(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エンジンであって、
各ロータがそれぞれ、２つのケーシング（５、６、６'）の一方に取り付けられ、第１のロータ（３）が低圧段（１）に属し、第２のロータ（４、４'）が高圧段（２、２'）に属し、各段（１、２、２'）が、そのロータ（３、４、４'）と、圧縮機（１５、１６、９０）として知られている気体圧縮手段と膨張器（１７、１８、９０）として知られている気体膨張手段とを組み合わせた、関連する固定流体準備部材（９,１０，１３，１４，８９，９１，９２，９３）を備える、２つの独立したロータ（３、４、４'）と、
少なくとも１つの燃焼室（１９、２０）において、前記２つのロータ（３、４、４'）およびそのケーシング（５、６、６'）によって燃焼室のベースの所に形成され、かつ内側半径方向位置で、第１のほぼ円筒形の壁（２２）によって燃焼室の横方向面の所に形成されたほぼ円筒形の中央体積内に位置することを特徴とする少なくとも１つの燃焼室（１９、２０）と
を有し、
前記第１の壁は、中間半径方向位置にあって第２のほぼ円筒形の壁（２３）とほぼ同軸であり、前記第１の壁と前記第２の壁は、それらの間に、前記高圧段の圧縮機（１６、９０）の出口を第１の燃焼室（１９）の入口に連結する第１のダクト（２６）を形成し、
前記第２の壁（２３）は、外側半径方向位置にあって第３のほぼ円筒形の壁（２４）とほぼ同軸であり、前記第２の壁と前記第３の壁は、それらの間で、かつ前記第１のダクト（２６）の外側に、前記低圧段（１）の圧縮機（１５）の出口を前記高圧段（２、２'）の前記圧縮機（１６、９０）の入口に連結する第２のダクト（２５）を形成し、
前記第１の燃焼室（１９）の前記出口は、燃焼によって発生し、前記高圧段（２、２'）の前記膨張器（１８、９０）の出口から、燃焼によって発生する気体用の少なくとも１つの排気開口部（４１）を経て前記エンジンのケーシング（２４、２７、３１）の外側と出口が連通している前記低圧段（１）の膨張器（１７）の入口に案内される気体を、前記高圧段（２、２'）の前記膨張器（１８、９０）に供給する
熱エンジン。
【請求項２】
前記の２つの独立したロータ（３、４、４'）が同軸（ＸＸ）である、請求項１に記載の熱エンジン。
【請求項３】
空気などの低圧圧縮気体の流れ用の前記第２の環状外側ダクト（２５）を半径方向外側に形成する前記第３の壁（２４）を有する、前記エンジンの前記ケーシング（２４、２７、３１）は伝熱性材料で作られている、請求項１または２に記載の熱エンジン。
【請求項４】
前記ケーシング（２４、２７、３１）はその外面および／または内面上にフィン（４８）および／またはスパイク（４８'）を備えている、請求項３に記載の熱エンジン。
【請求項５】
空気などの高圧圧縮気体の流れ用の前記第１の環状内側ダクト（２６）は、半径方向外側に断熱材料の中間ケーシングとして配置され、前記ダクト（２６）を第２のダクト（２５）から分離する前記第２の壁（２３）と、半径方向内側に伝熱材料の内側ケーシングとして配置され、前記ダクト（２６）を前記第１の燃焼室（１９）から分離する前記第１の壁（２２）との間に形成されている、請求項１から４のいずれか1項に記載の熱エンジン。
【請求項６】
前記低圧段（１）の前記膨張器（１７）から放出される前記気体の外部への排気は、前記第１のロータ（３）の軸（ＸＸ）に対して実質的に半径方向外側に延びる互いに分離した複数のダクト（４１）によって確実に行われる、請求項１から５のいずれか一項に記載の熱エンジン。
【請求項７】
前記２つのロータ（３，４）間の中央体積内に収容された２つの燃焼室（１９、２０）を有し、前記２つの燃焼室のうちの、主燃焼室（１９）と知られ、前記第１のダクト（２６）を経て前記高圧段（２）の前記圧縮機（１６）から出る、空気などの高圧圧縮気体が供給される第１の燃焼室は、実質的に前記第２のロータ（４）の前記軸（ＸＸ）の方向に前記高圧段（２）の前記膨張器（１８）の前記入口の方へ細くなり、前記高圧段（２）の出口（３８）は、二次燃焼室（２０）として知られ、前記第１の環状燃焼室（１９）によって囲まれる前記第２の燃焼室の入口に至り、前記第２の燃焼室は、前記低圧段（１）の前記膨張器（１７）の入口に半径方向外側に向かって連結された第２の燃焼室の出口の方へ軸方向に細くなり、前記２つの燃焼室（１９、２０）内の気体の流れは、実質的に軸方向に互いに逆の両方向に生じる、請求項１から６のいずれか一項に記載の熱エンジン。
【請求項８】
前記２つの燃焼室（１９、２０）は、前記２つの燃焼室（１９、２０）の互いに反対方向の細くなった経路を形成するように形作られた、伝熱材料で作られたほぼ円錐形の中央仕切り壁（２１）によって互いに分離されている、請求項７に記載の熱エンジン。
【請求項９】
一方の内壁（３９）が、前記低圧段（１）の前記膨張器（１７）の出口（４０）を囲み、第２の内壁（４２）が、前記少なくとも１つの燃焼室（１９、２０）および前記高圧段（２）の前記膨張器（１８）から放出された、燃焼によって発生した気体を半径方向外側に送る、実質的に半径方向の２つの断熱性内壁（３９、４２）間に、前記低圧段（１）の前記膨張器（１７）から放出された前記排気を外部に向けて排出するダクト（４１）が形成されている、請求項６に記載の熱エンジン。
【請求項１０】
前記両ロータ（３、４）のうちの少なくとも１つの軸（ＸＸ）に対する実質的に半径方向の寸法と実質的に軸方向の寸法の比が約１である、請求項１から９のいずれか一項に記載の熱エンジン。
【請求項１１】
前記低圧段（１）は、前記第１のロータ（３）の前記ケーシング（５）に対して固定された羽根を有する環状のデフューザ（９）の半径方向内側で回転する、遠心圧縮機（１５）の羽根車（７）を前記エンジンの外側を向いた面上に有し、かつ前記第１のロータ（３）の前記ケーシング（５）に対して固定された羽根を有する環状の求心ディストリビュータ（１３）の半径方向内側で回転する、ラジアルタービン（１７）の羽根車（１１）を、前記第１のロータ（３）の内面上に有する前記第１のロータ（３）を有し、前記圧縮機（１５）と前記タービン（１７）の前記羽根車（７、１１）は、前記第１のロータ（３）の軸であるそれらの共通の軸（ＸＸ）の周りを回転できるように互いに連結されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の熱エンジン。
【請求項１２】
前記高圧段（２）は前記低圧段（１）の構造と同様の構造を有し、前記２つの段は互いに対して反転されており、前記高圧段（２）は、前記第２のロータ（４）のケーシング（６）に対して固定された羽根を有する環状のデフューザ（１０）の半径方向内側で回転する、遠心圧縮機（１６）の羽根車（８）を前記エンジンの外側を向いた面上に有し、かつ前記第２のロータ（４）の前記ケーシング（６）に対して固定された羽根を有する環状の求心ディストリビュータ（１４）の半径方向内側で回転する、ラジアルタービン（１８）の羽根車（１２）を、前記第２のロータ（４）の内側面上に有する前記第２のロータ（４）を有し、前記圧縮機（１６）と前記タービン（１８）の前記羽根車（８、１２）は、前記第２のロータ（４）の軸であるそれらの共通の軸（ＸＸ）を中心として回転できるように互いに連結されている、請求項１１に記載の熱エンジン。
【請求項１３】
前記高圧段（２'）は、空気などの気体の圧縮と燃焼した気体の膨張との間のエネルギーの伝達が、流路（９０）を有する羽根車（４'）の内側で、前記流路（９０）内の前記気体と前記燃焼した気体との直接接触と、前記流路付き羽根車（４'）の前記流路（９０）内の膨張波および圧縮波の変位に基づくプロセスとによって起こる、「ウェーブロータ」として知られているウェーブ圧縮機−膨張器を有し、前記「ウェーブロータ」は、気体（空気）用の給気口（８９）と、第１の燃焼室（１９）に連結された、圧縮気体（空気）用の出口（９２）と、前記第１の燃焼室（１９）の前記出口から放出される前記燃焼した気体用の給気口（９１）と、第２の燃焼室（２０）に向かう、前記燃焼した気体用の排気口（９２）とを有し、該当する場合には、前記低圧段（１）の前記膨張器（１７）を有する、請求項１１に記載の熱エンジン。
【請求項１４】
前記ロータ（３、４）は軸方向および半径方向において気体軸受（４４、４５、４６、４７）によって支持されている、請求項１から１３のいずれか一項に記載の熱エンジン。
【請求項１５】
前記第２のダクト（２５）を半径方向外側に形成する、前記エンジンの前記ケーシング（２４−２７−３１）は、加圧水蒸気を発生し、かつ前記熱エンジンを前記外部から断熱して、熱エンジン用に構成されたリセプタクルに熱エンジンを組み込むのを容易にするようになっている、不浸透性の密閉水タンク（５１）に少なくとも部分的に浸漬されている、請求項１から１４のいずれか一項に記載の熱エンジン。
【請求項１６】
前記タンク（５１）の第１のチャンバ（５６）で発生した水蒸気は、それが前記低圧段（１）の前記膨張器（１７）内に流入する前に、前記少なくとも１つの燃焼室（１９、２０）から放出される、燃焼によって発生した気体と混合するように、それ自体が前記低圧段（１）の前記膨張器（１７）の前記入口と連通する第２のタンクチャンバ（５４）と連通する弁（５８）によってその圧力が調節される、請求項１５に記載の熱エンジン。
【請求項１７】
前記低圧段（１）の前記膨張器（１７）から放出される前記気体および水蒸気は、前記タンク（５１）内の水を確実に予熱するように、別々のダクト（４１）を経、周囲の環境に放出される前に前記水タンク（５１）を通過して（５５）排出される、請求項１５または１６に記載の熱エンジン。
【請求項１８】
前記低圧段（１）の前記圧縮機（１５）から放出された気体（空気）の流れが２つの流れに分割され、一方は、前記高圧段（２）の前記圧縮機（１６）の方を向き、他方は、有効出力の、空気圧の形での利用（６０）の方を向いている、請求項１から１７のいずれか一項に記載の熱エンジン。
【請求項１９】
前記低圧段（１）の前記圧縮機（１５）によって送られる前記有効出力に対応する、低圧圧力気体（空気）の流れは、発電機（６５−６６）が、少なくとも１つの電源コンセント（７５）によって少なくとも１つの電気消費者ユニットに接続された電池（７２）に電力を供給するタービン発電機（６８）のタービン（６１）に供給される、請求項１８に記載の熱エンジン。
【請求項２０】
前記電気タービン発電機（６８）は、前記２つのロータ（３、４）を囲む前記エンジンケーシングと、前記少なくとも１つの燃焼室（１９、２０）と、低圧および高圧の圧縮気体（空気）ならびに燃焼によって発生した低圧および高圧の気体の流れ用のダクト（２５、２６）から断熱される（６７）、請求項１９に記載の熱エンジン。
【請求項２１】
前記タービン発電機（６８）の前記発電機（６５−６６）は磁気式の発電機であり、前記タービン発電機（６８）の前記ラジアルタービン（６１）の羽根車（６３）の１つの面上に取り付けられた少なくとも１つの永久磁石（６５）を、前記ラジアルタービン（６１）の前記羽根を有する面の反対側に有し、前記少なくとも１つの永久磁石（６５）は、前記タービン発電機（６８）の前記ラジアルタービン羽根車（６３）に回転可能に連結され、かつ前記発電機（６５−６６）の少なくとも１つの平坦なアーマチュアコイル（６６）と向かい合って回転する、請求項１９または２０に記載の熱エンジン。
【請求項２２】
前記タービン発電機（６８）の前記発電機（６５−６６）から電力を供給される前記電池（７２）自体が、少なくとも１つの燃料供給ダクト（４９、４９'）を経て燃料が噴射される前記少なくとも１つの燃焼室（１９、２０）内の前記気体（空気）／燃料混合物用の少なくとも１つの電気点火装置に電力を供給する、請求項１９から２１のいずれか一項に記載の熱エンジン。
【請求項２３】
前記タービン発電機（６８）の前記発電機（６５−６６）から電力を供給される電池（７２）自体が、前記水タンク（５１）のチャンバ（５６）内に配置された少なくとも１つの抵抗発熱体に電力を供給し、発熱抵抗体（７７）を有する電気始動装置によって前記熱エンジンを始動させるように、前記低圧段（１）の前記膨張器（１７）に供給される加圧水蒸気を発生する、請求項１９から２２のいずれか一項に記載の熱エンジン。
【請求項２４】
前記低圧段（１）の前記圧縮機（１５）から放出される低圧圧縮気体（空気）の流れは、逆止め弁を開いた後で、かつ前記タービン発電機（６８）の前記ラジアルタービン（６１）の前記羽根車（６３）を囲む固定羽根を有する環状の求心ディストリビュータ（６２）、または前記タービン発電機（６８）の前記ラジアルタービン（６１）を囲む渦形室を通じて、前記タービン発電機（６８）の前記ラジアルタービン（６１）に供給される、請求項１９に記載の熱タービン。
【請求項２５】
固体推進薬（８０）を使用する始動装置（７９）であって、前記固体推進薬の燃焼によって得られる気体流が、前記エンジンケーシングの半径方向端面の少なくとも１つの入口（８６）を経て送られ、前記低圧段（１）の前記ロータ（３）を回転させるように、電池（７２）による前記固体推進薬（８０）の点火（８２）による気体発生装置として構成されている、固体推進薬（８０）を使用する始動装置（７９）を備えている、請求項１から２４のいずれか一項に記載の熱エンジン。
【請求項２６】
気体発生装置として構成された前記始動装置（７９）は、前記熱エンジンを始動するたびに備えられる固体推進薬カートリッジ（８０）を受け入れ、前記気体発生装置は、前記低圧段（１）のロータ（３）を回転させるように、少なくとも１つの準接線方向入口（８６）を経て前記熱エンジンの前記ケーシングの内部に連結されている、請求項２５に記載の熱エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力が１０ワットから約１ｋＷまで、すなわち、超小形タービンエンジンの分野の上限までの範囲である、一般的なタービンエンジン型の高効率熱エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような超小形タービンエンジンは、特に、このようなエンジンに関する詳細について参照すると有利な米国特許５，９３２，９４０および６，３９２，３１３から公知である。これらの特許は、構成部品が同一の材料、好ましくはＳｉＣで作られ、様々な構成部材または部品を、ＭＥＭＳ（「マイクロエレクトロメカニカルシステム」）として知られている電子機械マイクロシステムを製造する方法、特に二次元機械加工によって得ることができる、特にガスタービン、ターボ圧縮機、タービン発電機、ターボポンプ、ターボリアクタ、これら構成の様々な組合せのようなターボ機械の様々な実施形態に関する。
【０００３】
マイクロガスタービン型のこのような熱マイクロエンジンに考えられる主要な用途は、マイクロドローン推進や、ロボット、ポータブルシステム、マイクロサテライト、アクチュエータ、および電子回路の冷却用の機械的エネルギー、空気圧エネルギー、または電気エネルギーの「搭載（ｏｎｂｏａｒｄ）」として知られている自律的なまたは個別の供給である。上記に列挙した例は網羅的なものではない。
【０００４】
最近、熱マイクロエンジンは、その熱収量が十分であるという条件で、比出力および比エネルギーの点で電池の代用となることが明らかになっており、提案されている様々な熱マイクロエンジン構成では共通して、そのエネルギーがマイクロ燃焼または発熱化学反応から得られている。事実、発電に燃焼プロセスを使用することは、従来の電池と比べて、単位質量当たりエネルギー蓄積量と、単位体積当たり発電量の点で非常に有利である。提案されている様々な種類の熱エンジンのうちで、超小形ガスタービンは、比出力およびエネルギーの点でその可能性が大きいため特に重要である。
【０００５】
上記の２つの米国特許が関係するマイクロシステムの基本はマイクロガスタービンであり、これには２つの形態、すなわち、小径ロータ（４ｍｍ）と２枚のディスクが軸によって連結された形態、および２倍の直径を有し２枚の取り付けられたディスクを有する他の形態が提案されている。
【０００６】
マイクロタービンの主要な構成部材は、燃焼室と、最初の形態では、５００ｍ／ｓ程度の周速度で回転する同一の中空の軸上に取り付けられた遠心圧縮機およびラジアルタービンである。圧縮機のロータの上方に位置する発電機／モータは、動作中に電気エネルギーを生成する役割と、マイクロタービンの起動時に圧縮機とタービンに共通の軸を駆動する役割を有する。燃料は、半径方向に圧縮機羽根車を囲む羽根付きデフューザの下流に噴射され、燃焼室に入る前に、遠心事前混合流路内のデフューザから出た圧縮空気の流れと混合され、燃焼ガスは、タービンのロータ上に開く求心流路を経て、半径方向にタービンのロータを囲む羽根付きディストリビュータを通じて燃焼室に放出される。ロータ軸は、高速回転のために気体軸受によって案内される。
【０００７】
一実施例では、これらの様々な部材は、まず、各層が公知のイオンマイクロエッチング方法によって得られる６つのＳｉＣ層を積み重ねて揃えることによって、耐熱セラミクスで作られ、この場合、高速回転によって生じる応力と、マイクロガスタービン用に選択されるサイクル、たとえばブレイトンサイクルまたは従来のガスタービンサイクルの高温に耐えることができるためにＳｉではなくてＳｉＣが選択される。
【０００８】
上記の２つの米国特許で提案された第２のマイクロタービン形態では、マイクロタービンの直径が２倍であり（２１ｍｍ）、圧縮機とタービンディスクがそれらの互いに向かい合う面によって、対応する圧縮機またはタービン羽根に取り付けられている。これは、ディスク摩擦による空気力学的損失を低減させるという点で好ましい構成であり、軸方向容積を減らすことによってロータの機械的強度を補強すると考えられ、タービン側のディスクの直径がかなり小さくされ、その厚さが増し、最後に、圧縮機入口とタービン排気口が中央ボディを囲んでおり、気体スラスト軸受の形をしたスラスト軸受をこの位置に設けることができる。
【０００９】
