(57)【要約】液体燃料の源からパワーを生成する装置である。本装置は、入口端と出口端とを有する少なくとも１つの細管流れ通路であって、前記入口端が液体燃料源と流動的連通している、前記少なくとも１つの細管流れ通路と；前記少なくとも１つの細管流れ通路に沿って配置された熱源であって、前記少なくとも１つの細管流れ通路中の液体燃料を、少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変化させるに十分なレベルにまで加熱して、実質的に気化した燃料のストリームを前記少なくとも１つの細管流れ通路の前記出口端から供給するように動作可能な、前記熱源と；実質的に気化した燃料と空気とのストリームを燃焼させる燃焼チャンバであって、前記少なくとも１つの細管流れ通路の前記出口端と連通している、前記燃焼チャンバと；前記燃焼チャンバ中での燃焼で放出された熱を機械力又は電力に変換するように動作可能な変換デバイスと；を備える。この変換デバイスは、最大で５，０００ワットという機械力又は電力を生成することが可能であればどのようなデバイスでもよい。
2006513342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料の源からパワーを生成する装置であって、
（ａ）入口端と出口端とを有する少なくとも１つの細管流れ通路であって、前記入口端が前記液体燃料源と流動的連通している、前記少なくとも１つの細管流れ通路と、
（ｂ）前記少なくとも１つの細管流れ通路に沿って配置された熱源であって、前記少なくとも１つの細管流れ通路中の液体燃料を、少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変化させるに十分なレベルにまで加熱して、実質的に気化した燃料のストリームを前記少なくとも１つの細管流れ通路の前記出口端から供給するように動作可能な、前記熱源と、
（ｃ）実質的に気化した燃料と空気とのストリームを燃焼させる燃焼チャンバであって、前記少なくとも１つの細管流れ通路の前記出口端と連通している、前記燃焼チャンバと、
（ｄ）前記燃焼チャンバ中での燃焼で放出された熱を機械力及び／又は電力に変換するように動作可能な変換デバイスと、
を備える装置。
【請求項２】
前記熱源が抵抗加熱エレメントを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記液体燃料源からの燃料の流れを制御する流体制御バルブをさらに備える、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの細管流れ通路が少なくとも１つの細管チューブを備える、先行する請求項１〜３の内のいずれか１に記載の装置。
【請求項５】
前記熱源が、電流を自体に通すことによって加熱される前記細管チューブの１区分を含む、先行する請求項１〜４の内のいずれか１に記載の装置。
【請求項６】
前記装置の動作中に形成された堆積物を除去する手段をさらに備える、先行する請求項１〜５の内のいずれか１に記載の装置。
【請求項７】
堆積物を除去する前記手段が前記液体燃料源からの液体燃料の流れを制御する流体制御バルブと、前記熱源と、前記少なくとも１つの細管流れ通路を酸化剤と流動的連通させる酸化剤制御バルブとを含み、前記熱源もまた、前記少なくとも１つの細管流れ通路中の酸化剤を十分なレベルにまで加熱して液体燃料の加熱中に形成された堆積物を酸化するように動作可能であり、また、前記少なくとも１つの細管流れ通路を酸化剤と流動的連通させる前記酸化剤制御バルブが前記細管流れ通路中に交代で液体燃料と酸化剤とを導入するように動作可能であり、これにより、酸化剤が前記少なくとも１つの細管流れ通路中に導入されるときに前記細管流れ通路のその場での清浄化を可能とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの細管流れ通路が複数の細管流れ通路を含み、前記細管流れ通路の各々が、燃料の供給体と酸化ガスの供給体と流動的連通している、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記酸化剤が空気と、排出ガスと、ストリームと、これらの混合物とを含む、請求項７又は８に記載の装置。
【請求項１０】
堆積物を除去する前記手段が前記装置の動作中に形成された堆積物を消耗させる手段を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項１１】
堆積物を消耗させる前記手段が、前記少なくとも１つの細管流れ通路と軸方向に揃うように位置付けされた軸方向可動ロッドを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
堆積物を消耗させる前記手段が、前記軸方向可動ロッドに沿って配置された清浄化用ブラシを含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
堆積物を除去する前記手段が前記液体燃料源からの液体燃料の流れを制御する流体制御バルブと、前記少なくとも１つの細管流れ通路を溶媒と流動的連通させる溶媒制御バルブとを含み、前記溶媒制御バルブが前記少なくとも１つの細管流れ通路の一端に配置されており、また、前記少なくとも１つの細管流れ通路を溶媒と流動的連通させる前記溶媒制御バルブが、前記細管流れ通路中に交代で液体燃料と溶媒とを導入するように動作可能であり、これにより、溶媒が前記少なくとも１つの細管流れ通路中に導入されるときに前記細管流れ通路のその場での清浄化を可能とする、請求項６に記載の装置。
【請求項１４】
堆積物を除去する前記手段が前記液体燃料源からの液体燃料の流れを制御する流体制御バルブを含み、前記流体制御バルブが前記少なくとも１つの細管流れ通路を溶媒と流動的連通させるように動作可能であり、これにより、溶媒が前記少なくとも１つの細管流れ通路中に導入されるときに前記細管流れ通路のその場での清浄化を可能とする、請求項６に記載の装置。
【請求項１５】
前記溶媒が前記液体燃料源からの液体燃料を含み、また、前記熱源が前記細管流れ通路の清浄化中に段階的に停止される、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記熱源が、点火装置の点火エネルギ要件を下げるのに有効なレベルにまで液体燃料を気化させる効果がある、先行する請求項１〜１５の内のいずれか１に記載の装置。
【請求項１７】
前記変換デバイスが、マイクロタービン、発電機付きマイクロタービン、スターリングエンジン、発電機付きスターリングエンジン、熱電デバイス及び熱光起電デバイスから成る群から選択されるデバイスを含む、先行する請求項１〜１６の内のいずれか１に記載の装置。
【請求項１８】
パワーを発生する方法であって、
（ａ）液体燃料を少なくとも１つの細管流れ通路に供給するステップと、
（ｂ）実質的に気化した燃料のストリームを、前記少なくとも１つの細管流れ通路中の液体燃料を加熱することによって、前記少なくとも１つの細管流れ通路の出口から通過させるステップと、
（ｃ）気化した燃焼を燃焼チャンバ中で燃焼させるステップと、
（ｄ）気化した燃料が前記燃焼チャンバ中で燃焼して生成された熱を、変換デバイスを用いることによって機械力及び／又は電力に変換するステップと、
を含む方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの細管流れ通路が少なくとも１つの細管チューブを含み、前記熱源が、自体に電流を流すことによって加熱される抵抗加熱エレメント又は前記細管チューブの１区分を備え、また、前記方法が前記細管チューブに液体燃料を流すステップと、前記チューブを加熱することによって液体燃料を気化させるステップとを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記変換デバイスが、マイクロタービン、発電機付きマイクロタービン、スターリングエンジン、発電機付きスターリングエンジン、熱電デバイス及び熱光起電デバイスから成る群から選択されるデバイスを含む、請求項１８又は１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーを生成する装置とその方法とに関する。ある好ましい装置には、最大で５１０ｋｇ−ｍ／秒（５，０００ワット）の機械力及び／又は電力を出力するパワー変換デバイスに熱を供給する液体燃料式燃焼チャンバを含むことが可能である。
【背景技術】
【０００２】
遠隔地における携帯式電子装置、通信ギヤ、医療デバイス、及び他の装置にパワーを供給する必要性が最近高まっており、高度に効率的なモバイルパワーシステムに対する需要が増している。このような応用物では、高いパワー密度とエネルギ密度の双方を提供するパワー源が必要とされ、同時に、また、サイズ及び重量と、排出物と、経費とが最小であることが必要とされる。
【０００３】
今までは、バッテリが、携帯式電源の第一の手段であった。しかしながら、充電のために時間がかかるため、バッテリは連続使用応用物にとっては不便であることが分かっている。そのうえ、携帯式バッテリは、一般に、数ミリワットから数ワットの範囲での電力生成に限られ、したがって、かなり高いレベルのモバイル式軽量電力生成品に対する必要性に対処することは不可能である。
【０００４】
ガソリン燃料式であるかディーゼル燃料式であるかを問わず内燃機関からパワーを供給される小型発生装置もまた用いられてきた。しかしながら、このような発生装置は、その雑音特徴と排出物特徴とのため、広範囲のモバイルパワーシステムにとってはまったく適しておらず、また、屋内で使用するには安全でなかった。高エネルギ密度液体燃料からパワーを供給される従来の熱機関はサイズという点では利点があるが、熱力学的な利害得失と経費とに対する考慮から、大型のパワープラントではそれを用いることが好まれる傾向があった。
【０００５】
これらの要因に鑑みると、約５．１〜５１ｋｇ−ｍ／秒（５０〜５００ワット）の範囲のサイズのパワーシステムに関しては物足りなさが存在する。そのうえ、液体燃料のエネルギ密度が高いという利点を活かすためには、低速で燃料供給可能な燃料製造・供給システムを改良する必要がある。加えて、このようなシステムもまた、高度に効率的に燃焼して、しかも、排出物は最小に抑えることが可能でなければならない。
【０００６】
燃料を超音波噴霧化デバイスで噴霧化する燃焼デバイスが、米国特許第５，１２７，８２２号に提案されている。この特許によれば、燃料が燃焼チャンバに対して微細な溶滴として供給されて燃料の気化を加速させて、合格とされる燃焼効率を達成するのに必要な燃焼器滞留時間を減少させる噴霧化器が提案される。
【０００７】
米国特許第５，１２７，８２２号の特許では、燃料が５ｃｃ／分の速度で供給され、噴霧化されて、４０μｍというソーター平均直径（ＳＭＤ）を有する溶滴となる装置が提案されている。他の噴霧化技法が、米国特許第６，０９５，４３６号と同第６，１０２，６８７号とに提案されている。燃料を内燃機関に供給する超音波噴霧器が、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号には、炭化水素燃料（たとえば、ガソリン、重油、ケロシンなど）を凝縮エリアに配分して、直径が１μｍ未満の比較的均一サイズの溶滴のエアゾール化された燃料が形成されることになっている燃料エアゾール化装置が提案されている。
【０００９】
このエアゾール化された燃料は、所望の空燃比となるように空気と混合されて、加熱バーナーの燃焼エリアで燃焼され、また、熱交換器がこの燃焼した燃料からの熱を、空気、ガス、液体などの熱運搬媒体に伝達する。
【００１０】
内燃機関中での燃料エアゾールの不完全燃焼に関連する問題に対処するといわれる燃料気化デバイスが、米国特許第５，４７２，６４５号に提案されている。米国特許第５，４７２，６４５号によれば、エアゾール燃料の溶滴は内燃機関中では点火せず、不完全燃焼するため、未燃の燃料残留物がこのエンジンから、炭化水素（ＨＣ）や、一酸化炭素（ＣＯ）や、窒素酸化物（ＮＯx）を付随生成するアルデヒド類などの汚染物質として排出される。米国特許第５，４７２，６４５号の提案は、より高い分子量を持つ炭化水素を含む未気化のエアゾールをある程度含む気化した又は気相の成分から成る空気流動ストリームに液体燃料を分解することによってエアゾール燃料の燃焼を改善することを意図するものであり、迅速に気化して気相となるといわれるこのより軽い燃料蒸留物は空気と混合されて内燃機関に供給され、一方、より重い燃料部分は、サイクロンボルテックスデバイスから出てエンジンの取り入れマニホルドに入る前に気相の気化状態に変換されると言われている。
【００１１】
米国特許第４，３４４，４０４号には、空気と混合したエアゾール燃料溶滴を内燃機関又はバーナーに供給する装置が提案されているが、この燃料溶滴は０．５〜１．５μｍというサイズを有すると言われている。エアゾールという形態を取る液体燃料は、約１８：１という空燃比で空気と混合して、エンジンから生成されるＣＯや、ＨＣや、ＮＯxなどの排出物を最小にするようになっている。
【００１２】
燃料を加熱して気化燃料とし、これをバーナーで燃焼させる様々なデバイスが提案されている。たとえば、米国特許第４，１９３，７５５号、同第４，３２０，１８０号、及び同第４，７８４，５９９号を参照のこと。
【００１３】
米国特許第３，７１６，４１６号には、燃料電池システムで使用されるようになっている燃料計量デバイスが開示されている。この燃料電池システムは自己調整式であって、所定のレベルのパワーを生成するようになっている。この提案されている燃料計量システムは、後で燃焼させるために燃料を製造する仕方を改善するのではなく、燃料電池のパワー出力に応答して燃料流量を絞る細管流れ制御デバイスが含まれている。このように改善するのではなく、燃料は燃料リフォーマに供給されてＨ2に変換されて、燃料電池に供給されるようになっている。ある好ましい実施形態では、細管チューブは金属製であり、細管自体は、燃料電池のパワー出力部と電気的に接触している抵抗体として用いられる。蒸気の粘性は液体の粘性より大きいため、パワー出力が増すに連れて流れは絞られる。使用されることを示唆されている燃料には、加熱することによって液体から気相に容易に転換されて細管を通って自由に流れるあらゆる流体が含まれる。ベーパーロックが自動車のエンジン中で発生するような仕方で気化が達成されるように思われる。
【００１４】
米国特許第６，２７６，３４７号には、液体を噴霧化又は気化させる臨界超過又はほぼ臨界超過の噴霧器が提案されている。米国特許第６，２７６，３４７号のこの臨界超過噴霧器は、一般にガソリンを燃焼させる小型で、軽量で、低圧縮比の火花点火ピストンエンジンを、重油を用いて発火させることを可能とすると言われている。この噴霧器は、液体又は液体状の燃料から微細な溶滴のスプレーを、その燃料をその臨界超過温度に近づけてから、その燃料に関連する状態図中の気体安定フィールド上の低圧の領域中にその燃料を放射して、その燃料を微細噴霧化又は気化させることによって生成することになっている。このような燃焼機関、科学装置、化学処理、廃棄物処理制御、清浄化、エッチング、昆虫防除、表面改質、加湿、及び気化などの応用分野への有用性が開示されている。
【００１５】
分解を最小にとどめるため、米国特許第６，２７６，３４７号には、噴霧化のため、絞り弁の遠心端を過ぎるまで、燃料を臨界超過温度未満に保つことが提案されている。ある応用分野の場合、絞り弁の先端だけを加熱することが、化学反応又は析出の可能性を最小化するうえで望ましい。これは、さもないと溶液の外に追い出されて、ラインやフィルタを目詰まりさせる傾向のある燃料ストリーム中の不純物や、反応物質や、材料と関連する問題を軽減すると言われている。臨界超過な又はほぼ臨界超過な圧力で動作するということは、燃料供給システムが２１．１〜５６．２ｋｇ／ｃｍ2（３００〜８００ｐｓｉｇ）の範囲で動作することを意味する。臨界超過な圧力と温度を用いると噴霧器の目詰まりを軽減するが、他方、比較的高価な燃料ポンプを用いること、また、このような高い圧力で動作可能な燃料ライン、金具などを用いることを必要とする。
【００１６】
電力変換装置が、米国特許第４，６３８，１７２号、同第５，８３６，１５０号、同第５，８７４，７９８号、同第５，９３２，９４０号、同第６，１０９，２２２号、及び同第６，１９８，０３８号とに提案されている。この内、米国特許第４，６３８，１７２号には、小型内燃機関に動作可能に結合された直流発電機が提案されているが、この発電機は、４ボルト（Ｖ）×１５０ミリアンペア（ｍＡ）から１１０Ｖ×２５０ｍＡを超える電流の電力を出力すると言われる。米国特許第５，８３６，１５０号には、マイクロマシニングされたターボ発電機用のスラスト源として用いることが可能なマイクロスラスト／熱発生装置が提案されている。米国特許第５，８７４，７９８号にはマイクロタービン発生装置デバイスが提案されているが、これは、空気をこのデバイスに供給して、携帯式電子製品で用いられる電気を発生するようになっている。米国特許第５，９３２，９４０号には、携帯式電子デバイス中のバッテリに取って代わるように１．０〜３．１ｋｇ−ｍ／秒（１０〜３０ワット）の電力を出力し、同時に、同じ重量と体積からの電力の２０倍の電力を生成することになっているマイクロ発生装置を駆動するために用いられる燃焼チャンバを含むマイクロガスタービンエンジン（たとえば、これは、携帯式のコンピュータ、ラジオ、電話、電動工具、加熱器、冷却器、軍事応用物などに取って代わるものである）が提案されている。米国特許第６，１０９，２２２号特許には、周期的な燃焼プロセスによって自由ピストンが往復運動する、１．０〜３．１ｋｇ−ｍ／秒（１０〜３０ワット）の電力を発生するようになっているマイクロ熱機関が提案されている。
【発明の開示】
【００１７】
一態様では、本発明は液体燃料の源からパワーを生成する装置を提供するが、前記装置は、
（ａ）入口端と出口端とを有する少なくとも１つの細管流れ通路であって、前記入口端が前記液体燃料源と流動的連通している、前記少なくとも１つの細管流れ通路と、
（ｂ）前記少なくとも１つの細管流れ通路に沿って配置された熱源であって、前記少なくとも１つの細管流れ通路中の液体燃料を、少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変化させるに十分なレベルにまで加熱して、実質的に気化した燃料のストリームを前記少なくとも１つの細管流れ通路の前記出口端から供給するように動作可能な、前記熱源と、
（ｃ）実質的に気化した燃料と空気とのストリームを燃焼させる燃焼チャンバであって、前記少なくとも１つの細管流れ通路の前記出口端と連通している、前記燃焼チャンバと、
（ｄ）前記燃焼チャンバ中での燃焼で放出された熱を機械力及び／又は電力に変換するように動作可能な変換デバイスと、
を備える。
【００１８】
別の態様では、本発明はパワーを発生する方法を提供するが、本方法は、
（ａ）液体燃料を少なくとも１つの細管流れ通路に供給するステップと、
（ｂ）実質的に気化した燃料のストリームを、前記少なくとも１つの細管流れ通路中の液体燃料を加熱することによって、前記少なくとも１つの細管流れ通路の出口から通過させるステップと、
（ｃ）気化した燃焼を燃焼チャンバ中で燃焼させるステップと、
（ｄ）気化した燃料が前記燃焼チャンバ中で燃焼して生成された熱を、変換デバイスを用いることによって機械力及び／又は電力に変換するステップと、
を含む。
【００１９】
液体燃料の加熱中に堆積物が形成されることに関連する問題に対処するために、本発明の別の態様は、上記の装置の動作中に形成された堆積物を除去する方法と手段とを提供する。
【００２０】
本発明を次に、例示目的で与えられただけの本発明の好ましい形態を参照して、以下の添付図面を参照してさらに詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
ここで、図１〜１７に示す実施形態を参照するが、図中全般にわたって、同様の番号は同様の部品を示す。
【００２２】
本発明は、利点をもって高エネルギ密度液体燃料を燃焼させるパワー生成装置を提供する。ある好ましい実施形態では、本装置は、燃料供給体に接続された少なくとも１つの細管サイズの流れ通路と、前記流れ通路に沿って配置されており、前記流れ通路の出口から気化した燃料のストリームを供給するに十分なほど前記流れ通路中の液体燃料を加熱する熱源と、気化した燃料が燃焼される燃焼チャンバと、前記燃焼チャンバ中での燃焼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変換デバイスとを含む。
【００２３】
この流れ通路は、抵抗加熱器で加熱される細管チューブであったりするが、このチューブの１区分を、それに電流を通すことによって加熱する。この細管流れ通路はまた低い熱慣性を有することを特徴とするが、これにより、細管通路を所望の温度にまであげて、燃料を非常に迅速に、たとえば２．０秒以内で、好ましくは０．５秒以内で、より好ましくは０．１秒以内で、気化させることが可能である。この細管サイズの流体通路は、一層又は複数層の金属、セラミック、又はガラス製の本体などの細管本体中に形成するのが好ましい。この通路は、取り入れ口及び出口に至る密閉体積開口部を有するが、これら口の内のどちらかが細管本体の外側に開放されている、又は同じもしくは別の本体内の別の通路にもしくは金具に接続されている。上記の加熱器はステンレス鋼製チューブの１区分などの本体の一部で形成するか又はこの加熱器は個別の層もしくは細管本体の中に又は上に組み込まれた抵抗加熱材料から成るワイヤであったりする。
【００２４】
流体通路は、取り入れ口と出口とに至る密閉体積開口部を含み、それを流体が通過するかぎりどのような形状でもよい。流体通路はどのような所望の断面形状でもよいが、好ましい断面形状は一様な直径を持つ円である。別の細管流体通路の切断面としては、三角形、方形、矩形、楕円形又は他の形状などの非円形があり、流体通路の切断面は一様である必要はない。流体通路は、直線状に又は非直線状に延長し、また、単一流体通路であったり複数経路流体通路であったりする。
【００２５】
細管サイズの流れ通路には、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未満である水力直径を持つことが可能である。「水力直径」とは、流体運搬エレメントを用いて流体の流れ特徴を計算する際に用いられるパラメータであり、流体と接触している固体の境界の周囲の長さ（一般に「濡れ縁」と呼ばれる）で流体運搬エレメントの流れ面積を除算したものの４倍であると定義される。円形の流れ通路を有するチューブの場合、水力直径と実際の直径は等しい。細管通路が金属製の細管チューブによって画定される場合、このチューブがとり得る内径は、０．０１〜３ｍｍ、好ましくは０．１〜１ｍｍ、もっとも好ましくは０．１５〜０．５ｍｍである。代替例では、細管通路は、８×１０-5〜７ｍｍ2、好ましくは８×１０-3〜８×１０-1ｍｍ2、より好ましくは２×１０-3〜２×１０-1ｍｍ2という値を取り得る通路の横断面積によって画定することが可能である。１つ又は複数の細管、様々な圧力、様々な細管長、細管に印加される熱の量、並びに互いに異なった形状及び／又は断面積の組み合わせの多くが、所与の応用物に適する。
【００２６】
従来のデバイスは、スターリングエンジン、マイクロタービン、又は最大で約５１０ｋｇ−ｍ／秒（５，０００ワット）のパワーまで生成することが可能なオプションの発生装置で熱を機械力又は電力に変換する他の適切なデバイスであったりする。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燃料などのいかなるタイプの炭化水素燃料、さらに、エタノール、メタノール、メチル第三ブチルエーテル又は炭化水素燃料と酸素化物の配合物などの酸素化物であってもよく、この燃料は、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、さらにより好ましくは０．７ｋｇ−ｍ／秒（１０ｐｓｉｇ）未満、もっとも好ましくは０．４ｋｇ−ｍ／秒（５ｐｓｉｇ）未満の圧力で流れ通路に供給されるのが好ましい。気化した燃料を空気と混合して、２５μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下の平均溶滴サイズを有するエアゾールを形成すれば、清浄で効率的な点火能力が可能となる。
【００２７】
本発明のある好ましい実施形態によれば、液体燃料が加熱された細管チューブ（たとえば、内径が３ｍｍ以下の小さい直径のガラス、セラミック又はステンレス鋼などの金属材料製のチューブ）を介して燃焼チャンバに供給され、ここで、気化した燃料は予熱された又は加熱されていない空気と混合される。この気化した燃料は、燃焼チャンバに至る空気供給通路中に引き込まれた周囲温度の空気と混合することが可能である。代替例では、この気化した燃料は、燃焼チャンバから除去された排出ガスの熱で空気を予熱する熱交換器などによって予熱されている空気と混合することが可能である。所望により、空気を、気化した燃料と混合する以前に送風機などによって加圧することが可能である。
【００２８】
加熱された細管通路中で液体燃料が気化している間、炭素及び／又は重い炭化水素の堆積物が細管壁に堆積して、燃料の流れが厳しく制限され、このため、究極的には、細管流れ通路が目詰まりしかねない。このような堆積物が堆積する速度は、細管壁の温度と、燃料の流量と、燃料のタイプとの関数である。燃料添加物はこのような堆積物を削減するのに役立つと信じられているが、このような目詰まりが進行しても、本発明の燃料気化デバイスは利点として、動作中に形成された堆積物を除去する手段となる。
【００２９】
本発明によれば、空燃混合物は燃焼チャンバ中で燃焼して熱を生成し、この熱が機械力又は電力に変換される。パワー生成デバイスは、燃焼に先立って、高い信頼性で液体燃料を供給して、気化した燃料を噴霧化する。
【００３０】
加熱された細管流れ通路は、気化した燃料が周囲温度の空気と混合すると、小さい燃料溶滴（たとえば２５μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下）を形成して、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、さらにより好ましくは０．４ｋｇ−ｍ／秒（５ｐｓｉｇ）未満の液体燃料圧力で動作する機能を有する。本発明は、燃料を低い空気供給圧力（たとえば、５０．８０ｍｍＨ2Ｏ（Ｈ2Ｏ中では２）で燃焼させ、迅速にスタートし、汚染、目詰まり及び貼り付きを制御し、低い排出物レベルで動作し、空燃混合物を点火するのに低い点火エネルギしか必要としない。
【００３１】
本発明による装置の１つの利点は、その点火エネルギ要件の特徴である。最小点火エネルギとは、噴霧化された空／燃混合物が、一般的には火花点火源などの点火装置で点火可能な容易さを記述するために用いられる用語である。本発明によるデバイスは、２５μｍ未満、好ましくは１０μｍ未満、より好ましくは５μｍ未満というソーター平均直径を有する溶滴を持つ気化された燃料及び／又はエアゾールを提供することが可能であるが、このような微細なエアゾールはガスタービン応用物中でのスタートアップ特徴と保炎性とを改善するのに役立つ。加えて、２５μｍ未満のＳＭＤ値を有する燃料の最小点火エネルギを、非常に大幅に減少させることが可能である。たとえば、Ｌｅｆｅｂｖｒｅの「ガスタービンの燃焼」（Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、１９８３年）の２５２ページに記載されているように、噴霧化された空／燃混合物を点火させる際の容易さを相関させる用語であるＥminは、ＳＭＤが減少するに連れて急激に減少すると示されている。最小点火エネルギは、エアゾール中の燃料溶滴のソーター平均直径（ＳＭＤ）の立方にほぼ比例する。ＳＭＤは、その表面対体積比がスプレー全体のそれと等しい溶滴の直径であり、スプレーの物質伝達特徴に関連するものである。様々な燃料のＥminとＳＭＤの関係は、次の関係式でほぼ近似されるとＬｅｆｅｂｖｒｅに示されている：
ｌｏｇＥmin＝４．５（ｌｏｇＳＭＤ）＋ｋ
ここで、ＥminはｍＪ単位で測定されており、
ＳＭＤはμｍ単位で測定されており
ｋは燃料のタイプに関連する定数である。
【００３２】
Ｌｅｆｅｂｖｒｅによれば、重油の最小点火エネルギは、ＳＭＤが１１５μｍで約８００ｍＪであり、ＳＭＤが５０μｍで約２３ｍＪである。イソオクタンの最小点火エネルギは、ＳＭＤが９０μｍで約９ｍＪ、ＳＭＤが４０μｍで約０．４ｍＪである。ディーゼル燃料の場合、ＳＭＤが１００μｍに等しい場合、Ｅminは約１００ｍＪである。ＳＭＤが３０μｍに減少すると、Ｅminは約０．８ｍＪに減少する。ＳＭＤ値の点火システム要件はかなり減少して２５μｍ未満になることが理解されよう。
【００３３】
本発明によるパワー変換装置は、非常に望ましい低点火エネルギ要件を示すことがわかっている。点火エネルギ要件が低いと、システム全体の重量が減少し、また、この点火システムに関連する寄生パワー損失が減少してパワー出力が最大化されて本発明のパワー生成の恩典が改善される。
【００３４】
上記の恩典に鑑み、パワー生成装置の点火装置にとっては、低エネルギの火花点火デバイスが好ましい。また、約５〜７ｍＪの範囲の火花エネルギを出力することが可能な小型の圧電点火デバイスが好ましい。このようなデバイスは、簡単で、コンパクトで、寄生負荷という問題をもたらさないことが知られている。本発明の装置による超微細燃料気化とあいまって、低エネルギ圧電点火デバイスの点火特徴が卓越したものとなる。
【００３５】
液体燃料燃焼デバイスの排出特徴は、燃料溶滴サイズ分布の品質に敏感である。微細スプレーの品質が高いと、燃料の気化が促進され、混合性が向上し、これによって、燃料の濃厚燃焼に対する必要性と、それにしばしば関連する煤煙の発生とが軽減される。小さい溶滴は流れが流線型となり、また、バーナー壁に衝撃を与えにくい。それと逆に、大きい溶滴はバーナー壁に衝撃を与え、ＣＯ及び炭化水素の排出物と炭素堆積物とを引き起こしかねない。この問題は、炎が非常にこもるようなシステムではより顕著である。
【００３６】
気化した燃料が燃焼している間に生成された熱を、電力又は機械力に変換することが可能である。たとえば、この熱はどのような所望の電力又は機械力、たとえば、最大で５１０ｋｇ−ｍ／秒（５０００ワット）という電力や機械力にも変換可能である。数時間にわたって最大で約２．０ｋｇ−ｍ／秒（２０Ｗ）しか出力できない携帯式バッテリ技術又は、１０２ｋｇ−ｍ／秒（１ｋＷ）を超える出力を持つやかましくて排出物が多い内燃機関／発電機と比較して、本発明の１実施形態による装置は、数百ワット範囲の静かで清浄な電源を提供する。
【００３７】
本発明にしたがって燃焼チャンバ中で生成された熱を電力又は機械力に変換する様々な技術が存在する。たとえば、２．０〜５１０ｋｇ−ｍ／秒（２０〜５０００ワット）の範囲では、少なくとも次の技術が想定される：熱を機械力に変換して、これを用いて発電機を駆動するようにすることが可能なスターリングエンジンと、発電機を駆動するために用いることが可能なマイクロガスタービンと、熱を電気に直接変換する熱電式装置と、放射線エネルギを電気に直接変換する熱光起電式装置とである。
【００３８】
熱電装置は、静かで持続性があるという点で利点があり、また、外燃機関と連結すれば、燃料に関して言えば排出物を軽減しフレキシビリティをもたらすことが期待できる。変換デバイスとして用いることが可能な様々なタイプの熱電式発電機として、その開示内容を参照してここに組み込む米国特許第５，５６３，３６８号、同第５，７９３，１１９号、同第５，９１７，１４４号、及び同第６，１７２，４２７号とに開示されているものが挙げられる。
【００３９】
熱光起電式デバイスは、静かでパワー密度が適度であるという点で利点があり、また、外燃機関と連結されると、燃料に関して言えば排出物を軽減しフレキシビリティをもたらすことが期待できる。変換デバイスとして用いることが可能な様々なタイプの熱光起電式デバイスとして、その開示内容を参照してここに組み込む米国特許第５，５１２，１０９号、同第５，７５３，０５０号、同第６，０９２，９１２号、及び同第６，２０４，４４２号に開示されているものが挙げられる。米国特許第６，２０４，４４２号に示すように、熱放射体を用いて、燃焼ガスの熱を吸収する事が可能であり、また、熱放射体から放射された熱を光電池に出力して電気に変換し、これにより、この光電池が燃焼ガスにさらされるのを防止する。
【００４０】
マイクロガスタービンは、比出力が高いという点で利点がある。変換デバイスとして用いることが可能なマイクロタービンデバイスとして、その開示内容を参照してここに組み込む米国特許第５，８３６，１５０号、同第５，８７４，７９８号、及び同第５，９３２，９４０号とに開示されているものが挙げられる。
【００４１】
スターリングエンジンは、サイズ、静かな動作、持続性を基準に考えると利点があり、また、外燃機関と連結されると、燃料に関して言えば排出物を軽減しフレキシビリティをもたらすことが期待できる。変換デバイスとして用いることが可能なスターリングエンジンが当業者には明らかである。
【００４２】
ここで図１を参照すると、本発明による装置で用いられる燃料気化デバイスが図示されている。液体燃料源から引き出された液体燃料を気化させる燃料気化デバイス１０は、取り入れ口端１４と出口端１６とを有する細管流れ通路１２を含んでいる。流体制御バルブ１８が備えられており、これにより、細管流れ通路１２の取り入れ口端１４を液体燃料源Ｆと流動的連通させて、実質的に液体状態にある液体燃料を細管流れ通路１２中に導入するようになっている。流体制御バルブ１８はソレノイドで操作するのが好ましい。熱源２０が細管流れ通路１２に沿って配置されている。熱源２０は、電気抵抗性材料から成るチューブで細管流れ通路１２を形成して、このチューブの接続部２２と２４に電流源を接続して電流を流すときに細管流れ通路の一部が加熱器エレメントを形成するように装備するのがもっとも好ましい。これで熱源２０は、細管流れ通路１２中の液体燃料を十分なレベルまで加熱して、その少なくとも一部が液体状態から蒸気状態に変化して、実質的に気化した燃料のストリームが細管流れ通路２０の出口端１６から供給されることが理解されよう。実質的に気化したということは、液体燃料の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％、より好ましくは少なくとも８０％が気化していることを意味する。
【００４３】
燃焼気化デバイス１０はまた、本発明による装置の動作中に形成された堆積物を除去する手段を含む。図１に示す堆積物を除去するこの手段は、流体制御バルブ１８と、熱源２０と、細管流れ通路１２を酸化剤Ｃの源と流動的連通させる酸化剤制御バルブ２６とを含む。酸化剤制御バルブは、細管流れ通路１２のどちらかの端のところもしくは近傍に位置付けするか、又は、細管流れ通路１２のどちらかの端と流動的連通するように構成することが可能であることが理解されよう。酸化剤制御バルブを細管流れ通路１２の出口端１６のところ又は近傍に位置付けると、それによって、酸化剤Ｃの源が細管流れ通路１２の出口端１６と流動的連通することになる。動作中、熱源２０を用いて、細管流れ通路１２中の酸化剤Ｃを十分なレベルにまで加熱し、液体燃料Ｆが加熱されている間に形成された堆積物を酸化させる。一実施形態では、燃料供給モードから清浄化モードに切り替えるために、酸化剤制御バルブ２６は、細管流れ通路１２中への液体燃料Ｆの導入と酸化剤Ｃの導入とを交互に実行するように動作可能であり、酸化剤が少なくとも１つの細管流れ通路中に導入されるときにこの細管流れ通路をその場で清浄化することを可能とする。
【００４４】
堆積物を酸化する１つの技法として、空気又はストリームが細管流れ通路を通過するようにさせる技法がある。この細管流れ通路は、清浄化動作中に加熱し、これにより、酸化プロセスが始動されて、堆積物が消耗するまで促進されるようにするのが好ましいと指摘されている。この清浄化動作を向上させるため、触媒物質を細管壁のコーティングとして又はそのコンポーネントとして用い、清浄化を遂行するために必要とされる温度及び／又は時間を軽減するようにする。燃料気化デバイスを連続的に動作させるためには、２つ以上の細管流れ通路を用い、これで、センサなどを用いたりして目詰まり状態が検出されたら、燃料の流れを別の細管流れ通路に方向転換させ、清浄化すべき目詰まりした細管流れ通路中をオキシダントが流れ始めるようにさせることが可能となるようにする。例として、細管本体中に、複数の細管流れ通路を備え、また、バルブ調節装置を装備して、液体燃料又は空気を各流れ通路に選択的に供給するようにすることが可能である。
【００４５】
代替例では、燃料の流れを細管流れ通路から方向転換させ、オキシダントの流れを事前設定された時間間隔で始動させることが可能である。細管流れ通路への燃料の供給はコントローラで達成することが可能である。たとえば、このコントローラは、事前設定された時間期間にわたって燃料を供給させ、その事前設定時間が経過したらその燃料供給を解除することが可能である。このコントローラはまた、細管流れ通路に供給される液体燃料の圧力及び／又は熱の量を感知された１つ以上の状態に基づいて調整する。この感知された状態にはとりわけ、燃料圧力、細管温度、又は空燃比が含まれる。コントローラはまた、１つ以上の細管流れ通路を制御して、堆積物を除去する。
【００４６】
この清浄化技法はまた、１つの流れ通路を有する燃焼デバイスに適用される。しかしながら、燃焼デバイスが清浄化動作中に間欠的にシャットダウンされると、清浄化している間に流れ通路に供給されるエネルギは電気エネルギであるのが好ましい。１回清浄化したら次の清浄化までの時間期間は、実験的に判定している目詰まり特徴に基づいて固定させたり、又は、感知・制御デバイスを用いて、目詰まり検出して、清浄化プロセスを必要に応じて始動したりするようにする。たとえば、制御デバイスが、細管流れ通路への燃料供給圧力を感知して目詰まりの程度を検出することが可能である。
【００４７】
この酸化清浄化技法はまた、連続的に動作することを求められる燃料気化デバイスに適用されることが指摘されている。この場合、複数の細管流れ通路を用いられる。本発明で用いられる典型的な複数細管流れ通路式燃料気化デバイスを図２と図３に示す。図２は、単一のアセンブリ９４に組み込まれた複数細管チューブ式装置の略図である。図３は、このアセンブリ９４の端面図である。図示するように、このアセンブリは３つの細管チューブ８２Ａ、８２Ｂ及び８２Ｃ並びに正電極９２を含むことが可能であり、これはソリッドステンレス鋼ロッドを含むことがある。これらのチューブとロッドは、電気的に絶縁性の材料からなっている本体９６中に支持することが可能であり、これにより、電力をロッドと細管チューブとに金具９８を介して供給することが可能である。たとえば、直流をこれら細管チューブの内の１つ以上の細管チューブの上流端に供給することが可能であり、その下流端における接続部９５はこの電流がロッド９２を介して戻るための戻り通路を形成することが可能である。
【００４８】
ここで図４を参照すると、本発明を実施する際に用いられる複数細管チューブ式システム８０が図示されている。このシステムは、細管チューブ８２Ａ〜８２Ｃと、燃料供給ライン８４Ａ〜８４Ｃと、酸化剤供給ライン８６Ａ〜８６Ｃと、酸化剤制御バルブ８８Ａ〜８８Ｃと、電極入力ライン９０Ａ〜９０Ｃと、共通アース端子９１とを含んでいる。システム８０では、１つ以上の細管チューブを清浄化している間に、同時に、他の１つ以上の細管チューブで燃料の供給を継続することが可能である。たとえば、細管流れ通路８２Ａを清浄化している間に、細管通路８２Ｂと８２Ｃとを介して燃料を燃焼させることが可能である。細管流れ通路８２Ａの清浄化は、この細管流れ通路８２Ａへの燃料の供給を停止して、空気をこの細管流れ通路８２Ａに供給して、十分加熱して、この細管流れ通路中の堆積物を酸化させることによって遂行することが可能である。したがって、１つ又は複数の細管を、燃料を連続的に供給しながら、清浄化することが可能である。これら清浄化されている１つ以上の細管流れ通路は、清浄化プロセス中に、電気抵抗加熱器又は応用物からの熱のフィードバックによって加熱するのが好ましい。また、任意の細管流れ通路を１回清浄化したら次の清浄化までの時間期間は、周知の目詰まり特徴に基づいて固定させたり、実験的に判断したり、又は、感知・制御システムを用いて、堆積物の成長を検出して、清浄化プロセスを必要に応じて始動したりするようにする。
【００４９】
図５に、目詰まりした細管通路を除去する酸化ガス供給体を組み込んだ装置を本発明に従って操作する制御システムの例示の略図を示す。この制御システムは、細管チューブ１０４などの流れ通路に対して燃料と、任意には空気とを供給する燃料供給体１０２に動作可能に接続されたコントローラ１００を含む。コントローラはまた、電力を抵抗加熱器に、又は、直接に金属製細管流れ通路１０４に供給してチューブを十分加熱して燃料を気化させるようにする電源１０６に動作可能に接続されている。所望により、燃焼システムは、コントローラ１００に動作可能に接続された流れ通路と加熱器とを複数個含むことが可能である。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、パワー出力センサ、バッテリ充電センサなどの１つ以上の信号送出デバイスに動作可能に接続することが可能であり、これにより、この信号送出デバイス１０８がコントローラに出力した信号に応答して燃焼システムの動作を自動的に制御するようにコントローラ１００をプログラムすることが可能である。
【００５０】
動作中、本発明による装置の燃料気化デバイスは、燃焼中に生成された熱をフィードバックし、これで、液体燃料が十分加熱されて、この液体燃料が、それが細管を通過するに連れて実質的に気化され、これによって、細管流れ通路を電気的に又は別様に加熱する必要性を軽減する又は解消する又は補完するように構成することが可能である。たとえば、細管チューブをより長くして、これで、より多くの熱が伝達されるようにその表面積を増加させることが可能であったり、細管チューブを燃焼燃料を通過させるように構成することが可能であったり、熱交換器を、燃焼反応による排出ガスを用いて燃料を予熱するように構成することが可能であったりする。
【００５１】
図６に、どのようにして細管流れ通路６４を、その中を移動する液体燃料が、燃料気化加熱器の所要パワーを軽減させ得るように高温に加熱されるように構成することが可能であるかを簡略化された形態で示す。図示するように、細管流れ通路を含むチューブの部分６６は、燃焼した燃料の炎６８中を通過する。最初にスタートアップするには、チューブの１区分を含む抵抗加熱器又は別個の抵抗加熱器をバッテリ７４などの電源に接続されたリード線７０と７２で加熱しておいてこれを用い、最初に液体燃料を気化させればよい。この気化した燃料が適切な点火装置によって点火されたら、チューブの部分６６を燃焼熱で予熱して、抵抗加熱器で燃料を継続的に気化させるために必要とされる電力を軽減させることが可能である。このように、チューブを予熱することによって、抵抗加熱器を用いることなくチューブ中の燃料を気化させ、これによって、電力を保存することが可能となる。
【００５２】
図１〜６に示す燃料気化デバイスとそれに伴うシステムともまた、本発明の別の実施形態と関連して用いられることが理解されよう。図１を再度参照すると、堆積物を除去する手段は流体制御バルブ２８と溶媒制御バルブ２６とを含み、これにより、細管流れ通路１２を溶媒と流動連通させるようになっており、この溶媒制御バルブ２６は細管流れ通路１２の一端に配置されている。溶媒清浄化を採用している装置の一実施形態では、溶媒制御バルブによって、細管流れ通路１２中への液体燃料の導入と溶媒の導入とが交互に実行され、これにより、溶媒が細管流れ通路１２中に導入されると細管流れ通路１２がその場で清浄化することが可能となっている。様々な溶媒が実用性を持っているが、溶媒とは液体燃料源からの液体燃料を含んでいるものである。この場合がそうであるとすると、溶媒制御バルブは必要ないが、それは、燃料と溶媒とを交代で供給する必要がなく、また、熱源を、細管流れ通路１２の清浄化中に段階的に停止するか又は起動解除すべきであるからである。
【００５３】
図７に、本発明の別の例示的な実施形態を示す。本発明の装置中で使用される燃料気化デバイス２００は、液体燃料Ｆを供給する加熱された細管流れ通路２１２を有している。この細管流れ通路２１２に沿って配置されている熱源２２０から熱が提供される。熱源２２０は、電気抵抗性材料製のチューブから細管流れ通路２１２を形成し、細管流れ通路２１２の一部が、電流源がチューブの接続部２２２と２２４に接続されて電流を供給するときに加熱器エレメントを形成するのが最も好ましい。
【００５４】
燃料気化デバイス２００の動作中に形成された堆積物を除去するために、軸方向可動ロッド２３２がデバイス本体２３０の端キャップ２３４の開口部２３６中に位置付けされており、細管流れ通路２１２の取り入れ口端２１４の開口部と軸方向に揃うようになっている。パック用材料２３８が、シール目的で端キャップ２３４の内部体積内に備えられている。ここで、図７Ａを参照すると、軸方向可動ロッド２３２が、細管流れ通路２１２内を完全に延長しているのが示されている。細管流れ通路２１２の内部における壁のクリアランスが最小となるように軸方向可動ロッド２３２の直径を選択すると、この組み合わせによって、燃料気化デバイス２００の動作中に細管流れ通路２１２の内部表面に沿って形成された堆積物を実質的にすべて取り除くことが可能となることが理解されよう。
【００５５】
図８に、自由ピストンスターリングエンジン３０と、その内部で５５０〜７５０℃の熱が、同期発電機３２を駆動して電力を発生する往復ピストンで機械力に変換される燃焼チャンバ３４とを含む本発明による装置の略図である。アセンブリはまた、細管流れ通路／加熱器アセンブリ３６、コントローラ３８、整流器／調整器４０、バッテリ４２、燃料供給体４４、回収熱交換器４６、燃焼送風機４８、冷却器５０、及び冷却器／送風機５２を含んでいる。動作中、コントローラ３８は、細管３６への燃料の供給を制御するように、また、チャンバ３４中での燃料の燃焼を制御し、これにより、燃焼の熱によってスターリングエンジン中のピストンが駆動されて、エンジンが同期発電機３２から電気を出力するように動作可能である。所望により、スターリングエンジン／同期発電機の代わりに、機械力を出力する運動スターリングエンジンを導入することが可能である。燃焼チャンバと空気予熱装置との例は、その開示内容を参照してここに組み込む米国特許第４，２７７，９４２号、同第４，３５２，２６９号、同第４，３８４，４５７号及び同第４，３９２，３５０号に見受けられる。
【００５６】
