JPH08144930A - プラズマエンジンおよびこれを有する機械システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 石油系エネルギー等の燃料の使用を不要と
し、運転コストが極めて低く、しかも全く公害物質を排
出しないプラズマエンジンおよびこれを有する機械シス
テムを提供することを目的とする。 【構成】 プラズマ形成部２０、１０５、１１８、１４
２に放電用作動媒体を封入し、ロータリハウジング１
２、１０２、１１２、１３２の作動室１６、１０２ａ、
１１２ａ、１３３にロータ手段１４、１０３、１１４、
１３４を回転可能に収納して作動室をプラズマ形成部に
連通させ、放電手段１９、１０５ａ、１２５、１５２に
より作動媒体にプラズマを発生させて高圧の作動ガスを
発生させてこれによりロータ手段に駆動力を与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はエンジンに関し、とくに
不活性ガスを利用したプラズマエンジンおよびこれを有
する機械システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジンにより駆動される車輌、
船舶、航空機等の輸送機関、発電プラント、ブルドーザ
ー、油圧ショベル等の建設機械からなる機械システムに
おいてはエンジンがガソリン、軽油、重油、ＬＰガス等
の高価な石油系エネルギーまたは水素を大量に消費する
だけでなく、大量の汚染物質による公害を排出して地球
環境を急速に破壊していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、公害を全く
発生しない、地球に優しく、しかも効率の高いプラズマ
エンジンおよびこれを有する機械システムを提供するこ
とを目的とする。

【０００４】

【本発明の構成】上記目的はプラズマエンジンにおいて
放電手段を有するプラズマ形成部と、ノズル手段と、ノ
ズル手段を介してプラズマ形成部に連通する作動室とを
有するロータリハウジングと、作動室に回転可能に収納
されたロータ手段とを備え、プラズマ形成部と作動室に
放電用作動媒体が予め定められた気圧で封入されていて
プラズマ形成部が放電によるプラズマで高圧の作動ガス
を発生させ、この作動ガスでロータ手段を駆動するよう
に構成することによって達成される。

【０００５】さらに、上記目的は機械システムにおいて
機械と、その機械を駆動するための出力軸を有するプラ
ズマエンジンとからなり、プラズマエンジンが放電手段
を有するプラズマ形成部と、ノズル手段と、ノズル手段
を介してプラズマ形成部に連通する作動室とを有するロ
ータリハウジングと、作動室に回転可能に収納されたロ
ータ手段とを備え、プラズマ形成部と作動室に放電用作
動媒体が予め定められた気圧で封入されていてプラズマ
形成部が放電によるプラズマで高圧の作動ガスを発生さ
せ、この作動ガスでロータ手段を駆動するように構成す
ることによって達成される。

【０００６】

【作用】この発明のプラズマエンジンおよびこれを有す
る機械システムにおいて、プラズマ形成部に放電用作動
媒体を封入して放電によるプラズマで高圧の作動ガスを
発生させ、高圧ガスによりロータ手段に駆動力を与える
ようにする。

【０００７】

【実施例】以下、この発明の実施例を添付の図面を参照
して説明する。図１、２は本発明による望ましい実施例
のプラズマエンジン１０を示す。プラズマエンジン１０
はロータリハウジング１２とタービンロータ１４とを備
える。ロータリハウジング１２はセンタハウジング１２
ａおよびサイドハウジング１２ｂ、１２ｂ’からなる。
実際の構造においてサイドハウジング１２ｂ、１２ｂ’
はセンタハウジング１２ａから分離して、これらをコネ
クティングロッドにより締め付けても良い。ロータリハ
ウジング１２の中央部には作動室１６が形成され、作動
室１６内にタービンロータ１４が回転可能に収納されて
いる。ロータリハウジング１２は作動室１６の外側にこ
れと同心的に形成された環状放電室１８を有する。

【０００８】環状放電室１８はプラズマ形成部２０とし
て機能する。環状放電室１８および作動室１６にはロー
タリハウジング１２を排気真空後に放電用作動媒体が封
入してある。放電室１８は電極２２、２２’からなる放
電手段１９を備える。放電手段１９はパルス放電電源か
らなる放電電源２１に接続されて周期的に放電パルスか
らなる放電信号を供給される。ロータリハウジング１２
は作動室１６と放電室１８との間に環状のセパレータ２
３を備える。セパレータ２３は作動室１６と放電室１８
と同心的となるようにサイドハウジング１２ｂ、１２
ｂ’の環状溝２５に保持されていて、軸方向に延びる傾
斜スロットからなる複数のノズル手段２３ａを有する。
作動室１６はノズル手段２３ａを介して放電室１８と連
通していてタービンロータ１４は高圧の作動ガスにより
駆動される。

【０００９】タービンロータ１４は接線方向Ｐに対して
予め定められた角度（望ましくは４５度）で軸方向に延
びる複数のブレード１４ａを有し、ブレード１４ａの間
には受圧面を有するキャビティ１４ａ’が形成されてい
る。セパレータ２３のノズル手段２３ａを構成する傾斜
スロットの各々はタービンロータ１４のキャビティ１４
ａ’の中心線に対して鋭角βをなすように傾斜してい
る。このことにより放電室１８で発生した高圧作動ガス
が複数のノズル手段２３ａから高速で噴出するときにタ
ービンロータ１４の複数のキャビティ１４ａ’の受圧面
に効率的に衝動力を与える。タービンロータ１４はうす
肉のラジアルウォール１４ｂと凹部２６、２６’を有
し、凹部２６、２６’はサイドハウジング１２ｂ、１２
ｂ’とともに低圧部を形成する。望ましくは低圧部２
６、２６’の容積は放電室１８の容積よりも大きくする
と良い。サイドハウジング１２ｂ、１２ｂ’にはタービ
ンロータ１４のキャビティ１４ａ’と低圧部２６、２
６’とを連通させるためのガス案内路２７、２７’が形
成してある。キャビティ１４ａ’に開口しているガス案
内路２７、２７’の端部はセパレータ２３の隣接したノ
ズル２３ａの中間部に位置している。このため、放電室
１８からノズル手段２３ａを介してタービンロータ１４
のキャビティ１４ａ’に噴出した高圧作動ガスはガス案
内路２７、２７’を介して低圧部２６、２６’に流入す
る。低圧部２６、２６’は連通孔１４ｃにより互いに連
通するとともにパイプ２９ａおよびブロワー２９ｂを介
して冷却部２９に連通している。低圧部２６、２６’と
冷却部２９の合計容積は作動室１６および放電室１８の
合計容積の５倍程に設定する。作動室１６から低圧部２
６、２６’へ導入されたガスは減圧され、さらにブロワ
ー２９ｂにより冷却部２９へ導入され、そこで水冷式の
冷却手段３１により冷却減圧される。タービンロータ１
４は出力軸２８に連結されていてベアリング３０、３２
により回転可能に支持されている。符号３４、３６は作
動室２０を密閉するためのカバー部材であり、これらは
ネジ３８、４０によりロータリハウジング１２の外壁に
適当なシール材を介して固定されている。カバー部材３
６は出力軸２８をシールするための密閉シール４２を保
持している。

