(57)【要約】高温に耐えることができる材料で作られた燃焼室14と、噴射導管15によって前記燃焼室14に接続された噴射装置16と、燃焼室14に燃焼支持物質を供給するための手段17と、ガス状燃焼生成物を除去するための手段18と、燃焼室14の外表面上に放射線を選択的に放射するための手段26と、を備える電気エネルギ製造用のシステムに関する。燃焼室14は、内部がサブ大気圧状態に維持された変換チャンバ20で包まれる。その結果、燃焼反応によって生成された熱の相当な部分は、電磁放射に変換される。
2006512882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列又は並列で作動する、一つ以上の変換モジュール(11)のマトリックスを備えて、電気エネルギ製造用の携帯システムであって、
変換モジュール(11)の各々が、
高温に耐えることができる材料で作られた燃焼室(14)と、
噴射導管(15)によって前記燃焼室(14)に接続された噴射装置(16)と、
噴射周波数及び生成されたパワーを制御するコントローラー(30)と、
燃焼室(14)に燃焼支持物質を供給するための手段(17)と、
ガス状燃焼生成物を除去するための手段(18)と、
燃焼室(14)の外表面上に放射線を選択的に放射させるための手段(26)と、
放射エネルギを電気エネルギに変換するための手段(24)と、
燃焼反応に点火するための手段と、を備え、
サブ大気圧状態に維持された変換チャンバ(20)に燃焼室(14)が包まれて、その結果、燃焼反応によって生成された熱の相当な部分が電磁放射に変換されることを特徴とするシステム。
【請求項２】
燃焼室(14)が実質的に球形をしており、変換チャンバ(20)が半楕円体の形をしていて、燃焼室(14)が楕円面の第一の焦点に位置決めされていることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記変換手段(24)は、楕円面の長軸に直交しており楕円面それ自体の中心を通る平面の表面に配置されることを特徴とする、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
放射エネルギを電気エネルギに変換するための前記手段(24)が、複数の光電池を備えることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
放射線を選択的に放射するための前記手段は、変換手段(24)が最大の変換効率を有する波長に相応するピークを持った狭い放射バンドを有していることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
放射線を選択的に放射するための前記手段は、燃焼室(14)の外表面上を被覆した裏材(26)を備え、
前記裏材が、微細構造金属、金属の又は誘電体の光子結晶、希土類酸化物又は希土類酸化物の混合物のグループの中から選択された材料によって構成されていることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
燃焼室(14)の外表面は、放射手段(26)から放射された放射エネルギが、定常状態で燃焼反応によって生成された熱エネルギと、変換チャンバの内壁で又は変換手段(24)で反射されるとともに燃焼室(14)によって再吸収される放射エネルギの一部分と、の合計に等しいような全領域を有することを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記変換チャンバ(20)が、燃焼室の直径の３倍乃至５０倍の寸法の軸を有することを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記噴射装置(16)が、インクジェットタイプのヘッドであることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記噴射ヘッドが、「バブル」のインクジェットタイプのものであることを特徴とする、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記噴射ヘッドが、圧電タイプのものであることを特徴とする、請求項９記載のシステム。
【請求項１２】
燃焼室(14)が、高熱伝導性材料によって構成されていて高温に耐えることができることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
燃焼室(14)の内面の一部分は、低熱伝導性材料の多孔質層で被覆されていて高温に耐えることができることを特徴とする、請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記多孔質層の孔隙は、燃焼反応の作動温度を低下させて、有害な燃焼生成物の生成を制限する目的に役立つ触媒作用材料によって覆われていることを特徴とする、請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
燃焼室(14)が金属材料で作られていることを特徴とする、請求項１２記載のシステム。
