JP2005524017A - 制御可能な燃焼方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 可燃性材料を制御可能に燃焼させるための方法と装置が開示されており、同燃焼装置（１０）は、可燃性材料用の入口を含む入口区画（１４）と可燃性材料に点火するために入口区画から管の長さに沿って配置されている点火器（２０）を含む点火区画（１６）とを有する長い燃焼管（１２）と、前記燃焼管に作動的に連結され、可燃性混合物の燃焼からエネルギーを抽出するように構成されている少なくとも１つのエネルギー抽出装置（３２）と、を備えている。

Description

本発明は、概括的には燃焼装置に関しており、厳密には、様々な動力供給源にエネルギー供給するのに使用できる軽量で高帯域幅の制御可能な燃焼装置に関する。

可燃性材料を使用可能なエネルギーに直接変換する動力供給源が、自動車、発電機、油圧ポンプなどの様々な用途に長年に亘って用いられてきた。恐らく、そのような動力供給源の中で最も良く知られている例は、化石燃料を回転力に変換する内燃機関である。内燃機関は、殆ど全ての自動車、及びその他多くのエネルギー自律装置、例えば、芝刈り機、チェーンソー、緊急発電機等に用いられている。しかしながら、従来型の内燃機関は、一般的に汚染物質発生の度合いが高く、非常に非効率なことが問題である。大部分の内燃機関の非効率性は、燃焼で生成されるエネルギーの大部分が、有用な作業に変換されずに熱として失われているという事実に依るものである。効率的な内燃機関が開発されてきてはいるが、殆どは、エンジン重量の大幅な増加によって熱の損失を最小にしている。

更に、従来型の内燃機関は、比較的遅い応答特性のために、多くの適用例において単独で成功裏に使用されてはいない。この制約は、フィードバックループを使用して、機械的構造体の運動をリアルタイムで調整するロボット装置及び同様のシステムを駆動する際には、特に問題である。通常、そのようなシステムの動力供給源は、機械装置の適切な作動を維持するのに必要な出力に迅速に修正信号を適用する出力を生成することができなければならない。

機械システム内の動力供給源の応答速度又は帯域幅は、供給源の作り出したエネルギーに使用側がどれほど迅速にアクセスできるかの指標である。迅速な応答、又は高帯域幅の動力システムの例は、油圧システムである。油圧システムでは、どの様な数の供給源からのエネルギーでも、油圧流体を加圧し、加圧した流体を蓄圧器内に保管するのに用いることができる。加圧された流体内に含まれるエネルギーには、システム内の弁、多くはサーボ弁を開き、流体を放出して、油圧作動器を伸縮させるような或る種の仕事を実行することによって、殆ど瞬時にアクセスすることができる。この種の油圧システムの応答時間は非常に速く、数ミリ秒以下である。

低帯域幅の内燃機関に付帯する問題の例として、従来型自動車の応答速度を考えよう。内燃機関を装着している車両のアクセルは、毎分回転数（ｒｐｍｓ）で測定されるエンジンの回転速度を制御する。動力が必要になるとアクセルを作動させ、それに応じてエンジンが回転速度を上げる。しかしエンジンは、エンジン内部の慣性力と、燃焼工程の特性のために、非常に迅速に所望の変化に到達することはできない。エンジンの最大回転出力が７０００ｒｐｍｓの場合、エンジンが０から７０００ｒｐｍｓへ到達するのに要する時間が、エンジンの応答時間の尺度であり、数秒以上になることもある。更に、エンジンを０から７０００ｒｐｍｓへ上げて０ｒｐｍｓへ戻す迅速なサイクルでエンジンを繰り返し作動させようとすれば、エンジンの応答時間は、エンジンが周期的信号に応答しようとするとき更に遅くなる。それに対して、油圧シリンダは、およそ数ミリ以下で作動し、その速い応答時間を犠牲にすることなく速い周期で作動させることができる。

このため、高帯域幅の機構を利用している多くの適用例では、一次動力供給源によって作り出されたエネルギーを、ほぼ瞬時にエネルギーにアクセスできるようにエネルギーを蓄えておく別の帯域幅の高いエネルギーシステム内に保管しておく必要がある。そのような用途の一例は、上記油圧システムを利用するバックホー及びフロントエンドローダーのような土木重機である。重機は、一般的には、普通はディーゼルエンジンである内燃機関で駆動され、内燃機関は、重機の作動に十分な動力を供給するが、各種構成要素のエネルギー応答要件を満たすことはできない。内燃機関からの動力を油圧システムに保管し増幅することによって、重機は、非常に正確に制御された大きな力を生み出すことができる。しかしながら、この融通性にはコストが掛かる。システムがエネルギー自律性で、正確に制御できるようにするためには、システムに更に構成要素を加えなければならず、システムの重量と作動コストが増大する。最新の技術は、装置の小型化に移行しているので、動力供給源とその付随する変換ハードウェアの余分な重量と体積は、有意な進化に対する大きな障害となっている。

従来型の内燃機関のような低帯域幅の動力供給源を使って、高帯域幅の供給源にエネルギー供給する際に固有の複雑性は、ロボットのような用例では益々問題となる。ロボットが人間の動きを正確に真似るためには、ロボットが、正確で制御され時機に適った運動をしなければならない。このレベルの制御には、上記油圧システムのような迅速な応答システム又は電気システムが必要である。これらの迅速な応答システムは或る一次動力供給源からの動力を必要とするので、ロボットは、動力を迅速応答システムに供給する大きなシステムの一部であるか、又は、重い一次動力供給源又は蓄電装置を直接装備していなければならない。しかしながら、理想的には、ロボット及び他の適用例は、重量が最小で、エネルギー自律性でなければならず、油圧配管又は電気配線で動力供給源に係留してはならない。しかしながら、今日まで、技術は、迅速応答と、最少重量と、効果的制御と、作動の自律性のこの組み合わせを実現するのに苦闘している。

