JP5645194B2 - 水素及び酸素の燃焼用エネルギ変換装置、システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素及び酸素の燃焼と膨張とにより駆動されるエネルギ変換装置及びシステムに関する。膨張は、所望の形態のエネルギに変換される液体の運動を形成する。さらに、本発明は、エネルギ変換装置を動作させる方法に関する。エネルギ変換装置はクローズドシステムで作動されるので、ユニットへの液体の追加が必要ない。ユニットは、それによって機械的燃料電池として機能することがでる。燃焼と膨張に続いて、膨張中に形成されるキャビティが崩壊する可能性がある。この崩壊は、ユニットの操作に利用され得る急速な圧力損失を形成し得る。ユニットは、燃焼ユニット／原子炉と、形成されるエネルギを利用するためのユニットとを組み合わせる。

燃料として水素を使用することは、いくつかの技術分野の中で周知である。例えば、通常、空気と一緒に、一般的なピストンエンジンで水素を使用することが知られている。しかし、このような公知のシステムでは、プロセスがクローズされてなく、エネルギを変換するための装置はユニットに組み込まれていない。通常は、モータや発電機やポンプは、相互に分けられた別々のユニットである。

国際公開ＷＯ２００５／０８５６１４号には、燃焼装置及び点火装置を備えた発電システム、メインアキュムレータ、油圧ローター、制御バルブ及びエネルギ発生機が示されている。水素、酸素及び水が燃焼装置に導かれる。点火装置は、燃焼装置内で水素と酸素との混合物に点火する。燃焼装置内部での流体の膨張が、直接作動油を加圧するように作用する。燃焼室内で加圧された作動油は、メイン油圧アキュムレータに流入する。油圧ローターは、加圧された作動油のエネルギを変換して、出力軸を回転させる。

国際公開ＷＯ２００５／０８５６１４号公報

本発明によるエネルギ変換装置は、何の排気ガスも排出しない。水素及び酸素の燃焼及び膨張は、最初のストロークで水を形成し、第二のストロークで崩壊及び圧力損失を形成する。形成された水はユニットから排出される。この水は、水素及び酸素を再生するためのユニットに戻すことができ、結果として、クローズドシステムとなる。膨張中に形成されるガス充填キャビティの崩壊を伴う膨張は、再び他の形態のエネルギに変換され得る、液体、好ましくは水における圧力変動と運動を形成するために用いられ得る。

運動と圧力は、電気に変換され得る。ユニット内に入るエネルギの出力は、コイルの内で移動して電流を発生する線形磁石によって予め形成される一実施例になる。膨張中に、磁石はコイル内に押圧され、そして、爆縮／圧力損失により、磁石はコイルから引き出される。言い換えれば、それは複動サイクルを有する。ユニットは、安全バルブとしての再調整される頂部の排気バルブによって保護される。Ｈ_２とＯ_２は、ユニットに供給されている唯一のガスである。通常の形態又は霧状の形態、蒸気または他の形態の水は、初期量が追加されたプロセス中に使用される必要はない。燃焼に続く頂部での圧力損失により、ピストンが水を頂部に押し戻すことが許される。

システムが２Ｈ_２Ｏへの２Ｈ_２とＯ_２との反応を通して追加されるものを超えて何の液体も循環させず、又は処理をしないので、最初に加えた量の液体が原子炉の中に残ることになる。それにより、排気が出ることがなく、従って、ユニットは、排気用の出口を含まない。

本発明に係るモータ又はエネルギ変換装置は、水素と酸素によって駆動される発電機である。エネルギ変換装置は、好ましくは、電気を発生するだけでなく、油圧液体／駆動空気圧を送り込み、機械的な回転運動等を生じさせるように設計され得る。チャンバは、液体が満たされた部分を含み、かつ、場合によっては、液体の上に液体のないキャビティが形成されるように液体を部分的に満たすことによって液体のない部分を含むように適合される。供給システムは、液体のないキャビティに水素と酸素を供給する。例えば、スパークプラグやプラズマアークを持つ点火システムが、水素と酸素を点火するために液体のないキャビティ内に設けられ、液体のないキャビティ内に圧力変動を形成し、それはチャンバ内の液体に伝わり、それを運動に変える。

ブリードオフバルブは、単に燃焼を通して形成された水を排出し、チャンバが実質的なクローズドシステムを形成するようにチャンバの唯一の出口を形成する。液体内の運動と圧力を受けるためのエネルギ受け取り要素が、チャンバに一体に設けられている。これは、例えば、これらの要素が、チャンバ内の液体がエネルギ受け取り要素に直接的に作用するように、チャンバの壁の開口部に設けられていることを意味する。

