KR101318523B1 - 제트 캐비티 촉매 히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 열 전도성인 다공성 노즐을 통해 플라즈마 캐비티, 및 연료와 공기가 별도로 공급되며 상이한 루트로부터 촉매로 서로 상호 확산되어 수소 함유 연료의 효율적이고 정상(steady)이며 완전한 연소를 달성하도록 하는 둘레 다공성 촉매 캐비티를 구비한 촉매 버너에 기화된 알코올 연료를 전달하는 방법에 관한 것이다. 열전퇴, 히트 파이프 및 유체 가열 시스템에 커플링된, 수동형 자동 온도 조절 거동을 갖는 이러한 가열 시스템은, 마루, 도로, 런웨이, 전자장치, 냉장고, 기계류, 자동차, 구조물, 및 연료 전지에 유용한 열 및 전기를 제공할 수 있다.

Description

제트 캐비티 촉매 히터{JET CAVITY CATALYTIC HEATER}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 발명은 2008년 12월 26일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/140,902호의 우선권을 주장한다.

기술 분야

본 발명은 일반적으로 가열 시스템에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 다공성 촉매 벽을 갖춘 캐비티 내에서 산화 반응을 통해 열 및 전기를 발생시키는 촉매 가열 시스템에 관한 것이다.

액체 연료형 가열 시스템의 초기 발명은, 오일 램프 및 초(candle)를 포함한다. 각각의 초기 액체 연료형 가열 시스템은, 연료가 기화할 수 있고 연소할 수 있는 영역까지 연료를 위킹(wicking)한다. 오일 및 케로신 랜턴은 이러한 심지(wick)를 직접적으로 이용할 수 있다. 알코올 버너, 그리고 구체적으로 메탄올 버너는, 연료를 예열하고 기화된 연료를 연소 영역까지 보내기 위해 충분한 열을 전달할 수 있도록 심지에 대해 추가되는 열 전도체 및 슬리브 튜브를 필요로 한다. 알코올 버너 주위에 이러한 열 전도체 및 슬리브 튜브가 없으면, 연료, 화염 전면 또는 플라즈마는 관련된 심지를 태우게 된다.

최근에, 예컨대 오일 및 케로신과 같은 다른 탄화수소보다 알코올을 완전하게 연소시켜야 할 필요가 생겨났다. 이러한 알코올은, "바이오매스(biomass)"로도 또한 알려진 폐기물 재료로부터 유도될 수 있거나, 또는 "대체 에너지" 소스로부터 제조될 수 있다.

탄화수소보다 알코올을 연소시키는 것은 여러 가지 장점이 있다. 예를 들면, 메탄올은 매연, 검댕, 및 악취 없이 연소된다. 케로신에 비해 알코올 연료는 보다 저온에서 연소되며 물을 이용하여 소화될 수 있다. 메탄올 및 알코올은 적절한 촉매 상에서 자체로 촉매 연소를 개시하게 되며 실질적으로 완전한 연소가 이루어지도록 한다. 반면에 촉매 탄화수소 버너는 일반적으로 촉매를 위한 예열 단계를 필요로 한다. 탄화수소보다 알코올을 연소시키는 데 있어서의 이러한 장점에 의해 저렴한 가격의 연료 효과적인 히터가 가능해진다.

전술한 관점에서, 본 발명의 다양한 예시적인 실시예는 공간 가열에 대한 효율적인 연소 히터 및 열 전달을 달성한다. 다른 다양하고 유사한 용례가 또한 본 발명의 예시적인 실시예로부터 도출될 수 있다.

공기와 연료를 함께 혼합한 후 촉매에 도달하게 하는 것보다, 연료 및 연료로의 별개의 루트(route)로부터의 공기를 확산시키는 메커니즘에 의해, 연소 상황이 현저하게 개선되는 결과를 얻게 된다.

연소를 위해 캐비티 내에서 연료 및 공기를 함께 혼합하는 통상적인 버너는, 연료 및 공기의 비정상(unsteady) 및 폭발성 연소를 초래할 수 있다. 보통, 통상적인 버너의 캐비티가 대형일수록, 관련되는 폭발을 더 커진다. 이는 버너 피로 및 예컨대 히터의 파열과 같은 엄청난 결과를 초래할 수 있다.

화염을 재확립할 때 화염 전면 손실 및 폭발을 초래할 수 있는 연료 공기 혼합물은 어떤 시점에 변할 수 있다는 것을 확인하였다. 이는, 2가지 반응물 스트림의 촉매 반응 시스템 또는 정련 장치로부터의 테일 가스(tail gas)의 연소에 있어서 특히 문제가 된다.

이러한 가능한 재난을 방지하기 위해, 본 발명의 다양한 예시적인 실시예에서는, 연료 및 공기가 다공성 촉매 벽에 의해 분리된다. 연료 및 공기는 다공성 촉매 벽을 통해 서로에 대해 상호 확산되며, 이상적으로는 어떠한 현저한 비촉매 캐비티(non-catalytic cavity)도 공기 연료 혼합물로 채워지지 않게 된다.

본 발명에 있어서, 놀랍게도, 다공성 촉매 벽 내에 캐비티를 마련하는 것은 비용 절감 및 작동상 장점이 있다는 것과, 플라즈마가 이러한 캐비티 내에서 형성된다는 것을 확인하였다. 다공성 촉매 벽을 통한 연료 및 공기의 상호 확산은, 촉매 벽을 통한 강제 유동에서의 상황과 달리 존재하는 모든 분자에 대해 동일하게 분자에 대한 촉매에 걸쳐 긴 점유 시간을 달성하게 된다. 후자에 있어서, "유선 유동(streamline flow)" 또는 "비확산 구동(non-diffusionally driven)"으로서 또한 알려져 있는 층류 유동, 즉 무작위적인 다공성 촉매 벽을 통한 질량 유동은, 유동 채널에서 반경방향으로 가스 조성의 비균일성을 초래하며, 더 큰 채널 유동이 전체에 걸쳐 지배적이게 되도록 불균일한 유동 분포를 초래하고, 이때 유량은 연료 및 공기의 일부를 촉매식으로 반응시키기 위해 촉매 사이트(site)에 대해 충분히 확산되는 것을 방해할 정도로 충분히 클 수 있다. 따라서, 연료 공기 혼합물의 일부는 상호작용 없이 촉매 표면을 지나칠 수 있으며, 불완전한 연소를 생성할 수 있다. 촉매 벽 내에서, 상호 확산형 촉매 연소는 내측 캐비티에서 가장 높고 외측으로 갈수록 떨어지는 온도 구배를 달성할 수 있는데, 이는 완전한 연소를 달성하는 데 있어서 중요하다. 본 발명은, 촉매 벽의 외측면이 메탄올 연료에 대한 산소의 화학량론적 과잉 상태에서 섭씨 400 도 내지 섭씨 200 도 미만으로 유지되고 암면/촉매 벽이 균일하게 촉매식으로 작용한다면, 미연소된 연소 생성물이 10,000분의 1 부(part) 미만으로 떨어질 수 있거나 측정 장비의 한계 미만으로 떨어질 수 있다는 것을 확인하였다. 분리용 촉매 벽을 통한 상호 확산의 이러한 과정에 따라, 새로운 히터의 발명은 팬(fan) 또는 펌프를 필요로 하지 않는다. 새로운 발명은, 연료 증기 또는 공기가 분포되는 방식을 허용하기 위해 통상적인 공기 유동 및/또는 제트를 이용할 수 있으며, 이는 간단하고 정숙하며 완전한 연소 및 강건한 히터 시스템을 가능하게 한다. 공기 유동을 향하는 고온 촉매 표면은 또한 충분히 산화 작용을 할 수 있으며, 이에 따라 탄화수소 및 일산화탄소와 같은 가스가 히터를 통해 유동할 때 공기 스트림에서 이들 가스를 없앤다. 히터 공기 입구와 커플링될 수 있는 추가적인 장치는, 공기 필터, 정전기식 공기 필터, 광 촉매식 공기 필터, 흡수장치, 흡착장치, 스크러버(scrubber), 유사한 장치, 또는 배기 공기를 위한 수분 응축기 및/또는 이산화탄소 트랩이다. 히터와 함께 배치되는 냄새 및 향기 에미터(emitter)가 사용될 수 있으며, 일부 고분자량 예는 산화되지 않은 채로 히터를 통과할 수 있고, 이에 따라 연료에 대한 첨가제로서 함유될 수 있다. 이러한 히터 시스템은 또한, 인용함으로써 포함되는 계류 중인 미국 특허 출원 제10/492,018호의 멤브레인 촉매 히터와 함께 사용될 수 있다.

본 발명은 일반적으로 가열 시스템, 더욱 구체적으로 다공성 촉매 벽을 갖춘 캐비티 내에서 산화 반응을 통해 열 및 전기를 발생시키는 촉매 가열 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다양한 예시적인 실시예는, 하나 이상의 연료 저장소, 하나 이상의 연료 저장소에 연결되는 하나 이상의 파이프, 하나 이상의 파이프에 연결되며 캐비티 내로 안내되는 하나 이상의 다공성 튜브, 및 하나 이상의 다공성 튜브로부터의 연료와 촉매 연소를 달성하기 위해 산화제 가스와 확산식으로 접촉하는 다공성 촉매 벽에 의해 경계가 결정되는 캐비티로 이루어지는 촉매 히터를 포함한다. 산화는, 다공성 촉매 벽 외부로부터 확산되는 산화제 분자와 촉매 벽을 향해 확산되는 캐비티 내의 플라즈마 사이에서 다공성 촉매 벽에서 이루어질 수 있다. 플라즈마는, 산화에 의해 열이 발생하도록 하나 이상의 다공성 튜브를 통해 방출되는 기화된 연료로부터 형성된다.

본 발명에 따르면, 일반적으로 가열 시스템, 더욱 구체적으로 다공성 촉매 벽을 갖춘 캐비티 내에서 산화 반응을 통해 열 및 전기를 발생시키는 촉매 가열 시스템을 얻을 수 있다.

이어지는 설명으로부터 더욱 명확해지는 본 발명의 다양한 예시적인 실시예는, 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명에서 설명된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제트 캐비티 히터 및 연료공급 시스템의 단면도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 유동 제어 밸브, 모세관 네트워크, 히트 파이프, 가스 생성물 센서 및 팬을 구비한 제트 캐비티 히터의 단면도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 히터 시스템의 단면도로서, 히터 시스템이 히트 파이프 또는 유체 유동 시스템에 적용되어 있는 것인 단면도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 촉매 벽에서의 촉매 반응 구배의 단면도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 히트 연료 전지(heat fuel cell)의 예시적인 실시예의 단면도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 조명 또는 기기(appliance) 시스템을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예열 수단을 구비한 제트 캐비티 히터 및 연료공급 시스템의 확대 단면도를 도시한 것이다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제트 캐비티 히터 및 연료공급 시스템의 단면도이다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 주요 구성요소는 촉매 버너, 연료 분배 시스템, 유동 제어 시스템 및 연료 탱크 시스템을 포함한다.

