(57)【要約】  本発明は、少なくとも一つ、通常は複数の独立した部分エンジンからなるロータリーエンジンである。いずれもエンジンを作動させるために使用される二つの異なるプロセスが、各々の独立した部分エンジン内で行われ得る。本発明の方法は、基本的には、二つの異なる別個の閉サイクルプロセスであり、そのプロセスは、いずれも、同じ幾何学的制限域、すなわち同じ膨張室又はその複数の膨張室内で同時に作動することができる。一次プロセスは、熱を運動エネルギーに転換する主要な機能を実施し、本発明のすべてのエンジンにおいて必要である。これは、ガスの膨張及びさらにはその膨張後の凝縮ガスの収縮も使用する独自のプロセスである。二次プロセスは、起動のために、またエンジンがストールに陥る可能性がある場合に追加の動力を供給するために必要とされる。本発明のほとんどのエンジンでは、両方のプロセスが、エンジンを作動させるために必要とされる。【選択図】図２Ａ
2015502481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次プロセスを実施するように適合された少なくとも一つの独立した部分エンジンからなるロータリーエンジンであって、
ａ）プロセス流体を液体状態で含む低温リザーバと、
ｂ）前記液体プロセス流体を加圧するように適合されたポンプと、
ｃ）加圧された液体プロセス流体を前記ポンプから受け入れ、前記加圧された液体プロセス流体を加熱するように適合された加熱器システムと、
ｄ）前記加熱器システムから受け入れられた過熱され加圧されたプロセス流体を蓄えるように適合された高温リザーバと、
ｅ）入口側及び出口側を有する膨張室であって、ロータブレードがそれを通り抜けることを可能にするように適合され、前記ロータブレードは、前記エンジンの出力シャフトに取り付けられた主ロータに取り付けられる、膨張室と、
ｆ）前記膨張室の前記入口側及び出口側を規定する二つの閉鎖機構であって、前記閉鎖機構の第１の閉鎖機構は、プロセス流体が前記膨張室に入ることを可能にする一次入口開口部の前に位置し、前記閉鎖機構の第２の閉鎖機構は、前記プロセス流体の膨張したガスが、前記膨張室を出ることを可能にする一次出口開口部の後に位置し、前記二つの閉鎖機構は、前記ロータブレードが一つの膨張室から次の膨張室内に進むことを可能にしながら、プロセス流体のバッチ量を前記膨張室内に閉じ込めるように適合される、閉鎖機構と、
ｇ）前記膨張室の前記一次入口開口部と流体連通する一次入口弁であって、前記高温リザーバから前記過熱され加圧されたプロセス流体を受け入れ、所定の体積の前記過熱され加圧されたプロセス流体の一連のバッチ量が前記膨張室に入ることを可能にするように適合された特有のサイズを有する少なくとも一つのくぼみを備える、一次入口弁と、
ｈ）前記膨張室の前記一次出口開口部と流体連通する一次出口弁であって、前記プロセス流体のガス相が前記膨張室を離れ、前記低温リザーバに戻ることを可能にするように適合され、前記ガス相プロセス流体は液体状態に凝縮する、一次出口弁とを備え、
ｉ）前記一次入口弁によって前記膨張室に入ることが可能にされた前記過熱され加圧されたプロセス流体の前記バッチ量が、前記プロセス流体のガス相に転換し、前記ガスは、前記ロータブレードの後側に圧力を及ぼして、前記ロータブレードが前記膨張室を通り抜けるようにし、
ｉｉ）前記過熱され加圧されたプロセス流体の前記バッチ量がガス相に転換されたとき、前記十分に膨張したガス相プロセス流体の体積が前記膨張室の体積に等しくなるように、前記一次入口弁によって前記膨張室に入ることが可能にされる前記過熱され加圧されたプロセス流体の前記バッチ量の体積が決定され、
ｉｉｉ）前記一次入口弁が、前記ロータブレードが前記膨張室に通じる前記一次入口開口部を過ぎたときに開き、前記過熱され加圧されたプロセス流体の前記バッチ量が、前記膨張室に入ることが可能にされた後に閉じ、
ｉｖ）前記一次出口弁が、前記ロータブレードが前記膨張室に通じる前記一次入口開口部を過ぎたときに開き、前記ロータブレードが前記膨張室に通じる前記一次出口開口部に近付くときに閉じ、それによって前記低温リザーバ内に前記ガス相プロセス流体の凝縮によって生み出された負圧が、前記膨張するガスの正圧が前記ロータブレードの後側を押し付けるのと同時に、前記ロータブレードの前側に働くことを可能にする、ロータリーエンジン。
【請求項２】
二つ以上の部分エンジンを備え、前記部分エンジンの前記膨張室が、前記回転式エンジンの円周周りに隣合わせに分散されて位置する、請求項１に記載のロータリーエンジン。
【請求項３】
前記加熱器システムが、制御された連続パルス式爆発又はデトネーションを用いることによって非常に高い温度で流体を準連続燃焼させることを可能にするように適合される、請求項１に記載のロータリーエンジン。
【請求項４】
前記加熱器システムが、太陽熱加熱器を備える、請求項１に記載のロータリーエンジン。
【請求項５】
前記一次入口弁及び前記一次出口弁の開閉が、前記主要ロータの回転と機械的に同期化される、請求項１に記載のロータリーエンジン。
【請求項６】
前記閉鎖機構が、小型ロータである、請求項１に記載のロータリーエンジン。
【請求項７】
前記小型ロータの回転、前記一次入口弁及び前記一次出口弁の開閉が、前記主ロータの回転と機械的に同期化される、請求項６に記載のロータリーエンジン。
【請求項８】
前記低温リザーバに位置する熱交換機を備え、前記熱交換機は、前記低温リザーバに入る前記ガス相プロセス流体及び前記低温リザーバ内の温められた凝縮されたプロセス流体の熱エネルギーの一部を取り出し、前記熱エネルギーを使用して前記加熱器システムの燃料を事前加熱するように適合され、それによって前記低温リザーバ内の温度レベルを最高温度以下に保つ、請求項１に記載のロータリーエンジン。
【請求項９】
いくつかの平行ディスクからなる構成を備え、各々のディスクは、一つのロータ及びいくつかの部分エンジンを備え、前記部分エンジンの各々の前記膨張室は、前記ロータの円周周りに隣合わせに分散されて位置し、前記ディスクのすべての前記ロータは、共通の出力シャフトに連結される、請求項１に記載のロータリーエンジン。
【請求項１０】
各々の膨張室が、前記膨張室内に通じる二次入口開口部と流体連通する少なくとも一つの二次入口弁と、前記膨張室内に通じる一次出口開口部と流体連通する少なくとも一つの二次出口弁とを備え、それによって二次プロセスを前記一次プロセスと並行して同時にかつ同じ膨張室内で実施することを可能にする、請求項１に記載のロータリーエンジン。
【請求項１１】
前記膨張室に通じる前記一次プロセス及び前記二次プロセスの前記入口及び出口が、前記閉鎖機構に対して同じ円周位置に凡そ平行に位置合わせされて、これらに必要とされる空間を最適化し、両方のプロセスからのプロセス流体を同じ場所において前記膨張室内に流入させ、膨張したガスが同じ場所において前記膨張室から逃げることを可能にする、請求項１０に記載のロータリーエンジン。
【請求項１２】
前記二次入口弁及び二次出口弁が、前記一次入口弁、前記一次出口弁、又は前記主ロータと連結又は同期化されず、前記一次プロセス及び二次プロセスの前記弁は、互いから独立して開閉される、請求項１０に記載のロータリーエンジン。
