(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを収容するチャンバと、このチャンバ内においてガスの体積を変化させるためのピストンと、前記チャンバ内への液体の流入を許容するための孔を各々備えた複数のアトマイザと、前記アトマイザに液体流を供給する手段と、を備えた装置であって、各アトマイザは、前記孔の軸心回りの旋回運動を前記液体流に付与するための流れ経路を規定する手段をさらに備え、これによって液体が前記孔を離れる際にスプレー状に分散するように構成されており、前記孔のあるものは他の孔に隣接して位置しており、前記隣接する両孔の軸心はそれぞれのスプレーが前記隣接する両孔の少なくとも一方の近傍にて交差するように配向されている、装置。
【請求項２】
前記隣接する孔の軸心は、各々のスプレーが前記隣接する孔の少なくとも一方の近傍で、前記隣接する孔間の最端距離未満の近傍で交差するように配向されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記チャンバはシリンダにより構成される、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
少なくとも１つの前記孔の軸心と前記シリンダの軸心に平行な直線の成す角度は、少なくとも他の１つの前記孔の軸心と前記シリンダの軸心に平行な直線の成す角度と異なる、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記１つの孔は前記他の１つの孔に隣接する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つの前記孔の軸心は、前記シリンダの端部近傍における前記スプレーの流れの一部が前記端部にほぼ沿うように配向されている、請求項３又は４又は５に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つの前記孔の軸心は、前記シリンダの壁近傍における前記スプレーの流れの一部が前記壁にほぼ沿うように配向されている、請求項３〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
複数の前記孔は前記シリンダの軸心周りで周方向に離間されており、少なくとも１つの前記孔の軸心と前記シリンダの軸心に平行な直線の成す角度は、周方向に離間された隣接する孔の軸心と前記シリンダの軸心に平行な直線の成す角度と異なる、請求項３〜７のいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
少なくとも一組の隣接する孔の軸心が前記シリンダ軸心に平行な直線に対して成す角度の差異は、前記隣接する１つの孔の軸心と周方向に離間された別の隣接する孔のうち隣の孔の軸心が前記シリンダ軸心に平行な直線に対して成す角度の差異よりも大きい、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
複数の前記孔は前記シリンダの端部近傍においてシリンダ壁の周りに設けられている、請求項３〜９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
少なくとも１つの前記孔の軸心は前記シリンダ軸心と交差しないように配向されている、請求項３〜１０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの孔を含む複数の前記孔は、前記シリンダの軸心周りで周方向に離間されており、前記周方向に離間された少なくとも１つの孔の軸心は、当該孔と前記シリンダの軸心とを結ぶ直線に対してある角度だけずれている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
少なくとも２つ以上の前記周方向に離間された孔の軸心は、前記各孔と前記シリンダの軸心とを結ぶ直線に対し同じ側へずれている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも２つ以上の前記周方向に離間された隣接する孔の軸心は、前記各孔と、前記シリンダの軸心を結ぶ直線に対し同じ側へずれている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
少なくとも１つの同じ側へずれた前記孔の軸心は対応する前記各直線に対してある角度でずれており、その角度が同じ側へずれた少なくとも他の１つの孔の軸心が対応する前記直線に対してずれている角度とは異なる、請求項１３又は１４に記載の装置。
【請求項１６】
少なくとも１つの前記孔からの円錐状スプレーの広がり角度は、別の孔の成す広がり角度とは異なるように構成される、請求項３〜１５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１７】
少なくとも２つ以上の前記孔は前記シリンダの軸心に対して平行方向に離間されている、請求項３〜１６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１８】
複数の前記孔は、シリンダ壁に沿って周方向に離間されると共に、前記シリンダの軸心に対して平行方向にも離間されている、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
少なくとも２つの隣接する孔は前記シリンダの軸心に対して平行方向に離間されている、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
液流入のための前記手段は導管を備え、複数の前記孔が前記導管から液体を受け入れるために結合している、請求項１〜１９のいずれかに１つ記載の装置。
【請求項２１】
前記シリンダは複数の分離した部分から成り、少なくともそのうちの１つは複数の前記孔と前記孔への流れ経路を規定する前記手段を含む、請求項３〜２０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの部分はさらに導管を備え、複数の前記規定手段が前記導管と結合している、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの部分は脱着可能に設置されたシリンダの横断部材である、請求項２１又は２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記の少なくとも１つの部分は脱着可能に設置されたプラグである、請求項２１〜２３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２５】
前記孔を備えた前記プラグの外周はほぼ円形である、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
ガスコンプレッサと複数の前記孔を通過する液体の流速を制御する制御装置とを備え、この制御装置よって圧縮行程の初期において前記シリンダ内のガス圧の上昇に伴って流速が増加し、圧縮行程の終盤においては所定の流速に維持され、且つ前記シリンダ内のガス圧が最大値に達する以前に流れが止まるようになっている、請求項３〜２５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２７】
前記制御装置は、前記シリンダの端部付近の空間へスプレーを発生する孔へ供給される液体の流速が、前記空間から離れる方向へスプレーを発生する孔へ供給される液体の流速に比べて大きくなるように構成されている、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
ガスコンプレッサである、請求項１〜２７のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２９】
複数の前記孔を介する液体流量を制御するように構成された制御装置を備え、これにより液体が圧縮行程中に前記孔より噴霧され、且つ、前記チャンバ内のガス圧が最大値に達する以前に遮断されるようになっている、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
