CN101309728B - 燃料喷射器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于喷射物质的方法和装置。喷射物通过爆炸过程以液体和液体蒸气的形式喷射，该爆炸过程可提供非常快速的喷射以及具有大射程的喷射。该装置可用来为燃料喷射器喷射燃料。

Description

燃料喷射器
背景技术
本发明涉及用于喷射目标质量的方法及装置。具体但非排他地，本发明提供了用于快速质量喷射装置的方法和装置，该质量喷射装置能够迅速地将液体和/或液体蒸气从储存一定量液体的喷射室中喷射并且使其越过相对较长的距离。还更具体但又非排他地，本发明涉及燃料喷射器及用于喷射燃料的方法。
许多领域中都需要质量喷射装置，也就是说，按照固定或可变的速率送出液体和液体蒸气的喷雾(spray)并使其越过所需距离的装置。优选地需要以快速的速率发生并且越过长距离的液体和液体蒸气的喷雾。在这种系统中，经常引用术语“射程”(throw)作为喷雾的一项特性。物质的“射程”定义为所经过的距离除以喷雾从中喷射的器室(chamber)的长度。
已知有质量喷射装置的各种例子，诸如灭火器、喷墨打印机、安全气囊点火器、用于汽车发动机和燃气涡轮机的燃料喷射器、引燃火焰等等。在这些例子中的每一个例子中，都有与所讨论的装置有关的具体问题，然而，对于每种应用技术都一直需要能够迅速地喷射液体和液体蒸气并使其越过长距离。
引用燃气涡轮机二次点火器(reigniter)作为质量喷射装置应用中具体问题的一个例子。在燃气涡轮机的点火器中，重新点燃燃烧室中的气体的常规方法是使电流穿过二次点火器的两个电极之间，并在一小段时间内产生带电自由基(electrically charged radicals)的混合物。这一点在图1中有更清楚的显示，其中示出了包括外电极11的常规二次点火器10，外电极11通常为圆筒形并且具有位于内部的小片(pellet)12。中心电极13位于小片内，并且通过使电流在两个电极11、13之间穿过带电自由基(即当气体分子暂时分裂成被称作等离子体的带电成分时)的混合物。此等离子体在重新结合并失去其电荷之前只持续几分之一秒的时间。然后，电荷就用来在主发动机的主燃烧室中点火燃烧。这种已知的二次点火器的问题在于使该混合物作为喷射物经由出口14喷射出足够远并且保持带电足够长的时间以执行其目标功能。喷射物15用来点燃煤油或其它常用的燃气涡轮发动机燃料。
引用燃料喷射器作为质量喷射装置应用中具体问题的另一个例子。现有技术的燃料喷射器使用机电式喷嘴和预加压的燃料以产生精细雾化的喷雾。燃料在器室内加压，并且电磁线圈提起器室密封件的针状物，以使燃料能够经由吸入阀挤压穿过喷嘴的孔隙。该加压液体释放的定时由电子设备进行控制。其具有成本高并且材料复杂的不利之处，材料易于发生故障并且需要许多工作部件。
使用质量喷射器装置的另外的例子是用于炉及锅炉的引燃火焰，其中炉及锅炉用于能源领域或陆基的燃气涡轮机。
发明概述
本发明的目的在于至少减轻上述问题。
本发明实施例的目的在于提供用于提供燃料喷射器的装置及方法。
本发明实施例的目的在于提供用于喷射物质的装置及方法，由此，液体及液体蒸气从器室中喷射，喷射物具有所需的特性，诸如喷射速度及喷射物越过的距离。
本发明实施例的目的在于提供用于提供快速质量喷射器的装置及方法。
本发明实施例的目的在于提供用于提供引燃火焰点火器的装置及方法。
本发明实施例的目的在于提供用于提供推进装置的装置及方法，其中推进装置可用于推动运载工具(vehicles)。
本发明实施例的目的在于提供用于提供灭火器的装置及方法。
根据本发明的第一方面，提供了用于将燃料喷射到燃烧区中的装置，包括：
盛装一部分所选择的液体燃料的喷射室；
布置成有选择地开启以将液体输送到喷射室中的进口阀；以及
布置成有选择地开启的出口阀，以在与所述喷射室相关联的参数满足预定条件时从所述喷射室中喷射燃料；其中
液体和/或液体蒸气从喷射室中经由出口阀喷射到燃烧区中，由此将燃料喷射到燃烧区中。
根据本发明的第二方面，提供了用于将燃料喷射到燃烧区中的装置，包括：
盛装一部分所选择的液体燃料的喷射室；
布置成有选择地开启以将液体输送到喷射室中的进口阀；以及
布置成有选择地开启的出口阀，以在与所述喷射室相关联的参数满足预定条件时从所述喷射室中喷射燃料，所述出口阀进一步布置成当喷射室中液体的温度等于或高于饱和温度时开启，该饱和温度与所处的压力等于位于所述出口阀下游位置的压力的该液体相关联；其中
液体和/或液体蒸气从喷射室中经由出口阀喷射到燃烧区中，由此将燃料喷射到燃烧区中。
根据本发明的第三方面，提供了用于将燃料喷射到燃烧区中的方法，包括以下步骤：
提供喷射室，用于盛装一部分所选择的液体燃料；
有选择地开启进口阀以将一部分液体输送到喷射室中；
当与所述喷射室相关联的参数满足预定条件时有选择地开启所述喷射室的出口阀；以及
经由出口阀将液体蒸气和/或液体从喷射室中喷射到燃烧区中。
根据本发明的第四方面，提供了用于喷射物质的装置，包括：
用于盛装一股所选择的液体的器室；
进口阀，通过该进口阀可将所选择的液体引入器室；
布置成在参数满足预定条件时开启以允许来自器室的内容物喷射的出口阀；以及
提高器室中液体压力的机构；其中
液体和/或液体蒸气从器室中经由出口阀喷射。
优选地，所述提高压力的机构包括加热元件，该加热元件布置成可加热位于器室中的一股液体。
优选地，所述出口阀布置成当器室内的压力达到预定值时开启。
优选地，所述进口阀布置成在器室内容物之前通过打开出口阀被喷射之后开启，以允许液体被引入器室。
优选地，所述器室还包括狭窄的颈部区(narrow neck region)，液体和蒸气沿着该颈部区喷射。
优选地，当出口阀开启时，液体和蒸气通过蒸气爆炸过程(vapourexplosion process)喷射。
优选地，所述液体是水。
优选地，所述液体是可燃液体，例如煤油或汽油。
优选地，所述进口阀设定在1.1bar的压力下开启。
优选地，所述用于提高压力的机构包括用于将液体加热到其在大气压下的沸点之上的温度的机构。
优选地，所述器室的直径在1mm到1m的范围内。
优选地，所述器室的形状为球形。
优选地，所述器室为心形。
优选地，所述出口阀位于所述心形器室的顶点区域。
优选地，所述器室的形状为大致圆筒形。
根据本发明的第五方面，提供了用于将物质从器室中喷射的方法，包括以下步骤：
通过进口阀将选择的液体引入器室；
提高器室内液体的压力；
当参数满足预定条件时开启出口阀；以及
经由出口阀从器室中喷射液体和/或液体蒸气。
优选地，该方法还包括在开启出口阀步骤之前通过加热元件加热位于器室中的液体的步骤。
优选地，该方法还包括确定何时预定的参数被满足以及响应其开启出口阀的步骤。
优选地，该方法还包括在位于出口阀下游位置气体的压力下将器室内的液体加热到高于其沸腾温度的步骤。
根据本发明的第六方面，提供了用于将燃料喷射到下游燃烧区中的装置，包括：
盛装一股所选择的待喷射液体的喷射室；
进口阀，通过该进口阀可将所选择的液体引入器室；
布置成在参数满足预定条件时开启以允许器室的内容物喷射的出口阀；以及
提高器室内压力的机构；其中
液体和/或液体蒸气经由出口阀喷射。
优选地，液体和液体蒸气通过蒸气爆炸过程喷射。
优选地，液体和液体蒸气以射程大于20的喷雾形式喷射。
优选地，所述液体和液体蒸气以射程大于100的喷雾形式喷射。
优选地，所述液体包括煤油。
优选地，所述液体包括汽油。
优选地，所述器室由金属材料制成。
优选地，所述用于提高压力的机构包括位于器室内的加热元件。
优选地，该装置还包括用于加热元件的电源。
优选地，所述器室的形状大致为圆筒形，并且所述器室在出口端具有颈部区，出口阀位于颈部区。
优选地，所述颈部区具有狭窄的喷射孔，液体燃料和液体燃料蒸气经由此喷射孔喷射到燃烧区中。
优选地，孔的横截面直径小于颈部区横截面的直径。
