KR101004459B1 - Hybrid system for generating power - Google Patents

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KR101004459B1
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로베르토 오. 펠리자리
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필립 모리스 유에스에이 인코포레이티드
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Abstract

전력을 발생시키기 위한 하이브리드 시스템. 하이브리드 시스템은 태양 방사선을 수집하여 전력으로 변환하기 위한 광전 어레이, 액체 연료의 소스로부터 전력을 발생시키기 위한 장치로서, 입구 단부와 출구 단부를 가지면서 입구 단부가 액체 연료의 소스와 유체 연통하는 적어도 하나의 모세관 유로와, 적어도 하나의 모세관 유로를 따라 배열되어, 그 적어도 일부를 액체 상태로부터 증기 상태로 변화시키기에 충분한 수준으로 상기 적어도 하나의 모세관 유로내의 액체 연료를 가열하고 상기 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 출구 단부로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하도록 동작할 수 있는 열원과, 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 출구 단부와 연통하는 연소 챔버 및 상기 연소 챔버내에서의 연소에 의해 방출되는 열을 전력으로 변환하도록 동작할 수 있는 변환 디바이스를 포함하는 액체 연료의 소스로부터 전력을 발생시키기 위한 장치, 및 변환 디바이스 및 광전 어레이에 의해 발생된 전력을 저장하기 위해, 광전 어레이 및 변환 디바이스에 전기적으로 연결된 저장 디바이스를 포함한다.Hybrid system for generating power. A hybrid system is a photovoltaic array for collecting and converting solar radiation into electric power, an apparatus for generating power from a source of liquid fuel, comprising: at least one having an inlet end and an outlet end in fluid communication with a source of liquid fuel The capillary flow paths of the at least one capillary flow paths and the liquid fuel in the at least one capillary flow paths are arranged along at least one A heat source operable to deliver a stream of substantially vaporized fuel from the outlet end, a combustion chamber in communication with the outlet end of at least one capillary flow path, and heat released by combustion in the combustion chamber; Devices operable to convert to An apparatus for generating power from a source of liquid fuel, and a storage device electrically connected to the photoelectric array and the conversion device for storing power generated by the conversion device and the photoelectric array.

Description

전력 발생용 하이브리드 시스템{HYBRID SYSTEM FOR GENERATING POWER}Hybrid system for power generation {HYBRID SYSTEM FOR GENERATING POWER}

최근, 원격지에서 운용되는 전자 장비, 통신 장비(communications gear), 의료 디바이스 및 기타 장비에 대한 전력 수요가 증가하여, 매우 효과적이고 이동적인 전력 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다. 이들 응용 분야는 높은 전력 및 에너지 밀도 양자 모두를 제공하면서, 또한, 최소의 크기 및 중량, 낮은 배기물 및 비용을 필요로 하는 전원을 필요로 한다. Recently, the demand for power for remotely operated electronic equipment, communication gear, medical devices and other equipment is increasing, and the demand for highly effective and mobile power systems is increasing. These applications require a power source that offers both high power and energy density while also requiring minimal size and weight, low emissions and cost.

현재까지, 배터리는 휴대용 전원을 제공하기 위한 주된 수단이 되어 왔다. 그러나, 재충전에 필요한 시간 때문에, 배터리는 지속적 사용 분야에 비효율적인 것으로 판명되었다. 또한, 휴대형 배터리는 일반적으로, 전력 생성이 수 밀리와트 내지 수 와트의 범위로 제한되며, 따라서, 현저한 수준의 이동성, 경량 전력 생산에 대한 수요를 충족시킬 수 없다.To date, batteries have been the main means for providing portable power sources. However, because of the time needed for recharging, batteries have proved inefficient in the field of continuous use. In addition, portable batteries generally have limited power generation in the range of several milliwatts to several watts and, therefore, cannot meet the demand for significant levels of mobility, lightweight power generation.

가솔린 또는 디젤 급유식 중 어느 한쪽인 내연 기관에 의해 동력 공급되는 소형 발전기도 사용되고 있다. 그러나, 이런 발전기의 소음 및 배기물 특성은 이들이 광범위한 이동성 전력 시스템에 대해 완전히 부적합해지게 하며, 실내용으로는 위험해지게 한다. 높은 에너지 밀도의 액체 연료에 의해 동력공급되는 종래의 열기관은 크기에 관하여 장점을 제공하지만, 열역학적 스케일링 및 비용 고려사항은 그 용도를 보다 큰 파워 플랜트에 선호되게 하는 경향이 있다.Small generators powered by an internal combustion engine, either gasoline or diesel, are also used. However, the noise and emissions characteristics of these generators make them completely unsuitable for a wide range of mobile power systems and dangerous for indoor use. Conventional heat engines powered by high energy density liquid fuels offer advantages in terms of size, but thermodynamic scaling and cost considerations tend to make their use preferred for larger power plants.

광전 및 열전 발전기는 단지 2킬로와트 미만에서 상업적으로 가용한 에너지 변환 기술이다. 광전지의 장점이 명확한 반면에, 단점도 명백하다. 열전 발전기에 관하여, 이들은 크고, 값비싸며 비교적 비효율적인 경향을 갖는다. Photoelectric and thermoelectric generators are commercially available energy conversion technologies at only less than 2 kilowatts. While the advantages of photovoltaic cells are clear, the disadvantages are obvious. As for thermoelectric generators, they tend to be large, expensive and relatively inefficient.

이들 요인의 견지에서, 약 5.1 내지 204kg-m/sec(50 내지 2000 와트)의 크기 범위의 전력 시스템에 관한 공백이 있다. 또한, 높은 에너지 밀도의 액체 연료의 장점을 취하기 위해, 낮은 급유율이 가능한 개선된 연료 준비 및 전달 시스템이 필요하다. 부가적으로, 이런 시스템은 또한 최소의 배기물로 매우 효율적인 연소가 가능하여야 한다. 204kg-m/sec(2킬로와트) 미만의 조용하고, 청정한 전원은 광전 어레이에 기초한 것들 같은 현용의 기술을 유리하게 보완할 수 있으며, 전력을 발생시키기 위한 유리한 하이브리드 시스템을 산출할 수 있다.In view of these factors, there is a blank regarding power systems in the size range of about 5.1 to 204 kg-m / sec (50 to 2000 watts). In addition, to take advantage of high energy density liquid fuels, there is a need for an improved fuel preparation and delivery system capable of low oil supply rates. In addition, such systems should also be capable of very efficient combustion with minimal emissions. Quiet, clean power sources of less than 204 kg-m / sec (2 kilowatts) can advantageously complement existing technologies, such as those based on photoelectric arrays, and can yield an advantageous hybrid system for generating power.

일 양태에서, 본 발명은 전력을 발생시키기 위한 하이브리드 시스템에 관련하며, 이는In one aspect, the invention relates to a hybrid system for generating power, which

(a) 태양 방사선을 수집하여 전력으로 변환하기 위한 광전 어레이,(a) a photoelectric array for collecting and converting solar radiation into power,

(b) 액체 연료의 소스로부터 전력을 발생시키기 위한 장치로서, (i) 입구 단부와 출구 단부를 가지면서 입구 단부가 액체 연료의 소스와 유체 연통하는 적어도 하나의 모세관 유로, (ii) 상기 적어도 하나의 모세관 유로를 따라 배열되어, 그 적어도 일부를 액체 상태로부터 증기 상태로 변화시키기에 충분한 수준으로 상기 적어도 하나의 모세관 유로내의 액체 연료를 가열하고 상기 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 출구 단부로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하도록 동작할 수 있는 열원, (iii) 상기 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 출구 단부와 연통하는 연소 챔버 및 (iv) 상기 연소 챔버내에서의 연소에 의해 방출되는 열을 전력으로 변환하도록 동작할 수 있는 변환 디바이스를 포함하는 액체 연료의 소스로부터 전력을 발생시키기 위한 장치, 및(b) an apparatus for generating power from a source of liquid fuel, the apparatus comprising: (i) at least one capillary flow path having an inlet end and an outlet end in fluid communication with the source of liquid fuel, and (ii) the at least one Are arranged along the capillary flow paths of to heat the liquid fuel in the at least one capillary flow path to a level sufficient to change at least a portion thereof from the liquid state to the vapor state and substantially vaporize from the outlet end of the at least one capillary flow path. A heat source operable to deliver the stream of spent fuel, (iii) a combustion chamber in communication with the outlet end of the at least one capillary flow path, and (iv) heat released by combustion in the combustion chamber as power; To generate power from a source of liquid fuel including a conversion device operable to convert Device, and

(c) 상기 변환 디바이스 및 상기 광전 어레이에 의해 발생된 전력을 저장하기 위해, 상기 광전 어레이 및 상기 변환 디바이스에 전기적으로 연결된 저장 디바이스를 포함한다.  (c) a storage device electrically connected to the photoelectric array and the conversion device for storing power generated by the conversion device and the photoelectric array.

다른 양태에서, 본 발명은 전력을 발생시키기 위한 방법에 관련하며, 이는In another aspect, the invention relates to a method for generating power, which

(a) 광전 어레이의 사용을 통해 태양 방사선을 전력으로 변환하는 단계,(a) converting solar radiation into power through the use of a photoelectric array,

(b) 적어도 하나의 모세관 유로에 액체 연료를 보급하는 단계,(b) refueling at least one capillary flow path with liquid fuel,

(c) 적어도 하나의 모세관 유로내의 액체 연료를 가열함으로써, 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 적어도 하나의 모세관 유로의 출구를 통해 통과시키는 단계,(c) passing a stream of substantially vaporized fuel through the outlet of the at least one capillary flow path by heating the liquid fuel in the at least one capillary flow path,

(d) 연소 챔버내에서 기화된 연료를 연소시키는 단계,(d) combusting the vaporized fuel in the combustion chamber,

(e) 변환 디바이스를 사용하여 연소 챔버내의 기화된 연료의 연소에 의해 발생된 열을 전력으로 변환하는 단계, 및(e) converting heat generated by combustion of the vaporized fuel in the combustion chamber into power using a conversion device, and

(f) 단계 (a) 및 (e)에서 발생된 전력을 저장 디바이스에 저장하는 단계를 포함한다.(f) storing the power generated in steps (a) and (e) in the storage device.

일 양호한 형태에 따라서, 모세관 유로는 모세관 튜브를 포함할 수 있으며, 열원은 저항 가열 소자를 포함할 수 있고, 튜브의 섹션은 그를 통해 전류를 통과시킴으로써 가열된다. 또한, 다른 양호한 형태에서, 변환 디바이스는 약 510kg-m/sec(5,000와트)의 전력까지를 출력하는, 전기 발전기를 가지는 마이크로 터빈, 전기 발전기를 가지는 스털링(Stirling) 엔진, 열전 디바이스 또는 열광전 디바이스를 포함한다. 장치의 시동시 기화된 연료를 점화하기 위해 점화기가 제공될 수 있다. 바람직하게는 7.0kg-m/sec(100psig) 미만, 보다 바람직하게는 3.5kg-m/sec(50psig) 미만, 더 더욱 바람직하게는 0.7kg-m/sec(10psig) 미만, 가장 바람직하게는 0.35kg-m/sec(5psig) 미만의 압력으로 유로에 가압된 액체 연료를 전달하도록 연료 보급부가 배열될 수 있다. 양호한 형태는 공기와 혼합하여 25㎛ 미만, 바람직하게는 10㎛ 미만의 평균 액적 크기를 가지는 에어로졸을 연소 챔버내에 형성하는 기화된 연료의 스트림을 제공할 수 있기 때문에, 장치의 시동시 낮은 점화 에너지로 동작될 수 있다. According to one preferred form, the capillary flow path may comprise a capillary tube, the heat source may comprise a resistive heating element, and the section of the tube is heated by passing a current therethrough. Also in another preferred form, the conversion device is a micro turbine with an electric generator, a Stirling engine, a thermoelectric device or a thermoelectric device with an electric generator that outputs up to about 510 kg-m / sec (5,000 watts) of power. It includes. An igniter may be provided to ignite the vaporized fuel at startup of the device. Preferably less than 7.0 kg-m / sec (100 psig), more preferably less than 3.5 kg-m / sec (50 psig), even more preferably less than 0.7 kg-m / sec (10 psig), most preferably 0.35 The fuel refuel can be arranged to deliver pressurized liquid fuel to the flow path at a pressure of less than 5 psig (kg-m / sec). The preferred form is to provide a stream of vaporized fuel which forms an aerosol in the combustion chamber which has an average droplet size of less than 25 μm, preferably less than 10 μm when mixed with air, resulting in low ignition energy at start up of the device. Can be operated.