点火システムは、システム内の質量を往復運動させるために固有周波数で調整され得る。システムの質量は、液体の質量と、エネルギ受け取り要素、例えば、ピストンの質量とで表される。エネルギ受け取り要素は、圧力変動により生じる液体内の運動を受け取り、この運動を電流、空気圧、油圧又は上記定義と同じものに変換する。

エネルギ受け取り要素は、チャンバの容積が、チャンバ内の圧力変動により変動できるようにし、この容積の変動がエネルギ受け取り要素を駆動する。

エネルギ受け取り要素は、例えば、シリンダに配置されたピストンを含み得る。これらのピストンは、機械的な動きを電流に変換するユニットに接続され得る。典型的には、ピストンは、コイルに配置された固定磁石を駆動することになり、固定磁石はコイル内で前後に動かされ得、電流を発生する。制御ユニットは、コイルからの電流を調整し、処理し得る。

ピストンは、選択的に、機械的な運動を油圧に変換するユニット、例えば、油圧ポンプに接続され得る。

供給システムは、液体のないキャビティへ酸素と水素を連続供給するための少なくとも１つの制御バルブを備え、点火システムは、少なくともひとつの制御バルブで調整される連続点火ユニットを備えている。

チャンバは、水素と酸素の燃焼中に形成される水の排出用のバルブによって出口に接続され得る。

弾性ダイアフラムが、液体充填部分と液体のない部分との間に配置され得る。前記ダイアフラムには、例えば、蒸気発生を減らすことができ、かつ、気体と液体との間の位相を分離する。

エネルギ受け取り要素は、シリンダ内に配置されたピストンを有し得、これらのピストンは、ピストンを静止位置に保持するシステムに接続され得る。静止位置は、例えば、バネによって、又は、例えば、磁石とコイルの電気制御によって維持され得る。

変換装置は、液体の運動のための固有周波数を有し得、ガスの供給や点火のためのシーケンスは、液体の運動の液体の固有振動数に応じて調製され得る。

チャンバは半球の端部を有する実質的に水平な円筒状に形成され得、複数のエネルギ受け取り要素が、このシリンダに沿って配置され得る。

安全バルブは、チャンバ内の圧力が、所定の値を超えないことを保証し得る。

液体は水であり得る。

さらにまた、本発明は、少なくとも１つのバルブを備えた供給システムを有するチャンバ内で水素と酸素を燃焼させるためのエネルギ変換装置を動作させるための方法に関する。少なくとも１つのバルブは、チャンバへの水素及び酸素の連続供給を保証する。点火システムが、チャンバ内の水の圧力サージと運動を生成するための点火および燃焼のために設けられる。この方法は、チャンバ内に水を準備すること、チャンバ内に液体のないキャビティが形成され、点火システムによってガスキャビティ内のガスに点火し、チャンバ内の水の圧力を上昇させて運動を生じさせるように、少なくとも一つのバルブを通して実質的に化学量論的関係で水素及び酸素を供給すること、チャンバに一体に設けられたエネルギ受け取り要素でチャンバ内の水の圧力上昇と運動を受け取り、ブリードバルブによって燃焼中に形成された水を排出することを含む。

排出された水は、完全なクローズド回路が形成されるように、水を水素と酸素に分離するためのユニットに戻され得る。

この方法は、さらに、チャンバが、点火システムと供給システムとを熱的に絶縁するための余剰なＨ_２を含み、膨張時の熱損失を低減させるように、チャンバにある量のＨ_２を添加することを含み得る。

Ｈ_２の燃焼に加わっていない部分が制御され得、Ｈ_２のこの部分は、所定の動作パラメータを維持するためにオペレーションに補充され得る。

さらに、本発明は、チェンバーと水素及び酸素をチャンバへ連続供給するための少なくとも１つのバルブとを備えたエネルギ変換装置と、チャンバ内の水の圧力上昇と運動を生み出すための点火及び燃焼用点火システムとを有するシステムに関する。このシステムは、さらに、燃焼を通して生成される水を排出するブリードオフバルブを備え、これは、チャンバが密閉システムを形成するように、動作中にチャンバの唯一の出口を形成する。液体の運動や圧力を受け取るためのエネルギ受け取り要素が、チャンバ内に一体的に設けられる。ブリードオフバルブは、完全に密閉された循環系が形成されるように、水を水素及び酸素に分離するユニットに関し得る。

本発明の第一実施例の上側部分の断面の詳細を示している。 本発明の一実施例に係るエネルギ変換部分を示している。 本発明の一実施例の断面を遠近法で示している。 本発明に係るエネルギ変換用クローズドシステムを示している。

