
도 3에 있어서, 왼쪽 위에는 기판(7)을 그 표면에 직교하는 방향에서 본 경우의 평면도를 도시하고, 그 오른쪽에는 A-A선을 따라 절단한 단면도를 도시한다. 또한, 평면도의 하부에는 기판(7)의 배면(이면)에서 본 도면을 도시한다.
기판(7)(실리콘 기판 등)에 있어서, 한쪽 면(표면)에는 오목부(7a)가 형성되어 있고, 본 예에서는 직사각형 형상으로 개구되어 있다. 그리고, 오목부(7a)에는 열전도율이 높은 재료로 형성된 열교환부(8)가 형성되어 있다. 또, 열교환부(8)에는 예를 들면 직사각형 형상을 한 균열판(均熱板)이 이용되고, 후술하는 바와 같이 실리콘 기판에 붕소 확산층(p++층)을 형성하고, 그 주위의 실리콘을 제거하여 오목부(7a)가 형성된다.
기판(7) 중, 열교환부(8)가 형성된 쪽과는 반대측의 면(이면)에는 온도제어용 소자(9)나 온도검출용 소자(10), 배선 패턴(11), 접속 단자부(12) 등이 형성된다.
온도제어용 소자(9)로서는 히터(9a)가 사용되고, 예를 들면 고(高)저항재료를 이용한 저항 발열체가 사용된다. 이 히터는 예를 들면 장치의 기동 시에 연료를 연소시키기 위해 통전(通電)된다. 또한, 온도검출용 소자(10)는 저항체의 온도 특성을 이용하여 온도 검출을 행하는 것(온도 센서)이고, 본 예에서는 반응용 유로에 설치되어 있다. 그리고, 배선 패턴(11, 11, …)은 히터로의 급전(給電)이나, 센서 출력의 취득을 위해, 이들과 접속 단자부(12, 12, …)를 연결하고 있고, 도시하지 않은 외부 회로(제어 회로)에 접속된다. 또, A-A 단면도에 도시하는 바와 같이, 이들 소자나 배선 패턴 등에 대해서는, 실리콘 산화막(5∼10㎛ 정도) 등의 박막(13) 상에 형성되어 있고, 그 외표면에 촉매 담체(14a, 14b)가 더 형성되어 있다.
촉매 담체(14a, 14b)는 촉매(8∼10족의 금속, 예를 들면 니켈, 코발트나 그것들을 베이스로 한 합금 등, 연료에 따라 임의로 선택할 수가 있다)를 다공질 알루미나 등에 담지시킨 것이고, 히터(9A)의 표면에는 연소용 촉매를 담지한 촉매 담체(14a)가 설치되어 있다. 또한, 온도검출용 소자(10)를 포함하는 영역 부분의 표면에는 반응용 촉매를 담지한 촉매 담체(14b)가 설치되어 있다.
도 4는 그 왼쪽 위에 기판(15)을 그 표면에 직교하는 방향에서 본 경우의 평면도를 도시하고, 그 우측에는 B-B선을 따라 절단한 단면도를 도시한다. 또한, 평면도의 아래쪽에는 기판(15)의 배면(이면)에서 본 도면을 도시한다.
기판(15)(실리콘 기판 등)에 있어서, 그 한쪽 면(표면)에는 쌍을 이루는 2개의 평행한 홈(15a, 15b)이 형성되어 있고, 이것들은 상기한 유로(4a, 4b)를 각각 구성하고 있다. 예를 들면, 홈(15a)이 가열용 유로를 구성하고, 그 양단 쪽으로 치우친 위치에는 연료의 공급구멍(16i) 및 배출구멍(16o)이 각각 형성되어 있어서, 공급구멍(16i)으로부터 유로로 들어간 연료가 도면의 오른쪽 방향의 화살표로 도시하는 바와 같이 유로를 흘러 연소되고 나서, 배출구멍(16o)을 통하여 유로 밖으로배출된다. 또한, 홈(15b)이 반응용 유로를 구성하고, 그 양단 쪽으로 치우친 위치에는 개질 대상이 되는 재료(연료)의 공급구멍(17i) 및 배출구멍(17o)이 형성되어 있어서, 공급 구멍(17i)으로부터 유로로 들어간 연료가 도면의 왼쪽 방향의 화살표로 나타내는 바와 같이 유로를 흐르고 나서, 개질 후의 가스가 배출구멍(17o)으로부터 유로 밖으로 배출된다.
기판(15) 중, 홈(15a, 15b)이 형성된 면과는 반대측의 면(이면)에는 직사각형 형상으로 개구된 오목부(캐비티)(18)가 형성되어 있다(예를 들면, 실리콘 기판을 에칭으로 부분적으로 제거하는 등).
또, 본 예에서는 이해하기 쉽도록 2개의 유로를 구성하는 홈(15a, 15b)이 기판 위에서 평행하게 늘어난 배치로 되어 있다. 또한, 이들 홈이 형성된 부분은 실리콘 산화막(5-10㎛ 정도) 등의 박막(19)으로 형성되어 있다.
기판(7)과 기판(15)을 접합시킨 후에는, 도 5에 도시하는 바와 같이 연소용 유로(연소로)로서의 유로(4a)와 개질용 유로(개질로)로서의 유로(4b)가 형성되고, 양자가 열교환부(8)을 개재하여 열적으로 접속된 상태로 된다.
가열용 유로(4a) 내에는 상기 히터(9a) 및 촉매 담체(14a)를 포함하는 발열수단(2O)이 위치되고, 본 유로에 공급되는 연료의 연소가 이 발열수단에 의해 행해진다. 그 발생열이 가열용 유로(4a)로부터 열교환부(8)을 거쳐 반응용 유로(4b)로 전달된다.
