(57)【要約】【課題】供給圧力が極めて低く、エネルギ消費が少なく、多様な種類の燃料電池に容易に統合できる燃料噴射・混合装置を提供する。【解決手段】多様な種類の燃料改質器と共に使用するのに適する燃料噴射・混合装置１０が提供される。燃料噴射・混合装置１０は霧化燃料を分配する圧電噴霧器１４と、空気スワーラー２３および／または蒸気スワーラー２４のようなガス・スワーラーと、混合室４０と、ロブ・ミキサー３０とを備える。燃料噴射・混合装置１０は燃料の霧化を達成するため超音波振動を利用する。この燃料噴射・混合装置１０は固体酸化物燃料電池のような多様な改質器と共に使用することができる。【選択図】図２
2007287688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）燃料入口と燃料出口とを有し、前記燃料入口と前記燃料出口との間に燃料流路を形成し、共振周波数で共鳴するように適応され、構成される噴霧器本体を備える燃料噴射器と、
（ｂ）前記噴霧器本体と機械的に結ばれ、液体燃料を霧化するため前記噴霧器本体が共振周波数で共鳴するように適応され、構成される超音波変換器と、
を備える燃料噴射装置。
【請求項２】
前記燃料噴霧器本体が第１の本体部と、前記第１の本体部に連結された第２の本体部と、燃料を供給するため前記第２の本体部と流体連通している燃料分配器とを備える請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記燃料流路が前記第１および第２の本体部の内部を横断している請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
前記燃料流路が前記第２の本体部の外面によって少なくとも部分的に形成される請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
前記超音波変換器が前記第１の本体部と前記第２の本体部との間に配置される請求項２記載の燃料噴射装置。
【請求項６】
前記超音波変換器が前記噴霧器本体の結節点に近接して配置される請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項７】
適用圧力波振幅が燃料霧化の起こる燃料分配チップに近接する地点で最大になる請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項８】
前記噴霧器本体が前記超音波変換器と前記噴霧器本体の燃料霧化面との間に音波増幅点を形成している請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項９】
前記噴霧器本体が形状的に長く延び、前記音波増幅点が前記噴霧器本体の断面寸法を減少することにより形成される請求項８記載の燃料噴射装置。
【請求項１０】
適用圧力波振幅が前記音波増幅点に近接する地点で最大になる請求項８記載の燃料噴射装置。
【請求項１１】
前記燃料出口が音波増幅点と前記噴霧器本体に形成される霧化面との間に配置される複数の燃料通路により形成される請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項１２】
さらに、前記超音波変換器に結ばれる超音波駆動装置を備える請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項１３】
前記超音波駆動装置が
（i）霧化を最適化するため適用圧力波の振動周波数を調節する周波数スイープ調節機能
（ii）霧化を最適化するため適用圧力波の振動振幅を調節するパルス調節機能
（iii）霧化を最適化するため適用圧力波の周波数を監視し、調節する位相追跡機能
の少なくとも１つを備える請求項１２記載の燃料噴射装置。
【請求項１４】
（ａ）噴射器本体の燃料出口に近接して設けられ、第２の流体を噴射する流体噴射器を有する請求項１記載の燃料噴射装置と、
（ｂ）前記噴射器本体の燃料出口と流体連通し、燃料蒸気混合気を供給するため第２の流体を用いて前記燃料出口から流出する燃料の微細な液滴を霧化し、混合する混合室と、
（ｃ）前記混合室に組み立てられ、配置され、燃料蒸気混合気を安定化し、混合するミキサーと、
を備える燃料噴射・混合装置。
【請求項１５】
前記第２の流体が蒸気を含む請求項１４記載の燃料噴射・混合装置。
【請求項１６】
前記第２の流体が加熱空気を含む請求項１４記載の燃料噴射・混合装置。
【請求項１７】
さらに、前記噴霧器本体の燃料霧化面に近接して設けられ、燃料および第２の流体と混合する第３の流体を噴射する第３の流体噴射器を備える請求項１４記載の燃料噴射・混合装置。
【請求項１８】
前記第２の流体が蒸気を含み、前記第３の流体が加熱空気を含む請求項１７記載の燃料噴射・混合装置。
【請求項１９】
さらに、
（ａ）燃料蒸気混合気を形成するため前記混合室への流体量を調節する弁コントローラを有する制御装置と、