优选地，该装置还包括位于燃烧区中的点火源，用于点燃通过喷射装置喷射到燃烧区中的液体燃料和液体燃料蒸气。
根据本发明的第七方面，提供了用于将燃料喷射到下游燃烧区中的方法，包括以下步骤：
通过进口阀将所选择的液体引入器室；
提高器室内液体的压力；
当参数满足预定条件时开启出口阀；以及
经由出口阀从喷射室中喷射液体和液体蒸气。
优选地，该方法还包括以下步骤：
在开启出口阀步骤之前通过加热元件加热位于器室中的液体。
根据本发明的第八方面，提供了用于给运载工具提供推动力的装置，包括：
盛装一股所选择的液体燃料的燃料喷射室；
进口阀，通过该进口阀可将所选择的液体引入喷射室；
布置成在参数满足预定条件时开启以允许来自喷射室的内容物喷射的出口阀；
提高喷射室中液体压力的机构；以及
定位成以便于接收从所述喷射室中喷射的液体和液体蒸气的燃烧室，并且燃烧室包括点火元件，用于点燃从喷射室中喷射的液体和/或液体蒸气。
优选地，所述燃烧室还包括出口，火焰及热气体可经由此出口从燃烧室中逸出，火焰及热气体的逸出为运载工具提供反方向的推动力。
优选地，所述点火元件包括火花点火器。
优选地，喷射物导引喷嘴指向相对于所述出口阀下游的位置，用于按所需的方向引导从喷射室中喷射的液体和液体蒸气。
优选地，该装置还包括至少一个空气入口，用于在所述燃烧室中提供空气。
优选地，所述至少一个空气入口包括一个或多个空气呼吸通道，这些通道将空气从运载工具外部吸入推进系统。
优选地，所述运载工具包括无人飞行器(unmanned aerial vehicle(UAV))。
优选地，所述提高压力的机构包括加热元件，该加热元件布置成可加热位于喷射室中的一股液体。
优选地，所述出口阀布置成在喷射室内的压力达到预定值时开启。
根据本发明的第九方面，提供了用于为运载工具提供推动力的方法，包括以下步骤：
通过进口阀将选择的液体燃料引入所述运载工具的喷射室；
提高喷射室内液体的压力；
当参数满足预定条件时开启出口阀；
经由出口阀从喷射室中喷射液体和液体蒸气；
在燃烧室内将所喷射的液体和/或液体蒸气与空气一起点燃，燃烧室定位成以便于接收从喷射室中喷射的液体和液体蒸气；以及
将燃烧过程产生的火焰及热气体按第一方向从燃烧室中导出，以便沿与第一方向大致相反的方向为运载工具提供推动力。
优选地，该方法还包括以下步骤：
通过位于燃烧室内的点火元件将所喷射的液体和液体蒸气与空气的混合物一起点燃；
优选地，该方法还包括以下步骤：通过位于所述出口阀下游位置的喷嘴元件在燃烧室中按所需的方向引导从喷射室中喷射的液体和液体蒸气。
优选地，该方法还包括通过至少一个空气入口将空气供入所述燃烧室的步骤。
优选地，该方法还包括在开启所述出口阀步骤之前通过加热元件加热位于喷射室中的液体的步骤。
优选地，本发明提供了包括该装置的运载工具。
优选地，所述运载工具是无人飞行器(UAV)。
根据本发明的第十方面，提供了用于灭火的装置，包括：
盛装一股所选择的灭火液体的喷射室；
进口阀，通过该进口阀可将所选择的液体引入喷射室；
布置成在参数满足预定条件时开启以允许器室内的物质喷射的出口阀；以及
提高器室内压力的机构；其中
灭火液体和/或灭火液体蒸气经由出口阀喷射。
优选地，液体和液体蒸气通过蒸气爆炸过程喷射。
优选地，液体和液体蒸气以射程大于20的喷雾形式喷射。
优选地，所述液体和液体蒸气以射程大于100的喷雾形式喷射。
优选地，所述液体包括水。
优选地，该装置还包括液体贮存器，用于通过所述进口阀给所述喷射室提供灭火液体。
优选地，所述贮存器是便携式的，并且所述装置还包括把手，用于握持所述液体贮存器。
优选地，所述液体贮存器通过管道装置与所述器室连接，所述管道装置与另外的器室连接，各器室均布置成通过各自的出口阀喷射灭火液体和液体蒸气。
优选地，所述器室具有100ml的容量。
根据本发明的第十一方面，提供了用于灭火的方法，包括以下步骤：
通过进口阀将灭火液体引入器室；
提高器室内液体的压力；
当参数满足预定条件时开启出口阀；以及
经由出口阀从器室中喷射灭火液体和液体蒸气，所述喷射的液体和/或液体蒸气指向所述火以由此将火扑灭。
优选地，该方法还包括在开启出口阀步骤之前通过加热元件加热位于器室中的液体的步骤。
优选地，该方法还包括确认表明火存在的预定条件是否满足的步骤；以及
响应所述确认步骤的结果从所述器室中喷射液体和液体蒸气。
优选地，该方法还包括使用者将所述器室固定在其上的液体贮存器运送已经确认有火存在的步骤。
优选地，该方法还包括当发现有火存在时从所述出口阀自动喷射液体和液体蒸气的步骤。
根据本发明的第十二方面，提供了用于提供引燃火焰点火器的装置，包括：
盛装一股所选择的可燃液体的喷射室；
进口阀，通过该进口阀可将所选择的液体引入器室；
布置成在参数满足预定条件时开启以允许器室的内容物喷射的出口阀；以及
提高器室内压力的机构；其中
液体和/或液体蒸气经由出口阀喷射。
优选地，液体和液体蒸气通过蒸气爆炸过程喷射。
优选地，所述所选择的液体包括液体燃料，诸如煤油和/或汽油。
优选地，该装置在连续喷射之间具有停歇时间，此停歇时间小于出口阀单次开启操作过程中燃烧经由出口阀喷射的液体和液体蒸气所花费的时间。
优选地，所述喷射室具有预定的内容量以便为所述引燃火焰点火器提供短的停机时间。
优选地，该装置还包括布置成经由所述进口阀将液体燃料泵送到器室中的泵。
根据本发明的第十三方面，提供了用于二次点燃燃气涡轮机燃烧室中的燃料的装置，包括：
盛装一股所选择的待喷射到燃烧室中的液体的喷射室；
进口阀，通过该进口阀可将所选择的液体引入喷射室；
布置成在参数满足预定条件时开启以允许喷射室的内容物喷射的出口阀；以及
提高器室内压力的机构；其中
液体和/或液体蒸气经由出口阀喷射到燃烧室中。
优选地，所述燃气涡轮机二次点火器装置布置成通过蒸气爆炸过程喷射液体和液体蒸气。
优选地，该装置还包括多个布置在燃气涡轮机燃烧室中的所述装置。
优选地，该装置还包括多个布置成将燃料喷射到燃烧室中的燃料喷射器。
根据本发明的第十四方面，提供了用于二次点燃燃气涡轮机燃烧室中的燃料的方法，包括以下步骤：
在喷射室中储存所选择的液体；
提高喷射室内的压力；以及
将液体和/或液体蒸气经由出口阀喷射到燃烧室中，所述喷射物将燃烧室中的燃料二次点燃。
优选地，该方法还包括给来自喷射室的液体和液体蒸汽的喷射定时，使其与燃料喷射器循环中的预定点重合的步骤，燃料喷射器布置成将燃料喷射到燃烧室中。
优选地，所述所选择的液体包括液体燃料，诸如煤油和/或汽油。
优选地，该方法还包括通过蒸气爆炸过程将液体和液体蒸气喷射到燃烧室中的步骤。
根据本发明的第十五方面，提供了用于将药物输送给患者的装置，包括：
布置成可盛装一股所选择的液体的喷射室，该液体包括至少一种药物成分；
布置成在参数满足预定条件时开启以允许器室的内容物喷射的出口阀；
提高器室内压力的机构；以及
使所述装置的出口定位于所需位置的机构；其中
液体和/或液体蒸气从位于所需位置的器室中喷射，以由此将药物输送到该位置。
优选地，该装置还包括用于确认所述装置位于所述患者何处部位的机构。
优选地，所述选择的液体包括液体药物。
优选地，所述选择的液体包括带有位于溶液中的药物的携带液体(carrier liquid)。
优选地，该装置还包括具有末梢端(distal end)的柔性杆，该末梢端可定位于目标位置。
优选地，该装置还包括摄像机。
优选地，该装置还包括光源。
优选地，该装置还包括主体部分，其布置成位于管状主体部分中，并响应身体过程(bodily process)使管状主体部分向下移动。
优选地，该装置还包括无线通讯中继接收机，以在所述装置处于所需的位置时接收无线信号。
优选地，该装置还包括用于响应所述无线信号的接收用于开启所述出口阀的机构。
根据本发明的第十六方面，提供了用于将药物输送给患者的方法，还包括以下步骤：
在喷射室中储存所选择的包括至少一种药物成分的液体；
使所述器室的出口定位于所需的位置；
提高器室内的压力；
当参数满足预定条件时开启出口阀，以允许器室的内容物经由出口喷射；以及
在所需位置喷射液体和/或液体蒸气，以由此将药物输送到此位置。
根据本发明的第十七方面，提供了用于清理在患者体内的管状部位的堵塞的装置，包括：
布置成可盛装一股所选择的液体的喷射室；
布置成在参数满足预定条件时开启以允许器室的内容物喷射的出口阀；
提高器室内压力的机构；以及
使所述装置的出口定位于所需位置的机构；其中
液体和/或液体蒸气从位于所需位置的器室中喷射，以由此清理堵塞。
优选地，液体和液体蒸气沿大致为所述管状部位轴向的方向喷射。
优选地，所述装置的出口孔相对于装置的其余部分可移动。
优选地，所述管状部位包括所述患者的动脉或静脉。
根据本发明的第十八方面，提供了用于清理在患者体内的管状部位的堵塞的方法，包括以下步骤：
在喷射室中盛装所选择的一股液体；
使所述器室的出口定位于所述患者的所需位置；
提高器室内的压力；以及
当参数满足预定条件时，通过出口阀使器室的内容物喷射；其中
液体和/或液体蒸气从器室中喷射，以由此清理在患者体内的管状部位的堵塞。
本发明的实施例提供了喷射室，在该喷射室中，液体和液体蒸气从出口处爆炸。蒸气爆炸具有使目标物非常快速地从喷射室中喷出并且越过已知的技术之前所不能达到的距离的效果。
使用蒸气爆炸可提供比传统的燃料喷射器更远的射程。例如，根据本发明的实施例，液体和液体蒸气爆炸的射程是其对应器室长度的200到300倍左右或更高。对于传统的喷射器，类似的数值是喷射室尺寸的10到20倍的数量级。这是因为在喷射室中以液体的高压力的形式出现的蒸气爆炸的动力是周期性地积累并随后释放的。
本发明的实施例可提供燃料点火系统，在该系统中用于喷射物质的蒸气爆炸室可用于将燃料(以其液体形式使用)喷射到燃烧室中。在喷出喷射器喷嘴之前，所喷射的燃料大部分气化(70％左右或更多的喷射质量是燃料蒸气)。这一点显著地有利，因为任何液体燃料必须首先气化才能够与空气(氧气)反应。对于已知的燃料喷射器，液体燃料必须首先雾化以提高其气化作用。而根据本发明的实施例不需要该步骤，因为根据本发明的实施例的喷射器喷射易于气化或已经气化的燃料。这一点显著地促进点火及燃烧过程。
用作燃料喷射器的本发明的实施例还提供以下有利之处，新喷射器喷射一定量的燃料相对于已知的喷射器喷射同等量的燃料所需的压力低得多。例如，在现有技术中，汽油发动机与柴油发动机相比在更低得多的压力下运行，喷射压力为大约100bar。本发明的实施例提供的喷射器仅需要10bar到15bar的压力。这一点使得系统可以较低的成本制造与维护。
本发明的实施例提供了燃料喷射器，其具有比已知现有技术的燃料喷射器更远的射程。这一点具有使燃料更快速、更好地混合与气化的优势。
本发明的实施例提供了燃气涡轮机二次点火器，相比于之前已知的技术所能达到的，其能够更迅速并且以更可控的方式将燃气涡轮机燃烧室中的燃料二次点燃。
本发明的实施例提供了引燃火焰点火器，相对于点火器装置的尺寸及所用的燃料量而言，其能够非常迅速并且越过很远的距离将目标燃料点燃。通过重复地从喷射室中喷射燃料，可使引燃火焰点火器保持燃烧。
本发明的实施例提供了可用于运载工具的推进装置，相比于已知的推进装置，该推进装置可以是小级别的，甚至是毫微(nano)级别，并且更轻得多，因为用于推动运载工具的喷射非常强劲、快速，并且越过很远的距离有力地发生。
本发明的实施例提供了可以是便携式或是固定式的灭火器系统，用在建筑物或运载工具的内部，该系统一旦触发，可非常快速地将灭火物质喷向火的中心。已经发现在灭火时喷雾的使用是有利的。
附图简述
以下将仅通过实例并参照附图对本发明的实施例进行描述，其中：
图1显示现有技术的燃气涡轮机二次点火器。
图2显示用于喷射物质的装置。
图3显示用于喷射物质的装置的备选实施例。
图4显示用于喷射物质的装置的另一个备选实施例。
图5显示结合了本发明实施例的燃机。
图6显示燃料喷射器。
图7显示燃气涡轮机。
图8显示燃气涡轮机二次点火器。
图9显示引导点火器(pilot igniter)。
图10显示用于运载工具的推进系统。
图11显示燃烧室中的燃烧。
图12显示空气进口。
图13显示手持式灭火器。
图14显示喷洒式灭火器。
图15显示软管式灭火器。
图16显示本发明的实施例如何能够用于输送药物。
图17显示内窥镜的一端。
图18显示药物如何能够被输送。
图19显示本发明的实施例如何可以用作便携式雾化器；以及
图20显示各种所描述的实施例的器室如何成形。
详细描述
在附图中相同的参考数字表示相同的零件。
图2显示了根据本发明的实施例用于通过蒸气爆炸过程喷射液体和液体蒸气的喷射系统20。喷射室21由诸如钢材或其它能够承受显著的压力和温度变化的刚性材料制成通常为圆筒形的形状。应当理解，本发明的实施例不限于具有这种具体形状的燃烧室，也不限于确实由钢材制成的燃烧室。在器室21的第一端部区(用标号22表示)设置有进口阀23，以便允许所选择的液体(诸如水)通过相联的进口管25进入器室的中央区24。在器室21的另一端部区26设置有出口阀27，其开启以允许物质经由喷嘴区28从器室区24中喷射。
位于喷射室中的电加热器提供了加热元件29。电加热器与电源(没有示出)连接，使得当电源接通时，加热器运行以加热器室区域24中的一股液体。应当理解，根据本发明另外的实施例(其中一些将在以下进行描述)可提供提高喷射室中液体的压力和温度的其它方式。
如图2所示，可通过加热器室中央区24内的液体使液体的压力升高。在此阶段之前，出口阀27关闭以防止液体逸出(outgress)。进口阀23开启，以使液体水进入器室，直到器室充满或盛装了预定量的液体。然后，关闭进口阀以密封由此位于器室中的该股液体。之后，加热元件运行以加热液体。其结果是液体由于热膨胀而扩张，使器室内部液体的压力升高。尽管加热可由加热元件完成，当然可以在高压下在入口处提供预加热的液体供应。如果采用该技术，器室内压力的升高可通过泵(没有示出)来执行，该泵将液体供应经由进口阀供给器室。通过加热水，器室内的压力由此升高，温度也升高。控制出口阀，使得阀门“跳启”(″blows″)以便在预先规定/预先确定的压力下开启。压力可由一个或多个压力传感器(诸如位于器室中或靠近器室的压力变送器)进行监测。于是，器室内的水或其它液体被电气元件加热(很像电水壶)，然后升高到沸腾温度(远高于其在大气压下的沸腾温度)。沸点表示饱和点，应当认识到，它由所使用的具体液体的压力与温度之间的关系来确定。喷射室内的液体接近、等于或高于其在器室出口阀下游压力下的饱和点将是有利的。温度升高到高于大气压下的沸腾温度，因为水由进口阀与出口阀两者保持在器室中，其中进口阀在水被加热之前关闭，而出口阀只有在系统一旦达到特定的压力时才允许释放。在此压力及温度下(可分别称之为触发压力和触发温度)，阀门以类似于压力锅的方式跳启，然后发生蒸气爆炸，使液体与液体蒸气(如果液体是水，则液体蒸气就是水蒸汽)的混合物从器室中逸出。当出口阀开启时，水蒸汽与水的混合物经由开口28喷射。
当阀门最初开启时，将要喷射的第一相是喷雾中被喷散的液体形式的液相。此喷射发生在出口阀开启后几微秒左右。这种极其快速的液体喷射具有特殊的优势。几微秒之后液体和液体蒸气的混合物被喷出。若干微秒之后包含稍许较少液体和较多蒸气的混合物被喷出。
然而，当对于相同的环境压力使用更高的触发温度时，可改变或完全消除最初的液体排放。另一方面，降低触发温度可导致实际上只有雾化的液体喷射的状态。按这种方式，可通过改变与喷射室相关的一种或多种参数选择液体和蒸气的比例。有选择地改变一种或多种参数(诸如温度或压力)还可以用来有选择地控制喷射物中雾滴的大小。
随着物质从喷射室中喷射，压力下降。当压力降回到环境压力或第二预定压力(可称为关闭压力)时，出口阀关闭，并且进口阀重新开启，以将新的液体物质引入器室。这使循环重新开始。因此，一旦通过加热液态水的新供应产生了足够的压力，则水蒸汽/水的混合物或其它液体/液体蒸气的重复循环从出口排出。