【請求項１６】
前記金属材料が、タングステン又はモリブデンによって構成されていることを特徴とする、請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記噴射導管(15)、燃焼支持物質を供給するための前記手段(17)および燃焼ガスを排出するための前記手段(18)は、低熱伝導性材料で作られていることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項１８】
排気ダクト(18)の最も外側の部分が、燃焼生成物が変換チャンバを出る前に残余の熱を生み出すことを可能にする高熱伝導性材料で作られていることを特徴とする、請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
噴射導管(15)および燃焼支持物質を噴射するための手段(17)は、独立して燃焼室(14)の中に終端することを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項２０】
燃焼支持物質を噴射するための手段(17)は、燃焼室(14)に入る前に噴射導管(15)の中に終端することを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項２１】
変換チャンバ(20)は、光学的に研磨された金属材料で作られた構造体(19)の内部に形成されていることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項２２】
変換チャンバ(20)は、プラスチック又はセラミック材料で作られて高反射率材料の層(23)で被覆された構造体(19)の内部に形成されていることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項２３】
前記変換チャンバ(20)の内部に面する前記光電池の表面は、光電池が最大変換効率を有する波長に相応する透過率ピークを備えた帯域フィルターとして電磁放射の長波長上で作動する光学的裏材で被覆されていることを特徴とする、請求項４記載のシステム。
【請求項２４】
前記光電池が、ショットキ結合に基づくものであることを特徴とする、請求項４記載のシステム。
【請求項２５】
前記ショットキ結合が、シリカとアルミニウムで作られていることを特徴とする、請求項２４記載のシステム。
【請求項２６】
前記光学的裏材は、多層誘電体裏材、浸出状態の金属の裏材、金属の光子結晶、反射防止微細構造からなるグループから選ばれた材料で作られていることを特徴とする、請求項２３記載のシステム。
【請求項２７】
前記噴射装置(16)は、小型ブンセンバーナーによって構成されることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項２８】
前記噴射装置(16)によって噴射されたガス状燃料は、メタン、プロパン、ブタン、水素、天然ガスからなるグループに属することを特徴とする、請求項１７記載のシステム。
【請求項２９】
排気ダクト(18)は、燃焼反応の有害な生成物を無毒化することができる触媒作用材料で、内部が覆われていることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項３０】
排気ダクト(18)は、排気ガスの冷却を容易にするために関節結合した経路を有することを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項３１】
噴射導管(15)は、燃焼生成物が噴射手段の方に戻ることを防止するために関節結合した経路を有することを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項３２】
前記点火手段が電気的なものであり、放電によって、火花によって、又は白熱フィラメントによって燃焼が開始することを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項３３】
変換チャンバ(20)の内部は、真空であることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項３４】
変換チャンバ(20)の内部は、サブ大気圧の不活性ガスを含んでいることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項３５】
変換チャンバは、光学的に研磨された金属材料によって構成されていることを特徴とする、請求項３３記載のシステム。
【請求項３６】
変換チャンバは、光学的に研磨されたセラミック材料によって構成されていることを特徴とする、請求項３３又は３４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項３７】
変換チャンバの内壁は、放射手段(26)から放射された放射線の全スペクトルにわたって高反射率を有する層によって覆われていることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギ製造用のマイクロ燃焼システムに関する。
