この発明は、パルスデトネーションエンジン発電システム及びその方法に関し、さらに詳細には、デトネーションを間欠的に発生させこれらデトネーションの際に発生するエネルギを動力としたパルスデトネーションエンジンを利用して発電を行い、この際、余剰蒸気を利用したスチームタービンにより圧縮機を駆動し発電効率を向上させるパルスデトネーションエンジン発電システム及びその方法に関する。

パルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）とは、燃焼過程をパルス状（間欠的）に衝撃波を伴う燃焼（デトネーション）によって行うエンジンである。

図４を参照する。 図４（ｂ）に示すようにデトネーション管の閉端側に溜められた燃料に着火すると燃料は開口端へ向け燃焼しデトネーションに発展する。

このデトネーションに発展した後の管内のある瞬間の各状態を図４（ａ）に示す。 例えば、デトネーション管の内部の長手方向の長さを１メートルとし、閉口端から０．８メートルまでデトネーション波が伝播した瞬間にはデトネーションの衝撃波（ＳＷ）により０．８メートルの点で圧力は突出している（ノイマンスパイクという）。 一方、デトネーション管の０．８メートル〜開口端である１メートルまでは初期状態Ａを保っている。 また、閉端部〜０．４メートル付近の管内膨張後の状態Ｂでは管内の圧力、温度等は一定の値になる。 図４（ｃ）は、上述の各状態でのデトネーション管の圧力、体積、温度等の変化を示している。

すなわち、デトネーション波が超音速で伝ぱする性質、通常の燃焼に比べて非常に高い圧力と温度を発生できるといった現象が生まれる。 熱サイクルはブレイトンサイクルと異なり燃焼がほぼ定容のもとで行われるサイクルとなる。

上述の衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間欠的に発生させ、前記デトネーションにより得られるエネルギを発電の動力とするパルスデトネーションエンジン発電システムは、このデトネーションが発生する所定長さの空洞を有するデトネーション管と、前記デトネーション管の管内に所定の時間間隔で気体を送り込む気体供給部と、前記デトネーション管の管内に所定の時間間隔で燃料を供給する燃料供給部と、供給により溜められた前記燃料に点火する点火栓とを備えている。 そして、前記気体供給部は、例えば、ブロア等により気体の供給を行っていた。

例えば、特許文献１又は特許文献２参照。

特願２００３−０３３３１

特願２００３−１４４８７

しかし、上述のように、パルスデトネーションエンジンを発電に応用する場合、パルスデトネーションエンジンの排気ガス温度は２０００℃以上であるため、そのままではタービン入り口温度が高温すぎる。 このため、過大の空気をブロア等でデトネーション管側へ供給するが、この際、ブロアなどの空気源を駆動するための動力が必要になる。 そして、ブロアなどを用いる場合には、発電電力の一部をブロアのモータに回す必要があり、パルスデトネーション発電システム全体の発電効率を低下させるという問題があった。

本発明は、上述のごとき問題に鑑みてなされたものであり、請求項１に係る発明は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間欠的に発生させ、前記デトネーションにより得られるエネルギを発電の動力とするパルスデトネーションエンジン発電システムにおいて、前記デトネーションが発生する所定長さの空洞を有するデトネーション管と、前記デトネーション管の管内に所定の時間間隔で気体を送り込む気体供給部と、前記デトネーション管の管内に所定の時間間隔で燃料を供給する燃料供給部と、供給により溜められた前記燃料に点火する点火栓とを備え、前記気体供給部は、ボイラの余剰蒸気により駆動するスチームタービンと、前記スチームタービンの動力を得て気体を圧縮する圧縮機とを有し、前記デトネーション管内にデトネーションによるエネルギを発生させタービンに導き、このタービンを駆動し、この駆動動力を得て発電を行うパルスデトネーションエンジン発電システムである。

請求項２に係る発明は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間欠的に発生させ、前記デトネーションにより得られるエネルギを発電の動力とするパルスデトネーションエンジン発電システムにおいて、前記デトネーションが発生する所定長さの空洞を有するデトネーション管と、前記デトネーション管の管内に所定の時間間隔で気体を送り込む気体供給部と、燃料の改質を行う改質器と、前記デトネーション管の管内に所定の時間間隔で燃料を供給する燃料供給部と、供給により溜められた前記燃料に点火する点火栓とを備え、前記気体供給部は、蒸気を生成するボイラの余剰蒸気により駆動するスチームタービンと、前記スチームタービンの動力を得て気体を圧縮する圧縮機とを有し、前記デトネーション管内にデトネーションによるエネルギを発生させタービンに導き、このタービンを駆動し、この駆動動力を得て発電を行うパルスデトネーションエンジン発電システムである。

請求項３に係る発明は、前記ボイラは前記タービンから排気されるガスの熱を利用し蒸気を生成する請求項１又は２記載のパルスデトネーションエンジン発電システムである。

請求項４に係る発明は、前記タービンから排気されるガスを高温ガスと、低温ガスとに分離するガス分離部を有し、前記ボイラは前記低温ガスにより蒸気を生成する請求項１〜３いずれか１項記載のパルスデトネーションエンジン発電システムである。

請求項５に係る発明は、前記スチームタービンは動力を補助するためのモータを備えていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のパルスデトネーションエンジン発電システム。

請求項６に係る発明は、デトネーションの発生による高温状態の過程であるホットフロー後に、前記気体供給部は過大の気体を前記デトネーション管に供給し前記デトネーション管内部の燃焼ガスのパージと所定の部分の冷却とを兼ね備えたコールドフローの過程を行い、前記ホットフローと前記コールドフローとが交互に行われる請求項１〜５いずれか１項記載のパルスデトネーションエンジン発電システムである。

請求項７に係る発明は、前記デトネーション管は開口部から噴出される衝撃的なエネルギを気体の圧力に変換することにより緩和するショックダンパを有し、変換された気体圧のエネルギを前記タービンに誘導する請求項１〜６いずれか１項記載のパルスデトネーションエンジン発電システムである。

請求項８に係る発明は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間欠的に発生させ、前記デトネーションにより得られるエネルギを発電の動力とするパルスデトネーションエンジン発電方法であって、前記デトネーションが発生する所定長さの筒状の空洞を有するデトネーション管の管内に所定の時間間隔で気体を送り込む工程と、前記デトネーション管の管内に所定の時間間隔で燃料を供給する工程と、前記燃料に点火する工程とを含み、前記気体を送り込む工程では、ボイラの余剰蒸気により駆動するスチームタービンと、前記スチームタービンの動力を得て気体を圧縮する圧縮機とにより気体を送り込み、前記デトネーション管内でデトネーションによるエネルギを発生させタービンに誘導し、このタービンを駆動し発電を行うパルスデトネーションエンジン発電方法である。

請求項９に係る発明は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間欠的に発生させ、前記デトネーションにより得られるエネルギを発電の動力とするパルスデトネーションエンジン発電方法であって、前記デトネーションが発生する所定長さの筒状の空洞を有するデトネーション管の管内に所定の時間間隔で気体を送り込む工程と、改質器により燃料の改質を行う工程と、前記デトネーション管の管内に所定の時間間隔で燃料を供給する工程と、前記燃料に点火する工程とを含み、前記気体を送り込む工程では、ボイラの余剰蒸気により駆動するスチームタービンと、前記スチームタービンの動力を得て気体を圧縮する圧縮機とにより気体を送り込み、前記デトネーション管内でデトネーションによるエネルギを発生させタービンに誘導し、このタービンを駆動し発電を行うパルスデトネーションエンジン発電方法である。

