CN1203689A

CN1203689A - 产生热能的方法和设备

Info

Publication number: CN1203689A
Application number: CN96198668A
Authority: CN
Inventors: U·马斯特罗玛提奥
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1995-11-30
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 1998-12-30
Also published as: JP2000503761A; ITMI952503A0; IT1276176B1; RU2175789C2; US20010031029A1; BR9611778A; AU7709596A; ITMI952503A1; EP0873562A1; WO1997020318A1

Abstract

根据本发明的用于产生热能的设备,包括:a)第一种量的固态的第一种材料(MA),适合于吸附氢产生热能,b)第二种量的固态的第二种材料(CO),适合于在温度超过预定温度时释放氢,至少部分与第一种材料(MA)接触;c)第三种量的固态的第三种材料(ET),适合于在通过电流时产生热能,并使其与所说的第二种量的材料(CO)热联接。

Description

产生热能的方法和设备

本发明涉及一种以冷核聚变反应的物理现象为基础产生热能的方法和设备。

在几种物理现象中已经发现了冷核聚变反应：G.F.Cerofolini和A.Foglio-Para的文章“双核原子能解开冷聚变之迷吗？”(FUSIONTECHNOLOGY，Vol.23，pp.98-102，1993)简要说明了这样的现象和伴随的化学反应和核反应；文献中还提出了一些有意义的文章。

在这方面的相关技术和专利文献是非常丰富的，给出了这个课题的实际意义。

冷核聚变方面的最早研究应该归功于M.Fleischmann和S.Pons，并且在1989年就已经发现了；他们考虑的现象是氘饱和的铂或钛电极；在这样的过程中，注意到产生了意想不到的热能，这种热能是氘原子之间发生的核聚变反应形成氦而产生的。本发明正是基于这一物理现象。

在目前为止的实验中，已经成功地使用了几种能吸收氢及其同位素的材料作为电极，其中包括：钯、钛、铂、镍、铌。

在目前为止的实验中，氘总是从气态或流态的燃料中获得，前者如氢的气态混合物，后者如重水中的氢的电解质化合物溶液；这些“燃料”的缺点在于聚变材料，即氢的损耗。事实上，仅当其浓度达到用于引发聚变的浓度之内时，这些燃料才能在电极附近释放并逸出。此外，在电极的温度升高时，流体沸腾，气体中的原子浓度降低；从而阻碍了聚变。

本发明的目的是提供一种能够利用上述现象并克服上述缺点而有效地产生热能的方法和相关的设备。

通过权利要求1提出的方法并通过具有权利要求5提出的特点的设备已经达到了这样的目的；本发明的其它优点在相关的权利要求中提出。

本发明还涉及一种具有权利要求12提出的特点的冷核聚变反应器，其中，优选地应用了这样的设备；本发明的其它优点在从属权利要求中详细说明。

利用达到高于预定温度的温度时适合于释放氢气的固态材料，使其与适合于吸收氢气的另一种固态材料接触并产生热能，加热上述固态材料直到超过所说的预定温度，通过另一种材料产生了热能，热能的产生持续下去，而且热量是非常大的，由于聚变材料氢不能容易地从固态材料中逸出，所以工作温度极限非常高，相当于固态材料之一的聚变。

通过下列描述，并与附图一起考虑，将会更清楚地说明本发明的重点，其中：

图1示意地表示了根据本发明的第一种反应器和第一种设备的部件结构的截面，

图2示意地表示了根据本发明的第二种反应器和第二种设备的部件结构的截面，

图3示意地表示了可用于图2的反应器中一种已知类型的热电堆的截面。

本发明起始于在集成电路领域中已知事实的观察，在集成电路的制造中，有些材料(如氮化硅等)富含氢的元件，导致性能的恶化，例如在Manzini的文章“在n⁺ ^-P硅表面雪崩二极管中的活性掺杂不稳定性”(Solid-State Electronics，1995年第二卷，331-337页)和参考文献中提到的文章中描述了这种现象。

已经认为可以有效地利用这样的材料的“有害的”性质。

一种导致富氢材料形成的处理步骤是PECVD(等离子增强化学气相沉积)，典型的是集成电路的制造技术；这种处理步骤的详细情况以及所有硅基集成电路的详细情况可以见S.M.Sze的“VSLI技术”一书(McGraw-Hill，1988)；此外还有一些制造技术是文献中熟知的砷化锗和砷化镓基集成电路的特征。

用PECVD技术进行的氢的化合物之间的典型化学反应如下：

[1]

