本発明は、パルスデトネーションエンジン用バルブ、特にパルスデトネーションエンジンにおける燃焼圧力振動による疲労破壊を低減させることができ、且つパルスデトネーションエンジンの高空での推力を向上させることができる新規なパルスデトネーションエンジン用バルブに関する。

デトネーション(爆轟)現象は、燃焼波の前面に垂直衝撃波を伴った超音速燃焼現象であり、通常の亜音速燃焼(デフラグネーション)より発生エネルギー密度が大きく、高温高圧の燃焼ガスを発生する。 近年デトネーション波のセル構造、デフラグネーション・デトネーション移行条件・時間等が解明されるにつれ、これを制御し、有効に利用しようとする研究が行われるようになってきた（非特許文献１及び非特許文献２参照）。 パルスデトネーションエンジンは、燃焼過程にデトネーションを用いたエンジンであり、図５（ａ）〜（ｃ）に模式的に示すように、燃焼器(燃焼管)３１への混合ガス(燃料と酸化剤の混合ガス)充填・燃焼・排気を１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度のサイクルで繰り返す間欠燃焼エンジンである。 充填過程で燃焼器３１内に混合ガスが供給されたのち、燃焼器の閉口端部３２で着火し、燃焼波は閉口端部から開口端３３へ伝播する途中で、デフラグネーション(亜音速燃焼)波からデトネーション(超音速燃焼)波へ遷移する。 一度デトネーション波３５が形成されると、燃焼によって生じる燃焼ガスは高温・高圧となり、閉口端３２で大きな推力を発生する。 デトネーション波３５が開口端３３に到達すると、排気過程が開始し、外気圧と釣り合うまで燃焼ガスが排気される。

このようなデトネーション現象を利用したパルスデトネーションエンジンとして、例えばターボファンジェットエンジンと組合せたパルスデトネーションエンジンが提案されている（特許文献１参照）。 パルスデトネーションエンジンは、前記したように間欠燃焼エンジンであるため、複数個の燃焼器を効果的なサイクルで順次作動させ連続的に推力を発生させるためには、各燃焼器に混合ガスを供給制御する燃焼器入口バルブが正確なタイミングで高速で開閉することが要求され、そのような要求に応えるものとして、従来回転円盤バルブを備えたパルスデトネーションエンジンが提案されている（例えば特許文献２及び３参照）。

特開２００１−３５５５１５号公報

米国特許第５,３５３,５８８号明細書

米国特許第５,４７３,８８５号明細書

「DETONATION、次世代エンジン戦争勃発中」(ポピュラーサイエンス誌、2003年11月号) AIAA-95-3577 " A Rotary Valve Multiple Pulse Detonation Engine(RVMPDE) "

パルスデトネーションエンジンは、上記のように高速で燃焼を繰り返すため、燃焼器への混合ガスを供給する入口バルブは高速開閉性が求められると共に、燃焼による振動や繰り返し応力を受けるため疲労破壊が起き易いという問題がある。 従来提案されている回転円盤バルブは、高速開閉性に対しては満足するもののデトネーション波による繰り返し応力を受け易い構造であるため、疲労破壊の低減という点では未だ満足するものではない。 一方、従来のパルスデトネーションエンジンは、燃焼器入口には混合ガス充填・燃焼・排気のサイクルを可能にするために混合ガス供給制御用の開閉バルブを備えているが、燃焼器出口は直接ノズルに連通し大気解放構造になっている。 そのため、充填過程において燃焼器と外気が遮断されないため、充填圧力と密度は外気圧をやや上回る程度である。 従って、燃焼器の推力密度(発生推力／燃焼器断面積)は外気圧により制限され、航空機エンジンに適用した場合高空飛行状態になるほど低くなる。 この要因のため、高空で飛行する超音速空気吸い込み式エンジンにとってパルスデトネーションエンジンの利用は不適切と考えられ、高比推力というメリットを生かせていない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記従来のパルスデトネーションエンジンの問題点を解決しようとするものであり、高速開閉性に優れ、且つ燃焼による振動や繰り返し応力に対する疲労破壊が起きにくく、しかも燃焼器への混合ガス充填過程における高圧、高密度化をはかり、高高度で飛行する超音速空気吸い込み式エンジンにおいても高推力密度を得ることを可能とするパルスデトネーションエンジン用バルブを提供することである。

本発明者は、上記問題点を解決するために種々研究した結果、バルブの高速応答性と燃焼による圧力振動の影響を低減させる手段として、供給バルブを円筒回転式にすることを着想し、かつパルスデトネーションエンジンの高空での推力密度を向上させる手段として、混合ガス充填過程において燃焼器の出口を問欠的に塞ぐことにより作動流体を高圧高密度化して膨張させることなく、デトネーション過程に移行させることができることを知得し、本発明に到達したものである。

即ち、上記課題を解決する本発明のパルスデトネーションエンジン用バルブは、酸化剤と燃料との混合ガスを燃焼器でデトネーションさせて出力を得るパルスデトネーションエンジンのバルブであって、酸化剤取り入れ側の一端が開口し他端が閉塞されている円筒構造に形成され、その円筒面の一部に中心軸線に対して対称的に複数個の供給穴が設けられ、燃焼器入口に回転駆動可能に配置される円筒回転式供給バルブからなることを特徴とするものである。

そして、前記構造の円筒回転式供給バルブと、一端が閉塞され他端が開口している円筒構造に形成され、その円筒面の一部に中心軸線に対して対称的に複数個の供給穴が設けられ、燃焼器出口に回転駆動可能に配置される円筒回転式出口バルブとを組合せることによって、高速開閉性に優れ、且つ燃焼による振動や繰り返し応力に対する疲労破壊が起きにくく、しかも燃焼器への混合ガス充填過程における高圧、高密度化をはかり、高高度で飛行する超音速空気吸い込み式エンジンにおいても高推力密度を得ることを可能とするパルスデトネーションエンジン用バルブを得ることができる。 前記円筒回転式供給バルブと前記円筒回転式出口バルブはそれぞれ独立して回転駆動可能に設けることもできるが、両者を中心軸で連結して、一体に回転駆動されるように構成することが望ましい。

本発明の請求項１に記載のパルスデトネーションエンジン用バルブによれば、供給バルブが円筒回転式であるので、高速開閉性に優れ、且つ複数の燃焼器の中心側に配置することが可能となり、且つ中心軸線に対して対称的に複数個の供給穴が設けられているので、軸対称上で同じ時刻で燃焼を繰り返すことができ、燃焼による圧力振動を低減させる効果があり、耐疲労破壊性を向上させることができる。

また、請求項２に記載のパルスデトネーションエンジン用バルブによれば、上記効果を奏する上にさらに、円筒回転式出口バルブを設けることによって燃焼器に燃料及び酸化剤充填時には燃焼器出口を閉じて、燃料及び酸化剤の充填過程における圧力、密度を上昇させることができ、エンジンの推力密度を向上させることが可能である。 したがって、空気吸い込み式パルスデトネーションエンジンの高空・高速飛行時における作動が可能となり、例えばロケットエンジンを用いたパルスデトネーションエンジンを宇宙空間で使用することが可能となる。

さらに、請求項３に記載のパルスデトネーションエンジン用バルブによれば、前記円筒回転式供給バルブと前記円筒回転式出口バルブを中心軸で連結して、一体に回転駆動できるので、簡単な構成でより高速で供給バルブと出口バルブを正確なタイミングで作動させることが可能となる。

以下に本発明の実施形態を説明する。 図１（ａ）は本発明の実施形態に係るパルスデトネーションエンジン用バルブの概略斜視図であり、同図（ｂ）はその断面図である。
本発明の実施形態に係るパルスデトネーションエンジン用バルブ１は、円筒回転式バルブ構造となっており、円筒回転式供給バルブ２および円筒回転式出口バルブ３が中心軸４により接続されて一体に構成されている。 円筒回転式供給バルブ２は、一端が開口５し、他端が閉塞壁６となっており、その円筒面に酸化剤と燃料供給用の供給穴７が中心軸線に対して対称的に複数個（図の実施形態では２個）形成されている。 一方、円筒回転式出口バルブ３は、前記円筒回転式供給バルブ側が閉塞壁８で、他端が開口９となっている。 そして、その円筒面の一部に燃焼器から燃焼ガスが排気する出口穴１０が、中心軸線に対して対称的に複数個（図の実施形態では２個）形成されている。 前記供給穴７と出口穴１０は、燃焼器に混合ガスを供給するときには、その燃焼器の出口側は閉塞状態となるように，互いに位相をずらして設けられている。

本実施形態のパルスデトネーションエンジン用バルブは、以上のように構成され、パルスデトネーションエンジンに例えば図２に示すように適用される。 図２は上記パルスデトネーションエンジン用バルブを適用したデトネーションエンジンの断面模式図である。
本実施形態のパルスデトネーションエンジン２０は、主な構成が空気をラム圧縮して取り込むインテーク１１、空気冷却器１２、予燃焼器１４、燃料噴射器１６、点火器１８、円筒回転式供給バルブ２と円筒回転式出口バルブ３を中心軸４で連結して一体に形成されてなるパルスデトネーションエンジン用バルブ１、燃焼器１５、ノズル１９からなり、パルスデトネーションを主燃焼過程で用いるパルスデトネーションエンジンとラムジェットエンジンを統合したパルスデトネーションラムジェットエンジンである。

燃焼器（燃焼管）１５は、パルスデトネーションエンジン用バルブ１を中心に、軸心に対して軸対称となるように円周上に多数(本実施形態では図３に明示しているようにａ〜ｐの１６個)配置されている。 パルスデトネーションエンジン用バルブ１は、図２に示すように、その中心軸４がモータ等の適宜のアクチュエーター２１と伝動機構２２を介して連結されて回転駆動される。 なお、中心軸４は、燃料の気化エネルギーを利用したタービンによって直接回転駆動するように構成することも可能である。 円筒回転式供給バルブ２は、供給穴７と燃焼器の穴の位相が一致したときのみ混合ガスが予燃焼器１４及び燃焼器１５に流れるようになっている。 同様に、円筒回転式出口バルブ３の出口穴１０と燃焼器の出口穴が一致したときのみ燃焼器から外部に燃焼ガスを排気できるようになっている。 したがって、パルスデトネーションエンジン用バルブ１が燃焼器群の中心で円筒回転式供給バルブ２および円筒回転式出口バルブ３が常に同じ位相関係を保った状態で回転し、円筒回転式供給バルブ２の供給穴７が順に燃焼器ａ〜ｐの上流側開口と一致することによって燃焼器ａ〜ｐに順次混合ガスを供給し、かつ円筒回転式出口バルブ３の出口穴１０が燃焼器１５の出口開口と一致することによって、燃焼器ａ〜ｐ内の燃焼ガスを順次外部に排気する。

以上のように構成されたパルスデトネーションエンジン２０において、インテーク１１で取り込まれたラム圧縮空気は空気冷却器(熱交換器)１２によって極低温冷媒と熱交換され、冷却・高密度化され、円筒回転式供給バルブ２を経て燃焼器（燃焼管）１５へ供給される。 空気冷却器１２の低温媒体としては、燃料として使用される液体水素を用いるのが望ましい。 燃料は空気冷却器１２で加熱された後、燃料噴射器１６、円筒回転式供給バルブ２を経て燃焼器１５へ供給される。 図３（ｂ）に示す状態では、円筒回転式供給バルブ２の供給穴７が面している燃焼器ａ，ｂ，ｉ，ｊが空気及び燃料（空気及び燃料を混合ガスという）が供給される充填過程にある。 そのとき燃焼器ａ，ｂ，ｉ，ｊの出口端は円筒回転式出口バルブ３によって閉じられている状態（図３（ｄ）参照）にある。 したがって、混合ガス充填時には燃焼器内が外気と遮断され、混合ガスの供給圧力をインテーク出口圧力と等しくすることが可能となり、充填圧力を上げることができる。

この状態からパルスデトネーションエンジン用バルブが４５°回転すると、燃焼器ａ，ｂ，ｉ，ｊの入口は円筒回転式供給バルブ２によって塞がれ、予燃焼器１４の閉口端から点火器１８により着火されて、燃焼過程に入りデトネーション波による燃焼が行なわれる。 着火直後の燃焼はデフラグネーション波であるが、予燃焼器１４は燃焼器１５より図示のように径が小さいため、デフラグネーションからデトネーションへ遷移し易く、燃焼器１５には安定したデトネーション波が伝播する。 そのとき燃焼器ａ，ｂ，ｉ，ｊの出口端は円筒回転式出口バルブ３によってまだ閉じられている状態（図４（ｂ））にある。 また、その時点では燃焼器ｃ，ｄ，ｋ，ｌは充填過程にある。 さらに、パルスデトネーションエンジン用バルブが４５°回転する間にデトネーション波は、燃焼器の出口端に達するが、そのとき燃焼器ａ，ｂ，ｉ，ｊ入口は円筒回転式供給バルブによって塞がれた状態を維持しており、円筒回転式出口バルブの出口穴１０が燃焼器ａ，ｂ，ｉ，ｊの出口と一致している状態にあり、燃焼波がノズル１９に噴出する。 デトネーション波は秒速１０００ｍ超える超高速で伝播するが、出口バルブが円筒回転式であるため、高速で出口バルブの開閉を行なうことを可能にしている。
そのときは、燃焼器ｃ，ｄ，ｋ，ｌは燃焼過程にはいっている。 さらに、パルスデトネーションエンジン用バルブが４５°回転する間に燃焼ガスはノズル１９から外部へと排気される。 以下、このようにして個々の燃焼器で供給・燃焼・排気が１０〜１００Ｈｚで繰り返される。 そして、エンジン全体としては、常に１８０°異なる位相の２組の燃焼器において、供給・燃焼・排気の各過程が同時に行なわれ、且つ順次各燃焼器でその過程が繰り返されることによって、連続して一定の推力を得ることができる。

以上のように、本実施形態のパルプデトネーションエンジン用バルブによれば、円筒回転式供給バルブ２および円筒回転式出口バルブ３が常に同じ位相関係を保った状態で回転するので、各燃焼器の供給、着火、排気のタイミングが、ずれることなく常に同じ位相において行うことが可能である。 また、点火器の着火タイミングを駆動機構の位置信号を元に制御することにより、着火タイミングに関しても時間のずれを低減する。

円筒回転式供給バルブ２と円筒回転式出口バルブ３の周囲環境は、デトネーションにより高温高圧が周期的に作用するため、金属疲労および熱疲労による強度劣化、破壊の恐れがあり、強靱な構造とする必要があるが、本発明のバルブは、供給・燃焼・排気の過程を常に１８０度異なる位相において行い、高圧空気をバルブの外周側に作用させることにより、金属疲労・熱疲労を抑えている。 即ち、燃焼によって作用する圧力は常に円筒の中心軸方向に作用し、常に逆位相で同じ力を発生させることにより、バルブ全体が受る力を相殺させている。 これにより、円筒回転式供給バルブと円筒回転式出口バルブの高信頼性化のみならず、駆動させるための動力低減を行うことが可能となり、駆動機構の小型軽量化が可能となる。 また、バルブおよび軸を支持するベアリング機構の高寿命化、小型軽量化も可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態を示したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、その技術的思想の範囲内で種々の設計変更が可能である。 例えば、上記実施形態では、円筒回転式供給バルブと円筒回転式出口バルブを中心軸で一体に連結して一体駆動したが、別体に回転駆動することも可能である。 また、上記実施形態では、パルスデトネーションラムジェットエンジンに適用した場合であるが、必ずしもそれに限らず、他の形式のパルスデトネーションエンジンヘの適用も可能である。

本発明のパルスデトネーションエンジン用バルブは、円筒回転式バルブに構成することにより、高速開閉性と金属疲労・熱疲労緩和性に優れ、且つ駆動機構の小型軽量化・高寿命化が図られ、しかも燃焼器の出口も高速開閉でき、燃焼器への混合ガス供給圧力を高めることができるので、種々の用途・形式のパルスデトネーションエンジンに適用できる。

本実施形態に係るパルスデトネーションエンジン用バルブの斜視図である。

図１のパルスデトネーションエンジン用バルブを適用したパルスデトネーションエンジンの断面模式図である。

（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図２におけるＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図、Ｄ−Ｄ断面図である。

本発明を適用したパルスデトネーションエンジンの作動を示す模式図である。

従来のパルスデトネーションエンジンの作動を示す模式図である。

符号の説明

１ パルスデトネーションエンジン用バルブ ２ 円筒回転式供給バルブ ３ 円筒回転式出口バルブ ４ 中心軸 ５、９ 開口 ６、８ 閉塞壁 ７ 供給穴 １０ 出口穴 １１ インテーク １２ 空気冷却器 １４ 予燃焼器 １５ 燃焼器 １６ 燃料噴射器 １８ 点火器 １９ ノズル ２０ パルスデトネーションエンジン ２１ アクチュエーター