(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝達媒体を介してヒートシンクを加熱する加熱システムであって、互いに反対側に設けられた第１の凹状の湾曲した端部壁及び第２の凹状に湾曲した端部壁を備えた渦チャンバと、
前記渦チャンバと連通している燃焼チャンバと、
前記燃焼チャンバと連通している、燃料−空気混合物を前記燃焼チャンバに注入するための燃料−空気供給手段と、
前記燃焼チャンバ内に設けられた前記燃料−空気混合物に点火するための点火手段と、
前記渦チャンバ内に設置され、前記燃料−空気供給手段と連通している前記燃料−空気供給手段に流入する燃料をイオン化するための燃料イオン化チャンバと、
前記熱伝達媒体を前記渦チャンバに熱接触した状態を保つための熱伝達媒体コンテナ手段とを有することを特徴とする加熱システム。
【請求項２】
前記燃焼チャンバを取り囲む空気予熱スペースと、
前記空気予熱スペースに接線方向に係合する空気出口及び空気入口を有する少なくとも１つの空気チューブと、
前記空気入口に連結された、前記空気予熱スペース内において予熱された空気の渦を生成するべく前記空気予熱スペース内に空気を噴射する空気ブロワとを有することを特徴とする請求項１に記載の加熱システム。
【請求項３】
前記燃焼チャンバ内に設けられ、前記燃料イオン化チャンバと連通する、前記燃焼チャンバ内に燃料を分散するための燃料分散ユニットを含むことを特徴とする請求項２に記載の加熱システム。
【請求項４】
前記燃料−空気供給手段内に設けられた燃料源と、前記燃料−空気供給手段内に設けられた前記燃料源と連通する燃料入口と前記燃料イオン化チャンバと連通する燃料出口とを有する燃料蒸発器とを有することを特徴とする請求項３に記載の加熱システム。
【請求項５】
前記燃料イオン化チャンバ内に燃料分散手段を含むことを特徴とする請求項４に記載の加熱システム。
【請求項６】
前記燃料分散手段内に蒸気分散プレートを有し、かつ前記燃料イオン化チャンバ内に前記プレートを支持する基部を有することを特徴とする請求項５に記載の加熱システム。
【請求項７】
前記基部内に前記燃料イオン化チャンバ内に蓄積した燃料を放出するための少なくとも１つの液抜き穴を有することを特徴とする請求項６に記載の加熱システム。
【請求項８】
前記燃料イオン化チャンバを前記渦チャンバから電気的に絶縁するための絶縁手段を有することを特徴とする請求項１に記載の加熱システム。
【請求項９】
前記燃料分散ユニット内に前記燃焼チャンバにイオン化燃料を通すための複数のアパーチャを有することを特徴とする請求項３に記載の加熱システム。
【請求項１０】
前記渦チャンバと連通している、燃焼した燃料−空気混合物を排出するための排出チューブを有することを特徴とする請求項２に記載の加熱システム。
【請求項１１】
前記燃料蒸発器と連通している前記排出チューブ内に同軸に設置された燃料チューブを有することを特徴とする請求項10に記載の加熱システム。
【請求項１２】
前記燃料チューブ内に設けられた、前記燃料イオン化チャンバを前記燃料蒸発器から電気的に絶縁するための第１絶縁体を有することを特徴とする請求項11に記載の加熱システム。
【請求項１３】
前記燃料イオン化チャンバと前記燃料分散ユニットとの間に設けられた管状連結手段を有することを特徴とする請求項11に記載の加熱システム。
【請求項１４】
前記熱伝達コンテナ手段と連通しているヒートシンクを有し、前記熱伝達媒体が気体であることを特徴とする請求項１に記載の加熱システム。
【請求項１５】
前記熱伝達媒体コンテナ手段内に設けられた、複数の熱伝達チャンバを有し、各前記熱伝達チャンバが個別のヒートシンクと行き来する個別の熱伝達媒体を有していることを特徴とする請求項１に記載の加熱システム。
【請求項１６】
前記複数の熱伝達チャンバ内に、前記渦チャンバと熱滴に接触する管状コイルの形状に形成された少なくとも１つの第１熱伝達チャンバを有することを特徴とする請求項15に記載の加熱システム。
【請求項１７】
前記複数の熱伝達チャンバ内に前記第１加熱チャンバを外囲する第２加熱チャンバを有することを特徴とする請求項16に記載の加熱システム。
【請求項１８】
前記渦チャンバの少なくとも一部分に防熱ライニングを有することを特徴とする請求項１に記載の加熱システム。
【請求項１９】
前記燃焼チャンバに近接した前記末端壁の少なくとも一方に防熱ライニングを有することを特徴とする請求項18に記載の加熱システム。
【請求項２０】
前記燃焼チャンバの少なくとも一部分に防熱ライニングを有することを特徴とする請求項18に記載の加熱システム。
【請求項２１】
前記排出チューブの排出出口と、
前記排出出口の上を覆うベルと、
前記空気ブロワに設けられた排気入口と、
前記排気入口と前記ベルとを連結する、前記燃焼した燃料−空気混合物の一部を再循環させるためのダクト手段とを有することを特徴とする請求項10に記載の加熱システム。
【請求項２２】
前記空気入口と連通する前記燃焼チャンバ内に設けられたベンチュリを有し、前記ベンチュリが前記燃料分散ユニットと位置を合わせて設けられた縮径部を有することを特徴とする請求項２に記載の加熱システム。
【請求項２３】
前記燃料分散ユニットに接続された前記点火手段において、前記ベンチュリと前記燃料分散ユニットとの間に点火スパークを発生させるための高電圧源を有することを特徴とする請求項22に記載の加熱システム。
【請求項２４】
前記燃料が通過する前記燃料蒸発器に設けられた浸透性加熱要素と、
前記加熱要素と接続された、前記加熱要素内の前記燃料を電気的に加熱するための電源とを有することを特徴とする請求項４に記載の加熱システム。
【請求項２５】
前記浸透性加熱要素における前記燃料が通過するコイル管要素を有することを特徴とする請求項24に記載の加熱システム。
【請求項２６】
前記浸透性加熱要素に設けられた複数の同軸の直列に接続された管状要素を有することを特徴とする請求項24に記載の加熱システム。
【請求項２７】
前記浸透性加熱要素に近接して設けられた電気分解用電極と、
一方の極が前記加熱要素に接続され、他の極が前記電気分解用電極に、前記燃料蒸気を電気分解するために接続された高電圧電源とを有することを特徴とする請求項24に記載の加熱システム。
【請求項２８】
前記加熱要素において前記燃料が通過する多孔性金属要素を有することを特徴とする請求項24に記載の加熱システム。
【請求項２９】
前記加熱要素において前記燃料が通過する網目状金属要素を有することを特徴とする請求項24に記載の加熱システム。
【請求項３０】
前記加熱システムと前記ヒートシンクとの間に設置された熱交換器を有し、前記熱交換器が、前記熱伝達媒体が通過する内側漏斗状本体部と、前記内側漏斗状本体部を外囲して、前記内側漏斗状本体部との間に漏斗状スペースを形成する外側漏斗状本体部と、前記漏斗状スペースを通過する第２熱伝達媒体とを有することを特徴とする請求項１に記載の加熱システム。
【請求項３１】
前記内側漏斗状本体部の壁に一列に並べて設けられた伝熱フィンを有することを特徴とする請求項30に記載の加熱システム。
【請求項３２】
前記コイル管が高圧の蒸気を生成するのに適する高温高圧合金から作られており、前記コイル管と連通する蒸気タービンを有することを特徴とする請求項16に記載の加熱システム。
【請求項３３】
前記内側漏斗状本体部におげる前記熱伝達媒体が、凝縮される蒸気であることを特徴とし、
前記第２熱伝達媒体が冷却用流体であることを特徴とする請求項30に記載の加熱システム。
【請求項３４】
ベンチュリ形状の燃焼室を備えた、内破プラズマ加熱を用いたエネルギー変換器であって、上側チャンバ部分及び下側チャンバ部分と、
前記上側チャンバ部分の一部を取り囲むトロイダル燃料分配チャンバと、
液体燃料を前記燃料分配チャンバに導くための液体燃料入口パイプと、
前記燃料分配チャンバの下側に設置された前記上側チャンバ部分及び前記下側チャンバ部分を取り囲む円筒形予熱チャンバと、
前記下側チャンバ部分と連通する前記予熱チャンバにおいて燃焼空気の渦を生成するために前記予熱チャンバに接線方向に燃焼空気を供給するための空気パイプとを有することを特徴とし、
前記ベンチュリ状燃焼チャンバが前記燃料分配チャンバからの分散され気化された燃料を受け取るために前記燃料分配チャンバと連通している縮径部を有することを特徴とし、
前記縮径部において燃料−空気混合物に点火するために設置された電極を有するスパークプラグと、
前記燃料吸込みパイプに流入する液体燃料に与える超音波振動を生成するための、前記燃料吸い込みパイプと効果的に係合する超音波トランスデューサとを有することを特徴とし、
前記超音波振動が与えられることにより、前記燃料入口パイプに流入する前記液体燃料が細かい液滴に分散することを特徴とするエネルギー変換器。
【請求項３５】
前記燃料分配パイプが、前記燃料吸込みパイプに連結されたノズルを有し、前記ノズルが、前記燃料分配チャンバに設置されたノズル出口を有し、前記ノズルが、前記燃料分配チャンバに接線方向に突入して、前記燃料分配チャンバ内の前記分散された液体燃料に環状に巡回する動きを与えることを特徴とする請求項34に記載のエネルギー変換器。
【請求項３６】
前記超音波トランスデューサが、前記燃料吸込みパイプの前記ノズルに対して直交する向きに設置された一対の圧電ウォッシャを有し、前記一対の圧電ウォッシャーが液体燃料が前記ノズルに流れるようにするための中央開口部を有することを特徴とする請求項34に記載のエネルギー変換器。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、いわゆる持続内破渦技術（sustained imploding vortex technology）を用いた、超加熱高速回転ガス塊（super−heated high velocity rotating gas mass）の形態での燃料の燃焼によるエネルギーの変換方法及び装置に関する。
背景及び従来の技術
本出願人は、システムが適切に理解され使用されている限り、気体、液体、及び粉体、更に固体の場合をも含むさまざまな燃料から得られるエネルギーの変換効率を最大化する新規な方法があることを発見した。本発明によれば、燃料を極めて高温にまで予め加熱して燃料の分子レベルでの化学的活性を著しく高め、加熱された燃料を密閉することにより、燃料が多数の自由電子を含む絶縁されたイオン化エネルギーボール（energy ball）を形成するようにする。実際の試作品のテストの結果、活性化された燃料物質の分子に電子が自ら付着し、燃料物質が燃焼チャンバ内でイオン化プラズマのような挙動を示すことが認められた。気体がプラズマ形態となることにより、燃焼効率が著しく高まり、プラズマの温度が上昇する。従来のシステムにおいては通常1200゜Fで燃焼するデイーゼルオイルでは、本発明の代表的な試作品においては2400゜F以上の燃焼温度を観測した。プラズマ渦内の流れの形はシステムの動作において非常に重要であるが、それは、この流れの形により燃焼チャンバ及びそれに連結された集熱チャンバ内で内破（imploding）が発生し、持続するからである。従って、本発明の主な目的は、内破渦技術を用いて熱的な燃焼効率を最大化することである。
