專利名稱:能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的制作方法
本發(fā)明涉及一種利用帶電粒子作為能量載體和在兩個或多個電極間產(chǎn)生電位差的方法及設(shè)備。
通常電能的產(chǎn)生是通過燃燒礦物燃料并將所釋放的能量轉(zhuǎn)換成驅(qū)動發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)運動。這種方法僅在大規(guī)模生產(chǎn)條件下才比較經(jīng)濟，缺點是能量轉(zhuǎn)換效率不高，要利用自然資源，并且產(chǎn)生可能導(dǎo)致環(huán)境嚴重污染的廢料，另一缺點是不能把電能直接輸送到機動車輛或船只上。
本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換方法對健康和環(huán)境無害，并且直接通過單級過程便可產(chǎn)生電能而無廢料，能量轉(zhuǎn)換總效率和能量對重量之比都高，因此非常適用于大多數(shù)固定的和可移動的場合。
利用電子與磁場的作用而做有用功的一種著名裝置稱為“電子迴旋(感應(yīng))加速器”，它包括一個位于形狀特殊的電磁鐵磁極之間的圓環(huán)形真空室。通過熱電離產(chǎn)生的電子攜帶大約50千電子伏特的初始靜電能量被注入該真空室。當磁場在其正半周期建立時便在環(huán)形空間產(chǎn)生電動勢，使電子加速并在磁場的互相作用下使電子沿拱形軌道運動。電子迴旋加速器與本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的主要區(qū)別在于前者的磁場必須在極短的時間內(nèi)增大上去以使電子獲得足夠的加速度，而后者的磁場基本上是不變的，并且電子向內(nèi)降落，放出本身的動能并將電荷賦予中心電極。
本發(fā)明旨在提出一種可移動的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。它含有一個永久磁鐵或者還附帶一個磁輻射的激勵源，其作用是將注入“真空”室(發(fā)電機的一部分)或在該室內(nèi)產(chǎn)生的帶電粒子所獲得的初始電子能量加以放大，這部分增大的能量可從粒子落附的靶電極上獲取。
相應(yīng)地，本發(fā)明提出一種如所附的權(quán)利要求
中所要求的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。
雖然本發(fā)明不受任何特定的操作原理的限制，但它基于這樣的事實在帶電粒子被迫在強度為H的磁場中移動徑向距離d(不論其實際軌跡如何)時，對粒子做的功等于H·d。對于一個攜帶電荷e和以速度V移動距離d的電子而言，作用于其上的總力等于向心力ΣH·e·V減去從相反方向施于電子的離心力ΣmV2γ-1。使中心電極的半徑適當大于平衡軌道，可將離心力減到最小，而將向心力提到最大，從而為使電荷移動到電極所做的功達到最大。
本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備(以下簡稱換能設(shè)備)所應(yīng)用的方法系以帶電粒子，如電子和/或離子作為電荷源。在一個低壓容器內(nèi)裝設(shè)兩個或多個電極。磁場按下面的說明橫向穿過此容器該磁場來源于永久磁鐵、電磁鐵或磁輻射源的磁場。外部能源被用來為帶電粒子提供初始能量，例如應(yīng)用加熱、電場加速或核輻射等。能量轉(zhuǎn)換方法是利用磁場使帶電粒子沿所需的軌道運動，直至與中心電極(陰極)碰撞為止。作用于粒子的功(為此陰極所達到的電位)正比于合成的磁場力及在該力作用下粒子行程的乘積。當粒子在容器內(nèi)運動要橫著穿過磁場，這就在粒子上產(chǎn)生力，該力正比于磁場強度、粒子的速度和粒子的電荷以及粒子軌跡與磁力線間入射角的正弦。此力含有圓周分量和向心分量，致使粒子沿螺旋形軌跡運動。
