CN102405339A - 用于燃烧氢气和氧气的能量转换装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能量转换装置，该能量转换装置具有腔室(2)和供应系统，所述供应系统具有至少一个阀(3)，所述阀用于将氢气和氧气连续供给到所述腔室(2)。点火系统将氢气和氧气的混合物点燃使得在所述腔室中形成水的运动和增压。提供排出阀(21)以排出燃烧形成的水。所述排出阀形成所述腔室(2)的唯一出口，使得所述腔室形成封闭系统。用于接收液体的运动和压力的能量接收部件(7)与所述腔室(2)为一体。此外，描述了一种操作能量转换装置的方法和具有能量转换装置的系统。

Description

用于燃烧氢气和氧气的能量转换装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及一种由氢气和氧气的燃烧及膨胀来驱动的能量转换装置和系统。该膨胀在液体中形成运动，该运动被转换成期望的能量形式。此外，本发明涉及一种操作该能量装换装置的方法。在封闭系统中操作该能量转换装置，使得不需要将液体添加到该装置中。该装置从而能够作为机械式燃料电池。在燃烧和膨胀之后，在膨胀期间形成的腔可能坍缩。此坍缩可以形成快速压降，该快速压降能够在操作该装置期间利用。该装置集成有燃烧单元/反应器和使用形成的能量的单元。

背景技术

在一些学科领域中使用氢气作为燃料是已知的。例如已知在普通活塞发动机中通常和空气一起使用氢气。然而在这些已知的系统中，该过程不是封闭的，且在该单元中没有集成有用于转换能量的单元。典型的是，马达和发电机或电动泵将彼此分离的单元分开。

WO 2005085614示出了一种具有燃烧单元和点火单元、主蓄能器、液压转子、控制阀和能量发生器的发电系统。将氢气、氧气和水引导到燃烧单元中。点火系统将燃烧单元中的氢气和氧气的混合物点燃。燃烧单元内部膨胀的液体直接使液压液体加压。燃烧腔内的加压后的液压液体流进主液压蓄能器。液压转子转换加压后的液压液体中的能量用于输出轴的旋转。

发明内容

根据本发明的能量转换装置不排出任何废气。氢气和氧气的燃烧及膨胀在第一过程中形成水，且在第二过程中形成坍缩和压降。形成的水流出该单元。形成的水可以返回用于再生氢气和氧气的单元，这就产生了封闭系统。膨胀及后续的在膨胀期间形成的气体填充腔的坍缩可以用于产生压力变化及液体(优选为水)的运动，该压力变化及运动能再次转换成其他形式的能量。

该运动及压力可以转换成电。在一个实施方式中，输出的能量导入到该单元是由线状的磁体进行的，该线状的磁体在线圈内运动且产生电流。在膨胀期间，将该磁体压入线圈，且通过内爆/压降将该磁体抽出线圈。也就是说，其具有双动式循环。该单元在顶部采用调整为安全阀的过压释放阀保护。供应给该单元的气体只有氢气和氧气。当添加初始量的水后，在该过程期间不需要使用普通的或雾状的形式、蒸汽或其它形式的水。燃烧后顶部的压低使得活塞能够将水压回顶部。

由于除通过2H₂和O₂反应生成2H₂O而增加的液体外，系统没有流通或吸收任何液体，因此初始添加的液体量将保持在反应器内。从而在反应中没有形成废气，且因此该单元不包括用于废气的出口。

本发明中，马达或能量转换装置是由氢气或氧气驱动的发生器。该能量转换装置优选地产生电，但还可以设计用于泵送液压油/驱动气压、产生机械旋转运动等。

腔室适合于包括液体填充部分，并在某些情况下采用液体部分地填充腔室而形成无液体部分，使得在所述液体上形成无液体腔。供应系统将氢气和氧气供应给无液体腔。点火系统(例如采用火花塞或等离子弧)，包括在无液体腔内，用于点燃和燃烧氢气和氧气，使得在无液体腔内形成压力变化，该压力变化传播到腔室内的液体且使液体运动。

