(57)【要約】  液化窒素などの駆動流体を低温エンジンの動作チャンバ（５０）に注入するための注入装置が提供される。液化窒素は、入口弁（４２）による制御の下で当該装置のハウジング（３６）に導入され、出口弁（４８）による制御の下でハウジング（３６）から押し出される。ハウジング（３６）において液体窒素に熱が伝わり、少量の液化窒素が沸騰し、それによって、駆動流体が圧力のかかった状態で低温エンジンに注入される。２つの実施例（図１から図７）の各々において、移動可能な注入部材（４，２０）によってハウジングの暖められた領域に液体窒素が運ばれ、別の２つの実施例においては、ハウジングは、その中を窒素が流れる熱交換器として形成される。
2008545090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化ガスを含む駆動流体を低温エンジンに注入するための注入装置であって、前記装置は、ハウジングと、ハウジングの入口領域への駆動流体の導入を制御するための入口弁と、ハウジングの出口領域からの駆動流体の送り出しを制御するための出口弁とを備え、駆動流体が入口領域から出口領域へと通過する間に駆動流体に熱が伝えられ、ハウジングにおいて少量の駆動流体を沸騰させ、それによって、圧力をかけた状態で駆動流体を出口弁を介して低温エンジンに注入するように、ハウジングが構成される、注入装置。
【請求項２】
入口弁および出口弁は、入口弁が開いて１回分の駆動流体を導入すると出口弁が閉じられ、その後入口弁が閉じ、ハウジング内部の駆動流体の圧力が上昇し、出口弁が開いて、圧力をかけた状態で駆動流体を送り出すようなタイミング関係で動作する、請求項１に記載の注入装置。
【請求項３】
ハウジングは、熱交換液から駆動流体に熱を伝えるために、熱交換液を流すための熱交換器として形成される、請求項１または２に記載の注入装置。
【請求項４】
熱交換器は、ハウジングを通って延在し、かつその中を熱交換液が流れる複数の管からなる、請求項３に記載の注入装置。
【請求項５】
管はハウジングの入口領域から出口領域まで延在し、駆動流体は、ハウジング内部の管を取囲む空間を満たす、請求項４に記載の注入装置。
【請求項６】
入口弁は、弁台座に対して付勢された弁部材、および、入口弁の閉位置に対応する後退位置と入口弁の開位置に対応する伸長位置との間で摺動可能なプランジャからなり、伸長位置において、プランジャは弁部材と係合して弁部材を弁台座から離れさせる、請求項１から５のいずれか１項に記載の注入装置。
【請求項７】
液化ガスを含む駆動流体を低温エンジンに注入するための注入装置であって、ハウジングと、駆動流体をハウジングの第１の領域からハウジングの第２の領域に変位させるためにハウジング内部を移動可能な注入部材とを備え、使用の際駆動流体は、液化状態においてハウジングの第１の領域に導入され、注入部材の移動によって第２の領域に運ばれ、第２の領域は第１の領域よりも高温であり、第２の領域において少量の駆動流体を沸騰させ、それによって、圧力をかけた状態で駆動流体を低温エンジンに注入する、注入装置。
【請求項８】
前記部材は、低温エンジンの動作サイクルに適切に同期するようなタイミングの反復的な順序で、ハウジング内部を移動可能である、請求項７に記載の注入装置。
【請求項９】
前記部材は、ハウジング内部を往復動可能であり、交互に連続して注入ストロークおよび戻りストロークを経る、請求項８に記載の注入装置。
【請求項１０】
注入ストロークにおいて、前記部材はある量の駆動流体を保持しながら第２の領域に向かって移動し、前記部材はハウジングと封止係合し、かつ凹部を有し、ある量の駆動流体が第１の領域において凹部に導入され、第２の領域において凹部から送り出される、請求項９に記載の注入装置。
【請求項１１】
注入ストロークにおいて、注入部材は、駆動流体を第１の領域から第２の領域に変位させながら第１の領域に向かって移動し、ハウジングは入口弁および出口弁を有し、入口弁および出口弁は、注入ストロークの開始時に駆動流体を第１の領域に導入し、かつ戻りストロークの開始前に駆動流体を流出させるようなタイミングで開閉する、請求項９に記載
