JP2002538345A

JP2002538345A - 高効率低公害のハイブリッド型ブレイトンサイクル燃焼装置

Info

Publication number: JP2002538345A
Application number: JP2000535829A
Authority: JP
Inventors: リエル・ジェイ・ジンター
Original assignee: ジンター−バスト−コーポレイション
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 2002-11-12
Also published as: KR20010074445A; AU3183299A; RU2000125743A; EP1496220A2; AU771937C; EP1062409B1; EP1496220A3; BR9908710A; IL138380A0; ATE270748T1; CN1299435A; CA2323541A1; DE69918538T2; EP1062409A1; SG141211A1; WO1999046484A1; ES2224625T3; US6289666B1; IL138380A; DE69918538D1

Abstract

(57)【要約】【課題】高い圧力において動作し、非可燃性の空気成分と、燃料の燃焼で生じた生成物と蒸気との混合物からなる作動流体を利用するパワー発生システムを提供する。【解決手段】上記パワー発生システムから放出される作動流体は、実質的にＮＯｘとＣＯを含まない。作動流体は一定の圧力と温度において供給される。燃焼用空気は１つ又は複数の圧縮過程によって供給される。燃料は必要とされる圧力で噴射される。実質的に、燃料が燃焼されたとき、圧縮された空気の中のすべての酸素は消費される。燃焼室の内部を冷却することに用いるために、不活性液体が高い圧力において噴射され、比熱が高い希釈用の蒸気（vapor）の不活性部分を生成する。非可燃性の液体の噴射を使用することは、汚染物質の形成を抑制し、効率と、システムから利用可能な馬力とを増大させ、燃料消費率を減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】背景この出願は、１９９３年１０月２７日出願の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ９３／１０
２８０の米国国内移行１９９４年４月２６日出願の米国出願番号０８／２３２,
０４７で現在１９９８年４月２８日発行の米国特許５,７４３,０８０と、１９９
２年１０月２７日出願の米国特許５,６１７,７１９の一部継続出願であり、これ
らはすべて参照のために導入されている。ここで本発明は、上記先行の出願およ
び特許において開示されていない新規事項を構成するものである。

【０００２】発明の分野本発明は、高圧で動作し、燃料燃焼生成物の混合体と過圧縮気体の最小量のス
チーム（蒸気）よりなる作用流体を使用した蒸気スチーム機関に関する。更に、
本発明は、高効率および低燃料消費率で燃料を燃焼するとともに、僅かな量の環
境汚染物質（ＮＯ_X、ＣＯ、粒子、不燃燃料等）しか発生しないシステムにおい
て、電気エネルギー、有用な駆動軸馬力および／または多量のスチームを発生す
るための工程に関する。更にまた、本発明は、環境の汚染または効率の大きな低
下、または燃料消費を増大させることなしに、電力を発生させるポータブルウォ
ータ（飲料水）の生成に関する。

【０００３】発明の背景内燃機関は一般的に定容積かまたは定圧力かによって分類されている。オット
サイクルエンジンは一定容積の圧縮気体内で揮発性燃料を爆発させることにより
作動するものであり、一方、ディーゼルサイクルエンジンは変形サイクルにおい
て燃料を燃焼し、該燃焼はほぼ一定圧力として特徴付けられている。

【０００４】外燃機関は、蒸気機関、蒸気タービン、ガスタービンによって例示される。圧
縮空気で燃料を燃焼することにより発生されたガス状の作用流体をガスタービン
に供給して、この高圧ガス状の蒸気に蓄積されたエネルギから種々のモータ装置
を駆動することは、よく知られている。これらの装置においては、温度制御は通
常は多量の過圧縮空気の供給の結果である。

【０００５】燃料を燃焼室で燃やし、ときどき少量の水または水蒸気の噴射を用いて、燃焼
生成物を作用シリンダまたは室内に排出することもまた公知である。これらもま
た外燃機関として分類可能である。

【０００６】その他の装置として、内部的または外部から供給された水または水蒸気を付加
することにより燃焼室を冷却する装置がいくつか提案されている。更に他の形態
として、圧力が所望値に達したときに、燃料の射出を終了する手段を備え、燃焼
シリンダ内へ射出された燃料に対して温度下降として作用する装置もまた提案さ
れている。

【０００７】これら従来のエンジンは、それぞれ原動機の動作用の動力源としてのそれらの
一般的採用を制限するといった困難があった。これらの困難のうち、このような
エンジンが突然の要求を満たすことができない、および／またはこのようなエン
ジンの効率的な動作のために必要とされるであろう一定の動作温度または圧力を
保持することができないことがあった。

【０００８】また、このようなエンジンの制御は非効率的であり、ガス発生器がそれ自体を
スタンドバイ状態に保持する能力は全体として不充分であった。すべての実際に
適用されたエンジン構成では、作用シリンダの密閉壁を冷却するための設備は、
効率の損失と内燃機関における従来からの本質的な他の多数の不利をもたらすこ
とになっていた。

【０００９】本発明は上記従来技術の限界を克服するものである。先ず第１に、多量の過圧
縮空気または外部液体の冷却の必要性は、水を直接に燃焼室内に噴射して燃焼結
果の作用流体の温度を制御することにより、削減される。水が噴射されると、そ
れは瞬時に燃焼室において水蒸気に変えられ、それ自体で作用流体の要素となり
、従って、機械的な圧縮なしで作用流体の質量および体積を増加させる。

【００１０】本発明では、ａ）燃焼炎温度、ｂ）水流噴射による燃焼室温度の形成と、ｃ）
空気に対する燃料の比率を独立して制御することにより、作用流体の物理的特性
が高効率動作するように最適化させることができる。超過空気を減少または削除
すること、従って過酸素の利用可能性を制限し、燃焼炎温度および燃焼装置温度
の形成を制御することは、また、ＮＯ_Xの生成を防止し、燃料の望ましい完全燃
焼によってＣＯ₂に変換し、ＣＯの発生を最小に抑える。

【００１１】また、本発明は、効率と馬力を高めるとともに、同時に燃料消費率（"ＳＦＣ"
）を低下させる方法として高圧力比率を利用している。水が噴射されて本発明の
燃焼室において水蒸気に変化されるとき、燃焼室の圧力が得られる。ここで、燃
焼室の圧力は、エンジンの圧力比率には関係なく水蒸気によって得られることに
留意すべきである。このように、エンジンにおいてより高い圧力比を、新たな蒸
気または水の噴射用の圧縮形成のための追加の作業を行うことなしに得ることが
できる。本発明では、多量の水の噴射により、燃焼のために必要とする以上に空
気を圧縮する必要はなくなり、従来技術のシステムにおいて冷却用に典型的に使
用されていたこの超過空気を圧縮する必要はなくなる。この必要性の削減はシス
テムに対して莫大なエネルギーを節約することになり、利用可能な駆動軸馬力が
、燃料の追加消費なく、またタービン速度を上げることなく、著しく増大される
。

【００１２】本発明にかかる水注入装置は、従来のものと比べ、幾つかの利点がある。第1
に、燃焼室の圧力以上の圧力に水を加圧するために、最小限の作業で行なうこと
が出来る。蒸気注入システムにおいては、蒸気圧を燃焼室の圧力以上にするには
かなりの作業が必要であった。同様に、供給空気の圧力をより高くし、更なる作
業用の流体分を得るために、追加の空気について更なる作業が必要であった。さ
らに、本発明において、水が注入され、蒸気に変えられると、燃焼室の圧力まで
達し、更なる作業は不用である。

【００１３】本発明において、燃焼から生じる余分の熱（余った熱）が、注入水を蒸気に変
えるために用いられるので、過剰空気について機械的な圧縮作業を加えることな
く、作業流体圧を上げ、作業流体の容量を増やすことが可能となる。これに対し
、ブライトンサイクルタービン（Brayton Cycle Turbine)では、機械的に圧縮
した空気の66％〜75％を用いて、燃焼物を希薄化し、作業流体の温度を、好まし
いタービンインレット温度TIT（Turbine Inlet Temperature）まで下げている
。

【００１４】注入水を蒸発させて作る蒸気は、燃焼により生成される作業流体の容量の少な
くとも2倍あり、ネット馬力を１５％以上増加させる。したがって、水は、この
新しい熱力学システムにおいて、圧力、容量、エネルギーを供給するので、燃料
としての役割を果たし、作業効率の改善をもたらしている。

【００１５】本発明にかかるサイクルは、水に対し、オープンまたはクローズの何れであっ
ても良い。すなわち、空気と水は使い捨て（オープン）であっても良いし、リサ
イクル（クローズ）しても良い。脱塩作用または浄水作用によって得られる水は
、発電所の発電作業の副産物であり、空気はオープンとされ、脱塩水はクローズ
とするウォータボーンシップ（water borne ships)でもある。海洋発電プラント
、工業用途、飲料水、灌漑用水、浄化水、等のシステムへの利用は、実行可能な
用途である。

【００１６】本発明にかかるサイクルは、運輸環境、例えば、自動車、トラック、バス、電
車、海洋乗り物、航空機などにおいてクローズサイクルとして利用することも可
能である。

【００１７】（発明の開示）（発明が解決しようとする技術的課題）本発明のひとつの目的は、新しい熱力学的動力サイクルであって、オープンま
たはクローズの環境で動作し、化学量論にしたがって空気を圧縮し、空気と共に
燃料を燃焼し、効率良く、クリーンで汚染の無いエネルギーを生成するサイクル
を提供することである。

【００１８】本発明の別の目的は、水の蒸発による潜在的な熱を用い、冷却のため機械的に
余分な（薄められた）空気を圧縮することなく、燃焼室内の燃焼温度を完全に制
御可能にすることである。

【００１９】本発明の別の目的は、エンジンに用いられるパワータービンに対するエアコン
プレッサの負担を軽減し、より小型のエアコンプレッサの使用を可能とし、アイ
ドル運転を低くし、より大きな加速を得ることが出来るようにすることである。

【００２０】本発明の別の目的は、要求に応じて、タービンインレット温度TITを独立して
制御することが出来るようにすることである。

【００２１】本発明の別の目的は、作業流体の混合や温度を、要求に応じて、自由に変更す
ることが出来るようにすることである。

【００２２】更に本発明の別の目的は、燃焼室内において反応物の反応時間（dwell time o
f the reactants）を十分に取り、化学量論にしたがって燃焼、化学ボンディン
グ、反応時間が進み、完全な反応、焼却を起こさせ、化学的に安定させることが
出来るようにすることである。

【００２３】更に本発明の別の目的は、燃焼物を燃焼し、冷却したときに、NO_x、不完全燃
焼の燃料、CO、微粒子、CO₂分離副産物などが含まれるスモッグなどを生成しな
ようにすることである。