上述の、持続内破渦は、ガス塊のより重い粒子は次第に渦の外辺部と平行に層をなし、ガス塊のより軽い粒子は次第に渦の中心部の周りに層をなすようになるような層化気体プラズマの系として定義される。気体プラズマの回転する渦は、重力勾配を形成し、より重い気体粒子が渦の外辺部に移動し、より軽い粒子が中心部に移動する。渦の中心の温度が、外辺部の温度に対して相対的に低いということも実証されている。本発明ではこの内破渦技術の特性の全てを利点として利用した燃焼効率を高め、炭化水素及び他の燃料の燃焼に伴って通常生ずる汚染物質を著しく低減するか、ゼロにする。
ここに開示する本発明は、工業用ボイラ、家庭用または商用温水器、または熱伝達媒体として液体や、空気または他の気体を用いる任意の加熱システムに応用することができる。このシステムは、既知の電磁流体力学の原理に基づく発電システムに発展させることも可能である。
本発明人は、気体燃焼の渦を形成する粒子を利用した加熱システムを過去に開示している。例えば、米国特許出願第2,747,526号では、液冷式サイクロンチャンバに対して接線方向の超大気圧キャリア空気の高速の流れに粒状固体燃料を向けるサイクロン炉が示されている。米国特許出願第3,597,141号には、回転対称の形状の管型バーナー構造を有し、かつ燃焼チャンバに燃焼空気を接線方向に供給するノズルを有する、気体または液体粉砕燃料用のバーナーが開示されている。米国特許出願第4,297,093号では、燃焼チャンバにおける燃料及び燃焼空気の特定の流れの形によりNOx及び煤煙の放出を低減することができる燃焼方法であって、二次空気を噴射して空気の渦流を生成することを特徴とする燃焼方法が開示されている。
しかし、従来技術においては、本出願の、いわゆる内破プラズマ渦を用いた構成、即ち燃焼気体プラズマの渦が、渦自体に向かって“フの時形”に折れ曲がり、予め加熱された燃料及び燃焼空気とが混合した極めて高温の燃焼ガスの二重らせんを形成する形で燃焼チャンバ内で持続するようになっている構成は開示されていなかった。
この内破プラズマ渦の原理を利用することにより、汚染物質の放出を最小化するような高度な完全燃焼が可能で、熱変換効率が極めて高い燃焼プロセスを開発することができるのである。
発明の要約
本発明は、内破プラズマ力学（“I.P.D"）の原理に基づいたものである。この原理によれば、持続的内破が、適切な形状の燃焼チャンバにおいて超加熱された高速の内破渦の形態で維持されて、燃料が燃焼する前に渦チャンバ内のイオン化チャンバ内部においてイオン化されるとともに、プラズマ燃焼による超加熱が可能になる。このシステムは、渦における層流を最大化して、分子及び原子が粒子塊ごとに層をなすように構成されている。得られる流れの形は、より重い粒子を非常に高温の外辺部圧力層に送り込むように作用し、この外辺部圧力層では重い粒子が運動エネルギーを放出し、その後より軽い気体として渦の中心部の低圧領域に戻り、サイクルを反復する。持続的内破プラズマ燃焼により、プラズマ内部に多量の自由電子が生成されて、非常に高温の層と著しく低圧で低温の層とが生成され、また、塊による層化や旋回による分極（polarization by orbit）及び電気位置エネルギーの大きな変化が生ずる。本発明の内容には、燃焼イオン化チャンバの電気的絶縁も含まれており、これにより、チャンバを、電磁流体力学の原理によって、電流を供給する電極として使用することができる。
本発明に基づき、熱伝達媒体を介してヒートシンクを加熱するシステムが提供される。本発明の加熱システムは、互いに反対側に設けられた第１、及び第２の凹状に湾曲した端部壁を有する渦チャンバと、渦チャンバと連通した燃焼チャンバと、燃焼チャンバと連通しており、燃焼チャンバに燃料−空気混合物を噴射するための燃料−空気供給手段とを有する。燃料−空気混合物に点火するための点火手段は燃焼チャンバ内部に設けられる。燃料−空気供給手段に流入する燃料をイオン化するための燃料イオン化チャンバは、渦チャンバ内に設けられ、渦チャンバと連通している。また、熱伝達媒体保持手段は、熱伝達媒体と渦チャンバとの熱的な接触を確保するために設けられる。
本発明の別の特徴によれば、加熱システムが、燃焼チャンバを取り囲む空気予熱スペースと、前記空気予熱スペースに接線方向に係合する空気出口及び空気入口を備えた少なくとも１つの空気チューブと、前記空気入口に連結された、前記空気予熱スペース内に苦熱された空気の渦を生成するために前記予熱スペースに空気を噴射するための空気ブロワとを有する。
本発明の更に別の特徴によれば、前記燃焼チャンバ内に、前記燃料イオン化チャンバと連通している、前記燃焼チャンバに燃料を分散するための燃料分散ユニットが設けられる。
本発明の更に別の特徴によれば、請求項３に基づく加熱システムが、前記燃料−空気供給手段内に設けられた燃料源と、前記燃料−空気供給手段内に設けられた前記燃料源と連通する燃料入口と前記燃料イオン化チャンバと連通する燃料出口とを有する燃料蒸発器とを有し、更に前記燃料イオン化チャンバ内の燃料分散手段と、前記燃料分散手段内に燃料バフル（baffle）とを有し、かつ前記燃料イオン化チャンバ内に前記プレートを支持する基部とを有し、前記基部内に前記燃料イオン化チャンバ内に蓄積した燃料を放出するための少なくとも１つの液抜き穴を有する。
また、本発明の加熱システムは、前記燃料イオン化チャンバを前記渦チャンバから電気的に絶縁するための絶縁手段と、前記燃料分散ユニット内の前記燃焼チャンバにイオン化燃料を通すための複数のアパーチャとを有する。
前記渦チャンバと連通している、燃焼した燃料−空気混合物を排出するための排出チューブが設けられ、また前記燃料蒸発器と連通している前記排出チューブ内に同軸に設置された燃料チューブも設けられる。
絶縁手段は、前記燃料チューブ内に設けられた、前記燃料イオン化チャンバを前記燃料蒸発器から電気的に絶縁するための第１絶縁体と、前記燃料イオン化チャンバと前記燃料分散ユニットとの間に設けられた管状連結手段とを有し、また、燃焼チャンバからイオン化チャンバに何かの拍子に酸素が流入し、燃料分散ユニットを介して燃料イオン化チャンバで燃料への点火が起こり得るような事態になるのを防止するために、管状結合手段に逆止めバルブを挿入することができる。
本発明のシステムは、更に、前記熱伝達コンテナ手段と連通しているヒートシンクを有し、前記熱伝達媒体は液体または気体であり、また、前記熱伝達媒体コンテナ手段内に設けられた、複数の熱伝達チャンバを有し、各前記熱伝達チャンバが個別のヒートシンクと行き来する個別の熱伝達媒体を有している。
本発明の他の目的及び利点は、以下の本発明の好適実施例の説明を、それを模式的に示した添付の図面とともに参照することにより、より明確となろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の概略的な横断立面図であって、その基本的構成要素が示されている。
第２図は、本発明の概略的な断面図であって、熱伝達コイルが示されている。
第３図は、本発明の概略的な部分断面立面図であって、複媒体式熱伝達機構が示されている。
第４図は、本発明の概略的な横断立面図であって、外部排気ガスリターンを備えた実施例が示されている。
第５図は、本発明の概略的な横断立面図であって、熱伝達媒体用として用いられる大気が示されている。
第６図は、本発明の概略的な部分立面図であって、熱交換器要素が示されている。
第７図は、本発明の概略的な横断立面図であって、燃料蒸発要素が示されている。
第８図は、本発明の概略的な横断立面図であって、他の燃料蒸発要素の実施例が示されている。
第９図は、本発明の概略的な横断立面図であって、燃料蒸発要素の第３実施例が示されている。
第10図は、本発明の概略的な横断立面図であって、網状加熱コアを備えた燃料蒸発器が示されている。
第11図は、本発明の概略的な横断立面図であって、第10図の線11−11で切ったものである。
第12図は、本発明の概略的な横断平面図であって、多孔性コアを備えた燃料蒸発器が示されている。
第13図は、本発明の横断平面図であって、第12図の線13−13で切ったものである。
第14図は、本発明の横断立面図であって、超音波式燃料分配トランスデューサを備えた加熱システムが示されており、第14a図の線14−14で切ったものである。
第14a図は、第14図の加熱システムの横断平面図である。
第14b図は、第14図及び第14a図の超音波式燃料分配トランスデューサの概略的な断面図であって、このトランスデューサの構造の詳細が示されている。
本発明の実施例について詳細に説明する前に、本発明の内容の詳細が、ここに開示する特定の実施例に限定されるものでないということを理解されたい。というのは、本発明の他の実施形態も実現可能だからである。また、本明細書において用いられている用語は、発明を説明するために使用されているものであり、同一の内容を示す用語はこれに限定されるものではない。
好適実施例の説明
第１図において、渦チャンバ１は、第１の、及び第２の凹状に湾曲した端部壁３及び４を被された実質的に円筒形の壁２を有する。燃焼チャンバ６は、第２端部壁４を通して渦チャンバ１と流体が行き来できるように連通しており、空気コンプレッサ８から空気入口チューブ11及び燃焼室６を取り囲む環状空気スペース９を通して送られてきた空気を受け取る空気入口７を有する。環状空気スペース９は、空気が燃焼チャンバ６に入る前に流入空気を予め加熱する役目を果たす。
内破渦と共に燃焼が成立するとき、燃焼チャンバ６内の圧力は大気圧より低い圧力に達しうる。このとき、コンプレッサ８をオフ状態にするコンプレッサカットオフ手段が設けられており、また、コンプレッサがオフ状態になる代わりに燃焼チャンバ６の空気入口７に空気が直接流入できるようにするチョークプレート30が開放される。このようなコンプレッサカットオフ手段は燃焼チャンバ６の入口部に設けられた圧力ゲージ、圧力ゲージに応答するチョークプレート30に結合された駆動手段を有しているのが好ましく、またコンプレッサカットオフ手段もコンプレッサ８をオフ状態にするために圧力ゲージに接続されている。
気体または蒸気の燃料は、チェックバルブ13を介して気体または液体で燃料入口12から燃焼チャンバ６に流入し、燃料が液体の場合には、後に詳述する加熱コイル16を備えた蒸発器14が間にはいる。燃料は燃料チューブ17を通して連続的に流れるが、この燃料チューブ17は、好ましくは渦チャンバ１からの排気ガスの排気経路となる排出チューブ18の内部に同軸に配置れている。燃料チューブ17を横切るとき、燃料は排出チューブ18から伝達される熱により一層加熱される。燃料は渦チャンバ１の実質的に中央部に配置された燃料イオン化チャンバ19に入り、ここで燃料は後に詳細に述べるようにイオン化され、かつ燃料チューブ延長部21を通して下向きに流れて燃料分散ユニット22に達する。燃料分散ユニット22から燃料は燃料分散ユニット22に設けられたアパーチャを通して燃焼チャンバに入り、上述の空気入口７から流入した予め加熱された空気と混合される。燃焼チャンバ壁は内向きに対向する縮径部23を形成しており、この縮径部23が燃焼チャンバ６への燃料空気入口におけるベンチュリを構成する。この電圧電源はコネクタ26及び26aを介して燃料分散ユニット22に接続されており、燃料分散ユニット22と縮径部23との間の電気的アークを起こし、これにより燃焼チャンバ６内において燃料空気混合物が点火される。
燃焼する燃料空気混合物の渦は、コンプレッサ８から空気チューブ11によって円筒形空気スペース９に接線方向に（図面の矢印Ａ参照）供給される空気により、燃焼チャンバ内に生成される。渦の回転は、燃焼する燃料空気混合物が燃焼チャンバ６内で膨張するにつれ層状になり、燃焼チャンバ６の上側出口を通して上方向に飛び出して、図面においてＣで示される延長した外側渦を形成する。この延長した外側渦Ｃは、渦チャンバ１の内側壁面に従って、らせん状に巡回しつつ上向きに延びてゆく。
燃えながら延びていく空気燃料混合物からなる外側渦Ｃが凹状に湾曲した上側第１末端壁３に近づくと、渦は下向きに落ちて内側渦Ｄとなる。この内側渦Ｄの伸びてゆく方向は、軸線方向下向きに変わっているが、回転方向は同じであり、かつ渦の直径が小さくなるため回転速度は著しく高くなっている。内側渦が下側第２末端壁４に近づくと、今度はこの渦は外向きに方向を変えられて、外側渦Ｃと合流し、このようにして、いわゆる内破ガスプラズマ渦の系を構成する、ガス回転の全サイクルが反復される。ここでは、非常に高い高温高圧状態が外側渦領域に生成され、比較的低温低圧であるが回転速度の速い状態が内側渦領域に生成される。
渦チャンバ１に形成された渦状態のプラズマによる高速回転及び生成される重力勾配のために電荷が生成され、かつ渦チャンバの内側構造部分、即ちイオン化チャンバ19と燃料チューブ17及びその下側延長部21との間に電気位置エネルギー差が形成される。従って、絶縁要素27は燃料チューブ17と燃料チューブ延長部21との間に挿入され、絶縁体29は導電体26aを絶縁する役目を果たす。
渦チャンバ１は好ましくはグラファイトセラミック、または他の耐熱性の高い材料から作られ、特に温度が特に高い部位である燃焼チャンバ６の出口近傍の底部末端壁４においては防熱ライニング34が設けられる。同様に、燃焼チャンバ６の上側部分には、同様に耐熱性の高い材料からなる防熱リング36が設けられる。
熱伝達媒体コンテナ31の頂部に設けられた膨張逃がしバルブ25は、コンテナ31内の過剰な圧力を逃がす役目を果たす。
本発明のシステムの動作により、効率の極めて高い燃焼プロセスが得られる。渦チャンバ内における燃焼により生成された熱は、渦チャンバの壁２を通して熱伝達媒体に伝達される。この熱伝達媒体は、熱伝達媒体が例えば水のような液体であっても例えば空気のような気体であっても媒体を保持できる熱伝達媒体コンテナ31内に、気体または液体として保持されており、このコンテナは入口32及び出口33′及び33″を介して外部ヒートシンク（図示せず）に連結されている。
本発明のシステムの動作過程には、渦の回転の形を開始するべく空気供給ブロワ24を始動する過程が含まれる。空気チューブ11の上側及び外側空気スペース９においてシステム内に接線方向に流入する空気により、空気は燃焼チャンバ６の入口端部７において矢印19′で示されている渦を形成する下向きのらせん状の経路に沿って移動する。このとき、空気は燃焼チャンバのベンチュリ23に入り、燃焼チャンバ６内の空気が実質的に上向きのらせん状経路に沿って動くようにする。このベリチュリにより、低圧領域が形成される。この領域における渦は流速が高まり、渦の外辺部には高圧領域が生成され、渦の中央部分には低圧領域が生成される。
逆止めバルブ13及び蒸発器を通してシステムに注入された燃料は、蒸気分散プレート20を含むイオン化燃料チャンバ19に入る。次いで燃料は蒸気分散ユニット22に入る。高電圧電流が燃料分散ユニットに接続された導電体26、26aを通して供給されると、分散ユニット22とベンチュリの側部との間に電気アークが生じ、空気混合物への点火がなされる。このようにして燃焼チャンバ内部で非常に高い温度への上昇が起こり、これによって非常に高速で高温の内破渦が、初めに燃焼チャンバ内で、次いで集熱チャンバとしての役目を果たす渦チャンバ内で形成される。両チャンバ内において内破渦により形成される重力場により、これらの燃焼ガスにおけるガス塊は層状になり、渦の外辺部の最も高温の領域により重い粒子が集まる。層状化によって、一部が燃焼した燃料粒子に対しては非常に長い経路がもたらされ、これらの粒子はその運動エネルギーが失われ、渦の中心の低圧領域に動けるようになるまで各層内に捕捉される。内破渦の流れの形は、逆トルネードの形であり、従ってより軽い粒子及び塊は内破の上側中心部及び下側及びイオン化チャンバ19の周りに動く。イオン化チャンバ19は内破燃焼により生成された高速の渦により形成された自由電子に連続的にさらされるようになる。この自由電子は中心部に移動し、たやすくイオン化燃料チャンバ19内に移動して、ガス化した燃料粒子に付着し、これにより燃料蒸気がプラズマとしての挙動を示すようになる。内破渦の中心領域は、その外辺部に対して相対的に低速低温である。動作中のシステムのテストの結果、中心部の温度が数100゜Fであるのに対し、外辺部の温度は数1000゜Fであることが分かった。イオン化チャンバ19は、従って、安全な部分に配置され、燃料の温度を所望のレベルに確保できるようにする。システムがひとたび動作温度に達すると、燃料蒸発器14への電力の供給は遮断されてもよい。というのは、イオン化チャンバ19の温度は燃料を完全に蒸発するだけの十分な温度になるからである。特定の実施例において、燃焼チャンバ６及び渦チャンバ１は、それらのベース部分及び熱伝達媒体コンテナの外側壁31から電気的に絶縁されうる。本発明のこの実施例では、燃焼及び渦チャンバは、正の電極、即ちアノードとしての役目を果たし、イオン化チャンバ19は、負の電極、即ちカソードとしての役目を果たす。従って、電磁流体力学的な発電原理により、アノードとカソードとの間に電流が流れるようになる。必要ならば、水、蒸気、またはカリウム塩、またはガスプラズマのイオン化を促進するように作用する他の物質を内破渦内に導入することにより電磁流体力学的作用を強化することができる。
第２図に示すのはエネルギー変換器の別の実施例であって、このエネルギー変換器は第１図に関連して説明したものと同一の基本的な構成要素を有し、第１図のものに相当する構成要素には同一の符号を付して示してある。しかし、この実施例のシステムは異なる形態の熱伝達装置を有している。この装置は銅またはアルミニウムのような伝熱性の良い材料からなる管状コイル37からなり、入口ポート38及び出口ポート39を有し、渦チャンバ１の壁２と熱的に接触するように設けられている。このコイル37を通すことができる媒体には、例えば水若しくはグリコールのような熱伝達液体や粉末アルミニウム及び両者の混合物などがある。
また、第２図に示す構成は、商用蒸気発生用の、例えば蒸気タービン45を駆動するのに適する高温蒸気発生器として動作させるのに適したものである。というのは、管状コイル37は、極めて高温高圧の蒸気を保持しうる高強度高耐熱性スチール合金から製造することができるからである。
更に、この実施例における渦チャンバは熱伝達媒体コンテナ31で取り囲む形状とすることができ、この熱伝達媒体コンテナ31は、特に空気等の気体の熱伝達媒体に、適切に配置された入口及び出口32、33を介して熱を伝達するのに使用することができる。
このような構成は加熱して気化された水及び加熱された空気の双方を発生する住宅用ヒータに適するものである。
第３図には第１図に示した実施例から派生した別の実施例が示されている。この図面には燃焼チャンバ要素は示されていないが、これは燃焼チャンバ要素が第１図に示したものと類似したものだからである。
第３図には、第１図及び第２図に示したような熱伝達媒体コンテナ31の他に、コンテナ31を外囲する別の熱伝達コンテナ41が示されている。この内側熱伝達媒体コンテナ31は、各入口32及び出口33を介して液体熱伝達媒体を取り扱うために設けられているが、外側熱伝達媒体コンテナ41は、例えば空気のような気体の熱伝達媒体を取り扱うために設けられており、コンテナ31と41との間の空気スペース40を通し空気入口開口43及び空気出口開口44を通る形で形成される円環状の経路に設置されたブロワ42によって駆動される。これにより非常に高い熱エネルギー伝達効率が達成される。
第４図に示すのは、第１図の実施例に類似の実施例であるが、ここでは排出チューブ19から放出される排気ガスの一部がベル（bell）47によって捕捉され、ダクト48により空気コンプレッサ８の入口49に送られ、これにより排気ガスの一部がコンプレッサ８を介して燃焼チャンバに戻されており、この構成は炭化水素及びCOのような不完全燃焼分の放出量が低下するという利点を有する。
下側燃料チューブ延長部21は、イオン化チャンバ19内において多数の液抜き穴46を有し、これによりチャンバに溜まった凝縮液体燃料が下側燃料チューブ延長部21を介して外に出せることになる。
第５図に示すのは、第１図に示したものと類似の実施例であって、ここでも同一の構成要素には同一の符号を付して示してある。ここでは、特に気体の熱伝達媒体、例えば空気を取り扱うことができるようにすべく外側熱伝達媒体コンテナ31が設けられており、気体熱伝達媒体は、空気入口43からコンテナ31を通り、空気出口44から出る形の長いらせん状経路を、ブロワ42により流される。この実施例は、特に家庭、オフィスビル、店舗等での場合のように、強制的な空気加熱が加熱の好適な方法であることが多いような場合に特に適するものである。