一個方向相反的離心力也作用于粒子上，其方向與向心磁力相反電極的電位與為克服離心力和陰極周圍由于電荷累積和電極間電位差的增大所形成的電場而對帶電粒子所需做的功成正比。當離心力與推斥力之和等于向心力時電極電位達最大值，此后不再有帶電粒子到達電極。電極的半徑?jīng)Q定中心電極和外電極間電壓的最小值當中心電極的半徑減小時(由于濺射或腐蝕)，離心力將增大，在磁場強度和粒子速度一定的情況下，這將使能夠到達中心電極的帶電粒子數(shù)減少，從而導(dǎo)致電極電位減小。對于一定的粒子動能，離子與較輕帶電粒子(如電子)間質(zhì)量的差異將導(dǎo)致離心力的不同。在磁場強度一定的情況下，當發(fā)電機應(yīng)用最強的磁場使離心力最小并使在此力作用下的粒子徑向行程最大時，發(fā)電機的輸出和效率達到最佳。應(yīng)該應(yīng)用電荷與質(zhì)量之比最高的的粒子。
當通過在容器內(nèi)部粒子碰撞和激勵進行電離時，可利用低壓氣體作為電荷源。注入的氣體可使氣體的原子/分子的電離能減至最小，從而提高效率。然而對于較重的離子而言，由于它們的速度較低，合成的磁力較小，致使高壓電極(陰極)所產(chǎn)生的電場可能吸收相反極性的帶電粒子(正離子)，結(jié)果使電極電荷減少，輸出電壓降低。有不少方法可以克服或減輕這種效應(yīng)。例如，一種方法是把相反極性的電荷分離開和/或應(yīng)用電壓偏置柵極來控制相反電荷向高壓電極的流動。
一般，氣體型設(shè)備比單純的電荷型設(shè)備復(fù)雜，可在較低電壓下發(fā)出較大的電流。而單純電荷型設(shè)備(例如用于高真空室的電子)可以產(chǎn)生比較高的電壓。
磁場可由一個或數(shù)個永久磁鐵和/或一個或數(shù)個電磁鐵產(chǎn)生。對于質(zhì)量和速度相同的粒子，固定的磁場產(chǎn)生不變的輸出電壓，變化的磁場則產(chǎn)生變化的電壓。
外部能源被用來加速帶電粒子以使它們獲得初始動能，當粒子與電極碰撞時，該動能以熱的形式釋放出來。當與電極間電壓的增加所相當?shù)哪芰看笥诠?yīng)帶電粒子并使之加速所需的能量時，能量轉(zhuǎn)換過程達到自持階段，輸出的能量就等于動能總損耗與所產(chǎn)生的能量之差。電荷從中心電極經(jīng)過外負載流向另一電極。所放出的電能(功)是電流(每秒鐘流過的電荷量之和)與電位差乘積的函數(shù)。電能和熱能的輸出可由下列變量進行控制磁場強度、粒子速度、粒子密度(平均自由行程)和/或裝入一個柵極來控制粒子到達中心電極的速率。輸出還與熱能的損耗量或增加量成正比，因為粒子的移動能與其溫度成正比。在電極上釋放的熱能可以返回粒子以保持其能量，亦可用于熱交換器供外部使用。發(fā)電機一般采用化學(xué)性能穩(wěn)定的導(dǎo)體材料，以防止氣體、冷卻劑等與電極、容器壁或其它結(jié)構(gòu)零件產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。配合專門的磁場便可應(yīng)用不同的粒子軌道、定向運動和沿軌道運行粒子的定位。低壓氣體可用適當方法電離。一種方法是使用電子/離子槍，其所注射的粒子的平面和方向要與所采用的磁場相適合。在氣體型設(shè)備中，通過外電路流動的電子一達到陽極，便與氣體離子復(fù)合，生成中性的氣體原子/分子。這種原子顆粒由于碰撞和/或電場的作用而很快再度電離，能量系直接或間接地取自作用于帶電粒子上的合力所做的功。
為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)利用實例參考所附的示意圖加以說明如下圖1示出了發(fā)電機的橫斷面示意圖;也示出了在能量轉(zhuǎn)換過程中粒子的運動軌跡。
圖2示出了一種體現(xiàn)本發(fā)明的原理并利用永久磁鐵的換能設(shè)備的軸向斷面圖，也示出了對離子向陰極的徒動起控制作用的柵極。
圖3示出了圖2設(shè)備沿A-A線的剖面圖。
圖4是一種電子型換能設(shè)備的斷面簡圖，也示出環(huán)形串接的電子源。
圖5是通過圖4中換能器更實際的實施方案的軸向剖視圖。
圖6是圖5沿Ⅵ-Ⅵ線的剖視圖。
圖7是沿一環(huán)狀大容量換能設(shè)備的直徑所作的剖視圖。
圖8是沿圖7的A-A線的剖視圖。