器室的尺寸可不同，并且直径可(例如)小于一厘米，例如，器室甚至是毫微尺寸到毫米的直径。备选地，器室直径可以是一米或更大。应当认识到，随着器室尺寸的增加，喷射的频率将降低，因为提高压力所花费的时间相应地增加。应当理解，随着器室尺寸根据具体的应用而增大，将需要更大型的泵和/或阀门。
优选地，可控制进口阀以使从器室中喷射的液体的比例最大化。这一点可通过选择进口的直径几乎等于或等于出口或排放口的直径来达到，这会保证没有过多的液体进入器室。
图3显示了喷射装置的备选实施例，其具有许多与图2所示的实施例相同的特征。图3显示的本发明的实施例使用热交换器30，其包围器室的侧壁部分以加热器室内的液体。当所喷射的液体不是水而是随后燃烧的燃料时，这种加热液体的方式尤其有利。在出口阀下游位置产生的此热量可用来加热热交换器，并从而加热器室内的液体。
为了更快地在器室中重新填充液体，可如图4所示在器室上增加回流口及回流阀。当进口阀404为了再补给而开启时，回流口及回流阀401允许器室402内的一些液体和蒸气回流到贮存器403。增加回流口及回流阀401应有助于使充足的新鲜液体加入器室402，以补充所喷射的质量，并从而避免连续喷射后器室402内缺少液体。在使用管路(诸如灭火喷洒装置中)作为贮存器的情况下，与回流阀401连接的回流口406可连接到不同的管路，此管路所处的压力低于供给管路403的压力，并且优选地处于大气压下。
在本发明的一个实施例中，可使用具有内径为25mm并且长度为32mm的器室。两个或多个单独的加热器可插入器室内。第一个加热器是位于器室壁附近的螺旋形线圈，其长度为28mm，外径为21mm，内径为15mm，以及功率为500W。第二个加热器是位于器室中心附近的筒式加热器，其长度为25mm，直径为1cm，以及功率为500W。利用这些规格，高达5Hz的重复的水蒸汽/水的喷雾喷射是有可能的。更高的频率将导致纯粹是液体而非雾化的喷射，因为每次喷射后用于重新填充而供入器室的冷水没有足够的时间由该加热功率加热到沸点以上。因此，可使贮存器保持在更高的温度，例如大约75℃，以缩短喷射之间器室内的加热，并从而便于提高喷射的频率。
图5显示使用本发明的另一个实施例作为燃料喷射器单元50。内燃机51显示处于吸入阶段(图5A中所示)和排出阶段(图5B中所示)。内燃机包括筒形燃烧室52，其在第一端被紧密配合的活塞53封闭，活塞53布置成在器室中滑动。活塞的移动改变器室52中器室的封闭端54与活塞的燃烧表面55之间的容积。活塞相对的一侧通过活塞连杆57与曲轴58连接。曲轴将活塞的往复运动转变成旋转运动。
图5所示的内燃机是四冲程内燃机，然而，应当理解，本发明的实施例并不局限于以这种类型的发动机使用燃料喷射器。相反，本文引用四冲程内燃机仅仅是作为实例。在活塞第一个向下的冲程中，燃料通过燃料喷射器50喷入燃烧室52。
现有技术的燃料喷射器使用机电式喷嘴和预加压的燃料来产生精细雾化的喷雾。燃料在器室内加压，并且电磁线圈提起器室密封件的针状物，以使燃料能够经由吸入阀挤压穿过喷嘴的孔隙。该加压液体释放的定时控制由电子装置进行控制。其具有成本高并且材料复杂的不利之处，材料易于发生故障并且需要许多工作部件。本发明的实施例通过以喷射室50取代已知的燃料喷射器系统来克服这一点，喷射室50通过以上所指明的蒸气爆炸过程将液体燃料和液体燃料蒸气喷入燃烧室52。气化的燃料和液体燃料由点火元件(诸如火花塞58)点燃。
基于本发明的实施例的燃料喷射器系统更详细地显示在图6中。燃料喷射器50包括限定空间24的喷射室21，液体燃料可通过进口阀23输入到空间24之中。回流口和回流阀可结合到本发明的此实施例之中，从而使得在器室中能够更快地重新填充液体。应当理解，这种回流口和回流阀可用于本文所述的任何实施例。在一股液体经由进口阀引入后，加热元件29用来加热位于喷射室内部的这股液体。出口阀27约束器室内部的液体，直到达到预定的压力。此压力高于大气压或下游(即图6中所示的左侧)喷射物所承受的压力。这样，器室内的液体可加热到出口阀开启时所承受的沸点温度之上。当阀门就此开启时，压力会下降，从而使得喷射室内的液体迅速沸腾并且是以爆炸的方式沸腾，因为其升高到高于其自然沸点的温度。应当注意到，对于某些流体，例如煤油和汽油，流体本身是包括不同烃类的多组分燃料。各组分具有不同的沸点。例如，对于汽油，沸点在117℃(对于最容易挥发的组分)到200℃(对于最重的组分)的范围内变化，对于煤油，沸点在150℃到300℃的范围内变化。为了具有最佳的性能，优选地温度应保持在高于较高的沸点之上，以确保所有的组分都会气化。当然，这一点不是必需的。例如，当已知哪种组分具有最大的浓度时，则该组分的沸点可用来确定温度，以保证其余的燃料将会沸腾。应当认识到，对于相同的给定压力，在较高的温度下喷雾将会更精细，并且喷射物中蒸气的比例会更高。应当认识到此处给出的温度是在大气压下对应于沸腾(饱和)点的实例。在升高的压力下，沸点的差异非常大，可参考物质已知的热物理特性数据库来获得工作压力。喷嘴60提供了颈部区28的收窄部分，并且所喷射的液体和液体蒸气经由开口61喷射到内燃机的燃烧室52中。
使燃料达到指定温度所需的热量可部分或全部地自发动机产生的热量中获得。因为喷射器可位于发动机的燃烧室之内或其附近，发动机在运行时会非常热，因此，蒸气爆炸室可设计成其从发动机吸收的热量与其所需要的热量一样多。此热量可通过喷射器的器室壁获得，可通过伸入器室的热交换器获得，或通过两种技术的组合获得。此外，进口燃料管线可穿过或邻近发动机主体的热零件，以将燃料加热到更接近指定温度。然而，优选地将此温度保持在燃料的最轻组分的饱和温度之下，以避免在管路中产生不利的气蚀。
将上述蒸气爆炸技术应用于燃料喷射系统的有利之处是极大地提高了装置的射程，并从而加强了发动机对增加的输出功率的响应。根据已知的现有技术，对于平均尺寸的家庭轿车，正常的运行范围是2,000-6,000rpm，而一级方程式赛车可能达到17,000rpm。根据本发明的实施例，燃料喷射器一个循环所花费的时间可在5微秒左右或更少，其中一个循环包括短时的喷射阶段，继之以时间较长的重新填充和再加压阶段。因此，燃料喷射的速率在每分钟12,000次喷射左右。在普通的四冲程发动机中，每次喷射典型地有两次回转，因此，理论上可达到24,000rpm。为了防止发动机解体，为此可利用一些形式的限制条件以放慢喷射过程。通过选择喷射过程的一种参数或多种参数(诸如排出阀开启持续的时间段、燃料喷射室的温度和压力以及发动机燃烧室的压力)可控制从喷射器的器室中喷射燃料的过程。应当认识到，可控制其它参数以提供所需的结果。
为了燃料喷射的目的而应用蒸气爆炸技术的其它有利之处包括：
1.从喷嘴喷出之后，燃料蒸气立即占据燃料喷雾中相当大部分的容积，这一点可提高燃料的点火和燃烧速率，并从而提供更高的发动机加速度。
2.与大多数常规的雾化器相比，燃料喷雾易于具有更小的雾滴尺寸。这一点可提高点火和燃烧速度，反过来又可提高发动机的加速度。更小的微滴还带来更完全的燃烧、更少的污染物和更好的燃料经济性。
3.使用蒸气爆炸可极大地提高这些装置的“射程”，并从而提高了发动机对增加的输出功率的响应。
4.可在比常规的雾化器更低得多的压力下进行工作，因为喷嘴内部大部分的容积是燃料蒸气，并且由于蒸气更低的密度，可使用更低的压力使燃料在相同的喷射速度下移动。实践中，这些更低压力的喷射通过利用在雾化液体的过程中热能相对于机械能的高比例来达到。这一点反过来可提高发动机的效率，因为在大多数情况下热能易于从燃烧本身得到，并且热能通常是作为损失由冷却系统带走，这一点与纯粹使用机械能相比具有更低的能量损失。
