ミリメートルスケールのパルスジェットエンジン
ミリメートルスケールのパルスジェットエンジンは、燃焼チャンバと、燃料入口と、吸気口と、排気口とを規定しているエンジン本体を備えている。燃料入口は、燃焼チャンバ内に燃料を直接噴射するように配設されている。吸気口と排気口とは、燃焼チャンバと流通し、この燃焼チャンバは、吸気口からの空気と燃料入口からの燃料とが燃焼チャンバ内で周期的に燃焼して、排気ガスを発生させるように、構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリメートルスケールのパルスジェットエンジンに関する。より詳細には、本発明は、ミリメートルスケールのパルスジェットエンジンに関する。このようなエンジンは、化学若しくはプラズマのエッチングのような微細機械加工技術を使用して構成されることができる。
【背景技術】
【０００２】
ミリメートルスケールのガスタービンは、例えば、文書"Millimeter-Scale, MEMS Gas Turbine Engines", by Alan H Epstein, published in Proceedings of ASME Turbo Expo 2003 Power for Land, Sea, and Air (June 16-19 2003)から、知られている。Epsteinは、微細加工された複数のガスタービンエンジンと、これを製造する方法とを開示している。ディメンションが１ないし１０，０００μｍのこれらエンジンは、航空機若しくは他の乗り物の推力、若しくは、コンパクトな動力供給の分野に応用されるように期待されている。炭化水素燃料のエネルギー密度は、空気中で燃焼されたとき、リチウムをベースにした最先端のバッテリーのエネルギー密度の約２０ないし３０倍であり、従って、微細加工されたガスタービンエンジンは、発電機として機能するように適用されたとき、通常のバッテリーと競争することができる。
【０００３】
残念なことに、これらエンジンは、非常に複雑である。これらエンジンは、４ミクロンのオーダーのクリアランスで自由に回転しなければならないロータを含む複数の可動部分を収容している。また、製造プロセスも複雑であり、Epsteinにより開示されている比較的簡単な一例でさえ、１７の製造工程を必要としている。これらエンジンは、正確にアライメントされたウェハのスタックを使用して製造されなければならない。さらに、いずれの可動部分も、炭素の堆積をもたらす不完全燃焼の危険性のために、ミリメートルスケールの燃焼機関に問題を引き起こすことは、判っている。このような堆積は、可動部分間にミクロンスケールのクリアランスを与えるという危険性の高い故障モードを表している。
【０００４】
Epsteinは、このようなエンジンに含まれる複雑性を要することなく、ラムジェットエンジン、若しくは、パルスデトネーション(pulse detonation)エンジンのような他のタイプのエンジンを微細加工する可能性に一時言及している。ラムジェットエンジンは、非常に速い空気速度でのみ機能し、従って、小型の動力源若しくはバッテリーの代替として使用するには、実用的でない。また、パルスデトネーションエンジンは、爆発を生じさせるために、正確なタイミングサイクル(timing cycle)と、エンジン内での燃料と空気との割合の細心の管理とを必要とする。正確な管理メカニズムが組み合わされたマイクロ機械バルブが、このタイミングを達成するために必要とされる。
【０００５】
このようなパルスジェットエンジンは、１世紀以上もの間、マクロスケールにおいて知られてきた。このような既知のパルスジェットエンジンは、最も簡素なもので、一端部にバルブを備えたチューブを有している。このようなエンジンは、連続的な共振サイクルで動作する。サイクルの開始時に、点火行程において、バルブは閉成され、混合気が、チューブ内で点火される。混合気は、燃焼行程全体に渡って燃焼し続け、燃焼するに従って膨張し、チューブ内に過度の圧力を発生させる。この過度の圧力は、バルブが閉成したままの状態を確実にし、チューブのバルブとは反対の端部で、排気ガスを排気口を介してチューブの外に出す。燃料が燃焼した後のチューブ内のガスの過度の膨張は、チューブ内に減じられた圧力をもたらす。この減じられた圧力により、バルブは開成し、かくして、新たな混合気が、バルブ内に入れられる。この吸気行程の間に、チューブの排気口端部にまだあった幾らかの熱い排気ガスが、チューブのバルブ端部に向けて吸引されるだろう。チューブ内への混合気と排気ガスとの吸引は、チューブの一端部に圧縮をもたらす。この圧縮の後、混合気の十分な圧力が十分な高温で存在していれば、点火行程が、再び開始される。
【０００６】
バルブがないパルスジェットエンジンが、また、知られており、それは、例えば、ＵＳ３，４６２，９５５により開示されているＬｏｃｋｗｏｏｄ-Ｈｉｌｌｅｒのエンジンである。比較的最近、超音波パルスジェットエンジンが、国際特許出願番号 ＰＣＴ/ＧＢ２００５/００１６８１、国際公開番号 ＷＯ２００５/１０６２３４に開示されているが、残念なことに、このようなエンジンがどのように製造され得るかの説明は与えられていない。ここに開示されているパルスジェットエンジンは、外部の気化器内で燃料と空気とを予め混合する必要があり、２０ｋＨｚないし３０ｋＨｚの周波数で動作する。このような周波数は、人間の耳が感知する範囲ではなく、ＷＯ２００５/１０６２３４により開示されているエンジンは、エンジンが引き起こすノイズが、人間に聞こえないという効果を有している。ＷＯ２００５/１０６２３４により開示されているエンジンは、ほぼ円錐形状であるか、ここに開示されている一実施形態で、一端の先端部に向けて小さくなる断面を有する環状の形態である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
かくして、製造するのが簡単で信頼性のあるミリメートルスケールのエンジンの必要性がある。従って、本発明の目的は、このようなエンジンを提供することである。本発明の更なる目的は、上述された問題の幾つかを解決、若しくは、少なくとも軽減するミリメートルスケールのエンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この背景に対して、本発明は、燃焼チャンバと、この燃焼チャンバ中に燃料を直接射するように配設された燃料入口と、吸気口と、排気口とを規定しているエンジン本体を有し、前記吸気口と排気口とは、燃焼チャンバにそれぞれ流通し、この燃焼チャンバは、吸気口からの空気と燃料入口からの燃料とが、燃焼チャンバ中で周期的に燃焼して、排気ガスを発生するように構成されている、ミリメートルスケールのパルスジェットエンジンの一態様を与えている。かくして、本発明により提案されているエンジンは、ミリメートルスケールであり、このスケールにより、このようなエンジンのディメンションは、数ミリメートル、若しくは、数十ミリメートルのオーダーであることを意味している。例えば、以下に詳細に説明される一実施形態は、２５ｍｍ×１６ｍｍ×２ｍｍの外形のディメンションを有するエンジンであり、このエンジンは、２０ｍｍ３の容積を有する燃焼チャンバを備えている。
【０００９】
このようなエンジンは、マイクロ・エアビークルの推力と、携帯可能な動力源の分野とにおいて有用であると期待されている。これは、エンジンが燃料とする可燃燃料（例えば、液体水素燃料、若しくは、炭化水素燃料）のエネルギー密度が、リチウムをベースにした最先端のバッテリーのエネルギー密度よりもかなり大きいからである。さらに、本発明に従ったパルスジェットエンジンは、Epsteinにより提案されたガスタービンエンジン、パルスデトネーションエンジン、並びに、ラムジェットエンジンよりも、製造するのが非常に簡単である。ガスタービンエンジンとは異なり、マイクロスケールのパルスジェットエンジンにあるような可動部分はほとんどなく、多くの場合、バルブがあり得る。しかし、好ましい実施形態において、このエンジンは、バルブを持たず、可動部分を有していない。燃料と空気とが予め混合される必要はなく、かくして、ＷＯ２００５/１０６２３４により開示されているエンジンによって必要とされるような外部の気化器はない。代わって、燃料が、例えば燃料タンクからエンジン中に直接噴射される。
【００１０】
便宜的に、前記燃焼チャンバは、排気ガスを排気口へと優先的に向けるように成形されている。燃焼チャンバをこのように成形することにより、排気ガスが、排気口から外方へと自動的に向けられるので、バルブが、吸気口のところに必要とされることはない。好ましくは、これは、エンジンの構造を簡単にし、信頼性を向上させる。なぜなら、バルブは、このような小さなスケールに製造されるには複雑であり、燃料の不完全燃焼によりもたらされるすす粒子により閉塞されやすいからである。さらに、排気ガスが排気口へと優先的に向けられることを確実にすることにより、エンジンが推力を発生することが、確実にされる。
【００１１】
前記排気口と、吸気口と、燃焼チャンバとは、少なくとも幾らかの排気ガスが、燃焼サイクルの一部の間に燃焼チャンバへと逆流するように構成されることができる。前の燃焼サイクルの後の排気口に存在する排気ガスは、エンジンの残りの部分と比較して、上昇された温度である。従って、燃焼チャンバ中への排気ガスの幾らかの逆流は、燃焼チャンバ中の温度を上げるのを助け、次のサイクルのための再点火を助ける。さらに、排気ガスの幾らかの逆流は、また、混合気を圧縮するのを助け、従って、エンジンのための圧縮比、従って燃焼効率を上げる。
【００１２】
このような逆流は、燃焼サイクルの排気行程の後に燃焼チャンバ内に存在する減圧のために、容易に達成される。当業者によって良く理解されるように、燃焼チャンバ内に入る排気ガスの割合が、燃料と空気との量に比べて比較的小さく維持されることを確実にすることが、重要である。この割合が高すぎると、燃焼チャンバ内の排気ガスの存在により、更なる燃焼が抑制されるだろう。好ましい実施形態において、燃焼チャンバ中への吸気の約１０％が、排気ガスである。
【００１３】
好ましくは、このエンジンは、自己共振するように構成されている。好ましくは、自己共振式のエンジンは、パルスデトネーションエンジンに必要とされる正確なタイミングサイクルを必要としない。これによって、パルスジェットエンジンのデザインと構造とをシンプルに保つことができる。
【００１４】
このエンジンは、オプションとして、８ｋＨｚないし１６ｋＨｚの間の範囲の周波数で周期的に燃焼するように構成されることができる。本発明の実施形態がこのような周波数で動作することは、実験とシミュレーションとを通して判っている。この動作周波数は、このエンジンの構造の成果であり、本発明に従ったエンジンが、健康な人の聴覚の範囲外の周波数で動作するのを制限するので、比較的シンプルなエンジンのデザインが、使用されることができる。
【００１５】
好ましくは、このエンジンは、自己共振を開始させる点火手段を更に有している。オプションとして、この点火手段は、加熱素子を有している。この加熱素子の存在により、エンジンの開始プロセスを簡単にしている。
【００１６】
好ましくは、前記燃焼チャンバと、吸気口と、排気口との組み合わせは、一平面での配置形態である。このような配置が、本発明に従ったエンジンにおける比較的簡単な構造プロセスを可能にすることは、便利である。燃焼チャンバと、吸気口と、排気口とは、いわゆる２．５次元の構造体として製造されている。当業者により理解されるように、２．５次元の構造体は、張出し部分を有しておらず、基体の規定された部分から材料を除去するエッチングのような技術を使用して容易に形成されることができる。本発明に従ったエンジンは、上側の構成部分と下側の構成部分とを形成することにより製造される。各構成部分は、基体の規定されたエリアから材料を除去することにより、燃焼チャンバと吸気口と排気口との上半分若しくは下半分をそれぞれ規定している。上側部分と下側部分とは、一緒に結合される。このようなプロセスは、例えば、Epsteinにより開示されているエンジンを製造するのに使用されるプロセスよりもかなり簡単であり、エンジンの特徴である平面的な配置構造のために可能である。
【００１７】
オプションとして、前記燃料入口は、燃焼チャンバの壁部に形成されたホールのアレイの所で終端している。燃料入口のところにアレイをなしたホールを使用することにより、燃焼チャンバ内での燃料と空気との混合は良好に改善され、かくして、燃焼状態が向上される。これは、小さなスケールの燃焼チャンバが大きな層流状態をもたらすので、ミリメートルスケールのエンジンにとって特に重要である。対照的に、大きなスケールのエンジンでは、乱流状態が優位であり、燃料と空気との混合は、乱流のために達成される。混合は、乱流状態においては効果的でない。燃料入口のところのホールのアレイを使用することは、燃焼チャンバ中で、燃料入口からの燃料の流入と、吸気口からの空気の流入との間の接触エリアを大きくすることによって、拡散による混合を向上させる。
【００１８】
前記燃料入口は、また、燃焼サイクルの燃焼行程と排気行程との間に燃料入口を通る燃料の流れを閉塞させるように構成された流体バルブを有することができる。このような流体バルブは、いずれの可動部分も有しておらず、従って、エンジンは、機械的なバルブが存在していないという意味では、未だに「バルブがない」。このエンジンは、例えば、燃焼チャンバ内の圧力が、燃焼サイクルの燃焼行程若しくは排気行程を示す閾値を越えたとき、燃料入口を通る流れを防止する構造で構成されることができる。排気行程の間に燃料が燃焼チャンバへと流入するのを防止することにより、サイクルのこの行程で噴射された燃料が、排気ガスと一緒にエンジンから排出され、従って排気されるので、エンジンの効率が改善される。
【００１９】
