JP2000514896A - マイクロターボ機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、マイクロガスタービンエンジンおよび関連するマイクロ部品を提供するものである。エンジン構成要素、例えば、圧縮機、ディフューザベーンを有するディフューザ、燃焼チャンバ、タービンガイドベーンおよびタービンなどは、それぞれ、例えば、マイクロ製作技術によって製作され、すべての構成要素に共通する構造材料、例えば、シリコンまたは炭化ケイ素などのエレクトロニクス材料によって構成される。蒸着技術およびバルクエッチング技術を使用しエンジンを生成することができる。エンジンは、実質的にテーパのない圧縮機ディスクをその第１端部に有する軸を有し遠心圧縮機を形成するロータと、軸の対向する端部にあり半径流タービンを形成する実質的にテーパのないタービンディスクと、を備える。ロータは、好適には、少なくとも毎秒約５００，０００回転のロータ速度を可能とする強度比を特徴とする材料より形成される。圧縮機とタービンディスクの間に配置され、少なくとも約０．５の環状高さ対軸方向長さの比を有する環状軸流燃焼チャンバが備えられる。マイクロガスタービンは、電力の供給源として一体型マイクロジェネレータと共に構成することが可能であり、広範囲の動力、推進、および熱力学サイクル応用分野に使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロターボ機械 本出願は、１９９６年７月１６日出願のＥｐｓｔｅｉｎらによる米国仮特許出 願第６０／０２２，０９８号の特典を請求するものであり、この仮出願は引用に より本願に援用する。 本発明に関する政府の権利 本発明は、米国政府の支援の下に、米国空軍契約番号Ｆ１９６２８−９５−Ｃ −０００２、ならびに米国陸軍許可番号ＤＡＡＨ０４−９５−１−００９３およ びＤＡＡＨ０４−９６−１−０２５６に基づいて実施された。米国政府は、本発 明に関して確定した権利を有する。 発明の背景 本発明は、エネルギまたは熱力学的システム、特に、電源などの動力源、ジェ ット推進などの推進装置、および冷却、換気システムなどの熱力学的システムに 関し、さらには、これらのシステムであって、高い効率で、小さいサイズ領域で 作動するシステムに関する。 小型で、高度に可動性であり、効率のよい熱力学的システムやエネルギシステ ムは、広範囲の応用分野、例えば、携帯用エレクトロニクスの動力供給および冷 却装置、通信装置、医療装置、分散・自己出力型動作システムおよびセンサシス テムの制御ならびに各モジュールの駆動、ならびに分散加熱式や補助加熱式およ び換気システムの熱力学的システム、さらには他の応用分野において、ますます 重要になりつつある。通常、このような応用分野は、高出力でありエネルギ密度 が高いがサイズおよび重量が最小でありコスト効率の高いことを特徴とする動力 源を必要とする。 歴史上、電池、例えば、一次電池および再充電可能電池が携帯用小型動力源を 供給する責務を果たしてきた。しかし、携帯用電池は、通常、ミリワットからワ ットまでの範囲の動力生成に限定されるため、携帯でき軽量と同様に重要である 動力生成の必要性を都合よく処理することができない。通常の電池の環境との非 両立性も多数の応用分野に対する制約となる。 逆に、熱機関、例えばガスタービン動力供給ジェネレータは、キロワットの出 力を高出力密度で高効率で生成できるが、通常、比較的サイズが大きく、多数の 自己出力型の応用分野における可動性の要求と両立しない。実際に、液体燃料は エネルギ密度が高いという特性を有するため、熱機関は全ての動力源のうち最も 小型にすることができるが、熱力学的規模およびコスト考慮のために従来は大型 機関が有利であった。特に、大型機関、例えば、ガスタービンエンジンは、高い 燃焼器排気温度および正確な寸法精度によって高い燃焼効率および構成要素効率 を達成した。構成要素機械の高い耐久性を実現することおよび高い燃焼器温度を 比較的小型の従来の機関に順応させることのコストおよび困難さのために、ガス タービンは数百キロワット未満の動力レベルに対しては魅力のない動力源とされ てきた。 高出力および高エネルギ密度を特徴とする動力供給源ならびに高可動性および 軽重量を特徴とする動力源に関する見解の相違は別として、推進、循環、加熱、 冷却、および他の熱力学サイクルに関するシステムは、通常、効率、モジュール 方式、可動性、サイズ、重量、または挑戦的な現代の応用分野の特徴であるコス ト効率に関する幾つかの要求を同様に欠いていると理解される。さらに、多数の 挑戦的な携帯用モジュール方式応用分野の発展は、前述のような要求に応じる動 力供給源および熱力学サイクル供給源があるかどうかに依存している。その結果 、可動、自己出力、小型規模システムにおける進歩が、これまで制約されていた 。 発明の要旨 本発明は、ミリメートルおよびミクロンの領域において、相当な動力の生成お よび熱力学システムの効率的な作動を可能とし、多数の現代の応用分野の効率、 可動性、モジュール方式、重量、およびコスト要求を満足するマイクロマシン構 成要素を提供することによって、従来の動力供給源および熱力学供給源の限界を 克服するものである。 したがって、第１の態様において、本発明は、エンジンインレットポートおよ び吸入空気を圧縮するための回転自在な圧縮機ディスクを備えた圧縮機と前記圧 縮機からの圧縮空気を受け入れ空気静圧の上昇を生成するように配置される複数 のディフューザベーンとを有するガスタービンエンジンを提供する。燃焼器は、 燃焼チャンバを有し、ディフューザベーンから燃焼器インレットを経由して圧縮 空気を受け入れ、圧縮空気と燃料とを燃焼させるように配置され、複数のタービ ンガイドベーンが燃焼器から排出される燃焼空気を受け取るように配置される。 最後に、タービンは、タービンガイドベーンから燃焼空気を受け取るように配置 される回転自在タービンディスクを有し、またエンジン排気ポートを有するよう に形成される。 一実施形態においては、圧縮機、ディフューザベーン、燃焼チャンバ、タービ ンガイドベーン、およびタービン構成要素は、それぞれ、構造材料、例えば、炭 化ケイ素、蒸着炭化ケイ素、シリコン、または窒化ケイ素などのマイクロエレク トロニクス材料よりなり、この材料はすべての構成要素に対して共通である。別 の実施形態においては、圧縮機、ディフューザベーン、燃焼チャンバ、タービン ガイドベーン、およびタービン構成要素は、それぞれ、フォトリソグラフィによ って形成される寸法を有するマイクロ製作構成要素である。ここで、圧縮機およ びタービンディスクは、単結晶シリコンまたは炭化ケイ素ウェハのバルクエッチ ングによってマイクロ製作される単結晶シリコンまたは炭化ケイ素とすることが できる。 他の態様においては、本発明によって、軸を有するロータを備えるガスタービ ンエンジンが提供され、軸は、第１端部に実質的にテーパのない圧縮機ディスク および遠心圧縮機を形成する圧縮機ブレードを有し、対向する端部に実質的にテ ーパのないタービンディスクおよび半径流タービンを形成するタービンブレード を有する。ロータは、少なくとも毎分約５００，０００回転のロータ速度を可能 とする比強度によって特徴付けられる材料よりなる。環状の、半径方向外向き流 れディフューザは圧縮機ディスクの半径方向外側に配置され、圧縮機から圧縮空 気を受け取る。環状の軸流燃焼チャンバは、ロータ軸の外側に半径方向に配置さ れ、また圧縮機とタービンディスク間に軸方向に配置され、ディフューザの外側 に半径方向に配置される燃焼チャンバインレットおよびタービンディスクの外側 に半径方向に配置される排気アウトレットを有する。複数の半径流タービンガイ ドベーンは、タービンディスクの半径方向外側に配置され、燃焼排気を受け入れ 排気をタービンに向けるためのインレットを有する。 好適には、圧縮機およびタービンディスクは、それぞれ、ディスク直径が約１ ｍｍから約１０ｍｍの範囲であり、好適には、燃焼器は、環状部の半径方向幅（ 環状高さ）がほぼ２ｍｍから１０ｍｍの範囲であり軸方向の長さはほぼ０．５ｍ ｍから５．５ｍｍの範囲である燃焼チャンバを有する。燃焼チャンバは、通常、 燃焼チャンバの環状部の半径方向幅対軸方向長さの比が少なくとも約０．５であ ることを特徴とする寸法を有する。 本発明によって提供される実施形態において、ロータ軸は、ロータ軸とエンジ ンハウジング壁との間にほぼ２μｍから２５μｍの範囲のクリアランスを有する ラジアルガスジャーナル軸受けによって支持される。このガスジャーナル軸受け は、接線周線非対称の加圧シールを備えることができる。代替方法としては、圧 縮機ディスクおよびタービンディスクは、それぞれ、ディスクの半径方向の周辺 端部と対応するエンジンハウジング壁間に間隙を有するラジアルガスジャーナル 軸受けによって、回転可能に支持することができる。圧縮機およびタービンディ スクは、ロータ上に背中合わせに配置することができる。 他の実施形態においては、圧縮機ブレードは半径流ブレードであり、共に、共 通の軸方向の高さであり、それぞれの一定の軸方向高さはブレードに沿って半径 方向に延在する。同様に、タービンブレードは半径流ブレードであり、共に共通 の軸方向高さであり、それぞれの一定の軸方向高さはブレードに沿って半径方向 に延在する。同様に、ディフューザは、半径流ディフューザベーンを備え、共に 圧縮機ブレードと共通の軸方向高さであり、それぞれの一定の軸方向高さはベー ンに沿って半径方向に延在する。タービンガイドベーンは、半径流ベーンであり 、共に複数のタービンブレードと共通の軸方向高さであり、それぞれの一定の軸 方向高さはベーンに沿って半径方向に延在する。 本発明によって、モータまたはジェネレータが提供され、モータまたはジェネ レータは、圧縮機によって形成されるロータを有し、また圧縮機ディスクに対向 するエンジン端壁に配置される伝導性領域によって形成され、少なくとも一つの 励起相のステータ励起構成を定めるように相互接続されるステータ電極を有する 。ロータは、特に、圧縮機ブレードによって形成することが可能であり、または 圧縮機ブレードが半径流ブレードであり、共に共通の軸方向高さでありそれぞれ の一定の軸方向高さはブレードに沿って半径方向に延在する場合、ブレードシュ ラウドはブレードの軸方向の高さに結合され電気誘導ロータを形成する上部伝導 性層に対応させることができる。同様に、ロータはタービンによって形成される ことが可能であり、タービンディスクに対向するエンジン端壁に配置され、少な くとも一つの励起相のステータ励起構成を定めるように相互接続される伝導性領 域によって形成されるステータ電極を有することができる。この場合、ロータは 、特に、タービンブレードによって形成され、またはタービンブレードが半径流 ブレードであり、共に共通の軸上高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはブレ ードに沿って半径方向に延在する場合、ブレードシュラウドはブレードの軸方向 の高さに結合し電気誘導モータを形成する上部伝導性層に適応させることができ る。 さらに別の実施形態においては、環状の燃料プレナムがエンジンに備えられ、 圧縮機ディスクの半径方向外側に配置される。また燃料噴射装置のアレイが、燃 料プレナムと内部エンジン空気流に沿った燃焼器インレットの上流のエンジン端 壁の位置との間に接続される。また、エンジン燃料タンク、ロータに連結される モータ、モータを起動するための補助動力源、および制御構成要素が備えられる 。この構成によって、エンジンは、エンジンパッケージ内に収容されるように備 えられ、エンジンパッケージは、圧縮機に接続される空気インレットポート、タ ービンに接続される空気排気ポート、燃料タンクに接続される燃料ポート、燃料 タンクを燃料プレナムに接続する燃料配管、制御エレクトロニクスおよび補助動 力源に接続される電気ポート、および燃料タンクをその他のエンジン構成要素か ら隔離する隔離壁を有する。好適には、エンジンパッケージは１リットル未満の 容積であり、プラスチックによって形成され、約５ｍｌから５０００ｍｌの範囲 の液体エンジン燃料を貯蔵するために十分な貯蔵容量を有する燃料タンクを支持 する。 別の実施形態においては、環状復熱装置が接続され、ディフューザから圧縮空 気を受け取りまたタービン排出される空気を受け取り、圧縮空気を加熱し加熱さ れた圧縮空気を燃焼器に送る。ここで、タービンから排出される空気を受け取る ために平面状熱気チャネルが接続され、ディフューザから圧縮空気を受け取るた めに接続される冷気チャネルと交互配置方式で配置される。また別の実施形態に おいては、バイパスファンブレードを有するバイパスファンが圧縮機ディスクの 軸方向前方に配置され、また軸方向のバイパスチャネルが燃焼器の半径方向外側 に配置され、タービンの軸方向の後部に補助排気ポートが備えられる。ここで、 圧縮機ブレードが半径流ブレードであり共に共通の軸方向高さをであり、それぞ れの一定の軸方向高さがブレードに沿って半径方向に延在する場合、ブレードシ ュラウドはブレードの軸方向の高さに連結されバイパスファンブレードを支持す ることが可能であり、この場合もまた、共に共通の軸方向の高さであり、それぞ れの一定の軸方向高さはブレードに沿って半径方向に延在する。 別の態様においては、本発明によって、圧縮機ディスクを有するガスタービン エンジンが提供され、圧縮機ディスクは、遠心圧縮機を形成する半径流圧縮機ブ レードを備え、半径流タービンを形成する半径流ブレードを有するタービンディ スクと同一の平面上に配置される。半径流ディフューザ、燃焼器、および半径流 タービンの内向き流れタービンベーンは、同一平面内のディスクによって形成さ れる。ここで、エンジンは、約１ｃｍ未満の厚さを有する。本発明によって、さ らに、燃焼式発電装置に対する同様な構成が提供され、この構成は、同一平面上 に配置される一つまたは二つの燃料用ロータリーポンプおよびラジアルディフュ ーザ、燃焼器、ならびに共面ロータリーポンプディスクによって形成される半径 流タービンベーンを有する。この場合、提供されるジェネレータは、タービンに よって形成されるジェネレータロータと、タービンディスクに対向するジェネレ ータ端壁に配置される伝導性領域によって形成され少なくとも一つの励起相のス テータ励起構成を定めるように相互接続されるステータ電極と、を有する。燃料 用ロータリーポンプのためにポンプモータが備えられ、ポンプモータは、燃料ポ ンプによって形成されるモータロータと、燃料ポンプディスクに対向するジェネ レータ端壁に配置される伝導性領域によって形成されるステータ電極とを有する 。 本発明によるガスタービンエンジンに対しては多数の応用分野が存在し、ある 場合には、既存装置に対する優れた代替装置であり、一層便利な装置が提供され 、また他の場合には、エンジンの設計および作動特性によって可能となった新機 能が具体化される。例えば、従来の最良の電池と比較して、ガスタービンエンジ ンは、同じ重量、同じ体積の場合、２０倍の動力およびエネルギを提供すること ができる。このエンジンによって、広範囲の携帯用電源応用分野、例えば、携帯 用の電子装置および通信装置、加熱器、冷却器、などの応用分野において使用で きる動力源が提供される。本発明によって提供されるガスタービンエンジンのア レイを、一緒に使用することもできる。本発明によるガスタービンエンジンは、 飛翔する乗物の推進および制御のための推力の発生源として使用することもでき る。 本発明の他の特徴、利点、および応用分野は、以下の説明、添付図面、および 請求の範囲から明らかになる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明によるマイクロガスタービンエンジンを示す断面図である。 図２は、図１に示すガスタービンエンジンの作動のための補助システムおよび 制御システムを示す概略線図である。 図３は、種々のマイクロ燃焼器排気温度および圧力比に対して、燃料流量の関 数として表示した本発明によるマイクロガスタービンエンジン軸出力を示す図で ある。 図４Ａから図４Ｃまでは、それぞれ、本発明による、電気マイクロマシンシス テム、マイクロジェネレータのために形成された電気マイクロマシンシステム、 およびマイクロモータのために形成された電気マイクロマシンシステム、または マイクロモータ／マイクロジェネレータの組み合わせの作動のための制御および 放電回路構成を示す概略線図である。 図５は、図１に示すマイクロガスタービンエンジンに適応するマイクロマシン ロータおよびステータ電極を示す断面図である。 図６は、図５のマイクロジェネレータステータ電極を示す平面図である。 図７Ａは、本発明によって提供されるマイクロ熱交換器を示す断面図である。 図７Ｂは、本発明による伝熱式マイクロガスタービンエンジンを示す断面図で ある。 図８は、本発明によるバイパスマイクロガスタービンエンジンを示す断面図で ある。 図９は、本発明による粉末成型マイクロガスタービンエンジンを示す断面図で ある。 図１０Ａは、本発明による二次元マイクロ電気ガスタービンエンジンを示す平 面図である。 図１０Ｂは、図１０ＡのＢ−Ｂ’に沿った断面図である。 図１０Ｃは、図１０ＡのＣ−Ｃ’に沿った断面図である。 図１１Ａは、本発明によるマイクロスペースパワーエンジンを示す平面図であ る。 図１１Ｂから１１Ｄまでは、それぞれ、図１１ＡのＢ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’、およ びＤ−Ｄ’に沿った断面図である。 図１１Ｅは、本発明によるマイクロロケットエンジンを示す平面図である。 図１１Ｆは、図１１ＥのＦ−Ｆ’に沿った断面図である。 図１２ＡおよびＢは、本発明によるマイクロ圧縮機ロータ、ロータブレード、 およびディフューザベーンを示す斜視図である。 図１３Ａは、本発明によって提供されるマイクロガスタービンエンジンを示す 正面図である。 図１３Ｂは、図１３Ａ（７）Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。 図１４Ａは、図１３Ａおよび１３Ｂのマイクロ圧縮機の平面図である。 図１４Ｂは、図１４Ａ（７）Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。 図１４Ｃは、本発明によるマイクロガスタービンエンジンの燃料噴射機アレイ の、図１３Ｂ（７）Ｃ−Ｃ’に沿った断面図である。 図１５ＡおよびＢは、本発明によって提供されるマイクロ燃焼器を検査するた めに使用される実験用マイクロ燃焼器および圧力容器を示す側面図である。 図１６は、図１５ＡおよびＢの実験用マイクロ燃焼器の排気温度測定値を、マ イクロ燃焼器に供給される燃料の当量比の関数として示す図である。 図１７ＡおよびＢは、本発明によるマイクロタービンロータ、ロータブレード 、 およびガイドベーンを示す斜視図である。 図１８Ａは、本発明によって提供されるマイクロタービンを示す正面図である 。 図１８Ｂは、図１８ＡのＢ−Ｂ’に沿った断面図である。 図１８Ｃは、本発明によってマイクロ加工製作されたマイクロタービンの走査 電子顕微鏡写真である。 図１９は、本発明によって提供されるマイクロガスタービンエンジンを示す斜 視図である。 図２０は、図１のマイクロガスエンジンの、本発明によって提供されるマイク ロガス軸受を示す断面図である。 図２１Ａは、図２０のマイクロガス軸受の断面図である。 図２１Ｂおよび２１Ｃは、それぞれ、図２１Ａ（７）Ｂ−Ｂ’およびＣ−Ｃ’ に沿った平面図である。 図２２Ａは、本発明による遠心ジャーナル安定化シールに適合する、図１のマ イクロガスタービンエンジンの平面図である。 図２２Ｂは、図２２Ａ（７）Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。 図２３は、本発明によって提供されるセグメント化ジャーナルを示す平面図で ある。 図２４Ａは、本発明によるマイクロモータ−圧縮機を示す断面図である。 図２４Ｂは、図２４Ａ（７）Ｂ−Ｂ’に沿った平面図である。 図２５Ａは、本発明によるマイクロタービン−ジェネレータを示す断面図であ る。 図２５ＢおよびＣは、それぞれ、図２５Ａのマイクロタービン−ジェネレータ の支持板の、図２５ＡのＢ−Ｂ’およびＣ−Ｃ’に沿った平面図である。 図２６ＡおよびＢは、図２５Ａのマイクロタービン−ジェネレータのタービン ロータ、ロータブレード、およびガイドベーンを示す斜視図である。 図２７Ａは、本発明によるマイクロ構成要素より形成される発電に関する閉ル ープマイクロブレイトンサイクルを示す図である。 図２７Ｂは、本発明によるマイクロ構成要素より形成される冷却に関する開ル ープマイクロブレイトンサイクルを示す図である。 図２７Ｃは、本発明によるマイクロ構成要素より形成される冷却に関する閉ル ープマイクロブレイトンサイクルを示す図である。 図２７Ｄは、本発明によるマイクロ構成要素より形成されるヒートポンプ作動 または電力生成のための閉ループマイクロランキンサイクルを示す図である。 図２８Ａから２８Ｗまでは、図１のマイクロガスタービンエンジンを製作する ための、本発明による製作方法の断面図である。 図２９Ａから２９Ｃまでは、本発明による二次元、マイクロ電気ガスタービン を製作するための、本発明による製作方法の断面図である。 図２９Ｄは、図２９Ａから２９Ｃまでのマイクロガスタービンエンジンの燃焼 器インレットの図２９のＤ−Ｄ’に沿った正面図である。 図３０Ａから３１Ｄまでは、マイクロロータを製作するための本発明による製 作方法の断面図である。 図３１Ａから３１Ｊまでは、マイクロモータ−マイクロ圧縮機を製作するため の本発明による製作方法の断面図である。 図３２Ａから３２Ｄまでは、マイクロモータ−マイクロ圧縮機を製作するため の本発明による代替方法において、図３１Ａから３１Ｊまでのステップと共に使 用される追加ステップを示す断面図である。 図３３Ａから３３Ｄまでは、成型ＳｉＣマイクロ部品を製作するための本発明 による製作方法を示す断面図である。 図３４Ａから３４Ｃまでは、本発明によるマイクロガスタービンエンジンパッ ケージの平面図、側面図、および端面図である。 図３４ＤからＦまでは、それぞれ、図３４Ａから３４ＣまでのＤ−Ｄ’、Ｅ− Ｅ’およびＦ−Ｆ’に沿ったマイクロガスタービンエンジンパッケージの断面図 である。 図３５Ａは、本発明によるマイクロガスタービンエンジパッケージ構成要素の 断面図である。 図３５Ｂは、図３５Ａのマイクロガスタービンエンジン構成要素の平面図であ る。 発明の詳細な説明 本発明によって、およそミクロンからミリメートルのサイズにおいて高度の構 成要素効率を達成する電源、推進、および熱力学的循環運動を生成するための広 範囲のマイクロマシン部品を具体化することが可能となる。マイクロ圧縮機、マ イクロ燃焼器、マイクロタービン、マイクロ熱交換器、マイクロポンプ、および 以下に述べるマイクロ部品は、本発明によって、熱力学マイクロモジュールとし て提供され、この熱力学マイクロモジュールを種々の組み合わせに相互結合し、 マイクロ熱力学サイクル、例えば、マイクロガスタービンエンジン、マイクロガ スタービンジェネレータ、および広範囲の他の熱力学サイクル、例えば、加熱、 冷却、推進、循環、およびその他のミクロンからミリメートルの領域の応用分野 を構築することができる。 本発明によるマイクロターボ機械は、高温および高材料応力レベルにおける作 動が可能である正確なマイクロ構造の製作に依存している。本発明によるマイク ロターボ機械の名称および一般機能は、従来の大規模タービン機械の名称および 一般機能と類似であるが、本発明によって提供されるマイクロターボ機械および マイクロ熱力学システムの特定の設計、作動、および製作詳細は、従来の構成要 素およびシステムのそれらとは全く異なる。これは、小さなサイズにおける物理 処理の固有の変化および対応する構成要素を生成するための材料要求条件の両者 に由来する。本発明においては、マイクロ機械加工技術を、半導体処理から採用 される技術を使用する非常に高度の精度を有するマイクロタービン部品を生成す るために使用する。このマイクロ加工製作処理によって可能となる精度を超えて 、マイクロ加工製作バッチ処理は、結果として、非常にコスト効率よく大量のマ イクロターボ機械およびマイクロターボ機械組立体を生成する機能を有する。 以下に述べる討議は、最初に、マイクロガスタービンエンジンを、本発明によ って提供されるマイクロターボ機械によって生成することができるシステムの例 として示す。次に、代替のシステム設計および構成を、広範囲のシステム応用分 野と共に示す。次に、マイクロターボ機械を可能とする特定の設計について述べ る。その次に、マイクロターボ機械および組立体に関する製作、組立、およびパ ッケージング技術について述べる。 マイクロガスタービンエンジン 本発明によるマイクロガスタービンエンジンは、マイクロ圧縮機、マイクロ燃 焼チャンバ、マイクロタービン、およびマイクロフローノズルシステムを含む組 立体を備え、この組立体は一体となって典型的ブレイトンサイクルエンジンのマ イクロ実施形態を形成する。マイクロガスタービンエンジンは、回転機械を支持 するためのマイクロ軸受、およびエンジンを始動させ電力を生成するジェネレー タとして機能することに適するモータを備える。 本発明によるマイクロガスタービンエンジンの一例においては、エンジン組立 体全体は、直径が約１２ｍｍ、厚さが約３ｍｍであり、約１ｍｍ²の面積を有す るインレットを使用する。この組立体は、約１ｃｍ³未満の容積内に組み込むこ とが可能であり、本発明に従って作動し、ほぼ１０から３０ワットの電力を生成 する。以下に詳細に述べるように、この高レベルの性能と小さなサイズとの組合 せによって、多数の携帯用モジュール形式分散型動力応用分野が処理される。 図１について述べると、作動中は、空気１２はマイクロガスタービンエンジン １０（以後、マイクロエンジン１０と呼ぶ）に入り、マイクロエンジンインレッ ト１６の中心線１４に沿って軸方向に進み、半径方向外側に向きを変え、遠心平 板圧縮機によって圧縮される。個別の空気経路１２が一つだけ図示されているが 、マイクロエンジンの周に沿って、種々の構成要素を経由する連続的な空気経路 が存在することを理解する必要がある。 マイクロ圧縮機は圧縮機ロータディスク１８を備え、ロータディスク１８は、 例えば、直径は約４ｍｍの直径であり、例えば、約２５０μｍの高さの半径流ロ ータブレード２０を有する。圧縮機ロータディスク１８は、以下に述べるように 、ラジアルジャーナル軸受けで支持される軸に連結され、それによって、軸によ って支持される圧縮機ロータディスクおよびブレードが回転される。特定の圧縮 機ロータ結合構造は、後述する。静止ディフューザベーン２２は、圧縮機ロータ の半径方向の周辺部を越えたすぐのところに配置される。圧縮機ロータブレード を通過する空気は大きな角運動量を持ってロータから出てゆき、この各運動量は ディフューザのベーンによって除去され静圧上昇に変換される。 燃料は、圧縮機ロータ１８の吐出側に、例えば、マイクロハウジングのおよそ １００から２００の燃料計量オリフィスの環状配列により形成される燃料噴射装 置２４によって噴射される。噴射された燃料は、半径方向に外側に流れながら空 気と混合される。燃料噴射装置は、例えば、以下に記載し図示する外部燃料タン クに接続される環状の供給プレナム２６により燃料の供給を受ける。好適には、 燃料タンクと供給プレナム間のバルブを使用し、操作者によって要求される燃料 流量を調整し、この燃料計量制御も以下にさらに詳細に記載し図示する。 空気−燃料混合気は、ディフューザ領域を通り、次に、約９０°曲がり２８、 軸方向に進み、周辺の小孔、すなわちポート間に備えられ保炎器を形成する燃焼 器インレットポート３２を通過する。燃焼点火装置３３、例えば、空気−燃料混 合気の自然発火温度に制御される抵抗加熱装置が、多数の燃焼器インレットポー ト３２に配置され、空気−燃料混合気の燃焼を開始させる。点火された混合気は 、軸方向に進み環状マイクロ燃焼チャンバ３０に入り、ここで混合物は完全に燃 焼される。マイクロ燃焼チャンバは、例えば、環状部の幅（環状高さ）、すなわ ち外径と内径の差がおよそ２ｍｍから１０ｍｍの範囲であり、軸方向の長さがお よそ０．５ｍｍから５．５ｍｍの範囲である。 マイクロ燃焼チャンバを出た膨張した排出ガスは、半径方向内側に進み、静止 タービンガイドベーン３４を通過し、ロータディスク３６によって形成される平 面状半径流マイクロタービンロータに達する。タービンロータディスクは、直径 を圧縮機ロータディスクの直径と実質的に同一とすることが可能であり、マイク ロ圧縮機と同様に、圧縮機ロータの高さと同様の高さの軸方向ブレード３８を備 える。タービンディスク３６は、軸受支持された軸４０によって圧縮機ディスク １８に連結され、その結果、マイクロタービンブレードを経由して排出されター ビンディスクを回転させる燃焼ガスに応じてマイクロ圧縮機を回転駆動する。 マイクロタービンは、半径方向内側に排気し、ここで、排出ガスは、次に、符 号４８で示すように軸方向に向きを変えられ、排気ノズル５０を経由してマイク ロエンジンから排出される。タービンロータディスクは、パワーエレクトロニク スを作動させ、次にいくつかの電力負荷を駆動するために、以下にさらに詳細に 述べるように、マイクロジェネレータディスクとして作動するように形成するこ とができる。 マイクロ圧縮機とマイクロタービン間の軸４０は、好適には、中空であり、ラ ジアルガス軸受上に支持される。軸受は、マイクロ圧縮機排気からの抽気４２に よって支持される。それに対応して、軸受空気は、マイクロタービンの孔４４を 通じて排出される。圧縮機の背面のシール４６およびタービンロータディスクが 備えられ、漏洩を減少させ、軸受空気量を調整し、バランス空気ピストンを形成 し、これによってホイールに作用する軸方向の力の一部が均衡され、ガス軸受に よって調整する必要がある軸方向の力が減少される。 マイクロタービンは、例えば、マイクロエンジンの一体型構成要素として備え られ、マイクロ圧縮機と協働して作用する本発明によるマイクロモータによって 起動することができる。一つの例示構成においては、このようなマイクロモータ は、ロータブレード２０に取り付けられるチップシュラウド５２より形成される ロータ、および二つ以上の相に接続されマイクロエンジンハウジング上に配置さ れるラジアル電極５４によって形成される。圧縮機チップシュラウド／ロータ５ ２とステータ電極５４間の間隙は、好適には、ほぼ数ミクロンであり、圧縮機ロ ータの前面スラスト軸受としての機能を果たす。電気リード接点５５が備えられ 、これによって、マイクロエンジンの起動を制御するためにマイクロモータが外 部回路構成に電気的に接続される。本発明によって提供されるマイクロモータお よび対応するマイクロジェネレータについて、以下に特別に詳細に述べる。 図２は、外部回路構成とマイクロエンジンとの相互接続を示す概略図であり、 さらに、完全なマイクロエンジンシステムを形成するために備えられる補助シス テムが示される。燃料システムが備えられ、このシステムは、燃料タンク６０、 燃料バルブ６２、およびバルブと燃料供給プレナム（図１の２６）間を相互接続 する燃料配管６４を備える。燃料タンクサイズは、マイクロエンジンの所定の応 用分野の必要とする作動期間によって設定され、好適には、例えば、およそ５ｍ ｌから５０００ｍｌの範囲の液体燃料を収容することができる。好適には燃料タ ンクは、燃料供給システムをマイクロエンジン圧力の摂動から切り離すために、 マイクロ圧縮機排気圧力の少なくとも約２倍以上に加圧すことによって、マイク ロエンジンの不安定性を減少させる。燃料制御バルブ６２は、以下に述べるよう に、エンジンの一部としてマイクロ製作すること、または独立の構成要素として 生成することができる。液休燃料エンジンの場合、燃料タンクは、燃料タンクを 加圧する必要があるが、あるいはその代わりに、燃料ポンプ６６を使用すること が好適である。適切な燃料ポンプは、ターボ機械駆動マイクロモータ、特に、こ の応用分野のために最適化したブレード形状を有するマイクロモータおよび遠心 圧縮機を適切に縮小したものよりなる。多数の代替のポンプ設計も使用すること ができる。 前述したように、圧縮機ロータは、起動用マイクロモータによって回転させて 起動速度とすることができる。マイクロエンジンの起動には、三つの調和された 動作が必要である。すなわち、圧縮機ロータを点火速度に達するまで回転させる こと、燃料に点火するために必要とされるエネルギを供給すること、および燃料 流を開始することである。後述するように、小型補助電池（図示してない）を、 起動用モータと共に使用し、この起動を可能とすることができる。タービンおよ び圧縮機のロータは一体として連結されているので、マイクロタービンを使用し 、例えば、蓄圧容器または化学ガス発生器からマイクロタービンインレットに高 圧ガスを供給することによって圧縮機を回転させることができる。 いかなる圧縮機ロータ起動技術を使用しても、エネルギは制御可能な様式によ ってマイクロエンジン点火装置に供給し、燃焼という燃料と空気との化学反応を 開始させる必要がある。例示の構成においては、以下の製作の説明において詳細 に述べる抵抗加熱装置が、図１の点火装置３３として機能し、燃焼器インレット ポート（図１の３２）に配置される。燃料コントローラ７０は、図２に示すよう に、これらの点火装置に接続され燃料燃焼を開始する。点火装置温度は、好適に は、エンジンの起動中は、使用中の特定の燃料の自然発火温度、例えば、水素− 空気燃料混合物の場合は１０００°Ｋより高く保持される。抵抗加熱装置の代替 として、火花点火装置を燃焼器インレットポートに使用することができる。この 点火装置は、一度、マイクロエンジンが作動したときは、休止することができる 。 外部回路構成システムによって、マイクロエンジンに対する燃料供給のタイミ ングおよびフィードバック制御が可能なる。マイクロエンジン起動の制御のほか に、制御システムによって、広範囲の作動条件および負荷に対して制御可能な信 頼性の高いエンジン作動が可能となり、過速度および温度過昇状態に対して保護 される。ユーザインタフェース６８、例えば、コンピュータは、恒久的または一 時的にシステムとインタフェースし、所望の操作上のパラメータを入力し、シス テム性能をモニタリングする。ユーザインタフェースは燃料コントローラに接続 され、燃料コントローラもモータ−ジェネレータコントローラおよび対応するパ ワーエレクトロニクス７２から入力を受け取る。マイクロエンジンがマイクロジ ェネレータによって形成される場合、モータ／ジェネレータコントローラおよび パワーエレクトロニクスは、パワーエレクトロニクスによって作動されている電 力負荷７６にも接続される。 燃料コントローラは、電子式、空気式、液圧式、または他の適切な構成とする ことができる。適切な燃料流量を予定し、それに対応して燃料バルブ６２および 燃料ポンプの制御を調整し、具備されている場合、パワーエレクトロニクスの入 出力電力の入力、エンジンインレット圧力、および圧縮機排気温度または圧力に 基づいて、従来の燃料制御アルゴリズムを使用して調整する。マイクロ圧縮機出 口温度は、例えば、抵抗点火装置または類似のセンサによってモニタリングされ 、マイクロエンジンインレット圧力およびマイクロ圧縮機圧力は、圧力センサに よってモニタリングされる。従来の半導体ダイアフラムに基づく圧力センサをマ イクロエンジンと一体化し、例えば、ディフューザに隣接するエンジンハウジン グ上に製作すること、または別に製作することおよび後から取り付けることがで きる。コントローラのための圧力モニタリング電極は、コンピュータまたは顧客 対応ハードウェアとして組み込むことができるので、燃料コントローラ７０およ びステータ／ジェネレータコントローラ７２は、一体化することができる。 補助および制御システムと結合されると、マイクロタービンエンジンは完全な 動力生成システムとなる。応用分野によって、追加部品、例えば、吸入空気およ び燃料フィルタ、外部絶縁材、および特に、排出ガスと環境空気の混合器を追加 し、排出ガス温度を低下させ、また他の作動上の性能目標を達成することができ る。 図１に関連して前述した寸法を有する例示のマイクロエンジンは、およそ１０ ワットから３０ワットの電力を生成することができるが、時間当たり約７〜８ｇ のガス状水素燃料を消費する。この作動レベルにおいて、圧縮機およびタービン ディスクを支持する軸は、約２，７００，０００ＲＰＭで回転し、およそ４〜５ ：１の範囲の圧縮機圧力比を生成し、同時に、０．２ｇ／秒の空気を送り出す。 この作動中に、マイクロ燃焼器出口温度は、約１６００°Ｋである。このマイク ロエンジン設計によって実現できる特定の動力および燃料消費レベルは、毎秒空 気流量ｇ当たり約１５０ワットおよび毎時ワット当たり燃料０．２７ｇである。 復熱装置を使用する代替のマイクロエンジン構成によって、後述するように、マ イクロタービン排気とマイクロ圧縮機排気との熱交換が可能となり、前述した設 計のワット当たりの燃料消費量が、約５０％節減される。 本発明によるマイクロエンジン構成要素に関する特定の設計パラメータによっ て、所定のマイクロエンジン設計の対応する動力出力および燃料消費量が定めら れる。