能量转换设备的制作方法

专利名称:能量转换设备的制作方法
本发明涉及一种利用带电粒子作为能量载体和在两个或多个电极间产生电位差的方法及设备。
通常电能的产生是通过燃烧矿物燃料并将所释放的能量转换成驱动发电机的旋转运动。这种方法仅在大规模生产条件下才比较经济，缺点是能量转换效率不高，要利用自然资源，并且产生可能导致环境严重污染的废料，另一缺点是不能把电能直接输送到机动车辆或船只上。
本发明的能量转换方法对健康和环境无害，并且直接通过单级过程便可产生电能而无废料，能量转换总效率和能量对重量之比都高，因此非常适用于大多数固定的和可移动的场合。
利用电子与磁场的作用而做有用功的一种著名装置称为“电子迴旋(感应)加速器”，它包括一个位于形状特殊的电磁铁磁极之间的圆环形真空室。通过热电离产生的电子携带大约50千电子伏特的初始静电能量被注入该真空室。当磁场在其正半周期建立时便在环形空间产生电动势，使电子加速并在磁场的互相作用下使电子沿拱形轨道运动。电子迴旋加速器与本发明的能量转换设备的主要区别在于前者的磁场必须在极短的时间内增大上去以使电子获得足够的加速度，而后者的磁场基本上是不变的，并且电子向内降落，放出本身的动能并将电荷赋予中心电极。
本发明旨在提出一种可移动的能量转换设备。它含有一个永久磁铁或者还附带一个磁辐射的激励源，其作用是将注入“真空”室(发电机的一部分)或在该室内产生的带电粒子所获得的初始电子能量加以放大，这部分增大的能量可从粒子落附的靶电极上获取。
相应地，本发明提出一种如所附的权利要求
中所要求的能量转换设备。
虽然本发明不受任何特定的操作原理的限制，但它基于这样的事实在带电粒子被迫在强度为H的磁场中移动径向距离d(不论其实际轨迹如何)时，对粒子做的功等于H·d。对于一个携带电荷e和以速度V移动距离d的电子而言，作用于其上的总力等于向心力ΣH·e·V减去从相反方向施于电子的离心力ΣmV2γ-1。使中心电极的半径适当大于平衡轨道，可将离心力减到最小，而将向心力提到最大，从而为使电荷移动到电极所做的功达到最大。
本发明的能量转换设备(以下简称换能设备)所应用的方法系以带电粒子，如电子和/或离子作为电荷源。在一个低压容器内装设两个或多个电极。磁场按下面的说明横向穿过此容器该磁场来源于永久磁铁、电磁铁或磁辐射源的磁场。外部能源被用来为带电粒子提供初始能量，例如应用加热、电场加速或核辐射等。能量转换方法是利用磁场使带电粒子沿所需的轨道运动，直至与中心电极(阴极)碰撞为止。作用于粒子的功(为此阴极所达到的电位)正比于合成的磁场力及在该力作用下粒子行程的乘积。当粒子在容器内运动要横着穿过磁场，这就在粒子上产生力，该力正比于磁场强度、粒子的速度和粒子的电荷以及粒子轨迹与磁力线间入射角的正弦。此力含有圆周分量和向心分量，致使粒子沿螺旋形轨迹运动。
一个方向相反的离心力也作用于粒子上，其方向与向心磁力相反电极的电位与为克服离心力和阴极周围由于电荷累积和电极间电位差的增大所形成的电场而对带电粒子所需做的功成正比。当离心力与推斥力之和等于向心力时电极电位达最大值，此后不再有带电粒子到达电极。电极的半径决定中心电极和外电极间电压的最小值当中心电极的半径减小时(由于溅射或腐蚀)，离心力将增大，在磁场强度和粒子速度一定的情况下，这将使能够到达中心电极的带电粒子数减少，从而导致电极电位减小。对于一定的粒子动能，离子与较轻带电粒子(如电子)间质量的差异将导致离心力的不同。在磁场强度一定的情况下，当发电机应用最强的磁场使离心力最小并使在此力作用下的粒子径向行程最大时，发电机的输出和效率达到最佳。应该应用电荷与质量之比最高的的粒子。
当通过在容器内部粒子碰撞和激励进行电离时，可利用低压气体作为电荷源。注入的气体可使气体的原子/分子的电离能减至最小，从而提高效率。然而对于较重的离子而言，由于它们的速度较低，合成的磁力较小，致使高压电极(阴极)所产生的电场可能吸收相反极性的带电粒子(正离子)，结果使电极电荷减少，输出电压降低。有不少方法可以克服或减轻这种效应。例如，一种方法是把相反极性的电荷分离开和/或应用电压偏置栅极来控制相反电荷向高压电极的流动。
