JPS62502023A - エネルギ−変換システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 エネルギー変換システム 本発明は、２つ以上の電極間に電位差を発生し、帯電した粒子をエネルギーキャ リアとして使用するための方法および装置に関する。

電力は通常化石燃料を燃焼し、発電機を駆動する回転冥施したときに限シコスト 上有効であるが、この変換方法は非効率的であ）、天然資源を利用し、深刻な環 境汚染を生じ得る廃棄物を発生する。別の欠点は、道路用車両または船舶に直接 電力を供給できないことである。

本発明のエネルギー変換方法は、健康または汚染上の危険を伴なわなく、廃棄物 を生じることなく単一ステージの方法によシ直接電力を発生する。全エネルギ変 換車および電力対重量比はいずれも高く、このため装置はほとんどの固定用およ び移動用に適す。

磁界によシミ子に作用することＫよシ有効な仕事をするための公知の装置として 「ベータートロン」と呼ばれる装置がわる。この装置は、特殊な形状の電磁石の 極の間九設けられたドーナツツ状真空チャンバを含む。熱電子効果によシ発生し た電子を約５０　ｋ、Ｖの初期静電エネｋｆ−にてチャンバ円に送シ込む。磁界 は正になっている半サイクル中に増加するとき、ドーナッツ部内で起電力を誘導 し、この起電力は電子を加速し、これらを磁界との相互作用によシ弧状通路に移 動させる。ベータートロンと本発明のエネルギー変換器との重要な差異は、前者 では極めて短期間で磁界を増加できるが、後者では磁界は冥質的に一足でらシ、 電子は、運動エネルギーおよび電荷の双方を失って中心電極まで内側へ落下する ことである。

本発明は移動でき、磁石またはこれに関連した、附勢された磁力線源を有し、発 生器の一部を形成するいわゆる「真空」チャンバへ送られまたはこのチャンバ円 で発生された電荷粒子に最初に附与された電気エネルギーを増幅し、粒子が入射 するターゲット電極から増加エネルギーを抽出するエネルギー変換器を提供する ことを意図する。

従って本発明は、添附された請求の範囲に記載されたエネルギー変換器を提供す るも・のである。

本発明は、特定の作動原理に限定されるものでないが、本発明は帯電した粒子が （実際に粒子が従う通路とは無関係Ｋ）強度Ｈの磁界を通りて径方向に距離且だ け移動するよう強制されるとき粒子に対してなされる仕事はＨ，ｄ、となるとい う事＊にもとづく。電子が電荷りを支持し、距離止にわたって速度Ｘで移動する 場合、電子Ｋかかる全ての力は請求心力ΣＨ０見・ｙから遠心力によシ逆方向に 電子にがかる力すなわちΣｍＶ２　ｙ−’＄１いた値となる。中心電極の径を平 衡軌道よシもかなシ大きくすると、遠心力を最小にできるので請求心力、従って 電荷を電極まで移動するときなされる仕事を最大にできる。

本発明の変換器が作動する方法は、電荷ソース（源）として帯電粒子、例えは電 子および／またはイオンを利用する。低圧チャン、４Ｐ３に−は２つ以上の電極 が収納され、下記に述べる磁界がチャン／ぐを横断する。この磁界は永久磁石、 電磁石または磁力線源から発する。例えば加熱、電界内での加速または原子放射 線により帯電粒子に初期運動エネルギーを与えるのに外部エネルギー源が使用さ れる。このエネルギー変換方法は、帯電粒子が中心電極１０（陰極）に衝突する まで磁界を使用して所望の軌道に沿りで帯電粒子を移動する。これらの粒子罠な される仕事（従って陰極により獲得さ些る電位）は、合成磁気力にカが作用する 距離を掛けた値に比例する。チャン・ぐ内で粒子が移動する際、これら粒子は磁 界ｔ−横断する。

これにより粒子に作用する力が発生する。この力は、磁界強度、粒子の速度およ び電荷および粒子通路と磁力線との間の入射角のサイン（ｍ）Ｋ比例する。この 力は、回転方向成分と心成分を有し、この力は粒子をらせん軌道に沿りて進める 。

対向する遠心力も心方向の磁力と反対に粒子に作用する。この電極電位は、遠心 力および電荷め五累積し、電極間の電信差が増肩するときの陰極まわりの電界の 双方を克服するのに帯電した粒子になされなければならない仕事に比例する。遠 心力と反力が心力に等しくなると、電極電位は最大となり、その後電極に帯電粒 子は達しない。電極の牛後は中心電極と外側電極との間の最小電圧値を定める。

