JP2022511889A - 点火装置及び原動機製品 - Google Patents

Abstract

燃焼機関の燃焼室内において点火を引き起こすことができる点火装置は、以下の特徴を有する。点火装置は、点火装置が燃焼機関に取り付けられると燃焼室に露出される先端部分を有する電極を備える。電極は、マイクロ波励起信号が電極に印加されるとマイクロ波場を燃焼室内に放射することができるマイクロ波共振構造体（１０６、１１９、１２０）の一部分を形成する。巻線が、電極に電気的に結合される。巻線及び電極は、高周波励起信号が巻線に印加されると高周波場を燃焼室内に放射することができる高周波共振器（１０１、１２０、１３５）の一部分を形成する。点火装置内のマイクロ波信号路（１２７、１２８）は、マイクロ波励起信号を点火装置の信号入力コネクタから電極に伝送することができる。マイクロ波信号路（１２７、１２８）は、誘導部と、誘導部から電極へ容量結合を提供するように適合された容量結合構造体（１２４、１２８、１３２）とを備える。【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、燃焼機関の燃焼室内において点火を引き起こし得る点火装置に関するものである。点火装置は、従来の点火プラグと同様の外形を有するものであってよい。点火装置は、よって、燃焼機関内に、この装置が従来の点火プラグであるかのように取り付けることができる。点火装置はまた、例えば、タービンエンジンに適用してもよい。本発明の別の態様は、点火装置が取り付けられた燃焼機関を備える原動機製品に関するものである。

国際公開第ＷＯ２０１６／０１２４４８号は、以下のように燃焼機関の燃焼室内において点火を引き起こす点火装置を開示している。点火装置は、プラズマを生成する高周波場を燃焼室内へ放射する高周波共振器を備える。点火装置は、さらに、プラズマを増強するマイクロ波場を燃焼室内へ放射するマイクロ波共振器を備える。一実施形態において、マイクロ波共振器は、点火装置が燃焼機関に取り付けられると燃焼室が露出される出力面を有する。高周波共振器は、マイクロ波共振器に少なくとも部分的に埋め込まれた電極を備え得る。電極は、マイクロ波共振器が先端と出力面との間にバリアを提供するように、出力面から間隔をおいて配置された先端を具え得る。

国際公開第ＷＯ２０１６／０１２４４８号

高周波及びマイクロ波エネルギーを用いて燃焼室内においてプラズマを生成し増大させることにおいてさらに効率を上げることを可能にする、改善された解決策への要請がある。

請求項１に記載の本発明の一態様によれば、燃焼機関の燃焼室内に点火を生成するように適合された点火装置であって、当該点火装置は、
点火装置が燃焼機関に取り付けられると燃焼室に露出されるように適合された先端部分を有する電極であって、当該電極は、マイクロ波励起信号が電極に印加されると、マイクロ波場を燃焼室内に放射するように適合されたマイクロ波共振構造体の一部を形成する電極と、
電極に電気的に結合された巻線であって、それにより、巻線及び電極が、高周波励起信号が巻線に印加されると、高周波場を燃焼室内に放射するように適合された高周波共振器の一部を形成する巻線と、
マイクロ波励起信号を、点火装置において信号入力コネクタから電極へ伝送するように適合されたマイクロ波信号路であって、誘導部と、誘導部から電極へ容量結合を提供するように適合された容量結合構造体とを備えるマイクロ波信号路と、を備える点火装置が提供される。

このような点火装置において、誘導部とマイクロ波信号路の容量結合構造体とによって、マイクロ波エネルギーを電極へ、よって、マイクロ波共振構造体へ効率的に伝送することが可能となる。すなわち、マイクロ波信号路は、マイクロ波信号コネクタに印加されるマイクロ波励起信号を、比較的少ない損失でマイクロ波共振構造体へ伝送することができる。

請求項１５に記載の本発明のさらなる態様によれば、点火装置が取り付けられた燃焼機関を備える原動機製品が提供される。

図示目的で、本発明のいくつかの実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。この説明において、追加の特徴を提示し、すると、利点が明らかとなるだろう。

図１は、点火装置の第１の実施形態の断面図である。 図２は、点火装置の第２の実施形態の断面図である。 図３は、点火装置の第２の実施形態の絶縁部材の断面図であって、形状値を示したものである。 図４は、点火装置の前面部分の第１の実施形態の簡略化した断面図である。 図５は、点火装置の前面部分の第２の実施形態の簡略化した断面図である。 図６は、点火装置の前面部分の第３の実施形態の簡略化した断面図である。 図７は、点火装置の第３の実施形態の断面図である。 図８は、点火装置が取り付けられた燃焼機関を備える原動機製品のブロック図である。

図１は、点火装置１００の第１の実施形態の概略を図示するものであり、便宜上、以後、第１の点火装置１００として言及していく。図１は、第１の点火装置１００の断面図を提供する。第１の点火装置１００は、例えば、燃焼機関内に取り付けられるように、この装置が従来の点火プラグのように適合させることができる。第１の点火装置１００はまた、例えば、タービンエンジンに適用してもよい。

第１の点火装置１００は、ハウジング１０１を備え、当該ハウジング１０１は、少なくとも部分的に、例えば、金属等の導電性材料からなり得る。例えば、鋼鉄が、適切な金属である。ハウジング１０１は、円筒管１０２と、２つの端プラグ１０３、１０４、入力端プラグ１０３及び出力端プラグ１０４とを、備える。入力端プラグ１０３は、シェルボディ１０５を備え、当該シェルボディ１０５は、以後入力プラグシェルボディ１０５として言及していく。出力端プラグ１０４はまた、シェルボディ１０６を備え、当該シェルボディ１０６は、以後、出力プラグシェルボディ１０６として言及していく。

円筒管１０２は、銀（Ａｇ）めっきした内面を有する鋼鉄管の形態にしてよい。円筒管１０２は、内径を有し、当該内径は、例えば、１５ｍｍと２１ｍｍとの間の範囲内とし得る。端プラグ１０３、１０４の２つの上述のシェルボディ１０５、１０６もまた、鋼鉄からなっていてもよい。入力プラグシェルボディ１０５は、例えば、レーザー溶接によって、円筒管１０２に取り付けてよい。出力プラグシェルボディ１０６はまた、円筒管１０２にこのように取り付けてよい。

