KR20230154790A - 적외선 광 재활용 열광전지 수소 전기 발전 장치 - Google Patents
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Abstract
전기 및 열 전력 중 적어도 하나를 제공하는 발전기가 기술되고, 이 발전기는 (i) 고유한 분석 및 분광법의 시그니처에 의해 식별가능한 원자 수소 생성물들을 포함하는 반응을 위한 적어도 하나의 반응 셀, (ii) 용융 금속 스트림을 반응 셀로 제공하는 전자석 펌프와 같은 적어도 하나의 펌프 및 상기 용융 금속 스트림을 수용하는 적어도 하나의 저장소를 포함하는 용융 금속 주입 시스템, 및 (iii) 저전압, 고전류의 전기 에너지를 적어도 하나의 용융 금속 스트림에 제공하여 그 반응의 신속한 반응속도 및 에너지 이득을 개시하는 플라즈마를 점화시키는 전력 소스를 포함하는 점화 시스템을 포함한다. 일부 실시예에서, 이 발전기는 (v) 플라즈마로 공급되는 H2 및 O2의 소스, (vi) 용융 금속 회수 시스템, 및 (vii) (a) 집광기 열광전지를 사용하여 광 재활용으로 셀의 흑체 방사체로부터 출력된 고출력 광을 전기로 변환시키거나 (b) 자기 유체 역학 변환기를 사용하여 에너지 플라즈마를 전기로 변환시킬 수 있는 전력 변환기를 포함할 수 있다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2021년 3월 8일자 출원된 미국 출원 번호 63/158,349, 2021년 3월 28일자 출원된 미국 출원 번호 63/167,110, 2021년 4월 16일자 출원된 미국 출원 번호 63/176,054, 2021년 6월 23일자 출원된 미국 출원 번호 63/214,236, 2021년 8월 13일자 출원된 미국 출원 번호 63/233,199, 2021년 8월 23일자 출원된 미국 출원 번호63/236,198, 2021년 9월 20일자 출원된 미국 출원 번호63/246,282, 2021년 10월 12일자 출원된 미국 출원 번호63/254,589, 2021년 10월 21일자 출원된 미국 출원 번호63/270,537, 2021년 12월 17일자 출원된 미국 출원 번호63/291,342, 2022년 1월 10일자 출원된 미국 출원 번호63/298,190에 대한 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 본원에 원용된다.
본 개시는 발전 분야에 관한 것으로, 특히 발전을 위한 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시의 실시예는 광 전력, 플라즈마 및 열 전력을 생산하고 자기 유체 역학 전력 변환기, 광-전력 변환기, 플라즈마-전력 변환기, 광자-전력 변환기 또는 열-전력 변환기를 통해 전력을 생산하는 발전 장치 및 시스템뿐만 아니라 관련 방법에 관한 것이다. 또한, 본 개시의 실시예는 광전지 전력 변환기를 사용하여 광 전력, 기계 전력, 전력 및/또는 열 전력을 생산하기 위해 물 또는 물-기반 연료 공급원의 점화를 사용하는 시스템, 장치 및 방법을 설명한다. 이들 및 다른 관련된 실시예는 본 개시에서 상세하게 설명된다.
발전은 플라즈마로부터 전력을 이용하는 다양한 형태를 취할 수 있다. 플라즈마의 성공적인 상업화는 효율적으로 플라즈마를 형성하고 생성된 플라즈마의 전력을 포획할 수 있는 발전 시스템에 의존할 수 있다.
플라즈마는 특정 연료의 점화 동안 형성될 수 있다. 이러한 연료는 물 또는 물-기반 연료 공급원을 포함할 수 있다. 점화 동안, 전자가 제거된 원자의 플라즈마 구름이 형성되고, 높은 광 전력이 방출될 수 있다. 플라즈마의 높은 광 전력은 본 개시의 전기 변환기에 의해 이용될 수 있다. 이온 및 여기 상태 원자는 재결합하여 전자 이완을 거쳐 광 전력을 방출할 수 있다. 광 전력은 광전지에 의해 전기로 변환될 수 있다.
전력 생성을 위해 플라즈마를 활용하는 것은 유지 및 달성하기 어려운 경우가 많다. 플라즈마 반응을 지속하기 어려울 뿐만 아니라 플라즈마에 의해 생성된 높은 에너지는 주변 시스템에 심오한 영향을 미쳐 이러한 플라즈마를 생성하고 유지하는 데 사용되는 구성 요소를 파괴하는 경우가 많다. 더욱이, 플라즈마로부터의 광 출력의 변환은 종종 예를 들어 저에너지 광(예: 적외선)이 광전지의 밴드갭 아래에 있어 시스템으로 손실되는 에너지 손실과 관련이 있다. 또한, 광전지로의 플라즈마 광 출력은 특정 변형 및 물질 축적에 민감한 광전지와 반응 셀 사이의 창에 의해 종종 방해를 받아 광전지로의 광 전달 및 시스템으로부터의 에너지 손실을 감소시킨다.
본 개시는:
압력을 대기압 미만으로 유지할 수 있는 적어도 하나의 용기;
상기 용기에서 플라즈마 형성에 충분한 에너지를 생산하는 반응을 일으킬 수 있으며:
a) 수소 가스 및 산소 가스의 혼합물 및/또는
수증기 및/또는
수소 가스 및 수증기의 혼합물;
b) 용융 금속을 포함하는, 반응물들;
적어도 하나의 반응물의 상기 용기로의 유량을 조절하는 질량 유량 제어기;
하나 이상의 반응물들이 상기 용기 내로 흐를 때 상기 용기 내 압력을 대기압 미만으로 유지하는 진공 펌프;
용융 금속의 일부를 포함하는 적어도 하나의 저장소, 상기 저장소에 용융 금속을 전달하고 주입기 튜브를 통해 용융 금속 스트림을 제공하도록 구성된 용융 금속 펌프 시스템(예: 하나 이상의 전자기 펌프) 및 상기 용융 금속 스트림을 수용하기 위한 적어도 하나의 비주입기 용융 금속 저장소를 포함하는 용융 금속 주입기 시스템;
수소 가스 및/또는 산소 가스 및/또는 수증기가 용기 내로 흐를 때 반응을 점화하기 위해 상기 적어도 하나의 용융 금속의 스트림에 전력을 공급하는 전력 공급원 또는 점화 전류 공급원을 포함하는 적어도 하나의 점화 시스템;
반응에서 소모되는 반응물을 보충하는 반응물 공급 시스템;
반응으로부터 생산되는 에너지(예: 플라즈마로부터 출력된 광 및/또는 열)의 일부를 전력 및/또는 열 전력으로 변환하는 전력 변환기 혹은 출력 시스템을 포함하는 전기 에너지 및 열 에너지의 적어도 하나를 생성하는 전력 시스템에 관한 것이다.
본 개시의 전력 시스템(본 명세서에서 "SunCells"로도 지칭됨)은 다음을 포함할 수 있다:
a) 반응 챔버를 포함하며, 대기압 미만의 압력을 유지할 수 있는 하나 이상의 용기;
b) 그 사이에 용융 금속 유동을 허용하여 회로를 완성하도록 구성된 두 개의 전극;
c) 상기 2개의 전극에 연결되어 상기 회로가 폐쇄될 때 상기 전극들 사이에 점화 전류를 인가하기 위한 전원;
d) 가스로부터 제1 플라즈마의 형성을 유도하기 위한 플라즈마 생성 셀(예를 들어, 글로우 방전 셀)로서; 플라즈마 생성 셀의 유출물은 회로(예를 들어, 용융 금속, 애노드, 캐소드, 용융 금속 저장소에 잠긴 전극)를 향하고;
전류가 회로에 인가될 때, 플라즈마 생성 셀의 유출물은 제2 플라즈마 및 반응 생성물을 생성하는 반응을 겪는, 플라즈마 생성 셀; 및
e) 제2 플라즈마로부터의 에너지를 기계적, 열적 및/또는 전기적 에너지로 변환 및/또는 전달하도록 구성된 열광전지 변환기를 포함하는 전원 어댑터;
제 2 플라즈마로부터의 에너지는 흑체 방사체에 흡수되어 흑체 방사선을 생성하고 상기 흑체 방사선은 열광전지 변환기에서 변환된다. 일부 실시예에서, 전원 어댑터는 복수의 열광전지 어댑터이다. 열광전지 어댑터는 측지선 돔에 있는 광전지 변환기를 포함할 수 있으며, 여기서 광전지 변환기는 삼각형 요소로 구성된 수신기 어레이(예를 들어, 조밀한 수신기 어레이)를 포함할 수 있고; 및
각각의 삼각형 요소는 흑체 방사선을 전기로 변환할 수 있는 복수의 집광기 광전지 셀을 포함한다. 일부 실시예에서, 2개의 전극 중 양으로 바이어싱된 전극은 흑체 방사체이거나, 이를 포함하거나, 이에 연결된다. 다양한 구현에서, 광전지 셀의 밴드갭보다 작은 에너지(예를 들어, 적외선)를 갖는 플라즈마로부터 생성된 광자는 플라즈마 생성 셀을 향해(예를 들어, 흑체 방사체를 향해) 다시 반사된다.
일반적으로, 반응 셀 및/또는 흑체 방사체로부터의 광 출력은 전기 생성을 위한 광전지 및/또는 열적 및 광학적으로 에너지를 출력하는 흑체 방사체에 수집되며, 이들 각각은 개별적으로 수집될 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템은 제2 플라즈마를 포함하는 반응 셀과 열광전지 변환기 사이에 PV 창을 포함할 수 있다. 에너지 생성을 유지하기 위해, 용융 금속(예를 들어, 주석)은 본 개시의 재료, 시스템 및 방법을 활용함으로써 PV 창을 적시지 않을 수 있게한다. 일부 실시예에서, 가스는 주석을 산화시키지 않거나 주석으로 최소한의 산화를 제공하는 반응 혼합물일 수 있다(예를 들어, 시스템 내의 용융 금속의 10% 미만 또는 5% 미만 또는 1% 미만이 12시간 동안 시스템에 제공된 가스로 산화되지 않는다). 다양한 구현에서, PV 창은 편평한 표면을 포함할 수 있고(또는 주로 포함하고), 전원 어댑터는 광전지(PV) 변환기를 포함하고, PV 변환기는 PV 창과 일치하는 기하학적 구조를 갖는 PV 창을 통해 플라스마 방출을 수신하기 위한 편평한 고밀도 수신기 어레이 패널을 포함한다. 이러한 구성은 광전지에 의해 흡수되지 않고 광 재활용을 위해 반응 셀로 다시 향하는 저에너지 광의 반사율을 최소화할 수 있다. 일부 실시예에서, PV 창은 석영, 사파이어, 산질화알루미늄 및 MgF2중 적어도 하나를 포함한다.
시스템에서 생성된 고강도 환경은 시스템 구성 요소에 중대한 영향을 끼친다. 각 구성 요소의 상대적 치수, 기하학적 구조 및 배치는 모두 정상 상태 플라즈마 생성과 관련이 있다. 이러한 구성 요소는 시스템이 제1 및 제2 플라즈마를 생성할 수 있도록 균형을 유지해야 한다. 일반적으로, 2개의 전극 각각은 용융 금속 저장소 및 그 내부의 용융 금속에만 전류를 공급함으로써 점화 전류를 공급하는 전기 피드스루를 포함한다. 여러 실시예에서, 시스템은 저장소에 연결된 반응 셀 챔버를 포함할 수 있으며, 여기서 저장소 및 반응 셀 챔버 중 적어도 하나의 벽은 세라믹 코팅 및 라이너 중 적어도 하나에 의해 전기적으로 절연된다. 일부 실시예에서, 저장소 및 반응 셀 챔버 중 적어도 하나는 라이너에 의해 단열된다. 라이너는 선택적으로 세라믹 코팅으로 코팅된 탄소 및/또는 텅스텐이거나 이를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 저장소는 저장소 중 적어도 하나의 전기 브레이크에 의해 서로 전기적으로 절연된다.
2개의 전극 사이에서 흐르는 용융 금속은 용융 금속을 포함하는 하나 이상의 용융 금속 저장소와 독립적으로 유체 연통하는 듀얼 용융 금속 주입 시스템으로부터 형성될 수 있으며;
각각의 용융 금속 주입 시스템은 전자기 펌프 및 노즐을 포함하고, 여기서 각각의 전자기 펌프는 용융 금속의 흐름을 형성하기 위해 노즐을 통해 용융 금속을 흐르게 하고;
상기 전극은 용융 금속 스트림과 연통하여 반대 극성의 이중 용융 금속 스트림을 형성하고; 및
상기 완전한 회로는 이중 용융 금속 스트림의 교차에 의해 형성된다. 저장소는 전극을 서로 전기적으로 분리하기 위한 전기 브레이크를 포함할 수 있다. 용융 금속 스트림의 정렬, 특히 작동 중 정렬은 플라즈마 생성을 유지하는 데 중요하다. 이러한 정렬을 달성하기 위해, 시스템은 용융 금속 스트림의 정렬을 야기하기 위해 저장소의 주입기 전극을 기울이기 위한 가요성 요소 및 적어도 하나의 액추에이터를 포함할 수 있다. 다양한 구현에서, 저장소는 복수의 지지대에 의해 지지되는 베이스플레이트를 포함할 수 있으며, 저장소의 주입기 전극을 기울이기 위한 적어도 하나의 액추에이터는 적어도 하나의 지지대를 늘리거나 줄인다. 특정 양태에서, 가요성 요소는 한쪽 단부에 고정 프레임 및 반대쪽 단부에 가동 프레임을 포함할 수 있고, 가동 프레임 및 프레임에 부착된 적어도 하나의 액추에이터를 추가로 포함하며, 액추에이터는 일 측면 상에서 수축하고 가요성 요소의 반대쪽 측면 상에서 팽창하여 주입기가 기울어지게 한다. 가요성 요소는 벨로우즈(bellows)를 포함할 수 있다.
용융 금속을 포함하는 플라즈마 생성은 종종 PV 창을 (예를 들어, 용융 금속, 용융 금속의 산화물로) 코팅하여 광전지 변환기로의 광 전송을 방지한다. 이러한 축적을 최소화함으로써, 본 개시의 시스템은 광전지 변환 이외의 많은 응용 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 이중 용융 스트림은 창을 포함하는 챔버에서 교차할 수 있고, 제2 플라즈마로부터 생성된 광 또는 흑체 방사선이 창을 빠져나와 부하를 가열할 수 있다. 부하는 제2 플라즈마 또는 흑체 방사선으로부터 생성된 광에 의해 가열된 오븐 챔버(또는 내부의 공기/물/증기)일 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 플라즈마 반응은 PV 창을 포함하는 반응 챔버에서 발생하고;
용융 금속 또는 산화된 용융 금속이 PV에서 제거되고:
a) PV 창은 석영, 사파이어, 산질화알루미늄, CaF2 및 MgF2 중 적어도 하나를 포함하고;
b) PV 창은 용융 금속의 산화물(예: 주석 산화물)의 융점 이상으로 가열된다.
c) 용융 금속 산화물의 수소 환원은 상기 수소 환원을 달성하기에 충분한 압력에서 반응 챔버 내로 수소 가스를 흘림으로써 발생한다; 및/또는
d) PV 창에는 (예를 들어, 전자기 펌프로부터) 제2 플라즈마의 생성 동안 그 표면에 용융 금속이 주입된다.
일부 실시예에서, 시스템은 PV 창 및 적어도 하나의 열 흡수기를 포함하며, 여기서 제2 플라즈마 반응으로부터의 광 전력은 복사 전력 전달에 의해 PV 창을 통해 열 흡수기로 전달되고, 상기 열 흡수기는 상기 복사 전력으로부터 화력을 전달한다. 일부 실시예에서, 시스템은 열 흡수기로부터의 화력에 의해 가열되는 물 보일러이거나 이를 포함한다. 일부 실시예에서, 시스템은 열 흡수기로부터의 화력에 의해 가열되는 공기 열교환기를 포함한다. 일부 실시예에서, 시스템은 물과 같은 부하로 채워질 수 있는 외부 챔버에 의해 둘러싸여 있다. 동작 중에, 제2 플라즈마로부터의 에너지는 열적 및/또는 광학적으로 부하에 전달될 수 있다.
PV 창에서 용융 금속 산화물(예: 주석 산화물)을 제거하기 위한 시스템도 제공된다. 이러한 시스템은 다음을 포함할 수 있다:
상기 PV 창을 향하는 탈축적 물질의 공급원으로서, 상기 탈축적 물질은 수소 가스 또는 용융 금속 산화물의 용융 금속인, 탈축적 물질의 공급원.
방법도 제공된다. 이 방법은 예를 들어 전력을 생성하거나 광을 생성하거나 플라즈마를 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 방법은 다음을 포함한다:
a) 용융 금속을 전기적으로 바이어싱하는 단계;
b) 플라즈마 생성 셀(예를 들어, 글로우 방전 셀)의 유출물을 지향시켜 바이어싱된 용융 금속과 상호 작용하고 플라즈마의 형성을 유도하는 단계. 특정 구현에서, 플라즈마 생성 셀의 유출은 작동 중에 플라즈마 생성 셀을 통과하는 수소(H2) 및 산소(O2) 가스 혼합물로부터 생성된다.
방법도 제공된다. 예를 들어, 방법은 다음을 포함할 수 있다:
a) 가스로부터 글로우 방전 셀에 제1 플라즈마를 형성하는 단계;
b) 전기적으로 바이어싱된 용융 금속 스트림을 생성하는 단계;
c) 자외선, 가시광선 및/또는 적외선을 생성하는 제2 플라즈마를 형성하기 위해 글로우 방전 셀로부터의 유출물을 전기적으로 바이어싱된 용융 금속 스트림으로 유도하는 단계.
광은 전기를 생성하기 위해 부하 및/또는 광전기 변환기를 가열하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마 생성 셀의 가스는 수소(H2)와 산소(O2)의 혼합물을 포함한다.
본 개시내용은 또한 PV 창으로부터 용융 금속 산화물(예를 들어, 주석 산화물)을 제거하기 위한 방법을 포함한다. 방법은, 예를 들어, 상기 PV 창을 향해 탈축적 물질을 향하게 하는 단계를 포함하며;
여기서 상기 탈축적 물질은 수소 가스 또는 용융 금속 산화물의 용융 금속이다. 일부 실시예에서, 탈축적 재료는 용융 금속(예를 들어, 주석)이며, 여기서 창은 플라즈마에 노출되고 용융 금속은 과열(예, 뒤틀림, 균열, 투명도 감소) 또는 과열과 관련된 구조적 변형(예: 뒤틀림, 균열) 발생과 관련된 창의 구조적 변형을 방지하거나 감소시키는 속도로 창 상으로 향한다.
일부 실시예에서, 플라즈마 생성 셀의 가스는 수소(H2)와 산소(O2)의 혼합물이다. 예를 들어, 산소 대 수소의 상대 몰비는 0.01-50(예를 들어, 0.1-20, 0.1-15, 10 미만, 5 미만, 2 미만 등)이다. 일부 실시예에서, 수소에 대한 산소의 상대 유량은 실온에서 부피 기준으로 0.01-50(예를 들어, 0.1-20, 0.1-15, 10 미만, 5 미만, 2 미만 등)이다. 특정 구현에서, 용융 금속은 갈륨 또는 주석이다. 일부 실시예에서, 반응 생성물은 본원에 기술된 바와 같은 적어도 하나의 분광 시그니처를 갖는다(예를 들어, 본원 및 2021년 8월 23일에 출원된 미국 출원 번호 62/236,198의 부기 또는 부부기에 기술된 것, 특히 본 개시의 시스템에 의해 생성되고 그에 따라 수집된 재료의 EPR 및 라만(Raman)과 같은 그 내부의 분광 측정치임). 다양한 양태에서, 제2 플라즈마는 반응 셀에서 형성되고, 상기 반응 셀의 벽은 용융 금속과의 합금 형성에 대해 증가된 저항을 갖는 라이너를 포함하고, 라이너 및 반응 셀의 벽은 높은 투과성을 갖는다. 반응 생성물(예: 4130 합금 SS 또는 Cr-Mo SS와 같은 347 SS와 같은 스테인리스강, 니켈, Ti, 니오븀, 바나듐, 철, W, Re, Ta, Mo, 니오븀 및 Nb(94.33 wt%)- Mo(4.86 wt%)-Zr(0.81 wt%)). 라이너는 결정질 재료(예를 들어, SiC, BN, 석영) 및/또는 Nb, Ta, Mo 또는 W 중 적어도 하나와 같은 내화 금속으로 만들어질 수 있다. 특정 실시예에서, 제2 플라즈마는 반응 셀에 형성되고, 여기서 벽 반응 셀 챔버는 제1 및 제2 섹션을 포함하고,
제1 섹션은 4130 합금 SS 또는 Cr-Mo SS와 같은 347 SS, 니켈, Ti, 니오븀, 바나듐, 철, W, Re, Ta, Mo, 니오븀 및 Nb(94.33 wt%)- Mo(4.86 wt%)-Zr(0.81 wt%)와 같은 스테인리스강으로 구성되고;
제2 섹션은 제1 섹션의 금속과 상이한 내화 금속을 포함하고;
여기서 상이한 금속들 사이의 결합은 적층 재료(예를 들어, BN과 같은 세라믹)에 의해 형성된다.
전력 시스템은 수소 및 산소 가스 및/또는 물 분자와 수소 및 산소 재결합기 및/또는 수소 해리제를 혼합하기 위한 가스 혼합기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 수소 및 산소 재결합기는 플라즈마 셀을 포함한다. 플라즈마 셀은 중심 양극 및 접지된 관형 몸체 카운터 전극을 포함할 수 있으며, 여기서 전압(예: 50 V 내지 1000 V 범위의 전압)이 전극에 인가되어 수소(H2) 및 산소(O2) 가스 혼합물로부터 플라즈마 형성을 유도한다. 일부 실시예에서, 수소 및 산소 재결합기는 불활성 지지체 물질에 의해 지지된 재결합기 촉매 금속을 포함한다. 특정 구현에서, 제1 플라즈마를 생성하기 위해 플라즈마 생성 셀에 공급되는 가스 혼합물은 플라즈마 셀(예: 글로우 방전 셀)을 통해 유동하여 제2 플라즈마를 생성하기에 충분한 발열로 반응을 겪을 수 있는 반응 혼합물을 생성하는 비화학량론적 H2/O2 혼합물(예를 들어, 혼합물 몰 백분율 기준 1/3 몰% 미만 O2 또는 0.01% 내지 30%, 또는 0.1% 내지 20%, 또는 10% 미만, 또는 5% 미만, 또는 3% 미만의 O2를 갖는 H2/O2 혼합물)을 포함한다. 상기 비화학량론적 H2/O2 혼합물은 글로우 방전을 통과하여 원자 수소 및 초기 H2O의 유출물을 생성할 수 있고(예: 수소 결합의 형성을 방지하기에 충분한 농도 및 내부 에너지를 갖는 물을 갖는 혼합물);
글로우 방전 유출물은 두 전극 사이에 점화 전류가 공급되는 반응 챔버로 향하고(예: 용융 금속이 두 전극 사이를 통과함), 유출물이 바이어싱된 용융 금속(예: 갈륨 또는 주석)과 상호 작용 시, 예를 들어, 아크 전류가 형성될 때, 초기 물과 원자 수소 사이의 반응이 유도된다.
전력 시스템은 반응 챔버(예를 들어, 초기 물 및 원자 수소가 제2 플라즈마 형성 반응을 겪는 곳) 및/또는 용융 금속과의 합금 형성에 내성이 있는 적어도 하나의 내화성 물질 라이너를 포함하는 저장소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 반응 챔버의 내벽은 세라믹 코팅, W 플레이트로 라이닝된, W, Nb 또는 Mo 라이너로 라이닝된 탄소 라이너를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 저장소는 탄소 라이너를 포함하고 탄소는 상기 저장소에 수용된 용융 금속에 의해 커버된다. 다양한 구현에서, 반응 챔버 벽은 반응 생성물 가스에 대해 고도로 투과성인 재료를 포함한다. 다양한 실시예에서, 반응 챔버 벽은 스테인리스강(예를 들어, Mo-Cr 스테인리스강), 니오븀, 몰리브덴, 또는 텅스텐 중 적어도 하나를 포함한다.
전력 시스템은 용융 금속 증기 및 금속 산화물 입자 및 증기를 응축시키고 이들을 반응 셀 챔버로 반환시키는 응축기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 시스템은 진공 라인을 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 응축기는 반응 셀 챔버에서 상기 반응 셀 챔버에 대해 수직인 진공 펌프까지의 진공 라인 섹션을 포함하며, 진공 펌프가 반응 셀 챔버에서 진공 압력을 유지하는 동안 용융 금속 증기 및 금속 산화물 입자 및 증기를 응축하고 이들을 반응 셀 챔버로 반환시키는 불활성 고표면적 충전재 물질을 포함한다.
이 전력 시스템은 흑체 방사체 및 흑체 방사체로부터 광을 출력하는 창을 포함할 수 있다. 이러한 실시예는 광을 생성하는 데 사용될 수 있다 (예를 들어, 조명에 사용될 수 있다).
일부 실시예에서, 이 전력 시스템은 산소 및 수소 가스의 혼합을 위한 가스 혼합기 그리고 수소 및 산소 재결합기 및/또는 수소 해리기를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 이 전력 시스템은 수소 및 산소 재결합기를 포함할 수 있으며, 상기 수소 및 산소 재결합기는 비활성 지지체 물질에 의해 지지되는 재결합기 촉매 금속을 포함한다.
이 전력 시스템은 반응들, 구체적으로 플라즈마 생성 및 순에너지 출력의 유지에 충분한 에너지를 출력할 수 있는 반응들을 최대화하는 매개변수들로서 작동할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 작동 동안 용기의 압력이 0.1 Torr 내지 50 Torr의 범위에 있다. 특정 구현에서는, 수소 질량 유량이 산소 질량 유량을1.5 내지 1000의 범위의 배만큼 초과한다. 일부 실시예에서, 그 압력은 50 Torr를 넘을 수 있으며 가스 재순환 시스템을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 비활성 가스(예: 아르곤)가 용기 내로 주입된다. 이 비활성 가스가 특정한 현장에 형성된 반응물들(초기 물과 같은)의 수명을 연장시키는데 사용될 수 있다.
전력 시스템은 반응으로부터의 에너지 출력으로부터 생성된 플라즈마가 수증기를 포함하도록 용기 내로 물을 주입하도록 구성된 물 마이크로-주입기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 마이크로-주입기는 용기에 물을 주입한다. 일부 실시예에서, 물은 증기로서 바이어싱된 교차 용융 스트림을 향해 흐른다. 일부 실시예에서, 글로우 방전 전지에서 물이 생성된다. 일부 실시예에서, 수증기는 가스 혼합물에 존재한다. 일부 실시예에서, 습한 공기가 가스에 사용되어 물을 반응 셀로 전달한다. 일부 실시예에서, 제2 플라즈마의 생성을 위한 H2몰 백분율은 수증기(예를 들어, 마이크로-주입기에 의해 주입된 수증기, 글로우 방전 셀의 유출물에 존재하는 물)의 몰 백분율의 1.5 내지 1000배 범위에 있다.
이 전력 시스템은 금속(예: 주석 또는 갈륨이나 은 또는 구리 또는 이들의 조합)을 용융시켜 용융 금속을 형성하는 히터를 더 포함할 수 있다. 이 전력 시스템은 비주입기 용융 금속 저장소로부터 오버플로우를 수집하는 용융 금속 오버플로우 채널을 포함하는 반응 후 용융 금속을 복구하도록 구성된 용융 금속 복구 시스템을 더 포함할 수 있다.
이 용융 금속 주입 시스템은 용융 금속 저장소 및 비주입기 용융 금속 저장소에서 전극들을 포함할 수 있고; 점화 시스템은 주입기 및 비주입기 저장소 전극들에 반대 전압을 공급하기 위해 전력 공급원이나 점화 전류 공급원을 포함하는데, 상기 전력 공급원은 전류와 전력 흐름을 용융 금속의 스트림을 통해 공급하여 반응물들의 반응을 통해 용기 내부에서 플라즈마를 형성하도록 한다.
이 전력 공급원은 전형적으로 반응물들이 반응하여 두번째 플라즈마를 형성하도록 야기하는데 충분한 전류 전기 에너지를 전달한다. 특정 실시예에 있어서, 전력 공급원은 적어도 하나의 슈퍼커패시터를 포함한다. 다양한 구현에 있어서, 용융 금속 점화 시스템 전력으로부터의 전류는 10 A ~ 50,000 A의 범위에 있다.
전형적으로 이 용융 금속 펌프 시스템은 용융 금속 저장소로부터 비주입기 저장소로 용융 금속을 펌핑하도록 구성되는데, 용융 금속의 스트림이 그들 사이에서 생성된다. 일부 실시예에서, 용융 금속 펌프 시스템은 하나 이상의 전자기 펌프이며 각 전자기 펌프는,
a) 전극을 통해 용융 금속에 공급되는 DC 또는 AC 전류원 및 일정한 또는 동-위상 교류 벡터 교차 자기장의 소스를 포함하는 DC 또는 AC 전도 유형, 또는
b) 금속에 교류 전류를 유도하는 단락된 용융 금속 루프를 통한 교류 자기장 소스 및 동-위상 교류 벡터 교차 자기장 소스를 포함하는 유도 유형 중 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 용융 금속 점화 시스템의 회로가 용융 금속 스트림에 의해 폐쇄되어 점화를 유발하여 추가로 점화를 야기한다(예: 점화 주파수가10,000Hz 미만임). 주입기 저장소는 내부에 저장된 용융 금속과 접촉하는 전극을 포함할 수 있으며, 비주입기 저장소는 주입기 시스템이 제공하는 용융 금속과 접촉하는 전극을 포함한다.
다양한 구현에서, 이 비-입기 저장소는 주입기 위로(예: 수직되게) 정렬되며 주입기는 용융 금속 스트림으로부터의 용융 금속을 저장소에 수집하고 용융 금속 스트림이 비주입기 저장소 전극과 전기적 접촉이 이루어지도록 비주입기 저장소를 향하는 용융 스트림을 생산하도록 구성되는데; 용융 금속은 비주입기 저장소 전극 상에 모인다. 특정 실시예에서, 비주입기 저장소에 대한 점화 전류는 다음을 포함할 수 있다:
a) 용기를 관통하는 밀폐된 고온가능한 피드-스루;
b) 전극 버스 바, 및
c) 전극.
점화 전류 밀도는 용기 지오메트리가 궁극적인 플라즈마 형상과 관련있다는 적어도 그 이유로 인해 용기 지오메트리와 관련이 있을 수 있다. 다양한 구현에서, 용기는 모래시계 지오메트리(예: 용기의 내부 표면적의 중간 부분에서 그 단면이 장축을 따라서 각각 원위단의 20% 또는 10% 또는 5% 이내의 단면보다 더 적은 지오메트리)를 포함할 수 있으며 단면에서 수직 방향으로 배향되는데(예: 장축이 중력과 대략 평행형), 저장소에서 용융 금속의 레벨이 모래시계의 허리에 대해 대략 근위에서 점화 전류 밀도를 증가시키도록 주입기 저장소가 허리 아래에 위치한다. 일부 실시예에서, 이 용기는 수직의 장축에 대해 대칭이다. 일부 실시예에서, 이 용기는 모래시계 지오메트리를 가지며 내화 금속 라이너를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 모래시계 지오메트리를 갖는 용기의 주입기 저장소는 점화 전류를 위한 양극을 포함할 수 있다.
용융 금속은 주석, 은, 갈륨, 은-구리 합금, 구리 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 용융 금속은 700°C 미만의 융점을 갖는다. 예를 들어, 용융 금속은 비스무트, 납, 주석, 인듐, 카드뮴, 갈륨, 안티몬 또는 로즈 금속, 세로세이프, 우드 금속, 필드 금속(Field's metal), 세룰로우 136, 세룰로우 117, Bi-Pb-Sn-Cd-In-Tl 및 갈린스탄과 같은 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특정 양태에서, 이 용융 금속과 접촉하는 발전 시스템의 적어도 하나의 구성요소(예: 저장소, 전극)는 그 용융 금속과의 합금 형성에 저항하는 하나 이상의 합금 내성 물질로 클래딩되거나 코팅된다. 예시적 합금 내성 물질은 W, Ta, Mo, Nb, Nb(94.33 wt%)-(Mo(4.86 wt%)-Zr(0.81 wt%), Os, Ru, Hf, Re, 347 SS, Cr-Mo SS, 코팅된 실리사이드, 탄소 및 BN, 석영, Si3N4, 샤팔, A1N, 시알론, A1
O₃, ZrO₂, 또는 HfO
와 같은 세라믹이다. 일부 실시예에서, 용기의 적어도 한 부분은 세라믹 및/또는 금속으로 구성된다. 세라믹은 금속 산화물, 석영, 알루미나, 지르코니아, 마그네시아, 하프니아, 탄화 규소, 탄화 지르코늄, 이붕소화 지르코늄, 질화 규소, 및 유리 세라믹 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 용기의 금속은 스테인레스 스틸 및 내화 금속의 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 발전 시스템은 플라즈마 생성 셀을 통해 용융 금속 셀을 향해 지향될 물/수소 혼합물을 생성한다. 이들 실시예에서, 글로우 방전 셀과 같은 플라즈마 생성 셀은 가스(예를 들어, 산소와 수소의 혼합물을 포함하는 가스)로부터 제1 플라즈마의 형성을 유도하고; 플라즈마 생성 셀의 유출물은 용융 금속 회로의 임의의 부분(예를 들어, 용융 금속, 애노드, 캐소드, 용융 금속 저장소에 잠긴 전극)으로 지향된다. 바이어싱된 용융 금속과 이러한 유출물의 상호작용 시, 제 플라즈마(플라즈마 생성 셀에 의해 생성된 것보다 더 에너지가 많음)가 형성될 수 있다. 이들 실시예에서, 플라즈마 생성 셀은 유출물이 원자 수소(H) 및 물(H2O)을 포함하도록 수소의 몰 과량을 갖는 수소(H2) 및 산소 혼합물(O2)을 공급받을 수 있다. 유출물의 물은 초기 물의 형태일 수 있으며, 물은 충분히 에너지가 공급되고, 유출물의 다른 성분에 수소 결합이 되지 않는 농도일 수 있다. 이 유출물은 (방수에 있는 H로부터) 추가 원자 수소를 생성할 수 있는 플라즈마 및 용융 금속 중 적어도 하나를 통해 공급된 외부 전류 및 용융 금속과의 상호 작용 시 강화되는 플라즈마를 형성하는 H 및 HOH를 포함하는 제2 더 에너지적인 반응으로 진행되어 제2 에너지적인 반응을 추가로 전파할 수 있다.
일부 실시예에서, 이 전력 시스템은 적어도 하나의 열 교환기(예: 용기 벽의 벽에 결합된 열 교환기, 열을 용융 금속으로/으로부터 또는 용융 금속 저장소로/로부터 전달할 수 있는 열 교환기)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 열 교환기는 (i) 플레이트, (ii) 쉘 내 블록, (iii) SiC 환형 홈, (iv) SiC 폴리블록, 및 (v) 쉘 및 튜브 열 교환기 중 하나를 포함한다. 특정 구현에서, 쉘 및 튜브 열교환기는 도관, 매니폴드, 분배기, 열교환기 유입구 라인, 열교환기 유출구 라인, 쉘, 외부 냉각제 유입구, 외부 냉각제 유출구, 배플, 열 교환기를 통해 저장소에서 뜨거운 용융 금속을 재순환하고 차가운 용융 금속을 저장소로 복귀시키는 하나 이상의 펌프, 그리고 외부 냉각제 유입구와 쉘을 통해 차가운 냉각제를 흐르게 하는 하나 이상의 워터 펌프와 물 냉각제 또는 하나 이상의 공기 송풍기 및 공기 냉각제를 포함하며, 상기 냉각제는 도관으로부터의 열 전달에 의해 가열되고 외부 냉각제 유출구가 존재한다. 일부 실시예에서, 상기 쉘 및 튜브 열 교환기는 도관, 매니폴드, 분배기, 열 교환기 유입구 라인, 및 탄소를 포함하는 열 교환기 유출구 라인을 포함하고, 상기 탄소는 도관, 매니폴드, 분배기, 열 교환기 유입구 라인, 열 교환기 유출구 라인, 쉘, 외부 냉각제 유입구, 외부 냉각제 유출구 및 스테인레스 스틸을 포함하는 배플에 대해 독립적으로 라이닝되고 팽창한다. 상기 열교환기의 외부 냉각제는 공기 및 마이크로터빈 압축기로부터의 공기를 포함하거나 마이크로터빈 복열기는 외부 냉각제 유입구 및 쉘을 통해 냉각 공기를 강제로 흐르게 하며, 여기서 냉각제는 도관으로부터의 열 전달에 의해 가열되고, 외부 냉각제 유출구가 존재하고, 외부 냉각제 유출구에서 출력되는 뜨거운 냉각제가 마이크로터빈으로 유동하여 화력을 전기로 변환시킨다.
일부 실시예에서, 이 전력 시스템은 적어도 하나의 전력 변환기를 포함하거나 반응 전력 출력의 출력 시스템은 열광전지 변환기, 광전지 변환기, 광전자 변환기, 자기 유체 역학 변환기, 플라즈마 역학 변환기, 열이온 변환기, 열전기 변환기, 스털링(Sterling) 엔진, 초임계 CO2 사이클 변환기, 브레이톤(Brayton) 사이클 변환기, 외연 유형 브레이톤 사이클 엔진 또는 변환기, 랭킨(Rankine) 사이클 엔진 또는 변환기, 유기 랭킨 사이클 변환기, 내연기관 그리고 열 엔진, 히터 및 보일러의 군에서 적어도 하나를 포함한다. 용기는 광을 용기의 내부로부터 광전지 변환기로 투과시키는 투명 광전지(PV) 창과 적어도 하나의 용기 지오메트리 그리고 회전 창을 포함하는 적어도 하나의 배플을 포함할 수 있다. 이 회전 창은 수소 환원 시스템과 전기분해 시스템 중 적어도 하나를 포함하는 갈륨 또는 주석 산화물을 환원시키는 시스템을 포함한다. 일부 실시예에서, 이 회전 창은 석영, 사파이어, 산화질화알루미늄, 불화 마그네슘 또는 이들의 조합을 포함하거나 이로써 구성된다. 몇몇 구현에서, 이 회전 창은 갈륨 또는 주석 및 갈륨 또는 주석 산화물 중 적어도 하나의 접착을 억제하는 코팅으로 도포된다. 회전 창의 코팅은 다이아몬드상 탄소, 탄소, 질화 붕소 및 알칼리 수산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 양극 점화 전극(예를 들어, 상부 점화 전극, 다른 전극 위로 변위된 전극)은 창에 더 가깝고(예를 들어, 음극 점화 전극과 비교하여) 양극은 광전지에서 광전지 변환기로 흑체 방사선을 방출한다.
전력 변환기나 출력 시스템은 용기에 연결된 노즐, 자기 유체 역학 채널, 전극, 자석, 금속 수집 시스템, 금속 재순환 시스템, 열 교환기 및 선택적으로 가스 재순환 시스템을 포함하는 자기 유체 역학(MHD) 변환기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 용융 금속은 은을 포함할 수 있다. 자기 유체 역학 변환기의 실시예에서, 자기 유체 역학 변환기는 용융 금속 스트림 내의 은과 상호작용시 산소 가스를 전달하여 은 나노입자(예: 약 10 nm 미만이나 약 1 nm 미만과 같은 분자 영역의 크기)를 형성할 수 있는데, 이 은 나노입자가 자기 유체 역학 노즐을 통해 가속화되어 그 반응으로부터 생산된 전력의 운동 에너지 인벤토리를 부여한다. 이 반응물 공급 시스템은 변환기로 산소 가스를 공급하고 그 전달을 제어할 수 있다. 다양한 구현에서, 은 나노입자의 운동 에너지 인벤토리의 적어도 한 부분이 자기 유체 역학 채널에서 전기 에너지로 변환된다. 이러한 버전의 전기 에너지는 나노입자의 응집을 초래할 수 있다. 나노입자들은 자기 유제 역학 변환기의 응축 섹션(여기서 MHD 응축 섹션으로도 지칭함)에서 적어도 부분적으로 산소를 흡수하는 용융 금속으로 응집될 수 있으며, 흡수된 산소를 포함하는 용융 금속은 금속 재순환 시스템에 의해서 주입기 저장소로 회수된다. 일부 실시예에서, 용기의 플라즈마에 의해 산소가 금속으로부터 방출될 수 있다. 일부 실시예에서, 이 플라즈마는 자기 유체 역학 채널 및 금속 수집 시스템에서 유지되어 용융 금속에 의한 산소의 흡수를 강화시킨다.
용융 금속 펌프 시스템은 제1 스테이지 전자기 펌프 및 제2 스테이지 전자기 펌프를 포함할 수 있는데, 제1 스테이지는 금속 재순환 시스템용 펌프를 포함하고, 제2 스테이지는 금속 주입기 시스템용 펌프를 포함한다.
이 반응물에 의해 유도되는 반응은 용기에서 플라즈마의 형성을 개시하는데 충분한 에너지를 생성한다. 이러한 측정 가능한 분광 시그니처 및 반응은 두 번째 플라즈마의 특성을 식별하는 데 사용될 수 있다. 이 반응들은 다음에서 하나 이상으로 특성화되는 수소 생성물을 생성할 수 있다:
a) 전자 상자성 공명(EPR) 분광학 신호를 생성하는 분자 수소 생성물 H2(예를 들어, H2(1/p)(p는 1보다 크고 137 이하의 정수)는 쌍을 이루지 않은 전자를 포함함);
b) 대응하는 전자 스핀-궤도 결합 양자수의 함수인 선택적으로 스핀 궤도에 의해 분리된 구성원을 갖는 일련의 피크 쌍으로 분할되는 .0046386의 g-인자를 갖는 주요 피크를 포함하는 EPR 스펙트럼을 갖는 분자 수소 생성물 H2(예: H2(1/4))로, 여기서
(i) 쌍을 이루지 않은 전자 자기 모멘트는 H2(1/4)의 반자성 민감도에 기초한 H2(1/4) 분자 궤도의 쌍을 이룬 전자에서 반자성 모멘트를 유도한다.
(ii) 고유한 쌍-비쌍 전류 상호작용의 상응하는 자기 모멘트와 핵간 축을 중심으로 한 상대적 회전 운동으로 인한 자기 모멘트는 스핀-궤도 결합 에너지를 발생시킨다
(iii) 각 스핀-궤도 분할 피크는 전이에 관련된 각운동량 성분의 수에 해당하는 전자 플럭손 양자수의 함수인 정수 플럭손 에너지와 일치하는 일련의 균등한 간격의 피크로 추가로 분할된다; 그리고
(iv) 추가로, 분자 궤도에 의해 축적된 자속 결합과 함께 증가하는 자기 에너지로 인해 일련의 피크 쌍의 다운필드 쪽에서 스핀 궤도 커플링 양자수에 따라 스핀 궤도 분할이 증가한다.
c) 9.820295 GHz의 EPR 주파수의 경우,
(i) H2(1/4)의 자기 에너지와 스핀-궤도 결합 에너지로 인한 결합된 이동으로 발생한 다운필드 피크 위치는 다음과 같다.
;
(ii) 양자화된 스핀-궤도 분할 에너지 및 전자 스핀-궤도 결합 양자 수를 갖는 업필드 피크 위치는 다음과 같다.
,및/또는
(iii) 각 스핀 궤도 피크 위치에서 정수 계열 피크의 분리는 다음과 같다.
그리고 전자 플럭손 양자 수의 경우
d) 400-410 nm 범위의 고해상도 가시광선 분광기로 H-(1/2)에서 관찰되는 양자화된 단위 h/2e의 자속 결합을 나타내는 공통 원자 궤도의 쌍을 이루는 전자와 쌍을 이루지 않은 전자를 포함하는 수소화물 이온 H- (예, H-(1/p));
e) H2(1/4)의 회전 에너지 준위가 라만 분광법 동안 레이저 조사에 의해 및 전자빔으로부터의 고에너지 전자와 H2(1/4)의 충돌에 의해 여기될 때 관찰된 h/2e의 양자화된 단위의 자속 결합;
f) 쌍을 이루지 않은 전자의 스핀 자기 모멘트와 분자 회전으로 인한 궤도 자기 모멘트 사이의 스핀-궤도 결합의 라만 스펙트럼 전이를 갖는 분자 하이드리노(예: H2(1/p)), 여기서
(i) 회전 전이의 에너지는 대응하는 전자 스핀-궤도 결합 양자수의 함수로서 이러한 스핀-궤도 결합 에너지에 의해 이동된다;
(ii) 스핀-궤도 에너지에 의해 이동된 분자 회전 피크는 회전 전이에 관련된 각운동량 성분의 수에 따라 전자 플럭손 양자 수에 해당하는 각 에너지와 함께 플럭손 연결 에너지에 의해 추가로 이동된다, 그리고/또는
(iii) 라만 스펙트럼 피크의 관찰된 하위 분할 또는 이동은 회전 전이가 발생하는 동안 스핀과 분자 회전 자기 모멘트 사이의 스핀-궤도 결합 동안 자속 양자 h/2e 단위의 자속 결합으로 인해 발생한다;
g) 다음을 포함하는 예시적인 라만 스펙트럼 천이를 갖는
(i) 스핀-궤도 결합 및 플럭손 커플링을 통한 순수 내지 회전 전이:
,
(ii) 내지 스핀 회전 전이와 함께 내지 회전 전이를 포함하는 합동 전이:
,또는
(iii) 최종 회전 양자수 와 그리고
에 대한 이중 전이. 여기서, 대응하는 스핀-궤도 결합 및 플럭손 결합은 순수 전이, 협력 전이 및 이중 전이에서도 관찰되었다;
h) H2(1/4) UV 라만 피크(예: 집합체 GaOOH:H2(1/4):H2O에 기록된 것과 12,250-15,000 cm-1 영역에서 관찰된 반응 플라즈마에 노출된 Ni 호일, 여기서 예시적 라인은 스핀-궤도 결합과 플럭손 연결 분할을 갖는 합동 순수 회전 전이 와 스핀 전이에 일치함:
i) HD(1/4) 라만 스펙트럼의 회전 에너지는 H2(1/4)의 회전 에너지에 비해 3/4 계수만큼 이동한다;
j) HD(1/4) 라만 스펙트럼의 예시적 회전 에너지는 다음과 일치한다
(i) 스핀-궤도 결합 및 플럭손 커플링을 갖는 순수 HD(1/4) 내지 회전 전이:
,
(ii) 에서 스핀 회전 전이를 갖는 내지 회전 전이를 포함하는 합동 전이:, 또는
(iii) 최종 회전 양자수의 이중 전이 :
여기서, 스핀-궤도 결합과 플럭손 커플링은 순수 전이와 합동 전이 모두에서 관찰된다;
k) 전자빔의 고에너지 전자로 조사된 H2(1/4) 희가스 혼합물은 H2(1/4) P 분기에 상응하는 일련의 회전 전이와 함께 H2(1/4) 에서 진동 전이에 일치하는 8.25 eV에서 컷오프되는 자외선(150-180 nm) 영역에서의 동등한 0.25 eV 이격된 선방출을 보여주며, 여기서
(i) 스펙트럼 맞춤은 에 잘 일치하고, 여기서 0.515 eV와 0.01509 eV는 각각 일반 분자 수소의 진동 및 회전 에너지이다,
(ii) 라만 분광법으로도 관찰되는 회전 스핀-궤도 분할 에너지와 일치하는 작은 위성 라인이 관찰되고, (iii) 회전 스핀-궤도 분할 에너지 분리가 에 일치하며 여기서 1.5는 와 분할을 포함한다;
l) 에서 진동 전이를 갖는 H2(1/4) P-분기 회전 전이의 스펙트럼 방출은 KCl 결정질 매트릭스에 끼워져 있는 H2(1/4)의 전자빔 여기에 의해 관찰되며, 여기서
(i) 회전 피크는 자유 로터의 피크와 일치한다;
(ii) 진동 에너지는 H2(1/4)의 진동과 KCl 매트릭스의 상호 작용으로 인한 유효 질량의 증가에 의해 이동된다;
(iii) 스펙트럼 맞춤은 0.25 eV에서 이격 피크를 포함하는 와 잘 일치하고,
(iv) H2(1/4) 진동 에너지 이동의 상대적 크기는 KCl에 끼워져 있는 일반 H2에 의해 야기되는 회전-진동 스펙트럼에 대한 상대적 효과와 일치한다;
m) HeCd 에너지 레이저를 사용한 라만 스펙트럼은 8000 cm-1 ~ 18,000 cm-1 영역에서 일련의 1000 cm-1(0.1234eV) 등에너지 간격을 나타내며, 여기서 라만 스펙트럼의 형광 또는 광발광 스펙트럼으로의 전이는 0.25 eV에너지 간격 회전 진동 피크와 함께 전이로 에서 진동 이전으로 이동된 매트릭스를 포함하고이 제공하는 KCl 매트릭스에서 H2(1/4)의 전자빔 여기 방출 스펙트럼에 상응하는 H2(1/4)의 2차 순서 회전 진동 스펙트럼과의 일치를 나타낸다;
n) 4400 cm-1 이상의 에너지 영역에서 H2(1/4)의 적외선 회전 전이가 관찰되며, 여기서 고유 자기장 외에 자기장의 인가에 따라 강도가 증가하고, 스핀-궤도 전이와 결합된 회전 전이도 관찰된다;
o) 496 eV의 총 에너지에 상응하는 콤프톤(Compton) 효과에 의한 H2(1/4)의 허용된 이중 이온화는 X선 광전자 분광법(XPS)에 의해 관찰된다;
p) H2(1/4)는 수소와 헬륨이 가장 빠른 이전에 알려진 이동 속도와 그에 상응하는 가장 짧은 체류 시간을 갖는다는 점을 고려할 때 모든 알려진 어떤 가스보다 빠른 이동 속도를 나타내는 가스 크로마토그래피에 의해 관찰된다;
q) 극자외선(EUV) 분광법은 10.1 nm 컷오프로 극자외선 연속체 복사를 기록한다(예: 초기 HOH 촉매에 의해 촉매되는 하이드리노 반응 전이 H에서 H(1/4)로의 전이에 해당함);
r) 양성자 마법각 회전 핵 자기 공명 분광법(1H MAS NMR)은 -4ppm에서 -5ppm 영역에서 업필드 매트릭스-물 피크를 기록한다;
s) 다수의 수소 생성물 분자의 자기 모멘트가 협력적으로 상호작용하는 경우 상자성, 초상자성 및 강자성과 같은 벌크 자기(예: 반응 생성물을 포함하는 화합물의 자기 민감성을 측정하기 위해 진동 샘플 자기계를 사용하여 관찰됨);
t) 비행 시간 이차 이온 질량 분광법(ToF-SIMS) 및 전자 분무 비행 시간 이차 이온 질량 분광법(ESI-ToF)은 K2CO3 및 KOH에 대해 기록되고, (1/4) 가스) M + 2 다량체 단위(예: 와 여기서 n은 정수)와 수소화물 이온의 안정성으로 인한 강한 피크의 독특한 관찰에 의해 옥시음이온을 포함하는 무기 화합물에 반응 생성물의 착화(예, H2(1/4) 가스)를 보여주는 반응 생성물에서 분자 가스 소스에 노출되고,
u) 무기 이온으로 단편화되는 유기 분자 매트릭스 컬럼의 크로마토그래피 피크에 의해 증명되는 유기 분자처럼 행동하는 분자 수소 핵으로 구성된 반응 생성물. 다양한 구현에서, 이 반응은 다음 중 하나 이상을 특징으로 하는 에너지 서명을 생성한다.
(i) H 원자 및 초기 HOH 또는 아르곤-H
, H
및 H2O 증기 플라즈마와 같은 H 기반 촉매를 포함하는 플라즈마에서 100eV 이상의 H 발머 라인의 비정상적 도플러 라인 확장,
(ii) H 여기 상태 라인 반전,
(iii) 비정상적인 H 플라즈마 잔광 지속 시간,
(iv) 충격파 전파 속도 및 해당 압력은 충격파에 대한 전력 커플링의 약 1%만 사용하는 약 10배 더 많은 화약 몰,
(v) 10μl 수화된 은색 샷에서 최대 20MW의 광출력, 및
(vi) 340,000W의 전력 수준에서 검증된 SunCell 전력 시스템의 열량계. 이러한 반응은 다음 중 하나 이상을 특징으로 하는 수소 생성물을 생성할 수 있다.
a) 1900 내지 2200 cm-1, 5500 내지 6400 cm-1, 및 7500 내지 8500 cm-1의 하나 이상의 범위에서 라만 피크, 또는 1900 내지 2200 cm-1 범위의 정수배를 갖는 수소 생성물;
b) 0.23 내지 0.25 eV의 정수배로 이격된 복수의 라만 피크를 갖는 수소 생성물;
c) 1900 내지 2000 cm-1의 정수배 범위에서 적외선 피크를 갖는 수소 생성물;
d) 0.23 내지 0.25 eV의 정수배로 이격된 복수의 적외선 피크를 갖는 수소 생성물;
e) 0.23 내지 0.3 eV의 정수배 간격을 갖는 200 내지 300 nm 범위의 복수의 UV 형광 방출 스펙트럼 피크를 갖는 수소 생성물;
f) 0.2 내지 0.3 eV의 정수배 간격을 갖는 200 내지 300 nm 범위의 복수의 전자빔 방출 스펙트럼 피크를 갖는 수소 생성물;
g) 1000 cm-1의 정수배 간격을 갖는 5000 내지 20,000 cm-1 범위의 복수의 라만 스펙트럼 피크를 갖는 수소 생성물;
h) 490 내지 525 eV 범위의 에너지에서 X선 광전자 분광학 피크를 갖는 수소 생성물;
i) 업필드 MAS NMR 매트릭스 이동을 유발하는 수소 생성물;
j) TMS에 비해 -5ppm보다 큰 업필드 MAS NMR 또는 액체 NMR 이동을 갖는 수소 생성물;
m) 금속 수소화물 및 수소를 추가로 포함하는 금속 산화물 중 하나 이상을 포함하는 수소 생성물(여기서 금속은 Zn, Fe, Mo, Cr, Cu 및 W 중 하나 이상을 포함함);
o) M은 양이온이고 X는 음이온으로 전자분무 이온화 비행 시간 이차 이온 질량 분광법(ESI-ToF) 및 비행 시간 이차 이온 질량 분석법(ToF- SIMS) M(MxXyH₂)n의 피크, 여기서 n은 정수, 중 적어도 하나를 갖는 무기 화합물 MxXy 및 H2를 포함하는 수소 생성물;
p) 전자분무 이온화 비행 시간 2차 이온 질량 분광법(ESI-ToF) 및 비행 시간 2차 이온 질량 분광법(ToF-SIMS) 와 피크 중 적어도 하나를 갖는 K2CO3H₂와 KOHH₂에서 각각 적어도 하나를 포함하는 수소 생성물;
q) 수소를 추가로 포함하는 금속 수소화물과 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 자성 수소 생성물, 여기서 금속은 Zn, Fe, Mo, Cr, Cu, W 및 반자성 금속 중 적어도 하나를 포함함;
r) 수소를 추가로 포함하는 금속 수소화물과 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 수소 생성물, 여기서 금속은 Zn, Fe, Mo, Cr, Cu, W중 적어도 하나와 자화율 측정법에 의해 자성을 나타내는 반자성 금속을 포함함);
s) 전자 상자성 공명(EPR) 분광법에서 활성이 아닌 금속을 포함하는 수소 생성물, 여기서 EPR 스펙트럼은 약 2.0046 20%의 g 인자 중 적어도 하나를 포함하고, 이는 약 1 내지 10G로 분리가 되는 EPR 스펙트럼 분리로서, 여기서 각각의 주요 피크는 약 0.1 내지 1G의 간격을 갖는 일련의 피크로 하위 분할됨;
t) 전자 상자성 공명(EPR) 분광법에서 활성이 아닌 금속을 포함하는 수소 생성물, 여기서 EPR 스펙트럼은 약 m1 X 7.43X10-27 J 20%의 전자 스핀-궤도 결합 분할 에너지 이상을 포함, 및 약 m2 X 5.78X10-28J 20%와 이량체 자기 모멘트 상호작용 분할 에너지 약 1.58 X10-23J 20%의 플럭손 분할;
v) 수소 또는 헬륨 담체와 함께 음의 가스 크로마토그래피 피크를 갖는 가스를 포함하는 수소 생성물;
w) P가 정수인 의 4배 모멘트/e를 갖는 수소 생성물;
x) (J+1)44.30 cm-1 ±20 cm-1 범위의 정수 J에서 J+1로의 전이에 대한 말단 대 말단 회전 에너지를 갖는 분자 이량체를 포함하는 양성자성 수소 생성물, 여기서 중수소를 포함하는 분자 이량체의 상응하는 회전 에너지는 양성자를 포함하는 이량체의 ½임;
y) (i) 1.028 ±10%의 수소 분자의 분리 거리, (ii) 23 cm-1 의 수소 분자 사이의 진동 에너지 및 (iii) 0.0011 eV 의 수소 분자의 사이의 반데르발스 에너지의 군에서 적어도 하나의 매개변수를 갖는 분자 이합체를 포함하는 수소 생성물;
z) (i) 1.028 ±10% 수소 분자의 분리 거리, (ii) 약 23 cm-1 ±10% 의 수소 분자 사이의 진동 에너지 및 (iii) 약 0.019 eV ±10% 의 수소 분자 사이의 반데르발스 에너지의 군에서 적어도 하나의 매개변수를 갖는 고체를 포함하는 수소 생성물;
aa) (i) (J+1)44.30 cm-1 ±20 cm-1, (ii) (J+1)22.15 cm-1 ±10 cm-1 및 (iii) 23 cm-1 ±10%의 FTIR 및 라만 스펙트럼 시그내처 및/또는 1.028 ±10%의 수소 분자 분리를 보여주는 X-선 혹은 중성자 회절 패턴 및/또는 분자 수소당 0.0011 eV ±10%의 기화 에너지에 대한 열량분석 결정을 갖는 수소 생성물;
bb) (i) (J+1)44.30 cm-1 ±20 cm-1, (ii) (J+1)22.15 cm-1 ±10 cm-1 및 (iii) 23 cm-1 ±10%의 FTIR 및 라만 스펙트럼 시그내처 및/또는 1.028 ±10% 의 수소 분자 분리를 보여주는 X-선 혹은 중성자 회절 패턴 및/또는 분자 수소당 0.019 eV ±10%의 기화 에너지에 대한 열량분석 결정을 갖는 고체 수소 생성물.
cc) 무결합 결합 에너지 영역에서 자성이며 자속 퀀텀 단위로 자속을 연계시키는 수소 수화물 이온을 포함하는 수소 생성물, 및
dd) 유기 컬럼 및 물을 포함하는 용매를 사용한 고압 액체 크로마토그래피(HPLC)가 캐리어 틈새 부피 시간의 정체 시간보다 더 긴 정체 시간을 가진 크로마토그래피의 피크를 갖는 수소 생성물에 있어서, ESI-ToF와 같은 질량 분석에 의한 피크의 검출이 적어도 하나의 무기화합물의 단편을 보여주는 수소 생성물.
다양한 구현에서, 수소 생성물은 수증기를 포함하는 대기에서 와이어 폭발에 의해 형성되는 것과 같은 다양한 하이드리노 반응기로부터 형성되는 생성물로 유사하게 특징지을 수 있다. 그러한 생성물은 다음을 포함할 수 있다:
a) 금속 수소화물과 산화금속의 적어도 하나를 포함하고 수소를 더 포함하며 그 금속이 Zn, Fe, Mo, Cr, Cu 및 W의 적어도 하나를 포함하고 수소가 H를 포함한다;
b) 무기 화합물 MxXy 및 H2를 포함하며, 여기서M이 양이온이고 X가 음이온이며 전기 분무 이온화 비행시간형 이차 이온 질량 스펙트럼(ESI-ToF) 및 비행시간형 이차 이온 질량 스펙트럼(ToF-SIMS)의 적어도 하나가 n이 정수인M(MxXyH(1/4)2)n의 피크들을 포함한다;
c)
자성이며 금속 수소화물 및 산화 금속의 적어도 하나를 포함하고 수소를 더 포함하며 그 금속이 Zn, Fe, Mo, Cr, Cu, W 및 반자성 금속 중 적어도 하나를 포함하며 수소가 H(1/4)이, 및
d) 금속 수소화물 및 산화 금속의 적어도 하나를 포함하고 수소를 더 포함하며 그 금속이 Zn, Fe, Mo, Cr, Cu, W 및 반자성 금속 중 적어도 하나를 포함하고 H가 H(1/4)이며 그 생성물이 자기 서셉토메트리에 의해 자성을 발휘한다.
일부 실시예에서, 이 반응에 의해 형성되는 수소 생성물은 (i) 수소 이외의 원소, (ii) H+, 일반 H2, 일반H- 및 일반의 적어도 하나를 포함하는 일반 수소 종, (iii) 유기 분자 종 및 (iv) 무기 종 중 적어도 하나와 착물화된 수소 생성물을 포함한다. 일부 실시예에서, 이 수소 생성물은 옥시음이온 화합물을 포함한다. 다양한 구현에서, 이 수소 생성물(또는 게터를 포함하는 실시예로부터 복구된 수소 생성물)은 다음 군에서 선택된 식을 갖는 적어도 하나의 화합물을 포함할 수 있다:
a) M은 알칼리 양이온이고H 또는 H2는 수소 생성물인MH, MH2 또는 M2H2;
b) n은 1 또는 2이고, M은 알칼리 토류 양이온이고 H는 수소 생성물인 MHn;
c) M은 알칼리 양이온이고, X는 할로겐 원자와 같은 중성 원자, 분자 또는 할로겐 음이온과 같은 단일 음전하 음이온이고, H는 수소 생성물인 MHX;
d) M은 알칼리 토류 양이온이고, X는 단일 음전하 음이온이며, H는 수소 생성물인 MHX;
e) M은 알칼리 토류 양이온이고, X는 이중 음전하 음이온이고, H는 수소 생성물인 MHX;
f) M은 알칼리 양이온이고, X는 단일 음전하 음이온이고, H는 수소 생성물인 M2HX;
g) n은 정수이고, M은 알칼리 양이온이며, 화합물의 수소 함량 Hn은 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 MHn;
h) n은 정수이고, M은 알칼리 토류 양이온이며, 화합물의 수소 함량 Hn은 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 M2Hn;
i) n은 정수이고, M은 알칼리 토류 양이온이고, X는 단일 음전하 음이온이며, 화합물의 수소 함량 Hn은 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 M2XHn;
j) n은 1 또는 2이고, M은 알칼리 토류 양이온이고, X는 단일 음전하 음이온이며, 화합물의 수소 함량 Hn은 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 M2X2Hn;
k) M은 알칼리 토류 양이온이고, X는 단일 음전하 음이온이고, H는 수소 생성물인 M2X3H;
l) n은 1 또는 2이고, M은 알칼리 토류 양이온이고, X는 이중 음전하 음이온이며, 화합물의 수소 함량 Hn은 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 M2XHn;
m) M은 알칼리 토류 양이온이고, X는 단일 음전하 음이온이고, X'는 이중 음전하 음이온이며, H는 수소 생성물인 M2XX'H;
n) n은 1 내지 3의 정수이고, M은 알칼리 토류 양이온이고, M'은 알칼리 금속 양이온이며, 화합물의 수소 함량 Hn은 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 MM'Hn;
o) n은 1 또는 2이고, M은 알칼리 토류 양이온이고, M'은 알칼리 금속 양이온이고, X는 단일 음전하 음이온이며, 화합물의 수소 함량 Hn은 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 MM'XHn;
p) M은 알칼리 토류 양이온이고, M'은 알칼리 금속 양이온이고, X 및 X'는 이중 음전하 음이온이고 H는 수소 생성물인 MM'XH;
q) M은 알칼리 토류 양이온이고, M'은 알칼리 금속 양이온이고, X 및 X'는 단일 음전하 음이온이고, H는 수소 생성물인 MM'XX'H;
r) n은 1 내지 5의 정수이고, M은 알칼리 또는 알칼리 토류 양이온이고, X는 단일 또는 이중 음전하 음이온이고, X'는 금속 또는 메탈로이드, 전이 원소, 내부 전이 원소 또는 희토류 원소이고, 화합물의 수소 함량 Hn은 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 MXX'Hn;
s) n은 정수이고, M은 양이온, 예컨대 전이 원소, 내부 전이 원소 또는 희토류 원소이고, 화합물의 수소 함량 Hn은 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 MHn;
t) n은 정수이고, M은 양이온, 예컨대 알칼리 양이온, 알칼리 토류 양이온이고, X는 다른 양이온, 예를 들어 전이 원소, 내부 전이 원소 또는 희토류 원소 양이온이고, 화합물의 수소 함량 Hn은 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 MXHn;
u) M이 알칼리 양이온 또는 다른 +1 양이온이고, m 및 n이 각각 정수이고, 화합물의 수소 함량 Hm이 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 ;
v) M이 알칼리 양이온 또는 다른 +1 양이온이고, m 및 n이 각각 정수이고, X가 단일 음전하 음이온이고, 화합물의 수소 함량 Hm이 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 ;
w) M이 알칼리 양이온 또는 다른 +1 양이온이고, n이 정수이고, 화합물의 수소 함량 H가 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 ;
x) M이 알칼리 양이온 또는 다른 +1 양이온이고, n이 정수이고, 화합물의 수소 함량 H가 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 ;
y) m 및 n이 각각 정수이고, M 및 M'이 각각 알칼리 또는 알칼리 토류 양이온이고, X가 단일 또는 이중 음전하 음이온이고, 이 화합물의 수소 함량 Hm은 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 ; 및
z) m 및 n이 각각 정수이고, M 및 M'이 각각 알칼리 또는 알칼리 토류 양이온이고, X 및 X'가 단일 또는 이중 음전하 음이온이고, 화합물의 수소 함량 Hm은 적어도 하나의 수소 생성물을 포함하는 .
