JP2010534314A - 自由燃焼区画内での燃焼を向上させる装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、エネルギー熱変換器に空気を供給する空気供給アセンブリであって、空気入口開口と、空気出口開口と、空気入口開口と空気出口開口との間の空気流路内に配置された金属要素とからなり、金属要素を貫流した空気がエネルギー変換器内での燃焼のために使用されるときに、エネルギー変換器の熱効率が向上し、エネルギー変換器の燃料消費量が低減され、かつ／またはエネルギー変換器によって生み出される大気汚染が低減される空気供給アセンブリを提供する。本発明はさらに、エネルギー変換器の燃料消費量を低減させる方法およびエネルギー変換器によって生み出される大気汚染を低減させる方法であって、金属要素に空気を通すこと、およびエネルギー変換器内での燃焼のためにその空気を使用することからなる方法を提供する。

Description

本発明は自由燃焼区画内での燃焼を向上させる装置に関する。

燃焼段によって動作するエネルギー変換器は非常に長い間知られている。燃料のエネルギーの熱および／または機械エネルギーへの変換の効率を向上させ、変換器の動作中に生成される汚染の量を低減させる努力が長期にわたって続けられた。長年にわたって達成された大きな進歩にもかかわらず、変換効率および汚染量の改善が依然として求められている。燃焼を利用するエネルギー変換器は概略的に、図１に示されているようないくつかの主要ユニットからなる。図１は、燃焼を使用するエネルギー変換器の概略図である。空気供給ユニット１２によって空気を供給することができ、燃料供給ユニット１４によって燃料を供給することができる。燃料−空気供給ユニット１６内で、それらの空気および燃料を、混合するなどして互いに対して導入することができ、パワー・ユニット１８に供給することができる。パワー・ユニット１８では、それらの燃料および空気に点火され、または他の方法で燃料および空気が燃やされて、その結果、その固有エネルギーを熱および／または機械エネルギーに変換し、それらのエネルギーを、エネルギー変換器から、所望の任意の熱および／または機械消費体に出力することができる。加えて、変換器から排気ガスが出力される。

本発明としてみなされる主題を詳細に示し、本明細書の末尾に特許請求の範囲を明確に記載する。しかしながら、本発明は、構成と動作方法の両方、ならびに本発明の目的、特徴および利点に関して、以下の詳細な説明を添付図面とともに読むことにより最も良く理解することができる。

エネルギー変換器システムの概略図。 本発明のいくつかの実施形態に基づくエネルギー変換器システムの概略ブロック図。 本発明のいくつかの実施形態に基づくエネルギー変換器内でのエネルギー変換のために空気を供給する空気供給アセンブリの開位置の概略図。 本発明の実施形態に基づく空気供給アセンブリに含められる金属要素の例示的な概略図。 本発明の実施形態に基づく空気供給アセンブリに含められる金属要素の例示的な概略図。 変換器によって生み出される大気汚染を低減させ、かつ／または変換器の燃料消費量を低減させる、本発明のいくつかの実施形態に基づくエネルギー変換器の動作方法を示す概略流れ図。

図を単純にし、分かりやすくするため、図に示された要素は必ずしも均一の尺度では描かれていないことが理解される。例えば、分かりやすくするため、いくつかの要素の寸法が、他の要素に比べて誇張されていることがある。さらに、適当と考えられる場合には、対応する要素または類似の要素を示すために、図面間で参照符号が繰り返されることがある。

以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するために数多くの具体的な詳細が示される。しかしながら、これらの具体的な詳細がなくても本発明を実施できることを当業者は理解するであろう。また、本発明を不明瞭にすることがないように、よく知られた方法、手順および構成要素は詳述しなかった。

本発明の発明者らは、エネルギー変換動作を改善する新規のシステムおよび方法の研究中に、燃焼機関内への空気の経路内に金属要素を、金属要素の材料の上を横切って空気が流れるように置くことにより、燃料のエネルギーの熱および／または機械エネルギーへのエネルギー変換の効率、ならびに変換器によって出力されるパワーおよび／または熱が劇的に増大し、同時に、変換器から排出される汚染の量が劇的に低減することを見出した。

金属要素２００（図３に示す）またはその等価の代替物は、銅などの各種の種類の金属から製作することができ、銀、金などの他の材料の薄いコーティングを含み、または含まないことができる。次に図２を参照する。図２は、本発明のいくつかの実施形態に基づくエネルギー変換システム１００の概略ブロック図である。エネルギー変換システム１００は、空気供給アセンブリ２０、燃料供給ユニット１４および燃料−空気供給ユニット１６からなることができ、燃料−空気供給ユニット１６は、空気および燃料を互いに対して導入し、変換ユニット１８に空気−燃料を供給するために空気および燃料を受け取ることができる。空気供給アセンブリ２０は、空気入口部分２４、空気出口部分２６および金属要素２２からなることができる。金属要素２２は、空気入口部分２４と空気出口部分２６との間の空気流路内に配置することができる。空気入口部分２４および／または空気出口部分２６は、空気ダクト、空気フィルタを備えた空気ダクトなどを含むことができる。金属要素２２は例えば、金属網および／または金属線および／または金属層および／または金属薄板を、金属要素２２の部分の上を横切って空気が流れ、かつ／または金属要素２２の部分を空気が通り抜けることができるように含むことができる。

燃料供給ユニット１４は、燃料ポンプを備えまたは備えておらず、かつ／あるいは燃料流量調整器などを備えまたは備えていない燃料タンクとすることができる。燃料−空気供給ユニット１６は例えば、気化器、空気−燃料霧化器、熱調整器などとすることができる。空気は、空気供給アセンブリ２０を貫いておよび／または空気供給アセンブリ２０の上を横切って流れ、かつ／あるいは空気供給アセンブリ２０の中および／または上を通過して、燃料−空気供給ユニット１６に入ることができる。燃料−空気供給ユニット１６は空気と燃料とを混合し、かつ／または空気および燃料を互いに対して導入することができる。空気および燃料はそれぞれ、例えば空気供給アセンブリ２０および燃料供給ユニット１４から受け取ることができる。燃料−空気供給ユニット１６は、空気と燃料との混合物を変換ユニット１８に供給することができる。

いくつかの実施形態によれば、変換ユニット１８は、単一燃焼室、炉、オーブンなどとすることができる。変換ユニット１８は、この空気および燃料の供給を使用して、例えば供給された空気および燃料の燃焼、または点火により、機械および／または熱エネルギーを生成することができる。生成されるエネルギーは例えば、例えば車両、炉などのための熱エネルギーおよび／または機械的パワーとすることができる。このエネルギー変換過程の結果として、汚染性のガス、例えば排気ガスがエネルギー変換システム１００から環境へ排出されることがある。本発明の実施形態に基づく金属要素２２を貫いておよび／または金属要素２２上を横切って流れ、かつ／あるいは金属要素２２の中および／または上を通過した空気を、燃料−空気供給ユニット１６によって燃料と混合し、または燃料に導入し、変換ユニット１８による例えば燃焼過程でのエネルギー変換に対して使用すると、排出されるガスの汚染度を低下させることができる。さらに、同じ量の変換エネルギーを生成するのに、変換ユニット１８が、より少ない量の燃料しか必要とせず、例えば、燃料効率を高めることができ、燃料消費量を低減させることができる。

次に図３を参照する。図３は、金属要素２００を含む本発明のいくつかの実施形態に基づくエネルギー変換システムの空気供給アセンブリ１５０の概略図である。図を分かりやすくするため、空気供給アセンブリ１５０は「開」位置に描かれている。空気供給アセンブリ１５０は一般に、金属要素２００がアセンブリ内に囲われるように閉じられる。空気供給アセンブリ１５０は、空気入口開口１５３を有する入口部分１５２と、空気出口１５５を有する空気出口部分１５４とからなる。本発明の実施形態に従って形成され、設置された金属要素２００は、図３に示されているように、空気供給アセンブリ１５０を貫流し、かつ／または空気供給アセンブリ１５０を通り抜けた空気が、ほぼ垂直に金属要素２００を貫流することができるように空気供給アセンブリ１５０内に配置することができる。金属要素２００は、多くの各種の方式のうちの１つまたは複数の方式、ならびに空気流の方向に対する各種の角度および位置のうちの１つまたは複数の角度および位置で空気流路内に置くことができることは当業者には明らかであろう。金属要素２００は、金属網および／または金属線および／または金属層および／または金属薄板を、空気が金属要素２００の上を横切って流れ、かつ／または金属要素２００を通り抜けることができる適当な任意の配置で含むことができる。例えば、金属要素２００は、空気流に対する最小限の外乱で板の表面が空気流にさらされるよう空気流の方向に対して実質的に平行に、空気流路内に適切に置かれた１枚または数枚の薄い板を含むことができる。