中心電極の半径が（スパッタリングまたは腐食により）減少すると、所定の磁界 強度および粒子速度では遠心力が増加し、中心電極に達することができる帯電粒 子の数が減少し、従って電極電位が低下する。イオンと軽い帯電粒子例えば電子 との間に質量差がある結果、所定の粒子の運動エネルギーに対する遠心力は異な る。発生器が遠心力を最大にし、かつ所定の磁界強度の場合のに力が作用する径 方向距離を最大にするよう最大の磁界を利用するとき発生器の出力および効率は 最適になる。電荷対質量比が最大の粒子を使用しなければならない。

チャンバ内での粒子の衝突および励起によシミ離されるとき、電荷ソースとして 低圧ガスを使用できる。ドープされたガスは、ガス原子／分子を電離するための エネルギーレベルを低くできるので、効率を改善できる。しかしながらよシ重い イオン忙対しては速度が遅いことにより合成磁気力は小さく、このため高電圧電 極（陰極）により形成される電界は、逆極性に帯電した粒子（＋イオン）を引寄 せ、その後電極を放電し、出力電圧を低下する。この効果を克服し、すなわち低 下するのに種々の方法を使用できる。例えば一つの方法は逆極性の電荷を分離す ることおよび／または高電圧電極までの逆極性の電荷の流れを制御するよう電気 バイアスがかけられたグリッドを使用することでおる。

ガスシステムは単一電荷システムよシも複雑で、低電圧でよシ大電流を発生する が、一方単一電荷システム、例えば高真空チャンバ内で使用される電子は高電圧 を発生できる。

磁界は１つ以上の永久磁石および／または１つ以上の電磁石から発生でき、靜伍 界は一足の出力電圧を発生するが、等しい質量と速度を有する粒子に対しては可 変磁界は可変電圧を生じる。

外部ソースを使用して帯電粒子を加速し、これら粒子に初期運動エネルギーを与 えるが、この運動エネルギーは、粒子が電極に衝突するとき熱として解放される 。電極間の増即し７１ｃｔ圧によυ発生されるエネルギーが帯電粒子を発生し、 これら粒子を加速するのに要するエネルギーよシ大きくなると、この変換方法は 自ら持続性となシ、このときの出力エネルギーは失なわれた運動エネルギーの合 計と発生されるエネルギーとの差になる。電荷は中心電極から外部負荷を介して 他方の電極まで流れる。

解放される電気エネルギー（仕事）は、電流（１秒あたシに流れる電荷の合計） に電位差を掛けた値の関数となる。電気および熱出力は磁界強度、粒子速度、粒 子密尻（平均自由行程）を変えることおよび／または粒子が中心電極に達する速 度を制御するようグリッドを同頁させることＫよシ制御できる。出力は、粒子の 並進エネルギーがその温度に比例しているので、失なりたシ、または獲得する熱 にも比例する。電極にて解放される熱は、粒子のエネルギーを維持するよう粒子 に戻すことができるし、また外部使用のため熱交換器内でもパ利用できる。発構 成部品との化学反応を防止するため非反応性導電材料を通常使用する。適肖な磁 界によシ軌道導通過粒子の種々の粒子軌道、双方同経運動および位置決めを使用 できる。低圧ガスは適当一手段によシミ離できる。一つの方法は、送り込まれた 粒子の平面および方向′・が印加磁界に対して適切である電刊オン銃を使用する ことである。

ガス装置では、外部回路を通って流れる電子は、陽極到達時にガス状イオンと再 結合して中性ガスの原子／分子を形成する。この原子粒子は衝突および／または 電界により適当に再電離され、このエネルギーは、帯電粒子に作用する合成力に ニジなされた仕事から直接または間接的に生じる。

不発明をよシ良好に理解するため、例として示された添附されたｖｌを参照して 次に本発明を説明する。

第１図は、エネルギー変換中に粒子が従う通路および発生器の横断面を略図で示 し、 第２図は永久磁石および陰極ま−でのイオンの移動を制御するグリッドを使用す る本発明のためのあるタイプの装置の軸方向断面を示し、 第３図ＦｉＡ−Ａ線に沿った第２図の装置の横断面を示し、 第４図Ｆ′ｉ電子ソースの円形シリーズを示す、電子を利用する変換器の一例の 略断面図、 第５図は第４図の変換器のよｐ実用的な実施態様の軸方向断面図、 第６図は第５図のＭ−Ｍ線に沿った断面図、第７図はドーナツツ（トロイダル） 状の高電力変換器の径に沿った横断面図、 第８図は第７図のＡ−入線上の断面図、第９図は両方の種類の帯電粒子を同時に 使用する２ステ一ジ式変換器の略図である。