非常に速いエネルギー抽出が可能で、重大な熱損失が発生する前に機械的仕事が確実に実行できる高帯域幅のエネルギー自律性燃焼装置を開発することが有用であることが認識されている。更に、動力を供給源で直接変調し、それによって、全体の信頼性、効率及び出力密度を上げながらサイズ、質量及びシステムの複雑性を下げる、エネルギー変換段階を減らし単純化する燃焼装置を開発するのが有用であることも認識されている。

本発明は、そのような装置を提供し、消火区画、点火区画、及び、消火区画と点火器区画の中間の燃焼区画とを有する燃焼室を含んでいる。点火器を、燃焼室に点火区画で作動的に連結することができ、第１供給システムと第２供給システムを、燃焼室に消火区画で作動的に連結することができ、第１供給システムは、燃料を燃焼室へ供給するように構成されており、第２供給システムは、酸化剤を燃焼室へ供給するように構成されており、燃料と酸化剤は、結合して可燃性混合物となるように構成されている。燃焼室は、前記可燃性混合物を供給して、消火区画から点火区画に向けて燃焼室を充填し、点火区画に隣接する点火器によって点火されるよう構成することができ、燃焼は、点火区画から燃焼区画を通り消火区画に向かって進み、その後消火する。少なくとも１つのエネルギー抽出装置を、燃焼室に作動的に連結することができ、可燃性混合物の燃焼からエネルギーを抽出するようになっている。

本発明の更に詳細な態様によれば、本システムは、点火区画から燃焼区画を通り消火区画に向かって超音速燃焼速度で進む燃焼を提供する。燃焼室の内側表面は表面凹凸を含んでおり、燃焼室を通る可燃性材料の乱流化を促進し、それによって可燃性材料の燃焼速度を高める。

本発明の更に詳細な態様によれば、少なくとも１つのエネルギー抽出装置が、燃焼室の側面に作動的に連結されている。
本発明の更に詳細な態様によれば、少なくとも１つのエネルギー抽出装置が、燃焼室の端部に作動的に連結されている。

本発明の更に詳細な態様によれば、本システムは、複数の燃焼室を含んでおり、少なくとも１つのエネルギー抽出装置が、複数の燃焼室に作動的に連結されており、複数の燃焼室内の可燃性混合物の燃焼からエネルギーを抽出する。

本発明の更に詳細な態様によれば、本システムは、複数の燃焼室のそれぞれを選択的に作動させるため複数の燃焼室に作動的に連結されている燃焼制御システムを含んでいる。
本発明の更に詳細な態様によれば、本システムは、可燃性混合物の燃焼からのエネルギーを少なくとも１つのエネルギー抽出装置に送るために燃焼室の側面に形成されている複数のエネルギー放出ポートを含んでいる。

本発明の更に詳細な態様によれば、エネルギー抽出装置は、可燃性混合物の燃焼からのエネルギーによって駆動されるように燃焼室に作動的に連結されているピストンを含んでいる。

本発明の更に詳細な態様によれば、ピストンは動力装置に作動的に連結されており、動力装置は、発電機、流体ポンプ、油圧ポンプ、空圧ポンプ及び機械的変換器から成るグループから選択される。

本発明の更に詳細な態様によれば、エネルギー抽出装置は、タービン、スラストノズル及び圧力室から成るグループから選択される。
本発明の更に詳細な態様によれば、本システムは、燃料と酸化剤が燃焼室に入る速度を制限するために燃焼室に作動的に連結されている流れ制限装置を含んでいる。

本発明の更に詳細な態様によれば、本システムは、燃焼室に緩衝材料を導入するために燃焼室に作動的に連結されている第３供給システムを含んでいる。燃焼室は、可燃性混合物と緩衝材料を提供し、同時に室を層状に充填するように構成されている。

本発明の更に詳細な態様によれば、本システムは、燃焼室を緩衝材料で燃焼室の内径に隣接する環状経路に沿って充填するために第３供給システムと燃焼室の中間に作動的に連結されている環状入口ポートを含んでいる。

本発明の更に詳細な態様によれば、燃焼室の長さの、燃焼管の内径に対する割合は、５：１より大きい。
本発明の更に詳細な態様によれば、燃焼室の長さは１５ｃｍ未満である。

本発明の更に詳細な態様によれば、ｉ）可燃性材料用の入口を含む入口区画と、ｉｉ）可燃性材料に点火するために前記入口区画から燃焼管の長さに沿って変位されている点火器を含む点火区画とを有する細長い燃焼管と、可燃性混合物の燃焼からエネルギーを抽出するように構成され、燃焼管に作動的に連結されている少なくとも１つのエネルギー抽出装置と、を含む燃焼装置が提供されている。

本発明の更に詳細な態様によれば、可燃性材料を受け入れて燃焼させるための、入口区画と入口区画から管の長さに沿って変位されている点火区画とを有している細長い燃焼管と、可燃性材料に点火するために点火区画で燃焼管に作動的に連結されている点火器と、長い期間に亘って大量のエネルギーを抽出するために可燃性材料の燃焼によって駆動される、燃焼管に作動的に連結されている一次エネルギー抽出装置と、一次エネルギー抽出装置に比べると短い期間に亘って少量のエネルギーを抽出するために可燃性材料の燃焼によって駆動される、燃焼管に作動的に連結されている二次エネルギー抽出装置と、を含んでいる燃焼装置が提供されている。

本発明の更なる特徴及び利点は、以下の詳細な説明を添付図面と共に読み、両者で例に挙げている本発明の特徴を理解すれば明白になるであろう。

以下、図面に示す代表的な実施形態について説明するが、ここでは説明に際し特定の用語を使用する。しかし、それによって本発明の範囲を限定する意図はない。関係技術の当業者及び本開示の所有者が想起しうる、ここに示す本発明の特徴の変更及び修正と、ここに示す本発明の原理の追加的適用は、本発明の範囲内にあると考えられる。

図１に示すように、全体を参照番号１０で表す本発明による燃焼システムは、可燃性材料を制御可能に燃焼させるためのものである。本発明の或る態様によれば、システム１０は、消火又は入口区画１４と、点火区画１８と、消火区画と点火区画の中間にある燃焼区画１６とを有する燃焼室又は管１２を含んでいる。点火区画１８は、点火区画と入口区画が管の長さの少なくとも一部分で分離されるように、入口区画から管の長さに沿って配置されている。図１の実施形態では、点火区画と入口区画は、室又は管１２の互いに反対側の両端に配置されている。しかしながら、点火区画、消火又は入口区画、燃焼区画の位置は管の長さに沿って何れの位置でもよく、互いに何れの順序に配置してもよいと理解されたい。