このエンジンは、エンジン内に熱を保たせる絶縁手段を更に有することができる。効果的な熱管理機構が、このような小さなエンジンの正常な動作には不可欠である。エンジンが小さくなるにつれて、エンジンの容積に対するエンジンの表面積の割合は、大きくなる。これは、エンジンからの比較的有効な熱のロスをもたらす。燃焼サイクルを維持するために、燃焼チャンバ内の温度は、混合気が点火するのに十分でなければならない。エンジンに絶縁手段を与えることにより、熱は、エンジン内に効果的に保持されることができ、連続的な自己共振が、可能である。
【００２０】
前記絶縁手段は、オプションとして、エンジン本体内に閉ざされたチャネルを有している。これらチャネルは、エンジンの製造プロセスに比較的容易に組み込まれることができる。これらチャネルをエンジンのコア近くに設けることにより、エンジンの本体内の熱の放散は、減じられることができる。好ましくは、絶縁チャネルは真空にされ、これによって、熱絶縁性がさらに改善される。エンジンの上側並びに下側の構成部分の結合が、真空状態で行われると考えられるので、真空にされた絶縁チャネルを形成することは、容易である。これら絶縁チャネルは、前記排気口近くに設けられることができる。この構成において、これらチャネルは、排気ガスからの熱の放散を防止する役割を果たし、かくして、燃焼チャンバに戻った排気ガスは、改善された火力を与え、さらに、再点火を助ける。これら絶縁チャネルは、排気口近くと、燃焼チャンバ近くとの両方に与えられることができる。このような配置は、チャネルにより与えられた絶縁性をさらに改善し、特に、燃焼チャンバの壁部を上昇された温度に維持するのを助ける。
【００２１】
一実施形態において、このエンジンは、排気口と吸気口とをリンクさせるダクトを更に有し、燃焼チャンバは、吸気用の第１の開口部と、排気用の第２の開口部とを有している。第１の開口部には、この第１の開口部から排出された排気ガスをダクトに沿って排気口へと案内するように成形された面が設けられている。これは、バルブがないエンジンを可能にする１つの便宜的な方法を示している。即ち、コアンダ効果が、排気ガスを、吸気口に沿って逆流させるのではなく、排気口へと方向付けるのに使用されている。
【００２２】
前記吸気口には、空気を吸気口から第１の開口部中に向ける傾斜部が設けられ得る。かくして、この傾斜部は、吸気口から、吸気口を排気口にリンクさせているダクトに沿って排気口の外へと直接移動する実質的な流れを防止している。
【００２３】
前記第１の開口部は、吸気口から燃焼チャンバへと延びているチャネルの終端部に設けられることができる。このチャネルは、第１の開口部を通って排出される排気ガスを排気口へと方向付ける。かくして、第１の開口部を通って排出された排気ガスは、吸気口へと逆流するのではなく、排気口へと向けられる。排気口を通って排出される排気ガスの割合が高いほど、エンジンにより発生されるスラスト力は、大きい。明らかに、吸気口を通って排出される幾らかの排気ガスは、エンジンにより発生されるスラスト力の量を減じるだろう。
【００２４】
前記排気口は、第１並びに第２の排気口を有することができ、この第１の排気口は、前記ダクトから延び、第２の排気口は、前記第２の開口部から直接延びている。
【００２５】
判っている。本発明に従った開発中のエンジンのコースにおいて、排気口を第１並びに第２の排気口に分けることにより、排気の流れが、両開口部を通って燃焼チャンバ内に効果的に保持され得ることは、判っている。両開口部が単一の排気口に通じているとき、一方の開口部を通る流れが、他方の開口部を通る流れを閉塞し得ることは、可能である。
【００２６】
前記燃焼チャンバは、第１並びに第２の開口部を有することができ、排気口は、第１並びに第２のダクトを有し、第１の開口部は、第１のダクトと流通し、第２の開口部は、第２のダクトと流通している。以上のように、このような配置は、排気ガスの流れが、両開口部を同時に通って燃焼チャンバ内に維持されることを効果的に可能にしている。
【００２７】
別の実施形態において、前記吸気口は、第１並びに第２の吸気チャネルを有することができる。これら第１並びに第２の吸気チャネルは、燃焼チャンバに対する開口部のところで交わっており、この開口部は、排気口の方向に面している。燃焼チャンバにたった１つの開口部が形成されているこのような実施形態において、排気ガスは、排気口へと比較的容易に向けられルことができる。好ましくは、排気口は、排気ダクトを有し、この排気ダクトは、排気ガスを排気ダクトの壁部に従って案内するように成形されている。この排気ダクトは、燃焼チャンバから離れる方向へと広くなることができる。
【００２８】
本発明は、上述されたようなエンジンを有する航空機と、上述されたようなエンジンを有する動力源とに適用される。これに関しては、本発明が、無人航空機（ＵＡＶｓ）用の推力手段としての、若しくは、携帯可能な発電器用の熱源としての有用性を見つけることが期待されていることに注意すべきである。
【００２９】
本発明の上記並びに更なる特徴は、添付の請求項に記載され、添付図面に示されている様々な例示的な実施形態を参照して以下に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下の説明において、記載されている本発明の実施形態が、２０×２０×２ｍｍ３の一般的なおおよそのサイズを共有していることを、忘れてはならない。このディメンションは、もちろん、特有の各実施形態のために変更可能であるが、このようなスケールのエンジンは、マイクロスケールのパルスジェットエンジンとは本質的に異なり、デザインが、これらスケールで使用されるのに適していることに、注意すべきである。多くの特有な違いが、以下に特定並びに説明される。
【００３１】
第１に、以下で説明されるマイクロスケールのパルスジェットエンジンの動作周波数は、既知のマイクロスケールのパルスジェットエンジンの動作周波数よりもかなり高い８ないし１６ｋＨｚのオーダーである。このことは、エンジンの燃焼チャンバ内での混合気の滞留時間が、燃焼反応を生じさせるための化学作用時間に相当し得ることを、意味している。従って、化学反応の速度は、温度の上昇に伴って上がるので、燃焼チャンバ内を高温に維持すること、特に、燃焼チャンバの壁部をできるだけ熱く保つことが、重要である。かくして、燃焼反応を生じさせる化学作用時間は、燃焼チャンバの温度が上昇するにつれて短くなるだろう。
【００３２】
第２に、燃焼チャンバの小さなディメンションは、フレーム・フロントのクェンチ距離(quenching distance)に相当し得る。再び、従って、燃焼チャンバの壁部と、燃焼チャンバ内のガスとをできるだけ熱く保つことが、極めて重要である。これによって、化学反応の速度が速くなり、クェンチ距離が減じられるからである。しかし、エンジンのサイズが小さくなるのに従って、容積に対する表面積の割合が増加し、エンジンは、比較的簡単に熱を放散してしまうだろう。かくして、熱管理システムが、小さなスケールのエンジンにおいて重要である。さらに、必要な高温に耐えることのできる材料を使用することが、重要である。かくして、本発明の実施形態は、例えば、ケイ素、炭化ケイ素、若しくは、窒化ケイ素で製造されている。
【００３３】
第３に、小さなスケールのエンジンは、エンジン内の流れの状態に影響を与える。非常に小さなスケールでは、層流が優位であり、一方、比較的大きなスケールでは、乱流が優位である。乱流の形態において、燃料と空気との間の混合は、乱流混合によって達成される。この形態は、マイクロスケールのパルスジェットエンジンにおいて優位である。計算は、本発明の実施形態に従ったミリメートルスケールのエンジンが、層流と乱流との形態の間の移行性を有する流れを生じさせるようになる。燃焼チャンバ内の混合気の滞留時間が、ミリメートルスケールのエンジンにとって短いという事実から、燃焼の効率を改善するように、燃焼チャンバ内での燃料と空気との混合を向上させる手段を有することが、好ましい。
【００３４】
以下で説明されるエンジンの全ては、燃料と空気とが共通の流入口を通って取り入れられるマイクロスケールのパルスジェットエンジンとは対照的に、燃料を燃焼チャンバ中に直接噴射するように動作可能な燃料入口を有している。この燃料入口は、燃焼チャンバの底に形成された直径２０μｍの３６個のホールの四角いシャワーヘッド構造体である。これらホールは、４０μｍのピッチであり、加圧された燃料タンクのような外部の燃料供給源に接続されることができ、エンジンの本体を通ってダクト中に通じている。燃焼チャンバへと燃料入口を位置させることにより、燃料の信頼性のある吐出を確実としている。さらに、燃料入口のシャワーヘッドの配列構造体は、燃焼チャンバ内での燃料と空気との間の接触面積を増加させ、かくして、拡散的な混合を向上させる。これは、燃焼チャンバ内での限定された乱流によりもたらされる混合効率の低下を緩和する。加圧された燃料供給部の使用は、また、混合効率を向上させるのを助けるだろう。
【００３５】
幾つかの実施形態において、電気スプレイ手段が、燃料液滴のサイズを減じるために、燃料入口内に組み込まれている。このように液滴のサイズを減じることは、比較的複雑な炭化水素燃料が、エンジン（例えば、ディーゼル若しくはＪＰ８ジェットの燃料）に使用される場合に、特に望ましい。液滴のサイズの縮小により、燃料と空気との間のインターフェースの面積が減じられ、この結果、燃焼効率が上がる。前記電気スプレイは、燃焼器でのこのような使用において知られている。例えば、文書、"Mesoscale Power Generation by a Catalytic Combustor using Electrosprayed Liquid Hydrocarbons," by Kyritsis, D. C., Guerrero-Arias, I., Roychoudhury, S. and Gomez, A., Publisher in Proceedings of the Twenty-Ninth Symposium (International) on Combustion, 2002, at page 965を見よ。電気スプレイは、キャピラリー中を流れる液体に電荷を与えることにより機能する。クローン反発力は、液体を霧化し、この結果、１μｍオーダーとなり得るサイズの液滴をもたらす。当業者が理解するように、電気スプレイは、ここで説明されているパルスジェットエンジンの燃料入口と一体的になるように容易に適応されることができる。
【００３６】
ディメンションが１００μｍ×１０μｍの加熱素子を有する点火デバイスが、また、以下に説明される実施形態に共通し、燃焼チャンバ内に位置されている。これら点火デバイスは、共振燃焼プロセス(resonant combustion process)を開始させるのに使用される。
【００３７】
図１ａ，１ｂは、本発明の第１の実施形態に従ったエンジン１００を示している。このエンジン１００は、本体１１０と、燃焼チャンバ１２０と、吸気チャネル１４２，１４４と、排気口１６０とを有している。これら吸気チャネル１４２，１４４は、エンジンの本体１１０と燃焼チャンバ１２０の壁部１２４とにより規定されている。また、これらチャネル１４２，１４４は、燃焼チャンバ１２０の両側部をそれぞれ囲むように延びた後に燃焼チャンバの開口部１２２のところで互いに交わる、エンジン１００の図で左側からのパスをそれぞれ規定している。吸気チャネル１４２，１４４は、また、開口部１２２のところで排気口１６０の先端部と連通している。この排気口１６０は、ノズル形状であり、燃焼チャンバ１２０の開口部１２２から離れる方向に広がっている。
【００３８】
前記本体１１０には、排気口１６０の側面に沿って延びている絶縁チャネル１１４，１１６が設けられている。これらチャネル１１４，１１６は、真空にされるか空気が充填され得る、閉ざされたスペースをエンジン１００内に形成し、排気口１６０を絶縁する役割を果たしている。これは、排気口１６０の壁部が、エンジン１００の動作中、上昇された温度を維持することを、確実にしている。エンジン１００は、小さく一体的に(once)構成されているのでディメンションは２５×１６×２ｍｍ３であり、容積に対する表面積の割合は高く、従って、熱を急速に失い易い。動作中の燃焼チャンバ内での混合気の点火は、前の燃焼サイクルの後の上昇された温度に保たれたエンジン１００内の温度により決定され、最初だけは、更なる点火のシステムを必要とする。前記絶縁チャネル１１４，１１６は、上昇された温度を維持するのを助けている。また、前記吸気チャネル１４２，１４４も、燃焼チャンバ１２０に対する幾らかの絶縁を与えている。さらに、エンジン１００は、動作中の上昇された温度を維持するために、エーロゲル(Aerogel)のような絶縁部材（図示されず）中に入れられることができる。
【００３９】
図１ａの矢印１５１，１５２は、燃焼サイクルの吸気行程の間のエンジン１００の周りの流体の流れを示している。動作中のエンジン１００は、ノズルの広がる方向とは異なる方向、即ち、図１ａの右側から左側に延びる水平ラインの方向に、ノズル形状の排気口の軸線に沿ってスラスト力を発生させる。吸気行程の間、燃焼チャンバ１２０内は減圧状態であり、この減圧状態によって、空気が、吸気チャネル１４２，１４４を通り開口部１２２を介して燃焼チャンバ内に吸引される。チャネル１４２を通って吸引される空気は、最初、燃焼チャンバの壁部１２４の外周を通って吸引される前にスラスト方向とは逆の方向に移動し、そして、スラスト方向に沿って燃焼チャンバの開口部１２２を通って移動する。前の燃焼サイクルで残された高温の排気ガスが、排気口１６０から燃焼チャンバ中に吸引される。燃料が、燃焼チャンバの開口部１２２近くに位置された燃料入口（前に説明されたが、図には示されていない）から燃焼チャンバ中に直接吐出される。混合気の十分な圧力が、燃焼チャンバ内で達せられると、吸気行程で燃焼チャンバ１２０中に吸引された排気ガスの上昇された温度と、前の燃焼サイクルからもたらされた燃焼チャンバ１２０の壁部の上昇された温度とにより、点火が、図１ｂにサークル１５４で示されているように生じる。連続的な燃焼により、排気ガスが発生される。これら排気ガスは、燃焼プロセスの結果として燃焼チャンバ内に発生された上昇圧力によって、図１ｂで矢印１５３により示されているように排気口１６０へと排出される。