一般，气体型设备比单纯的电荷型设备复杂，可在较低电压下发出较大的电流。而单纯电荷型设备(例如用于高真空室的电子)可以产生比较高的电压。
磁场可由一个或数个永久磁铁和/或一个或数个电磁铁产生。对于质量和速度相同的粒子，固定的磁场产生不变的输出电压，变化的磁场则产生变化的电压。
外部能源被用来加速带电粒子以使它们获得初始动能，当粒子与电极碰撞时，该动能以热的形式释放出来。当与电极间电压的增加所相当的能量大于供应带电粒子并使之加速所需的能量时，能量转换过程达到自持阶段，输出的能量就等于动能总损耗与所产生的能量之差。电荷从中心电极经过外负载流向另一电极。所放出的电能(功)是电流(每秒钟流过的电荷量之和)与电位差乘积的函数。电能和热能的输出可由下列变量进行控制磁场强度、粒子速度、粒子密度(平均自由行程)和/或装入一个栅极来控制粒子到达中心电极的速率。输出还与热能的损耗量或增加量成正比，因为粒子的移动能与其温度成正比。在电极上释放的热能可以返回粒子以保持其能量，亦可用于热交换器供外部使用。发电机一般采用化学性能稳定的导体材料，以防止气体、冷却剂等与电极、容器壁或其它结构零件产生化学反应。配合专门的磁场便可应用不同的粒子轨道、定向运动和沿轨道运行粒子的定位。低压气体可用适当方法电离。一种方法是使用电子/离子枪，其所注射的粒子的平面和方向要与所采用的磁场相适合。在气体型设备中，通过外电路流动的电子一达到阳极，便与气体离子复合，生成中性的气体原子/分子。这种原子颗粒由于碰撞和/或电场的作用而很快再度电离，能量系直接或间接地取自作用于带电粒子上的合力所做的功。
为了更好地理解本发明，现利用实例参考所附的示意图加以说明如下图1示出了发电机的横断面示意图;也示出了在能量转换过程中粒子的运动轨迹。
图2示出了一种体现本发明的原理并利用永久磁铁的换能设备的轴向断面图，也示出了对离子向阴极的徒动起控制作用的栅极。
图3示出了图2设备沿A-A线的剖面图。
图4是一种电子型换能设备的断面简图，也示出环形串接的电子源。
图5是通过图4中换能器更实际的实施方案的轴向剖视图。
图6是图5沿Ⅵ-Ⅵ线的剖视图。
图7是沿一环状大容量换能设备的直径所作的剖视图。
图8是沿图7的A-A线的剖视图。
图9是双级换能设备的示意图，该设备同时利用两种形式的带电粒子。
如图1所示，带电粒子沿轨迹2注入与图面垂直的磁场中。磁场存在于圆筒形容器6的环状截面空间4中，在粒子上产生一个与磁场本身及粒子运动方向都垂直的力。合成的向心力迫使粒子沿螺旋线8运动，直到终结于中心电极10为止，后者与外部的圆柱形电极12留有径向间隔。粒子所获得的多余能量是径向运动距离和电极之间的磁场强度的函数。这部分能量在粒子与中心电极碰撞时以热的形式和/或使电荷克服反电场到达电极而做功的形式释放出来。在没有中心电极10的情况下，电子将会沿平衡曲线3的轨道运动(这条线便是当离心力与向心力平衡时粒子运动的轨道)，结果是对电子不做功。
如图2和图3更详细地表示，换能设备1主要由含有外圆筒形电极12的环状容器6、内圆筒形电极10和由电绝缘材料制成的两个气密性容器壁14所组成。在电极12上开有洞口22，电子枪20通过它可将电子注入空间4。另外，离子枪18可通过洞口16注入正电荷。
磁极24座落在容器6的主平面上。该磁极产生沿与容器6轴线平行的方向穿过空间4的均匀磁场80。磁铁可以是陶瓷永久磁铁，亦可是电磁铁。无论何种情况，都可能提供调节磁场强度和装置(图中未示出)。
两个电极由粗导线26连到接头28，再在接头间连接电阻性负载，以消耗发电机的输出能量。
真空泵(图内未示出)的入口与容器6的内部相连，使发电机的气压降低和保持在所需的负压值。还有附属于真空泵或单独设置的用以保证机内气体具有所需成份的设备。例如一种可提高带电粒子和气体原子或分子之间电离碰撞机会的成份。含0.1%体积氩的氖气便是这种合适的气体。
为使发电机开始工作，必须先开动真空泵和激励该粒子源或每一个粒子源。后者包括利用外部能源来加热电阻丝，直到达到所需的内能级(温度)，它又使热发射材料发射电子。如果以电子作电荷载体，它们将由适当的电场加速，并被注入空间4，在那里被电极间的径向电场进一步加速，与此同时作用于电子的还有由其所通过的轴向磁场所产生的偏移力。
对于离子源而言，电子被加速直至与某些原子或分子碰撞而产生离子流，后者同样被注入空间4。根据所示的极性，电子被吸引到中心电极，而离子则被吸引到外电极，这就是源18和20具有不同方向的原因。
通过电极附近或电极之间的任何一个气体分子都将因碰撞和/或静电场作用而电离。这时输出电流可通过跨接在接头28的负载阻抗而得到。阻抗要匹配，以免内部过程能量降低到对于防止气体原子再电离所需的数值以下。因为每一个离子都在阳极变成中性，气体的原子便有不断循环直到再度电离的趋势，合力把离子(用实心圆圈表示)和电子(用空心圆圈表示)拉回其各自的轨道。
对于电子型换能设备，可以设想把容器抽真空到所选定的负压并加以密封。
在图4所示的本发明设备中，构成环形电子源串29的每一个源都有一个电发射材料主体30，例如镀铯的钼，由与电源(图中未示出)串联或并联的电阻丝32加热。在每个发射体30的前面紧挨着放一个由细丝制成的栅极34，全部栅极都连接到电压可调的电源上，以便控制发射体发射的电子流。这些电子经过一个或数个加速电极36发射出去，沿电子运动路线就在这些电极上建立了电位差，因此，每一增长的电子源把具有已知动能的电子流注入虚线圆所表示的空间38中，偏移磁场由其中穿过，中心的靶电极40则位于其中。注入磁场中的电子流可由电场和/或磁场聚焦。
在其余的图中，以上所介绍过的部分将保持同样的含义。
在图5所示的“平盘”式结构中，环状容器6由隔热材料壳体42包住。中心电极10座落在绝缘子44上，后者为冷却液管道45和输出引线26所贯穿，输出引线顺着冷却液管道伸出也可以达到冷却的目的。
图5表明偏移磁体通常是如何做成U形的，它含有两个环状磁块48，这样可在电极10的表面和环形电子源径向最里的区域38之间形成均匀的磁场，电极36和发射面61之间的电场赋予电子初始加速度(动能)。
图5还表明电压如何被电阻负载40所分接(其功能相当于分压器)并被馈送到加速电极36。
容器6也装设两个用以对电子进入空间38的运动方向施加影响的环状磁铁49(或环形串接增量磁铁)。这些磁铁产生局部磁场以保证电子沿切线方向即以零径向速度与空间38的边界相遇。
在图7和图8所示的本发明设备中，图5和图6所示的单个“平盘”式换能器被排列成环状结构，使磁场沿合成的环状空间50的轴线延伸。环状空间50为一连接着冷却液管道52的环状靶电极51所贯穿。图8的剖视图表明磁场是由绕在绝缘体55内铁心54上的线圈53产生的。
除掉电极对各种能量转换设备都是共同的这一事实外，每一种功能已分别叙述如前。显然，向电子枪56的加热器、电磁铁(如果有的话)、加速电极和控制栅极供电的电源必须有足够的容量，以便为“环状”设备的运行提供必须的较大功率。这种复杂结构的尺寸和定位亦需作相应的变化。但所有这些均是称职工程师力所能及的，本发明说明书将不予以详述。
如前所述，本发明的换能设备有两种类型，即电子型和离子型。图9示意性地表明如何把它们结合起来以发挥各自的特点。在图9所示的二级发电设备中，第一级包括向分离器540提供电子与离子的混合带电粒子的离子发生器520，而分离器则将电子提供给由与气体电离型转换器580并联且密封的电子型转换器560组成的第二级。
分离器540可利用粒子的不同质量采取离心的方法来进行分离，例如利用图1所示的换能装置(不带靶电极)，或者利用偏移电磁场或物理扩散方法，单独用或综合用均可。由于这些均非本发明的主要部分，下面不再详述。
在图6和图8所示的发电机中，各粒子由磁场产生偏移并沿径向加速，作用如前所述。
