(57)【要約】【課題】第2チェンバーは引込み充填空気を加熱するのに効果的に位置されていることを特徴とする外燃エンジンに使われる燃焼器/復熱装置アセンブリーを提供する。【解決手段】スターリングエンジンなどの外燃エンジンに使われる燃焼器/復熱装置アセンブリーであって、このアセンブリーは複数の実質的な半球形ドーム状部材が間隔をあけて一軸内包式に位置されており、この複数の実質的な半球形ドーム状部材は少なくとも第1フローチェンバー及び第2フローチェンバーからなり、前記第1フローチェンバーは引込み充填空気を通過させ、前記第2フローチェンバーは引出し充填燃焼排気ガスを通過させるようになされている。【選択図】図２
2007527478.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の実質的な半球形ドーム状部材が間隔をあけて一軸内包式に位置されており、前記複数の実質的な半球形ドーム状部材は少なくとも第1フローチェンバー及び第2フローチェンバーからなり、前記第1フローチェンバーは引込み充填空気を通過させ、前記第2フローチェンバーは引出し充填燃焼排気ガスを通過させるようになされた、ヒーターヘッドを備えた外燃エンジンに使われる燃焼器/復熱装置アセンブリーにおいて、
前記第2チェンバーは引込み充填空気を加熱するのに効果的に位置されていることを特徴とするヒーターヘッドを備えた外燃エンジンに使われる燃焼器/復熱装置アセンブリー。
【請求項２】
前記複数の実質的な半球形ドーム状部材は
(a) 外表面及び内表面有する吸気ドーム；
(b) 外表面及び内表面を有する復熱装置ドーム；
(c) 外表面及び内表面を有する排気ドーム；及び
(d) 外表面及び内表面を有する内部ドームを含み、
前記復熱装置ドームは前記吸気ドームの内表面と前記排気ドームの外表面の間に位置されており、前記内部ドームの外表面は前記排気ドームの内表面に隣接されていることを特徴とする請求項1に記載のアセンブリー。
【請求項３】
前記内部ドームの内表面に耐熱材料を付着し、前記吸気ドーム、復熱装置ドーム及び排気ドームを燃焼により発生された熱から断熱することにより、前記耐熱材料により外燃エンジンヒーターヘッドの外表面に熱が伝達される熱伝達力が改善されることを特徴とする請求項2に記載のアセンブリー。
【請求項４】
前記耐熱材料は約1260℃(2300°F)以上の使用定格を有する、軽量で高純度のアルミナ‐シリカ繊維であることを特徴とする請求項3に記載のアセンブリー。
【請求項５】
前記外燃エンジンのヒーターヘッドはヒーターヘッドへの熱伝逹を更に向上させるために銅層で被覆されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のアセンブリー。
【請求項６】
前記吸気ドームは壁厚さ約0.5〜1mmのステンレス鋼で製作されていることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか一項に記載のアセンブリー。
【請求項７】
前記復熱装置ドームは壁厚さ約0.5〜1mmのステンレス鋼で製作されていることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか一項に記載のアセンブリー。
【請求項８】
前記排気ドームは壁厚さ約1mmのステンレス鋼で製作されていることを特徴とする請求項2乃至7のいずれか一項に記載のアセンブリー。
【請求項９】
(a) 間隔をあけて一軸内包式に配置された複数の実質的な半球形ドーム状部材を含み、前記複数の実質的な半球形ドーム状部材は少なくとも第1フローチェンバー及び第2フローチェンバーからなり、前記第1フローチェンバーは引込み充填空気を通過させ、前記第2フローチェンバーは引出し充填燃焼排気ガスを通過させる、ヒーターヘッドを備えた外燃エンジンに使われる燃焼器/復熱装置アセンブリー；
(b) 一つ以上の毛細管流路を含み、前記一つ以上の毛細管流路は入射端部及び出口端部有し、前記入射端部は流体中で液体原料源と連通するようになされた燃料気化装置；及び前記一つ以上の毛細管流路に沿って配置されており、前記一つ以上の毛細管流路内の液体原料の少なくとも一部が液体状態から気体状態に変化されるのに充分な水準まで加熱を行い、前記一つ以上の毛細管流路の出口端部から実質的に気化された燃料流を供給することができる熱源；及び
(c) 燃焼器/復熱装置アセンブリーの内表面及び外燃エンジンのヒーターヘッドの外表面により区画され、実質的に気化された燃料流及び空気流を燃焼させる点火装置を備え、前期一つ以上の毛細管流路の出口端部と連通する燃焼チェンバーからなる、ヒーターヘッドを備えた外燃エンジン用バーナーを含むヒーターヘッドを備えた外燃エンジン用バーナーにおいて、
前記燃焼器/復熱装置の前記第2チェンバーは、引込み充填空気を加熱するのに効果的に位置されていることを特徴とするヒーターヘッドを備えた外燃エンジン用バーナー。
【請求項１０】
前記複数の実質的な半球形ドーム状部材は
(a) 外表面及び内表面を有する吸気ドーム；
(b) 外表面及び内表面を有する復熱装置ドーム；
(c) 外表面及び内表面を有する排気ドーム；及び
(d) 外表面及び内表面を有する内部ドームを含み、
前記復熱装置ドームは前記吸気ドームの内表面と前記排気ドームの外表面の間に位置されており、前記内部ドームの外表面は前記排気ドームの内表面に隣接されていることを特徴とする請求項9に記載のバーナー。
【請求項１１】
前記内部ドームの内表面に耐熱材料を更に付着し、前記吸気ドーム、復熱装置ドーム及び排気ドームを燃焼により発生された熱から断熱することにより、前記耐熱材料により外燃エンジンヒーターヘッドの外表面への熱伝逹力が改善されることを特徴とする請求項10に記載のバーナー。
【請求項１２】
前記耐熱材料は約1260℃(2300°F)以上の使用定格を有する軽量で、高純度のアルミナ‐シリカ繊維であることを特徴とする請求項11に記載のバーナー。
【請求項１３】
前記外燃エンジンのヒーターヘッドはヒーターヘッドへの熱伝逹を更に向上させるために銅層で被覆されていることを特徴とする請求項9乃至12のいずれか一項に記載のバーナー。
【請求項１４】
前記吸気ドームは壁厚さ約0.5〜1mmのステンレス鋼で製作されていることを特徴とする請求項10乃至13のいずれか一項に記載のバーナー。
【請求項１５】
前記復熱装置ドームは壁厚さ約0.5〜1mmのステンレス鋼で製作されていることを特徴とする請求項10乃至14のいずれか一項に記載のバーナー。
【請求項１６】
前記排気ドームは壁厚さ約1mmのステンレス鋼で製作されていることを特徴とする請求項10乃至15のいずれか一項に記載のバーナー。
【請求項１７】
(a) 吸気を介して空気流を導入するステップ；
(b) 液体燃料を一つ以上の毛細管流路に供給するステップ；
(c) 一つ以上の毛細管流路内の液体燃料を加熱することによって、実質的に気化された燃料流を一つ以上の毛細管流路に通過させるステップ；
(d) 燃焼チェンバー中の空気及び気化された燃料を燃焼させるステップ；
(e) 燃焼ガス流を、排気を介して排気するステップ；
(f) 復熱装置を介してステップ(e)で排気された燃焼ガス流からステップ(a)で導入された空気流に熱交換するステップ；
(g) 外燃エンジンを使用して燃焼チェンバー内の気化された燃料を燃焼させることによって生成された熱を機械力及び/または電力に変換するステップを含む動力発生方法において、
前記復熱装置は間隔をあけて一軸内包式に配置された複数の実質的な半球形ドーム状部材を含み、前記複数の実質的な半球形ドーム状部材は少なくとも第1フローチェンバー及び第2フローチェンバーからなり、前記第1フローチェンバーは引込み充填空気を通過させ、前記第2フローチェンバーは引出し充填燃焼排気ガスを通過させ、前記第2チェンバーは引込み充填空気を加熱するのに効果的に位置されていることを特徴とする動力発生方法。
【請求項１８】
前記複数の実質的な半球形ドーム状部材は
(a) 外表面及び内の表面を有する吸気ドーム；
(b) 外表面及び内表面を有する復熱装置ドーム；
(c) 外表面及び内表面を有する排気ドーム；及び
(d) 外表面及び内表面を有する内部ドームを含み、
前記復熱装置ドームは前記吸気ドームの内表面と前記排気ドームの外表面の間に位置されており、前記内部ドームの外表面は前記排気ドームの内表面に隣接されていることを特徴とする請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
前記内部ドームの内表面に耐熱材料を更に付着し、前記吸気ドーム、復熱装置ドーム及び排気ドームを燃焼により発生された熱から断熱することにより、前記耐熱材料により外燃エンジンヒーターヘッドの外表面への熱伝逹力が改善されることを特徴とする請求項18に記載の方法。
【請求項２０】
前記耐熱材料は約1260℃(2300°F)以上の使用定格を有する軽量で、高純度のアルミナ‐シリカ繊維であることを特徴とする請求項18に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は外燃エンジンに関するものである。より具体的に、本発明は改善された熱伝逹性を有するように構成された燃焼器/復熱装置アセンブリーデザインのスターリングサイクルエンジン等の外燃エンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スターリングサイクルエンジンは19世紀初め、スターリングロバート(STIRLING, Robert)により最初に着眼された。19世紀中盤に、この高温ガスエンジンの商用品が回転力を製作機に供給するように開発された。その後、20世紀中盤までこのスターリングエンジンは内燃エンジンの成功と人気のために注目を受けられなかった。エンジン及び冷凍機を含むスターリングサイクル機器が本出願書に参照して援用したWalkerの“Stirling Engines”,Oxford University出版(1980)に詳細に説明されている。
【０００３】
スターリングサイクルエンジンの基本原理はスターリング熱力学サイクル：1) シリンダー内ガスの等積加熱、2) ガスの等温膨脹(ピストンを駆動させて作業を行う時)、3) 等積冷却及び 4) 等温圧縮の機械的具現である。スターリングサイクル機器の特性に対する追加的背景知識及びその改善点が本出願書に参照して援用したHargreavesの“The Phillips Stirling Engine”(Elsevier社発刊, アムステルダム, 1991)に論議されている。
【０００４】
最近、このスターリングエンジンの高い理論効率が多い関心を受けている。このスターリングエンジンに、燃焼排出の制御容易性、安全な利用可能性、経済性及びより容易な燃料利用と静かな運転操作性の付加的利点を付与し、この全てを組合せてスターリングエンジンを多用途の内燃エンジンの非常に好ましい代替品としようとしている。
このような利点にもかかわらず、スターリングエンジンの発展は予想したことより非常に遅い速度で進行されてきた。より深刻な問題のうち一部には高圧で作業空間内に作用ガスを密封しなければならない必要があり、熱源から作用ガスで高温でヒーターヘッドを介して高温で熱を伝逹する必要があり、また簡単で、信頼性があって安い、負荷変動によって動力を制御する手段が必要であるという問題がある。
【０００５】
多様な用途に非常に適合した一例のデザインとしてはフリーピストンスターリングエンジンがある。フリーピストンスターリングエンジンは出力部材が機械的に独立されているディスプレーサ(displacer)を用いる。出力部材に対するその動作及び位相(phasing)は機械的連結よりはバネ質量の均衡ダイナミックシステムの状態により達成される。
スターリングエンジンに対して幅広い範囲への適用が提案されてきた。例えば、自動車への用途、冷房装置及び宇宙空間への用途が挙げられる。これら用途には高動力及び高エネルギー密度の全てを提供する動力が要求されると共に、また小軽量化、低排出及び低費用が要求されるによって、遠距離フィールドサービスにおいて携帯用電子機器、通信装置、医療機器及びその他の機器に動力を供給する必要性がまた他の機会として存在する。
【０００６】
今まで、電池は携帯用動力源を供給する主要手段であった。しかし、電池を再充電することに時間が要求されて連続使用の用途としては適切ではないことが判明された。さらに、携帯用電池の出力量は一般的に数ミリワット〜数ワットの範囲内に限定されているため、移動性、軽量、出力量の相当水準が要求されるのに対しては対処することができなかった。
【０００７】
ガソリン又はディーゼル内燃エンジンにより動力される小型ジェネレーターも使われてきた。しかし、このようなジェネレーターの騷音及び排出特性により、広範囲の移動式動力システムに対しては全く適合ではなく、屋内使用時、安全ではない。高エネルギー密度の液体燃料により動力される従来の熱エンジンは大きさにおいては利点があるが、熱力学的スケーリング及び費用の観点では大型発電装置に使うことが容易な傾向がある。
【０００８】
このような観点で、大きさの範囲約5.1〜51kg-m/sec(50〜500ワット)の動力システムに対しては不足することが存在する。さらに、高エネルギー密度の液体燃料の利点を取るためには、原料普及速度を遅らせることのできる燃料準備及び供給システムが必要となる。また、このようなシステムは最少排出で高効率の燃焼が可能でなければならない。
エンジン効率を最大化させるための動きによって刺激されて、スターリングエンジンを幅広い用途範囲に対してより適合にするために数個の変形が紹介されてきた。基本的スターリングエンジンは相当量のエネルギーが、大気に放出される排気ガスを介して浪費され得る連続燃焼システムを採用する。スターリングエンジンを一定の用途で使用するために、高重量鋼鉄製の熱交換器が排気熱エネルギーの一部を導入空気に返して燃焼を容易にするよう考案された。自動車用途においては、高重量鋼鉄製の熱交換器が早くからガスタービンエンジンの用途として有用であると知られた回転式セラミック予熱器型に代替された。回転式予熱器は三日月形状の開口を介して高温ガスを回転セラミックホイールに露出させ、独立された三日月形状の開口で、その加熱されたホイールに導入空気を個別的に露出させる。固有の大きさ制限により利用可能な選択範囲が限定されるため、小型のフリーピストンスターリングエンジンはエンジン効率の改善という独特の課題を有している。
【０００９】
このような観点で、本技術分野の進歩にもかかわらず、熱効率特性が改善された小型のフリーピストンスターリングエンジンの要求が続いている。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０１７７７６８号明細書
【非特許文献１】Walkerの“Stirling Engines”,Oxford University出版(1980)
【非特許文献２】Hargreavesの“The Phillips Stirling Engine”(Elsevier社発刊, アムステルダム, 1991)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
複数の実質的な半球形ドーム状部材が間隔をあけて一軸内包式に位置されており、前記複数の実質的な半球形ドーム状部材は少なくとも第1フローチェンバー及び第2フローチェンバーからなり、前記第1フローチェンバーは引込み充填空気を通過させ、前記第2フローチェンバーは引出し充填燃焼排気ガスを通過させるようになされた外燃エンジンに使われる燃焼器/復熱装置アセンブリーにおいて、
前記第2チェンバーは引込み充填空気を加熱するのに効果的に位置されていることを特徴とする外燃エンジンに使われる燃焼器/復熱装置アセンブリーを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一例の形態において、前記アセンブリーの複数の実質的な半球形ドーム状部材は
(a) 外表面及び内表面を有する吸気ドーム;
(b) 外表面及び内表面を有する復熱装置ドーム;
(c) 外表面及び内表面を有する排気ドーム; 及び
(d) 外表面及び内表面を有する内部ドームを含み、
前記復熱装置ドームは前記吸気ドームの内表面と前記排気ドームの外表面の間に位置されており、前記内部ドームの外表面は前記排気ドームの内表面に隣接してある。
【００１２】
また、(a) 間隔をあけて一軸内包式で配置された複数の実質的な半球形ドーム状部材を含み、前記複数の実質的な半球形ドーム状部材は少なくとも第1フローチェンバー及び第2フローチェンバーからなり、前記第1フローチェンバーは引込み充填空気を通過させ、前記第2フローチェンバーは引出し充填燃焼排気ガスを通過させる、ヒーターヘッドを備えた外燃エンジンに用いられる燃焼器/復熱装置アセンブリー;
(b) 一つ以上の毛細管流路を含み、前記一つ以上の毛細管流路は入射端部及び出口端部を有し、前記入射端部は流体中で液体原料源と連通するようになった燃料気化装置；及び前記一つ以上の毛細管流路に沿って配置されており、前記一つ以上の毛細管流路内の液体原料の少なくとも一部が液体状態から気体状態に変化されるのに充分な水準まで加熱を行い、前記一つ以上の毛細管流路の出口端部から実質的に気化された燃料流を供給できる熱源；及び
(c) 燃焼器/復熱装置アセンブリーの内表面及び外燃エンジンのヒーターヘッドの外表面により区画され、実質的に気化された燃料流及び空気流を燃焼させる点火装置を備え、前記一つ以上の毛細管流路の出口端部と連通する燃焼チェンバーからなるヒーターヘッドを備えた外燃エンジン用バーナーにおいて、
前記燃焼器/復熱装置の前記第2チェンバーは、引込み充填空気を加熱するのに効果的に位置されているヒーターヘッドを備えた外燃エンジン用バーナーを提供する。
【００１３】
また、(a) 吸気を介して空気流を導入するステップ；
(b) 液体燃料を一つ以上の毛細管流路に供給するステップ；
(c) 一つ以上の毛細管流路内の液体燃料を加熱することによって、実質的に気化された燃料流を一つ以上の毛細管流路に通過させるステップ；
(d) 燃焼チェンバー中の空気及び気化された燃料を燃焼させるステップ；
(e) 燃焼ガス流を排気を介して排気するステップ；
(f) 復熱装置を介してステップ(e)で排気された燃焼ガス流からステップ(a)で導入された空気流に熱交換するステップ；
(g) 外燃エンジンを用いて燃焼チェンバー内の気化された燃料を燃焼させることによって生成された熱を機械力及び/又は電力に変換するステップを含む動力発生方法において、
