JP2003533956A - マイクロ燃焼器及び燃焼に基づく熱電マイクロ発電機 - Google Patents

マイクロ燃焼器及び燃焼に基づく熱電マイクロ発電機

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JP2003533956A JP2001552453A JP2001552453A JP2003533956A JP 2003533956 A JP2003533956 A JP 2003533956A JP 2001552453 A JP2001552453 A JP 2001552453A JP 2001552453 A JP2001552453 A JP 2001552453A JP 2003533956 A JP2003533956 A JP 2003533956A
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Abstract

(57)【要約】 ある概ね環状な向流形熱交換器がマイクロスケールで作動する燃焼器の主要な要素である。前記燃焼器は、反応ガス通路及び排気ガス通路への開口部を有する中央燃焼部位を含む。前記反応ガス通路及び前記排気ガス通路は、熱損失を減少させるような螺旋形状で互いに巻き付き合っている。ある電流マイクロ発電機が類似しており、マイクロ燃焼器の通路壁の一部としてn型及びp型の熱電素子を有する熱電作用壁も含んでいる。前記熱電作用壁はフィンを含んでおり、前記フィンは熱電素子と反応ガス及び排気ガスの温度差に関連する熱電素子にまたがる温度差を増加させるように構成されている。そのようなマイクロデバイスを素子の複数層電着によってモノリシックに製造する方法も提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 関連出願 本出願の請求項は、2000年1月7日に提出された米国仮出願第60/175,154号から
優先権を主張し、この開示を以ってその全てを本明細書の一部とする。
【０００２】 技術分野 本発明は、極めて小さいスケールでの電力を生成する装置に概ね関しており、
特に、向流形熱交換器の燃焼器に基づく熱電発電機に関する。
【０００３】 背景技術 発電のために燃焼プロセスを用いると、燃焼プロセスの熱エネルギーから電気
エネルギーへの変換効率を考慮したとしても単位質量当たりのエネルギー貯蔵の
点、及び単位体積当たりの発電量の点でバッテリーに関して非常に利点があるこ
とはよく知られている。例えば、最新のリチウムイオンバッテリーでさえ0.4MJ
／kgの密度のエネルギー貯蔵しか提供しないのに対し、炭化水素系燃料は40−50
MJ／kgを提供する。すなわち、熱エネルギーから電気エネルギーへの熱交換率が
5％だったとしても、炭化水素系燃料はバッテリーよりも5倍大きいエネルギー貯
蔵密度を提供する。また、廃棄物がバッテリーの場合は毒性金属であるのに比べ
て、主として二酸化炭素と水である。さらに、燃焼装置の単位質量若しくは単位
体積当たりの発電率は、化学反応を用いた他の技術、例えば燃料電池などよりも
1桁大きくなっている。また、炭化水素系の燃料は、かなり安価であり、容易に
利用可能であり、貯蔵し易く、また、バッテリーよりも貯蔵寿命がとても長くな
っている。さらに、燃焼駆動式装置では種々の通常炭化水素系燃料を何ら事前処
理なしで用いることが可能である。
【０００４】 これらの利点にも関わらず、燃料の持つエネルギーを電気エネルギーに変換す
る燃焼プロセスは、現在バッテリーに依存しているような携帯電話や他の携帯型
電子機器のような小規模な装置での電源供給に対して実用的であるという検証が
まだされていない。燃焼を小規模に行う手法の大部分は、例えば小型ロータリー
（ワンケル）エンジン、フリーピストンエンジン、マイクロガスタービンエンジ
ンのように、巨視的な燃焼機関をスケールダウンした変形版が用いられる。しか
しながら、これらの手法をマイクロスケールで適用しようとすると、多くの困難
がある。マイクロスケールでの燃焼を制限する最も重要な問題の一つは、燃焼室
の容積が小さ過ぎるときの熱損失によるフレームクエンチングである。大気圧で
の化学量論的炭化水素‐空気混合物に対しては、燃焼室の壁が大気圧にあるとき
にフレームが存続し得る燃焼室の最小の大きさは約2mmである。さらに、フレー
ムクエンチングが起きないとしても、燃焼による発熱及びその電力出力規模はエ
ンジンの体積についてのものであるのに対して熱損失及び摩擦損失の規模は表面
積についてのものであるので、より小さなスケールでは熱損失及び摩擦損失はま
すます重要になっていく。
【０００５】 すなわち、マイクロ電子機械システム（MEMS）装置のような小規模な低電力シ
ステムや、パーソナル手帳、ラップトップコンピューター、及び無線電話のよう
な携帯型電子機器に対しての発電に用いられる燃焼プロセスを可能にするような
、効率のよいマイクロスケールな燃焼器の必要性が存在する。
【０００６】 発明の開示 概ね環状な向流形熱交換器がマイクロスケールで作動する燃焼器の基盤を形成
している。電子マイクロ発電機が類似しており、マイクロ燃焼器の通路壁の一部
として熱電素子を有する熱電作用壁も含んでいる。熱交換器は、トーラス面の回
転軸と平行な断面上に、反応ガス通路及び排気ガス通路への開口部を有する中央
燃焼部位があるような構成になっている。反応ガス通路及び排気ガス通路は、螺
旋形状で互いに巻き付き合っており、発電機を作動させると熱交換器内部にある
片側の表面が反応ガスと接触し、反対側の表面が排気ガスと接触するような通路
壁によって隔てられている。この向流配置は、燃焼器からの熱損失を減少させ、
反応ガスを余熱する。マイクロ燃焼器は、極めて少量の熱を必要とする発電の他
にも適用され得る。
【０００７】 マイクロ燃焼器及びマイクロ発電機の環状部分の外径は、約2−15mmである。
高さは、約1−6mmである。中央燃焼部位は、約1mm未満の特性的な大きさである
。
【０００８】 マイクロ発電機は熱交換器の外側に、反応ガス通路と連通する反応ガス流入口
及び排気ガス通路と連通する排気口を含む。熱交換器内に、点火装置を含んでい
てもよい。熱電材料はマイクロ発電機の外部と電気的に接続されている。マイク
ロ発電機を構成している構造材料は導電性金属である。構造材料として電着され
た白金が有用である。配置によっては、マイクロ発電機の構造材料は、熱電素子
とマイクロ発電機の外部との間の電気接続を提供する。
【０００９】 熱電作用壁は、熱的及び電気的導体で構成されたフィンとn型伝導熱電素子とp
型伝導熱電素子とを有している。フィンは、熱電素子と反応ガス及び排気ガスの
間の温度差に関連するような、熱電素子に渡る温度差を増加させるように構成さ
れている。フィンは基部部分と上部部分を有し、各基部部分がn型素子とp型素子
を隔て、上部部分が反応ガス通路と排気ガス通路の中へと延在するような配置の
T形であってもよい。本発明の実施例に従ったものでは、フィンの上部部分はフ