액체 연료의 가열 동안 침착물의 형성과 연계된 문제를 해결하기 위해, 일 양호한 형태는 장치 동작 동안 형성된 침착물을 세정하기 위한 수단 및 방법을 제공한다.In order to solve the problems associated with the formation of deposits during heating of liquid fuels, one preferred form provides a means and method for cleaning deposits formed during device operation.

이제, 첨부 도면을 참조로, 단지 예로서 주어진 본 발명의 양호한 형태를 참조로하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, with reference to the preferred form of the invention given by way of example only.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모세관 유로를 포함하는 연료 기화 디바이스의 부분 단면도. 1 is a partial cross-sectional view of a fuel vaporization device including a capillary flow path in accordance with an embodiment of the present invention.

도 2는 도 4의 시스템 및 디바이스를 구현하기 위해 사용될 수 있는 다중 모세관 배열을 도시하는 도면.FIG. 2 illustrates a multiple capillary arrangement that may be used to implement the system and device of FIG. 4. FIG.

도 3은 도 2에 도시된 디바이스의 단부도.3 is an end view of the device shown in FIG.

도 4는 본 발명의 실시에 사용하기 위한 실질적으로 기화된 연료를 전달하도록 다중 모세관 배열내의 침착물을 산화시키고, 연료를 기화하기 위해 사용될 수 있는 디바이스의 상세도.4 is a detailed view of a device that can be used to oxidize deposits in multiple capillary arrangements and to vaporize fuel to deliver substantially vaporized fuel for use in the practice of the present invention.

도 5는 모세관 유로에 연료 및 선택적인 산화 가스를 전달하기 위한 제어 디바이스의 개요도.5 is a schematic diagram of a control device for delivering fuel and optional oxidizing gas to a capillary flow path.

도 6은 액체 연료를 예열하기위해 연소 열을 사용하기 위한 배열의 개요도.6 is a schematic diagram of an arrangement for using combustion heat to preheat liquid fuel.

도 7A는 모세관 유로로부터 침착물을 세정하기 위해 가동성 로드를 사용하는 연료 기화 디바이스의 다른 실시예의 측면도.7A is a side view of another embodiment of a fuel vaporization device that uses a movable rod to clean deposits from the capillary flow path.

도 7B는 모세관 유로내에 완전히 결합된 모세관 유로로부터 침착물을 세정하기 위한 가동성 로드와 함께 도시되어 있는 도 7A의 실시예의 측면도.FIG. 7B is a side view of the embodiment of FIG. 7A shown with a movable rod for cleaning deposits from capillary flow paths fully coupled within the capillary flow paths. FIG.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기를 발생시키기 위해 스털링 엔진이 사용되는 본 발명에 따른 전력 발생을 위한 장치의 개요도.8 is a schematic diagram of an apparatus for power generation according to the invention in which a Stirling engine is used to generate electricity according to one embodiment of the invention.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 발생 디바이스의 부분 단면 개요도.9 is a partial cross-sectional schematic diagram of a power generating device according to another embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명에 따른 하이브리드 전력 시스템의 블록도. 10 is a block diagram of a hybrid power system in accordance with the present invention.

이제, 유사 번호가 전반에 걸쳐 유사 부분을 지시하기 위해 사용되고 있는 도 1 내지 도 10에 예시된 실시예를 참조한다.Reference is now made to the embodiment illustrated in FIGS. 1-10 where like numbers are used to indicate like parts throughout.

본 발명은 높은 에너지 밀도의 액체 연료를 유리하게 연소시키는 전력 발생 장치를 제공한다. 양호한 실시예에서, 장치는 연료 보급부에 연결된 적어도 하나의 모세관 크기 유로, 유로의 출구로부터 기화된 연료의 스트림을 전달하기에 충분하게 유로내의 액체 연료를 가열하도록 유로를 따라 배열된 열원, 기화된 연료가 내부에서 연소되는 연소 챔버 및 연소 챔버내의 연소에 의해 발생된 열을 기계적 및/또는 전기적 전력으로 변환하는 변환 디바이스를 포함한다. 연소 챔버 및 전력 변환 디바이스와 연계하여 가열된 모세관을 사용하는 것은 본 발명과 공통 발명자를 가지며, 본 발명의 양수인에게 양도되어 있으며, 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 발명의 명칭이 "기화된 연료의 연소에 의해 전력을 발생시키기 위한 장치 및 방법"인 2002년 5월 10일자로 펠리자리(Pellizzari)에 의해 출원된 미국 특허 출원 제10/143,463호에 기술되어 있다.The present invention provides a power generating device for advantageously burning a high energy density liquid fuel. In a preferred embodiment, the apparatus comprises at least one capillary size flow path connected to the fuel supply, a heat source arranged along the flow path to heat the liquid fuel in the flow path sufficient to deliver a stream of vaporized fuel from the outlet of the flow path, vaporized A combustion chamber in which fuel is burned therein and a conversion device for converting heat generated by combustion in the combustion chamber into mechanical and / or electrical power. The use of a heated capillary in conjunction with a combustion chamber and a power conversion device has a common inventor with the present invention, is assigned to the assignee of the present invention, and is incorporated herein by reference, entitled " US Patent Application No. 10 / 143,463, filed by Pellizzari, dated May 10, 2002, "Apparatus and Method for Generating Power by Combustion."

유로는 저항 가열기에 의해 가열된 모세관 튜브일 수 있으며, 튜브의 섹션은 그를 통해 전류를 통과시킴으로써 가열된다. 모세관 유로는 또한 낮은 열 관성을 가져서 모세관 유로가 매우 신속히, 예로서, 2.0초내에, 바람직하게는 0.5초 내에, 보다 바람직하게는 0.1초내에 연료를 기화시키기 위한 원하는 온도에 도달될 수 있는 것을 특징으로 한다. 모세관 크기 유로는 단층 또는 다층 금속, 세라믹 또는 유리 본체 같은 모세관 본체내에 형성되는 것이 바람직하다. 통로는 입구 및 출구로 개방된 내부 체적을 가지며, 입구 및 출구 중 어느 하나는 모세관 본체의 외부로 개방될 수 있거나, 동일 본체 또는 다른 본체내의 다른 통로나 피팅(fitting)에 연 결될 수 있다. 가열기는 스테인레스 강 튜브의 섹션 같은 본체의 일부에 의해 형성될 수 있거나, 가열기는 모세관 본체상에 또는 그 내부에 포함된 저항 가열 재료의 와이어 또는 불연속 층이될 수 있다. The flow path may be a capillary tube heated by a resistance heater, the section of the tube being heated by passing a current through it. The capillary flow passage also has low thermal inertia, so that the capillary flow passage can reach the desired temperature for vaporizing the fuel very quickly, for example within 2.0 seconds, preferably within 0.5 seconds, more preferably within 0.1 seconds. It is done. The capillary size flow path is preferably formed in a capillary body, such as a single or multilayer metal, ceramic or glass body. The passageway has an internal volume that is open to the inlet and the outlet, either of which may be open to the outside of the capillary body, or may be connected to another passageway or fitting within the same body or another body. The heater may be formed by a portion of the body, such as a section of a stainless steel tube, or the heater may be a wire or discontinuous layer of resistance heating material contained on or within the capillary body.

유로는 그를 통해 유체가 통과할 수 있는 입구 및 출구에 개방된 내부 체적을 포함하는 소정의 형상일 수 있다. 유로는 소정의 원하는 단면을 가질 수 있으며, 양호한 단면은 균일한 직경의 원이다. 다른 모세관 유로 단면은 삼각형, 정사각형, 직사각형, 난형 또는 기타 형상 같은 비원형 형상을 포함하며, 유로의 단면은 균일할 필요는 없다. 유로는 직선형으로 또는 비직선형으로 연장할 수 있으며, 단일 유로, 또는 다중 경로 유로일 수 있다.The flow path may be of any shape including an interior volume open at an inlet and an outlet through which fluid can pass. The flow path can have any desired cross section, with a good cross section being a circle of uniform diameter. Other capillary flow path cross sections include non-circular shapes such as triangles, squares, rectangles, ovals, or other shapes, and the flow paths need not be uniform. The flow path may extend straight or non-linear and may be a single flow path or a multipath flow path.

모세관 크기 유로는 바람직하게는 2mm 미만, 보다 바람직하게는 1mm 미만, 가장 바람직하게는 0.5mm 미만의 수력 직경을 가질 수 있다. "수력 직경"은 유체와 접촉하는 고체 경계의 외주(일반적으로 "습윤된" 외주라 지칭됨)에 의해 분할된 유체 운반 요소의 유동 면적의 4배로서 규정되며, 유체 운반 요소를 통한 유체 흐름 특성을 산출할 때 사용되는 파라미터이다. 원형 유로를 가지는 튜브에 대하여, 수력 직경과 실제 직경은 같다. 모세관 유로가 금속 모세관 튜브에 의해 형성되는 경우에, 관은 0.01 내지 3mm, 바람직하게는 0.1 내지 1 mm, 가장 바람직하게는 0.15 내지 0.5mm의 내경을 가질 수 있다. 대안적으로, 모세관 통로는 8 x 10-5 내지 7mm2, 바람직하게는 8 x 10-3 내지 8 x 10-1mm2, 보다 바람직하게는 2 x 10-1mm2 일 수 있는 통로의 횡단 단면적에 의해 규정될 수 있다. 단일 또는 다수 모세관, 다양한 압력, 다양한 모세관 길이, 모세관에 인가되는 열의 양 및 서로 다른 형상 및/또는 단면적의 다수의 조합이 주어진 용도에 적합할 수 있다.The capillary size flow path may preferably have a hydraulic diameter of less than 2 mm, more preferably less than 1 mm and most preferably less than 0.5 mm. "Hydraulic diameter" is defined as four times the flow area of the fluid conveying element divided by the outer circumference of the solid boundary in contact with the fluid (generally referred to as the "wet" outer circumference), and fluid flow characteristics through the fluid conveying element This parameter is used to calculate. For a tube with a circular flow path, the hydraulic diameter and the actual diameter are the same. If the capillary flow path is formed by a metal capillary tube, the tube may have an inner diameter of 0.01 to 3 mm, preferably 0.1 to 1 mm, most preferably 0.15 to 0.5 mm. Alternatively, the capillary passageway is a traversal of the passage, which may be 8 × 10 −5 to 7 mm 2 , preferably 8 × 10 −3 to 8 × 10 −1 mm 2 , more preferably 2 × 10 −1 mm 2. It can be defined by the cross-sectional area. Multiple combinations of single or multiple capillaries, various pressures, various capillary lengths, amount of heat applied to the capillaries and different shapes and / or cross-sectional areas may be suitable for a given application.

변환 디바이스는 스털링 엔진, 마이크로 터빈 또는 약 510kg-m/sec(5,000와트)의 전력 까지를 발생시킬 수 있는 선택적 발전기를 가지는 열을 기계적 또는 전기적 전력으로 변환하기 위한 적절한 디바이스일 수 있다. 액체 연료는 제트 연료, 가솔린, 등유 또는 디젤 오일 같은 소정 유형의 수산화탄소 유체, 에탄올, 메탄올, 메틸 테르티아리 부틸 에테르 같은 옥시제네이트 또는 이들의 소정의 혼합물일 수 있으며, 연료는 바람직하게는 7.0kg-m/sec(100psig) 미만, 보다 바람직하게는 3.5kg-m/sec(50psig) 미만, 더 더욱 바람직하게는 0.7kg-m/sec(10psig) 미만, 가장 바람직하게는 0.35kg-m/sec(5psig) 미만의 압력으로 유로에 보급되는 것이 바람직하다. 기화된 연료는 공기와 혼합되어, 25㎛ 미만, 바람직하게는 10㎛ 미만의 평균 액적 크기를 가지는 에어로졸을 형성하도록 공기와 혼합될 수 있으며, 따라서, 청정하고 효과적인 점화 기능을 가능하게 한다.The conversion device may be a suitable device for converting heat into mechanical or electrical power with a Stirling engine, a micro turbine or an optional generator capable of generating up to about 510 kg-m / sec (5,000 Watts) of power. The liquid fuel may be any type of carbon hydroxide fluid such as jet fuel, gasoline, kerosene or diesel oil, an oxygenate such as ethanol, methanol, methyl tertiary butyl ether or any mixture thereof, the fuel preferably being 7.0 less than 100 psig (kg-m / sec), more preferably less than 50 psig (3.5 ps-m / sec), even more preferably less than 10 psig (0.7 ps-m / sec), most preferably 0.35 kg-m / It is desirable to replenish the flow path at a pressure of less than sec (5 psig). The vaporized fuel may be mixed with air to mix with air to form an aerosol having an average droplet size of less than 25 μm, preferably less than 10 μm, thus enabling a clean and effective ignition function.