因为每一发电机都设计成在专门类型电荷载体条件下运行效率最佳，因而可进行优化设计，以降低在电子和离子分别附落于各自的靶电极之前由于再结合所引起的能量消耗。因为电子型换能装置以带负电的电极为端点，离子型换能装置则恰恰相反，从换能设备吸取能量的负载400跨接在两个靶电极上。换能设备的另外两个电极可以保持同电位(如连到一起)亦可任其电位浮动。
可以把发电机的输出电压和电流的范围设计得很宽。小容量发电机体轻易移，因而可作交通工具的动力或辅助发电机。有多种结构型式的电极和磁铁结构可资选用，发电机组可以串联或并联。在大容量设备中装设冷却套以防止过热。发电机用隔热套罩住，可降低热耗，从而增加粒子速度。对于大容量发电机，可能需要对内部电极提供强迫冷却，比如将电极上的散热片伸到适当的高速冷却剂流体中。
尽管本发明的方法特别适合应用外部电能，但必须认识到其它能源也可用来提供初始能的输入，如太阳能和余热亦属可资应用的能源之列。电荷的生成过程亦可用其它方法控制，包括一个或数个电压偏置栅极，像在热离子管中应用的那样。
权利要求
1.一种在电极间产生电位差的能量转换方法，特点是预定极性的电荷载体横向通过磁场，在载体上产生的合力使之沿一定轨道趋往第一个电极，该电极至少截获部分载体而累集电荷，这样便在第一和第二两电极间形成电位差。
2.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于该电位差对连接在电极间的负载供电。
3.根据权利要求
1或2所述的方法，其特征在于电荷载体包括电子或离子。
4.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于具有相反极性的另一种电荷载体横向通过磁场并聚集于第二个电极，以增大电位差。
5.根据权利要求
4所述的方法，其特征在于利用电压偏置栅极来控制相反极性电荷载体向有关电极的徒动。
6.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于电荷载体在进入磁场前同相反极性的电荷载体分离开来。
7.根据权利要求
6所述的方法，其特征在于把相反极性的电荷载体注入相应的第二个磁场，使得每个磁场中相应的第一电极间产生电位差。
8.根据权利要求
1-5中任一权利要求
所述的方法，其特征在于该电荷载体被注入磁场。
9.根据权利要求
8所述的方法，其特征在于采用电场和/或磁场使载体加速的方法而产生注入能量。
10.根据权利要求
8所述的方法，其特征在于应用核辐射和/或加热方法使载体获得注入能量。
11.依据上述任一条权利要求
所述的方法，其特征在于磁场强度之大足以使电荷载体的内能保持在使过程处于自持状态所需的水平。
12.依据上述一条权利要求
所述的方法，其特征在于特点是直接或间接地利用所产生的输出功率来维持电荷载体的生成和/或电极之间空间的温度。
13.一种能量转换设备，其特点是有一个可供产生或输入带电粒子的容器，此容器含有两个径向隔离并与两侧壁作气密性和绝缘性连接的电极，此设备还含有能够产生与电极间电场相垂直的磁场的装置以及使容器内部保持一定负气压的装置。
14.根据权利要求
13所述的能量转换设备，其特点是两个电极均为圆筒形，其中内电极的半径大于在粒子平均速度和外加磁场强度下的平衡半径。
15.根据权利要求
13或14所述的设备，其特点是外电极上至少有一个洞口，籍以将带电粒子或电子沿所需轨道注入容器内。
16.根据权利要求
15的设备，其特点是每个洞口都与有关粒子的热电离源相连。
17.根据权利要求
13的设备，其特点是容器是真空室。
专利摘要
本发明的设备利用磁场使带电粒子沿径向加速而飞往靶电极。粒子所增加的动能使粒子赋予靶电极的电能比初始所获之能量大，这样就使靶电极带电。通过在靶极和另一低电位点或高电位点之间连接上负载即可将增加的能量从设备中取出。
文档编号H02N3/00GK86101731SQ86101731
公开日1987年9月30日 申请日期1986年3月17日
发明者杰弗里·马丁·斯彭斯 申请人:能源转换信托公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan