(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の運動エネルギを取り扱い且つ回収するための装置において、
加圧下で流体を流体出口（１６）に押し出す自律遠心ブロワー及びエネルギを回収する装置の両方として作動するように構成された、ブレードを備えた可逆的インペラー（１１）、
前記ブレードを備えたインペラーと一体の可逆的モータ／発電機（１２）、及び前記インペラーと協働して来入流体の運動エネルギを取り扱い且つ回収する、前記インペラーを含む流体コンベア（７）を含み、
前記流体コンベア（７）は、来入流体を受け入れるように構成された流体入口（１５）の先細の螺旋、及び流体出口（１６）の末広がりの螺旋を含み、
前記インペラーブレードは流体出口（１６）の第一の端部と流体入口（１５）の第２の反対側の端部とを連通する連続的な溝を画成し、
且つ
前記インペラーは、前記流体入口（１５）を通して供給される流体によって、または前記可逆的モータ／発電機（１２）によって、流体出口（１６）を通して加圧流体を送出する遠心ブロワーとして作動することができるように動く、
装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記流体コンベア（７）は、
過剰の流体を再循環し、又は部分的に排出するためのダクト（１７）を更に含む、ことを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、前記モータ／発電機（１２）は、
シャフトによって、前記ブレードを備えたインペラー（１１）と一体である、ことを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置において、前記モータ／発電機（１２）は、
高効率永久磁石ブラシレス電動三相同期機であり、モータとして、交流三相可変高周波電流が供給され、発電機として交流三相電流を出力する、ことを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の装置であって、
該装置が単一の本体であり、
第１の冷却機を有するモータ／発電機のケーシング（８）、
前記ケーシング（８）と一体の後カバー（９）、及び
前記流体コンベア（７）と一体の、第２の冷却機を有する前カバー（１０）を更に有し、
このような単一の本体は、前記モータ／発電機（１２）、及び前記ブレードを備えたインペラー（１１）をその内部に含む、ことを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置において、前記のモータ／発電機は、前記ブレードを備えたインペラーとシャフト（１３）によって一体となっておりは、前記シャフト（１３）は減摩ベアリング（１４）によって前記前後のカバー（９、１０）に挿入されている装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の装置において、アルミニウム合金、又はステンレス鋼、又はチタニウム、又はセラミック材料、又はガラス強化テクノポリマー等の複合材料で形成されている、ことを特徴とする装置。
【請求項８】
ターボチャージャーを含む過給エンジンにおいて、ターボチャージャーと前記流体入口との間に直列に組み込まれた、請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の装置を含む、ことを特徴とするエンジン。
【請求項９】
請求項８に記載のエンジンにおいて、トレーラートラックの内燃エンジンである、ことを特徴とするエンジン。
【請求項１０】
請求項８に記載のエンジンにおいて、航空用レシプロエンジンである、ことを特徴とするエンジン。
【請求項１１】
請求項８に記載のエンジンにおいて、船舶用内燃エンジンである、ことを特徴とするエンジン。
【請求項１２】
請求項８に記載のエンジンにおいて、２ストローク内燃エンジンである、ことを特徴とするエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体内の運動エネルギを取り扱い且つ回収するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃エンジンのブーストと関連した技術の現状は、一般的には、ターボチャージャーや機械駆動式容積型ブロワー等の機械式のシステムを使用する。これらの装置は、エンジンの必要と調和しないおおまかな方法を使用してエンジンに送出される空気を圧縮し計量する。これは、慣性が大きいことや特定の速度（ｒｐｍ）で出力が失われることやその他の速度で出力が過剰になることにより、駆動装置が不正確であることにより生じる。