ィンの基部部分の少なくとも3倍よりも長くなっている。さらに、本発明はL形フ
ィン及び非対称なT形フィンを含む。
【００１０】 マイクロ発電機は、熱交換器の部分環状体の間に並置された仕切り壁を含んで
よい。配置によっては、熱交換器内の点火装置は、所望に応じて仕切り壁中の伝
導体を通して、外部の電力源に接続されているような抵抗素子若しくは着火素子
を含んでいてよい。
【００１１】 本発明の別の実施例では、材料の複数層電着に基づくような熱電マイクロ発電
機若しくはマイクロ燃焼器の製造方法も提供されている。この方法は電極に付け
るエラストマーを有するようなマスクを用いての犠牲材料の電気化学的成膜方法
、支持体及び分離した電極に付けるエラストマーを有するようなマスクを用いて
の構造材料の電気化学的成膜方法、及びマスクを用いないでの熱電材料の全面電
気化学的成膜方法を含んでいる。全部の層を成膜した後、発電機を成形するため
に構成材料を除去する。あるいは、構造材料と熱電材料を成膜する順序を逆にし
てもよい。別の代替プロセスでは、熱電材料の各成膜の前に薄い障壁層を成膜し
、それによって犠牲材料と熱電材料の間の何らかの不適合を克服する。本発明に
は、電着を選択的に行うための陽極無しのマスクも含んでおり、該マスクは非多
孔性の材料で構成される穿孔された非電極支持体に付けるパターン化されたエラ
ストマーを有している。
【００１２】 好適な実施例の説明 ある「環状」な向流形熱交換器は、マイクロスケールでの空気・燃料混合気の
燃焼を可能にする。熱電発電素子を一部若しくは全ての熱交換壁に含めることで
、マイクロ発電機装置が得られる。このマイクロスケールの装置はモノリシック
工程での三次元微細加工技術によって成形される。
【００１３】 環状燃焼器100の破断図が図1aに示されており、また図1aの露出した断面図が
より詳細に図示されているのが図1bである。燃焼器100のトポロジーはトロイド
と呼ばれ、この言葉は極めて一般的に用いられる。一般にドーナツ形状と描写さ
れるトロイドは、公式には同一平面上にあるが交差しない曲線の周りを回転する
ような閉曲線から成る面で定義される。すなわち、回転軸と平行な面での燃焼器
100の断面図は、概ね互いに鏡像となるような2つの部分10a及び10bを有している
。燃焼器100は円筒状の対称性を有するように図1a及び1bに描かれているが、そ
れは円形状に見えるような包括図においてであり、そのような対称性及び形状は
必要ではない。例えば、燃焼器100の外壁12は円形状である必要はなく、小面を
有していてもよい。すなわち、燃焼器は、楕円形や、三角形、四角形、若しくは
六角形のような閉多角形を含む多様な閉じた形状の包括図を代わりに用いてもよ
い。製造を検討することで、外側形状の選択が規定されるかもしれない。後述で
詳細に説明しているように、燃焼器は電着された金属によって成形されるのが好
ましい。燃焼器の壁は、それゆえに導電性である。
【００１４】 燃焼器100は、概ね燃焼部分として機能する中央部位20を含む。反応ガスは、
反応ガス流入口30を通って燃焼器100に入り、螺旋形状反応ガス通路32を通って
流れ、開口部34を通って燃焼部分20へ入る。排気ガスは開口部36を通って燃焼部
分20から出て、螺旋形状排気ガス通路38を通って排気口40へと流れる。燃焼器10
0の二重螺旋構造、若しくはいわゆる「スイスロール（Swiss roll）」構造では
、通路壁42のような内部の各通路壁は、片側で方向32aとして示されるような一
方向へ流れる冷たい反応ガスと接触し、反対側では反対方向38aへ流れる熱い排
気ガスと接触している。燃焼器100のこの螺旋形状向流形熱交換器配置は、直線
形状の通路を有するマイクロ燃焼器には厳しい制限を突きつけるような周囲の空
気への熱損失を大幅に減少させる。さらに、環状トポロジーでは、他の幾何学的
構造では熱損失部分となり得る露出した通路端部がない。この構成により、図1b
で示されているように最も外側の回転部分とだけ接触する支持土台15は十分冷た
いまま保たれ、それにより燃焼温度による損害を受けるのを避けることができる
。さらに周囲から断熱するために、この装置は所望に応じて断熱用支柱14を含ん
でもよい。別の断熱方法には、断熱用支柱14の代わりにエーロゲルのような熱伝
導性の低い材料での平板を用いる方法が含まれる。
【００１５】 ここには、1つの反応ガス流入口30が図示されているが、燃焼器100は代わりに
燃焼器の外側の周囲に複数の反応ガス流入口を有してもよい。反応ガス通路及び
排気ガス通路の「曲がり（Windings）」の数は変更されてもよい。さらに、曲が
りの数及び通路の配置を変更することによって、反応ガス流入口及び排気ガス排
気口の別の配置を用いてよい。代替となるある例として、後述の図6に図示され
ているような同心円をなす排気口に囲まれる中央の反応ガス流入口といったもの
がある。
【００１６】 燃焼器100の模範例では、外径dが約2−15mmで、高さhが1−6mmである。反応ガ
ス通路32及び排気ガス通路38の幅が約100μmと約1mmの間の範囲であるのに対し
、燃焼部分20は、図1b中に約1mm未満の特性的な大きさc若しくはc´を有する。
燃焼室の大きさは、反応ガス通路及び排気ガス通路の幅よりも概ね大きくなって
いる。それゆえに、燃焼器100はマイクロスケールを強調するためにマイクロ燃
焼器と呼ばれる。小スケールの通路を用いることで、次元のない特性的な流体の
流れのパラメーターであるレイノルズ数の、層流条件を示すような約5−50の低
い値に対応するマイクロ燃焼器の動作条件を規定している。
【００１７】 ある実施例ではマイクロ燃焼器は、2つの類似した、若しくは同一の半環状の2
05でできており、各々が図1aで示されるような切り取られた部分と類似している
。図2中の燃焼器200の平面図に示されているように、これらの部分は、所望に応
じて2つの半体の間にある仕切り壁210と共に、1つに組み立てられている。この
仕切りは主として断熱及び絶縁である材料で構成されている。絶縁の仕切りを用
いることで2つの半体は電気的に独立し、互いに完全に一直線に整列させる必要
がなくなる。燃焼器200の構成では、2つの半体が互いに温かさを保つので、完全
な360度環状構成のときと同じくらい熱損失が最小化される。図2には1つの仕切
り壁が描かれているが、燃焼器は代わりに複数の仕切り壁によって結合された複
数の部分環状体を有してもよい。ここで用いたように、概ね環状な構造には、例
えば図2に示されているように部分環状体を仕切り壁に並置したような構造を含
む。
【００１８】 本発明のマイクロ燃焼器には燃焼の点火の複数の方法が用いられてよい。1つ
目は、例えば電気ヒーターで包むことにより、燃焼器を外部から熱し、燃焼の点
火を行う。2つ目は、例えば、燃焼器を構成している構造材料に、燃焼部分の壁
を接続するような細いワイヤーを設置する。燃焼器の導体の壁を通してこの細い
ワイヤーを外部電源と電気的に接続し、抵抗によって熱して燃焼の点火を行う。