도시된 촉매 버너는 촉매 베드 캐비티(1)를 둘러싸는 촉매 벽(2) 및 연도(23; chimney)를 구비한다. 연료 분배 시스템은 다공성 튜브(3), 압축 피팅(4), 하나 이상의 소형 모세관(6) 및 가스 입구 노즐(37)로 이루어진다. 유동 제어 시스템은 밸브 시일(9), 왁스 액추에이터 및 밸브 시트(11) 및 연료 필터(36)로 이루어진다. 연료 탱크 시스템은, 연료 라인(12), 중력 급유 탱크(13), 입구 라인(18), 연동 펌프(28) 및 연료 배관(29)으로 이루어지는 것으로 도시되어 있다. 또한, 연동 펌프(28)에 대한 하나 이상의 전선(35), 열전퇴(20; thermopile) 및 전기 에너지 공급부(27), 바람직하게는 충전식 배터리 형태인 전기 에너지 공급부가 존재할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 히터는 소결 분말 스테인레스 강으로부터 하나 이상의 다공성 튜브(3)를 형성하는 것에 의해 구성된다. 용어 "다공성 튜브"가 본 명세서에서 사용되지만, 다공성 튜브는 단지 하나의 출구 개구를 구비할 필요가 있을 뿐이다. 따라서, 간결성을 위해 상세한 설명 전반에 걸쳐, 용어 "다공성 튜브"는 이해가 더욱 용이하도록 하기 위해 "적어도 하나의 출구 개구를 갖춘 튜브"와 상호 교환 가능하게 사용될 것이다. 바람직한 실시예에 있어서, 이들 다공성 튜브는 약 0.5 미크론의 유효 평균 공극 직경을 갖는다. 하나 이상의 다공성 튜브(3)의 다른 구성은, 예컨대 세라믹, 금속 배치부, 유리 또는 세라믹 모세관, 또는 이들의 조합을 포함한다. 직조 섬유 매트릭스도 또한 하나 이상의 다공성 튜브에 적절할 수 있다.

하나 이상의 다공성 튜브(3)는 약 0.125 인치의 내경 및 약 0.25 인치의 외경을 갖는 것이 바람직하다. 예시적인 실시예에 있어서, 하나 이상의 다공성 튜브(3)는, 부착된 피팅 연결부로부터 약 5 cm의 길이로 절단된다. 압축 피팅(4)이 하나 이상의 다공성 튜브(3)에 부착된다. 압축 피팅은, 예컨대 구리 또는 황동으로 이루어질 수 있다.

도 1에 도시된 예시적인 실시예에서는, 2개의 다공성 튜브(3)가 존재한다. 다공성 튜브(3) 및 관련된 배관(plumbing)은 일반적으로 저부로부터 연료가 들어오도록 구성되며, 다공성 튜브 출구(34)가 위치하는 지점에서 하나 이상의 다공성 튜브는 실질적으로 상방으로 배향된다. 이러한 예시적인 배향은, 히터에 의해 연료가 기화되기 시작할 때까지 압축 피팅(4), 소직경 연료 공급 튜브(41) 및 연료 라인(12)에서 연료(31)을 유지하기에 바람직하며, 이때 연료가 다공성 튜브 출구(34)를 통해 간단히 쏟아져 나오지 못하도록 실질적으로 제한한다.

바람직한 실시예에서 압축 피팅(4)은 직각 만곡부를 구비하며, 다음으로 외경이 약 0.25 인치인 배관과 함께 도 1에 도시된 바와 같은 다른 다공성 튜브와 실질적으로 T자 형상을 형성한다. 압축 피팅(4) 및 소직경 연료 공급 튜브(41)는 하나 이상의 다공성 튜브로의 유량을 실질적으로 제한하며, 열 차동 팽창 작동식 릴리프 밸브(7; thermal differential expansion actuated relief valve), 왁스 액추에이터 및 밸브 시일(9)에 연결된다. 열 차동 팽창 작동식 릴리프 밸브는 바람직하게는 촉매 히터의 둘레 프레임에 장착된다. 이러한 장착에 의해, 촉매 히터로부터 열 차동 팽창 작동식 릴리프 밸브로 충분한 열전달이 이루어져서 열 차동 팽창 작동식 릴리프 밸브가 촉매 벽(2)의 가열로부터 개방되도록 해주고 비등 연료(5)로의 열전달을 이용하여 열 차동 팽창 작동식 릴리브 밸브를 개방 상태로 유지한다. 열 차동 팽창 작동식 릴리프 밸브는, 밸브 시일(9)을 이동시키는 왁스 액추에이터(8)와 함께 섭씨 약 63 도에서 개방되고 섭씨 약 46 도에서 폐쇄되는 열 팽창 밸브인 것이 바람직하다.

시동 히터 연료 전달 시스템은, 내경이 약 0.010 인치이고 외경이 0.0625 인치이며 촉매 벽(2)의 내측 저면에 대해 배치되는 하나 이상의 소형 모세관(6)과 함께 형성될 수 있다. 이러한 강제 모세관(capillary steel tube)은 스테인레스 강으로 형성될 수 있다. 촉매 벽은 백금, 및 세라믹 섬유 또는 암면 베드에 대해 분산되는 다른 촉매 재료로 이루어질 수 있다. 1 중량%의 백금으로 코팅된 여러 개의 알루미나 구체(sphere)는, 핫 스팟 스타트(hot spot start)를 달성하기 위해 촉매 벽 전체에 걸쳐 분산될 수 있다. 상기 하나 이상의 소형 모세관(6)은 연료 라인(12)에 연결된다. 상기 하나 이상의 소형 모세관(6)은, 하나 이상의 소형 모세관을 통과하는 층류 유동 마찰 및 하나 이상의 소형 모세관(6) 내로의 연료(31)의 압력에 의해 결정되는 제한된 유량을 가질 수 있다. 하나 이상의 소형 모세관(6), 소직경 연료 공급 튜브(41), 연료 라인(12) 및 출구 라인(19)을 통한 유동 저항은, 또한 중력 급유 탱크(13)로부터의 압력에 따라 히터 시스템에 대해 파워의 상한을 형성할 수 있다. 하나 이상의 소형 모세관(6) 및/또는 소직경 연료 공급 튜브(41)에서의 온도가 연료(31)의 비등점을 초과하면, 연료는 비등하고, 연료공급 속도는 현저하게 큰 체적 및 유동 속도를 갖는 비등 연료(5)로 인해 대략 연료 전달 속도의 약 5 %로 급격하게 떨어지며, 이때 하나 이상의 모세관을 통한 마찰 효과를 변경시킨다.

특정 튜브를 가로지르는 연료의 압력(P), 특정 튜브의 반경(r), 특정 튜브의 길이(l), 특정 연료의 점도(μ), 및 유체의 밀도(ρ)에 대해 전달되는 연료(유체) 유량의 수학적인 관계는 다음과 같다.

연료 전달 속도 = ρ*π*P*r⁴/(8*μ*l)

이러한 층류 유동 저항 메커니즘은, 연료가 하나 이상의 소형 모세관(6) 및 소직경 연료 공급 튜브(41)에서 비등할 때 연료 유량이 대략 20의 비율로 떨어지고 히터가 자체로 제한되도록 하기 위해 히터에 대한 자체 온도 제한 효과로서 사용될 수 있다. 이러한 효과는 해수면 공기 압력에서 약 0.79 gm/ml로부터 약 0.00114 gm/ml로 변하는 액체 연료의 체적에 기인한 것이다. 이는 693 배나 더 작은 체적 변화를 초래한다. 연료의 점도는 액체일 때 약 0.00403 Poise의 점도(액체)로부터 섭씨 65 도에서 메탄올 가스의 약 0.000135 Poise의 점도(가스)로 변한다. 따라서, 연료 전달 속도는 액체 연료의 연료 전달 속도로 가스 유동을 나눈 것에 대해 1/23.2 배의 비율로 떨어질 것으로 평가된다. 연료 전달 비율 = 가스 연료 전달 / 액체 연료 전달 = ρ(가스)*μ(액체)/[ρ(액체)*μ(가스)] = 0.04308 = 1/23.2.

하나 이상의 다공성 튜브(3)에서, 연료(31)는 하나 이상의 다공성 튜브의 작은 벽 공극을 통해, 등가의 작은 공극의 개수와, 연료 전달 속도 그리고 하나 이상의 다공성 튜브에서 유체의 높이에 의해 생성되는 압력 헤드를 곱함으로써 수학적으로 모델링될 수 있는 유량으로 유동할 수 있다. 연료가 완전히 기화되거나 실질적으로 기화될 때, 작은 공극을 통한 연료 유동은 급격하게 감소되며, 유동은 다공성 튜브 출구(34)를 통한 유동에 의해 지배된다.

실질적으로 하나 이상의 다공성 튜브를 통과하는 유동은 이때 다공성 튜브 출구(34)로부터의 제트 유동에 의해 지배되는 반면, 연료의 일부 유동 및 확산분은 하나 이상의 다공성 튜브(3)의 작은 벽 공극을 통해 나오게 된다. 이러한 제트 유동은 필요에 따라 스로틀링되거나 조절될 수 있다. 작은 벽 공극을 통한 연료의 유동은, 하나 이상의 다공성 튜브(3)의 측부에서 촉매식으로 연소되거나, 플라스마 연소되거나 또는 개질될 수 있고, 이때 연료(31)의 기화열을 공급함으로써 연료 비등 및 증기 유동을 유지하기 위해 연료에 열이 전달되도록 하나 이상의 다공성 튜브를 가열 상태로 유지하게 된다. 다공성 튜브 출구는 도면에서 개방된 것으로 도시되어 있지만, 연료의 유동이 작은 벽 공극을 통해서만 빠져나오도록 하고 다공성 튜브 출구를 통해서는 빠져나오지 못하도록, 다공성 튜브는 실질적으로 덮여 있거나 캡이 씌워져 있을 수 있다. 추가적으로, 다공성 튜브는 실질적으로 수직 방향으로 도시되어 있지만, 다공성 튜브는 히터의 기부에 대해 실질적으로 수평으로 위치설정될 수 있거나 또는 실질적으로 수직인 위치와 실질적으로 수평인 위치 사이에서 임의의 위치에 위치설정될 수 있다. 결과로서, 하나 이상의 다공성 튜브의 측부는 공기(산소)가 화학량론적으로 과잉일 때 플라즈마, 즉 고온 플라즈마에 덮여있을 수 있고, 또한 기화된 연료가 다공성 튜브 출구로부터 빠져나와 유동할 때 화염/플라즈마를 유지할 수 있다. 동적 평형에 의해, 작은 벽들 사이의 하나 이상의 다공성 튜브(3)에서,다공성 튜브 출구의 연료 유동에서 연료를 기화시키고 가능하다면 개질시키기 위해 열을 제공하도록, 연소시키고 열을 전달하는 하나 이상의 다공성 튜브의 측부를 통한 공극 유동이 달성될 수 있다.

