JP2014506666A - 電界を燃焼容積に印加するシステム及び装置 - Google Patents

Abstract

実施の形態に基づいて、燃焼容積の燃焼は、少なくとも２つの順次印加される非平行電界によって影響を受ける。実施の形態に基づいて、燃焼容積は、少なくとも３つの個々に変調可能な電極を備える。実施の形態に基づいて、燃焼容積用の電界印加装置は、危険を軽減又は取り除く安全装置を含む。

Description

電界は、火炎に印加することができる。火炎は、その挙動を変えることによって、例えばその発熱率を増加させることによって、反応することができる。

実施の形態に基づくシステムは、火炎の近傍又は中を通る複数の電界軸を備えていてもよい。

実施の形態に基づく２つより多い複数の電極は、火炎を通る又はその近傍に２つより多い複数の電界軸を選択的に形成することができる。実施の形態に基づく選択可能な電界軸の少なくとも１つは、選択可能な電界軸の他の少なくとも１つに対して、傾いていてもよく、平行又は逆平行でなくてもよい。

実施の形態に基づくコントローラは、燃焼容積内で電界配置を順次選択することができる。２つより多い複数の電極駆動装置は、燃焼容積内に連続した電界配置を駆動することができる。実施の形態に基づくコントローラは、ある周期率で連続した電界配置を駆動することもできる。

実施の形態に基づく複数の電界変調状態は、約１２０Ｈｚ以上の周期的な周波数で順次発生してもよい。実施の形態に基づく複数の電界変調状態は、約１ｋＨｚ以上の変化の周波数で順次発生してもよい。

実施の形態に基づく燃焼容積の電界状態の変調周波数は、燃料供給量、空気流量、所望のエネルギ出力率又は他の所望の操作パラメータの関数として変えることができる。

実施の形態に基づくアルゴリズムを用いて、電界変調状態の１つ以上の順序の１つ以上の特性を決定することができる。アルゴリズムは、入力変数及び／又は検出変数の関数であってもよい。入力変数は、燃料供給量、空気流量、所望のエネルギ出力率及び／又は他の操作パラメータを含んでいてもよい。

実施の形態に基づく電界コントローラは、燃焼容積における連続した電界変調状態を、入力変数及び／又は検出変数の関数として決定するファジー論理回路を含んでいてもよい。入力変数は、燃料供給量、空気流量、所望のエネルギ出力率及び／又は他の操作パラメータを含んでいてもよい。

実施の形態に基づく関連システムは、方法の実施の形態を実現する回路及び／又はプログラミングを含むが、それらに限定されない。システム設計者は、好みに基づいて、ハードウェア、ソフトウェア及び／又はファームウェアを組み合わせることができる。

実施の形態に基づいて、時間的に変化する電界が印加される燃焼容量を示す図である。

実施の形態に基づいた、図１に対応する燃焼容積の第１の時刻における電界を示す図である。

実施の形態に基づいた、図１に対応する燃焼容積の第２の時刻における電界を示す図である。

実施の形態に基づいた、図１に対応する燃焼容積の第３の時刻における電界を示す図である。

実施の形態に基づいて、燃焼容量を横切って時間的に変化する電界を印加するシステムの構成を示すブロック図である。

実施の形態に基づいて、燃焼容積を横切って時間的に変化する電界を印加するシステムの構成を示すブロック図である。

実施の形態に基づいて、電極変調を制御するタイミングチャートである。

実施の形態に基づいて、電極変調を制御する波形を示す図である

実施の形態に基づいて、電極変調を制御する波形を示す図である。

以下、明細書の一部を構成する添付の図面を参照して、詳細に説明する。詳細な説明で明記しない限り、図面において、同様の記号は、一般的に同様の部品を表す。本発明は、詳細な説明、図面及び請求の範囲に記載した具体例に限定されるものではない。開示の精神又は範囲から逸脱することなく、他の実施の形態を用いることができ及び／又は、他の変更を行うことができる。

図１は、実施の形態に基づいて、時間的に変化する電界を燃焼容積１０３に印加するシステム１０１による燃焼容積１０３を示す図である。バーナノズル１０２は、火炎１０４を燃焼容積１０３内に維持する。例えば、燃焼容積１０３は、ボイラ、例えば水管ボイラ又は煙管ボイラ、温水タンク、燃焼加熱炉、オーブン、煙道、排気管、ガスコンロ又は同等なものの一部を形成することができる。

少なくとも３つの電極１０６、１０８、１１０は、燃焼容積１０３の近傍に又は中に配置され、電極に電圧信号を印加することにより、バーナノズル１０２によってその中に維持される火炎１０４の近傍の又はそれを貫通する電界を、燃焼容積１０３を横切って形成することができる。電極１０６、１０８、１１０は、対応するリード線１１２、１１４、１１６によってそれぞれ励起されてもよく、コントローラ及び／又は増幅器（図示せず）から電圧信号が供給されてもよい。

バーナノズル１０２は、簡単な中空円筒として示しているが、幾つかの他の実施の形態も考えることができる。バーナ１０２及び電極１０６、１０８、１１０は、それぞれの形状及び幾何学的関係で示しているが、他の幾何学的関係及び形状も考えることができる。例えば、電極１０６、１０８、１１０は、円筒形以外の形状にしてもよい。幾つかの実施の形態に基づいて、バーナノズル１０２は、電極の１つを形成するために、励起してもよい。幾つかの実施の形態に基づいて、複数のノズル１０２により、燃焼容積１０３内に複数の火炎１０４を維持してもよい。

実施の形態に基づいて、第１の複数の電極１０６、１０８、１１０は、少なくとも１つの火炎の近傍の又はそれを貫通する第２の複数の電界軸を、燃焼容積１０３を横切って維持することができる。実施例１０１に基づいて、１つの電界軸は、電極１０６と電極１０８間に形成することができる。他の電界軸は、電極１０８と電極１１０間に形成することができる。他の電界軸は、電極１０６と電極１１０間にも形成することができる。