本発明によれば、以上説明したシステムで構成されているので、以下の効果を得ることができる。 すなわち、本パルスデトネーション発電システムでは、気体供給部の空気源駆動動力がタービン（ガスタービン）に比べて小さいため、排熱により生成した蒸気によりスチームタービンを駆動し、この動力により圧縮機を駆動し気体の供給を行うことができる。 そして、熱効率の向上（１０〜１５％程度）が図れるという効果がある。

また、スチームタービンの駆動動力確保のためのボイラに低温ガスを利用することにより、さらに熱効率の向上が図れるという効果がある。 一方、スチームタービンに補助のモータを備えることで、圧縮機動力が足りない場合でも補助を行うことができるという効果がある。

本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。 図１を参照する。 図１はパルスデトネーションエンジン発電システム１の概略の構成を示している。 前記パルスデトネーションエンジン発電システム１は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間欠的に発生させ、前記デトネーションにより得られるエネルギを発電の動力とする。

このパルスデトネーションエンジン発電システム１は、前記デトネーションが発生する所定長さの空洞（例えば筒状の空洞）を有するデトネーション管２７と、前記デトネーション管２７の管内に所定の時間間隔で気体（例えば酸素を含む気体）を送り込む気体供給部２１と、前記デトネーション管２７の管内に所定の時間間隔で燃料を供給する燃料供給部３と、デトネーション管２７に供給されることにより溜められた燃料に点火する点火栓（例えば点火プラグ）２５とを備えている。

前記気体供給部２１は、蒸気を生成するボイラ７の余剰蒸気により稼動するスチームタービン１５と、前記スチームタービン１５の動力を得て気体を圧縮する圧縮機１７とを有している。 ボイラ７の余剰蒸気を有効に利用することができ、発電システム全体の電力の使用を低減することができる。

圧縮機１７により供給された気体は一旦、空気溜１３に蓄えられ、空気弁２３を介して、デトネーション管２７に供給される。

前記燃料供給部３は、改質器５を有する。 この改質器５により改質された燃料（水素を３０％以上含むことが望ましい）が燃料供給部３により供給される。 この改質器５による燃料の改質には、ボイラ７により生成された蒸気が利用される。 また、タービン３１から得てガス分離部３５により分離された高温ガスも利用される。 一方、この高温ガスは燃料供給部３を介してボイラ７に導かれ蒸気を生成する際に必要な熱としても利用される。 改質された燃料はガス冷却器９により冷却されデトネーション管２７に供給される。

前記デトネーション管２７の内部の衝撃的なエネルギはショックダンパ２９により緩和されタービン（例えば、パワータービン）３１に誘導される。 そして、このタービン３１を駆動し、発電機３３により発電を行う。

図２を参照する。 圧縮機駆動蒸気のエネルギ確保のため、パワータービン３１ａから得たガスを分離高温ガス／低温ガスに分離し、低温ガスをボイラ熱源に用いる方式のパルスデトネーションエンジン発電システム１ａである。

このパルスデトネーションエンジン発電システム１ａは、前記デトネーションが発生する所定長さの空洞（例えば筒状の空洞）を有するデトネーション管２７ａと、前記デトネーション管２７ａの管内に所定の時間間隔で気体（例えば酸素を含む気体）を送り込む気体供給部２１ａと、前記デトネーション管２７ａの管内に所定の時間間隔で燃料を供給する燃料供給部３ａと、デトネーション管２７ａに供給されることにより溜められた燃料に点火する点火栓（例えば点火プラグ）２５ａとを備えている。

前記気体供給部２１ａは、蒸気を生成するボイラ７ａの余剰蒸気により稼動するスチームタービン１５ａ（前記余剰蒸気は、ガス分離部３５ａにより分離された高温ガスにより加熱を行うスーパヒータ１１ａにより加熱されスチームタービン２１ａに入る）と、前記スチームタービン１５ａの動力を得て気体を圧縮する圧縮機１７ａとを有している。