図３は、種々のマイクロ圧縮機圧力比およびマイクロ燃焼器排気温度に対 するマイクロエンジン動力出力と燃料消費量の対応を示す図である。特定のマイ クロエンジンの設計は、これらの対応に基づいて設定し、特定の応用分野のため にマイクロエンジンを最適化することができる。例えば、燃焼器温度と対応する 動力出力とは、マイクロエンジン使用期間が長くなるとトレードされる場合があ る。一般に、マイクロ圧縮機圧力比が増加すると、燃料消費量および動力が改善 され、一方、マイクロ燃焼器温度が上昇すると、動力出力が増加する。 空気質量流量を変更するための圧縮機ロータブレード高さの変更、または設計 全体の幾何学的拡大縮小によって、マイクロエンジンの直接の拡大縮小を実現し 、理解されるように、およそ１〜１００ワットの範囲の出力を生成することがで きる。マイクロエンジンサイズが縮小されると、粘性流の割合が変わる結果、生 成動力ワット当たりの消費燃料は増加する。しかし、マイクロ圧縮機およびマイ クロタービンを一層速く回転させることによって、または一つ以上のマイクロ圧 縮機段の追加によって、圧力比を増加させ、この性能を改善することが実現でき る。これらの特定の性能レベルは、１００台のキロワットの出力の生成によって 特徴付けられる従来の小型ガスタービンの性能レベルに匹敵するものである。 従来のサイズのガスタービンエンジンに比較すると、本発明によるマイクロエ ンジンの推力−重量比は、３次元−２次元拡大縮小および好適な材料の高い比強 度のために、何倍も高い。詳細に後述するように、好適には、耐熱性材料および エレクトロニクス材料が使用される。実際に、図１に示すマイクロエンジン設計 は、最良の大規模軍用エンジンの場合の約１２：１および大型民間輸送用エンジ ンの場合の５：１に比較して、約３０：１の推力−重量比を特徴とする。さらに 、空気流量および圧力比の増加の調整に適応するマイクロエンジンは、約１００ ：１の推力−重量比を実現することができる。マイクロエンジンの優れた推力− 重量比は、エンジン動力は空気質量流量と共に増減し、空気質量流量はエンジン 吸気面積、すなわち線寸法の２乗に比例するために、実現される。エンジン重量 は、体積、すなわち線寸法の３乗と共に増減する。従って、動力重量比はエンジ ンサイズが縮小されると一次的に増大する。 本発明によるマイクロエンジンによって、従来のガスタービンエンジンよりす ぐれた他の利点が提供される。例えば、マイクロエンジンは、約数百マイクロ秒 程度の極めて短い起動停止時間を特徴とし、これは、マイクロターボ機械が低慣 性モーメントであるためである。この低慣性モーメントによって、従来とは異な る方式、すなわちパルス幅変調によるマイクロエンジンの制御が可能となる。こ の方式において、マイクロエンジンは制御され、速すぎて負荷が対応できない速 度においてエンジンのデューティサイクルのオンオフを迅速に変更することによ って、一部の動力のみを負荷に供給する。これは、マイクロエンジンをフルオン 状態とフルオフ状態間で毎秒多数回切り替えることに相当する。この熱力学サイ クルによる従来の大型エンジンの絞りは、結果として、燃料消費量が過大となる 。その理由は、このようなエンジンの場合、ワット当たりの燃料消費量が部分負 荷状態において増加するためである。対称的に、マイクロエンジンの低モーメン トの慣性によって、マイクロエンジンは最高効率における作動と休止が可能とな り、したがって、結果として燃料消費量が低下する。 さらに、マイクロエンジンは、放出汚染物質、例えば、単位動力当たりの汚染 物質ＮＯ_xの放出レベルが大型エンジンのレベルの約１／１００であるという特 徴を有する。マイクロエンジンからの汚染物質の放出が、燃焼燃料の単位重量の 関数として、この大きな係数によって減少されるのは、燃焼器において燃料が高 温で経過する時間が、従来のエンジンの約１／１０に減少し、またマイクロエン ジンに必要とされる最高温度が低いためである。 次に、マイクロエンジンの材料について考察する。一般に、構造材料は、従来 のサイズのエンジンの場合と同じ基準に基づいて選択する必要があり、さらに、 ミクロン領域における物理特性の変化およびマイクロ製作処理による制約を考慮 する必要がある。ジェットエンジン材料に対する基本選択基準は、強度、比強度 、引張応力、酸化性向などの化学耐性、クリープ、クリープ破断、高サイクル疲 労、熱伝導率、熱膨張、成型加工性、およびコストである。これらのパラメータ の相対的重要性は、その材料を使用する予定の特定のエンジン構成要素の特性、 例えば、回転または静止構成要素機能、およびエンジン内の位置、すなわち、圧 縮機、燃焼器、タービン、軸受、または他のサブシステム内の位置によって変わ る。従来のサイズのエンジンは、通常、種々の材料を使用し性能を最高とし、重 量および費用を最低にする。これらの種々の考察の相対的重要性は、本発明によ るマイクロエンジンの場合は異なり、それは、実際問題としてマイクロエンジン において実現できる製作上の考察によって多数のパラメータが要求されるためで ある。 特定のエンジン材料について考察すると、耐熱性セラミックス、例えば、炭化 ケイ素（ＳｉＣ）および窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）ならびにシリコンは、すべてマ イクロ電子材料として特徴付けられ、比強度が高く、熱伝導率が高く、酸化抵抗 が優れているため、ガスタービンの理想的な材料である。特に、高い比強度は、 最低、約５００，０００ＲＰＭのロータ速度を可能とするために好ましい。しか し、従来のエンジンにおいてはこれらの材料の使用は、これらの材料の特徴であ るぜい性によって限定されており、決定的にきずのない製作に対する要求が導入 され、この要求の困難性は所定のエンジン部品の質量と共に増減する。 本明細書において、本発明は、ほぼきずのないマイクロエンジン部品の正確な 製造を可能とするマイクロ製作技術によって、マイクロサイズにおける特徴であ る、これらの耐熱性セラミックスの実際上の制約を克服することが可能となると 認識するものである。マイクロエンジンの低質量のマイクロスケールマイクロ部 品設計によって、さらに、これらの制約が減少される。その結果、マイクロエン ジンの構造構成要素は、完全に、適切な電気作動および化学反応性のために必要 とされる電気半導体の導体の被覆層を有するＳｉＣまたはＳｉ₃Ｎ₄から製作する ことができる。ＳｉＣが、構造材料として好ましい。有利なことに、ＳｉＣおよ びＳｉ₃Ｎ₄は両方とも、マイクロエンジンの高温部分および低温部分の両者の要 求に適応する特性を有し、さらに、単一のマイクロエンジン構造材料システムに よって、多数の材料システムに共通である界面問題が除去される。 しかし、他の材料および材料の組合せを、マイクロエンジンに対して使用する ことができる。比較的低いバーナー温度、例えば、約１２００°Ｋ未満において は、シリコン−炭化ケイ素またはシリコン−窒化ケイ素システムの組合せのよう に、部分または全体のいずれかをシリコン部品によって形成されるマイクロエン ジンは、実現可能性がある。例えば、構造シリコン部品は、耐酸化性を改善する ために、比較的不活性な材料、例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄コーティングよって被覆するこ とができる。他の材料に比較して、シリコンの場合に現存する膨大なマイクロ製 作およびマイクロ機械加工技術の基礎を考慮すると、シリコンは、温度制約およ び化学上の互換性が問題でない場合に選択されるマイクロエンジン構成要素材料 である。 その他のマイクロエンジン材料について考察すると、アルミナは、ＳｉＣまた はＳｉ₃Ｎ₄によって適応される温度より高いバーナー温度に適応することができ る魅力的なマイクロエンジン構成要素材料である。アルミニウムは、熱衝撃に対 する耐性がこれらの材料より低いが、マイクロエンジンの小さいサイズを考慮す ると、熱衝撃はマイクロエンジンの場合は重大な問題ではない。しかし、この制 約に留意すると、アルミナが好ましい多数の応用分野が存在する。耐熱性金属お よび金属合金、例えば、ニッケル、イリジウム、レニウム、タンタル、およびニ オブを基礎とする合金も、その強度および耐酸化性のために、適切な材料であり 、魅力的である。マイクロ製作方法、例えば、化学蒸着法（ＣＶＤ）は、これら の材料に対して一般に確立されているので、製造上の観点よりこれらの材料は特 に魅力的である。金属間化合物、例えば、ケイ化モリブデンも使用できる。 容易に理解できるように、所定のマイクロエンジン応用分野に対する広範囲の 材料考察によって、好適な材料または材料の組合せが決定される。後述する製作 方法記述によって、さらに、特定の材料考察および適切な代替案が強調される。 マイクロ−ガスタービン電気マイクロモータおよびマイクロジェネレータ マイクロエンジンの起動に関連して前述したように、スタータマイクロモータ は、圧縮機ロータをマイクロモータロータとして使用することによって、マイク ロエンジンと一体化して形成することができる。同様に、マイクロエンジンは、 圧縮機またはタービンロータをマイクロジェネレータロータとして使用すること によって、マイクロジェネレータとして形成することができる。これらの二つの 構成は、本発明によってマイクロ電力システムとして提供される一般のマイクロ モータ／マイクロジェネレータ構成の運用上の実施形態であり、以後、マイクロ マシンと呼ぶ。 図４Ａは、このマイクロ電力システム８０を示す図であり、このシステムは、 マイクロエンジン１０、マイクロ圧縮機とマイクロタービンの少なくとも一方に よって形成される電気マイクロマシン８２、マイクロマシンを励起するための電 力エレクトロニクス８４、および電気的負荷８８を備える。このマイクロ電力シ ステム８０を制御し、機械エネルギを電気エネルギに変換することが可能であり 、この場合、マイクロマシンはマイクロジェネレータとして作動され、エネルギ は、この場合は正の負荷、すなわちエネルギ吸い込みとして特徴付けられる負荷 と共に、図の左から右に流れる。または、システムを制御し電気エネルギを機械 エネルギに変換することが可能であり、この場合、マイクロマシンはマイクロモ ータとして作動され、エネルギは、この場合は負の負荷、すなわちエネルギ発生 源として特徴付けられる負荷と共に、図の右から左に流れる。以下の説明を通じ て、所定のマイクロマシン運用上の構成に対して、対応する負荷極性を仮定する ものとする。 原則として、マイクロマシンは、特性上、電気式または磁気式のいずれかとし て形成することができる。現在稼働している従来のマクロ規模ジェネレータは、 通常、磁気式であり、それは、マクロ規模磁気ジェネレータの電力密度は大型電 気式ジェネレータの電気密度より大きいためである。マイクロ規模においては、 磁気式および電気式の電力密度は匹敵する。この考察に基づいて、電気式マイク ロジェネレータ／マイクロモータ構成は、マイクロマシンに対して好適である。 その理由は、特に、電気式マイクロマシンを構成することができるマイクロエレ クトロニクス材料は、磁気式マイクロマシンを構成することができる材料より、 マイクロ製作および高温、高周波数動作と両立するためである。この思想によっ て、好ましいと考えられる２形式の電気式マイクロマシン、すなわち、電気誘導 マイクロマシンおよび可変キャパシタンス式マイクロマシンが存在する。両形式 のマイクロマシンの解析に基づいて、電気誘導マイクロマシンが好ましく、それ は、電気機械上の観点から、電気誘導マシンは製作が簡単であり、一般に両立す る可変キャパシタンス式電気マイクロマシンより性能が優れているためである。 さらに、誘導式マイクロジェネレータは、良好なジェネレータ性能を保証するた めにロータ運動フィードバックを必要とせず、一方、可変キャパシタンス式マイ クロジェネレータの制御は相当に複雑なロータ位置フィードバックを必要とする 。しかし、ここで、本発明は、この特定のマイクロマシンに限定されるものでは なく、他の電気式および磁気式マイクロマシンも本発明によって包括されるもの であることを認識する必要がある。 ここで、マイクロマシンの実施形態について考察する。本発明による一つの構 成を図５に、概略図として例示する。電気誘導マイクロマシン９０は、平面状環 状の形状であり、図はその側面を示す。マイクロマシンロータは、この例におい ては、図１に関連して前述したように、マイクロエンジン圧縮機またはタービン のシュラウド５２上に製作され、そのステータは、対向する静止末端壁９６上に 製作される。図５に詳細に示すように、マイクロマシンロータの動作部分は、例 えば、圧縮機またなタービンロータブレードシュラウド５２の表面に被着され薄 い均一導電層９２より形成され、導電性ロータを形成する。シュラウド構造は、 好適には、いかなる状況においても絶縁される。製作上の制約のために、シュラ ウドが導電性である場合、厚さΔ、例えば、少なくとも約１０μｍの絶縁層９３ が、導電層９２の前にシュラウドに被着されることが好ましい。空気間隙Ｇによ って、導電層９２がセグメント化されたステータ静止電極５４から隔離され、ス テータ静止電極は、ロータと通じているマイクロエンジンハウジング９６の内側 の環状領域に、導電性材料、好適には、良導電性材料よりなる薄い被着層より形 成される。選択されたマイクロマシン実施形態に基づいて、例えば、シュラウド のないロータブレード、またはロータディスク後部面の使用などの他のマイクロ マシンロータ構成を使用することができることを理解する必要がある。 図６は、図５の６−６’に沿った断面図であり、ステータ電極５４の末端面を 示す図である。ステータ電極の総数は、例えば、１００から２００電極の範囲で 変化し、図に示すものより多い。ステータ電極は、電気相互接続装置９８によっ て接続され、多数のステータ相、例えば、１相、２相、または３相を形成し、均 衡された電圧を有するマイクロ電力システムのパワーエレクトニクスによって個 別に励起され、均衡電圧は、例えば、従来のように、適時、正弦波または方形波 に変わる。一例の構成においては、図に示すように、１相構成はステータ電極相 互接続装置９８によって生成され、マイクロジェネレータとしてのみ作動するよ うに構成されるマイクロマシン実施形態に対して好適であり、２相および３相は 、自己始動マイクロモータのために必要とされる。電極相互接続装置は、パワー エレクトロニクスおよびコントローラに接続されるジェネレータ端子１００にも 接続される。 電気誘導マイクロマシンの作動中は、パワーエレクトロニクスによって、ロー タ回転の方向に、ステータ電極に対して、正弦波または方形波電圧波形を適用す ることによって、ステータ電極の周囲を移動する電位波が生成される。この波の 速度が移動波の速度を超える場合、マイクロマシンはマイクロジェネレータとし て作動する。速度が等しい場合、励起はロータ速度と同期であるといわれ、電力 はマイクロマシンを通過しない。この場合、マイクロモータでも、マイクロジェ ネレータでもない。 ジェネレータ挙動およびモータ挙動の両者の場合に、励起周波数が存在し、励 起周波数において、マイクロジェネレータの場合は電気方式でありマイクロモー タの場合は機械方式である出力は最大となる。これらの周波数は、通常、同期周 波数の数％以内であり、マイクロマシンのモータ速度、したがってマイクロエン ジンの速度、およびロータ導電率によって変わる。これらの周波数を超えると、 出力はゼロに低下する。したがって、励起周波数は、好適には、所定のマイクロ マシン構成の固有同期周波数とモータ方式で作動中の最大機械動力出力の周波数 の間に限定される。次に、出力の制御は、この限度内において励起周波数を変更 することによって実行される。 磁気誘導ジェネレータの場合と同様に、電気誘導ジェネレータは電気自己励起 が可能であることは公知である。さらに、電気誘導ジェネレータは、一つの励起 相を有することのみが必要とされ、一方、モータは、一般に、自己始動のために 二つ以上の励起相を必要とする。これらの相違のために、マイクロマシンおよび そのパワーエレクトロニクスは、好適には、マイクロエンジンによって意図する 機能によって、別々の構成される。マイクロマシンがマイクロジェネレータとし ての機能のみを果たす場合、好適な具体化は、図６に示すような１相マイクロマ シンおよびマシンの自己励起能力を最大限に利用する共振パワーエレクトロニク スを備える。それ以外の場合、３相マシンおよび異なるパワーエレクトロニクス が好ましい。 図４Ｂは、マイクロマシンがマイクロジェネレータとしての機能のみを果たす 場合のマイクロ電力システム８０の電気構成要素を示す図である。このシステム においては、マイクロジェネレータと並列の誘導子７１が、マイクロジェネレー タおよびその固有の負のコンダクタンスと共振し、自己励起共振回路を形成する 。ここで、熱ノイズは、プロセスを始動するために十分であると仮定する。代替 方法としては、始動のために低電圧電池を使用することが可能であり、始動後、 励起過程が開始した後に、電池のスイッチを切る。誘導子７１の公称値は、共振 周波数が、最大電力出力を生成するためにマイクロジェネレータを励起するため に必要とされる周波数であるように選択される。 共振回路に続いて、ダイオードブリッジ７２、キャパシタ７３、および電力負 荷８８がある。ダイオードブリッジ７２は、交流電圧を端子１００において整流 し、キャパシタ７３は、負荷８８に対して一定の電圧を提供するためにそのリプ ルをろ波する。負荷８８の電力要求が変化するとき、キャパシタ７３によって支 持される電圧が一定に保持されるように、ジェネレータ電力出力は対応して変化 する必要がある。このことは、負荷の両端の電圧８９を検出し誘導子７１の値を 対応して変化させることによって、コントローラ８６によって実現される。この 目的のためには、簡単な比例−積分コントローラで十分である。誘導子７１の値 によって、マイクロジェネレータおよび誘導子共振周波数、およびしたがってマ イクロジェネレータの励起周波数が制御されるので、励起周波数を最大電力出力 の周波数から変位させることまたはその方向に偏移させること、および、したが って電力出力および負荷電圧を調整することを慣用することができる。 誘導子の値を変更することができるいくつかの方法がある。一つの方法は、ト ランジスタによってスイッチを入れられまた切られるいくつかの異なる並列の誘 導子を使用することである。第２の方法は、見掛けインダクタンスがコントロー ラ８６を使用しバイアス電流によって制御され飽和させることができる誘導子を 使用する方法である。実際に、等しい振幅を有するが反対の符号を有する二つの 並列誘導子を使用し、作動の対称性を保持することができる。第３の方法は、ト ランジスタスイッチによって選択されるタップを有する単独の誘導子を使用する 方法である。 本発明によるマイクロジェネレータの一例において、共振周波数は約１０ＭＨ ｚであり、誘導子７１は約１６μＨのインダクタンスを有し、ジェネレータ端子 における電圧は反対の符号を有する約４００Ｖ正弦曲線であり、その結果、両端 子間の電圧は８００Ｖ正弦曲線であり、負荷における電圧８９は約８００Ｖであ り、またキャパシタ７３のキャパシタンスは約１ｎＦである。誘導子のサイズは 、およそ１ｃｍ×１ｃｍ×０．５ｃｍであり、キャパシタサイズはこれとほぼ同 じである。ダイオードブリッジは、コントローラのように、遙かに小さい。コン トローラは、簡単なオペアンプとして具体化することが可能であり、これは極め て小さい。 一部の応用分野においては、選択周波数および電圧条件において最適に機能し ない場合があるダイオードおよびトランジスタを調整するために、変圧器（図示 してない）を誘導子に連結し、端子電圧を低下させ、回路電流を増加させること が好ましい。 マイクロマシンがマイクロエンジンによって形成され、マイクロモータまたは マイクロモータ／マイクロジェネレータの組合せとして作動する場合、図４Ｃの マイクロ電力システム８０が好ましい。図に示すように、マイクロモータ／マイ クロジェネレータ８２は、この場合、双方向スイッチａ〜ｆのブリッジ７５に接 続され、次に、双方向スイッチはキャパシタ７７および電力負荷８８に接続され る。スイッチは、従来の方法によって、トランジスタ−ダイオードの組合せで構 成される。マイクロモータ／マイクロジェネレータは、この場合、３相マシンと して構成されることに注意されたい。スイッチ７５は、コントローラ８６によっ て、一つの励起サイクル中に、対応する３相パターンａｄｅ／ａｄｆ／ａｃｆ／ ｂｃｆ／ｂｃｅ／ｂｄｅにおいて、入れられる。励起サイクルの周波数によって 、マイクロマシンがモータとしての機能を果たすかまたはジェネレータとしての 機能を果たすかが決定され、励起サイクル周波数は、前述したようにエネルギの 流れを調整するように、コントローラによって選択される。ブリッジは、適切に 同期された交流方形波電圧によって３相マイクロジェネレータを励起するために 、ならびに、キャパシタ７７および電力負荷８８に公称直流電圧を供給するため に、作動することに注意されたい。 図４Ｂに関連して前述した方法に類似の方法によって、マイクロマシン８２が ジェネレータとして作動されるときに、電気的負荷８８の特定の電力需要を充足 するように、パワーエレクトロニクスの作動を適切に調整するために、測定電圧 ８９はコントローラ８６にフィードバックされる。これらの需要は、ブリッジ７ ５によって、マイクロジェネレータの励起周波数を調整することによって充足さ れる。 キャパシタ７７は、図４Ｂについて前述した機能と同じリプルろ波機能を果た す。システムが相当な時間にわたり休止されキャパシタの電荷がゼロまで消耗さ れた場合、低電圧電池７９およびダイオード８１を使用し、マイクロジェネレー タ作動を開始する。作動が開始されると、ダイオード８１は逆にバイアスされ、 電池は電力システムの残りの部分から切り離される。結局、電池は、また使用し 、コントローラ８６に電力を供給することが可能であり、好適には、電池はその 目的のためのサイズである。 本発明によるマイクロモータまたはマイクロモータ／マイクロジェネレータの 組合せ構成の一例において、キャパシタ７７のキャパシタンスは約１ｎＦであり 、負荷８８における電圧は約８００Ｖであり、３相ジェネレータ端子における電 圧は中性点に関して３相４００Ｖ方形波（３相の平均電圧）であり、電池電圧は 約５Ｖである。ブリッジおよびコントローラの両者は、小さくすることができる 。好適には、ハイサイドドライブ（ｈｉｇｈ−ｓｉｄｅ ｄｒｉｖｅ）を簡単に す るために、分離されたトランジスタが使用される。 一部の応用分野においては、マイクロジェネレータ構成と類似の方法によって 、選択周波数および電圧条件において最適に機能しない場合があるダイオードお よびトランジスタを調整するために、３相変圧器（図示してない）をマイクロモ ータ／マイクロジェネレータとブリッジの間に備え、端子電圧を低下させ、回路 電流を増加させることが好ましい。 マイクロモータとして作動する場合でも、またはマイクロジェネレータとして 作動する場合でも、マイクロ電力システムのコントローラ８６は、ステータ電極 励起周波数を追跡し制御し、所望の電力レベルを保持する。前述したように、コ ントローラによって、歴周波数は、対応する電位波が電極の周囲を、発電動作の ためのロータより遅い速度であってモータ動作のための速度より速い速度で移動 するように、設定される。この周波数は、ロータ速度および導電率の両者の関数 であり、次に、ロータ導電率はロータ温度の関数である。 ロータの速度および温度は容易に測定できないので、これらのパラメータをコ ントローラによって間接的に追跡することが好ましい。本発明による追跡方式の 一例においては、コントローラによって、周期的に、マイクロマシン励起周波数 が変更される。変動が認められ電力が増加する場合、および電力増加が望まれる 場合、変動は保持され、次の変動は同じ方向となる。他の場合、変動は拒絶され 、次の変動は逆の方向となる。理解されるように、制御方式は多数の例の内の一 つに過ぎず、本発明はいかなる特定の制御にも限定されるものではない。 さらにこの制御方式を考察すると、ロータの導電率が過小である場合、励起期 間中に所望の電力を生成するためにロータに誘導される電荷が極めて過小である 。逆に、ロータの導電率が過大である場合、モータ運動によって励起電荷を有効 に放電させることができなくなる。いずれの場合も、マイクロマシン電力出力は 、最適状態に及ばない。その結果、ロータの導電率をシュラウド温度の関数とし て比較的正確に制御することを具体化することが好ましい。しかし、すぐ前に述 べたようにロータ導電率の小さな変動は、マイクロマシンが励起される周波数を 周期的に変更することにより、コントローラによって対応することができる。 実際的な一組の仮定を考慮すると、マクロ電気誘導ジェネレータが供給できる 最大電力Ｐは、下式によって近似して与えられる。ここで、ε₀は自由空問の誘電率であり、Ｖはステータ電極に加えられる正弦波 または方形波パターンの中性点に関する最大電圧であり、Ｅはロータとステータ との空気間隙Ｇにおける最大電界強度であり、Ｆはパワーエレクトロニクスがジ ェネレータを励起する最大周波数であり；Ｒ₀およびＲ₁は、それぞれ、図５およ び図６において規定される、ロータおよびステータの外径および内径であり；ε ＲおよびΔは、それぞれ、ロータ導体の下の絶縁層の誘電率および厚さである。 ローターステータ間隙電界は、Ｅ＝Ｖ／Ｇであることに注意されたい。 図１に関連して前述したマイクロエンジンの幾何学的形状および特定の圧縮機 ロータディスク直径を考慮すると、ジェネレータロータおよびステータ外径およ び内径Ｒ₀およびＲ₁は、それぞれ、約２ｍｍおよび約１ｍｍである。さらに、実 際的見地から、励起電圧Ｖの絶対値を約４００Ｖ、ローターステータ問隙電界Ｅ を約１０⁸Ｖ／ｍ、および励起周波数Ｆを約１０ＭＨｚに限定する必要がある。 絶縁層厚さおよび相対誘電率を、それぞれ、１０μｍおよび４と仮定し、これら のパラメータを上式（１）に代入すると、約２１Ｗの理想電力値が得られ、この 値は、例示のマイクロ電気誘導ジェネレータの電力の上限と考えることができる 。 本発明によれば、さらに優良な材料を使用することに加えて、種々の手段によ って、マイクロジェネレータの場を増加させることが可能であり、したがってそ の出力電力を増加させることが可能である。例えば、一つ以上の追加ジェネレー タは、第１ジェネレータと並列で作動するように構成することが可能であり、結 果として得られるジェネレータシステムの最大出力電力を付随して増加させるこ とができる。このような追加ジエネレータは、種々のマイクロエンジンロータ、 例えば、圧縮機タービンロータの少なくとも一方の背面によって支持、あるいは 圧縮機の軸または外側寄りに沿って配置される別の回転ディスクによって支持さ れることができる。代替方法としては、ジェネレータの外径をマイクロ圧縮機ま たはマイクロタービンチップシュラウドの外径を超えて増大させることができる 。一定のジェネレータロータチップ速度を仮定すると、最大出力電力は、半径に 正比例して増減する。 原則として、マイクロ電気誘導ジェネレータおよびそのパワーエレクトロニク スの両者の効率は、１００％にほぼ等しくすることが可能であり、また各構成要 素に対する９５％効率は実際的である。しかし、全マイクロマシンシステム効率 は、ある場合には、ジェネレータとパワーエレクトロニクス間の相互接続装置に おける損失によって限定される。さらに、これらの相互接続装置の過流キャパシ タンスによって、パワーエレクトロニクスを通過して一般に循環される必要があ るエネルギが貯蔵され、したがってエレクトロニクス損失が増加する場合がある 。したがって、これらの影響を限定するために、従来のように、このような損失 を最小とする、相互接続装置および共振パワーエレクトロニクスを注意深く選択 することが好ましい。 復熱式マイクロガスタービンエンジン 前述したマイクロガスタービンエンジンおよびマイクロジェネレータは、復熱 式構成に適合させることができる。一般に、エンジン復熱装置は、再生用熱交換 器として知られ、熱エネルギをエンジンのタービン排出流体からエンジンの圧縮 機排出空気に移動させる熱交換器である。この熱エネルギフィードバックループ によって、燃焼によって空気を加熱し所望のタービンインレット温度とするため に必要とされる全燃料流量が減少され、したがってエンジン燃料消費量が改善さ れる。マイクロガスタービンエンジンと共に復熱装置を使用することによって、 その燃料消費はおよそ係数２だけ、部分動力で作動中は係数約２以上だけ、減少 される。復熱装置熱交換器によって、熱交換器の冷流体流れおよび熱流体流れの 両者において、空気流圧力低下が導入され、これによってエンジンの出力電力が 僅かに減少され、復熱を実施しない場合の出力電力より低下し、例えば、マイク ロガスタービンエンジン出力電力は復熱装置の使用によって約１５％だけ減少す る。しかし、この小さな電力低下は、ほとんどの場合、復熱装置によって可能と なった燃料効率的使用による大きな改善によって適切に相殺される。 従来のサイズのガスタービンエンジンにおいては、通常の復熱装置は大型で重 く複雑であり、また高価であった。したがって、エンジン効率問題が極めて大き い場合、例えば、地上に設けられた動力装置、または部分動力の効率的使用が主 要な問題である場合、例えば、地上の輸送手段ガスタービンにおいてのみ、通常 、復熱装置は妥当であるとされた。しかし、マイクロエンジン応用分野の場合、 熱交換器設計は、サイズが小さくなると有利となり、同じように重要なことに、 熱交換器幾何学形状はマイクロ製作およびマイクロエンジン設計および製造一体 化にに都合よく適合するため、復熱装置の場合、比較的小さな負担しか存在しな い。 図７Ａは、マイクロガスタービンエンジンのための復熱装置熱交換器の例１０ ５の断面図である。マイクロ熱交換器は、環状の半径方向幾何形状の向流式設計 であり、熱流路１０８および冷流路１１０を有し、両者とも長方形断面を有する 。冷流路１１０に導入される冷流体は内側に流れ、一方、熱流路１０８に導入さ れる熱流体は外側に流れる。熱交換器の外径は、好適には、マイクロタービンの 直径に対応し、例えば、約１０ｍｍであり、また内径は、好適には、マイクロエ ンジン排気口直径に対応し、例えば、約２ｍｍである。熱側流および冷側流は、 図に示すように、交互の層に配置され、または同一層に交互に配置される。マイ クロエンジンおよび熱交換器の寸法を考慮すると、流路壁の厚さは、好適には、 およそ５０〜１００μｍの範囲である。この構成によって、熱および冷流路の水 力直径は、それぞれ、約２９０μｍおよび６０μｍである。 図７Ｂについて述べると、マイクロ熱交換器は、マイクロ燃焼器３０、マイク ロタービン排気口５０間の流路ならびに熱および冷流休流路を経由して、マイク ロエンジンに統合される。特に、熱流路１０８は関係のある熱マイクロタービン 排気５０に通じて形成され、冷流路１１０は関係のある冷マイクロ圧縮機排気路 １１２に通じて形成される。熱および冷流路は、分かりやすくするために、図の 断面の別々の側に示してあるが、両者は、連続様式のチャネルとしてマイクロエ ンジンの周囲に交互に層を形成していると理解する必要がある。 作動中は、流入空気流１２は、圧縮機ロータ１８のブレードを経由してマイク ロ圧縮機を通過し、マイクロ圧縮機出口１１２において、前述した方法によって 、空気は噴射された燃料と混合される。空気−燃料混合物は、ディフューザ領域 を 移動し、半径方向から軸方向に９０°向きを変え、軸方向にマイクロ燃焼器の半 径方向の周縁部に配置される外側環状流路１１４を流れる。比較的冷たい空気− 燃料混合物１１６は、次に、半径方向内側に流れ復熱装置冷流チャネル１１０を 通過し、内側環状回収ヘッダ１１８に流れ、次に、軸方向に進みマイクロ燃焼器 ３０に入る。 同時に、比較的熱いマイクロタービン出口ガス１２０は、半径方向に外側流れ 熱流復熱装置チャネル１０８を経由し、この間に熱は出口ガスから、冷流復熱装 置チャネル１１０を通り半径方向内側に流れる空気−燃料混合物１１６に移動さ れる。これによって、冷い空気−燃料混合物は加熱され、マイクロ燃焼器３０に 入る前に、空気−燃料混合物の自然発火温度の直下に達する。熱流チャネル１０ ８を通過後、マイクロタービン排気は外側環状回収ヘッダ１２２に収集される。 収集された排気は、次に、ヘッダから半径方向に流れマイクロエンジンから排出 されるか（エンジンスラストが全く要求されない場合）、あるいは、その代わり に、９０°向きを変え、軸方向にマイクロエンジンの後端の方向に流れ、環状ノ ズルを経由または図のように中心線ノズル１２４を経由して排出されるかのいず れかとなる。 理解されるように、多数の他の復熱式構成を本発明によるマイクロエンジンと 共に使用することができる。このような代替の一つの構成においては、マイクロ 熱交換器は、二つのマイクロエンジンに接続されるチャネルを有するコアマイク ロエンジンに隣接して配置される。この構成によって、面積を犠牲にして、厚さ および製作処理ステップの複雑さの問題が解決される。この場合、マイクロ熱交 換器壁の厚さは、好適には、コアマイクロエンジンの構造寸法と一致するように 調整され、さらに、設計および製作が簡単になる。他の代替方法の復熱装置構成 においては、マイクロ熱交換器は、マイクロエンジンの外側周縁部付近に配置さ れ、熱および冷復熱装置チャネルはマイクロエンジン中心線と平行な方向であり 、マイクロタービンとマイクロ燃焼器が対応して連結される。この構成によって 、マイクロエンジンの全体の直径が増大するが、マイクロマシン全体の厚さおよ び製作上の複雑さが減少される。 マイクロガスタービンバイパスエンジン 本発明によるマイクロガスタービンエンジンは、推進応用分野および特に飛行 推進のためにその作動を最適化することに適応することができる。容易に理解さ れるように、特定の推進応用分野の重要な必要条件は、マイクロエンジン動力の 推進スラストへの変換を最大とする適応構造、いわゆる推進効率において考察し 、これによって所望の推進スラストに対するマイクロエンジン燃料消費を最適化 することが好ましい。 一般に、飛行推進のためにジェットエンジンを使用すると、飛行速度に対する エンジン排気速度が低下すると、エンジンの推進効率は増大するが、エンジンの 生成推力は減少する。この推力減少を排除するために、エンジンの空気質量流量 の割合を対応して増加させる必要がある。これは、いわゆるバイパス、すなわち 、実際には低圧力比圧縮機であるいわゆるファンの効用を使用するターボファン エンジン構成によって従来通りに実現され、この方法はエンジン周辺の過剰空気 をポンプ輸送しエンジンコアをバイパスさせ全エンジン空気流を増加させる。フ ァンは、通常、エンジン圧縮機に動力を供給する同じエンジンタービンによって 駆動される、いわゆる単一スプール構成、または第１タービンと直列の第２ター ビンによって駆動される、いわゆる多スプール構成のいずれかによって駆動され る。 ターボファンエンジン設計は、そのバイパス比、すなわち、圧縮機をバイパス する空気質量流量を圧縮機を通過する空気質量流量で除した比によって、特徴付 けられる。所定のエンジンに対する最適バイパス比は、飛行条件およびエンジン 構成要素性能特性の関数である。ターボジェットエンジンは、本発明によるマイ クロエンジンと同様に、バイパス比がゼロであるターボファン考えることができ る。これは、超音波飛行のための最適サイクルである。亜音速飛行のために最適 化された最新のエンジンは、１から９の範囲のバイパス比を有する。 図８は、本発明による単一スプール、マイクロガスタービンバイパスエンジン の構成の一例を示す図である。この構成においては、ファンブレード１３０は、 エンジン圧縮機ロータブレード２０のシュラウド５２に取り付けられる。追加ブ レード１３０は、低圧力比遠心マイクロ圧縮機としての機能を果たす。この場合 、ステータモータ／ジェネレータは、前述したように、ステータ電極５４と共に ジ ェネレータを使用して適応される。 マイクロファンは、コア圧縮機に比較して、空気量の増加に適応するためにイ ンレット面積が増加する。これは、マイクロ圧縮機直径、すなわち圧縮ロータ直 径を増大させることによって達成され、同時に、マイクロ圧縮機周辺部出口速度 はバイパスのないマイクロエンジンと同じに保持される。ファン空気量の増加は 、マイクロファンブレード１３０の高さを増大させ、圧縮機ロータブレード２０ の高さより約６０％大きくすることによって適応される。マイクロファンは圧縮 機ロータと同じ速度で回転するが、ファンロータ内の流れの方向の変化が少ない ため、その圧力比は相当に小さく、圧縮機の５：１に対して約１．４：１である 。 作動中は、バイパスマイクロエンジンに入る空気は、二つの経路の内の一つ、 すなわち、コアエンジン経路１２またはバイパス経路１３２をとる。バイパス経 路に入った空気は、マイクロファンを通過し、ファンブレード１３０およびディ フューザブレード１３４を半径方向に出て、９０°曲がった後、軸方向に進み、 マイクロエンジンコアの周囲の外側環状流路１３６を送られる。環状経路の端部 において、バイパス経路中の空気は９０°曲がり、半径方向内側に進み、バイパ ス排気ノズル１３８を経由して排出される。