第６図に示すのは、熱交換器であって、この熱交換器は特にオフィスビルや倉庫のような大きな共同ビルにおいて使用するのに適するものである。このような場所では、加熱した空気を用いて熱伝達媒体を長い距離に亘って分配することが実際に難しいことが多い。というのは、このような場合に空気ダクトを用いると、それが邪魔になるようなサイズとなるからである。このような場合には、一次液体熱伝達媒体を用いて熱をさまざまな加熱すべき領域に分配し、各加熱すべき領域には熱交換器を備えて、この熱交換器により液体の熱伝達媒体から二次的な気体熱伝達媒体、例えば空気に熱を伝達するのが好ましいことが多い。このような構成で特に好適なものは第６図に示されている。
第６図において、第１図及び第４図の出口33′、33″、若しくは第２図の出口33から導入された高温の液体熱伝達媒体、例えば水またはグリコールは、図面の符号47で示す部位において高温の液体として流入し、漏斗形状の熱伝達チャンバ48を通過する。この熱伝達チャンバ48は伝熱フィン49が一列に並んだ内部壁を備えており、この伝熱フィン49は例えばらせん形状にカットされたもので、チャンバ48の内部壁の一端に取り付けられている。更に液体熱伝達媒体は、液体出口51を介してチャンバ48から出て、第１図及び第４図に示す液体入口32に戻る。気体熱伝達媒体、例えば空気は、冷気入口52から入れられ、内部の漏斗形状のチャンバ48と外部の漏斗形状のチャンバ54との間に形成された漏斗形状のスペース53を通過する。内部の漏斗形状のチャンバ48の外側面にもらせん形状の伝熱フィン56が一列に並べて設けられている。加熱された空気は加熱空気出口57から出て所定の加熱すべき領域を加熱する。最高の伝熱効果を上げるため、冷気を底部入口52から入れ、高温の液体を頂部の高温液体入口47から入れる構成としている。
第６図に示す熱交換器も、低温の流体を入口52から入れ出口57から出して、入口47から流入された高温の蒸気を凝縮し、水を出口51から出すような構成で、蒸気の凝縮によく適するものである。
第１図に示す燃料蒸発器14は、逆止めバルブ13を介して燃料ライン12から流入した液体燃料を予め加熱し、蒸発させる役割を果たす。燃料蒸発器のさまざまな形態について図面に示し、以下詳述する。
第７図、第８図、及び第９図は、本発明のあらゆる実施例において液体燃料を蒸発させるために用いられ得る燃料蒸発器14のさまざまな形態である。
第７図において、燃料パイプ12から流入した流体燃料はコイル管加熱要素82を通過する。このコイル管加熱要素において液体燃料は蒸発し、蒸気チューブ17を通して排出され、蒸気チャンバ83に入る。加熱要素82は電源86から導電体87を介し、金属本体部88、蒸気チャンバ83の壁89、及び戻り経路端子に流れる電流によって加熱される。
第８図に示すのは、第７図に示すものと似た形態の蒸発器であるが、この蒸発器は蒸発チャンバ83の壁89から絶縁体92によって絶縁された蒸気チューブ17を有し、電気分解（electrolyzing）のための電位を蒸気チューブ17に印加するために導電体94及び96を介して蒸発器に接続された電気分解用電源を有し、これによって蒸気チューブ84から放出される燃料蒸気を電気分解する。
第９図に示す蒸発器は、抵抗性材料からなる直列に接続された同軸管状要素97及び98からなる加熱要素を有し、この同軸管状要素は、導電体99、端子101、燃料パイプ12、導電性本体部88及び戻り導電体102を介して電源86から流れる電流により加熱される。外側管状電気分解用要素103は、導電体103を介して電気分解用電源93に接続されている。この電気分解用電源93は、導電体104、端子101及び導電体99を介して電源86に接続されている。
第10図及び第11図に示すのは、大量の燃料の流れを気化するための燃料蒸発器であって、この燃料蒸発器は、第11図に示すような蜂の巣状の断面を有する網状の金属加熱要素108内に燃料を噴霧する燃料分散噴霧ノズル107に接続された液体燃料入口ライン12を有し、該網状金属加熱要素108は、導電体109、111を介して電源86から供給される電流によって加熱される。燃料は加熱要素10内で気化され、燃料蒸気出口112から放出される。加熱要素108は符号100を付して示された絶縁性コンテナ構造体内に設置されており、これによって加熱要素を流れる電流がショートするのを防止している。
第12図及び第13図に示すのは、第10図及び第４図に示した構成に類似した蒸発器であって、この蒸発器は第10図に示す蜂の巣状断面を有する加熱本体部の代わりに多孔性金属からなる絶縁性コンテナ構造体105内に設置された加熱要素113を有する。
第７図、第８図、第９図、第10図、及び第12図に示す蒸発器の内側金属表面は、プラチナ、パラジウム、ニッケル等のような燃料蒸気の接触分解を促進する触媒要素でコーティングされうる。