이 반응에 의해 형성되는 수소 생성물의 음이온은 할라이드 이온, 수산화물 이온, 탄산 수소 이온, 질산염 이온, 이중 음전하 음이온, 탄산염 이온, 옥사이드 및 황산염 이온을 포함하는 하나 이상의 단일 음전하 음이온을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이 수소 생성물은 결정 격자(예: 예를 들어 용기나 배기 라인 내에 위치하는 K2CO3와 같은 게터의 사용을 통해)에 매립된다. 예를 들어, 이 수소 생성물은 염 격자에 매립될 수 있다. 다양한 구현에서, 이 염 격자는 알칼리염, 알칼리 할라이드, 수산화 알칼리, 알칼리 토류 염, 알칼리 토류 할라이드, 알칼리 토류 하이드록사이드 또는 이의 조합들을 포함할 수 있다.
본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 개시의 여러 실시예를 예시하고 설명과 함께 본 개시의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면에서:
도 1은 본 개시의 실시예에 따라 주입기 저장소 내의 단일 EM 펌프 주입기 및 반전 페데스탈을 액체 전극으로 포함하는 SunCell® 열 발전기의 세부사항을 도시하는 개략도이다.
도2-4는 본 개시의 실시예에 따라 주입기 저장소 내의 단일 EM 펌프 주입기 및 액체 전극으로서 부분 반전 페데스탈 그리고 PV창의 금속화 억제를 위한 테이퍼진 반응 셀 챔버를 포함하는 SunCell® 열 발전기의 세부사항을 도시하는 개략도이다.
도5는 본 개시의 실시예에 따라 주입기 저장소 내 단일 EM 펌프 주입기, 액체 전극으로서 부분 반전 페데스탈, 유도 점화 시스템 및 PV 창을 포함하는 SunCell® 열 발전기의 세부사항을 보여주는 개략도이다.
도6은 본 개시의 실시예에 따라 라이너를 갖춘 입방형 반응 셀 챔버 및 주입기 저장소 내의 단일 EM 펌프 주입기 및 액체 전극으로서 반전 페데스탈을 포함하는 SunCell® 열 발전기의 세부사항을 보여주는 개략도이다.
도7A는 본 개시의 실시예에 따라 모래시계 형상의 반응 셀 챔버 라이너 및 주입기 저장소 내의 단일 EM 펌프 주입기 그리고 액체 전극으로서 반전 페데스탈을 포함하는 SunCell® 열 발전기의 세부사항을 보여주는 개략도이다.
도7B는 본 개시의 실시예에 따라 주입기 저장소 내의 단일 EM 펌프 주입기, 전극으로서 부분 반전 페데스탈, 유도 점화 시스템 그리고 버켓 승강기 산화 갈륨 스키머를 포함하는 SunCell® 열 발전기의 세부사항을 보여주는 개략도이다.
도 7C는 주입기 저장소 내의 단일 EM 펌프 주입기 및 전극으로서 반전 페데스탈을 포함하는 SunCell® 화력 발전기의 세부 사항을 보여주는 개략도로서, 여기서 EM 펌프 튜브는 본 개시의 실시예에 따른 갈륨 또는 주석 합금의 형성 및 산화 중 적어도 하나에 내성이 있는 복수의 부품의 조합을 포함한다.
도 7D-H는 본 개시의 실시예에 따른 SunCell® 펌핑 용융 금속-공기 열교환기의 세부사항을 보여주는 개략도이다.
도 8A-B는 본 개시의 실시예에 따라 반응 셀 챔버를 형성하기 위해 결합되는 저장소를 갖는 액체 전극으로서 이중 저장소 및 DC EM 펌프 주입기를 포함하는 세라믹 SunCell® 발전기의 개략도이다.
도 8C-D는 이중 저장소 및 DC EM 펌프 주입기를 포함하는 역 Y 형상 SunCell® 발전기의 개략도이다. 이들은 대응하는 주입된 용융 금속 스트림이 결합하여 반응 셀 챔버에서 회로를 형성하는 저장소를 갖는 액체 전극을 형성한다. 챔버는 본 개시의 실시예에 따라 PV 창에 연결된다.
도 8E는 본 개시의 실시예에 따른 광전지 변환기 및 PV 창에 연결된 반응 셀 챔버를 형성하기 위해 결합되는 저장소를 갖는 액체 전극으로서 이중 저장소 및 DC EM 펌프 주입기를 포함하는 역 Y 기하학 SunCell® 발전기의 개략도이다. PV 창은 두 번째 플라즈마에서 광을 수집하고 변환하기 위한 광전지 셀 네트워크로 둘러싸여 있다.
도 8F-8G는 본 개시의 실시예에 따라 유입구 라이저, 내부 및 외부 PV 창, 및 전기 브레이크와 벨로우즈를 포함하는 하나 또는 두 저장소를 갖는 기울어진 전자기 펌프 브레이크를 보여주는 액체 전극으로서 이중 EM 펌프 주입기를 포함하는 열광전지 SunCell® 발전기의 개략도이다. 도 8G는 열광전지 SunCell®의 내부 단면도를 보여준다.
도 8H-8L은 본 개시의 실시예에 따라 각각 유입구 라이저, 내부 PV 창, 외부 PV 창, 전기 브레이크를 포함하는 최소 하나의 저장소, 및 벨로우즈를 포함하는 최소 하나의 저장소를 갖는 기울어진 전자기 펌프 조립체를 보여주는 액체 전극으로서 이중 EM 펌프 주입기를 포함하는 열광전지 SunCell® 발전기의 개략도이다. 도 8L에서, 폐쇄 회로를 형성하기 위해 교차하는 용융 금속 스트림의 교차 궤적을 볼 수 있다.
도 9A-C는 적어도 하나의 전자기 펌프 주입기 및 주입기 저장소 전극에 있는 전극, 적어도 하나의 수직으로 정렬된 카운터 전극, 및 HOH 촉매와 원자 H를 형성하기 위해 상부 플랜지에 연결된 글로우 방전 셀을 포함하는 SunCell® 하이드리노 발전기의 개략도로서, A는 일-전극 쌍 실시예의 외관도, B는 일-전극쌍 실시예의 단면도, C는 2-전극쌍 실시예의 단면도이다.
도 9D-E는 본 개시의 실시예에 따른 SunCell® 하이드리노 발전기 및 보일러의 개략도이다.
도 9F는 본 개시의 일 실시예에 따른 증기 및 온수 대 공기 열교환기를 위한 SunCell® 하이드리노 발전기 및 보일러의 개략도이다.
도 9G-H는 본 개시의 실시예에 따른 SunCell® 하이드리노 발전기 및 직접 전열관 열교환기의 개략도이다.
도 9I는 본 개시의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 흡수기 및 공기 열교환기의 열 방사원으로서 작용하는 적어도 하나의 창을 갖는 SunCell® 하이드리노 발전기의 개략도이다.
도 9J는 본 개시의 일 실시예에 따른 오븐의 열 방사원 역할을 하는 창을 갖는 SunCell® 하이드리노 발전기의 개략도이다.
도 9K는 본 개시의 일 실시예에 따른 보일러의 열 방사원 역할을 하는 창을 갖는 SunCell® 하이드리노 발전기의 개략도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 광 분배 및 광전지 변환기 시스템의 세부 사항을 보여주는 SunCell® 발전기의 개략도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 광전지 변환기 또는 열교환기의 측지 밀도 수신기 어레이의 삼각형 요소의 개략도이다.
도 12-13은 본 개시의 실시예에 따른 흑체 광도를 감소시키기 위해 반경이 증가된 PV 변환기 및 유입구 라이저를 갖는 기울어진 전자기 펌프 조립체를 보여주는 액체 전극으로서 이중 EM 펌프 주입기를 포함하는 열광전지 SunCell® 발전기의 개략도이다.
도 14는 전기적으로 바이어싱된 이중 주석 용융 스트림과 수소 및 산소 가스의 혼합물로부터 생성된 글로우 방전 유출물의 상호작용으로부터 형성된 플라즈마 상에서 측정된 방출 스펙트럼이다.
도 15는 초기 물과 반응 셀의 원자 수소 농도가 감소한 후 형성된 플라즈마의 방출 스펙트럼이다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따라 주입기 저장소 내의 단일 EM 펌프 주입기 및 반전 페데스탈을 액체 전극으로 포함하는 SunCell® 열 발전기의 세부사항을 도시하는 개략도이다.
도2-4는 본 개시의 실시예에 따라 주입기 저장소 내의 단일 EM 펌프 주입기 및 액체 전극으로서 부분 반전 페데스탈 그리고 PV창의 금속화 억제를 위한 테이퍼진 반응 셀 챔버를 포함하는 SunCell® 열 발전기의 세부사항을 도시하는 개략도이다.
도5는 본 개시의 실시예에 따라 주입기 저장소 내 단일 EM 펌프 주입기, 액체 전극으로서 부분 반전 페데스탈, 유도 점화 시스템 및 PV 창을 포함하는 SunCell® 열 발전기의 세부사항을 보여주는 개략도이다.
도6은 본 개시의 실시예에 따라 라이너를 갖춘 입방형 반응 셀 챔버 및 주입기 저장소 내의 단일 EM 펌프 주입기 및 액체 전극으로서 반전 페데스탈을 포함하는 SunCell® 열 발전기의 세부사항을 보여주는 개략도이다.
도7A는 본 개시의 실시예에 따라 모래시계 형상의 반응 셀 챔버 라이너 및 주입기 저장소 내의 단일 EM 펌프 주입기 그리고 액체 전극으로서 반전 페데스탈을 포함하는 SunCell® 열 발전기의 세부사항을 보여주는 개략도이다.
도7B는 본 개시의 실시예에 따라 주입기 저장소 내의 단일 EM 펌프 주입기, 전극으로서 부분 반전 페데스탈, 유도 점화 시스템 그리고 버켓 승강기 산화 갈륨 스키머를 포함하는 SunCell® 열 발전기의 세부사항을 보여주는 개략도이다.
도 7C는 주입기 저장소 내의 단일 EM 펌프 주입기 및 전극으로서 반전 페데스탈을 포함하는 SunCell® 화력 발전기의 세부 사항을 보여주는 개략도로서, 여기서 EM 펌프 튜브는 본 개시의 실시예에 따른 갈륨 또는 주석 합금의 형성 및 산화 중 적어도 하나에 내성이 있는 복수의 부품의 조합을 포함한다.
도 7D-H는 본 개시의 실시예에 따른 SunCell® 펌핑 용융 금속-공기 열교환기의 세부사항을 보여주는 개략도이다.
도 8A-B는 본 개시의 실시예에 따라 반응 셀 챔버를 형성하기 위해 결합되는 저장소를 갖는 액체 전극으로서 이중 저장소 및 DC EM 펌프 주입기를 포함하는 세라믹 SunCell® 발전기의 개략도이다.
도 8C-D는 이중 저장소 및 DC EM 펌프 주입기를 포함하는 역 Y 형상 SunCell® 발전기의 개략도이다. 이들은 대응하는 주입된 용융 금속 스트림이 결합하여 반응 셀 챔버에서 회로를 형성하는 저장소를 갖는 액체 전극을 형성한다. 챔버는 본 개시의 실시예에 따라 PV 창에 연결된다.
도 8E는 본 개시의 실시예에 따른 광전지 변환기 및 PV 창에 연결된 반응 셀 챔버를 형성하기 위해 결합되는 저장소를 갖는 액체 전극으로서 이중 저장소 및 DC EM 펌프 주입기를 포함하는 역 Y 기하학 SunCell® 발전기의 개략도이다. PV 창은 두 번째 플라즈마에서 광을 수집하고 변환하기 위한 광전지 셀 네트워크로 둘러싸여 있다.
도 8F-8G는 본 개시의 실시예에 따라 유입구 라이저, 내부 및 외부 PV 창, 및 전기 브레이크와 벨로우즈를 포함하는 하나 또는 두 저장소를 갖는 기울어진 전자기 펌프 브레이크를 보여주는 액체 전극으로서 이중 EM 펌프 주입기를 포함하는 열광전지 SunCell® 발전기의 개략도이다. 도 8G는 열광전지 SunCell®의 내부 단면도를 보여준다.
도 8H-8L은 본 개시의 실시예에 따라 각각 유입구 라이저, 내부 PV 창, 외부 PV 창, 전기 브레이크를 포함하는 최소 하나의 저장소, 및 벨로우즈를 포함하는 최소 하나의 저장소를 갖는 기울어진 전자기 펌프 조립체를 보여주는 액체 전극으로서 이중 EM 펌프 주입기를 포함하는 열광전지 SunCell® 발전기의 개략도이다. 도 8L에서, 폐쇄 회로를 형성하기 위해 교차하는 용융 금속 스트림의 교차 궤적을 볼 수 있다.
도 9A-C는 적어도 하나의 전자기 펌프 주입기 및 주입기 저장소 전극에 있는 전극, 적어도 하나의 수직으로 정렬된 카운터 전극, 및 HOH 촉매와 원자 H를 형성하기 위해 상부 플랜지에 연결된 글로우 방전 셀을 포함하는 SunCell® 하이드리노 발전기의 개략도로서, A는 일-전극 쌍 실시예의 외관도, B는 일-전극쌍 실시예의 단면도, C는 2-전극쌍 실시예의 단면도이다.
도 9D-E는 본 개시의 실시예에 따른 SunCell® 하이드리노 발전기 및 보일러의 개략도이다.
도 9F는 본 개시의 일 실시예에 따른 증기 및 온수 대 공기 열교환기를 위한 SunCell® 하이드리노 발전기 및 보일러의 개략도이다.
도 9G-H는 본 개시의 실시예에 따른 SunCell® 하이드리노 발전기 및 직접 전열관 열교환기의 개략도이다.
도 9I는 본 개시의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 흡수기 및 공기 열교환기의 열 방사원으로서 작용하는 적어도 하나의 창을 갖는 SunCell® 하이드리노 발전기의 개략도이다.
도 9J는 본 개시의 일 실시예에 따른 오븐의 열 방사원 역할을 하는 창을 갖는 SunCell® 하이드리노 발전기의 개략도이다.
도 9K는 본 개시의 일 실시예에 따른 보일러의 열 방사원 역할을 하는 창을 갖는 SunCell® 하이드리노 발전기의 개략도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 광 분배 및 광전지 변환기 시스템의 세부 사항을 보여주는 SunCell® 발전기의 개략도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 광전지 변환기 또는 열교환기의 측지 밀도 수신기 어레이의 삼각형 요소의 개략도이다.
도 12-13은 본 개시의 실시예에 따른 흑체 광도를 감소시키기 위해 반경이 증가된 PV 변환기 및 유입구 라이저를 갖는 기울어진 전자기 펌프 조립체를 보여주는 액체 전극으로서 이중 EM 펌프 주입기를 포함하는 열광전지 SunCell® 발전기의 개략도이다.
도 14는 전기적으로 바이어싱된 이중 주석 용융 스트림과 수소 및 산소 가스의 혼합물로부터 생성된 글로우 방전 유출물의 상호작용으로부터 형성된 플라즈마 상에서 측정된 방출 스펙트럼이다.
도 15는 초기 물과 반응 셀의 원자 수소 농도가 감소한 후 형성된 플라즈마의 방출 스펙트럼이다.
여기에는 원자 수소와 관련있는 반응들의 출력 에너지를 전기 및/또는 열 에너지로 변환시키는 발전 시스템들 그리고 발전 방법들이 개시된다. 이 반응들은 전자각이 핵에 대해 더 가까운 위치에 있는 낮은 에너지 상태를 형성하기 위해 원자 수소로부터 에너지를 방출하는 촉매 시스템을 관여시킬 수 있다. 방출된 전력은 발전을 위해 이용되며, 추가로 새로운 수소 종 및 화합물이 원하는 생성물이다. 이들 에너지 상태는 고전 물리학 법칙에 의해 예측되며 대응하는 에너지 방출 전이를 겪도록 촉매가 수소로부터 에너지를 수용할 것을 요구한다.
본 개시의 발전 시스템에 의해 생성된 발열 반응을 설명할 수 있는 이론은 원자 수소에서 특정 촉매(예: 초기 물)로의 비방사성 에너지 전달을 포함한다. 고전 물리학은 수소 원자, 수소화 이온, 수소 분자 이온 및 수소 분자의 폐쇄형 해법을 제공하며 분수의 주요 양자 수를 갖는 해당 종을 예측한다. 원자 수소는 원자 수소의 위치 에너지의 정수배인 m ·27.2 eV(여기서, m은 정수)의 에너지를 수용할 수 있는, 자체적으로 포함하는 특정 종과의 촉매 반응을 겪을 수 있다. 예측된 반응은 그렇지 않으면 안정한 원자 수소로부터 에너지를 수용할 수 있는 촉매로의 공명, 비-방사 에너지 전달을 포함한다. 그 곱은 "하이드리노(Hydrino) 원자"라고 불리는 원자 수소의 분수 리드베르크(Rydberg) 상태인 H(1/p)이며, 여기서 n = 1/2, 1/3, 1/4, ..., 1/p(p 
137은 정수)은 수소 여기 상태에 대한 리드베르크 방정식에서 주지된 매개 변수(n 정수)를 대체한다. 각각의 하이드리노 상태는 또한 전자, 양성자 및 광자를 포함하지만, 광자로부터의 필드 기여는 흡수보다는 에너지 이탈에 대응하여 결합 에너지를 감소보다는 증가시킨다. 원자 수소의 위치 에너지가 27.2 eV이기 때문에, m H원자는 다른 (m + 1)차 H 원자의 m·27.2 eV 촉매로서의 역할을 한다[R. Mills, The Grand Unified Theory of Classical Physics; September 2016 Edition, 게시된 웹사이트, https://brilliantlightpower.com/book-download-and-streaming/ ("Mills GUTCP")]. 예를 들어, H 원자는 자기 또는 유도 전기 쌍극자-쌍극자 결합과 같은 공간-통과 에너지 전달을 통해 그로부터 27.2 eV를 받아서 다른 H의 촉매로서 작용하여 단파장 컷오프 및 의 에너지를 갖는 연속체 대역의 방출로 분해되는 중간체를 형성할 수 있다. 원자 H 이외에 동일한 에너지에 의해 분자의 위치 에너지의 크기가 감소하면서 원자 H로부터를 수용하는 분자는 또한 촉매로서의 역할을 할 수 있다. H2O의 위치 에너지는 81.6 eV이다. 그런 다음, 동일한 메커니즘에 의해, 열역학적으로 유리한 금속 산화물의 환원에 의해 형성된 신생 H2O 분자(고체, 액체 또는 기체 상태로 결합된 수소가 아닌)는 HOH 로의 81.6 eV 전달 및 10.1 nm(122.4 eV)에서의 컷오프(cutoff)를 갖는 연속체 방사의 방출을 포함하는, 204 eV의 에너지 방출로를 형성하는 촉매로 작용하는 것으로 예측된다.
상태로의 전이를 포함하는 H 원자 촉매 반응에서, mH 원자는 다른 (m + 1)차 H 원자의 m·27.2 eV 촉매로서의 역할을 한다. 그러면, m 원자가 (m + 1)차 수소 원자로부터 공진적으로 그리고 비방사적으로 m·27.2 eV를 수용하여 mH 원자가 촉매로서의 역할을 하는 m + 1 수소 원자들 사이의 반응은 다음 식으로 주어진다:
(1)
(2)
(3)
그리고, 전체 반응은 다음과 같다:
(4)
신생 H2O의 위치 에너지에 관한 촉매 반응은 다음과 같다[R. Mills, The Grand Unified Theory of Classical Physics; September 2016 Edition, 게시된 웹사이트, https://brilliantlightpower.com/book-download-and-streaming/]:
(5)
(6)
(7)
그리고, 전체 반응은 다음과 같다:
(8)
촉매로의 에너지 전달 후에(식 (1) 및 (5)), H 원자 반경과 양성자 중심 필드의 m + 1 배의 중심 필드를 갖는 중간체 가 형성된다. 반경은 전자가 eV의 에너지를 방출하면서 비촉매 수소 원자의 1/(m + 1)의 반경을 갖는 안정한 상태로 반경 방향 가속을 겪을 때 감소할 것으로 예측된다. 중간체(예를 들어, 식(2) 및 식(6))로 인한 극-자외선 연속체 방사 대역은 다음 식:
;
(9)
에 의해 주어지는 단파장 컷오프와 에너지 를 갖고 대응하는 컷오프보다 더 긴 파장으로 확장될 것으로 예측된다. 여기서, H*[aH/4] 중간체의 분해로 인한 극-자외선 연속체 방사 대역은 E = m2·13.6 = 9·13.6 = 122.4 eV (10.1 nm) [여기서 p = m + 1 = 4 및 m = 3이다(식 (9)]에서 단파장 컷오프를 갖고 더 긴 파장으로 확장될 것으로 예측된다. 이론적으로 예측된 H의 낮은 에너지로의 전이, 소위 "하이드리노(hydrino)" 상태 H(1/4)에 대한 더 큰 파장으로 가는 10.1 nm에서 연속체 방사 대역은 약간의 수소를 포함하는 펄스형 핀치 가스 배출에서만 발생하는 것으로 관찰되었다. 식 (1)과 (5)에 의해 예측된 다른 관찰은 빠른 H+의 재결합으로부터 빠른 여기 상태의 H 원자의 형성이다. 빠른 원자는 발머(Balmer) 방출의 확대를 야기한다. 특정 혼합 수소 플라즈마에서 이례적으로 높은 운동 에너지 수소 원자의 집단을 나타내는 50 eV 초과의 발머선 확대는 원인이 하이드리노의 형성에서 방출된 에너지로 인한 확립된 현상이다. 빠른 H는 연속체 방출 수소 핀치 플라즈마에서 이전에 관찰되었다.
하이드리노를 형성하기 위한 추가 촉매 및 반응이 가능하다. 특정 종들(예를 들어, He+, Ar+, Sr+, K, Li, HCl, 및 NaH, OH, SH, SeH, 신생 H2O, nH(n=정수))은 프로세스를 촉진하기 위해서 원자 수소와 함께 존재할 것이 요구된다. 그 반응은 비-방사 에너지 전달을 수반하는데, 여기에는 이례적으로 고온인 여기된 상태의 H, 및 분수의 주 양자수에 대응하는 반응하지 않은 원자 수소보다 에너지가 낮은 수소 원자를 형성하기 위해서, H로의 q·13.6 eV 연속체 방사 또는 q·13.6 eV전이가 이어진다. 즉, 수소 원자의 주요 에너지 준위에 대한 식에 있어서:
.
(10)
(11)
여기서 αH는 수소 원자(52.947 pm)에 대한 보어 반지름이고, e는 전자의 전하의 크기이고, ε0는 진공 유전율이며, 분수의 양자수들은:
; (여기에서 p 
137은 정수)
(12)
여기된 상태의 수소에 대해 리드베르크 방정식에서 주지된 매개변수(n 정수)를 대체하고, 소위 "하이드리노(hydrino)"로 불리는 저에너지 상태 수소 원자를 나타낸다. n = 1 수소 상태와 n = 1/정수 수소 상태는 비-방사이지만, 두 비-방사 상태 사이의 전이, 즉 n = 1 내지 n = 1/2는 비-방사 에너지 전달을 통해서 가능하다. 수소는 식(10) 및 (12)에 의해서 주어진 안정한 상태의 특별한 경우이고, 여기에서 수소 또는 하이드리노 원자의 대응하는 반경은
.
(10)
(11)
,
(13)
,
(13)
에 의해서 주어지고, 여기에서 p = 1, 2, 3, ...이다. 에너지를 보존하기 위해서, 정상 n = 1 상태에서 수소 원자의 위치 에너지의 정수 단위로 수소 원자에서 촉매로 에너지가 전달되어야 하고, 반경은로 전이한다. 하이드리노는 통상의 수소 원자를
(여기서, m은 정수)
(14)
의 순 반응 엔탈피를 갖는 적합한 촉매와 반응시킴으로써 형성된다. 순 반응 엔탈피가 에 더 근접하게 일치함에 따라 촉매 작용 속도가 증가한다고 여겨진다. 의 ± 10%, 바람직하게 ± 5%의 순 반응 엔탈피를 갖는 촉매가 대부분의 용례에 적합하다는 것이 밝혀졌다.
촉매 반응은 2 단계의 에너지 방출을 포함한다. 즉, 반경이 대응하는 안정한 최종 상태로 감소함에 따라 촉매에 비-방사 에너지 전달에 이어서 추가 에너지 방출된다. 그러므로, 일반적인 반응은,
(16)
(17)
에 의해서 주어지고, 전체 반응은,
(18)
이고, q, r, m 및 p는 정수이다. 는 수소 원자(분모에서 1에 대응함)의 반경 및 양성자의 중심 필드의 (m + p)배와 동등한 중심 필드를 가지며, 은 H의 반경의 반경을 갖는 대응하는 안정한 상태이다.
촉매 생성물, 는 하이드리노 수소화 이온 H - (1/P)를 형성하도록 전자와 또한 반응할 수 있거나, 2개의 H(1/p)가 대응하는 분자 하이드리노를 형성하도록 반응할 수 있다. 특히, 촉매 생성물, H(1/P)는 결합 에너지 EB:
(19)
를 갖는 신규한 수소화 이온 H - (1/P)를 형성하도록 전자와 또한 반응할 수 있으며, 여기서 p = 정수＞1, s = 1/2, 
는 플랑크 상수 바이고, 는 진공의 투자율, m e 는 전자의 질량, 는 (여기서, m p 는 양성자의 질량)에 의해 주어진 감소된 전자 질량이고, 는 보어 반경이며, 이온 반경은
. 식(19)로부터, 수소화 이온의 계산된 이온화 에너지는 0.75418 eV이고, 실험적인 값은 6082.99±0.15 cm-1 (0.75418 eV)이다. 하이드리노 수소화 이온들의 결합에너지는 X-선 광전자 분광법(XPS)에 의해서 측정될 것이다.
업필드 이동(Upfield-shifted) NMR 피크들은 보통의 수소화 이온에 비해 감소된 반경을 가지며 양성자의 반자성 차폐에서의 증가를 나타내는 저에너지 상태 수소의 존재의 직접적인 증거이다. 그 이동은 크기 p의 광자 필드와 2개 전극의 반자성의 기여들의 합에 의해서 다음과 같이 주어진다(Mills GUTCP Eq. (7.87)):
(20)
여기서, 첫 번째 항목은 H -에 대해 p = 1 및 H - (1/p)에 대해 p = 정수＞1로 적용하고, α는 미세 구조 상수이다. 예측된 하이드리노 수소화 피크는 보통의 수소화 이온에 비해서 이례적으로 업필드 이동을 나타낸다. 실시예에 있어서, 피크는 TMS의 업필드에 있다. TMS에 대한 NMR 이동은 단독 또는 화합물을 포함하는 보통의 H-, H, H2 또는 H+ 중 적어도 하나에 대해 알려진 것보다 클 수 있다. 그 이동은 0, -1, -2, -3, -4, -5, -6, -7, -8, -9, -10, -11, -12, -13, -14, -15, -16, -17, -18, -19, -20, -21, -22, -23, -24, -25, -26, -27, -28, -29, -30, -31, -32, -33, -34, -35, -36, -37, -38, -39, 및 -40 ppm 중 적어도 하나보다 더 클 수 있다. 기본 양성자에 비해 절대적인 이동의 범위는 여기서 TMS의 이동이 기본 양성자에 비해 약 -31.5이고, ±5 ppm, ±10 ppm, ±20 ppm, ±30 ppm, ±40 ppm, ±50 ppm, ±60 ppm, ±70 ppm, ±80 ppm, ±90 ppm, 및 ±100 ppm 중 적어도 하나의 범위 내에서 -(p29.9 + p22.74) ppm (식 (20))일 수 있다. 기본 양성자 대비 절대적 이동의 범위는 약 0.1% 내지 99%, 1% 내지 50%, 및 1% 내지 10% 중 대략 적어도 하나의 범위 내에서 -(p29.9 + p21.59Х10-3) ppm(식 (20))일 수 있다. 다른 실시예에서, NaOH나 KOH와 같은 수산화물의 매트릭스와 같은 고체 매트릭스에 있는 하이드리노 원자, 수소화 이온, 또는 분자와 같은 하이드리노 종들의 존재는 매트릭스 양성자가 업필드 이동하는 결과를 초래하게 된다. NaOH나 KOH의 것과 같은 매트릭스 양성자들은 교환될 것이다. 실시예에서, 그 이동은 매트릭스 피크가 TMS 대비 약 -0.1 ppm 내지 -5 ppm의 범위에 있게 할 수 있다. NMR 결정은 매직 각도 방사 1 H 핵 자기 공명 분광법(MAS 1H NMR)을 포함할 수 있다.
은 양성자와 반응할 수 있으며, 2개의 H(1/p)은 각각 H2(1/p)+및 H2(1/p)를 형성하도록 반응할 수 있다. 수소 분자 이온 및 분자 전하 및 전류 밀도 함수, 결합거리, 및 에너지는 비방사선의 제약조건하에서 타원형 좌표에서 라플라시안(Laplacian)으로부터 해결되었다.
(21)
장축 타원체 분자궤도 함수의 각 포커스에서 +pe의 중심 필드를 갖는 수소 분자 이온의 전체 에너지 ET는,
(22)
이고, 여기서 p는 정수, c는 진공에서 광의 속도, 및 μ는 감소된 핵질량이다. 장축 타원체 분자궤도 함수의 각각의 포커스에서 +pe의 중심 필드를 갖는 수소분자의 전체 에너지는,
(23)
이다.
(24)
여기서,
(25)
는 식 (23-25) 따라 주어진다:
(26)
은 X-선 광전자 분광법(XPS)에 의해서 확인될 수 있으며, 이때 이온화된 전자에 추가하여 이온화 생성물은 2개의 양성자 및 전자, 수소(H) 원자, 하이드리노 원자, 분자 이온, 수소분자 이온 및 H 2 (1/p) + 을 포함하는 것과 같이 가능한 것들 중 적어도 하나일 수 있으며, 에너지는 매트릭스에 의해서 이동될 수 있다.
촉매반응-생성물 가스의 NMR은 H 2 (1/p)의 이론적으로 예측된 화학적 이동의 확정적인 테스트를 제공한다. 일반적으로, H 2 (1/p)의 1 H NMR 공명은 타원좌표에서 분수 반경으로 인해 H 2 의 것으로부터 업필드 이동될 것으로 예측된다. H2(1/p)에 대해 예측된 이동, 은 2개 전자의 반자성 및 크기 p의 양성자 필드의 기여의 합에 의해서 주어진다(Mills GUTCP 방정식들(11.415-11.416)):
(27)
(28)
여기에서, 첫 번째 항목은 H 2 에 대해 p = 1 및 H 2 (1/p)에 대해 p = 정수＞1로 적용한다. -28.0 ppm의 실험적인 절대 H2 가스상 공명 이동은 -28.01 ppm의 예측된 절대 가스상 이동(식 (28))과 우수하게 부합한다. 예측된 분자 하이드리노 피크는 보통의 H2에 비해서 이례적으로 업필드 이동을 나타낸다. 실시예에 있어서, 피크는 TMS의 업필드에 있다. TMS에 대한 NMR 이동은 단독 또는 화합물을 포함하는 보통의 H-, H, H2 또는 H+ 중 적어도 하나에 대해 알려진 것보다 더 클 수 있다. 그 이동은 0, -1, -2, -3, -4, -5, -6, -7, -8, -9, -10, -11, -12, -13, -14, -15, -16, -17, -18, -19, -20, -21, -22, -23, -24, -25, -26, -27, -28, -29, -30, -31, -32, -33, -34, -35, -36, -37, -38, -39, 및 -40 ppm 중 적어도 하나보다 더 클 수 있다. 기본 양성자에 비해 절대적인 이동의 범위는, 여기서 TMS의 이동이 기본 양성자에 비해 약 -31.5이고, ±5 ppm, ±10 ppm, ±20 ppm, ±30 ppm, ±40 ppm, ±50 ppm, ±60 ppm, ±70 ppm, ±80 ppm, ±90 ppm, 및 ±100 ppm 중 적어도 하나의 범위 내에서 -(p28.01 + p22.56)ppm (식 (28))일 수 있다. 기본 양성자 대비 절대적 이동의 범위는 약 0.1% 내지 99%, 1% 내지 50%, 및 1% 내지 10% 중 대략 적어도 하나의 범위 내에서 -(p28.01 + p21.49Х10-3)ppm (식 (28))일 수 있다.
수소타입 분자 H 2 (1/p)의 = 0 내지 = 1 전이에 대한 진동 에너지, 는,
(29)
여기서, p는 정수이다.
수소타입 분자 H 2 (1/p)의 J 내지 J+1에 대한 회전에너지, 는,
(30)
이며, 여기서, p는 정수이고 I는 관성 모멘트이다. H 2 (1/4)의 회전-진동 방출은 가스에 존재하고 고체 매트릭스에 포획된 e-빔 여기 분자에서 관찰되었다.
회전에너지의 p 2 의존도는 핵간 거리와 관성모멘트 I에 대한 대응 충격에 의존하여 p에 반비례하여 얻어진다. H 2 (1/p)에 대해 예측된 핵간 거리 2c'는:
(31)
H2(1/p)의 회전에너지와 진동에너지 중 적어도 하나는 전자-빔 여기 방출 분광법, 라만 분광법, 및 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법 중 적어도 하나에 의해서 측정될 수 있다. H2(1/p)는 MOH, MX 및 M2CO3(M = 알칼리; X =할로겐화물) 매트릭스 중 적어도 하나에서와 같이 측정을 위해 매트릭스에 포획될 것이다.
실시예에서, 분자 하이드리노 생성물은 약 1950 cm-1에서 역 라만 효과(IRE) 피크로서 관찰된다. 이 피크는 IRE 피크를 나타내기 위해 표면 강화 라만 산란(SERS)을 지원하는 라만 레이저 파장에 필적하는 거칠기 피처 또는 입자 크기를 포함하는 전도성 재료를 사용함으로써 향상된다.
I. 촉매
본 개시에서, 하이드리노 반응, H 촉매작용, H 촉매 반응, 수소를 지칭할 때의 촉매 작용, 하이드리노를 형성하기 위한 수소의 반응 및 하이드리노 형성 반응과 같은 용어는 모두 식(10) 및 (12)에 의해 주어지는 에너지 준위를 갖는 수소의 상태를 형성하기 위해 원자 H와 식(14)에 의해 형성되는 촉매의 식(15 내지 18)과 같은 반응을 지칭한다. 하이드리노 반응물, 하이드리노 반응 혼합물, 촉매 혼합물, 하이드리노 형성을 위한 반응물, 저-에너지 상태 수소 또는 하이드리노를 생성 또는 형성하는 반응물과 같은 대응하는 용어는 또한 식(10) 및 (12)에 의해 주어지는 에너지 준위를 갖는 H 대 H 상태 또는 하이드리노 상태의 촉매 작용을 수행하는 반응 혼합물을 지칭할 때 서로 교환적으로 사용된다.
본 개시의 촉매 저에너지 수소 전이는 비촉매 원자 수소의 위치 에너지, , 의 정수 m의 흡열 화학 반응의 형태일 수 있는 촉매를 요구하며, 이는 전이를 유발하기 위해 원자 H로부터의 에너지를 수용한다. 흡열 촉매 반응은 원자 또는 이온과 같은 종으로부터의 적어도 하나의 전자의 이온화(예를 들어, Li Li 2+ 에 대해 m = 3)일 수 있고, 초기 결합의 파트너의 하나 이상으로부터 적어도 하나의 전자의 이온화(예를 들어, NaH 
Na2+ +H에 대해 m = 2)에 대한 결합 절단의 동시 반응을 더 포함할 수 있다. 는 촉매 기준, 즉 2·27.2 eV인54.417 eV에서 이온화하기 때문에, 27.2 eV의 정수 배와 같은 엔탈피 변화를 갖는 화학적 또는 물리적 프로세스를 만족한다. 정수의 수소 원자는 또한 27.2 eV 엔탈피의 정수배의 촉매로서의 작용할 수 있다. 촉매는 약 27.2 eV ± 0.5 eV 및 27.2/2 eV ± 0.5 eV 중 하나의 정수 단위로 원자 수소로부터 에너지를 수용할 수 있다.
실시예에서, 촉매는 원자 또는 이온 M을 포함하며, 원자 또는 이온 M 각각으로부터 연속적인 에너지 준위로 t 전자의 이온화는 t 전자의 이온화 에너지의 합이m · 27.2 eV 및 중 대략 하나가 되게 하고, 여기서 m은 정수이다.
실시예에서, 촉매는 이원자 분자 MH를 포함하며, M-H 결합의 분해에 원자 M 각각으로부터 연속적인 에너지 준위로 t 전자의 이온화를 더한 값은 t 전자의 결합 에너지와 이온화 에너지의 합이 m ·27.2 eV 및 중 대략 하나가 되게 하고, 여기서 m은 정수이다.
실시예에서, 촉매는 AlH, AsH, BaH, BiH, CdH, ClH, CoH, GeH, InH, NaH, NbH, OH, RhH, RuH, SH, SbH, SeH, SiH, SnH, SrH, TlH, C 2 , N 2 , O 2 , CO 2 , NO 2 , 및 NO 3 의 분자로부터, 그리고Li, Be, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Kr, Rb, Sr, Nb, Mo, Pd, Sn, Te, Cs, Ce, Pr, Sm, Gd, Dy, Pb, Pt, Kr, 2K + , He + , Ti 2+ , Na + , Rb + , Sr + , Fe 3+ , Mo 2+ , Mo 4+ , In 3+ , He + , Ar + , Xe + , Ar 2+ , 및 H + , 그리고 Ne + 및 H + 의 원자 또는 이온으로부터 선택되는 원자, 이온, 및/또는 분자를 포함한다.
다른 실시예에서, 전자를 수용체 A에 전달함으로써 제공되는 하이드리노를 생성하는 MH-형 수소 촉매, M-H 결합의 분해에 원자 M으로부터 각각의 연속 에너지 준위로의 t 전자의 이온화를 더한 값은 MH와 A의 전자 친화도(EA), M-H 결합 에너지 및 M으로부터의 t 전자의 이온화 에너지의 차이를 포함하는 전자 전달 에너지의 합이 대략 m·27.2 eV가 되게 하며, 여기서 m은 정수이다. 대략 m·27.2 eV의 순 반응 엔탈피를 제공할 수 있는 MH-형 수소 촉매는 OH-, SiH-, CoH-, NiH- 및 SeH-이다.
다른 실시예에서, 하이드리노를 생성하기 위한 MH+형 수소 촉매는 음으로 대전될 수 있는 도너 A로부터 전자의 전달, M-H 결합의 분해 및 원자 M으로부터 각각의 전자의 연속 에너지 준위로의 이온화에 의해 제공되어, MH와 A의 이온화 에너지의 차이, 결합 M-H 에너지, 및 M으로부터의 t 전자의 이온화 에너지의 차이를 포함하는 전자 전달 에너지의 합이 대략 m·27.2 eV가 되며, 여기서 m은 정수이다.
실시예에서, 분자 또는 양이나 음으로 대전된 분자 이온 중 적어도 하나는 분자 또는 양이나 음으로 대전된 분자 이온의 위치 에너지의 크기의 감소와 함께 원자 H로부터 약 m·27.2 eV를 수용하는 촉매로서의 역할을 한다. 예시적인 촉매는 H2O, OH, 아미드 그룹 NH2 및 H2S이다.
O2는 촉매 또는 촉매의 소스로서의 역할을 할 수 있다. 산소 분자의 결합 에너지는 5.165 eV이고, 산소 원자의 제1, 제2 및 제3 이온화 에너지는 각각, 13.61806 eV, 35.11730 eV, 및 54.9355 eV이다. 반응들인 및 는 각각 약 2, 4, 및 1 배의 순 엔탈피 를 제공하며, 하이드리노의 형성을 위해 H로부터 이들 에너지를 수용하여 하이드리노를 형성하는 촉매 반응을 포함한다.
II. 하이드리노
(여기서, p는 1보다 큰 정수, 바람직하게 2 내지 137)에 의해 주어지는 결합 에너지를 갖는 수소 원자는 본 개시의 H 촉매 반응의 생성물이다. 이온화 에너지로도 알려진, 원자, 이온 또는 분자의 결합 에너지는 원자, 이온 또는 분자에서 하나의 전자를 제거하는데 요구되는 에너지이다. 식(10) 및 식 (12)에서 주어진 결합 에너지를 갖는 수소 원자는 이후, "하이드리노 원자(hydrino atom)" 또는 "하이드리노(hydrino)"로서 지칭된다. 반경 (여기서, 는 일반 수소 원자의 반경이고 p는 정수)의 하이드리노에 대한 지정은 이다. 반경 을 갖는 수소 원자는 이후, "일반 수소 원자" 또는 "정상 수소 원자"로서 지칭된다. 일반 원자 수소는 결합 에너지가 13.6 eV인 것을 특징으로 한다.
본 개시에 따르면, 식(19)에 따른 결합 에너지를 갖는 하이드리노 수소화 이온 (H-)는 p = 2 내지 23에 대한 일반 수소화 이온의 결합 에너지(약 0.75 eV)보다 크며 p = 24(H-)에 대해서는 그보다 작다. 식(19)의 p = 2 내지 p = 24에 대하여, 수소화 이온 결합 에너지는 각각 3, 6.6, 11.2, 16.7, 22.8, 29.3, 36.1, 42.8, 49.4, 55.5, 61.0, 65.6, 69.2, 71.6, 72.4, 71.6, 68.8, 64.0, 56.8, 47.1, 34.7, 19.3 및 0.69 eV이다. 신규한 수소화 이온을 포함하는 예시적인 조성물이 또한 여기에 제공된다.
적어도 하나의 하이드리노 수소화 이온 및 적어도 하나의 다른 원소를 포함하는 예시적인 화합물이 또한 제공된다. 그러한 화합물을 "하이드리노 수소화 화합물"로서 지칭한다.
보통 수소 종은 다음 결합 에너지 (a) 수소화 이온, 0.754 eV("일반 수소화 이온"); (b) 수소 원자("일반 수소 원자"), 13.6 eV; (c) 이원자 수소 분자, 15.3 eV ("일반 수소 분자"); (d) 수소 분자 이온, 16.3 eV("일반 수소 분자 이온"); 및 (e) , 22.6 eV ("일반 삼중수소 분자 이온")를 특징으로 한다. 여기서, 수소의 형태와 관련하여, "정상" 및 "일반"은 동의어이다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, (a) 약 0.9 내지 1.1 배 (여기서, p는 2 내지 137인 정수)의 범위 내에서와 같은 약 의 결합 에너지를 갖는 수소 원자; (b) 약 0.9 내지 1.1 배, (여기서, p는 2 내지 24인 정수)의 범위 내에서와 같은 약의 결합 에너지를 갖는 수소화 이온(H-); (c) ; (d) 약 0.9 내지 1.1 배 (여기서, p는 2 내지 137인 정수)의 범위 내에서와 같은 약 의 결합 에너지를 갖는 삼중하이드리노 분자 이온, ; (e) 약 0.9 내지 1.1배 (여기서, p는 2 내지 137인 정수)의 범위 내에서와 같은 약 의 결합 에너지를 갖는 이중하이드리노; (f) 약 0.9 배 내지 1.1 배 (여기서, p는 정수, 바람직하게 2 내지 137의 정수)의 범위 내에서와 같은 약 의 결합 에너지를 갖는 이중하이드리노 분자 이온과 같은 적어도 하나의 증가된 결합 에너지 수소 종을 포함하는 화합물이 제공된다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, (a) 약 0.9 내지 1.1 배
(여기서, p는 정수, h는 플랑크 상수 바, me는 전자의 질량, c는 진공에서 광 속도, μ은 감소된 핵 질량)의 범위 내에서와 같은 약
의 전체 에너지를 갖는 이중하이드리노 분자 이온; 및 (b) 약 0.9 내지 1.1 배
(여기서, p는 정수이고, a 0 는 보어 반경)의 범위 내에서와 같은 약
의 전체 에너지를 갖는 이중하이드리노 분자와 같은 적어도 하나의 증가된 결합 에너지 수소 종을 포함하는 화합물이 제공된다.
화합물이 음으로 대전된 증가된 결합 에너지 수소 종을 포함하는 본 개시의 일 실시예에 따라서, 화합물은 적어도 하나의 양이온, 예컨대 양성자, 일반 또는 일반 를 더 포함한다.
적어도 하나의 하이드리노 수소화 이온을 포함하는 화합물을 제조하는 방법이 여기서 제공된다. 그러한 화합물은 이후, "하이드리노 수소화 화합물"로서 지칭된다. 본 개시의 방법은 원자 수소를 약 (여기서, m은 1보다 큰 정수, 바람직하게 400 미만의 정수)의 순 반응 엔탈피를 갖는 촉매와 반응시켜, 약 (여기서, p는 정수이고, 바람직하게는 2 내지 137의 정수)의 결합 에너지를 갖는 증가된 결합 에너지 수소 원자를 제조하는 단계를 포함한다. 촉매의 추가 생성물은 에너지이다. 증가된 결합 에너지 수소 원자는 증가된 결합 에너지 수소화 이온을 생성하기 위해 전자 소스과 반응할 수 있다. 증가된 결합 에너지 수소화 이온은 적어도 하나의 양이온과 반응하여 적어도 하나의 증가된 결합 에너지 수소화 이온을 포함하는 화합물을 생성할 수 있다.
실시예에서, 매우 높은 전력 및 에너지 중 적어도 하나는 원용에 의해 포함되는 Mills GUT Chp. 5에서 주어지는 것과 같은 불균화반응으로서 본 개시에서 지칭되는 프로세스에서 식 (18)의 높은 p 값을 갖는 하이드리노로의 전이를 겪는 수소에 의해 달성될 수 있다. 수소 원자[H(1/p)(p = 1, 2, 3, ..., 137)]는 식 (10) 및 (12)에 의해 주어진 저-에너지 상태로의 추가 전이를 겪을 수 있으며, 하나의 원자의 전이는 그의 위치 에너지에서 수반되는 대향 전하에 의해 m·27.2 eV를 공진적으로 그리고 비방사적으로 2차적으로 수용하는 것에 의해 촉매화된다. 식 (32)에 의해 주어지는 H(1/p')로의 m·27.2 eV의 공진 전달에 의해 유도된 H(1/p) 대 H(1/(p + m))의 전이에 대한 일반적인 전체 식은 다음과 같이 주어진다:
(32)
하이드리노 프로세스로부터의 EUV 광은 디하이드리노 분자를 해리시킬 수 있고, 결과적인 하이드리노 원자는 더 낮은 에너지 상태로 전이하는 촉매로서 작용할 수 있다. 예시적인 반응은 H(1/4)에 의한 촉매 H 대 H(1/17)를 포함하며, 여기서 H(1/4)는 HOH에 의한 다른 H의 촉매 반응의 반응 생성물일 수 있다.
하이드리노의 불균형 반응은 X-선 영역의 특징을 발생시키는 것으로 예측된다. 식 (5 내지 8)로 나타낸 바와 같이, HOH 촉매의 반응 생성물은 이다. 제1 수소형 원자 가 H 원자이고 촉매로서 작용하는 제2 수용체 수소형 원자 가 인 H2O 가스를 함유하는 수소 구름에서의 가능성 있는 전이 반응을 고려한다. 의 위치 에너지가 이므로, 전이 반응은 다음과 같이 표시된다:
(33)
(34)
(35)
그리고, 전체 반응은 다음과 같다:
(36)
중간체(예를 들어, 식(16) 및 식 (34))에 기인한 극-자외선 연속체 방사 대역은 다음과 같이 주어지는 단파장 컷오프 및 에너지 를 갖고 대응 컷오프보다 장파장으로 확장될 것으로 예측된다:
(37)
여기서, 중간체의 붕괴로 인한 극-자외선 연속 방사
대역은 에서 단파장 컷오프를 가지며 장파장으로 확장될 것으로 예측된다. 3.48 keV의 컷오프를 가진 넓은 X-선 피크는 공지된 임의의 원자 전이와 일치하지 않는 NASA의 찬드라 엑스선 관측선(Chandra X-ray Observatory)에 의한 페르세우스 성단(Perseus Cluster), 및 XMM-Newton[E. Bulbul, M. Markevitch, A. Foster, R. K. Smith, M. Loewenstein, S. W. Randall, "Detection of an unidentified emission line in the stacked X-Ray spectrum of galaxy clusters," The Astrophysical Journal, Volume 789, Number 1, (2014); A. Boyarsky, O. Ruchayskiy, D. Iakubovskyi, J. Franse, "An unidentified line in X-ray spectra of the Andromeda galaxy and Perseus galaxy cluster," (2014), arXiv: 1402.4119 [astro-ph.CO]]에 의해 최근에 관찰되었다. BulBul 등에 의해 알려지지 않은 정체에 대한 암흑 물질에 할당된 3.48 keV 특징은 전이와 일치하고 암흑 물질의 정체로서 하이드리노를 추가로 확인한다.
물질의 신규 수소 조성물은 다음을 포함할 수 있다:
(a) 결합 에너지를 갖는 적어도 하나의 중성, 양성 또는 음성 수소 종(이하 "결합 에너지가 증가된 수소 종")
(i) 대응하는 일반 수소 종의 결합 에너지보다 더 크거나,
(ii) 일반 수소 종의 결합 에너지가 대기 조건(표준 온도 및 압력, STP)에서의 열 에너지보다 더 적거나 음수이기 때문에, 대응하는 일반 수소 종이 불안정하거나 관찰되지 않는 임의의 수소 종의 결합 에너지보다 더 큰 결합 에너지를 갖는 적어도 하나의 중성, 양성 또는 음성 수소 종(이후, "증가된 결합 에너지 수소 종"); 및
(b) 적어도 하나의 다른 원소. 전형적으로 본원에 기재된 수소 생성물은 증가된 결합 에너지 수소 종이다.
이와 관련하여 "다른 원소"는 증가된 결합 에너지 수소 종 이외의 원소를 의미한다. 따라서, 다른 원소는 일반 수소 종 또는 수소 이외의 임의의 원소일 수 있다. 일 그룹의 화합물에서, 다른 원소와 증가된 결합 에너지 수소 종은 중성이다. 다른 그룹의 화합물에서, 다른 원소 및 증가된 결합 에너지 수소 종은 다른 원소가 균형 잡힌 전하를 제공하여 중성 화합물을 형성하도록 대전된다. 전자 그룹의 화합물은 분자 및 배위 결합을 특징으로 한다. 후자 그룹은 이온 결합을 특징으로 한다.
또한, 다음을 포함하는 신규한 화합물 및 분자 이온이 제공된다:
(a) 전체 에너지를 갖는 적어도 하나의 중성, 양성 또는 음성 수소 종(이하 "증가된 결합 에너지 수소 종")
(i) 대응하는 일반 수소 종의 전체 에너지보다 더 크거나,
(ii) 일반 수소 종의 전체 에너지가 대기 조건에서의 열 에너지보다 더 적거나 음수이기 때문에, 대응하는 일반 수소 종이 불안정하거나 관찰되지 않는 임의의 수소 종의 전체 에너지보다 더 큰 전체 에너지를 갖는 적어도 하나의 중성, 양성 또는 음성 수소 종(이후, "증가된 결합 에너지 수소 종"); 및
(b) 적어도 하나의 다른 원소.
수소 종의 전체 에너지는 수소 종에서 모든 전자를 제거하기 위한 에너지의 합이다. 본 개시에 따른 제2 플라즈마의 생성 동안 생산된 수소 종은 본원에 설명된 바와 같이 초기 물과 반응을 겪지 않은 대응하는 수소 종의 전체 에너지보다 더 큰 전체 에너지를 가진다. 본 개시에 따라 증가된 전체 에너지를 갖는 수소 종은 증가된 전체 에너지를 갖는 수소 종의 몇몇 실시예가 대응하는 일반 수소 종의 제1 전자 결합 에너지보다 더 작은 제1 전자 결합 에너지를 갖더라도 "증가된 결합 에너지 수소 종"으로서 또한 지칭된다. 예를 들어, p = 24에 대한 식 (19)의 수소화 이온은 일반 수소화 이온의 제1 결합 에너지보다 더 작은 제1 결합 에너지를 가지는 반면에, p = 24에 대한 식 (19)의 수소화 이온의 전체 에너지는 대응하는 일반 수소화 이온의 전체 에너지보다 훨씬 더 크다.
또한, 다음을 포함하는 신규 화합물 및 분자 이온이 여기에 제공된다:
(a) 결합 에너지를 갖는 다수의 중성, 양성 또는 음성 수소 종
(i) 대응하는 일반 수소 종의 결합 에너지보다 더 크거나,
(ii) 일반 수소 종의 결합 에너지가 대기 조건에서의 열 에너지보다 더 적거나 음수이기 때문에, 대응하는 일반 수소 종이 불안정하거나 관찰되지 않는 임의의 수소 종의 결합 에너지보다 더 큰 결합 에너지를 갖는 복수의 중성, 양성 또는 음성 수소 종; 및
(b) 선택적으로 하나의 다른 원소. 본 개시의 화합물은 이후 "증가된 결합 에너지 수소 화합물"로서 지칭될 수 있다. 본원에서 기재된 바와 같은 다양한 분광 시그니처는 이들 종을 식별할 수 있다. 증가된 결합 에너지 수소 종은 적어도 하나의 하이드리노 원자를 적어도 하나의 전자, 하이드리노 원자, 상기 증가된 결합 에너지 수소 종 중 적어도 하나를 함유하는 화합물, 및 적어도 하나의 다른 원자, 분자, 또는 증가된 결합 에너지 수소 종 이외의 이온과 반응시킴으로써 형성될 수 있다.
또한, 다음을 포함하는 신규 화합물 및 분자 이온이 여기에 제공된다:
(a) 전체 에너지를 갖는 다수의 중성, 양성 또는 음성 수소 종
(i) 일반 분자 수소의 전체 에너지보다 더 크거나,
(ii) 일반 수소 종의 전체 에너지가 대기 조건에서의 열 에너지보다 더 적거나 음수이기 때문에, 대응하는 일반 수소 종이 불안정하거나 관찰되지 않는 임의의 수소 종의 전체 에너지보다 더 큰 전체 에너지를 갖는 복수의 중성, 양성 또는 음성 수소 종; 및
(b) 선택적으로 하나의 다른 원소.
실시예에서, (a) p = 2 내지 23에 대해 일반 수소화 이온의 결합 에너지(약 0.8eV)보다 크고 p = 24에 대해 그 미만인 식 (19)에 따른 결합 에너지를 갖는 수 소화 이온("증가된 결합 에너지 수소화 이온" 또는 "하이드리노 수소화 이온"); (b) 일반 수소 원자의 결합 에너지(약 13.6 eV)보다 더 큰 결합 에너지를 갖는 수소 원자("증가된 결합 에너지 수소 원자" 또는 "하이드리노"); (c) 약 15.3 eV보다 더 큰 제1 결합 에너지를 갖는 수소 분자("증가된 결합 에너지 수소 분자" 또는 "디하이드리노"); 및 (d) 약 16.3 eV보다 더 큰 결합 에너지를 갖는 분자 수소 이온("증가된 결합 에너지 분자 수소 이온" 또는 "디하이드리노 분자 이온")로부터 선택된 적어도 하나의 증가된 결합 에너지 수소 종을 포함하는 화합물이 제공된다. 본 개시에서, 증가된 결합 에너지 수소 종 및 화합물은 또한 저-에너지 수소 종 및 화합물로서 또한 지칭된다. 하이드리노는 증가된 결합 에너지 수소 종 또는 동등하게 저-에너지 수소 종을 포함한다.
III. 화학 반응기
본 개시는 또한 본 개시의 증가된 결합 에너지 수소 종 및 화합물, 예컨대 디하이드리노 분자 및 하이드리노 수소화 화합물을 생성하기 위한 다른 반응기에 관한 것이다. 촉매작용의 추가 생성물은 전력 및 선택적으로 셀 유형에 따른 플라즈마 및 광이다. 그러한 반응기는 이후, "수소 반응기" 또는 "수소 셀"로서 지칭된다. 수소 반응기는 하이드리노를 제조하기 위한 셀을 포함한다. 하이드리노를 제조하기 위한 셀은 가스 방전 셀, 플라즈마 토치 셀 또는 마이크로파 전력 셀, 및 전기화학 셀과 같은 화학 반응기 또는 가스 연료 전지의 형태를 취할 수 있다. 실시예에서, 촉매는 HOH이고, HOH 및 H 중 적어도 하나의 소스는 얼음이다. 얼음은 표면적이 높아서 얼음으로부터의 HOH 촉매와 H 형성 속도 그리고 하이드리노 반응 속도 중 적어도 하나를 증가시킬 수 있다. 얼음은 그 표면적을 증가시키기 위해 작은 조각의 형태일 수 있다. 실시예에서, 셀은 아크 방전 셀을 포함하고, 적어도 하나의 전극에 얼음을 포함하여 방전이 얼음의 적어도 일부를 포함한다.
실시예에서, 아크 방전 셀은 용기, 2개의 전극, 약 100 V 내지 1 MV 범위의 전압 및 약 1 A 내지 100 kA 범위의 전류와 같은 고전압 전원, 및 저장소와 같은 물 소스 및 H2O 물방울을 형성하고 공급하기 위한 수단을 포함한다. 물방울은 전극들 사이로 이동할 수 있다. 실시예에서, 물방울은 아크 플라즈마의 점화를 개시한다. 실시예에서, 물 아크 플라즈마는 반응하여 하이드리노를 형성할 수 있는 H 및 HOH를 포함한다. 점화율 및 대응하는 전력율은 물방울의 크기 및 물방울이 전극에 공급되는 속도를 제어함으로써 제어될 수 있다. 고전압 소스는 고전압 전원에 의해 충전될 수 있는 적어도 하나의 고전압 캐패시터를 포함할 수 있다. 실시예에서, 아크 방전 셀은 광 및 열과 같은 하이드리노 프로세스로부터의 전기로 전력을 변환하기 위한 PV 변환기 및 열 엔진 중 적어도 하나와 같은 본 개시의 것과 같은 전력 변환기와 같은 수단을 더 포함한다.
하이드리노 제조용 셀의 예시적인 실시예는 액체 연료 전지, 고체 연료 전지, 이종 연료 전지, CIHT 셀 및 SF-CIHT 또는 SunCell® 셀의 형태를 취할 수 있다. 이들 각각의 셀은 (i) 원자 수소의 소스를 포함하는 반응물들; (ii) 하이드리노 제조용 고체 촉매, 용융 촉매, 액체 촉매, 기체 촉매 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 적어도 하나의 촉매; 및 (iii) 하이드리노 제조용 수소 및 촉매를 반응시키기 위한 용기를 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이 그리고 본 개시에서 고려되는 바와 같이, 용어 "수소"는 달리 특정되지 않는 한, 프로테옴(proteum) ( 1 H)뿐만 아니라 중수소( 2 H) 및 삼중수소( 3 H)를 포함한다. 예시적인 화학 반응 혼합물 및 반응기는 본 개시의 SF-CIHT, CIHT 또는 열적 셀 실시예를 포함할 수 있다. 추가의 예시적인 실시예가 이러한 화학 반응기 섹션에 주어진다. 혼합물의 반응 동안 형성된 촉매로서 H2O를 갖는 반응 혼합물의 예가 본 개시에 주어진다. 다른 촉매는 증가된 결합 에너지 수소 종 및 화합물을 형성하는 역할을 할 수 있다. 반응 및 조건은 반응물, 반응물 중량%, H2 압력 및 반응 온도와 같은 매개변수에서 이들 예시적인 경우로부터 조정될 수 있다. 적합한 반응물, 조건 및 매개변수 범위는 본 개시의 반응물, 조건 및 매개변수 범위이다. 하이드리노 및 분자 하이드리노는 13.6 eV의 정수배의 예측된 연속체 방사 대역, 또는 H 라인의 도플러 라인 확장, H 라인의 역전, 분해된 필드 없이 플라즈마의 형성, 및 Mills Prior Publications에 보고된 바와 같은 비정상적인 잔여 플라즈마 지속시간에 의해 측정된 달리 설명될 수 없는 이례적인 높은 H 운동 에너지에 의해 본 개시의 반응기의 생성물임을 보여준다. CIHT 셀 및 고체 연료에 관한 것과 같은 데이터는 다른 연구자에 의해 현장 밖에서 독립적으로 검증되었다. 본 개시의 셀에 의한 하이드리노의 형성은 장기 지속 기간 동안 연속적으로 출력되는 전기 에너지에 의해 확인되는데, 이는 대부분의 경우에 대체 소스를 갖지 않는 10 배만큼 입력을 초과하는 전기 입력의 배수였다. 예측된 분자 하이드리노 H2(1/4)는 약 -4.4 ppm의 예측된 업필드 이동 매트릭스 피크를 보여주는 MAS HNMR에 의한 CIHT 셀과 고체 연료의 생성물, m/e = M + n2 피크(여기서, M은 모 이온의 질량, n은 정수)로서 게터 매트릭스에 착물화된 H2(1/4)을 보여주는 ToF-SIMS 및 ESI-ToFMS, H2의 16 또는 양자 수 p = 42 배의 에너지를 갖는 H2(1/4)의 예측된 회전 및 진동 스펙트럼을 보여주는 전자빔 여기 방출 분광법 및 광발광 방출 분광법, H2의 16 또는 양자 수 p = 42 배의 회전 에너지인 1950 cm-1의 H2의 회전 에너지를 보여주는 라만 및 FTIR 분광법, 500 eV의 H2(1/4)의 예측된 전체 결합 에너지를 보여주는 XPS, 및 제3체인 H로 전달되는 에너지를 갖는 H 대 H(1/4)에 대한 예측된 에너지 방출에 일치하는 약 204 eV의 운동 에너지를 갖는 H에 대응하는 m/e = 1 피크 전이의 도달 시간을 갖는 ToF-SIMS 피크로서 확인되었으며, 이들은 그 전체가 원용에 의해 본 개시에 포함되는 Mills Prior Publications 및 R. Mills X Yu, Y. Lu, G Chu, J. He, J. Lotoski, "Catalyst Induced Hydrino Transition (CIHT) Electrochemical Cell", International Journal of Energy Research, (2013), 및 R. Mills, J. Lotoski, J. Kong, G Chu, J. He, J. Trevey, "High-Power-Density Catalyst Induced Hydrino Transition (CIHT) Electrochemical Cell"(2014)에 보고되어 있다.
수류 열량계 및 세타람(Setaram) DSC 131 시차 주사 열량계(DSC)를 사용하여, 열 전력을 발생시키기 위한 고체 연료를 포함하는 것과 같은 본 개시의 셀에 의한 하이드리노의 형성은 이론적인 최대 에너지를 60배만큼 초과하는 하이드리노 형성 고체 연료로부터 열 에너지의 관찰에 의해 확인되었다. MAS H NMR은 약 -4.4 ppm의 예측된 H2(1/4) 업필드 메트릭스 이동을 보여준다. 1950 cm-1에서 시작되는 라만 피크는 H2(1/4)의 자유 공간 회전 에너지(0.2414 eV)와 일치했다. 이들 결과는 Mills Prior Publications 및 R. Mills, J. Lotoski, W. Good, J. He, "Solid Fuels that Form HOH Catalyst"(2014)에 보고되어 있으며, 이는 그 전체가 원용에 의해 본 개시에 포함된다.
IV. SunCell 및 전력 변환기
전기 에너지 및 열에너지의 적어도 하나를 생성하는 전력 시스템(여기서 "SunCell"로도 지칭됨)은 다음을 포함할 수 있다:
a) 반응 챔버를 포함하는 대기압 미만의 압력을 유지할 수 있는 적어도 하나의 용기;
b) 회로를 완성하기 위해 그들 사이에 용융 금속 흐름을 허용하도록 구성된 2개의 전극;
c) 상기 회로가 닫힐 때 두 전극 사이에 점화 전류를 인가하기 위해 상기 두 개의 전극에 연결된 전원;
d) 전달된 가스로부터 제1 플라즈마 형성을 유도하는 플라즈마 발생 셀(예를 들어, 글로우 방전 셀); 플라즈마 생성 셀의 유출물은 회로(예를 들어, 용융 금속, 애노드, 캐소드, 용융 금속 저장소에 잠긴 전극)를 향하고;
전류가 회로에 인가될 때, 플라즈마 생성 셀의 유출물은 제2 플라즈마 및 반응 생성물을 생성하는 반응을 겪는다; 그리고
e) 에너지를 제2 플라즈마로부터 기계적, 열적, 및/또는 전기적 에너지로 변환 및/또는 전달하도록 구성된 열광전지 변환기를 포함하는 전원 어댑터;
여기서 제2 플라즈마로부터의 광 에너지(예를 들어, 자외선, 가시광선 및 적외선 중 하나 이상)는 열광전지 변환기에서 변환된다. 대안적으로, 제2 플라즈마로부터의 에너지는 흑체 방사체에 흡수되어 흑체 방사선을 생성하고 상기 흑체 방사선은 열광전지 변환기에서 변환된다. 일부 실시예에서, 전원 어댑터는 복수의 열광전지 어댑터이다. 열광전지 어댑터는 측지선 돔 안에 광전지 변환기를 포함할 수 있으며, 여기서 광전지전 변환기는 삼각형 요소로 구성된 수신기 어레이(예를 들어, 조밀한 수신기 어레이)를 포함할 수 있고; 및
여기서 각각의 삼각형 요소는 흑체 방사선을 전기로 변환할 수 있는 복수의 집광기 광전지를 포함한다. 일부 실시예에서, 2개의 전극 중 양으로 바이어싱된 전극은 흑체 방사체이거나, 흑체 방사체를 포함하거나 이에 연결된다. 다양한 구현에서, 광전지 셀의 밴드갭보다 작은 에너지(예를 들어, 적외선)를 갖는 플라즈마로부터 생성된 광자는 플라즈마 생성 셀을 향해(예를 들어, 흑체 방사체를 향해) 다시 반사된다. 일부 실시예에서, 유출물은 초기 물 및 원자 수소를 포함(또는 구성)한다. 일부 실시예에서, 유출물은 초기 물 및 분자 수소를 포함(또는 구성)한다. 일부 실시예에서, 유출물은 초기 물, 원자 수소 및 분자 수소를 포함(또는 구성)한다. 일부 실시예에서, 유출물은 희가스(예를 들어, 아르곤)를 추가로 포함한다. 특정 실시예에서, 글로우 방전 셀로 보내지는 가스는 아르곤과 같은 희가스 내의 산소 가스(O2)와 수소(H2)의 혼합물이다. 산소 대 수소의 몰비는 예를 들어 10 미만(또는 0.1 내지 10), 5 미만, 또는 2 미만일 수 있다.
