JPH09303116A

JPH09303116A - 密閉サイクル型ガスエンジンおよびこれを有する機械システム

Info

Publication number: JPH09303116A
Application number: JP15591796A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hatanaka; 武史畑中
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 1997-11-25

Abstract

(57)【要約】【目的】無公害で、低ランニングコストの密閉サイ
クル型ガスエンジンおよびこれを有する機械システムを
提供することを目的とする。【構成】この発明の密閉サイクル型ガスエンジンお
よびこれを有する機械システムにおいて、放電用作動媒
体を封入したエンジンハウジング（１４、６２）内に動
力ガス発生手段（３４、８４）を内蔵し、その後流側に
タービン手段（１６、７０）を配置して高圧ガスにより
駆動し、膨張ガスを循環系（２２ｅ、７４）を介して動
力ガス発生手段に循環させるようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービンエンジンに
関し、とくに無公害の密閉サイクル型ガスエンジンおよ
びこれを有する機械システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関またはガスタービンエン
ジン（米国特許第２、９２８、２４２号および同第５、
１０２、２９８号参照）ではエンジン構造が複雑で、製
造コストが高く、しかも、炭化水素系の高価な燃料を大
量に消費するためにランニングコストが高く、しかも、
大量の汚染物質による公害を排出して地球環境を急速に
破壊していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、低コストで
公害を全く発生しない、しかも低ランニングコストの密
閉サイクル型ガスエンジンおよびこれを有する機械シス
テムを提供することを目的とする。

【０００４】

【本発明の構成】上記目的は密閉サイクル型ガスエンジ
ンが放電用作動媒体が密封された作動室とその下流側に
形成された排気室を備えたエンジンハウジングと、作動
室の上流側に配置されていて作動媒体にアーク放電によ
るプラズマを生成して高圧の動力ガスを発生させる動力
ガス発生手段と、動力ガス発生手段と作動室との間に配
置されて動力ガスを軸方向に指向させるタービンブレー
ド手段と、作動室に回転可能に配置されていて動力ガス
により駆動される出力タービン手段と、排気室と動力ガ
ス発生手段とに連通して排気室の膨張ガスを動力ガス発
生手段に還流させる循環系とからなることにより達成さ
れる。

【０００５】さらに、上記目的は機械システムが被駆動
軸を有する機械と、被駆動軸に直結された密閉サイクル
型ガスエンジンとからなり、密閉サイクル型ガスエンジ
ンが、放電用作動媒体が密封された作動室とその下流側
に形成された排気室を備えたエンジンハウジングと、作
動室の上流側に配置されていて作動媒体にアーク放電に
よるプラズマを生成して高圧の動力ガスを発生させる動
力ガス発生手段と、動力ガス発生手段と作動室との間に
配置されて動力ガスを軸方向に指向させるタービンブレ
ード手段と、作動室に回転可能に配置されていて動力ガ
スにより駆動される出力タービン手段と、排気室と動力
ガス発生手段とに連通して排気室の膨張ガスを動力ガス
発生手段に還流させる循環系とからなることにより達成
される。

【０００６】

【作用】この発明の密閉サイクル型ガスエンジンおよび
これを有する機械システムにおいて、密閉サイクル型ガ
スエンジンは放電用作動媒体が封入されたエンジンハウ
ジングと、放電用作動媒体にアーク放電によるプラズマ
を発生させて高圧の動力ガスを発生させる動力ガス発生
手段を備え、動力ガスの膨張によりタービン手段を駆動
させ、膨張ガスを動力ガス発生手段に循環させるように
したものである。

