JP2001527738A

JP2001527738A - 共鳴マクロソニック合成（ｒｍｓ）エネルギー変換

Info

Publication number: JP2001527738A
Application number: JP53448298A
Authority: JP
Inventors: ティモシーエス．ルーカス
Original assignee: マクロソニックスコーポレーション
Priority date: 1997-01-15
Filing date: 1998-01-15
Publication date: 2001-12-25
Also published as: KR20000070169A; US6163077A; US5892293A; EP0953224A1; EP0953224A4; CN1250556A; CA2277812A1; PL334560A1; TR199901668T2; TW374827B; IL130871A0; AU5916798A; NO993382D0; HUP0001786A2; AR011075A1; NZ337249A; BR9806763A; WO1998032216A1; ID24233A; NO993382L

Abstract

(57)【要約】音響共鳴器（２）と、共鳴器内で定在波を生成するパルス燃焼装置と、交流発電機（１６）とを備えるエネルギー変換装置について開示する。交流発電機（１６）は、音響的に駆動された機械的振動を電力に変換するように共鳴器（２）に結合されている。

Description

【発明の詳細な説明】共鳴マクロソニック合成（ＲＭＳ）エネルギー変換発明の背景（１）発明の分野本発明は、特に発電に適用することのできる、エネルギー変換のためにパルス燃焼駆動または熱音響駆動される共鳴マクロソニック合成（ＲＭＳ）共鳴器に関する。（２）関連技術の記載発電のために考案された非常に様々な技術が先行技術より明らかである。特に関心が持たれるのは、発電のために液体または気体の燃料を燃焼するように設計された技術である。燃料の化学ポテンシャル・エネルギーを、交流発電機を駆動するために使用される機械エネルギーに変換する、多くの種類の内燃機関が使用されている。しかし、内燃機関は、頻繁な定期的メンテナンスを必要とし、変換効率が低い。現在、タービンは、天然ガスなどの燃料を最も効率的に電力に変換する。タービン技術に固有の、設計および製造の高度さは、その初期コストおよび運転コストの両方に反映されている。発電手段としての定在音波の分野にいくらかの努力が向けられている。たとえば、熱音響駆動された定在波の振動圧力を使用して、交流発電機を駆動し電力を生成することがＳｗｉｆｔによって提案された（Ｇ．Ｗ．Ｓｗｉｆｔ、「熱音響エンジン（ＴｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃＥｎｇｉｎｅｓ）」、Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．８４、１１６６（１９８８年））。この方法は、音響共鳴器の開放端部にピストンを結合し、振動するピストンによって線形交流発電機を駆動できるようにすることによって行われる。ピストンは、仕切板やベローなどのガス・シールを必要とし、このようなガス・シールは信頼性の問題を生じさせる。移動するピストンによって、定在波から抽出することのできるダイナミック・フォースも制限され、それによって熱音響発電機の効率が制限される。定在波の発電への他の応用例がＳｗｉｆｔによって報告されており、この場合、熱音響駆動液体ナトリウム定在波エンジンの磁気流体力学的効果が使用される（Ｇ．Ｗ．Ｓｗｉｆｔ、「熱音響エンジン（ＴｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃＥｎｇｉｎｅｓ）」、Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．８４、１１６９（１９８８年））。定在音波に関連して発電が提案されている他の研究分野はパルス燃焼（ＰＣ）である。ＰＣ分野は、磁気流体力学的効果とは異なり、発電手段としてはほとんど注目されていないようである。前世紀には、ＰＣ分野でかなりの研究開発が行われている。まず、１９２０年代の初めに、ＮｉｋｏｌａＴｅｓｌａの米国特許第１，３２９，５５９号に記載されているように、パルス燃焼器が、発電タービンを駆動する手段として注目された。現在行われている応用研究の大部分は、熱または推進スラストを生成することに関する。このような応用例については、パルス燃焼器は、その自続燃焼サイクルと、固有の単純さと、汚染物質の発生が少ないことのために、常にかなり魅力的である。Ｐｕｔｎａｍ、Ｂｅｌｌｅｓ、およびＫｅｎｔｆｉｅｌｄは、パルス燃焼分野における多数の態様および応用例を示すパルス燃焼器開発の歴史を包括的にまとめている（Ａ．