변환기는 Mills의 종래 공보 및 Mills의 종래 출원에 제공된 변환기일 수 있다. H 소스 및 HOH 소스와 같은 하이드리노 반응물 및 SunCell® 시스템은 본 개시 또는 종래의 미국 출원, 예컨대 2008년 4월 24일자로 국제 출원된 PCT/US08/61455호의 수소 촉매 반응기; 2009년 7월 29일자로 국제 출원된 PCT/US09/052072호의 이종 수소 촉매 반응기; 2010년 3월 18일자로 국제 출원된 PCT/US10/27828호의 이종 수소 촉매 전력 시스템; 2011년 3월 17일자로 국제 출원된 PCT/US11/28889호의 전기 화학 수소 촉매 전력 시스템; 2012년 3월30일자 국제 출원된 PCT/US12/31369호의 H2O-기반 전기 화학 수소-촉매 전력 시스템; 2013년 5월 21일자로 국제 출원된 PCT/US13/041938호의 CIHT 전력 시스템; 2014년 1월 10일자로 국제 출원된PCT/IB2014/058177호의 발전 시스템 및 그에 관한 방법; 2014년 4월 1일자로 국제 출원된 PCT/US14/32584호의 광전지 발전 시스템 및 그에 관한 방법; 2015년 5월 29일자로 국제 출원된 PCT/US2015/033165호의 전기 발전 시스템 및 그에 관한 방법; 2015년 12월 15일자로 국제 출원된 PCT/US2015/065826호의 자외선 발전 시스템 및 그에 관한 방법; 2016년 1월 8일자로 국제 출원된 PCT/US16/12620호의 열광전지 전기 발전기; 2017년 12월 7일자로 국제 출원된 PCT/US2017/035025 호의 열광전지 전기 발전기 네트워크; 2017년 1월 18일자로 국제 출원된 PCT/US2017/013972호의 열광전지 전기 발전기; 2018년 1월 5일자로 국제 출원된 PCT/US2018/012635호의 극 및 심 자외선 태양광 전지; 2018년 2월 12일자로 국제 출원된 PCT/US18/17765호의 자기 유체 역학 전기 발전기; 2018년 5월 29일자로 국제 출원된PCT/US2018/034842호의 자기 유체 역학 전기 발전기; 2018년 12월 5일자로 국제 출원된 PCT/IB2018/059646호의 자기 유체 역학 전기 발전기; 2020년 1월 16일자로 국제 출원된 PCT/IB2020/050360호의 자기 유체 역학 전기 발전기; 및 2021년 2월 8일자로 출원된 PCT/US21/17148호의 자기 유체역학 수소 전기 발전기 ("Mills의 종래 출원")를 포함할 수 있으며, 이는 그 전체가 본원에 원용된다.
실시예에서, EM 펌프 자석 5k4은 도 1-30과 7A-C에 도시된 바와 같이 동일한 축을 따라 대향될 수 있는 2개의 전극을 연결하는 주입된 용융 금속 스트림과 동일한 축을 따라 배향된다. 자석은 EM 펌프 튜브 5k6의 반대편에 위치할 수 있으며, 하나는 주입 축을 따라 다른 하나는 반대 방향에 위치한다. EM 펌프 버스 바 5k2는 각각 주입 축에 수직으로 배향될 수 있고 가장 가까운 자석의 측면으로부터 멀어지는 방향으로 배향될 수 있다. EM 펌프 자석은 각각 EM 펌프 튜브 5k6에 대한 가로 방향 및 튜브 내 용융 금속 유동의 방향과 EM 펌프 전류의 방향의 모두에 수직으로 대응하는 수직 배향 자석으로부터의 자속을 유도하는 L자형 요크를 더 포함할 수 있다. 점화 시스템은 60Hz 파형과 같은 AC 파형과 같은 전압 및 전류를 포함하는 시변 파형을 갖는 것을 포함할 수 있다. 자석의 수직 방향은 시간에 따라 변하는 점화 전류에 의해 자석이 자기소거되는 것을 방지할 수 있다.
실시예에서, 원자 수소로 촉매된 상태에서 하이드리노 상태로의 에너지 전달은 촉매의 이온화를 초래한다. 촉매로부터 이온화된 전자는 반응 혼합물 및 용기에 축적되어 공간 전하 형성을 초래할 수 있다. 공간 전하는 반응 속도의 감소와 함께 원자 수소로부터 촉매로의 후속 에너지 전달을 위한 에너지 준위를 변화시킬 수 있다. 실시예에서, 고전류의 인가는 공간 전하를 제거하여 하이드리노 반응 속도를 증가시킨다. 다른 실시예에서, 아크 전류와 같이 용융 금속 회로에 인가된 전류는 물과 같은 반응물의 온도를 극도로 상승시키는 원인이 된다. 고온은 H 및 HOH 촉매 중 적어도 하나에 대한 물의 열분해를 일으킬 수 있다. 실시예에서, SunCell®의 반응 혼합물은 H의 소스 및 nH(n은 정수) 및 HOH 중 적어도 하나와 같은 촉매 소스를 포함한다. nH 및 HOH 중 적어도 하나는 고체, 액체 및 기체상 물 중 적어도 하나와 같은 물의 적어도 하나의 물리적 상(phase)의 열분해 또는 열해리에 의해 형성될 수 있다. 열분해는 약 500 K 내지 10,000 K, 1000 K 내지 7000 K 및 1000 K 내지 5000 K 중 적어도 하나의 범위 내에 있는 온도와 같은 고온에서 발생할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 반응 온도는 원자 H의 몰 분율이 높아지도록 약 3500 내지 4000 K이며, 이는 원용에 의해 본 개시에 포함되는 J. Lede, F. Lapicque, 및 J Villermaux의 [J. L
d
, F. Lapicque, J. Villermaux, "Production of hydrogen by direct thermal decomposition of water", International Journal of Hydrogen Energy, 1983, V8, 1983, pp. 675-679; H. H. G. Jellinek, H. Kachi, "The catalytic thermal decomposition of water and the production of hydrogen", International Journal of Hydrogen Energy, 1984, V9, pp. 677-688; S. Z. Baykara, "Hydrogen production by direct solar thermal decomposition of water, possibilities for improvement of process efficiency", International Journal of Hydrogen Energy, 2004, V29, pp. 1451-1458; S. Z. Baykara, "Experimental solar water thermolysis", International Journal of Hydrogen Energy, 2004, V29, pp. 1459-1469]에 나타나 있다. 열분해는 셀 구성요소 중 적어도 하나인 고체 표면에 의해 보조될 수 있다. 고체 표면은 하이드리노 반응에 의해 유지되는 입력 전력 및 플라즈마에 의해 승온으로 가열될 수 있다. 점화 영역의 하향 스트림과 같은 열분해 가스는 냉각되어 재결합 또는 출발 물로 생성물의 역반응을 방지할 수 있다. 반응 혼합물은 생성물 가스의 온도보다 낮은 온도의 고체, 액체 또는 기체상 중 적어도 하나와 같은 냉각제를 포함할 수 있다. 열분해 반응 생성물 가스의 냉각은 생성물을 냉각제와 접촉시킴으로써 달성될 수 있다. 냉각제는 저온 증기, 물 및 얼음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예에서, 가스에 존재하는 반응물은 H 소스, H2, 촉매 소스, H2O 소스 및 H2O 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 적합한 반응물은 전도성 금속 매트릭스, 및 알칼리 수화물, 알칼리 토류 수화물 및 전이 금속 수화물 중 적어도 하나와 같은 수화물을 포함한다. 수화물은 MgCl2·6H2O, BaI2·2H2O 및 ZnCl2·4H2O 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 대안적으로, 반응물은 은, 주석, 구리, 수소 가스, 산소 가스 및 물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예에서, 반응물이 플라즈마 형성 반응을 보일 수 있는 반응 셀 챔버 5b31를 낮은 압력에서 작동하여 높은 가스 온도를 성취할 수 있다. 다음 이 압력을 반응 혼합물 가스 소스 및 제어기에 의해 증가시켜 반응 속도를 증가시킬 수 있으며, 물 이합체의 H 결합 및 H2 공유 결합의 적어도 하나에 대한 열분해에 의한 고온은 신생 HOH 및 원자 H를 유지할 수 있다. 열분해를 성취하는 예시적인 임계 가스 온도는 약 3300°C이다. 약 3300°C보다 높은 온도를 갖는 플라즈마는 H2O 이합체 결합을 파괴하여 하이드리노 촉매의 역할을 하는 신생 HOH를 형성할 수 있다. 반응 셀 챔버 H2O 증기압, H2 압력 및 O2 압력의 적어도 하나가 약 0.01 Torr ~ 100 기압, 0.1 Torr ~ 10 기압 및 0.5 Torr ~ 1 기압 중 적어도 하나의 범위에 있을 수 있다. EM 펌핑 속도는 약 0.01 ml/s ~ 10,000 ml/s, 0.1 ml/s ~ 1000 ml/s 및 0.1 ml/s ~ 100 ml/s 중 적어도 하나의 범위에 있을 수 있다. 실시예에서, 열분해를 성취할 목적으로 플라즈마와 셀을 가열하기 위해 높은 점화 전력 및 저압 중 적어도 하나를 초기에 유지할 수 있다.
실시예에서, 점화 파워는 본 개시내용의 초기 파워 레벨 및 파형일 수 있고, 반응 셀 챔버가 원하는 온도에 도달할 때 제2 파워 레벨 및 파형으로 전환될 수 있다. 실시예에서, 제2 전력 레벨은 초기보다 작을 수 있다. 제2 전력 레벨은 약 0일 수 있다. 전력 레벨 및 파형 중 적어도 하나를 전환하는 조건은 임계값을 초과하는 반응 셀 챔버 온도의 달성이며, 여기서 하이드리노 반응 동역학은 제2 전력 레벨에서 작동하는 동안 초기 속도의 20% 내지 100% 내에서 유지될 수 있다. 실시예에서, 온도 임계치는 약 800℃ 내지 3000℃, 900℃ 내지 2500℃, 및 1000℃ 내지 2000℃의 적어도 하나의 범위에 있을 수 있다.
실시예에서, 반응 셀 챔버는 점화 동력이 없을 때 제2 플라즈마를 지속할 온도로 가열된다. 실시예에서, EM 펌핑은 H2, O2, 및 H2O 중 적어도 하나와 같은 하이드리노 반응물의 공급이 SunCell®의 점화 오프 작동 동안 유지되는 점화 전원의 종료 후에 유지되거나 유지되지 않을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 도 1에 도시된 SunCell®은 실리카-알루미나 섬유 절연체로 잘 절연되었고, 2500 sccm H2 및 250sccm O2 가스가 Pt/Al2O3 비드 위로 흐르고 SunCell®은 900°C 내지 1400°C 범위의 온도로 가열된다. H2 및 O2 흐름과 EM 펌핑을 계속 유지하면 입력 점화 전력이 없을 때 시간이 지남에 따라 온도가 증가하는 것으로 입증되는 바와 같이 점화 전력이 없을 때 하이드리노 반응이 자체적으로 지속된다.
점화 시스템
실시예에서, 점화 시스템은 전류를 개시하고 점화가 달성되면 전류를 차단하는 것 중 적어도 하나를 수행하기 위한 스위치를 포함한다. 전류 흐름은 용융 금속 스트림의 접촉에 의해 개시될 수 있다. 스위칭은 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT), 실리콘 제어 정류기(SCR) 및 적어도 하나의 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET) 중 적어도 하나와 같은 수단에 의해 전자적으로 수행될 수 있다. 대안적으로, 점화는 기계적으로 스위칭될 수 있다. 전류는 입력 점화 에너지에 비례하여 출력 하이드리노 생성 에너지를 최적화하기 위해 점화 후에 차단될 수 있다. 점화 시스템은 제어 가능한 양의 에너지가 연료로 흘러서 폭발을 일으키고 플라즈마가 발생되는 단계 동안 전력을 차단하게 하는 스위치를 포함할 수 있다. 실시예에서, 고전류 전기 에너지의 쇼트 버스트를 전달하는 전력 소스는 다음 중 적어도 하나를 포함한다:
100 A 내지 1,000,000 A, 1 kA 내지 100,000 A, 10 kA 내지 50 kA 중 적어도 하나의 범위 내에 있는 높은 AC, DC 또는 AC-DC 혼합 전류를 발생시키도록 선택된 전압;
1 A/cm2 내지 1,000,000 A/cm2, 1000 A/cm2 내지 100,000 A/cm2 및 2000 A/cm2 내지 50,000 A/cm2 중 적어도 하나의 범위 내에 있는 DC 또는 피크 AC 전류 밀도를 포함하며;
상기 전압은 고체 연료의 전도율에 의해 결정되며, 전압은 원하는 전류에 고체 연료 샘플의 저항을 곱한 값으로 주어지며;
상기 DC 또는 피크 AC 전압은 0.1 V 내지 500 kV, 0.1 V 내지 100 kV 및 1 V 내지 50 kV 중 적어도 하나의 범위 내에 있으며, 그리고
AC 주파수는 0.1 Hz 내지 10 GHz, 1 Hz 내지 1 MHz, 10 Hz 내지 100 kHz 및 100 Hz 내지 10 kHz 중 적어도 하나의 범위 내에 있다.
시스템은 리튬 이온 배터리와 같은 배터리와 같은 시동 전력/에너지 소스를 더 포함할 수 있다. 대안적으로, 그리드 전력과 같은 외부 전력이 외부 전원으로부터 발전기로의 연결부를 통해 시동하는데 제공될 수 있다. 연결부는 전력 출력 버스 바를 포함할 수 있다. 시동 전력 에너지 소스는 용융 금속 전도성 매트릭스를 유지하는 히터로의 공급 전원, 주입 시스템의 공급 전원 및 점화 시스템의 공급 전원 중 적어도 하나일 수 있다.
SunCell®은 고압 수소를 제공하기 위해 고압하에서 물을 갖는 양성자 교환 막(PEM) 전해조를 포함하는 것과 같은 고압 물 전해조를 포함할 수 있다. H2 및 O2 챔버 각각은 오염물(O2 및 H2)을 각각 제거하기 위한 재결합기를 포함할 수 있다. PEM은 애노드 및 캐소드 격실의 분리기 및 염 브리지 중 적어도 하나로서 작용하여 캐소드에서 수소 및 애노드에서 산소가 별도의 가스로서 생성될 수 있게 한다. 캐소드는 디칼코게나이드 수소 발생 촉매, 예컨대 황을 추가로 포함할 수 있는 니오븀 및 탄탈 중 적어도 하나를 포함하는 촉매를 포함할 수 있다. 캐소드는 Pt 또는 Ni와 같은 당업계에 공지된 것을 포함할 수 있다. 수소는 고압에서 생성될 수 있고, 직접 또는 수소 투과막을 통한 투과에 의해 반응 셀 챔버(5b31)에 공급될 수 있다. SunCell®은 애노드 격실로부터 산소 가스가 저장 용기 또는 통풍구로 전달되는 지점까지 산소 가스 라인을 포함할 수 있다. 실시예에서, SunCell®은 센서, 프로세서 및 전기 분해 전류 제어기를 포함한다.
다른 실시예에서, 물의 전기분해, 천연 가스의 개질, H2 및 CO 및 CO2의 형성을 위해 증기와 탄소의 반응에 의한 합성가스 반응 및 수성가스 전환 반응 중 적어도 하나 그리고 당업자에게 알려진 수소 생산의 다른 방법으로부터 수소 연료를 얻을 수 있다.
다른 실시예에서, 수소는 공급된 물을 사용하는 열분해 및 SunCell®에 의해 생성된 열에 의해 생성될 수 있다. 열분해 사이클은 SnO/Sn 및 ZnO/Zn 중 적어도 하나와 같은 금속 및 그의 산화물에 기초한 것과 같은 본 개시 또는 당업계에 공지된 것을 포함할 수 있다. 유도 결합 히터, EM 펌프 및 점화 시스템이 시동 동안 전력만을 소비하는 실시예에서, 수소는 기생 전력 요건이 매우 낮도록 열분해에 의해 생성될 수 있다. SunCell®은 가스 센서와 같은 시스템 및 반응 플라즈마 가스용 시스템과 같은 제어 시스템을 구동하기 위한 전력을 제공하기 위해 리튬 이온 배터리와 같은 배터리를 포함할 수 있다.
응용 금속 스트림 생성
도 8 A-B에 도시된 것과 같은 실시예에서, SunCell®은 DC, AC 또는 본 개시의 다른 EM 펌프와 같은 전자기(EM) 펌프 및 또한 역할을 하는 주입기를 각각 포함하는 2개의 저장소(5c)를 포함한다. 저장소의 용융 금속 레벨을 평평하게 하기 위한 점화 전극 및 저장소 유입구 라이저로 사용된다. 용융 금속은 은, 은-구리 합금, 갈륨 또는 주석, 갈린스탄, 또는 본 개시의 또 다른 것을 포함할 수 있다. SunCell®은 반응 셀 챔버 5b31, 전기적으로 절연된 Conflat 플랜지와 같은 저장소와 반응 셀 챔버 사이의 전기적으로 격리하는 플랜지, 저장소 및 EM 펌프를 각각으로부터 전기적으로 절연하기 위한 각 저장소의 상단에 있는 드립 에지를 추가로 포함할 수 있는데, 여기서 점화 전류가 2개의 EM 펌프 주입기의 교차하는 용융 금속 스트림의 접촉으로 흐른다. 실시예에서, 각각의 저장소(5c), 반응 셀 챔버 5b31 및 EM 펌프 튜브 5k6의 내부 중 적어도 하나는 세라믹으로 코팅되거나 BN, 석영, 티타니아, 알루미나, 이트리아, 하프니아, 지르코니아, 탄화규소, 또는 TiO2-Yr2O3-Al2O3와 같은 혼합물, 또는 본 개시의 또 다른 것 중 하나와 같은 세라믹 라이너를 포함한다. 실시예에서, SunCell®은 적어도 하나의 SunCell® 구성요소의 외부 표면에 감긴 Kanthal 와이어와 같은 가열 코일과 같은 외부 저항성 히터를 더 포함한다. 실시예에서, 반응 셀(5b3), 저장소(5c) 및 EM 펌프 튜브 5k6와 같은 SunCell의 적어도 하나의 구성요소의 외부 표면은 표면에 감긴 Kanthal 와이어와 같은 저항성 히터 코일을 전기적으로 절연하기 위해 세라믹으로 코팅된다. 일 실시예에서, SunCell®은 적어도 하나의 SunCell® 구성요소의 표면에 포장될 수 있는 열 교환기 및 단열재 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 열교환기 및 히터 중 적어도 하나는 단열재에 덮어질 수 있다.
실시예에서, 저항성 히터는 가열 와이어와 같은 가열 요소를 위한 지지체를 포함할 수 있다. 지지체는 기밀하게 밀봉된 탄소를 포함할 수 있다. 실런트는 SiC와 같은 세라믹을 포함할 수 있다. SiC는 진공로 내에서 고온에서 Si와 탄소의 반응에 의해 형성될 수 있다.
SunCell® 히터(415)는 저항 히터나 유도 결합 히터일 수 있다. 예시적 SunCell® 히터(415)는 Kanthal A-1(칸탈) 저항 가열 와이어를 포함하며, 이는 1400°C의 작동 온도까지 작동할 수 있으며 높은 저항과 양호한 산화 저항을 갖는 철-크롬-알루미늄 합금(FeCrAl 합금)이다. 적합한 가열 요소를 위한 추가의 FeCrAl 합금은 Kanthal APM, Kanthal AF, Kanthal D 및 Alkrothal 중 적어도 하나이다. 저항 와이어 요소와 같은 가열 요소는 Nikrothal 80, Nikrothal 70, Nikrothal 60 및 Nikrothal 40 중 적어도 하나와 같은 1100°C ~ 1200°C 범위에서 작동할 수 있는 NiCr 합금을 포함할 수 있다. 대안적으로, 히터(415)는 산화 대기 및 1500°C ~ 1800°C의 범위하에서 작동할 수 있는 Kanthal Super 1700, Kanthal Super 1800, Kanthal Super 1900, Kanthal Super RA, Kanthal Super ER, Kanthal Super HT 및 Kanthal Super NC 중 적어도 하나와 같은 이규화 몰리브덴(MoSi2)을 포함할 수 있다. 가열 요소는 알루미나와 합금이 된 이규화 몰리브덴(MoSi2)을 포함할 수 있다. 가열 요소는 알루미나 코팅과 같은 산화 내성의 코팅을 가질 수 있다. 저항 히터(415)의 가열 요소는 1625°C까지의 온도에서 작동할 수 있는 SiC를 포함할 수 있다.
전자기 펌프는 각각 액체 금속을 위한 다음의 2가지 주요 유형의 전자기 펌프 중 하나를 포함할 수 있다: AC 또는 DC 자기장이 액체 금속을 수용하는 튜브를 가로지르게 설정되고 AC 또는 DC 전류가 각각 튜브 벽에 각각 연결된 액체 관통 전극으로 공급되는 AC 또는 DC 전도 폄프; 및 전류가 인가된 AC 전자기장과 교차될 수 있는 유도 모터에서와 같이 이동 필드가 요구 전류를 유도하는 유도 펌프. 유도 펌프는 환형 선형, 편평한 선형 및 나선형의 3가지 주요 형태를 포함할 수 있다. 펌프는 기계식 및 열전 펌프와 같은 당업계에 공지된 다른 것을 포함할 수 있다. 기계식 펌프는 모터 구동식 임펠러를 구비한 원심 펌프를 포함할 수 있다. 전자기 펌프에 대한 전력은 일정하거나 펄스형으로 이루어져 상응하는 용융 금속의 일정하거나 펄스형 주입을 초래할 수 있다. 펄스형 주입은 프로그램이나 함수 발생기에 의해 구동될 수 있다. 펄스형 주입은 반응 셀 챔버에서 펄스형 플라즈마를 유지할 수 있다. EM 펌프는 다단 펌프를 포함할 수 있다.
실시예에서, EM 펌프 튜브(5k6)는 간혈적 또는 펄스형 용융 금속의 주입을 초래하는 플로우 초퍼(flow chopper)를 포함한다. 이 초퍼는 제어기를 더 포함하는 전자적으로 제어되는 밸브와 같은 밸브를 포함할 수 있다. 이 밸브는 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다. 대안적으로 초퍼는 주기적으로 회전하여 용융 금속의 흐름을 가로지름으로써 용융 금속이 통로를 통해 흐를 수 있도록 하는 적어도 하나의 통로를 갖춘 회전 디스크를 포함할 수 있는데, 이 통로에서 그 흐름이 통로를 포함하지 않는 회전 디스크의 부분들에 의해 차폐된다.
용융 금속 펌프는 이동 자석 펌프(MMP)를 포함할 수 있다. 예시적인 상업용 AC EM 펌프는 CMI Novacast CA15이며, 가열 및 냉각 시스템은 용융 금속의 펌핑을 지원하도록 수정될 수 있다.
실시예에서, EM 펌프는 AC 유도형을 포함할 수 있으며, 여기에서 용융 금속에 대한 로렌츠 힘은 용융 금속을 통한 시변 전류 및 교차 동기 시변 자기장에 의해 생성된다. 용융 금속을 통한 시변 전류는 EM 펌프 변압기 권선 회로에 의해 생성된 제1 시변 자기장의 패러데이 유도에 의해 생성될 수 있다. 제1 시변 자기장의 소스는 1차 변압기 권선을 포함할 수 있고, 용융 금속은 전류 루프의 EM 펌프 튜브 섹션 및 EM 펌프 루프 리턴 섹션 전류를 포함하는 단일 권선 단락 권선과 같은 2차 변압기 권선으로서 역할을 할 수 있다.
전류원 및 자석을 포함하는 적어도 하나의 EM 펌프를 포함하는 용융 금속 주입기가 로렌츠 펌핑력을 유발하는 자석을 포함하는 실시예에서, EM 펌프 자석(5k4)은 DC 또는 AC 전자석과 같은 영구 또는 전자석을 포함할 수 있다. 자석이 영구자석 또는 DC 전자석인 경우, EM 펌프 전류원은 DC 전원을 포함한다. 자석(5k4)이 AC 전자석을 포함하는 경우, EM 버스 바(5k2)에 대한 EM 펌프 전류 소스는 로렌츠 펌핑력을 생성하기 위해 EM 펌프 튜브(5k6)에 적용된 AC EM 펌프 전자석 필드와 위상이 같은 전류를 제공하는 AC 전원을 포함한다. 전자석과 같은 자석이 수조와 같은 부식성 냉각제에 잠긴 실시예에서, 전자석과 같은 자석은 스테인리스 스틸 하우징과 같이 열가소성 수지, 코팅 또는 하우징과 같은 비자성 밀봉재에 기밀하게 밀봉될 수 있다.
다른 실시예에서, 점화 시스템은 유도 시스템을 포함하며, 여기서 하이드리노 반응의 점화를 유발하기 위해 전도성 용융 금속에 인가된 전기 소스는 유도 전류, 전압 및 전력을 제공한다. 점화 시스템은 무전극 시스템을 포함할 수 있으며, 여기서 점화 전류는 유도 점화 변압기 조립체에 의해 유도에 의해 인가된다. 유도 전류는 EM 펌프와 같은 펌프에 의해 유지되는 복수의 주입기로부터 교차하는 용융 금속 스트림을 통해 흐를 수 있다. 실시예에서, 저장소(5c)는 저장소(5c)의 기저부 사이의 채널과 같은 세라믹 교차 연결 채널을 더 포함할 수 있다. 유도 점화 변압기 조립체는 저장소(5c), 복수의 용융 금속 주입기로부터의 교차 용융 금속 스트림 및 교차 연결 채널에 의해 형성된 유도 전류 루프를 통해 연장될 수 있는 유도 점화 변압기 권선 및 유도 점화 변압기 요크를 포함할 수 있다. 유도 점화 변압기 조립체는 EM 펌프 변압기 권선 회로와 유사할 수 있다.
실시예에서, 용융 금속을 녹일 히터는 칸탈과 같은 와이어를 포함하는 것과 같은 저항 히터 또는 본 개시의 또 다른 것을 포함한다. 저항 히터는 가열 대상의 구성요소 주위를 감을 수 있는 내화성 저항 필라멘트나 와이어를 포함할 수 있다. 예시적 저항 히터 요소 및 구성요소는 탄소, 니크롬, 300 시리즈 스테인레스 스틸, 인콜로이 800 및 인코넬 600, 601, 718, 625, 헤인즈 230, 188, 214, 니켈, 하스텔로이 C, 티탄, 탄탈, 몰리브덴, TZM, 레늄, 니오븀 및 텅스텐과 같은 고온 전도체를 포함할 수 있다. 필라멘트나 와이어는 산화로부터의 보호를 위해 포팅 화합물에 포팅할 수 있다. 필라멘트, 와이어 또는 메시 형태의 가열 요소는 산화로부터의 보호를 위해 진공에서 작동시킬 수 있다. 예시적 히터는1400°C까지의 온도에서 작동할 수 있으며 높은 저항률과 양호한 산화 내성을 갖는 Kanthal A-1(칸탈) 저항 가열 와이어, 철-크롬-알루미늄 합금(FeCrAl 합금)을 포함한다. 다른 예시적 필라멘트는 산화와 침탄 환경에 대한 내성이 있는 내식성 산화물 코팅을 형성하며1475°C까지에서 작동할 수 있는 Kanthal APM이다. 1375 K 및 1의 방사율에서의 열 손실 속도는 200 kW/m2 또는 0.2 W/cm2이다. 1475 K까지에서 작동하는 상용 저항 히터는 4.6 W/cm2의 전력을 갖는다. 가열 요소의 외부에 절연체를 사용하면 가열이 증가할 수 있다.
예시적 히터(415)는 Kanthal A-1(칸탈) 저항 가열 와이어를 포함하며, 이는 1400°C의 작동 온도까지 작동할 수 있으며 높은 저항과 양호한 산화 저항을 갖는 철-크롬-알루미늄 합금(FeCrAl 합금)이다. 적합한 가열 요소를 위한 추가의 FeCrAl 합금은 Kanthal APM, Kanthal AF, Kanthal D 및 Alkrothal 중 적어도 하나이다. 가열 와이어 요소와 같은 가열 요소는 Nikrothal 80, Nikrothal 70, Nikrothal 60 및 Nikrothal 40 중 적어도 하나가 같은 1100°C ~ 1200°C 범위에서 작동할 수 있는 NiCr 합금을 포함할 수 있다. 대안적으로, 히터(415)는 산화 대기 및 1500°C ~ 1800°C의 범위하에서 작동할 수 있는 Kanthal Super 1700, Kanthal Super 1800, Kanthal Super 1900, Kanthal Super RA, Kanthal Super ER, Kanthal Super HT 및 Kanthal Super NC 중 적어도 하나와 같은 이규화 몰리브덴(MoSi2)을 포함할 수 있다. 가열 요소는 알루미나와 합금이 된 이규화 몰리브덴(MoSi2)을 포함할 수 있다. 가열 요소는 알루미나 코팅과 같은 산화 내성의 코팅을 가질 수 있다. 저항 히터(415)의 가열 요소는 1625°C까지의 온도에서 작동할 수 있는 SiC를 포함할 수 있다. 히터는 그 효율 및 효과 중 적어도 하나를 증가시키는 절연체를 포함할 수 있다. 절연체는 알루미나-실리케이트를 포함하는 절연체와 같은 당업자에게 주지된 세라믹을 포함할 수 있다. 절연체는 제거가능과 가역적인 것 중 적어도 하나일 수 있다. 절연체는 시동 후 주위 환경이나 열 교환기와 같은 바람직한 리시버로 열을 보다 효과적으로 전달하기 위해 제거할 수 있다. 절연체는 기계적으로 제거할 수 있다. 이 절연체는 진공 작업이 가능한 챔버와 펌프를 포함할 수 있으며, 진공을 만들어 절연이 적용되고 헬륨과 같은 영족 가스 등의 열 전달 가스를 추가하여 절연이 가역된다. 추가나 펌핑으로 제거 가능한 헬룸과 같은 열 전달 가스를 갖춘 진공 챔버는 조절가능한 절연체의 역할을 할 수 있다.
점화 전류는 약 60Hz AC와 같이 시변적일 수 있지만, 1 Hz 내지 1 MHz, 10 Hz 내지 10 kHz, 10 Hz 내지 1 kHz, 및 10 Hz 내지 100 Hz 중 적어도 하나의 범위의 주파수, 약 1 A 내지 100 MA, 10 A 내지 10 MA, 100 A 내지 1 MA, 100 A 내지 100 kA, 및 1 kA 내지 100 kA 중 적어도 하나의 범위의 피크 전류, 및 약 1 V 내지 1 MV, 2 V 내지 100 kV, 3 V 내지 10 kV, 3 V 내지 1 kV, 2 V 내지 100 V, 및 3 V 내지 30 V 중 적어도 하나의 범위의 피크 전압 파형을 갖는 DC 또는 AC 파형과 같은 파형 및 다른 특성들을 포함하며, 여기서 파형은 정현파, 구형파, 삼각형, 또는 1% 내지 99%, 5% 내지 75%, 및 10% 내지 50%의 적어도 하나의 인 것과 같은 듀티 사이클을 포함할 수 있는 다른 원하는 파형을 포함할 수 있다. 고주파에서 표피 효과를 최소화하기 위해, 점화 시스템의 권선은 편조, 다중 가닥 및 리츠 와이어 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 실시예에서, 점화 전류의 주기적인 구형파와 같은 점화 전력 파형, 뿐만 아니라 주파수 및 듀티 사이클은 점화 전력 및 전력 출력의 비율에 의해 주어진 출력 전력 및 전력 이득 중 적어도 하나를 최적화하도록 선택된다. 예시적인 주파수 구형파 파형은 1에서 500 Hz 범위에 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 점화 전력은 1500 A와 같은 고전류와 500 A와 같은 저전류 사이에서 교번하는 구형파와 같은 시간에 따른 상이한 전류의 반복 패턴을 포함하며, 여기서 고전류 및 저전류의 구형파 폭은 같거나 다를 수 있다.
전력 시스템 및 구성
다른 예시적 실시예에서, 도 1에 나와 있는 페데스탈 전극을 가진 SunCell®은 다음을 포함한다: (i) 주입기 저장소(5c), EM 펌프 튜브(5k6) 및 노즐(5q), 저장소 베이스플레이트(409a) 그리고 구형 반응 챔버 셀(5b31) 돔, (ii) 슬리브 저장소(409d)의 단부에 있는 슬리브 저장소 플랜지(409e)로써 하부 반구(5b41)에 용접된 SS를 포함할 수 있는 슬리브 저장소(409d)를 포함하는 비주입기 저장소, (iii) 상부에는 페데스탈(5c1) 그리고 슬리브 저장소 플랜지(409e)와 맞물리는 하부의 인서트 저장소 플랜지(409g)를 포함하는 전기 절연체 인서트 저장소(409f)로서, 인서트 저장소(409f), 드립 에지(5c1a)를 더욱 포함할 수 있는 페데스탈(5c) 및 인서트 저장소 플랜지(409g )는 질화 붕소, BN-CaO 또는 BN-ZrO2와 같은 안정화 BN, 탄화 실리콘, 알루미나, 지르코니아, 하프니아 또는 석영같은 세라믹 또는 SiC나 ZrB2 탄소를 포함하는 것 같은 SiC나 ZrB2 등의 보호 코팅을 가진 내화 금속, 탄소 또는 세라믹을 포함할 수 있음, 그리고 (iv) 점화 버스 바(10a1)에 대한 관통부를 갖는 SS를 포함하는 것과 같은 저장소 베이스플레이트(409a) 및 점화 버스 바(10), 여기서 베이스플레이트가 슬리브 저장소 플랜지(409e)에 볼트로 연결되어 인서트 저장소 플랜지(409g)를 사이에 끼운다. 실시예에서, SunCell®은 슬리브 저장소 플랜지(409e), 인서트 저장소 플랜지(409g) 및 저장소 베이스플레이트(409a)를 포함하는 조인트를 둘러싸고 밀봉하는 진공 하우징을 포함할 수 있으며, 여기서 하우징은 전극 버스 바(10)에서 전기적으로 절연된다. 실시예에서, 노즐(5q)은 전자기 펌프 튜브(5k61)의 노즐 섹션 상으로 나사 결합될 수 있다. 노즐은 W, Ta, Re 또는 Mo와 같은 내화 금속을 포함할 수 있다. 노즐은 잠길 수 있다.
도 1에 나와 있는 실시예에서, 반전 페데스탈(5c2) 그리고 점화 버스 바 및 전극(10)은 셀(5b3)의 중심에 대해 지향되거나 음의 z-축과 정렬되는 것 중 적어도 하나이며, 여기서 해당되는 경우라면 적어도 하나의 대향 주입기 전극(5k61)이 그 저장소(5c)에서 양의 z-방향으로 용융 금속을 주입한다. 해당되는 경우, 주입된 용융 스트림은 중력에 반하여 용융 금속의 코팅이나 풀(pool)을 페데스탈(5c2)에 유지할 수 있다. 풀이나 코팅은 전극(10)을 적어도 부분적으로 덮을 수 있다. 풀이나 코팅은 부식이나 용융과 같은 손상으로부터 전극을 보호할 수 있다. 후자의 경우, EM 펌핑 속도를 증가시켜 주입된 용융 금속의 흐름에 의한 전극 냉각을 증가시킬 수 있다. 전극 면적과 두께 또한 증가시켜 용융 방지를 위해 국소 핫 스팟을 소멸시킬 수 있다. 페데스탈은 양의 바이어스가 될 수 있고 주입기 전극은 음의 바이어스가 될 수 있다. 다른 실시예에서, 페데스탈은 음의 바이어스가 될 수 있고 주입기 전극은 양의 바이어스가 될 수 있으며, 주입기 전극은 용융 금속에 침지될 수 있다. 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속은 반응 셀 챔버(5b31)의 하부 부분의 일부를 채울 수 있다. 주입된 용융 금속의 코팅이나 풀 외에도, W 전극과 같은 전극(10)은 인가된 음의 바이어스에 의해 부식으로부터 안정화될 수 있다. 실시예에서, 전극(10)은 전극을 부식으로 보호하기 위해 레늄 코팅과 같은 비활성의 전도성 코팅 등의 코팅을 포함할 수 있다. 실시예에서 이 전극은 냉각될 수 있다. 이 전극의 냉각은 전극의 부식 속도와 용융 금속과의 합금 형성 속도 중 적어도 하나를 감소시킬 수 있다(예, 전극 냉각없는 작동과 비교하여). 냉각은 중심선 수랭과 같은 수단에 의해 성취될 수 있다. 실시예에서, 역 전극의 표면적은 플라즈마 및 주입기 전극으로부터의 용융 금속 스트림 중 적어도 하나와 접촉하는 표면의 크기를 증가시켜 증가된다. 예시적 실시예에서, 커다란 판이나 컵이 전극(10)의 단부에 부착된다. 다른 실시예에서, 주입기 전극을 침지하여 카운터 전극의 면적이 증가될 수 있다. 도1은 예시적 구형 반응 셀 챔버를 보여준다. 직사각형, 입방형, 원통형 및 원뿔형과 같은 기타 지오메트리들은 본 개시의 범위에 속한다. 실시예에서, 저장소의 상부와 연결되는 반응 셀 챔버의 기저부를 원뿔 형상으로 경사지게 할 수 있다. 이러한 구성은 용융 금속이 EM 펌프의 유입구로 진입 시 그 혼합을 원활히 할 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버의 외부 표면의 적어도 한 부분을 구리와 같은 열전달 계수가 높은 물질로 덮어서 반응 셀 챔버 벽의 핫 스팟을 피할 수 있다. 실시예에서, SunCell®은 반응 셀 챔버의 플라즈마가 벽을 용융시키는 것을 방지하며 용융 금속 벽을 유지하기 위해 반응 셀 챔버 벽으로 용융 금속을 주입하는 EM 펌프와 같은 복수의 펌프를 포함한다. 다른 실시예에서, 반응 셀 챔버 벽은 BN, 융합 실리카 또는 석영 라이너와 같은 라이너(5b31a)를 포함하여 핫 스팟을 피한다. 예시적 반응 실 챔버는 석영 판으로 라이닝된 입방형 상부 섹션 그리고 하단의 EM 펌프를 포함하는 하부 구형 섹션을 포함하며, 여기서 구형 섹션은 용융 금속의 혼합을 촉진시킨다.
실시예에서, 슬리브 저장소(409d)는 용융 금속이 반전 페데스탈(5c2)의 단부에 있는 컵이나 드립 에지(5c1a)에 거의 전적으로 수용되도록 점화 버스 바 및 전극(10) 사이에 억지 끼워맞춤되는 전기 절연체를 포함할 수 있다. 인서트 저장소 플랜지(409g)를 갖는 인서트 저장소(409f)는 저장소 베이스플레이트(409a), 슬리브 저장소(409d) 및 슬리브 저장소 플랜지(409e)에 의해 셀 챔버(5b3)에 장착될 수 있다. 전극은 전극 관통부(10a1)를 통해 저장소 베이스플레이트(409a)를 관통할 수 있다. 전극은 전극 관통부(10a1)를 통해 저장소 베이스플레이트(409a)을 관통할 수 있다. 일 실시예에서, 삽입 저장소(409f)는 전극 버스 바(10) 상의 코팅을 포함할 수 있다. 실시예에서 삽입 저장소(409f), 반응 셀 챔버 라이너 또는 코팅, 버스 바 라이너 또는 코팅과 같은 적어도 하나의 SunCell® 구성요소는 BN, 석영, 티타니아, 알루미나, 이트리아, 하프니아, 지르코니아, 탄화규소, 멀라이트와 같은 세라믹, 또는 ZrO2-TiO2-Y2O3, TiO2-Yr2O3-Al2O3 또는 본 개시의 또 다른 것과 같은 혼합물, 또는 SiO2, Al2O3, ZrO2, HfO2, TiO2, MgO, BN, BN-ZrO2, BN-B2O3 중 적어도 하나를 포함하는 것, 그리고 부품의 금속과 결합한 후 BN 또는 다른 세라믹과 결합하는 역할을 하는 세라믹을 포함할 수 있다. Oerlikon의 BN을 포함하는 예시적인 복합 코팅은 Ni 13Cr 8Fe 3.5Al 6.5BN, ZrO2 9.5Dy2O3 0.7BN, ZrO2 7.5Y2O3 0.7BN 및 Co 25Cr 5Al5 0.27Y 1.75Si1이다. 실시예에서, BN으로 코팅된 적절한 금속, 세라믹, 또는 탄소가 라이너 또는 코팅으로서 역할을 할 수 있다. 적절한 금속 또는 세라믹은 BN 코팅이 부착된 SunCell®의 온도에서 작동할 수 있다. 실시예에서, 슬리브 저장소(409d), 반응 셀 챔버 라이너 또는 코팅, 또는 버스 바 라이너 또는 코팅과 같은 SunCell® 구성요소의 바인더는 가열 및 진공 하에 작동 중 적어도 하나에 의해 베이킹 아웃될 수 있다. 대안적으로, 부동태화된 코팅이 세라믹에 형성되거나 적용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, BN은 B2O3 패시베이션 코팅을 형성하기 위해 산화된다.
EM 펌프 튜브(5k6)는 W, Ta, Re, Mo, BN, 알루미나, 멀라이트, 실리카, 석영, 지르코니아, 하프니아, 티타니아 또는 본 개시의 또 다른 것 중 적어도 하나와 같은 갈륨 또는 주석과의 합금 형성에 저항하는 재료, 라이너 또는 코팅을 포함할 수 있다. 실시예에서, 펌프 튜브, 라이너 또는 코팅은 탄소를 포함한다. 탄소는 경화되고 탈기되는 스프레이 또는 액체 코팅과 같은 현탁 수단에 의해 적용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 탄소 현탁액을 펌프 튜브에 부어 채우고, 탄소 현탁액을 경화시킨 다음, 채널을 튜브를 통해 기계 가공하여 벽에 탄소 라이너를 형성한다. 실시예에서, Ni와 같은 탄소 코팅된 금속은 고온에서 탄화물을 형성하는 것에 내성이 있을 수 있다. 실시예에서, EM 펌프 튜브(5k6)는 펌프 튜브를 형성하기 위해 천공되는 BN과 같은 코팅 재료 또는 라이너로 채워진 금속 튜브를 포함할 수 있다. EM 펌프 튜브는 복수의 부품을 포함하는 조립체를 포함할 수 있다. 부품은 갈륨 또는 주석과의 합금 형성에 내성이 있는 재료 또는 라이너 또는 코팅을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 부품들은 개별적으로 코팅되고 조립될 수 있다. 조립체는 두 개의 대향 버스 바(5k2), 액체 금속 유입구, 액체 금속 유출구를 포함하는 하우징, 그리고 Swageloks와 같은 하우징을 밀봉하는 수단 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, EM 펌프 버스 바(5k2)는 갈륨 또는 주석과의 합금 형성에 저항하는 EM 펌프 튜브 내부의 갈륨 또는 주석과 접촉하는 전도성 부분을 포함할 수 있다. 전도성 부분은 Ta, W, Re, Ir 또는 Mo와 같은 합금 내성 재료, 또는 Ta, W, Re, Ir 또는 Mo와 같은 SS와 같은 다른 재료에 합금 내성 클래딩 또는 코팅을 포함할 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 저장소 베이스(5kk1)로의 뜨거운 갈륨 또는 주석 유동을 방지하고 갈륨 또는 주석 합금 형성을 억제하기 위해 뉴입구 라이저 튜브(5qa)를 포함한다. 저장소 베이스(5kk1)는 갈륨 또는 주석 합금 형성을 억제하기 위해 라이너, 클래딩 또는 코팅을 포함할 수 있다.
EM 펌프 버스 바(5k2)와 EM 펌프 튜브(5k6) 내의 용융 금속 사이의 양호한 전기적 접촉을 허용하기 위한 실시예에서, 코팅은 EM 펌프 버스 바가 용접과 같은 수단에 의해 부착되기 전에 적용된다. 대안적으로, 마모, 제거 또는 에칭과 같은 당업계에 공지된 수단에 의해 작동 전에 용융 금속으로 침투하는 버스 바로부터 어떠한 코팅도 제거될 수 있다.
다른 실시예에서, 인서트 저장소 플랜지(409g)는 피드-스루 및 페데스탈(5c1) 또는 인서트 저장소(409f)의 버스 바(10)를 저장소 베이스플레이트(409a)로부터 전기적으로 절연시키는 저장소 베이스플레이트(409a)에 장착된 피드-스루로 대체할 수 있다. 이 피드-스루는 저장소 베이스플레이트에 용접될 수 있다. 버스 바(10)를 포함하는 예시적 피드-스루는 Solid Sealing Technology, Inc. #FA10775이다. 버스 바(10)는 전극(8)에 결합될 수 있거나, 또는 버스 바(10) 및 전극(8)은 단일 편을 포함할 수 있다. 저장소 베이스플레이트는 슬리브 저장소 플랜지에 직접 결합될 수 있다. 조합체는 개입 개스킷과 함께 볼트로 결합되는 Conflat 플랜지를 포함할 수 있다. 이 플랜지는 구리, 은도금 구리 또는 탄탈 개스킷 또는 O-링과 같은 무른 금속 개스킷을 밀봉하는 나이프 에지를 포함할 수 있다. 플랜지는 방염 페인트, 알루미나, CrC, TiN, Ta 또는 용융 금속과의 합금 형성을 방지하는 본 개시의 다른 물질과 같은 코팅으로 코팅될 수 있다. 개스킷 또는 Ta와 같은 O-링은 합금 형성 저항성이 있을 수 있다. 일 실시예에서, 플랜지는 각각의 결합된 구성요소의 둘레 주위의 환형체와 같은 평평한 금속 플레이트(볼트 구멍 없음)로 대체될 수 있다. 플레이트는 이음새를 형성하기 위해 외부 가장자리에서 함께 용접될 수 있다. 두 플레이트를 분리하기 위해 이음새를 자르거나 연마할 수 있다. 인서트 저장소(409f)를 포함하는 세라믹 페데스탈(5c1)은 대향하는 천공된 저장소 베이스플레이트(409a) 안으로 대향하여 침강할 수 있는데, 페데스탈과 베이스플레이트 사이의 조합체는 탄소 개스킷과 같은 개스킷이나 본 개시의 또 다른 것으로 밀봉할 수 있다. 전극(8) 및 버스 바(10)는 플라즈마 방전이 발생하는 단부에서 엔드플레이트를 포함할 수 있다. 페데스탈과 저장소 베이스플레이트 사이의 조합체를 밀봉하는 개스킷에 압력을 인가할 수 있으며, 디스크를 누르면 이에 따라 개스킷에 압력이 인가된다. 디스크를 돌리면 개스킷에 압력이 인가되도록 디스크를 전극(8)의 단부에 나사식으로 끼울 수 있다. 피드-스루는 버스 바와 전극에 연결되는 환형 칼라를 포함할 수 있다. 환형 칼라는 조이면 전극을 제 위치에 잠그는 나사산이 있는 고정 나사를 포함할 수 있다. 그 위치는 엔드 디스크를 페데스탈 쪽으로 당김으로써 인가되는 장력하에서 개스킷으로 잠글 수 있다. 페데스탈(5c1)은 고정 나사에 접근하기 위한 축을 포함할 수 있다. 이 축은 BN 고정나사와 같은 세라믹 고정 나사 등의 비전도성 고정 나사로써 페데스탈의 외부 표면에 밀봉될 수 있도록 나사산을 가질 수 있으며, 페데스탈은BN-ZrO2와 같은 BN을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 버스 바(10) 및 전극(8)은 맞댐으로 연결될 수 있는 로드를 포함할 수 있다. 실시예에서, 페데스탈(5c1)은 두 개 이상의 나사산이 있는 금속축을 포함할 수 있으며, 각각 버스 바(10)나 전극(8)을 조임으로써 장력하에서 제 위치에 잠그는 고정 나사를 갖는다. 이 장력은 버스(10) 및 전극(8)의 연결들 중 적어도 하나를 제공하여 개스킷에 압력을 가할 수 있다. 대안적으로 카운터 전극은 단축 절연 페데스탈(5c1)을 포함하며, 전극(8) 및 버스 바(10)의 적어도 하나가 수 나사, 와셔 및 상응하는 암 너트를 포함하여 너트와 와셔가 단축 절연 페데스탈(5c1)에 대해 조여진다. 대안적으로 전극(8)은 버스 바(10)의 한쪽 단부에 있는 상응하는 암 나사로 끼워지는 수 나사를 한 단부에 포함할 수 있으며, 전극(8)은 단축 절연 페데스탈(5c1)을 페데스탈 와셔와 대항하여 침강할 수 있는 저장소 베이스플레이트(409a)에 대해 단축 절연 페데스탈(5c1)을 조이는 고정 와셔를 더 포함한다. 카운터 전극은 당업자에게 알려진 페데스탈, 버스 바 및 전극의 체결을 위한 다른 수단들을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, (i) 인서트 저장소 플랜지(409g)와 슬리브 저장소 플랜지(409e) 사이의 것 그리고 (ii) 저장소 베이스플레이트(409a)과 슬리브 저장소 플랜지(409e) 사이의 것과 같은 적어도 하나의 실이 습식 실을 포함할 수 있다(도 1). 후자의 경우 인서트 저장소 플랜지(409g)는 피드-스루의 버스 바(10) 및 페데스탈(5c1)을 저장소 베이스플레이트(409a)로부터 전기적으로 절연시키는 저장소 베이스플레이트(409a)에 장착된 피드-스루로 대체할 수 있으며, 습식 실은 저장소 베이스플레이트(409a)와 피드-스루 사이의 것을 포함할 수 있다. 갈륨 또는 주석이 1900°C의 융점을 갖는 산화물을 형성하므로, 이 습식 실은 고형의 갈륨 또는 주석 산화물을 포함할 수 있다.
실시예에서, 수소가 구조적으로 강화된 Pd-Ag나 니오븀 막과 같은 수소 투과성 막을 통해 셀로 공급될 수 있다. 수소 투과성 막을 통한 수소 투과율은 투과성 막의 외부 표면에 플라즈마를 유지하여 증가시킬 수 있다. SunCell®은 플라즈마 셀의 캐소드와 같은 플라즈마 셀의 전극을 포함할 수 있는 반투과성 막을 포함할 수 있다(예, 글로우 방전 셀). 도1에 나와 있는 것과 같은 SunCell®은 셀(5b3)의 벽의 일부를 둘러싸는 외부 벽을 포함하는 외부의 밀봉된 플라즈마 챔버를 더 포함할 수 있는데, 셀(5b3)의 금속 벽의 일부가 플라즈마 셀의 전극을 포함한다. 밀봉된 플라즈마 챔버는 하우징과 같은 셀(5b3) 주위의 챔버를 포함할 수 있으며, 셀(5b3)의 벽은 플라즈마 셀 전극과 하우징을 포함할 수 있거나 혹은 챔버의 독립 전극이 카운터 전극을 포함할 수 있다. SunCell®은 플라즈마 전원과 플라즈마 제어 시스템, 수소 가스 공급 탱크와 같은 가스 소스, 수소 공급 모니터 및 조절기 그리고 진공 펌프를 더 포함할 수 있다.
시스템은 2개의 플라즈마 생성을 통해 작동할 수 있다. 비화학량론적 H2/O2 혼합물(예, 혼합물의 몰 백분율로 20% 미만 또는 10% 미만 또는 5% 미만 또는 3% 미만의 O2를 갖는 H2/O2)과 같은 초기 반응 혼합물은 글로우 방전과 같은 플라즈마 셀을 통과하여 여기에서 설명된 플라즈마를 생성하기에 충분한 발열로 촉매 반응을 겪을 수 있는 반응 혼합물을 생성한다. 예를 들어, 비화학량론적 H2/O2 혼합물은 글로우 방전을 통과하여 원자 수소 및 초기 H2O의 유출물을 생성할 수 있다(예: 수소 결합의 형성을 방지하기에 충분한 농도 및 내부 에너지를 갖는 물을 갖는 혼합물). 글로우 방전 유출물은 (예, 용융 금속이 그 사이를 통과하면서) 2개의 전극 사이에 전류가 공급되는 반응 챔버로 지향될 수 있다. 바이어싱된 용융 금속(예: 갈륨 또는 주석)과 유출물의 상호 작용 시, 예를 들어 아크 전류가 형성되면 초기 물과 원자 수소 사이의 촉매 반응이 유도된다. 전원 시스템은 다음을 포함할 수 있다.
a) 플라즈마 셀(예: 글로우 방전 셀);
b) 전기적 바이어스가 용융 금속에 적용될 수 있도록 그 사이를 흐르는 용융 금속을 통해 서로 전기적으로 접촉하는 전극 세트;
c) 전극 사이에 용융 금속을 흐르게 하는 용융 금속 주입 시스템;
여기서, 플라즈마 셀의 유출물은 바이어싱된 용융 금속(예, 양극 또는 양극)을 향해 배향된다.
실시예에서, SunCell®은 적어도 하나의 세라믹 저장소(5c) 및 석영을 포함하는 것과 같은 반응 셀 챔버(5b31)를 포함한다. SunCell®은 2개의 원통형 반응 셀 챔버(5b31)를 포함할 수 있으며, 각각은 바닥 섹션에 저장소를 포함하며, 반응 셀 챔버는 도 8A-B에 도시된 바와 같이 2개가 교차하는 이음매를 따라 상단에서 융합된다. 실시예에서, 반응 셀 챔버(5b31)의 교차에 의해 형성된 정점은 열팽창 및 기타 응력을 흡수하기 위해 흑연 개스킷과 같은 개재 개스킷과 함께 볼트로 고정되는 2개의 플랜지와 같은 개스킷 씰를 포함할 수 있다. 각 저장소는 저장소에서 시간 평균된 용융 금속 수준을 유지하기 위해 유입구 라이저(5qa)와 같은 수단을 포함할 수 있다. 저장소의 바닥은 유입구 및 주입 튜브(5k61) 관통부를 갖는 EM 펌프(5ka)를 포함하고 각 베이스 플레이트 아래 EM 자석(5k4) 및 EM 펌프 튜브(5k6)를 추가로 포함하는 EM 펌프 조립체(5kk)를 포함하는 베이스플레이트(5kk1)에 밀봉될 수 있는 저장소 플랜지(5k17)를 각각 포함할 수 있다. 실시예에서, 영구 EM 펌프 자석(5k4)(도 8A-B)은 DC 또는 AC 전자석과 같은 전자석으로 대체될 수 있다. 자석(5k4)이 AC 전자석을 포함하는 경우, EM 버스 바(5k2)에 대한 EM 펌프 전류 소스는 로렌츠(Lorentz) 펌핑력을 생성하기 위해 EM 펌프 튜브(5k6)에 적용되는 AC EM 펌프 전자석 필드와 위상이 같은 전류를 제공하는 AC 전원을 포함한다. 각각의 EM 펌프 조립체(5kk)는 저장소 플랜지가 경사진 저장소에 수직일 수 있도록 대응하는 저장소(5c)와 동일한 각도로 저장소 플랜지에 부착될 수 있다. EM 펌프 조립체(5kk)는 대응하는 기울어진 EM 펌프 조립체(5kk) 및 저장소(5c)를 장착하고 정렬하기 위한 지지대와 함께 슬라이드 테이블(409c)(도 8B-G)에 장착될 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 EM 펌프 조립체(5kk)는 2단과 같은 복수의 EM 펌프 단을 포함할 수 있으며, 각 단은 영구 자석 또는 전자석과 같은 자석(5k4) 및 저장소(5c)의 공통 EM 펌프 튜브(5k6) 상에 조립될 수 있는 EM 버스 바(5k2)를 포함할 수 있다. EM 펌프 단은 펌프 유입구와 유출구 사이에 직렬 또는 병렬 연결일 수 있다. 예시적인 실시예에서, EM 펌프는 각각 2개의 단을 포함하며, 2개의 단의 EM 버스 바(5k2)는 병렬 또는 직렬로 배선될 수 있고, EM 펌프는 각각 2단과 같은 복수의 단을 포함할 수 있는 EM 펌프 사이의 직렬 연결을 통해 별도의 전원 공급 장치 또는 동일한 전원 공급 장치에 의해 전원을 공급받을 수 있다. SunCell은 409k를 지원하며, 높이 조절이 가능하고 잠금 너트로 잠글 수 있는 턴버클을 포함할 수 있다. 베이스플레이트는 습식 밀봉에 의해 저장소에 밀봉될 수 있다. 실시예에서, 습식 씰은 용융 금속과 적어도 하나의 다른 금속의 합금을 포함한다. 합금은 용융 금속보다 높은 융점을 가질 수 있다. 합금은 원하는 습식 밀봉 영역에 적어도 하나의 다른 금속을 도포함으로써 형성될 수 있다. 대안적으로, 본 개시의 습식 밀봉은 석영, 탄소 또는 세라믹과 금속 또는 코팅된 금속 사이의 것과 같은 접착제 또는 아교 접합부에 의해 대체될 수 있으며, 여기서 코팅은 방염 페인트, Resbond, 907GF, 940HT, 940LE, 940HE, 940SS, 903 HP, 908 또는 904 지르코니아 접착제, ZrO2-ZrSiO4를 포함하는 Aremco Ultra-Temp 516과 같은 지르코늄 산화물 코팅 중 하나와 같은 본 개시의 코팅 중 하나를 포함할 수 있다. 예시적인 접착제는 Cotronics Resbond 907GF, 940HT, 940LE, 940HE, 940SS, 903 HP, 908 또는 904 지르코니아 접착제, ZrO2-ZrSiO4를 포함하는 Aremco Ultra-Temp 516과 같은 지르코늄 산화물 코팅, 및 RK454와 같은 Durabond이다. 베이스플레이트는 저장소가 융합된 영역을 포함하는 반응 셀 챔버(5b31)에 가스를 배출하거나 공급하기 위한 각각의 튜브가 있는 관통부를 더 포함할 수 있다. 저장소는 가스 주입 튜브(710) 및 저장소 진공 튜브(711) 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 튜브는 용융 금속 레벨 위로 연장될 수 있다. 가스 주입 라인(710) 및 진공 라인(711) 중 적어도 하나는 탄소 캡과 같은 캡 또는 측면 개구를 갖는 탄소 커버와 같은 커버를 포함하여 가스 흐름을 허용하면서 용융 금속이 튜브로 유입되는 것을 적어도 부분적으로 차단할 수 있다. 다른 실시예에서, 가스 주입 라인(710) 및 진공 라인(711) 중 적어도 하나는 반응 셀 챔버 개방 단부에서 U 형상을 포함할 수 있고 선택적으로 용융 금속이 유입되는 것을 방지하면서 가스 흐름을 허용하기 위해 개방부에서 프릿(frit) 또는 패킹을 포함할 수 있다. 다른 디자인에서, 융합된 저장소 부분은 수평으로 절단될 수 있고 수직 실린더가 절단 부분에 부착될 수 있다. 실린더는 석영판과 같은 밀봉 상부판을 추가로 포함할 수 있거나 MHD 변환기의 수렴 발산 노즐 또는 PV 창을 포함하는 캐비티에 결합될 수 있다. 대안적으로, 수직 원통형 PV 창은 직사각형 또는 다면체 캐비티와 같은 다른 기하학적 구조를 포함할 수 있다. 상부 플레이트는 진공 및 가스 공급 라인과 같은 라인을 위한 적어도 하나의 관통부를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 석영은 고온 및 고압에서의 작동으로 인한 석영의 외측 변형에 대한 지지를 제공하는 밀착 케이싱에 수용될 수 있다. 케이싱은 탄소, 세라믹 중 적어도 하나와 융점이 높고 변형에 강한 금속을 포함할 수 있다. 예시적인 케이싱은 스테인리스 강, C, W, Re, Ta, Mo, Nb, Ir, Ru, Hf, Tc, Rh, V, Cr, Zr, Pa, Pt, Th, Lu, Ti, Pd, Tm, Sc, Fe, Y, Er, Co, Ho, Ni 및 Dy 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 저장소(5c), 반응 셀 챔버(5b31), 수렴-발산 노즐 또는 MHD 노즐 섹션(307), MHD 확장 또는 생성 섹션(308), MHD 응축 섹션(309), MHD 전극 관통부, 전자기 펌프 버스 바(5k2), 및 저장소의 용융 금속에 점화 전원을 공급하는 저장소 베이스플레이트 또는 저장소 베이스플레이트에 대한 연결부를 관통하는 로드와 같은 점화 저장소 버스 바(5k2a1)는에 대한 SunCell 구성요소에 대한 적어도 하나의 밀봉은 습식 씰을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 저장소 플랜지(5k17)는 베이스플레이트(5kk1)과의 습식 밀봉을 포함하고, 여기서 플랜지의 외부 둘레는 수냉식 루프와 같은 냉각 루프(5k18)에 의해 냉각될 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, EM 펌프 튜브는 BN 라이너와 같은 라이너를 포함하고 전자기 펌프 버스 바(5k2) 및 점화 저장소 버스 바(5k2a1) 중 적어도 하나는 습식 밀봉을 포함한다. PV 창을 포함하는 것과 같은 실시예에서, EM 펌프 튜브(5k6)는 주석 또는 갈륨과 같은 용융 금속과의 합금 형성에 저항하는 탄탈륨과 같은 재료를 포함할 수 있다. EM 버스 바는 용접된 Ta 버스 바(5k2)와 같은 용접된 부품을 포함할 수 있다. Ta와 같은 EM 펌프 튜브(5k6)는 Swagelok과 같은 유니온에 의해 베이스플레이트(5kk1)에 연결되거나 확산 결합에 의해 형성된 것과 같은 용접에 의해 베이스플레이트(5kk1)에 접합될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 스테인리스강 베이스플레이트와 Ta EM 펌프 사이의 확산 결합은 Cu, Ni 또는 Fe를 포함하는 것과 같은 순수 금속 인서트를 포함할 수 있다. 확산 접합은 오븐, 레이저 또는 당업계에 공지된 다른 방법을 사용하여 수행될 수 있다. 접합 영역은 용융 금속과의 합금 형성을 방지하기 위해 코팅되거나 라이닝될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 용접된 Ta EM 버스 바를 포함하는 Ta EM 펌프 튜브는 코바아(Kovar) 튜브에 결합된 다음 저장소 베이스플레이트와 연결되는 스테인리스강 튜브에 결합된다. 연결은 PdNiAu 합금(AMS 4785 M.P. = 1135°C) 또는 Paloro 또는 https://www.morganbrazealloys.com/en-gb/products/brazing-alloys/precious-brazing-filler-metals/ 링크에 있는 것과 같은 유사한 브레이즈와 같은 브레이즈를 포함할 수 있다. 코팅 또는 라이너는 본 개시로부터의 것을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 코팅은 탄소 페이스트(예를 들어, Aramco Graphibond 551) 또는 VHT 방염 페인트를 포함할 수 있다.
도 8F-G에 도시된 실시예에서, 전기 브레이크 플랜지(914) 아래의 저장소(5c) 및 대응하는 전자기 펌프 조립체(5kk)를 포함하는 절연체 저장소 EM 펌프 조립체(914a) 및 전기 브레이크 플랜지(914) 아래의 저장소를 포함하는 저장소 EM 펌프 조립체(915a) 중 적어도 하나 저장소 플랜지(915) 및 대응하는 전자기 펌프 조립체(5kk)는 재료를 포함할 수 있거나, W, Ta, 또는 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속과의 합금 형성에 저항하는 탄소와 같은 재료로 도금 또는 클래딩될 수 있다. 예시적인 탄소 코팅은 Aremco Products Graphite Bond 551RN을 포함할 수 있다. 전기 브레이크 플랜지(914) 또는 저장소 플랜지(915) 중 적어도 하나의 씰은 구리 또는 은 도금 구리와 같은 Conflat 플랜지 개스킷, 흑연 개스킷, 습식 씰 및 본 개시의 다른 씰과 같은 개스킷을 포함할 수 있다.
추가 실시예에서, 각각의 EM 펌프 버스 바(5k2)는 450℃ 내지 2000℃와 같은 고온이 가능할 수 있는 것과 같은 전기 피드스루를 포함할 수 있다. 예시적인 EM 버스 바 피드스루는 MPF A0106-5-W(https://mpfpi.com/shop/power-feedthroughs/watercooled/12kv/a0106-5-w/)이다. 피드스루는 열 교환기를 사용하여 강제 공기, 물, 전도 및 대류 냉각 중 적어도 하나와 같이 냉각될 수 있다. 열적 손상으로부터 피드스루를 보호하기 위해, 피드스루는 EM 펌프 튜브(5k6)와 피드스루 본체에 브레이징된 세라믹 사이의 스탠드오프를 포함할 수 있으며, 세라믹은 피드스루의 중심에서 세라믹을 통과하는 전도체를 전기적으로 절연한다. EM 버스 바 피드스루 컨덕터는 금속 또는 W, Ta와 같은 코팅된 금속, 또는 TiN, CrN, WC, CrC와 같은 카바이드 또는 질화물 코팅된 SS와 같은 코팅된 스테인레스 스틸, 또는 크롬 코팅된 스테인레스 스틸 또는 탄소 코팅된 스테인레스 스틸을 포함할 수 있다 전도성이 있고 용융 금속과의 합금 형성에 저항하는 강철. 브레이즈는 600°C 초과와 같은 높은 융점을 가질 수 있다. 예시적인 브레이즈는 Cu(72)-Ag(28) 합금, 구리, ABA, 금 ABA, PdNiAu 합금(AMS 4785 M.P. = 1135°C) 또는 Paloro 또는 https://www .morganbrazealloys.com/en-gb/products/brazing-alloys/precious-brazing-filler-metals/ 링크에 있는 것과 같은 유사한 브레이즈이다.
실시예에서, 석영과 같은 세라믹 SunCell®은 금속 베이스플레이트(5kk1) (도 8B)에 장착되며, 여기서 습식 밀봉은 저장소(5c)로의 침투를 포함하여 저장소의 은과 같은 용융 금속이 응고된 용융 금속과 접촉할 수 있도록 하여 각 EM 펌프 조립체의 베이스플레이트(5kk1)에서 습식 밀봉을 형성한다. 각각의 베이스플레이트는 DC 또는 AC 전원과 같은 점화 전원의 단자에 연결되어 습식 밀봉이 점화 전원에 대한 버스 바 역할을 할 수도 있다. EM 펌프는 유도 AC 유형을 포함할 수 있다. 세라믹 SunCell®은 볼트로 함께 결합될 수 있는 플랜지 개스킷으로 밀봉된 EM 펌프, 저장소, 반응 셀 챔버 및 열광전지(TPV) 구성 요소와 같은 복수의 구성 요소를 포함할 수 있다. 개스킷은 탄소 또는 Thermiculite와 같은 세라믹을 포함할 수 있다.
레늄(MP 3185°C)은 갈륨 또는 주석, 갈린스탄, 은, 구리의 공격에 내성이 있고 산소와 물, 그리고 산소와 물을 포함하는 것과 같은 하이드리노 반응 혼합물에 의한 산화에도 내성이 있어서, 베이스 플레이트 5kk1, EM 펌프 튜브 5k6, EM 펌프 버스 바 5k2, EM 펌프 주입기 5k61, EM 펌프 노즐 5q, 유입구 라이저 5qa, 가스 라인(710), 및 진공 라인(711)과 같은 EM 펌프 조립체 5kk의 금속 구성 요소에 대한 코팅 역할을 할 수 있다. 구성요소는 전기도금, 진공 증착, 화학적 증착, 및 당업계에 공지된 다른 방법에 의해 레늄으로 코팅될 수 있다. 실시예에서, EM 펌프 버스 바(5k2) 또는 MHD 생성기 채널(308)의 MHD 전극을 위한 관통부와 같은 관통부의 버스 바 또는 전기적 연결은 관통부의 습식 밀봉에 의해 밀봉된 고체 레늄을 포함할 수 있다.
실시예(도 8A-B)에서, 금속을 용융하여 용융 금속을 형성하기 위한 히터는 석영을 포함하는 것과 같은 저장소(5c) 및 반응 셀 챔버(5b31) 주위의 Kanthal 와이어 히터와 같은 저항성 히터를 포함한다. EM 펌프(5kk)는 저장소(5c)로부터 EM 펌프 튜브(5k6)로 열을 전달하기 위한 열 전달 블록을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 히터는 EM 펌프 튜브(5k6)에 부착된 세라믹 열 전달 페이스트를 갖는 흑연 열 전달 블록이 내부의 금속을 용융시키기 위해 튜브에 열을 전달하는 반응 셀 챔버 및 저장소 주위에 감싸인 칸탈(Kanthal) 와이어 코일을 포함한다. 더 큰 직경의 EM 펌프 튜브는 EM 펌프 튜브에 열을 더 잘 전달하여 EM 펌프 튜브에서 용융을 일으키는 데 사용할 수 있다. 용융 금속을 함유하는 구성요소는 세라믹 섬유 또는 당업계에 공지된 다른 고온 단열재와 같은 단열재로 단열이 잘될 수 있다. 열 충격을 피하기 위해 구성 요소가 저속 가열될 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 저항성 히터와 같은 히터를 포함한다. 히터는 반응 셀 챔버, 저장소 및 EM 펌프 튜브 중 적어도 하나 위에 위치하는 가마 또는 노를 포함할 수 있다. EM 펌프 튜브가 가마 내부에 있는 실시예에서, EM 펌프 자석 및 습식 씰은 수냉식 시스템과 같은 냉각 시스템에 의해 선택적으로 단열되고 냉각될 수 있다. 실시예에서, 각각의 저장소는 세라믹 절연체와 같은 용융 금속의 베이스에서 베이스플레이트에 열 절연체를 포함할 수 있다. 절연체는 BN 또는 알루미나, 마그네시아, 실리카, 지르코니아 또는 하프니아를 포함하는 것과 같은 성형 가능한 세라믹을 포함할 수 있다. 용융 금속 베이스의 세라믹 절연체는 EM 펌프 유입구 및 주입기, 가스 및 진공 라인, 열전대, 용융 금속과 직접 접촉하는 점화 버스 바를 위한 관통부를 포함할 수 있다. 실시예에서, 단열재는 베이스플레이트 및 습식 밀봉 냉각에 대한 열 손실을 감소시킴으로써 용융 금속이 저장소의 베이스에서 용융되도록 한다. EM 펌프 유입구 관통부의 직경은 저장소의 용융 금속에서 EM 펌프 튜브의 열 전달을 증가시키기 위해 확대될 수 있다. EM 펌프 튜브는 유입구 관통부로부터 EM 펌프 튜브로 열을 전달하기 위한 열 전달 블록을 포함할 수 있다.
실시예에서, 베이스플레이트(5kk1)는 O2와 H2O 및 갈륨 또는 주석이나 은같은 용융 금속과의 합금 형성 중 적어도 하나에 내성이 있는 본 개시의 하나와 같은 라이너 또는 코팅으로 코팅이 될 수 있는 스테인리스 스틸, C, W, Re, Ta, Mo, Nb, Ir, Ru, Hf, Tc, Rh, V, Cr, Zr, Pa, Pt, Th, Lu, Ti, Pd, Tm, Sc, Fe, Y, Er, Co, Ho, Ni, 및 Dy와 같은 내화성 물질 또는 금속을 포함할 수 있다. 실시예에서, EM 펌프 튜브는 부식 또는 합금 형성을 방지하는 재료로 라이닝되거나 코팅될 수 있다. EM 버스 바는 부식 또는 합금 형성 중 적어도 하나에 내성이 있는 도체를 포함할 수 있다. 용융 금속이 갈륨 또는 주석인 예시적인 EM 펌프 버스 바는 Ta, W, Re 및 Ir이다. 용융 금속이 은인 예시적인 EM 펌프 버스 바는 W, Ta, Re, Ni, Co 및 Cr이다. 실시예에서, EM 버스 바는 갈륨 또는 주석 및 은 중 적어도 하나와 같은 용융 금속과의 합금 형성에 저항하는 전기 전도성 코팅으로 코팅될 수 있는 고융점을 갖는 금속 또는 탄소를 포함할 수 있다. 예시적인 코팅은 티타늄, 지르코늄 및 하프늄과 같은 탄화물 또는 이붕화물을 포함한다.
구리 또는 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속이 스테인리스강을 포함하는 것과 같은 베이스플레이트와 합금을 형성할 수 있는 실시예에서, 베이스플레이트는 라이너를 포함하거나 Ta, W, Re, 또는 BN, Mullite 또는 zirconia-titania-yttria와 같은 세라믹과 같은 합금을 형성하지 않는 재료로 코팅된다.
도 8A-B에 도시된 SunCell®의 실시예에서 용융 금속은 갈륨 또는 주석 또는 갈린스탄을 포함하고 베이스 플레이트(5kk1)의 밀봉은 Viton O 링 또는 탄소(Graphoil) 개스킷과 같은 개스킷을 포함하며 유입구 라이저 튜브의 직경 5qa는 저장소(5c) 내의 용융 금속의 레벨이 두 저장소로부터 주입된 용융 금속의 거의 일정한 흐름으로도 대략 유지되도록하여 충분히 크다. 갈륨과 갈린스탄의 더 높은 점도를 극복하기 위해 각 주입구 라이저 튜브의 직경은 은 용융 금속 실시예의 직경보다 더 크다. 유입구 라이저 튜브 직경은 약 3 mm 내지 2 cm 범위일 수 있다. 베이스 플레이트(5kk1)는 약 500°C 이하로 유지되는 스테인리스 스틸일 수 있거나 갈륨 또는 주석 합금 형성을 방지하기 위해 세라믹 코팅될 수 있다. 예시적인 베이스플레이트 코팅은 멀라이트(Mullite) 및 ZTY이다.
실시예에서, 관통부의 습식 밀봉은 용융 은이 부분적으로 연장되어 응고된 은 전극과 연속되도록 하는 니플을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, EM 펌프 버스 바(5k2)는 EM 펌프 전원 커넥터를 포함하는 응고 섹션과 접촉하기 위해 용융 은이 통과하는 대향 니플을 갖는 내부 세라믹 코팅된 EM 펌프 튜브(5k6), 및 적어도 하나의 습식 밀봉을 포함한다. 버스 바는 점화 전원 공급 장치의 하나의 리드에 대한 커넥터를 선택적으로 더 포함할 수 있다.
EM 펌프 튜브(5k6)는 W, Ta, Re, Ir, Mo, BN, 알루미나, 멀라이트, 실리카, 석영, 지르코니아, 하프니아, 티타니아, 또는 본 개시내용의 다른 것 중 적어도 하나와 같은 갈륨, 주석, 또는 은과의 합금 형성에 저항하는 재료, 라이너 또는 코팅을 포함할 수 있다. 실시예에서, 펌프 튜브, 라이너 또는 코팅은 탄소를 포함한다. 탄소는 경화되고 탈기되는 스프레이 또는 액체 코팅과 같은 현탁 수단에 의해 적용될 수 있다. 실시예에서, Ni와 같은 탄소 코팅된 금속은 고온에서 탄화물 형성에 내성이 있을 수 있다. 실시예에서, EM 펌프 튜브(5k6)는 펌프 튜브를 형성하기 위해 천공되는 BN과 같은 코팅 재료 또는 라이너로 채워진 금속 튜브를 포함할 수 있다. EM 펌프 튜브는 분할되거나 복수의 부품을 포함하는 조립체를 포함할 수 있다(도 7C). 부품들은 Ta 또는 갈륨 또는 주석과의 합금 형성에 내성이 있는 라이너 또는 코팅과 같은 재료를 포함할 수 있다. 실시예에서, 부품들은 개별적으로 코팅되고 조립될 수 있다. 조립체는 두 개의 대향 버스 바(5k2), 액체 금속 유입구, 액체 금속 유출구를 포함하는 하우징, 그리고 Swageloks와 같은 하우징을 밀봉하는 수단 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 실시예에서, EM 펌프 버스 바(5k2)는 갈륨 또는 주석과의 합금 형성에 저항하는 EM 펌프 튜브 내부의 갈륨 또는 주석과 접촉하는 전도성 부분을 포함할 수 있다. 전도성 부분은 Ta, W, Re, 또는 Mo와 같은 합금 저항성 재료, 또는 Ta, W, Re, Ir 또는 Mo를 포함하는 것과 같은 SS와 같은 다른 금속 상의 합금 저항성 클래딩 또는 코팅을 포함할 수 있다. 실시예에서, Ta 또는 W를 포함하는 것과 같은 외부 또는 EM 펌프 튜브는 산화로부터 외부를 보호하기 위해 본 개시내용의 클래딩 코팅으로 코팅되거나 클래딩될 수 있다. 예시적인 실시예에서, Ta EM 펌프 튜브는 Re, ZTY, 또는 멀라이트로 코팅되거나 스테인리스 스틸(SS)로 클래딩될 수 있으며, 여기서 Ta EM 펌프 튜브의 외부에 대한 클래딩은 J-B Weld 37901과 같은 용접 또는 극단온도 등급 SS 접착제를 사용하여 함께 접착된 SS 조각을 포함할 수 있다.
실시예에서, 라이너는 스테인레스 스틸과 같은 다른 금속을 포함하는 EM 펌프에 삽입될 수 있는 W, Ta, Re, Ir, Mo, 또는 Ta 튜브 라이너와 같은 갈륨 또는 주석과의 합금화에 내성이 있는 얇은 벽의 유연한 금속을 포함할 수 있다. 라이너는 미리 형성된 EM 펌프 튜브 또는 구부러진 직선 튜브에 삽입될 수 있다. EM 펌프 버스 바(5k2)는 형성된 EM 펌프 튜브에 라이너를 설치한 후 용접 등의 방법으로 부착할 수 있다. EM 펌프 튜브 라이너는 탄소 또는 세라믹 실런트와 같은 밀봉 재료 또는 압축 피팅에 의해 EM 펌프 버스 바(5k2)와 단단히 밀봉될 수 있다.
용융 금속 및 용융 금속으로부터 형성된 임의의 합금 중 적어도 하나가 가스를 방출하여 로렌츠 전류를 적어도 부분적으로 차단함으로써 EM 펌핑을 방해하는 가스 경계층을 생성할 수 있는 실시예에서, EM 펌프 튜브(5k6)는 자석(5k4)의 위치에서 수직으로 가스 경계층을 분쇄할 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 점화 회로에 대한 전력 공급원과 EM 펌프(5kk)에 대한 전력 공급원 사이의 임의의 간섭을 완화하거나 제거하는 수단을 포함하는 간섭 제거기를 포함한다. 이 간섭 제거기는 두 개의 상응하는 공급 장치 사이의 간섭을 방지하기 위해 하나 이상의 회로 요소 그리고 점화부의 상대 전압, 전류, 극성, 파형 및 듀티 사이클 및 EM 펌프 전류를 조절하는 하나 이상의 조절기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
SunCell®은 광전지(PV) 변환기와 광을 PV 변환기로 투과하는 창을 더욱 포함할 수 있다. 도 2-3에 나와있는 실시예에서, SunCell®은 수직 축을 따라 단면적이 테이퍼 형상을 띠며 테이퍼의 정점에 PV 창(5b4)이 있는 반응 셀 챔버(5b31)를 포함한다. 상응하는 테이퍼를 가지는 창은 원형(도2) 혹은 정사각형이나 직사각형(도3)과 같은 PV 어레이(26a)를 수용하는 임의의 바람직한 지오메트리를 포함할 수 있다. 이 테이퍼는 PV 창(5b4)의 금속화를 억제하며 광전지(PV) 변환기(26a)에 의한 효율적인 광-전기 변환을 허용할 수 있다. PV 변환기(26a)는 본 개시의 PV 셀과 같은 집광기 PV 셀의 밀집한 어레이의 수집기를 포함할 수 있으며, 마이크로 채널 플레이트를 포함하는 것과 같은 냉각 시스템을 더욱 포함할 수 있다. PV 창(5b4)은 금속화를 억제하는 코팅을 포함할 수 있다. PV 창은 PV 창 코팅의 열 분해를 방지하기 위해 냉각될 수 있다. SunCell®은 도 1에 나와 있는 것과 유사하게 반전 페데스탈(5c2)의 단부에 컵이나 드립 에지(5c1a)를 갖는 적어도 하나의 부분적인 반전 페데스탈(5c2)을 포함할 수 있으나, 각 페데스탈의 수직 층과 전극(10)이 수직이나 z-축에 대해 각도를 가지고 배향되는 것은 제외된다. 이 각도는 1° ~ 90°의 범위에 있을 수 있다. 실시예에서, 해당되는 경우 적어도 하나의 대향 주입기 전극(5k61)이 그 저장소(5c)로부터 용융 금속을 비스듬히 중력에 반해 양의 z-방향으로 주입한다. 주입 펌핑은 EM 펌프 조립체 슬라이드 테이블(409c) 상에 장착된 EM펌프 조립체(5kk)에 의해 제공될 수 있다. 예시적 실시예에서, 부분적인 반전 페데스탈(5c2) 및 대향 주입기 전극(5k61)이 도2에 나와 있는 바와 같이 수평 혹은 x-축에 대해 135°로 축에 정렬하거나, 도 3에 나와 있는 바와 같이 수평 또는 x-축에 대해 45°로 축에 정렬된다. 인서트 저장소 플랜지(409g)를 가진 인서트 저장소(409f )는 저장소 베이스플레이트(409a), 슬리브 저장소(409d) 및 슬리브 저장소 플랜지(409e)에 의해 셀 챔버(5b3)에 장착될 수 있다. 전극은 전극 관통부(10a1)를 통해 저장소 베이스플레이트(409a)를 관통할 수 있다. 주입기 전극의 노즐(5q)은 반응 셀 챔버(5b31) 및 저장소(5c)의 바닥에 포함되는 액체 갈륨 또는 주석과 같은 액체 금속에 침지될 수 있다. 가스는 반응 셀 챔버(5b31)에 공급될 수 있거나 챔버는 409h와 같은 가스 포트를 통해 비울 수 있다.
도 4에 나와 있는 대안적 실시예에서, SunCell®은 음의 수직 축을 따라 테이퍼진 단면적을 가진 반응 셀 챔버(5b31) 그리고 반응 셀 챔버(5b31)의 상부를 포함하는 테이퍼 도 2-3에 나와 있는 실시예의 반대쪽 테이퍼)의 더 큰 직경의 단부에 위치한 PV 창(5b4)을 포함한다. 실시예에서, SunCell®은 원통형 지오메트리를 포함하는 반응 셀 챔버(5b31)을 포함한다. 주입기 노즐과 페데스탈 카운터 전극은 원통의 대향 단부에서 수직 축 상에 또는 수직축에 경사진 선을 따라 정렬될 수 있다.
도 2 및 3에 도시된 실시예에서, 전극(10) 및 PV 패널(26a)은 용융 금속 주입기(5k6) 및 노즐(5q)이 카운터 전극(10)에 수직으로 용융 금속을 주입하고 플라즈마 측면에서 PV 패널(26a)로부터 광을 수용하도록 위치 및 배향을 교환할 수 있다.
SunCell은 창에 투명한 파장의 광원 역할을 하는 투명 창을 포함할 수 있다. SunCell은 흑체 광원의 역할을 할 수 있는 흑체 방사체(5b4c)를 포함할 수 있다. 실시예에서, SunCell®은 광원(예: 반응으로부터의 플라즈마)을 포함하는데, 창을 통해 방출된 하이드리노 플라즈마 광은 방, 실내, 거리, 상업용, 산업용 조명과 같은 원하는 조명 용도에서 또는 화학적 처리나 리소그래피와 같은 가열이나 가공을 위해 활용된다.
실시예에서 상부 전극은 양극을 포함한다. SunCell은 광학 창과 양극 뒤에 있는 광전지(PV) 패널을 포함할 수 있다. 양극은 태양광 패널의 열, 광, 조명 중 적어도 하나를 제공하는 흑체 방사체 역할을 할 수 있다. 후자의 경우 PV 패널의 조명은 입사광에서 전기를 생성한다. 실시예에서, 광학 창은 용융 금속이 내부 창에 부착되어 창을 불투명하게 하는 것을 방지하기 위해 진공 기밀 외부 창 및 내부 회전 창을 포함할 수 있다. 실시예에서, 양극은 PV 창을 통해 PV 패널로 광을 방출하는 흑체 방사체를 가열할 수 있다. 흑체 방사체는 복사뿐만 아니라 전도에 의해 양극으로부터 열을 받기 위해 양극에 연결될 수 있다. 흑체 방사선은 텅스텐(M.P. = 3422°C) 또는 탄탈륨(M.P. = 3020°C)과 같은 내화 금속과 같은 내화 금속, 또는 흑연(승화점 = 3642°C), 붕소화물, 탄화물, 질화물 및 알루미나, 지르코니아, 이트리아 안정화 지르코니아, 마그네시아, 하프니아 또는 이산화토륨(ThO2)와 같은 금속 산화물과 같은 산화물 군에서 하나 이상의 본 개시의 하나와 같은 세라믹; 하프늄 붕화물(HfB2), 지르코늄 이붕화물(ZrB2), 니오븀 붕화물(NbB2)과 같은 전이 금속 이붕화물; 하프늄 질화물(HfN), 지르코늄 질화물(ZrN), 티타늄 질화물(TiN)과 같은 금속 질화물, 및 탄화 텅스텐(WC), 티타늄 탄화물(TiC), 지르코늄 탄화물 또는 탄탈륨 탄화물(TaC)과 같은 탄화물 및 이들의 관련 복합물을 포함할 수 있다. 원하는 높은 융점을 갖는 예시적인 세라믹은 산화마그네슘(MgO)(M.P. = 2852°C), 산화지르코늄(ZrO)(M.P. = 2715°C), 질화붕소(BN)(M.P. = 2973°C), 이산화지르코늄(ZrO2) (M.P. = 2715°C), 하프늄 붕화물 (HfB2) (M.P. = 3380°C), 탄화 텅스텐 (WC) (M.P. = 2785°C-2830°C), 하프늄 카바이드 (HfC) (M.P. = 3900°C), Ta4HfC5 (M.P. = 4000°C5), TaX4 C), 하프늄 질화물(HfN)(M.P. = 3385°C), 지르코늄 디보라이드(ZrB2)(M.P. = 3246°C), 지르코늄 카바이드(ZrC)(M.P. = 3400°C), 지르코늄 질화물(ZrN =)(M. 2950°C), 티타늄 붕화물(TiB2)(M.P. = 3225°C), 티타늄 카바이드(TiC)(M.P. = 3100°C), 티타늄 질화물(TiN)(M.P. = 2950°C), 실리콘 카바이드(SiC)(M.P. = 2820°C), 탄탈륨 붕화물(TaB2)(M.P. = 3040°C), 탄탈륨 카바이드(TaC)(M.P. = 3800°C), 탄탈륨 질화물(TaN)(M.P. = 2700°C), 니오븀)(M.P. = 3490°C), 니오븀 질화물(NbN)(M.P. = 2573°C), 바나듐 카바이드(VC)(M.P. = 2810°C) 및 바나듐 질화물(VN)(M.P. = 2050°C)이다.
전극 이미터는 벽에 대한 전기적 단락을 방지하기 위해 반응 챔버 벽 또는 라이너의 직경보다 작은 직경을 가질 수 있다. 반응 셀 챔버 벽 또는 라이너는 광이 환형체 및 환형체의 개방 중심 중 적어도 하나를 통해 윈도우로 통과하는 동안 윈도우로부터 용융 금속을 차단하기 위해 전극 이미터 뒤에 석영 또는 세라믹 환형체와 같은 비전도성 환형체를 포함할 수 있다. 전자의 경우 환형체은 투명할 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 저장소 교차 연결 채널(414)을 갖는 유도 점화 시스템, 주입기 저장소에 있는 유도 EM 펌프, 전도 EM 펌프 혹은 기계적 펌프와 같은 펌프 그리고 카운터 전극의 역할을 하는 비주입기 저장소를 포함한다. 저장소의 교차 연결 채널(414)은 비주입기 저장소의 충전이 유지될 수 있도록 하는 제약된 흐름 수단을 포함할 수 있다. 실시예에서, 저장소의 교차 연결 채널(414)은 고형 은과 같은 고체 전도체 등 유동하지 않는 전도체를 포함할 수 있다.
실시예에서(도 5), SunCell®은 캐소드와 애노드 버스 바나 커넥터들 사이에 전류 커넥터 또는 저장소 점퍼 케이블(414a)을 포함한다. 셀 몸체(5b3)는 비도전체를 포함할 수 있으며, 셀 몸체(5b3)는 스테인레스 스틸과 같은 도전체를 포함할 수 있는데 유도 전류가 전극들 사이를 강제로 흐르도록 적어도 하나의 전극이 셀 몸체(5b3)로부터 전기적으로 절연된다. 전류 커넥터나 점퍼 케이블은 적어도 하나의 페데스탈 전극(8) 및 적어도 하나의 전기적 커넥터를 EM 펌프 그리고 EM 펌프의 저장소(5c)에 있는 금속과 접촉되는 버스 바에 연결시킬 수 있다. z-축에 대해 일정 각도로 경사지게 구비된 반전 페데스탈(5c2) 또는 페데스탈(5c2)과 같은 페데스탈을 포함하는 도 1-4에 나와 있는 것과 같은 SunCell®의 캐소드 및 애노드는 적어도 하나의 EM 펌프(5kk)에 의해 주입되는 용융 금속 스트림에 의해 폐쇄 전류 루프를 형성하는 애노드와 캐소드 사이에 전류 커넥터를 포함할 수 있다. 이 금속 스트림은 용융 금속 EM 펌프 주입기(5k61 및 5q) 또는 저장소(5c)의 금속 및 페데스탈의 전극 중 적어도 하나에 접촉하여 전기 도전성 루프를 폐쇄할 수 있다. SunCell®은 단일 루프 단락된 2차측의 역할을 하는 루프의 용융 금속에서 전류를 유도하는 폐쇄 전도성 루프에서 그 요크(402)를 갖는 점화 변압기(401)를 더 포함할 수 있다. 변압기(401, 402)는 폐쇄 전류 루프에서 점화 전류를 유도할 수 있다. 예시적 실시예에서, 1차측은 약 1 Hz ~ 100 kHz, 10 Hz ~ 10 kHz 및 60 Hz ~ 2000 Hz 중 적어도 하나의 주파수 범위에서 작동할 수 있으며, 입력 전압은 약 10 V ~ 10 MV, 50 V ~ 1 MV, 50 V ~ 100 kV, 50 V ~ 10 kV, 50 V ~ 1 kV 및 100 V ~ 480 V 중 적어도 하나의 범위에서 작동할 수 있으며, 입력 전류는 약 1 A ~ 1 MA, 10 A ~ 100 kA, 10 A ~ 10 kA, 10 A ~ 1 kA 및 30 A ~ 200 A중 적어도 하나의 범위에서 작동할 수 있으며, 점화 전압은 약 0.1 V ~ 100 kV, 1 V ~ 10 kV, 1 V ~ 1 kV 및 1 V ~ 50 V중 적어도 하나의 범위에 있을 수 있으며, 점화 전류는 약 10 A ~ 1 MA, 100 A ~ 100 kA, 100 A ~ 10 kA 및 100 A ~ 5 kA 중 적어도 하나의 범위에 있을 수 있다. 실시예에서, 플라즈마 가스는 영족 가스, 수소, 수증기, 이산화탄소, 질소, 산소 및 공기 중 적어도 하나와 같은 임의의 가스를 포함할 수 있다. 이 가스의 압력은 약 1 microTorr ~ 100기압, 1 milliTorr ~ 10기압, 100 milliTorr ~ 5 기압 및 1 Torr ~ 1 기압 중 적어도 하나의 범위에 있을 수 있다.
이 변압기는 1000 Hz AC 전원으로 전력이 공급되었다. 실시예에서, 그 점화 변압기는 단상 가변 주파수 드라이브(VFD)와 같은 가변 주파수 드라이브에 의해 전력을 공급할 수 있다. 실시예에서, VFD 입력 전력은 원하는 점화 전압 및 전류를 더 제공하는 출력 전압 및 전류를 제공하도록 맞춰지는데, 여기서 턴의 숫자와 와이어 게이지는 VFD의 상응하는 출력 전압 및 전류를 위해 선택된다. 유도 점화 전류는 약 10 A ~ 100 kA, 100 A ~ 10 kA 및 100 A ~ 5 kA 중 적어도 하나의 범위에 있을 수 있다. 유도 점화 전압은 0.5 V ~ 1 kV, 1 V ~ 100 V 및 1 V ~ 10 V 중 적어도 하나의 범위에 있을 수 있다. 주파수는 약 1 Hz ~ 100 kHz, 10 Hz ~ 10 kHz 및 10 Hz ~ 1 kHz 중 적어도 하나의 범위에 있을 수 있다. 예시적 VFD는 ATO 7.5 kW, 220 V ~ 240 V 출력 단상 500 Hz VFD이다.
다른 예시적 시험 실시예는 하나의 EM 펌프 주입기 전극과 페데스탈 전극 그리고 그 사이를 연결하는 점퍼 케이블(414a)를 갖춘 도 5에 나와 있는 SunCell®과 같은 Pyrex SunCell®을 포함한다. DC형 전자기 펌프를 포함하는 용융 금속 주입기에서 스트림, EM 펌프 저장소 그리고 단부마다 상응하는 전극 버스 바에 연결되며 60 Hz 변압기 1차측을 통해 통과하는 점퍼 케이블을 포함하는 전류 루프를 폐쇄하기 위해 페데스탈 카운터 전극에 연결된 갈린스탄 스트림이 펌핑되었다. 이 루프는 60 Hz 변압기 1차측에 대한 2차측의 역할을 했다. 2차측에서 유도된 전류는 저전력 소비로 대기에서 플라즈마를 유지했다. 유도 점화 시스템은 본 개시의 은, 갈륨 또는 주석계 용융 금속 SunCell® 발전기를 가능케 하는데, 여기서 본 개시에 따라 하이드리노 반응물들이 반응 셀 챔버에 공급된다. 구체적으로, (i) 점화 변압기의 1차측 루프는 60 Hz에서 작동했으며, (ii) 입력 전압은 300 V 피크, 그리고 (iii) 입력 전류는 29 A 피크였다. 최대 유도 플라즈마 점화 전류는 1.38 kA였다.
실시예에서, 전력 소스나 점화 전력 소스는 펄스형 또는 교류 전류(AC) 소스와 같은 시간 의존 전류 소스와 같은 비 직류(DC) 소스를 포함한다. 피크 전류는 10 A ~ 100 MA, 100 A ~ 10 MA, 100 A ~ 1 MA, 100 A ~ 100 kA, 100 A ~ 10 kA 및 100 A ~ 1 kA와 같은 적어도 하나의 범위에 있을 수 있다. 피크 전압은 0.5 V ~ 1 kV, 1 V ~ 100 V 및 1 V ~ 10 V의 적어도 하나의 범위에 있을 수 있다. 실시예에서, EM 펌프 전력 소스와 AC 점화 시스템은 비효과적인 EM 펌핑과 원하는 점화 파형의 왜곡 중 적어도 하나를 초래할 것이라는 추론을 피하기 위해 선택할 수 있다.
실시예에서, 점화 전류를 공급하는 전력 공급원이나 점화 전력 소스는 DC, AC 그리고 DC 및 AC 전기 중 적어도 하나에 의해 전력이 공급되는 것과 같은 AC, DC, 그리고 DC 및 AC 전원 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 스위칭 전원, 가변 주파수 드라이브(VFD), AC/AC 변환기, DC/DC 변환기, AC/DC 변환기, DC/AC 변환기, 정류기, 전파 정류기, 인버터, 광전지 어레이 발전기, 자기 유체 역학 발전기 그리고 랭킨이나 브레이톤 사이클 구동 발전기와 같은 기존의 발전기, 열이온 발전기 및 열전기 발전기 등이다. 점화 전력 소스는 트랜지션, IGBT, 인덕터, 변압기, 커패시터, 정류기, H-브리지 등의 브리지, 저항기, 연산 증폭기 또는 원하는 점화 전류를 생산하는 당업계에 알려진 다른 회로 소자나 전력 처리 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예시적 실시예에서, 점화 전력 소스는 약 50% 듀티 사이클 이상에서 양의 구형파 펄스를 공급하는 것과 같은 전파 정류된 고주파 소스를 포함할 수 있다. 그 주파수는 약 60 Hz ~ 100 kHz의 범위일 수 있다. 예시적 공급부는 약 10 kHz ~ 40 kHz 범위의 주파수에서 약 30-40 V 및 3000-5000 A를 제공한다. 실시예에서, 점화 전류를 공급하는 전력은 AC 변압기나 전원과 직렬 연결될 수 있는 1 V ~ 100 V 범위의 커패시터 뱅크와 같은 초기 오프셋 전압으로 충전된 커패시터 뱅크를 포함할 수 있으며, 그에 따른 전압은 AC 변조를 갖춘 DC 전압을 포함할 수 있다. DC 성분은 정상 방전 시간 상수에 의존하는 속도로 감쇠될 수 있으며, 그 방전 시간은 증가되거나 제거될 수 있는데, 점화 전력 소스는 커패시터 뱅크를 재충전시키는 DC 전원을 더 포함한다. DV 전압 성분은 플라즈마 개시를 보조할 수 있으며, 그 플라즈마는 그 이후 더 낮은 전압에서 유지될 수 있다. 커패시터 뱅크와 같은 점화 전원 공급 장치는 전극에 점화 전원을 연결 및 연결 해제하기 위해 서보모터 또는 솔레노이드에 의해 제어되는 것과 같은 빠른 스위치를 포함할 수 있다.
하이드리노 반응 속도는 전류에 따라 증가할 수 있다. 그러나 지속적인 전류 및 전력은 SunCell을 열적으로 손상시킬 수 있다. SunCell 점화 전원은 충전 전원, 복수의 슈퍼커패시터로 구성된 것과 같은 커패시터 뱅크, 전압 센서, 제어기 및 점화 스위치를 포함할 수 있다. 높은 하이드리노 반응 동역학을 달성하면서 열 손상을 방지하기 위해, 고전류가 간헐적으로 적용될 수 있다. 점화 전류의 이러한 간헐적인 인가는 DC 전원 공급 장치와 같은 전원 공급 장치로 커패시터 뱅크를 지속적으로 충전함으로써 달성될 수 있다. 점화 스위치의 활성화는 전압 센서에 응답하여 제어기에 의해 제어되는 제1 전압 설정점으로부터 제2 저전압 설정점으로 방전하도록 점화 스위치를 활성화함으로써 방전시킨 다음 커패시터 뱅크를 방전시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전압 설정점은 커패시터 방전 동안의 피크 점화 전류가 DC 전원에 의해 제공되는 충전 전류보다 크도록 선택될 수 있다.
실시예에서, 하이드리노 플라즈마와 점화 전류 중 적어도 하나는 아크 전류를 포함할 수 있다. 아크 전류는 전류가 높을수록 그 전압이 낮아지는 특성을 가질 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버 벽과 전극 중 적어도 하나가 하이드리노 플라즈마 전류 그리고 매우 높은 전류에서 매우 낮은 전압을 갖는 아크 전류를 포함하는 점화 전류 중 적어도 하나를 형성하고 지지하기 위해 선택된다. 그 전류 밀도는 약 1 A/cm2 ~ 100 MA/cm2, 10 A/cm2 ~ 10 MA/cm2, 100 A/cm2 ~ 10 MA/cm2 및 1 kA/cm2 ~ 1 MA/cm2 중 적어도 한 범위에 있을 수 있다.
실시예에서, 점화 시스템은 높은 개시 전력을 플라즈마에 인가한 다음 저항이 하락한 이후 점화 전력을 감소시킬 수 있다. 이 저항은 전극들이나 용융 금속 스트림 상에서 점화 회로에서 발생하는 임의의 산화물에 기인하는 전도도의 증가 및 플라즈마의 형성 중 적어도 하나로 인해 하락할 수 있다. 예시적 실시예에서, 점화 시스템은 고전력 DC의 AC 변조를 생산하는 AC와 직렬로 연결된 커패시터 뱅크를 포함하는데, DC 전압은 커패시터의 방전에 따라 감쇠하며 더 낮은 AC 또는 DC 전력만 남게 된다.
실시예에서, 펌핑된 용융 금속이 5c1a와 같은 포켓을 채워서 페데스탈 전극(8)과 접촉하는 용융 금속의 풀을 동적으로 형성하는 인서트 저장소(409f)에서 페데스탈 전극(8)이 오목할 수 있다. 페데스탈 전극(8)은 SunCell®의 작동 온도에서 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속과 합금을 형성하지 않는 도체를 포함할 수 있다. 예시적 페데스탈 전극(8)은 텅스텐, 탄탈, 스테인레스 스틸 또는 몰리브덴을 포함하며, Mo는 600°C의 작동 온도 미만에서 갈륨과 Mo3Ga와 같은 합금을 형성하지 않는다. 실시예에서, EM 펌프의 유입구는 갈륨 또는 주석의 진입을 허용하는 반면 합금 입자를 차단하는 스크린이나 메시와 같은 필터(5qa1)를 포함할 수 있다. 필터는 그 표면적을 증가시키기 위해 수직 및 수평 중 하나로 연장하여 유입구에 연결될 수 있다. 필터는 스테인레스 스틸(SS), 탄탈 또는 텅스텐과 같은 갈륨 또는 주석과의 합금 형성에 저항하는 물질을 포함할 수 있다. 예시적 유입구 필터는 유입구와 동일한 직경을 갖지만 수직으로 상승된 SS 원통을 포함한다. 필터는 일상 보수유지의 일환으로 주기적으로 청소할 수 있다.
실시예에서, 비주입기 전극은 냉각을 위해 용융 금속에 간혈적으로 침지할 수 있다. 실시예에서, SunCell®은 주입기 EM 펌프와 그 저장소(5c) 그리고 적어도 하나의 추가 EM 펌프를 포함하며, 추가 EM 펌프를 위한 다른 저장소를 포함할 수 있다. 이 추가 저장소를 사용하여, 추가의 EM 펌프는 (i) 비주입기 전극의 냉각을 위해 용융 금속을 반응 셀 챔버로 가역적으로 펌핑하여 간헐적으로 전극을 침지하거나 (ii) 비주입기 전극의 냉각을 위해 그 위로 용융 금속을 펌핑하거나 중 적어도 하나를 실행할 수 있다. SunCell® 냉각제의 냉각제 탱크, 냉각제를 비주입기 전극을 통해 순환시키는 냉각제 펌프 및 냉각제로부터 열을 방출하는 열 교환기를 포함할 수 있다. 실시예에서, 비주입기 전극은 비주입기 전극을 냉각시키기 위해 물, 용융 염, 용융 금속 또는 당업계에서 알려진 다른 냉각제와 같은 냉각제를 채널이나 캐뉼라에서 포함할 수 있다.
도1에 나와 있는 역 실시예에서, SunCell®은 비주입기 전극이 셀의 하부에 위치하고 주입기 전극이 반응 셀 챔버의 상부에 위치하여 용융 금속 주입이 음의 z-축을 따라 이루어지도록 180도만큼 회전시킨다. 비주입기 전극과 주입기 전극 중 적어도 하나가 상응하는 판에 장착되어 상응하는 플랜지 실에 의해 반응 셀 챔버에 연결될 수 있다. 이 실은 Ta, W 또는 본 개시의 것이나 당업계에서 알려진 것 중 하나와 같은 세라믹 등 갈륨 또는 주석과 합금을 형성하지 않는 물질을 포함하는 개스킷을 포함할 수 있다. 하부에 있는 반응 셀 챔버 섹션은 저장소의 역할을 할 수 있으며, 이전 저장소는 제거할 수 있고, EM 펌프는 하부의 베이스플레이트를 관통하여 EM 펌프 튜브에 연결한 다음 용융 금속 유동을 EM 펌프에 제공할 수 있는 새로운 하부 저장소에 구비된 유입구 라이저를 포함할 수 있으며, EM 펌프 튜브의 유출구 부분은 상부 판을 관통하여 반응 셀 챔버의 노즐 내부에 연결된다. EM 펌프는 작동 동안 하부 저장소로부터 용융 금속을 펌핑하여 반응 셀 챔버의 하부에 있는 비주입기 전극(8)으로 주입할 수 있다. 역 SunCell®은 주입기 전극에서 셀의 상부로 주입한 갈륨 또는 주석의 높은 흐름에 의해 냉각될 수 있다. 비주입기 전극(8)은 전극을 보다 잘 냉각하기 위해 갈륨 또는 주석을 모으는 오목한 캐비티를 포함할 수 있다. 실시예에서, 비주입기 전극은 양극의 역할을 할 수 있다; 하지만 반대 극성 또한 본 개시의 실시예이다.
실시예에서, 복사의 방출에 의해 전극(8)을 냉각시킬 수 있다. 열 전달의 증가를 위해, 복사 표면적을 증가시킬 수 있다. 실시예에서, 버스 바(10)는 평면 판과 같은 베인 방열기들이 부착된 방열기를 포함할 수 있다. 이 판은 버스 바(10)의 축을 따라 가장자리의 면을 체결하여 부착될 수 있다. 베인은 패들 휠 시스템을 포함할 수 있다. 베인은 점화 전류에 의한 저항 가열 및 하이드리노 반응에 의한 가열 중 적어도 하나에 의해 가열할 수 있는 버스 바(10)로부터 전도성 열 전달에 의해 가열될 수 있다. 베인과 같은 방열기는 Ta, Re나 W와 같은 내열 금속을 포함할 수 있다.
실시예에서, PV 창은 금속 산화물과 같은 산화물 입자를 차단하기 위해 PV 창 앞에 정전기 집진기(ESP)를 포함할 수 있다. ESP는 중심 와이어와 같은 중심 코로나 방전 전극, 및 와이어에서 코로나 방전과 같은 방전을 일으키는 고전압 전원을 갖는 튜브를 포함할 수 있다. 방전은 산화물 입자를 충전할 수 있으며, 이는 ESP 튜브의 벽에 끌리고 이동하여 적어도 하나의 수집 및 제거될 수 있다. ESP 튜브 벽은 반응 셀 챔버에서 PV 창과 집광기 PV 셀의 고밀도 수신기 어레이와 같은 PV 변환기로 광을 반사하도록 고도로 연마될 수 있다.
실시예에서, PV 창 시스템은 밀봉된 정지 창의 앞에 있는 투명한 회전 배플(둘 모두 z-축을 따라 전파하는 광에 대해 xy-평면에 있음) 그리고 z-축을 따라 전파하는 광에 대해 xy-평면에서 회전할 수 있는 창 중 적어도 하나를 포함한다. 예시적 실시예는 배플 및 창 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 투명한 뷰 스크린(https://en.wikipedia.org/wiki/Clear_view_screen)과 같은 스피닝 투명 디스크를 포함한다. 실시예에서, SunCell®은 음극, 카운터 전극, 및 방전 전원을 포함하는 코로나 방전 시스템을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 음극은 PV 배플 또는 회전하는 것에 근접해 있을 수 있는 핀, 바늘, 또는 와이어를 포함할 수 있다. 전지 본체는 카운터 전극을 포함할 수 있다. 코로나 방전은 PV 창 근처에 유지되어 금속 산화물 및 PV 배플 또는 창과 같은 발전 작동 중에 형성된 입자 중 적어도 하나를 음으로 충전하여 입자가 PV 배플 또는 창에 의해 거부되도록 할 수 있다.
플라즈마 생성 유지
실시예에서, SunCell®은 진공 라인에 대한 유입구, 진공 라인, 트랩 및 진공 펌프를 포함하는 진공 시스템을 포함한다. 진공 펌프는 루트 펌프, 스크롤, 또는 멀티 로브 펌프와 같은 펌핑 속도가 높은 것을 포함할 수 있으며 진공 펌프 이전에 직렬 연결되는 것과 같은 진공 펌프와 직렬이나 병렬 연결될 수 있는 수증기의 트랩을 더 포함할 수 있다. 실시예에서, 멀티 로브 펌프와 같은 진공 펌프, 또는 스테인리스강 펌핑 구성요소를 포함하는 스크롤 또는 루트 펌프는 갈륨 또는 주석 합금 형성에 의한 손상에 내성 수 있다. 이 워터 트랩은 고체 건조제와 같은 흡습 물질이나 크라이오 트랩을 포함할 수 있다. 실시예에서, 펌프는 크라이오 펌프, 크라이오 필터 또는 쿨러 중 적어도 하나를 포함하며, 가스가 펌프에 진입하기 전에 냉각 그리고 수증기와 같은 적어도 하나의 가스의 응축 중 적어도 하나를 실행할 수 있다. 펌핑 용량과 속도를 증가시키기 위해, 펌핑 시스템은 반응 셀 챔버에 연결된 복수의 진공 라인들 그리고 진공 라인들에 연결된 진공 매니폴드를 포함할 수 있는데, 이 매니폴드가 진공 펌프에 연결된다. 실시예에서, 진공 라인에 대한 유입구는 반응 셀 챔버의 용융 금속 입자가 진공 라인으로 진입하는 것을 중단시키는 실드를 포함한다. 예시적 실드는 유입구 위에 있으며 유입구의 표면으로부터 상승되어 반응 셀 챔버로부터 진공 라인으로의 가스 흐름에 대한 선택적 간격을 제공하는 금속 판이나 돔을 포함할 수 있다. 진공 시스템은 진공 라인 유입구에 대한 입자 흐름 제한기를 더 포함할 수 있으며, 가스 흐름을 허용하면서 입자 흐름을 차단하는 배플 조합체가 그 예이다.
진공 시스템은 초고진공 그리고 반응 셀 챔버의 작동 압력을 약 0.01 Torr ~ 500 Torr, 0.1 Torr ~ 50 Torr, 1 Torr ~ 10 Torr 및 1 Torr ~ 5 Torr 중에서 적어도 하나의 범위로 유지 중 적어도 하나를 실행할 수 있다. 압력은 (i) H2 첨가 그리고 미량 HOH 촉매가 미량의 물로 또는 H2와 반응하는 O2로 공급되어 HOH 형성 그리고 (ii) H2O 첨가 중 적어도 하나의 경우 낮게 유지될 수 있다. 아르곤과 같은 영족 가스 또한 반응 혼합물에 공급되는 경우, 압력이 약 100 Torr ~ 100 기압, 500 Torr ~ 10 기압 및 1 기압 ~ 10 기압과 같은 적어도 하나의 작동 압력 범위에 유지될 수 있는데, 아르곤은 다른 반응 셀 챔버 가스에 비해 과잉일 수 있다. 아르곤 압력은 HOH 촉매와 원자 H 중 적어도 하나의 수명을 증가시킬 수 있으며 전극에서 형성된 플라즈마가 급속히 확장되는 것을 방지하여 플라즈마 강도가 증가될 수 있다.
실시예에서, 반응 셀 챔버는 반응 셀 챔버 내의 압력 변화에 대응하여 용적을 변경시킴으로써 반응 셀 챔버 압력을 희망하는 범위로 제어하는 수단을 포함한다. 이 수단은 압력 센서, 기계적 팽창가능 섹션, 팽창가능 섹션의 팽창 및 수축을 위한 액추에이터 그리고 팽창가능 섹션의 팽창 및 수축에 의해 생성되는 차동 용적을 제거하는 제어기를 포함할 수 있다. 팽창가능 섹션은 벨로즈를 포함할 수 있다. 액추에이터는 기계식, 공압식, 전자기식, 압전식, 유압식 및 당업계에 알려진 다른 액추에이터를 포함할 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 (i) 가스 유입구 및 유출구를 갖춘 가스 재순환 시스템, (ii) 아르곤과 같은 영족 가스, O2, H2, H2O, 공기, GaX3(X = 할라이드)나 NxOy (x, y = 정수)와 같은 반응 혼합물의 휘발성 종들 그리고 하이드리노 가스 중 적어도 두 개의 혼합물에서 적어도 두 개의 가스를 분리할 수 있는 것과 같은 가스 분리 시스템, (iii) 적어도 하나의 영족 가스, O2, H2 및 H2O 분압의 센서들, (iv) 흐름 제어기, (v) 물을 주입하는 것과 같은 미세 주입기 등의 적어도 하나의 주입기, (vi) 적어도 하나의 밸브, (vii) 펌프, (viii) 배기 가스 압력 및 흐름 제어기 그리고 (ix) 영족 가스, 아르곤, O2, H2, H2O 및 하이드리노 가스 중 적어도 하나의 압력을 유지하는 컴퓨터를 포함할 수 있다. 재순환 시스템은 분자 하이드리노 가스와 같은 적어도 하나의 가스를 재순환된 가스로부터 제거되도록 하는 반투과성 막을 포함할 수 있다. 실시예에서, 영족 가스와 같은 적어도 하나의 가스가 선택적으로 재순환될 수 있는 반면 반응 융합물의 적어도 하나의 가스가 유출구를 흘러나가 배기로 배출될 수 있다. 영족 가스는 하이드리노 반응 속도 증가 및 반응 셀 챔버의 적어도 하나의 종을 배출시키는 속도의 증가 중 하나를 실행할 수 있다. 영족 가스는 희망하는 압력을 유지하기 위해 과잉 수분의 배출 속도를 증가시킬 수 있다. 영족 가스는 하이드리노가 배출되는 속도를 증가시킬 수 있다. 실시예에서, 아르곤과 같은 영족 가스는 주위 대기로부터 쉽게 얻을 수 있는 것 그리고 주위 대기로 쉽게 배출할 수 있는 것 중 적어도 하나인 영족 가스와 유사한 가스에 의해 대체될 수 있다. 이 유사 영족 가스는 반응 혼합물과 낮은 반응성을 가질 수 있다. 이 유사 영족 가스는 반응 혼합물과 낮은 반응성을 가질 수 있다. 이 유사 영족 가스는 재순환 시스템에 의해 재순환하는 대신 대기로부터 획득한 다음 배출될 수 있다. 유사 영족 가스는 대기로부터 쉽게 얻을 수 있으며 대기로 쉽게 배출할 수 있는 가스로부터 형성될 수 있다. 영족 가스는 반응 셀 챔버로 흐르기 전에 산소로부터 분리될 수 있는 질소를 포함할 수 있다. 대안적으로, 공기가 영족 가스의 소스로 사용될 수 있는데 산소는 소스의 탄소와 반응하여 이산화탄소를 형성할 수 있다. 질소와 이산화탄소 중 적어도 하나가 유사 영족 가스의 역할을 할 수 있다. 대안적으로, 산소는 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속과의 작용으로 제거될 수 있다. 그에 따른 갈륨 또는 주석 산화물은 수용성 수산화 나트륨과 갈륨 산화물과의 반응에 의해 갈산 나트륨을 형성하고 갈산 나트륨을 갈륨 금속과 배출되는 산소로 전기분해하는 것과 같은 갈륨 또는 주석 재생 시스템에서 재생할 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 반응물들인 H2, O2 및 H2O 중 적어도 하나의 첨가로 주로 작동할 수 있는데, 반응 셀 챔버의 분위기는 반응물들 그리고 아르곤과 같은 영족 가스를 포함한다. 이 영족 가스는 10 Torr ~ 100기압의 범위에서 상승된 압력으로 유지할 수 있다. 그 분위기는 재순환 시스템에 의해 연속적으로 및 주기적으로 또는 간헐적으로 중 적어도 하나에 의해 배출되거나 재순환될 수 있다. 이러한 배출은 과잉 산소를 제거할 수 있다. 반응물 O2 및 H2의 첨가에서, O2가 부수적 종으로서 반응 셀 챔버에 과잉 H2와 함께 주입됨에 따라 필수적으로 HOH 촉매를 형성할 수 있다. 토치에 의해 H2 및 O2를 주입할 수 있으며 이는 즉시 반응하여 HOH 촉매와 과잉H2 반응물을 형성한다. 실시예에서, 과잉 산소는 수소 환원, 전기분해 환원, 열 분해 그리고 Ga2O의 휘발성에 기인하는 기화 및 승화 중 적어도 하나에 의해 갈륨 또는 주석 산화물로부터 적어도 부분적으로 방출될 수 있다. 실시예에서, 산소 인벤토리의 적어도 하나가 제어될 수 있으며 산소 인벤토리는 수소 존재 하의 반응 셀 챔버 안으로 산소를 간헐적으로 흘려 HOH 촉매 형성이 적어도 부분적으로 허용될 수 있다. 실시예에서, 산소 인벤토리는 첨가된 H2와의 반응에 의해 H2O로 재순환될 수 있다. 다른 실시예에서, 과잉 산소 인벤토리는 본 개시의 스키머 및 전기분해 시스템 중 적어도 하나와 같은 본 개시의 수단에 의해 Ga2O3로 제거되어 재순환될 수 있다. 과잉 산소의 소스는 O2 첨가 및 H2O첨가 중 적어도 하나일 수 있다.
실시예에서, 반응 셀 챔버 내의 가스 압력은 펌핑 속도 및 재순환 속도 중 적어도 하나를 제어하여 적어도 부분적으로 제어할 수 있다. 이러한 속도 중 적어도 하나는 압력 센서 및 제어기에 의해 제어되는 밸브에 의해 제어할 수 있다. 가스 흐름을 제어하는 예시적 밸브에는 대상 압력의 상한 및 하한에 대응하여 열고 닫히는 솔레노이드 밸브 그리고 희망하는 가스 압력 범위를 유지하기 위해 압력 센서 및 제어기에 의해 제어되는 버터플라이 및 스로틀 밸브 등의 가변 유량 제한 밸브가 있다.
실시예에서, SunCell®은 반응 셀 챔버(5b31)로부터 분자 하이드리노 가스를 배출하거나 제거하는 수단을 포함한다. 실시예에서, 반응 셀 라이너 및 반응 셀 챔버의 벽 중 적어도 하나는 H2(1/4)와 같은 분자 하이드리노에 대한 높은 투과율을 갖는다. 투과율을 증가시키기 위해 벽 두께를 최소화하고 벽 작동 온도를 최대화할 수 있다. 실시예에서, 저장소(5c) 벽 및 반응 셀 챔버(5b31) 벽 중 적어도 하나의 두께는 0.05 mm 내지 5 mm 두께의 범위일 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버 벽은 반응 셀 챔버(5b31)로부터 분자 하이드리노 생성물의 확산 또는 투과 속도를 증가시키기 위해 다른 영역에 비해 적어도 하나의 영역에서 더 얇다. 실시예에서, 도 7A-C, 7F-H의 슬리브 저장소 플랜지(409e) 바로 아래에 있는 것과 같은 반응 셀 챔버 벽의 상부 측벽 섹션은 얇아진다. 슬리브 저장소 플랜지(409e)로의 열 전도를 감소시키기 위해 얇게 하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 다른 벽 영역에 대한 박형화 정도는 5% 내지 90%의 범위일 수 있다(예, 박막화된 영역은 전극(8)에 인접하고 전극 아래에 있는 반응 챔버의 하부 측벽 섹션과 같은 박막화되지 않은 섹션의 단면 폭의 5% 내지 90%인 단면 폭을 갖는다.)
SunCell®은 고분자 하이드리노 투과율을 제공하기 위해 300°C에서 1000°C 범위와 같은 원하는 온도에서 반응 셀 챔버 벽을 제어 가능하게 유지하기 위해 온도 센서, 온도 제어기, 워터 제트와 같은 열교환기를 포함할 수 있다.
벽 및 라이너 재료 중 적어도 하나를 투과율을 증가시키기 위해 선택할 수 있다. 집중된 광전지 셀의 조밀한 수신기 어레이와 같은 에너지 수집 메커니즘과 흑체 방출을 일치시키기 위해 특정 작동 온도를 유지하기 위해 다양한 라이너 및 라이너 두께가 선택될 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버(5b31)는 갈륨 또는 주석과 접촉하는 하나 이상의 물질 및 라이너, 코팅, 또는 본 개시의 클래딩과 같은 라이너, 코팅 또는 클래딩에 의해 갈륨 또는 주석으로부터 분리된 하나 이상의 복수 물질을 포함할 수 있다. 분리되거나 보호된 물질 중 적어도 하나는 갈륨 또는 주석 접촉으로부터 분리되거나 보호되지 않는 물질에 비해 분자 하이드리노에 대한 투과성이 증가된 것을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 반응 셀 챔버 재료는 4130 합금 SS 또는 Cr-Mo SS, 니켈, Ti, 니오븀, 바나듐, 철, W, Re, Ta, Mo와 같은 347 SS와 같은 스테인리스강 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 니오븀 및 Nb(94.33wt%)-Mo(4.86wt%)-Zr(0.81wt%). SiC와 같은 결정질 재료는 결정질 재료가 예시적인 라이너가 되도록 사이알론 또는 석영과 같은 비정질 재료보다 하이드리노에 더 투과성일 수 있다.
하이드리노에 대한 투과성이 높은 것과 같은 다른 반응 셀 챔버 벽은 347 또는 304 SS를 포함하는 투과성이 낮은 다른 금속을 포함하는 SunCell®(도 7B)의 반응 셀 챔버 벽을 대체할 수 있다. 벽 섹션은 관형일 수 있다. 대체 섹션은 접합된 재료의 팽창률과 일치시키기 위해 서로 다른 열팽창 계수의 금속을 사용하는 것과 같은 당업계에 공지된 방법에 의해 SunCell®의 균형에 용접, 연납 또는 브레이징될 수 있다. 실시예에서, Ta, W, Nb 또는 Mo와 같은 내화 금속을 포함하는 교체 섹션은 Resbond 또는 Durabond 954와 같은 Coltronics에 의한 것과 같은 접착제에 의해 스테인리스강과 같은 다른 금속에 접합될 수 있다. 실시예에서, 상이한 금속들 사이의 결합은 접합된 금속들 사이의 세라믹 적층과 같은 적층 재료를 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 금속은 적층의 한 면에 접합된다. 세라믹은 BN, 석영, 알루미나, 하프니아, 또는 지르코니아와 같은 본 개시내용 중 하나를 포함할 수 있다. 예시적인 조합으로 Ta/Durabond 954/BN/Durabond 954/SS가 있다. 실시예에서, 플랜지(409e) 및 베이스플레이트(409a)는 개스킷으로 밀봉되거나 용접될 수 있다.
실시예에서, 탄소 라이너를 포함하는 반응 셀 챔버는 높은 열 전달 능력, 큰 직경, 및 냉각 시스템을 갖는 벽 중 적어도 하나를 포함하며, 여기서 열 전달 능력, 큰 직경 및 냉각 시스템은 물 또는 수소와 같은 하이드리노 반응 혼합물의 하나 이상의 성분과 반응하는 온도 미만으로 탄소 라이너의 온도를 유지하기에 충분하다. 예시적인 열 전달 능력은 약 10 W/cm2내지 10 kW/cm2 벽 면적; 예시적인 직경은 약 2 cm 내지 100 cm 범위일 수 있으며, 예시적인 냉각 시스템은 외부 수조이다. 예시적인 원하는 라이너 온도는 약 700-750℃ 미만일 수 있다. 반응 셀 챔버 벽은 분자 하이드리노에 대해 더 높은 투과성을 가질 수 있다. 라이너는 원하는 온도를 유지하기 위해 라이너에서 냉각 시스템으로의 열 전달을 개선하기 위해 벽과 접촉할 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 라이너와 적어도 하나의 반응 셀 챔버 벽 사이의 갭 및 진공 펌프를 포함하며, 여기서 갭은 분자 하이드리노를 제거하기 위해 진공 펌프에 의해 배기되는 챔버를 포함한다. 라이너는 다공성일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 라이너는 투과율을 증가시키기 위해 다공성 BN, SiC 코팅된 탄소, 또는 석영과 같은 다공성 세라믹을 포함한다. 실시예에서, SunCell®은 절연체를 포함할 수 있다. 단열재는 하이드리노에 대해 고도로 투과성일 수 있다. 다른 실시예에서, SunCell®은 적어도 하나의 반응 셀 챔버 내부 및 외부에 철 나노입자와 같은 분자 하이드리노 게터를 포함하며, 여기서 게터는 분자 하이드리노를 결합하여 반응 셀 챔버로부터 제거한다. 실시예에서, 분자 하이드리노 가스는 반응 셀 챔버 밖으로 펌핑될 수 있다. H2O 및 수소를 포함하는 것 또는 본 개시내용의 다른 것과 같은 반응 혼합물 가스는 배기에 의해 분자 하이드리노 가스를 제거하는 것을 보조하기 위해 희 가스와 같은 플러싱 가스를 포함할 수 있다. 플러싱 가스는 대기로 배출되거나 본 개시에 기재된 재순환기에 의해 순환될 수 있다.
실시예에서, 라이너는 니오븀과 같은 수소 해리제를 포함할 수 있다. 라이너는 반응 셀 챔버의 가장 뜨거운 구역에서 갈륨 또는 주석 합금 형성에 저항하는 재료와 같은 복수의 재료와 갈륨 또는 주석 합금 형성 온도 미만의 온도에서 작동하는 적어도 하나의 구역에서 수소 해리제와 같은 다른 재료를 포함할 수 있다.
전기 집진기(ESP)는 반응 셀 챔버의 가스 스트림으로부터 적어도 하나의 희망하는 종을 집진하여 반응 셀 챔버로 복귀시키는 수단을 더 포함할 수 있다. 이 집진기는 오거, 컨베이어 벨트, 공압, 전기기계와 같은 운반 수단 또는 집진기에 수집된 입자를 반응 셀 챔버로 다시 운반하는 본 개시의 또는 당업계에 알려진 다른 수단을 포함할 수 있다. 집진기는 희망하는 입자를 중력 흐름에 의해 반응 셀 챔버로 복귀시키는 리플럭서를 포함하는 진공 라인의 일부에 장착할 수 있는데, 입자가 집진된 다음 진공 라인에서의 흐름과 같은 중력에 의해 반응 셀 챔버로 다시 흐를 수 있다. 이 진공 라인은 희망하는 입자가 중력 복귀 흐름을 거치도록 허용하는 적어도 한 부분에 수직으로 배향시킬 수 있다.
실시예에서, 전기 집진기(ESP) 시스템은 입자가 ESP에 의해 제거될 수 있도록 갈륨 또는 주석 또는 주석 입자와 같은 용융 금속 입자 상에 산화물 코팅을 형성하기 위해 ESP 및 공기와 같은 미량 산소 공급원을 포함한다. 공급원은 ESP 시스템 중 적어도 하나에 산소를 공급할 수 있는 유동 조절기 및 반응 셀 챔버를 배기시키는 진공 펌프에 대한 진공 라인을 포함할 수 있다. 공급원은 반응 셀 챔버의 배기를 개선하기 위한 퍼지 가스로도 작용할 수 있는 공기를 포함할 수 있다.
실시예에서, 반응 챔버 및 진공 펌프에 대한 진공 라인과 같은 반응 셀 챔버와 직접 접촉하는 적어도 하나의 구성요소는 음인 상부 전극에 대해 양의 전기 극성에 있다. 진공 라인은 금속 및 금속 산화물 입자를 포착하기 위한 필터 또는 트랩을 포함할 수 있다. 필터는 ESP의 양극 역할을 할 수 있다. 필터는 수소, 산소 또는 증기와 같은 반응 가스 또는 필터로부터 수집된 입자를 제거하기 위해 아르곤과 같은 불활성 가스를 적어도 간헐적으로 역류시키는 가스 제트를 더 포함할 수 있다. 반응 가스는 가스 제트를 통해 흐르기 전에 본 개시의 방전 셀(900)을 통해 흐를 수 있다. 예시적인 실시예에서, 필터는 반응 셀 챔버 내로 돌출하는 진공 라인에 대한 유입구에서 W 또는 Ta 메쉬를 포함한다. 필터는 가스 제트를 더 포함할 수 있다. 텅스텐 또는 탄탈 메쉬 필터는 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속에 의한 습윤을 피하고 합금 형성을 피할 수 있다. 필터 메쉬 크기는 입자가 통과하지 않거나 대부분의 입자가 메쉬를 통과하지 못하지만 가스는 통과하도록 선택할 수 있다. 진공 라인은 금속 산화물 입자가 정전기 침전 효과에 의해 달라붙도록 양성 반응 셀 챔버에 전기적으로 연결될 수 있다. 입자는 반응 셀 챔버로 다시 떨어질 수 있다. 필터는 H2 또는 아르곤 가스 제트 스트림으로 주기적으로 또는 연속적으로 백플러싱되어 입자를 메쉬에서 벗어나 반응 셀 챔버로 밀어 넣을 수 있다.
실시예에서, SunCell은 도 9K에 도시된 정전 침전 (ESP) 시스템을 포함할 수 있다. ESP 시스템은 양으로 분극된 양의 진공 라인 섹션(944)을 전기적으로 절연하기 위해 반응 셀 챔버(5b31)에 가까운 진공 라인(711)에 2개의 분리된 전기 브레이크(945)를 포함할 수 있다. 양극 섹션은 진공 라인에 양극 리드를 포함할 수 있고, 반응 셀 챔버(5b31)와 같은 SunCell의 구성요소는 음극 리드를 포함할 수 있다. 리드는 양극 섹션이 양으로 바이어스되고 SunCell 구성 요소가 음으로 바이어스되거나 접지되도록 고전압 전원 공급 장치에 연결될 수 있다. 양극 섹션에 인가되는 전압은 약 10 V 내지 10 MV, 50 V 내지 1 MV 및 100 V 내지 100 kV 중 적어도 하나의 범위일 수 있고, 대응하는 양극 섹션 직경은 약 0.1 mm 내지 1 mm, 1 mm 내지 10 cm 및 1 mm 내지 5 cm 중 적어도 하나의 범위일 수 있다. 튜브는 진공 펌핑을 위한 단면적이 전기 브레이크(945)의 것과 같은 진공 라인의 연결된 섹션의 단면적과 유사하게 유지되도록 평탄화될 수 있다. 대응하는 전기장은 약 1000 V/m 내지 108 V/m의 범위일 수 있고, 여기서 튜브의 가스 압력은 약 0.1 milliTorr 내지 10 atm 범위일 수 있다. 반응 셀 챔버의 플라즈마는 갈륨 또는 주석 산화물 입자와 같은 산화물 입자를 음으로 대전할 수 있으며, 진공 라인을 통해 흐르는 이러한 입자는 분리된 양으로 분극된 진공 라인 섹션의 양으로 변경된 벽에 정전기적으로 끌어당겨질 수 있다. 양극 섹션에 대한 진공 라인은 전기 절연체를 포함하거나 양극 진공 라인 섹션에 들어가기 전에 하전 입자가 전하를 잃는 것을 방지하기 위해 전기 절연체로 라이닝되는 것 중 적어도 하나일 수 있다. ESP에 축적된 입자는 중력에 의해 반응 셀 챔버로 다시 떨어지거나 수소 또는 아르곤 가스 제트와 같은 가스 제트에 의해 뒤로 밀려날 수 있다.
예시적 시험 실시예에서, 반응 셀 챔버가 약 1 ~ 2기압의 압력 범위와 4 ml/분의 H2O 주입으로 유지되었다. DC 전압은 약 30 V 그리고 DC 전류는 약 1.5 kA였다. 반응 셀 챔버는 도 1에 나와 있는 것과 같은 6인치 직경의 스테인레스 스틸 구였으며 3.6 kg의 용융 갈륨을 포함했다. 전극들은 DC EM 펌프의 1인치가 침지된 SS 노즐을 포함했으며 카운터 전극은 직경 4 cm, 두께 1 cm의 W 디스크 그리고 BN 페데스탈에 의해 덮인 직경 1 cm의 리드를 포함했다. EM 펌프 속도는 약 30-40 ml/s였다. 갈륨은 침지된 노즐로 양극화되었고, W 페데스탈 전극은 음극화되었다. 갈륨은 EM 펌프 주입기에 의해 잘 혼합되었다. SunCell® 출력 전력은 약 85 kW였으며, 이는 갈륨 및 SS 반응기의 질량, 비열 그리고 온도 상승의 합을 사용하여 측정했다.
다른 시험 실시예에서, H2 및 O2 가스 유입구 및 반응 셀 챔버와 연결된 외부 챔버에 유지된 10%Pt/Al2O3 비드 약 2g을 통해 2500 sccm의 H2 및 25 sccm의 O2가 흘렀다. 추가적으로, 활성 진공 펌핑을 인가하면서 50 Torr의 챔버 압력을 유지하는 속도로 아르곤을 반응 셀 챔버로 흘렸다. DC 전압은 약 20 V 그리고 DC 전류는 약 1.25 kA였다. SunCell® 출력 전력은 120 kW였으며, 이는 갈륨 및 SS 반응기의 질량, 비열 그리고 온도 상승의 합을 사용하여 측정했다.
