專利名稱：產(chǎn)生熱能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生熱能的方法，其中通過輸入電能使能夠?qū)崿F(xiàn)聚變過程的輕質(zhì)原材料離解、電離并且然后使該物質(zhì)聚變。

背景技術(shù)：
由EP 0 919 317 A1公開了一種用于借助等離子弧來產(chǎn)生火焰的方法，其中通過輸入電能使水蒸氣離解成氫氣與氧氣并且然后使氫氣電離，并且該方法被用于對金屬進行熱處理。在該方法中通過噴嘴使水蒸氣進入電極室之中，并且在那里然后通過輸入電能引燃等離子弧。在商業(yè)上通用的基于這種方法的設(shè)備中，通過能夠以常規(guī)的電源電壓工作的饋電設(shè)備向手槍形等離子燃燒器提供電能。在燃燒器管的內(nèi)部，在陽極噴嘴與陰極之間引燃電弧，該電弧將位于那里的水首先轉(zhuǎn)化為蒸汽狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)化為等離子態(tài)。水分子在此情況下被離解并且成分被電離，并且作為等離子束在自然形成的壓力下從燃燒器噴嘴射出。借助這種等離子束可以切割、焊接、焊料焊接金屬并且可以進行其它熱處理。
該設(shè)備原則上適合于利用激光束的質(zhì)量對任何不可燃的包括高合金不銹鋼、鋁、鈦、磚、混凝土、陶瓷在內(nèi)的材料進行處理。
在EP 463 089 B1中，通過借助電解將氘原子置于具有晶體結(jié)構(gòu)的晶格材料中來描述所謂的冷聚變，該晶體結(jié)構(gòu)能夠在這種晶體結(jié)構(gòu)中通過核聚變產(chǎn)生過剩熱，而不破壞晶格材料。在該文獻(xiàn)中，然而結(jié)合電解描述了在各種原材料與反應(yīng)材料的情況下的物理過程。那里所描述的過程在以往也有其他人進行過科學(xué)研究，因此屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的標(biāo)準(zhǔn)知識。
根據(jù)該建議，同時進行了各種各樣的試驗和建議，但總的看來，迄今沒有建議能夠以如下形式來實現(xiàn)，即該建議作為代替可供一般情況使用，在該一般情況下迄今為止的諸如燃?xì)?、油、煤或鈾之類的用于能量產(chǎn)生的各種應(yīng)用情況的主要能量載體用于直接的發(fā)熱、發(fā)電或機械驅(qū)動等等。這在大型設(shè)備的情況下以及在較小的設(shè)備的情況下都不用于家用。


發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明所基于的任務(wù)在于建議一種方法，利用該方法可以在應(yīng)用冷聚變的情況下在小而緊湊的單元中也產(chǎn)生過剩熱量。
該任務(wù)根據(jù)本發(fā)明通過具有獨立權(quán)利要求的特征的方法加以解決。其它的有利的擴展方案可以由從屬權(quán)利要求獲悉。
根據(jù)本發(fā)明，為了產(chǎn)生熱能，使用位于陰極和陽極之間的等離子弧(在該等離子弧的情況下可調(diào)換極性)，在該等離子弧中通過輸入電能使合適的能夠?qū)崿F(xiàn)聚變過程的輕質(zhì)原材料進入等離子態(tài)。為此使用由金屬制成的陰極，該金屬適合于使在等離子體內(nèi)所產(chǎn)生的粒子擴散，并且能夠在金屬晶格中實現(xiàn)聚變過程。
通常借助電能來維持位于電極之間的等離子弧。在包含核聚變所需的原材料、諸如氫、氘或氚原子或者其離子以及鋰原子和離子的材料組成的氛圍內(nèi)維持等離子弧。作為原始物質(zhì)，在此可以是具有天然同位素的簡單的水，或者為了提高效率，也可以是重水、氘化水、氚化水和/或與普通水的混合物?？梢詫⑺璧妮p質(zhì)原材料作為這樣的原材料以固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)形式提供，然后置于等離子弧的附近。以氣態(tài)形式可以直接被吹入，以液態(tài)形式，則需要例如直接通過等離子弧的熱量的汽化的中間步驟。在等離子弧中，這些粒子被置于等離子態(tài)，并且通過以位于3A之上的相應(yīng)的電流強度驅(qū)動而以足夠的量產(chǎn)生，以便能夠朝著陰極方向?qū)崿F(xiàn)合適的(H+，D+，T+，Li+...且非O+或N+)離子流?？梢云诖?，離子在經(jīng)歷陰極電壓降之后以確定的沖擊能量擊中陰極，并且陰極上的離子密度非常高。