マイクロファン排気は、個別のノズ ルを経由して排出することが可能であり、または代替方法として、マイクロエン ジン排気流と混合し共通のノズルから排出することができる。この第２構成は、 ある場合には好適であり、それは、マイクロエンジンの推進効率が僅かに改善さ れ、エンジン排気温度が低下するためである。コアマイクロ圧縮機に対するイン レットは、マイクロファンの中心を通る。代替方法としては、マイクロファン出 口空気は、半径方向内側に送り、コアマイクロ圧縮機に供給することができる。 これによって、全体の圧力比が増加し、その結果、マイクロエンジン性能が向上 するが、複雑さが増大しコストがかかる。 コアマイクロエンジン経路１２中の空気は、マイクロ圧縮機ロータブレード２ ０を通過し、ディフューザ内で燃料と混合され、前述した方法によってマイクロ 燃焼器に入る。膨張したマイクロ燃焼器排気は、前述したようにマイクロエンジ ン中心線上にあるマイクロタービン出力口５０から排出される。この二重のコア ／バイパス空気流構成を有する単一スプールマイクロガスバイパスエンジンは、 圧縮機を通過する空気流量が同じ条件において、基本となるマイクロガスタービ ンエンジンに対して、比較的低い飛行速度において、約６倍の推力、および約１ ／２の燃料消費率、すなわち単位推力当たりの燃料流量を示す。 ２スプール実施形態のマイクロガスバイパスエンジンは、単一スプールマイク ロエンジンの後部に回転自在に連結される自由に回転するディスクを使用する。 このディスクは、自体の軸受を備え、一つの面上の半径流マイクロタービンおよ び他の面上の遠心マイクロファンよりなる。この構成において、バイパスファン 空気は、１８０°曲がる必要がある。理解されるように、バイパスマイクロエン ジンの他の形への変形は可能である。その上、バイパスマイクロエンジンは、さ らに、前述したマイクロ熱交換システムを使用して形成し、復熱式マイクロガス バイパスエンジン生成することができる。このエンジンによって、復熱および空 気流速の増大の両方の利点が達成される。 コンパクトマイクロガスタービンエンジン マイクロエンジンに関する前述の記載から理解されるように、広範囲の設計変 更に適応することが可能であり、実際に、本発明によって意図されている。設計 変更の一例を図９に示す。圧縮機およびタービンロータディスク１８、３６は、 それぞれ、それらのリム上のジャーナル軸受１４０によって支持され、またそれ ぞれの面上の静圧によるスラスト軸受１４２によって支持される。この配置によ って、軸（図１の４０）とディスクを連結する必要がなくなるので、圧縮機およ びタービンロータは、この場合、介在する軸なしに、背中合わせで構成され、そ の結果、コンパクトなマイクロエンジンコアが得られ、これは一部の応用分野に 対しては製作が容易である。圧縮機とタービンのロータ間の断熱は、例えば、一 体型ロータディスク構造内の狭いロータ間チャネル１４４によって提供される。 このマイクロエンジン適応構造において、経路１４６が、マイクロ圧縮機排気 口から備えられ、交番する軸受構成内のジャーナルおよびスラスト軸受が加圧さ れる。作動中は、空気は、経路１４６によって、マイクロ圧縮排気から軸受位置 に向けられる。対応して、ジャーナル軸受からの圧力は、排出経路１４８から排 出される。マイクロ圧縮機排気回路１４６は、ロータ間冷却チャネル１４４に通 じるように形成される追加チャネル１５０を備え、これによって、比較的低温の マイクロ圧縮機排気も冷却チャネルに向けることが可能となる。このマイクロ圧 縮機排気方法は別として、マイクロエンジンコアを通過する空気経路１２は、前 述した通りである。 平面状電気駆動マイクロタービンエンジン マイクロエンジンのさらに関心を引く設計適応構造においては、電気駆動機構 を使用し、図１０Ａの平面図に示すように、平面状マイクロエンジン構成１５１ を可能とする。この設計においては、圧縮機ロータディスク１８およびタービン ロータディスク３６は切り離され、ロータを連結する軸は削除され、二つのロー タおよび燃焼器３０は同一面に配置される。図１０Ｂおよび１０Ｃにも示すよう に、この構成によって、例えば、約２０ｍｍの幅Ｗ、および例えば、約１ｍｍで あり、約１ｃｍ未満の厚さＴを有するマイクロエンジンコアが可能となり、その 結果、極めて薄い装置が可能となる。 図に示すように、一体型マイクロモータ５４は、前述したように、ステータ電 極を経由してマイクロエンジンハウジングに備えられ、ロータはチップシュラウ ド５２によって圧縮機ロータブレード２０上に形成される。前述の説明から理解 されるように、このモータも、ブレードの反対側の圧縮機ロータの面に形成され たロータと、比較的低いハウジング壁上のステータ構成によって形成される。い ずれの場合も、モータは平面状マイクロエンジンによって使用され、圧縮機ロー タ１８の駆動に、マイクロタービンの代わりに使用される。空気１２はマイクロ 圧縮機に入り、ディフューザベーン２２を経由して排出され、その後、燃料と混 合され燃料噴射オリフィス２４の列を経由して噴射される。空気−燃料混合気は 、平面状チャネル１５２を経由してマイクロ燃焼器３０に向けられ、マイクロ燃 焼器の対向する端部にあるマイクロ燃焼器インレットポート３２に進む。平面状 マイクロ燃焼器構成の比較的大きな表面積対体積比を考慮すると、このように、 空気−燃料混合物をマイクロ燃焼器の両面の周囲を通して送ることは好ましい。 点火装置（図示してない）は、燃焼器インレットと同一線上に配置される。 マイクロ燃焼器３０は、マイクロタービンノズル３４およびタービンロータ３ ６を経由して排気される。この場合、マイクロタービンは、前述した圧縮機−ジ ェネレータと同じ方法によって、マイクロジェネレータ１５６に対する駆動動力 供給源として形成される。すなわち、マイクロジェネレータ、例えば、電気誘導 型ジェネレータロータは、タービンロータブレード３８のためのチップシュラウ ド１５４を伝導性とすることによって形成される。ジェネレータステータ電極は 、ロータと見当合わせして、マイクロエンジンハウジングに備えられる。ブレー ドの面と反対側のタービンロータ面は、マイクロジェネレータとして、入れ替え てまたは追加して形成される。マイクロジェネレータ電気システムは、図４に関 連して述べたシステムと同様に、マイクロジェネレータを制御するために使用す ることができる。空気は、マイクロタービンから上向きに放出され５０、平面状 マイクロエンジンから離れる。容易に理解されるように、図２の場合と同様に、 平面状マイクロエンジン補助システムを使用し、平面状マイクロエンジンシステ ムを作動させる。 平面状マイクロエンジンの圧縮機およびタービンのロータは、好適には、非平 面状マイクロエンジンと同様に、両ロータを支持する軸受システムを備え、例え ば、ロータの周縁部の比較的短いチャネル１５８を経由して排気される。 この場合に使用されたマイクロ圧縮機とマイクロタービンとの同一平面への配 置は、製作方法が、非平面状マイクロエンジンを製作するために必要とされる方 法より遙かに簡単であると言う利点を有する。実際に、平面状モータ−圧縮機と タービン−ジェネレータとは形態上の差異がほとんどないので、両者は同時に製 作することが可能であり、いくつかの処理ステップが削除される。平面状マイク ロ燃焼器も、マイクロ圧縮機およびマイクロタービンと同時に製作することがで きる。 製作が簡単である上に、平面状電気駆動によって、マイクロタービンとマイク ロ圧縮機との速度を独立して変更可能となるという利益が提供され、広い作動範 囲について構成要素の空気力学性能の最適化が可能となる。このような設計の柔 軟性は、平面状タービン、バイパスマイクロエンジン配置に利用することが可能 であり、電気駆動ファンを任意の便利な位置に取り付けること、および単独に制 御し、その最適速度で作動させることが可能である。容易に理解されるように、 マイクロ熱交換器構成を、平面状マイクロエンジンに追加し、前述と同様に、復 熱式マイクロエンジンを具体化することもできる。この場合、マイクロ熱交換器 復熱装置チャネルは、マイクロターボ機械に隣接する適切な位置に配置される。 平面状電気駆動マイクロエンジンの主な不利益は、電気損失および粘性損失に よって受ける電力出力および燃料消費の不都合であり、比較される軸を有するマ イクロエンジン構成においてはこの「伝達」損失は本質上ゼロである。また、平 面状構成の場合、負荷の他に、マイクロ圧縮機が、マイクロタービン−ジェネレ ータによって電力を供給される必要がある場合、比較的大きなジェネレータ出力 が必要とされる。 平面状マイクロエンジンによって、優れた設計が提供され、この設計は、本発 明による別の実施形態において、空気が利用できない環境、例えば、宇宙および 水面下の応用分野における電力の生成に適応する。図１１Ａに示すように、この マイクロ宇宙補助電力装置１６０においては、推進剤をマイクロ燃焼器に供給す るポンプが、平面状マイクロエンジンのマイクロ圧縮機の代わりに配置される。 一つの概略計画例においては、酸化剤ポンプ１６２および燃料ポンプ１６４が備 えられ、液体酸化剤および液体燃料が燃焼チャンバ３０に噴射される。この二元 推進剤の組合せによって、燃焼発生中において圧縮空気の必要がなくなる。有利 なことに、本発明においてマイクロエンジンを製作するために使用されるマイク ロエレクトロニクス材料は、この場合、マイクロ宇宙電力装置を製作するために 使用することが可能であり、これらの材料は、通常、広範囲の二元推進剤に対し て、本来、不浸透性である。マイクロ宇宙電力装置の寸法は、平面状マイクロエ ンジンと類似であり、例えば、約２０ｍｍの幅Ｗ、および例えば、約１ｍｍの厚 さＴを有する。 図１１Ｂおよび図１１Ｃに示すように、マイクロ宇宙電力装置においては、酸 化剤ポンプ１６２は、ブレード１６８を有するポンプロータ１６６を備える。平 面状マイクロエンジンと同様に、モータは、ポンプを駆動するためのブレードの チップシュラウド１７０上のロータ電極によって形成される。モータは、前述し たように、特性上、静電式または電磁式とすることができるが、この場合、推進 剤に関する考慮も追加する必要がある。特に、電気非伝導性推進剤を使用する場 合以外は、モータは特性上電磁式であることが好ましく、電気導電性推進剤は、 ポンプを有する静電式モータ構成において電気短絡を発生させる。 酸化剤１７２は、酸化剤ポンプ１６２に吸入され、ディフューザベーン１７４ の周辺を通り、マイクロ燃焼器３０の周辺に配置されるマイクロ燃焼器冷却チャ ネル１７６に向けられ、これを通過する。マイクロ燃焼器の周辺を通過した酸化 剤は、マイクロ燃焼器の対向する端部１７７において噴射される。この配置によ って、燃焼前椎進剤によるマイクロ燃焼器の冷却が可能となる。 類似の構成において、ポンプ１６４は、ブレード１８０を有する燃料ポンプロ ータ１７８を備える。燃料ポンプモータは、ロータブレード１８０のチップシュ ラウド１８２上のロータ電極によって形成される。酸化剤ポンプモータと同様に 、燃料ポンプモータは、好適には、推進剤の電気導電性特性に基づいて選択され ることが好ましい。燃料１８４は、燃料ポンプ１６４に吸入され、ディフューザ ベーン１８６の周囲を通過し、マイクロ燃焼器冷却チャネル１８８に向けられ、 これを通過し、マイクロ燃焼器を冷却後、マイクロ燃焼器対向する端部１７７に おいてマイクロ燃焼器中に噴射される。 図１１Ｄに示すように、マイクロ燃焼器は、平面状マイクロエンジンの場合と 同様な方法によって、平面状タービンロータ３６に排気され、タービンガイドベ ーン３４の周辺を通過し、排気５０としてマイクロタービンから垂直に放出され る。マイクロタービンは、ジェネレータ構成１５４に適応させることが可能であ り、外部負荷および任意に推進剤ポンプを駆動する。 本発明は、マイクロ宇宙補助電力装置を適切な材料に合わせて改造し、広範囲 の推進剤の組合せを、一つの燃料のみが装置にポンプ輸送される一元推進剤を含 めて、可能とすること、および推進のための推進剤設計を意図するものである。 好適には、化学上の互換性を評価して材料およびコーティング選択を決定する。 二元推進剤の例は、例えば、液体酸素とケロシンまたはアルコールなどの炭化水 素、液体酸素と水素、さらに、四酸化窒素とヒドラジンである。一元推進剤、例 えば、ヒドラジンや過酸化水素は、好適には、触媒を追加して使用される。二元 推進剤構成は、多数の応用分野に対して好ましく、推進システム質量全体の主要 な駆動体である特定のインパルスに対する可能出力を増大させることを可能とす る。二元推進剤は、一元推進剤、例えば、ヒドラジンより比較的安全である点、 ならびに付随する環境問題および地上における取り扱い問題の点において好まし い。 マイクロエンジンの平面状マイクロ宇宙補助電力構成は、マイクロロケットモ ータとして適応させることができる。図１１Ｅおよび図１１Ｆは、本発明による マイクロロケットモータ９００の一例を示す図である。この構成によって、完全 な二元推進剤マイクロロケットモータが提供され、このモータは、燃料インレッ ト９０２、燃料調整マイクロバルブ９０４、および燃料噴射装置９０５、ならび に酸化剤インレット９０６、酸化剤調整マイクロバルブ９０８、および酸化剤噴 射装置９０５に対する構造を備える。対応するポンプ、すなわち燃料ポンプ９１ ０および酸化剤ポンプ９１２が備えられ、推進剤を燃焼チャンバ９１４に供給す る。熱ガスは、燃焼チャンバから出て、ノズルののど９０７を通過し、排気ノズ ル膨張ベル９０９に達する。燃焼チャンバ、のど、および膨張ベルは、推進剤が 冷却チャネル９１１を循環されるとき推進剤によって冷却される。 作動中は、液体推進剤はマイクロロケットモータハウジング、例えば、基板に 入り、次に、それぞれの調整マイクロバルブ９０４、９０８を経由して進む。こ れらのバルブは、所定の応用分野によって可変推力が要求される場合以外は、燃 料の簡単なオン−オフ制御のみを行い、可変推力が要求される場合、バルブを制 御し絞りを与えることができるのがよい。マイクロバルブを出ると、推進剤は、 基板内のチャネルを通り、それぞれのポンプ９１０、９１２に送られ、推進剤圧 力がスラスト室の１〜４倍まで増大される。次に、高圧推進剤の一つまたは両者 は、それぞれの冷却チャネル９１１に向けられ、それに入る。冷却チャネルは、 燃焼チャンバ、ノズルののど、および膨張ベルを囲み、冷却チャネルは、ロケッ ト燃焼に関連して、通常、非常に高温であるこれらの部分の構造完全性を保証す ることである。このいわゆる「復熱冷却」構成も熱を捕捉し、この熱は、復熱冷 却のない場合、推進に寄与することなく環境に損失されるものである。このこと は、マイクロ規模システムの比較的に大きな表面積のため、マイクロ規模ロケッ トにおいては、対応するマクロ規模ロケットの場合より重要な問題である。 冷却チャネルから、推進剤は、多数の小直径噴射装置９０５を経由して燃焼チ ャンバ９１４に入り、ここで混合され化学的に反応、すなわち燃焼する。一部の 推進剤組合せの場合、点火し燃焼させるために、電気または化学点火装置を室内 に配置することが好ましい。次に、熱燃焼ガスは、燃焼チャンバを出てノズルの のど９０７通りノズル膨張ベル９０９に入る。燃焼チャンバ９１４およびノズル ９０７の幾何学形状は、従来の構成に比べて、大変特異であり、その２次元押し 出し形状は、マイクロ製作方法に対する適合性のために使用される。 図の構成において、マイクロロケットモータの長さＬは約１６ｍｍであり、幅 Ｗは約１２．５ｍｍであり、またマイクロロケットモータの厚さＴは約１ｍｍで ある。この幾何学形状において、椎進剤、例えば、四酸化窒素とヒドラジン、ま たは液体酸素（ＬＯＸ）と炭化水素、を使用する場合、これらの推進剤は約３０ ０秒のＩｓｐを有し、マイクロロケットモータは約４．５Ｎまたは１ポンドの推 力を生成し、一方、約１．５ｇ／秒の燃料を消費する。この作動レベルにおいて 、推力室圧力は約１２５ａｔｍであり、ポンプ輸送電力はおよそ１０〜４０ワッ トが必要とされる。このマイクロロケットモータ構成の特徴は、推力重量比が約 １５００：１であることである。この数字は、この推力範囲における従来のモー タの比１５：１より遙かに優れており、スペースシャトル主エンジンなどの大型 エンジンの特徴である比７０：１よりも優れたものである。 マイクロ製作技術（以下に述べる）およびマイクロロケットモータの製作に使 用されるマイクロエレクトロニクス材料によって、マイクロロケットモータサイ ズの実際の上限が限定され、一方、小さいサイズ、例えば、数百ポンドの範囲の 推力におけるマイクロ流体機械性能低下によって、マイクロロケットモータサイ ズの下限が限定される。さらに、一般のマイクロロケットモータ特性は、マイク ロ製作方法の固有の平面状特性によって、やむを得ず幾何形状において、擬似２ 次元特性になる。例えば、推進剤ノズル膨張領域は、従来のように３次元ではな く平面状である。この制約によって、スラストは約１０〜２０Ｎに限定される。 さらに大きなスラストは、例えば、マイクロポンプ、マイクロバルブ、およびマ イクロ噴射装置などのマイクロパワーヘッドステージが、別々のスラスト室およ びノズルに契合される場合、またはその代わりに、線形エアロスパイクノズル幾 何形状が使用される場合に得ることができる。この構成において、約毎秒５０〜 １００ｇの質量速度が得られ、約４５０Ｎまたは１００Ｎまでのスラストを生成 することができる。このレベルは、共通のノズルに供給するように構成される多 数のマイクロパワーヘッドステージを使用することによって、さらに向上させる ことができる。中間サイズも、マイクロロケットモータ設計によって適応させる ことができる。例えば、マイクロパワーヘッド、チャンバ、およびのどは、別々 に製作することができるので、マイクロ製作技術によって提供される比較的容易 な復熱式冷却構成を利用し、次に、冷却されない膨張ベルト結合することができ る。 推進剤マイクロポンプのマイクロロケットモータを改造し、さらに高いレベル の推力を得ることができる。一つの構成例においては、マイクロポンプは、マイ クロガスタービンエンジンに類似の幾何形状のタービン駆動であり、タービンお よびポンプモータは、共通の軸および軸受を共用する。タービンは、例えば、膨 張サイクルにあるときに、冷却チャネル内で蒸発されたガス状推進剤によって、 または主燃焼チャンバから流出される熱ガスによって、駆動することができる。 代替方法としては、いくつかの比較的小さい電気式推進剤マイクロポンプ並列で 使用することができる。これによって、各マイクロポンプの駆動必要条件が低減 され、電気式マイクロモータ駆動によって達成可能なレベルとなる。これらの種 々の構成要素は、単独の基板上に、またはモジュール構成内に、製作することが 可能であり、実際に、液体マイクロロケット推進システム全体を、外部推進剤タ ンクに連結される単独の基板上に製作することができる。 マイクロロケットモータに対する材料選択の影響を考察すると、好適には、選 択される材料は、復熱冷却に基づいて吟味できる。マイクロロケットモータの復 熱冷却技術は、壁を冷却し壁の機械的完全性を維持することを目的とする。この 冷却によって、熱制御が可能となり、過剰な熱損失が限定される。シリコンがマ イクロロケットモータ壁材料として選択される場合、一部の応用分野について、 比較的推進剤の影響を受けず、また酸化に対する耐性がある材料、例えば、Ｓｉ ＣまたはＳｉ₃Ｎ₄によるコーティングが好ましい場合がある。候補材料は、一般 に、マイクロ規模構成においては、マクロ規模構成におけるより強度があるため 、圧力容器の最適でない平面状幾何形状は許容される。その上、壁厚さが非常に 薄 いため、マイクロ高圧容器においては、重量の負担を受けることなく、非常に高 い推力重量比が可能となる。燃焼チャンバ温度に対する制約は、熱流束およびそ の結果である重要な位置、例えば、ノズルののどの壁温度である。 マイクロガスタービンエンジン応用分野 本発明によるマイクロガスタービンエンジンに対しては、多数の応用分野が存 在し、ある場合には、既存の相当に旧来の装置に対する優良な置換装置が提供さ れ、他の場合には、マイクロエンジンの設計および作動特性によって可能となる 新機能が具体化される。前述したように、マイクロジェネレータとして構成され る場合、マイクロガスタービンジェネレータは、例えば、電池に対する置換品の ような電力の供給源である。最良の電池に比較して、マイクロガスタービンジェ ネレータは、同一重量および体積当たり２０倍の電力およびエネルギを生成する 。マイクロエンジンは、さらに、極端に短い「再充電」時間、すなわち、従来の 電池の通常の再充電時間に比較して、燃料タンクを再充填するためにほとんど時 間を要しないという利点がある。その上、電池とは異なり、マイクロエンジンは 、環境に優しく、廃棄物問題を全く提示しない。マイクロエンジンに関しては、 リチウムを基礎とする電池に共通である爆発の危険性もない。 マイクロエンジン電力供給源は、空気が利用できる場合は、すべての携帯用電 力応用分野に対して適用できる。この分野には、例えば、携帯用コンピュータ、 ラジオ、およびその他の電子装置；電話、例えば、セルラー電話、およびその他 の通信装置；電力工具、加熱器および冷却器、例えばミサイルなどの軍用兵器、 およびその他の応用分野が含まれる。マイクロエンジンは、生成する雑音が非常 に低いので、特に、例えば、オフィスエレクトロニクスおよび軍用偵察などの応 用分野の対して適切である。マイクロエンジンは、例えば、消防などの有人可動 装置計画に、さらに、都合よく使用できる。この場合、一つ以上のマイクロエン ジンの個別の電力パックを、個人保護装置および通信装置に対する自律可動装置 による電力供給のために、消防士に提供することができる。同様に、マイクロエ ンジンを使用し、例えば、ペースメーカなどのインプラント式医療装置に電力を 供給することができる。 一つのマイクロエンジンによって供給できるより多くの電力が必要とされる場 合、多数のマイクロエンジンを並列で使用することができる。例えば、およそ１ ０００〜２０００装置を、ハイブリッド電気自動車に使用し、マイクロエンジン によって車輪を駆動するモータに電力を供給するための供給電力を提供すること ができる。マイクロエンジンは、動力が必要とされるときに、運転者の観点から 実質的に瞬間的に起動または停止できるため、この適用によって、非常に低い汚 染生成および良好な燃料節減が達成される。その結果、マイクロエンジンのアレ イは、「休止」においては燃料が燃焼されないように、制御することができる。 本発明による他の輸送手段応用分野においては、マイクロエンジンは、補助ジェ ネレータとして使用され、加熱、冷却、電子、またはその他の部品に、輸送手段 主エンジンが休止しているとき、適時、例えば、自動車の主エンジンが休止して いるときに自動車を冷房するために、電力を供給する。 マイクロガスタービンジェネレータは、分散型電力使用分野、例えば、電力分 配線が通り抜けることが望ましくない場合、例えば、アクチュエータで局所的に 電力が生成されることが好ましい航空機用自己出力アクチュエータ、に使用する ことができる。この場合、一つ以上のマイクロエンジンを所望の作動点に構成す ることができる。この構成は、このようなアクチュエータは、通常、燃料供給源 近傍、例えば、表面振れを制御するため、例えば、航空機翼に配置される点で、 特に、都合がよい。本発明による局所型マイクロジェネレータを使用しても、重 要な構成要素に対して局所電力多重性を提供できるので、中央電力システムの事 故に対して保護される。例えば、マイクロエンジンジェネレータの一つ以上のア レイを、コンピュータまたはディスプレイ装置のバックアップのために使用する ことができる。また別の例においては、マイクロエンジンのアレイを使用し、廃 熱を熱水または加熱のために使用して、残留電力を供給することができる。理解 できるように、本発明は、マイクロエンジンジェネレータシステムの広範囲の他 の応用分野を企図し、可能とするものである。 本発明によるマイクロガスタービンエンジンは、作用上、ジェットエンジンと して特徴付けられるので、航空機の椎進および制御に使用することができる。比 較的小型の、例えば、無人機、航空機は、単独のマイクロエンジンによって電力 を供給することができる。また比較的大型の航空機またはミサイルは、マイクロ エンジンのアレイ、例えば、数百または数千の装置によって電力を供給すること ができる。実際に、大型有人航空機は、航空機の表面に分散される数百万のマイ クロエンジンのアレイによって、電力を供給することができる。 マイクロエンジンの配列の使用は、いくつかの利益を有し、例えば、アレイの 特定の個別エンジンの異なる絞りによって、航空機の方向制御を可能とすること ができる。任意に、また好適には、このような配列は、アレイが表面境界層内に おいて作動し、したがって、数理発信源および流体の吸い込み装置として機能す るように、輸送手段表面の適切な位置に配置される。これは、結果として、マイ クロエンジンによって電力を供給される航空機の抗力の減少および揚力の増加と なり、それによって、エーロフォイル揚抗比、したがって飛行効率が改善される 。本発明によって提供される境界層制御、抗力減少、および揚力強化機能は、マ イクロエンジン推進の結果として、または代替方法として、推進のための一つ以 上従来型エンジンと同時使用の結果として、優れた飛行制御構成を提供するため に使用することができる。 非常に小さいサイズのマイクロエンジン排気ジェットおよび高回転速度のマイ クロエンジンマイクロエンジンターボ機械によって、単位推力当たりの生成雑音 は従来のエンジンより著しく減少される。さらに、マイクロエンジンサイズ領域 においては、マイクロエンジンによって生成される雑音力は、人間の聴力を超え る周波数に移動し、空気中において短距離で急速に減衰する。マイクロエンジン 推進装置は、本質上、従来のエンジンより静かである。このことによって、マイ クロエンジンの大型アレイの民間用および軍用応用分野の両者において、本質上 の利益が得られる。 また別のマイクロエンジンアレイの応用分野において、マイクロエンジンの平 面状アレイは、プラットフォームの垂直推進に使用される。マイクロエンジンは 、従来のエンジンに比較して小型で緻密であり、推力重量比が非常に高いため、 このような垂直上昇応用分野に、特に、都合よく適合する。各基本設計について 前述した約１０００個のマイクロエンジンの推力によって、エンジン面積平方フ ィート当たり約３０ポンドの揚力が得られ、高出力型マイクロエンジンの場合は 平 方フィート当たり約２００ポンドが利用できる。これによって、垂直上昇プラッ トフォーム、例えば、積み荷をおおよその地域および上昇高さで搬送するための プラットフォームに使用することが可能となる。例えば、およそ２０００〜５０ ００のマイクロエンジンを有する直径２フィートのプラットフォームは、約６０ 分の飛行中、約２００ポンドの有効搭載量および燃料を搬送することができる。 この場合、輸送手段の方向制御は、前述したように、配列内の特定のマイクロエ ンジンの異なる絞りによって実行することができる。 本発明によって提供されるマイクロエンジンを生産するためのマイクロ製作技 術によって、広範囲の装置改造が可能となり、それによって、さらに、多数の応 用分野および従来の装置機能の改善が可能となる。例えば、同一平面上構成であ るマイクロエンジン態様またはサブシステムの場合、態様およびサブシステムは 、同時に製作することができるが、平面外の異なる幾何形状を有する。例えば、 平面状電気駆動マイクロタービン構成の場合、マイクロ圧縮機およびマイクロタ ービン、または推進剤マイクロポンプは、異なる平面外形状を有するが、同時に 製作することができる。 したがって、ステージおよび他の平面状態様をマイクロエンジン、特に、マイ クロロケットモータに追加し、同時に、装置サイズが拡大しても、製作の複雑さ は増加しない。これによって、製作コストの低下、相互接続装置の複雑さの減少 、および追加コストなしの著しい信頼性の向上が可能となる。したがって、高性 能を有する、マイクロエンジン、または二次元推進剤マイクロロケットモータの ためのマイクロ熱交換器構成は、復熱装置のない低性能の、マイクロエンジンま たは一元推進剤マイクロロケットモータに比べて、重量は僅かに大きいまたはほ ぼ同じであり、本質上、より高価ではない。 二次元推進剤マイクロロケットモータの特定の応用分野、マイクロシャトル高 度制御から戦術ロケット、宇宙曳航船、さらに打ち上げロケットまでのロケット の全領域に及ぶ応用分野の範囲、一方、応用分野によって変わる利益、を考慮す ると、これらのロケットはすべて、従来の小型ロケットより、非常に小さい重量 および安価な製作コストを有する。応用分野と無関係に、この場合、今述べた製 作の利益が当てはまる。マイクロポンプ、マイクロバルブ、配管、マイクロ噴射 装置、および圧力チャンバを、基板上に、全部一体化することによって、顕著に 、信頼性が向上し、重量が減少し、またコストが手動式機械加工および組立ロケ ット構成要素に必要とされるコストより著しく低下する。 単独で使用する場合、一つのマイクロロケットモータモジュールを、シャトル 高度制御に使用することができる。この場合、ポンプ供給方式は、従来の加圧貯 蔵容器および高圧燃料タンクならびに供給配管の必要なしに可能となるので、推 進システム重量が著しく軽減される。マイクロロケットモータの配列を使用して も、広範囲の応用分野のための非常に軽量な多重性の高い大型推進システムを形 成することができる。例えば、マイクロロケットモータアレイを、軌道移動輸送 手段として使用することができる。この場合は、約５０００Ｎの推力要求を提供 するために、通常、数百のマイクロロケットモータが必要とされる。多重性マイ クロロケットモータは、例えば、信頼性のため、または、例えば、モータ方向を 変更するために従来使用される比較的重量のあるモータジンバルおよび油圧シス テムを代替するための推進方向変更のために、備えることができる。個別マイク ロロケットモータのサイズが非常に小さいことによって、起動および停止に要す る時間が非常に短くなり、輸送手段に伝達すべき正確なインパルス増分が可能と なる。前述したように、この場合、マイクロロケットモータの二元推進剤構成に よって、一元推進剤マイクロロケットモータによって達成可能である範囲を超え て、特に、都合よく、特定のインパルスが増加される。 その他の応用分野は、マイクロ化学ロケットエンジン、例えば、小型人工衛星 のための低コストブースタである。マイクロエンジン−マイクロロケットモータ の組合せによって、非常に小型、例えば、１〜１０ｋｇの人工衛星のための打ち 上げ推進を提供することができる。大型ブースタ推進、例えば、軌道まで一段の スペースクラフト推進さえも、マイクロエンジンおよびマイクロロケット構成の 組合せによって処理することができる。非常に高い推力重量比、コンパクト性、 およびこのようなシステムにおいて可能である多重性によって、従来のブースタ 構成に対する優れた代替構成が提供される。 広範囲の説明によって前述したように、本発明によって提供されるマイクロエ ンジンの応用分野の範囲は、実に広大である。説明においては、それぞれの、ま たあらゆる応用分野を扱うことはできないが、本発明によって企図される広範の 機能を示すことを目的とする。 性能比較 下記の表１は、Microeng１、Microeng２、Microeng３と呼ばれる３種のマイク ロエンジン実施形態設計に対して計算した作動特性を、２種類の従来型小型ガス タービンエンジン、すなわち、自動車ガスタービンおよび軽ヘリコプタエンジン と比較して示す表である。 表１ これらの性能指標、および特に、例えば、出力／重量指標はすべてのマイクロ エンジン実施形態は、従来のエンジンと比較して極めて優れた性能であることを 示す。 下記の表２は、前述した第３マイクロエンジン実施形態の性能指標計算値を、 二酸化硫黄電池、特に、米国陸軍モデルＢＡ５５９０電池と比較して示す表であ る。 表２ 表２に示すマイクロエンジンは、電池の、２０倍の比エネルギおよび１５倍の エネルギ密度を有する。前述した他の利益と組み合わせると、マイクロエンジン によって、従来の電池に比較して、卓絶した可動モジュール形式動力供給源が提 供される。 マイクロ圧縮機およびマイクロロータ ここで、前述したマイクロエンジンシステムを可能とするためのマイクロ部品 について述べると、本発明によって、所望のマイクロエンジン作動を実現するよ うに構成することができる共同で作用するマイクロ集合部品が提供される。各マ イクロ部品の機能および後述するマイクロ集合部品によって可能となる種々のサ ブシステムの記載を示す。 本発明によって提供される遠心マイクロ圧縮機は、マイクロ製作技術に適合す る平面状でテーパのない構成である。図１２Ａおよび１２Ｂに示すように、また 前述したように、マイクロ圧縮機は、ディスク形状モータ１８と、ディフューザ ベーン２２より形成される環状静止ディフユーザと、を備える。エーロフォイル ２０は、圧縮機ロータディスクの表面に取り付けられ、ロータブレードを形成し 、 ディフューザベーンは、ディフューザ外壁を形成するエンジンハウジング壁の間 に取り付けられる。例示した実施形態においては、８個のロータブレードおよび １０個のディフューザベーンが存在する。例えば、ロータ直径は約４ｍｍであり 、エーロフォイル高さは約２５０μｍである。好適には、環状リングまたはチッ プシュラウドが、ロータエーロフォイルの頂部に取り付けられ、チップ漏洩損失 およびブレード曲げ応力が減少され、圧縮機安定性が改善される。前述したよう に、このシュラウドも、電気式マイクロマシンおよび前スラストロータ軸受の両 方の機能を果たす。 作動中は、空気は、圧縮機ロータから出るとき、大きな角運動量を有し、この 運動量はディフューザベーンによって除去され、静圧上昇に変換されることを想 起されたい。通常のガスタービン遠心圧縮機においては、ロータおよびディフュ ーザ環状高さ（管状部の半径方向の幅）は、ガスは圧縮されると密度が増大し、 その結果、必要とされる流れ面積が小さくなるため、ロータおよびディフューザ を通じて相当に変化する。対照的に、本発明による圧縮機ロータディスクおよび ディフューザにおいては、ロータおよびディフューザ環状高さは一定に保持され または段を付けられ、代わりに、ブレードおよびベーン厚さを変更することによ って、ブレードおよびベーンの面における流れ面積が変化される。ブレードおよ びベーンのテーパのない特性は、平坦であり段状である幾何形状を備えるために 本発明の目的とするものである。このようなテーパのない構成によって、平面マ イクロ製作技術による製作が可能となる。 圧縮機ブレード形状も、拡散考察に基づいて設計される。一般に、圧縮機にお いては、圧縮機の境界層は、逆圧力勾配に曝される。その結果、境界層剥離が、 通常、重要な問題であり、拡散量もまた厳密に制御する必要がある。この制御は 、通常、圧縮機端壁輪郭によって実行される。本発明においては、代わりに、拡 散は、特定の圧縮機ロータブレード形状によって制御され、この形状によって、 半径の増大に伴って従来認められた流れ面積の増加が最小とされる。特に、本発 明によって、ブレード形状は、流れ流線のために望ましい流路の結果として定ま る。これによって、半径方向位置が増加するとき、流れ面積が減少する流路が生 成される。 これらの考察に基づいて、本発明によって、例えば、図１２Ａおよび１２Ｂに 示す圧縮機ロータブレードが提供され、このブレードは、ブレード厚さを半径の 関数として調整し、一方、半径の関数として実質的にテーパを付けられないブレ ード高さを維持することによって、流路面積を制御する形状とされる。例えば、 ブレードは対数ら線流線に従うことができる。その結果、ブレードの後縁、すな わち、半径方向周縁端２００は、ロータの半径線を基準としてほぼ９０度に近い 角度となり、大きな出口相対流れ角度が生成される。非常に高い出口渦巻き角度 、例えば、無条件フレームにおいて８０度を超える角度も、生成される。この設 計によって、圧縮機によって生成される圧力上昇は、主として遠心効果に依存す る。小サイズ領域の比較的低いレイノルズ数特性のため、本発明による圧縮機ロ ータを通過する流体流に作用する種々の力の重要性が増大することに留意された い。 本発明によるマイクロ圧縮機は、好適には、大体、約１以上のチップマッハ数 の条件で、流体流に対するエネルギ移動が最大となり、また、相対出口速度は相 対フレームにおいて拡散が限定されるため亜音速となる傾向があるので、圧縮機 ロータの周縁部からディフューザまでの絶対流体流は大きな流れ角度を有する。 拡散を制御するため、本発明によるディフューザは、図１２Ａおよび１２Ｂに示 すように、ベーンを備え、ベーンは、例えば、対数ら線設計から僅かに偏移した 形状である。この設計は、緩やかな面積拡大を考慮し、拡散速度を制御して剥離 しないように制御するものである。圧縮機ロータブレードの場合と同様に、この 場合、ディフューザベーン厚さ形成は、従来の圧縮機端壁輪郭技術の代わりに、 本発明によって実行される。ロータに対する流入流角度は非常に大きく、すなわ ち、ディフューザベーンは圧縮機ロータブレードに関して食い違い度が高いと仮 定すると、結果として、非常に食い違ったディフューザベーン設計となる。ディ フューザ角度が大きいので、必要とされる半径方向広がりの見地から、比較的コ ンパクトな設計ができる。 圧縮機ロータは、タービンロータと共に、マイクロエンジンの最も高度に応力 を受ける構成要素であることを考慮すると、圧縮機ロータに関して、さらに考察 することが好ましい。それぞれのロータに関して、三つの重要な点があり、その 点、すなわち、ロータディスクの中心、ロータ軸からディスクまでの移動部、お よびロータブレードの基部において、応力レベルは作動中に最大となる。最初に 、ロータブレード基部に生成する応力について考察すると、ロータが回転すると き、引っ張り応力がここに集中される。約５００ＭＰａの最大許容応力を仮定す ると、各ブレードはロータディスクと接合点を形成し、接合点は丸いフィレット であり、好適には、フィレットは約３０μｍを超える曲率半径を有する。 同様に、ロータ軸からディスクまでの移動部は、約３０μｍを超える曲率半径 を有する丸みを付け、その点における応力集中を最小とすることが好ましい。ロ ータは、ロータディスクの片側面上のみでブレードを使用するので、遠心ブレー ド負荷によって生成されるモーメントを受け、それがこの応力の起因となる。デ ィスク中心における応力集中は、ロータの回転速度を５００ｍ／ｓ未満に限定す ることによって限定される。曲げモーメントによって引き起こされる、ロータデ ィスクの平面上を外れる変形は、ロータディスクの選択された厚さによって、本 来的に最小にされることが好ましい。所望により、一部の応用分野の場合、ロー タディスクのブレードのない面を製作中に顧客要求に応じた形状とし、その応用 分野において予測される作動中の曲げモーメントに適応することができる。 マイクロ圧縮機全体の設計およびマイクロ燃焼チャンバとの一体化に説明を戻 す。図１３Ａおよび１３Ｂは、マイクロ圧縮機インレットにおいて、インレット の周縁部の回りの前面の段２３を示す図である。この段は、好適には、圧力損失 全体および妨害物を減少させる傾向があるので使用される。滑らかな輪郭のイン レット段は、マクロ規模圧縮機においては慣例であり、空気力学を考慮するとこ の場合はさらに好ましいが、このような輪郭は、マイクロ製作技術を使用して製 作することが困難である。マイクロ圧縮機アウトレットにおいて、マイクロエン ジン燃料噴射装置２４の環状配列は、前述したように、ディフューザベーン２２ の出口においてマイクロ圧縮機端壁を経由して燃料プレナム２６と接続される。 代替の構成においては、このような燃料噴射装置は、ディフューザベーンのイン レットに配置される場合がある。これらの噴射装置は、水素を選択された燃料と して使用する場合、例えば、約１００〜２００の孔からなり、各孔は約５μｍの 直径を有する。孔は、円形、方形、または他の便利な形状とすることができる。 付け加えると、液体炭化水素燃料の場合は、より少ない孔が必要とされる。好適 には、燃料噴射装置は、図のように、マイクロ圧縮機前面端壁に配置され、マイ クロ圧縮機中心線の回りに円形パターンで規則正しく配列される。 この構成によって、本発明によるマイクロ圧縮機は、約２，４００，０００Ｒ ＰＭの圧縮機ロータ回転、およそ７０％〜８０％の範囲の効率の条件で４：１の 圧力比において、約０．２ｇ／ｓの空気を送り込む。約２，７００，０００ＲＰ Ｍの回転速度において、マイクロ圧縮機圧力比は約５：１であり、ディフューザ 出口マッハ数は約０．３である。 図１４Ａおよび１４Ｂに示すように、圧縮機ロータディスクの後面は、後エン ジンスラスト軸受２０２、漏れを減少させ圧力差を形成し前面上の圧力勾配によ る軸力を均衡させる空気シール４６、および圧縮機およびタービンロータディス クを連結する軸４０に対するアタッチメントのための構造を有する。ディフュー ザ２８の周縁部において、空気−燃料混合気は９０度方向を変え、マイクロ燃焼 器３０に入り、ここには規則正しく配置された円形パターンの燃焼器インレット ポート３２が備えられ、空気−燃料混合物は、これを経由して流れる。これらの インレットポートは、例えば、およそ４０〜８０個の直径が約５００μｍの孔よ りなる。理解されるように、インレットポートは、円形、方形、または他の便利 な形状とすることができる。 マイクロ燃焼器 本発明によるマイクロ燃焼器によって、四つの基本機能、すなわち、化学エネ ルギの熱への変換、マイクロ規模のマイクロ燃焼器幾何形状に適合する短い燃焼 時間、燃焼温度における機械的構造的完全性、およびマイクロ製作技術に対する 適合性が提供される。これらの４機能は、すべて、従来のガスタービン燃焼器と はかなり異なる態様を有するマイクロ燃焼器によって提供される。 本発明による一実施形態において、マイクロ燃焼器機能は、必要とされる燃焼 温度を低下させるため、および燃焼速度を増大させるために、水素と空気との比 較的燃料分の少ない混合気、すなわち、低当量の混合気を基礎としている。特に 、約０．４の当量比において、水素／空気混合物は約１６００°Ｋにおいて燃焼 し、この温度は、マイクロエンジン構造材料のいくつかの候補、すなわち、炭化 ケイ 素および四窒化ケイ素の温度機能の範囲内である。この熱機能によって、従来の ガスタービンに通常必要とされるかなり複雑な燃焼器冷却構成に対する必要が削 除され、その結果、マイクロ燃焼器設計および対応する製作方法が洗練された簡 単なものとなった。 水素は、従来の炭化水素燃料に比べても、その上他の面においても、理想的な 燃料である。水素は、炭化水素燃料より、大きな発熱量、速い蒸発速度、速い拡 散速度、短い反応時間、火炎伝播速度、広い燃焼限界、低い必要点火エネルギ、 および低い熱放射を有する。最も重要なことは、多分、水素の広い可燃限界によ って、炭化水素燃料の場合に通常必要とされる比較的燃料分の多いこと、高温、 主燃焼領域および補足希釈領域に対する要求が排除されることである。水素に対 する貯蔵要求のため、現在は民間航空機における使用は禁止されているが、マイ クロエンジン応用分野はこのような貯蔵に適応することが可能であり、またこの 燃料の輸送用航空機における使用は、現在、一般に支持されている。理解される ように、本発明は、燃料として水素を使用することに限定されるものではなく、 またそれを必要とするものでもない。 一般に、燃焼器の必要容積は、燃料と空気を混合し、得られる混合気を完全に 燃焼させるために必要な滞留時間によって増減する。マイクロ燃焼器においては 、水素の低分子量を考慮し、水素の空気中への速い拡散速度を活用し、速い火炎 伝播速度ならびに高度な混合および速い燃焼速度が実現される。この利益を用い ても、なお、燃焼前の適切な水素−空気混合が必要とされる。図１および図１４ Ａ〜１４Ｂを参照して、マイクロ燃焼器３０は、三つの主要部分、すなわち、マ イクロ圧縮機ディフューザの中心を離れて配置され、前述したように、そのイン レットに燃料噴射装置２４が配置される半径方向流出ディフューザ部分２８と、 ディフューザ後ろ板内に存在しディフューザをマイクロ燃焼チャンバ３０から隔 離する機能を果たす燃焼器インレットポート３２および火炎点火装置３３の環状 アレイと、その中で燃焼が行われるマイクロ燃焼チャンバ３０と、よりなる環状 幾何形状によって、この要求に適応する。 半径方向流出マイクロ燃焼器ディフューザは、二つの機能を果たし、一つの機 能は、空気をマイクロ圧縮機出口から燃焼器インレットポートに向けることであ り、他の機能は燃料噴射場所および混合距離を提供し空気−燃料混合物を生成し 均一化することである。ディフューザは、例えば、約６ｍｍの内径、例えば、約 １０ｍｍの外径、および通常はマイクロ圧縮機と等しいインレット高さを有する 。ディフューザ経路は、一定の高さとすること、または代わりに、段とし半径の 増大に従って高さを順次減少させることができる。後者の構成によって、流れ断 面積を制御し、燃料および空気混合を最適化し、粘性損失を最小とすることがで きる。さらに、別の構成においては、第２セットのベーンをディフューザの全長 に沿って配置し、ベーンの厚さを、この場合は環状高さと共に変更しベーン高さ は一定に保持することによって断面積を制御する。 マイクロ燃焼方式の成功は、燃焼前の空気と燃料との完全な混合に依存し、混 合物の混合領域が不十分であると、状況が異なり、比較的高濃度の部分を生じる ので燃焼温度が上昇し、壁材料の機能を超える場合がある。従って、燃料噴射装 置２４が望ましく、混合気が均一化するために十分なディフューザ長さが好まし い。水素ガス燃料噴射装置が圧縮機アウトレットにおいて燃焼チャンバの十分上 流に配置される場合は、水素燃料に必要な混合が実現される。図１４Ｃは、図１ ３Ｂの線Ｃ−Ｃ’に沿った部分断面図であり、本発明による配列方式の燃料噴射 装置２４の好適な構成を示す図である。 一部のマイクロエンジン応用分野においては、代わりに、水素燃料を圧縮機の 上流に噴射することが好ましい場合がある。このような構成によって、燃焼器イ ンレットポートに導入される前に燃料と空気を完全に混合することが一層十分に 可能となる。このような燃料分が少なく、事前に混合され、事前に蒸発される燃 焼器構成は、燃料分の少ないガスの吹き出しおよびマクロ規模エンジンの場合、 高いインレット温度における火炎の逆流または自然発火を引き起こすことが知ら れているが、マイクロエンジンの場合は、広い可燃限界およびマイクロエンジン のマイクロ規模水素−空気燃焼の低い作動圧力のため、これらは重要な問題では ない。 燃料分の少ない事前混合された水素を基礎とする燃料システムも、比較的高い 作動温度に燃焼器材料が適応できるので、その結果、複雑さがかなり減少する。 従来のガスタービン燃焼器においては、通常、蒸発およびフィルムコーティング を使用し、燃焼器内張りを材料温度限界より下の温度に保持する。しかし、炭化 ケイ素または窒化ケイ素マイクロ燃焼器材料は、約１６００°Ｋの局所的壁温に 耐えるので、燃焼器壁冷却の必要が回避される。 マイクロ燃焼器のその他の考察に戻ると、燃焼器インレットポートサイズは、 好適には、小さな再循環領域が形成され、そのようにレイノルズ数の関数である ように設定される。インレットポートにおいて、点火装置、例えば、抵抗加熱器 によって点火され、点火は、燃焼器インレットポート上の一つ以上の周縁位置に おいて空気−燃料混合物の自然発火温度に制御される。あるいは、インレットポ ートの前端に配置される火花ギャップ構成、または他の火花生成機構を使用する ことができる。 主燃焼チャンバは完全燃焼を保証する滞留時間に適したサイズである。マイク ロ燃焼チャンバは、マイクロエンジン全体に比較して、従来のエンジンより相対 的に大きなサイズであり、必要な質量流れおよび必要な滞留時間の両者が可能と なる。特に、マイクロ燃焼チャンバの直径の寸法は、マイクロエンジンに関して 、およそ４０倍に増大され、十分な滞留時間が与えられる。 およそ３００〜８００マイクロ秒の範囲の滞留時間が、好適には、燃焼器に与 えられる。この考察に基づいて、およそ２ｍｍから１０ｍｍの範囲の円環高さ（ 円環半径方向の幅）、およびおよそ０．５ｍｍから５．５ｍｍの範囲の軸長さの 条件において、マイクロ燃焼器円環高さ、すなわち、外径と内径の差、対軸長さ の比は、好適には約０．５である。この滞留時間に適応する構成の一例において 、燃焼チャンバは、直径が約１０ｍｍ、奥行きが約２．５ｍｍである。前述した ように、マイクロ燃焼チャンバは、半径方向に内側に排気されタービンまで達す る。サイクル解析に基づき、かつ０．７のマイクロ圧縮機効率および０．８のマ イクロタービン効率を仮定すると、最適マイクロ燃焼器性能は、選択されたマイ クロエンジン構成に対する構造制約を考慮して、達成可能な最高圧縮機圧力比に おける作動によって得られる。 燃焼チャンバの壁における熱移動による燃焼中の熱損失は、従来のガスタービ ン設計においては、通常、無視できる。マイクロ燃焼器の場合、水力直径の逆数 に比例する表面積と体積の比は、従来の燃焼器より顕著に増大するので、マイク ロ燃焼器の場合は熱移動を考慮する必要がある。特に、熱損失と燃焼器によって 生成される熱の比は、従来の燃焼器よりおよそ２桁大きい。これは、マイクロ燃 焼器の性能に二つの点において影響を与える。第１に、約９９．９％より大きい 従来の大規模燃焼器効率は、常に達成可能とは限らない。第２に、可燃限界は、 火炎消滅のため影響を受ける場合がある。しかし、前述した復熱式構成を採用す ることによって、この熱損失に関連する性能上の不利益は最小にすることができ る。 代替方法の実施形態においては、マイクロ燃焼器は従来のまたは他の適切なガ ス状または液体炭化水素燃料、特に、燃料分の少ない混合物、例えば、ブタン、 ＪＰ−４、ＪＥＴ−Ａ１、ケロシン、または航空機に使用される他の燃料などの 燃料を燃焼する。この場合、好適には、燃焼促進触媒、例えば、触媒によるコー ティングが使用される。このようなコーティングは、マイクロ燃焼器の内壁に施 工することができる。燃料−空気よりなる燃料分の少ない混合気を低温において 燃焼させる接触燃焼の機能は、公知である。プラチナおよびパラジウムを基礎と する従来の貴金属触媒が適切である。 通常、化学反応は燃焼器表面の比較的近くで行われるので、接触燃焼器は、大 きな、表面積対体積比を必要とする。本発明によるマイクロ燃焼器は、従来の燃 焼器に比較して、非常に大きな、表面積対体積比を有するので、接触システムに 都合よく適合する。燃焼器のほかにシュラウド壁面積が、所定の接触システムに 対して必要とされ、次に、半径方向に向いたパイセクタ板、フィン、ハニカム、 または他の適切な構造を燃焼器容積の中に製作し触媒で被覆することができる。 多数の触媒によって、約６００°Ｋの燃焼器インレット温度が必要とされる。こ の要求は、圧縮機圧力比を増加するか、または前述した復熱式構成を使用するか のいずれかによって満足される。 発明者は、ここで、図１５Ａおよび１５Ｂに示すマイクロ燃焼器試験装置を使 用し、マイクロ燃焼器設計の滞留時間と材料の適合性要求の実現可能性を示す。 ＳｉＣ製実験用マイクロ燃焼器２１０は、前述した寸法、すなわち、約１ｃｍの マイクロ燃焼チャンバ直径を有し、超音波機械加工ＳｉＣ層のラミネーションを 使用し、マイクロ製作技術のよって生成された構造を模造することによって生成 した。ラミネーションは、外部ばね２１２によって加圧し一体として保持した。 このようにして組み立てたマイクロ燃焼器を、圧力容器２１６に収容し、約６ａ ｔｍの圧力までの作動を可能とした。容器幅Ｗは約１３ｃｍ、容器高さＨは約２ ０ｃｍであった。燃焼排気を冷却するために、水冷却ジャケット２１７を付けた 。簡単にするために、圧力容器は、事前混合した燃料反応物２１８の噴射に適応 するように設計した。入口空気は、エンジン圧縮機排気温度のおよそ５００°Ｋ 〜６００°Ｋの範囲に予熱することができた。 図に示すように、実験用マイクロ燃焼器２１０に噴射された燃料は、マイクロ エンジンの場合のように、半径方向外側に向けられ、燃焼器インレットポート３ ２を通り、点火された混合気はインレットポートから燃焼チャンバ３０に入る。 次に、燃焼した混合気は下方に排気される。この作動設定において、当量比はお よそ０．３〜１．０の範囲であり約０．０４５ｇ／ｓの混合気の質量流速の気体 水素と空気の混合気によって実験用マイクロ燃焼器は作動された。この流量は、 約４．５ａｔｍのマイクロエンジンマイクロ燃焼器インレット圧力および約０． ２ｇ／ｓの流量に一致するように選択された。点火試験は、水素−空気当量比を 約０．１の差分で約１．０から約０．３まで下げ、次に約０．１の差分で約１． ０まで戻して実施した。 イオン化プローブを燃焼チャンバに配置し、室内に火炎の存在の指標を与えた 。プローブは、空気間隙で分離された二つのプラチナ電極から構成された。二つ の電極は、固定電位差に保持された。燃焼に関連するラジカルが存在するとき、 電流が空気間隙に誘導され、これはプローブと直列に配置された抵抗の両端の電 圧の電荷として明示された。マイクロ燃焼器の点火は、０．２ｍｍプラチナ線の 抵抗加熱によって実施した。点火装置は、開始時に、約５０ワットの電力であっ た。 点火は、２９４°Ｋの低いインレットガス温度によって実施し、試験した当量 比の全範囲において、安定した完全な燃焼が示された。点火は、通常、一瞬の問 題として発生したが、線の位置に敏感であった。点火装置が燃焼チャンバの中心 に向いて配置されるとき、点火は一層容易であったが、使用した点火装置の線は この位置においては１回の試験しか耐えなかった。点火装置を燃焼チャンバ壁の 近くに移動させると、線の寿命は長くなった。 ０．２５ｍｍ型の熱電対を、排気３１の位置において使用し、ガス温度を当量 比の関数として測定した。図１６は、排気温度測定値を当量比の関数として示す 図であり、同時に、比較のために、当量比に対応する理論断熱火炎温度を示す。 このデータによって、本発明によるマイクロ燃焼器は、企図したように作動した ことが確認された。 マイクロタービン 本発明によるマイクロタービンは、多数の従来のタービン構造異なり、平面状 であり実質的にテーパがない半径流設計である。空気流は、マイクロ圧縮機から 半径方向に内側にマイクロタービンに入る。図１７Ａおよび１７Ｂは、一定の高 さを有し、空気流を内側にタービンロータの方向に加速し渦巻き流を与える静止 タービンベーン３４の環状アレイを示す図である。タービンロータディスク３６ は、タービンディスク表面に取り付けられるブレード３８の環状アレイを備える 。タービンロータは、空気が内側に移動するとき、空気を、さらに膨張させ、渦 巻きを除き、軸動力を生成する。空気は、タービンロータブレードを出て内側に 進み、次に９０°向きを変え、回転の中心線に沿ってマイクロエンジンから出る 。通常の小型タービンとは対照的に、本発明によるマイクロタービンは、完全吸 気設計方式を使用し、効率を最大とし、吸気機械の問題を減少させた。 タービンベーン３４およびタービンロータブレード３８の両者は、一定の高さ または高さに段を付けられるので、圧縮機ロータブレードおよびディフューザと 同様に、実質的に二次元特性を有し、したがって、マイクロ製作技術による製造 に適応する。ブレードが作動する非常に低いレイノルズ数領域Ｒｅ≒２０００と 共に、このテーパのない高さという制約によって、結果として、従来とは異なる タービンベーンおよびブレード形状となる。圧縮機ディスクおよびブレードと同 様に、この場合、約３０μｍより大きい半径のフィレットによって、ディスクを 軸と結合し、ブレードをディスクと結合し、これらの位置における応力を減少さ せることが好ましい。 高い効率を達成するために、タービンベーンは、出口において高い絶対及び相 対速度を有するように設計されるが、マイクロエンジン出口流れの運動エネルギ は回収できないことを考慮して、タービンロータブレードは、その出口における 絶対速度を最小にするように設計される。通常の半径流タービンにおいては、こ れは、ブレード出口角度の適切な選択と共に、端壁輪郭によって流れ面積を制御 して実現される。しかし、このような端壁輪郭はマイクロ製作部品に対しては実 際的でなく、タービンモータブレードは、本発明においては、タービンブレード 厚さを半径の関数として調整し、一方、半径に沿ったブレード高さは実質的に一 定に保持することによって、流れ面積制御、さらに、流れ方向変換制御ができる ように設計される。ブレード形状を調整してブレード間の面積減少を制御するこ の方法は、流れの加速の制御を考慮するものであり、絶対出口流速に関する一層 良好な制御ができる。エッジブレード角度の調整も出口絶対渦巻き速度を低下さ せるために選択され、この角度は、好適には、粘性損失およびマイクロエンジン の小さい長さ規模および高温による低いレイノルズ数特性に起因する封鎖効果を 考慮して設計される。 マイクロエンジンによる推力が必要とされる場合は、好適には、タービンブレ ード幾何形状を変形する。ブレード列によって方向を変える流れは、ここで減速 され、対応してタービンによる圧力低下が減少する。これによって、軸出力が減 少されるが、エンジン排気ジェット速度、したがってエンジン推力は増加する。 前述したように、タービンロータブレードは、簡単にするためにシュラウドがな いが、チップ漏れ圧力損失を減少させてタービン効率を改善するために、チップ シュラウドをタービンロータの上に圧縮機の場合と同様な配置で備えることがで きる。 図１８Ａおよび１８Ｂは、本発明によるマイクロタービンの別の態様を示す図 である。この態様は、漏れを減少させるための空気シール４６、および圧力差を 形成し前面上の圧力勾配による軸力を均衡させるための別のシール２３０、なら びに圧縮機とタービンロータディスクを連結する軸４０に対するアタッチメント を備える。好適には、漏れ孔２０５を備え、漏れ孔はタービンロータディスク３ ６の中心付近に配置され、マイクロタービン、マイクロ軸受、およびマイクロ圧 縮機からの漏れを均衡させる。このような漏れ孔は、中心線の回りに環状に配置 される８個の孔よりなり、各孔は直径が、例えば、約５０μｍである。 マイクロエンジン構成は前述した他の部品の基礎となり、そのサイズを示すと 、マイクロタービンロータは、例えば、直径が約４ｍｍであり、タービンベーン およびブレードは、例えば、高さが約３２０μｍである。約１６００°Ｋのマイ クロタービンインレット温度および３．２ａｔｍの圧力において、マイクロター ビンは、約６０ワットの軸動力を生成することが可能であり、同時に、約０．２ ｇ／ｓに空気を通過させ、約２，４００，０００ＲＰＭで回転する。これらのマ イクロタービン作動条件下において、マイクロ圧縮機は約３０ワットの動力を消 費するので、マイクロタービンがジェネレータとして構成される場合は、約３０ ワットの動力がジェネレータに供給される。 図１８Ｃは、本発明によって製作されたシリコンマイクロタービンの走査電子 顕微鏡写真である。この場合、使用した製作順序は、詳細に後述する。図に示す マイクロタービンは、直径が約３００μｍのタービンディスク、ならびに高さが 約２００μｍのタービンブレードおよびベーンを有する。タービンブレードは、 最大厚さ、すなわち幅が約１００μｍであり、約２５μｍの後縁を有する。 マイクロ軸受 一般に、高速回転機械は、機械ロータを支持する低摩擦軸受に大きく依存する 。このような軸受は、一般に、重量、ロータ不均衡、エンジン加速、および回転 構成要素上の圧力および電力分布に起因する正味軸力によって生じる負荷に耐え る必要がある。軸受は、最適な、小さい摩擦、目的とする機械使用に比較して長 い使用期間を示し、ロータの動的安定性を最適に維持する必要がある。本発明に よるマイクロエンジンにおいては、空気シールによって形成される、空気軸受お よびバランス空気ピストンが備えられ、マイクロ圧縮機ロータ、マイクロタービ ンロータ、および結合軸を支持する。これらの構成要素は、図１９の斜視図に示 すように、一体となってマイクロエンジンロータ２１５を構成する。本発明によ る空気軸受設計は、マイクロエンジンロータのマイクロ規模に適応するという特 定の設計特徴を有する。 図２０は、空気軸受設計を詳細に示す図である。マイクロエンジンロータ２１ ５の軸負荷は、軸４０の周囲のジャーナル軸受２１６によって支持される。ジャ ーナル軸受の使用は、本発明に従って、圧縮機およびタービンロータ動態につい て考察することが好ましい。タービンロータディスクは、回転速度が作動速度に 達すると、半径を増大させる場合がある。この回転による拡大は、重要であり、 例えば、約５００ｍ／ｓにおいて約４μｍの直径増大に達する。この拡大によっ て、従来のディスク／静止軸の軸受構造における非常に小さなクリアランスを実 現することは不可能である。本発明にによって提供さえるジャーナル軸受構成は 、このディスク拡大に適応する。 軸ロータ負荷は、二つの環状スラスト板によって受けられる。すなわち、前部 軸負荷は圧縮機ロータブレード２０の環状チップシュラウド５２によって支持さ れ、後部軸力は、圧縮機ロータディスクの内側後部２１８によって支持される。 図２１Ａから２１Ｃにおいては、前部スラスト軸受は、圧縮機ロータチップシュ ラウド５２およびマイクロエンジンハウジングのジェネレータステータ電極５４ によって形成される。前述したように、二つの表面の間隙は、平衡運転状態にお いて、好適には、およそ２〜５μｍの範囲である。その結果、前部スラスト軸受 には、図２０に示すように、圧縮機ロータ排気に由来する圧縮空気２２０が供給 される。軸受空気は、マイクロエンジンハウジングの漏れ口２２１から排気され る。前部空気シール２２２は、ハウジング内に、漏れ口２２１の直後に備えられ 、圧縮機インレットへの漏れを減少させる。 後部スラスト軸受２１８は、前部装置に類似であり、この場合は圧縮機ロータ 排気２２３が圧縮機ロータ１８の背面に供給される。後部スラスト軸受は、ジャ ーナル軸受２１６に排気を行う。スラスト軸受は、マイクロエンジンモータが低 質量であるため、および空気ピストン配列の均衡特性のため、スラスト軸受は、 必ず比較的小さい負荷を支持し、その結果、この設計によって、十分な位置決め 機能および剛性が与えられる。さらに位置決め機能を必要とする場合は、スラス ト板面積を増加させ、スラスト板内に渦巻きポンプ機能を果たす溝を製作するこ とることによって、または板間の作動中のクリアランスを減少させることによっ て、容易に実現することができる。 代替方法としては、図９に示すように、静止スラスト軸受構造を使用すること ができる。作動中、静止スラスト軸受は、前述したように、対応する供給漏れ口 を通じて供給される一定圧力の供給源を利用してその作用を行い、それによる圧 力低下は、供給された流量に直接に関係付けられ、対向するロータと対応する端 壁との軸方向間隙に直接に関係付けられる。この軸方向間隙を広げるようなロー タのいかなる偏移によっても、軸受に供給される流量が減少するので、供給漏れ 口の圧力低下が増大する。その結果、フィルム圧力が低下し、ロータに作用する 圧力の低下をもたらし、正味有効安定化強化すなわちばねに類似の作用を構成し 、この作用によってロータの元の位置が回復される。前部および後部スラスト軸 受のばね類似作用によって、次に、ロータの全体の軸位置が安定化され、広範囲 の不均衡スラスト条件において、その軸偏移が制約される。その結果、スラスト 軸受自体の比較的狭い軸方向クリアランス、タービンおよび圧縮機ロータブレー ドとその対応するチップクラウドのクリアランス、マイクロ圧縮機またはマイク ロタービンによって形成されるマイクロマシン間のクリアランス、およびクリア ランス軸シールのクリアランスにおいて、クリアランスの両面間の接触が防止さ れる。 前述したように、軸４０は、マイクロタービンとマイクロ圧縮機を結合し、ラ ジアルジャーナル軸受２１６を形成する。ジャーナル軸受空気は、前述したよう に、マイクロ圧縮機出口から供給され２２４、後部スラスト軸受を通り、タービ ンロータディスク３６の漏れ孔２０５から排気２２６される。図２２Ａおよび２ ２Ｂに示すように、タービンロータ均衡空気シール４６は、圧縮機ロータの場合 （図２１Ａおよび２１Ｂ）と同様に、タービンロータの後面上の漏れを減少させ る。 マイクロエンジンロータは質量が小さく高回転速度であるので、ラジアル軸受 の不安定は機械を破損する場合があることを考慮すると、ジャーナル軸受の設計 においてはマイクロエンジンロータ動態を考察する必要がある。本発明によって 提供されるマイクロエンジンロータ動態を制御する一手法は、従来の小型ガスタ ービンエンジンにおいて実施されているように、ロータの臨界周波数、すなわち 、共振周波数を、ロータ設計によって増大させ、機械を、亜臨界周波数、あるい は第２または第３軸臨界周波数未満のいずれかにおいて作動させることである。 これは、本発明においては、ラジアル軸受のための小さい、例えば、約１μｍ未 満 のラジアルクリアランスによって実現され、軸受における大きな粘性損失、およ そ１０ワットが改善され、その結果、さらに厳しい製作公差が要求される。 マイクロエンジンロータの安定性について本発明によった提供される別の好適 な手法は、小さい第１臨界周波数はマイクロエンジン作動範囲の充分に下にある 個を特徴とするマイクロロータ設計である。この設計においては、マイクロエン ジン軸４０とジャーナル２１６の内径間のラジアルクリアランスは、比較的大き く、例えば、およそ５〜２０μｍの範囲であり、その結果、ラジアル軸受損失は 小さく、一般に、約１ワット未満であり、第１臨界周波数はマイクロエンジン速 度の約１％未満である。この場合、次に、マイクロエンジン安定性が、ロータを 偏心して位置決めする、すなわち、ジャーナルの中心から僅かに変位した軸の中 心に位置決めすることによって実現される。このような偏心方式が、ジャーナル 軸受の安定化効果を与えることは、公知である。 本発明において、マイクロエンジンロータは、ジャーナル周辺部付近に非対称 圧力を加えることによってジャーナルに関して偏心して位置決めされる。一例に おいては、このような周辺部圧力非対称性は、図２２Ａおよび２２Ｂに示すよう に、タービンロータの軸側のシールおよびブリード孔の配列によって提供される 。周辺部軸受面力シール２３０は、ジャーナル周辺部の約１８０°の範囲に延在 し、タービンロータディスク３６の漏れ孔２０５の周辺配列の半径方向の内側に 配置される。シールは、例えば、隆起した端部によって形成され、この隆起によ って、静止部分と回転部分とのクリアランスが減少されるので、軸受排気２２６ （図２０）と漏れ孔間に流れ制限が導入される。これによって、周辺部のその部 分の圧力が上昇するので、軸受流出部にこのような制限を有しない環状部の他の 部分に比較してシールされる。このようにして生成される側面力の大きさ、した がってマイクロエンジンロータ偏心は、理解されるように、シールの周辺部広が り、シールクリアランス、およびタービンロータディスクの漏れ孔の半径方向位 置および直径を変更して、調整することができる。例えば、平均ラジアルクリア ランスのおよそ４０〜９０％の範囲の軸変位が好ましい。 図２３は、本発明によって提供される別の構成を示す図である。ジャーナル軸 受は、セグメントジャーナル幾何形状を採用して安定化され、この形状において は、ジャーナル外面２１６は分断されて別々になり、従来の方法のセグメントジ ャーナルパッド２３０になる。パッド間の空間からパッド端部に排出され、負荷 および支持にコリニアリティを強制し、スムースジャーナルの、一般に、不安定 性につながる交差結合特性を破壊する。セグメントジャーナルパッドによって、 各パッドの局所領域において、ジャーナル軸受面の有効アスペクト比も増大し、 さらに安定性が向上される。セグメントジャーナル幾何形状は、マイクロ製作技 術に都合よく適合するので、容易に製作できる。ジャーナルのセグメント化によ って生じる主な不利益は、負荷軸受機能の損失であるが、大部分のマイクロエン ジン応用分野においては、残存するこの機能で十分である。 理解されるように、今述べた自己加圧スラスト軸受以外の他の軸受方式を、本 発明によるマイクロエンジンと共に使用することができる。例えば、静圧軸受を 使用することが可能であり、静圧軸受においては、例えば圧縮機排気から供給さ れる高圧空気がブリード孔を経由してスラスト板に供給され、図９に示した構成 のように、軸受を支持する。これによって、スラスト軸受の柔軟性は増大するが 、製作が複雑なためコストが上昇する。 多数の他の軸受構造が、本発明によるマイクロエンジンに適合する。特に、圧 縮機の外部リムおよびタービンロータディスクは、ジャーナル軸受として機能す ることができる。この場合、マイクロエンジンロータ軸は、タービンと圧縮機を 熱絶縁する機能のみを果たすので、比較的短くすることができる。この場合、一 部の応用分野においては、後部スラスト軸受を、スパイダ上に支持されるタービ ンロータディスクの中心の後ろに配置することが便利であり、この場合、タービ ン出口ノズルは、図９の構成に示すように環状である。 マイクロモーター圧縮機 本発明によって提供される、マイクロガスタービンエンジンおよびその改造物 のためのマイクロ部品およびサブシステムは、それ自体、多数の応用分野を有し 、本発明において活用され、広範囲のエネルギおよび熱力学サイクルを可能とす るものである。 本発明によるマイクロ部品によって可能となる熱力学過程の一例において、図 ２４Ａおよび２４Ｂに示すように、マイクロモータ駆動圧縮機２３２が提供され る。マイクロ圧縮機の直径Ｄは、例えば約９ｍｍであり、厚さＴは約２ｍｍであ り、このサイズにおいて、ＳＴＰインレット条件において、約０．１１ｇ／ｓの 空気流が得られる。 マイクロエンジン圧縮機と同様に、マイクロモータ圧縮機２３２は、圧縮機ロ ータディスク１８を備え、このディスクの中心線上にマイクロ圧縮機インレット １６がある。しかし、マイクロエンジン応用分野と異なり、この場合、ロータデ ィスクは軸の後面に取り付けられない。圧縮機ロータブレード２０は、ロータデ ィスクに、ディスクの周囲の静止圧縮機ディフューザベーン２２と同様に、前述 した幾何形状で取り付けられる。ロータブレードチップシュラウド５２は、マイ クロエンジンのモータージェネレータに関して前述したように、ブレードを覆っ て取り付けられ、マイクロモータ、例えば、誘導モータのロータとして機能し、 内部ハウジングのステータ電極５４を有する。 マイクロモーター圧縮機ロータディスクは、ラジアルガス軸受２３４によって ディスクリムにおいて支持され、リムにはロータからラジアル排気が供給される 。軸ロータディスク負荷は、スラスト板によって支持される。前部スラスト板は 、チップシュラウド５２およびステータ５４より形成され、後部スラスト板２３ ６は、ロータディスクの後面および後部ハウジング端壁より形成される。後部お よび前部スラスト板の両者は、ラジアルロータ排気を供給され、前部軸受は前部 漏れ孔２３７から排気され、後部軸受は後部軸受空気漏れ口、中心線上の第１漏 れ口２３８およびジャーナル軸受の後部の第２漏れ口２４０から排気される。 マイクロモーター圧縮機ロータディスクの後面は、任意に、導電層を備え、後 部ステータ電極２４２と見当合わせして構成される後部モータのためのロータを 形成する。低圧でありしたがって低動力である応用分野の場合は、二つのモータ の内一つが必要とされる。 作動中、インレット１６に供給される空気は、ロータディスクブレードを通り 、圧縮機ロータを出るとき、大きな角運動量を有し、この運動量はディフューザ ベーンによって除去され静圧上昇に変換される。得られる高圧空気は、次に、一 つ以上の空気排出孔２４４から排出される。全排気面積は、好適には、半径方向 流 面積、例えば、この例の場合、約７ｍｍ²にほぼ等しい。多数の他の排気構造、 例えば、前部、後部、ラジアル構造を使用することが可能であり、好適には、所 定の応用分野要求に適応するように選択される。約１．９×１０⁶ＲＰＭの作動 速度において、マイクロモーター圧縮機は、約２：１の圧力比を生成することが 可能であり、一方、約１７ワットの電力を消費する。約２．５×１０⁶ＲＰＭの 作動速度において、マイクロモーター圧縮機は約４：１の圧力比を生成する。 マイクロモーター圧縮機は、圧縮空気、例えば製造または換気応用分野のため の例えば、約７〜９ａｔｍまで昇圧した圧縮空気の供給源として使用することが できる。このような装置のモジュール配列を使用し、比較的大きな圧力におよび 比較的大きな空気流を供給することができる。本発明によって可能となる一応用 分野においては、約１００ワット程度の燃料電池が、圧縮機空気排気によって加 圧される。 マイクロモーター圧縮機は、例えば、医療応用分野、マイクロロケットモータ 、燃料またはブレーキ流体ポンプ輸送などの自動化応用分野、または約５０ｇ／ ｓまでの質量流量および約２００ａｔｍまでの圧力を必要とする他の応用分野の ための流体をポンプで供給する流体マイクロポンプとして使用することもできる 。実際に、前述した平面状マイクロ宇宙電力装置に関連して、燃料などの流体を ポンプ輸送する圧縮機ロータディスクを想起されたい。前述した圧縮機ロータブ レード形状は、液体および気体をポンプで送ることができる。前述の説明から理 解できるように、ブレード形状を、所定の応用分野のために望ましい特定の圧力 上昇および流速に対して最適とすることが好ましい。軸受幾何形状も、間隙およ び供給孔サイズの少しの変更によって、液体および気体軸受に適応できる。 宇宙電力装置に関連して前述したように、静電式マイクロモータは、この場合 、マイクロポンプと共に使用することができるが、静電式マイクロポンプの使用 は非導電性液体用のポンプに限定される。導電性液体のポンプ輸送は、電磁式モ ータの使用、または、例えば、軸およびシール構成を使用しモータの液体からの 隔離のいずれかを必要とする。 約１の特定の比重を有する液体の場合は、マイクロポンプ約５０ｇ／ｓまでの 液体流速に適応する。数百気圧の圧力上昇は、マイクロポンプ材料の構造制約を 超えることなく、実現できる。大きな質量流量と大きな圧力サイズとの組合せは 、数百ワットのポンプ動力を必要とし、これはマイクロモータの動力能力の課題 である。ターボポンプは、マイクロガスタービンと同様に、構成上、タービン駆 動ポンプよりなる。以下に述べるように、このような構成においては、高圧ガス 供給源の使用によって、この作動が可能となる。 高回転周速度のマイクロモーター圧縮機は、同位元素分離機のマイクロガス遠 心器のための圧縮機として使用できる。この場合、個別遠心器および熱交換器は 、ウェハ面上において直列に相互連結し、必要とされる分離を提供する。マイク ロモーター圧縮機の他のこのような応用分野は、本発明の目的とするものである 。 マイクロタービン−ジェネレータ 図２５Ａは、本発明によるマイクロタービン−ジェネレータ２５０を示す図で ある。マイクロタービン−ジェネレータは、比較的薄い、二つの端部支持板、す なわち、前部支持板２５４および後部支持板２５６に挟まれるディスク形状のロ ータ２５２を備える。ロータディスクの前面は、マイクロタービンとして機能し 、一方、後面は、マイクロジェネレータとして機能する。 図２６Ａおよび２６Ｂに示すように、タービンロータ２５２は、例えば、およ そ３００μｍ〜６００μｍの範囲の厚さ、および例えば、約４ｍｍの直径を有す る。前述した形状と同様の幾何形状を有するロータブレード２５８も備えられる 。静止ベーン２６０は、タービンロータの半径方向周縁部に備えられる。前述し た設計と同様に、ベーンおよびロータは、テーパがなく、好適には、一定の高さ 、例えば、約２００μｍの高さである。ベーンおよびブレードの数は変更できる が、一例においては、ロータは２０個のロータブレードおよび２４個のベーンを 備える。 作動中、圧縮空気は、マイクロタービン−ジェネレータの環状インレット２６ ４において供給される。本来、圧縮ガスのいかなる実際の供給源も使用できる。 使用されるガスの温度が約９００°Ｋ以下である場合は、マイクロタービン−圧 縮機は、全体をシリコンで構成することができる。あるいは、前述したように、 炭化ケイ素を、１６００°Ｋまでの応用分野に対して使用することができる。 流入ガスは、タービンの後部を通り、半径方向内側に曲がり２６６、ベーン２ ６０およびタービンロータブレード２５８を通過後、ガスは前方向に曲がり、マ イクロタービン−ジェネレータの前部端壁から排出される２６８。流入圧縮ガス によって、タービンロータが回転され、タービンロータの後面のマイクロジェネ レータによって電力が生成される。マイクロジェネレータは、マイクロタービン ディスク後面およびロータに対向する後部支持板２５６上に配置されるステータ 電極２７０より形成される。この構成によって、ジェネレータは、図５および図 ６に関連して前述した方法によって、電気誘導式ジェネレータとして作動する。 同様に、マイクロジェネレータによって生成される電力は制御することが可能で あり、前述した負荷を駆動するために集電される。理解できるように、他のジェ ネレータ構成も適切である。 図２５Ｂおよび２５Ｃは、圧縮ガスインレット２６４およびマイクロタービン 排気２６８の環状構成を形成する前部支持板２５４を示す図である。タービンロ ータの前部流体静圧スラスト板軸受２６２は、ロータディスクの中央領域および 前部板２５４の対応する領域２６２に備えられる。中央板領域２６２は、例えば 、複数の支材２７２によって排気漏れ口２６８を横切って連結される。前部スラ スト軸受供給オリフィス２７４は、中央板領域に備えられ、流体静圧を保持する 。 同様に、図２５Ｃに示すように、後部支持板２５６は、タービンロータディス クの中央領域を有する後部流体スラスト軸受２７７を備える。軸受２７７は、後 部支持板２５６の中央領域の供給オリフィス２７３によって、ある圧力に保持さ れる。後部スラスト軸受は、加圧チャネル２８０および後部支持板に備えられる 排出ベント２７９の排出ガスによって空気を供給される。後部支持板も、タービ ンロータと見当合わせして、ステータ電極配列２７０を備える。 ジャーナル軸受は、タービンロータのリム２７８に備えられ、ジャーナルの差 圧加圧は、ジャーナル軸受加圧の一つのセクタを、ジャーナル軸受排出ベント２ ８２から後部支持板２５６に、排出することによって供給され、同時に、残部は 後部スラスト軸受排気２８２を経由して排出される。この加圧方式によって、速 面力が与えられ、軸受が安定化される。ジャーナル軸受け加圧チャネル２８０は 、作動中、マイクロジェネレータを冷却するための冷却チャネルとしても使用さ れ る。冷却空気は、マイクロジェネレータを経由し、後部支持板の後部スラスト軸 受排気漏れ口２７９から排出される。 この構成によって、マイクロタービン−ジェネレータは、タービンロータを約 ２，４００，０００ＲＰＭにおいて回転させるように作動させることができる。 ロータブレード高さを約２００μｍと仮定すると、マイクロタービンは、約０． ４ｇ／ｓの流入ガス流、約８ａｔｍおよび約６００°Ｋの条件において、約８０ ワットの電力を生成することができる。その洗練された簡単な作動要求を考慮す ると、多数の応用分野がマイクロタービン−ジェネレータに都合よく適合する。 例えば、マイクロタービン−ジェネレータを使用し、工場作業場、または実際に 、一般に、加圧空気が容易に利用可能であるいかなる場所においても、エレクト ロニクスに電力を供給することができる。このような応用分野は、例えば、工場 電力線が大電力装置負荷のため頻繁に雑音が入り、その結果、エレクトロニクス の局所電力供給が中央電力供給方式より望ましい場合に、特に重要である。圧縮 ガスが化学手段によって生成できる場合、電力に関する水中および宇宙応用分野 も、マイクロタービン−ジェネレータによって都合よく処理できる。マイクロジ ェネレータの配列を使用し、局所的または分散型配置によって、応用分野の特定 の必要に適応できるので、理解できるように、この配列は、広範囲の電力生成必 要に適応できる。 熱力学サイクル 普通の熱力学用語によれば、マイクロガスタービンエンジンは、電力生成およ び推進を目的とする開ループ「ブレイトン」または「空気」サイクルである。し かし、マイクロエンジンのマイクロ構成要素、例えば、マイクロタービン、マイ クロ圧縮機、マイクモータ−ジェネレータ、マイクロ熱交換器、および本発明に よって提供される他のサブシステムは、再配列し、種々の、電力生成、加熱、冷 却応用分野のための他の熱力学サイクルを形成することができる。システムの電 力レベルは、各サイクルの詳細によって変わるが、およそ１０ワットである。 図２７Ａに示すように、本発明によって可能となる第２クラスの熱力学サイク ルは、閉ループブレイトン、または空気、電力生成サイクル３００である。外部 加熱マイクロ熱交換器３０２によって、マイクロ圧縮機３０４はマイクロタービ ン３０６に連結される。マイクロタービン出口は、次に、環境に熱を放棄する低 温マイクロ熱交換器３０８を経由してマイクロ圧縮機インレットに連結される。 この構成において、閉ループブレイトンサイクル３００は、タービンロータに連 結されるマイクロジェネレータ３１０によって電力を生成し、それによって、外 部加熱マイクロ熱交換器３０２がマイクロ燃焼器の代わりに使用される。閉ルー プに使用される作動流体は、空気または他の適切な相とすることができる。例え ば、キセノン−ヘリウム混合物によって、優れた性能が得られる場合がある。 本発明によるマイクロ構成要素よって、開ループブレイトンサイクルを構成し 、冷却に使用することもできる。図２７Ｂは、このようなシステムの第１例であ る開ループ空気サイクル冷却器を示す図である。開ループ空気サイクル冷却器は 、マイクロ圧縮機３０４から排出される高圧空気の約５０％までを抽気し、この 空気をマイクロ熱交換器３０８に向け、これを通過させ、これによって、空気を ほぼ環境温度まで冷却することによって形成される。次に、冷却された空気は膨 張マイクロタービン３１４によって膨張され、環境圧力となり、これによって、 ガス温度は都合よく環境温度まで低下する。マイクロ燃焼器３１６およびマイク ロタービン３０６がこのループで使用され、マイクロエンジンの場合のように、 マイクロ圧縮機３０４およマイクロ熱交換器３０８を作動させる。この冷却サイ クルによって、マイクロ燃焼器構成の代わりにマイクロターボエキスパンダ方式 をを使用しガスを冷却することに適応できる。 閉ループブレイトンサイクル３１６は、図２７Ｃに示すように、本発明に従っ て構成することができる。この場合、低温マイクロ熱交換器３０８は熱を環境に 放出し、マイクロ圧縮機３０４の出力およびマイクロタービン３０６の入力と連 結される。マイクロタービン出口は、次に、外部加熱マイクロ熱交換器３０２を 経由してマイクロ圧縮機と連結される。マイクロモータ３１８を使用し、サイク ルに動力を供給し、これによって環境冷却が実現される。マイクロタービンは、 オリフィスで置換し、サイクル効率を犠牲にして製作を簡単にすることができる 。 図２７Ｄは、本発明によって可能となる熱力学サイクルの別の例、ランキンサ イクルまたは蒸気サイクル３２０を示す図である。このサイクルの利益は、サイ クル閉ループ内において、作動流体の相変化によって、電力またはポンプ熱のい ずれかを生成することによって構成される。ヒートポンプ構成において、マイク ロポンプ３２２は液体をポンプ輸送するために備えられ、ポンプは、例えば、マ イクロタービン３０６または代替として、マイクロモータによって駆動される。 マイクロ蒸発器３２４は、圧縮機出口におけるマイクロ熱交換器より構成され、 環境熱を収集するために使用される。マイクロ凝縮器３２６も、マイクロ熱交換 器より構成され、タービン出口に配置され、熱を放散させる。代替方法としては 、ポンプがモータによって駆動される場合、タービンはオリフィスで置換し、サ イクル効率を犠牲にして製作を簡単にすることができる。このヒートポンプ方式 においては、閉ループの作動流体は、熱追加に適合し温度を所定の応用分野に与 えるように選択されることが好ましい。作動流体には、例えば、低温応用分野の ための冷媒、高温応用分野のための水、および非常に高温応用分野のための液体 金属が含まれる。代替の方式においては、閉ループは、閉ループブレイトンサイ クルの場合と同様な方法によって、ジェネレータ３２８によって電気を生成する 。 理解できるように、これらの図示設備以外に、さらに、マイクロ熱交換器およ びマイクロ圧縮機段階をこのサイクルに追加し、前述したサイクルのそれぞれが 所定の応用分野に対する性能の向上を実現することができる。例えば、中間冷却 器および多段圧縮機を追加し、マイクエンジン電力生成能力を改善することがで きる。いずれに場合も、サイクルマイクロ部品は、後述する製作技術に基づいて 、モジュール方式マイクロ構成要素として、または一体型システムとして製作す ることができる。その上、前述した種々の応用分野および変形構成は、サイクル マイクロ部品に利用することができる。例えば、マイクロ圧縮機を駆動するため の図示した軸は、マイクロ圧縮機のマイクロモータ駆動を使用することによって 削除することができる。他のこのような改造は、容易に明らかになる。 本発明によるマイクロ動力およびマイクロ冷却サイクルには、多数の応用分野 がある。一例においては、ソーラーパワーシステムが提供され、このシステムは 、ソーラーコンセントレータを使用し、エネルギをブレイトンまたはランキンサ イクルのインレットマイクロ熱交換器上に集束させ、廃熱は、地上の応用分野の 場合は対流によって、宇宙応用分野の場合は放射によって、廃棄される。このよ う なシステムによって、従来の太陽電池技術の約２倍の効率、すなわち、単位収集 面積当たりの電力が提供される。 別の応用分野例においては、閉ループサイクルの一つにおいて、化学反応を使 用し、熱、例えば、潜水などの水中応用分野のための熱を生成する。これらの動 力サイクルは、廃熱から動力を生成するための応用分野において使用することが できる。その結果、マイクロガスタービン、中間冷却器、または建造物暖房シス テムからエネルギを徹底的に回収する「ボトミングサイクル」（ｂｏｔｔｏｍｉ ｇ ｃｙｃｌｅ）として機能する。冷却用に構成される場合は、これらのサイク ルによって、エレクトロニクス、例えば、半導体チップ、ウェハ規模サブシステ ム、またはセンサなどのモジュール方式アレイ、ならびに、人間、例えば保護服 のための一体型衣服を着た人、熱帯にいる人、または同様な条件にいる人を冷却 することができる。例えば、人間冷却などの一部の大型応用分野の場合、いくつ かのマイクロ冷却装置を、マイクロエンジンの配列について前述した方法と同様 な方法で配列することができる。理解されるように、本発明による熱力学マイク ロサイクルには、さらに他の応用分野がある。マイクロサイクルは軽量で効率が 高いので、多数の応用分野に対して、従来のマクロ規模サイクルより優れた利益 を与え、これまで実現できなかった多数の熱力学応用分野が可能となる。 マイクロガスタービンエンジン製作 本発明によって、バッチ処理手順を使用しマイクロエンジンおよびその変形例 を大量生産するためのマイクロ製作技術が提供される。前述したように、マイク ロエンジンの場合、材料選択は、一般に、所定の応用分野によって要求される。 例えば、比較的低温応用分野においては、例えば、シリコンマイクロ部品の使用 が要求されるが、高温応用分野は、炭化ケイ素などの耐熱性材料によって最善に 処理される。最初に、シリコンを基礎とするマイクロエンジンを生成するための 製作過程を例示し、次に変形例およびサブシステム大量生産手順を述べる。その 次に、炭化ケイ素および他の材料システムを述べる。 シリコンマイクロエンジンは、シリコンウェハ、例えば、４インチ、＜１００ ＞およそ１０〜２０Ω−ｃｍの範囲のダブルポリッシュドウェハ、ｎ型またはｐ 型ウェハを使用して製作される。ウェハは、従来の方法によって、標準ＲＣＡク リーニング手順を使用し、製作手順を通じて、完全にクリーンであることが好ま しい。製作の討議を通じて引用される断面図は、マイクロエンジンの対称的な右 半分のみを示し、断面の左側に中心線を示す。マイクロエンジンは、種々の伝導 性および絶縁材料層の化学蒸着（ＣＶＤ）、フォトリソグラフィックパターニン グ、マスクドエッチング、およびウェハとウェハの溶融結合の連続した組合せに よって製作される。 図２８Ａは、第１シリコンウェハ４００を示す図であり、このウェハは、厚さ が、例えば、約８３０μｍであり、マイクロエンジンコアハウジングを形成する ために使用される。第１標準フォトリソグラフィマスキング処理は、マスキング 層（図示してない）、例えば，ＣＶＤ酸化物にパターンを形成し、約２μｍの皿 状トレンチをエッチングしマスクとして作用させるために行われる。製作手順を 通じて、このような標準フォトリソグラフィおよびマスキング層は、公知の従来 の処理であるので、図示しない。トレンチのエッチングは、例えば、ＳＦ₆／Ｏ₂ のプラズマエッチング用化学薬品を使用して行う。エッチングによって、後で、 マイクロエンジン軸４０の壁を形成する形状が生成される。 次に、図２８Ｂに示すように、第２のマスク層のプラズマエッチングを実施し 、約５０μｍのトレンチを生成する。好適な処理においては、ＳＦ₆を基礎とす るトレンチプラズマエッチング用化学薬品、カリフォルニア州，Ｒｅｄｗｏｏｄ ＣｉｔｙのＳｕｒｆａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｇｙ Ｓｙｓｔｅｍ，Ｌｔｄ．（Ｓ ＴＳ）より入手できるＳＴＳモデルＩＣＰエッチング剤を使用し、トレンチを生 成した。トレンチは、マイクロエンジンロータシール４６および後部圧縮機ロー タ軸受２１８を生成する。次に、追って、マイクロ燃焼器３０を形成するための 位置にある内部材料を除去する。このトレンチエッチング用化学薬品および処理 は、米国特許第５，５０１，８９３号（１９９６年３月２６日発行）に開示され ており、この特許は引用により本願に援用する。理解できるように、プラズマエ ッチング剤およびエッチング化学薬品を使用することができる。高いアスペクト 比を有する深いトレンチ幾何形状をエッチングできるエッチング剤およびエッチ ング化学薬品を選択することが好ましい。 図２８Ｃに示すように、次に、深いトレンチのエッチングを行い、ジャーナル 軸受２１６のクリアランスを形成し、ウェハに領域４０２、４０４を形成する。 これらの領域は、追って、それぞれ、マイクロエンジンロータ軸およびマイクロ 圧縮機を生成するために除去される大きなウェハ区画を形成する。深いトレンチ エッチングは、好適には、ウェハ内に約７８０μｍまで伸び、ＳＦ₆を基礎とす る化学薬品であるＳＴＳエッチング剤を使用して実施される。この深いエッチン グは、３レベルマスキング手順、例えば、平坦化層、ハードマスク層、およびリ ソグラフィ層を使用する従来のポリイミドを基礎とする３レベルフォトレジスト システムを必要とする。 一つの適切な３レベルマスキング処理は、従来のように、平坦化層、例えば、 ポリイミドをウェハ上にスピン塗布し硬化またはベーキングする。次に、例えば 、アルミニウム層の蒸着によって、ハードマスク材料を被着する。このハードマ スク材料は、標準フォトレジスト層およびリソグラフィ処理技術を使用しパター ンを形成し、ポリイミド下位層の反応性イオンエッチングのためのマスクとして 使用される。次に、アルミニウムマスクは剥離され、パターンを形成されたポリ イミド層が露出され、前述した深いトレンチエッチング抽マスクとして使用され る。 図２８Ｄに示すように、次に、第２ウェハ４０６が第一ウェハのエッチングさ れた面４００に溶融結合される。溶融結合処理は、従来の第１クリーニング手順 を使用して二つのウェハをＲＣＡクリーニングステップによってクリーニングし 、次に、ウェハ間の空気ポケットを排除する方法によって両ウェハを接触させ、 次に、接触されたウェハを不活性ガス中で、およそ８００℃〜１１００℃の範囲 の温度において、約６０分熱処理する。溶融結合処理によってウェハの真の溶融 が生成するので、結合処理以降は、第一および第２ウェハの識別はなくなる。次 に、第２ウェハ４０６は、従来の化学的機械的シリカスラリー研磨処理を使用し 、約２４０μｍまで薄くされる。次に、空気絶縁層４０８を第２ウェハに背面に 被着させる。 一つの適切な絶縁体は、約２μｍの厚さの低応力、高シリコン含量の窒化ケイ 素層である。この薄層を生成するための被着処理の一例においては、ジクロロシ ランとアンモニアを、約４：１から１０：１の範囲の比で、垂直管状低圧反応器 中において、約７００℃〜８００℃の範囲の温度および約２００ミリトル〜３０ ０ミリトルの範囲の圧力下で反応させる。 図２８Ｅに示すように、この時点で、抵抗層４０９が被着され、マイクロエン ジン点火装置として作用する。抵抗層の一例は、リチウム／プラチナ導体であり 、標準チタン接着層の第１Ｅビーム蒸発および次に厚さが約１０００オングスト ロームのプラチナ層の蒸発によって生成し、両層は、例えば、像反転フォトレジ ストシステムを使用するリフトオフ処理によってパターンを形成される。 図２８Ｆに示すように、パターンを形成された抵抗層４０９は、次に、第２絶 縁層で被覆され、第２絶縁層は、例えば、低応力、低シリコン含量の窒化ケイ素 の厚さ約１μｍの層であり、例えば、化学的機械的研磨処置を使用し平坦化され る。得られる滑らかな表面は、溶融結合表面およびその後の処理におけるエッチ ング停止層として機能する。一部のシリコンエッチング化学薬品の場合は窒化ケ イ素層が十分なエッチング停止層とならない場合があることに注意されたい。約 ６００℃未満で作動予定のマイクロエンジン実施形態の場合、酸化物層が窒化ケ イ素の代わりに使用される場合があり、このような酸化物層は、一部のエッチン グ化学薬品に対して一層良好なエッチング停止層となる場合がある。酸化物層は 、単独または低応力下位層と共に使用される。酸化物層が蒸着される場合、熱成 長ではなく、研磨によって十分に滑らかな表面を形成することが好ましい。以下 の製作に関する説明を通じて、窒化ケイ素層が提案されている場合、所定の製作 処理のエッチング選択力要求に基づいて、酸化物層を代わりに使用できるものす る。 絶縁層４０８、４１０および第２ウェハ４０６は、次に、ＳＦ₆を基礎とする プラズマ用化学薬品を使用してエッチングし、圧縮機ロータディスクのリム４１ ２を形成する。このエッチングによって、マイクロ燃焼器インレットポート３２ および抵抗点火装置４０９に電気接続するための接点領域４１４も形成される。 トレンチエッチングは、以前にウェハ結合処理によって形成された空洞４１６、 ４１８との接合点において停止することに注意されたい。 図２８Ｇは、図２８ＦのＧ−Ｇ’に沿った燃焼器インレットポート３２の断面 図であり、図２８Ｈは、燃焼器インレットポートの平面図である。図２８Ｇおよ び図２８Ｇに示すように、点火装置４０９は、好適には、二つの脚状部を有する ループ形成する伝導性トレースとして形成され、各脚状部は、燃焼器インレット ポートと交差し、接点領域４１４の位置内にパッドを有する外部接点のための接 点パッド４１６を形成する。図２８Ｇにおいては、耐火性金属である点火装置は 、プラズマ用化学薬品によるエッチングによってエッチングされないので、下位 窒化ケイ素層４０８および第２ウェハ４０６に対するエッチングマスクとして作 用することに注意されたい。この構成によって、点火装置ループの二つの脚状部 および下位材料は、燃焼器インレットポート３２を横切って、空洞４１８の上に 支持される。 図２８Ｈの点火装置は、図示のように、燃焼器インレット３２を横切って部分 的に吊り下げられている。この設計の利益は、点火装置を点火温度まで加熱する ために必要とされる電力が、構造の吊り下げ部分によって減少されることである 。しかし、ある場合は、吊り下げ区画が空気流パターンを妨害し、燃焼器インレ ットポートの有効性を損なう場合がある。そのような場合、抵抗点火装置金属は 、代わりに、隣接するが燃焼器インレットポート開口部の上に吊り下げずに、例 えば、３側面で開口部を囲むように配置される。このような点火装置を点火温度 まで加熱するために比較的大きな電力が必要とされるが、燃焼器インレットポー ト内の空気流パターンは、点火装置の存在のために混乱されない。 図２８１に示すように、次に、第３ウェハ４２０を、前述した従来の結合手順 を使用して第２ウェハ４０６に結合する。第３ウェハ４２０は、化学的機械的研 磨処理を使用し、約３００μｍまで薄くされ、次に、図２８Ｊに示すように第３ ウェハの全厚さの端から端まで深いトレンチのエッチングを実施する。このパタ ーン形成エッチングは、ＳＦ₆を基礎とするプラズマ用化学薬品であるＳＴＳエ ッチング剤を使用し、このエッチングによって、圧縮機ロータブレード２０、圧 縮機ディフューザベーン２２、およびマイクエンジンコアの半径方向周縁部端壁 ４２２が形成される。 約３０μｍのフィレットをロータブレードの基部に半径範囲に生成し、その転 における作動上の応力を減少させることが好ましい。このようなフィレットは、 パターン形成エッチングの終点を、例えば、エッチングの時間調節、または、予 定エッチング時間の終了時付近におけるプラズマ圧力、化学薬品、または他の反 応条件の調整によって、注意深く制御し、エッチングされたブレードの基部にお いて、方向性がより小さく、等方性がより大きいエッチングプロファイルを実現 することによって生成することができる。エッチング条件のこのような終点調整 は、従来のプラズマエッチング処理において、通常、使用されるものであり、後 述するタービンブレード構成を形成する製作手順においても使用することができ る。 次に、図２８Ｋに示すように、第４ウェハ４２４が、第３ウェハに溶融接合さ れ、化学的機械的研磨によって、約１００μｍの厚さまで薄くされる。次に、絶 縁層、例えば、二酸化ケイ素層４２６の、例えば、厚さ約1１０μｍの層が被着 され、平坦化される。次に、伝導層が被着され、圧縮機ロータブレードのチップ シュラウド５２が形成される。伝導性チップシュラウド５２は、好適には、例え ば、標準ＣＶＤ処理によって生成される微粒ポリシリコン薄膜半導体より形成さ れ、パターンが形成され、前述のように、目的とする温度および作動周波数に基 づいて、誘導モータージェネレータの作動のための所望の比抵抗が実現される。 特に、シュラウド層は、例えば、ＳＦ₆を基礎とするプラズマ用化学薬品を使用 してパターン形成され、シリコンマイクロエンジンの予定作動条件、温度、例え ば、約２００℃未満および周波数、例えば、周波数１０ＭＨｚにおいて、およそ １００〜１６００ＭΩ／方形の範囲、好適には、約１６００ＭΩ／方形にさらに 近い実効平面内正味シート比抵抗が実現される。 シュラウドエッチング処理に続いて、約５０μｍのマスクされたプラズマトレ ンチエッチングを窒化ケイ素層４２６の厚さ全体および第４ウェハ内まで実施し 、図２８Ｌに示すように、後ほどの圧縮機ロータの切り離しのための環状切り込 み４２８を形成し、また後ほどの燃料噴射装置オリフィスの形成のための切り込 み４３０の環状配列を形成する。トレンチエッチングによって、ウェハラミネー ションのマニュピレーションに後ほど使用ためのハンドル４３２も形成される。 ここで、第１ウェハ４００の処理に戻り、図２８Ｍに示すように、ＳＦ₆プラ ズマ処方を使用し、二つのマスクしたトレンチエッチングを実施し、各トレンチ は深さ約５０μｍであり、孔が開けられている。第１エッチングは、マイクロタ ービンのための半円形偏心側面負荷２３０および軸受シール４６、ならびにター ビンロータのためのクリアランス４３４を形成するためにマスクされる。第２エ ッチングは、第１ウェハヲウェハ空洞４１６、４１８（図２８Ｆ）の領域を端か ら端までエッチングするためにマスクされ、それによって燃焼器３０の内部およ びマイクロエンジンロータ軸４０の内部が形成するため、材料のブロックが空洞 間でウェハから切り離される。端部空洞を有する内部チャンバを形成し生成する ためのこの洗練された技術は、特に、利益があり、その理由は、この技術は、ウ ェハの広大な領域をエッチングする必要を排除し、従来のエッチング技術に比較 して、一層迅速で一層コスト効率の高い手法であるためである。３次元マイクエ ンジンロータ２１５は、この時点において、軸４０ならびに圧縮機ロータ１８お よびブレード２０を備え、移動が完全に自由であり、結合ブリッジ４３６のみに よって適所に保持される。 図２８Ｎに戻って、第５ウェハ４３８が、次に、第１ウェハ４００に燃焼チャ ンバ３０を覆って溶融結合され、第５ウェハは、化学的機械的研磨によって約３ ６０μｍまで薄くされる。エッチング停止層４４０は、例えば、２μｍ厚さのシ リコン高含量の窒化ケイ素であり、次に、第５ウェハ４３８に被着される。次に 、マスクドエッチングに、ＳＦ₆プラズマ用化学薬品としてＳＴＳエッチング剤 を使用し、エッチング停止層の領域を完全にエッチングし、また第５ウェハの対 応する領域を完全にエッチングする。このエッチングの結果、後ほど、タービン ロータディスク３６およびマイクロエンジンじゃなる軸受を排気するためのベン トオリフィス２０５が形成される。先のクリアランスエッチング４３４によって 、タービンロータディスクの前部面４４２のディスクの上のシール２３０、４６ からの変位が生成され、それによって、ディスクは本来上垂直に形成されること に注意されたい。第５ウェハおよびその後のエッチングによって、マイクロ燃焼 チャンバ３０の後部拡張４３９も形成される。 図２８０に示すように、第６ウェハ４４６が、次に第５ウェハ４３８に溶融結 合され、化学的機械的に、約２５０μｍの厚さまで薄くされる。次に、マスクし てトレンチエッチングを第６ウェハ４４６の全厚さの端から端まで実施し、マイ クロタービンガイドベーン３４およびタービンロータブレード３８、好適には、 前述したようにタービンブレードフィレット、およびマイクロ燃焼チャンバの拡 張４４７のための準備も共に、生成される。次に、図２８Ｐに示すように、ハン ドルウェハ４４８が第６ウェハ４４６に取り付けられ、次の処理ステップの間、 マイクロタービンベーンおよびロータブレードを保護し、またマイクロ燃焼チャ ンバの内部を保護する。 ハンドルウェハは、好適には、手順の後の段階で、ハンドルウェハの取り外し が可能であるような接着処理を使用して接着される。一例においては、接着処理 は、およそ１μｍ〜５μｍの範囲のフォトレジスト層が、ハンドルウェハ４４８ にスピンコーティングされる。次に、ハンドルウェハは、再度、第６ウェハに圧 着され、複合体構造全体が、約９０℃の温度に、約３０分加熱される。この処理 によってハンドルウェハが構造に十分に固定される。 ハンドルウェハが適所にあるので、処理は、ラミネート構造の他の面、すなわ ち、第４ウェハ４２４に向けられる。圧縮機ロータ１８およびそのロータブレー ド２０をエンジンハウジングに保持するブリッジ４３６（図２８Ｍ）は、この時 点で、切り離され、また、燃料噴射装置オリフィスを形成するための切り込み４ ３０（図２８Ｌ）は、図２８Ｑに示すように、同時に、第４ウェハ４２４の厚さ の端から端までエッチングされ、完成された噴射装置オリフィス２４を生成する 。この切り離しは、マスクしてトレンチエッチングすることによって実現される 。ハンドルウェハによって、リソグラフィおよびエッチング処理中のラミネート 構造のマニピュレーションが容易になる。 この時点において、マイクロエンジンロータ２１５は、圧縮機ロータ１８およ びタービンロータ３６を備え、完全に自由に回転し、軸４０によって、マイクロ エンジン内に完全に支持される。次に、ハンドルウェハがタービンガイドベーン ３４，ロータブレード３８，および燃焼チャンバ３０の拡張４４７とのハンドル ウェハの結合から取り外される。ハンドルウェハ切り離し処理の一例においては 、ハンドルウェハおよび複合体構造は、フォトレジスト溶媒、例えば、アセトン に浸けられ、アセトンがフォトレジスト接着層を溶解するので、ハンドルウェハ は手作業で取り外される。 第７ウェハ４５０が、次に、処理され、マイクロエンジンコアの端壁が形成さ れる。図２８Ｒに示すように、第１、第７ウェハが、マスクされ、ＳＦ₆プラズ マ処方を使用し、およそ２μｍ〜１０μｍの範囲の深さまでエッチングされ、タ ービンモータブレードの後面と端壁のクリアランス４５２が形成される。次に、 第７ウェハは、第６ウェハの突起、すなわち、マイクロタービンガイドベーン３ ４およびマイクロ燃焼器壁拡張４４７と溶融結合される。クリアランスエッチン グの結果、第７ウェハとタービンロータブレード３８の結合は全くなくなる。次 に、第７ウェハは、化学的機械的に、約４００μｍまで薄くされる。最後に、第 ７ウェハをマスクし、ＳＦ₆を基礎とするプラズマエッチング剤すなわちＳＴＳ エッチング剤を使用し、その厚さの端から端までエッチングし、マイクロエンジ ン排気５０を形成する。 次に、第８ウェハ４５４が、処理され、マイクロエンジンの前部端壁および、 任意に、マイクロモータおよびマイクロ圧縮機とのその結合が形成される。図２ ８Ｓに示すように、エンジン壁が、第１に、パターン形成され、約３μｍ〜８μ ｍの範囲の浅いＳＦ₆を基礎とするプラズマエッチングを実施され、端壁と圧縮 機ロータとのクリアランス４５６が形成される。第２に、トレンチエッチングさ れ、この場合、約８μｍ〜２０μｍの範囲までエッチングされ、次に、完全にエ ッチングされ、環状前部スラスト軸受２２２およびスラスト軸受４５７がマイク ロエンジンインレットに形成される。次に、絶縁層４５８、例えば、約２μｍ厚 さのシリコン高含量窒化ケイ素層がトレンチを覆って被着される。 ステータ電極９４およびステータ電極相互結合９８が、次に、チタン／プラチ ナ層蒸発およびマイクロエンジン点火装置に関して前述したようなリフトオフエ ッチング処理によって形成される。理解できるように、従来の多レベル金属構成 、例えば、２重レベル金属構成は、好適に、使用され、多相、例えば、３相ステ ータ電極相互結合が生成される。第２絶縁層、例えば、窒化ケイ素層４６０が、 次に、被着され平坦化され、次に、パターン形成、エッチングされ、電極相互結 合９８の領域には端壁のみが残存する。このエッチングによって、燃料プレナム およびマイクロエンジンインレットが部分的に形成される。 絶縁層および第８ウェハの露出領域は、次に、再度、パターン形成され、約２ ０μｍ〜８０μｍの範囲の深さのトレンチエッチングが完全に実施され、マイク ロエンジン燃料プレナム２６が形成される。図２８Ｔは、図２８ＳのＴ−Ｔ’に 沿った後部平面図を示す図であり、図２８Ｖは、端壁の後部完全環状平面を示す 図である。図示のように、燃料プレナム２６は、ステータ電極相互結合９８の支 持のための未エッチング領域４６２を備える不完全環状として形成される。相互 結合は、圧縮機ロータ領域から半径方向に外側に接点パッド４６４まで伸び、接 点パッドに、外部電気接点をエッチングされた間隙４６６によって形成すること ができる。間隙４６６は、図２８Ｓに示すように、第２絶縁層４６０がパターン 形成され、エッチングされるとき、形成される。図２８Ｕに示すように、プレナ ムを形成するために使用される深いトレンチエッチングも使用して、前部スラス ト軸受排気２２１が部分的に形成される。 図２８Ｗに示すように、第８ウェハ４５４が圧縮機の前部区画に溶融結合され 、化学的機械的に約３００μｍの厚さまで薄くされる。第８ウェハ４５４は、次 に、パターン形成され、その厚さ全体の端から端までエッチングされ、前部軸受 ２２１、燃料プレナム２６に対する燃料インレット４６８、および最後に、マイ クロエンジンインレット１６が完全に形成される。 次に、マイクロエンジン改造体を製作するための本発明による製作技術につい て述べる。復熱式マイクロエンジン設計は、今述べた設計に非常に類似の方法に よって製作できる。復熱式マイクロエンジン設計においては、図２８Ｒに示すス テップ、すなわち、第７ウェハを処理されたラミネーションにエッチングおよび 融合結合し、マイクロエンジンコアの端壁を形成するステップまで、前述した方 法に従う。復熱式マイクロエンジン内の空気−燃料混合物の流れは、燃焼器の前 にマイクロ熱交換器チャネルを通過するので、復熱式マイクロエンジンにおいて は、燃焼器インレットポート位置が、このようなチャネルの端部に移動し、した がって、図２８Ｅから２８Ｈまでに示す火炎点火装置および燃焼器インレット処 理が、この場合は、処理手順から削除される。 マイクロエンジンコア後部端壁の結合後、多数のウェハが端壁に結合され、適 切なパターンにエッチングされ、復熱式設計のマイクロ熱交換器、１０８、１１ ０（図７Ｂ）が形成される。端壁に結合する必要のある第１ウェハは、図２８Ｅ から２８Ｈと同様の方法によって処理され、火炎点火装置および燃焼器インレッ トポートが、マイクロ熱交換器チャネルの端部および燃焼チャンバの入口に形成 される。抵抗火炎点火装置への誘導路は、この両図に従って実現される。結合す べき最後のウェハがパターン形成され、エッチングされ、マイクロエンジンの排 気が形成される。一例においては、マイクロエンジンコア後部端壁に第８ウェハ が結合され、エッチングされ、図７Ｂに示すマイクロ熱交換器構成が形成される 。マイクロ熱交換器チャネルが形成されると、製作処理は、次に、図２８Ｓに示 す前述した処理に進む。 同様に、バイパスマイクロエンジン設計を大量生産するための製作方法は、前 述の製作方法に綿密に従う。この場合、図８に示すように、第２段は、バイパス ロータ、そのブレード、およびコアマイクロ圧縮の上に形成される予定のバイパ スディフューザブレードを含み、マイクロ燃焼器回りにバイパス流れ経路、およ びマイクロタービンの後部バイパス排気も同様である。これらの態様を生成する 方法の一例においては、図２８Ｒに記載のステップまでは、前述した方法に従っ て実行され、適切なステップにおいて、パターン形成およびエッチング処理を追 加し、マイクロ燃焼器回りのバイパス流れ経路が形成される。コアマイクロ圧縮 機ではないバイパスファンによってマイクロモータロータが形成されるので、図 ２８Ｋに示す圧縮機ロータブレード導体被着は削除される。 後部端壁４５０がエッチングされ、ラミネーションに結合されると、追加ウェ ハが端壁に結合され、エッチングされ、バイパス排気経路が形成される。次に、 ウェハが圧縮機ロータブレード２０およびディフューザブレード２２の頂部に結 合され、バイパスファンおよびディフューザブレードが形成され、さらに薄いウ ェハが、次に、絶縁層および導電層と共に使用され、マイクロモータのロータが 形成される。最後に、製作処理は前述のように進み、図２８Ｓに示すステップで 始まり、バイパスファンに対向するステータ電極が形成される。 前述し、図１０Ａから１０Ｃに示した平面状マイクロエンジン設計は、本発明 に従って、例えば、図２９に示す製作方法によって製作される。この方法は、第 １製作方法の記載と同じパターン形成手順を使用し、窒化ケイ素などのエッチン グマスク層の使用およびＳＴＳエッチング剤によって得られるＳＦ₆／Ｏ₂プラズ マ環境による深いトレンチエッチングを含む。以下に述べる製作方法において、 特に記載しない限り、各パターン形成、トレンチエッチング、およびフィルム被 着ステップは、前述した方法によって実行されるものとする。 図２９Ａは、図１０Ｂなどのマイクロ圧縮機のいくつかの処理ステップの結果 を示す断面図である。例えば、約３８０μｍの厚さの第１ウェハ４８０は、パタ ーン形成され、二つのトレンチエッチング方法によってエッチングされ、約５０ μｍの第１トレンチ４８２および次に約５０μｍの第２トレンチ４８４が形成さ れ、これによって、圧縮機ロータディスク１８に端部が形成され、その後の処理 ステップの間のロータに対する支持結合が提供される。同様に、マイクロ圧縮機 に隣接して配置される共面タービンロータのためのロータディスク形成も、ここ で、行われる。このエッチングによって、燃料マニホルド２６の位置も部分的に 形成され、またマイクロ燃焼器３０および周縁の燃焼入口点３２を形成するため に処理すべきウェハ領域が定められる。 次に、第２ウェハ４８６が、第１ウェハ４８０に結合され、約２００μｍの厚 さまで薄くされ、エッチング停止層（図示してない）が被着され、パターン形成 される。次に、トレンチエッチングを実施し、第２ウェハの厚さ全体の端から端 までエッチングし、圧縮機ロータ１８の頂部リム４８８を形成する。トレンチの 横方向の伸びによって、圧縮機ロータのためのリム軸受が形成される。タービン ロータの形成は、ここで、同様に行われる。このトレンチエッチングによって、 燃料マニホルド２６およびマイクロ燃焼器３０も連続して形成される。 第３ウェハ４９０が、第２ウェハ４８６に結合され、およそ２００μｍ〜２５ ０μｍの範囲まで薄くされ、エッチング停止層によって被覆され、次に、第２ウ ェハのエッチングと同じ方法によって、その厚さ全体の端から端までエッチング される。これによって、圧縮機ロータブレード２０およびディフューザブレード ２４ならびにタービンロータブレードおよびガイドベーンおよび燃焼器冷却チャ ネル１５２の入口が形成される。 ここで、図２９Ａに示すように続いて、第４ウェハ４９２が、ロータブレード の頂部に結合され、およそ１００μｍ〜２００μｍの範囲の厚さまで薄くされる 。次に、図２８Ｋから２８Ｌまでに関連して前述した方法によって、絶縁層（図 示してない）が第４ウェハに被着され、伝導層４９４が被着され、パターン形成 され、伝導性マイクロモータロータが形成される。次に、絶縁層および第４ウェ ハ が、それらの厚さ全体の端から端までエッチングされ、圧縮機ロータチップシュ ラウド５２、ならびにタービンロータチップシュラウド、マイクロ圧縮機ディフ ューザの状部端壁およびマイクロ燃焼器の状部冷却チャネル１５２の下部壁が形 成される。 次に、第５ウェハ４０６が処理され、マイクロ圧縮機を駆動するためのマイク ロエンジン電気マイクロモータが形成され、またマイクロタービン排気およびマ イクロ燃焼器の状部冷却チャネル１５２の上部端壁が形成され、上部端壁は好適 には高さが約５０μｍである。ここで、第５ウェハが、パターン形成され、トレ ンチエッチングされ、ステータロータチャンネル４９８およびインレット境界層 制御態様５００が形成される。次に、伝導層５０２が第５ウェハに被着され、パ ターン形成され、図２８Ｓから２８Ｖまでに示す方法と同様な方法によって、ス テータ電極、相互結合、および外部結合パッドが形成される。ステータ導体は、 絶縁層によって被覆されることが好ましい。このステータ構成をタービンロータ と共に使用し、出力ジェネレータが生成されることを想起されたい。ステータ導 体が適所に置かれると、次に、図２９Ａに示すように、第５ウェハが、第４ウェ ハに結合される。 図２９Ｂも、図１０Ｂに示すようなマイクロ圧縮機の断面図であり、図２９Ｃ は、図１０Ｃの示すようなマイクロタービンの断面図である。次に、第１ウェハ ４８０が、深いトレンチ４８４の領域をエッチングされ、圧縮機ロータ１８およ びタービンロータ３８が切り離され、さらに、燃料マニホルド２６、マイクロ燃 焼器冷却チャネル１５２の入口５０４、およびマイクロ燃焼器３０の周縁部入口 ３２が形成される。各ロータディスクの切り離しによって、ロータディスククリ アランス端部４８２の領域においてウェハ態様は、各モータをその半径方向の周 縁部において保持し、組立体からの脱落を防止する。 図２８Ｍに示すように、前述した第１製作方法の場合のステップに対応する類 似のステップがあり、このエッチングの結果、ウェハの相当なブロックが除去さ れ、特にブロック５０６（図２９Ａ）が除去され、これによって、マイクロ燃焼 チャンバが形成され、他の場合は、効率の悪い方法によって、全体をエッチング する必要がある。図２９Ｄは、図２９Ｂおよび２９ＣのＤ−Ｄ’に沿った断面を 示す図であり、インレットポート５０６を示す図である。インレットポート５０ ６は、周縁部入口からマイクロ燃焼チャンバに至る入口にあり、このエツチング によって形成される。 図２９Ｂおよび２９Ｃに示すように、次に、第６ウェハが、第１トレンチエッ チングステップによって処理され、圧縮機のための下部スラスト軸受のクリアラ ンス５１０が形成され一層浅いトレンチエッチングステップによってシール５１ １１および後部軸受５１３が形成される。エッチングされた第６ウェハは、第１ ウェハ４８０と結合され、次に、その厚さ全体の端から端までエッチングされ、 スラスト軸受インレットポート１５７の上部区画および各ロータの下の軸受空気 ブリード漏れ口１５８が形成され、またマイクロ燃焼チャンバの約５０μｍの厚 さの下部端壁が形成され、ここで、チャンバは約６００μｍ〜７００μｍの範囲 の全長および燃料マニホルド２６を有する。 同様な処理ステップによって、第７ウェハ５１２がエッチングされ、この場合 、図２９Ｃに示すように、マイクロ燃焼器の下部冷却チャネル１５２が形成され る。第７ウェハは、次に、第６ウェハと結合され、その厚さ全体の端から端まで エッチングされ、軸受インレットポート１５７およびベント１５８、ならびに燃 料マニホルド２６の入口５１４の形成が完了する。 最後の処理ステップによって、第５ウェハ４９６が、その厚さの端から端まで エッチングされ、マイクロエンジンインレット１２および排気５０領域が形成さ れる。エッチング技術およびここで使用されるエッチング装置によって、下部ハ ンドルウェハを複合体構造に固定することを必要とする場合がある。このような 場合、前述したフォトレジスト接着方法、およびそれに対応する前述した切り離 し方法を使用することができる。 このステップによって、平面状マイクロエンジン制作方法は、完了する。第２ マイクロモータおよびマイクロジェネレータ構成は、圧縮機ロータおよびタービ ンロータと共に、このような各ロータの背面に備えられることを想起されたい。 この場合、第６ウェハ５０８は、第５ウェハ４９６と同様な方法によって処理さ れ、ロータの下部側面は伝導層によって形成される。 マイクロ部品製作 本発明によって、前述した多数のマイクロ部品を個別に生成するための製作方 法が提供され、これらのマイクロ部品は、マイクロエンジンのサブシステムであ り、また種々の構成、例えば、前述した熱力学サイクルの範囲の構成と共に使用 することができる。最初に、恐らく、このようなシステムの最大の共通部品、す なわち、一定の高さを有しテーパのないマイクロロータディスク、選択された構 成、例えば、所望の圧力増加のための軸ロータブレードについて考察する。図３ ０は、ロータの製作のための処理における種々のステップを示す図である。 図３０Ａは、本発明によって提供されるマイクロロータ製作処理の一例を示す 図である。第１ウェハ５２０は、所望のマイクロロータディスクの厚さまで薄く され、所望のブレードパターンに対応するエッチングマスキング層（図示してな い）の被着後、トレンチエッチングを実施し、マイクロロータブレード５２２を 形成する。図２８と同様に、図３０はマイクロロータディスクの対称な断面の半 分のみを示す。平面状マイクロエンジンに関連して図２９に示したと同様の、リ ムの付いたマイクロロータは、追加ウェハ（図示してない）を第１ウェハ５２０ の底部に結合し、追加ウェハを所望のディスク幾何形状にエッチングすることに よって、個別に製作することができる。この場合、第１ウェハは第１ディスクリ ムを形成し、追加ウェハはディスク自体を形成する。 いずれの場合も、次のステップにおいて、図３０Ｂに示すように、第２ウェハ ５２４はエッチング可能な層５２６によって被覆され、このエッチング層の特徴 は、そのウェハより優れた選択的エッチング速度、および選択されるエッチング 剤である。適切なエッチング可能層の一例は、例えば、ＣＶＤ二酸化ケイ素であ る。エッチング可能層が被着されると、第２ウェハがエッチング可能層の側面上 でロータブレード５２２に結合される。第２ウェハ５２４によって、第１ウェハ ５２０によって形成されるマイクロロータディスクの処理中のハンドルが提供さ れる。 この時点で、マイクロロータディスクの所望の処理、特にマイクロロータディ スクの背面の処理を容易に実施することができる。例えば、図３０Ｃに示すよう に、パターン形成後のエッチングは、マイクロロータディスクウェハ５２０の厚 さの端から端まで実施され、一つ以上の孔がディスクに形成され、この孔は、例 えば、図１７Ａおよび１７Ｂ、ならびに図１８Ａおよび１８Ｂのタービンマイク ロロータに関連して前述した孔２０５のような軸受漏れ孔を形成する。マイクロ ジェネレータまたはマイクロモータ構成の背面のための伝導層による被覆などの 追加処理ステップも、この時点に置いて容易に実施できる。 ディスク処理の終了後、ハンドルウェハ５２４は、例えば、組立体全体を適切 なエッチング剤に曝すことによって除去される。例示のＣＶＤ二酸化ケイ素の場 合、適切なエッチング剤はフッ酸または塩酸緩衝液である。このエッチング剤に よって、エッチング可能層が浸食され、ハンドルウェハがマイクロロータから切 り離される。次に、図３０Ｄに示すように、マイクロロータは、完成され、所望 の追加処理を容易に実施できる。追加処理の一例においては、第３ウェハ５３０ マイクロロータブレード５２２に結合され、薄くされ、ブレードチップシュラウ ドが形成される。伝導層５３２が、次に、チップシュラウド上に層として形成さ れ、エッチングされ、例えば、マイクロモータまたはマイクロジェネレータ構成 のためのマイクロロータを形成する。シュラウドおよびその伝導層は、次に、エ ッチングされ、マイクロロータブレードを覆って環状シュラウド幾何形状が形成 される。 前述によって理解できるように、広範囲の処理の変形例にこの基本マイクロロ ータ製作手順によって適応することができる。その結果、マイクロ圧縮機、マイ クロタービン、および他のマイクロマシン部品構成のためのマイクロロータが可 能となる。例えば、マイクロロータディスクは、両面のブレードを使用しコンパ クトな二元圧縮機−タービンロータを生成することができる。さらに、二つのマ イクロロータが軸によって結合される二元マイクロロータ構成は、第１マイクロ ロータと軸を形成するようにエッチングされたウェハとを結合し、次に、第２マ イクロロータをエッチングされた軸と結合することによって製作することができ る。多数のこのような構成も容易に製作することができる。 さらに、本発明によって、図２４Ａおよび２４Ｂに示し前述したマイクロモー タ−圧縮機システムに製作方法が提供される。この方法は、多数の前述したステ ップと同じ製作ステップを使用し、特に述べない限り、前述と同じ方法によって 実施されるものである。図３１Ａは、マイクロモータ−圧縮機の対称な断面の半 分のみを示す図であり、第１ステップにおいて、第１ウェハ５２５は、所望の圧 縮機ロータ厚さまで薄くされ、、エッチング停止層５２６が第１ウェハを覆って 層として形成される。次に、深いトレンチエッチングを実施し、圧縮機ロータ１ ８の端部を形成し、マイクロ圧縮機アウトレットポートすなわちポート２４４を 形成するために、後ほど、処理する必要がある領域を定める。 次に、図３１Ｂに示すように、第２ウェハ５２８が、第１ウェハ５２６と結合 され、所望の厚さまで薄くされ、エッチングされ、圧縮機ロータブレード２０、 ディフューザベーン２２、および半径方向の周縁部端壁５３０を形成する。次に 、図３１Ｃに示すように、薄いウェハ５３２が、ブレードおよび端壁に結合され 薄くされる。このウェハによって、ロータチップシュラウドが形成される。絶縁 層５３４が第３ウェハ５３２に被着され、次に、伝導層５３６が被着され、エッ チングされ、パターン形成され、マイクロ圧縮機の駆動マイクロモータのための ロータ導体が形成される。次に、図３１Ｄに示すように、第３ウェハ５３２は、 その厚さ全体の端から端までエッチングされ、マイクロ圧縮機インレット１６が 生成され、ブレードシュラウド５２の端部が完全に形成される。 この時点において、図３１Ｅに示すように、第４ウェハ５３８が処理され、マ イクロモータステータ電極構成および相互結合が、前述した処理に使用された方 法と同様に、形成される。第１に、浅いトレンチエッチングが実施され、マイク ロモータステータロータクリアランス５４０が形成され、次に、第１絶縁層５４ ２が被着され、絶縁層を覆って、ステータ導体のための伝導層５４４が被着され る。導体および第１絶縁層は、次に、図２８Ｓから２８Ｖに示す方法によって、 エッチングされてスタータ構成となる。しかし、この場合は、当然、燃料プレナ ム２６は必要とされない。第２絶縁層５４６が、次に、被着され、エッチングさ れ、対応するパターン５４８となり、外部ステータ結合パッドが露出される。こ の層は、平坦化され、この層を他のウェハとその後の処理ステップにおいて結合 することが可能となる。 次に、深いトレンチエッチングを実施し、領域５５０を形成する。この領域は 、後ほど、後部端壁のマイクロ圧縮機インレットを構成する。次に、第４ウェハ ５ ３８が、第３ウェハ５３２に結合される。マイクロ圧縮機ステータロータクリア ランス５４０は、第４ウェハの浅いトレンチエッチングによって自動的に具体化 されることに注意されたい。 第２マイクロモータが所望される場合は、次に、図２４Ａに示すように、圧縮 機ロータの後面を、後部マイクロモータのロータとして形成することができる。 この場合、図３１Ｇに示すように、絶縁層５５１が第１ウェハ５２５の後面に被 着され、次に、伝導層５５２が絶縁層に被着され、エッチングされ、後部マイク ロモータのための所望の構成に対応するパターンに形成される。 この場合、次に、第５ウェハ５５４が、第４ウェハと同じ方法によって処理さ れ、後部マイクロモータに通じる外部電気結合のために、被覆絶縁層５６０内に 後部ステータ電極５５６および半径方向周縁部開口部５５８を生成する。後部マ イクロモータの有無に関わらず、第５ウェハは、その厚さ全体の端から端までエ ッチングされ、マイクロ圧縮機軸受漏れ口２３８、２４０、およびマイクロ圧縮 機排気漏れ口２４４を形成する。このトレンチエッチングは、図２８Ｆから２８ Ｈに示した方法と同じ方法によって実施され、ステータ電極は、各エッチングさ れた区画を横切る下位絶縁層およびウェハ材料によって支持されることに注意さ れたい。 第１ウェハ５２５のトレンチエッチングは、次に、深い第１トレンチ（図３１ Ａ）の位置において実施され、ウェハのブロックが切り離され、図３１Ｉに示す ように、完全なマイクロ圧縮機ベント領域２４４が生成される。このエッチング も、完全にディスクを切り離すために、圧縮機ロータディスク１８のリムに領域 で実施される。このようにして、ディスクは、完全に独立した部分となり、いか なる結合によっても残りの構造と結合されない。切り離されたロータディスクは 、手作業によって位置決めされ、次に、図３１Ｊに示すように、第５ウェハ５５ ４が結合される。後部マイクロモータロータおよびステータは、第５ウェハの浅 いエッチングによって自動的に設定される（図３１Ｈ）ことに注意されたい。最 終処理ステップとして、第４ウェハ４３８が、その厚さの端から端までエッチン グされ、マイク圧縮機インレット１６が完全に形成される。このステップにおい て、マイクロモーター圧縮機は完全に生成される。 本発明によって、今述べた方法の代替の製作方法が提供され、この方法におい ては、圧縮機ロータがエッチングされ切り離された後の手作業による再位置決め の必要がない。図３２Ａに示すように、この代替製作方法は、図３１Ｂに示すス テップの後に、さらにステップを追加する。追加ステップにおいて、追加ウェハ ５６４が第２ウェハ５２８に結合され、所望の厚さまで薄くされ、エツチングさ れ、ロータブレード下部リム５６６および保持態様５６８が形成される。追加ウ ェハ５６４は、次に、その厚さの端から端までエッチングされ、ロータディスク の半径方向周縁部領域およびマイクロ圧縮機インレット１６において、開口され る。 この時点において、図３２Ｂに示すように、前述した図３１Ｃに示すステップ において、ロータチップシュラウドを形成するために使用されたウェハ５３２は 、前と同様に処理される。ただし、シュラウドは、拡張態様５７０と共に形成さ れ、拡張態様５７０は、その後の処理ステップにおいて、保持態様５６８と共同 で作用しロータディスクをマイクロ圧縮機組立体内部に収容する。次に、処理は 、図３１Ｅから３１Ｊまでに示すステップに進む。この場合、ロータディスクリ ムのエッチング時に、図３２Ｃに示すように、ロータディスクはシュラウド拡張 態様５７０と保持態様５６８との共同作用によって追加ウェハ内に含まれる。第 ５ウェハ５５４は、前述したように、第１ウェハ５２５に結合され、次に、第４ ウェハが、最終ステップにおいてエッチングされ、完全なマイクロ圧縮機インレ ットが形成される。 ここで、マイクロタービン−ジェネレータの製作について考察する。図２５Ａ に示すその一例においては、約５００μｍの厚さの第１ウェハは、パターン形成 され、トレンチエッチングされ、例えば、約１μｍの環状の浅いくぼみを生成し 、タービンロータの領域を定める。次にウェハは、パターン形成され、約２００ μｍの深さまでエッチングされ、タービンロータブレード２５８および静止ベー ン２６０を形成する。 約５００μｍの厚さの第２ウェハは、約１００μｍの深さまでエッチングされ 、スラスト平板軸受インレット２７４ならびに圧縮ガスインレット２６４および 排気口２６８を形成する。次に、第２ウェハの対向する面が、約４００μｍの深 さ までエッチングされ、インレットおよび排気口が完全に形成される。次に、エッ チングされ第２ウェハは、第１ウェハと結合される。 約５００μｍの厚さの第３ウェハは、その厚さの端から端まで完全にエッチン グされ、第２ウェハのインレットおよび排気口と結合するためのマニホルドパタ ーンを有する。次に、第３ウェハが第２ウェハと結合される。この結合ステップ に続いて、ジェネレータロータ導体が、第１ウェハに被着され、パターン形成さ れ、ロータ領域となる。次に、３００μｍの深さのエッチングを第１ウェハの端 から端まで実施し、ロータを完全に切り離す。 約５００μｍの厚さの第４ウェハが、次に、第１被着によって処理され、第４ ウェハ上に絶縁層、例えば、約１μｍの厚さの窒化ケイ素層が被着され、次に、 伝導層を被着し、パターン形成し、ステータ電極を形成する。誘電層、例えば、 約１μｍの厚さの窒化ケイ素層が、ステータ電極を覆って被着され、例えば、化 学的機械的研磨ステップによって平坦化され、滑らかな結合層および電気絶縁層 としての機能を果たす。電極を被覆する誘電層は、次に、ロータ領域およびロー タ領域の外側の電気接点領域において除去される。 次に、第４ウェハが、ステータ電極の側において、約１００μｍの深さまでエ ッチングされ、後部スラスト平板軸受インレット２７３および排気漏れ口２７９ 、２８２が形成される。第４ウェハの対向する面は、次に約４００μｍの深さま でエッチングされ、インレットおよび排気口の形成が完了する。約５００μｍの 厚さの第５ウェハが、その厚さの端から端まで完全にエッチングされ、第４ウェ ハインレットおよび排気口を結合するためのマニホルドパターンを有し、次に、 第４ウェハと結合される。この一対の結合ウェハは、次に、最初の３枚のウェハ と結合される。結合前のウェハの位置決め中に、切り離されたウェハが結合され たウェハの間に捕捉されないことを保証すること、および切り離されたウェハは 回転することに留意する必要がある。 別のマイクロタービン−ジェネレータ構成においては、マイクロモータ−圧縮 機設計および製作方法を、マイクロタービン−ジェネレータ設計の生成に適応さ せることができる。この場合、図３１Ｊにおいて、マイクロ圧縮機排気口２４４ は、マイクロタービンのインレットとして使用され、マイクロ圧縮機インレット １６はマイクロタービンの出力口として使用される。したがって、マイクロモー タ−圧縮機について前述した製作方法は、対応するマイクロタービン−ジェネレ ータを生成するために直接に使用することができる。必要とされる唯一の適応は 、ベーンおよびロータブレードの半径方向形状を、所望のタービンインレットベ ーン幾何形状およびタービンブレード幾何形状に対応するように再構成すること である。 代替の製作技術 前述した製作方法は、マイクロエレクトロニクス用ウェハ、すなわち、シリコ ンウェハのバルクトレンチエッチングを基いて、マイクロエンジンのトポロジー 態様、例えば、圧縮機およびタービンロータブレードおよびベーンを形成する。 窒化ケイ素ウェハを使用し、窒化ケイ素マイクロエンジンまたはサブシステムを 、同様な方法によって生成することができる。方法を詳細に考察すると、窒化ケ イ素ウェハは、シリコンウェハの場合と同様な方法を使用し、溶融結合し、種々 のマイクロエンジンハウジング態様および構成要素が形成されるような、境界面 のない多ウェハスタックを生成することができる。窒化ケイ素のバルクエッチン グは、窒化ケイ素の反応性が比較的低いため、シリコンエッチングに比較して現 在では複雑であるが、窒化ケイ素の反応性イオンエッチングは、ＣＨＦ₃／Ｏ₂− を基礎とするエッチング化学薬品を使用して実施することが可能であり、窒化ケ イ素の電子サイクロトロン共鳴プラズマエッチングは、ＣＦ₄／Ｏ₂を基礎とする 化学薬品を使用して実施することができる。ハードマスク材料、例えば、アルミ ニウムまたはインジウムスズ酸化物は、これらの材料と共に、好適に、使用され る。 いくつかの窒化ケイ素マイクロエンジン製造計画のために、バルク窒化ケイ素 トレンチエッチング技術は、実現までに余りにも時間がかかり、これらの化学薬 品の場合の窒化ケイ素エッチング速度は通常のシリコントレンチエッチング速度 より著しく遅いことは、理解される。したがって、ＳｉＣウェハおよびバルクＳ ｉＣトレンチエッチングは、本発明によって、実際に、企図され、代替のＳｉＣ 方法が、ある場合には好適である。 本発明による一代替方法においては、成型法によって、特に、従来にマイクロ 製作処理技術に適応しない耐熱性材料、例えば、ＳｉＣ製のマイクロエンジンお よびマイクロ部品サブアセンブリーの製作が可能となる。本発明によるこのよう な第１方法においては、マイクロエンジン構成要素は、選択された構成要素材料 の化学蒸着によって成形し、例えば、シリコンウェハにおいて形成されるエッチ ング前の成型品となる。得られる成型構成要素はそれらの母型から取り外され、 次に、互いに結合し、所望のマイクロエンジンまたはサブアセンブリー構成が生 成される。この方法においては、従来のエッチング技術によって適応されない材 料の複雑なまたは問題の多いエッチング必要がなくなり、シリコンの深いトレン チエッチング技術を使用する代わりに、確立された技術を使用し、所望の構造が 生成される。 例えば、窒化ケイ素マイクロ圧縮機の製作を考察すると、第１処理ステップに おいて、図３３Ａに示すように、シリコンウェハ６００が、エッチングされ、ロ ータディスクブレード６０２、ディフューザベーン６０４、およびマイクロ圧縮 機端壁６０６の位置に対応する空洞を生成する。この図および以下の図は、ウェ ハの対称の右半分断面のみを示す。形成された空洞を使用し、窒化ケイ素がウェ ハに被着され、図３３Ｂに示すように、空洞が窒化ケイ素６０８によって満たさ れ、窒化ケイ素よりなる上部接合体板６１０が形成される。被着方法の一例にお いては、シリコン母型は、例えば、水素およびプロパンを使用する初期炭化ステ ップで処理され、次に、フィルム成長ステップが、例えば、水素、プロパン、お よびシラン反応物を、それぞれ、約２５ｓｌｍ、２５ｓｃｃｍ、および１００ｓ ｃｃｍの流速で使用し、約１３６０℃の温度において実施される。 この時点において、図３３Ｃに示すように、窒化ケイ素ウェハ６１２が、次に 、窒化ケイ素接合体板６１０と結合される。適切な結合方法は、シリコンウェハ 接合に関して前述した方法である。代替方法においては、単結晶、多結晶、また はアモルファスシリコンカーバイト層を、上部接合体板６１０上に、例えば、前 述したような被着方法を使用して被着させる。 次に、シリコン母型ウェハ６００は、窒化ケイ素上のシリコンを選択的にエッ チングする従来のエッチング剤によって、ＳｉＣ態様から除去される。従来のＫ ＯＨを基礎とするエッチング方法または電気化学的エッチングは、この場合、適 切である。このエッチングの結果、図３３Ｄに示すように、窒化ケイ素ロータブ レード６０２、ベーン６０４、および圧縮機端壁６０６を含む自立窒化ケイ素部 分が得られる。同様な方法によって、マイクロ圧縮機、またはマイクロエンジン または他の所望のシステムのためのマイクロ構成要素を、成型することができる 。次に、マイクロ構成要素は、従来のウェハ結合方法を使用し、互いに結合し、 完全なシステムを生成する。 この記述によって理解できるように、他の成型法を使用し、マイクロ部品およ びマイクロエンジンを生成することができる。例えば、選択される母型材料が、 成型するために選択される材料上で選択的にエッチングできない場合、すなわち 、母型が、好適に再使用できる場合は、成型される材料の離型のために、成型空 洞内に中間エッチング層を備えることができる。例えば、二酸化ケイ素の層を使 用し、フッ酸によるエッチングによって、シリコン母型自体をエッチングするこ となく、シリコン母型内に成型される窒化ケイ素部分を離型させることができる 。他のこのような中間エッチング層も適切である。 代替の成型方法においては、シリコン母型が生成され、窒化ケイ素被着方法に 使用され、窒化ケイ素構造が形成され、次に、この窒化ケイ素構造自体が、例え ば、犠牲的母型離型層を使用し、マイクロエンジン部品を成型するために使用さ れる。他の適切な成型処理方式も使用できる。窒化ケイ素マイクロエンジンを生 成するための別のマイクロ製作手順においては、シリコン構造構成要素が形成さ れ、シリコン構成要素は炭素発生源に暴露することによって、窒化ケイ素に変換 される。この変換処理の一例は、来国特許第４，１２３，５７１号（１９８７年 １０月３１日発行）に開示されており、この特許は、引用により本願に援用する 。 この考察に基づいて、本発明は、広範囲の製作方法および材料を目的とするも のであること、および単独の製作方法は要求されないこと、を理解することが必 要である。マイクロエレクトロニクス材料が使用される場合、選択されるマイク ロエンジン作動温度に適応するために、耐熱限界、例えば、二酸化ケイ素の流動 温度、すなわち、シリコンが応力によるクリープを示す温度、および他のこのよ うな温度に関する考察に注意する必要がある。マイクロ製作に基づく方法以外に 、機械加工法、例えば、従来規模の構成要素の製作に使用されるものと同様の放 電 ミリングを使用することができる。しかし、マイクロ部品設計においては、多数 の幾何形状および公差は、マイクロ製作方法によって、一層好適に生成される。 したがって、機械加工とマイクロ製作手順との組合せも、本発明の目的である。 パッケージング マイクロエンジンまたはその一つの変形例の適切の製作処理の完了時に、マイ クロエンジンおよびその補助支持サブシステムは、本発明に従って一体としてま とめられ、自己充足型携帯用システムが生成される。前述の説明より明らかなよ うに、この携帯用システムは、携帯用の電力の供給源、スラストの供給源、熱力 学サイクル、または他の前述した多数のシステムを提供するように形成すること ができる。 好適には、マイクロエンジンパッケージは、マイクロエンジンとその支持サブ システムとを一体化して支持し、結合し、さらに、システム全体の環境に対する 保護を提供するものである。一般に、自己充足型マイクロエンジンに備えられる 最小のサブシステムには、燃料タンク、燃料バルブおよびポンプ、必要により、 圧力または他の緒適切な変換器、マイクロエンジンコントローラ、空気吸入およ び排気ポート、およびマイクロエンジンの起動のためのいくつかの補助動力供給 源などが含まれる。さらに、マイクロエンジン／マイクロジェネレータサブシス テムに関して前述した説明に基づいて理解されるように、電力変換調整装置およ び他の制御サブシステムを、任意に備えることができる。 これらのサブシステムを使用し、パッケージは、電気制御信号の分配、電力、 燃料および空気の分配、熱散逸、および装置全体の保護を提供する機能を果たす 。電気分配および装置保護機能は、大部分の電子パッケージ構成に共通であるが 、燃料および空気分配機能は、燃焼を基礎とする機械に特有であり、通常、電子 パッケージ構成には関連のない追加パッケージとなる。その上、マイクロエンジ ンパッケージに必要とされる熱散逸機能は、マイクロエンジンによってパッケー ジに放棄される放出熱は約５００°Ｋであるため、従来の電子パッケージ構成に 必要とされる機能より著しく厳しい。したがって、マイクロエンジンパッケージ 材料およびその構成の両者は、好適には、マイクロエンジンの特定の作動特性に 対 応するように適合される。 図３４Ａから３４Ｃまでは、それぞれ、マイクロエンジンパッケージ８００の 平面、側面、および端面を示す図である。パッケージ全体は、その目的とする用 途に便利な形状、例えば、長方形、である。長方形パッケージは、電力供給応用 分野の場合、その全体形状が従来の電池の全体形状に一致するため、特に利益が あるが、他の幾何形状も等しく適切である。このようなマイクロエンジンパッケ ージは、一例においては、高さ約１２７ｍｍ、幅約１１２ｍｍ、および奥行き約 ６２ｍｍである。マイクロエンジンおよびその補助サブシステムの完全なパッケ ージがこのようなコンパクトなサイズであることは、本発明によって提供される パッケージ構成の特別な利益である。 図示のように、パッケージは、パッケージの頂部に配置される第１空気吸気ポ ート８０２、および任意に備えられ、例えば、パッケージの端部に備えられる第 ２空気吸気口８０４を備える。２元空気供給口によって、大きなシステムのパッ ケージを配列、取付、および接続する場合に柔軟性が得られる。各空気空気口は 、マイクロエンジンの必要とする全空気流入量を供給するために十分な大きさで あることが好ましい。パッケージの側面には、排気口８０６、例えば、円形排気 口が備えられ、排気口は以下に述べるように、マイクロエンジン排気口に接続さ れる。パッケージの頂部に、内部燃料タンクに充填するための適切なサイズおよ び形状の燃料供給口８０８が備えられる。最後に、電気コネクタ８１０が、パッ ケージの頂部に備えられ、パッケージ内に収容される種々の電気サブシステムに 対する外部接続が行われる。このパッケージ形状および外部接続構成は非常に柔 軟性があり、それは、パッケージのサイズ、形状、および構成の変更が容器にで きるのみでなく、特定の応用分野に対応するために適切に調整できるためである 。 図３４Ｄから３４Ｆまでについて述べると、図３４Ｄは、図３４ＡのＤ−Ｄ’ に沿った断面図であり、図３４Ｅは、図３４ＢのＥ−Ｅ’に沿った断面図であり 、図３４Ｆは、図３４ＣのＦ−Ｆ’に沿った断面図である。これらの図に示すよ うに、パッケージは、二つの主要な部分、すなわち、マイクロエンジンおよび他 の補助電気設備を含む電力モジュール８１２、および燃料タンク８１４を含む。 二つの部分は、隔壁８１６によって互いに完全に隔離されている。両部分間の直 接 連絡は、燃料配管のみである。電力モジュールからの熱伝導による直接の熱伝達 も発生する。各パッケージ部分およびそれぞれの構成要素について、以下に述べ る。 燃料タンク設計は、主として、目的とする応用分野に対する容積考察によって 定められる。さらに、タンク材料は、一般に、予定されるマイクロエンジン燃料 に対して不浸透性であり、燃料と両立性があることが必要とされ、また内部燃料 圧力および取扱上の機械的負荷の両者に耐える十分な強度が必要とされる。この 後者の要求は、マイクロエンジン全体のパッケージ構成の影響を受ける。例えば 、図に示すパッケージ構成においては、燃料タンク壁がパッケージの外殻として の機能を果たし、電力モジュールの支持も行う。多数の従来の材料、例えば、ア ルミニウム、鉄、または他の金属などの金属、多数のポリマー、および他の従来 の材料によって、要求される支持が提供される。例えば、燃料タンクは、適切な ポリマーを使用し、従来の射出成形法によって射出成形することができる。この ような射出成型法は、製造コストが低いので、特に利益がある。 従来のセルフシール燃料バルブ８１８が、タンク充填するための燃料口８０８ と一直線に並べて備えられる。前述した寸法の場合、燃料タンク容量は約８００ ｃｍ³であり、このサイズは約４８０ｇにブタンを収容できる。この容量のブタ ンを供給されるマイクロエンジンは、約２２００ワット時の電力を供給可能であ り、例えば、タンク再充填が必要となる前に、平均約２５ワットの電力を約８８ 時間供給できる。ケロシンのような液体形式でしか消費されない燃料の場合は、 一般に、燃料配管は燃料タンク全域に伸び、パッケージがいかなる向きのときで も燃料がマイクロエンジンに供給されることを保証する必要がある。液体または 気体のいずれとしても使用される燃料、例えば、ブタンの場合、このような供給 配管は必要ない。ブタンの場合、ブタンを蒸発させるために必要とされる熱エネ ルギはおよそ１〜２ワットのみであり、この熱エネルギは、熱伝導によって電力 モジュールから燃料タンクに容易に供給される。 電力モジュール８１２は、二つの区画、すなわち、マイクロエンジン区画８２ ０およびエレクトロニクス区画８２２を含み、これらの二つの区画は、隔壁８２ ４によって隔離される。取付板８２６は、マイクロエレクトロニクスおよび種々 の構成要素を取り付けるため、および両区画間で燃料輸送および信号伝達をおこ なうため、壁を横切って二つの区画間に伸びる。 図３５Ａに示すように、マイクロエンジン区画８２０は、マイクロエンジン１ ０および付随する入力および出力サブシステムを含む。簡単にいうと、空気は、 空気吸入口８０２を経由して８３０、マイクロエンジン１０および排気システム に供給され、排気口８０６から排出される。マイクロエンジンが取り付けられる 取付板８２６によって、吸気とマイクロエンジン排気が隔離される。好適には、 取付板は、金属メッキセラミック基板であり、約１０Ｗ／ｍＫ末満の熱伝導率特 性を有する。基板の熱膨張係数は、マイクロエンジンコアのために選択される材 料の熱膨張係数、約１×１０Ｋ^-1以内である必要がある。取付板としては、窒化 ケイ素などのセラミックス、またはケイ酸カルシウムアルミニウムなどのガラス セラミックス、あるいは、他の適切なセラミックスが適切である。 取付板は、めっきされ、パターン形成され、電力および制御信号をマイクロエ ンジンと相互に授受する。このようなめっき接続は、従来と同様に、同時焼成、 焼成後、または他の適切なめっき方法によって形成することができる。金属、例 えば、銅、タングステン、またはモリブデン、好適にはニッケルなどのはんだ付 けできる金属によるオーバーめっきが、めっきとして適切である。これらのめっ きされた導線からマイクロエンジンまでの接続は、従来の方法、例えば、ワイヤ ボンディングによって行うことができる。チャネル（図示してない）が基板内に 備えられ、燃料および空気配管として機能する。あるいは、管材料、例えば、ス テンレススチールマイクロ管材料を使用し、燃料用の接続をすることができる。 マイクロエンジンは、例えば、ガラスボンディング、ブレージング、または他の 適切な方法によって、マイクロエンジンの後面を基板に取り付けられる。圧力変 換器の場合、燃料インレットおよび空気圧タップも、この結合によって形成する ことができる。 図３５Ｂは、図３５ＡのＢ−Ｂ’に沿った断面を示す図である。取付板８２６ は、好適には、一つ以上の開口８２７を、マイクロエンジンの半径方向周縁に備 え、マイクロエンジンを電力モジュールの他の構成要素から隔離する。開口間の 機械支持は、好適には、可能な限り細くし、取付板を経由する熱伝導を限定する 。 所望により、例えば、マイクロエンジン区画壁の絶縁層による被覆によって、電 力モジュールのマイクロエンジンとエレクトロニクス構成要素間の熱隔離を強化 することができる。 基板は、マイクロエンジン区画において、フィルタホルダ８３２を支持し、こ れに適切な粗い空気フィルタ８３４が取り付けられる。マイクロエンジンの前端 に、好適には、マイクロエンジンインレット１６に入る空気流を整えるベルマウ ス８３６が備えられる。次に、空気フィルタ８３８が、ベルマウスに取り付けら れ、マイクロエンジン作動を妨害する可能性のある微粒子の流入を防止する。サ イズがおよそ０．３μｍ〜１．０μｍまでの粒子のろ過で十分である。マイクロ エンジンの使用予定環境によって、粗いフィルタ８３４を、さらに追加し、精密 フィルタの使用期間を延長することが望ましい。さらに、空気インレットポート ８０２に、インレットスクリーンを備え、粒子ろ過およびエンジン区画全体の保 護を強化することができる。 排気エジェクタミキサ８４０は、マイクロエンジンに対向する側面において基 板８２６に取り付けられる。従来のように、エジェクタミキサは、マイクロエン ジン排気の運動量を交換することによって外部環境空気を同伴し、換言すれば、 環境空気同伴「主ジェット」である。この環境、すなわち「２次」流体は、次に 、主ジェットと混合し、主ジェットの温度を低下させる。図３５Ａに示すように 、フィルタホルダ８３２は、実際に、マイクロエンジンの半径方向周縁を取り巻 き、マイクロエンジン回りの２次空気の流路となる。次に、取付板の開口８２７ によって、この２次空気はエジェクタミキサ８４０に向けられ、エジェクタミキ サは、前述したパッケージおよびマイクロエンジン寸法の場合、全長が約３〜５ ｍｍである。マイクロエンジン排気および２次流体は、エジェクタミキサ中で混 合され、パッケージから排出される。この構造によって、マイクロエンジン壁か ら破棄される熱は、パッケージから対流によって移動され、マイクロエンジン排 気流に同伴される。前述した復熱式マイクロエンジン構成において、エジエクタ ミキサが、約３：１の２次対主空気質量流量比で設計される場合、エジェクタミ キサの出口における排気温度は、約１００℃となる。エジェクタミキサならびに フィルタホルダは、基板と同様な材料を使用し成型することができる。 図３４Ｄおよび３４Ｆに示すように、パッケージ電力モジュールのエレクトロ ニクス区画８２２は、前述したエレクトロニクスを備え、マイクロエンジン作動 を制御し、維持する。特に、モータ／ジェネレータコントローラ８４２および付 随するパワーエレクトロニクス８４４、出力キャパシタ８４６、および任意に出 力電力変換調整装置８４８、ならびに、スタータ電池８５０，およびエレクトロ ニクス出力コネクタ８１０は、すべて、従来の方法によって基板に取り付けられ る。圧力変換器８５２およびバルブ／ポンプ６６は基板に取り付けられ、マイク ロエンジンの方法、すなわち、電気および流体結合の両者によって、マイクロ管 材料またはチャネルに接続される。さらに、燃料量センサまたは燃料圧力センサ （図示してない）を燃料タンクに連絡するように形成し、タンク内に残存する燃 料量を査定することができる。 エレクトロニクス区画の温度はマイクエンジン区画より低いことを考慮すると 、はんだ付け、ブレージング、ガラスボンディング、または他の適切なボンディ ング技術、ならびに従来のエポキシボンディングを使用し、構成要素を取り付け ることができる。マイクロエンジン作動中、電気構成要素が生成する熱は、多く ても、約５ワット以下であり、これは伝導により区画壁を経由して容易に破棄さ れる。好適には、エンジンスタータ作動に対応する数の端子を有するエレクトロ ニクスコネクタを備える。すなわち、従来のように、二つ以上の端子が備えられ る。 この説明によって理解できるように、前述したマイクエンジンパッケージング 構成によって、広範囲のマイクロエンジン実施形態およびさらに種々のサブシス テム、例えば、マイクロモーターマイクロ圧縮機またはマイクロタービン−マイ クロジェネレータに適合するパッケージの提供に対応することができる。 以上のことから、本発明によって提供されるマイクロターボ機械、例えば、マ イクロエンジン、マイクロ圧縮機、マイクロタービン、および他のマイクロ組立 体構成、ならびに前述したこれらの構成の構成要素によって、広範囲の熱力学お よびエネルギシステム応用分野が可能となり、また卓絶した性能およびマイクロ 製作技術を使用する独特の構造製作方法の両者を設計することが可能となる。当 然、当業者は、前述した実施例に対する種々の変形および追加を、本発明の思想 および範囲を逸脱することなく実施することは、理解される。したがって、本発 明に対して付与される保護は、主題請求の範囲および公正に本発明の範囲内であ る主題の均等の範囲に及ぶものとする。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年７月２４日（１９９８．７．２４） 【補正内容】 請求の範囲 １．ガスタービンエンジンであって、 エンジンインレットポートおよび流入空気を圧縮するための回転可能な圧縮機 ディスクを有する圧縮機と、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取り、相応する空気静圧の上昇を生成するよう に配置されるディフューザと、 前記圧縮空気を、前記ディフューザから燃焼器インレットを経由して受け取り 、前記圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼チャンバを備える燃焼器と、 前記燃焼器から排出される燃焼後空気を受け取るように配置される複数のター ビンノズルガイドベーンと、 前記タービンノズルガイドベーンから燃焼後空気を受け取るように配置された 回転可能なタービンディスクと、エンジン排気ポートとを有するタービンと、 前記回転自在構成要素の軸受面と、 を備え、前記の圧縮機、ディフューザ、燃焼チャンバ、タービンノズルガイドベ ーンおよびタービン要素、ならびに前記軸受面は、それぞれ、実質的にすべての 前記要素に共通である構造材料を含むことを特徴とするガスタービンエンジン。 ２．ガスタービンエンジンにであって、 エンジンインレットポートおよび流入空気を圧縮するための回転可能な圧縮機 ディスクを有する圧縮機と、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取り、相応する空気静圧の上昇を生成するよう に配置されるディフューザと、 前記圧縮空気を、前記ディフューザから燃焼器インレットを経由して受け取り 、前記圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼チャンバを備える燃焼器と、 前記燃焼器から排出される燃焼後空気を受け取るように配置される複数のター ビンノズルガイドベーンと、 前記タービンノズルガイドベーンから燃焼後空気を受け取るように配置された 回転可能なタービンディスクと、エンジン排気ポートとを有するタービンと、 を備え、 前記の圧縮機、ディフューザ、燃焼チャンバ、タービンノズルガイドベーンお よびタービン要素は、それぞれ、実質的に炭化ケイ素を含むことを特徴とするガ スタービンエンジン。 ３．請求の範囲２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記炭化ケイ素は蒸 着炭化ケイ素を含むことを特徴とするガスタービンエンジン。 ４．ガスタービンエンジンであって、 エンジンインレットポートおよび流入空気を圧縮するための回転可能な圧縮機 ディスクを有する圧縮機と、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取り、相応する空気静圧の上昇を生成するよう に配置されるディフューザと、 前記圧縮空気を、前記ディフューザから燃焼器インレットを経由して受け取り 、前記圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼チャンバを備える燃焼器と、 前記燃焼器から排出される燃焼後空気を受け取るように配置される複数のター ビンノズルガイドベーンと、 前記タービンノズルガイドベーンから燃焼後空気を受け取るように配置された 回転可能なタービンディスクと、エンジン排気ポートとを有するタービンと、 を備え、 前記の圧縮機、ディフューザ、燃焼チャンバ、タービンノズルガイドベーンお よびタービン要素は、それぞれ、実質的にシリコンを含むことを特徴とするガス タービンエンジン。 ５．ガスタービンエンジンであって、 エンジンインレットポートおよび流入空気を圧縮するための回転可能な圧縮機 ディスクを有する圧縮機と、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取り、相応する空気静圧の上昇を生成するよう に配置されるディフューザと、 前記圧縮空気を、前記ディフューザから燃焼器インレットを経由して受け取り 、前記圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼チャンバを備える燃焼器と、 前記燃焼器から排出される燃焼後空気を受け取るように配置される複数のター ビンノズルガイドベーンと、 前記タービンノズルガイドベーンから燃焼後空気を受け取るように配置された 回転可能なタービンディスクと、エンジン排気ポートとを有するタービンと、 を備え、 前記の圧縮機、ディフューザ、燃焼チャンバ、タービンノズルガイドベーンお よびタービン要素は、それぞれ、実質的に窒化ケイ素を含むことを特徴とするガ スタービンエンジン。 ６．ガスタービンエンジンであって、 エンジンインレットポートおよび流入空気を圧縮するための回転可能な圧縮機 ディスクを有する圧縮機と、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取り、相応する空気静圧の上昇を生成するよう に配置されるディフューザと、 前記圧縮空気を、前記ディフューザから燃焼器インレットを経由して受け取り 、前記圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼チャンバを備える燃焼器と、 前記燃焼器から排出される燃焼後空気を受け取るように配置される複数のター ビンノズルガイドベーンと、 前記タービンノズルガイドベーンから燃焼後空気を受け取るように配置された 回転可能なタービンディスクと、エンジン排気ポートとを有するタービンと、 を備え、 前記の圧縮機、ディフューザ、燃焼チャンバ、タービンノズルガイドベーンお よびタービン要素は、それぞれ、実質的に半導体材料を含むことを特徴とするガ スタービンエンジン。 ７．ガスタービンエンジンであって、 エンジンインレットポートおよび流入空気を圧縮するための回転可能な圧縮機 ディスクを有する圧縮機と、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取り、相応する空気静圧の上昇を生成するよう に配置されるディフューザと、 前記圧縮空気を、前記ディフューザから燃焼器インレットを経由して受け取り 、前記圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼チャンバを備える燃焼器と、 前記燃焼器から排出される燃焼後空気を受け取るように配置される複数のター ビンノズルガイドベーンと、 前記タービンノズルガイドベーンから燃焼後空気を受け取るように配置された 回転可能なディスクと、エンジン排気ポートとを有するタービンと、 を備え、 前記の圧縮機、ディフューザ、燃焼チャンバ、タービンノズルガイドベーンお よびタービン要素は、それぞれ、マイクロ製作された要素を含み、エンジン半径 方向高さ対軸方向長さの比が少なくとも約１であることを特徴とするガスタービ ンエンジン。 ８．請求の範囲７に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記の圧縮機、ディ フューザ、燃焼チャンバ、タービンノズルガイドベーンおよびタービン要素は、 それぞれ、実質的にすべての前記構成要素に共通の構造材料を含むことを特徴と するガスタービンエンジン。 ９．請求の範囲７に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記の圧縮機および タービンは単結晶シリコンディスクを含むことを特徴とするガスタービンエンジ ン。 １０．請求の範囲９に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記の圧縮機およ びタービンは、それぞれ、マイクロ製作されバルクエッチングされたシリコンウ ェハを含むことを特徴とするガスタービンエンジン。 １１．請求の範囲７に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記燃焼チャンバ はマイクロ製作され蒸着された炭化ケイ素を含むことを特徴とするガスタービン エンジン。 １２．請求の範囲７に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記の圧縮機およ びタービンは、それぞれ、炭化ケイ素ディスクを備えることを特徴とするガスタ ービンエンジン。 １３．請求の範囲１２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機およ びタービンは、それぞれ、マイクロ製作されバルクエッチングされた炭化ケイ素 を含むことを特徴とするガスタービンエンジン。 １４．ガスタービンエンジンであって、 少なくとも毎秒約５００，０００回転のロータ速度を可能とする比強度を特徴 とする材料を含むロータと、 前記ロータに含まれる軸であって、実質的にテーパのない圧縮機ディスクを当 該軸の第１端部に有し、前記第１端部は遠心圧縮機を形成する圧縮機ブレードを 有し、また実質的にテーパのないタービンディスクを当該軸の反対側の端部に有 し、前記反対側の端部は半径流タービンを形成するタービンブレードを有する軸 と、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取るための前記圧縮機ディスクの半径方向外側 に配置される環状の半径方向外向き流れディフューザと、 前記ロータの軸の半径方向外側に配置され、前記ディフューザの半径方向外側 の燃焼器インレットと前記タービンディスクの半径方向外側の排気出口とを有す る環状の燃焼器と、 前記タービンディスクの半径方向外側に配置され、燃焼排気を受け入れ前記排 気を前記タービンに向ける複数の半径方向内向き流れタービンノズルガイドベー ンと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 １５．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機およ びタービンディスクは、それぞれ、およそ１ｍｍから２０ｍｍの範囲のディスク 直径を有し、燃焼器は、およそ２ｍｍから１０ｍｍの範囲の円環部半径方向幅お よびおよそ０．５ｍｍから１２ｍｍの範囲の軸方向長さを有する燃焼チャンバを 備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 １６．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記燃焼器は、 燃焼チャンバを備え、前記燃焼チャンバは、少なくとも約１であるチャンバ円環 部半径方向幅対チャンバ軸方向長さの比によって特徴付けられる寸法を有するこ とを特徴とするガスタービンエンジン。 １７．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ロータ軸は 、前記ロータ軸とエンジンハウジングとの間におよそ２μｍから２５μｍの範囲 のクリアランスを有するラジアルガスジャーナル軸受によって、回転に対して軸 受け支持されることを特徴とするガスタービンエンジン。 １８．請求の範囲１７に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ラジアルガ スジャーナル軸受は、接線環状非対称加圧シールを有することを特徴とするガス タービンエンジン。 １９．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ディ スクおよび前記タービンディスクは、それぞれ、前記ディスクの半径方向周縁部 と対応するエンジンハウジングとの間にクリアランスを有するラジアルガスジャ ーナル軸受によって、回転に対して軸受け支持されることを特徴とするガスター ビンエンジン。 ２０．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ディ スクおよび前記タービンディスクは、背中合わせに配置されることを特徴とする ガスタービンエンジン。 ２１．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ブレ ードは、互いに共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはブレード に沿って半径方向に延在する複数の半径流ブレードを備え、前記タービンブレー ドは、互いに共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはブレードに 沿って半径方向に延在する複数の半径流ブレードを備えることを特徴とするガス タービンエンジン。 ２２．請求の範囲２１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ディフュー ザは、前記複数の圧縮機ブレードと共に、互いに共通の軸方向高さでありそれぞ れの一定の軸方向高さはベーンに沿って半径方向に延在する複数の半径流ディフ ューザベーンを備え、前記タービンガイドベーンは、前記複数のタービンブレー ドと共に、互いに共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはベーン に沿って半径方向に延在する複数の半径流ベーンを備えることを特徴とするガス タービンエンジン。 ２３．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記圧 縮機によって形成されるモータロータと、前記圧縮機ディスクに対向するエンジ ン端壁に配置される伝導層によって形成され少なくとも二つの励起相のステータ 励起構成を定めるように接続されるステータ電極と、を有するモータを備えるこ とを特徴とするガスタービンエンジン。 ２４．請求の範囲２３に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記モータロー タは、前記圧縮機ブレードによって形成されることを特徴とするガスタービンエ ンジン。 ２５．請求の範囲２３に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ブレ ードは、互いに共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはブレード に沿って半径方向に延在する複数の半径流ブレードを備え、前記圧縮機は、さら に、前記ブレードの前記軸方向高さ位置に結合され電気誘導モータロータを形成 する上部伝導層を有するブレードシュラウドを備えることを特徴とするガスター ビンエンジン。 ２６．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記圧 縮機によって形成されるジェネレータロータと、前記圧縮機ディスクに対向する エンジン端壁に配置される伝導層によって形成され少なくとも一つの励起相のス テータ励起構成を定めるように接続されるステータ電極と、を有するジェネレー タを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ２７．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記タ ービンによって形成されるジェネレータロータと、前記タービンディスクに対向 するエンジン端壁に配置される伝導層によって形成され少なくとも一つの励起相 のステータ励起構成を定めるように接続されるステータ電極と、を有するジェネ レータを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ２８．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記タービンに よって形成されるモータロータと、前記タービンディスクに対向するエンジン端 壁に配置される伝導層によって形成され少なくとも二つ励起相のステータ励起構 成を定めるように接続されるステータ電極と、を有するモータを備えることを特 徴とするガスタービンエンジン。 ２９．請求の範囲２７に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ジェネレー タロータはタービンブレードによって形成されることを特徴とするガスタービン エンジン。 ３０．請求の範囲２７に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記タービンブ レードは、互いに共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはブレー ドに沿って半径方向に延在する複数の半径流ブレードを備え、前記タービンは、 さらに、前記ブレードの前記軸方向高さ位置に結合され電気誘導ジェネレータロ ータを形成する上部伝導層を有するブレードシュラウドを備えることを特徴とす るガスタービンエンジン。 ３１．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、 前記圧縮機ディスクの半径方向外側に配置される環状燃料プレナムと、 前記燃料プレナムと、エンジン端壁上の、内部エンジン空気流に沿って前記燃 焼器インレットの上流の位置との間に連結される燃料噴射装置のアレイと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ３２．請求の範囲３１に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、 燃料タンクと、 前記ロータに結合されるモータと、 モータを始動するための補助動力源と、 制御エレクトロニクスと、 を備え、前記ガスタービンは、エンジンパッケージ内に収容され、前記圧縮機に 連結される空気インレットポート、前記タービンに連結される空気排気ポート、 前記燃料タンクに連結される燃料ポート、前記燃料タンクを前記燃料プレナムに 連結する燃料配管、制御エレクトロニクスおよび補助動力源に接続される電気ポ ート、および前記燃料タンクを他のエンジン区画から隔離する隔離壁を有するこ とを特徴とするガスタービンエンジン。 ３３．請求の範囲３２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記エンジンパ ッケージは約１リットル未満の体積を有することを特徴とするガスタービンエン ジン。 ３４．請求の範囲３２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記燃料タンク はおよそ５ｍｌから５０００ｍｌの範囲の液体エンジン燃料を貯蔵するために十 分な容積を有することを特徴とするガスタービンエンジン。 ３５．請求の範囲３２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記エンジンパ ッケージはプラスチックパッケージを含むことを特徴とするガスタービンエンジ ン。 ３６．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記デ ィフューザから圧縮空気を受け取り、また前記タービンから排気される空気を受 け取り、前記圧縮空気を加熱し加熱された圧縮空気を前記燃焼器に排気するよう に連結される環状復熱装置を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ３７．請求の範囲３６に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記復熱装置は 、前記ディフューザから圧縮機空気を受け取るように連結される冷気チャネルと 交互に配置され、前記タービンから排出される空気を受け取るように連結される 平面状熱空気チャネルを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ３８．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、 前記圧縮機ディスクの軸方向前方に配置されバイパスファンブレードを有する バイパスファンと、 前記燃焼器の半径方向外側に配置され前記タービンの軸方向後方に排出ポート を形成する軸方向バイパスチャネルと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ３９．請求の範囲３８に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ブレ ードは、互いに共通の軸方向高さでありそれぞれ一定の軸方向高さはブレードに 沿って半径方向に延在する複数の半径流ブレードを備え、前記圧縮機は、さらに 、前記ブレードの前記軸方向高さ位置に結合され前記バイパスファンブレードを 支持し、互いに共通の軸方向高さでありそれぞれの軸方向高さはブレードに沿っ て半径方向に延在するブレードシュラウドを備えることを特徴とするガスタービ ンエンジン。 ４０．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ロータ、デ ィフューザ、燃焼器、およびタービンノズルガイドベーン構成要素は、それぞれ 、実質的にすべての前記構成要素に共通の構造材料を含むことを特徴とするガス タービンエンジン。 ４１．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ロータ、デ ィフューザ、燃焼器、およびタービンノズルガイドベーン構成要素は、それぞれ 、マイクロ製作された構成要素含み、エンジン半径方向高さ対軸方向長さの比が 少なくとも約１であることを特徴とするガスタービンエンジン。 ４２．ガスタービンエンジンであって、 ロータと、 前記ロータに含まれる軸であって、遠心圧縮機を形成する圧縮機ブレードを有 するその第１端部に圧縮機ディスクを有し、反対側の端部に半径流タービンを形 成するタービンブレードを有するタービンディスクを有する軸と、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取るための前記圧縮機ディスクの半径方向外側 に配置される環状の半径方向外向き流れディフューザと、 前記ロータの軸の半径方向外側に配置された燃焼チャンバと、前記ディフュー ザの半径方向外側の燃焼器インレットと、前記タービンディスクの半径方向外側 の排気出口とを有するライナのない環状燃焼器であって、前記燃焼チャンバは少 なくとも約１のチャンバ円環部半径方向幅対チャンバ軸方向長さの比によって特 徴付けられる寸法を有する燃焼器と、 前記タービンディスクの半径方向外側に配置され、前記燃焼チャンバから燃焼 排気を受け入れ前記排気を前記タービンに向ける複数の半径方向内向き流れター ビンノズルガイドベーンと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ４３．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機およ びタービンディスクは、それぞれ、およそ１ｍｍから２０ｍｍの範囲のディスク 直径を有し、燃焼器は、およそ２ｍｍから１０ｍｍの範囲の円環高さおよびおよ そ０．５ｍｍから１２ｍｍの範囲の軸方向長さを有する燃焼チャンバを備えるこ とを特徴とするガスタービンエンジン。 ４４．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ディ スクおよび前記タービンディスクは背中合わせに配置されることを特徴とするガ スタービンエンジン。 ４５．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ブレ ードは、互いに共通の軸方向高さでありでありそれぞれの一定の軸方向高さはブ レードに沿って半径方向に延在する複数の半径流ブレードを備え、前記タービン ブレードは、互いに共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはブレ ードに沿って半径方向に延在する複数の半径流ブレードを備えることを特徴とす るガスタービンエンジン。 ４６．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ディフュー ザは、前記複数の圧縮機ブレードと共に、互いに共通の軸方向高さでありそれぞ れの一定の軸方向高さはベーンに沿って半径方向に延在する複数の半径流ディフ ューザベーンを備え、前記タービンノズルガイドベーンは、前記複数のタービン ブレードと共に、互いに共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さは ベーンに沿って半径方向に延在する複数の半径流ベーンを備えることを特徴とす るガスタービンエンジン。 ４７．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、 前記圧縮機ディスクの半径方向外側に配置される環状燃料プレナムと、 前記燃料プレナムと、エンジン端壁上の内部エンジン空気流に沿って前記燃焼 器インレットの上流の位置との間に連結される燃料噴射装置のアレイと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ４８．請求の範囲４７に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、 燃料タンクと、 前記ロータに結合されるモータと、 前記モータを始動するための補助動力源と、 制御エレクトロニクスと、 を備え、前記ガスタービンは、エンジンパッケージ内に収容され、前記圧縮機に 連結される空気インレットポート、前記タービンに連結される空気排気ポート、 前記燃料タンクに連結される燃料ポート、前記燃料タンクを前記燃料プレナムに 連結する燃料配管、制御エレクトロニクスおよび補助動力源に接続される電気ポ ート、および前記燃料タンクを他のエンジン区画から隔離する隔離壁を有するこ とを特徴とするガスタービンエンジン。 ４９．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ロータ、デ ィフューザ、燃焼チャンバ、およびタービンガイドベーン構成要素は、それぞれ 、すべての前記構成要素に共通の構造材料を含むことを特徴とするガスタービン エンジン。 ５０．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ロータ、デ ィフューザ、燃焼チャンバ、およびタービンノズルガイドベーン構成要素は、そ れぞれ、マイクロ製作構成要素を含み、エンジン半径方向高さ対エンジン軸方向 長さの比は少なくとも約１であることを特徴とするガスタービンエンジン。 ５１．ガスタービンエンジンであって、 遠心圧縮機を形成する半径流圧縮機ブレードを有する圧縮機ディスクと、 前記圧縮機ディスクと同一平面に配置され半径方向内向き流タービンを形成す る半径流タービンブレードを有するタービンディスクと、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取るために前記圧縮機ディスクの半径方向外側 に配置される環状の半径方向外向き流れディフューザと、 前記ディフューザから圧縮空気を受け取るために前記ディフューザと通じる燃 焼器インレットと、前記タービンディスクの面内にある排気口と、を備える燃焼 チャンバを有する燃焼器と、 前記タービンディスクの半径方向外側に配置され、燃焼排気を受け取り前記排 気を前記タービンディスクに向けるためのインレットを有する複数の半径方向内 向き流れタービンノズルガイドベーンと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ５２．請求の範囲５１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ガスタービ ンエンジンは約１ｃｍ未満の厚さを有することを特徴とするガスタービンエンジ ン。 ５３．請求の範囲５１に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記デ ィフューザに隣接して配置され、間隔を置いて配置される燃料噴射装置の列によ って前記ディフューザに連結される燃料マニホルドを備えることを特徴とするガ スタービンエンジン。 ５４．請求の範囲５１に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、それぞ れ、対応する前部および後部燃焼チャンバ壁に隣接して配置され、前記ディフュ ーザ排気口と前記燃焼器インレットとの間に連結される前部および後部冷却チャ ネルを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ５５．請求の範囲５１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ディフュー ザは複数のディフューザベーンを備え、半径流ブレードまたはベーンを有する前 記の圧縮機ブレード、タービンブレード、ディフューザベーン、およびタービン ノズルガイドベーンは、互いに共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向 高さは対応するブレードおよびベーンに沿って軸方向に延在することを特徴とす るガスタービンエンジン。 ５６．請求の範囲５１に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記圧 縮機ディスクによって形成されるモータロータと、前記圧縮機ディスクに対向す るエンジン端壁に配置される伝導領域によって形成され少なくとも二つの励起相 のステータ励起構成を定めるように接続されるステータ電極と、を有するモータ を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ５７．請求の範囲５１に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記タ ービンディスクによって形成されるジェネレータロータと、前記タービンディス クに対向するエンジン端壁に配置される伝導領域によって形成され少なくとも一 つの励起相のステータ励起構成を定めるように接続されるステータ電極と、を有 するジェネレータを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ５８．燃焼式発電装置であって、 燃料用ロータリーポンプを形成するポンプブレードを有する第１ポンプと、 前記第１ポンプディスクと同一平面に配置され、酸化剤用ロータリーポンプを 形成するポンプブレードを有する第２ポンプディスクと、 前記第１および第２ポンプディスクと同一平面に配置され、半径方向内向き流 れタービンを形成するタービンブレードを有するタービンディスクと、 前記第１ポンプディスクの半径方向外側に配置され、前記燃料ポンプから燃料 を受け取る第１環状半径方向外向き流れディフューザと、 前記第２ポンプディスクの半径方向外側に配置され、前記酸化剤ポンプから酸 化剤を受け取る第２環状半径方向外向き流れディフューザと、 前記第１および第２ディフューザと連結され燃料および酸化剤を受け取る燃焼 器インレットと、前記タービンディスクの面内の排気口と、を有する燃焼チャン バを備える燃焼器と、 前記タービンディスクの半径方向外側に配置され、燃焼排気を受け取り前記排 気を前記タービンディスクに向けるためのインレットを有する複数の半径方向内 向き流れタービンガイドベーンと、 前記タービンによって形成されるジェネレータロータと、前記タービンディス クに対向するジェネレータ端壁に配置される伝導性領域によって形成され、少な くとも一つの励起相のステータ励起構成を定めるように接続されるステータ電極 と、を備えるジェネレータと、 を備えることを特徴とする燃焼式発電装置。 ５９．燃焼式発電装置であって、 燃料用ロータリーポンプを形成するポンプブレードを有するポンプディスクと 、 前記ポンプディスクと同一平面に配置され、半径方向内向き流れタービンを形 成するタービンブレードを有するタービンディスクと、 前記ポンプディスクの半径方向外側に配置され、前記燃料ポンプから燃料を受 け取る環状半径方向外向き流れディフューザと、 前記ディフューザと連結され燃料を受け取る燃焼器インレットと、前記タービ ンディスクの面内の排気口と、を有する燃焼チャンバを備える燃焼器と、 前記タービンディスクの半径方向外側に配置され、燃焼排気を受け取り前記排 気を前記タービンディスクに向けるためのインレットを有する複数の半径流ター ビンノズルガイドベーンと、 前記タービンによって形成されるジェネレータロータと、前記タービンディス クに対向するジェネレータ端壁に配置される伝導性領域によって形成され、少な くとも一つの励起相のステータ励起構成を定めるように接続されるステータ電極 と、を備えるジェネレータと、 を備えることを特徴とする燃焼式発電装置。 ６０．請求の範囲５９に記載の燃焼式発電装置において、前記発電装置は、約１ ｃｍ未満の厚さを有することを特徴とする燃焼式発電装置。 ６１．請求の範囲５９に記載の燃焼式発電装置において、前記ディフューザは複 数のディフューザベーンを備え、半径流ブレードまたはベーンを有する前記の燃 料ポンプブレード、タービンブレード、ディフューザベーン、およびタービンノ ズルガイドベーンは、互いに共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高 さは対応するブレードおよびベーンに沿って軸方向に延在することを特徴とする 燃焼式発電装置。 ６２．請求の範囲５９に記載の燃焼式発電装置において、さらに、 前記燃料ポンプによって形成されるモータロータと、前記燃料ポンプディスク に対向する端壁に配置される伝導性領域によって形成されるステータ電極と、を 備えることを特徴とする燃焼式発電装置。 ６３．請求の範囲５９に記載の燃焼式発電装置において、前記燃料ポンプ、ディ フューザ、燃焼チャンバ、タービンノズルガイドベーン、およびタービン構成要 素は、それぞれ、実質的にすべての構成要素に共通の構造材料を含むことを特徴 とする燃焼式発電装置。 ６４．請求の範囲５９に記載のガスタービンエンジンにおいて、燃料ポンプ、デ ィフューザ、燃焼チャンバ、タービンガイドベーン、およびタービン構成要素は 、それぞれ、マイクロ製作構成要素を含み、エンジン半径方向高さ対エンジン軸 方向長さの比が少なくとも約１であることを特徴とするガスタービンエンジン。 ６５．請求の範囲２１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ディフュー ザは、前記圧縮機ブレードの軸方向高さと異なる、互いに共通の軸方向高さを有 する複数の半径流ディフューザベーンを備え、前記タービンノズルガイドベーン は、前記タービンブレードの軸方向高さと異なる、互いに共通の軸方向高さを有 する複数の半径流ベーンを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ６６．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ディフュー ザは、前記圧縮機ブレードの軸方向高さと異なる、互いに共通の軸方向高さを有 する複数の半径流ディフューザベーンを備え、前記タービンノズルガイドベーン は、前記タービンブレードの軸方向高さと異なる、互いに共通の軸方向高さを共 に有する複数の半径流ベーンを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ６７．ガスタービンエンジンであって、 エンジンインレットポートおよび流入空気を圧縮するための回転可能な圧縮機 ディスクを有するシリコン製圧縮機と、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取り相応する空気静圧の上昇を生成するように 配置されるシリコン製ディフューザと、 前記圧縮空気を前記ディフューザから燃焼器インレットを経由して受け取り空 気と燃料とを燃焼させるように配置される燃焼チャンバを備える炭化ケイ素製燃 焼器と、 前記燃焼器から排出される燃焼後の空気を受け取るように配置される複数の炭 化ケイ素製タービンノズルガイドベーンと、 前記タービンノズルガイドベーンから燃焼後の空気を受け取るように配置され る回転可能なタービンディスクを有する炭化ケイ素製タービンと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ６８．ガスタービンエンジンであって、 ロータと、 前記ロータが備える軸であって、遠心圧縮機を形成する圧縮機ブレードを有す る当該軸の第１端部に、およそ１ｍｍから１０ｍｍの範囲の直径の圧縮機ディス クを有し、半径流タービンを形成するタービンブレードを有する当該軸の反対側 の端部に、およそ１ｍｍから１０ｍｍの範囲の直径のタービンディスクを有する 軸と、 前記圧縮機ディスクの半径方向外側に配置され、前記圧縮機から圧縮空気を受 け取る環状の半径方向外向き流れディフューザと、 前記ディフューザの半径方向外側の燃焼器インレットと、前記タービンディス クの半径方向外側の排気アウトレットと、また約２ｍｍから約１０ｍｍの範囲の 円環部半径方向幅および約０．５ｍｍから約５．５ｍｍの範囲の軸方向長さを有 する燃焼チャンバとを有し、前記ロータの軸の半径方向外側に配置された環状燃 焼器と、 前記タービンディスクの半径方向外側に配置され、燃焼排気を受け入れ前記排 気を前記タービンに向けるためのインレットを有する複数の半径方向内向き流れ タービンノズルガイドベーンと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ６９．請求の範囲４に記載のガスタービンエンジンにおいて、シリコン構成要素 は炭化ケイ素で被覆されることを特徴とするガスタービンエンジン。 ７０．請求の範囲４に記載のガスタービンエンジンにおいて、シリコン構成要素 は窒化ケイ素で被覆されることを特徴とするガスタービンエンジン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ワイツ イアン エイ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 ニ ュートン コート ストリート 62 (72)発明者 ラング ジェフリー エイチ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 サ ッドベリー ウィア ヒル ロード 22 (72)発明者 ヤコブソン スチュアート エイ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 サ マヴィル スミス アベニュー 13 (72)発明者 イーリッチ フレドリック エフ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 マ ーベルヘッド ビーコン ストリート 58 (72)発明者 シュミット マーチン エイ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 リ ーディング アシュレイ プレイス 78 (72)発明者 アナンサスレッシュ ジー ケイ アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 フィ ラデルフィア シティー アベニュー 6100 アパートメント 516 (72)発明者 スピアリング マーク エス アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 ニ ュートン オークランド ストリート ＃１ 21 (72)発明者 ブロイアー ケネス エス アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 ニ ュートン ビーコン ストリート 1325 (72)発明者 ナイジェル スティーブン エフ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 ケ ンブリッジ バレンチン ストリート 13 【要約の続き】 型マイクロジェネレータと共に構成することが可能であ り、広範囲の動力、推進、および熱力学サイクル応用分 野に使用できる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガスタービンエンジンであって、 エンジンインレットポートおよび流入空気を圧縮するための回転可能な圧縮機 ディスクを有する圧縮機と、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取り、対応する空気静圧の上昇を生成するよう に配置される複数のディフューザベーンと、 前記圧縮空気を、前記ディフューザベーンから燃焼器インレットを経由して受 け取り、前記圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼チャンバを備える燃焼器と、 前記燃焼器から排出される燃焼後空気を受け取るように配置される複数のター ビンガイドベーンと、 前記タービンガイドベーンから燃焼後空気を受け取るように配置された回転可 能なタービンディスクと、エンジン排気ポートとを有するタービンと、 を備え、前記圧縮機、ディフューザベーン、燃焼チャンバ、タービンガイドベー ンおよびタービン要素は、それぞれ、すべての前記要素に共通である構造材料を 含むことを特徴とするガスタービンエンジン。 ２．請求の範囲１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記構造材料は炭化 ケイ素を含むことを特徴とするガスタービンエンジン。 ３．請求の範囲２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記構造材料は蒸着 炭化ケイ素を含むことを特徴とするガスタービンエンジン。 ４．請求の範囲１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記構造材料はシリ コンを含むことを特徴とするガスタービンエンジン。 ５．請求の範囲１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記構造材料は窒化 ケイ素を含むことを特徴とするガスタービンエンジン。 ６．請求の範囲１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記材料はマイクロ エレクトロニクス材料を含むことを特徴とするガスタービンエンジン。 ７．ガスタービンエンジンであって、 エンジンインレットポートおよび流入空気を圧縮するための回転可能な圧縮機 ディスクを有する圧縮機と、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取り、対応する空気静圧の上昇を生成するよう に配置される複数のディフューザベーンと、 前記圧縮空気を、前記ディフューザベーンから燃焼器インレットを経由して受 け取り、前記圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼チャンバを備える燃焼器と、 前記燃焼器から排出される燃焼後空気を受け取るように配置される複数のター ビンガイドベーンと、 前記タービンガイドベーンから燃焼後空気を受け取るように配置された回転可 能なタービンディスクと、エンジン排気ポートとを有するタービンと、 を備え、前記圧縮機、ディフューザベーン、燃焼チャンバ、タービンガイドベー ンおよびタービン要素は、それぞれ、フォトリソグラフィによって定められる寸 法を有するマイクロ製作された要素を含むことを特徴とするガスタービンエンジ ン。 ８．請求の範囲７に記載のガスタービンエンジンにおいて前記圧縮機、ディフュ ーザベーン、燃焼チャンバ、タービンガイドベーンおよびタービン要素は、それ ぞれ、すべての前記構成要素に共通の構造材料を含むことを特徴とするガスター ビンエンジン。 ９．請求の範囲７に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機およびタ ービンは単結晶シリコンディスクを含むことを特徴とするガスタービンエンジン 。 １０．請求の範囲９に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機および タービンは、それぞれ、シリコンウェハのバルクエッチングによってマイクロ製 作されることを特徴とするガスタービンエンジン。 １１．請求の範囲７に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記燃焼チャンバ は炭化ケイ素の蒸着によってマイクロ製作されることを特徴とするガスタービン エンジン。 １２．請求の範囲７に記載のガスタービンエンジンにおいて、圧縮機およびター ビンは、それぞれ、炭化ケイ素ディスクを備えることを特徴とするガスタービン エンジン。 １３．請求の範囲１２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機およ びタービンは、それぞれ、炭化ケイ素ウェハのバルクエッチングによってマイク ロ製作されることを特徴とするガスタービンエンジン。 １４．ガスタービンエンジンであって、 軸を有するロータであって、少なくとも毎秒約５００，０００回転のロータ速 度を可能とする比強度を特徴とする材料を含み、さらに、前記軸は、本質上テー パのない圧縮機ディスクを前記軸の第１端部に有し、前記第１端部は遠心圧縮機 を形成する圧縮機ブレードを有し、また本質上テーパのないタービンディスクを 前記軸の対向する端部に有し、前記対向する端部は半径方向内向き流れタービン を形成するタービンブレードを有するロータと、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取るための前記圧縮機ディスクの半径方向外側 に配置される環状の半径方向外向き流れディフューザと、 前記ロータ軸の半径方向外側に、軸方向では前記圧縮機ディスクとタービンデ ィスクの間に配置され、前記ディフューザの半径方向外側の燃焼器インレットと 前記タービンディスクの半径方向外側の排気出口とを有する環状の軸流燃焼器と 、 前記タービンディスクの半径方向外側に配置され、燃焼排気を受け入れ前記排 気を前記タービンに向ける複数の半径方向内向き流れタービンガイドベーンと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 １５．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機およ びタービンディスクは、それぞれ、およそ１ｍｍから１０ｍｍの範囲のディスク 直径を有し、燃焼器は、およそ２ｍｍから１０ｍｍの範囲の円環高さおよびおよ そ０．５ｍｍから５．５ｍｍの範囲の軸方向長さを有する燃焼チャンバを備える ことを特徴とするガスタービンエンジン。 １６．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記燃焼器は、 燃焼チャンバを備え、前記燃焼チャンバは、少なくとも約０．５であるチャンバ 円環高さ対チャンバ軸方向長さの比によって特徴付けられる寸法を有することを 特徴とするガスタービンエンジン。 １７．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ロータ軸は 、前記ロータ軸とエンジンハウジングとの間におよそ２μｍから２５μｍの範囲 のクリアランスを有するラジアルガスジャーナル軸受によって、回転に対して軸 受け支持されることを特徴とするガスタービンエンジン。 １８．請求の範囲１７に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ラジアルガ スジャーナル軸受は、接線周線非対称の加圧シールを有することを特徴とするガ スタービンエンジン。 １９．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ディ スクおよび前記タービンディスクは、それぞれ、前記ディスクの半径方向周縁部 と対応するエンジンハウジングとの間にクリアランスを有するラジアルガスジャ ーナル軸受によって、回転に対して軸受け支持されることを特徴とするガスター ビンエンジン。 ２０．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ディ スクおよび前記タービンディスクは、背中合わせに配置されることを特徴とする ガスタービンエンジン。 ２１．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ブレ ードは、共に共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはブレードに 沿って半径方向に延在する複数の半径流ブレードを備え、前記タービンブレード は、共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはブレードに沿って半 径方向に延在する複数の半径流ブレードを備えることを特徴とするガスタービン エンジン。 ２２．請求の範囲２１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ディフュー ザは、前記複数の圧縮機ブレードと共に共通の軸方向高さでありそれぞれの一定 の軸方向高さはベーンに沿って半径方向に延在する複数の半径流ディフューザベ ーンを備え、前記タービンガイドベーンは、前記複数のタービンブレードと共に 共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはベーンに沿って半径方向 に延在する複数の半径流ベーンを備えることを特徴とするガスタービンエンジン 。 ２３．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記圧 縮機によって形成されるモータロータと、前記圧縮機ディスクに対向するエンジ ン端壁に配置される伝導層によって形成され少なくとも二つの励起相のステータ 励起構成を定めるように接続されるステータ電極と、を有するモータを備えるこ とを特徴とするガスタービンエンジン。 ２４．請求の範囲２３に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記モータロー タは、前記圧縮機ブレードによって形成されることを特徴とするガスタービンエ ンジン。 ２５．請求の範囲２３に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ブレ ードは、共に共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはブレードに 沿って半径方向に延在する複数の半径流ブレードを備え、前記圧縮機は、さらに 、 前記ブレードの軸方向高さに結合され電気誘導モータロータを形成する上部伝導 層を有するブレードシュラウドを備えることを特徴とするガスタービンエンジン 。 ２６．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記圧 縮機によって形成されるジェネレータロータと、前記圧縮機ディスクに対向する エンジン端壁に配置される伝導層によって形成され少なくとも一つの励起相のス テータ励起構成を定めるように接続されるステータ電極と、を有するジェネレー タを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ２７．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記タ ービンによって形成されるジェネレータロータと、前記タービンディスクに対向 するエンジン端壁に配置される伝導層によって形成され少なくとも一つの励起相 のステータ励起構成を定めるように接続されるステータ電極と、を有するジェネ レータを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ２８．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記タービンに よって形成されるモータロータと、前記タービンディスクに対向するエンジン端 壁に配置される伝導層によって形成され少なくとも二つ励起相のステータ励起構 成を定めるように接続されるステータ電極と、を有するモータを備えることを特 徴とするガスタービンエンジン。 ２９．請求の範囲２７に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ジェネレー タロータはタービンブレードによって形成されることを特徴とするガスタービン エンジン。 ３０．請求の範囲２７に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記タービンブ レードは、共に共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはブレード に沿って半径方向に延在する複数の半径流ブレードを備え、前記タービンは、さ らに、前記ブレードの軸方向高さに結合され電気誘導ジェネレータロータを形成 する上部伝導層を有するブレードシュラウドを備えることを特徴とするガスター ビンエンジン。 ３１．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、 前記圧縮機ディスクの半径方向外側に配置される環状の燃料プレナムと、 前記燃料プレナムと、エンジン端壁上の内部エンジン空気流に沿って前記燃焼 器インレットの上流位置との間に連結される燃料噴射装置のアレイと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ３２．請求の範囲３１に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、 燃料タンクと、 前記ロータに結合されるモータと、 モータを始動するための補助動力源と、 制御エレクトロニクスと、 を備え、前記ガスタービンは、エンジンパッケージ内に収容され、前記圧縮機に 連結される空気インレットポート、前記タービンに連結される空気排気ポート、 前記燃料タンクに連結される燃料ポート、前記燃料タンクを前記燃料プレナムに 連結する燃料配管、制御エレクトロニクスおよび補助動力源に接続される電気ポ ート、および前記燃料タンクを他のエンジン区画から隔離する隔離壁を有するこ とを特徴とするガスタービンエンジン。 ３３．請求の範囲３２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記エンジンパ ッケージは約１リットル未満の体積を有することを特徴とするガスタービンエン ジン。 ３４．請求の範囲３２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記燃料タンク はおよそ５ｍｌから５０００ｍｌの範囲の液体エンジン燃料を貯蔵するために十 分な容積を有することを特徴とするガスタービンエンジン。 ３５．請求の範囲３２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記エンジンパ ッケージはプラスチックパッケージを含むことを特徴とするガスタービンエンジ ン。 ３６．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記デ ィフューザから圧縮空気を受け取り、また前記タービンから排気される空気を受 け取り、前記圧縮空気を加熱し加熱された圧縮空気を前記燃焼器に排気するよう に連結される環状復熱装置を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ３７．請求の範囲３６に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記復熱装置は 、前記ディフューザから圧縮機空気を受け取るように連結される冷気チャネルと 交互に配置され、前記タービンから排出される空気を受け取るように連結される 平面状熱気チャネルを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ３８．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、 前記圧縮機ディスクの軸方向前方に配置されバイパスファンブレードを有する バイパスファンと、 前記燃焼器の半径方向外側に配置され前記タービンの軸方向後方に排出ポート を形成する軸方向バイパスチャネルと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ３９．請求の範囲３８に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ブレ ードは、共に共通の軸方向高さでありそれぞれ一定の軸方向高さはブレードに沿 って半径方向に延在する複数の半径流ブレードを備え、前記圧縮機は、さらに、 前記ブレードの軸方向高さに結合され前記バイパスファンブレードを支持し、共 に共通の軸方向高さでありそれぞれの軸方向高さはブレードに沿って半径方向に 延在するブレードシュラウドを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ４０．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ロータ、デ ィフューザ、燃焼器、およびタービンガイドベーン構成要素は、それぞれ、すべ ての前記構成要素に共通の構造材料を含むことを特徴とするガスタービンエンジ ン。 ４１．請求の範囲１４に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ロータ、デ ィフューザ、燃焼器、およびタービンガイドベーン構成要素は、それぞれ、フォ トリソグラフィによって形成される寸法を有するマイクロ製作された構成要素含 むことを特徴とするガスタービンエンジン。 ４２．ガスタービンエンジンであって、 軸を有するロータであって、前記軸は、遠心圧縮機を形成する圧縮機ブレード を有するその第１端部に圧縮機ディスクを有し、反対側の端部に半径流タービン を形成するタービンブレードを有するタービンディスクを有するロータと、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取るための前記圧縮機ディスクの半径方向外側 に配置される環状の半径方向外向き流れディフューザと、 前記ロータ軸の半径方向外側に、軸方向では前記圧縮機ディスクとタービンデ ィスクの間に配置され、前記ディフューザの半径方向外側の燃焼器インレットと 前記タービンディスクの半径方向外側の排気出口とを有する環状の軸流燃焼器で あって、前記燃焼チャンバは少なくとも約０．５のチャンバ円環高さ対チャンバ 軸方向長さの比によって特徴付けられる寸法を有する環状の軸流燃焼器と、 前記タービンディスクの半径方向外側に配置され、前記燃焼チャンバから燃焼 排気を受け入れ前記排気を前記タービンに向ける複数の半径方向内向き流れター ビンガイドベーンと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ４３．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機およ びタービンディスクは、それぞれ、およそ１ｍｍから１０ｍｍの範囲のディスク 直径を有し、燃焼器は、およそ２ｍｍから１０ｍｍの範囲の円環高さおよびおよ そ０．５ｍｍから５．５ｍｍの範囲の軸方向長さを有する燃焼チャンバを備える ことを特徴とするガスタービンエンジン。 ４４．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ディ スクおよび前記タービンディスクは背中合わせに配置されることを特徴とするガ スタービンエンジン。 ４５．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記圧縮機ブレ ードは、共に共通の軸方向高さでありでありそれぞれの一定の軸方向高さはブレ ードに沿って半径方向に延在する複数の半径流ブレードを備え、前記タービンブ レードは、共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはブレードに沿 って半径方向に延在する複数の半径流ブレードを備えることを特徴とするガスタ ービンエンジン。 ４６．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ディフュー ザは、前記複数の圧縮機ブレードと共に共通の軸方向高さでありそれぞれの一定 の軸方向高さはベーンに沿って半径方向に延在する複数の半径流ディフューザベ ーンを備え、前記タービンガイドベーンは、前記複数のタービンブレードと共に 共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方向高さはベーンに沿って半径方向 に延在する複数の半径流ベーンを備えることを特徴とするガスタービンエンジン 。 ４７．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、 前記圧縮機ディスクの半径方向外側に配置される環状燃料プレナムと、 前記燃料プレナムと、エンジン端壁上の内部エンジン空気流に沿って前記燃焼 器インレットの上流位置との間に連結される燃料噴射装置のアレイと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ４８．請求の範囲４７に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、 燃料タンクと、 前記ロータに結合されるモータと、 モータを始動するための補助動力源と、 制御エレクトロニクスと、 を備え、前記ガスタービンは、エンジンパッケージ内に収容され、前記圧縮機に 連結される空気インレットポート、前記タービンに連結される空気排気ポート、 前記燃料タンクに連結される燃料ポート、前記燃料タンクを前記燃料プレナムに 連結する燃料配管、制御エレクトロニクスおよび補助動力源に接続される電気ポ ート、および前記燃料タンクを他のエンジン区画から隔離する隔離壁を有するこ とを特徴とするガスタービンエンジン。 ４９．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ロータ、デ ィフューザ、燃焼チャンバ、およびタービンガイドベーン構成要素は、それぞれ 、すべての前記構成要素に共通の構造材料を含むことを特徴とするガスタービン エンジン。 ５０．請求の範囲４２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ロータ、デ ィフューザ、燃焼チャンバ、およびタービンガイドベーン構成要素は、それぞれ 、フォトリソグラフィによって形成される寸法を有するマイクロ製作構成要素を 含むことを特徴とするガスタービンエンジン。 ５１．ガスタービンエンジンであって、 遠心圧縮機を形成する半径流圧縮機ブレードを有する圧縮機ディスクと、 前記圧縮機ディスクと一致する面に配置され半径流タービンを形成する半径流 タービンブレードを有するタービンディスクと、 前記圧縮機から圧縮空気を受け取るために前記圧縮機ディスクの半径方向外側 配置される環状の半径方向外向き流れディフューザと、 前記ディフューザから圧縮空気を受け取るために前記ディフューザと通じる燃 焼器インレットと、前記タービンディスクの面にある排気ベントと、を備える燃 焼チャンバを有する燃焼器と、 前記タービンディスクの半径方向外側に配置され、燃焼排気を受け取り前記排 気を前記タービンディスクに向けるためのインレットを有する複数の半径流ター ビンガイドベーンと、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ５２．請求の範囲５１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ガスタービ ンエンジンは約１ｃｍ未満の厚さを有することを特徴とするガスタービンエンジ ン。 ５３．請求の範囲５１に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記デ ィフューザに隣接して配置され、間隔を置いて配置される燃料噴射装置の列によ って前記ディフューザに連結される燃料マニホルドを備えることを特徴とするガ スタービンエンジン。 ５４．請求の範囲５１に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、それぞ れ、対応する前部および後部燃焼チャンバ壁に隣接して配置され、前記ディフュ ーザ排気漏れ口と前記燃焼器インレットとの間に連結される前部および後部冷却 チャネルを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ５５．請求の範囲５１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ディフュー ザは、複数のディフューザベーンを備え、前記圧縮機ブレード、前記タービンブ レード、前記ディフューザベーン、ならびに半径流ブレードおよびベーンを有す る前記タービンガイドベーンは、共に共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の 軸方向高さは対応するブレードおよびベーンに沿って軸方向に延在することを特 徴とするガスタービンエンジン。 ５６．請求の範囲５１に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記圧 縮機ディスクによって形成されるモータロータと、前記圧縮機ディスクに対向す るエンジン端壁に配置される伝導領域によって形成され少なくとも二つの励起相 のステータ励起構成を定めるように接続されるステータ電極と、を有するモータ を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ５７．請求の範囲５１に記載のガスタービンエンジンにおいて、さらに、前記タ ービンディスクによって形成されるジェネレータロータと、前記タービンディス クに対向するエンジン端壁に配置される伝導領域によって形成され少なくとも一 つの励起相のステータ励起構成を定めるように接続されるステータ電極と、を有 するジェネレータを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。 ５８．燃焼式発電装置であって、 燃料用ロータリーポンプを形成するポンプブレードを有する第１ポンプと、 前記第１ポンプディスクと一致する面に配置され、酸化剤用ロータリーポンプ を形成する第２ポンプディスクと、 前記第１および第２ポンプディスクと一致する面に配置され、半径流タービン を形成するタービンブレードを有するタービンディスクと、 前記第１ポンプディスクの外側に半径方向に配置され、前記燃料ポンプから燃 料を受け取る第１環状半径方向外側流れディフューザと、 前記第２ポンプディスクの外側に半径方向に配置され、前記酸化剤ポンプから 酸化剤を受け取る第２環状半径方向外側流れディフューザと、 前記第１および第２ディフューザと連結さ燃料および酸化剤を受け取る燃焼器 インレットと、前記タービンディスクの面内の排気ベントと、を有する燃焼チャ ンバを備える燃焼器と、 前記タービンディスクの半径方向外側に配置され、燃焼排気を受け取り前記排 気を前記タービンディスクに向けるためのインレットを有する複数の半径流ター ビンガイドと、 前記タービンによって形成されるジェネレータロータと、前記タービンディス クに対向するジェネレータ端壁に配置される伝導性領域によって形成され、少な くとも一つの励起相のステータ励起構成を定めるように接続されるステータ電極 と、を備えるジェネレータと、 を備えることを特徴とする燃焼式発電装置。 ５９．燃焼式発電装置であって、 燃料用ロータリーポンプを形成するポンプブレードを有するポンプディスクと 、 前記ポンプディスクと一致する面に配置され、半径流タービンを形成するター ビンブレードを有するタービンディスクと、 前記ポンプディスクの半径方向外側に配置され、前記燃料ポンプから燃料を受 け取る環状半径方向外側流れディフューザと、 前記ディフューザと連結され燃料を受け取る燃焼器インレットと、前記タービ ンディスクの面内の排気口と、を有する燃焼チャンバを備える燃焼器と、 前記タービンディスクの半径方向外側に配置され、燃焼排気を受け取り前記排 気を前記タービンディスクに向けるためのインレットを有する複数の半径流ター ビンガイドと、 前記タービンによって形成されるジェネレータロータと、前記タービンディ スクに対向するジェネレータ端壁に配置される伝導性領域によって形成され、少 なくとも一つの励起相のステータ励起構成を定めるように接続されるステータ電 極と、を備えるジェネレータと、 を備えることを特徴とする燃焼式発電装置。 ６０．請求の範囲５９に記載の燃焼式発電装置において、前記発電装置は、約１ ｃｍ未満の厚さを有することを特徴とする燃焼式発電装置。 ６１．請求の範囲５９に記載の燃焼式発電装置において、前記ディフューザは、 複数のディフューザベーンを備え、前記燃料ポンプブレード、前記タービンブレ ード、前記ディフューザベーン、および半径流ブレードおよびベーンを有する前 記タービンガイドベーンは、共に共通の軸方向高さでありそれぞれの一定の軸方 向高さは対応するブレードおよびベーンに沿って軸方向に延在することを特徴と する燃焼式発電装置。 ６２．請求の範囲５９に記載の燃焼式発電装置において、さらに、 前記燃料ポンプによって形成されるモータロータと、前記燃料ポンプディスク に対向する端壁に配置される伝導性領域によって形成されるステータ電極と、を 備えることを特徴とする燃焼式発電装置。 ６３．請求の範囲５９に記載の燃焼式発電装置において、前記燃料ポンプ、ディ フューザ、燃焼チャンバ、タービンガイドベーン、およびタービン構成要素は、 それぞれ、すべての構成要素に共通の構造材料を含むことを特徴とする燃焼式発 電装置。 ６４．請求の範囲５９に記載のガスタービンエンジンにおいて、燃料ポンプ、デ ィフューザ、燃焼チャンバ、タービンガイドベーン、およびタービン構成要素は 、それぞれ、フォトリソグラフィによって生成される寸法を有するマイクロ製作 構成要素を含むことを特徴とするガスタービンエンジン。