分解水的方法及其装置的制作方法

专利名称：分解水的方法及其装置的制作方法
分解水的方法及其装置 本发明涉及一种分解水的方法及其装置，用于将水制成氢气和氧气。本发明中的化学反应，产出氢、氧气体的热焓，通过热传导装置将热能传导给反应 物质水，加热成为气态水分子，与分解反应装置通联构成热能量循环。激光输入水气中产生 红外激光化学反应，水分子分解成键为氢、氧分子时，能级上的势能量能够转换成为激光能 量，输入水气中构成激光能量循环。化学反应中物质内部的能量循环，可以减少水分解中外 界能量输入，达到产出物质的能量大于该物质分解反应输入能量。目前世界上尚无类似方 法和装置。发明
背景技术：
根据结构化学分子对称性和群理论一个氧原子与二个氢原子构键成二个氢氧键 的水分子，有Vl、v2, V3简正振动频率，都是红外活性的，能够吸收红外光子。其拉曼光谱可 以互为补充。水分子非对称伸缩振动模V3的O-H键振动频率是3756CHT1，对称伸缩振动模 V1的OH-H键振动频率是3657cm—1，光谱中输入的光波频率与此一致时显示分子强吸收带， 波数(频率)表示的能量是相近的。根据激光化学理论水分子的基频和泛频即简正振动 频率与激光光波频率一致时，能够无碰撞地连续吸收数个乃至数十个光子，将光能共振叠 加到分子的振动模上，能够产生红外激光化学反应。或者激发分子活化能到阈值产生催化 化学反应。化学热力学中气体中分子的能量是玻尔兹曼平衡分布的，能量用AG、Δ H、AS 热力学状态函数表示，化学反应是以状态函数表示的能量，按照化学反应动力学原理进行 的。因此，热化学反应中，分子与分子间的无规则碰撞，只有那些能量超过活化能的分子，才 能越过活化势垒参与化学反应，能量低于活化能的分子，对反应过程并无贡献，却消耗了相 当部分能量，同时，在激活化学反应键时，不可避免地会把其余的键加热，会使一部分能量 消耗在无效的运动自由度(包括不需要的振动、转动、平动)方面。表现为化学反应中物质 热浴温度。红外激光化学反应分子中光子的吸收是一种选择性共振吸收，激光场给于参加 反应各分子的能量，集中地用于激活必须的化学键能够避免各种无效消耗。要实现化学反 应，首先需要使某些化学键断裂，它需要分子振动能量的积累。但是，积累在振动态上的能 量往往会由于分子之间的碰撞、通过驰豫过程而转变为平动能(V-T过程)，不利于化学反 应，因此，存在反应与驰豫之间的竞争。无数实验研究证实在激光辐射场中，分子对光子 的吸收是无碰撞吸收，注入分子振动能级的激光能量，其累积速度大于驰豫转移速度。大于 分子相互碰撞的间隔时间，能量会集中在某化学键上，使分子产生分解、重构成键为新的分 子。发明技术达到的目的I.氢气和氧气需要在室温中储存和使用。反应室水分解化学反应产出的氢氧气高 温热能流(热焓)，能够通过“热能交换器”的产出物质通道与输入物质通道中的水流交换 热能量，产出物质流是降温，输入物质流是升温，将液态水加热成为气态水分子，能够成为 高温高压气流。类似水在化学反应中的中间反应或预分解，构成系统内部热能量循环。
II.用激光的光波频率(频宽)与水分子简正振动频率一致的激光能量，辐射水分 子气体，分子吸收光子能量产生红外激光化学反应，水分子分解、重构成键为氢、氧分子。III.反应室进行的红外激光化学反应，水分子被分解、重构成键为氢、氧分子。化 学反应中氢、氧分子高温高压气流，能够通过设置的“能量转换器”，将气流的动能和成键分 子上下能级间的势能转换成为激光能量，经光路输入到光化学反应室构成激光能量循环。
IV. “能量转换器”中的氢氧高温高压气流被急速降温降压，通过“氢氧分离器”中 的磁场区能够分离成为氢气流和氧气流。V.用产出储存的氢、氧气输入“气动激光器”，与输入的一氧化碳气燃烧化学反应 产生热能量，作为激光器激光介质激励能量，通过传能介质氮气，热能交换器构成“循环气 动激光器”。VI.用产出储存的氢、氧气输入“能量输入器”，燃烧化学反应产生热能量，作为系 统内部的起动能量和预储存能量以及热能量循环中的补充能量。通过系统内部热传导中的热能量循环，高温高压气流中的动能和分子能级间的势 能转换成为激光能量的循环，能够用较少的输入能量，输入水生产出氢气和氧气。实现系统 装置产出物质的能量大于输入系统装置的能量。实现发明技术的方法一.红外激光化学反应方法设置在系统中心的反应室，水气进口处有激光辐射区，沿着输入激光光束方向，水 气进口宽度等于或略小于光束直径，使气流通过激光立体角辐射区时每个水分子能够受到
光子辐射。反应室壁附载钼粒催化剂。输入气流温度650 750°C、气流压力15 20kg f/
2
cm ο向反应室水气流中输入激光，有三种输入方式(1)超短巨脉冲激光输入光波频 率(频宽)与水分子振动频率v3、V1 —致，脉冲激光的脉宽为纳秒 皮秒(10_9 10_12/秒) 巨脉冲激光。(2)超短巨脉冲激光输入脉冲激光的脉宽与水分子振动频率v3、V1 一致，相 当于皮秒 飞秒(10_12 10_15/秒)巨脉冲激光。(3)连续激光(CW)输入光波频率(频 宽)与水分子振动频率V3、V1—致。激光脉冲输入时，每个脉冲的输入功率为0.8 1.2焦 耳/厘米2 (相当平均功率为1 6兆瓦/厘米2)、脉冲有效持续时间为250 600/纳秒 (10—7秒)。激光连续多模输入时，输入的功率为2 5千瓦/厘米2。按输入反应室水气 流量kg/cm7s设计输入方式和计算输入光束直径。高气压中分子间的距离约是三个分子的体积，激光光束的准直辐射，能使进入辐 射区的每个水分子吸收到光子。由于氧原子的质量远大于氢原子的质量，水分子的质量中 心在氧原子核附近，分子是以氧原子为中心运动的。水分子在低振动能态时，每一振动能级之中包含着许多密集的转动能级，这些转 动能级在激光场作用下会发生功率加宽，依靠这种密集的转动能级及功率加宽，低能级的 非简谐性可以得到“补偿”。高振动能级由于3N-6个振动自由度(振动模)之间的相互作 用，不同频率(振-转)能级间相互重叠而形成一种“准连续态”，这种“准连续态”可以在 相当宽广的频率范围吸收光子而放弃共振吸收的要求。因此，低能态已经共振吸收了红外 光子的分子，很容易通过这种“准连续态”继续吸收光子便不再受频率匹配的限制，相应于 各种能量的光子都可以吸收，在一个激光脉冲时间内吸收数个乃至数十个光子。光子将分
11子从低能态激励到高能态可在10_15(飞秒)时间内完成，是无碰撞吸收。注入分子振动能 级的激光能量，其累积速度大于分子驰豫转移速度。大于分子相互碰撞的间隔时间10, ΙΟ"12/秒。上述实验事实是红外激光化学反应的基础条件。激光化学反应中，吸收到临界阈能(化学反应所需最少能量)或离解阈能(分子 分解所需最少能量)的水分子，两个水分子的氧原子相互接近时是负值波函数相加，满足 对称性条件，当轨道最大重叠，能量相近时成键为氧分子。两个水分子的氢原子相互接近 时是正值波函数相加，满足对称性条件，当轨道最大重叠，能量相近时成键为氢分子。一个 水分子的氧原子与另一个水分子的氢原子接近时，正负波函数相加对称性不匹配，不能成 键为稳定结构的分子，产生氢氧自由基，在光场中重新分解。化学反应中普遍经历着旧键断 开、新键生成的过程，它们几乎是同时发生的。分子成键时要降低能量发射出电子能态光子，能量降至最低能态才能成为稳定分 子。电子能态光子能量在可见光至紫外光区间，足以将低能态水分子激励到临界阈能在化 学反应中分解。分子某能级间隔吸收的光子频率等于这个分子的发射频率，吸收和发射是 镜像的。因而它构成光化学反应中光催化反应和光诱导反应。成键后的氢、氧分子不断受 到光场中光子的激励，驰豫时在不同的能级间隔中发射出荧光光子。在分子的偶极矩电场 中发射磷光光子。由此在反应室构成辐射光场。由前述，低能级分子需要光波频率与分子 振动频率匹配时才能吸收光子。当吸收光子能量接近“准连续态”时，分子吸收光子就不受 频率匹配的限制，各种频率的光子都可以吸收。当外部输入的光子能量将水分子激励到“准 连续态”时，反应室中辐射场的各种光子都能吸收。使离开辐射区的水分子继续着红外激光 化学反应，能够分解、重构成键为氢、氧分子。因此，输入反应室的激光能量应恰能使辐射区 内水分子部分分解，通过辐射区能在反应室进行红外激光化学反应。室壁附载的钼粒催化 剂能够提高化学反应速率。二.能量转换方法反应室出口设置类似“气动激光器”中列阵喷管。喷管之间的中轴线设置引射器， 内有二氧化碳气通道，设置有出口与膨胀腔相通。通道的外壁有冷却水流通过。引射器两 边与喷管之间的喉道口，是高温高压混合气流从反应室进入膨胀腔的通道。喷管内有氮气 通道，设置有出口与反应室相通。膨胀腔紧临的光学谐振腔，设置有激光输出窗口，输出的 激光经光路进入反应室。70020kg f/cm2水气流进入反应室受强激光辐射，产生红外激光化学反应，水 分子分解、重构成键为氢、氧分子气。强激光输入使化学反应中的气体热浴温度上升到约 900°C。高温高压氢、氧分子气流中，存在气流动能量和分子上下能级间势能量，可以作为 “气动激光器”中激光介质的激励能量。能够通过“能量转换器”将动能量和势能量转换成 为激光能量。分子中的电子处在一定能级的分子轨道上，当电子从一种分子轨道跃迁至另一种 分子轨道时，由于电子能级上的能量比振_转能级大得多，水分子分解、成键为氢、氧分子 发射的电子能态光子，能量约53. gkcal/mole"1 (相当于2. 337ev)。当氮气从喷管出口输入 反应室，一个电子能态光子能够将N2分子激发到量子数η = 1的振动能级V1上。能级的能 量为SSSlcnTHOJev)。激发的能量可以储存在V1的转动能级(J = 8)能级阶梯中。队分 子是同核原子组成的非极性分子，没有永久电偶极矩，作振动运动时，分子正负中心始终重合在一起(电偶极短)，不会吸收或辐射电磁波，当它们被激发到某一振动态时，不能通过 辐射跃迁回基态或较低能级，因此，同一电子态不同振动态之间的辐射跃迁是严格禁戒的。 能量子在这个能级上停留时间很长，没有碰撞发生不会驰豫到低能态(V1 — Vtl),是亚稳态 能级，储存的能量子能够通过膨胀腔进入光学谐振腔。氢、氧分子成键时发射的电子能态光 子方向是任意的，当光子与氢分子或氧分子碰击时，其能量不足以使氢分子键或氧分子键 断裂，但吸收后能够发射出一个拉曼光子，即当光子和某一处于状态a的分子发生碰撞，如 果光子的能量相当于状态a和另一能级较高的状态b之间的能量差，则可以吸收光子，分子 跃迁到更高的能级，这时光子和分子之间发生碰击，可以散射光子，即分子的吸收光谱等于 它的发射光谱。分子受激发后跃迁至基态而不改变其多重性，发射的辐射光叫荧光。最低激 发单重态至最低三重态的体系间交叉，从最低三重态驰豫至基态发射出的辐射叫磷光。由 此在反应室构成辐射光场。这个辐射光场中电子能态光子、荧光、拉曼光子的能量，与“气动 激光器”中燃烧室约1800°C化学反应热辐射光能相近。因此，辐射光场中的光子能将氮分 子从基态能级％激发到振动能级V1上。氢、氧分子在光场中不断受到激发和驰豫，其中激 发到高能态的氢、氧分子与氮分子碰撞时会将能量共振转移到氮分子V1亚稳态能级上。由 于氮分子气是在反应室气流出口附近输入的，产出气流要通过出口，因此，对反应室的红外 激光化学反应是没有影响的。