為了尤其能夠出現(xiàn)熱量過剩，由具有金屬晶格的材料來制造陰極，這種金屬晶格能夠?qū)崿F(xiàn)聚變過程。在此，陰極可以完全由這種材料制成，或者也可以僅僅具有相應(yīng)的涂層。元素周期表的IIX族和IVA族的金屬及其合金基本上均為適合于此的材料。在此情況下尤其涉及鈀、鐵、鈷、鎳、釕、銠、鋨、銥、鈦、鋯、鉿及其合金。朝陰極運動的粒子擴散到陰極材料的晶格中，并且在那里引起在文獻(xiàn)中所描述的核聚變過程，在該核聚變過程中產(chǎn)生過剩熱量。該過剩熱量可以通過專業(yè)人士常用的極大不同的方式、例如以最簡單的形式通過借助液態(tài)介質(zhì)運走熱量來排出，以便該熱量于是可以直接或間接地以各種方式被轉(zhuǎn)化成其它能量形式、例如電能或機械能。
陰極材料鈀已經(jīng)證明是特別優(yōu)選的，該陰極材料由于其與其它給定材料相比5.6eV的高的電子逸出功而特別好地適合。在對陰極進行相應(yīng)冷卻的情況下，可以由此更容易防止由在陰極上出現(xiàn)的熱所產(chǎn)生的電子流經(jīng)過等離子弧，因為該電子流無助于熱量產(chǎn)生過程或更容易阻礙熱量產(chǎn)生過程，因為由此不出現(xiàn)或阻礙用于在陰極中觸發(fā)核聚變的朝陰極方向所期望的粒子流。為了使用其它材料達(dá)到類似效果，由于逸出功較小，需要明顯更高的冷卻花費，以便防止來自陰極的不受歡迎的電極流，或者將該電極流保持盡可能小。
陰極的形狀和體積以及流過陰極的電流密度決定在給定電勢下能夠在金屬內(nèi)產(chǎn)生的熱量。陽極同樣可以敷有上述材料之一或者由這些材料制成，然而為此使用任意的合適的導(dǎo)電材料、例如鉑、鎳、碳或者銅看來足夠了，該導(dǎo)電材料自身不與過程的組分反應(yīng)，以便防止不受歡迎的反應(yīng)的形成。應(yīng)力求用于等離子體與陰極大面積相互作用的有利的陽極配置。
根據(jù)另一種優(yōu)選的改進方案，對等離子體施加電流脈沖。該電流脈沖可以替代持續(xù)電流或者除了該持續(xù)電流之外被施加，并且引起電流以及因此等離子弧的溫度的短時間的劇烈提高，使得期望的粒子以更大的量被產(chǎn)生并且由此引起某一規(guī)模的朝陰極方向的上述粒子流，該粒子流然后與陰極材料產(chǎn)生核聚變，該核聚變產(chǎn)生比驅(qū)動等離子弧所需的熱能更多的熱能。根據(jù)驅(qū)動電弧所利用的電流強度，脈沖可以在微秒至秒的范圍內(nèi)持續(xù)。例如在鈀的情況下，為了產(chǎn)生所需溫度，電流脈沖可以在短時間、例如1微秒內(nèi)為60A的電流強度。視電流強度與脈沖持續(xù)時間而定，可產(chǎn)生許多氫離子同位素(H+，D+，T+，...)或者其它合適的離子(Li+)，這些離子隨后可供聚變過程使用，其中當(dāng)然必須選擇電流強度，使得陰極材料不被破壞。利用電流脈沖產(chǎn)生三種作用一方面用于產(chǎn)生D+、T+粒子的上述的短時間的加熱，另一方面阻止以不受歡迎的電子流對熱惰性陰極材料過于強烈地加熱，并且另外增加聚變過程，因為這些聚變過程在鈀晶體中在固體和等離子體內(nèi)的高電流、快速的電流變化以及由此引起的快速的(微秒范圍的)電勢變化的情況下是特別有效的。
根據(jù)本方法的另一改進方案，可以在每時間單位足夠多的數(shù)目的電流脈沖替代持續(xù)電流的情況下驅(qū)動等離子弧。在此情況下，頻率應(yīng)是高的，使得電弧等離子體在前一個脈沖的余暉中已經(jīng)得到下一個脈沖，以便能夠在沒有持續(xù)工作電壓的情況下實現(xiàn)該驅(qū)動。