（ｂ）前記燃料噴射・混合装置への流体量を調節するように適応され、構成される複数の調節弁と、ここで、前記弁コントローラは前記複数の調節弁と接続されると共に、前記複数の調節弁を操作して前記燃料噴射・混合装置への流体量を調節するように適応され、構成されており、
を備える請求項１４記載の燃料噴射・混合装置。
【請求項２０】
前記燃料噴射・混合装置が燃料を蒸気改質器、触媒部分酸化改質器、自己熱改質器からなる群から選ばれた燃料改質器に供給するように適応され、構成される請求項１４記載の燃料噴射・混合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料噴射・混合装置に関する。特に本発明は燃料電池のような水素リッチガスを発生する燃料改質器または燃料処理器用統合燃料噴射・混合装置に向けられる。
【０００２】
（本出願は２０００年４月１２日に出願された米国仮出願番号第６０／７９１，６０２号の優先権の利益を請求する。この出願は参照してここにその全体を取り入れる。）
【背景技術】
【０００３】
燃料電池はエネルギ効率およびエネルギ安全性を大きく改善する、現在注目を集めている技術である。燃料電池技術は従来の電力発生装置と比べて環境に負担を掛けず、電気エネルギを提供し、この結果、有害な汚染物質の排出量を格段に少なくすることが可能で、さらに騒音の発生レベルを小さくすることができる。多様な種類の燃料電池が商業的利用のために設置されているが、これらの燃料電池は製造コストのあまりの高さにより広範な用途に受け入れられるまでに至っていない。
【０００４】
高い製造コストに加えて、燃料電池工業は燃料電池が広範な電力発生用途に商業的利用される以前に解決しなければならない幾つかの重大な課題に直面している。これらの課題は次のことを含む。すなわち、電気化学的損失をより小さくする陽極、電解質、陰極材料を見極める必要性、耐久性のある燃料電池相互接続を見出す必要性、改良された密封コンセプト、適合性のある金属相互接続、先進的なスタック冷却方法、低コストによる組み立て工程、すすおよび炭素堆積機構についての理解、高効率処理器および再生式脱硫装置である。
【０００５】
多様な燃料電池の中で、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は他の電力発生用燃料電池装置を上回る多くの利点を呈する。たとえば、ＳＯＦＣは高温での運転が可能なためこれまでに知られた燃料電池よりもエネルギ効率が高い。ＳＯＦＣはまた低コストの触媒材料を使用することを許容する。さらに、現在の研究によれば、ＳＯＦＣはおそらく最も信頼できる電力発生技術の一つである。ＳＯＦＣは燃料消費と汚染物質とを改善するため従来のガスタービン・エンジンと統合するのに最も適する。また、ＳＯＦＣは炭化水素燃料を合成ガスとして知られる水素ガスと一酸化炭素とに変換する炭化水素噴射器／改質器装置で水素ガスに変換し、燃料ガスとして供給することができ、現存する燃料設備を十分に利用することが可能である。これらの重要な利点のために燃料電池工業は液体炭化水素燃料を他の燃料電池装置と同様にＳＯＦＣで利用する水素リッチガスに効率よく変換できる簡素で、効率の高い燃料改質器を開発することに苦心して取り組み、今日まできた。
【０００６】
燃料処理器はＳＯＦＣの極めて重要な装置であり、これらの手段を用いた場合には遠隔地の静止形および可搬形電力発生市場で従来の補助電力ユニット（ＡＰＵ）と競争することも可能である。現在の燃料処理器は天然ガスおよび液化石油ガス（ＬＰＧ）のようなガス燃料を使用することには制限がある。しかしながら、近い時期に液体炭化水素燃料は有用性、高いエネルギ密度および現存する燃料ネットワークが優れているためＳＯＦＣ電力装置用の燃料の選択でより望ましいものとなる。
【０００７】
液体燃料処理技術は現時点ではＳＯＦＣの商業的用途のために未だ実行可能な段階といえない。液体燃料処理に対する技術的障害の一つは反応器の耐久性である。改質用触媒の性能は炭素堆積の進み具合、硫黄による触媒の活性低下、高温で発生する焼結または蒸発のため貴金属が失われることで早期に低下する。これらの問題を軽減するために触媒材料および反応器設計、運転操作を最適化する、多くの研究が行われている。
【０００８】
液体燃料処理に関係する問題を軽減する一つの技術的アプローチは燃料流の準備方法を改善することである。燃料の不満足な霧化、壁面衝突および不均一混合のような供給燃料の準備の不足により反応器内には炭素堆積およびホット・スポットの生成を助長する局所的条件が容易に発生する。液体燃料を改質するのは幾分困難を伴うので、供給燃料流の準備に適した噴射・混合装置の正しい選択は十分な耐久性を有し、信頼性の高い液体燃料処理技術の開発において本質的役割を担う。
【０００９】
典型的な燃料処理器では、液体燃料を混合室の最上部に近い位置で予熱したガス流（たとえば、蒸気および／または気流）に噴射する。この液体燃料は直ちに蒸発し、触媒反応器に流入する前にある短い距離を通過する間に周囲を流れるガスと完全に混合しなければならない。運転中、燃料噴射・混合装置は比較的短い応答時間で変動する電力需要に適応できなければならない。大部分の可搬形ＡＰＵ用途では、液体の霧化と供給流の混合とに利用できる、供給圧力は極めて限られており、この点が燃料噴射・混合装置の設計および開発に向けて特に取り組むべきことになっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