【００２４】更に本発明の別の目的は、１ポンドの化学エネルギーから1ポンドの熱エネル
ギーへの変換が１００％行なわれる燃焼システムを提供することである。

【００２５】更に本発明の別の目的は、温度効率を落とすことなく、全パワーシステムを出
来るだけ低い温度で動作することが出来るようにすることである。

【００２６】更に本発明の別の目的は、蒸気を冷却し、凝縮し、分離し、回収し、飲料水に
適した水を提供することが出来る凝縮過程を設けることである。

【００２７】更に本発明の別の目的は、冷却水には非飲料水を用い、副産物として飲料水が
生成される電力発電システムを提供することである。

【００２８】更に本発明の別の目的は、エンジン動作の第1のモードのときにブライトンサ
イクル（Brayton cycle）を改良したサイクル、エンジン動作の第２のモードの
ときに蒸気と空気のスチームサイクル、エンジン動作の第３のモードのときに複
合サイクルが交互に提供できる新しいサイクルを提供することである。

【００２９】更に本発明の別の目的は、種々のタービンによる発電システムに利用可能な燃
焼装置を提供することである。これにより、従来の燃焼装置を用いた従来の発電
システムと比べ、本発明にかかる発電システムは、燃料の消費を低くして、より
効率良く電力を作ることが出来る。

【００３０】更に本発明の別の目的は、従来の炭化水素燃料を用いる燃焼システムに組み込
まれる燃焼装置と置き換え可能な燃焼装置を提供することである。これにより、
汚染物質排除装置（触媒コンバータ、再燃焼装置、付着物除去装置）を用いるま
でも無く排気スチームから汚染物質を低減することが出来、動作効率を高めるこ
とが出来る。

【００３１】更に本発明の別の目的は、ブライトンサイクルシステムと比べた場合、同じ量
の燃料を使用しても、軸の回転力（ネット）を格段に上げることが出来る、ター
ビンによる発電システムを提供することである。

【００３２】更に本発明の別の目的は、総合的に見た場合の効率が４０％以上の発電システ
ムを提供することである。

【００３３】また、本発明の目的は、より効率的に炭化水素燃料を燃焼して温室ガス（CO₂)
を少なくするパワー発生システムを提供することである。

【００３４】また、本発明の目的は、所望の任意の温度と圧力で大量のスチームを効率的に
提供することである。

【００３５】 VASTサイクルと名づける、本発明の１つの例である実施の形態により、内燃エ
ンジンが説明される。この内燃エンジンは、コンプレッサを備え、このコンプレ
ッサは、大気を圧縮して、６気圧以上の圧力と上昇された温度を持つ圧縮気体に
するように構成される。コンプレッサに結合される燃焼室は、コンプレッサから
燃焼室への圧縮空気の段階的な(staged)供給のために構成される。燃料制御と液
体制御が、それぞれ、燃料と液相の水を燃焼室に、必要なときに必要なところに
、噴射するために使用される。噴射され圧縮される空気、燃料および水の量と、
噴射された水の温度と、燃料室への噴射点は、それぞれ独立に制御される。その
結果、平均燃焼温度と、燃料の空気に対する比（Ｆ／Ａ）とは、また、独立に制
御できる。噴射された燃料と、圧縮空気の制御された部分とが燃焼され、発生さ
れた熱が、噴射された水を蒸気に変える。噴射された水が蒸気に変えられるとき
、水の蒸発の潜熱が、燃焼器を出る燃焼ガスの温度を低くする。燃焼される燃料
の重さよりかなり重い量の水が使用される。しかし、このシステムに供給される
水の質量はかなり減少される。その結果、燃焼により生成される作動流体の質量
流量は、多くの動作条件で同じ量の燃料を用いる現在のシステムにおける質量流
量の２０％から２００％を越えるまで変化できる。

【００３６】圧縮される空気、燃料および水の燃焼生成物の、少量の燃焼できない７９％の
非酸素成分と燃料と水蒸気の混合物からなる作動流体が、予め決められた温度と
燃焼温度のプロファイルでの燃焼の間に燃焼室において生成される。実質的に全
ての温度制御が、水の蒸発の潜熱により与えられる。水が余っているとしても、
それは、完全な燃焼を保証するためにのみ与えられ、冷却の目的のために与えら
れるものではない。次に、この作動流体は、有用な仕事をするために１台以上の
作動エンジンに供給される。別の方法では、高温高圧のスチームである作動流体
は、流量を増加するための油井における噴射や、作動のためにスチームを使用す
る蒸留塔や他の設備のための熱源として、直接に使用できる。

【００３７】本発明のより特殊な実施形態において、点火閃光器がエンジンを始動するため
に使用される。また、エンジンは開いたサイクルでも閉じたサイクルでも作動で
きる。閉じたサイクルの場合、作動流体排出物の一部が、復熱できる（recupera
te）。炎の温度と燃焼室の温度のプロファイルは、複数の温度検出器と、燃焼器
を通して位置される複数のサーモスタットを用いて監視される。

【００３８】さらに、コンピュータ化されたフィードバック制御システムが、排出流の気体
成分を監視するために使用でき、動作条件と供給速度が、排出物中のNO_xとCOを
最小にするように自動的に調節される。

【００３９】本発明が使用されるとき、化学量論比燃焼と化学反応平衡とが作動流体におい
て達成されるように、燃焼温度が燃焼制御手段により低下される。噴射された燃
料の中のすべての化学エネルギーは、燃焼の間、熱エネルギーに変換され、水の
スチームへの蒸発が、燃料と空気の分子混合を助けるサイクロン乱気流を生成す
るので、より完全な燃焼が達成される。噴射された水は、すべての余剰熱エネル
ギーを吸収し、作動流体の温度を、作動エンジンの希望の最高の作動温度にまで
低下する。噴射された水がスチームに変換されるとき、圧縮のための追加の仕事
なしに、また、追加のエントロピーまたはエンタルピーなしに、燃焼室の圧力を
奪い取る。燃焼温度の注意深い制御は、大気スモッグの形成を生じまたは形成に
寄与するガス及び化合物の生成を防止し、増加する作動効率のために、生産され
る使用可能エネルギーあたりに生成される温室ガスの量を少なくする。

【００４０】本発明の他の実施形態では、冷却材として非飲用水を用いて電力が発生され、
飲用水が、パワーまたはスチームの生成副産物として生産される。

【００４１】本発明の第３の実施形態（新しいサイクル）では、エンジンは、３つの異なる
モードで動作できる。第１のあらかじめ決められた回転速度(すなわち大きなRPM
)を超えてエンジンが動作されるとき、水の噴射と、燃焼され圧縮される空気の
量は、エンジンのｒｐｍが増加するときに、一定に保たれる。中間の回転速度で
、すなわち第１の(高い)あらかじめ決められた回転速度と、第２の(低い)あらか
じめ決められた回転速度との間で、水の燃料に対する比は、過剰の空気の量が減
少されるにつれ増加される。第２のあらかじめ決められた回転速度より下で種々
の速度で（すなわち低いｒｐｍで）エンジンが動作されるとき、噴射された水の
燃料に対する比は、一定に保持され、燃焼される圧縮空気の量は、一定に保持さ
れ、余剰の空気は実質的に除去される。

【００４２】この新しいサイクルの使用は、より低いｒｐｍでの馬力増加、遅いアイドル、
速い加速、及び、低いｒｐｍでの圧縮空気の９５％までの燃焼をもたらす。

【００４３】（発明を実施するための最良の形態）本発明とその目的及び利点とについての理解は、添付の図面と以下の詳細な記
述とを考慮することにより、深められるであろう。本発明の範囲は、とくに添付
の請求の範囲によって定められる。

【００４４】Ａ．本発明の基本構成図１を参照すると、本発明の技術を具体化しているガスタービンエンジンが概
略的に示されている。循環空気５は、コンプレッサ１０で所望の圧力に圧縮され
、圧縮空気１１となる。好ましい実施形態では、コンプレッサ１０は、よく知ら
れた２段又は３段コンプレッサであり、循環空気５は、約４気圧を超える圧力、
好ましくは１０気圧から３０気圧に圧縮される。圧縮空気の温度は、圧縮比に依
存する。圧縮比が３０：１では、圧縮空気の温度は、約１４２４°Ｒ（９６４°
Ｆ（５１７．７℃））である。

【００４５】圧縮空気１１の流れは、空気流量制御器２７で制御され燃焼室２５に入る。燃
焼室は当業者に公知のものである。しかし、本発明では、圧縮空気１１は、空気
流量制御器２７によって段階的な周辺方法(circumferential manner)で図２に示
されている燃焼室２００に供給されており、さらに以下で詳述されている。空気
の段階的供給によって、燃焼室２５全体の燃焼温度（火炎温度）を制御し、制限
することができる。通常、燃焼によって出力される全体のエネルギーは同じだけ
出力する一方、高ピーク温度は、減少している。

【００４６】燃料３１は、燃料噴射量制御器３０による圧力下で注入される。この燃料噴射
量制御器は当業者に公知である。本発明で用いられる燃料噴射量制御器３０は、
従来の一又は複数の燃料供給ノズルからなる。加圧燃料供給（図示せず）が燃料
供給のために用いられており、これにはディーゼル燃料＃２、加熱オイル、従来
の炭化水素燃料、好ましくは硫黄を含まないものであり、良質のヘッドオイル(h
ead oil)、プロパン、天然ガス、ガソリン、それにエタノール等のアルコールで
ある。エタノールは、燃焼生成物を冷却するために用いられる水を少なくとも若
干混合することができ、必要な注入水を減らすことができるので、いくつかの用
途で好ましい。また、エタノールと水の混合物は、十分に低い融点を持つので、
３２°Ｆ（０℃）より低い温度の環境でエンジンを使用する能力を高めることが
できる。

【００４７】水４１は、圧力下で、所定の、しかし調整可能なレートで水噴射量制御器４０
で制御されているポンプで注入され、一又はそれ以上のノズルを介して、燃焼室
２５中の燃焼下流の供給気流中に、又は以下に説明するように必要によって火炎
中に噴霧されてもよい。

【００４８】燃焼室２５中の温度は、以上で詳述した本発明の他の構成要素と結合して操作
している燃焼制御器１００によって制御されている。燃焼制御器１００は、デジ
タル論理を支えるプログラムされたマイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ
、それにそれ以外の公知のデバイスであってもよく、通常、燃焼室２５、若しく
は排気流５１（膨張した作動流体２１）に、又は本システムの他のコンポーネン
トと結合されて置かれているモニタからのフィードバック信号に応答してモニタ
し、制御する。

【００４９】燃焼室２５内の圧力は、例えば、エンジンの回転数の変化に対応して空気コン
プレッサ１０で維持されている。燃焼室２５の中の温度検知器やサーモスタット
２６０（明りょうさのためにただ一つだけ図示している。）によって、温度情報
を燃焼制御器１００に提供しており、燃焼制御器１００は、必要により、いくら
かの液体の水を注入するように水噴射量制御器４０に指示する。同様に、作動流
体の重さは、燃焼制御器１００によって燃焼室２５内で燃焼される燃料、水、そ
れに空気の混合物の量を変えて制御される。