【０００７】

【実施例】図１は本発明による望ましい実施例の密閉サ
イクル型ガスエンジン１０を示す。エンジン１０は作動
室１２を有するタービンケーシング１４からなるエンジ
ンハウジングと、タービンケーシング１４の中間に配置
されたタービン１６とを備える。タービンケーシング１
４はエンドプレート１８ａを有するシリンダ部材１８か
らなるアウターケーシングと、シリンダヘッド２０とを
備える。シリンダ部材１８は冷却用フィン１８′を備
え、内側にはアウターケーシングと同心的にインナー部
材２２が配置されている。インナー部材２２は中央部に
配置されたラジアルウオール２２ａと、ラジアルウオー
ル２２ａの外周から軸方向に延びる環状ウオール２２ｂ
と、ラジアルウオール２２ａと環状ウオール２２ｂとの
間に延びる補強リブ２２ｃと、図示しないボルトでシリ
ンダ部材１８に固定される複数のラジアル突起部２２ｄ
と、環状ガス還流ノズル２２ｅとを備える。ステータブ
レード２４はシリンダ部材１８とインナー部材２２の環
状ウオール２２ｂとの間に配置されてる。タービン１６
は出力軸２６に支持されていて、ステータブレード２４
に隣接して配置されたタービンロータ２８を備える。ス
テータブレード２４の上流側において環状タービンノズ
ル３０がシリンダ部材１８の内側に配置されている。出
力軸２６はシリンダヘッド２０のセントラルハブ２０ａ
に支援された複数のベアリングにより支援されている。
符号２７はシール部材を示し、符号２９はシール部材２
７のカラー押え部材を示す。

【０００８】作動室１２の下流側には低圧部として機能
する排気室３２が形成され、作動室１２の上流側には電
気的動力ガス発生手段として機能するアーク発生室３４
がエンジンハウジング１４内に形成されている。アーク
発生室３４、タービンノズル３０、タービン１６、排気
室３２は同心的に配置されたクローズドシステムを構成
し、放電用作動媒体が孔部３６を介して充填される。つ
いで孔部３６は栓（図示せず）により閉じられる。

【０００９】放電用作動媒体は、１例として、アルゴ
ン、ヘリウム、クリプトン、キセノンおよびネオンから
選ばれた少なくとも１種以上の不活性ガスを単独で用い
ても良い。とくに、不活性ガス中、アルゴンは導電性が
高く、低コストであるため放電用ガスとして適してい
る。第２例として、放電用作動媒体は不活性ガスとこれ
らのイオン化を促進するためのクリプトン８５からなる
放射源との混合物から構成しても良い。クリプトン８５
は安全上エンジンハウジングの内容積１ｃｍ^３当り０．
２〜５０２イクロキューリーの範囲で混合すると良い。
第３例として、放電用作動媒体を不活性ガスと微量のア
セチレン、アリレン、ブチン等のアセチレン系炭化水素
との混合気から構成しても良い。

【００１０】図１において、アーク発生室３４はアウタ
ーケーシング１８の端部１８ａとインナー部材２２のラ
ジアル部２２ａとの間に形成されていて、放電用作動媒
体が充満している。絶縁スリーブ３８が端部１８ａによ
り支援され、陽極４０を保持している。陽極４０の先端
の一部は絶縁ホルダー４４により支援され、このホルダ
ー４４はアウターケーシング１８と端部１８ａとにより
支援されている。一方、インナー部材２２のラジアル部
２２ａには絶縁スリーブ４６を介してリード線４８が支
援され、これに陰極５０が電気的に接続されている。符
号５６は絶縁部材を示す。

【００１１】陰極５０は１例として、六フッ化ランタン
（ＬａＢ_６）またはダングステンのような熱電子放射材
料あるいはトリウム含有ダングステンから構成される。
熱電子放射材料あるいはトリウム含有ダングステンから
構成される。

【００１２】図１において、低圧部３２には多数の冷却
フィンと冷却水パイプからなる冷却手段５６が内蔵され
ている。冷却手段５６の冷却媒体はアウトレット５６ａ
を介してポンプＰにより外部冷却器５７に供給され、こ
こで冷却水により冷却されて冷却手段のインレット５６
ｂに循環され、低圧部３２の膨張ガスを冷却し収縮させ
る。符号５８はタービン１６と冷却手段との間に配置さ
れ、冷却手段５６の一部を保持するための環状押え部材
である。環状押え部材５８は複数の孔部５８ａを有し、
タービンロータ２８は同様に複数の孔部２８ａを有す
る。孔部５８ａ、２８ａはインナー部材２２の内側と環
状ノズル２２ｅを介してアーク発生室３４と直通する。
このように、低圧部３２、環状押え部材５８、タービン
ロータ２８およびインナー部材２２はガス還流系を構成
する。ガス還流系はアウターケーシング１８の外側にア
ウターハウジングを形成して、これを低圧部３２とアー
ク発生室３４と連通させるようにしても良い。

