JP5979513B2 - 燃焼機関用マフラ - Google Patents

Description

関係者各位
本書をもって以下を証する。すなわち、両者ともにアメリカ合衆国国民であり、両者ともにＭｉｃｈｉｇａｎ州の居住者である、Ｂａｙ郡Ａｕｂｕｒｎ市の居住者Ｊｏｈｎ Ｌ． ＢｒｏｃｋおよびＯａｋｌａｎｄ郡Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ Ｈｉｌｌｓの居住者Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｃａｍｐｂｅｌｌ Ｔｈｏｍｐｓｏｎ ＩＶは、本明細書に記載する閉鎖型渦流装置である新規かつ有益な装置を発明した。

本出願は２０１０年６月３日に出願された米国実用特許出願第１２／８０２，２７３号の優先権を主張する。

本発明は、装置へ入るまたは装置から出る空気またはガスの流れを可能にする容器型装置である。ガスが装置を通って移動するプロセスにおいて、渦が装置内で生成され、渦によって、より重い物質の分離、いずれかの粒子のサイズの縮小、および装置に導入された粒子サイズよりも顕著に小さいサイズの粒子の放出が可能になる。

チャンバ内で渦を誘発する従来技術のほとんどの装置は、渦を生成するためにプロペラまたはインペラを使用する。２００８年６月３日にＡｒｌａｓｋｙに付与された米国特許第７，３８０，６３９号明細書は、プロペラを使用する主要な例である。

本発明は、空気またはガス流を受け入れ、１対３の比を有する、ハウジングの壁の内側の入口長さおよび直径の関係性により、渦を自己誘発させる。ハウジングの内側基部には弾丸状突起が備えられる。弾丸状突起により、渦の戻り、入ってくる渦の反転、および空気またはガスの出口からの強制排出が支援される。弾丸の長さは、円筒ハウジングの全長と関連性があり、この比は同じく１：３である。弾丸の頂点の領域は低圧領域を生成するが、その一方で、弾丸の周囲の領域では、より重い物質が弾丸周囲のループに捕捉され、粒子がハウジングに流入するサイズよりも微細な粒子サイズに縮小され、出ていく渦に入りかつ出口から流出することが許容されるまで再循環される。

本発明は、開放端（ｌｉｖｅ ｅｎｄ）および閉止端（ｄｅａｄ ｅｎｄ）と、内側側面と、閉止端内側表面と、開放端内側表面とを有する閉鎖型円筒ハウジングを含む閉鎖型渦流装置である。また本装置は入口、出口および弾丸状突起を含む。

入口管は円筒ハウジング側からかつ開放端の近くで第１開口部を通って入る。出口管は円筒ハウジングの開放端の中央開口から出る。弾丸状突起は中央に配置され、閉止端の内側表面に取り付けられる。内側側壁表面からの入口管の長さ対内側開放端表面からの出口管の長さの比が約１：３であり、その際、閉止端の内側表面からの弾丸状突起の長さ対閉鎖型円筒ハウジングの全長の比が約１：３であることによって渦は生成される。

図１は、本装置の内部の図である。 図２は、粒子収集機と、弾丸または突起を通る空気流開口部とを備えたマフラとしての本装置の内部の図である。 図３は、粒子収集機と、弾丸または突起を通る空気流開口部とを備えたマフラとしての本装置の内部の図である。 図４は、マフラとしての本装置の部分的な外部の図である。 図５は、別のマフラの実施形態の内部の図である。 図６は、入口用デフレクタを特徴とする出口の別の実施形態である。 図７は、ガスの流れ図である。 図８は、未使用燃料を再循環するための回収出口を特徴とする本装置の別の実施形態である。 図９は、未使用燃料を再循環するための回収出口を特徴とする本装置の別の実施形態である。