실시예에서, 기압 미만, 기압 및 기압 초과 중 적어도 하나에서 작동할 수 있는 영족 가스 재순환 시스템 등의 재순환 시스템이나 재순환기는, (i) 진공 펌프, 압축기 및 반응 셀 챔버로부터 적어도 하나의 가스를 순환시키는 송풍기 중 적어도 하나와 같은 가스 이동기, (ii) 재순환 가스 라인들, (iii) 하이드리노 및 산소와 같은 배기 가스를 제거하는 분리 시스템 그리고 (iv) 반응물 공급 시스템을 포함할 수 있다. 실시예에서, 가스 이동기는 반응 셀 챔버로부터 가스의 펌핑, 배기 가스의 제거를 위한 분리 시스템을 통해 가스의 밀어내기 및 재생된 가스의 반응 셀 챔버로의 복귀를 실행할 수 있다. 이 가스 이동기는 펌프, 압축기 및 동일한 단위의 송풍기 중 적어도 두 개를 포함할 수 있다. 실시예에서, 펌프, 압축기, 송풍기 또는 이들의 조합은 가스 이동기 진입 전 가스들의 냉각 그리고 수증기와 같은 적어도 한 가스의 응축 중 적어도 하나를 실행하는 크라이오 펌프, 크라이오 필터 또는 쿨러 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 재순환 가스 라인은 진공 펌프에서 가스 이동기로의 라인, 가스 이동기에서 배기 가스를 제거하는 분리 시스템으로의 라인, 그리고 배기 가스를 제거하는 분리 시스템으로부터 반응물 공급 시스템과 연결될 수 있는 반응 셀 챔버로의 라인을 포함할 수 있다. 예시적 반응물 공급 시스템은 아르곤과 같은 영족 가스, 산소, 수소 및 물 중 적어도 하나에 대한 적어도 하나의 반응 혼합물 가스 보충용 라인을 갖춘 반응 셀 챔버에 대한 라인과 적어도 하나의 조합체를 포함한다. 반응물 O2 및 H2의 첨가는 O2가 부수적 종으로 과잉 H2와 함께 반응 셀 챔버 안으로 주입되면서 HOH 촉매를 필수적으로 형성하도록 이루어질 수 있다. 토치에 의해 H2 및 O2를 주입할 수 있으며 이는 즉시 반응하여 HOH 촉매와 과잉H2 반응물을 형성한다. 반응물 공급 시스템은 반응 혼합물 가스 공급 라인에 연결된 가스 매니폴드 그리고 반응 셀 챔버에 연결된 유출 라인을 포함할 수 있다.
배기 가스를 제거하는 분리 시스템은 크라이오 필터나 크라이오 트랩을 포함할 수 있다. 재순환 가스로부터 하이드리노 생성물 가스를 분리하는 분리 시스템은 재순환 가스로부터 반투과성 막에 걸쳐 확산에 의해 하이드리노를 대기로 또는 배기 챔버나 스트림으로 선택적으로 배출하는 막을 포함할 수 있다. 재순환기의 분리 시스템은 재순환 가스로부터 산소를 제거하는 산소 세척 시스템을 포함할 수 있다. 이 세척기 시스템은 용기 그리고 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속 또는 철 등의 금속과 같은 산소와 반응하는 용기 내 게터나 흡습제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 대안적으로, 활성탄이나 당업계에서 알려진 다른 산소 흡습기와 흡습제가 산소를 흡수할 수 있다. 활성탄 흡습제는 상업용으로 제공되는 것과 같은 가스 투과성 카트리지에 밀봉할 수 있는 활성탄 필터를 포함할 수 있다. 이 카트리지는 제거할 수 있다. 청소 시스템의 산소 흡습제는 당업계에서 알려진 방법에 의해 주기적으로 교체 또는 재생할 수 있다. 재순환 시스템의 스크러버 재생 시스템은 하나 이상의 흡습제 히터 그리고 하나 이상의 진공 펌프 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예시적 실시예에서, 활성탄 흡습제는 히터에 의해 가열 그리고 배출되거나 수집되는 산소를 방출하는 진공 펌프에 의한 진공의 인가 중 적어도 하나에 해당하며, 그에 따라 재생되는 활성탄은 재사용된다. SunCell®로부터의 열은 흡습제의 재생에 사용될 수 있다. 실시예에서, SunCell®은 적어도 하나의 열 교환기, 냉각제 펌프 그리고 활성탄과 같은 흡습제의 재생을 위한 스크러버 히터의 역할을 하는 냉각제 흐름 루프를 포함한다. 이 스크러버는 효과적인 청소를 위해 그리고 가스 흐름의 저항을 상당히 증가시키지 않기 위해 큰 부피와 면적을 포함할 수 있다. 그 흐름은 재순환 라인에 연결된 가스 이동기에 의해 유지된다. 활성탄은 아르곤과 같은 영족 가스를 포함하는 혼합물과 같은 재순환 가스로부터 청소해야 하는 종들을 효과적으로 흡수하기 위해 냉각시킬 수 있다. 활성탄과 같은 산소 흡습제는 하이드리노 가스도 세척하거나 흡수할 수 있다. 분리 시스템은 복수의 스크러버 시스템들을 포함할 수 있는데, 이는 각각 (i) 가스 실의 유지할 수 있는 챔버, (ii) 산소와 같은 배기 가스를 제거하는 흡습제, (iii) 재순환 가스로부터 챔버를 격리시킬 수 있으며 챔버로부터 재순환 가스를 격리시킬 수 있는 유입구 및 유출구 밸브, (iv) 재순환 라인으로부터 챔버의 연결 및 차단을 실행하는 제어기에 의해 제어되는 로봇 장치와 같은 수단, (v) 히터 및 진공 펌프와 같은 흡습제를 재생하는 수단에 있어서, 히터와 진공 펌프가 재생 동안 적어도 하나의 다른 스크러버 시스템의 재생에 있어서 공용될 수 있는 수단, (vi) 제(n +1) 스크러버 시스템이 활성 스크러버 시스템의 역할을 하는 동안 제n 스크러버 시스템의 차단, 제(n +1) 스크러버 시스템의 연결 및 제n 스크러버 시스템의 재생을 제어하는 제어기에 있어서, 복수의 스크러버 시스템의 적어도 하나가 재생되는 동안 적어도 다른 하나가 희망하는 가스들을 활성적으로 세척하거나 흡수하는 제어기를 포함한다. 스크러버 시스템은 주기적으로 제어되는 배출이나 가스 복구가 진행되는 동안 폐쇄 배출 조건하에서의 SunCell®의 작동을 허가할 수 있다. 예시적 실시예에서, 산소와 수소는 활성 탄소와 같은 흡습제를 상응하는 가스가 대략 별도로 방출되는 다른 온도로 가열함으로써 별도로 수집될 수 있다.
영족 가스, 수소 및 산소의 반응 셀 챔버의 가드 혼합물을 포함하며 반응 셀 챔버에서 영족 가스의 분압이 소스의 그것을 초과하는 실시예에서, 아르곤과 같은 영족 가스의 반응물 농도 희석 효과에 기인하는 HOH 촉매를 형성하는 수소(H2) 및 산소(O2) 사이의 반응 속도의 감소를 보상하기 위해 산소 분압을 증가시킬 수 있다. 실시예에서, HOH 촉매는 아르곤과 같은 영족 가스와의 결합보다 앞서 형성될 수 있다. 수소와 산소는 재결합기 촉매, 플라즈마 소스 또는 필라멘트 등의 고온 표면과 같은 재결합기나 연소기에 의해 반응하도록 야기시킬 수 있다. 이 재결합기 촉매는 알루미나, 지르코니아, 하프니아, 실리카 또는 제올라이트 분말이나 비드 상의 Pt, Pd 또는 Ir과 같은 세라믹 지지체 상의 귀금속, 본 개시의 또 다른 저지된 재결합기 촉매 또는 Raney Ni, Ni, 니오븀, 티탄과 같은 해리기 또는 본 개시의 또 다른 해리기 금속 또는 분말, 매트, 직물 또는 천과 같은 높은 표면적을 제공하는 형태의 당업계에서 알려진 것을 포함할 수 있다. 예시적 재결합기는 Al2O3 비드 상 10 wt% Pt를 포함한다. 플라즈마 소스는 글로 방전, 마이크로파 플라즈마, 플라즈마 토치, 유도 또는 용량 결합 RF 방전, 유전 장벽 방전, 압전 직접 방전, 음향 방전 또는 본 개시나 당업계에서 알려진 다른 방전 셀을 포함할 수 있다. 핫 필라멘트는 텅스텐 필라멘트, Pt 필라멘트 상의 Pt 또는 Pd 블랙 또는 당업계에서 알려진 다른 촉매 필라멘트를 포함할 수 있다.
물, 수소, 산소, 공기 및 영족 가스의 적어도 하나와 같은 반응 혼합물 종들의 유입구 흐름은 연속적 또는 간헐적일 수 있다. 유입구 유량 그리고 배출이나 진공 유량은 희망하는 압력 범위를 성취하기 위해 제어할 수 있다. 유입구 흐름은 간헐적일 수 있는데 그 흐름을 희망하는 범위의 최대 압력에서 중단시키고 희망하는 범위의 최소 압력에서 시작할 수 있다. 반응 혼합물 가스가 아르곤과 같은 고압의 영족 가스를 포함하는 경우, 그 반응 셀 챔버를 진공 처리하여 반응 혼합물로 충전시킨 다음 대략 정적 배출 흐름하에서 작동할 수 있는데 물, 수소 및 산소의 적어도 하나와 같은 반응물의 유입구 흐름은 연속적 혹은 간헐적 흐름 조건하에서 유지하여 희망하는 범위의 압력이 유지된다. 추가적으로 영족 가스는 경제적으로 실용적인 유량 그리고 상응하는 배출 펌핑 속도에서 흐르게 할 수 있거나, 영족 가스는 재순환 시스템이나 재순환기에 의해 재생하거나 세척한 다음 재순환할 수 있다. 실시예에서, 반응 혼합물 가스는 임펠러 또는 가스 제트에 의해 전지 내로 강제되어 반응 셀 압력을 원하는 범위로 유지하면서 전지를 통한 반응물 유량을 증가시킬 수 있다.
실시예에서, 반응 셀 챔버의 반응 혼합물은 반응물들의 주입 속도의 제어 그리고 반응 혼합물의 과잉 반응물들 및 생성물들이 반응 셀 챔버(5b31)로부터 배출되는 속도의 제어 중 적어도 하나의 수단에 의해 반응 셀 챔버 압력을 제어함으로써 제어된다. 실시예에서, SunCell®은 압력 센서, 진공 펌프, 진공 라인, 밸브 제어기 및 솔레노이드 밸브와 같은 압력 활성화 밸브 또는 센서에 의해 측정된 압력을 처리하는 제어기에 대응하여 반응 셀 챔버에서 진공 펌프로의 진공 라인을 개방 및 폐쇄하는 스로틀 밸브와 같은 밸브를 포함한다. 이 밸브는 반응 셀 챔버 가스의 압력을 제어할 수 있다. 이 밸브는 셀 압력이 제1 고압 설정점에 도달할 때까지 계속 닫혀있을 수 있으며, 다음에 이 밸브는 압력이 진공 펌프에 의해 밸브의 활성화를 야기하여 폐쇄시킬 수 있는 제2 저압 설정점으로 떨어질 때까지 활성화되어 열려있을 수 있다. 실시예에서, 제어기는 반응 셀 챔버 압력, 반응물 주입 속도, 전압, 전류 및 용융 금속 주입 속도 중 적어도 하나를 제어하여 무펄스나 대략 정적 또는 연속 플라즈마를 유지할 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 센서, 적어도 하나의 반응물 또는 H2O, H2, O2, 공기 및 아르곤과 같은 영족 가스의 소스와 같은 반응 혼합물의 종의 소스, 반응물 라인, 밸브 제어기 및 솔레노이드 벨트와 같은 압력 작동 밸브 또는 센서에 의해 측정된 압력을 처리하는 제어기에 반응하여 반응 혼합물의 적어도 하나의 반응물이나 종의 소스로부터의 반응물 라인 및 반응 셀 챔버를 개방하고 폐쇄하는 스로틀 밸브와 같은 밸브를 포함한다. 이 밸브는 반응 셀 챔버 가스의 압력을 제어할 수 있다. 이 밸브는 셀 입력이 제1 고압 설정점에 도달할 때까지 계속 열려있을 수 있으며, 다음 이 밸브는 진공 펌프에 의해 밸브 개방의 활성화를 야기할 수 있는 제2 저압 설정점까지 압력이 떨어질 때까지 활성화되어 폐쇄될 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 마이크로펌프와 같은 주입기를 포함할 수 있다. 이 마이크로펌프는 기계적 또는 비기계적 기기를 포함할 수 있다. 예시적인 기계적 기기는 액추에이션 및 마이크로밸브 막 그리고 트랩을 포함할 수 있는 이동하는 부품들을 포함한다. 마이크로펌프의 구동력은 압전, 정전기, 열공압, 공압 및 자기 효과의 군 중 적어도 한 효과를 활용하여 생성되어야 한다. 비기계적 펌프는 전기 수력학적, 전기 삼투식, 전기화학적, 초음파, 모세관, 화학적 및 당업계에서 알려진 다른 흐름 생성 장치 중 적어도 하나로써 기능할 수 있다. 마이크로펌프는 압전식, 전기 삼투식, 격막, 연동식, 주사기 및 무밸브 마이크로펌프 그리고 모세관 및 화학적으로 전력이 공급되는 펌프 및 당업계에서 알려진 다른 마이크로펌프 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 마이크로펌프와 같은 주입기는 물과 같은 반응물을 연속적으로 공급할 수 있거나, 또는 펄스식 방식에서와 같이 간헐적으로 반응물들을 공급할 수 있다. 실시예에서, 물 주입기는 마이크로펌프와 같은 적어도 하나의 펌프, 적어도 하나의 밸브 그리고 물 저장소를 포함하며, 또한 쿨러나 물 저장소를 제거하는 연장 도관 그리고 사전 주입된 물의 과다 가열이나 비등을 피하기 위해 반응 셀 챔버와 충분한 거리가 떨어진 밸브를 더 포함할 수 있다.
SunCell®은 주입 제어기 그리고 압력, 온도, 플라즈마 전도도 또는 기타 반응 가스나 플라즈마의 매개변수를 기록하는 것과 같은 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 주입 순서는 희망하는 전력을 전달하고 과출력에 기인하는 SunCell®에 대한 손상을 피하기 위해 센서의 입력을 사용하는 적어도 하나의 제어기에 의해 제어할 수 있다. 실시예에서, SunCell®은 반응 셀 챔버 내에서 여러 영역으로 주입하기 위해 물 주입기와 같은 주입기를 다수 포함하는데, 이 주입기들은 제어기에 의해 작동되고 SunCell®에 대한 손상을 피하기 위해 플라즈마 핫 스팟의 위치를 제때에 교대한다. 주입은 간헐적, 주기적, 연속적일 수 있으며, 또한 희망하는 전력, 게인 및 성능 최적화를 성취하는 임의의 다른 주입 패턴을 포함할 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 수소 가스와 같은 수소의 소스 및 산소 가스와 같은 산소의 소스를 포함한다. 수소 및 산소 소스 중 적어도 하나의 소스는 적어도 하나 이상의 가스 탱크, 흐름 조절기, 압력 게이지, 밸브 및 반응 셀 챔버로의 가스 라인들을 포함한다. 실시예에서, HOH 촉매는 수소 및 산소의 연소로부터 생성된다. 수소 및 산소 가스가 반응 셀 챔버 안으로 흐를 수 있다. 수소 및 산소 중 적어도 하나와 같은 반응물의 유입구 흐름은 연속적이거나 간헐적일 수 있다. 수소 및 산소 중 적어도 하나와 같은 반응물의 유입구 흐름은 연속적이거나 간헐적일 수 있다. 유량 및 배출이나 진공 유량을 제어하여 희망하는 입력을 성취할 수 있다. 유입구 흐름은 간헐적일 수 있는데, 그 흐름을 희망하는 범위의 최대 압력에서 중단시킬 수 있고 희망하는 범위의 최소치에서 시작할 수 있다. H2 압력 및 유량 그리고 O2 압력 및 유량 중 적어도 하나를 제어하여 HOH 및 H2 농도나 분압 중 적어도 하나를 희망하는 범위에 유지함으로써 하이드리노 반응의 전력을 제어 및 최적화할 수 있다. 실시예에서, 수소 인벤토리 및 흐름 중 적어도 하나가 산소 인벤토리 및 흐름보다 상당히 더 클 수 있다. H2 대 O2의 분압 비율 및 H2 대 O2의 유량 비율 중 적어도 하나의 비율이 약 1.1 ~ 10,000, 1.5 ~ 1000, 1.5 ~ 500, 1.5 ~ 100, 2 ~ 50 및 2 ~ 10 중 적어도 하나의 범위일 수 있다. 실시예에서, 총 압력은 신생 HOH 및 원자 H의 높은 농도를 지원하는 범위에 유지할 수 있으며, 약 1 mTorr ~ 500 Torr, 10 mTorr ~ 100 Torr, 100 mTorr ~ 50 Torr 및 1 Torr ~ 100 Torr 중 적어도 한 압력 범위이다. 실시예에서, 저장소 및 반응 셀 챔버 중 적어도 하나를 옥시수산화 갈륨 또는 주석 및 수산화 갈륨 또는 주석의 적어도 하나의 분해 온도보다 큰 작동 온도에서 유지할 수 있다. 작동 온도는 약 200°C 내지 2000°C, 200 °C ~ 1000 °C 및 200°C 내지 700°C 중 적어도 한 범위에 있을 수 있다 옥시수산화 갈륨 또는 주석 및 수산화 갈륨 또는 주석의 형성이 억제되는 경우, 물 인벤토리는 가스 상태에서 제어될 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 반응 셀 챔버 안으로 흐르는 수소 및 산소와 같은 적어도 두 가지 가스를 포함하는 가스 혼합기를 포함하는데, 그 혼합물은 반응 셀 챔버로 진입하면서 HOH를 형성한다. 혼합기는 각 가스나 사전 혼합된 가스와 같은 가스 혼합물의 것과 같은 적어도 하나의 질량 유량 제어기를 더 포함할 수 있다. 사전 혼합된 가스는 수소 및 산소를 포함하는 혼합물과 같이 각 가스를 희망하는 몰 비율로 포함할 수 있다. H2-O2 혼합물의 H2 몰 퍼센트는 O2 몰 퍼센트의 약 1.5 ~ 1000배의 몰 비율 범위와 같이 상당한 과잉일 수 있다. 질량 유량 제어기는 수소와 산소의 흐름 및 차후의 HOH 촉매를 형성하는 연소를 제어하여 그에 따른 반응 셀 챔버로의 가스 흐름이 과잉 수소와 HOH 촉매를 포함할 수 있다. 예시적 실시예에서, H2 몰 퍼센트는 HOH 몰 퍼센트의 약 1.5 ~ 1000배의 범위에 있다. 혼합기는 수소-산소 토치를 포함할 수 있다. 토치는 상업용 수소-산소 토치와 같은 당업계에서 알려진 설계를 포함할 수 있다. 예시적 실시예에서, O2와H2는 토치 주입기에 의해 혼합되어 O2가 H2 스트림 내에서 HOH를 형성하도록 반응하여 갈륨, 주석, 또는 셀 구성요소와 같은 용융 금속과 산소가반응하는 것을 방지한다. 대안적으로, 몰 비율로 10배 과잉인 수소를 포함하는 H2-O2 혼합물이, 토치에 공급하는 두 개의 제어기 대신 단일 흐름 제어기에 의해 반응 셀 챔버로 흐른다.
O2와 과량의 H2의 반응은 복수의 수소 결합된 물 분자를 포함하는 벌크 물 및 증기와 비교하여 초기 생성물로서 약 100% 초기 물을 형성할 수 있다. 실시예에서, 수소의 존재 하에 주석은 주석이 주석 산화물을 형성함으로써 HOH 촉매를 소비하기 위해 낮은 반응성을 가질 수 있도록 300℃ 초과의 온도에서 유지된다. 갈륨은 갈륨 산화물을 형성함으로써 HOH 촉매를 소비하는 낮은 반응성을 가질 수 있도록 100℃ 미만으로 유지될 수 있다. 예시적인 실시예에서, SunCell®은 99% H2/1% O2 초과와 같은 미량의 O2 흐름을 갖는 높은 흐름율의 H2 조건 하에서 작동되며, 여기서 반응 셀 챔버 압력은 약 1 내지 30 Torr의 압력 범위와 같이 낮게 유지될 수 있고, 유량은 원하는 전력을 생성하도록 제어될 수 있으며, 여기서 H2(1/4)를 형성함으로써 이론적인 최대 전력은 약 1 kW/30 sccm일 수 있다. 생성된 금속 산화물(예: 갈륨 또는 주석 산화물)은 현장 수소 플라즈마 및 전해 환원에 의해 환원될 수 있다. 진공 시스템이 초고진공을 달성할 수 있는 75 kW의 최대 초과 전력을 생성할 수 있는 예시적인 실시예에서, 작동 조건은 토치 주입기를 통해 약 10-20 sccm 산소로 공급되는 미량의 HOH 촉매와 함께 약 1-5 Torr와 같은 낮은 작동 압력 및 약 2000 sccm과 같은 높은 H2유량을 포함한다.
실시예에서, SunCell® 구성요소나 반응 셀 챔버 벽, 반응 셀 챔버 상부, 저장소의 내부 벽 및 EM 펌프 튜브의 내부 벽 중 적어도 하나와 같은 금속과 접촉하는 구성요소의 표면은 갈륨 또는 주석과 쉽게 합금을 형성하지 않는 코팅으로 도포할 수 있으며, 멀라이트, BN 또는 본 개시의 또 다른 것과 같은 세라믹 또는 W, Ta, Re, Nb, Zr, Mo, TZM 또는 본 개시의 또 다른 것과 같은 금속 등이 있다. 다른 실시예에서, 탄소, BN, 알루미나, 지르코니아, 석영 또는 본 개시의 또 다른 것 또는 W, Ta, Re, 또는 본 개시의 또 다른 것과 같은 금속 갈륨 또는 주석과 쉽게 합금을 형성하지 않은 물질을 그 표면의 클래딩으로 사용할 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버, 저장소 및 EM 펌프 튜브 중 적어도 하나는Nb, Zr, W, Ta, Re, Mo 또는 TZM을 포함할 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버, 저장소 및 EM 펌프 튜브와 같은 SunCell® 구성요소나 구성요소의 부분들은, 접촉하는 갈륨 또는 주석의 온도가 약 400°C, 500°C, 600°C, 700°C, 800°C, 900°C 및 1000°C를 초과하는 극한의 하나와 같은 온도를 초과하는 때를 제외하고는 합금을 형성하는 물질을 포함할 수 있다. SunCell®은 구성요소들의 부분이 갈륨 또는 주석 합금의 형성이 발생하는 온도에 도달하지 않는 온도에서 작동할 수 있다. SunCell® 작동 온도는 열 교환기나 물 배스와 같은 냉각 수단에 의한 냉각으로 제어할 수 있다. 이 물 배스는 물 매니폴드를 벗어나는 제트와 같은 충돌 물 제트를 포함할 수 있는데, 반응 챔버에 입사하는 다수의 제트 중 적어도 하나의 제트의 유량을 제어기에 의해 제어하여 반응 챔버를 희망하는 작동 온도 범위 이내로 유지한다. 적어도 하나의 표면을 냉각시키는 물 제트를 포함하는 것과 같은 실시예에서, SunCell®의 적어도 하나의 구성요소에서 외부 표면을 탄소와 같은 절연재로 싸서 상승된 내부 온도를 유지하면서 작동 냉각을 허용할 수 있다. SunCell®이 물과 같은 냉각제 내의 현탁액 중 적어도 하나와 같은 수단에 의해 냉각되거나 충돌하는 냉각제 제트를 받는 실시예에서, EM 펌프 튜브는 하이드리노 반응 속도 저하를 피하기 위해 플라즈마 내로 차가운 액체 금속의 주입을 방지하기 위해 단열된다. 예시적인 단열 실시예에서, EM 펌프 튜브(5k6)는 매우 우수한 단열재인 시멘트 유형 재료로 주조될 수 있다(예, 시멘트 유형 재료는 1 W/mK 미만 또는 0.5 W/mK 또는 0.1 W/mK 미만의 열 전도율이 있을 수 있다). SunCell® 작동 동안 달성되는 극한 온도 초과에서 갈륨 또는 주석 합금을 형성하는 표면은 갈륨 또는 주석과 쉽게 합금을 형성하지 않는 물질로써 선택적으로 도포하거나 덮을 수 있다. 갈륨 또는 주석과 접촉하며 스테인레스 스틸과 같은 구성요소의 물질에 대한 합금 온도를 초과하는 SunCell® 구성요소의 부분들은 갈륨 또는 주석과 합금을 쉽게 형성하지 않는 물질로 덮을 수 있다. 예시적 실시예에서, 반응 셀 챔버의 벽을 W, Ta, Re, Mo, TZM, 니오븀, 바나듐 또는 지르코늄 판 또는 석영 같은 세라믹으로 덮을 수 있으며, 반응 셀 챔버의 온도가 가장 높은 전극의 근처 영역에서는 특별히 덮을 수 있다. 이 클래딩은 반응 셀 챔버 라이너(5b31a)를 포함할 수 있다. 라이너는 갈륨 또는 주석은 라이너 뒤에서 스며드는 것을 방지하기 위해 라이너와 반응 셀 챔버의 벽 사이에 위치하는 개스킷이나 세라믹 페이스트 같은 다른 갈륨 또는 주석 비침습성 물질을 포함할 수 있다. 라이너는 용접, 볼트 또는 당업계에서 알려진 다른 패스너나 접착제 중 적어도 하나에 의해 벽에 부착시킬 수 있다.
실시예에서, 10 및 5k2 중 적어도 하나와 같은 버스 바 그리고 상응하는 점화 및 EM 펌프 전원 중 적어도 하나에 대한 버스 바로부터의 전기적 리드는 응용을 위해 반응 셀 챔버(5b31)로부터 열을 제거하는 수단의 역할을 할 수 있다. SunCell®은 적어도 하나의 버스 바 및 상응하는 리드로부터 열을 제거하는 열 교환기를 포함할 수 있다. MHD 변환기를 포함하는 SunCell® 실시예에서, 버스 바와 그 리드에서 소실되는 열은, 버스 바로부터 EM 펌프에 의해 MHD 변환기에서 반응 셀 챔버로 복귀되는 용융 은으로 열을 전달하는 열 교환기에 의해 반응 셀 챔버로 복귀될 수 있다.
실시예에서, 입방체 반응 셀 챔버의 4개의 수직 측면과 같은 반응 셀 챔버의 측벽 또는 원통형 셀의 벽은 W, Ta 또는 Re와 같은 내화 금속으로 코팅되거나 클래딩될 수 있거나 커버될 수 있다. W, Ta 또는 Re 라이너와 같은 내화 금속에 의해. 금속은 갈륨 또는 주석과의 합금 형성에 내성이 있을 수 있다. 반응 셀 챔버의 상부는 전기 절연체로 피복되거나 코팅될 수 있거나 세라믹과 같은 전기 절연 라이너를 포함할 수 있다. 예시적인 클래딩, 코팅 및 라이너 재료는 BN, 고릴라 유리(예, 코닝으로부터 입수가능한 시트 유리: https://en.wikipedia.org/wiki/Gorilla_Glass-aluminosilicate), 석영, 티타니아, 알루미나, 이트리아, 하프니아, 지르코니아, 탄화규소, 열분해 흑연과 같은 흑연, 탄화규소 코팅된 흑연, 또는 TiO2-Yr2O3-Al2O3와 같은 혼합물 중 적어도 하나이다. 상단 라이너는 받침대(5c1)를 위한 관통부를 가질 수 있다(도 1). 상부 라이너는 상부 전극(8)이 반응 셀 챔버의 상부로 전기적으로 단락되는 것을 방지할 수 있다. 실시예에서, 상부 플랜지(409a)(도 7A-C)는 본 개시 내용 중 하나와 같은 라이너 또는 Mullite, ZTY, Resbond 또는 본 개시 내용의 다른 것과 같은 세라믹 코팅 또는 VHT 방염TM와 같은 페인트와 같은 코팅을 포함할 수 있다. 도 7F-H에 도시된 실시예에서, SunCell은 구리, 은도금 구리 또는 탄탈륨 개스킷과 같은 개스킷 또는 Conflat 플랜지와 같은 정합 플랜지(409e)에 대한 O-링으로 밀봉된 상부 플랜지 베이스플레이트(409a)를 포함한다. 플랜지는 방염 페인트, 알루미나, CrC, TiN, Ta 또는 용융 금속과의 합금 형성을 방지하는 본 개시의 다른 재료와같은 코팅으로 코팅될 수 있다. 개스킷 또는 Ta와 같은 O-링은 합금 형성 저항성이 있을 수 있다. 상부 플랜지 베이스플레이트(409a)는 상부 라이너를 더 포함할 수 있다. 상부 라이너는 열 손상으로 인한 파손으로부터 상부 플랜지를 보호하기 위해 상부 플랜지에 Macor, 석영 또는 방염 도장된 탄소 퍽과 같은 단열 퍽을 포함할 수 있다. 퍽은 열 손상을 방지하기 위해 두께가 0.1cm 내지 10 cm 범위와 같이 충분히 두꺼울 수 있다. 개스킷은 용융 금속과의 합금 형성으로부터 개스킷을 보호하기 위해 방염 페인트 또는 본 개시의 다른 재료와 같은 코팅으로 코팅될 수 있다. 일 실시예에서, 플랜지는 각각의 결합된 구성요소의 둘레 주위의 환형체와 같은 평평한 금속 플레이트(볼트 구멍 없음)로 대체될 수 있다. 플레이트는 이음새를 형성하기 위해 외부 가장자리에서 함께 용접될 수 있다. 두 플레이트를 분리하기 위해 이음새를 자르거나 연마할 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 베이스플레이트(409a)에서 단락이 발생하고 과열될 때 점화를 종료하기 위한 점화 전원 소스 제어기와 점화 전원 소스 중 적어도 하나에 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있는 베이스플레이트(409a) 열 센서, 점화 전원 소스 제어기, 및 차단 스위치를 포함한다. 실시예에서, 세라믹 라이너는 복수의 섹션을 포함하며, 여기서 섹션은 섹션 사이의 팽창 갭 또는 조인트 중 적어도 하나를 제공하고 라이너의 복수의 섹션의 길이를 따라 열 구배를 제한한다. 실시예에서, 라이너의 일부가 갈륨 또는 주석에 잠긴 경우에 형성되는 급격한 열 구배를 피하기 위해 라이너는 액체 금속 레벨 위에 매달릴 수 있다. 라이너 섹션은 작동 동안 상이한 온도 범위를 갖는 상이한 영역 또는 구역에 대한 상이한 조합의 재료를 포함할 수 있다. 2종 이상의 세라믹의 복수의 세라믹 섹션을 포함하는 라이너의 예시적인 실시예에서, 양극에 인접한 구역과 같은 가장 뜨거운 구역의 섹션은 SiC 또는 BN을 포함할 수 있고, 적어도 하나의 다른 섹션은 석영을 포함한다.
실시예에서, 반응 셀 챔버(5b31)는 석영, BN, 알루미나, 지르코니아, 하프니아 또는 본 개시의 또 다른 라이너와 같은 적어도 하나의 세라믹 또는 탄소 라이너와 같은 내부 단열재(여기서 라이너라고도 함)를 포함한다. 일부 실시예에서, 반응 셀 챔버는 세라믹 라이너와 같은 라이너를 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 반응 셀 챔버 벽은 4130 합금 SS 또는 Cr-Mo SS 또는 W, Ta, Mo, Nb, Nb(94.33wt%)-Mo(4.86wt%)-Zr(0.81wt%), Os, Ru, Hf, Re 또는 실리사이드 코팅된 Mo와 같은 347 SS와 같은 스테인리스 강의 경우에 약 400℃ 내지 500℃ 미만과 같이 용융 금속과의 합금이 발생하는 온도 미만에서 유지되는 금속을 포함할 수 있다. 반응 셀 챔버가 물과 같은 냉각제에 잠겨 있는 것과 같은 실시예에서, 반응 셀 챔버(5b31)의 벽 두께는 얇을 수 있어, 내부 벽 온도는 4130 합금 SS, Cr-Mo SS 또는 Nb-Mo(5wt%)-Zr(1wt%)와 같은 347 SS와 같은 벽 재료가 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속과 합금을 형성하는 온도 미만이 될 수 있다. 반응 셀 챔버 벽 두께는 약 5 mm 미만, 4 mm 미만, 3 mm 미만, 2 mm 미만, 및 1 mm 미만 중 적어도 하나일 수 있다. 라이너 내부의 온도는 약 500℃ 내지 6000℃, 500℃ 내지 3400℃, 500℃ 내지 2500℃, 500℃ 내지 1000℃, 및 500℃ 내지 1500℃ 중 적어도 하나의 범위와 같이 매우 더 높을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 반응 셀 챔버 및 저장소는 W, Ta 또는 Re 인레이를 포함할 수 있고 분할될 수 있는 BN 내측 라이너와 같은 복수의 라이너, 및 하나 이상의 동심 외부 석영 라이너를 포함한다. 베이스플레이트 라이너는 내부 BN 플레이트와 적어도 하나의 다른 세라믹 플레이트를 포함할 수 있으며, 각각은 관통을 위한 천공을 가지고 있다. 실시예에서, 관통부는 Resbond와 같은 세라믹 것과 같은 시멘트 또는 용융 갈륨 또는 주석의 경우 W 분말과 같은 용융 금속 합금 형성에 저항하는 내화 분말로 밀봉될 수 있다. 예시적인 베이스플레이트 라이너는 성형 가능한 세라믹 절연 디스크이다. 실시예에서, 라이너는 W 또는 Ta 인레이와 같은 내화 또는 세라믹 인레이를 포함할 수 있다. 세라믹 인레이는 실린더로 적층된 작은 높이의 반원형 링을 포함하는 것과 같은 세라믹 타일을 포함할 수 있다. 예시적인 세라믹은 지르코니아, 이트리아 안정화 지르코니아, 하프니아, 알루미나 및 마그네시아이다. 링의 높이는 약 1 mm 내지 5 cm의 범위일 수 있다. 다른 실시예에서, 인레이는 고온 결합 재료 또는 시멘트에 의해 제자리에 유지될 수 있는 타일 또는 비드를 포함할 수 있다. 대안적으로, 타일 또는 비드는 탄소와 같은 내화 매트릭스, W, Ta 또는 Mo와 같은 내화 금속, 또는 Ta, W, Re, Ti, Zr과 같은 내화 이붕화물 또는 탄화물, 또는 ZrB2, TaC, HfC, 및 WC와 같은 Hf 또는 본 개시의 또 다른 것에 내장될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 라이너는 용융 금속 표면 레벨에서 석영을 갖는 분할된 링을 포함할 수 있고, 링의 균형은 SiC를 포함할 수 있다. 석영 세그먼트는 육각형 또는 팔각형 링과 같은 링을 형성하는 경사진 석영 플레이트를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 반응 셀 챔버 벽은 페인팅되거나, 탄소 코팅되거나, 또는 세라믹 코팅될 수 있고, 라이너는 Nb, Mo, Ta 또는 W를 포함하는 것과 같은 내부 내화 금속 라이너를 갖는 탄소를 포함할 수 있다. 추가 내부 라이너는 Nb, Mo, Ta, 또는 W 플레이트를 포함하는 것과 같은 경사진 내화 금속 플레이트를 포함하는 것과 같은 갈륨 또는 주석 표면에 육각형 또는 팔각형 링과 같은 내화 금속 링을 포함할 수 있다.
단열재는 진공 갭을 포함할 수 있다. 진공 갭은 저장소의 직경보다 작은 직경을 갖는 라이너와 반응 셀 챔버 압력이 약 50 Torr 미만과 같이 낮은 반응 셀 챔버 벽 사이의 공간을 포함할 수 있다. 플라즈마가 반응 셀 챔버 벽과 접촉하는 것을 방지하기 위해, 반응 셀 챔버는 BN 플러그와 같은 세라믹 플러그와 같은 캡 또는 덮개를 포함할 수 있다. 하이드리노 반응 혼합물 가스 라인은 반응 셀 챔버에 공급할 수 있고 진공 라인은 가스 배출을 제공할 수 있다. 진공 갭은 별도의 진공 라인 연결에 의해 또는 반응 셀 챔버 또는 그 진공 라인에 의해 제공되는 진공에 대한 연결에 의해 비워질 수 있다. 뜨거운 갈륨 또는 주석이 저장소 벽과 접촉하는 것을 방지하기 위해 저장소 벽은 뜨거운 갈륨 또는 주석과 벽의 접촉에서 열 절연을 제공하기 위해 라이너가 용융 갈륨 또는 주석을 변위시키는 저장소의 베이스로부터 갈륨 또는 주석 레벨 바로 위까지의 높이를 갖는 적어도 하나의 석영 라이너와 같은 라이너를 포함할 수 있다.
셀 벽은 제품 억제를 피하기 위해 분자 하이드리노 제품의 투과를 향상시키기 위해 얇을 수 있다. 라이너는 BN, 다공성 석영, 다공성 SiC와 같은 다공성 재료, 또는 반응 셀 챔버로부터 하이드리노 생성물의 확산 및 투과를 촉진하는 가스 갭을 포함할 수 있다. 반응 셀 챔버 벽은 4130 합금 SS와 같은 Cr-Mo SS와 같은 분자 하이드리노에 대해 고도로 투과성인 재료를 포함할 수 있다.
실시예에서, 반응 셀 챔버(5b31)의 벽, 저장소(5c)의 벽, EM 펌프 튜브(5k6)의 벽, 베이스플레이트(5kk1), 및 상부 플랜지(409a)와 같은 적어도 하나의 SunCell® 구성요소는 코팅될 수 있다. 세라믹과 같은 본 개시내용 중 하나 이상을 용융 금속과의 합금 형성에 저항하고 O2 및 H2O 중 적어도 하나에 의한 부식에 저항하는 코팅을 포함한다. 코팅 및 코팅된 구성요소의 열팽창 계수는 약 0.1 내지 10, 0.1 내지 5, 및 0.1 내지 2의 인자 중 적어도 하나의 범위에서와 같이 대략 일치될 수 있다. 낮은 열팽창 계수가 있는 세라믹 코팅의 경우, 유사한 열 팽창 계수를 갖는 코바아(Kovar) 또는 인바아(Invar)와 같은 코팅된 금속이 코팅된 구성요소에 대해 선택된다.
실시예에서, EM 펌프 튜브(5k6)에 부착된 EM 펌프 튜브(5k6) 및 EM 버스 바(5k2)는 열팽창 계수가 거의 일치한다. 예시적인 실시예에서, EM 펌프 버스 바(5k2)에 연결된 EM 펌프 튜브 섹션은 W 버스 바의 낮은 열팽창 계수와 일치하도록 인바아 또는 코바아를 포함한다.
실시예에서, 라이너를 포함하는 적어도 하나의 구성요소는 냉각 시스템에 의해 냉각될 수 있다. 냉각 시스템은 합금이 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속과 형성되는 온도 이하로 부품 온도를 유지할 수 있다. 냉각 시스템은 구성요소가 침지되는 수조를 포함할 수 있다. 냉각 시스템은 추가로 냉각된 구성요소에 충돌하는 워터 제트를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 구성요소는 EM 펌프 튜브를 포함하고, EM 펌프 튜브의 수조 침지 및 워터 제트 냉각은 석영을 포함하는 것과 같은 매우 낮은 열전도율의 EM 펌프 튜브 라이너를 사용하여 EM 펌프가 펌프하는 뜨거운 갈륨 또는 주석의 최소 냉각으로 실행될 수 있다.
초기 물과 원자 수소의 형성
실시예에서, 반응 셀 챔버는 Pt, Pd, Ir, Re와 같은 수소 해리기 또는 탄소와 같은 지지체 상의 다른 해리기 금속, 또는 Al2O3, 실리카 또는 제올라이트, Raney Ni, 또는 Ni, 니오븀, 티타늄과 같은 세라믹 비드, 또는 본 개시의 또 다른 해리기 금속을 분말, 매트, 직물 또는 천과 같은 높은 표면적을 제공하는 형태로 보관하는 해리기 챔버를 추가로 포함한다. 실시예에서, SunCell®은 공급된 H2 및 O2를 반응 셀 챔버(5b31) 내로 흐르는 HOH 및 H에 촉매적으로 반응시키는 재결합기를 포함한다. 재결합기는 온도 센서, 히터, 및 재결합기 온도를 감지하고 약 60℃ 내지 600℃ 범위의 원하는 작동 온도 범위에서 재결합기 촉매를 유지하기 위해 워터 제트 및 히터와 같은 냉각 시스템 중 하나 이상을 제어하는 열교환기와 같은 냉각 시스템 중 적어도 하나를 포함하는 제어기를 더 포함할 수 있다. 상한 온도는 재결합기 촉매가 소결되어 유효 촉매 표면적을 잃는 온도에 의해 제한된다.
H2/O2 재결합 반응의 H2O 수율은 특히 유동 조건에서 100%가 아닐 수 있다. 산화물 피막이 형성되는 것을 방지하기 위해 산소를 제거하면 약 10% 내지 100% 범위에서 점화력을 감소시킬 수 있다. 재결합기는 세포를 H2O로 변환함으로써 세포로 유입되는 산소를 거의 모두 제거하는 수단을 포함할 수 있다. 재결합기는 가스 라인을 통해 반응 셀 챔버로 흐르는 H 원자 및 HOH 촉매를 형성하는 해리기로서 추가로 작용할 수 있다. 재결합기에서 가스의 더 긴 유동 경로는 재결합기에서 체류 시간을 증가시키고 O2에서 H2로의 반응이 더 완료되도록 할 수 있다. 그러나, 재결합기 및 가스 라인의 더 긴 경로는 더 바람직하지 않은 H 재결합 및 HOH 이량체화를 허용할 수 있다. 따라서, 유로 길이의 경쟁 효과의 균형은 재결합기에서 최적화되고, 재결합기/해리기에서 반응 셀 챔버까지의 가스 라인의 길이가 최소화될 수 있다.
실시예에서, 반응 셀 챔버에 O2, 공기, 또는 H2O와 같은 산소 공급원의 공급은 반응 셀 챔버의 산소 재고량을 증가시킨다. 갈륨 또는 주석이 용융 금속인 경우, 산소 인벤토리는 갈륨 산화물 또는 주석, H2O 및 O2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 산소 인벤토리는 하이드리노 반응을 위한 HOH 촉매의 형성에 매우 중요할 수 있다. 단, 액체 갈륨 또는 주석의 갈륨 또는 주석 산화물과 같은 용융 금속의 산화물 코팅은 하이드리노 반응의 억제 및 고정 점화 전류에서 점화 전압의 증가를 초래할 수 있다. 실시예에서, 산소 인벤토리는 최적화된다. 제어기로 간헐적으로 산소를 흐르게 하여 최적화할 수 있다. 대안적으로, 산소는 최적의 인벤토리가 축적될 때까지 높은 속도로 흐를 수 있고, 이후 진공 펌프에 의한 배출과 같은 수단을 통해 반응 셀 챔버 및 저장소에서 산소 인벤토리가 제거되어 고갈되는 속도의 균형을 이루는 더 낮은 유량으로 원하는 최적 인벤토리를 유지하기 위해 유량을 감소시킬 수 있다. 예시적인 실시예에서, 가스 유량은 약 100 cc 반응 셀 챔버와 약 1 kg의 갈륨 또는 주석 저장소 인벤토리를 로드하기 위해 약 1분 동안 약 2500 sccm H2/250sccm O2이고, 이후부터는 약 2500 sccm H2/5sccm이다. 산화물 층이 형성되지 않거나 소모되고 있다는 표시는 일정한 점화 전류에서 시간에 따른 점화 전압의 감소이며, 전압은 전압 센서에 의해 모니터링될 수 있고 산소 유량은 제어기에 의해 제어될 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 점화 전력 매개변수 센서 및 고정 전류에서의 점화 전압, 고정 전압에서의 점화 전류, 및 점화 전력 중 적어도 하나를 감지하고 산소를 변화시키는 산소 소스 유량 제어기를 포함하며 전력 매개변수에 대한 반응으로 산소 소스 유량을 변경시킨다. 산소 공급원은 산소 및 물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 산소 소스 제어기는 점화 전압에 기초하여 반응 셀 챔버로의 산소 흐름을 제어할 수 있고, 여기서 반응 셀 챔버의 산소 인벤토리는 임계값 미만의 점화 파워 파라미터 센서에 의해 감지된 전압에 반응하여 증가되고 임계 전압 이상으로 감지된 전압에 반응하여 감소한다.
재결합기 수율을 증가시키기 위해, 재조합체 체류 시간, 표면적 및 촉매 활성을 증가시킬 수 있다. 더 높은 동역학을 가진 촉매를 선택할 수 있다. 작동 온도는 올라갈 수 있다.
다른 실시예에서, 재결합기는 Pt-블랙-Pt 필라멘트와 같은 귀금속-블랙 코팅된 Pt 필라멘트와 같은 고온 필라멘트를 포함한다. 필라멘트는 전원 공급 장치, 온도 센서 및 제어기에 의해 유지되는 저항성 가열에 의해 원하는 재결합 속도를 유지하기 위해 충분히 상승된 온도에서 유지될 수 있다.
실시예에서, H2/O2 재결합기는 글로우 방전, 마이크로웨이브, 무선 주파수(RF), 유도 또는 용량 결합 RF 플라즈마와 같은 플라즈마 소스를 포함한다. 재결합기로 절단하는 방전 셀은 고진공이 가능할 수 있다. 도 9A-C 및 8C-8L에 도시된 예시적인 방전 셀(900)은 구리, 은도금 구리, 또는 탄탈 개스킷 또는 O-링으로 밀봉된 정합 상부 플레이트(903)와 함께 상단에 콘플랫 플랜지(902)가 있는 스테인레스 스틸 용기 또는 글로우 방전 플라즈마 챔버(901)를 포함한다. 플랜지는 방염 페인트, 알루미나, CrC, TiN, Ta 또는 용융 금속과의 합금 형성을 방지하는 본 개시의 다른 재료와 같은 코팅으로 코팅될 수 있다. 개스킷 또는 Ta와 같은 O-링은 합금 형성 저항성이 있을 수 있다. 실시예에서, 플랜지는 각각의 결합된 구성요소의 둘레 주위의 환형체와 같은 평평한 금속 플레이트(볼트 구멍 없음)로 대체될 수 있다. 플레이트 이음새를 형성하기 위해 외부 가장자리에서 함께 용접될 수 있다. 두 플레이트를 분리하기 위해 이음새를 자르거나 연마할 수 있다. 상부 플레이트는 내부 텅스텐 로드 전극(905)에 대한 고전압 피드스루(904)를 가질 수 있다. 세포체는 카운터 전극 역할을 하도록 접지될 수 있다. 상부 플랜지는 H2, O2, 공기, H2O 및 희가스(예를 들어, Ar) 또는 이들의 혼합물(예를 들어, H2/O2, H2/공기, H2/H2O, H2/희가스, O2/희가스, H2/O2/H2O, H2/O2/희가스, H2/H2O/희가스, O2/H2O/희가스, H2/O2/ H2O/희가스, H2/O2/공기, H2/공기/H2O, H2/공기/희가스, H2/O2/공기/H2O, H2/O2/공기/희가스, H2/O2/공기/H2O/희가스)를 추가로 포함할 수 있다. 하이드리노 반응 혼합물에 아르곤을 첨가하면서 HOH 촉매 생산의 원하는 수율을 증가시키기 위해, 수소 가스 및 산소 가스가 방전 셀을 통해 흐를 수 있고, 아르곤은 별도의 가스 유입구를 통해 반응 셀 챔버(5b31)로 흐를 수 있다. 스테인리스강 용기의 바닥 플레이트(907)는 반응 셀 챔버로의 가스 유출구를 포함할 수 있다. 글로우 방전 셀은 약 10V 내지 5kV 범위의 전압 및 약 0.01A 내지 100A 범위의 전류를 갖는 DC 전원과 같은 전원을 추가로 포함한다. 원하는 가스 압력에 대한 글로우 방전 파괴 및 유지 전압, 전극 분리 및 방전 전류는 Paschen의 법칙에 따라 선택할 수 있다. 글로우 방전 셀은 가스 브레이크다운이 방전 플라즈마를 시작하게 하는 스파크 플러그 점화 시스템과 같은 수단을 더 포함할 수 있으며, 글로우 방전 플라즈마 전력은 글로우 방전을 유지하는 더 낮은 유지 전압에서 작동한다. 파괴 전압은 약 50V 내지 5kV의 범위일 수 있고, 유지 전압은 약 10V 내지 1kV의 범위일 수 있다. 글로우 방전 셀은 점화 전원의 단락을 방지하기 위해 반응 셀 챔버(5b31) 및 저장소(5c)와 같은 다른 SunCell® 구성요소로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 압력파는 반응 셀 챔버(5b31)로 흐르는 반응물의 변동을 생성하는 글로우 방전 불안정성을 야기할 수 있고 글로우 방전 전원 공급 장치를 손상시킬 수 있다. 하이드리노 반응으로 인한 배압파가 글로우 방전 플라즈마 챔버로 전파되는 것을 방지하기 위해, 반응 셀 챔버(5b31)는 글로우 방전 셀의 가스 라인이 반응 셀 챔버로 들어가는 전극 버스 바의 BN 슬리브에 나사산과 같은 배플을 포함할 수 있다. 글로우 방전 전원은 커패시터와 같은 적어도 하나의 서지 보호 소자를 포함할 수 있다. 방전 셀의 길이 및 반응 셀 챔버 높이를 최소화하여 글로우 방전 플라즈마에서 갈륨 또는 주석의 양극 표면까지의 거리를 줄이고, 재결합 가능한 거리를 줄임으로써 원자 수소 및 HOH 촉매의 농도를 증가시킬 수 있다.
글로우 방전 전지는 전자 충격으로 가열된 미세한 텅스텐 모세관(열 수소 분해기)에서 수소를 열적으로 분해하여 작동하는 원자 수소의 다른 공급원으로 대체될 수 있다. 원자 수소 소스는 Tec Tra에 의한 H-플럭스 원자 수소 소스의 예시적인 상업용 원자 수소 소스와 같이 당업계에 공지된 것일 수 있다 (https://tectra.de/sample-preparation/atomic-hydrogen-source/#:~:text=H%2Dflux%20Atomic%20Hydrogen%20Source,is%20cracked%20to%20atomic%20hydrogen).
실시예에서, 플라즈마 셀과 같은 최소 하나의 원자 H 및 HOH 촉매의 소스와 반응 셀 챔버(5b31) 사이의 연결 영역은 원자 H 벽 재결합 및 HOH 이량체화를 피하기 위해 최소화될 수 있다. 글로우 방전 셀과 같은 플라즈마 셀은 반응 셀 챔버의 상부 플랜지(409a)에 직접 연결되는 Solid Seal Technologies, Inc.의 것과 같은 세라믹과 같은 전기 절연체에 직접 연결될 수 있다. 전기 절연체는 용접, 플랜지 조인트, 또는 당업계에 공지된 다른 파스너에 의해 방전 셀 및 플랜지에 연결될 수 있다. 전기 절연체의 내부 직경은 약 0.05 cm 내지 15 cm 범위와 같이 방전 셀 챔버의 직경과 같이 클 수 있다. SunCell® 및 방전 셀의 본체가 그라운드 레벨과 같은 동일한 전압으로 유지되는 다른 실시예에서, 방전 셀은 반응 셀 챔버의 상부 플랜지(409a)와 같은 반응 셀 챔버에 직접 연결될 수 있다. 연결은 용접, 플랜지 조인트, 또는 당업계에 알려진 다른 파스너를 포함할 수 있다. 연결부의 내부 직경은 약 0.05 cm 내지 15 cm 범위와 같이 방전 셀 챔버의 직경과 같이 클 수 있다.
출력 전력 레벨은 수소 및 산소 유량, 방전 전류, 점화 전류 및 전압, EM 펌프 전류 및 용융 금속 온도에 의해 제어될 수 있다. SunCell®은 출력 전력을 제어하기 위해 이들 및 기타 매개변수 각각에 해당하는 센서 및 제어기를 포함할 수 있다. 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속은 약 200℃ 내지 2200℃의 온도 범위에서 유지될 수 있다. 반응 셀 챔버 벽을 따라 Mo 라이너가 있는 8인치 직경 4130 Cr-Mo SS 셀을 포함하는 예시적인 실시예에서, 0.75인치 OD 세트에 의해 반응 셀 챔버의 플랜지(409a)에 직접 연결된 글로우 방전 수소 해리기 및 재결합기가 있다. 플랫 플랜지, 글로우 방전 전압은 260V 이었다. 글로우 방전 전류는 2A; 수소 유량은 2000 sccm이고; 산소 유량은 1sccm이었고; 작동 압력은 5.9 Torr이고; 갈륨 또는 주석 온도는 수조 냉각과 함께 400°C로 유지되었다. 점화 전류 및 전압은 1300A 및 26-27V 이었다. EM 펌프 속도는 100g/s이고 출력은 300kW 이상이었고 입력 점화 전력은 29kW로 적어도 10배 이상 증가에 상응하였다.
실시예에서, 글로우 방전 셀 재결합기와 같은 재결합기는 물과 같은 냉각제에 의해 냉각될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 재결합기의 전기 피드스루는 수냉식일 수 있다. 재결합기는 냉각을 위해 교반 수조에 잠길 수 있다. 재결합기는 표유 전압을 감지하고 전압이 약 0V 내지 20V(예, 0.1V 내지 20V) 범위에 있는 것과 같은 임계값을 초과할 때 플라즈마 전원 공급을 종료하는 안전 킬 스위치를 포함할 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 글로우 방전, 마이크로파 방전, 또는 유도 또는 용량 결합 방전 셀과 같은 방전 셀과 같은 구동 플라즈마 셀을 포함하며, 여기서 하이드리노 반응 혼합물은 H2(66.6%)에서 O2(33.3%) 몰 퍼센트의 화학량론적 혼합물 대비 과량의 산소가 있는 수소와 같은 본 개시의 하이드리노 반응 혼합물을 포함한다. 구동 플라즈마 셀은 진공이 가능한 용기, 반응 혼합물 공급 장치, 진공 펌프, 압력 게이지, 유량계, 플라즈마 발생기, 플라즈마 전원 공급 장치 및 제어기를 포함할 수 있다. 하이드리노 반응을 유지하기 위한 플라즈마 소스는 참고로 포함된 밀즈 선출원(Mills Prior Applications)에 나와 있다. 플라즈마 소스는 H2 (66.6%)에서 O2 (33.3%) 몰 퍼센트의 화학량론적 혼합물과 비교하여 산소 결핍을 갖는 수소와 산소의 혼합물을 포함하는 하이드리노 반응 혼합물에서 플라즈마를 유지할 수 있다. 수소-산소 혼합물의 산소 결핍은 화학량론적 혼합물의 산소 결핍으로부터 약 5% 내지 99% 범위일 수 있다. 혼합물은 약 99.66% 내지 68.33% H2 및 약 0.333% 내지 31.66% O2의 몰 퍼센트를 포함할 수 있다. 이들 혼합물은 반응 셀 챔버에서 바이어싱된 용융 금속과의 상호작용 시에 여기에 기재된 바와 같이 촉매 반응을 유도하기에 충분한 글로우 방전과 같은 플라즈마 셀을 통과할 때 반응 혼합물을 생성할 수 있다.
실시예에서, 플라즈마 셀의 유출에서 형성된 반응 혼합물 가스는 원하는 범위에서 반응 셀 압력을 유지하면서 셀을 통한 반응물 유량을 증가시키기 위해 임펠러 또는 가스 제트와 같은 속도 가스 스트림 수단에 의해 반응 셀 내로 강제 진입될 수 있다. 고속 가스는 반응 셀 챔버에 주입되기 전에 재결합기 플라즈마 소스를 통과할 수 있다.
실시예에서, 플라즈마 재결합기/해리기는 외부 플라즈마 재결합기/해리기로부터 반응 셀 챔버 내로 원자 H 및 HOH 촉매의 직접 주입에 의해 반응 셀 챔버에서 원자 H 및 HOH 촉매 중 적어도 하나의 고농도를 유지한다. 상응하는 반응 조건은 매우 높은 동역학 및 전력 효과를 생성하는 반응 셀 챔버의 매우 높은 온도에 의해 생성되는 조건과 유사할 수 있다. 예시적인 고온 범위는 약 2000°C-3400°C이다. 실시예에서, SunCell®은 원자 H 및 HOH 촉매 중 적어도 하나를 주입하는 플라즈마 방전 셀 재결합기/해리제와 같은 복수의 재결합기/해리제를 포함하며, 여기서 반응 셀 챔버로의 주입은 흐름에 의할 수 있다.
다른 실시예에서, H2 탱크와 같은 수소 소스는 두 개의 질량 유량 제어기(MFC)에 연결될 수 있는 매니폴드에 연결될 수 있다. 제1 MFC는 H2 라인 및 아르곤 탱크와 같은 영족 가스 소스로부터의 영족 가스 라인을 수용하는 제2 매니폴드로 H2 가스를 공급할 수 있다. 제2 매니폴드는 하우징 내의 Pt/Al2O3, Pt/C 또는 본 개시의 또 다른 것 등의 촉매와 같은 해리기에 연결된 라인으로 출력할 수 있는데, 해리기의 출력은 반응 셀 챔버로 향하는 라인일 수 있다. 제2 MFC는 H2 라인 및 O2 탱크와 같은 산소 소스로부터의 산소 라인을 수용하는 제3 매니폴드로 H2 가스를 공급할 수 있다. 제3 매니폴드는 하우징 내의 Pt/Al2O3, Pt/C 또는 본 개시의 또 다른 것 등의 촉매와 같은 재결합기에 연결된 라인으로 출력할 수 있는데, 재결합기의 출력은 반응 셀 챔버로 향하는 라인일 수 있다.
대안적으로, 제2 MFC는 제1 MFC가 공급하는 제2 매니폴드와 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 MFC는 수소를 재결합기로 또는 재결합기 및 제2 MFC로 직접 흐르게 할 수 있다. 아르곤은 아르곤 탱크와 같은 공급장치로부터 가스를 받아서 반응 셀 챔버로 아르곤을 직접 출력하는 제3 MFC에 의해 공급될 수 있다.
다른 실시예에서, H2는 H2 탱크와 같은 공급장치로부터 제1 매니폴드로 출력하는 제1 MFC로 흐를 수 있다. O2는 O2 탱크와 같은 공급장치로부터 제1 매니폴드로 출력하는 제2 MFC로 흐를 수 있다. 제1 매니폴드는 제2 매니폴드로 출력하는 재결합기/해리기로 출력할 수 있다. 아르곤과 같은 영족 가스는 아르곤 탱크와 같은 그 공급장치로부터 반응 셀 챔버로 출력하는 제2 매니폴드로 흐를 수 있다. 다른 흐름 방식들은 본 개시의 범위에 속하는데 이 흐름들은 반응 가스들을 가스 공급장치, MFC, 매니폴드 및 당업계에서 알려진 연결장치에 의해 가능한 정연한 순열 방식으로 전달한다.
실시예에서, SunCell®은 물이나 수소 탱크와 같은 수소 가스 등 적어도 하나의 수소의 소스, 수소 질량 유량 제어기와 같은 소스에서의 흐름을 제어하는 수단, 압력 조절기, 수소 소스로부터 저장소 또는 챔버의 용융 금속 레벨 아래의 반응 셀 챔버 중 적어도 하나까지의 수소 가스 라인과 같은 라인 그리고 제어기를 포함한다. 수소나 수소 가스의 소스는 용융 금속만으로 직접 도입할 수 있는데, 그 농도나 압력이 금속 외부에서 도입하여 성취되는 것보다 클 수 있다. 더 높은 농도나 압력은 용융 금속에서의 수소 용해도를 증가시킬 수 있다. 수소가 원자 수소로서 용해될 수 있는데, 갈륨 또는 주석이나 갈린스탄과 같은 용융 금속이 해리기의 역할을 할 수 있다. 다른 실시예에서, 수소 가스 라인은 Al2O3 지지체 상의 Pt와 같은 지지체상의 귀금속 등의 수소 해리기를 포함할 수 있다. 원자 수소는 반응 셀 챔버에서 용융 금속의 표면으로부터 방출되어 하이드리노 반응을 지원할 수 있다. 가스 라인은 용융 금속으로 향하는 유출구보다 더 높은 위치에 있는 수소 소스의 유입구를 가짐으로써 용융 금속이 질량 유량 제어기로 역류하는 것을 방지할 수 있다. 수소 가스 라인은 용융 금속 안으로 연장될 수 있으며 수소 가스를 분배하는 수소 확산기를 단부에 더 포함할 수 있다. 가스 라인과 같은 라인은 U 섹션이나 트랩을 포함할 수 있다. 이 라인은 용융 금속 상부의 반응 셀 챔버에 진입하고 용융 금속 표면 아래에서 굴곡되는 섹션을 포함할 수 있다. 수소 탱크와 같은 적어도 하나의 수소 소스, 조절기 그리고 질량 유량 제어기는 수소 가스 라인과 같은 라인의 유출구에서 용융 금속의 수두압을 극복하는 충분한 압력의 수소 소스나 수소를 제공할 수 있으며 또한 수소나 수소 가스 흐름의 희망하는 소스를 허용할 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 탱크와 같은 수소의 소스, 밸브, 조절기, 압력 게이지, 진공 펌프 및 제어기를 포함하여, Re/C와 Pt/C 등 본 개시의 것과 같은 적어도 하나의 수소 해리기와 같은 수소의 소스로부터 원자 수소를 형성하는 하나의 수단 그리고 하이드리노 반응 플라즈마, 글로 방전 플라즈마의 유지를 위해 SunCell® 전극에 인가될 수 있는 고압 전력 소스, RF 플라즈마 소스, 마이크로파 플라즈마 소스 또는 반응 셀 챔버에서 수소 플라즈마를 유지하는 본 개시의 또 다른 플라즈마 소스와 같은 플라즈마의 소스를 더 포함할 수 있다. 수소의 소스는 가압 수소를 공급할 수 있다. 가압 수소의 소스는 가역적 그리고 간헐적 중 한 방식으로 반응 셀 챔버를 수소로 가압할 수 있다. 가압 속도는 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속 안으로 용해될 수 있다. 원자 수소를 형성하는 수단은 용융 금속에서 수소의 용해도를 증가시킬 수 있다. 반응 셀 챔버의 수소 압력은 약 0.01 기압 ~ 1000 기압, 0.1 기압 ~ 500 기압 그리고 0.1 기압 ~ 100 기압의 적어도 한 범위에 있을 수 있다. 수소는 흡수를 허용하는 드웰 시간 이후 진공에 의해 제거할 수 있다. 이 드웰 시간은 약 0.1초 ~ 60분의 범위에 있을 수 있다. SunCell®은 원자 수소의 간헐적 공급 그리고 조율된 방식으로 수소에 의한 가압 및 감압 중 적어도 하나일 수 있는 제어기를 갖춘 복수의 반응 셀 챔버들을 포함할 수 있는데, 각 반응 셀 챔버는 수소를 흡수할 수 있는 반면 다른 하나는 가압되거나 원자 수소가 공급되거나 진공으로 되거나 혹은 작동하여 하이드리노 반응이 유지된다. 용융 갈륨 또는 주석으로 수소의 흡수를 야기하는 예시적 시스템 및 조건은 다음에서 주어지며 여기에 참고문헌으로 포함된다: Carreon [M. L. Carreon, "Synergistic interactions of H2 and N2 with molten gallium or tin in the presence of plasma", Journal of Vacuum Science & Technology A, Vol. 36, Issue 2, (2018), 021303 pp. 1-8; https://doi.org/10.1116/1.5004540]. 예시적 실시예에서, SunCell®은 0.5 ~ 10 기압과 같은 높은 수소 압력에서 작동되는데, 플라즈마가 연속적 플라즈마 및 전류에 의한 것보다 훨씬 낮은 입력 전력을 가지는 펄스식 거동을 나타냈다. 다음, 그 압력이 약 1 Torr ~ 5 Torr에서 유지되며 1500 sccm H2 + 15 sccm O2가 90°C 이상에서 1 g의 Pt/Al2O3를 통과하여 흘러 반응 셀 챔버로 흘러들어 가는데, 갈륨 또는 주석 온도의 증가에 따라 갈륨 또는 주석으로부터의 추가 H2 로딩(갈륨 또는 주석 흡수) 그리고 언로딩(갈륨 또는 주석으로부터 H2 오프 개싱)이 반복될 수 있다.
실시예에서, 수소의 소스나 수소 가스를 용융 금속 한 쌍의 전극 중 반대 전극으로 촉진되는 방향으로 직접 주입할 수 있는데, 여기서 용융 금속 배스가 전극의 역할을 한다. 가스 라인은 주입기의 역할을 할 수 있는데, 수소의 소스나 H2 가스 주입과 같은 수소 주입은 적어도 부분적으로 용융 금속 주입기의 역할을 할 수 있다. EM 펌프 주입기는 두 개의 전극과 전원의 소스를 포함하는 전화 시스템에 대한 추가의 용융 금속 주입기의 역할을 할 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 분자 수소 해리기를 포함한다. 이 해리기는 반응 셀 챔버나 반응 셀 챔버와 가스 상태로 통하는 별도의 챔버에 수용될 수 있다. 이 별도의 하우징은 갈륨과 같은 용융 금속에 대한 노출에 기인하여 해리기가 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 이 해리기는 알루미나 비드 상의 Pt나 본 개시나 당업계에 알려진 다른 것과 같은 지지된 Pt 등 해리시키는 물질을 포함할 수 있다. 대안적으로, 해리기는 핫 필라멘트 또는 글로 방전, 마이크로파 방전, 플라즈마 토치, 유도적으로 용량적으로 결합된 RF 방전, 유전 장벽 방전, 압전 직접 방전, 음향 방전 또는 본 개시나 당업계에 알려진 다른 방전 셀 등의 플라즈마 방전 소스를 포함할 수 있다. 핫 필라멘트는 반응 셀 챔버를 관통하는 전기적으로 절연된 피드스루를 통한 다음 필라멘트를 통해 전류를 흘리는 전력 소스에 의해 저항 가열될 수 있다.
다른 실시예에서, 점화 전류를 증가시켜 수소 해리 속도 및 플라즈마 이온-전자 재결합 속도 중 적어도 하나를 증가시킬 수 있다. 실시예에서, 점화 파형은 약 1 V ~ 100 V의 범위에 있는 AC 전압으로 중첩된 약 1 V ~ 100 V의 범위와 같은 DC 오프셋을 포함할 수 있다. DC 전압은 하이드리노 반응 혼합물에서 플라즈마의 형성에 충분하게 AC 전압을 증가시킬 수 있으며, AC 성분은 약 100 A ~ 100,000A의 범위와 같은 플라즈마 존재하에서 높은 전류를 포함할 수 있다. AC 변조를 갖춘 DC 전류는 점화 전류가 약 1 Hz ~ 1 MHz, 1 Hz ~ 1 kHz 및 1 Hz ~ 100 Hz 중 적어도 하나의 범위와 같은 상응하는 AC 주파수에서 펄스되도록 야기할 수 있다. 실시예에서, 저항을 감소시키고 점화 전력의 전류 및 안정성을 증가시키기 위해 EM 펌핑을 증가시킨다.
실시예에서, 미세공동 캐소드 방전의 수단에 의해 고압 글로 방전을 유지시킬 수 있다. 개구의 직경이 약 100미크론인 두 개의 가깝게 배치된 전극 사이에서 미세공동 캐소드 방전이 지속될 수 있다. 예시적인 직류 방전은 약 대기압까지 유지시킬 수 있다. 실시예에서, 높은 가스 압력에서의 대용적 플라즈마를 병렬로 작동하는 개별 글로 방전들의 중첩을 통해 유지할 수 있다. 이 플라즈마 전류는 적어도 하나의 DC나 AC일 수 있다.
실시예에서, H2O나 H2보다 해리하기가 더 쉬운 수소의 수소를 공급하여 증가된다. 예시적 소스는 H 원자 당 더 낮은 생성 엔탈피 및 더 낮은 생성 자유 에너지 중 적어도 하나를 가진 것들이며, 메탄, 탄화수소, 메탄올, 알코올, H를 포함하는 다른 유기 분자 등이 있다.
실시예에서, 해리기는 도 1에 나와 있는 것과 같은 전극(8)을 포함할 수 있다. 이 전극(8)은 최대 3200°C의 것과 같은 고온에서 작동할 수 있는 해리기를 포함할 수 있으며 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속과 합금 형성에 내성인 물질을 더 포함할 수 있다. 예시적 전극은 W 및 Ta의 적어도 하나를 포함한다. 실시예에서, 버스 바(10)는 평면 판 등의 베인 해리기와 같은 부착된 해리기를 포함할 수 있다. 판은 가장자리의 면을 버스 바(10)의 축을 따라서 부착시킬 수 있다. 베인은 패들 휠 패턴을 포함할 수 있다. 베인은 정류 전류에 의한 저항 가열 및 하이드리노 반응에 의한 가열 중 적어도 하나에 의해 가열될 수 있는 버스 바(10)로부터의 전도성 열 전달에 의해 가열할 수 있다. 베인과 같은 해리기는 Hf, Ta, W, Nb 또는 Ti와 같은 내화 금속을 포함할 수 있다.
용융 금속
대안적 실시예에서, SunCell®은 그에 의해 반응 셀 챔버가 냉각제의 흐름에 의해 냉각되는 펌핑 시스템을 포함하는 냉각제 흐름 열 교환기를 포함하는데, 그 유량을 변동시켜 반응 셀 챔버를 제어함으로써 희망하는 온도 범위에서 작동할 수 있다. 이 열 교환기는 마이크로채널 판과 같은 채널을 갖춘 판을 포함할 수 있다. 실시예에서, SunCell®은 반응 셀 챔버(531)를 포함하는 셀, 저장소(5c), 페데스탈(5c1) 및 하이드리노 반응 플라즈마와 접촉하는 모든 구성 요소를 포함할 수 있는데, 하나 이상의 구성요소가 셀 영역을 포함할 수 있다. 실시예에서, 냉각제의 흐름을 포함하는 것과 같은 열 교환기는 셀 영역에 조직되는 복수의 열 교환기를 포함하여 상응하는 셀 영역을 독립적인 희망하는 온도로 유지할 수 있다.
도 6에 나와 있는 것과 같은 실시예에서, SunCell®은 고온의 갈륨 또는 주석이 챔버 벽을 직접 접촉하지 못하도록 반응 셀 챔버(5b31a)의 내부에서 용융 갈륨 또는 주석 레벨에 체결된 단열재나 라이너(5b31)를 포함한다. 이 단열재는 열 절연재, 전기 절연재 또는 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속에 의한 습윤에 내성인 물질 중 하나를 포함할 수 있다. 이 절연은 갈륨 또는 주석의 표면 온도의 상승을 허용 그리고 벽을 녹일 수 있는 반응 셀 챔버의 벽에 집중되는 핫 스팟의 형성 감소 중 적어도 하나를 실행할 수 있다. 그 밖에 본 개시의 것과 같은 수소 해리기는 라이너의 표면을 덮을 수 있다. 다른 실시예에서, 벽 두께의 감소 그리고 구리 블럭과 같은 열 확산기의 벽의 외부 표면에 덮어서 열 전력을 벽 내부로 퍼뜨림 중 하나를 실행하여 집중되는 벽의 용융을 방지한다. 단열재는 BN, SiC, 탄소, 멀라이트, 석영, 융합 실리카, 알루미나, 지르코니아, 하프니아 본 개시의 또 다른 것들 그리고 당업자에게 알려진 것들과 같은 세라믹을 포함할 수 있다. 단열재의 두께는 용융 금속 및 갈륨 또는 주석 산화물의 표면 코팅의 희망하는 면적을 성취하기 위해 선택할 수 있는데, 더 적은 면적은 하이드리노 반응 플라즈마의 집중에 의해 온도를 증가시킬 수 있다. 더 적은 면적은 전자-이온 재결합 속도를 감소시킬 수 있으므로, 갈륨 또는 주석 산화물 막의 제거 그리고 하이드리노 반응 전력의 최적화를 유리하게 하기 위해 면적을 최적화할 수 있다. 직사각형 반응 셀 챔버를 포함하는 예시적 실시예에서, 직사각형 BN 블럭이 반응 셀 챔버의 내부 벽의 용융 갈륨 또는 주석의 표면 레벨에서 용접된 나사식 스터드에 볼트로 체결된다. BN 블럭은 반응 셀 챔버의 내부의 이 위치에서 연속적인 상승된 표면을 형성한다.
실시예에서(도 1 및 도 6), SunCell®은 저장소(5c)의 하부에 있는 EM 펌프의 베이스플레이트를 통과하는 버스 바(5k2ka1)를 포함한다. 이 버스 바는 점화 전류 전원에 연결될 수 있다. 버스 바는 용융 금속 레벨과 위로 연장될 수 있다. 버스 바는 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속 외에도 양극의 역할을 할 수 있다. 용융 금속은 버스 바를 탈열하여 냉각시킬 수 있다. 버스 바는 용융 금속이 갈륨 또는 주석을 포함하는 경우 용융 금속과 합금을 형성하지 않는 W, Ta, Re와 같은 내화 금속을 포함할 수 있다. 갈륨 또는 주석 표면으로부터 돌출하는 W 막대와 같은 버스 바는 플라즈마를 갈륨 또는 주석 표면에 집중시킬 수 있다. W를 포함하는 것과 같은 주입기 노즐은 저장소의 용융 금속에 담겨서 그것의 열 손상으로부터 보호할 수 있다.
용융 금속이 전극의 역할을 하는 것과 같은 실시예에서(도 1), 용융 금속의 역할을 하는 교차 면적을 최소화하여 그 전류 밀도를 증가시킬 수 있다. 용융 금속 전극은 주입기 전극을 포함할 수 있다. 용융 금속 전극은 양극성일 수 있다. 용융 금속 전극의 면적은 대략 카운터 전극의 면적일 수 있다. 용융 금속 표면의 면적을 최소화하여 전류 밀도가 높은 전극의 역할을 할 수 있다. 그 면적은 약 1 cm2 ~ 100 cm2, 1 cm2 ~ 50 cm2 및 1 cm2 ~ 20 cm2 중 적어도 하나의 범위에 있을 수 있다. 반응 셀 챔버 및 저장소 중 적어도 하나를 용융 금속 레벨의 위치에서 교차 면적이 더 적은 쪽으로 테이퍼지게 할 수 있다. 반응 셀 챔버 및 저장소 중 적어도 하나의 적어도 한 부분이 용융 금속의 레벨에서 텅스텐, 탄탈 또는 BN 등의 세라믹과 같은 내화성 물질을 포함할 수 있다. 예시적 실시예에서, 반응 셀 챔버 및 저장소 중 적어도 하나는 용융 금속 레벨에서의 면적을 최소화하여 전류 밀도가 높은 양극의 역할을 할 수 있다. 예시적 실시예에서, 반응 셀 챔버는 원통형일 수 있으며 리듀서, 원뿔 섹션 또는 저장소로의 변화를 더 포함할 수 있는데, 상응하는 용융 금속 표면에서의 갈륨 또는 주석의 교차 면적이 전류를 집중시키고 전류 밀도가 증가하도록 작게 되는 레벨까지 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속을 저장소에 채운다. 예시적 실시예에서(도 7A), 반응 셀 챔버 및 저장소 중 적어도 하나가 모래시계 형상이나 한 장의 쌍곡면을 포함할 수 있는데 용융 금속 레벨이 대략 가장 작은 교차 면적의 레벨이다. 이 면적은 내화성 물질 또는 탄소, W, Ta, 또는 RE 또는 내화 금속 또는 BN, SiC 또는 석영 등의 세라믹과 같은 내화성 물질의 라이너(5b31a)를 포함할 수 있다. 예시적 실시예에서, 반응 셀 챔버는 4130 합금 SS와 같은 347 SS와 같은 스테인레스 스틸을 포함할 수 있으며 라이너는 W나 BN을 포함할 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버는 링 내부에 플라즈마를 가두기 위해 전극들 사이의 축에 중심을 둔 환형 링과 같은 적어도 하나의 플라즈마 가둠 구조를 포함한다. 링은 용융 금속 및 반응 셀 챔버의 벽 중 적어도 하나와 단락되고 적어도 하나의 전기 절연 지지체에 의해 전기적으로 절연될 수 있다.
반응 셀 또는 챔버 구성
실시예에서, 반응 셀 챔버는 진공 또는 고압이 가능한 스테인리스강 튜브 용기(5b3)를 포함하는 것과 같은 튜브 반응기(도 7B-C)를 포함할 수 있다. 용기 내부의 압력 및 반응 혼합물은 가스 유입구(710)를 통해 가스를 흐르게 하고
진공 라인(711)을 통해 가스를 배출함으로써 제어될 수 있다. 반응 셀 챔버(5b31)는 용기(5b3) 벽으로부터 전기적으로 절연할 수 있고 갈륨 또는 주석 합금 형성을 추가로 방지할 수 있는 BN, 석영, 열분해 탄소 또는 SiC를 포함하는 세라믹 라이너와 같은 내화 라이너와 같은 라이너 5b31a를 포함할 수 있다. 대안적으로, W, Ta 또는 Re와 같은 내화 금속 라이너는 갈륨 또는 주석 합금 형성을 감소시킬 수 있다. EM 버스 바(5k2)는 전기 전도성이고 갈륨 또는 주석 합금의 형성에 저항하는 재료, 코팅 또는 클래딩을 포함할 수 있다. 예시적인 재료는 Ta, Re, Mo, W 및 Ir이다. 각 버스 바 5k2는 Ta, Re, Mo, W와 Ir중 적어도 하나와 같은 세라믹 또는 갈륨 또는 주석 합금 저항 금속을 포함하는 코팅을 포함하는 Swagelok와 같은 용접이나 파스너로 EM 펌프 튜브에 고정될 수 있다.
실시예에서, 라이너(예, EM 펌프의 라이너, 반응 셀 라이너)는 복수의 세라믹 또는 세라믹과 내화 금속과 같은 복수의 재료의 하이브리드를 포함한다. 세라믹은 BN, 석영, 알루미나, 지르코니아, 하프니아와 같은 본 개시내용 중 하나일 수 있고, 또는 Ta, W, Re, Ti, Zr, 또는 ZrB2, TaC, HfC, WC와 같은 Hf 이붕화물이나 탄화물일 수 있다. 내화 금속은W, Ta, Re, Ir, 또는 Mo와 같은 개시의 하나일 수 있다. 관형 전지(도 7B-C)의 예시적인 실시예에서, 라이너는 플라즈마가 가장 강한 영역에 오목한 밴드가 있는 BN 튜브를 포함하고, 여기서 BN의 직경보다 약간 더 큰 직경을 갖는 W 튜브 섹션 튜브 라이너는 BN 라이너의 오목한 밴드에 고정된다. 예시적인 실시예에서, 니오븀 또는 바나듐을 포함하고 산화를 방지하기 위해 지르코니아-티타니아-이트리아(ZTY)와 같은 세라믹으로 코팅된 것과 같은 내화 금속 튜브 모양의 반응 셀 챔버(5b31)의 라이너는 하이드리노 반응으로 인한 플라즈마가 가장 강한 위치와 같은 원하는 위치에 W 인레이와 같은 내화 금속 또는 세라믹 인레이를 하나 이상 포함한다.
실시예에서, 저장소, 반응 셀 챔버, 점화 피드스루 및 EM 펌프 튜브와 같은 적어도 하나의 SunCell® 구성요소의 세라믹 라이너, 코팅 또는 클래딩은 하프늄 붕화물(HfB2), 지르코늄 이붕화물(ZrB2), 하프늄 질화물(HfN), 지르코늄 질화물(ZrN), 티타늄 탄화물(TiC), 티타늄 질화물(TiN)과 같은 초기 전이 금속의 탄화물, 질화물 및 산화물, 이산화토륨(ThO2), 붕화니오븀(NbB2), 탄탈륨 카바이드(TaC) 및 관련 복합물과 같은 금속 산화물, 알루미나, 지르코니아, 이트리아 안정화 지르코니아, 마그네시아, 하프니아, 탄화규소, 탄화지르코늄, 이붕화지르코늄, 질화규소(S33N4), Li2O×Al2O3 × nSiO2계(LAS계), MgO × Al2 O3 × nSiO2계(MAS계), ZnO× Al2O3 × nSiO2 계(ZAS 계)을 포함할 수 있다. 저장소, 반응 셀 챔버, EM 펌프 튜브, 라이너, 클래딩 또는 코팅과 같은 하나 이상의 SunCell® 구성 요소는 흑연(승화점 = 3642°C), 텅스텐(M.P. = 3422°C) 또는 탄탈륨(M.P. = 3020 °C), 니오븀, 니오븀 합금, 바나듐, 세라믹, 초고온 세라믹 및 하프늄 붕화물(HfB2), 지르코늄 이붕화물(ZrB2), 하프늄 질화물(HfN), 지르코늄 질화물(ZrN), 티타늄 탄화물(TiC), 티타늄 질화물(TiN), 이산화토륨(ThO2), 붕화니오븀(NbB2), 탄탈륨 카바이드(TaC) 및 관련 복합물과 같은 초기 전이 금속과 같은 붕소화물, 탄화물, 질화물, 및 산화물 중 적어도 하나의 세라믹 기지 복합체를 포함할 수 있다. 원하는 높은 융점을 갖는 예시적인 세라믹은 산화마그네슘(MgO)(M.P. = 2852°C), 산화지르코늄(ZrO)(M.P. = 2715°C), 질화붕소(BN)(M.P. = 2973°C), 이산화지르코늄(ZrO2) (M.P. = 2715°C), 하프늄 붕화물 (HfB2) (M.P. = 3380°C), 하프늄 카바이드 (HfC) (M.P. = 3900°C), Ta4HfC5 (M.P. = 4000°C5), TaX4 C), 하프늄 질화물(HfN)(M.P. = 3385°C), 지르코늄 디보라이드(ZrB2)(M.P. = 3246°C), 지르코늄 카바이드(ZrC)(M.P. = 3400°C), 지르코늄 질화물(ZrN =)(M. 2950°C), 티타늄 붕화물(TiB2)(M.P. = 3225°C), 티타늄 카바이드(TiC)(M.P. = 3100°C), 티타늄 질화물(TiN)(M.P. = 2950°C), 실리콘 카바이드(SiC)( M.P. = 2820°C), 탄탈륨 붕화물(TaB2)(M.P. = 3040°C), 탄탈륨 카바이드(TaC)(M.P. = 3800°C), 탄탈륨 질화물(TaN)(M.P. = 2700°C), 니오븀 카바이드(M.P. = 3490°C), 니오븀 질화물(NbN)(M.P. = 2573°C), 바나듐 카바이드(VC)(M.P. = 2810°C),바나듐 질화물(VN)(M.P. = 2050°C), 및 초합금과 크롬, 코발트 및 레늄을 포함하는 니켈 기반 초합금, 세라믹 기질 복합재를 포함하는 것, U-500, Rene 77, Rene N5, Rene N6, PWA 1484, CMSX-4, CMSX-10, Inconel, IN-738, GTD-111, EPM-102 및 PWA 1497중 하나 이상의 터바인 블레이드 재료이다. MgO 및 ZrO와 같은 세라믹은 H2와의 반응에 내성이 있을 수 있다.
실시예에서, 각각의 저장소(5c), 반응 셀 챔버(5b31), 및 EM 펌프 튜브(5k6)의 내부 중 적어도 하나는 세라믹으로 코팅되거나 BN, 석영, 탄소, 열분해탄소, 탄화규소, 티타니아, 알루미나, 이트리아, 하프니아, 지르코니아, 또는 TiO2-Yr2O3-Al2O3와 같은 혼합물, 또는 본 개시의 또 다른 것 중 하나와 같은 세라믹 라이너를 포함한다. 예시적인 탄소 코팅은 Aremco Products Graphitic Bond 551RN을 포함하고 예시적인 알루미나 코팅은 Cotronics Resbond 989를 포함한다. 실시예에서, 라이너는 2개의 BN 크램 셀 라이너와 같은 적어도 2개의 동심원 크램 셀을 포함한다. 크램 셀의 수직 솔기(저장소와 평행)는 반응 셀 챔버 내부의 플라즈마 또는 용융 금속에서 반응 셀 챔버 벽으로의 직접적인 전기 경로를 피하기 위해 상대 회전 각도만큼 오프셋되거나 엇갈릴 수 있다. 예시적인 실시예에서, 오프셋은 수직 이음새에서 90°이고, 여기서 크램 셀의 두 섹션은 라이너가 균열 없이 열적으로 팽창하도록 하고, 중첩되는 내부 및 외부 라이너는 동심 조개 껍질 라이너의 솔기 세트의 상대적 오프셋으로 인해 플라즈마가 반응 챔버 벽에 누전되는 것을 막는다. 다른 예시적인 실시예는 크램 셀 내부 라이너 및 BN 크램 셀 내부 및 탄소 또는 세라믹 튜브 외부 라이너와 같은 전체 외부 라이너를 포함한다. 복수의 동심 라이너의 추가 실시예에서, 적어도 내부 라이너는 수직 스택 섹션을 포함한다. 내부 라이너의 수평 이음매는 외부 라이너에 의해 덮일 수 있으며, 외부 라이너가 수직으로 적층된 섹션을 포함하는 경우 내부 라이너의 이음새는 외부 라이너의 이음새와 다른 수직 높이에 있다. 솔기의 결과적 오프셋은 반응 셀 챔버 내부의 용융 금속 및 플라즈마 중 적어도 하나와 반응 셀 챔버 벽 사이의 전기 누전을 방지한다.
라이너는 고온 작동이 가능하고 열충격 저항성이 우수한 전기 절연체를 포함한다. 기계 가공성, 단열을 제공하는 능력, 하이드리노 반응물 및 용융 금속과의 반응성에 대한 내성도 바람직하다. 예시적인 라이너 재료는 BN, AlN, Sialon 및 Shapal 중 적어도 하나이다. 질화규소(Si3N4), 탄화규소, 사이알론(Sialon), 멀라이트(Mullite) 및 마코(Macor)는 BN 내부 라이너의 원주 방향으로 단열 역할을 할 수 있다. 라이너는 다공성 사이알론과 같은 다공성 유형의 라이너 재료를 포함할 수 있다. 추가의 예시적인 라이너는 하이드리노 플라즈마로부터 보호하기 위한 Ta 또는 W 인레이 또는 내부 BN 라이너가 있는 있는 SiC-탄소 글레이즈 흑연, 열분해 코팅된 탄소, SiC-C 합성물, 질화규소 결합 탄화규소, 이트리아 안정화 지르코니아, Ta 또는 W 인레이가 있는 SiC 중 적어도 하나를 포함한다. 라이너는 열 충격을 줄이기 위해 수평 및 수직 분할된 것 중 적어도 하나일 수 있다. 반응 셀 챔버(5b31) 및 저장소(5c) 중 적어도 하나로 라이닝된 구성요소는 SiC 라이너와 같은 라이너의 열 충격(예: 플라즈마가 너무빨리 가열되어 생성된 충격이 라이너에서 열 구배 및 차등 팽창 기반 응력을 생성하여 고장으로 이어짐)을 피하는 비율로 온도가 램프될 수 있다. 온도 램프 속도는 약 1℃/분 내지 200℃/s의 범위일 수 있다. 분할된 섹션은 선박 랩핑(ship lapping) 또는 은촉붙임(tongue and groove)과 같은 병치 섹션의 구조적 특징에 의해 맞물릴 수 있다. 실시예에서, 각각이 전기 절연체를 포함하는 분할 부분들의 맞물림은 플라즈마가 반응 셀 챔버 벽(5b31)으로 누전되는 것을 방지한다. 다른 실시예에서, 라이너는 열 충격을 피하기 위해 다공성 SiC, MgO, 내화 벽돌, ZrO2, HfO2, 및 Al2O3와 같은 다공성 세라믹을 포함할 수 있다. 라이너는 조합하여 라이너의 원하는 특성을 제공하는 복수 또는 스택의 동심 라이너 재료를 포함할 수 있다. 가장 안쪽 층은 고온에서 화학적 불활성, 높은 열충격 저항 및 고온 작동 능력을 가질 수 있다. 외부 층은 작동 온도에서 전기 및 열 절연 및 반응성에 대한 저항을 제공할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 석영은 갈륨 또는 주석과 갈룸 또는 주석 산화물의 반응을 피하기 위해 약 700℃ 미만에서 작동된다. 테스트할 예시적인 동심 라이너 스택은 내부에서 외부로, BN-SiC-Si3N4 여기서 석영, SiC, SiC 코팅 흑연 또는 SiC-C 복합재는 Si3N4를 대체할 수 있고 AlN, Sialon 또는 Shapal은 BN 또는 SiC를 대체할 수 있다.
실시예에서, 라이너는 반응 셀 챔버(5b31)에 대해 원주 방향인 하우징을 포함할 수 있다. 하우징의 벽은 본 개시의 세라믹 또는 코팅되거나 클래드된 금속을 포함할 수 있다. 하우징은 열적으로 안정적인 단열재로 채워질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 하우징은 2개의 튜브 사이에 갭이 있는 내부 및 외부 BN 튜브를 포함하는 이중벽 BN 튜브 라이너를 포함하고, 갭의 상단 및 하단에 BN 엔드 플레이트 씰이 있어 캐비티를 형성하며, 여기서 캐비티는 내부 석영 튜브와 같은 실리카겔 또는 기타 고온 가능 단열재로 채워질 수 있다.
복수의 동심 라이너를 포함하는 실시예에서, 적어도 하나의 외부 동심 라이너는 (i) 방열판으로서 기능하고 (ii) 병치된 내부 라이너로부터 열을 제거하는 것 중 적어도 하나일 수 있다. 외부 라이너는 BN 또는 SiC와 같은 높은 열 전달 계수를 갖는 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 최내측 라이너는 분할될 수 있는 BN을 포함할 수 있고, 대응하는 외측 라이너는 최내측 및 외측 라이너 세그먼트의 솔기가 오프셋되거나 엇갈리게 되도록 분할 및 적층될 수 있는 SiC를 포함할 수 있다.
실시예에서, 반응 셀 챔버 플라즈마는 플라즈마가 형성될 수 없는 지점까지 저장소 갈륨 또는 주석과 전극(8) 사이의 총 압력을 증가시키는 갈륨 또는 주석 비등으로 인해 저장소 갈륨 또는 주석 표면에 연결하기보다는 반응 셀 챔버 벽에 단락될 수 있다. 점화 전압은 저압 벌크 가스를 통해 반응 챔버 벽에 대한 저항이 낮아질 때까지 압력이 증가함에 따라 증가할 수 있다. 실시예에서, 갈륨 또는 주석 기화는 일정한 점화 전류에서 점화 전압의 상승에 의해 감지될 수 있다. 제어기는 기화를 줄이기 위해 전압 상승에 대응하여 점화 전력을 줄이고, 가스 압력을 변경하고, 재결합 플라즈마 전력을 감소시키거나, EM 펌핑 및 갈륨 또는 주석 혼합을 증가시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 제어기는 H 원자 농도의 감소를 피하면서 압력을 증가시켜 점화 전류를 간헐적으로 인가하여 갈륨 또는 주석 비등을 억제할 수 있으며, 하이드리노 반응 플라즈마는 점화가 꺼진 듀티 사이클의 일부 동안 유지될 수 있고 갈륨 또는 주석 비등을 억제하기 위해 소스로부터 챔버로 아르곤이 반응 셀로 흐르게 할 수 있다. 도 9A-B에 도시된 것과 같은 실시예에서, EM 펌프(5kk)는 비등할 수 있는 국부적인 핫스팟의 형성을 방지하기 위해 용융 금속 교반을 증가시키는 복수의 스테이지 또는 펌프를 포함한다. 도 9C에 도시된 실시예에서, SunCell®은 복수의 용융 금속 주입기(5k61)를 갖는 복수의 EM 펌프 조립체(5kk)를 포함할 수 있으며, 각각은 상응하는 카운터 전극(8)을 갖는다. 일 실시예에서, EM 펌프는 복수의 주입 전극(5k61)을 통해 적어도 하나의 카운터 전극(8)에 용융 갈륨 또는 주석을 주입할 수 있다. 복수의 전극 쌍은 하이드리노 반응 전력 및 이득을 증가시키기 위해 플라즈마 저항을 감소시키면서 전류를 증가시킬 수 있다. 과량의 국소 갈륨 또는 주석 표면 가열로 인한 갈륨 또는 주석 비등으로 인한 상승된 압력도 감소될 수 있다. 복수의 EM 펌프 주입기(5k61) 및 카운터 전극(8)을 추가로 포함하는 도 9A-C에 도시된 실시예에서, 각각의 EM 펌프 주입기 전극 및 카운터 전극은 독립적으로 제어되는 대응하는 EM 펌프 전원 및 점화 전원을 포함할 수 있다. 실시예에서, 복수의 전극 쌍은 플레이트 상의 복수의 분리된 접촉 위치에서 용융 금속을 주입하기 위해 주입기 펌프 당 다수의 주입기들 또는 다수의 주입기 노즐들을 갖는 원통형 반응 셀 챔버에 대한 W 디스크와 같은 W 플레이트 전극과 같은 내화 금속 플레이트 전극을 포함하며, 여기서 접촉 위치는 대응하는 복수의 분리된 전극으로서 작용한다.
실시예에서, 피드스루(10a1)는 금속을 결합할 수 있고 300℃ 내지 2000℃와 같은 고온에서 작동할 수 있는 포팅 화합물 또는 접착제로 포팅된 전극 버스 바(10)를 포함할 수 있다. 예시적인 포팅 접착제는 Cotronics Resbond 907GF, 940HT, 940LE, 940HE, 940SS, 903 HP, 908 또는 904 지르코니아 접착제, ZrO2-ZrSiO4를 포함하는 Aremco Ultra-Temp 516과 같은 지르코늄 산화물 코팅, 및 RK454와 같은 Durabond이다. 실시예에서, 피드스루(10a1)의 도체, 전극 버스 바(10) 및 전극(8)은 텅스텐 또는 탄탈륨과 같은 동일한 도체를 포함할 수 있다. 피드스루(10a1)는 하우징이 접착제 또는 용접에 의해 플랜지 플레이트(409a)(도 7A-7C 및 7F-7H)에 고정되는 본 개시의 요소 중 하나와 같은 고온 브레이즈에 의해 중심 도체 및 하우징에 브레이징된 세라믹 아이솔레이터를 포함할 수 있다. 브레이즈는 600℃ 초과와 같은 높은 융점을 가질 수 있다. 예시적인 브레이즈는 Cu(72)-Ag(28) 합금, 구리, ABA, 금 ABA, PdNiAu 합금(AMS 4785 M.P. = 1135°C) 또는 Paloro 또는 링크(https://www.morganbrazealloys.com/en-gb/products/brazing-alloys/precious-brazing-filler-metals/ ) 에 있는 것과 같은 유사한 브레이징이다. 다른 실시예에서, 피드스루(10a1)의 도체, 전극 버스 바(10) 및 전극(8) 중 적어도 하나는 구리 및 W와 같은 상이한 도체를 포함할 수 있으며, 이들 구성요소 사이의 연결은 나사산, 용접, 브레이즈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구리와 W 사이의 예시적인 브레이즈는 은 브레이즈이다.
진공 라인(711)은 큰 표면적을 갖는 알루미나, 실리케이트, 지르코니아, 마그네시아 및 하프니아 중 적어도 하나를 포함하는 것과 같은 SS 울(wool) 또는 세라믹 섬유와 같은 금속 울과 같은 재료를 포함하는 섹션을 포함하나 가스에 대해서는 확산성이 높다. 응축 물질은 H2, O2, 아르곤 및 H2O와 같은 가스가 배출에 의해 제거되도록 허용하면서 반응 셀 챔버로 다시 환류될 수 있는 갈륨 또는 주석 및 갈륨 또는 주석 산화물을 응축할 수 있다. 진공 라인(711)은 반응 셀 챔버(5b31)로의 갈륨 또는 주석 및 갈륨 또는 주석 생성물의 환류를 향상시키기 위해 수직 섹션을 포함할 수 있다. 실시예에서, 적어도 하나의 다른 금속, 원소, 화합물 또는 재료와 같은 갈륨 또는 주석 첨가제가 비등을 방지하기 위해 갈륨 또는 주석에 첨가될 수 있다. 갈륨 또는 주석 첨가제는 플라즈마 저항을 감소시키고 하이드리노 전력 이득을 증가시키기 위해 반응 셀 챔버(5b31)에서 나노입자를 추가로 형성할 수 있는 은을 포함할 수 있다.
실험적으로, 플라즈마 전류 밀도, 플라즈마 밀도 및 상응하는 플라즈마 가열 효과의 증가로 인해 더 작은 직경의 반응 셀 챔버를 포함하는 SunCell®을 사용하여 하이드리노 반응 전력이 증가하였다. 글로우 방전 재결합기의 혁신으로 방전 플라즈마는 수소 결합의 형성을 방지하기에 충분한 내부 에너지를 갖는 물로 특징지어질 수 있는 초기 물의 양을 준비하는 것을 포함하여 고온의 효과를 생성하기 때문에 플라즈마 농도가 필요하지 않다. 글로우 방전 재결합기와 같은 플라즈마 재결합기를 포함하는 실시예에서, BN 라이너와 같은 라이너에 대한 손상은 라이너를 하이드리노 플라즈마로부터 멀리하여 방지한다. 거리 유지를 위해 라이너는 유사한 전력을 생성하는 SunCell에 비해 더 큰 직경을 포함할 수 있다. 실시예에서, BN 라이너와 같은 라이너는 반응 셀 챔버 벽과 접촉하여 BN이 크래킹되는 것을 방지하기 위해 외부 수조로의 열 전달을 높힌다. 실시예에서, 라이너는 분할될 수 있고 용융 금속 표면과 카운터 전극(8) 사이의 구역과 같은 가장 강한 플라즈마 구역에서 BN과 같은 복수의 재료를 포함할 수 있고 다른 영역의 SiC과 같은 적어도 하나의 상이한 세라믹의 세그먼트를 추가로 포함한다. 추가로, BN과 같은 특정 라이너는 더 효율적인 발전을 제공하기 위해 하이드리노와 같은 반응 생성물의 증가된 수동성을 제공할 수 있다.
BN 라이너와 같은 최내측 라이너의 적어도 하나의 세그먼트는 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속으로부터 냉각제와 같은 외부 히트 싱크로 적어도 방사상으로 열을 전달하기 위해 0.1 mm 내지 10 cm 두께와 같은 원하는 두께를 포함할 수 있다. 실시예에서, BN 라이너와 같은 라이너는 저장소 벽 및 반응 챔버 벽 중 적어도 하나와 양호한 열 접촉을 할 수 있다. 내부 라이너의 직경은 플라즈마 손상을 원하는 정도로 감소시키기 위해 반응 셀 챔버의 중심에서 충분히 제거하기 위해 선택할 수 있다. 직경은 0.5 cm 내지 100 cm 범위일 수 있다. 라이너는 플라즈마가 가장 강한 영역에서 W 인레이와 같은 내화 금속 인레이일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 8 cm 직경의 BN 라이너는 원주방향 반응 셀 챔버 및 저장소 벽과 접촉하고, 여기서 용융 금속에 잠긴 라이너 부분은 저장소로의 열 전달을 증가시키기 위해 용융 금속이 저장소 벽과 물 또는 공기 냉각제와 같은 외부 냉각제와 접촉하는 것을 허용하는 천공을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 내부 버트-엔드 적층형 BN 분할 라이너는 용융 금속 레벨 아래에 천공을 포함하고 외부 동심 라이너는 방사형 용융 금속 유동 및 열 전달을 허용하도록 바닥에 절단된 노치를 갖는 단일 조각 SiC 실린더를 포함한다.
실시예에서, 내부 또는 외부 라이너 중 적어도 하나는 W 또는 Ta와 같은 내화 금속을 포함하고, 다른 하나는 BN과 같은 세라믹과 같은 전기 절연체를 포함하며, 여기서 내화 금속 라이너는 열 전도 및 방열판 중 적어도 하나에 의해 국부적인 핫스팟을 소산시킬 수 있다. 최내측 라이너 표면에서 멀리 열을 전달하여 하이드리노 반응 플라즈마에 노출된 최내측 라이너의 열 응력을 제거하는 것 외에도, 하이드리노 투과율은 라이너 및 높은 열전달 계수를 갖는 반응 셀 챔버 재료에서 더 높을 수 있다. Cr-Mo SS 대 304 SS, 또는 BN 대 Sialon으로, 하이드리노 생성물 억제를 감소시켜 하이드리노 반응 속도를 증가시킬 수 있다. 수조와 같은 외부 냉각제로의 열 전달 및 하이드리노 생성물 투과를 촉진하기 위해 동심 라이너 및 반응 셀 챔버 벽 구성요소를 포함하는 예시적인 SunCell® 실시예는 BN 내부 최장 라이너, 대응하는 SiC 외부 라이너 및 동심 구성 요소 간의 열 접촉이 좋은 동심 Cr-Mo SS 반응 셀 챔버 벽을 포함한다. 용융 갈륨 또는 주석 대 공기 열교환기와 같은 열교환기를 포함하는 것과 같은 반응 셀 챔버에서 열을 유지하는 것이 바람직한 실시예에서, 반응 셀 챔버는 석영과 같은 추가적인 외부 동심 단열 라이너를 포함할 수 있으며, 바닥 석영 라이너를 포함하는 것과 같은 단열 베이스를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 라이너는 갈륨 또는 주석과의 합금 형성에 내성이 있는 W, Ta, Mo, 또는 Nb 중 적어도 하나와 같은 내화 금속을 포함할 수 있다. 금속 라이너는 물과 같은 외부 냉각제로의 열 전달을 증가시키기 위해 셀 벽과 접촉할 수 있다. 일 실시예에서, 전극(8)의 원주 가장자리로부터 반응 셀 챔버(5b31) 벽까지의 수평 거리는 저장소 내의 용융 금속과 전극(8) 사이의 수직 분리보다 더 크며, 여기서 반응 셀 챔버 및 저장소 중 하나는 선택적으로 라이너를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 중심화된 W 전극(8)은 W, Ta, Mo, 또는 Nb 라이너가 반응 셀 챔버 벽과 함께 접촉하는 약 6 내지 8인치 범위의 직경을 갖는 반응 셀 챔버에서 약 1 내지 1.5인치의 직경을 갖는다. 벽과 전극(8) 사이의 방전 형성을 피하기에 충분한 직경을 갖는 반응 셀 챔버는 벽을 가로지르는 열 전달 및 벽을 통한 하이드리노 확산 중 적어도 하나를 개선하여 하이드리노 생성물 억제를 피하기 위해 라이너를 포함하지 않을 수 있다. 도 9A-B에 도시된 것과 같은 실시예에서, 저장소 및 반응 셀 챔버 벽의 일부 중 적어도 하나는 갈륨 또는 주석 합금 형성에 내성인 Nb, Mo, Ta 또는 W와 같은 금속과 같은 재료로 대체될 수 있다. 반응 셀 챔버(5b31) 벽 및 저장소 벽의 나머지 부분과 같은 셀의 다른 구성요소와의 조인트(911)는 용접, 브레이즈 또는 접착제와 같은 접착제로 접합될 수 있다. 본드는 교체 섹션과 겹치는 립에 있을 수 있다.
실시예에서, 최내측 라이너는 W 또는 Ta를 포함하는 것과 같은 내화성 물질 및 용융 금속 냉각 시스템 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 용융 금속 냉각 시스템은 갈륨 또는 주석과 같은 주입된 용융 금속의 적어도 일부를 냉각하기 위해 라이너 위로 향하게 하는 EM 펌프 노즐을 포함할 수 있다. 용융 금속 냉각 시스템은 카운터 전극에 용융 금속을 주입하고 라이너를 냉각시키기 위해 라이너의 벽에 용융 금속을 추가로 주입하는 복수의 노즐을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 용융 금속 냉각 시스템은 저장소의 중심 또는 저장소에 포함된 용융 금속에 잠길 수 있는 저장소 부위과 같은 저장소 중심 영역에 위치된 주입기 노즐 또는 라이너의 내부 표면에 환형 스프레이를 분사하기 위한 일련의 구멍 또는 노즐을 포함하는 라이너 내부에 있는 환형 링 주입기를 포함한다. 중심 주입기와 환형 링 주입기는 동일한 EM 펌프 또는 독립적인 EM 펌프에 의해 공급될 수 있다. BN 또는 SiC 라이너와 같은 라이너는 높은 열전달 계수를 가질 수 있다. 라이너는 라이너를 냉각시키기 위해 냉각될 수 있는 반응 셀 챔버 벽(5b31)과 밀접하게 접촉할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 반응 셀 챔버 벽(5b31)은 물 또는 공랭식일 수 있다.
실시예에서, 석영 라이너와 같은 라이너는 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속에 의해 냉각된다. 실시예에서, SunCell®은 용융 금속 표면 상의 반응의 교반 및 분포에 의해 하이드리노 반응에 의해 방출된 열을 퍼뜨리기 위해 다중 노즐 용융 금속 주입기 또는 다중 용융 금속 주입기를 포함한다. 다중 노즐은 용융 금속의 국부적인 과도한 기화를 피하기 위해 반응의 힘을 분배할 수 있다.
실시예에서, Ta, Re, 또는 W 라이너는 Ta, Re, 또는 W 원통형 튜브, 용접된 Ta, Re, 또는 W 베이스플레이트와 같은 벽을 포함하는 Ta, Re, 또는 W 용기와 적어도 하나의 용접된 Ta, Re 또는 W EM 펌프 튜브 유입구 및 주입기 유출구, 점화 버스 바 및 열전대 우물 중 적어도 하나와 같은 고정된 관통 구성요소를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 용기는 SiC, BN, 석영 또는 본 개시의 또 다른 세라믹과 같은 세라믹을 포함할 수 있으며, 여기서 용기는 관통 구성요소로 전이하는 적어도 하나의 보스를 포함할 수 있으며, 파스너는 흑영 개스킷 또는 본 개시의 또 다른 것, 또는 본 개시의 Resbond 또는 Durabond와 같은 금속 접착제와 같은 개스킷 접착제를 포함할 수 있다. 용기는 상단이 열려 있을 수 있다. 용기는 또한 스테인리스강 쉘과 같은 금속 쉘에 수용될 수 있다. 점화 버스 바와 같은 관통부는 Swagelok와 같은 밀봉제 또는 플랜지 및 개스킷으로 형성된 하우징과 같은 밀봉제에 의해 스테인리스강 쉘에 진공 밀봉될 수 있다. 쉘은 상단에서 밀봉될 수 있다. 밀봉제는 Conflat 플랜지(409e) 및 베이스플레이트 (409a)를 포함할 수 있다(도 7A-C). 플랜지는 스프링이 장착된 얼룩, 디스크 스프링 와셔 또는 잠금 와셔를 포함할 수 있는 볼트로 밀봉될 수 있다. 용기 라이너는 적어도 하나의 동심원 BN 또는 석영 라이너와 같은 세라믹 라이너와 같은 내부 라이너를 더 포함할 수 있다. Re를 포함하는 본 개시내용의 성분은 Re로 코팅된 다른 금속을 포함할 수 있다.
실시예에서, 라이너(5b31a)는 반응 셀 챔버(5b31) 및 저장소(5c)의 모든 벽을 덮을 수 있다. 반응 가스 공급 라인(710) 및 진공 라인(711) 중 적어도 하나는 상부 플랜지(409a)에 장착될 수 있다(도 7B-C). 진공 라인은 환류되기를 원하는 금속 증기 또는 다른 응축물의 응축기 및 환류기 역할을 하기 위해 수직으로 장착될 수 있다. 진공 라인은 반응 셀 챔버로부터의 가스로부터 입자를 제거하기 위한 전기 집진기를 추가로 포함할 수 있으며, 여기에서 갇힌 입자는 중력 또는 오거(auger) 또는 당업자에게 알려진 다른 수송기와 같은 수송 수단에 의해 반응 셀 챔버로 되돌아갈 수 있다. SunCell®은 진공 라인에 있는 것과 같은 트랩을 포함할 수 있다. 예시적인 트랩은 증발된 갈륨 또는 주석을 응축, 환류하기 위해 진공 라인 상에 적어도 하나의 엘보우를 포함할 수 있다. 트랩은 물과 같은 냉각제로 냉각될 수 있다. 라이너는 베이스 플레이트, 상부 또는 플랜지 플레이트, 및 튜브 본체 섹션 또는 복수의 적층된 본체 섹션과 같은 구성요소를 포함할 수 있다. 구성요소는 탄소 또는 BN, 석영, 알루미나, 마그네시아, 하프니아 또는 본 개시의 또 다른 세라믹과 같은 세라믹을 포함할 수 있다. 구성 요소는 함께 접착되거나 개스킷 유니온으로 결합될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 구성요소는 함께 접착되는 석영을 포함한다. 대안적으로, 구성요소는 흑연 개스킷 유니온을 포함하는 BN을 포함한다.
실시예에서, 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속의 온도는 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속과의 합금 형성에 대해 내성을 가질 수 있는 고온 열전대와 같은 열전대에 의해 모니터링될 수 있다. 열전대는 W, Re 또는 Ta를 포함하거나 W, Re, Ta 또는 세라믹과 같은 보호 피복을 포함할 수 있다. 실시예에서, 베이스플레이트는 용융 금속 내로 돌출하고 열전대를 보호하는 열전대용 설치구(well)를 포함할 수 있으며, 여기서 열 전달 페이스트는 열전대와 설치구 사이의 양호한 열 접촉을 만들기 위해 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서 Ta, Re, 또는 W 열전대 또는 Ta, Re, 또는 W 튜브 열전대는 Swagelok에 의해 저장소의 베이스플레이트에 연결된다. 대안적으로, 열전대는 EM 펌프 튜브, 유입구 측에 삽입될 수 있다.
튜브 반응기(도 7A-C)의 상단은 피드스루가 있는 받침대 전극(8)과 전기 절연 외피(5c2)로 덮인 버스 바(10)를 포함할 수 있으며, 여기서 피드스루는 플랜지 409e. 용기의 바닥은 용융 금속 온도를 모니터링하기 위한 적어도 하나의 열전대 포트(712)가 있는 용융 금속 저장소(5c) 및 노즐(5q)이 있는 EM 펌프 주입기 전극(5k61)과 같은 주입기 전극을 포함할 수 있다. EM 펌프(5kk)에 대한 유입구는 유입구 스크린(5qa1)에 의해 덮일 수 있다. EM 펌프 튜브(5k6)는 분할되거나 용접과 같은 수단에 의해 함께 고정된 복수의 섹션을 포함할 수 있으며, 여기서 분할된 EM 펌프 튜브는 재료를 포함하거나 Ta, W, Re, Ir, Mo, 또는 갈륨 또는 주석 합금 형성 또는 산화에 강한 세라믹과 같은 재료로 라이닝, 코팅 또는 클래딩된다. 일 실시예에서, 상부 전극(8)으로의 피드스루는 수냉식과 같이 냉각될 수 있다. 점화 전극 수냉 시스템(도 9A-B)은 유입구(909)와 유출구(910) 냉각 라인을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 베이스플레이트(409a)는 작동 중에 그것을 냉각시키기 위해 반응 셀 챔버(5b31)로부터 공급물을 더 멀리 이동시키기 위한 스탠드오프를 포함할 수 있다.
실시예에서, 라이너는 갈륨 또는 주석 표면에서 전류 밀도를 증가시키기 위해 갈륨 또는 주석 수준에서 상부 전극(8)과 더 작은 단면을 수용하는 영역과 같은 하나 또는 그 이상의 상대적으로 더 큰 단면 영역과 같은 섹션 사이의 테이퍼와 함께 더 ?薦? 상부와 더 두꺼운 하부를 포함할 수 있다. 상부 대 하부 섹션의 단면 영역 상대적 비율은 1.01 내지 100배 범위일 수 있다.
실시예에서, SunCell®은 공기와 같은 기체 또는 물과 같은 액체와 같은 매체에 의해 냉각될 수 있다. SunCell®은 열(예: 반응 셀 챔버의 열)을 공기와 같은 기체 또는 물과 같은 액체로 전달할 수 있는 열 교환기를 포함할 수 있다. 실시예에서, 열 교환기는 SunCell® 또는 반응 셀 챔버(5b31)와 같은 뜨거운 부분을 수용하는 튜브와 같은 폐쇄 용기를 포함한다. 열교환기는 물이 튜브를 통해 흐르게 하는 펌프를 더 포함할 수 있다. 흐름은 열전달율을 증가시키기 위해 증기 생성이 억제될 수 있도록 가압될 수 있다. 생성된 과열수는 증기 발생기로 흘러 증기를 형성할 수 있으며 증기는 증기 터빈에 동력을 공급할 수 있다. 또는 증기를 가열에 사용할 수 있다.
공랭식 열 교환기의 실시예에서, SunCell® 열 교환기는 뜨거운 외부 표면에 있는 고표면적 열 핀과 가열 및 전기를 위해 SunCell®에서 열을 제거하기 위해 핀 위로 공기를 흐르게 하는 송풍기 또는 압축기를 포함할 수 있다. 생산 응용 프로그램. 다른 공랭식 열 교환기 실시예에서, 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속은 5ka와 같은 EM 펌프에 의해 그리고 열 교환기를 통해 저장소(5c) 외부로 펌핑된 다음 폐쇄 루프에서 저장소(5c)로 다시 펌핑된다.
반응 셀 챔버 벽을 가로지르는 열 전달이 적어도 부분적으로 전도성 메커니즘에 의한 실시예에서, 벽을 가로질러 공기 또는 물과 같은 냉각제로의 열 전달은 벽 면적 증가, 벽 두께 감소, 및 316 스테인리스 강과 같은 대안보다 더 높은 열 전도성을 갖는 크롬 몰리브덴 강과 같은 니켈 또는 스테인리스 강을 포함하는 반응 셀 챔버 벽 선택 중 적어도 하나로 증가된다.
실시예(도 7A-D)에서, 열교환기는 SunCell® 저장소(5c), EM 펌프 조립체(5kk), 및 EM 펌프 튜브(5k6)를 포함할 수 있으며, 여기서 EM 펌프 튜브 섹션은 유입구와 EM 펌프 튜브 버스 바를 포함하는 섹션 사이에 있다. 5k2는 수조, 용융 금속 수조 또는 용융 염 수조와 같은 냉각제 수조에서 하나 이상의 루프 또는 코일 도관의 원하는 면적을 달성하도록 확장된다. 다중 루프 또는 코일은 적어도 하나의 공급 매니폴드로부터 공급될 수 있고, 용융 금속 유동은 적어도 하나의 수집기 매니폴드에 의해 EM 펌프로 복귀하기 위해 수집될 수 있다. 루프 또는 코일 도관 및 매니폴드는 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속과의 합금 형성에 저항하는 재료를 포함할 수 있고 높은 열 전달 계수를 가질 수 있다. 예시적인 도관 재료로는 Cr-Mo SS, 탄탈륨, 니오븀, 몰리브덴 및 텅스텐이 있다. 도관은 부식을 방지하기 위해 코팅되거나 칠해질 수 있다. 예시적인 실시예에서, EM 펌프 튜브 및 열교환기 도관은 물에 의한 부식을 방지하기 위해 CrN으로 코팅된 Ta, 멀라이트 또는 ZTY와 같은 세라믹, 또는 VHT FlameproofTM와 같은 페인트를 포함하며 EM 펌프 버스 바(5k2)는 Ta를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, EM 펌프 튜브 및 열교환기 도관은 물에 의한 부식을 방지하기 위해 CrN으로 코팅된 Nb, 멀라이트 또는 ZTY와 같은 세라믹, 또는 VHT FlameproofTM와 같은 페인트를 포함하며, EM 펌프 버스 바(5k2)는 Nb를 포함한다.
실시예에서, SunCell®은 반응 셀 챔버, 높은 열 전달 계수를 갖는 4130 CrMo SS, Nb, Ta, W 또는 Mo와 같은 벽 금속을 포함하는 저장소, 충분히 얇은 벽, 및 원하는 양의 전력을 생산하는 동안 원하는 용융 금속 온도를 유지하기 위해 수조와 같은 열 싱크에 충분한 열 손실을 제공하기에 충분히 넓은 영역과 같은 적어도 하나의 구성 요소를 포함한다. 외부 열교환기는 필요하지 않을 수 있다. 벽 두께는 약 0.05 mm 내지 5 mm의 범위일 수 있다. 벽 면적과 두께는 수조와 열 구배와 같은 원하는 용융 금속 온도를 사용하여 열 전도 방정식으로 계산할 수 있다. SunCell®의 외부 표면은 VHT FlameproofTM와 같은 페인트, Mullite와 같은 세라믹 또는 SS, Ni 또는 크롬과 같은 전기 도금된 부식 방지 금속으로 코팅하여 수욕의 물처럼 방열판의 냉각제에 의한 부식을 방지할 수 있다.
실시예에서, 노즐(5q)은 다수의 노즐로 교체될 수 있거나 또는 다수의 오리피스로부터 카운터 전극을 향하여 주입된 갈륨 또는 주석을 분산시키기 위해 샤워 헤드와 같은 복수의 개구를 가질 수 있다. 이러한 구성은 EM 펌프 튜브와 그것의 유입구 및 주입 유출구를 포함하는 EM 펌프 분사 장치와 직렬로 연결되는 열 교환기의 단일 루프 도관의 고 흐름율을 유지하는데 필요한 것과 같이 높은 용융 금속 분사율에서 플라즈마의 형성을 촉진시킬 수 있다.
열 교환기
도 9D-E에 도시된 실시예에서, SunCell(812)은 전기 피드스루(37) 및 관통부(38)가 있는 하부 섹션(33b) 및 상부 제거 가능 섹션(33a)을 갖는 압력 용기를 포함하도록 폐쇄될 수 있는 냉각제 저장소에서 냉각된다. 피드스루는 Solid Sealing Technology, Inc. #FA10775와 같은 세라믹 피드스루, Teflon과 같은 열가소성 피드스루 또는 940SS와 같은 Resbond와 같은 Coltronics 포팅 화합물로 포팅된 것과 같은 포팅된 에폭시 보일러 피드스루를 포함할 수 있다. 냉각제는 물을 포함할 수 있다. 용기는 보일러를 포함할 수 있다. 상부와 같은 보일러의 적어도 하나의 벽은 냉각제 유출구(34) 및 밸브를 포함할 수 있다. 아이리스 밸브나 버터플라이 밸브와 같은 밸브는 증기 유량과 보일러 압력 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 보일러는 보충수 라인(35) 및 상응하는 보충수 펌프를 더 포함할 수 있다. 실시예에서, 보일러는 점화를 위한 전기 연결부(37), EM 펌프, 플라즈마 방전 셀(900) 전류, 온도, 가스 흐름, 가스 압력 및 전력 센서와 같은 센서 뿐만 아니라 진공 라인 및 반응물 가스 라인을 위한 관통부(38)를 추가로 포함한다. 점화 전류, 수소 유량, 산소 유량, 수증기 유량, EM 펌핑 속도, 반응 셀 챔버 압력, 반응 셀 챔버 온도 및 전압, 전류 및 파형과 같은 플라즈마 셀(900) 파라미터 중 적어도 하나를 제어함으로써 SunCell의 파워를 제어할 수 있다. SunCell의 전원을 제어하여 증기 유량과 보일러 압력 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. SunCell은 적어도 용융 금속을 녹이는 내부 및 외부 저항 히터를 포함할 수 있다. 히터는 복수의 독립적으로 제어되는 구역을 포함할 수 있다. 히터는 Nichrome 또는 Kanthal 소자 저항 히터 또는 유도 결합 히터와 같은 저항성 히터일 수 있다. 히터는 SunCell, 커패시터 뱅크 및 배터리 중 하나 이상에서 전원을 공급받을 수 있다. 예시적인 실시예에서, SunCell®은 용융 금속을 녹인 다음 제거하기 위해 SunCell 위로 가역적으로 내려갈 수 있는 가마 히터를 포함한다. 가마는 가마 바닥에 단열재를 수용하고 지지하기 위해 가마 바닥에 판금 패널을 포함할 수 있다. 패널은 쉽게 제거할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 패널은 자석에 의해 가마의 판금 하우징에 부착된다.
도 9F에 도시된 보일러 및 가열 공기 전력 시스템 실시예에서, SunCell(812)은 절연 재킷(923)을 포함하는 보일러 압력 용기(33), 제1 스팀 배출구(34), 재순환 스팀 배출구(925), 스팀 회수부(926), 증기 및 온수 대 공기 열 교환기(927) 및 물 회수 펌프가 수용된다. 증기는 보일러(33)로부터 라인(925)을 통해 열 교환기(927)로 흐를 수 있고, 회수 라인(926)을 통해 냉각 증기 또는 온수 중 적어도 하나로서 보일러(33)로 복귀할 수 있다. 보일러 증기 및 온수 화력 중 적어도 일부는 열교환기(927)에 의해 공기와 같은 기체 냉각제로 전달될 수 있다. SunCell(812)은 반응 셀 챔버(5b31) 내의 하이드리노 플라즈마로부터 방출된 광을 전기로 변환하기 위해 챔버(916) 내에 내부 창(5ab4) 및 PV 변환기(26a)를 포함할 수 있다. 전기는 SunCell을 작동하는 데 필요한 최소한 하나의 기생 부하에 전원을 공급할 수 있다. 부하는 EM 펌프 전원 공급 장치, 점화 전원 공급 장치, 진공 펌프 전원 공급 장치, 보충수 펌프 전원 공급 장치, 증기 재순환 펌프 전원 공급 장치 및 글로우 방전 전원 공급 장치를 포함할 수 있다. DC 전기는 PV 변환기로부터 전력 케이블(924)을 통해 적어도 하나의 기생 부하를 공급할 수 있는 전력 컨디셔너 및 공급 장치(2)로 흐를 수 있다. 예시적인 실시예에서, 부하 및 전원은 DC이다. 진공 펌프(519), 보급수 펌프 및 증기 재순환 펌프는 각각 DC 모터를 포함할 수 있다.
SunCell 전원 시스템은 SunCell을 적어도 부분적으로 수용하고 가열하여 (i) 용융 금속을 용융시키고 (ii) 용융 금속의 응고를 방지하기 위해 PV 창, 반응 셀 챔버, 저장소, EM 펌프 튜브 및 EM 펌프 주입기와 같은 SunCell 구성 요소를 가열하는 것 중 적어도 하나로 SunCell을 가열할 수 있는 적어도 하나의 가열 요소 및 단열재를 포함하는 시동 오븐을 포함할 수 있다. 시동 오븐은 외부 전원, 온도 센서 및 오븐의 온도를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다. 보일러는 시동 오븐과 같은 히터를 포함할 수 있다. 33a 및 33b 중 적어도 하나와 같은 보일러의 벽은 하나 이상의 니크롬 또는 칸탈 저항성 히터 요소와 같은 가열 요소 및 스테인리스 스틸 하우징과 같은 하우징에서와 같이 밀폐될 수 있는 고온 가능 단열재와 같은 단열재를 포함한다. 하우징은 보일러 이중벽을 포함할 수 있다. 오븐 역할을 하는 보일러는 SunCell 시작 중에 SunCell의 용융 금속을 용융시킬 수 있다. SunCell 내부 구성 요소의 가열 속도를 높이기 위해, SunCell은 헬륨 또는 수소와 같은 높은 열 전달 능력을 가진 가스로 채워질 수 있고/있거나 SunCell의 외부 표면은 방염 페인트와 같은 흑색 세라믹 페인트와 같은 높은 방사율을 갖는 코팅으로 코팅될 수 있다. SunCell이 원하는 온도 및 전력 중 적어도 하나에 도달하면, 히터 및 오븐 전원이 중단되고, 보충수 라인(35) 및 해당 워터 펌프에 의해 보일러가 물로 채워져 보일러로 작동할 수 있다. 실시예에서, 보일러는 라디에이터와 같은 강제 공기 교환기 및 냉각탑 중 적어도 하나와 같은 열 교환기를 더 포함한다. 보일러 및 외부 열 교환기는 SunCell을 냉각하는 것, PV 변환기를 냉각하는 것, 부하에 증기를 제공하는 것 및 부하에 가열된 공기를 제공하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 역할을 할 수 있다. 실시예에서, 전자기 펌프 자석(5k4) 또는 전자기 펌프 조립체(5kk)와 같은 적어도 하나의 SunCell 구성요소는 바닥 벽과 같은 오븐/보일러 벽을 관통할 수 있고, 오븐/보일러 외부에서 가열되는 것 및 냉각되는 것 중 적어도 하나일 수 있다.
실시예에서, 150°C 내지 2000°C 범위인 것과 같은 높은 반응 셀 챔버 5b31 벽 온도는 하이드리노 투과율을 증가시키며, 이는 생성물 억제를 감소시킴으로써 하이드리노 반응율을 증가시키는 데 중요한 것으로 밝혀졌다. 벽 온도는 예를 들어 반응 속도의 변경(예를 들어, 증가 또는 감소)에 의해 조절될 수 있으며, 작동 중에 원하는 온도를 유지하기 위해 적절한 열 전달을 위해 장치의 단열 및/또는 냉각을 활용한다. 유사하게, 150°C 내지 3000°C 범위와 같은 높은 반응 셀 챔버 온도도 하이드리노 반응 속도를 증가시킬 수 있다. 실시예에서, 도 8A-8L에 도시된 것과 같은 SunCell은 저장소(5c) 및 EM 펌프 튜브(5k6)와 같은 SunCell의 잠긴 부분으로부터 향상된 열 전달을 통해 선택적 냉각을 제공하기 위해 물과 같은 냉각제에 부분적으로 잠긴다. 저장소(5c)는 냉각 경로의 역할을 하는 대응하는 임의의 주석 인벤토리를 사용하여 임의로 길게 만들 수 있다. 도 9D-9F에 도시된 바와 같은 보일러는 히터 코일 또는 열 테이프로 감싼 셀로 라이닝될 수 있다. 일 실시예에서, 물이 없는 보일러 용기(33)는 SunCell이 시동될 수 있도록 용융 금속을 용융시키는 오븐 역할을 할 수 있고, 이어서 보일러 탱크(33)는 내부 용융 금속에서 냉각제로의 열 전달을 위한 추가 표면적을 제공하기 위해 길이가 연장될 수 있는 저장소 및 EM 펌프 튜브를 통해 냉각이 발생하는 동안, 반응 셀 챔버 및 벽 온도를 높게 유지하기 위해 냉각제로 부분적으로 채워질 수 있다.
생성물 억제를 줄이기 위한 실시예에서, 하이드리노 반응은 투과 및 진공 펌핑과 같은 적어도 하나의 메커니즘에 의해 반응 셀 챔버(5b31)로부터 제거될 하이드리노 반응 생성물을 위한 시간을 허용하기 위해 일시 중지될 수 있다. 하이드리노 반응은 발화력 일시 중지, EM 펌핑, 적어도 하나의 반응물의 흐름, 불활성 가스의 첨가 중 적어도 하나와 같은 하이드리노 반응 속도를 제어하기 위한 적어도 하나의 방법 및 본 개시의 다른 공개 수단에 의해 일시 중지될 수 있다.
이중 용융 금속 주입기를 포함하는 SunCell의 다른 실시예에서, 점화 전원 공급 장치는 저항 가열을 제공하여 SunCell을 시동시킬 수 있다. 전기 브레이크(913)에 의해 브레이크 저장소 EM 펌프 조립체(914a)(도 8G)로부터 전기적으로 절연된 것과 같은 SunCell의 외부 표면 또는 브레이크 저장소 EM 펌프 조립체(914a)의 외부 표면 중 적어도 하나는 적어도 하나의 전기 리드 연결부를 포함할 수 있다. 예시적인 외부 표면은 전기 브레이크(913) 위 또는 아래의 저장소(5c) 및 반응 셀 챔버(5b31) 중 적어도 하나의 외부 벽이다. 전기 리드 연결부는 점화 전원 공급 장치의 전압 단자에 연결될 수 있고, 반대 극성 점화 전원 전압 단자는 저장소 EM 펌프 조립체(915a)의 용융 금속 및 저장소 EM 펌프 중 적어도 하나에 대한 리드에 연결될 수 있다. 점화 전력은 용융 금속 저장소 및 그 내부에 용융 금속을 포함하는 SunCell 또는 그 부분들을저항 가열하기 위해 하나의 리드에서 반대 극성의 다른 리드로 SunCell을 통해 흐를 수 있다. 용융 금속의 용융을 달성하는 것과 같은 원하는 양의 저항 가열 후에, 점화 전력은 반대 용융 금속 주입기의 리드 사이에 연결될 수 있다. SunCell은 해당 리드를 연결함으로써 저항 가열과 점화 전원 사이의 연결을 전환하는 저항/점화 스위치를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 저항 가열은 점화 전원 공급 장치가 아닌 전원 공급 장치에 의해 전원이 공급될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 점화 전원을 인가하기보다는, 점화 전원이 주석을 용융시키고 SunCell을 가열하는 데 사용된 다음, 하이드리노 반응 플라즈마를 시작하기 위해 점화 전원이 인가된다.
보일러, 공기 열 교환기 또는 본 개시의 열광전지 변환기 설계를 포함하는 것과 같은 일반적인 실시예에서, SunCell은 진공 재킷, 압력 게이지, 수소 또는 헬륨 공급부와 같은 가스 공급부, 진공 펌프 및 가스 압력 제어기와 같은 가역적 절연체를 포함할 수 있으며, 여기서 재킷 내의 가스 압력은 절연부의 레벨을 제어하오록 제어된다. EM 펌프 튜브와 같은 다른 구성요소는 세라믹 절연체 또는 등가물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 5ka와 같은 EM 펌프는 용융 금속을 저장소(5c) 외부에 있는 것과 같은 보관 저장소로 펌핑할 수 있다. 보관 저장소는 EM 펌프를 포함할 수 있고 제어기, 온도 센서, 히터, 및 히터에 전력을 공급하기 위한 배터리 또는 커패시터 뱅크와 같은 히터 전원 공급 장치를 추가로 포함할 수 있다. 히터는 SunCell이 시동될 수 있도록 저장소(5c)로 펌핑되거나 흡입되는 용융 금속을 용융시킬 수 있다. 실시예에서, 용융 금속은 EM 펌프 튜브(5k6)에 대한 연결을 통해 저장 저장소 내로 또는 보관 저장소 밖으로 펌핑되는 것 중 적어도 하나일 수 있다.
도 9D-E에 도시된 것과 같은 보일러 실시예에서, SunCell은 보일러 탱크에 물이 없는 상태에서 시동될 수 있다. 히터는 SunCell을 가열할 수 있으며, SunCell이 주석, 은, 구리 또는 이들의 합금과 같은 용융 금속의 융점보다 높은 온도와 같은 원하는 작동 온도에 도달한 후 물이 보일러 탱크로 펌핑될 수 있다. 일 실시예에서, SunCell은 저장소(5c)(도 8F-8L)에 각각 이중 용융 금속 주입기(5k61)를 포함할 수 있으며, 여기서 이중 용융 금속 주입기 각각은 전류 운반 전극을 점화시키는 역할을 하며, 이 주입기는 단열 라이너, 전기 브레이크 플랜지(914), 저장소 플랜지(915), EM 펌프 튜브 조립체(5kk), EM 펌프 튜브(5k6), EM 버스 바(5k2), EM 펌프 자석(5k4) 및 유입구 라이저(5qa)를 포함할 수 있다. SunCell은 진공 라인(711), 방전 셀(900) 및 본체(901), 전기 피드스루(906a)(도 8J-8L)를 통과하는 것과 같은 가스 유입구, 반응 셀 챔버(5b31), 솔리드 플레이트 또는 내부 PV 창 플랜지, PV 챔버(916), 내부 PV 창(5ab4), 내부 PV 창(26e1)용 시트 및 외부 PV 창(5b4)을 추가로 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 글로우 방전 전원의 포지티브 리드는 피드스루 가스 유입구(906a)의 가스 라인 연장부에 연결되고, 음극 리드는 방전 셀 플랜지(906b) 또는 챔버(901) 또는 반응 셀 챔버(5b31)에 부착되며, 여기서 음극 연결은 방전 전지 플랜지(906b)와 전기적으로 접촉하는 아르곤 가스 라인(906)(도 8C)과 같은 가스 라인에 연결함으로써 간접적일 수 있다. 방전 셀 본체(901)는 도 8G에 도시된 바와 같이 반응 셀 챔버(5b31)에 직접 장착되거나, 방전 셀 본체가 수직과 같은 다른 원하는 방향으로 배향되도록 하는 엘보와 같은 연결부에 의해 장착될 수 있다. 도 9A에 도시된 것과 같은 상부 플랜지(409a)를 포함하는 실시예에서, 방전 셀(900)은 수직과 같은 원하는 배향으로 상부 플랜지(409a) 상에 장착될 수 있다. 보일러 물은 용융 금속을 용융 상태로 유지하기에 충분한 온도를 유지하기 위해 SunCell이 작동한 후 추가될 수 있다. 보일러 물은 전기 브레이크(913), 피드스루(5k2)를 갖는 EM 버스 바 및 EM 펌프 자석(5k4) 중 적어도 하나를 냉각할 수 있다.
적어도 EM 펌프 튜브(5k6)는 내부의 용융 금속이 응고되는 것을 방지하기 위해 단열될 수 있다. 단열재는 밀봉을 제공하기 위해, J-B Weld 37901, Cotronics Resbond 940SS 및 Cotronics Resbond 907GF 중 적어도 하나와 같은 금속 접착제 및 용접 중 적어도 하나에 의해 EM 펌프 튜브에 및 EM 펌프 튜브와 함께 결합될 수 있는 SS 하우징과 같은 하우징에 밀봉될 수 있는 세라믹 섬유 또는 다른 고온 단열재를 포함할 수 있다. 대안적으로, EM 펌프를 탄소와 같은 단열재로 덮을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 단열재는 EM 펌프 튜브용으로 가공된 채널을 갖는 2개의 탄소 클램 쉘을 포함할 수 있으며, 여기서 블록은 펌프 튜브에 접착되고 서로 접착되어 밀봉을 형성할 수 있다. 접착제는 펌프 튜브의 탄화물 형성을 방지하기 위해 탄소 접착제 또는 Resbond와 같은 산화물계 접착제를 포함할 수 있다. 대안적으로, EM 펌프 튜브(5k6)의 외부는 방염 페인트 또는 Aremco Products Graphitic Bond 551RN과 같은 탄소 접착제를 사용하는 것을 허용하는 탄화물 형성을 방지하는 본 개시의 다른 재료와 같은 코팅으로 코팅될 수 있다. 탄소 단열재는 적어도 외부 및 내부적으로 코팅될 수 있다. 방염 페인트 또는 본 개시의 또 다른 재료와 같은 코팅은 산화 및 탄화물 형성 중 적어도 하나를 방지할 수 있다. 다른 실시예에서, EM 펌프 튜브(5k6)는 탄소, BN, 세라믹 또는 석영과 같은 단열 라이너를 포함할 수 있다.
실시예에서, EM 펌프 튜브(5k6)는 EM 펌프를 둘러싸서EM 펌프 튜브의 하나의 고온 섹션으로부터 냉각 섹션으로 열을 확산시키는 구리와 같은 고열 전도성 재료를 포함하는 열 전달 블록을 포함할 수 있다. 열 전달 블록은 EM 자석(5k4)을 덮고 있는 EM 펌프 튜브의 섹션으로 열을 전달할 수 있다.
도 7E-G에 도시된 예시적인 열교환기(813) 실시예에서, 용융 갈륨 또는 주석과 접촉하는 구성요소는 탄소를 포함하고, 공기 냉각제와 접촉하는 구성요소는 스테인리스 스틸을 포함한다. 도관 라이너(801a), 매니폴드 또는 보닛(802), 열 교환기 유입구 라인(803) 및 열교환기 유출구 라인(804)은 탄소를 포함하고, 도관(801), 분배기(805), 쉘(806), 외부 냉각제 유입구(807), 외부 냉각제 유출구(808) 및 배플(809)은 스테인리스 스틸을 포함한다. 각각의 스테인레스 스틸 도관(801)은 각 단부에서 상응하는 분배기(805)에 용접된다. 분배기(805)는 공기 냉각제가 스테인리스 스틸에만 접촉하도록 쉘(806)에 용접된다. 보닛(802), 유입구(803) 및 유출구(804)는 용접된 유입구(803) 라인 및 탄소 열 교환기 유입구 라인(803) 및 유출구 라인(804)에 연결된 용접 배출구 라인(804c)을 갖는 스테인리스 스틸 하우징(806a) 내부에 있고, 여기서 연결부는 개스킷식 플랜지 유니온을 포함한다. 개스킷은 탄소를 포함할 수 있다. 각각의 분배기(805)는 2개의 부분, 라이너(801a)의 단부에 접착된 탄소를 포함하는 하나의 외부 부분(805a) 및 하우징(806a) 및 쉘(806)에 용접된 스테인리스 스틸을 포함하는 내부 부분을 포함할 수 있다. 갈륨 또는 주석 순환 EM 펌프(810) 및 복귀 라인(810)으로부터 저장소(5c)로의 라인(803)은 벨로우즈 또는 스프링-장착 조인트와 같은 확장 조인트를 포함할 수 있다.
도 7E-G에 도시된 예시적 실시예에서, 용융 갈륨 또는 주석과 접촉하는 구성요소는 탄소를 포함하고, 공기 냉각제와 접촉하는 구성요소는 스테인레스 스틸을 포함한다. 도관 라이너(801a), 매니폴드 또는 보닛(802), 열 교환기 유입구 라인(803) 및 열교환기 유출구 라인(804)은 탄소를 포함하고, 도관(801), 분배기(805), 쉘(806), 외부 냉각제 유입구(807), 외부 냉각제 유출구(808) 및 배플(809)은 스테인리스 스틸을 포함한다. 각각의 스테인레스 스틸 도관(801)은 각 단부에서 상응하는 분배기(805)에 용접된다. 분배기(805)는 공기 냉각제가 스테인리스 스틸에만 접촉하도록 쉘(806)에 용접된다. 보닛(802), 유입구(803) 및 유출구(804)는 용접된 유입구(803) 라인 및 탄소 열 교환기 유입구 라인(803) 및 유출구 라인(804)에 연결된 용접 배출구 라인(804c)을 갖는 스테인리스 스틸 하우징(806a) 내부에 있고, 여기서 연결부는 개스킷식 플랜지 유니온을 포함한다. 개스킷은 탄소를 포함할 수 있다. 각각의 분배기(805)는 2개의 부분, 라이너(801a)의 단부에 접착된 탄소를 포함하는 하나의 외부 부분(805a) 및 하우징(806a) 및 쉘(806)에 용접된 스테인리스 스틸을 포함하는 내부 부분을 포함할 수 있다. 갈륨 또는 주석 순환 EM 펌프(810) 및 복귀 라인(810)으로부터 저장소(5c)로의 라인(803)은 벨로우즈 또는 스프링-장착 조인트와 같은 확장 조인트를 포함할 수 있다.
실시예에서, 열 교환기로부터 출력된 스팀과 같은 화력은 Trane에 의해 제조된 것과 같은 흡수 냉각기에 SunCell 출력을 정합시킴으로써 공조, 서버 및 다른 것과 같은 냉각 부하 냉동에 사용될 수 있다. (https://www.trane.com/commercial/asia-pacific/ph/en/products-systems/equipment/chillers/absorption-liquid-chillers/single-stage-chillers.html).
실시예에서, SunCell은 직접 벽 열교환기를 포함할 수 있다. SunCell(812)은 열을 제거하기 위해 외부 표면 위로 지향된 공기 흐름을 위해 카울링(39)(도 9G-H)에 배치될 수 있다. 반응 셀 챔버 및 저장소의 적어도 하나의 벽과 같은 SunCell의 적어도 하나의 표면은 벽 열 전달 수단 위로 또는 벽 열 전달 수단을 통해 흐르는 공기에 열 전달 속도를 증가시키기 위해 효과적인 벽 표면 공간을 높이기 위한 벽 열 전달 수단으로 최소한 부분적으로 커버될 수 있다. 열 전달 수단은 열 확산기 및 열 교환기를 포함할 수 있다. 예시적인 열 전달 수단은 핀, 열 파이프, 증기 챔버, 및 알루미늄 또는 구리 쇼트와 같은 높은 열 전달을 갖는 고표면적 재료를 포함하는 나선형 공기 채널을 포함하는 것과 같은 채널 플레이트이다. 예시적인 열 파이프는 Alloy 600 또는 Hayes 230과 같은 상용성 금속을 포함할 수 있는 용융염 열 파이프 및 나트륨, 칼륨 또는 세슘 열 파이프이다. 열 교환기는 임의의 배향의 열 파이프들을 포함할 수 있고, 열 파이프들이 원하는 위치 및 배향들로 배향 및 배열될 수 있게하는 열 수송 시스템을 포함할 수 있다. 직접 벽 열 교환기는 벽 열 전달 수단을 통해 공기를 흐르게 하는 송풍기 또는 압축기(42)를 추가로 포함할 수 있다.
열 교환기는 하나 이상의 증기 챔버, 루프 써모싸이펀(loop thermosyphan), 열 확산기 및 수송 열 파이프 조립체 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있다. 열 확산기는 반응 셀 챔버 및 저장소 중 적어도 하나의 벽의 표면에 연결하기 위한 적절한 기하학적 구조의 열 전달 블록을 포함할 수 있다. 확산기는 구리 또는 알루미늄과 같은 높은 열전달 계수를 갖는 재료를 포함할 수 있다. SunCell에 의해 생성된 화력은 또한 반응 셀 챔버와 저장소 중 적어도 하나의 기하학적 영역을 증가시켜 공기로의 전달을 용이하게 하기 위해 더 넓은 영역으로 확산될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 반응 셀 챔버 및 저장소 벽 중 적어도 하나를 가로질러 전달되는 전력 밀도는 벽 표면적을 증가시키기 위해 SunCell의 적어도 하나의 치수를 증가시킴으로써 전력을 공기로 전달하기 위한 외부 열 교환기의 용량과 일치한다.
도 9G-H에 도시된 직접 열 교환기의 실시예에서, SunCell(518)은 카울링(39)에 수용되고, 열 교환기는 입방체 또는 직사각형 형상을 갖는 반응 셀 챔버(5b31)와 같은 반응 셀 챔버의 외벽에 수직으로 장착된 열 파이프(45)를 포함한다. 열 파이프(45)는 구리 또는 알루미늄 플레이트와 같은 냉각 플레이트(44) 또는 그것이 장착되는 벽 영역보다 더 큰 표면적을 가질 수 있는 증기 챔버와 같은 열 확산기(44) 내의 그들의 베이스에 장착될 수 있다. 열 확산기는 SunCell에 평행한 축을 따라 연장될 수 있다. 냉각 플레이트 또는 열 확산기(44)는 반응 셀 챔버(5b31)로부터 배기하기 위해 반응 셀 챔버 벽을 통한 하이드리노 확산을 위한 채널, 홈 또는 개방 영역(46)을 포함할 수 있다. 열 교환기는 열 파이프(45)로부터 공기 또는 물과 같은 흐르는 냉각제로 열을 전달하기 위해 핀(43)과 같은 냉각제 열 전달 요소를 더 포함할 수 있다. 실시예에서, 공기 또는 물과 같은 냉각제는 각각 송풍기 또는 압축기(42) 또는 워터 펌프(42)에 의해 유입구(41)를 통해 흐를 수 있다. 냉각제 흐름은 카울링(39)에 포함될 수 있고 유출구(40) 밖으로 흘러나올 수 있다. 실시예에서, 열 교환기는 점화, EM 펌프, 플라즈마 방전 셀(900) 전류 및 온도, 가스 흐름, 가스 압력 및 전력 센서와 같은 센서뿐만 아니라 진공 라인 및 반응물 가스 라인용 관통부와 같은 전기적 연결을 위한 카울링 피드스루를 더 포함한다. 열 교환기는 송풍기 또는 물 펌프의 제어기를 포함할 수 있으며, 유출구 냉각제 온도는 냉각제 유량을 제어함으로써 제어된다. 열 파이프는 반응 셀 챔버 벽 온도가 약 100℃ 내지 3000℃ 범위의 온도와 같은 원하는 온도일 때 열 수송을 개시하도록 선택될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 열 파이프의 작동 유체는 벽이 알칼리 금속의 끓는점에 접근함에 따라 열을 수송하도록 알칼리 금속을 포함할 수 있다.
도 9G-H에 도시된 열 파이프 공기 열 교환기를 포함하는 SunCell(812)의 실시예에서, 반응 셀 챔버(5b31)는 주석 또는 갈륨과 같은 용융 금속과의 합금 형성을 방지하기 위해 흑연 또는 세라믹 코팅으로 코팅된 CrMo 스틸, 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 철, 니켈, 또는 몰리브덴과 같은 스테인레스 스틸을 포함할 수 있다. 세라믹 코팅은 방염 페인트, Mullite, ZTY, 또는 본 개시의 다른 유사한 코팅 또는 당업계에 공지된 것을 포함할 수 있다. 반응 셀 챔버는 플라즈마 손상으로부터 코팅을 보호하기 위한 적어도 하나의 라이너, 예컨대 석영, 탄소, BN 또는 SiC와 같은 세라믹, 또는 W 또는 Ta와 같은 내화 금속을 포함하는 것과 은 용융 금속과 합금을 형성하는 것에 저항성인 라이너를 더 포함할 수 있다. EM 펌프 튜브는 고온 단열재 및 용융 금속 합금 내성 코팅 또는 석영 라이너와 같은 라이너를 포함할 수 있다. 실시예에서, EM 펌프 튜브는 액체 또는 기체 냉각제를 포함하는 것과 같은 열교환기를 포함하는 것과 같은 EM 펌프 튜브 냉각기에 의해 선택적으로 냉각될 수 있다.
하이드리노 반응에 의해 생성된 열을 주로 도 9I에 도시된 것과 같은 방사선에 의해 전달하는 실시예에서, SunCell은 적어도 하나의 PV 창(5b4)을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 창은 반응 셀 챔버(5b31) 및 PV 창(들)에 의해 형성된 임의의 챔버로부터의 광을 투과시켜, 열 파이프(45) 및 열 교환기 핀(43)을 포함하는 것과 같은 열 교환기로 열을 전달하는 흡수체(44)로 조사한다. SunCell은 적어도 하나의 PV 창을 통해 투과된 방출을 적어도 하나의 흡수체(44)로 반사시키기 위한 적어도 하나의 미러를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 공기 또는 물과 같은 냉각제는 각각 송풍기 또는 압축기(42) 또는 물 펌프(42)에 의해 유입구(41)를 통해 흐를 수 있다. 냉각제 흐름은 카울링(39)에 포함될 수 있고 유출구(40) 밖으로 흘러나올 수 있다. 실시예에서, SunCell은 PV 창(들)(5b4)과 광학 전력 흡수체(들)(44) 사이에 갭(44a)을 포함하며, 여기서 흡수체(들)(44)의 기하학적 면적은 PV 창(들)의 면적보다 더 커서 더 넓은 면적의 흡수체(들)에 강렬한 방출 광출력을 퍼뜨린다.
실시예에서, EM 펌프는 약 200℃ 내지 1500℃ 범위와 같은 고온에서 작동할 수 있다. 실시예에서, EM 펌프는 EM 버스 바(5k2)에 용접된 금속 펌프 튜브(5k6)를 포함하며, 여기서 펌프 튜브의 내부 및 용융 금속과 접촉하는 버스 바의 적어도 일부 중 적어도 하나는 높은 전기 전도성, 용융 금속과의 합금 형성에 대한 저항성, 내산화성 및 고온 안정성 중 적어도 하나의 특성과 함께 코팅된다. 코팅의 전도도는 약 1000 마이크로옴 cm 내지 1 마이크로옴 cm 범위일 수 있다. 코팅의 안정적인 온도는 100°C 초과일 수 있다. 코팅의 합금 저항은 갈륨, 인듐, 주석, 구리 및 은 중 적어도 하나와 합금을 형성하는 것과 관련된 저항을 고려할 수 있다. 코팅의 내산화성은 산소 및 물 중 적어도 하나로부터 적어도 100℃의 온도까지의 산화와 관련된 저항을 고려할 수 있다. EM 버스 바 코팅은 EM 버스 바가 EM 펌프 튜브에 용접되기 전이나 후에 적용될 수 있다. 코팅은 질화물, 탄화물 또는 붕소화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예시적인 전도성 코팅은 Aremco Products Graphitic Bond 551RN 또는 스프레이 코팅, 바나듐 카바이드 열확산 코팅, 열화학적 보리딩 /보린화(DHB) 코팅, TiCN, 질화티타늄, 또는 카바이드 CVD 코팅, 고급 HVOF CoreGardTM(Praxair) 코팅, 염욕 질화 코팅, 가스 질화 코팅, 이온 플라즈마 질화 코팅, 크롬, 크롬 카바이드, 탄탈화 코팅, 열화학적 탄탈화 코팅, 알루미늄 코팅, 백금 알루미나이드 확산 코팅, 열화학적 알루미늄 코팅, ZrN, TiN, WC, VC, 열화학적 CrC 코팅, 확산 슬러리, 팩 확산 및 기상 확산 중 적어도 하나와 같은 확산 코팅과 같은 CrC 또는 Al 코팅, CrC, CrN, AlTiN, TiAlN, AlTiCN, TiAlSiCN, TiB2, 및 ZrB2를 포함하는 카본 슬러리이다. 코팅은 플라즈마 기상 증착, 물리 기상 증착, HVOF 방법, 용사, 열확산, 화학 기상 증착(CVD), 열화학, 화학 증착, 전기화학 증착, 전기도금, 및 당업계에 공지된 다른 방법에 의해 도포될 수 있다. EM 펌프 튜브의 코팅은 열화학적 증착과 같은 방법을 사용하여 탄탈화함으로써 적용된 것과 같은 탄탈 코트를 포함할 수 있다. 실시예에서, Ta 코팅된 EM 펌프 튜브는 용접될 수 있는 스테인리스 스틸 튜브(5k6) 및 스테인리스 스틸 EM 버스 바(5k2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. EM 펌프 튜브의 코팅은 방염 페인트와 같은 세라믹과 같은 비전도성 재료를 포함할 수 있는 반면, EM 버스 바의 코팅은 TiN과 같은 전도성 코팅 또는 Ta 또는 W와 같은 도체를 포함하여 용융 금속과 합금을 형성할 수 있다. 예시적인 실시예에서, EM 펌프 튜브는 방염 페인트 코팅된 스테인리스 스틸(SS)을 포함하고 EM 버스 바는 SS 펌프 튜브에 용접된 TiN 코팅된 SS를 포함한다. 추가의 예시적인 실시예에서, EM 펌프 튜브는 방염 페인트 코팅된 스테인레스 스틸(SS)을 포함하고 EM 버스 바는 2개의 섹션, 즉 용융 금속과 접촉하는 전극 섹션 및 EM 펌프 튜브에 연결된 패스너 섹션을 포함한다. EM 버스 바는 SS 펌프 튜브에 용접된 SS 패스너에 고정된 W 또는 Ta 로드를 포함할 수 있다. W 또는 Ta 로드는 상응하는 암나사를 갖는 용접된 SS 스터브에 나사 결합되는 Ta 또는 W 수나사 로드와 같은 나사 조인트를 포함하는 패스너에 의해 SS에 고정될 수 있다. 다른 실시예에서, 패스너는 칼라를 EM 펌프 튜브의 내부로 관통하는 Ta 또는 W 로드와 함께 펌프 튜브에 용접된 SS 칼라를 포함한다. 로드의 반대쪽 단부는 SS 칼라에 용접되거나 브레이징될 수 있다. 대안적으로, Ta 또는 W 로드는 스테인리스 스틸로 부분적으로 클래딩될 수 있으며, 여기서 스테인리스 스틸 클래드 부분은 클래드되지 않은 W 섹션이 펌프 튜브 내로 돌출하고 완전히 클래드된 EM 버스 바가 EM 펌프 튜브 외부로 돌출하도록 EM 펌프 튜브에 용접된다. EM 펌프 튜브는 EM 버스 바를 고정하기 전이나 후에 코팅할 수 있다. 펌프 튜브는 중력, 원심력, 가스 압력, 정전기력, 벨로우즈 또는 당업계에 공지된 다른 선택적인 적용 방법을 사용하여 코팅을 선택적으로 적용하거나 또는 본 개시의 방법과 같은 마스킹 방법을 사용함으로써 EM 버스 바를 코팅하지 않고 선택적으로 코팅될 수 있다.
도 6, 8A-8L 및 13에 도시된 것과 같은 실시예에서, 저장소 베이스플레이트(5kk1)는 전도성일 수 있고 점화 전극의 역할을 할 수 있다. 예시적인 베이스플레이트 점화 전극은 용융 금속과 산화로 인한 합금 형성으로부터 베이스플레이트를 보호하는 것 중 CrC와 같은 탄화물, TiN과 같은 질화물, 또는 TiB2 또는 ZrB2와 같은 붕소화물 중 적어도 하나와 같은 전도성 코팅으로 코팅된 스테인레스 스틸과 같은 금속을 포함한다. 버스 바는 점화 전원의 단자에서 베이스플레이트 점화 전극 및/또는 점화 저장소 버스 바(5k2a1)에 직접 연결할 수 있다. 실시예에서, 주입기 튜브(5k61)는 저장소의 용융 금속과 주입기 튜브의 용융 금속 사이의 점화 전류의 전기 저항을 감소시키기 위해 W 또는 Ta와 같은 산화물 코팅이 없는 고전도성 금속 및 0.1 mm 내지 5 mm 범위의 두께를 갖는 것과 같은 얇은 벽 중 적어도 하나를 포함한다. 주입기 튜브의 직경은 튜브 벽 전체의 전기 저항을 줄이기 위해 증가될 수 있다. 예시적인 주입기 튜브(5k61)의 직경은 약 1 mm 내지 10 cm 범위이다.
실시예에서, 반응 셀 챔버는 역 Y 구조를 포함하는 SunCell의 PV 창을 대체할 수 있다. 도 9G-H에 도시된 것과 같은 외부 열 교환기는 반응 셀 챔버의 벽에 장착될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 반응 셀 챔버 벽은 방염 페인트와 같은 세라믹으로 코팅된 CrMo 스틸과 같은 금속을 포함할 수 있고, 여기서 반응 셀 챔버는 석영, SiC 또는 W 라이너와 같은 내화성 라이너를 포함한다.
열광전지 변환기
적외선 재활용을 사용한 1207°C 흑체 방출물의 단일 접합 그룹 III/V 반도체PV 변환 테스트는 Z. Omair 외의 "Ultraefficient thermophotovoltaic power conversion by band-edge spectral filtering", PNAS, Vol, 116, No. 3, (2019), pp. 15356-15361에 의해 보고되었으며, 그 전체는 본원에 원용된다. Omair 등은 30%의 변환 효율을 달성했으며 거울, PV, 흑체 방사율, 뷰 팩터, 직렬 저항 및 기타 개선을 통해 50%의 효율을 예상했다. 120°C에서 작동하는 단일 접합 집광기 실리콘 PV 셀에 의한 3000K SunCell 방출에 대한 열광전지(TPV) 변환 효율은 84%로 계산되었으며 실제 기대치는 50%이다. 실시예에서, SunCell®은 적어도 하나의 광전지와 적어도 하나의 흑체 방사체 또는 이미터를 포함하는 열광전지(TPV) 변환기를 포함한다. 광 재활용을 통한 열광전지 변환을 위한 흑체 방사체는 (i) SunCell 구성요소의 외벽 중 적어도 하나 및 (ii) PV 창을 통해 PV 변환기로 광을 방출하는 반응 셀 챔버의 하이드리노 플라즈마 중 하나 이상을 포함한다. 흑체 방사체 역할을 하는 외벽을 갖는 SunCell 구성요소는 Mo, Ta, W, Nb, Ti, Cr, Zr 합금 및 VHT 방염 페인트 또는 이와 유사한 세라믹 페인트 또는 세라믹 코팅된 스틸 또는 스테인리스 스틸 또는 내화 금속과 같은 내부 코팅을 포함하는 용융 금속과의 합금 형성에 내성적인 내화 금속을 포함하는 반응 셀 챔버 및 저장소 중 최소 하나를 포함한다. 대안적으로, 벽은 탄소, 석영, 용융 실리카, 및 알루미나, 하프니아, 지르코니아, 탄화규소, 질화붕소(BN) 및 본 개시의 다른 것과 같은 세라믹 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 실시예에서, 흑체 방사체는 TPV 셀로의 적외선 방출을 차단하기 위한 필터를 포함할 수 있다. TPV 셀은 전면의 적외선 필터와 같은 필터 및 적외선 거울과 같은 후면의 거울 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 셀의 밴드 갭 미만의 에너지를 갖는 PV 셀에 들어가는 광자는 PV 창을 통해 SunCell 구성요소 벽 및 반응 셀 챔버 중 적어도 하나와 같은 SunCell로 다시 반사되어 해당 저에너지 광자를 재활용할 수 있다.
반응 셀 챔버 내부의 용융 금속에 의한 플라즈마 및 재활용 광의 반사 및 다중 반사로 인해, 직접 플라즈마 방출, 벽, 용융 금속 및 양극 방출과 같은 스트레이 플라즈마 및 SunCell 구성 요소 방출 및 재활용 광의 백분율 챔버를 빠져나가거나 PV 창을 통해 전달될 수 있는 신호는 100%일 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버 및 저장소 중 적어도 하나는 PV 창을 통해 SunCell로부터 PV 변환기, 오븐 흡수기 또는 보일러 흡수기와 같은 부하로 전달되는 전력이 방사선에 의해 지배되도록 열적으로 절연될 수 있다. 방사된 하이드리노 반응력의 퍼센트는 일반적으로 약 0 내지 0.3 범위인 용융 금속 방사율 및 500°C 내지 3500°C 범위일 수 있는 반응 셀 챔버 벽 온도의 함수이다. 투과된 방사선의 비율은 용융 금속 방사율 감소 및 반응 셀 챔버 벽 온도 증가에 따라 증가할 수 있다. 하부 반응 셀 챔버에 연결된 상부 투명 하프 돔 PV 창을 포함하는 예시적인 실시예에서, PV 창을 통한 투과율은 3000K의 플라즈마 흑체 온도, 0.3의 용융 금속 방사율 및 1700°C의 반응 셀 챔버 벽 온도로 계산되었다.
약 300°C 내지 3000°C 범위의 온도와 같은 원하는 용융 금속 작동 온도를 달성하기 위해 단열을 증가시키기 위한 실시예(도 9A-C)에서, 반응 셀 챔버 직경은 W 내부 라이너를 갖는 탄소 라이너와 선택적으로 최소한 가장 강렬한 플라즈마 구역을 라이닝하는 W 플레이트의 다각형과 같은 더 두꺼운 라이너를 수용하도록 증가된다. 실시예에서, 반응 셀 챔버(5b31)의 상부는 상부 플레이트(409a) 및 대응하는 플랜지 씰(409e)의 크기를 줄이기 위한 부분 커버를 포함한다. 반응 셀 챔버의 상부는 점화 전극(8)을 위한 피드스루를 갖는 정합 플레이트(409a)에 플랜지(409e)로 덮힌 용접된 환형체의 중심에 용접된 실린더를 포함할 수 있다.
실시예에서, 라이너는 흑연, 열분해 흑연, BN 및 세라믹 코팅 흑연, 열분해 흑연 또는 BN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 코팅은 고온 세라믹 페인트, 방염 페인트, 또는 Resbond 907GF, 940HT, 940LE, 940HE, 940SS, 903 HP, 908 또는 904 지르코니아 접착제, 및 ZrO2- ZrSiO4를 포함하는 Aremco Ultra-Temp 516와 같은 지르코늄 산화물 코팅 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도 8C-D에 도시된 예시적인 실시예에서, 이중 주입기 저장소(5c)는 카본 라이닝, 방염 또는 기타 세라믹 코팅 튜브를 포함하고, 반응 셀 챔버(5b31)는 반응 셀 챔버 플라즈마 구역에 텅스텐 라이너를 갖는 카본 라이닝, 방염 또는 기타 세라믹 코팅 챔버를 포함한다. 탄소 및 W 라이너 중 적어도 하나는 고온 세라믹 페인트, 방염 페인트 또는 Resbond 907GF, 940HT, 940LE, 940HE, 940SS, 903 HP, 908, 또는 904 지르코니아 접착제 또는 ZrO2- ZrSiO4를 포함하는 Aremco Ultra-Temp 516과 같은 지르코늄 산화물 코팅과 같은 본 개시의 것과 같은 세라믹으로 코팅될 수 있다.
실시예에서, SunCell은 주입된 용융 금속 스트림이 교차하여 플라즈마를 형성하도록 용융 금속을 주입하는 이중 저장소 및 주입기 전극을 포함할 수 있다. 실시예에서, 적어도 반응 셀 챔버 벽은 가시광 및 적외선 중 적어도 하나에 대해 투명할 수 있다. 반응 셀 챔버 벽은 PV 창을 포함할 수 있다. SunCell은 정사각형, 직사각형, 오각형, 육각형 등과 같은 다각형 형상을 갖는 반응 셀 챔버를 포함할 수 있다. 반응 셀 챔버의 표면은 반응 셀 챔버 벽과 PV 셀 사이에서 간극이 존재할 수 있는 열광전지(TPV) 셀과 같은 PV 셀로 클래딩될 수 있다. 실시예에서, 적어도 하나의 창 또는 필터는 반사를 줄이기 위해 표면 텍스처 또는 1/4 파장판과 같은 수단을 포함한다. 다른 실시예에서, SunCell은 플랜지 조인트와 같은 조인트에 의해 반응 셀 챔버에 연결된 챔버를 포함하는 PV 창을 더 포함할 수 있다. TPV 셀은 PV 창을 둘러싸서 플라즈마 방출을 수신하고 이를 전기로 변환할 수 있다. TPV 셀은 적외선과 같이 전기로 변환되지 않은 광을 다시 플라즈마로 반사시켜 재활용할 수 있다.
실시예에서, 용융 금속은 주석을 포함할 수 있다. 반응 셀 챔버 온도는 주석 산화물을 형성하기 위한 주석과 수증기의 반응이 열역학적으로 바람직하지 않은 온도 이상으로 유지될 수 있으며, 여기서 물은 하이드리노 반응 혼합물의 일부로서 하이드리노 반응에 공급되는데, 예를 들면 수소, 산소 및 수증기 중 적어도 2개를 포함한다. 하이드리노 반응 혼합물이 수증기를 포함하는 예시적인 실시예에서, 반응 셀 챔버는 875K 이상으로 유지된다. 하이드리노 반응 혼합물의 일부로서 분자 또는 원자 수소의 첨가는 주석 산화물을 형성하기 위한 주석과 수증기의 반응이 열역학적으로 바람직하지 않은 온도를 감소시킨다.
실시예에서, SunCell은 수소 공급원 및 산소 공급원과 같은 물 주입기 및 플라즈마 셀과 같은 재결합기, 알루미나와 같은 지지체 상의 귀금속과 같은 재결합기 촉매, 또는 본 개시의 또 다른 재결합기를 포함한다. 수소 및 산소의 공급원은 가스 라인, 질량 흐름 제어기, 밸브, 흐름 및 압력 센서, 컴퓨터 및 본 개시의 다른 시스템에 의해 공급되는 상응하는 가스일 수 있다. 대안적으로, 물은 수증기 가스로서 공급될 수 있다. 수증기 가스는 질량 흐름 제어기 작동을 위해 원하는 압력으로 유지되는 물 탱크로부터 질량 흐름 제어기에 의해 반응 셀 챔버 및 용융 금속 중 적어도 하나로 제어 가능하게 흐를 수 있다. 수증기 압력은 밀폐된 물 탱크와 같은 수증기 공급원의 온도를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예시적인 실시예에서, MKS 모델 # 1150, 1152m 및 1640 중 적어도 하나와 같은 수증기 질량 흐름 제어기(https://www.mksinst.com/c/vapor-mass-flow-controllers; https:/ /ccrprocessproducts.com/product/1640a-mass-flow-controller-mks/)는 유입구와 유출구 압력의 차이를 감지하고 해당 데이터를 사용하여 수증기 유량을 제어하는 것을 포함한다.
도 8C-D에 도시된 예시적인 실시예에서, 광 재순환을 이용한 열광전지(TPV) 변환을 위한 SunCell은 역 Y 구조를 포함하며, 여기서 역 Y 구조의 역 "V" 부분은 반응 셀 챔버(5b31)에 연결되는 2개의 주입 저장소(5c)를 포함하며, 역 Y 형상의 직선 부분은 흑체 방사체 또는 PV 창(5b4)을 포함한다. 역 V 부분은 H2 및 O2 가스와 같은 반응 가스를 위한 가스 유입구를 갖는 반응 셀 챔버(5b31)에 연결된 글로우 방전 셀(900) 및 반응 셀 챔버를 배기시키기 위해 진공 펌프에 연결된 진공 라인(711) 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있다. 글로우 방전 셀은 교체를 위해 적어도 방전 전극에 대한 접근을 제공하기 위해 상부에 플랜지를 포함할 수 있다. 글로우 방전 셀(900) 및 진공 라인(711) 중 적어도 하나는 용융 금속으로 채워지는 것을 피하기 위해 위쪽으로 기울어질 수 있고 용융 금속과의 합금 형성을 방지하는 본 개시의 것과 같은 라이너로 라이닝될 수 있다. 글로우 방전 전지 라이너는 전기 전도성일 수 있거나 전극으로서 역할을 하는 라이닝되지 않은 셀 벽의 일부를 갖는 부분적인 라이너를 포함할 수 있다.
직선 부분 PV 창은 반응 셀 챔버에 대한 개구부를 갖는 직사각형 캐비티를 포함할 수 있다. 대안적으로, PV 창은 반응 셀 챔버를 덮는 평판을 포함할 수 있다. 플레이트는 Rayotek 제품과 같은 개스킷으로 밀봉될 수 있는 하우징의 창을 포함할 수 있다. 창은 금속화되고 브레이징되거나 하우징에 용접될 수 있다. 창은 본 개시의 것과 같은 접착제에 의해 하우징에 접착될 수 있다. 대안적으로, 창은 반응 셀 챔버 상단의 플랜지에 접착된 평판을 포함할 수 있다. 접착제는 본 개시의 것일 수 있다. 예시적인 접착제 또는 접착제는 Cotronics Resbond 907GF, 940HT, 940LE, 940HE, 940SS, 903 HP, 908 또는 904 지르코니아 접착제, ZrO2-ZrSiO4를 포함하는 Aremco Ultra-Temp 516과 같은 지르코늄 산화물 코팅, 및 RK454와 같은 Durabond이다. 실시예에서, 적어도 하나의 평면 패널 PV 밀도 수신기 어레이는 PV 창 캐비티 또는 반응 셀 챔버의 내부로부터 발광을 수신하기 위해 직사각형 PV 창 면 또는 평판 창에 평평하고 평행하게 위치된다. 간격은 대응하는 PV 창 면 또는 플레이트로부터 각각의 조밀한 수신기 어레이를 분리할 수 있다.
역 Y 형상의 V 부분은 Mo, Ta, W, Nb, Ti, Cr과 같은 내화 금속 및 내부 코팅된 스틸, 스테인리스 스틸 또는 내화 금속을 포함할 수 있다. 코팅은 VHT 방염 페인트 또는 유사한 세라믹 페인트와 같은 고온 세라믹 페인트 또는 멀라이트와 같은 세라믹 코팅을 포함할 수 있다. PV 창은 석영, 사파이어, MgF2, 산질화알루미늄, 또는 본 개시의 다른 PV 창을 포함할 수 있다. 실시예에서, PV 창은 용융 금속이 응고되는 것을 방지하기 위해 이를 예열하기 위한 히터를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 석영, 사파이어, 산질화알루미늄 또는 MgF2 PV 창과 같은 PV 창은 저항성 히터, 수소-산소 화염 히터 또는 플라즈마 재결합 반응 히터와 같은 히터로 예열될 수 있다.
실시예에서, 듀얼 주입기는 상응하는 주입된 용융 금속 스트림이 교차하도록 정렬될 수 있다. 저장소의 베이스, 저장소 및 교차하는 금속 스트림의 베이스가 스트림이 교차하는 지점을 정점으로 하여 삼각형을 형성한다는 점을 고려하여, 정점 각도는 교차 스트림의 상호 Lorentzian 처짐을 방지하기 위해 베이스 길이를 늘림으로써 증가할 수 있다(예: 스트림 궤적은 더 적은 호 모양으로 더 선형으로 만들어진다.
V 및 직선 부분은 개스킷 씰(26d)(도 8C)와 같은 씰에 의해 결합될 수 있다. 개스킷은 탄소를 포함할 수 있고, 씰(26d)은 볼트 결합 플랜지를 포함할 수 있다. 대안적으로, 역 V와 직선 부분 사이의 씰 및 유니온(26d)은 접착제를 포함할 수 있다(도 8D). 일 실시예에서, Rayotek(https://rayoteksightwindows.com/products/high-temp-sight-glass-windows.html)과 같은 고온 창은 플라즈마 챔버 또는 캐비티를 형성하기 위해 연결될 수 있으며, 여기서 창은 광 재활용을 통해 PV 변환기로의 플라즈마 방출을 위한 PV 창을 포함한다. 연결은 캐비티의 바닥 개구부에서 반응 셀 챔버에 추가로 용접될 수 있는 다각형 캐비티를 형성하기 위해 창의 에지를 용접함으로써 이루어질 수 있다.
역 Y 기하학적 구조 실시예에서, SunCell®은 스테인레스 스틸 섹션(도 8A-D)과 같은 역 V 형상 섹션을 포함하는 금속 듀얼 주입기 셀을 포함하며, 여기에서 모든 금속 표면은 EM 펌프 튜브, 저장소 및 반응 셀 챔버는 방염 페인트로 코팅되는 용융 금속과 접촉하여 전기 절연을 제공한다. 코팅은 액체 침지 또는 에어로졸 도포에 의해 달성될 수 있다. 실시예에서, 점화 전원으로부터 저장소(5c)에 포함된 용융 금속에 전력을 공급하는 점화 전극(8)의 전기적 절연은 피드스루(912)를 통해 저장소 베이스플레이트(5kk1)와 같은 저장소를 관통할 수 있다. 피드스루(912)는 400°C 미만에서 작동되는 347 SS와 같은 스테인리스 스틸, W 또는 용융 금속과의 합금 형성에 저항하는 Ta와 같은 금속을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 피드스루는 용융 금속과의 합금 형성에 저항하는 400°C 미만에서 작동되는 347 SS, W 또는 Ta와 같은 스테인레스 스틸과 같은 금속에 연결된 구리를 포함할 수 있으며, 여기에서 구리는 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속과의 합금 형성으로부터 구리를 보호하기 위한 방염 페인트 또는 본 개시의 것 하나와 같은 세라믹 코팅으로 코팅될 수 있다. 실시예에서, SunCell은 적어도 하나의 점화 피드스루(912), 열 교환기, 물과 같은 냉각제, 순환 펌프, 온도 센서, 유량계, 제어기, 및 각각의 피드스루를 냉각시키기 위한 피드스루 유입구 및 유출구 라인을 추가로 포함한다. 예시적인 실시예에서, 각각의 피드스루는 수냉식이다.
실시예에서, 피드스루(912)(도 8C-D)는 금속을 결합할 수 있고 300°C 내지 2000°C와 같은 고온에서 작동할 수 있는 포팅 화합물 또는 접착제로 포팅된 점화 전극(8)을 포함할 수 있다. 예시적인 포팅 접착제는 Cotronics Resbond 907GF, 940HT, 940LE, 940HE, 940SS, 903 HP, 908 또는 904 지르코니아 접착제, ZrO2-ZrSiO4를 포함하는 Aremco Ultra-Temp 516과 같은 지르코늄 산화물 코팅, 및 RK454와 같은 Durabond이다.
실시예에서, 점화 전극(8) 및 EM 펌프 전극(5k30)(도 8D) 중 적어도 하나는 전기 피드스루, 본 개시의 것과 같은 포팅 화합물 또는 접착제로 포팅된 전극, Swagelok 또는 유사한 패스너로 고정된 코팅된 전극 및 Swagelok 또는 유사한 패스너로 고정되고 Teflon, 흑연 또는 BN 페룰과 같은 절연 페룰로 절연된 전극 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 텅스텐 산화물 또는 탄탈륨 산화물과 같은 산화물 코팅은 전극을 공기 중에서 가열, 전착, 스퍼터링하거나 전극을 양극 산화함으로써 형성될 수 있다. 전극은 EM 펌프 전극을 EM 펌프 전원에 연결하는 점화 전원 공급 장치 또는 EM 펌프 버스 바(5k2a)와 저장소(5c)의 용융 금속과 접촉하는 것에 연결된 것과 같은 전기 전도성이 요구되는 전도 표면에 코팅되지 않을 수 있다. 코팅은 방염 페인트와 같은 코팅 적용 후 EM 펌프 튜브의 내부와 같은 전도성 표면에서 선택적으로 제거될 수 있거나, 코팅의 적용은 예를 들어 마스크에 의해 전도성 표면에서 방지될 수 있다. 마스크는 당업계에 공지된 것일 수 있다. 마스크는 왁스를 녹여 제거할 수 있는 왁스를 포함할 수 있다. 마스크는 금속을 녹임으로써 제거될 수 있는 주석과 같은 금속을 포함할 수 있다. 마스크는 내부에 볼 베어링이 추가된 EM 펌프 튜브를 기계적으로 흔드는 것과 같은 수단에 의해 마스크를 부수어 제거할 수 있는 유리 또는 세라믹을 포함할 수 있다. 마스크는 또한 액체 질소와 같은 극저온 액체에 담그는 것과 같은 방법으로 마스크를 적시고 동결시키는 적어도 한 단계에 의해 깨질 수 있다. 대안적인 실시예에서, 마스크는 대응하는 용매에 의해 제거될 수 있는 각각 NaCl, CaCO3 또는 금속 및 금속 산화물과 같은 무기 화합물 또는 금속과 같은 물, 산 또는 염기 가용성 물질을 포함할 수 있다. 마스크는 종이를 포함할 수 있다. 마스크는 EM 펌프 튜브의 내부를 코팅하기 위해 EM 펌프 버스 바를 마스킹하기 위해 수용성 테이프와 같은 용매 용해성 테이프를 포함할 수 있다. 종이 또는 수용성 테이프는 기계적 또는 공압 제거, 종이를 HCl과 같은 산으로 용해, 수용성 테이프를 물로 용해 또는 종이 또는 테이프를 CO2로 산화하는 것과 같은 방법으로 EM 펌프 튜브의 내부 표면을 코팅한 후 제거할 수 있다. 예시적인 연소 방법은 라이터 유체와 같은 가연성 액체를 추가하고 점화 스파크 또는 화염을 적용하는 것이다. 일 실시예에서, 용융 금속과 접촉하기를 원하는 전극 표면과 같이 전도성이기를 원하는 표면 상에 형성되는 바람직하지 않은 텅스텐 산화물은 NaOH와 같은 가열된 포화 알칼리 수산화물과 같은 강염기에 의해 제거될 수 있다.
실시예에서, 용융 금속과의 합금 형성에 추가로 저항하는 전기 절연 코팅은 방염 페인트와 같은 페인트를 포함한다. 페인트를 가열하여 경화시키는 단계에서 반응 셀 챔버를 닫거나 밀봉하고 진공 또는 불활성 분위기에서 가열하여 페인트로 코팅되는 것을 방지하기 위해 마스킹된 전극과 같은 EM 버스 바 전극의 산화를 방지할 수 있다. 페인트는 초음파, 압력, 증기 또는 정전 증착을 통한 에어로졸화, 및 용융 금속 노출 표면에 전체 커버리지를 적용하는 당업자에게 공지된 다른 방법에 의해 분산될 수 있다.
실시예에서, EM 펌프 튜브는 피드스루가 용접되는 피드스루 칼라를 포함할 수 있다. EM 펌프 튜브는 피드스루가 펌프 튜브에 용접되기 전에 방염 페인트와 같은 코팅으로 코팅될 수 있다. 피드스루의 중심 전극과 용접 가능한 하우징 사이의 간격은 알루미나와 같은 코팅, 알루미늄화 코팅, 열화학 알루미늄화 코팅, 방염 페인트와 같은 코팅 중 적어도 하나로 코팅될 수 있고, Cotronics Resbond 940, HT, Cotronics Resbond 940SS, https://www.sauereisen.com/wp-content/uploads/8.pdf 또는 https://www.sauereisen.com/ceramic-assembly/product-index/와 같은 Sauereisen Electrotemp 시멘트와 같은 세라믹, 또는 본 개시의 것과 같은 다른 세라믹으로 포팅될 수 있으며, 여기서 EM 펌프 튜브 내부의 용융 금속과 접촉할 수 있는 표면은 방염 페인트 또는 포팅 재료 중 적어도 하나로 코팅될 수 있다
실시예에서, 점화 전극 및 EM 펌프 버스 바와 같은 전극은 용융 금속으로 셀을 로딩하는 경우와 같이 공기에 노출되는 동안 산화를 방지하기 위해 코팅될 수 있다. 코팅은 전기 전도성, 용융 금속의 용융 온도에서의 산화 저항성 및 제거성 중 적어도 하나일 수 있다. 코팅은 내산화성 전도성 코팅으로 작용하는 텅스텐 카바이드와 같은 카바이드를 포함할 수 있다. 텅스텐 탐화물 코팅은 HVOF 공정(https://www.asbindustries.com/tungsten-carbide-coatings) 또는 당업계에 공지된 다른 방법에 의해 도포될 수 있다. 코팅은 용융에 의해 제거될 수 있는 주석과 같은 용융 금속과 같은 금속을 포함할 수 있다. 니켈, 구리, 아연 또는 은과 같은 금속은 제거될 용융 금속과 합금을 형성할 수 있다. 금속 코팅은 금속 용융물에 침지, 전기도금, 증착, 및 당업계에 공지된 다른 코팅 공정에 의해 도포될 수 있다.
실시예에서, 유입구 라이저, 주입 EM 펌프 튜브, 저장소(들) 및 반응 셀 챔버 중 적어도 하나는 전기 절연체를 포함할 수 있거나 듀얼 저장소, 주입기 및 점화 전원 사이의 단락을 방지하기 위해 본 개시의 것과 같은 전기 절연체로 코팅되거나 라이닝될 수 있다. 예시적인 실시예는 (i) 내부 및 외부 방염 도장된 유입구 라이저 및 주입 EM 펌프 튜브, (ii) 산화되어 전기 절연 텅스텐 산화물 코팅을 형성하는 W 유입구 라이저 및 주입 EM 펌프 튜브, 및 (iii) 반응 셀 챔버(5b31) 및 전기 절연 텅스텐 산화물 코트를 포함하는 텅스텐 라이너를 포함하는 저장소 또는 저장소들(5c) 중 적어도 하나를 포함한다.
예시적인 코팅된 전극은 단부에 전도성 표면을 갖는 산화된 텅스텐 전극이며, 여기서 텅스텐 전극은 원하는 경우 제거되는 단부에 마스크를 갖는 고온에서 공기 중에서 산화된다. 대안적으로, 전체 전극이 산화되고 산화된 층이 에칭 또는 기계적 마모에 의해 전극으로부터 제거된다. 연마는 기계적으로 수행될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 절연 코팅을 갖는 전극과 같은 전극은 절연 산화 코팅을 형성하고 세라믹 또는 W 또는 Ta 코트와 같은 산화물 하나와 같은 전극 상의 전기 절연 코팅을 손상시키지 않도록 부드러운 것 중 적어도 하나의 페룰로 고정될 수 있다. 예시적인 페룰은 황동, 알루미늄, 구리, 은 및 탄탈륨을 포함한다. 예시적인 산화물 코팅된 페룰은 양극 산화 처리된 알루미늄이다. 또 다른 예시적인 산화물 코팅 페룰은 산화된 스테인리스 스틸이다.
듀얼 주입기를 포함하는 SunCell의 점화 전극을 전기적으로 절연시키는 수단의 대안적인 실시예에서: (i) 적어도 하나의 저장소는 절연 개스킷을 포함하는 플랜지 조인트와 같은 절연 조인트 및 절연 부싱으로 구성된 세라믹 볼트 또는 볼트와 같은 절연 볼트를 포함할 수 있으며 (ii) 반응 셀 챔버 및 적어도 하나의 저장소 중 적어도 하나는 2개의 저장소를 서로 전기적으로 절연하는 알루미나, SiC, BN 또는 석영과 같은 본 개시의 세라믹과 같은 전기 절연 벽 섹션(절연체 또는 전기 브레이크)을 포함하며, 여기서 (a) 저장소 절연체는 2개의 저장소 섹션과 짝을 이루거나 저장소 섹션과 짝을 이루는 각 단부에 플랜지를 갖는 세라믹 튜브와 플랜지 전기 절연체 또는 예시적인 CF 플랜지 진공 세라믹 브레이크(exemplary CF flanged vacuum ceramic break, https://www.lesker.com/newweb/feedthroughs/ceramicbreaks_vacuum.cfm?pgid=cf)와 같은 전기 브레이크와 같은 반응 셀 챔버를 포함할 수 있고, 저장소의 일치하는 플랜지와 정합하기 위한 개스킷 및 용융 금속 및 열충격과의 합금 형성으로부터 각각 개스킷 및 전기 브레이크 중 적어도 하나를 보호할 수 있는 본 개시의 것과 같은 세라믹 라이너와 같은 라이너 중 적어도 하나를 더 포함하고, (b) 저장소 절연체는 예시적인 용접 가능한 진공 세라믹 절연체와 같은 용접에 의해 2개의 저장소 섹션 또는 저장소 섹션과 반응 셀 챔버를 정합하기 위해 코바아 또는 인바아 링과 같은 각 끝에 용접 가능한 금속 링이 있는 세라믹 튜브를 포함할 수 있으며(https://www.lesker.com/newweb/feedthroughs/ceramicbreaks_vacuum.cfm?pgid=weld), (c) 저장소 절연체는 2개의 저장소 섹션과 짝을 이루거나 저장소 섹션과 반응 셀 챔버와 짝을 이루는 각 단부에 습식 밀봉이 있는 세라믹 튜브를 포함할 수 있다. 실시예에서, 전기 브레이크는 먼저 Mo-Mn 합금으로 도금된 후 Ni로 도금된 코바아에 브레이징된 Ni로 알루미나 실린더와 같은 세라믹 실린더를 포함한다. 브레이즈는 600°C 초과와 같은 높은 융점을 가질 수 있다. 예시적인 브레이즈는 Cu(72)-Ag(28) 합금, 구리, ABA, 금 ABA, PdNiAu 합금(AMS 4785 M.P. = 1135°C) 또는 Paloro 또는 다음 링크에 있는 것과 같은 유사한 브레이즈이다: https://www.morganbrazealloys.com/en-gb/products/brazing-alloys/precious-brazing-filler-metals/.
실시예에서, 도 8C-8L에 도시된 듀얼 주입기 SunCell의 두 저장소는 (i) 각 저장소로에서 주입된 용융 금속 스트림이 교차할 때까지 하나의 저장소의 점화 전압을 다른 저장소의 점화 전압을 다른 저장소의 점화 전압과 격리하고 하나의 저장소의 EM 펌프 전원 공급 장치를 다른 저장소로부터 적어도 부분적으로 격리하고 (ii) 점화 전원 공급 장치를 EM 펌프 전원 공급 장치로부터 적어도 부분적으로 격리할 수 있다. 다른 실시예에서, 점화 전원 공급 장치, 제1 저장소의 EM 펌프 전원 공급 장치 및 제2 저장소의 EM 펌프 전원 공급 장치 중 적어도 2개의 전원 공급 장치는 적어도 하나의 다른 전원 공급 장치와 거의 자율적으로 작동하는 능력을 갖는다. 각각의 전원 공급 장치는 당업계에 공지된 것일 수도 있고, 전압 및 전류 변동 억제 리액턴스로 수정되어 빠른 전압 및 전류 점화 과도 상태를 무효화하여 거의 독립적인 전원 공급 장치 작동을 허용할 수도 있다. 예시적인 억제 리액턴스는 병렬인 적어도 하나의 커패시터 뱅크 또는 EM 펌프 전원 공급 장치와 직렬인 적어도 하나의 인덕터를 포함한다.
실시예에서, 전기 브레이크를 포함하는 저장소는 과열되지 않는 반응 셀 챔버로부터 충분히 멀리 전기 브레이크를 제거하기에 충분히 길 수 있다. 실시예에서, 전기 브레이크는 단열재를 포함하는 적어도 하나의 내부 라이너를 포함할 수 있어 라이너 내부의 용융 금속 온도가 더 높을 수 있는 동안 절연체가 고장 온도 미만으로 유지될 수 있다. 전기 브레이크는 CrC, 알루미나, TiN, WC, 또는 외부와 같은 산화 및 내부와 같은 합금 형성 중 적어도 하나를 피하기 위해 본 개시의 다른 것과 같은 적어도 하나의 코팅으로 코팅될 수 있다. 전기 절연체의 금속-세라믹 유니온 브레이즈는 Resbond 940SS 또는 본 개시의 다른 것과 같은 포팅 재료로 커버될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 용융 금속은 은을 포함하고 라이너는 탄소, BN, 석영, 알루미나, 성형 가능하거나 주조 가능한 세라믹, Resbond, 내화 금속, 및 본 개시의 다른 라이너와 같은 결합제를 추가로 포함할 수 있는 알루미나 비드와 같은 세라믹 비드와 같은 적어도 하나의 내화성 물질을 포함한다. 라이너는 EM 펌프 유입구 및 유출구용 채널을 제외하고 저장소를 채울 수 있다. 전기 브레이크 및 라이너의 높이는 채널을 통한 열 전도를 허용하여 브레이크 및 라이너를 가로질러 용융 금속을 유지하도록 최소화될 수 있다. 실시예에서, 전기 절연체는 외부에서 냉각될 수 있다. EM 펌프 튜브 브레이스는 본 개시의 전기 절연체 라이너를 포함할 수 있다.
듀얼 주입기를 포함하는 SunCell의 점화 전극을 전기적으로 절연하기 위한 전기 절연체를 포함하는 실시예에서, 적어도 하나의 저장소는 세라믹 저장소 벽 섹션을 포함하는 전기 브레이크를 포함할 수 있으며, 이 전기 브레이크는 각 단부에서 저장소 벽에 정합하기 위해 각 단부에 세라믹-금속 유니온을 추가로 포함할 수 있다. 실시예에서, 저장소 용융 금속 레벨은 반응 셀 챔버 측에서 절연체의 세라믹 부분의 상단 아래의 원하는 레벨이다. 예시적인 실시예에서, 저장소 용융 금속 레벨은 반응 셀 챔버 측의 전기 브레이크의 세라믹-금속 유니온 상단 아래의 원하는 레벨이다. 유입구 라이저 유입구의 높이는 원하는 수준에서 최대 용융 금속 수준을 제어하기 위해 원하는 수준에 일치하도록 조정될 수 있다. 전기 브레이크는 용융 금속 저장소 또는 용융 금속 저장소의 하부 중 적어도 하나로 용융물이 흐르기 위한 구멍이 있는 내부 단열 퍽, EM 펌프 튜브로의 유입구 라이저 및 퍽의 EM 펌프 측 상의 점화 버스 바를 포함할 수 있다. 주입 EM 펌프 및 전극은 절연 퍽을 통해 반응 셀 챔버 측으로 침투하여 카운터 전극에 용융 금속을 주입할 수 있다.
실시예에서, 유입구 라이저로의 용융 금속 유입 속도는 노즐에 의한 용융 금속 주입 속도보다 빠르다. 유입구 라이저 개구부 및 주입 노즐의 크기 중 적어도 하나는 전자에서 후자보다 원하는 더 큰 유량을 달성하도록 선택될 수 있다.
실시예에서, 각각의 저장소는 서빙 및 유지보수 동안 저장소의 바닥으로부터 용융 금속의 중력-촉진 제거를 허용하기 위한 배수 플러그를 포함할 수 있다. 실시예에서, 유입구 라이저는 EM 펌프를 보호하기 위한 금속 스크린과 같은 스트레이너 및 유입구 라이저로 흐르는 파편에 의해 차단되는 노즐 형태를 포함할 수 있다.
전기 브레이크의 EM 펌프 측에 있는 저장소는 저장소 용융 금속 인벤토리를 늘리기 위해 길이를 늘릴 수 있다. 저장소의 길이는 작동 온도를 낮추기 위해 플라즈마로부터 더 멀리 전기 브레이크를 이동시키기 위해 브레이크의 반응 셀 챔버 측에서 증가될 수 있다. 다른 실시예에서, 전기 브레이크는 450°C내지 1500°C 사이의 온도와 같은 고온이 가능할 수 있으며, 여기서 브레이크의 브레이즈는 작동 온도보다 높은 융점을 갖도록 선택된다. 예시적인 고온 전기 브레이크는 코바아 및 니오븀 중 적어도 하나와 Paloro-3V와 같은 호환 가능한 고온 브레이즈, 다음 링크에 있는 유사한 브레이즈: https://www.morganbrazealloys.com/en-gb/products/brazing-alloys/precious-brazing-filler-metals/, 또는 본 개시의 다른 것을 포함한다.
전기 브레이크는 세라믹(예: 97% 알루미나), 또는 Cu/Ni(예: 70%-30%) 또는 Fe/Ni(예: 50%-50%)를 포함하는 것과 같은 세라믹 절연체 주위의 용접 어댑터 플랜지 및 용접 어댑터 플랜지에 원주 방향으로 브레이징 또는 용접된 Conflat 플랜지(예: 304 스테인리스 스틸)를 포함할 수 있다. 전기 브레이크는 CF 플랜지와 용접 어댑터 플랜지 사이에 벨로우즈 또는 S-플랜지(다이어프램)를 추가로 포함할 수 있다.
2개의 저장소(5c)의 최대 용융 금속 인벤토리는 전기 브레이크 저장소 반대편 저장소의 유입구 라이저의 최저 높이 위의 용융 금속의 초기 충전 부피 및 부피를 포함하는 전기 브레이크 측의 최대 용융 레벨이 전기 브레이크의 세라믹 높이를 초과하지 않는다.
저장소 전기 브레이크를 갖는 예시적인 실시예에서, 산화되지 않은 최내측 W 라이너는 중간 탄소 라이너 및 반응 셀 챔버의 외부 W 라이너 또는 클래딩과 함께 사용될 수 있다. 라이너는 반응 셀 챔버(5b31) 벽, 반응 셀 챔버의 바닥 및 저장소(5c) 중 적어도 하나를 커버할 수 있다. 반응 셀 챔버 플로어 라이너(5b31b)는 주입기(5k61)로부터 저장소(5c)로 다시 흐를 때 상응하는 주입된 용융 금속 스트림으로부터 멀리 용융 금속을 채널링하기 위한 도관 또는 홈을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 각각의 저장소 주입기(5k61)는 저장소 내의 반응 셀 챔버의 중심에서 떨어져 위치되고 플로어 라이너(5b31b)의 홈은 저장소의 측면으로 용융 금속 복귀 흐름을 향하게 하고, 대안적으로 중심을 향하는 저장소 쪽으로 향하게 한다. 다른 실시예에서, 주입기(5k61)는 저장소 및 반응 셀 챔버 바닥 라이너(5b31b)의 상부 위로 연장되어 복귀하는 용융 금속 스트림이 주입된 스트림을 방해할 수 없다.
실시예에서, EM 버스 바를 포함하는 것과 같은 EM 펌프 튜브의 적어도 일부는 EM 펌프 튜브(5k6)의 유입구 및 유출구 부분 상의 전기 브레이크에 의해 대응 저장소의 벽을 통한 전기 경로로서 전기적으로 절연되며, 여기서 적어도 전기 브레이크에 의해 절연되지 않은 표면은 방염 페인트와 같은 전기 절연 코팅을 포함할 수 있다. 전기 브레이크는 MPF Products Inc.와 같은 가스 라인 유형을 포함할 수 있다; 제품 번호: A0573-2-W https://mpfpi.com/shop/uhv-breaks/10kv-uhv-breaks/a0573-1-w/. 실시예에서, 적어도 한 쌍의 EM 버스 바 전극은 Swagelok에 의한 것과 같은 압축 피팅에 의해 EM 펌프 튜브에 고정되고 밀봉될 수 있다.
실시예에서, 적어도 하나의 저장소의 EM 펌프는 2개의 채널을 형성하기 위한 디바이더 또는 분리기를 포함하는 단일 전기 브레이크를 포함하며, 하나는 유입구 EM 펌프 튜브의 적어도 일부로서 역할을 하고 다른 하나는 주입기의 EM 펌프 튜브의 적어도 일부로서 역할을 한다. 분리기는 전기 절연체로 코팅된 세라믹 또는 금속과 같은 전기 절연체를 포함할 수 있다. 분리기는 전기 브레이크의 한쪽에만 저장소 또는 EM 펌프 튜브의 일부와 같은 구조물에 연결될 수 있다. 부착물은 주입기 EM 펌프 튜브의 연장부를 포함할 수 있다. 예시적인 분리기는 전기 브레이크의 세라믹에 결합된 알루미나와 같은 세라믹 및 방염 페인트와 같은 전기 절연체로 코팅된 주입기 EM 펌프 튜브의 금속 연장부를 포함한다.
실시예에서, 2개의 저장기의 전기적 절연은 100%가 아니지만 듀얼 저장기 전극 사이의 기생 단락 전류가 예를 들어 점화 전극(8)에 공급된 총 전류의 25% 미만과 같이 견딜 수 있도록 충분하며, 여기서 기생 전류는 점화 전류 경로에 대한 기생 경로의 상대 저항에 의해 결정된다. 상대 저항은 EM 펌프, 저장소 및 반응 셀 챔버의 내부 표면에 있는 코팅 또는 라이너의 완전성뿐만 아니라 EM 펌프 튜브 및 저장소로의 전극 침투 저항에 의해 주로 결정될 수 있다.
역 V 형상 섹션의 상부는 반응 셀 챔버(5b31)를 포함할 수 있다. 입방형, 직사각형, 다각형 또는 반구형 캐비티와 같은 직선 섹션을 포함하는 PV 창 캐비티(5b4)는 반응 셀 챔버 및 PV 창의 상부에 있는 플랜지(26d)에 의해 반응 셀 챔버(5b31)의 상부에 부착될 수 있다. 플랜지 조인트(26d)(도 8C)는 질석, 흑연, 세라믹, 주석 전기도금된 질석 또는 기타 고온, 고진공 가능 개스킷과 같은 개스킷에 의해 밀봉될 수 있다. 플랜지와 개스킷은 볼트 또는 클램프로 밀봉할 수 있다. 도 8D에 도시된 실시예에서, 개스킷은 Resbond 907GF, 940HT, 940LE, 940HE, 940SS, 903 HP, 908 또는 904 지르코니아 접착제, ZrO2-ZrSiO4를 포함하는 Aremco Ultra Temp 516와 같은 지르코늄 산화물 코팅, 또는 RK454와 같은 Durabond와 같은 고온 가능 접착제로 대체된다. 실시예에서, 반응 셀 챔버 플랜지(26d)는 알루미노실리케이트 코팅된 스테인리스 스틸 플랜지와 같은 세라믹 코팅된 금속을 포함할 수 있거나, 유니온의 플랜지는 코팅되지 않을 수 있다.
실시예에서, 접착제는 금속 플랜지에 코팅된 금속용으로 특수화된 접착제 및 PV 창 플랜지의 석영 또는 세라믹에 코팅된 특수 접착제와 같은 복수의 접착제를 포함할 수 있다. 예시적인 접착 유니온은 스테인리스 스틸 또는 Ta 플랜지의 Durabond 954 및 PV 창의 석영 플랜지의 Resbond를 포함하며, 두 접착제는 접착 유니온(26d)을 형성하기 위해 결합된다. 대안적인 실시예에서, 플랜지와 같은 PV 창의 조인트 부분은 당업계에 공지된 수단에 의해 금속화되고, 금속화된 조인트는 반응 셀 챔버의 매칭 플랜지에 브레이징, 용접 또는 접착된다.
예시적인 실시예에서, PV 창은 MTI(https://www.mtixtl.com/EQ-QTGE214.aspx)에 의한 석영 캐비티와 같이 일단이 폐쇄되고 타단이 개방된 석영 튜브를 포함한다. 플랜지를 갖기보다는, 캐비티의 개방 단부는 직선 벽(예를 들어, 원통형 캐비티의 경우) 또는 반응 셀 챔버 플랜지(26d)의 오목한 홈 또는 카운터 보어 홈에 삽입되는 직선 벽을 포함할 수 있다. 대안적으로, PV 창 벽 또는 벽들은 조인트를 형성하기 위해 반응 셀 챔버 플랜지의 내부 또는 외부에 단단히 끼워질 수 있다. PV 창(5b4)은 Resbond 940LE, 940HT 및 Resbond 904 중 적어도 하나 또는 본 개시의 다른 것과 같은 접착제 또는 접착제로 반응 셀 챔버 플랜지(26d)에 밀봉될 수 있다.
금속은 열팽창 계수가 낮거나 확장 조이스트, 캐비티, 구멍 또는 기타 캐비티 구조를 포함하여 밀봉 실패를 방지하기 위해 접착 유니온의 결합된 표면이 과도하게 팽창하는 것을 방지할 수 있다. 역 V측 플랜지는 인바아, 코바아, 슈퍼 또는 기타 SS 용접 가능 금속 또는 W, Mo 또는 Ta 또는 열팽창 계수가 낮은 합금을 포함할 수 있다. Ta 플랜지는 순수한 Ni, Fe 또는 Cu 인서트를 사용하여 SS에 확산 접착될 수 있다. Ta 플랜지는 반응 셀 챔버(5b31)의 적어도 일부를 포함하도록 스테인레스 스틸을 포함하는 것과 같은 듀얼 용융 금속 저장고-주입기에 결합되는 실린더와 같은 연장부를 가질 수 있다.