【００１９】 燃焼器200のように燃焼器が仕切り壁を有する場合、仕切り壁それ自身を点火
を容易にするために用いることが可能である。ある実施例では、それらに接続さ
れた抵抗素子215及び電気導線216は、図3で示されているように仕切り壁210のあ
る部分を構成する電気絶縁材料218の間にサンドイッチされている。この電気絶
縁材料は、抵抗素子が燃焼部分に露出するように燃焼部分20に調整された開口部
220を有する。別の方法では、抵抗素子はどちらかの面に、一般にグロープラグ
と呼ばれる、点火を容易にするために環状燃焼器ボリュームの途中まで拡張して
いる突出部を含んでいてもよい。あるいは、点火のためにスパークプラグのよう
な装置を燃焼部分の中に拡張させてもよい。さらに、別の方法として、仕切り壁
に制限せず、燃焼室の周囲にスパークプラグを配置してもよい。
【００２０】 図4aは図1bと類似の断面図であるが、燃焼の点火方法が別のものとなっている
。ある抵抗性の高い素子、例えばニッケル‐クロムが図4aの断面22に示されてい
るように半環状に形成されている。抵抗素子22の上面の全表面が、点火電流の帰
りの経路を提供する燃焼室の導体の構造材料と接触しているのが好ましい。抵抗
素子の反対側の表面は、そこを通すことで外部からの電流を流せるような仕切り
壁に配置された導体と接触するための構造材料の薄膜若しくは他の高伝導金属23
で覆われている。別の方法として、外部からの電流を燃焼器それ自身を通して流
すと共に、抵抗素子の反対側表面を環状燃焼器の電気的に孤立した部分と接触さ
せてもよい。半環状の抵抗材料を用いることで、半環状燃焼器ボリューム全体は
点火を生じるために加熱され得る。
【００２１】 本発明のマイクロ燃焼器には市販されている炭化水素系燃料が用いられてよい
。かなり低い貯蔵圧力及び室温では液体であるが、大気圧及び室温では気体であ
るような燃料が、気化を必要としないので好ましい。有用な炭化水素系燃料の例
には、ブタン、プロパン、及びメチルアセチレンがあるが、これらだけに限定さ
れるわけではない。さらに、水素やアンモニアのような特別な配合の炭化水素系
燃料若しくは非炭化水素系燃料を用いることも可能である。熱再循環の燃焼設計
によって、例えば二酸化炭素で薄められたブタンのように、燃焼器の外では可燃
性でないような反応混合物を用いることが可能となる。空気中で可燃性でない反
応混合物を用いることによって、万一燃焼器から未燃反応物が漏出したときのフ
ェールセーフ機構を提供する。
【００２２】 典型的な適用では、マイクロ燃焼器は、例えばライターのように通常のバルブ
を通してより大きいタンクから充填可能な、縮小型燃料タンクが装備される。通
常、燃焼の酸化剤は空気であるが、例えば酸素や酸素‐空気混合物を代わりに用
いてもよい。燃料が加圧されて貯蔵されている場合、燃料タンクから脱出する気
体燃料流の運動量によって加圧されていない空気が運ばれる。燃料の貯蔵圧力は
マイクロ燃焼器を通して必要な気体の流れを提供するのに十分である。この配置
では、2つの反応物が燃焼室に到達するまでの時間での拡散だけによって燃料と
酸化剤は概ねよく混ざり合う。あるいは、混合を増加させるために燃料噴射ノズ
ルのような特別な設計を用いてもよい。別の代替方法では、燃料と酸化剤は別個
に噴射してもよい。
【００２３】 本発明の別の実施例では、熱電的な「作用壁」を成形するために熱交換器の壁
の一部若しくは全てに熱電的発電素子を含むことによって、マイクロ発電機が形
成されている。通路の壁の一部を形成している熱電作用壁50は、例示した図4a、
5、及び6のマイクロ発電機断面図に含まれる。図4に示される熱電作用壁50は、
マイクロ発電機を形成するために図1a中に60と表示された通路壁部分の場所に配
置される。すなわち、図4a、5、及び6で示された方向で規定される鉛直方向に配
置される作用壁の素子は円筒状若しくは半円筒状の形状をしている。本発明の設
計では、十分高い温度での燃焼を中央燃焼部位に許す一方で、図4a中に示されて
いるように熱電作用壁をより冷えた最も外側の通路壁のみに制限することによっ
て感温性の熱電材料を熱電素子として用い得る。多くの場合では図5及び6のよう
に、熱電素子は通路壁の複数部分に設置することが可能である。
【００２４】 螺旋形状の熱交換器設計なので、熱電作用壁の片側の表面は冷たい反応ガスの
流れと接触するのに対し、反対側表面は熱い排気ガスの流れと接触する。図7に
詳細が示されているように熱電作用壁は、金属フィン53で隔てられたn型伝導性
熱電材料51とp型伝導性熱電材料52を含む。各作用壁は直列につながれたn型素子
及びp型素子の対を複数含む。熱電素子の幅は概ね10−100μmの範囲である。熱
電素子を成形するのには、電着し得る熱電材料を用いるのが好ましい。ビスマス
のテルル化合物の2種混合物、特にBi2Te3が有用なn型材料であるのに対し、Bi2- x SbxTe3と記される3種混合物が有用なp型材料である。他の有用な熱電材料には
、テルル化鉛、アンチモン化亜鉛、アンチモンコバルト、及び関連3種混合物が
含まれる。
【００２５】 フィン53は、熱電素子と反応ガス及び排気ガスの温度差に関連するような、熱
電素子に渡る温度差を増加させるように構成されている。図7に示されている概
ねT形の金属フィンは、共にJet Propulision 研究室のJean-Pierre Fleurial及
びJeff Snyderによって開発された。このT形フィンは基部部分53bと基部部分に
概ね垂直な上部部分53tを含んでおり、この基部部分は熱電素子の間に挿入され
ており、また、この上部部分は反応ガスの流れがこの上部部分を32a方向に通過
していくように片側の反応ガス通路の中に延在している。T形フィンの上部部分5
3tは排気ガスの流れがこの上部部分を38a方向に通過していくように排気ガス通
路（図7での右側）の中に延在している。この上部部分は、気体が流れる通路の
中に32a及び38aの流れ方向と概ね平行に配置される。作用壁の構成によって、各
素子に渡る電圧を増加させ、それによって装置の全電圧出力を最大化するための
適切な極性配置を伴うn型及びp型熱電素子を直列に接続する方法を提供する。
【００２６】 熱電作用壁に含まれるフィンはいくつかの目的に役立つ。第1に、T形金属フィ
ンの基部部分は熱電材料でないものの間の拡散障壁として作用し、それにより熱
電的効率のオーバータイムによる崩壊を防ぐ。第2に、そして主として、このフ
ィンは熱電素子と排気ガスの間の温度差に比例する熱電素子に渡る温度差を増加
させるように設計されている。
【００２７】 熱電素子に渡る高い温度差を保持するのはマイクロ燃焼器に熱電的装置組み込
むうえで重要である。本発明のある実施例にしたがって、本発明者は最適な熱電
性能のための、通路壁に沿った熱電素子の高さの通路壁中の素子の幅Wに対して
の比を約3:1よりも大きくするべきであるということを決定した。例えば、H:Wの
比は約8:1のときに非常にすばらしい熱電性能を提供することが予測されている