そして、前記ボイラ７ａはガス分離部３５ａにより分離された低温ガスにより蒸気を生成する。 ボイラ７ａの余剰蒸気を利用することにより、スチームタービン１５ａが駆動するので、発電システム全体の発電効率が向上する。

また、圧縮機１７ａにより供給された気体は一旦、空気溜１３ａに蓄えられ、空気弁２３ａを介して、デトネーション管２７ａに供給される。

前記燃料供給部３ａは改質器５ａを有する。 この改質器５ａにより改質された燃料（水素を３０％以上含むことが望ましい）が燃料供給部３ａにより供給される。 この改質器５ａによる燃料の改質には、ボイラ７ａにより生成された蒸気が利用される。 また、タービン３１ａから得たガスをガス分離部３５ａが分離した高温ガスも利用される。 一方、改質された燃料はガス冷却器９ａにより冷却されデトネーション管２７ａに供給される。

発生した前記デトネーション管２７ａの内部の衝撃的なエネルギをショックダンパ２９ａにより緩和し、タービン（例えば、パワータービン）３１ａに誘導し、このタービン３１ａを駆動し、発電機３３ａにより発電を行う。

図３を参照する。 圧縮機の動力が足りない場合モータにより補助されるパルスデトネーション発電システム１ｂである。 また、圧縮機駆動蒸気のエネルギ確保のため、分離した低温ガスをボイラ熱源に用いる。

このパルスデトネーションエンジン発電システム１ｂは、前記デトネーションが発生する所定長さの空洞（例えば筒状の空洞）を有するデトネーション管２７ｂと、前記デトネーション管２７ｂの管内に所定の時間間隔で気体（例えば酸素を含む気体）を送り込む気体供給部２１ｂと、前記デトネーション管２７ｂの管内に所定の時間間隔で燃料を供給する燃料供給部３ｂと、デトネーション管２７ｂに供給されることにより溜められた燃料に点火する点火栓（例えば点火プラグ）２５ｂとを備えている。

前記気体供給部２１ｂは、蒸気を生成するボイラ７ｂの余剰蒸気により稼動するスチームタービン１５ｂと、前記スチームタービン１５ｂの動力を得て気体を圧縮する圧縮機１７ｂとを有している。 前記スチームタービン１５ｂには、動力の補助を行うモータ１９ｂが備えられている。 なお、前記余剰蒸気は、ガス分離部３５ｂにより分離された高温ガスにより加熱を行うスーパヒータ１１ｂにより加熱されスチームタービン１５ｂに入る。

以上より、ボイラ７ｂの余剰蒸気を利用することにより、スチームタービン１５ｂが駆動するので、発電システム全体の発電効率が向上する。 そして、スチームタービン１５ｂの動力が足らないときモータ１９ｂにより補助されるので、安定した発電を行うことができる。

また、圧縮機１７ｂにより供給された気体は一旦、空気溜１３ｂに蓄えられ、空気弁２３ｂを介して、デトネーション管２７ｂに供給される。

前記燃料供給部３ｂは改質器５ｂを有する。 この改質器５ｂにより改質された燃料（水素が３０％以上含まれることが望ましい）が燃料供給部３ｂにより供給される。 この改質器５ｂによる燃料の改質には、ボイラ７ｂにより生成された蒸気が利用される。 また、タービン３１ｂから得たガスをガス分離部３５ｂが分離した高温ガスも気体供給部５ｂを介して利用される。 一方、改質された燃料はガス冷却器９ｂにより冷却されデトネーション管２７ｂに供給される。 また、ガス分離部３５ｂにより分離された低温ガスはボイラ７ｂに導かれ蒸気を生成する際に必要な熱として利用される。

発生した前記デトネーション管２７ｂの内部の衝撃的なエネルギをショックダンパ２９ｂにより緩和し、タービン（例えば、パワータービン）３１ｂに誘導し、このタービン３１ｂを駆動し、発電機３３ｂにより発電を行う。