그리고, 반응용 유로(4b) 내에는 상기 촉매 담체(14b)가 배치되고, 열교환부 (8)로부터의 열을 받아 고온 환경에서 반응이 진행되어, 연료 개질이 행해진다.
각 유로(4a, 4b) 및 열교환부(8)를 포함하는 구조체(21)(도 5의 파선원 내를 참조)에 대해서는, 이것을 단열용 공간 내에 수용된 구성으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 기판(7)의 오목부(7a)를 커버 유리 등의 봉지(封止)용 기판(22)으로 덮는 것으로 공간(23)을 형성하고, 또한 기판(15)의 오목부(18)를 커버 유리 등의 봉지용 기판(24)으로 덮는 것으로 공간(25)을 형성한다. 이것에 의해, 열교환수단이나 유로로부터 기판의 외부로 빠져나가는 열을 억제할 수가 있다. 또, 이들 단열용 공간(23, 25)은 감압 상태로 하거나 또는 열전도율이 작은 기체를 충전하는 것이, 구성의 복잡화를 수반하지 않고 단열 효과를 높이는데 있어서 바람직하다.
또한, 도 6에 도시하는 바와 같이 단열용 공간을 획성(畵成)하는 벽면에, 알루미늄 등으로 반사막(적외선 반사막 등)(26)을 형성함으로써, 복사열이 외부로 방사되지 않도록 방지하는 것이 효과적이다.
상기 구조체(21)의 지지에 대해서는, 단열용 공간(23, 25) 사이에 위치하는 지지부에 의해 이루어지고, 본 예에서는 박막(13, 19)으로 구성되어 있다.
이와 같이, 미세 가공 기술을 이용하여 미소한 구조를 실현하는 것이 가능하고, 장치 사이즈의 소형화나 박형화의 요청에 부응하여 열교환의 효율화를 실현하고자 하는 경우에 유효하다.
도 7은, 상기 유로나 열교환수단이 형성된 복수의 기판을 접합한 구성의 반응장치(6)에 대하여 예시한 것이고, 4장의 기판을 이용한 구성예를 도시한다.
제1기판(22)의 재질에 대해서는 특별히 제한하지는 않지만, 제2기판(7)과의 접합성이 좋은 재료가 바람직하고, 선팽창 계수나 열전도율 등을 고려하여 선정된다. 예를 들면, 제2기판에 실리콘을 이용한 경우, 실리콘, 세라믹스, 유리 또는 폴리이미드, 폴리4불화에틸렌, PDMS(polydimethylsiloxane) 등의 합성수지가 이용된다. 제1기판(22)은 후술하는 제2기판(7)에 접합되지만, 접합 방법에는 양극(陽極) 접합이나 접착제로서 수지 재료를 이용한 접착 접합, 열 압착 등의 압착 접합, 레이저 용접 등의 용접 접합 등을 들 수가 있다.
제2기판(7)에는 예를 들면 실리콘 등이 사용되지만, 이에 한정되지 않고 세라믹스나 수지재료 등을 이용할 수가 있다.
제2기판(7)의 한쪽 면(표면)에는 상기 단열용 공간(23)을 형성하기 위한 오목부(7a)를 형성하고, 그 저면(底面)을 박막으로 하여 남겨 둔다. 오목부(7a)의 가공 방법으로서는, 예를 들면 RIE(드라이 에칭), 웨트 에칭, UV(자외)광 에칭, 레이저 에칭, 프로톤 광 에칭, 전자선 묘화(描畵) 에칭, 마이크로 몰딩 등을 들 수 있지만, 플라즈마 에칭이나 용액을 사용한 이방성 에칭 등이 매우 적합하다. 또한, 오목부(7a)의 저면을 그렇게 얇게 할 필요가 없는 경우에는, 분사기(sandblast) 등의 기계적인 가공 방법을 이용하는 것도 가능하다.
오목부(7a)의 저면에는 열교환기의 역할을 수행하는 부분으로서 균열판(均熱板)(27)을 형성하지만, 이에는 열전도율이 높은 재료를 이용할 필요가 있다. 예를 들면, 실리콘 기판을 이용하는 경우에 있어서 붕소 등의 불순물 이온을 확산시키는 것으로 부분적으로 열전도율을 높이는 방법이 바람직하다. 혹은, 열전도율이 높은 금속재료(Cu, Al, Ni, Au, Ag, Pt 등)을 이용하여 금속막을 저면에 형성하거나, 혹은 금속판이나 금속박을 접착하는 등의 방법을 들 수 있다.
균열판(27)이 오목부(7a) 내에 형성된 제2기판(7)에 대하여, 제1기판(22)을 접합하고 이 제1기판(22)에 의해 오목부(7a)를 덮는 것으로 단열용 공간이 형성되지만, 양자를 접합하는 경우에는 진공 중(감압 상태) 또는 열전도율이 작은 기체 중에서의 양극 접합이 매우 적합하다. 양극 접합은 반도체 웨이퍼끼리, 혹은 유리와 반도체 웨이퍼를 접합하는 경우에 이용되고, 예를 들면 유리 기판과 실리콘 기판의 면(경사면)끼리를 서로 맞대고, 실리콘 기판 측에 부(負)전압(-500V 정도)을 인가하고, 유리 기판 측을 접지(GND)하여 소정의 온도(400 내지 450℃) 하에서 수분 간에 걸쳐서 가열한다. 사용하는 유리 재료에 대해서는, 파이렉스 유리(상표) 등의 알칼리 유리를 이용하거나, 혹은 제조의 사정 상, 무(無)알칼리 유리를 이용할 필요가 있는 경우에는 나트륨 등의 알칼리 금속을 접합 부분의 표면에 미리 증착한 재료를 사용한다.