図１は装置２の内部の図である。例として装置２は車両排気システムに装着されると、遠位端６の入口８を通して排気ガスを中へ流す。ガスは装置２の中へ流れ、すぐに渦状に回転を始め、突起または弾丸１２に到達するまで内壁１６に沿って流れる。渦状に流れるガスが突起１２と接触すると、ガスは逆ベンチュリ効果を発生し渦の経路を上向きに変え、より軽いガスの流れを出口１０の方へおよび装置２の外へ向ける。ガスが突起１２と接触すると、突起１２の端部から少し離れたところで低圧領域１８が発生する。ガスは外方に向けられ環状の渦４２を生成し、ガスは内壁１６へ加速される。より軽い粒子が渦の中へ移動し、渦はガスおよびより重い粒子を渦から放出して落とす。この領域の下および弾丸１２の側面に沿って循環が発生し、より大きく重い粒子を捕捉し、そこでそれら粒子はより小さい粒径に縮小されるまで巻き込まれ続ける。この領域は循環ループ２０と呼ばれる。粒子はここで弾丸に沿って上に移動し、そこで粒子は再び壁に向けて送られる。粒子は外に移動するのに十分小さくなるまでこのループ内に残るであろう。粒子が環状ループ２０を離れるのに十分小さくなると、すなわち十分軽くなると、粒子は低圧領域１８を通過して渦の中に捕捉され、渦は粒子を装置２から除去する。

粒子は装置２の内壁１６に繰り返し追い立てられることによって循環ループ２０内で縮小される。これら繰り返される衝突は、粒径を時間が経つにつれ縮小する能力を有し、次にそれらを低圧領域１８を通し、ガスを出口１０を通して放出するために渦の中へ開放する。

図２は、粒子収集機２２と、弾丸または突起１２を貫通する空気流開口部１４とを備えたマフラとしての装置の内部の図である。装置２は、排気に取り付けられ、遠位端６の入口８を通して排気ガスを流入させる。ガスは装置２に流入し、すぐに渦状に回転し始め、突起または弾丸１２に到達するまで内壁１６にそって流れる。装置２に流入したガスが突起１２と接触すると、逆ベンチュリ効果が発生し、渦の経路を上向きに変え、より軽いガス流を出口１０の方へ、装置２から外へ向ける。ガスが突起１２と接触すると、突起１２の端部から少し離れたところで低圧領域１８が発生する。ガスは外方へ向けられ環状の渦４２を生成し、ガスを内壁１６へ加速させる。より軽い粒子が渦の中へ移動し、渦はガスおよびより重い粒子を渦から放出して落とす。この領域の下および弾丸１２の側面に沿って循環が発生し、より大きく重い粒子を捕捉し、そこでそれら粒子はより小さい粒径に縮小されるまで巻き込まれ続ける。この領域は循環ループ２０と呼ばれる。粒子はここで弾丸に沿って上に移動し、そこで粒子は再び壁に向けて送られる。粒子は外に移動するのに十分小さくなるまでこのループ内に残るであろう。粒子が環状ループ２０を離れるのに十分小さくなると、粒子は低圧領域１８を通過して渦の中に捕捉され、渦は粒子を装置２から除去する。

この実施形態は、近位端４を通り、収集機２２およびその近位端３２を通って入り込み、弾丸１４を通って連続する開口部１４を有する。この開口部１４により、各種物質が低圧領域１８および装置２の渦へ導入される。装置に導入される物質の一例は、エンジン排気から発生する熱を下げる冷気であろう。

さらに収集機２２があり得る。収集機２２は、大きく、循環ループ２０内に残る粒子を収集する目的を果たす。これらの粒子は最後には収集機２２の遠位端３０の開口部２８を通して収集機２２の中へ脱落する。他の実施形態において、収集機２２は取り外し可能でありフィルタとして作動する。他の実施形態において、収集機２２は共鳴効果を生じさせるためにバッフルプレートが設けられるか、あるいは単に共鳴器２４として使用される。開口部２８がない場合、粒子は低圧領域１８を通って渦の中へ、そして出口１０へと通過するのに十分に縮小されるまで循環ループ２０内に残るであろうことも指摘されるべきである。

図３は粒子収集機２２と、弾丸または突起１２を貫通する空気流開口部１４と備えたマフラとしての装置２の内部の図である。この図により、収集機２２の遠位端３０をより良く見ることができる。収集機２２の開口部２８により、より大きく重い粒子を収集機２２の中へ脱落させる、または落とすことができる。