点火器２０は、燃焼室又は管に点火区画で作動的に連結され、可燃性材料の点火を容易にする。点火器は、高温フィラメント、自触媒プラチナ又は標準的なスパークプラグを含む、当業者に既知のどの様な点火器でもよい。点火器は、図１に示すように配置してもよいし、管１２の長さに沿って何処に配置してもよい。或る実施形態では、点火器は、管の長さに沿って中間に配置されている。この実施形態では、可燃性材料は、点火器を通り過ぎて管の長さを満たすことができる。点火器が始動すると、燃焼が、点火器から互いに反対方向に管の両端に向かって進む。

燃焼システムは、第１供給システム２２と第２供給システム２４を含んでおり、それぞれが燃焼室又は管１２に作動的に連結されている。第１及び第２供給システムは、消火区画１４近く、又は管の長さに沿う何処ででも管に連結することができる。第１供給システム２２は、燃焼室又は管に燃料を供給し、第２供給システム２４は、燃焼室又は管に酸化剤を供給することができる。燃料と酸化剤を燃焼管に充填すると、両者は結合して可燃性材料となる。点火区画を入口区画から管又は室の長さに沿って変位することにより、２つの材料は、管の長さに沿って移動するにつれて混ざり合い、点火区画に達するまでに可燃性材料となる。第１及び第２供給システムは、結合すると可燃性材料になるのであれば、どの様な材料でも送出することができる。燃料の種類は、プロパン、エタン、アセチレン、水素など、当業者に既知のどの様な燃料でもよい。第１及び第２供給システムは、第１及び第２材料に圧力を掛けるための手段を含むことができる。例えば、本発明の或る実施形態では、酸化剤は、１００から１５０ｐｓｉに加圧された空気として供給され、燃料も加圧されて供給される。

燃焼管１２は、鋼、アルミニウム、高温金属合金、或いはケイ素又は炭化ケイ素か他の機械加工可能なセラミックのような高温微小機械加工可能な素材を含む、当業者に既知のどの様な材料で形成してもよい。管のサイズも同様に変えることができるが、或る実施形態では、燃焼室又は管の長さの、燃焼管の内径に対する比率は５：１より大きい。別の実施形態では、燃焼室又は管の長さは１５ｃｍより短い。別の実施形態では、室又は管の直径は０．２ｍｍから２ｍｍの範囲にあり、長さは２０ｍｍから１５０ｍｍの範囲にある。燃焼管又は室のサイズは、ミクロンの範囲にあってもよい。本発明のこの独自の態様によって、燃焼装置は、様々な用途に用いられるミクロンサイズの機械のようなＭＥＭＳ用途に使用できるようになる。

図１に示す実施形態では、燃焼システムは、燃焼室又は管１２を、消火区画１４から燃焼区画１６を通って点火区画１８に向けて点火器２０まで、可燃性材料を充填するように構成されている。可燃性材料は、点火器２０に達すると点火され、その後、燃焼は、火炎前面２６で示すように、点火区画１８から燃焼区画１６を通って消火区画１４に向けて進み、その時に、燃料が実質的に完全に消費され燃焼が消火する。燃焼の副産物が形成されると、点火区画に隣接する管から、又は管の長さに沿う何れかの場所で放出される。ここに述べる管の様々な区画の場所は、例示のみを目的としている。様々な区画を、管の長さに沿う何処にでも、互いにどの様な構成にでも配置できるものと理解頂きたい。

本発明は、交互に、管を可燃性材料で消火区画から点火区画まで充填し、材料を点火区画から消火区画まで燃焼させるシステムを提供できる旨理解頂きたい。燃焼／充填のサイクルは、以下に詳細に論じる様々な手段で制御し、非常に迅速な燃焼速度と、非常に高い燃焼／充填サイクル速度と、非常に柔軟な燃焼プロフィールを提供することができる。

第１及び第２弁３０と３１は、それぞれ、第１及び第２供給システムに含まれており、材料の供給を制御して、燃焼速度及び燃焼／充填サイクルを制御するのを助ける。弁は、高速燃料噴射弁、又はポペット弁又はリード弁のような逆止弁など、当業者に既知のどの様な弁でもよい。弁は、以下に詳しく論じるように、受動的又は能動的に制御される。

燃焼システムは、燃焼が、管又は室１２を通って超音速の燃焼速度で進行するように構成されている。可燃性材料の燃焼速度は、様々な方法で上げることができる。可燃性材料の圧力と温度の両方を調整して、燃焼速度を制御することができる。更に、図１Ａに示すように、燃焼室又は管１２’の内側表面に表面凹凸１１を形成して、燃焼室又は管の内側表面に沿う可燃性材料の流れを乱すこともできる。表面の凹凸は、どの様な形状又はサイズでもよく、燃焼室又は管に沿って長手方向に、室又は管の横断面に沿って様々な点で伸張していてもよい。

凹凸によって生じた乱れは、材料の乱流を作り、それが材料の燃焼速度を高める。例えば、典型的な内燃機関は、可燃性材料（一般的にはガソリンと空気）を１０−２０ｍ／秒の範囲の速度で燃やす。本発明の或る実施形態は、遙かに速い燃焼速度である３００ｍ／秒よりも相当に速い速度で材料を燃焼できることが分かっている。材料の燃焼速度を高めることによって、単位時間当たり非常に大量の可燃性材料を燃やすことができるので、高い出力を作り出せる。更に、よりきれいな燃焼を実現できるので、燃焼の副産物に含まれる汚染物質が少なくなる。