【００５０】許容しうる最大燃焼温度に調整する事実上の限度のあることが知られている。
その理由のうち、第１の理由は、どのシステムでも調整できるタービン入口温度
（以下、「ＴＩＴ」と略して示す。）である。所望の最大温度ＴＩＴを達成する
ために、水噴射量制御器４０は、必要により、燃焼温度を許容限度内に維持する
ために作動流体２１に水を注入する。注入された水は、燃焼室２５での圧力の下
で蒸気に変態することによる水の蒸発の潜熱を介して相当量の燃焼炎の熱を吸収
する。

【００５１】燃焼室２５内に注入された燃料の点火のため、自己圧縮点火を実現するために
は圧力比は１２：１よりも大きいことが必要である。しかし、標準の発火スパー
カ(sparker)２６２は、より低い圧力比の下でも利用することができる。

【００５２】上述した通り、燃焼制御器１００は、注入された燃料と圧縮空気中のほぼ全て
の酸素を燃焼させるために、空気流量制御器２７、燃料噴射量制御器３０、それ
に水噴射量制御器４０から独立して燃焼される圧縮空気の量を制御する。燃焼に
は圧縮空気中の酸素の少なくとも９５％が消費される。１００％未満の酸素が燃
焼に使われる場合には、十分な酸素が化学量論比の結合を完了し、加速用に利用
できる。空気の１００％が燃焼過程で消費される場合には、ＣＯ₂を生成し、Ｎ
Ｏｘを生成するために利用される酸素はない。また、燃焼熱は、注入された水を
蒸気に変え、その結果、空気の非燃焼成分、燃料の燃焼生成物、それに蒸気の圧
縮混合物からなる作動流体２１が燃焼室で生成される。圧力比約４：１から約１
００：１までの圧縮空気は、コンプレッサ１０で供給される。ＴＩＴ温度は、７
５０°Ｆ（３９８℃）から２３００°Ｆ（１２６０℃）まで変化するが、上限値
は、材料的理由によって決められる。しかし、タービンがより高温に耐えられる
セラミックや他の耐熱性材料で製造されている場合には、より高いＴＩＴを達成
できる。

【００５３】典型例としてはタービンである作用エンジン(work engine)５０は、順に、電
気エネルギー５８を生成する発生器５６、または空気コンプレッサ１０のように
、負荷を駆動する有用な仕事（例えば、シャフト５４を回転させることによって
行う。）を実行するために作動流体２１を燃焼室２５から受けてこれと一体にな
る。本発明は、作用エンジンとしてのタービンの利用について論じているが、レ
シプロ、バンケル(Wankel)、カム(cam)、それに他の型の作用エンジンを本発明
によって創造された作動流体によって駆動できることを、当業者は理解するであ
ろう。

【００５４】燃焼器２５の内部とタービン排気の圧力差により、作用液は作動エンジン５０
を通過する際に膨張する。膨張した作用液５１は、真空ポンプを備えた閉サイク
ルまたは開サイクルが用いられるか否かにより、一般には０．１気圧から約１気
圧の間で変化する圧力で排気制御６０により排出される。しかしながら、より高
い排気圧であってもよい。排気制御６０はまた、熱交換器６３および／または膨
張した作用液５１からの蒸気６１を凝縮する凝縮器６２と、膨張した作用液５１
を排出する再圧縮器６４とを含む。凝縮器６２で凝縮された蒸気は、飲用水６５
として出て行く。

【００５５】図２は、好ましい燃焼器２００の概略図を示す。本発明の特徴が組み込まれた
燃焼器２００は、吸込端１９８と排気端１９６とを有する。図示された実施例で
は、燃焼器は３本の同心ステンレススチール管２０２、２０６、２１０と、空気
、水および燃料のための吸込口を有する。内側の管２０２は最長の管であり、真
中の管２０６は最短の管であり、外側の管２１０は中間の長さである。内側また
は中央の管２０２は、特定の実施例においては５インチの内径を有し、壁厚は約
１／２”である。内側の管２０２、真中の管２０６および外側の管２１０の各々
の間には約１インチの通気空間（それぞれ内側の通気空間２０４および外側の通
気空間２０８）が存在する。真中の管２０６および外側の管２１０の吸込端は、
その円周に半球ヘッド２２４、２２６を有しており、それにより管２０４、２０
８の間の空間に隣接する閉空間２２８、２３０を形成し、外側の管２１０と真中
の管２０６の間の空間（外側の通気空間２０８）および真中の管２０６と内側の
管２０２の間の空間（内側の通気空間２０４）を通って、かつバーナー２１４を
通って、燃焼器２００の外部から以下に説明するような流路が設けられる。

【００５６】図３に示されるように、内側の管２０２の吸込端またはヘッド２１２を覆って
いるのは、空気供給板２３２である。空気供給板２３２に対しては、バーナー２
１４を構成する埋込管が取り付けられている。バーナー２１４は、２インチの直
径を有する内側の煙管２１６とともに、３本の同心の管により形成されている。
中央の煙管２１８は直径が約３インチ、外側の煙管２２０は直径が約４インチで
ある。煙管２１６、２１８、２２０は、段々に長くなっており、それにより内部
端を接続する直線ラインは、炎閉じ込め錐体２２２を形成している。その錐体２
２２の角度は約５０から９０度である。

【００５７】内側の煙管２１６の吸込端は、真中の管２０６上の半球ヘッド２２４と中央の
管２０２の吸込端との間に形成された空気供給チャンバ２２８内に延びている。
図３に示すように、ホール２３４を有する第２の空気供給板２３６は、内側の煙
管２１６の吸込端を覆う。加えて、ホール２３４は、空気供給チャンバ２２８内
に延びる内側の煙管２１６の外部表面の周囲にわたって分散している。中央に位
置し、半球ヘッド２２４、２２６および第２の空気供給板２３６を通るのは、燃
料噴射ノズル２１８である。燃料噴射ノズル２１８は、燃焼器２００の外部から
内側の煙管２１６の吸込端に燃料を運ぶように位置付けられている。内側の煙管
２１６では燃料は内側の煙管２１６に入り込み、空気と混合される。

【００５８】燃焼用空気は、外側の半球ヘッド２２６内の１以上の空気吸込口２４０を通っ
て、所望の圧力で供給される。そして空気は、真中の管２０６と外側の管２１０
の間の外側の通気空間２０８に沿って、吸込端１９８から排気端１９６まで流れ
る。排気端１９６では、空気は排気端板２４２に衝突する。排気端板２４２は、
漏れのないように外側の管２１０の排気端１９６を内側の管２０２の外側の表面
に連結させる。空気は内側の通気空間２０４を流れ、吸込端１９８に戻る。ここ
で、内側の管２０２の外側の表面からの放射エネルギーによりさらに熱せられた
空気は、ホール２３４を通ってバーナー２１４内でさらに分散させるため、空気
供給チャンバ２２８に入る。

【００５９】バーナーのそれぞれの部分に入り、通過する空気の比率は、これらの領域にあ
るホール２３４それぞれの面積により確定される。図３にもっともよく示される
ように、ホール２３４の数および各ホールの断面積は、ある好ましい実施の形態
において、第２の空気供給板２３６内のホール２３４および内側の煙管２１６の
側壁がホール面積の５０％を構成するように選択される。これらは第１の燃焼ゾ
ーン２５０に空気を供給する。内側の煙管２１６と、中央の管２０２の吸込端の
間の空間に空気を供給する空気供給板のホールは、残りの５０％に分散する。そ
のうち、開口面積の２５％が内側の煙管２１６と、真中すなわち中央の煙管２１
８の間の空間にわたる空気供給板のホール２３４に存在し、これは第２の燃焼ゾ
ーン２５２に空気を供給する。そして開口面積の１２．５％は、中央の煙管２１
８と外側の煙管２２０の間の空間のホール２３４に存在し、これは第３の燃焼ゾ
ーン２５４に空気を供給する。そして開口面積の残りの１２．５％は、外側の煙
管２２０と内側の管２０２の間の空間のホール２３４に存在し、これは第４の燃
焼ゾーン２５６に空気を供給する。

【００６０】したがって、確定された量の燃料が、燃料噴射ノズル２１８を通って直接第１
の燃焼ゾーン２５０に供給される。化学式どおりの量の空気、すなわち所望の燃
焼圧力でやや過剰な、そして圧縮の結果生成された高気圧熱、および必要であれ
ば燃焼器に存在する高熱ガスとの逆熱交換を有する空気が、閉空間２３０に供給
される。空気は外側の通気空間２０８および内側の通気空間２０４を通って流れ
る。これらの空間では、一旦燃焼が開始されると内側の管２０２からの放熱をさ
らに取り込む。このようなさらに熱せられた空気は、ホールを通って分散される
。これにより燃料は、第１の燃焼ゾーン２５０に入る供給空気の５０％の酸素で
燃焼する。酸素が不足した炎が第２の燃焼ゾーン２５２に入るので、次の２５％
の空気の、さらなる量の酸素が消費される。同様に、第３の燃焼ゾーン２５４に
おいて、次の１２．５％の酸素が炎により消費され、第４の燃焼ゾーン２５６に
おいて、残りの１２．５％の酸素が消費される。その結果、完全な化学式どおり
の燃焼物が平衡チャンバ２５８に入る。

【００６１】炎の温度及び燃焼チェンバの温度プロファイルは、燃焼室中に配置された熱電
対または他の温度センサ２６０を介して監視される。図２における温度センサ２
６０の位置は典型的なものではなく、必要に応じてチューブの中央や壁上の種々
の異なる位置であってもよい。