ｗｃ１図に示すように帯電粒子は、図面の平面に対し垂直に延長した磁界内へ軌 道２に沿って送シ込まれる。磁界は、円筒形チャンバ６内の環状横断面のスペー ス４を透過している。磁界は、移動方向および磁界方向の双方に垂ＩＥＫ延長す る力を粒子に加える。この結果生じる心力によ）粒子は、外側の円筒形電極１２ から径方向内側に離間した中心電極で終了するらせん路８に従う。粒子によシ獲 得される余分なエネルギーは、走行した径方向距離と電極間の磁界強度の関数で 表わされる。このエネルギーは電極との衝突時ＫＦｉ熱シよび／または抵抗する 電界に抗して電荷を電極まで移動するときなされた仕事に変化する。衝撃となり て消える。中心電極ｌＯがない場合、これら電子は平衡軌道３に従う。この軌道 は遠心力および心力がバランスしているとき粒子が従う軌道であシ、この結果粒 子には仕事はなされない。

第２図および第３図によシ詳細に示すようにエネルギー変換器ＩＦｉ、基本的に は外側円筒形電極１２を有する環状チャンバ６と、内偽円筒形電極１０と、電気 絶縁材料から成る２つの気密壁１４とから成る。電極１２内にｔｉポート２２が 設けられ、電子銃２（ｌこのポートを通してスペース４内へ電子を送り込むこと ができる。更Ｋ、または上記とは異なシ、イオン銃１８はポート１６を通して正 に帯電した粒子を送シ込むことができる。

チャンバ６の主要な平坦面には、均一な磁界８０まで増加させる磁極片２４が座 着され、この磁界５ｏｔｉｔヤンパ６の軸に平行にスペース４を横断している。

これら磁石はセラミック永久磁石でもよ込し、電磁石でもよい。

込ずれの場合でも、磁界強度を調節するための手段（図示せず）が設けられてい る。

１導＠２６は、２つの電極を端子２８に接続し、発生器の出力を消散するよう端 子の両端に抵抗負荷を接続できる。

発生器内のガス圧力を所望の大気圧よシ低い値まで減圧して、この値に維持する よう真空ポンプ（図示せず）はチャンバ６の内部と連通ずる入口を有する。発生 器内のがスが所望の組成、例えば帯電した粒子とガス原子または分子とのイオン 衝突の可能性を高める組成となることを保証する手段をポンプと連動してもよい し、またポンプから分離してもよい。かかる適当なガスとしては、０．１容積係 のアルコ９７を含むネオンがある。

発生器を始動するには、真をポンプを始動し、粒子源を附勢する必要がある。粒 子ソース（源）Ｆｉ、必要な内部エネルギーレベル（温度）に達して、このレベ ルにょ夛熱放射性材料片が電子を放射するまで外部電源からフィラメントを加熱 することを要する。電子を電荷キャリアとすべき場合は、電子は適当な電界によ シ加速され、スペース４内に投射さする。ここで電子は、電極間の径方向電界に よシ更に加速さｎ、同時に通過する軸方向磁界により偏向力を受ける。

同様にスペース４内に進入するイオン流を発生するよういくつかの原子または分 子に衝撃を与えるまでイオンソースとして電子を加速する。図示するような極性 では、電子は中心電極へ引き寄せられ、一方イオンは外側電極へ向りて引き寄せ らル、このためソース１８および２０は異なる配列となる。

電極に接近してまたＦｉ電極間を通過するガス分子は、衝突および／または静電 界によシイオン化される。次に端子２８の両端に接続された負荷インピーダンス を通して出力電流が取９出さする。このインピーダンスは、内部プロセスエネル ギーがガス状原子の再イオン化を防止する値より低下しなｈよう整合が取られて いる。陽極で各イオンは消イオン化されるので、ガス原子は再イオン化されるま で循環し続ける傾向があり、合成力はイオン（ペタ黒内で示さｎる）と電子（白 丸内で示される）の双方をそれぞｎの軌道へ戻すようこｎらを引き寄せる。

電子を使用する変換器の場合、チャンバは所定の大気圧より低い圧力まで減圧さ れ、シールさするよう意図さ１ている。

第４図に示すような発明の態様では、ソースの円形シリーズ２９のうちの一つを 形成する各電子ソースは、電子放射性材料、例えばセシウムでコーティングされ たモリブデンから成る？ディ３０を有し、このｇディＦｉ電源（図示せず）に直 列または電源の両端に並列に接続さｎた電気フィラメント３２によシ加熱さする 。□各エミッター３０の直前ＩＣａ、微細ワイヤから成るグリッド３４が゛位置 し、これらグリッドすべてはエミッターからの電子流を制御するよう調節可能な 電圧電源に接続されている。

これらの電子は、一つ以上の加速用電極３６を通して投射さｎ、電極の両ｇＩＡ にて電子路に沿って電位差が生じておシ、このため各増分的電子ソースは、スペ ース３８（破線で示された円で表示され、偏向用磁界が横断している）内へ既知 の運動エネルギーを有する電子流を送ル込む。スペースの中心にはターグツト電 極４０が位置する。磁界内へ送シ込まれた電子流は、電界および／または磁界に よシ合焦できる。

残〕の図面では、すでに述べた部品には同じ参照番号を付ける。

第５図に示すような「フラットディスク」状の構成では、環状チャンバ６は熱絶 縁材料から成るボディ４２内に収容されて、いる。絶縁体４４上には中心電極１ ０が座着され、この絶縁体４４ＫＦｉ冷却流体を通過させる導管４５および出力 リード２６が貫通しており、出力リード線２６Ｆｉ、このリード線も冷却される よう導管に沿りて延長できる。

第５図は、電極１０の表面と円形電子ソースの径方向の最も内側の領域との間で 磁界が均一になるよう偏向用磁石が一般にＵ字形になっており、２つの環状極片 ４８を有する状態を示す。電極３６と放射表面６１との間の磁界は、電子に初期 加速度Ｃ運動エネルギー）を与える。

第５図は、抵抗負荷４０（／テンシ、メータとして機能する）のタップから取９ 出さｎ、加速電極３６へ送らルる状態も示す。

チャンバ６には２つの環状磁石４９（または円形シリーズの増分磁石）も設けら れ、この磁石４９ｄ電子のスペース３８内への進行方向に作用するようになって いる。

こｎら磁石は、電子がスイース３８の境界に接線方向にすなわち径方向速度がゼ ロの状態で進入するよう局部的磁界を発生している。

第７図および第８図に示す本発明の態様では、磁界が一つのトロイダル状ターゲ ット電極５１が通過するトロイダルスイース５０の軸に沿りて延長し、スペース 内を冷却用流体が導管５２に沿って通過できるよう第５図および第６図の個々の 「フラットディスク」変換器は「円形」構造タイプに配置さ１ている。第８図の 横断面は、磁界が絶縁体５５により境界が定めらｎた磁気コア５４上に巻かｎた コイル５３により発生さｎる磁界によシ補足される状態を示す。

電極はすべての変換器に共通するという事実とは別に各電極は上記のように別個 に機能する。電子銃５６用ヒーター、電ｓ石（あるとすれば）、加速電極および 制御グリッドをドライブする電源は、この「トロイダル」装置ｔをドライブする のに必要な大きな電力を供給するのに充分な容量を有してｈなけ１ばならないこ とは明らかである。比較的複雑な構造体の物理的量を定めたシ、位置を定めたり するのに附随した変更が必要であるが、こルらすべては有能なエンジニアの活動 の範囲内にあるので、本明細書ではこ几以上説明しない。

すでに述べたように本発明の変換器は、２つのタイプすなわち電子タイプとイオ ンタイプの２つのタイプがある。第９図は、これらの差異の利点を活かして組合 わせた状態を酪図で示す。第９図に示す２ステ一ジ式の発電装置では、第１ステ ージは帯電粒子、すなわちイオンと電子の混合物を分離器５４０へ供給するため のイオン化装置５２０を含み、分離器はガス状イオン変換器５８０に並列なシー ルさルた電子変換器５６０から成る第２ステージへ電子を供給する。

分離器５４０は、例えば第１図のエネルギー変換システム（ターゲット電極を使 用しない）を使用し、粒子の質量が異なることを利用して粒子を遠心力で分離し てもよいし、偏向用電磁磁界または物理的拡散法のいずルかを単独で使用しても よいしまたはとｎらを併用してもよ−。こｆ′Ｌ＃−１、本発明の一部ではない ので、こル以上詳細には説明しない。

第６図および第８図の発生器では、そｎぞｎの粒子は、すでに上記したように伝 能するよう磁気的に偏向さｎ。

径方向に加速さｎる。

各発生器は、特定の状態の電荷キャリアで最も有効に作動するよう設計さｎてい るので、イオンおよび電子の各々がそれぞれのターゲット電極に落下する前のイ オンと電子の再結合によシ生じるエネルギー吸収を減少するよう最適となるよう 設計できる。電子変換器は、負に帯電した電極で完成し、イオン変換器について は逆のことが云えるので、装置からエネルギーを抽出する負荷４００は２つのタ ーゲット電極間に接続さｎる。変換器の他の２つの電極は、例えば共に接続する ことにより同じ電極に保持してもよいし、または電位をフロートしてもよい。

発生器は、広い範囲の出力電圧および電流を発生するよう設計できる。低エネル ギー発生器は、移動できるよう充分に軽いので、車両忙給電したシ、予備用発電 機として作動できる。種々の電極および磁石形状を使用でき発生器は直列または 並列に接続できる。高電力装置内での過熱を防止するため冷却ジャケットが適合 さｎ、熱損失を減少し、よって粒子速度を増すよう゛に熱絶縁ジャケット内に発 生器が収容さｎる。高エネルギー発生器では、フィンを内部電極から適当な冷却 剤の高速流内へ突出させることなどによシ内部電極を強制冷却する必要もある。

本発明に係るプロセスは特に外部電気エネルギーの使用に適すが、初期エネルギ ー人力を得るのに他のソースも使用できる。例えば、利用できる種々のエネルギ ーソースのいくつかとして太陽熱および処理済みの廃熱がある。熱電子管で使用 さ江ているようなバイアスがかけら几た一つ以上のグリッドを含む他の手段にょ シミ荷発生プロセスの制御を達成できる。

国際調査報告 ；−ＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＴＨ三　！ＮτＥＲＮＡＴ！０ＮＡＬ　５ＥＡＲＣ！（Ｒ 三Ｅ’ＣＲＴ　ＯＮ

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．所定電極の電荷キャリアが磁界を横断し、この結果キャリアに作用する力は 、第１電極に向う軌道まわりにキャリアを移動させ、電極はキャリアのうちの少 なくともいくつかを捕え、よって第１電極と第２電極との間に電位差を発生する 電荷を累積する、２つの電極間に電位差を発生するエネルギー変換方法。
2. ２．電位差は、２つの電極間の負荷をドライブする請求の範囲第１項記載の方法 。
3. ３．電荷キャリアは電子またはイオンから成る請求の範囲第１項または第２項記 載の方法。
4. ４．更に逆極性の電荷キャリアが磁界を横断し、第２電極に累積して電位差を増 加する請求の範囲第１項記載の方法。
5. ５．電気バイアスがかけられたグリッドはそれぞれの電極に対する逆極性の電荷 キャリアの流れを制御する特許請求の範囲第４項記載の方法。
6. ６．電荷キャリアは磁界内へ送り込まれる前に逆極性の電荷キャリアから分離さ れる請求の範囲第１項記載の方法。
7. ７．各磁界内のそれぞれの第１電極の間に電位差が生じるよう対応する第２磁界 内に逆極性の電荷キャリアが送り込まれる請求の範囲第６項記載の方法。
8. ８．磁界内にキャリアが送り込まれる請求の範囲第１〜５項のいずれかに記載の 方法。
9. ９．電界および／または磁界を通してキャリアを加速することによって送り込み エネルギーを発生する請求の範囲第８項記載の方法。
10. １０．キャリアの送り込みエネルギーは原子放出および／または熱により発生す る請求の範囲第８項記載の方法。
11. １１．磁界強度は本方法を自ら持続するレベルに電荷キャリアの内部エネルギー を維持するのに充分である請求の範囲第１〜１０項のいずれかに記載の方法。
12. １２．発生された出力電力は、電荷キャリアの発生および／または電極間の内部 温度を維持するのに直接または間接点に使用される請求の範囲第１〜１１項のい ずれかに記載の方法。
13. １３．帯電した粒子を内部に導入および／または発生できるチャンバを含み、こ のチャンバは２つの側壁から絶縁された２つの径方向に離間した電極を有し、電 極は気密状態にて側壁に接続され、本変換器は、電極間の磁界に垂直な磁界を発 生するための手段と、大気圧より低い所定圧力にチャンバを維持するための手段 を有するエネルギー変換器。
14. １４．双方の電極は円筒形であり、内側電極の径は、粒子の平均速度および印加 電界強度では平衡な径よりも大きい請求の範囲第１３項記載の変換器。
15. １５．外側電極は内部に少なくとも一つのポートを有し、帯電粒子または電子は このポートを通して所望の軌道に沿ってチャンバ内に帯電粒子または電子を送り 込むことができる請求の範囲第１３または第１４項記載の変換器。
16. １６．ポートは、それぞれの粒子の熱電子ソースと連通する請求の範囲第１５項 記載の変換器。
17. １７．チャンバは真空室である請求の範囲第１３項記載の変換器。