根據(jù)一種優(yōu)選的改進方案，通過給電容器充電的高壓電源部分和開關(guān)火花隙來產(chǎn)生電流脈沖，其中優(yōu)選地使用電容充分高的電容器，以便在所需的脈沖最小時間上維持所需的最小脈沖強度。
此外，可以有利地將高頻(HF)形式的附加的能量耦合輸入疊加在等離子弧上。如果在相應(yīng)的氫同位素或者其它適合于聚變的同位素的離子等離子體頻率ωpi(i＝H+，D+，T+)的情況下進行高頻耦合輸入，則能夠有目的地提高其能量，以便有利地影響聚變過程。如果選擇所施加的高頻場的頻率ωHF，使得其低于相應(yīng)的離子等離子體頻率ωpi，則可以在等離子體和陰極表面之間產(chǎn)生高頻邊界層，該邊界層能夠以幾百eV至1000eV的離子能量實現(xiàn)對陰極鈀表面的高能離子轟擊，并且加強聚變過程。固有的電勢變化過程、例如等離子噴槍的固有的高頻的鋸齒模式同樣適合于邊界層的構(gòu)造。
有利地通過存在于等離子體和固體內(nèi)的所有電勢比的微秒范圍內(nèi)的高頻快速變化來影響聚變過程。這可以通過外部施加的電勢而發(fā)生，或者通過固有的電勢變化過程、例如等離子噴槍的固有的高頻的鋸齒模式)而發(fā)生。
如果高能氫同位素離子的碰撞的次序以及(固體和等離子體內(nèi)的)電勢比的微秒范圍內(nèi)的快速變化存在確定的時間關(guān)系，尤其當(dāng)幾乎同時發(fā)生事件時，則聚變過程變得特別有效。
根據(jù)另一種改進方案，可以首先將確定的氫同位素順序地加載給優(yōu)選地由鈀構(gòu)成的陰極，然后用另一種適合于聚變的同位素來轟擊陰極，以便例如有目的地觸發(fā)諸如D-D或者D-T之類的特殊反應(yīng)。
利用其優(yōu)選的改進方案對陰極材料進行冷卻。這可以通過相應(yīng)地冷卻材料(只要該材料僅位于表面上)，或者通過對整個陰極進行冷卻來實現(xiàn)。因此例如可以通過原材料來冷卻陰極，該原材料然后被汽化并且被置于等離子體中。同樣可以對陰極進行主動冷卻，并且以其它方式將原材料引入等離子體中。如果將陰極保持在低的最佳溫度，則聚變過程在此情況下變得特別有效。優(yōu)選地調(diào)節(jié)來自陰極材料的電子流的條件，使得電子流變得最小。這可以通過選擇相應(yīng)的材料、例如優(yōu)選地鈀或者其它適合于聚變的且具有盡可能高的逸出功和相應(yīng)的冷卻的材料來實現(xiàn)。
如已經(jīng)提及的，可以以專業(yè)人士常用的多種方式來實現(xiàn)過剩能量的排出。



唯一的圖示出用來實施本方法的示例性裝置的原理構(gòu)造，其中這里以火焰的形式排出過剩能量。

具體實施例方式 燃燒室1具有通過隔離體9相互隔離的陽極3和陰極4，適合于此的介質(zhì)、諸如水蒸氣位于該燃燒室中。一般從文獻(xiàn)中已知，必須將水蒸氣螺旋式地引入燃燒室1中，以便穩(wěn)定等離子弧。陽極3具有出口噴嘴2，用于由等離子弧10所產(chǎn)生的火焰。出口噴嘴可以根據(jù)應(yīng)用具有合適的構(gòu)造(例如拉瓦爾噴嘴)。
電極與開關(guān)電源部分5相連接，該開關(guān)電源部分在標(biāo)準(zhǔn)工作模式下為等離子弧提供必需的能量。電容器或電容器組7以及高壓電源部分8通過火花隙6與開關(guān)電源5部分并聯(lián)。
試驗性地，利用Multiplaz AG公司的商業(yè)上通用的設(shè)備(Multiplaz 2500)來執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法，該設(shè)備作為如開頭所述的用于熱處理的設(shè)備被提供。在這種設(shè)備中使用水，并且利用鋸齒形電壓來維持等離子弧(鋸齒形電壓的DC分量大約為150V，最大為250V，頻率大約為25kHz，輸出電流最大大約為8-10A)。通過另外安裝利用電壓對1微法的電容器7充電的高壓電源部分8，經(jīng)由開關(guān)火花隙8，除了工作電壓之外產(chǎn)生電流脈沖，這些電流脈沖在等離子體中引起在持續(xù)時間大約為1-2微秒的情況下具有合適的電流強度的、例如在配備有鈀的陰極中具有60A的電流脈沖。因此可以產(chǎn)生比對于產(chǎn)生來說所需的輸出功率明顯更高的輸出功率。
借助這種方法，能夠低成本地產(chǎn)生熱量，并且在任何迄今使用化石燃料和/或可再生燃料或化學(xué)燃料之處應(yīng)用本方法，以便直接或者通過轉(zhuǎn)化成其它可用能量形式(機械能，電能)來利用熱能。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生熱能的方法，其中借助位于陰極和陽極之間的等離子弧，在該等離子弧中通過輸入電能使合適的能夠?qū)崿F(xiàn)聚變過程的輕質(zhì)原材料進入等離子態(tài)，并且使用由金屬制成的陰極，該金屬適合于使在等離子體中所產(chǎn)生的粒子擴散并且在金屬晶格中實現(xiàn)聚變過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為了產(chǎn)生期望的等離子態(tài)，使用≥3A的電流強度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，將電流脈沖、優(yōu)選地將快速的電流變化以及在試樣和等離子體內(nèi)由此引起的電勢變化施加給等離子體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，使用具有電流強度和脈沖寬度的脈沖，其足以在足夠長的時間間隔上維持用于在等離子體內(nèi)產(chǎn)生粒子的溫度和密度條件。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在每時間單位足夠多的數(shù)目的電流脈沖替代持續(xù)電流的情況下驅(qū)動等離子弧。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，通過對電容器充電的高壓電源部分、和開關(guān)火花隙來產(chǎn)生電流脈沖。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，將高頻形式的、優(yōu)選地在相應(yīng)的離子等離子體頻率的情況下或低于相應(yīng)的離子等離子體頻率的附加的能量耦合輸入疊加到等離子弧上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，順序地將確定的氫同位素加載給優(yōu)選地由鈀構(gòu)成的陰極，然后用另外的適合于聚變的同位素轟擊該陰極。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)來自陰極材料的電子流的條件，使得電子流變得最小。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，對陰極材料進行冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生熱能的方法，其中借助位于陰極(4)和陽極(3)之間的等離子弧(10)，在該等離子弧中通過輸入電能使合適的能夠?qū)崿F(xiàn)聚變過程的輕質(zhì)原材料進入等離子態(tài)，并且使用由金屬制成的陰極，該金屬適合于使在等離子體中所產(chǎn)生的粒子擴散并且在金屬晶格中實現(xiàn)聚變過程。該方法在相應(yīng)的設(shè)備中產(chǎn)生高的效率，使得可以在任何使用化石燃料和/或可再生燃料和/或化學(xué)燃料之處應(yīng)用本方法，以便直接地或者通過轉(zhuǎn)化來利用熱能。
文檔編號B23K10/00GK101563182SQ200680032536
公開日2009年10月21日 申請日期2006年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月7日
發(fā)明者R·賴克曼, K·-L·巴思 申請人:普拉提奧股份公司