JP4729041B2

JP4729041B2 - ロータリー装置及びロータリー装置の運転方法

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Publication number: JP4729041B2
Application number: JP2007518677A
Authority: JP
Inventors: ダイ，アンソニー，オズボーン
Original assignee: Epicam Ltd
Current assignee: Epicam Ltd
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-06-27
Also published as: JP2008504488A; GB0414524D0; EP1766188A1; WO2006000797A1

Description

本発明は、ロータリー装置及びロータリー装置の運転方法に関する。

特定の実施形態において、本発明は、その内容全体がここでの言及によって本明細書に組み込まれる国際特許出願第ＷＯ‐Ａ‐９１／０６７４７号ならびに付与済みの米国特許第ＵＳ‐Ｂ‐６１６８３８５号及び第ＵＳ‐Ｂ−６１７６６９５号に記載の方法及び装置の発展を含んでいる。

デトネーション（detonation）は、燃料を空気又は酸素に分布させてなる気体状の混合物が酸化にさらされるプロセスであって、火炎によって引き起こされる燃焼や爆燃において生じるよりも急激な様相での熱の解放をともなうプロセスである。デトネーションは、通常は、空気／燃料混合物の着火によって開始される。空気／燃料混合物のデトネーションは、そのプロセスによって生成される熱に起因する空気／燃料混合物の膨張の結果として、衝撃波の発生を引き起こす。デトネーションの際、衝撃波は、爆燃の際の火炎にとって可能な速度よりもはるかに高速であって典型的には１よりも大きなマッハ数で移動し、気体混合物（チャージ・ガス）を通過する。

デトネーションを、一端が閉じられ他端が開放された筒において発生させることが可能であることが実証されている。燃料及び空気のチャージ（charge）が、点火装置が配置されている閉じた端部においてバルブ又はポートを通じて筒へと導入される。衝撃波は、点火装置において点火された空気／燃料混合物の急激な膨張によって開始されると、きわめて高速で筒を通過する。デトネーションの熱の解放によって生じる膨張の結果としてチャージ・ガスが高速で筒の開放端を出るとき、大きな推力が生成される。複数の筒を、デトネーションを順次に発生させる推力生成エンジンを形成するように、配置することができる。例えば、そのようなシステムが説明されている米国特許第ＵＳ‐Ａ‐５３４５７５８号を参照されたい。

各デトネーション・サイクルにおいて、チャージ・ガスの圧力及び密度の変化が生じることが知られている。ガス密度は、空気／燃料混合物の熱化学反応が開始される前進する衝撃波の前面において最大である。対照的に、衝撃波のすぐ後に、ガス密度がきわめて低くなる希薄波が発生する。反応領域における熱の解放から起因するガスの膨張が、低い密度又は準真空の領域を背後に残しつつ、ガスをチャンバの開放端から追い出すように機能する。パルス・デトネーション・エンジンにおいては、この準真空が、次の空気及び燃料のチャージによって迅速に再び筒を満たすために使用される。

米国特許第ＵＳ‐Ａ‐４７４１１５４号が、回転デトネーション・エンジンを開示している。このエンジンは、デトネーション・チャンバを有するとともに、デトネーション・チャンバから受け取られるデトネーション後の空気／燃料混合物のチャージによって駆動されるように配置された複数のタービン羽根板を有している。このエンジンは、回転子を駆動するためにキャサリン‐ホイール効果（catherine‐wheel effect）に依存している。このエンジンは、デトネーションからのエネルギーの回転力への効率的な変換を、可能にしていない。さらに、タービン羽根板がデトネーションからの変動力にさらされるため、効率的なエネルギー変換を行うことができず、疲労によって破損しやすいものとなっている。
ＷＯ‐Ａ‐９１／０６７４７ＵＳ‐Ｂ‐６１６８３８５ＵＳ‐Ｂ−６１７６６９５ＵＳ‐Ａ‐５３４５７５８ＵＳ‐Ａ‐４７４１１５４

本発明の第１の態様によれば、空気／燃料混合物からなるチャージを受け取り、デトネーションによって燃料を酸化させるためのチャンバと、体積が変化する一時チャンバを有している回転膨張機であって、該一時チャンバが当該回転膨張機の回転のサイクルの少なくとも一部において前記デトネーション・チャンバと流体連通する回転膨張機と、を有しており、前記回転膨張機が、空気／燃料混合物のデトネーションによって生じる空気／燃料混合物の膨張によって駆動されるように構成されているロータリー装置が提供される。

本発明は、デトネーション・プロセスから回転力を得ることができるようにするロータリー装置を提供する。例えば米国特許第ＵＳ‐Ａ‐４７４１１５４号に記載の装置など、デトネーション・プロセスから回転力を得るために使用されるべくこれまでに開示された装置と対照的に、本発明においては、ロータリー装置において生成された膨張ガスから動力を取り出すための効率的な手段を提供する回転膨張機が設けられる。