の注入装置。
【請求項１２】
低温エンジンと組み合わせた、請求項１から１１のいずれか１項に記載の注入装置。
【請求項１３】
複数の注入装置によってエンジンに駆動流体が供給される、請求項１２に記載の組み合わせ。
【請求項１４】
熱交換器に供給される熱交換液は、エンジンに供給される熱交換液と同じ液体である、請求項３に従属する請求項１２に記載の組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、低温エンジンのための注入装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
本願発明者のＰＣＴ出願明細書ＷＯ０１／６３０９９は、駆動流体として液化ガス（たとえば液化窒素）を採用する低温エンジンを開示している。エンジンを効率よく作動させるためには、圧力をかけた状態で駆動流体をエンジンのシリンダ（または、駆動流体を膨張させてシャフトの動力を供給する他の動作チャンバ）に供給しなくてはならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
多くの場合、たとえば低温エンジンを用いて輸送手段に動力を供給する場合、駆動流体を高圧で蓄えておくことは実用的ではないため、本発明は、駆動流体を比較的低圧で供給源から取出し、かつ駆動流体を比較的高圧で低温エンジンの動作チャンバに供給する注入装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の概要
本発明の一局面によれば、液化ガスを含む駆動流体を低温エンジンに注入するための注入装置が提供され、当該装置は、ハウジングと、ハウジングの入口領域への駆動流体の導入を制御するための入口弁と、ハウジングの出口領域からの駆動流体の送り出しを制御するための出口弁とを備え、駆動流体が入口領域から出口領域へと通過する間に駆動流体に熱が伝えられ、ハウジングにおいて少量の駆動流体を沸騰させ、それによって、圧力をかけた状態で駆動流体を出口弁を介して低温エンジンに注入するように、ハウジングが構成される。
【０００５】
入口弁および出口弁は、好ましくは、入口弁が開いて１回分の駆動流体を導入すると出口弁が閉じられ、その後入口弁が閉じ、ハウジング内部の駆動流体の圧力が上昇し、出口弁が開いて、圧力をかけた状態で駆動流体を送り出すようなタイミング関係で動作する。
【０００６】
好ましい一実施例において、ハウジングは、熱交換液から駆動流体に熱を伝えるために、熱交換液を流すための熱交換器として形成される。熱交換器は、ハウジングを通って延在し、かつその中を熱交換液が流れる複数の管からなってもよい。管はハウジングの入口領域から出口領域まで延在してもよく、駆動流体は、ハウジング内部の管を取囲む空間を満たす。
【０００７】
本発明の別の局面によれば、液化ガスを含む駆動流体を低温エンジンに注入するための注入装置は、ハウジングと、駆動流体をハウジングの第１の領域からハウジングの第２の領域に変位させるためにハウジング内部で移動可能な注入部材とを備え、使用の際駆動流体は、液化状態においてハウジングの第１の領域に導入され、注入部材の移動によって第２の領域に運ばれる。第２の領域は第１の領域よりも高温であり、第２の領域において少量の駆動流体を沸騰させ、それによって、圧力をかけた状態で駆動流体を低温エンジンに注入する。
【０００８】
駆動流体は好ましくは液化窒素であるが、液化空気、液化二酸化炭素またはこれらの気
体のいずれかの混合体であってもよい。低温は、好ましくは−２００℃から−１８０℃の範囲であり、高温は、典型的に１０℃から２０℃の間の室温である。
【０００９】
注入部材は、好ましくは、低温エンジンの動作サイクルに適切に同期するようなタイミングの反復的な順序でハウジング内部を移動可能であり、動作サイクルは、２ストロークサイクルまたは４ストロークサイクルに従い得る。注入装置は低温エンジンによって駆動してもよいし、または代替的に、電動機などの別個の電源によって駆動してもよい。起動時において、第１の領域を冷却するために、液化窒素を第１の領域を通って流すことによって装置を準備してもよい。
【００１０】
注入部材は、好ましくは、ハウジング内部を往復動可能であり、交互に連続して注入ストロークおよび戻りストロークを経る。注入ストロークにおいて、当該部材はある量の駆動流体を保持しながら第２の領域に向かって移動してもよく、この場合、当該部材はハウジングと封止係合し、かつ凹部を有していてもよく、ある量の駆動流体が第１の領域において凹部に導入され、第２の領域において凹部から送り出される。
【００１１】
代替的に、注入部材は注入ストロークにおいて、駆動流体を第１の領域から第２の領域に変位させながら第１の領域に向かって移動してもよく、この場合、ハウジングは好ましくは入口弁および出口弁を有し、入口弁および出口弁は、注入ストロークの開始時に駆動流体を第１の領域に導入し、かつ戻りストロークの開始前に駆動流体を流出させるようなタイミングで開閉する。
【００１２】
注入装置は、対応する低温エンジンのシャフトの動力から好都合に得られる電力をほとんど消費しない。
【００１３】
本発明は、本発明に係る注入装置に対応する低温エンジン（たとえば、本願発明者のＰＣＴ出願明細書ＷＯ０１／６３０９９に開示）を範囲内に含む。
【００１４】
添付の図面を参照して、例示を目的として本発明の４つの実施例について説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１から図３の注入装置は、プランジャ４の形態の注入部材を備え、円筒状ハウジング６の内部を往復動し、ハウジング６と封止係合する。ハウジング６は、−１９７℃の第１の領域８と、典型的に１０℃から２０℃の間の室温である第２の領域１０とを有する。ハウジングの壁の一部分は直径が大きくなっており、環状の入口チャンバを形成し、プランジャの一部分は直径が小さくなっており、環状の容積部分を規定する環状のくびれた領域を形成する。
【００１６】
プランジャ４は、液化窒素２をその供給源から低圧で取出し、圧力をかけて低温エンジンの動作チャンバに送り出すために、注入ストロークおよび戻りストロークを交互に経る。
【００１７】
上記を達成するため、低圧の液化窒素の供給源は、環状の入口チャンバと連通して配置される。注入ストロークの開始時（図１）において、環状の入口チャンバおよびプランジャのくびれた領域は、環状の容積部分が低圧の液化窒素２で満たされるように連通する。プランジャ４は、その後ハウジング６内部を下方に移動して注入ストロークを開始し（図２）、チャンバ内部の窒素２の分量がプランジャ４によって領域８から領域１０に向けて運ばれるように、プランジャがハウジングの壁に封止係合する。領域１０に達すると、領域１０の高温に晒されるため、運ばれた窒素のうち少量が沸騰して高圧源となり、注入ストロークの終わりにチャンバがハウジングの壁に覆われなくなると、低温エンジンのチャ
ンバに１回分の液体窒素を押し出す（図３）。プランジャ４およびハウジング６の協働可能な形状と相対的な移動とにより、ハウジングへの窒素の導入を制御するための入口弁およびハウジングからの窒素の流出を制御するための出口弁が規定されることが理解されるであろう。入口弁が開かれると出口弁が閉じられ、逆もまた同様である。
【００１８】
図４から図７を参照し、注入装置の第２の実施例はプランジャ２０を備え、プランジャ２０は、クリアランスによって円筒状ハウジング２２内で往復動可能であり、ハウジング２２は、供給源からの低圧の液化窒素の導入を制御するための入口弁２４と、ハウジング２２から低温エンジンの動作チャンバへの高圧の液体窒素の流量を制御するための出口弁２６とを有する。弁２６は、プランジャ２０内の通路を通る弁ステム３０を有する。
【００１９】
注入ストロークの開始時（図４）に、入口弁２４が開き、出口弁２６が閉じられ、低圧の液化窒素が、ハウジング内部の第１の領域３２に低温（−１９７℃）で導入される。次に入口弁２４が閉じ、プランジャ２０が注入ストロークを開始し、ハウジング２２内部を低温領域３２に向かって上方に移動する（図５）。プランジャ２０の注入ストローク中に、低温領域３２から室温の第２の領域３４に変位することによって窒素が運ばれる。注入ストロークの終わり（図６）にはほぼすべての窒素が運ばれており、領域３４の方が高温であるため、少量の窒素が沸騰する。その結果生じた高圧によって出口弁２６が開かれ、液化窒素が低温エンジンの動作チャンバに高圧で注入される。
【００２０】
各実施例において、装置を通過する液化窒素の流れによって、第１の（低温）領域が所要の低温に維持される。第２の（高温）領域は、シリンダもしくは低温エンジンのケーシングから、または熱交換流体と接することで熱を得ることにより、所要の高温に維持される。装置は低温エンジンによって（たとえばそのカムシャフトから）駆動してもよいし、または別個の電動機によって駆動してもよい。装置に流入する液化ガスの量は（たとえば弁によって）制御される、または低温エンジンと連動するポンプの速度を制御することによって制御することができる。
【００２１】
図８および図９に示す注入装置は、概ね円筒状のハウジング３６を有し、その内部に一群の熱交換管３８が１２本延在し、エチレングリコールなどの熱交換液４０がその中を流れる。ハウジングの入口領域において、入口弁４２が液化窒素４４の導入を制御し、液化窒素４４は、約マイナス２００℃の液体窒素を収容する加圧された貯蔵タンクと連通する供給管４６によって注入装置に供給される。ハウジングの出口領域において、出口弁４８が、２ストローク低温エンジンのシリンダ５０への圧力をかけた窒素の送り出しを制御し、エンジンは、シリンダ５０内部を往復動可能なピストン５２を有する。
【００２２】
入口弁４２は、細長いステム５４を有する移動可能な弁部材によって形成され、ステム５４の下端は弁頭部５６で終端し、弁頭部５６は円筒状のガイド６０の下端上の弁台座５８と協働する。弁部材のステム５４はガイド６０内部を摺動し、周方向のシール６２によってガイド６０の内面に対して封止される。供給管４６は、弁台座５８の真上でガイド６０の下端と連通する。
【００２３】
同様に、出口弁４８は、細長いステム６４を有する移動可能な弁部材を有し、ステム６４の下端は弁頭部６６で終端し、弁頭部６６は円筒状のガイド７０の下端上の弁台座６８と協働する。弁部材のステム６４はガイド７０内部を摺動し、周方向のシール７２によってガイド７０の内面に対して封止される。
【００２４】
出口管７４は、弁台座６８の真上でガイド７０の下端と連通し、シリンダ５０の上端に通じる。シリンダ５０の上端は、２つの弁、すなわち、熱交換液４０をシリンダ５０に導入するための弁７６と、熱交換液および駆動流体を排出管８０を通じて排出するための弁
７８とを有する。低温エンジンは２ストロークエンジンであり、ＷＯ０１／６３０９９に開示されているように機能する。図８および図９の注入装置および低温エンジンは、以下のように動作する。
【００２５】
ピストン５２が上死点にある状態（図８に図示）から開始して、入口弁４２が閉じられ、出口弁４８が開き、２つの弁７６および弁７８が閉じられる。開かれた出口弁４８を介してハウジング３６からシリンダ５０へと１回分の駆動流体が押し出され、駆動流体が（シリンダ５０内の熱交換液から熱を吸収しながら）膨張し、ピストン５２が動力ストロークを経て、エンジンのクランクシャフトを駆動させる。動力ストロークの終わりにかけてピストン５２が下死点に近づくと排出弁７８が開き、出口弁４８は、ピストン５２が下死点をちょうど越えるまで開かれたままであり、出口弁が閉じるとハウジング内の圧力が低減される。ピストン５２の戻りストローク中に出口弁４８が閉じ、その後速やかに入口弁４２が開く。これにより、１回分の駆動流体がハウジング３６内部の管を取囲む空間に導入される。管３８を流れる熱交換流体４０は駆動流体に熱エネルギを伝え、ハウジング内の圧力が上昇するように少量の駆動流体を沸騰させ、その結果、次の動力ストロークの開始時に出口弁４８が開くと、駆動流体が圧力のかかった状態でシリンダに注入される。ピストン５２の戻りストローク中に弁７６が開き、熱交換液をシリンダ５０に導入する。