圖9是雙級換能設(shè)備的示意圖，該設(shè)備同時利用兩種形式的帶電粒子。
如圖1所示，帶電粒子沿軌跡2注入與圖面垂直的磁場中。磁場存在于圓筒形容器6的環(huán)狀截面空間4中，在粒子上產(chǎn)生一個與磁場本身及粒子運動方向都垂直的力。合成的向心力迫使粒子沿螺旋線8運動，直到終結(jié)于中心電極10為止，后者與外部的圓柱形電極12留有徑向間隔。粒子所獲得的多余能量是徑向運動距離和電極之間的磁場強度的函數(shù)。這部分能量在粒子與中心電極碰撞時以熱的形式和/或使電荷克服反電場到達電極而做功的形式釋放出來。在沒有中心電極10的情況下，電子將會沿平衡曲線3的軌道運動(這條線便是當離心力與向心力平衡時粒子運動的軌道)，結(jié)果是對電子不做功。
如圖2和圖3更詳細地表示，換能設(shè)備1主要由含有外圓筒形電極12的環(huán)狀容器6、內(nèi)圓筒形電極10和由電絕緣材料制成的兩個氣密性容器壁14所組成。在電極12上開有洞口22，電子槍20通過它可將電子注入空間4。另外，離子槍18可通過洞口16注入正電荷。
磁極24座落在容器6的主平面上。該磁極產(chǎn)生沿與容器6軸線平行的方向穿過空間4的均勻磁場80。磁鐵可以是陶瓷永久磁鐵，亦可是電磁鐵。無論何種情況，都可能提供調(diào)節(jié)磁場強度和裝置(圖中未示出)。
兩個電極由粗導(dǎo)線26連到接頭28，再在接頭間連接電阻性負載，以消耗發(fā)電機的輸出能量。
真空泵(圖內(nèi)未示出)的入口與容器6的內(nèi)部相連，使發(fā)電機的氣壓降低和保持在所需的負壓值。還有附屬于真空泵或單獨設(shè)置的用以保證機內(nèi)氣體具有所需成份的設(shè)備。例如一種可提高帶電粒子和氣體原子或分子之間電離碰撞機會的成份。含0.1%體積氬的氖氣便是這種合適的氣體。
為使發(fā)電機開始工作，必須先開動真空泵和激勵該粒子源或每一個粒子源。后者包括利用外部能源來加熱電阻絲，直到達到所需的內(nèi)能級(溫度)，它又使熱發(fā)射材料發(fā)射電子。如果以電子作電荷載體，它們將由適當?shù)碾妶黾铀?，并被注入空間4，在那里被電極間的徑向電場進一步加速，與此同時作用于電子的還有由其所通過的軸向磁場所產(chǎn)生的偏移力。
對于離子源而言，電子被加速直至與某些原子或分子碰撞而產(chǎn)生離子流，后者同樣被注入空間4。根據(jù)所示的極性，電子被吸引到中心電極，而離子則被吸引到外電極，這就是源18和20具有不同方向的原因。
通過電極附近或電極之間的任何一個氣體分子都將因碰撞和/或靜電場作用而電離。這時輸出電流可通過跨接在接頭28的負載阻抗而得到。阻抗要匹配，以免內(nèi)部過程能量降低到對于防止氣體原子再電離所需的數(shù)值以下。因為每一個離子都在陽極變成中性，氣體的原子便有不斷循環(huán)直到再度電離的趨勢，合力把離子(用實心圓圈表示)和電子(用空心圓圈表示)拉回其各自的軌道。
對于電子型換能設(shè)備，可以設(shè)想把容器抽真空到所選定的負壓并加以密封。
在圖4所示的本發(fā)明設(shè)備中，構(gòu)成環(huán)形電子源串29的每一個源都有一個電發(fā)射材料主體30，例如鍍銫的鉬，由與電源(圖中未示出)串聯(lián)或并聯(lián)的電阻絲32加熱。在每個發(fā)射體30的前面緊挨著放一個由細絲制成的柵極34，全部柵極都連接到電壓可調(diào)的電源上，以便控制發(fā)射體發(fā)射的電子流。這些電子經(jīng)過一個或數(shù)個加速電極36發(fā)射出去，沿電子運動路線就在這些電極上建立了電位差，因此，每一增長的電子源把具有已知動能的電子流注入虛線圓所表示的空間38中，偏移磁場由其中穿過，中心的靶電極40則位于其中。注入磁場中的電子流可由電場和/或磁場聚焦。
在其余的圖中，以上所介紹過的部分將保持同樣的含義。
在圖5所示的“平盤”式結(jié)構(gòu)中，環(huán)狀容器6由隔熱材料殼體42包住。中心電極10座落在絕緣子44上，后者為冷卻液管道45和輸出引線26所貫穿，輸出引線順著冷卻液管道伸出也可以達到冷卻的目的。
