JP2014509380A - 火炎を平たくするシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

火炎に時変多数電荷を与えるように構成された帯電電極と、火炎の外側に位置する形状電極とが、時変電圧を使って電圧源によって同期駆動されることができる。火炎は、火炎に与えられた電荷に作用する形状電極によって生じる電界に応答して、平たくされ又は圧縮されることができる。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、トーマス・Ｓ・ハートウィックらによって発明され、「電気的に作動する熱伝達のための方法及び装置」という発明の名称で、２０１１年２月９日に出願された米国仮出願第６１／４４１，２２９号に対して米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて優先権の利益を主張するものであり、同米国仮出願は、出願時に本出願と同時係属中であり、本明細書の開示と矛盾しない範囲で、参照により本明細書に組み入れられるものとする。

本出願は、トーマス・Ｓ・ハートウィックらによって発明され、「燃焼システムにおける２つ以上の応答の電界制御」という発明の名称で、本出願と同日に出願された米国非仮特許出願第１３／３７０，１８３号に関連するものであり、同米国非仮特許出願は、本明細書の開示と矛盾しない範囲で、参照により本明細書に組み入れられるものとする。

本出願は、デビッド・Ｂ・グッドソンらによって発明され、「荷電ガス又はガス内に混入した荷電粒子を電気力学的に駆動する方法及び装置」という発明の名称で、本出願と同日に出願された米国非仮特許出願第１３／３７０，２８０号に関連するものであり、同米国非仮特許出願は、本明細書の開示と矛盾しない範囲で、参照により本明細書に組み入れられるものとする。

歴史的に、工業用バーナー、ボイラー、及びその他のシステムによって実現可能な火炎形状は、火炎に作用する慣性力及び浮力によって決まっていた。このような火炎形状の限られた制御は、技術者が利用できる設計の選択肢を左右してきた。

燃焼技術者により大きな自由度をもたらし且つ火炎を含むシステムに新規で斬新な機能及び特徴を与えることができる技術が必要である。

一実施形態によれば、火炎を平たくする装置は、バーナーの近位に配置され、且つバーナーによって支持される火炎に少なくとも断続的に接するように構成された帯電電極と、帯電電極に対してバーナーの遠位に配置された形状電極とを含むことができる。電圧源は、帯電電極及び形状電極に動作可能に連結され、且つ帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変（時間的に変化する）電位を印加するように構成されることができる。電圧源によって帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電位を印加することにより、火炎が平たくなって、実質的に同位相の時変電位を印加しないのに比べてより小さい体積になることが見出された。

一実施形態によれば、火炎を平たくする方法は、バーナーの近位でバーナーによって支持される火炎と少なくとも断続的に接触する帯電電極を支持することと、帯電電極に対してバーナーの遠位で形状電極を支持することと、帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することとを含むことができる。

実施形態によれば、火炎は、形状電極としての大型円環体と、帯電電極としての中心帯電ロッドとを用いて平たくすることができる。大型円環体と帯電ロッドを±４０ｋＶの同じ交番電位につないだ。交番磁界が絶縁破壊発生を抑制しつつ、より高い電圧を可能にすることが見出された。電気波形の印加が、電気波形の印加がない火炎の１／３以下の高さまで火炎を圧縮することが見出された。圧縮方向は火炎に作用する浮力及び慣性力の反対であった。実質的に同等以上の熱発生がより小さな体積で生じることが分かった。

一実施形態に係る、火炎を平たくする装置の図である。 一実施形態に係る、電極コントローラにフィードバック信号を提供するように構成されたセンサを含むシステムを示す図である。 一実施形態に係る、図１及び図２に対応する実施形態によって使用される電極コントローラのブロック図である。 一実施形態に係る、火炎を平たくする方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係る、実験結果を示す実験装置の図である。

以下の詳細な説明において、本明細書の一部を形成する添付の図面が参照される。文脈がそうでないことを指示しない限り、図面において、類似の符号は一般に類似の部品を特定する。詳細な説明、図面、及び特許請求の範囲に記載された例示的な実施形態は、限定することを意図するものではない。ここに提示される主題の精神又は範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、且つ他の変更を行うことができる。

図１は、一実施形態に係る、火炎１０９を平たくする装置１０１の図である。帯電電極１１２は、バーナー１０８の近位に配置され、且つバーナー１０８によって支持される火炎１０９に少なくとも断続的に接触するように構成されることができる。形状電極１１６は、帯電電極１１２に対してバーナー１０８の遠位に配置されることができる。電極コントローラ１１０などの電圧源は、帯電電極１１２及び形状電極１１６に動作可能に連結されることができ、帯電電極１１２及び形状電極１１６に１つ以上の実質的に同位相の時変電位を印加するように構成されることができる。印加された時変電位により、火炎１０９は、実質的に同位相の時変電位を印加しないのに比べて平たくなってより小さい体積になることができる。

図１に示すように、燃焼容積１０６は、バーナー１０８に比較的近い領域１０２と、バーナー１０８の遠位に配置された領域１０４とを含むことができる。火炎１０９を平たくすることは、元は領域１０２及び１０４の両方を占めていた火炎１０９を領域１０２内に収まる大きさに圧縮することを含むことができる。実質的に同位相の時変電位により、火炎１０９は、実質的に同位相の時変電位を印加しないのに比べて輝度を増大させることができる。実質的に同位相の時変電位を帯電電極及び形状電極に印加することにより、火炎１０９は、その熱出力を維持し又は実質的に同位相の時変電位を印加しないのに比べて増大させることができる。

図５を参照すると、バーナー１０８は、保炎器として構成されたブラフボディ５０４を含むことができる。従来のバーナーによる最大熱出力は、それを超えると火炎が吹き消え（ブローオフ）を示す、最大燃料及び空気流量によって決めることができる。実施形態によれば、図１に示す装置１０１は、火炎１０９を平たくするためだけでなく、ブラフボディ５０４の保炎能力を高めるために使用することができる。これは、例えば、バーナー１０８の熱出力能力を高めるため及び／又はバーナー１０８により加熱されるシステムの能力を高めるために使用することができる。

装置１０１は、オプションとして、燃料供給速度装置（図示せず）と、燃料供給速度装置に動作可能に連結された燃料コントローラ（例えば、図３の符号３２４）とを含むことができる。燃料コントローラは、電圧源が帯電電極１１２及び形状電極１１６に実質的に同位相の時変電位を印加したときに、燃料供給速度装置に燃料供給速度を増加させるように構成されることができる。燃料供給速度装置は、気体燃料又は液体燃料のバーナー１０８への流量を制御するための作動弁を含むことができる。代わりに、燃料供給装置は、バーナー１０８に微粉固体燃料を供給するためのオーガ又はエダクタージェットポンプを含むことができる。燃料コントローラは、帯電電極１１２及び形状電極１１６に実質的に同位相の時変電位を印加しない場合には火炎の吹き消えを引き起こすバーナー１０８への燃料供給速度をもたらすように構成されることができる。

形状電極１１６は、円環体又は回転矩形などの環状体を含むことができる。

帯電電極１１２は、火炎１０９内に少なくとも部分的に配置されたロッド又は火炎１０９内に少なくとも部分的に配置された環状体又は円環体を含むことができる。代わりに、帯電電極１１２は、バーナー１０８の導電部を含むことができる。帯電電極１１２は、時変電位と同じ符号を瞬間的に有する時変多数電荷を火炎に与えるように構成されることができる。

一実施形態によれば、時変電位は、符号が変化する波形及び／又は周期的な電圧波形などの時変電位を含むことができる。波形は、例えば、正弦波形、方形波形、三角波形、のこぎり波形、又はフーリエ級数波形を含むことができる。少なくともいくつかの実施形態では、時変電位は交流電圧波形として特徴付けられることができる。電圧源１１０は、電圧が時間的に変化しなければ絶縁破壊の原因となる大きさを有する電圧を電極に印加するように構成されることができる。

一実施形態によれば、電圧源１１０は、５０〜１０，０００ヘルツの間、又はより詳細には５０〜１０００ヘルツの間の周波数を有する周期的な電位を印加するように構成されることができる。電圧源は、±１０００ボルトから±１１５，０００ボルトの時変電位（例えば、＋１０００Ｖの最大電圧と−１０００Ｖの最小電圧とを含む符号変化波形、又は＋１１５ｋＶの最大電圧と−１１５ｋＶの最小電圧とを含む符号変化波形）を印加するように構成されることができる。実施形態によっては、電圧源１１０は、±８０００ボルトから±４０，０００ボルトの時変電位を印加するように構成されることができる。

電圧源１１０は、帯電電極１１２と形状電極１１６との間の電圧比を維持するように構成されることができ、且つ／又は、帯電電極１１２及び形状電極１１６に実質的に同じ電圧を印加するように構成されることができる。帯電電極１１２、形状電極１１６、及び電圧源１１０は、絶縁破壊を回避するために協働するように構成されることができる。電圧源は、形状電極１１６に印加される周期的な電位の位相を、帯電電極１１２に印加される周期的な電位の位相の±π／４以内又は±π／８以内に維持するように構成されることができる。

一般に、装置１０１は、電圧源１１０から帯電電極１１２及び形状電極１１６への電気リード線を含むことができる。形状電極１１２及び帯電電極１１６に印加される時変電位は、実施形態によっては、電気リード線による伝搬遅延に起因する差だけ異なることができる。

実施形態によれば、帯電電極１１２、形状電極１１６、及び電圧源１１０は、火炎１０９を、時変電位の印加がない火炎のエタンデュよりも小さいエタンデュに圧縮するべく協働するように構成されることができる。実施形態によれば、装置１０１は、時変電位の印加がない火炎１０９に必要なバーナーハウジングよりも小さい容積を有するバーナーハウジングを含むことができる。加えて又は代わりに、平たくされた火炎１０９は、時変電位がない場合に火炎によって形成される熱源と比べてより高い温度を有する熱源として働くことができる。

装置１０１はさらに、火炎１０９からエネルギーを受け取るように構成された表面（図示せず）を含むことができる。例えば、平たくされた火炎１０９は、火炎からエネルギーを受け取るように構成された装置を含む、工業プロセス、加熱システム、発電システム、陸上車両、船舶、又は航空機、及び／又は火炎からエネルギーを受け取るようにワークピースを保持するべく構成された構造に熱を提供するために使用することができる。圧縮された火炎１０９（及び火炎１０９を圧縮するために使用される装置１０１）は、加熱システム自体以外の部分を含む、システム全体に様々な利点をもたらすことができる。

図２は、一実施形態に係る、電極コントローラにフィードバック信号を提供するように構成されたセンサを含むシステムを示す図である。電圧源又は電極コントローラ１１０は、火炎１０９又は火炎１０９によって生成される燃焼ガスの１つ以上の特性を感知するように構成された１つ以上のセンサ２０２，２０６に動作可能に連結されることができる。電極コントローラ１１０は、１つ以上のセンサ２０２，２０６から受信した信号に応答して、帯電電極１１２及び形状電極１１６に印加された時変電位に対応する電圧、周波数、波形、位相、又はオン／オフ状態の１つ以上を測定するように構成されることができる。