。フィンが互いに接触せずにできるだけ大きくなっており、熱電素子を直接気体
と接触することから保護するのが望ましいため、素子の縦横比によってT形フィ
ン53の縦横比が決定される。フィン間のギャップ54は小さくすべきである。それ
ゆえに、このギャップを無視するとフィン上部部分の全長は約2Hとなり、それに
対して基部部分はおよそ2Ｗくらいであり、このときフィン及び熱電素子の間の
間隔はおよそWくらいである。それゆえに、フィンの長さと幅の比としてはおよ
そH:Wくらいの比であるのが好ましい。
【００２８】 機能のいかなる理論にも縛られることなしに、以下は伝導支配性熱移動の点か
ら熱電作用壁の構成の考察を説明している。熱電素子に渡る高い温度差ΔTを保
持するうえで問題が発生する。なぜならば、熱電素子の熱伝導度kTEは、一般的
にはメートル及びケルビン当たり約1ワット(W/mK)であり、一般的にはおよそ0.0
3W/mkくらいである反応ガス及び排気ガスの熱伝導率kgasよりもかなり高くなっ
ているからである。伝導支配性熱移動のため、低いレイノルズ数で作動するマイ
クロスケールな装置の特性は、ΔTが熱抵抗X/kAに比例している。ここでXは伝導
距離でありＡは熱移動のための接触面積である。その結果、 ΔTgas-fin:ΔTfin-TE:ΔTTE≒Xgas/kgasAfin:Xbase/kfinAbase:XTE/kTEATE となる。伝導の長さはXbase〜W及びXTE〜Hで与えられ、熱移動の接触面積はAfin 〜H、Abase〜Y、及びATE〜Wである。金属フィンは一般的に伝導度がとても高く
、約20−100W/mkなので、金属によるものでは、 kfin≫kTE≫kgas であり、すなわち、 ΔTgas-fin:ΔTfin-TE:ΔTTE≒Xgas/kgasH:0:H/kTEW であり、ここで、フィン間のギャップの空気に渡っての伝導は無視した。したが
って、ΔTgas-fin/ΔTTE〜XgasW/H2となる。ΔTgas-fin/ΔTTEの値が小さい、つ
まり、熱電素子に渡った差異と関連するような気体と熱電素子間の差異が小さい
値であるのが好ましいため、作用壁の設計は素子の高さHを増加し、及び素子の
厚さWを減少することにより最適化される。それゆえに、H:Wの大きな比が有利と
なる。
【００２９】 本発明の付加的な実施例は別のフィン設計で構成されている。基部部分63b及
び該基部部分に概ね垂直である上部部分63tを有する別のL形フィン63が図8aに示
されている。フィン63は、通路壁の両側でLの上部部分が基部部分から上流方向
に延在するように配置されている。図8bには混成フィン73が示されている。混成
フィン73は、基部部分73bから上流方向に延在している上部部分73tの部分が下流
方向に延在している上部部分の部分より長くなっているような非対称なT形構造
をしているL形フィン及び混成フィンは熱電素子に渡った温度勾配を最適化する
ように選択され、それゆえに最上の電力及び変換効率を提供する。どのようなフ
ィン設計でも、所望に応じて気体の流れの中へと延在するような突出部を上部部
分に含んでよい。この突出部は、熱移動を増加させるようなフィンの表面積を増
加させるが、しかしながら通路内での圧力への影響と、すなわち、気体の流れの
影響に対してのバランスをとらなければならない。
【００３０】 この点を検討したマイクロ発電機構造では、作用壁50は垂直に配置されている
。マイクロ発電機を製造するために好ましく用いられている製造技術では、下記
で検討するように、装置を一層ずつ仕上げていく。各層に成膜させなければなら
ない異なる材料の数は最小化されることがかなり望ましく、それにより、層が水
平だと仮定すると熱電材料を鉛直な壁だけに用いることになる。複数の鉛直な壁
が用いられた場合、例えば図5及び6の層85のように各層が1つの型だけを含むよ
うに、各壁のn型材料及びp型材料の相対位置を調整し得る。しかしながら、水平
方向の壁に熱電材料をさらに含むことは、装置の電力及び効率を増加させる機械
を提供する。水平方向の作用壁上の熱電素子はワッシャー若しくは半ワッシャー
形状である。図9はL形フィン及びねじれ型のn型熱電素子81及びp型熱電素子82に
よって規定された作用壁を図示している。例えば層86のように、どの層において
も成膜させる必要がある熱電材料の伝導度の種類が最高1つであるという点で、
ねじれ型構造は水平方向の向きの作用壁に対して役立つ。L形フィン63が図9に示
されているが、ねじれ型の壁はどのようなフィン設計とでも一緒に用いることが
可能である。前述で、鉛直方向はトロイドの回転軸と平行であるようにとられて
いる。装置製造のこれらの検討を他の方向の場合での適用は当業者には明らかで
あろう。
【００３１】 本発明の別の適用では、熱電材料は低い熱伝導度の（断熱性）粒子から成る二
層を含む混成材料である。粒子が中空で、真空で封入されている、若しくはガス
封入されているときに最低の熱伝導度を提供される。ポリマー、ガラス、若しく
は金属の中空微小球形状が低い伝導度粒子に適切である。あるいは、粒子はエー
ロゲル様の材料を有していてもよい。全ての場合で、粒子の大きさは熱電素子の
特性的な大きさの最小値よりもかなり小さくなっているべきである。一般的な粒
子の大きさは約5μm未満である。第二相の存在により、熱電素子は、より高い熱
電素子に渡る温度差ΔTTEをもたらすような、より低い総合的な熱伝導度を持っ
ている。前記で検討したように、ΔTTEが高い値であることが望ましい。熱電材
料の中に断熱性粒子を含むことにより電気伝導度も低下するが、混成の電熱材料
を用いることはそれでも正味として利点となる。
【００３２】 装置の外部への接続も含むようなマイクロ発電機の電気的相互接続によって、
マイクロスケールでは組み込むのが困難であろう付加的な導体の必要性を回避し
得るような、発電機の伝導材料構成が利用できる。選択し得る電気的相互接の続
例示的な構成が図4a、5、及び6に図示されており、それぞれ陰極110及び陽極115
を含んでいる。仕切り壁210に配置された電気的導体を通して図4aの陽極115や、
図5の両極と連絡をとる。発電機の外側のほぼ好きな位置に露出させた図4aの陰
極110若しくは図6の両極と連絡をとることが可能である。端子の位置は、反応ガ
ス流入口及び曲がりの数にいくぶんか左右される。発電機の外側に両端子を伴っ
た図6の配線構成が、仕切り壁を持たない完全に環状な発電機や、熱電素子への
電気的接続のない仕切り壁を持つ装置に適切である。
【００３３】 図4aの半環状の抵抗材料22を利用する点火装置の配線も、導電性構造壁を利用
する。図4bの模式図に示されているように、外部電力供給源120は、DC電力供給
源として図示されているがDCでもACでもよく、仕切り壁と接触する構造金属23の
薄膜と接続されている。この構成では、発電機の構造の一部が発電及び点火装置
のための電流経路として機能する。
【００３４】 マイクロ発電機の断面図の図6は、構造の機械的支持を提供するブリッジ125を