圖5表明偏移磁體通常是如何做成U形的，它含有兩個環(huán)狀磁塊48，這樣可在電極10的表面和環(huán)形電子源徑向最里的區(qū)域38之間形成均勻的磁場，電極36和發(fā)射面61之間的電場賦予電子初始加速度(動能)。
圖5還表明電壓如何被電阻負載40所分接(其功能相當于分壓器)并被饋送到加速電極36。
容器6也裝設(shè)兩個用以對電子進入空間38的運動方向施加影響的環(huán)狀磁鐵49(或環(huán)形串接增量磁鐵)。這些磁鐵產(chǎn)生局部磁場以保證電子沿切線方向即以零徑向速度與空間38的邊界相遇。
在圖7和圖8所示的本發(fā)明設(shè)備中，圖5和圖6所示的單個“平盤”式換能器被排列成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使磁場沿合成的環(huán)狀空間50的軸線延伸。環(huán)狀空間50為一連接著冷卻液管道52的環(huán)狀靶電極51所貫穿。圖8的剖視圖表明磁場是由繞在絕緣體55內(nèi)鐵心54上的線圈53產(chǎn)生的。
除掉電極對各種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備都是共同的這一事實外，每一種功能已分別敘述如前。顯然，向電子槍56的加熱器、電磁鐵(如果有的話)、加速電極和控制柵極供電的電源必須有足夠的容量，以便為“環(huán)狀”設(shè)備的運行提供必須的較大功率。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的尺寸和定位亦需作相應(yīng)的變化。但所有這些均是稱職工程師力所能及的，本發(fā)明說明書將不予以詳述。
如前所述，本發(fā)明的換能設(shè)備有兩種類型，即電子型和離子型。圖9示意性地表明如何把它們結(jié)合起來以發(fā)揮各自的特點。在圖9所示的二級發(fā)電設(shè)備中，第一級包括向分離器540提供電子與離子的混合帶電粒子的離子發(fā)生器520，而分離器則將電子提供給由與氣體電離型轉(zhuǎn)換器580并聯(lián)且密封的電子型轉(zhuǎn)換器560組成的第二級。
分離器540可利用粒子的不同質(zhì)量采取離心的方法來進行分離，例如利用圖1所示的換能裝置(不帶靶電極)，或者利用偏移電磁場或物理擴散方法，單獨用或綜合用均可。由于這些均非本發(fā)明的主要部分，下面不再詳述。
在圖6和圖8所示的發(fā)電機中，各粒子由磁場產(chǎn)生偏移并沿徑向加速，作用如前所述。
因為每一發(fā)電機都設(shè)計成在專門類型電荷載體條件下運行效率最佳，因而可進行優(yōu)化設(shè)計，以降低在電子和離子分別附落于各自的靶電極之前由于再結(jié)合所引起的能量消耗。因為電子型換能裝置以帶負電的電極為端點，離子型換能裝置則恰恰相反，從換能設(shè)備吸取能量的負載400跨接在兩個靶電極上。換能設(shè)備的另外兩個電極可以保持同電位(如連到一起)亦可任其電位浮動。
可以把發(fā)電機的輸出電壓和電流的范圍設(shè)計得很寬。小容量發(fā)電機體輕易移，因而可作交通工具的動力或輔助發(fā)電機。有多種結(jié)構(gòu)型式的電極和磁鐵結(jié)構(gòu)可資選用，發(fā)電機組可以串聯(lián)或并聯(lián)。在大容量設(shè)備中裝設(shè)冷卻套以防止過熱。發(fā)電機用隔熱套罩住，可降低熱耗，從而增加粒子速度。對于大容量發(fā)電機，可能需要對內(nèi)部電極提供強迫冷卻，比如將電極上的散熱片伸到適當?shù)母咚倮鋮s劑流體中。
盡管本發(fā)明的方法特別適合應(yīng)用外部電能，但必須認識到其它能源也可用來提供初始能的輸入，如太陽能和余熱亦屬可資應(yīng)用的能源之列。電荷的生成過程亦可用其它方法控制，包括一個或數(shù)個電壓偏置柵極，像在熱離子管中應(yīng)用的那樣。
權(quán)利要求