この種のタービンエンジンに関し、このようなタービンエンジンで生じ、エネルギー性能を低下させる熱混合物を生じさせる、激しい内部熱伝導を考慮した論文である、Y. Ribaud "Overall thermodynamic study of an ultra micro turbine, Journal of Thermal Science Vol. 13, No. 4, Nov. 2004"に記載された全般的なエネルギーの研究は、この構成および構造が空気熱力学の点で好ましくないことを示している。
【００１０】
実際、これらのタービンエンジンの燃焼室は、環状で、軸方向に平坦であり、ほぼタービンエンジンのロータの周りを覆っており、その結果、横方向断面積が広く、かつ作動ガスとの接触面積が広く、したがって、かなりの熱漏れが生じるため、これらのタービンエンジンの燃焼室では、燃焼が不完全になり点火が困難になる恐れがある。さらに、圧縮機およびタービンは、特に第２の形態では、圧縮機およびタービンディスクが取り付けられた交換器としても動作し、このことは、熱伝導の点からは非常に好ましくなく、そのため、圧縮機内の再加熱は圧縮比に不利となり、したがって、有効出力が低下し、タービンを冷却すると、同時に利用可能なエントロピーも低下し、したがって有効出力が低下する。この非常に有害な熱混合物は、これらのタービンエンジン構成部材を製作するために、伝導率の高い単一の材料、具体的には単結晶シリコンカーバイドを使用するため、いっそう顕著である。さらに、単結晶シリコンカーバイドの機械加工は非常に困難であり、したがってコスト価格が産業レベルでは過度に高いものになる。さらに、この種のタービンエンジンに付属する磁気式発電機は、高温に晒され、高温が、キューリー点に達したときに減磁を引き起こすことがあるため不利である。
【００１１】
この第２のマイクロタービン形態に基づいて、派生形態が最近、"Micro Combustion Principles Dedicated To Micro-Turbines" O. DESSONES, C. DUMAND, D. GAFFIE, J. GUIDEZ and Y. RIBAUD著、POWERMEMS 2003、日本幕張、で提案された。この形態では、燃焼室はもはやロータの周りを覆わず、「表面」ではなく「体積内」に配置された別個のチャンバの形をしたロータに対して軸方向にずれており、たとえば成形やレーザマイクロマシーニングによって別個に混成マイクロタービン構造に形成することができる。
【００１２】
このような混成構造は、横方向断面積を小さくして、燃焼室の体積を使用される燃料の種類に合わせるのが可能になり、外部と熱を交換する表面積が小さくなり、熱収量をかなり向上させるために幾つかの部品に絶縁材料を使用することが可能になり、上記の米国特許の軸方向排気よりエネルギーの点でより好ましい、半径方向であってよいラジアルタービン排気が得られるという利点を有する。
【００１３】
しかし、この派生形態による、上記の２つの米国特許によるマイクロタービンの上述の欠点を不完全にしか解消しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の基本となる問題は、上記の米国特許によるマイクロタービンエンジンの上述した主要な欠点を解消し、かつ特に、提案されたいくらか一般的な構造を１０〜３００ｋのオーダのより高出力の熱エンジンに適用することができ、したがって、機械、空気圧、電気の形をした自律式の「搭載」エネルギーが利用可能になるという点で、従来技術のマイクロタービンエンジンより様々な実用的な要求に適しており、さらに、好ましくは、製造業者が、ＳｉＣのような、機械加工が非常に困難な伝導性の高い材料を使用する必要を無くし、したがって、複数の種類の材料（Ｓｉ、セラミクス、合金）、すなわち、これらの様々な材料で作られた様々な構成部材によって実現される機能に応じて導電性であっても絶縁性であってもよい材料の選択を可能にする熱マイクロタービンエンジン構造を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このために、本発明は、熱エンジンであって、
各ロータがそれぞれ、２つのケーシングの一方に取り付けられ、第１のロータが低圧段に属し、第２のロータが高圧段に属し、各段が、そのロータと、圧縮機として知られている気体圧縮手段と膨張器として知られている気体膨張手段を組み合わせた、関連する固定流体準備部材を備える、２つの独立したロータと、
少なくとも１つの燃焼室において、２つのロータおよびそのケーシングによって燃焼室のベースの所に形成され、かつ内側半径方向位置で、第１のほぼ円形の壁によって燃焼室の横方向面の所に形成されたほぼ円筒形の中央体積内に位置することを特徴とする少なくとも１つの燃焼室と
を有し、
第１の壁が、中間半径方向位置にあって第２のほぼ円筒形の壁とほぼ同軸であり、第１の壁と第２の壁がそれらの間に、高圧段の圧縮機の出口を第１の燃焼室の入口に連結する第１のダクトを形成し、
第２の壁が、外側半径方向位置にあって第３のほぼ円筒形の壁とほぼ同軸であり、第２の壁と第３の壁がそれらの間で、かつ第１のダクトの外側に、低圧段の圧縮機の出口を高圧段の圧縮機の入口に連結する第２のダクトを形成し、
第１の燃焼室の出口が、燃焼によって発生し、高圧段の膨張器の出口から、燃焼によって発生する気体用の少なくとも１つの排気開口部を経てエンジンのケーシングの外側と出口が連通している低圧段の膨張器の入口に案内される気体を、高圧段の膨張器に供給する
熱エンジンを提案する。
【００１６】
このような構造の利点は、実質的に軸方向では、２つのロータとそのケーシングとの間に形成され、かつ半径方向においては、壁同士の間に、半径方向内側から外側にかけて、高圧段圧縮機の出口と第１の燃焼室の入口との間に、高圧圧縮空気などの気体を運ぶダクトと、低圧段圧縮機の出口と高圧段圧縮機の入口との間に、低圧圧縮空気などの気体を運ぶダクトとを形成するほぼ同軸で円筒形の３つの壁の半径方向内側に形成された、エンジンのほぼ円筒形の中央体積内に燃焼室が取り付けられるため、高温の部品が、エンジンの中央体積内に集中するか、またはエンジンの内側を向いており、かつ伝熱材料で作られた内壁すなわちケーシングと外壁すなわちケーシングとの間に、少なくとも１つの中間壁またはケーシングを形成する断熱材料を選択することによって低温周辺部品から少なくとも部分的に断熱することのできる、「熱力学的コクーン（ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ  ｃｏｃｏｏｎ）」として構成されたタービンエンジン構成が作られる。さらに、２段構造を採用しているために、機械的応力が軽減されるように、各ロータの周速度を低くすることができ、さらに、従来技術の単一段の実施態様における速度より低い速度での気体軸受を容易に開発できる。さらに、２段構造によって圧縮比が高くなるため、エネルギーの点で非常に有利である。
【００１７】
より厳密に言えば、有利なことに、半径方向外側に向かって低圧圧縮気体流用の第２の環状外側ダクトを形成する第３の壁を有するエンジンの外側ケーシングは伝熱材料で作られ、好ましくは、その外面および／または内面上にフィンおよび／またはスパイクを備え、一方、高圧圧縮気体流用の第１の環状の内側ダクトは、半径方向外側に向かい、かつ第１のダクトを第２のダクトから分離する、断熱材料の中間ケーシングとして構成された第２の壁と、半径方向内側に向かい、かつ第１のダクトを第１の燃焼室から分離する、伝熱材料の内側ケーシングとして構成された第１の壁との間に形成される。このような技術的特徴は、タービンエンジンの高温部品（燃焼室および２つの膨張器）の、タービンエンジンの中央部への閉じ込め、および「低温」部品（最も低温の部品、特に２つの圧縮機）の、エンジンの周辺での保持を改善し、したがって、２つのロータが相互に反転させて取り付けられ、かつ少なくとも１つの燃焼室がエンジンの中央部の、互いに向き合うように配置された２つの膨張器間に配置され、一方、２つの圧縮機がエンジンの外側を向いているため、これらの部品の温度および熱流の制御が容易になる。
【００１８】
同じ理由で、低圧段の膨張器から放出される気体の外部への排気は有利なことに、第１のロータの軸に対して実質的に半径方向外側に向かって延びる別個のダクトによって確保される。
【００１９】
好ましい実施態様では、本発明による熱エンジンは、２つのロータ間の中央体積内に収容された２つの燃焼室を有し、２つの燃焼室のうちの、主燃焼室として知られ、第１のダクトを経て高圧段の圧縮機から出る、空気などの高圧圧縮気体を供給される第１の燃焼室は、実質的に第２のロータの軸方向に高圧段の膨張器の入口に向かって細くなり、高圧段の出口は、二次燃焼室として知られ、第１の環状の燃焼室に囲まれる第２の燃焼室の入口に至り、第２の燃焼室の入口に半径方向外側に向かって連結されたその出口の方へ軸方向に細くなり、２つの燃焼室内の気体の流れは、実質的に軸方向の互いに逆の両方向に生じる。