液体が前記チャンバ内へ噴霧される前に液体を冷却する装置を備えている、請求項１〜２９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項３１】
ガス膨張器と、前記チャンバ内へ圧縮ガスを供給する手段と、前記チャンバにおけるガス膨張の際に前記チャンバ内へ液体を噴霧するための制御装置を備える、請求項１〜３０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項３２】
ガスを収容するシリンダと、このシリンダ内においてガスの体積を変化させるためのピストンと、前記シリンダ内への液体の流入を許容するための孔を各々備えた複数のアトマイザと、前記アトマイザに液体流を供給するための手段と、を備えた装置であって、各アトマイザは、前記孔の軸心回りの旋回運動を前記液体流に付与するための流れ経路を規定する手段をさらに備え、これによって液体が前記孔を離れる際にスプレー状に分散するように構成されており、少なくとも１つの前記孔の軸心と前記シリンダの軸心に平行な直線の成す角度は、少なくとも他の１つの前記孔の軸心と前記シリンダの軸心に平行な直線の成す角度と異なる、装置。
【請求項３３】
前記のある孔は前記他の１つの孔と隣接する、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
複数の前記孔は前記シリンダの軸心周りで周方向に離間されており、少なくとも１つの前記孔の軸心と前記シリンダの軸心に平行な直線の成す角度は、周方向に離間された隣接する孔の軸心と前記シリンダの軸心に平行な直線の成す角度と異なる、請求項３２又は３３に記載の装置。
【請求項３５】
少なくとも一組の隣接する孔の軸心は前記シリンダ軸心に平行な直線に対して成す角度の差異は、前記隣接する１つの孔の軸心と周方向に離間された別の隣接する孔のうち隣の孔の軸心が前記シリンダ軸心に平行な直線に対して成す角度の差異よりも大きい、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
少なくとも１つの前記孔の軸心は、前記シリンダの端部近傍における前記スプレーの流れの一部が前記端部にほぼ沿うように配向されている、請求項３２〜３５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項３７】
少なくとも１つの前記孔の軸心は、前記シリンダの壁近傍における前記スプレーの流れの一部が前記壁にほぼ沿うように配向されている、請求項３２〜３６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項３８】
複数の前記孔は前記シリンダの端部近傍においてシリンダ壁の周りに設けられている、請求項３２〜３７のいずれか１つに記載の装置。
【請求項３９】
少なくとも１つの前記孔の軸心は、前記シリンダ軸心と交差しないように配向されている、請求項３２〜３８のいずれか１つに記載の装置。
【請求項４０】
前記少なくとも１つの孔を含む複数の前記孔は、前記シリンダの軸心周りで周方向に離間されており、前記周方向に離間された少なくとも１つの孔の軸心は、当該孔と前記シリンダの軸心とを結ぶ直線に対してある角度だけずれている、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
少なくとも２つ以上の前記周方向に離間された孔の軸心は、前記各孔と前記シリンダの軸心とを結ぶ直線に対し同じ側へずれている、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
少なくとも２つ以上の前記周方向に離間された隣接する孔の軸心は、前記各孔と、前記シリンダの軸心を結ぶ直線に対し同じ側へずれている、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
少なくとも１つの同じ側へずれた前記孔の軸心は、対応する前記各直線に対してある角度でずれており、その角度が同じ側へずれた少なくとも他の１つの孔の軸心が対応する前記直線に対してずれている角度とは異なる、請求項４１又は４２に記載の装置。
【請求項４４】
ガスを収容するシリンダと、このシリンダ内においてガスの体積を変化させるためのピストンと、前記シリンダ内への液体の流入を許容するための孔を各々備えた複数のアトマイザと、前記アトマイザに液体流を供給するための手段と、を備えた装置であって、各アトマイザは、前記孔の軸心回りの旋回運動を前記液体流に付与するための流れ経路を規定する手段をさらに備え、これによって液体が前記孔を離れる際にスプレー状に分散するように構成されており、少なくとも１つの前記孔の軸心はシリンダ軸心と交差しないように配向されている、装置。
【請求項４５】
前記少なくとも１つの孔を含む複数の前記孔は、前記シリンダの軸心周りで周方向に離間されており、前記周方向に離間された少なくとも１つの孔の軸心は、当該孔と前記シリンダの軸心とを結ぶ直線に対してある角度だけずれている、請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
少なくとも２つ以上の前記周方向に離間された孔の軸心は、前記各孔と前記シリンダの軸心とを結ぶ直線に対し同じ側へずれている、請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
少なくとも２つ以上の前記周方向に離間された隣接する孔の軸心は、前記各孔と、前記シリンダの軸心を結ぶ直線に対し同じ側へずれている、請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
少なくとも１つの同じ側へずれた前記孔の軸心は、対応する前記各直線に対してある角度でずれており、その角度が同じ側へずれた少なくとも他の１つの孔の軸心が対応する前記直線に対してずれている角度とは異なる、請求項４６又は４７に記載の装置。
【請求項４９】
往復運動式ガスコンプレッサのシリンダハウジングへの接続に適応した本体と、使用時に前記本体に取り付けられ前記シリンダの軸心周りで周方向に配置される複数のアトマイザから成るスプレー装置であって、各前記アトマイザは使用時に前記シリンダ内へ液体を噴霧するための孔を備え、前記孔の軸心回りの旋回運動を前記液体流に付与するための流れ経路を規定する手段をさらに備え、これによって液体が前記孔を離れる際に、前記シリンダ内にスプレー状に分散するように構成されており、前記孔のあるものは他の孔に隣接して位置しており、前記隣接する両孔の軸心はそれぞれのスプレーが前記隣接する両孔の少なくとも一方の近傍にて交差するように配向されている、スプレー装置。
【請求項５０】
往復運動式ガスコンプレッサのシリンダハウジングへの接続に適応した本体と、使用時に前記本体に取り付けられ前記シリンダの軸心周りで周方向に配置される複数のアトマイザから成るスプレー装置であって、各前記アトマイザは使用時に前記シリンダ内へ液体を噴霧するための孔を備え、前記孔の軸心回りの旋回運動を前記液体流に付与するための流れ経路を規定する手段をさらに備え、これによって液体が前記孔を離れる際に、前記シリンダ内にスプレー状に分散するように構成されており、少なくとも１つの前記孔の軸心と前記シリンダの軸心に平行な直線の成す角度は、少なくとも他の１つの前記孔の軸心と前記シリンダの軸心に平行な直線の成す角度と異なる、スプレー装置。
【請求項５１】
前記１つの孔は前記他の１つの孔に隣接する、請求項５０に記載のスプレー装置。
【請求項５２】
往復運動式ガスコンプレッサのシリンダハウジングへの接続に適応した本体と、使用時に前記本体に取り付けられ前記シリンダの軸心周りで周方向に配置される複数のアトマイザから成るスプレー装置であって、各前記アトマイザは使用時に前記シリンダ内へ液体を噴霧するための孔を備え、前記孔の軸心回りの旋回運動を前記液体流に付与するための流れ経路を規定する手段をさらに備え、これによって液体が前記孔を離れる際に、前記シリンダ内にスプレー状に分散するように構成されており、周方向に離間された少なくとも１つの孔の軸心は、当該孔と前記シリンダの軸心とを結ぶ直線に対してある角度だけずれている、スプレー装置。
【請求項５３】
少なくとも２つ以上の前記周方向に離間された孔の軸心は、前記各孔と前記シリンダの軸心とを結ぶ直線に対し同じ側へずれている、請求項５２に記載のスプレー装置。