図９に、スターリングエンジンアセンブリなどの加熱変換デバイスの一部を形成することが可能な、本発明の別の実施形態によるパワー生成デバイスの部分断面略図を示す。図９に示すように、送風機で空気取り入れ口に供給された空気は、燃焼チャンバ３４に入って、細管加熱装置３６によってチャンバに供給された気化された燃料を混合する。チャンバ３４中の燃焼による熱がスターリングエンジン３０の端を加熱すると、滑動ピストンが、電気を発生するように同期発電機内で往復運動する。チャンバ３４は、排出ガスが入ってくる空気を予熱し、これで燃料を燃焼させるためのエネルギ要件を軽減するように設計することが可能である。たとえば、ハウジングには複数壁式装置を含むことが可能であるが、これによって、入ってくる空気を、排出通路中を循環している排出ガスによって加熱されている充満空間中を循環させる。取り入れ口の空気（矢印５５で示す）を、燃焼チャンバ３４の周りで旋回羽根５６を通るように空気を通過させることによって燃焼チャンバ中で旋回させることが可能である。この燃焼した空燃混合物によって、熱交換デバイス（スターリングエンジン）３０を加熱して、排出ガス（矢印５７で示す）を燃焼チャンバから除去する。
【００５７】
一般に、パワー変換装置は、液体燃料源と、燃料源からの燃料が気化されて、気化された燃料が燃焼される燃焼チャンバに供給される際に通る少なくとも１つの流れ通路（たとえば、加熱された１つ以上の細管チューブ）とを含むことが可能であり、この燃焼チャンバ中で生成された熱を用いてスターリングエンジンや他の熱変換デバイスを駆動する。熱交換器を用いて、空気をそれが熱交換器中の空気通路を走行する際に予熱し、これにより、デバイスの効率を最大化する、すなわち、気化した燃料と混合した空気を予熱してチャンバ中の燃焼をサポートすることによって、スターリングエンジンを所望の動作温度に保つために必要とされる燃料が減少する。排出ガスは熱交換器中の排出ダクト中を伝わり、これにより、排出ガスの熱を、燃焼チャンバに供給中の空気に伝達することが可能である。
【００５８】
燃焼チャンバには、空気が気化した燃料と混合する及び／又は空燃混合物が燃焼する適切な装置であればいかなる装置でも組み込むことが可能である。たとえば、燃料をベンテュリ中の空気と混合して空燃混合物とすることが可能であり、また、この空燃混合物をベンテュリの下流にある熱発生ゾーンで燃焼させることが可能である。燃焼を始動させるには、空燃混合物を点火ゾーンに閉じ込めて、ここで、火花発生器などの点火装置で混合物を点火させればよい。この点火装置は、機械式火花発生器、電気式火花発生器、抵抗加熱点火ワイヤなどの燃料を点火させることが可能であればいかなるデバイスでもよい。電気式火花発生器には、小型バッテリなどの適当な電源であればどれによっても電力供給することが可能である。しかしながら、バッテリの代わりに、起動されると電流を発生する手動式の圧電トランスデューサを用いてもよい。このような装置によって、電流を、トランスデューサを圧縮して電気機械式に発生することが可能である。たとえば、撃鉄を、トリガーが押されたら所定の力でトランスデューサを打つように構成することが可能である。トランスデューサが発生した電気は、適当な回路によって火花発生機構に供給することが可能である。このような装置は、空燃混合物を点火させるために用いることが可能である。
【００５９】
変換デバイスが発生した電力の一部を、点火装置に電力を供給するために用いることが可能なバッテリやコンデンサなどの適当な保存デバイスに保存しておくことが可能である。たとえば、手動式スイッチを用いて、電流を抵抗加熱エレメントに対して又は直接に金属性チューブの一部を介して供給し、これで、流れ通路中の燃料を気化させる及び／又は電流を点火装置に供給して、燃焼チャンバに供給された空燃混合物の燃焼を始動させることが可能である。
【００６０】
所望により、燃料を燃焼させることによって発生した熱を用いて、機械力又は電力に依存するどのようなタイプのデバイスでも操作することが可能である。たとえば、熱交換源を用いて、電話通信デバイス（たとえば、無線電話）などの携帯式電気装置や、携帯式コンピュータや、電動工具や、電化製品や、キャンピング装置や、軍事装置や、モペッドなどの輸送装置や、動力付き車椅子及び海洋推進デバイスや、電子感知デバイスや、電子監視装置や、バッテリ充電装置や、照明装置や、加熱装置などのために電気を発生することが可能である。熱交換デバイスはまた、非携帯式デバイスや、送電線網へのアクセスが不可能、不便又は信頼性が低いようなロケーションに電力を供給するために用いることが可能である。このようなロケーション及び／又は非携帯式デバイスには、遠隔の居住区及び軍隊の宿営地や、自動販売機や、海洋装置などがある。
【実施例１】
【００６１】
ＪＰ８ジェット燃料を、この燃料を加熱された細管通路にマイクロ隔膜式ポンプシステムで一定の圧力で供給することによって気化させる試験を実行した。この試験では、様々な直径と長さとを持つ細管チューブを用いた。これらのチューブは、２．５〜７．６ｃｍ（１〜３インチ）で、内径（ＩＤ）と外径（ＯＤ）がｃｍ単位で、０．０２５ＩＤ／０．０４６ＯＤ（０．０１０ＩＤ／０．０１８ＯＤ）、０．０３３ＩＤ／０．０８３ＯＤ（０．０１３ＩＤ／０．０３３ＯＤ）及び０．０４３ＩＤ／０．０６４ＯＤ（０．０１７ＩＤ／０．０２５ＯＤ）の長さを有するステンレス鋼で構築されていた。液体燃料を気化させる熱を、金属性チューブの一部に電流を通すことによって発生させた。溶滴サイズ分布を、Ｍａｌｖｅｍによって製造されたＳｐｒａｙ−Ｔｅｃｈレーザ回折システムを用いて測定した。図１０に、０．０２５ＩＤ／０．０４６ＯＤ（０．０１０ＩＤ／０．０１８ＯＤ）の細管チューブの場合に実行された試験の結果を示す。図示するように、これらの試験の結果、溶滴は１．７μｍと３．０μｍとの間のソーター平均直径（ＳＭＤ）を有することが明らかになった。ＳＭＤとは、その表面対体積比がスプレー全体のそれに等しい溶滴の直径のことであり、また、スプレーの物質移動特性に関連するものである。
【００６２】
本発明による装置はまた、測定可能な単一峰分布と双峰分布とを生成した。測定の結果、２．３μｍという単一峰モードＳＭＤと２．８μｍという双峰ＳＭＤとが明らかになったが、単一峰ではエアゾール溶滴サイズがほとんど１．７μｍと４．０μｍとの間であったが、双峰スプレー分布では、エアゾール溶滴サイズの８０％以上が１．７μｍから４．０μｍの範囲にあり、残りが９５μｍから３００μｍの範囲であった。
【実施例２】
【００６３】
燃料を加熱された細管通路にマイクロ隔膜式ポンプシステムを用いて一定の圧力で供給することによって気化された商用銘柄のガソリンを用いて試験を実行した。この試験では、様々な直径と長さとを持つ細管チューブを用いた。次に表に、様々な細管チューブ構成に対する実証的事実を示す。
【００６４】
【表１】
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【実施例３】
【００６５】
燃料流量に対する燃料の影響を示すために、実験を実行した。図１１に、０．０４３ＩＤｃｍ（０．０１７インチＩＤ）で７．６ｃｍ（３インチ）長のチューブを示す（μ）データポイントと、（μ）データポイントは０．０１０ＩＤで、７．６ｃｍ（３インチ）長のチューブを示す（μ）データポイントで、様々な燃料処理能力と燃料圧力との場合に様々なチューブ寸法で得られた測定値を示す。本発明による装置は、２０３．９ｋｇ−ｃｍ／秒（２０００ワット）という燃料処理能力で所望の燃料流量対圧力損失特徴を持つ卓越した噴霧化性能を示した。（ＪＰ８燃料流量：１ｍｇ／秒＝４２．５Ｗ化学エネルギ）
【実施例４】
【００６６】