入力プラグシェルボディ１０５は、六角形の周縁を有する部分１０７を備える。レンチを、この部分１０７と係合させて、第１の点火装置１００を、燃焼機関内においてねじ溝が切られた開口部へねじ込むことができる。出力プラグシェルボディ１０６は、ねじ溝が切られた周縁を有する部分１０８を備え、当該ねじ溝が切られた周縁が、燃焼機関においてねじ溝が切られた開口部と係合し得る。出力プラグシェルボディ１０６のこの部分１０８は、例えば、以下のねじサイズ、Ｍ１２、Ｍ１４及びＭ１８の一つにしてよく、当該ねじのサイズは、従来の点火プラグに用いられているものである。第１の点火装置１００はまた、よって、従来の点火プラグと置き換えることができる。

第１の点火装置１００は、２つの信号コネクタ、すなわち、マイクロ波信号コネクタ１０９及び高周波信号コネクタ１１０を備える。マイクロ波信号コネクタ１０９は、入力端プラグ１０３に組み込まれる。高周波信号コネクタ１１０は、ハウジング１０１の円筒管１０２に装着される。マイクロ波信号コネクタ１０９は、例えば、Ｎ型又はＨＮ型としてよい。高周波信号コネクタ１１０は、例えば、ＳＭＡ型としてよい。第１の点火装置１００のハウジング１０１は、シグナルグラウンドを構成し得る。

さらに詳細には、マイクロ波信号コネクタ１０９は、入力プラグシェルボディ１０５の中央孔１１１により形成される。入力プラグシェルボディ１０５は、この中央孔１１１を一部分が延びる、螺旋状にねじ溝が切られた部分１１２を有する。螺旋状にねじ溝が切られた部分１１２は、シグナルグラウンドコネクタを構成する。円筒形の絶縁体１１３が、中央孔１１１に取り付けられる。円筒形の絶縁体１１３は、コア導体１１４が取り付けられる中央孔を備える。コア導体１１４の端部１１５が、円筒形の絶縁体１１３から外方に突出している。この外方に突出する端部１１５は、マイクロ波信号コネクタ１０９の信号結合端を構成する。

高周波信号コネクタ１１０は、ハウジング１０１の円筒管１０２に装着される支持部１１６を備える。支持部１１６は、シグナルグラウンドを構成し得る。支持部は、円筒形の絶縁体が取り付けられる孔を備える。マイクロ波信号コネクタ１０９におけるのと同様に、円筒形の絶縁体は、導電性ピン１１７が取り付けられる中央孔を備える。導電性ピン１１７の端部が、円筒形の絶縁体から外方に突出している。この外方に突出する端部は、高周波信号コネクタ１１０の信号結合端を構成する。

出力プラグシェルボディ１０６は、絶縁部材１１９が取り付けられる中央孔１１８を備える。絶縁部材１１９は、中央孔１１８に、絶縁部材１１９と出力端プラグ１０４との間のエアギャップを回避するように、隙間なく取り付けられることが好ましい。絶縁部材１１９は、例えば、窒化アルミニウム、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ（登録商標））又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の、セラミック材料製であってよい。その代わりに、絶縁部材１１９は、石英ガラスを備えてもよく、当該石英ガラスは、誘電損失が比較的低い。

出力端プラグ１０４において、電極１２０が、絶縁部材１１９の中央孔１２１に取り付けられる。電極１２０はまた、例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）型合金等の導電性材料からなるものでもよく、Ｉｎｃｏｎｅｌは、Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの商標である。Ｉｎｃｏｎｅｌ６００は、適切な選択となり得る。別の例として、ニッケル又はＫｏｖａｒ（登録商標）もまた、適切な選択となり得、Ｋｏｖａｒは、Ｃａｒｐｅｎｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐ．（ＵＳ）の系列会社であるＣＲＳ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ， Ｉｎｃ．の登録商標である。このような材料の任意のものが、マイクロ波周波数において良好な導電性のために銅めっき又は銀めっきされ得る。電極１２０は、熱により誘発され熱膨張計数の差により生じる機械的ストレスを減少させるように、少なくとも部分的に、中空にすることができる。

電極１２０は、主要部分１２２、先端部分１２３及びキャップ状部分１２４を有する。主要部分１２２及び先端部分１２３は、絶縁部材１１９に埋め込まれている。電極１２０の先端部分１２３は、点火装置１００が燃焼機関に取り付けられると、燃焼室に露出し得る。絶縁部材１１９の先端部分１２５もまた、燃焼室に露出するようにしてよい。キャップ状部分１２４は、絶縁部材１１９から内側へ、円筒管１０２内へ突出する。キャップ状部分１２４は、図１に図示するように、電極１２０の主要部分１２２に向かって湾曲する凸面を有する。キャップ状部分１２４は、例えば、半球状であってよい。

電極１２０の主要部分１２２は、例えば、１．５ｍｍと３．５ｍｍとの間の範囲に含まれ得る直径を有する。電極１２０の先端部分１２３の直径は、図１に図示するように、小さくなるようにすることができる。先端部分１２３は、例えば、０．３ｍｍと１．０ｍｍとの間に含まれる直径とし得る。電極１２０の主要部分１２２及び先端部分１２３は、例えば、圧入により絶縁部材１１９に埋め込むことができる。電極１２０のこれらの部分と絶縁部材１１９との間に、インターフェースを存在させてもよい。このインターフェースは、例えば、接着剤、ガラス、又は、例えば鑞付けにより得られる金属結合を含み得る。

電極１２０、絶縁部材１１９及び出力プラグシェルボディ１０６は、ともにマイクロ波共振構造体を形成する。マイクロ波共振構造体は、例えば、１ＧＨｚと１０ＧＨｚとの間の範囲に含まれ得る一次共振周波数を有する。さらに詳細には、一次共振周波数は、例えば、２．４５ＧＨｚであってよく、これは、電子レンジの典型的な作動周波数である。

