(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルから噴射水を噴射した反作用により推進力を発生させる船舶推進装置であって、
船体の喫水線以下に配設される筒状容器でなる本体燃焼室と、
該本体燃焼室の後端に開口する噴射口と、
前記本体燃焼室の前端に配設されて流入のみ可能な逆止弁と、
前記本体燃焼室が前記逆止弁を介して注入された充填水により規定量まで満たされた後、酸素および可燃流体を含む可燃ガスを、前記充填水で満たされた本体燃焼室の少なくとも点火位置を覆うように圧入する可燃ガス圧入部と、
前記点火位置を覆う前記可燃ガスに放電着火可能な点火器と、
前記可燃ガス圧入部および前記点火器を規定のシーケンスで機能させる制御部と、
を備え、
前記点火器は、前記点火位置に露出された少なくとも１対の電極を絶縁支持する絶縁体に沿面放電させることが可能な高電圧を印加する高電圧印加手段に接続されていることを特徴とする船舶推進装置。
【請求項２】
前記本体燃焼室が前記逆止弁を介して注入された充填水で満たされたことを検出する満水検知手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の船舶推進装置。
【請求項３】
前記点火器は、前記可燃ガスの圧入が終わる前に前記放電着火することを特徴とする請求項１又は２に記載の船舶推進装置。
【請求項４】
前記高電圧印加手段は、直流電源と、該直流電源によって充電可能なコンデンサと、該コンデンサに充電された電荷を前記点火器へ供給される放電電流を開閉する点火スイッチと、を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の船舶推進装置。
【請求項５】
前記コンデンサへの充電電流を開閉する充電スイッチを備え、少なくとも前記点火スイッチが閉じられる期間だけは前記充電スイッチを開くように、前記制御部がタイミング制御することを特徴とする請求項４に記載の船舶推進装置。
【請求項６】
前記可燃流体は、水素、プロパンガス、ブタンガス、天然ガス、アセチレンガス、ガソリンおよびアルコールのうち少なくとも何れかを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の船舶推進装置。
【請求項７】
前記可燃ガスは、常温で液体の液体燃料を気化器により気化して供給することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の船舶推進装置。
【請求項８】
船舶航路の水質が、海水か淡水かあるいはその他の混濁水かの違いによる電気抵抗の変化に応じて、前記点火器に印加する放電電圧を適宜切り替えて安定確実な沿面放電を確保することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の船舶推進装置。
【請求項９】
ノズルから噴射水を噴射した反作用により推進力を発生させる船舶推進装置であって、
船体の喫水線以下に配設される筒状容器でなる本体燃焼室と、
該本体燃焼室の後端に開口する噴射口と、
前記本体燃焼室の前端に配設されて流入のみ可能な逆止弁と、
前記本体燃焼室に連通する内部空間を有するとともに他から抜きん出た高い位置に付設された副燃焼室と、
前記本体燃焼室及び前記副燃焼室が前記逆止弁を介して注入された充填水により規定量まで満たされた後、酸素および可燃流体を含む可燃ガスを、前記充填水で満たされた前記副燃焼室の少なくとも点火位置を覆うように圧入する可燃ガス圧入部と、
前記副燃焼室に配設され、前記点火位置を覆う前記可燃ガスに放電着火可能な点火器と、
前記可燃ガス圧入部および前記点火器を規定のシーケンスで機能させる制御部と、
を備え、
前記点火器は、前記点火位置に露出された少なくとも１対の電極を絶縁支持する絶縁体に沿面放電させることが可能な高電圧を印加する高電圧印加手段に接続されていることを特徴とする船舶推進装置。
【請求項１０】
前記燃料は水素であることを特徴とする請求項９に記載の船舶推進装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶推進装置に関し、より詳細には、回転駆動型原動機、動力伝達用の推進軸およびスクリューを不要にしながら、推進力を制御可能に連続発生する船舶推進装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大量のパワーロスがあったスチームエンジンから、現在のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンのようなレシプロエンジンまで、パワーは直線運動を回転運動に変換することにより得ている。ただし、この方法では、レシプロエンジンであれば、ピストンとシリンダ部の接触抵抗及び各部の回転抵抗等のように、変換効率の違いはあれパワーロスを発生するのが現状である。
【０００３】
また、化石燃料を使用するレシプロエンジンでは、排気による大気汚染だけでなく排出されるオイルによる水中汚染までも引き起こしている。しかも使用する化石燃料は、残り少ない高価なものであるにも関わらず、大量に使用せざるを得ないのが実情である。
【０００４】
船舶に前記レシプロエンジンを使用する発明として、特許文献１がある。この特許文献１の段落［０００２］には、「従来の船舶は、空気を燃料と混合した可燃ガスをシリンダ内で燃焼させて駆動力を発生させる」旨の記載がある。
【０００５】
一方、スクリューを不要にしながら、推進力を発生する船舶推進装置として、接触抵抗及び回転抵抗を無くしパワーロスを削減するとともに、二酸化炭素の排出量及び残り少ない化石燃料の使用量削減を図った船舶用エンジンが知られている。具体的には、中央部にウォーターボトルを配置し、その前方上部に逆止弁を介して爆発室を設け、前方下部に逆止弁を介してインジェクションポートを配し、ウォーターボトルに漏電感知装置を、前記爆発室に混合ガス注入口を有する点火室を付設するというものである（特許文献２）。
【０００６】
また、船舶を浅瀬でも航行させることができ、しかも故障しにくく、さらに小形化することのできる船舶推進機関も知られている。具体的には、液体水素を液体水素噴射管から燃焼室に噴射させるとともに液体酸素を液体酸素噴射管から燃焼室に噴射させ燃焼室で液体水素と液体酸素を接触させて着火して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器の液体水素噴射管に液体水素を供給し液体酸素噴射管に液体酸素を供給する推進剤供給系とを備えているというものである（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−６９７９１号公報
【特許文献２】特開２０１０−５２５０３号公報
【特許文献３】特開平８−１５０９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載のように、従来のレシプロ、ガスタービン等の内燃機関には大気・水質汚染、騒音等が発生するという問題がある。また、特許文献２に記載の船舶用エンジンの場合は、点火容器が水面上にあるため、騒音の発生が避けられないばかりか、逆止弁が２つ必要であり、構造を簡素化する等の改善余地があった。
【０００９】
また、特許文献３に記載の船舶推進機関の場合は、超低温に保存中の液体酸素と液体水素を燃料とするため、安定的な混合推進のためにバルブ操作の調整を始めとする取り扱いが困難であるという欠点もあり、特殊用途以外の船舶には普及実用も困難であるという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、主要な駆動機構に摩擦する箇所が少なく簡素な構造であり、水質汚染や騒音の発生が少なく、しかも、取り扱いが容易な船舶推進装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、ノズル（３）から噴射水（３１）を噴射した反作用により推進力（Ａ）を発生させる船舶推進装置（１０，２０）であって、船体の喫水線（Ｂ）以下に配設される筒状容器でなる本体燃焼室（１，１ａ）と、該本体燃焼室（１，１ａ）の後端に開口する噴射口（２）と、前記本体燃焼室（１，１ａ）の前端に配設されて流入のみ可能な逆止弁（４）と、前記本体燃焼室（１，１ａ）が前記逆止弁（４）を介して注入された充填水（Ｗ）により規定量まで満たされた後、酸素および可燃流体を含む可燃ガス（１３）を、前記充填水（Ｗ）で満たされた本体燃焼室（１，１ａ）の少なくとも点火位置（９）を覆うように圧入する可燃ガス圧入部（５）と、前記点火位置（９）を覆う前記可燃ガス（１３）に放電着火可能な点火器（６）と、前記可燃ガス圧入部（５）および前記点火器（６）を規定のシーケンスで機能させる制御部（８）と、を備え、前記点火器（６）は、前記点火位置（９）に露出された少なくとも１対の電極（６１，６２）を絶縁支持する絶縁体（６３）に沿面放電ないし気中放電させることが可能な高電圧を印加する高電圧印加手段（６０）に接続されていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の船舶推進装置（１０，２０）において、前記本体燃焼室（１，１ａ）が前記逆止弁（４）を介して注入された充填水（Ｗ）で満たされたことを検出する満水検知手段（６５）を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の船舶推進装置（１０，２０）において、前記点火器（６）は、前記可燃ガス（１３）の圧入が終わる前に前記放電着火することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の船舶推進装置（１０，２０）において、前記高電圧印加手段（６０）は、直流電源と、該直流電源によって充電可能なコンデンサ（Ｃ）と、該コンデンサ（Ｃ）に充電された電荷を前記点火器（６）へ供給される放電電流を開閉する点火スイッチ（ＳＷ１）と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項５に係る発明は、請求項４に記載の船舶推進装置（１０，２０）において、前記コンデンサ（Ｃ）への充電電流を開閉する充電スイッチ（ＳＷ２）を備え、少なくとも前記点火スイッチ（ＳＷ１）が閉じられる期間だけは前記充電スイッチ（ＳＷ２）を開くように、前記制御部（８）がタイミング制御することを特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の船舶推進装置（１０，２０）において、前記可燃流体は、水素、プロパンガス、ブタンガス、天然ガス、アセチレンガス、ガソリンおよびアルコールのうち少なくとも何れかを含むことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の船舶推進装置（１０，２０）において、前記可燃ガス（１３）は、常温で液体の液体燃料（１２）を気化器（５９）により気化して供給することを特徴とする。
【００１９】
また、請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の船舶推進装置（１０，２０）において、船舶航路の水質が、海水か淡水かあるいはその他の混濁水かの違いによる電気抵抗の変化に応じて、前記点火器（６）に印加する放電電圧を適宜切り替えて安定確実な沿面放電を確保することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項９に係る発明は、ノズル（３）から噴射水（３１）を噴射した反作用により推進力（Ａ）を発生させる船舶推進装置（１０，２０）であって、船体の喫水線（Ｂ）以下に配設される筒状容器でなる本体燃焼室（１，１ａ）と、該本体燃焼室（１，１ａ）の後端に開口する噴射口（２）と、前記本体燃焼室（１，１ａ）の前端に配設されて流入のみ可能な逆止弁（４）と、前記本体燃焼室（１，１ａ）に連通する内部空間を有するとともに他から抜きん出た高い位置に付設された副燃焼室（２１）と、前記本体燃焼室（１，１ａ）及び前記副燃焼室（２１）が前記逆止弁（４）を介して注入された充填水（Ｗ）により規定量まで満たされた後、酸素および可燃流体を含む可燃ガス（１３）を、前記充填水（Ｗ）で満たされた前記副燃焼室（２１）の少なくとも点火位置（９）を覆うように圧入する可燃ガス圧入部（５）と、前記副燃焼室（２１）に配設され、前記点火位置（９）を覆う前記可燃ガス（１３）に放電着火可能な点火器（６）と、前記可燃ガス圧入部（５）および前記点火器（６）を規定のシーケンスで機能させる制御部（８）と、を備え、前記点火器（６）は、前記点火位置（９）に露出された少なくとも１対の電極（６１，６２）を絶縁支持する絶縁体（６３）に沿面放電ないし気中放電させることが可能な高電圧を印加する高電圧印加手段（６０）に接続されていることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１０に係る発明は、請求項９に記載の船舶推進装置（１０，２０）において、前記燃料は水素であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、主要な駆動機構に摩擦する箇所が少なく簡素な構造であり、水質汚染や騒音の発生が少なく、しかも、取り扱いが容易な船舶推進装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例１に係る船舶推進装置（以下、「本装置」ともいう）の概略を示す一部断面図である。
【図２】本装置で用いる点火器および支援装置の説明図であり、（ａ）は点火器を透視した拡大斜視図および高電圧印加手段の説明図、（ｂ）は本装置における放電着火の状態を説明するための模式図、（ｃ）はコンデンサを用いた高電圧印加手段の回路図および点火器の断面図、（ｄ）は点火スイッチＳＷ１および充電スイッチＳＷ２の開閉動作についてのタイムチャートである。
【図３】本装置の運転中における各工程を説明するための断面図であり、（ａ）満水待機工程、（ｂ）可燃ガス圧入工程、（ｃ）点火工程、（ｄ）膨張噴射工程、（ｅ）燃焼完了工程、（ｆ）注水工程を示す。
【図４】実施例１，２に係る本装置の動作タイミングを説明するためのタイムチャート（グラフ含む）であり、（ａ）空気圧入弁開信号、（ｂ）可燃ガス圧入弁開信号、（ｃ）点火スイッチＯＮ信号、（ｄ）可燃ガスの注入速度、（ｅ）点火器への印加電圧、（ｆ）ノズル出口の噴射速度を示す。
【図５】本発明の実施例２に係る本装置の概略を示す一部断面図である。
【図６】図５に示した本装置の運転中における各工程を説明するための断面図であり、（ａ）満水待機工程、（ｂ）可燃ガス圧入工程、（ｃ）点火工程、（ｄ）膨張噴射工程、（ｅ）燃焼完了工程、（ｆ）注水工程を示す。
【図７】実施例２に係る本装置の動作タイミングを制御する制御信号のタイムチャートであり、（ａ）空気圧入弁開信号、（ｂ）可燃ガス圧入弁開信号、（ｃ）点火スイッチを閉じるタイミング信号、（ｄ）充電スイッチを開くタイミング信号を示す。
【図８】図２（ｃ）の高電圧印加手段の変形例の一次側回路のみを示す要部回路図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２４】
以下、図１〜図４を参照して実施例１に係る船舶推進装置（本装置）について説明する。
図１は、本装置の概略を示す一部断面図である。本装置１０は、不図示の船体の喫水線Ｂ以下に配設された本体燃焼室１と、その本体燃焼室１の各所に、噴射口２と、ノズル３と、逆止弁４と、可燃ガス圧入部５と、点火器６と、燃料供給部７と、制御部８と、を備えて構成されている。
【００２５】
本体燃焼室１は、鋼鉄製の筒状容器であり、内部で燃焼（爆発）した燃焼ガス１５（図３（ｄ），（ｅ））が高速度で膨張する衝撃および高熱に耐えられるだけの剛性と耐熱性とを有する。この本体燃焼室１の後部には、噴射口２が開口している。この噴射口２から本体燃焼室１の内外を連通する漏斗型の噴射ノズル３が後方に延設されている。噴射ノズル３は、本体燃焼室１に充填された充填水Ｗが、噴射口２を通じて後方へ噴射される流れを整えることによりにより、前方への推進力Ａを強化する機能を有する。なお、噴射口２および噴射ノズル３の経路に、不図示の逆止弁等の機能を具備することにより、後方への噴射水３１のみを通し、外部の水Ｗａが本体燃焼室１の内側へ吸い込まれる方向には閉弁するようにしても良い。
【００２６】
本体燃焼室１には、前方に逆止弁４が配設され、前方かつ上方に可燃ガス圧入部５が配設され、前後方向の中間で上方に点火器６が配設されている。逆止弁４は、本体燃焼室１の容積に対して短時間（例えば、５秒以内）で満水にすることが可能な流量を確保されている。
なお、逆止弁４は本体燃焼室１と外部の水Ｗａとの圧力差で受動的に弁の開閉動作を行うばかりでなく、制御部８の制御信号に基づく適切なタイミングで能動的に開閉動作するシャッタ（不図示）を採用しても構わない。
【００２７】
可燃ガス圧入部５は、空気圧入弁５１と、圧縮空気供給管５２と、可燃ガス圧入弁５３と、可燃ガス供給管５４と、を備えて構成されている。空気圧入弁５１は、圧縮空気供給管５２から供給される圧縮空気を適切なタイミング（図４（ａ））で本体燃焼室１に圧入する。可燃ガス圧入弁５３は、可燃ガス供給管５４から供給される可燃ガス１３を適切なタイミング（図４（ｂ））で本体燃焼室１に圧入する。可燃ガス圧入部５は、制御部８の命令により、圧縮空気と、可燃ガス１３と、を着火容易な混合比率に加減し、適切なタイミングで本体燃焼室１に圧入する。
【００２８】
圧縮空気供給管５２は、圧縮機５５および圧縮空気タンク５６に接続されている。なお、圧縮空気タンク５６に代えて不図示の酸素ボンベおよび圧力調整器等を接続すれば、本装置１０を高出力化することも可能である。
【００２９】
可燃ガス供給管５４は、ガスボンベ５７および圧力調整器５８に接続されている。ガスの種類は水素、プロパンガス、ブタンガス、天然ガス、アセチレンガス等、着火温度が低く、安価、安全で調達容易な種類から選択することが可能である。あるいは、周知のガソリンエンジンの気化器と同等の気化器５９を用いて揮発性の液体燃料１２を気化し、それで得られた可燃ガス１３を圧縮する圧縮機５５を、可燃ガス供給管５４に接続すれば、ガソリンやアルコールを燃料に用いることも可能である。なお、可燃ガス供給管５４には、ガスボンベ５７、気化器５９および液体燃料１２の全てを接続し、不図示の選択弁により適宜選択可能にしても良いが、実際には、一種類の燃料系があれば足りる。
【００３０】
可燃ガス圧入部５は、本体燃焼室１が満水状態（図３（ａ）に示す満水待機工程）の充填水Ｗを、本体燃焼室１の容積に対する所定割合（例えば、１５％）だけ、短時間（例えば、１秒以内）で置換排除しながら、圧縮空気（又は酸素）および可燃ガス１３を圧入可能に、各弁の開閉タイミングを設定されている。
【００３１】
図２は、本装置で用いる点火器および支援装置の説明図であり、図２（ａ）は点火器を透視した拡大斜視図および高電圧印加手段の説明図、図２（ｂ）は本装置における放電着火の状態を説明するための模式図、図２（ｃ）はコンデンサを用いた高電圧印加手段の回路図および点火器の断面図、図２（ｄ）は点火スイッチＳＷ１および充電スイッチＳＷ２の開閉動作についてのタイムチャートである。図２（ａ）に示すように、点火器６は、棒状金属の第１電極６１と、第１電極６１の中心軸に対する外周側を取り囲むように同軸配設された筒状の第２電極６２と、これら第１電極６１および第２電極６２（以下、「両電極６１，６２」または、単に「電極６１，６２」ともいう）の間に充填されて両電極６１，６２を絶縁保持しながら支持結合する絶縁体６３と、を備えて構成されている。
【００３２】
点火器６は、点火位置９に露出された少なくとも１対の電極６１，６２を絶縁支持する絶縁体６３に沿面放電させることが可能な高電圧を印加する高電圧印加手段６０に接続されている。高電圧印加手段６０は、高電圧電源６４および点火スイッチＳＷ１を具備し、適切なタイミングで、両電極６１，６２間に高電圧を印加する。点火タイミングについては、図３（ｃ）点火工程、図４（ｃ）点火スイッチＯＮ信号８３、および図４（ｅ）点火器への印加電圧の波形、その他を参照しながら後述する。
【００３３】
図２（ｂ）に示すように、点火器６は、充填水Ｗに水没又は浸漬された状態であっても、両電極６１，６２の点火位置９に約１００Ｊのエネルギーを加えれば、プラズマ状態の導電性ガスを伴う沿面放電を発生させる。このとき、点火位置９を覆う可燃ガス１３があれば（図３（ｃ）参照）、可燃ガス１３に放電着火して着火炎１４を発生させる。可燃ガス１３は、本体燃焼室１が充填水Ｗで規定量まで満たされた後、可燃ガス圧入部５が、空気（酸素）および可燃流体を適切な比率で混合し、本体燃焼室１の少なくとも点火位置９を覆うように圧入する（図１参照）。
【００３４】
図２（ｃ）に示すように、高電圧印加手段６０は、直流電源Ｅと、充電電流を制限するための抵抗Ｒと、コンデンサＣと、高電圧発生用の昇圧トランスＴと、点火スイッチＳＷ１（以下、単にＳＷ１と略す）と、充電スイッチＳＷ２（以下、単にＳＷ２と略す）と、を備えて構成されている。なお、Ｅ，Ｒ，Ｃの符号は、各部材を特定する符号であるとともに、各物理定数としての直流電圧値Ｅ、抵抗値Ｒ、容量値Ｃの意味も兼用する符号である。
【００３５】
ここで、直流電源Ｅは、抵抗ＲとＳＷ２とを直列に介挿して充電用のコンデンサＣを直流電圧Ｅに充電することが可能に接続されている。制御部８から出力される充電スイッチＯＦＦ信号８４がＨｉのタイミングでＳＷ２が閉じているとき、コンデンサＣの容量と電圧Ｅに比例した電荷Ｑ＝ＣＶがコンデンサＣに充電される。すなわち、容量値Ｃと直流電圧値Ｅとにそれぞれ比例する電荷量Ｑが、抵抗値Ｒと容量値Ｃで定められる時定数τ（不図示）に基づく時間でコンデンサＣに充電される。このようにコンデンサＣが充電された後、制御部８から出力される点火スイッチＯＮ信号８３（図４（ｃ））によりＳＷ１を閉じて昇圧トランスＴの一次側コイルに電荷量Ｑのエネルギーを入力することで、二次側から１万Ｖ〜５万Ｖの電圧を出力する。その結果、昇圧トランスＴより出力される１万Ｖ〜５万Ｖの電圧が両電極６１，６２間に印加（図４（ｅ））されることにより、点火位置９で沿面放電する。
【００３６】
なお、直流電圧値Ｅ＝３００Ｖとする直流電源Ｅの供給手段については、図示を省略するが、直流１２Ｖ又は２４Ｖのバッテリ電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧して供給する。また、船舶航路の天候、気温、気圧、湿度、水質、その他の環境要因の違いによる放電現象の変化に応じて、点火器６に印加する放電電圧を適宜切り替えて安定確実な放電を確保する。放電電圧の切り替えは、ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧レベルを加減して行う。
【００３７】
コンデンサＣに充電された電荷Ｑは、ＳＷ１を短時間で開閉することにより、昇圧トランスＴの一次側コイルに点火パルスとして入力される。点火パルスは、一次側と二次側の巻き線比に応じて昇圧され、二次側コイルから高電圧パルスとして出力される。なお、コンデンサＣからスイッチＳＷ２および昇圧トランスＴの一次側の回路において、抵抗Ｒに加えた他の素子に含まれる不図示の直流抵抗成分により、適切に電流制限される。また、スパイク状の点火パルスは電流変化が大きいので、その電流変化を妨げるように、トランスＴのＩｎｄｕｃｔａｎｃｅ成分が作用して誘導起電力を発生する。
【００３８】
図２（ｄ）に示すように、ＳＷ１がＯＮするときは、ＳＷ２が必ず開いているように、制御部８がタイミング設定するように、点火スイッチＯＮ信号８３と、充電スイッチＯＦＦ信号８４と、を出力する。もし、タイミング設定が狂ってＳＷ１とＳＷ２が同時に閉じた場合、３００Ｖの直流電源Ｅから昇圧トランスＴへ、不必要な直流電流が流れて電力の無駄になるばかりか、昇圧トランスＴを焼損する危険性もある。したがって、ＳＷ１とＳＷ２は同時に閉じないように設定されている。また、直流電流が、昇圧トランスＴへ継続的に入力されても、直流電流の立ち上がり時と立ち下がり時以外には、昇圧トランスＴから出力を得ることができない。
【００３９】
なお、図２（ｃ）に示した回路は一例に過ぎず、水中でも着火可能にする高エネルギーの電圧パルスを得る目的であれば、他の回路でも構わない。例えば、図８に示して後述する高電圧印加手段の変形例のように回路構成しても構わない。
【００４０】
制御部８は、不図示のマイクロコンピュータ、コンピュータプログラム等を用いたシーケンサ又は時系列パルス発生器等を備え、規定のシーケンス制御機能を有している。この制御部８によって、各信号間に所定の遅延時間を設定された制御信号が生成させる。その制御部８から出力される制御信号が、規定のタイミングで、各部を制御している。
【００４１】
なお、制御部８によるシーケンス制御機能については、図７を用いて後述するが、シーケンス制御機能の概略は以下のとおりである。すなわち、本体燃焼室１に逆止弁４を介して注入された充填水Ｗが規定量まで満たされた後、可燃ガス圧入部５が本体燃焼室１へ可燃ガス１３を規定量だけ圧入し、圧入された可燃ガス１３に点火器６が点火する。点火タイミングは、制御部８が出力する点火スイッチＯＮ信号８３（図４（ｃ）、図７（ｃ））により決定される。
【００４２】
また、満水検知手段６５は、点火器６を満水センサとして兼用し、両電極６１，６２が水没状態か否かを、両電極６１，６２間の電気抵抗又は静電容量の変化に基づいて検出し、検出結果を制御部８へ入力するようにしても良い。あるいは専用の満水センサを最適位置に配設しても構わない。なお、満水検知の機能は、効率的な推進のための機能だけでなく、安全機能も兼ね備えることが考えられる。すなわち、陸上等において、万が一の誤操作等により推進機が運転されようとしても、満水検知されない限り点火が阻止されるので、周囲に迷惑な騒音の発生を防止することも可能になる。
【００４３】
点火器６における沿面放電について、より詳細に説明する。従来から周知のガソリンエンジンの点火プラグは液体燃料の過剰供給、あるいは、エンジン吸気に混入する水しぶき等の原因により電極間のギャップが濡れると電気火花の発生が阻害され、失火、エンジン出力低下、およびエンジン停止等の害が知られていた。また、電極間のギャップを乾燥状態に維持できない水中あるいは半ば水中における可燃ガスへのスパーク点火は無理だと考えられていた。
【００４４】
そこで、本装置１０の点火器６は、従来の空間（ギャップ）放電でなく沿面放電を採用している。まず、テフロン（Ｒ）を材料とする絶縁体６３を挟持する第１電極６１と第２電極６２の間に高電圧印加手段６０からある程度の高電圧が印加された場合を例示する。このとき、テフロン（Ｒ）表面における微粉末等の汚損物質付着層による両電極６１，６２間の僅かな漏洩電流によるジュール熱により、点火位置９付近のテフロン（Ｒ）で構成される絶縁体６３が蒸発してプラズマ化した気体となり、沿面放電が生起する。更なる印加された高電圧大電流によって、圧入された可燃性ガス１３に点火するに十分な高温エネルギーが、両電極６１，６２間に空洞を形成することによって、可燃性ガス１３が空気・酸素と反応し、急激に膨張する。なお、実施例１では、約１００Ｊ（ジュール）のエネルギーを点火器６に付与することで、点火位置９付近の絶縁体６３が濡れていても失火しないという所望の効果が得られた。
【００４５】
また、本装置１０の点火器６において、点火位置９付近の絶縁体６３に沿面放電が発生する他の動作原理として、上述したテフロン（Ｒ）等で構成された絶縁体６３の点火位置９付近が、純水でない充填水（不純物混濁液）Ｗや汚染物の皮膜により濡れていた場合を例示する。このとき、空気や純水よりも導電率の高い不純物混濁液による充填水Ｗは、比較的容易にプラズマ化する。その結果、点火位置９付近の絶縁体６３が濡れていても、沿面放電（図１、図３（ｃ）点火工程）し、可燃ガス１３を爆発的な高速で燃焼する（図３（ｄ）膨張噴射工程）。つまり、点火位置９を水中でも放電点火させることが可能であり、失火し難いという所望の効果が得られた。
【００４６】
なお、船舶の航路が、海水か淡水かあるいはその他の混濁水かの違いによる電気抵抗の変化に応じて、点火器６の両電極６１，６２間における放電電圧を適宜切り替えて安定確実な放電を確保することが好ましい。例えば、海水を標準電圧として、淡水ならば２倍の高電圧に切り替えることにより、失火を避けることが可能である。
【００４７】
図３は、図１に示した本装置の運転中における各工程を説明するための断面図であり、（ａ）満水待機工程、（ｂ）可燃ガス圧入工程、（ｃ）点火工程、（ｄ）膨張噴射工程、（ｅ）燃焼完了工程、（ｆ）注水工程を示す。ここで、図３（ｆ）から説明する。まず、図３（ｆ）注水工程に示すように、本体燃焼室１が逆止弁４を順方向に通過して注入された充填水Ｗで規定量まで満たされた結果、図３（ａ）の満水待機工程となる。つぎに、図３（ｂ）の可燃ガス圧入工程では、可燃ガス圧入部５が、制御部８の命令により、圧縮空気と、可燃流体と、を着火容易かつ燃焼容易な混合比率に加減し、適切なタイミングで本体燃焼室１に圧入する。可燃ガス圧入部５は、可燃ガス１３を、本体燃焼室１の少なくとも点火位置９を覆うまで圧入する。
【００４８】
なお、可燃ガス供給管５４および可燃ガス圧入弁５３から供給される可燃ガス（可燃流体）は、気化ガソリン等のほか、空気（酸素）が混合される以前の生ガス、例えば水素やプロパンガスである場合も含まれる。一方、点火位置９を覆う可燃ガス１３は、最適比率で空気（酸素）が混合されている。いずれの場合でも、本明細書では可燃ガスと呼ぶ。
【００４９】
図３（ｃ）の点火工程では、点火器６が、制御部８のシーケンス制御による点火タイミングで、両電極６１，６２間の点火位置９に沿面放電を発生させる。その結果、着火炎１４が急激に拡大膨張し、図３（ｄ）の膨張噴射工程を経て、図３（ｅ）の燃焼完了工程に至る。図３（ｃ）の点火工程において、本体燃焼室１の容積に対する所定割合（例えば、１５％）だけ占めていた可燃ガスが、図３（ｅ）の燃焼完了工程では、瞬時に本体燃焼室１の容積全体を占有するまでに充填水Ｗを置換排除する。
【００５０】
図３（ｄ）膨張噴射工程および図３（ｅ）の燃焼完了工程に示すように、本体燃焼室１に残された充填水Ｗは、本体燃焼室１の容積に対して１００％以上の体積に膨張する燃焼ガス１５で置換排除される。置換排除された充填水Ｗは、噴射口２を通じて噴射ノズル３により後ろ向きに整えられた噴射水３１となって後方へ強く噴射される。その噴射の反動により、本体燃焼室１は前向きに強力な推進力Ａを発生する。このような流体噴射の反動による推進力は、ロケットで知られているとおりである。つまり、本装置１０は、スクリュー、タービン又は回転駆動軸といった回転部分を不要とする簡素な構成にもかかわらず、強力な推進力Ａを発生させることが可能である。
【００５１】
図３（ｅ）の燃焼完了工程では、充填水Ｗの１００％が、高温高圧の燃焼ガス１５により置換排除される。その後、図３（ｆ）注水工程に示すように、本体燃焼室１の内部に残存する燃焼ガス１５が常温まで冷却収縮することによって、真空に近い低圧部分Ｖを生じる。その結果、図３（ｆ）の注水工程において、比較的大口径の逆止弁４の弁作用による外から内向きに流入する充填水１６と、噴射口２から僅かながらも流入する外部の水Ｗａと、により本体燃焼室１の内容積の大部分を、例えば、数秒以下の短時間で満水させる。なお、図３（ａ）満水待機工程において、図とは異なるが、本体燃焼室１の内部に多少の残渣ガス等の気体が残存した状態で、つぎの可燃ガス圧入工程へと進んでも構わない。
【００５２】
図４は、実施例１，２に係る本装置の動作タイミングを説明するためのタイムチャート（グラフ含む）であり、（ａ）〜（ｆ）各図ともに横軸は時間（ｓ）である。図４（ａ）〜図４（ｃ）の縦軸は、制御信号のＨｉｇｈ／Ｌｏｗのレベルを示しており、実施例１ないし実施例２における一連の動作を制御するために制御部８で生成される制御信号を例示している。すなわち、図４（ａ）は空気圧入弁開信号８１、図４（ｂ）は可燃ガス圧入弁開信号８２、図４（ｃ）点火スイッチＯＮ信号８３である。
【００５３】
図４（ｄ）〜（ｆ）は、各図別に縦軸が異なり、図４（ｄ）は可燃ガスの注入速度（ｍ３／ｓ）、図４（ｅ）は点火器６への印加電圧（ｋＶ）、図４（ｆ）はノズル出口の噴射速度（ｍ３／ｓ）を例示している。図４（ｄ）〜（ｆ）は、図３（ａ）〜（ｅ）に示した各工程における現象を定量的にグラフ表示している。
【００５４】
図４（ｄ）可燃ガスの注入速度（ｍ３／ｓ）は、図３（ａ）満水待機工程から、図３（ｂ）可燃ガス圧入工程を経て、図３（ｃ）点火工程に至るまでの期間において、緩慢な注入速度で注入開始する。この可燃ガス１３は、時間とともに注入速度を増加させ、注入速度がピークを過ぎた時点で急減して注入停止する。図４（ｄ），（ｅ）に示すように可燃ガス１３の注入速度がピークを過ぎ容器１を必要十分に満たした時点で点火される。
【００５５】
図４（ｅ）に示すように、点火器６への印加電圧（ｋＶ）は、瞬時に立ち上がって急峻に下がる鋸歯状の１波、又は不図示であるが上下する複数パルスである。なお、本装置１０において、鋸歯状の１波のみで点火器６に沿面放電させて可燃ガス１３に着火する旨を図示しているのは、説明を簡素にした一例に過ぎない。失火のない確実な着火を目的として、不図示の連続パルスによる沿面放電を採用しても構わない。
【００５６】
図４（ｆ）に示すノズル出口の噴射速度（ｍ３／ｓ）は、図３（ｃ）点火工程から図３（ｄ）膨張噴射工程を経て図３（ｅ）膨張行程に至るまでの期間における噴射水３１の流れを定量的にグラフ表示している。図４（ｅ）および図４（ｆ）のグラフにおいて、点火から僅かに遅れて可燃ガス１３に着火した直後、本体燃焼室１内部で急膨張した燃焼ガス１５により、充填水Ｗが置換排水される。置換排水された充填水Ｗは、ノズル３から噴射水３１となって噴射される。噴射水３１は、噴射速度が瞬時に立ち上がった後、漸減しながら静止するよう推移する。
【００５７】
なお、図４（ａ）空気圧入弁開信号８１、すなわち空気導入タイミングと、図４（ｂ）可燃ガス圧入弁開信号８２、すなわち燃料導入タイミングと、は同時でなくてもよい。また、図４（ｃ）点火スイッチＯＮ信号８３のタイミングも含め、後述する実施例２において、本体燃焼室１ａ（図５）の大きさ、燃料の種類を考慮して最適設定を開示する。
【００５８】
噴射水３１は、本装置１０の後部に位置するノズル３から後方へと噴射される。その後方へ噴射する反作用により、本装置１０は前向きの推進力Ａが得られる。なお、本装置１０は、１つの船舶に対して複数を備えた多気筒構成することが好ましい。本装置１０を多気筒構成し、膨張工程を始めとする動作タイミングをずらすことにより、脈動を少なくして滑らかに連続する推進力を得ることが可能である。
【００５９】
本発明の実施例１に係る本装置１０は、ピストン、クランクシャフト、回転軸およびスクリュー等が不要であるほか、爆発音を伴う本体燃焼室１が船舶の喫水線Ｂ以下（水面下）に位置する。したがって、主要な駆動機構に摩擦する箇所が少なく、簡素な構造であり、潤滑油を漏洩するような水質汚染や騒音の発生が少なく、しかも、失火によるエンジン停止も少なく、取り扱いが容易な船舶推進装置を提供することが可能である。
【実施例２】
【００６０】
以下、図５〜図７を参照して本発明の実施例２について説明する。なお、実施例１も含めた各図にわたり、同一効果の部材や信号等については同一符号を付して説明を省略し、主に実施例１と実施例２との相違点について説明する。また、実施例２の本装置２０は、実施例１の本装置１０について、本体燃焼室１の形状を改良するとともに、図４を用いて説明した動作タイミングを図７に示すように最適化したものである。
【００６１】
図５は、本発明の実施例２に係る船舶推進装置（本装置）２０の概略を示す断面図である。図５に示すように、本装置２０は、本体燃焼室１ａが、直径Ｄ＝５０ｍｍ、長さＬ＝５００ｍｍの筒状容器であり、基本的形状は実施例１で示した本装置１０の本体燃焼室１と大差なく、動作原理もほぼ同じである。しかし、最大の相違点として、本装置２０には副燃焼室２１が配設されている点がある。その副燃焼室２１は、内部空間が本体燃焼室１ａに連通するとともに、他から抜きん出た高い位置に付設されている。この副燃焼室２１に点火器６が配設されている。この点火器６の点火位置９も高い位置であるため、充填水Ｗに水没することを免れ易い。なお、図１および図５に示したように、点火器６へは防水した給電線によって点火エネルギーが伝送されるので、点火位置９が水面下にあるかどうかは一連の点火・推進の機能に影響しない。
【００６２】
図６は、図５に示した本装置２０の運転中における各工程を説明するための断面図であり、（ａ）満水待機工程、（ｂ）可燃ガス圧入工程、（ｃ）点火工程、（ｄ）膨張噴射工程、（ｅ）燃焼完了工程、（ｆ）注水工程を示す。これら各工程および動作原理も実施例１で示した本装置１０と大差なく、制御部８のシーケンス制御も基本的にほぼ同じである。しかし、本装置２０の相違点は、副燃焼室２１の付設された本体燃焼室１ａの形状・寸法を特定した点に加えて、燃料を水素に特化しているため、空気と可燃ガスを圧入する弁の開閉タイミングおよび点火のタイミングを最適化した点である。
【００６３】
燃料に水素を採用した本装置２０は、最適の運転を目指して以下の好適な条件を見出した。まず、図６（ｂ）可燃ガス圧入工程では、空気圧５気圧、水素ガス５気圧を副燃焼室２１に圧入する。その際、空気圧入弁５１と、可燃ガス圧入弁５３と、それぞれの開弁時間を約０．１秒に設定した。つぎに、図６（ｃ）点火工程では、副燃焼室２１に空気と燃料が満たされつつあるタイミングで、両電極６１，６２間に放電可能な高電圧・高エネルギーのパルス電圧を印加して空気と水素が混合された可燃ガス１３に点火する。このとき、点火器６は、可燃ガス１３の圧入が終わる前に放電着火する。
【００６４】
図７は、実施例２に係る本装置２０の動作タイミングを制御する制御信号のタイムチャートであり、（ａ）空気圧入弁開信号８１、（ｂ）可燃ガス圧入弁開信号８２、（ｃ）点火スイッチＯＮ信号８３、（ｄ）充電スイッチＯＦＦ信号８４を示す。
【００６５】
図７に示した制御信号を構成するそれぞれのパルスは、制御部８のシーケンス制御を実現するために具備されたタイミング生成用の時系列パルス発生器（不図示）により、各パルス間に設定される遅延時間を制御しながら発生される。点火に際しては、高電圧印加手段６０において、容量８μＦ〜１０，０００μＦのコンデンサＣを約３００Ｖに充電し、昇圧トランスＴの一次側コイルにそのエネルギーを入力することで、二次側から１万Ｖ〜５万Ｖの電圧を出力する。その結果、昇圧トランスＴより出力される１万Ｖ〜５万Ｖの電圧が両電極６１，６２間に印加されることにより、点火位置９で沿面放電する。
【００６６】
図８は、図２（ｃ）の高電圧印加手段の変形例の一次側回路のみを示す要部回路図である。なお、一次側回路とは、コンデンサＣに充電されたエネルギーを、昇圧トランスＴの一次側コイルに入力する回路であり、点火ＳＷ１が閉じられることによって、コンデンサＣから昇圧トランスＴへとエネルギーが転送される。図８の回路が、図２（ｃ）の回路に対して異なる点は、点火ＳＷ１とコンデンサＣとの配置が入れ替わったことである。しかし、点火ＳＷ１および充電ＳＷ２の機能に変わりなく、図２（ｄ）に示すタイミングで開閉動作も行う。なお、抵抗Ｒを高めの抵抗値に設定することにより、図８の回路における充電ＳＷ２を省略して常時ＯＮにしても構わない。
【００６７】
実施例２の本装置２０では、推進点火を始める前、すなわち、機関の起動前において、容器１ａ内部の点火器６の両電極６１，６２間は、水により濡れている場合が多い。そのため、実施例１の本装置１０と同じく大きな点火エネルギーにより、沿面放電で可燃ガス１３を点火する必要がある。しかし、一旦点火し、着火および燃焼すれば、この両電極６１，６２前の副燃焼室２１の空間は、圧入した空気中の成分である乾燥窒素を主体とした未燃焼残渣で満たされる。したがって、両電極６１，６２間は乾いている。そのため、必要な点火エネルギーを実施例１の場合よりも小さくすることが可能になる。つまり、乾いた両電極６１，６２間は、沿面放電モードに依らず、両電極６１，６２間の直接の気体間放電モードとなり、少エネルギーでの直接点火が繰り返されることとなる。
【００６８】
副燃焼室２１の機能等については以下のとおりである。まず、図６（ｂ）に示すように、本装置２０の起動時における副燃焼室２１の内容は、空気圧入弁５１を通して導入された空気と、可燃ガス供給弁５４を通して導入された燃料の水素である。また、図６（ａ）に示すように、２回目以降の点火燃焼における副燃焼室２１の内容は、空気と燃料との燃焼反応で生じた残渣ガス１６による気体層で占められる。副燃焼室２１の天井には、点火器６の両電極６１，６２が、絶縁体６３を介する至近距離で露出し、点火位置９を形成している。このように、副燃焼室２１の天井に露出するように配設された点火位置９は、喫水線Ｂ直下の水圧と均衡する残渣ガス１６で覆われている。したがって、点火位置９は、海水等、外部の水Ｗａが押し寄せても、気体層が安定して保持されるので水没せず、濡れることも少ない。
【００６９】
その結果、淡水や海水等、外部の水Ｗａで本体燃焼室１ａが満たされたときであっても、点火器６の前面の点火位置９は、水濡れを防止するための機構を追加して設ける必要もなく、常に気体層を保持し、乾燥状態を維持し易い。この気体層を両電極６１，６２間の点火位置９に保持することで、より低電力で沿面放電できることが明らかになった。なお、副燃焼室２１が水中にあるか空気中にあるかは、この副燃焼室２１と沿面放電の容易さに対して無関係である。ただし、副燃焼室２１を水中に配設することによって、放電時に発生するアーク放電および爆発の騒音を低減できるという利点がある。
【００７０】
以上説明したように、本発明によれば、主要な駆動機構に摩擦する箇所が少なく簡素な構造であり、潤滑油の漏洩による水質汚染や騒音の発生が少なく、しかも、取り扱いが容易な船舶推進装置１０，２０を提供することが可能である。さらに、燃料として水素を用いる実施例２の本装置２０によれば、燃焼した結果、発生する排気成分は水蒸気のみであるため、大気・水質汚染は皆無である。また、実施例２の本装置２０は、実施例１の本装置１０に無かった副燃焼室２１が高い位置にあるため、この副燃焼室２１を喫水線Ｂ以下に常時水没させる設定にすることにより、アーク放電音や爆発音等による騒音の発生も低く抑えられる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明に係る船体推進装置は、航路の水質が海水か淡水か、水深が深いか浅いか、あるいは船舶の大小や用途を問わず、各種の船舶に用いられる可能性がある。特に、スクリューが不要である点で、浅い水深の航路に好適な利用可能性がある。
【符号の説明】
【００７２】
１，１ａ  本体燃焼室、２  噴射口、３  ノズル、４  逆止弁、５  可燃ガス圧入部、６  点火器、７  燃料供給部、８  制御部、９  点火位置、１０，２０  船舶推進装置（本装置）、１２  液体燃料、１３  可燃ガス、１４  着火炎、１５  燃焼ガス、１６  残渣ガス、２１  副燃焼室、２２  満水センサ、３１  噴射水、５１  空気圧入弁、５２  圧縮空気供給管、５３  可燃ガス圧入弁、５４  可燃ガス供給管、５５  圧縮機、５６  圧縮空気タンク、５７  ガスボンベ、５７ｈ  水素ボンベ、５８  圧力調整器、５９  気化器、６０  高電圧印加手段、６１  第１電極、６２  第２電極、６３  絶縁体、６４  高電圧電源、６５  満水検知手段、８１  点火スイッチＯＮ信号、８２  充電スイッチＯＦＦ信号、Ａ  推進力、Ｂ  （船体の）喫水線、Ｃ  コンデンサ、Ｌ  昇圧トランス、Ｅ  直流電源、Ｒ  抵抗、ＳＷ１  点火スイッチ、ＳＷ２  充電スイッチ、Ｖ  低圧部分、Ｗ  充填水、Ｗａ  外部の水
【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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