反应室出口混合气流中，(氢、氧)气60 65%，氮气40 35%，由于受光场中 光子的激发、高能态氢、氧分子的碰撞传能，氮气中70 75%的N2分子亚稳态能级V1上能 够储存能量子。高温高压气流超声速从引射器两边喉道口进入膨胀腔快速膨胀时，与引射 器出口注入的二氧化碳气(氮气中CO2分子占20 15%)混合，气流快速绝热膨胀使气 体骤然冷却，会在某一点突然冻结，高能级振动温度和平动温度在该点突然分离，使气体处 于热力学非平衡状态，气体参数急剧变化。由于输入冷却了的CO2分子处于下能级10° 0、 02° 0上，可与氢分子或少量水分子碰撞产生去活化反应，能粒子被抽空到000基态能级。 由于N2分子V1与CO2分子V1能级间隔排列相近，能量差Δ E = IScnT1很小，高振动量子数 的N2分子和低能态的CO2分子近共振碰撞，使能量集合的量子数强烈耦合，相当于单一能级 的作用，N2分子能级V1上的能粒子耦合转移到CO2分子00° 1能级上。使上能级的粒子数 持续得到补充，下能级粒子数不断排空，实现CO2分子能级上粒子数反转分布。在上下能级 间发射光子，通过光学谐振腔产生光振荡和持续的受激辐射，在输出窗口产生激光输出，经 过调Q、锁模等光学器件产生巨脉冲激光经光路输入反应室。或者经过稳频、倍频等光学器 件以连续激光(CW)经光路输入反应室，在水气中产生红外激光化学反应，构成激光能量循 环。三.氢氧气分离方法反应室产出物质的高温高压混合气流中，需要及时分离出氧分子，防止逆向化学 反应产生。紧临光学谐振腔设置“氢氧分离器”，其中的磁场区有左、右主永久磁铁、中间是 数个副磁铁，磁铁间是气流通道，形成N磁极和S磁极，构成封闭磁通回路。高温高压气流通 过膨胀腔时急速降温降压，气温降低为330 360°C，压力降低到0. 1 0. 2atm。降温降压 的气流进入磁场区，氧分子是顺磁性物质，具有沿磁力线方向进动的物理属性，通过磁场区 偏向N磁极。氢、氮、二氧化碳分子是抗磁性物质，沿磁力线方向有反向进动趋向，通过磁场 区偏向S磁极。偏向N磁极的氧分子能够经导向器导入氧气通道排出。偏向S磁极的氢、氮、二氧化碳分子能够经导向器导入氢气通道排出。四.热能量交换方法设置“右热能交换器”它由金属板材卷制成自内向外可任意向外延伸的单螺旋通 道，在中心的通道出口与“能量输入器”通联，在外部通道进口与输入水泵通联。通道内设 置若干导热良好的氢气管和氧气管，中心的管道进口与“气体分流器”通联，外部的管道出 口与各气体“储箱”通联。高温高压气流通过膨胀腔时的局部降温降压，是分子运动速度、容积突然变化产 生的气体动力学效应所致，由于化学反应区与外界没有能量和物质交换，按照能量、物质守 恒原理，通过膨胀腔前气流中的热焓与通过膨胀腔后气流中的热焓是等值的。化学反应区 的高温高压气流热焓，减去光学谐振腔能量输出对应的热焓，气流通过“氢氧分离器”进入 “右热能交换器”将恢复成为近700°C高温气流，进入氢气管和氧气管与管外通道中的水流 强制对流换热，逐渐降低成为室温气流排出系统进入外部储箱。外部室温水泵入螺旋通道 中进入中心“能量输入器”，通道内由水包围的氢、氧气管，在管内与管外，通道内壁与外壁 存在高低温度差，室温水逐渐加热成为高温水气流，形成强制对流换热态，在系统中心高温 热源区域继续得到热能量补允，经过“能量输入器”成为高温高压水气进入光化学反应室， 由此达到热能量交换目的，构成系统内部热能量循环。高温气流在氢、氧管道中自中心向外 流动是降温过程，室温水从外部泵入通道向中心流动进入“能量输入器”是升温过程，由此 达到热能量交换目的。五.外部能量输入方法“热能交换器”将室温液态水加热成为气态水分子，相当于水在化学反应中的中间 反应或者预分解。形成热能量交换的条件是要有初始能量，这个初始能量是“能量输入器” 提供的。它由机体内后反应室和前反应室组成，前后反应室的中心有氢、氧气喷管，喷管口 有点火器和钼催化剂棒，外界输入喷管的氢、氧气，在前后反应室燃烧化学反应，产生中心 温度达2600°C的氢氧气焰，将后反应室壁外部泵入的水雾气化为600°C水气，进入前反应 室继续受氢氧气焰加热，成为90(TC高温气流经通道进入反应室，沿着“能量转换器”、“氢氧 分离器”气流通道，进入“右热能交换器”氢、氧气输出管道排出液态水。外界室温水泵入 输入通道，吸收热能量逐渐加热成为水气，定容、定温下水的输入量与气体压力成正比，因 此，循环进入“能量输入器”的水气流温度和压力能够逐渐升高，调节氢、氧气输入量，维持 70020kg f/cm2气流温度和压力在“热能交换器”中的循环。在反应室进口水气中输入 启动激光能量，产生红外激光化学反应，促使分解能量循环。此时，关闭“能量输入器”外部 水、氢气、氧气输入，系统装置能够正常运行。外界输入系统的初始能量是系统储存能量，类 似时钟弹簧储能。发明技术内容发明技术方法是靠系统装置实现的系统装置由(A)右热能交换器、(B)左热能交 换器、(C)分解反应器、(D)能量转换器、(E)氢氧分离器、(F)气动激光器、(G)能量输入器、 (L)辅助系统、(H)控制系统部件组成。(A、B、C、D、E、F、G)分别与构件(中墙体)a、(右端 盖)b、(右前上体)C、(右后上体)d、(储气室盖)e、(右前下体)f、(右后下体)g、(气体 分流器)h、(导流器)i、(左端盖)j、(左前体)k、(左后体)1、(环体座盖)m、(傍流器) O、(导向器)η、(右真空隔热器)r、(左真空隔热器)P、(环状真空隔热器)q、(右真空隔热盖)t、(左真空隔热盖)s相互联接。其中q装在(A、B)上，h装在㈧内，ο装在⑶内， r、ρ固定在q上，(A、B)与r、ρ、q之间置陶瓷泡沫隔热层，成为整体(甲)固定在机座上。 (C、D、E、F、G)由构件a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、1、m、η相互联结成为中心结构体(乙)， 各构件有相互通联的水气通道和氮气通道，是高低温热能量交换和热能量循环通道，也是 联接部件和构成各工作气室的结构件，是系统高温热源，装配于整体(甲)中。t、s分别固 定于(乙)的两边，由此构成系统装置。本发明装置的“右热能交换器”由金属板材卷制成平面螺旋，形成自内向外可任意 向外延伸的单螺旋通道，包围中心化学反应区和高温气流区，呈环状结构体。通道的左右端 部焊接密封，内置若干内纹或波纹导热金属管，左侧排列η根氢气管，右侧排列η根氧气管， 管与管和管与壁之间由定位架固定。通道的内端与气体分流器的水气通道通联，外端进口 与计量水泵通联。由水包围的氢气管和氧气管，内端进口分别与气体分流器的氢气室和氧 气室通联，外部出口端的氢、氧气室分别与吸气泵通联。环形结构体的外部设置隔热层，层 的外部是真空隔热器，中空的外层内侧设置有金箔或铝箔反射层。整个环状结构体支承在 机座上，由此构成部件(A)。本发明装置的“左热能交换器”由金属板材卷制成平面螺旋，形成自内向外可任意 向外延伸的双螺旋通道，包围气动激光器和高温热源，呈环状结构体，通道的左右端部焊接 密封。双螺旋内侧通道的进口与傍流器通联，出口与气体分离器通联。外侧通道的进口与 计量氮气泵通联，出口与导向器通联。环形结构体与“右热能交换器”同处横轴线上，与右 边的隔热层和真空隔热器结构相同，一同支承在机座上，由此构成部件(B)。本发明装置的“分解反应器”由储气室、光化学反应室、成键室组成，通过构件a、 b、c、d、e联接构成。由c、d、内侧构形的截面，圆形储气室进口经a水气通道与“能量输入 器”的出口通联。储气室与辐射区相通的气流口，沿光束方向的宽度，略小于光束截面直径 或矩形边长。反应室壁的构形由进口处与列阵喷管处的出口由弧线相连。室壁附载金属钼 粒催化剂。左右两边设置激光输入窗口，相向构成激光辐射区、光化学反应区。室壁外有氮 气流冷却通道，通道进口与a氮气通道出口通联，出口与e氮气通道进口通联，e氮气通道 经a水气通道外壁氮气通道与“气动激光器”上气室通联。储气室有温度计和压力计。由 此构成部件(C)。本发明装置的“能量转换器”由列阵喷管、膨胀腔、光学谐振腔、光路组成。喷管体 内的氮气通道与构件g的氮气通道通联，又通过构件a氮气通道与“气动激光器”上气室通 联。喷管体氮气通道面向反应室有相通的出口。两喷管体中线的引射器，内有二氧化碳气 通道，面向膨胀腔有相通的出口。通道的进口与构件f的二氧化碳气通道出口通联，进口与 外部计量二氧化碳气泵通联。二氧化碳气通道外壁有冷却水流通道，进口与g的水通道出 口通联，g的水通道进口与外部计量水泵通联。通道的出口与f水通道的进口通联，出口与 a水通道进口通联。引射器两边与喷管体间是高温高压气流出口喉道。膨胀腔进口气流与 引射器出口气流混合，由此构成单列喷管，由η个单列喷管构成列阵喷管。由构件a、b、c、d 构成的光学谐振腔，a上设置布儒斯特窗，窗口后面是矩形凹球面反射镱，内部有冷却水室， 进口与g水通道通联，出口与a内左磁铁水通道通联。冷却水室内设置有光电二级管，通过 镜中心小孔与谐振腔相通。b上设置矩形平面反射镜，中心有球面凸透镜面向谐振腔为双 层，中间有饱合吸收介质，与a边反射镜构成谐振腔，与稳频器固定在构件b上成为输出窗
15口。在光束轴线上设置有电光开关、偏振器、凸透镜工、倍频器”卯。折射反射镜工、光反应室 输入光束轴线上设置90°折射反射镜2、凸透镜2、倍频器2、凸透镜3、激光功率放大器、凸透 镜4、反应室输入窗口透镜，由此构成部件(D)。本发明装置的“氢氧分离器”由磁场、导流器组成在构件a、b上各置有主永久磁 铁，中间有数个副永久磁铁，固定在构件f、g上，有磁力线自右向左形成磁通回路，各磁铁 之间是气流通道。a上的主磁铁设置冷却水通道，进口与a内反射镜冷却水室出口通联，出 口与a水气通道相通。三层结构的导流器，一层是导流室，二层为前后室，三层为左右室，一 层导流室的左气室经二层前气室与三层左气室相通，一层导流室的右气室经二层后气室与 三层右气室相通。室的外面是水气通道，进口经f水气通道与构件h的水气通道通联，出口 与g的水气通道通联，又经a的水气通道与构件1的水气通道通联。三层的左边是氢气室， 出口经f气流通道与h的氢气室通联，三层的右边是氧气室，出口经f气流通道与h的氧气 室通联。各磁室的导流板固定在横轴上，横轴通过系统外的操纵机构可左右移动，微调氢氧 气分离位置，由此构成部件(E)。本发明装置的“气动激光器”由集流器、燃烧激励器、列阵喷管、光学谐振腔、光路、 扩压器组成，置于系统的左边。由构件a、j、k、1、m相互连接，构件m是安装“能量输入器” 的环体座，有水气通道进口与k、1的水气通道出口通联。环体座下面有激光输送管自j经 a到光反应室。与j、k、l、a密封联接的集流器，构成上气室和下气室，上气室有氮气进口与 a上部的氮气通道通联，有出口经a中部氮气通道与构件g的氮气通道通联。燃烧激励器安 装在集流器上，其中燃烧室内的氢气、氧气喷口，分别由氢、氧气输送管经安全阀与外部计 量氢、氧气泵通联，燃烧室内的一氧化碳气喷口，由一氧化碳气输送管与外部计量一氧化碳 气泵通联。燃烧室内有点火器。燃烧室壁外有冷却水气储流室，进口与a水气流室通联，出 口分别与k、l水气通道进口通联。k、l水气通道的出口与m水气通道的进口通联。燃烧室 周围的氮气喷流孔与环氮气室相通，进口与上气室相通。下气室有列阵喷管联接在k、1上， 喷管体有冷却水气流通道，进口与k通联，出口与1通联。