マイクロ波共振構造体は、例えば、２０Ωと４０Ωとの間の範囲内に含まれ得る一次共振周波数におけるインピーダンスを持ち得る。インピーダンスは、絶縁部材１１９を形成する材料又は一組の材料の相対的比誘電率により、実質的に決定される。例えば、プラスチック材料の相対的比誘電率は、およそ２であり、一方、窒化ケイ素の相対的比誘電率は、およそ７．５であり、窒化ホウ素（ＢＮ）の相対的比誘電率は、およそ４であり、窒化アルミニウムの相対的比誘電率は、およそ８．５である。

考慮してよいマイクロ波共振構造体の別の特徴は、特に、例えば、およそ２．４５ＧＨｚの場合がある一次共振周波数における伝送損失に関する。伝送損失は、√（ｔａｎδ）．εｒに比例するものとして概算可能であって、当該式において、ｔａｎδは、絶縁部材１１９の誘電正接であるか、又はそれが形成される材料の誘電正接であり、εｒは、相対的比誘電率である。この概算によって、材料を迅速に比較可能となる。望ましい順に、絶縁部材１１９の材料は、融解石英、シリカ、ポリエチレン（ＰＥ）、ＰＴＦＥ、ＢＮ、サファイア及び酸化ベリリウム（ＢｅＯ）を含み得る。しかしながら、材料の選択について、他の特徴、例えば、最大作動温度及び熱伝導性も考慮してよい。

絶縁部材１１９は、（２Ｎ＋１）／４λとして示し得る長さにしてよく、当該式において、λは、絶縁部材１１９の一次共振周波数と一致する波長を表し、Ｎは、整数を表す。絶縁部材１１９の長さは、よって、例えば、３／４λとなり得る。

絶縁部材１１９の先端部分１２５は、先端部分１２５をマイクロ波レンズのように機能させる特定の形状を具え得る。先端部分１２５は、そこで、マイクロ波共振器から外側に放射されるマイクロ波場を束ねることになる。この実施形態では、先端部分１２５は、環状溝１２６を有し、当該溝は、このようなマイクロ波場が束ねられる作用を提供するものである。

第１の点火装置１００のマイクロ波信号路によって、マイクロ波励起信号が、マイクロ波信号コネクタ１０９から電極１２０へ、それにより、上述のマイクロ波共振構造体へ伝送され得る。この実施形態では、マイクロ波信号路は、同軸伝送線路１２７と、誘電性材料からなる同軸シリンダ１２８とを含む。誘電材料からなる同軸シリンダ１２８は、電極１２０のキャップ状部分１２４の中央孔１２９に取り付けられる。同軸伝送線路１２７は、例えば、半剛性の同軸ケーブルの形態であってよい。半剛性の同軸ケーブルは、例えば、ＲＧ４０１型であってよい。誘電性材料からなる同軸シリンダ１２８は、例えば、ＰＴＦＥプラスチック又は、例えば、Ｔｏｋｕｙａｍａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（日本国）の登録商標である「Ｓｈａｐａｌ（登録商標）」という名称で市販されている材料等、窒化アルミニウムセラミック材料を含み得る。他のセラミック材料もまた、使用してよく、さらに良好な性能を提供することさえできる。

さらに詳細には、同軸伝送線路１２７は、マイクロ波信号コネクタ１０９から、誘電性材料からなる同軸シリンダ１２８のいくらか前のポイント１３０へ延びる。同軸伝送線路１２７は、コア導体１３１を有し、当該コア導体は、上述のマイクロ波信号コネクタ１０９のコア導体１１４と一致し得る。コア導体１３１は、同軸伝送線路１２７が誘電性材料からなる同軸シリンダ１２８の中央孔内で終わるポイント１３０から突出する。コア導体１３１のこの突出部１３２は、マイクロ波信号路の誘導部を構成する。突出部１３２、誘電性材料からなる同軸シリンダ１２８及び、中央孔を有する電極１２０のキャップ状部分１２４が、ともにマイクロ波信号路において容量結合構造体を構成する。

誘導部と、マイクロ波信号路の容量結合構造体とによって、マイクロ波エネルギーを、電極１２０へ、よって、マイクロ波共振構造体へ効率的に伝送することが、可能となる。すなわち、マイクロ波信号路は、マイクロ波信号コネクタ１０９へ印加されるマイクロ波励起信号を、比較的少ない損失でマイクロ波共振構造体へ伝送することができる。この実施形態では、マイクロ波エネルギーは、同軸伝送線路１２７が終わるポイント１３０から、誘電性材料からなる同軸シリンダ１２８を通って、電極１２０のキャップ状部分へ、よって、マイクロ波共振構造体へと容量結合される。

コロナ放電の形成を防止するために、最小限のクリアランスが、コア導体１１４の突出部分１３２と、誘電性材料からなる同軸シリンダ１２８の中央孔との間に、望まれる。同じ理由のため、最小限のクリアランスもまた、誘電性材料からなる同軸シリンダ１２８と、電極１２０のキャップ状部分１２４の中央孔１２９との間に、望まれる。どんなギャップも、例えば、接着する又は誘電体グリースを用いてギャップを充填することにより、取り除くことができる。

第１の点火装置１００の実験的な実施において、同軸伝送線路１２７は、ＲＧ４０１同軸ケーブルの形態であり、コア導体１３１と、ＰＴＦＥ絶縁体１３３を覆う導電性シールド１３４との間にＰＴＦＥ絶縁体１３３を備える。実験的な実施において、マイクロ波励起信号は、ＲＧ４０１同軸ケーブルにおいてλ_ＰＴＦＥ≒８１ｍｍの波長を有する。

以下の特徴を用いて有利な結果が得られた。ＲＧ４０１同軸ケーブルの導電性シールド１３４は、およそ３λ_{ＰＴＦＥ／}２の長さを有していた。ＲＧ４０１同軸ケーブルの導電性シールド１３４の長さは、マイクロ波エネルギーの効率的な伝送に対して重要であると分かった。ＰＴＦＥ絶縁体１３３が露出された中間部分が、導電性シールド１３４が終わるポイント１３０から、誘電性材料からなる同軸シリンダ１２８へ、電極１２０のキャップ状部分１２４の中央孔１２９内を延びていた。この中間部分の長さは、およそ９．５ｍｍだった。この長さが、アーク放電を防止した。コア導体１３１の、導電性シールド１３４が終わるポイント１３０から、誘電性材料からなる同軸シリンダ１２８の中央孔の端部へ突出する部分１３２の長さは、およそ２０．５ｍｍだった。