제2기판(7)의 이면{오목부(7a)의 반대측}에는 히터나 센서(도시하지 않음)나 배선 패턴(11), 외부 접속용 단자부(12) 등을 형성하고 나서, 촉매 담지용의 촉매 담체(14a, 14b)를 더 형성한다. 촉매 표면을 충분히 확보하기 위해 다공질층을 형성한다{예를 들면, 세라믹스의 소결체(燒結體) 등이 매우 적합하다}. 제2기판(7)은 후술하는 제3기판(15)에 접합되고, 이 상태에서 촉매 담체(14a, 14b)가 각 유로 내에 각각 위치되게 되지만, 기판 접합 전에 다공질층을 형성함으로써, 유로에 대하여 임의의 장소에 촉매를 담지할 수가 있다.
제3기판(15)은 상기한 각 유로를 구성하는 홈이 형성된 유로 형성용 기판이고, 예를 들면 실리콘 등이 사용되지만, 이에 한정되지 않고 세라믹스나 수지 재료등을 이용할 수가 있다.
제3기판(15)의 한쪽 면(표면)에는 홈(15a, 15b)을 형성한다. 예를 들면, 상기 오목부(7a)의 가공 방법과 마찬가지의 방법을 들 수 있지만, 실리콘 기판의 경우에는, 표면을 패터닝하고 에칭하는 방법이 간단하다. 유로의 평면적 형상에 대해서는 홈 형성을 임의로 행할 수가 있으므로, 평행 직선 형상의 홈보다는 쌍을 이루는 홈을 사행(蛇行)시키는 등으로 하여 홈의 길이가 매우 길어지도록 곡로 형상으로 형성하는 것이, 열교환 부분의 면적 증대 및 열교환의 고효율화에 있어서 바람직하다.
제3기판(15)의 이면(홈과는 반대측)에는 오목부(18)를 형성하지만, 가공 방법으로서는 예를 들면 제3기판(15)의 표면(홈의 벽면을 포함한다)에 산화막이나 질화막 혹은 불순물 이온의 확산층 등을 형성하고, 그 후 이면측으로부터 이들 막이나 층을 남기도록 하여 에칭을 행하는 방법을 들 수가 있고, 이것에 의해 유로를 구성하는 홈부가 박막에 의해 형성된다. 그리고, 에칭으로 제거된 부분은 오목부 (18)로 되고, 이것을 제4기판(24)으로 덮는 것에 의해 단열용 공간이 형성되게 된다.
또, 홈(15a, 15b)의 양단부(이면으로부터 에칭되지 않았던 부분)에는, 유체의 공급구멍(16i, 17i)이나 배출구멍(16o, 17o)을 레이저 가공 등으로 관통구멍으로 하여 형성한다.
또한, 제2기판(7)과 제3기판(15)의 접합 방법에 대해서는, 직접 접합이나 접착 접합 등을 들 수가 있지만, 오목부(7a, 18)의 형성을 양 기판의 접합 후에 행하는 것이 바람직하다.
제4기판(24)은 봉지용 기판이고, 제3기판(15)과의 접합성이 양호한 재료가 바람직하다(또, 재질에 대해서는 제1기판(22)의 설명을 참조).
제4기판(24)과 제3기판(15)의 접합에는, 양극 접합이나, 접착 접합이나, 열 압착 등의 압착 접합, 레이저 용접 등의 용접 접합 등을 들 수 있다.
제3기판(15)에 형성된 오목부(18)를 제4기판(24)으로 덮음으로써 단열용 공간(25)이 형성되고, 제4기판(24)에는 제3기판(15)에 형성된 공급구멍(16i, 17i)이나 배출구멍(16o, 17o)에 대응하는 각 위치에, 유체의 공급구멍(28i, 29i), 배출구멍(28o, 29o)을 각각 형성한다.
또, 단열용 공간을 획성하는 오목부(7a, 18)의 벽면이나, 봉지용 기판{제1기판(22), 제4기판(24)}의 내면에 상기 반사막(26)을 형성하는 경우에는, 기판 접합전에 그 반사막을 형성시켜 둘 필요가 있다.
상기 제1 내지 제4기판이 모두 접합되고 히터나 센서 등의 배선과 같은 필요한 공정을 거쳐 반응장치(6)가 완성되어 유체의 공급이 행해져 사용되지만, 이 반응장치에 대해서는, 이를 단독으로 사용하는 형태와 복수의 반응장치를 직렬로 접속한 상태(종렬 접속)로 사용하는 형태 또는 유로를 복수로 분기시킴과 동시에 각 분기로에 각각 반응장치를 접속한 상태(병렬 접속)로 사용하는 형태 등을 들 수 있다.
도 8 내지 도 12는 상기 반응장치의 제조방법에 대하여 설명하기 위한 공정도이다(또, 이와 같은 도면에서는, 이해하기 쉽도록 기판의 길이 방향에 대하여 두께를 과장하여 도시하고 있다).
본 발명에 관련된 제조방법에서는, 서로 근접하여 병행되게 연장되는 유로를 기판 위에 형성하는 공정과, 열교환수단을 다른 기판에 형성하는 공정을 독립해서 따로따로 행할 수가 있고, 그 후에 이들 기판을 접합함으로써 열교환수단을 개재하여 유로 사이에서 열교환을 행하는 구조가 얻어진다.