排出阀仅排出通过燃烧形成的水，且形成所述腔室的唯一出口，使得所述腔室形成基本封闭的系统。用于接收液体的运动和压力的能量接收部件与所述腔室为一体。例如这意味着将这些部件附接到所述腔室的壁的开口内，使得所述腔室内的液体直接作用于所述能量接收部件。

所述点火系统可以与系统内来回运动的物质的固有频率相配合。所述系统内的物质由液体和能量接收部件表示，能量接收部件例如为活塞。

所述能量接收部件接收液体内由压力变化产生的运动，且将此运动转换成电流、气压、水压或诸如上述定义的。

所述能量接收部件通过改变所述腔室内的压力使得所述腔室的体积变化，且这种体积变化驱动所述能量接收部件。

所述能量接收部件例如可以包括位于气缸内的活塞。所述活塞可以与将机械运动转换成电流的单元连接。典型地，所述活塞将驱动位于线圈内的固定磁体，使得可以在线圈内来回地驱动固定磁体且产生电流。控制单元可以调节和操纵来自该线圈的电流。

可选择地，所述活塞可以与将机械运动转换成液压的单元连接，例如液压泵。

所述供应系统包括至少一个控制阀，所述控制阀用于将氢气和氧气连续地供给到所述无液体腔，且所述点火系统包括与所述至少一个控制阀配合的、用于连续点火的单元。

所述腔室可以连接到具有阀的出口，该阀用于排出氢气和氧气的燃烧期间形成的水。

在液体填充部分和无液体部分之间可以安置弹性膜片。所述膜片例如可以减少蒸汽产生且将隔开气体和液体。

能量接收部件可以包括位于气缸内的活塞，且所述活塞可以连接到将所述活塞保持在静止位置的系统。所述静止位置例如可以通过弹簧或通过例如磁体和线圈的电控制来保持。

所述转换装置可以具有用于液体运动的固有频率，且供应气体及点火的顺序是可以与所述液体运动的固有频率相配合。

所述腔室可以形成为具有半球状端部的基本水平的圆筒体，且沿所述圆筒体可以安置多个能量接收部件。

安全阀可以确保所述腔室内的压力不会超出预定值。

所述液体可以是水。

此外，本发明涉及一种用于操作能量转换装置的方法，所述能量转换装置用于在腔室内燃烧氢气和氧气，且具有供应系统，所述供应系统具有至少一个阀。所述至少一个阀确保将氢气和氧气连续供给到所述腔室。提供点火系统用于点火和燃烧以在所述腔室内产生压力波动和水的运动。所述方法包括如下步骤：

在所述腔室内提供水，通过至少一个阀以基本化学计量比供应氢气和氧气，使得在所述腔室内形成无液体的气体腔，使用点火系统将所述气体腔内的所述气体点燃，使得在所述腔室内形成水的运动和增压，与所述腔室一体的能量接收部件接收所述腔室内水的运动和增压，且使用排出阀排出燃烧时形成的水。

还可以将排出的水引导回用于将所述水分解成氢气和氧气的单元，使得形成完全封闭的回路。

所述方法还可以包括添加一定量的H₂至所述腔室，使得所述腔室包括过剩的H2，用于隔热所述点火系统和所述供应系统，且降低膨胀期间的热损失。

可以控制不参与燃烧的H₂部分，且在操作期间可以补充此部分H₂以保持预定的操作参数。

此外，本发明涉及具有能量转换装置的系统，该能量转换装置具有腔室、和供应系统，该供应系统具有至少一个阀和点火系统，所述阀用于将氢气和氧气连续供应给所述腔室，所述点火系统用于点火和燃烧，因此在所述腔室内产生增压和水的运动。所述系统还包括排出阀，在操作期间所述排出阀用于排出通过燃烧形成的水，且形成所述腔室的唯一出口，使得所述腔室形成封闭系统。用于接收液体的运动和压力的能量接收部件与所述腔室为一体。所述排出阀可以与将所述水转换成氢气和氧气的单元连接，使得形成完全封闭的回路。