【請求項１３】
前記二次プロセスが、前記一次プロセスのストールを防止するために開始される、請求項１０に記載のロータリーエンジン。
【請求項１４】
前記二次プロセスが、前記エンジンの起動プロセス中に開始される、請求項１０に記載のロータリーエンジン。
【請求項１５】
前記エンジンが、熱可塑性材料から作製される、請求項１に記載のロータリーエンジン。
【請求項１６】
ロータリーエンジンのための方法であって、
ａ）低温リザーバから圧送された液体プロセス流体を加圧するように適合されたポンプを作動させるステップと、
ｂ）前記ポンプから加圧された液体プロセス流体を受け入れ、前記加圧された液体プロセス流体を加熱するように適合された加熱器システムを作動させるステップと、
ｃ）過熱され加圧されたプロセス流体の所定の体積の一連のバッチ量が膨張室に入ることを可能にするために前記膨張室の入口開口部に位置する入口弁を作動させるステップであって、前記過熱され加圧されたプロセス流体の前記バッチ量が、前記プロセス流体のガス相に転換し、前記入口弁は、開くように作動され、このとき前記ガスは、ロータブレード後側に正圧を及ぼして前記ロータブレードが前記膨張室を通り抜けるようにする、ステップと、
ｄ）前記膨張室の出口開口部に位置する出口弁を作動させるステップであって、それにより、ロータブレードが前記膨張室に通じる前記入口開口部を過ぎ、その結果過熱され加圧されたプロセス流体の第１のバッチ量が前記膨張室に入ったときに前記出口弁が開き、前記ロータブレードが前記膨張室に通じる前記出口開口部に近付くときに前記出口弁が閉じ、それによってプロセス流体の前記第１のバッチ量の十分に膨張したガス相が、次の後続のロータブレードが前記膨張室内に進み、その結果過熱され加圧されたプロセス流体の第２のバッチ量が前記膨張室に入るまでの間前記膨張室内に留まり、そしてその後だけ、プロセス流体の前記第１のバッチ量の前記十分に膨張したガス相が、前記低温リザーバに戻ることを可能にし、前記第１のバッチ量のプロセス流体の前記ガス相は液体状態に凝縮し、前記凝縮は負圧を生み出し、前記負圧は、プロセス流体の前記第２のバッチ量の膨張するガスの圧力が、前記次のロータブレードの後側を押し付けると同時に前記次のロータブレードの前側に働き、それによってプロセス流体の前記バッチ量のガス相内に蓄えられたエネルギー、さらには凝縮エンタルピーも使用して、前記ロータブレードを移動させる、ステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの分野からのものである。詳細には、本発明は、熱エネルギーを運動エネルギーに変換するための方法及びこれらの方法を用いて作動するように設計されたエンジンの分野からのものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンは、特有のプロセスを用いて、エネルギーが、一つの形態、すなわち熱エネルギー又は熱から、別の形態、すなわち運動エネルギーにそれによって転換される装置又は機械である。
【０００３】
効率性の関連性
そのようなプロセス及び装置又は機械がこのプロセスを実現するための効率性は、重要であり、その理由は、エンジンは、世界中で多数使用されているために世界の気候に影響を及ぼしており、したがって不効率性は、自然、故に人類に現実の脅威をもたらすためである。また、熱エネルギーから運動エネルギーを生み出すためのコスト要素は、経済性において重要な要素であり、したがってそのようなプロセスの効率性は重要である。
【０００４】
液体の蒸発の使用
ほとんどの液体は、蒸発することができる。液体をその特有の蒸発温度を超えて加熱することにより、液体は、液体状態からガス状態に変化する。ガス状態では、流体は通常、液体のタイプに応じてガス、蒸気、又は気化ガスと呼ばれる。
【０００５】
各々の液体は、しばしば「ＳＴＰ」と称される周囲又は標準的状態に対するその特有の温度を有する。最も一般的な標準的な状態の一つは、２５℃及び１００ｋＰａ（＝１バール）である。標準的状態下では、１リットルの水は、１，６７３リットルの蒸気に蒸発する。１，６７３リットルの蒸気が凝縮し、水の液体状態を形成する場合、その体積は、たった１リットル、約１６００分の１に減少する。
【０００６】
水の蒸発のプロセスは、１００℃で、１００ｋＰａの標準的状態下で開始する。圧力がより高くなる場合、蒸発のプロセスは、比例的に高くなる温度において開始する。各々の圧力に対して、蒸発が起こる特有の温度が存在する。この温度の値は、水及び多くの他の流体に関する特有の蒸気表で調べられ得る。たとえば水は、圧力が１，５１２ＭＰａ、又はそれ以上であるとき２００℃でも液体のままである。
【０００７】
液体が液体状態からガス状態に変わるとき、温度を上昇させるためでなく、分子が分離しガスを形成することを可能にするために使用される蒸発プロセスのために、追加のエネルギーが供給される必要がある。液体を加熱しないために「蒸発熱」又は「潜熱」と称されるこのエネルギーは、各々の液体に対して異なる特有の値を有する。水に関しては、これは水１ｋｇあたり２，２５７ｋＪである。
【０００８】
２００℃の温度を有する（乾き）蒸気を生成するために、温度の上昇に必要とされるエネルギー、すなわち水１ｋｇあたり約７３５ｋＪ、及び蒸発熱のためのエネルギー、すなわち水１ｋｇあたり２，２５７ｋＪを供給することが必要である。２００℃の蒸気を生成するために水に加えられたエネルギーの合計量から、高温蒸気中のエネルギーの２４．５％だけが、高温蒸気が冷えるときに使用され得る。７５．４％は、熱の形態で放出することはできない。８００℃の温度を有する蒸気に対する同じ算出は、水１ｋｇあたり３，２５５ｋＪ、及び蒸発熱のための２，２５７ｋＪを必要とする。これは一緒になって１ｋｇあたり５，５１２ｋＪとなる。この場合、水中に導入された熱の約６０％が、使用され得る。いずれの場合でも、蒸発のためのエネルギーの同じ量が、加えられている。
【０００９】
しかし、第２の場合、使用され得る割合は、最終温度がより高いためにより高くなる。したがって、ランキン（Ｒａｎｋｉｎｅ）プロセスを使用する動力装置内のタービンのような蒸気プロセスは、より良好な効率性を達成するために蒸気の可能な限り高い温度を使用する。
【００１０】
エンジンが、プロセス流体の圧力、たとえば蒸気エンジン又は蒸気タービンなどの場合は完全膨張までに膨張室に入る蒸気の圧力を使用できる場合、これは、蒸発熱を含まない熱の割合だけを使用することができる。上記に示した例のようなより低い温度では、プロセス流体内の熱エネルギーの７５％は損失されており、これは、現在知られているエンジン又はタービンでは、凝縮のエンタルピーをプロセス中に運動エネルギーに転換することができないためである。この損失は、機械的損失及び他の損失に加わるものである。加熱されたプロセス流体又は蒸気と共に作用するほとんどのエンジンに現在使用されているランキン（Ｒａｎｋｉｎｅ）プロセス又はクラウジウス−ランキン（Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｒａｎｋｉｎｅ）プロセスが、蒸発の（損失）熱の量の割合をできるだけ低く保つために可能な限り高い開始温度で作動されるのは、この理由のためである。
