CN114424448A - 用于产生电能的电路 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于生成电能的电路。该电路将脉冲发生器与具有腔的管结合使用。管中可以具有材料，诸如固体材料或从中通过的流体。晶闸管或其他负阻与管串联以增大电压随时间的变化。由于管吸收了外部能量，施加到负载的合成能量大于由脉冲发生器供应的能量。

Description

用于产生电能的电路

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年8月20日提交的美国临时申请第62/889,506号的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

生成电能是满足我们社会能源需求的一项基本技术。包含在等离子火焰中的热能的转换，诸如内燃机中的气缸，是利用热能来提供将其转换成机械能的示例。用于将热能转换成电能的方便和直接的方法是一种用于产生电力的非常需要和理想的方法。

附图说明

图1是用于生成电能的示例电路。

图2图示了用于生成电能的电路的一般实施方式。

图3示出了用于生成电能的电路的另一实施方式。

图4示出了示例标准具(etalon)，其具有通过其中的腔被泵送的流体。

图5是根据另一实施方式的用于生成电能的电路。

图6是根据另一实施方式的用于生成电能的流程图。

具体实施方式

公开了一种用于生成电能以用于多种应用的方法和系统。该方法在其应用中具有通用性，且可应用于许多电动装置，诸如便携式工具、传感器、光学装置、照明、加热、冷却、呼吸设备、医疗装置、计时装置、便携式计算机、手机、动力冷却或加热装置以及其他需要方便和强大的电能供应的类似和更大的固定应用。对于这种装置和方法的需求是有据可查的。

卡佛伏打效应(CVE)是一种动力学物理效应，其可用于提供显著的电力。CVE可以描述为在通过空间的材料中的能量传输中或电导体中的单个功率传输瞬态的功率中的微小瞬态增加。术语“动力学”用于描述该效应的瞬时性。它可以在瞬时事件期间被检测到，诸如快速电压变化和材料中的一些其他相和状态变化。本文所述的装置的实施方式被构造成通过热能到电能的表观转换来利用这种现象(即，CVE)。CVE的幅度与大的dV/dt值(电压随时间的变化)相关联。

对装置的操作和制造的理解包括识别输出电路中存在标准具并且公开了用于实现和制造标准具的方法。

在图1中是用于将热能转换成电能的电路100。方波发生器105产生进入耦合电感器110的初级侧的方波脉冲串(连续脉冲)。耦合电感器的次级侧连接到非线性电阻性装置，或者有时称为负阻装置112，诸如晶闸管。负阻装置112用作如下装置，该装置将来自次级的电流限制到由其内部结构基于输入电压确定的特定值。直到电压在正方向上超过特定量才会传导有意义的电流，并且直到电压与特定量相比更负时才会以负电压传导。例如，这两个电压可以是+25V和–25V。由于这种电压特性，只要有足够的功率来克服寄生损耗，耦合电感器的次级侧的输出就总是肯定会超过+25V和–25V。

负阻装置可以是能够提供这种类型的作用的任何装置。示例装置包括但不限于以下各者：

1.气体放电灯

2.火花隙

3.齐纳二极管

4.晶闸管

5.双向可控硅

6.耿氏二极管

7.二极管(各种)

8.可控硅整流器(SCR)

9.由逻辑电路控制的开关装置

由于用于变压器(或耦合电感器)的驱动电子器件导致次级的输出从正摆动到负，因此将发生从>25V到比–25V更负的非常快速的转变。然后利用这些高dV/dt瞬态来产生要利用的CVE所期望的快速电压摆动。因此，dV/dt越大(电压越高，时间越短)，CVE越明显。方波与负阻装置112相结合有助于实现这个目标。在该示例中，电容器C1 114和电感器116形成振荡电路，该振荡电路进一步放大电流及其电压摆动的影响以在C2 118处产生有用的输出。C2电容器118继而连接到一个或更多个整流二极管，通常在120处示出以分别产生正电压输出V+和负电压输出V-。由电容器114和电感器116形成的振荡电路可以产生以大于方波输入信号的频率的频率振荡的信号。

热交换器130为材料提供热传导路径以使热能持续流入以转换成电能。热交换器可以是用于将热注入电路中的任何装置。在一个示例中，使用填充有具有期望的电容率和磁导率的材料的管(例如，传导管或非传导管)。潜在的材料包括空气、水、甲醇、乙醇和乙酰胺(或在诸如水或乙醇之类的液体中的溶液)。也可以使用铁氧体浆料。可以使用未示出的外部泵将材料泵送或循环通过管。可替代地，固体材料可以固定在谐振腔内。随后，可以将液体泵送通过管，以为材料和管本身提供热交换。该管可以是任何期望的长度。例如，管的长度可以是1英尺到5英尺。管的剖面可以是任何期望的形状，诸如圆形、方形、矩形、椭圆形、平面卵形或定制形状。可以使用任何几何形状(例如，N边多边形或折叠形状)。无论剖面如何，管都可以是细长的，其中具有流体可以通过的腔。该管可以是如本文所述的标准具。

图2示出了电路200的一般版本。可选的驱动器210可以是供应具有高dV/dt的连续脉冲流的连续脉冲发生器。这为装置提供了启动脉冲。它可以作为接通/关断开关以运行装置，并且它可以帮助控制装置操作时的频率。

示出了dV/dt装置220。图1示出了将dV/dt装置示出为变压器或耦合电感器110，以指示产生高dV/dt脉冲或系列脉冲的至少一种方式。对此的替代方案可以是电容器或电容器阵列、机械开关或其他转动或旋转装置，这些转动或旋转装置将电场(电荷)或磁场(磁体)带到另一线圈、电容器、电感器或另一磁体或磁场附近。CVE装置可以具有包含在其内的一个或更多个重要的有源装置。示例是负阻装置，诸如晶闸管或齐纳二极管。

CVE发射器230示出为耦合到热交换器240。热交换器继而可以耦合到CVE接收器250。发射器230上的dV/dt电荷的快速形成导致产生来自发射器的能量的“波”。在这种类似天线的模式中，发射器可以与除真空或空气以外的材料接触。该材料可以具有如下性质：具有由其相对电容率或磁导率表征的不同介电常数或导磁率。它也可以与传导材料接触。发射器230和接收器250可以是在标准具室的端部处产生阻抗变化的多种材料(例如，铜、黄铜、青铜、不锈钢、石墨烯)。事实上，任何物件都可以使用，只要它针对发射器与接收器之间材料改变了电容率、磁导率或两者。因此，发射器230将电路耦合到热交换器240(其可以是标准具)并将信号传输到热交换器。一旦信号通过热交换器，接收器250就接收信号。

热交换器240被示出为在CVE发射器与CVE接收器之间。实际上，它可能围绕发射器和接收器。例如，在热交换器是其中具有腔的管的情况下，发射器230和接收器250可以安装在管的相应端部中。热交换器为材料提供所需的热传导路径，以使热能持续流入以转换成电能。这些材料也可以是电传导的。热交换器可以是用于将热注入电路中的任何装置。在一个示例中，使用填充有具有期望的电容率和磁导率的材料的管(例如，传导管或非传导管)。潜在的材料包括空气、水、甲醇、乙醇和乙酰胺(或在诸如水或乙醇之类的液体中的溶液)。也可以使用铁氧体浆料。可以使用未示出的外部泵将材料泵送或循环通过热交换器。可替代地，固体材料可以固定在谐振腔内。随后，可以将液体泵送通过腔以为材料和腔本身提供热交换。因此，该材料可以具有双重目的，即充当CVE发射器与CVE接收器之间的介质，以及充当具有通过热交换器循环的外部源的热交换器。电子波可以在CVE发射器与CVE接收器之间传输，并且其中包含的材料的电容率和磁导率会影响谐振频率。