少なくとも１つの第１センサ２０２は、バーナー１０８によって支持される火炎１０９の近位の状態を感知するように配置されることができる。第１センサ２０２は、第１センサ信号伝送路２０４を介して電子コントローラ１１０に動作可能に連結されることができる。第１センサ２０２は、火炎１０９の燃焼パラメータを感知するように構成されることができる。例えば、センサ２０２は、火炎輝度センサ、フォトセンサ、赤外線センサ、燃料流量センサ、温度センサ、煙道ガス温度センサ、音響センサ、ＣＯセンサ、Ｏ_２センサ、無線周波数センサ、及び／又はエアフローセンサの１つ以上を含むことができる。

少なくとも１つの第２センサ２０６は、バーナー１０８によって支持される火炎１０９の遠位の状態を感知するように配置され且つ第２センサ信号伝送路２０８を介して電子コントローラ１１０に動作可能に連結されることができる。少なくとも１つの第２センサ２０６は、加熱容積１０６の第２部分１０４の状態に対応するパラメータを感知するように配置されることができる。例えば、第２部分１０４が汚染軽減ゾーンを含む実施形態では、第２センサは、加熱容積１０６の第２部分１０４における灰の量に対応する光透過率を感知することができる。様々な実施形態によれば、第２センサ２０６は、透過率センサ、微粒子センサ、温度センサ、イオンセンサ、表面コーティングセンサ、音響センサ、ＣＯセンサ、Ｏ_２センサ、及び窒素酸化物センサの１つ以上を含むことができる。

一実施形態によれば、第２センサ２０６は、未燃燃料を検出するように構成されることができる。少なくとも１つの形状電極１１６は、駆動されたとき、未燃燃料を下方に押し下げて加熱容積１０６の第１部分１０２に押し戻すように構成されることができる。例えば、未燃燃料は正に帯電させることができる。第２センサ２０６が第２センサ信号伝送路２０８を介してコントローラ１１０に信号を送ると、コントローラ１１０は、未燃燃料を遠ざけるために形状電極１１６を正の状態に駆動することができる。加熱容積１０６内の流体の流れは、未燃燃料を下方に且つ第１部分１０２に向けるために、少なくとも１つの形状電極１１６及び／又は少なくとも１つの帯電電極１１２によって形成された電界によって駆動されることができ、そこでさらに火炎１０９によって酸化され、それにより、燃料経済性を改善し且つ排出を削減する。

オプションとして、コントローラ１１０は、少なくとも１つの帯電電極の帯電電極部１１２ａ及び／又は少なくとも１つの帯電電極の帯電電極部１１２ｂを少なくとも１つの形状電極１１６と協働するように駆動することができる。いくつかの実施形態によれば、このような協働は、少なくとも１つの形状電極１１６の単独での作用によるよりも、未燃燃料をより効果的に下方に駆動することができる。

図３を参照すると、火炎１０９を平たくする装置１０１は、コントローラ１１０が、帯電電極１１２及び形状電極１１６に時変電位を印加するために協働するように構成された、論理回路（例えば、プロセッサ３０６、メモリ３０８、及びコンピュータバス３１４として具現化され得る）と、波形発生器３０４と、少なくとも１つの増幅器３２０ａ，３２０ｂとを含む電極コントローラ１１０を含むことができる。

図３は、コントローラ１１０の例示的な実施形態３０１のブロック図である。コントローラ１１０は、第１電界を生成するために帯電電極１１２駆動信号伝送路１１４ａ及び１１４ｂを駆動することができ、第１電界の特性は、第１燃焼容積部分１０２に少なくとも第１効果を提供するように選択される。コントローラ１１０は、波形発生器３０４を含むことができる。波形発生器３０４は、コントローラ１１０の内部に配置されることができ、又はコントローラ１１０の残りの部分とは別に配置されることができる。代わりに、波形発生器３０４の少なくとも一部は、マイクロプロセッサ３０６及びメモリ回路３０８などの電子コントローラ１１０の他の構成要素に分散させることができる。任意のセンサインタフェース３１０、通信インタフェース２１０、及び安全インタフェース３１２が、コンピュータバス３１４を介してマイクロプロセッサ３０６及びメモリ回路３０８に動作可能に連結されることができる。

マイクロプロセッサ３０６及びメモリ回路３０８などの論理回路は、帯電電極１１２駆動信号伝送路１１４ａ，１１４ｂを介して帯電電極１１２へ送られる電気パルス又は波形のパラメータを決定することができる。帯電電極１１２は次いで第１電界を生成する。電気パルス又は波形のパラメータは、波形バッファ３１６に書き込まれることができる。波形バッファ３１６の内容は、その結果、電気パルス列又は波形に対応する低電圧信号３２２ａ，３２２ｂを生成するために、パルス発生器３１８によって使用されることができる。例えば、マイクロプロセッサ３０６及び／又はパルス発生器３１８は、低電圧信号を合成するのに直接デジタル合成を使用することができる。代わりに、マイクロプロセッサ３０６は、波形プリミティブに対応する変数値を波形バッファ３１６に書き込むことができる。パルス発生器３１８は、変数値をデジタル出力に組み合わせるアルゴリズムを実行するように動作可能な第１リソースと、デジタル出力にデジタル／アナログ変換を行う第２リソースとを含むことができる。

１つ以上の出力が、増幅器３２０ａ及び３２０ｂにより増幅される。増幅された出力は、帯電電極信号伝送路１１４ａ，１１４ｂに動作可能に連結される。増幅器３２０ａ，３２０ｂは、プログラム可能増幅器を含むことができる。増幅器３２０ａ，３２０ｂは、工場設定、現場環境、通信インタフェース２１０を介して受信したパラメータ、１つ以上のオペレータ制御に応じて且つ／又はアルゴリズム的にプログラムすることができる。加えて又は代わりに、増幅器３２０ａ，３２０ｂは１つ以上の実質的に一定の利得段を含むことができ、低電圧信号３２２ａ，３２２ｂは変動振幅に駆動することができる。代わりに、出力は一定であることができ、加熱容積部分１０２，１０４は可変利得を有する電極で駆動することができる。

電極信号伝送路１１４ａ，１１４ｂに出力されるパルス列又は駆動波形は、直流信号、交流信号、パルス列、パルス幅変調信号、パルス高変調信号、チョップ信号、デジタル信号、離散レベル信号、及び／又はアナログ信号を含むことができる。

一実施形態によれば、コントローラ１１０内の、外部リソース（ホストコンピュータ又はサーバなど）（図示せず）内の、センササブシステム（図示せず）内の、又は、コントローラ１１０、外部リソース、センササブシステム、及び／又は他の協働する回路及びプログラムに分散されたフィードバックプロセスは、帯電電極１１２ａ，１１２ｂ及び／又は形状電極１１６を制御することができる。例えば、フィードバックプロセスは、少なくとも１つの帯電電極１１２によって検出された利得又は電界によって駆動された応答比に応答して、少なくとも１つの帯電電極信号伝送路１１４ａ，１１４ｂに変動振幅又は電流信号を提供することができる。

センサインタフェース３１０は、加熱容積１０６の第１部分１０２で測定された状態に対して比例する（又は反比例する、幾何学的な、積分の、微分のなど）センサデータ（図示せず）を受信又は生成することができる。

センサインタフェース３１０は、加熱容積１０６の第１及び第２部分１０２，１０４の物理的又は化学的な状態に応答してそれぞれのセンサ２０２，２０６から第１及び第２入力変数を受け取ることができる。コントローラ１１０は、第１及び第２駆動パルス列に対して１つ以上のパラメータを決定するために、フィードバック又はフィードフォワード制御アルゴリズムを実行することができ、パラメータは、例えば波形バッファ３１６内の値として表される。

オプションとして、コントローラ１１０は、フロー制御信号インタフェース３２４を含むことができる。フロー制御信号インタフェース３２４は、燃焼システムを通る燃料流及び／又は空気流を制御するための流量制御信号を生成するために使用することができる。

図４は、一実施形態に係る、火炎を平たくする方法４０１を示すフローチャートである。ステップ４０２で始まって、帯電電極はバーナーの近位で支持され且つ少なくとも断続的にバーナーによって支持される火炎と接触することができ、一方（ステップ４０４で）、形状電極は帯電電極に対してバーナーの遠位で支持される。ステップ４０６に進んで、１つ以上の実質的に同位相の時変電圧が帯電電極及び形状電極に印加されることができ、実質的に同位相の時変電圧の印加は、ステップ４０８で火炎を平たくする。

図５を参照すると、ステップ４０６で帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することにより、火炎は、平たくなって、実質的に同位相の時変電圧を印加しないのに比べてより小さい体積（例示的な火炎の輪郭１０９ｂで示す）になることが見出された。１つ以上の実質的に同位相の時変電圧の印加なしでの火炎の形状は、例示的に火炎の輪郭１０９ａで示されている。

帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することにより、火炎１０９ｂは、実質的に同位相の時変電圧を印加しないのに比べて輝度が増大することが見出された。帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することにより、火炎１０９ｂは、その熱出力を維持し又は実質的に同位相の時変電圧を印加しないの（１０９ａ）に比べて増加させることができる。

再び図４を参照すると、方法４０１は、オプションとしてステップ４１０を含むことができ、ステップ４１０で、燃料供給速度は、帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧が印加されたときに火炎に供給される燃料の速度を増加させるように制御することができる。ステップ４１０で燃料供給速度を制御することは、例えば、バーナーへの気体燃料又は液体燃料の流量を制御するためのバルブを作動させること、又はバーナーに微粉固体燃料を供給するためのオーガ又はエダクタージェットポンプを作動させることを含むことができる。ステップ４０６での火炎への実質的に同位相の時変電圧の印加は、ステップ４１０が、帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加しない場合には火炎の吹き消えを引き起こす、バーナーに供給される燃料の（高い）速度をもたらすことを含むことを可能にする。

ステップ４０４で帯電電極に対してバーナーの遠位で形状電極を支持することは、環状体状又は円環体状の形状電極を支持することを含むことができる。火炎１０９ａの平均直径よりも大きい内径を有する円環体が、形状電極の熱劣化を低減又は排除しながら所望の火炎平坦化をもたらすことが見出された。

ステップ４０２でバーナーの近位に且つバーナーに支持される火炎と少なくとも断続的に接触する帯電電極を支持することは、ロッドを少なくとも部分的に火炎１０９ａ，１０９ｂの内で支持すること、又は円環体を少なくとも部分的に火炎１０９ａ，１０９ｂの内で支持することを含むことができる。オプションとして、バーナーの近位に且つバーナーによって支持される火炎に少なくとも断続的に接触する帯電電極を支持することは、バーナーの導電部を支持することを含むことができる。例えば、バーナーが導電部を含む場合、バーナーの導電部はそれ自体、帯電電極として機能することができる。