【００１１】
用語「エンジン」
本明細書では、用語「エンジン」は、エネルギーを一つの形態から別のものに転換する目的で、独自性のある１種以上の特有のプロセスを実現することを可能にするように設計されたハードウェアとして装置を説明するために使用される。すべての現在知られているエンジンは、場合によっては「６ストロークエンジン」の場合を除いて、熱エネルギーを運動エネルギーに転換するたった一つのプロセスに基づき、このプロセスのみを使用する。
【００１２】
エンジン設計
特有のプロセスとエンジンのハードウェア設計との間には、基本的な相違が存在する。これは、一般的にはほとんどの車で現在使用されるような、４ストロークプロセスを用いる内燃エンジンの例ではより明確になる。４ストロークプロセスは、ほとんどの場合、ピストンエンジン内で実現されるが、これはまた、ワンケル（Ｗａｎｋｅｌ）ロータリーエンジン内でも実現され得る。したがってエンジンの、同じプロセスであるが二つの基本的に異なる設計が存在する。その逆もある。ピストンエンジンでは、さまざまなプロセスが実現され得る。たとえば、圧縮無しの２ストロークプロセス、圧縮を有する４ストロークプロセス、及び６ストロークエンジン内で実現されるように（長年にわたるピストンエンジンの開発は、特許文献において、たとえば、１９２０年からのエルエイチダイア（Ｌ．Ｈ．Ｄｙｅｒ）の米国特許第１，３３３，１７６号、及び２００６年からのエスシング（Ｓ．Ｓｉｎｇｈ）の米国特許第７，５４９，４１２号を考慮することによって理解され得る）、また、ユニフロー蒸気エンジンプロセスと従来の４ストロークエンジンプロセスとの組み合わせとして、ルノアール（Ｌｅｎｏｉｒ）ガスエンジンを考慮する。これからは、新規のエンジンプロセスを既存のエンジン概念又は設計において実現できることが明確である。
【００１３】
ロータリーエンジン
ほぼすべてのロータリーエンジンは、ロータリーローブ又はロータリーピストンギアポンプと共通にその基本的設計を有する。これらの種類のポンプは、数多くの変形形態で提供され、これらの変形形態のほとんどは、エンジン設計にも使用され得る。１９０８年からの、シーエーベンダー（Ｃ．Ａ．Ｂｅｎｄｅｒ）の特許文献の米国特許第９０４，７４９号は、蒸気エンジンに使用されるそのような設計を示している。ベンダー（Ｂｅｎｄｅｒ）エンジンでは、蒸気は、曲がった立方体の膨張室内で膨張され、この膨張室は、その二つの面側において、ピストンとして働くロータブレードが通り抜けることを可能にするくぼみを備えた小型ロータによって閉じられる。数多くの他の類似のロータリーエンジンでは、閉じた膨張室を連続的に生み出すことを可能にするタスクは、ピストン様のロータブレードの通路を出入りするために開閉するフラップを径方向に移動させることによって行われる。蒸気エンジン、又は他の形態のエンジン、ポンプ、及び圧縮機に関して、恐らくは数千の数多くのさらに類似する設計が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、非常に高い効率性で熱エネルギーを運動エネルギーに変換するための新規の方法を提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、非常に高い効率性で熱エネルギーを運動エネルギーに変換するための新規の方法を用いて作動するように設計されたエンジンを提供することである。
【００１６】
本発明のさらなる目的及び利点は、説明が進むにつれて明確になろう。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
第１の態様では、本発明は、一次プロセスを実施するように適合された少なくとも一つの独立した部分エンジンからなるロータリーエンジンである。各々の部分エンジンは、
ａ）プロセス流体を液体状態で含む低温リザーバと、
ｂ）液体プロセス流体を加圧するように適合されたポンプと、
ｃ）加圧された液体プロセス流体をポンプから受け入れ、加圧された液体プロセス流体を加熱するように適合された加熱器システムと、
ｄ）加熱器システムから受け入れられた過熱され加圧されたプロセス流体を蓄えるように適合された高温リザーバと、
ｅ）入口側及び出口側を有する膨張室であって、ロータブレードが膨張室を通り抜けることを可能にするように適合され、ロータブレードは、エンジンの出力シャフトに取り付けられた主ロータに取り付けられる、膨張室と、
ｆ）膨張室の入口側及び出口側を画定する二つの閉鎖機構であって、閉鎖機構の第１のものは、プロセス流体が膨張室に入ることを可能にする一次入口開口部の前に位置し、閉鎖機構の第２のものは、プロセス流体の膨張したガスが膨張室を出ることを可能にする一次出口開口部の後に位置し、閉鎖機構は、ロータブレードが一つの膨張室から後続の膨張室内に進むことを可能にしながら、プロセス流体のバッチ量を膨張室内に閉じ込めるように適合される、閉鎖機構と、
ｇ）膨張室の一次入口開口部と流体連通する一次入口弁であって、高温リザーバから過熱され加圧されたプロセス流体を受け入れ、所定の体積の過熱され加圧されたプロセス流体の一連のバッチ量が膨張室に入ることを可能にするように適合される、一次入口弁と、
ｈ）膨張室の一次出口開口部と流体連通する一次出口弁であって、プロセス流体のガス相が膨張室を離れ、低温リザーバに戻ることを可能にするように適合され、低温リザーバ内で、ガス相プロセス流体は液体状態に凝縮する、一次出口弁と
を備える。
【００１８】
過熱され加圧されたプロセス流体のバッチ量は、一次入口弁によって膨張室に入ることが可能にされた後、プロセス流体のガス相に転換する。結果として生じたガスは、ロータブレードの後側に圧力を及ぼして、ロータブレードが膨張室を通り抜けるようにする。
【００１９】
本発明によれば、過熱され加圧されたプロセス流体のバッチ量がガス相に転換されたとき、十分に膨張したガス相プロセス流体の体積が膨張室の体積に等しくなるように、一次入口弁によって膨張室に入ることが可能にされる過熱され加圧されたプロセス流体のバッチ量の体積が決定される。
【００２０】
本発明のエンジンでは、一次入口弁は、ロータブレードが膨張室に通じる入口開口部を過ぎるときに開き、過熱され加圧されたプロセス流体のバッチ量が膨張室に入ることが可能にされた後に閉じる。
【００２１】
本発明のエンジンでは、一次出口弁は、ロータブレードが膨張室の入口開口部を過ぎたときに開き、ロータブレードが膨張室の出口開口部に近付くときに閉じる。このため、低温リザーバ内にガス相プロセス流体の凝縮によって生み出された負圧が、膨張するガスの圧力がロータブレードの後側を押し付けるのと同時に、ロータブレードの前側に働くことが可能になる。
【００２２】
二つ以上の部分エンジンを備える本発明のロータリーエンジンの実施形態では、部分エンジンの膨張室は、回転式エンジンの円周周りに隣合わせに分散されて位置する。
【００２３】