【００４０】
図１ｂで矢印１５３により示されているように、前記排気ガスは、吸気チャネル１４２，１４４へと逆流するのではなく、排気口１６０へと優先的に向けられる。これは、排気口１６０と、燃焼チャンバの開口部１２２と、吸気チャネル１４２，１４４との以下の配置によりもたらされる。燃焼チャンバの開口部１２２は、スラスト方向にわずかに長く、かくして、スラスト方向に沿って燃焼チャンバ１２０中に突出した短いダクトを形成している。さらに、吸気チャネル１４２，１４４は、燃焼チャンバの開口部により形成されたダクトに対して直角の方向に延び、開口部の排出端部のところのダクトからの出口のコーナは、鋭くなっており、かくして、開口部１２２を通って燃焼チャンバ１２０から出た流体は、吸気チャネルに沿って逆流する可能性はない。これら組み合わせの要因が、矢印１５３により示されているように、燃焼チャンバから外方に向けられる排気ガス「ジェット」の形成を促進している。
【００４１】
吸気並びに排気行程での流体の流れは、図２ａ並びに２ｂに詳細に示されている。これら略図は、計算した流体力学のソフトウェアからの出力を示している。エンジン１００の平面図の半分のみが示されており、これは、エンジンが、スラスト方向に平行な中央線に対してミラー対称を示しているからである。このエンジン１００の部分は、図１ａ並びに１ｂで使用されたのと同じ参照符号を使用して図２ａ並びに２ｂに符号が付されており、かくして、さらに説明されない。図２ａは、吸気行程の間の流れを示し、ガスが、排気口１６０と吸気チャネル１４２との両方から燃焼チャンバ１２０中に入ることを示している（これら流れは、全体が、２０２，２０４でそれぞれ示されている）。実際に、計算は、吸気行程の間の燃焼チャンバ中への質量流の約５０％が、吸気チャネルから入り、残りの５０％が、排気口を通って入ることを示している。これら計算は、エンジンを囲む層流を想定しているが、実際には、この流れに対するかなりの乱流成分が存在すると考えられる。しかし、エンジン１００が、吸気チャネル１４２，１４４から燃焼チャンバ中への流入の割合を増加させることにより改良され得ることは、明らかである。燃焼チャンバ１２０内の排気ガスの濃度が高すぎると、燃焼は、十分な量の燃料若しくは空気が無いので、不可能であろう。
【００４２】
図２ｂは、排気行程の間のエンジン１００内の流体の流れを示している。図示されているように、全体が２０６で示されている流体のジェットは、排気ノズルで広がることなく、燃焼チャンバを出て、排気口１６０を通ってエンジンから出る。これら結果を与えるために実行された計算が、エンジン１００内での層流を想定していることに、再び注意すべきである。排気行程において、この流れに対するかなりの乱流成分が、排気「ジェット」を排気口の壁部にある程度付着させると考えられる。しかし、層流の計算は、排気行程の間に燃焼チャンバから流出する質量流の１００％が、排気口１６０を通って出ることを示している。
【００４３】
図３は、エンジン１００の４つの同一な構成部品３００の写真である。これら構成部品３００は、単一のシリコンウェハ中にエッチングされている。エンジン１００を製造するために、このような構成部品の２つが、一方が他方の上に位置された状態で、一緒にしっかりと結合されている。図３から理解されるように、構造体３００は、２．５Ｄの構造体である。即ち、これら構造体は、平面上での突出により規定されることができる。これら構造体３００は、明らかに、二次元ではなく、幾らかの奥行きを有しているが、いかなる張出し部分も有していない。これに加えて、構造体３００に機械加工が施された特徴部分（例えば、３２０の燃焼チャンバと、３６０の排気口）は、燃料入口を唯一除いて、図３では明瞭に見られない均一な奥行きを有している。このような特性により、構成部品３００の製造は、非常に簡単になる。実際に、図３は、１つのシリコンウェハ３５０にエッチングされたこのような４つの構成部品を示している。生産は、容易に拡大されることができる。各構成部品３００は、１６ｍｍ×２５ｍｍのディメンションを有し、３５０のために１ｍｍの厚さを有している。エッチングされた特徴部分は、８００μｍの奥行きを有している。従って、エンジン全体が、このような２つの構成部品３００を一緒に取着することにより構成されると、燃焼チャンバの奥行きは、１．６ｍｍになる。このディメンションが、化学量論的状態において水素のクェンチ距離の２倍を越え（０．６４ｍｍ）、かくして、フレーム・フロントの冷却に関連した問題が、水素が燃料として使用されたときに回避されるべきであることに注意すべきである。燃焼チャンバの全容積は、２０ｍｍ３のオーダーである。
【００４４】
本発明の第１の実施形態のエンジン１００の写真が、図４ａ並びに４ｂに示されている。図４ａは、前から撮ったエンジン１００の写真であり、エンジンに取着された燃料ライン（ＫＯＶＡＲで形成されている）４５０を示している。この燃料ライン４５０は、燃焼チャンバのシャワーヘッド式の燃料入口を介して、燃焼チャンバに燃料を供給する。図４ｂは、横から撮ったエンジン１００の写真であり、吸気チャネル１４２，１４４を示している。また図４ｂには、エンジン１００のおおよそのスケールを示すために写真に含まれたコイン４０５（英国の５ペンスのコイン）が、示されている。
【００４５】
図５は、本発明の第２の実施形態に従ったエンジン５００を示している。このエンジン５００は、２つの燃焼チャンバ５２０，５３０と、吸気口５４０と、排気口５６０とを有している。ダクト５８０が、燃焼チャンバ５２０，５３０間でエンジン５００の中央線に沿って延び、吸気口５４０と排気口５３０とを接続している。チャネル５２２，５３２が、ダクト５８０を燃焼チャンバ５２０，５３０にそれぞれ接続し、また吸気口５４０に接続している。燃焼チャンバ５２０，５３０は、壁部５２４，５３４により、チャネル５２２，５３２とダクト５８０とから分離されている。傾斜部５９０が、吸気口５４０と、チャネル５２２，５３２と、ダクト５８０との間の接続点に設けられている。この傾斜部５９０は、燃焼チャンバの壁部５２４，５３４の形状と組み合わされて、吸気口５４０を通ってエンジン内に取り入れられる空気が、ダクト５８０に沿うのではなく、燃焼チャンバ５２０，５３０中に優先的に向けられ、また、チャネル５２２，５３２を通って出る排気ガスが、吸気口５４０へと逆流するのではなく、ダクト５８０へと優先的に向けられるように、前記接続点のところで流体の流れを適切に方向付けるように意図されている。第２の出口が、各燃焼チャンバ５２０，５３０内にそれぞれ設けられており、これら出口を通って、排気ガスが、また、逃がされ得る。図５に５２６，５３６で示されているこれら出口は、燃焼チャンバから排気口５６０中に直接通じている。エンジン１００と同様に、閉ざされた絶縁チャネル５１４，５１６が、連続的な燃焼サイクルの再点火を助けるようにエンジン５００内に熱を保持するために、エンジンの本体５１０内に設けられている。しかし、エンジン５００では、これらチャネル５１４，５１６は、排気口５６０に沿い、燃焼チャンバ５２０，５３０を囲み、そして吸気口５４０に沿って延びている。かくして、これら絶縁チャネルは、また、燃焼チャンバのために、壁の上昇された温度を維持するのを助けている。再び、エンジン１００と同様に、エンジン５００は、エンジンの熱保持を改良するために、エーロゲルのような断熱材料内に組み込まれることができる。
【００４６】
エンジン５００の燃焼サイクルが、説明される。燃焼行程の間、排気ガスが、空気と燃料との燃焼により、燃焼チャンバ５２０，５３０内に発生される。この燃焼は、燃焼チャンバ５２０，５３０内に加熱と圧力上昇とをもたらす。かくして、排気ガスが、燃焼チャンバ５２０，５３０から出口５２６，５３６並びにチャネル５２２，５３２へと排出される。出口５２６，５３６へと排出されたガスは、排気口５６０中に直接流れ、かくして、エンジンから出る。また、チャネル５２２，５３２へと排出されたガスは、コアンダ効果により壁部５２４，５３４に従って流され、ダクト５８０を通って排気口５６０へと流れて、エンジン５００から出る。従って、これら壁部５２４，５３４の適切な成形が、必要である。
【００４７】
前記燃焼チャンバ５２０，５３０内の過剰な膨張は、燃焼チャンバ内の圧力を減じ、かくして、空気と排気ガスとの混合物を燃焼チャンバ５２０，５３０中に吸引される。排気ガスは、出口５２６，５３６、若しくは、チャネル５２２，５３２を通って燃焼チャンバ中に再び入ることができる。吸気口５４０へと流れる空気は、２つのパスに分けられる。これらパスは、傾斜部５９０により、チャネル５２２，５３２を介して燃焼チャンバ５２０，５３０中に通じている。燃焼チャンバ５２０，５３０内に入った空気と排気ガスとは、混合物が、燃焼チャンバ５２０，５３０内で燃料に点火するまで、圧力を上昇させる。
【００４８】
燃焼サイクルの吸気と排気との行程の間にエンジン５００を通って流れる流体が、図６ａ並びに６ｂに示されている。これら図は、図２ａ並びに２ｂに類似しており、計算した流体力学のソフトウェアを使用して実行された計算から得られた結果を示している。図２ａ並びに２ｂのように、エンジン５００の半分のみが、図６ａ並びに６ｂに示され、図５に使用されたのと同じ符号が、図６ａ並びに６ｂにも示されているエンジンの部分を称するのに使用されている。図６ａは、エンジン５００における燃焼サイクルの吸気行程の間の流体の流れを示している。図６ａに示されているように、燃焼チャンバ中への吸気は、（６０４で示されている流れの）排気ガスと、吸気口からの（６０２で示されている流れの）空気との両方で構成される。エンジン５００において、排気ガスは、出口５２６と、ダクト５８０を介したチャネル５２２とを通って、燃焼チャンバ５２０中に入る。また、吸気口５４０からの空気は、チャネル５２２を通って燃焼チャンバ５２０中に入る。計算は、エンジン５００における燃焼サイクルの吸気行程の間に、流入量の６８％が、吸気口５４０を通ることを示している。
【００４９】
図６ｂは、燃焼サイクルの排気行程の間のエンジン５００の周りの流体の流れを示している。排気口５６０への２つの別々の流路が存在し、６０６で示されている一方の流路は、出口５２６を通って排気口５６０へと直接延び、６１０，６１４で示されている他方の流路は、チャネル５２２とダクト５８０とを通って延びている。チャネル５２２を通る流れ６１０の部分６１４は、コアンダ効果のために燃焼チャンバの壁部５２４により流され、排気口５６０を通って出る。一方、部分６１２は、傾斜部５１９により主流６１０から分離され、吸気口５４０を通ってエンジン５００から出る。計算は、排気行程の間に、流出量の４９％のみが、排気口５６０を通ってエンジン５００を出て、流出量の５１％が、吸気口５４０を通って出ることを示している。
【００５０】
かくして、吸気行程の間に、流入量の６８％が吸気口を通り、排気行程の間に、流出量の４９％が排気口を通る。これらの数字は、ある程度の誤差を受ける可能性があるが、エンジン５００の設計が改良され得ることは明らかであることに、注意すべきである。良質なエンジンの設計では、流入量の９０％が吸気口を通り、流出量の１００％が排出口を通る。排気ガスのある程度の吸気は、排気ガスの上昇された温度が、燃焼チャンバ内の再点火の助けにより、来るべき燃料と空気とを熱するので、望ましい。しかし、吸気の多くの割合が排気ガスである場合、燃焼が生じる可能性は全くない。しかし、流出量が、ほとんど若しくは全て排気口へと向けら、この結果、エンジンにより発生されるスラスト力を最大にすることが重要である。
【００５１】
図７ａは、上述されたエンジン５００の改良型であるエンジン７００を概略的に示している。このエンジン７００は、エンジン５００と機能的に類似しており、従って、同じ部分は、エンジン５００の対応した部分と同じ符号に２００を足した符号により示されている。このエンジン７００における燃料サイクルは、エンジン５００における燃焼サイクルと同じであり、更に説明されない。また、エンジン５００のチャネル５１４，５１６と類似の絶縁チャネルがエンジン７００にも存在するが、これらチャネルは明瞭のために図７に示されていないことに、注意すべきである。エンジン７００とエンジン５００との間の主な違いは、燃焼チャンバ７２０，７５０の形状と、傾斜部７９０の位置と、排気口７６０が別々の排気ダクト７６２，７６４に分かれていることである。これら変更は、かなり向上された機能をもたらす。エンジン７００における吸気行程の間に、流入量の９２％が、吸気口を通り、また、排気行程の間に、排出量の７９％が、排出口を通る。個々の変更の効果が、以下に説明される。
【００５２】
前記傾斜部７９０の位置は、エンジン５００の傾斜部５９０の位置のわずか「下流」にあり、即ちエンジンの排気口に比較的近い。エンジン５００を通る流れのシミュレーションは、傾斜部５９０が、チャネル５２２，５３２内への流入を方向付ける機能を適切に果たしていないことを明示している。エンジン７００において、傾斜部７９０は、チャネル７２２，７３２の入口近くに位置されている。特に、傾斜部７９０のコーナ７９２，７９３は、これら入口近くに位置され、これらコーナで、流れが傾斜部の表面から分かれる。このような別の位置付けは、吸気口７４０から燃焼チャンバ７２０，７３０中に移動するガスの流れの割合を改善する。
【００５３】