列阵喷管构成喷口和膨胀腔。相 邻的是结构与右边相同的光学谐振腔，输出的激光经光路从左边经输送管进入光反应室。 光路中设有由同步加速器组成的激光调频器。与谐振腔相通的扩压器，排出气流通道的出 口与构件η的气流通道进口通联。η气流通道的出口与构件ο的气流通道进口通联。ο气 流通道的出口与部件(B)的输出气流通道相通。(B)输出气流通道的出口与外部气体分离 器通联。(B)输入气流通道的进口与外部计量氮气泵通联，出口经1气流通道与η气流通 道通联，又经构件的k、a、c、d、e、a气流通道与上气室通联，由此构成部件(F)。(F)与(B) 组合构成“能量循环气动激光器”。本发明装置的“能量输入器”由机体、后喷燃器、后反应室、前喷燃器、前反应室组 成，装配在环体座上。与环体座配装的水气管和室体间形成环水气通道，进口与环体座的水 气通道出口通联，环体座水气通道的进口与构件k、l水气通道的出口通联。圆环状的室体， 由室体和室套构成，室体和室套之间有冷却水室经水通道进口与外部计量水泵通联，后反 应室周围有若干水雾喷嘴与冷却水室相通。后喷燃器的中心是氧气喷嘴，外围是氢气喷嘴， 各有氢、氧气通道由进口分别经安全阀与外部计量氢、氧气泵通联，后喷燃器与室体连接构 成后反应室。机体的中部设置鹅蛋形前喷燃器，两边由中空的翅膀构体固定在室内壁上。前 喷燃器中心有氧气喷嘴，外围是氢气喷嘴，各有氧、氢气通道通过两边翅膀内的氧、氢气通道，经过环体、后喷燃器内的氧气、氢气通道出口经安全阀与外部计量氧气、氢气泵通联。前 后喷燃器的喷嘴口设置点火器和钼催化剂棒。环体座与室体间的环水气通道与室体未端逐 渐收缩，形成与前反应室出口汇合的气流口，气口外逐渐扩大为原状的水气管，经构件a水 气通道与右边部件(C)的储气室通联，由此构成部件(G)。由于本发明采用了上述方法和装置系统起动时，“能量输入器”的进口水泵将水 泵入后反应室呈喷射水雾，进口气泵同时泵入氢气、氧气进入前后喷燃器，在前后反应室产 生中心温度近2600°C的氢氧气焰，其热化学反应式为
IU2 + O2" 2H20 + 136.62kcai/mol"1将水雾气化为500 600°C水气通过前反应室，由前反应室产生的氢氧气焰将水 气升温至850 900°C，通过“分解反应器”、“能量转换器”、“氢氧分离器”，进入氧气流管道 和氢气流管道，热能量被管道外壁水流吸收，逐渐降低成为室温液态水排出系统。系统内部 进行的热量平衡和传递，促使系统储存的水和氮气逐渐升温，系统内部储存了热能量。外部 泵入输入通道的水流逐渐加热进入“能量输入器”中环水气通道，在气流口与前反应室出口 高温水气流汇合，水气消耗产生的压降由(A)的进口水泵补充，系统进入强制对流换热状 态。(G)中热能量的不断输入，促使输入中心结构体的水气逐渐升温，由于通道容积固定、 温度定值，水的输入量与气体压力成正比，因而水气压力随输入水量逐渐增大，当通过(G) 环水气通道的水气温度升至600 650°C时，关闭后反应室外部的氢、氧输入气泵和输入水 泵，调节前反应室能量输入，氢氧气焰产生的高温高压水气流将环体水气通道进入的水气 流强制推过气口，混合成为700°C、20kg f/cm2水气流经水气通道进入(C)中光反应室。关闭(G)中氢、氧气泵和水泵的同时，启动左边的“气动激光器”，打开(F)的一氧 化碳气、氢气、氧气输入气泵，在燃烧室内产生燃烧化学反应，其热化学反应公式为
2CO + O2^ 2CO2 + BOkcal/mor1
IU2 + O2 -" 2H20 + 136.62 kcal/mol1一氧化碳气和氧气燃烧生成二氧化碳分子气，氢气和氧气燃烧生成水分子气，释 放出的热能产生1500 1800°C高温混合燃气。外部泵入系统氮气通道的氮气，被储存热 能加热到600 650°C，由上气室经通道从燃烧室壁周围进入，与中心的高温燃气混合，混 合的比例为N2分子65 70 %、CO2分子25 20 %、H2O分子8 12 %。燃烧的混合气流 中，CO2分子能级上能量子驰豫时间很快，激发到001°能级上的能量子不能停留至光学谐 振腔。燃烧室内的热辐射光场，将N2分子激发到η = 1的振动能级V1上，在高能态的CO2和 H2O分子与N2分子碰撞，将能量子碰撞转移到N2分子振动能级V1上，使N2分子亚稳态能级 V1储存大量振动能。由于N2分子能级上能量子驰豫时间很慢，能够停留保持到光学谐振腔， 高温高压气流超声速通过列阵喷管喉道，进入膨胀腔骤然急速降温膨胀，气流中CO2分子能 级间的驰豫快慢差别，形成了上下能级粒子数反转，下能级与H2O分子去活化反应被快速驰 豫排空，N2分子与CO2分子共振耦合将能粒子转移到CO2分子001°上能级，使上能级下跳 的能粒子得到持续补允，由此在上下能级间连续发射光子，在光学谐振腔产生光振荡，通过
17调Q、锁模、倍频输出2. 65微米波长巨脉冲激光，经光路从左边输入反应室，是红外激光化 学反应的启动能量和外部输入能量。高温高压气流由“能量输入器”出口经储气室进入反应室，受强激光的辐照，由于 光波频率与水分子振动频率一致，水分子能够无碰撞吸收数个乃至数十个光子，能量子在 振动模上的累积速度大于分子驰豫、转移速度，大于分子相互碰撞间隔时间，达到临界阈能 或离解阈能的水分子，在红外激光化学反应中分解、成键成为氢、氧分子。分子成键要降低 能量发射电子能态光子，成键分子不断受到激发又不断驰豫发射光子，在反应室构成辐射 光场。红外激光化学反应中，强激光的辐射，提高了产出物质气体热浴温度。高温高压气 流中的动能和分子能级之间的势能，通过“能量转换器”转换成为激光能。辐射光场中的光 子将氮分子激发到亚稳态能级，高能态氢、氧分子碰撞传能给氮分子，能粒子被储存在氮分 子亚稳态能级上。高温高压气流从弓I射器两边喉道超声速进入膨胀腔，与引射器输入的二 氧化碳气混合，混合的比例为H2、02分子60%、N2、C02分子40% (其中N2分子85%、C02分 子15% )。气流在膨胀腔急速降温膨胀，由于输入受冷却水流影响的CO2分子处于下能级， 与H2分子和少量H2O分子消激活反应被排空，上能级与N2分子亚稳态能级中的振动能共振 耦合，能粒子不断转移到CO2分子上能级，使下跳的能粒子得到持续补允，由此在上下能级 间连续发射光子，在光学谐振腔产生光振荡，在输出窗口产生激光输出，经过调Q、锁模、倍 频，在光路中激光功率放大，成为2. 65微米波长巨脉冲激光，从系统右边输入反应室。由此 形成激光化学反应中的分解能量循环。通过膨胀腔的高温高压气流，温度降低到约350°C，压力降低到0. Iatm，经光学谐 振腔进入“氢氧分离器”的磁场区，氧分子是顺磁性物质，通过磁场区沿磁力线产生进动，在 运动中偏向N磁极，经导向器导入氧气管排出。氢、氮、二氧化碳分子是抗磁性物质，通过磁 场区沿磁力线产生反向的微小进动，在运动中偏向S磁极，经导向器导入氢气管排出。膨胀腔高温高压气流急速降温降压，是分子运动速度、容积的突然变化所致。按照 能量、物质守恒原理，高温气流中的能量，除光学谐振腔有部分输出外，当氢、氧气流在通道 中的速度和截面积，与进入膨胀腔前的气流速度和截面积一致时，气流将恢复成为高温气 流状态。向外排出中将热能传递给管外的水分子，与外部泵入通道的水流强制对流换热，管 道中高温气流逐渐降低为室温气流排出，氧气管中氧气进入氧气储箱，氢气管中混合气分 离的氢、氮、二氧化碳气进入各自储箱。氮气、二氧化碳气返输入系统循环利用。储箱中氢 气、氧气输入氢氧燃料电池产出电能，供给系统使用。输入“气动激光器”作激励能量。输 入“能量输入器”作系统的起动能量、补允能量、调节能量。也可输往用户作燃料能源。外部 泵入通道中的液态水吸收管中热能，逐渐升温为气态水，进入中心结构体的水气在“气动激 光器”和“能量输入器”中继续吸收热能，成为600 650°C、15 20kg f/cm2水气，进入 “能量输入器”中前反应室气流出口得到热能量补允，成为700°C、20kg f/cm2气流进入“分 解反应器”中反应室，构成热能量交换中的热能量循环。左边“气动激光器”膨胀腔的负压工作气流经谐振腔进入扩压器，扩升为略高于大 气压的混合气流，经η气流通道进入“左热能交换器”气流通道，与外部泵入通道的室温氮 气强制对流换热，高温混合气流逐渐降低为略高于室温气流经分离进入各自储箱。外部泵 入的室温气流在通道中逐渐升温，成为高温氮气流通过中心结构体的氮气通道n、k、a、c、d、e继续吸收热能，到达上气室的气流温度是650 700°C，压力是15 20kg f/cm2，传能介 质氮气在(F、B、C、G)氮气通道中的循环流动，形成了热能量循环，构成了左边的“能量循环 气动激光器”。本发明装置的“辅助系统”(L)由下列设备构成计量水泵α工调整输入系统水 气压力、流量kg/cm2/s。计量水泵α2:调整(G)后反应室水气压力、温度。计量水泵α3: 调整a内反射镜、a内主磁铁、引射器冷却水温度。计量氢气泵和计量氧气泵Y1:调整 (G)后反应室水气温度。计量氢气泵β2和计量氧气泵Y2:调整(G)前反应室出口水气温 度。计量氢气泵β 3和计量氧气泵Y3:调整(F)喷燃器中激励激光介质温度、水分子混合 比。计量一氧化碳气泵ω 调整(F) 二氧化碳分子混合比。计量氮气泵δ :调整系统内氮 气压力、流量m7cm2/S。计量二氧化碳气泵ε :调整系统内二氧化碳气压力、流量m7cm2/S。 吸气泵H1 调节(A)内氢气管排气压力。吸气泵η2 调节(A)内氧气管排气压力。气体分 离机θ ！将(A)内氢气管排出的混合气体分离为氢气、氮气、二氧化碳气。气体分离机θ 2 将(B)内排出的混合气分离为氮气、二氧化气、水。氢气储箱τ、氧气储箱κ、氮气储箱λ、 二氧化碳气储箱μ、一氧化碳气储箱τ、水储箱φ。氢氧燃料电池ν 将氢气、氧气转换为 电能。本发明装置的控制系统(H)是由计算机作信息处理、进行程序控制的系统。由系 统内部的(压力计P1P2)……给出的气体压力信息kg f/cm2。(温度计JI1Ji2)……给出 的气体温度信息。C。(计量水泵α" 3)……给出的水流量信息kg/Cm2/S。(气体流量计 β、Y、S、ε、ω)……给出的气体流量信息m7Cm2/S。(光频率计)……给出的激光频率 信息HZ/s。(光功率计)……给出的激光输入能量信息kj/cm2等进行计算机信息处理，按 照编制程序进行控制。本发明方法的应用范围很广，一般大、中型制氢厂、站采用巨脉冲激光输入，进行 红外激光化学反应方法。小型制氢设备，采有激光连续输入，可以将左边“循环气动激光 器”，改用“固体激光器”或“化学激光器”作为外部启动分解能量。下面结合附图提供大、中型制氢系统装置设备的实施例，但具体实施方案并不限 于下面的具体描述

图1是本发明装置的反应流程方框图。
图2是本发明装置的系统装置总体结构剖面图。
图3是本发明装置部件的右热能交换器A-A剖视图。
图4是本发明装置部件的左热能交换器B-B剖视图。
图5是本发明装置图3中的气体分流器结构图。
图6是本发明装置部件的分解反应器结构图。
图7是本发明装置部件的能量转换器结构图。
图8是本发明装置部件的氢氧分离器结构图。
图9是本发明装置部件的能量输入器结构图。
图10是本发明装置部件的气动激光器结构图。
图11是本发明装置图10中的燃烧激励器结构图。