본 발명의 양호한 실시예에 따라서, 액체 연료는 가열된 모세관 튜브(예로서, 작은 직경의 유리, 세라믹 또는 3mm 미만의 내경을 갖는 스테인레스 강 튜브 같은 금속 재료)를 경유하여 연소 챔버로 전달되며, 기화된 연료는 예열 또는 비가열 공기와 혼합된다. 기화된 연료는 상온에서 공기와 혼합될 수 있으며, 이 공기는 연소 챔버로 이어지는 공기 보급로내로 흡인된다. 대안적으로, 기화된 연료는 연소 챔버로부터 제거된 배기 가스의 열로 공기를 예열하는 열 교환기에 의한 방식 같이 예열되어 있는 공기와 혼합될 수 있다. 필요시, 공기는 기화된 연료와 혼합하기 이 전에 송풍기에 의한 방식 등으로 가압될 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the liquid fuel is delivered to the combustion chamber via a heated capillary tube (eg, a metallic material such as small diameter glass, ceramic or a stainless steel tube with an internal diameter of less than 3 mm) and vaporized. Fuel is mixed with preheated or unheated air. The vaporized fuel may be mixed with air at room temperature, which is drawn into the air supply path leading to the combustion chamber. Alternatively, the vaporized fuel may be mixed with the preheated air, such as by a heat exchanger that preheats the air with the heat of the exhaust gas removed from the combustion chamber. If desired, the air may be pressurized, such as by a blower, before mixing with the vaporized fuel.

가열된 모세관 통로내의 액체 연료의 기화 동안, 탄소 및/또는 무거운 수산화탄소의 침착물이 모세관 벽상에 축적될 수 있으며, 연료의 흐름이 극도로 규제될 수 있고, 이는 궁극적으로 모세관 유로의 폐색을 초래할 수 있다. 이들 침착물이 축적되는 속도는 모세관 벽 온도, 연료 유량 및 연료 유형의 함수이다. 연료 첨가제가 이런 침착물의 감소에 유용한 것으로 고려되지만, 폐색이 발생하고, 본 발명의 연료 기화 디바이스는 동작 동안 형성되는 침착물을 세정하기 위한 수단을 유리하게 제공한다. During the vaporization of the liquid fuel in the heated capillary passages, deposits of carbon and / or heavy carbon hydroxides may accumulate on the capillary walls, and the flow of fuel may be extremely regulated, which will ultimately lead to blockage of the capillary flow path. Can be. The rate at which these deposits accumulate is a function of capillary wall temperature, fuel flow rate and fuel type. Although fuel additives are considered useful for the reduction of such deposits, blockages occur and the fuel vaporization device of the present invention advantageously provides a means for cleaning deposits formed during operation.

본 발명에 따라서, 공기-연료 혼합물은 기계적 또는 전기적 전력으로 변환되는 열을 발생시키도록 연소 챔버내에서 연소된다. 전력 발생 디바이스는 연소 이전에 기화된 연료의 분무화 및 신뢰성있는 액체 연료 전달을 제공한다. According to the invention, the air-fuel mixture is combusted in the combustion chamber to generate heat which is converted into mechanical or electrical power. The power generation device provides atomization of the vaporized fuel prior to combustion and reliable liquid fuel delivery.

가열된 모세관 유로는 상온에서 공기와 기화된 연료가 혼합할 때, 작은 연료 액적(예로서, 25㎛ 이하, 바람직하게는 10㎛ 이하)의 에어로졸을 형성하는 기능을 가지며, 7.0kg-m/sec(100psig) 미만, 바람직하게는 3.5kg-m/sec(50psig) 미만, 더 더욱 바람직하게는 0.7kg-m/sec(10psig) 미만, 가장 바람직하게는 0.35kg-m/sec(5psig) 미만의 액체 연료 압력에서 동작한다. 본 발명은 낮은 공기 공급 압력(예로서, 50.8mmH2O(2in H2O))에서 연료를 연소시키는 기능을 가지며, 신속히 시동하고, 오염, 폐색, 및 점착의 제어를 제공하며, 연료-공기 혼합물을 정화시키기 위해 낮은 점화 에너지를 필요로하며, 감소된 배기 배출물 수준에서 동작한다.The heated capillary flow path has a function of forming an aerosol of small fuel droplets (eg, 25 μm or less, preferably 10 μm or less) when air and vaporized fuel are mixed at room temperature, and 7.0 kg-m / sec. Less than 100 psig, preferably less than 3.5 kg-m / sec (50 psig), even more preferably less than 0.7 kg-m / sec (10 psig), most preferably less than 0.35 kg-m / sec (5 psig) It operates at liquid fuel pressure. The present invention (e. G., 50.8mmH 2 O (2in H 2 O)) low-pressure air supply having a function of combusting a fuel in, and quick start-up and to provide a control of pollution, clogging, and the adhesive, the fuel-air It requires low ignition energy to purify the mixture and operates at reduced exhaust emission levels.

본 발명에 따른 장치의 한가지 장점은 그 점화 에너지 소요 특성이다. 최소 점화 에너지는 통상적으로, 불꽃 점화 소스 같은 점화기로, 분무화된 연료/공기 혼합물이 점화될 수 있는 용이성을 설명하기 위해 사용되는 용어이다. 본 발명에 따른 디바이스는 25㎛ 미만, 바람직하게는 10㎛ 미만, 보다 바람직하게는 5㎛ 미만의 사우터 평균 직경(SMD)을 가지는 액적을 갖는 기화된 연료 및/또는 에어로졸을 제공할 수 있으며, 이런 미세한 에어로졸은 가스 터빈 분야에서 불꽃 안정성 및 시동 특성을 향상시키는데 유용하다. 부가적으로, 최소 점화 에너지의 매우 현저한 감소가 25㎛ 이하의 SMD의 값을 갖는 연료를 위해 달성될 수 있다. 예로서, 레페브레(Lefebvre), 가스 터빈 연소(헤미스피어 퍼블리싱 코포레이션, 1983) 252쪽에 기술된 바와 같이, 분무화된 연료/공기 혼합물이 점화될 수 있는 용이성을 상관시키는 용어인 Emin은 SMD가 감소할 때 급격히 감소하는 것으로 나타나 있다. 최소 점화 에너지는 에어로졸내의 연료 액적의 사우터 평균 직경(SMD)의 세제곱에 대략 비례한다. SMD는 표면 대 체적 비율이 전체 스프레이의 것과 같은 액적의 직경이며, 스프레이의 질량 전달 특성에 관련한다. 다양한 연료에 대한 Emin과 SMD 사이의 관계는 레페브레에서 하기의 관계에 의해 대략 추정되는 것으로 나타나있다.One advantage of the device according to the invention is its ignition energy requirements. Minimum ignition energy is typically a term used to describe the ease with which an atomized fuel / air mixture can be ignited, such as an ignition source such as a spark ignition source. The device according to the invention can provide vaporized fuel and / or aerosol having droplets having a Sauter mean diameter (SMD) of less than 25 μm, preferably less than 10 μm, more preferably less than 5 μm, These fine aerosols are useful for improving flame stability and starting characteristics in gas turbine applications. In addition, a very significant reduction in the minimum ignition energy can be achieved for fuels with SMD values of 25 μm or less. For example, as described in Lefebvre, Gas Turbine Combustion (Hemisphere Publishing Corporation, 1983), page 252, the term E min , which correlates the ease with which the atomized fuel / air mixture can be ignited, refers to SMD as It is shown to decrease rapidly when decreasing. The minimum ignition energy is approximately proportional to the cube of the Sauter Average Diameter (SMD) of the fuel droplets in the aerosol. SMD is the diameter of droplets whose surface-to-volume ratio is the same as that of the entire spray and relates to the mass transfer properties of the spray. The relationship between E min and SMD for various fuels has been shown to be roughly estimated by the following relationship in Refebre.

log Emin = 4.5(log SMD) + k : 여기서, Emin은 밀리줄로 측정되며, SMD는 ㎛으로 측정되고, k는 연료 유형에 관련된 상수이다.log E min = 4.5 (log SMD) + k where E min is measured in millijoules, SMD is measured in μm and k is a constant related to the fuel type.

레페브레에 따라서, 무거운 연료 오일은 115㎛의 SMD에서 약 800mJ의 최소 점화 에너지를 가지고, 50㎛의 SMD에서 약 23m의 최소 점화 에너지를 갖는다. 이소 옥탄은 90㎛의 SMD에서 약 9mJ의 최소 점화 에너지를 가지며, 40㎛의 SMD에서 약 0.4mJ의 최소 점화 에너지를 갖는다. 디젤 연료에 대하여, SMD가 100㎛과 같을 때, Emin은 약 100mJ이다. 30㎛으로의 SMD의 감소는 약 0.8mJ로의 Emin의 감소를 초래한다. 인지할 수 있는 바와 같이, 점화 시스템 소요는 실질적으로 25㎛ 미만의 SMD 값에 대하여 현저히 감소된다.According to Lefebre, the heavy fuel oil has a minimum ignition energy of about 800 mJ in a 115 μm SMD and a minimum ignition energy of about 23 m in a 50 μm SMD. Iso-octane has a minimum ignition energy of about 9 mJ in a SMD of 90 μm and a minimum ignition energy of about 0.4 mJ in a SMD of 40 μm. For diesel fuel, E min is about 100 mJ when SMD is equal to 100 μm. The reduction of SMD to 30 μm results in a reduction of E min to about 0.8 mJ. As can be appreciated, the ignition system requirements are substantially reduced for SMD values of less than 25 μm.

본 발명에 따른 전력 변환 장치는 매우 바람직하게 낮은 점화 에너지 소요를 나타내는 것으로 발견되었다. 낮은 점화 에너지 소요는 전체 시스템의 중량을 감소시킴으로써 본 발명의 전력 생산 이득을 향상시키고, 점화 시스템과 연계된 기생 전력 손실의 감소를 통해 전력 출력을 최대화한다.It has been found that the power converter according to the invention very preferably exhibits low ignition energy requirements. Low ignition energy requirements improve the power production gain of the present invention by reducing the weight of the overall system and maximize power output through reduction of parasitic power losses associated with the ignition system.

상술된 이득의 견지에서, 저 에너지 불꽃 점화 디바이스는 전력 생산 장치의 점화기에 양호하다. 약 5 내지 7밀리줄(mJ)의 범위의 스파크 에너지를 제공할 수 있는 작은 압전 점화 디바이스가 적합하다. 본 발명의 장치에 의해 제공되는 초 미세 연료 기화는 양호한 점화 특성을 제공하도록 저 에너지 압전 점화 디바이스와 협력한다.In view of the above-described gains, the low energy spark ignition device is good for the igniter of the power production apparatus. Small piezoelectric ignition devices that can provide spark energy in the range of about 5 to 7 millijoules (mJ) are suitable. The ultra fine fuel vaporization provided by the apparatus of the present invention cooperates with the low energy piezoelectric ignition device to provide good ignition characteristics.