5.即使对于很简单的喷嘴结构，诸如平坦孔(plain orifice)，也可利用很宽的喷射角。在大多数燃烧中，宽的喷射角非常有利，因为它可提供更好地与空气混合及更高的燃烧速率。
6.雾化器中的压力积累或者单纯由燃料的热膨胀产生，或者通过燃料的热膨胀与燃料泵提供的压力相结合产生。因此，甚至需要更少的机械能。
图7显示本发明的实施例如何可应用于提供燃气涡轮机的二次点火器。图7显示包括三个主要部分的燃气涡轮机70，它们是压缩机71、燃烧器72和涡轮机73。外部空气通过压缩机的运转被吸入发动机。空气通过压缩机叶轮的运动用机械方法进行压缩，因此，空气的压力和温度升高而容积相应地减小。于是，用来压缩空气的机械能转换成压缩空气形式的动能。然后，压缩空气被压入燃烧部分，其中燃料通过燃料喷射器74喷入该燃烧部分。燃料喷射器可具有常规类型，或者具有本文之前在以上所描述的类型。然后，根据本发明的实施例的燃料二次点火器75用来点燃燃料，将化学能转换成热膨胀气形式的热能。燃料重复地喷入燃烧部分以保证连续燃烧。相反地，燃料可不间断地喷射，而不是重复地喷射。当整个燃烧器器室66的压力保持基本恒定时，气体的容积和温度升高。当涡轮机73依靠气体作用在涡轮机的翅片77上而旋转时，热膨胀气的热能转换成机械能。然后，热废气经由燃气涡轮机的前端78排出。涡轮机输出与压缩机叶轮连接，从而协助为空气压缩提供动力。
如以上所指明的，已知的二次点火装置(例如如图1中所示)包括复杂的等离子体装置，以将燃气涡轮机的燃烧室76中的物质二次点燃。应当认识到，燃烧室可包括以有利的方式沿整个器室分布的许多个燃料喷射器，并且可提供一个或多个二次点火器，以二次点燃各喷射器所喷射的燃料。应当理解，备选地，可精心设计燃料喷射器的位置，以使得每个喷射器需要少于一个二次点火器。燃气涡轮机具有多种应用，诸如航空/航海领域中的喷气式发动机、用于陆地运载工具的发动机，以及使用陆基的燃气涡轮机进行发电。一些陆基的燃气涡轮机可使用点火器技术来帮助涡轮机在低氧化氮(NOx)条件下的运转，这一点有助于涡轮机内部燃烧的稳定。
图8更详细地显示燃气涡轮机二次点火器80。形状大致为圆筒形的外电极81形成喷射室的侧壁。在第一端部区82输入的液体燃料经由进口阀83进入。输入的燃料进入中心器室区84。输入的燃料流经内电极85中的孔。值得注意的是，如同本文所述的其它实施例一样，回流口和回流阀可结合在本发明的该实施例之中，以使液体能够更快速地重新填充给器室。防止输入的液体燃料逸出的出口阀87位于喷射室的另一端86。当出口阀87开启时，液体和液体蒸气经由喷嘴88喷射。中央半导体小片将外电极和内电极分开。此元件89用来产生带电颗粒以加热器室内的液体燃料。当一个或多个压力传感器探测到器室内的压力达到预定值时，电流从中穿过。
本发明的二次点火装置比常规的二次点火装置有利，因为产生的是短时尖脉冲形式的长火焰，而不是连续产生的短火焰，后者不经济并且效率更低。此外，非常精细的雾滴及喷雾中燃料蒸气的高浓度使其更易于被点燃并且使火焰持续。
图9显示基于本发明的另一个实施例的蒸气爆炸技术的应用，其中提供了引燃火焰点火器。在这种意义上，图9显示引燃火焰点火喷射系统90。许多应用场合(诸如锅炉或炉或家用器具中，或者家用气体应用场合中)均需要火焰点火系统。现有技术的点火系统通常包括产生火花的电子电路，火花随后将燃料点燃。引燃火焰点火器90包括燃料室，其用于储存经由进口阀23引入的一股液体。加热元件(诸如电加热器29)如上所述加热液体，其中，当器室内达到预定的阈值压力时，允许液体自出口阀27中喷出。当重复的蒸气爆炸过程快速地发生时，液体燃料和液体燃料蒸气经由喷嘴91重复地喷射。燃料蒸气和液体燃料依靠蒸气爆炸以大射程排出，也就是说，越过离开喷嘴91很远的距离。它们可在最初由点火元件(没有示出)点燃，以不间断地提供火焰92以点燃另外可点燃的物质。应当认识到，用于引燃火焰的喷射系统90提供重复的喷射过程。在紧随出口阀开启之后的最初阶段，喷射物基本上处于被喷散的液体形式。之后经过几十微秒，喷射物是液体和液体蒸气的混合物。再之后，喷射物大部分是蒸气。当出口阀关闭以允许喷射室重新充装时，火焰会不稳定。由出口阀关闭而引起的停歇时间选择得足够长以完成喷射室的再加料，但又不能太长以致使火焰燃烧完所有的燃料而熄灭。结果是引导点火器具有可见的上下跳动但又不熄灭的火焰。
图10显示本发明的另一个实施例，其中喷射室10用来推动运载工具10。运载工具10显示为无人飞行器(UAV)。这种运载工具是可携带摄像机、传感器、通讯装置或其它负载的远程导航或自导航的飞行器。应当认识到，本发明的实施例可用来推动其它类型的运载工具。UAV包括运载工具主体10，其包括为运载工具提供升力的两个翼部10。推动力通过在燃烧室10中燃烧从喷射室系统10中喷射的液体燃料和燃料蒸气来提供。有许多种类型的UAV。一些如小飞机一样大小并在高空飞行，能够记录并将大量的信息转发回基站。一些运载工具足够轻，可由单人携带并用手发射。微型飞行器(micro air vehicles)是那些定义为具有不大于15cm(6英寸)尺寸的运载工具。本发明的实施例也适用于微型飞行器或更小的运载工具。
如本文以上所述，质量喷射室10从喷嘴10喷射液体燃料和液体燃料蒸气。空气被吸入空气入口96并向下穿过输入通道10，空气在此处与燃料混合，其中燃料由点火元件10(诸如火花点火器)点燃。燃烧室10约束燃烧过程并包括至少一个出口10，燃烧过的燃烧气和火焰可经由此出口选出。蒸气爆炸室10的尺寸小，使得装置的总体尺寸在长度上为5-10cm的数量级。
提供了太阳能电池板1100，以在需要时为加热元件和点火器元件10的控制提供能量来源。备选地，机载的轻重量电池可提供电源。作为另一个备选实施例，来自废气的连续的热交换可提供能量以加热进口燃料。
图11显示如图10中所示的蒸气爆炸室中的一个循环。在该实例中，蒸气爆炸室10和燃烧室的直径分别为330微米和370微米，以及长度分别为300微米和700微米。烃类液体燃料在蒸气爆炸室中气化，并且蒸气自器室中经由喷嘴喷射到燃烧室，在此蒸气与空气混合。如图12中更清楚地显示，空气经由另一个进口被引入。通过点火装置触发燃烧，并且火焰在若干微秒之内充满燃烧室，点火装置可以是来自前一个循环(如所示)的热量或火焰，或者是单独的点火器元件，诸如火花点火器。在这些图中，给出了在不同时间的温度的颜色/阴影轮廓，显示火焰的发展及对应的温度随时间的变化。由于为了保持燃烧室中火焰的稳定，必须在各循环之间使压力释放出口阀关闭若干微秒以补给燃料，因此，优选地使用多于一个蒸气爆炸装置，最优选地使用3到10个蒸气爆炸装置，以将燃料喷射到燃烧室中。蒸气爆炸装置定位成使它们在空间上喷向同一点或接近于同一点并按相同的方向喷射，但是在其喷射时间的起点上相互之间具有相等的或另外选择的时间延迟。
图13显示喷射系统1300，其用于通过基于本发明的另一个实施例的蒸气爆炸过程喷射灭火液体和灭火液体蒸气。喷射室1301形成于灭火器1300的颈部区1302。液体贮存器1303装有大量的液体燃料抑制剂，诸如水。当确认火存在时，由使用者使用把手1304来启动灭火器。把手的启动激发控制单元1305产生用于控制进口阀1306和出口阀1307的开启与关闭的驱动单元。回流口和回流阀也结合在此系统之中，以使液体能够更快速地重新填充给器室。液体和液体蒸气从器室1301中按图13中箭头A所示的方向喷射。来自控制箱1305的驱动信号也用来控制电源1308，该电源1308控制器室1301中的电加热器。如本文以上所述，加热器可用来提高喷射室1301中液体的压力。液体贮存器1303也被加压，使得液体快速地在器室中进行补充。此压力可高到足以使喷射室中液体的压力升高到大气压之上。
图14和图15显示本发明的另外两个实施例，其中蒸气爆炸装置用于喷射灭火液体和灭火蒸气。图14显示以水蒸汽喷洒器类型的灭火器实施的蒸气爆炸装置。实际应用中，一个或多个基于蒸气爆炸装置的火灾抑制/灭火的喷洒器固定在建筑物中，并由火灾探测系统(firedetection system)触发。中央火灾探测系统可用于建筑物中所有的喷洒器，或者各喷洒器可具有单独的传感器，以使灭火剂(fire suppressant)仅仅在出现火灾的位置释放。此系统可以分区。当探测到火灾并且灭火液体为水时，喷洒器按照具体的预定的频率值以重复的脉冲将水蒸汽和水滴的气雾喷射到环境中，根据设计和具体的应用此频率值可在0.5-5Hz之间。如图14中所示，喷洒器由贮存器1401、基于以前所概述的器室的蒸气爆炸室1402及可选的小型泵组成，小型泵用来给灭火液体施加压力，以协助相对所需的喷射频率足够快地重新填充器室。单个贮存器可连接到一个或多个喷洒器所处的环境中所有的喷洒器或具体的一组喷洒器上。此外，这种贮存器可以是加压的水管，其有可能缓解各喷洒器对泵的需求。
图15显示用于喷射灭火液体的系统。在该实施例中，蒸汽爆炸装置用在软管式灭火器的内部。蒸气爆炸室1501安装在软管1502的端部。软管1502用作加压的贮存器，并给重复地喷出水蒸汽的蒸气爆炸室1501提供灭火液体。可通过连接到蒸汽爆炸装置上的电池或沿着软管平行连接的电源接线给蒸汽爆炸装置供电。
在作为喷射灭火液体的系统而公开的本发明的所有三个实施例中，灭火液体可以是水，或者可以是其它任何适于抑制火灾的液体。
蒸汽爆炸装置在许多方面比常规的基于水灭火的装置都有利。首先，蒸气具有比等量的水更大得多的表面积，因此，蒸气能够吸收更多得多的热量，从而更好地抑制火。此外，蒸气可如同气雾一样吞没火焰，限制氧气流向火焰，并从而进一步抑制火灾。相反，水会径直流过火焰，只限制氧气流动很短的一段时间。另一个有利之处是利用由蒸汽爆炸装置产生的水蒸汽而不是水来抑制或扑灭火灾需要使用的水更少得多。使用更少的水不仅只是在经济上和环境上有利，而且它还意味着灭火过程将对发生火灾的环境产生更少的破坏。
图16显示如何根据本发明的另一个实施例应用蒸气爆炸技术来提供药物输送装置和方法，以及用于清理患者体内堵塞的装置和方法。图16显示内窥镜1600，其具有易于操纵的柔性杆1601，杆1601可位于人体的肠道或呼吸系统或心血管系统部分。柔性杆1601的末梢端区域1602包括柔性尖端1603。该尖端允许相对于患者的身体操纵端部止动装置1700(更清楚地显示在图17中)，并且允许由外科医生将杆的端部定位。杆1601的近端(proximal end)1604终止于内窥镜主体部分1605，其中主体部分1605包括目镜1606和用于辅助设备的开口1607。另一根线缆1608将内窥镜主体1605连接到输入接头1609，该接头给内窥镜供应任何所需的光、空气、水或其它需要的有用物。
如图17更清楚地所示，内窥镜端部1700包括用于为外科医生照亮环绕内窥镜端部区域的光源1701和用于提供患者的该区域的可视图像的摄像机1702。来自摄像机1702的信号可提供给目镜1606，或通过接头1609或通过开口1607将信号输出，使得图像可在显示器(诸如LCD屏幕)上显示。
如在图18中更清楚地所见，内窥镜1600的端部1700还包括药物输送室1800。电力和控制信号通过控制器1703提供给药物输送室1800。可根据多种方法使用从器室1801中喷射的液体蒸气物质，在其中一种方法中，可将内窥镜操纵到一个位置，在此处药物要在特定部位分送。然后，通过开启进口阀1802将液体输入器室1801(或者已经如此引入)，之后使加热器单元1803通电以升高液体药物的压力和温度。然后，可在压力和/或温度达到预定值时分送药物，在所需的位置喷射已气化的药物和液体药物。如上述所有的实施例一样，如果需要可重复喷射循环多次。
作为备选实施例，液体和液体蒸气喷射物可用来清理动脉和/或静脉或类似部位的堵塞。在这种意义上，本发明的实施例可用在堵塞(诸如由于动脉生垢(furring)引起的血液流动受限制的疾病中)处的血流中。在这种情况下，可沿着堵塞的静脉/动脉线的纵向施加通过上述技术喷所射的水基溶液或其它中性溶液，以由此疏通堵塞。这一点可补充或取代使用膨胀管/气囊(expanding tube/balloon)清理受损通道的现有方法。
根据图16所示的本发明的实施例，由医生操作的摄像机连接到毫微蒸气爆炸装置，并用来精确地将药物放在发生机能失常的确切位置。本发明的实施例并不局限于在肠内使用，而且还可以用于主气管套管的呼吸系统，并且在血液环境中在心血管系统中有应用。
虽然有关图16-18所述的本发明的实施例就内窥镜状的装置的使用进行了描述，但是，本发明的实施例并非局限于此。相反，通过引入丸状装置形式的装置，可使用本发明的实施例在所需的位置输送药物，该丸状装置独立地移动，例如，经由血流或肠道，并且由X-射线仪用染料和扫描系统对其进行跟踪，使得操作员可在屏幕上观察装置所到达的部位。当医生确认装置处于所需的位置时，可给人体内的装置发送无线信号。于是，装置喷射药物或仅仅是液体，以输送药物，或者在所需的位置打开堵塞的通道。
本发明的蒸气爆炸装置的另一个应用是作为呼吸药物输送系统的一部分。呼吸药物输送系统用来直接将药物输送到呼吸系统，以治疗为数众多的呼吸疾病，诸如哮喘、囊性纤维化和慢性阻塞性肺病(COPD)。另外，最近已经认识到肺可用作系统性药物疗法的入口，例如，吸入式胰岛素已经成功实施并有可能在糖尿病的治疗中成为可替换注射胰岛素的常规疗法。
有三种主要类型的呼吸药物输送系统：定量吸入器(metered doseinhalers)、干粉吸入器和雾化器。加压的定量吸入器将计量容积的加压液体或具体数值的加压液体释放到患者的气道中。释放后，液体迅速蒸发，留下适于吸入的干燥形式的药物。干粉吸入器包含干粉，当患者经由吸入器吸入空气时，干粉发生移动，于是，吸入力携带着干粉进入患者的肺中。定量吸入器和干粉吸入器两者均在一次吸入中放出预定量的药物，患者在一天中服用特定量的这些剂量。第三种类型的呼吸药物输送系统是雾化器，其将以液体形式储存的药物转变成药物颗粒的气态悬浮物，诸如气溶胶或气雾。患者将在这种气雾中呼吸，并且药物被输送到呼吸系统中。有两种主要类型的雾化器：喷射雾化器和超声雾化器。喷射雾化器通过经由狭窄的开口施加加压的气体工作，狭窄的开口在药物贮存器上产生负压，此负压从药物贮存器中吸取药物溶液的颗粒形成气雾供患者吸入。超声雾化器使用快速振动的压电晶体，压电晶体形成液体喷泉，气雾从液体喷泉中升起。雾化器在大约15分钟的时间段内缓慢地将液体药物转变成气雾，在此时间段中，使用者将连续地吸入气雾形式的药物。雾化器输送更强烈得多的剂量的药物，因此，其通常用于有严重呼吸问题的患者。
根据本发明的实施例，蒸气爆炸装置从贮存器中吸取液体并输出蒸气气雾。贮存器包含有药物，因此，药物可以以适于吸入的气雾形式服用。爆炸装置在短时尖脉冲中喷出蒸气(或气雾)，释放的蒸气容积对应于放入蒸气爆炸室中的液体量。因此，此装置可类似于定量吸入器用来服用蒸气形式的单个单位的药物。本发明的实施例的另一个特征是它能够以非常快的连续顺序喷出蒸气脉冲。因此，本发明的实施例可如同雾化器一样用来在设定的一段时间内连续地服用药物。此外，由于蒸气爆炸装置可执行这两种类型的呼吸药物输送的功能，所以，可提供能够输送单个单位的药物蒸气和连续脉冲的药物蒸气的多功能系统。
基于蒸气爆炸装置的本发明的呼吸药物输送系统比现有技术的呼吸药物输送系统有利，因为其具有非常长的射程、宽的喷射角，并且它所产生的喷雾具有非常小的雾滴尺寸。长的射程和宽的喷射角便于药物更深入到呼吸系统中，并且很好地扩散，因此，更有可能由患者的吸入更好地携带。此外，小的雾滴尺寸为呼吸系统更好地吸收药物提供了条件。1-5μm的雾滴尺寸是理想的，因为更大的雾滴经常沉积在气道近侧，而更小的颗粒沉积效果差并且大部分被呼出。