用途に応じて、図１の具体例は、尺度を大幅に変えることができる。例えば、比較的小さなシステムでは、バーナ１０２の内径は、約１ｃｍであってもよく、電極１０６、１０８、１１０間の距離は、約１．５ｃｍであってもよい。例えば、幾分大きなシステムでは、バーナ１０２の内径は、約１．７５ｉｎであってもよく、電極間の距離は、約３．２５ｉｎであってもよい。バーナの大きさと電極間隔との間には、他の寸法及び比率が考えられる。

実施の形態に基づいて、アルゴリズムは、連続した電圧を電極１０６、１０８、１１０に供給することができる。アルゴリズムは、連続した略一定の電界状態を形成してもよく、あるいは連続した可変の電界状態を形成してもよく、利用できる電極の可変設定等を用いてもよい。様々な連続した電界状態を形成する様々なアルゴリズムが考えられるが、３つの具体的な電極１０６、１０８、１１０の簡単な連続した電界を図２Ａ〜２Ｃに示す。

図２Ａは、実施の形態に基づき、第１の時刻に、電極１０６と電極１０８間に少なくとも一瞬形成される公称電界２０４の配置２０２を示す図である。電界２０４は、電極１０６が正電位に維持され、電極１０８が負電位に維持されているように表されており、燃焼容積１０３内の電子及び他の負荷電化学種は、電極１０８から離れて電極１０６の方に流れる傾向がある。同様に、燃焼容積１０３内の正イオン及び他の正荷電化学種は、電極１０６から離れて電極１０８の方に流れる傾向がある。

燃焼容積１０３内の火炎１０４は、様々な荷電及び非荷電化学種を含むことができる。例えば、電界に反応する可能性がある荷電化学種は、電子、陽子、負荷電イオン、正荷電イオン、負荷電粒子、正荷電粒子、負荷電燃料蒸気、正荷電燃料蒸気、負荷電燃焼生成物、正荷電燃焼生成物等を含むことができる。このような荷電化学種は、様々な位置に、燃焼プロセスの様々な時点で存在することができる。さらに、燃焼容積１０３及び／又は火炎は、非電荷燃焼生成物、不燃焼燃料及び空気を含む可能性がある。火炎内に通常存在する荷電化学種は、一般的に、火炎を高導電性にする。火炎１０４の外側の燃焼容積１０３の領域は、比較的非導電性である可能性がある。したがって、火炎１０４の存在下において、公称電界２０４は、火炎１０４内の負荷電化学種を、電極１０６の近傍の火炎１０４の容積の方に引き付け、火炎１０４内の正荷電化学種を、電極１０８の近傍の火炎１０４の容積の方に引き付けるように表すことができる。

他の影響を無視すると、正化学種を、電極１０８の近傍の火炎１０４の部分の方に引き付けることは、電極１０８の近傍の火炎１０４の質量密度を高めるのに役立つことができる。また、電界を火炎に印加することにより、燃焼率及び完全燃焼の可能性を高めることが知られている。

図２Ｂは、実施の形態に基づき、第２の時刻に、電極１０８と電極１１０間に少なくとも一瞬形成される公称電界２０８の配置２０６を示す図である。電界２０８は、電極１０８が正電位に維持され、電極１１０が負電位に維持されているように表されており、燃焼容積１０３内の負荷電化学種は、電極１１０から離れて電極１０８の方に流れる傾向があり、燃焼容積１０３内の正化学種は、電極１０８から離れて電極１１０の方に流れる傾向がある。

図２Ａの説明と同様に、燃焼容積１０３内の火炎１０４内の正化学種は、電極１１０の近傍の火炎の容積の方に引き付けられることになり、火炎２０４内の負荷電化学種は、電極１０８の近傍の火炎の容積の方に引き付けられることになる。これは、電極１０８及び／又は電極１１０の近傍の火炎１０４の質量密度を高めるのに役立つことができる。

図２Ａの電界配置２０２を適用した後、直ちに図２Ｂの電界配置２０６を適用した場合、高い質量密度の正荷電化学種は、電極１０８の近傍の火炎１０４の領域から、電極１１０の近傍の火炎１０４の領域に移動し、火炎１０４内の少なくとも正荷電化学種は、燃焼の加速を伴って、時計回りの回転を起こすのに役立つことができる。正化学種の相対的存在率、相対的質量及び／又は相対的ドリフト速度が、負化学種のそれよりも高い場合、電界配置２０２、２０６を比較的速く遷移させることは、火炎１０４の時計回りの方向の正味の回転又は渦を起こすのに役立つことができる。あるいは、負化学種の相対的存在率、相対的質量及び／又は相対的ドリフト速度が、正化学種のそれよりも高い場合、電界配置２０２、２０６を比較的速く遷移させることは、火炎１０４の反時計回りの方向の正味の回転又は渦を起こすのに役立つことができる。

図２Ｃは、実施の形態に基づき、第３の時刻に、電極１１０と電極１０６間に少なくとも一瞬形成される電界２１２の配置２１０を示す図である。電界２１２は、電極１１０が正電位に維持され、電極１０６が負電位に維持されているように表されている。それに応じて、燃焼容積１０３の負荷電化学種は、電極１１０から離れて電極１０８の方に流れる傾向があり、燃焼容積１０３の正化学種は、電極１０８から離れて電極１１０の方に流れる傾向がある。