含む。ブリッジ125は、電気的伝導性のある構造材料から作られており、それに
より、必要な電気的接続も提供する。ブリッジ125は、燃焼室の中へ気体が自由
に通過できるように多孔性であるか、若しくは別個のスラットから成っている。
所望に応じて、複数のブリッジ要素を機械的支持を提供するために、通路壁に渡
って設けてもよい。ブリッジ要素は配線構造に応じて導体若しくは絶縁の材料か
ら作られるが、導体ブリッジを不適当な位置に用いて電気的な経路をショートさ
せないような配慮が必要である。
【００３５】 図5及び6の構成は点火のための付加的特性を含んでもよい。1つの選択肢とし
て、図6のブリッジ125は、燃焼の点火のために抵抗で熱くなるようなとても薄い
導体で作られている。この方法では、マイクロ発電機は、太いバイメタル分路（
図示せず）も含んでもよい。前記バイメタル分路は、一方の壁126に固定され、
燃焼の熱によって曲がり、もう一方の壁127と電気的に接触して細長い導線ブリ
ッジ125よりも低い抵抗の、電気的に並列な経路を提供する。図5の構成は、端子
115及び110の間に点火のために高い電圧がかけられるスパークギャップ（図示せ
ず）を含んでもよい。別の選択肢として、構造に付加的に、端子115及び110と接
続しているような、外部から電力供給されたバイメタル熱線点火装置を含んでも
よい。この場合には、燃焼によって熱せられると、配線構造を図5に示されたよ
うに残し、熱線は端子115若しくは110との接触を断つべく曲がって離れていく。
【００３６】 2つ以上の部分環状体が、1つ以上の絶縁の仕切り壁で隔てられているように構
成されたマイクロ発電機では、各部分は電気的に独立している。この配置により
、望ましい適用に応じて電流若しくは電圧を最大化するための、前記部分を直列
又は並列に配線することが可能となる。
【００３７】 別の実施例では、マイクロ発電機は、多孔性若しくは穿孔された仕切り壁で仕
切られた2つの半環状部分から構成され、熱電素子を持たない前記部分の1つは燃
焼に用いられ、熱電素子を持つ前記部分のもう1つは発電に用いられる。燃焼器
からの熱い排気産出物が熱電素子に渡って発電部分に方向付けられるように、前
記部分は配置される。
【００３８】 さらに、別の実施例では、燃焼器の流れの通路の高さは可変である。環状マイ
クロ燃焼器では、環状の流れの通路の円周方向の寸法である、以降の文での「幅
」は、半径の関数として大きく変動する。例えば、回転軸に最も近い鉛直方向通
路の幅は、この軸から最も離れている鉛直方向通路と比較すると数分の一の小さ
さであり得る。さらに、水平方向の流れの通路の幅は連続的に変化し、軸に向か
う端部では小さくなっていき、軸から離れるにつれて大きくなっている。通路の
幅の変化によって生じる流れの抵抗の変化を少なくとも部分的に補うために、図
10に示される燃焼器300は、軸305に近い通路の高さが外側に近い通路の高さより
も大きくなっている。水平方向の通路については、図10に図示されているように
中心付近がより高くなるように高さが先細になっている。水平でなくなっている
通路310の近接の熱電作用壁については、燃焼器300が発電機のときに、熱電作用
壁を図11に示されているようなマイクロ製造に適した、別個の層の各々にn型素
子51及びp型素子52を有するようなステアステップ(stair-step)構成で設計して
もよい。
【００３９】 1つのマイクロ発電機が提供し得るのより高い電力レベルを得るために、共通
の基盤上に複数の発電機を組み立てててもよい。この基盤は、アレイの出力電流
及び電圧を調整するために発電機アレイを直列若しくは並列に電気的に構成する
ことを可能にするような、伝導性トレース（trace）を提供し得る。
【００４０】 本発明のマイクロデバイスは、ある実施例では、材料の薄い層から装置を造る
ためにあらかじめ形成されたコンフォーマブルマスクを用いる電気化学的製造プ
ロセスによって好ましく製造される。このマスクは構造材料（例えば金属）、及
び支持材料又は犠牲材料の選択的なめっきを可能にする。前記犠牲金属は、金属
及び熱電素子を含むような構造素子の間の空間に成膜させられ、その後エッチン
グ、融解、若しくは電解質の溶解によって除去される。
【００４１】 構造材料及び犠牲材料の成膜の適切な電気化学的な製造プロセスは、Cohenに
より米国特許第6,027,630号（以下の文では'630）に詳しく説明されており、そ
れに言及することをもって本明細書の一部とする。この方法は、マスクされてい
ない領域に犠牲材料を電着させるために 基盤に対してコンフォーマブルエラストマーを含むマスクを配置することによる
層の形成、成膜した犠牲材料及び基盤の上から構造材料に電着させた成膜及びマ
スクの除去、及び層の平坦化を含む。次にこの犠牲材料は、例えば化学的に、除
去される。適切なパターンであらかじめ形成されたマスクを用いて、ある装置は
一層ずつモノリシックに仕上げられる。典型的な層の厚さは約2−10μmである。
一般的に、マイクロ発電機は、水平方向を規定する成膜層を伴った、トロイドの
回転軸が鉛直方向となるような配置で製造されるが、別の配置を選択してもよい
。マイクロ発電機の、半環状若しくは部分環状体の製造によって、犠牲材料の除
去が容易になる。
【００４２】 本発明のマイクロデバイスでは、プラチナが電着構造金属として有用であるの
に対して、例えば水酸化アンモニウム若しくは過硫酸ナトリウムを含むエッチン
グ剤を用いてプラチナ構造から選択的に除去し得るような犠牲金属として銅が有
用である。白金電着のための電解槽は、日本エレクトロプレイティング・エンジ
ニヤース株式会社（Electroplating Engineers of Japan Ltd.）によって製造さ
れ、Enthone-OMI社によってPlatinart 100として供給されたものが、構造金属と
して低応力白金を形成するために有益に用いられている。別の構造金属にはニッ
ケルが含まれ、燃焼部分から離れている装置の部分では、ニッケルは白金、ルテ
ニウム、レニウム、又はロジウムのような耐蝕性金属の薄い層で覆われる。別の
犠牲金属には、クロム、鉄及び亜鉛が含まれる。
【００４３】 1つの構造金属で構成されるようなマイクロ燃焼器は、特許第'630号に開示さ
れた方法を用いて製造する。熱電素子から構成される作用壁を含むマイクロ発電
機を成形するために、少なくとも3つの材料−構造材料、犠牲材料、及びn型若し
くはp型の熱電材料―を含む層が成膜される必要がある。本発明の別の実施例に
したがい、1つの層に3つの材料を電着するためには2つのマスクが必要であり、1
つは前記で説明した「標準」のマスクで、1つはここで説明する「無陽極インス
タントマスク（anodeless instant mask:AIM）」である。
【００４４】 3つの材料を含む層へのAIMを用いた成膜に対してのあるプロセスのフローが、
あるマイクロ発電機の1つの作用壁付近の小部分が描かれているような図12a−12
hの断面で図示されている。図12aは、犠牲金属の成膜のために陽極254に付けら