도 8은, 상기 제2기판(7)에 대하여 제조 공정의 하나의 예를 도시한 것이고, 대체로 하기에 나타내는 바와 같다.
(A1) 패터닝 공정
(A2) 붕소 확산
(A3) 에칭 공정
(A4) 산화막의 성막 공정
(A5) 히터, 센서, 배선 패턴 등의 형성 공정
(A6) 촉매 담체의 형성 공정
(A7) 산화막의 성막 공정
(A8) 연마 공정
(A9) 에칭 공정.
먼저, (A1)에서는 실리콘 기판(30)의 각 면(이하의 설명에서는, 도 8의 상면을 「제1면」으로 하고, 하면을 「제2면」으로 한다)에 있어서 소정의 범위로 열 산화막(SiO2)(31, 31, …)을 형성한다.
그리고, (A2)에서는 기판 표면 중, 열 산화막(31)이 형성되어 있지 않은 부분에 붕소를 확산시킨다. 기판(30)의 제2면에 있어서 열산화막(31)의 비형성 범위에는, 확산에 의해 상기 균열판(27)에 상당하는 부분(32)이 형성된다. 즉, 기판 (30)에 불순물을 확산시키는 것으로 열교환부를 형성하는 방법을 채용하고, 본 예에서는 실리콘에 불순물 이온을 확산시키는 것으로 해당 부분(확산층)의 열전도율을 국소적으로 높이고 있다. 또, 기판(30)의 제1면에도 불순물의 확산층(33, 33)이 형성되어 있지만, 이것은 후의 공정에서 마스크로서 이용된다{도 10(C2)참조}.
(A3)에서는 제1면 및 제2면의 열산화막(31)을 에칭 처리로 제거한 후, (A4)에서 산화막(SiO2)을 CVD(chemical Vapour Deposition)법으로 형성한다. 즉, 기판 (30)의 제2면에 산화막(34)을 성막한다.
그리고, (A5)에서 산화막(34)에 대하여 그 외표면에 회로 패턴(35)(상기 히터나, 온도센서, 배선 패턴 등)을 형성한다. 예를 들면, 폴리실리콘(poly-crystal silicon)을 이용한 플라즈마 CVD법에 의해 패터닝을 행한다.
(A6)에서는 외표면에 촉매 담체를 더 형성한다. 촉매 담지용의 다공질 재료로서 예를 들면 알루미나(A1203)를 포함하는 용액을 이용하여, 히터, 센서 등의 외표면에 스크린 인쇄법 등으로 성막한 후에 소성하고{담체층(36) 참조}, 그 후의 (A7)에서 그 외표면에 CVD법으로 산화막(SiO2)(37)을 형성한다(이것은 전기적인 절연을 얻음과 동시에, 기판의 직접 접합에 필요한 평탄도(平坦度)를 후의 연마 공정에 의해 얻기 위해서이고, 히터나 센서, 배선 등이 산화막에 매설된 상태로 된다).
그리고, (A8)에서는 촉매의 담체층(36)의 일부(촉매 헤드)가 표면에 노출될때까지 표면 연마(CMP 등)를 행한 후, (A9)에 있어서 산화막(37)의 일부를 에칭으로 제거함으로써 외부 회로와의 전기적인 접속부(전극 패드부)(38)를 형성한다.
또, 본 예에서는 상기 공정 (A2)에 나타낸 바와 같이 실리콘에 불순물 이온을 확산시키는 것으로 부분적으로 열전도율을 높이는 방법을 이용하고 있지만, 이에 한하지 않고 열전도성이 높은 재료를 이용하여 상기 균열판을 형성해도 좋고, 예를 들면 기판에 금속막을 증착 등으로 형성하는 방법, 혹은 기판에 금속판(박)을 접착하는 방법(단, 저면의 강도가 보증되는 것을 조건으로 한다) 등을 들 수 있다. 또한, 상기 공정(A6)에 있어서 담체층(36)을 형성시켜 두고, 후의 공정에서 이것에 촉매를 담지시키는 방법을 채택하고 있지만, 이에 한하지 않고 공정 (A6)에서 촉매층을 직접 형성하는 방법을 이용할 수가 있다(인쇄법이나 잉크젯법 등이 매우 적합하다).
도 9는 상기 제3기판(15)에 대하여 제조 공정의 하나의 예를 도시한 것이고, 대체로 하기에 나타내는 바와 같다.
(B1) 패터닝 공정
(B2) 홈의 형성 공정
(B3) 에칭 공정
(B4) 붕소 확산 공정
(B5) 에칭 공정.
먼저, (B1)에서는 실리콘 기판(39)의 각 면(이하의 설명에서는, 도 9의 상면을 「제1면」으로 하고 하면을 「제2면」으로 한다)에 있어서 소정의 범위로 열 산화막(SiO2)(40, 40, …)을 형성한다. 이것은 후의 공정에 필요한 마스크 처리이다.
(B2)에서는 기판(39)의 한 면(제1면)에서부터 드라이 에칭 처리(DRIE: Deep Reactive Ion Etching)나 이방성 웨트 에칭을 행하는 것으로, 열산화막(40)이 형성되어 있지 않은 부분(Si)을 제거하여 홈(41)을 판다{상기 홈(15A, 15b)의 부분을 형성한다}.
그리고, (B3)에서는 기판(39)의 제1면에 대하여 에칭(한 면 에칭)으로 열산화막(40, 40)을 제거한 후, (B4)에서 붕소의 확산층(42)을 형성한다. 또, 그 확산층은 기판(39)의 제1면에 있어서는 전(全) 면에 형성되고, 또한 제2면에 대해서는 열 산화막(40)이 형성되어 있지 않은 범위에 형성된다(후의 공정에서 마스크로서 이용된다).