【００１３】インナー部材２２およびアーク発生室３４
はさらに作動媒体の初期イオン化を促進して電流密度ま
たはイオン密度を高めるためのポロニウムからなる放射
線源ライナー２２ｅおよび３４ａを有する。ポロニウム
の代わりに他の物質を用いても良い。すなわち、放射線
源は半減期が１０年を超え、放射能量が１００Ｂｑ〜１
０００Ｂｑでかつエネルギーが０．７ＭｅＶ以下のβ線
のみを放射する放射線源から構成しても良い。この場
合、Ｓｉ系のアルコキシドールアルコール溶液、すなわ
ちゾルゲン溶液に単体粉末のテクネチウム９９を混合し
た溶液をインナー部材２２およびアーク室３４に塗布し
て乾燥した後、６００℃で窒素中で１時間加熱すると、
テクネチウムがむらなく分布してライナー２２ｅと３４
ａが形成される。

【００１４】上記構成において、放電用作動媒体が孔部
３６から充填されて孔部３６は栓により密閉される。電
極４０、５０間には同一出願人による特願平６−３３４
６９０号に開示されたようなパルス放電電源から約４５
ＫＶで数マイクロ秒（１０^−６秒）のパルス幅の放電パ
ルスが供給される。このとき、アーク発電室３４におい
て、アーク放電により約５０００，０００℃のプラズマ
が発生する。この高温プラズマ周辺の作動媒体は高圧の
動力ガスとなり、ノズル３０から噴出してタービンロー
タ２８を膨張しながら駆動する。動力ガスは低圧部３２
で冷却収縮され、ガス還流系を介してアーク発生室３４
に流入する。このとき、ガスは放射線源ライナー２２
ｅ、３４ａによりイオン化されているため、次の高電圧
パルスが供給されたときに、効率的にプラズマを発生す
る。放電パルスに応答して、プラズマは全体の時間の
０．００２％の時間のみ発生して充分な駆動エネルギー
を発生するため、作動媒体は異常な温度までは上昇せ
ず、エンジンハウジングは８０〜１２０℃の温度に保た
れる。この場合、冷却手段５６を取り除くことができ、
エンジン構造がさらに簡単となる。しかしながら、作動
媒体の種類によっては、エンジン効率をあげるためには
冷却手段５６を利用するのが効果的である。

【００１５】図２は本発明の望ましい第２実施例による
密閉サイクル型ガスエンジン６０を示す。ガスエンジン
６０は作動媒体が封入されたエンジンハウジング６２
と、エンジンハウジング６２の前部のコンプレッサ手段
６４と電気的動力ガス発生器６６と、高圧タービン６８
および低圧タービン７０からなるタービン手段とを備え
る。コンプレッサ手段６４はスリーブ７８を介して高圧
タービン６８により駆動されて冷却された作動媒体を圧
縮して動力ガス発生器６６に供給する。動力ガス発生器
６６はコンプレッサ手段６４と高圧タービン６８との中
間部に配置されていて、アークによるプラズマを発生さ
せて高温・高圧の動力ガスを発生する。この動力ガスは
高圧タービン６８および低圧タービン７０に供給されて
膨張しながらこれらを駆動する。膨張したガスはエンジ
ンハウジング６２の後流側に形成された排気室７２に排
出される。排気室７２はダクトからなる循環系７４を介
してコンプレッサ手段６４の入力側に連結される。循環
系７４は冷却水パイプ７６ａその他の適当な冷却手段か
らなる冷却器７６を備え、膨張したガスを冷却する。