本発明は、オットー・サイクル、ディーゼル・サイクル、及びガス・タービン・サイクルのエンジンと比べたときにいくつかの大いなる利点を提供する様相で、燃料から解放されたエネルギーを回転膨張機を使用して軸の力に変換できるロータリー装置を提供する。これらのエンジンのすべてにおいては、燃料の酸化のプロセスが、燃料‐空気混合物が圧縮された後、すなわち大気よりもかなり高い温度及び圧力の水準に達した後でしか開始されない。オットー・サイクル及びディーゼル・サイクルのエンジンにおいては、燃焼の際の熱の解放によって、温度及び圧力がきわめて高い水準へとさらに高められる。これは、いくつかの欠点を有している。第１に、大きな熱的及び物理的応力に耐えることができ、かつ燃焼室内にガスのチャージを封じることができる材料で、エンジンを構成する必要がある。大きな熱的及び物理的応力ゆえ、いくらかの熱的損失及び漏れ損失が、このプロセスにおいては不可避である。

第２に、ピストン・エンジンの場合には、燃焼プロセスが、典型的には２０〜９０度であるが、ピストンの上死点（ＴＤＣ）位置の付近の或る角度に広がる。これは、熱の解放のうちのＴＤＣよりも前に生じる部分が、圧縮に負の仕事を加えることを意味し、これをオットー又はディーゼル・サイクルのこの半分（すなわち、圧縮‐燃焼‐膨張段階）においてピストンへと正味の仕事を生成できるために、ＴＤＣ後の膨張の際に回復しなければならないことを意味する。この期間におけるチャージの封止は、ピストン・リングがピストンとシリンダ壁との間のすき間を封じるために、かなりの摩擦を生じる。この摩擦は、これらのサイクルの吸気及び排気段階においてもつきまとい、これらのエンジンにおける内部出力のさらなる損失を構成する。

ガス・タービン・エンジンの場合には、燃焼の際の熱の解放がさらなる圧力上昇をもたらすことはなく、圧縮機によって生成された圧力でガスの膨張が生じる。しかしながら、圧縮機によってなされた仕事は、膨張タービン・システムによって回収される仕事のかなりの部分を呈し、タービンが動力の正味余剰を届けることができるために克服しなければならないかなりの負の仕事を構成する。

本発明のロータリー装置は、これらの欠点のいずれにも悩まされることがない。燃料の酸化に先立って、フライホイールの慣性などといった外部の源から作動流体へと加えられる力は、わずか又は皆無である。酸化がデトネーションによって達成される結果として、圧縮の大部分又はすべてが、作動流体のチャージの反応領域において局所的に生成され、すなわち熱‐化学的由来の衝撃波によって生成される。結果として、エンジン全体にわたる圧力及び温度が、ピストン・エンジン及びガス・タービン・エンジンにおける圧力及び温度よりもはるかに低い。より小さな熱の勾配ゆえ、熱損失の可能性が大幅に低減される。

さらに、大きな圧力勾配が存在しないため、作動流体のチャージからの漏れ損失も、物理的又は機械的なシールを必要とすることなくきわめて低いレベルに保つことができ、したがって内部の摩擦損失の発生が回避される。したがって、燃料の潜在エネルギーが、最小限の内部損失で作動流体の膨張へと直接変換される。ガスの膨張は、回転膨張機によって膨張プロセスの際の損失を最小限にしつつ軸の出力へと効率的に変換され、したがって内部損失の低減によって高い効率のロータリー装置がもたらされる。

本発明の第２の態様によれば、デトネーション・チャンバを回転膨張機の一時チャンバに流体連通させて有しているロータリー装置の運転方法であって、デトネーション・チャンバにガス／燃料混合物からなるチャージを受け入れるステップ、及び前記混合物にデトネーションを生じさせて前記ガス／燃料混合物を膨張させ、回転膨張機を駆動するステップ、を有する方法が提供される。

次に、本発明の実施例を、添付の図面を参照しつつ詳しく説明する。

図１〜３は、本発明の一実施形態によるロータリー装置の一例の一部分の図である。図示の具体例においては、装置が、圧縮機２、デトネーション・チャンバ４、及び膨張機６を、壁体（すべてが示されているわけではない）によって画定されたハウジング内に配置して有している。デトネーション・チャンバ４は、さらに詳しく後述する固定子シリンダ３の内側に収容されている。中間壁１０が、圧縮機と膨張機とを隔てるように設けられている。

一般に、圧縮機２は、空気／燃料混合物からなるチャージを圧縮してデトネーション・チャンバ４へと供給するように配置されている。圧縮機２及び膨張機６はそれぞれ、平行な軸を中心として反対向きに回転するように配置された２つの回転子（圧縮機については、５及び７；膨張機については１６及び１８）で構成されている。図１において、膨張機の回転子１６及び１８をはっきりと見ることができる。図２においては、圧縮機の回転子をはっきりと見ることができるよう、膨張機の回転子及び中間壁１０が取り除かれている。

膨張機及び圧縮機の両者の回転子５、７、１６、及び１８は、ハウジング内に配置されているが、ハウジングの一方の端壁８及び中間壁１０のみが、図１に示されている。固定子シリンダ３及び固定子シリンダ３を中心として回転するように配置された回転子が囲まれるように、さらなる壁体（図示されていない）が設けられている。