CVE接收器250被示出为耦合到热交换器。它可以与热交换器240接触或不接触(例如，有气隙或间隔开)。接收器250通过来自波的电感应、与热交换器的电接触、或通过与发射器230的电接触而具有由CVE提供的增加的能量。接收器将经转换的热收集到电传导路径中，以供负载260直接使用或由调节电路270调节。负载260可以是任何期望的负载，并且可以具有电阻性组件(例如，灯泡)。调节电路270被示出为连接到CVE接收器250。该电路270通常是将AC信号(或脉冲DC)转换成另一频率范围或转换成一个或更多个DC电压的电路。示例调节电路可以是全桥整流器和电容器。

电负载280接收调节电路270的输出。负载可以是任何使用电能的物件。它类似于直接使用电能负载260，但它可能需要来自模块270的调节。

模块260直接使用CVE接收器250的输出。这个输出具有典型的AC信号特性。对于这种类型的电气特性，电阻性负载是可接受的，如方波或正弦波。

图3是电路300，其中负阻装置与dV/dt波的发射结合使用，如通过与组件320的连接所示。脉冲发生器310耦合到电感器或变压器312。耦合电感器或变压器312的次级的输出以V 340表示的电压为参考。负阻装置345耦合到电感器。来自组件320的波的发射可以耦合到接收组件350。接收组件350也可以连接到负载360。接收组件320与接收组件350之间的连接由虚线双向箭头示出并且可以是真空、空气或其他均质或异质的介电材料。也可以使用传导材料。

图4是使用标准具进行放大的电路400。dV/dT装置410可以是任何脉冲发生器。可替代地，如上所示，dV/dT装置可以是耦合到负阻装置的变压器，如图3所示。

元件420、430的组合包括类似于标准具或法布里-珀罗干涉仪的谐振腔。它可以类似于热交换器130的描述。它被示出为没有负载。它可以在没有附接负载的情况下通过发射电感应波或通过简单地作为用于参考应用的更高电压源参考来使用。特别是但不仅限于在发生谐振时，在有负载(例如电阻性)的情况下，标准具可以通过捕获发射器与接收器与耦合组件本身之间的热能从dV/dt装置产生放大的功率。

可以使用远低于光学频率的激活频率。在大多数情况下，与其他组件的相对尺寸相比，谐振腔中的最低基波波长非常长。为了减小谐振腔的尺寸，可以使用较高的相对电容率或磁导率材料来显著减小所涉及的标准具的长度。装置的这个区域由组件420与430之间的虚线双头箭头示出。

在高电容率电容器的情况下，在3至≥20,000范围内的相对电容率并不少见。较高电容率的材料是已知的。这些材料通过如下因子来提供显著减小的标准具长度，所述因子诸如为对相对电容率的倒数与相对磁导率的乘积求得的平方根。

标准具440被示出在组件420、430之间。标准具(波谐振腔)室可以被认为是振荡器组件中的一者(或更多者)。这种定标准具与纯电传导元件的不同之处在于涉及发射的电波而不是导体中的电流振荡。中空标准具还提供用具有大于真空或空气的电容率(和/或磁导率)的材料填充谐振腔的能力。这种增加的电容率/磁导率降低了基本振荡长度。折叠(或卷绕)长度有助于减小整体尺寸。标准具腔可能是将发生大部分热转换成电能的地方。流体可以移动通过标准具的腔。流体将通过dV/dt波的谐振被不断冷却，而标准具流体的移动提供了一种通过携带来自外部源的热而有效地将热带入谐振体积的方式。或者，可以使用进入谐振腔体积的简单热传导/对流来提供来自外部热源的热，这可以使用第二流体(例如水)或热导管。

在该实施方式中，标准具440被示出为圆柱形管，具有延伸穿过其中的腔。泵450用于泵送流体通过标准具440。散热器460用于从周围环境提取热并将热传递给流体。然后，标准具可以将热量转换成电能。标准具可以填充有具有不同电容率和磁导率的材料，诸如空气、水、甲醇、乙醇和乙酰胺(例如在水或乙醇的溶液中)。较高电容率的材料允许使用较低驱动频率并且仍处于谐振状态。标准具可以具有双重目的，即充当组件420与组件430之间的电耦合并且还充当热交换器。