さらに、実験的な実施において、一方では、誘電性材料からなる同軸シリンダ１２８の中央孔のコア導体１３１の直径と、他方では、電極１２０のキャップ状部分の中央孔１２９の直径との間の比は、およそ３．２６だった。この比は、ＲＧ４０１同軸ケーブルのＰＴＦＥ絶縁体１３３の内径と外径との比に対応している。したがって、マイクロ波信号コネクタ１０９は、所望のインピーダンス値、すなわち、５０Ωに近い有効入力インピーダンスを提示した。誘電性材料からなる同軸シリンダ１２８内にある、コア導体１３１の突出部分１３２の長さは、およそ５．５ｍｍだった。この長さは、マイクロ波エネルギー伝送効率におけるピークを提示している。上述の要素により形成される上述の容量結合構造体は、およそ１．９ｐＦの静電容量を有していた。

さらに、実験的な実施において、電極１２０の主要部分１２２の直径は、３.０ｍｍだった。電極１２０は、全長が、キャップ状部分１２４から先端部分１２３までおよそ８０ｍｍだった。この長さは、λ_ＰＴＦＥよりも若干短いだけだが、最適な結果を提供した。電極１２０の長さが、実験的な実施において、重要であることが分かった。この長さからずれると、先端部分１２３におけるマイクロ波エネルギーと高周波エネルギーとの間の相互作用が実質的に減少して、プラズマの膨張が小さくなることが、観察された。絶縁部材１１９の長さは、およそ６６ｍｍだった。この長さが、最適であることが分かった。しかしながら、電極１２０が異なる外形の場合、異なる長さが最適な場合がある。

第１の点火装置１００の高周波信号路は、高周波励起信号を、高周波信号コネクタ１１０から電極１２０へ、さらに詳細には、電極１２０の先端部分１２３へ伝送することを可能にする。この実施形態では、高周波信号路は、巻線支持部１３６上の巻線と、高周波信号コネクタ１１０から巻線１３５の入力端へ延びる導線１３７とを含む。この導線１３７は、上述の高周波信号コネクタ１１０において導電性ピン１１７と電気的に結合される。巻線１３５は、電極１２０のキャップ状部分１２４に電気的に結合される出力端１３８を有する。巻線１３５は、導電性材料、例えば、銅からなる電線から形成することができる。電線は、例えば、変圧器の巻線によくある絶縁ワニスで絶縁することができる。巻線支持部１３６は、例えば、ＰＴＦＥプラスチック又は、比較的誘電率が低い誘電材料、例えば、セラミック材料から形成することができる。

巻線１３５、電極１２０及びハウジング１０１は、ともに高周波共振器を形成する。巻線１３５及び電極１２０は、高周波共振器の誘導部を構成する。一方では、巻線１３５及び電極１２０と、他方では、ハウジング１０１との間の容量結合は、高周波共振器の容量部分を構成する。高周波共振器は、例えば、１メガヘルツ（ＭＨｚ）と１０ＭＨｚとの間の範囲内に含まれ得る一次共振周波数を有する。さらに詳細には、一次共振周波数は、例えば、４ＧＨｚであってよい。高周波共振器は、例えば、２ｋΩと３．５ｋΩとの間の範囲内に含まれ得る一次共振周波数におけるインピーダンスを持ち得る。

さらに詳細には、巻線１３５は、実質的に一定の外径の主要部分１３９を有する。この外径は、例えば、１５ｍｍと２０ｍｍとの間の範囲内に含まれるものであってよく、１７．５ｍｍが、外径に適切な値である。同軸伝送線路１２７が巻線１３５の内側の空間を通る通路を収容することができるような外径を、図１に図示している。同軸伝送線路１２７の通路は、寄生容量による損失を生じる恐れがある。このような損失は、本質的に、一方では、巻線１３５と、他方では、同軸伝送線路１２７の導電性シールド１３４との間に、巻線支持部１３６を通って生じる容量結合によるものである。上述のようにＰＴＦＥプラスチックから巻線支持部１３６を形成することは、寄生容量による損失を減少させることに寄与する。この点で、巻線支持部１３６が、螺旋状の巻線１３５の溝なしに、均一な外側表面を有することもまた好ましい場合がある。

巻線１３５は、主要部分１３９から巻線１３５の出力端１３８へ延びるテーパー付き端部分１４０を有する。巻線１３５の出力端１３８において、巻線１３５の外径は、巻線１３５を囲む円筒管１０２の内径の０．２倍と０．５倍との間の範囲内に含まれる値へと小さくしてよい。例えば、その比は、出力端１３８において０．３６８へ小さくしてよい。巻線１３５のテーパー付き端部分１４０は、巻線１３５の出力端１３８に起こり得る内部のフラッシュオーバーを防止することに役立つ。

巻線１３５は、高周波共振器が、所望の一次共振周波数、例えば、４ＭＨｚを有する長さを具え得る。例えば、高周波共振器の容量部分は、例えば、およそ２８ピコファラッド（ｐＦ）であり得る。上述のように、容量部分は、本質的に、一方では、巻線１３５及び電極１２０と、他方では、ハウジング１０１との間の容量結合により、確定される。所望の一次共振周波数がおよそ４ＭＨｚの場合、巻線１３５は、巻線１３５が、例えば、１２０マイクロヘンリー（μＨ）のインダクタンスを有するような長さを具え得る。

円筒管１０２には、圧縮ガス１４１が充填され得る。圧縮ガス１４１は、誘電媒質となり得る。圧縮ガス１４１は、例えば、圧縮空気又は圧縮窒素（Ｎ２）にすることができる。圧縮ガス１４１は、例えば、円筒管１０２内で２０バールの圧力を提供し得る。巻線１３５に誘電コーティングがない場合、さらに高い圧力が、内部のフラッシュオーバーを防止するために必要とされる場合があり、又は例えば、六フッ化硫黄（ＳＦ６）等、さらに多くの誘電ガスも使用される場合がある。