(B5)에서 제2면의 열산화막(40, 40, …)을 에칭 처리로 제거한다.
도 10은 상기 제2기판(7), 제3기판(15)을 포함하는 4장의 기판을 결합시켜 일체화하는 경우의 공정을 예시한 것이고, 대체로 하기에 나타내는 바와 같다.
(C1) 제2기판과 제3기판의 접합 공정
(C2) 에칭 및 구멍 형성 공정
(C3) 제1 및 제4기판의 접합과 제2기판의 배선 공정.
먼저, (C1)에서는 제2기판(7)과 제3기판(15)을 접합하지만, 양 기판의 각 표면을 세정하고 나서 가열 및 가압에 의해 접합하는 방법(소위 「직접 접합」)이 바람직하다. 또, 기판끼리의 접합에는 접합면의 평탄화가 중요하기 때문에, 본 예에서는 도 8의 공정 (A7)에서 설명한 바와 같이, 제2기판(7)의 제2면에 형성되는 센서나 배선 등을 실리콘 산화막(37)으로 피복하여 매설시키고 나서 공정 (A8)에서 연마하여 평탄면을 형성하고 있다(배선 등의 요철이 표면의 평탄화에 영향을 미치지 않도록 배려하고 있다).
(C2)에서는 웨트 에칭에 의해 제2기판(7)의 제1면에 있어서의 소정 범위의 실리콘을 선택적으로 제거한다. 즉, 도 8의 공정 (A2)에서 설명한 바와 같이, 제1면에는 붕소 확산층(33, 33)이 형성되고 있고, 이것이 마스크로서 기능하며, 실리콘만을 제거하는 것으로 상기한 오목부(7a)가 형성되고, 부분(32)(균열판(27))이 노출된 상태로 된다. 또한, 제3기판(15)의 제2면에 있어서 소정 범위의 실리콘을 선택적으로 제거한다. 즉, 제2면에 형성된 붕소 확산층(42, 42)을 마스크로서 이용하고, 실리콘만을 제거하는 것으로 상기 오목부(18)가 형성된다. 그리고, 제3기판 (15)의 제2면에서부터 레이저 가공으로 구멍(43, 43)을 뚫는다. 즉, 이것들은 상기 공급구멍(16i, 17i)이나 배출구멍(16o, 17o)이고, 제3기판(15)의 두께 방향으로 관통 구멍으로서 형성되어 각 유로의 홈에 연통한 상태로 된다.
또, 제2기판(7) 및 제3기판(15)을 접합시킨 상태에서, 각 기판끼리의 접합면과는 반대측의 면에 오목부(7a, 18)를 각각 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 오목부 (7a, 18)의 형성은 제2기판(7)과 제3기판(15)의 접합 후에 행해지기 때문에, 양 기판의 접합 전에 상기 구조체(21)의 지지부(박막)를 형성하는 방법에 비해, 박막끼리의 밀착성을 확보할 수가 있음과 동시에 기판의 취급이 용이하고, 제작 중에 있어서의 구조체의 손상이나 파괴 등의 우려가 없으며 제조상의 신뢰성이 높다.
(C3)에서는 제1기판(22)을 제2기판(7)에 접합하여 단열용 공간(23)을 형성함과 동시에, 제4기판(24)을 제3기판(15)에 접합하여 단열용 공간(25)을 형성한다. 접합의 확실성 등을 고려한 경우, 진공(감압 상태), 혹은 열전도율이 낮은 가스 중에서의 양극 접합이 바람직하다. 즉, 감압의 분위기 중에서의 접합에 의해 단열용공간이 감압 상태로 되고, 또한 공기, 질소, 아르곤 등의 열전도율이 작은 기체의 분위기 중에서 접합을 행하는 것으로 단열용 공간에 그 기체들이 충전된 상태로 된다. 이것에 의해 각 단열용 공간에 있어서 높은 단열 효과를 얻을 수가 있다.
도 8의 공정(A9)에서 형성된 접속부{전극 패드부(38)}에 대해서는, 와이어본딩 등으로 도시하지 않는 외부 회로에 배선되어, 히터로의 급전이나 센서 출력의 취득 등이 가능해진다.
또, 기판(24)의 구멍(44, 44, …){상기 공급 구멍(28i, 29i)이나 배출구멍 (28o, 29o)에 상당한다}은 공정 (C2)에서 형성된 구멍(43, 43, …)에 각각 대응하는 위치에 미리 형성되어 있다.
본 예에서는 제2기판(7)이나 제3기판(15)의 각 오목부를 제1기판(22), 제4기판(24)으로 각각 폐색(閉塞)하는 것으로 단열용 공간(23, 25)이 형성되지만, 오목부(7a, 18)의 벽면이나 기판(22, 24)의 각 표면에 상기 반사막(26)을 형성함으로써 외부로 복사열이 방사되지 않도록 하는 형태에서는, 공정 (C3) 전에 반사막(26)의 형성 공정을 삽입하면 좋다.
도 11은 상기 제3기판(15)의 다른 예(15A)에 대하여 제조 공정의 하나의 예를 도시한 것이고, 대체로 하기에 나타내는 바와 같다.
(b1) 패터닝 공정
(b2) 붕소 확산 공정
(b3) 에칭 공정
(b4) 홈의 형성 공정
(b5) 산화막 성형 공정.
먼저, (b1)에서는 실리콘 기판(45)의 각 면(이하의 설명에서는, 도 11의 상면을 「제1면」으로 하고 하면을 「제2면」으로 한다)에 있어서 소정의 범위에 열산화막(SiO2)(46, 46, …)을 형성한다. 이것은 후의 공정에 필요한 마스크 처리이다.
