(57)【要約】【課題】従来産業用に利用される高温を得る方法の一つとして可燃性ガスと空気などの酸化剤を燃焼させることが行われている。この方法による高温ガス発生装置では2000℃以上のガスを発生させることができなかった。【解決手段】燃焼現象の一つであるデトネーションを利用することにより、燃料の酸化により発生する燃焼熱を高密度で取り出すことができ、2000℃以上の高温ガスを発生させることが出来た。さらに、2000℃以上の高温ガスであることにより燃焼熱が高効率な発電などに幅広く利用できる道を開いた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状であって当該円筒の内直径が5センチメートルから１メートルであって当該円筒の長さが当該円筒の内直径の２倍から50倍の長さである一方の端を開放し他方の端を閉じた容器内に、燃料に酸化剤を理論化学当量の1倍から２倍の比率で混合させた燃料と酸化剤の混合気をゲージ圧0.1気圧以上の圧力で注入し、次に、当該燃料と酸化剤の混合気の着火源として当該容器の閉じられた端部付近から水素、炭化水素等に酸素を理論化学当量の0.5倍から1.5倍の比率で混合させた水素、炭化水素等と酸素の混合気を電気火花により着火し発生させたデトネーション波を吹き込み、又は、当該容器内で直接電気火花を発生させ、当該容器内の燃料と酸化剤の混合気に着火しデトネーションを発生させ、当該デトネーションの終了後、既燃ガスを自然排気させ、次に、当該容器の閉じられた端部から大気圧以上の通常空気を当該容器の容積の0.05倍量以上吹き込み、その後、当該容器の閉じられた端部付近から当該容器内に再び前記の燃料に酸化剤を理論化学当量の1倍から２倍の比率で混合させた燃料と酸化剤の混合気をゲージ圧0.1気圧以上の圧力で注入し、以上の工程を順次繰り返すことによる、デトネーション現象を利用した、高温ガスを発生させる方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、燃料として水素、エチレン、又は、アセチレンを用い酸化剤として通常空気を用い、当該容器内で着火源として電気火花により直接着火させることを特徴とする、請求項1に記載の高温ガスを発生させる方法。
【請求項３】
請求項１、２に記載の方法において、燃料と酸化剤の混合気の注入工程、当該燃料と酸化剤の混合気の着火工程、当該燃料と酸化剤の混合気のデトネーション工程、既燃ガスの排気工程、並びに、大気圧以上の通常空気を当該容器の容積の0.05倍量以上吹き込む置換工程の各工程を順次繰り返しさせるために、当該容器に流入する各気体の管路に開閉機構及びまたは逆流装置、逆火防止装置を設け、当該開閉機構の開閉の間隔をモーター駆動のカム機構、及び又は、ロータリー弁機構等を用いて、自動制御するための仕組みを有し、また、当該着火源として当該管内にデトネーション波を照射し、当該容器の壁体を冷却するための仕組みを有し、当該容器がセラミックス及びまたは金属材から単一または複合に構成されることを特徴とする請求項１、２に記載の高温ガス発生装置。
【請求項４】
請求項３に記載の高温ガス発生装置を2基以上配置し、当該各高温ガス発生装置からの高温ガスを一つの高温ガスとして利用することを特徴とする多管型高温ガス発生装置
【請求項５】
請求項４記載の多管型高温ガス発生装置において、最初に起動させる高温ガス発生装置が発生したデトネーション波の一部分を取り出し、他の高温ガス発生装置へ着火源として伝播させるための管路を設け、当該伝播させるための管路に通常空気と炭化水素を混合した混合気を注入させ当該デトネーション波の伝播を助長維持し、当該デトネーション波により他の高温ガス発生装置を起動させ、以下順次繰り返し起動させることを特徴とする請求項４に記載の多管型高温ガス発生装置
【請求項６】
請求項３、４、５に記載の高温ガス発生装置から発生した高温の気体を電磁流体発電装置の作動流体として発電に利用することを特徴とするデトネーション電磁流体発電装置
【請求項７】
請求項６に記載のデトネーション電磁流体発電装置より排出される高温排気によるガスタービン発電を行い、さらに、当該ガスタービン発電からの高温排気から製造した高圧蒸気によるスチームタービン発電を組み合わせることを特徴とするデトネーション電磁流体発電とタービン発電による複合発電装置
【請求項８】