エンジン７００の燃焼チャンバ７２０，７３０の形状の多くの態様は、エンジン５００の燃焼チャンバ５２０，５３０と比較して、変更されている。燃焼チャンバ７２０，７３０の外壁は、比較的緩やかに湾曲されている。これが、壁部７２４，７３４へと燃焼チャンバ７２０，７３０を出るガスの流れを案内する程度を改善することは、シミュレーションによって判っている。これは、排気口７６０を通って流れる排気ガスの割合を上げ、吸気口７４０から流出する排気ガスの割合を下げる。チャネル７２２，７２３は、また、ノズル形状に形成されている。これは、吸気行程の間の、吸気口７４０から燃焼チャンバ７２０，７３０中への質量流を増加させる。さらに、チャネル７２２，７３２は、ダクト７８０に向けて狭くなっており、このため、燃焼チャンバ７２０，７３０を出る流れは、チャネル７２２，７３２に沿って加速される。これは、流れが、ダクト７８０に向けて方向付けられたジェットの形態で（壁部７２４，７３４により形成された）コアンダ効果を有する面を離れるのを促している。さらに、チャネル７２２，７３２の吸気口７４０とダクト７８０との接続部のところで、チャネル７２２，７３２は、燃焼チャンバ７２０，７３０から出る流れが、吸気口７４０中ではなく、排気口７６０へと優先的に向けられるように、排気口７６０へとわずかに方向付けられている。
【００５４】
エンジン７００の排気口７６０は、３つの別々のダクト７６２，７６４，７６６に分けられている。ダクト７６２は、吸気口７４０を排気口７６０にリンクさせているダクト７８０の延出部である。ダクト７６４，７６６は、燃焼チャンバ７２０，７３０の出口７２６，７３６から延びている。シミュレーションの動作は、これが、ダクト７８０を通る質量流量を拡大させたことを示した。これは、例えばエンジン５００のように別々のダクトなしには、出口５２６，５３６からの流れが、排気口全体を充填するように拡大し、従って、ダクト５８０からの流れを阻止してしまうためである。排気口７６０と同様に排気口を分けることにより、この問題は、ダクト７８０と出口７２６，７３６とを通る流れが分離し続けるので、回避される。
【００５５】
本発明の第３の実施形態の様々な構成部品のディメンションが、図７ｂに示されている。この図７ｂは、図７ａと７ｂとの間の類似点から明らかであるように、第３の実施形態の半分の断面の平面図である。明瞭のために、参照符号は、第３の実施形態の特徴と部品とが、図７ａに参照符号で付されているので、図７ｂに含まれていない。代わりに、エンジン７００のディメンション（ｍｍ単位）が、図７ｂに与えられている。「Ｒ」が前に付された数字は、曲率半径である。曲率半径が示されていない曲線は、図示されているような点に適合されたスプライン曲線である。エンジン７００は、ミリメートルスケールのエンジン内の流れのパターンを決定するように、計算した流体力学の技術を使用してモデル設計された多くのエンジンの１つである。このようにしてテストされたデザインのうち、エンジン７００が、最良のパフォーマンスを示すことが判った。
【００５６】
上記の実施形態の全ての製造は、フライス削り、レーザードリル穴あけ、若しくは、エッチングのような既知のマイクロ機械加工技術を使用して実行される。特に、反応性イオンエッチング、ディープ(deep)反応性イオンエッチング、若しくは、放電機械加工が、図３に示されている構成部品３００のような部品を形成するのに使用されることができる。図３に示されているように、このような複数の構成部品は、１つのウェハ上に形成されることができる。レーザードリル若しくはエッチングの技術は、燃焼チャンバに燃料入口を形成するようにホールを形成するのに使用されることができる。融着、反応結合、若しくは、ＫｉＯＮ社のＣｅｒａｓｅｔ（登録商標）のようなプリセラミック(pre-ceramic)ポリマーの熱分解を使用して、２つの部品を一緒に結合することにより、エンジンのコアが形成される。例えばＫＯＶＡＲで製造された燃料パイプが互いに装着され、エンジンが、必要に応じて、上述されたようなエーロゲル若しくは他の適切な絶縁材料で適切に絶縁される。
【００５７】
以上の実施形態は、燃焼プロセスにより発生される高温と、燃焼の間に発生される圧力の上昇とに耐えることができる材料で製造されている。特に、ケイ素と炭化ケイ素が、本発明の実施形態に従ったエンジンを製造するのに使用されることができる。ケイ素と炭化ケイ素との両方は、上述された既知の技術を使用して機械加工されることができる。炭化ケイ素によりライニングが施されたケイ素の構造体を形成するように、ケイ素でエンジン全体を製造して、エンジンの構成部品の部分の表面を炭化させる(carborise)ことも可能である。代わって、本発明の実施形態を耐火セラミックで製造することも可能であり得る。
【００５８】
本発明の実施形態は、マイクロ・エアビークル(micro air-vehicles)、即ちＵＡＶの推進のため、若しくは、コンパクトな動力源として使用されることができる。動力は、熱電対を適切に装着することにより、熱エネルギーと運動エネルギーとの両方を有する排気ジェット、若しくはエンジンコア自体から得ることができる。代わって、排気ジェットから運動エネルギーを得るためにガスタービンを使用することも可能であり得るが、特に、これは、動力源システム中に可動部分を組み込む必要があるだろう。
【００５９】
当業者にとって明らかであろう、上述の実施形態に対する様々な相当物並びに変更が、添付の請求項に規定されている本発明の範囲から逸脱することなく可能である。例えば、点火を助けるために燃焼チャンバ内に加熱素子を使用することが上述されているが、他の適切な点火補助材が、当業者にとって直ちに明らかであろう。例えば、スパークプラグ、若しくは、触媒点火手段が、点火を助けるために燃焼チャンバ中に組み込まれ得ることは、当業者にとって明らかであろう。白金が、水素が燃焼する際に触媒の働きをするのに使用され得る触媒として知られている。当業者に知られる他の触媒は、本発明に従ったエンジンに組み合わされて使用され得る他の炭化水素燃料として適切であり得る。
【００６０】
上述された例示的な実施形態に加えて、更なる実施形態が想定されることは理解される。また、いずれか１つの実施形態に関係した上述の特徴が、単独で、若しくは、記載の他の特徴と組み合わされて使用されることができ、また、他の実施形態の１つ以上の特徴と組み合わせて、若しくは他の実施形態のいずれかの組み合わせで使用されることができることは、明らかに理解される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１ａ】エンジンの燃焼サイクルの行程を示している、本発明の第１の実施形態に従ったエンジンの断面の平面図である。
【図１ｂ】エンジンの燃焼サイクルの行程を示している、本発明の第１の実施形態に従ったエンジンの断面の平面図である。
【図２ａ】図１に示されているエンジンを通る流体の流れを示している。
【図２ｂ】図１に示されているエンジンを通る流体の流れを示している。
【図３】図１に示されているエンジンの複数の部品の写真である。
【図４ａ】本発明の第１の実施形態の写真である。
【図４ｂ】本発明の第１の実施形態の写真である。
【図５】本発明の第２の実施形態に従ったエンジンの断面の平面図である。
【図６ａ】図５に示されているエンジンを通る流体の流れを示している。
【図６ｂ】図５に示されているエンジンを通る流体の流れを示している。
【図７ａ】本発明の第３の実施形態に従ったエンジンの断面の平面図である。
【図７ｂ】本発明の第３の実施形態に従ったエンジンの断面の平面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリメートルスケールのパルスジェットエンジンに関する。より詳細には、本発明は、ミリメートルスケールのパルスジェットエンジンに関する。このようなエンジンは、化学若しくはプラズマのエッチングのような微細機械加工技術を使用して構成されることができる。
【背景技術】
【０００２】
ミリメートルスケールのガスタービンは、例えば、文書"Millimeter-Scale, MEMS Gas Turbine Engines", by Alan H Epstein, published in Proceedings of ASME Turbo Expo 2003 Power for Land, Sea, and Air (June 16-19 2003)から、知られている。Epsteinは、微細加工された複数のガスタービンエンジンと、これを製造する方法とを開示している。ディメンションが１ないし１０，０００μｍのこれらエンジンは、航空機若しくは他の乗り物の推力、若しくは、コンパクトな動力供給の分野に応用されるように期待されている。炭化水素燃料のエネルギー密度は、空気中で燃焼されたとき、リチウムをベースにした最先端のバッテリーのエネルギー密度の約２０ないし３０倍であり、従って、微細加工されたガスタービンエンジンは、発電機として機能するように適用されたとき、通常のバッテリーと競争することができる。
【０００３】
残念なことに、これらエンジンは、非常に複雑である。これらエンジンは、４ミクロンのオーダーのクリアランスで自由に回転しなければならないロータを含む複数の可動部分を収容している。また、製造プロセスも複雑であり、Epsteinにより開示されている比較的簡単な一例でさえ、１７の製造工程を必要としている。これらエンジンは、正確にアライメントされたウェハのスタックを使用して製造されなければならない。さらに、いずれの可動部分も、炭素の堆積をもたらす不完全燃焼の危険性のために、ミリメートルスケールの燃焼機関に問題を引き起こすことは、判っている。このような堆積は、可動部分間にミクロンスケールのクリアランスを与えるという危険性の高い故障モードを表している。
【０００４】
Epsteinは、このようなエンジンに含まれる複雑性を要することなく、ラムジェットエンジン、若しくは、パルスデトネーション(pulse detonation)エンジンのような他のタイプのエンジンを微細加工する可能性に一時言及している。ラムジェットエンジンは、非常に速い空気速度でのみ機能し、従って、小型の動力源若しくはバッテリーの代替として使用するには、実用的でない。また、パルスデトネーションエンジンは、爆発を生じさせるために、正確なタイミングサイクル(timing cycle)と、エンジン内での燃料と空気との割合の細心の管理とを必要とする。正確な管理メカニズムが組み合わされたマイクロ機械バルブが、このタイミングを達成するために必要とされる。
【０００５】
このようなパルスジェットエンジンは、１世紀以上もの間、マクロスケールにおいて知られてきた。このような既知のパルスジェットエンジンは、最も簡素なもので、一端部にバルブを備えたチューブを有している。このようなエンジンは、連続的な共振サイクルで動作する。サイクルの開始時に、点火行程において、バルブは閉成され、混合気が、チューブ内で点火される。混合気は、燃焼行程全体に渡って燃焼し続け、燃焼するに従って膨張し、チューブ内に過度の圧力を発生させる。この過度の圧力は、バルブが閉成したままの状態を確実にし、チューブのバルブとは反対の端部で、排気ガスを排気口を介してチューブの外に出す。燃料が燃焼した後のチューブ内のガスの過度の膨張は、チューブ内に減じられた圧力をもたらす。この減じられた圧力により、バルブは開成し、かくして、新たな混合気が、バルブ内に入れられる。この吸気行程の間に、チューブの排気口端部にまだあった幾らかの熱い排気ガスが、チューブのバルブ端部に向けて吸引されるだろう。チューブ内への混合気と排気ガスとの吸引は、チューブの一端部に圧縮をもたらす。この圧縮の後、混合気の十分な圧力が十分な高温で存在していれば、点火行程が、再び開始される。
【０００６】
バルブがないパルスジェットエンジンが、また、知られており、それは、例えば、ＵＳ３，４６２，９５５により開示されているＬｏｃｋｗｏｏｄ-Ｈｉｌｌｅｒのエンジンである。比較的最近、超音波パルスジェットエンジンが、国際特許出願番号 ＰＣＴ/ＧＢ２００５/００１６８１、国際公開番号 ＷＯ２００５/１０６２３４に開示されているが、残念なことに、このようなエンジンがどのように製造され得るかの説明は与えられていない。ここに開示されているパルスジェットエンジンは、外部の気化器内で燃料と空気とを予め混合する必要があり、２０ｋＨｚないし３０ｋＨｚの周波数で動作する。このような周波数は、人間の耳が感知する範囲ではなく、ＷＯ２００５/１０６２３４により開示されているエンジンは、エンジンが引き起こすノイズが、人間に聞こえないという効果を有している。ＷＯ２００５/１０６２３４により開示されているエンジンは、ほぼ円錐形状であるか、ここに開示されている一実施形態で、一端の先端部に向けて小さくなる断面を有する環状の形態である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
かくして、製造するのが簡単で信頼性のあるミリメートルスケールのエンジンの必要性がある。従って、本発明の目的は、このようなエンジンを提供することである。本発明の更なる目的は、上述された問題の幾つかを解決、若しくは、少なくとも軽減するミリメートルスケールのエンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この背景に対して、本発明は、燃焼チャンバと、この燃焼チャンバ中に燃料を直接射するように配設された燃料入口と、吸気口と、排気口とを規定しているエンジン本体を有し、前記吸気口と排気口とは、燃焼チャンバにそれぞれ流通し、この燃焼チャンバは、吸気口からの空気と燃料入口からの燃料とが、燃焼チャンバ中で周期的に燃焼して、排気ガスを発生するように構成されている、ミリメートルスケールのパルスジェットエンジンの一態様を与えている。かくして、本発明により提案されているエンジンは、ミリメートルスケールであり、このスケールにより、このようなエンジンのディメンションは、数ミリメートル、若しくは、数十ミリメートルのオーダーであることを意味している。例えば、以下に詳細に説明される一実施形態は、２５ｍｍ×１６ｍｍ×２ｍｍの外形のディメンションを有するエンジンであり、このエンジンは、２０ｍｍ３の容積を有する燃焼チャンバを備えている。