Ａ．Ｐｕｔｎａｍ、Ｆ．Ｅ．Ｂｅｌｌｅｓ、およびＪ．Ａ．Ｃ．Ｋｅｎｆｔｉｅｌｄ、「パルス燃焼（ＰｕｌｓｅＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）」、Ｐｒｏｇ．ＥｎｅｒｇｙＣｏｍｂｕｓｔ．Ｓｃｉ．１２、４３〜７９（１９８６年））。ＰＣ研究分野では、ガス研究機関（ＧａｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ）、サンディア燃焼研究室（ＳａｎｄｉａＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＬａｂｓ）や様々な大学などの機関で顕著な努力が非常に活発になされている。要約すると、ピストン作動交流発電機を駆動して電力を生成する手段として熱音響エンジンが提案されている。しかし、この概念にはある種の最適化、実用的な改良、および簡略化が必要である。しかし、ＰＣ駆動定在波を発電手段として使用する実用的なシステムの開発にほほとんど努力が向けられていない。ガス・タービンなどの現在の技術と比べて、ＰＣ発電機は極めて単純な燃料電気変換システムを形成する。発明の概要本発明の目的は、振動運動を使用して交流発電機が駆動されるパルス燃焼（ＰＣ）駆動音響共鳴器を提供することである。本発明の他の目的は、共鳴マクロソニック合成（ＲＭＳ）共鳴器をＰＣ室として使用して、所与の燃料消費量に対する音響反力を最大にし、それによって燃料電気変換効率を向上させることである。本発明の他の目的は、同調誘導を行うと共に、燃焼反応物質を予熱し予混合することによってＰＣの出力密度を高くすることである。本発明の他の目的は、天然ガスなどの燃料を電力に変換する比較的廉価な技法を提供することである。本発明の他の目的は、必要な最適化および実用的な改良を熱音響発電機に加えることである。本発明の上記およびその他の目的は、添付の明細書および図面から明らかになると思われる。明細書および図面全体にわたって、同じ参照符号は同じ部品を指す。図面の簡単な説明図１は、本発明に係るパルス燃焼発電機の断面図である。図２は、図１の共鳴器２に対応する基本モードのピーク圧力分布のグラフ表現である。図３は、本発明のためのある利点を有するＲＭＳ共鳴器によって生成することのできる圧力時間波形のグラフ表現である。図４は、共鳴器上の音響駆動ダイナミック・フォースを増大させる共鳴器幾何形状を有する本発明に係るパルス燃焼発電機の断面図である。図５は、図４の共鳴器３２に対応する基本モードのピーク圧力分布のグラフ表現である。図６は、同調誘導圧縮器および反応物予圧縮混合を有する本発明に係るパルス燃焼発電機の断面図である。図７は、図６の誘導圧縮器に関連する静圧および動圧のグラフ表現である。図８は、本発明に係る熱音響駆動発電機の断面図である。好ましい態様の詳細な説明燃焼室（共鳴器）の音響駆動構造振動は通常、ＰＣ動作の不要な副産物である。この不要な効果を最小限に抑えるためにかなりの研究がなされている。これに対して、本発明は、共鳴器全体を定在波の動圧に応答して前後に駆動できるようにすることによって、上記の振動を、電力を生成する手段として使用する。図１は、本発明の態様を示す。この態様では、ＲＭＳ共鳴器２が設けられ、この共鳴器はバネ３および５によって静止状態の周囲環境に弾性に取り付けられ、したがって、円柱軸ｚに沿って、制限されずに自由に振動する。共鳴器２は、剛性端壁２６、環状排気口２４、環状排気プレナム２５、任意選択の絞り弁１４、点火プラグ２２、および弁ヘッド４を有する。弁ヘッド４は、燃料酸化剤プレナム６、燃料吸込み口８、酸化剤吸込み口１０、および反応物吸入弁１２を備える。共鳴器２に剛性に接続された電機子１８と電機子１８に弾性に接続された固定子２０とを備える交流発電機１６が、共鳴器２に接続される。この弾性接続はバネ２８およびダンパ３０として概略的に示されている。固定子という用語は、本明細書では、固定子２０が静止状態であることを意味するためには使用されない。逆に、固定子２０は、制限されずに自由に振動することも、または剛性に拘束することもできる。任意選択で、電機子１８を共鳴器２にバネ取り付けし、固定子２０、電機子１８、および共鳴器２の相対振動位相をさらに制御することができる。パルス燃焼器を始動するための多数の方法が存在し、点火プラグ２２は１つのそのような手法を形成する。動作時に、点火プラグ２２は火花を生成し、それによって共鳴器２内部で燃料と酸化剤の混合物の燃焼を開始させる。この最初の燃焼によって、周知の自続ＰＣサイクルが開始する。自続ＰＣサイクルは、共鳴器２内部の、結果として得られる振動圧力によって駆動される。始動後、点火プラグを停止することができ、ＰＣシステムはその固有共鳴振動数で動作する。共によく知られている図１の点火タイミング制御回路７や回転弁など、他の方法を使用して共鳴振動数を変動させることができる。