하나 이상의 다공성 튜브(3)의 측부를 통한 확산 및 연료 유동의 속도는, 하나 이상의 다공성 튜브(3)를 통한 연료 유동을 기화된 연료로서 유지하기 위해 자동적으로 조절되어야 한다. 연료가 하나 이상의 다공성 튜브에서 기화되지 않는다면, 하나 이상의 다공성 튜브(3)의 내측면에서의 액체 연료는 하나 이상의 다공성 튜브(3)의 측부를 통해 유동하고 확산되며, 다공성 튜브 출구가 더 많은 연료(31)를 기화시킬 때까지 하나 이상의 다공성 튜브의 가열을 증가시키고, 그 역도 성립한다. 연료가 하나 이상의 다공성 튜브(3)에 도달할 때 연료가 실질적으로 기화된다면, 하나 이상의 다공성 튜브의 측부를 통한 연료 유량은 감소하게 되며, 액체 연료 접촉물이 하나 이상의 다공성 튜브(3)의 기부로 되돌아갈 때까지 연료의 가열 및 기화가 감소된다.

유사한 동적 평형 시스템은, 다공성 튜브 출구(34)에서 연소 영역으로 위킹되는 연료의 수직 위킹 장치를 둘러싸는 하나 이상의 다공성 튜브(3)와 함께 달성될 수 있으며, 하나 이상의 다공성 튜브의 표면으로부터의 연소 열의 일부는 비등하는 연료로 전달된다. 이러한 심지에서 연료가 완전히 기화된다면, 하나 이상의 다공성 튜브의 측부를 통해 더 적은 연료가 전달되며, 연료의 전달분은 다시 스로틀링될 수 있다. 더 많은 액체 연료가 위킹되면, 하나 이상의 다공성 튜브의 가열이 증가하게 되고, 연료의 기화도 증가하게 된다. 예열 수단은, 예컨대 촉매 또는 전기 히터일 수 있다.

하나 이상의 다공성 튜브(3)를 통한 유량이 매우 큰 경우, 액체 연료를 기화시키기 위해 액체 연료로 다시 전달되는 열은 연료의 기화를 유지하기 위해 필요하다. 본 명세서에서의 예시적인 실시예에 있어서, 하나 이상의 다공성 튜브(3)의 측부를 통한 예열은 폐쇄된 열 루프에서의 액체 또는 증기에 따라 좌우되어 최대 응답(responsiveness)을 달성하고 이에 따라 동적 자체 연료 기화용 응답식 예열 시스템을 형성한다. 도 7은 연료 라인(12)에 이웃하게 위치설정되는 예열 수단(340)을 도시한 것이다. 이러한 예열에 의해 초기량의 연료는 연료의 정상 유동이 없는 상태에서 가열될 수 있게 되며, 이에 따라 히터의 더욱 효과적인 가온 및 더 적은 연료 손실이 가능하게 해준다.

예열 수단은, 액체 연료가 통과하고 액체 연료가 내부에서 비등하게 되는 수단이다. 예열 수단의 예는 간단한 금속 튜브로부터 복잡한 라디에이터 등의 구조를 포함한다. 어떻게 이를 구성하는가에 관한 세부사항은, 원하는 예열 수단의 와트 출력, 열 교환기를 통해 연료가 이동하는 속도, 특정 구성이 연료에 열을 전달할 수 있는 효율, 연료의 온도, 연료의 비등점 등과 같은 인자에 기초하게 된다. 예열 수단은 또한 1차 히터 케이지(cage)에 근접하게 위치하거나 잠재적으로 심지어 1차 히터 케이지에 부착될 수 있는데, 일단 메인 히터가 원하는 온도 또는 사전에 결정된 온도에 도달하면 1차 히터 케이지는 메인 히터가 연료 예열을 "담당하도록" 해준다.

예열 수단은 바람직하게는 그 열 출력에 있어서 제한된다. 이는, 예열 수단에 대한 연료 흐름 제한 수단 또는 온도 자동 조절식 컨트롤러인 일부 수단을 통해, 예컨대 열 밸브와 유사한 밸브를 갖춘 수단을 통해, 또는 일부 전기적 수단을 통해, 예컨대 온도 입력이 밸브를 작동시키는 간단한 바이메탈 서모스탯(bimetal thermostat)에서 컴퓨터(마이크로 컨트롤러)인 수단을 통해, 또는 심지어 예열 수단 연료가 비등할 때 라인에서 역압으로 인해 연료 유동이 급격하게 감소되도록 하는 열 교환기가 바로 그러하듯이 예열 수단 부근에서 혹은 예열 수단에 연료를 공급하는 튜브를 통해 달성될 수 있다.

촉매 베드 캐비티(1)에서, 연료는 고온에서 공기와 연소할 수 있으며 이후에 이웃한 촉매 벽(2)으로 확산되어, 촉매 벽(2)에서 더 낮은 온도에서 실질적으로 연소를 완료하는데, 촉매 베드 캐비티(1)에서의 연료 확산이 연도(23)에서의 공기로부터의 산소 확산과 조화를 이루기 때문이다.

더 낮은 온도의 촉매 연소는 더욱 완전하며, 고온 연소에서 생성될 수 있는 일산화탄소 및 수소에 비해 이산화탄소 및 물의 생성에 도움이 된다. 촉매 베드 캐비티(1)의 내측에서 가장 높은 부분부터 촉매 벽(2)의 외측면으로의 열전달로 인해 발생되는 온도 구배는, 연료 및 공기의 완전한 연소를 위해 바람직한 온도 구배를 생성한다. 본 발명의 촉매 히터의 실시예의 측정으로부터, 연료로서 메탄올을 공기와 함께 연소시킴에 있어서 99.984 %보다 양호한 연소 효율을 나타내었다.

이러한 유형의 연소는 다양한 연료를 안전하게 연소시키기 위해 사용될 수 있다는 것을 언급해야 한다. 정련 장치로부터의 테일 가스와 같은 불연성 혼합물의 연소가 그 예이다. 이러한 연료는 액체 연료를 대체할 수 있고/있거나 촉매 베드 캐비티에 공급하는 병렬 연료공급 장치를 이용하여 또는 병렬 연료공급 장치에서 혼합될 수 있다. 메탄올, 디메틸에테르, 또는 액체 연료공급용 다공성 제트는, 예컨대, 일단 왁스 팽창 요소(38) 및 열 활성화 밸브(39)를 개방하기에 온도가 충분히 높아지면, 예열된 가스 스트림으로서 연료를 전달하는 가스 입구 노즐(37)에 이웃하여 연료를 공급할 수 있다.

예컨대 수소, 일산화탄소, 메탄, 프로판, 펜탄, 에테르, 에탄, 부탄, 에탄올, 프로판올, 및 다른 탄화수소 화합물과 같이 촉매식으로 연소 가능한 가스가 또한 사용될 수 있다. 정련 장치의 테일 가스에 공급될 수 있는 가스의 예는, 약간의 수소 및 메탄 그리고 일산화탄소로 이루어지는 가스이지만, 이 가스는, 단독으로 화염을 유지할 수 없도록 하기 위해 충분한 질소 및 불연성 가스로 희석된다.

가스 공급 튜브(40)에서의 예열된 가스 스트림은 연도(23), 촉매 벽(2) 및 가스 공급 튜브(40)와 촉매 벽(2) 내로의 배기 공기 유동 채널(33)로부터의 열전달로 인해 가열될 수 있으며, 이에 따라 산소가 촉매 벽(2)을 통해 확산될 때 촉매 벽(2)에서 연료의 희박 혼합물을 촉매식으로 산화시킨다. 공기 유동 채널(33) 및 공기 입구(43)와 별도로 연료가 가스 공급 튜브에서 예열되도록 하는 것의 구체적인 장점은, 통상적인 버너에서와 같이 대량의 혼합된 연료 공기를 갖춰야 하는 것을 실질적으로 방지한다는 것인데, 대량의 혼합된 연료 공기를 갖추는 것은 인명 및 재산에 피해를 주는 폭발을 초래할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 공기는 또한 연도(23)로부터 공기 입구(43) 내로 전달되는 열을 이용하여 열 교환을 통해 예열될 수 있다. 연료 및 공기를 예열함으로써, 히터는 더욱 효율적이게 된다. 더욱이, 가스 공급 튜브(40)에서의 가연성이 낮은 혼합물에 대해, 연소를 유지할 필요가 있을 수 있는데, 왜냐하면 연소 온도 및/또는 촉매 연소 온도로 가스를 가열하기에는 연료 공기 혼합물에서의 에너지가 불충분하기 때문이다.

테일 가스를 이용하는 예시적인 실시예에 있어서, 혼합물의 가연성은 화학물질 농도 및 온도 변화에 따라 어떤 시점에는 변할 수 있다. 이러한 변동은 불안정한 연소 및 폭발을 초래할 수 있다. 본 발명에 따른 히터의 예시적인 실시예의 서모스탯 양태는, 히터에서의 작동 조건을 실질적으로 유지하며, 이는 실질적으로 테일 가스의 가변적인 가연성을 보상하게 된다. 공기 유동 채널(33)에서 비교적 산소가 농후한 환경일 때 촉매 벽(2)의 보다 저온인 외측면에서의 촉매 산화 종료는, 촉매 산화에 의해 가스에서의 일산화탄소 및 수소의 완전한 산화가 촉진되도록 실질적으로 보장한다.

촉매 히터로부터의 배기는 촉매 벽(2)을 지나는 대류 공기 유동 또는 강제 공기 유동 내로 확산된다. 촉매 벽(2)은 주위의 연도(23)로 복사(radiation)한다. 전도, 대류 및 복사 열 전달이 촉매 벽(2)으로부터 일어나게 된다. 촉매 벽(2)에 대한 전도 접촉 또는 연도(23)로부터의 전도에 의해 추가적인 열 전달이 이루어질 수 있다. 히트 파이프 및 순환되는 유체 전도체가 촉매 벽(2) 또는 연도(23)에 배치될 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 열전퇴(20)는 연도(23)에 열 접촉하도록 배치되거나, 또는 촉매 벽(2)과 복사 열 접촉하도록 배치된다. 열전퇴는 여전히 열 접촉을 형성하면서도 절연 층을 통해 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다. 이러한 절연 층은 바람직하게는 알루미나로 이루어진다. 열전퇴의, 저온 접점(junction)으로서 또한 알려져 있는, 히트 싱크(22)는, 공기 입구(43)에서 공기를 예열하도록 배치될 수 있다. 히트 싱크(22)는 또한 주위 공기로 공기를 대류시킴으로써 냉각될 수 있다. 히터의 저온 히트 싱크(22)는, 마루 매트, 벽, 침대, 자동차, 기계류, 전자장치, 및 의류 건조용 랙과 같은 구조에 통합될 수 있다.