前記復熱装置は間隔をあけて一軸内包式で配置された複数の実質的な半球形ドーム状部材を含み、前記複数の実質的な半球形ドーム状部材は少なくとも第1フローチェンバー及び第2フローチェンバーからなり、前記第1フローチェンバーは引込み充填空気を通過させ、前記第2フローチェンバーは引出し充填燃焼排気ガスを通過させ、前記第2チェンバーは引込み充填空気を加熱するのに効果的に位置されている動力発生方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に対して本発明の好ましい形態を図面を参照してより詳細に説明するが、これに限定されることではない。
図1〜6を参照して実施形態を説明し、ここで同一の符号は同一の部分を示す。
本発明は外燃エンジン、特にスターリングエンジンに適合に用いられる燃焼器/復熱装置のデザインを提供する。このデザインは、外燃エンジンヒーターヘッドのように、積載物に良質の熱を最大限伝達可能であり、燃焼用空気を予熱するために低質の熱を復熱装置で効率的に伝達可能な低質量の断熱材と共に、燃焼用空気の流路及び排気流路の配列を提供する。これによって、コンパクトで軽量で、費用効率的なデザインにおいて積載物への熱伝逹効率性を最大にすることができる。
【００１５】
よく知られているように、スターリングエンジンは加熱のために連続外燃システムを用いる外燃エンジンである。一般的に、この連続燃焼システムは吸気システム、排気装置及び燃焼チェンバーで構成されている。全システムの効率を向上させるためには、吸気された空気流を予熱する手段を採用することが有利である。
熱をヒーターヘッドに供給するために燃料を燃焼させるのには多くの点で規制される。例えば、約500〜750℃以内の熱を供給しなければならない。ヒーターヘッド上の有効表面領域には燃焼熱源から超高温熱流速を発生させたり又/又は拡張されたヒーター表面の提供が要求される。また、熱伝逹及び熱温度はできる限り均一しなければならず、燃焼の時には、例えばNOx、CO及び非燃焼炭化水素等の公害物質の発生を最小限にしなければならない。
【００１６】
前記システムの変換効率を最大化するためには、高温で予熱された燃焼用空気を使用しなければならない。これを成すためには、空気を復熱装置で予熱しなければならない。しかし、高温の燃焼用空気温度では燃焼器からNOxを排出する可能性が顕著に増加する。排出損失を最小化し、システム効率を最大にするために、燃焼器は過剰空気の水準が、できる限り低い水準で操作されなければならない。最大燃焼器効率のためには、良質の熱、即ち燃焼から直接的に調達され得る熱はエンジンヒーターヘッドに直接的に伝達されなければならず、低質の熱、即ち排気流の熱は復熱装置中の燃焼用空気を予熱するのに用いられなければならない。
【００１７】
図1において、スターリングエンジン燃焼器/復熱装置部分(10)の概略図を示す。燃料及び空気が周囲温度である室温T0で燃焼チェンバー(12)に投入される。燃焼生成物が一定の室温、T4で残される。
燃焼生成物を膨脹交換器(14)の外表面と最終的に接触する温度は名目だけの原料温度、TEを超過しなければならない。これで分かるように、この温度で燃焼生成物を排気することは全体的効率を高めるどんな可能性もなくすことができるので、燃焼システムは排気ガスに熱交換して空気を予熱しなければならない。図1において、空気はT0で復熱装置(20)の予熱路(18)の入口(16)に投入され、復熱装置(20)を介して排気ガスから熱を得た後、出口(24)で温度Tbになる。
【００１８】
燃料は温度T0で燃料供給装置(28)の出口(26)に導入される。必要に応じて、高圧空気源(30)と伴って速度m'apで注入しても良い。分かるように、このようなシステムの純空気/燃料比は両空気流の合計、m'a=(m'ap+m'as)に基づく。適切に予熱することにより、燃料と空気を予混合しても良い。本発明の実用に用いられる特に好ましい細管式燃料気化装置が米国特許公開US-2003-0177768-A1に開示されている。
【００１９】
その後、燃焼チェンバー(12)内で燃焼を行って温度T2を得る。この実施形態での燃焼は生成物が膨脹交換器(14)を過ぎてしまう前、即ち温度T3で行ってしまう前に終了される。これは生成物が復熱装置(20)の排気路(22)の排気入口(32)に投入される時の温度である。排気生成物は引込み空気と熱交換した後、T4で残る。
図2〜4において、本発明は、コンパクトで軽量で、費用効率的なデザインにおいて効率性を最大にして、スターリングエンジンのヒーターヘッドに熱を効率的に伝達しようとするものである。図面のように、燃焼器ハウジング/復熱装置アセンブリーは4個の実質的な半球形ドームの内包式セットからなる。4個のドームは壁厚さ約0.5〜1mmのステンレス鋼または公知された超合金のうちいずれか一つで製作されていても良い吸気ドーム(150)、壁厚さ約0.5〜1mmのステンレス鋼で製作されていても良い復熱装置ドーム(152)、壁厚さ約1mmのステンレス鋼で製作されていても良い排気ドーム(154)、及び壁厚さ約1mmのステンレス鋼で製作されていても良い内部ドーム(156)を含む。耐熱材料(160)を内部ドーム(156)に付着して吸気ドーム(150)、復熱装置ドーム(152)及び排気ドーム(154)を燃焼熱からもっと断熱して、スターリングエンジンヒーターヘッド(170)の外表面に最高量の熱を伝達する熱伝逹力を改善する(図3参照)。熱伝逹を更に補助するために、ステンレス鋼からなっていても良いヒーターヘッド(170)を銅層でもっと被覆できる。図4に示した通り、ステンレス鋼製内包式ドームは間隔をあけて位置されており、後述する通路を形成する。このステンレス鋼製ドームは同一に位置するように溶接又ははんだ付けによりセラミックシェルに完全球状または半管状に接合結合されても良い。
【００２０】
図2及び図4において、燃焼用空気が入口(180)に導入されて上層マニホールド(182)に導入され、これは複数のマニホールドランナー(184)を通し、吸気ドーム(150)と復熱装置ドーム(152)の組合せにより形成された外部シェル通路(186)を介して流れて落ちる。その次に、燃焼用空気は排気ドーム(154)と内部ドーム(156)の組合せにより形成された排気シェル通路(190)を介して流れ出た燃焼生成物から対流熱伝逹により熱を吸収する。この空気は周りに配置された複数のスロット(194)を通過し、復熱装置ドーム(152)と排気ドーム(154)の組合せにより形成された内部シェル通路(192)を介して上方に向けて方向を変えてより加熱され、最終的に上層マニホールド(182)を経て中央燃焼区域(200)に入って燃料と混合されて発火する。燃焼器はマニホールド(182)を介して中心軸に沿って燃料を導入する拡散火炎方式であるか、復熱装置通路又はマニホールド(182)で燃料を導入する予混合方式で操作され得る。燃焼区域は対流と放射を混合してスターリングエンジンヒーターヘッド(170)を加熱する。燃焼生成物はヒーターヘッドの底部から抜け出して排気ドーム(154)と内部ドーム(156)の組合せにより形成されている、軽量の耐火断熱材(160)の後部に位置した排気シェル通路(190)を介して流れて上がる。
【００２１】
耐熱材料としては好ましくは約1260℃(2300°F)以上の使用定格、より好ましくは約1427〜1538℃(2600〜2800°F)以上の使用定格を有する軽量、高純度のアルミナ‐シリカ繊維が挙げられる。このような材料は熱伝導率が低く、比熱が低く、熱衝撃耐性が高く、耐久性に優れることを特徴とする。本発明に適合に用いられる耐熱材料の平均温度538℃(1000°F)での大略の熱伝導率(ASTM  C-201)値は約1.2J/(sec)(cm2)(℃/cm)(0.8BTUin/hr/ft2)以上である。このような材料の原料が米国のOhio, Sebring所在のRefractory Specialties Incorporated製の商品名GemcoliteTMと市販されている。
【００２２】
当業者により分かるように、断熱材は火炎区域に隣接して位置しているため、良質の熱が引込み空気と外部環境に対する低温の復熱装置の壁を介して伝達されることが抑制されることにより効率性が増加する。
燃焼器は気体燃料源を使用して燃料を供給しても良く、または気化された高エネルギー密度液体燃料を燃焼に供給できる燃料システムを備えていても良い。標準温度及び圧力下(周囲条件)において気体として存在する適切な燃料としてはメタン、エタン、プロパン及びブータン等の炭化水素燃料が挙げられる。
【００２３】
または、本発明において適切に使われる燃料気化器を図3に概略的に示す。図3において、本発明の燃焼器/復熱装置アセンブリーは燃料供給器(図示しない)に連結する一つ以上の毛細管の大きさの流路(300)を含んでいても良い燃料気化器を備えていても良い。米国特許公開番号 US-2003-0177768-A1に開示されている通り、熱源は流路(300)に沿って配置されて流路内の液体燃料を十分に加熱して、気化された燃料類を流路の出口から燃焼区域(200)に供給し、その気化された燃料は燃焼される。流路(300)は抵抗ヒーターにより加熱される毛細管である可能性もあり、その管の一部は電流が通過することによって加熱される。特に好ましくは、毛細管流路(300)は燃料を気化させる所望温度に急激に、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秒以内に昇温され得るように、毛細管流路は低い熱慣性を有してなければならない。毛細管の大きさの流路は単一または多層金属、セラミックまたはガラスボディー等の毛細管ボディーからなることが好ましい。通路が毛細管ボディーの外側に開口されるか、または同一ボディーまたは他のボディー内の他の通路に連結されていても良い、入口または出口が開口された密封体を有する。ヒーターはステンレス鋼製管部等のボディーの一部で構成されることができ、またはヒーターは毛細管ボディー、または毛細管ボディー上に合体された別個の層またはワイヤーである可能性がある。
【００２４】
図5は本発明の他の形態による燃焼機/復熱装置アセンブリーの他の実施形態の断面図を示す。燃焼機ハウジング/復熱装置アセンブリーは外部3個のドームが図示した通りマニホールドを調節するように外部にフレアされているが、4個の実質的な半球形ドームの内包式セットからなっている。4個のドームは壁厚さ約0.5〜1mmのステンレス鋼または公知された超合金のうちいずれか一つで製作されていても良い吸気ドーム(550)、壁厚さ約0.5〜1mmのステンレス鋼で製作されていても良い復熱装置ドーム(552)、壁厚さ約1mmのステンレス鋼で製作されていても良い排気ドーム(554)、及び壁厚さ約1mmのステンレス鋼で製作されていても良い内部ドーム(556)を含む。耐熱材料(560)を内部ドーム(556)に付着して吸気ドーム(550)、復熱装置ドーム(552)及び排気ドーム(554)を燃焼熱からより断熱して、スターリングエンジンヒーターヘッド(図示しない)の外表面に最高量の熱を伝達する熱伝逹力を改善する。図示した通り、ステンレス鋼製内包式ドームは間隔をあけて位置されており、吸気通路及び排気通路を形成する。ステンレス鋼製ドームは溶接またははんだ付けにより接合されていても良い。
【００２５】
好ましくは、アセンブリーの加熱時及び排気ドーム(554)の熱成長時の柔軟性を提供するために、内部ドーム(560)は排気ドーム(554)に確かに固定にされているよりは搭載されたバネであっても良い。また、これは、スターリングエンジンの振動による長期間にわたった内部ドーム(560)の摩耗を防止する。他の好ましい配列には当業者に知られているガスタービンエンジンに使われる形態の セラミック/金属フェルトを使用することが挙げられる。
【００２６】
操作時、燃焼用空気が入口(580)に導入され、これは吸気ドーム(550)と復熱装置ドーム(552)の組合せにより形成された外部シェル通路(586)を介して流れて下げる。その次に、燃焼用空気は排気ドーム(554)と内部ドーム(556)の組合せにより形成された排気シェル通路(590)を介して流れて出た燃焼生成物から対流熱伝逹により熱を吸収する。この空気は周りに配置された複数のスロット(594)を通過し、復熱装置ドーム(552)と排気ドーム(554)の組合せにより形成された内角シェル通路(592)を介して上方に向いて方向を変えて更に加熱し、最終的に上層マニホールド(582)を経て複数の出口スロット(588)を介して中央燃焼区域(600)に入って燃料と混合されて発火される。分かるように、複数の出口スロット(588)を通過する燃焼用空気はその燃焼用空気に回転運動を付与することに用いられる。回転空気は燃焼される空気と燃料混合物を更に均質にして一層安定された火炎を得ることに用いられる。燃焼区域は対流と放射を混合してスターリングエンジンヒーターヘッド(図示)を加熱する。燃焼生成物はヒーターヘッドの底部から抜け出して排気ドーム(554)と内部ドーム(556)の組合せにより形成されており、軽量の耐火断熱材(560)後部に位置した排気シェル通路(590)を介して流れて上がる。
【００２７】
耐熱材料には好ましくは約1260℃(2300°F)以上の使用定格、より好ましくは約1427〜1538℃(2600〜2800°F)以上の使用定格を有する軽量、高純度のアルミナ‐シリカ繊維が挙げられる。本発明に適合に使われる耐熱材料の平均温度538℃(1000°F)での概略の熱伝導率(ASTM C-201)値は約1.2J/(sec)(cm2)(℃/cm)(0.8BTUin/hr/ft2)以上である。このような材料の原料が米国のOhio, Sebring所在のRefractory Specialties Incorporated製の商品名GemcoliteTMと市販されている。
【００２８】