【００１６】動力ガス発生器６６は環状の外筒８０とそ
の内側に配置された環状の内筒８２を備える。外筒８０
はハウジング６２と一体でも良く、あるいは分離しても
良い。内筒８２はコンプレッサ手段６４の排出口側に開
口しているインレット８２′と、タービン６８の導入側
に開口しているアウトレット８２″とを備える。図示さ
れていないが、内筒８２の内壁および外壁には複数の孔
部を形成して、圧縮されたガスを外筒８０から内筒８２
内に流入させても良い。内筒８２内には作動媒体をアー
ク放電させるための環状アーク発生室８２ａと電極手段
８４が配置されている。環状アーク発生室８２ａは作動
媒体をイオン化するための放射線源ライナー８２ａ′を
有する。図２１において、電極手段８４はアーク室８２
ａ内で軸方向に延びる複数の絶縁ホルダー８４ａと、複
数の放電電極８４ｂとを備える。各電極ホルダー８４ａ
はガス流方向に順次配列されるように複数の放電電極８
４ｂを支持し、各放電電極８４ｂの両端はそれぞれ対向
する放電電極と対をなしている。一対の放電電極の各断
面積を大きくしても、電極の表面積の極く一部にてアー
ク放電が発生するため、アーク放電領域が狭くなり、高
圧の動力ガスの発生率が悪くなる。これに対して、電極
手段を複数の分割電極から構成すると、アーク放電が分
割電極間で同時に多数起るため、必然的にアーク放電領
域が拡大して大量のプラズマが発生して高圧の動力ガス
を発生することができる。しかも、作動媒体はアーク発
生室８２ａ内にてガス流方向において複数のプラズマに
順次露出されて高温・高圧となる。電極手段はパルス放
電電源８６に接続され、周期的な約４５ＫＶでパルス幅
数マイクロ〜数１０マイクロ秒の放電パルスが供給され
る。

【００１７】上記構成において、エンジンハウジング６
２は真空排気された後に作動媒体が図示しないポートを
介してエンジンハウジング内に約１気圧で封入される。
次に、パルス放電電源８６がスイッチオンされると、約
４５ＫＶの高電圧放電パルスが同時に複数の放電電極８
４ｂに付加される。このとき、アーク発生室８２ａ内の
不活性ガスは放射線源ライナー８２ａによりイオン化さ
れているため、複数の放電電極８４ｂ内でアーク放電が
起こり、不活性ガス中に複数のプラズマが発生する。こ
の結果、高温・高圧ガスが発生して、高圧タービン６８
を駆動する。高圧タービン６８はコンプレッサ手段６４
を駆動する。高温・高圧ガスは低圧タービン７０を膨張
しながら駆動し、機械出力を発生させる。低圧部７２の
膨張ガスは冷却手段７６により約５５℃近くまで冷却収
縮されてからコンプレッサ手段６４に循環される。コン
プレッサ手段６４はガス混合気を圧縮してガス動力発生
手段６６に供して前述したサイクルが周期的に繰り返さ
れる。

【００１８】図２、３の実施例において、作動媒体は前
述したような作動媒体から構成しても良い。また、アー
ク発生室と電極手段は内筒内に配置されたものとして示
されたが、外筒内に直接形成しても良い。

【００１９】図４は本発明の望ましい第３実施例のター
ビンエンジンからなる密閉サイクル型ガスエンジン６
０′を示し、第２実施例と同一部品については同一符号
を用いる。図４の実施例において、エンジン６０′は高
速航空機推進用のターボファン型タービンエンジンに適
用されたものとして図示される。エンジン６０′はハウ
ジング６２と、圧縮機６４と、電気動力ガス発生器６６
と、高圧タービン６８と、低圧タービン７０とを備え
る。低圧タービン７０にはスプール９０ａを介して推進
用ターボファン９０が連結される。ターボファン９０は
推進用の機能を有する他に導入空気９４を利用して循環
ダクト９４を冷却するための冷却手段としても機能す
る。図４において、エンジン６０′はさらにエンジンハ
ウジング６２の外周に循環系７４を構成する循環ダクト
が形成される。エンジン６０′は循環ダクト７４の外周
に外気導入ダクト９２を備え、ダクト９２は推進用の導
入外気９４を導入するための、導入部９２ａを有する。
導入外気９４は循環ダクト７４の外周を通過しながら、
ダクト７４内を循環する膨張ガスを冷却・収縮させる。
このように外気導入ダクト９２およびターボファン９０
は駆動の他に循環ダクト７４内の膨張ガスを冷却する役
目をする。他は図１、２の実施例と同一なので詳細な説
明は省略する。

【００２０】図５は、本発明による密閉サイクル型ガス
エンジン１００を組み込んだ機械システム１０２を示
す。機械システム１０２はガスエンジン１００に連結手
段１０４を介して接続された被駆動軸１０６ａを備えた
機械１０６を有する。バッテリ装置１１０の出力電圧は
放電パルス電源１１２に供給され、放電パルスがガスエ
ンジン１００に供給される。機械１０６は自動車、トラ
ック、バス、列車、電車、ブルドーザー、二輪車、自転
車、船舶、航空機、宇宙船等の乗り物、発電システム、
ファン、ポンプ、ブロワー、コンプレッサー等の流体機
械、冷凍機あるいはエアコンディショナー、油圧ショベ
ル等の建設機械、プラスチック加工機械、ゴム加工機
械、マテリアルハンドリング機械、プレス機、木工機
械、工作機械、金属加工機械、エレベーター、エスカレ
ーター、巻上装置・クレーン・ウインチ・コンベヤー等
の搬送機械、コンバイン・トマト収穫機等の収穫調整用
機械、トラクター・耕運機等の農業用機械、操網機等の
漁業用機械、さく岩機等の鉱山機械、精粉機・肉ひき機
等の食料加工機械、紡績機・織機等の繊維機械、ろ過機
・攪拌機等の化学機械、印刷機械、製本機械その他産業
用機械からなる。

【００２１】本発明では密閉サイクル型ガスエンジンに
おいてアーク発生室の作動媒体にプラズマを発生して高
圧の動力ガスを発生させ、これによりタービン手段を駆
動し、膨張ガスを減圧してアーク発生室に還流して再利
用するようにしたので、ランニングコストの低いクリー
ンなガスエンジンを提供することができる。ガスエンジ
ンは小型で高出力が得られ、構造が簡単で部品点数が少
なく、軽量で騒音の発生も少なく、１回転毎に大きなト
ルクが発生し、振動が少なく、製造コストとメンテコス
トが著しく低い。しかも、作動流体は永久的に使用可能
なためエンジンハウジン作動流体を一旦封じ込めると外
部から全く追加燃料を供給せずにガスエンジンを長時間
駆動することができる。ガスエンジンは密閉型で排ガス
等の公害が全くないため、地球環境破壊を完全に防止で
き、実用上の効果が極めて大きい。なお、本発明のガス
エンジンによれば、自動車、船舶、航空機等の輸送機関
や発電システム、流体機械、エレベーター、エスカレー
ター、コンベアー、工作機械、建設機械等の新規な機械
システムの市場を提供でき、産業上ならびに経済上の効
果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の望ましい実施例によるガスエンジン
の概略断面図である。