发射器420和接收器430可以是在标准具室的端部处产生阻抗变化的多种材料(例如，铜、黄铜、青铜、不锈钢、石墨烯)。也可以使用不同的电气元件用作发射器420和接收器430，诸如电感器和电容器。事实上，任何物件都可以使用，只要它针对发射器与接收器之间的材料改变了电容率、磁导率或两者。应对负载进行选择以与源具有适当的阻抗匹配，这在激光、传输和天线领域是众所周知的。

图5是电路500，其是标准具的反射表面520与530之间的材料510的附加示意性表示。热能材料510位于来自发射器的波或从接收器反射的波的透射路径和/或反射路径中。由于CVE，波中的功率通过波在表面之间的每次遍历而增强。以这种方式来冷却材料510，因为由于能量守恒定律，波浪中的能量增加所需的能量是从包含在材料本身中的热能中获得的。

为了在给定的腔中实现谐振，必须考虑腔的形状。可以使用方形或圆形以及卵形、椭圆形、多边形和其他几何形状。此外，填充谐振腔的材料在确定谐振频率方面也起着一定的作用。已知增加填充给定的腔的材料的电容率或磁导率会将其谐振改变到较低的频率。在电波频率的情况下，腔的谐振频率与对相对电容率的倒数与材料相对于纯真空的相对磁导率的乘积求得的平方根有关。因此，较高的磁导率和较高的电容率材料可以导致标准具腔的物理尺寸减小。

可以使用较高电容率材料(热能材料)来提供标准具腔，该标准具腔比真空腔或充气腔短得多(从而更小)。此外，材料510可以是导热的，以促进从环境或热源进入腔中的热传递。液体材料的吸引力在于它们可以循环以促进热传递。可以使用的材料是那些对波本身具有透射性的材料。可以使用但不限于使用的一些材料(或其混合物、悬浮液或浆液)如下：

1、钛酸钡

2.其他钙钛矿混合金属钛酸盐

3.铁氧体

4.无机氧化物

5.空气

6.有机醇

7.可透波的有机材料

8.传导金属

9.半导体材料

10.碳物质(例如石墨、石墨烯、富勒烯)

11.本身通过谐波产生而以其他频率重新谐振的材料(例如磷光体、罗丹明)

12.水或溶解有盐、液体或其他悬浮或均质物质的水。

材料可用于部分填充或完全填充腔以提供用于将热传导到标准具腔的路径。负载540可以是任何期望的电负载，诸如具有电阻性组件的负载。dV/dt装置550类似于上述。

作为该装置的示例，可以使用以下组件的集合。

1.变压器(耦合电感器)，10:1比例，2A额定电流，700uH次级电感

2. 0.01uF,1000V陶瓷电容器

3. 254uH铁氧体单电感器，10A电感器

4.铜管(5/8”OD X1/2”ID X 24英寸长)

5.粉状铁氧体(125目)

6.电阻性负载(110欧姆，100W金属膜电阻器)

7. 2pc铜线(10AWG X 1”长)

8.齐纳二极管(1N5388)

使用图1所示的示意图，铜管先装上铁氧体粉。铜线中的每一根铜线插入管的每个端部且用于连接到电路的其余部分。变压器通过频率为1Hz至数千兆赫兹的脉冲电流源来驱动。可以通过使产生的功率与驱动变压器的初级所需的功率之比最大化来调谐所需的确切频率。变压器的次级附接至铜管中的一根铜线。铜管的带有剩余线的另一端部附接到负阻装置，诸如齐纳二极管。二极管的另一端部附接到电感器。剩余的连接被引回到变压器的输出的次级。可以通过将电容器附接到上述次级电路的几乎任何部分作为谐振电路中产生的电压的抽头(tap)来获得电能。电容器上的剩余引线可以可选地连接到整流器电路，以通过常规手段进一步转换成AC、脉冲DC或平滑DC输出。