【０００９】
このようなエンジンは、マイクロ・エアビークルの推力と、携帯可能な動力源の分野とにおいて有用であると期待されている。これは、エンジンが燃料とする可燃燃料（例えば、液体水素燃料、若しくは、炭化水素燃料）のエネルギー密度が、リチウムをベースにした最先端のバッテリーのエネルギー密度よりもかなり大きいからである。さらに、本発明に従ったパルスジェットエンジンは、Epsteinにより提案されたガスタービンエンジン、パルスデトネーションエンジン、並びに、ラムジェットエンジンよりも、製造するのが非常に簡単である。ガスタービンエンジンとは異なり、マイクロスケールのパルスジェットエンジンにあるような可動部分はほとんどなく、多くの場合、バルブがあり得る。しかし、好ましい実施形態において、このエンジンは、バルブを持たず、可動部分を有していない。燃料と空気とが予め混合される必要はなく、かくして、ＷＯ２００５/１０６２３４により開示されているエンジンによって必要とされるような外部の気化器はない。代わって、燃料が、例えば燃料タンクからエンジン中に直接噴射される。
【００１０】
便宜的に、前記燃焼チャンバは、排気ガスを排気口へと優先的に向けるように成形されている。燃焼チャンバをこのように成形することにより、排気ガスが、排気口から外方へと自動的に向けられるので、バルブが、吸気口のところに必要とされることはない。好ましくは、これは、エンジンの構造を簡単にし、信頼性を向上させる。なぜなら、バルブは、このような小さなスケールに製造されるには複雑であり、燃料の不完全燃焼によりもたらされるすす粒子により閉塞されやすいからである。さらに、排気ガスが排気口へと優先的に向けられることを確実にすることにより、エンジンが推力を発生することが、確実にされる。
【００１１】
前記排気口と、吸気口と、燃焼チャンバとは、少なくとも幾らかの排気ガスが、燃焼サイクルの一部の間に燃焼チャンバへと逆流するように構成されることができる。前の燃焼サイクルの後の排気口に存在する排気ガスは、エンジンの残りの部分と比較して、上昇された温度である。従って、燃焼チャンバ中への排気ガスの幾らかの逆流は、燃焼チャンバ中の温度を上げるのを助け、次のサイクルのための再点火を助ける。さらに、排気ガスの幾らかの逆流は、また、混合気を圧縮するのを助け、従って、エンジンのための圧縮比、従って燃焼効率を上げる。
【００１２】
このような逆流は、燃焼サイクルの排気行程の後に燃焼チャンバ内に存在する減圧のために、容易に達成される。当業者によって良く理解されるように、燃焼チャンバ内に入る排気ガスの割合が、燃料と空気との量に比べて比較的小さく維持されることを確実にすることが、重要である。この割合が高すぎると、燃焼チャンバ内の排気ガスの存在により、更なる燃焼が抑制されるだろう。好ましい実施形態において、燃焼チャンバ中への吸気の約１０％が、排気ガスである。
【００１３】
好ましくは、このエンジンは、自己共振するように構成されている。好ましくは、自己共振式のエンジンは、パルスデトネーションエンジンに必要とされる正確なタイミングサイクルを必要としない。これによって、パルスジェットエンジンのデザインと構造とをシンプルに保つことができる。
【００１４】
このエンジンは、オプションとして、８ｋＨｚないし１６ｋＨｚの間の範囲の周波数で周期的に燃焼するように構成されることができる。本発明の実施形態がこのような周波数で動作することは、実験とシミュレーションとを通して判っている。この動作周波数は、このエンジンの構造の成果であり、本発明に従ったエンジンが、健康な人の聴覚の範囲外の周波数で動作するのを制限するので、比較的シンプルなエンジンのデザインが、使用されることができる。
【００１５】
好ましくは、このエンジンは、自己共振を開始させる点火手段を更に有している。オプションとして、この点火手段は、加熱素子を有している。この加熱素子の存在により、エンジンの開始プロセスを簡単にしている。
【００１６】
好ましくは、前記燃焼チャンバと、吸気口と、排気口との組み合わせは、一平面での配置形態である。このような配置が、本発明に従ったエンジンにおける比較的簡単な構造プロセスを可能にすることは、便利である。燃焼チャンバと、吸気口と、排気口とは、いわゆる２．５次元の構造体として製造されている。当業者により理解されるように、２．５次元の構造体は、張出し部分を有しておらず、基体の規定された部分から材料を除去するエッチングのような技術を使用して容易に形成されることができる。本発明に従ったエンジンは、上側の構成部分と下側の構成部分とを形成することにより製造される。各構成部分は、基体の規定されたエリアから材料を除去することにより、燃焼チャンバと吸気口と排気口との上半分若しくは下半分をそれぞれ規定している。上側部分と下側部分とは、一緒に結合される。このようなプロセスは、例えば、Epsteinにより開示されているエンジンを製造するのに使用されるプロセスよりもかなり簡単であり、エンジンの特徴である平面的な配置構造のために可能である。
【００１７】
オプションとして、前記燃料入口は、燃焼チャンバの壁部に形成されたホールのアレイの所で終端している。燃料入口のところにアレイをなしたホールを使用することにより、燃焼チャンバ内での燃料と空気との混合は良好に改善され、かくして、燃焼状態が向上される。これは、小さなスケールの燃焼チャンバが大きな層流状態をもたらすので、ミリメートルスケールのエンジンにとって特に重要である。対照的に、大きなスケールのエンジンでは、乱流状態が優位であり、燃料と空気との混合は、乱流のために達成される。混合は、乱流状態においては効果的でない。燃料入口のところのホールのアレイを使用することは、燃焼チャンバ中で、燃料入口からの燃料の流入と、吸気口からの空気の流入との間の接触エリアを大きくすることによって、拡散による混合を向上させる。
【００１８】
前記燃料入口は、また、燃焼サイクルの燃焼行程と排気行程との間に燃料入口を通る燃料の流れを閉塞させるように構成された流体バルブを有することができる。このような流体バルブは、いずれの可動部分も有しておらず、従って、エンジンは、機械的なバルブが存在していないという意味では、未だに「バルブがない」。このエンジンは、例えば、燃焼チャンバ内の圧力が、燃焼サイクルの燃焼行程若しくは排気行程を示す閾値を越えたとき、燃料入口を通る流れを防止する構造で構成されることができる。排気行程の間に燃料が燃焼チャンバへと流入するのを防止することにより、サイクルのこの行程で噴射された燃料が、排気ガスと一緒にエンジンから排出され、従って排気されるので、エンジンの効率が改善される。
【００１９】
このエンジンは、エンジン内に熱を保たせる絶縁手段を更に有することができる。効果的な熱管理機構が、このような小さなエンジンの正常な動作には不可欠である。エンジンが小さくなるにつれて、エンジンの容積に対するエンジンの表面積の割合は、大きくなる。これは、エンジンからの比較的有効な熱のロスをもたらす。燃焼サイクルを維持するために、燃焼チャンバ内の温度は、混合気が点火するのに十分でなければならない。エンジンに絶縁手段を与えることにより、熱は、エンジン内に効果的に保持されることができ、連続的な自己共振が、可能である。
【００２０】
前記絶縁手段は、オプションとして、エンジン本体内に閉ざされたチャネルを有している。これらチャネルは、エンジンの製造プロセスに比較的容易に組み込まれることができる。これらチャネルをエンジンのコア近くに設けることにより、エンジンの本体内の熱の放散は、減じられることができる。好ましくは、絶縁チャネルは真空にされ、これによって、熱絶縁性がさらに改善される。エンジンの上側並びに下側の構成部分の結合が、真空状態で行われると考えられるので、真空にされた絶縁チャネルを形成することは、容易である。これら絶縁チャネルは、前記排気口近くに設けられることができる。この構成において、これらチャネルは、排気ガスからの熱の放散を防止する役割を果たし、かくして、燃焼チャンバに戻った排気ガスは、改善された火力を与え、さらに、再点火を助ける。これら絶縁チャネルは、排気口近くと、燃焼チャンバ近くとの両方に与えられることができる。このような配置は、チャネルにより与えられた絶縁性をさらに改善し、特に、燃焼チャンバの壁部を上昇された温度に維持するのを助ける。
【００２１】
一実施形態において、このエンジンは、排気口と吸気口とをリンクさせるダクトを更に有し、燃焼チャンバは、吸気用の第１の開口部と、排気用の第２の開口部とを有している。第１の開口部には、この第１の開口部から排出された排気ガスをダクトに沿って排気口へと案内するように成形された面が設けられている。これは、バルブがないエンジンを可能にする１つの便宜的な方法を示している。即ち、コアンダ効果が、排気ガスを、吸気口に沿って逆流させるのではなく、排気口へと方向付けるのに使用されている。
【００２２】
前記吸気口には、空気を吸気口から第１の開口部中に向ける傾斜部が設けられ得る。かくして、この傾斜部は、吸気口から、吸気口を排気口にリンクさせているダクトに沿って排気口の外へと直接移動する実質的な流れを防止している。
【００２３】
前記第１の開口部は、吸気口から燃焼チャンバへと延びているチャネルの終端部に設けられることができる。このチャネルは、第１の開口部を通って排出される排気ガスを排気口へと方向付ける。かくして、第１の開口部を通って排出された排気ガスは、吸気口へと逆流するのではなく、排気口へと向けられる。排気口を通って排出される排気ガスの割合が高いほど、エンジンにより発生されるスラスト力は、大きい。明らかに、吸気口を通って排出される幾らかの排気ガスは、エンジンにより発生されるスラスト力の量を減じるだろう。
【００２４】
前記排気口は、第１並びに第２の排気口を有することができ、この第１の排気口は、前記ダクトから延び、第２の排気口は、前記第２の開口部から直接延びている。
【００２５】
判っている。本発明に従った開発中のエンジンのコースにおいて、排気口を第１並びに第２の排気口に分けることにより、排気の流れが、両開口部を通って燃焼チャンバ内に効果的に保持され得ることは、判っている。両開口部が単一の排気口に通じているとき、一方の開口部を通る流れが、他方の開口部を通る流れを閉塞し得ることは、可能である。
【００２６】
前記燃焼チャンバは、第１並びに第２の開口部を有することができ、排気口は、第１並びに第２のダクトを有し、第１の開口部は、第１のダクトと流通し、第２の開口部は、第２のダクトと流通している。以上のように、このような配置は、排気ガスの流れが、両開口部を同時に通って燃焼チャンバ内に維持されることを効果的に可能にしている。
【００２７】
別の実施形態において、前記吸気口は、第１並びに第２の吸気チャネルを有することができる。これら第１並びに第２の吸気チャネルは、燃焼チャンバに対する開口部のところで交わっており、この開口部は、排気口の方向に面している。燃焼チャンバにたった１つの開口部が形成されているこのような実施形態において、排気ガスは、排気口へと比較的容易に向けられルことができる。好ましくは、排気口は、排気ダクトを有し、この排気ダクトは、排気ガスを排気ダクトの壁部に従って案内するように成形されている。この排気ダクトは、燃焼チャンバから離れる方向へと広くなることができる。
【００２８】
本発明は、上述されたようなエンジンを有する航空機と、上述されたようなエンジンを有する動力源とに適用される。これに関しては、本発明が、無人航空機（ＵＡＶｓ）用の推力手段としての、若しくは、携帯可能な発電器用の熱源としての有用性を見つけることが期待されていることに注意すべきである。
【００２９】
本発明の上記並びに更なる特徴は、添付の請求項に記載され、添付図面に示されている様々な例示的な実施形態を参照して以下に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下の説明において、記載されている本発明の実施形態が、２０×２０×２ｍｍ３の一般的なおおよそのサイズを共有していることを、忘れてはならない。このディメンションは、もちろん、特有の各実施形態のために変更可能であるが、このようなスケールのエンジンは、マイクロスケールのパルスジェットエンジンとは本質的に異なり、デザインが、これらスケールで使用されるのに適していることに、注意すべきである。多くの特有な違いが、以下に特定並びに説明される。
【００３１】
第１に、以下で説明されるマイクロスケールのパルスジェットエンジンの動作周波数は、既知のマイクロスケールのパルスジェットエンジンの動作周波数よりもかなり高い８ないし１６ｋＨｚのオーダーである。このことは、エンジンの燃焼チャンバ内での混合気の滞留時間が、燃焼反応を生じさせるための化学作用時間に相当し得ることを、意味している。従って、化学反応の速度は、温度の上昇に伴って上がるので、燃焼チャンバ内を高温に維持すること、特に、燃焼チャンバの壁部をできるだけ熱く保つことが、重要である。かくして、燃焼反応を生じさせる化学作用時間は、燃焼チャンバの温度が上昇するにつれて短くなるだろう。
【００３２】
第２に、燃焼チャンバの小さなディメンションは、フレーム・フロントのクェンチ距離(quenching distance)に相当し得る。再び、従って、燃焼チャンバの壁部と、燃焼チャンバ内のガスとをできるだけ熱く保つことが、極めて重要である。これによって、化学反応の速度が速くなり、クェンチ距離が減じられるからである。しかし、エンジンのサイズが小さくなるのに従って、容積に対する表面積の割合が増加し、エンジンは、比較的簡単に熱を放散してしまうだろう。かくして、熱管理システムが、小さなスケールのエンジンにおいて重要である。さらに、必要な高温に耐えることのできる材料を使用することが、重要である。かくして、本発明の実施形態は、例えば、ケイ素、炭化ケイ素、若しくは、窒化ケイ素で製造されている。
【００３３】