図２Ａ、２Ｂの説明と同様に、燃焼容積１０３内の火炎１０４内の正化学種は、電極１０６の近傍の火炎の容積の方に引き付けられることになり、火炎２０４内の負荷電化学種は、電極１１０の近傍の火炎の容積の方に引き付けられることになる。これは、電極１０６及び／又は電極１１０の近傍の火炎１０４の質量密度を、正及び負の荷電化学種の相対的存在率、質量及びドリフト速度に従い、高めるのに役立つことができる。図２Ｂの電界配置２０６を適用した後、直ちに図２Ｃの電界配置２１０を適用した場合、高い質量密度は、電極１１０の近傍の火炎１０４の領域から、電極１０６の近傍の火炎の領域に移動し、火炎１０４内の正化学種は、燃焼の加速を伴って、時計回りの回転を起こし、負化学種は、反時計回りの回転を起こすのに役立つことができる。正及び負の化学種の相対的質量、相対的存在率及び相対的ドリフト速度に従い、これは、時計回り又は反時計回りの渦を起こすのに役立つことができる。

実施の形態に基づいて、例えば化学種の場反発運動が正荷電化学種によって支配されているとき、公称電界２０４、２０８、２１２の連続した反復印加は、火炎１０４が火炎内に時計回りの渦、すなわちボルテックス効果を発生するのを促進するのに役立つことができる。さらに、このような連続した電界印加は、相補的反応物質の常流に対して、反応物質を露出するのに役立つことができ、反応物質間の衝突確率を増加させ、反応速度論に対する拡散に関連した限界を下げる。拡散限界を下げることは、反応速度を増加させるのに役立つことができ、さらに、発熱出力を増加させ、したがって、反応速度を更に増加させる。温度を上げ、反応速度を高めることは、炎色反応をより完全なものに推進するのに役立つことができ、燃焼容積１０３から出る他の一部の反応生成物、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、未燃焼燃料等に対する二酸化炭素（Ｃ０_２）の相対的割合を高める。したがって、最終的な反応進行度をより高めることにより、熱出力を高め、及び／又は所定の熱出力に対する燃料消費量を低減することができる。

他の実施の形態に基づいて、例えば化学種の場反発運動が負荷電化学種によって支配されているとき、公称電界２０４、２０８、２１２の連続した反復印加は、火炎１０４が火炎内に反時計回りの渦、すなわちボルテックス効果を発生するのを促進するのに役立つことができる。

図１及び図２Ａ〜２Ｃに示す電極配置及び電界の順序は、３つの電極１０６、１０８、１１０及び３つの電界軸２０４、２０８、２１２の比較的簡単な配置を用いた実施の形態として示しているが、幾つかの実施の形態及び幾つかの応用に対しては、他の配置が好ましい場合もある。例えば、３つ以上の電極間に、電界が同時に存在してもよい。電極の数は、大幅に増やしてもよい。電界切換のタイミングは、変えることができ、一定でない間隔としてもよく、可変電位としてもよく、フィードバック制御等によって通知されてもよい。電極の配置は、例えば燃焼室の壁に組み込むことによって、燃焼室の壁の後に配置すること等によって、大幅に変更することができる。さらにまた、例えばバーナノズルに対して幾つかの電極を近くに、他の電極を遠くに配置することによって、電極は、電界の角度が複数の面内で変わるように配置することもできる。他の実施の形態において、所定の電極は、１つの状態（例えば正又は負）と無電位とに限定してもよい。他の実施の形態において、全ての電極は、１つの状態（例えば正又は負）と無電位とに限定してもよい。

図３は、実施の形態に基づいて、燃焼容積を横切って時間的に変化する電界を印加するシステム３０１の構成を示すブロック図である。電子コントローラ３０２は、複数の電極１０６、１０８、１１０を駆動する複数の時間的に変化する波形を発生する。波形は、コントローラ３０２の一部を構成するシーケンサ（図示せず）によって、少なくとも部分的に形成されてもよい。シーケンサは、ソフトウェアアルゴリズム、状態機械等から構成することができ、出力ノード３０６に接続されている。波形は、１つ以上の信号線３０６によって増幅器３０４に送られる。増幅器３０４は、波形を、それぞれの電極リード線１１２、１１４、１１６によって電極１０６、１０８、１１０を励起するそれぞれの電圧に増幅する。

実施の形態に基づいて、波形は、コントローラ３０２によって、一定の周波数で発生してもよい。実施の形態に基づいて、一定の周波数は、固定されていてもよく、あるいは選択可能であってもよい。他の実施の形態に基づいて、波形は、一定でない周波数で発生してもよい。例えば、一定でない周期又は周期の分割により、スペクトラム拡散場順序を形成するのを促進することができ、共振条件又は他の干渉問題を避けるのに役立つことができる。

具体的な実施の形態に基づいて、電極駆動波形は、約１ｋＨｚで発生してもよい。他の実施の形態に基づいて、電極駆動波形は、約１０ｋＨｚに対応する周期で発生してもよい。他の実施の形態に基づいて、電極駆動波形は、約２０ｋＨｚで発生してもよい。具体的な実施の形態に基づいて、増幅器３０４は、電極１０６、１０８、１１０を約９００Ｖで駆動してもよい。他の実施の形態に基づいて、増幅器３０４は、電極１０６、１０８、１１０を約＋４５０Ｖと約−４５０Ｖで駆動してもよい。どこかで述べたように、周期の一部において、１つ以上の電極１０６、１０８、１１０に対する回路をオープンにして、その電圧を「フローティング」にしてもよい。

幾つかの実施の形態に基づいて、電極１０６、１０８、１１０の電界周波数及び／又は電圧を設定又は変更し、及び／又はセンサフィードバック、例えば火炎関連、電界関連、又は他のパラメータの安全保護装置又は測定装置を備えることが望ましい場合がある。図４は、少なくとも１つの燃焼又は電界のパラメータ及び／又は少なくとも１つのセンサ入力を受信又は送信するシステム４０１の構成を示すブロック図である。他の実施の形態に基づいて、システム４０１は、電極１０６、１０８、１１０間に燃焼容積を横切って、時間的に変化する電界を、少なくとも１つの燃焼パラメータ及び／又は少なくとも１つのセンサ入力の関数として応答可能に印加することができる。例えば、電界状態及び／又は電極電圧の変調周波数は、燃料供給量、所望のエネルギ出力率又は他の所望の操作パラメータの関数として変えることができる。