れ、基盤250に対してプレスされるようなパターン化されたエラストマー252から
構成される標準マスクを含む。このプロセスフロー図では、基盤は過去の被膜層
を全て描写している。基盤250に対してプレスされたコンフォーマルエラストマ
ー252は、続くステップで構造材料及び熱電材料が成膜される領域での成膜を妨
げる。図12bでの犠牲材料256が電着槽255から成膜し、それにより図12cでの犠牲
材料の成膜されたパターンを生じる。
【００４５】 次に、無陽極インスタントマスクを用いて構造材料が成膜される。このAIMは
、次ステップで熱電材料が成膜される部分をマスクするようなパターン化された
エラストマー262（図12d参照）を含む。このパターン化されたエラストマーは、
非多孔性の材料からできており、示されているように穿孔されていてもよい非電
極支持体263に付けられる。穿孔263aは基盤への成膜の均一性を向上させ得る。
電着槽265は、図12dに示されているように、基盤及び分離陽極264の間の空間を
液体で満たしており、AIMの穿孔があればそこも満たしている。マイクロ発電機
の半環状部分の製造のための穿孔されたAIMの斜視図が図13に示されている。そ
のようなAIMが鉛直方向作用壁を1つだけ有するマイクロ発電機の製造に用いられ
るのに対し、複数の熱電素子の対を備えるような複数の鉛直方向作用壁又は水平
方向作用壁を製造する際には、複数のパターン化されたエラストマー環を有する
ようなAIMが用いられる。図12dの断面図に含まれる部分は断面の線S-Sで示され
ている。エラストマー262は、通常は高さが約20−150μmであり、幅が約10−100
μmである。穿孔263の特性的な大きさは約10−200μmである。
【００４６】 プロセスフローに戻ると、図12eに示されているようにAIMを通して構造材料が
めっきされており、エラストマー262によって保護された中央部位を除いた表面
の至るところが成膜され、それによって犠牲材料256及び構成材料266を含む図12
fの構造が生じさせる。最後に、熱電材料が図12fの全構造に渡って、陽極274を
用いて電着槽275からマスクなしで全面的に成膜され、それによって図12hのパタ
ーンを生じさせる。各層に応じて、n型の若しくはp型の熱電材料のどちらかを成
膜するが、両方だと付加的なマスキングステップが必要となるのでそうでないの
が好ましい。次に平坦化によって、余分な構成材料及び熱電材料を除去し、それ
によって犠牲材料256、構造材料266、及び熱電材料276を含むような図12iの層を
生じさせる。平坦化の方法にはラッピング、研磨、及び化学的機械的研磨を含む
。
【００４７】 別法として、3つの材料を成膜する順番を変えてもよい。例えば、代わりのプ
ロセスでは、標準マスクを用いて犠牲材料が成膜され、続いて構造材料が占める
部分を覆うAIMマスクパターンを通して熱電素子の成膜され、続いて熱電材料が
全面成膜される。材料が電着されるような別の組み合わせの順番が用いられても
よい。
【００４８】 図4aのように点火装置の半環状抵抗材料22を含む構造を製造するには、上述の
プロセスを半導体の製造プロセスと結びつけてもよい。例えば、適切な数の層が
電着された後に、成膜材料のある部分がパターン化されたフォトレジストを用い
て選択的にエッチングされ、それによりエッチング空洞ができる。抵抗材料がこ
のエッチング空洞に成膜され、所望に応じて平坦化され、さらに所望に応じて基
盤をめっきする導体で覆われる。次に再び一層ずつの電着プロセスを再開する。
【００４９】 ここで説明したどの製造プロセスで混成熱電材料を用いてもよい。混成熱電材
料を製造するために、熱電材料の電着の際に第二相の低伝導度粒子を一緒に成膜
させてもよい。
【００５０】 AIMは、特許第'630号に開示されている方法や材料を従来の半導体製造方法と
共に用いて、シリコンウェーハを基に製造してもよい。エラストマーの鋳型は、
例として、基盤に防腐剤で模様を付け、鋳型部分を解離することで防腐剤を処理
し、そしてエラストマーの液体でコーティングすることにより形成する。シリコ
ンウェーハをエラストマーで覆われた鋳型にプレスし、エラストマーをその凝固
のために硬化し、そしてパターン化されたエラストマーの造型262を形成するた
めにシリコンウェーハと付けられた成形エラストマーを分離する。成形の後に残
った残余エラストマーは、リアクティブイオンエッチング若しくはシリコン表面
のエラストマーの造型部分で覆われたところ以外を露出させる方法で除去できる
。もし望むのであれば支持体263中の穿孔263aは、例えばエラストマー及びシリ
コン上へのフォトレジストの模様付けとリアクティブイオンエッチングの後にフ
ォトレジストのストリッピングをすることによって成形することができる。
【００５１】 さらに本発明の別の実施例では、マイクロ燃焼器を形成するために、 熱電材料の各成膜に先立って薄い障壁層を成膜させる。この障壁層は犠牲材料と
熱電材料の間の何らかの不適合を克服するために役立つ。有用な障壁材料には、
金、白金、及びニッケルが含まれる。障壁層を用いるプロセスフローでは、犠牲
材料及び熱電材料は、図12a−12fと関連させて前述で検討したように成膜させる
。次に、薄い障壁層を、図14aに示されているように電着槽285及び陽極284から
全面的に成膜させ、それにより薄い障壁層286を形成する。前述したように、熱
電材料の層を薄い障壁層の上に成膜させ、図14b及び14cに示されているように生
じた層を平坦化する。全プロセスフローを複数回繰り返すと図15aに示されてい
るような構造を生じ、そこでは各熱電層が次の熱電素子の層から障壁層に286に
よって分離されており、また、熱電素子の複数の層の側面286sも障壁層でコーテ
ィングされている。図15aには2種類の伝導度、276及び277の熱電材料を含む。構
成材料の層は、熱電材料の左側に示されているようなT形フィン53の認識可能な
部分と、熱電材料の右側に示されているようなギャップによって隔てられている
上部部分53tの一部分を構成する。犠牲金属をエッチングした後の構造が図15bに
図示されている。最後に、図15cに示されるように、装置の空間部に露出してい
る熱電材料286sの外側の障壁層材料を、熱電素子をショートさせないようにエッ
チングして取り除く。
【００５２】 本発明を特定の材料及び構造に関して説明してきたが、この説明は発明の適用
例にしか過ぎない。以下の請求項によって規定されるような本発明の範囲内で、
開示されたプロセス及び構造の種々の適応や修正が企図される。
【００５３】
【図面の簡単な説明】
【図１a】 図1aは、本発明の実施例にしたがった環状燃焼器の破断図である。
【図1ｂ】 図1bは、本発明の実施例にしたがった燃焼器のトロイドの回転軸と平行な面で
の断面図である。
【図２】 図2は、本発明の実施例にしたがった燃焼器の平面図である。
【図３】 図3は、本発明の実施例にしたがった図2のような燃焼器に含まれる仕切り壁で
ある。