可変同調共鳴器ブランチを使用して共鳴振動数を変動させることもできる。たとえば、可変同調ブランチは、一端が燃焼共鳴器内に開放し、他端が同調ピストンを備える幅の狭い円柱形チューブを備えることができる。燃焼室の共鳴振動数は、チューブ内で同調ピストンを摺動させることによって変動させることができる。燃焼生成物は環状ポート２４を通って共鳴器２から出る。環状ポート２４は、設計排気流量を支持するのに十分な流れ面積を有さなければならない。図２は、共鳴器２の長さに沿った基本モードのピーク圧力分布を示す。この図で、ｚは共鳴器の軸対称軸であり、幅の狭い端部ではｚ＝０であり、幅の広い端部ではｚ＝Ｌである。ポート２４は共鳴器２の壁内の任意の場所に配置することができるが、この好ましい配置は、図２に示す基本モードの圧力ノードに対応し、ポート２４を通る動圧の伝達を最小限に抑える傾向がある。動圧は、ポート２４を通して伝達された場合、後述のように、もはや使用可能な力に変換することができなくなる。一般に、排気口の配置は、共鳴器の内動圧を最大にするように選択すべきである。ポート２４は任意選択の絞り弁１４を備えるか、または弁を横切る圧力差に応答して開くリード弁や板弁などの圧縮機型吐出し弁を備えることができる。定在波が確立されると、その振動圧力が共鳴器２の内壁にダイナミック・フォースを加え、共鳴器２が剛体としてｚ方向に沿って音響振動数で振動する。電機子１８は共鳴器２に取り付けられ、したがって、共鳴器と共に振動するように設定される。この結果電機子１８と固定子２０が相対運動することにより、発電機のトポロジに応じて電力が生成される。好ましい態様では、固定子２０は静止状態ではなく、電機子１８の運動に対してある位相角で自由に移動する。交流発電機１６は、ボイス・コイル交流発電機でも、内容全体が参照として本明細書に組み入れられる米国特許第５，１７４，１３０号に示された可変磁束形交流発電機でも、内容全体が参照として本明細書に組み入れられる米国特許第５，３８９，８４４号に示された交流発電機でも、または他の多数の線形交流発電機でもよい。使用できるが文字どおりの電機子および固定子を含まない他の設計には圧電交流発電機と磁歪交流発電機とが含まれる。交流発電機の選択は、動作振動数、共鳴器の振動変位振幅、機械的力と電力との間の変換効率を含む特定の設計要件を反映する。電機子１８と固定子２０との間にバネ２８およびダンパ３０として示された弾性取付け装置の特性は、システムの変換効率に影響を与える。システムの動力学特性をモデル化し、システム内のすべての可動質量、バネ、および減衰を検討することによって、最適な力率を求めることができる。この特定の分析モデルは、システムによって使用される交流発電機の種類を反映する。ポート２４、プレナム２５、および任意選択の絞り弁１４から排気流に与えられる抵抗は、平均圧力Ｐ₀に影響を与え、図２に示すように、この平均圧力に動圧が重ね合わされる。平均圧力Ｐ₀に影響を与える他の因子には、吸込み口流体抵抗、流動率、共鳴器幾何形状が含まれる。絞り弁１４を使用して排気流抵抗を調整し、したがって、平均圧力Ｐ₀を変動させることができる。排気口流体抵抗を増大させるとＰ₀が増加し、排気口流体抵抗を減少させるとＰ₀が低下する。所与の電力入力の場合、Ｐ₀を増加させると一般に、ピーク-ピーク動圧が増し、それによって共鳴器に対するダイナミック・フォースが大きくなり、その結果電力出力が増大する。したがって、燃料電気変換効率を最大にするには、負ピーク圧力−Ｐが反応物供給圧力を超えて新鮮な反応物の取込みを妨害することのないかぎり平均圧力Ｐ₀をできるだけ高くすべきである。吐出し弁とポート２４とを組み合わせて使用する場合、弁システムの流れ面積と、弁のバネ負荷がもしあれば、この負荷との両方がＰ₀に影響を与える。別法として、圧縮機型動的吐出し弁をｚ＝０に位置させることができ、この場合、吐出し圧力が高くなり、排気流量が減少する。本発明の好ましい態様は、図１および図２に示すように共鳴器の第１の縦モードを使用して、前述のように反力を最大にし、したがって燃料電気変換効率を最大にする。別法として、ベローなどの可撓性シールを含む共鳴器２に剛性壁２６を弾性に取り付け、壁２６が共鳴器２とは独立に振動することを可能にすることができる。共鳴器２を剛性に拘束し、同時に壁２６が動音圧に応答してｚ軸に沿って振動することを可能にし、それによって交流発電機１６の電機子１８を駆動することができる。また、本発明の範囲内でヘルムホルツ型共鳴器を使用し、図１および図４の場合と同様に共鳴器に交流発電機を接続することができる。共鳴器の設計は、本発明を最適化する上で重要な役割を果たす。選択される特定の共鳴器設計は、所与の音響電力入力に対して実現できる動圧振幅を決定し、したがって、本発明の燃料電機変換効率を決定する上で重要な役割を果たす。特定の所定の波形を有する非衝撃超高動圧を得るためのＲＭＳ共鳴器は、米国特許第５，５１５，６８４号および米国特許第５，３１９，９３８号とそれらの分割出願および継続出願に記載されており、これらの特許および出願はその内容全体が参照として本明細書に組み入れられる。ＲＭＳ共鳴器は、超高動圧を生成するだけでなく、波形合成から得られる他の利点も提供する。たとえば、図３は、｜−Ｐ｜＞｜＋Ｐ｜を与えるＲＭＳ共鳴器波形を示す。この場合、｜−Ｐ｜＝Ｐ₀＋（−Ｐ）および｜＋Ｐ｜＝（＋Ｐ）− Ｐ₀である。この波形は、パルス燃焼器がより高い平均圧力Ｐ₀で動作し、しかも、反応物流が妨害されないように負ピーク圧力−Ｐを反応物供給圧力よりも低く維持することを可能にする。前述のように、より高いＰ₀値で動作すると、燃料電機エネルギー変換効率が向上する。当業者には、ＲＭＳ共鳴器が本発明に多数の機能拡張を施し、これらの機能拡張がすべて本発明の範囲内であるとみなされることは理解されると思われる。Ｐ₀を最大にするために考慮すべき他の点は、図１の吸入弁１２の配置である。共鳴器２の小直径端は、所与のＰ₀値について最大の動圧を与え、したがって、最低の負ピーク圧力−Ｐを与える。したがって、この弁配置は、ＰＣが最高のＰ₀値で動作し、上記で引用したすべての利点を与えることを可能にする。任意選択で、基本モードの動圧が存在する共鳴器の壁内の他の任意の位置に弁を配置することができる。図４は、その縦対称性が、基本モードの圧力分布によって生成される共鳴器上の音響力を増大させる、ＲＭＳ共鳴器３２を使用する本発明の態様を示す。共鳴器３２の曲率はＤ（ｚ）＝Ｄ_th＋ｋ［ｓｉｎ（πｚ／Ｌ）］によって決定される。この場合、Ｄは直径であり、Ｄ_thはのど直径または開始直径であり、ｚは共鳴器３２の軸対称軸であり、ｋは重み係数であり、Ｌは共鳴器の総軸長である。別法として、共鳴器３２の曲率は、双曲線関数、放物線関数、楕円関数を含む他の任意の数の関数によって記述することができ、これらの関数はすべて、それぞれの異なる力特性を与える。共鳴器３２は、バネ３５および３７によって静止状態の周囲環境に弾性に取り付けられ、したがって、円柱軸ｚに沿って制限されずに自由に振動する。音響サイクル当たり２燃焼イベントを可能にし、それによってＰＣ発電機の出力密度を高くする互いに同一の弁ヘッド３４が共鳴器３２の各端部に取り付けられる。別法として、図４のパルス燃焼器は、出力密度が低くなることを犠牲にして、１つの弁ヘッドをのみを用いて動作することができる。共鳴器３２は環状排気口３９および環状排気プレナム３８を有し、これらの機能は図１の環状排気口２４および環状排気プレナム２５と同一である。上記で図１に関して説明したように共鳴器３２のｚ軸振動を電力に変換する発電機４０が概略的に示されている。図５は、共鳴器３２の長さに沿った基本モードのピーク圧力分布を示し、この場合、ｚは共鳴器の軸対称軸であり、＋Ｐは正ピーク圧力であり、−Ｐは負ピーク圧力である。基本モードの場合、内側表面積の局部ｚ成分は、圧力と面積の局部積がすべて、同じｚ軸方向を有する共鳴器壁上の力を常に生成するように方向付けされる。この条件は、ピーク圧力分布のどこで数学符号が変化しても、それに応じてｄｒ／ｄｚの数学符号が変化するかぎり維持される。共鳴器３２の場合、この条件はｚ＝Ｌ／２で生じる。この場合、Ｌは共鳴器の長さである。ｚ＝Ｌ／２だけでなく、ｄｒ／ｄｚの符号とピーク圧力分布の符号を両方一緒に変更する一連のｚ値がある。共鳴器３２の相対寸法は、最大最小直径比を変更することによって、音響的に加えられる力をさらに増大させるように調整することができる。共鳴器３２の場合、最大直径はｚ＝Ｌ／２で生じ、最小直径はｚ＝０およびｚ＝Ｌで生じ、これらの場合、直径＝Ｄ_thである。たとえば、共鳴器３２の最大／最小直径比が１．７から始まり、係数７で増加する場合、力は係数４０だけ増大する。この場合、Ｄ_thで測定されるピーク−ピーク動圧はどちらの場合でも同じままであると仮定する。いくつかの環境の下では、まず、空気または所与の酸化剤を加圧しながら強制的に共鳴器に送り込んでおかないかぎり、反応物に点火することはできない。これと同じ始動方法が本発明でも使用される。本発明の他の始動方式は、ＰＣ発電機が一時的に音響圧縮機として動作するように交流発電機を始動モータとして使用することである。始動モードでは、モータに交流電圧が加えられ、モータは次いで共鳴器を前後に駆動し、それによって共鳴器の基本共鳴モードを励起する。弁がこの機械駆動動圧に応答し、反応物が燃焼室に引き込まれ、その時点で、生成された火花によってＰＣサイクルが開始する。急にモータから交流発電機モードに切り換わることを回避するには、点火の直前にモータをオフに切り換えることができる。ＰＣサイクルが開始した後、モータが再び交流発電機モードに切り換えられ、前述のように電力が生成される。前述のように、Ｐ₀値が大きいと、ＰＣ発電機の効率および出力密度が高くなる。図６は、本発明の他の態様を示し、この態様は、誘導ラミング用の同調誘導圧縮機によってはるかに高いＰ₀値を生成する。図６の態様では、反応物の予熱および完全な予混合も行う。これらの特徴により、反応物が完全に燃焼するため効率が高まると共に、高振動数動作のための高燃焼速度が促進される。図６では、共鳴器４２が設けられ、共鳴器４２の内部幾何形状は、形および機能が図４の共鳴器３２に類似している。共鳴器４２は、バネ５３、５５、５７、および５９によって静止状態の周囲環境に弾性に取り付けられ、したがって、円柱軸ｚに沿って制限されずに自由に振動する。共鳴器４２は点火プラグ４３、環状排気口４４、および環状排気プレナム４６を有し、これらの機能は図４の環状排気口３９および環状排気プレナム３８と同一である。同調プレナム５０、第１段弁５２、および第２段弁５４からなる互いに同一の音響誘導圧縮機４８が共鳴器４２の各端部に取り付けられる。プレナム５０は、共鳴器４２とほぼ同じ共鳴振動数を有するように構成される。互いに同一の熱交換機カウリング５６は燃料吸込み口５８および酸化剤吸込み口６０を備える。カウリング５６を共鳴器４２に剛性に取り付ける必要はないが、少なくともカウリング５６と共鳴器４２でシールを形成し反応物漏れを防止しなければならない。カウリング５６を、共鳴器４２と共に振動する必要のないように弾性に取り付けた場合、熱を絶縁すると共に雑音を抑制することができる。また、図の２つのそれぞれの開口部ではなく、燃料および酸化剤用の単一の吸込み口を各カウリングに設けることができる。多くの交流発電機トポロジーは、共鳴器４２の周りに巻き付くように環状に構成することができる。たとえば、図６は、共鳴器４２の周りに環状に巻かれた可変磁歪交流発電機４５を示す。交流発電機４５は、共鳴器４２のフランジ６２に剛性に接続された環状電機子４７と、環状バネ５１および環状リンケージ６１を介して電機子４７に弾性に取り付けられた環状固定子４９と、環状固定子４９内の駆動コイル６５と、駆動コイル・リード線６７とを有する。交流発電機４５は、図１の交流発電機１６が共鳴器２のｚ軸振動に応答したのと同様に共鳴器４２のｚ軸振動に動的に応答する。図７は、様々な圧縮段階の動圧・静圧関係を示す。動作時に、点火プラグ４３によってパルス燃焼駆動定在波が開始される。反応物流は、吸込み口圧力Ｐ_inle _t-1 の吸込み口５８および６０を通過し、カウリング５６を通過し、そこで反応物が共鳴器42の壁から熱を取り込み、ある程度の流れ混合を受ける。発電機アセンブリ全体が振動することによって、同調プレナム５０の基本共鳴が励起される。この結果得られる同調プレナム５０内部の動圧によって、加熱された反応物がカウリング５６から弁５２を通って同調プレナム５０に引き込まれ、それによって反応物が平均プレナム圧力Ｐ_0-plenumに圧縮される。同調プレナム５０内部で、反応物はさらに、初期乱弁流による混合を受け、次いで循環音響粒子変位による混合を受ける。プレナム５０内部の動圧は、反応物を再び平均プレナム圧力Ｐ_0-plenumからプレナム吐出し圧力Ｐ_inlet-1に圧縮し、この時点で、反応物はプレナム５０から第２段弁５４を通って共鳴器４２に吐出される。プレナムのピーク音圧と共鳴器４２の最小音圧とが重なり合うことにより、第２段弁５４がサイクル当たり1回だけ開き、それによって、加熱され混合された反応物が共鳴器４２に吐出され、そこで燃焼される。反応物が弁５４を通過することによって、さらに混合が誘導される。図7に示すこのプロセスの結果として、誘導圧縮機４８による圧力上昇のために平均共鳴器圧力Ｐ_0-resが上昇する。必要に応じて追加の誘導圧縮機段を設けることにより、はるかに高いＰ_0-res 値が得られる。カウリング５６は音響共鳴にも有用であり、追加の動圧ブーストを行うことができる。共鳴器プレナム５０の音響設計には配慮が必要である。図7に示すように、プレナムの定在波と共鳴器の定在波との間の位相は圧縮プロセスに必須である。プレナムの共鳴は２つの駆動源、すなわち第２段弁５４を開くこととプレナム全体の振動運動によって駆動される。プレナム幾何形状を設計する際には、この２つの駆動源の重ね合せを考慮しなければならない。プレナム共鳴振動数が共鳴器の共鳴振動数に等しい場合、プレナム設計では、弁の方をより弱い駆動源にすべきである。同調圧縮機プレナムまたは同調エンジン・プレナムおよびパルス燃焼器の当業者には、図６の態様に対する多数の改良が想起されると思われる。たとえば、プレナムを共鳴器の第２高調波に同調させることができ、その場合、第２段弁は単一の駆動源として機能し、誘導ラミングのための適切な位相が生成される。さらに、第１段弁領域と第２段弁領域との比を使用してＰ_0-plenum、したがってＰ_0- _res を大きくすることができる。さらに、カウリング５６内部の反応物の予混合が安全上の理由で好ましくない場合、反応物を誘導圧縮機まで分離状態に維持する個別の酸化剤カウリングおよび燃料カウリングを使用することができる。同様に、個別の燃料配管および酸化剤配管を、共鳴器４２の外部に環状に巻き、それによって高温の共鳴器壁に熱接触するように配置することができる。気体燃料供給圧力が十分に高い場合、誘導圧縮機４８を使用して酸化剤のみを圧縮することができ、共鳴器４２内の典型的なガス分布板を介して燃料を供給することができる。ＰＣの代替策として、本発明の定在音波を熱音響的に駆動することができる。前述のように、熱音響駆動発電機に関する現在の提案では、音響共鳴器の開放端部にピストンを結合し、振動するピストンによって線形交流発電機を駆動できるようにする必要がある。このピストンは、仕切板やベローなどのガス・シールを必要とし、このようなガス・シールは信頼性の問題を生じさせる。このシステムによって生成されるダイナミック・フォースは、音圧振幅によって制限されると共にピストンの表面積によって制限される。本発明は、ピストンの表面積によって制限されるのではなく、共鳴器の内側表面積全体を使用し、したがって非常に大きなダイナミック・フォースを生成することができる。さらに、ＲＭＳ共鳴器の使用により、極めて高い動圧を生成することによって所望のダイナミック・フォースが増大する。図８は、本発明の熱音響駆動態様を示す。熱音響エンジンの原則に関する説明は、Ｇ．Ｗ．Ｓｗｉｆｔ著「熱音響エンジン（ＴｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃＥｎｇｉｎｅｓ）」、Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．８４、１１６９（１９８８年）に記載されている。図８で、熱板スタック６４を有する剛性の壁付き共鳴器６３は、熱音響エンジンの分野でよく知られているように原動機モードで動作する。共鳴器６３はバネ７２および７４によって静止状態の周囲環境に弾性に取り付けられ、したがって、円柱軸ｚに沿って制限されずに自由に振動する。定在波音波を駆動するのに十分なプレート・スタックに沿って温度勾配が生成されるように、熱が熱交換機６６に加えられ熱交換機６８で抽出される。定在波が確立されると、その振動圧力が共鳴器６３の壁にダイナミック・フォースを加え、このようなダイナミック・フォースに応答して共鳴器６３が剛体としてｚ方向に沿って音響振動数で振動する。前述のように、共鳴器３２のｚ軸振動を電力に変換する発電機７０が概略的に示されている。熱音響エンジン分野は十分に発展しており、当業者には、図８の態様を実施するための多数の方法および技術が示唆されると思われる。例えば、２つのプレート・スタックの使用は任意選択である。また、プレート・スタックをＲＭＳ共鳴器と共に使用することにより、所望の波形のための高圧力振幅が得られると共に、前述のすべての利点が得られる。さらに、図８の態様に使用される熱源には、前述の種類のＰＣ発電機の廃熱、他のプロセスの廃熱、燃料の直接的な燃焼、太陽エネルギーなどを含めることができる。上記の説明には多数の仕様が含まれるが、これらを本発明の範囲に対する制限とみなすべきではなく、むしろ好ましい態様の例示とみなすべきである。したがって、本発明の範囲は特定のパルス燃焼器設計や熱音響設計に制限されない。本発明は、電力が必要な場合には常に適用することができる。本発明のＰＣ態様を局部電力グリッド振動数に振動数ロックすることは、たとえば、点火タイミング、回転弁などの作動弁のタイミング、または可変同調共鳴器ブランチを用いて行うことができる。このようにして、発生した電力を局部グリッドにリンクすることができる。交流発電機からのＡＣ出力は他の振動数またはＤＣに変換することができる。ＰＣ発電機は、現在ガス・タービンが使用されている機械的ハズミ車にエネルギーを蓄積する電源を含め、ハイブリッド電気車両用の搭載電源として使用することができる。本発明は様々な電力出力要件向けの寸法にすることができる。ＰＣ関連文献には、気体燃料または液体燃料の使用、燃料分配器ヘッド、使用される弁の数、弁付き燃焼器およびアレオ弁付き燃焼器、複数の燃焼器、燃料と酸化剤との混合、フラッパとテスラ弁と回転弁とを含む弁形式を含め、様々なパルス燃焼器の設計および拡張態様が示されている。これらの概念の多くは、以下の文献に記載されている：Ａ．Ａ．Ｐｕｔｎａｍ、Ｆ．Ｅ．Ｂｅｌｌｅｓ、およびＪ．Ａ．Ｃ．Ｋｅｎｔｆｉｅｌｄ著「パルス燃焼（ＰｕｌｓｅＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）」、Ｐｒｏｇ．ＥｎｅｒｇｙＣｏｍｂｕｓｔ．Ｓｃｉ．１２、４３（１９８６年）、Ｊ．Ｃ．Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ、Ｅ．Ｊ．Ｗｅｂｅｒ著「パルス燃焼バーナーの設計（ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＰｕｌｓｅＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＢｕｒｎｅｒｓ）」、ＲｅｓｅａｒｃｈＢｕｌｌｅｔｉｎ１０７、ＡｍｅｒｉｃａｎＧａｓＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ（１９６９年）、Ｐ．Ｓ．Ｖｉｓｈｗａｎａｔｈ著「パルス燃焼応用法の高度開発技術（ＡｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｏｆＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＰｕｌｓｅＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」、ＧａｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＲｅｐｏｒｔＮｏ．ＧＲＩ−８５／０２８０（１９８５年）。これらの文献の全内容はすべて、参照として本明細書に組み入れられる。当業者には、現在利用可能なＰＣ設計情報の本発明への適用が示唆されると思われる。したがって、本発明の範囲は、例示された態様によって決定されるものではなく、添付の請求の範囲およびその等価物によって決定されるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．ａ）音響共鳴器と、ｂ）該共鳴器内で定在波を生成するパルス燃焼手段と、ｃ）交流発電機とを備え、ｄ）該交流発電機が、音響駆動された機械的振動を電力に変換するように該共鳴器に結合されているエネルギー変換装置。２．パルス燃焼手段が、反応物を共鳴器に送り込む少なくとも１つの吸込み口と、排気ガスを該共鳴器から逃す排気口とを備える請求項１記載のエネルギー変換装置。３．パルス燃焼手段が燃料に点火する手段をさらに備える請求項２記載のエネルギー変換装置。４．点火手段が、共鳴器内の領域に火花を散らす点火装置を備え、該領域が燃料を含む請求項３記載のエネルギー変換装置。５．共鳴器に結合されたピストンをさらに備え、該ピストンが定在波の動圧によって機械的移動を行うように駆動され、該ピストンが交流発電機に結合されている請求項１記載のエネルギー変換装置。６．交流発電機が共鳴器に取り付けられ、該共鳴器が移動することによって該交流発電機の少なくとも一部が移動する請求項１記載のエネルギー変換装置。７．交流発電機が電機子および固定子を備え、少なくとも１つの部分が、該固定子に対して相対移動するように取り付けられた該電機子を含む請求項６記載のエネルギー変換装置。８．電機子が共鳴器に剛性に接続され、かつ固定子に弾性に接続されている、請求項７記載のエネルギー変換装置。９．共鳴器が、円柱軸を有し、かつ該共鳴器の円柱軸に沿って容易に移動できるように支持されている、請求項８記載のエネルギー変換装置。１０．電機子が、共鳴器に弾性に接続され、かつ該固定子に弾性に接続される請求項７記載のエネルギー変換装置。１１．共鳴器が、円柱軸を有し、かつ該共鳴器の円柱軸に沿って容易に移動できるように支持されており、それによって該共鳴器全体が、パルス燃焼手段によって生成される定在波に応答して振動する請求項１記載のエネルギー変換装置。１２．エネルギー変換装置であって、ａ）音響共鳴器と、ｂ）該共鳴器内に反応物を導入し、この反応物に点火してパルス燃焼を行う手段を含む、該共鳴器内で定在波を生成する手段とを備え、ｃ）該共鳴器が、円柱軸を有し、該円柱軸に沿って振動移動するように取り付けられ、該パルス燃焼による該定在波が該共鳴器の振動移動を駆動するものであり、ｄ）互いに対して相対移動するように取り付けられた電機子および固定子を有する交流発電機を備え、ｅ）該電機子が、該共鳴器の音響駆動された機械的振動を該電機子の移動、したがって電力に変換するように該共鳴器に取り付けられているエネルギー変換装置。１３．ａ）音響共鳴器と、ｂ）該共鳴器内で定在波を生成する熱音響手段と、ｃ）交流発電機とを備え、ｄ）該交流発電機が、該共鳴器の音響駆動された機械的振動を電力に変換するように該共鳴器に取り付けられており、ｅ）該共鳴器が、円柱軸を有し、かつ該共鳴器の円柱軸に沿って容易に移動できるように支持されており、それによって該共鳴器全体が、該熱音響手段によって生成される定在波に応答して振動するエネルギー変換装置。１４．交流発電機が電機子および固定子を備え、該電機子が、該固定子に対して相対移動するように取り付けられている、請求項１３記載のエネルギー変換装置。１５．電機子が、共鳴器に剛性に接続され、かつ固定子に弾性に接続されている請求項１４記載のエネルギー変換装置。１６．共鳴器が、縦対称軸を有し、かつ該共鳴器の縦対称軸に沿って容易に移動できるように支持されている請求項１５記載のエネルギー変換装置。１７．