如果我们达到较高的温度T1，例如400℃，这样的氧化还原反应[1]从左边向右边进行，如果我们使左边的两种反应物处于等离子态而不是气态；在这样“低”的温度T1下，反应[1]是不完全的并且不是化学计量的，在氢与A和B元素之间残留许多键；一般来说，这些键是单键，即“j”和“k”等于1；从反应[1]，可以得到化学结合氢含量高的固体组合物(如果在原料中存在氘和氚，则得到化学结合氘和氚含量高的固体组合物)和气态氢，在所说的组合物中气态氢不会大量保存。

如果随后把所得的固体组合物加热(甚至在室温下冷却以后)到高于上述温度的温度T2，例如800℃，反应[1]将会完全进行并且是化学计量的，即发生下列反应：

[2]

释放出所含的氢气。

在T1和T2之间的温度下，只能释放出更弱结合的原子。

当然，温度T1和T2取决于所用的A和B元素；此外，必须考虑到，对于反应[1]和[2]，没有使反应速度突然变化的临界值。

所以，根据本发明的方法提出使用第一种量的固态的第一种材料，适合于吸附氢气产生热能，使用第二种量的固态的第二种材料，在其温度高于预定温度时适合于释放氢气，使他们至少部分相互接触，开始时至少把所说的第二种量的材料加热到至少部分超过所说的预定温度；起始加热也可以通过放置两种量的材料的环境进行。

起始加热在第二种量的材料中产生氢的释放；这样的氢在第二种量的材料中迁移，例如通过固态中的扩散迁移，并且至少部分进入第一种量的材料中，因为第一种量的材料是与第二种量的材料接触的。

第一种量的材料吸收氢并开始产生热能，因为发生了设想的核聚变反应，然后加热开始。

由于两种量的材料相互接触，第二种量的材料将被第一种量的材料加热，因此继续进行氢的释放过程；所以第一种量的材料继续加热。如果第一种量的材料不处于足以加热第二种量的材料的条件下，希望“起始”加热继续进行，例如可以保持在热能产生的整个过程中。

当然，上述的氮化硅基固体组合物仅是强调这样的释放性质的可能的第二种量的材料之一；当然，这样的第二种量的材料可以根据不同技术进行生产，其中包括PECVD。

同样，作为第一种量的材料，可以选自：钯、钛、铂、镍及其合金，以及任何表现出这样的吸附性能的其他材料。

在某些情况下，通过二者的相互接触，第二种量的材料的起始加热可能涉及第一种量的材料的起始加热，这一事实是一个优点，因为在这样的情况下，促进了第一种量的材料的氢吸附；如果必要，也可以通过材料和热源的适当布置来促进这样的加热。

对氢在第二种量的材料向第一种量的材料的自发迁移的依赖可能导致热能的产生不足。

为了克服这个缺点，方便的是至少把部分第二种量的材料放在电场中，电场的电力线的形状和方向能促进在第二种量的材料中释放的氢核向第一种量的材料中移动。

电场强度预先根据希望产生的热能进行确定。

如果产生的热能不能合适地排出，两种量的材料的温度将会持续上升，直至其熔化并损坏设备；如果要在不同的时间内得到不同的热能，通过电场强度控制产生的热能是非常方便的；通过电场反向甚至可能消除氢的自发迁移作用，从而完全抑制热能的产生。

然后，这样产生的热能可以直接使用，或者以熟知的方法转变成其他形式的能量。

参考第二种量的材料是氮化硅基固体组合物的情况，通过反应[2]释放的氢及其同位素被第一种量的吸附材料高效地吸附，因为两种量的材料相互接触并且二者都是固体。

重要的是第二种量的材料中氢的浓度(用每立方厘米的原子数表示)应该足以引发每个体积单元的第一种量的材料中适量的聚变现象。

在氮化硅和镍的情况下，可以选择氢在氮化硅中浓度为10²²，氮化物的质量可以是镍质量的9倍；这样，可以释放的氢原子数约等于镍原子数；事实上，镍的密度等于9×10²²。

最后，为了用作固体燃料，固体组合物中AxBy的存在不是必不可少的；重要的是A-H_j+B-H_k的存在：因此，仅利用A-H_j或B-H_k在理论上是可能的。

当然，不能排除固体组合物中存在绝对地或在一定程度上不参加A、B、H元素之间的化学反应的其它化学元素或化合物。

为了用作固体燃料，重要的是使反应[1]不按反应[2]完成，从而使得在所得的固体组合物中捕获许多氢；当然，如果一些氢不是捕获在所说的固体组合物中的化学结合氢，而是原子和/或分子和/或离子形式的，这是不会有问题的，而且是一个优点，因为一旦把所说的组合物加热到高于T1的温度，氢就会释放出来。

用氮化硅，并利用上述的PECVD技术，可以容易地达到10²²个原子每立方厘米的氢浓度。

通过下面所述的设备可以实现上面提出的方法：

a)第一种适合于吸附氢并产生热能的固态的第一种量的材料，

b)第二种在其温度高于预定温度时适合于释放氢的固态的第二种量的材料，至少部分与第一种量的材料接触。

参考图1和2，第一种量的材料标为MA，第二种量的材料标为CO。

所说的设备可以优选地进一步包括加热元件EF，适于在开始时至少把第二种量的材料CO加热到至少部分超过预定温度。

优选的是，也可以希望加热元件ET在起始时至少把第一种量的材料MA也加热到一定程度；当然，实际上完全避免第一种量的材料MA的加热是不可能的，因为它是与第二种量的材料CO接触的。

在图1和2的两个实施方案中，这样的加热是由于电流的通过；即加热元件ET由第三种量的固态的第三种材料构成，适合于在电流通过时产生热能，并使其与第二种量的材料CO热联接；另外，加热元件ET也可能与第一种量的材料MA形成热联接并间接加热第二种量的材料CO；最后，也可以考虑直接加热MA和CO材料。

在图1的实施方案中，可以由装在电绝缘的导热材料制成的绝缘材料中的电阻RES形成加热元件ET，并把加热元件装在第二种量的材料CO中。

相反，在图2的实施方案中，加热元件ET位于第二种量的材料CO的侧面，并且仅由第三种量的材料构成，两个引线T2和T3与其形成热联接，这些引线也适合于与电能发生器G2形成热联接，电能发生器可以位于根据本发明的设备的内部或外面。

当然，有几种另外的方法可以获得起始加热，但是实用性较差，可控制性较差。

根据本发明的设备可以优选地还包括第三种量的固态的第三种材料，和至少分别与第一种量的材料和第三种量的材料形成热联接的第一个引线和第二个引线；如果所说的第一种量的材料和第三种量的材料具有导电性或半导电性，如果第一种量的材料或第三种量的材料的相互位置使得在第一个引线和第二个引线与电能发生器相连时，至少把部分第二种量的材料包含在电场中，则有可能使得第二种量的材料中的氢向第一种量的材料中运动。

这是图2的实施方案的情况。更精确地，在所说的实施方案中，用TE表示的第三种量的材料同时起到加热元件的作用和第二种量的材料CO的极化器的作用。

第一种量的材料MA和第三种量的材料ET与两个平行的平板形成一个冷凝器，在两个平行的平板之间插入由第二种量的材料CO构成的介电材料。引线T1连接到第一种量的材料MA上，两个引线T2和T3连接到第三种量的材料ET上；在引线T1和T2之间连接一个电压发生器G1，用于第二种量的材料CO的极化；在引线T2和T3之间连接一个电压发生器G2，用于第二种量的材料CO的加热。

在图2中，另一个引线T4连接到第一种量的材料MA上，在引线T3和T4之间连接另一个电压发生器G3，当第三种量的材料ET的电势变化时，并且在一般情况下，当第一种量的材料和第三种量的材料不同时，为了在第一种量的材料MA中均匀地产生热能，检测槽式电压发生器G3的电场强度，从而检测位置变化时第二种量的材料CO的极化强度可能是重要的。当然，可以考虑利用更多的发生器同时与第一种量的材料MA的不同点连接，和与第三种量的材料ET的不同点连接，以及与第一种量的材料和第三种量的材料的一些点连接。

优选的是，在所说的设备中提供一个电控制装置-图2中未示出-适合于至少控制第一个引线T1和第二个引线T2之间的电势差，以控制产生的总热能。

上述的用于产生热能的设备优选的是应用于冷核聚变反应器中，作为能够产生人类可以应用的能量的完整的装置；产生热能的设备构成其心脏；图1和2仅表示了这种类型的两种反应器的基本部分，而缺少在能量发生领域中熟知的其它部件，如：蒸汽涡轮机，监测和报警系统，机械基础等。

在根据本发明的设备的反应器中应用的优点之一在于，如果希望如此，所说的设备可以达到相当高的温度(800℃以上)，因此热功转换的可能的热力学周期的产率可能相当高。

在图1中，第一种量的材料MA具有容器的形式，例如，圆筒形；表示了这样的容器浸在一个适合于装水ACQ的罐VA中，其中，冷却水可以通过入口流入，一旦通过与容器MA接触加热后，可以通过出口流出。

在图2中，第一种量的材料MA具有平板的形式，并放在热能向电能的转换器的侧面，所说的转换器适用于至少把由第一种量的材料MA产生的部分热能转变为电能。

在图2中，所说的转换器构成了一个热电堆系统，其位置应该使得其热接触区域至少与第一种量的材料MA热联接。

所说的热电堆系统包括四个热电堆TP，每个热电堆提供了一个第一引线P1和一个第二引线P2，串联地相互连接；第一个热电堆TP的引线P1连接到转换器的正极端PP上；最后一个热电堆TP的引线P2连接到转换器的负极端PN上。热电堆TP之间通过电绝缘材料制成的隔板SE相互分开，并通过电绝缘的导热材料制成的联接器AC与第一种量的材料热联接。

热电堆是一般通过Seebeck效应运行的熟知的装置。

图3表示了热电堆TP的示意性截面；包括小平板形状的第一种导电材料的第一个元件E1，第二种导电材料而不是第一种导电材料的第二个元件E2，和小平板形状的电绝缘材料的绝缘元件EI；元件E1叠放在元件EI上，元件EI叠放在元件E2上；元件E1和E2在称为热接触区的第一个端部处相互之间电接触，而在称为冷接触区的第二个端部处，分别提供第一个引线P1和第二个引线P2。如果元件E1和E2的第一个端部的温度高于其第二个端部的温度，在引线P1和P2之间产生电势差，一般具有几百毫伏的数量级，这取决于温度差。可用于元件E1和E2的材料是文献中熟知的。

Claims

1、一种产生热能的方法，基于利用第一种量的固态的第一种材料，适合于吸附氢而产生热能，利用第二种量的固态的第二种材料，在达到高于预定温度时适合于释放氢，其中所说的第一种量和第二种量的材料至少部分相互接触，并且，在起始时，至少加热所说的第二种量的材料到其至少一部分超过所说的预定温度。

2、根据权利要求1的方法，其中，在起始时至少加热部分所说的第一种量的材料，以促进这样的吸附。

3、根据权利要求1或2的方法，其中，至少把部分所说的第二种量的材料放在电场中，电力线的形状和方向应该促进在第二种量的材料中释放的氢核向第一种量的材料的运动。

4、根据权利要求3的方法，其中，通过控制所说的电场的强度控制产生的热能的量。

5、一种用于产生热能的设备，包括：

a)第一种量的固态的第一种材料(MA)，适合于吸附氢产生热能，

b)第二种量的固态的第二种材料(CO)，适合于在温度超过预定温度时释放氢，至少部分与第一种量的材料接触。

6、根据权利要求5的设备，还包括加热元件(ET)，适合于在起始时至少加热所说的第二种量的材料(CO)，使其至少一部分超过所说的预定温度。

7、根据权利要求6的设备，其中，所说的加热元件(ET)适合于在起始时至少加热一部分所说的第一种量的材料(MA)。

8、根据权利要求6的设备，其中，所说的加热元件(ET)包括第三种量的固态的第三种材料(ET，RES)，适合于在电流通过时产生热能，并使其与所说的第一种量的材料(MA)和/或所说的第二种量的材料(CO)热联接。

9、根据权利要求8的设备，还包括与所说的第三种量的材料(ET)电联接两个引线(T2，T3)，用于联接到一个电流发生器(G2)上。

10、根据权利要求6的设备，还包括第三种量的固态的第三种材料(ET)，至少一个第一个引线(T1)和一个第二个引线(T2)，分别与所说的第一种量的材料(MA)和所说的第三种量的材料(ET)电联接，其中，所说的第一种量的和所说的第三种量的材料具有导电性或半导电性，其中，当所说的第一个引线(T1)和所说的第二个引线(T2)与一个电能发生器(G1)联接时，所说的材料(MA，ET)的相互之间的位置应该至少把部分第二种量的材料(CO)包括在电场中。

11、根据权利要求10的设备，包括一个电控制系统，适合于至少控制所说的第一个引线(T1)和所说的第二个引线(T2)之间的电势差。

12、一个冷核聚变反应器，至少包括一个根据权利要求5～11的至少一个的产生电能的设备。

13、根据权利要求12的反应器，还包括一个热能转换成电能的转换器，适合于至少把所说的第一种量的材料(MA)产生的热能的一部分转换成电能。

14、根据权利要求13的反应器，其中，所说的转换器包括热电堆系统，使其热接触区至少与所说的第一种量的材料(MA)热联接。