多様な種類の燃料処理器に容易に統合できる燃料噴射・混合装置を提供することは望ましい。この燃料噴射・混合装置はより高い混合能力を呈し、現存する装置と比べて少ない要素を用いてサイズがよりコンパクトで、しかも製造コストがより安価でなければならない。また、供給圧力が極めて低く、エネルギ消費が少ない燃料噴射・混合装置を提供することも望ましい。最後に、炭素あるいはコークスの堆積に関わる問題を起こさず、機器寿命を長期にわたって延ばすことのできる燃料噴射・混合装置を提供することも望ましい。
【００１１】
ここに開示されるように本発明は上述した問題および必要性に対する解決策を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的および利点は後に続く詳細な説明に記述され、それか明らかになる。本発明のさらに別の利点は添付の図面と共に詳細な説明および請求の範囲に特に指摘された装置によって具体化され、達成される。
【００１３】
本発明の目的に従って上記および他の利点を達成するため燃料、高温空気および／または蒸気を混合する、ここに具体化され、広く説明されるような燃料噴射・混合装置が提供される。好ましくは、燃料噴射・混合装置は多様な種類の燃料処理器に適合するように設計される。この燃料処理器は固体酸化物燃料電池あるいはたとえば補助電力発生ユニットで利用する、これ以外の燃料電池装置のような燃料電池で使用する水素リッチガスを発生するため液体炭化水素燃料を用いて運転される。
【００１４】
本発明のさらに別の態様に従って燃料噴射・混合装置は、好ましくは蒸気改質器、触媒部分酸化改質器および自己熱改質器のような燃料処理器を用いて直接運転するように設計される。この燃料噴射・混合装置は液体燃料を効果的に気化し、多様な運転条件、特に比較的燃料量が少ない運転条件である短い距離で混合を完全に達成する能力がある。
【００１５】
本発明のさらに別の態様に従って燃料噴射・混合装置は圧電燃料噴霧器と、圧電駆動ユニットと、０°またはそれ以上の旋回角度を有するスワーラーまたは分離ジェットからなる組み合わせを備える、１ないしそれ以上の蒸気および／または空気計量手段と、噴射器ハウジングと、混合室とを備える。圧電駆動ユニットは、好ましくは複数の関数発生器と、周波数スイープ／パルス変調器と、電圧制御ゲート回路と、増幅器と、変圧器と、多様な負荷サイクルおよび運転周期で電気信号を供給する電源とを備える。本発明の一実施例に従って圧電駆動ユニットは２基の関数発生器を備える。これらの要素は液体燃料を霧化する多様な条件に合わせるためコンパクトなユニットとして適当に統合される。他の実施例は運転温度、流体流量および圧電結晶体の寿命のようなパラメータに応じて周波数が変わることを求められるので、駆動周波数が常に噴霧器の共振周波数であることを保証する位相追跡手段を備える。
【００１６】
本発明のさらに別の態様に従って供給流は触媒反応器に流入する前に均一な混合気の状態に準備される。この供給流は、たとえば液体燃料、蒸気および／または高温空気を含む。噴射器内部に重点的に置かれた圧電セラミック盤は、好ましくは圧電駆動回路から供給される高周波電流が流れると、機械的振動を発生するように設けられる。圧電セラミック盤で生じた機械的振動により液体燃料が噴射器チップに付着したとき、チップで塊りとなった液体を微細な液滴へと変えることができる。この微細な液滴はそこに流れる高温蒸気および／または気流と接したとき、素早く気化し、混合室内部で完全に混合される。好ましくは、高温空気および／または蒸気流はスワーラーを通して噴射器チップ周りに均一に供給される。
【００１７】
さらに、本発明の一実施例に係る別の態様に従って圧電噴霧器は２枚の圧電セラミック盤およびそれらの間に介装される電極を有する上側共鳴部と下側共鳴部とを備える。上側および下側共鳴部の双方の幾何学的配置は噴射器が予め選ばれた周波数の定常波を維持できるようにしたものである。燃料入口管は１系統の燃料供給手段として上側共鳴部の一部を形成している。下側共鳴部は圧電セラミック盤によって生じた音響波を噴射器チップの霧化面に伝播させると共に、これを増幅する。
【００１８】
燃料は多くの方法を用いて噴射器チップに分配される。一実施例に従って燃料は装置の霧化面に関係する短い距離で終わる中心通路を通して分配される。燃料をチップの周りに等間隔に穿たれた複数の開口を通して霧化面全体に均一に分配する、外方向に傾けて配置される一定数の通路が設けられる。別の実施例に従って燃料は外側からチップに分配される。ここで、上側および下側共振部は内部を貫通して形成される燃料通路を持たない。むしろ燃料の分配は噴霧器本体を取り囲む本体内部にある燃料供給回路から送られる燃料を小径のオリフィスから吹き出し、燃料流を軸部の外面に衝突させるように分配する。この分配燃料は初めに軸部の表面にフィルムを形成し、その後霧化面に向かって流動する。超音波振動は、好ましくは霧化面に焦点を合わせ、その地点で最大振幅が生じるようにする。これは集まった燃料を霧化面の表面から液滴状態で取り除くことを可能にする。