円筒管１０２内の比較的高い圧力若しくは特定の圧縮ガス、又はその両方もまた、高電圧の高周波励起信号が伝送される場合内部のフラッシュオーバーを防止するために、必要とされることがある。高電圧の高周波励起信号は、典型的には、圧力が比較的高い燃焼室内に高周波放電を引き起こすために必要とされる。よって、一般に、円筒管内の圧力は、燃焼室の圧力と関連付けられる可能性がある。

図２は、点火装置の第２の実施形態２００の概略を図示するものであり、便宜上、以後、第２の点火装置２００として言及していく。図２は、第２の点火装置２００の断面図を提供する。第２の点火装置２００は、第１の点火装置の改造とみなし得る。この改造は、特定のタイプの燃焼機関により適するように行ってよい。例えば、タービンエンジンにおいて、点火装置は、およそ２０００℃の燃焼温度に比較的長時間耐えることができることを必要とする場合がある。例えば、タービンエンジンにおいて、点火装置は、比較的短時間、タービンエンジンの始動運転中のみ機能可能であって、その後、点火装置は、数時間という間であり得るが、一旦タービンエンジンが動作中になると、燃焼ガスに連続して曝されたままである。

第１の点火装置１００と同様に、第２の点火装置２００は、円筒管２０２と、２つの端プラグ２０３、２０４、入力端プラグ２０３及び出力端プラグ２０４とを含むハウジング２０１を備える。円筒管２０２及び入力端プラグ２０３は、第１の点火装置１００のものと同様であってよい。このような存在物は、よって、簡潔さのためこれ以上詳述することはしない。第２の点火装置２００の出力端プラグ２０４は、第１の点火装置１００のそれとは異なっている。相違は、構造並びに使用されている材料にある。この実施形態では、出力端プラグ２０４は、それにもかかわらず第１の点火装置１００のものと同様のシェルボディ２０５を備える。シェルボディ２０５は、以後、出力プラグシェルボディ２０５として言及していく。しかしながら、出力端プラグ２０４の他の要素は、第１の点火装置１００の出力端プラグ１０４のものとは異なっている。

出力端プラグ２０４は、出力プラグシェルボディ２０５の端部に取り付けられた絶縁部材２０６を備える。絶縁部材２０６は、出力プラグシェルボディ２０５の端部から外側へ突出している。絶縁部材２０６は、例えば、セラミック材料、好ましくは、比較的良好な高周波伝送能力と比較的良好な成形性とを有し、その一方、それ程高額ではないセラミック材料を含み得る。このようなセラミック材料の例には、例えば、石英及び上述のＳｈａｐａｌが含まれる。

電極２０７が、絶縁部材２０６を同軸に横切っている。電極２０７は、主要部分２０８、先端部分２０９及びキャップ状部分２１０を有する。先端部分２０９は、絶縁部材２０６から突出している。先端部分２０９は、高周波表面放電と、この放電が分岐したストリーマ構造の形態で良好に放射されることとに関して重要となり得る長さを有する。先端部分２０９の長さは、例えば、少なくとも１ｍｍであり得る。実用的な実施において、先端部分２０９の長さはおよそ２．５ｍｍであって、この長さが、有利な結果を出すことを可能にした。

先端部分２０９は、例えば、プラチナ合金等、耐熱性のある導電性材料を含み得る。主要部分２０８及びキャップ状部分２１０は、別の、例えば、銅等の導電性材料を含み得る。先端部分２０９は、主要部分２０８に、例えば、圧接、レーザー溶接、電子ビーム溶接又は別の適切な溶接技術によって、溶接することができる。溶接を促進するために、先端部分２０９と、電極２０７の主要部分２０８とは、例えば、０．５ｍｍと１．０ｍｍとの間又はさらに詳細には、０．６ｍｍと０．８ｍｍとの間に含まれる範囲の比較的小さな直径を具えることができる。比較的小さな直径はまた、任意のマイクロ波信号損失を比較的少なくすることにも寄与し得る。

理想的には、絶縁部材２０６と電極２０７との間に、エアギャップを存在させるべきでない。エアギャップは、コロナを形成する原因となる恐れがあり、当該コロナは、性能を低下させる結果となりかねない。エアギャップを回避するために、例えば、誘電体グリース又は接着剤を、電極２０７と絶縁部材との間に塗布することができる。

絶縁部材２０６は、電極２０７を囲む（本質的に同一平面上にある）内面２１１を有する。内面２１１は、絶縁部材２０６の外面２１２より狭い。すなわち、絶縁部材２０６の内面２１１は、電極２０７と同一平面上にあり、比較的狭い。このことは、出力端プラグ２０４におけるいかなるマイクロ波信号損失も比較的少なくすることに寄与する。

この実施形態では、絶縁部材２０６は、図２に図示するように、断面が、外面２１２と内面２１１との間において内面２１１の方に向かってＶ字状である。すなわち、絶縁部材２０６は、断面ダブルミラー（ｄｏｕｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒｅｄ）Ｖ字状となっている。この形状は、高周波数の表面放電を回避することに寄与する。さらに、断面がコンパクトミラー型のＶ字状であることによって、電極２０７に到達するマイクロ波励起信号に適切なインピーダンスの適合を行うことができる。このことによって、次に、いかなるマイクロ波信号損失も比較的小さくなるように、比較的高い伝達効率を達成することができる。

図３は、絶縁部材２０６の実用的な実施３００を図示し、有利な結果を達成することを可能にした形状値を示す。図３において、距離及び直径に関する形状値は、ミリメートルで示している。角度に関する形状値は、度で示している。

図３に図示した実用的な実施は、電極２０７と絶縁部材２０６との間にろう付け接合部３０１を備える。ろう付け接合部３０１は、上述の要素間におけるエアギャップを回避する。さらに、ろう付け接合部３０１によって、電極２０７の先端の先端部分２０９からの十分な排熱が可能となる。その上、ろう付け接合部３０１は、第２の点火装置２００の内部間にシールを形成し、当該第２の点火装置の内部には、第１の点火装置１００と関連して上述したように圧縮ガスが充填される場合がある。