图19显示本发明的蒸气爆炸装置如何实施为便携式雾化器。本发明的便携式雾化器实施例包括蒸气爆炸室，其带有进口阀1902、排出阀1903和可选的回流阀1904。器室由通过电池1905或其它这种电源供电的加热元件加热，并由药物贮存器1906供应适当的流体。便携式雾化器也可以通过电力网供电以及或替代地通过电池供电。贮存器1906可在其中装有固定量的液体，弹簧1907和移动活塞1908可用来给贮存器1906施加压力，以使得蒸气爆炸室1901能够快速地重新填充。备选地，药物可储存在预加压的储存装置中，该储存装置可从雾化器上分离，以便易于通过更换储存装置来补给药物。贮存器内的液体可以是纯药物或悬浮于携带液体中的药物。用户控制接口1911允许使用者控制雾化器，然后，控制回路1910可处理来自用户控制接口的输入信号并响应地控制雾化器。
根据图19的便携式雾化器的药物气化过程通过经由进口阀1902从药物贮存器1906中传送药物并充满器室1901开始。当预定量的药物处于器室中时关闭所有的阀门，并且加热器将加热器室，直到达到触发温度和触发压力，以使得排出阀开启。然后，排出阀开启，蒸气或气雾沿着口具(mouthpiece)1909喷出。使出口阀1903与口具端部之间的距离足够长，以便气雾到达口具端部之前冷却，然后患者吸入药物。此喷射过程可按照具体的频率重复进行，或者持续预定的时间段，或者直到预定量的药物气化。器室1901的大小或放入器室中液体的量与每次喷雾脉冲所需喷射的液体量有关。
图20显示台式雾化器，其包括三个主要组成部分：雾化器主体2001、蒸气爆炸装置2002以及将前两个组成部分连接在一起的药物输送管2003。雾化器主体包括药物贮存器2004，其中贮存器2004可包含加热元件2005，以使药物的温度保持在接近但低于蒸气爆炸装置所需的温度，加热元件由电源2006供电。贮存器具有便于将药物重新填充给贮存器的贮存器进口，以及将药物抽出贮存器的贮存器泵2008。泵将加压的药物提供给药物输送管2003，以使得蒸气爆炸装置能够快速地重新填充。如图20中所示的蒸气爆炸装置根据蒸气爆炸装置之前的实施例工作，其带有进口阀2009、排出阀2010、蒸气爆炸室2011、加热器2012和加热器电源2013，并且从口具2014以蒸气形式释放药物。回流口和回流阀可结合在本实施例之中，以有助于更快地重新填充器室。用户控制接口可安装在雾化器主体2001上，以便于用户控制雾化器。控制回路2016显示位于雾化器主体中，其目的是处理来自用户控制接口2015的输入信号并响应地控制雾化器。控制线2017可平行于药物输送管2003放置，以将控制回路2016连接到蒸气爆炸装置。值得注意的是，加热器电源2013可以是电池或通过来自雾化器主体的电线供电的电力网供电。
图20显示药物贮存器2004为可重新填充式贮存器。在该实施例中，可将患者所需量的药物放置于贮存器中，然后雾化器运行，直到所有的药物被喷射。备选地，可将贮存器填充到最大量，然后雾化器喷出预定量的药物。应当理解，根据本发明的实施例，可重新填充式贮存器不是必需的，可备选地使用预先装填的药物容器。此外，可使用加压的容器并从而不需要泵。
图21显示根据本发明实施例的定量吸入器。本发明的此实施例显示蒸气爆炸室2101，其接收经由进口阀2103来自药物贮存器2102的药物。蒸气爆炸室中药物的量对应于使用者所需的剂量。当使用者按下控制按钮2104时，控制回路2105控制加热元件2106以及进口阀2103和排出阀2107，以经由口具2108以蒸气形式喷出药物供使用者吸入。加热元件2106由电源2109供电，电源2109可以是电池或通往电力网供电的连接。药物贮存器2102在图21中显示为加压的容器，用于给进口阀2103提供加压的液体，以使蒸气爆炸室2101能够快速地重新填充。应当理解，可备选地使用可重新填充式贮存器，如同可使用非加压的容器一样。回流口虽然没有显示在图21中，但是也可将其结合其中。
应当认识到，还可利用本发明的实施例提供无针注射器(needleless injector)。
在所有蒸气爆炸装置用作呼吸药物输送系统的一部分的的应用中，患者可通过安放在口内部的口具接收药物，或者通过安放在脸上罩住口和/或鼻的面罩接收药物。药物也可直接输送到患者呼吸系统的其它任何部位中。
对于所有呼吸药物输送的应用，器室1901的触发温度必须高于器室内一种或多种液体的沸点，以保证液体从器室中最大限度地爆炸。推荐触发温度为高于具有最高沸点的器室内液体的沸点大约20-30℃，以保证产生最适合于此应用的非常精细的喷雾。触发压力可低至4-6bar，虽然装置可在其它压力下工作。如果排出喷嘴的直径在0.05-0.5mm的范围内，则可能最适合于此应用。
为了在基于蒸气爆炸装置的雾化器中使药物的输送最大化并使药物的浪费最小化，可结合呼吸启动输送系统，在其中使用电子探测系统或机械式阀门系统来确认何时使用者正在吸入，并且仅在使用者吸入时喷出药物，使得在呼出过程中不浪费药物。可手动达到这种功能，但是很多人发现难以使其呼吸与雾化器的开关协调。值得注意的是，这种感测也可用在定量系统中，因为人们经常发现难以协调药物的喷射与吸入。
应当认识到，在喷射室中使液体升高到其饱和点之上的加热元件可在本质上是化学的。也就是说，可提供两种组分，当它们结合时提供放热反应，产生足够的热量以使液体“沸腾”。使用者可刚好在使用之前激活这两种组分，然后一直等到排出就绪。排出就绪可以以多种方式来识别，诸如用户显示器发光或发出噪音，物质可视地喷射或经过了预定的时间。
虽然有关图19-21所述的本发明的实施例就具体的呼吸药物输送系统进行了描述，但是，本发明的实施例并非局限于此。
图22显示液体和液体蒸气爆炸室2200，其可根据以上所述的任何实施例加以利用。应当理解，本发明的实施例并不局限于使用大致为圆筒形的喷射室。相反，非普通的形状或球形，或者如图22中的情况，可利用具有进口阀2201、出口阀2202和加热器元件2203的心形器室。
本发明的实施例提供了涉及喷射室使用的基本核心技术，喷射室借助于蒸气爆炸过程喷射目标物。相对于已知的喷射系统，通过借助于爆炸过程喷射物质，液体和液体蒸气的喷雾所越过的距离显著地增加。并且喷射非常快速地发生，在使用小型喷射室的情况下为几十微秒的数量级。
根据本发明的实施例，通过加热器室内的液体使器室内的压力升高。液体由于热膨胀而扩张，并从而提供较高的压力。热量通过电加热元件或其它方式获得，诸如通过热交换器将热量从本机的热源传递到液体中。上述本发明所有的实施例可进行更改，使得在高压下将预加热的液体供向器室的进口，而不是在喷射室中加热液体。通过连续地将预加热的液体泵送到器室中，器室内的压力将会增大。这一点可通过能够在高压下泵送的外部泵来达到。在某些高于某压力(在此压力下喷射物要被喷射)的预定的压力值下，进口阀将会关闭而出口阀开启。瞬时的压力下降旨在凭借液体相对于其沸腾温度而升高的温度来引起液体的气化过程。从而液体和蒸气从器室的出口阀中发生真实的爆炸。
在使用水作为工作液体的情况下，从尺寸刚好小于1mm并且器室压力为1.1bar的器室中喷射到环境中(例如大气压(1.0bar))可获得高达每秒20米的速度。在使用烃类液体燃料的情况下，从尺寸为大约2cm并且在10bar的压力下的器室中喷射到6bar(换句话讲，在喷射室与邻近的燃烧室之间1bar的压差下)的燃烧室中可获得高达每秒100米的速度。
可基于多个容器中的压力用电子装置控制进口阀和出口阀，这些容器可由一个或多个传感器(诸如压力变送器)容易地进行监测/测量。当达到容器中特定的压力时出口阀将开启，而当压力下降到第二个特定值时阀门关闭。对于进口阀，当器室中达到特定的较高极限压力和较低极限压力时，其开启和关闭，或者相对于出口阀以相反的方式开启和关闭。也就是说，当出口阀开启时，将控制进口阀关闭，而当出口阀关闭时进口阀将开启。
在本说明书的整个描述和权利要求中，措辞“包括”(“comprise”)和“包含”(“contain”)及该措辞的变型，例如“包括”(“comprising”)和“包括”(“comprises”)，表示“包括但不限于”，而且并不意图(并且不会)排除其它部分、附加物、组分、整体或步骤。