ステップ４０６を参照すると、帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の周期的な電圧を印加することを含むことができる。帯電電極及び形状電極に印加される実質的に同位相の周期的な電圧は、交流電圧波形などの１つ以上の符号が変化する波形を含むことができる。帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の周期的な電圧を印加することは、帯電電極及び形状電極に正弦波形、矩形波形、三角波形、のこぎり波形、又はフーリエ級数波形を印加することを含むことができる。

帯電電極に印加される時変電圧の結果、一般に、帯電電極に印加される時変電圧と同じ符号を瞬間的に有する時変多数電荷を火炎に与えることになる。例えば、帯電電極の電圧が正に振れると、帯電電極は、正の多数の電荷を火炎又は火炎の少なくとも一部に残し、火炎から電子などの負に帯電した粒子を引き付ける傾向がある。逆に、帯電電極の電圧が負に振れると、帯電電極は、負の多数の電荷を火炎又は火炎の少なくとも一部に残し、燃料破片、燃料凝集、又は陽子などの正に帯電した粒子を引き付ける傾向がある。形状電極が同じ（正又は負の）符号の電圧（位相を維持する電圧源の能力の範囲内で又は選択された位相関係の範囲内で）に瞬間的に揺動するので、形状電極と多数の帯電した粒子との間の電界は電気的反発を引き起こす傾向があり、それにより火炎は形状電極とバーナーから離れて且つ帯電電極に向かって平らになる。

電極と周囲の構造物との間又は電極と火炎との間の絶縁破壊（アーク放電）を回避するために、帯電電極及び形状電極に印加される電圧が符号の時変変化又は周期的変化を含むことが有利であることが見出された。帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、したがって、電圧が時間的に変化しなければ絶縁破壊の原因となる大きさを有する電圧を印加することを含むことができる。

帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、５０〜１０，０００ヘルツの周波数を有する周期的な電圧を印加することを含むことができる。より詳細には、帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、５０〜１０００ヘルツの周波数を有する周期的な電圧を印加することを含むことができる。帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、±１０００ボルト〜±１１５，０００ボルトの（ＡＣ）電圧（すなわち、＋１０００ボルト及び−１０００ボルトの対称な振幅（非ＤＣオフセット）を有する、＋１１５ｋＶ及び−１１５ｋＶの対称な振幅を有する、又はこれらの値の間の振幅を有する周期的な波形を印加することを含むことができる。代わりに、振幅は非対称（時変波形に重ねられたＤＣバイアス電圧を含む）であってもよい。より詳細には、帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、±８０００ボルト〜±４０，０００ボルトの電圧を印加することを含むことができる。

一実施形態によれば、帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、帯電電極と形状電極との間で電圧比（１：１又は１：１以外など）を維持することを含むことができる。加えて又は代わりに、帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、帯電電極及び形状電極に実質的に同じ電圧を印加することを含むことができる。帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、絶縁破壊を回避することを含むことができる。

実施形態によっては、帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、形状電極に印加される周期的な電圧の位相を、帯電電極に印加される周期的な電圧の位相の±π／４以内又は±π／８以内に維持することを含むことができる。帯電電極及び形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、電気リード線を使って電圧源から帯電電極及び形状電極に電圧を印加することを含むことができる。一実施形態によれば、帯電電極及び形状電極に印加される時変電圧間のいかなる位相差も電気リード線による伝搬遅延に起因する可能性がある。

ステップ４１２に進んで、（平たくされた）火炎から表面にエネルギーを加えることができる。例えば、火炎から表面にエネルギーを加えることは、工業プロセスにエネルギーを加えること、加熱システムにエネルギーを加えること、発電システムにエネルギーを加えること、陸上車両、船舶、又は航空機にエネルギーを加えること、又はワークピースにエネルギーを加えることのうちの１つ以上を含むことができる。平たくされ又は圧縮された火炎は、火炎からの放射エネルギーを伝達するために、より高い温度の熱源、より小さい熱発生装置、より小さいエタンデュを提供し、又はプロセス全体が享受する他の利点を含むことができる。

オプションとして、方法４０１はステップ４１４を含むことができる。ステップ４１４で、火炎又は火炎によって生成される燃焼ガスの１つ以上の特性を感知することができ、１つ以上の特性を感知することに応答して、帯電電極及び形状電極に印加される時変電圧に対応する電圧、周波数、波形、位相、又はオン／オフ状態の１つ以上が制御される。その後、工程はステップ４０６にループバックすることができ、ステップ４０６を実行するために変更された時変電圧特性が適用される。

以下の実施例は、本明細書の開示に関連した実験の結果を提供する。

実施例
図５に示すように、実験装置５０１を構成した。バーナー１０８は、電気的に絶縁された燃料源５０２を含んでいた。燃料源５０２は、３／４インチ（１．９１センチメートル）のネジ付きスチールパイプ端部に形成された直径０．７７５インチ（１．９７センチメートル）の穴を含んでいた。ネジ付きスチール端部を、長さが約８インチ（２０．３センチメートル）の３／４インチ（１．９１センチメートル）のスチールパイプの一部に取り付けた。非導電性ホースを、燃料パイプ１１０の上流端及びプロパン燃料タンクに固定した。プロパンは、約８ＰＳＩＧの圧力で供給した。