소직경 연료 공급 튜브(41) 및 하나 이상의 다공성 튜브(3)에 대한 연료 전달은, 중력 급유 탱크(13) 및 메인 연료 저장소(30)로부터 이루어진다. 메인 연료 저장소(30)는 연료 입구 및 배기구 캡(32)을 구비할 수 있다. 연료는 메인 연료 저장소(30)로부터 중력 급유 탱크로, 펌프(28), 연료 배관(29) 및 입구 라인(18)을 통해 안내된다. 중력 급유 탱크는 압력 릴리프 밸브 배기구(17)를 포함할 수 있다. 중력 급유 탱크로부터, 연료는, 출구 라인(19), 연료 필터(36), 열 차동 팽창 작동식 서모스탯 밸브(10), 왁스 액추에이터 및 연료 시트(11), 열 차동 팽창 작동식 릴리프 밸브(7), 왁스 액추에이터(8) 및 밸브 시일(9)을 비롯한 일련의 유동 제어 구성요소 및 배관 시스템을 통과한다.

메인 연료 저장소(30)는, 가열 대상 건물 외측에 위치할 수 있는, 예컨대 50 갤런 탱크와 같은 연료 탱크일 수 있다. 이러한 탱크는 미관상의 요구를 위해 매설되거나, 덮여있거나, 기타 등등의 방식으로 처리될 수 있다. 연료 입구 및 배기구 캡(32)은 메인 연료 저장소 내부에서의 과도한 음의 압력 또는 양의 압력의 형성을 실질적으로 방지한다.

펌프(28)는, 예컨대 연동 펌프 또는 압전 펌프 다이아프램 펌프의 형태일 수 있다. 전력은 전선(35)을 통해 펌프로 전달될 수 있다.

예시적인 실시예의 중력 급유 탱크(13)는 히터에 대한 정상 중력 압력 헤드 공급을 제공하기 위해 대략 300 ml의 연료 체적일 수 있다. 중력 급유 탱크로서 본 명세서에서 설명되어 있지만, 연료는 압력 작용 및/또는 펌프 작용에 의해 본 시스템을 통해 유동할 수 있다. 중력 급유 탱크(13) 내에는, 부동부(15) 및 레일(16)에 위치하는 연료 레벨 활성화 스위치(14)가 존재할 수 있다. 이러한 연료 레벨 활성화 스위치는, 연료 레벨이 낮은 것으로 결정되면 메인 연료 저장소(31)에서 연료 펌프(28)를 턴 온(turn on)시키며, 연료 레벨이 원하는 레벨에 있거나 과도하게 높다고 결정되면 연료 펌프를 턴 오프(turn off)시킨다. 중력 급유 탱크(13)는, 중력 급유 탱크 내부의 압력을 실질적으로 조절하고 양의 압력 또는 음의 압력이 발생되는 것을 방지하기 위해 압력 릴리프 밸브 배기구(17)를 구비하며, 이에 따라 이 탱크가 정확한 중력 헤드 압력을 히터에 전달하도록 해준다. 압력 릴리프 밸브 배기구(17)는, 중력 급유 탱크(13)에 대해 억세스 캡(access cap)에 통합될 수 있다.

시동 모드의 작동에서, 히터 시스템은 중력 급유 탱크(13)를 연료로 채움으로써 시동될 수 있다. 이로써 히터에 연료를 공급할 수 있고, 메인 연료 저장소(30)에서 펌프(28)를 작동시키기 위해 열전퇴(20)로부터 전기 다이오드(26)를 통해 열전퇴 전기 콘센트(21)로 전달되는 충분한 전기를 발생시킬 수 있거나, 또는 다음으로 메인 연료 저장소(30)에서 펌프(28)를 작동시킬 수 있는 하나 이상의 배터리의 형태인 전기 에너지 공급부를 충전할 수 있다.

연료 필터(36)는, 예컨대 스테인레스 강 홀더와 함께 출구 라인(19)에 평균 10 미크론의 공극이 위치설정되는 다공성 스테인레스 강 프릿(frit)일 수 있다.

열 차동 팽창 작동식 서모스탯 밸브(10), 및 왁스 액추에이터 및 밸브 시트(11)는 개방되어 연료가 사전에 결정된 온도 미만으로 유동하도록 해주며, 다음으로 폐쇄되어 사전에 결정된 온도를 초과하여 연료가 유동하지 못하게 하거나 느리게 연료가 유동하도록 해준다. 변형으로, 열 차동 팽창 작동식 서모스탯 밸브(10), 및 왁스 액추에이터 및 밸브 시트(11) 중 단지 하나만이 개방되고, 이에 따라 연료의 유동을 중단시키거나 느리게 한다. 상기 사전에 결정된 온도는 왁스 액추에이터에 대한 스크류 다이얼 조절을 이용하여 설정될 수 있으며, 밸브 시트(11)는 열 차동 팽창 작동식 서모스탯 밸브(10)에 대해 힘을 가한다. 전기적으로 작동되는 밸브 또는 전기적으로 구동되는 펌프와 같은 다른 타입의 서모스탯 밸브가 또한 열 차동 팽창 작동식 서모스탯 밸브로서 사용될 수 있다.

히터 시스템은 또한 일산화탄소 또는 산소 함량 센서와 같은 센서, 팬, 및 조명 등을 포함할 수 있다.

작동 중에, 연도(23)에 이웃한 열전퇴(22)의 측부는 가열되며, 이때 이 열은 열전퇴(22)의 다른 측부에, 그리고 공기 입구에서 유동하는 공기에 의해 냉각되는 히트 싱크(22)에 전달된다. 열전퇴에 의해 발생되는 전류는 열전퇴 전기 콘센트(21)를 통과하며, 전기 다이오드(26)를 통해 배터리, 즉 전기 에너지 공급부(27)를 충전시킨다. 전기 다이오드(26)는 배터리의 일방향 전류 충전을 보장하기 위해 필요하며, 히터가 오프(off)일 때 열전퇴(20)를 통해 다시 배터리가 방전되지 않도록 하기 위해 필요하다. 전기 에너지를 저장하기 위해 배터리보다는 수퍼 커패시터가 사용될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 배터리는, 예컨대 니켈 금속 수소화물 배터리, 납 산 배터리, 리튬 폴리머 배터리 또는 리튬 이온 배터리의 형태일 수 있다. 배터리에 저장되는 전기 에너지는, 연료 레벨이 낮을 때 연료 레벨 활성화 스위치(14)가 닫히면 흐르게 된다. 전류는 펌프(28)를 통해 흐르며, 중력 급류 탱크(13) 내로 더 많은 연료(31)가 펌핑된다. 중력 급유 탱크에서의 연료가 사전에 결정된 레벨에 도달하면, 연료 레벨 활성화 스위치는 개방되며 펌프(28)에 대한 전류는 중단된다. 어떤 상황에서는, 펌프(28)가 펌핑을 중단할 때 연료 라인(29)을 통해 메인 연료 저장소(30) 내로 사이펀을 이용하여 다시 옮겨지지 않도록 하기 위해 입구 라인(18)에 체크 밸브를 구비하는 것이 유용할 수 있다.

연료의 정상 유동이 없는 상태에서 히터가 더욱 효율적으로 원하는 온도에 도달할 수 있도록, 예열 대상인 초기량의 연료를 진행시키기 위해 수동 펌프 및/또는 자동 펌프를 이용하여 연료를 또한 펌핑할 수 있다.

도 2에는, 히터 시스템이 제1 및 제2 다중 유량 모세관 유동 제한 튜브(88 및 89)의 추가적인 실시예와 함께 도시되어 있으며, 이들 제1 및 제2 다중 유량 모세관 유동 제한 튜브는 각각 3-방향 유동 밸브(87), 하위 히트 파이프(90), 열전퇴와 연도(23) 사이의 전기 절연층 상의 각각의 제1 및 제2 측부 헤드 파이프(91 및 92), 팬(94), 공기 유동 및 연소 전자 센서(95)를 구비한다.

이러한 예시적인 실시예에 있어서, 밸브 및 모세관을 통한 유동 제어는, 히터의 파워 출력이 제1 및 제2 다중 유량 모세관 유동 제한 튜브(88 및 89)를 통한 다양한 유량에 의해 설정될 수 있도록 해준다. 제1 및 제2 다중 유량 모세관 유동 제한 튜브는 또한, 예컨대 공기 유동이 연도에서 막히게 될 때와 같이 히터가 과도하게 고온이 된다면 제1 및 제2 다중 유량 모세관 유동 제한 튜브에서의 연료가 비등하고 히터에 대한 연료 전달을 제한하도록 하기 위해, 촉매 히터에 대한 열 접촉부를 갖춘 안전 특징부로서 배치될 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 열전퇴와 연도(70) 사이의 전기 절연층은 하위 히트 파이프(90), 제1측 및 제2측 헤드 파이프(91 및 92), 및 핀이 형성된 히트 싱크 형태일 수 있는 히트 싱크(22)와 함께 사용된다. 열전퇴의 출력은 공기 유동 팬(94), 펌프(28)를 작동시키고 배터리(77)를 충전하기 위해 사용된다. 제1 및 제2 다중 유량 모세관 유동 제한 튜브는 연도(23)의 표면에 또는 히트 싱크(22)의 표면에 위치설정될 수 있다.

도 2에 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 유효 평균 공극 직경이 0.5 미크론인 소결 분말 스테인레스 강으로 더 많은 다공성 튜브(3)가 이루어진다. 다공성 튜브는 바람직하게는 0.125 인치의 내경 및 0.25 인치의 외경을 가지며, 압축 피팅(4)으로부터 5 cm 길이로 절단되고, 바람직하게는 황동으로 이루어진다. 압축 피팅은 바람직하게는 직각 만곡부를 가지며, 이때 도 2에 도시된 바와 같이 다른 다공성 튜브와 함께 T-형상을 형성하기 위해 0.25 인치 외경의 배관을 구비한다. 소직경의 연료 공급 튜브(41)는 1/8 인치 직경의 배관으로부터 1/4 인치 직경의 구리 튜브로서 브레이징될 수 있다. 소직경 연료 공급 튜브 모세관은 제트에 대한 유량을 제한하고, 촉매 히터의 연도(23) 또는 촉매 벽(2)의 둘레 프레임에 장착되는 밸브 시일(9)에 연결된다. 소직경 연료 공급 라인 및 다공성 튜브의 열 전도도 그리고 촉매 벽(2) 또는 연도(23)에 대한 이러한 장착은, 히터로부터 열 차동 팽창 작동식 릴리프 밸브(7)로 충분한 열 전달을 제공하여 이러한 밸브가 촉매 벽의 가열로부터 개방되도록 해주고 비응하는 연료로의 열 전달을 이용하도록 해주어 열 차동 팽창 작동식 릴리프 밸브를 개방 상태로 유지시킨다.