図１は、本発明が、上部にチャンバ２が配置されたエンジン又は発電機９から成るエネルギ変換装置であることを示している。スパークプラグ１が、チャンバ２の頂部における安全バルブ６の一側に示されている。水素と酸素の化学量論的混合物を供給するための好ましくは一つの単一供給ノズル３が、チャンバ内に配置されている。液面１０が、液体充填部分とガス充填部分との間のパーティションとして示されている。エネルギ受け取り要素７が、コイル５内の固定磁石を動かすピストン４として示されている。スパークプラグは、一般的にプラズマアークを発生させるユニットである。

図２には、外側から見た本発明によるエネルギ変換装置９が示されており、この図ではコイル５を備えたエネルギ受け取り要素７が明確に示されている。

図３には、本発明がさらに示されており、この図では、上部チャンバ２に二つの電極１ａと安全バルブ６が示されている。ピストン４を備えたエネルギ受け取り要素７は、円筒状のチャンバの側面に取り付けられている。６つのエネルギ受け取り要素子７が示されている。電子制御ユニット８は、ガスの流入、点火、モニター圧力、温度、液面を制御することができ、また、液体を排出するためのバルブを制御することもできる。

図４には、高電圧のプラズマフィールドにプラズマを発生させるプラズマ電極１ａが液体空チャンバ２に設けられた本発明に係るシステムが示されている。プラズマフィールドの強さと持続時間は、プラズマコイル１８によって制御される。フィールドは、二つのプラズマ電極１ａとの間に形成され、これらの電極１ａは、図面ではプラズマコイル１８として示された高電圧電源に接続されている。プラズマのコイル１８は、制御ユニット１９によって制御される。４０００００Ｖ〜４５００００Ｖの大きさの電圧がプラズマ電極１ａに供給される。電極間に形成されるプラズマアークは、典型的には、水素と酸素との間の反応を開始し、１２０００ｍ／ｓの速度で伝播する。プラズマアークは、水面下で点火するのに十分な強さであり得る。プラズマ電極とガスの注入口は、電極の完全な分離を確保するように特別に設計されている。

水素と酸素との間の反応により、チャンバ２内の圧力が上昇する。水はこの反応で形成される。

反応が終了すると、反応によって形成されたキャビティが崩壊し、チャンバ２内に迅速な圧力損失が生じる。チャンバ２内の圧力は、この方法では、相当に上昇した圧力と大気圧よりもかなり低い圧力との間で振動する。これらの圧力振動は、運転中にチャンバ内に一つの水柱を生じさせ、この柱は上下に動く。水のこの動きが、エネルギ受け取り要素７を駆動し得る。アセンブリは、流体、例えば、水のための別の入口を有し得る。

加えられる水の量は、エネルギ受け取り要素７がそれらの外側位置にある時の反応チャンバの総容積の約半分になり得る。これにより、エネルギ受け取り要素７がそれらの内側位置にない時に、ユニットの頂部において液体の上方に液体のないキャビティが形成される。流体は、燃焼の間に下向きに加速され、エネルギ受け取り要素のピストンを外向きに押す。

エネルギ受け取り要素７は、コイル５で囲まれたシリンダ内で前後に移動し得る組み込み式磁石を有するピストン４を備えている。しかし、エネルギ受け取り要素７は、他の方法、例えば、ピストン７の代わりにダイアフラムを使用して設計することができる。重要なことは、エネルギ受け取り要素が、水の運動を有用なエネルギに変換することができることである。

バルブユニット３は、制御された量の酸素及び水素をそれぞれユニットに連続的に供給する。バルブユニットは、制御ユニット１９によって制御され、典型的には、磁石バルブである。水素と酸素の反応で生成される水は、レベル又はブリードオフバルブ２１を通して排出される。また、ブリードオフバルブ２１は、制御ユニット１９によっても制御され得る。ブリードオフバルブ２１は、磁気的に制御されるバルブであり得る。ブリードオフバルブ２１の本質的な特徴は、ピストン４が遠くに押されるようにチャンバ内に多くの水が蓄積されることがないようにすることである。ブリードオフバルブ２１を通して排出される水は、第一戻りライン１３を通して水を水素と酸素に変換する変換ユニットに戻され得る。前記第一戻りライン１３は、流体戻りポンプ１４と別の第二戻りライン１５に接続されている。