バーナー１０８は、直径が約１．５インチ（３．８１センチメートル）の開口部を含む約３インチ（７．６２センチメートル）の厚さのスラブを形成するようにキャスタブル耐火物から形成されたブラフボディ５０４を含んでいた。燃料源５０２は、ブラフボディ５０４に形成された開口部に軸方向に位置合わせした。燃料源５０２は、０．７７５インチ（１．９７センチメートル）の直径の穴がブラフボディの下面の約２．５インチ（６．３５センチメートル）下に配置され、ブラフボディにある開口部の上面が保炎器を形成するようにブラフボディスラブの公称面に垂直に向けられた。

帯電電極１１２は、直径約１／４インチ（６．３５ミリメートル）の３０６タイプのステンレス鋼で形成した。帯電電極は、或いは通電電極と呼ぶことができる。帯電電極は、帯電電極の上端がブラフボディ５０４の上面の６インチ（１５．２４センチメートル）上に支持されるように、端から６インチの実質的に９０°の屈曲部を含んでいた。

形状電極１１６は、中空円環体を形成するようにそれらの縁部で接合した、プレス加工又は機械加工されたアルミニウム片から形成した。円環体は、７インチ（１７．７８センチメートル）の内径と１０インチ（２５．４センチメートル）の外径とを有する１．５インチの回転断面を有していた。円環体１１６は、ブラフボディ５０４上面に垂直に位置合わせされ、且つ燃料源５０２、ブラフボディ５０４の開口部及び帯電電極１１２の垂直部分との共通軸を形成するように横方向で中心におかれた回転軸に支持された。円環体１１６の下端は、ブラフボディ５０４の上面の１３．７５インチ（３４．９２５センチメートル）上に支持された。

電圧源１１０は、帯電電極１１２及び形状電極１１６に連結した。電圧源１１０は、ナショナルインスツルメンツＮＩのＰＸＩｅ−１０６２Ｑシャーシに搭載されたナショナルインスツルメンツのＰＸＩ−５４１２波形発生器を含んでいた。波形は、ＴＲＥＫモデル４０／１５の高電圧増幅器で４０００倍増幅し（４０００倍ゲイン）、その出力をＴＲＥＫにより提供された電気リード線によって帯電電極１１２及び形状電極１１６に連結した。

装置５０１をまず、帯電電極１１２又は形状電極１１６にいかなる電圧も印加せずに起動した。燃料源のバルブは、ほぼ図５に示す形状１０９ａに、したがってブラフボディ５０４の上に円環体１１６の中心を通って延びる、平らくされていない火炎１０９ａを生成するように調節した。火炎１０９ａの形状はカオス的であったが、概ね円環体１１６を通って延び、円環体１１６に接触しなかった。火炎１０９ａは、約３インチ（７．６２センチメートル）の直径を有する、高さ１５インチ（３８．１センチメートル）〜２０インチ（５０．８センチメートル）の高拡散の火炎であった。

次に、電圧源１０に通電し、結果を観察した。ナショナルインスツルメンツのＰＸＩ−５４１２波形発生器は、±４０ｋＶの計算された電圧を有するほぼ８００Ｈｚの三角波を生成する（ゼロ電圧交差を挟んで、三角波の底部を−４０キロボルトに増幅し、三角波の頂部を＋４０ｋＶに増幅する）ように、三角波に調整した。

帯電電極１１２及び形状電極１１６に電圧を印加すると、火炎１０９は、１０９ａとして示される自然の形状から１０９ｂとして示される扁平な形状に直ちに変形することが分かった。平たくされた火炎１０９ｂは、形状１０９ａよりも明るい（より光を発する）ことが観察された。目に見える煤煙は観察されなかった。燃焼反応の全体が圧縮された１０９ｂの体積内で発生していたという結論が出された。前の実験によって示されるように、圧縮された火炎１０９ｂは、より大きい１０９ａの火炎の反応の度合いよりも大きい反応の度合い（より多くの燃料の二酸化炭素への変換、より大きい熱出力、より少ない煤煙、及びより少ない一酸化炭素排出）に相当すると考えられた。

様々な態様及び実施形態を本明細書に開示してきたが、他の態様及び実施形態も考えられる。本明細書に開示された様々な態様及び実施形態は、例示の目的のためのものであって、限定を意図するものではなく、真の範囲及び精神は、以下の特許請求の範囲によって示される。

Claims (74)