エネルギー抽出装置３２は、燃焼室又は管と作動的に連結させて、可燃性混合物の燃焼からエネルギーを抽出することができるので好都合である。可燃性材料が燃焼すると、圧力と熱が生まれ、それがエネルギー抽出装置に力を加える。エネルギー抽出装置は、このエネルギーを動力供給源３４に伝達することができる。図１に示すように、エネルギー抽出装置３２は、ピストン３３、又はピストン／シリンダを含んでいる。可燃性材料の燃焼は、ピストン３３に作用して、シリンダ内でピストンを動かす。エネルギー抽出装置は、ピストン３３の運動を使って、油圧式、空圧式、又は回転又は線形機械式などの装置を駆動する。勿論、エネルギー抽出装置は、限定するわけではないが、タービン、スラストノズル、圧力室又は管、形状記憶合金ヒーター、ダイアフラム及び可撓弁を含む他の装置を含んでいてもよい。本発明の或る実施形態では、燃焼室又は管を使って、熱交換器、スターリングエンジン又は位相変換装置のようなエネルギー抽出装置に熱を供給している。同様に、動力供給源３４は、限定するわけではないが、発電器、流体ポンプ、共鳴ポンプ及び共鳴電源装置を含む他の供給源を含んでいてもよい。エネルギー抽出装置が抽出したエネルギーを変換することで恩恵を被る装置であれば、どの様な装置でも動力供給源として用いることができる。

流れ制限装置３６を燃焼室又は管に作動的に連結して、燃料及び酸化剤又は可燃性材料が燃焼室又は管に入る速度を制限することができる。流れ制限装置は、消火区画１４付近に配置されているが、室又は管１２の長さに沿って何処にでも配置することができる。流れ制限装置を使って、材料が室又は管に入る速度を制御するのを支援することができる。流れ制限装置は、受動的又は能動的に制御することができる。この方法では、燃焼速度及び充填／燃焼サイクルを制御して、最適な作動を達成することができる。流れ制限装置は、リード弁又はポペット弁のような、当業者に既知のどの様な型式の弁でもよい。排気出口３７は、ピストン３３の端部付近に配置され、燃焼副産物を排出する。ピストンがそのストロークの限界に達すると、通常は排気ポートを密閉することができるピストンの側面は、排出ポートを開き、排気を燃焼室又は管から出せるようにする。可燃性材料が再び室又は管に入ると、排気は排気ポートから追い出される。当該技術では既知のように、排気ポートは、弁によって制御することもできる。

この様に、本発明は、様々な用途に高帯域幅で汚染度の低い動力供給源を提供するために燃焼装置を使用できるよう専用に作られた画期的な作動器を提供していることを、理解頂けよう。そのような装置から恩恵を被ることのできる幾つかの用途には、人間の能力増強用の外骨格、脚付きロボット、及び、最小の重量要件でサーボレベル力の制御を必要とする他の歩行システムのような着用可能及び非着用可能なエネルギー自律機械が含まれている。これらの小型作動器は、高帯域幅のエネルギー自律性動力供給装置が必要な、どの様な用途にも使用するのに適している。

図１Ｂに示すように、動力供給源３４の１つの実施形態は、流体ポンプ又は圧縮器である。流体３８は、低圧供給入口４０からリザーバー３９内に供給される。リザーバーに低圧流体を満たした後、エネルギー抽出装置３４は、可燃性材料の燃焼からエネルギーを抽出し、そのエネルギーを小型ピストン４４に伝達する。小型ピストン４４は、低圧供給入口に向かって動かされ、接すると入口が密閉される。低圧供給入口が密閉されると、小型ピストンは、流体３８に圧力を掛け、加圧された流体を高圧出口４２から押し出す。次に高圧出口４２が密閉され、小型ピストンは元の場所に戻される。この様にして、燃焼室又は管内の周期的燃焼からのエネルギーは、加圧流体に変換され、有用な仕事を実行するのに使用できるようになる。流体３８は、圧縮可能であっても圧縮不可能であってもよく、例えば、空圧装置でも油圧装置にも使用することができる。低圧入口及び高圧出口には、流体の出入りを制御する弁（図示せず）を設けてもよい。弁は、ポペット弁又はリード弁を含む、当業者に既知のどの様な種類の弁でもよい。流体ポンプ自体も、当業者に既知のどの様な型式のポンプでもよく、図１Ｂに示す実施形態は、例を挙げているに過ぎない。

図１Ｃに示すように、動力供給源３４は、発電器でもよい。エネルギー抽出装置３２が可燃性材料の燃焼からエネルギーを抽出すると、エネルギー抽出装置の相対運動は、発電機内の固定子とプランジャアッセンブリの相対運動に移される。図１Ｃに示す実施形態では、ロッド４６には磁石（図示せず）が装着され、エネルギー抽出装置３２の運動に応じてコイル４８の中を通過する。勿論、磁石とコイルの構成は逆でもよく、代わりにコイルが磁界の中を通過してもよい。どちらの場合も、抽出装置の運動に応じたロッドの運動が、有用な仕事を実行するのに用いられる電気を作り出す。勿論、ピストン３２の直線運動を、従来型の回転式発電機で使用する回転運動に変換してもよい。

図１Ｄに示すように、動力供給源３４は機械的変換器でもよい。この場合、作動器７０がピストン３２に連結される。作動器がピストン３２によって動かされると、作動器が、つめ車７４の歯７２に接触する度に直線運動が回転運動に変換される。車７２が特定の場所を回転して過ぎると、車が元の位置へ回転して戻るのを、保持器７６が防ぐ。この構造を使うと、ピストン３２の直線状の周期的運動を不連続な回転運動に変換することができる。勿論、機械的変換器は、当業者に既知のどの様な型式のものでもよい。

図１Ｅから１Ｇに示すように、エネルギー抽出装置は、当業者に既知のどの様な型式の装置でもよい。図１Ｅに示す実施形態では、エネルギー抽出装置３２ａは、スラストノズルである。燃焼が圧力を作り出すと、加圧された材料がスラストノズルに流れ込み、そこで出るのが制限される。対応する反力が管又は室に掛かる。図１Ｆに示すように、エネルギー抽出装置は圧力室３２ｂでもよい。ここで、可燃性材料の燃焼によって作り出された圧力は、圧力室内に貯蔵され、出口８０から放出される。更に図１Ｇに示すように、エネルギー抽出装置はタービン３２ｃでもよい。可燃性材料の燃焼によって作り出された圧力がタービンの回りを通過するときに、タービンは回転エネルギーを生成し、それが回転式動力供給源（図示せず）によって軸８２で抽出される。

