(57)【要約】  ハイブリッド型燃料気化システム、及び液体燃料源から出力を発生するための装置。ハイブリッド型燃料気化システムは、  （ａ）  入口端及び出口端を有しており、前記入口端が前記液体燃料源と流体連通している、少なくとも１つのキャピラリー流路と、  （ｂ）  前記少なくとも１つのキャピラリー流路に沿って配設されていて、該少なくとも１つのキャピラリー流路における液体燃料を、その少なくとも一部を液相から気相に変化させるのに十分なレベルまで加熱するよう作動可能である、熱源と、  （ｃ）  燃料を燃焼させる装置により発生される熱にさらされる第１表面と、第２表面とを有する気化部材であって、該気化部材は、前記少なくとも１つのキャピラリー流路の前記出口端を出る燃料が前記第２表面に衝突するように配置されている、前記気化部材とを備えており、  これにより実質的に気化した燃料の流れが燃焼のため供給される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料源からの燃料を燃焼させる装置で使用するためのハイブリッド型燃料気化システムであって、
（ａ）  入口端及び出口端を有しており、前記入口端が前記液体燃料源と流体連通している、少なくとも１つのキャピラリー流路と、
（ｂ）  前記少なくとも１つのキャピラリー流路に沿って配設されていて、該少なくとも１つのキャピラリー流路における液体燃料を、その少なくとも一部を液相から気相に変化させるのに十分なレベルまで加熱するよう作動可能である、熱源と、
（ｃ）  前記燃料を燃焼させる装置により発生される熱にさらされる第１表面と、第２表面とを有する気化部材であって、該気化部材は、前記少なくとも１つのキャピラリー流路の前記出口端を出る燃料が前記第２表面に衝突するように配置されている、前記気化部材とを備えており、
これにより実質的に気化した燃料の流れが燃焼のため供給される、燃料気化システム。
【請求項２】
前記熱源は抵抗加熱素子から構成される、請求項１に記載の燃料システム。
【請求項３】
前記液体燃料源からの液体燃料の流れを制御する制御弁を更に備える、請求項１又は２に記載の燃料システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのキャピラリー流路は少なくとも１つのキャピラリーチューブから構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料システム。
【請求項５】
前記熱源は、電流を通すことにより加熱される前記キャピラリーチューブの一部から構成される、請求項４に記載の燃料システム。
【請求項６】
前記燃料システムの作動中に形成された堆積物の洗浄手段を更に備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料システム。
【請求項７】
前記堆積物の洗浄手段は、前記制御弁及び前記熱源を含み、前記制御弁は、前記少なくとも１つのキャピラリー流路を酸化剤と流体連通させるよう作動可能であり、前記熱源は、前記少なくとも１つのキャピラリー流路にある前記酸化剤を、前記液体燃料の加熱中に形成された堆積物を酸化するのに十分なレベルまで加熱するよう作動可能であり、前記制御弁は、前記キャピラリー流路内への液体燃料の導入と酸化剤の導入とを交互に行なうよう作動可能であると共に、前記酸化剤が前記少なくとも１つのキャピラリー流路内に導入されたときに該キャピラリー流路の現場洗浄を可能とする、請求項６に記載の燃料システム。
【請求項８】
前記少なくとも１つのキャピラリー流路は複数のキャピラリー流路であり、該キャピラリー流路の各々は、燃料源及び酸化ガス源と流体連通している、請求項７に記載の燃料システム。
【請求項９】
前記酸化剤は、空気、排ガス、蒸気、及びそれらの混合物から構成される、請求項７又は８に記載の燃料システム。
【請求項１０】
前記液体燃料源からの燃料を燃焼させる装置は、マイクロタービン、発電機を備えたマイクロタービン、外燃機関、発電機を備えた外燃機関、熱電装置及び熱光起電力型装置からなるグループから選択された変換装置を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料システム。
【請求項１１】
前記堆積物の洗浄手段は前記流体制御弁を含んでおり、該流体制御弁が前記少なくとも１つのキャピラリー流路を溶剤と流体連通させるよう作動可能であって、該溶剤が前記少なくとも１つのキャピラリー流路内に導入されたときに前記キャピラリー流路の現場洗浄を可能としている、請求項６に記載の燃料システム。
【請求項１２】
前記溶剤は前記液体燃料源からの液体燃料から構成され、前記熱源は前記キャピラリー流路の洗浄中に段階的に停止される、請求項１１に記載の燃料システム。
【請求項１３】
加圧液体燃料を前記少なくとも１つのキャピラリー流路に１００psig以下の圧力で供給することができる燃料源を更に備えている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料システム。
【請求項１４】
一部の粒径が２５μｍ以下である粒径分布を有するエーロゾルが形成されている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料システム。
【請求項１５】
前記気化室は、該気化室中の燃料が気化されるように燃焼燃料により加熱されるべく配置されている、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の燃料システム。
【請求項１６】
前記気化部材は、前記少なくとも１つのキャピラリー流路の前記出口端と流体連通する気化室から構成されており、該気化室は、燃焼のため実質的に気化した燃料の流れを供給する少なくとも１つの出口オリフィスを有している、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の燃料システム。
【請求項１７】
前記燃料気化部材は、周辺ギャップを形成するように通路内に位置決めされた外周辺を有している、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の燃料システム。
【請求項１８】
前記通路及び前記燃料気化部材は横断面が円形であり、前記周辺ギャップは環状ギャップである、請求項１７に記載の燃料システム。
【請求項１９】
液体燃料源から出力を発生するための装置であって、
（ａ）  入口端及び出口端を有しており、前記入口端が前記液体燃料源と流体連通している、少なくとも１つのキャピラリー流路と、
（ｂ）  前記少なくとも１つのキャピラリー流路に沿って配設されていて、該少なくとも１つのキャピラリー流路における液体燃料を、その少なくとも一部を液相から気相に変化させるのに十分なレベルまで加熱するよう作動可能である、熱源と、
（ｃ）  燃料を燃焼することにより発生される熱にさらされる第１表面と、第２表面とを有する気化部材であって、該気化部材は、前記少なくとも１つのキャピラリー流路の前記出口端を出る燃料が前記第２表面に衝突して実質的に気化した燃料の流れを生成するように配置されている、前記気化部材と、
（ｄ）  前記気化部材の前記第１表面と連絡して、前記実質的に気化した燃料の流れ及び空気を燃焼させる燃焼室と、
（ｅ）  該燃焼室における燃焼により放出された熱を機械動力及び／又は電力に変換するよう作動可能な変換装置と、
を備える出力発生装置。
【請求項２０】
出力を発生する方法であって、
（ａ）  少なくとも１つのキャピラリー流路が、該少なくとも１つのキャピラリー流路から出る燃料が第１表面及び第２表面を有する気化部材に衝突するように配置されていて、該少なくとも１つのキャピラリー流路に液体燃料を供給すること、
（ｂ）  前記気化部材に衝突する前記燃料を加熱し、実質的に気化した燃料の流れを形成させること、
（ｃ）  前記気化した燃料を燃焼室において燃焼させること、及び
（ｄ）  前記燃焼室における前記気化した燃料の燃焼により発生された熱を変換装置の使用により機械動力及び／又は電力に変換することを含み、
前記気化部材の前記第１表面は、燃焼から発生した熱が前記気化部材の前記第２表面に衝突する前記燃料を加熱して燃焼のため実質的に気化した燃料の流れを供給するように、前記燃焼室の近くに配置されている、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力発生装置及びそのためのハイブリッド型燃料気化システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
遠隔現地サービスの際に携帯型の電子機器、通信装置、医療装置及びその他の機器に電力を供給する必要性は、近年に至って増えつつあり、高性能の移動式電力システムの需要が増している。これらの用途は、高い出力及びエネルギー密度をもたらす電源を必要とすると同時に、最小の大きさ及び重量であり、且つ低公害及び低コストであることも必要とする。
【０００３】
今日まで、バッテリーが携帯型電源を提供する主な手段になってきた。しかし、バッテリーは、充電に時間がかかるだけでなく、それらの大きさ及び重量のために、連続用途には不向きであることが分かっていた。更に、携帯型バッテリーは、数ミリワットから数ワットの範囲の電力発生に一般に限定されており、従って、相当なレベルの移動式軽量電力発生装置の必要性に対処することができない。
【０００４】
ガソリン燃料又はディーゼル燃料のどちらかを供給される内燃機関により動力が供給される小型発電機も使用されてきた。しかしながら、かかる発電機の騒音及び排気特性は、それらを、広範囲の移動式電力システムに対して全く不適切にすると共に、室内用途に対して危険にする。高エネルギー密度の液体燃料により動力を供給される従来の熱機関は大きさに関して利点をもたらしてはいるが、熱力学的スケーリング及びコスト問題は、大型発電プラントにおけるそれらの使用を好む傾向があった。
【０００５】
これらの要因を考慮すると、電力システムに関して約５.１〜５１kg-m/秒（５０〜５００ワット）の規模の範囲に欠如がある。更に、高エネルギー密度の液体燃料の利点を得るために、低燃料補給率とすることができる改良型の燃料調整・供給システムが必要である。その上、かかるシステムは、最少の排気で非常に効率的な燃焼が可能でなければならない。
【０００６】
燃料を超音波噴霧装置により霧化する燃焼装置は米国特許第５,１２７,８２２号に提案されている。この特許によると、燃料を微細な液滴にして燃焼室に供給し燃料の気化を促進すると共に、満足できる燃焼効率を実現するのに必要な燃焼器滞留時間を減じる噴霧装置が提案されている。
【０００７】
この米国特許第５,１２７,８２２号は、燃料を５ｃｃ／分で供給して該燃料を４０μｍのザウタ平均粒径（ＳＭＤ）を有する液滴として噴霧化する装置を提案している。他の噴霧化技術は米国特許第６,０９５,４３６号及び第６,１０２,６８７号に提案されている。内燃機関に燃料を供給するための超音波アトマイザは米国特許第４,９８６,２４８号に提案されている。
【０００８】
米国特許第４,０１３,３９６号は、直径で１μｍ未満の比較的に一様な粒径の液滴としてエーロゾル化した燃料を形成する意図をもって炭化水素系燃料（例えば、ガソリン、燃料油、ケロシン等）を凝縮領域内に供給する燃料エーロゾル化装置を提案している。
【０００９】
内燃機関における燃料エーロゾルの不完全燃焼に関連した諸問題に対処すると言われている燃料気化装置は、米国特許第５,４７２,６４５号に提案されている。この米国特許第５,４７２,６４５号によると、エーロゾル燃料液滴は内燃機関中で点火せず完全に燃焼しないので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の付随的生成を伴う炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及びアルデヒドのような汚染物質として未燃焼の燃料残留物が内燃機関から排出される。米国特許第５,４７２,６４５号の提案は、液体燃料を分けて、より高分子量の炭化水素を含んだ多少未気化のエーロゾルを含有する気化成分又は気相成分の空気−流体流れにすることによって、エーロゾル燃料の燃焼を改善することを企図しており、ライター用燃料留出物は迅速に気化して気相になり、空気と混合し内燃機関に送られると言われているのに対して、より重い燃料部分はそれらがサイクロン渦流形素子を出て内燃機関の吸気マニホルドに入る前に気相気化状態に変換されるべきであると言われている。
【００１０】
米国特許第４,３４４,４０４号は、空気と混合されたエーロゾル燃料液滴を内燃機関又はバーナーに供給する装置を提案しており、燃料液滴は０.５〜１.５μｍの粒径を有するとされている。エーロゾルの形のこの液体燃料は、内燃機関から生成されるＣＯ，ＨＣ及びＮＯｘ排出物質を最少にするべく約１８：１の空気対燃料比で空気と混合されるよう考えられている。
【００１１】
燃料を加熱して気化燃料としこれをバーナーで燃焼するために種々の装置が提案されてきた。例えば、米国特許第４,１９３,７５５号、第４,３２０,１８０号、第４,７８４,５９９号を参照されたい。
【００１２】
米国特許第３,７１６,４１６号は、燃料電池システムで使用するために考えられた燃料調整装置を開示している。この燃料電池システムは、所定レベルに電力を自己調節し発生するよう企図されている。提案された燃料調整装置は、後に続く燃焼のために燃料調整の改良を行なうというよりもむしろ、燃料電池の出力に応答して燃料流量を絞るキャピラリー式流量制御装置を含んでいる。代わりに、燃料は、Ｈ2への変換のための燃料改質器に送られ、次いで燃料電池に送られるよう企図されている。好適な実施形態において、キャピラリーチューブは金属から形成されており、そしてキャピラリー自体は、燃料電池と電気的に接触する抵抗器として使用されている。蒸気の流動抵抗は液体のそれよりも大きいので、出力が増すにつれて流れが絞られる。使用を推奨される燃料は、液相から気相に容易に変換されると共にキャピラリーを自由に通り流れるあらゆる燃料である。気化は、自動車エンジンにおいて蒸気閉そくが起こるような方法で実現されると考えられる。
【００１３】
米国特許第６,２７６,３４７号は、液体の噴霧化又は気化を実現するための方法及び超臨界又は準超臨界アトマイザを提案している。この米国特許第６,２７６,３４７号の超臨界アトマイザは、ガソリンを燃焼させるのが一般的である小型で、軽量で、低圧縮比の火花点火ピストンエンジンを始動させるのに重油燃料の使用を可能にすると言われている。アトマイザは、液体又は液状燃料をそれらの超臨界温度に向かい移行させると共に、該燃料と関連した状態図におけるガス安定フィールドの低圧力領域中に該燃料を放出して、該燃料の微噴霧化又は気化を行なうことにより、該燃料から液体微粒子のスプレーを生成するよう企図されている。諸燃焼機関、科学設備、化学処理、廃棄物処理制御、洗浄、エッチング、昆虫防除、表面改質、調湿及び気化のような用途について有用性が開示されている。
【００１４】
分解を最小にするため、米国特許第６,２７６,３４７号及び第６,３９０,０７６号の各々は、噴霧化のため絞り機構の遠位端を通過するまで燃料を超臨界温度以下に保っておくことを提案している。ある用途の場合、化学反応又は析出の可能性を最小にするため絞り機構のちょうど先端まで加熱することが望まれる。これは、燃料流中の不純物、反応物又は物質と関連した諸問題を軽減すると言われており、さもないと該不純物、反応物又は物質が溶剤外に出てライン及びフィルタを詰まらせる傾向がある。超臨界圧力で又はその近くでの運転は、燃料供給システムが２１.１〜５６.２Kg／cm2（３００〜８００psig）で作動することを推奨している。超臨界圧力及び温度の使用は、アトマイザの詰りを減少させるであろうが、これらの上昇圧力で作動できる燃料ライン、取付具等はもちろんのこと、比較的にもっと高価な燃料ポンプの使用を必要とすると思われる。
【００１５】
出力変換装置は、米国特許第４,６３８,１７２号、第５,８３６,１５０号、第５,８７４,７９８号、第５,９３２,９４０号、第６,１０９,２２２号、第６,１９８,０３８号に提案されている。これらのうち、米国特許第４,６３８,１７２号は、小型内燃機関に動作可能なように結合される直流発電機を提案しており、該発電機は、４ボルト(Ｖ)１５０ミリアンペア（ｍＡ）〜１１０Ｖ２５０ｍＡで出力するであろうと考えられている。米国特許第５,８３６,１５０号は、ミクロ機械加工したターボ発電機のスラスト源として使用できるマイクロスラスト発熱体（micro thrust and heat generator)を提案している。米国特許第５,８７４,７９８号が提案するマイクロタービン発電機装置では、空気が該装置に送り込まれて携帯型電子製品で使用するための電気を発生している。米国特許第５,９３２,９４０号は、マイクロ発電機を駆動するのに使用される燃焼室を含むマイクロガスタービンエンジンを提案しており、このマイクロ発電機は、同一重量及び体積で２０回電力を発生する間に携帯型電子装置におけるバッテリー交換（例えば、携帯型のコンピュータ、ラジオ、電話機、電動工具、ヒータ、クーラー、軍事利用例等のバッテリー交換）のため１１.０〜３.１Kg-m／秒（１０〜３０ワット）の電力を出力するように企図されている。米国特許第６,１０９,２２２号は、１.０〜３.１Kg-m／秒（１０〜３０ワット）の電力を発生するように考えられたマイクロ熱機関を提案しており、この熱機関において、フリーピストンは周期的燃焼プロセスにより往復動される。
【発明の開示】
【００１６】
本発明は、液体燃料源から出力を発生する装置で使用するためのハイブリッド型燃料気化システムを提供している。液体燃料源からの燃料を燃焼させる装置で使用するためのこのハイブリッド型燃料気化システムは、
（ａ）  入口端及び出口端を有しており、前記入口端が前記液体燃料源と流体連通している、少なくとも１つのキャピラリー流路と、
（ｂ）  前記少なくとも１つのキャピラリー流路に沿って配設されていて、該少なくとも１つのキャピラリー流路における液体燃料を、その少なくとも一部を液相から気相に変化させるのに十分なレベルまで加熱するよう作動可能である、熱源と、
（ｃ）  前記燃料を燃焼させる装置により発生される熱にさらされる第１表面と、第２表面とを有する気化部材であって、該気化部材は、前記少なくとも１つのキャピラリー流路の前記出口端を出る燃料が前記第２表面に衝突するように配置されている、前記気化部材とを備えており、
これにより実質的に気化した燃料の流れが燃焼のため供給される。
【００１７】
本発明はまた液体燃料源から出力を発生するための装置も提供している。液体燃料源から出力を発生するためのこの装置は、
（ａ）  入口端及び出口端を有しており、前記入口端が前記液体燃料源と流体連通している、少なくとも１つのキャピラリー流路と、
（ｂ）  前記少なくとも１つのキャピラリー流路に沿って配設されていて、該少なくとも１つのキャピラリー流路における液体燃料を、その少なくとも一部を液相から気相に変化させるのに十分なレベルまで加熱するよう作動可能である、熱源と、
（ｃ）  燃料を燃焼することにより発生される熱にさらされる第１表面と、第２表面とを有する気化部材であって、該気化部材は、前記少なくとも１つのキャピラリー流路の前記出口端を出る燃料が前記第２表面に衝突して実質的に気化した燃料の流れを生成するように配置されている、前記気化部材と、
（ｄ）  前記気化部材の前記第１表面と連絡して、前記実質的に気化した燃料の流れ及び空気を燃焼させる燃焼室と、
（ｅ）  該燃焼室における燃焼により放出された熱を機械動力及び／又は電力に変換するよう作動可能な変換装置とを備えている。
【００１８】
また、出力を発生する方法も提供されている。この出力発生方法は、
（ａ）  少なくとも１つのキャピラリー流路が、該少なくとも１つのキャピラリー流路から出る燃料が第１表面及び第２表面を有する気化部材に衝突するように配置されていて、この少なくとも１つのキャピラリー流路に液体燃料を供給すること、
（ｂ）  前記気化部材に衝突する前記燃料を加熱し、実質的に気化した燃料の流れを形成させること、
（ｃ）  前記気化した燃料を燃焼室において燃焼させること、及び
（ｄ）  前記燃焼室における前記気化した燃料の燃焼により発生された熱を変換装置の使用により機械動力及び／又は電力に変換することを含んでおり、
前記気化部材の前記第１表面は、燃焼から発生した熱が前記気化部材の前記第２表面に衝突する前記燃料を加熱して燃焼のため実質的に気化した燃料の流れを供給するように、前記燃焼室の近くに配置されている。
【００１９】
一形態において、小さな燃料液滴及び／又は蒸気を形成し、低燃料供給圧力で作動し、低い寄生出力損失特性を有し、且つファウリング、閉そく及びガミング（gumming)を制御する能力を備えた燃料調整システムを有する出力発生装置が提供されている。
【００２０】
別の形態において、キャピラリー流路はキャピラリーチューブを含むことができ、熱源は抵抗加熱素子を含むことができ、チューブの一部分はそこに電流を通すことにより加熱される。
【００２１】
更に、もう一つの形態において、変換装置は、マイクロタービン、発電機を備えたマイクロタービン、スターリングエンジンのような外燃機関、発電機を備えたスターリングエンジンのような外燃機関、熱電装置、又は熱光起電力型装置を含んでいる。
【００２２】
別の形態において、燃焼室から取り出された排ガスが循環する排気ダクトと空気が循環する空気通路とを含む熱交換器が設けられており、該熱交換器は、排気ダクト内の排ガスからの熱を空気に伝達することにより空気通路内の空気を予熱する。この形態は、空気ブロワーも含むことができ、該空気ブロワーは、加圧空気が空気−燃料混合物の燃焼に適する所望の空気−燃料比で気化燃料と混合するように、圧力下の空気を燃焼室に供給する。
【００２３】
液体燃料の加熱中の堆積物の形成に関連した諸問題に対処するため、別の形態は、作動中に形成した堆積物を洗浄する手段を提供している。
【００２４】
次に、一例としてのみで記載された本発明の好適な形態を参照し且つ添付図面を参照して、本発明について詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
これから、図１〜図１０に例示された実施形態に言及するが、同図において、同一の数字は同様の部材を表わすのに使用されている。
【００２６】
本発明は、出力発生装置と、高エネルギー密度の液体燃料を有利に燃焼させる、そのための燃料システムとを提供する。この装置は、燃料供給源に接続された少なくとも１つのキャピラリー大の流路と、該流路に沿って配設されていて、該流路における液体燃料を、該キャピラリー流路の出口から気化燃料の流れを供給するのに十分に加熱する熱源と、該流路の出口と流体連通していて、燃焼のため液体燃料を供給し気化する燃料気化室と、気化燃料を燃焼させる燃焼室と、該燃焼室における燃焼により発生された熱を機械動力又は電力に変換する変換装置とを備えている。
【００２７】
キャピラリー流路が起動時に先ず加熱されて燃料を気化させると共に、この気化燃料が続いて燃焼されて火炎を発生させるのが有利である。気化室は、迅速な加熱を可能とすると共に、そこに入るあらゆる液体燃料が気化されるように火炎の領域に配置されることが好ましい。起動後直ぐに、通常の気化装置に供給される燃料が実質的に予熱液体であるように、キャピラリー流路への電力は徐々に減少させうる。燃料は、燃焼室を出て、燃焼のため良好な燃料及び空気の混合を促進するよう配置され且つ構成されたオリフィス孔を介して、燃焼空気流に入る。ハイブリッド型キャピラリー燃料気化システムを通る燃料流量は、可変速度の一定容積形ポンプの使用により制御することができ、或いは代案として、キャピラリー流路に供給される電力は、必要に応じその圧力降下／流れ特性を変えるよう調整し且つ制御することができる。定まった燃料供給圧力のため、キャピラリー流路への熱の付与により、燃料流量の減少を生じさせると同時に、燃料の気化を容易にする。
【００２８】
電気加熱を採用する連続加熱キャピラリー流路の作動中に、カーボン堆積物が形成しキャピラリー流路を閉そくするので、燃料流量対圧力降下の特性が低下することが確認された。加えて、電力をキャピラリーに絶えず供給しなければならず、装置の総効率を限定する。
【００２９】
起動中、電気的に加熱されたキャピラリー流路は、点火のため燃料気化を行なうよう使用される。キャピラリー流路は、気化燃料を気化室内に直接に噴射させる。それが燃焼室に好ましくは接近しているため、気化室の温度が上昇し、キャピラリー流路に供給される電力を減少させ、究極的には無くすことさえできる。次に液体燃料は、もうこのときには機能するのに十分なほど加温されている気化室内に直接に流入する。定常運転の間、キャピラリーを通る高液体流速は、液体温度を低く保持して、閉そくを最小にする。キャピラリーを通る高い液体流速はまた、起動中に形成された堆積物を除去する溶剤としても機能する。これら作用の双方がキャピラリーの閉そくを防止する。好ましいのは、気化室の流れオリフィスが、キャリッジ流路と比較して大きいことであり、従って、閉そくの影響を受け難いことである。
【００３０】
定常運転の間、気化に必要な熱エネルギは燃焼系から直接得られる。独立型出力システムに採用されている場合、熱エネルギを燃焼系から直接抽出することは、抵抗ヒータに電力を供給するために電気を発生するよりも効率的である。
【００３１】
ハイブリッド型燃料気化装置を通る燃料流量は幾つかの手段により制御しうる。燃料供給圧力は、希望に応じて、及び／又はハイブリッド型燃料気化装置内の燃料気化の燃料気化率及び場所の変動に由来するシステム圧力損失の変動に応答して、流量を変えるように調整されうる。抵抗加熱キャピラリーに供給される電力もまた、キャピラリー流路の圧力損失特性が液体予熱／気化／蒸気過熱プロセスを制御することにより広範囲にわたり調整されうることを認識して流れを調整するように、変更されうる。代案として、燃料流量は、速度調整される容積形ポンプの使用を通じて制御されうる。
【００３２】
上述したように、キャピラリー流路は抵抗ヒータにより加熱されるキャピラリーチューブとすることができ、チューブの一部分はそこに電流を通すことにより加熱される。キャピラリー流路は低い熱慣性を有することを特徴としているので、キャピラリー流路は、燃料を非常に素早く、例えば２.０秒以内、好ましくは０.５秒以内、更に好ましくは０.１秒以内に気化するため所望温度まで上昇させることができる。キャピラリー大の燃料流路は、単層又は多層の金属、セラミック又はガラス製本体部のようなキャピラリー本体部中に好ましくは形成される。流路は、入口及び出口で開口する囲まれた体積を有している。ヒータは、ステンレス鋼製チューブの一部のような本体部の一部から形成することができ、或いはヒータは、キャピラリー本体部に組み込まれた又は設けられた抵抗加熱材料の個々の層又はワイヤとすることができる。
【００３３】
流路は、流体が通過しうる入口及び出口で開口する囲まれた体積を備えた任意の形状としうる。該流路は、所望の横断面形状を有することができるが、好ましい横断面形状は一様な直径の円形である。その他のキャピラリー流路横断面には、三角形、正方形、矩形、楕円形又は他の形状のような非円形形状があり、そして流路の横断面は一様である必要はない。流路は、直線状に又は非直線状に延びることができ、単一流路であっても多重流路であってもよい。
【００３４】
キャピラリー大の流路は、好ましくは２ｍｍ未満、より好ましくは１ｍｍ未満、最も好ましくは０.５ｍｍ未満の水力直径を有することができる。“水力直径”は、流体搬送要素を通る流体の流れ特性を演算する際に使用されるパラメータであり、流体搬送要素の流れ面積の４倍を流体と接触している固体境界の周辺長（一般的には“ウェッテッド”ペリメーターと言われている）で割ったものと定義される。円形の流路を有するチューブについては、水力直径及び実直径は等価である。キャピラリー流路が金属製キャピラリーチューブにより画成されている場合、このチューブは、０.０１〜３ｍｍ、好ましくは０.１〜１ｍｍ、最も好ましくは０.１５〜０.５ｍｍの内径を有することができる。代案として、キャピラリー流路は、８×１０-5〜７ｍｍ2、好ましくは８×１０-3〜８×１０-1ｍｍ2、更に好ましくは２×１０-3〜２×１０-1ｍｍ2とすることができる横方向の通路断面積により規定することができる。単一又は多重キャピラリー、種々の圧力、種々のキャピラリー長さ、キャピラリーに加えられる熱の量、並びに種々の形状及び／又は横断面積の多くの組合せが所定用途に適するであろう。
【００３５】
変換装置は、約５１０Kg-m/秒（５０００ワット）までの電力を発生できる発電機をオプションで備えて熱を機械動力又は電力に変換するスターリングエンジンのような外燃機関、マイクロタービン／発電機、又はその他の適当な装置とすることができる。液体燃料は、ジェット燃料、ガソリン、ケロシン又はディーゼル油のような任意の種類の炭化水素系燃料や、エタノール、メタノール、メチル三級ブチルエーテルのようなオキシジェネートや、それらのどれかの混合物とすることができ、そして燃料は、好ましくは７.０Kg-m/秒（１００psig）未満、より好ましくは３.５Kg-m/秒（５０psig）未満、更に好ましくは０.７Kg-m/秒（１０psig）未満、最も好ましくは０.４Kg-m/秒（５psig）未満の圧力で流路に供給されるのが好ましい。気化燃料は、空気と混合されて、２５μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下の平均液滴径を有するエーロゾルを形成し、かくして完全且つ効率的な点火特性を可能にする。
【００３６】
好適な一形態によると、気化燃料は、燃焼室に入る空気供給通路に引き込まれる空気と周囲温度で混合することができる。或いは、気化燃料は、例えば、燃焼室から取り出された排ガスの熱で空気を予熱する熱交換器により既に予熱された空気と混合することができる。必要であれば、液体燃料を気化する間、空気は、気化燃料と混合する前に例えばブロワーにより加圧することができる。
【００３７】
上述したように、加熱されたキャピラリー流路における液体燃料の気化の間、炭素及び／又は重炭化水素の堆積物がキャピラリー壁上に蓄積することがあり、そして燃料の流れが酷く制限されて、最終的にキャピラリー流路の閉そくに至りうる。これらの堆積物が蓄積する速度は、キャピラリー壁温度、燃料流速及び燃料の種類の関数である。燃料添加物はかかる堆積物を減少させるのに有効であるかも知れないが、閉そくが進めば、ハイブリッド型燃料気化装置は、作動中に形成された堆積物を洗浄するための手段を選択的に提供しうる。
【００３８】
ハイブリッド型燃料気化システムの加熱キャピラリー流路は、気化燃料が周囲温度で空気と混合するときに小さな燃料液滴のエーロゾル（例えば、２５μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下である）を形成する能力を有しており、７.０Kg-m/秒（１００psig）未満、好ましくは３.５Kg-m/秒（５０psig）未満、より好ましくは０.７Kg-m/秒（１０psig）未満、最も好ましくは０.４Kg-m/秒（５psig）未満の液体燃料圧力で作動する。ハイブリッド型燃料気化システムは、燃料を低空気供給圧力（例えば、Ｈ2Ｏで５０.８０ｍｍ（Ｈ2Ｏで２インチ））で燃焼する能力を有しており、迅速に起動し、ファウリング、閉そく及びガミング（gumming)を制御することが可能であり、排気物質を減少させたレベルで作動し、かつ燃料−空気混合物を点火するのに必要な点火エネルギを低くする。
【００３９】
出力を発生するための装置のハイブリッド型燃料気化システムによりもたらされる利点の一つは、その点火エネルギ要求特性にある。最小点火エネルギは、噴霧燃料／空気混合物が代表的には火花点火源のような点火装置で点火できる容易性を説明するのに使用される用語である。本発明による装置は、２５μｍ未満、好ましくは１０μｍ、更に好ましくは５μｍ未満のザウタ平均粒径（ＳＭＤ）を有する液滴の気化燃料及び／又はエーロゾルを提供することができ、かかる微小エーロゾルは、ガスタービン用途の場合の火炎安定性及び起動特性を改善するのに有用である。更に、最小点火エネルギの非常に大きな減少は、２５μｍ以下のＳＭＤ値を有する燃料について実現することができる。例えば、ルフェーヴル(Lefebvre)の「ガスタービン燃焼」（ヘミスフェア出版会社，西暦１９８３年）において２５２頁に論じられているように、噴霧燃料／空気混合物が点火される容易性と相関関係がある用語であるＥminは、ＳＭＤが減少するにつれて急に減少することが示されている。最小点火エネルギは、大ざっぱに言って、エーロゾルにおける燃料液滴のザウタ平均粒径（ＳＭＤ）の三乗に比例する。ＳＭＤは、表面積対体積比がスプレー全体のそれに等しい液滴の直径であり、そしてスプレーの物質移動特性に関係している。種々の燃料についてのＥmin及びＳＭＤの間の関係は、ルフェーヴルに、次の関係式により大ざっぱに概算され示されている。
log Ｅmin = ４.５(log ＳＭＤ) + ｋ
ここで、Ｅminの測定単位はミリジュール（ｍＪ）であり、ＳＭＤの測定単位はμｍであり、ｋは燃料の種類に関係する定数である。
【００４０】
ルフェーヴルによると、重油は、１１５μｍのＳＭＤで約８００ｍＪの最小点火エネルギを有し、５０μｍのＳＭＤで約２３ｍＪの最小点火エネルギを有している。イソオクタンは、９０μｍのＳＭＤで約９ｍＪの最小点火エネルギを有しており、４０μｍのＳＭＤで約０.４ｍＪの最小点火エネルギを有している。ディーゼル油については、ＳＭＤが１００μｍに等しいとき、Ｅminは、約１００ｍＪである。３０μｍまでのＳＭＤの低下は約０.８ｍＪまでのＥminの低下をもたらすであろう。了解されるように、点火システム要求はＳＭＤ値について２５μｍ未満に実質的に減少される。
【００４１】
本発明による出力変換装置は、非常に望ましい低点火エネルギ要求を示すことが分かった。低点火エネルギ要求は、システム全体の重量を減少させることにより、且つ点火システムに関連した寄生電力損失の減少を通じて電力出力を最大化することにより、本発明の出力発生利点を向上させる。
【００４２】
前述した利点に鑑みて、低エネルギ火花点火装置は、出力発生装置の点火装置として好ましい。好ましいのは、約５〜７ミリジュール（ｍＪ）の範囲にある火花エネルギを発生できる小型圧電点火装置である。かかる装置は、簡単で、コンパクトであり、且つ寄生負荷問題をもたらさないことが知られている。ハイブリッド型燃料気化システムによりもたらされた超微小燃料気化は、低エネルギ圧電点火装置と協力して優れた点火特性をもたらすことができる。
【００４３】
液体燃料を供給される燃焼装置の排出物質特性は、燃料液滴の粒度分布の特性に左右されることが知られている。高品質の微小噴霧は、燃料気化を促進すると共に混合を強め、それにより多燃料燃焼の必要性と、しばしば付随する煤煙の発生とを減少させる。小さな液滴は、流れの流線に従うと共に、バーナー壁に衝突し難い。逆に、大きな液滴は、バーナー壁に衝突することができ、ＣＯ及び炭化水素排出物質と炭素堆積物を増加させる。この問題は、火炎が高度に閉じ込められる装置においてより顕著である。
【００４４】
気化燃料の燃焼中に発生した熱は、電力又は機械動力に変換することができる。一例として、熱は、所望量の電力、例えば５１０Kg-m/秒（５０００ワット）までの電力又は機械動力に変換することができる。数時間にわたり約２.０Kg-m/秒（２０ワット）を発生しうるに過ぎない移動式バッテリー技術と比較すると、或いは騒音があり且つ排出物質が多く、１２０Kg-m／秒（１ｋＷ）以上を発生する内燃機関／発電機と比較すると、本発明の好適な一実施形態による装置は、数百ワットの範囲内で静かでクリーンな出力源を提供する。
【００４５】
本発明に基づいて燃焼室において発生された熱を電力又は機械動力に変換する技術は数多く存在する。例えば、２.０〜５１０Kg-m/秒（２０〜５０００ワット）の範囲内において、少なくとも以下の技術が考えられる。発電機を駆動するのに使用できる機械動力に熱を変換するためのスターリングエンジンのような外燃機関、発電機を駆動するのに使用できるマイクロガスタービン、熱を電気に直接変換する熱電、及び放射エネルギを電気に直接変換する熱光起電力である。
【００４６】
熱電装置は、静かで耐久性があるという点から見て種々の利点をもたらし、そして外燃システムと組み合わせられて、低排出物質の可能性及び燃料に関する適応性をもたらす。変換装置として使用できる種々の形式の熱電式発電機には、米国特許第５,５６３,３６８号、第５,７９３,１１９号、第５,９１７,１４４号及び第６,１７２,４２７号に開示されたものがある。
【００４７】
熱光起電力型装置は、静かであり、中程度の電力密度を発生するという点から見て種々の利点をもたらし、そして外燃システムと組み合わせられて、低排出物質の可能性及び燃料に関する適応性をもたらす。変換装置として使用できる種々の形式の熱光起電力型装置には、米国特許第５,５１２,１０９号、第５,７５３,０５０号、第６,０９２,９１２号及び第６,２０４,４４２号に開示されたものがある。米国特許第６,２０４,４４２号に示されているように、燃焼ガスからの熱を吸収するのに熱放射物体を使用することができ、そしてこの熱放射物体から放射された熱は電気に変換するため光電池に導かれ、こうして光電池が燃焼ガスに直接にさらされるのを防止している。
【００４８】
マイクロガスタービンは高い比出力の点から見て望ましいと考えられる。変換装置として使用できるマイクロタービン装置には米国特許第５,８３６,１５０号、第５,８７４,７９８号及び第５,９３２,９４０号に開示したものがある。
【００４９】
スターリングエンジンは、大きさや、静かな運転に関して種々の利点をもたらすと共に、外燃システムと組み合わせられて、低排出物質の可能性及び燃料に関する適応性をもたらす。変換装置として使用できるスターリングエンジンは、当業者にとって明らかであろう。
【００５０】
図１を参照すると、発電装置で使用するためのハイブリッド型燃料気化装置が示されている。このハイブリッド型燃料気化装置１０は、入口端１４及び出口端１６を有するキャピラリー流路１２を含んでいる。図示のような燃料気化室１３０とすることができる燃料気化部材は、燃料気化室１３０と流体連通するキャピラリー流路１２の燃料が出る出口端１６が第２表面１３４に衝突する間、第１表面１３６が燃焼室（図示せず）に露出されるように配置されている。作動温度にある又はその近くにあるときに、燃焼の熱は燃料気化室１３０を加熱し、第２表面１３４に衝突する燃料を気化させる。
【００５１】
燃料気化室１３０は、気化した液体燃料を燃焼のために供給する少なくとも１つのオリフィス１３２を有している。随意であるが、キャピラリー流路１２の入口端１４を液体燃料源Ｆと流体連通させて実質的に液状態の液体燃料をキャピラリー流路１２に導入するために制御弁１８が設けられていてよい。この制御弁１８は、ソレノイド（図示せず）により作動することができる。熱源２０は、キャピラリー流路１２に沿って配置されている。
【００５２】
特に好ましいのは、熱源２０がキャピラリー流路１２を電気抵抗材料のチューブから形成することにより提供されることであり、キャピラリー流路１２の一部は、電源が結合点２２及び２４でチューブに接続されてそこに通る電流を供給するときに、発熱素子を形成する。装置の起動中に、或いは必要に応じて、熱源２０は、キャピラリー流路１２内の液体燃料を、その少なくとも一部が液相から気相に変化して、実質的に気化した燃料の流れをキャピラリー流路１２の出口端１６から気化室１３０内に供給するのに十分なレベルまで、加熱するように作動可能である。実質的に気化とは、液体燃料の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％が気化されること、更に好ましくは液体燃料の少なくとも８０％が気化されることを意味している。
【００５３】
燃料気化装置１０は、作動中に形成された堆積物を洗浄するための手段を随意であるが含みうる。図１に示された堆積物の洗浄手段は、キャピラリー流路１２を液体燃料源Ｆ又は酸化剤Ｃの源及び熱源２０のどちらかと交互に流体連通させる三方弁とすることができる制御弁１８を含んでいる。作動中、熱源２０は、液体燃料Ｆの加熱中に形成された堆積物を酸化するのに十分なレベルまでキャピラリー流路１２において酸化剤Ｃを加熱するのに用いられる。一実施形態においては、燃料供給モードから洗浄モードに切り替えるため、酸化剤制御弁２６は、キャピラリー流路１２内への液体燃料Ｆの導入及び酸化剤Ｃの導入を交互に行なうよう作動可能であると共に、酸化剤がキャピラリー流路内に導入されたときにキャピラリー流路の現場洗浄ができるようにする。
【００５４】
堆積物を酸化する技術の一つは空気又は蒸気をキャピラリー流路に通すことを含んでいる。上述のように、キャピラリー流路は、堆積物が消滅されるまで酸化プロセスが起こり且つ助長されるように、洗浄作業の間、加熱されていることが好ましい。この洗浄作業を改善するために、触媒物質をキャピラリー壁へのコーティングとして又はキャピラリー壁の一構成要素として用いて、洗浄を行なうのに必要とされる温度及び／又は時間を短縮してもよい。燃料気化装置の連続的作動のため、１つ以上のキャピラリー流路を使用して、例えばセンサの使用により閉そく状態が検出されたときに、燃料の流れを別のキャピラリー流路１２に迂回させて、閉そくされた洗浄すべきキャピラリー流路に酸化剤の流れＣを通し始めることができる。一例として、各流路に液体燃料又は空気を選択的に供給するよう弁装置を設けることができる。
【００５５】
代案として、燃料の流れは１つのキャピラリー流路から切り替え、前以て設定された間隔で酸化剤の流れを開始することができる。キャピラリー流路への燃料供給はコントローラにより行なうことができる。例えば、コントローラは、前以て設定された期間にわたり燃料供給を作動させ、前以て設定された時間の後、燃料供給動作を停止させることができる。コントローラはまた、１つ以上の検知条件に基づいて、液体燃料の圧力及び／又はキャピラリー流路に供給された熱の量の調節を行なうことができる。該検知条件には、特に、燃料圧力、キャピラリー温度又は空気−燃料比がある。コントローラはまた、堆積物を洗浄するため１つ以上のキャピラリー流路を制御しうる。
【００５６】
この洗浄技術は、単一キャピラリー流路の複数のハイブリッド型燃料気化装置を有する燃焼装置にも適用しうる。洗浄と洗浄との間の時間間隔は、経験的に決定される閉そく特性に基づいて固定してもよく、或いは検知・制御装置を採用して閉そくを検出し必要に応じて洗浄プロセスを開始してもよい。例えば、制御装置は、ハイブリッド型燃料気化装置のキャピラリー流路への燃料供給圧力を検知することにより閉そくの度合いを検出することができる。
【００５７】
上述したように、酸化洗浄技術は、連続的に作動することを求められる単一のハイブリッド型燃料気化装置にも適用しうる。この場合、多重のキャピラリー流路が採用される。例示的なハイブリッド型の多重キャピラリー流路燃料気化装置８０が図２及び図３に示されている。図２は、単一のキャピラリーアセンブリ９４として統合された多重キャピラリーチューブ装置を採用するハイブリッド型燃料気化装置８０の概略図を示しており、各キャピラリーチューブは入口端及び出口端を有している。やはり燃料気化室２３０としうる燃料気化要素は、第１表面２３６が燃焼室（図示せず）に露出しているが、燃料気化室２３０と流体連通するキャピラリー流路の出口端から出る燃料が第２表面２３４に衝突するように、配置されている。作動温度で又はその近くで、燃焼の熱は燃料気化室２３０を加熱し、第２表面２３４に衝突する燃料を気化させる。
【００５８】
気化室２３０は、実質的に気化した燃料の流れを燃焼のため供給する少なくとも１つのオリフィス２３２を有している。図２と一致するよう、複数のオリフィス２３２が好ましい。図３は、図２の線３−３に沿った端面図を表わしている。図示のように、このアセンブリは、３つのキャピラリーチューブ８２Ａ，８２Ｂ，８２Ｃと、中実のステンレス鋼ロッドを含むことができる正電極９２とを含んでいてよい。チューブ及びロッドは電気絶縁材料からなる本体部９６内に支持されることができ、そして電力は取付部９８を介してロッド及びキャピラリーチューブに供給されることができる。例えば、直流が１つ以上のキャピラリーチューブの上流端に供給されることができ、そして下流端にある結合部９５がロッド９２を通る電流の戻り道を形成することができる。
【００５９】
図４を参照すると、そこにはハイブリッド型多重キャピラリーチューブ気化システム８０が示されている。このシステムは、気化室２３０にそれぞれ流体連通するキャピラリーチューブ８２Ａ〜８２Ｃと、燃料供給ライン８４Ａ〜８４Ｃと、酸化剤供給ライン８６Ａ〜Ｃと、制御弁８８Ａ〜８８Ｃと、入力ライン９０Ａ〜９０Ｃと、共通アース９１とを含んでいる。該システム８０は、燃料供給を１つ以上のキャピラリーチューブに続けながら１つ以上のキャピラリーチューブを洗浄することを可能にする。例えば、キャピラリー流路８２Ｂ及び８２Ｃを経由して供給される燃料の燃焼はキャピラリー流路８２Ａの洗浄中に行なうことができる。キャピラリー流路８２Ａの洗浄は、キャピラリー流路中の堆積物を酸化するのに十分な加熱をしながら、キャピラリーチューブ８２Ａへの燃料の供給を停止すると共に、キャピラリー流路８２Ａに空気を供給することにより、行なうことができる。こうして、連続的に燃料を供給しながら１本又は数本のキャピラリーの洗浄を行なうことができる。洗浄されつつある１つ以上のキャピラリー流路は、洗浄プロセスの間、電気抵抗ヒータにより又は適用例からの熱フィードバックにより加熱されていることが好ましい。この場合も、洗浄と洗浄との間の時間間隔は、経験的に決定される既知の閉そく特性に基づいて固定されていてもよく、或いは検知・制御装置を採用して成長した堆積物を検出し必要に応じて洗浄プロセスを開始してもよい。
【００６０】
図５は、本発明に従って装置を作動させる制御システムの具体例を概略的に示しており、該装置は、閉そくしたキャピラリー流路を洗浄するための酸化ガス供給源を含んでいる。制御システムは、燃料供給源１０２に作動可能に接続されたコントローラ１００を含んでおり、この燃料供給源は、気化室３３０と流体連通するキャピラリー流路１０４のような流路に燃料と随意であるが空気とを供給する。気化室３３０は、実質的に気化された燃料を供給するための少なくとも１つのオリフィス３３２を含んでいる。コントローラはまた、電源１０６に作動可能に接続されており、該電源が電力を抵抗加熱ヒータに送るか又は金属製キャピラリー流路１０４に直接に送って、燃料を気化させるのに十分にチューブを加熱する。必要であれば、燃焼システムは、多重流路とコントローラ１００に作動可能に接続される多重ヒータとを含むことができる。コントローラ１００は、オン・オフスイッチ、熱電対、燃料流量センサ、空気流量センサ、出力センサ、バッテリー充電センサ等のような１つ以上の信号送信装置と作動可能に接続されることができ、そのためコントローラ１００は、信号送信装置１０８によりコントローラに出力された信号（単数又は複数）に応答して燃焼システムの作動を自動的に制御するようにプログラム可能である。
【００６１】
再び図１を参照すると、作動中、この装置のハイブリッド型燃料気化装置は、燃焼により発生した熱が気化室１３０を加熱するように燃焼室内に配置されていて、暖機運転の後及びキャピラリー流路の加熱の低下もしくは中断の後、暖められた又は非加熱の液体燃料が液体燃料を、それが気化室オリフィス１３２を通過するときに、実質的に気化するのに十分に加熱されるようになっていて、キャピラリー流路１２を電気的に加熱する必要性を軽減もしくは排除している。
【００６２】
図１〜図５に記載された燃料気化装置及び付随のシステムはまた、本発明の別の実施形態に関連して使用されうることも分かるであろう。再び図１を参照すると、堆積物の洗浄手段は、キャピラリー流路１２を溶剤又は液体燃料源と交互に流体連通させるために、やはり三方弁でよい制御弁１８を含んでいて、溶剤がキャピラリー流路１２内に導入されたときにキャピラリー流路１２の現場洗浄を可能にしている。広範囲の溶剤が有用性を有しているが、溶剤は液体燃料源からの液体燃料から構成しうる。このような場合、燃料及び溶剤間で交互する必要がないので、何ら制御弁は必要とされず、そしてキャピラリー流路１２の洗浄中、熱源を段階的に停止するか不作動にすべきである。
【００６３】
図６は、自由ピストンスターリングエンジン３０と、燃焼室３４とを含む本発明に従った装置の概要を示しており、該燃焼室においては、５５０〜７５０℃の熱が往復動ピストンにより機械動力に変換され、該往復動ピストンがオルタネータ３２を駆動して電力を発生する。このアセンブリは、ハイブリッド型燃料気化装置８０、ヒータアセンブリ３６、コントローラ３８、整流器／調整器４０、バッテリー４２、燃料源４４、回収熱交換器４６、燃焼ブロワー４８、クーラー５０、及びクーラー／ブロワー５２も含んでいる。作動中、コントローラ３８は、ハイブリッド型燃料気化装置８０への燃料の供給を制御すると共に室３４における燃料の燃焼を制御して、燃焼の熱によりスターリングエンジンのピストンを駆動し、同エンジンがオルタネータ３２から電気を出力するように作動可能である。必要に応じて、スターリングエンジン／オルタネータは、機械動力を出力する動的スターリングエンジンに換えることができる。燃焼室及び空気予熱装置の種々の例は、米国特許第４,２７７,９４２号、第４,３５２,２６９号、第４,３８４,４５７号及び第４,３９２,３５０号に見ることができる。
【００６４】
図７は、本発明の別の実施形態に従った電力発生装置の概略部分横断面図を示しており、これはスターリングエンジンアセンブリのような熱変換装置の一部を形成することができる。図７に示すように、空気ブロワーにより空気入口に搬送される空気は、燃焼室３４に入り、ハイブリッド型燃料気化装置８０により室に供給された気化燃料と混合する。室３４における燃焼の熱はスターリングエンジン３０の端部を加熱し、滑動ピストンは電気を発生するような方法でオルタネータ内で往復動する。室３４は、排ガスが流入空気を予熱することを許容し、従って、燃料を燃焼させるためのエネルギ要求を低下させるように設計することができる。例えば、ハウジングは、流入空気が排気通路内を循環する排ガスにより加熱されるプレナム内を循環するのを許容する多層構造を含むことができる。吸気もしくは入口空気（矢印５５で示す）は、空気が燃焼室３４を囲む旋回羽根５６を通り流れることにより、燃焼室において旋回することができる。燃焼した空気−燃料混合物は熱変換装置（スターリングエンジン）３０を加熱し、そして排ガス（矢印５７で示す）は燃焼室から排出される。
【００６５】
図８において、スターリングエンジンのような外燃機関アセンブリでよい熱変換装置の一部としてハイブリッド型燃料気化装置の別の実施形態が示されている。ハイブリッド型燃料気化装置及び熱変換装置は、一部断面で概略的に示されている。ハイブリッド型燃料気化装置４００は、入口端４１４及び出口端４１６を有するキャピラリー流路４１２を含んでおり、出口端４１６は燃料気化部材５３０の近くに配置されている。この燃料気化部材５３０は、燃焼室６００からの燃焼の熱の伝達を助けるために比較的に大きな表面積を有するよう構成されていることが有利である。図示のように、燃料気化部材５３０は、第１表面５３６が燃焼室６００に露出しながらキャピラリー流路４１２の燃料が出る出口端４１６が第２表面５３４に衝突するように配置されている。熱変換装置が作動温度であるか又はそれに近い温度であるときに、燃焼の熱は燃料気化部材５３０を加熱し、第２表面５３４に衝突する燃料を気化させる。
【００６６】
燃料気化部材５３０は、通路６１０内に位置決めされたときに周辺ギャップ５３２を形成する外周辺５３２を有している。明らかなように、通路６１０及び燃料気化部材５３０が共に円形断面である場合、周辺ギャップ５３２は環状ギャップであろう。周辺ギャップ５３２を出る気化燃料は、次の燃焼のために通路６１０を通り流れる。随意であるが、キャピラリー流路４１２の入口端４１４をエネルギ源Ｆと流体連通させると共に、実質的に液体状態の液体燃料をキャピラリー流路４１２に導入するために、制御弁４１８を設けてもよい。この制御弁４１８はソレノイド（図示せず）により作動しうる。
【００６７】
熱源４２０は、キャピラリー流路４１２に沿って配設されている。特に好ましいのは、キャピラリー流路４１２を電気絶縁材料のチューブから形成することにより熱源４２０が提供されることであり、電流源が結合部４２２及び４２４でこのチューブに接続されてそこに電流を通すときにキャピラリー流路４１２の一部が加熱要素を形成する。装置の起動中に、又は必要に応じて、熱源４２０は、キャピラリー流路４１２内の液体燃料を、その少なくとも一部が液相から気相に変化して、実質的に気化した燃料の流れをキャピラリー流路４１２の出口端４１６から供給するのに十分なレベルまで、加熱するように作動可能である。
【００６８】
前述した実施形態と同様に、燃料気化装置４００は、作動中に形成された堆積物を洗浄するための手段を選択的に含みうる。図８に示された堆積物の洗浄手段は、キャピラリー流路４１２を液体燃料源Ｆ又は酸化剤Ｃの源及び熱源４２０のどちらかと交互に流体連通させる三方弁とすることができる制御弁４１８を含んでいる。作動中、熱源４２０は、液体燃料Ｆの加熱中に形成された堆積物を酸化するのに十分なレベルまでキャピラリー流路４１２において酸化剤Ｃを加熱するのに用いられる。一実施形態においては、燃料供給モードから洗浄モードに切り替えるため、酸化剤制御弁４１８は、キャピラリー流路１２内への液体燃料Ｆの導入及び酸化剤Ｃの導入を交互に行なうよう作動可能であると共に、酸化剤がキャピラリー流路４１２内に導入されたときにキャピラリー流路４１２の現場洗浄ができるようにする。
【００６９】
空気又は蒸気はキャピラリー流路４１２を通ることができる。キャピラリー流路４１２は、堆積物が消滅されるまで酸化プロセスが起こり且つ助長されるように、洗浄作業の間、加熱されていることが好ましい。この洗浄作業を改善するために、触媒物質をキャピラリー壁へのコーティングとして又はキャピラリー壁の一構成要素として用いて、洗浄を行なうのに必要とされる温度及び／又は時間を短縮してもよい。燃料気化装置の連続的作動のため、各流路に液体燃料又は空気を選択的に供給するよう弁操作を用いることにより、１つ以上のキャピラリー流路４１２を使用して、例えばセンサの使用により閉そく状態が検出されたときに、燃料の流れを別のキャピラリー流路４１２に迂回させて、閉そくされた洗浄すべきキャピラリー流路に酸化剤の流れＣを通し始めることができる。
【００７０】
この洗浄技術は、単一キャピラリー流路の複数のハイブリッド型燃料気化装置４００を有する燃焼装置にも適用しうる。洗浄と洗浄との間の時間間隔は、経験的に決定される閉そく特性に基づいて固定されていてもよく、或いは検知・制御装置を採用して閉そくを検出し必要に応じて洗浄プロセスを開始してもよい。例えば、制御装置は、ハイブリッド型燃料気化装置４００のキャピラリー流路への燃料供給圧力を検知することにより閉そくの度合いを検出することができる。
【００７１】
図８の熱変換装置を特に参照すると、燃焼空気は、空気ブロワーにより空気入口に供給されることができると共に燃焼室６００に入り、ハイブリッド型燃料気化装置４００により燃焼室６００に供給された気化燃料と混合する。図７の実施形態と同様に、燃焼室６００における燃焼の熱はスターリングエンジンのような外燃機関の端部を加熱し、滑動ピストンは電気を発生するような方法でオルタネータ内で往復動する。室６００は、排ガスが流入空気を予熱することを許容し、従って、燃料を燃焼させるためのエネルギ要求を低下させるように設計することができる。例えば、ハウジングは、流入空気が排気通路内を循環する排ガスにより加熱されるプレナム内を循環するのを許容する多層構造を含むことができる。吸気もしくは入口空気は、空気が燃焼室６００を囲む旋回羽根（図示せず）を通り流れることにより、燃焼室６００において旋回することができる。燃焼した空気−燃料混合物は熱変換装置（スターリングエンジンのような外燃機関）を加熱し、そして排ガスは燃焼室から排出される。
【００７２】
了解されるように、２つのハイブリッド型燃料気化装置を電力発生装置の同じ燃焼室において一緒に使用してもよく、その場合、一方が燃焼のために燃料を供給し、他方が前述したように酸化又は溶剤洗浄を通じて堆積物を一掃する。
【００７３】
概して、電力変換装置は、液体燃料源と、１つ以上のキャピラリーチューブを有する少なくとも１つのハイブリッド型燃料気化装置とを含んでおり、燃料源からの燃料はこれを通り気化されると共に燃焼室へと運ばれ、そこで気化燃料は燃焼され、燃焼室内で発生した熱は、スターリングエンジンのような外燃機関又はその他の熱変換装置を駆動するのに使用される。熱交換器を使用して、空気が該熱交換器における空気通路を通るときに該空気を加熱し、それにより装置の効率を最大化することができる、即ち、室における燃焼を支持するため気化燃料と混合される空気を予熱することにより、外燃機関を所望の作動温度に維持するのに必要な燃料が少なくなる。排ガスは、熱交換器にある排気ダクトを通り移動することができ、そのため排ガスからの熱は燃焼室に供給されている空気に伝達することができる。
【００７４】
燃焼室は、空気が気化燃料と混合される及び／又は空気−燃料混合物が燃焼される任意の適当な装置を含むことができる。例えば、燃料をベンチュリ管で空気と混合して空気−燃料混合物を生成することができ、そしてこの空気−燃料混合物をベンチュリ管の下流にある熱発生区域において燃焼させることができる。燃焼を開始するために、空気−燃料混合物は点火区域に閉じ込めることができ、そこでスパーク発生器のような点火装置が混合物を点火する。点火装置は、機械式スパーク発生器、電気式スパーク発生器、抵抗加熱点火ワイヤ等のように燃料を点火することが可能な任意の装置とすることができる。電気式スパーク発生器は、小型バッテリーのような任意の適当な電源により電力を供給されることができる。しかしながら、バッテリーは、作動されたときに電流を発生する手動式圧電変換器と交換することができる。このような装置では、該変換器を押すことにより電流を電子機械式に発生することができる。例えば、トリガーが押し下げられたときに所定の力で変換器を打つようにストライカを配設することができる。変換器により発生された電気は、適当な回路手段によりスパーク発生機構に供給されることができる。このような装置が燃料−空気混合物を点火するのに使用することができる。
【００７５】
変換装置により発生された電力の一部は、点火装置に電力を供給するのに使用できるバッテリー又はコンデンサのような適当な蓄積装置に蓄えておくことができる。例えば、手動スイッチを使用して電流を選択的に、抵抗加熱素子に、又は流路内の燃料を気化する金属チューブの一部に直接に流すことができるし、及び／又は電流を、燃焼室に送られる燃料−空気混合物の燃焼を開始するために点火装置に供給することができる。
【００７６】
所望ならば、燃料を燃焼することにより発生された熱は、機械動力又は電力に依存する任意の種類の装置を作動するのに使用することができる。例えば、電話通信装置（例えば、無線電話機）、ポータブルコンピュータ、電動工具、電気器具、キャンプ機器、軍用機器、モペット、電動車椅子及び船舶推進装置のような搬送機器、電子検知装置、電子監視機器、バッテリー充電器、照明機器、加熱機器等のような可搬型電気機器のための電気を発生するために熱変換源を使用することができる。この熱変換装置は、非可搬型装置へ又は電源へのアクセスが得られない、アクセスの便が悪い又はアクセスが当てにならない場所へ電力を供給するのにも使用することができる。このような場所及び／又は非可搬型装置には、遠隔居住区域、軍事野営地、自動販売機、船舶設備等がある。
【００７７】
実施例１
向上した燃料調整の潜在的利点を明らかにするため、ＪＰ８ジェット燃料をマイクロダイヤフラムポンプにより一定圧力で加熱キャピラリー流路に供給することにより気化する種々の試験が行なわれた。これらの試験において、内径（ＩＤ）及び外径（ＯＤ）がｃｍ（括弧内はインチ）で０.０２５ＩＤ/０.０４６ＯＤ（０.０１０ＩＤ/０.０１８ＯＤ）のキャピラリーチューブが使用された。該チューブは、７.６ｃｍ(３インチ）の長さを有する３０４ステンレス鋼から形成された。液体燃料を気化するための熱は、金属チューブの一部に電流を通すことにより発生された。液滴粒の分布は、モールヴァン（Malvern)により製造されたスプレー−テク(Spray-Tech)レーザー回析システムを使用して測定した。図９はこれらの試験の結果を示している。図示のように、この試験の結果によると、液滴が１.７〜３.０μｍのザウタ平均粒径（ＳＭＤ）を有することを示していた。ＳＭＤは、表面対容積比がスプレー全体のそれに等しく且つスプレーの質量移動特性に関係している液滴の直径である。
【００７８】
本発明による装置はまた、測定可能な単一及び二つのモードを有するスプレー分布を発生させた。測定値は、単一モードＳＭＤが２.３μｍで、二つのモードのＳＭＤが３.０μｍであり、単一モードが大抵１.７〜４.０μｍの間にあるエーロゾル液滴径を生成するのに対して、２つのモードのスプレー分布は、８０％以上のエーロゾル液滴が１.７〜４.０μｍの範囲内にあることを規定しており、残部の液滴径は９５〜３００μｍの範囲内にある。
【００７９】
実施例２
ハイブリッド型燃料気化システムの閉そく特性及び利点を実施例１の加熱キャピラリー通路のそれらのものと比較する試験を行なった。図１に記載した形式のハイブリッド型燃料気化装置を０.４〜０.５Kg／cm2（６〜７psig）の範囲の燃料供給圧力で且つ気化部をはだか火の上に置いて連続的に運転した。０７Kg-m/秒（７Ｗ）の最小電気入力をこの試験の間キャピラリー流路に供給して、燃料の予熱を助成した。使用した気化室は、直径が０.６４ｃｍ（０.２５インチ）、長さが０.９５ｃｍ（０.３７５インチ）であり、３０４ステンレス鋼から形成されていた。気化室の出口オリフィスは直径が０.０５ｃｍ（０.０２インチ）であった。
【００８０】
ちなみに、内径（ＩＤ）及び外径（ＯＤ）がｃｍ(括弧内はインチ）単位で０.０２５ＩＤ/０.０４６ＯＤ（０.０１０ＩＤ/０.０１８ＯＤ）であり且つ長さが７.６ｃｍ（３インチ）のステンレス鋼製キャピラリーチューブからなるキャピラリー流路が使用された。大体１.４Kg／cm2（１９.５psig）の燃料供給圧力で、酸化洗浄のため５分間の低圧空気流及び５分間の燃料気化の周期的な閉そく／非閉そく試験モードを採用した。これらの試験の結果は図１０に表わされており、ここに開示したハイブリッド型燃料気化システムについて、長期間の運転可能性の明白な利点が明らかにされている。
【００８１】
本発明をその好適な実施形態に関して詳細に説明してきたが、当業者にとって明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の改変を行なうことができ、また、均等物を採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施形態に従ってキャピラリー流路と気化室とを含むハイブリッド型燃料気化装置を部分横断面図で示している。
【図２】図４の装置及びシステムを実施するのに使用できる気化室及び多重キャピラリー装置とを有するハイブリッド型燃料気化装置を示している。
【図３】図２に示した装置の線３−３に沿った断面図である。
【図４】多重キャピラリー装置及び気化室を有するハイブリッド型燃料気化装置において燃料を気化し堆積物を酸化するのに使用可能であり、本発明の実施の際に使用するため実質的に気化した燃料を供給する装置の詳細を示している。
【図５】キャピラリー流路及び気化室を有するハイブリッド型燃料気化装置に燃料と、選択的に酸化ガスとを供給するための制御装置の概略を示している。
【図６】本発明に従って電力を発生する装置の概略図であり、該装置において、本発明の一実施形態に従って電気を発生するためにスターリングエンジンのような外燃機関が使用されている。
【図７】本発明の別の実施形態に従った電力発生装置の部分概略断面図を示している。
【図８】本発明の別の実施形態に従った別の電力発生装置の部分概略断面図を示している。
【図９】液滴径の関数として液滴の割合を示す液滴分布グラフであり、キャピラリー流路を採用する燃料気化装置の利点を明らかにしている。
【図１０】ハイブリッド型燃料気化システムの長期間運転性に対する利点を明らかにする周期的閉そく／非閉そく試験の結果を比較している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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