コントローラ３０２は、例えばデータ通信バス４０６によって、パラメータ通信モジュール４０２及びセンサ入力モジュール４０４のうちの１つ以上に接続することができる。パラメータ通信モジュール４０２は、コントローラ３０２によって用いられるソフトウェア、ファームウェア等を更新する機能を備えていてもよい。そのような更新は、ルックアップテーブル及び／又はアルゴリズムの更新を含んでいてもよく、例えば、前のシステム測定等によって学習されたモデリングによって決定することができる。さらに、パラメータ通信モジュール４０２を用いて、略リアルタイムの動作パラメータをコントローラ３０２に通信することができる。さらに、パラメータ通信モジュール４０２を用いて、動作状態、故障状態、ファームウェア又はソフトウェアのバージョン、センサ値等をコントローラ３０２から外部システム（図示せず）に通信することもできる。

センサ入力モジュール４０４は、検出値を、データ通信バス４０６を介してコントローラ３０２に供給することができる。センサ入力モジュール４０４から供給された検出値は、外部システムによって検出されない、したがって、パラメータ通信モジュール４０２によって利用できないパラメータを含んでいてもよい。あるいは、センサ入力モジュール４０４から供給される検出値は、また、パラメータ通信モジュール４０２によって外部システムから報告されるパラメータを含んでいてもよい。

パラメータ、例えば燃料流量、煙道ガス温度、煙道ガス光学濃度、燃焼容積温度、燃焼容積輝度、燃焼容積イオン化、１つ以上の電極の近傍のイオン化、燃焼容積オープン、燃焼容積メンテナンスロックアウト、電気故障等は、パラメータ通信モジュール４０２、センサ入力モジュール４０４から、及び／又は増幅器３０４を通してフィードバックにより、コントローラ３０２に通信することができる。

電極１０６、１０８、１１０に対する電圧駆動は、安全条件状態が生じた場合、及び／又はパラメータ通信モジュール４０２を介して手動運転停止コマンドが受信された場合、停止することができる。同様に、システム４０１の故障状態は、外部システムに通信することができ、外部システムは、燃料の停止を強制し、さもなければ安全な状態に入る。

コントローラは、電極１０６、１０８、１１０を駆動する波形を、受信パラメータ、フィードバック及び検出値（まとめて「パラメータ」という）に応じて、決定することができる。例えば、パラメータは、任意に、組み合わせられ、比較され、微分され、積分等されてもよい。パラメータ又はパラメータの組合せは、制御アルゴリズム、例えばアルゴリズム計算、テーブルルックアップ、比例積分微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズム、ファジー論理又は波形パラメータを決定する他の機構に入力することができる。決定された波形パラメータは、例えば、電極１０６、１０８、１１０の選択、電極１０６、１０８、１１０の順序、波形の周波数又は周期、電極１０６、１０８、１１０の電圧等を含んでいてもよい。

パラメータは、例えば、燃焼容積からの熱出力を最大にするような、燃焼容積の反応進行度を最大にするような、燃焼容積からの煙道ガスの浄化を最大にするような、燃焼容積からの汚染物質の排出を最少にするような、燃焼容積の温度を最高にするような、燃焼容積のターゲット温度を満たすような、燃焼容積内の火炎からの輝度出力を最小にするような、燃焼容積内の火炎の所望のフリッカを達成するような、燃焼容積内の火炎からの輝度出力を最大にするような、燃費効率を最大にするような、出力を最大にするような、メンテナンス問題を補償するような、システム寿命を最大にするような、燃料のバラツキを補償するような、燃料源を補償するような等の反応変数の最適化に基づいて、決定することができる。

実施の形態に基づいて、コントローラ３０２によって生成された波形は、１つ以上の専用波形伝送ノード３０６によって、増幅器３０４に送信することができる。あるいは、波形は、データバス４０６によって送信されてもよい。増幅器３０４は、専用のノード３０６によって、状態、同期、故障又は他のフィードバックを供給することができ、あるいは、状態を、データバス４０６によって、コントローラ３０２及び／又はパラメータ通信モジュール４０２に通信してもよい。

図３、４のコントローラ３０２と増幅器３０４は、個別モジュールとして示しているが、それらは、統合することもできる。同様に、パラメータ通信モジュール４０２及び／又はセンサ入力モジュール４０４は、コントローラ３０２及び／又は増幅器３０４と統合されてもよい。

図５は、波形の具体的な組をタイミングチャート５０１の形で示し、実施の形態に基づいて、電極１０６、１０８、１１０の変調をそれぞれ制御する波形５０２、５０４、５０６を示している。それぞれの波形５０２、５０４、５０６は、時刻を示す水平軸に沿って、相互に記載されて示され、それぞれは高電圧Ｖ_Ｈ、接地状態０、低電圧Ｖ_Ｌ間を変化するように示されている。実施の形態に基づいて、波形５０２、５０４、５０６は、電極１０６、１０８、１１０に供給される通電パターンにそれぞれ対応している。