【００２０】
したがって、２つの燃焼室を有し、一方の燃焼室が他方の燃焼室を囲み、両方の燃焼室が、２つのロータの膨張器とそのケーシングとの間およびほぼ同軸で円筒形の３つの壁の内側に位置し、３つの壁のうちの中間壁が、有利なことに断熱性であり、燃焼によって生成された気体が、２つの燃焼室を逆流として通過し、それによって燃焼室の温度調節をさらに改善する、非常に効率的な熱エンジンが作られる。このために、２つの燃焼室は有利なことに、２つの燃焼室の逆流の細くなった経路を形成するように形作られた伝熱材料のほぼ円錐状の中央仕切り壁によって互いに分離される。
【００２１】
さらに、本発明によるエンジンの熱的平衡を改善するために、低圧段の膨張器から放出される排気を外部へ排出するダクトは有利なことに、実質的に半径方向の２つの断熱内壁間に形成され、一方の壁が、低圧段の膨張器の出口を囲み、第２の壁が、少なくとも一方の燃焼室および高圧段の膨張器から放出される、燃焼によって発生した気体を半径方向外側に向ける。
【００２２】
さらに、本発明による熱エンジンの「熱力学的コクーン」構造では、熱エンジンは有利なことに、少なくとも一方のロータの軸に対する熱エンジンの実質的に半径方向の寸法と軸線方向の寸法の比が約１になるようなエンジンである。
【００２３】
好ましい実施態様では、低圧段は、第１のロータのケーシングに対して固定された羽根を有する環状のデフューザの半径方向内側で回転する、遠心圧縮機の羽根車を、エンジンの外側を向いた面上に有し、かつ第１のロータのケーシングに対して固定された羽根を有する環状の求心（ｃｅｎｔｒｉｐｅｔａｌ）ディストリビュータの半径方向内側で回転するラジアルタービンの羽根車を、第１のロータの内面上に有し、圧縮機およびタービンの羽根車が、第１のロータの軸である共通の軸の周りを回転できるように連結されている。
【００２４】
この場合、第１の変形実施態様によれば、高圧段は低圧段と同様の構造を有し、２つの段は互いに対して反転されており、高圧段が、第２のロータのケーシングに対して固定された羽根を有する環状のデフューザの半径方向内側で回転する遠心圧縮機の羽根車を、エンジンの外側を向いた面上に有し、かつ第２のロータのケーシングに対して固定された羽根を有する環状の求心ディストリビュータの半径方向内側で回転するラジアルタービンの羽根車を、ロータの内面上に有する、第２のロータを有し、圧縮機およびタービンの羽根車が、第２のロータの軸である共通の軸の周りを回転できるように連結されている。
【００２５】
このように、低圧ターボ圧縮機段と高圧ターボ圧縮機段とを有し、低圧ターボ圧縮機段と高圧ターボ圧縮機段との間に、空気などの高圧圧縮気体と炭化水素系燃料との混合物の燃焼が、熱エンジンの様々な構成部材を適切な材料で作製するのを非常に容易にすると共に、ＭＥＭＳ技術に使用される製造方法より古くかつより経済的な製造方法、特に機械加工方法を実現する、半径方向と軸方向の両方の段を有する構成において、１つまたは２つの中央燃焼室内で確実に行われるタービンエンジンが作られる。
【００２６】
しかし、第２の実施態様によれば、高圧段は、ウェーブロータとして知られているウェーブ圧縮機−膨張器を有し、このウェーブ圧縮機−膨張器では、空気などの気体の圧縮と燃焼した気体の膨張との間のエネルギーの伝達が、気体（空気）および空気などの気体と流路内の燃焼した気体との直接的な接触と、膨張波の変位および流路を有する羽根車の流路内の膨張波および圧縮波の変位に基づくプロセスとによって流路を有する羽根車の内側で起こり、「ウェーブロータ」は、給気（空気）用の入口と、第１の燃焼室に連結された、圧縮気体（空気）用の出口と、第１の燃焼室の出口から放出される燃焼気体用の給気口と、第２の燃焼室に向かう燃焼気体用の排気口とを有し、該当する場合には低圧段の膨張器を有する。
【００２７】
「圧力交換器」として知られる、このようなウェーブ圧縮機−膨張器、すなわちウェーブロータは、実施例が、米国特許第２３９９３９４号および第２４６１１８６号が対応する古い特許ＤＥ第４８５３８６号およびＣＨ第２２５４２６号および第２２９２８０号に記載されている装置であり、これらの装置が、多数のより新しい特許に記載された多数の開発の主題になっている。
【００２８】
従来技術と同様に、本発明による熱エンジンのロータは有利なことに、気体軸受によって軸方向および半径方向に支持される。
【００２９】
上記の説明で定義されている本発明による熱エンジンは、タービン発電機と、固体推進薬を使用してよく、および／または電気的なものであってよい始動装置とを有する複合サイクル型のマイクロガスタービンを、抵抗発熱体と組み合わせたより複雑なシステムの中心部を構成するものであってよい。
【００３０】
この場合、半径方向または外部において第２のダクトを形成するエンジンのケーシングは、加圧水蒸気を生成し、かつ熱エンジンを外部から断熱して熱エンジン用に構成されたレセプタクルへの熱エンジンの組込みを容易にするようになっている、好ましくは二重壁で不浸透性の密閉水タンクに少なくとも部分的に浸漬させることができる。
【００３１】
有利なことに、この複合サイクル熱エンジンでは、タンクの第１のチャンバ内で発生した水蒸気は、水蒸気が低圧段の膨張器に流入する前に、少なくとも１つの燃焼室から放出される燃焼によって発生した気体と水蒸気を混合するように、それ自体が低圧段の膨張器の入口と連通する第２のタンクチャンバと連通する弁によって水蒸気の圧力を調節される。
【００３２】
この複合サイクル熱エンジンでは、低圧段の膨張器から放出される気体および水蒸気は、好ましくは実質的に半径方向に延び、周囲の環境に放出される前に水タンクを通過してタンク内の水を確実に予熱する別々のダクトを経て排出される。
【００３３】
さらに、この熱エンジンが複合サイクルエンジンであるかどうかにかかわらず、低圧段の圧縮機から放出された気体（空気）の流れを、一方が、高圧段の圧縮機の方へ向けられ、他方が、有効出力が空気圧の形で利用されるように向けられる２つの流れに分割することができる。
【００３４】
この場合、タービン発電機に関連する熱タービンエンジンを得るために、低圧段の圧縮機によって送られる有効出力に対応する低圧圧力気体（空気）の流れは、発電機が、少なくとも１つの電源コンセントによって少なくとも１つの電気消費者ユニットに接続された電池に電力を供給するタービン発電機のタービンに供給される。
【００３５】
この場合、有利なことに、電気タービン発電機は、２つのロータを収容するエンジンケーシングと、少なくとも１つの燃焼室と、低圧および高圧の気体（空気）ならびに燃焼によって発生した低圧および高圧の気体の流れ用のダクトから断熱される。
【００３６】
好ましい実施態様の例では、タービン発電機の発電機は、磁気式の発電機であり、タービン発電機のラジアルタービンの羽根車の一面上に取り付けられた少なくとも１つの永久磁石を、ラジアルタービンの羽根を有する面の反対側に有し、少なくとも１つの永久磁石は、タービン発電機のラジアルタービン羽根車に回転可能に連結され、かつ発電機の少なくとも１つの平坦なアーマチュアコイルと向かい合って回転する。
【００３７】
タービンエンジンを確実に動作させ、かつ始動するために、第１の実施態様によれば、タービン発電機自体の発電機から電力を供給される電池は、少なくとも１つの燃料供給ダクトを経て燃料が噴射される少なくとも１つの燃焼室内の気体（空気）／燃料混合物用の少なくとも１つの電気点火装置に電力を供給する。
【００３８】
熱エンジンの他方のケーシングを不浸透性の密閉水タンクに少なくとも部分的に浸漬させる場合、タービン発電機の発電機から電力を供給される電池自体が、抵抗発熱体を有する電気始動装置によって熱エンジンを始動させるように、水タンクのチャンバ内に配置された少なくとも１つの抵抗発熱体に電力を供給して、低圧段の膨張器に供給される加圧水蒸気を発生させる。
【００３９】
変形実施形態では、低圧段の圧縮機から放出される低圧圧縮気体（空気）の流れは、逆止め弁を開いた後で、好ましくは、タービン発電機のラジアルタービンの羽根車を囲む固定羽根を有する環状の求心ディストリビュータ、またはタービン発電機のラジアルタービンを囲む渦形室を通じて、タービン発電機のラジアルタービンに供給される。
【００４０】
本発明による熱エンジンが固体推進薬始動装置を備えているとき、始動装置は、電池による固体推進薬の好ましくは電気的な点火による気体発生装置として構成され、したがって、固体推進薬の燃焼によって得られる気体流は、エンジンケーシングの半径方向端面の少なくとも１つの入口を経て、好ましくは熱エンジンの給気（空気）開口部の周りに送られ、低圧段のロータを回転させる。
【００４１】
この場合、有利なことに、気体発生装置として構成された始動装置は、熱エンジンを始動するたびに設けられる固体推進薬カートリッジを受け入れ、この気体発生装置は、低圧段のロータを回転させるように、少なくとも１つの準接線方向入口を経て熱エンジンのケーシングの内側に連結される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して説明する実施形態の例についての以下の非限定的な説明によって明らかになろう。