액체 급유 연소 디바이스의 배기물 특성은 연료 액적 크기 분포의 품질에 민감한 것으로 알려져 있다. 고 품질, 미세 스프레이는 연료 증발을 촉진하고, 혼합을 향상시키며, 그에 의해, 연료 농후 연소에 대한 필요성 및 스모크 및 분진의 발생에 대한 빈번한 관리에 대한 필요성을 감소시킨다. 작은 액적은 흐름 유선을 따르며, 버너 벽에 대하여 충돌하는 경향이 작다. 반대로, 큰 액적은 버너 벽에 충돌 할 수 있으며, CO 및 수산화탄소 배출물과 탄소 침착물을 유발한다. 이 문제는 불꽃이 매우 속박되어 있는 디바이스의 경우에 보다 현저하다.Exhaust properties of liquid refueling combustion devices are known to be sensitive to the quality of the fuel droplet size distribution. High quality, fine sprays promote fuel evaporation and improve mixing, thereby reducing the need for fuel rich combustion and the need for frequent management of smoke and dust generation. Small droplets follow the flow streamline and have a small tendency to collide against the burner walls. In contrast, large droplets can impinge on the burner walls and cause CO and carbon hydroxide emissions and carbon deposits. This problem is more pronounced in the case of devices in which the flame is very tight.

기화된 연료의 연소 동안 발생된 열은 전기적 또는 기계적 동력으로 변환될 수 있다. 예로서, 열은 소정의 원하는 양의 전력 또는 기계적 동력, 예로서, 510kg-m/sec(5000와트) 까지의 전력 또는 기계적 동력으로 변환될 수 있다. 단지 수 시간 동안 약 2.0kg-m/sec(20W) 만을 제공할 수 있는 휴대용 배터리 기술 또는, 102kg-m/sec(1kW) 이상을 발생시키는 시끄럽고 배기물이 많은 내연 기관/발전기에 비해, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 장치는 수백 와트 범위의 조용하고 청정한 전력 소스를 제공한다.Heat generated during combustion of the vaporized fuel can be converted into electrical or mechanical power. By way of example, heat may be converted into any desired amount of power or mechanical power, such as up to 510 kg-m / sec (5000 watts) or mechanical power. Compared to portable battery technology capable of providing only about 2.0 kg-m / sec (20 W) for only a few hours or noisy, exhausted internal combustion engines / generators generating more than 102 kg-m / sec (1 kW) The device according to a preferred embodiment of provides a quiet and clean power source in the range of several hundred watts.

본 발명에 따른 연소 챔버내에서 발생된 열을 전력 또는 기계적 동력으로 변환하기 위한 다양한 기술이 존재한다. 예로서, 2.0 내지 510kg-m/sec(20 내지 5000와트) 범위에서, 적어도 하기의 기술이 고려된다 : 열을 발전기를 구동하기 위해 사용될 수 있는 기계적 동력으로 변환하기 위한 스털링 엔진, 발전기를 구동하기 위해 사용될 수 있는 마이크로 가스 터빈, 열의 전기로의 직접적 변환을 위한 열전지 및 방사선 에너지를 전기로 직접 변환하기 위한 열광전지.Various techniques exist for converting heat generated in a combustion chamber according to the invention into electrical power or mechanical power. By way of example, in the range of 2.0 to 510 kg-m / sec (20 to 5000 watts) at least the following techniques are considered: Stirling engine for converting heat into mechanical power that can be used to drive a generator, driving a generator Micro gas turbines, thermoelectric cells for the direct conversion of heat into electricity and thermoelectric cells for the direct conversion of radiation energy into electricity.

열전 디바이스는 조용하고 내구적인 관점에서 장점을 제공하며, 외부 연소 시스템에 결합되고, 연료에 대한 유연성 및 낮은 배기물에 대한 가능성을 제공한다. 변환 디바이스로서 사용될 수 있는 다양한 유형의 열전 발전기는 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 미국 특허 제5,563,368호, 제5,793,119호, 제5,917,144호 및 제6,172,427호에 개시된 것들을 포함한다. Thermoelectric devices offer advantages in terms of quiet and durability, and are coupled to external combustion systems and offer flexibility for fuel and the potential for low emissions. Various types of thermoelectric generators that can be used as conversion devices include those disclosed in US Pat. Nos. 5,563,368, 5,793,119, 5,917,144 and 6,172,427, which are incorporated herein by reference.

열광전 디바이스는 조용하다는 점에서 장점을 제공하며, 중간 전력 밀도를 제공하고, 외부 연소 시스템과 결합되어 연료에 대한 유연성 및 낮은 배기물에 대한 가능성을 제공한다. 변환 디바이스로서 사용될 수 있는 열광전 디바이스는 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 미국 특허 제5,512,109호, 제5,753,050호, 제6,092,912호 및 제6,204,442호에 기술된 것들을 포함한다. 미국 특허 제6,204,442호에 도시된 바와 같이, 열 방사체가 연소 가스로부터의 열을 흡수하기 위해 사용될 수 있으며, 열 방사체로부터 방사된 열은 전기로의 변환을 위해 포토 셀로 안내되고, 따라서, 연소 가스에 대한 직접적인 노출로부터 포토셀을 보호한다.Thermoelectric devices offer advantages in that they are quiet, provide intermediate power densities and, in combination with external combustion systems, provide flexibility for fuel and the potential for low emissions. Thermoelectric devices that can be used as conversion devices include those described in US Pat. Nos. 5,512,109, 5,753,050, 6,092,912, and 6,204,442, which are incorporated herein by reference. As shown in US Pat. No. 6,204,442, a heat radiator can be used to absorb heat from the combustion gas, and the heat radiated from the heat radiator is directed to the photocell for conversion to electricity, and thus, for the combustion gas Protect the photocells from direct exposure.

마이크로 가스 터빈은 높은 특정 전력에 관하여 바람직하다. 변환 디바이스로서 사용될 수 있는 마이크로터빈 디바이스는 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 미국 특허 제5,836,150호, 제5,874,798호 및 제5,932,940호에 기술된 것들을 포함한다.Micro gas turbines are preferred with regard to high specific power. Microturbine devices that can be used as conversion devices include those described in US Pat. Nos. 5,836,150, 5,874,798 and 5,932,940, which are incorporated herein by reference.

스털링 엔진은 크기, 조용한 동작, 내구성에 관하여 장점을 제공하며, 외부 연소 시스템과 결합되어, 연료에 대한 유연성 및 낮은 배기물의 가능성을 제공한다. 변환 디바이스로서 사용될 수 있는 스털링 엔진은 본 기술의 숙련자들이 명백히 알 수 있다. Stirling engines offer advantages in terms of size, quiet operation and durability and, in combination with external combustion systems, provide flexibility for fuel and the possibility of low emissions. Stirling engines that can be used as conversion devices are apparent to those skilled in the art.

이제, 도 1을 참조하면, 본 발명의 장치에 사용하기 위한 연료 기화 디바이스가 도시되어 있다. 연료 기화 디바이스(10)는 액체 연료 소스로부터 흡인된 액체 연료를 기화시키기 위해, 입구 단부(14) 및 출구 단부(16)를 가지는 모세관 유로(12)를 포함한다. 유체 제어 밸브(18)는 모세관 유로(12)의 입구 단부(14)를 액체 연료 소스(F)와 유체 연통하여 배치하도록 제공되며, 실질적인 액체 상태의 액체 연료를 모세관 유로(12)내로 도입한다. 필요시, 유체 제어 밸브(18)는 솔레노이드에 의해 동작할 수 있다. 열원(20)은 모세관 유로(12)를 따라 배열된다. 가장 적합하게는, 열원(20)은 전기 저항 재료의 튜브로부터 모세관 유로(12)를 형성함으로써 제공되며, 모세관 유로(12)의 일부는 전류가 접속부(22, 24)에서 그를 통해 전류를 전달하도록 튜브에 연결될 때 가열기 요소를 형성한다. 열원(20)은 인지할 수 있는 바와 같이, 모세관 유로(12)내의 액체 연료를 그 적어도 일부가 액체 상태로부터 기체 상태로 변하기에 충분한 수준으로 가열하고, 모세관 유로(20)의 출구 단부(16)로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하도록 동작할 수 있다. 실질적으로 기화된다는 것은 액체 연료의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%, 보다 바람직하게는 적어도 80%의 액체 연료가 기화된다는 것을 의미한다. Referring now to FIG. 1, a fuel vaporization device for use in the apparatus of the present invention is shown. The fuel vaporization device 10 includes a capillary flow path 12 having an inlet end 14 and an outlet end 16 for vaporizing liquid fuel drawn from a liquid fuel source. The fluid control valve 18 is provided to arrange the inlet end 14 of the capillary flow path 12 in fluid communication with the liquid fuel source F, and introduces liquid fuel in a substantially liquid state into the capillary flow path 12. If desired, the fluid control valve 18 can be operated by a solenoid. The heat source 20 is arranged along the capillary flow path 12. Most suitably, the heat source 20 is provided by forming a capillary flow path 12 from a tube of electrically resistive material, a portion of the capillary flow path 12 allowing current to pass through it at the connections 22, 24. When connected to the tube forms a heater element. The heat source 20, as can be appreciated, heats the liquid fuel in the capillary flow path 12 to a level sufficient to at least partially change it from the liquid state to the gaseous state, and the outlet end 16 of the capillary flow path 20 And to deliver a stream of substantially vaporized fuel from. Substantially vaporized means that at least 50%, preferably at least 70%, more preferably at least 80% of the liquid fuel is vaporized.

연료 기화 디바이스(10)는 또한 본 발명의 장치의 동작 동안 형성된 침착물을 세정하기 위한 수단을 포함한다. 도 1에 도시된 침착물을 세정하기 위한 수단은 유체 제어 밸브(18), 열원(20) 및 모세관 유로(12)를 산화제(C)의 소스와 유체 연통하도록 하기 위한 산화제 제어 밸브(26)를 포함한다. 인지할 수 있는 바와 같이, 산화제 제어 밸브는 모세관 유로(12)의 어느 한 단부에, 또는 그 부근에 위치될 수 있거나, 모세관 유로(12)의 어느 한 단부와 유체 연통하도록 구성될 수 있다. 산화제 제어 밸브가 모세관 유로(12)의 출구 단부(16)에 또는 그 부근에 배치되는 경우, 이는 산화제(C)의 소스를 모세관 유로(12)의 출구 단부(16)와 유체 연통하도록 기능한다. 동작시, 열원(20)은 모세관 유로(12)내의 산화제(C)를 액체 연료(F)의 가열 동안 형성된 침착물을 산화시키기에 충분한 수준으로 가열하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 급유 모드를 세정 모드로 전환하기 위해, 산화제 제어 밸브(26)는 모세관 유로(12)내로의 액체 연료(F)의 도입과 산화제(C)의 도입 사이에서 교대로 동작할 수 있으며, 적어도 하나의 모세관 유로내로 산화제가 도입될 때 모세관 유로의 현장 세정을 가능하게 한다.The fuel vaporization device 10 also includes means for cleaning deposits formed during operation of the apparatus of the present invention. Means for cleaning deposits shown in FIG. 1 include an oxidant control valve 26 for causing fluid control valve 18, heat source 20 and capillary flow path 12 to be in fluid communication with a source of oxidant (C). Include. As will be appreciated, the oxidant control valve may be located at or near either end of the capillary flow path 12, or may be configured to be in fluid communication with either end of the capillary flow path 12. When the oxidant control valve is disposed at or near the outlet end 16 of the capillary flow path 12, it functions to fluidly communicate the source of the oxidant C with the outlet end 16 of the capillary flow path 12. In operation, the heat source 20 is used to heat the oxidant C in the capillary flow path 12 to a level sufficient to oxidize deposits formed during the heating of the liquid fuel F. In one embodiment, to switch the oil supply mode to the cleaning mode, the oxidant control valve 26 may alternate between the introduction of the liquid fuel F and the introduction of the oxidant C into the capillary flow path 12. And enable field cleaning of the capillary flow path when an oxidant is introduced into the at least one capillary flow path.

침착물을 산화시키기 위한 일 기술은 모세관 유로를 통해 공기 또는 스트림을 통과시키는 것을 포함한다. 언급된 바와 같이, 모세관 유로는 세정 동작 동안 산화 프로세스가 개시되고, 침착물이 소비될 때까지 육성될 수 있도록 가열되는 것이 바람직하다. 이 세정 동작을 향상시키기 위해, 촉매 물질이 모세관 벽상의 코팅으로서, 또는 모세관 벽의 구성요소로서 세정을 달성하기 위해 필요한 시간 및/또는 온도를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 연료 기화 디바이스의 연속 동작을 위해, 하나 이상의 모세관 유로가 사용되어, 센서의 사용 등에 의해 폐색 조건이 검출될 때, 연료 흐름이 다른 모세관 유로로 전환되고, 산화제 흐름이 세정 대상 폐색된 모세관 유로를 통해 개시하게 할 수 있다. 예로서, 모세관 본체는 내부에 복수의 모세관 유로를 포함할 수 있으며, 각 유로에 액체 연료 또는 공기를 선택적으로 보급하도록 밸브 배열이 제공될 수 있다. One technique for oxidizing deposits includes passing air or a stream through a capillary flow path. As mentioned, the capillary flow path is preferably heated so that the oxidation process is initiated during the cleaning operation and can be grown until the deposit is consumed. To improve this cleaning operation, the catalyst material can be used to reduce the time and / or temperature needed to achieve cleaning as a coating on the capillary wall, or as a component of the capillary wall. For continuous operation of the fuel vaporization device, one or more capillary flow paths are used such that when the occlusion condition is detected by the use of a sensor or the like, the fuel flow is switched to another capillary flow path and the oxidant flow is passed through the cleaned capped flow path. Can be initiated. For example, the capillary body may include a plurality of capillary flow paths therein, and a valve arrangement may be provided to selectively replenish liquid fuel or air in each flow path.

대안적으로, 연료 흐름은 모세관 유로로부터 전환될 수 있으며, 산화제 흐름이 사전설정된 간격으로 개시될 수 있다. 모세관 유로로의 연료 전달은 콘트롤러에 의해 실행될 수 있다. 예로서, 콘트롤러는 사전설정된 시간 주기 동안 연료 전달을 활성화시키고, 사전설정된 양의 시간 이후 연료 전달을 비활성화할 수 있다. 콘트 롤러는 또한 액체 연료의 압력 및/또는 모세관 유로에 보급되는 열의 양을 하나 이상의 감지된 조건에 기초하여 조절할 수 있다. 감지된 조건은 연료 압력, 모세관 온도, 공기 연료 비율 등을 포함할 수 있다. 콘트롤러는 또한 침착물을 세정하기 위해 하나 이상의 모세관 유로를 제어할 수도 있다. Alternatively, the fuel flow can be diverted from the capillary flow path and the oxidant flow can be initiated at predetermined intervals. Fuel delivery to the capillary flow path can be performed by the controller. As an example, the controller may activate fuel delivery for a predetermined time period and deactivate fuel delivery after a predetermined amount of time. The controller may also adjust the pressure of the liquid fuel and / or the amount of heat supplied to the capillary flow path based on one or more sensed conditions. The detected conditions may include fuel pressure, capillary temperature, air fuel ratio, and the like. The controller may also control one or more capillary flow paths to clean deposits.

세정 기술은 단일 유동 통로를 갖는 연소 디바이스에 적용될 수 있다. 그러나, 연소 디바이스가 세정 동작 중에 간헐적으로 중단되면, 세정 동안 유동 통로에 공급된 에너지가 전기적인 것이 바람직하다. 세정 사이의 시간 기간은 실험적으로 결정된 폐색 특징에 기초하여 고정되거나 감지 및 제어 장치가 폐색을 검출하고 요구되는 바에 따라 세정 프로세스를 초기화하도록 이용될 수 있다. 예로서, 제어 디바이스는 모세관 유동 통로로의 연료 공급 압력을 감지함으로써 폐색 정도를 검출할 수 있다.The cleaning technique can be applied to combustion devices having a single flow passage. However, if the combustion device is intermittently interrupted during the cleaning operation, it is desirable that the energy supplied to the flow passages during the cleaning be electrical. The time period between cleanings may be fixed based on experimentally determined occlusion characteristics or used by the sensing and control device to detect the occlusion and initiate the cleaning process as required. As an example, the control device can detect the degree of occlusion by sensing the fuel supply pressure to the capillary flow passage.

지시된 바와 같이, 산화 세정 기술은 또한 연속적으로 동작하도록 요구되는 연료 기화 디바이스에 인가될 수 있다. 이 경우, 다중 모세관 유동 통로가 이용된다. 본 발명에 사용하기 위한 예시적인 다중 모세관 유동 통로 연료 기화 디바이스가 도 2 및 도 3에 도시된다. 도 2는 단일 조립체(94)로 일체화된 다중 모세관 튜브 배열의 개략도를 나타낸다. 도 3은 조립체(94)의 단부도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 조립체는 중실형 스테인레스강 로드를 포함할 수 있는 포지티브 전극(92) 및 3개의 모세관 튜브(82A, 82B, 82C)를 포함할 수 있다. 튜브 및 로드는 전기 절연 재료의 본체(96)에 지지될 수 있고 저력이 피팅(98)을 경유하여 로드 및 모세관 튜브에 공급될 수 있다. 예로서, 직류 전류가 모세관 튜브의 하나 이상의 상류측 단부에 공급될 수 있고, 그의 하류측 단부에서의 접속부(95)가 로드(92)를 통하는 전류를 위한 복귀 경로를 형성할 수 있다.As indicated, oxidative cleaning techniques can also be applied to fuel vaporization devices that are required to operate continuously. In this case, multiple capillary flow passages are used. Exemplary multiple capillary flow passage fuel vaporization devices for use in the present invention are shown in FIGS. 2 and 3. 2 shows a schematic of a multiple capillary tube arrangement integrated into a single assembly 94. 3 shows an end view of the assembly 94. As shown, the assembly may include a positive electrode 92 and three capillary tubes 82A, 82B, 82C, which may include a solid stainless steel rod. The tubes and rods may be supported on the body 96 of electrically insulating material and low force may be supplied to the rods and capillary tubes via the fittings 98. By way of example, a direct current can be supplied to one or more upstream ends of the capillary tube, and a connection 95 at its downstream end can form a return path for the current through the rod 92.

이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시에 사용하기 위한 다중 모세관 튜브 기화 시스템(80)이 도시되어 있다. 시스템은 모세관 튜브(82A 내지 C), 연료 공급 라인(84A 내지 C), 산화제 공급 라인(86A 내지 C), 산화제 제어 밸브(88A 내지 C), 전력 입력 라인(90A 내지 C) 및 공통 접지(91)를 포함한다. 시스템(80)은 연료 전달이 하나 이상의 다른 모세관 튜브에 계속되는 동안 하나 이상의 모세관 튜브의 세정을 허용한다. 예로서, 모세관 유동 통로(82B, 82C)를 경유하는 연료의 연소는 모세관 유동 통로(82A)의 세정 중에 수행될 수 있다. 모세관 유동 통로(82A)의 세정은 모세관 튜브(82A)로의 연료의 공급을 중단하고 모세관 유동 통로 내의 침전물을 산화하기에 충분한 가열로 모세관 유동 통로(82A)에 공기를 공급함으로써 성취될 수 있다. 따라서, 하나 또는 다수의 모세관의 세정이 연속적으로 연료를 전달하는 동안 수행될 수 있다. 세정되는 하나 이상의 모세관 유동 통로는 어플리케이션으로부터의 열 피드백 또는 전기 저항 히터에 의해 세정 프로세스 동안에 가열되는 것이 바람직하다. 또한, 임의의 주어진 모세관 유동 통로에 대한 세정 사이의 시간 기간은 실험적으로 결정된 공지의 폐색 특징에 기초하여 고정될 수 있고 또는 감지 및 제어 시스템이 요구에 따라 침전물 형성을 검출하고 세정 프로세스를 검출하는데 이용될 수 있다.Referring now to FIG. 4, a multiple capillary tube vaporization system 80 for use in the practice of the present invention is shown. The system includes capillary tubes 82A-C, fuel supply lines 84A-C, oxidant supply lines 86A-C, oxidant control valves 88A-C, power input lines 90A-C, and common ground 91 ). System 80 allows cleaning of one or more capillary tubes while fuel delivery continues to one or more other capillary tubes. As an example, combustion of fuel via capillary flow passages 82B and 82C may be performed during cleaning of capillary flow passages 82A. Cleaning of the capillary flow passage 82A may be accomplished by stopping the supply of fuel to the capillary tube 82A and supplying air to the capillary flow passage 82A with sufficient heating to oxidize the precipitate in the capillary flow passage. Thus, cleaning of one or more capillaries can be performed during the delivery of fuel continuously. The one or more capillary flow passages that are cleaned are preferably heated during the cleaning process by thermal feedback or electrical resistance heaters from the application. In addition, the time period between cleanings for any given capillary flow passage can be fixed based on known occlusion characteristics determined experimentally or a detection and control system can be used to detect deposit formation and detect cleaning processes as desired. Can be.

도 5는 본 발명에 따른 장치를 동작하기 위한 제어 시스템의 예시적인 개략도를 도시하고, 장치는 폐색된 모세관 통로를 세정하기 위한 산화 가스 공급부를 구비한다. 제어 시스템은 모세관 유동 통로104)와 같은 유동 통로에 연료 및 선택적으로는 공기를 공급하는 연료 공급부(102)에 작동적으로 연결된 제어기(100)를 포함한다. 제어기는 또한 연료를 기화하기에 충분히 튜브를 가열하기 위해 금속 모세관 유동 통로(104)에 직접적으로 또는 저항 히터에 전력을 전달하는 전원(106)에 작동적으로 연결된다. 원한다면, 연소 시스템은 제어기(100)에 작동적으로 연결된 히터 및 다중 유동 통로를 포함할 수 있다. 제어기(100)는 온-오프 스위치, 열전대, 연료 유량 센서, 공기 유량 센서, 전력 출력 센서, 배터리 충전 센서 등과 같은 하나 이상의 신호 전송 디바이스에 작동적으로 연결되어, 이에 의해 제어기(100)가 신호 전송 디바이스(108)에 의해 제어기로 출력된 신호(들)에 응답하여 연소 시스템의 동작을 자동으로 제어하도록 프로그램될 수 있다.5 shows an exemplary schematic diagram of a control system for operating a device according to the invention, the device having an oxidizing gas supply for cleaning a closed capillary passage. The control system includes a controller 100 operatively connected to a fuel supply 102 that supplies fuel and optionally air to a flow passage, such as capillary flow passage 104. The controller is also operatively connected to a power source 106 that delivers power directly to the metal capillary flow passage 104 or to a resistance heater to heat the tube sufficiently to vaporize the fuel. If desired, the combustion system may include a heater and multiple flow passages operatively connected to the controller 100. The controller 100 is operatively connected to one or more signal transmission devices such as on-off switches, thermocouples, fuel flow sensors, air flow sensors, power output sensors, battery charge sensors, and the like, whereby the controller 100 transmits signals. It may be programmed to automatically control the operation of the combustion system in response to the signal (s) output by the device 108 to the controller.

동작시에, 본 발명에 따른 장치의 연료 기화 디바이스는 액체 연료가 모세관을 통과할 때 액체 연료를 실질적으로 기화하기에 충분히 가열되어 모세관 유동 통로를 전기적으로 또는 다른 방식으로 가열하는 필요성을 감소시키거나 배제하거나 또는 보충하도록 연소 중에 발생된 열을 피드백하도록 구성될 수 있다. 예로서, 모세관 튜브는 더 많은 열전달을 위해 그의 표면적을 증가시키도록 더 길게 제조될 수 있고, 모세관 튜브는 연소하는 연료를 통과시키도록 구성될 수 있고 또는 열교환기가 연료를 예열하기 위해 연소 반응으로부터의 배기 가스를 사용하도록 배열될 수 있다.In operation, the fuel vaporization device of the apparatus according to the invention is heated enough to substantially vaporize the liquid fuel as the liquid fuel passes through the capillary to reduce the need for electrically or otherwise heating the capillary flow passages. And to feed back heat generated during combustion to exclude or supplement. By way of example, a capillary tube can be made longer to increase its surface area for more heat transfer, the capillary tube can be configured to pass a burning fuel or a heat exchanger can be constructed from the combustion reaction to preheat the fuel. It can be arranged to use exhaust gas.