【００１０】図１、２においてロータリハウジング１２
のサイドハウジング１２ｂ、１２ｂ’にはそれぞれ複数
の陽極２２と複数の陰極２２’とが放電室１８の両サイ
ドにおいて対向するように配置されている。図１におい
ては一対の電極２２、２２’のみが示され、他の電極は
簡略のため図示されていない。両電極２２、２２’はサ
イドハウジング１２ｂ、１２ｂ’に対してシールされた
後それぞれナット４４、４６で固定されていて放電電源
２１からプラズマ発生用の放電パルスが放電信号として
供給される。このように放電室１８はプラズマにより高
圧の作動ガスを発生させる。図１より明らかなように、
複数の陽極２２と複数の陰極２２’とはそれぞれロータ
リハウジング１２において対照的な位置に配置されてい
る。

【００１１】作動室１６、放電室１８、低圧部２６、２
６’および冷却部２９には排気真空後にバルブ手段３３
を介して放電用作動媒体が望ましくは１気圧±５％で封
入されている。放電室１８には作動媒体の初期イオン化
を促進して電流密度またはイオン密度を高めることによ
り放電用ガスの温度と圧力をより高めて効率を上げるた
めのトリチウムまたはポロニウムからなる放射線源ライ
ナー４８を有する。放電用作動媒体の電流密度またはイ
オン密度が増大すると、放電室１８の放電時の温度と圧
力が増加してプラズマエンジン１０の効率が上昇する。
トリチウム、ポロニウムの代わりに他の方法を用いても
良い。すなわち、放射線源は半減期が１０年を越え、放
射能量が１００Ｂｑ〜１０００Ｂｑでかつエネルギーが
０．７ＭｅＶ以下のβ線のみを放射する放射線源から構
成しても良い。Ｓｉ系のアルコキシド−アルコール溶
液、すなわちゾルゲル溶液に単体粉末のテクネシウム９
９を混合した溶液を放電室１８に塗布して乾燥したの
ち、６００℃において窒素中で１時間加熱すると、テク
ネシウム９９が放電室１８にむらなく分布する。次にテ
クネシウム９９を混合しないＳｉ系ゾルゲル溶液をテク
ネシウムの表面に塗布して真空中で６００℃において１
時間加熱することによって密封放射線源ライナー７２が
得られる。この密封放射線源をライナー４８を放電室１
８に形成することにより安定した瞬時放電特性が得られ
る。放射線源ライナー４８はセパレータ２３の外周に形
成しても良い。

【００１２】次にこの発明のプラズマエンジンで使用さ
れる放電用作動媒体を例示する。

【００１３】（１）作動媒体として水銀蒸気およびナト
リウム蒸気のうちのいずれか１つの金属蒸気と始動用ガ
スからなる放電用ガスが用いられる。始動用ガスはキセ
ノン、ヘリウムまたはアルゴンからなり、総封入圧に対
するヘリウムまたはアルゴンの封入圧は５０％以下であ
るのが望ましい。このようにすると、放電用ガスの始動
電圧を低下させるだけでなく、瞬時に高速で安定した作
動流体の放電を行わせることができる。

【００１４】（２）放電用ガスはヘリウム、アルゴン、
キセノン、ネオンの中から選ばれた少なくとも一種の不
活性ガスの他にα線、β線、γ線、χ線等の放射線源ま
たはクリプトン８５からなる放射線源を含んでも良い。
クリプトン（Ｋｒ）８５は作動流体に放射線による電子
励起を生じさせて、始動特性、瞬時放電特性を改善して
プラズマエンジンの効率を改善する。クリプトン８５の
封入量は安全性の面から容積１ｃｍ^３当り０．２〜５０
マイクロキュリーの範囲が望ましい。

【００１５】（３）放電用ガスは望ましくは体積比でヘ
リウム３６％、ネオン２６％、アルゴン１７％、クリプ
トン１３％およびキセノン８％の希混合ガスからなり、
約１〜１０気圧で、好ましくは、１気圧±５％以内とな
るように封入しても良い。

【００１６】（４）放電用ガスは体積比で４０〜６０％
のアルゴンと、３０〜４０％のキセノンと、６〜８％の
ネオンとその他の希ガスから形成しても良い。

【００１７】（５）放電用ガスは所定量の水銀と希ガス
および水素ガスから構成しても良い。封入する水素量が
水銀と希ガスとの封入モル比で５×１０^−４までは放電
電圧が急激に上昇し、水素量をこれ以上増加しても放電
電圧の上昇はわずかである。つまり、水素量が５×１０
^−４で放電電圧が臨界的に変化する水素ガスはキセノン
ガスとともに作動室に直接封入しても良い。

【００１８】（６）放電用ガスは重水素、三重水素ある
いは水素ガスから選ばれた少なくとも一種または二種に
ヘリウム、ネオンの中から選ばれた少なくとも一種の希
ガスとの混合物から形成しても良い。この放電用ガス中
にヘリウムあるいはネオンが混入されていると、二個の
自由水素原子あるいは重水素原子とヘリウムあるいはネ
オン原子との間の三重衝突によって再結合が起こるの
で、重水素分子の密度が低下せず、高効率が得られる。

【００１９】（７）作動媒体として、単体でまたは上記
の希ガスから選ばれた少なくとも一種のガスに炭素原子
が６０〜２００の炭素格子構造体で、望ましくはＣ_６０
とＣ_７０との混合物を利用しても良い。Ｃ_６０イオン化
電位は７．５ｅＶで、Ｘｅ（１２．１ｅＶ）のそれより
も大幅に低いため、１回のパルス放電当りのエネルギー
コストが大幅に低くなるメリットがある。

【００２０】（８）作動媒体はフッ素（Ｆ_２）とフッ素
化合物（ＮＦ_３、ＳＦ_６）およびＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋ
ｒ等の希ガスの混合ガスを使用しても良い。

【００２１】（９）作動媒体は塩素（Ｃｌ_２）ガスまた
は塩素化合物（ＨＣｌ、ＢＣｌ_２、ＣＣｌ_４）とＨｅ、
Ｎｅ、Ａｒ等の希ガスの混合ガスを使用しても良い。

【００２２】（１０）作動媒体は臭素（Ｂｒ_２）または
臭化水素（ＨＢｒ_２）とＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ等の希ガスの
混合ガスを使用しても良い。

【００２３】（１１）作動媒体は沃素（Ｉ_２）または沃
化水素（ＨＩ）とＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ等の希ガスの混合ガ
スを使用しても良い。

【００２４】陰極２２’は一例として作動媒体に電子励
起を生じさせてイオン化を促進させるためのトリウム含
有タングステンからなる。他の例として、陰極２２’は
タングステン材料の粉末と酸化バリウム、酸化ストロン
チウム、酸化カルシウムの中から選ばれた少なくとも一
種のアルカリ土類酸化物と、酸化ジルコニウム、酸化ス
カンジウムの中から選ばれた少なくとも一種の混合物を
含む熱電子放射物質との混合物の焼結電極体から形成さ
れても良い。酸化ジルコニウム、酸化スカンジウムは陰
極２２’が高温になったとき陰極２２’の電気伝導率上
昇の割合が良くなる。したがって図示されてはいないが
陰極２２’は放電を安定させるためにヒータで高温にな
るように加熱しても良い。他の例として陰極２２’は、
例えばニッケルからなる基体金属粉末にアルカリ土類金
属系、例えば酸化バリウム、酸化ストロンチウム、酸化
カルシウムの熱電子放射物質からなるエミッターを混合
して焼成した焼結電極体から構成しても良い。このと
き、重量比で基体金属粉末１００に対してエミッター１
０の混合比が選ばれる。この焼結電極体は丈部でエミッ
ター含有量が多く、しかも、振動や衝撃に対して強くな
るため、自動車、船舶、航空機、ブルドーザー等に本発
明のプラズマエンジンが採用された場合に実用的であ
る。他の例として、陰極２２’は延性に富んだ材料であ
るタンタルチップをリボン型熱陰極に加工した穴に埋め
込むことにより、イオン衝撃に対してタングステンなど
の脆性材料に比較して表面の欠落量が小さい電極体が形
成される。リボン型熱陰極に電流を流して２０００〜２
５００゜Ｋになった時点である一定方向に電位差を付加
すると、電位の低い方向に向かってタンタルチップから
熱電子が放出する。

【００２５】プラズマエンジン１０の放電電源２１の１
例を図３に示し、図４は図３の各種波形を示す。図３に
おいて、放電電源２１はパルス放電電源からなり、パル
ス放電電源はバッテリ等の直流電源８２と、リアクトル
Ｌを介して直流電源８２に接続されたサイリスタ等の第
１スイッチ手段ＳＣＲ１と、スイッチ手段ＳＣＲ１の出
力側に接続された第１コンデンサＣ１と、第２スイッチ
手段ＳＣＲ２と、高圧トリガトランス８４とを備える。
高圧トリガトランス８４の１次巻線の一端は第２スイッ
チ手段ＳＣＲ２の出力側に接続され、他端は接地されて
いる。１次巻線の両端はダイオードＤ１により接続され
ている。トランス８４の２次巻線の一端は接地され、他
端はダイオードＤ２を介して高電圧小電流の放電トリガ
電流がプラズマエンジン１０の陽極２２に供給される。
陽極２２に小電圧大電流のメイン放電電流を供給するた
めに、第２コンデンサＣ２がダイオードＤ４を介して接
続され、ダイオードＤ４とコンデンサＣ２との接続点が
ダイオードＤ３を介してスイッチ手段ＳＣＲ１とＳＣＲ
２との間に接続されている。第２コンデンサＣ２の一端
は接地され、他端はダイオードＤ４を介して陽極２２に
接続されている。陰極２２’は接地されている。

【００２６】図３において、第１スイッチ手段ＳＣＲ１
がトリガ信号Ｔｒｇ１によりＯＮすると、バッテリ８２
の電圧は第１、第２コンデンサＣ１、Ｃ２により３００
Ｖ程度まで充電される。このとき、第２スイッチ手段Ｓ
ＣＲ２をトリガ信号Ｔｒｇ２でＯＮさせると、第１コン
デンサＣ１に充電されていた電荷が高圧トリガトランス
８４の１次側に電流ｉ４となって流れる。図４において
符号Ｂは第２スイッチ手段ＳＣＲ２がＯＮして第１コン
デンサＣ１が放電開始するタイミングを示す。高圧トラ
ンス８４の１次側にはピーク値３００Ｖの電圧がパルス
として加わり、高圧トランス８４の２次側にはトランス
の巻数比により約４０ｋＶのパルス電圧υ３が発生し
て、この高電圧パルスが陽極２２に供給される。図４に
おいて符号Ｃは電極間に加わる高圧パルスυ３を示し、
符号Ｄは放電ピーク時の電圧レベルを示す。プラズマエ
ンジン１０内の気体がプラズマ化して導電率が急に上昇
すると電圧υ３は放電現象の負性抵抗により約１００Ｖ
位まで急激に下降する。このとき、第２コンデンサＣ２
に充電されていた約３００Ｖの電圧υ２を放電電圧が下
まわった時より第２コンデンサＣ２から大電流（ｉ５の
ピーク参照）が陽極２２に供給されてさらに放電電圧が
下がり、やがてＣ２の電荷が全て放出されると電流ｉ５
は停止して放電は終了する。図４において、符号Ｅはプ
ラズマエンジン１０の気体がプラズマ化して第２コンデ
ンサＣ２が大電流放電する状態を示し、符号Ｆは放電終
了のタイミングを示す。放電が終了した後、第１スイッ
チ手段ＳＣＲ１をトリガ信号Ｔｒｇ１でＯＮさせる。こ
のとき、電流ｉ１が正弦波状に流れて第１、第２コンデ
ンサＣ１、Ｃ２を充電する。リアクタＬのインダクタン
スによるリアクション電圧により、第１、第２コンデン
サＣ１、Ｃ２は直流電源８２よりも高い電圧、すなわ
ち、約３００Ｖまで充電され、電流ｉ１が停止したと
き、第１、第２コンデンサＣ１、Ｃ２の充電は終了して
次の放電トリガの待機状態となる。図４において符号Ｇ
は第１スイッチ手段ＳＣＲ１がＯＮして電流ｉ１によ
り、第１、２コンデンサＣ１、Ｃ２を充電する状態を示
す。このように高圧トランス８４は高電圧小電流の放電
トリガ電源として作用し、第２コンデンサＣ２は低電圧
大電流のメイン放電電源として作用する。メイン放電電
源は１個の１２Ｖのバッテリで瞬間的に１０００〜３０
００Ａまでの大電流を流せるため、プラズマエンジン１
０の気体の膨張圧は高くなってプラズマエンジン１０の
出力が増大する。

【００２７】上記構成において、複数の陽極２２および
複数の陰極２２’間には図４の高電圧パルスυ３が印加
されて放電室１８の作動媒体が放電を開始する。このと
き作動媒体がプラズマ化して第２コンデンサＣ２（図３
参照）が大電流放電し、放電室１８での高圧の作動ガス
が生成される。このとき、高圧の作動ガスはセパレータ
２３の複数のノズル手段２３ａを介して高速でタービン
ロータ１４のキャビティ１４ａ’に噴出して衝動力によ
りタービンロータ１４をＲ方向に回転させる。キャビテ
ィ１４ａ’に噴出して高圧ガスはロータリハウジング１
２のガス案内路２７、２７’を介して低圧部２６、２
６’に流入し、さらにパイプ２９ａおよびブロワー２９
ｂを介して冷却部２９に導入されて冷却減圧される。こ
のように、放電室１８の作動ガスが周期的に膨張する毎
に高圧ガスはブレード１４ａに衝突したあと低圧部２
６、２６’に流入する。放電パルスが終了したあとは放
電室１８と低圧部２６、２６’とはガス案内路２７、２
７’を介して同一の気圧となる。放電のタイミングは所
望のプラズマエンジンの回転数を得るために１秒間に数
回から数１００回まで変化させても良い。プラズマエン
ジンの回転数が増えても放電時のガス圧は高いため、高
速回転時にも大きなトルクが得られる。

【００２８】図５は本発明によるプラズマエンジン１
０’の変形例とパルス放電電源９２とを示す。変形例に
おいて、プラズマエンジン１０’はタービンロータ（図
示せず）を内蔵するロータリハウジング１２’を備え、
ロータリハウジング１２’は主電極手段２２”、２
２’’’の中間において高圧室（図示せず）に設けられ
たトリガ電極手段９０を有する。トリガ電極手段９０の
先端はロータリハウジングの放電室に露出して高圧室の
作動媒体のイオン化を促進する。トリガ電極手段９０は
プラズマエンジンのセンタハウジングを非磁性材料より
構成したものにおいてセンタハウジングの周囲にコイル
状に巻きつけて高周波電圧を供給しても良い。パルス放
電電源９２は１２Ｖのバッテリからなる直流電源９４
と、電源電圧を３００Ｖに昇圧する昇圧コンバータ９６
と、トリガ信号Ｔｒｇ３によリＯＮされて電流ｉ５を流
す第１スイッチ手段ＳＣＲ３と、リアクタＬと、第１ス
イッチ手段ＳＣＲ３がＯＮしたときに電圧υ４で充電さ
れる第１コンデンサＣ３とを備える。第１コンデンサＣ
３の一端は接地され、他端は電極手段２２’’’に接続
されている。直流電源９４の正極側はリアクトルＬ２と
第２、第３スイッチ手段ＳＣＲ４、ＳＣＲ５を介して高
圧トランス９８の１次側に接続される。第２、第３スイ
ッチ手段ＳＣＲ４、ＳＣＲ５の間にはトリガ用放電パル
スを発生させる第２コンデンサＣ４が２０Ｖ程度の電圧
υ５で充電される。高圧トランス９８の２次巻線はトリ
ガ電極９０に接続されていてトリガ電極９０に約４０ｋ
Ｖの電圧υ６をトリガ信号として供給し、放電室の作動
媒体のイオン化を促進する。

【００２９】図５、図６において、昇圧コンバータ９６
からの直流電圧により第１コンデンサＣ３が約３００Ｖ
の電圧υ４に充電され、直流電源９４からの電圧により
第２コンデンサＣ４が２０Ｖ程度の電圧υ５に充電され
る。第３スイッチ手段ＳＣＲ５がトリガ信号Ｔｒｇ５に
よりＯＮされると第２コンデンサＣ４に充電されていた
電荷により電流ｉ８が高圧トランス９８の１次巻線を流
れる。このとき高圧トランス９８の２次側にはトランス
巻数比により約４０ｋＶのパルス電圧υ６が発生する。
図６において、符号Ｈは第１スイッチ手段ＳＣＲ３がＯ
Ｎして高圧パルスがプラズマエンジン１０’の電極２
２”、２２’’’間に加わる状態を示す。したがって、
エンジン１０’内の気体はイオン化し、ロータリハウジ
ング１２’のガスの導電率が上昇し、第１コンデンサＣ
３が放電を開始し、放電の負性抵抗によリ第１コンデン
サＣ３は大電流放電をし、電流ｉ６が流れる。図６にお
いて符号Ｊは気体がイオン化（プラズマ化）して第１コ
ンデンサＣ３が放電するタイミングを示す。電流ｉ６が
停止して放電が完全に停止したときに、第１、第２スイ
ッチ手段ＳＣＲ３、ＳＣＲ４をトリガ信号Ｔｒｇ３、Ｔ
ｒｇ４にてＯＮさせる。リアクタＬ１、Ｌ２のリアクシ
ョンにより、昇圧コンバータの電圧２００Ｖにより第１
コンデンサＣ３は３００Ｖ、第２コンデンサＣ４は２０
Ｖに充電されて次の放電トリガの待機状態となる。図６
において、符号Ｋは第１スイッチ手段ＳＣＲ３をＯＮし
て第１コンデンサＣ３が充電されるタイミングを示し、
符号Ｍは第２スイッチ手段ＳＣＲ４をＯＮして第２コン
デンサＣ４が充電されるタイミングを示す。このよう
に、第２コンデンサＣ４および高圧トランス９８は大電
圧小電流の放電トリガ電源として作用し、第１コンデン
サＣ３は小電圧大電流のメイン放電電源として作用す
る。なお、放電室のほぼ中央部においてロータリハウジ
ング１２’に支持されたトリガ電極９０に高電圧パルス
が印加されることにより作動媒体のイオン化が促進され
て放電が発生しやすくなる。

【００３０】図７、８はプラズマエンジン１０１の変形
例を示す。プラズマエンジン１０１は作動室１０２ａを
有するロータリハウジング１０２と、作動室１０２ａに
回転可能に収納されたロータ１０３とを備える。ロータ
１０３は外周に複数の受圧面１０３ａと凹部１０３ｂと
を有し、回転軸１０４により支持されている。ロータ１
０３は連通孔１０３ｃを有する。ロータ１０３の外周に
は適宜間隔で複数のキャビティ１０３ｄが形成され、こ
れらのキャビティ１０３ｄは仕切壁１０３ｅにより分離
されている。ロータリハウジング１０２の側壁にはロー
タ１０３の外周の高圧ガスを低圧部１０３ｂに導入して
減圧するためのガス案内路１０２ｂを有する。ハウジン
グ１０２は作動室１０２ａの接線方向に延びていてロー
タ１０３の受圧面１０３ａに対向して開口する第１、第
２ノズル手段１０２ｃ、１０２ｃ’を有する。ノズル手
段１０２ｃ、１０２ｃ’の入口側には作動室１０２ａ内
の高圧ガスの脈動を防止するためのバッフルプレート１
０２ｄ、１０２ｄ’が配置されている。ロータリハウジ
ング１０２には第１、第２ノズル手段１０２ｃ、１０２
ｃ’の入口側にプラズマ形成部１０５、１０５’が設け
られている。プラズマ形成部１０５、１０５’はプラズ
マ発生用主電極手段１０５ａ、１０５ａ’およびトリガ
電極手段１０５ｂ、１０５ｂ’を有する放電室１０５
ｃ、１０５ｃ’を備える。これら電極手段は放電電源１
０６により、図５の回路例と同様に駆動される。放電室
１０５ｃ、１０５ｃ’は絶縁コーティング後に作動媒体
のイオン化を促すための放射線源ライナー１０５ｄ、１
０５ｄ’がコーティングされている。低圧部１０３ｂは
パイプ１０８ａおよびブロワー１０８ｂを介して冷却部
１０８に連通しており、冷却部１０８は水冷式の冷却手
段１０９を有する。冷却部１０８は注入バルブ１０７お
よびブロワー１０８ｂを有し、このバルブはプラズマ形
成部１０５、１０５’、ノズル手段１０３ｄ、１０３
ｄ’、作動室１０２ａ、低圧部１０３ｂおよび冷却部１
０８を排気真空後に大気圧±５％で望ましくはクリプト
ン８５を少量含む放電用作動媒体が封入される。図８に
おいて、ベアリングおよびロータリハウジング１０２を
密封するためのシール手段およびカバー部材は簡略化の
ために省略されている。

【００３１】実際の使用において、放電電源１０６は図
５、６の実施態様と同様で、放電パルスが主電極手段１
０５ａ、１０５ａ’に供給される。このとき、トリガパ
ルスがトリガ電極１０５ｂ、１０５ｂ’に印加されて、
プラズマ形成部１０５、１０５’でアーク放電によるプ
ラズマが発生して、放電室１０５ｃ、１０５ｃ’の作動
媒体は高圧ガスとなって膨張する。高圧ガスの衝撃波は
バッフルプレート１０２ｄ、１０２ｄ’により緩和さ
れ、次いでノズル手段１０２ｃ、１０２ｃ’から高圧ガ
スの噴流はロータ１０３の受圧面１０３ａに激突し、ロ
ータ１０３を回転して出力軸１０４を駆動する。キャビ
ティ１０３ｄに流入した高圧ガスはガス案内路１０２ｂ
を介して低圧部１０３ｂに流入する。低圧部１０３ｂの
ガスは冷却部１０８に導入されて冷却減圧される。ロー
タ１０３の回転方向Ｒにおいてガス案内路１０２ｂを通
過してキャビティ１０３ｄのガス圧は減圧されて低圧と
なる。そのため、放電終了後には放電室１０５ｃ、１０
５ｃ’の作動媒体は低圧に維持されている。この状態で
放電パルスが主電極手段１０５ａ、１０５ａ’とトリガ
電極１０５ｂ、１０５ｂ’に供給されると放電室１０５
ｃ、１０５ｃ’でアーク放電によるプラズマが発生す
る。

【００３２】図９〜１１はプラズマエンジン１１０の他
の変形例を示す。プラズマエンジン１１０は作動室１１
２ａを有するロータリハウジング１１２と、作動室１１
２ａ内に偏心的に回転可能に配置されたロータ１１４と
を有する。ロータ１１４は出力軸１１６を駆動する。ロ
ータ１１４は複数の可動ベーン１１４ａを有し、可動ベ
ーン１１４ａはロータ１１４のスリット１１４ｂ内にて
擢動し、作動室１１２ａの内面に係合する。ロータリハ
ウジング１１２は作動室１１２ａに対して同軸上におい
て反対側に形成されたプラズマ形成部１１８と低圧部１
２０とを備える。ロータリハウジング１１２はラジアル
・パーティション１１２ｂを備え、ラジアル・パーティ
ション１１２ｂはノズル１１２ｃと排出口１１２ｄを有
する。ロータリハウジング１１２はラジアル・パーティ
ション１１２ｂから軸方向に延びるアキシャル・パーテ
ィション１１２ｅを有する。アキシャル・パーティショ
ン１１２ｅはプラズマ形成部１１８と低圧部１２０とを
分離し、チェックバルブ１２２を備えた連通口１１２ｆ
を有する。低圧部１２０は半円状の低圧室１２０ａを有
する。図示していないが、低圧部１２０にウォータジャ
ケットその他の適切な冷却手段を設けて高圧ガスを冷却
しても良い。プラズマ形成部１１８は半円状の放電室１
１８ａと、放電電源（図示せず）に接続された主電極手
段１２４、１２６およびトリガ電極手段１２８からなる
放電手段１２５とを備える。

【００３３】上記構成において、作動室１１２ａ、放電
室１１８ａおよび低圧室１２０ａは排気真空後に１気圧
±５％で前述したような作動媒体が封入される。この状
態において、主電極手段１２４、１２６に放電パルスが
供給され、同時にトリガ電極１２８に高電圧のトリガパ
ルスが印加されると、放電室１１８ａの作動媒体がイオ
ン化されると同時に放電によりプラズマが発生して高圧
の作動ガスが発生する。高圧の作動ガスはノズル１１２
ｃを介して作動室１１２ａに流入する。作動ガスは隣接
する可動ベーン１１４ａ間で膨張しながらロータ１１４
を図１０において時計方向に回転させる。この間に放電
室１１８ａのチェックバルブ１２２は連通口１１２ｆを
密閉する（図９、１１参照）。仕事を完了した後、作動
ガスは排出口１１２ｄを介して低圧室１２０ａに排出さ
れる。放電室１１８ａの放電が終了すると、チェックバ
ルブ１２２が開いて低圧室１２０ａの作動ガスは放電室
１１８ａに流入する。この後最初の工程に移行する。こ
のようにプラズマ形成部１１８の放電室１１８ａにおい
て放電電源からの放電パルスにより周期的にプラズマが
発生して、高圧ガスがロータ１１４の可動ベーン１１４
ａに作用してロータ１１４を回転させる。高圧ガスは連
通口１１２ｆを介して低圧室１２０ａから放電室１１８
ａに循環されて次の工程におけるプラズマ発生用に利用
される。ロータリハウジング１１２は作動室１１２ａと
同軸状にプラズマ形成部１１８と低圧部１２０とを備え
ているためエンジンの構造が簡単となり、大幅な製造コ
ストダウンが図れる。

【００３４】図１２〜１４はプラズマエンジン１３０の
他の変形例を示す。プラズマエンジン１３０は作動室１
３３を有するロータリハウジング１３２と、作動室１３
３内に回転可能に配置されたタービンロータ１３４とを
有する。タービンロータ１３４は低圧部１３５を形成す
るための凹部１３４ｂを有し、低圧部１３５は連通口１
３４ｃを介して互いに連通する。タービンロータ１３４
は出力軸１３６を駆動する。タービンロータ１３４は接
線方向に対して予め定められた角度で軸方向に延びる複
数のブレード１３４ａを有し、ブレード１３４ａは受圧
面を有するキャビティ１３４ａ’が形成されている。ロ
ータリハウジング１３２はセンタハウジング１３２ａお
よびサイドハウジング１３２ｂ，１３２ｃを有し、セン
タハウジング１３２ａの中央部にはセントラルウォール
１３２ｄを有する。作動室１３３はサイドハウジング１
３２ｂとセントラルウォール１３２ｄ間に形成されてい
る。カバー部材１３７とサイドハウジング１３２ｂとの
間には作動室１３３を密閉するためのシールが配置され
る。サイドハウジング１３２ｂとセントラルウォール１
３２ｄにはタービンロータ１３４のキャビティ１３４
ａ’と低圧部１３５とを連通させるためのガス案内路１
３８、１４０がそれぞれ形成されている。ロータリハウ
ジング１３２は作動室１３３と放電室１４４との間で出
力軸１３６と平行に延びる複数のガス供給路１３２ｅを
有し、ガス供給路１３２ｅはそれぞれノズル１３２ｅ’
を有する。ガス供給路１３２ｅは断面が円形または楕円
形その他の適当な形状を有し、ノズル１３２ｅ’の断面
積よりも大きくすると良い。ガス案内路１３８、１４０
の一端はノズル１３２ｅ’の中間部に開口する。ロータ
リハウジング１３２は作動室１３３と反対側に形成され
たプラズマ形成部１４２を備える。プラズマ形成部１４
２はセントラルウォール１３２ｄとサイドハウジング１
３２ｃ間に形成された放電室１４４と、主電極１４６、
１４８およびトリガ電極１５０からなる放電手段１５２
とを備える。前述したように、主電極には３００〜５０
０ＶＤＣの放電パルスが供給され、トリガ電極１５０に
は約４０ｋＶＤＣのトリガパルスが供給される。セント
ラルウォール１３２ｄは低圧部１３５と放電室１４４と
を選択的に開閉するためのチェックバルブ１５６を備え
た連通口１５４を有する。チェックバルブ１５６はネジ
１５８によりセントラルウォール１３２ｄに固定され
る。図示していないが、低圧部１３５の一部にウォータ
ジャケット、ヒートパイプその他の適切な冷却手段を設
けて高圧ガスを冷却しても良い。

【００３５】上記構成において、作動室１３３、低圧部
１３５および放電室１４４は排気真空後に１気圧±５％
で前述したような作動媒体が封入される。この状態にお
いて、主電極手段１４６、１４８に放電電源から３００
〜５００ＶＤＣの放電パルスが供給され、同時にトリガ
電極１５０に４０ＫＶＤＣの高電圧のトリガパルスが印
加されると、放電室１４４の作動媒体がイオン化される
と同時に放電によリプラズマが発生して高圧の作動ガス
が発生する。高圧の作動ガスは複数のノズル１３２ｅ’
を介して作動室１３３に噴出する。このとき、ノズルか
ら噴出する作動ガスはタービンロータ１３４のキャビテ
ィ１３４ａ’の受圧面に衝動力を与え、タービンロータ
１３４を図１３において反時計方向に回転させる。この
間に放電室１４４のチエックバルブ１５６は連通口１５
４を密閉する（図１２、１４参照）。仕事を完了した
後、チェックバルブ１５６が開いて低圧部１３５の作動
ガスは連通口１５４を介して放電室１４４に流入する。
この後最初の工程に移行する。このようにプラズマ形成
部１４２の放電室１４４において放電電源からの放電パ
ルスにより周期的にプラズマが発生して、高圧ガスがタ
ービンロータ１３４の受圧面に衝突してタービンロータ
１３４を回転させる。高圧ガスは連通口１５４を介して
低圧部１３５から放電室１４４に循環されて次の工程に
おけるプラズマ発生用に利用される。ロータリハウジン
グ１３２は作動室１３３と同軸上にプラズマ形成部１４
２を備えているためエンジンの構造が簡単となり、大幅
な製造コストダウンが図れる。