(b2)에서 붕소의 확산층(47, 47, …)을 형성한다. 또, 이 확산층은 기판(45)의 제1면에 있어서 유로의 홈을 형성하는 범위 이외의 영역에 형성되고, 또한 기판 (45)의 제2면에 있어서 형성되는 확산층은 후의 공정에서 마스크로서 이용된다.
(b3)에서는 에칭으로 열산화막(46)을 제거한다.
그리고, (b4)에서는 기판(45)의 한 면(제1면)에서부터 드라이에칭 처리(DRIE:Deep Reactive Ion Etching)이나 이방성 웨트 에칭 처리를 행하는 것으로, 확산층(47)이 형성되어 있지 않은 부분(Si)을 제거하고 홈(48)을 판다(상기 유로의 홈 부분을 형성한다). 그 후, (b5)에서는 기판(45)의 제1면에 CVD법 등으로 실리콘 산화막(49)을 형성한다.
한편, 제2기판(7A)의 제조에 대해서는 도 8에 도시한 (A1) 내지 (A6) 공정까지로 한다. 또한, 공정(A5)에서는 Pt(백금), Ti(티탄) 등의 금속재료를 이용하여 패터닝을 행하는 것으로 히터나 센서 등을 금속막으로 형성한다.
도 12는 각 기판을 결합시켜서 일체화하는 경우의 공정을 예시한 것이고, 대체로 하기에 나타내는 바와 같다.
(c1) 제2기판과 제3기판의 접합 공정
(c2) 에칭 및 구멍 형성 공정
(c3) 제1 및 제4기판의 접합과 제2기판의 배선 공정.
먼저, (c1)에서는 제2기판(7A)과 제3기판(15A)을 저융점 유리나 세라믹계 접착재 등으로 접착함으로써 양 기판을 접합한다.
(c2)에서는 웨트 에칭에 의해 제2기판(7A)의 제1면에 있어서의 소정 범위의 실리콘을 선택적으로 제거한다. 즉, 도 8의 공정 (A2)에서 제2기판(7A)의 제1면에 형성된 붕소 확산층(33, 33)을 마스크로 하여 실리콘을 제거하는 것으로 오목부(7a)가 형성되고, 균열판의 부분(32)이 노출된 상태로 된다. 또한, 제3기판(15A)의 제2면에 있어서도 마찬가지로 하여 소정 범위의 실리콘을 선택적으로 제거한다. 즉, 제2면에 형성된 붕소 확산층(47, 47)을 마스크로 하여 실리콘을 제거하는 것으로 오목부(18)가 형성된다. 그리고, 제3기판(15A)의 제2면에서부터 레이저 가공으로 구멍(50, 50)을 뚫는다. 즉, 이것들은 상기 공급구멍(16i, 17i)이나 배출구멍(16o, 17o)에 상당되고, 제3기판(15A)의 두께 방향으로 관통구멍으로서 형성되어 각 유로의 홈과 연통한 상태로 된다.
또, 오목부(7a, 18)의 형성은 제2기판(7A)과 제3기판(15A)의 접합 후에 행해지기 때문에, 박막끼리의 밀착성이 확보되고 제조상의 신뢰성이 높다.
(c3)에서는 제1기판(22)을 제2기판(7A)에 접합함과 동시에 제4기판(24)을제3기판(15A)에 접합한다. 접합의 확실성 등을 고려한 경우, 상기한 바와 같이 진공 중(감압 상태) 혹은 열전도율이 낮은 가스 중에서의 양극 접합이 바람직하다
배선용의 회로 패턴(35)의 일단부는 접속부(전극 패드부)로서 노출되어 있고, 와이어본딩 등으로 도시하지 않는 외부 회로에 배선되며, 이것에 의해 히터로의 급전이나 센서 출력의 취득 등이 가능해진다.
또, 제4기판(24)의 구멍(51, 51, …){상기 공급구멍(28i, 29i)이나 배출구멍 (28o, 29o)에 상당한다}은 공정 (c2)에서 형성된 구멍(50, 50,…)에 각각 대응하는 위치에 미리 형성되어 있다.
본 예에 있어서, 오목부(7a, 18)의 벽면이나 기판(22, 24)의 각 표면에 반사막(26)을 형성하는 것으로 외부로 복사열이 방사되지 않도록 하는 형태에서는, 상기 공정 (c3) 전에 반사막(26)의 형성 공정을 삽입하면 좋다.
또, 본 발명의 적용에 있어서 상기한 구성예에 한하지 않고, 예를 들면 도 13에 도시하는 바와 같은 각종 형태로의 실시가 가능하다(도면에는, 이해하기 쉽도록 각 유로를 직선로로서 간략적으로 나타낸다).
ㆍ가열용 유로(4a)를 반응용 유로(4b와 4b) 사이에 끼운 구성으로 하여 열의 이용 효율을 높인 구성 형태{도 13(A)참조}.
ㆍ가열용 유로(4a)와 반응용 유로(4b)를 교대로 배치시키는 것으로 소형화에 적합한 구성 형태{도 13(B)참조}.
ㆍ가열용 유로(4a)와 반응용 유로(4b)를 1조로 한 것을 유닛으로 하여 복수개의 유닛을 병렬적으로 배치시키는 것으로, 각 유닛에서의 반응에 대하여 병행하여 처리할 수 있도록 한 구성 형태{도 13(C)}.
상기한 구성 및 제조방법에 의하면, 예를 들면 하기에 나타내는 이점이 얻어진다.