촉매 히터로부터의 배기는 촉매 벽(2)을 지나 대류 공기 유동 또는 강제 공기 유동으로 확산된다. 촉매 벽(2)은 주위의 연도(23)로 복사한다. 전도, 대류 및 복사 열 전달이 촉매 벽(2)으로부터 일어나게 된다. 촉매 벽(2)에 대한 전도 접촉 또는 연도(23)로부터의 전도에 의해 추가적인 열 전달이 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 열은 연도(23)의 벽에 전달되며 열은 열전퇴를 통해 이동한다. 열전퇴는 이때 바닥 매트, 의류, 가구, 덕트, 기계류, 자동차, 거울, 윈도우, 전자장치 또는 건물 벽과 같이 주위 공기 또는 표면에 대해 히트 싱크(22)를 통해 열을 소산시키는 제1측 및 제2측 헤드 파이프(91 및 92) 그리고 하위 히트 파이프(90)를 통해 히트 싱크된다.

하위 히트 파이프(90)와 제1측 및 제2측 헤드 파이프(91 및 92)는, 밀봉 파이프(97)의 내부에 위킹 재료와 함께, 가요성 벽으로 된 히트 파이프의 형태일 수 있는 밀봉 파이프(97) 내의 작동 유체를 포함할 수 있다. 응축된 작동 유체를 다시 위킹 재료로 복귀시키기 위해 중력 유동 후퇴(gravity flow back)가 이용된다. 히트 파이프 작동 유체에 대해 불순물이 추가되거나 또는 밀봉 파이프(97)의 가압이 사용되면, 작동 유체의 끓는점이 설정될 수 있고 밀봉 파이프는 설정된 온도에서 열을 제거하고 열을 전달한다.

3-방향 유동 밸브(87)는 도 2에 도시된 실시예에서 연료 필터(36) 이후에 위치설정된다. 3-방향 밸브(87)의 통상적인 위치는 오프(off) 및 상이한 유량 모세관에 대한 2개의 유동 루트이다.

본 발명의 예시적인 실시예를 위한 전기 시스템은, 열전퇴 발전기, 다이오드, 하나 이상의 배터리, 연료 레벨 스위치, 연료 펌프, 공기 유동 팬, 및 배기 공기 스트림에서의 연소 센서를 포함할 수 있다. 연소 센서는, 예컨대 일산화탄소, 미연소 연료, 열 또는 산소 함량으로서 이러한 가스를 탐지할 수 있다. 시스템의 산소 함량이 과도하게 낮게 될 경우, 또는 일산화탄소 또는 미연소 연료가 과도하게 많을 경우, 연소 센서는 연료 펌프에 대한 동력을 차단할 수 있으며 히터 시스템을 중단시킬 수 있다. 다른 가능한 장치는 연료 밸브를 차단하도록 되어 있고, 사용자에 대해 고장 상황의 경고, 조명 또는 시각적인 디스플레이를 발생시키도록 되어 있다. 연소 센서는 또한 열을 탐지하고, 방, 의류, 기계류에 대한 열 전달 또는 온도를 조절하기 위해 연료 전달 밸브를 제어함으로써 히터의 파워를 조절할 수 있다. 공기 유동 팬은 히트 시스템을 지나도록 공기를 이동시켜 연도(23)를 통항 공기 유동을 증가시키며 촉매 벽에 대한 산소 이송을 증가시키고 촉매 벽에서 주위에 대한 열 전달을 증가시킨다.

히터는 배기구를 이용하여 캡이 씌워진 포트를 통해 중력 급유 탱크(13) 내에 연료를 쏟아부음으로써 시동될 수 있다. 연료는 필터를 통과한 후 3-방향 유동 밸브(87)를 통과하고 3-방향 유동 밸브(37)의 설정에 따라 제1 및 제2 다중 유량 모세관 유동 제한 튜브(88 및 89) 중 하나 또는 양자 모두를 통과하여 중력 급유된다. 연료는 하나 이상의 소형 모세관(6) 내로 유동한다. 연료는, 연료가 기화되고 확산되며 촉매 벽 내에서 외부 공기로부터의 내부확산(in-diffusion) 산소와 함께 촉매식으로 연소되는 촉매 벽 내로 위킹된다. 촉매 연소로부터의 열은 다공성 튜브, 밀봉 파이프, 하나 이상의 소형 모세관, 및 열 차동 팽창 작동식 릴리프 밸브의 온도를 상승시킨다. 열 차동 팽창 작동식 릴리프 밸브를 개방시키는 온도에 도달하면, 이러한 밸브는 개방되고 더 많은 유량의 연료가 다공성 튜브로 향하게 된다. 약간의 연료는 다공성 튜브에서 기화하고 연료의 일부는 다공성 튜브의 측부를 통해 확산된다. 히터 자체 온도가 열 차동 팽창 작동식 서모스탯 밸브를 통해 조절될 때까지 더 많은 확산된 연료가 촉매 벽에서 산소의 확산분과 만날수록 촉매 벽에서 더 많은 촉매 연소가 발생한다. 히터의 정상 상태 작동이 달성될 때, 온도는 촉매 벽의 내부에서 가장 높고, 복사, 전도 및 대류에 의한 외부로부터의 열 제거로 인해 촉매 벽의 외측에서 더 낮다. 외부에서 가장 낮게 되도록 함으로써, 촉매 벽 최저 평형 온도는 완전한 연소에 도움이 되며, 이에 따라 촉매 벽의 외측에서 일산화탄소의 형성을 최소화한다.

플라즈마는 또한 촉매 벽의 촉매 베드 캐비티 내에서 형성될 수 있다. 이러한 플라즈마는 또한 다공성 튜브를 가열할 수 있으며 연료 라인들을 연결하여 동적 평형에서 기화된 연료가 촉매 벽 내에서 촉매 베드 캐비티에 대해 기화된 연료의 정상 제트를 유지하도록 한다. 이러한 동적 평형은, 연료를 기화시키기 위한 다공성 튜브의 가열과 다공성 튜브의 측부를 가열하기 위해 다공성 튜브의 측부를 통해 연료를 공급하는 것이 균형을 이루는 것이다. 다공성 튜브가 고온일 때, 연료는 기화되며 더 적은 연료가 다공성 튜브의 측부를 통해 전달되어 다공성 튜브의 가열을 줄여준다. 다공성 튜브가 저온일 때, 더 많은 연료가 다공성 튜브의 측부를 통해 전달되며, 다공성 튜브의 측부를 통한 연료 전달은 증가된다.

작동시에, 히터는 열전퇴를 가로질러 큰 온도차를 발생시켜 전류를 생성하여 배터리를 충전하고 메인 연료 저장소에서 연료 펌프를 작동시키며 센서 시스템을 작동시키고 공기 유동 팬을 작동시킨다. 예컨대 하위 히트 파이프(90)와 제1측 및 제2측 헤드 파이프(91 및 92)를 포함하는 히트 파이프 시스템은, 열 기계류, 연료 전지, 침대, 의류, 마루, 건물의 벽과 같은 임무를 수행하도록 히터로부터 멀리 연장될 수 있다.

도 3은 유체 유동 시스템 또는 히트 파이프에 열적으로 연결되는 촉매 벽을 갖춘 예시적인 실시예를 도시한 것이다. 이러한 구체적인 실시예에서, 히터는 의도된 응축 영역 또는 열 전달 영역의 높이보다 낮게 위치하며, 이에 따라 대류 및 응축에 의해 촉매 히터 및 파이프를 통해 유체 및 공기 유동이 순환하도록 해준다.

도 3에는, 지반 레벨(150)이 도시되어 있으며, 공기 입구(151)는 지반으로부터 나오게 된다. 공기 배기부 커버 또는 루프(152)는 강우,강설, 분진 등이 히터 시스템 내로 떨어지지 않도록 하기 위해 사용된다. 공기 배기구 커버는 또한 출구 배기 공기가 입구 공기 스트림과 혼합되지 못하도록 다이버터(diverter)로서의 역할을 할 수 있다.

공기는 공기 배기구(151)로 들어가며 히터 시스템 내로 하방으로 유동한다. 공기가 유동함에 따라, 공기는 공기 입구와 공기 출구(153)를 분리하는 열 교환기 벽(159)을 통해 가열된다. 배기 공기로부터 입구 공기로의 이러한 열 교환은, 배기로부터 열을 회수함으로써 히터가 더욱 효율적이 되도록 해준다. 그러나, 배기 공기에서의 물의 응축이 발생할 수 있는데, 이는 런웨이(runway) 가열 용례에서 응축 플럼을 감소시키고 런웨이의 차폐를 방지하는 데 중요하다. 열 교환기 벽에서 응축된 물은 수집될 수 있고 시스템으로부터 제거될 수 있다. 공기가 촉매 히터 베드에 도달할 때, 공기는 촉매 벽 및 촉매 베드 캐비티 내로 확산된다. 플라즈마 연소는 촉매 베드 캐비티 내부에서 이루어질 수 있으며, 이후에 촉매 연소는 비교적 낮은 온도에서 촉매 벽에서 이루어질 수 있다. 촉매 벽의 외측은 공기 입구 및 히트 파이프 또는 유체 유동 파이프(171)와 전도 열 접촉, 복사 열 접촉 또는 대류 열 접촉 상태이다. 이는, 내부로부터 촉매 벽의 외부로 온도 구배가 존재하는 것을 보장한다. 촉매 벽에서의 이러한 온도 구배, 반응물의 확산, 및 촉매 벽의 외측면에서의 과도한 산소 공급은, 히터가 실질적으로 완전한 연소를 달성하는 것을 보장한다.

히터가 과도한 연료 또는 마찬가지로 불충분한 공기 유동 상태에서 작동되면, 히터는 배기에서 미연소 연료를 발생시킬 것이며, 이는 도 2에서 도시된 바와 같이 배기에서 촉매 센서를 이용하여 검출될 수 있고 연료 펌프는 이때 스로틀되거나 또는 중단될 수 있다. 유체 유동 튜브와의 전도, 대류 또는 복사 열 전달을 통해, 유체는 비등하거나 또는 히터에 의해 유동하게 된다. 유체의 비등이 발생하지 않을 때, 펌프(28)는 유체를 순환시키기 위해 사용될 수 있다. 유체의 저장소(169)는, 시스템이 모든 유체를 시스템의 파이프 내에 유지하도록 하기 위해 사용되며, 이는 유체 순환이 중단되도록 해준다. 따라서, 유체의 저장소(169) 및 펌프(28)는 히트 파이프(155)를 위한 온-오프 메커니즘(on-off mechanism)으로서 작용할 수 있다. 유체의 저장소(169)는 또한 단순히 파이프를 비워 파이프를 수리할 수 있도록 하기 위해 사용될 수 있다.

파이프가 런웨이, 도로, 또는 빌딩의 콘크리트 슬래브에 내장되어 있는 작동 상태에서, 누출이 발생될 것으로 예상된다. 히트 파이프 작동은, 파이프 내로 공기를 허용함으로써 누출에 의해 방해를 받을 수 있지만, 냉매 펌프(170)를 이용하여 액체 또는 액체와 가스 증기의 혼합물을 순환시킴으로써 시스템은 여전히 작동될 수 있다. 유체의 저장소(169)는 적정 누출 비율 및 유체 순환 시스템의 서비스 가능한 리필을 허용하도록 충분하게 크기가 결정될 수 있다. 배관 내의 작동 유체는 바람직하게는 높은 열 용량을 갖는 불활성의 저가 유체이며, 동결되지 않고 런웨이, 랜딩 패드(landing pad), 도로, 통로, 운동 경기장, 온실, 건물 바닥, 선박 갑판, 자동차, 기계류 또는 구조물의 표면에 충분한 열을 전달하기 위해 히터가 필요로 하는 온도에서 비등한다. 이러한 유체의 예로는, 예컨대 CFC 유체, 암모니아, 물, 메탄올, 에탄올, 이산화탄소 등이 포함된다.

콘크리트 슬래브(154)와 같은 구체적인 용례에서는, 히터가 턴 온 되어 슬래브(154)로의 더욱 큰 열 흐름 속도를 달성하기 위해 작동 유체 온도를 히터의 온도보다 높이도록 지반의 열 저장소보다 높은 온도를 필요로 할 수 있다. 열 저장소는 지반(150), 작동 유체, 또는 물일 수 있으며, 이는 태양 에너지, 지열 에너지, 또는 히트 파이프 시스템으로부터의 폐열, 또는 열 발전 플랜트로부터 나오는 폐열에 의해 가열된다. 유체의 열 저장소(169)는 열원으로부터 순환되는 유체로 채워지는 파이프를 통해 열원과 열 접촉 상태일 수 있고, 유체의 작동 유체 저장소(169) 및 지반(150)에서 열 에너지를 저장하기 위해 사용될 수 있다.

도 4에는, 유체 유동 열전달 시스템 및 히트 파이프에 연결되는 히터 시스템의 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 히터 시스템은 촉매 벽(2)의 촉매 베드 캐비티에 의해 실질적으로 둘러싸여 있는 다공성 튜브로 구성된다. 촉매 벽은 연료의 정상 유동이 없는 상태에서 초기량의 연료를 가열하기 위한 예열 수단으로서 사용될 수 있다. 촉매 베드 캐비티는 바람직하게는 내측 스테인레스 강 케이지(230), 및 외측 스테인레스 강 케이지(206)을 구비하며, 외측 스테인레스 강 케이지는 촉매식으로 코팅된 다공성 암면 베드(207) 및 이 촉매식으로 코팅된 다공성 암면 베드(207)에 내장된 촉매 코팅된 알루미나 구(232)로 구성된다. 전체에 걸쳐 사용되는 용어 "케이지"는, 적어도 일부 부분이 개방되고 천공되며 배기되는 등등의 주위 수단을 수반하는 것을 의미한다. 다공성 튜브는, 다공성 튜브 출구의 단부로부터의 제트 유동 및 액체 연료의 비등을 유지하기 위해 튜브의 측부를 통해 적은 유량의 연료 전달을 허용하여 노즐의 가열을 유지하도록 하는 소직경 공극(225)을 제트 노즐의 측부에 구비한다. 정상 제트 유량을 달성하기 위한 연료의 적절한 가열 속도는, 다공성 튜브 출구의 소직경 공극(225)을 통한 액상 및 기상 연료공급 속도차 사이의 동적 평형에 의해 유지된다.

이러한 실시예에서의 공기 유동은 촉매 벽을 둘러싸는 연도에서 촉매 히터 베드를 지나 유동한다. 촉매 벽(2)으로부터의 열은 하나 이상의 히트 파이프, 또는 유체 펌핑형 혹은 밸브 순환형 시스템을 통해 연도 및 히터의 외측에서 공기 또는 유체에 전달될 수 있다. 펌핑형 또는 밸브형 유체 순환 시스템은 액체, 비등 액체 및 가스를 순환시킬 수 있다. 도시된 수동(passive) 히트 파이프는, 구리 또는 알루미늄 블록(220)을 통한 내측 스테인레스 강 케이지(230)에 대한 열 접촉을 통해 그리고 촉매 벽 내측에서 촉매 베드 캐비티(1)로부터의 복사 열전달에 의해 열 접촉을 가능하게 한다. 이러한 구성에 있어서, 상기 열 접촉은 열전퇴를 가로지르는 가능한 최대의 온도차를 달성하기 위해 촉매 베드 캐비티과 함께 이루어진다. 이러한 촉매 벽의 확산 특성의 물성으로 인해, 촉매 벽의 표면에서 확산되는 산소는 가열되는 반면, 촉매 벽의 내부로부터 배기 생성물로서 확산되는 산소는 냉각되고, 히터의 더 높은 온도는 연소 및/또는 촉매 연소를 달성하기 위해 반응물의 상호 확산을 충족하는 위치에서 발생하게 된다. 연료 전달을 자동 온도 조절식으로 제어함으로써, 촉매 벽에서의 최고 온도 영역 및 촉매 베드 캐비티에서의 플라즈마는, 최대 효율을 위해 스테인레스 강 케이지가 열을 수집할 수 있고 이 열을 구리 블록(220) 및 열전퇴에 전달하는 영역에 근접하게 배치될 수 있다.

정상 상태 작동에 있어서, 연소 영역은 촉매 벽 내에서 고정될 수 있고, 촉매 벽을 통한 전도 및 복사에 의한 열 손실은 스테인레스 강 케이지(230)를 통해 전달되는 열에 비해 작게 유지될 수 있다. 이는, 재료 표면에 걸쳐 유동하는 고온 가스에 의해 열이 제거되고 후속하여 더 낮은 온도의 열이 추가적으로 유동을 따라 제거되는 유동 연소 시스템과 대비된다. 유동형 연소 시스템에 있어서, 효율적인 열 전달은, 배기와 유입되는 공기 사이에서 열 교환기를 이용한 공기의 예열에 의해 달성된다. 따라서, 촉매 히터는, 펌프와 입구 공기 유동 및 출구 공기 유동를 위한 열 교환기를 이용하지 않고 스테인레스 강 케이지를 통해 높은 등급의 열을 효율적으로 전달하는 능력을 갖는다. 이는, 앞서 언급한 바와 같이 촉매식으로 연소되는 저 에너지 값의 연료, 작은 크기, 또는 정제 공장으로부터의 테일 가스와 같은 비가연성 연료-가스 혼합물 등의 상황에서 특히 유용할 수 있다. 구리 또는 알루미늄 블록(220)은 전기적으로 절연되지만 열적으로 전도성인 알루미나의 층(219)에, 또는 구리 상의 탄화규소와 같은 코팅에 또는 구리 또는 알루미늄 블록(220) 상의 양극산화 코딩과의 열 접촉부에 실질적으로 인접하게 배치된다. 전기 절연 층(219)은 열전퇴와 열적으로 접촉한다. 열전퇴는 열원과 히트 싱크 사이에 금속 전도체와 비스무스 텔루라이드(Bismuth Telluride) 반도체[교호 도핑(alternating doping)]의 접점을 구비하여 열원과 히트 싱크 사이의 온도차로부터 전압 및 전류를 발생시킨다. 열전퇴 상의 전기 접속부(211)는 조명, 팬, 라디오, 핸드폰, 텔레비전과 같은 외부 응용장치에 전력을 전달한다. 히트 파이프(229)는, 예컨대 알루미나 시트와 같은 전기 절연 층(219)을 통해 열전퇴에 열적으로 연결되어, 작동 유체를 비등시키고 정교한 대류 및 복사 히트 싱크(22)에 대한 응축에 의해 열을 전달함으로써 열을 제거한다. 히트 싱크는 주위의 대류 공기 유동 또는 고온 물탱크에서와 같은 물인 유체에 열을 소산시킨다. 히트 파이프(229)는 구조 또는 기계에 내장되어 상기 구조 또는 기계에서 온도를 유지할 수 있다. 히트 파이프에는 물, 메탄올, 암모니아, 또는 프레온을 응축 냉각기 영역으로부터 고온 비등 표면으로 다시 끌어들이는 위킹 재료가 있다.

도 4에는, 작동 유체(216)의 응축(214)이 액적으로의 응축으로 도시되어 있고, 중력을 이용하여 더 큰 액적이 응축면의 표면으로부터 하방으로 유동하여 작동 유체(216)의 저장소로 복귀하는 것이 도시되어 있다. 작동 유체의 저장소는 이때 비등면과 접촉하며, 심지(213)는 또한 액상 유체가 비등면과 접촉하도록 이동시키기 위해 이용된다. 열전퇴로부터 흐르는 열은 작동 유체 액체를 비등시키고, 이후 가스로서 응축면(214)으로 이동하여 작동 유체가 가스로부터 액체로 응축될 때 히트 싱크(22)에 열을 전달한다. 히터의 대향 측부에는, 스테인레스 강 케이지의 외측에 열적으로 연결되는 더 낮은 온도의 열 제거 시스템이 존재한다. 구리 또는 스테인레스 강 배관(223)의 루프는 촉매 벽을 둘러싸는 스테인레스 강 케이지(206)에 브레이징될 수 있다. 메탄올, 메탄올과 물, 에틸렌 글리콜과 물, 물, 암모니아, 수소, 또는 프레온인 작동 유체는 촉매 벽의 스테인레스 강 케이지 상의 배관 주위에서 펌핑될 수 있다. 작동 유체가 비등할 때, 작동 유체는 유체의 비등점에서 열을 제거할 수 있다. 유체가 비등하지 않는다면, 유체는 작동 유체 온도가 상승됨에 따라 히터의 표면을 가로질러 소정 온도의 범위에서 열을 제거할 수 있으며 이 열이 유체에 가해진다. 펌프(28)는 작동 유체가 순환되는 유량을 변경시키기 위해 사용될 수 있다. 이는 다음으로 다양한 온도에서 열을 전달할 수 있다. 펌프(28)가 정지되거나 느려질 때, 유동은 느려지거나 차단되며 열 전달은 느려지거나 중단된다.

촉매 벽으로부터 나오는 유체 루프(203)는, 작동 유체 가스를 응축시키거나 작동 유체 온도를 낮추는 연도의 외측에서 핀이 형성된 또는 핀이 형성되지 않은 히트 싱크(22)를 통과하며, 후속하여 열을 히트 싱크(22)에 전달한다. 히트 싱크는 열을 공기 또는 물과 같은 유체에 전도시키고, 대류시키고, 복사시킨다. 히트 싱크는 마루, 도로, 런웨이, 랜딩 패드, 통로, 운동 경기장, 온실, 벽, 가구, 공기 유동 덕트, 의류, 거울, 윈도우, 배터리, 전기장치, 기계류 또는 자동차에 내장될 수 있다.