電圧Ｖ_Ｈ、０、Ｖ_Ｌは、コントローラ３０２から１つ以上の増幅器駆動線３０６によって、増幅器３０４に供給される比較的低い電圧を表してもよい。同様に、電圧Ｖ_Ｈ、０、Ｖ_Ｌは、増幅器３０４からそれぞれの電極駆動線１１２、１１４、１１６によって、それぞれの電極１０６、１０８、１１０に供給される比較的高い電圧を表してもよい。波形５０２、５０４、５０６は、周期Ｐを有する周期的パターンで繰り返されてもよい。周期Ｐの第１の期間５０８において、波形５０２は電極１０６をハイに駆動し、一方、波形５０４は電極１０８をローに駆動し、そして、波形５０６は電極１１０を中間電圧に駆動する。あるいは、波形５０６の期間５０８（及び他の波形５０２、５０４の対応する中間状態）は、電極電位がフローティングするように、電極駆動をオープンにすることを表してもよい。

波形の期間５０８は、図２Ａに示す電界状態２０２に対応する。すなわち、Ｖ_Ｈが電極１０６に印加され、一方、Ｖ_Ｌが電極１０８に印加されて、電極１０６と電極１０８間に理想的な電界２０４が形成される。電極１１０は、それと他の電極間の電界は減少され、あるいは実質的に発生されないように、フローティングになるのを許されるか、あるいは中間の電位を維持するかのどちらかである。

周期Ｐの第２の期間５１０において、波形５０２は、電極１０６がオープン状態に維持されて、「フローティング」となり、あるいは中間電圧に駆動されることを表し、一方、波形５０４は、電極１０８をハイ、すなわちＶ_Ｈに駆動し、波形５０６は、電極１１０を低電圧Ｖ_Ｌに駆動する。波形の期間５１０は、図２Ｂに示す電界状態２０６に対応する。すなわち、Ｖ_Ｈが電極１０８に印加され、一方、Ｖ_Ｌが電極１１０に印加されて、電極１０８と電極１１０間に理想的な電界２０８が形成される。電極１０６は、それと他の電極間の電界は減少され、あるいは実質的に発生されないように、フローティングになるのを許されるか、あるいは中間の電位を維持するかのどちらかである。

周期Ｐの第３の期間５１２において、波形５０４は、電極１０８がオープン状態に維持されて、「フローティング」となり、あるいは中間電圧に駆動されることを表し、一方、波形５０６は、電極１１０をハイ、すなわちＶ_Ｈに駆動し、波形５０２は、電極１０６を低電圧Ｖ_Ｌに駆動する。波形の期間５１２は、図２Ｂに示す電界状態２１０に対応する。すなわち、Ｖ_Ｈは電極１１０に印加され、一方、Ｖ_Ｌが電極１０６に印加されて、電極１１０と電極１０６間に理想的な電界２１２が形成される。電極１０８は、それと他の電極間の電界は減少され、あるいは実質的に発生されないように、フローティングになるのを許されるか、あるいは中間電圧を維持するかのどちらかである。次の期間５０８に進み、周期的パターンが繰り返される。

タイミングチャート５０１の波形５０２、５０４、５０６は、周期Ｐのそれぞれの期間５０８、５１０、５１２が長さで略等しく表されているが、周期は、例えば共振挙動を低減するために、燃焼容積１０３の形状の変動に対応するためために、その他のために、多少変化あるいは調整することができる。さらに又はあるいは、周期Ｐは、長さにおいて変化されてもよい。同様に、電圧レベルＶ_Ｈ、０、Ｖ_Ｌは互いに略等しく示されているが、また、それらは、電極毎、周期の期間毎、及び／又は周期毎に異なっていてもよい。

図５の波形５０１に戻って、周期の期間５０８における第１の時刻において、波形５０２に対応する電極と波形５０４に対応する電極間に電位差及び対応する電界が存在することが確認できる。これは、波形５０２が対応する電極を比較的高い電位に駆動し、波形５０４が対応する電極を比較的低い電位に駆動したからである。同時に、波形５０６が対応する電極の電位を中間の電位に駆動し、あるいは電極をフローティングにするために回路をオープンにしたので、波形５０２に対応する電極と波形５０６に対応する電極間の電界は減少され、あるいは実質的に形成されなくなる。同様に、周期の期間５１２に対応する第２の時刻において、波形５０２に対応する電極と波形５０６に対応する電極間に電位差及び対応する電界が存在するが、波形５０２に対応する電極と波形５０４に対応する電極間の電位差又は電界は減少され、あるいは実質的に存在しなくなる。

波形５０２、５０４、５０６が理想的な矩形波として示されているが、波形５０２、５０４、５０６の形状は様々であってもよく、例えば、前縁及び後縁は、電圧オーバーシュート又はアンダーシュートを示してもよく、前縁及び後縁は、例えば任意に加速を有する略一定のｄｌ／ｄｔ回路を適用することによって、緩やかに変化してもよく、あるいは、波形は、他の方法で、例えばサイン関数等を適用することによって、変更されてもよい。

図６は、他の実施の形態に基づいて、電極変調を制御する波形６０２、６０４、６０６を示すタイミングチャート６０１である。波形６０２、６０４、６０６は、例えば、図５の対応する波形５０２、５０４、５０６から、矩形波をＲ／Ｃフィルタを通すことによって、例えば固有インピーダンスを通すことによって、生成することができる。あるいは、波形６０２、６０４、６０６は、高調波サイン／関数発生器等によって、デジタル的に合成することもできる。

周期の期間５０８、５１０、５１２が正確に図５の対応する期間に対応しても、あるいは対応しなくてもよいが、それらは、通常、図２Ａ〜２Ｃに示すような状態に対応するように電極１０６、１０８、１１０を駆動するとみなすことができる。図６に示すように、周期Ｐは、ゼロ交差から適切に決定することができ、あるいは図５に示す時刻に対応させて計算することもできる。