图12是本发明装置构件a的内部气流通道图。
图13是本发明装置辅助系统和控制系统示意图。
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本发明方法的装置是由G、C、D、E、F部件，通过a、b、c、d、e、f、g、i、j、k、1、m、η
构件相互联接构成中心结构体。外表面是装配平面，内表面是联接各功能部件和构形的功 能气室，构件内部有相互通联的水气、氮气、和二氧化碳气通道，形成整体(乙)装配于整 体(甲)中，甲的气流通道与乙的气流通道相互通联，构成产出物质流通道和输入物质流通 道，形成高低温热能交换和热能量循环通道。图1是反应流程方框图，图2、3、4、6、7、8、9、是 结构图。部件“能量输入器”(G)位于图2左上方，是系统起动能量输入和系统能量补允的 部件。图9是结构图。由高温合金材料Κ214铸造的环体1，内嵌套GH3170材料制造的燃烧 室套2，环体与室套间有水室3，燃烧室的周围分布有喷嘴4，水室由进水通道6与外部计量 水泵a2通联。环体前部中心轴线设有K214材料制造的喷燃器7，后部设置由螺丝5与环体 联接的喷燃器8，构成前反应室9和后反应室10。喷燃器7的两边由翅膀形连接件28焊接 在环体内壁上，喷燃器中心有氧气喷嘴11和氢气喷嘴12，喷嘴口设置点火器13和钼催化剂 棒14。喷燃器7的氧气喷嘴由氧气通道15经安全阀257与外部计量氧气泵Y2通联，周围 氢气喷嘴由氢气通道16经安全阀258与外部计量氢气泵β 2通联，喷燃器8的氧气喷嘴由 氧气通道17经安全阀259与外部氧气泵Y ！通联，周围氢气喷嘴由氢气通道18经安全阀 260与外部氢气泵通联。环体1与水气管20构成环形水气通道21，与环体末端一起向 内收缩为气口 22，过气口扩大为水气管29，经过a水气管30与e通联。环体与水气管装配 在环体座m中，环体座由法蓝盘52固定在ρ上，右边由螺丝23与a联接。环体座水气通道 25由进口 24与k的水气通道210的出口 211通联、与1的水气通道212的出口 213通联。 环体座右边氮气室197经a氮气通道41与e的氮气通道40通联。外部储箱的氢、氧气泵入前后喷燃器，点火器13点燃喷嘴口氢氧气产生燃烧化学 催化反应，在前后反应室产生中心温度约2600°C氢氧气焰27。外部储箱的水同时泵入后反 应室，在燃烧室周围形成喷射水雾，气化为600 650°C水气进入前反应室，由前反应室的 氢氧气焰将水气加热至850 900°C通过气口 22经水气管29、30通过(C)中光化学反应区 37，沿着产出物质气流通道排出系统成为室温液态水。系统内部的热量平衡和传递，使系统 储存水的温度和压力逐渐升高，水气流动产生的压降由计量水泵S1补允，逐渐形成600 6500C >15 20kg f/cm2高温高压水气流经水气通道21通过气口 22经水气管29进入光 化学反应区，逐渐成为循环气流。此时关闭后反应室水泵、氢、氧气泵，计量水泵^向输入 通道156泵水，依靠前反应室的氢氧气焰产生的高温高压水气，将水气通道21的水气流推 过气口 22进入水气管29，调节前反应室的燃料量输入，得到热能量补允的水气被调节成为 70020kg f/cm2水气，经水气管30和储气室35通过光反应室37，经产出物质通道排出 系统，构成内部热能量循环。产出储存的氢气、氧气燃料输入(G)，燃烧化学反应产生的高温 热能加热了水和氮气，促使系统起动时进行热能量储存(类似时钟弹簧储能)，是系统的起 动能量。并对系统内部热能量交换和循环的损耗进行补允，达到能量补允、调节的目的。部件“分解反应器”(C)，位于图2的右上方，是进行红外激光化学反应的部件。图 6是结构图。构件c、d、e用高温合金材料K4002铸造，c、d与e由螺丝32联接，左边与a构 件由螺丝33联接，右边与b构件由螺丝34联接。外表面是装配平面，内表面构形为储气室 35、气流入口 36、光反应室37、内壁设置可从外部更换的室壁插板56、绝热端盖57，室壁插 板内表面用离子交换法附载钼粒催化剂55。c内部有氮气通道39，d内部有氮气通道45，e内部有氮气通道40。c氮气通道的出口 44与e氮气通道的进口 31通联，进口与a氮气通 道出口 173通联。d氮气通道的出口 43与e氮气通道的进口 38通联，进口与a氮气通道出 口 172通联。e的氮气通道40经a的氮气通道出口 41与(G)中上气室197通联。反应室 右边有激光输入窗口 50和透镜53，输入光束51，左边有激光输入窗口 48和透镜54，输入光 束49。反应室有水气进口 30与“能量输入器”水气出口 29通连。反应室的出口是“气动激 光器”的列阵喷管67。储气室设有温度器58与外部π工连接、压力器59与外部P工连接。700°C、20kgf/cm2水气在储气室35均压后经出口 36通过激光辐射区49、51，巨脉 冲激光从窗口 49、50输入气流中，由于入口宽度略小于光束截面直径或边长，水分子被激 光完全辐射。由于光波频率与水分子振动频率一致，或者超短脉冲的脉宽与水分子振动频 率一致，水分子能在一个振动态或脉宽时间内吸收数个乃至数十个光子，能量子在振动模 内的累积时间大于驰豫时间，大于分子相互碰撞的间隔时间。光能流迅速注Λν3、νι振动模 中，将价电子激发到电子态，水分子处于临界阈能或离解阈能。此时，当水分子在运动中相 互碰撞，两个氧原子接近，是负值波函数相加，满足对称性条件、轨道最大重叠，能量相近时 成键为氧分子。两个氢原子接近，是正值波函数相加，满足对称性条件、轨道最大重叠，能量 相近时成键为氢分子。一个水分子的氧原子与另一个水分子的氢原子接近时，是正负波函 数相加，对称性不匹配，不能成键为稳定态分子，化合成为氢氧自由基，在光场中被再次分 解。分子自然趋于稳定结构，释放能量发射电子能态光子，其光子能量可将某高能态的水分 子激励到临界阈能分解、重排成键。这个光子将分子激励到高能态，尔后驰豫到低能态发射 出拉曼光或荧光，这些光子引起光催化反应和诱导反应，在辐射光场中产生红外激光化学 反应，水分子分解成键为氢分子和氧分子。室壁上的催化剂能够加速化学反应速度。部件“能量转换器”⑶与反应室出口 84相通。图7是结构图。由高温合金铜或 不锈钢材料制造的喷管体67，用螺丝68固定在构件f、g上，内有氮气通道66，进口与构件g 内氮气通道65的出口 64通联。通道65的进口与构件a内氮气通道213的出口 212通联。 喷管体氮气通道66有出口 88与反应室37相通。两喷管体间中轴线设置有合金铜或DZ3 材料制造的引射器71，固定在f、g上。引射器内有二氧化碳气通道73和冷却水通道76，通 道73有出口 72与膨胀腔86相通，进口 70与f氮气通道74通联，74的进口 60与外部计量 二氧化碳气泵ε通联。冷却水通道76的进口 75与g内水通道79通联，79的进口 81与 外部计量水泵a3通联。水通道76的出口 77与f水通道82通联，82的出口 83与a水通道 84通联，经84的出口 93与水室90通连。左右喷管体与引射器71组合构成喉道口 84、气 流混合室85、膨胀腔86构成单列喷管，由η个单列喷管组合成列阵喷管67。与膨胀腔相邻 的非稳定光学谐振腔87，由f、g腔壁、左反射镜91、右输出窗口 97构成。左边固定在a内 是矩形凹球面反射镜91，与左边气动激光器反射镜92背向构成整体(也可以分置)，镜体 内设置有冷却水室90，进口 93与a水通道84通联，出口 94与左磁铁体冷却水通道115通 联。反射镜中心有小孔110，内有光电二极管95经小孔与光学谐振腔相通。镜前设有布儒 斯特窗96。右输出窗口固定在构件b上，输出窗口有矩形平面反射镜97、镜中心输出圆孔 置凸球面透镜98、面向谐振腔为双层，中间置饱和吸收介质。设有稳频器99、偏振器100、 电光开关101、闸流管102、λ/4波片103、高压回路104、由此构成调Q、锁模、稳频、输出窗 口。在输出激光光路42中，设有凸透镜105、倍频器106、90°度折射镜107、倍频器108、光 放大器109、输入窗口 50。由此构成“能量转换器”及激光化学反应中的分解能量循环。
反应室进行的红外激光化学反应，存在着辐射光场。外部计量氮气泵δ经249泵 入系统装置的氮气，在“热能交换器” B中被加热到650°C，进入喷管体氮气通道66由出口 88进入反应室，受辐射光场中高能态光子激发，N2分子被激发到V1能级上。未驰豫的高能 态氢、氧分子与氮分子碰撞，能量共振转移到N2分子V1能级上，使氮分子亚稳态能级V1储存 大量振动能。高温高压混合气流从引射器71两边喉道口 84超声速进入膨胀腔86，与引射 器出口 72泵入的二氧化碳气在85混合，气流混合比例为(H2、O2)分子60%，(N2, CO2)分 子40% (其中N2分子80%、C02分子20%)。由于CO2分子在引射器内被水流降温，进入膨 胀腔时处于01° 0、02° 0下能级，气流急速降温膨胀,N2分子与CO2分子碰撞，由于能级间 隔相近，能量差很小，尤如单一振动能态，N2分子V1能级上能量子共振耦合转移到CO2分子 00° 1能级上，形成上下粒子数反转分布。下能级与H2分子和少量H2O分子去活化反应被 排空到000能级。上能级在与N2分子碰撞中得到持续不断的补充，由此在上下能级间持续 发射光子，在光学谐振腔产生信号增益和光振荡，在谐振腔输出窗口产生波长10. 6微米激 光，经稳频器99、偏振器100、电光开关101、闸流管102、λ/4波片103、高压回路104，经倍 频器106、108，通过调Q、锁模输出2. 65微米波长巨脉冲激光。通过激光放大器109功率放 大输入光反应室37。由此形成激光化学反应中的分解能量循环。部件“氢氧分离器”(E)与光学谐振腔相邻，是将混合气流中氢氧分子分离的部件。 图8是氢氧分离器结构图、图5是气体分流器结构图。由Fe-Co系合金永磁材料制造的左 主磁铁111、右主磁铁112、副磁铁113组成磁场区114。左主磁铁固定在构件a上，周围有 冷却水气流通道115，进口 116与反射镜体冷却水室90出口 94通联，出口 117与a内水气 通道263相通。在构件b内设置有右主磁铁112。左右主磁铁间设置有数个副磁铁113，装 配在构件f、g上，构成异性相斥至左向右磁通回路。副磁铁上端部设有非磁性材料铜制成 的分流嘴118。由高温合金材料K419制造的导流器i，由螺丝120固定在f、g上。副磁铁 与导流器的上平面间由隔板121构成各独立磁室122，各磁室中的导流板123固定在可左右 移动的轴124上，通过外部微调氢、氧气流分离位置。导流器由三层气室组成，各气室外是 水气流通道136。导流板形成导向左右气室，一层是各磁室的左右导向室，二层是导流器的 前后气室，三层是导流器的左右气室。一层的左导向室129经二层的前气室131与三层的 左气室135相通。一层的右导向室126经二层的后气室128与三层的右气室133相通。左 气室135经气流通道142的出口 143与f的氢气室144通联。右气室133经气流通道139 的出口 140与f的氧气室141通联。水气通道136的进口 125与f的水气通道146通联， 出口 137与g的水气流通道170的进口 169通联。部件G水气通道有出口 171与构件a水 气流通道263的进口 264通联。由此构成氢氧气分离装置。吸收强激光能量成为900°C高气压混合气流，通过膨胀腔86急速降温膨胀，温度 降低到350°C、压力降低到0. Iatm0气流的骤然降温降压，使氢、氧分子没有断键的能量，也 就避免逆向化合反应的产生。负压混合气流在外部吸气泵I、H2作用下经光学谐振腔87 进入磁场区114，O2分子是顺磁性物质，运动中具有沿磁力线方向进动的磁物理属性，流动 中偏向N磁极。H2、N2、C02分子是抗磁性物质，可沿磁力线方向反向微小进动，在流动中偏向 S磁极。O2分子气被导流板123导入右气室126，H2, N2, CO2混合分子气被导流板123导入 左气室129。一层左导向室129的气流经二层前气室131进入三层左气室135，通过氢气通 道142进入构件f的氢气室144，被(A)中“气体分流器”分流入各氢气管。一层右导向室126的气流经二层后气室128进入三层右气室133，通过氧气通道139进入构件f的氧气室 141，被部件(A)中“气体分流器”分流入各氧气管。由此达到高温中氢氧气体分离目的。部件“右热能交换器”㈧是高温产出物质流与室温输入物质流热能量交换装置。 图3是右热能交换器结构图，是图2的A-A剖视图。图5是图3中的气体分流器结构图。 右热能交换器由合金铝板、铜板或者抗氧化钢板材料，卷制成自内向外延伸的平面螺旋通 道，呈环状结构体，两端用封板151焊接密封成单螺旋通道152，通道可视需要任意向外延 伸，满足热能交换设计要求。通道内排列η根内螺纹铜管或铝管153，左侧排列有与左气室 144相通的η根氢气管145，出口与末端气室161相通，经出口 162与外部吸气泵H1通联。 右侧排列有与右气室141相通的η根氧气管154，出口与末端气室160相通，经出口 164与 外部吸气泵H2通联。通道中管与管和管与壁之间用支承架155固定。通道152外端的水 室158由进口 157与外部计量水泵Ci1通联，内端出口与“气体分流器”水气室148的进口 149通联。环状结构体外表面设有陶瓷泡沫或其它保温材料制成的保温层164，保温层外面 装配有真空隔热器q、r、s、n、0，隔热器内抽成真空165，外层内壁166有金箔或铝箔反射层 167，面向中心反射红外热能。热能交换器整体固定在机座256上。由此构成高低温热能交 换器。通过光学谐振腔87的混合气流进入磁场区114，被分流入氢气室135和氧气室 133。由于通道容积和分子速度的变化，膨胀腔86急速降温约350°C的负压气流，在氢、氧气 室上升为650 700°C高温负压气流，依靠外部吸气泵1、n2排出系统。氢气室135的混 合气流经气流通道142进入构件f的分流室144，气流被分流进入各氢气管145，进入末端 气室161，由出口 162经过吸气泵！^进入气体分离器Q1,分离为H2、N2、C02分子气分别送 入H2气储箱τ、Ν2气储箱λ ,CO2气储箱μ。氧气室133的氧气流经过气流通道139进入 构件f的分流室141，被分流进入各氧气管154，进入末端气室160，由出口 164经过吸气泵 η 2进入O2气储箱κ。水通过计量水泵α i从进口 157泵入水室158，经过水流通道152进 入构件h的水气室148，经f水气流通道146进入中心结构体内构件i的水气流通道136， 通过水气流通道170、263、262、190、210、211、25、21到达水气流管30。气室141和145排 出的高温气流，沿着氢气、氧气管道排出系统，将热能传递给管壁外的水分子，是一个逐渐 降温过程，在出口 164和162排出35 45°C常温气流。15 25°C室温水从进口 157经水 室158泵入水流通道152，将吸收管壁和通道壁热能量，是一个逐渐升温过程，将液态水逐 渐加热成为高温水气，流入水气流通道136时成为600 650°C高温水气，由此形成强制对 流换热状态，换热效率达到85 95%。通道136的水气流通过中心结构体高温区继续吸 收热能，进入水气流通道21的水气被加热到650 700°C，定容状态下增加热量和水量，水 气压力随之增大，成为高温高压水气通过气流交汇口 22、水气流管29、30，储气室36进入光 反应室，构成系统中热能量循环。上述热能量交换是无需外界能量输入的自然过程，它提供 “能量转换器”需要的高温高压气流动能、水加热成为水分子气的热能量。部件“气动激光器”(F)是产生激光能量的部件装置。图10是结构图，图11是图 10的燃烧激励器结构图。由燃烧激励器185、集流器182、列阵喷管215、非稳定光学谐振腔 220、光路207、扩压器221、左热能交换器(B)构成“循环气动激光器”。高温材料GH3170制 造的集流器与构件k、l、a、j联接，构成上气室197、下气室198。上气室有高温材料K419制 造的燃烧激励器安装在集流器182上，可根据需要排列一到数个。燃烧激励器为制造的方便由三层构成，上层的燃烧室185内中心的一氧化碳气喷口 174与气流通道173相通，由一 氧化碳气管175与外部计量一氧化碳气泵ω通联，中层的氧气流通道176，与气流出口 174 周围的氧气喷口 177相通，进口由氧气管178经安全阀179与外部计量氧气泵Y1通联。下 层是环氢气通道186，出口与燃烧室周围的氢气喷口 180相通，进口由氢气管186经安全阀 182与外部计量氢气泵β 3通联。其中铜材料的氢、氧气管外部置陶瓷泡沫隔热层188。上 层与中层由螺丝194联接，中层与下层由螺丝195联接构成燃烧激励器，通过螺丝196联接 在集流器上。集流器与燃烧激励器间有环形氮气通道184，有氮气进口 183与上气室197相 通，有出口 186与燃烧室相通。燃烧室设有点火器208。与燃烧室相邻的有气流混合室187， 下气室198设置有温度计^和压力计ρ2。燃烧室外壁是储流室190，有水气进口 189与 构件a水气室262的出口 192通联，有出口 191与构件1的水气通道210通联，有出口 203 与构件k的水气通道211通联。1的出口 201、k的出口 202与构件m水气流通道25的进口 24通联。上气室有氮气出口 204与a的氮气通道209通联，209与213相通由出口 212与 构件g的氮气通道65通联。由高温合金铜或不锈钢制造的喷管215和由η个喷管组成的 列阵喷管，由螺丝217固定在k、l上，构成喷口 218、膨胀腔219。喷管体内有冷却水气通道 216，进口与1水气通道出口 199通联，出口与k水气通道进口 200通联。与膨胀腔相邻的 非稳定光学谐振腔220，右边设置矩形凹球面反射镜92，镜中心有小孔110与谐振腔相通， 内设置光电二极管95。反射镜前设置布儒斯特窗96，左边设置有平面反射镜204，中心的矩 形凸透镜面向谐振腔为双层，中间设置饱合吸收介质构成光学谐振腔220。由稳频器99、偏 振器100、电光开关101、闸流阀102、λ /4波片103、高压回路104构成调Q、稳频、锁模输出 窗口，在光路207中有折射镜107、调频用的同步加速器206、凸透镜105、输入窗口 49构成 激光输出光路。光学谐振腔与扩压器221相通，扩压器与构件η通联。导流器有排出气流 通道224，经构件1的气流通道226与构件ο的气室229的进口 227通联，ο的气室有出口 230与部件(B)排出气流通道232相通。导流室有输入气流通道238经ο的气流通道237 与部件(B)的输入气流通道235通联。部件“左热能交换器”是“气动激光器”的组合部件。图4是结构图，是图2的B-B 剖视图。由合金铝板、铜板或抗氧化钢板材料，卷制成平面螺旋形自内向外可视需要任意向 外延伸的双螺旋通道232、235，通道两端用挡板焊接密封。它包围中心结构体(乙)，呈环 状结构体。内侧通道232和外侧通道235焊接在构件ο的上端和下端，形成排出气流通道 232，输入气流通道235，排出气流通道的内端进口与构件ο中气室229的出口 230通联，外 端的出口经气室247由出口 248与气体分离器θ 2通联。输入气流通道235经外端气室250 由进口 249与外部计量氮气泵δ通联。输入气流通道内端出口与中心结构体(乙)中构 件1的气流通道237通联，又与238、241、244、243、39、45、40、41、197相互通联。环形结构 体外置有保温层251，部件(Α、Β)的中间置陶瓷泡沫保温材料252，保温层外面是环形真空 隔热器253，隔热器内抽成真空254，外层内壁设置有金箔或铝箔反射层255，和(A)同处横 轴线上一起固定在机座256上。由此与“气动激光器”一起构成“循环气动激光器”。室温氮气由外部计量氮气泵δ泵入“左热能交换器”中，在系统内的氮气通道中 逐渐加热为600 700°C，氮气流通道容积固定，温度增加，输入氮气量与压力成正比，压力 增大为15 20/atm。通过氮气通道184进入燃烧室185，室内一氧化碳气与氧气燃烧化学 反应产生1600 1700°C、15 20/amt 二氧化碳气体，氢气和氧气燃烧产生高温水气，混合
24后形成1700 1800°C、15 20kg f/cm2混合气流进入下气室198。气流混合中，氮分子受 热辐射光能激发、与燃烧化学反应中的成键分子碰撞传能，促使氮分子亚稳态能级储存大 量振动能。高温高压混合气流超声速通过喉道口 218进入膨胀腔219，气流温度、压力急剧 变化，形成了前述“能量转换器”中膨胀腔内的气体动力学效应，在光学谐振腔220中产生 10. 6微米激光输出。高温高压气流进入膨胀腔温度降低到320 350°C、压力降低到0. 1 0. 3atm,气流通过220进入扩压器221，将负压扩升为1. 0 1. Iatm,温度上升为800 900°C的混合气流，经过构件η的气流通道224进入部件(B)中构件ο的气流室229，由出口 230进入排出气流通道232，经过出口气室247由出口 248排出，与通道外壁的输入的室温 氮气交换热能，温度降低到35 45°C，进入气体分离器θ 2分离为N2气、CO2气、H2O水，分 别送入氮气储箱λ、二氧化碳气储箱μ、水储箱κ。储箱λ室温氮气通过计量氮气泵δ 从进口 249泵入气室250通过输入气流通道235，进入中心结构体氮气通道237、238、241、 244、243、172、173、45、39、40、41到达上气室197，氮气温度逐渐加热到650 7000C0由扩 压器221向外排出的高温气流，将热量传递给气流通道壁外的输入氮气，是一个逐渐降温 过程。室温氮气泵入输入气流通道235，吸收通道壁热量，是一个逐渐升温过程，由此处于强 制对流换热状态，热能交换效率可以达到80 85%。中心结构体是一个平均温度约900°C 的高温热体，由于氮气在激光工作物质中占75 85%，作为传能介质在气流中产生热能量 的循环，构成了 “能量循环气动激光器”。本实施例左边“气动激光器”输出的激光能量，是系统中红外激光化学反应的启动 能量和外界输入能量。大型的“分解水装置”采用“能量循环气动激光器”，能够充分利用 化学反应中的热能量，提高能量转换效率，达到减少外界能量输入目的。根据用途和使用方 式，也可以选用“电激励气动激光器”、“HF化学激光器”、“固体激光器”，输出与水分子简正 振动频率一致的巨脉冲激光能量，或者连续激光能量，作为外界输入能量从系统左边输入 光反应室。本发明装置的控制系统(H)是由信息处理中心操作的，图13是示意图。计量水泵 α工给出的水流量信息kg/Cm2/S，显示水气通道内水气温度。定容状态下的水气通道，增加 水的流量和温度，水气压力随之增大，因而也反应水气通道内水气压力。计量水泵α2给出 的水流量信息kg/cm2/s，反应(G)后反应室10水气温度、压力。计量水泵Ci3给出的水流 量信息kg/cm2/s，反应76、90、111、通道中冷却水温度。计量氢气泵PpY1给出的气体流 量信息m7Cm2/S，反应(G)后反应室10中水气温度、压力。计量氢气泵β 2、Y2给出的气体 流量信息m7Cm2/S，反应(G)前反应室9中水气温度、压力。计量二氧化碳气泵ε给出的 气体流量信息m7Cm2/S，反应(D)膨胀腔内气流中CO2分子的百分配比。计量氮气泵δ给 出的气体流量信息m7Cm2/S，反应(F)上气室197氮气温度，定容状态下的氮气通道，增加 氮气流量和温度，氮气压力随之增大，因而也反应氮气压力。计量氢气泵β3、氧气泵Υ3、 一氧化碳气泵ω给出的气体流量信息m7Cm2/S，反应(F)燃烧激励器185内燃气温度、压 力和N2、C02、H20分子百分配比。温度计^、ji2、Ji3给出35、21、198温度。C信息。压力计 口1、02、93给出35、21、198压力1^ f/cm2信息。(光频率计)给出的激光频率信息波数 /chTHHZ/S)。(光功率计)给出的输入激光功率信息kj/cm2。氢氧燃料电池输出电功率信 息kw/h。等相关信息输入到信息处理中心，通过预设的编制程序，对系统进行操作和控制。上述“部件”通过“构件”联接构成的系统装置。相互联接形成了输入物质流通道和产出物质流通道。一个处于系统中心的化学反应过程和能量产生过程的中心结构体，是 高温热源。它被“左、右热能交换器”中的输入、产出物质通道包围，构成了系统内部产出物 质流和输入物质流之间高低温热能交换，形成热能量内部循环。它达到了了两个目的(1) 利用化学反应中产出物质的热焓，通过高低温热能量交换，将液态水分解成为气态水分子， 相当于水在化学反应中的中间反应或预分解。(2)利用产出物质的热焓，通过高低温热能量 交换，能够使产出物质成为高温高压气流，利用气体动力学原理，将化学反应过程中产物分 子气流的动能和分子能级上的势能转换成为激光能，构成水气中激光化学反应中的分解能 量循环。上述热能量交换和能量循环，是无需外界能量输入的自然过程。化学反应中水的 分解、化合是可逆反应
2H/) 'ft料社《線* 2H2 + O2士 924. 7 k]/moV由于产出物质的热焓成为水中分子间氢键分解能量，转换的激光能量成为水分子 氢氧键分解能量，两能量相加，可占分解水需要能量的20 45%，减少了外界输入能量，使 产出物质的能量大于外界输入系统装置能量。即产出氢气、氧气物质能量的55 80%返输 入系统，满足激光化学分解反应能量需要和能量循环需要，剩余的是输出物质能量。达到水 输入系统装置，产出20 45%氢气、氧气目的。图1是系统能量循环、化学反应流程方框 图。
权利要求
一种分解水的方法，其特征是高温高压水气通过系统中心“分解反应器”中的光化学反应室，激光输入水气中，水分子吸收的光能量，达到光化学反应中的临界阈能或者离解阈能，在水气中产生红外激光化学反应，水分子分解、重构成键为氢氧分子气。产出的高温高压氢氧气流，通过“能量转换器”将气流的动能和分子能级间的势能转换成为激光能，经光路从右边输入反应室水气中，构成激光分解水分子能量循环。产出的氢氧气流通过“氢氧分离器”的磁场区，分离成为氢气流和氧气流。产出氢、氧气流的热焓，通过“右热能交换器”将热能量传导给输入的反应物质水，产出物质高温气流逐渐降低为室温气流排出系统，输入反应物质水流逐渐加热成为水分子气经通道进入反应室，达到产出的高温气流与输入的室温水流强制对流换热，构成系统装置中热能量循环。产出、储存的氢、氧气输入“气动激光器”，与输入的一氧化碳气一起构成激励能量，通过传能介质氮气与“左热能交换器”构成“循环气动激光器”，产出激光能量从左边输入反应室水气中，是红外激光化学反应的启动能量和外部输入能量。与右边输入的激光能量一起构成水分子分解能量，形成激光能量循环。产出、储存的氢、氧气输入“能量输入器”产生燃烧化学反应热能量，作为系统装置热能量循环的起动、调节能量，供给反应室初始高温水气，实现系统总能量循环。产出、储存的氢、氧气输入“氢氧燃料电池”，产出电能供给系统或者直接供给用户使用。产出、储存的氢、氧气返输入系统，满足系统内输入物质分解、能量循环的剩余是系统的输出物质能量，实现系统产出物质的能量大于输入系统的能量，达到输入水产出氢气和氧气的目的。
2.根据权利要求1所述“分解反应器”反应室中红外激光化学反应方法，其特征是水 分子简正振动频率是红外活性的，能够吸收红外光子。光波频率与水分子振动频率一致的 激光能量输入水气中，产生红外激光化学反应，水分子分解、重构成键为氢、氧分子。其方法是在“分解反应器”内反应室的水气进口处，设置激光辐射区，沿输入激光束方 向，进口宽度等于或略小于光束直径，输入水气通过激光束立体角辐射区时，水分子能够全 部受到辐射。反应室壁设置可以定期更换的插板，内表面附载钼粒催化剂。输入水气流温度 为650 750°C、压力为15 25kgf/cm2。输入气流中的光波频率为3802 3663/cnT1 (波 长2. 63 2. 73/微米)，对应水分子ν3、νι吸收光子在光谱上的强吸收带。根据“分解水系 统装置”的用途、产量、使用方式，有三种激光输入选用方式(1)超短巨脉冲激光输入光 波频率(频宽)与水分子简正振动频率v3、V1 一致，脉宽为纳秒 皮秒(10_9 10_12/秒) 脉冲激光。(2)超短巨脉冲激光输入激光的脉冲宽度与水分子振动频率v3、V1 一致，脉宽 为皮秒 飞秒(10_12 10_15/秒)脉冲激光。(3)连续激光(CW)输入光波频率(频宽) 与水分子简正振动频率v3、V1 一致。激光脉冲输入时，每个脉冲输入功率为0. 8 1. 2焦 耳/厘米2 (相当于平均功率1 6兆瓦/厘米2)，脉冲持续时间为250 600/纳秒(10_9/ 秒)。激光连续多模输出时，输入的功率为2 5kw/cm2。按照输入反应室水气流量kg/cm2/ s，选用激光输入方式和设计激光输入光束直径。水分子不对称伸缩振动V3特征频率是3756cm—1、对称伸缩振动V1特征频率是3657cm—1， 都是红外活性的，能够吸收红外光，光谱上显示出强吸收带。高温高压水气中水分子在低振 动能态时，当输入激光的光波频率与水分子简正振动频率一致时，水分子能够无碰撞地连 续吸收光子能量，注入分子振动能级的激光能量，其累积速度大于分子驰豫转移速度，大于 分子相互碰撞的间隔时间。与此同时，每个振动能级之中包含着许多密集的转动能级，这些 转动能级在激光场作用下会发生功率加宽，依靠这种密集的转动能级及功率加宽，低能级的非简谐性可以得到“补偿”，高振动能级由于3N-6个振动自由度(振动模)之间的相互作 用，不同频率(振-转)能级间相互重叠而形成一种“准连续态”，这种“准连续态”可以在 相当宽广的频率范围吸收光子而放弃共振吸收的要求。因此，低振动能态已经吸收了红外 光子的水分子，很容易通过这种“准连续态”继续吸收光子便不再受频率匹配的限制，相应 于各种能量的光子都可以吸收，在一个激光脉冲时间内吸收数个乃至数十个光子，由此在 反应室水气中产生红外激光化学反应。水分子吸收的光子能量达到临界阈值能量或者离解 阈值能量时，水分子在相互碰撞接近中，两负值的氧原子对称性匹配，波函数可最大重叠， 当能量近似时成健为氧分子。两正值波函数的氢原子对称性匹配，波函数可最大重叠，当能 量近似时成键为氢分子。负值波函数的氧原子与正值波函数的氢原子接近，对称性不匹配， 化合成为氢氧自由基，在光场中再次分解、重构成键为分子。在旧键断开新键生成的光化学 反应中，成键必须通过发射光子释放能量，能量降至最低态才能成为稳定结构分子。释放发 射的电子能态光子能使高能态水分子分解，产生光化学催化反应。分子受激发而驰豫时，在 能级间发射不同光波频率红外光子，形成辐射光场，产生光化学诱导反应。由此在水气中进 行红外激光化学反应，在反应室出口产出高温高压氢氧分子气流。反应室壁附载的钼粒催 化剂能够加速化学反应速率。
3.根据权利要求1所述“能量转换器”中能量转换方法，其特征是激光化学反应中，产 物分子能级之间的势能量，能够转换成为激光能量，循环进入激光化学反应中，成为输入水 物质分解能量。其方法是“能量转换器”是一个除激励装置外的“气动激光器”。反应室出口设置列阵 喷管，喷管之间中轴线设置“引射器”，内有二氧化碳气通道，外部输入通道的二氧化碳气经 出口进入膨胀腔。通道壁外有冷却水流通过。“引射器”两边与喷管之间的喉道，是高温高 压气流从反应室进入膨胀腔的通道。喷管体内有氮气流通道，外部输入通道的氮气经出口 进入反应室。紧临膨胀腔的光学谐振腔，有激光输出窗口，输出的激光经光路从右边进入光 化学反应室。650 750°C、15 25kg f/cm2水气流进入反应室受强激光辐射，产生红外激光化学反 应，水分子分解、重构成键为氢、氧分子气。强激光的输入使激光化学反应中气体热浴温度 上升到850 950°C。高温高压氢氧气流中，存在气流动能量和分子上下能级间势能量，能 够通过“能量转换器”将此动能量和势能量转换成为激光能量。反应室进行的红外激光化学反应，在旧键断开生成新键过程中，成键要释放出电子能 态光子，光子能量在可见光与紫外光区间。成键的氢、氧分子不断受到激发和驰豫，驰豫要 发射不同光频率红外光子，因此在反应室存在辐射光场。当氮气从反应室出口喷管处注入 反应室，氮分子会受到辐射光场中光子的辐射，能够将氮分子激励到(η = 1)亚稳态能级V1 上。处于高能态的氢、氧分子与氮分子碰撞，会将能量子碰撞转移到氮分子亚稳态能级V1 上，使氮分子亚稳态能级V1上储存大量振动能。高温高压混合气流超声速通过喉道，在出 口与“引射器”注入的二氧化碳气流混合进入膨胀腔，气流快速绝热膨胀使气体骤然冷却， 会在某一点突然冻结，高能级振动温度和平动温度在该点突然分离，使气体处于热力学非 平衡状态，气体参数急剧变化。由于输入冷却的CO2分子处于下能级10° 0、02° 0上，可 与氢分子或少量水分子碰撞产生去活化反应，能粒子被抽空到000基态能级。由于N2分子 力与0)2分子V1能级间隔排列相近，能量差(ΔΕ= IScnT1)很小，高振动量子数的N2分子和低能级的CO2分子近共振碰撞，使能量集合的量子数强烈耦合，相当于单一能级的作用， N2分子能级V1上的能粒子耦合转移到CO2分子00° 1能级上。使上能级的能粒子数持续得 到补充，下能级粒子数不断排空，实现CO2分子能级上粒子数反转分布。在上下能级间发射 光子，通过光学谐振腔产生光振荡和持续的受激辐射，在输出窗口产出激光，经过调Q、锁模 等光学器件产生巨脉冲激光输入反应室。或者经过稳频、倍频等光学器件以连续激光(CW) 输入反应室。构成激光能量循环。由此将高温高压气流中的动能量和成键分子上下能级间 的势能量转换成为激光能量。
4.根据权利要求1所述“氢氧分离器”中的氢氧气分离方法，其特征是水气中的激光 化学反应，自由能AG、焓ΔΗ状态函数的改变，化学反应方向随之改变，反应中分解与化合 是可逆的。因此，分解反应成键的产物分子气流，要维持正向化学反应方向离开反应室，将 气流中的氢氧分子分离。其方法是850 950°C、15 25kg f/cm2气流通过膨胀腔，温度降低到320 350°C、 气压降低为0. 1 0. 2/atm的气流，经光学谐振腔进入磁场区。由左右主永久磁铁，中间数 个副永久磁铁构成的N、S磁极，磁铁之间是气流通道，在气流的法向方向有磁力线通过构 成磁通回路。气流中需要分离的是氧分子。氢、氧分子在外磁场中存在不同磁性，氧分子 的磁矩不为零，是顺磁性物质，通过磁场区时会沿磁力线产生进动，在运动中偏向N磁极一 侧，经“导流器”进入氧气通道排出系统进入氧气储箱。氢、氮、二氧化碳分子的磁矩为零， 是抗磁性物质，通过磁场区时不受磁场约束，有反向进动的微小属性，在运动中偏向S磁极 一侧，经“导流器”进入氢气通道排出系统进入各自储箱。由此达到高温气流中氧气与氢气 分离目的。
5.根据权利要求1所述“右热能交换器”的热能量交换方法，其特征是水气中激光化 学反应产出的是高温氢、氧气流。由于氢气和氧气需要在室温条件下储存和使用。因此，产 出物质气流的热焓(热能量)，可以与输入物质水流产生热能量交换，使输入水流逐渐加热 为水分子气，成为水中分子之间氢键断开能量。热能量交换中，定容、定温条件下增加输入 水量，水气压力随之增大，能够成为高温高压水气流，进入反应室在激光化学反应中成为高 温高压气流，满足能量转换需要。其方法是一种金属导热板材卷制成的，自中心向外可视需要任意向外延伸的单螺旋 通道，通道两端焊接密封，成为外界输入水流通道，外部的进口与输入水泵通联，中心出口 经水气通道与“能量输入器”通联。水通道内排列若干导热氢气管和氧气管，是产出的氢、 氧高温气流输出通道，中心的进口与产出氢、氧气室通联，外部出口与各气体储箱通联。它 包围着系统中心化学反应区和能量产生装置的高温热源，其最外层有保温层和隔热装置。高温高压气流通过膨胀腔时的局部降温降压，是分子运动速度、容积突然变化产生的 气体动力学效应所致，由于化学反应区与外界没有能量和物质交换，按照能量、物质守恒原 理，通过膨胀腔前气流中的热焓与通过膨胀腔后气流中的热焓是等值的。化学反应区的高 温高压气流热焓，减去光学谐振腔能量输出对应的热焓，气流通过“氢氧分离器”进入“右热 能交换器”将恢复成为近700°C高温气流，进入氢气管和氧气管与管外通道中的水流强制对 流换热，逐渐降低成室温气流排出系统进入外部储箱。外部室温水泵入螺旋通道中进入中 心“能量输入器”，通道内由水包围的氢、氧气管，在管内与管外，通道内壁与外壁存在高低 温度差，室温水逐渐加热成为高温水分子气流，在系统中心高温热源区域继续得到热能量补允，通过“能量输入器”成为高温高压水气进入光化学反应室，由此达到热能量交换目的， 构成系统内部热能量循环。
6.根据权利要求1所述红外激光化学反应的启动能量和外部输入能量方法其特征 是“循环气动激光器”、“电激励气动激光器”、“HF化学激光器”、“固体激光器”产出的激光 能量，可以作为红外激光化学反应的启动能量和外部输入能量。实施例中采用的是“气动激 光器”与“左热能交换器”组成的“循环气动激光器”产出的激光能量。其方法是利用系统产出、储存的氢气和氧气，与一氧化碳气一起输入气动激光器，氧 气与一氧化碳气燃烧化学反应产生二氧化碳分子，作为激光器的激光介质。氧气与氢气燃 烧化学反应产生水分子，作为激光介质去活化反应催化剂。由于燃烧室二氧化碳分子激发 到高能态的能粒子驰豫时间很快，多数不能通过谐振腔进入光学谐振腔。利用氮分子第一 振动态(η = 1)是亚稳态能级、需要的激发能量小、能粒子驰豫时间慢、能够在能级上停留 储存的特点，与二氧化碳分子一起通过膨胀腔时，能够将能级上停留储存的能粒子，碰撞共 振转移到二氧化碳分子能级上。常态条件下，氮气是隋性气体，不与它种物质产生化学反 应，既可以作为热能量传热介质，又可以作为激光传能介质。气动激光器排出的高温气流热 焓，通过“左热能交换器”输出气流通道，将室温氮气泵入输入通道，在输出输入通道内产生 强制对流换热，排出的高温气流降低成为室温气流，泵入的氮气流加热成为高温气流经通 道进入燃烧室，使气动激光器排出气流的热焓得到循环利用，构成“循环气动激光器”。进入 燃烧室的氮分子受辐射光能激发、高能态分子碰撞传能，氮分子亚稳态能级V1能够储存大 量振动能，通过膨胀腔将能粒子共振转移到二氧化碳分子能级上，达到粒子数反转分布目 的，在上下能级间发射光子，在光学谐振腔产生光振荡和持续的受激辐射，在输出窗口产出 激光，输入光化学反应室水气中，成为红外激光化学反应启动能量和外界输入能量。
7.根据权利要求1所述“能量输入器”的能量输入方法，其特征是“热能交换器”将室 温水加热成为气态水分子，水中分子之间氢键断开，相当于水在化学反应中的中间反应或 者预分解。形成热能量交换的条件是要有初始能量，这个初始能量是“能量输入器”提供的。其方法是“能量输入器”由后反应室和前反应室组成，前后反应室的中心有氢、氧气喷 管，喷管口有点火器和钼催化剂棒，外部输入喷管的氢、氧气，在前后反应室燃烧化学反应， 产生中心温度达2600°C的氢氧气焰，将后反应室壁外部泵入的水雾气化为600°C水气，进 入前反应室继续受氢氧气焰加热，成为90(TC高温气流经通道进入反应室，通过“能量转换 器”、“氢氧分离器”，进入“右热能交换器”氢、氧气输出管道排出液态水。室温水泵入输入 通道，吸收热能量逐渐加热成为水气，定容、定温下水的输入量与气体压力成正比，因此，循 环进入“能量输入器”的水气流温度和压力能够逐渐升高，调节氢、氧气输入量，维持700°C、 20kg f/cm2气流温度和压力在“热能交换器”中的循环。输入启动激光能量，产生红外激光 化学反应，促使分解能量循环。此时，关闭外界水、氢气、氧气输入，系统装置能够正常运行。 外界输入的初始能量是系统储存能量，类似时钟弹簧储能。
8.根据权利要求1所述分解水的方法，提出了分解水的系统装置，其特征是系统装置 由㈧右热能交换器、⑶左热能交换器、(C)分解反应器、⑶能量转换器、(E)氢氧分离 器、(F)气动激光器、(G)能量输入器、(L)辅助系统、(H)控制系统部件组成。(A、B、C、D、 E、F、G)部件分别与构件(中墙体)a、(右端盖)b、(右前上体)C、(右后上体)d、(储气室 盖)e、(右前下体)f、右后下体)g、(气体分流器)h、(导流器)i、(左端盖)j、(左前体)5k、(左后体)1、(环体座盖)m、(导流窒)n、(傍流器)o、(右真空隔热器)r、(左真空隔热 器)P、(环状真空隔热器)q、(右真空隔热器盖)t、(左真空热器盖)s相互联接。其中q、 h、o装配在(A、B)上，t、s固定在q上。(A、B)与t、S、q之间置陶瓷泡沫隔热层，成为整体 (甲)固定在机座(256)上。(C、D、E、F、G)由构件 a、b、c、d、e、f、g、i、j、k、1、m、η 联结 成中心结构体(乙)。各构件有相互通联的水气通道和氮气通道，是高低温热能量交换和热 能量循环通道。也是联结各功能和构成各工作气室的结构体，是系统的高温热源，装配于整 体(甲)中，t、s分别固定在(乙)的两端，由此构成系统装置。
9.根据权利要求1、5、8所述热能量交换的“右热能交换器”(A)部件装置，其特征在于 由合金铝、铜板材、抗氧化钢板材(150)卷制成平面螺旋形、自内向外可视需要任意延伸的 单螺线通道(152)，呈环形结构体，它包围着中心结构体。通道的左右端部用封板(151)焊 接密封。通道内排列若干内纹或波纹铜管或合金铝管(153)，由定位架(155)固定在通道 内，由此构成管道内排出气流通道(145、154)和管道外输入水流通道(152)。水流通道外 端水室(158)的进口(157)与外部计量水泵(Ci1)通联，通道内端的出口与构件(h)水气 室进口(149)通联。管道(145)内端进口与构件(f)氢气室(144)相通，又经过气流通道 (142)与构件⑴的左气室(135)通联，外端出口与气室(161)相通，经出口 (162)与外部 吸气泵(H1)通联。管道(154)内端进口与构件(f)氧气室(141)相通，又经过气流通道 (139)与构件⑴右气室(133)通联，外端出口与气室(163)相通，经出口(164)与外部吸 气泵(η2)通联。环形结构体的外部设置陶瓷泡沫隔热层(165)，层的外部设置真空隔热器 (166)，中空的外层内壁设置金箔或铝箔反射层(168)。整个环形结构体支承在机座(256) 上。构件(h)中氧气流经通道(135)进入氧气室(141)，被分流进入各氧气管(154)经出 口(164)排出。构件(h)中混合气流经通道(133)进入氢气室(144)被分流进入各氢气管 (145)经出口(162)排出。水从外部进口(157)泵入水通道(152)进入中心导流器(h)水气 通道(136)。通道(135、133)处的产出物质是650 750°C高温气流，通过管道(154、145) 时逐渐降温，在出口(164、162)产出35 45°C气流。外部15 25°C水从进口(157)泵入 水通道(152)，在通道内逐渐加热，通过(h)水气通道(136)处被加热成为600 650°C水 气流。处于强制对流换热状态，换热效率为85 95%。
10.根据权利要求1、2、8所述的“分解反应器”(C)部件装置，其特征在于分解反应 器是进行红外激光化学反应的部件。由构件(a、b、c、d、e)组成的储气室(35)光反应室 (37)。构件(c、d、e)用高温合金材料K4002铸造，构件(c、d)与构件(e)由螺丝(32)联 接，左边与构件(a)由螺丝(33)联接，右边与构件(b)由螺丝(34)联接。外表面是装配平 面，内表面构形成为储气室(35)、气流入口(36)、光反应室(37)和气流出口喉道(84)。反 应室内壁设置可从外部更换的催化剂载体插板(56)，插板内表面用离子交换法附载钼粒催 化剂(55)，插板可通过构件(b)的绝热端盖(57)更换。构件(c)内部有氮气通道(39)，构 件(d)内部有氮气通道(45)，构件(e)内部有氮气通道(40)。(c)氮气通道的出口(44)与 (e)氮气通道的进口(31)通联，(c)氮气通道的进口与(a)氮气通道出口(173)通联。(d) 氮气通道的出口(43)与(e)氮气通道的进口(38)通联，进口与(a)氮气通道出口(172) 通联。(e)的氮气通道(40)经(a)的氮气通道(41)与部件(G)中上气室(197)通联。反 应室右边有激光输入窗口(50)和透镜(53)、输入光束(51)。左边有激光输入窗口(48)和 透镜(54)、输入光束(49)。储气室的水气进口(30)与部件(G)的水气流出口(29)通联。反应室出口与“能量转换器”(D)的列阵喷管(67)相通。储气室设置温度器(58)与外部 (Ji1)连接、压力器(59)与外部(P1)连接。