【００６２】炎の温度と燃焼チェンバの温度プロファイルを制御するため、液体の水（蒸気
ではない）がウォータノズル２０１を通じていくつかの位置にある燃焼室に注入
される。図２と図３は、燃焼室の外部の燃焼室の平衡チェンバ２５８へ液体の水
を移送するために使用されるいくつかのウォータノズル２０１を示す。図２にお
いて最良のものが示されているように、ウォータノズル２０１のいくつかのセッ
トは燃焼室の長さに沿って配置される。好ましい実施形態では、少なくとも３つ
のノズル２７０、２７２、２７４のセットが使用される。各セットは３つのノズ
ル２０１を含み、それらの３つのノズル２０１は約１８０°より小さい円周上に
のみあり、少なくとも２つのセットは異なる１８０°の円周上にあり、平衡チェ
ンバ２５８の長さに沿って通過する動作流体中で混合流を作り出し、また、可能
な渦巻流を作り出す。ノズルが燃焼室内部のチューブ２０２に対して放射状にあ
るのが示されているが、水が平衡チェンバに入り、蒸気になり、膨張したときに
、より多くの乱れを作り出すために、ノズルが燃焼室の中心軸に対して任意の数
の異なる角度で配置されてもよく、これにより、より多くの接線方向の流れを生
成し、噴射された物質のダウンストリームを方向付ける。水の制御４０は、各ノ
ズル２０１上またはノズル２７０、２７２、２７４の各セットの制御バルブ（図
示せず）と協調して、それぞれのノズル２０１を介して平衡チェンバに２５８に
導かれる水の量と位置を、次に、チェンバ２５８内の特定のスポットでの温度及
びその中の温度プロファイルを制御する。通常の動作状態下では、全ノズル２０
１より少ないノズルが、任意の時間に水を注入してもよい。図２はまた、水を空
気供給チェンバ２２８に供給し、燃料と反応する前の空気に蒸気を加える、少な
くとも１つのウォータノズル２０１を示す。さらに、追加のノズルが、内側と外
側の空気流空間２０４、２０８に水を供給してもよい。燃焼室の実際の動作によ
り説明された最終的な目的は、平衡チェンバ２５８と、燃焼領域２５０、２５２
、２５４、２５６内の温度を、２２００°Ｆから２６００°Ｆまでに制限するこ
とであり、これにより、約１８００°Ｆより高い温度で十分な滞留時間を与える
ときのＮＯ_xの形成を防止または十分に制限し、燃料を完全に燃焼させてＣＯ₂に
変換させることができる。さらに、さらなる水を追加するために必要なときに、
例えば、ガスタービンよりも蒸気タービンに供給することが望まれる場合、又は
、最終的な目的が高圧、高温の蒸気を大量に生成することである場合に、より多
くのウォータノズルがさらに下流に設けられてもよい。そのような事情における
１６対１の水と燃料の比率は、炎の安定化をもたらさず、汚染物質を生成しない
ことが説明された。

【００６３】一旦燃焼室の内部の構成部品が高温になると燃焼室へ注入された燃料は自然燃
焼する一方で、冷たい燃焼室を起動するときは、最初に炎を起こすために点火火
花を与える必要がある。これは、第１の燃焼領域２５０に配置された点火器２６
２により与えられる。図３は２つの点火器２６２を示す。しかしながら、一つの
点火器が適当であることが示されてきた。点火器２６２は典型的には高温の飛行
機エンジンにおいて使用されるような点火プラグである。しかしながら、グロー
プラグ、抵抗発熱型高温金属ロッド又は水素の炎により点火される火花もまた、
点火器の代用として適切である。当業者は容易に代替の点火器を特定できるであ
ろう。

【００６４】燃焼室の複数チューブ式の構成は、動作中の中心のチューブ２０２に対し印加
される機械的なストレスに対して独特の利点を与える。上記の本実施形態では、
内側のチューブ２０２（平衡チェンバ２５８）内の空間中の動作流体は、おそら
く、２６００°Ｆに上昇した高温で、約４気圧から３０気圧までの圧力である。
通常、もし、内側のチューブ２０２の壁の温度をより低下させるための手段、ま
たは、内側のチューブ２０２にその壁に対し大きな差圧がかかるのを防止する手
段が与えられなければ、これらの動作状態はチューブを構成するために使用され
た材料に大きな損傷を与え得る。しかしながら、図２に示すように、コンプレッ
サ１０から流出した空気は、内側のチューブ２０２内の圧力と実質的に同じ圧力
で外側の空気流空間２０８に流入する。実質的に同じ圧力が内側の空気流空間２
０４内に存在する。結果として、その排気端１９６を除き、中央のチューブ２０
２には、全ての実践的な目的に対して差圧が加わらない。さらに、内側の空気流
空間２０４を通じて流れる圧縮された空気は、内側のチューブ２０２の外側表面
全体を連続的に吹き流す。これにより、内側のチューブの外周を、平衡チェンバ
２５８中を流れる動作流体の温度よりも低い温度に維持する。完全な差圧、すな
わち、燃焼室内の内部圧力と大気圧との間の圧力差にさらされたチューブのみが
、３つのチューブのうちの最低の温度で、かつ、最も差圧に抗することが可能な
外側のチューブ２１０である。このような設計は外側チューブ２１０を可能な限
りの最低温度に維持する際に非常に効果的であるため、もし、室温の圧縮された
空気が２１００°ＦのＴＩＴで動作している燃焼室へ供給されたならば、外側の
チューブ２１０は動作中において触れたときに冷たくなっている。

【００６５】圧力比、タービン引入口の温度及び水引入口の温度は、ＶＡＳＴサイクルが使
用されるアプリケーションによる要求に応じて変化し得る。さらに、燃料／空気
比は燃料の種類に依存して変化し、化学量論的な量を保証する。また、その燃焼
室を使用するシステムの効率を、より効率的なコンプレッサ及びタービン設計を
利用することにより向上できる。燃料／空気比が一定に維持しながら供給する空
気を増加することにより、比例的にパワー出力が増加する。

【００６６】ＶＡＳＴサイクルは、作動流体として空気と蒸気とが使われていることから、
圧縮空気仕事サイクルと蒸気サイクルとの組合せである。空気と蒸気の何れも、
燃焼器内に発生する全圧の一部を構成している。本願実施の形態では、作動流体
なる用語は、非燃焼性空気やあり得る過剰圧縮空気と共に、入力圧縮空気に含ま
れる酸素で燃焼する燃料の生成噴射水から生ずる蒸気を含むものとしており、従
って、燃焼生成物、不活性気体、蒸気など全てを含むものと解すべきである。ま
た、「蒸気」なる用語も、液状で噴射して過熱蒸気となった水分を意味するもので
ある。説明するプロセスでは蒸気、燃焼生成物、空気の組合せを作動流体として
利用している。

【００６７】ＶＡＳＴサイクルにおける熱力学的プロセスを以下に簡単に説明する。一般に
二段ないし三段圧縮機からなる圧縮機１０で空気を圧縮する。圧縮に伴うエント
ロピー関係を用いて、この圧縮機１０の吐出し口での吐出し条件を算出し、８５
%の圧縮機効率を用いて実際の条件を算出する。

【００６８】前述したように圧縮空気は空気流量制御器２７を介して燃焼室２５に入る。

【００６９】燃焼室２５では、定温燃焼に近似した条件下で一定圧力にて燃料が燃焼する。
この温度は、互いに独立した燃焼制御器、空気量制御器、水量制御器が設けられ
ているから、しっかりと制御できるようになっている。始動後での燃焼器に対す
る入力圧縮空気は一定圧力になっている。従って、一定圧で空気を送り込み、空
燃比も一定にし、水の注入によるＴＩＴの制御を行えば、燃焼室内の圧力を一定
にすることができる。燃焼器での燃焼は高圧で燃料を噴射した直後に行われ、そ
れで空気汚染の回避と効率のために理想的な燃焼条件が得られる一方、初期段階
で混合燃料が完全燃焼にふさわしい混合燃料よりも濃厚になるものの、燃焼作用
が進行するにつれて空気を追加するが、追加する空気は、最低でも完全燃焼に必
要な量(理論量)と等しいが、最終的には燃料の完全燃焼に必要な量を超える量だ
け燃焼している燃料を中心とする円周方向に沿って追加される。理論量の空気を
導入してもよいが、所望によっては５％過剰気味に導入すれば、強制的に完全燃
焼を行わせることができ、加速のために過剰酸素を得ることができる。

【００７０】水は、水噴射量制御器４０により４０００psiかそれ以上の高圧にして噴射す
る。この圧力は、燃焼器に入る前に蒸発しない程度に維持される。水は高圧であ
り、燃焼室２５では圧力がそれより低いことから、噴射した水は瞬間的に蒸気と
なり、燃焼ガスと混合してしまう。燃焼室２５に入れる水の量は所望するタービ
ン入口側温度(ＴＩＴ)と注入前の水温に応じて変わる。燃料の燃焼作用中に放出
される熱の一部は、三段圧縮機１０からの圧縮空気の未燃焼部分の温度をＴＩＴ
へ上昇させるのに使われる。残りの燃焼熱は噴射水を蒸気に転換させるのに使わ
れる。

【００７１】表１は、＃２ディーゼル油を利用するシステムの幾つかの動作条件を示してい
る。例えば例３０にあっては、圧力比は３０/１、タービン入口側温度が華氏２
０５０度、タービン出口側圧力が０.５大気圧、水入口側温度が華氏５９８度と
なっている。システムをモデル化したコンピュータによるシミュレーションが示
したところでは、９２%の標準的な公表タービン効率を利用する作用エンジン(wo
rk engine)と圧縮機の効率を反映している。この結果は正味馬力が７６０、ＳＦ
Ｃが０.３１、効率が０.４３１となっている。シミュレートしたプロセスについ
て表１に算出し、データ表にリストアップした例は、圧力比を変え、入力水温と
タービン入口側温度(ＴＩＴ)とを一定とした場合のものである。

【００７２】同様にＩＳ手、他の作動条件を変えることもできる。例えば、最大温度が所望
ＴＩＴより高いものでない限り、水温を上昇させてもよい。好ましくは、所望Ｔ
ＩＴ以下では約華氏５０度より高い温度まで水温を上げない。しかし、実用上の
理由により、タービンからでる作動流体が供給水を加熱するのに利用されること
から、入力水はタービン出口側温度から約華氏５０度よりも高くならないように
するのが通常である。水温が高ければ高いほど、燃焼温度をＴＩＴまで下げるの
に大量の水が必要になり、その結果、タービンには大量のガスが流れ、パワー出
力が大きくなる。同様に、ＴＩＴは上昇させてもよいし、加工させてもよい。デ
ータ表における例１から例７まででは、ＴＩＴは華氏１８００度となっている。
これは、高温合金や空気か蒸気による中空ブレード冷却を利用しないタービンに
ついては一般に受け入れられている最大値である。しかしながら、高温合金と耐
腐食性合金の何れか一方、または両方や、高温複合材、セラミック材や、ターボ
ジェットエンジンに使われている如くの高温環境での動作に工夫されているその
たの材料を利用すれば、華氏２３００度か、それより高温のもとで動作させるこ
とができる。例８から例１３、例１５から例３１、例１４では、高温、即ち、そ
れぞれ華氏２０００度、華氏２０５０度、華氏２１７５度での動作を示している
。

【００７３】表１の例１から例5までは、空気圧縮比の増加に伴う馬力、効率、ＳＦＣの変
化具合を示している。出口側圧力(タービン効率と圧縮機効率とを８５％として
算出)を減少した場合の影響については例２、例６、例７に示す。また、例８か
ら例１３では、予想タービン効率が９０％として算出した場合でのＴＩＴを華氏
２０００度、タービン出口側圧力を０.５大気圧、Ｈ₂Ｏ入口側温度を華氏約５９
５〜華氏７００度として、システムに対する空気圧縮比の影響を示している。尚
、現在入手可能な空気圧縮式軸流圧縮機とパワータービンエキスパンダ装置では
タービン効率が９３％とのことである。

