JP6609312B2 - パルスプラズマエンジン及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、エンジン、特に、パルスプラズマエンジン及びパルスプラズマエンジンを作動させる方法に関する。

パルスプラズマエンジンは、原理が全体として内燃エンジンと類似しているが、異なる点として、内燃エンジンで用いられている可燃性ガスではなく、非可燃性ガス、例えば空気、酸素、窒素又は不活性ガス類を用いるという形式の内燃爆発エンジンである。

米国特許第７，０７６，９５０号明細書は、発電機付き内部爆発エンジンを開示しており、この発電機付き内部爆発エンジンは、シリンダと、シリンダを１対のチャンバに分割するピストンとを有し、１対のチャンバは、ピストンがシリンダ内で前後に移動しているときに容積が逆のやり方で変化し、発電機付き内部爆発エンジンは、チャンバの各々内に封入された非可燃性ガスのチャージと、２つのチャンバ内の非可燃性ガスに爆発的に交互に点火してピストンを前後に駆動する手段と、ピストンに結合されていてピストンの運動に応答して電気エネルギーを提供する手段とを更に有する。

内部爆発エンジンの他の例が米国特許第３，６７０，４９４号明細書及び同第４，４２８，１９３号明細書に見受けられる。

米国特許第７，０７６，９５０号明細書 米国特許第３，６７０，４９４号明細書 米国特許第４，４２８，１９３号明細書

一般に、本発明の目的は、新規且つ改良型のパルスプラズマエンジン及びこのパルスプラズマエンジンを作動させる方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、従来提供されたエンジンの制約及び欠点を解決する上述した形式のパルスプラズマエンジン及び方法を提供することにある。

上記目的及び他の目的は、本発明によれば、非可燃性ガスが爆発チャンバ内に導入されるパルスプラズマエンジン及び方法を提供することによって達成され、かかる方法では、非可燃性ガスをイオン化してチャンバ内にプラズマを生成し、電気パルスをプラズマに印加してプラズマを加熱し、パルスをターンオフしてプラズマ中に爆発圧力パルスを生じさせ、プラズマを磁界によってチャンバ内に閉じ込め、磁界は、圧力パルスを圧力パルスによって駆動される出力部材の方へ差し向ける。

本発明を具体化したパルスプラズマエンジン用のパワーコアモジュール（power core module）の一実施形態の縦断面図である。 図１の実施形態のプラズマをパルス化するための電気回路の略図と組み合わせた図１の２‐２線矢視断面図である。 図１の実施形態の作動を説明する模式的部分縦断面図である。 本発明を具体化したタービンエンジンの一実施形態の縦断面図である。 本発明を具体化したタービンエンジンの別の実施形態の縦断面図である。 本発明を具体化した往復ピストンエンジンの一実施形態の縦断面図である。

図１及び図２に示されているように、パワーコアは、爆発チャンバ１１、１対の電極１２，１３、非可燃性ガス、例えば空気をチャンバ中に導入する際に通す弁１４、ガスをイオン化してチャンバ内にプラズマを生成するための手段１６、電気パルスを電極に印加してプラズマを加熱すると共に爆発圧力パルスを生じさせるための回路１７、及びチャンバ内に磁界を生じさせてプラズマを閉じ込めると共に爆発圧力パルスをチャンバの端部のところに設けられた出力部材、例えばタービンホイール又は往復動ピストン（図示せず）の方へ差し向けるための磁石１８，１９を有する。

パワーコアは、全体として立方体（キュービカル）又は長方形のモジュール２１の形態で構成され、このモジュール２１は、中央本体区分２２を有し、この中央区分の互いに反対側には端板２３，２４が設けられている。軸方向に整列したボア２６〜２８がこれら３つの区分を貫通して爆発チャンバを形成し、この爆発チャンバは、端板を貫通して開口している。ボアは、全体として、円形であり且つ同一直径のものであり、チャンバの側壁は、全体として円筒形である。中央本体区分２２は、絶縁セラミック材料、例えば酸化シリコンセラミック、酸化ケイ素セラミックで作られ、端板２３，２４は、熱伝導率が小さい非導電性セラミック材料で作られている。３つの区分は、中央区分及び端板に設けられた取り付け穴２９，３０を貫通するボルト（図示せず）によって互いに結合されている。