次に図４Ａおよび４Ｂを参照する。図４Ａおよび４Ｂはそれぞれ、金属要素２００および３００の可能な２つの実施形態の詳細に示す概略図である。本発明はこの例に限定されないが、金属要素２００は、図４Ａに示されているような十字に組まれた金属線から形成され、金属線間に、第１の寸法「ｈ」および第２の寸法「ｗ」を有する全体に長方形の形状を形成する網とすることができる。いくつかのケースでは、第１の寸法「ｈ」と第２の寸法「ｗ」を等しくし、金属線間に正方形の空間を形成することができる。金属線間の空間の形状は、六角形、七角形、八角形、円形など、所望の任意の形態とすることができることに留意されたい。続いて、これらの空間を形成する網の形状は、空気の流れをごくわずかしか遮らず、かなり大量の空気流が金属要素２００の金属網と接触する限りにおいて、任意とすることができる。したがって、図３および４の金属要素２００は概要だけを示し、例示が目的である。本発明の他の実施形態では、金属要素を、管状の外ボディ３０２と成形されたマルチファセット空気導管３０４とからなる図４Ｂの要素３００のような要素とすることができる。本発明の他の実施形態では外ボディ３０２を省くことができる。空気導管３０４の上を横切って流れる空気流に対する空気導管３０４の遮断がわずかであり、空気導管３０４の上を横切って流れる大量の空気流が空気導管３０４と接触するオプションにさらされる限りにおいて、必要および／または希望に応じて、空気導管３０４のファセットの数およびファセットの具体的な形状を変更することができる。要素３００は各種の形状およびサイズを有することができ、それでもなお本発明の範囲内に留まることは、当業者には明らかであろう。

金属要素２００、３００は、各種の材料または各種の材料の組合せから製作することができる。金属要素２００、３００は例えば、固体銅、例えば厚さ８０マイクロメートルの金を積層した固体銅、金の固体バルクが存在する固体銅、銀および／またはパラジウムおよび／または白金のスズ層でコーティングされた銅、あるいは網に類似した他の物理的形状の上記全てを含むことができる。

本発明の発明者らは、エネルギー変換ユニットによって消費される空気が金属要素の上を横切って流れ、かつ／または金属要素を通り抜けるように、エネルギー変換システム１００の空気流路内に金属要素を挿入すると、燃料に蓄えられた化学内部エネルギーの例えば熱エネルギーへの変換の効率に関して、エネルギー変換ユニット１８の性能が向上し、金属要素２００、３００の構築にある種の金属またはある種の金属の組合せを使用すると、排出されるガス中の汚染されたガスの量が大幅に低下することを見出した。各種の炉および加熱器の動作に関し、各種の炉および加熱器の動作に反映する各種の条件で、本発明の実施形態に基づくエネルギー変換ユニット１８の性能を測定した。測定したパラメータは平均燃料消費量を含む。本発明のいくつかの実施形態に基づく各種のタイプのエネルギー変換システム１００の性能の測定結果を以下の表１に例示する。

次に表１を参照する。表１は、本発明の発明者らが実施した実験の結果を示す。表１は、所与の加熱システムについて、本発明の実施形態に基づく空気供給アセンブリ２０の金属要素２００を含む場合と含まない場合の加熱性能、全汚染粒子の含量、汚染されたガスの色相、それらの所与の炉の排気ガス中のＳＯ_２、ＮＯ_ｘおよびＣＯ含量を比較する。表１は、エネルギー変換器内に金属要素２００、３００が設置されたときのこれらのパラメータの向上を示す。表１は、右端の欄に記載された加熱器の測定結果を示す。炉ごとに、使用燃料のタイプが示されており、次いで上記のタイプの測定変量が対で示されている。右側には、それぞれの炉が金属要素２００、３００なし（ｗ／ｏ）で稼動したときに得られた結果が示されており、このようなそれぞれの欄の左側には、その炉が、金属要素２００、３００を付けて（ｗｉｔｈ）実質的に同じ条件で稼動したときに測定された結果が示されている。分譲アパートの加熱器Ａ、Ｂ、ＣおよびＤに関しては、ＳＯ_２、ＮＯ_ｘおよびＣＯを測定しなかった。

炉の加熱性能は、測定した各種の炉全てについて、金属要素２００、３００がある場合とない場合で、１から１０時間にわたって、必要な温度まで装置を加熱するのに要した時間の平均として測定した。炉のその他の性能パラメータは、Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ａｎａｌｙｚｅｒと呼ばれているオーラー（Ｏｈｌｅｒ）社製の測定ツール、タイプＡ５００を使用して測定した。このツールは、一酸化炭素（ＣＯ）（分解能１ｐｐｍ、精度＋／−５％）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、ＳＯ_２（分解能１ｐｐｍ）およびＮＯ_ｘ（分解能１ｐｐｍ）を測定するように適合されている。表１は加熱用に構築された１６個の各種の炉における燃料／空気混合物の熱への変換の結果を示す。表１から分かるとおり、全てのタイプの炉の実質的に全てのパラメータで性能の向上が見られ、その範囲は、低位の結果の１０％超から高位の結果の一部における６５％超までにわたる。

表１に示された性能は、図３に示されているように、空気入口アセンブリまたは空気入口アセンブリの近くに設置され、空気流の方向に実質的に垂直な空気フィルタ区画の断面と実質的に同じ外側寸法を有する金属網を使用して達成された結果を反映していることに留意されたい。

これらの各種のタイプの炉から、各種のタイプの試験パラメータに関して、各種の炉の熱エネルギー産生の効率が約１０％から約５０％向上することが明らかに示されている。排気ガス１立方メートルあたりの汚染粒子のミリグラム値で測定した全汚染は約２０％から約６６％の範囲で改善され、ＳＯ_２／ＳＯ_３、ＮＯ_ｘおよびＣＯに関して測定した特定の汚染は、ほとんどの場合、本発明の実施形態に基づくシステムを使用したとき（「ｗｉｔｈ」）の低減割合に相当する１０％から５０％の改善範囲にある。

次に図５を参照する。図５は、本発明の実施形態に基づく燃焼機関によって生み出される大気汚染を低減させ、かつ／または燃焼機関の燃料消費量を低減させるエネルギー変換システムの動作方法を示す概略流れ図である。本発明の実施形態に従って動作している内燃機関に空気が供給される（ブロック５０２）。金属要素の上を横切って流れ、かつ／または金属要素を通り抜け（ブロック５０４）、それにより金属要素の外面と接触するように、供給された空気が流される。金属要素を貫流した空気は次いで、エネルギー変換ユニット内での燃焼のために使用される（ブロック５０６）。

本明細書において、本発明のある種の特徴を示し、説明したが、当業者には、多くの修正、置換、変更および等価物が思い浮かぶであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に含まれるこのような全ての修正および変更をカバーすることが意図されている。

Claims (18)

1. エネルギー変換ユニットに空気を供給する空気供給アセンブリであって、
   空気入口開口と、
   空気出口開口と、
   該空気入口開口と該空気出口開口との間の空気流路内に配置された金属要素と
   からなり、
   該金属要素を貫流した空気が該エネルギー変換ユニット内での燃焼のために使用されるときに、該燃焼機関の燃料消費量が低減される
   空気供給アセンブリ。
2. 前記エネルギー変換ユニットによって生み出される大気汚染が低減される、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記金属要素が銅からなる、請求項１に記載のアセンブリ。
4. 前記金属要素が、金属網と金属マルチファセット金属導管とのうちの少なくとも一方からなる、請求項１に記載のアセンブリ。
5. 前記金属要素が金のラミネーションからなる、請求項１に記載のアセンブリ。
6. 前記金属要素が金属線からなる、請求項１に記載のアセンブリ。
7. 前記金属要素が、その少なくともいくつかの上を横切って前記空気が流れることを可能にする金属層からなる、請求項１に記載のアセンブリ。
8. 前記金属要素が多孔板からなる、請求項１に記載のアセンブリ。
9. 前記金属要素を貫流する空気が、前記金属要素の表面から酸素分子をドリフトする、請求項１に記載のアセンブリ。
10. 燃料消費量の前記低減の範囲が、標的温度に到達するまでの時間の約１０％から約５０％である、請求項１に記載のアセンブリ。
11. エネルギー変換ユニットに空気を供給する空気供給アセンブリであって、
    空気入口開口と、
    空気出口開口と、
    該空気入口開口と該空気出口開口との間の空気流路内に配置された金属要素と
    からなり、
    該金属要素を貫流した空気が燃焼機関内での燃焼のために使用されるときに、該燃焼機関によって生み出される大気汚染が低減される空気供給アセンブリ。
12. 前記エネルギー変換ユニットの燃料消費量が低減される、請求項１１に記載のアセンブリ。
13. 前記金属要素が、銅、銀、金、パラジウムおよび白金のうちの少なくとも１つからなる、請求項１１に記載のアセンブリ。
14. 前記金属要素が、金属網とマルチファセット金属導管とのうちの少なくとも一方からなる、請求項１１に記載のアセンブリ。
15. エネルギー変換ユニットの燃料消費量を低減させる方法であって、
    金属要素に空気を通すこと、および
    該エネルギー変換ユニット内での燃焼のために該空気を使用すること
    からなる方法。
16. 前記燃焼機関によって生み出される大気汚染が低減される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記金属要素が、銅、銀、金、パラジウムおよび白金のうちの少なくとも１つからなる、請求項１５に記載の方法。
18. 前記金属要素が、金属網とマルチファセット金属導管とのうちの少なくとも一方からなる、請求項１５に記載の方法。

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