【００１９】
本発明の別の態様に従って多様な実施例に使用されるガス・スワーラーは霧化と混合とを一段と促すべく蒸気および／または空気を含む流体流のような加熱されたガス流を燃料液滴との間で相互作用を生じる方法で向けるように設計される。このガス・スワーラーはまたチップに集まる燃料を砕き、そこから拭い去るため霧化面方向にガス・ジェットを向けるように適応され、構成される。ガス・スワーラーはまた混合室壁面を炭素堆積から護るため液滴が混合室壁面に付着し、あるいは混合室のコーナ部に蓄積するのを防ぐ。
【００２０】
混合室は、好ましくは反応器全体にわたって燃料とガスとが均一な速度と温度分布とを保ち、良好な混合状態が維持されるように適応され、構成される。燃料がほぼ完全に気化し、ガスがほぼ均一に燃料と混合されるように十分な相互作用と十分な滞留時間とを与える。好ましくは、自発的燃焼および炭素の堆積の可能性があるため強度の再循環流が生じる領域をなくす。このような混合室の一実施例は一定した面積部分と、もしあるとしたら先細の部分とに続いて形成する末広部分を備える。この場合、混合装置は混合室本体に配置されるか、または混合室本体と統合した配置が用いられる。実施例に限られず、ここに開示されたものを含む多くの実施例が可能である。
【００２１】
本発明の一態様に従って混合室の実施例は中心本体周りに旋回噴霧を固定し、噴霧が不規則に動き、あるいは一方の側に偏るのを抑える流動安定ミキサーを利用することを示す。このミキサーは先端の尖ったノーズと、中間部に位置決めされたら旋ベーンを備えた後部とを有する中心本体を含む。ら旋ベーンは噴霧回転方向に対して共旋回または逆旋回のどちらかを与えるように配置される。出願人は共旋回ミキサーおよび逆旋回ミキサーの双方が良好に働くことを見出したが、共旋回ミキサーが混合室壁面を汚さないで保つにはより性能が優れ、一方、逆旋回ミキサーは気化混合と均一性を保つうえで優れていることを見出した。ミキサーの旋回強さは速度と中心再循環域とが最小になるか、ミキサーの下流で打ち消し合うように調節することができる。好ましくは、ミキサー上流域での逆流と過剰な燃料の蓄積とを最小に保つため噴射器とミキサーとの間に正確な距離が維持される。
【００２２】
本発明の別の態様に従って混合室の実施例は中心本体に設けられた内側スワーラーと円形分割リングに装着された外側スワーラーとを有する、２個の同心スワーラーを備えることを示す。ベーン角度と旋回方向とにより供給流の混合程度が変化する。好ましくは、内側スワーラーは噴霧の旋回方向と反対の旋回方向を有し、外側スワーラーは噴霧の旋回方向と同じ旋回方向を有する。
【００２３】
さらに、本発明の別の態様に従って混合室の実施例は反応器に流入する前に供給流の混合と均一性とをさらに高めるため複数列の多孔板を備えるように構成される。この多孔板は反応器入口域で燃料／ガス混合気を均一に再分布させる際に極めて有効である。多孔板の多孔率、間隔、アライメントおよび数は混合室前後の圧力損失を最小にするように選択される。
【００２４】
本発明の別の態様に従って混合室の実施例は混合室内壁の中央部が円形から丸めたコーナ部を有する星形に類似した輪郭形状に移行するように構成される。内壁の外側“フィンガ”またはロブは中心線から（下流に移動するに従い）末広に広がり、一方、内壁の中央“ハブ”領域の輪郭は先細に細めるようにしている。この輪郭を連ねる構成により極めて短い距離で、典型的には混合室の約２倍に等しい距離で効果的に混合し、流動域を一様にすることができる。本発明のさらに別の態様に従って混合スワーラーと多孔板とは噴射器性能を最適化するため混合室に２つの手段を交換して配置してもよく、同時に連続して配置することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
さて、本発明の添付図面に示される好ましい実施例を詳しく参照する。本発明の方法と対応するステップとが装置の詳細な説明と共に記述される。
【００２６】
説明と図示とを目的とし、限定する意図のない、本発明の符号１０で表わす燃料噴射・混合装置の模範的実施例の部分図が図２に示される。本発明に従う燃料噴射・混合装置の他の実施例、すなわちそれぞれの装置の態様は後に説明されるように図１および図３ないし図１１に示される。
【００２７】
本発明に従って燃料噴射・混合装置は多様な種類の燃料改質器と共に使用するのに適するように構成される。好ましくは、本装置は霧化燃料を供給する圧電噴射器と、蒸気および／または空気スワーラーのようなガス・スワーラーと、１ないしそれ以上の混合装置を有する混合室とを備える。この燃料噴射・混合装置は燃料の霧化を達成するため超音波振動を利用する。
【００２８】