図４はマフラとしての装置２の部分的な外部の図である。入口８および出口１０の両方が外面３４を通過する。両方とも装置２の遠位端６の近くに配置されている。装置２は、装置２の内側の全ての操作に関して完全に自己完結型である。弾丸１２の端部およびそれを通る開口部１４も見ることができる。この図により、弾丸１２の周りの領域をより良く理解することができる。弾丸を囲むこの領域は、循環ループ２０が存在する場所である。より重い粒子が捕捉されここに巻き込まれる。粒子は縮小するまであるいは収集機２２の中へ落ちるまでここで再循環する。

図５は別のマフラの実施形態の内部の図である。この実施形態において、装置２は外側ハウジング２６に囲まれる。この外側ハウジングは美的価値用であってもよく、あるいはより大きな共鳴器室として組み込んでもよい。

図６は、入口８用のデフレクタ３８を特徴とする出口１０の別の実施形態である。この実施形態は、渦をより速く装置２内に誘導する。このデフレクタは必ずしも渦を生成しなくてもよいが、渦をより速く引き起こすであろう。デフレクタ３８は入口８に隣接して出口１０に取り付けられる。流入するガスがデフレクタに当たり、すぐに渦状に回転するだろう。

図７はガスの流れ図である。排気が流入し、内壁１６の付近を循環しながら下がる。弾丸１２の先端に到達すると、低圧領域１８が発生する。より軽い粒子は渦より上に移動し、より重い粒子は環状の渦４２によって外側へ追いやられる。これらのより重い粒子は内壁１６に当たりその粒径を縮小する。より重い粒子は環状ループ２０内に引き込まれ、内壁１６に沿って下方へ移動し、そして底部沿いに、その後弾丸１２の外壁４６の上に移動し、環状の渦４２に再び導入される、すなわちそれらはより軽い粒子として出ていく。大きすぎる粒子は、低圧領域１８を通過して装置２を出るのに十分な粒径に縮小するまでループ２０に残る。

図８は、未使用の燃料または炭化水素を再循環するための回収出口４４を特徴とする装置２の別の実施形態である。この実施形態は、再循環ループ４０を備えているため、ディーゼルモータのマフラとしての使用に理想的である。循環ループ２０内のより重い粒子は取り除かれ、再燃焼されるように燃焼サイクルに再導入される。これは排出物質を改善し、走行距離を延長する。

図９は、未使用の燃料を再循環するための回収出口４４を特徴とする装置の別の実施形態である。この実施形態において、回収出口は突起１２内の開口部１４である。より重い粒子は、弾丸１２内の開口部１４を通して取り除かれ、燃焼サイクルに再導入される。

本装置はまた、他の用途において、排気を生成するいずれのモータまたはプロセスと一緒に、使用することもできる。本装置は、石炭火力発電プロセスによって生成される排気に取り付けられる場合、該プロセスにおいて使用され、ガスは遠位端６の入口８に流入し、排気ガスは遠位端６の入口８を通って中を流れることができる。ガスは装置２に流入するとすぐ渦状に回転し始め、突起または弾丸１２に到達するまで内壁１６に沿って流れる。装置２に流入したガスが突起１２と接触すると、ガスは逆ベンチュリ効果を発生し、渦の経路を上向きに変え、より軽いガスの流れを出口１０の方へ、および装置２の外へ向ける。ガスが突起１２と接触すると、突起１２の端部から少し離れたところで低圧領域１８が発生する。ガスは外方へ向けられ環状の渦を生成し、ガスを内壁１６へ加速させる。より軽い粒子が渦の中へ移動し、渦はガスおよびより重い粒子を渦から放出して落とす。この領域の下および弾丸１２の側面に沿って循環が発生し、より大きく重い粒子を捕捉し、そこでそれら粒子はより小さい粒径に縮小されるまで巻き込まれ続ける。この領域は循環ループ２０と呼ばれる。粒子はここで弾丸に沿って上に移動し、そこで粒子は再び壁に向けて送られる。粒子は外に出るのに十分小さくなるまでこのループ内に残るであろう。粒子が環状ループ２０を離れるのに十分小さくなると、粒子は低圧領域１８を通過して渦の中に捕捉され、渦は粒子を装置２から除去する。ゆえに排気は、より重い粒子が前に説明した方法で縮小されるかまたは除去されるので、清浄化される。装置２は焼却プロセスで使用されるようにも適合される。装置が焼却機の排気に取り付けられると、排気は遠位端６の入口８を通って流入する。ガスは装置２に流入するとすぐ渦状に回転し始め、突起または弾丸１２に到達するまで内壁１６に沿って流れる。装置２に流入したガスが突起１２と接触すると、ガスは逆ベンチュリ効果を発生し、渦の経路を上向きに変え、より軽いガスの流れを出口１０の方へ、および装置２の外へ向ける。ガスが突起１２と接触すると、突起１２の端部から少し離れたところで低圧領域１８が発生する。ガスは外方へ向けられ環状の渦を生成し、ガスを内壁１６へ加速させる。より軽い粒子が渦の中へ移動し、渦はガスおよびより重い粒子を渦から放出して落とす。この領域の下および弾丸１２の側面に沿って循環が発生し、より大きく重い粒子を捕捉し、そこでそれら粒子はより小さい粒径に縮小されるまで巻き込まれ続ける。この領域は循環ループ２０と呼ばれる。粒子はここで弾丸に沿って上に移動し、そこで粒子は再び壁に向けて送られる。粒子は外に出るのに十分小さくなるまでこのループ内に残るであろう。粒子が環状ループ２０を離れるのに十分小さくなると、粒子は低圧領域１８を通過して渦の中に捕捉され、渦は粒子を装置２から除去する。ゆえに排気は、より重い粒子が前に説明した方法で縮小されるかまたは除去されるので、清浄化される。それは、収集、縮小または再循環された、縮小性または除去性排出物質と呼ばれる。これは危険性廃棄物の焼却に特に重要である。