【００７４】例１５から例２４と例２５から例３１では、二つの異なったタービン効率での
空気圧の上昇による影響を示している。

【００７５】例１から例３１にあっては、燃料は＃２ディーゼル油、空燃比は＃２ディーゼ
ル油の場合では理論比となる０.０６６としている。それ以外の燃料の場合では
、理論条件を維持するのに別の空燃比が必要となる。例３２ではメタンを用いる
一方、空燃比を０.０５８としている。メタンはディーゼル燃料よりもより効果
的に燃焼するから、１ポンドの空気量当りの燃料の量は少なくて済み、その結果
、追加する水量も少なくて済む。

【００７６】

【００７７】

【００７８】

【００７９】例３２は、また、共に（権利主張された発明を用いていない）商業的に入手可
能なタービンの運転パラメータとして主張されているタービン効率９３％及びタ
ービン入口温度２１７５度Ｆで計算されたものである。

【００８０】例８−１３，１５−２０及び２５−３０に挙げられたシステムの閉サイクル性
能に対する空気圧縮比を変えることの影響が、図７−１０に表示されている。特
に、図６は熱効率を示し、図７はＳＦＣを示し、図８はタービン動力を示し、ま
た、図９は正味動力を示している。

【００８１】本発明のコンバスタ（combustor）は、一定圧力でも一定温度でも又はその両
方の場合においても、作動流体のマス（mass）が増大し得るので、基礎的な点で
従前の装置は異なっている。一定の温度は、コンバスタ２５内の温度モニタ（サ
ーモスタット：thermostat）に感応して注水制御器４０により制御された注水を
通じて、燃焼コントローラ１００によって維持される。コンバスタ２５内では、
化学量論的な量または少量の過剰な圧縮空気がコンプレッサ１０によって供給さ
れたときには、液体炭化水素燃料に対する代表的な燃焼温度が約３０００度Ｆか
ら３８００度Ｆに達する。大量の過剰な空気は結果として得られるタービン入口
温度を低下させるが、実際の燃焼または着火の温度には大きく影響を及ぼすこと
はないであろう。

【００８２】コンバスタ２５からの排熱温度の実際上の限界は、周囲を囲む壁部の排熱温度
での材料強度、コンバスタ壁部の高温耐久性、パワー・タービンの構造上の材料
、およびタービンブレードが、外部的にであれ又は内部的にであれ分離して冷却
されるかどうかにより、順に左右される。この排熱温度は、高圧水の注水の変化
によって適切な限度内に制御される。上記高圧水は、その後、急速に気化して蒸
気となり、その気化熱および過熱は燃焼させられている燃料の燃焼熱に等しい。
（燃焼燃料の温度は、もしも全体的にでなければ、最初は水が蒸発しそれからT
ＩＴまで昇温するときの蒸発熱および過熱時の熱によって所望のTＩＴまで低下
する。）注水量は、従って、所望の運転温度によって決められ、高い過熱に対し
ては少ないが実際には定まった運転温度を維持する。

【００８３】作動圧力は、所望のエンジン回転数により必要とされるように、コンプレッサ
１０によって一定に保たれる。

【００８４】結果として得られる燃焼ガスの空気の未反応成分（すなわち、窒素（N₂），二
酸化炭素（ＣО₂））と蒸気の作動流体の混合気は、それから、蒸気−ガスの膨
張が生じるワーキングエンジン５０（代表的には、上記で説明されたタービン）
内に通される。ワーキングエンジン５０の出口側での出口条件は、等エントロピ
ーの関係式およびタービン効率を用いて計算される。

【００８５】ワーキングエンジン５０からの排ガス及び蒸気は、その後、排気コントロール
６０を通過させられる。排気制御器６０はコンデンサを備えており、そこでは、
排気中の蒸気の分圧に対応した飽和温度まで温度が低減させられる。タービン排
気中の蒸気は、このように凝縮され、注水制御器によって燃焼室２５内にポンプ
作用で戻されることができる。残りの燃焼ガスは二次コンプレッサを通過させら
れる。そこでは、真空がタービン出口側で引かれている場合には、その後、大気
中に排出されることができるように、圧力が上昇させられ大気圧まで戻される。
その代わりに、過熱蒸気の流れであるタービンからの排気は、当業者により認識
されているように、直接に利用することができる。

【００８６】本発明が水の蒸発潜熱を実質的に利用するものであることが理解され得る。水
が燃焼室内に注入され、蒸気が創り出されるとき、幾つかの有用な結果が生じる
：（１）蒸気はそれ独自の分圧を示す；（２）コンバスタ内の全体の圧力は、空
気コンプレッサによって維持される；（３）蒸気圧力は、機械的な損失無しに、
少量を除いては、圧力下でポンプ作用を行う。（４）高水準の蒸気圧力が、水を
除いては、機械的な圧縮無しに、一定のエントロピー及びエンタルピー下の蒸気
で、得られる。水の蒸気への変換が燃焼ガスを冷却し、以下に述べる汚染の制御
をもたらす。

【００８７】Ｂ．汚染および効率の制御エンジン内、或いは種類は異なるが、工業炉内における、如何なるタイプの燃
焼であれ、空気中で反応してスモッグを形成する物質を創り出す傾向がある。本
発明は、以下に述べる幾つかの方法で、汚染物質の形成を減少もしくは無くする
ものである。

【００８８】まず、冷却されるシリンダ壁およびヘッドを有して作動する内燃機関は、排気
ストローク中に噴出される小さいパーセンテージの未燃焼の炭化水素をもたらす
に十分な、燃料−空気混合の冷却の境界層を有している。本発明は、燃料に対す
る燃焼温度を好適なレベルに保つために、共により詳細には米国特許第3,651,64
1号に示されている２通りの別個の方法で燃焼室壁部の冷却を回避するものであ
る。まず最初に、暖かい圧縮空気を創ってエアフロー制御器２７によりコンバス
タ２５の外側壁部の回りに流し、その結果、燃焼が着火温度以上に加熱された小
さな空間内のみで生じる。第２に、燃焼の炎は、燃料と未だ混合していない空気
で遮蔽される。このように、好ましくは２０００度Ｆ以上の高温壁燃焼が、エン
ジンの運転における本発明のサイクルに利用される。

【００８９】次に、スモッグ生成物は、燃焼室２５の温度を所定の温度範囲に操作すること
によっても抑えられる。例えば、不完全燃焼によるＣＯおよびその他の生成物は
、好ましくは華氏２０００度より十分高く、高温で燃やすことによって、さらに
燃焼開始後、当該生成物を十分なドエル時間維持することによって、減少する。
しかしながら、温度が高すぎると、多数の窒素化合物、および窒素酸化物（ＮＯ
ｘ）が生じる。したがって、非常に温度が高くても、非常に温度が低くても、ス
モッグ生成物を減らすためには不適切である。本発明における燃焼室コントロー
ラ１００は、バーナー２１４において、十分なドエル時間、少しずつ段階的な燃
焼を行うことによって制御された低温で燃料と空気の燃焼が開始し、それから（
燃焼完了後）注水することによって所定のスモッグ抑制温度（ＴＩＴ）まで冷や
す。したがって、燃焼は、最初に濃混合ガスにおいて行われ、それから十分な圧
縮空気が必要最小限の過剰酸素と共に燃料の完全燃焼のために加えられ、燃焼室
２５において、ドエル時間のほぼ半分の時間でガスをほぼ華氏２５００度以下に
冷やす。注水は、注水制御部４０によってバーナー、燃焼室、またはそれらの上
流に直接行われ、好ましいＴＩＴに冷やす前に、炭化水素の全てが完全に燃焼す
るほぼ華氏２５００度の好ましい温度に保つ。

【００９０】一般的なエンジンにおいて、炭化水素は、ときどき効率を上げるために、理論
的割合より低く、つまり少し濃い燃料で空気と共に燃やされる。しかしながら、
これは、不完全燃焼により余分なＣＯおよび多数の複合生成物を生じさせる。し
かし、本発明は、エアーフロー制御部２７によって空気を連続的に供給するので
、燃焼を弱め、さらにスモッグ生成物を減らす。

【００９１】窒素酸化物は、上記に記載されているように、温度が高ければ高いほど急速に
生成するが、圧縮空気を付加することで燃焼生成物の希釈を制御することによっ
て、減少することも可能である。

【００９２】本燃焼サイクルは、完全燃焼と効率的な燃料燃焼を組み合わせ、不完全燃焼生
成物を減らし、窒素酸化物のようなその他の燃焼生成物を減らす。燃焼コントロ
ーラ１００により、最初の十分なドエル時間で燃焼生成物を燃焼させることがで
き、その後、燃焼生成物と余分な空気は、許容エンジン作動温度にまで冷やされ
る。許容エンジン作動温度は、タービン内で適当な材料が使用されるならば、華
氏１０００度から華氏１８００度、もしくは華氏２３００度ぐらい高くてもよく
、または華氏７００度から華氏８００度ぐらい低くてもよい。

【００９３】平衡条件は、燃焼室２５を少なくとも燃焼室２５内の燃焼エリアの長さの２倍
から４倍にすることによって生じさせることができる。しかしながら、適切に設
計された燃焼室が使用されてもよい。

【００９４】上記に記載されているように、燃焼により、スモッグ生成物を減らす方法と同
時に、燃料エネルギを液体エネルギに完全に変換する方法を得る。

【００９５】燃料−空気の割合と、炎の温度とは独立して制御されることが可能なので、Ｖ
ＡＳＴサイクルは、非常に低公害の燃焼システムである。燃料−空気の割合、特
に圧縮空気における全酸素を燃やす（または好ましければ、大量の圧縮空気で希
釈する）ことを制御することによって、不完全燃焼により生じる燃えていない炭
化水素と一酸化炭素の発生を抑える。空気よりむしろ不活性物質の希釈液（水）
を使用することによって、窒素酸化物の生成を制御することができ、二酸化炭素
の分解によって生じる高温でも一酸化炭素の生成を抑制する。上記に記載されて
いるように、特定の高温度で水または水蒸気のような希釈液を使用することによ
って、温度制御のために必要とされる希釈液の量を減らすことができる。窒素酸
化物のケースにおいて、窒素酸化物を生成させてから除去するという困難な作業
を行う一部のシステムより、ＶＡＳＴサイクルは窒素酸化物の生成を抑えること
ができる。これらの要因の全ての正味の結果は、無視できるほどの汚染レベル、
つまり質量分光技術を用いて窒素酸化物および炭化水素を検出できる限度以下で
ある広範囲の条件下でＶＡＳＴサイクルは作動することである。