図２では、燃焼システム１０ｄは、燃焼室又は管１２に作動的に連結されている複数のエネルギー抽出装置３２を含んでいる。複数のエネルギー抽出装置は、燃焼室又は管の側面に連結されている。可燃性材料の燃焼をエネルギー抽出装置３２に送るために、燃焼室又は管の長さに沿って複数のポート４８が形成されている。火炎前面２６が点火区画から燃焼区画を通り消火区画へ移動するにつれ、各エネルギー抽出装置が順次作動する。図２の状態は、火炎前面が第１エネルギー抽出装置３２ａの連結点を通り過ぎているので、第１エネルギー抽出装置３２ａが既に作動していることを示している。燃焼システム１０ｄは、上記のシステムと同様であり、全ての特徴及び利点を含んでいる。燃焼の副産物は、１つの主排気ポートを通じて排気してもよいし、各エネルギー抽出装置に付帯する個別の排気ポートを通して排気してもよい。

図３Ａ及び図３Ｂでは、燃焼システム１０ｅは、１つ又は複数のエネルギー抽出装置３２と作動的に連結されている複数の燃焼室又は管１２を含んでいる。複数の燃焼室又は管１２の長手方向軸は、エネルギー抽出装置３２の長手方向軸に対して直交するように向けられている。側方ポート４８は、燃焼室又は管１２の長さに沿って配置され、可燃性材料の燃焼からのエネルギーがエネルギー抽出装置を作動できるようになっている。必要なエネルギーの量次第で、全ての燃焼管を同時に作動させて、エネルギーをエネルギー抽出装置に提供することもできるし、管を選択的に作動させて、一時に利用する管を少なくすることもできる。

図３Ｃでは、燃焼管は、グループとして、又は個々の燃焼パターンで選択的に作動して、必要な量のエネルギーを得ることができる。複数の燃焼管１２は、燃焼制御システム５０を使って選択的に作動させることができる。燃焼制御システムは、マスター制御ユニット５１で構成されており、これは、制御ソフトウェアを備えた典型的なコンピューターのような当業者に既知のどの様な型式の制御器でもよい。各点火器２０と作動連通している一連の点火制御リード線５２は、各管１２内の点火器の活動の程度又は時機を制御することができる。各管には、それぞれ制御弁５５を装着して、弁が、可燃性材料を管に入れる際の流入量を制御してもよい。各管は、管へ入る可燃性材料の量を制御する１つ又は複数の制御弁を有していてもよい。勿論、各管に２つの弁を装着して、各１つで、燃料、酸化剤又は他の材料の入口を制御してもよい。一連の弁制御リード線５４は、マスター制御器と作動連通しており、各弁を選択的に作動する。

この様にすれば、各管１２内の燃焼を独立して制御できることが理解頂けるであろう。制御ユニットを使用して、或る数の管を一時に着火し、残りの管を後で着火することができる。燃焼管の燃焼を選択的に制御するのは、例えば、全管によって生成される出力の内の僅かだけが或る時に必要な場合、有用である。燃焼管の燃焼を選択的に制御するのは、１つの管の燃焼周期速度が限られており、エネルギー抽出装置をより速い周期で作動させることが必要な状況でも有用である。そのような場合、幾つかの管を或る周波数で作動させ、他の管を最初の管と１８０°違う位相で作動させればよい。そのような構成では、エネルギー抽出装置を管の周期速度の２倍で作動させることができる。

図３Ｄは、複数の管１２の端部に連結されているエネルギー抽出装置３２を備えた燃焼システムの代替構造１０ｆである。管は、エネルギー抽出装置に対して直交方向に積み重ねられている。管は、例えば、マニホルド内に取り付けてもよいし、別の取り付けアッセンブリを使用することもできる。この様にすれば、燃焼の順序を変えることもでき、例えば、１行の全ての管を同時に燃やし、次に別の行の管を燃やすこともできる。

図３Ｅに示すように、複数の燃焼管１２を一列に配置し、各燃焼室又は管を、エネルギー抽出装置３２及び出力装置３４に作動的に連結してもよい。この様にすれば、燃焼制御システム５１は、燃焼管又は室を選択的に作動させて、所望の出力を作り出すことができる。図３Ｅの代表的な実施形態に示しているように、出力装置は、図１Ｃの実施形態と同様の発電機でもよい。勿論、エネルギー抽出装置と出力装置は、当業者に既知のどの様な型式の装置でもよい。本実施形態では、例えば、二次システム（図示せず）からのエネルギーの要求に応じて選択的に管を制御することもできる。例えば、図３Ｅのシステムは、可変レベルの電力を必要とするシステムに連結することができる。１つ又は複数の管を選択的に作動させて、二次装置に電力を供給して駆動することができる。

図４Ａ及び図４Ｂは、１つ又は複数のエネルギー抽出装置３２に連結されている１つ又は複数のポート４８を有する曲線及び／又は渦巻き形状の燃焼管１２ｂを含む、別の燃焼システム１０ｇを示している。曲線又は渦巻き形状の燃焼管１２ｂを使えば、燃焼管を、ピストン／シリンダの円形のようなエネルギー抽出装置の形状とよく一致させることができる。更に、曲線又は渦巻き形状であれば、長い燃焼管を使用することができる。エネルギー出口ポート４８は、可燃性材料の燃焼からのエネルギーをエネルギー抽出装置と接触するように放出することができる。燃焼管の渦巻き形状は、エネルギー抽出装置の外径付近で半径が大きくなっており、点火器２０付近では半径が小さくなっている。エネルギー放出ポートは、可燃性材料の燃焼からのエネルギーを、下向きに、エネルギー抽出装置を収容しているシリンダ内へと放出する。勿論、別の実施形態で論じるように、この実施形態に、排気及び／又は流れ制限ポート又は弁を用いることもできる。