ㆍ열교환기를 구성하는 균열판을 개재하여 가열용 유로와 반응용 유로가 열적으로 연결된 구조를 가지고 있기 때문에, 열원으로부터의 열을 반응용 유로로 전달하여 유효하게 이용할 수 있다는 것
ㆍ가열용 유로와 반응용 유로가 기판 위에서 서로 병행하여 늘어나 있고, 이것들을 긴 유로로서 기판 위에 임의의 형상 및 배치로써 형성할 수가 있기 때문에, 기판 면적에 있어서 촉매층과 열교환 부분의 면적이 차지하는 비율을 크게 할 수가 있어서 소형화에 적합하다는 것
ㆍ가열용 유체와 반응용 유체의 열교환을 고효율로 행함으로써 가열용 유체의 폐열을 유효하게 이용할 수가 있고, 유체의 배출에 따른 외부로의 열의 손실을 저감할 수 있다는 것
ㆍ가열용 유로, 반응용 유로, 열교환부가 단열용 공간에 배치되어 있기 때문에, 외부로 유출되는 열의 손실을 저감할 수 있다는 것
ㆍ유로를 박막으로 형성함으로써 유로 벽면을 통하여 외부로 유출되는 열의 손실을 저감할 수 있다는 것
ㆍ단열용 공간을 형성하는 내벽에 반사막을 형성함으로써 복사열이 외부로 방사되는 것을 방지할 수 있다는 것
ㆍ유로 내에 다공질층을 미리 형성함으로써 임의의 장소에 촉매를 담지시킬수가 있다는 것
이상에 기재한 것에서 분명한 바와 같이, 청구항 1, 청구항 17, 청구항 27, 청구항 29에 관련된 발명에 의하면, 쌍을 이루는 유로 사이에서의 양호한 열전달에 의해 열을 유효하게 이용하여 반응을 행할 수가 있고, 효율의 향상이나 장치의 소형화, 박형화를 실현할 수가 있다. 그리고, 유로의 형성 기판과 열교환 수단의 형성 기판을 별개로 제작하여 양 기판을 접합시키는 것으로, 구성의 간단화나 제조 공정수의 저감 등이 가능하다.
청구항 2에 관련된 발명에 의하면 열교환의 효율화에 매우 적합하다.
청구항 3에 관련된 발명에 의하면, 열교환이 행해지는 부분의 면적을 증대시킬 수가 있고, 또한 소형화에 적합하다.
청구항 4에 관련된 발명에 의하면, 발열수단에 의해 발생되는 열을 열교환 수단을 거쳐 반응용 유로에 효율좋게 전달시킬 수가 있다.
청구항 5에 관련된 발명에 의하면 발열수단을 기판에 대하여 용이하게 형성할 수가 있다.
청구항 6에 관련된 발명에 의하면 열교환수단의 구성을 간단화할 수가 있다.
청구항 7에 관련된 발명에 의하면, 외부로 유출되는 열의 손실을 방지하고 효율의 향상에 유효하다.
청구항 8에 관련된 발명에 의하면, 구성의 복잡화를 수반하지 않고 단열 효과를 높일 수가 있다.
청구항 9, 청구항 20, 청구항 23에 관련된 발명에 의하면 복사열이 외부로 방사되지 않도록 막을 수가 있다.
청구항 10에 관련된 발명에 의하면, 미세 가공 기술을 이용하여 미소한 구조를 얻을 수가 있다.
청구항 11에 관련된 발명에 의하면, 온도검출용 소자나 온도제어용 소자를 이용한 구성에 대하여 집적화에 적합하다.
청구항 12에 관련된 발명에 의하면 장치의 소형화나 박형화에 매우 적합하다.
청구항 13이나 청구항 19에 관련된 발명에 의하면 열교환수단으로부터의 열의 방산(放散)을 방지할 수 있다.
청구항 14에 관련된 발명에 의하면 촉매 담체로의 열전달을 효율좋게 행할 수가 있다.
청구항 15와 청구항 22에 관련된 발명에 의하면 각 유로로부터의 열의 방산을 방지할 수 있다.
청구항 16에 관련된 발명에 의하면 유로의 홈과 촉매 담체를 각기 다른 기판에 형성할 수가 있어 설계 자유도가 높다
청구항 18에 관련된 발명에 의하면 제조의 확실성을 보증할 수가 있다.
청구항 21이나 청구항 24에 관련된 발명에 의하면 기판끼리를 확실히 접합할 수가 있다.
청구항 25에 관련된 발명에 의하면 열교환수단에 대하여 구성 및 형성 공정을 간단화할 수가 있다.
청구항 26에 관련된 발명에 의하면, 집적화에 적합함과 동시에 열교환수단의 형성 범위에 대하여 근접한 영역에 소자나 촉매 담체를 형성할 수가 있다.
청구항 28이나 청구항 30에 관련된 발명에 의하면, 발열수단에 의해 발생되는 열을 반응용 유로에 효율좋게 전달할 수가 있다.