【００９６】その他の方法でも少量の水を注入しているが、汚染ゼロでの操作に適さないま
たはその操作と矛盾する条件下で行われ、結果として効率を落としてしまう。

【００９７】キッド（Kidd）の米国特許第４，７３３，５２７号は、比較的少量の水を燃料
と同時に燃焼室と、さらに炎自体にも注入し、ＮＯｘの生成を少なくするために
炎の温度を下げようとしていることについて言及している。しかしながら、キッ
ド（Kidd）は、その他の当業者と同様に、ＮＯｘの生成を十分に減らすこと、ま
たはＮＯｘの生成を防ぐことができない。触媒コンバータを用いない他人によっ
て実証されている燃焼室での最善のＮＯｘレベルは、ほぼ２５から３０ｐｐｍで
ある。キッド（Kidd）は、燃料の量と同等の量以下の水を加える、つまりＷＦＲ
＝１．０で加えることによって、３０ｐｐｍを下回らないＮＯｘレベルに制御し
減らす点において、最善の従来技術を実証している。

【００９８】それに対して、本出願人は、圧縮空気の注入温度がほぼ華氏４００度であった
とき、５．５７のＷＦＲで４ｐｐｍぐらい低いＮＯｘレベルを実証している。こ
のことについて以下に十分記載されている。空気温度が、３０：１の２ステージ
圧縮機からの標準排気温度である華氏９６４度であるならば、ＷＦＲは８．２７
である。大量の水を加えるという能力により、所定の条件で独特の燃焼室を操作
できる結果となる。その所定の条件とは、かつて全ての人が実行不可能であると
言った条件であり、さらに当業者が、許容できないほど低い温度が生じ、燃焼室
の炎は消え、操作効率によりワークエンジン用の電源として使用不可能な装置と
なると言った条件である。温度を制御するために大量の空気を使用するシステム
における炎の温度を低く操作した先行技術に対して、本出願人は、理論的な空気
量で制御された高温の炎を生成し、その後燃焼生成物を急速に冷やし、好ましい
排気生成物を生じさせる。

【００９９】実質的に、動作液体および/または燃焼室の温度および外部温度(燃焼室または
タービン入口温度)の全ての冷却は、液体の水のような注入された液体の気化と
いった潜在的な加熱が備えられる。その結果、燃料/空気の混合物は選択され、
燃焼、燃焼生成物、熱発生の視点からの最大効率が選択され、そして、動作は、
以前のデバイスのような必要性により、燃焼生成物の冷却のためにかなりの過剰
空気を供給するすることに制限されない。更に、以前のデバイスは、炎の温度を
制限することにより汚染物質を制御していた。それに反し、本発明は、空気と燃
料の化学量論的な(またはそれに近い)混合がＣＯ残留物を排除する完全な燃焼を
可能にし、燃焼生成物の制御された冷却および混合が、所望のＴＩＴを生成し、
ＮＯxの形成を防止する。

【０１００】更に、パワータービンにより生じるパワーの総量がタービンに入る動作液体の
温度および量、およびタービン内外の圧力差に依存することが当業者には知られ
ている。燃料および空気(一般的に２３００°Ｆ以上)の化学量論的な混合が与え
られることにより、高温の効率的な炎が生成されたとき、又、全ての冷却が、燃
焼室へ噴射された液体の水を気化させる潜在的な加熱により与えられたとき、炎
の温度および燃焼室に入る圧縮空気および水の温度に依存して、噴射された液体
は動作液体の外部温度を、エァーガスタービン(１８５０°Ｆからおよそ２１０
０°Ｆ)の状態に対する最大ＴＩＴへ減じ、水の量は使用された燃料の重量のお
よそ５倍から８倍となる。特定の炎、水および空気の入口温度に対しては、供給
された水の量が所望のＴＩＴのために決定される。動作液体が１８５０°Ｆから
およそ２１００°Ｆの範囲のとき、ガスタービンはかなり高い効率で動作する一
方、効率はより高いＴＩＴを使用することにより改善され得る。現在の制限して
いるファクターはエァータービンの構造状態の材質である。タービンへ入る動作
液体の量を増し、一方、好ましいＴＩＴを重要的に得るためにかなりの量の水を
噴射することにより温度を下げると、タービンによる電気的なエネルギー生成の
効率が増す。これは、過剰空気が実質的に排除されて高温の炎を生み出すという
本発明を適用することにより達生される。水の噴射による好ましいＴＩＴへの急
速な冷却は、有用なエネルギーの生成のための効率を改善する一方、窒素酸化物
に対して利用できる過剰Ｏ²の殆ど完全な排除に起因して、同時にＮＯやＮＯ₂の
ような好ましくない生成物の形成を防止する。

【０１０１】本明細書の表１は、選択された動作状態および３２の異なった動作状態に対し
て発生された結果をリストしている。全ての例で公知のエンジンで同量の燃料で
動作させた場合と比較して効率はより高く、特定の燃料消費はより低くなってい
る。表２の例３３−４０は、Brayton サイクルエンジンをＡ/Ｆ＝0.2020で同量
の空気で動作させたとしきのシミュレーション結果を示す。コンピュータシミュ
レーションは、請求された本発明を採用せずに動作させたエンジンに比べ、請求
されたエンジンは１０％以上高い効率で、かつ、燃料消費は１０％以下少なくな
っていることを示している。

【０１０２】動作燃料による状態下における実際の燃焼室の動作は、ＮＯxおよびＣＯは１p
pm以下で未燃焼の燃料(ＨＣ)は皆無だった。９９−１００％の燃焼効率が得られ
た。例として用いた水/燃料比での安定した状態(炎の不安定または温度変動がな
く)で動作させた燃焼室は表３に示している。

【０１０３】表３は、ここでは外部圧力が１．０気圧であることを除き、燃料としてディー
ゼル＃２を用い、かつ例３，１３，２０および３０で述べた状態で組立そして動
作させたＶＡＳＴ燃焼室に対して得られたデータを示す。

【０１０４】排気ガスは、Ｏ₂、ＮＯ_x、ＣＯと供給者による可燃物（非燃焼燃料）用に較正
された、エナジー・エフィシエント・システムズによって提供されるエナーク（
Ｅｎｅｒａｃ）２０００を使用して分析された。エナーク２０００は、次に、燃
焼器のＴＩＴ位置に配置された試験ポートに銅管によって接続された。表３には
、各種の運転パラメータとガス組成読取り値が挙げられている。燃料、空気と水
用の値は、ポンド／秒で与えられる。ＴＩＴは、タービン入口温度に対応する。
空燃比と水燃比の計算値も含まれる。

【０１０５】表３の下半分の７本の直線は、エナーク２０００（ＮＯ_x、ＣＯ、Ｏ₂、可燃物
）による測定値と、燃焼効率、ＣＯ₂及び過剰空気の計算値を反映する。エナー
ク２０００のメーカーは、使用された特定の装置が２００°Ｆの推奨温度よりむ
しろ周囲温度での測定アルゴリズムに補正値を有しない旧式の装置であるので、
その燃焼効率は人工的に低いことを指摘した。燃焼効率の実際の値は、９４．４
から９６．４であるよりむしろ１００％により近い。その試験装置のメーカーは
、測定値がはるかにより信頼できるものであると共に、非燃焼燃料の読取り値が
９９−１００％燃焼効率を指示することを指摘した。

【０１０６】各テストランにおける運転条件に応じて、ＮＯ_xは９ｐｐｍより低いと共に、
ＣＯは検出不能であり、且つ、記録されたＮＯ_xレベルは４ｐｐｍ程度の低さで
あり、他のデータ点に対する試験装置のデジタル表示器の観測読取り値が３ｐｐ
ｍ程度の低さであった。

【０１０７】説明したテストランの水燃比が４．７５から６．８８である時、燃焼器の安定
した運転をすることなく、９．３６程度の高さである水燃比が記録された。更に
、入力空気は約４００−５００°Ｆであった。３０気圧出口圧力を有する２段圧
縮機には典型的な温度である９００°Ｆより入力温度が大きい時、火炎温度を所
望範囲内に維持するには、燃料１ポンド当り少なくとも２ポンドの水を追加する
必要がある。

【０１０８】ＣＯが０ｐｐｍの指示で表３に挙げられた条件下で運転される時に燃焼器を出
る排気ガスは、視覚的に観測すると、観測し得る煙、蒸気や特定の材料を全く含
まず、完全に澄みきって透明であった。排気流の熱による視覚歪みを別にして、
ディーゼル＃２燃料が燃焼されているという可視表示は絶対に全く無かった。

【０１０９】燃焼器２５は、蒸気を発生するために熱が熱交換器を介してフラッシュ蒸発器
又はボイラーに伝達される時に生じる非効率無しに高温作動流体を生成するよう
に、熱と水を使用する機構を表す。単に加熱されたガスよりむしろ水を燃焼生成
物に追加することは、ガスを生成する流体源を使用する手段を表し、水は、蒸気
に急速に気化して、質量と圧力の非常に効率的な源を提供し、同時に、温度、体
積及び独立して制御し得る他の要因の見地から極端な融通性をもたらす。更に、
燃焼プロセスを急冷するために燃焼室内に直接追加される時の注入水は、殆どの
燃焼プロセスから生じる汚染を大幅に低減する。

【０１１０】更に、ＮＯ_xを形成するために得られる窒素の量が大きく減少させられる。過
剰空気よりむしろ水が冷却のために使用され、システムに供給される空気の量が
このようにして大きく減少させられるので、どのような形式や型式の標準空気稀
釈オープンサイクル・ブレイトン・エンジンと比較して、約３０％だけの窒素が
燃焼室２５の燃焼ガス内にある。特に、約１／３の空気が燃焼器に供給される。
後述するように、これは、又、供給空気を圧縮するのに消費されるエネルギーを
大きく減少させる。更に、注入水は、蒸気に急速に気化する時に急激に膨張して
、３０気圧におけるその体積増加は、５０／１より大きい。

【０１１１】Ｃ．水注入水注入制御部４０は、水の微細ミストを室内に噴霧するノズル２０１を介して注
入される水の圧力と体積を制御する。水を、圧縮機１０前の吸入空気への噴霧、
圧縮機１０によって発生される圧縮空気流への噴霧、１個又は複数の燃料ノズル
の回り又は内への噴霧、燃焼室２５内の燃焼火炎への噴霧、どの所望の位置での
燃焼ガスへの噴霧又はワークエンジン５０への流入前の燃焼ガスへの下流噴霧を
含む１個以上の領域で燃焼器に注入しても良い。注入の他の領域は、熟練の技術
工によって容易に想像される。

【０１１２】前述したように、注入される水の量は、燃焼生成物の温度、その所望最大温度
と、燃焼器２５内の温度センサー２６０によって監視される平衡ゾーン２５８内
の温度分布に基づく。注入される水の量は、又、ＶＡＳＴサイクルを使用するシ
ステムに依存する。例えば、もし水が自動車に使用するためにリサイクルされる
ならば、使用される水の総和とパワー出力の間の使用可能な平衡を得るために水
はできるだけ大きく冷却される。即ち、もし入口水温度が低くて、ＴＩＴが高い
場合、燃焼温度をＴＩＴに低減するのに少量の水を使用できる。これに対し、シ
ステムの主目的が、電気エネルギーを発生しつつ、下記のように汚染水又は塩水
から飲料水を製造することである場合は、ＴＩＴを下げる一方、水入口温度がで
きるだけ高く上昇させられる。