図１を参照すると、本発明に従って提供される燃料改質器装置は固体酸化物燃料電池のような燃料電池用液体炭化水素燃料を用いて水素リッチガスを発生する触媒反応器３に直接結ばれた統合燃料噴射・混合装置を備える。ここで、燃料は調節弁６を通して燃料噴射器１に供給され、燃料の霧化を助けるガス流４が流量調節弁７を通して供給される。改質器の種類によって霧化ガス流４は蒸気流、高温気流あるいは両者の混合気のいずれか１つである。蒸気改質器および自己熱改質器の場合、霧化ガス流４は蒸気流を使用する。これに対し、部分酸化改質器の場合、噴射器用霧化ガスとして高温気流が供給される。大部分の燃料改質用途について混合に力を貸し、燃料液滴が混合室壁面に付着するのを防ぐため燃料噴射器周りに均一な第２の気流５を供給することが好ましい。液体燃料、蒸気および高温空気の３つ全ての供給流の要求流量を調節するため弁コントローラ８が使用される。燃料噴射器１は圧電駆動ユニット９を備えており、水素リッチガスを発生するため触媒反応器３に対して均一な燃料蒸気混合気を供給する。
【００２９】
図示だけを目的とし、限定する意図のない、統合燃料噴射・混合装置１０の実施例が図２に示される。この燃料噴射・混合装置１０は典型的な自己熱改質器（ＡＴＲ）用の燃料流を準備するため使用される。燃料噴射・混合装置１０の主要な要素は噴射器ハウジング１２と、圧電噴霧器１４と、空気スワーラー２３と、蒸気スワーラー２４と、混合室４０と、ロブ・ミキサー３０と、取り付けフランジ５０とを備える。図示のように、噴射器ハウジング１２はハウジングがメンテナンスまたは交換のために容易に取り外しできるようにねじ４３を用いて混合室４０に装着される。この燃料噴射・混合装置１０は液体炭化水素燃料を霧化し、多様な運転条件のもとで短い距離で燃料を完全に完全に、または大体完全に気化し、混合する能力を有する。
【００３０】
図３Ａないし図３Ｄは圧電噴霧器１４の実施例の詳細構造を示している。第１の実施例が図３Ａおよび図３Ｂに示され、第２の実施例が図３Ｃおよび図３Ｄに示される。一般に、改質器の運転中、液体燃料は燃料通路１５を通してチップ１６に供給される。チップが共振周波数で超音波振動するとき、燃料液滴がチップ１６に形成される。圧電駆動ユニット９により与えられる超音波信号が２枚の圧電変換円盤１７に加えられたとき、振動が発生する。圧電変換円盤１７は、これに限られないが、オメガ・ピエゾ・テクノロジ社、（ペンシルベニア州、ステート・コリーグ）から入手可能なジルコン酸塩鉛、チタン酸塩鉛から製作することができる。駆動電流は２枚の圧電変換円盤１７の間に組み入れた正電極１９ａと上側共鳴部２０に取り付けた負（接地）電極１９ｂとを通して、あるいは各々ピエゾ結晶体と噴射器本体との間に挟み込んだ正電極と負電極とを通して導く。この圧電変換円盤１７で生じた縦圧力波は下側共鳴部２１を通って伝播し、共鳴直径が急激に減少している点２２で増幅される。
【００３１】
図３Ａおよび図３Ｂに示される下側共鳴部２１の第１の実施例は燃料を分配するチップ１６の周わりを取り囲み、等間隔に並ぶ複数の供給通路２１ａを有する。図３Ａの実施例では、断面図に２個だけが示されるが、８個の供給通路２１ａが設けられる。図３Ｃは重力効果と空気または蒸気を使用して燃料を霧化させる拡大した直径のチップ１６から引っぱり、押し付けるときに下側共鳴部２１を取り囲む本体２５内部にある燃料供給路１５から送られる燃料ジェットを用いて燃料を軸部の外面に供給する、拡大した直径のチップ１６を有する下側共鳴部２１の第２の構成を示す。
【００３２】
圧電噴霧器１４の寸法は圧電噴霧器１４がある望ましい共振周波数で運転できるように選ばれる。図３Ａおよび図３Ｂの実施例に従って圧電噴霧器１４は１波長（基部側端部にある燃料用付属要素を含む）である本体を有する。図３Ｃおよび図３Ｄの実施例に従って圧電噴霧器１４は１．５波長である本体を有する。電気リード１９の位置は振幅がゼロの結節点を表わす。下側共鳴部２１の基部は電気リード１９から上側共鳴部２０の最上面２０ａまでの約１／４波長である。共鳴部２１とチップ１６とを含む圧電噴霧器１４の下部が約３／４波長または実施例によっては１／４波長である。それゆえ、電気リード１９の位置の加振エネルギの振幅は、好ましくはゼロであり、一方、共鳴部２０の最上面２０ａとチップ１６とにおける振幅は、好ましくは最大である。
【００３３】
図３Ａに示されるように、圧電噴霧器１４は噴射器ハウジング１２ａの上部に複数のねじ４３ａによって装着される。燃料噴射・混合装置の残りの部分から物理的に隔離し、また流体リークに備えて気密を保持するため圧電噴霧器１４と噴射器ハウジング１２ａとの間、さらにはねじ４３ａの下に振動減衰用ガスケット４１が介装される。図３Ｃに示されるように、圧電噴霧器１４は噴射器ハウジング１２ａの上部にＯリング４２を介して設けられる。このＯリング４２は装置の残りの部分から圧電噴霧器１４を物理的に隔離し、また流体リークに備えて気密を保持する。このような配置を用いる結果、圧電噴霧器１４は噴射器ハウジング１２ａまたはスワーラー２３、２４のような燃料噴射・混合装置１０の他のどの部分とも直接接触しなくなり、圧電噴霧器１４と接している噴射器ハウジング１２ａの影響を最小にすることができる。