Claims (30)

  1. 쌍을 이루는 유로를 구비하고, 유로 내의 유체를 화학적으로 반응시키는 반응장치에 있어서,
    상기 쌍을 이루는 유로가 서로 근접하여 병행되게 연장되는 배치로써 기판 위에 형성됨와 동시에, 양 유로 사이에서 열교환을 행하는 열교환수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 쌍을 이루는 유로 중, 제1유로가 가열용 유로로 되고, 제2유로가 반응용 유로로 되어 있으며, 각 유로에 있어서의 유체 흐름의 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 반응장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 쌍을 이루는 유로가 기판 위에 곡로(曲路)로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 가열용 유로에 설치되는 발열수단이, 연소용 촉매를 담지한 촉매 담체를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 발열수단이 저항 발열체를 가지는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환수단이 열전도성 재료로 형성된 열교환부인 것을 특징으로 하는 반응장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 각 유로 및 상기 열교환수단을 포함하는 구조체가, 단열용 공간 내에 수용된 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 단열용 공간이 감압 상태로 되거나 또는 상기 단열용 공간에 열전도율이 작은 기체가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 단열용 공간을 획성(畵成)하는 벽면에 반사막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 구조체가 박막으로 형성된 지지부에 의해 지지된 구성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 유로에 온도검출용 소자 또는 온도제어용 소자가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 유로 또는 열교환수단이 형성된 복수의 기판을 접합한 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    제1기판과, 상기 열교환수단이 오목부 내에 형성된 제2기판을 구비하고,
    상기 제1기판에 의해 상기 오목부를 덮는 것으로 단열용 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제2기판 중, 상기 오목부가 형성된 쪽과는 반대측의 면에 촉매를 담지한 촉매 담체가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기의 각 유로를 구성하는 홈이 형성된 유로용 기판을 구비하고, 그 홈과는 반대측의 면에 형성된 오목부를 봉지(封止)용 기판으로 덮음으로써 단열용 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기의 각 유로를 구성하는 홈이 형성된 제3기판을 구비하고, 그 제3기판이 상기 제2기판에 접합된 상태로 상기 촉매 담체가 상기 유로 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  17. 쌍을 이루는 유로를 구비하고, 유로 내의 유체를 화학적으로 반응시키는 반응장치의 제조방법에 있어서,
    서로 근접하여 병행되게 배치되는 상기 쌍을 이루는 유로를 기판 위에 형성하는 공정 및 양 유로 사이에 열교환을 행하기 위한 열교환수단을 다른 기판에 형성하는 공정과,
    상기 양 기판을 접합하는 공정을
    가지는 것을 특징으로 하는 반응장치의 제조방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 양 기판을 접합시킨 상태에서, 그 기판 중 접합면과는 반대측의 면에 오목부를 형성하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 반응장치의 제조방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    제1기판을 상기 열교환수단이 형성된 제2기판에 접합하고, 이 제2기판의 오목부를 덮는 것으로 그 열교환수단의 단열용 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 반응장치의 제조방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 단열용 공간을 획성하는 벽면에 반사막을 형성하는 것을 특징으로 하는 반응장치의 제조방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 제1 및 제2기판을 양극(陽極) 접합하는 것을 특징으로 하는 반응장치의 제조방법.
  22. 제 18항에 있어서,
    상기의 각 유로를 구성하는 홈이 형성된 유로 형성용 기판 중, 그 홈과는 반대측의 면에 오목부를 형성한 후, 그 기판 및 봉지용 기판을 접합하여 그 오목부를 덮음으로써 단열용 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 반응장치의 제조방법.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 단열용 공간을 획성하는 벽면에 반사막을 형성하는 것을 특징으로 하는 반응장치의 제조방법.
  24. 제 22항에 있어서,
    상기 유로 형성용 기판과 상기 봉지용 기판을 양극 접합하는 것을 특징으로 하는 반응장치의 제조방법.
  25. 제 17항에 있어서,
    상기 기판에 불순물을 확산시키거나 또는 열전도율이 큰 재료를 이용한 전열층(傳熱層)을 형성함으로써 상기 열교환수단을 형성하는 것을 특징으로 하는 반응장치의 제조방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 불순물의 확산 후 또는 상기 전열층의 형성 후에 산화막을 형성하고, 온도검출용 소자 또는 온도제어용 소자를 더 형성한 후, 그 외표면에 촉매 담체를 형성하는 것을 특징으로 하는 반응장치의 제조방법.
  27. 쌍을 이루는 유로 중, 제1유로가 연료의 가열용 유로로 되고, 제2유로가 반응용 유로로 되어 그 유로를 거쳐 유체가 개질(改質)되도록 구성된 개질장치에 있어서,
    상기 가열용 유로 및 반응용 유로가 서로 근접하여 병행되게 연장되는 배치로써 기판 위에 형성됨과 동시에, 양 유로 사이에서 열교환을 행하는 열교환수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 가열용 유로에 설치된 발열수단에 의해 발생되는 열이, 상기 열교환수단을 거쳐 상기 반응용 유로로 전달됨과 동시에, 이 반응용 유로에 설치된 촉매 담체 위의 촉매에 의해 개질을 행해지는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  29. 쌍을 이루는 유로 중, 제1유로가 연료의 가열용 유로로 되고, 제2유로가 반응용 유로로 되어 그 유로를 거쳐 유체가 개질되도록 구성된 개질장치와, 상기 반응용 유로를 통하여 개질된 유체를 다른 재료와 반응시켜 전기를 발생시키는 발전장치를 구비한 전원공급시스템에 있어서,
    상기 가열용 유로 및 반응용 유로가 서로 근접하여 병행되게 연장되는 배치로써 기판 위에 형성됨과 동시에, 양 유로 사이에서 열교환을 행하는 열교환수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 전원공급시스템.
  30. 제 29항에 있어서,
    상기 가열용 유로에 설치된 발열수단에 의해 발생하는 열이, 상기 열교환수단을 거쳐 상기 반응용 유로에 전달됨과 동시에, 이 반응용 유로에 설치된 촉매 담체 위의 촉매에 의해 개질된 수소와, 공기 중의 산소를 발전장치로 공급하여 반응시키는 것을 특징으로 하는 전원공급시스템.
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