本発明のロータリーエンジンの実施形態では、加熱器システムは、制御された連続パルス式爆発又はデトネーションによって非常に高い温度で流体を準連続燃焼させることを可能にするように適合される。
【００２４】
本発明のロータリーエンジンの実施形態では、加熱器システムは、太陽熱加熱器を備える。
【００２５】
本発明の回転式エンジンの一次入口弁及び一次出口弁の開閉は、主要ロータの回転と機械的に同期化される。
【００２６】
本発明のロータリーエンジンの実施形態では、閉鎖機構は、小型ロータである。小型ロータの回転、一次入口弁及び一次出口弁の開閉は、主ロータの回転と機械的に同期化される。
【００２７】
本発明のロータリーエンジンの実施形態は、低温リザーバに位置する熱交換機を備える。熱交換機は、低温リザーバに入るガス相プロセス流体及び低温リザーバ内の温められた凝縮されたプロセス流体の熱エネルギーの一部を取り出し、この熱エネルギーを使用して加熱器システムの燃料を事前加熱するように適合され、それによって前記低温リザーバ内の温度レベルを最高温度以下に保つ。
【００２８】
本発明のロータリーエンジンの実施形態は、いくつかの平行ディスクからなる構成を備える。各々のディスクは、一つのロータ及びいくつかの部分エンジンを備える。部分エンジンの各々の膨張室は、各々のロータの円周周りに隣合わせに分散されて位置し、ディスクのすべてのロータは、共通の出力シャフトに連結される。
【００２９】
本発明のロータリーエンジンの実施形態では、各々の膨張室は、膨張室内に通じる二次入口開口部と流体連通する少なくとも一つの二次入口弁と、膨張室内に通じる一次出口開口部と流体連通する少なくとも一つの二次出口弁とを備える。このため、二次プロセスを一次プロセスと並行して同時にかつ同じ膨張室内で実施することが可能になる。
【００３０】
二次入口弁及び二次出口弁を備える本発明のロータリーエンジンの実施形態では、膨張室に通じる一次プロセス及び二次プロセスの入口及び出口は、閉鎖機構に対して同じ円周位置に凡そ平行に位置合わせされ、それによってこれらに必要とされる空間を最適化し、両方のプロセスからのプロセス流体を同じ場所において膨張室内に流入させ、膨張したガスが同じ場所において膨張室から逃げることを可能にする。
【００３１】
二次入口弁及び二次出口弁を備える本発明のロータリーエンジンの実施形態では、二次入口弁及び二次出口弁は、一次入口弁、一次出口弁、又は主ロータと連結又は同期化されず、一次プロセス及び二次プロセスの弁は、互いから独立して開閉される。
【００３２】
二次プロセスは、たとえばエンジンに対する突然の動力需要が存在するとき、及び／又はエンジンの起動プロセス中、一次プロセスのストールを防止するために開始される。
【００３３】
本発明のロータリーエンジンの実施形態は、熱可塑性材料から作製され得る。
【００３４】
第２の態様では、本発明は、ロータリーエンジンのための方法である。この方法は、
ａ）低温リザーバからの液体プロセス流体を加圧するように適合されたポンプを作動させるステップと、
ｂ）ポンプから加圧された液体プロセス流体を受け入れ、加圧された液体プロセス流体を加熱するように適合された加熱器システムを作動させるステップと、
ｃ）過熱され加圧されたプロセス流体の所定の体積の一連のバッチ量が膨張室に入ることを可能にするために膨張室の入口開口部に位置する入口弁を作動させるステップであって、過熱され加圧されたプロセス流体のバッチ量が、プロセス流体のガス相に転換し、入口弁は、開くように作動され、このときガスは、ロータブレードの後側に正圧を及ぼしてロータブレードが膨張室を通り抜けるようにする、ステップと、
ｄ）膨張室の出口開口部に位置する出口弁を作動させるステップであって、それにより、ロータブレードが膨張室に通じる入口開口部を過ぎ、その結果過熱され加圧されたプロセス流体の第１のバッチ量が膨張室に入ったときに出口弁が開き、ロータブレードが膨張室に通じる出口開口部に近付くときに出口弁が閉じる、ステップと
を含む。
【００３５】
出口弁をこれらのときに作動させることにより、プロセス流体の第１のバッチ量の十分に膨張したガス相が、次の後続のロータブレードが膨張室内に進み、その結果過熱され加圧されたプロセス流体の第２のバッチ量が膨張室に入るまでの間膨張室内に留まり、そしてその後だけ、プロセス流体の第１のバッチ量の十分に膨張したガス相が低温リザーバに戻ることを可能にし、第１のバッチ量のプロセス流体のガス相は液体状態に凝縮する。出口弁が開くため、凝縮によって生み出された負圧は、プロセス流体の第２のバッチ量の膨張するガスの圧力が、次のロータブレードの後側を押し付けると同時に、次のロータブレードの前側に働く。このようにして、プロセス流体のバッチ量のガス相内に蓄えられたエネルギー、さらには凝縮エンタルピーもまた、ロータブレードを移動させるために使用される。
【００３６】
本発明のすべての上記の及び他の特性及び利点は、付属の図を参照して、その実施形態の例示的かつ非限定的な後続の説明を通じてさらに理解される。図中、同じ番号は、異なる図の同じ要素を示すために使用されることもある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のエンジン内の各々の膨張室の一次プロセスに関連する基本的な構成要素の概略図である。
【図２Ａ】本発明のエンジン内の膨張室の一次入口弁及び一次出口弁を開閉する順序を示す概略図である。
【図２Ｂ】本発明のエンジン内の膨張室の一次入口弁及び一次出口弁を開閉する順序を示す概略図である。
【図２Ｃ】本発明のエンジン内の膨張室の一次入口弁及び一次出口弁を開閉する順序を示す概略図である。
【図２Ｄ】本発明のエンジン内の膨張室の一次入口弁及び一次出口弁を開閉する順序を示す概略図である。
【図２Ｅ】本発明のエンジン内の膨張室の一次入口弁及び一次出口弁を開閉する順序を示す概略図である。
【図２Ｆ】本発明のエンジン内の膨張室の一次入口弁及び一次出口弁を開閉する順序を示す概略図である。
【図３Ａ】本発明のエンジン内の膨張室の一次入口弁及び二次入口弁並びに一次出口弁及び二次出口弁の配置を示す概略図である。
【図３Ｂ】本発明のエンジン内の膨張室の一次入口弁及び二次入口弁並びに一次出口弁及び二次出口弁の配置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明は、少なくとも一つ、通常は複数の独立した部分エンジンからなるロータリーエンジンである。いずれもエンジンを作動させるために使用される二つの異なるプロセスが、各々の独立した部分エンジン内で行われ得る。
【００３９】
本発明の方法は、基本的には、二つの異なる別個の閉サイクルプロセスであり、そのプロセスは、いずれも、同じ幾何学的制限域、すなわち同じ膨張室又はその複数の膨張室内で同時に作動することができる。一次プロセスは、熱を運動エネルギーに転換する主要な機能を実施し、本発明のすべてのエンジンにおいて必要である。二次プロセスは、起動のために、またエンジンがストールに陥る可能性がある場合に追加の動力を供給するために必要とされる。本発明のほとんどのエンジンでは、両方のプロセスが、エンジンを作動させるために必要とされる。