【０００３】
現在の技術背景の例として、米国特許５５７７３８５は、電気モーター、自身のブレードを有する圧縮機（遠心ブロアー）および自身のブレードを有する分離空気タービンを含む電空過給機を開示する。
任意の他のエンジン補助システムは、エネルギ消費及び環境保全と関連した問題点による性能上の理由及び必要により、ほぼ完全に電子制御式である。
【０００４】
しかしながら、空気取り扱いシステムに対する必要は未だ満たされておらず、現在、この必要を満たすため、世界中で多くの試みがなされている。これは、ターボチャージャーの従来の応答遅延の問題をなくすために電気駆動式の外部装置を使用することによって行われるか或いは、電動モータ支援型ターボチャージャーを使用することによって行われるかのいずれかである。電動モータはその一部として、ターボチャージャーと同じ速度（ｒｐｍ）及び同じ温度を受ける。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、上述の不都合を全て解消し、流体内の過剰の運動エネルギを完全に取り扱い且つ回収する信頼性のある装置を導入することである。この装置は、流体を取り扱う上での必要性を最適に満たし、エンジンで更に清浄に燃焼を行うための重要な工程を行う。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
詳細には、この装置は、可逆ブレードインペラー、このインペラーと一体の発電機、及びインペラー及びエンジンの過給流体と協働する流体コンベアを含む。
本願の一体の部分である特許請求の範囲に記載された装置が本発明の特定の要旨である。
【０００７】
本発明の装置の要旨には幾つかの利点がある。
これらの特徴には、流体力学的可逆性及び迅速な作動時間が含まれる。これは特にコンパクトであり且つ簡単であり、圧力及び空気流を正確に設定できる。自律ブロワーとして、及び何らかの方策を講じないと失われてしまうエネルギを回収するための装置として作動するのに特に適している。
【０００８】
自動車、及び排気ガスターボ圧縮機によってブーストされるトレーラートラック用内燃エンジンに適用できる。
航空用レシプロエンジンの航空学に適用できる。
この他に、船舶用エンジンや商業的定置エンジン等の用途がある。
２サイクルエンジンでも密閉ケースエンジンの別体のブロワーとして使用でき、又は既存のエンジンで使用できる。
エンジンの他に、流体（気体又は液体）の運動エネルギ、その圧力、及び／又は空気流のサージ等を小さい圧力損失及び迅速な作動時間で取り扱う必要がある任意のダクトで使用できる。
【０００９】
本装置を内燃エンジンに適用すると、排気中の酸素不足度、従来のオルタネーター及び関連した比較的非効率なベルト式又はギヤ式駆動装置をなくすことができるため、駆動シャットルから取り出されるエネルギが少ないといった、生態や環境及びエネルギ消費と関連した際立った利点が得られる。
【００１０】
本発明のこの他の目的及び利点は、非限定的実施例の以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことにより、容易に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に図１乃至図４を参照して装置を説明する。
これらの図において、同じ参照番号又は参照符号は同じ部品、エレメント、又は大きさを示すものである。
【００１２】
本装置は、固定部品及び可動部品を含む。
固定部品は、ケーシング、即ち冷却を容易にするために多数のフィンが設けられた好ましくはアルミニウム合金製鋳造体であるケーシングを含む。このケーシングは、流体コンベア７、冷却器を備えたモータ／発電機のケーシング８、及び後カバー９のアッセンブリから得られる。更に、冷却器１０が関連した前カバーが設けられている。
これらの部品は、適当なねじ１９で接合されており、ゴム製のリングシール（１８）を使用してシールされる。
【００１３】
実際上の理由のため、及びブレードを備えたインペラーをコンベア７内にその直径に拘わらず組み立てることができるようにするため、コンベアは、接合されるべき二つの部品に分けることができる。
【００１４】
流体コンベア７の内部には、関連した入口１５’を含む流体入力部１５の先細の螺旋、関連した出口１６’を含む流体出力部１６の末広がりの螺旋、ダクト１７、及び流体を部分的に再循環し又は部分的に排液するための関連したドレンプラグ１７’が設けられている。
【００１５】
可動部品は、強制潤滑を必要としない高速密閉減摩ベアリングによって支持された鋼製シャフト１３によってモータ／発電機１２と一体の、ブレードを備えたインペラーで形成されている。ベアリング１４はシャフト１３の両端に取り付けられており、二つのカバー９及び１０に挿入される。
【００１６】
ブレードを備えたインペラーはコンベア７内にあり、入口１５、出口１６、及びダクト１７とともに以下に説明するように作用する。
装置は、インペラー１１の流体力学的可逆性によって、及びモータ／発電機１２（ブラシレスであるのが好ましい）の可逆性によって作動し、モータ又は発電機のいずれかとして作動する。
【００１７】
流体は、関連した入口１５’を含む流体入力部１５の先細の螺旋によって搬送され且つ加速され、流れインペラーブレードの前縁及びプロファイルに作用を及ぼす。
【００１８】
インペラーが減速すると、流体が膨張し、その温度が低下し、圧力が低下し、機械的出力をモータ／発電機１２に送り、この場合、このモータ／発電機が発電機として作用する。
出力圧力がそれでも非常に高い場合には、関連したドレンプラグ１７’が設けられたダクト１７を通して空気を再循環し又は部分的に排出する。ドレンプラグ１７’は、適正なチョークバルブ（図５の参照番号６を参照されたい）に接合できる。
【００１９】
逆に、入口１５’で流体のエネルギが低く、低圧であり且つ低速である場合には、適正なセンサが電子式制御ユニット（図示せず）を賦勢し、現在モータとして作動しているモータ／発電機１２に電力を必要に応じて供給する。インペラーが加速し、後縁に続くブレードプロファイルが、流体を流体出力部１６の末広がりの螺旋に流体を押し込む効率的な遠心ブロワーとして作用する。その後、流体は適切な圧力で使用者の装置に出口１６’を通して送出される。
【００２０】
作動上の遅延がないことが非常に重要であり、軽量の回転部品が常に作動速度に近い所定速度で回転しているためにアクチュエータの慣性が非常に低いため、直ちに応答する。
従って、装置は、機械的流体可逆性、即ち圧力及び容量を取り扱う性能を備えており、自律ブロワーとして作動でき、本装置が設けられていない場合には無駄になったエネルギを回収する。
装置の形状、大きさ、及び出力は、その使用に従って定められる。
【００２１】
一実施例として、モータ／発電機１２は三相同期電動機であり、高効率のブラシレス永久磁石を備えている。モータとして作動する場合には、アクチュエータに接続された電子回路で直流を変換することによって得られた可変の高周波数三相交流電流が供給される。発電機として作動する場合には、その出力は、シリコンダイオードによって整流された三相交流電流である。
これは、寸法、重量、及び価格を低下した、高出力高速（代表的には５００００ｒｐｍ）オルタネーターとして使用される低保守モータ／発電機の一種である。利用可能な任意の種類の整流−変換電子回路を使用できる。
【００２２】
ベンチマーク試験結果は、圧縮機モード又は発電機モードのいずれかで行われる。インペラーが６０ｍｍで総重量が２Ｋｇの装置は、平均的な自動車用オルタネーターの一つに匹敵する所定の電力を発生できる。利用された全てのエネルギが排気ガスから来るものであって、本装置がない場合には廃棄ゲートを通して捨てられるため、又はターボチャージャーの「可変形状」システムのため、主エンジンでは出力損失がない。
かくして、平均的な重量が５Ｋｇ乃至８Ｋｇである通常のエンジンの従来のオルタネーターに代えて本発明による装置を使用でき、これにより、性能、重量、及び価格において大幅な改善がなされる。
【００２３】
本装置は多くの用途で使用できる。エンジンの幾つかの用途を図５を参照して以下に説明する
【００２４】
。
図５において、ターボチャージャー３によるブーストを受けるトレーラートラックの内燃エンジン等の一般的なエンジンに参照番号４が付してある。ターボチャージャーは、エンジン４から来入する排気ガスを受け取り、廃棄ゲート５を備えている。本発明の要旨である装置１は、ターボチャージャーと直列に配置されており、ターボチャージャーから流体（圧縮空気）を受け取る。この流体は、入口１５に導入される。出口１６は、エンジン４の圧縮空気入口に供給する。装置１は、インタークーラーの下流に配置されるのがよい。