1. 火炎を平たくする装置であって、
   バーナーの近位に配置され、且つ前記バーナーによって支持される火炎に少なくとも断続的に接触するように構成された帯電電極と、
   前記帯電電極に対して前記バーナーの遠位に配置された形状電極と、
   前記帯電電極及び前記形状電極に動作可能に連結され、且つ前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電位を印加するように構成された電圧源と
   を含む、火炎を平たくする装置。
2. 前記電圧源によって前記帯電電極及び前記形状電極に前記実質的に同位相の時変電位を印加することにより、前記火炎は、平たくなり、前記実質的に同位相の時変電位を印加しないのに比べてより小さい体積になる、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
3. 前記電圧源によって前記帯電電極及び前記形状電極に前記実質的に同位相の時変電位を印加することにより、前記火炎は、前記実質的に同位相の時変電位を印加しないのに比べて輝度が増大する、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
4. 前記電圧源によって前記帯電電極及び前記形状電極に前記実質的に同位相の時変電位を印加することにより、前記火炎は、その熱出力を維持し又は前記実質的に同位相の時変電位を印加しないのに比べて増加させる、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
5. 前記バーナーをさらに含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
6. 燃料供給速度装置と、
   前記燃料供給速度装置に動作可能に連結され、前記電圧源が前記帯電電極及び前記形状電極に前記実質的に同位相の時変電位を印加したときに前記燃料供給量装置に燃料供給速度を増加させるように構成された燃料コントローラと
   をさらに含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
7. 前記燃料供給速度装置は、前記バーナーへの気体燃料又は液体燃料の流量を制御するための作動弁を備える、請求項６に記載の火炎を平たくする装置。
8. 前記燃料供給速度装置は、前記バーナーに微粉固体燃料を供給するためのオーガー又はエダクタジェットポンプを含む、請求項６に記載の火炎を平たくする装置。
9. 前記燃料コントローラは、前記帯電電極及び前記形状電極に前記実質的に同位相の時変電位を印加しない場合には火炎の吹き消えを引き起こす前記バーナーへの燃料供給速度をもたらすように構成される、請求項６の火炎を平たくする装置。
10. 前記形状電極は環状体を含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
11. 前記形状電極は円環体を含む、請求項１０に記載の火炎を平たくする装置。
12. 前記帯電電極は前記火炎内に少なくとも部分的に配置されたロッドを含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
13. 前記帯電電極は前記火炎内に少なくとも部分的に配置された円環体を含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
14. 前記帯電電極が前記バーナーの導電部を含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
15. 前記時変電位は周期的な電位を含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
16. 前記時変電位は符号が変化する波形を含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
17. 前記時変電位は周期的な電圧波形を含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
18. 前記波形は正弦波形、矩形波形、三角波形、のこぎり波形、又はフーリエ級数波形を含む、請求項１７に記載の火炎を平たくする装置。
19. 前記時変電位は交流電圧波形を含む、請求項１７に記載の火炎を平たくする装置。
20. 前記帯電電極は、前記時変電位と同じ符号を瞬間的に有する時変多数電荷を火炎に与えるように構成される、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
21. 前記電圧源は、電圧が時間的に変化しなければ絶縁破壊の原因となる大きさを有する前記電圧を印加するように構成される、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
22. 前記電圧源は、５０〜１０，０００ヘルツの間の周波数を有する周期的な電位を印加するように構成される、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
23. 前記電圧源は、５０〜１０００ヘルツの間の周波数を有する周期的な電位を印加するように構成される、請求項２２に記載の火炎を平たくする装置。
24. 前記電圧源は、±１０００ボルトから±１１５，０００ボルトの時変電位を印加するように構成される、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
25. 前記電圧源は、±８０００ボルトから±４０，０００ボルトの時変電位を印加するように構成される、請求項２４に記載の火炎を平たくする装置。
26. 前記電圧源は、前記帯電電極と前記形状電極との間の電圧比を維持するように構成される、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
27. 前記電圧源は、前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同じ電圧を印加するように構成される、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
28. 前記帯電電極、前記形状電極、及び前記電圧源は、絶縁破壊を回避するために協働するように構成される、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
29. 前記電圧源は、前記形状電極に印加される周期的な電位の位相を、前記帯電電極に印加される周期的な電位の位相の±π／４以内に維持するように構成される、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
30. 前記電圧源は、前記形状電極に印加される周期的な電位の位相を、前記帯電電極に印加される周期的な電位の位相の±π／８以内に維持するように構成される、請求項２９の火炎を平たくする装置。
31. 前記電圧源は、時変電位を同位相で出力するように構成され、
    前記電圧源から前記帯電電極及び前記形状電極への電気リード線をさらに備え、
    前記装置は、前記形状電極及び前記帯電電極に印加される時変電位が前記電気リード線による伝搬遅延に起因する差までしか異ならないように構成される、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
32. 前記帯電電極、前記形状電極、及び前記電圧源は、前記火炎を、前記時変電位の印加がない火炎のエタンデュよりも小さいエタンデュに圧縮するべく協働するように構成される、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
33. 前記時変電位の印加がない火炎に必要なバーナーハウジングよりも小さい容積を有するバーナーハウジングをさらに含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
34. 前記平たくされた火炎は、前記時変電位がない場合に火炎によって形成された熱源と比べて高い温度を有する熱源をさらに含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
35. 前記火炎からエネルギーを受け取るように構成された表面をさらに含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
36. 前記火炎からエネルギーを受け取るように構成された工業プロセスをさらに含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
37. 前記火炎からエネルギーを受け取るように構成された加熱システムをさらに含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
38. 前記火炎からエネルギーを受け取るように構成された発電システムをさらに含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
39. 前記火炎からエネルギーを受信するように構成された装置を含む陸上車両、船舶、又は航空機をさらに含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
40. 前記火炎からのエネルギーを受け取るようにワークピースを保持するべく構成された構造体をさらに含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
41. 前記電圧源は、電極コントローラをさらに含み、且つ、
    前記電極コントローラに動作可能に連結され、且つ火炎又は火炎によって生成される燃焼ガスの１つ以上の特性を感知するように構成された１つ以上のセンサをさらに含み、
    前記電極コントローラは、前記帯電電極及び前記形状電極に印加される時変電位に対応する電圧、周波数、波形、位相、又はオン／オフ状態の１つ以上を決定するように構成される 請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