도 6은 그를 통해 이동하는 액체 연료가 연료 기화 히터의 전력 요구를 감소시키기 위해 상승된 온도로 가열될 수 있도록 어떠한 방식으로 모세관 유동 통로 (64)가 배열될 수 있는지를 개략 형태로 도시한다. 도시된 바와 같이, 모세관 유동 통로를 포함하는 튜브의 부분(66)은 연소된 연료의 화염(68)을 통과한다. 초기 시동을 위해, 배터리(74)와 같은 전원에 접속된 전기 도선(70, 72)에 의해 가열된 개별 저항 히터 또는 튜브의 섹션을 포함하는 저항 히터가 액체 연료를 초기에 기화하는데 사용될 수 있다. 적합한 점화 배열에 의한 기화된 연료의 점화 후에, 튜브의 부분(66)은 이외의 경우에 저항 히터에 의한 연료의 연속적인 기화를 위해 요구되는 전력을 감소시키도록 연소의 열에 의해 예열될 수 있다. 따라서, 튜브를 예열함으로써, 튜브 내의 연료는 저항 히터를 사용하지 않고 기화될 수 있고 이에 의해 전력이 보존될 수 있다.FIG. 6 shows in schematic form how the capillary flow passage 64 can be arranged such that liquid fuel traveling through it can be heated to an elevated temperature to reduce the power requirement of the fuel vaporization heater. As shown, the portion 66 of the tube that includes the capillary flow passages passes through a flame 68 of combusted fuel. For initial startup, a resistance heater comprising sections of individual resistance heaters or tubes heated by electrical leads 70, 72 connected to a power source such as battery 74 may be used to initially vaporize the liquid fuel. After ignition of the vaporized fuel with a suitable ignition arrangement, the portion 66 of the tube may otherwise be preheated by the heat of combustion to reduce the power required for subsequent vaporization of the fuel by the resistance heater. Thus, by preheating the tube, the fuel in the tube can be vaporized without using a resistance heater and thereby power can be conserved.

이해될 수 있는 바와 같이, 도 1 내지 도 6에 도시된 연료 기화 디바이스 및 부속 시스템은 또한 본 발명의 다른 실시예와 연계하여 사용될 수 있다. 도 1을 재차 참조하면, 침전물 세정 수단은 연료 제어 밸브(18), 모세관 유동 통로(12)를 솔벤트와 유체 연통하도록 하기 위한 솔벤트 제어 밸브(26)를 포함하고, 솔벤트 제어 밸브(26)는 모세관 유동 통로(12)의 일 단부에 배치된다. 솔벤트 세정을 이용하는 장치의 일 실시예에서, 솔벤트 제어 밸브는 모세관 유동 통로(12) 내로의 솔벤트의 도입 및 액체 연료의 도입 사이를 교대하도록 동작 가능하여, 솔벤트가 모세관 유동 통로(12) 내로 도입될 때 모세관 유동 통로(12)의 적소의 세정을 가능하게 한다. 광범위한 솔벤트가 실용성을 갖지만, 솔벤트는 액체 연료원으로부터의 액체 연료를 포함할 수 있다. 이 경우에는, 연료와 솔벤트 사이를 교대할 필요가 없으므로 솔벤트 제어 밸브가 요구되지 않으며, 열원이 모세관 유동 통로(12)의 세정 동안에 페이즈아웃 또는 비활성화되어야 한다. As can be appreciated, the fuel vaporization device and accessory system shown in FIGS. 1-6 can also be used in conjunction with other embodiments of the present invention. Referring again to FIG. 1, the deposit cleaning means comprises a fuel control valve 18, a solvent control valve 26 for bringing the capillary flow passage 12 in fluid communication with the solvent, the solvent control valve 26 being a capillary tube Disposed at one end of the flow passage 12. In one embodiment of the apparatus using solvent cleaning, the solvent control valve is operable to alternate between the introduction of solvent into the capillary flow passage 12 and the introduction of liquid fuel such that solvent is introduced into the capillary flow passage 12. When the capillary flow passage 12 is in place. While a wide range of solvents are practical, solvents can include liquid fuel from a liquid fuel source. In this case, no solvent control valve is required since there is no need to alternate between fuel and solvent, and the heat source must be phased out or deactivated during cleaning of the capillary flow passage 12.

도 7A는 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시한다. 본 발명의 장치에 사용하기 위한 연료 기화 디바이스(200)는 액체 연료(F)의 전달을 위해 가열된 모세관 유로(212)를 갖는다. 열은 열원(220)에 의해 제공되며, 이는 모세관 유로(212)를 따라 배열되어 있다. 가장 양호한 바와 같이, 열원(220)은 전기 저항 재료의 튜브로부터 모세관 유로(212)를 형성함으로써 제공되고, 모세관 유로(212)의 일부는 전류의 소스가 접속부(222, 224)에서 그를 통한 전류 전달을 위해 튜브에 접속될 때, 가열기 요소를 형성한다. 7A shows another exemplary embodiment of the present invention. The fuel vaporization device 200 for use in the apparatus of the present invention has a heated capillary flow path 212 for delivery of liquid fuel F. Heat is provided by heat source 220, which is arranged along capillary flow path 212. As most preferred, the heat source 220 is provided by forming a capillary flow path 212 from a tube of electrical resistive material, a portion of the capillary flow path 212 in which a source of current transfers current through it at the connections 222, 224. When connected to a tube for forming a heater element.

연료 기화 디바이스(200)의 동자 동안 형성된 침착물을 세정하기 위해, 모세관 유로(212)의 입구 단부(214)의 개구와 축방향 정렬하도록 축방향 가동성 로드(232)가 디바이스 본체(230)의 단부 캡(234)의 개구(236)를 통해 위치된다. 팩킹 재료(238)가 밀봉을 위해 단부 캡(234)의 내부 체적내에 제공된다. 이제 도 7B를 참조하면, 축방향 가동성 로드(232)가 모세관 유로(212)내로 완전히 연장된 상태로 도시되어 있다. 인지할 수 있는 바와 같이, 모세관 유로(212)의 내부내의 최소 벽 간극을 위한 축방향 가동성 로드(232)의 직경을 선택하는 것은 연료 기화 디바이스(200)의 동작 동안 모세관 유로(212)의 내면을 따라 침착된 침착물의 실질적인 모두를 제거할 수 있는 조합을 형성한다. An axially movable rod 232 is provided at the end of the device body 230 to axially align with the opening of the inlet end 214 of the capillary flow path 212 to clean deposits formed during the pupil of the fuel vaporization device 200. It is positioned through the opening 236 of the cap 234. Packing material 238 is provided in the interior volume of end cap 234 for sealing. Referring now to FIG. 7B, the axially movable rod 232 is shown fully extended into the capillary flow path 212. As can be appreciated, selecting the diameter of the axially movable rod 232 for the minimum wall clearance within the interior of the capillary flow path 212 may be used to determine the inner surface of the capillary flow path 212 during operation of the fuel vaporization device 200. Thus forming a combination capable of removing substantially all of the deposited deposits.

도 8은 프리-피스톤 스털링 엔진(30)을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 개요도를 도시하며, 연소 챔버(34)에서 550 내지 750℃의 열이 전력을 발생시키도록 교류 발전기(32)를 구동하는 왕복 피스톤에 의해 기계적 동력으로 변환된다. 조립 체는 또한 모세관 유로/가열기 조립체(36), 콘트롤러(38), 정류기/레귤레이터(40), 배터리(42), 연료 공급부(44), 리큐퍼레이터(46; recuperator), 연소 송풍기(48), 쿨러(50) 및 쿨러/송풍기(52)를 포함한다. 동작시, 콘트롤러(38)는 모세관(36)으로의 연료 전달을 제어하도록 동작하며, 연소의 열이 엔진이 교류발전기(32)로부터 전기를 출력하도록 스털링 엔진내의 피스톤을 구동하도록 연소 챔버(34)내의 연료의 연소를 제어하도록 동작할 수 있다. 필요시, 스털링 엔진/교류발전기는 기계적 동력을 출력하는 운동학적 스털링 엔진으로 교체될 수 있다. 연소 챔버 및 공기 예열 배열은 본 명세서에서 참조하고 있는 미국 특허 제4,277,942호, 제4,352,269호, 제4,384,457호 및 제4,392,350호에서 발견할 수 있다. FIG. 8 shows a schematic diagram of a device according to the invention comprising a pre-piston Stirling engine 30, driving an alternator 32 such that heat of 550-750 ° C. in the combustion chamber 34 generates power. Which is converted into mechanical power by a reciprocating piston. The assembly also includes a capillary flow path / heater assembly 36, a controller 38, a rectifier / regulator 40, a battery 42, a fuel supply 44, a recuperator 46, a combustion blower 48. , Cooler 50 and cooler / blower 52. In operation, the controller 38 operates to control fuel delivery to the capillary 36 and the combustion chamber 34 drives the piston in the Stirling engine so that the heat of combustion causes the engine to output electricity from the alternator 32. Operate to control combustion of the fuel within. If desired, the Stirling engine / AC generator can be replaced with a kinematic Stirling engine that outputs mechanical power. Combustion chambers and air preheating arrangements can be found in US Pat. Nos. 4,277,942, 4,352,269, 4,384,457, and 4,392,350, which are incorporated herein by reference.

도 9는 스털링 엔진 조립체와 함은 열 변환 장치의 일부를 형성할 수 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 생성 장치의 부분 단면 사시도를 나타낸다. 도9에 도시된 바와 같이, 공기 송풍기에 의해 공기 입구로 전달된 공기는 연소 챔버(34)로 들어가고, 모세관/히터 배열(36)에 의해 챔버로 전달된 기화된 연료와 혼합된다. 챔버(34)의 연소열은 스털링 엔진(30)의 단부를 가열하고 활주 피스톤을 전기를 발생시키는 방식으로 교류 발전기 내에서 왕복한다. 챔버(34)는 배기 가스가 진입 공기를 예열하도록 하고, 따라서, 연료를 연소시키기 위한 에너지 요구를 감소시킨다. 예를 들어, 하우징은 배기 통로에서 순환하는 배기 가스에 의해 가열되는 플리넘에서 진입 공기가 순환되도록 하는 다중벽 배열을 포함할 수 있다. [화살표(55)로 지시된] 입구 공기는 연소 챔버(34) 주위의 스월 베인(56)을 통한 공기를 통과시킴으로써 연소 챔버 내에서 소용돌이치도록 할 수 있다. 연소된 연료 공기 혼합물은 열변환 장치(스털링 엔진)(30)를 가열하고 [화살표(57)로 지시된] 배기 가스는 연소 챔버로부터 제거된다.9 shows a partial cross-sectional perspective view of a power generation device according to another embodiment of the present invention that may form part of a heat conversion device in conjunction with a Stirling engine assembly. As shown in FIG. 9, the air delivered to the air inlet by the air blower enters the combustion chamber 34 and mixes with the vaporized fuel delivered to the chamber by the capillary / heater arrangement 36. The heat of combustion of the chamber 34 reciprocates in the alternator in such a way as to heat up the end of the Stirling engine 30 and generate electricity for the slide piston. The chamber 34 allows the exhaust gas to preheat the incoming air, thus reducing the energy requirements for burning the fuel. For example, the housing may include a multi-walled arrangement that allows the incoming air to circulate in the plenum heated by the exhaust gas circulating in the exhaust passage. Inlet air (indicated by arrow 55) may be caused to swirl in the combustion chamber by passing air through swirl vanes 56 around combustion chamber 34. The burnt fuel air mixture heats the heat conversion device (Sterling engine) 30 and the exhaust gas (indicated by arrow 57) is removed from the combustion chamber.