再循環ダクト即ち流体部分排出ダクト１７の下流には特殊なチョークバルブ６が設けられている
【００２５】
。
周知の種類のモータ／発電機１２用の電子式コンバータ／整流器２が設けられており、エンジンの任意の他の機能を管理する制御ユニットに周知のように接続されている。
排気ガスターボチャージャーによるブーストを受けるトレーラートラックの内燃エンジンの用途では、本発明の要旨である装置は、移行状態で代表的な過給ラグを小さくできる。本装置は、主ターボチャージャーで空気を「順次」加圧し（２段圧縮機で行われているように）、低ｒｐｍ時のトルクを増大し、空気不足により煙の等級を低下する。更に、廃棄ゲートの開放を遅延する過剰の過給圧力を減少し、本装置が設けられていない場合には排気ガス中に排出されたエネルギを大幅に使用する。
【００２６】
航空用レシプロエンジンでは、本発明による装置は、フルスロットル高度に亘り、出力を回収するのに使用できる。この高度では、航空用エネルギが回転数が一定であり、過給圧縮自動制限機として作動し、主エンジンに熱応力や機械的応力が加わらないようにする。主発電機として作動する場合、従来のオルタネーターは融通性のある余分のシステムの副次的装置となる。圧力制御装置は、離陸中又は緊急時には不能化される。
【００２７】
本装置は、更に、任意の種類の内燃エンジンで使用でき（ユニフロー型エンジン等のオットーエンジン又はディーゼルエンジンのいずれかの商業的船舶用２ストロークエンジンで、ハイポセティカル（ｈｙｐｏｔｈｅｔｉｃａｌ）密閉ケーシングエンジンの始動時に別体のブロワー及び/ 又は掃気ブロワーとして使用でき）、従来のオルタネーター及びこれと関連した比較的非効率なベルト駆動装置又はギヤ駆動装置を少なくでき、又はなくすことができるため、駆動シャフトから取り出されるエネルギが少ないことによる利点を提供するばかりでなく、生態学、環境、及びエネルギ消費、煙減少の酸素不足等級に関して明確な利点を提供する。
【００２８】
４ストローク給気エンジンでは、本装置は、有用には、僅かなブーストを提供する圧縮機として作用できる。
更に、本装置は、商業的に入手できる任意のエンジンに容易に適用できる。
本発明による装置は、エンジンの他に、加圧流体又は移動流体を含む任意のシステムに適用でき、又は流体（気体又は液体）の運動エネルギ及び関連した圧力及び／又は送出サージ等を小さな圧力損失で及び迅速な作動時間で取り扱う必要がある任意のダクトに適用できる。
【００２９】
本発明の範囲から逸脱することなく、以上の例の設計変更を行うことができ、これには当業者にとっての任意の等価の実施例が含まれる。
一例として、大径の流れインペラー又は稠密な流体の場合、ブラシレスモータ／発電機や直流発電機／モータよりも低速の三相又は単相のモータ／発電機１２を使用できる。
本装置を形成するには、ステンレス鋼、チタニウム、又は腐蝕性及び／又は高温流体の場合にはセラミック等の材料を必要とする。低温の流体の場合には、ファイバ強化テクノポリマー材料等の複合材料を使用してもよい。
【００３０】
当業者は、本発明による装置を、以上の説明から、構造上の更なる詳細を必要とせずに製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の要旨である可逆ブレードインペラーの断面斜視図である。
【図２】正面図である。
【図３】Ａ−Ａ線に沿った長さ方向断面図である。
【図４】分解斜視図である。
【図５】本装置のエンジンシステムへの適用の概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
７  流体コンベア
８  モータ／発電機
９  カバー
１０  冷却器
１１  インペラー
１２  モータ／発電機
１３  シャフト
１４  ベアリング
１５  流体入力部
１５’  入口
１６  流体出力部
１６’  出口
１７  ダクト
１７’ドレンプラグ
１８  リングシール
１９  ねじ
【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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