【００４０】
一次プロセス
一次プロセスは、プロセス流体が閉サイクルにおいてエンジン周りを移動するにつれて液体からガス状態に変化し、またガス状態から液体に戻ることに基づく。ラジアル設計を有する従来の４ストローク燃焼エンジン内の同一のシリンダと同様に、本発明のエンジンは、いくつかの同一の部分エンジンからなり、その各々の部分エンジンは、別個の個々の閉プロセスサイクルが中で起こるそれ自体の膨張室を有する。部分エンジンの膨張室は、直列に、つまり隣合わせにして回転式エンジンの円周周りに分散される。
【００４１】
本発明のエンジン内の独立した部分エンジンの各々は、それ自体の特有の膨張室、それ自体の特有の低温リザーバ、高温リザーバ、一次入口弁及び一次出口弁、並びに図１に概略的に示される他の基本的な構成要素を有する。
【００４２】
本発明のロータリーエンジンを構成するために連続して一緒に作用する独立した部分エンジンの一つの単一の一次サイクルが、次に説明される：ポンプ１２は、低温リザーバ１０からプロセス流体を受け入れ、これを、一次サイクルが稼動に必要とする最高圧力まで加圧する。加圧されたプロセス流体のストリームは、加熱器システム１４に導かれる。加熱器システム１４は、プロセス流体を加熱するための数多くの異なるタイプの装置になることができ、たとえばバーナ、ボイラー、又は太陽熱加熱器などになる。本発明のエンジンに使用するためのバーナ１４の特に適切な実施形態は、とりわけ、これが非常に高い効率性を有するという理由のため、本発明の発明者の公開されたＰＣＴ出願の国際公開第２０１１／０５８０号パンフレットに説明されているものである。
【００４３】
加熱器システム１４から、このとき過熱され加圧されたプロセス流体が、流体として又は超臨界流体として高温リザーバ１６内に移動する。高温リザーバは、好ましくは、膨張室２０の入口近くに位置する。高温リザーバ１６から、過熱され加圧されたプロセス流体は、回転する入口弁１８に向かう。回転する入口弁は、過熱され加圧されたプロセス流体の特定の限定された量だけを取り出し、これを膨張室２０内に進める。特有のサイズを備えた、入口弁１８内の１以上の空洞又はくぼみは、一つ又はいくつかの目盛り付きビーカのように機能し、過熱され加圧されたプロセス流体の正確な量だけが膨張室内に入ることを可能にし、その正確な量は、膨張室の内側でその後形成されるガス、蒸気、又は気化ガスの総膨張に対応する。したがって、回転する入口弁は、作用サイクルを生み出し、又は規定し、すなわちこれは、過熱され加圧されたプロセス流体のバッチ量として、すなわち正確な量を膨張室２０内に入れ、次いでこの流れを妨げ、その流れ以降を別のバッチなどとして入れる。
【００４４】
膨張室２０の内側では、過熱され加圧されたプロセス流体は、利用可能な空間体積が大きく圧力がその結果として降下するため、流体からガス、蒸気、又は気化ガスに転換することができる。圧力の降下は、第１には、膨張室２０内側のより大きい空間体積によって、第２には、ロータブレード２６の移動によって膨張室２０の体積を連続的に増大させることによって引き起こされる。
【００４５】
膨張室２０は、曲がった立方体の形態であり、主ロータに連結され主ロータが回転するときに膨張室２０を通り抜けるロータブレード２６を除いて、すべて静止した又は固定された壁によって画定される。ガスは、この室内で膨張するときにロータブレード２６を押し付けて移動させ、ロータブレード２６が移動するとき、ロータブレードが連結されたロータもまた移動し、こうしてエンジンから出力を供給する。
【００４６】
膨張室２０の一次入口弁１８及び一次出口弁２８の開閉の順序が、図２Ａから図２Ｆに概略的に示される。図１に示す膨張室２０は、円形エンジンの主ロータを取り囲む部分エンジンの複数の膨張室の一つである。図２Ａから図２Ｆでは、二つの完全な隣接する膨張室２０ｉ及び２０ｉ＋１並びにそれ以上の膨張室の一部が示される。各々の曲がった立方体膨張室の入口側及び出口側は、閉鎖機構によって各々画定される。円周方向に、膨張室は、以下のように構成される：入口側では、閉鎖機構は、プロセス流体が膨張室に入ることを可能にするように適合された入口開口部の前に位置し、入口側から離間して置かれるのは、プロセス流体が膨張室を出ることを可能にするように適合された出口開口部を備える出口側であり、出口開口部の後に位置するのは、別の閉鎖機構である。
【００４７】
閉鎖機構は、ロータブレードが一つの膨張室から後続の次の膨張室内に進むことを可能にしながら、プロセス流体のバッチ量を膨張室内に閉じ込めるように適合される。例示的な目的のために、閉鎖機構は、小型ロータ２２として説明される。代替の閉鎖機構は、径方向に移動するフラップになることができる。各々の小型ロータ２２は、少なくとも一つのくぼみを有し、このくぼみをロータブレード２６は出入りすることができ、それによってロータブレードが膨張室から隣の膨張室に進むことを可能にする。
【００４８】
ロータブレード２６が取り付けられた主ロータ２４は、ギアの組立体を介して部分エンジンの小型ロータ２２、一次入口弁１８、及び一次出口弁２８に連結され、それにより、膨張室２０内に超臨界プロセス流体のバッチ量が入るのを可能にするための一次入口弁１８の回転、したがって開閉、並びに十分に膨張したガスを低温リザーバに連結し、したがって本明細書において以下で論じるように、ロータブレード２６ａの前側にかかる真空を生み出すことを可能にするための一次出口弁２８の開閉が、ロータの回転と機械的に同期化される。
【００４９】
図２Ａから図２Ｆでは、主ロータ２４は、反時計周り方向に回転し、連続的な類似の部分は、下付き文字によって特定される。本発明のエンジンの部品がそれに対して製造される公差は、主ロータ２４の表面と小型ロータ２２の表面との間の接触が、これらが互いに転がり合うときに、隣接する膨張室間のガスの顕著な漏出を防止する十分な気密シールを形成するようなものである。
【００５０】
図２Ａは、超臨界プロセス流体のバッチ量が、プロセスチャンバ２０ｉの、小型ロータ２２ｉとロータブレード２６ｉの間の空間内に入った直後のエンジンの部分の相対配置を示している。この段階において、一次入口弁１８ｉは閉じ始めたところであり、膨張室２０ｉの一次出口弁２８ｉは開き始めたところであり、それによって、ロータブレード２６ｉと小型ロータ２２ｉ＋１の間の膨張室２０ｉ内に押し込められた、プロセス流体の前のバッチ量からの十分に膨張したガス又は蒸気相が、低温リザーバに連結され、したがってロータブレード２６ｉの前側にかかる真空を生み出すことを可能にする。
【００５１】
図２Ｂは、所定の体積の超臨界プロセス流体３０のバッチ量を膨張室２０ｉ内に流入させた後に閉じられた一次入口弁１８ｉを示している。膨張室に入った際、プロセス流体のバッチ量は、液体又は超臨界状態から、ロータブレード２６ｉの後側２６ｂを反時計回り方向に押し付けるガス又は蒸気に転換している。それと同時に、一次出口弁２８ｉは、完全に開いて、前のバッチ量からのガス又は蒸気のバッチ量を低温リザーバ１０ｉに連結し、したがってロータブレード２６ｉの前側２６ａにかかる真空を生み出すことを可能にする。