図2〜4の実施形態から分かるように、断熱材が火炎区域に隣接して位置しており、良質の熱が引込み空気と外部環境に対する低温の復熱装置壁を介して伝えられることが抑制されることにより効率性が増加する。
図6は本発明の他の形態による動力システム(400)の概略図である。動力システム(400)は運動学的スターリングエンジンまたはフリーピストンスターリングエンジンなどの外燃エンジン(430)、交流器(432)を駆動して電力を生産する往復ピストンにより550〜750℃の熱を機械力に変換する燃焼チェンバー(434)を含む。また、アセンブリーは毛細管流路/ヒーターアセンブリー(436)、制御装置(438)、整流装置/調整装置(440)、電池(442)、燃料供給装置(444)、前記図2〜4に詳述した形態の燃焼機/復熱装置アセンブリー(446)、燃焼送風器(448)、クーラー(450)及びクーラー/送風器(452)を含む。操作時、制御装置(438)は毛細管(436)への燃料供給を制御し、チェンバー(434)内の燃料の燃焼を制御するよう操作されて、燃焼熱がスターリングエンジン(430)のピストンを駆動してエンジンが交流器(432)から電気を発電する。必要に応じて、スターリングエンジン(430)/交流器(432)を、機械力を生産する運動学的スターリングエンジン(図示しない)に代替することもできる。
【００２９】
燃焼を開始するために、空気‐燃料混合物を発火区域に制限し、この混合物をスパーク発生器などの点火装置により発火させる。点火装置は機械的スパーク発生器、電気的スパーク発生器、抵抗加熱式点火ワイヤーなどの燃料を発火させることができる装置ならばどれでも良い。電気的スパーク発生器には小型電気などの適当な動力源により動力が供給されることができる。しかし、その電池は作動時電流を発生する手動操作圧電変換機に代替することができる。このような配置によって、変換機の圧縮により電流が電気‐機械的に生成されることができる。例えば、起爆装置が加圧されれば所定力で変換機をストライクするようストライカを配置することができる。変換機により発電された電気は適当な回路によりスパーク発生器具に供給されることができる。このような配置は燃料‐空気混合物を発火させるのに使われることができる。
【００３０】
発電された電力の一部は電池またはキャパシターなどの適当な保存装置に保存され、点火装置に動力を供給するのに使われることができる。例えば、手動操作スイッチを使用して、電流を抵抗加熱体に供給したりまたは流路内の燃料を気化させる金属管の一部を介して直接的に供給することができ、また/または電流を燃焼チェンバーに供給された燃料‐空気混合物の燃焼を発火する点火器に供給することができる。
【００３１】
必要に応じて、動力システムの出力を機械力または電力に依存する任意の形態の装置を操作するのに使用することができる。例えば、発電された電気は電話通信装置(例えば、無線電話)、携帯用コンピュータ、動力工具、電気製品、キャンプ装備、軍装備品、モペッド、電動車椅子及び船舶用推進装置などの運送設備、電子感知装置、電子監視装置、充電器、照明器具、暖房設備などの携帯用電子機器に使われることができる。また、動力システムは非携帯用装置または電極網にアクセスすることができなかったり困ったり不安定な位置に動力を供給するのにも使われることができる。このような位置及び/または非携帯用装置には遠距離住居及び軍用野戦、自販機、船舶用機器が列挙される。
【００３２】
本発明に対してその好ましい実施例を参照して詳細に説明したが、本発明の内容を抜け出さない範囲で当業者により多様な変形が行なわれることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】燃料気化装置、燃焼チェンバー及び排気熱復熱装置の概略図を示す。
【図２】本発明の実施形態による燃焼器/復熱装置アセンブリーの断面斜視図を示す。
【図３】本発明の実施形態による燃焼器/復熱装置アセンブリーの断面図を示す。
【図４】本発明の実施形態による燃焼器/復熱装置アセンブリーの拡大断面図を示す。
【図５】本発明にによる燃焼器/復熱装置の他の実施形態の断面図を示す。
【図６】本発明による動力発生装置の概略図であって、本発明の一例の実施形態によって外燃エンジンを電気発電用いる。
【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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【国際調査報告】
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