【００３４】
図示のように、チップ１６は圧電噴霧器１４の末端面に位置する。先に述べたように、圧電噴霧器１４はチップ１６に最大振幅を与えることで、そこで音波が消衰するように構成される。自己熱改質による場合、図３Ａに示されるような燃料噴射・混合装置が使用される。ここで、高温蒸気流は燃料霧化と混合とを促進するため入口ポート１８と蒸気スワーラー２４を通して供給される。触媒部分酸化改質器（ＣＰＯＸ）または蒸気改質器（ＳＲ）あるいは蒸気が高温空気と予混合されるような場合、ただ１個のガス入口を必要とする用途では、図３Ｃに示されるような噴射器が使用される。２つの実施例では、高温気流が入口ポート２８および通路２７を通して空気スワーラー２３ａ、２３ｂに供給される。周方向の均一性を確実なものとするため蒸気およびまたは空気が角度を付けたをベーン、鋭角のベンドおよび／または分離した孔を通して供給される。霧化燃料、蒸気および空気流はチップ１６の前部において直ちに混合が始まる。
【００３５】
実施例に応じて圧電噴霧器の共振周波数は約４０〜１２０ｋＨｚの間で変えることができる。圧電噴霧器の固有の共振周波数は噴霧器の長さによって変化する。しかしながら、本装置の共振周波数のシフトは圧電噴霧器１４あるいはチップ１６を通過する燃料量の変化に従って変化する。圧電噴霧器１４の運転周波数の最良の値が、たとえば圧電変換円盤１７の結晶体圧縮程度、燃料量、燃料特性、温度、共鳴部材料およびユニットの物理的サイズを含む多くのパラメータに依存することは理解される。噴射器ハウジング１２ａから圧電噴霧器１４を隔離する努力がなされたとしても、噴射器ハウジング１２ａが共振周波数から影響を受けることがある。
【００３６】
圧電噴霧器がある特定の周波数で運転するように設計されたとしても、噴霧器温度のような要因および燃料量により周波数が設計した値から異なる値に変化する可能性がある。燃料霧化状態を維持できるように駆動ユニットには多様な制御上重要な技術が組み込まれる。ある機器構成では、駆動ユニットは最良の霧化を達成するため振動振幅を調節する、スイープ・パルス制御機能を備える。振動振幅が周期的に増減するとき、圧電駆動ユニットは電力消費を最小にする利益を与える。スイープ制御は主発信周波数の±０．５％偏差を生じるような低周波数で運転する。別の機器構成では、圧電駆動ユニットは圧電変換円盤に供給される電圧と電流との位相角を監視し、最良の霧化を維持するように周波数を調節する。
【００３７】
図４はここに説明される圧電噴霧器用の駆動回路の要素を図式的に示す。この駆動回路は主発信器５２と、制御ゲート回路５６と、駆動増幅器５７と、変圧器５８と、ＤＣ電源６２とを備える。また、駆動回路はスイープ発信器５４と、パルス発信器５５と、位相追跡器５９とを備える。
【００３８】
スイープ制御および／または位相変調される主発信器５２の出力は駆動増幅器５７への電圧信号を供給する制御ゲート回路５６に接続されている。位相追跡器５９は出力電流と入力電圧との位相角を監視するため１つに組み合わされる。駆動周波数を噴霧器の共振周波数に合わせるため主発信器５２の周波数を変化させることにより補正値がつくられる。パルス発信器５５は主発信周波数用の追加の負荷サイクル制御を与えるため制御ゲート回路５６に接続している。駆動増幅器５７の出力は必要な運転電圧を確保するため変圧器５８を介して圧電噴霧器の圧電変換円盤１７に結ばれている。定電圧に調節可能なＤＣ電源６２は駆動回路に電圧を印加するために利用される。
【００３９】
一実施例に従って駆動回路は約３０ｋＨｚから約６５ｋＨｚの範囲にわたって運転できるように構成される。スイープ発信器により与えられる周波数は０から１５Ｈｚまでである。周波数偏差は印加されるスイープ電圧に比例した値であった。擬似方形波の１００〜８００ＶＲＭＳの出力振幅が与えられた。圧電変換円盤１７への電力出力は約２００Ｗであった。好ましくは、超音波駆動回路の出力信号は高電圧から低電圧へ、低電圧から高電圧へ周期的に変化させる。
【００４０】
図３Ａおよび図３Ｂの実施例に従うとすれば、１時間当たり約６．８０ｋｇ（１５ポンド）か、それよりも小さい、たとえば１時間当たり２．２７ｋｇ（５ポンド）または０．４５ｋｇ（１ポンド）の燃料量が好ましい。しかしながら、図３Ｃおよび図３Ｄの実施例に従うとすれば、それよりも多い燃料量を供給することが可能であると理解できる。これに加えて、圧電結晶体に加える電気出力を増大することにより、またガス・スワーラーを最適化することによりさらに大きい流量（たとえば、１時間当たり４．５４ｋｇ（１０ポンド））が得られる。代替的実施例に従って本発明の燃料噴射・混合装置は１時間当たり約０．４５ｋｇ（１ポンド）よりも小さい極少量の燃料で運転することができる。燃料を霧化するため（加圧流体を吹き付けるような）非超音波原理に基づいて運転する、他の燃料噴射装置ではそうした加圧装置が小流量では運転の障害にとなる傾向があるため本発明の噴射装置と同じような極少量の燃料では運転できない。燃料は極めて遅い速度で供給通路２１ａからチップ１６に供給することができ、極度に少ない燃料量で供給することが可能になる。この低流量による運転は利点があり、マイクロタービンおよび同様な手段のような燃料装置を使用することができる。