図５は、燃焼管１２がエネルギー抽出装置に対して長手方向に向いている、即ち燃焼管の長手方向軸がエネルギー抽出装置の長手方向軸に平行になっている、又別の燃焼システム１０ｈを示している。可燃性材料の燃焼で作り出されたエネルギーは、点火区画１８近くの燃焼管の端部を通って、直接エネルギー抽出装置に向けて放出される。燃焼のエネルギーを直接エネルギー抽出装置に向けて送ると、流れ損失が減ると考えられる。このような燃焼システムは、図３Ｃに示したのと同様の制御器システムを使用して、管を選択的に作動させることができる。

図６Ａ及び図６Ｂは、室又は管１２に緩衝材料を導入するため燃焼室又は管１２に作動的に連結されている第３供給システム６０を含む、又別の燃焼システム１０ｉを示している。緩衝材料は、この管の環境では容易に燃焼しない材料であれば、どの様な材料でもよい。例えば、緩衝材料は、燃料と混ぜ合わせなければ管内で容易に燃焼することのない空気でもよい。緩衝材料は、酸化剤と同じ材料でもよいし、酸化剤と混ぜ合わせないときは燃料でもよい。第３供給システムは、環状入口ポート６２で、燃焼室又は管に連結されている。勿論、第３供給システムと管の連結には、当業者に既知のどの様な連結器を使用してもよい。可燃性材料と緩衝材料は層状で管に導入される。緩衝材料の緩衝層６４は、材料が管に沿って進行する際に可燃性材料の回りに形成される。

この層の状態は、緩衝層が可燃性材料を管の内側壁から断熱し、壁からの熱による可燃性材料の自己着火を防ぐことができ好都合である。緩衝層は、更に、室又は管の壁を通る熱損失を制限し、反応ラジカルと管の壁の間の相互作用を制限することによって、火炎消滅が減るので好都合である。自己着火と火炎消滅が減ることによって、燃焼の速度と時機を更に正確に制御できるようになる。この層状態は、第３供給システムを使わず、第１供給システムからの追加の緩衝材料を使用して作り出すこともできる。

図７は、上記のシステムと多くの点で同様の、本発明による又別の燃焼システム１０ｊを示している。燃焼システム１０ｊは、一次及び二次エネルギー抽出装置６６及び６８を含んでいる。一次エネルギー抽出装置６６は、燃焼管に作動的に連結され、可燃性材料の燃焼によって駆動される。一次エネルギー抽出装置は、より多量のエネルギーを、より長い期間に亘って抽出するように構成されている。一次エネルギー抽出装置６６は、シリンダ内に可動的に配置され、且つピストンの往復直線運動を回転可能部材の回転運動に変換するためピボットアームで回転可能部材に作動的に連結されているピストンを含んでいる。先に述べたように、一次エネルギー抽出装置６６又は回転部材は、より長い期間に亘ってであるが、より多量のエネルギーを抽出するように構成されている。二次エネルギー抽出装置６８も、燃焼管に作動的に連結され、可燃性材料の燃焼によって駆動される。二次エネルギー抽出装置は、より短い期間で、より少量のエネルギーを抽出するよう構成されている。従って、燃焼システム１０ｊが作動すると、即ち可燃性材料が燃焼すると、二次エネルギー抽出装置６８が少量のエネルギーを迅速に抽出し、その後、一次エネルギー抽出装置６６が多量のエネルギーを抽出する。従って、燃焼システム１０ｊは、一次エネルギー抽出装置６６を使用する一次的目的と同時に、二次抽出装置６８を使用する二次的目的のためにエネルギーを提供するように構成されている。

一次エネルギー抽出装置６６は往復運動式ピストンで、二次エネルギー抽出装置６８は既に論じた実施形態と同様の流体ポンプでもよい。勿論、一次及び二次抽出装置は、発電機のような先に論じた実施形態の何れかの形態を取ってもよい。このように、本発明は、エネルギーの相当な部分が熱になって失われる前に、可燃性材料の燃焼からのエネルギーの一部を迅速に抽出する二次エネルギー抽出装置を提供する。この「寄生」の二次エネルギー抽出装置は、サイズが小さく比率が低いために、非常に速い帯域幅で作動することができる。例えば、寄生エネルギー抽出装置は、往復運動式エンジンを駆動するような低帯域幅の性能に合わせて構成されている燃焼システムに、作動的に連結し、それ自体は高帯域幅で駆動されるようにすることができる。そのような構想には、要求に応じて直ちに特定の装置を駆動するため高帯域幅の応答を必要とする発電機又は油圧ポンプが相当する。

上に述べた装置は、本発明の原理の適用を説明しているだけであると理解頂きたい。以上、本発明を、目下本発明の最も実際的で好適な実施形態であると考えられるものに結び付けて、図面に示し、具体的且つ詳細に説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく数多くの修正及び代替装置を考案することができ、当業者には自明のように、特許請求の範囲に述べる本発明の原理と概念から逸脱することなく、数多くの修正を行うことができる。

図１は、本発明の実施形態による制御可能な燃焼装置の概略図である。 図１Ａは、本発明の実施形態による燃焼室又は管の端部断面図である。 図１Ｂ―図１Ｇは、それぞれ図１の装置の代替実施形態の概略図である。 本発明の別の実施形態の概略図である。 図３Ａは、本発明の別の実施形態の側面概略図である。 図３Ｂは、図３Ａの本発明の実施形態の代替側面概略図である。 図３Ｃは、図３Ａの本発明の実施形態の上部概略図である。 図３Ｄは、本発明の別の実施形態の側面概略図である。 図３Ｅは、本発明の別の実施形態の側面概略図である。 図４Ａは、本発明の別の実施形態の側面概略図である。 図４Ｂは、図４Ａの本発明の実施形態の上部概略図である。 本発明の別の実施形態の概略図である。 図６Ａは、本発明の別の実施形態の側面概略図である。 図６Ｂは、図６Ａの本発明の実施形態の端部概略図である。 本発明の代替実施形態の概略図である。

Claims (51)