チャンバ２が常に水素過剰になるように、酸素よりも多い量の水素がチャンバ２に追加され得る。燃焼の間、化学量論量の水素及び酸素だけが燃焼するので、理論的には、追加水素が供給される時に、各パワーストロークに対する反応のために化学量論量の水素及び酸素を加えることが必要なだけである。追加水素は、チャンバの頂部に置かれ、絶縁体として機能することになる。この方法では、熱の大部分は、膨張に寄与するために下方に移動する。それと同時に、上方に向う熱は少量になり、プラズマアーク用の電極及びインレットバルブと共にチャンバの上部が、晒される熱は相当少なくなる。追加される余剰水素の量は、測定されたパラメータ又は経験から得たデータに基づいて制御ユニット１８により制御され得る。例えば、前記量は、チャンバ内の上記した露出した構成要素の周辺温度に応じて制御され得る。選択的に、別の不活性絶縁ガスが使用され得る。追加のガスは、燃焼のために水素を追加する水素バルブ３を介して注入されるか、または別のバルブを介して追加され得る。

また、ユニット全体は、冷却ユニット等を通してチャンバ内に水を循環させることによって、チャンバの内部の冷却パイプコイルを介して冷却され得、また、必要に応じて、例えば、チャンバの外部で液冷又は空冷によって冷却され得る。冷却は、制御ユニット等の一般的なサーモスタットによって制御され得る。

変換装置は、水素及び酸素をバッファリングするための貯蔵タンク１１及び１２に接続される。この方法では、ユニット全体が、液体／水の供給なしのクローズドシステムとして設計され得る。また、チャンバ２内の水は、クローズドシステムを形成し、酸素と水素との反応から水を生み出す循環に関しては別として、水の交換がされることはない。分離ユニットは、電気分解１７として示されている。

固定マグネット付ピストン４はシリンダ内部に置かれ、その一端が流体内でチャンバ２に接触し、その他端が周囲雰囲気に接触する。選択的に、その他端は、ピストン４のストロークを制御したり減衰させたりするために、パイプ２０を介してガス源に接触され得る。ピストン４は、大気圧によって、バネによって、磁場によって、又はピストン４をチャンバ２に向けて内側方向に押圧することができる他の効果やユニットによって、チャンバ２に向けて導かれ得る。

管２０が適当なバルブ（図示せず）に接続されている場合、これらは、現在の発電との組合せ又は単独で、流体をポンピングするために使用され得る。この場合、エネルギ受け取り要素７は、ピストン４の戻りを保証するユニット、例えば、スプリング（図示せず）を含む。

また、ピストンは、回転シャフトに力を伝達するためのユニットに機械的に接続され得る。

チャンバ内の圧力が所定のレベルを超えていないことを保証するためにチャンバ２の内側に安全バルブ６が設けられ得る。

エネルギ変換装置が始動されると、ピストン４がチャンバ２に対して内側の位置に向けて導かれる。この位置は、ピストンの内側位置である。この位置で、チャンバが完全に水で満たされていることが保証される。これは、例えば、ピストン４が吸引され、チャンバが水で満たされるように、チャンバ２の頂部を通して流体が吸い出されることで実行され得る。また、チャンバ内のこの圧力の減少は、水に溶解したガスや汚れを除去するのに望ましいことであり得る。反応に水素、酸素及び水以外の物質が加わることは望ましくない。

選択的に、ピストン４に対する内側位置は、水と絶縁ガス、好ましくは水素との混合物が満たされたチャンバを意味し得る。

選択的に、ピストン位置の内側位置は、運転中に監視され得、かつ、バルブ２１を通して排出することが可能にされた水の量と、加えられる絶縁水素の量とによって制御され得る。

チャンバには、純水及び場合によっては絶縁ガス以外のものは含まれない。これは水を汚すことなく制御された環境を提供するクローズドシステムの利点である。水の汚染は、燃焼及び反応の両方において、そして、システムの圧力を可能な限り早く下げることが望ましい時には燃焼の後に、システムに悪い影響を与え得る。また、汚染は、典型的には、腐食や摩耗に関連する他の不利な影響を与えることがある。

選択的に、必要に応じて、チャンバ内に二つの流体間を分離し得るダイアフラムが配置され得る。水は水素と酸素の反応／燃焼で水が形成されるので、流体の一つは、必然的に純水になる。

電子制御ユニットは、圧力、温度、ピストン位置等を監視するセンサーを有し得、測定データに基づいて、噴射ガス及びプラズマアークの点火を制御し得る。図４に示されたユニットに関連する説明は、他の図面にも関連があり、図４に示したユニットが、形成される水を介して水素と酸素を生成し、リサイクルのためにユニットなしで使用することができることは勿論である。この場合、周囲に水を排水することができる。

チャンバ自体は、半球状の端部を備えた水平又は垂直な円筒形のユニットとして設計され得、エネルギを受け取るユニットはシリンダ壁に配置される。

Claims (13)

1. チャンバ（２）と、
   チャンバ（２）に水素及び酸素を順次供給するための少なくとも一つのバルブ（２）を備えた供給システムと、
   チャンバ（２）内の水の圧力上昇及び運動を形成するための点火及び起爆燃焼用点火システムと
   を備えたエネルギ変換装置であって、
   燃焼中に生成された水を排出し、チャンバ（２）の唯一の出口を形成して、チャンバにクローズドシステムを形成させるブリードオフバルブ（２１）と、
   水の運動及び圧力を受け取るためにチャンバ（２）に一体的に設けられたエネルギ受け取り要素（７）と
   を備えていることを特徴とするエネルギ変換装置。
2. エネルギ受け取り要素（７）が、シリンダ内に配置されたピストン（４）を備え、
   前記ピストン（４）が機械的運動を電気エネルギに変換するユニットに接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のエネルギ変換装置。
3. エネルギ受け取り要素（７）が、シリンダ内に配置されたピストン（４）を備え、
   前記ピストン（４）が機械的運動を水圧に変換するユニットに接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のエネルギ変換装置。
4. 供給システムが、酸素及び水素を各々液体のないキャビティに順次別々に供給するための少なくとも二つの制御バルブ（３）を有し、
   点火システムが、二つの制御バルブ（３）と連携して順次点火をするためのユニットを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のエネルギ変換装置。
5. 第一の部分と、第二の液体で満たされた部分との間に、圧力及び運動を伝達する弾性ダイアフラムを備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載のエネルギ変換装置。
6. チャンバ（２）が、半球状の端部を有する実質的に水平なシリンダとして形成され、
   複数のエネルギ受け取り要素（７）がシリンダに沿って配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載のエネルギ変換装置。
7. チャンバ内の圧力が所定の値を超えないようにする安全バルブ（６）を備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載のエネルギ変換装置。
8. 点火システムが、高電圧プラズマフィールドにプラズマを発生させるプラズマ電極（１ａ）を備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載のエネルギ変換装置。
9. 水素及び酸素をチャンバに順次供給するための少なくとも一つのバルブ（３）を有する供給システムと、チャンバ（２）の中の水の圧力上昇及び運動を生成するための点火及び起爆燃焼用点火システムとを備えたチャンバ内で水素及び酸素を燃焼させるエネルギ変換装置の動作方法であって、
   チャンバ内に水を準備し、
   チャンバ（２）内に液体のないガスで満たされたキャビティを形成するように、少なくとも一つのバルブ（３）を通して実質的に理論混合比で水素及び酸素を供給し、
   チャンバ（２）内の水の圧力上昇及び運動を形成するように点火システムによってガスで満たされたキャビティ内のガスに点火し、
   チャンバ内の水の圧力上昇及び運動を、チャンバ（２）に一体に設けられたエネルギ受け取り要素（７）で受け取り、
   ブリードオフバルブ（２１）によって燃焼で形成された水を排出する
   ことを特徴とするエネルギ変換装置の動作方法。
10. 完全に密閉された回路を形成するように、水を水素及び酸素に変換するユニット（１６）に排水をフィードバックする
    ことを特徴とする請求項９に記載の動作方法。
11. チャンバが、点火システムと供給システムとを熱的に絶縁するための余剰なＨ_２を含み、膨張時の熱損失を低減させるように、チャンバにある量のＨ_２を添加する
    ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の動作方法。
12. Ｈ_２の燃焼に加わっていない部分を監視する
    ことを特徴とする請求項９〜１１の何れか一項に記載の動作方法。
13. チャンバ（２）と、
    チャンバに水素及び酸素を順次供給するための少なくとも一つのバルブ（３）を有する供給システムと、
    チャンバ（２）内の水に圧力上昇及び運動を生じさせるための点火及び起爆燃焼用点火システムと
    を備えたエネルギ変換装置を有するシステムであって、
    燃焼中に生成された水を排出し、チャンバ（２）の唯一の出口を形成して、チャンバにクローズドシステムを形成させるブリードオフバルブ（２１）と、
    水の運動及び圧力を受け取るためにチャンバ（２）に一体的に設けられたエネルギ受け取り要素（７）と
    を備え、
    完全に密閉された回路を形成するように、前記ブリードオフバルブ（２１）が、水を水素及び酸素に変換するユニット（１６）に接続されている
    ことを特徴とするエネルギ変換装置を有するシステム。

Images