【００５２】
図２Ｃでは、プロセス流体のガス又は蒸気相は膨張し続け、ロータブレード２６ｉを、膨張室２０ｉを一次出口弁２８ｉに連結する開口部に押し付ける。この段階において、プロセス流体の前のバッチ量からの膨張したガス又は蒸気のほぼすべてが、ロータブレード２６ｉの前側２６ａによって一次出口弁２８ｉを通り抜けて膨張室２０ｉから押し出されており、一次出口弁２８ｉは閉じている。ロータブレード２６ｉは、小型ロータ２２ｉ＋１のくぼみに入り始めている。
【００５３】
図２Ｄでは、ロータブレード２６ｉは、一次出口弁２８ｉを過ぎ、膨張室２０ｉ＋１に入る途中で小型ロータ２２ｉ＋１内のくぼみに入っている。ロータブレード２６ｉ−１は小型ロータ２２ｉを通り抜け、このとき膨張室２０ｉに入っており、一次入口弁１８ｉ及び一次出口弁２８ｉの両方は閉じられて、プロセス流体の前のバッチ量からの十分に膨張したガス又は蒸気相を膨張室２０ｉ内に閉じ込める。
【００５４】
図２Ｅでは、主ロータ２４は、回転し続け、ロータブレード２６ｉ−１は、膨張室２０ｉに通じる入口と位置合わせされる。一次入口弁１８ｉ及び一次出口弁２８ｉは、その開き形状までほぼ回転している。
【００５５】
図２Ｆは、新しいサイクルが開始される直前の瞬間を示している。ロータブレード２６ｉは、膨張室２０ｉ＋１をすでに閉じている小型ロータ２２ｉ＋１を通り抜けている。小型ロータ２２ｉ＋１のくぼみを通り抜けて膨張室２０ｉ＋１に入る膨張したガスの少量は、ロータブレード２６ｉが、逆効果の真空を生み出すことなくその後側が入口弁１８ｉ＋１の入口に到達するまで移動することを助ける。
【００５６】
次の瞬間は、新しいサイクルの開始であり、図２Ａと同一である。この段階では、一次入口弁１８ｉは、超臨界プロセス流体の新しいバッチがロータブレード２６ｉ−１の右手のプロセスチャンバ２０ｉに入ることを可能にするように開き、一次出口弁２８ｉは、膨張室２０ｉ内のロータブレード２６ｉ−１と小型ロータ２２ｉ＋１の間に依然として押し込められている、プロセス流体の前のバッチ量からの十分に膨張したガス又は蒸気相を低温リザーバに連結し、したがって後続のロータブレード２６ｉ−１の前側にかかる真空を生み出すように開いている。
【００５７】
ポンプ１２がプロセス流体にかける圧力、プロセス流体が加熱器システム１４によって加熱される温度、入口弁１８が膨張室２０内に進める、過熱され加圧されたプロセス流体の正確な量、及び膨張室の最少体積及び最大体積はすべて、エンジンシステムの一次プロセスの効率性を最適化するように互いに対して選択される。
【００５８】
圧力、温度、及び体積の基本的な算出は、蒸気エンジンに関するものと同じであり、したがって共通認識のものである。
【００５９】
エンジンが熱損失に対して十分に絶縁されない場合、入口１８ｉから出口２８ｉまでだけでなく、次の入口１８ｉ＋１までの完全な膨張体積を算出し、これによって、ロータブレードが小型ロータ内のくぼみを通って膨張室を離れたときから一次出口弁１８ｉが開くまでの時間の間の早期の凝縮を回避することが必要であり、又は利点になり得る。しかし、エンジンの良好な絶縁は、膨張室内での熱損失、したがって完全に膨張したガスの早期凝縮又は部分凝縮を防止する。
【００６０】
加熱器システムは、蒸気ではなく過熱プロセス流体を生成しているため、プロセス流体は、プロセス流体の特有の蒸発熱に打ち勝つために、公称のガス、蒸気、又は気化ガス温度より高温である必要がある。したがってほとんどの場合、プロセス流体は超臨界流体である。蒸気と対比して超臨界流体を使用する利点は、第１に、高温リザーバ１６のサイズ、管直径、及び入口弁のサイズにある。２ＭＰａの圧力では、蒸気は、超臨界水と共に使用するために必要とされるものより、８３．７大きい（管の）断面又は（熱リザーバ又は入口弁の）体積を必要とする。超臨界水の代わりに蒸気を使用する他の欠点は、熱損失が起こり得る表面がかなり大きいことであり、液体の流れ挙動は、これが揺動又はライン揺れ（ｌｉｎｅ  ｓｗａｙ）を生み出さず、さらに液体圧力を用いることにより、好ましくは、後で圧力バッファとしても機能する高温リザーバ内で、ピークを容易に制御することができるため、加圧された蒸気、ガス、又は気化ガスと比較して利点を有する。流れが入口弁によって遮られるエンジンでは、後者の利点は重要である。
【００６１】
加圧され過熱されたプロセス流体が、膨張室に到達し、ガス、蒸気、又は気化ガス（プロセス流体に応じて）に転換するとき、ガス、蒸気、又は気化ガスは、膨張室のすべての壁に圧力をかける。ロータブレード２６のみが移動可能であるため、ロータブレード２６の後表面２６ｂ上にかけられた圧力は、ロータブレード２６の移動を導き、ロータブレード２６が移動するとき、これは主ロータ２４を回転させ、こうしてプロセス流体の熱エネルギーが運動エネルギーに変わる。ロータブレード２６が移動するときに膨張室の体積が増大し、ガス、蒸気、又は気化ガスの圧力は、体積の増大に間接比例して低下する。最大膨張時、ロータブレード２６が出口弁２８を備えた出口開口部に到達したとき、ガス、蒸気、又は気化ガスは、完全に膨張されているが、依然として設計通りのガス状態にある。
【００６２】
ほとんどのエンジンとは対照的に、本発明のエンジン内の一次出口弁２８は、ロータブレード２６が出口開口部に到達するときには開かずに、閉じている。ロータブレード２６は、その後、エンジンの他の膨張室内で行われているプロセスによって引き起こされた主ロータの回転を伴って移動し続ける。ロータブレード２６が一次出口弁２８を過ぎるとき、これは、小型ロータ２２内のくぼみ又は開口部を通り抜け、こうして膨張室を離れる。ガス、蒸気、又は気化ガスはすでに膨張されているため、その非常に少量のみが、小型ロータ２２内のくぼみを通ってこれも膨張室を離れる。この少量の膨張したガスは、真空を生み出すことなくロータブレードを次の膨張室内に移動させることを可能にする。
【００６３】
正にそれと同時に、ロータブレード２６ｉが膨張室を離れているとき、後続の次のロータブレード２６ｉ＋１が、他方の側の前の作用サイクルの膨張したガス、蒸気、又は気化ガスによって依然として充填された膨張室に入り始めている。出口弁２８は、この段階では依然として閉じられている。一次出口弁２８は、後続のロータブレードが入口弁１８を過ぎたときに開き、この入口弁１８は、開いており、したがって過熱された超臨界プロセス流体の次のバッチの膨張によって次の作用サイクルを開始している。したがって、完全に膨張したガス、蒸気、又は気化ガスは、次いで、管若しくはホース、又はハウジング内に組み入れられた単なる開口部になり得るチャネルを介して、低温リザーバ１０に出口弁２８を通して連結される。低温リザーバ１０内の流体は、ガス、蒸気、又は気化ガスの蒸発温度を下回るものであり、低温リザーバの内側には、膨張室からガス、蒸気、又は気化ガスを吸引する低圧又は真空が存在する。温められた凝縮されたプロセス流体の熱エネルギーの一部を取り出す熱交換機３０が、加熱器システムの燃料を事前加熱し、それと同時に低温リザーバに入るガスの温度が低下するのを助け、したがって低温リザーバが長時間昇温しすぎることを防止するために使用され得る。そのような場合、低温リザーバ１０内の熱交換機３０を使用することにより、低温リザーバ１０から出たエネルギーは、加熱器システム１４のところでこれを再導入することによってエンジンシステム内側に保たれる。
【００６４】
追加の真空が、次いで、完全に膨張したガス、蒸気、又は蒸気が一次出口弁２８と低温リザーバ１０の間の熱交換機３０の低温表面に到達し、したがって流体に凝縮することによって生み出される。一例として完全に膨張した蒸気の体積は、これがガスから液体状態への転換を受けたとき、約１，６５７分の１に低下する。出口弁２８は、次のロータブレードが入口弁の後方に到達するときの次の作用サイクルの開始まで閉じられていたため、真空は、ロータブレード２６の前側２６ａに向けられ、したがって各々の作用サイクルにおいて、ロータブレードの前側２６ａ（図１を参照されたい）上に働く。適宜に出口弁を閉じたり開いたりすることにより、低温リザーバの真空は、膨張室に連結だけされ、このときこれは、ロータブレードの前側２６ａ上に負圧をかけることによって運動エネルギーを生み出すのに寄与することができる。またあるときには、低温リザーバ及びこれに伴う低圧又は真空は、閉位置にある出口弁によって膨張室から連結解除される。
【００６５】
ロータブレード２６の前方の膨張室内側の凝縮の真空を用いることにより、圧力相違だけを使用するだけではなく、そうでなければ損失されるであろう蒸発エンタルピー又は凝縮エンタルピーの少なくとも大部分もまた、ロータの運動エネルギーを生み出すために追加的に使用される。
【００６６】
一次プロセスに関して本明細書において説明したような本発明のエンジンの概念は、加熱器システムによって発生し、プロセス流体の完全膨張及び完全凝縮まで、加圧され過熱されたプロセス流体内に蓄えられたほぼすべてのエネルギーを使用することができる。したがって、本発明の閉作用サイクルは、一次プロセスが、本明細書において上記で説明したように、より高い最終温度を有するプロセスに対するものよりもプロセス流体の蒸発に必要とされるエネルギーの割合が極めて高い、より低い温度で実現されたときでも高い効率性に到達することができる。
【００６７】
ランキン（Ｒａｎｋｉｎｅ）サイクルプロセス及びクラウジウス−ランキン（Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｒａｎｋｉｎｅ）サイクルプロセスで行われるようにガス、蒸気、又は気化ガスを生成する代わりに、加圧されたプロセス流体を使用し、これを加熱器システムのところで事前に過熱することにより、過熱され加圧された又は超臨界のプロセス流体の体積は小さいままである。一例として、０．２  ＭＰａ圧力の蒸気は、超臨界に過熱され加圧された水の同じ質量のものより８０倍大きい体積を有している。プロセス流体の体積が小さいため、入口弁１８内のくぼみ及び回転している入口弁自体の両方を小さく保つことができる。したがって、いくつかの膨張室を直列に、すなわち隣合わせに難なく配置し、非常にコンパクトなエンジンを提供することが可能であり、それによって材料を節約し、エンジンの質量比あたりの出力を極めて増大させる。
【００６８】
一次プロセスを有する本発明のエンジンは、直列配置の、同じ幾何学的平面内にディスクとして一方の膨張室を他方の隣にして配置された、いくつかの膨張室によって実現され得る。単一の膨張室は、単一の作用サイクル中、ロータブレード上に減少した力を送り出し、したがってエンジンシャフト上に減少した力を送り出す。いくつかの膨張室が直列に存在する場合、エンジンシャフトに伝達された力は、一つ又は二つだけの膨張室より均一に分散される。
【００６９】
いくつかの平行なディスクからなる構成でエンジンを建設することも可能であり、この場合、各々のディスクは、本明細書において上記で論じたように配置されたロータ及びいくつかの膨張室を備え、ディスクの各々のロータは、共通の出力シャフトに連結される。この構成は、特に、より大きいエンジンが建設されるときに有利になり得る。直列及び平行の膨張室のこうした配置は、エンジンが、１以上のディスクが遮断された状態で稼動されることを可能にし、それによって燃料又は消費者の出力消費、たとえば配電網のエネルギー含量の変動を補償し、又はこれをパルス休止変調に使用することによって出力エネルギーその正確性を増大させる。また、エンジンの起動に関しても、各々のディスク及びさらには各々の膨張室は、他方から独立して作用することができるために有用になることができる。
【００７０】
本発明の一次プロセスは、過熱され加圧されたプロセス流体内に蓄えられたエネルギーすべてを使用することによって非常に高い効率性に到達する。入口弁１８を、膨張室２０内で完全に膨張させるために必要である過熱され加圧されたプロセス流体の正確な量に調整し、出口弁２８を使用して凝縮と後続の作用サイクルの膨張を同期化することにより、運動エネルギーへの熱エネルギーの最適な転換が達成される。
【００７１】
入口弁１８及び出口弁２８の正しい同期化は、これらの回転する弁を主要シャフトに連結された適正に選択されたギアに連結することによって容易に実現され得る。たとえば、図２Ａから図２Ｆに示すような実施形態では、主要シャフトから入口一次弁１８及び一次出口弁２８へのギア移行は、３．５：１である。
【００７２】
二次プロセス
一次プロセスは、最適な効率性で作用するように設計されているため、予備動力を有さない。特にエンジンが、配電網用の発電機を駆動するように作動されているとき、しばしば周波数の突然の降下の形態で動力需要の突然の増大が起こり、発電機を通じてエンジンに伝えられる。予備動力を有さない場合、一次プロセスのみに基づくエンジンは、ストールを引き起こす可能性がある。
【００７３】
各々の膨張室に少なくとも一つの追加の二次入口弁及び少なくとも一つの追加の二次出口弁を追加することにより、一次プロセスが作用しているときに二次プロセスを一次プロセスと並行して同時にかつ同じエンジン部分内、すなわち膨張室内で実施することが可能である。図３Ａ及び３Ｂは、本発明のエンジン内の膨張室の一次入口弁及び二次入口弁並びに一次出口弁及び二次出口弁の配置を概略的に示している。一次プロセス及び二次プロセスの入口及び出口は、閉鎖機構に対して同じ円周方向位置に凡そ平行に位置合わせされて、これらに必要とされる空間を最適化する。
【００７４】
各々の膨張室１０内に通じる入口弁３４は、同じ膨張室内に通じる一次プロセスの入口弁１８に追加されるものである。一次プロセス及び二次プロセスの弁は、互いに独立的に開閉される。これらは、両方のプロセスからのプロセス流体を同じ場所において膨張室内に流入させ、膨張したガスが同じ場所において膨張室から逃げることを可能にする。
【００７５】
図３Ａは、開いた二次入口弁３４及び二次出口弁３６を示している。図３Ｂでは、これらの弁は閉じて示されている。二次入口弁３４及び二次出口弁３６は、一次プロセスの入口弁１８及び出口弁２８のように主要シャフトと連結又は同期化されない。
【００７６】