【００２６】
上述の弁のタイミングには、低温エンジンと同じ速度で入口弁４２および出口弁４８が動作サイクルを経る必要がある。これにより入口弁４２にかなりの負担がかかる。この問題に対処するために、注入装置を２つ（またはいくつでも）設けてもよい。たとえば、各々が図８および図９に示したような１対の注入装置を、１つの低温エンジンに供給するように並べて配置してもよく、その場合２つの装置の各々は、エンジンが１つの装置によって供給される場合に必要となるであろう速度の半分で動作する。
【００２７】
ハウジング３６に供給される熱交換液は、入口弁７６を介してシリンダ５０に供給されるものと同じ液体である。ハウジング３６に供給される液体は、好ましくは、シリンダに供給される熱交換液の本流から、分岐した接続によって得られ、ハウジング３６から流出した液体は、シリンダ５０から排出されて戻る熱交換液に戻される。入口弁のガイド６０、出口弁のガイド７０、ステム５４およびステム６４は、シール６２およびシール７２がこれらの弁の下端にある低温領域から離れて位置するように、長くなっている。
【００２８】
図１０および図１１の注入装置において、図８および図９に対応する部分には同じ参照符号を付す。図１０および図１１の異なる部分は、供給管４６がガイド６０を通り抜けて続く点、管４６とガイド６０との接続部の、ガイド６０の下端上からの間隔が大きくなっている点、および、入口弁部材が、閉位置に向けて付勢された負荷スプリング型逆止弁部材８４として形成され、閉位置において逆止弁部材８４がガイド６０の下端と係合する点である。ステム５４の下方への移動によって入口弁４２が開かれ、ガイド６０の下方に１回分の駆動流体を貯留するだけでなく、次にこの１回分の駆動流体をハウジング３６に押しやるように、逆止弁部材８４を押し開ける。
【００２９】
供給管４６はガイド６０を越えて続き、好ましくは貯蔵タンク内に配置された小型の再循環ポンプの作用によって、液体窒素を貯蔵タンクに戻す。この低速循環により、窒素に泡が生じにくくなる。
【００３０】
ハウジング３６に入ると、窒素は、その少量が沸騰するように熱交換器から熱を受け、図８および図９を参照して説明したように、窒素が出口弁４８を介してシリンダ５０に押し出される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】動作サイクル中の３つの異なる段階における第１の実施例を示す図である。
【図２】動作サイクル中の３つの異なる段階における第１の実施例を示す図である。
【図３】動作サイクル中の３つの異なる段階における第１の実施例を示す図である。
【図４】動作サイクル中の４つの異なる段階における第２の実施例を示す図である。
【図５】動作サイクル中の４つの異なる段階における第２の実施例を示す図である。
【図６】動作サイクル中の４つの異なる段階における第２の実施例を示す図である。
【図７】動作サイクル中の４つの異なる段階における第２の実施例を示す図である。
【図８】低温エンジンの一部と連結する第３の実施例を示す図である。
【図９】図８の線ＩＸ−ＩＸに沿った断面図である。
【図１０】図８に対応し、第４の実施例を示す図である。
【図１１】図９に対応し、第４の実施例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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2008545090.tif 000015
2008545090.tif 000016