【請求項５４】
少なくとも２つ以上の前記周方向に離間された隣接する孔の軸心は、前記各孔と、前記シリンダの軸心を結ぶ直線に対し同じ側へずれている、請求項５３に記載の装置。
【請求項５５】
少なくとも１つの同じ側へずれた前記孔の軸心は、対応する前記各直線に対してある角度でずれており、その角度が同じ側へずれた少なくとも他の１つの孔の軸心が対応する前記直線に対してずれている角度とは異なる、請求項５３又は５４に記載のスプレー装置。
【請求項５６】
少なくとも２つ以上の前記周方向に離間された孔へ液体を供給するように構成された導管を備える、請求項４９〜５５のいずれか１つに記載のスプレー装置。
【発明の詳細な説明】
本発明はガスの温度制御装置に関し、特に液体噴霧によりガス温度を制御する装置に関する。
圧縮シリンダへの液体噴霧の概念は、圧縮による発熱を吸収する方法として広く知られており、当該技術分野においてしばしば湿式圧縮と呼ばれている。具体的には、液体はノズルを介してシリンダへ噴霧され、ノズルは液体を微細な液滴に分散する。液滴はガス内を移動し、最終的にはシリンダ表面に衝突する。ガス雰囲気を移動する際、液滴は圧縮ガスと密に接触する。またこのとき、大きな表面積を有する液滴は、効率良くガスから熱を吸収し、認識できる程のガス温度の上昇を招くことなく適切なガス圧縮をもたらす。
独国特許第ＤＥ−５２５２８号には、圧縮中のガスを冷却するために液体をシリンダ表面に噴霧する技術が記述されている。
独国特許第ＤＥ−３５７８５８号には、湿式圧縮を採用し液体噴霧には圧縮ガスを利用するガスコンプレッサが記述されている。圧縮シリンダの排出口は一時的に圧縮ガスを溜めるアキュムレータに連結している。アキュムレータは液体も収容し、この液体はアキュムレータ内の圧力によって小さな単孔を介して導管経由で圧縮シリンダへ給送される。液体の噴霧は唯一アキュムレータ内の圧力によって制御されているため、なんらかの制御機構が作動する必要はない。誘導ストロークの間、液体は常に圧縮シリンダー内に噴霧され、圧縮時にはシリンダ内の圧力がアキュムレータ内の圧力に達するまで噴霧され続ける。
一方、英国特許第ＧＢ−７２２５２４号に記載されているガスコンプレッサでは、液体は独立した液圧式ポンプによって複数の毛管口を介して圧縮シリンダへ噴霧される。コンプレッサにより圧縮された空気はアキュムレータに溜められ、アキュムレータ内の圧力は、コンプレッサと液圧式ポンプを同時に作動又は不作動するのに利用される。
仏国特許第ＦＲ−９０３４７１号が開示するガスコンプレッサは、圧縮チャンバ内の単一ピストンの両側でなされる二段階の工程でガスを圧縮する。第一工程の圧縮シリンダの頭部は窪んだ円錐形で、その頂端部には一本の噴霧注入ノズルを有する。ピストンの反対側にある第二工程の圧縮シリンダの横断面は環状で、アキュムレータを介して第一工程圧縮シリンダから圧縮ガスを取り込む。円形チャンネルは環状シリンダの基部に設けられ、その上方部は貫通環で形成される。液体は円形チャンネルに注入され、貫通環に設けられた孔を介して第二工程圧縮シリンダ内上方に噴霧される。
米国特許第２２８０８４５号は湿式圧縮の原理に基づくガスコンプレッサを開示する。このガスコンプレッサにおいて液体は、ガスが圧縮チャンバへ給送される前に別離のチャンバに噴霧されるか、又はそうでなければ直接圧縮チャンバに噴霧される。前者の場合、液体は内部に螺旋経路を有しノズルに流入する液体に旋回運動を与えるノズルを介して別離の混合チャンバへ噴霧される。その結果、ノズルから噴出する水は円錐状に広がる。圧縮に先駆けて事前に水と空気を混和することは、断続的すなわち圧縮行程のみではなく、むしろ継続的なスプレーの作用を許容する。また、断続的なスプレーの作用によりノズルの液体流量は押さえられる。一方後者の場合、液体はシリンダケーシングの上端部まで伸張するノズルを介して圧縮シリンダ内へ継続的に直接注入される。ノズルはそれぞれ、径方向に配列した同一平面上の複数口を有する薄壁球状の頭部から成る。これによって供される細かいスプレーは、シリンダヘッドに対して平行な面を形成し、シリンダ上部の比較的狭い領域に限定されている。この構成は、シリンダ壁ないしピストンヘッドに衝突する液滴の割合を最小化すると言われており、と同時に、シリンダを出入する空気がこの狭い領域を通過ので混和効果を最大にするとも言われている。
湿式圧縮を利用するガスコンプレッサの一例は、さらに特開昭５８−１８３８８０号公報に記載されている。その一実施例において、ガス圧縮に利用される液体の一部は、シリンダヘッドに設けられた複数の注入バルブを介して圧縮シリンダ内に噴霧される。
液体スプレーの利用においては、熱力学的動力サイクル中のガスへの熱伝達の方法としても知られている。例えば、膨張するガスへ熱を伝えるために、高温の液体を圧縮ガスを含む膨張シリンダへ噴霧する。この技術を使用した動力サイクルは、欧州特許第ＥＰ−００４３８７９号に記載されている。
圧縮膨張両行程のガス温度制御において液体スプレーを使用する装置の例は、ジェイ．ガーストマンら（Ｊ．Ｇｅｒｓｔｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ）による、２１世紀 間社会エネルギー変換エンジニアリング会議  第１巻  ３７７〜３８２項、ロエセル（Ｒｏｅｓｅｌ）による米国刊行物第３６０８３１１号、本願出願人の英国特許第ＧＢ２２８３５４３号、同第ＧＢ２２８７９９２号、同第ＧＢ２３００６７３号に記載され、これら文献の内容は本明細書の一部を構成するものとする。
液体スプレーを発生するスプレーノズルには、以下のような多種多様な技術と様式が知られている。消防やシャワーシステムに利用されるような多孔散布器、ディーゼルインジェクタなどに利用される偏平オリフィス、液体の２つの衝突噴射を使用するファンジェットノズル、衝突ノズル、圧力渦流式ノズル、回転カップ式又は回転ディスクの式アトマイザ、超音波アトマイザ、静電アトマイザ、ペイントスプレーやエーロソル推進システムに用いられる空気ないしガス推進材を備える種々の二液体ノズル。
本発明の目的は、圧縮時又は膨張時のガス温度を制御するにあたって、チャンバ内へ液体を噴霧する改良装置を提供することにある。
本発明により、ガスを収容するチャンバと、このチャンバ内においてガスの体積を変化させるためのピストンと、前記チャンバ内への液体の流入を許容するための孔を各々備えた複数のアトマイザと、前記アトマイザに液体流を供給するための手段と、を備えた装置であって、各アトマイザは、前記孔の軸心回りの旋回運動を前記液体流に付与するための流れ経路を規定する手段をさらに備え、これによって液体が前記孔を離れる際にスプレー状に分散するように構成されている、装置を堤供する。
好都合なことにこの構成により、十分に分散した相当量の微細な液滴のガス体への注入が可能な、且つそのスプレーのガス中での滞留時間が相当長くなるような噴霧孔が提供され、これによって効率的な熱伝達が謀られる。これにより、精密なガスの温度制御を維持しながらの、これまで可能であった速度よりも高速のピストン駆動が可能となる。さらに本噴霧装置では、穏やかな圧力によって駆動される時程の、適度な消費エネルギー量に押さえられる。
本装置は、圧縮熱の吸収に用いられる液体スプレーを備えたガスコンプレッサから成る。
この構成において、液体の各噴霧孔の軸心回りに誘発された旋回運動は、液体が孔を離れる以前に、液体が薄膜状で広がることを促し。その結果、孔を離れる際、液体は微細な液滴に分散される。誘発された旋回運動は、液体が孔の円周上すべての位置から噴出することをも引き起こし、これによって、比較的多量のシリンダ内へ流れる液体が各アトマイザに供給される。微少な液滴と多量の液体流の組み合わにより、圧縮時におけるガスの効率的な冷却が達成される。
孔から噴出する液体は一般に中空円錐状スプレーを形成する。個々が中空円錐状スプレーを供する孔を複数個設けることにより、適度なエネルギー消費で相当量の微細な液滴を圧縮シリンダへ導入する有効な手段が供される。