1. ａ）消火区画と、点火区画と、前記消火区画と点火器区画の中間の燃焼区画と、を有する燃焼室と、
   ｂ）前記燃焼室に前記点火区画で作動的に連結されている点火器と、
   ｃ）前記燃焼室に前記消火区画で作動的に連結されている第１供給システムと第２供給システムであって、前記第１供給システムは、前記燃焼室へ燃料を供給するように構成されており、前記第２供給システムは、前記燃焼室へ酸化剤を供給するように構成されており、前記燃料と酸化剤は、結合して可燃性混合物を形成するように構成されている、第１及び第２供給システムと、を備えており、
   ｄ）前記燃焼室は、前記可燃性混合物を供給して、前記消火区画から前記点火区画に向けて前記燃焼室を充填し、前記点火区画に隣接する前記点火器によって点火し、燃焼が、前記点火区画から前記燃焼区画を通って前記消火区画に向かって進み、その後消火するように構成されており、
   ｅ）前記燃焼室に作動的に連結され、前記可燃性混合物の燃焼からエネルギーを抽出するよう構成されている少なくとも１つのエネルギー抽出装置を更に備えている、燃焼装置。
2. 燃焼は、前記点火区画から前記燃焼区画を通って前記消火区画に向かって超音速燃焼速度で進む、請求項１に記載の装置。
3. 前記燃焼室の内側表面は表面凹凸を含んでおり、前記燃焼室を通る可燃性材料の乱流化を促進し、それによって前記可燃性材料の燃焼速度を高める、請求項１に記載の装置。
4. 前記少なくとも１つのエネルギー抽出装置は、前記燃焼室の側面に作動的に連結されている、請求項１に記載の装置。
5. 前記少なくとも１つのエネルギー抽出装置は、前記燃焼室の前記点火区画に近接している前記燃焼室の端部に作動的に連結されている、請求項１に記載の装置。
6. 複数の燃焼室を更に含んでおり、前記少なくとも１つのエネルギー抽出装置は、前記複数の燃焼室に作動的に連結されており、前記複数の燃焼室内の可燃性混合物の燃焼からエネルギーを抽出するように構成されている、請求項１に記載の装置。
7. 前記複数の燃焼室のそれぞれを選択的に作動させるために、前記複数の燃焼室に作動的に連結されている燃焼制御システムを更に備えている、請求項６に記載の装置。
8. 前記可燃性混合物の燃焼からのエネルギーを前記少なくとも１つのエネルギー抽出装置に送るために前記燃焼室の側面に形成されている複数のエネルギー放出ポートを更に備えている、請求項１に記載の装置。
9. 前記エネルギー抽出装置は、前記可燃性混合物の燃焼からのエネルギーによって駆動されるように構成され、前記燃焼室に作動的に連結されているピストンを含んでいる、請求項１に記載の装置。
10. 前記ピストンは、発電機、流体ポンプ、油圧ポンプ、空圧ポンプ及び機械的変換器から成るグループから選択される動力装置に作動的に連結されている、請求項９に記載の装置。
11. 前記エネルギー抽出装置は、タービン、スラストノズル及び圧力室から成るグループから選択される、請求項１に記載の装置。
12. 前記燃焼室に作動的に連結され、前記燃料と酸化剤が前記燃焼室に入る速度を制限するよう構成されている流れ制限装置を更に備えている、請求項１に記載の装置。
13. ａ）前記燃焼室に緩衝材料を導入するように構成され、前記燃焼室に作動的に連結されされている第３供給システムを更に備えており、
    ｂ）前記燃焼室は、前記可燃性混合物と前記緩衝材料を供給し、同時に前記室を層状に充填するように構成されている、請求項１に記載の装置。
14. 前記燃焼室の内径に隣接する環状経路内で前記燃焼室を前記緩衝材料で充填するように構成され、前記第３供給システムと前記燃焼室の中間に作動的に連結されている環状入口ポートを更に備えている、請求項１３に記載の装置。
15. 前記燃焼室の長さの、前記燃焼室の内径に対する割合は、５：１より大きい、請求項１に記載の装置。
16. 前記燃焼室の長さは１５ｃｍ未満である、請求項１に記載の装置。
17. ａ）入口区画から、少なくとも１つの燃焼管を可燃性混合物で充填する段階と、
    ｂ）前記可燃性混合物を、前記入口区画から前記燃焼管の長さに沿って変位されている点火器を使って前記管の点火区画で点火し、燃焼が前記点火区画から離れて前記管を通って進む段階と、
    ｃ）少なくとも１つのエネルギー抽出装置を使って、前記可燃性混合物の燃焼からエネルギーを抽出する段階と、から成るエネルギーを抽出する方法。
18. 前記可燃性材料を燃焼させる段階は、前記可燃性材料を超音速燃焼速度で燃焼させる段階を含んでいる、請求項１７に記載の方法。
19. 前記可燃性混合物の燃焼からエネルギーを抽出する段階は、前記燃焼管の側面からエネルギーを抽出する段階を含んでいる、請求項１７に記載の方法。
20. 前記可燃性材料の燃焼からエネルギーを抽出する段階は、前記燃焼管の端部からエネルギーを抽出する段階を含んでいる、請求項１７に記載の方法。
21. 前記少なくとも１つの燃焼管を可燃性混合物で充填し、前記可燃性混合物に点火する段階は、複数の燃焼管を選択的に充填し、点火する段階を含んでいる、請求項１７に記載の方法。
22. 前記可燃性材料の燃焼からエネルギーを抽出する段階は、ピストンを使ってエネルギーを抽出する段階を含んでいる、請求項１７に記載の方法。
23. 前記ピストンによって抽出されたエネルギーを、電気、流体的動力及び機械的動力から成るグループから選択される代替形態に変換する段階を更に含んでいる、請求項２２に記載の方法。
24. 前記可燃性材料の燃焼からエネルギーを抽出する段階は、タービン、スラストノズル及び圧力室から成るグループから選択される二次的動力出力を使ってエネルギーを抽出する段階を含んでいる、請求項１７に記載の方法。
25. 流れ制限装置を使って前記可燃性混合物の前記燃焼管への流量を制限する段階を更に含んでいる、請求項１７に記載の方法。