図１、図２及び図３を参照する。 上述において説明したパルスデトネーションエンジン発電システム１（１ａ、１ｃ）では、前記気体供給部２１（２１ａ、２１ｂ）は過大の気体を、各デトネーションが発生しホットフローが生成した後に、前記デトネーション管２７（２７ａ、２７ｂ）に供給する（ここでは、空気弁２３（２３ａ、２３ｂ）により調節される）。 これにより、コールドフローが生成され、デトネーション管２７（２７ａ、２７ｂ）の内部の燃焼ガスをパージするとともに所定の部分（例えばデトネーション管２７（２７ａ、２７ｂ）の内部、タービン３１（３１ａ、３１ｂ等）の間欠的な冷却が行なわれる。

上述の動作の所要時間を示す。 例えば、長さ１ｍのデトネーション管を用いた場合、デトネーションが開始されてから０．５（ｍｓｅｃ）の間にデトネーション波の伝播が行われる。 続いて、１（ｍｓｅｃ）の間の時間に管内膨張波の伝播が行われる（デトネーション管２７（２７ａ、２７ｂ）内の圧力は一定になり、初期圧の５〜７倍である）。 次に、４（ｍｓｅｃ）の時間の間に管外膨張が行われ外部に仕事を行うことができる。

その後、デトネーション管２７（２７ａ、２７ｂ）の内部のパージが行われるとともに、この管内に気体の再充填が行われる。 このパージ、再充填過程を６（ｍｓｅｃ）とすると１サイクル１０（ｍｓｅｃ）で１００Ｈｚである。

前記ショックダンパ２９（２９ａ、２９ｂ）はデトネーション管２７（２７ａ、２７ｂ）からの衝撃を直接タービン３１（３１ａ、３１ｂ）に導かないように空気の圧縮エネルギに変換し緩和させるようになっている。 すなわち、ショックダンパ２９（２９ａ、２９ｂ）は、例えばデトネーション管２７（２７ａ、２７ｂ）の長手方向を長く製作して一部をショックダンパ２９（２９ａ、２９ｂ）として使用する。 これにより、一方をタービンに接続した半密閉された管内にデトネーションの衝撃的なエネルギが導かれる。 すなわち、導かれた衝撃的なエネルギは半密閉された管内に流れ込むので、この半密閉された管内の圧力が上昇するとともに前記衝撃エネルギは緩和される。 ここで、前記半密閉された室内の圧縮された気体はエネルギを蓄えているのでこのエネルギをタービン３１（３１ａ、３１ｂ）に導き、このタービン３１（３１ａ、３１ｂ）を駆動する。 換言すればデトネーションによる衝撃的なエネルギを空気の圧縮エネルギに変換してタービン３１（３１ａ、３１ｂ）を保護するとともに駆動を行うものである。 また、タービン３１（３１ａ、３１ｂ）を連続的に運転させるための外周流が流れるようになっている。 これにより、タービン３１（３１ａ、３１ｂ）を連続的に駆動させるものである。 このときの気体の供給源として、ボイラ７（７ａ、７ｂ）からの供給が望ましい。

なお、この発明は前述した実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことによりその他の態様で実施し得るものである。

パルスデトネーションエンジン発電システムの概略の構成を示す概略図である。

他の態様のパルスデトネーションエンジン発電システムの概略の構成を示す概略図である。

他の態様のパルスデトネーションエンジン発電システムの概略の構成を示す概略図である。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は従来の技術を説明する説明図である。

符号の説明

１ パルスデトネーションエンジン発電システム３ 燃料供給部５ 改質器７ ボイラ９ ガス冷却器１３ 空気溜１５ スチームタービン１７ 圧縮機２１ 気体供給部２３ 空気弁２５ 点火栓２７ デトネーション管２９ ショックダンパ３１ パワータービン３３ 発電機３５ ガス分離部