第３に、小さなスケールのエンジンは、エンジン内の流れの状態に影響を与える。非常に小さなスケールでは、層流が優位であり、一方、比較的大きなスケールでは、乱流が優位である。乱流の形態において、燃料と空気との間の混合は、乱流混合によって達成される。この形態は、マイクロスケールのパルスジェットエンジンにおいて優位である。計算は、本発明の実施形態に従ったミリメートルスケールのエンジンが、層流と乱流との形態の間の移行性を有する流れを生じさせるようになる。燃焼チャンバ内の混合気の滞留時間が、ミリメートルスケールのエンジンにとって短いという事実から、燃焼の効率を改善するように、燃焼チャンバ内での燃料と空気との混合を向上させる手段を有することが、好ましい。
【００３４】
以下で説明されるエンジンの全ては、燃料と空気とが共通の流入口を通って取り入れられるマイクロスケールのパルスジェットエンジンとは対照的に、燃料を燃焼チャンバ中に直接噴射するように動作可能な燃料入口を有している。この燃料入口は、燃焼チャンバの底に形成された直径２０μｍの３６個のホールの四角いシャワーヘッド構造体である。これらホールは、４０μｍのピッチであり、加圧された燃料タンクのような外部の燃料供給源に接続されることができ、エンジンの本体を通ってダクト中に通じている。燃焼チャンバへと燃料入口を位置させることにより、燃料の信頼性のある吐出を確実としている。さらに、燃料入口のシャワーヘッドの配列構造体は、燃焼チャンバ内での燃料と空気との間の接触面積を増加させ、かくして、拡散的な混合を向上させる。これは、燃焼チャンバ内での限定された乱流によりもたらされる混合効率の低下を緩和する。加圧された燃料供給部の使用は、また、混合効率を向上させるのを助けるだろう。
【００３５】
幾つかの実施形態において、電気スプレイ手段が、燃料液滴のサイズを減じるために、燃料入口内に組み込まれている。このように液滴のサイズを減じることは、比較的複雑な炭化水素燃料が、エンジン（例えば、ディーゼル若しくはＪＰ８ジェットの燃料）に使用される場合に、特に望ましい。液滴のサイズの縮小により、燃料と空気との間のインターフェースの面積が減じられ、この結果、燃焼効率が上がる。前記電気スプレイは、燃焼器でのこのような使用において知られている。例えば、文書、"Mesoscale Power Generation by a Catalytic Combustor using Electrosprayed Liquid Hydrocarbons," by Kyritsis, D. C., Guerrero-Arias, I., Roychoudhury, S. and Gomez, A., Publisher in Proceedings of the Twenty-Ninth Symposium (International) on Combustion, 2002, at page 965を見よ。電気スプレイは、キャピラリー中を流れる液体に電荷を与えることにより機能する。クローン反発力は、液体を霧化し、この結果、１μｍオーダーとなり得るサイズの液滴をもたらす。当業者が理解するように、電気スプレイは、ここで説明されているパルスジェットエンジンの燃料入口と一体的になるように容易に適応されることができる。
【００３６】
ディメンションが１００μｍ×１０μｍの加熱素子を有する点火デバイスが、また、以下に説明される実施形態に共通し、燃焼チャンバ内に位置されている。これら点火デバイスは、共振燃焼プロセス(resonant combustion process)を開始させるのに使用される。
【００３７】
図１ａ，１ｂは、本発明の第１の実施形態に従ったエンジン１００を示している。このエンジン１００は、本体１１０と、燃焼チャンバ１２０と、吸気チャネル１４２，１４４と、排気口１６０とを有している。これら吸気チャネル１４２，１４４は、エンジンの本体１１０と燃焼チャンバ１２０の壁部１２４とにより規定されている。また、これらチャネル１４２，１４４は、燃焼チャンバ１２０の両側部をそれぞれ囲むように延びた後に燃焼チャンバの開口部１２２のところで互いに交わる、エンジン１００の図で左側からのパスをそれぞれ規定している。吸気チャネル１４２，１４４は、また、開口部１２２のところで排気口１６０の先端部と連通している。この排気口１６０は、ノズル形状であり、燃焼チャンバ１２０の開口部１２２から離れる方向に広がっている。
【００３８】
前記本体１１０には、排気口１６０の側面に沿って延びている絶縁チャネル１１４，１１６が設けられている。これらチャネル１１４，１１６は、真空にされるか空気が充填され得る、閉ざされたスペースをエンジン１００内に形成し、排気口１６０を絶縁する役割を果たしている。これは、排気口１６０の壁部が、エンジン１００の動作中、上昇された温度を維持することを、確実にしている。エンジン１００は、小さく一体的に(once)構成されているのでディメンションは２５×１６×２ｍｍ３であり、容積に対する表面積の割合は高く、従って、熱を急速に失い易い。動作中の燃焼チャンバ内での混合気の点火は、前の燃焼サイクルの後の上昇された温度に保たれたエンジン１００内の温度により決定され、最初だけは、更なる点火のシステムを必要とする。前記絶縁チャネル１１４，１１６は、上昇された温度を維持するのを助けている。また、前記吸気チャネル１４２，１４４も、燃焼チャンバ１２０に対する幾らかの絶縁を与えている。さらに、エンジン１００は、動作中の上昇された温度を維持するために、エーロゲル(Aerogel)のような絶縁部材（図示されず）中に入れられることができる。
【００３９】
図１ａの矢印１５１，１５２は、燃焼サイクルの吸気行程の間のエンジン１００の周りの流体の流れを示している。動作中のエンジン１００は、ノズルの広がる方向とは異なる方向、即ち、図１ａの右側から左側に延びる水平ラインの方向に、ノズル形状の排気口の軸線に沿ってスラスト力を発生させる。吸気行程の間、燃焼チャンバ１２０内は減圧状態であり、この減圧状態によって、空気が、吸気チャネル１４２，１４４を通り開口部１２２を介して燃焼チャンバ内に吸引される。チャネル１４２を通って吸引される空気は、最初、燃焼チャンバの壁部１２４の外周を通って吸引される前にスラスト方向とは逆の方向に移動し、そして、スラスト方向に沿って燃焼チャンバの開口部１２２を通って移動する。前の燃焼サイクルで残された高温の排気ガスが、排気口１６０から燃焼チャンバ中に吸引される。燃料が、燃焼チャンバの開口部１２２近くに位置された燃料入口（前に説明されたが、図には示されていない）から燃焼チャンバ中に直接吐出される。混合気の十分な圧力が、燃焼チャンバ内で達せられると、吸気行程で燃焼チャンバ１２０中に吸引された排気ガスの上昇された温度と、前の燃焼サイクルからもたらされた燃焼チャンバ１２０の壁部の上昇された温度とにより、点火が、図１ｂにサークル１５４で示されているように生じる。連続的な燃焼により、排気ガスが発生される。これら排気ガスは、燃焼プロセスの結果として燃焼チャンバ内に発生された上昇圧力によって、図１ｂで矢印１５３により示されているように排気口１６０へと排出される。
【００４０】
図１ｂで矢印１５３により示されているように、前記排気ガスは、吸気チャネル１４２，１４４へと逆流するのではなく、排気口１６０へと優先的に向けられる。これは、排気口１６０と、燃焼チャンバの開口部１２２と、吸気チャネル１４２，１４４との以下の配置によりもたらされる。燃焼チャンバの開口部１２２は、スラスト方向にわずかに長く、かくして、スラスト方向に沿って燃焼チャンバ１２０中に突出した短いダクトを形成している。さらに、吸気チャネル１４２，１４４は、燃焼チャンバの開口部により形成されたダクトに対して直角の方向に延び、開口部の排出端部のところのダクトからの出口のコーナは、鋭くなっており、かくして、開口部１２２を通って燃焼チャンバ１２０から出た流体は、吸気チャネルに沿って逆流する可能性はない。これら組み合わせの要因が、矢印１５３により示されているように、燃焼チャンバから外方に向けられる排気ガス「ジェット」の形成を促進している。
【００４１】
吸気並びに排気行程での流体の流れは、図２ａ並びに２ｂに詳細に示されている。これら略図は、計算した流体力学のソフトウェアからの出力を示している。エンジン１００の平面図の半分のみが示されており、これは、エンジンが、スラスト方向に平行な中央線に対してミラー対称を示しているからである。このエンジン１００の部分は、図１ａ並びに１ｂで使用されたのと同じ参照符号を使用して図２ａ並びに２ｂに符号が付されており、かくして、さらに説明されない。図２ａは、吸気行程の間の流れを示し、ガスが、排気口１６０と吸気チャネル１４２との両方から燃焼チャンバ１２０中に入ることを示している（これら流れは、全体が、２０２，２０４でそれぞれ示されている）。実際に、計算は、吸気行程の間の燃焼チャンバ中への質量流の約５０％が、吸気チャネルから入り、残りの５０％が、排気口を通って入ることを示している。これら計算は、エンジンを囲む層流を想定しているが、実際には、この流れに対するかなりの乱流成分が存在すると考えられる。しかし、エンジン１００が、吸気チャネル１４２，１４４から燃焼チャンバ中への流入の割合を増加させることにより改良され得ることは、明らかである。燃焼チャンバ１２０内の排気ガスの濃度が高すぎると、燃焼は、十分な量の燃料若しくは空気が無いので、不可能であろう。
【００４２】
図２ｂは、排気行程の間のエンジン１００内の流体の流れを示している。図示されているように、全体が２０６で示されている流体のジェットは、排気ノズルで広がることなく、燃焼チャンバを出て、排気口１６０を通ってエンジンから出る。これら結果を与えるために実行された計算が、エンジン１００内での層流を想定していることに、再び注意すべきである。排気行程において、この流れに対するかなりの乱流成分が、排気「ジェット」を排気口の壁部にある程度付着させると考えられる。しかし、層流の計算は、排気行程の間に燃焼チャンバから流出する質量流の１００％が、排気口１６０を通って出ることを示している。
【００４３】
図３は、エンジン１００の４つの同一な構成部品３００の写真である。これら構成部品３００は、単一のシリコンウェハ中にエッチングされている。エンジン１００を製造するために、このような構成部品の２つが、一方が他方の上に位置された状態で、一緒にしっかりと結合されている。図３から理解されるように、構造体３００は、２．５Ｄの構造体である。即ち、これら構造体は、平面上での突出により規定されることができる。これら構造体３００は、明らかに、二次元ではなく、幾らかの奥行きを有しているが、いかなる張出し部分も有していない。これに加えて、構造体３００に機械加工が施された特徴部分（例えば、３２０の燃焼チャンバと、３６０の排気口）は、燃料入口を唯一除いて、図３では明瞭に見られない均一な奥行きを有している。このような特性により、構成部品３００の製造は、非常に簡単になる。実際に、図３は、１つのシリコンウェハ３５０にエッチングされたこのような４つの構成部品を示している。生産は、容易に拡大されることができる。各構成部品３００は、１６ｍｍ×２５ｍｍのディメンションを有し、３５０のために１ｍｍの厚さを有している。エッチングされた特徴部分は、８００μｍの奥行きを有している。従って、エンジン全体が、このような２つの構成部品３００を一緒に取着することにより構成されると、燃焼チャンバの奥行きは、１．６ｍｍになる。このディメンションが、化学量論的状態において水素のクェンチ距離の２倍を越え（０．６４ｍｍ）、かくして、フレーム・フロントの冷却に関連した問題が、水素が燃料として使用されたときに回避されるべきであることに注意すべきである。燃焼チャンバの全容積は、２０ｍｍ３のオーダーである。
【００４４】
本発明の第１の実施形態のエンジン１００の写真が、図４ａ並びに４ｂに示されている。図４ａは、前から撮ったエンジン１００の写真であり、エンジンに取着された燃料ライン（ＫＯＶＡＲで形成されている）４５０を示している。この燃料ライン４５０は、燃焼チャンバのシャワーヘッド式の燃料入口を介して、燃焼チャンバに燃料を供給する。図４ｂは、横から撮ったエンジン１００の写真であり、吸気チャネル１４２，１４４を示している。また図４ｂには、エンジン１００のおおよそのスケールを示すために写真に含まれたコイン４０５（英国の５ペンスのコイン）が、示されている。
【００４５】
図５は、本発明の第２の実施形態に従ったエンジン５００を示している。このエンジン５００は、２つの燃焼チャンバ５２０，５３０と、吸気口５４０と、排気口５６０とを有している。ダクト５８０が、燃焼チャンバ５２０，５３０間でエンジン５００の中央線に沿って延び、吸気口５４０と排気口５３０とを接続している。チャネル５２２，５３２が、ダクト５８０を燃焼チャンバ５２０，５３０にそれぞれ接続し、また吸気口５４０に接続している。燃焼チャンバ５２０，５３０は、壁部５２４，５３４により、チャネル５２２，５３２とダクト５８０とから分離されている。傾斜部５９０が、吸気口５４０と、チャネル５２２，５３２と、ダクト５８０との間の接続点に設けられている。この傾斜部５９０は、燃焼チャンバの壁部５２４，５３４の形状と組み合わされて、吸気口５４０を通ってエンジン内に取り入れられる空気が、ダクト５８０に沿うのではなく、燃焼チャンバ５２０，５３０中に優先的に向けられ、また、チャネル５２２，５３２を通って出る排気ガスが、吸気口５４０へと逆流するのではなく、ダクト５８０へと優先的に向けられるように、前記接続点のところで流体の流れを適切に方向付けるように意図されている。第２の出口が、各燃焼チャンバ５２０，５３０内にそれぞれ設けられており、これら出口を通って、排気ガスが、また、逃がされ得る。図５に５２６，５３６で示されているこれら出口は、燃焼チャンバから排気口５６０中に直接通じている。エンジン１００と同様に、閉ざされた絶縁チャネル５１４，５１６が、連続的な燃焼サイクルの再点火を助けるようにエンジン５００内に熱を保持するために、エンジンの本体５１０内に設けられている。しかし、エンジン５００では、これらチャネル５１４，５１６は、排気口５６０に沿い、燃焼チャンバ５２０，５３０を囲み、そして吸気口５４０に沿って延びている。かくして、これら絶縁チャネルは、また、燃焼チャンバのために、壁の上昇された温度を維持するのを助けている。再び、エンジン１００と同様に、エンジン５００は、エンジンの熱保持を改良するために、エーロゲルのような断熱材料内に組み込まれることができる。
【００４６】
エンジン５００の燃焼サイクルが、説明される。燃焼行程の間、排気ガスが、空気と燃料との燃焼により、燃焼チャンバ５２０，５３０内に発生される。この燃焼は、燃焼チャンバ５２０，５３０内に加熱と圧力上昇とをもたらす。かくして、排気ガスが、燃焼チャンバ５２０，５３０から出口５２６，５３６並びにチャネル５２２，５３２へと排出される。出口５２６，５３６へと排出されたガスは、排気口５６０中に直接流れ、かくして、エンジンから出る。また、チャネル５２２，５３２へと排出されたガスは、コアンダ効果により壁部５２４，５３４に従って流され、ダクト５８０を通って排気口５６０へと流れて、エンジン５００から出る。従って、これら壁部５２４，５３４の適切な成形が、必要である。
【００４７】
前記燃焼チャンバ５２０，５３０内の過剰な膨張は、燃焼チャンバ内の圧力を減じ、かくして、空気と排気ガスとの混合物を燃焼チャンバ５２０，５３０中に吸引される。排気ガスは、出口５２６，５３６、若しくは、チャネル５２２，５３２を通って燃焼チャンバ中に再び入ることができる。吸気口５４０へと流れる空気は、２つのパスに分けられる。これらパスは、傾斜部５９０により、チャネル５２２，５３２を介して燃焼チャンバ５２０，５３０中に通じている。燃焼チャンバ５２０，５３０内に入った空気と排気ガスとは、混合物が、燃焼チャンバ５２０，５３０内で燃料に点火するまで、圧力を上昇させる。
【００４８】
燃焼サイクルの吸気と排気との行程の間にエンジン５００を通って流れる流体が、図６ａ並びに６ｂに示されている。これら図は、図２ａ並びに２ｂに類似しており、計算した流体力学のソフトウェアを使用して実行された計算から得られた結果を示している。図２ａ並びに２ｂのように、エンジン５００の半分のみが、図６ａ並びに６ｂに示され、図５に使用されたのと同じ符号が、図６ａ並びに６ｂにも示されているエンジンの部分を称するのに使用されている。図６ａは、エンジン５００における燃焼サイクルの吸気行程の間の流体の流れを示している。図６ａに示されているように、燃焼チャンバ中への吸気は、（６０４で示されている流れの）排気ガスと、吸気口からの（６０２で示されている流れの）空気との両方で構成される。エンジン５００において、排気ガスは、出口５２６と、ダクト５８０を介したチャネル５２２とを通って、燃焼チャンバ５２０中に入る。また、吸気口５４０からの空気は、チャネル５２２を通って燃焼チャンバ５２０中に入る。計算は、エンジン５００における燃焼サイクルの吸気行程の間に、流入量の６８％が、吸気口５４０を通ることを示している。
【００４９】
図６ｂは、燃焼サイクルの排気行程の間のエンジン５００の周りの流体の流れを示している。排気口５６０への２つの別々の流路が存在し、６０６で示されている一方の流路は、出口５２６を通って排気口５６０へと直接延び、６１０，６１４で示されている他方の流路は、チャネル５２２とダクト５８０とを通って延びている。チャネル５２２を通る流れ６１０の部分６１４は、コアンダ効果のために燃焼チャンバの壁部５２４により流され、排気口５６０を通って出る。一方、部分６１２は、傾斜部５１９により主流６１０から分離され、吸気口５４０を通ってエンジン５００から出る。計算は、排気行程の間に、流出量の４９％のみが、排気口５６０を通ってエンジン５００を出て、流出量の５１％が、吸気口５４０を通って出ることを示している。
【００５０】
かくして、吸気行程の間に、流入量の６８％が吸気口を通り、排気行程の間に、流出量の４９％が排気口を通る。これらの数字は、ある程度の誤差を受ける可能性があるが、エンジン５００の設計が改良され得ることは明らかであることに、注意すべきである。良質なエンジンの設計では、流入量の９０％が吸気口を通り、流出量の１００％が排出口を通る。排気ガスのある程度の吸気は、排気ガスの上昇された温度が、燃焼チャンバ内の再点火の助けにより、来るべき燃料と空気とを熱するので、望ましい。しかし、吸気の多くの割合が排気ガスである場合、燃焼が生じる可能性は全くない。しかし、流出量が、ほとんど若しくは全て排気口へと向けら、この結果、エンジンにより発生されるスラスト力を最大にすることが重要である。
【００５１】
図７ａは、上述されたエンジン５００の改良型であるエンジン７００を概略的に示している。このエンジン７００は、エンジン５００と機能的に類似しており、従って、同じ部分は、エンジン５００の対応した部分と同じ符号に２００を足した符号により示されている。このエンジン７００における燃料サイクルは、エンジン５００における燃焼サイクルと同じであり、更に説明されない。また、エンジン５００のチャネル５１４，５１６と類似の絶縁チャネルがエンジン７００にも存在するが、これらチャネルは明瞭のために図７に示されていないことに、注意すべきである。エンジン７００とエンジン５００との間の主な違いは、燃焼チャンバ７２０，７５０の形状と、傾斜部７９０の位置と、排気口７６０が別々の排気ダクト７６２，７６４に分かれていることである。これら変更は、かなり向上された機能をもたらす。エンジン７００における吸気行程の間に、流入量の９２％が、吸気口を通り、また、排気行程の間に、排出量の７９％が、排出口を通る。個々の変更の効果が、以下に説明される。
【００５２】
前記傾斜部７９０の位置は、エンジン５００の傾斜部５９０の位置のわずか「下流」にあり、即ちエンジンの排気口に比較的近い。エンジン５００を通る流れのシミュレーションは、傾斜部５９０が、チャネル５２２，５３２内への流入を方向付ける機能を適切に果たしていないことを明示している。エンジン７００において、傾斜部７９０は、チャネル７２２，７３２の入口近くに位置されている。特に、傾斜部７９０のコーナ７９２，７９３は、これら入口近くに位置され、これらコーナで、流れが傾斜部の表面から分かれる。このような別の位置付けは、吸気口７４０から燃焼チャンバ７２０，７３０中に移動するガスの流れの割合を改善する。
【００５３】
エンジン７００の燃焼チャンバ７２０，７３０の形状の多くの態様は、エンジン５００の燃焼チャンバ５２０，５３０と比較して、変更されている。燃焼チャンバ７２０，７３０の外壁は、比較的緩やかに湾曲されている。これが、壁部７２４，７３４へと燃焼チャンバ７２０，７３０を出るガスの流れを案内する程度を改善することは、シミュレーションによって判っている。これは、排気口７６０を通って流れる排気ガスの割合を上げ、吸気口７４０から流出する排気ガスの割合を下げる。チャネル７２２，７２３は、また、ノズル形状に形成されている。これは、吸気行程の間の、吸気口７４０から燃焼チャンバ７２０，７３０中への質量流を増加させる。さらに、チャネル７２２，７３２は、ダクト７８０に向けて狭くなっており、このため、燃焼チャンバ７２０，７３０を出る流れは、チャネル７２２，７３２に沿って加速される。これは、流れが、ダクト７８０に向けて方向付けられたジェットの形態で（壁部７２４，７３４により形成された）コアンダ効果を有する面を離れるのを促している。さらに、チャネル７２２，７３２の吸気口７４０とダクト７８０との接続部のところで、チャネル７２２，７３２は、燃焼チャンバ７２０，７３０から出る流れが、吸気口７４０中ではなく、排気口７６０へと優先的に向けられるように、排気口７６０へとわずかに方向付けられている。
【００５４】
エンジン７００の排気口７６０は、３つの別々のダクト７６２，７６４，７６６に分けられている。ダクト７６２は、吸気口７４０を排気口７６０にリンクさせているダクト７８０の延出部である。ダクト７６４，７６６は、燃焼チャンバ７２０，７３０の出口７２６，７３６から延びている。シミュレーションの動作は、これが、ダクト７８０を通る質量流量を拡大させたことを示した。これは、例えばエンジン５００のように別々のダクトなしには、出口５２６，５３６からの流れが、排気口全体を充填するように拡大し、従って、ダクト５８０からの流れを阻止してしまうためである。排気口７６０と同様に排気口を分けることにより、この問題は、ダクト７８０と出口７２６，７３６とを通る流れが分離し続けるので、回避される。
【００５５】
本発明の第３の実施形態の様々な構成部品のディメンションが、図７ｂに示されている。この図７ｂは、図７ａと７ｂとの間の類似点から明らかであるように、第３の実施形態の半分の断面の平面図である。明瞭のために、参照符号は、第３の実施形態の特徴と部品とが、図７ａに参照符号で付されているので、図７ｂに含まれていない。代わりに、エンジン７００のディメンション（ｍｍ単位）が、図７ｂに与えられている。「Ｒ」が前に付された数字は、曲率半径である。曲率半径が示されていない曲線は、図示されているような点に適合されたスプライン曲線である。エンジン７００は、ミリメートルスケールのエンジン内の流れのパターンを決定するように、計算した流体力学の技術を使用してモデル設計された多くのエンジンの１つである。このようにしてテストされたデザインのうち、エンジン７００が、最良のパフォーマンスを示すことが判った。
【００５６】
上記の実施形態の全ての製造は、フライス削り、レーザードリル穴あけ、若しくは、エッチングのような既知のマイクロ機械加工技術を使用して実行される。特に、反応性イオンエッチング、ディープ(deep)反応性イオンエッチング、若しくは、放電機械加工が、図３に示されている構成部品３００のような部品を形成するのに使用されることができる。図３に示されているように、このような複数の構成部品は、１つのウェハ上に形成されることができる。レーザードリル若しくはエッチングの技術は、燃焼チャンバに燃料入口を形成するようにホールを形成するのに使用されることができる。融着、反応結合、若しくは、ＫｉＯＮ社のＣｅｒａｓｅｔ（登録商標）のようなプリセラミック(pre-ceramic)ポリマーの熱分解を使用して、２つの部品を一緒に結合することにより、エンジンのコアが形成される。例えばＫＯＶＡＲで製造された燃料パイプが互いに装着され、エンジンが、必要に応じて、上述されたようなエーロゲル若しくは他の適切な絶縁材料で適切に絶縁される。
【００５７】
以上の実施形態は、燃焼プロセスにより発生される高温と、燃焼の間に発生される圧力の上昇とに耐えることができる材料で製造されている。特に、ケイ素と炭化ケイ素が、本発明の実施形態に従ったエンジンを製造するのに使用されることができる。ケイ素と炭化ケイ素との両方は、上述された既知の技術を使用して機械加工されることができる。炭化ケイ素によりライニングが施されたケイ素の構造体を形成するように、ケイ素でエンジン全体を製造して、エンジンの構成部品の部分の表面を炭化させる(carborise)ことも可能である。代わって、本発明の実施形態を耐火セラミックで製造することも可能であり得る。
【００５８】
本発明の実施形態は、マイクロ・エアビークル(micro air-vehicles)、即ちＵＡＶの推進のため、若しくは、コンパクトな動力源として使用されることができる。動力は、熱電対を適切に装着することにより、熱エネルギーと運動エネルギーとの両方を有する排気ジェット、若しくはエンジンコア自体から得ることができる。代わって、排気ジェットから運動エネルギーを得るためにガスタービンを使用することも可能であり得るが、特に、これは、動力源システム中に可動部分を組み込む必要があるだろう。
【００５９】
当業者にとって明らかであろう、上述の実施形態に対する様々な相当物並びに変更が、添付の請求項に規定されている本発明の範囲から逸脱することなく可能である。例えば、点火を助けるために燃焼チャンバ内に加熱素子を使用することが上述されているが、他の適切な点火補助材が、当業者にとって直ちに明らかであろう。例えば、スパークプラグ、若しくは、触媒点火手段が、点火を助けるために燃焼チャンバ中に組み込まれ得ることは、当業者にとって明らかであろう。白金が、水素が燃焼する際に触媒の働きをするのに使用され得る触媒として知られている。当業者に知られる他の触媒は、本発明に従ったエンジンに組み合わされて使用され得る他の炭化水素燃料として適切であり得る。
【００６０】
上述された例示的な実施形態に加えて、更なる実施形態が想定されることは理解される。また、いずれか１つの実施形態に関係した上述の特徴が、単独で、若しくは、記載の他の特徴と組み合わされて使用されることができ、また、他の実施形態の１つ以上の特徴と組み合わせて、若しくは他の実施形態のいずれかの組み合わせで使用されることができることは、明らかに理解される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１ａ】エンジンの燃焼サイクルの行程を示している、本発明の第１の実施形態に従ったエンジンの断面の平面図である。
【図１ｂ】エンジンの燃焼サイクルの行程を示している、本発明の第１の実施形態に従ったエンジンの断面の平面図である。
【図２ａ】図１に示されているエンジンを通る流体の流れを示している。
【図２ｂ】図１に示されているエンジンを通る流体の流れを示している。
【図３】図１に示されているエンジンの複数の部品の写真である。
【図４ａ】本発明の第１の実施形態の写真である。
【図４ｂ】本発明の第１の実施形態の写真である。
【図５】本発明の第２の実施形態に従ったエンジンの断面の平面図である。
【図６ａ】図５に示されているエンジンを通る流体の流れを示している。
【図６ｂ】図５に示されているエンジンを通る流体の流れを示している。