图6是根据实施方式的用于产生功率的流程图。在过程块610中，生成连续的脉冲流，诸如通过脉冲发生器生成连续的脉冲流。脉冲发生器可产生dV/dt为100V/μs甚至10,000V/μs至100,000V/μs或更高的脉冲。特定用例使用的是介于3V/μs到10V/μs之间。在某些情况下，可以使用1V/μs。在过程框620中，将连续的脉冲流施加到具有延伸穿过其中的腔的管。该管可以是传导性的并且具有连续地泵送通过腔的流体(过程框630)。流体可以通过散热器或其他加热元件加热。由于CVE，流体可以在其通过管时被冷却。在过程框640处，由于流体的热能到电能的转换，可以从具有大于脉冲发生器输出的功率的功率的管输出电信号。在一些实施方式中，可以使用振荡器来产生比脉冲发生器的频率更高的频率的脉冲。

鉴于可以应用所公开的发明的原理的许多可能的实施方式，应认识到所示实施方式仅是本发明的优选示例并且不应被视为限制本发明的范围。相反，本发明的范围由随附权利要求限定。因此，我们将所有落入这些权利要求范围内的内容声明为我们的发明。

Claims (20)

1.一种用于生成电能的电路，所述电路包括：

脉冲发生器，所述脉冲发生器用于生成连续的脉冲流；

负阻装置，所述负阻装置耦合到所述脉冲发生器；

管，所述管中具有耦合到所述负阻装置的腔；以及

输出端，所述输出端用于接收从所述管发射的电输出。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述管填充有下述材料，所述材料具有大于真空的预定电容率或磁导率。

3.根据权利要求1所述的电路，所述电路还包括用于将流体泵送通过所述管的泵。

4.根据权利要求3所述的电路，其中，所述流体与所述管交换热。

5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述管的腔具有至少部分地填充所述腔的半导体或金属。

6.根据权利要求1所述的电路，其中，所述管的截面是以下各者中的一者：圆形、方形、矩形、椭圆形或卵形。

7.根据权利要求1所述的电路，其中，所述管是传导性的。

8.根据权利要求1所述的电路，所述电路还包括耦合到所述管的至少一个振荡器组件。

9.根据权利要求8所述的电路，其中，所述振荡器组件包括：耦合到所述管的一个端部的电感器；以及耦合到所述管的相反端部的电容器。

10.一种用于生成电能的方法，所述方法包括：

生成连续的脉冲输入流；

将所述脉冲输入流施加到管，所述管中具有腔；

将流体泵送通过所述腔；以及

从所述管输出电信号。

11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括将热能施加到所述流体。

12.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括将所述连续的脉冲输入流传递通过负阻。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述管的截面是以下各者中的一者：N边多边形、圆形、椭圆形或卵形。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述连续的脉冲流处于第一频率，并且所述方法还包括使用耦合到所述管的振荡器电路来生成处于第二频率的信号，所述第二频率大于所述第一频率。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述管是细长的筒状件。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述管形成标准具。

17.一种用于生成电能的设备，所述设备包括：

脉冲发生器，所述脉冲发生器用于生成具有第一功率的电脉冲流；

负阻，所述负阻与所述脉冲发生器串联地耦合；以及负载，所述负阻耦合到所述负阻；以及

管，所述管中具有腔，所述管与所述负阻和所述负载串联地耦合，所述管用于向所述负载提供电能。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述管被配置成接收热，所述热被转换成具有到所述负载的第二功率的电能，所述第二功率大于所述第一功率。

19.根据权利要求17所述的设备，所述设备还包括与所述管串联地耦合的振荡器，其中，所述电脉冲处于第一频率并且所述振荡器生成处于第二频率的脉冲，所述第二频率大于所述第一频率。

20.根据权利要求17所述的设备，其中，所述腔填充有下述材料，所述材料具有大于真空或空气的电容率和磁导率。

Images