電極１２，１３は、中央本体区分２２に設けられた垂直に整列したボア３１，３２内に設けられ、これら電極の先端部は、爆発チャンバ中に延びており、Ｏリング３３，３４が電極とボアの壁との間のシールとなっている。電極は、耐熱性の導電性材料、例えばタングステン又はトリウムタングステンで作られている。

弁１４は、水平に延びるクロスボア３６内に設けられた一方向逆止弁であり、クロスボア３６は、爆発チャンバのためのボアと交差すると共にこれと連通している。この弁は、弁座３８によって包囲された入口開口部３７を有すると共にばね又は他の適当な手段（図示せず）によって弁座と封止係合関係をなすよう押圧された回動可能に設けられた弁部材３９を備えている。弁は、爆発チャンバと直接連通した出口ポート４１を有し、Ｏリング４２が弁体とボアの壁との間のシールとなっている。この弁により、空気及び他のガスが入口ポートを通ってチャンバに入ることができ、この空気及び他のガスは、チャンバから逃げ出ないようになっている。

図示の実施形態では、ガスをイオン化してプラズマを生成するための手段１６は、中央本体区分２２に設けられている第２の水平に延びるクロスボア４６内のカートリッジ４４内に設けられた放射性物質、例えばアメリシウム、ルビジウム、又はトリウムの源４３を有する放射線電離器又はイオナイザから成る。このクロスボアは、第１のクロスボアと整列し、このクロスボアは又、チャンバのためのボアと交差している。カートリッジは、放射性物質がチャンバに向くと共にＯリング４７がカートリッジとボアの壁との間のシールとなっている状態で配向されている。変形例として、所望ならば、イオン化は、他の適当な手段、例えば高破壊電圧又は高周波放射線によって行われても良い。

点火回路１７が高エネルギーパルス源を有し、高エネルギーパルス源は、一次巻線４９ａがバッテリ５１及び電極１２，１３と電気的に直列接続された変圧器４９から成る。この巻線は、点火コイルとしての役目を果たし、キャパシタ５２がバッテリの両端間に接続されてコイルに流される電流を増強している。一次巻線又はコイルの一端は、電極１２に直接接続されており、他端は、バッテリの正端子に接続されている。負端子は、オン／オフスイッチ５４及びヒューズ５６を介して絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（insulated-gate bipolar transistor：ＩＧＢＴ）５３のエミッタに接続されている。ＩＧＢＴのコレクタは、第２の電極１３に接続され、パルス発生器５７がゲートに接続されている。

ブリッジ整流器５９が再充電バッテリ５１用の回路内に設けられている。図示の実施形態では、変圧器４９は、整流器の一方の入力が二次巻線４９ｂの一端に接続され、他方の入力が二次巻線上の可変タップ６１に接続された可変変圧器である。整流器の一方の出力は、バッテリの正端子に接続され、他方の出力は、負端子に接続されている。

磁石１８，１９は、チャンバの互いに反対側端寄りに設けられた端ぐり穴６３，６４内に爆発チャンバと同軸に設けられた半径方向に分極された希土類リング形永久磁石である。端板２３，２４は、端ぐり穴中に延びて磁石によって包囲された軸方向に延びる円筒形フランジ２３ａ，２４ａを有している。磁石のための熱遮蔽作用を提供し、端板は又、モジュールをエンジンの残部に取り付けるためのアダプタとしての役目を果たし、かかる取り付けとしては、シリンダヘッドに代えて従来型内燃エンジンのブロックへの取り付けが挙げられる。端板は、所望に応じて互いに異なるエンジンに合うように構成されているのが良い。図１及び図２の実施形態では、端板は、円錐形にテーパした出力ポート２３ｂ，２４ｂを有し、これら出力ポートは、爆発チャンバと連通し、そして端板の外側フェース又は取り付け面２３ｃ，２４ｃを貫通して開口し、パワーコアモジュールは、取り付け穴２９，３０を貫通したボルト（図示せず）によってエンジンの残部に取り付けられている。

本発明のパワーコア及び方法の作用及び使用は、以下の通りである。空気が逆止弁１４を通って爆発チャンバ１１内に流れ、オン／オフスイッチ５４は、点火回路をターンオンするよう閉成され、バッテリ５１からの電荷がキャパシタ５２上に蓄積する。チャンバ内の空気は、源４３からの放射線によってイオン化され、それにより電極１２，１３相互間に導電性のプラズマが作られる。パルス発生器５７によってパルスをＩＧＢＴ５３のゲートに印加することにより、ＩＧＢＴは、ターンオンして変圧器の巻線４９とバッテリと電極との間の回路を閉じる。これにより、巻線を通る電流が突然増大し、電極に印加される高エネルギーパルスが生じる。電極相互間で導電性プラズマを通って流れる電流は、プラズマを極めて高い温度に加熱し、そして各パルスがオンのままである限り、加熱されたプラズマは、電極相互間の空隙内に留まる。パルスがターンオフすると、熱が爆発的に空隙から放出され、それにより高圧衝撃パルスが生じ、かかる高圧衝撃パルスを出力部材、例えばタービン又はピストンの駆動の際に利用することができる。

図３に示されているように、磁石１８は、そのＮ極がリングの内側に位置し、Ｓ極がその外側に位置した状態で分極され、磁石１９は、そのＮ極がリングの外側に位置し、Ｓ極がリングの内側に位置した状態で逆方向に分極される。磁石により作られた磁界は、プラズマ６６をチャンバ内に閉じ込めると共に高圧衝撃パルスを磁束線６７で示されているようにチャンバの端に向かって軸方向に差し向ける。

電気パルスは、持続時間が短くしかも立ち上がり時間が早い方形パルスであり、電極相互間のプラズマの導電性は、極めて高く、代表的には、固体導体、例えば、金、銀、又は銅の導電率よりも高い。その結果、パルスが電極に印加されると、アークが即座に生じ、プラズマの温度が極めて迅速に上昇する。温度は、アーク全体にわたって実質的に一定のままであり、持続時間の短い高いアーク温度は、チャンバ内では長い持続時間の圧力と実質的に同一である。

電気パルスは、好ましくは、ミリ秒未満の幅又は持続時間を有し、これら電気パルスは、毎秒５００〜１，０００回のオーダーの繰り返し数で起こり、そして、印加される電力又はエネルギーのレベルに応じて、プラズマは、数ナノ秒後に１，０００〜１００，０００℃のオーダーの温度に達することができる。アークは、同様に、パルスがターンオフされると、数ナノ秒又は数マイクロ秒でターンオフされる。例えば、電源が１００キロワットのものであってパルス幅が１ミリ秒の場合、電極に加えられるエネルギーは、１ミリ秒当たり１００ジュール又は１マイクロ秒当たり０．１ジュールのオーダーである。

プラズマの熱は、アークがターンオンされている間、アーク中に封じ込められる。アークはターンオフされると、熱は、アークギャップから爆発的に放出され、それにより持続時間が極めて短い、例えば、数マイクロ秒の衝撃パルスが生じる。

アークを生じさせるために変圧器４９の一次巻線を通って流れる電流は、整流器５９によって整流され、そしてバッテリを再充電するためにバッテリ５１に流される二次巻線４９ｂ中の対応の電流を含む。

図４は、パワーコア２１が１対のタービンホイール６８，６９を駆動するエンジンを示している。このエンジンは、プラットホーム又はベース７１上に作られたものとして示されており、パワーコアは、ベースに取り付けられた１対の支持ブロック７２に取り付けられている。タービンホイール６８，６９は、出力シャフト７３，７４に取り付けられ、出力シャフト７３，７４は、パワーコアの互いに反対側の端でベースに取り付けられた支持ブロック７６，７７上に回転可能に設置されている。タービンホイールは、半径方向に駆動され、出力シャフトは、爆発チャンバ１１の軸線と整列しているが、これに対して垂直であり、ホイールの縁部分は、端板２３，２４の外側フェースに設けられた円筒形凹部７８，７９内に受け入れられている。

作用を説明すると、パワーコアによって生じた軸方向に差し向けられている圧力パルスは、タービンブレードに半径方向に当たり、それによりタービンホイール及び出力シャフトが回転し、パルスは、毎秒５００〜１，０００個のパルスのオーダーの繰り返し数で送り出される。

図５は、単一の軸流タービンホイール８１がパワーコアによって駆動される実施形態を示している。このエンジンも又、プラットホーム又はベース８２上に作られたものとして示されており、パワーコアは、ベースに取り付けられた１対の支持ブロック８３に取り付けられている。タービンホイール８１は、発電機８４の入力シャフト８４ａに取り付けられ、発電機８４は、パワーコアの一端のところでベースに取り付けられた支持ブロック８６上に回転可能に設置され、シャフト８４ａは、爆発チャンバ１１と軸方向と整列関係をなしている。

この実施形態では、パワーコア２１は、空気が空隙８８を通って爆発チャンバ内に流れ、プラズマがタービンホイールと反対側のチャンバの端のところに設けられている永久磁石８９によって閉じ込められているという点で他の実施形態とは異なっている。磁石は、ベース８２に取り付けられた支持ブロック９１上に設置され、この磁石は、空隙を形成するよう端板２３の外側フェースから間隔を置いて配置されている。スペーサ９２が端板と磁石との間に延び、これらスペーサは、エンジンが点火すると磁石の方へ差し向けられる圧力パルスの力に抗して磁石を支持するのを助ける。磁石は、前から後ろに分極されると共にそのＮ極が外側に向き、そのＳ極が内側に向いた状態で配向され、したがって、この磁石は、プラズマをチャンバに閉じ込める磁界を生じさせるようリング形磁石１８と協働することができる。端板２３の入口ポート２３ａの側壁は、空隙とチャンバとの間における空気の流れを容易にするよう外側に傾けられると共に丸形になっている。

作用を説明すると、空気が空隙を通ってチャンバ内に自由に流れるが、空気がチャンバ内でいったんイオン化状態になると、磁石８９及びリング形磁石１８によって作られる磁界は、プラズマを閉じ込めると共にプラズマが空隙を通ってチャンバから逃げ出るのを阻止する。他の実施形態の場合と同様、リング形磁石１８，１９によって生じた磁界も又、プラズマを閉じ込めると共に圧力パルスを軸方向に差し向けてタービンホイール８１及び発電機８４を駆動する。

図６の実施形態では、パワーコアは、爆発チャンバ１１の一端がプラグ９３によって閉じられ、シリンダブロック９４がチャンバの他端のところで端板２４に取り付けられた往復動ピストンエンジンで利用される。パワーコアモジュール及びシリンダブロックは、端プラグ９３及びシリンダブロック９４から側方に延びる取り付けタブ又はラグ（出張り）９３ａ，９４ａに設けられた整列状態の開口部９６，９７を通るボルト（図示せず）によって互いに結合されている。

ブロック内のシリンダ９８が軸方向に爆発チャンバ１１と整列すると共に端板２４の出口ポート２４ａを取って爆発チャンバと直接的な連通状態にある。ピストン９９は、上死点位置と下死点位置との間で往復運動できるよう連接ロッド１０１及びリストピン１０２によってクランクシャフト（図示せず）に連結されており、リング１０３，１０４がピストンとシリンダの側壁との間の耐圧性シールとなっている。

シリンダ内のピストンの位置をモニタすると共に電気パルスを制御してピストンがその上死点位置のところ又は近くに位置し又は下降行程時にあるときにのみエンジンが点火するようにする手段が設けられている。この手段は、ピストンの側壁又はスカート内に設けられた小型の磁石１０６及びシリンダの頂部寄りでシリンダブロックの側壁に取り付けられたホール効果センサ１０７を含む。このセンサは、電極へのパルスの印加を制御するよう点火回路１７に接続されている。

ピストンが下降行程時にあるとき、空気が図１、図２、及び図４の実施形態の場合と同様、一方向弁１４を通って爆発チャンバ１１内に吸い込まれる。ピストンがその上死点位置に達すると共に電極相互間の空気が十分にイオン化されると、ホール効果センサは、点火回路を電極に接続してアークを発生させると共にプラズマ中に圧力パルスを生じさせる。

爆発チャンバの一端がプラグによって閉じられている状態では、爆発中のプラズマにより生じる圧力パルスは全て、ピストンの方へ差し向けられてピストンを下死点に向かって駆動する。ピストンが下死点に達する前に、ホール効果センサ又はホールスイッチは、点火回路を電極から切り離して点火回路をピストンがその上死点位置に再び達するまで切り離されたままに保つ。

本発明は、多くの重要な特徴及び利点を有する。本発明は、非可燃性ガス、例えば空気、酸素、窒素、又は不活性ガスを利用した高効率エンジン及び方法を提供する。ガスをイオン化することによって生じたプラズマは、導電性が高く、このプラズマは、持続時間の短い電気パルスを印加したときに生じる電極相互間の強烈なアーク発生によって極めて高い温度に加熱される。パルスが１ミリ秒未満の持続時間又は幅を有すると共に毎秒５００〜１，０００個のオーダーの繰り返し数を有する場合、プラズマは、数ナノ秒で１，０００〜１００，０００℃という高い温度に達することができる。アーク発生が続く限り、プラズマの熱は、アーク中に封じ込められ、アークがターンオフされると、熱が爆発的に放出され、それにより強力な衝撃パルスが生じ、かかる強力な衝撃パルスは、１つ又は２つ以上の出力部材、例えばタービン又はピストンを駆動する際に捕捉されて利用される。

エンジンの効率は、プラズマを制御して衝撃パルスを出力部材の方へ差し向けるために磁気閉じ込めの使用によって著しく高められる。

パワーコアは、モジュラー形態で構成されているので、多様なエンジンで利用でき、エンジンとしては、従来型内燃エンジンが挙げられ、この場合、パワーコアは、シリンダヘッド及び燃料系統に代えてエンジンブロックに取り付けられるのが良い。

以上の内容から、新規且つ改良型のパルスプラズマエンジン及び方法が提供されていることは明らかである。或る特定の現時点において好ましい実施形態のみを詳細に説明したが、当業者には明らかなように、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、或る特定の変更及び改造を行うことができる。

Claims (22)