請求項６、７に記載の発電装置において、当該電磁流体発電装置の磁界を作るための電磁石のコイルを都市ガス製造時のＬＮＧの排冷熱を利用して冷却し磁界を起こすための電気の消費量を低減することを特徴とする高効率デトネーション電磁流体発電とタービン発電による複合発電装置
【請求項９】
請求項６、７、８に記載の発電装置において電磁流体発電装置の作動流体である高温ガスにシード剤を添加することを特徴とする請求項６、７、８に記載の発電装置
【請求項１０】
請求項３、４、５に記載の高温ガス発生装置から発生した高温ガスをガスタービン発電機の作動流体として発電し、当該発電装置より排出される高温排気から製造した高圧蒸気によるスチームタービン発電を組み合わせることを特徴とするデトネーションタービン発電装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デトネーションを利用した高温ガスの発生方法とその装置、並びに、当該高温ガスを利用した発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の高温ガス発生方法は、燃料と酸素を反応させるか、または爆発現象を利用したもの等がある。
【０００３】
従来の高温ガスの発生方法とその装置、並びに、当該高温ガスを利用した発電システムには、爆薬を使うなどしたものがある（例えば、特許文献参照）。
【０００４】
【特許文献１】特許第2592169号
【０００５】
従来の高温ガス発生方法における燃料の燃焼熱を利用する方法では2000℃が限界であり、爆薬を利用する方法においては、連続的に発生を行うための制御性に難点がある。  
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来の方法が有していた問題を解決しようとするものであり、デトネーションを安定的に発生させ、当該デトネーションが発生させる2000℃から3000℃の高温ガスを製造するための方法とその装置を実現し、並びに、当該高温ガスを発電に利用することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そして、本件発明は上記目的を達成するために、円筒形状であって当該円筒の内直径が5センチメートルから１メートルであって当該円筒の長さが当該円筒の内直径の２倍から50倍の長さである一方の端を開放し他方の端を閉じた容器内に、燃料に酸化剤を理論化学当量の1倍から２倍の比率で混合させた燃料と酸化剤の混合気をゲージ圧0.1気圧以上の圧力で注入し、次に、当該燃料と酸化剤の混合気の着火源として、当該容器の閉じられた端部付近から水素、炭化水素等に酸素を理論化学当量の0.5倍から1.5倍の比率で混合させた水素または炭化水素等と酸素の混合気を電気火花により着火し発生させたデトネーション波を吹き込み、または、当該容器内で直接電気火花を発生させ、当該容器内の燃料と酸化剤の混合気に着火しデトネーションを発生させ、当該デトネーションの終了後、既燃ガスを自然排気させ、次に、当該容器の閉じられた端部から大気圧以上の通常空気を当該容器の容積の0.05倍量以上吹き込み、その後再び当該容器の閉じられた端部付近から当該容器内に再び前記燃料に酸化剤を理論化学当量の1倍から２倍の比率で混合させた燃料と酸化剤の混合気をゲージ圧0.1気圧以上の圧力で注入し、以上の工程を順次繰り返すことにより、高温ガスを発生させる。
【発明の効果】
【０００８】
上記の課題解決手段により2000℃以上の高温ガスを連続的に安定的に発生させることができる。
【０００９】
高温ガスにより、発電、溶断、過熱加工、高温雰囲気での化学反応を利用した有価物の製造、推進装置としての利用ができる。
【実施例１】
【００１０】
本発明の実施例を図１にもとづいて説明する。冷却媒体入口２１と冷却媒体出口２２の管路を円筒状容器５１に接して取付け当該管路内に冷水などの冷却媒体を流して、当該円筒状容器５１を冷却する。１はデトネーションを開始させ増幅、成長させるための円筒状容器５１の開放された側の開口端部である。３はデトネーションを開始させ増幅、成長させるための円筒状容器５１内の初めのデトネーションを開始させるための初期燃焼ゾーンである。２は当該開始したデトネーションを増幅、成長させるための当該円筒状容器５１内の主燃焼ゾーンであり初期燃焼ゾーン３と連続して設ける。当該デトネーションにより発生した高温ガスを当該円筒状容器５１の開口端部１から噴出させる。