ハウジングの壁体に、開口１２及び１４が設けられている。開口１２及び１４は、可動かつ異形の閉じ込め壁体をロータリー装置へと挿入することができるように設けられている。後述されるとおり、閉じ込め壁体（図４Ａ〜４Ｈ及び５Ａ〜５Ｈの断面で示されている）は、圧縮機及び膨張機のそれぞれの一時チャンバについて可能な最大容積を、変化させることができるようにする。

使用時、空気／燃料混合物からなるチャージがデトネーション・チャンバ４内において適切な乱流状態になると、この混合物に点火が行われる。これにより、空気／燃料混合物のデトネーションが引き起こされ、結果として、超音速の衝撃波が生成されて、デトネーション・チャンバ４を通って膨張機６へと伝播する。結果として、デトネーション・チャンバ及び膨張機内のガスが膨張し、膨張機の回転子を回転させる。回転する膨張機が、装置から回転力を取り出すべく駆動軸へと接続されている。

さらに詳しくは、図１に示したロータリー装置は、デトネーション・チャンバ４を、どちらか一方の端部に向かって軸方向のポート（図１には示されていない）を有する固定子シリンダに有している。軸方向のポート２０及び３２を、図３に見て取ることができ、さらに図４Ａ〜４Ｈ及び５Ａ〜５Ｈの断面に見て取ることができる。軸方向のポートのうちの一方のポート２０は、圧縮機の凹部付きの回転子の凹部とデトネーション・チャンバとの間の連通を可能にする。軸方向のポートのうちの他方のポート３２は、膨張機の凹部付きの回転子の凹部とデトネーション・チャンバとの間の連通を可能にする。

図示の例では、圧縮機及び膨張機の両者が、それぞれの軸を中心として回転するように構成されたそれぞれの回転子の凹部７及び１８ならびに凸部５及び１６によって形成されている。圧縮機及び膨張機のそれぞれの回転子は、最も好ましくは、その内容の全体がここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする国際公開第ＷＯ‐Ａ‐９１／０６７４７号パンフレットに記載の形式である。

図１にはっきりと見ることができる膨張機６を参照すると、凸部付きの回転子１６が、形状が同一であって回転時に凹部付きの回転子１８の凹部Ｒ、Ｓ、及びＴと協働するように形作られた放射状の凸部Ｐ及びＱを有している。これは、相互作用する凸部と凹部との間に容積が変化する一時チャンバを画定するように機能する。後述されるように、一時チャンバは、膨張するガスを受け取って、それらからエネルギーを取り出すために使用される。

次に圧縮機を参照すると、例えば空気／燃料混合物である気体状の作動流体が、圧縮機の回転子ペア５及び７を囲んでいるハウジングに供給され、圧縮機の凹部付きの回転子７の凹部を満たす。圧縮サイクルは、凸部付きの回転子５からの凸部が凹部付きの回転子７の凹部のうちの１つに進入して、空気／燃料混合物のチャージを、協働する凹部付きの回転子７の凹部及び凸部付きの回転子５の凸部の表面によって画定される一時チャンバ内に捉えるときに始まる。ロータリー装置の動作のサイクルを、以下でさらに詳しく説明する。

圧縮機及び膨張機の両者の凹部付きの回転子７及び１８は、軸方向の中央穴９及び１１を有している。さらに、凹部付きの回転子７及び１８のそれぞれに、回転子の凹部を回転子の穴へと接続する通路（図４Ａ〜４Ｈ及び５Ａ〜５Ｈに示されている）が設けられている。回転子の穴９及び１１のそれぞれは、固定子シリンダ３の外表面に密に隣接して嵌まり込んでおり、固定子シリンダ３の内側に、デトネーション・チャンバ４が画定されている。これにより、回転の円弧の適切な部分において、固定子シリンダ３のポートのそれぞれが、回転子のそれぞれの凹部へと続く短い通路の入口と連通することができ、したがってそれぞれの回転子ペアの間に形成される一時チャンバへと連通することができる。

デトネーション・チャンバ４を画定している固定子シリンダ３は、それぞれの端部において、ハウジングの２つの外壁８（他方は図示されていない）に支持されており、ハウジングの外壁はそれぞれ、圧縮機の回転子ペア５及び７の外側端面ならびに膨張機の回転子ペア１６及び１８の外側端面のために、密に嵌まり合った支持をもたらしている。端部の壁は、固定子シリンダ３の両端を閉じてデトネーション・チャンバを画定するように設けられている。好ましくは、デトネーション・チャンバ４の圧縮機側の端部の壁が、点火プラグ（図示されていない）又はデトネーション・チャンバ内のチャージに点火するための他の任意の適切な手段など、点火装置のための場所を提供している。

圧縮機及び膨張機の両方の回転子ペア（５及び７；１６及び１８）に、可動の閉じ込め壁体（図４Ａ〜４Ｈ及び５Ａ〜５Ｈに断面で示されている）を提供することができる。可動の閉じ込め壁体は、好ましくは、動作の際にロータリー装置の作動流体の押し出し量を可変にすることができるように設けられたスライド可能部材である。作動流体の押し出し量は、例えば負荷の変動に応じて変化させることができ、あるいは特定の用途において高度が変化しても一定の出力を維持するように変化させることができる。

好ましい実施形態においては、格子（図６に関して詳しく後述する）が、圧縮機の一時チャンバからデトネーション・チャンバへとつながる短い通路に取り付けられている。格子は、圧縮機の一時チャンバを出てデトネーション・チャンバへと進入する際にチャージ・ガスに微小規模の乱流を生み出すために適した構成部品の例である。この微小規模の乱流は、ガス流中にきわめて小さなサイズの乱流渦構造を生み出す一方で、きわめて強い強度であって、高次の局所平均ガス速度を生み出す。この乱流の特有の形態が、デトネーション・チャンバにおいて直ぐ後に続くデトネーション・プロセスの前兆である。

乱流が、チャージの有効なデトネーションに必要とされる高いレベルの潜在反応性を生み出すよう、空気／燃料混合物の局所ガス動的エネルギーを高いレベルにまで高める。また、格子は、通路を通過するチャージの全体の流れにも影響を及ぼし、デトネーションの開始に先立って、チャージの全体にわたってマイクロ・レベルでの乱流及び燃料分布に良好な一様性をもたらす。ひとたびデトネーション・チャンバ（及び、おそらくは回転する膨張機の膨張する一時チャンバ）に入ると、チャージが点火され、デトネーションが生じる。デトネーションがガスの急激な膨張を引き起こし、この膨張が回転膨張機を駆動すべく使用される。

図４Ａ〜４Ｈは、ロータリー装置の圧縮機部分について、サイクルの各段階における回転子端部の形状を示している。ロータリー装置が、圧縮機なしでも動作でき、すなわち空気／燃料混合物を大気圧でデトネーション・チャンバへと直接供給してもよいことを、理解できるであろう。図４Ａ〜４Ｈはそれぞれ、ロータリー装置のガス吸気端に近接する点において凸部付きの回転子及び凹部付きの回転子ならびに可動閉じ込め壁体を通過する断面形状を示している。閉じ込め壁体は、第１及び第２の回転子と係合して、閉じ込め壁体と第１及び第２の回転子との間に一時チャンバを定めるように形作られており、閉じ込め壁体が、この一時チャンバについて可能な最大容積を変化させることができるよう可動である。

凹部付きの回転子の中心は中空であり、デトネーション・チャンバを定めている中空の内部を有している固定子シリンダに密に嵌まり合い、固定子シリンダを中心として回転する。固定子シリンダがポート２０を有し、圧縮機の凹部付きの回転子のそれぞれの凹部が、固定子シリンダを中心とする回転子の回転サイクルの一部分において固定子シリンダのポート２０と連通する通路２２を有している。固定子シリンダの中空の内部が、ロータリー装置のデトネーション・チャンバとして機能する。

図４Ａを参照すると、回転子が図示の方向に回転する（凸部付きの回転子が時計回りの方向に回転し、凹部付きの回転子が反時計回りの方向に回転する）とき、凸部Ｐと凹部Ｒとが互いに接近する。凸部Ｐ及び凹部Ｒならびに可動の閉じ込め壁体２６の係合が、可動の壁体２６内に一時容積Ｊを捉えるように機能する。可動の壁体の端部が図示されている。この壁体は、回転子の軸長さに沿って先細りとされている。壁体が回転子の軸方向に平行な経路に沿って移動すると、壁体の先細りの形状ゆえに、一時チャンバについて可能な最大体積が変化する。これは、米国特許第ＵＳ‐Ｂ‐６１７６６９５号に詳しく説明されており、その内容の全体が、ここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする。そこに記載されている壁体２６を移動させるための自動手段などのような手段を、設けることができる。

次に図４Ｂを参照すると、今や一時容積Ｊに収容された流体が捉えられ、回転子が回転を続けるにつれて圧縮される。

次に図４Ｃを参照すると、一時容積Ｊが圧縮されているが、未だ凹部付きの回転子の通路２２がポート２０に対応する位置まで回転していないため、流体は捉えられたままである。

図４Ｄにおいては、一時容積Ｊが、今や完全に凸部Ｐ及び凹部Ｒの表面によって封じられている。凹部付きの回転子の通路２２の前縁が、今やポート２０の開き縁に達しており、ポートを通過する流体の流れが生じ始めている。この段階で、捉えられている流体の圧力がレシーバの圧力に達し、回転子のさらなる回転によって、凸部Ｒと凹部Ｐとの間の可変の容積のチャンバにおいて圧縮されたガスのチャージが徐々に送出される。

図４Ｅにおいて、凹部付きの回転子の通路２２の前縁が、今やポート２０を約半分まで横切っており、ポート２０のスロートにおける可変の流通面積が大きくなっている。図４Ｆにおいて、凹部付きの回転子の通路２２が、今やポート２０に整列しており、チャージの送出のために最大の流通面積をもたらしている。

図４Ｇにおいて、凹部付きの回転子の通路２２の後縁が、今やポート２０の閉じ縁に接近しており、ポートが閉じ始めている。残りの一時容積はきわめて小さく、したがってポートを通じて移されるべき少量のチャージを依然として含んでいる。

最後に、図４Ｈにおいて、今や一時容積が完全になくなっており、すきま容積のみが凸部Ｐの表面と凹部Ｒの表面との間に残されている。ポート２０の閉鎖が、凸部の先端がポケットの最小半径の点に達するときに生じる圧縮作用の完了に一致している。今や新たな一時容積が、次の凸部と凹部とからなるペアの間に形成されている。この段階において、空気／燃料混合物のチャージのすべてが圧縮され、今や固定子シリンダの内部によって定められるデトネーション・チャンバ、及びおそらくは膨張機の一時チャンバに収容されている。

図４Ａ〜４Ｈを参照して上述した圧縮サイクルの際の或る点において、膨張機の回転子の凹部と凸部との間に一時チャンバが形成される。この一時チャンバの容積は、チャージからのデトネーション・ガスの膨張を可能にするため、サイクルにおいて増加する。実際には、後述されるとおり、好ましい実施形態においては、一時チャンバが、膨張機の一時チャンバがデトネーションが生じるチャンバとしても機能するように、或る量の圧縮されたチャージを受け取る。圧縮機及びデトネーションのタイミングに対する膨張機サイクルの相対的な注入、ならびに圧縮サイクルの後の段階に対する膨張機サイクルの開始及び継続の程度について、以下で詳しく説明する。まずは、膨張機及び膨張サイクルを詳しく説明する。

図５Ａ〜５Ｈは、ロータリー装置の膨張機について、サイクルの各段階における端部の形状を示している。図５Ａを参照すると、膨張機のサイクルは、係合する回転子ペアの凸部の表面Ｕと凹部の表面Ｗとが、凸部の最大進入の点を過ぎるとき、すなわち凸部の先端が凹部の表面Ｗの最小半径の点を過ぎるときに始まる。この段階において、凹部付きの回転子の通路３０の前縁が、加圧流体の供給がアクセスしている固定子シリンダ１６内のポート３２の開き縁に接近する。図５Ｂを参照すると、ポート３２が開くにつれて、加圧流体が凹部付きの回転子の通路３０に進入し、凸部と凹部との間に新たに形成される一時容積へと進入する。

図５Ｃを参照すると、今やポート３２が完全に開き、加圧流体が凸部の表面Ｕと凹部の表面Ｗとの間に定められる一時容積へと通過するための最大の流通能力をもたらしている。これは、流体の供給の圧力と一時容積において生じる圧力との間の圧力差を最小にする。加圧流体の圧力が、凸部の表面Ｕ及び凹部の表面Ｗに作用し、回転子を回転の方向にさらに動作させるように押す。流体の圧力が大きくなく、それだけでは膨張機の回転子の駆動において充分な効果を有していない可能性が高い。駆動の手段は、固定子シリンダ１８及び膨張機の一時容積に含まれている空気／燃料混合物にデトネーションが生じるときに発生する。

図５Ｄにおいて、凹部付きの回転子の通路３０の後縁が、ポート３２の閉じ縁に接近し、凸部と凹部との間に定められているチャンバへの加圧流体の供給を遮断し始めている。

図５Ｅにおいて、凹部付きの回転子の通路３０の後縁が、ポート３２の閉じ縁に達し、加圧流体の供給を遮断し、すでに一時容積へと進入した流体を隔離している。サイクルのこの段階までに、空気／燃料混合物がデトネーションを生じて衝撃波を生み出し、チャージ全体を膨張機へと効率的に移動させ、チャージ・ガスの急激な膨張を引き起こして、膨張機の回転子の回転を駆動する。同時に、希薄波が、衝撃波の後方に形成される。この希薄波が低圧を生み出し、この低圧が、デトネーション・チャンバ及び膨張チャンバへと進入する次の空気／燃料混合物のチャージによって満たされる傾向を有する。

図５Ｆに見ることができるように、回転子の回転が一時容積の増加を引き起こし、捉えられた流体の膨張を可能にするとともに、凸部の表面Ｕ及び凹部の表面Ｗにいくらかの圧力を維持し、回転子及び回転子を接続できる軸の回転にエネルギーを与え続ける。

図５Ｇを参照すると、一時容積が最大の容量に達し、流体が大気圧に達する。この時点で、流体は、回転子ペアを囲んでいるハウジングへの解放の前に、凸部の表面Ｕ及び凹部の表面Ｗへの正味の圧力の作用を止める。

最後に、図５Ｈにおいて、完全に膨張した流体が一時容積から解放され、ハウジング内の回転子ペアの自然のポンプ作用のもとで排気系へと解放することができる。

図６は、圧縮機とデトネーション・チャンバとの間の通路に使用される格子の例を通る断面の概略図を示している。格子は、それぞれが鋭い縁を有する複数の素子で形成できる。ガスが素子間の空間を通って高速で流れるとき、鋭い縁によって、ガスの実質的な微小規模の乱流が引き起こされる。これは、デトネーション・チャンバ内の空気／燃料混合物のチャージが、チャージの効果的なデトネーションに必要とされる高度な潜在的反応性を有することを保証するため、この文脈において望ましい。図６に示した例においては、格子が、三角形断面の複数の素子を有している。ガスが素子間の空間を通過するとき、格子のうちのデトネーション・チャンバ側の鋭い縁が、付近のガス流を極度の乱流にし、空気／燃料混合物の高度な潜在的反応性を保証する。

次に、図１〜３のロータリー装置の動作のサイクルにおける各段階を説明する。図７が参照される。ここに説明されるサイクルの例においては、ロータリー装置が圧縮機を備えているが、すでに述べたように、圧縮機が必ずしも必要というわけではない。

圧縮は、圧縮機の凸部の先端及び圧縮機の凹部の前縁が、圧縮機の可動の閉じ込め壁体のそれぞれの外側縁に一致したときに始まる。この一致が、図７の凸部付きの回転子の角度位置の目盛りのゼロ位置に示されている。一時圧縮チャンバが形成され、その容積が、圧縮機の回転子が回転を続けるにつれて減少する。

６度の回転の後、充填ポートが開き始め、圧縮機の一時チャンバとデトネーション・チャンバとの間の連通が可能になる。次いで、空気又はあらかじめ混合された空気／燃料が、圧縮機の一時チャンバからデトネーション・チャンバへと進入する。さらなる２０度の後、排出ポートが開き始め、新たなチャージのいくらかが膨張機の一時チャンバへと進入できる。その後、新鮮な作動流体による充填が、さらなる５４度にわたって続き、新鮮なチャージが、デトネーション・チャンバと徐々に大きくなる膨張機の一時チャンバとの間で分配される。次いで、圧縮機の一時チャンバ内の残りの容積がゼロに達するとき、充填ポートが閉じ、速やかにチャージのデトネーションが開始される。

デトネーションの衝撃波が、デトネーション・チャンバ内に位置する全チャージを通過し、開いた排出ポートを通って膨張機の一時チャンバ内にすでに位置する新鮮なチャージへと達する。デトネーション・プロセスの膨張作用によって、デトネーション・チャンバに残るチャージがデトネーション・チャンバから膨張機の一時チャンバへと吐き出されるため、衝撃波の直ぐ後方において希薄波が生じる。ここで、デトネーション・プロセスの膨張作用は、膨張機の回転子ペアをさらなる回転へと駆り立てるうえで即座の効果を有している。

２０度の後、排出ポートが閉じ、今やすべてが膨張機の一時チャンバに効果的に閉じ込められているチャージが膨張して、その圧力エネルギーを手放し、これが膨張機の回転子へのトルク効果に変換される。膨張は、膨張機の凸部付きの回転子の先端及び膨張機の凹部付きの回転子の前縁が膨張機の閉じ込め壁体の外縁を過ぎてチャージが膨張機の一時チャンバから解放されるまで続く。この時点で、チャージはほぼ大気圧に達し、デトネーションによって生成された圧力エネルギーのすべてが、軸の仕事へと変換される。

デトネーション・チャンバの排出ポートの閉鎖の直後に、充填ポートが開き始め、圧縮がすでに始められている次のサイクルのための新鮮なチャージが進入可能になる。この時点におけるデトネーション・チャンバの状態は、デトネーション・プロセスによって確立された希薄波ゆえに大気圧を下回る実質的な低圧である。これは、新鮮なチャージの送出において圧縮機の回転子によってなされる仕事が、圧縮機の一時チャンバとデトネーション・チャンバとの間の負の圧力勾配の存在のおかげで、帳消しにされるということを意味する。

図示のポート２０と比べて軸方向の長さは同様であるが幅が小さくされている追加のポート（図示されていない）を、固定子シリンダ３の周囲を巡って配置することができる。この段階で、これらの追加のポートは、圧縮機の凹部付きの回転子のうちの現時点において凸部と係合していない残りの凹部の通路２２に整列している。したがって、これら追加のポートは、デトネーション・チャンバ４内で希薄波によって生じる圧力勾配が存在し、かつ新たに有効になる圧縮機の回転子の一時チャンバからデトネーション・チャンバ４へと新鮮なチャージが届けられる前の状態において、新鮮なチャージが圧縮機の回転子を囲んでいる空間からデトネーション・チャンバ４へと簡単に進入できるようにしている。これは、エンジンに新鮮なチャージをもたらすために必要とされる仕事の入力を最小限にし、チャージに含まれている燃料から解放される熱エネルギーについて動作における内部損失が最小限である高度に効率的なエンジン・サイクルをもたらす。

希薄波の結果としての比較的低い圧力の存在ゆえに、いくつかの場合においては、圧縮機が不要である。換言すると、希薄波によって引き起こされる吸い込みが、空気／燃料混合物からなる新鮮なチャージをデトネーション・チャンバへと引き込むために充分である。

図８は、本発明のさらなる実施形態によるロータリー装置の一例について、断面を概略的に示している。

図８において、図１〜３の実施形態と共通の構成要素には、同じ参照番号が付されている。図８のロータリー装置は、デトネーション・チャンバを圧縮機及び膨張機の回転子ペアに接続している軸方向のポートに加え、半径方向に配置されたポートを圧縮機及び膨張機の両者に備えている。軸方向のポートに加えて、あるいは軸方向のポートの代わりに、半径方向に配置されたポートを備える構成においては、ポート付きのディスクが、回転子ペアのそれぞれの凹部付きの回転子の一方又は両方の送出の端面に取り付けられて設けられる。それぞれのディスクには、１つ以上のポートが配置されており、したがってディスクのポートのそれぞれが、回転子の凹部の送出端に位置している。

図８に示されているように、ロータリー装置は、圧縮機の凹部付きの回転子５の端面に配置されたポート３４を備えている。ガスに圧縮機の一時チャンバからデトネーション・チャンバ４へと通過する経路をもたらすために、移送通路３６が配置されている。膨張機に目を移すと、膨張機の凹部付きの回転子の端面にポート３８が設けられており、このポートを通じて、膨張機の一時チャンバはデトネーション・チャンバ４からガスを受け取ることができる。移送通路４０が、ポート３８を介してデトネーション・チャンバ４から膨張機の一時チャンバへの経路を、ガスへともたらすために設けられている。したがって、使用時には、固定子シリンダ３に設けられたポート２０及び３２を介する作動ガスの流れに加えて、圧縮機の凹部付きの回転子７及び膨張機の凹部付きの回転子１８のそれぞれの端面の間の移送通路３６及び４０を介してデトネーション・チャンバへのガスの移動及びデトネーション・チャンバからのガスの移動が可能である。

ポート３４をデトネーション・チャンバ４へと接続する通路３６は、図６に関して上述したものと類似の形態で、格子などといった乱流生成手段を備えている。格子は、軸方向のポートの配置において上述したように、デトネーション・チャンバへの進入の直前のチャージ・ガスに関係する。それぞれの圧縮機及び膨張機の凹部付きの回転子のディスクのポートは、圧縮機及び膨張機の回転子ペアを支持している回転子ハウジングの対応する端壁のポートと連通している。回転子が回転するとき、ハウジングの端壁と回転子に配置されたディスクとの間の滑りの係合が、ディスクのポートの開放及び閉鎖のタイミングについて制御をもたらす。好ましくは、ディスクを別個の部品として製作し、その後にそれぞれの回転子の端面に配置することが好都合である。

図８に示した構成においては、固定子ハウジング３に設けられたポートに加え、ロータリー装置の適切な端面にもポートが設けられている。これにより、ロータリー装置においてより大きなチャージ・ガスの流れを達成することができる。軸方向のポートのみ、又は半径方向のポートのみを設けてもよいことを、理解できるであろう。一実施形態においては、膨張機及び圧縮機の一方に、軸方向のポートが設けられ、他方に半径方向のポートが設けられる。

本発明の実施形態を、図示のいくつかの例をとくに参照しつつ説明した。しかしながら、本発明の技術的範囲において、上述の例について変形及び変更が可能であることを、理解できるであろう。

本発明の一実施形態によるロータリー装置の一例の斜視図を概略的に示している。図１の装置の図であり、分かりやすくするため或るいくつかの部品が取り除かれている。図１の装置の図であり、分かりやすくするため或るいくつかの部品が取り除かれている。圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。図１のロータリー装置において使用される格子フィルタ付きのポートについて、このポートを通る断面を示している。図１のロータリー装置のためのデトネーション・サイクルについて、各段階を示したグラフである。本発明の一実施形態によるロータリー装置の一例について、長手方向の断面図を概略的に示している。

Claims

空気／燃料混合物からなるチャージを受け取り、デトネーションによって燃料を酸化させるためのチャンバ、及び
体積が変化する一時チャンバを有している回転膨張機であって、該一時チャンバが当該回転膨張機の回転のサイクルの少なくとも一部において前記デトネーション・チャンバと流体連通する回転膨張機
を有しており、
前記回転膨張機が、空気／燃料混合物のデトネーションによって生じる空気／燃料混合物の膨張によって駆動されるように構成されているロータリー装置。
空気／燃料混合物を受け取り、該混合物を圧縮し、圧縮された混合物を前記デトネーション・チャンバへともたらすように構成された圧縮機を有している請求項１に記載のロータリー装置。
前記膨張機が、凹部を有し第１の軸を中心として回転できる第１の回転子、及び少なくとも１つの凸部を有し第２の軸を中心として回転できる第２の回転子を有しており、
該第１及び第２の回転子が、それぞれの軸を中心とする該第１及び第２の回転子の回転の際に、凸部付きの回転子の凸部が凹部付きの回転子の凹部に進入して、両者の間に体積が変化する一時チャンバを定めるように構成されている請求項１又は２に記載のロータリー装置。
前記圧縮機が、凹部を有し第１の軸を中心として回転できる第１の回転子、及び少なくとも１つの凸部を有し第２の軸を中心として回転できる第２の回転子を有しており、
該第１及び第２の回転子が、それぞれの軸を中心とする該第１及び第２の回転子の回転の際に、凸部付きの回転子の凸部が凹部付きの回転子の凹部に進入して、両者の間に体積が変化する一時チャンバを定めるように構成されている請求項２又は３に記載のロータリー装置。
前記デトネーション・チャンバが導入ポートを有し、該導入ポートを通じて空気／燃料混合物からなるチャージを受け取るように構成されており、
空気／燃料混合物からなるチャージが該デトネーション・チャンバへと該ポートを通過するときに、チャージが確実に該デトネーション・チャンバにおいて乱流状態であるようにチャージが攪拌されることを保証するため、前記ポートに攪拌装置が配置されている請求項１〜４のいずれかに記載のロータリー装置。
前記攪拌装置が格子を有している請求項５に記載のロータリー装置。
前記デトネーション・チャンバが、固定子シリンダの内側に配置されており、凹部付きの回転子が、該固定子シリンダを中心として回転するように構成されている請求項３又は４に記載のロータリー装置。
前記凹部付きの回転子が、自身の端面にディスクを取り付けて有しており、該ディスクが、前記圧縮機の前記凹部付きの回転子の凹部から前記デトネーション・チャンバへの空気／燃料混合物からなるチャージの送出を可能にするポートを有している請求項４に記載のロータリー装置。
前記膨張機の凹部付きの回転子が、自身の端面にディスクを取り付けて有しており、該ディスクが、前記デトネーション・チャンバから前記膨張機の凹部付きの回転子の凹部への空気／燃料混合物からなるチャージの送入を可能にするポートを有している請求項３に記載のロータリー装置。
前記回転膨張機が容積型の装置である請求項１〜９のいずれかに記載のロータリー装置。
デトネーション時にチャージが前記膨張機の一時チャンバ及び前記デトネーション・チャンバのそれぞれの少なくとも一部を占めるよう、前記デトネーション・チャンバがチャージを受け取ったとき、又はその直後に、チャージが前記膨張機の一時チャンバへと移動できるように構成されている請求項１〜１０のいずれかに記載のロータリー装置。
前記圧縮機及び前記膨張機の一方又は両方の第１及び第２の回転子と係合する閉じ込め壁体であって、当該閉じ込め壁体と第１及び第２の回転子との間に前記一時チャンバを定める閉じ込め壁体を有しており、
該閉じ込め壁体が、前記圧縮機及び／又は前記膨張機の一時チャンバの可能な最大容積を変化させることができるよう可動である請求項５〜７のいずれかに記載のロータリー装置。
空気／燃料混合物からなるチャージにデトネーションを生じさせて前記回転膨張機を駆動するデトネーション発生器を有している請求項１〜１２のいずれかに記載のロータリー装置。
デトネーション・チャンバを回転膨張機の体積可変の一時チャンバに流体連通させて有しているロータリー装置の運転方法であって、
デトネーション・チャンバにガス／燃料混合物からなるチャージを受け入れるステップ、及び
前記混合物にデトネーションを生じさせて前記ガス／燃料混合物を膨張させ、回転膨張機を駆動するステップ
を有する方法。
自身を横切るように格子を配置して有しているポートを通じて前記チャージを前記デトネーション・チャンバへと押し込むことによって、チャージを該デトネーション・チャンバへと供給するステップを有する請求項１４に記載の方法。
ガス／燃料混合物からなるチャージを圧縮機から前記デトネーション・チャンバへと供給するステップを有する請求項１５に記載の方法。
コンプレッサへとチャージを受け取り、該チャージを圧縮し、次いで該チャージを前記デトネーション・チャンバへと送るステップを有する請求項１６に記載の方法。
チャージが前記デトネーション・チャンバへと受け取られたときに、チャージが前記膨張機の一時チャンバへと進入できるようにするとともに、チャージが前記デトネーション・チャンバ及び前記一時チャンバの両方の少なくとも一部を占めるときに、チャージのデトネーションを開始させるステップを有する請求項１４〜１７のいずれかに記載の方法。
前記圧縮機が、ガス／燃料混合物からなるチャージを受け取って圧縮するための体積可変の一時チャンバを有しており、ロータリー装置及び該ロータリー装置の仕事負荷の要件に応じて、前記圧縮機の体積可変の一時チャンバの可能な最大容積を変化させるステップを有する請求項１６又は１７に記載の方法。
前記圧縮機の一時チャンバの可能な最大容積に応じて、該膨張機の一時チャンバの可能な最大容積を変化させるステップを有する請求項１９に記載の方法。
前記ロータリー装置の要件に応じて、前記膨張機の一時チャンバの可能な最大容積を変化させるステップを有する請求項１４に記載の方法。
前記圧縮機及び／又は前記膨張機の一時チャンバの可能な最大容積が、前記一時チャンバ又は各一時チャンバの表面の少なくとも一部を定めるべく機能する適切に形作られた閉じ込め壁体を移動させることによって変化させられる請求項２０又は２１に記載の方法。