附图说明

图1示出根据第一实施方式的本发明的上部分的剖面的细节；

图2示出根据本发明的实施方式的能量转换部分；

图3以部分剖面、透视方式示出本发明的实施方式；及

图4还示出根据本发明的用于转换能量的封闭系统。

具体实施方式

图1示出本发明为能量转换装置，发动机或产生器9被示出具有安置在顶部的腔室2。火花塞1被示出在腔室2的顶端、安全阀6的一侧。优选地在所述腔室内安置一个用于供给氢气和氧气的化学计量比的混合物的供应喷嘴3。液面10被示出为液体填充部分和气体填充部分之间的分界面。能量接收部件7被示为移动线圈5中的固定磁体的活塞4。典型地，该火花塞是产生等离子弧的单元。

图2中示出自外部看到的根据本发明的能量转换器9，其中清楚地示出带有线圈5的能量接收部件7。

图3中更进一步示出了本发明，其中上部腔室2被示出在两个电极1a和安全阀6的下面。带有活塞4的能量接收部件7被示出安装到圆柱形腔室的侧面。示出了六个能量接收部件7。电子控制单元8可以控制气体的进入、点火，监测压力、温度、液位且可以控制用于排放液体的阀。

而且，图4示出了根据本发明的系统，其中空的液体腔室2被示出在等离子体电极1a的下面，等离子体电极1a在高压等离子场中提供等离子体。等离子场的强度和持续时间由等离子线圈18控制。在两个等离子体电极1a间形成场，这两个等离子体电极1a连接到高压电源，该高压电源在图中示为等离子线圈18。等离子线圈18由控制单元19控制。幅值大约为400000V-450 000V的电压供给等离子体电极1a。在电极间形成的等离子弧通常开始氢气和氧气间的反应，且接着其通常以12 000m/s的速度传播。等离子弧可足够强以能够在浸入水中时点燃。等离子体电极和气体入口被特别设计以确保电极的完全隔离。

氢气和氧气之间的反应使得腔室2内的压力增加。在此反应中形成水。

当此反应结束时，由该反应形成的腔坍缩且在腔室2中产生快速压降。这样，腔室2中的压力将在相当大的高压和远低于大气压力的压力之间振荡。这些压力振荡会使腔室内的水柱处于运动以使得水柱上下运动。接着水中的此运动可以驱动能量接收部件7。该组件可以具有用于液体(例如水)的独立入口。

添加的水量可以为反应器的总容积的大约一半，其外部位置带有能量接收部件7。这样当能量接收部件7不在反应器的内部时，在该单元的顶部、在液体上方形成无液体腔。在燃烧期间流体向下加速且向外挤压能量接收部件7中的活塞。

能量接收部件7包括具有内置磁体的活塞4，该内置磁体可以在被线圈5环绕的气缸内来回运动。然而，可以采用其它方式设计能量接收部件7，例如采用膜片代替活塞4。重要的是部件能够将水中的运动转换成有用的能量。

阀单元3连续地使得可控量的氧气和氢气分别进入该单元。该阀单元被控制单元19控制，且通常是电磁阀。在氢气和氧气间的反应中生成的水通过水位阀或排出阀21流出。排出阀21也可以由控制单元19控制。排出阀21可以是电磁控制阀。排出阀21的基本特征是确保不会在腔室中累积大量的水而将活塞4挤压到很远。通过排出阀21排出的水可以又通过第一回流管13并还通过第二回流管15导回转换单元中，该转换单元将水转换成氢气和氧气，第一回流管13连接到回流泵14。

比氧气更多的氢气被添加到腔室2中，使得氢气总是过剩。在燃烧期间仅燃烧化学计量比的氢气和氧气，且因此当提供附加量的氢气时，理论上对每一个动力冲程仅需要化学计量比的氢气和氧气加入反应。该附加量的氢气总是位于腔室的顶部且用作绝热体。这样将有更多的热向下传播以有助于膨胀。同时将有更少量的热向上传播，且腔室的上部与用于等离子弧的电极和入口阀一起将暴露于相当少的热。添加的该额外量的氢气可以由控制单元19基于测量参数或经验数据进行控制。例如可以依赖前述暴露的组件周围区域中的腔室内的温度控制该量。可选择地，可以使用不同的惰性隔热气体。该附加的气体可以通过氢气阀3注入或通过独立的阀添加，氢气阀3还为燃烧添加氢气。

整个单元还可以根据需要在腔室外部利用例如冷却的液体或空气、通过腔室内部的冷却盘管使腔室内的水循环流过冷却单元等。该冷却可以由控制单元等的普通温度调节器控制。

转换装置连接到用于分别缓存氢气和氧气的储罐11和储罐12。采用这种方式可以将整个单元设计成无需供应液体/水的封闭系统。腔室2中的水也形成封闭系统，且除与来自氧气和氢气反应生成水的循环有关外将不会变化。分立单元示出为电解槽17。

将具有固定磁体的活塞4放置在气缸内部，该气缸在一端与腔室2液体接触，且在另一端与周围空气接触。可选择地，该另一端部可以通过管道20与气源接触以控制或减缓活塞4的冲程。活塞4可以通过大气压力、弹簧、磁场或能够沿着朝向腔室2内部的方向对活塞4施加力的其它作用或单元而朝腔室2引导。

如果管道20连接到合适的阀(未示出)，这些管道可以结合电流的产生泵送流体或单独地泵送流体。在这种情况下，能量接收部件7可以包括确保活塞4返回的单元，例如弹簧(未示出)。

活塞还可以机械连接到用于将力传递给转动轴的单元。

安全阀6可以安置在腔室2的内部，以确保腔室中的压力不会超出预定水平。

当开启能量转换装置，朝向紧靠腔室2的内部位置引导活塞4。此位置是活塞的内部位置。确保在此位置该腔室完全填满水。这可以通过下述方式进行，例如通过腔室2的顶部抽出液体使得活塞4被吸进，且腔室填满水。该腔室内压力的下降还可能希望排出气体和溶于水中的污染物。不希望除氢气、氧气和水外的其它物质参与反应。

可选择地，活塞4的内部位置可以表示腔室填满水和隔热气体的混合物，优选地隔热气体为氢气。

可选择地，在操作期间可以监控活塞位置的内部位置，且可以采用排出阀21流出的水量和增加的隔热氢气的量来控制内部位置。

除纯净水和可能的隔热气体外，腔室应不包含任何其它物质。采用封闭系统的优点是这提供了在水中没有污染物的受控环境。水中的污染物在燃烧/反应时以及在燃烧后期望尽可能快且尽可能多地使系统的压力下降时均可能在系统中起负面作用。污染物还可能具有其它不利影响，该不利影响通常涉及腐蚀和磨损。

可选择地，如果需要可以在腔室内安置膜片，该膜片能将这两种液体分开。液体中的一种必须是纯净水，如在氢气和氧气的反应/燃烧中形成的水。

电子控制单元可以包括监测压力、温度、活塞位置等的传感器，且基于测量的数据控制注入气体以及等离子弧的点火。与图4所示的单元相关的解释与剩下的附图也相关，并且无需用于通过形成的水产生和回收氢气和氧气的单元，图4所示的单元当然也可以使用。在这种情况下，所述水可以被排到周围环境中。

腔室本身可以设计为具有半球状端部的水平或竖直的圆柱形单元，且将用于接收能量的单元安置在圆柱壁上。

Claims (14)

1.一种能量转换装置，该能量转换装置具有腔室(2)、供应系统和点火系统，所述供应系统具有至少一个阀(3)，所述阀(3)用于将氢气和氧气连续供给到所述腔室(2)，且所述点火系统用于点火并用于启动燃烧以在所述腔室(2)中形成水的运动和增压，