この構成のさらなる利点は、個々の噴霧孔が、適度な速度を持つ微細な液体を大量に供給する点にある。この適度な速度により液滴がシリンダ中を飛行する時間は十分に長くなり、液体がシリンダないしピストンに衝突する前にガスの圧縮熱を効果的に吸収する。この適度な噴出速度は、スプレーを形成するためのエネルギーが孔を通過する液体の軸心外方向の流れに対して垂直な速度成分を含むことよりもたらされる。しかしながら、本発明に従ってこの様な孔を複数個設置することで、液滴のガス内での滞留時間をさらに延長することが可能となる。噴射孔の設置数を増加することで、より適度な圧力差を伴う液体の噴射が可能となり、それにより液体スプレーへのエネルギー伝達を減少することができる。
好ましくは、噴霧孔が、隣接孔からのスプレー同士が互いに交差するように配向され、好ましくは各々のアトマイザ孔の近傍にて隣接スプレー同士が交差するように配向される。発明者が見い出したところによると、スプレーが孔の極端な近傍で交差しないかぎり隣接孔からの交差スプレー間の衝突は驚く程少なく、ある１つのアトマイザからのスプレーは最小限の衝突で隣接スプレーによって形成される中空円錐形へ貫入し、これにより液滴の分散が向上する。この発見は、各孔の近傍、例えば液膜が液滴にくずれる位置付近にて隣接スプレーが交差するように配向することにより、各円錐状スプレーの孔に極端に近接する位置にある乾燥領域をなくすために有効に活用され得る。
好ましくは、複数の噴霧孔はシリンダの壁と端部の間にできる周状コーナに近接するシリンダ上に配置される。この構成により、シリンダ内での液滴の経路が最長化され、液滴の飛行時間が延長される。また、液滴が効果的に熱吸収を遂行する時間は増加される。
好適な実施例においては、少なくとも１つの好ましくは複数の孔の軸心がシリンダの軸心と成す角度は、少なくとも別の１つの好ましくは別の複数の孔の軸心がシリンダの軸心と成す角度とは異なるように孔が配向されている。好都合なことに、この配向によりシリンダ内の液的分散の均一性が向上する。
好適な実施例において、少なくとも１つの好ましくは複数の孔の軸心は、シリンダの端部に最も接近するスプレーの一部の流れがシリンダの端部にほぼ沿うように配向されている。この配向により、少なくとも幾つかのスプレーはシリンダの最端領域に向けられ、液滴はシリンダヘッドにほぼ平行に移動しガス雰囲気中の軌道距離と寿命が最大化されることとなる。
好ましくは、少なくとも１つの好ましくは複数の孔の軸心は、シリンダの壁に最も接近するスプレーの一部の流れがシリンダの壁にほぼ沿うように配向されている。又は、少なくとも幾つかの孔は液体スプレーがシリンダの壁をかするように配向されている。この配向によって、十分量の液滴がシリンダ壁近傍の領域に供給されるだけでなく、シリンダ壁にほぼ平行に移動する液滴はシリンダ壁に衝突しないために、液滴がこの領域での十分な滞留時間を獲得し、ガスから効果的に熱を吸収することとなる。
好ましくは、複数の孔はシリンダの軸心周りで周方向に離間され、少なくとも１つの好ましくは複数の周方向に離間された孔の軸心がシリンダ軸心と成す角度は、各々に隣接する周方向に離間された孔の軸心がシリンダ軸心と成す角度とは異なる。隣接する周方向離間孔の軸心にシリンダ軸心と成す角度について異方性を与えることにより、隣接円錐状スプレーの衝突点は孔の近傍より離隔され、これにより液滴の凝集確率は減少し、凝集の結果生じる熱伝達効率の低下は押さえられる。
好ましくは、周方向離間孔の軸心はシリンダ軸心に対してある角度範囲で配向され、隣接する孔の軸心が成す角度の差異は、１つ置きの孔の差異よりも大きい。好都合なことに、この構成により、その軸心とシリンダ軸心の成す角度が隣接する孔からのスプレー同士の衝突を最小化するための角度範囲にわたる周方向離間孔の配向をもたらす。好ましくは、この構成は周方向に離間されたほとんどの孔に適用される。
好適な実施例において、複数の孔はシリンダの端部近傍のシリンダ壁上に位置するか、シリンダ壁と端部の間の周状コーナに位置する。好都合なことに、この配置により相当数の孔がシリンダ内に十分な液滴分散を供するための多様の異方性を伴って設けられ、ピストンが圧縮ストローク終盤にさしかかる際にもスプレーがシリンダ内に残存することを許容する。
好適な実施例においては、少なくとも１つの好ましくは複数の孔の軸心はシリンダ軸心と交差しないように構成されている。驚くべきことに、発明者らは噴霧孔の軸心をシリンダ軸心のいずれか一方へずらすことにより、シリンダ内の液滴分散の均一性が向上されることを見い出している。一実施例において、複数の孔はシリンダ軸心の周りで周方向に離間され、それぞれの孔から見てシリンダ軸心に対して同じ側へずれている。発明者らはさらに、周方向に離間された噴霧孔をシリンダ軸心の同じ側へ配向することにより、シリンダ内の液滴分散がさらに向上されることを発見している。
好ましくは、隣接する周方向離間孔の軸心は各孔から見て同じ側へ異なる角度でずれている。発明者らは、隣接する孔の軸心を異なる角度でずらすことにより、シリンダ内の液滴の均一性がさらに向上することを見い出している。
別の実施例においては、少なくとも２つの好ましくは複数の孔はシリンダの軸心に対して平行方向に離間される。孔はシリンダの周方向に離間され、シリンダ軸心に対して平行方向に間隔をあけた複数の列を構成する。好ましくは少なくとも１列の孔は隣接列の隣接孔に挟まれて周方向に位置する。好都合なことに、この構成においては、複数列の孔を収容するために必要とされるシリンダ壁の長さは短くなり、シリンダ内に収容され得るある一定サイズを有する孔の設置数は増加し、これによってシリンダ内へ流れる液滴の流速は上昇する。
シリンダ壁は複数の分離部材から成っても良いが、少なくともそのうちの１つは複数のアトマイザを備えた部材である。一実施形態において、シリンダは、その内表面がシリンダ壁の一部を構成し複数の周方向離間噴霧孔を備えたリングを備える。またリングは、少なくとも２つ以上の噴霧孔へ液体を供給するように構成されたチャンネルを備えても良い。別の実施例においては、孔は複数のアトマイザを好ましくは備えた少なくとも１つの以上のプラグに設置される。好ましくは、プラグに設けられた噴霧孔はコンパクトに配列し、好ましくは配列中の少なくとも２つの孔の軸心は異なる方向を向く。
好適な実施例において、装置は、少なくとも１つの好ましくは複数の噴霧孔を通過する流速を制御する手段を備え、圧縮時にパルスフローとして制御する。好ましくは、制御装置は、圧縮行程の終盤における流速が圧縮行程の序盤の流速よりもおおむね大きくなるように、ある１つの又は各々のアトマイザへの流速を制御するように構成されている。好都合なことに、圧縮行程終盤における圧縮シリンダへの流速が圧縮行程序盤よりも大きいことにより、圧縮時におけるガスは十分に冷却され、必要とされる液体の総量は多大に節約されるという利点がある。さらに、渦流式アトマイザの応答時間はとりわけ早く、パルスフローを発生させるには最適であることが見い出されている。パルス時間が短くなれば交差する円錐状スプレー間の衝突が減ぜられるので、液滴はより分散し、且つ熱吸収はより効果的となることも知られている。これは、より短いパルス時間に発生したスプレーは温度伝達媒体としてより効果的に作用することを意味し、より短いパルス時間は都合の良いことに、一定の温度を維持するために必要なシリンダ内への液体流量を増加させることなく圧縮速度を上昇させる。
好適な実施例においては、より微少な孔を備えたノズルを最小面積に最大数設置し、これにより特定の圧力降下に所要される流速を達成する。孔が微少であれば液滴は微細となり、その熱伝達能においてより効率的となる。スプレー数の増加もまた液滴分散を向上させ、乾燥領域を縮小する。
好適な実施例においては、単一のシリンダに少なくとも１０個のアトマイザないし噴霧孔が設けられ、それらは総べて周方向に列を形成している。しかし、シリンダの寸法によってはアトマイザの数は減少しても構わない。好ましくは、各列は１０個以上、例えば１０個から２５個又はそれ以上のアトマイザから成り、各シリンダには１列以上、例えば２列から５列又はそれ以上の列が設けられている。
本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
図１(a)及び(b)は従来技術による渦流式アトマイザの一実施例の断面図である。
図２(a)及び(b)は従来技術による渦流式アトマイザの別の実施例の断面図である。
図３(a)及び(b)は従来技術による渦流式アトマイザの別の実施例の断面図である。
図４(a)及び(b)は、別の公知の渦流式アトマイザの断面図である。
図５は本発明における一実施例の概略斜視図である。
図６は圧縮シリンダ及びシリンダ軸心に対して円錐状スプレーの軸心が成し得る二方向を示す概略図である。
図７は本発明の一実施例における圧縮シリンダの軸心方向の概略図である。
図８は本発明の別の実施例における圧縮シリンダの軸心方向の概略図である。
図９は本発明の別の実施例における圧縮シリンダの軸心方向の概略図である。
図１０は本発明の別の実施例におけるシリンダの軸心方向の概略図である。
図１１は本発明の別の実施例における圧縮シリンダとアトマイザの構成を示す断面図である。
図１２は本発明の実施例における少なくとも１つのアトマイザを含む部分の断面図である。
図１３は本発明の別の実施例における圧縮シリンダの部分の断面図である。
図１４は本発明の実施例におけるアトマイザの配列を示す。
図１５は本発明の別の実施例におけるアトマイザの代替配列を示す。
図１６は複数のアトマイザを配置するプラグの実施例の正面図である。
図１７は複数のアトマイザを配置するプラグの別の実施例の正面図である。
図１８は複数のアトマイザを配置するプラグの別の実施例の正面図である。
図１９はクランクシャフトの角度変化に伴うシリンダのガス圧変化と圧縮シリンダへ流入する液体の速度変化を示すグラフである。
図１〜４は、本発明の種々な実施例において用いられる異なるタイプの公知の圧力渦流式アトマイザを示す。各アトマイザは、噴出孔５を備えたチャンバ３を包囲するケーシングないしハウジング１を有する。チャンバ壁の前部７は、噴霧孔５の軸心についてほぼ対称であり、噴霧孔５に向かってテーパする略円錐部を有する。さらに、各アトマイザは、液体をチャンバ内へ導くべく、複数の液流入ポート１３をチャンバ３の後部１５に備え、これにより液体は軸心９を中心としてチャンバ内を旋回する。図１〜４に示したアトマイザの間の主たる相違点は、どのようにしてこの旋回流が達成されるかにある。
図１及び２において、複数の流入ポート１３が円筒形のチャンバ３の円周１７上に設けられ、円周の接線方向を向いている。図１に示したアトマイザでは、ケーシングに設けられた流入ポート１９はチャンバの軸心９に対してほぼ垂直であり、図２に示したアトマイザでは、ケーシングに設けられた流入ポート１９はチャンバの軸心９に対してほぼ平行である。液体流が接線方向の液流入ポートを介してチャンバ３に流入すると、チャンバ壁により流れが偏向し、チャンバの軸心９に対して旋回運動を強いられる。液体がチャンバの軸心９に対して平行に噴霧孔５に向かって移動するにしたがい、チャンバ前部７のテーパにより形成された漸次狭くなる円内を旋回することを強いられ、液体の角速度が増大していき、これによって噴霧孔５を通過する液体が円筒状の薄い膜を形成する。孔から噴出する際、円筒状の薄い液膜は図１に例示した円錐２１のように拡散し、スプレー状の細かい液滴に分散する。
図３に示したアトマイザは複数の流入ポートを備え、これらはチャンバ３の後部の円周上に配置された幾つかの螺旋状スロットによって構成されている。液体が、アトマイザの後部に備えられた後部流入ポート１５を介してチャンバ３に流入する際、螺旋状スロットは液体に旋回運動を与える。液体が噴出口へと移動するにつれて、液体は円錐形をした前部において漸次狭くなる円内に偏らされ、円錐形の薄膜状に変形されて、図１に示したような中空円錐状スプレーとして噴霧孔５から噴出する。
図４に示したアトマイザでは、複数の流入ポート１３をチャンバの後部に周方向に配置し、チャンバ３前部の円錐形の部位に沿って配列された複数の螺旋状チャンネルよって構成されている。このアトマイザは図３に示したアトマイザと同様に作用する。
図５は本発明の一実施例に基づいたガスコンプレッサの概略図である。図５において、ガスコンプレッサ３１はシリンダ壁３５とシリンダヘッド３７で構成された圧縮シリンダ３３から成る。シリンダ３３のガスの吸入と排出を許容するため、この実施例ではシリンダヘッド３７にガス吸入ポート３９とガス排出ポート４１が設けられているが、別の実施形態においてはこれらの配置が異なってもよい。圧縮ピストン４３は圧縮シリンダ３３内のガスを圧縮するために設けられ、任意の適当な手段で駆動される。ピストンはクランクシャフトのようなロータリ装置やその他の装置と連結されて、ピストンの運動が機械的カップリングを介して制御されてもよい。あるいは、ピストン４３は流動体に蓄えられたエネルギーを利用するような、任意の適当な方法で駆動する自由ピストンとしてもよい。
ガスコンプレッサ３１はさらに、シリンダ３３の上部近傍に周方向に離間された複数の圧力渦流式アトマイザ４５を備える。例えば図１〜４に基づいて記述したように、アトマイザ内で液体の旋回運動をひき起こすことにより、各アトマイザ４５は円錐状スプレーを発生する。各アトマイザはシリンダ内に向かって噴霧できるように配向され、且つ十分に接近して配置されている。その結果、隣接するアトマイザ同士のスプレーは交差する。好都合なことに、このような構成は全体として、微細な液滴から成る十分に分散した濃いミストを圧縮シリンダ内全体にもたらし、効果的且つ効率的な吸熱体を供給し、これによって圧縮時のガスから熱が吸収される。好適な実施形態においては、アトマイザの圧差についての制約と所望最大噴出速度が与えられた条件下において、各アトマイザは平均直径が十分に小さい液滴を発生し、単位体積当たりの液体表面積が最大となるように構成される。しかし、液滴のサイズはアトマイザの流量に依存し、流量の減少に伴って液滴のサイズは縮小する。アトマイザの流量への液滴サイズの依存性は、シリンダに十分に分散したスプレー状の液滴を発生させ得る多数のアトマイザを設置することで補完される。さらに、隣接したアトマイザからの円錐状スプレーが好ましくは各々の孔の近傍にて交差するようにアトマイザが配向されることにより、あるアトマイザからの液滴が隣のスプレーが形成する空中円錐で囲まれた空間に貫入し、それによってその領域での液滴の分散の程度が十分に大きくなる。この配向の他の利点としては、円錐状スプレーを発生させるために必要な各アトマイザにおいての圧力降下は比較的小さく、従って消費エネルギー量が小さいことにあり、これによって適度な消費エネルギー量で多くのアトマイザを使用することが可能となる。
図５に示すように、アトマイザはシリンダヘッド近傍のシリンダの周に沿って、スプレーがシリンダをほぼ横切るように配向される。この配置により、ピストンの位置に関係なく可能な限り長い液滴の軌道距離が確保される。噴霧孔から噴出する液滴の比較的長い軌道距離と適度な噴出速度は共に液滴のガス雰囲気滞留時間の増加に寄与し、その結果液滴はより多量の熱を吸収する。液滴がシリンダ内の固体表面に衝突すると、そのガスに対する熱吸収能は大きく減少する。
各噴霧孔からの円錐状スプレーの内包角はおよそ７０度から８０度の間が典型的であり、それは流速と周圧に左右される。好都合なことに、噴霧孔をシリンダヘッドの近傍に配置することにより、ピストンがほぼ上死点に位置するまでは噴霧孔がピストンに閉塞されることを防ぐことができる。ピストンがそのストロークにおいて上死点に達する前にガスの圧縮はほとんど完遂されるため、少なくとも幾つかのアトマイザについては少なくともスプレーの上縁はピストンヘッドに沿い、圧縮が完遂されるまで障害なくシリンダ内に行き渡る。
図５に示された構成の他の重要な特徴は、シリンダヘッドの少なくとも中央部にガスの吸入、排出用のポートとバルブを設けるための場所を残すべくシリンダの周上に配置された複数のアトマイザによって、シリンダ内に微少な液滴が十分に分散する噴霧が達成されることである。シリンダ壁とシリンダヘッドは一体的に形成してもよいし、別体に形成してもよい。アトマイザはシリンダヘッド又はシリンダ壁の一方若しくは両方に備え付けられる。アトマイザのスプレーの軸心は、シリンダ内における液滴の分散を向上するために種々な方向を向いており、以下にその詳細を説明する。
ガスから熱を吸収するための材料ないし媒体としての液滴の有効性を最大にするためには、ガス空間中に分散される液滴の均一性を確保することが大切である。液滴濃度の斑は、その能率に良くない影響を与える。液滴の濃度が低いと、その領域の熱吸収量が低下し、ガスの冷却が局所的に低くなる。一方、過剰に高濃度の液滴は局所的に高い冷却をもたらすであろうが、液滴が凝集し、その後の移動における液滴の有効性が損なわれる。これは凝集した液体がシリンダ壁に到達する前にガス雰囲気中を落下するためだと思われる。本構成に使用される個々のアトマイザが発生する中空円錐状のスプレーは不均一であり、シリンダ内の囲まれた空間内に均一なスプレーを供給するのに容易には適合しない。好適な実施例において、アトマイザ同士は十分に接近して配置され、その結果あるアトマイザからのスプレーが隣接するアトマイザからのスプレーと交差して衝突し、もともとは液滴不在であった中空円錐状領域に液滴が供される。しかしこの配置によって、隣接するアトマイザからのスプレーが交差がする位置で高濃度領域を生じさせるため、前述の理由でスプレーの能率に悪影響を与え得る。発明者は、シリンダ内の液滴分散の均一性は、アトマイザのスプレーの軸心を種々の方向へ変化させることによって大きく向上することを見い出した。
前述したように、シリンダヘッド近傍のシリンダ上部を横断する方向に液滴を供給するようにアトマイザはなるべく構成されなければならない。その方向へ噴射された液滴は、ピストンにもシリンダヘッドにも衝突せずにシリンダ内の比較的長い経路を移動し、急激なガス収縮の間にも残存するので圧縮行程の終盤における効果的なガス冷却を供する。圧力渦流式アトマイザより発生した円錐状スプレーは典型的には約７０度の錐角を持つ。従って、シリンダの上部を横切るように噴霧液が方向付けられると同時に、液滴は約７０度の広がり角度を介してシリンダ内に飛び散る。またある実施例においては、シリンダ壁近傍のガス空間を含むシリンダ内に相応の液滴分散を供するために、この広がり角度に渡ってシリンダ内に向けられた液滴を利用することは可能である。しかし、好ましい実施例においては、少なくとも幾つかの噴霧孔の軸心は液滴がシリンダ壁に平行且つ近接するような方向を向き、好ましくは円錐状スプレーの一番端はシリンダ壁に平行且つ近傍にある。このようにすると、シリンダ壁近傍のガスは噴霧孔からの液滴で満たされる。この時の噴霧孔はそのガス空間に最も近いため、例えばシリンダの反対側にあるような他の噴霧孔からの液滴によるよりも早急に液滴の充満が達成される。シリンダ壁近傍に可能な限り早急に液滴を充満させる必要があり、これは高速圧縮に伴いピストンが高速運動する際、効率良く冷却を達成するために特に重要である。さらにこの構成においてシリンダ壁に近い液滴は、シリンダ壁の表面にたいして平行に移動し、これにより液滴のガス中での寿命は最大となる。図６は、望ましい影響を達成するためのシリンダ軸心に対する２つのアトマイザの方向を模式的に示す。
図６において、噴霧孔（図示せず）はシリンダ壁３１とシリンダヘッド３７が接合する各々のコーナ４７及び４９に設置される。本例における、両円錐状スプレー５１及び５３の広がり角度は共に７０度である。左手コーナ４７に設置されているアトマイザの噴霧孔の軸心５５は、シリンダの軸心５７に対してα＝90−θ/2＝55°の方向を向いている。その結果、円錐状スプレーの上端５９は、シリンダヘッド３７の表面６１に平行となる。
シリンダの右手上方コーナ４９に位置する噴霧孔の軸心は、シリンダの軸心５７に対してγ＝θ/2＝35°の方向を向いている。その結果、円錐状スプレーのシリンダ壁に最接近する縁部は、シリンダ壁に沿うこととなる。
上述の角度は、例示の目的にのみ引用したに過ぎない。前述のように、実際の錐角は、流速、アトマイザの構造、及び周圧などの要因に左右される。また、円錐状スプレーの縁部がシリンダヘッド若しくはシリンダ壁のいずれかに沿うような配向を供するためのアトマイザの微妙な配向は、各アトマイザからの錐角次第であり、従って、図６との関係で述べた角度とは異なるかも知れない。実際には、錐角は噴霧孔からの距離によって変化する。特に図１に示したように、当初噴霧孔にの近傍にて大きな錐角は、孔から離れるに従って次第に小さくなる傾向にある。完全な円錐形からのずれは、噴霧孔近傍での表面張力効果に加え、液滴に誘発される空気の挙動に起因するものと考えられている。この場合、シリンダの軸心に対して噴霧孔の軸心の成す角度は、最大錐角に基づいて算出される。
図６に例示された実施例においては、シリンダ内のシリンダヘッド３７の表面は平らでシリンダ壁３１に垂直であるが、他の実施例においては、シリンダヘッドの少なくとも一部は平らである必要はなく、シリンダヘッドとシリンダ壁の成す角度は９０度より大きくても小さくてもいずれでも良い。この場合、噴霧孔の軸心がシリンダの軸心に対して適当な角度に向けられ、スプレーの一部がシリンダヘッドないしシリンダ壁の表面にほぼ沿うようにしなければならない。
１つの実施例においては、１つ置きの噴霧孔からの円錐状スプレーの上縁はシリンダヘッドに沿うように配向され、これらに挟まれた噴霧孔からの円錐状スプレーの縁部はシリンダ壁に沿うように配向される。好適な実施例においては、幾つかの噴霧孔の軸心のシリンダの軸心に対して成す角度も、２つの最端角の間の少なくとも１つのそれらとは大きく異なる角度を持つべく配向される。例えば、噴霧孔の幾つかの軸心が、図６に示した構成における３５度と５５度の２つの最端角に加え、複数の中間角度、例えば４０度、４５度、５０度の３つの中間角度をとるように配向する。好ましくは、隣接する噴霧孔のシリンダの軸心に対する方向の違いはできるだけ大きい方が良い。この構成は、隣接する噴霧孔から噴霧された円錐状スプレー同士の衝突点の距離を増大することに寄与する。円錐形のスプレーが互いに衝突し、その結果液滴がもともと中空であった円錐内部へ侵入することが可能になることは重要であるが、液体スプレーは孔の近傍領域において最密である。従って、円錐状スプレー間の最初の衝突をこの領域外で起こすことで、液滴凝集の確率は大きく減少され、スプレー分散は向上される。
しかしながら、シリンダの軸心と噴霧孔の軸心の成す中間角度が複数にわたる構成においては、この分散の向上を達成する目的で隣接アトマイザの軸心の異方性を最大にするようにこれら軸心を配向することは容易ではない。これは、２つの隣接する噴霧孔間の角度分離を最大にすると、すなわち軸心同士を大きく広げると、つぎに隣接する噴霧孔の軸心との角度分離が最小となるからである。しかしこの問題は、１つ置きの噴霧孔間の角度分離を、隣接する噴霧孔間の角度分離より小さくすることで解決することができる。例えば、前述例の円周上に配置された一連の孔が成すシリンダ軸心に対する角度では、３５度、５０度、４０度、５５度、４５度、…等が適している。例えばこの配向は、図５に示した実施例におけるアトマイザ４５ａ〜４５ｅに適用し得る。別の実施例においては、１列以上の孔をシリンダ軸心に平行にずらしてシリンダの円周に沿って配設してもよい。この場合、例えば円周、若しくは軸方向に沿って非常に接近して配置される２つないし３つ以上の近接した列に渡って類似の配列を適用することができる。例えば、配列中の次の角度は、隣接する列（ないし欄）にある最接近のアトマイザに適用することができるであろう。従って、上述の配向においては、３５度の角度があるアトマイザに割り当てられると、５０度の角度が最接近のアトマイザに割り当てられ、このアトマイザはどの列にあっても良い。そして４０度の角度が次に最接近のアトマイザに割り当てられてこれがくり返される。
図７はシリンダ３１を軸方向に表す。シリンダ３１はその円周上に複数のアトマイザ４５を備える。この実施例においては、アトマイザ噴霧孔の軸心５３の総てが、シリンダの軸心５７で交差している。各アトマイザ由来の円錐状スプレーの両最端は実直線６５で示され、錐角θで分離している。本実施例においてθは約７０度であるが、他の実施例においては異なってもよい。図７から判ることには、この配向をとると、シリンダ半径をＲとしたとき、中心からｒa＝（tan θ/2）Ｒ＝0.7Ｒの距離にある環状領域６７には、比較的高濃度の液滴が供される。シリンダ中央の半径ｒ＜ｒaの領域内の濃度は比較的低く、環状領域６７の外側にある領域７１もまた、液体の供給が乏しい領域を含む。
シリンダ軸心へ向かって横断する液滴の、分散の均一性を向上するために、アトマイザ噴霧孔の軸心はシリンダの軸心と交差しないようにずらされる。このことは、アトマイザの一部のみ若しくは総てにおいて適用される。好適な実施例において、近接するアトマイザの噴霧孔は各孔から見てシリンダ軸心について同じ側へずれている。このような角度構成を具体化した実施例を、図８〜１０に示す。
図８において、アトマイザ４５の噴霧孔総てにおける軸心５３は、それぞれの孔とシリンダ中心とを結んだシリンダ半径７３に対してω＝10°の角度でずれている。この構成により、より均一な液滴分散が供されるが、２つの低濃度領域が存在する。その１つは中心からｒb＝Ｒtan（θ/2−ω）＝Ｒtan（35-10）＝0.47Ｒの距離、他方はｒc＝Ｒtan（θ/2＋ω）＝Ｒtan（35＋10）＝1.OＲの距離にある領域である。このように、軸心のずれは液体を２つの濃度領域に都合よく分割する。
図９において、アトマイザ４５の噴霧孔の軸心５３は、それぞれの噴霧孔とシリンダ中心を結んだシリンダ半径７３に対してそれぞれω＝20°の角度でずれている。図８に示した実施例のように、総ての孔はシリンダの軸心５７に対して各孔から見て同じ側へずれている。半径線からのずれを２０度に大きくすることによって、外部濃度領域が消滅するが、これは、液滴同士が収束する前にシリンダ壁に衝突するためである。内部濃度領域は、ｒb＝Ｒtan（35-20）＝0.27Ｒの距離に現れる。この構成においては、シリンダ中央付近の領域には十分な液滴が存在し、且つ、円錐状スプレーの死角となるシリンダ内の外部領域に液体が供される。
他の実施例においては、半径線に対するずれの角度ωは、各アトマイザごとに異なっている。このような構成では、例えば、ある環状領域に他の環状領域よりも多くの水が供給されるといったような多大な濃度の斑を出さないために、近接する若しくは近傍にある噴霧孔の軸心が収束することを避けることが重要である。ある好適実施例においては、噴霧孔の、半径線に対するずれの角度には少しだけ変化がある。ずれの方向は同じであり、噴霧孔の軸心はシリンダの軸心５７に対して、各孔から見て同じ側へずれている。半径線に対してのずれの変化は、例えば１０度〜２０度であり、図１０にそのような構成の一例を示す。
図１０において、アトマイザ４６の軸心の実際の半径線ずれ角度ω1を１０度とし、別の隣接するアトマイザ４８の軸心の実際の半径線ずれ角度ω2を２０度とすると、隣接噴霧孔間の半径線ずれ角度の差は１０度である。このずれ角度の変化は、環状高濃度領域を解消、又は分散させる。従って、この構成によると、環状高濃度領域が縮小し、シリンダ内の分散がより均一化される。分散の均一性をより向上させるためには、互いに収束する傾向にある半径線ずれ角度の軸心を有する噴霧孔を、近くに集合した噴霧孔からのスプレー同士の全体的な収束を最小化する目的で、それらの軸心がある方向にてより発散するか逆により収束するように、シリンダ軸心に対してある角度で配向するようにアトマイザを配向することができる。
従って、アトマイザのスプレー軸心を半径線からずらすことにより、シリンダ内の液滴の分散は大きく向上することが判る。各々の半径線からずらすこと、特に同じ側にずらすことのさらなる利点は、シリンダ内におけるガスの急激な循環を促進しすることであり、これは、特にシリンダ内の外部領域における環状非均一性を解消、又は分散させる。
アトマイザは個々に分離した部品であり、シリンダ壁、及び／又は、シリンダヘッド、及び／又は、それらの接合部に形成される周状コーナの、シリンダの円周に沿って各々備え付けられる。複数のアトマイザが、１つ以上の別離したユニットとして配置される。それらは一体的に構成され、共通の導管ないしチャンネルを介して液体が供給される。ある実施例において、アトマイザは、各々に液体を供するための内部チャンネルを備えたリングないしカラーに設置される。このように構成された一実施例を図１１に示す。特にこの図は、リングの軸心に対しての横断面を表わす。
図１１において、リング７５は、複数のアトマイザ４５を備えた分離支持体７７から成る。各アトマイザへ液体を供給するための液体供給チャンネル８１は、リング７５と外壁７９の間に形成される。この外壁は、シリンダケーシングの一部により形成される。液体は、外部ケーシング７９に設けられる注入口８５を通って供給チャンネル８１へ流入する。アトマイザ４５へ液体を送るためのポンプ８５は、排出口８３に近接し、結合している。渦流式アトマイザ４５は、完全に分離した部品であり、リングからは分離している。若しくは少なくとも一部のアトマイザにおいては、例えば、それらの外側部材の一部は、リング７５によって形成される。分離したアトマイザ、又は少なくともアトマイザ成分、特に内側成分を用いることは、それらが別々に製造、供給され得るし、各々が脱着可能であるので、より便利で経済的である。好適な実施例においては、アトマイザ４５の噴霧孔５の軸心５３について、軸心方向、半径線方向供にずれを与えると、全体としてアトマイザはシリンダ内に好ましい濃度変化を持つほぼ等濃度分布の液体を分散させる。
他の実施例においては、リングには複数の液流入ポートが備えられ、液流入ポートはリングに周方向に配置される。リングは２つ以上の区画、例えば部分から成り、各々が、１つの液体注入チャンネルと１つ以上の液流入口を有する。リングは単一のユニットとして取り外し、且つ取り替え可能である。又は、複数の別ユニットから成るならば、例えばテストないし代替を目的として、各々を個々に取り外し可能である。
図１２が示すのは、図１１に示したリング７５における、線分Ｘ−Ｘに沿った断面図である。この実施例において、リング７５の面７８は、シリンダ３１の内側表面８７の一部を成す。
図１３は、シリンダヘッド３７とシリンダ壁３１が接合する部分の断面図を示す。シリンダヘッド３７とシリンダ壁３１の間の周状コーナ８９には噴霧孔が位置する。この実施例においては、コーナはシリンダ壁８７とシリンダヘッド３８の表面に挟まれ、それぞれに対してある傾斜角度を有する面８９から成る。この傾斜のついたコーナ面は、図１１に前記したリング７５に類似の、分離した支持体から成り、シリンダが円筒の場合、円錐台の内表面を形成する。
噴霧孔をシリンダの周状コーナ８９に設置することで、噴霧孔５の上部６がシリンダヘッド表面３８に近接ないしほぼ隣接し、噴霧孔５の下部８がシリンダ壁８７に近接ないしほぼ隣接するように、孔を配置することが可能となる。さらに、傾斜のついたコーナ面は、噴霧孔面が、それらを収容するシリンダ表面に対してより水平に近くなることを許容する。好ましくは、噴霧孔を構成する部分はコーナ面内に埋め込まれ、好ましくはピストンの頭部はコーナ部位を含むシリンダヘッドの形状に合致している。その結果、必要ならばシリンダ上面に達するまでの自由なピストン運動が可能となる。
コーナに配置されたアトマイザは、個々に分離した部品であり、シリンダに埋め込まれている。これに代えて、あるいはこれに加えて、アトマイザを例えば図１１に示されるように環状リングに埋め込んでもよい。この環状リングは図１３に示されるような１つの独立した要素であってもよいし、又はシリンダ壁ないしシリンダヘッド中に形成されてもよい。
噴霧孔は１列に配置される。列中においては、孔は、規則的に離散しているか、若しくはクラスターを形成して配置される。単１列のアトマイザ、又は複数列のアトマイザが供される。図１４は、単列のアトマイザを示す。これは例えば、図１１と１２に示した環輪の一部に形成される。
図１５は代替的な２列の噴霧孔の配列を示す。この場合各噴霧孔は、図１４に示される噴霧孔よりも小さく、且つ、ほぼ同サイズのスペース内に配置されている。単列の大きな孔による構成に比べて、複数列の小さな孔による構成の一利点は、後者は前者と同量の液滴を同面積から供するが、その液滴が小さいことにある。複数列の小噴霧孔による構成の別の利点は、隣接する孔の角度を多様に変化させ得ることにある。複数列による構成において、上段はスプレー円錐の上縁がシリンダヘッドに沿うように角度付けられ、下段の噴霧孔はスプレー円錐の下縁がシリンダ壁に沿うように角度付けされる。別の実施例において、噴霧孔はクラスタとして集合しており、各クラスタはシリンダの壁ないしヘッドに挿入されるプラグ中に形成される。各クラスタすなわちプラグは、共通の給水装置を備え、プラグ本体は個々のアトアマイザのための共通の外側部材を備える。都合の良いことに、各クラスターは各々脱離可能のため、検査や取り替えを簡便にする。幾つかのアトマイザが同一クラスタないに存在してもよいが、好ましくは噴霧孔は、可能な限り多数の孔が噴霧孔が形成されるべく与えられた範囲、ないし面積のプラグに収容されるように構成される。
図１６〜１８は、シリンダプラグ９５上に考えられるクラスタ配列を示す。噴霧孔はコンパクトな集合を達成するために、三角形ピッチを用いて配列されている。その結果、多数のアトマイザが各プラグ９５に収容されている。例示中において、図１６に示されるクラスタは３つの噴霧孔を備え、図１７に示されたクラスタでは７つの噴霧孔を有し、図１８に示されるクラスタは１９個の孔から成る。
好適な実施例において、シリンダ内への液体流量は制御され、液体は圧縮時にのみシリンダ内へ噴霧される。また好ましくは、シリンダ内へ流入する液体の流速は圧縮時に変化し、ガス圧の増加に伴い流速が上昇する。このように、液体は圧縮行程のみにおいて、十分なガス冷却に必要な量だけ圧縮シリンダ内に注入される。こうすることで、各行程で使用される液量と、ガス冷却に消費されるエネルギーは共に最小化される。本噴霧孔の特に重要な利点の１つは、スプレーを素早く噴霧し遮断する能力にある。言い換えると、アトマイザが流圧の変化に即応するということである。さらに本発明者は、パルス時間が減少するほど、隣接する円錐状スプレー間のスプレーの分散が驚くべきほど向上することを見い出した。このことは、スプレーの熱吸収性が噴霧持続時間が減少するほど向上することを意味しており、その結果、圧縮速度を上げてもガス温度の上昇が小さいという点で有利である。従って、衝突するスプレーを伴う複数の圧力渦流式アトマイザの構成とスプレーのパルス制御の間には特別な相乗作用がある。
図１９は、圧縮行程における流速の変化を示し、シリンダ圧の変化と比較している。クランク角０度〜１８０度の間は、ピストンはシリンダ上部の上死点から、ストローク最下位置である下死点まで運動し、ストローク最下位付近でガス吸入口が閉じるまで、ガスをシリンダ内へ吸入する。ピストンが圧縮シリンダ内部へ動き出す際、ガスが圧縮されはじめ、アトマイザが活動する。当初、スプレーの噴霧は比較的押さえられ、好ましくは、圧縮の初期段階で放出される比較的低い熱量を吸収する程度に押さえられる。圧縮が進むにつれ、放出エネルギーが増加し、スプレーの噴霧が促進され、シリンダ内における液体の熱吸収量が増加する。圧縮行程の所定点において、スプレーの噴霧は所定レベルＫに達し、残りの圧縮行程の少なくとも一部の間はそのレベルを維持する。液滴がシリンダ内に入り、ガスから液滴への熱伝達が完了するまで、すなわち液滴温度が周囲のガス温度に達するまでには、有限の時間が存在するので、流速は一般に制御され、吸収量の増加が必要とされるわずか以前に、シリンダ内へその分の液滴が噴霧される。従って、圧縮行程終了Ｍのわずか手前の所定点Ｌにおいて、スプレーは遮断され、流速は急速に零に降下する。ピストンは圧縮行程終了までガスを圧縮し、圧縮による熱の増加分は最後に噴霧された液滴により吸収される。圧縮行程終了時には、ガス排出バルブが開き、ピストンは上昇運動を続け、１つ以上のガス排出ポートを介してガスと噴霧液はシリンダ外へ排出される。この間、シリンダ圧曲線の平坦部Ｐが示すように、ガス圧はほぼ一定である。
スプレーノズルへの流速を制御する制御装置が流速を精密に制御する能力を有することは重要である。特に、制御装置が図１９に例示されるような、パルス内に所定の流速変化を伴ったパルスの流速を提供することが可能であるのが好ましい。好適な実施例では、制御装置は液圧式ポンプから成り、ポンプピストンの運動は本パターンに従う。他の実施例では、機械式ポンプから成る。ポンプピストンの運動は、前記パターンに従うようにピストンを動かすカムによって制御される。他の実施例においてポンプは、空気やその他の気体による気圧式でもよいし、若しくは電磁機器により動力を得てもよい。ただしこの場合、ピストンポンプ運動を制御すること、並びに各注入パルスの終結につれて必要とされる高注入圧を供することは困難となる。
好ましくは、ポンプが作動してから液体が注入されるまでのタイムディレイを最小限にするために、ポンプはアトマイザの近くに設置しなければならない。配管が長いと最小限にできなくなる。これと同じ理由で、ポンプとアトマイザ間の配管に空気ないしガス漏れがないことは重要である。ガスポケットが形成されると、再び相当なタイムディレイをひき起こす。ポンプをできるだけアトマイザの近くに設置することでも、ガスもれの可能性を最小限に押さえることができる。唯一のポンプでアトマイザを動かすということは、簡素化の見地からは好ましいが、複数のポンプで１つ以上のアトマイザから成る各々のグループを動かすように構成することもある。このことは、異なるポンプが異なった方法で制御され、異なるアトマイザに対して異なった流速プロファイル、及び／又は、異なった流速のタイミングを提供することを可能とする。例えば、あるアトマイザのグループへのスプレー注入は早くなされ、このグループはシリンダ内へ全く均一に液滴を噴霧孔する。且つ、他のアトマイザのグループへのスプレー注入は遅くなされ、このグループは、シリンダの上部により多く噴霧するようになっている。種々のアトマイザへの注入のタイミングには、かなりの適応性が必要である。一実施例において、複数列のアトマイザがシリンダ軸心に沿って配置され、その内の下位列の少なくとも一部は、圧縮時においてピストンに閉塞される。この場合、圧縮終了時に上位列への液体供給を遮断する以前に、下位列への供給を遮断することは有益である。
他の実施例においては、下位列アトマイザからのスプレーはピストンによって遮断される。近接列が供給を共有しておれば、下位の噴霧孔が遮断されると、残りの圧縮ストロークの間は自動的に上位列の噴霧孔の流速が上昇する。
他の実施例においては、シリンダヘッド近傍のシリンダ上部付近のガス空間に配向されているアトマイザに、より最大の総流量が供される。これにより、圧縮行程の後半においてシリンダ内のガス空間が縮小するにつれて漸増する液体の需要が満たされることが確実となる。
他の実施例においては、１つ以上のアトマイザにより発生するスプレーの錐角は、他の１つ以上のアトマイザによるそれよりも大きく、若しくは小さく、例えばそれは、アトマイザ同士の相対的な配置と方向に左右される。このような構成は、行程の種々の時点におけるガスへの液滴分散を向上させる。
他の実施例に加え上述のいずれの実施例において、１つ以上のアトマイザはさらに個々の中空円錐状スプレー内にスプレーを形成する手段を備えている。この付加的なスプレーは、円錐状スプレーの孔の軸心にほぼ平行な軸心を持つ別離の口により形成され、アトマイザに形成される。いずれの実施例においても、シリンダに液体を噴霧するための、圧力渦流原理に基づいて作動しない他の型のアトマイザを付加的に備えていてもよい。例えば、アトマイザ、ないし、偏平なスプレーを発生する他のスプレーインジェクタを、シリンダの端部付近の空間に液体を噴霧するように配向してもよい。有益なことに、シリンダヘッド表面とピストンヘッド表面にほぼ平行に配向される偏平スプレーの使用は、ピストンがシリンダヘッドに接近する際の狭いガス空間へ熱伝達液を注入する効率的な手段を供し、それはサイクルのその一箇所のみに作動してもよいし、加えて他の箇所においても作動してもよい。
ここで述べた、周方向に離間される孔とは、軸心からの距離の制約がなく、軸心のほぼ周に位置しているという意である。特に、シリンダ半径の長さには制限は無い。例えば、周方向に離間される噴霧孔は、例えばシリンダヘッド上に、シリンダ中央とシリンダ壁の間に構成される。
噴霧液は、任意の適当な原料から任意の所望される温度で供給され、熱交換器、及び／又は、冷却器を通って再循環する。
シリンダの横断面は、円形、正方形、長方形、楕円形、卵形、任意の多角形、不規則形に加えて、他の形をとり得る。
本発明の実施例はガスコンプレッサを引用して記述されてきたが、ここに記述された噴霧孔は、例えば等温膨張過程における膨張ガスへ熱源を供する目的で液体を注入する方法としても使用され得る。膨張シリンダ内へ高温の液体を注入することにより動力を得る装置は、出願人特許第ＧＢ−Ａ−２２８３５４３号、同第ＧＢ−Ａ−２３００６７３号、同第ＧＢ−Ａ−２２８７９９２号、に記載されており、これら文献の内容は本明細書の一部を構成するものとする。
本稿に記載された実施例のさらなる修飾は、当業者にとって明白である。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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