【００１１】
当該デトネーションを起こすために水素、炭化水素、並びに分子内に酸素、硫黄、等を含んだ可燃物の1種類または2種類以上の物質の気体状混合物を燃料として管路１０から注入する。また当該燃料を酸化させるため酸素、空気、過酸化物、ハロゲン、または、それらの混合組成からなる気体状物質を酸化剤として管路１１から注入する。当該燃料に当該酸化剤を理論化学当量の1倍から２倍の比率で混合器９で混合させた燃料と酸化剤の混合気を開閉機構８を開いてゲージ圧0.1気圧以上の圧力で注入口６から当該初期燃焼ゾーン３に当該円筒状容器５１の内容積量未満の量だけ注入し開閉機構８を閉じる。
【００１２】
当該燃料と酸化剤の混合気の注入後、水素または炭化水素等の燃料を管路１９から注入し当該水素または炭化水素等の酸化剤として酸素を管路２０から注入し当該燃料に当該酸素を理論化学当量の0.5倍から1.5倍の比率で混合させた当該燃料と酸素の混合気を開閉機構５２を開いて副デトネーション発生室１５の内容積量以上の量を逆火防止装置１７を介して副デトネーション発生室１５内に注入し開閉機構５２を閉じる。副デトネーション発生室１５内で電気火花発生装置１６により発生させた電気火花で着火して発生させたデトネーション波を副デトネーション発生室１５の当該初期燃焼ゾーン３に開口した照射口５０から照射して当該初期燃焼ゾーン３に注入口６から注入した燃料と酸化剤の混合気に着火しデトネーションを開始させる。
【００１３】
当該デトネーションが終了後、円筒状容器５１内の既燃ガスを自然排気させるための時間経過後、開閉機構１３を開いて大気圧以上の通常空気を管路１４より当該円筒状容器５１の容積の0.05倍量以上吹き込み当該開閉機構１３を閉じる。以上の各工程を順次繰り返すことにより、高温ガスを間歇的に発生することができる高温ガス発生装置。
【００１４】
当該円筒状容器５１内に照射するデトネーション波の向かう先に衝撃波を乱反射させる凹凸面を有する壁体、または、障害物を設け、また、当該容器の壁体を冷却するための仕組みを設けても良い。
また、当該円筒状容器５１はセラミックス及びまたは金属材を用いて一層または複合的に構成させる。
【００１５】
前記高温ガス発生装置を２基以上配置することにより、連続的に高温ガスを発生することができる。
また、当該高温ガス発生装置において、デトネーションを起こさせるための燃料として水素、エチレン、又は、アセチレンを用い当該燃料を酸化するための酸化剤として通常空気を用い、着火源として電気火花を用い直接円筒状容器５１内で着火させることにより、デトネーションを起こさせて高温ガスを発生することができる。
【実施例２】
【００１６】
本発明の実施例を図２にもとづいて説明する。本件発明の高温ガス発生装置を３基配置し、最初に起動させる高温ガス発生装置６１が発生したデトネーション波の一部分をデトネーション波取出口２３から他の高温ガス発生装置６２へ伝播させるための管路２６を設け、当該伝播させるための管路２６に開閉機構２５を開けて通常空気と炭化水素を混合した混合気を逆火防止機構２４介して注入させ当該デトネーション波の伝播を助長させ高温ガス発生装置６２の当該初期燃焼ゾーン３に注入口６から注入した燃料と酸化剤の混合気に着火しデトネーションを開始させる。当該デトネーションが開始後、当該開閉機構２５は閉止する。
【００１７】
同様にして、高温ガス発生装置６２が発生したデトネーション波の一部分をデトネーション波取出口２３から他の高温ガス発生装置６３へ伝播させ、同じく高温ガス発生装置６３が発生したデトネーション波の一部分をデトネーション波取出口２３から再び高温ガス発生装置６１へ伝播させ、以下順次繰り返して複数の高温ガス発生装置を順次起動させる多管型高温ガス発生装置。
【００１８】
また、前記多管型高温ガス発生装置において各高温ガス発生装置の開口端部１から噴出した高温ガスを集合的に取扱うことにより、より連続的に高温ガスを発生させることができる。当該高温ガスを集合的に取扱うために補助的に風洞を配置する、または開口端部１を集合させた構造とすることができる。
【００１９】