42. 前記電圧源は、前記帯電電極及び前記形状電極に時変電位を印加するべく協働するように構成された論理回路と、波形発生器と、１つ以上の増幅器とを含む電極コントローラをさらに含む、請求項１に記載の火炎を平たくする装置。
43. バーナーの近位で前記バーナーによって支持される火炎と少なくとも断続的に接触する帯電電極を支持することと、
    前記帯電電極に対して前記バーナーの遠位で形状電極を支持することと、
    前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することと
    を含む、火炎を平たくする方法。
44. 前記帯電電極及び前記形状電極に前記実質的に同位相の時変電圧を印加することにより、前記火炎は、平たくなり、前記実質的に同位相の時変電圧を印加しないのに比べてより小さい体積になる、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
45. 前記帯電電極及び前記形状電極に前記実質的に同位相の時変電圧を印加することにより、前記火炎は、前記実質的に同位相の時変電圧を印加しないのに比べて輝度が増大する、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
46. 前記帯電電極及び前記形状電極に前記実質的に同位相の時変電圧を印加することにより、前記火炎は、その熱出力を維持し又は前記実質的に同位相の時変電圧を印加しないのに比べて増加させる、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
47. 前記帯電電極及び前記形状電極に前記実質的に同位相の時変電圧が印加されたときに前記火炎に供給される燃料の速度を増加させるように燃料供給速度を制御することをさらに備える、請求項４３の火炎を平たくする方法。
48. 燃料供給速度を制御することは、前記バーナーへの気体燃料又は液体燃料の流量を制御する弁を作動させることを含む、請求項４７の火炎を平たくする方法。
49. 燃料供給速度を制御することは、前記バーナーに微粉固体燃料を供給するためのオーガ又はエダクタージェットポンプを作動させることを含む、請求項４７の火炎を平たくする方法。
50. 前記火炎に供給される燃料の速度を増加させるように燃料供給量を制御することは、前記帯電電極及び前記形状電極に前記実質的に同位相の時変電圧を印加しない場合には火炎の吹き消えを引き起こす前記バーナーに供給される燃料の速度をもたらすことを含む、請求項４７に記載の火炎を平たくする方法。
51. 前記帯電電極に対して前記バーナーの遠位で形状電極を支持することは、環状体状の形状電極を支持することを含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
52. 前記帯電電極に対して前記バーナーの遠位で形状電極を支持することは、円環体状の形状電極を支持することを含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
53. バーナーの近位で前記バーナーによって支持される火炎に少なくとも断続的に接触する帯電電極を支持することは、ロッドを少なくとも部分的に前記火炎内で支持することを含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
54. バーナーの近位で前記バーナーによって支持される火炎に少なくとも断続的に接触する帯電電極を支持することは、円環体を少なくとも部分的に前記火炎内で支持することを含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
55. バーナーの近位で前記バーナーによって支持される火炎に少なくとも断続的に接触する帯電電極を支持することは、前記バーナーの導電部を支持することを含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
56. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の周期的な電圧を印加することを含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
57. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の周期的な電圧を印加することは、前記帯電電極及び前記形状電極に符号が変化する波形を印加することを含む、請求項５６に記載の火炎を平たくする方法。
58. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の周期的な電圧を印加することは、前記帯電電極及び前記形状電極に正弦波形、矩形波形、三角波形、のこぎり波形、又はフーリエ級数波形を印加することを含む、請求項５６に記載の火炎を平たくする方法。
59. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の周期的な電圧を印加することは、前記帯電電極及び前記形状電極に交流電圧波形を印加することを含む、請求項５６に記載の火炎を平たくする方法。
60. （図示せず）前記帯電電極に印加される時変電圧と同じ符号を瞬間的に有する時変多数電荷を前記火炎に与えることをさらに含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
61. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、電圧が時間的に変化しなければ絶縁破壊の原因となる大きさを有する前記電圧を印加することを含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
62. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、５０〜１０，０００ヘルツの周波数を有する周期的な電圧を印加することを含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
63. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、５０〜１０００ヘルツの周波数を有する周期的な電圧を印加することを含む、請求項６１に記載の火炎を平たくする方法。
64. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、±１０００ボルトと±１１５，０００ボルトとの間の電圧を印加することを含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
65. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、±８０００ボルトと±４０，０００ボルトとの間の電圧を印加することを含む、請求項６３に記載の火炎を平たくする方法。
66. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、前記帯電電極と前記形状電極との間の電圧比を維持することを含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
67. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同じ電圧を印加することを含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
68. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、絶縁破壊を回避することを含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
69. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、前記形状電極に印加される周期的な電圧位相を前記帯電電極に印加される周期的な電圧の位相の±π／４以内に維持することを含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
70. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、前記形状電極に印加される周期的な電圧位相を前記帯電電極に印加される周期的な電圧の位相の±π／８以内に維持することを含む、請求項６８に記載の火炎を平たくする方法。
71. 前記帯電電極及び前記形状電極に実質的に同位相の時変電圧を印加することは、電気リード線を使って電圧源から前記帯電電極及び前記形状電極に電圧を印加することを含み、
    前記帯電電極及び前記形状電極に印加される前記時変電圧間のいかなる位相差も前記電気リード線による伝搬遅延に起因する、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
72. 前記火炎から表面にエネルギーを加えることをさらに含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。
73. 前記火炎から表面にエネルギーを加えることは、工業プロセスにエネルギーを加えること、加熱システムにエネルギーを加えること、発電システムにエネルギーを加えること、陸上車両、船舶、又は航空機にエネルギーを加えること、又はワークピースにエネルギーを加えることのうちの１つ以上を含む、請求項７１に記載の火炎を平たくする方法。
74. 前記火炎又は前記火炎によって生成される燃焼ガスの１つ以上の特性を感知することと、
    １つ以上の特性を感知することに応答して、前記帯電電極及び前記形状電極に印加された前記時変電圧に対応する電圧、周波数、波形、位相、又はオン／オフ状態の１つ以上を制御することと
    をさらに含む、請求項４３に記載の火炎を平たくする方法。

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