【００４３】
図１に示されている熱エンジンは、「体積内」すなわち「熱力学的コクーン」型のマイクロガスタービンであり、同じ全体構成の２つの段１および２、すなわち、マイクロタービンが占める円筒形体積の２つのベースの高さに位置する低圧（ＬＰ）段１および高圧（ＨＰ）段２を有している。
【００４４】
各段１または２は、他方のロータとは独立して自己の軸の周りを回転するように取り付けられたロータ３または４をそれぞれ有している。
【００４５】
この例では、２つのロータＬＰ３およびＨＰ４は、軸ＸＸを中心として同軸であるが、２つのロータの軸は、変形実施形態では、互いに対して横方向にずれ、および／または互いに対してわずかに傾いていてもよい。
【００４６】
各ロータ３または４は、それぞれのケーシングＬＰ５またはＨＰ６に回転可能に取り付けられており、ケーシングの構造について以下に説明する。
【００４７】
各ロータ３または４は、他方のロータ４または４から離れた反対側を向いた面、すなわち、エンジンの外部を向いたその面上に、対応するケーシング５または６上に固定された羽根を有するそれぞれの環状の遠心デフューザ９または１０の半径方向内側で回転する羽付き遠心圧縮機羽根車ＬＰ７またはＨＰ８を有している。
【００４８】
各ロータ３または４は、２つの段１および２と２つのロータ３および４が相互に反転するように、対応するケーシング５または６上に固定された羽根を有するそれぞれの環状の求心ディストリビュータ１３または１４の半径方向内側で回転するそれぞれの羽根付きラジアルタービン羽根車ＬＰ１１またはＨＰ１２を、他方のロータ４の方を向くかまたはエンジンの内部の方を向いたその反対側の面上に有している。
【００４９】
したがって、各段ＬＰ１またはＨＰ２は、羽根車７および１１または８および１２がロータＬＰ３またはＨＰ４と一体であり、したがって、その共通の軸ＸＸの周りを回転するように連結された、対応するラジアルタービンＬＰ１７またはＨＰ１８を有し、気体膨脹手段と組み合わされている遠心圧縮機ＬＰ１５またはＨＰ１６を有しており、各段ＬＰ１またはＨＰ２は、そのロータＬＰ３またはＨＰ４をそのケーシング５または６内の固定された流体準備部材（デフューザ９または１０およびディストリビュータ１３または１４）に連結している。
【００５０】
段ＬＰ１とＨＰ２との間で、少なくとも１つの燃焼室が、エンジンのほぼ円筒形の中央の体積に取り付けられている。実施形態のこの好ましい例では、燃焼用に確保された中央の体積は、軸ＸＸのまわりに同軸であり、かつ軸方向に反転された２つの燃焼室を収容する。２つの燃焼室１９および２０が、軸方向において互いに逆方向に、それぞれの入口からそれぞれの出口に向かって細くなる形状を有するように、第１の「主」環状燃焼室１９が、２つの円筒形軸方向端部２１ｂと２１ｃ間に位置する軸方向中央部２１ａがほぼ円錐台形の、伝熱材料の中央仕切り壁２１によって主燃焼室１９から分離された他方の中央「二次」燃焼室２０を囲んでいる。
【００５１】
２つの燃焼室１９および２０は、軸方向において２つの段ＬＰ１およびＨＰ２によって周囲の環境から熱的に遮断されており、かつ軸ＸＸを中心として同軸であり、第１および第３の壁、すなわち、内壁２２および外壁２４がそれぞれ伝熱材料で作られ、第２の中間壁２３が断熱材料で作られているほぼ円筒形の３つの壁２２、２３、および２４によって、半径方向に内側から外側に向かって断熱されている。
【００５２】
外壁２４と中間壁２３はそれらの間に、ＬＰ段１の遠心圧縮機１５のデフューザ９の、外側半径方向位置にある出口から、ＨＰ段２の遠心圧縮機１６の、内側半径方向位置にある軸方向環状入口までの、気体、この例ではＬＰ圧縮空気の流れ用の外側環状ダクト２５を形成し、一方、中間壁２３と内壁２２はそれらの間に、ＨＰ段２の遠心圧縮機１６のデフューザ１０の出口から主燃焼室１９の環状の半径方向入口までの、同じ気体用の、したがってＨＰ圧縮空気の流れ用の内側環状ダクト２６（半径方向に外側ダクト２５の内側へ延びる）を形成しており、この入口は、内壁２２の自由端（ＬＰ段１に近い方）と、反対側の環状半径方向壁２１ｄとの間に形成され、中央仕切り壁２１の円筒形軸方向部分２１ｂの端部と一体であり、この仕切り壁２１と同じ伝熱材料で作られており、半径方向壁２１ｄは、その周囲を経て中間壁２３の内側に当たり、一方、軸方向に主燃焼室１９と境界を接している。
【００５３】
このために、外側円筒形壁２４は、ＬＰケーシング５の外壁を構成し、外側に向かって突き出し、給気（空気）用の、ＬＰ圧縮機１５の軸方向環状入口３０の外側に向かって同様に突き出る周辺ビード２９を備える中央ボディ２８を有する、壁２４と同じ伝熱材料で作られた環状の半径方向壁２７と、軸方向の一方の端部の所で一体になっている。外側円筒形壁２４は、３つの外壁２４、２７、および３１がエンジンの外側ケーシングを構成するように、エンジンの内部に向かって突き出る中央ボディ３２を有し、ＨＰケーシング６を外部に対して軸方向に閉じ、円板の形をしており、同様に、壁２４と同じ伝熱材料で作られた半径方向壁３１と、壁２４の、環状の半径方向壁２７とは、軸方向の反対側の端部の所で同様に一体になっている。
【００５４】
伝熱材料で作られた中間円筒形壁２３は、ＬＰロータ３の中央部分を囲み、かつＬＰ段１のデフューザ９およびディストリビュータ１３の固定羽根を支持する、ＬＰケーシング５の軸方向の中間部分を構成する環状の半径方向フランジ３３と、ＬＰ段１の側の壁２３の軸方向の端部の所で一体になっており、一方、壁２３は、ＨＰケーシング６の軸方向外側の壁を構成し、エンジンの外側ケーシングの外側軸方向壁３１の中央ボディ３５の周りにＨＰ圧縮機１６の軸方向環状入口３５を形成する環状の半径方向壁３４と、壁２３の、軸方向の反対側の端部の所で一体になっている。このように、中間壁２３は、半径方向フランジ３３および半径方向壁３４と一緒に断熱中間ケーシングを構成している。
【００５５】
ＬＰ段１の方を向いた軸方向端部が、向かい合う伝熱半径方向壁２１ｄと一緒に、上述の主燃焼室１９の入口を形成する伝熱内側円筒形壁２２は、フランジ３３と同様であり、したがって、ＨＰロータ４の中央部分を囲み、かつＨＰ段２のデフューザ１０およびディストリビュータ１４の固定羽根を支持する、ＨＰケーシング６の軸方向中間部分を構成する環状の半径方向フランジ３６と、壁２２の向かい合う軸方向端部を経て一体になっている。このように、内壁２２は、燃焼室１９および２０を囲む伝熱内側ケーシングをフランジ３６と一緒に構成している。
【００５６】
ＨＰケーシング６は、燃焼室１９および２０を互いに分離する中央仕切り壁２１の円筒形部２１ｃの軸方向端部と一体の伝熱環状半径方向壁２１ｅも、軸方向にエンジンの内部に向かって有しており、この環状の壁２１ｅは、中央仕切り壁２１によって支持され、中央ボディ３２の軸方向の延長部分にある伝熱性中央ボディ３７の周りにＨＰタービン１８の軸方向環状出口３８を形成し、この出口３８は二次燃焼室２０の軸方向入口を同時に構成する。
【００５７】
ＬＰケーシング５は、軸方向内側において環状の半径方向壁３９で終わっており、環状の半径方向壁３９は断熱性であり、かつ壁３９は、軸ＸＸに対して実質的に半径方向外側に向かって延び、かつ内側半径方向壁３９と、一方では外側中央ボディ２８の軸方向延長部分で断熱内側中央ボディ４３と一体であり、他方では二次燃焼室２０から軸方向に放出される、燃焼によって生成された気体を半径方向外側に向ける半径方向ダクトを半径方向壁２１ｄとで形成する他の断熱内側半径方向壁４２との間に形成された分離したダクト４１の形で設けられた排気口を経てエンジンの外側ケーシング２４−２７−３１の外側と連通するＬＰタービン１７の軸方向環状出口４０を囲んでいる。断熱材料壁３９と４２間の空間を壁４２および中央ボディ４３と一体のリブによって半径方向の複数のダクト４１に分割することができ、かつ排気ダクト４１が、図示されていないが図１では点線で示されており、半径方向にエンジンの中間および外側ケーシングを、より厳密には中間円筒形壁２３および外側円筒形壁２４を通過して、エンジンの外側に出る複数のスリーブによって延ばされていることに留意されたい。
【００５８】
ロータＬＰ３およびＨＰ４が、軸方向の支持のための、ロータ３と中央ボディ２８および４３との間の気体スラスト軸受４４などの気体軸受と、ロータ４と中央ボディ３２および３７との間の２つの気体スラスト軸受４５、およびそれぞれ中央ボディ２８および３２の周りにロータ３および４を半径方向に支持するための、４６および４７に概略的に示されている空気力学軸受によって軸方向および半径方向に支持され、これらの異なる気体軸受が、自己供給する（流体軸受）かまたは少なくとも１つの圧縮機、好ましくはＨＰ圧縮機１６の出口から取り出され、壁の厚さ方向に形成された小さい流路（図示せず）によってこれらの軸受まで案内される圧縮空気を供給される（流体軸受）ことにも留意されたい。これらの気体軸受４６および４７は有利なことに、そして基本的に公知のように、滑り軸受、箔軸受、またはピボットパッドスラスト軸受であってよく、一方、軸方向気体スラスト軸受４４および４５は、流体力学型であっても静水学型であってもよく、好ましくは構造が簡素で効率的ならせん状溝を有する。
【００５９】
全体の径が約１５ｍｍであり、半径方向と軸方向の直径比が約１であるこのマイクロガスタービン内の気体循環路は、以下のとおりであり、給気は大気である。
【００６０】
ＬＰロータ３のＬＰ圧縮機羽根車７が回転することによって、外気がＬＰ遠心圧縮機１５の環状の入口３０を経て引き込まれ（矢印Ｆ１参照）、この給気が、ＬＰ圧縮機羽根車７、次いで羽根付きデフューザ９に流入し、この最初の圧縮（矢印Ｆ２）の後、ＬＰ圧縮空気は、外側ＬＰ圧縮空気ダクト２５を経てＨＰ圧縮機１６の環状の入口３５の方へ送られ（矢印Ｆ３）、外側ＬＰ圧縮空気ダクト２５内では、有利なことに、外壁２４の外面から突き出るフィン４８によって点線で概略的に示されているように、エンジンケーシングの外側円筒形壁２４の内面および／または外面がフィンまたはスパイクあるいは同様のヒートシンク部材を備えている場合にこの空気を冷却することができる。ＬＰ圧縮空気ダクト２５を形成する中間壁２３が断熱性であるので、この壁２３は、ＬＰ圧縮空気が壁２３の内側の高温のまたは再加熱された気体および部品によって再加熱されるのを防止する。
【００６１】
ＬＰ圧縮空気は、遠心ＨＰ圧縮機１６の入口に一旦達すると、次に、対応するＨＰ圧縮機羽根車８を通過し、次にデフューザ１０に流入し、そしてこの２回目の圧縮（矢印Ｆ４）の後、ＨＰ圧縮空気は内側ダクト２６によって主燃焼室１９の入口まで送られ（矢印Ｆ５）、主燃焼室１９内で、ＨＰ圧縮空気は、半径方向管４９のような１つまたは２つ以上の燃料供給管を経てこの燃焼室１９内に噴射された燃料（炭化水素系燃料または水素）と混合され、その後、燃料供給管４９と同様に、エンジンの外側から半径方向に壁２４、２３、および２２を通って主燃焼室１９内まで延びる、電気式の点火装置５０の制御で、この混合物を燃焼させる。ＨＰ圧縮空気を運ぶ内側ダクト２６を主燃焼室１９から分離する内側ケーシングまたは内壁２２が伝熱材料で作られていることは、ダクト２６に送られるＨＰ圧縮空気を、伝熱性の壁２２および仕切り壁２１で形成された主燃焼室１９に入れる前に予熱しつつ、この材料を冷却するという二重の利点を有する。燃焼室１９内の燃焼によって生成された気体は、細くなった経路を経て円錐台仕切り壁部２１ａの周りを（矢印Ｆ６）ＨＰタービン１８のディストリビュータ１４の入口に向けて案内され、次に、ＨＰラジアルタービン羽根車１２に流入してそこで膨張させられ、環状の出口３８を経てＨＰ段２の膨張器から出たこのような燃焼気体は二次燃焼室２０に流入し（矢印Ｆ７）、中央仕切り壁２１ａで形成され、軸方向に二次燃焼室２０の出口の方へ細くなった（矢印Ｆ８）円錐台形体積に入り、そこから、燃焼によって発生した気体は、壁２１ｄと４２の間に形成された半径方向ダクトによって案内され（矢印Ｆ９）、次に軸方向に（矢印Ｆ１０）ＬＰラジアルタービン１７のディストリビュータ１３の外側半径方向入口まで流れ、ＬＰラジアルタービン１７の羽根車１１およびＬＰロータ３は、膨張し、次にタービン１７の軸方向環状出口４０を経てＬＰ段１から出て（矢印Ｆ１１）、次に半径方向排気ダクト４１を経てエンジンケーシングの外側に向かって流れる（矢印Ｆ１１）、燃焼によって生成された気体によって回転駆動される。
【００６２】
円錐台形体積が中央仕切り壁２１によって形成される二次燃焼室２０の存在は、ＬＰタービン１７内でより多くの出力を回復するために、主燃焼室１９の出口から放出される燃焼によって生成され、ＨＰタービン１８内での気体の膨張時に冷却される気体を再加熱することができるので有利である。このために、二次燃焼室２０には、主燃焼室１９の燃料供給管４９と同様であるが、壁２４、２３、および２２だけでなく円筒形壁２１ｃも通って二次燃焼室２０の入口近くまで延びる、半径方向管４９’のような１つまたは２つ以上の供給管を経て、燃料が供給され、管４９’を経て導入された燃料とＨＰタービン１８から出た気体との混合物のこの二次燃焼室２０内での燃焼は、ＨＰタービン１８から出た気体の高温による自己点火、または主燃焼室１９用に設けられた点火装置５０に類似しており、同様に、端部が二次燃焼室２０内の、燃料供給管４９’の端部から下流側にわずかな距離の位置まで延びるように壁２４、２３、２２、および２１ｃを通過する他の点火装置によって確保され、したがって、燃焼室１９および２０内の燃焼気体の流れは互いに逆流であり、このことが構成、構造、および材料の選択に関する技術的な特徴と組み合わされて、このマイクロガスタービン内の熱流の優れた制御が達成され、したがってマイクロガスタービンの効率が向上する。実際、低温部品（圧縮機羽根車７、８および壁２４、２７、３１）を高温部品（燃焼室１９、２０、壁２２および仕切り壁２１、ならびにタービン羽根車１１、１２）から分離する構造部材（特に壁２３、３４、３９、４２、フランジ３３）はそれぞれ断熱材料で作られており、逆に、単一の部品に特有の構造部材は、低温であるか高温であるかとは無関係に、それぞれ少なくとも１つの伝熱材料で作られており、それによって、タービンエンジンの中央体積内の高温部品内の温度維持を促進しつつ、タービンエンジンの空気力学特性が向上し、タービンエンジンの外側ケーシング２４−２７−３１および２つの圧縮機羽根車７、８の放射および／または伝導および／または対流冷却が促進される。
【００６３】
図２は、原則として、主要な基準が装置の重量ではなく良好なエネルギー収量レベルである地上用途向けに構成された、エネルギーの点でより完全でより有効である「体積内」、すなわち「熱力学コクーン」型のマイクロガスタービンの実施形態を示している。
【００６４】
この実施形態では、マイクロタービンの外側ケーシング２４−２７−３１が、有利には二重壁を備えた断熱性の外側シェル５２を有する不浸透性の密閉水タンク５１内に、ケーシング２４−２７−３１の軸方向高さの大部分にわたって、外側ケーシングの、ＬＰ段１のケーシング５を囲む部分のみが、タンク５１の外側シェル５２の上壁から上向きに突き出るように浸漬されている。タンク５１に部分的に浸漬されたマイクロタービンは、３つの点を除いて、図１のマイクロタービンとほぼ同一であり、そのうちの１つの点は、外側円筒形壁２４の内面が、図１におけるこの壁２４の外面上の冷却フィン４８の代わりにヒートシンクスパイク４８’を備えていることである。他の違いは、図１のＬＰ段１の空気入口３０を囲む外側ビード２９が、図２の実施形態では、マイクロタービンを確実に始動させるために後述の始動装置に気体を供給する流路２９’として実現されていることである。第３の注目すべき違いは、横方向入口５３が、タンク５１の上部環状チャンバ５４の内部が、マイクロタービン内の、半径方向壁２１ｄと４２間に形成された半径方向ダクトの外側半径方向周辺の一部と連通するように、外側円筒形壁２４および中間円筒形壁２３を貫通する実質的に半径方向の小さいダクトとして構成されており、図１のマイクロタービンの対応する部品および構成部材と同一の、図２のマイクロタービンの部品および構成部材は、同じ参照番号で示されており、これらについての説明を省略する。
【００６５】
図２の実施形態では、マイクロタービンの実質的に半径方向のダクト４１を経てＬＰタービン１７から放出される排気は、タンク５１を通過する、図２には１つのみが示されている、別個のダクト５５によって周囲の大気の方へ送られ（矢印Ｆ１３）、このダクトは、垂直方向に延びてタンク５１の上部環状チャンバ５４だけでなく下部環状チャンバ５６も通過し、外側の、タンク５１のシェル５２の下方壁の高さまで延びている。タンク５１の下部チャンバ５６に入っている水は、この水が、下部横方向水入口５７を経てタンク５１の下部チャンバ５６に流入し、加圧水蒸気に転換されるように、マイクロタービンにより、その外側ケーシング２４−３１に接触することによって加熱されると共に、排気ダクト５５によって加熱される。下部チャンバ５６内の水蒸気の圧力が二次燃焼室２０から放出される燃焼気体の圧力に少なくとも等しいとき、タンク５１のチャンバ５４と５６間の横方向分離仕切り壁５９に取り付けられ、かつ適切な圧力に設定された弁５８が開かれ、したがって、水蒸気が上部チャンバ５４を満たし、横方向開口部５３を通って（矢印Ｆ１４）マイクロタービンに流入し、水蒸気はそこで、ＬＰタービン１７に入る前に二次燃焼室２０から放出される燃焼気体と混合される。
【００６６】
水蒸気が燃焼によって生成された気体と混合されるこの複合熱力学サイクル実施形態は、燃焼によって発生した気体の温度を、ディストリビュータ１３およびＬＰタービン羽根車１１により受け入れられる温度まで低下させる利点と、ＬＰタービン１７に流入する気体の流量を増やし、したがって、供給される電力を増大させるという利点を有する。マイクロタービンを囲む水の外被（水蒸気または液体）はマイクロタービンを外部から絶縁し、したがって、エネルギー損失を減らし、かつ搭載型エネルギー源を必要とする消費者ユニット上の、マイクロタービン用のレセプタクルにマイクロタービンを組み込むのを容易にする。