【０１１３】Ｄ．増加された有効動力ウォーターインジェクションを用いたＶＡＳＴシステムを利用する場合、化学量論の空気量、又は、軽微な超過空気が送り込まれる。ブライトンサイクル
（ウォーターインジェクションを用いない、超過空気によって冷却される）を作
動させるだけの同じ分量の燃料を燃焼するシステムと比較すると、送り込まれる
空気量は、飛躍的に縮小される。ＶＡＳＴシステムは、このように、ブライトン
サイクルの燃焼器において、より小型の圧縮機が必要とされ、それゆえに、圧縮
機を作動させるために利用されるタービンにより生成されたエネルギーの１部は
、飛躍的に縮小される。例えば、ブライトンサイクルのおよそ３分の１の空気量
が使用されるのであれば、およそ３分の１の力しか必要としないより小型の圧縮
機が使用されてもよい。より大型の圧縮機の動力となっているエネルギーは、代
わりに、顧客に提供するためや、補助装置を作動するための補助エネルギーとし
て有効利用される。

【０１１４】実施例３３−４０の計算値は、ブライトンサイクルの配下で作動する動力シス
テムのリストである。このデータは、同じ状況下においてＶＡＳＴシステムによ
って作動する（１＃／秒空気で）実例２５−３１と比較される。独特でない関
連は、有効なタービン馬力において重要な違いがあり、ＶＡＳＴ燃焼器を用いて
作動するシステムから利用できる重要で補助的な量である。

【０１１５】より厳密に言えば、ディーゼル燃料＃２のためのＮＡＣＡテーブルから要求さ
れる燃料が使用されるとき、ブライトンサイクルでは、空気１ポンドあたり０．
０２０２ｌｂｓ／ｓｅｃのディーゼル燃料＃２が要求される。しかしながら、化
学量論の要求量は、（超過空気を用いない、燃料と酸素が完全に消費された）空
気１ポンドあたり０．０６６ポンドのディーゼル燃料である。言いかえると、０
．０２０２ｌｂｓのディーゼル燃料が燃焼されるとき、０．３０６ポンドの空気
分にあるだけの酸素が消費される。同量の燃料のため、即ち、０．０６６ｌｂｓ
のディーゼル燃料のために、ブライトンサイクルシステムが３．２７ポンドの空
気を利用する間に、ＶＡＳＴは、１ポンドの空気を消費する。しかしながら、Ｔ
ＩＴ２０５０°Ｆにおいてブライトンサイクルの３．３３６ポンドと比較して１
．６１２３ポンドのタービンへの総質量流量として作動するとき、ＶＡＳＴ燃焼
器は、０．５４６３ポンドの水を要求する。タービンの出力がタービンへのマス
フェド（ｍａｓｓｆｅｄ）に依存するがために、同じエネルギー量をそのター
ビンで生成するためには、ＶＡＳＴ燃焼器は、燃料成分の全てが約２倍（２．０
７倍）に増大した総燃料量と２．０７ポンドの空気量を要求する。ブライトンで
要求される３．２７ポンドの空気とこれを比較すると、１．２ポンドより少量の
空気が要求され、ブライトンサイクルのサイズの６３．３％の大きさである圧縮
機が利用され、要求された空気を供給するための圧縮機を動作させるために必要
なエネルギーは、３６．７％だけ縮小される。完全に燃料が消費された場合、デ
ィーゼル燃料＃２は、１９３６ＢＴＵ／ポンドを放出する。ディーゼル燃料＃２
の０．０６６ポンドが燃焼するとき、１８０８消費馬力を生成する計算となる。
実施例３０では、４３．１％の効率における操作では、７６６馬力を生成する。
ブライトンは、より低い効率で作動する一方、同じ効率で作動させると仮定する
と、当然、圧縮機を動作させるために見合った消費された馬力が要求される。そ
れゆえに、３．２７ポンドの空気を射出する圧縮機は、空気１ポンドあたり１０
４２ｈｐ又は、３１６．６５ｈｐを要求する。それゆえに、同じ燃料量に対して
、およそ７２３ｈｐの余分馬力は、余分に利用できるシャフトエネルギーとして
有効利用できる計算となる。

【０１１６】システムを比較する他の方法としては、現行のシングルシャフト圧縮機タービ
ンが動作され、ＶＡＳＴ燃焼器がブライトンサイクル配下で作動している燃焼器
に置き換えられた場合、従来の同じ方法でタービンを運転するために必要な動力
が生成される。しかしながら、余分の燃料は、全ての供給された酸素を消費する
ために燃焼されなければならず、余分の水は、余分に燃焼された燃料による温度
を制御するために追加されるため、所望のＴＩＴにおいては、第１のタービンの
少なくともおよそ５０％の大きさの第２のタービンを作動させるためのに十分な
超過集中が生成されるか、または、余分なより高い温度の量である高圧縮蒸気は
、他の動力に適用され有効に利用される。

【０１１７】Ｄ．本発明における他の実施の形態１．水浄化機能を含むパワープラント海水、淡海水、汚染された地下水、又は、水をクーラントとして用いた発電の
場合、サイクルは電力に従って開けられてもよく、水は、図４及び図５に示すよ
うに利用される。ポンプ４２により動かされた供給水４１は、凝縮器６２と熱交
換器６３を経由して熱せられ、熱作用流体５１として逆流し、上述した通り燃焼
器２５または、２００により瞬間的に気化される。燃焼室の直径を大きくするこ
とにより、動作流体の速度は縮小される。

【０１１８】燃焼器の作動温度は、一般的に１５００°Ｆから２３００°Ｆである。海水、
淡海水が供給源であるとき、この温度は、海水（海水の８５％は、ＮａＣｌ、残
りの１４％は、ＭｇＣｌ₂、ＭｇＳＯ₄、ＣａＣｌ₂そしてＫＣｌから構成される
）に含まれる塩の融点より高くなり、沸点より低くなる。水が気化し蒸気になる
とき、液体として雨に溶解した無機の汚染物質と有機の汚染物質は、燃焼される
。例えば、ＮａＣｌは、１４７３°Ｆで溶解し、２５７５°Ｆで沸騰する。他の
塩は、より低い融点で溶解し、より高い沸点で沸騰する。結果として、溶解され
た塩は、燃焼室の底で直ちに収集され、液体塩は、燃焼室の底にあるスクリュー
装置によって移動されて、押し出し形成器と押し出しダイに送りこまれる。送り
込まれた液体塩は、ロッドまたはペレットに形成されるか、又は、作動力として
燃焼器で用いられている圧力によりノズルを介して冷却室に噴霧される。冷却室
では、浪費原料が適当な寸法と形のスプレーノズルを選択することにより所望の
大きさと形のいくらかのフレーク、パウダー又はペレットとして浪費原料収集コ
ンテナ８０に挿入される。塩水は、燃焼室において極度の高温にさらされるため
、塩は中性であって有機的でない物質となる。

【０１１９】比重が燃料の６倍から１２倍の水は、霧化されて燃焼室の炎に投入され、ミリ
セカンド単位で気化される。蒸気に含まれる塩や不純物は、蒸気から分離され、
結晶化し沈殿するか、そして又は、フィルターによりクリーン蒸気にするために
取り除かれる。

【０１２０】燃焼室２５からの、塩又は廃物の回収及び除去の機構８０は、多くのよく知ら
れた手段の中の任意のもの、例えば長手方向に回転するオーガー（auger）によ
って達成することができる。このオーガーが回転して沈殿した塩を除去するとき
に、大量の加圧された作動ガスをバイパスすることが無いように、上記オーガー
は密閉されている。上述のように、１つの選択肢は、溶融された廃物又は塩をス
プレーノズルを介して収集塔（collecting tower）内に噴霧することか、所望の
サイズに切断することができるように塩８１をストランド又はロッド状に押し出
すことである。さらに別の選択肢は、溶融された塩を型（mold）の中に直接に排
出して、塩のブロック８１を形成することであり、そのとき上記塩のブロック８
１は輸送すること及び化学処理することが容易であり、回収するために再処理さ
れるか又はさもなければ処分される。

【０１２１】ここで、清浄な水蒸気を含む結果として得られる作動流体を、１つ又は複数の
標準的な蒸気又はガスのタービンに供給してもよい。続いて、膨張する蒸気−ガ
スの混合物による作動生成過程（work production）において、凝縮器（condens
er）６２は蒸気６１を凝縮して、使用可能な飲用水６５の水源となる。１０：１
から５０：１又はそれ以上の圧力比においてこの開放サイクルを用いることによ
って、よい効率と燃料消費率のもとで電力パワーを発生させることができる。

【０１２２】図６はＶＡＳＴサイクルを用いるユニットの第２の実施形態を図示している。
この実施形態において、燃焼室２５からの付加的な廃熱を得ることによって、シ
ステムの効率はさらに増大させられる。上記燃焼室２５は二重のシェルの熱交換
器９０の中に囲まれている。図示されているバージョンでは、圧縮器１０から放
出される高温の圧縮された空気１１は、燃焼室（combustor）２５に入る前に、
燃焼室２５を直に取り囲んでいるシェル９２を通過する。冷水４１が、第１のシ
ェル９２を取り囲んでいる第２のシェル９４に供給される。この方法において、
空気１１は標準的に燃焼室（combustor）２５から失われた付加的な熱を吸収し
、到来する水４１は圧縮された空気から一部の熱を吸収する。１つの付加的な利
点は、空気１１が高められた圧力にあるため、燃焼室２５の壁に渡る圧力差（す
なわち、図５にあるように燃焼室（combustor）の内部と周囲の状態との差、又
は燃焼室（combustor）の内部と圧縮された空気１１との差）は非常に減少させ
られ、従って燃焼室（combustor）の壁への高温と高圧の組合わせによるストレ
スを減少させる。水４１は、燃焼室の外側のシェル９４を通過した後に、凝縮器
６２及び熱交換器７３を通過し、所望された噴射温度を獲得する。水を可能な限
り４０００ｐｓｉの圧力下に保持し、水が熱せられたときに、燃焼室２５に噴射
される前に蒸気に変化しないように、注意が払われるが、このとき上記燃焼室は
、過熱された水より高温で、多くの例ではより低圧である。