도 5에서, 제트 히터는 연료 전지를 가열하도록 구성된다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 연료 전지는 연료 전달 멤브레인(256)을 통해 연료를 공급받으며, 이 멤브레인은 연료 전지를 통한 액체의 자유 유동을 실질적으로 차단하지만 연료 전지 연료 전극의 표면에 걸쳐 연료를 전달하고 연료 전달의 속도를 제어하는, 예컨대 실리콘 고무와 같은 다공성이거나 또는 선택적으로 투과 가능한 것이다. 연료 전지는 연료 전달 멤브레인(256), Nafion 멤브레인(254)와 같은 전해질 및 활성화된 탄소 입자 상의 루테늄 촉매 및 백금 촉매의 형태인 연료 전극(255), 활성화된 탄소 입자 상의 백금 촉매와 같은 공기 전극(253)을 포함한다. 이러한 예에서 사용되는, 확산 공급형 메탄올 연료 전지는 섭씨 20 도일 때보다 섭씨 65 도에서 10 배 내지 30 배 더 높은 성능을 갖는다. 생성물인 물이 기화하도록 하고 연료 전지의 공기 전극(253)으로 생성물인 물이 넘치는 것을 방지하기 위해 적절한 속도로 연료 전지 공기 전극(253)을 빠져나가도록, 작동 중에 연료 전지의 높은 온도를 유지하는 것이 또한 중요하다.

알카라인 전해질 연료 전지의 경우에 있어서, 전해질에서의 카보네이트 형성을 방지하기 위해 연료 전지 온도는 상승될 수 있다. 고상 산화물 및 카보네이트 전해질 연료 전지에 대해, 사용 가능하기에 충분히 높게 전해질 전도도를 유지해야만 한다. 이러한 실시예에서 사용되는 연료의 비등점 및 연료의 압력을 설정할 수 있기 때문에, 연료 전지에 전달되는 연료의 응축점 및 응축 온도가 설정된다. 더 높은 비등점을 갖는 메탄올 및 물 또는 에탄올과 같은 다른 연료가 사용될 수 있지만, 응축점 및 열 전달은 이러한 효과에 의해 설정될 수 있다. 연료 전지 온도가 응축 온도보다 높게 될 때, 연료는 더 이상 멤브레인에서 응축되지 않으며, 액체 연료는 저장소에서 비등할 수 있고 밸브(285)를 통해 소스 저장소(251)로 다시 강제된다. 이렇게 함에 있어서, 연료공급 속도는 감소되지만, 또한 다공성 튜브에 연료를 전달하지 않음으로써 촉매 벽이 다시 스로틀된다. 연료 전지는 연료 전달 멤브레인(256)을 통해 나오는 연료 증기에 대해 작동한다. 이는 연료 전지의 파워 출력을 감소시킬 수 있으며, 히터로부터의 열을 급격하게 감소시키고, 연료 전지에 대한 서모스탯 히터와 같이 작용한다. 따라서, 연료 전지에 대한 과도한 온도를 피하고 연료 전지에서의 최적 온도를 유지해야 한다. 연료는 다공성 튜브(3)를 거쳐 액체 연료를 전달하는 모세관(6)을 통해 촉매 베드 캐비티에 전달되며, 이후에 다공성 튜브 출구로 전달된다. 모세관(6)은 히터에 대한 연료의 전달 속도를 설정한다. 모세관(6)에서의 온도가 연료의 비등점에 도달하면, 액체 대신 가스가 모세관(6)을 통과할 때 연료 전달 속도가 급격하게 감소한다. 연료가 비등하고 저장소에서 가압될 때, 연료가 소스 저장소(251)로 다시 밀려감에 따라 연료 레벨이 감소하며, 열 교환 저장소에서의 연료 레벨은 적어도 2개의 튜브(281)에 대해 모세관(6) 아래로 내려간다. 유동 저항 튜브(280)는 열교환 저장소(284)에 대해 연료 증기 배기구로서 작용한다. 이로 인해 열 교환 저장소(284)는 이러한 유동 저항 튜브(280)를 통해 제트 캐비티 히터로 통한 대기로 배기할 수 있게 되며, 과도한 가압을 피할 수 있게 된다.

열 교환기에서의 기화 및 응축은 상기 열 교환 저장소 및 루프로부터 대기가 제거되도록 하는 작동 유체에 따라 좌우된다. 따라서, 모세관(280)을 통한 배기구는 퍼지 루트로서 필요하다. 퍼지되는 공기 및 연료 증기는 다공성 튜브를 통해 유동하며, 촉매 베드 캐비티 및 촉매 벽에서 연소된다. 증기 루트 튜브 및 액체 루트 튜브의 직경 및 길이는 다양한 온도에서 2개의 상이한 연료공급 루트에 대한 유량의 차이로 인한 히터의 고온 아이들(idle) 속도 및 저온 연료공급 사이에서 파워 출력 속도를 설정하도록 선택될 수 있다. 액체로서 제트에 도달된 부분으로서 다공성 튜브로 유동하는 연료는 우선적으로 다공성 튜브 출구의 다공성 측부를 통해 이동한다. 입구 라인 및 다공성 튜브의 벽의 촉매 특성 및 높은 온도는, 연료가 노즐을 통해 캐비티 내로 유동할 때 메탄올과 같은 연료가 수소 농후 가스(또는 플라즈마)로 분해(decomposition)될 정도로 충분히 높다. 연료의 이러한 분해는 완전한 연소를 더욱 향상시키며 캐비티 벽에서 연료 및 산소의 촉매 반응을 더욱 향상시킨다. 증기로서 제트에 도달된 부분으로서 다공성 튜브로 유동하는 연료는 더욱 우선적으로 다공성 튜브의 출구 노즐을 통해 캐비티로 들어간다. 촉매 연소의 완료는, 연료가 연도에서의 주위 공기 유동으로부터의 내부확산 산소와 함께 내측면(264)으로 확산됨에 따라 저산소 촉매 연소와 함께 촉매 벽에서 이루어지고, 외측 공기로부터의 산소 농후 환경에서 촉매 벽의 외측면을 향한 촉매 연소와 함께 완료된다. 이러한 상황에서 온도 구배는 촉매 베드 캐비티에서 또는 촉매 벽의 내측면(264) 상에서 가장 높고 촉매 벽의 둘레로 향하며, 스테인레스 강 케이지(261) 및 냉각 루프는 연도 상방으로의 공기 유동에 의해 복사 냉각 및 대류 냉각을 이용하여 열을 제거한다.

연료 전지에 연결되는 히터 시스템의 다른 예는 제트 캐비티 히터의 외측 케이지(261)에 열적으로 연결되는 연료 독립형 히트 파이프(274)를 구비하는 것이다. 이러한 실시예에 있어서, 히트 파이프는, 예컨대 프레온, 물, 암모니아, 에탄올, 프로판, 부탄, 펜탄 및 메탄올 등을 작동 유체로 하는 히트 파이프(291)이다.

히트 파이프(291) 내에서, 직조 메시 또는 섬유 유리 천과 같은 위킹 재료는 히트 파이프(291)의 히터 내측면에 대해 팩킹된다. 이는 액체 작동 유체를 히트 파이프(291)의 내측면으로 위킹하는 역할을 한다. 증기로서 히트 파이프를 통해 이동하는 작동 유체는 비등하며, 이후에 연료 전지(289)와 열적으로 접촉하는 히트 파이프의 내측면에서 응축된다. 이는 연료 전지에 열을 전달한다. 이 도면에 도시된 히트 파이프(291)는 히트 파이프(291)의 연료 매니폴드(289)와 열적으로 접촉한다. 응축물(268) 액체 작동 유체는 다음으로 내측 응축 표면 하방으로 흘러(예컨대, 중력에 의해 끌어당겨짐) 액체 작동 유체를 히트 파이프 저장소(272)로 복귀시킨다. 위킹 재료는, 연료 전지(289)가 제트 캐비티 촉매 히터 케이지 접촉부(262)의 수직 높이보다 낮게 있는 경우와 같을 때, 응축면(268)으로 연장되어 중력에 반하여 액체 작동 유체를 위킹할 수 있다. 예로서 연료 전지(289)는 수소 연료공급용 연료 전지일 수 있으며, 매니폴드(289)는 수소 가스(275) 및 섬유 매트릭스 또는 열 전도를 허용하는 채널(289)로 채워진다. 이들 연료 전지(289)는 또한, 연료 전극(269) 및/또는 수소 가스를 위한 유동 루트와 접촉하는 전기 전도체일 수 있다. 수소 연료 전지에 있어서 연료 전지로부터의 질소로 희석된 배기구 가스는 도 1에 입구 튜브(37)로서 도시된 바와 같은 촉매 캐비티(290) 내에서 종료되어 수소 가스를 안전하게 연소시킬 수 있다는 것을 언급해야 한다. 수소 연료 전지는 연료 매니폴드(289), 가스 입구 라인(18), 백금 코팅된 활성화된 탄소 입자 연료 전극(269), Nafion과 같은 수소 이온 전도성 전해질과 같은 전해질(270), 또는 칼륨 수소화물 함침된 석면 매트와 같은 음이온 전도성 전해질, 백금 코팅된 활성화된 탄소 입자 공기 전극(271)을 포함한다.

도 6에는, 전기 출력부 및 인터페이스 시스템이 도시되어 있다. 열전퇴, 즉 전기 에너지 변환기 및/또는 연료 전지(300)에 대한 열은, 배터리 또는 커패시터(302)를 충전하기 위해 DC 전류를 전달한다. 직접적인 전류 출력은, 배터리 또는 커패시터(302)에 대한 원하는 충전 전압에 어울리도록 DC 대 DC 컨버터(300)와 같은 장치를 통해 변환되거나 또는 조절될 수 있다. 구체적으로, 고전류 저전압의 열전퇴 및 연료 전지는 스위치된 DC 전류, 승압 변압기 및 정류기(300)를 통해 고전압 저전류로 변환될 수 있다. 체크 다이오드(301)가 회로에 배치되어 배터리 또는 커패시터(302)로부터 열전퇴 또는 연료 전지(300)로의 전류의 역류를 방지한다. 전력 컨트롤러(303)는 배터리(302)에 전기 접속되어, 예컨대 발광 다이오드(304), 형광 램프, 팬, 라디오(306), 텔레비전, 핸드폰, 검출기, 전화 등과 같은 장치에 적절한 전기를 전달한다. 제1 스위치(307), 제2 스위치(308) 및 제3 스위치(309)는 다양한 장치를 제어하기 위해 사용된다.