図４、図５及び図６は、点火装置の前面部分の種々の実施形態を図示する。図４、図５及び図６は、それぞれ、点火装置の前面部分に関連した実施形態の簡略化した断面図を提供する。上述の第１及び第２の点火装置２００と同様に、それぞれの実施形態は、電極２０７と、電極２０７が取り付けられる絶縁部材２０６とを備える。それぞれの実施形態の電極２０７及び絶縁部材２０６は、他の実施形態のものとは異なっている。それぞれの実施形態は、さらに、部分的に簡略化して表されたハウジング２０１を備える。簡略化目的で、図４、図５及び図６では、円筒管２０２と出力端プラグ２０４とを区別していない。

図４は、電極４０１が、絶縁部材４０３から突出する先端部分４０２を有する第１の実施形態４００を図示する。先端部分４０２は、円錐部分と比較的狭い端部分とを有する。先端部分４０２のこの形状によって、信頼できる高周波放電を可能とするのに十分な電界濃度が保証される。このことは、高圧の燃焼室内に放電するときに、特に重要となり得る。絶縁部材４０３は、比較的短く、出力プラグシェルボディ内において、孔の比較的小さい部分のみを占める。

図５は、電極５０１が、絶縁部材５０４の前部５０３により保護された先端部分５０２を有する第２の実施形態５００を図示する。すなわち、絶縁部材５０４の前部５０３は、電極５０１の先端部分５０２が、直接熱及び燃焼物質に曝されることを防止するバリアとなる。この実施形態でも、絶縁部材５０４は、比較的短く、出力プラグシェルボディの孔の比較的小さい部分のみを占める。

図６は、絶縁部材６０１が、比較的長く、本質的に電極６０２を封じ込めた第３の実施形態６００の簡略化した断面図である。本実施形態は、燃焼室の圧力が比較的高い応用において用いることができる。上に説明したように、これには、図６では参照番号６０３で指し示した円筒管内において比較的高い圧力を必要とする場合がある。一般に、絶縁部材６０１が長い程、絶縁部材６０１は、高圧にさらに耐えることができると言える。この実施形態では、電極６０２は、絶縁部材６０１から突出した先がとがった先端部分６０４を有する。

図７は、点火装置の第３の実施形態７００の概略を図示するものであり、便宜上、以後、第３の点火装置７００として言及していく。図７は、第３の点火装置７００の断面図を提供する。第１の点火装置１００と比較すると、第３の点火装置７００は、第３の点火装置７００に印加されるマイクロ波励起信号を内部で伝送するための各種マイクロ波信号路を備える。

第１の点火装置１００と同様に、第３の点火装置７００は、円筒管７０２と、２つの端プラグ７０３、７０４、すなわち、入力端プラグ７０３及び出力端プラグ７０４とを含むハウジング７０１を備える。入力端プラグ７０３は、シェルボディ７０５を備え、当該シェルボディ７０５は、以後、入力プラグシェルボディ７０５として言及していく。出力端プラグ７０４はまた、シェルボディ７０６も備え、当該シェルボディ７０６は、以後、出力プラグシェルボディ７０６として言及していく。円筒管７０２は、第１の点火装置１００の円筒管１０２に関連して上述したものと同様の材料を含みかつ寸法を有してよい。入力プラグシェルボディ７０５は、第３の点火装置７００が燃焼機関内を好都合に占め得るように、第１の点火装置１００と同様の外形を具えてよい。出力プラグシェルボディ７０６は、同じ目的で第１の点火装置１００のものと同様の外形も具えてよい。

第１の点火装置１００と同様に、第３の点火装置７００は、マイクロ波信号コネクタ７０７と、高周波信号コネクタ７０８とを備える。しかしながら、これらのコネクタ７０７、７０８は、異なる配置がされる。第３の点火装置７００において、マイクロ波信号コネクタ７０７は、ハウジング７０１の円筒管７０２に装着され、一方で、高周波信号コネクタ７０８は、入力端プラグ７０３に組み込まれる。マイクロ波信号コネクタ７０７は、出力端プラグ７０４に比較的近くに配置される。マイクロ波信号コネクタ７０７は、例えば、Ｎ型としてよい。マイクロ波信号コネクタ７０７は、上述の第１の点火装置１００の高周波信号コネクタ７０８のものと同様の基本的構造を具えてよいが、それにも拘わらず、このような上述のコネクタは異なるタイプであってよい。高周波信号コネクタは、例えば、ＳＭＡ型としてよい。高周波信号コネクタ７０８は、上述の第１の点火装置１００の入力端プラグ７０３の高周波信号コネクタ７０８中のものと同様に入力端プラグ７０３に埋め込んでよい。

第１の点火装置１００と同様に、出力プラグシェルボディ７０６は、絶縁部材７０９が、好ましくは隙間なく、取り付けられる中央孔を備える。絶縁部材７０９は、円筒管７０２内へ延びる。絶縁部材７０９は、円筒管７０２と円周方向において接触するフランジ状部７１０を備える。実際には、フランジ状部７１０は、円筒管７０２内に２つの内部室７１１、７１２を、すなわち、主要室７１１及び下流室７１２内に画定する。このような室７１１、７１２にはともに、圧縮ガスを、第１の点火装置１００に関して上述したように、満たし得る。

第１の点火装置１００と同様に、電極７１３が、絶縁部材７０９の中央孔に取り付けられる。電極７１３は、例えば、全長３λ_ＩＭ／２としてよく、λ_ＩＭは、絶縁部材におけるマイクロ波励起信号の波長である。第１の点火装置１００におけるのと同様に、電極７１３、絶縁部材７０９及び出力プラグシェルボディ７０６は、ともにマイクロ波共振構造体を構成する。このマイクロ波共振構造体も、例えば、１ＧＨｚと１０ＧＨｚとの間の範囲に含まれる一次共振周波数を有することができる。

電極７１３は、主要部分７１４、先端部分７１５及びキャップ状部分７１６を有する。主要部分７１４及び先端部分７１５は、絶縁部材７０９に埋め込まれている。先端部分７１５は、例えば、直径を３ｍｍから０．８ｍｍに先細に小さくしたねじ山角度が６０°の錐体等、鋭い端部を具え得る。このような鋭い端部によって、低い印加電圧で、放電がうまく分岐することができる。さらに、鋭い端部が、マイクロ波信号の伝送に著しい悪影響を及ぼさなかったことが、分かった。キャップ状部分７１６は、絶縁部材７０９のフランジ状部７１０から内側へ円筒管７０２の主要室７１１内へ突出している。キャップ状部分７１６は、第１の点火装置１００における電極７１３のものと同様の形状を具えてよい。一般に、第３の点火装置７００における電極７１３は、上述の第１の点火装置１００内の電極７１３のものと同様の材料を含んでよい。