理解されるように、波形、例えば波形６０２、６０４、６０６が対応する電極１０６、１０８、１１０を駆動するとき、図２Ａ〜２Ｃの理想的な電界２０４、２０８、２１２は、波形、例えば図５の波形５０２、５０４、５０６を用いたときと同じくらい厳密に、実際の電界を表すことができない。例えば、周期の期間５０８の始まりにおいて、波形６０２は、中間電圧０から高電圧Ｖ_Ｈに立ち上がり、一方、波形６０４は、中間電圧０から低電圧Ｖ_Ｌに立ち下がり、そして、波形６０６は、高電圧Ｖ_Ｈから中間電圧０に向かって立ち下がる。したがって、図２Ｃの電界２１２は、周期の期間５０８の始まりにおいて、図２Ａの電界２０４に「フェードする」。周期の期間５０８の終わりにおいて、波形６０４は、高電圧に向かって立ち上がり、一方、波形６０６は、下がり続け、波形６０２は、その最大値からその降下を開始する。これは、電界２０４を配置２０６に向かってフェードする傾向があり、一方、電極１０６と電極１１０間の電位のために、小さな逆符号の電界２１２が現れる。

図６の波形６０１に戻って、第１の時刻６０８において、波形６０２に対応する電極と波形６０４に対応する電極間に電位差及び対応する電界が存在することが確認できる。これは、波形６０２が対応する電極を比較的高い電位に駆動し、波形６０４が対応する電極を比較的低い電位に駆動したからである。同時に、波形６０２と波形６０６が一瞬同じ電位になるので、波形６０２に対応する電極と波形６０６に対応する電極間に電界は実質的に形成されない。同様に、第２の時刻６１０において、波形６０２に対応する電極と波形６０６に対応する電極間に電位差及び対応する電界が存在するが、波形６０２に対応する電極と波形６０４に対応する電極間に電位差又は電界は存在しない。

図７は、他の実施の形態に基づいて、それぞれの電極１０６、１０８、１１０の変調を制御する波形７０２、７０４、７０６を示すタイミングチャート７０１である。波形７０２は、期間７０８において、電極１０６での比較的高い電圧に対応する比較的高い電圧Ｖ_Ｈで、周期Ｐを開始する。また、期間７０８において、波形７０４は、電極１０８での比較的低い電圧に対応する比較的低い電圧Ｖ_Ｌで、周期Ｐを開始し、波形７０６は、電極１１０でのオープン状態に対応している。波形の期間７０８は、第１のパルス期間と称することもできる。

第１のパルス期間７０８において駆動された燃焼容積１０３の電界配置は、図２Ａに示す配置２０２に対応することになる。前で説明したように、配置２０２の公称電界２０４は、正荷電化学種を電極１０８の方に引き付けて、負荷電化学種を電極１０６の方に引き付ける傾向がある。

第１のパルス期間７０８の後、波形７０２、７０４は、それぞれの電極１０６、１０８をオープンに駆動し、一方、波形７０６は、電極１１０におけるオープン回路状態を維持する。周期Ｐの期間７１０において、電極１０６、１０８、１１０は、オープンに維持され、したがって、火炎又は燃焼容積に電界は実質的に印加されない。しかしながら、前の第１のパルス期間７０８中に荷電化学種に与えられた慣性が、非パルス期間７１０中にも残っている可能性があり、したがって、荷電化学種は動き続けることができる。このような運動は、第１のパルス期間７０８の終わりに存在していた軌道に名目上沿うことになり、その後の他の粒子との衝突及び交互作用によって変更される。

周期Ｐの第１の非パルス期間７１０の終わりにおいて、第２のパルス期間７１２が開始する。第２のパルス期間７１２中、波形７０２は、オープン電気状態を電極１０６に与え、一方、波形７０４は、比較的高い電圧に向かい、電極１０８を、対応する比較的高い電圧に駆動し、波形７０６は、比較的低い電圧に向かい、電極１１０を、対応する比較的低い電圧に駆動する。したがって、第２のパルス期間７１２中、図２Ｂの電界配置２０６が生じる。これに、再び波形の非パルス期間７１０が続き、この期間中に、慣性効果は、第２のパルス期間７１２の終わりに存在していた荷電化学種の速度及び軌道を維持する傾向があり、その後の他の粒子との衝突及び交互作用によって変更される。

第２の非パルス期間７１０の終わりにおいて、第３のパルス期間７１４が開始し、例えば、図２Ｃに示す電界配置２１０と同様の電界配置を形成することができる。第３のパルス期間７１４が終わった後、システムは、非パルス期間７１０に再び入ることになる。これは、複数の周期に亘って続けられることになり、例えば周期Ｐの期間７０８、７１０、７１２、７１０、７１４、７１０等の擬似定常状態を繰り返す。

一実施の形態に基づいて、パルス期間と非パルス期間は、図に示すように、２５％のデューティサイクルのパルス列を形成することになり、約２５％の時間、２つの電極間に電界が発生され、他の７５％の時間、電界は印加されない。デューティサイクルは、燃焼容積１０３内の条件に基づいて、変えることができ、例えば図３、４に示すように、フィードバック回路及び／又はパラメータ入力回路によって決定することができる。

他の実施の形態に基づいて、パルス期間７０８、７１２、７１４は、それぞれ約１０μｓ秒の長さであってもよく、周期Ｐは、約１ｋＨｚの周波数であってもよく、すなわち１ｍｓの周期に等しい。したがって、非パルス期間は、それぞれ約３２３．３３３μｓであってもよい。

特定の荷電化学種の相対的電荷対質量比は、断続的なパルス期間７０８、７１２、７１４及び介在する非パルス期間７１０に対するその応答に影響を及ぼす可能性がある。デューティサイクルは、燃焼容積１０３内の１つ以上の荷電化学種の所望の運動を達成するように、変更することができる。実施の形態に基づいて、正荷電化学種を時計回りに輸送するように最適化された波形７０２、７０４、７０６は、他の正荷電化学種又は負荷電化学種を時計回り又は反時計回りに輸送するように最適化された他の波形（図示せず）に重畳して、化学種を所望のそれぞれの経路に異ならせる転送を達成する第３の組の波形（図示せず）を生成することができる。