1. パルスプラズマエンジンであって、
   チャンバと、
   前記チャンバ内に設けられた１対の電極と、
   非可燃性ガスを前記チャンバ内に導入する手段と、
   前記非可燃性ガスをイオン化して前記チャンバ内にプラズマを生成する手段と、
   高エネルギー電気パルスを前記電極に印加して、前記電極間の前記プラズマを高い温度に加熱するアークを生じさせ、前記電気パルスを印加している間は、加熱したプラズマが前記電極間に閉じ込められているため、前記電気パルスがターンオフされたときに前記加熱したプラズマが爆発的に放出されて前記プラズマ中に爆発圧力パルスを生じさせる手段と、
   前記プラズマを閉じ込めるために前記チャンバ内に磁界を生じさせると共に前記爆発圧力パルスを前記爆発圧力パルスによって駆動される出力部材に差し向ける手段と、
   を有する、パルスプラズマエンジン。
2. 前記チャンバは、開口端部を有し、前記圧力パルスは、前記開口端部を通って前記出力部材に差し向けられる、請求項１記載のパルスプラズマエンジン。
3. 前記チャンバは、第１及び第２の開口端部を有し、前記圧力パルスは、第１及び第２の出力部材に前記開口端部のそれぞれを通って差し向けられる、請求項１記載のパルスプラズマエンジン。
4. 前記出力部材は、タービンホイールである、請求項１記載のパルスプラズマエンジン。
5. 前記出力部材は、ピストンである、請求項１記載のパルスプラズマエンジン。
6. 前記電気パルスは、１ミリ秒以下の幅を有し、前記電気パルスは、毎秒約５００〜１，０００回印加される、請求項１記載のパルスプラズマエンジン。
7. 電気パルスを印加する前記手段は、パルス発生器、絶縁変圧器によって前記電極に接続された電源及び前記パルス発生器からのパルスによって制御されるスイッチを含む、請求項１記載のパルスプラズマエンジン。
8. 前記電源は、バッテリ、前記バッテリに並列に電気的に接続されたキャパシタ、及び前記バッテリが前記変圧器からのエネルギーによって再充電されるよう前記変圧器と前記バッテリを相互に接続する手段を有する、請求項７記載のパルスプラズマエンジン。
9. 前記非可燃性ガスは、空気である、請求項１記載のパルスプラズマエンジン。
10. パルスプラズマエンジンであって、
    開口端部及び全体として円筒形の側壁を備えた軸方向に延びる爆発チャンバと、
    前記爆発チャンバ内に設けられた１対の電極と、
    非可燃性ガスを前記チャンバ内に導入する手段と、
    前記非可燃性ガスをイオン化して前記チャンバ内にプラズマを生成する手段と、
    電気パルスを前記電極に印加して、前記電気パルスがターンオンされている間は前記プラズマの加熱状態を生じさせているために、前記電気パルスがターンオフされたときに爆発圧力パルスを生じさせる手段と、
    前記電極の互いに反対側の側部で前記チャンバと同軸に設けられていて、前記プラズマを閉じ込めるために前記チャンバ内に軸方向に延びる磁界を生じさせると共に前記爆発圧力パルスを前記爆発チャンバの前記開口端部の方へ差し向ける磁石と、
    を有する、パルスプラズマエンジン。
11. 前記ガスをイオン化する前記手段は、放射線電離器を含む、請求項１０記載のパルスプラズマエンジン。
12. 前記磁石は、リング形永久磁石である、請求項１０記載のパルスプラズマエンジン。
13. 非可燃性ガスを前記チャンバ内に導入する前記手段は、前記チャンバと連通した一方向弁を含む、請求項１０記載のパルスプラズマエンジン。
14. 非可燃性ガスを前記チャンバ内に導入する前記手段は、空気を前記チャンバ中に通すことができる空隙と、前記プラズマが前記空隙を通って前記チャンバから出るのを阻止する磁石閉じ込め手段とを含む、請求項１０記載のパルスプラズマエンジン。
15. 前記チャンバの一方の側部で前記側壁を通って開口した前記非可燃性ガス用の入口ポートと、前記チャンバの別の側で前記側壁を通って開口したコンパートメント内に設けられている電離器とを更に有する、請求項１０記載のパルスプラズマエンジン。
16. 前記チャンバの一端部のところに設けられていて前記圧力パルスによって駆動されるタービンホイールを更に有する、請求項１０記載のパルスプラズマエンジン。
17. 前記チャンバの一端部のところに設けられていて前記圧力パルスによって駆動されるピストンを更に有する、請求項１０記載のパルスプラズマエンジン。
18. エンジンを作動させて出力部材を駆動する方法であって、
    非可燃性ガスを前記出力部材と連通した爆発チャンバ内に導入するステップと、
    前記ガスをイオン化して前記チャンバ内に導電性のプラズマを生成するステップと、
    高エネルギー電気パルスを前記チャンバ内の１対の電極に印加して前記プラズマを前記電極間で高い温度に加熱するアークを生じさせ、この熱が、前記電気パルスが印加されている間は電極間に閉じ込められるステップと、
    前記電気パルスをターンオフして前記アークを消失させ、前記電極間から熱が爆発的に放出されて前記プラズマ中に爆発圧力パルスを生じさせるステップと、
    前記プラズマを前記チャンバ内に磁気的に閉じ込めると共に前記爆発圧力パルスを前記出力部材の方へ差し向けるステップと、
    を含む、方法。
19. 前記非可燃性ガスは、空気である、請求項１８記載の方法。
20. 前記電気パルスは、１ミリ秒以下の幅を有し、前記電気パルスは、毎秒約５００〜１，０００回印加される、請求項１８記載の方法。
21. 前記電気パルスは、絶縁変圧器及びパルス発生器からのパルスによって制御されるスイッチを介して電源から前記プラズマに印加される、請求項１８記載の方法。
22. 前記電源は、前記変圧器からのエネルギーによって再充電されるバッテリを含む、請求項２１記載の方法。

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