【０００２】
本発明は、燃焼で生成した熱エネルギが電磁エネルギに変換される物理的な原理に基づく。電磁エネルギは、例えば半導体で作られた光電池によって、電気エネルギに変換される。
【０００３】
本発明の目的は、熱エネルギを電気エネルギに高効率で変換する、電気エネルギ製造用のマイクロ燃焼システムを提供することである。
【０００４】
本発明によれば、この目的は、主請求項に示した特徴を有するシステムによって達成される。
【０００５】
本発明は、単なる非限定的な実施例として提示した添付図面を参照しながら詳細に説明されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１を参照する。番号10は、電気エネルギ製造用のマイクロ燃焼システムを模式的に示している。システム10は、電気的に直列又は並列にお互いに接続された複数の変換装置11を備える。その各々が、以下に記載するように構成されている。システム10は、各変換装置1に燃料および燃焼支持体を供給する導管12のパイプラインと、変換装置11からのガス状燃焼生成物を除去するための排気ダクトのパイプライン13と、生成されたパワーを調節するための、燃焼器の電気的な点火のための、および燃焼器から負荷抵抗まで電流を輸送するための、電気的接続のネットワークと、を備える。
【０００７】
図２を参照する。変換装置11は、それぞれ、高温に耐えることができる材料で作られた燃焼室14を備える。好ましくは、燃焼室は、球形をしており、1500乃至2000Kのオーダの温度に耐えるような材料で構成されている。
【０００８】
好ましくは、燃焼室は、好ましくは燃焼室14の外表面上に被覆された裏材（lining）26の形でなされた、電磁放射を選択的に放射するための手段を備えている。好ましくは、燃焼室は、燃焼によって生成された熱が外表面26に達することを可能にするために、高熱伝導性の材料(例えばタングステン又はモリブデン)によって構成される。燃焼室14の内表面の少なくとも一部分は、燃焼作動温度を低下させて、汚染反応生成物(例えば窒素酸化物)の放射を低減する機能を有している、触媒作用の薬剤で覆われた孔隙（porosity）を備えたメソ多孔性(meso-porous)又はナノ多孔性タイプの低熱伝導性の材料で好ましくは覆われる。低熱伝導性の材料は、複合体（composite）の形をしている高熱伝導性の材料ではさまれる（interleave）。
【０００９】
裏材26は、好ましくは数百ナノメートルの波長域で選択的な放射率を有している。裏材26は、例えば、燃焼室の外表面上で直接得られた微細構造、又は非常に選択的なスペクトルの放射を有する酸化物(イットリウム、トリウム、セリウム、ユウロピウム、エルビウム、テルビウム、イッテルビウム又は他の希土類の酸化物)の薄層によって構成される。
【００１０】
燃焼室14は、燃料噴射導管15、燃焼支持体を供給するための導管17、およびガス状反応生成物を排気するための導管18、と連通している。好ましくは、導管15は、外方に増加する部分を持った、マイクロ噴射システム16に隣接した、円錐形ターミナルの（terminal）部分（segment）を備えた円筒形状をしている。円錐形のターミナルの部分の目的は、燃焼支持物質がベンチュリ効果によって吸気されることを保証することである。導管15、18は、燃焼室の熱が外部への熱伝導によって広がることを防止するために、セラミック材料、又は低熱伝導性の他の材料によって好ましくは構成される。好ましくは、排気ダクト18の最も外側の部分は、排気ガスが変換チャンバを去る前にそれらの残余の熱を放つことを可能にする金属である。導管15は、燃焼生成物が微小な噴射器の方へ戻ることを防止するために、関節結合した（articulated）形状(例えば螺旋形状、コイル形状)をしていてもよい。同様に、排気ダクト18は、燃焼生成物が容易に冷却されるために関節結合した（articulated）形状とすることができる。好ましくは、供給導管17は、噴射導管15に接続される。あるいは、それは、燃焼室に直接接続することができる。液体又はガス状の燃焼支持物質とあらかじめ混合された燃料の混合物が噴射導管15に噴射される場合、燃焼支持物質を供給するための導管17を除去することができる。
【００１１】
燃焼室14は、閉じており、導管15、17および18を通る場合以外は外部でガス状生成物を交換しない。
【００１２】
各変換装置11は、「バブルジェット」タイプ又は圧電タイプのインクジェットの噴射器によって好ましくは構成された微小噴射装置16を備えている。それは、数kHzから数百kHzまでコントローラー(30)によって制御することができる周波数で、数ピコリッターの体積の燃料又は燃焼支持物質混合物の液滴（drop）を噴射することができる。代わりに、ガス状燃料が用いられる場合、噴射システムは小型ブンセンバーナーによって構成することができる。噴射システム16によって噴射された燃料は、噴射導管15を通って燃焼室14の内部に入り込む。好ましくは、噴射装置16によって噴射されたガス状燃料は、メタン、プロパン、ブタン、水素、天然ガス又は燃料に金属粒子を加える可能性を含む他の燃料を備えるグループの中から選択される。