例えば、重い正化学種は、選択経路に沿って移動するように比較的長い周期を有する比較的高い５０％のデューティサイクルを必要とする可能性がある。軽い負化学種は、選択経路に沿って移動するように比較的短い周期を有する比較的低いデューティサイクルを必要とする可能性がある。２つの波形は、正化学種と負化学種を互いに平行（時計回り又は反時計回り）に、あるいは逆平行（時計回り及び反時計回り）に駆動するように、重畳することができる。

上述の図に示す電極１０６、１０８、１１０は、任意の２つの電極を結ぶ直線が火炎の容積を貫通するように配置されているが、他の配置も本発明の範囲内とすることができる。上述の実施の形態に示す電極１０６、１０８、１１０の数は３つであるが、３つより大きい他の数も本発明の範囲内とすることができる。電極１０６、１０８、１１０は、バーナノズルの長軸に平行に配置された円柱導体として示されているが、他の配置も、本発明の範囲内とすることができる。

例えば、他の実施の形態において、複数の電極は、支持される火炎１０４に対応する立方体の角に実質的に配置され、立方体の中心に交差する垂直軸を有する有限の大きさの平面を含む。他の実施の形態（図示せず）において、電極は、立方体の面の中心、測地球の面の角又は中心等に配置された表面又は形象的な点を含んでいてもよい。

当業者には明らかなように、上述の特定の具体的な処理及び／又は装置及び／又は技術は、明細書のどこかで、例えば明細書と共に出願された請求の範囲及び／又は本願の他の部分で教示されたより汎用的な処理及び／又は装置及び／又は技術を代表している。

明細書において様々な特徴及び実施の形態を開示したが、他の特徴及び実施の形態が考えられる。明細書に開示した様々な特徴及び実施の形態は、説明の目的のためであって、以下の請求の範囲によって開示する真の範囲及び精神を限定するものではない。

Claims (45)

1. 燃焼容積の近傍に配置された少なくとも３つの電極と、
   前記少なくとも３つの電極のそれぞれをそれぞれの波形によって駆動して、前記燃焼容積を横切って変化する電界軸を周期的に発生するコントローラとを含む装置。
2. 前記燃焼容積内に火炎を支持するバーナを更に含む請求項１記載の装置。
3. 前記バーナは、前記電極の１つである請求項２記載の装置。
4. 前記少なくとも３つの電極は、前記燃焼容積内に配置されている請求項１記載の装置。
5. 前記少なくとも３つの電極は、該電極のそれぞれの対間で選択的に電界を発生する請求項１記載の装置。
6. 前記少なくとも３つの電極は、該電極のそれぞれの対間に軸に沿った、かつ前記燃焼容積内の火炎を貫通する電界を選択的に発生する請求項１記載の装置。
7. 前記コントローラは、前記電極の対応する１つにそれぞれ接続され、時間的に変化する電圧を供給する少なくとも３つの駆動装置を含む請求項１記載の装置。
8. 前記コントローラは、前記電極を駆動して、前記燃焼室に配置された火炎を横切る回転電界を発生する請求項１記載の装置。
9. 前記コントローラに接続され、燃焼室特性に対応するデータ又は信号を該コントローラに供給するパラメータ通信モジュール又はセンサモジュールを更に含む請求項１記載の装置。
10. 前記燃焼室特性は、燃料流量、煙道ガス温度、煙道ガス光学濃度、燃焼容積温度、燃焼容積輝度、燃焼容積イオン化、１つ以上の電極の近傍のイオン化、燃焼容積オープン、燃焼容積メンテナンスロックアウト、及び電気事故を含むグループから選択される少なくとも１つを含む請求項９記載の装置。
11. 安全条件、手動運転停止コマンド、燃焼容積オープン状態、燃焼容積メンテナンスロックアウト状態、又は電気事故を含むグループのうちの１つ以上に対応するデータ又は信号が前記コントローラによって受信された場合、該コントローラは、前記電極に対する電圧駆動を停止する請求項９記載の装置。
12. 安全条件、手動運転停止コマンド、燃焼容積オープン状態、燃焼容積メンテナンスロックアウト状態、又は電気事故を含むグループのうちの１つ以上に対応するデータ又は信号が前記コントローラによって受信された場合、該コントローラは、故障状態を外部システムに送信する請求項９記載の装置。
13. 前記コントローラは、前記データ又は信号に応じて、それぞれの波形に対応する１つ以上のパラメータを決定する請求項９記載の装置。
14. 前記コントローラは、前記データ又は信号の値の組合せ、該データ又は信号の値の比較、該データ又は信号の値の微分、該データ又は信号の値の積分、該データ又は信号の値に応じたアルゴリズム計算の実行、該データ又は信号に対応するテーブルルックアップの実行、該データ又は信号を用いた比例積分微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズムの実行、及び該データ又は信号を入力として用いたファジー論理の実行を含むグループから選択される少なくとも１つを用いて、前記１つ以上のパラメータを決定請求項１３記載の装置。
15. 前記１つ以上のパラメータは、電極の選択、電極の順序、波形の周波数又は周期、波形のデューティサイクル、及び電極電圧を含むグループから選択される１つ以上を含む請求項１３記載の装置。
16. 前記１つ以上のパラメータは、煙道ガスの浄化、燃費効率、出力、メンテナンス問題の補償、システム寿命の最大化、燃料のバラツキの補償、及び燃料源の補償を含むグループから選択される少なくとも１つの基準に応じて、選択される請求項１３記載の装置。
17. 第１の変調時刻に、燃焼容積内の第１の電極と第２の電極間に少なくとも１つの第１の電界を形成し、
    第２の変調時刻に、前記燃焼容積内の前記第１の電極と第３の電極間に少なくとも１つの第２の電界を形成する方法。
18. 前記第１、第２及び第３の電極の１つは、バーナからなる請求項１７記載の方法。
19. 前記少なくとも１つの第１の電界及び少なくとも１つの第２の電界を形成することは、反復及び周期的に実行される請求項１７記載の方法。
20. 前記周期は、略一定である請求項１９記載の方法。
21. 前記周期は、変化する請求項１９記載の方法。
22. 前記周期は、約２００μｓ以下である請求項１９記載の方法。
23. 前記周期は、約７０μｓ以下である請求項２２記載の方法。
24. さらに、
    前記第１及び第２の電界の反復及び周期的な形成に対応する１つ以上のパラメータを選択する請求項１９記載の方法。
25. 前記１つ以上のパラメータは、電極電圧、電極選択、前記反復及び周期的な電界成形の周期、前記反復及び周期的な電界成形の周波数、及び区分期間と比較した電界形成のデューティサイクルのうちの少なくとも１つを含む請求項２４記載の方法。
26. 前記１つ以上のパラメータは、前記燃焼容積からの熱出力を最大にすること、該燃焼容積の反応進行度を最大にすること、該燃焼容積からの煙道ガスの浄化を最大にすること、該燃焼容積からの汚染物質の排出を最少にすること、該燃焼容積の温度を最高にすること、該燃焼容積のターゲット温度を満たすこと、該燃焼容積内の火炎からの輝度出力を最小にすること、該燃焼容積内の火炎の所望のフリッカを達成すること、該燃焼容積内の火炎からの輝度出力を最大にすること、燃費効率を最大にすること、出力を最大にすること、メンテナンス問題を補償すること、システム寿命を最大にすること、燃料のバラツキを補償すること、燃料源を補償すること、共振挙動を最小にすること、及び該燃焼容積の形状の変動に対応することを含むグループから選択される少なくとも１つに基づいて、選択される請求項２４記載の方法。
27. さらに、
    少なくとも２つの入力パラメータから、該入力パラメータの組合せ、該入力パラメータの比較、該入力パラメータの微分、該入力パラメータの積分、アルゴリズム計算の実行、ルックアップテーブルの実行、比例積分微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズムの実行、及びファジー論理の実行を含むグループから選択される少なくとも１つを用いて、前記周期及び電界強度のうちの少なくも１つを計算する請求項１９記載の方法。
28. 前記少なくとも１つの第２の電界は、前記第１の電極と前記第３の電極間に形成され、一方、該第１の電極と前記第２の電極間の電界は、減少され、あるいは実質的に形成されなくなる請求項１７記載の方法。
29. 前記少なくとも１つの第１の電界と前記少なくとも１つの第２の電界は、互いに０°又は１８０°以外の１つ以上の角度である請求項１７記載の方法。
30. さらに、
    第３の変調時刻に、前記第２の電極と前記第３の電極間に少なくとも１つの第３の電界を形成する請求項１７記載の方法。
31. 前記第１、第２又は第３の電界のいずれも、該第１、第２及び第３の電界のうちの任意の他に対して平行又は逆平行でない請求項２９記載の方法。
32. 前記燃焼容積は、略連続して燃焼する火炎を含む請求項１７記載の方法。
33. 前記第１及び第２の電界は、前記火炎を少なくとも部分的に貫通するように配置される請求項３１記載の方法。
34. 前記第１及び第２の電界は、前記火炎によって発生されたイオン化学種によって占められる容積を貫通する請求項３１記載の方法。
35. 燃焼容積内の電界を制御する装置において、
    バーナの近傍の少なくとも１つの電極用の電圧変調パターンに対応する少なくとも１つの出力端子に変調波形を出力し、少なくとも１つの第２の端子で安全信号を受信する電子コントローラと、
    前記少なくとも１つの第２の端子上の条件に応じて、前記出力された変調波形を安全な状態に駆動する前記電子コントローラ内の安全回路とを含む装置。
36. 前記安全な状態は、前記少なくとも１つの第２の端子上の接地電圧に実質的に対応する請求項３４記載の装置。
37. 前記少なくとも１つの出力端子は、低電圧変調信号を増幅器に搬送する請求項３４記載の装置。
38. 前記少なくとも１つの出力端子は、増幅器から高電圧変調信号を搬送する請求項３４記載の装置。
39. さらに、
    前記少なくとも１つの第２の端子に接続され、人間が前記少なくとも１つの電極上の電圧に触れてもよいときを検出する回路を含む請求項３４記載の装置。
40. 前記コントローラは、前記安全回路が起動されたときに、故障信号を監視システムに更に送信する請求項３４記載の装置。
41. 前記コントローラは、前記変調波形を駆動し、前記安全信号を受信する状態機械を更に含む請求項３４記載の装置。
42. 前記安全回路は、コンピュータインストラクションを実行するマイクロコンピュータの少なくとも一部を含む請求項３４記載の装置。
43. 前記少なくとも１つの出力端子及び対応する少なくとも１つの電極は、３つ以上の出力端子及び対応する３つ以上の電極を含む請求項３４記載の装置。
44. 前記電子コントローラは、
    前記燃焼容積内の燃焼の状態に対応する検出値を受信する１つ以上の信号端子、データ端子、又は信号及びデータ端子と、
    前記検出値に応じて、波形に対応する１つ以上のパラメータを決定する波形論理回路とを更に含む請求項３４記載の装置。
45. 前記電子コントローラは、
    入力パラメータを受信する１つ以上の信号端子、データ端子、又は信号及びデータ端子と、
    前記入力パラメータに応じて、波形に対応する１つ以上のパラメータを決定する波形論理回路とを更に含む請求項３４記載の装置。

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