JP2021521774A - 水素ジェットを使用する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

排気された再循環ダクト(12,18)を含む水素ジェットシステムであって、前記再循環ダクトは、ガスのジェットを形成するように該再循環ダクトを回る水素ガスを提供するためのポンプ(20)および前記再循環ダクト中に水素ガスを提供するための手段(24,25)、並びに水素原子を形成するように前記ガスのジェット中にエネルギーを提供するための電気装置(30,32)を備える、水素ジェットシステム。前記ガスのジェットは、該ガスのジェットと整合する対向した孔(42,43)を構成する中空の電極シェル(40)を通過するようになっており、ターゲット電極(44)が、前記中空の電極シェルを越えて配置されており、また、水素原子が該ターゲット電極と衝突するようになるように前記ガスのジェットと整合している。前記電極シェルおよび前記ターゲット電極は各々、外部電気端子(50,52)に接続されている。前記電極シェルおよび前記ターゲット電極は各々、作動中熱エネルギーを除去するように熱交換チャンネルを構成するのがよい。

Description

本発明は、水素ジェットを使用する方法およびシステムに関する。

本発明によれば、排気される再循環ダクトを含む水素ジェットシステムであって、前記再循環ダクトは、ガスのジェットを形成するように該再循環ダクトを回る水素ガスを提供するためのポンプと、前記再循環ダクト中に水素ガスを提供するための手段と、水素原子を形成するように前記ガスのジェット中にエネルギーを提供するための電気装置と、中空の電極シェルであって、該中空の電極シェルは、前記ガスのジェットが該中空の電極シェルを通過するように、前記ガスのジェットと整合する対向した孔を構成している中空の電極シェルと、前記中空の電極シェルを越えて配置されたターゲット電極であって、該ターゲット電極もまた、水素原子が、該ターゲット電極と衝突するようになるように前記ガスのジェットと整合している、ターゲット電極と、を含む、水素ジェットシステムが、提供される。

中空の電極シェルは、略球形であるのがよい。電極シェルおよびターゲット電極は、それぞれの外部電極端子に接続されているのがよく、それによって、電気出力が、例えば、外部負荷に提供されることができる。このようにして、電極シェルとターゲット電極の間に発生される電圧が、外部電極端子に接続された外部負荷に供給されることができる。

システムの作動中、中空の電極シェルとターゲット電極の両方は、熱交換装置を含む。例えば、熱交換装置の各々は、熱交換流体が通過される熱交換チャンネルを構成するのがよく、それにより、熱交換流体は、熱くなり、外部エネルギー発生装置に供給されることができる。例えば、熱交換流体が水のような蒸発可能な液体の場合には、蒸気は、発生器に接続されたタービンを作動させるために使用されることができる。

ガスのジェット中にエネルギーを提供するための装置は、電気装置、例えば、間に電気アークを発生させることができる１対の対向した電極であるのがよい。かくして、水素原子を形成するための電気装置は、例えば、１対の間隔を隔てて配置されたタングステン電極であるのがよく、１対の間隔を隔てて配置されたタングステン電極の間に、電気アークを生成するようにDCまたはAC電圧が印加され、１対の間隔を隔てて配置されたタングステン電極は、水素ガスジェットが該電極の間の間隙を通過するように配置され、間隙を通過するガス流れの方向は、電気アークの方向と実質的に直交する。代替的な電気装置は、タングステンワイヤからなり、タングステンワイヤは、電気的に加熱されたときに、水素分子を水素原子に解離させることができる。ガスのジェットにエネルギーを入力するための装置は、代替的には、非電気的装置、例えば、水素原子を形成するために紫外線で水素を照射する(Cario and Frank法)装置であってもよい。

作動では、１チャージの水素が、初めに導入され、次いで、その水素は、再循環される。その後、追加の水素が、例えば、熱交換器への打ち込み、或いは他のプロセスによるシステムからの水素の損失を置き換えるために提供される。ポンプの作動は、ノズルからの制限と組み合わさって、ノズルと熱交換器の間の再循環の領域が、低圧、好ましくは５０kPa以下、より好ましくは２０kPa以下、例えば１０kPa若しくは５kPa、或いはさらに１kPaであることを確保するようなものである。

作動中、水素分子は、水素原子に変換され、水素の原子は、陽子および電子にイオン化されることが推測される。ジェットから離れる方向に移動する電子は、中空の電極と衝突し、それによって、中空の電極は負に帯電される。同じ理由で、陽子に衝突されたターゲット電極は、正に帯電されるであろう。

第２の観点では、本発明は、かかるシステムを利用する、水素ガスの提供を伴う作動方法を提供する。

水素ガスを提供するための手段は、水の電気分解のための電解セルであるのがよいことがわかるであろう。かかる電解セルは、例えば、電気分解のための電力を供給するために、ソーラーパワーを使用することができる。水素ガスを提供するための他の手段には、天然ガス、或いは他の炭化水素の水蒸気改質、および、他の知られた工業プロセスが含まれるであろう。

本発明を、以下でさらに、さらに詳しくは、例としてのみ、添付図面を参照して説明する。

側面図に対応する、本発明のシステムの流れ図である。

図１を参照すると、水素ジェットシステム１０は、一方の端に入口管１４を備え、反対側の端に出口管１６を備えたプロセスチャンバ１２からなる再循環ダクト１１を含み、入口管１４と出口管１６は、管１８およびポンプ２０によって相互連結されている。入口管１４は、プロセスチャンバ１２内に開口しているノズル２２を構成しており、弁２５を備えた分岐管２４が、再循環ダクト１１からガスを抽出し、再循環ダクト１１内にガスを導入することを可能にしている。このようにして、ダクト１１は、閉鎖ループを構成し、この閉鎖ループを回って、ガスが、ポンプ２０によって循環されることができる。ガスの流れは、矢印Ａによって示されている。

２つのロッド形タングステン電極３０が、これらの電極３０の先端が、ノズル２２の端から短い距離のところで互いに反対側にあるようにプロセスチャンバ１２の壁に設けられたシール３１を通して突出しており、そのため、ガスジェットがノズル２２から現れるときに、電極３０の先端は、ガスジェットの両側にある。電極３０は、ノズル２２の、したがって、発生するガスジェットの軸線に対して約４５°傾斜している。シール３１は、対向した先端の間の分離を調節するために、電極３０の滑り入れ、または、滑り出しを可能にする。タングステン電極３０は、例えば、例として３mm〜５mmの径を有するのがよい。電極は、二次コイルおよび一次コイルを備えた負荷変圧器３２を含んだ（概略的に示されている）外部電気回路に接続されており、電極３０は、負荷変圧器３２の二次コイルの両端に接続されており、負荷変圧器３２の一次コイルは、スイッチ３４を介してAC電源３６に接続されている。

中空の二重壁球形電極４０が、プロセスチャンバ１２内に取り付けられており、電気遮蔽器４１（それらの１つのみが図示されている）によって支持されている。球形電極４０は、２つの直径方向に対向した孔４２および４３を構成しており、２つの直径方向に対向した孔４２および４３は、ノズル２２の、したがって、発生するガスジェットの軸線と整合しており、ノズル２２からより遠い孔４３は、矢印Ａによって示されているように、ガスジェットの逸れを可能にするようにより幅広であり、ジェットは、球形電極４０の真ん中を通過して、球形電極４０を越えて現れる。

プロセスチャンバ１２の他方の端に向かって、湾曲した熱交換ターゲット４４があり、湾曲した熱交換ターゲット４４は、該湾曲した熱交換ターゲット４４内に冷却材のための流路を構成しており、熱交換ターゲット４４は、冷却材流れダクト４６によって、プロセスチャンバ１２の外側にあるポンプ４７および外部熱交換器４８に接続されている。

プロセスチャンバ１２の外側にある電気端子５０および５２が、ぞれぞれ、球形電極４０および熱交換ターゲット４４に電気的に接続されている。

球形電極４０は、二重壁であり、そのため、内部で冷却材のための流路を提供する。破線で示されているように、球形電極４０はまた、冷却材流れダクト４６、そして、プロセスチャンバ１２の外側のポンプ４７および外部熱交換器４８に接続するポンプ冷却材流れダクト４６aに接続されているのがよい。例として、冷却材は、球形電極４０および熱交換ターゲット４４の各々から熱を除去するために、球形電極４０および熱交換ターゲット４４を通して直列に流れるようになっているのがよい。

作動では、いくつかの水素ガスが、再循環ダクト１１内に導入され、ポンプ２０によって循環される。水素の量、ポンプの作動、および、ノズル２２からの制限は、プロセスチャンバ１２内の圧力が、１０kPaであるようになっている。作動中、システムからの水素の損出を置き換えるように、追加の水素が提供される。

例えば、水のような液体、若しくは、１００℃以上の沸点を有する液体、若しくは、窒素のようなガスであるのがよい冷却材流体が、球形電極４０および熱交換ターゲット４４を通してポンプ４７によって圧送され、作動中、球形電極４０および熱交換ターゲット４４は、熱くなり、冷却材流体が、この熱を除去する。熱は、（例えば、発電機に接続された蒸気タービンに過熱された水を提供することによって）直接利用されることができるが、図１では、熱は、２つの段階で伝達され、初めは、球形電極４０および熱交換ターゲット４４を通して流れる冷却材流体に伝達され、次いで、外部熱交換器４８を通って流れるようにされる二次冷却材流体に伝達される。二次冷却材流体は、熱を提供するために、例えば、家庭または温室を暖房するために直接使用されることができ、または、発電するために使用されることができる。理想的には、除去された熱は、有用な出力を最大化すべく、組み合わされた熱およびパワーを供給するために使用される。

スイッチ３４は、電極３０の先端の間で電圧を提供し、それによって、電極３０の先端の間の低圧水素中でアークを発生するように付勢される。電極３０の間に印加される電圧は、５０Vよりも大きく、例えば、１００V、１５０V、或いは、２００V、或いは、なおそれよりも高いのがよい。電極３０の先端を互いにさらに近づけて、アークを新たに発生させ、次いで、先端をさらに離すことが必要なことがある。電極の先端の分離は、通常の作動中、例えば１mm〜５mm、例えば３mmであるのがよい。

システム１０への電力入力は、主として、AC電源３６によって電極３０に提供される電力である。これは明らかに、アーク、および、電圧中に流れる電流に依存する。この構成は、タングステンを含む材料を溶接することできることが発見された、西暦１９１１年ほどにラングミュア(Langmuir)によって開発された水素アーク溶接装置といくつかの共通点を有するが、本ケースでは、プロセスは、低圧で、かつ、水素ガスのみの存在下で実行されることがわかるであろう。水素分子を原子に解離させるのに必要なエネルギーは、約４２０ｋJ/moleであり、それは、ガス蒸気中であろうと、熱交換ターゲット４４の表面との衝突時であろうと、原子が再結合する場合に熱として発生されることが通常期待されるエネルギーの量である。しかしながら、本ケースでは、可成りより多い熱エネルギーがガスジェットから得られることが推測される。

水素ガスがアークを通過するときに水素ガスに入力されるエネルギーは、水素分子を水素原子に解離させる。解離の程度は、アークの温度、および、アーク内に提供される電力によって決まる。水素ガスは、アークによって一定範囲の異なるエネルギーを備え、少なくともいくつかの水素原子がイオン化されることが予想され得る。その結果、プロセスチャンバ１２を通って流れるガスジェットは、水素分子、水素原子、並びに、イオン、すなわち、電子および陽子、主として陽子を含む。電子および陽子は、主要なエネルギー源であると考えられる。

電子が、電子をガスジェットの外に、カスジェットから離れる方に連れ去る方向に移動する場合には、電子は、球形電極４０の内面上に衝突する。その結果、球形電極４０は、負となるであろう。これと比較して、同じ電子が存在しないので、熱交換ターゲット４４は、正となるであろう。

例えば、Dr. Ivan A.Strilets (Journal of Modern Physics, 2014, 5, 1302-1320: http://www.scrip.org/journal/Paperinformation.aspx/paperID=49252)によって、水素原子は不安定であり、自然にイオン化すると推測されている。それが事実であるとすると、アーク中で生成される水素原子の少なくともいくつか（および、可能性として大部分）は、熱交換ターゲットに到達する前にイオン化し得る。この論文はまた、発生する電子は、約１３００kJ/moleの著しい運動エネルギーを有することとなり、これは、電子が、球形電極４０に到達するようにガスジェットからより逸れやすくさせるようになることを示唆している。それによって、少なくとも電子は、追加のエネルギーを提供し得ることが推測される。その結果、球形電極４０および熱交換ターゲット４４から得られる熱エネルギーは、電源３６によって提供される電気エネルギーよりも可成り大きくなり得ることが示唆された。

上記の説明は、例としてのみのものであり、システムは、特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内になおありながら、種々の仕方で変更することができることがわかるであろう。例えば、電極３０の間の間隙を目がける単一のノズル２２の代わりに、ガスは、各々の電極３０に沿って１つずつある２つのノズルを通して代わりに送られることもでき、その結果、ガス流は、間隙で出会い、図示されるように矢印Ａによって示されるように流れ出る。中空の球形電極のために二重構造を使用する代わりに、電極４０は、代わりに単一壁であって、熱交換ダクトがその単一壁の外側面と熱交換接触する単一壁を有することもできる。さらに、中空の電極４０は、非球形、例えば、形状が楕円の回転面の形状であるような、断面が楕円形であることもできる。実際、中空の電極は、全く異なる形状、例えば、矩形ボックスのような、或いは、中空の円筒、中空の円錐、若しくは中空のピラミッドのような形状を有することもできる。熱を、球形電極４０から、また、熱交換ターゲット４４から除去するための単一の熱交換システムの代わりに、１つが熱を球形電極４０から除去し、もう１つが熱を熱交換ターゲット４４から除去するための２つの別個の熱交換システムが代わりにあってもよい。

Claims (12)

1. 排気される再循環ダクトを含む水素ジェットシステムであって、前記再循環ダクトは、ガスのジェットを形成するように該再循環ダクトを回る水素ガスを提供するためのポンプと、前記再循環ダクト中に水素ガスを提供するための手段と 水素原子を形成するように前記ガスのジェット中にエネルギーを提供するための電気装置と、中空の電極シェルであって、該中空の電極シェルは、前記ガスのジェットが該中空の電極シェルを通過するように、前記ガスのジェットと整合する対向した孔を構成している中空の電極シェルと、前記中空の電極シェルを越えて配置されたターゲット電極であって、該ターゲット電極もまた、水素原子が、該ターゲット電極と衝突するようになるように前記ガスのジェットと整合している、ターゲット電極と、を含む、水素ジェットシステム。
2. 前記中空の電極シェルは、略球形である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記中空の電極シェルおよび前記ターゲット電極は、それぞれの外部電極端子に接続されており、それによって、電気出力が提供されることができる、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記中空の電極シェルは、熱交換装置を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記ターゲット電極は、熱交換装置を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 各熱交換装置は、外部エネルギー発生装置を含む、請求項４または５に記載のシステム。
7. 前記ガスのジェット中にエネルギーを提供するための前記装置は、電気装置である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記電気装置は、間隙を構成するように間隔を隔てて配置された１対の対向したタングステン電極と、電気アークを生成するように前記電極間にDCまたはAC電圧を印加するための手段とからなる、請求項７に記載のシステム。
9. 前記１対のタングステン電極は、前記水素ガスジェットが、前記電極間の間隙を通過するように配置されており、前記間隙を通るガスの流れの方向は、前記電気アークの方向と実質的に直交している、請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
10. エネルギー伝達方法であって、請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム中に１チャージの水素を導入し、水素を再循環させ、ガスのジェットを創出するように前記ポンプを付勢し、前記ガスのジェット中にエネルギーを提供するように電気装置にエネルギー供給する、ことを含む方法。
11. 前記ノズルと前記熱交換器の間の前記再循環ダクトの領域は、２０kPaよりも低い低圧である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記低圧は、１０kPaである、請求項１１に記載の方法。

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