이상에 대략 설명한 특정 실시예와 함께 본 발명을 설명하였지만, 다수의 대안, 변형 및 변경이 당업자에게 명백할 것이라는 것은 분명하다. 이에 따라, 전술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예는 설명하려는 의도이며 한정하려는 것이 아니다. 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변경이 행해질 수 있다.

도면을 참고하여, 동일한 도면부호는 모든 도면 전체에 걸쳐 동일한 요소를 지시한다. 다음은 도면부호 및 관련되는 요소의 목록이다.
1 : 촉매 베드 캐비티
2 : 촉매 벽
3 : 다공성 튜브
4 : 압축 피팅
5 : 비등 연료
6 : 하나 이상의 소형 모세관
7 : 열 차동 팽창 작동식 릴리프 밸브
8 : 왁스 액추에이터
9 : 밸브 시일
10 : 열 차동 팽창 작동식 서모스탯 밸브
11 : 왁스 액추에이터 및 밸브 시트
12 : 연료 라인
13 : 중력 급유 탱크
14 : 연료 레벨 활성화 스위치
15 : 부동부(float)
16 : 레일
17 : 압력 릴리프 밸브 배기구
18 : 입구 라인
19 : 출구 라인
20 : 열전퇴(thermopile)
21 : 열전퇴 전기 콘센트(thermopile electrical outlet)
22 : 히트 싱크
23 : 연도
24 : 절연 층
26 : 전기 다이오드
27 : 전기 에너지 공급부
28 : 연동 펌프
29 : 연료 배관
30 : 메인 연료 저장소
31 : 연료
32 : 연료 입구 및 배기구 캡
33 : 공기 유동 채널
34 : 다공성 튜브 출구
35 : 전선(electrical wire)
36 : 연료 필터
37 : 가스 입구 노즐
38 : 왁스 팽창 요소
39 : 열 활성화 밸브(thermal activated valve)
40 : 가스 공급 튜브
41 : 소직경 연료 공급 튜브
43 : 공기 입구
77 : 배터리
87 : 3-방향 유동 밸브
88 : 제1 다중 유량 모세관 유동 제한 튜브(multi flow rate capillary flow limiting tube)
89 : 제2 다중 유량 모세관 유동 제한 튜브
90 : 하위 히트 파이프
91 : 제1측 헤드 파이프
92 : 제2측 헤드 파이프
94 : 팬(fan)
95 : 연소 전자 센서
97 : 밀봉 파이프
150 : 지반 레벨(ground level)
151 : 공기 입구
152 : 공기 배기구 커버
153 : 공기 출구
154 : 슬래브(slab)
155 : 히트 파이프
159 : 열 교환기 벽
169 : 유체의 저장소
170 : 냉각제 펌프
171 : 유체 유동 파이프
203 : 유체 루프
206 : 외측 스테인레스 강 케이지(cage)
207 : 암면 베드
211 : 전기 접속부
213 : 심지
214 : 응축물
216 : 작동 유체
219 : 전도성 층
218 : 전기 절연 층
220 : 구리 또는 알루미늄 블록
223 : 배관의 루프
225 : 소직경 공극
229 : 히트 파이프
230 : 내측 스테인레스 강 케이지
251 : 소스 저장소
253 : 공기 전극
254 : Nafion 멤브레인
255 : 연료 전극
256 : 연료 전달 멤브레인
261 : 스테인레스 강 케이지
262 : 케이지 콘택트
264 : 촉매 벽의 내측면
272 : 히트 파이프 저장소
274 : 연료 독립형 히트 파이프
275 : 수소 가스
280 : 유동 저항 튜브
284 : 열 교환 저장소
285 : 밸브
289 : 연료 매니폴드
291 : 히트 파이프
300 : 연료 전지
301 : 체크 다이오드
302 : 커패시터
303 : 전력 컨트롤러
304 : 발광 다이오드
305 : 전기 팬
306 : 텔레비전
307 : 제1 스위치
308 : 제2 스위치
309 : 제3 스위치
340 : 예열 수단

Claims (31)

1. 촉매 히터로서,
   하나 이상의 연료 저장소,
   상기 하나 이상의 연료 저장소에 연결되는 하나 이상의 파이프,
   상기 하나 이상의 파이프에 연결되며 캐비티 내로 향하게 되는 하나 이상의 다공성 튜브, 및
   상기 하나 이상의 다공성 튜브로부터의 연료와 함께 촉매 연소를 달성하기 위해 산화제 가스와 확산식으로 접촉하는 다공성 촉매 벽에 의해 경계가 결정되는 캐비티
   를 포함하며,
   외측 다공성 촉매 벽으로부터 확산되는 산화제 분자와 촉매 벽을 향해 확산되는 캐비티 내의 플라즈마 사이에 있는 다공성 촉매 벽에서 산화가 이루어질 수 있고, 플라즈마는 산화에 의해 열이 발생되도록 하나 이상의 다공성 튜브를 통해 방출되는 기화된 연료로부터 형성되는 것인 촉매 히터.
2. 제1항에 있어서, 상기 연료는 비등하며 자동 온도 조절 거동 상태를 달성하는 것인 촉매 히터.
3. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 파이프는, 하나 이상의 다공성 튜브에 대한 액체 연료의 유동을 제한하기에 충분히 작은 직경 및 긴 길이를 갖는 공급 연료 튜브를 포함하고, 상기 공급 연료 튜브는, 연료가 공급 연료 튜브에서 기화하도록 그리고 더 큰 체적 효과에 의해 공급 연료 튜브를 통한 연료 유동 전달 속도를 감소시키도록 촉매 연소와 열적으로 접촉하는 것인 촉매 히터.
4. 제1항에 있어서, 상기 다공성 촉매 벽은 촉매 재료의 코팅 및 고온 기판 재료의 다공성 매트릭스로 이루어지는 것인 촉매 히터.
5. 제4항에 있어서, 상기 다공성 촉매 벽은 매트릭스 케이지와 함께 수용되는 것인 촉매 히터.
6. 제5항에 있어서, 상기 매트릭스 케이지는 열 전도체이며, 유체 순환부를 구비할 수 있는 것인 촉매 히터.
7. 제1항에 있어서, 상기 다공성 촉매 벽은, 백금, 팔라듐, 로듐, 구리, 아연, 니켈, 이리듐, 주석, 오스뮴, 루테늄, 은, 티타늄 산화물, 철, 및 전이 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 촉매로 코팅되는 암면으로 이루어지는 것인 촉매 히터.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 다공성 튜브는, 하나 이상의 다공성 튜브의 상부에 출구를 갖도록 수직으로 배향되는 것인 촉매 히터.
10. 제1항에 있어서, 상기 다공성 촉매 벽과의 전도 접촉에 의해 촉매 히터로부터 열이 제거되는 것인 촉매 히터.
11. 제1항에 있어서, 상기 다공성 촉매 벽으로부터의 복사 열 전달에 의해 열이 제거되는 것인 촉매 히터.
12. 제1항에 있어서, 히트 파이프 또는 유체 순환 시스템에 의해 열이 제거되는 것인 촉매 히터.
13. 제12항에 있어서, 상기 유체 순환 시스템은 펌프, 밸브, 유체 저장소, 열 저장소, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 것인 촉매 히터.
14. 제1항에 있어서,
    캐비티, 다공성 촉매 벽, 또는 이들의 조합과 열적으로 접촉하는 열전퇴 또는 열-전기 변환 장치
    를 더 포함하는 촉매 히터.
15. 제1항에 있어서, 연료가 비등하며, 이로 인해 연료에 압력이 가해지고 하나 이상의 다공성 튜브로부터 멀어지는 방향으로 연료를 밀어내는 것인 촉매 히터.
16. 제1항에 있어서, 연료 전지, 기계류, 자동 온도 조절식 히트 연료 전지(heat fuel cell), 의류, 자동차, 온실, 운동 경기장, 선박 갑판, 랜딩 패드(landing pad), 통로, 벽, 전자장치, 거울, 윈도우, 배터리, 구조물, 건물, 공기 덕트, 가정, 도로 또는 이들의 조합을 가열하기 위해 사용되는 촉매 히터.
17. 제1항에 있어서, 수소, 일산화탄소, 메탄, 부탄, 프로판, 메탄올, 에탄올, 에테르, 에탄, 펜탄, 디메틸에테르인 가스를 연소시키는 촉매 히터.
18. 제1항에 있어서, 연료 전지, 정련 장치 또는 난연성 가스를 발생시키는 과정으로부터의 배기구 가스를 연소시키는 촉매 히터.
19. 제1항에 있어서,
    온도에 따라 유동을 허용하거나 유동을 차단하기 위해 열 작동식 밸브
    를 더 포함하는 촉매 히터.
20. 제1항에 있어서,
    연료 필터, 공기 필터, 또는 이들의 조합
    을 더 포함하는 촉매 히터.
21. 제1항에 있어서,
    공기 입구, 연료 입구, 또는 이들의 조합을 구비하는 공기 배기부 상의 열 교환기
    를 더 포함하는 촉매 히터.
22. 제1항에 있어서, 연도(chimney) 또는 팬에서의 대류 공기 유동은 다공성 촉매 벽 부근에서 산소를 보충시키는 것인 촉매 히터.
23. 제1항에 있어서, DC-DC 컨버터, 배터리, 커패시터, DC-AC 컨버터, 전압 조절기, 발광 다이오드, 모터, 팬, 스위치, 라디오, 텔레비전, 핸드폰 또는 이들의 조합으로 전기를 전달하는 촉매 히터.
24. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 다공성 튜브는 소결 금속, 세라믹 매트릭스, 섬유 매트릭스, 모세관 또는 이들의 조합으로 제작되는 것인 촉매 히터.
25. 삭제
26. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파이프 중 하나 이상에 이웃하는 예열 수단
    을 더 포함하는 것인 촉매 히터.
27. 제26항에 있어서, 상기 예열 수단은 메인 히터로부터의 열 전도체로서 매트릭스 케이지에 근접하게 위치하거나 매트릭스 케이지에 부착되며, 이에 따라 예열 수단이 수동으로 또는 자동적으로 정지되도록 해주고 히터가 그 자체 연료를 예열하도록 하는 것인 촉매 히터.
28. 제26항에 있어서, 상기 예열 수단은 열 출력을 제한하기 위한 연료 흐름 제한 장치를 포함하는 것인 촉매 히터.
29. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 다공성 튜브의 하나 이상의 출구 개구는 관련된 연소를 변경하기 위해 조절 가능한 것인 촉매 히터.
30. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 다공성 튜브의 하나 이상의 출구 개구는 소결 금속, 세라믹 매트릭스, 섬유 매트릭스, 또는 이들의 조합의 공극이며, 다른 출구 개구는 이 공극보다 크지 않은 것인 촉매 히터.
31. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 다공성 튜브의 하나 이상의 출구 개구는 하나 이상의 튜브에 있는 단일 개구인 것인 촉매 히터.

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