【００１３】
各変換装置11は、密封した変換チャンバ20を形成する中空構造体19を備える。その内部は、真空であるか、低圧の不活性ガスを含んでいる。燃焼室14は、変換チャンバ20の内部に位置しており、導管15、18は中空構造体19の壁を通って延在している。変換チャンバ20を画定する中空構造体19の壁は、中空構造体19が真空である場合、金属で作ることができ、他のすべての場合において、高反射率の層で被覆されたセラミック材料で作ることができる。
【００１４】
中空構造体19は、楕円の壁21および平面の壁22を備える。したがって、変換チャンバ20は、半軸AおよびBを備えた回転半楕円面の形をしている。変換チャンバ20の軸の寸法は、燃焼室14の直径の最低の３倍乃至５０倍まで変化することができる。燃焼室14は、好ましくは、楕円表面の第一焦点に位置決めされている。楕円の壁21の内面は、好ましくは、光源の全発光スペクトルにわたって高反射率を有する裏材（lining）23を備えている。
【００１５】
中空構造体19の平面の壁22は、電磁エネルギを電気エネルギに変換するための手段（参照符号24で模式的に示されている）を持っている（bear）。前記変換手段は、1500乃至2000Kの色温度を備えたPlanck放射線によって変換効率を最大限にするために、好ましくは0.5乃至0.8eVのオーダのバンドギャップを持った半導体で作られた光電池によって好ましくは構成される。好ましい実施形態では、光電池はショットキタイプのものである。また、アクティブ結合（active junction）はシリカ及びアルミニウムによって構成される。選択的な電磁エネルギの場合には、変換手段を構成するセル24の材料が、その波長で変換効率を最大にするために、バンドギャップ・エネルギが最大の放射の波長に対応するフォトンのエネルギよりわずかに大きくなるように選択されている。
【００１６】
変換手段24の外表面は、反射金属層によって好ましくは覆われる。変換手段24の内壁は、帯域フィルターとして電磁放射で作動する層で覆うことができる。前記層は、多層誘電体コーティング、浸出（percolation）状態での金属のコーティング、反射防止微細構造(例えばサブ波長周期のグリッド)又は光子結晶（photonic crystal）であってもよい。
【００１７】
変換手段24は、燃焼室4から放射された放射線が光起電力手段に一様に達するように、楕円面の長軸に直交していて、楕円面の中心を通る面に相応したところに位置決めされる。さらに、選択された構造（geometry）によって、変換手段24に吸収されない放射線は、反射後面、又は光電池24の正面で反射され、それが吸収される燃焼室14に戻る。
【００１８】
変換チャンバ20の特別の構造（geometry）は、燃焼室から放射されて光起電力チャンバ24で反射された放射線と、燃焼室14から放射されて半楕円面の内壁で反射された放射線との両方を燃焼室14に集中することをもたらす。これは、変換チャンバ内で電磁エネルギを最大に再利用すること、その結果燃料消費を最小にすることおよび全体的な変換効率を最大にすることを保証する。半楕円面の内面で又は光電池24で反射された放射線は、それがその結果として放射されたものと同じ効率で裏材26に再吸収される。
【００１９】
燃料支持物質反応によって生成された熱は、燃焼室の表面を暖めて、電磁放射に完全に変換される。変換チャンバ20内に延在する導管15、18の寸法は、燃焼室14と中空構造体19との間の伝導による熱エネルギの移動を最小にするようになっている。変換チャンバ20の内側に放射された放射線は、電磁放射を電気エネルギに変換する変換手段24に影響を及ぼす。各変換装置11によって生成された電力は、数ワットから数十ワットまで変化することができる。各装置11は、半導体電池24によって生成された電気エネルギを集める電気的な接触部（本願では不図示)を備えている。
【００２０】
燃焼室20の内部で真空又はサブ大気圧（sub-atomospheric）状態を維持することは、対流によって分散した熱エネルギの量を低減することを可能にする。従って、燃焼反応によって生成された熱のほとんどすべては、変換手段24によって順次電気エネルギに変換される電磁放射に変換される。変換チャンバ20内を真空又は低圧の状態にするために、真空におけるコンポーネントを組み立てるための様々な既知の技術を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係るマイクロ燃焼システムの模式的斜視図である。
【図２】図１の矢印IIによって示された変換装置の斜視断面図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
2006512882.tif 000005
2006512882.tif 000006
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