【図７ａ】本発明の第３の実施形態に従ったエンジンの断面の平面図である。
【図７ｂ】本発明の第３の実施形態に従ったエンジンの断面の平面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼チャンバと、
この燃焼チャンバ内に燃料を直接噴射するように配設された燃料入口と、
吸気口と、
排気口と、を規定しているエンジン本体を具備し、
前記吸気口と排気口とは、前記燃焼チャンバと流通しており、この燃焼チャンバは、前記吸気口からの空気と、前記燃料入口からの燃料とが、燃焼チャンバ内で周期的に燃焼して、排気ガスを発生させるように構成されているミリメートルスケールのパルスジェットエンジン。
【請求項２】
前記燃焼チャンバは、前記排気ガスを前記排気口へと優先的に向けるように成形されている請求項１のパルスジェットエンジン。
【請求項３】
前記排気口と、前記吸気口と、前記燃焼チャンバとは、前記排気ガスの少なくとも一部が、燃焼サイクル中の一期間に、燃焼チャンバに向けて逆流するように構成されている請求項２のパルスジェットエンジン。
【請求項４】
自己共振するように構成されている前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項５】
８ｋＨｚないし１６ｋＨｚの範囲の周波数で周期的に燃焼するように構成されている前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項６】
自己共振を開始させる点火手段を更に具備している前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項７】
前記点火手段は、加熱素子を有している請求項６のパルスジェットエンジン。
【請求項８】
前記燃焼チャンバと、前記吸気口と、前記排気口との組み合わせは、一平面での配置形態である前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項９】
前記燃料入口は、前記燃焼チャンバの壁部に形成されたホールのアレイのところで終端している前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項１０】
前記燃料入口は、燃焼サイクルの燃焼行程と排気行程との間、燃料入口を通る燃料の流れを閉塞させるように構成された流体バルブを有している前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項１１】
エンジン内に熱を保たせる絶縁手段を更に具備している前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項１２】
前記絶縁手段は、前記エンジン本体内に閉ざされた複数の絶縁チャネルを有している請求項１１のパルスジェットエンジン。
【請求項１３】
前記絶縁チャネルは、真空にされている請求項１２のパルスジェットエンジン。
【請求項１４】
前記絶縁チャネルは、前記排気口近くに設けられている請求項１２又は１３のパルスジェットエンジン。
【請求項１５】
前記排気口を前記吸気口にリンクさせているダクトを更に具備し、前記燃焼チャンバは、吸気用の第１の開口部と、排気用の第２の開口部とを有し、前記第１の開口部には、この第１の開口部から排出された排気ガスを前記ダクトに沿って前記排気口に向けて案内するように成形された面が設けられている前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項１６】
前記吸気口には、この吸気口から前記第１の開口部中に空気を方向付ける傾斜部が設けられている請求項１５のパルスジェットエンジン。
【請求項１７】
前記第１の開口部は、前記吸気口から前記燃焼チャンバへと延びているチャネルの終端部に設けられ、このチャネルは、前記第１の開口部を通って排出された排気ガスを前記排気口へと方向付ける請求項１５又は１６のパルスジェットエンジン。
【請求項１８】
前記排気口は、第１の排気口と第２の排気口とを有し、第１の排気口は、前記ダクトから延び、第２の排気口は、前記第２の開口部から直接延びている請求項１５ないし１７のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項１９】
前記絶縁チャネルは、前記排気口近くと、前記燃焼チャンバ近くとの両方に設けられている、請求項１２ないし１４のいずれか１に従属する請求項１５ないし１８のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項２０】
前記燃焼チャンバは、第１並びに第２の開口部を有し、前記排気口は、第１並びに第２のダクトを有し、前記第１の開口部は、前記第１のダクトと流通し、また、前記第２の開口部は、前記第２のダクトと流通している請求項１ないし１４のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項２１】
前記吸気口は、第１並びに第２の吸気チャネルを有し、これら第１並びに第２の吸気チャネルは、前記燃焼チャンバの開口部のところで交わり、この開口部は、前記排気口の方向に面している請求項２１のパルスジェットエンジン。
【請求項２２】
前記排気口は、排気ダクトを有し、この排気ダクトは、排気ダクトの壁部に従うように排気ガスを案内するように成形されている請求項２１のパルスジェットエンジン。
【請求項２３】
前記排気ダクトは、前記燃焼チャンバから離れる方向に広がっている請求項２２のパルスジェットエンジン。
【請求項２４】
バルブを有していない前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項２５】
前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジンを具備する航空機。
【請求項２６】
請求項１ないし２４のいずれか１のパルスジェットエンジンを具備する動力源。
【請求項２７】
添付図面を参照して実質的に説明されているようなミリメートルスケールのパルスジェットエンジン。
【請求項１】
燃焼チャンバと、
この燃焼チャンバ内に燃料を直接噴射するように配設された燃料入口と、
吸気口と、
排気口と、を規定しているエンジン本体を具備し、
前記吸気口と排気口とは、前記燃焼チャンバと流通しており、この燃焼チャンバは、前記吸気口からの空気と、前記燃料入口からの燃料とが、燃焼チャンバ内で周期的に燃焼して、排気ガスを発生させるように構成されているミリメートルスケールのパルスジェットエンジン。
【請求項２】
前記燃焼チャンバは、前記排気ガスを前記排気口へと優先的に向けるように成形されている請求項１のパルスジェットエンジン。
【請求項３】
前記排気口と、前記吸気口と、前記燃焼チャンバとは、前記排気ガスの少なくとも一部が、燃焼サイクル中の一期間に、燃焼チャンバに向けて逆流するように構成されている請求項２のパルスジェットエンジン。
【請求項４】
自己共振するように構成されている前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項５】
８ｋＨｚないし１６ｋＨｚの範囲の周波数で周期的に燃焼するように構成されている前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項６】
自己共振を開始させる点火手段を更に具備している前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項７】
前記点火手段は、加熱素子を有している請求項６のパルスジェットエンジン。
【請求項８】
前記燃焼チャンバと、前記吸気口と、前記排気口との組み合わせは、一平面での配置形態である前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項９】
前記燃料入口は、前記燃焼チャンバの壁部に形成されたホールのアレイのところで終端している前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項１０】
前記燃料入口は、燃焼サイクルの燃焼行程と排気行程との間、燃料入口を通る燃料の流れを閉塞させるように構成された流体バルブを有している前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項１１】
エンジン内に熱を保たせる絶縁手段を更に具備している前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項１２】
前記絶縁手段は、前記エンジン本体内に閉ざされた複数の絶縁チャネルを有している請求項１１のパルスジェットエンジン。
【請求項１３】
前記絶縁チャネルは、真空にされている請求項１２のパルスジェットエンジン。
【請求項１４】
前記絶縁チャネルは、前記排気口近くに設けられている請求項１２又は１３のパルスジェットエンジン。
【請求項１５】
前記排気口を前記吸気口にリンクさせているダクトを更に具備し、前記燃焼チャンバは、吸気用の第１の開口部と、排気用の第２の開口部とを有し、前記第１の開口部には、この第１の開口部から排出された排気ガスを前記ダクトに沿って前記排気口に向けて案内するように成形された面が設けられている前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項１６】
前記吸気口には、この吸気口から前記第１の開口部中に空気を方向付ける傾斜部が設けられている請求項１５のパルスジェットエンジン。
【請求項１７】
前記第１の開口部は、前記吸気口から前記燃焼チャンバへと延びているチャネルの終端部に設けられ、このチャネルは、前記第１の開口部を通って排出された排気ガスを前記排気口へと方向付ける請求項１５又は１６のパルスジェットエンジン。
【請求項１８】
前記排気口は、第１の排気口と第２の排気口とを有し、第１の排気口は、前記ダクトから延び、第２の排気口は、前記第２の開口部から直接延びている請求項１５ないし１７のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項１９】
前記絶縁チャネルは、前記排気口近くと、前記燃焼チャンバ近くとの両方に設けられている、請求項１２ないし１４のいずれか１に従属する請求項１５ないし１８のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項２０】
前記燃焼チャンバは、第１並びに第２の開口部を有し、前記排気口は、第１並びに第２のダクトを有し、前記第１の開口部は、前記第１のダクトと流通し、また、前記第２の開口部は、前記第２のダクトと流通している請求項１ないし１４のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項２１】
前記吸気口は、第１並びに第２の吸気チャネルを有し、これら第１並びに第２の吸気チャネルは、前記燃焼チャンバの開口部のところで交わり、この開口部は、前記排気口の方向に面している請求項２１のパルスジェットエンジン。
【請求項２２】
前記排気口は、排気ダクトを有し、この排気ダクトは、排気ダクトの壁部に従うように排気ガスを案内するように成形されている請求項２１のパルスジェットエンジン。
【請求項２３】
前記排気ダクトは、前記燃焼チャンバから離れる方向に広がっている請求項２２のパルスジェットエンジン。
【請求項２４】
バルブを有していない前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジン。
【請求項２５】
前記全ての請求項のいずれか１のパルスジェットエンジンを具備する航空機。
【請求項２６】
請求項１ないし２４のいずれか１のパルスジェットエンジンを具備する動力源。
【請求項２７】
添付図面を参照して実質的に説明されているようなミリメートルスケールのパルスジェットエンジン。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図１ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【公表番号】特表２００８−５３０４５０（Ｐ２００８−５３０４５０Ａ）
【公表日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５１６４２０（Ｐ２００８−５１６４２０）
【出願日】平成１９年５月９日（２００７．５．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００７／０５０２４３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１３５４５５
【国際公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（３９００３８０１４）ビ−エイイ− システムズ パブリック リミテッド カンパニ− (74)
【氏名又は名称原語表記】ＢＡＥ ＳＹＳＴＥＭＳ ｐｌｃ
【公表日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月９日（２００７．５．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００７／０５０２４３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１３５４５５
【国際公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（３９００３８０１４）ビ−エイイ− システムズ パブリック リミテッド カンパニ− (74)
【氏名又は名称原語表記】ＢＡＥ ＳＹＳＴＥＭＳ ｐｌｃ
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