【００３６】図１５は本発明の望ましい実施例のプラズ
マエンジン１７０を有する機械システム１７２のブロッ
ク図を示す。機械システム１７２は図１、２、７、８、
９、１０、１１、１２、１３、１４に示した実施例から
なるプラズマエンジン１７０とこれにより駆動される発
電機１７４と、連結手段１７６と、機械１７８とを備え
る。発電機１７４の出力は整流器１８０で直流電圧に整
流されてバッテリ装置１８２に充電される。バッテリ装
置１８２の出力電圧は放電パルス電源１８４に供給さ
れ、放電パルスがプラズマエンジン１７０に供給され
る。プラズマエンジン１７０が機械１７８を駆動してい
る間に発電機１７４を駆動してバッテリ１８２を充電す
るため、バッテリ１８２の寿命が長くなる。機械１７８
は自動車、トラック、バス、列車、電車、ブルドーザ
ー、二輪車、自転車、船舶、航空機、宇宙船等の乗り
物、発電システム、ファン、ポンプ、ブロワー、コンプ
レッサー等の流体機械、冷凍機あるいはエアコンディシ
ョナー、油圧ショベル等の建設機械、プラスチック加工
機械、ゴム加工機械、マテリアルハンドリング機械、プ
レス機、木工機械、工作機械、金属加工機械、エレベー
ター、エスカレーター、巻上装置・クレーン・ウインチ
・コンベヤー等の搬送機械、コンバイン・トマト収穫機
等の収穫調整用機械、トラクター・耕運機等の農業用機
械、操網機等の漁業用機械、さく岩機等の鉱山機械、精
粉機・肉ひき機等の食料加工機械、紡績機・織機等の繊
維機械、ろ過機・撹拌機等の化学機械、印刷機械、製本
機械その他産業用機械からなる。

【００３７】以上の実施例において、プラズマ形成部お
よび低圧部はロータリハウジングに一体的に形成された
ものとして説明されたが、これらはロータリハウジング
から分離独立して形成しても良い。プラズマ形成部およ
びロータリハウジングの外周には図示してないが冷却水
ジャケットを設けても良い。なお、放電手段は高周波方
式またはマイクロ波方式を採用しても良い。実施例にお
いて、ロータリハウジングおよびセパレータは磁器、強
化ガラスまたはセラミック等の絶縁材から構成しても良
いが、これら部材は金属から形成しても良い。この場
合、これら部材において、電極手段を絶縁材によって金
属部材に支持し、さらに電極手段の近辺および放電方向
に沿って金属表面に溶射によるガラスまたはセラミック
等の絶縁コーティングをすると良い。こうすることによ
って、電極手段の放電時に電流が金属部材に流れること
を防いで作動媒体の放電を効果的に行わせることができ
る。

【００３８】本発明ではプラズマエンジンにおいてロー
タリハウジングの作動室にロータ手段を回転可能に収納
し、プラズマ形成部に放電用作動媒体を封入して放電に
よるプラズマで高圧の作動ガスを発生させ、これにより
ロータ手段を駆動するようにしたので、ランニングコス
トの低いクリーンなプラズマエンジンを提供することが
できる。プラズマエンジンは小型で高出力が得られ、構
造が簡単で部品点数が少なく、軽量で騒音の発生も少な
く、１回転毎に大きなトルクが発生し、振動が少なく、
製造コストとメンテコストが著しく低い。しかも、作動
流体は永久的に使用可能なためロータリハウジング内に
作動流体を一且封じ込めると外部から全く追加燃料を供
給せずにプラズマエンジンを長時間駆動することができ
る。プラズマエンジンからは排ガス等の公害が全くない
ため、地球環境破壊を完全に防止でき、実用上の効果が
極めて大きい。なお、本発明のプラズマエンジンによれ
ば自動車、船舶、航空機等の輸送機関や発電システム、
流体機械、エレベーター、エスカレーター、コンベア
ー、工作機械、建設機械等の新規な機械システムの市場
を提供でき、産業上ならびに経済上の効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の望ましい実施例によるプラズマエン
ジンの部分断面図である。

【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ線の部分断面図である。

【図３】 図１のプラズマエンジンのためのパルス放電
電源の１例を示す回路図である。

【図４】 図３の回路の各種波形図である。

【図５】 本発明の他の望ましい実施例によるプラズマ
エンジンと、そのためのパルス放電電源の例を示す回路
図である。

【図６】 図５の回路の各種波形図である。

【図７】 本発明の他の望ましい実施例によるプラズマ
エンジンの断面図である。

【図８】 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿って示した
断面図である。

【図９】 本発明の他の望ましい実施例によるプラズマ
エンジンの断面図である。

【図１０】 図９のＸ−Ｘ線の断面図である。

【図１１】 図９のＸＩ−ＸＩ線の断面図である。

【図１２】 本発明の他の望ましい実施例によるプラズ
マエンジンの断面図である。

【図１３】 図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線の断面図で
ある。

【図１４】 図１２のＸＩＶ−ＸＩＶ線の断面図であ
る。

【図１５】 本発明のプラズマエンジンを組み込んだ機
械システムのブロック図である。

【符号の説明】

１２ ロータリハウジング １４ タービンロータ １６ 作動室 １８ 放電室 １９ 放電手段 ２０ プラズマ形成部 ２１ 放電電源 ２２、２２’ 電極手段 ２３ セパレータ ２６、２６’ ガス案内路 ２７、２７’ 低圧部 ２８ 出力軸 ２９ 冷却部 ３４ カバー部材 ３６ カバー部材 ４８ 放射源ライナー ９２ パルス放電電源 １０２ ロータリハウジング １０３ ロータ １０４ 出力軸 １０５ プラズマ形成部 １０６ 放電電源 １１２ ロータリハウジング １１２ａ 作動室 １１４ ロータ １１８ プラズマ形成部 １２０ 低圧部 １３０ プラズマエンジン １３２ ロータリハウジング １３４ タービンロータ １４２ プラズマ形成部 １４４ 放電室 １５２ 放電手段 １５６ チェックバルブ １７０ プラズマエンジン １７２ 機械システム １７４ 発電機 １７８ 機械 １８０ 整流器 １８２ バッテリ １８４ 放電パルス電源

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期的にアーク放電を生じさせる放電手
   段を有するプラズマ形成部と、プラズマ形成部に連通す
   るノズル手段とノズル手段に連通する作動室を有するロ
   ータリハウジングと、作動室に回転可能に収納されたロ
   ータ手段とを備え、プラズマ形成部と作動室に放電用作
   動媒体が予め定められた気圧で封入されていてプラズマ
   形成部が周期的な放電によるプラズマで高圧の作動ガス
   を周期的に発生させ、この作動ガスを周期的にノズル手
   段からロータ手段に作用させるプラズマエンジン。
2. 【請求項２】 請求項１において、ロータリハウジング
   がさらに低圧部と、作動室の一部と低圧部とを連通させ
   るガス案内手段とを有し、高圧ガスがノズル手段からロ
   ータ手段に作用しながら低圧部に排出されるプラズマエ
   ンジン。
3. 【請求項３】 請求項１において、ノズル手段が作動室
   の接線方向に対して予め定められた角度で延びるように
   ロータリハウジングに形成されていて、ノズル手段の入
   口側にプラズマ形成部が配置されているプラズマエンジ
   ン。
4. 【請求項４】 請求項３において、ロータリハウジング
   が作動室と反対側に形成されたプラズマ形成部を備えて
   おり、ロータ手段が作動室に偏心的に配置されていて、
   ロータ手段が複数の可動ベーンを有するプラズマエンジ
   ン。
5. 【請求項５】 請求項３において、ロータリハウジング
   が同軸上において作動室と反対側に形成されたプラズマ
   形成部とプラズマ形成部から作動室に連通するノズル手
   段を備え、ロータ手段が複数の受圧面を有するタービン
   ロータからなるプラズマエンジン。
6. 【請求項６】 請求項１において、放電手段が放電電源
   に接続された電極手段からなり、放電電源が高電圧小電
   流の放電電流を電極手段に供給する第１電源と低電圧大
   電流のメイン放電電流を電極手段に供給する第２電源と
   を備えたパルス放電電源からなるプラズマエンジン。
7. 【請求項７】 請求項６において、放電室が作動媒体の
   イオン化を促すトリガ手段を備え、パルス放電電源がト
   リガ手段にトリガ信号を供給するためのトリガ信号発生
   手段を備えているプラズマエンジン。
8. 【請求項８】 請求項１において、放電用の作動媒体が
   ヘリウム、アルゴン、ネオン、キセノンおよびクリプト
   ンのうち少なくとも１種の希ガスを含む放電用ガスから
   なるプラズマエンジン。
9. 【請求項９】 請求項１において、放電用ガスが重水
   素、三重水素および水素ガスから選ばれた少なくとも一
   種のガスを含む混合物からなるプラズマエンジン。
10. 【請求項１０】 請求項８において、放電用ガスがさら
    に水銀蒸気およびナトリウム蒸気のうちのいずれか１つ
    の金属蒸気を含むプラズマエンジン。
11. 【請求項１１】 請求項８において、作動媒体がさらに
    炭素原子が６０〜２００の炭素格子構造体を含むプラズ
    マエンジン。
12. 【請求項１２】 請求項８において、作動媒体がさらに
    フッ素とフッ素化合物の中から選ばれた少なくとも一種
    のガスを含むプラズマエンジン。
13. 【請求項１３】 請求項８において、作動媒体がさらに
    塩素ガスと塩素化合物の中から選ばれた少なくとも一種
    のガスを含むプラズマエンジン。
14. 【請求項１４】 請求項８において、作動媒体がさらに
    臭素と臭化水素の中から選ばれた少なくとも一種のガス
    を含むプラズマエンジン。
15. 【請求項１５】 請求項８において、作動媒体がさらに
    沃素と沃化水素の中から選ばれた少なくとも一種のガス
    を含むプラズマエンジン。
16. 【請求項１６】 請求項８において、作動媒体が放射線
    源を含むプラズマエンジン。
17. 【請求項１７】 請求項１において、プラズマ形成部が
    放射線による電子励起を行わせることにより作動媒体の
    瞬時放電を行わせるための放射線源を含むプラズマエン
    ジン。
18. 【請求項１８】 請求項６において、電極手段が基体金
    属粉末にアルカリ土類金属系の熱電子放射材料を混合し
    て成形された焼結電極体からなるプラズマエンジン。
19. 【請求項１９】 請求項６において、電極手段がトリウ
    ム含有タングステンからなるプラズマエンジン。
20. 【請求項２０】 請求項６において、電極手段がタング
    ステン、モリブデン、クロームのうち少なくとも一種の
    耐熱性金属と熱電子放射物質からなるプラズマエンジ
    ン。
21. 【請求項２１】 機械と、その機械を駆動するための出
    力軸を有するプラズマエンジンとからなり、プラズマエ
    ンジンが放電手段を有するプラズマ形成部と、ノズル手
    段と、ノズル手段を介してプラズマ形成部に連通する作
    動室とを有するロータリハウジングと、作動室に回転可
    能に収納されたロータ手段とを備え、プラズマ形成部と
    作動室に放電用作動媒体が予め定められた気圧で封入さ
    れていてプラズマ形成部が放電によるプラズマで高圧の
    作動ガスを発生させ、この作動ガスでロータ手段を駆動
    する機械システム。
22. 【請求項２２】 請求項２１において、さらにプラズマ
    エンジンにより駆動される発電機と、発電機により充電
    されるバッテリ手段とからなり、放電電源がバッテリ手
    段に接続されている機械システム。