其特征在于：

设置有排出阀(21)，该排出阀(21)仅用于排出燃烧时产生的水，且所述排出阀(21)形成所述腔室(2)的唯一出口，使得所述腔室形成封闭系统；以及

设置有能量接收部件(7)，所述能量接收部件(7)与所述腔室(2)为一体，所述能量接收部件(7)用于接收液体的运动和压力。

2.如权利要求1所述的能量转换装置，其中，所述能量接收部件(7)包括置于气缸内的活塞(4)，所述活塞(4)连接到将机械运动转换为电能的单元。

3.如权利要求1所述的能量转换装置，其中，所述能量接收部件(7)包括置于气缸内的活塞(4)，所述活塞(4)连接到将机械运动转换为液压的单元。

4.如权利要求1所述的能量转换装置，其中，所述供应系统包括至少两个受控阀(3)，所述至少两个受控阀(3)用于连续地且独立地分别将氧气和氢气供应给无液体腔，且所述点火系统包括与所述两个控制阀(3)配合的、用于连续点火的单元。

5.如权利要求1所述的能量转换装置，还包括在一第一部分和一第二液体填充部分之间的传送压力和运动的弹性膜片。

6.如权利要求5所述的能量转换装置，其中所述能量接收部件包括置于气缸内的活塞，且所述活塞连接到将所述活塞保持在静止位置的系统，其中所述转换装置具有用于液体运动的固有频率，且供应气体及点火的顺序与所述液体运动的固有频率相配合。

7.如权利要求1所述的能量转换装置，其中所述腔室(2)形成为具有半球状端部的基本水平的圆筒体，且沿所述圆筒体安置多个能量接收部件(7)。

8.如权利要求1所述的能量转换装置，还包括安全阀(6)，以确保所述腔室内的压力不会超出预定值。

9.如权利要求1所述的能量转换装置，其中所述点火系统包括等离子体电极(1a)，所述等离子体电极在高压等离子场内提供等离子体。

10.一种操作能量转换装置的方法，所述能量转换装置用于在腔室内燃烧氢气和氧气，且所述能量转换装置具有供应系统和点火系统，所述供应系统具有至少一个阀(3)，所述阀用于将氢气和氧气连续供给到所述腔室，所述点火系统用于点火且用于启动燃烧以在所述腔室(2)内形成水的运动和增压；

其特征在于，所述方法包括如下步骤：

在所述腔室内提供水；

通过至少一个阀(3)基本以化学计量比供应氢气和氧气，使得在所述腔室(2)内形成无液体的气体填充腔；

使用所述点火系统将所述气体填充腔内的所述气体点燃，使得在所述腔室(2)内形成水的运动和增压；

将所述腔室内的水的运动和增压接收在与所述腔室(2)为一体的所述能量接收部件(7)中；以及

使用排出阀(21)排出所述燃烧时形成的水。

11.如权利要求10所述的方法，还包括将排出的水回馈给用于将水转换成氢气和氧气的单元(16)，使得形成完全封闭的回路。

12.如权利要求10或11所述的方法，还包括向所述腔室供应一定量的氢气，使得所述腔室包括过剩的氢气用于所述点火系统和所述供应系统的隔热，且降低膨胀期间的热损失。

13.如权利要求10至12中任一项所述的方法，还包括监测不参与燃烧的那部分氢气，且在操作期间补充氢气以保持预定的操作参数。

14.一种具有能量转换装置的系统，该能量转换装置具有腔室(2)、供应系统和点火系统，所述供应系统具有至少一个阀(3)，所述阀(3)用于将氢气和氧气连续供给到所述腔室，所述点火系统用于点火并用于启动燃烧以在所述腔室(2)内形成水的运动和增压，

其特征在于：

设置有排出阀(21)，该排出阀(21)仅用于排出通过燃烧形成的水，且所述排出阀(21)形成所述腔室(2)的唯一出口，使得所述腔室形成封闭系统；

设置有能量接收部件(7)，所述能量接收部件(7)与所述腔室(2)为一体，所述能量接收部件(7)用于接收液体的运动和压力；

其中所述排出阀(21)与用于将水转换成氢气和氧气的单元(16)连接，使得形成完全封闭的回路。

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