第14図及び第14a図に示すのは本発明の一実施例であって、この実施例は液体燃料の使用を特にしこうしており、液体燃料は燃料吸入パイプ201を通して矢印A1のようにエネルギー変換器に流入する。燃料吸込みパイプ201は、トロイダル燃料分配チャンバ206内に延びている出口204を備えた燃料ノズル203と連通している。燃料ノズル203は、燃料ノズル203に超音波振動を与える超音波トランスデューサ202と機械的に係合している。このトランスデューサは、後に詳述するようにトランスデューサ202を駆動する超音波発生器208に接続されている。ノズル203が超音波振動することにより、液体燃料がノズル出口204から放出されるときその燃料を細かく分散させる。ノズル204から分散して放出された液体燃料は燃料分配チャンバ206に細かい霧状になって流入し、この燃料の細かい霧は燃料分配チャンバ206内の温度が高いために瞬時にして燃料蒸気に変わる。ノズルから放出された霧状燃料は、典型的には３〜５ミクロンの大きさの細かい液滴の形態である。燃料分配チャンバ206内の温度は、典型的には約200゜Fである。燃料分配チャンバ206から、気化燃料は燃料蒸気経路209に入り、ベンチュリ形状の内部燃焼チャンバ212の縮径部211に達する。ベンチュリ形状の燃焼チャンバ212は、内部燃焼チャンバ212の極めて高い温度に耐えうる適当な耐熱材料から形成されている。燃焼用空気は、空気パイプ214を通して矢印A2で示す方向に空気入口202からシステムに流入する。この空気は円筒形空気予熱チャンバ216に、第14a図に示すように接線方向に流入し、これによって図面において矢印A3で示すように燃焼用空気が環状に巡回するようになっている。燃焼用空気が巡回することにより、加熱された空気の外側下向きの渦運動が形成され、この空気の渦流は下側燃焼チャンバ部分217に流入し、下側燃焼チャンバ内において縮径部211に向かって上昇する。スパークプラグ218は燃焼チャンバ212の下側部分217内部からベンチュリチャンバ212の縮径部211の中心部に向かって突出する電極219を有し、これによって燃料−空気混合物に点火する。
燃焼用空気が予熱チャンバ216を通して巡回しながら下降し、燃焼チャンバ下側部分217を通して上昇すると、この空気は、縮径部211に達したとき、最大限の速さで巡回する渦流を形成し、同時に予加熱される。予熱チャンバ216から燃焼チャンバ下側部分217への移行中に、この渦はいわゆる内破渦となり、渦流をなす空気は点火されるとき巡回速度が非常に高速に達している。この高速及び高温の結果、燃料−空気混合物は高度に溶融し、これによって非常に高い燃焼効率が確保できる。燃焼チャンバ上側部分222を通して上昇する燃焼し渦を巻く空気塊は、高温度のプラズマ渦になる。ベンチュリチャンバ212の縮径部211の中心におけるベンチュリ作用によって、燃焼チャンバ内部に真空状態が発生し、これにより縮径部の温度は比較的低温となり、このことによってベンチュリ構造体を構成する材料が過剰に高温になることを防いでいる。燃焼ガスが燃焼チャンバの上側部分222を通して渦を巻きながら上昇してゆくとき、効率の高い燃焼が達成される。燃焼し終えたガスは図面の矢印A4に示すように燃焼チャンバから排出され、第１図に見られるチャンバ１のような受け取りチャンバに流入する。
第14b図に示すのは、燃料吸込みパイプ201とノズル203との間に挿入されるトランスデューサ202の一実施例である。液体に超音波振動を与えるように作用するトランスデューサとしては、さまざまなものが知られている。この図面に示されているのは、圧電材料から作られた２つのウォッシャ（washer）状の要素231及び232から形成されたトランスデューサである。これらの要素231及び232は、超音波発生器208の１つの極234に接続された中央電極233を介して一体に接合されており、圧電要素の外側には、超音波発生器208の他の極236に並列に接続された電極237が設けられている。２つの圧電要素の圧電材料は、それぞれの要素が逆方向に伸縮し、圧電要素の中央部分がトランスデューサの軸238に沿った軸線方向に前後に曲がるように構成されている。液体燃料がトランスデューサの中央孔239を通して流れると、液体燃料に超音波振動が与えられて、燃料がノズル出口204から極めて細かい霧となって放散される。ウォッシャ状の圧電要素231及び232は、環状の弾力性のある基部241に要素の外辺部が沿う形で垂設され、両要素が基部内で振動できるように設けられる。
【図７】
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【図８】
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【図１１】
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【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９】
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【図１０】
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【図１３】
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【図１２】
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【図１４ｂ】
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【図１４】
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【図１４ａ】
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