第３の点火装置７００内のマイクロ波信号路によって、マイクロ波励起信号を、マイクロ波信号コネクタ７０７から電極７１３へ、それにより、上述のマイクロ波共振構造体へ伝送することができる。この実施形態では、マイクロ波信号路は、導電性ピン７１７と、下流室７１２において絶縁部材７０９の一部分を囲む導電性リング７１８とを含む。第３の点火装置７００内において、導電性ピン７１７は、マイクロ波信号コネクタ７０７から導電性リング７１８へ延びており、マイクロ波信号路の誘導部を構成する。絶縁部材７０９の一部分を、よって、電極７１３の主要部分７１４の一部分を囲む、導電性リング７１８は、マイクロ波信号路の容量性部分を構成する。

誘導部と、マイクロ波信号路の容量結合構造体とによって、マイクロ波エネルギーの、マイクロ波共振構造体への効率的な伝送が可能となる。すなわち、マイクロ波信号路は、マイクロ波信号コネクタ７０７に印加されるマイクロ波励起信号を、比較的少ない損失でマイクロ波共振構造体へ伝送することができる。この実施形態では、マイクロ波エネルギーは、導電性ピン７１７が導電性リング７１８に結合されたポイントから、導電性リング７１８と、導電性リング７１８により囲まれた絶縁部材７０９の部分とを通って、電極７１３の主要部分７１４へ、よって、マイクロ波共振構造体へと容量結合される。

実用的な実施において、導電性ピン７１７は、およそ１５ｍｍの長さを有し、この長さが、この実施において最適な性能を提供することが分かった。概して、マイクロ波エネルギーの、マイクロ波信号コネクタ７０７からマイクロ波共振構造体への伝送効率が、導電性ピン７１７の長さに依存することが、分かった。さらに、効率が最適となる長さはまた、第３の点火装置７００の性能が、マイクロ波信号源とマイクロ波信号コネクタ７０７との間のケーブル長さに実質的に依存しない長さでもあることも分かった。よって、第３の点火装置７００の各種実用的な実施、導電性ピン７１７の最適な長さが、分かり、それは、１５ｍｍとは異なる可能性がある。

上述の実用的な実施において、電極７１３は、およそ３ｍｍの直径を有し、その一方で、導電性リング７１８は、２．８倍大きい内径を有していた。この２.８という比が、最適なマイクロ波信号伝達効率を提供した。導電性リング７１８は、およそ５ｍｍの軸方向長さを有しており、この長さが、最適であることが分かった。しかしながら、マイクロ波信号伝達効率は、導電性リング７１８の軸方向長さに比較的影響されにくく、それは、例えば、１ｍｍと３０ｍｍとの間の範囲内に含まれる長さであり得ることが分かった。導電性リング７１８は、およそ１１ｍｍの外径を有している。導電性リング７１８を囲む円筒管７０２は、およそ１．９倍大きい内径だった。この１．９という比が、最適な結果を提供した。しかしながら、十分な結果を異なる比で得ることができる。性能が、円筒管７０２の内径と導電性リング７１８の外径との間の比に比較的影響されにくいことが分かった。

第３の点火装置７００の高周波信号路は、高周波励起信号を、高周波信号コネクタ７０８から電極７１３へ、さらに詳細には、電極７１３の先端部分７１５へ伝送することを可能にする。第１の点火装置１００と同様に、高周波信号路は、巻線７１９を巻線支持部７２０上に含む。この実施形態では、巻線７１９は、本質的に、入力端プラグ７０３内に埋め込まれた高周波信号コネクタ７０８から、電極７１３のキャップ状部分７１６へ延びる。巻線７１９及び巻線支持部７２０は、上述の第１の点火装置１００のものと同様であってよい。

図８は、点火装置８０２が取り付けられた燃焼機関８０１を備える原動機製品８００を概略図示する。点火装置は、燃焼機関の燃焼室８０３内において点火を発生させ得る。図８は、原動機製品８００のブロック図を提供する。点火装置８０２は、上述の実施形態の任意の１つ又はその代替物であり得る。原動機製品８００は、マイクロ波励起信号及び高周波励起信号をそれぞれ点火装置８０２に印加するように適合されたマイクロ波信号源８０４及び高周波信号源８０５を備える。国際公開第２０１６／０１２４４８号におけるこのような信号を生成し点火装置に印加することに関する説明は、図８に図示した原動機製品８００に等しく当てはまり得る。

［留意事項］
図面を参照して上述した実施形態は、図示目的で提示している。本発明は、多数の異なる方法で実施可能である。これを図示するために、いくつかの代替物を簡単に示す。

本発明は、燃焼室内において点火を発生させることに関連する多数のタイプの製品又は方法において適用可能である。例えば、本発明は、任意のタイプのポジティブ点火されるエンジンに適用してよい。このようなエンジンは、例えば、レース用エンジン、自動車、オートバイ、トラック等用の自動車エンジン、鉄道輸送用の大型輸送エンジン、例えば、電力生成に使用される定置機関又は連続燃焼機関、特に航空機用若しくは他の用途のためのガス及び液体燃料タービンであってよい。

一般に、本発明を実施する多数の各種方法があり、これにより、異なる実施では、トポロジーが異なり得る。所定のいかなるトポロジーでも、単一の存在物が、いくつかの機能を実施可能であり、又はいくつかの存在物が、ともに単一の機能を実施し得る。この点で、図面は、非常に図式的である。