高レベルの堆積物を形成することが知られている無添加で、無含硫ベースのガソリンを用いる加熱された細管流れ通路に対する酸化清浄化技法の恩典を示すために、試験を実施した。この試験に採用した細管流れ通路は、ステンレス鋼製で、内径が０．０５８ｃｍ（０．０２３インチ）の５．０８ｃｍ（２．０インチ）長の加熱された細管チューブであった。燃料圧力を０．７ｋｇ／ｃｍ2（１０ｐｓｉｇ）に維持した。電力を細管に供給して、様々なレベルのＲ／Ｒoを達成したが、ここで、Ｒは加熱された細管の抵抗値であり、Ｒoは周囲条件下での細管抵抗値である。
【００６７】
図１２に、燃料流量対時間のグラフを示す。図示するように、界面活性剤添加物を含まないこのガソリンの場合、非常に短い時間でかなりの目詰まりが認められ、たった１０分で流量が５０％失われた。
【００６８】
かなりの目詰まりが認められた後で、燃料の流れを中断し、その代わりに空気を０．７ｋｇ／ｃｍ2（１０ｐｓｉｇ）の速度で導入した。この期間中に加熱し、たった１分後には、かなり清浄化され、流量が前のレベルに戻った。
【実施例５】
【００６９】
この実施例は、効果的な添加物パッケージを用いている商用銘柄のガソリンを用いた場合、実施例４の加熱された細管流れ通路の目詰まりがはるかに減少することを示すものである。図１３に示すように、デバイスをほぼ４時間操作した後で、燃料の流量の減少は１０％未満であった。
【実施例６】
【００７０】
様々なガソリンと界面活性剤添加物とが目詰まりに及ぼす影響を比較するために、５つの試験燃料を、実施例４の加熱された細管流れ通路中に通した。この試験された燃料には、３００ｐｐｍの硫黄を含む無添加ベースのガソリンと、硫黄を含まない無添加ベースのガソリンと、市販のアフターマーケット添加物（添加物Ａ）を添加した無含硫ベースのガソリンと、別の市販のアフターマーケット添加物（添加物Ｂ）を添加した無含硫ベースのガソリンとが含まれていた。
【００７１】
図１４に示すように、添加物有りの燃料は同様に機能したが、無添加の燃料は、１時間未満で厳しい目詰まりが認められた。
【実施例７】
【００７２】
この実施例では、０．０３６ｃｍ（０．０１４インチ）というＩ．Ｄ．と５．１ｃｍ（２インチ）という長さを有する細管流れ通路中で操作された、無添加ジェット燃料（ＪＰ−８）で動作する細管流れ通路と無添加Ｎｏ．２ディーゼル燃料で動作する同じ細管流れ通路とが、時間の経過と共にどのように動作するかが比較されている。燃料圧力を１．１ｋｇ／ｃｍ2（１５ｐｓｉｇ）に設定した。電力を細管に供給して、１．１９というＲ／Ｒoレベルを達成したが、ここで、Ｒは加熱された細管の抵抗値であり、Ｒoは周囲条件下での細管抵抗値である。
【００７３】
図１５に示すように、燃料は最初の１０分にわたる操作では類似の機能を示したが、ディーゼル燃料はその後ではより厳しい目詰まりがあった。
【実施例８】
【００７４】
堆積物を非常に形成することが知られている無添加で、Ｎｏ．２のディーゼル燃料を用いる加熱された細管流れ通路に対する酸化清浄化技法の有効性を評価する試験を実施した。この試験に採用した細管流れ通路は、ステンレス鋼製で、内径が０．０３６ｃｍ（０．０１４インチ）の５．１ｃｍ（２インチ）長の加熱された細管チューブであった。燃料圧力を１．１ｋｇ／ｃｍ2（１５ｐｓｉｇ）に維持した。電力をこの細管に供給して、１．１９というＲ／Ｒoを達成したが、ここで、再度言えば、Ｒは加熱された細管の抵抗値であり、Ｒoは周囲条件下での細管抵抗値である。
【００７５】
図１６に、燃料流量対時間のグラフを示す。図示するように、界面活性剤添加物を含まないこの燃焼の場合、非常に短い時間でかなりの目詰まりが認められ、約３５分間連続動作させたら、流量が５０％失われた。
【００７６】
二回目は、５分間動作させた後で、燃料の流れを中断し、その代わりに空気を０．７ｋｇ／ｃｍ2（１０ｐｓｉｇ）の速度で５分間にわたって導入した。この期間中に加熱も実施した。この手順が５分毎に繰り返された。図１６に示すように、酸化清浄化プロセスによって、事実上すべての場合で燃流の流量が増し、時間の経過と共に燃料の流量が全体的に減衰するのを遅らせる傾向があった。しかしながら、このプロセスの有効性は、実施例４に記載するように、無添加ガソリンを用いて達成された有効性より幾分劣るものであった。
【実施例９】
【００７７】
商用銘柄で、実施例８のＮｏ．２ディーゼル燃料を配合した汚染防止界面活性剤添加物が、加熱された細管流れ通路中での燃料流量に対して時間の経過と共にどのような影響を及ぼすかを評価するために試験を実施した。この試験に採用した細管流れ通路は、これまた、ステンレス鋼製で、内径が０．０３６ｃｍ（０．０１４インチ）の５．１ｃｍ（２インチ）長の加熱された細管チューブであった。燃料圧力を１．１ｋｇ／ｃｍ2（１５ｐｓｉｇ）に維持し、電力を細管に供給して、１．１９というＲ／Ｒoを達成した。
【００７８】
図１７に、添加物有りのＮｏ．２ディーゼル燃料と無添加のＮｏ．２ディーゼル燃料との間の燃料流量対時間の比較を示す。図示するように、界面活性剤添加物を含まない燃料の場合、非常に短い時間でかなりの目詰まりが認められ、約３５分間連続動作させたら、流量が５０％失われたが、界面活性剤を含む同じベースの燃料は、時間を延長しても目詰まりははるかに少なかった。
【００７９】
本発明を好ましい実施形態を参照して詳しく説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更が可能であり、また、等価物を用いることも可能であることが当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の一実施形態による細管流れ通路を含む燃料気化デバイスの部分断面図である。
【図２】図４のデバイスとシステムを実現するために用いることが可能な複数細管式装置の図である。
【図３】図２に示すデバイスの端面図である。
【図４】複数細管式装置中で燃料を気化させて堆積物を酸化させ、本発明を実施する際に用いられる実質的に気化した燃料を供給するために用いることが可能なデバイスの詳細を示す図である。
【図５】燃料と、任意には酸化ガスとを、細管流れ通路に供給する制御デバイスの略図である。
【図６】燃焼熱を用いて液体燃料を予熱する装置の略図である。
【図７】細管流れ通路から堆積物を除去するための可動ロッドを用いる燃料気化デバイスの別の実施形態の側面図である。
【図７Ａ】細管流れ通路内で完全に係合した細管流れ通路から堆積物を除去するための可動ロッドと一緒に示した図７の実施形態の側面図である。
【図８】本発明の一実施形態にしたがってスターリングエンジンを用いて電気を発生する本発明によるパワー発生装置の略図である。
【図９】本発明の別の実施形態によるパワー生成デバイスの部分断面略図である。
【図１０】本発明の燃料気化デバイスの恩典を示す、溶滴のパーセンテージを溶滴の直径の関数として示す溶滴分布グラフである。
【図１１】気化した燃料を本発明にしたがって供給するために用いることが可能な、互いに異なったサイズを持つ２つの細管チューブの場合の燃料処理能力対燃料圧力のグラフである。
【図１２】本発明の酸化清浄化方法を用いて達成される動作に対する恩典を示す、ガソリンの質量流量を時間の関数として示すグラフである。
【図１３】商用銘柄のガソリンの場合の燃料の流量対時間のグラフである。
【図１４】様々なガソリンを比較した、燃料流量対時間のグラフである。
【図１５】ジェット燃料をＮｏ．２ディーゼル燃料と比較した、燃料流量対時間のグラフである。
【図１６】酸化清浄化の効果を示す、無添加ディーゼル燃料の場合の、燃料流量対時間のグラフである。
【図１７】無添加ディーゼル燃料を汚染防止用添加物を含むディーゼル燃料と比較した、燃料流量対時間のグラフである。
【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７Ａ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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