【００６７】
変形例として、マイクロタービンから吐出される気体に含まれる水を回復するために５５などの排気ダクトを凝縮器（不図示）の方へ延ばすことができる。
【００６８】
マイクロタービンから供給される有効出力の形態に関しては、ＬＰタービン羽根車１１または出力タービン羽根車を支持するＬＰロータ３に連結され、高速（数１０万ｒｐｍ）に回転する軸（不図示）がこのマイクロタービンでは小形であることを考慮すると、この軸から機械的出力を回復することができる。
【００６９】
しかしながら、電気的形態が最も有用であり、ＬＰタービン１７または出力タービンから供給される有効エネルギーの利用に最も適している。
【００７０】
寸法が小さいと仮定すると、磁気式の発電機を使用するのが有利である。事実、静電型の発電機は、過度に小さなエアバッグギャップを必要とし、その結果、壁に対する空気の摩擦のためにエネルギーの散逸が非常に多くなり、したがって、加熱が著しくなる。このため、少なくとも１０μｍのエアバッグギャップを有する磁気式の発電機を１００Ｗ程度の有効出力用に使用すると有利である。一般に、少なくとも１つの永久磁石がロータ（一般に可動円板）上に固定され、少なくとも１つの平坦な巻線が、ステータ上に永久磁石に向かい合うように固定される。マイクロタービンの場合、上記の特許文献１および特許文献２で提案されているように、ＬＰ圧縮機のロータの羽根と一体の円板上に直接、永久磁石を配置し、巻線をケーシング上に永久磁石に向かい合うように配置することができる。しかし、高温の環境のために、キューリー点に達するおそれがあり、したがって、永久磁石がその磁気特性を失うおそれがある。
【００７１】
本発明によるマイクロタービンのロータ３および４の近くで生じる高温レベルにある磁気式の発電機を保護するために、図２に示され、かつここに記載された構成を使用すると有利である。
【００７２】
この構成では、上記のような寸法を有するＬＰ遠心圧縮機１５は、２つのＬＰ圧縮気体（空気）循環路を圧縮機のデフューザ９の下流側に並列に供給する。第１の循環路は、図１のように、外側ＬＰ圧縮気体ダクト２５を経てＨＰ圧縮機１６に気体を供給し（矢印Ｆ２）、一方、第２の循環路は、実質的に半径方向であってよいデフューザ９の延長部に、円筒形壁２４を通ってマイクロタービンの外側ケーシングから出るダクト６０を有しており、円板の形をしたロータ６４の一面上に羽根が保持されるラジアルタービン羽根車６３を囲む固定された環状ブレードを含むディストリビュータ６２を有するラジアルタービン６１にＬＰ圧縮空気を供給する（矢印Ｆ１５）。ロータ円板６４の、ラジアルタービン６１の羽根と反対側の面上で、環状の円板の形をした永久磁石６５が、ロータ６４上に接着固定されるかまたは埋め込まれ、ロータ６４およびタービン羽根車６３と一緒に回転できるように連結されており、永久磁石は、タンク５１のシェル５２上に横方向に片持ち梁式に固定された断熱材料の支持体６７であって、ケーシングの相補部がマイクロタービンの環状の軸方向端壁２７の延長部６９から成る上記のように形成されたタービン発電機６８のケーシングの一部を構成する支持体６７に形成された円筒形くぼみの底部に固定された、ロータと向かい合う平坦なアーマチュア巻線６６を回転させる。タービン発電機６８のケーシングのこの部分６９では、環状の開口部が、円筒形の中央ボディ７０の周りに配置され、ラジアルタービン６１の軸方向出口７１を構成しており、ダクト６０を経てこのタービン６１に達するＬＰ圧縮空気の流れは、膨張した空気が軸方向の環状出口７１を経てこのタービン６１に流入してから排出される前に、タービン羽根車６３の羽根の側のロータ円板６４の面によって案内されると共に、タービン羽根車６３と向かい合うケーシング部６９によってロータ円板６４の回転軸の方へ案内される。磁石６５の回転によって巻線６６内に誘導された電流は、電気エネルギー蓄積電池７２およびそれに関連する電子制御および調整回路によって収集され、この電池７２は、２つのロータ３および４、燃焼室１９、２０を、圧縮空気流ダクトＬＰ２５およびＨＰ２６ならびに燃焼によって生成された気体の流れ用のダクトと一緒に囲む、マイクロタービンのケーシング２４−３１に対して、発電機６５−６６およびタービン発電機６８のタービン６１を断熱する絶縁支持体６７の下に支持されている。したがって、発電機６５−６６は、適度な温度のみのシートであり、その電気的な作用を保持する。マイクロタービンのロータ３および４のように、タービン発電機６８のロータ６４は、中央ボディ７０の周りに概略的に示され、図１の空気力学軸受４６および４７に類似している空気力学軸受７３などの気体軸受によって軸方向および半径方向に支持されている。
【００７３】
さらに、マイクロタービンのＬＰ段１の圧縮機１５からダクト６０を経て移動するＬＰ圧縮空気の流れの、タービン発電機６８のラジアルタービン６１への供給は、マイクロ逆止め弁７４を開き、ダクト６０を選択的に閉じることによって制御することができる。
【００７４】
変形例として、ラジアルタービン６１には、ダクト６０から、固定羽根を有する求心環状デフューザ６２ではなく、このラジアルタービン７１を囲む渦形室（図示せず）を通じて、気体を供給することができる。
【００７５】
電池７２は、図２に２つの導体７５によって概略的に示されている少なくとも１つの電源コンセントによって少なくとも１つの電気消費者ユニットに接続することができる。
【００７６】
電池７２から導体７６によって電力を供給されるある特定の消費者ユニットは、主燃焼室１９に関連する電気点火装置５０と、場合によっては、二次燃焼室２０に関連する同様の点火装置（不図示）とから成っている。
【００７７】
他の特定の消費者ユニットは、タンク５１の下部チャンバ５６の内側に、シェル５２の底部に接触して配置され、電池７２から導電体７８によって電力を供給され、マイクロタービンのＬＰラジアルタービン１７に供給される加圧水蒸気を発生させ、このように抵抗発熱体を有する電気始動装置を備えたマイクロタービンを始動させる抵抗発熱体７７であってよい。
【００７８】
しかし、たとえば電気モータのような、ＬＰロータを回転駆動させてマイクロタービンを始動するのに適した他の構成部材は、高温の環境の影響を過度に受けるため、マイクロタービンを空気圧装置によって始動するのが有利である。
【００７９】
図２に示されている実施形態では、空気圧始動装置は、カートリッジ８０が始動装置７９の管状の燃焼室８１内に位置する、固体推進薬の燃焼による気体発生装置の形をした始動装置７９であり、たとえば「低温」推進薬のカートリッジ８０の燃焼は、燃焼室８１のベースに収容された電気によって起動される火工点火装置８２によってマイクロタービンが始動されるたびに制御され、点火装置８２は、導電体８３を経て電池７２から電力を供給され、点火装置７９の管状の燃焼室８１は、細長い経路８４を経て、マイクロタービンのＬＰ圧縮機１５の管状の給気口３０を囲む外側ビード２９’の内側に配置された渦形室８５内に至り、したがって、固体推進薬が燃焼することによって得られた水蒸気は、半径方向壁２７の、マイクロタービンのケーシングの軸方向端部にある収束経路８４、渦形室８５、および入口８６を経て送られ、ＬＰ段１のロータ３を回転させる。特に、渦形室８５の内側は、マイクロタービンの外側ケーシングを通過してＬＰ圧縮機羽根車７の流路に至り、ＬＰ段１のロータ３に駆動トルクを伝達する互いに離散した準接線方向入口８６によって、このケーシングの内側に連結されている。
【００８０】
公称の圧力条件に達するまで、タービン発電機６８のタービン６１の方へ向かうＬＰ圧縮空気流の流量を調整するマイクロ逆止め弁、すなわちゲート７４は、マイクロタービンの始動が容易になるように閉じたままであり。
【００８１】
変形例として、気体発生装置始動装置７９と置き換えることができ、好ましくは気体発生装置始動装置７９と互換性のある圧縮空気始動装置内の固体推進薬８０のカートリッジを、圧縮空気のカートリッジで置き換えることができる。
【００８２】
ある用途では、ＬＰ出力タービン１７で得られる有効出力を空気圧形態で使用することが好ましい場合、ダクト６０内をＬＰ圧縮空気が運ばれるため、圧縮空気が直接得られることに留意されたい。このダクト６０は、ＬＰ段１のケーシング５の外側を囲んでおり、空気圧が利用される点に連結できる、管型のダクト内に使用圧縮空気を収集する渦形室として構成することができる。
【００８３】
図３は、ＨＰ段のみが修正された図１のマイクロタービンの変形例を示しており、図３におけるマイクロタービンの他の部品および構成部材は図１と同じ参照番号で示されており、同様に機能するため、これらの重複する説明は省略する。
【００８４】
