JP2006523801A - 非可燃ガスを使用する内部爆発機関及び発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】新規でかつ改良された内部爆発機関及び発電機を提供する。
【解決手段】内部爆発機関及び発電機であって、爆発チャンバと、チャンバのひとつの壁面を形成する可動部材と、チャンバの内部に密封された非可燃充填ガスと、ガスを繰り返して爆発的に点火させる手段であって、最小容積位置から最大容積位置へと可動部材を駆動させるような上記点火手段と、最大容積位置から最小容積位置へと可動部材を復帰させる手段と、ガスの爆発に応答して電気エネルギーを提供すべく可動部材に結合された手段と、を備えている。ひとつの実施形態においては、可動部材はクランクシャフトに結合されたピストンであって、クランクシャフトは、クランクシャフト上のフライホイールによって最小容積位置から復帰する。別の実施形態においては、２つのピストンが背中合わせにされ、溶接密封ハウジングの中に配置され、爆発ガスの損失を防いでいる。電気エネルギーは、ひとつの実施形態では、クランクシャフトに結合された発電機によって発生し、別の実施形態では、ピストンと共に動く磁石の近くに配置されてなるコイルによって発生する。

Description

（関連出願）
本願は、２００３年４月１４日に出願された仮特許出願第６０／４６２，９９３号を基礎とする優先権を主張する。
本発明は、一般的には、エンジン及び発電機に関し、特に、非可燃ガスを用いるような内部爆発機関及び発電機に関する。

内部爆発機関は、概略的には、内燃機関の原理に類似しているが、内燃機関においては燃焼ガスが用いられるのに代えて、空気や、酸素、窒素、又は不活性ガスなどの非可燃ガスが用られる点において相違している。
運転前に、内部爆発機関を動作させるガスを機関の爆発チャンバに充填し、チャンバを密封する。運転中には、爆発チャンバの中にあるガスは、繰り返して、圧縮され、イオン化され、爆発的に膨張し、及び収縮して、ピストン又はロータ又はその他の可動な装置を動かし、運動エネルギーを機械的又は電気的なエネルギーに変換する。
いったん爆発チャンバ内にガスが充填されると、機関は、燃料を追加することなく、長時間にわたって運転可能である。内燃機関のように、運転の各サイクル毎に燃料を取り入れることは必要でなく、排気ガスを発生することもない。
従来技術による内部爆発機関の例は、米国特許第３，６７０，４９４号及び第４，４２８，１９３号に開示されている。

米国特許第３，６７０，４９４号 米国特許第４，４２８，１９３号

本発明の目的は、新規でかつ改良された内部爆発機関及び発電機を提供することである。
本発明の他の目的は、これまでに提案された機関及び発電機における制限や不都合を解消できるような、内部爆発機関及び発電機を提供することである。

上述の及びその他の目的を達成すべく、本発明によって提供される内部爆発機関及び発電機は、爆発チャンバと、チャンバのひとつの壁面を形成する可動部材と、チャンバの内部に密封された非可燃充填ガスと、チャンバ内のガスを繰り返して爆発的に点火させる手段であって、最小容積位置から最大容積位置へと可動部材を駆動させるような上記点火手段と、最大容積位置から最小容積位置へと可動部材を復帰させる手段と、ガスの爆発に応答して電気エネルギーを提供すべく可動部材に結合された手段と、を備えている。

ひとつの実施形態においては、可動部材はクランクシャフトに結合されたピストンであり、該ピストンは、クランクシャフト上に設けられたフライホイールによって最小容積位置へと復帰する。別の実施形態においては、２つのピストンが背中合わせにされ、溶接密封ハウジングの中に配置され、爆発ガスの損失を防いでいる。ひとつの実施形態では、電気エネルギーは、クランクシャフトに結合された発電機によって発生し、別の実施形態では、ピストンと共に動く磁石の近くに配置されてなるコイルによって発生する。

図１〜図３に示すように、機関１１は、シリンダ１３の中にピストン１２が備えられ、リング１４は、ピストンとシリンダ内壁との間にシールを提供している。シリンダの上端ないし外端は、端部プレートないしヘッド１６によって密封されていて、シリンダヘッドとピストンとの間に、爆発チャンバ１７が形成される。
シリンダヘッドには、爆発チャンバに充填ガスを導入するための入口ポート１８が形成されていて、ポートを介してのガスの流入は、バルブ組立体１９によって制御される。
ピストンは、連接棒２２を介してクランクシャフト２１に結合され、クランクシャフトは、釣合錘ないしフライホイール２３を備えている。運転時には、チャンバ内のガスの爆発によってピストンが下方へ押し下げられ、ピストンは、フライホイールに貯蔵されたエネルギーによって点火位置へと復帰する。シリンダ１３の下端はクランクケース・ハウジング２４によって閉じられている。

クランクシャフトは、連結器２８を介して、クランクケース・ハウジングの外部に配置された発電機２７のシャフト２６に結合される。詳しくは後述するが、発電機は、機関の始動に使用されるモータとしても駆動される。
図示の実施形態においては、バルブ組立体１９は、一方向チェックバルブになっていて、ガスの流入は許容するけれども、入口ポートを通って爆発チャンバからガスが流出することは許容しない。図７は、バルブ組立体を詳しく示していて、本体ないしブッシング３１は、軸線ボアないし通路３２を備えている。バルブ本体の内側端部は、ポートに螺入され、バルブ本体における拡大した外側端部には、キャップ３３が螺着される。キャップは通路３４を備え、該通路と通路３２との間における連通状態は、ボール３６によって制御され、ボールは、キャップの内側に設けられた座部３７に受け入れられている。ボールは、バネ３８により、座部に当接する閉じた状態へと付勢されていて、該バネは、ボールと、バルブ本体の内側端部に設けられた肩部３９との間に拘束されている。ガスケット４１は、バルブ本体の外側部分とヘッドとの間にシールを提供する。

ヘッドには、チャンバ内のガスに点火するための電極が取り付けられている。高周波電極４３は、チャンバの軸線上に配置され、ガスをイオン化してプラズマを生成すべく、高周波発電機４４に接続されている。電極４３のまわりには、間隔を隔てて電極４６〜４９が配置され、電極４６はスパークコイル５１の二次巻線５０に接続され、電極４７〜４９はコンデンサ５２に接続されている。ピストンの表面には、電極４３に対して整列させて、接点ピン５３が突設されている。

ピストン１２と端部プレートないしヘッド１６とは、４１６等級のステンレス鋼など強磁性材料から製造されていて、シリンダ１３は、３０３等級のステンレス鋼など非磁性材料から製造されている。シリンダにおける外側部分のまわりにはコイル５４が配設され、該コイルは、ピストンと磁気的に結合されて、リラクタンス発電機を構成している。
ピストンが、いつ、上死点（ＴＤＣ）すなわち最小容積位置にあるのかを検出するための手段が設けられている。この手段は、クランクシャフト２１における釣合錘ないしフライホイール部分２３に取り付けられてなる磁石５６と、クランクケース内の静止位置に取り付けられ、磁石がスイッチに近づくと磁石によって動作するような、ホール・スイッチ５７とから構成されている。

発電機２７を、機関を始動させるモータとして動作させる電力は、電池５９から供給されるが、この電池は、図示の実施形態においては、発電機の制御装置６１のハウジング中に収容されている。電池は、常時開（ノーマルオープン）である始動スイッチ６２を介してモータに接続されている。
また、電池は、ＲＦ発電機４４と併せて、電極４６〜４９にも電力を供給し、これらの電極は、印加される電圧をリレー６３によって制御され、チャンバ内のガスを点火させる。ＲＦ発電機への電力供給は、開閉スイッチ６４によって制御され、リレーコイル６５への励磁は、開閉スイッチと、開閉スイッチとリレーコイルとの間に接続されてなるホール・スイッチ５７とによって制御される。

リレーにおいて、第１組の接点６６は、コンデンサ５２を、電源又は電極４７〜４９に選択的に接続し、第２組の接点６７は、スパークコイル５１の一次巻線６８を電源に接続させる。
電池は、リラクタンス発電機がコイル５４に発生させる電流を用いて充電される。かかるコイルは、電力整流器６９の入力側に接続され、整流器の出力側は電池に接続されている。
運転前には、チェックバルブ１９及び入口ポート１８を介して、爆発チャンバの中に充填空気を導入する。機関を始動させるには、開閉スイッチ６４を閉じて、ＲＦ発電機４４とスパークコイル５１の一次巻線とに電流を供給し、コンデンサ５２に充電電流を与えてから、起動スイッチ６２を閉じて、発電機２７を始動モータとして動作させる。チャンバ内のガスは、電極４３に加えられるＲＦ電力によってイオン化され、プラズマを発生させる。

ピストンが上方向へストロークすると、空気は圧縮されて加熱され、上死点にかけて、電極４３に加えられるＲＦ電力によって空気はイオン化して、プラズマを発生させる。ピストンが上死点又はその付近に来ると、ホール・スイッチ５７が閉じて、リレーコイル６５を励磁する。リレーコイルが励磁されると、コンデンサ５２に蓄積されてきた電荷は、接点６６を介して電極４７〜４９へと流れ、また、接点６７が開いて、スパークコイル５１に流れる電流を中断させて、もって、スパーク電極４６と、ピストンに設けた接点ピン５３との間に高圧放電を発生させる。
電極４６からのスパークと、電極４７〜４９からイオン化した空気に流れる電流とによって、空気は点火して爆発し、紫外線光やオゾン及び発熱を伴い、稲妻状の圧力波を生成させる。かかる圧力波は、ピストンを下方向へと押し下げて、クランクシャフト２１及び発電機２７を回転させ、フライホイールに機械エネルギーを蓄え、発電機から電気エネルギーを発生させる。

ピストンが、最大容積位置つまり下死点（ＢＤＣ）に達した後には、フライホイールに蓄えられていた機械エネルギーによって、クランクシャフトは回転を続け、これにより、ピストンを上死点へ向けて戻すべく駆動する。
同一の充填空気が、長時間にわたって繰り返して点火され、ピストンリングを抜けていくらかの空気が失なわれると、かかる損失は、チェックバルブを通ってチャンバへ流入する空気によって自動的に補充される。従って、ピストンが下方向へストロークしたとき、チャンバ内の圧力がバネ３８によって設定されているレベルを下回るならば、ボール３６が座部から離れて、空気は、入口ポートを介してチャンバに流入できるようになる。上方向へのストローク中には、チャンバ内の圧力が、ボールをしっかりと座部に対して密着させて、チャンバ内の空気を密封する。

図５の実施形態は、遊動ピストン式の機関７１を示していて、シリンダ７４の両側には対をなす爆発チャンバ７２及び７３が備えられる。この機関は、クランクシャフトを有していないという点において、図１の実施形態とは異なっている。しかしながら、電力発生機構は同じであるから、２つの実施形態において対応する要素には同一の符号を付している。シリンダにおける外側端部は、端部プレートないしヘッド１６によって閉じられていて、２つのチャンバの容積は、逆位相的ないし相補的に変化して、双頭式のピストン組立体７６はシリンダ内において前後に駆動される。

ピストン組立体は、一対のピストン１２がスリーブ７７によって背中合わせにされて結合されることで構成されていて、リング１４は、ピストンとシリンダとの間にシールを提供する。ピストンは中央に接点ピン５３を有し、各爆発チャンバは、入口ポート１８と、ガスをイオン化及び点火させるための電極４３、及び電極４６〜４９を備えている。
図１の実施形態と同様に、ピストン１２と端部プレート１６とは強磁性材料から作られ、シリンダ７４については、非磁性ステンレス鋼やニッケルメッキアルミニウムなどの非磁性材料から作られる。スリーブ７７は、アルミニウムなどの非磁性材料から作られる。シリンダにおける外側部分のまわりにはコイル５４が配設され、該コイルは、ピストンと磁気的に結合されて、リラクタンス発電機を構成している。

スリーブ７７は磁石５６を支持していて、この磁石は、シリンダの外側に取り付けられたホール・スイッチ５７を動作させて、ホール・スイッチは、ピストンが、いつ、上死点（ＴＤＣ）の位置に又はその付近にあるのかを決定する。スリーブ７７は接地接点７８を支持していて、該接点がシリンダ壁に対して摺動接触することによって、ピストン及び接点ピン５３を接地電位に保っている。

また、ピストン組立体は、スリーブ７７によってピストンの中間に支持されてなる、比較的大型である永久磁石８１を備えている。強磁性であるコア構造８２は、磁石８１と、シリンダの外側に配置された固定子コイル８３及び８４との間に磁束結合を提供する。
コア構造は、一対の略Ｃ字形であるコア８６及び８７を備え、これらのそれぞれは、シリンダ７４の上下面に対して当接される比較的短い内側アーム８６ａ及び８７ａと、シリンダから横方向に間隔を隔ててなる外側アーム８６ｂ及び８７ｂとを対にすることで構成されている。シリンダに対して当接する内側アームの端部は、シリンダの外壁の凸である曲率半径に合致するような、凹である曲率半径を有していて、コアにおける外側アームにはコイル８３及び８４が巻装されている。コアは２つの部分から形成されていて、外側アームに設けられた分割面８８によって組立作業が容易になっている。

シリンダ壁には、薄鋼層８９が埋設されていて、コアの短いアームに接触し、磁気回路を完成させるようになっている。薄層は、シリンダ壁に溶接密封されていて、好ましい実施形態においては、該層は厚みが０．００５インチである珪素鋼の層を積み重ねたもので、厚みが０．００１インチ未満であるニッケルメッキ層によって密封されている。
固定子コイルは、機関を始動させるときにはモータの巻線として、また、機関の始動後には、発電機の巻線として利用されるが、発電機の場合には、シリンダの内部にてピストン組立体が前後に振動することで、電流が発生する。

シリンダは溶接密封されているので、ガスは、ピストンのリングを漏れ抜たとしても、機関の内部から外部へは出ないという点については、図１の実施形態において、そうしたガスが外部環境に失なわれていた点と相違している。
図５の実施形態において用いるのに適した気体には、空気に加え、不活性ガス、酸素、及びこれらの混合ガスなどが含まれる。
機関の内部にガスが溶接密封されているので、機関が密封されていない場合に比べると、ガスの補充を行う必要はさほど頻繁になく、従って、必要に応じ、入口ポート１８は、図７のバルブ組立体１９を用いるのに代えて、図８のプラグ組立体を用いて閉じても良い。変形例としては、図１の実施形態と同様に、バルブ組立体１９を介して入口ポートをガス供給源に結合し、自動的にチャンバにガスが補充されるようにしても良い。
プラグ組立体９１は、本体ないしブッシング９２の内部が中空９３になっていて、該中空部分には、ゴム製のインサート９４が充填されている。バルブ本体の内側端部は、ポートに螺入され、バルブ本体における拡大した外側端部には、キャップ９６が螺着されて、インサートをプラグ内に保持する。ガスケット９７は、プラグ本体の拡大部分と端部プレートないしヘッド１６との間にシールを提供する。

図５に示した実施形態の運転及び使用方法は、図１の実施形態について上述したやり方と同様である。まず、入口ポートを介して、爆発チャンバの中に爆発ガスを導入し、固定子巻線８３及び８４を励磁して、磁石８１及びピストン組立体における残余の部分を、シリンダ内にて前後に駆動させる。ピストンのひとつが、その上死点位置に近づくと、爆発チャンバ内のガスは、圧縮され、次に、イオン化され、点火し、爆発し、ピストン組立体はシリンダの他端側へ向けて押し戻される。
ピストン組立体に支持された磁石が、コア構造のギャップ内部を前後に動くと、交互に反転する磁束が生じて、これに結合されたコイル８３及び８４は、その発電機巻線に、出力電流を発生させる。

本発明は、多数の重要な特徴及び利点を有している。本発明によれば、空気や不活性ガス、及びその他の非可燃ガスを爆発燃料混合気として用いて、これを急速に何回も膨張及び収縮させて、運動エネルギーを電気的及び／又は機械的なエネルギーに変換することが可能である。機関は、１又は複数の爆発チャンバを有することができ、容積を変化させる可動な壁をピストンで形成する。
作動ガスを予めチャンバに充填し、入口ポートを密封すれば、機関は同じ充填ガスで長時間にわたって運転され、また、チャンバにガスを追加せず、例えば３０〜６０サイクル／秒を越える様々な周期にて、爆発膨張と収縮とを繰り返す。
ひとつの開示された実施形態においては、ガス漏れによる損失を防ぐべく、溶接密封された囲みによって機関を取り囲んでいた。別の実施形態においては、入口ポートにチェックバルブを設けて、チャンバ内のガス圧力が所定レベルよりも低下したとき、自動的にチャンバにガスを補充している。溶接密封を施すことは、例えば宇宙空間や海中など補充ガスの入手が容易ではない環境において機関を運転する場合に、特に重要であり望ましい。
本発明は、広範囲のデザインの自由度をもち、容量的には２〜３ｋＷから数メガワットに至るような、小型電源を提供することができ、広範囲の用途に利用可能である。

以上の説明によれば、新規で改良された内部爆発機関及び発電機が提供されたことは明らかである。ある種の特定の好ましい実施形態について詳細に説明したけれども、当業者には明らかであるように、特許請求の範囲に定められた範囲から逸脱せずに、変更及び改変を行うことは可能である。

図１は、本発明のひとつの実施形態による、内部爆発機関及び発電機を示した平面図である。 図２は、図１の線２−２に沿っての横断面図である。 図３は、図２の線３−３に沿っての横断面図である。 図４は、図１の実施形態についての電気回路図である。 図５は、本発明の別の実施形態による、内部爆発機関及び発電機を示した中心横断面図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ図５の線６Ａ−６Ａ、及び線６Ｂ−６Ｂに沿っての横断面図である。 図７は、図１及び図５の実施形態において、ガス充填ポートに使用されるバルブ組立体を示した拡大断面図である。 図８は、図１及び図５の実施形態において、ガス充填ポートに使用されるプラグ組立体を示した拡大断面図である。

Claims (27)

1. 内部爆発機関及び発電機であって、爆発チャンバと、チャンバのひとつの壁面を形成する可動部材と、チャンバの内部に密封された充填空気と、チャンバ内の空気を繰り返して爆発的に点火させる手段であって、最小容積位置から最大容積位置へと可動部材を駆動させるような上記点火手段と、最大容積位置から最小容積位置へと可動部材を復帰させる手段と、空気の爆発に応答して電気エネルギーを提供すべく可動部材に結合された手段と、を備えていることを特徴とする機関及び発電機。
2. 可動部材はピストンであることを特徴とする請求項１に記載の機関及び発電機。
3. 可動部材を最小容積位置へと復帰させる手段は、ピストンに結合されたクランクシャフト上に設けられたフライホイールであることを特徴とする請求項２に記載の機関及び発電機。
4. 電気エネルギーを提供する手段は、クランクシャフトに結合された発電機であることを特徴とする請求項３に記載の機関及び発電機。
5. 可動部材を最小容積位置へと復帰させる手段は、第１の部材に結合された可動部材を備えてなる第２の爆発チャンバと、第２のチャンバの内部に密封された充填空気と、第２のチャンバ内の空気を爆発的に点火させる手段と、ことを特徴とする請求項１に記載の機関及び発電機。
6. 爆発チャンバを取り囲むような溶接密封ハウジングを含み、チャンバからの空気の損失を防ぐことを特徴とする請求項１に記載の機関及び発電機。
7. 可動部材は、強磁性材料から作られていて、電気エネルギーを提供する手段は、可動部材に磁力的に結合されてなるコイルを備えていることを特徴とする請求項１に記載の機関及び発電機。
8. 空気に点火する手段は、チャンバにＲＦエネルギーを与えて空気をイオン化してプラズマを発生させる手段と、プラズマに点火する手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の機関及び発電機。
9. イオン化した空気を加熱すべく、チャンバ内に電極を備えていることを特徴とする請求項８に記載の機関及び発電機。
10. チャンバ内に空気を補充すべく、チャンバに連通してなるバルブを備えていることを特徴とする請求項１に記載の機関及び発電機。
11. バルブは、チャンバ内の圧力が所定レベルよりも低下したとき、追加的な空気がチャンバ内に流入することを許容するようなチェックバルブであることを特徴とする請求項１０に記載の機関及び発電機。
12. 内部爆発機関及び発電機であって、シリンダと、容積が可変である爆発チャンバを形成すべく、シリンダ内において可動になっているピストンと、チャンバの内部に密封された非可燃充填ガスと、チャンバ内の非可燃ガスを周期的かつ爆発的に点火させて、最小容積位置と最大容積位置との間にてピストンを駆動させる手段と、ピストンによって駆動されるクランクシャフトと、ピストンの動きに応答して電気エネルギーを提供すべくクランクシャフトに結合された発電機と、を備えていることを特徴とする機関及び発電機。
13. 空気、不活性ガス、及びこれらの組み合わせからなるグループから非可燃ガスが選択されていることを特徴とする請求項１２に記載の機関及び発電機。
14. クランクシャフト上に設けられたフライホイールを備えていることを特徴とする請求項１２に記載の機関及び発電機。
15. 非可燃ガスに点火する手段は、チャンバにＲＦエネルギーを与えてガスをイオン化してプラズマを発生させる手段と、プラズマに点火する手段とを備えていることを特徴とする請求項１２に記載の機関及び発電機。
16. ピストンが最小容積位置または該位置付近にあるときにスパークを送るべく、ピストンの位置に応答し、磁気的に動作するスイッチを備えていることを特徴とする請求項１５に記載の機関及び発電機。
17. チャンバ内にガスを補充すべく、チャンバに連通してなるバルブを備えていることを特徴とする請求項１２に記載の機関及び発電機。
18. バルブは、チャンバ内の圧力が所定レベルよりも低下したとき、追加的なガスがチャンバ内に流入することを許容するようなチェックバルブであることを特徴とする請求項１７に記載の機関及び発電機。
19. ピストンは、強磁性材料から作られていて、シリンダの外側に配置されたコイルに対して磁力的に結合されていることを特徴とする請求項１２に記載の機関及び発電機。
20. ピストンを動かして機関を起動させるべく、発電機をモータとして励磁させる手段を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の機関及び発電機。
21. 内部爆発機関及び発電機であって、シリンダと、容積が可変である一対の爆発チャンバを形成すべく、シリンダ内において協調して動くように互いに結合されている一対のピストンと、各チャンバの内部に密封された非可燃充填ガスと、２つのチャンバ内の非可燃ガスを交互にかつ爆発的に点火させて、最小容積位置と最大容積位置との間にてピストンを駆動させる手段と、ピストンと共に動くべくピストンに結合された磁石と、ピストンの動きに応答して電気エネルギーを発生させるべく磁石付近のシリンダ外側に配置されてなるコイルと、を備えていることを特徴とする機関及び発電機。
22. 空気、不活性ガス、及びこれらの組み合わせからなるグループから非可燃ガスが選択されていることを特徴とする請求項２１に記載の機関及び発電機。
23. 各チャンバの中のガスに点火する手段は、チャンバにＲＦエネルギーを与えてガスをイオン化してプラズマを発生させる手段と、プラズマに点火する手段とを備えていることを特徴とする請求項２１に記載の機関及び発電機。
24. ピストンが最小容積位置または該位置付近にあるときにプラズマに点火すべく、ピストンの位置に応答するスイッチを備えていることを特徴とする請求項２３に記載の機関及び発電機。
25. イオン化したガスを加熱すべく、チャンバ内に電極を備えていることを特徴とする請求項２３に記載の機関及び発電機。
26. チャンバ内にガスを補充すべく、チャンバに連通してなるバルブを備えていることを特徴とする請求項２１に記載の機関及び発電機。
27. バルブは、チャンバ内の圧力が所定レベルよりも低下したとき、追加的なガスがチャンバ内に流入することを許容するようなチェックバルブであることを特徴とする請求項２６に記載の機関及び発電機。

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