本発明のエンジンの、すべてではないかもしれないが多くの用途では、二次プロセスの追加は有用になる、又は必要にさえなり得る。たとえば、本発明のエンジンが、固定式発電機エンジンとして使用され、配電網に対する動力需要の突然の増大により、何らかの予備動力が、エンジンがストールを引き起こすことを防止するために必要である状況では、これらの追加の二次弁３４は、追加の過熱され加圧されたプロセス流体が膨張室内に入ることを可能にするために開かれ得る。プロセス流体の正確な量だけが作用サイクルの開始時に膨張室内に入れられる一次プロセスとは対照的に、二次入口弁３４又はその複数の二次入口弁は、過熱され加圧されたプロセス流体をこれらが開いている限り中に入れることができる。存在するガス、蒸気、又は気化ガスの量は、このとき一次プロセスの入口弁が膨張室に入れる少量よりかなり多いため、二次プロセスの少なくとも部分的に膨張したガスが膨張室２０を離れることを可能にするのに適切な断面を備えた少なくとも一つの二次出口弁３６も有することが有用である。
【００７７】
二次プロセスにより、追加の圧力、したがって力が膨張室２０の内側に生み出され、この力は、ロータブレード２６上にかかる圧力、したがって主要シャフト上にかかる追加の力として現れる。この追加の力は、そうでなければ、つまり二次プロセスがなければ、任意の予備を有さず、したがって不安定であろうエンジンのための予備として使用される。二次プロセスが、別個の追加のエンジン部分、すなわち膨張室内で実施された場合、二次プロセスは、必要な予備を提供することができない場合があり、これは、膨張室が低温になり、したがって過熱され加圧された流体が、すでに高温であるエンジン内で作用できるようには作用できないためである。小型サイズのエンジンでは、この問題は重要ではない場合があるが、低温部の熱膨張が、この部分が作動温度に到達したときにミリメータ程度になり得る大型エンジンでは、問題は重要である。したがって、一次プロセスのすでに加熱された膨張室を二次プロセス用にも使用することが大きな利点となる。
【００７８】
二次入口弁３４は、一次プロセスの高温リザーバ１６に連結され得る。二次プロセスが、数秒間だけ使用される場合、たとえば、上記の例で説明したような配電網に対する突然の動力需要が存在する場合、そのような動力降下は通常、１、２秒未満しか続かないため、必要とされる追加の過熱され加圧されたプロセス流体の量は多くない。したがって、二次出口弁３６は、そのため低温リザーバ１０に連結され得る。
【００７９】
二次プロセスがそれ自体の低温リザーバ、それ自体の加熱器システム、及びそれ自体の高温リザーバを有する他の概念もまた可能である。これは、各々の単一の膨張室に対するものになることができ、又は、凝縮の利用が、二次プロセスの使用の短い時間の間はそれほど重要でなく、したがって、各々の作用サイクルの分離が、一次プロセスの場合のように重要でないときは、いくつかの一緒にした膨張室に対するものにもなることができる。
【００８０】
二次プロセスは、高い効率性に到達しない。二次プロセスは、そうでなければエンジンのストールが起こり得る状況において一次プロセスを助けるようにのみ設計されているため、二次プロセスは時々にしか使用されない。配電網の突然の動力需要の例において、そのような状況が１日に２回存在し、各々が２秒間続く場合、二次プロセスは、一次プロセスが作動している時間の０．００２５％だけ使用される。しかし、このわずかな使用であっても、配電網の停電を防止するために必須の重要なものなり得る。こうして二次プロセスは、極めて効率的であるが不安定な一次プロセスの発電に対する使用を可能にする。
【００８１】
二次プロセスはまた、本発明の一次プロセスを使用して稼動する大型エンジンのより速い昇温に対しても使用され得る。二次プロセスによって膨張室内に導入された過熱され加圧されたプロセス流体のより多い量、したがってより多い質量は、エンジン全体のかなり速い昇温を導く。より大型のエンジンの良好に規定され制御された昇温の手順が必要であるが、これは、より小型のエンジンでは、部品の熱膨張は可動式部品間の隙間より小さく（通常約０．０２から０．０５ｍｍ）、したがって無視できるが、より大型のエンジンでは、これはミリメータの範囲内にあるためである。
【００８２】
本発明のエンジンは、膨張室の入口内で液体状態からガス状態に変化する加圧され過熱されたプロセス流体によって作動される。膨張室の入口内の特有の地点において転換プロセスから形成されたこのガス、蒸気又は気化ガスの特有の圧力を得るために、この特有の場所における、つまり膨張室の入口内のプロセス流体の特有の温度が、必要である。また、プロセス流体を流体からガス状態に転換するのに必要である追加のエネルギーを加えることも必要である。この追加のエネルギーは、蒸発の潜熱と呼ばれ、これは、温度の上昇には寄与しない。後の段階でガスが転換して液体状態に戻ったとき、このエネルギーは、凝縮エンタルピー又は凝縮のエンタルピーとして再度放出される。上記の本明細書における背景技術の項で説明したように、このエネルギーは熱としては放出されず、これが、加熱されたプロセス流体と共に作用するほとんどのエンジンに現在使用されるランキン（Ｒａｎｋｉｎｅ）プロセス又はクラウジウス−ランキンプロセス（Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｒａｎｋｉｎｅ）が、蒸発の（損失）熱の量の割合をできるだけ低く保つために、可能な限り高い開始温度で作動される理由である。
【００８３】
上記で説明したように、本発明の一次プロセスは、プロセス流体の加圧された高温ガス、蒸気、又は気化ガスの熱エネルギーだけでなく、凝縮エンタルピーも運動エネルギーに転換することができる。したがって、本発明の方法及びエンジンシステムは、プロセス流体が相対的に低い温度に対してのみ加熱されるプロセスにも使用可能であり、このプロセス及びエンジンシステムは、依然として５０％以上の効率性を有することになる。これは、非常に重要であり、たとえば、安価な低い技術レベルの太陽熱技術を使用してプロセス流体を加熱することができる。
【００８４】
本発明のエンジンは、低い温度において効率的に作動することができるため、一般的な熱可塑性材料から十分な正確性を有してそのようなエンジンを製造することが、実現可能である。必要であれば、熱可塑性部分の剛性及び安定性は、押し出しプロセス中においてはインレーとして、又はその後においては鋳造部分又は中実部分としての金属及び又はセラミックの材料によって補強され得る。このため、高い効率性を有する安価なエンジンの大量生産が可能になる。
【００８５】
本発明の実施形態が例として説明され、特に、ロータリーエンジンの特有の設計が本明細書において説明されているが、基本的なエンジン設計の数多くの変形形態が可能であり、本発明を、特許請求の範囲を超えることなく、数多くの変形、改変、及び適合を伴って行うことを可能にすることが当業者によって理解されるであろう。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【国際調査報告】
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