在本说明书的整个描述和权利要求中，单数包括复数，除非上下文另有要求。具体而言，在使用不定冠词之处，本说明书应当理解为考虑复数以及单数，除非上下文另有要求。
结合本发明的具体方面、实施例或实例所描述的特征、整体、特性、化合物、化学部分(chemical moieties)或化学基团(group)应当理解为适用于本文所述的其它任何方面、实施例或实例，除非与此不相容。

Claims (31)

1.用于将燃料喷射到燃烧区中的装置，包括：
盛装一部分所选择的液体燃料的喷射室；
布置成有选择地开启以将液体输送到所述喷射室中的进口阀；以及
布置成有选择地开启的出口阀，以在与所述喷射室相关联的参数满足预定条件时从所述喷射室中喷射燃料；其中
液体和/或液体蒸气从所述喷射室中经由所述出口阀喷射到所述燃烧区中，由此将燃料喷射到所述燃烧区中，且其中
所述出口阀布置成当所述喷射室中液体的温度等于或高于饱和温度时开启，所述饱和温度与处于如下压力的所述液体相关联，该压力等于位于所述出口阀下游位置的压力。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
布置在所述喷射室中或靠近所述喷射室的加热器元件，用于提高所述器室中液体的温度。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括布置在所述喷射室中或靠近所述喷射室的泵部件，用于提高所述喷射室中液体的压力。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
至少一个传感器，用于确定何时喷射室的参数升高到预定的临界值，所述临界值表明满足所述预定条件。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述传感器包括压力传感器和/或温度传感器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述出口阀位于所述燃烧区中。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
布置成储存液体燃料的储存室；其中
所述进口阀布置成有选择地将一部分液体从所述储存室输送到所述喷射室中。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
另一个加热元件，其布置成在将所述储存室中的液体输送到所述喷射室中之前加热所述储存室中的液体。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
将所述储存室连接到所述进口阀的进口管，所述进口管布置成靠近所述燃烧区，或者在发动机的热零件与所述进口管之间有热交换器，以由此加热从所述储存室输送到所述喷射室的燃料。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
所述液体包括多组分燃料，并且所述出口阀布置成当所述液体的温度等于或高于与从所述多种组分中所选择的一种组分相关联的饱和温度时开启。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述所选择的一种组分是所述多组分燃料的最轻的组分。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述所选择的一种组分是所述多组分燃料的最重的组分。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
所述喷射室位于所述燃烧区附近，并且布置成吸收由所述燃烧区中燃料燃烧所产生的热量。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
布置成将热量从所述燃烧区传递到所述喷射室的热交换器。
15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液体蒸气和/或液体通过蒸气爆炸过程喷射。
16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液体蒸气和/或液体以射程大于20的喷雾形式喷射。
17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液体蒸气和/或液体以射程大于100的喷雾形式喷射。
18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液体燃料包括煤油或汽油或柴油燃料。
19.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷射室由金属材料制成。
20.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括至少一个电源。
21.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷射室的形状圆筒形，并且在其出口端具有颈部区，所述出口阀位于所述颈部区。
22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述颈部区具有狭窄的喷射孔，液体燃料和液体燃料蒸气经由所述喷射孔喷射到所述燃烧区中。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述喷射孔横截面的直径小于所述颈部区横截面的直径。
24.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
位于所述燃烧区中的点火源，用于点燃喷射到所述燃烧区中的所述液体燃料蒸气和/或液体燃料。
25.用于将燃料喷射到燃烧区中的方法，包括以下步骤：
提供喷射室，其布置来盛装一部分所选择的液体燃料；
有选择地开启进口阀，以将一部分液体输送到所述喷射室中；
当与所述喷射室相关联的参数满足预定条件时有选择地开启所述喷射室的出口阀；以及
从所述喷射室中经由所述出口阀将液体蒸气和/或液体喷射到所述燃烧区中，以及
将所述喷射室中的液体加热到温度等于或高于饱和温度，所述饱和温度与处于如下压力的所述液体相关联，该压力等于位于所述出口阀下游位置的压力。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
通过布置在所述喷射室中或靠近所述喷射室的加热元件加热液体，以由此提高盛装在所述喷射室中的液体的温度。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
在开启所述出口阀的所述步骤之前加热所述喷射室中的液体。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
通过布置在所述喷射室中或靠近所述喷射室的泵部件提高所述喷射室内的压力。
29.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
确定何时所述参数满足所述预定条件并响应所述确定开启所述出口阀。
30.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
在所述液体进入所述喷射室之前预加热供给所述进口阀的液体。
31.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
通过至少一个传感器监测所述喷射室内的压力和/或温度。
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