【０１２３】汚染された廃棄物（waste product）の浄化、又は副産物としてパワー発生を
伴って結果として有用な産出物が得られる、商業的なプロセスから生じた固体、
液体及び気体の廃棄物の処理もまた、ＶＡＳＴサイクルを利用するエンジンの潜
在的な応用である。乾燥させられた固体の廃棄物からの廃水を本発明において用
いてもよく、１つの副産物として濾過された利用可能な水が得られる。可燃性の
材料は、燃焼室（combustor）２５の中で燃焼させるための付加的な燃料であり
、また乾燥させられた無機的な廃棄物は肥料を作るために用いてもよい。明らか
に、本発明を用いて別の化学製品が固体及び液体の生成物から抽出される。下水
処理も１つの応用である。別の応用は、軟水化法、油田の掘削作業及び井戸の建
設に関連した蒸気源（steam source）、土壌から浸出した肥料及び鉱物を含む灌
漑用水の回収及び再利用、市や町の固形廃棄物、などを含む。

【０１２４】航空機のエンジン以上、特に再利用された水とともに動作されたときについて記述されたＶＡＳ
Ｔサイクルは、標準的には３００００から４００００フィートで動作する商業的
な航空機において用いられたときに、特に効率的で、相対的に低い燃料消費量で
ある。そのような高度では、周囲の圧力は０．１から０．２５気圧又はそれ以下
で、周囲の温度は華氏０度よりもずっと低い。例５−７の開放サイクルのデータ
は、タービンの出口の圧力を低くすることの利点を図示している。タービン出口
の圧力を気圧よりも低くするために、システムを海水面において動作させるよう
なときに、タービン出口に真空ポンプが必要である。システムによって発生させ
られたエネルギを消費するこのポンプは、システムの利用可能なエネルギ及び効
率を減少させる。

【０１２５】約３００００フィートよりも高い高度のような、大気より低い圧力の環境で動
作させることによって、タービン出口の真空ポンプを除去することは、システム
の利用可能なパワーの出力を増大させ、従って燃料の消費を減少させる。さらに
、システムの中の水を再利用しようとするときは、熱を回収するために用いられ
るエネルギの量を減少させながら、放出されるガスのストリームを凝縮及び冷却
して、再利用のために水を分離するために周囲の空気の温度を用いることができ
る。

【０１２６】蒸気発生及び蒸気／パワーのコジェネレーションパワータービンを持たず、適当な圧縮器を備えた燃焼室（combustor）及びそ
の制御システムを、ただ単に高温、高圧の蒸気を発生させることか、飲用水を生
成することか、又は水の中にとけているさまざまな無機物質を回収することのた
めに用いることができるということも企図している。それに代わって、所望され
た量の電気的エネルギを発生させるようにサイズを調整された１つ又は複数のガ
ス及び／又は蒸気のタービンを燃焼室（combustor）に結合して、高い温度と、
燃焼室（combustor）からの直接のサイドストリームとしての高温のスチームと
の混合物として、電気的エネルギを伝達することができる。

【０１２７】本発明のさまざまな実施形態が説明の目的で提示されたが、本発明の保護の範
囲は付属の請求項のみによって制限され、添付された請求項の意図と範囲はここ
に含まれた好ましいバージョンの記述に制限されないものとする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による蒸気・空気スチームタービンエンジンのブロック図

【図２】好ましい燃焼器の図式的な図

【図３】図２の線３−３にそった断面図

【図４】本発明による飲用水回収手段を含む蒸気・空気スチームタービン
エンジンのブロック図

【図５】図４のブロック図により示されるる蒸気・空気スチームタービン
エンジンの１実施形態の図式的な図

【図６】本発明の特徴を組み込んだ飲用水回収性能を備える蒸気・空気ス
チームタービンエンジンの第２の実施形態の図式的な図

【図７】図１の蒸気・空気スチームタービンエンジンの熱効率についての
圧力比の効果を示すグラフ

【図８】図１の蒸気・空気スチームタービンエンジンのための比燃料消費
についての圧力比の効果を示すグラフ

【図９】図１の蒸気・空気スチームタービンエンジンのタービンパワーに
ついての圧力比の効果を示すグラフ

【図１０】蒸気・空気スチームエンジンの純パワーについての圧力比の効
果を示すグラフ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，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，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，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，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ａ）燃焼室と、ｂ）燃焼室に連結されたワークエンジンと、ｃ）燃焼室に燃料を供給するための燃料供給手段と、ｄ）圧縮空気を高温かつ一定圧で上記燃焼室に供給する空気供給手段であって
、その空気量が、該空気中の酸素の少なくとも約９０％が燃料燃焼時に消費され
るように選択され、燃料及び空気が燃焼室内で混合されるようになっているもの
と、ｅ）燃焼室に供給される空気の量を変化させるとともに、燃焼室に供給される
燃料の量を調整して、空気に対する燃料の比率を一定に維持するための制御手段
と、ｆ）燃料と空気との混合物に点火して、燃焼蒸気の流れを生成する燃料点火器
と、ｇ）加圧下で過熱された不燃性の液体を燃焼室に供給する液体供給手段であっ
て、該液体が燃焼室に入ったときに実質的に瞬時に蒸気に変化させられ、蒸気の
供給及び形成が乱流を生成するとともに燃焼室内で混合し、蒸気と燃焼生成物と
空気及び燃料中の不燃性物とからなる作動流体となり、上記作動流体がワークエ
ンジンに供給されるようになっているものと、ｈ）過熱された不燃性液体を、作動流体の温度を所望のレベルに維持するのに
十分な量で燃焼室に供給する燃焼室温度制御器であって、実質的に燃焼室内にお
ける温度制御のすべてが、燃焼室内に導入される不燃性液体の蒸発潜熱から誘導
されるものと、ｉ）ワークエンジンを出る作動流体から不燃性液体へ熱を移動させるための熱
交換手段であって、該熱が、不燃性液体の温度を供給時の温度から、燃焼室に供
給するための所望の温度まで上昇させるようになっているものとを含んでいる動
力生成システム。
【請求項２】燃焼室内への圧縮空気の導入に先立って、該圧縮空気に追加
の不燃性液体を供給するステップをも含んでいる、請求項１にかかるプロセス。
【請求項３】空気の一部が燃料と混合されるように圧縮空気が少なくとも
２段階で燃料と混合され、該燃料が点火され、この後残りの空気が燃料点火器の
下流の地点で燃料に加えられるようになっている、請求項１にかかるプロセス。
【請求項４】圧縮空気の約５０％が燃焼室の一端のバーナの第１ゾーン内
で燃料と混合され、空気と燃料の上記混合物が点火されて燃料が濃厚な炎を生成
し、空気の約２５％が第１ゾーンの下流に配置されたバーナの第２ゾーン内の燃
料が濃厚な炎に加えられ、空気の約１２．５％が第２ゾーンの下流に配置された
バーナの第３ゾーン内の炎に加えられ、残りの空気が第３ゾーンの下流に配置さ
れたバーナの第４ゾーン内の炎に加えられるようになっている、請求項３にかか
るプロセス。
【請求項５】制御された量の不燃性液体が、バーナの第４ゾーンの下流の
燃焼室内における複数の位置で燃焼室内に噴射されるようになっている、請求項
４にかかるプロセス。
【請求項６】空気と燃料の混合に先立って、制御された量の不燃性液体が
圧縮空気中にも噴射されるようになっている、請求項４にかかるプロセス。
【請求項７】空気と燃料の混合に先立って、燃焼室外の通路に圧縮空気を
流すことにより、燃焼室からの輻射熱により圧縮空気が加熱されるようになって
いて、該通路の少なくとも１つの壁部が燃焼室の外壁である、請求項３にかかる
プロセス。
【請求項８】空気と燃料の混合に先立って、燃焼室外の通路に圧縮空気を
流すことにより、燃焼室からの輻射熱により圧縮空気が加熱されるようになって
いて、該通路の少なくとも１つの壁部が燃焼室の外壁である、請求項４にかかる
プロセス。
【請求項９】ワークエンジンに存在する作動流体が、３ｐｐｍ未満のＮＯ
ｘを含んでいる、請求項８にかかるプロセス。
【請求項１０】ワークエンジンに存在する作動流体が、３ｐｐｍ未満のＣ
Ｏを含んでいる、請求項８にかかるプロセス。
【請求項１１】ワークエンジンに存在する作動流体が、３ｐｐｍ未満のＣ
Ｏと、３ｐｐｍ未満のＮＯｘとを含んでいる、請求項８にかかるプロセス。
【請求項１２】ａ）燃焼室と、ｂ）燃焼室に燃料を供給するための燃料供給手段と、ｃ）圧縮空気を高温かつ一定圧で上記燃焼室に供給する空気供給手段であって
、その空気量が、該空気中の酸素の少なくとも約９０％が燃料燃焼時に消費され
るように選択され、燃料及び空気が燃焼室内で混合されるようになっているもの
と、ｄ）燃焼室に供給される空気の量を変化させるとともに、燃焼室に供給される
燃料の量を調整して、空気に対する燃料の比率を一定に維持するための制御手段
と、ｅ）燃料と空気との混合物に点火して、燃焼蒸気の流れを生成する燃料点火器
と、ｆ）加圧下で過熱された水を燃焼室に供給する液体供給手段であって、該水が
燃焼室に入ったときに実質的に瞬時に水蒸気に変化させられ、水蒸気の供給及び
形成が乱流を生成するとともに燃焼室内で混合し、水蒸気と燃焼生成物と空気及
び燃料中の不燃性材料とからなる作動流体となり、上記作動流体が、装置の外側
部材によって要求される制御された圧力で装置の外部部材に供給されることがで
きる高温の水蒸気の流れであるものと、ｇ）過熱された水を、作動流体の温度を所望のレベルに維持するのに十分な量
で燃焼室に供給する燃焼室温度制御器であって、実質的に燃焼室内における温度
制御のすべてが、燃焼室内に導入される水の蒸発潜熱から誘導されるものと、ｈ）ワークエンジンを出る作動流体から水へ熱を移動させるための熱交換手段
であって、該熱が、水の温度を供給時の温度から、燃焼室に供給するための所望
の温度まで上昇させるようになっているものとを含んでいる動力生成システム。
【請求項１３】上記水が非飲料水であって、該プロセスがさらに燃焼室内
の非飲料水中に溶解している無機物の捕集と、該無機物の固体状物への変換と、
その中に溶解され又は担持されている有機物の燃焼とを含む、請求項１２に記載
の動力生成システム。
【請求項１４】さらに、燃焼室の外部及び周縁に配置され、かつ燃焼室の
長手方向の実質的部分に沿って伸びる少なくとも１つの熱移動手段を含んでいて
、圧縮空気が燃焼室に入る前に燃焼室の外表面上を流れ、圧縮空気の温度が上記
外表面からの輻射熱により上昇させられるようになっている、請求項１２に記載
の動力生成システム。
【請求項１５】熱移動手段が、少なくとも２つの隣接する周縁チャンバを
含んでいる、請求項１２に記載の動力生成システム。
【請求項１６】燃焼室内への圧縮空気の導入に先立って、該圧縮空気に追
加の水を供給するための手段をも含んでいる、請求項１２に記載の動力生成シス
テム。