図３では、ＨＰ段２’の気体圧力手段および気体膨脹手段はもはや、それぞれが、１０のような環状のデフューザに関連する１６などのＨＰ遠心圧縮機と、図１の１４のような環状のディストリビュータに関連する１８などのＨＰラジアルタービンとから成り、ロータ４がＨＰ遠心圧縮機羽根車８とＨＰラジアルタービン羽根車１２を一体に連結するという構成ではなく、ウェーブ圧縮機−膨張器と呼ばれるか、または場合によって「圧縮膨張器」と呼ばれる装置から成り、ロータ自体を囲む同軸円筒形ケーシング内でロータ自体の軸の周りを回転する円筒形ロータを有し、かつケーシングに概ね４つの固定ポートまたは開口部を有し、これらのポートまたは開口部と向かい合う位置を、ロータに形成された流路が通過しており、したがって、ロータがそのケーシング内で回転すると流路の端部の所が交互に開閉し、そのため、給気入口を経て流入した空気が、気体入口を経て流入した高温の圧縮気体と直接接触し、流路内で直接接触する高温の気体と空気におけるそれぞれ膨張波と圧縮波が変位することによってロータ流路の内側でエネルギーの伝達が起こり、したがって、圧縮空気が圧縮空気出口を経て流路から出て、膨張した気体はその出口を経て排気される。このウェーブ圧縮機−膨張器、すなわち「ウェーブロータ」は、上記のドイツ特許およびスイス特許、ならびに空気および高温の気体の入口および出口が円筒形のロータの半径方向端面に配置された実施形態が登録商標ＣＯＭＰＲＥＸで市販されている以下に引用する米国特許に基づく公知の装置である。このウェーブ圧縮機−膨張器は、フランスのブランド名ＣＯＤＥＴＯＮでも知られており、"Compresseur-detendeur a ondes (CODETON) pour turbines a gaz et touboreacteurs"［ガスタービンおよびターボリアクタ用ウェーブ圧縮機−膨張器（ＣＯＤＥＴＯＮ）］by Yves RIBAUD & Veronique QUINTILLA, NOUVELLE REVUE D'AERONAUTIQUE ET D'ASTRONAUTIQUE, No. 5, 1998という名称の論文の発表時の主題にもなっており、ウェーブ圧縮機−膨張器の構造および用途に関する開発は、米国特許第３８７９９３７号、第４２８８２０３号、第４９７１５２４号、第５０５２８９５号、第５５２２２１７号、および第５８９４７１９号の各例を引用することができる多数の特許の主題になっている。ウェーブ圧縮機−膨張器は、従来のタービン圧縮機の代わりに、ガスタービンの性能を改善し、内燃機関の過給を確実に行う構成部材としてすでに提案されている構成部材である。
【００８５】
一般に、空気と高温の圧縮気体が直接接触することによって圧縮と膨張との間のエネルギーの伝達が起こる流路または隔室は、ロータの軸に対して実質的に軸方向の流路または隔室（ロータの軸に平行な直線状流路または湾曲しているがロータの２つの半径方向端面に至る流路）であるが、流路または隔室が概ね円筒形の羽根車の形状を有するロータ内を実質的に半径方向に延び、ステータケーシングの、ロータに対して内側半径方向位置の壁の概ね２つのポートが、周方向において互いに対してずれており、ステータケーシングの、ロータに対して外側半径方向位置の壁の概ね２つのポートが、周方向において互いに対してずれており、したがって、実質的に半径方向流路（直線状の流路または湾曲してらせんの部分を形成する流路）がその内側および外側半径方向端部の所で交互に開閉され、流路を開くことを、ステータケーシングの内壁および外壁の固定位置にこれらの壁に形成された孔を経て配置されたポートと向かい合う位置にすることによって行うことが最近提案されている。これらのポートは、一般的には４つであり、タービンエンジンの圧縮／膨張段と同様に、燃焼室に連結された圧縮空気出口と、燃焼室の出口から流入する燃焼気体用の給気口と、実質的に半径方向の流路内で膨張させられ、たとえばタービンなどの膨張器の方へ送られる燃焼気体用の排気口とを経て、装置の残りの部分との流体連結を確実にする。このような半径方向「ウェーブロータ」は、特に"Proceedings of IMECE04, 2004 ASME International Mechanical Engineering Congress, November 13-19, 2004 Anaheim, California USA（ＩＭＥＣＥ０４、２００４ＡＳＭＥ国際機械工学会議、２００４年１１月１３日〜１９日、米国カリフォルニア州アナヘイム）" (IMECE2004-60973)の"NUMERICAL SIMULATION OF UNSTEADY-FLOW PROCESSES IN WAVE PORTS（ウェーブポートにおける非定常流の数値シミュレーション）"という名称の文献の主題になっている。
【００８６】
図３の変形例では、ロータ４’およびスタータケーシング６’の４つのポートが図４に概略的に示されているこのような半径方向「ウェーブロータ」が、ＨＰ段２’として、図１のＨＰタービン圧縮機段２の代わりに使用されている。
【００８７】
図３および４の変形例では、ＬＰ遠心圧縮機１５の出口から出口ダクト２５を経て流入するＬＰ圧縮空気は、一方の側が伝熱材料の丸いＺ字状の壁８８で形成され、かつ環状のロータ４’の半径方向内側に回転不能に固定されたた内側半径方向チャンバ８７（図４参照）と連通するように、断熱半径方向壁３４’の、伝熱端部半径方向壁３１の中央ボディ３２の周囲の一部のみ上に配置されている軸方向入口３５’を経て流入し、ポート８９を経て半径方向流路９０に向かって開くチャンバ８７はロータ４’を通過し、チャンバ８７内で、ＬＰ圧縮空気は、主燃焼室１９の出口から流入し、ケーシング６’内でロータ４’の外側半径方向周囲の一部上のみを延びるポート９１を経てロータ４’の半径方向流路９０に入る、高温の加圧排気と直接接触することによって再圧縮され、したがって、ＨＰ圧縮空気は、ケーシング６’内でロータ４’の外側半径方向周囲の他の部分に隣接するポート９２を経てロータ４’の流路９０から出て、環状のダクト２６に入り、ＨＰ圧縮空気は主燃焼室１９の入口の方へ案内され、ポート９１を経てロータ４’の流路９０に入った高温の気体は、膨張しかつ冷却された後、ロータ４’の内側半径方向周囲の他の部分上を延びるポート９３を経て出て、ステータケーシングのＺ字形の壁８８の他方の側の内側半径方向チャンバ９４に方へ流れ、それから、これらの膨張した高温の気体は、伝熱性の半径方向壁２１’ｅと一体の、中央伝熱性ボディ３７の周囲の一部上のみを延びる軸方向出口３８’を経て出て、二次燃焼室２０の入口の方へ向かい、二次燃焼室２０内で、これらの気体は、図１を参照して説明したように再加熱され、次にＬＰラジアルタービンまたは出力タービンの方へ案内され、タービン内で、これらの気体は周囲の大気の方へ逃げる前に膨張する。
【００８８】
図３において、ウェーブロータ４’を収容するＨＰ段２’のケーシング６’内では、半径方向流路９０から出るＨＰ圧縮空気用の出口９２および主燃焼室１９を出てロータ４’の半径方向流路９０に入る燃焼気体用の入口９１の周方向への長さを制限するために、伝熱性内壁２２の、ウェーブロータ４’の方を向いた端部の所の軸方向端部と一体である環状の半径方向フランジ３６’は、一方では入口９１の高さを除いて伝熱性半径方向壁２１’ｅと一体になっており、他方では、出口９２の高さを除いて断熱性半径方向壁３４’と一体になっている。同様に、ロータ４’の内側に固定されたＺ字形の内側半径方向仕切り壁８８によって形成された、それぞれチャンバ８７へのおよびチャンバ９３からの軸方向の入口開口部３５’および出口開口部３８’を画定するために、断熱性半径方向壁３４’が、軸方向入口３５’の高さを除いて中央ボディ３２の周囲と接触しており、伝熱性半径方向壁２１’ｅは、軸方向出口３８’の高さを除いて伝熱性中央ボディ３７とその周囲の上で接触している。
【００８９】
もちろん、この構成では、高圧段２’に組み込まれたウェーブロータ４’は、それに特有の利点、特に構造上の簡素さと有効性の利点をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明によるマイクロガスタービンの軸方向の概略断面図である。
【図２】中心部が図１のマイクロガスタービンと同様で、水タンク内に設置され、燃焼および水蒸気によって生成された気体を伴う組み合わせサイクルで動作し、電気始動装置および／または固体推進薬始動装置を備え、タービン発電機と組み合わされたマイクロガスタービンで構成される熱エンジンの軸方向概略断面図である。
【図３】高圧段がウェーブ圧縮機−膨張器またはウェーブロータからなる、マイクロガスタービンの変形実施形態の図１と同様の図である。
【図４】図３のマイクロタービン変形実施形態において高圧段として使用される半径方向ウェーブロータの概略断面図である。
【図１】
0004772645.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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