1.一種在電極間產(chǎn)生電位差的能量轉(zhuǎn)換方法，特點是預(yù)定極性的電荷載體橫向通過磁場，在載體上產(chǎn)生的合力使之沿一定軌道趨往第一個電極，該電極至少截獲部分載體而累集電荷，這樣便在第一和第二兩電極間形成電位差。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于該電位差對連接在電極間的負載供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的方法，其特征在于電荷載體包括電子或離子。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于具有相反極性的另一種電荷載體橫向通過磁場并聚集于第二個電極，以增大電位差。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的方法，其特征在于利用電壓偏置柵極來控制相反極性電荷載體向有關(guān)電極的徒動。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于電荷載體在進入磁場前同相反極性的電荷載體分離開來。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的方法，其特征在于把相反極性的電荷載體注入相應(yīng)的第二個磁場，使得每個磁場中相應(yīng)的第一電極間產(chǎn)生電位差。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1-5中任一權(quán)利要求
所述的方法，其特征在于該電荷載體被注入磁場。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的方法，其特征在于采用電場和/或磁場使載體加速的方法而產(chǎn)生注入能量。
10.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的方法，其特征在于應(yīng)用核輻射和/或加熱方法使載體獲得注入能量。
11.依據(jù)上述任一條權(quán)利要求
所述的方法，其特征在于磁場強度之大足以使電荷載體的內(nèi)能保持在使過程處于自持狀態(tài)所需的水平。
12.依據(jù)上述一條權(quán)利要求
所述的方法，其特征在于特點是直接或間接地利用所產(chǎn)生的輸出功率來維持電荷載體的生成和/或電極之間空間的溫度。
13.一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，其特點是有一個可供產(chǎn)生或輸入帶電粒子的容器，此容器含有兩個徑向隔離并與兩側(cè)壁作氣密性和絕緣性連接的電極，此設(shè)備還含有能夠產(chǎn)生與電極間電場相垂直的磁場的裝置以及使容器內(nèi)部保持一定負氣壓的裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，其特點是兩個電極均為圓筒形，其中內(nèi)電極的半徑大于在粒子平均速度和外加磁場強度下的平衡半徑。
15.根據(jù)權(quán)利要求
13或14所述的設(shè)備，其特點是外電極上至少有一個洞口，籍以將帶電粒子或電子沿所需軌道注入容器內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求
15的設(shè)備，其特點是每個洞口都與有關(guān)粒子的熱電離源相連。
17.根據(jù)權(quán)利要求
13的設(shè)備，其特點是容器是真空室。
專利摘要
本發(fā)明的設(shè)備利用磁場使帶電粒子沿徑向加速而飛往靶電極。粒子所增加的動能使粒子賦予靶電極的電能比初始所獲之能量大，這樣就使靶電極帶電。通過在靶極和另一低電位點或高電位點之間連接上負載即可將增加的能量從設(shè)備中取出。
文檔編號H02N3/00GK86101731SQ86101731
公開日1987年9月30日 申請日期1986年3月17日
發(fā)明者杰弗里·馬丁·斯彭斯 申請人:能源轉(zhuǎn)換信托公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan