(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料から機械的エネルギーを生み出すための燃焼装置であって、
燃焼室を規定する一組の壁であって、前記燃焼室内での前記燃料の燃焼中に少なくとも第１の方向と第２の方向とに拡張可能なコンプライアント部分を備え、前記コンプライアント部分が伸長により拡張するように構成される１組の壁と、
前記燃焼室内での前記燃料の燃焼中における前記コンプライアント部分の前記第１方向への拡張を許容すると共に、前記コンプライアント部分の前記第２方向への拡張を制限する制約部と、
前記第１方向への前記コンプライアント部分の拡張を機械的出力に変換する結合部と、
１以上のポートであって、酸素源および燃料を前記燃焼室内に取り込んで、排気ガスを前記燃焼室から排出するよう構成される１以上のポートと、を備え、
前記制約部は、前記コンプライアント部分の軸方向の拡張を抑制するフレームを備え、
前記フレームは、
前記コンプライアント部分の第１の部分の動きを抑制するように構成される第１の剛性要素と、
前記コンプライアント部分の第２の部分の動きを抑制するように構成される第２の剛性要素と、を含み、
前記結合部は、前記燃焼による機械的エネルギーを受け取り、前記機械的エネルギーを直線方向の移動に変換する結合機構を備える、燃焼装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃焼装置であって、
前記結合機構は、有限容積のベローズを備え、
前記ベローズは、前記燃焼室の容積増大を受け、前記燃焼室内での前記燃料の燃焼中に前記コンプライアント部分が変形する際に前記直線移動の方向に沿って拡張するように構成される、燃焼装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃焼装置であって、
前記ベローズは、前記燃焼装置の容積変化を前記直線移動の方向に沿った移動要素の直線移動に変換する流体を含む、燃焼装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃焼装置であって、
前記流体は、非圧縮性の液体またはゲルである、燃焼装置。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかに記載の燃焼装置であって、
前記ベローズは、前記燃焼室の最大容積を収容する位置と、前記燃焼室の最小容積を収容する位置とを有する、燃焼装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃焼装置であって、
前記コンプライアント部分は実質的に円筒形であり、
前記制約部は実質的に円筒形であり、前記コンプライアント部分の径方向への拡張を低減する、燃焼装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃焼装置であって、さらに、
前記燃焼室の内部に１以上のスペーサを備え、
前記１以上のスペーサは、前記燃焼室内での燃焼前に、前記燃焼室のデッドスペースを削減する、燃焼装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃焼装置であって、さらに、
燃焼によって生成された前記機械的エネルギーから電気エネルギーを生成する電気活性ポリマ変換器を備える、燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、燃料に蓄積された化学的エネルギを機械的エネルギに変換する燃焼装置に関し、特に、燃焼に応じて変形する１以上のコンプライアント部分またはコンプライアント壁を備える燃焼装置に関する。
【０００２】
［関連出願の説明］
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に従って、「Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｓ  Ｆｏｒ  Ｌｉｇｈｔ  ｗｅｉｇｈｔ  Ｐｏｒｔａｂｌｅ  Ｐｏｗｅｒ」と題され、Ｒ．Ｐｅｌｒｉｎｅ他を発明者とする２００４年５月２６日に出願された同一権利者の同時係属米国特許仮出願第６０／５７４，８９１号からの優先権を主張するものであり、すべての目的のためにその全体がここに参照によって組み込まれる。本願は、また、米国特許法第１１９条（ｅ）に従って、２００４年９月９日に出願された同一権利者の同時係属米国特許仮出願第６０／６０８，７４１号からの優先権を主張するものであり、すべての目的のためにその全体がここに参照によって組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
金属ピストンと剛体の燃焼室とを用いて機械力を生み出す燃焼装置が、十分に開発され、広く用いられている。
【０００４】
従来の燃焼装置は、比較的重く、持ち運びできない傾向がある。寸法と重量を小さくすると、燃焼システムの効率が急激に下がる。また、小型のエンジンでは、ピストンとシリンダとの間の隙間における漏れが問題になる。これは、より大きいエンジンでは、通常、無視できるほどの損失である。ピストンとシリンダとの間の隙間を、エンジンのサイズに伴って容易に縮小することはできないため、エンジンのサイズが小さくなるほど、漏れの問題が大きくなる。サイズに関わらず、剛体の燃焼システムでは、腐食、小さい隙間における温度による反り、および、摩耗という他の問題がある。どのサイズの剛体燃焼システムでも、ピストンとシリンダとの間の隙間における厳しい精度を維持するのに必要な剛性を実現するために、比較的重くなる必要がある。
【０００５】
多くの持ち運び可能な装置は、１以上の電池を電源として用いている。例えば、ほとんどの携帯型の電子装置で、使い捨ての電池または充電式の電池が用いられている。多くの携帯型装置の機構および稼働において、間欠的に爆発的な力が重要になるが、電池では不十分なことが多い。また、電池だけでは、機械的な出力を提供することがない。すなわち、機械的作用を生み出すには、電池からモータに電気出力を供給する必要がある。
【０００６】
以上の観点から、代替の発電・燃焼装置、特に、携帯式および持ち運び式の利用に適したもの、が待ち望まれている。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の燃焼装置は、燃焼室の少なくとも一部の境界を形成すると共に燃焼室内での燃料の燃焼中に生じる圧力に応じて変形するコンプライアント壁または部分を利用する。
【０００８】
一部のコンプライアント壁または部分は、燃焼中に伸長する。コンプライアント部分は、伸長の際に厚さが減少してよい。コンプライアント部分の厚さの減少は、しばしば、燃焼室の容積の動的な増大を引き起こす。これにより、燃焼室の最大容積が増大し、所与の直線変位に対して燃焼効率および排気量が増大する。
【０００９】
また、コンプライアント部分および壁は、燃焼室の表面積を動的に変化させてよく、それにより、温度管理が向上する。燃焼中および燃焼後に、コンプライアント壁は、表面積を増大させて、燃焼室からの伝導性熱伝達を増大させてよい。コンプライアント壁が薄くなると、その壁を通る伝導性熱伝達路は短くなり、熱の散逸をさらに増大させる。
【００１０】
一部の燃焼装置は、燃焼中にコンプライアント壁を弾性的に伸長させる。コンプライアント壁の弾性的な復元を用いて、燃焼室からの燃焼生成物の排気を促進してよい。
【００１１】
一態様において、本発明は、燃料から機械的エネルギを生み出すための燃焼装置に関する。その燃焼装置は、燃焼室の境界を形成する１組の壁を備える。１組の壁は、燃焼室内での燃料の燃焼中に変形して燃焼室の容積を増大させるよう形成されたコンプライアント部分を備える。燃焼装置は、さらに、燃焼室の容積の増大を機械的出力に変換する結合部分を備える。燃焼装置は、さらに、酸素源および燃料を燃焼室内に取り込んで排気ガスを燃焼室から排出するよう構成された１以上のポートを備える。
【００１２】
別の態様において、本発明は、燃料から機械的エネルギを生み出すための燃焼装置に関する。その燃焼装置は、燃焼中にコンプライアント部分の一部の変形を低減する制約部を備える。
【００１３】
さらに別の態様において、本発明は、燃料から機械的エネルギを生み出すための方法に関する。その方法は、燃料および酸素を燃焼室内に供給する工程を備える。その方法は、さらに、燃焼室内で燃料を燃焼する工程を備える。その方法は、さらに、燃焼室の境界を形成する１組の壁が備えたコンプライアント部分の一部の厚さを減少させることで、厚さの減少に伴って燃焼室の容積を増大させる工程を備える。
【００１４】
さらにまた別の態様において、本発明は、燃焼装置の温度管理を向上させるための方法に関する。その方法は、燃焼室の境界を形成する一組の壁が備えたコンプライアント部分を伸長させる工程を備える。コンプライアント部分を伸長する工程は、燃焼室の境界を形成する１組の壁の表面積を増大させる。その方法は、さらに、伸長したコンプライアント部分を通して、燃焼室内で発生した熱を放散する工程を備える。
【００１５】
別の態様において、本発明は、燃料から機械的エネルギを生み出すための燃焼装置に関する。その燃焼装置は、実質的に円筒形の燃焼室の境界を形成する１組の壁を備える。１組の壁は、コンプライアント部分を備えており、そのコンプライアント部分は、実質的に円筒形の燃焼室の直径が燃料の燃焼中に増大するように、燃焼室内での燃料の燃焼中に軸方向に伸長するよう構成されている。
【００１６】
さらに別の態様において、本発明は、燃料から機械的エネルギを生み出すための燃焼装置に関する。その燃焼装置は、燃焼室の境界を形成する１組の壁を備える。１組の壁は、コンプライアント部分を備えており、そのコンプライアント部分は、燃料の燃焼中にコンプライアント部分の厚さが減少して、コンプライアント部分の厚さの減少の結果として燃焼室の容積が増大するように、燃焼室内での燃料の燃焼中に伸長するよう構成されている。
【００１７】
さらにまた別の態様において、本発明は、燃料から機械的エネルギを生み出すための燃焼サイクルに関する。そのサイクルは、燃料および酸素を燃焼室内に供給する工程を備える。そのサイクルは、さらに、燃焼室内で燃料を燃焼する工程を備える。そのサイクルは、さらに、燃焼室内で生じた力を用いて、燃焼室の境界を形成する１組の壁が備えたコンプライアント部分を伸長させる工程を備える。そのサイクルは、さらに、少なくとも部分的に、伸長した部分の弾性的な復元を用いて、燃焼生成物を排気する工程を備える。
【００１８】
本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は、以下の本発明の説明および関連する図面を用いて説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】本発明の一実施形態における燃焼装置を簡略に示す図。
【図１Ｂ】燃焼後の図１Ａの燃焼装置を示す図。
【図２Ａ】本発明の一実施形態における燃焼前の円筒形燃焼装置を示す簡略な断面図。
【図２Ｂ】燃焼後の図２Ａの円筒形燃焼装置を示す図。
【図３Ａ】本発明の一実施形態における燃焼前の円筒形燃焼装置を示す簡略な断面図。
【図３Ｂ】燃料および酸素源を取り込み中の図３Ａの円筒形燃焼装置を示す図。
【図３Ｃ】燃焼中の図３Ａの円筒形燃焼装置を示す図。
【図３Ｄ】排気完了後の図３Ａの円筒形燃焼装置を示す図。
【図４Ａ】本発明の別の実施形態における燃焼前の円筒形燃焼装置を示す断面図。
【図４Ｂ】燃焼中の図４Ａの円筒形燃焼装置を示す図。
【図５Ａ】本発明の一実施形態における燃焼前の放射状燃焼装置を示す簡略な断面図。
【図５Ｂ】燃料取り込み後の図５Ａの放射状燃焼装置を示す図。
【図５Ｃ】燃焼後の図５Ａの放射状燃焼装置を示す図。
【図６Ａ】本発明の一実施形態における被覆燃焼装置を示す簡略な断面図。
【図６Ｂ】燃焼後の図６Ａの被覆燃焼装置を示す図。
【図７Ａ】本発明の別の実施形態におけるベローズ燃焼装置を示す簡略な断面図。
【図７Ｂ】燃焼後の図７Ａのベローズ燃焼装置を示す図。
【図８Ａ】本発明の別の実施形態におけるベローズ燃焼装置を示す簡略な断面図。
【図８Ｂ】燃焼後の図８Ａのベローズ燃焼装置を示す図。
【図９Ａ】本発明の別の実施形態における燃焼装置を示す簡略な断面図。
【図９Ｂ】燃焼後の図９Ａの燃焼装置を示す図。
【図１０Ａ】本発明の一実施形態における形状可変の燃焼装置を示す図。
【図１０Ｂ】燃焼後の図１０Ａの燃焼装置を示す図。
【図１０Ｃ】排気後の図１０Ａの燃焼装置を示す図。
【図１１Ａ】本発明の別の実施形態における密封された燃焼室の１方向にコンプライアント壁を提供するよう構成されたコンプライアント壁を備える燃焼装置を示す図。
【図１１Ｂ】燃焼後の図１１Ａの燃焼装置を示す図。
【図１２Ａ】本発明の別の実施形態における膜燃料制御燃焼装置を示す図。
【図１２Ｂ】燃料取り込み後の図１２Ａの燃焼装置を示す図。
【図１２Ｃ】燃焼後の図１２Ａの燃焼装置を示す図。
【図１３Ａ】図２Ａの燃焼装置の動的な寸法を示す図。
【図１３Ｂ】図２Ａの燃焼装置の動的な寸法を示す図。
【図１４Ａ】本発明の一実施形態において、燃料から機械的エネルギを生み出すための処理の流れを示すフローチャート。
【図１４Ｂ】本発明の一実施形態において、燃焼装置の温度管理を向上させるための処理の流れを示すフローチャート。
【図１５Ａ】本発明の一実施形態において、燃料から機械的エネルギを生み出すための燃焼サイクルを示す図。
【図１５Ｂ】本発明の別の実施形態において、燃料から機械的エネルギを生み出すための処理の流れを示すフローチャート。
【図１６】本発明の一実施形態における簡単な原動機を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
添付の図面に示すいくつかの好ましい実施形態を参照しつつ、本発明について詳細に説明する。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、多くの具体的な詳細事項を説明している。しかしながら、これらの具体的な詳細事項の一部またはすべてがなくとも、本発明を実施できることは、当業者にとって明らかである。また、周知の処理工程および／または構造については、本発明を不必要にわかりにくくしないように、詳細には説明していない。
【００２１】
概説
燃焼とは、機械的エネルギを生み出す急激な化学変化のことである。化学変化は、通例、燃料を燃やすことにより気体の加熱を引き起こし、加熱された気体の膨張の結果として圧力を生み出す。したがって、燃焼は、少量の燃料が、燃焼室で点火された際に、膨張する気体の形で機械的エネルギを生み出すことを可能にする。
【００２２】
本発明の燃焼装置は、膨張する気体によって伝えられる機械的エネルギに応じて伸長するコンプライアント壁またはコンプライアント部分を備える。燃焼装置の一部に結合することにより、機械的エネルギが、有効な仕事を実行できるようになる。一部の実施形態では、燃焼装置は、（燃焼室に対する吸気および排気に用いられる任意の機構を除く）１つの材料を備えており、その材料の一部分が移動し、他の部分が静止を保つ。その燃焼装置は、さらに、変形することにより、移動する部分と静止した部分との間の相対移動を可能にするコンプライアント部分を備える。
【００２３】
図１Ａは、本発明の一実施形態における燃焼装置１０を簡略に示す図である。図１Ｂは、燃焼室１４内で燃焼した後の装置１０を示す図である。燃焼装置１０は、コンプライアント壁１５の部分１９の変形により、燃焼エネルギを利用して機械的出力を供給する。ここでは、本発明について、燃焼装置と、それに含まれる構成要素とに基づいて説明するが、以下の説明が、燃料から機械的エネルギを生み出すための燃焼装置を利用する方法や個々の工程にも関連することは、当業者にとって明らかなことである。
【００２４】
燃焼装置１０は、燃焼室１４の境界を形成する一組の壁１２および１５を備える。壁１２は剛体であり、壁１５はコンプライアントである。一般に、本発明の燃焼装置は、燃焼室１４の境界を形成してその寸法を規定するのに適した任意の形状の壁を任意の数だけ備えてよい。装置１０の少なくとも一つの壁（または、その一部）は、燃焼室１４における燃料の燃焼によって生じた力に応じて変形（例えば、伸長）するコンプライアント部分１９またはコンプライアント壁１５を備える。以下で説明するように、コンプライアント壁１５は、燃焼室１４を取り囲む壁面の様々な割合を占めてよく、特定の燃焼装置機構に基づいて、多くの形状を含んでよい。コンプライアント壁１５は、１以上の剛体部分を備えてもよく、例えば、１９は、コンプライアント壁１５の金属または硬質プラスチックの補強であってもよい。一部の例では、燃焼室１４内の機械的エネルギが、コンプライアント壁１５または部分１９に対して、より小さい面積に作用して、コンプライアント壁１５への力または変位、および、機械的出力２３を増大させるように、非コンプライアント壁１２が備えられてもよい。燃焼室１４の形状、コンプライアント壁１５およびコンプライアント部分１９の構成、燃焼室の壁の構成は、様々であってよい。例えば、燃焼室およびコンプライアント壁は、ダイヤフラム型、管状（円筒型）、バルーン型、もしくは、容積を囲むその他の構成を含んでよい。以下では、いくつかの代表的な形状および構成について説明する。
【００２５】
コンプライアント部分１９など、コンプライアント壁１５の制約されていない部分は、燃焼室１４における燃料２５の燃焼によって生じる膨張気体および圧力に応じて変形する。一般に、コンプライアント部分またはコンプライアント壁の変形とは、任意の伸長、変位、拡張、屈曲、収縮、ねじれ、線形歪みまたは面歪み、それらの組み合わせ、もしくは、コンプライアント壁１５の部分の任意の他の変形を意味する。一実施形態では、コンプライアント部分１９は、燃料２５の燃焼によって引き起こされる膨張ガスおよび圧力に応じて伸長する。また、コンプライアント壁１５または部分１９の弾性伸びが、弾性機械エネルギを蓄積する。本発明のいくつかの実施形態は、壁１５または部分１９における弾性エネルギの蓄積を利用する。例えば、燃焼後に、コンプライアント壁１５は、燃焼前の状態または位置に弾性的に復元することが可能であり、それにより、燃焼室１４からの燃焼ガスの排気を助ける機構が提供される。いくつかの機構では、弾性的に伸長することで燃焼室を拡張するが、他の機構では、曲げモード、または、曲げおよび伸長を用いる。以下では、コンプライアント壁１５の様々な材料および構成について、さらに詳しく説明する。
【００２６】
図１の装置では、コンプライアント壁１５は、燃焼室１４の上壁を形成している。一部の例では、コンプライアント壁１５は、一組の壁１２の内の１以上の剛体の壁や機械的出力へのコンプライアント壁１５の固定に用いられる部分など、伸長しない部分を備える。図１の装置では、コンプライアント壁１５の中央部分は、剛体の機械的出力２３に取り付けられている。残りの部分は、機械的出力２３に取り付けられていないコンプライアント壁１５の部分と、剛体の壁１２への取り付けに用いられているコンプライアント壁１５の部分とをすべて含むコンプライアント部分１９である。燃焼室１４が実質的に円筒形で、機械的出力２３が円形である場合には、コンプライアント部分１９は、壁１５上でドーナツ状の形を取る。別の実施形態では、中央部分１９は、コンプライアントではなく、コンプライアント壁１５よりも硬い材料を備える。この場合、中央部分１９は、比較的剛性が高く、装置１０のコンプライアント部分は、中央の剛体部分１９の周りに外周リングを備え、それにより、コンプライアント壁／部分１５が、伸長して、中央の剛体部分１９と、それに取り付けられた機械的出力２３とを駆動することが可能になる。
【００２７】
一組の壁１２（コンプライアント壁１５を含む）は、共に、燃焼室１４を形成して取り囲む。本明細書で用いられているように、燃焼室という用語は、機械的エネルギを生み出すために燃料の燃焼を起こす囲まれた空間を意味する。様々な物理的構成を、燃焼室に用いてよい。例えば、適切な物理的構成は、球形、正方形や長方形、円筒形、卵形および楕円形、および、その他の様々な形状を含んでよい（その内のいくつかは、以下で説明する）。一般に、本発明は、特定の燃焼室の機構および形状のいずれにも限定されない。
【００２８】
コンプライアント壁１５が変形すると、燃焼室１４の容積は変化する。燃焼室１４は、通例、最大容積と最小容積とを有する。「排気量」とは、最大容積と最小容積との差を意味する。通例、排気量を増大させると、燃焼装置において、より大きい機械的出力が実現される。一部の燃焼装置では、コンプライアント壁１５または部分１９が伸長して、その厚さが減少するため、最大容積は、さらに増大する。
【００２９】
一実施形態では、燃焼装置１０は、燃焼室内で平行移動するピストンを備えない。多くの例で、燃焼装置は、燃焼室内に配置された吸気または排気弁の機構（または、その部品）以外には、燃焼室１４内部に移動する部品を備えない。これらの機構により、燃焼室１４内部で移動する部品の間の摩擦が排除され、摩擦熱の発生から生じるエネルギ損失が低減される。また、これらの機構により、燃焼室１４において、移動する部品の間に注油する必要がなくなる。一部の機構では、コンプライアント壁１５の外側に結合されて線形の機械的出力２３として機能する機械的出力としてピストンを備えることにより、燃焼室１４内で生み出されたエネルギを利用してよいが、これらの場合でも、燃焼室内で平行移動するピストンは備えない。これは、ピストンが燃焼室の内部に入る（すなわち、ピストンが、シリンダ内で平行移動する壁を形成し、シーリングと、移動する部品間の摩擦を低減するためのシリンダ内への注油とを必要とする）従来技術と異なる点である。
【００３０】
燃焼装置１０は、空気などの酸素源と燃料とを燃焼室１４に吸気する、および、排気ガスを燃焼室１４から排気するよう構成された１以上のポートを備える。燃焼室に対する反応物質および生成物の吸気口および排気口は、当業者に周知であり、本発明は、反応物質を燃焼室に供給する方法によっても、生成物を燃焼室から除去する方法によっても限定されない。例えば、少し圧力をかけた未使用の燃料・空気を、吸気ポートから吸入することにより、排気ポートから強制排気することができる。従来技術では、より効率的な他の方法が周知であり、その一部は、この特許において、後に説明する。一部の燃焼装置の機構では、１つの共通な吸気／排気ポートを備えてよい。他の機構では、２つのポートが設けられてもよい。例えば、図１Ａに示した実施形態では、装置１０は、２つのポートを備える。すなわち、吸気ポート２０および排気ポート２２である。他の機構では、３以上のポートを用いてもよい。
【００３１】
吸気ポート２０は、燃焼室１４内へ酸素源および燃料が入る通路を提供する。吸気ポート２０は、一般に吸気弁とも呼ばれ、指定された時間に開くことで、空気および／または燃料を燃焼室１４内に流入させる。装置１０は、空気／燃料の混合物を取り込む。具体的な実施形態では、吸気ポート２０は、静電クランプによってシーリングされた弁、電気活性ポリマで作動する弁、または、それらを組み合わせた弁を備えてよい。従来技術では、電磁弁など、他の作動弁が周知であり、それらを用いてもよい。別の実施形態では、装置１０は、空気および燃料用のポート２０について、それぞれ専用のものを備える。
【００３２】
燃焼装置１０には、酸素源が供給される。空気は、容易に酸素を提供するが、他の酸素源や酸化剤を用いてもよい。例えば、酸素源は、酸素富化空気や純粋な酸素を含んでよい。燃焼空気に酸素を富化することにより、不活性ガス（すなわち、Ｎ2）の体積を減らして、燃焼能力を高めることができる。酸化剤は、当業者に周知のように、酸素や空気よりも強い化学酸化剤を含んでよい。本発明の説明では、主に、燃焼装置における酸素源として空気を用いるが、酸素や空気よりも強い他の酸化剤を用いてもよいことを理解されたい。
【００３３】
燃料２５は、燃焼装置１０のための化学的エネルギ源として機能する。燃料２５は、タンクなど、別個の貯蔵装置に貯蔵されてよい。一部の実施形態では、ある種のポンプが、燃料２５を貯蔵装置から燃料吸気口２０に移送する。別の実施形態では、燃料は、大気圧よりも高い圧力下で貯蔵され、その取り込みを弁によって調節する。燃焼装置が、気化を含む場合には、ポンプは、外部の空気または貯蔵された酸化剤を燃焼室１４に移送してもよい。燃料２５は、液体、気体、固体、または、ゲルの状態で貯蔵されてよい。本発明での利用に適した代表的な燃料２５としては、プロパン、ブタン、天然ガス、灯油、ガソリン、ディーゼル、石炭由来燃料、ＪＰ８、水素など、炭化水素燃料が挙げられる。ほとんどのエンジンと同様に、ブタンやプロパンは、比較的簡単に燃焼する燃料である。
【００３４】
排気ポート２２は、燃焼生成物の排出を可能にする。排気ポート２２は、一般に排気弁とも呼ばれ、燃焼サイクルにおける指定された時間に開くことで、排気ガスを放出する。排気ガスは、燃焼プロセスの化学生成物と、燃焼されなかった燃焼または余分な空気など、すべての未処理の反応物とを含む。装置１０は、燃焼室１４からの燃焼生成物の排気を向上させるために、複数の排気ポート２２を備えてもよい。さらなる排気システムの構成要素が、ポート２２からの排気ガスを受けて、それらを所望するように導いてもよい。例えば、燃焼室１４からガスを除去するために、背圧を低減する機械装置を備えてもよい。燃焼室からの排気ガスの排気口は、当業者に周知であり、本発明は、生成物を燃焼室から排気する方法によって限定されない。
【００３５】
結合部１８および１３の各々は、一般に、装置１０の一部であり、装置１０と外部との機械的な取り付けを可能にする。通例、結合部１８および１３の一方は、装置１０に対して静止したままであり、他方は、燃焼室１４において燃料２５が燃焼してコンプライアント壁１５が変形した際に、静止部分に対して移動するよう構成されている。図１Ａに示すように、結合部１８は、静止した剛体の壁１２ａを備える。結合部１８への取り付けにより、燃焼装置１０の剛体部分の移動が防止される（例えば、剛体の壁１２ａ−ｃ）。結合部１３は、コンプライアント部分１９の変形に伴って平行移動するコンプライアント壁１５の中央部分を備える。装置１０の壁や部分に外部の物を取り付ける際には、コンプライアント壁１５に機械的出力２３を取り付ける接着剤や、固定された物に壁１２ａを取り付ける接着剤など、接着剤が用いられてよい。当業者にとって明らかなように、適切な接着剤は、結合される材料によって決まる。静止した物体に壁１２ａを固定する場合など、装置１０の部分の取り付けに、ネジを用いてもよい。
【００３６】
コンプライアント部分１９の変形により、燃焼室１４内での燃焼によって生み出された機械的エネルギを燃焼装置１０から出力する機械的出力が可能になる。この変形は、機械的な作用を提供するのに用いられてよい。
【００３７】
出力２３は、部分１３に結合し、機械的な作用を提供する。結合部１３は、外部に対して取り付けられたコンプライアント壁１５の外面の中央部を含む。機械的出力２３と部分１３との間の結合は、ａ）コンプライアント壁１５の外面と機械的出力２３との間の直接的な取り付け、および／または、ｂ）それら２つの要素の間に相互接続された１以上の要素を介しての間接的な取り付け、を含んでよい。出力２３の動きは、シャフト２３の移動を直線方向に制限するベアリング（図示せず）によって直線移動に制限されてよい。別の実施形態では、機械的出力２３は、コンプライアント壁１５の外面の大部分に取り付けられる。これにより、コンプライアント壁１５が、結合部１３および抵抗性の機械的出力２３の周りで変形することが回避され、より良好に燃焼圧が機械的出力２３に変換される。コンプライアント壁１５における大きい表面の垂直の変形を可能にするために、結合部に、１以上の継ぎ目や、その他の柔軟性を残してもよい。
【００３８】
燃焼装置への結合は、様々であってよい。コンプライアントな円筒形の本体（図２Ａ参照）を有する円筒形・直線作動の燃焼装置１０については、結合部１３は、円筒形の本体の一方の端部に配置されてよく、静止した結合部１８は、他方の端部に配置され、ピンに取り付けられてよく、燃焼装置１０は、ピンの周りで旋回することができる。この場合、機械的出力２３は、ベアリングに連結した結合ロッドと、クランクシャフトとを備えてよい（図１６参照）。この場合、燃焼室での燃料の燃焼は、コンプライアントな本体を拡張させて、結合部１３をクランクシャフトの周りで回転させる。結合部１８および１３と、燃焼室における膨張ガスの形態の機械的エネルギを有用な機械的作用に変換する出力機構２３との別の例を、以下で説明する。一般に、本発明は、燃焼装置からの機械的エネルギを利用するために用いられる機械的出力にも結合にも限定されない。特定の用途において装置１０の外部への取り付けや利用を容易にするために、さらなる機械的出力や結合部を、装置１０に追加してもよいことを理解されたい。一般に、任意の外部への取り付け部が、燃焼装置１０と力をやり取りするため、燃焼装置１０に力が出入りする点または位置を、結合部と考えることができる。
【００３９】
点火機構１７（図１Ｂ参照）は、空気／燃料の混合物に点火して、燃焼室１４における燃焼を開始する。一般的な点火機構１７は、スパークプラグとグロープラグとを備えるが、その他の適切な点火機構を用いてもよい。スパークプラグは、電気入力によって火花を発生させるプラグであり、通例は、空気／燃料の混合物の最大圧縮時、または、燃焼室の行程の位置など、サイクルに従ったタイミングで作動される。本発明の一部の燃焼装置は、点火機構を備えず、燃料の圧縮によって自発燃焼を開始してもよい。
【００４０】
動作中、空気および燃料２５は、燃焼室１４に入る。空気／燃料の混合物は、（圧縮または積極的な点火によって）発火する。結果として起きる燃焼は、通例は高温の膨張ガスを生成し、その膨張ガスが、燃焼室１４内の圧力を上昇させる。膨張ガスおよび圧力は、コンプライアント部分１７など、コンプライアント壁１５の制約のない部分を伸長させる。コンプライアント部分１９は、機械的な力と、伸長を引き起こす燃焼による力とが釣り合うまで（または、変位を引き起こす機械的出力２３に結合されたクランクシャフトが、その他の方法で決定するまで）、伸長し続ける。機械的な力は、コンプライアント壁１５の材料の弾性復元力や、機械的出力２３に結合された装置および／または負荷によって提供される任意の外部抵抗を含む。燃焼の結果としての壁１５の伸長量は、燃焼室１４の形状やサイズ、装置１０におけるコンプライアント壁１５の数やサイズ、各壁の厚さや弾性係数、燃焼される燃料の量や種類、圧縮比、機械的出力２３の形状やサイズ、存在する空気の量など、多くの他の要素にも依存する。通例、吸気ポート２０と排気ポート２２は両方とも、圧縮および燃焼中には閉じられる。燃焼後、排気ポート２２が開いて、燃焼室１４から排気ガスを放出する。例えば、機械的出力２３に結合し、コンプライアント壁を押し下げることで燃焼室の容積を小さくするクランクシャフトを用いて、圧縮を実現してよい。
【００４１】
コンプライアント壁
以上では、本発明の具体的な実施形態に従って、燃焼装置の概略を説明したが、以下では、代表的なコンプライアント壁および材料について説明する。
【００４２】
本明細書で用いられているように、コンプライアント壁という用語は、一般に、燃焼室内で生み出された圧力や力に反応して変形する壁を意味する。多くの例では、壁全体が、燃焼による力に応じて変形するわけではない。コンプライアント部分とは、燃焼室の壁において、燃焼室内で生じた圧力や力に応じて変形する部分を意味する。例えば、コンプライアント壁の端部は固定されてよいが、コンプライアント壁の中央部分は自由に変形できる。同様に、コンプライアント壁の結合部は、動きを制約されるが、他の部分（上述のドーナツ形状など）は、自由に変形できる。多くの実施形態では、コンプライアント壁またはコンプライアント壁の一部は、燃焼室での燃料の燃焼中に伸長するよう構成される。ここでは、コンプライアント壁を中心に説明するが、以下の材料に関する説明は、コンプライアント部分にも当てはまることを理解されたい。
【００４３】
コンプライアント壁の剛性は、機構に応じて変更してよい。一実施形態では、伸長するコンプライアント壁は、約１ＧＰａ未満の弾性係数を有する。屈曲壁は、より高い弾性係数を有してよく、ケブラーや、その他の剛体材料などを、屈曲機構に用いることができる。約１００ＭＰａ未満の弾性係数を有する伸長コンプライアント壁が、一部の用途に適している。具体的な実施形態では、伸長するコンプライアント壁は、約１０ＭＰａ未満の弾性係数を有する。剛性は、装置が、所望量の変形、強度、装置の耐久性を実現でききるように設定されてよい。剛性を下げると、所与の燃焼圧に対して燃焼室内の行程容積が大きくなる。一部の装置は、約５ＭＰａから約１００ＭＰａの間の弾性係数を有するコンプライアント壁を備えてよい。
【００４４】
コンプライアント壁の厚さは様々に変更されてよく、適切な厚さは、一般に、燃焼室を組み込む装置すなわちエンジンのサイズ、用いるコンプライアント材料の性質、燃焼室に求める耐用年数、燃焼室に求める拡張率など、多くの要素の関数となる。例えば、約０．２５ｍｍから約４ｃｍの範囲のコンプライアント壁の厚さ（燃焼および変形の前の状態）が、多くの用途に適している。多くの用途で、約５ｍｍから約２ｃｍの範囲のコンプライアント壁の厚さが適切である。その他の厚さが用いられてもよい。例えば、４ｃｍを超える厚さの壁を用いてもよいが、壁の基本の厚さが大きくなるほど、通例は、燃焼装置に冷却機構を設ける必要性が大きくなる。燃焼後、コンプライアント壁の厚さは、燃焼室内で生じる圧力、燃焼室内の温度、コンプライアント壁の剛性（材料の弾性特性と、すべての機械的な取り付け部とに基づく）など、多くの要素によって変化しうる。
【００４５】
壁が厚い場合には、燃焼装置は、壁内に水冷管などの冷却構造を備えてよい。それらの管自体がコンプライアントである場合には、燃焼の結果としての燃焼装置の動作が、管を圧迫しうる。一方向弁を管に結合することにより、装置は、自身の冷却液をポンプで送ることができるようになる。これらの技術およびその他の技術により、壁の熱的な有効厚さ（除去される前に伝わる必要のある距離）が、実際の物理的な壁の厚さよりも小さくなることに注意されたい。
【００４６】
一般に、本明細書に記載されたコンプライアント壁での利用に適した材料は、適切な弾性特性を有し、燃焼に関する熱負荷に耐えることのできる任意の材料を含んでよい。代表的な材料としては、ポリマ、アクリル、プラスチック、シリコン、ゴム、強化繊維（ケブラーなど）、漏れが最小限度の高温セラミック繊維や紙（外面をシリコンなどのエラストマで被覆することで実現できる）、および、剛体材料と柔軟でコンプライアントな材料との組み合わせからなる構造などが挙げられる。代表的なポリマとしては、高密度のポリエチレンやポリイミドが挙げられる。耐熱アクリルや耐熱シリコンなど、良好な許容温度を有するポリマが用いられてよい。利用に適したポリマのコンプライアント壁は、適切な弾性特性と熱特性とを有する任意のコンプライアントポリマまたはゴム（もしくは、それらの組み合わせ）を含んでよい。ポリマの変形は、広い範囲の歪みにわたって可逆的であることが好ましい。具体的な実施形態では、図２Ａの装置７０で用いるコンプライアント壁は、ミシガン州ミッドランドのＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ社が生産するＨＳ  ＩＶ  ＲＴＶ  Ｈｉｇｈ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ  Ｍｏｌｄｍａｋｉｎｇ  Ｓｉｌｉｃｏｎｅ  Ｒｕｂｂｅｒを含む。
【００４７】
金属に比べて、ほとんどのポリマは、熱伝導率および熱容量が低い。その結果、ポリマは、燃焼室での燃焼による熱を吸収しにくいため、効率を向上させる。
【００４８】
耐熱性に関しては、内部の燃焼ガスの温度が、燃焼室の壁の温度よりもはるかに高くなる場合があるため、燃焼ガスの局所冷却を行う。これは、従来のエンジンの機構で実施されている方法である。実際に、多くの従来のエンジンにおける壁の温度は、潤滑油を用いることから、通例、１５０ないし２６０℃（華氏３００度ないし５００度）に抑えられている。例えば、多くのシリコン材料の耐熱温度が３００℃を超える一方、本発明に従って製造された一部の燃焼装置は、約２６０℃の壁温度で作動する。
【００４９】
コンプライアント壁を用いた燃焼装置において高温の燃焼ガスを用いることの実行可能性を、実験によって立証した。０．１ないし１５Ｈｚの範囲の点火頻度を用いた。高い頻度での動作と低い頻度での動作を実験した。燃焼装置が、過渡加熱へのコンプライアント壁の耐性を提供し、１０００℃を超える内部燃焼ガスを用いた場合、一部の試験で用いたガスは、１５００℃を超えると評価された。ブタンおよびプロパンは、１Ｈｚでの約３日間の連続運転に対して、１０，０００サイクルまで燃焼室で実証された。水素燃料についても実証された。また、この例では、より長い寿命が実現可能であった。すなわち、１０，０００サイクルの目標に到達して、ポリマエンジンの試験が停止された時に、燃焼装置は、まだ、損傷なく機能していた。要約すると、コンプライアントポリマ壁を備え、実用的な高い効率を可能にするのに十分なガスの温度を実現できる内燃装置が、開発および検証された。
【００５０】
可変な壁の厚さおよび燃焼室の容積
多くの実施形態では、コンプライアント壁１５は、直交する平面方向への伸長および拡張の結果として、厚さが減少する。コンプライアント壁の厚さが減少することにより、多くの機構において、燃焼室の容積が増大する。
【００５１】
一部の例では、モデル化および説明の目的で、実質的に容積を圧縮できないものとして、本発明のコンプライアント壁を説明することができる。すなわち、コンプライアント壁は、応力下で、実質的に一定の容積を有する。圧縮できないコンプライアント壁では、コンプライアント壁は、直交する平面方向への拡張の結果として、厚さが減少する。コンプライアント壁の厚さが減少すると、燃焼装置にとって容積および効率に関する利点がある。本発明は、圧縮できないコンプライアント壁に限定されず、コンプライアント壁の変形は、かかる単純な関係に従うわけではないことに注意されたい。
【００５２】
一実施形態では、コンプライアント壁（または、コンプライアント壁の一部）の厚さは、燃焼室における燃焼に応じて減少する。例えば、図１３Ａおよび１３Ｂを参照すると、装置５０は、燃焼前（図１３Ａ）には、以下の寸法で特徴付けられる。すなわち、初期外径Ｄ0、初期内径ｄ0、初期高さＨ0、および、初期壁厚さｔ0である。燃焼後（図１３Ｂ）には、装置５０は、以下の寸法で特徴付けられる。すなわち、外径Ｄ0、内径ｄe、高さＨe、および、壁厚さｔeである。コンプライアント壁５４が、高さ方向に拡張および伸長すると、コンプライアント壁５４の厚さは、半径方向でｔ0からｔeに減少する。厚さの変化は、図１３Ａおよび１３Ｂに示した例だけでなく、本明細書に記載の燃焼装置のための任意のコンプライアント壁または部分で起こりうるものである。
【００５３】
一実施形態では、コンプライアント壁（または、コンプライアント壁の一部）の厚さは、燃焼による伸長の結果として、約１ミリメートルより大きく減少する。一部の燃焼装置は、約２ミリメートルより大きく厚さが減少するコンプライアント壁または壁の一部を備えてもよい。具体的な実施形態では、コンプライアント壁（または、コンプライアント壁の一部）の厚さは、燃焼の結果として、約５ミリメートルより大きく減少する。厚さの変化の程度は、コンプライアント壁の初期の寸法に対して、特徴付けられてもよい。一実施形態では、コンプライアント壁の部分の厚さは、燃焼前のその部分の元の厚さの約２０％より大きく減少する。具体的な実施形態では、コンプライアント壁は、燃焼前のその部分の元の厚さの約４０％より大きく減少する。コンプライアント壁の一部が他の部分よりも薄くてもよいことを理解されたい。例えば、図３Ｃの燃焼装置７０は、軸方向８５に沿って厚さが変化する円筒形のコンプライアント壁７４を備える。この例では、厚さは、コンプライアント壁７４の中央部で最小であり、端部プレート７２に向かって増大する。
【００５４】
また、燃焼室の容積は、コンプライアント壁（または、コンプライアント部分）の厚さの減少の結果として増大するよう構成されてよい。例えば、図１３Ａおよび１３Ｂによると、コンプライアント壁５４の厚さが、半径方向でｔ0からｔeに減少すると、コンプライアント壁５４の内径は、ｄ0からｄeに増大する。外径Ｄ０は、コンプライアント壁５４の外面の半径方向の拡張を制限する制約部５８のために、比較的一定のままである。したがって、燃焼室の内径および容積は、燃焼中に動的に増大する。
【００５５】
図の例では、最初の状態で、ｔ0は約１ｃｍ、ｄ0は約２ｃｍ、Ｈ0は約２ｃｍであり、Ｄ0は、約４ｃｍの比較的一定の値に留まる。燃焼後には、燃焼装置５０の備えるコンプライアント壁５４は、ｔ0が約０．４ｃｍに減少し、ｄeが約２．８ｃｍに達し、Ｈeが約５．５ｃｍに達するように構成される。この結果、容積は、初期の容積の約５倍に増大する。壁の厚さも内径も変化しない従来のシリンダでは、装置の高さが同じだけ変化しても、容積は、初期の容積の約２．７５倍にしか増大しない。
【００５６】
当業者にとって明らかなように、燃焼室の最大容積を増大させると、エンジンの排気量が増大する。排気量は、燃焼装置の一回の点火当たりに生成できるエネルギの量を示唆する。排気量が増大すると、一回の点火で燃焼装置が利用できるエネルギも増大する。例えば、排気量を大きくすると、各燃焼すなわちサイクル中に、より多くの燃料を燃焼することが可能になり、所与の表面積に対する燃焼容積が大きくなることで熱損失を低減できるため、エネルギが増大すると共に効率が向上される。この動的な燃焼室の拡大は、図１３の例に限定されず、本明細書に記載された任意の装置と、本発明の任意のコンプライアント壁を備えた燃焼装置とを含みうる。
【００５７】
燃焼室の寸法は、壁の厚さの減少を利用するよう構成されてよく、動的に燃焼室の容積が増大する。一実施形態では、燃焼室は、実質的に円筒形の燃焼室の直径が、燃料が燃焼する際に増大するよう構成される。円筒形の実施形態では、これは、燃焼室が拡張する際に、燃焼室の壁について、実質的に一定の外径を維持する結果として実現される。拡張が起きると、円筒形の燃焼室の壁の厚さは減少し、それに応じて、燃焼室の内径が倍増する。シリンダの容積は、半径の変化の二乗に比例して増大するため、動的な直径を増大させることにより、燃焼装置の排気量を大幅に改善することができる（例えば、半径が１ｃｍから１．５ｃｍに増大すると、一定の高さを有する燃焼室の平面領域ひいては円筒形の容積は、２．２５倍（すなわち、１．５2）に増大する。円筒形の燃焼室の高さ（すなわち、長さ）が変化すると、この動的な直径の増大率が増幅される。上述の例で、円筒形の燃焼室の高さが２倍になる場合には、容積は、４．５（２×２．２５）倍に増大する。これは、直線的な拡張のみの場合よりも大幅に大きい容積の増大である。従来の剛体壁を有する燃焼装置では、高さが同様に２倍になっても内径が変化しないため、容積の増大は２倍に過ぎない。
【００５８】
燃焼中の壁の厚さの減少に基づく容積の増大量は、燃焼装置が備えるすべてのコンプライアント壁の厚さと、燃焼装置の構成とによって決まる。一部の燃焼装置は、比較的厚い燃焼室の壁を備えており、壁が薄くなり容積が増大する程度が大きい。構成も、容積の増大に影響する。一部の実施形態では、本発明の燃焼装置は、初期の高さよりも大きい初期の外径を有する（Ｄ0＞Ｈ0）ことで、半径の変化の２乗を利用してよい。別の実施形態では、燃焼室は球形であり（図８および９参照）、容積は、厚さの減少ひいては半径の増大の３乗に比例して増大する。
【００５９】
本発明の燃焼装置の動的な容積変化を特徴付けるには多くの方法がある。円筒形または球形の燃焼室については、燃焼室の内径の変化が、壁の厚さの減少に基づく容積の増大の利得を良好に示す。内径の変化は、燃焼装置のサイズ、壁の厚さおよび弾性特性、燃焼で消費される燃料の量などに伴って変化する。一実施形態では、燃焼室の内径は、燃焼室での燃料の燃焼中に、約２ミリメートルより大きい長さだけ増大する。一部の燃焼室は、約４ミリメートルよりも大きい長さだけ増大する内径を備えてもよい。具体的な実施形態では、燃焼室の内径は、燃焼の結果として、約１０ミリメートルより大きい長さだけ増大する。変化の程度は、内径の初期の寸法に対して特徴付けられてもよい。一実施形態では、燃焼室の内径は、燃焼前の燃焼室の内径に比べて、約１０％よりも大きい長さだけ増大する。具体的な実施形態では、内径は、元の内径に比べて約２０％より大きい長さだけ増大する。燃焼室の或る部分において、他の部分よりも大きく内径が増大してもよいことを理解されたい（例えば、図３Ｃ参照）。
【００６０】
本明細書に記載されたその他の燃焼装置および機構は、燃焼によって減少する壁の厚さを有するよう構成されてよい。また、これらの装置の多くでは、壁の厚さの変化に基づいて動的に容量が増大してよい。例えば、図５Ａの燃焼装置１２０は、燃焼中に厚さを減少させて燃焼室１３２の容量を増大させるコンプライアント壁１２２を備えるよう構成されてよい。同様に、図８Ａの燃焼室１８０の球形壁１８２は、燃焼中に厚さを減少させて燃焼室１８４の容量を増大させる厚い壁を備えるよう構成されてよい。
【００６１】
一態様では、本発明は、燃焼装置を用いる方法に関する。コンプライアント壁を備えた燃焼装置は、従来の剛体壁によるピストンの機構と全く異なる新しい機構を提供するため、本発明は、燃焼装置の動作における新しい形態を切り開く。一つの方法は、偏位する際に壁の厚さを減少させる。別の方法は、壁の厚さが変化する際に、複数の方向で動的に燃焼室の容量を増大させる。また、本発明は、新しい燃焼サイクルを可能にする。あるサイクルは、伸長している壁に蓄積された弾性エネルギを用いて、排気を円滑にする。また、本発明は、機械／電気ハイブリッドシステムを改善させる。それらについては、後で詳細に説明する。
【００６２】
図１４Ａは、本発明の一実施形態において、燃料から機械的エネルギを生み出すための処理の流れ３００を示す図である。本明細書に記載された他の燃焼装置および図面も、本明細書に記載された燃焼方法の説明の助けとなる。
【００６３】
処理の流れ３００は、燃焼室に燃料および酸素を供給する工程（３０２）から始まる。通例、燃料および酸素の供給は、燃焼室に向かって開口している吸気ポートまたは弁と、燃料および酸素を移動させるための圧力とを用いる。燃料システムは、所望の空気／燃料の混合物が吸気ポートを通るように、燃料を供給し、その燃料と空気とを混合する。３つの一般的な燃焼搬送技術、すなわち、気化、ポート燃料噴射、および、直接燃料噴射がある。気化では、燃焼室に供給する前に、キャブレタが燃料（通例は、気相状態）を空気に混合する。燃料噴射方式のエンジンでは、所望の量の燃料が、吸気弁を通して（ポート燃料噴射）または直接的に（直接燃料噴射）燃焼室に噴射される。
【００６４】
次いで、燃料は、燃焼室で燃焼される（３０４）。通例、この燃焼は、吸気弁が閉じた後、排気ポートも閉じた状態で起きる。一実施形態では、本発明は、点火を用いて燃焼を開始する。点火の前には、燃料／空気の混合物は、圧縮されてもよいし圧縮されなくてもよい。別の実施形態では、本発明は、外部装置による点火を利用しない。その代わりに、圧縮行程の熱および圧力によって、燃料の自然発火を引き起こす。圧縮装置が、空気／燃料の混合物をさらに圧縮し、それによって、効率が改善される。本発明の装置での利用に適した燃焼および他の燃焼サイクルに関しては、後に、説明を行う。
【００６５】
処理の流れ３００は、コンプライアント壁の一部に対して厚さを減少させる工程（３０６）に進み、それにより、燃焼室の容量は、厚さの減少に伴って増大する。通例、コンプライアント壁の厚さを変化させるために、燃焼中に生じる圧力および力を用いる。一実施形態では、コンプライアント壁は、厚さの減少する方向と実質的に直交する方向に伸長する。燃焼装置は、制約されて、意図された伸長方向を除くすべての方向への移動を防止されてよく、それが、厚さの変化が起きる場所と方法に影響を与える。
【００６６】
本発明に従って形成された燃焼室のサイズは、様々に変更されてよい。例えば、燃焼後に、約２立方センチメートルから約４０立方センチメートルの範囲の燃焼室の最大容積が、良好に機能する。その他の燃焼室の最大容積が用いられてもよい。燃焼室の容積は、用途の必要性に応じて変更されてよい。ポリマ構成要素と、説明したシステムとは、非常に小型で軽量であるため、説明した燃焼室を組み込んだエンジンは、従来のように内燃エンジンを電源として利用しない用途を含めて、比較的出力要件の低い用途での利用に非常に適している。例えば、多くの用途で、約２立方センチメートルから約２５立方センチメートルの範囲の燃焼室の最大容積が、良好に機能する。ただし、燃焼室に関して、より大きい容量、または、より小さい容量を用いてもよいことを理解されたい。
【００６７】
壁の厚さを変更することには、そのほかの利点もある。多くの場合、燃焼室の内部表面積は、コンプライアント壁の壁が伸長して壁の厚さが減少するのに伴って増大する。これにより、燃焼室からの放熱のための表面積が増大し、定常状態の放熱が効率に影響する多くのサイクルにわたって、燃焼装置の効率が増大しうる。例えば、円筒形の燃焼室は、内径と高さとに比例する表面積を有する。厚さの減少に伴って、内径が増大すると、放熱のための表面積も増大する。球形の燃焼室では、厚さの変化によって決まる内径の二乗に比例して、内部表面積が増大する。図１４Ｂは、本発明の一実施形態において、燃焼装置の温度管理を向上させるための処理の流れ３２０を示す図である。
【００６８】
処理の流れ３２０は、例えば、処理の流れ３００の工程３０２に関して上述したのと同様に、燃料および酸素を燃焼室に供給する。次いで、燃料は、燃焼室で熱を生み出すために燃焼されて、熱を生み出す（３２２）。
【００６９】
処理の流れ３２０は、次に、燃焼室の境界となる一組の壁に含まれるコンプライアント部分または壁を伸長させて、一組の壁の表面積を増大させる（３２４）。上述した円筒形の燃焼装置およびコンプライアント壁については、燃焼室の境界となる表面積は、直径および高さの両方が増大すると共に増大する。表面積の増大量は、燃焼室および装置の機構、コンプライアント壁の弾性および厚さ、機械的出力に結合されたすべての負荷によって変化する。
【００７０】
本発明の独特の特徴は、コンプライアント壁の厚さと、燃焼室の内径とが、燃焼中に動的に変化することである。一実施形態では、コンプライアント壁は、燃焼の開始時には第１の厚さを有し、燃焼の終了時には減少した厚さを有する。これは、燃焼にとって二重に役立ちうる。第１に、コンプライアント壁は、燃焼の開始時には、より大きい厚さを有する。その時、燃焼装置の機械的出力を最大化して１回の燃焼の効率を改善するために、熱が閉じ込められることが好ましい。第２に、逆に、行程の最後には、燃焼室の表面積が最大になる。これにより、壁を通しての熱伝達のための面積が大きくなる。その時、しばしば、燃焼室から熱が放出されることが望ましい。伸長またはその他の方法で薄くなるコンプライアント部分または壁は、さらに、燃焼の終了時には、低減された厚さを有する。これにより、コンプライアント壁を通して燃焼室から熱を放散するための熱放出経路すなわち冷却距離が低減され、この時にも、行程の最後に燃焼室から熱を放散することが好ましい。また、この熱経路の低減により、燃焼室の内壁の冷却が容易になると共に促進される。このように、コンプライアント部分または壁は、熱を閉じ込めることが好ましい時には厚くなり、熱を放散することが好ましい時には薄くなると共に表面積を大きくする。厚さの変化は、コンプライアント壁の様々な部分で異なってもよく、それにより、位置の関数としての熱的性能と、装置の構成とが変わることを理解されたい。
【００７１】
次いで、燃焼室で生み出された熱は、伸長したコンプライアント部分を通して放散される（３２６）。通例、燃焼室内の温度が、燃焼室の外の温度よりも高い限りは、この放散が起きる。熱は、燃焼室における、現在の燃焼によるものであってもよいし、以前の燃焼によるものでもよい。
【００７２】
曲げモード（例えば、ベローズ）を用いて、圧縮圧力に応じる機構など、一部の機構では、表面積はあまり増大しない。ベローズについては、ひだ部分の内部表面積は変わらないが、ひだ部分が軸方向の展開によって開いた時には、内部の容積が増大する。また、これらの機構では、処理の流れ３００で説明したように、厚さが大幅に減少または変化することはない。
【００７３】
燃焼
本発明は、多様な内燃エンジンの機構およびサイクルを意図するものであり、特定の機構にもサイクルにも限定されない。本発明での利用に適した周知の燃焼サイクルの１つとして、４行程の燃焼サイクル、すなわち、オットーサイクルが挙げられる。オットーサイクルは、４つの行程を備える。すなわち、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、および、排気行程である。かかる４行程サイクルは、上述の多くの燃焼装置での利用に適している。その他の適切なサイクルとしては、ミラー、ディーゼル、スターリング、およびデトネーション（ノック）サイクルや、２行程サイクルが挙げられる。ミラーサイクルは、その性能と、電気負荷機能（燃焼装置と共に電気活性ポリマを用いるなど）を備えて様々な圧縮および膨張行程を効率的に実行するコンプライアント燃焼装置への適合性との点で魅力的である。一部の例では、クランクシャフトが用いられ、ピストンを利用するシリンダに代えて、従来のピストンを利用したシリンダ（図１６参照）のように１軸方向に拡張するピストン無しのコンプライアント燃焼装置が用いられる。また、本発明の燃焼装置は、複数のサイクルや高速での利用に適している。
【００７４】
また、本発明の提供する独特の特徴により、新しい燃焼サイクルが作られてもよいし、従来の燃焼サイクルが修正されてもよい。図１５Ａは、本発明の一実施形態において、燃料から機械的エネルギを生み出すための燃焼サイクル３４０を示す図である。
【００７５】
処理の流れ３４０では、燃焼室に燃料および酸素を供給される（３０２）。次いで、燃料は、燃焼室で燃焼されて、熱を生み出す（３０４）。次に、燃焼に反応して、コンプライアント部分または壁が伸長される（３４２）。コンプライアント部分は、燃焼室の境界となる一組の壁に含まれる。コンプライアント壁は、燃焼から生じる機械的エネルギを受けて、その機械的エネルギの一部を弾性エネルギとして蓄積する。以下で詳述するように、制約部が、コンプライアント壁の変形に影響を与えて、その変形を所望の方向の出力に沿わせてよい。つる巻きバネなど、一部の制約部も、その変形に伴って、燃焼で提供された機械的エネルギを蓄積することができる。
【００７６】
燃焼が完了した後には、伸長した部分の弾性的な復元によって、燃焼生成物が、燃焼室から排気される（３４４）。より具体的には、コンプライアント壁に蓄積された弾性エネルギが、燃焼室の容積を減少させる位置にコンプライアント壁を戻す。通例、弾性的な復元が始まる直前に、排気ポートが開かれる。燃焼室からの排気ガスを追い出すためにコンプライアント壁が利用できる力の量は、燃焼中に生み出された力の量、コンプライアント壁の弾性特性、および、機械的出力または負荷に提供された機械的エネルギに対するコンプライアント壁に提供された機械的エネルギの比、によって決まる。また、制約部として用いられたつる巻きバネは、弾性的な復元および燃焼生成物の排気の助けになる。このように、コンプライアント壁の弾性的な復元は、燃焼後に燃焼室から燃焼ガスを自動的かつ受動的に排気するための機構を提供する。
【００７７】
圧縮比は、多くの燃焼装置にとって基本的な効率のパラメータである。６ないし１２の圧縮比が、オットーサイクルでは標準的である。理論的には、圧縮比が高くなるほど効率がよくなるが、エンジンの寿命に悪影響を与えるデトネーション（ノック）のために、通例、従来のエンジンでの高圧縮比の利用は限られる。多くのコンプライアント壁燃焼装置は、衝撃抵抗と小型の構成のために、ノックエンジンに利点を提供できる。６ないし１２の圧縮比は、多くの異なるコンプライアント燃焼装置の構成のいずれかを用いて実現可能である。上死点での容積（燃焼室の最小容積）を小さくして圧縮比を大きくする必要がある場合には、固定スペーサ８２（図３Ａ）を用いてもよい。このように、本明細書に記載された装置で、６ないし１２よりも大きい圧縮比を用いてもよい。
【００７８】
従来の金属燃焼装置に比べて、本明細書に記載されたコンプライアント壁燃焼装置の一部は、所与の容積での表面と容積との比を低減し、オイルで潤滑された金属エンジンよりも高い内壁温度で動作し、ピストンとシリンダとの摺動接触での漏れおよび機械的摩擦を排除し、２つの間の相対速度を有するのではなく、燃焼ガスで燃焼室を拡張することにより内壁への熱伝達を低減し、（必要であれば、電気活性ポリマまたはその他の電気装置や制御を用いて）、電子的な速さでタイミングおよび圧力の変数を調節する。これらの内のどれでも、燃料の化学的エネルギを有用な機械的エネルギにする際の燃焼および変換を改善できる。
【００７９】
ハイブリッド電気エネルギ機能
本発明は、さらに、燃焼エネルギを用いて電気エネルギを生成することを可能にする。一実施形態では、電気活性ポリマ変換器を用いて、燃焼によって供給される機械的エネルギから電気エネルギを生成する。電気活性ポリマは、変形によって電気状態が変化するコンプライアントポリマの類である。代表的な電気活性ポリマとしては、電歪ポリマ、誘電エラストマ（電気エラストマとしても知られる）、導電性ポリマ、ＩＰＭＣ、ゲルなどが挙げられる。具体的な実施形態では、燃焼装置が備えるコンプライアント壁は、燃焼室を囲むための本明細書に記載されたコンプライアント壁と、コンプライアント壁の外側に配置された電気活性ポリマ変換器とを備える複合構造を有する。
【００８０】
一部の電気活性ポリマは、多機能であるため、同じ電気活性ポリマ変換器を、ａ）発電機（機械的エネルギを電気エネルギに変換して、例えば、スパークプラグに供給する）、ｂ）作動装置（例えば、電気的な作動と燃焼による駆動の両方を共に用いることで、装置の機械的出力を増大させる「ターボ」モードにおいて、電気エネルギを機械的エネルギに変換する）、および／または、ｃ）センサ（電気的な変化を検知して、例えば、変形を検出する）、として用いることができる。検知機能は、燃焼や、その他のポリマエンジンのパラメータを監視および最適化するために用いられてもよい。検知を用いて、対象となる機械的荷重の状態を監視することができる。電気エネルギの生成のため、燃焼を用いて、いくつかの方法で電気活性ポリマを変形または伸長させる。
【００８１】
本発明は、さらに、新しいハイブリッド機械・電気出力システムおよび方法を実現する。図１５Ｂは、本発明の一実施形態において、燃料から機械的エネルギを生み出すための処理の流れ３６０を示す図である。
【００８２】
処理の流れ３６０では、燃焼室に燃料および酸素を供給される（３０２）。次いで、燃料は、燃焼室で燃焼され熱を生み出す（３０４）。次に、コンプライアント部分またはコンプライアント壁が伸長される（３４２）。コンプライアント部分または壁は、燃焼室の境界となる一組の壁に含まれる。
【００８３】
次に、燃焼で生じた機械的エネルギは、機械的出力に供給される（３６２）。例えば、燃焼室に結合された機械的出力を用いて、負荷に作用させてよい。ロボット工学の用途では、機械的出力を移動運動に用いてよい。
【００８４】
処理の流れ３６０は、さらに、コンプライアント部分または壁が伸長した際に、電気活性ポリマを変形させる（３６４）。壁のコンプライアント部分自体が、電気活性ポリマからなってもよい。電気活性ポリマは、機械的出力を援助するため、燃料／空気の混合物を吸気または圧縮するため、電気負荷を介して機械的出力を変更するため、センサとして、および／または、電気エネルギを生成するため、に利用可能である。ポリマを作動させること（すなわち、燃焼中に電気活性ポリマに電界を印加すること）により、燃焼装置の機械的出力の量を増大させることができる。電気活性ポリマが伸長した位置から収縮する前に、電気活性ポリマに電界を印加することにより、電気活性ポリマが伸長した位置から収縮する際に、電気エネルギの生成に電気活性ポリマを利用することができる。燃焼が完了する前に、電気活性ポリマに電界を印加すると、電気活性ポリマの剛性を変化させることが可能であり、それにより、ハイブリッド装置への機械的な負荷が変わり、燃焼効率に影響する。これにより、燃焼装置の管理者や設計者が、燃焼の出力を動的および電気的に調整することができる。あるいは、電気活性ポリマは、センサとして用いられてもよく、その場合、コンプライアント部分または壁が変形した際に、電気活性ポリマの電気状態が読み取られる。また、電気活性ポリマは、燃料／空気の混合物を燃焼室に取り入れるため、または、燃焼後に排気ガスを排出するための作動装置として用いられてもよい。
【００８５】
具体的な実施形態では、電気活性ポリマは、外面などのコンプライアント部分または壁に取り付けまたは結合され、コンプライアント部分または壁と共に伸長する。例えば、電気活性ポリマは、図２Ａの燃焼装置５０の円筒形のコンプライアント壁５４の周りに一回または複数回巻き付けられてよい。いくつかの電気活性ポリマを用いた電気エネルギの生成では、平面的な拡張がある程度高まった状態で、電気活性ポリマに取り付けられたコンプライアント電極に電荷が発生する。電気活性ポリマは収縮すると、ポリマの一方の面上の正電荷が、ポリマの反対面上の負電荷から遠ざかるように押しやられ、それにより、それらの電圧ひいては電気エネルギが上昇する。さらに、電気活性ポリマが収縮する際に、各面の電荷（一方の電極および面上の正電荷、または、第２の電極上の負電荷）が、近づいて、それらの電極上の任意の電荷の電圧および電気エネルギを上昇させる。最初にポリマに存在したエネルギの３ないし５倍の収縮エネルギの増大が一般的であり、伸長した電気活性ポリマの面歪み、荷重の状態、および、集電の制御によって、増大は大きくも小さくもなりうる。
【００８６】
長時間にわたって電気エネルギを生成するために、多くのサイクルにわたって、電気活性ポリマを伸長および緩和してよい。燃焼装置から電気エネルギを得るために、電気活性ポリマから電気エネルギを移動できるように、燃焼による機械的エネルギが電気活性ポリマに加えられる。電気エネルギの生成および利用は、調整のための一種の電子回路を必要としてよい。例えば、回路を用いて、変換器から電気エネルギを取りだしてよい。さらに、回路を用いて、発電の効率や量を増大させてもよいし、より適切な値に出力電圧を変換してもよい。本発明での利用に適した調整電子回路の詳しい説明は、「Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ」と題され、Ｒ．Ｐｅｌｒｉｎｅ他を発明者とする同一権利者の特許第６，６２８，０４０号に記載されている。この出願は、すべての目的のためにその全体がここに参照によって組み込まれる。
【００８７】
別の具体的な実施形態では、燃焼装置のためのコンプライアント壁は、燃焼室の反応物質の吸気、または、燃焼室の生成物の排気のために作動される電気活性ポリマを備える。吸気のために、電気活性ポリマコンプライアント壁は、燃焼室の容積を増大し（例えば、燃焼室を伸長して）、負圧を発生し、燃料および／または空気を吸い込むように動かされる。次いで、電気活性ポリマへの電気エネルギが遮断され、ポリマが弾性的に戻ることにより、点火前に燃料を圧縮してよい。電気活性ポリマは、加圧型のソースも、ピストン・シリンダを備えたエンジンにおいて弁を作動させるカムシャフトも必要とせずに、燃料および空気を引き込むための単純な代替手段を提供する。例えば、燃焼装置２４０の壁２４４（図１２Ａ）は、電気活性ポリマを備えてよい。この例では、電気活性ポリマは、燃料制御機能を実行する作動装置のモードで用いられている。別の実施形態では、収縮力に瞬間的に対抗するため、上死点において電気活性ポリマに電荷を再印加してもよい。さらに、電気活性ポリマを発電モードで用いている場合、上死点において電気活性ポリマに電荷を再印加してもよい。
【００８８】
従来のエンジンは、基本的に、ピストンの正弦的な運動（時間に対する正弦的な変位）を実行する。すなわち、装置の慣性とクランクシャフトの動きの制約によって、従来のエンジンでは必然的にそのようになる。電気活性ポリマを備えるコンプライアント壁燃焼装置は、より高度な運動を実行できるため、正弦的な出力には限定されない。従来のエンジン発電機では、外部の発電機に電子的に負荷を掛けることによる全体的かつ平均的な方法でしか、荷重を電子的に変化させることができない。また、従来のエンジンにおける（例えば、自由ピストンエンジンの）運動や周波数の制約により、性能が最適にならない場合もある。例えば、理想的なスターリングサイクルは、理論的にカルノー効率が実現可能な可逆サイクルであることがよく知られている。しかし、スターリングエンジンの現実的な実装では、エンジンの高温側および低温側（これら２つは、通例、例えば、従来の機構では、クランクシャフトによって機械的に結合されている）での不連続な独立した運動を実行することができないため、通常、理想的なスターリングサイクルに近いだけである。
【００８９】
逆に、電気活性ポリマとコンプライアント壁とを備えた燃焼装置は、例えば、（電気活性ポリマに印加されて電気活性ポリマの剛性を増大させる電気状態、または、電気活性ポリマによって掛けられる機械的な力を変えることにより）、急速に拡張して、サイクル期間のかなりの部分で完全に停止し、その後、ゆっくりと収縮するように制御されてよい。ポリマエンジンの圧力プロファイルは、例えば、開始条件、負荷の変化、環境条件の変化、または、検知された燃焼パラメータの変化に応じて、オンザフライで電子的に調整されてもよい。制御パラメータを電子的に変更できることにより、一般的に、燃焼およびシステムが改善される。本発明での利用に適した電気活性ポリマの詳しい説明は、同一権利者の特許第６，６２８，０４０号に記載されており、それはすべての目的のためにその全体がここに参照によって組み込まれる。
【００９０】
本発明における電気活性ポリマとしての利用に適した材料は、静電気力に応じて変形、もしくは、変形することによって電界の変化を引き起こす任意の実質的に絶縁性のポリマまたはゴム（もしくは、それらの組み合わせ）を含んでよい。１つの適切な材料は、カリフォルニア州カーペンテリアのＮｕＳｉｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社が供給するＮｕＳｉｌ  ＣＦ１９−２１８６である。事前に歪んだポリマとしての利用に適した他の材料としては、シリコンエラストマや、ミネソタ州セントポールの３Ｍ社が生産するＶＨＢ  ４９１０アクリルエラストマなどのアクリルエラストマが挙げられる。
【００９１】
用途
本発明は、広く利用することができる。本明細書に記載されたコンプライアント壁燃焼装置は、従来のピストンエンジンを利用する用途のいずれで用いられてもよい。例えば、本発明の燃焼装置は、芝刈り機、リーフブロワー、ポンプ、コンプレッサ、および、その他の道具や装置で用いられてよい。本明細書に記載された燃焼装置は、高速に作動する作動装置としても広く利用できる。移動運動の用途として、燃料から機械および／または電気エネルギが生成される自動車での用途が挙げられる。
【００９２】
コンプライアント壁を備えた燃焼装置は、設計の柔軟性が高いため、ピストン・シリンダを用いるエンジンよりも、はるかに設計の自由度が大きい。さらに、コンプライアント壁を備えた燃焼装置を用いれば、ピストン・シリンダを用いたエンジンの機構に存在する制限、特に小型エンジンに関する制限を解消できる。
【００９３】
本発明は、主に、単一の燃焼装置の機械的出力に関連して説明されているが、多くのシステムが、２以上の燃焼装置を備える。４、６、および、８シリンダシステムが一般的である。複数のシリンダは、直列型、Ｖ型、フラット型（水平対向型またはボクサー型とも呼ぶ）など、多くの方法で配列されてよい。
【００９４】
国防総省（ＤｏＤ）は、超小型飛行体（ＭＡＶ）や小型の自律ロボットから、歩兵のための携帯電源、自動車や宇宙船用の大型電源に至るまで、幅広い電源を必要としている。ほとんどのＤｏＤの電源は、携帯用に設計されているため、それらの多くは、軽量、高効率、および、高出力密度など、共通の要件を有する。本発明は、これらの用途での利用に適している。また、本明細書に記載された燃焼装置は、様々な一般の任務用の小型、軽量、効率的な２０Ｗ電源での利用も可能である。特に、出力、寿命、および、重量が重要となるＭＡＶ（超小型飛行体）やロボットの任務では、本発明が役立ちうる。
【００９５】
本発明は、重量に対する出力の比が高く、かなりの期間にわたって電力を生成できる携帯型エネルギ代替手段を提供する。炭化水素燃料は、電池に比べて、比較的高いエネルギ密度を有する。例えば、炭化水素燃料のエネルギ密度は、電池の密度の２０倍である。
【００９６】
また、本明細書に記載されたコンプライアント燃焼エンジンは、電気エネルギの生成への適合が容易である。燃焼によって電気エネルギを生み出す電気活性ポリマを追加することにより、本発明の利用可能性が高くなる。多くの用途は、機械力および電力の両方を必要とする。ロボット工学では、しばしば、電気エネルギの生成に加えて、機械的出力が必要になる。一部のコンプライアントエンジンでは、それらの出力の比を電子的に制御することが可能であり、ロボットや携帯用途に有用である。一方、燃料電池や電池を用いるロボット装置は、機械的出力を生み出すために、完全な別個のサブシステム（例えば、モータ）を必要とする。従来のピストンを用いた燃焼装置と異なり、全てのサブシステム（電磁発電機）が排除されている。
【００９７】
一実施形態では、電気活性ポリマを利用した電気入力を用いて、リアルタイムで電子的に、燃焼負荷（すなわち、燃焼圧対容積のプロファイル）を変える。発電機への電気負荷を用いて、エンジンの燃焼効率を最適化する概念は、ハイブリッド自動車に適用されている。ただし、コンプライアント壁を備えた燃焼エンジンでは、より迅速に負荷を制御することが可能であり、潜在的には、１サイクルの期間よりもはるかに短い時間で制御できる。
【００９８】
また、ポリマは、一般に金属よりも安価であるため、コンプライアント壁にポリマを用いると、本明細書に記載された燃焼装置のコストを抑えることができる。さらに、金属の構成要素を含まない実施形態では、金属の精度を合わせる必要もなく、それに関するコストも掛からない。一部の例では、本発明の燃焼装置は、必要であれば使い捨て品として製造するのに十分なほど安価である。
【００９９】
本発明は、低コストのポリマを用いて構成してよい。これにより、使い捨てのエンジンを実現できる可能性がある。また、ポリマを特注で成形すれば、設計者は、様々な燃焼容積の形状（例えば、楕円形、平形など）を製造して、特定用途のための形状の装置を特注製造することができるようになる。
【０１００】
また、ポリマは、例えば、グラム当たりまたは所与のエンジン質量に対する高い出力密度、効率の増大につながる大きい燃焼容積の実現できることなど、軽量の材料として多大な利点を提供する。また、本発明は、従来の金属ピストンおよびシリンダの厳しい精度での剛性を維持するのに必要な余分な質量を低減する。
【０１０１】
さらに、本発明によると、燃焼室内から密接な摺動シールが排除されるため、汚れた燃料を用いる選択肢も可能になる。
【０１０２】
コンプライアント壁による方法は、軽量、静音、簡略、高効率、電気出力と機械的出力とを電子的に調節してシステムを最適化する能力、低コスト、および、優れた設計の柔軟性など、多くの潜在的な利点を提供する。本明細書に記載された多くのコンプライアント燃焼装置およびエンジンは、燃焼装置技術を簡略化する。ピストン機構におけるピストン、ピストンリング、および、潤滑油など、従来の剛体エンジンハードウェアの多くを排除できる。
【０１０３】
従来のエンジンにおけるピストンリングは、ピストンの外縁とシリンダの内縁との間に摺動シールを提供する。リングは、以下の２つの目的を果たす。すなわち、リングは、燃焼における圧縮の際に燃焼室内の燃料／空気の混合物と排気ガスとが漏れないようにすることと、オイルが燃焼して消失しないように燃焼室内に漏れないようにすることを目的に設けられる。本発明は、燃焼室内のピストンを備える必要がないため、燃焼室内のピストンリングも設けなくてよい。この例では、ピストンリングに関する燃焼室の漏れの問題も解決される。
【０１０４】
本発明は、さらに、軽量、低ノイズ（静音動作）、簡略化、および、高効率の機構を提供する。ポリマ構成要素の低い慣性により、金属構成要素よりも高い効率を実現できる。軽量化によって、動力装置の重量が小さくなるだけでなく、効率も高くなる。燃焼装置は、方向を変えるたびに、エネルギを用いて、一方向への運動を停止し、別の方向への運動を開始する。燃焼装置が軽いほど、方向転換に必要なエネルギが小さくなる。オイルで潤滑されたエンジンよりも、潜在的に壁の温度が高くなることにより、効率が上がる可能性がある。
【０１０５】
装置１８０および２００など、本明細書に記載された多くの燃焼装置の顕著な機構の特徴は、燃焼室１８４が、ピストン２０６が備える外面すなわちシールとハウジング２０４の内面との間のような移動する機械部品から分離されていることである。その結果、ピストン２０６とハウジング２０４との間の摩擦を最小化するために用いられる潤滑油はすべて、燃焼室１８４内の構成要素のいずれに対しても用いる必要がなく、燃焼室内で起きる高温条件にさらされることもない。
【０１０６】
また、本願で請求するコンプライアント燃焼装置は、可聴域下の周波数において魅力的な出力密度を実現可能であり、ギアやベアリングにおける金属間の接触などの他のノイズ源を排除できる。
【０１０７】
代表的な燃焼装置
機構、いくつかの利点、および、様々な動作態様に関わらず、コンプライアント壁燃焼装置を説明したが、ここで、多くの代表的な機構について説明する。
【０１０８】
図２Ａは、本発明の一実施形態における燃焼前の円筒形燃焼装置５０を示す簡略な断面図である。図２Ｂは、燃焼後の装置５０を示す図である。燃焼装置５０は、剛体壁５２と、コンプライアント壁５４と、燃焼室５６と、制約部５８とを備える。
【０１０９】
コンプライアント壁５４は、実質的に円筒形であり、燃焼室５６の軸長に沿って、燃焼室５６の周囲の境界となっている。円筒形の壁５４は、燃焼室５６内での燃料の燃焼に応じて、方向５５の軸方向に伸長する。一実施形態では、壁５６の厚さは、壁５４の軸方向の断面にわたる外周全体について、燃焼室５６での燃焼前には、実質的に一定である。一部の例では、厚さは、燃焼中と、燃焼後とで変化してよい。円筒形壁５４は、燃焼室５６内での燃焼によって軸方向に伸長するのに十分なほど低い弾性強度を有する材料を含む。具体的な実施形態では、コンプライアント壁５４は、所望の剛性を有するシリコンなど、伸長可能なエラストマを含む。適切なコンプライアント壁に関するさらなる詳細事項は、上述した弾性特性である。
【０１１０】
剛体壁５２は、ほぼ円筒形のコンプライアント壁５４への端部キャップに類似する。剛体壁５２ａは、コンプライアント壁５４の第１の端部５４ａに配置されており、剛体壁５２ｂは、コンプライアント壁５４の第２の端部５４ｂに配置されている。剛体壁５２ａは、外部に対して固定されており、燃焼室５６での燃焼中にも比較的静止したままである。剛体壁５２ｂは、燃焼室５６内での燃焼ひいてはコンプライアント壁５４の伸長の結果として、剛体壁５２ａに対して軸方向５５に移動する。図２には図示していないが、剛体壁５２は、固定式または機械的な出力への取り付けを可能にするための１以上の結合機構を備えてよい。コンプライアント壁の端部５４ａおよび５４ｂは、例えば、適切な接着剤によって、それぞれ、剛体壁５２ａおよび５２ｂに取り付けられてよい。
【０１１１】
燃焼室５６は、剛体壁５２およびコンプライアント壁５４の内面によってサイズが規定されている。より具体的には、コンプライアント壁５４の管状の内面と、剛体壁５２の実質的に平坦な端部とが、燃焼室５６の実質的に円筒形の容積を形成している。図２Ａには図示されていないが、装置５０は、さらに、反応物質および生成ガスを燃焼室５６に出し入れするための１以上の吸気および排気ポートを備えてよい。燃焼室５６内での燃料の点火および燃焼は、燃焼室５６内の圧力を上昇させ、コンプライアント壁５４を方向５５の軸方向に伸長させる。
【０１１２】
制約部５８は、燃焼室５６内での燃料の燃焼中に、コンプライアント壁５４の半径方向の拡張を低減する。制約部５８がないと、燃焼室５６内の燃焼および圧力の発生により、コンプライアント壁５４は、ａ）円筒の中心軸から離れるように、ｂ）方向５５に沿って直線的に、変形して伸長する。コンプライアント壁５４の半径方向の拡張を低減することにより、制約部５８は、剛体壁５２ａが固定された場合の方向５５など、所望の出力方向の機械的出力の効率を増大させる。
【０１１３】
一実施形態では、制約部５８は、実質的に円筒形のコンプライアント壁５４の周囲を包む高張力の要素５８を備える。例えば、高張力の要素は、ケブラー、金属線、または、ナイロン繊維など、１以上の高張力の繊維糸を含んでよい。高張力の繊維糸５８は、コンプライアント壁５４の外側部分の半径方向への拡張を防ぐ。
【０１１４】
具体的な実施形態では、高張力の繊維糸５８は、コンプライアント壁５４の外面の周囲を包む。あるいは、高張力の要素５８は、コンプライアント壁５４の壁厚に一体化されてもよい。この場合、高張力の繊維糸は、コンプライアント壁５４の内面と外面との間の真ん中などに、埋め込まれる。具体的な実施形態では、制約部５８は、コンプライアント壁５４の構造内に埋め込まれた平坦な巻き線（拡張および収縮の方向に直交するよう平坦化されたもの）を備えた（バネなどの）コイルを備える。平坦な巻き線は、壁が軸方向に変形する際に、各巻き線の周りのコンプライアント壁内での真空の形成に抵抗する。別の実施形態では、制約部５８は、いくつかの位置でスペーサによって分離された１組のディスクまたはリングであってもよい。コンプライアント壁５４にシリコンまたはその他のポリマを用いて、制約部５８にケブラーなどの軽量の繊維を用いることにより、従来の金属製のピストンを備えた燃焼室よりも大幅に軽い燃焼装置５０が提供される。
【０１１５】
方向５５におけるコンプライアント壁５４の両端の間の高張力の要素の巻き線の数および形状は、様々であってよい。具体的な実施形態では、コンプライアント壁５４の軸方向５５に沿って、別個の糸すなわち高張力要素５８が備えられる。この場合、制約部５８は、燃焼室５６の周囲を囲む個々の糸を、軸方向に数えて２から数十ないし数百の内の任意の数だけ備えてよい。別の実施形態では、１つの高張力要素が、コンプライアント壁の一方の端部５４ａから他方の端部５４ｂまで（あるいは、コンプライアント壁５４の軸方向の長さ全体が拡張に用いられない場合（図３Ａ参照）には、それよりも狭い範囲で）、実質的に円筒形のコンプライアント壁の周囲をらせん状に包む。この場合、高張力要素は、適切な剛性を有するプラスチックまたは金属で形成されたバネなど、つる巻きバネを含んでよい。
【０１１６】
高張力の繊維糸がコンプライアント壁５４を包むものなど、多くの実施形態では、制約部５８は、実質的に円筒形のコンプライアント壁５４の方向５５に沿った軸方向の変形をほとんど妨げない。上述のように、制約部５８は、コンプライアント壁５４の半径方向の拡張を低減することにより、燃焼室５６内で生じた圧力が、主に、軸方向５５への端部プレート５４ｂの拡張に用いられるようになるため、方向５５における機械的出力の効率を増大させる。
【０１１７】
制約部５８として用いられたつる巻きバネは、コンプライアント壁５４の半径方向の変形を制限する。しかしながら、バネは、バネ５８およびコンプライアント壁５４が方向５５に伸長すると、弾性的な機械エネルギを蓄積する。これは、一部の機構では有用である。例えば、バネおよびコンプライアント壁５４の弾性的な復元は、燃焼後に燃焼室５６から燃焼ガスを自動的かつ受動的に排気するための機構を提供する。
【０１１８】
燃焼室５６の円筒形状は、特に、燃焼室５６内での燃料の燃焼中には、完全な円筒でなくてもよいことを理解されたい。上述のように、コンプライアント壁１５４は、軸方向５５に伸長するにつれて、厚さが小さくなってよい。図２Ｂに示したように、燃焼後（または、燃焼後の段階までいかない燃焼中）に、剛体壁５２ａおよび５２ｂに取り付けられたコンプライアント壁の端部５４ａおよび５４ｂは、この領域では、軸方向に伸長しつつ半径方向に薄くなることを制限される。これにより、燃焼室５６の円筒の角部が丸くなる。さらに、制約部５８がないと、コンプライアント壁５６は、燃焼室内でガスが燃焼して最初に急速に膨張した時に、半径方向に変形可能であるため、燃焼室５６の容積は、完全な円筒形から逸脱する。あるいは、燃焼室５６は、燃焼によって拡張していない時でも、意図的に円筒形ではないように形成されてもよく、例えば、平坦な制約部を備える用途に適合するように平坦な楕円形であってもよい。
【０１１９】
具体的な実施形態では、制約部５８は、燃焼装置５０が、図２Ａに示すような収縮状態にある時に、負のバネ力を持つよう構成されたつる巻きバネを備える。これにより、軸方向５５の直線的な出力が増大する。一部の例では、さらに、燃焼装置５０の機械的出力および効率を増大させることができる（効率は、化学的入力に対する機械的出力の比として定義される）。
【０１２０】
図３Ａは、本発明の一実施形態における燃焼前の円筒形燃焼装置７０を示す簡略な断面図である。図３Ｂは、燃料および空気を吸気中の装置７０を示す。図３Ｃは、燃焼中の燃焼装置７０を示す。図３Ｄは、排気後の燃焼装置７０を示す。また、図３Ａないし３Ｄは、コンプライアント壁の弾性エネルギを用いて排気ガスを放出する燃焼サイクルを示している。燃焼装置７０は、剛体端部プレート７２と、コンプライアント壁７４と、燃焼室７６と、スペーサ８２と、出力シャフト７８と、ポート８４とを備える。
【０１２１】
コンプライアント壁７４は、内部の寸法が燃焼室７６を規定する一体成形のコンプライアント材料を備える。便宜上、コンプライアント壁を複数の部分に分けて説明する。すなわち、燃焼室７６の軸方向全体に沿って燃焼室７６の半径方向の境界を形成する実質的に円筒形の部分７４ａと、円筒形の燃焼室７６に対して実質的に平坦な端部を形成する端壁７４ｂおよび７４ｃと、に分ける。具体的な実施形態では、コンプライアント壁７４は、装置７０にとって所望の形状および寸法になるように単独で成形された軟らかいエラストマを備える。
【０１２２】
制約部８０は、燃焼室７６内での燃料の燃焼中に円筒形部分７４ａの半径方向の拡張を低減してコンプライアント壁７４の円筒形部分７４ａの拡張を方向８５への単軸の拡張に限るバネ状の構造を備える。
【０１２３】
燃焼装置７０は、燃焼室７６の内部に２つのスペーサ８２を備える。具体的には、下側スペーサ８２ａが、コンプライアント壁７２ａの平坦な内面に取り付けられ、上側スペーサ８２ｂが、コンプライアント壁７２ｂの平坦な内面に取り付けられている。スペーサ８２は、燃焼室７６内で燃料が燃焼する前の燃焼室７６のデッドスペースを減らす。スペーサ８２は、さらに、方向８５のコンプライアント壁７４の軸方向の長さを増大させる。一部の例では、これにより、コンプライアント壁７４に対する歪みを低減できる。燃料および空気を取り込む前には、図２Ｃに示すように、スペーサ８２は、燃焼室７６内の容積の大部分を占める。この例では、スペーサ８２の間には空間がない。別の実施形態では、円筒形のコンプライアント壁７４ａは、軸方向にスペーサ８２よりも長く伸びており、燃焼室７６は、軸方向にスペーサ８２を超える空間を備える。当業者にとって明らかなように、燃焼前の燃焼室のデッドスペースを低減することで、効率が上がる。２つのスペーサ８２を備える燃焼室７０を図示しているが、本発明の燃焼装置は、燃焼室７６のデッドスペースを低減するための１または任意の適切な数のスペーサを備えてよい。また、スペーサは、燃焼室内での燃焼を促進する任意の形状を有してよい。図に示すように、下側スペーサ８２は、燃焼ガスおよび生成物を出し入れするための流路を備える。一実施形態では、スペーサ８２は、コンプライアントである。
【０１２４】
剛体の端部プレート７２ａおよび７２ｂは、それぞれ、各コンプライアント端壁７４ｂおよび７４ｃの外面に結合する。具体的な実施形態では、接着剤が、各端部プレート７２を各壁７４ｂおよび７４ｃの外面に接着する。剛体のプレート７２ｂは、固定されており、装置７０のために実質的に動かないようになっている。端部プレート７２ａには、出力シャフト７８が結合されている。出力シャフトは、任意の適切な機構を用いて結合されてよく、例えば、端部プレート７２ａのネジ穴にネジ留めされてもよい。出力シャフト７８は、燃焼装置７０に機械的出力を提供する。この例では、装置７０は、第１の端壁７４ｂ上に配置された第１の結合部７７ａを備えており、その結合部７７ａは、端部プレート７２ａと接している。第１の結合部７７ａは、実質的に円筒形のコンプライアント壁７４ａの第１の端部に近接するよう配置される。装置７０は、第２の端壁７４ｃ上に配置された第２の結合部７７ｂを備えており、その結合部７７ｂは、実質的に円筒形のコンプライアント壁７４ａの第２の端部に近接して配置される。
【０１２５】
吸排気管８４が、剛体の端部プレート７２ｂの開口部とコンプライアント壁７４ｃの開口部とを貫通している。１つのポート８４を備える装置７０が図示されているが、装置７０は、吸気および排気のために別個の管を用いてもよいことを理解されたい。図に示した実施形態では、ポート８４は、固定された、すなわち、燃焼中に比較的静止している装置７０の部分を貫通している。本発明が分かりにくくならないように図示していないが、装置７０は、さらに、燃焼反応物質の吸気と燃焼生成物の排気とを容易にするための１以上の弁を備えてもよい。
【０１２６】
図に示すように、装置７０では、剛体のプレート７２ｂは固定されているが、他の機構も可能である。例えば、コンプライアント壁７４の中央部が固定されてよく、その場合、シリンダの両端は、燃焼の際に動くよう構成される。換言すれば、実質的に円筒形のコンプライアント壁７４の中央部が固定され、その両端は、自由に動いて、機械的作用を提供する。これにより、固定およびゼロ変位の点の両側にコンプライアント部分が形成される。したがって、各端部プレート７２への外部取り付けにより、１つの燃焼室で２つの機械的出力が可能になる。例えば、剛体のプレート７２ｂに第１の機械的出力を取り付け、剛体のプレート７２ａに第２の機械的出力を取り付けてよい。装置７０の機械的中心から離して燃焼装置７４を固定する際に、軸方向にずらすと、シリンダの両端の機械的出力に対して異なる力および出力が供給される。例えば、剛体プレート７２ｂが、剛体プレート７２ａよりも大きい機械的出力を受ける。
【０１２７】
図３Ｂは、燃料および空気を取り込み中の円筒形の燃焼装置７０を示す。燃焼室７６内に燃焼反応物質を流入させるために、多くの技術および機構を用いることができる。１つの技術では、外部の圧力を用いて、燃料および空気を燃焼室７６内に供給する。これにより、コンプライアント部分７４ａを伸長させて燃焼室７６内の容積を形成する正圧を燃焼室内で発生させることができる。この例では、部分７４ａのコンプライアンスや吸気圧力を設計して、空気と燃料との混合物について、所望の圧縮比を実現することができる。別の実施形態では、装置７０は、駆動、すなわち、図３Ｂに示した状態になるよう外部から動かされる。例えば、コンプライアント壁７４ａを伸長させて燃焼室７６の容積を増大させるために、電気活性ポリマを用いてよい。あるいは、回転運動によりコンプライアント壁７４ａを伸長させて燃焼室７６の容積を増大させるクランクシャフトに、出力シャフト７８を結合してもよい（図１６参照）。装置７０を図３Ｂに示した状態に動かすための他の機構を用いてもよい。
【０１２８】
図３Ｃは、燃焼８４中の燃焼装置７０を示す。剛体の端部プレート７２ｂおよびコンプライアント部分７４ｃが固定されており、制約部８０がコンプライアント部分７４ａの半径方向の拡張を制限しているため、コンプライアント部分７４ａは、図に示すように、軸方向８５に伸長する。コンプライアント部分７４ａは、さらに、軸方向の伸長方向と実質的に直交する半径方向に薄くなる。通例、コンプライアント部分７４ａは、円周全体で薄くなる。出力シャフト７８は、（剛体プレート７２ａおよびコンプライアント壁７４ｂと共に）、燃焼室７６における燃焼の結果として、剛体の端部プレート７２ｂおよびコンプライアント壁７４ｃから離れる方向８５に直線移動する。
【０１２９】
図３Ｃは、さらに、拡張のピークにおける燃焼装置７０を示している。燃焼の終了、および／または、最大変形の達成後に、排気弁を開いて、燃焼室７６からの排気ガスの放出を可能にしてよい。一実施形態では、コンプライアント壁７４ａの弾性的な復元が、燃焼室７６からのガスの排気を補助および促進する。より具体的には、コンプライアント壁７４の材料に弾性エネルギとして蓄積された収縮力が、コンプライアント壁７４を静止状態に戻すように作用して、この例では、燃焼室７６の容積を減少させ、中に含まれるすべてのガスを開放された排気ポート８４から押し出す。さらに、制約部８０として用いられているつる巻きバネも、収縮する燃焼室７６からガスを排気する軸方向の収縮力になる弾性エネルギを拡張のピーク時に蓄積できる。
【０１３０】
図３Ｄは、排気終了後の燃焼装置７０を示す。この例では、スペーサ８２は、燃焼室７６内のデッドスペースを減少させて燃焼室から燃焼ガスを強制的に排気することにより、燃焼室からの排気ガスの除去を促進する。これで、燃焼装置７０において、新しい燃焼サイクルの開始が可能になる。例えば、２行程サイクルは、吸気（図３）および動力（図３Ｃ）の行程部分を含む第１の行程と、排気（図３Ｄ）を実行する第２の行程とを備えてよい。
【０１３１】
具体的な実施形態では、出力シャフト７８は、結合ロッドによってクランクシャフトに結合している（図１６参照）。クランクシャフトは、回転する際に、燃焼室７６内での燃焼サイクルのタイミングを設定する。例えば、燃焼装置７０は、以下のように作動してよい。吸気行程については、出力シャフト７６が最下方の状態から始まり、吸気弁が開き、クランクシャフトが、出力シャフト７６を引き上げることで、燃焼室７６内に空気および燃料が吸入される。出力シャフト７６が、その行程の所望の位置に到達すると、スパークプラグ（図示せず）が、火花を発生させて、燃料に点火する。燃焼室７６内の燃料は、燃焼することで、出力シャフト７６を駆動し、それによって、クランクシャフトが駆動される。出力シャフト７６が、その行程の最上部に到達すると、排気弁が開いて、燃焼で発生したガスを燃焼室７６から排気する。
【０１３２】
図４Ａは、本発明の別の実施形態における燃焼前の円筒形燃焼装置９０を示す断面図である。図４Ｂは、燃焼中の燃焼装置９０を示す。燃焼装置９０は、コンプライアント壁９２と、吸気ポート９４と、排気ポート９６と、点火機構９８と、燃焼室１００と、直線移動機構１０２とを備える。
【０１３３】
コンプライアント壁９２は、装置９０の静止部分９３と、移動ヘッド９５とに取り付けられる。例えば、静止部分９３は、コンプライアント壁９２の一方の端部９２ａを固定する金属またはその他の適切な剛体材料を備えてよい。コンプライアント壁９２の他方の端部９２ｂは、移動ヘッド９５に取り付けられる。移動ヘッド９５は、コンプライアント壁結合部９５ａと、外部結合部９５ｂとを備える。
【０１３４】
コンプライアント壁９２の作動部分９２ｃとは、燃焼中に拡張および伸長することが許容されたコンプライアント壁９２の部分を意味する。一実施形態では、作動部分９２ｃは、剛体構造への固定や取り付けなどによって、燃焼室１００での燃焼中に変形が制限されないコンプライアント壁９２の部分すべてを含む。この例では、コンプライアント壁９２の末端は、静止部分９３と移動ヘッド９５との間に取り付けられる。これら２つの末端の間の取り付けされていない材料は、コンプライアント壁９２の作動部分９２ｃを形成する。長さｌは、作動部分９２ｃを軸方向に特徴づけるものである。コンプライアント部分９２ｃは、長さｌに沿って実質的に円筒形である。
【０１３５】
直線移動機構１０２は、装置９０の変形を制限する。直線移動機構１０２は、同心の円筒形の外殻９７ａおよび９７ｂとベアリング９９とを備える。円筒形の外殻９７ａおよび９７ｂは、円筒の軸を共有し、ベアリング９９を介して相対的に移動する。具体的な実施形態では、円筒形の外殻９７は、それぞれ、金属管、プラスチック、または、テフロン（登録商標）など、剛体材料を含む。円筒形の外殻９７ａは、コンプライアント壁９２の一方の端部に取り付けられた静止部分９３に取り付けられることにより、間接的に、コンプライアント壁９２に結合している。円筒形の外殻９７ｂは、コンプライアント壁９２の他方の端部に取り付けられた移動ヘッド９５に取り付けられることにより、間接的に、コンプライアント壁９２の他方の端部に結合している。
【０１３６】
直線移動機構は、装置９０に対していくつかの機能を有する。第１に、直線摺動部１０２は、移動ヘッド９５の変形を一方向に限定する。すなわち、同心の円筒形外殻の中心軸に平行に、静止部９３まで往復する直線的な変形である。第２に、内側の円筒形外殻９７ｂは、コンプライアント壁９２の外側に適合するサイズを有することで、燃焼室１００内での燃焼の際にコンプライアント壁９２の半径方向の拡張を防ぐことができる。コンプライアント壁９２の外側と、円筒形外殻９７ｂの内面との間に、グリースやその他の適切な潤滑油を用いて、それら２つの面の間の摩擦を低減させてよい。具体的には、コンプライアント壁９２は、外面に低摩擦面を備える。第３に、摺動部１０２は、軸方向の拡張から逸脱するコンプライアント壁９２の屈曲を低減する制約部として機能する。
【０１３７】
別の実施形態では、燃焼装置は、燃焼中の選択された瞬間に保持力を作用させる静電クランプを備える。例えば、装置９０は、燃焼サイクル中の様々な時に、２つの金属外殻９７の間で静電クランプを作用させてよい。静電クランプは、行程のピーク時など、１以上の特定の位置で、移動ヘッド９５を保持するよう構成されてよい。位置を保持することは、一部の例で有用である。例えば、装置は、点火直後の位置を保持することにより、拡張が始まる前に、より完全な燃料の燃焼を起こして、効率を高めてもよいし、拡張のピーク時の位置を保持することで、ガスが冷える時間を確保してもよい。この行程のピーク時における後者の保持によって、燃焼室内で部分的な減圧を起こし、通常では廃熱になる戻り行程のエネルギを装置が利用することを可能にし、潜在的に効率を高めることができる。さらに、２つの金属外殻は、移動ヘッド９５の検出および監視に用いられてもよい。本発明での利用に適した静電クランプの材料の詳細な説明は、「Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｍｅｔａ−Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」と題された同一権利者の同時係属特許出願Ｎｏ．１１／０７８，６７８に記載されている。この出願は、すべての目的のためにその全体がここに参照によって組み込まれる。具体的な実施形態では、静電クランプ材料は、コンプライアント壁の周りに配置され、外部から駆動されることで、燃焼装置を所望の位置で固定する、もしくは、燃焼装置に対して力対変位を変える。
【０１３８】
動作中に、燃料および空気が、吸気ポート９４を通して燃焼室１００に入る。点火機構９８は、電極を備えており、その電極は、電気的に活性化されると、燃料に点火して燃焼室１００内での燃焼を開始させる火花を発生させる。図４Ｂに示すように、燃焼室１００内での燃焼は、静止部分９３から直線的に離れるように、移動ヘッド９５を駆動する。
【０１３９】
具体的な実施形態では、装置９０は、以下のような寸法を有する。コンプライアント壁９２は、約１インチの外径を有し、円筒形の外殻９７ｂは、約１インチの内径を有し、円筒形の外殻９７ａは、約１インチと円筒形の外殻９７ｂの厚さとを足した長さの内径を有する。円筒形の装置９０の軸方向に沿って、静止部分９３は、約４から７インチの間の長さｓを有し、コンプライアント壁９２は、燃焼前には約３インチの有効長さｌを有し、コンプライアント壁結合部９５ａは、約１／２インチの長さＭ１を有し、外部結合部９５ｂは、約１／２インチの長さＭ２を有する。これにより、燃焼前に約５から８インチの間の全長を有する燃焼装置９０が形成される。燃焼後には、コンプライアント壁９２は、約３と１／２から約７インチの有効長さｌを有してよい。例えば、移動ヘッド９５は、有効長さｌが所望の長さ（例えば、約５インチ）に伸びるように、（例えば、移動ヘッド９５をクランクシャフトのベアリングに取り付けることにより）、寸法を制御されてよい。
【０１４０】
図５Ａないし５Ｃは、本発明の第４の実施形態における放射状（すなわち、管状）燃焼装置１２０を示す図である。図５Ａは、吸気または燃焼の前の新しいサイクルの開始時における管状燃焼装置１２０の簡略な断面図である。図５Ｂは、燃料の吸気後の放射状燃焼装置１２０を示す図である。図５Ｃは、燃焼中の拡張ピーク時の管状燃焼装置１２０を示す図である。図に示した実施形態では、燃焼装置１２０は、管状のコンプライアント壁１２２と、吸気弁１２４と、排気弁１２８と、点火機構１３０と、燃焼室１３２と、フレーム１３４とを備える。
【０１４１】
コンプライアント壁１２２は、反対側の端部１２２ａおよび１２２ｂにおいて、それぞれ、フレーム部分１３４ａおよび１３４ｂに取り付けられている。フレーム１３４は、剛体部分１３４ａおよび１３４ｂを備える。フレーム１３４は、コンプライアント壁１２２の両端部に取り付けられ、コンプライアント壁１２２の軸方向の拡張を防ぐ。具体的には、フレーム部分１３４ａは、コンプライアント壁１２２の端部１２２ａに固定されて、その端部の動きを防止し、フレーム部分１３４ｂは、反対側の端部１２２ｂに固定されて、その端部の動きを防止する。コンプライアント壁１２２の両側の管状の端部が、軸方向の変形を防ぐように固定されているため、管状のコンプライアント壁１２２は、燃焼室１３２内で燃料を燃焼した時には、半径方向に伸長する。
【０１４２】
燃焼室１３２は、コンプライアント壁１２２の内壁と、燃焼室１３２に隣接するフレーム１３４の壁面とによって形成される。この例では、燃焼室１３２の形状は、コンプライアント壁１２２の変形および伸長によって変化する。図５Ａに示すように、コンプライアント壁１２２は、余分な材料を備えており、その余分が、燃焼室１３２内の圧力に応じて（例えば、圧力が低い時に）、屈曲部１３６を形成する。
【０１４３】
吸気弁１２４は、吸気口１２５を通しての燃料および空気の供給を調節する。吸気口１２５は、フレーム部分１３４ａを貫通して燃焼室１３２に開口している。同様に、排気弁１２６は、燃焼室１３２に開口している排気口１２７を通る排気を調節する。燃焼装置１２０は、複数の点火機構１３０を備えており、各点火機構は、燃焼室１３２内で燃料に点火するための火花電極を備えている。複数の点火機構１３０は、管の軸に沿って、より一貫した半径方向の拡張を実現する。
【０１４４】
図５Ｂは、燃料の吸気後の放射状燃焼装置１２０を示す図である。この時点では、コンプライアント壁１２２は、端部１２２ａと１２２ｂとの間で、実質的に円筒形すなわち管状になっている。燃焼の際には、コンプライアント壁１２２は、図５Ｃに示すように、半径方向１３８に拡張する。機械的結合１３９が、コンプライアント壁１２２の中央部分の外面に取り付けられており、燃焼装置１２０の機械的出力を実現する。
【０１４５】
燃焼装置１２０は、管の軸を中心としたコンプライアント壁１２２の半径方向の拡張の３６０°で、機械的出力を供給する。燃焼装置は、コンプライアント部分または壁に関して、このような大きい拡張領域を備える必要はない。実際に、一部の燃焼装置は、コンプライアント壁の拡張を、より小さい部分に制限している。これによって、より小さい領域に、より大きい力が、燃焼によって掛けられる。
【０１４６】
図６Ａは、本発明の別の実施形態における燃焼前の被覆燃焼装置１４０を示す簡略な断面図である。図６Ｂは、燃焼後の被覆燃焼装置１４０を示す。
【０１４７】
燃焼装置１４０は、剛体被覆１４１を備えており、剛体被覆１４１は、燃焼室１４４内での燃料の燃焼中にコンプライアント壁１４２の拡張を剛体被覆１４１の開口部１４６の範囲内に制限する。具体的には、剛体の被覆１４１は、開口部１４６によって提供される隙間を除いてコンプライアント壁１４２を取り囲んでいる。したがって、開口部１４６に剛体の被覆１４１が存在しないことにより、自由に伸長できるコンプライアント部分１４５が形成される。図に示していないが、剛体の被覆１４１の角部は、被覆１４１の周りで曲がるコンプライアント壁１４２の部分を傷つけないように丸くなっていてよい。
【０１４８】
一実施形態では、コンプライアント部分１４５は、燃焼装置１２０に関して上述したように円筒形であり、円筒の軸は、方向１４８に向いている（図６Ａ）。別の実施形態では、燃焼装置１４０は円筒形であり、円筒の軸は方向１５０を向いている（図６Ｂ）。この例では、開口部１４６を通ってのコンプライアント部分１４５の変形および伸長は、開口部１４６の形状およびサイズに基づいたダイヤフラムのようなものである。開口部１４６を通過する領域のコンプライアント部分１４５の外面には、機械的結合１４９が取り付けられている。結合１４９は、ほぼ直線的な機械的出力を燃焼装置１２０に提供する。直線的な機械的出力を容易にするために、結合機構１４９は、さらに、結合機構１４９に備えられた出力シャフトの動きを単一の直線的な変形度に制限する１以上のベアリングを備えてもよい。
【０１４９】
これまで、燃焼装置は、コンプライアント部分または壁の変位に対して直線的に結合された機械的出力を有していた。本発明では、結合機構が、燃焼装置における変化を伝達して機械的出力を提供する間接的な関係も可能である。
【０１５０】
図７Ａは、本発明の別の実施形態におけるベローズ燃焼装置１６０を示す簡略な断面図である。図７Ｂは、燃焼後のベローズ燃焼装置１６０を示す。燃焼装置１６０は、図５Ａの燃焼装置１２０と結合機構１６２とを備える。
【０１５１】
結合機構１６２は、燃焼室１３２内で生成された機械的エネルギを受けて、その機械的エネルギを直線方向の変形１６４に変換する。より具体的には、結合機構１６２は、燃焼中にコンプライアント壁１２２が伸長した時の燃焼室１３２の容積の増大を受けるよう構成されている。結合機構１６２は、容積の増大を、方向１６４への移動要素１７０の直線的な拡張に変換する。結合機構１６２は、制限された容積１６８を有するベローズ装置１６６を備える。一実施形態では、ベローズ装置１６６は、燃焼装置１２０の容積変化を方向１６４に沿った移動要素１７０の直線移動に変換する非圧縮性の液体１６９またはゲルを含んで密閉している。したがって、燃焼中にコンプライアント壁１２２が伸長すると、コンプライアント壁１２２が燃焼室１３２の容積の増大が、方向１６４への側面ベローズ１６７の拡張を引き起こす。ベローズ装置１６６は、ベローズ１６７および要素１７０の拡張を引き起こす燃焼室１３２の容積増大を受けるのに適切なサイズを有する。これは、ベローズ１６７とベローズ装置１６６内の容積１６８とが、装置１２０内の燃焼に応じて容積変化を提供することができることを意味する。より具体的には、ベローズ１６７は、燃焼室１３２の最大容積を収容する位置と、燃焼室１３２の最小容積を収容する位置とを有する。
【０１５２】
図８Ａは、本発明の別の実施形態におけるベローズ燃焼装置１８０を示す簡略な断面図である。図８Ｂは、燃焼後のベローズ燃焼装置１８０を示す。ベローズ燃焼装置１８０は、コンプライアント壁１８２と、燃焼室１８４と、結合機構１８６と、流体１８８とを備える。
【０１５３】
一実施形態では、コンプライアント壁１８２は、実質的に球形であり、実質的に球形の燃焼室１８４を規定している。球形の燃焼室は、すべての形状の内で最小の表面対容積の比を可能にするため、所与の燃焼容積に対して、燃焼室の壁を通しての寄生熱損失を最小限に抑える。この例では、コンプライアント壁１８２は、燃焼室１８４内の圧力状態に応じて、拡張および収縮する風船の形状である。球形のコンプライアント壁１８２については、燃焼室１８４の境界となる一組の壁は、球形の１つの壁のみを含む。別の実施形態では、図８Ａおよび８Ｂに示す輪郭は、図に示した断面に垂直な方向に直線的に伸びている。この例では、コンプライアント壁１８２および燃焼室１８４は、両方とも、ほぼ円筒形であり、設計によって決定された通りに、図に示した断面に垂直な長さにわたって伸びている。
【０１５４】
結合機構１８６は、燃焼室１８４の容積増大を受けるよう構成され、燃焼による容積の増大を方向１８７の直線的な出力に変換する。機構１８６の底面１８５は、機構１８６への機械的な取り付けおよび結合を可能にしている。図に示すように、底面１８５は、剛体で不動の壁１８９に取り付けられている。排気ポート１９２が、不動の壁１８９および底面１８５を貫通している。図には示していないが、装置１８０は、さらに、別個の吸気ポートを備えてよい。機構１８６の上面１８３は、底面１８５に対して直線的に移動できる。上面１８３は、剛体であり、機構１８６に外部の物を取り付けることを可能にする。
【０１５５】
結合機構１８６は、機構１８６の両側で上面１８３から底面１８５まで伸びる１以上の柔軟なベローズ壁１９１を備える。ベローズ壁１９１は、燃焼室１８４の容積増大に応じて、方向１８７に伸長する。具体的な実施形態では、ベローズ機構１８６は、マサチューセッツ州ハドソンのＡｎｖｅｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが供給するＳｉｌｉｃｏｎ  ＢＬ−ＳＩＴシリーズなど、市販のベローズ装置を備えてよい。また、ベローズ機構１８６は、燃焼装置用の特注品であってもよい。機械的エネルギの伝達に、他のベローズ装置が用いられてもよい。具体的に実施形態では、ベローズ１８３は、密封されたエラストマを備えており、そのエラストマは、エラストマの変形を方向１８７への直線的な変位に制限するバネもしくは高張力の巻き繊維を、周囲に有する。代表的なバネおよび高張力繊維の形状については、上述している。
【０１５６】
液体またはゲル１８８が、ベローズ機構１８６内に配置されており、燃焼室１８４の容積の変位を伝達してベローズ機構１８６を拡張することで、方向１８７への上面１８３の直線移動を引き起こす。換言すれば、液体１８８は、燃焼室１８４内の圧力変化に反応する液圧駆動として機能する。燃焼中に、燃焼室１８４内の圧力が急速に上昇すると、液体１８８は、ａ）上面１８３を直接的に押し上げると共に、ｂ）圧力を上面１８３の上方移動に間接的に変換するベローズ壁１９１を押す。換言すれば、ベローズ機構１８６は、方向１８７のみに直線的に伸長するように制限されているため、燃焼室１８４の球形の拡張に対して、そのように伸長する。
【０１５７】
燃焼室１８４からの燃焼ガスの排気は、多くの方法で実現できる。具体的な実施形態では、例えば、上面１８３に結合された出力シャフトおよびクランクシャフトによって機械的に駆動して、排気を実行する（図１６参照）。この例では、流体１８８は、上面１８３からの圧縮力をコンプライアント壁１８２に伝達して、ポート１９２を通して強制的にガスを排出する。
【０１５８】
また、流体１８８は、燃焼装置１８０の冷却を促進する。より具体的には、燃焼室１８４内での燃焼によって生じてコンプライアント壁１８２に伝わる熱が、流体１８８内で対流によって放散する。次いで、流体１８８は、冷却システムを通って、能動的に冷却された装置１８０に循環されてよい。
【０１５９】
球形のコンプライアント壁１８２および燃焼室１８４は、燃焼室１８４の表面対容積の比を低くする。しばしば、燃焼室の壁による熱損失の量は、壁の表面積に比例する。球形のコンプライアント壁１８２は、最初に燃焼が開始する際の壁１８２への熱損失を最小限に抑える。装置の効率を増大させること（熱としてのエネルギの損失が小さいこと）に加えて、必要な冷却の量も低減される。
【０１６０】
図９Ａは、本発明の別の実施形態における燃焼装置１９０を示す簡略な断面図である。図９Ｂは、燃焼後のベローズ燃焼装置１９０を示す。燃焼装置１９０は、コンプライアント壁１８２と、燃焼室１８４と、液圧結合機構１９２と、流体１８８とを備える。
【０１６１】
コンプライアント壁１８２、流体１８８、および、燃焼室１８４は、図８Ａに関して上述した物と同様である。この例では、結合機構１９２は、剛体のシリンダハウジング１９４と、ハウジング１９４４内で直線的に移動するピストン１９６とを有する液圧シリンダを備える。また、ハウジング１９４およびピストン１９６は、流体１８８を密封している。燃焼室１８４内での燃料の燃焼によって、コンプライアント壁１８２が、流体１８８を押し、それにより、ピストン１９６を押し上げる（ハウジング１９４は、剛体なので、流体１８８から機械的な作用を受けない）。
【０１６２】
ピストン１９６は、燃焼室１８４からの燃焼ガスの排気を促進するために用いられてもよい。例えば、ピストン１９６に結合された出力シャフトおよびクランクシャフトを用いて、燃焼室１８４からの燃焼ガスの排気を駆動してよい（図１６参照）。上述した装置と同様に、流体１８８は、燃焼室１８４内で生成される力（例えば、燃焼）と、ピストン１９６によって掛けられる力（例えば、クランクシャフトの力）の両方を含めて、ピストン１９６と燃焼室１８４との間で力を伝達する。
【０１６３】
図８および９は、コンプライアント壁を備えた燃焼装置が、機械的出力を液体に結合できる（液体自体は、ピストンやベローズなどの直線的な出力装置に結合できる）方法を示している。コンプライアント壁を備えた燃焼装置によって液体に掛けられる機械的圧力は、それ自体、ポンプにとって望ましい出力であってよい。この例では、ピストン−シリンダまたはベローズの代わりに、液体の流入および流出弁を備えた剛体で一定の容積を有するチャンバを用いることにより、コンプライアント壁を備えた燃焼装置が、ポンプとして機能することを可能にする。
【０１６４】
液体ピストンエンジンは、当業者に周知である。しかしながら、従来の液体ピストンエンジンに比べて、本発明のコンプライアント壁を備えた燃焼装置は、液体と燃焼室とを隔離しているため、液体表面の分裂、発泡、および、従来の液体ピストンポンプに関連する他の問題を排除する。
【０１６５】
ここまで、燃焼エネルギが壁を伸長させる燃焼装置について説明した。本発明では、その他の機構も可能である。一部の例では、燃焼装置の壁は、燃焼サイクル中に形状が変化する。
【０１６６】
図１０Ａは、本発明の別の実施形態における形状可変でコンプライアント壁を備えた燃焼装置２００を示す図である。図１０Ｂは、燃焼後の形状可変の燃焼装置２００を示す。図１０Ｃは、排気後の形状可変の燃焼装置２００を示す。燃焼装置２００は、壁２０２と、制約部２０４と、燃焼室２０６と、剛体の端部プレート２０８と、少なくとも１つのポート２１０と、出力シャフト３１２とを備える。
【０１６７】
コンプライアント壁２０２は、内部の寸法が燃焼室２０６を規定するコンプライアント材料を備える。コンプライアント壁２０２を、４つの壁部分について説明する。すなわち、実質的に円筒形の壁部分２０２ａと、円錐台形の壁部分２０２ｂと、上部の平坦な壁部分２０２ｃと、下部の平坦な壁部分２０２ｄについて説明する。円筒形部分２０２ａは、軸方向に沿って、下部の平坦部分２０２ｄから壁２０２の屈曲点２１４まで、燃焼室２０６の半径方向の境界になっている。円錐台形部分２０２ｂは、軸方向に沿って、屈曲点２１４から上部の平坦部分２０２ｃまで、燃焼室２０６の半径方向の境界になっている。円錐台形の壁部分２０２ｂは、円筒形の壁２０２ａの直径と一致する屈曲点２１４における最大直径から、上部の平坦な壁部分２０２ｃの直径と一致する上部の平坦な壁部分２０２ｃにおける最小直径まで、直径が減少する。静止状態では、円錐台形の壁部分２０２ｂは、壁の厚さがほぼ一定の直径が小さくなってゆく管の形状を有する。上部および下部の平坦な壁部分２０２ｃおよび２０２ｄは、燃焼室２０６に対して、実質的に平坦な端部を形成する。上部の壁部分２０２ｃは、円筒形部分２０４ａの内径に収まることが可能な直径を有する。具体的な実施形態では、コンプライアント部分２０２は、装置２００にとって所望の形状および寸法になるように単独で成形された軟らかいエラストマを備える。
【０１６８】
剛体の端部プレート２０８ａおよび２０８ｂは、それぞれ、各コンプライアント端部２０２ｃおよび２０２ｄの外面に結合する。剛体のプレート２０８ｂは、外部に固定され、実質的には動かない。出力シャフト２１２が、剛体の端部プレート２０８ａに取り付けられており、機械的出力を提供する。装置２００は、さらに、燃焼室２０６に対してガスを出し入れするための１以上のポート２１０を備える。制約部２０４は、コンプライアント壁２０２の半径方向の拡張を防止し、円筒形部分２０２ａおよび円錐台形部分２０２ｂの両方に対して、コンプライアント壁２０２の外径に合った寸法を有する。
【０１６９】
操作上、図１０Ａは、燃料および空気を取り込み中の装置２００を示す。図１０Ｂは、燃焼中の拡張のピークにおける燃焼装置２００を示している。図１０Ｃは、排気終了時の装置２００を示す。屈曲点２１４は、壁２０２の屈曲を容易にし、円錐台形部分２０２ｂと上部の平坦な壁部分２０２ｃとが円筒形部分２０２ａ内に収まるように、円錐台形部分２０２ｂが燃焼室２０６内に落ち込むことを可能にする。これにより、燃焼室２０６からのガスの排気が促進される。また、図のようにコンプライアント壁２０２を折りたたむことで、燃焼室２０６内のデッドスペースが低減される。
【０１７０】
図１０Ｃは、燃焼室２０６内のデッドスペースが最小の装置２００を示しているが、排気後の燃焼室内のデッドスペースの量は、様々であってよい。具体的な実施形態では、出力シャフト２１２は、排気後に剛体端部プレート２０８ａおよび燃焼室２０６内のデッドスペース量を駆動するクランクシャフトに結合される。ある機構では、図に示すように完全に落ち込んでよい（図１６参照）。円錐台形の設計を含む他の実施形態は、図に示すほど完全に落ち込まなくてもよい（上部の平坦な壁部分２０２ｃが、下部の平坦な壁部分２０２ｄに到達しなくてもよい）。一実施形態では、燃焼室２０６は、燃焼室２０６の最大拡張容積の約５０％未満の排気容積を有する。具体的な実施形態では、燃焼室２０６は、燃焼室２０６の最大拡張容積の約２５％未満の排気容積を有する。
【０１７１】
一実施形態では、出力ロッド２１２に取り付けられたクランクシャフトが、上部の平坦な壁部分２０２ｃおよび円錐台形部分２０２ｂの変位を制御し、上部の平坦な壁部分２０２ｃの燃焼室２０６内への落ち込みを駆動する（図１６）。別の実施形態では、拡張のピーク時にコンプライアント壁２０２に蓄積された弾性エネルギが、少なくとも部分的に上部の平坦な壁部分２０２ｃを燃焼室２０６内に戻す。
【０１７２】
燃焼装置２００は、上述の燃焼装置５０および７０に関して説明した特徴を備えてよい。例えば、上部および下部の平坦な壁部分２０２ｃおよび２０２ｄに代えて、円筒形および円錐台形の側壁に取り付けられて燃焼室２０６の内壁を形成する剛体の端部プレートを用いてもよい。さらに、制約部２０４は、制約部５８および８０に関して上述した例を備えてよい。
【０１７３】
図２Ａの燃焼装置５０は、実質的に円筒形の形状を有するが、図１０Ａの燃焼装置２００は、円筒形と錐台とを組み合わせた機構を有する。あるいは、本発明の燃焼装置は、一方の端部から他方の端部まで錐台形の機構を有してもよい。
【０１７４】
ここまで、主に、燃焼室内での燃焼に応じて伸長するコンプライアント壁に関して、本発明の説明を行った。コンプライアント壁の偏位は、燃焼室内での燃焼に応じての収縮、燃焼室内での燃焼に応じての形状変化など、他の形態の偏位を含んでもよい。
【０１７５】
図１１Ａは、本発明の別の実施形態における燃焼に応じて収縮するよう構成されたコンプライアント部分２２８を有するコンプライアント壁２２８を備えた燃焼装置２２０を示す。図１１Ｂは、燃焼後の燃焼装置２２０を示す。装置２２０は、燃料から機械的エネルギを生み出す装置であり、ハウジング２２２と、ピストン２２４と、ベアリング２２６と、コンプライアント壁２２８とを備える。
【０１７６】
ハウジング２２２は、剛体構造と１組の剛体壁とを備える。ハウジング２２２の剛体壁は、円筒形の壁２２２ａと底部の壁２２２ｂとを含む。ハウジング２２２の内壁は、コンプライアント壁２２８の内面と共に、燃焼室２３０の寸法を規定している。ハウジング２２２は、金属やプラスチックなど、適切な剛性を有する材料を含んでよい。燃焼の影響を受けない剛性を有し、燃焼室２３０内での熱の発生に耐えられる限りは、他の材料を用いてもよい。ハウジング２２２は、さらに、２つのポートを備える。すなわち、燃焼反応物質が燃焼室２３０に入ることを可能にする吸気ポート２３４と、燃焼生成物が燃焼室２３０から出ることを可能にするポート２３６である。
【０１７７】
燃焼装置２２０は、ピストンを備える点が、本明細書に記載した他の燃焼装置と大きく異なる。ただし、装置２２０は、コンプライアント壁２２８がピストン２２４を燃焼室２３０から隔てている点で、従来のピストン・シリンダエンジンとも異なっている。この例では、ピストン２２４は、装置２２０の機械的出力として機能する。ピストン２２４は、ベアリング２２６の補助により、燃焼室２３０に出入りするよう平行移動する。本明細書で用いられているように、ピストンという用語は、燃焼室内での燃焼に応じて燃焼室に対して平行移動する剛体部材を意味する。ベアリング２２６は、ピストン２２４に隣接し、ピストン２２４の直線移動を導く。より具体的には、ベアリングは、ハウジング２２２の上側の壁に配置されており、ピストン２２４がベアリング２２６および燃焼室２３０に対して移動する際の摩擦を小さくする。
【０１７８】
コンプライアント壁２２８は、剛体壁２２２ａの上部に渡されている。コンプライアント壁２２８は、さらに、ピストン２２４の底面に結合されている。結合は、コンプライアント壁２２８の外面とピストン２２４の底面との間の直接的な取り付けであってもよいし、それら２つの構成要素の間に配置された別の要素を介しての間接的な取り付けであってもよい。特に、ピストン２２４は、燃焼室２３０の壁を形成する面や部分を含まない。
【０１７９】
これまでに説明した燃焼装置は、燃焼室内での燃焼に応じてコンプライアント壁が伸長するように構成されていた。しかしながら、燃焼装置２２０は、コンプライアント壁２２８が、燃焼室２３０内での燃焼に応じて拡張または収縮するよう構成可能である点で異なっている。コンプライアント壁２２８は、複数の部分を備える。すなわち、ピストン２２４の底部に取り付けられた固定部分２２８ｂと、燃焼室２３０内での燃焼に応じて変形するコンプライアント部分２２８ａである。具体的な実施形態では、装置２３０は円筒形であり、ピストン２２４および固定部分２２８ｂは円形であり、コンプライアント部分２２８ａは円錐台形である。一実施形態では、コンプライアント壁２２８は、燃焼室２３０内の寸法よりも長く形成されており、ベアリング２２６とハウジング２２２の上部２２２ｃとの間に固定された部分を備える。
【０１８０】
動作中、燃焼室２３０内での燃焼によって、燃焼室２３０の容積が増大することで、ピストン２２４は、図１１Ａに示す位置から図１１Ｂに示す位置まで押し上げられる。ピストン２２６は、ピストン２２４を燃焼室２３０内に押し戻して燃焼室２３０からのガスの排気を促進する（図１１Ａ）クランクシャフト（図１６）に結合されてよい。
【０１８１】
コンプライアント壁２２８は、燃焼装置２３０のためのいくつかの機能を有する。第１に、壁２２８は、燃焼室２３０を密封する。したがって、コンプライアント壁２２８は、燃焼生成物およびガスが、ピストン２２４とシリンダ２２２との隙間を通って燃焼室２３０から漏れることを防止する。さらに、コンプライアント壁２２８は、ピストンとシリンダとの隙間を通しての熱損失を防いで、燃焼装置２３０の効率を向上させる。第２に、ピストン２２４は、燃焼室２３０内において、可動部分も、（燃焼ガスや熱の損失につながる）潜在的な隙間も備えないため、ピストン２２４やベアリング２２６の許容誤差を緩和できる。第３に、燃焼室２３０内に可動部分が存在しないため、燃焼室２３０内に、潤滑油は必要ない。一実施形態では、燃焼室２３０は、燃焼室内で用いる燃料以外に潤滑油を含まない。第４に、コンプライアント壁２２８は、燃焼室２３０からの熱損失を低減して燃焼装置２２０の効率を向上させる断熱材を備えてもよい。
【０１８２】
図１２Ａは、本発明の別の実施形態における膜燃料制御燃焼装置２４０を示す簡略な断面図である。図１２Ｂは、燃料を取り込んだ後の膜燃料制御燃焼装置２４０を示す。図１２Ｃは、燃焼後の膜燃料制御燃焼装置２４０を示す。装置２４０は、第１のコンプライアント壁２４２と、第２のコンプライアント壁２４４と、結合機構２４６と、多孔質セパレータ２４８と、剛体の支持体２５０と、ハウジング２５８と、吸気弁２５２と、排気弁２５４とを備える。
【０１８３】
燃焼装置２４０は、コンプライアント壁２４２が、燃焼室２５６内での燃焼に基づいて、負のカップ角度から正のカップ角度に変形する際に、形状を変化させるよう構成されている点で、これまでに説明した燃焼装置と異なっている。また、コンプライアント壁２４２は、燃焼の結果として伸長してもよい。より具体的には、コンプライアント壁２４２は、燃焼室２５６の容積を減少させる方向および位置に向かって伸長し始め、（燃焼の結果として）壁２４２の表面積が減少する変曲点を通って変形し、カップ状からドーム状（ｂｏｗｅｄ）に形状を変化させて、その後、燃焼室２５６の容積を増大させる方向および位置に向かって伸長してよい。
【０１８４】
断面図に示されているように、燃焼室２５６は、コンプライアント壁２４２の下側と、コンプライアント壁２４４の上側と、燃焼室２５６の両側のハウジング２５８の側壁とによって形成されている。燃焼室２５６の容積および形状は、各コンプライアント壁２４４および２４２の位置に応じて変化する。一実施形態では、ハウジング２５８は、実質的に円筒形であって、上部に開口部を備えており、コンプライアント壁２４２は、円形の穴の周に沿ってハウジングに取り付けられて円形の穴を覆うことで、燃焼室２５６の上側のコンプライアント壁を形成している。
【０１８５】
多孔質セパレータ２４８が、燃焼室２５６内に配置されており、ハウジング２５８の一方の壁からハウジング２５８の反対側の壁まで横方向に渡されている。多孔質セパレータ２４８の表面を通して、一方の側から反対側へ、ガスおよび流体が移動することが可能である。例えば、多孔質セパレータ２４８は、数多くの孔を有するプラスチックの円板を備えてもよいし、細いワイヤからなる網を備えた金属スクリーンを備えてもよい。燃焼室２５６から燃焼生成物を排気する際に、固体のコンプライアント壁２４４および２４２は、多孔質セパレータ２４８を介して互いに接触することができず、また、多孔質セパレータ２４８は、その寸法（厚さおよび表面積）に従って、燃焼室２５６内の最小容積を規定している。
【０１８６】
燃料を取り込む際には、燃料および空気が、吸気弁２５２を通して燃焼室２５６内にポンプで送られて、コンプライアント壁２４４が、図１２Ａに示した位置から図１２Ｂに示した位置に偏位する。一実施形態では、燃料および空気は加圧され、壁２４４は、低いコンプライアンスを有することで、拡張して燃焼室２５６を開くことができる。具体的な実施形態では、壁２４４は、電気活性層を備えるため、電圧を印加することにより、下方に動いて、燃焼室を開くことができる。さらに、空気およびガスを供給するために用いられる圧力は、結合部材２４６を動かすほど大きくはない。弁２５２および２５４は、それぞれ、燃焼室２５６内に通じる開口部をハウジング２５８に備える。別の実施形態では、燃料制御膜は、作動される電気活性ポリマ材料からなる。電気活性ポリマに電圧が印加されると、燃料吸気口側と大気側との間のあらゆる小さい圧力差により、燃料制御膜は、その方向に膨らみ、燃料の取り込みを実現する。
【０１８７】
燃焼については、要素２４８に備えられた点火機構が燃料に点火し、燃焼室２５６が燃焼を開始する。具体的な実施形態では、導線が、多孔質セパレータ２４８に配置され、セパレータ２４８および燃焼室２５６の断面の中央部分に達している。燃料の燃焼によって、コンプライアント壁２４２は、強制的に、図１２Ｃに示すように上向きに偏位する。剛体の支持体２５０は、コンプライアント壁２４４の移動および偏位を制限する。一実施形態では、剛体の支持体２５０は、コンプライアント壁２４４が、燃料の取り込み後に所望の位置を超えて移動することを防止する。具体的な実施形態では、剛体の支持体２５０は、燃焼中のコンプライアント壁２４４の静止位置に望ましい輪郭に形成された多孔質のプラスチックまたは金属カップを備える。したがって、燃焼の際に、コンプライアント壁２４４は、剛体の支持体２５０の有する形状、輪郭、および、剛性を有することになり、燃料の燃焼によって生じた機械的エネルギは、移動するコンプライアント壁２４２、ひいては、それに取り付けられた機械的結合に伝達する。結合機構２４６は、コンプライアント壁２４２の外面に取り付けられている。燃焼室２５６内での燃料の燃焼により、結合機構２４６は押し上げられる。
【０１８８】
別の実施形態では、セパレータ２４８は設けられておらず、燃料制御２４４膜の形状は、空気および燃料の取り込み前のコンプライアント壁２４２と、空気および燃料の取り込み後の剛体壁２５０とによって規定される。
【０１８９】
さらに別の実施形態では、燃料制御膜２４４、多孔質セパレータ２４８、および、剛体の支持体２５０の代わりに、剛体の支持体２５０と同じ形状を有する非多孔質の剛体構造を用いる。この例では、燃料の取り込みは、燃料制御膜２４４ではなく、外部の弁を通して実現される。この例では、剛体壁は、固定された制約部を提供するため、コンプライアント壁２４２は、図１２Ｂおよび１２Ｃに示したのと同様の形状の変化を受ける。
【０１９０】
原動機機構
一般的に、本発明に従った原動機は、特定の原動機機構で構成された１以上のコンプライアント壁燃焼装置を備える。その設計は、コンプライアント壁燃焼装置の変形の繰り返しを、原動機が備える動力シャフトの連続的な回転に変換する。本発明での利用に適した原動機およびエンジンの設計は数多く存在し、本明細書に記載した１以上の燃焼装置を従来の原動機およびエンジンの機構に組み込んでもよいし、コンプライアント壁燃焼装置を用いるために特別に設計した特注の原動機機構を用いてもよい。以下では、本発明での利用に適したいくつかの原動機およびエンジンの機構について説明する。これらの代表的な設計は、１以上の燃焼装置の変形を、回転式原動機の回転運動または直動式電動機の直線運動の出力に変換する。
【０１９１】
図１６は、本発明の一実施形態における簡単な回転式原動機５００を示す斜視図である。原動機５００は、１以上の燃焼装置からの直線的な機械的出力を回転の機械力に変換する。図１６に示すように、回転クランク原動機５００は、４つの要素を備える。すなわち、コンプライアント壁燃焼装置５０２と、クランクピン５０４と、動力シャフト５０６と、クランクアーム５０８である。
【０１９２】
本明細書で用いられているように、クランクという用語は、動力シャフト５０６に動力を供給する回転式原動機の部品を意味する。原動機５００については、クランクは、燃焼装置５０２と、クランクピン５０４と、クランクアーム５０８とを備える。燃焼装置は、方向５０９に直線的に往復運動を行うことができる。クランクピン５０４は、燃焼装置５０２とクランクアーム５０８との間の結合を提供する。クランクアーム５０８は、クランクピン５０４と動力シャフト５０６との間で力を伝達する。動力シャフト５０６は、軸５０３を中心に回転するよう構成されている。この例では、回転方向５１４は、軸５０３を中心とした時計回りである。
【０１９３】
ベアリング５１１は、燃焼装置５０２とクランクピン５０４との間の結合を円滑にする。ベアリング５１１は、クランクピン５０４に内面を取り付けられており、燃焼装置５０２の移動する端部に取り付けられた機械的出力すなわち結合ロッド５１２に外面を取り付けられている。ベアリング５１１は、結合ロッド５１２とクランクピン５０４との間で実質的に無損失の相対運動を実現する。
【０１９４】
結合ロッド５１２は、燃焼装置５０２に一方の端部を結合されると共に、クランクピン５０４に他方の端部を結合されることで、燃焼装置５０２とクランクピン５０４との間の結合を行う。この例では、結合ロッド５１２の上端は、燃焼装置５０２に結合され、方向５０９に向かって上下に平行移動する。結合ロッド５１２の他方端部は、クランクピン５０４に結合され、クランクピン５０４と共に動力シャフト５０６の周りを回転する。ピン５１１は、結合ロッド５１２が軸５０３を中心とした軌道をたどる間に、燃焼装置５０２が旋回することを可能にする。燃焼装置５０２内で燃焼を行うと、結合ロッドの上端は、燃焼装置５０２と共に方向５０９に下方移動する。結合ロッドの反対側の端部は、クランクアーム５０８によって規定される円運動で下方移動し、それにより、クランクシャフト５０６を中心に回転する。
【０１９５】
燃焼装置５０２で燃料を燃焼することにより、クランクピン５０４を下方移動させ、動力シャフト５０６を回転させる。ベアリング５１１が、方向５０９に向かって下方に平行移動すると、クランクピン５０４は、動力シャフト５０６を中心にして時計回りの方向５１４に回転する。燃焼装置５０２内での燃料の燃焼は、原動機５００の「動力行程」と呼んでもよい。燃焼装置５０２の直線的な変形が続くと、クランクピン５０４は、クランクアーム５０８の形状によって規定されるように、動力シャフト５０６を中心とした軌道をたどる。
【０１９６】
具体的な実施形態では、クランクピン５０４は、燃焼装置５０２での燃焼が終わると、方向５０９における最下方の変位（下死点）に達する。クランクピン５０４およびクランクアーム５０８のモーメントは、下死点において動力シャフト５０６を中心として方向５１４にクランクピン５０４を動かし続ける。コンプライアント壁５１０の弾性的な復元が、出力シャフト５１２の上方への偏位を引き起こしてもよい。コンプライアント壁５１０の弾性的な復元と、クランクピン５０４およびクランクアーム５０８のモーメントとは、動力シャフト５０６を中心として方向５１４に上向きにクランクピン５０４を動かし続ける。クランクピン５０４が、方向５０９の最小下方変位（上死点）を過ぎる時、燃焼装置５０２での燃料の燃焼が再び始まる。このように、燃焼および弾性的な復元を、繰り返し実行することで、軸５０３を中心とした動力シャフト５０６の連続的な回転を実現することができる。
【０１９７】
原動機５００について、上死点から下死点への燃焼装置５０２の動きを、下り行程と呼び、下死点から上死点への燃焼装置５０２の動きを、上り行程と呼ぶ。図に示すように、燃焼装置５０２は、下り行程の間に燃料を燃焼して、上り行程の間にコンプライアント壁５１０の弾性的な復元を用いることにより、動力シャフト５０６の１回転を完了させる。別の実施形態も可能である。例えば、上り行程と下り行程とを切り替えて、燃焼装置５０２を動力シャフト５０６よりも下に配置し直すこともできる。この例では、燃焼装置５０２内での燃焼と、コンプライアント壁５１０の弾性的な復元とは、動力シャフト５０６の回転の別の部分に寄与することになる。
【０１９８】
燃焼装置５０２は、結合ロッド５１２を機械的出力として用いた場合の上述の装置すべてを含みうる。原動機５００によって供給される回転出力の利点の１つは、クランクアーム５０８の長さを調整することにより、燃焼装置５０２からのガスの排気と、排気行程中の燃焼室の寸法の制御とを実現できることである。例えば、燃焼装置２００の落ち込みの程度は、クランクアーム５０８の長さを用いて制御されてよい。
【０１９９】
図１６に示すように、動力シャフト５０６、クランクアーム５０８、および、クランクピン５０４は、１つの連続的な構造であり、クランクシャフトとも呼ばれる。クランクシャフトとは、クランクシャフトが回転した時にオフセット部分（すなわち、クランクピンおよびクランクアーム）が円軌道を描くシャフトである。別の実施形態では、動力シャフト５０６、クランクアーム５０８、および、クランクピン５０４は、別個の構造である。例えば、クランクアーム５０８は、一方の端部がクランクピン５０４に回転可能に結合されると共に他方の端部が動力シャフト５０６に取り付けられた剛体部材（例えば、自転車のペダルのクランクのような物）であってよい。
【０２００】
図１６に示した代表的な原動機は、本発明を不必要に分かりにくくしないように簡略化されている。当業者にとって明らかなように、他の構造や特徴を用いて、動作を円滑にしたり向上させたりしてもよい。例えば、ロッド５１２と反対側に位置する燃焼装置５０２の端部は、固定されてもよいし、旋回を可能にするピンに結合されてもよい。さらに、燃焼装置５０２は、クランクシャフト５０４の回転に必要なコンプライアント壁の歪みの量を低減するために、図に示したよりもかなり大きくしてもよい。図に示したように、燃焼装置５０２は、大きい線形歪みを用いて、クランクを完全に回転させることが可能であり、このクランクは、本発明のいくつかの燃焼装置に適している。しかしながら、より大きい燃焼装置５０２を用いて、クランクピン５０４の回転に必要なコンプライアント壁５１０の歪みの量を低減してもよい。例えば、クランクピン５０４を回転させるために、コンプライアント壁５１０において約２０％から約１００％の線形歪みを生じさせるように、燃焼装置５０２のサイズを選択してよい。
【０２０１】
原動機５００に関して説明したように、１つの燃焼装置５０２を用いると、動力シャフト５０６の回転中に得られる出力分布は非一様になる。完全に信頼性のあるシャフトの回転を実現するには、シャフトが単に振動するように回転する（すなわち、３６０°未満の回転）ことを防止するのに十分な回転の慣性および速度が必要となる。一実施形態では、本発明の回転式原動機は、動力シャフトを回転させる動力を供給する燃焼装置を複数備える。複数の燃焼装置は、例えば、燃焼装置を異なる角度にずらして、より一貫して連続的な原動機の出力を生成することにより、動力シャフトの回転におけるデッドスポットを低減するよう構成されてもよい。
【０２０２】
図１６は、１つのクランクピンに結合された燃焼装置５０２を示しているが、本発明の原動機は、燃焼装置５０２にそれぞれ結合された複数のクランクピンすなわち複数のスローを備えてもよい。例えば、クランクシャフトの周りにほぼ均等に、複数のクランクを配列してもよく、その場合、各クランクは、１つの燃焼装置５０２のために設けられる。本発明は、動力シャフトの周りに、適切に配列された任意の適切な数のクランクを備えてよい。２、４、６、および、８個のクランクの構成が一般的である。一実施形態では、互いに釣り合いを取るように、複数の燃焼装置が、動力シャフトの周りに配列される。
【０２０３】
複数の燃焼装置を備える本発明の原動機について、動力シャフトの周りの燃焼装置の配列に従って説明する。一実施形態では、複数の燃焼装置は、対向配列で動力シャフトの周りに配列されており、すべての燃焼装置が、動力シャフトの周りの両側の列において共通する平面内に配置され、それぞれが、動力シャフトを中心に向かい合っている。別の実施形態では、複数の燃焼装置は、動力シャフトの周りに直列配列で配列されている。さらに別の実施形態では、複数の燃焼装置は、動力シャフトの周りにＶ字形に配列されており、２列の燃焼装置が、動力シャフトの周りでＶ字の角度を取る２つの直列部分に設けられる。Ｖ字構成の燃焼装置は、約０度から１８０度の角度を有してよい。複数入力の原動機構成は、当業者に周知であるため、簡単のために本明細書では詳述しない。
【０２０４】
いくつかの好ましい実施形態を参照しつつ本発明を説明したが、本発明の範囲に含まれるものの簡単のために割愛した代替物、置換物、および、等価物が存在する。例えば、本発明は、燃焼室で生成された機械的エネルギを用いるためのいくつかの出力機構に関して説明されたが、燃焼装置によって生成された機械的エネルギを利用する別の機構も存在することは、当業者にとって明らかである。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項の範囲によって規定されるよう意図されている。
【０２０５】
［米国政府の権利］
この発明の一部は、米国陸軍から提供され、契約番号ＤＡＡＤ１９−０３Ｃ−００６７に基づく米国政府の支援による資金援助を受けたものである。米国政府は、この発明について一定の権利を有している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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