【図２】本発明の第２実施例によるガスエンジンの概
略断面図である。

【図３】図２のエンジンの動力ガス発生器の詳細を示
す断面図である。

【図４】本発明の第３実施例によるガスエンジンの概
略図である。

【図５】本発明のガスエンジンを組み込んだ機械シス
テムのブロック図である。

【符号の説明】

１４エンジンハウジング１６ター
ビン１８シリンダ部材２０シリ
ンダヘッド２２インナー部材２４ステ
ーターグレード３４アーク発生室４０、５４
電極手段５６冷却手段６２エン
ジンハウジング６４コンプレッサ６６動力
ガス発生器６８高圧タービン７０低圧
タービン７４循環系７６冷却器８４電極手段９０ターボ
ファン９２外気導入ダクト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電用作動媒体が密封された作動室とそ
の下流側に形成された排気室を備えたエンジンハウジン
グと、作動室の上流側に配置されていて作動媒体にアー
ク放電によるプラズマを生成して高圧の動力ガスを発生
させる動力ガス発生手段と、動力ガス発生手段と作動室
との間に配置されて動力ガスを軸方向に指向させるター
ビンブレード手段と、作動室に回転可能に配置されてい
て動力ガスにより駆動される出力タービン手段と、排気
室と動力ガス発生手段とに連通して排気室の膨張ガスを
動力ガス発生手段に還流させる循環系とからなる密閉サ
イクル型ガスエンジン。
【請求項２】請求項１において、動力ガス発生手段が
作動室に直通するアーク発生室と、アーク発生室内に配
置された複数のアーク放電電極を有する密閉サイクル型
ガスエンジン。
【請求項３】請求項１または２において、さらにコン
プレッサ手段を備え、コンプレッサ手段がエンジンハウ
ジング内にて動力ガス発生手段の上流側に配置され、循
環系がコンプレッサ手段の入力側と排気室とに連通して
いる密閉サイクル型ガスエンジン。
【請求項４】請求項１において、さらに膨張ガスを冷
却収縮させるための冷却手段を備える密閉サイクル型ガ
スエンジン。
【請求項５】請求項１において、作動媒体がアルゴ
ン、ヘリウム、クリプトン、キセノンおよびネオンから
選ばれた少なくとも１種以上の不活性ガスからなる第１
グループと、不活性ガスと炭化水素基を有する気体から
なる第２グループとのうちの１つのグループから選択さ
れた密閉サイクル型ガスエンジン。
【請求項６】請求項５において、作動媒体がイオン化
促進用のクリプトン８５を含む密閉サイクル型ガスエン
ジン。
【請求項７】請求項２において、アーク発生室が作動
媒体をイオン化するための放射線源ライナーを備える密
閉サイクル型ガスエンジン。
【請求項８】請求項１または２において、エンジンハ
ウジングがアウターケーシングと、アウターケーシング
と同心的なインナーケーシングと、作動室の上流側にお
いて、アウターケーシングとインナーケーシングの間に
形成されたステータノズルとを備え、動力ガス発生手段
がアウターケーシングとインナーケーシングとの間に形
成されている密閉サイクル型ガスエンジン。
【請求項９】請求項８において、循環系がインナーケ
ーシングの内側に形成されていて、インナーケーシング
が動力ガス発生手段と連通するガス還流ノズルを備える
密閉サイクル型ガスエンジン。
【請求項１０】請求項３において、動力ガス発生手段
がコンプレッサ手段に連通している外筒と、外筒内に配
置された内筒と、内筒内に形成されたアーク発生室と、
アーク発生室内でガス流方向に順次配置された複数対の
アーク放電電極とからなる密閉サイクル型ガスエンジ
ン。
【請求項１１】請求項３において、出力タービン手段
がコンプレッサ手段に連結された高圧タービンと、高圧
タービンと同心的な低圧タービンからなる密閉サイクル
型ガスエンジン。
【請求項１２】請求項１１において、循環系がエンジ
ンハウジングの外周に形成されたダクトからなり、低圧
タービンがターボファンを備え、ターボファンが循環系
の冷却手段として機能するとともに推進手段として機能
する密閉サイクル型ガスエンジン。
【請求項１３】被駆動軸を有する機械と、被駆動軸に
連結された密閉サイクル型ガスエンジンからなり、密閉
サイクル型ガスエンジンが放電用作動媒体が密封された
作動室とその下流側に形成された排気室を備えたエンジ
ンハウジングと、作動室の上流側に配置されていて作動
媒体にアーク放電によるプラズマを生成して高圧の動力
ガスを発生させる動力ガス発生手段と、動力ガス発生手
段と作動室との間に配置されて動力ガスを軸方向に指向
させるタービンブレード手段と、作動室に回転可能に配
置されていて動力ガスにより駆動される出力タービン手
段と、排気室と動力ガス発生手段とに連通して排気室の
膨張ガスを動力ガス発生手段に還流させる循環系とから
なる機械システム。