【００４１】
図２に示されるように、供給流はそれぞれが下流に達したとき、ロブ・ミキサー３０に衝突する。このロブ・ミキサー３０は燃料混合気が波形の後端を通過したとき、無数の渦を生成し、混合気を均一化する。したがって、ロブ・ミキサー３０は混合気が反応器３に流入する前に供給流の混合・均一性の程度を左右する。ロブ・ミキサー３０はまた高速の気化燃料とガスとによって生じた混合気の速度を減少させるのに力を貸す。改質器条件に応じて中心ミキサーは異なる噴霧ミキサーおよび混合装置を含む多様な設計を持つことができる。
【００４２】
図５Ａおよび図５Ｂは混合装置を除いている混合室の実施例の斜視図を示す。混合室の内部領域および長さは噴射角度、噴射様式および噴射速度のような燃料噴射特性によって変えてもよく、混合を助けるためおよび／または下流側要素と正確に同心を保つため先細形、末広形あるいはこれらを組み合わせた複合形移行部を備えてもよい。
【００４３】
図６ないし図１０は燃料混合気の均一性を高めるように設計された上記と異なる混合室の斜視図を示す。図６に示される混合室４０は良好に混ざり合った燃料混合気を供給するため単一のスワーラー・ミキサー６５を利用する。このスワーラー・ミキサー６５は先端を尖らせたノーズ部６５ａと、先端を尖らせた後端部６５ｂと、中間部に位置決めされたベーン６５ｃとを備える。
【００４４】
図７は２重スワーラー・ミキサー７０を利用する混合室の設計を示す。これは逆旋回ベーンを備える。内側スワーラー７２の旋回方向は外側スワーラー７４の旋回方向と反対である。２重スワーラー・ミキサー７０の逆旋回配置は広い角度の混合様式あるいは高速流が必要とされる場合に優れた混合性能を呈し、流動の安定化を保つことができる。
【００４５】
図８は２重ミキサー７０の下流側に３枚の多孔板８０を備える、別の実施例を示す。多孔板８０の数、多孔板８０の多孔率、間隔およびアライメントは混合室の圧力損失条件に適合するように適切に選定する必要がある。最良の混合性能を達成するため総多孔率が約６０％か、それよりも小さい、少なくとも２枚の多孔板を使用することが好ましい。
【００４６】
図９Ａおよび図９Ｂはロブ・ミキサー３０を有する別の混合室の実施例を示す。混合室の中間部は円形から６本のフィンガー３２を備える星形に類似した輪郭へと変化する。この外側“フィンガー”またはロブは中心線から（下流に移動するに従い）末広に広がり、一方、中央“ハブ”領域の輪郭は先細に細めるようにしている。この輪郭を連ねた構成により極めて短い距離で効果的に混合し、流動域を一様にすることができる。
【００４７】
図１０Ａないし図１０Ｃはロブ・ミキサー３０と３枚の多孔板９０とを有する別の混合室の実施例を示す。この配置は反応器入口の全区間にわたって極めて均一な燃料混合気を導く際に有効であることが証明されている。これらの混合室についての詳細は米国特許出願番号第１１／１０８，０６６号および第１１／３１７，１１９号に記載されている。明細書の開示は参照してここにその全体を取り入れる。
【００４８】
本発明のもう一つの目的は別の種類の燃料改質器を運転するために容易に変更できる統合燃料噴射・混合装置を提供することである。蒸気改質器（ＳＲ）および触媒部分酸化改質器（ＣＰＯＸ）の場合には噴射器ユニットに接続される供給蒸気は２種類だけである。ＡＴＲ用途に使用される、図３Ａに示される噴射器は他の運転条件に合わせるために少しだけ変更され、適応される。ＣＰＯＸを運転する場合、高温気流が入口ポート１８を通して供給される。空気管２８と空気スワーラー２３とは除かれ、陽極からの再循環ガスを利用するように変更される。ＳＲ用途の場合、蒸気流を供給するために入口ポート１８が使用され、この場合、空気管２８は閉鎖するか、陽極再循環ガスを使用するかのどちらかの方法による。
【００４９】
本発明のさらに別の態様に従って燃料噴射・混合装置は混合室へ供給する流体量と、燃料混合気を生成する流体の霧化とを調節する制御装置を備えることができる。
【００５０】
図１１に示されるように、図示だけを目的とし、限定の意図のない、燃料噴射・混合装置１０は各調節弁が燃料噴射・混合装置１０に供給される流体量を調節するように適応され、構成される制御装置１１０と、少なくとも１個の調節弁１２０ａ−１２０ｅとを備える。したがって、制御装置１１０は各調節弁を操作して燃料噴射・混合装置１０への流体量を調節するように適応され、構成される複数の調節弁１２０ａ−１２０ｅに動作可能に結ばれる弁コントローラ８を備える。
【００５１】
制御装置１１０は圧電噴霧器１４を通って流れる燃料を霧化するためここに説明されるような圧電噴霧装置に接続する。
【００５２】
さらに例として、仮に、望まれるのであれば、制御装置１１０は自動化し、プログラムによって動作させることができる。そのような手段として制御装置１１０は燃料噴射・混合装置１０を制御するための命令を含む機械語プログラムを備える。