装置２内には渦の生成を可能にする関係性がある。入口管は円筒ハウジング側からかつ開放端の近くで第１開口部を通って入る。出口管は円筒ハウジングの開放端の中央開口から出る。弾丸状突起は中央に配置され、閉止端の内側表面に取り付けられる。内側側壁表面からの入口管の長さ対内側開放端表面からの出口管の長さの比が約１：３であり、その際、閉止端の内側表面の内側表面からの弾丸状突起の長さ対閉鎖型円筒ハウジングの全長の比が約１：３であることによって渦は生成される。

Claims (9)

1. 燃焼機関用マフラであって、
   開放端壁と、閉止端壁と、中心軸線の周りに延びる内側側面を備えた円筒側壁とを有する細長いハウジングと、
   内側端において出口開口を画成する出口管であって、上記中心軸線に位置合わせされた上記開放端壁の中央開口を通って上記細長いハウジング内に延びる上記出口管と、
   上記開放端壁と上記出口管の上記内側端との間において上記細長いハウジングの中に入口開口を画成する入口管と、
   上記閉止端壁の中央に取り付けられ、先端に向かって軸線方向に所定の距離を上記細長いハウジング内に延びる突起と、を有し、
   排気ガス流は、上記入口開口から上記細長いハウジングに入り、螺旋渦状に上記円筒側壁の上記内側側面に沿って上記先端に向かって流れ、上記先端において上記排気ガス流は方向を反転させて軸線方向に上記螺旋渦の中を上記出口開口に向かって流れ戻り、上記出口管から出て、上記排気ガス流は、この排気ガス流が上記細長いハウジングを流れるときに音響的に消音される、
   ことを特徴とする燃焼機関用マフラ。
2. 上記突起の長さと上記円筒側壁の長さとの比が１：３である請求項１に記載の燃焼機関用マフラ。
3. 上記突起の先端は、円形凸状の先端を形成する請求項１に記載の燃焼機関用マフラ。
4. 上記突起は、上記閉止端壁から上記突起の先端まで延びる円筒側壁を備える請求項１に記載の燃焼機関用マフラ。
5. 上記入口開口は、上記開放端壁に隣接して設けられている請求項１に記載の燃焼機関用マフラ。
6. 上記排気ガスは、上記螺旋渦内の内側渦の中を上記突起から上記出口管まで流れる、請求項１に記載の燃焼機関用マフラ。
7. 上記排気ガス流は、上記突起の先端の近傍において低圧領域を形成する請求項１に記載の燃焼機関用マフラ。
8. 更に、共鳴器室を画成する上記細長いハウジングに取り付けられた共鳴器を有する請求項１に記載の燃焼機関用マフラ。
9. 更に、上記細長いハウジングを取り囲む外側チャンバを形成する外側ハウジングを有する請求項１に記載の燃焼機関用マフラ。

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