일반적으로, 전력 변환 장치는 액체 연료 공급원과, 연료 공급원으로부터의 연료가 기화되고 연소 챔버로 전달되는 적어도 하나의 통로(예를 들어, 하나 이상의 가열된 모세관 튜브)를 포함하고, 기화된 연료는 연소되고, 연소 챔버에서 생성된 열은 스털링 엔진 또는 다른 열변환 장치를 구동하도록 이용된다. 열 교환기는 공기가 열 교환기의 공기 통로를 통해 진행함에 따라 공기를 예열하도록 이용될 수 있어서, 장치의 효율을 최대화할 수 있고, 즉 챔버의 연소를 지원하도록 기화된 연료와 혼합된 공기를 예열함으로써, 적은 연료가 바람직한 작동 온도에서 스털링 엔진을 유지하는데 요구될 수 있다. 배기 가스는 열 교환기의 배기 덕트를 통해 진행할 수 있어서, 배기 가스로부터의 열은 연소 챔버로 전달되는 공기로 전달될 수 있다.Generally, a power conversion device includes a liquid fuel source and at least one passage (eg, one or more heated capillary tubes) through which fuel from the fuel source is vaporized and delivered to the combustion chamber, wherein the vaporized fuel is burned. The heat generated in the combustion chamber is then used to drive a Stirling engine or other heat conversion device. The heat exchanger can be used to preheat the air as the air progresses through the air passage of the heat exchanger, thus maximizing the efficiency of the device, ie by preheating the air mixed with the vaporized fuel to support the combustion of the chamber. Less fuel may be required to maintain the Stirling engine at the desired operating temperature. The exhaust gas may proceed through the exhaust duct of the heat exchanger so that heat from the exhaust gas can be transferred to the air delivered to the combustion chamber.

연소 챔버는 공기가 기화된 연료와 혼합되고 그리고/또는 공기-연료 혼합물이 연소되는 임의의 적절한 배열과 합체될 수 있다. 예를 들어, 연료는 공기-연료 혼합물을 제공하기 위해 벤투리에서 공기와 혼합될 수 있고, 공기-연료 혼합물은 벤투리로부터 하류의 열 발생 구역에서 연소될 수 있다. 연소를 개시하기 위해, 공기-연료 혼합물은 스파크 발생기와 같은 점화기가 혼합물을 점화하는 점화 구역에서 한정될 수 있다. 점화기는 기계적 스파크 발생기, 전기적 스파크 발생기, 저항 가열 점화 와이어 등과 같은 연료를 점화시킬 수 있는 임의의 장치일 수 있다. 전기 스파크 발생기는 소형 배터리와 같은 임의의 적절한 전원 공급원에 의해 전력 을 공급받을 수 있다. 그러나, 배터리는 활성화될 때 전류를 발생시키는 수동 작동식 압전 변환기로 대체될 수 있다. 이러한 배열에서, 전류는 변환기를 가압함으로써 전기-기계적으로 발생될 수 있다. 예를 들어, 방아쇠가 가압될 때 스트라이커가 변환기를 소정의 힘으로 타격하기 위해 배열될 수 있다. 변환기에 의해 발생된 전력은 적절한 회로에 의해 스파크 발생 기구로 공급될 수 있다. 이러한 배열은 연료-공기 혼합물을 점화시키기 위해 이용될 수 있다.The combustion chamber may be combined with any suitable arrangement in which air is mixed with the vaporized fuel and / or in which the air-fuel mixture is combusted. For example, the fuel can be mixed with air in a venturi to provide an air-fuel mixture, and the air-fuel mixture can be burned in a heat generating zone downstream from the venturi. To initiate combustion, the air-fuel mixture may be defined in an ignition zone where an igniter, such as a spark generator, ignites the mixture. The igniter can be any device capable of igniting fuel, such as a mechanical spark generator, an electrical spark generator, a resistance heating ignition wire, and the like. The electrical spark generator can be powered by any suitable power source, such as a small battery. However, the battery can be replaced with a manually operated piezoelectric transducer that generates a current when activated. In this arrangement, the current can be generated electromechanically by pressurizing the transducer. For example, a striker may be arranged to strike the transducer with a certain force when the trigger is pressed. The power generated by the converter can be supplied to the spark generating mechanism by suitable circuitry. This arrangement can be used to ignite the fuel-air mixture.

변환 장치에 의해 발생된 전력의 일부는 점화기에 전력을 공급하기 위해 이용될 수 있는 배터리 또는 캐퍼시터와 같은 적절한 저장 장치에 저장될 수 있다. 예를 들어, 수동 작동식 스위치가 저항 가열 소자로, 또는 유동 통로의 연료를 기화시키는 금속 튜브의 일부를 통해 직접적으로 전류를 전달하기 위해 이용될 수 있고, 그리고/또는 전류는 연소 챔버로 공급된 연료-공기 혼합물의 연소를 개시하기 위해 점화기로 공급될 수 있다.Some of the power generated by the conversion device may be stored in a suitable storage device, such as a battery or capacitor, that may be used to power the igniter. For example, a manually operated switch can be used to deliver current directly to the resistance heating element or through a portion of the metal tube that vaporizes the fuel in the flow passage, and / or the current is supplied to the combustion chamber. It can be supplied to the igniter to initiate combustion of the fuel-air mixture.

바람직하게는, 연료를 연소시킴으로써 발생된 열은 기계적 또는 전기적 전력에 의지하는 임의의 형식의 장치를 작동시키기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 열 변환 공급원은 전화 통신 장치(예를 들어, 무선 전화), 휴대용 컴퓨터, 동력 기구, 전기 제품, 캠핑 용품, 군용 설비, 동력 자전거, 동력 휠체어 및 수중 추진 장치와 같은 운송 설비, 전자 검출 장치, 전자 모니터링 설비, 배터리 충전기, 조명 설비, 가열 설비 등과 같은 휴대용 전기 설비용의 전력을 발생시키기 위해 이용될 수 있다. 열 변환 장치는 또한, 비휴대용 장치 또는 전력 그리드가 활용 가능하지 않거나, 불편하거나 또는 신뢰성이 없는 위치에 전력을 공급하도록 이용될 수 있 다. 이러한 위치 및/또는 비휴대용 장치는 원격 거주 지구 및 군용 야영지, 자동 판매기, 수중 설비 등을 포함한다.Preferably, the heat generated by burning the fuel can be used to operate any type of device that relies on mechanical or electrical power. For example, heat conversion sources may include telephony devices (e.g., cordless phones), portable computers, power appliances, electrical appliances, camping supplies, military equipment, motorized bicycles, powered wheelchairs and underwater propulsion devices, electronics It can be used to generate power for portable electrical equipment such as detection devices, electronic monitoring equipment, battery chargers, lighting equipment, heating equipment and the like. Thermal conversion devices may also be used to power non-portable devices or power grids where no, uncomfortable, or unreliable location is available. Such location and / or non-portable devices include remote residential districts and military camps, vending machines, underwater installations, and the like.

본 발명의 하이브리드 전력 발생 시스템에 이용하기 위한 의도된 광전 어레이는 광범위한 광전 셀을 포함한다. 활용 가능한 것으로 공지된 바람직한 형식의 예는 20 내지 25 %의 변환 효율을 제공할 수 있고, 몇몇 변환 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 최외부 표면의 청색 반응성 층과 그 다음의 녹-적 반응성 층과 그 다름에 적외선 층이 있다. 다른 형식들은 실리콘보다는 갈륨으로 제조된다. 그럼에도 불구하고, 이러한 상황에서, 비교적 비효율(10 내지 18 %)의 셀을 이용하는 것이 보다 바람직할 수 있고, 셀의 반도체 표면이 (단면적에 대해) 적정량의 도전성 금속 스트립과 함께 제공되어, 제조자에 의해 파악된 것보다 몇 배 더 클 수 있는 발생된 전류가 반도전체의 과열 또는 금속 도전체의 용융을 야기하지 않는다.The intended photoelectric array for use in the hybrid power generation system of the present invention includes a wide range of photovoltaic cells. Examples of preferred formats known to be available may provide 20-25% conversion efficiency and may include several conversion layers. For example, there is a blue reactive layer on the outermost surface, followed by a green-red reactive layer, followed by an infrared layer. Other formats are made of gallium rather than silicon. Nevertheless, in such a situation, it may be more desirable to use a cell of relatively inefficient (10-18%), and the semiconductor surface of the cell is provided with an appropriate amount of conductive metal strip (for cross-sectional area), The generated current, which can be several times greater than that found, does not cause overheating of the semiconductor or melting of the metal conductor.

선택적으로, 태양 전지 셀 전용 설계는 해당 기술 분야의 종사자들에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 편평 또는 비편평 표면에 구성된 적층된 아몰퍼스 실리콘을 포함하는 아몰퍼스 형식을 포함할 수 있다. 이들 셀의 구성의 개발은 합치하는 코팅을 형성하도록 임의의 표면상에 셀 재료가 증발 또는 도포되도록 할 수 있다.Alternatively, solar cell-only designs can include an amorphous form that includes stacked amorphous silicon configured on flat or non-flat surfaces, as will be understood by those skilled in the art. Development of the construction of these cells may allow cell material to be evaporated or applied onto any surface to form a matching coating.

광전 셀 및 광전 어레이를 생성하기 위한 다양한 방법은 본원에서 참조로 합체되는 미국 특허 제4,152,824호, 제4,239,555호, 제4,451,969호, 제4,595,790호, 제4,851,308호, 제6,077,722호, 제6,111,189호, 제6,368,892호, 제6,423,565호 및 제6,465,724호에 의해 명확한 바와 같이 공지되어 있다.Various methods for producing photovoltaic cells and photovoltaic arrays are described in US Pat. Nos. 4,152,824, 4,239,555, 4,451,969, 4,595,790, 4,851,308, 6,077,722, 6,111,189, 6,368,892 As is evident from the headings 6,423,565 and 6,465,724.

광전 셀을 이용하는 전력 발생 분야에서 공지된 바와 같이, 예를 들어, 비교적 열악하게 조명되는 위치에서 어레이의 일부가 있으면 부하를 균형잡히게 하는 수단이 제공될 수 있다. 유용한 작동 전압은 특히 태양광이 약하고 작동 전압이 강하될 때 전송 손실과 반도체 손실을 최소화하는 견지로부터 개선된 활용을 제공하는 고전압을 갖고 적어도 12볼트이다. 변동 전류를 통해 일정한 출력 전압을 유지하기 위해 해당 기술 분야에서 공지된 바와 같이 스텝-업 변환기가 제공될 수 있다. 통상적으로, 본 발명의 조합에 이용되는 어레이는 51 내지 204 Kg-m/초(500 W 내지 2 KW) 이상의 범위의 전력을 생성할 수 있다.As is known in the art of power generation using photovoltaic cells, means may be provided for balancing the load, for example if there is part of the array in a relatively poorly illuminated position. Useful operating voltages are at least 12 volts, with high voltages providing improved utilization, especially in terms of minimizing transmission and semiconductor losses, when sunlight is low and the operating voltage drops. Step-up converters may be provided as known in the art to maintain a constant output voltage through the varying current. Typically, the array used in the combination of the present invention can generate power in the range of 51 to 204 Kg-m / sec (500 W to 2 KW) or more.

도 10을 참조하면, 바람직한 형상에 따른 하이브리드 전력 시스템(300)의 블록도가 도시된다. 도시된 바와 같이, 액체 연료 공급원, 연료 공급원으로부터의 연료가 기화되고 연소 챔버로 전달되는 하나 이상의 가열된 모세관 튜브를 포함하고 기화된 연료는 연소되고 연소 챔버가 스털링 엔진 또는 다른 열 변환 장치를 구동하기 위해 이용되는 동안 열이 생성되는 전력 유닛(310)이 전술한 바와 같이 제공된다. 열 변환 장치는 유리하게는 전력을 생성하기 위한 선형 교류 발전기와 같은 교류 발전기에 부착될 수 있고, 전력 전자 모듈(350)로 이송되고, 차례로 부하에 연결되는 배터리(340)로 저장하도록 보내어진다.Referring to FIG. 10, shown is a block diagram of a hybrid power system 300 in accordance with a preferred shape. As shown, a liquid fuel source, comprising one or more heated capillary tubes through which fuel from the fuel source is vaporized and delivered to the combustion chamber, wherein the vaporized fuel is combusted and the combustion chamber drives a Stirling engine or other heat conversion device. A power unit 310 is provided as described above in which heat is generated while being utilized. The heat conversion device may advantageously be attached to an alternator, such as a linear alternator for generating power, transferred to the power electronics module 350, which in turn is sent to a battery 340 which is connected to the load.