【００５３】
機械語プログラムはここに具体化された運転方法に従って燃料噴射・混合装置１０の様々な部分を運転するため弁コントローラ８および圧電駆動ユニット・コントローラ９０に組み込むプロセッサ２００で読み取るように適応される。弁コントローラ８と圧電駆動ユニット・コントローラ９０とは１ないしそれ以上のプロセッサ２００を有する、単一のコントローラとして働くように独立した要素としてもよく、あるいは両者を１つに統合してもよい。コンピュータ・プログラムは弁コントローラ８および圧電駆動ユニット・コントローラ９０用として燃料噴射・混合装置１０に組み込む、必要とされるときアクセスできるソフトウエアまたはメモリ・チップ１４０のようなハードウエアのどちらかによって具体化される。これに代えて、コンピュータ・プログラムはソフトウエア・プログラムとして具体化し、装置内部または外部に設置したコンピュータからの命令で実行するようにしてもよい。
【００５４】
コンピュータ・プログラムはこの技術分野でよく知られた技術を用いて書くことができる。本発明に従うコンピュータ・プログラムは燃料噴射・混合装置１０を運転するための命令を有する。このプログラムは、たとえば予め決められた周波数の超音波で燃料を霧化するように圧電駆動ユニット・コントローラ９０を操作するための手段を備えることができる。仮に、望まれるのであれば、プログラムはまた混合室で燃料混合気を形成するため燃料噴射・混合装置１０への流体量を調節する弁コントローラ８を操作するための手段を備えてもよい。
【００５５】
本発明の特定の実施例を説明したが、当業者には本発明の本質と範囲とから離れることなく、ここに開示されたコンセプトと組み合わせられる他の実施例が使用できることは明らかである。ここに説明された実施例は全ての点で例示だけを目的とし、限定の意図がないことを考慮すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は模範的な燃料改質装置の模式図である。
【図２】図２は本発明に従って構成された燃料噴射・混合装置の断面による斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは本発明に従って構成された燃料噴霧器の一実施例を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは図３Ａに示される燃料噴霧器の断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは本発明に従って構成された燃料噴霧器の他の実施例を示す断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは図３Ｃに示される燃料噴霧器の断面図である。
【図４】図４は本発明に従って構成された圧電駆動ユニットの回路図である。
【図５Ａ】図５Ａは本発明に従って構成された混合装置を持たない混合室の一実施例を示す斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは本発明に従って構成された混合室の他の実施例を示す斜視図である。
【図６】図６は本発明に従って構成された単一のスワーラー・ミキサーを有する混合室の斜視図である。
【図７】図７は本発明に従って構成された内側スワーラーおよび外側スワーラーを備えた２重ミキサーを有する混合室の斜視図である。
【図８】図８は本発明に従って構成された２重ミキサーと３枚の多孔板とを有する混合室の斜視図である。
【図９Ａ】図９Ａは本発明に従って構成されたロブ混合室の一実施例を示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは図９ＡのＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは本発明に従って構成されたロブ混合室の他の実施例を示す断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは図１０ＡのＹ−Ｙ線に沿う断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは図１０Ａに示される多孔板の斜視図である。
【図１１】図１１は本発明に従って構成された制御装置を示す、燃料改質装置の模式図である。
【符号の説明】
【００５７】
９…  圧電駆動ユニット
１０…  燃料噴射・混合装置
１２、１２ａ…  噴射器ハウジング
１４…  圧電噴霧器
１６…  チップ
１７…  圧電変換円盤
２０…  上側共鳴部
２１…  下側共鳴部
２３、２３ａ、２３ｂ…  空気スワーラー
２４…  蒸気スワーラー
３０…  ロブ・ミキサー
４０…  混合室
６５…  スワーラー・ミキサー
７０…  ２重スワーラー・ミキサー
８０、９０…  多孔板
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【外国語明細書】
2007287688000001.pdf