11.根据权利要求1、3、8所述“能量转换器”(D)部件装置，其特征在于“能量转换器” 紧临“分解反应器”，是将反应室内的高温高压气流的动能、成键分子上下能级间的势能，转 换成为激光能量的部件装置。由高温合金铜或不锈钢材料制造的喷管体(67)，用螺丝(68) 固定在构件(f、g)上。喷管体内有氮气通道(66)，进口与构件(g)内氮气通道(65)的出 口(64)通联，通道(65)的进口与构件(a)内氮气通道(213)的出口(212)通联。喷管体 氮气通道(66)有出口(88)与反应室(37)相通。两喷管体间中轴线设有合金铜或ZD3材 料制造的引射器(71)，固定在构件(f、g)上。引射器内有二氧化碳气通道(73)和冷却水 通道(76)，通道(73)有出口(72)与膨胀腔(86)相通，进口(70)与构件(f) 二氧化碳气通 道(74)通联，又通过进口(60)与外部计量二氧化碳气泵(ε )通联。冷却水通道(76)的 进口(75)与构件(g)内水通道(79)通联，(79)的进口(81)与外部计量水泵(α 3)通联。 水通道(76)的出口(77)与构件(f)水通道(82)通联，(82)的出口(83)与构件(a)水通 道(84)通联，经(84)的出口(93)与水气室(90)通联。左右喷管体与引射器(71)组合构 成喉道口(84)、气流混合室(85)、膨胀腔(86)构成单列喷管，由η个单列喷管组合成列阵 喷管(67)。与膨胀腔相邻的非稳定光学谐振腔(87)，由构件(f、g)腔壁、左反射镜(91)、 右输出窗口(97)构成。左边固定在构件(a)上，内设矩形凹球面反射镜(91)，与左边气动 激光器反射镜(92)背向构成整体(也可以分置)，镜体内设有冷却水室(90)，进口(93)与 构件(a)水通道(84)通联，出口(94)与左磁铁体冷却水通道(115)通联。反射镜中心有 小孔(110)与光电二极管(95)相通。镜前设有布儒斯特窗(96)。右输出窗口固定在构件 (b)上，输出窗口有矩形平面反射镜(97)、镜中心输出圆孔置凸球面透镜(98)、面向谐振腔 为双层，中间置饱和吸收介质。设有稳频器(99)、偏振器(100)、电光开关(101)、闸流管 (102)、λ/4波片(103)、高压回路(104)由此构成调Q、锁模、稳频输出窗口。在输出激光光 路(42)中，设有凸透镜(105)、倍频器(106)、90°度折射镜(107)、倍频器(108)、光放大器 (109)、输入窗口(50)。由此构成“能量转换器”装置及激光化学反应中的分解能量循环。
12.根据权利要求1、4、8所述“氢氧分离器”(E)部件装置，其特征在于“氢氧分离 器”是将反应室(37)产出的高温高压氢氧混合气流分离成为氢气流和氧气流的装置，紧临 光学谐振腔(87)。由Fe-Co系列合金永磁材料制造的左主磁铁(111)、右主磁铁(112)、副 磁铁(113)组成磁场区(114)。左主磁铁固定在构件(a)上，周围有冷却水通道(115)，进 口(116)与反射镜体冷却水室(90)的出口(94)通联，出口(117)与构件(a)内水气通道 (263)相通。在构件(b)内设置有右主磁铁(112)。左右主磁铁间设置有数个副磁铁(113)， 装配在构件(f、g)上，构成异性相斥至左向右磁通回路(114)，形成磁场区(122)，是产出气 流通道。副磁铁上端部设有非磁性材料铜制成的分流嘴(118)。由合金材料K419铸造的构 件“导流器”⑴，由螺丝(120)固定在构件(f、g)上。副磁铁与导流器的上平面间由隔板 (121)构成各独立磁室(122)，各磁室中的导流板(123)固定在可左右移动的轴(124)上， 通过外部微调氢、氧气流分流位置。导流器由三层气室组成，各气室外是水气流通道(136)。 导流板形成气流导向气室，一层是各磁室的左右导向气室，二层是导流器的前后气室，三层 是导流器的左右气室。一层的左向室(129)经二层的前气室(131)与三层的左气室(135) 相通。一层的右导向室(126)经二层的后气室(128)与三层的右气室(133)相通。左气室(135)经气流通道(142)的出口(143)与构件(f)的氢气室(144)通联。右气室(133)经 气流通道(139)的出口(140)与构件(f)的氧气室(141)通联。水气流通道(136)的进口 (125)与构件(f)的水气通道(146)通联，出口与构件(g)的水气通道(170)的进口(169) 通联。部件(G)水气通道有出口(171)与构件(a)水气通道(263)的进口(264)通联。由 此构成氢氧气流分离装置。
13.根据权利要求1、6、8所述“循环气动激光器” (F)部件装置，其特征在于红外激光 化学反应的启动能量和外部输入能量，是由“循环气动激光器”提供的。部件由燃烧激励器、 集流器、列阵喷管、非稳定光学谐振腔、光路，扩压器、“左热能交换器”(B)构成。高温材料 GH3170制造的集流器与构件k、l、a、j联接，构成上气室(197)和下气室(198)。上气室有 高温材料K419制造的燃烧激励器安装在集流器(182)上，可根据需要排列一到数个。燃烧 激励器为制造的方便由三层构成，上层的燃烧室(185)内中心的一氧化碳气喷口(174)与 气流通道(173)相通，由一氧化碳气管(175)与外部计量一氧化碳气泵(ω)通联。中层的 氧气流通道(176)，出口与喷口(174)周围的氧气喷口(177)相通，进口由氧气管(178)经 安全阀(179)与外部计量氧气泵(Y1)通联。下层是环氢气通道(186)，出口与燃烧室周围 的氢气喷口(180)相通，进口由氢气管(186)经安全阀(182)与外部计量氢气泵(β 3)通 联。其中铜材料的氢、氧气管外部置陶瓷泡沫隔热层(188)。上层与中层由螺丝(194)联 接，中层与下层由螺丝(195)联接构成燃烧激励器，通过螺丝(196)联接在集流器上。集流 器与燃烧激励器间有环形氮气通道(184)，有氮气进口(183)与上气室(197)相通，有出口 (186)与燃烧室相通。燃烧室设有点火器(208)。与燃烧室相邻的有气流混合室(187)，下 气室(198)设置有温度计(Ji2)和压力计(ρ2)。燃烧室外壁是储流室(190)，有水气进口 (189)与构件(a)水气室(262)的出口(192)通联。(190)左出口(191)与构件(1)的水 气通道(210)通联。(190)右出口(203)与构件(k)的水气通道(211)通联。(1)的出口 (201)、(k)的出(202)与构件(m)水气流通道(25)的进口(24)通联。上气室有氮气出口 (204)与(a)的氮气通道(209)通联，(209)与(213)相通由出口(212)与构件(g)的氮气 通道(65)通联。由高温合金铜或不锈钢制造的喷管(215)和由η个喷管组成的列阵喷管， 由螺丝(217)固定在(k、l上)，构成喉道(218)、膨胀腔(219)。喷管体内有冷却水气通道 (216)，进口与(1)水气通道出口(199)通联，出口与(k)水气通道进口(200)通联。与膨胀 腔相邻的非稳定光学谐振腔(220)，右边设置矩形凹球面反射镜(92)，镜中心有小孔(110) 与谐振腔相通，内设置光电二极管(95)。反射镜前设置布儒斯特窗(96)，左边设置有平面 反射镜(204)，中心的矩形凸透镜面向谐振腔为双层，中间设置饱合吸收介质构成光学谐振 腔(220)。由稳频器(99)、偏振器(100)、电光开关(101)、闸流阀(102)、λ /4波片(103)、 高压回路(104)构成调Q、稳频、锁模输出窗口，在光路(207)中有折射镜(107)、调频用的 同步加速器(206)、凸透镜(105)、输入窗口(49)构成激光输出光路。光学谐振腔与扩压器 (221相通)，扩压器与构件(η)通联。导流器(η)有排出气流通道(224)，经构件⑴的气 流通道(226)与构件(ο)的气室(229)的进口(227)通联，(ο)气室(229)经出口(230)与 部件(B)排出气流通道(232)相通。(232)外端气室(247)的出口(248)与外部气体分离 器(θ 2)通联。导流器(η)有输入气流通道(238)经(ο)的气流通道(237)与部件(B)的 输入气流通道(235)相通。(235)外端的气室(250)的进口(249)与外部计量氮气泵(δ ) 通联。
14.根据权利要求1、7、8所述“能量输入器”(G)的部件装置，其特征在于外部氢、氧 气燃料输入“能量输入器”燃烧化学反应，产生的热能量是系统“热能量循环”的起动能量。 由高温合金材料K214铸造的环体(1)，内嵌套GH3170材料制造的燃烧室套(2)，环体与室 套间有水室(3)，燃烧室的周围分布有水雾喷嘴(4)，水室由输入水通道(6)与外部计量水 泵(α2)通联。环体前部中心轴线设置有Κ214材料制造的喷燃器(7)，后部设置有由螺丝 (5)与环体联接的喷燃器(8)，构成前反应室(9)和后反应室(10)。喷燃器(7)的两边由翅 膀形连接件(28)焊接在环体内壁上，喷燃器中心有氧气喷嘴(11)和氢气喷嘴(12)，喷嘴口 设置有点火器(13)和钼催化剂棒(14)。喷燃器(7)的氧气喷嘴由氧气通道(15)经安全 阀(257)与外部计量氧气泵(Y2)通联，周围氢气喷嘴由氢气通道(16)经安全阀(258)与 外部计量氢气泵(β2)通联。喷燃器(8)的氧气喷嘴由氧气通道(17)经安全阀(259)与 外部计量氧气泵(Y1)通联，周围氢气喷嘴由氢气通道(18)经安全阀(260)与外部计量氢 气泵(P1)通联。环体(1)与水气管(20)构成环形水气通道(21)，与环体末端一起向内收 缩为气口(22)，过气口扩大为水气管(29)，经过构件(a)中水气管(30)与构件(e)储气室 (35)通联。环体与水气管装配在环体座(m)中，环体座由法蓝盘(52)固定在构件(ρ)上， 右边由螺丝(23)与构件(a)联接。环体座水气室(25)右进口(24)与构件(k)的水气通 道(210)的出口(211)通联、左进口(24)与构件⑴的水气通道(212)的出口(213)通联。 环体座右边氮气室(197)经构件(a)氮气通道(41)与构件(e)的氮气通道(40)通联，由 此构成“能量输入器”。
全文摘要
高温高压水气通过系统中心反应室，激光能量输入水气中，水分子吸收光能量产生红外激化学反应，分解、重构成键为氢氧分子。反应室出口产出的高温高压氢氧分子气流，分子能级间的势能量和气流中的动能量，通过“能量转换器”能够转换成为激光能量，输入水气中成为水分子分解能量，构成激光能量循环。产出气流通过“氢氧分离器”的磁场区，能够分离成为氢气流和氧气流。产出气流中的热焓，通过“热能交换器”将热能量传导给反应物质水流，产出通道中的高温气流，逐渐降低成为室温气流排出系统，外部泵入输入通道中的室温水流，逐渐加热成为高温高压水气流进入反应室，在产出与输入物质流中强制对流换热，构成热能量循环。使产出气流热焓成为水中氢键断键能量，提供高压水气流满足“能量转换”需要。热能量交换和循环的初始能量，是外界输入系统内的储存能量实现的。外界输入的激光能量是水气中激光化学反应的启动能量、持续反应的补充能量。化学反应中热能量交换得到的氢键断键能量，能量转换得到的水分子分解能量，是无需外界能量输入的自然过程。水中化学反应是可逆反应，在分解与化合中能量是等值的，由于能够在化学反应中自然得到氢键断键能量和分子分解能量，因此，在红外激光化学反应中，水分子需要外界输入的分解能量能够减少，使产出物质的能量大于输入物质分解反应能量。达到输入水产出氢气和氧气的目的。
文档编号C01B13/02GK101920934SQ20101015829
公开日2010年12月22日 申请日期2010年3月21日 优先权日2010年3月21日
发明者刘之政 申请人:刘之政