また、また高温ガス発生装置が発生したデトネーション波の一部分をデトネーション波取出口２３から取り出したデトネーション波が、管路２６が短くて直接次の高温ガス発生装置の着火源になる場合は、管路２６に開閉機構を設けて次の高温ガス発生装置の点火タイミングに合わせて開き、同着火後は閉じるものとする。
【実施例３】
【００２０】
本件発明の実施例を図３にもとづいて説明する。高温ガス発生装置群３０から発生した高温の気体を電磁流体発電装置の作動流体として電磁流体発電装置の電磁石２８が構成する空間内を通過させる発電に利用することができる。
また、前記電磁流体発電装置の作動流体として発電に利用した後の高温排気をガスタービン発電機３１に吹き込み発電を行うことができる。更に、当該ガスタービン発電機３１の高温排気から蒸気ボイラ３２により高圧蒸気を発生させ当該蒸気を利用して蒸気タービン発電機３３で発電を行うことができる。
【００２１】
前記、電磁流体発電装置の磁界を作るための電磁石のコイルを都市ガス製造時のＬＮＧの排冷熱を利用して冷却し、磁界を起こすための電気の消費量を低減することができる。また当該電磁流体発電装置の発電効率を上げるためにシーズ剤を使用することもできる。
【実施例４】
【００２２】
本件発明の高温ガス発生装置に用いる開閉装置の実施例を図４，図５にもとづいて説明する。
図４はカム式開閉機構である。円筒状容器５１の壁体の内部に向かって広がる形の弁１０２に取り付けた軸１０５をカム１０３を回転することにより往復動させる。
図５はロータリー式開閉機構の直交断面図である。環状部材１０５に貫通して開けた開口部１０６と円筒状容器５１の注入口とが重なり合った時、本件開閉機構は開となる。環状部材１０５はシール材１０４を介して円筒状容器５１の壁体表面を歯車１０７、１０８を介して駆動軸１１０により駆動され回転する。
【００２３】
当該開閉機構の開閉の間隔をモーター駆動のカム機構、及び又は、モーター駆動のロータリー弁機構等を用いて、自動制御する。
また、これらの開閉機構を複数設け、当該ロータリー開閉機構の1つまたは2以上から燃料及び酸化剤または混合気を、それぞれ注入し、当該開閉機構の回転速度と開口部の開口位置と個数によりそのタイミングを調整することできる。
【実施例５】
【００２４】
また、デトネーション起動機構に爆薬、電気火花、レーザ光などの持つエネルギーを単独または2つ以上を合わせ用いてもよい。
【００２５】
逆火防止機構には、水封式のものの使用が適当である。逆火の恐れのある管路に用いる
【実施例６】
【００２６】
本件発明により得られる高温ガス温度は、運転条件によれば3000℃も可能であり、高温雰囲気を必要とする人造宝石などの製造に利用することができる。また金属や陶磁器等の融点の高い物の切断や加工に用いることができる。
【実施例７】
【００２７】
また、本件発明の高温ガスは高圧力のガスでもあり推進エネルギー源として、利用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施例を示す高温ガス発生装置の構成図
【図２】本発明の一実施例を示す多管型高温ガス発生装置の構成図
【図３】本発明の一実施例を示すデトネーション電磁流体発電とタービン発電による複合発電装置の構成図
【図４】本件発明で用いる開閉機構の実施例の一つであるカム式開閉機構の構成図
【図５】本件発明で用いる開閉機構の実施例の一つであるロータリー式開閉機構の構成図
【符号の説明】
【００２９】
１    開口端部
２    主燃焼室
５    加圧空気注入口
６    注入口
７    逆火防止装置
８    開閉機構
９    混合器
１０  管路
１１  管路
１２  逆止装置
１３  開閉機構
１４  管路
１６  電気火花発生器
１７  逆火防止装置
１８  混合器
１９  管路
２０  管路
２１  冷却媒体入口
２２  冷却媒体出口
２３  高温気体取出し口
２４  逆火防止装置
２５  開閉機構
２６  管路
２７  デトネーション波照射口
２８  電磁石
２９  電極
３０  高温ガス発生装置の開口端部
３１  ガスタービン発電機
３２  蒸気ボイラ
３３  蒸気タービン発電機
３４  排気筒
【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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