ビデオエンコーダを本発明に従って作動可能にするインストラクションのセット、すなわち、ソフトウェアを格納し配布する多数の方法がある。例えば、ソフトウェアを、例えば、記憶回路、磁気ディスク又は光ディスク等、デバイスによる読み取りが可能な適切な媒体内に格納し得る。ソフトウェアが格納される、デバイスによる読み取りが可能な媒体を、そのソフトウェアを実行可能な個別の製品として又は別の製品とともに供給し得る。このような媒体はまた、ソフトウェアを実行可能にする製品の一部分であり得る。ソフトウェアはまた、通信ネットワークを介して配布され得、当該通信ネットワークは、有線、無線又はハイブリッドであり得る。例えば、ソフトウェアは、インターネットを介して配布され得る。ソフトウェアは、サーバーによるダウンロードに利用可能な状態であり得る。ダウンロードに、支払いを要する場合がある。

上に述べてきたことは、図面を参照して説明してきた実施形態が、本発明を、限定するというよりは説明していることを明らかにしている。本発明は、添付の特許請求の範囲内の多数の代替方法で実施可能である。特許請求の範囲の均等物の意味及び範囲内のすべての変更は、その範囲内に含まれることとなる。請求項のいかなる参照符号も、その請求項を限定するものと解釈すべきではない。請求項の中の「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という動詞は、その請求項に挙げられた要素又はステップ以外の他のものの存在を除外しない。同じことが、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」及び「含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」等の同様の動詞に当てはまる。製品に関する請求項の中の単数形の要素への言及は、その製品が複数のこのような要素を備え得ることを除外しない。同様に、方法に関する請求項の中の単数形のステップへの言及は、その方法が複数のこのようなステップを含み得ることを除外しない。各従属請求項が追加のそれぞれの特徴を定義するという単なる事実は、請求項において反映された特徴以外の追加の特徴の組み合わせを除外しない。

Claims (15)

1. 燃焼機関（８０１）の燃焼室（８０３）内において点火を発生させるように適合された点火装置（１００）であって、当該点火装置は、
   前記点火装置が前記燃焼機関に取り付けられると前記燃焼室に露出されるように適合された先端部分（１２３）を有する電極（１２０）であって、当該電極は、マイクロ波励起信号が前記電極に印加されると、マイクロ波場を前記燃焼室内に放射するように適合されたマイクロ波共振構造体（１０６、１１９、１２０）の一部を形成する電極（１２０）と、
   前記電極に電気的に結合された巻線（１３５）であって、それにより、前記巻線及び前記電極は、高周波励起信号が前記巻線に印加されると、高周波場を前記燃焼室内に放射するように適合された高周波共振器（１０１、１２０、１３５）の一部を形成し、前記高周波共振器は、１ＭＨｚと１０ＭＨｚとの間の範囲内に含まれる一次共振周波数を有する、巻線（１３５）と、
   前記マイクロ波励起信号を、前記点火装置において信号入力コネクタ（１０９）から前記電極へ伝送するように適合されたマイクロ波信号路（１２７、１２８）であって、誘導部（１３２）と、前記誘導部から前記電極へ容量結合を提供するように適合された容量結合構造体（１２４、１２８、１３２）とを備える、マイクロ波信号路（１２７、１２８）と、
   を備える点火装置（１００）。
2. 前記容量結合構造体（１２４、１２８、１３２）は、空洞（１２９）を有する導電体（１２４）を備え、当該導電体は、前記電極（１２０）に伝導的に結合され、前記マイクロ波信号路（１２７、１２８）の前記誘導部（１３２）は、前記空洞に延びる導電性の先端を備える、請求項１に記載の点火装置。
3. 前記マイクロ波信号路（１２７、１２８）は、前記信号入力コネクタ（１０９）と、前記空洞（１２９）内へ延びる前記導電性の先端との間において結合される同軸伝送線路（１２７）を備える、請求項２に記載の点火装置。
4. 誘電性材料からなるボディ（１２８）は、前記空洞（１２９）に少なくとも部分的に配置され、前記導電性の先端は、誘電性材料からなるボディに延びる、請求項２及び３のいずれかに記載の点火装置。
5. 誘電性材料からなるボディ（１２８）は、前記同軸伝送線路（１２７）において絶縁体（１３３）の導通を、以下の構成の少なくとも１つ、すなわち、前記誘電性材料からなるボディが前記絶縁体と前記同軸伝送線路において誘電接触する構成と、前記同軸伝送線路における前記誘電材料からなるボディと前記絶縁体との間のギャップが誘電性材料で充填される構成の少なくとも１つによって、形成する、請求項３及び４のいずれかに記載の点火装置。
6. 前記誘電性材料からなるボディ（１２８）は、前記同軸伝送線路（１２７）において前記絶縁体の内径及び外径とそれぞれ適合する内径及び外径を有する、請求項５に記載の点火装置。
7. 誘電性材料からなるボディ（１２８）は、以下の材料、セラミック材料及びプラスチック材料の少なくとも１つを含む、請求項５及び６のいずれかに記載の点火装置。
8. 前記巻線（１３５）は、中空で誘電性材料からなる管状支持部（１３６）上に配置され、前記同軸伝送線路（１２７）は、前記中空の管状支持部に少なくとも部分的に配置される、請求項３から７のいずれかに記載の点火装置。
9. 前記巻線（１３５）は、前記電極（１２０）の近傍にテーパー付き端部分（１４０）を有する、請求項１から８のいずれかに記載の点火装置。
10. 前記点火装置は、前記点火装置が前記燃焼機関（８０１）に取り付けられると、前記電極（１２０）の前記先端部分（１２３）がそこを通じて前記燃焼室（８０３）内へ延びる前記電気絶縁ボディ（１１９）を備える、請求項１から９いずれかに記載の点火装置。
11. 前記電気絶縁ボディ（１１９）は、前記電極（１２０）を囲む内面を有し、当該内面は、前記電気絶縁ボディの外面より狭い、請求項１０に記載の点火装置。
12. 前記電気絶縁ボディ（１１９）は、セラミック材料を含む、請求項１０及び１１のいずれかに記載の点火装置。
13. 前記電極（１２０）の先端部分（１２３）は、耐熱性のある導電性材料を含む、請求項１から１２のいずれかに記載の点火装置。
14. 前記電極（１２０）は、０．５ｍｍと５．０ｍｍとの間に含まれる直径を有する、請求項１から１３のいずれかに記載の点火装置。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載の点火装置（１００）が取り付けられた燃焼機関（８０１）を備える、原動機製品（８００）。
    

Images