電機子が、共鳴器に弾性に接続され、かつ固定子に弾性に接続されている請求項１４記載のエネルギー変換装置。１８．共鳴器が、縦対称軸を有し、かつ該共鳴器の縦対称軸に沿って容易に移動できるように支持され、それによって該共鳴器全体が、該熱音響手段によって生成される定在波に応答して振動する請求項１３記載のエネルギー変換装置。１９．エネルギー変換装置であって、ａ）音響共鳴器と、ｂ）該共鳴器内で定在波を生成する熱音響手段とを備え、ｃ）該共鳴器が、円柱軸を有し、該円柱軸に沿って振動移動するように取り付けられており、該定在波が該共鳴器の振動移動を駆動するものであり、ｄ）互いに対して相対移動するように取り付けられた電機子および固定子を有する交流発電機を備え、ｅ）該電機子が、該共鳴器の音響駆動された機械的振動を該電機子の移動、したがって電力に変換するように該共鳴器に取り付けられているエネルギー変換装置。２０．ａ）音響共鳴器と、ｂ）（１）パルス燃焼手段、および（２）該共鳴器内で定在波を生成する熱音響手段の内の一方と、ｃ）交流発電機とを備え、ｄ）該交流発電機が、音響駆動された機械的振動を電力に変換するように該共鳴器に取り付けられており、ｅ）該共鳴器が、流体を含むチャンバを有し、該チャンバが、共鳴モードで駆動され、かつ該チャンバが、少なくとも該チャンバの内壁構成を含み非正弦非衝撃波形を合成するような調和位相および振幅を生成する手段を有するエネルギー変換装置。２１．ａ）ｚ軸として定義された円柱軸と、音響共鳴器の内壁から該ｚ軸までの垂直距離として定義された半径ｒとを有する音響共鳴器と、ｂ）（１）パルス燃焼手段、および（２）該共鳴器内で定在波を生成する熱音響手段の内の一方と、ｃ）交流発電機とを備え、ｄ）該交流発電機が、音響駆動された機械的振動を電力に変換するように該共鳴器に結合されており、ｅ）該共鳴器が、該ｚ軸に沿ったピーク圧力分布の圧力ノードの近くでｄｒ／ｄｚがゼロになるような内部形状を有するエネルギー変換装置。２２．音響共鳴器と熱接触するように位置決めされた導管をさらに備え、該反応物の少なくとも１つの成分が、該音響共鳴器に送り込まれる前に予熱されるように該導管を通過する請求項２記載のエネルギー変換装置。２３．反応物の少なくとも１つの成分を、音響共鳴器に送り込む前に予熱するように、該音響共鳴器に取り付けられた共鳴プレナムをさらに備える請求項２記載のエネルギー変換装置。２４．反応物の少なくとも１つの成分を、音響共鳴器に送り込む前に予熱するように、該音響共鳴器に取り付けられた共鳴プレナムをさらに備える請求項２２記載のエネルギー変換装置。２５．共鳴器が、円柱軸を有し、かつ該共鳴器の円柱軸に沿って容易に移動できるように支持されており、それによって該共鳴器全体が、パルス燃焼手段によって生成される定在波に応答して振動する請求項２２記載のエネルギー変換装置。２６．共鳴器が、円柱軸を有し、かつ該共鳴器の円柱軸に沿って容易に移動できるように支持されており、それによって該共鳴器全体が、パルス燃焼手段によって生成される定在波に応答して振動する請求項２３記載のエネルギー変換装置。２７．共鳴プレナムが、音響共鳴器とほぼ同じ共鳴振動数を有するように構成されている請求項２６記載のエネルギー変換装置。２８．排気ガスがエネルギー変換装置に結合される請求項２記載のエネルギー変換装置。２９．排気ガスが熱音響エネルギー変換装置に熱結合され、該熱音響エネルギー変換装置が、（ａ）音響共鳴器と、（ｂ）該排気ガスから熱を受け取るように熱結合された熱交換機を含む、該共鳴器内で定在波を生成する熱音響手段と、（ｃ）交流発電機とを備え、（ｄ）該交流発電機が、該共鳴器の音響駆動された機械的振動を電力に変換するように該共鳴器に取り付けられている、請求項２記載のエネルギー変換装置。３０．ａ）該共鳴器に取り付けられた共鳴プレナムと、ｂ）該共鳴プレナムと該共鳴器とを連通させる少なくとも１つの吸込み口と、ｃ）該反応物の少なくとも１つの成分を該共鳴プレナムに送り込む共鳴プレナム吸込み口とをさらに備え、ｄ）該共鳴プレナムが内部に定在波を有し、それによって該反応物の該少なくとも１つの成分が、該共鳴器に進入する前に音響圧縮される、請求項２記載のエネルギー変換装置。３１．ａ）反応物の第１および第２の成分のうちの少なくとも一方を音響共鳴器に送り込む前に予熱しておくために該第１および第２の成分のうちの該少なくとも一方が通過する、該音響共鳴器と熱接触するように位置決めされた導管と、ｂ）該共鳴器に取り付けられた共鳴プレナムと、ｃ）該共鳴プレナムと該共鳴器とを連通させる該少なくとも１つの吸込み口と、ｄ）該第１および第２の成分のうちの少なくとも一方を該共鳴プレナムに送り込む共鳴プレナム吸込み口とをさらに備え、ｅ）該共鳴プレナムが内部に定在波を有し、該共鳴プレナムに送り込まれる該第１および第２の成分のうちの該少なくとも一方が、該共鳴器に進入する前に音響圧縮される、請求項２記載のエネルギー変換装置。