전술한 형식으로부터 선택될 수 있는 광전 어레이(320)는 또한 저장 배터리(340)로 전기적으로 접속되고, 피크 태양 방사 기간 동안 부하의 총 요구량을 제공하도록 크기가 정해질 수 있거나 또는 전력 유닛(310)에 의한 공급용으로 설계될 수 있다. 전력 유닛(310)의 크기 설정에 대해, 맑은 날에 광전 어레이가 102 Kg- m/초(1KW)를 제공하는 바와 같이, 35.7 Kg-m/초(350W) 용량을 갖는 엔진을 구비한 유닛이 하루에 12시간 이상 유사한 전력 출력을 제공할 수 있다. 이와 같이, 전력 유닛의 용량은 PV 어레이보다 낮게 고려될 수 있고, 여전히 급송 능력 및 전력 신뢰성 개선을 제공한다. 알 수 있는 바와 같이, 다중 전력 유닛이 큰 응용예를 다루기 위해 유사하게 이용될 수 있다.The photovoltaic array 320, which may be selected from the foregoing format, is also electrically connected to the storage battery 340 and may be sized to provide the total requirement of the load during the peak solar radiation period or the power unit 310. It can be designed for supply by For the sizing of the power unit 310, a unit with an engine having a capacity of 35.7 Kg-m / sec (350 W) is provided, as the photoelectric array provides 102 Kg-m / sec (1 KW) on a clear day. Similar power outputs can be provided for more than 12 hours per day. As such, the capacity of the power unit can be considered lower than the PV array and still provide improved feed capacity and power reliability. As can be seen, multiple power units can similarly be used to address large applications.

특히 바람직한 바와 같이, 광전 어레이(320)는 전달된 전력의 약 90 %를 제공하고, 연간 약 300 내지 800 시간의 엔진 작동을 요구하는 하이브리드 전략을 얻는다. 본 발명의 하이브리드 구조는 광전 패널 및 배터리 저장 용량의 요구사항을 25 % 내지 50 % 감소시킬 수 있고, 광전 어레이에 비해 자본 및 운용 비용을 감소시킬 수 있다. 부가로, 의도된 하이브리드 구조는 하나 이상의 요인의 대체 스케줄을 결과적으로 증가시키면서 배터리 보조 시스템의 스트레스를 감소시킨다(방전 수준의 감소 등).As particularly preferred, the photovoltaic array 320 provides about 90% of the delivered power and obtains a hybrid strategy that requires about 300 to 800 hours of engine operation per year. The hybrid structure of the present invention can reduce the requirements of the photovoltaic panel and battery storage capacity by 25% to 50%, and can reduce the capital and operating costs compared to the photoelectric array. In addition, the intended hybrid structure reduces the stress of the battery assisted system (such as reducing the discharge level) while consequently increasing the replacement schedule of one or more factors.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 해당 기술 분야의 종사자들은 다양한 변경 및 등가물이 본 발명의 범주로부터 벗어남없이 채용될 수 있다는 것이 명백할 것이다.While the invention has been described with reference to the preferred embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and equivalents may be employed without departing from the scope of the invention.

Claims (20)

전력을 발생시키기 위한 하이브리드 시스템에 있어서In a hybrid system for generating power (a) 태양 방사선을 수집하여 전력으로 변환하기 위한 광전 어레이,(a) a photoelectric array for collecting and converting solar radiation into power, (b) 액체 연료의 소스로부터 전력을 발생시키기 위한 전력생산장치로서, (i) 입구 단부와 출구 단부를 가지면서 상기 입구 단부가 상기 액체 연료의 소스와 유체 연통하는 적어도 하나의 모세관 유로, (ii) 상기 적어도 하나의 모세관 유로를 따라 배열되어, 상기 적어도 하나의 모세관 유로 내의 액체 연료의 적어도 일부를 액체 상태로부터 증기 상태로 변화시키기에 충분한 수준으로 상기 적어도 하나의 모세관 유로내의 액체 연료를 가열하고 상기 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 출구 단부로부터의 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달(deliver)하도록 동작할 수 있는 열원, (iii) 상기 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 출구 단부와 연통하는 연소 챔버, (iv) 상기 연소 챔버내에서의 연소에 의해 방출되는 열을 전력으로 변환하도록 동작할 수 있는 변환 디바이스, 그리고 (v) 상기 전력생산장치의 동작 동안 형성된 침착물을 세정하기 위한 침착물세정수단을 포함하는 전력생산장치, 및(b) a power generation device for generating power from a source of liquid fuel, comprising: (i) at least one capillary flow path having an inlet end and an outlet end, the inlet end in fluid communication with the source of liquid fuel, (ii) And along the at least one capillary flow path, heating the liquid fuel in the at least one capillary flow path to a level sufficient to change at least a portion of the liquid fuel in the at least one capillary flow path from a liquid state to a vapor state and A heat source operable to deliver a stream of substantially vaporized fuel from said outlet end of at least one capillary flow path, (iii) a combustion chamber in communication with said outlet end of said at least one capillary flow path, ( iv) operable to convert heat released by combustion in the combustion chamber into electrical power Ring device, and (v) electricity generation apparatus comprising a deposit cleaning means for cleaning deposits formed during operation of the power generation device, and (c) 상기 변환 디바이스 및 상기 광전 어레이에 의해 발생된 전력을 저장하기 위해, 상기 광전 어레이 및 상기 변환 디바이스에 전기적으로 연결된 저장 디바이스를 구비하며,(c) a storage device electrically connected to the photoelectric array and the conversion device, for storing power generated by the conversion device and the photoelectric array, 상기 변환 디바이스는 마이크로 터빈, 전기 발전기를 가지는 마이크로 터빈, 스털링(Stirling) 엔진, 그리고 전기 발전기를 가지는 스털링 엔진으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 것이며,The conversion device is selected from the group consisting of a micro turbine, a micro turbine with an electric generator, a Stirling engine, and a Stirling engine with an electric generator, 상기 변환 디바이스는 510kg-m/sec(5000와트)까지의 기계적 또는 전기적 출력을 내는 것을 특징으로 하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.And said conversion device generates mechanical or electrical output of up to 510 kg-m / sec (5000 watts). 제 1 항에 있어서, 상기 열원은 저항 가열 소자를 포함하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.2. The hybrid system of claim 1, wherein said heat source comprises a resistive heating element. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모세관 유로는 적어도 하나의 모세관 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.The hybrid system of claim 1, wherein the at least one capillary flow passage comprises at least one capillary tube. 제 3 항에 있어서, 상기 열원은 전류를 통과시킴으로써 가열되는 상기 모세관 튜브의 섹션을 갖는 것을 특징으로 하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.4. The hybrid system of claim 3, wherein said heat source has a section of said capillary tube that is heated by passing a current. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 침착물세정수단은 유체 제어 밸브, 상기 열원 및 산화제 제어 밸브를 포함하고, 상기 산화제 제어 밸브는 상기 적어도 하나의 모세관 유로를 산화제와 유체 연통되도록 하기 위한 것이며, 상기 열원은 또한 액체 연료의 가열 동안 형성된 침착물을 산화시키기에 충분한 수준으로 상기 적어도 하나의 모세관 유로내의 산화제를 가열하도록 동작할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 모세관 유로를 산화제와 유체 연통하여 배치하기 위한 상기 산화제 제어 밸브는 상기 모세관 유로내로 산화제를 도입하는 것과 액체 연료를 도입하는 것을 교대로 반복하도록 동작할 수 있으며, 상기 산화제가 상기 적어도 하나의 모세관 유로에 도입될 때, 상기 모세관 유로의 현장 세정을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.The method of claim 1, wherein the deposit cleaning means comprises a fluid control valve, the heat source and the oxidant control valve, the oxidant control valve is for causing the at least one capillary flow path in fluid communication with the oxidant, And operable to heat the oxidant in the at least one capillary flow path to a level sufficient to oxidize deposits formed during heating of the liquid fuel, wherein the oxidant control for placing the at least one capillary flow path in fluid communication with an oxidant. The valve may be operable to alternately repeat introducing an oxidant into the capillary flow path and introducing a liquid fuel, which enables on-site cleaning of the capillary flow path when the oxidant is introduced into the at least one capillary flow path. Hybrid sheath for power generation, characterized in that . 제1항에 있어서, 상기 침착물세정수단 유체 제어 밸브를 포함하고, 상기 유체 제어 밸브는 상기 적어도 하나의 모세관 유로를 솔벤트와 유체 연통되도록 동작할 수 있어서 상기 솔벤트가 상기 적어도 하나의 모세관 유로 내로 도입될 때, 상기 모세관 유로의 현장 세정을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.The fluid control valve of claim 1, further comprising a deposit cleaning means fluid control valve, wherein the fluid control valve is operable to be in fluid communication with the at least one capillary flow path such that the solvent is introduced into the at least one capillary flow path. When enabled, enables on-site cleaning of the capillary flow path. 제7항에 있어서, 상기 솔벤트는 상기 액체 연료 소스로부터 나온 액체 연료를 포함하고, 상기 열원은 상기 모세관 유로의 세정 동안 단계적으로 중단(phase-out)되는 것을 특징으로 하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.8. The hybrid system of claim 7, wherein said solvent comprises a liquid fuel from said liquid fuel source and said heat source is phased out during cleaning of said capillary flow path. 제1항에 있어서, 상기 연소 챔버는 상기 기화된 연료를 점화하도록 동작할 수 있는 점화기를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.The hybrid system of claim 1, wherein the combustion chamber includes an igniter operable to ignite the vaporized fuel. 제 9 항에 있어서, 상기 열원은 상기 점화기의 점화 에너지 소요량을 감소시키기에 효과적인 수준으로 상기 액체 연료를 기화시키는 데 유용한 것을 특징으로 하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.10. The hybrid system of claim 9, wherein said heat source is useful for vaporizing said liquid fuel to a level effective to reduce the ignition energy requirement of said igniter. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 연료 소스를 더 구비하며, 상기 연료 소스는 100psig 이하의 압력으로 상기 적어도 하나의 모세관 유로에 가압된 액체 연료를 전달할 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.10. The hybrid system of claim 1, further comprising a fuel source, said fuel source capable of delivering pressurized liquid fuel to said at least one capillary flow path at a pressure of 100 psig or less. 삭제delete 삭제delete 전력을 발생시키기 위한 방법에 있어서, In a method for generating power, (a) 광전 어레이의 사용을 통해 태양 방사선을 전력으로 변환하는 단계,(a) converting solar radiation into power through the use of a photoelectric array, (b) 적어도 하나의 모세관 유로에 액체 연료를 보급하는 단계,(b) refueling at least one capillary flow path with liquid fuel, (c) 상기 적어도 하나의 모세관 유로내의 상기 액체 연료를 가열함으로써, 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 상기 적어도 하나의 모세관 유로의 출구를 통해 통과시키는 단계,(c) heating the liquid fuel in the at least one capillary flow path, thereby passing a stream of substantially vaporized fuel through the outlet of the at least one capillary flow path, (d) 연소 챔버내에서 상기 기화된 연료를 연소시키는 단계,(d) combusting the vaporized fuel in a combustion chamber, (e) 상기 연소 챔버내의 상기 기화된 연료의 연소에 의해 발생된 열을 변환 디바이스를 사용하여 전력으로 변환하는 단계, (e) converting heat generated by combustion of the vaporized fuel in the combustion chamber into power using a conversion device, (f) 상기 적어도 하나의 모세관 유로를 주기적으로 세정하는 단계, 및(f) periodically cleaning the at least one capillary flow path, and (g) 상기 (a) 및 (e) 단계에서 발생된 전력을 저장 디바이스에 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발생 방법.(g) storing the power generated in steps (a) and (e) in a storage device. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제16항에 있어서, 상기 주기적 세정 단계는 (i) 상기 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 가열을 단계적으로 중단하는(phasing-out) 단계, (ii) 상기 적어도 하나의 모세관 유로에 솔벤트를 보급하는 단계를 구비하고, 이에 의해 상기 적어도 하나의 모세관 유로내에 형성된 침착물이 제거되는 것을 특징으로 하는 전력 발생 방법.17. The method of claim 16, wherein the periodic cleaning step comprises: (i) phasing-out the heating of the at least one capillary flow path, (ii) replenishing solvent into the at least one capillary flow path And wherein deposits formed in the at least one capillary flow path are removed.
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