26. 前記燃焼管を緩衝材料と前記可燃性混合物で同時に層状に充填する段階を更に含んでいる、請求項１７に記載の方法。
27. ａ）ｉ）可燃性材料用の入口を含む入口区画と、
    ｉｉ）前記可燃性材料に点火するために前記入口区画から前記管の長さに沿って変位されている点火器を含む点火区画と、を有する細長い燃焼管と、
    ｂ）前記可燃性混合物の燃焼からエネルギーを抽出するように構成され、前記燃焼管に作動的に連結されている少なくとも１つのエネルギー抽出装置と、を備えている燃焼装置。
28. 前記燃焼管は、前記入口区画から前記点火区画に向けて前記可燃性材料で充填されるように構成されており、燃焼は、前記点火区画から離れて前記燃焼管を通って進む、請求項２７に記載の装置。
29. 前記燃焼管の前記入口区画に隣接する部位に、それぞれ作動的に連結されている第１供給システムと第２供給システムを更に備えており、前記第１供給システムは燃料を前記燃焼室に供給するように構成されており、前記第２供給システムは酸化剤を前記燃焼室に供給するよう構成されており、前記燃料と酸化剤は、結合して可燃性混合物を形成する、請求項２７に記載の装置。
30. 燃焼は、前記点火区画から離れて前記燃焼管を通って超音速燃焼速度で進む、請求項２７に記載の装置。
31. 前記燃焼管の内側表面は表面凹凸を含んでおり、前記燃焼管を通る前記可燃性材料の乱流化を促進し、それによって前記可燃性材料の燃焼速度を高める、請求項２７に記載の装置。
32. 前記少なくとも１つのエネルギー抽出装置は、前記燃焼管の側面に作動的に連結されている、請求項２７に記載の装置。
33. 前記少なくとも１つのエネルギー抽出装置は、前記燃焼管の端部に作動的に連結されている、請求項２７に記載の装置。
34. 複数の燃焼管を更に備えており、前記少なくとも１つのエネルギー抽出装置は、前記複数の燃焼管に作動的に連結され、前記複数の燃焼管内の前記可燃性混合物の燃焼からエネルギーを抽出するように構成されている、請求項２７に記載の装置。
35. 前記複数の燃焼管のそれぞれを選択的に作動させるため前記複数の燃焼管に作動的に連結されている燃焼制御システムを更に備えている、請求項３４に記載の装置。
36. 前記可燃性混合物の燃焼からのエネルギーを前記少なくとも１つのエネルギー抽出装置に送るように構成され、前記燃焼管の側面に形成されている複数のエネルギー放出ポートを更に備えている、請求項２７に記載の装置。
37. 前記エネルギー抽出装置は、前記可燃性混合物の燃焼からのエネルギーで駆動されるように構成され、前記燃焼管に作動的に連結されているピストンを含んでいる、請求項２７に記載の装置。
38. 前記ピストンは、発電機、流体ポンプ、油圧ポンプ、空圧ポンプ及び機械的変換器から成るグループから選択される動力装置に作動的に連結されている、請求項３７に記載の装置。
39. 前記エネルギー抽出装置は、タービン、スラストノズル及び圧力室から成るグループから選択される、請求項２７に記載の装置。
40. 前記燃料と酸化剤が前記燃焼管に入る速度を制限するように構成され、前記燃焼管に作動的に連結されている流れ制限装置を更に備えている、請求項２７に記載の装置。
41. ａ）前記燃焼管に緩衝材料を導入するよう構成され、前記燃焼管に作動的に連結されている第３供給システムを更に備えており、
    ｂ）前記燃焼管は、前記可燃性混合物と緩衝材料を供給し、同時に前記管を層状に充填するように構成されている、請求項２７に記載の装置。
42. 前記第３供給システムと前記燃焼管の中間に作動的に連結されている環状入口ポートを更に備えており、前記環状入口ポートは、前記燃焼管を、前記燃焼管の内径に隣接している環状経路に沿って前記緩衝材料で充填するように構成されている、請求項４１に記載の装置。
43. 前記燃焼管の長さの、前記燃焼管の内径に対する割合は、５：１より大きい、請求項２７に記載の装置。
44. 前記燃焼管の長さは１５ｃｍ未満である、請求項２７に記載の装置。
45. ａ）可燃性材料を受け入れて燃焼させるよう構成され、入口区画と前記入口区画から管の長さに沿って変位されている点火区画とを有している細長い燃焼管と、
    ｂ）前記可燃性材料に点火するために、前記点火区画で前記燃焼管に作動的に連結されている点火器と、
    ｃ）長い期間に亘って大量のエネルギーを抽出するために前記可燃性材料の燃焼によって駆動される、前記燃焼管に作動的に連結されている一次エネルギー抽出装置と、
    ｄ）前記一次エネルギー抽出装置に比べると短い期間に亘って少量のエネルギーを抽出するために前記可燃性材料の燃焼によって駆動される、前記燃焼管に作動的に連結されている二次エネルギー抽出装置と、を備えている燃焼装置。
46. 燃焼は、前記点火区画から離れて前記燃焼管を通って超音速燃焼速度で進む、請求項４５に記載の装置。
47. 前記燃焼管の内側表面は表面凹凸を含んでおり、前記燃焼管を通る前記可燃性材料の乱流化を促進し、それによって前記可燃性材料の燃焼速度を高める、請求項４５に記載の装置。
48. 前記二次エネルギー抽出装置は、前記可燃性混合物の燃焼からのエネルギーによって駆動されるように構成され、前記燃焼管に作動的に連結されているピストンを含んでいる、請求項４５に記載の装置。
49. 前記ピストンは、発電機、流体ポンプ、油圧ポンプ、空圧ポンプ及び機械的変換器から成るグループから選択される動力装置に作動的に連結されている、請求項４８に記載の装置。
50. 前記二次エネルギー抽出装置は、タービン、スラストノズル及び圧力室から成るグループから選択される、請求項４５に記載の装置。
51. 前記燃焼管の長さは、内燃機関のシリンダである、請求項４５に記載の装置。

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