【図４a】 図4aは、本発明の実施例にしたがった半環状の点火装置を含む発電機の断面図
である。
【図4ｂ】 図4bは、図4aの発電機の配線図を模式的に示したものである。
【図５】 図5は、本発明の実施例にしたがった発電機の断面図である。
【図６】 図6は、本発明の実施例にしたがった発電機の断面図である。
【図７】 図7は、本発明の実施例にしたがった発電機に含まれるT形フィンを備えた熱電
作用壁の断面図である。
【図８ａ】 図8aは、本発明の実施例にしたがったL形フィンの断面図を図示している。
【図８ｂ】 図8bは、本発明の実施例にしたがった非対称T形フィンの断面図を図示してい
る。
【図９】 図9は、本発明の実施例にしたがったねじれ型のn型素子及びp型素子を備えた
熱電作用壁の断面図を図示している。
【図１０】 図10は、本発明のさらに別の実施例にしたがった通路の大きさが可変である燃
焼器を図示している。
【図１１】 図11は、本発明の実施例にしたがった図10の燃焼器に含まれる発電機に役立つ
斜めの熱電作用壁が図示されている。
【図１２ａ】 図12aは、本発明の実施例にしたがった発電機を製造するプロセスを図示して
いる。
【図１２ｂ】 図12bは、本発明の実施例にしたがった発電機を製造するプロセスを図示して
いる。
【図１２ｃ】 図12cは、本発明の実施例にしたがった発電機を製造するプロセスを図示して
いる。
【図１２ｄ】 図12dは、本発明の実施例にしたがった発電機を製造するプロセスを図示して
いる。
【図１２ｅ】 図12eは、本発明の実施例にしたがった発電機を製造するプロセスを図示して
いる。
【図１２ｆ】 図12fは、本発明の実施例にしたがった発電機を製造するプロセスを図示して
いる。
【図１２ｇ】 図12gは、本発明の実施例にしたがった発電機を製造するプロセスを図示して
いる。
【図１２ｈ】 図12hは、本発明の実施例にしたがった発電機を製造するプロセスを図示して
いる。
【図１２ｉ】 図12iは、本発明の実施例にしたがった発電機を製造するプロセスを図示して
いる。
【図１３】 図13は、図12a−12iのプロセス中で用いられる無陽極インスタントマスクであ
る。
【図１４ａ】 図14aは、本発明の実施例にしたがった熱電素子中に障壁層を含む発電機の製
造プロセスの一部を図示している。
【図１４ｂ】 図14bは、本発明の実施例にしたがった熱電素子中に障壁層を含む発電機の製
造プロセスの一部を図示している。
【図１４ｃ】 図14cは、本発明の実施例にしたがった熱電素子中に障壁層を含む発電機の製
造プロセスの一部を図示している。
【図１５】 図15は、本発明の実施例にしたがった熱電素子中に障壁層を含む発電機のある
部分の断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 フロディス、ウリ アメリカ合衆国カリフォルニア州90064・ ロサンゼルス・セルビーアベニュー 2807 (72)発明者 シツキ、ラース アメリカ合衆国カリフォルニア州90036・ ロサンゼルス・８エム号・サウスカーソン アベニュー 435 (72)発明者 メイバーグ、エッカート アメリカ合衆国カリフォルニア州91001・ アルタデナ・グランドオークスアベニュー 1711 (72)発明者 ウッソー、ステフェン ドイツ国シュウェリン19057・ブルースワ イツァーストリート 59 Ｆターム(参考） 3K017 DC01

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 マイクロ発電機であって、 概ね環状の外面を有し、反応ガス通路及び排気ガス通路への開口部を備えた中
    央部位を規定し、前記反応ガス通路及び前記排気ガス通路が通路壁で隔てられ且
    つ互いに巻きつき合い、前記通路壁の少なくとも一部が熱電材料及び複数の熱伝
    導性フィンを有するような向流形熱交換器と、 前記反応ガス通路と連通するように前記熱交換器の前記外面に設けられた反応
    ガス流入口と、 前記排気ガス通路と連通するように前記熱交換器の前記外面に設けられた排気
    ガス排気口と、 前記発電機の前記外面と前記熱電材料の間の電気的接続とを有することを特徴
    とする発電機。
  2. 【請求項２】 前記熱電材料がn型伝導性熱電材料の素子及びp型伝導性熱
    電材料の素子を有することを特徴とする請求項１に記載の発電機。
  3. 【請求項３】 前記フィンが、 熱電材料の前記素子と接触するような熱的伝導性及び電気的伝導性のあるT形
    フィンであり、 前記フィンの各々が基部部分と該基部部分に概ね垂直であるような上部部分を
    有し、 前記フィンを前記基部部分の各々がn型伝導性素子及びp型伝導性素子の間に挿
    入されるように配置し、 一部の前記フィンを前記反応ガス通路の中へと延在させ、その上部部分を前記
    反応ガス通路中を流れる気体の向きと概ね平行であるように方向付けし、 一部の前記フィンを前記排気ガス通路の中へと延在させ、その上部部分を前記
    排気ガス通路中を流れる気体の向きと概ね平行であるように方向付けし、 前記フィンの各々の前記上部部分を前記基部部分よりも少なくとも3倍の長さ
    であるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の発電機。
  4. 【請求項４】 n型伝導性熱電材料の前記素子の前記通路壁に沿った方向
    の寸法が、n型伝導性熱電材料の前記素子の前記通路壁の幅方向の寸法よりも少
    なくとも3倍の長さであり、 p型伝導性熱電材料の前記素子の前記通路壁に沿った方向の寸法が、p型伝導性
    熱電材料の前記素子の前記通路壁の幅方向の寸法よりも少なくとも3倍の長さで
    あることを特徴とする請求項２に記載の発電機。
  5. 【請求項５】 前記フィンが、熱電材料の前記素子と接触するような熱的
    伝導性及び電気的伝導性のあるL形フィンであり、 前記フィンの各々が基部部分と該基部部分に概ね垂直であるような上部部分を
    有し、 前記フィンを前記基部部分の各々がn型伝導性素子及びp型伝導性素子の間に挿
    入されるように配置し、 一部の前記フィンを前記基部部分から前記反応ガス通路の中へ前記反応ガスが
    流れてくる方向に向かって延在させ、 一部の前記フィンを前記基部部分から前記排気ガス通路の中へ前記排気ガスが
    流れてくる方向に向かって延在させたことを特徴とする請求項２に記載の発電機
    。
  6. 【請求項６】 前記フィンが、熱電材料の前記素子と接触するような熱的
    伝導性及び電気的伝導性のある非対称なT形フィンであり、 前記フィンの各々が基部部分と、該基部部分に概ね垂直であり、長寸部及び短
    寸部を備えた上部部分を有し、 前記フィンを前記基部部分の各々がn型伝導性素子及びp型伝導性素子の間に挿
    入されるように配置し、 上部部分を反応ガス通路の中に有するような一部の前記フィンを、前記反応ガ
    スが流れてくる方向に向かって長寸部が延在するように配置し、 上部部分を排気ガス通路の中に有するような一部の前記フィンを、前記排気ガ
    スが流れてくる方向に向かって長寸部が延在するように配置したことを特徴とす
    る請求項２に記載の発電機。
  7. 【請求項７】 前記通路壁が、電気的伝導性のある材料から構成されるこ
    とを特徴とする請求項２に記載の発電機。
  8. 【請求項８】 電気的伝導性のある前記材料が白金であることを特徴とす
    る請求項７に記載の発電機。
  9. 【請求項９】 さらに、前記熱交換器の２つの部分環状体の間に並置され
    る仕切り壁を有することを特徴とする請求項１に記載の発電機。
  10. 【請求項１０】 前記部分環状体の各々が、電気的に独立しており、該部
    分環状体を電気的に接続させたことを特徴とする請求項９に記載の発電機。
  11. 【請求項１１】 さらに、前記発電機内に、点火装置を有することを特徴
    とする請求項１に記載の発電機。
  12. 【請求項１２】 さらに、前記発電機内に抵抗素子を含むような点火装置
    を有し、該抵抗素子が前記仕切り壁中に配置された導体を通して外部電源と接続
    させたことを特徴とする請求項９に記載の発電機。
  13. 【請求項１３】 n型伝導性熱電材料の前記素子及びp型伝導性熱電材料の
    前記素子が電着されたものであることを特徴とする請求項２に記載の発電機。
  14. 【請求項１４】 さらに、n型伝導性熱電材料の前記素子及びp型伝導性熱
    電材料の前記素子が、熱的伝導性の低い粒子を有することを特徴とする請求項２
    に記載の発電機。
  15. 【請求項１５】 さらに、通路壁を接続するブリッジング要素を有するこ
    とを特徴とする請求項１に記載の発電機。
  16. 【請求項１６】 環状の前記外面の外径が約2mm乃至約15mmであるように
    したことを特徴とする請求項１に記載の発電機。
  17. 【請求項１７】 マイクロスケールの燃焼器であって、 概ね環状の外面を有し、反応ガス通路及び排気ガス通路への開口部を備えた中
    央部位を規定し、前記反応ガス通路及び前記排気ガス通路が通路壁で隔てられ且
    つ互いに巻きつき合い、前記中央部位の内部の寸法が約1mm未満であるような向
    流形熱交換器と、 前記反応ガス通路と連通するように前記熱交換器の前記外面に設けられた反応
    ガス流入口と、 前記排気ガス通路と連通するように前記熱交換器の前記外面に設けられた排気
    ガス排気口とを有することを特徴とする燃焼器。
  18. 【請求項１８】 さらに、前記発電機内に、点火装置を有することを特徴
    とする請求項１７に記載の燃焼器。
  19. 【請求項１９】 前記反応ガス通路の幅及び前記排気ガス通路の幅を回転
    軸からの半径と共に変化させたことを特徴とする請求項１７に記載の燃焼器。
  20. 【請求項２０】 前に成膜された層の上から材料の層を成膜することによ
    るマイクロデバイスの製造方法であって、 電極に付けられたパターン化されたエラストマーを有する第1マスクを提供す
    るステップと、 前記第1マスクを用いて犠牲材料を電気化学的に成膜するステップと、 支持体に付けられたパターン化されたエラストマーを有するような第2マスク
    を提供するステップと、 前記第2マスク及び該第2マスクから分離された電極を用いて構造材料を電気化
    学的に成膜するステップと、 マスクなしで熱電材料を全面的に電気化学的に成膜するステップとを有するこ
    とを特徴とする方法。
  21. 【請求項２１】 さらに、全部の層を成膜した後に前記犠牲材料を除去す
    る方法を有することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記犠牲材料が銅であり、前記構造材料が、白金及びニ
    ッケルから構成されるグループから選択される金属を有することを特徴とする請
    求項２０に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 請求項２０に記載の方法によって製造されるマイクロデ
    バイスであって、 概ね環状の外面を有し、反応ガス通路及び排気ガス通路への開口部を備えた中
    央部位を規定し、前記反応ガス通路及び前記排気ガス通路が通路壁で隔てられ且
    つ互いに巻きつき合い、前記通路壁の少なくとも一部が熱電材料を有するような
    向流形熱交換器と、 前記反応ガス通路と連通するように前記熱交換器の前記外面に設けられた反応
    ガス流入口と、 前記排気ガス通路と連通するように前記熱交換器の前記外面に設けられた排気
    ガス排気口と、 前記発電機の前記外面と前記熱電材料の間の電気的接続とを有することを特徴
    とするマイクロデバイス。
  24. 【請求項２４】 熱電材料を有するような前記通路壁部分が、前記層の面
    に垂直に配置されるようにしたことを特徴とする請求項２３に記載の発電機。
  25. 【請求項２５】 成膜された各層がn型伝導性熱電材料だけか、若しくはp
    型伝導性熱電素子だけを含むべく熱電材料の前記素子を配置したことを特徴とす
    る請求項２２に記載の発電機。
  26. 【請求項２６】 前に成膜された層の上から材料の層を成膜することによ
    るマイクロデバイスの製造方法であって、 電極に付けられたパターン化されたエラストマーを有するような第1マスクを
    提供するステップと、 前記第1マスクを用いて犠牲材料を電気化学的に成膜するステップと、 支持体に付けられたパターン化されたエラストマーを有するような第2マスク
    を提供するステップと、 前記第2マスク及び該第2マスクから分離された電極を用いて熱電材料を電気化
    学的に成膜するステップと、 マスクなしで構造材料を全面的に電気化学的に成膜するステップとを有するこ
    とを特徴とする方法。
  27. 【請求項２７】 材料を選択的に電着させるためのマスクであって、該マ
    スクが電極ではない支持体に付けられたパターン化されたエラストマー材料を有
    し、前記支持体が穿孔されていることを特徴とするマスク。
  28. 【請求項２８】 さらに、 マスクなしで熱電材料を全面的に電気化学的に成膜する前に、マスクなしで障
    壁材料を全面的に電気化学的に成膜するステップと、 全部の層を成膜した後に前記犠牲材料及び前記発電機中の空間に露出している
    障壁材料の部分を除去するステップとを有することを特徴とする請求項２０に記
    載の方法。
  29. 【請求項２９】 前記犠牲材料が銅であり、前記構造材料が白金であり、
    前記障壁材料が金であり、前記熱電材料がビスマス及びテルルを有することを特
    徴とする請求項２８に記載の発電機。
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