실시예에서, 반응 셀 챔버는 조인트의 작동 온도를 낮추기 위해 플랜지 조인트 내부의 단열 인서트를 포함할 수 있다. 절연체는 석영, SiC 또는 BN과 같은 세라믹, 흑연 또는 열분해 흑연을 포함할 수 있다. 흑연, 열분해 흑연 또는 BN은 방염 페인트, 또는 Resbond 907GF, 940HT, 940LE, 940HE, 940SS, 903 HP, 908 또는 904 지르코니아 접착제와 같은 세라믹 코팅 또는 ZrO2-ZrSiO4를 포함하는 Aremco Ultra-Temp 516와 같은 산화 지르코늄 코팅으로 코팅될 수 있다. 반응 셀 챔버는 흑연, 열분해 흑연 또는 BN을 포함하는 것과 같은 라이너를 포함할 수 있다. 라이너는 방염 페인트 또는 Resbond 907GF, 940HT, 940LE, 940HE, 940SS, 903 HP, 908 또는 904 지르코니아 접착제와 같은 세라믹 코팅 또는 ZrO2-ZrSiO4를 포함하는 Aremco Ultra-Temp 516과 같은 산화 지르코늄 코팅으로 코팅될 수 있다. 라이너는 조인트 절연체를 더 포함할 수 있다. 실시예에서, 플랜지 조인트는 PV 창 플랜지에 접착된 탄소 라이너 또는 밀봉된 개스킷과 같은 라이너의 상부를 포함하는 것보다 라이너가 진공 기밀 밀봉을 만들기 위해 반응 셀 챔버의 상부에 접착될 수 있다. 접착제는 본 개시의 하나 이상의 접착제 또는 접착제 또는 당업계에 공지된 다른 적절한 것을 포함할 수 있다.
실시예에서, 흑연 라이너는 주입기 전극 사이의 단락을 방지하기 위해 적어도 하나의 전기 절연 브레이크를 포함한다. 브레이크는 Resbond와 같은 세라믹 접착제와 같은 고온 가능 전기 절연 접착제와 함께 접합된 라이너의 횡단면을 포함할 수 있다. 실시예에서, 전기 절연 접착제는 실리카-알루미나 섬유 절연체, BN, SiC, 탄소, 멀라이트, 석영, 용융 실리카, 알루미나, 지르코니아, 하프니아, 본 개시의 다른 것, 및 당업자에게 공지된 것과 같은 세라믹 또는 석영을 포함하는 것과 같은 전기 절연 와셔로 대체될 수 있다. 라이너는 전기 단락을 방지하기 위해 본 개시의 것과 같은 세라믹 코팅으로 코팅될 수 있다. 탄소 라이너는 용융 금속이 라이너 뒤에서 흐르고 2개의 주입기 전극을 전기적으로 단락시키는 것을 방지하기 위해 전기 절연 접착제로 저장소 및 반응 셀 챔버에 추가로 접합될 수 있다.
추가 실시예에서, 조인트는 작동 온도를 낮추기 위해 조인트를 냉각시키는 수냉식 루프와 같은 열교환기를 포함할 수 있다. 냉각제는 두 번째 열 교환기에 의해 냉각될 수 있다. 냉각제는 펌프에 의해 재순환될 수 있다. 더 낮은 작동 온도는 조인트의 고장을 유발할 수 있는 PV 창과 반응 셀 챔버 사이 조인트의 정합 플랜지의 열팽창 차이를 감소시킬 수 있다.
실시예에서, PV 창은 반응 셀 챔버로부터의 용융 금속의 흐름에 대한 배리어를 형성하기 위해 반응 셀 챔버의 상단에 있는 카운터 보어 리셉터클에 삽입된다. 리셉터클은 반응 셀 챔버 플랜지의 일부일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 리셉터클은 텅 앤 그루브 타입 또는 역 스텝 타입일 수 있다. PV 창의 내부 부분은 반응 셀 챔버 플랜지의 내부 부분과 겹칠 수 있다. 리셉터클은 흑연 패킹과 같은 패킹 또는 본 개시의 것과 같은 접착제에 의해 밀봉될 수 있다.
실시예에서, PV 창은 Rayotek의 고온(예, 1200°C-2000°C) 사이트 유리창을 포함할 수 있다 (https://rayoteksightwindows.com/products/high-temp-sight-glass-windows.html#prettyPhoto). 평평한 Rayotek 창은 하우징에 장착된 석영 또는 사파이어 환형체과 같은 창 재료의 환형체로 수정될 수 있다. 석영 또는 사파이어와 같은 PV 창 챔버는 일치하는 재료의 환형체에 융합되거나 접착될 수 있다. 창은 개방 단부에서 반응 셀 챔버의 상부에 결합되는 입방형 또는 직사각형의 개방형 캐비티에 용접된 플레이트를 포함할 수 있다. 각각의 창 하우징의 금속 표면은 세라믹, 석영, 탄소 또는 본 개시의 것 같은 세라믹 코팅과 같은 코팅 중 적어도 하나로 코팅될 수 있다. 다른 실시예에서, 창은 도 8C에 도시된 것과 같은 직사각형 또는 세라믹 캐비티와 같은 Rayotek 창과 유사한 설계의 캐비티를 포함할 수 있으며, 여기서 하우징은 반응 셀 챔버의 상부에 용접된다. 창은 용접, 접착제 또는 플랜지 조인트에 의해 반응 셀 챔버의 상단에 결합될 수 있다.
실시예에서, PV 창은 밴드 갭보다 훨씬 더 높은 에너지를 갖는 파장의 광을 PV 변환기(26a)의 PV 셀에 반사시키기 위한 이색성 거울 또는 필터와 같은 거울과 같은 수단을 포함한다. 실시예에서, 반사광은 약 10%-1000% 더 높고, 10%-500% 더 높고, 10%-100% 더 높은 적어도 하나의 범위에서 에너지를 갖는다. 다른 실시예에서, 반응 셀 챔버 및 PV 창 중 적어도 하나는 형광체와 같은 광의 에너지를 하향 변환하는 수단을 포함할 수 있다.
조인트 및 PV 창은 PV 변환기를 추가로 수용하는 진공 챔버와 같은 창 챔버를 포함하는 진공 밀폐 하우징에 포함될 수 있다. 하우징은 더 빠른 또는 조인트에 의해 반응 셀 챔버의 상단에 고정될 수 있다. 패스너 또는 조인트는 용접을 포함할 수 있다. 하우징에는 진공 펌프에 대한 진공 라인과 PV 변환기의 전기 라인 및 냉각 라인을 위한 관통부가 있을 수 있다. 창 챔버와 반응 셀 챔버의 진공 펌프를 제어함으로써 창(환기구)의 양쪽에서 대략 동일한 압력이 유지될 수 있다. 실시예에서, 과압이 반응 셀 챔버에 비해 창 챔버에서 과압이 유지되어 창 시트 또는 플랜지 상의 반응 셀 챔버의 상부에 대해 창이 유지될 수 있다. 대안적으로, 창과 반응 셀 챔버 진공 라인을 결합한 다음 단일 진공 펌프에 연결할 수 있다. 다른 실시예에서, 창 씰 압력이 창의 양쪽에서 평형을 이룰 수 있도록 누출될 수 있다. 진공 밀폐 하우징은 플랜지 포트, 게이트 밸브 또는 도어와 같은 진공 밀봉 가능한 개구부를 포함할 수 있다. 추가 실시예에서, 창 및 반응 셀 챔버는 가스 압력이 2개의 연결된 챔버 사이에서 동적으로 균등화될 수 있도록 2개의 챔버를 연결하는 가스 라인과 같은 튜브를 포함할 수 있다.
도 8F-8L 및 13에 도시된 실시예에서, SunCell은 각각 저장소(5c)에 듀얼 용융 금속 주입기(5k61)를 포함하며, 여기서 각각은 전류 전달 전극의 점화 역할을 한다. 실시예에서, 듀얼 용융 금속 주입기(5k61) 중 적어도 하나는 대응하는 저장소(5c)마다 복수의 주입기(5k61) 또는 노즐(5q) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 저장소(5c) 내의 적어도 하나의 듀얼 용융 금속 주입기(5k61)는 열 절연 라이너 및 전기 브레이크 플랜지(914)를 포함할 수 있는 전기 브레이크(913)를 더 포함할 수 있다. SunCell은 저장소 플랜지(915)를 더 포함할 수 있다. 저장소(5c)는 EM 펌프 튜브 조립체(5kk), EM 펌프 튜브(5k6), EM 버스 바(5k2), EM 펌프 자석(5k4) 및 유입구 라이저(5qa)를 더 포함할 수 있다. SunCell은 주석, 갈륨 또는 은과 같은 용융 금속 및 해당 산화물 중 적어도 하나를 제거하기 위한 스크린 또는 필터를 포함할 수 있는 진공 펌프에 연결된 진공 라인(711)을 더 포함할 수 있다. 금속 산화물 및 금속 중 적어도 하나와 같은 부착된 재료의 진공 라인 스크린을 청소하기 위해, 진공 라인(711)은 스크린을 통해 아르곤 가스 제트와 같은 펄스 가스 제트를 적용하여 부착된 물질을 반응 셀 챔버(5b31)를 향해 다시 불어넣기 위해 진공 스크린의 펌프 측에 있는 적어도 하나의 가스 노즐과 같은 가스 제트 백 플러시를 포함할 수 있다.
SunCell은 방전 셀(901), 반응 셀 챔버(5b31), 솔리드 플레이트 또는 내부 PV 창 플랜지를 포함할 수 있는 상단 플랜지(26e), PV 창 챔버(916), 내부 PV 창(5ab4), 내부 PV 창(26e1)용 시트 및 외부 PV 창(5b4)을 더 포함할 수 있다. 내부 PV 창(5ab4)은 반밀봉(예를 들어, 용융 금속에 밀착되지만 반드시 진공에 밀착될 필요는 없음)될 수 있으며, 여기서 PV 창 플랜지(26d), 내부 PV 창 플랜지(26e), 반응 셀 챔버(5b31)의 상단에 있는 지지체(26e1)에 결합된 반밀봉 창(5ab4)을 수용하는 진공-밀봉 하우징 또는 챔버(916)에 의해 진공 밀봉이 제공된다. 예시적인 실시예에서, 윈도우(5ab4)는 진공 밀봉되지 않은 하우징에 대한 개스킷 씰을 포함하는 Rayotek 창을 포함할 수 있다. 대안적으로, 예시적인 창(5ab4)은 내부 PV 창 플랜지 지지체(26e1)와 같이 반응 셀 챔버(5b31)의 상부에 있는 지지체에 클램핑, 접착 또는 개스킷 조인트 또는 유니온에 의해 고정된 평판 또는 캐비티 창을 포함할 수 있다. 예시적인 클램프는 지지체(26e1)와 창(5ab4) 사이의 C-클램프이다. 내부 PV 창(5ab4)은 카운터 싱크 고정구에서 내부 PV 창 플랜지 지지체(26e1)에 연결될 수 있다. 전기 브레이크 플랜지(914), 저장소 플랜지(915), 내부 PV 창 플랜지(26e) 및 PV 창 플랜지(26d) 중 적어도 하나는 저장소(5c), 반응 셀 챔버(5b31) 및 내부 PV 창 (5ab4) 중 적어도 하나의 내부에 액세스를 제공할 수 있다.
도 8J-8L 및 13에 도시된 실시예에서, 외부 PV 창(5b4)은 개스킷 및 패스너(26d1)로 밀봉되는 PV 창 플랜지(26d)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, PV 창은 창과 동일한 재료의 정밀 밀링 또는 랩핑된 플랜지를 갖는 하프 돔 형태의 용융 실리카, 석영, 사파이어 또는 산질화알루미늄을 포함하며, 여기서 창은 그라포일, 버미큘라이트 또는 세라믹 섬유 개스킷, 플랜지 상단의 금속 링 및 클램프 (26d1)로 밀봉될 수 있다. PV 창 돔(5b4)은 Resbond 940SS와 같은 접착제로 더 밀봉될 수 있다.
실시예에서, PV 씰은 창 시트에 결합된 구조 및 시트, 구조 및 PV 창에 결합하는 접착제를 포함한다. 실시예에서, PV 창이 부착되는 플랜지는 Resbond 940SS 또는 본 개시의 또 다른 것과 같은 접착제에 내장된 금속 나사, 막대 또는 메쉬와 같은 돌출부를 포함하는 더 빠른 또는 고정 구조를 포함하고, 여기서 접착제는 추가로 PV 창을 더 빠르거나 고정하는 구조 및 시트에 접착한다. 예시적인 실시예에서, 더 빠른 또는 앵커링 구조는 내부 PV 창(26e1)용 시트에 용접된 스테인리스 스틸 메쉬 또는 스크린을 포함하며, 여기서 Resbond 940SS, Resbond 903HP 또는 Resbond 908HP는 메쉬 또는 스크린을 감싸고 시트에 밀봉하고, 퓨즈 실리카 창 또는 본 개시의 다른 것과 같은 내부 PV 창(5ab4)에 추가로 접합한다.
용융 금속으로서 주석을 갖는 실시예에서, SunCell은 PV 창(5b4 및 5ab4)(도 8f-8l) 중 적어도 하나가 주석 금속 및 주석 산화물 중 적어도 하나에 의해 불투명화되는 것을 방지하는 수단을 포함한다. 실시예에서, PV 창은 PV 창 온도를 주석(MP 232℃), SnO(MP 1080℃) 및 SnO2(MP 1630°C)와 같은 주석 산화물 중 적어도 하나의 융점 이상으로 유지하기 위한 창 온도 제어기와 같은 수단을 포함한다. 창 온도 제어기는 히터 또는 냉각기, 온도 센서, 및 200°C내지 2500°C, 232°C내지 2000°C, 232 °C내지 1800°C, 및 232°C내지 1650°C 중 적어도 하나의 범위에서와 같은 원하는 PV 창 온도를 유지하기 위한 제어기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 히터 또는 냉각기는 창에 적용되는 가열 또는 냉각 공기의 흐름을 포함할 수 있다. 후자의 경우, PV 창은 하이드리노 플라즈마에 의해 가열될 수 있다. 다른 실시예에서, PV 창은 수소 환원에 의해 주석 산화물로 세정될 수 있다. 환원 수소 반응물은 환원을 달성하기 위해 수소 공급원, 흐름 제어기, 압력 및 흐름 게이지, 라인 및 컴퓨터를 사용하여 수소 압력이 제어되는 반응 셀 챔버로 흐르는 수소 가스를 포함할 수 있다. 수소 압력 및 PV 창 온도 중 적어도 하나는 수소에 의한 주석 산화물의 환원에 열역학적으로 유리한 조건을 제공하도록 제어될 수 있다. 수소 압력은 1 milliTorr 내지 10 atm 범위일 수 있다. PV 창 온도는 100℃ 내지 2500℃, 232℃ 내지 2000℃, 232℃ 내지 1800℃, 및 232℃ 내지 1650℃ 중 적어도 하나의 범위에 있을 수 있다. 수소 반응은 하이드리노 반응 속도를 최적화하기 위해 원하는 것과는 다른 수소 압력에서 간헐적으로 발생할 수 있다. PV 창은 하이드리노 반응 플라즈마에 의해 세척될 수 있다. PV 창은 녹은 주석을 창 표면에 주입하여 청소할 수 있다. 주입은 주입기 EM 펌프 또는 독립 EM 펌프에 의해 이루어질 수 있다. 창을 청소하는 EM 펌프 또는 펌프들은 창 표면 위로 주입을 스캔하는 래스터 메커니즘을 갖는 래스터 주입기를 포함할 수 있다. 래스터 메커니즘은 기계, 전자기, 나사 잭, 스테퍼 모터, 선형 모터, 열, 전기, 공압, 유압, 자기, 솔레노이드, 압전, 형상 기억 폴리머, 광폴리머 또는 해당 기술 분야에서 알려진 다른 액추에이터와 같은 액추에이터를 포함하여 주입된 용융 금속 스트림의 방향을 이동하거나 회전한다. 다른 실시예에서, 창은 탄소 코팅, 스피닝 창, 기계적 스크레이퍼, 및 본 개시의 것과 같은 가스 제트와 같은 주석 산화물 부착에 저항하는 코팅 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 5ab4 및 5b4 중 적어도 하나와 같은 PV 창은 반대 스트림에 주석을 주입하기 위한 하나와 PV 창에 주석을 주입하여 금속 산화물 및 금속과 같은 잔해물을 청소하는 다른 하나와 같은 복수의 방출 구멍 또는 오리피스를 갖는 적어도 하나의 노즐로부터 내부 표면 상에 용융 금속을 주입함으로써 세정된다. 창에 주입된 용융 금속은 추가적인 냉각을 제공할 수 있고, 일부 실시예에서 과열(예를 들어, 뒤틀림, 균열, 투명도 감소) 또는 과열(예를 들어, 뒤틀림, 균열)과 관련된 임의의 구조적 변형을 겪는 것과 관련된 창의 구조적 변형을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 실시예에서, 창은 광 전력과 창을 가열하기 위해 흡수하는 열 전력의 균형을 맞추는 작동 흑체 온도에서 복사 열 손실로 인해 정상 상태 온도를 유지한다.
실시예에서, 각각의 노즐 개구의 크기는 토출 유량이 펌프의 불안정성 또는 실패를 야기할 수 있는 EM 펌프 캐비테이션을 피하도록 선택된다. 펌핑 캐비테이션 또는 불안정성을 방지하기 위해 약간의 배압을 제공하도록 개구 직경을 선택할 수 있다. 일 실시예에서, 주입된 용융 금속 스트림 속도는 스트림의 교차로 인해 용융 금속이 PV 창 상에 튀게 하여 PV 창을 세척하고 냉각하는 것 중 적어도 하나를 수행할 수 있도록 높을 수 있다.
실시예에서, 각각의 EM 주입기 튜브(5k61)는 전기 브레이크를 포함하는 저장소의 전기 브레이크 아래 위치에서 대응하는 저장소 벽에 대한 구조적 지지 브레이스를 포함하고, 브레이스 위치는 비전기 브레이크 저장소 내에서 임의적이다. 예시적인 실시예에서, 브레이스는 EM 펌프 유입구 및 EM 주입기 튜브(5k61)용 관통부가 있는 BN 또는 Macor 세라믹과 같은 세라믹 절연체의 블록을 포함할 수 있다. 대안적으로, 브레이스는 EM 주입기 튜브(5k61)를 플라즈마 점화를 유발하기 위해 2개의 용융 금속 스트림의 교차점을 달성하는 위치와 같은 원하는 위치로 브레이싱하기 위해 길이가 개별적으로 조정될 수 있는 저장소 벽을 관통하는 복수의 볼트를 포함할 수 있다.
실시예에서, 듀얼 용융 금속 주입기를 포함하는 것과 같은 SunCell®은 기계적, 전자기, 나사 잭, 스테퍼 모터, 선형 모터, 열, 전기, 공압, 유압, 자기, 솔레노이드, 압전, 형상 기억 폴리머, 광 폴리머 또는 다른 당업계에 알려진 액추에이터와 같은 얼라이너 또는 주입기 정렬 메커니즘을 포함하여 노즐(5q), 주입기(5k61), 저장소(5c), 브레이크 저장소 EM 펌프 조립체(914a)(도 8G), 및 EM 펌프 조립체 5kk 중 적어도 하나를 움직이거나 회전시킨다. 얼라이너는 대향하는 주입기에 의해 주입되는 대향하는 스트림과의 정렬을 달성하기 위해 정렬된 노즐로부터 분사되는 대응하는 용융 금속 스트림이 원하는 방향으로 변경되게 하여 용융 금속 스트림의 교차를 야기할 수 있다. 얼라이너는 점화 전류 또는 전압 센서와 같은 센서 및 스트림 교차점을 유지하기 위해 정렬된 주입기를 자동으로 정렬하기 위한 컴퓨터와 같은 제어기를 포함할 수 있다. 얼라이너는 정렬을 달성하기 위해 노즐(5q)을 회전시키는 기어 시스템과 같은 기계적 연결 장치를 포함할 수 있으며, 여기서 노즐은 비대칭 개구를 포함할 수 있다. 얼라이너는 주입기(5k61) 또는 노즐(5q)을 기계적으로 이동시키는 주입기(5k61) 또는 노즐(5q)에 연결된 적어도 하나의 기계식 푸쉬-풀 로드를 포함할 수 있다. 로드는 구동 메커니즘에 대한 도관을 통해 저장소(5c)를 관통할 수 있고, 여기서 도관과 드라이브 중 적어도 하나는 밀폐된다. 구동 메커니즘은 나사형 로드 칼라 및 로드를 회전시키는 수단, 및 로드를 밀거나 당기기 위한 공압, 유압 및 압전 액추에이터 또는 본 개시의 다른 액추에이터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
듀얼 용융 금속 주입기를 포함하는 SunCell의 다른 실시예에서, EM 펌프 조립체(5kk)는 상응하는 경사진 EM 펌프 조립체(5kk) 및 저장소(5c)를 장착하고 정렬하기 위해 지지체(409k)를 갖는 슬라이드 테이블(409c)(도 8B-8L 및 13)에 장착될 수 있다. SunCell지지체(409k)는 높이 조절이 가능하고 잠금 너트로 잠글 수 있는 턴버클을 포함할 수 있다. 지지체(409k)는 세라믹 와셔와 같은 전기 절연체에 의해 슬라이드 테이블(409c)로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 와셔는 지지체(409k)의 베이스에 있을 수 있다. SunCell은 브레이크 EM 펌프 조립체(914a)를 반응 셀 챔버(5b31), 브레이크 위의 저장소 섹션, 대향하는 저장소(5c) 및 저장소 EM 펌프 조립체(915a)로부터 전기적으로 절연시키는 전기 브레이크(913)(도 8G-8L 및 13)를 포함할 수 있다. 반응 셀 챔버(5b31), 브레이크 상의 저장소 섹션, 대향하는 저장소(5c) 및 저장소 EM 펌프 조립체(915a) 중 적어도 하나는 브레이크 EM 펌프 조립체(914a)의 지지체와 독립적으로 슬라이드 테이블(409c)에 추가로 지지되고 견고하게 부착되는 것 중 적어도 하나일 수 있다. 반응 셀 챔버의 각 측면에 있는 예시적인 강성 지지체는 도 8H-8L 및 13에 도시된 반응 셀 챔버 지지체(918)이다. 실시예에서, 지지체(918)는 SunCell 구성요소가 수축하고 확장할 때 원하는 지지 압력을 유지하기 위해 베이스(409c) 단부에 변형 가능한 부싱 또는 스프링(922)과 같은 압력 제어기를 포함할 수 있다. 전기 브레이크(913)를 포함하는 저장소는 추가로 용접되거나 플랜지 연결된 벨로우(917) (예: https://www.mcmaster.com/bellows/expansion-joints-with-butt-weld-ends/https://www.mcmaster.com/bellows/expansion-joints-with-butt-weld-ends/ 또는 https://www.mcmaster.com/bellows/high-temperature-all-metal-expansion-joints-with-flanged-ends/) 또는 편조 호스 (예: https://www.mcmaster.com/bellows/extreme-temperature-air-and-steam-hose-with-male-threaded-fittings/)를 포함할 수 있다. 플렉시블 섹션은 탄탈륨과 같은 재료를 포함하거나 방염 페인트, 크롬, 크롬 탄화물, 알루미나, 탄탈륨, TiN, 또는 용융 금속으로 형성된 합금으로부터 벨로우즈와 같은 플렉시블 섹션을 보호하는 본 개시의 다른 코팅과 같은 코팅으로 코팅될 수 있다. 플렉시블 섹션은 과열로부터 플렉시블 섹션을 보호하기 위해 BN, Macor, 석영, 알루미나, 지르코니아 또는 본 개시의 다른 것을 포함하는 것과 같은 열 절연체와 같은 라이너를 포함할 수 있다. 라이너는 유연성을 허용하기 위해 부분적이거나 분할되거나 느슨하게 끼워질 수 있다. 플렉시블 섹션(917)은 전기 브레이크(913) 위 또는 아래에 연결될 수 있다. 얼라이너는 플렉시블 섹션의 일측의 압축 및 반대측의 확장에 의해 벨로우즈의 원통형 축을 선택적으로 기울이기 위한 적어도 하나의 틸트 시스템을 포함할 수 있다. 틸트 시스템은 브레이크 EM 펌프 조립체(914a)의 지지체(409k)의 길이를 연장하거나 수축하여 대응하는 주입기 EM 펌프 튜브(5k61) 및 노즐(5q)이 그 방향을 변경하게 하는 수단을 포함할 수 있다. 실시예에서, 틸트 시스템은 복수의 방위각 및 수직 방향으로 정렬이 일어나도록 허용하기 위해 복수의 길이 조정 가능한 지지체(409k)를 포함한다. 얼라이너의 틸트 시스템은 기계적, 나사 잭, 스테퍼 모터, 선형 모터, 열, 전기, 공압, 유압, 자기, 솔레노이드, 압전 액추에이터, 형상 기억 폴리머, 포토폴리머 또는 당업계에 알려진 다른 액추에이터와 같은 액추에이터를 포함하여 지지대(409k)의 길이를 조정할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 얼라이너는 (i) 한쪽 단부에 브레이크(913) 또는 브레이크 플랜지(914)에 맞대기 용접되고 다른 단부에서 저장소(5c)에 맞대기 용접되는 것과 같은 벨로우즈, (ii ) 베이스에 있는 세라믹 와셔에 의해 슬라이드 테이블(409c)로부터 전기적으로 절연된 4개의 턴버클 지지체(409k), 및 (iii) 각 턴버클을 회전시켜 턴버클의 길이를 조정하여 노즐 위치 조정을 야기하는 기계적 수단을 포함하며, 여기서 전기 브레이크가 없는 반응 셀 챔버(5b31) 및 저장소(5c)는 브레이크 EM 펌프 조립체(914a)의 독립적인 동작을 허용하도록 견고하게 지지한다. 예시적인 강성 지지체는 도 8H-8L 및 13에 도시된 반응 셀 챔버 지지체(918)이다. 각 턴버클을 회전시키는 기계적 수단은 각 턴버클에 고정 기어를 포함할 수 있으며, 각 턴버클에는 정합 기어와 서브 모터와 같은 모터를 가져 정합 기어를 회전시켜 턴버클의 길이를 변경한다. 회전은 해당 센서로부터 점화 전류 및 전압 데이터를 수신하는 컴퓨터에 의해 제어될 수 있다. 대안적으로, 얼라이너는 정렬을 야기하기 위해 하나 이상의 지지체(409k)의 길이를 변경하기 위해 본 개시의 것과 같은 적어도 하나의 액추에이터를 포함하는 틸트 시스템을 포함한다.
다른 실시예에서, 얼라이너는 반응 셀 챔버(5b31)와 저장소 EM 펌프 조립체(915a) 사이의 저장소(5c) 내의 벨로우즈와 같은 플렉시블 섹션 및 벨로우즈의 대향 측면의 확장 일측의 압축에 의해 벨로우즈의 원통형 축을 선택적으로 기울이기 위한 틸트 시스템을 포함하고, 여기서 적어도 반응 셀 챔버(5b31), 벨로우즈 위의 저장소 섹션(5c), 대향 저장소(5c) 및 브레이크 EM 펌프 조립체(914a) 는 슬라이드 테이블(409c)에 추가로 지지되고 견고하게 부착되어 벨로우즈 아래에서 저장소 EM 펌프 조립체(915a)의 독립적인 움직임을 허용한다. 예시적인 강성 지지체는 도 8H-8L 및 13에 도시된 반응 셀 챔버 지지체(918)이다. 틸트 시스템은 정렬을 야기하기 위해 벨로우즈를 틸팅하도록 길이를 조정할 수 있는 적어도 하나의 지지체(409k)를 포함할 수 있다. 예시적인 틸트 시스템은 정렬을 달성하기 위해 길이 조정을 유발하는 본 개시의 것과 같은 액추에이터이다.
대안적인 실시예에서, 얼라이너는 벨로우즈(917)와 같은 플렉시블 섹션 및 수축 틸트 시스템을 포함하며, 여기서 틸트 시스템에 의한 벨로우즈의 틸트는 벨로우즈의 반대쪽 측면의 압축 및 신장보다는 벨로우즈의 한쪽의 수축에 의해 달성된다. 도 8H-8L 및 13에 도시된 예시적인 수축 경사 시스템은 벨로우즈(917)와 같은 플렉시블 섹션 및 그 원통형 축을 따라 벨로우즈(917)에 걸쳐 있고 양단에서 벨로우즈에 고정될 수 있는 수축 또는 클램핑 장치를 포함한다. 예시적인 수축 틸트 시스템은 벨로우즈의 전기 브레이크 단부에 있는 프레임(920)과 반대쪽 단부에 있는 가동 프레임(920a), 및 프레임에 걸쳐 있는 나사(921)와 같은 복수의 수축 요소를 포함하며, 여기서 나사(921)의 수축 또는 단축은 벨로우즈가 단축된 나사의 측면에서 수축 또는 단축되고 대응하는 나사(921)의 연장과 함께 반대측에서 신장하게 된다. 수축 요소는 본 개시의 것과 같은 액추에이터를 포함할 수 있다. 액추에이터는 벨로우즈의 외부에 부착될 수 있으며, 내부는 대응하는 저장소(5c)의 섹션으로 작용할 수 있다.
실시예에서, 얼라이너는 벨로우즈와 같은 주입기 EM 펌프 튜브(5k61)의 플렉시블 섹션 및 주입기 EM 펌프 튜브(5k61)를 기울이기 위한 시스템을 포함한다. 틸트 시스템은 기계적 연결 장치와 같은 연결 장치와 시스템을 포함하여 기계식, 나사 잭, 스테퍼 모터, 선형 모터, 열, 전기, 공압, 유압, 자기, 솔레노이드, 압전 액추에이터, 형상 기억 폴리머, 포토몰리머 또는 당업계에 공지된 다른 액추에이터를 사용하여 연결 장치를 이동시킬 수 있다.
실시예에서, 저장소, 전기 브레이크 및 벨로우즈 중 적어도 하나는 강철(퀴리 온도 770°C)과 같은 높은 퀴리 온도를 갖는 것과 같은 자성 재료를 포함할 수 있다. 스틸과 같은 자성 재료는 점화 전류 플럭스 및 저장소 와류 또는 이미지 전류에 의해 야기되는 플럭스를 트랩하는 자기 회로의 역할을 할 수 있으며, 여기서 플럭스 트래핑은 용융 금속 스트림에서 자기 핀치 효과 불안정성을 방지하는 역할을 한다. 실시예에서, 저장소, 전기 브레이크 및 벨로우즈 중 적어도 하나는 자성 재료 클래딩, 칼라 또는 자성 스틸을 포함하는 커버를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 저장소, 전기 브레이크 및 벨로우즈 중 적어도 하나는 전기 절연체 또는 와류 또는 이미지 전류의 형성을 방지할 수 있는 전기 전도성이 낮거나 없는 재료 및 EM 펌프에 의한 용융 금속 주입을 방해할 수 있는 상응하는 자속을 포함할 수 있다.
실시예에서, 노즐(5q) 각각은 상호 로렌츠 바이어스를 피하기 위해 대략 직선 수평선 또는 선형 연결된 용융 금속 스트림을 형성하는 스트림을 생성하기 위해 대향 측면에 있는 것과 같은 유출구 오리피스를 포함한다. 실시예에서, EM 펌프(5k61)의 각각의 주입 튜브는 상호 로렌츠 바이어스를 피하기 위해 거의 선형 연결된 스트림을 생성하도록 대향 노즐을 각지게 하는 섹션을 포함할 수 있다.
도 8L에 도시된 실시예에서, 노즐(5q)은 상응하는 용융 금속 스트림이 EM 펌프 튜브의 주입기 섹션에 평행하게 방출되도록 EM 펌프 튜브(5k61)의 주입기 섹션의 단부에 거의 중앙에 있는 개구부를 포함한다. 실시예에서, 각각의 주입기 튜브는 복수(예를 들어, 두개, 세개 및 네개)의 노즐(5q)을 포함할 수 있고/또는 각각의 저장소(5c)는 복수의 주입기 튜브(5k61)와 유체 연통하는 것을 포함할 수 있다. 저장소(5c)내의 EM 펌프 튜브(5k61)의 주입기 섹션의 높이는 반응 셀 챔버(5b31)에서 더 강렬한 플라즈마에 대한 노출에 의한 손상으로부터 노즐을 보호하기 위해 노즐이 저장소 내에 있도록 조정될 수 있다. 실시예에서, 노즐은 저장소의 용융 금속 풀에 잠길 수 있다. 듀얼 주입기 SunCell의 이러한 2개의 주입기 및 노즐의 EM 펌프 튜브(5k61)의 저장소 및 대응하는 주입기 섹션은 분출된 용융 금속 스트림이 반응 셀 챔버(5b31)에서 교차하는 궤적(941)을 따르도록 서로에 대해 각을 이룰 수 있다. 저장소(5c)는 반응 셀 챔버(5b31) 및 PV 창(5ab4 및 5b4)에 연결된 역 V자를 형성할 수 있다. 역 V자의 다리를 포함하는 저장소 사이의 각도는 약 1° 내지 179° 범위일 수 있다. 저장소(5c)가 반응 셀 챔버(5b31)에 연결되는 영역은 이 영역이 과열되는 것을 방지하기 위해 히트 스프레더를 포함할 수 있다. 히트 스프레더는 저장소 중 적어도 하나의 벽과 반응 셀 챔버의 바닥을 두껍게 만들 수 있다. 히트 스프레더는 저장소의 외부 상단 부분 주위에 금속 칼라를 포함할 수 있다. 예시적인 히트 스프레더는 스테인리스 스틸 또는 구리를 포함한다.
저장소의 상부 섹션의 과열을 추가로 방지하기 위한 실시예에서, 반응 셀 챔버(5b31)는 인서트를 위한 리셉터클의 역할을 할 수 있다. 인서트는 반응 셀 챔버 바닥 라이너(5b31b) 및 반응 셀 챔버(5b31)와 연결된 저장소(5c)의 섹션을 포함할 수 있다. 인서트는 세라믹, 탄소, 석영, 텅스텐과 같은 내화성 금속, 및 본 개시의 또는 당업계에 공지된 다른 내화성 물질을 포함하는 적어도 하나와 같은 내화성 물질을 포함할 수 있다. 인서트는 복합 재료를 포함할 수 있다. 인서트는 함께 체결될 수 있는 복수의 부품을 포함할 수 있다. 패스너는 접착제, 브레이즈, 용접, 볼트, 나사, 클램프, 또는 본 개시의 또는 당업계에 공지된 다른 패스너를 포함할 수 있다. 접착된 탄소 부품의 경우, 예시적인 접착제는 Aremco Products Graphitic Bond 551RN을 포함한다. 저장소는 반응 셀 챔버의 베이스 중 적어도 하나와 서로에 고정된 임의의 원하는 단면 형상(예: 원형, 정사각형 또는 직사각형)의 금속 튜브를 포함할 수 있다. 해당 패스너는 용접부를 포함할 수 있다. 금속은 스테인레스 스틸 또는 본 개시의 다른 것을 포함할 수 있다. 튜브가 서로 부분적으로 고정된 경우(예를 들어, 정점이 단면에서 절단되고 반응 셀 챔버(5b31) 및 PV 창 또는 PV 창 챔버 중 적어도 하나에 연결되는 것을 제외하고는 도 8A 및 8B에 도시된 바와 같음), 용접부와 같은 패스너는 용융 금속 주입기 전극의 전기적 절연을 유지하기 위해 각각의 저장소의 전기 브레이크(913) 위에 있을 수 있다. 인서트는 저장소 라이너를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 인서트는 반응 셀 챔버 바닥 라이너(5b31b)를 형성하기 위해 바닥에서 반응 셀 챔버에 삽입되는 두꺼운 탄소 블록 라이너를 포함하고, 여기서 블록은 반응 셀 챔버의 베이스에 부착되거나 각 저장소의 전기 브레이크(913) 위에 서로 부착되는 거의 동일한 단면 치수의 스테인리스 스틸 저장 튜브와 정렬되도록 수직으로 각진 저장기 직경을 갖는 탄소 블록으로 기계 가공된 2개의 튜브를 포함한다. 각도는 수직에 대해 약 5° 내지 85° 범위일 수 있다. 블록의 두께는 약 1 mm 내지 100 mm 범위일 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버의 벽은 플라즈마 전류 밀도 및 하이드리노 반응 전력을 증가시키기 위해 PV 창을 향해 점점 가늘어지거나 수렴된다. 수렴 반응 셀 챔버는 본 개시의 PV 창 및 PV 창 챔버 중 적어도 하나에 연결될 수 있다. 수렴 플라즈마는 PV 변환기(26a)로의 광 전력 전달을 증가시키기 위해 PV 창(5ab4 및 5b4) 또는 PV 창 챔버(916)의 영역으로 플라즈마 흐름을 야기하도록 가스 압력 증가를 야기할 수 있다.
실시예에서, 전체 반응 셀 챔버 체적 및 노즐의 저장소로부터 강렬한 플라즈마 및 광 방출이 있지만, 전류 밀도는 반응 셀 챔버와 비교하여 저장소의 상대적으로 작은 단면적 및 노즐로 인해 노즐에서 가장 높다. 하이드리노 전력은 전류에 따라 비선형적으로 확장되지만, 일 실시예에서 하이드리노 반응물 확산 제한이 설정된다. 실시예에서, 수소, 산소 및 H2O 중 적어도 하나와 같은 하이드리노 반응물의 흐름을 위한 유입구는 노즐이 녹는 것을 방지하기 위해 노즐에서 생성된 전력을 제한하기 위해 노즐에서 확산 제한을 설정한다.
실시예에서, 노즐(5q)은 연장된 높이의 반응 셀 챔버(5b31)를 더 포함하는 주입기 EM 펌프 튜브의 방향으로 배향되어 용융 금속 스트림이 반응 셀 챔버(5b31) 내에서 교차할 수 있도록 하며, 이는 PV 창(5b4)에 의해 형성된 캐비티의 적어도 어느 부분을 포함할 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버 및 PV 창 중 적어도 하나는 역 Y자의 수직 부분을 포함하는 기하학적 구조를 포함할 수 있다. 이 섹션은 원 또는 정사각형과 같은 임의의 원하는 기하학적 수평 단면을 포함할 수 있다. 반응 셀 챔버는 탄소 및 W 중 적어도 하나를 포함하는 것과 같은 라이너(5b31a)를 포함할 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버(5b31)의 하나 이상의 측벽의 적어도 일부는 PV 창을 포함할 수 있다. 도 8C-8D 및 8L에 도시된 예시적인 실시예에서, PV 창은 일치하는 금속 플랜지에 정합된 중첩 석영 또는 사파이어 플랜지를 포함하는 것과 같은 유니온에 의해 반응 셀 챔버(5b31)에 연결된 석영 또는 사파이어를 포함하는 것과 같은 투명한 직사각형 또는 입방체 챔버를 포함할 수 있다. 추가의 예시적인 실시예에서, PV 창(들)에 의해 형성된 대응하는 PV 챔버는 도 8L에 도시된 반응 셀 챔버(5b31)를 포함할 수 있으며, 여기서 유니온은 저장소가 반응 셀 챔버에 연결되는 베이스에 있다. 유니온은 흑연 개스킷 및 클램프와 같은 개스킷 또는 접착제 또는 접착제로 밀봉될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 직사각형 또는 입방체 챔버는 개스킷으로 밀봉되거나 금속 프레임같은 프레임에 접착되거나 부착되는 석영 또는 사파이어 창 패널을 갖는 프레임을 포함할 수 있다. 어느 실시예에서든, 접착제 또는 접착제는 Resbond 940SS, 989, 905, 940LE 및 907 중 적어도 하나와 같은 본 개시의 것을 포함할 수 있다. 접착제는 프레임에 대한 접착을 허용하기 위해 복수의 층과 같은 복합재 및 서로 다른 접착제의 해당 층에 의한 창에 대한 접착재를 포함할 수 있다. 실시예에서, 베이스 또는 프레임은 베이스 또는 프레임에 용접되거나 브레이징된 금속 스크린과 같은 앵커를 포함할 수 있으며, 여기서 접착제는 앵커 및 석영 또는 사파이어 창과 같은 창에 적용된다.
실시예에서, 앵커는 실린더의 각 단부에 칼라 또는 플랜지를 갖는 실린더를 포함하는 얇은 금속 고리를 포함한다. 환형체는 베이스 또는 프레임에 진공으로 단단히 용접될 수 있으며, 환형체의 반대쪽 칼라는 PV 창에 접착될 수 있다. 환형체는 원통 또는 환형 벽의 적어도 하나의 원주 주름과 같은 적어도 하나의 확장 수단을 포함할 수 있다. 접착제 유니온은 베이스 또는 프레임 측면의 Resbond 940 SS 및 해당 접착제 유니온의 창 측면의 Resbond 989와 같은 다중 레이어를 포함할 수 있다. 실시예에서, 플랜지, 접착제 및 창의 열 팽창 계수는 작동 온도 범위에 대해 거의 일치한다. 예시적인 실시예에서, 사파이어 창은 일치하는 유사한 팽창 계수를 갖는 선택된 스테인리스 스틸(SS) 플랜지에 접착된다. 실시예에서, SS는 코바아 또는 인바아를 포함할 수 있다. 접착제 또는 접착제는 Resbond 940SS, 989, 905, 940LE 및 907 중 적어도 하나와 같은 본 개시의 것을 포함할 수 있다. 작동 온도는 약 300℃ 내지 2000℃ 범위일 수 있다. 실시예에서, 열충격을 방지하기 위해 접착되거나 브레이징된 PV 창의 온도는 매우 천천히 상승 및 하강한다. 온도 상승률은 약 10℃/시간 내지 2000℃/시간의 범위일 수 있다.
실시예에서, EM 펌프 압력은 용융 금속이 상부(5ab4 및 5b4) 중 적어도 하나의 표면 및 PV 캐비티의 측면 윈도우 상에 주입되어 주석 산화물 또는 갈륨 산화물등의 금속 산화물과 같은 재료의 창을 세정하도록 증가될 수 있다.
노즐은 또한 전기 절연체를 포함하거나 낮은 전기 전도성을 가질 수 있는 내화 클래딩 또는 코팅을 포함할 수 있다. 실시예에서, 노즐, 코팅 또는 클래딩 중 적어도 하나는 내화 금속 또는 세라믹, W, Ta, 탄소, 세라믹-코팅된 탄소, BN, 지르코니아, 알루미나, 하프니아, Resbond 940 HT 또는 940SS와 같은 Resbond 포팅 화학물 및 다른 세라믹 또는 본 개시의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
하이드리노 반응은 주석, 갈륨 또는 은, 또는 약 500°C 내지 3500°C의 온도 범위에 있을 수 있는 금속 라이너 또는 주입기 부분과 같은 금속 표면과 같은 매우 뜨거운 표면에서 적어도 하나의 전파 및 자율 유지가 될 수 있다. 라이너는 뜨거운 표면으로 작용하도록 선택적으로 가열되는 반응 셀 챔버 내로 돌출하는 부분을 포함할 수 있다. 뜨거운 표면은 외부 전기장의 인가 및 점화 전류 중 적어도 하나에 대한 필요성을 감소시키거나 제거할 수 있다. 실시예에서, 적어도 하나의 노즐(5q) 및 반응 셀 챔버(5b31) 라이너, 예를 들어 벽 라이너 및 반응 셀 챔버 바닥 또는 베이스 라이너 중 적어도 하나는 W, Ta, 또는 본 개시의 것과 같은 내화 금속 표면과 같은 뜨거운 표면으로서 작용할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 라이너와 같은 뜨거운 표면은 금속 질화물, 탄화물, 또는 WC, TiB2, ZrB2, 또는 탄소와 같은 내화물 라이너 기판 재료상의 TiN 코팅과 같은 이붕화물 코팅과 같은 전기 전도성 세라믹과 같은 세라믹을 포함할 수 있다. 예시적인 코팅은 하프늄 붕화물(HfB2)(M.P. = 3380°C), 텅스텐 탄화물(WC)(M.P. = 2785°C-2830°C), 하프늄 탄화물(HfC)(M.P. = 3900°C), Ta4HfC5(M.P. = 4000°C), Ta4HfC5TaX4HfCX5 (4215°C), 하프늄 질화물(HfN) (M.P. = 3385°C), 지르코늄 이붕화물(ZrB2) (M.P. = 3246°C), 지르코늄 탄화물(ZrC) (M.P. = 3400°C) , 지르코늄 질화물(ZrN)(M.P. = 2950°C), 티타늄 붕화물(TiB2)(M.P. = 3225°C), 티타늄 탄화물(TiC)(M.P. = 3100°C), 티타늄 질화물(TiN)(M.P. = 2950°C) C), 실리콘 탄화물(SiC)(M.P. = 2820°C), 탄탈륨 붕화물(TaB2)(M.P. = 3040°C), 탄탈륨 탄화물(TaC)(M.P. = 3800°C), 탄탈륨 질화물(TaN)(M.P. = 2700°C), 니오븀 탄화물(NbC)(M.P. = 3490°C), 니오븀 질화물(NbN)(M.P. = 2573°C) 및 바나듐 탄화물(VC)(M.P. = 2810°C)이다. 예시적인 실시예에서, 반응 챔버(5b31) 라이너는 W 베이스플레이트(5b31b) 및 직사각형, 정육면체, 육각형, 팔각형 또는 W 플레이트 사이에 세라믹 스트립과 같은 전기 절연체를 추가로 포함하여 절연할 수 있는 다른 다각형을 형성하는 것과 같은 W 플레이트 벽 세그먼트를 포함하여 나란히 배치된 W 플레이트 사이와 노즐 중 하나 사이의 전기 경로를 피할 수 있다. . 대안적으로, 벽 라이너는 적어도 부분적으로 전기 절연체 또는 탄소, 세라믹 코팅된 탄소, 석영, 본 개시의 것과 같은 세라믹과 같은 낮은 전기 전도성을 갖는 재료, 또는 세라믹 코팅과 같은 비전도성 코팅된 W 또는 Ta와 같은 전도체를 포함할 수 있다.
도 8A-8L에 도시된 것과 같은 듀얼 용융 금속 주입기 SunCell의 실시예에서, 하나의 EM 펌프의 펌핑 속도는 반대쪽 EM 펌프의 속도에 비해 증가되어 반응 셀 챔버에서 하이드리노 반응을 개시하기 위해 가열된 표면을 생성하기 위해 반응 셀 챔버 측벽과 같은 금속 부분과 같은 표면에 해당하는 주로 주입된 용융 금속 스트림이 침해하게 한다. 하이드리노 반응이 시작되면, EM 펌프는 EM 펌핑 속도에서 균형을 이루도록 설정될 수 있다. 대안적으로, 2개의 저장소 중 하나에서만 전기 브레이크를 갖는 SunCell의 실시예에서, 주로 주입된 용융 금속 스트림은 하이드리노 반응을 개시하기 위해 주로 주입된 용융 금속 스트림의 반대 극성에 있는 라이너 표면에 침해하여 뜨거운 표면을 생성하며, 여기서 EM 펌핑 속도는 그 후에 균형을 이룰 수 있다.
실시예에서, 도 8H-8L 및 13에 도시된 914 및 915와 같은 플랜지의 적어도 하나의 세트뿐만 아니라 26d, 26e 및 902와 같은 다른 플랜지는 결합된 각 구성요소의 둘레 주위의 환형체와 같은 평평한 금속 플레이트(볼트 구멍 없음)로 대체될 수 있다. 플레이트는 이음새를 형성하기 위해 외부 가장자리에서 함께 용접될 수 있다. 두 플레이트를 분리하기 위해 이음새를 자르거나 연마할 수 있다.
실시예에서, W 또는 Ta와 같은 용융 금속과의 내화성 및 합금 형성에 저항성 중 적어도 하나인 것과 같은 주입기 EM 펌프 튜브(5k61)는 튜브를 EM 펌프 베이스플레이트(5kk1)에서 칼라에 고정시키기 위한 튜브 패스너를 포함할 수 있다. 패스너는 용접부를 포함할 수 있다. 패스너는 용접부를 포함할 수 있다. 패스너는 압축 피팅을 포함할 수 있다. 대안적으로, 패스너는 스테인레스 스틸, Cotronics Resbond 940 HT 또는 Sauereisen Electrotemp Cement와 유사한 열팽창 계수를 가질 수 있는 Cotronics Resbond 940SS와 같은 세라믹과 같은 본 개시의 것과 같은 접착제 또는 포팅 화합물을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 패스너는 EM 펌프 튜브 및 각각의 와셔와 같은 칼라 환형을 포함하고, 환형은 튜브를 고정하기 위해 가장자리에 용접될 수 있다. 대안적으로, EM 펌프 튜브는 환형체를 베이스플레이트에 대해 밀어내는 탄소 플레이트와 같은 커버를 사용하여 베이스플레이트에 용접된 칼라에 튜브를 고정하기 위한 환형체을 포함할 수 있다. 플레이트는 베이스플레이트에 접착되거나 적어도 하나의 패스너로 제자리에 고정될 수 있다. 칼라, 환형체 및 패스너와 같은 구성요소는 CrC, 알루미나 또는 Ta와 같은 본 개시의 것과 같은 주석 합금 내성 코팅으로 코팅될 수 있다.
EM 펌프 튜브(5k6), 저장소(5c) 및 반응 셀 챔버(5b31) 중 적어도 하나는 용융 금속과의 합금 형성으로부터 하부 금속을 보호하는 코팅으로 코팅될 수 있다. 예시적인 코팅은 산화물, 탄화물, 이붕화물, 질화물, 방염 페인트와 같은 세라믹, 및 본 개시의 또 다른 것이다. 벽 및 베이스 중 적어도 하나와 같은 EM 펌프 튜브(5k6), 저장소(5c) 및 반응 셀 챔버(5b31) 중 적어도 하나는 라이너로 라이닝될 수 있다. 예시적인 라이너는 텅스텐 라이너에 대해 원주를 이루는96+% 알루미나 또는 FG995 알루미나와 같은 알루미나와 같은 탄소 또는 세라믹이다. 탄소는 방염 페인트, ZrO2 또는 Resbond 907GF와 같은 전기 절연체로 코팅될 수 있다. 저장소(5c) 및 반응 셀 챔버(5b31)는 정사각형 또는 직사각형 단면과 같은 다각형 단면을 가질 수 있다. 탄소 및 텅스텐 중 적어도 하나를 포함하는 것과 같은 라이너는 플레이트 교차점에서 함께 경사질 수 있는 라이너 재료의 플레이트를 포함할 수 있다.
본 개시의 실시예에서, 반응 셀 챔버, 유입구 라이저, 저장소 및 EM 펌프 튜브와 같은 SunCell 구성요소의 코팅은 이트륨 산화물, 하프늄-티타늄 산화물, 지르코늄 산화물, YAG, 3Y2O3-5Al2O3, 및 알루미늄 산화물과 같은 ZYP 코팅에 의해 제조된 것을 포함할 수 있다. 최소한 하나의 ZYP 코팅이 방염 페인트를 대체할 수 있다.
반응 셀 챔버(5b31) 및 PV 창 챔버(916) 중 적어도 하나는 반응 셀 챔버(5b31) 및 PV 창 챔버(916) 중 적어도 하나의 중량을 지지하기 위해 적어도 하나의 컬럼 또는 테이블(409c)에 부착될 수 있는 칼럼 또는 턴버클(409k) 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있다.
실시예에서, PV 창은 창 표면 위의 고속 가스 흐름에 의해 PV를 냉각하기 위해 적어도 하나의 송풍기 또는 압축기 및 적어도 하나의 제트를 포함한다. 헬륨 또는 수소와 같은 가스는 불활성이고 방출된 방사선에 투명하며 높은 열 전달 능력을 갖도록 선택될 수 있다.
실시예에서, PV 창은 구(sphere)의 내부를 덮는 광 재순환 가능 PV와 함께 구의 중심에 위치할 수 있다. 대안적으로, PV 창은 반구의 내부를 덮는 광 재순환 가능 PV를 포함하는 반구의 바닥에 평면 거울을 포함하는 환형체의 중심에 위치될 수 있다. 거울은 연마된 금속, Accuflect(Accuratus)와 같은 세라믹, 또는 약 200 nm-5000 nm 파장 범위의 광과 같이 SunCell에 의해 방출되는 실질적으로 모든 파장을 반사할 수 있는 당업계에 알려진 다른 반사기를 포함할 수 있다.
도 8L에 도시된 것과 같은 실시예에서, 반응 셀 챔버 벽은 PV 변환기(26a)의 PV 셀에 대한 흑체 방사체로서 작용하도록 고온에서 작동될 수 있다. PV 변환기(26a)의 PV 셀은 각각 흑체 방사체 벽에 대한 광 재활용을 수행하기 위해 적외선 백킹 또는 바닥층 거울을 포함할 수 있다. 반응 셀 챔버 벽은 약 1000°C 내지 3500°C 범위와 같은 고온에서 작동을 가능하게 하는 니오븀과 같은 내화성 물질을 포함할 수 있다. 벽은 산화 및 용융 금속과의 합금 형성 중 적어도 하나를 억제하기 위해 알루미나 또는 CrC와 같은 본 개시의 코팅으로 코팅될 수 있다.
실시예에서, 갈륨 또는 주석과 같은 용융 금속은 열광전지 변환기를 포함하는 쉘 유형의 튜브와 같은 열교환기를 통해 흐른다. 갈륨이나 주석과 같은 용융 금속은 쉘 내부에 장착된 TPV 셀로 방출되는 튜브를 통해 펌핑될 수 있다.
실시예에서, 하이드리노 플라즈마에 의해 PV 창을 통해 방출되는 강한 흑체 방사선은 복사 히터, 광원 및 지향성 에너지 무기 중 적어도 하나로 직접 사용될 수 있다. 강렬한 광 방출과 같은 지향성 에너지는 미사일 및 총알과 같은 들어오는 발사체를 파괴하거나 녹일 수 있다.
실시예에서, 하이드리노 또는 분자 하이드리노를 포함하는 물질의 조성물은 하이드리노가 가시광선을 흡수하거나 방출하지 않는 암흑 물질을 포함하기 때문에 코팅된 물체에 스텔스(stealth)를 제공하는 코팅을 포함한다.
실시예에서, 용융 금속은 주석, 갈륨, Galinstan, 은, 구리, 71.9%Ag/28.1% Sn과 같은 Ag-Cu 합금, 및 50%Ag/50% Sn 용해와 같은 Ag-Sn 합금과 같은 임의의 알려진 금속 또는 합금을 포함할 수 있다. SunCell은 플라즈마 및 흑체 광 중 적어도 하나가 반응 셀 챔버로부터 PV 변환기로 방출되도록 하는 PV 창을 포함할 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버는 흑체 온도가 더 균일해지도록 가스를 포함한다. 가스는 아르곤과 같은 희가스를 포함할 수 있다. 온도를 더 잘 분배하기 위해 가스 압력이 높을 수 있다.
용융 금속은 창의 불투명화를 방지하는 PV 창의 습윤에 저항하는 주석과 같은 금속을 포함할 수 있다. PV 창은 고온에 대한 내성 및 주석 습윤에 대한 내성 중 적어도 하나일 수 있는 투명 재료를 포함할 수 있다. 윈도우는 석영, zerodur(리튬 알루미노실리케이트 유리-세라믹), ULE(열 팽창 계수(CTE)가 0인 티타니아-실리카 이원 유리), 사파이어, 산질화알루미늄, MgF2, 유리, 파이렉스 및 기타 당해 분야에 공지된 그러한 창 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 창은 약 200 °C 내지 1800 °C 범위와 같은 고온에서 작동할 수 있고 반응 셀 챔버 내부로부터 플라즈마 방출을 전달하는 것 외에 흑체 방사체 역할을 할 수 있다. 적절한 예시적인 고온 가능 창은 Rayotek의 고압, 고온 사이트 글래스 창(HTHP)이다 (https://rayoteksightwindows.com/products/high-temp-sight-glass-windows.html).
실시예에서, PV 창은 가스 블랭킷, 가스 제트, 고압 제트, 또는 가스 노즐 또는 주입기와 같은 소스와 같은 소스로부터의 가스 나이프, 가스 소스 및 플라즈마 생성 중에 작동할 수 있는 압력 센서, 밸브 및 컴퓨터와 같은 유량 및 압력 제어기 중 적어도 하나로 세정되는 것 및 냉각되는 것 중 적어도 하나일 수 있다. 가스는 아르곤 및 스팀과 같은 희가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 실시예에서, 창문 세정제는 맥동될 수 있는 워터 제트를 포함하며, 과량의 물은 스팀으로 펌핑될 수 있다. 실시예에서, 가스 제트는 스팀을 포함할 수 있다. 창은 증기가 반응 셀 챔버로 흐르기 전에 증기를 제거하기 위해 진공 펌프에 연결된 로컬 진공 포트를 포함할 수 있다. 창은 증기가 로컬 진공 포트 및 진공 펌프에 의해 선택적으로 펌핑될 수 있도록 반응 셀 챔버로부터의 창을 폐쇄하기 위한 게이트 밸브와 같은 배플을 추가로 포함할 수 있다. 실시예에서, 창은 창 내부 표면에 갈륨, 주석, 은, 구리 또는 이들의 합금과 같은 용융 금속을 주입하여 세척하기 위한 전자기 펌프와 같은 용융 금속 펌프를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 용융 금속은 주석을 포함한다. 실시예에서, PV 창은 인듐 주석 산화물과 같은 전도성 투명 코팅을 포함한다. 주석 및 SnO 입자와 같은 접착 입자를 밀어내기 위해 전압 소스에 의해 창에 바이어스가 인가될 수 있다. 실시예에서, 창은 글로우 방전 소스와 같은 플라즈마 소스에 의해 플라즈마 세정된다. 실시예에서, 윈도우 또는 윈도우용 하우징 중 적어도 하나는 글로우 방전의 전극을 더 포함할 수 있다. 실시예에서, PV 창은 반응 셀 챔버(5b31)에 HOH 및 원자 H를 제공하는 글로우 방전 셀(900)(도 9A)에 근접해 있다. 방전 셀은 공급된 분자 수소로부터 방전 셀에 형성된 원자 수소가 PV 창의 표면 위로 흐르도록 위치하는 것 또는 각을 이루는 것 중 적어도 하나일 수 있다. 원자 수소는 주석 또는 주석 산화물과 반응하여 휘발성 SnH4를 형성하여 PV 창을 세정할 수 있다. 실시예에서, 방전 셀의 유출구는 방전 셀의 유출구로부터의 원자 수소의 흐름이 PV 창에 입사되도록 하는 배플 또는 디플렉터를 포함할 수 있다. 배플 또는 디버터는 유리, 석영, 또는 알루미나 또는 BN과 같은 세라믹과 같이 낮은 수소 재결합 계수 또는 낮은 재결합 용량을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
실시예에서, 창은 적어도 (i) PV 변환기의 가열을 감소시키고 (ii) 창을 세정하기 위해 휘발성 스테난의 형성을 허용하도록 냉각되며, 여기서 스테난은 스테난의 열분해 온도보다 높은 온도를 갖는 반응 셀 챔버에서 분해된다. 추가적으로, 창 온도는 235 °C 이상과 같은 주석의 융점 이상으로 유지될 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버 및 저장소 중 적어도 하나에서와 같은 용융 주석 온도는 스타난 분해 온도 및 수소가 용융 주석으로부터 실질적으로 탈착되는 온도 중 하나 이상을 초과하여 유지된다. 수소는 반응 셀 챔버로부터의 하이드리노 반응물일 수 있다. 실시예에서, 창의 온도는 주석 산화물의 수소 환원 온도 이상으로 유지되며, 여기서 수소는 분자 및 원자의 적어도 하나의 형태로 기체일 수 있다. 반응 셀 챔버 및 저장소 중 적어도 하나는 약 235 °C 내지 3500 °C의 온도 범위에서 유지될 수 있다.
실시예에서, 발전 시스템(SunCell이라고 함)은 다음을 포함하는 적어도 하나의 플라즈마 셀을 포함한다: (i) 방전 플라즈마 생성 셀을 통해 용융 금속 셀을 향하여 지향될 물/수소 혼합물을 생성하는 방전 플라즈마 생성 셀(900) 및 (ii) 반응 셀 챔버(5b31)에서 방전 플라즈마를 생성하는 방전 플라즈마 점화 셀 중 적어도 하나를 포함하며, 여기서 플라즈마 셀 중 적어도 하나는 반응 셀 챔버(5b31)에서 하이드리노 플라즈마의 점화를 유발하고, 여기서, 하이드리노 플라즈마는 하이드리노 반응에 의해 최소한 부분적으로 전력이 공급되고 유지되는 플라즈마를 포함한다. 이들 실시예에서, 글로우 방전 셀과 같은 방전 플라즈마 생성 셀은 가스(예를 들어, 산소와 수소의 혼합물을 포함하는 가스)로부터 제1 플라즈마의 형성을 유도하고; 여기서 방전 플라즈마 생성 셀의 유출물은 용융 금속 회로의 임의의 부분(예를 들어, 용융 금속, 애노드, 캐소드, 용융 금속 저장소에 잠긴 전극, 두 개의 용융 금속 저장소 중 어느 하나, 주입기 용융 금속 전극)으로 향한다. 이들 실시예에서, 글로우 방전 셀과 같은 방전 플라즈마 점화 셀은 가스 방전과 같은 반응 셀 챔버에서 방전을 유도하여 반응 셀 챔버에서 하이드리노 반응의 점화를 유발한다. 방전 플라즈마 점화의 전극은 점화 전극을 포함할 수 있다. 방전 셀의 전극은 애노드, 캐소드, 용융 금속 저장소에 잠긴 전극, 두 개의 용융 금속 저장소 중 어느 하나, 두 개의 주입기 용융 금속 전극 중 하나, 저장소, 반응 셀 챔버, 및 피드스루와 같은 전기 절연 커넥터를 통해 반응 셀 챔버를 관통하는 독립 방전 플라즈마 점화 전극을 포함한다. 방전 플라즈마 점화 전극은 Ta, W와 같은 금속, 또는 용융 금속과의 합금 형성에 저항하는 탄화물 또는 질화물 코팅 스테인리스 스틸 전극과 같은 코팅 금속일 수 있다.
예시적인 실시예(도 8F-G)에서, 텅스텐 방전 플라즈마 점화 전극은 주입기 전극(5k6)의 금속 스트림 중 하나 근처에서 반응 셀 챔버를 관통할 수 있다. 전극은 피드스루를 통해 반응 셀 챔버 벽을 관통할 수 있다. SunCell은 방전 플라즈마 생성 셀에 전력을 공급하는 것을 포함할 수 있는 고전압 전원을 포함할 수 있다. 전원은 방전 플라즈마 생성 셀에 고전압을 인가하여 가스 글로우 방전이 하이드리노 플라즈마를 점화하도록 할 수 있다. 하나의 전극은 점화 버스 바(5k2a1)를 포함할 수 있다. 반응 셀 챔버(5b31)가 접지된 예시적인 실시예에서, 고전압 방전 전원으로부터의 양극 방전 전극 리드는 전기 브레이크(913)를 포함하는 저장소(5c) 내의 점화 버스 바(5k2a1)에 연결될 수 있고, 음극 방전 전극 리드는 고전압 방전 전원에서 다른 점화 버스 바(5k2a1)에 연결될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 방전 플라즈마 생성 셀(900)은 방전 플라즈마 생성 셀(900) 및 방전 플라즈마 점화 셀의 역할을 한다. 이 경우, 양극과 같은 방전 플라즈마 발생 셀의 전극은 방전 플라즈마 발생 셀을 통해 반응 셀 챔버로 연장될 수 있다.
실시예에서, 광-전기 변환기는 광 전력의 적어도 10%에 대응하는 것과 같이 전지로부터 방출된 광의 실질적인 파장 영역에 반응하는 광전지(PV) 셀을 포함하는 본 개시 의 광전지 변환기를 포함한다. 실시예에서, PV 셀은 약 1.5 suns 내지 75,000 suns, 10 suns 내지 10,000 suns, 및 100 suns 내지 2,000 suns 중 적어도 하나의 강도 범위에서와 같이 태양광보다 더 큰 고강도 광을 수용할 수 있는 집광기 셀이다. 집광기 PV 셀은 약 1 내지 1000 Suns 범위에서 작동될 수 있는 c-Si를 포함할 수 있다. 실리콘 PV 셀은 밴드갭을 개선하여 흑체 스펙트럼과 더 잘 일치하도록 하고 열 차단을 개선하여 냉각 시스템의 복잡성을 줄이는 적어도 하나의 기능을 수행하는 온도에서 작동될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 집광기 실리콘 PV 셀은 약 130 °C에서 100 내지 500 Suns에서 작동되어 3000 °C 흑체 방사체의 스펙트럼과 일치하도록 약 0.84 V의 밴드갭을 제공한다. PV 셀은 단일 접합 또는 삼중 접합과 같은 복수의 접합을 포함할 수 있다. 집광기 PV 셀는 단일 접합 Si 또는 단일 접합 III/V족 반도체 또는 다음 그룹 중 적어도 하나와 같은 III/V족 반도체 층과 같은 복수의 층을 포함할 수 있다: InGaP/InGaAs/Ge; InAlGaP/AlGaAs/GaInNAsSb/Ge; GaInP/GaAsP/SiGe; GaInP/GaAsP/Si; GaInP/GaAsP/Ge; GaInP/GaAsP/Si/SiGe; GaInP/GaAs/InGaAs; GaInP/GaAs/GaInNAs; GaInP/GaAs/InGaAs/InGaAs; GaInP/Ga(In)As/InGaAs; GaInP-GaAs-wafer-InGaAs; GaInP-Ga(In)As-Ge; 및 GaInP-GaInAs-Ge. 삼중 또는 이중 접합과 같은 복수의 접합은 직렬로 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 접합은 병렬로 연결될 수 있다. 접합은 기계적으로 적층될 수 있다. 접합은 웨이퍼 본딩될 수 있다. 실시예에서, 접합 사이의 터널 다이오드는 웨이퍼 본드로 대체될 수 있다. 웨이퍼 본드는 전기적으로 절연될 수 있고 후속 또는 더 깊은 접합에 의해 변환되는 파장 영역에 대해 투명할 수 있다. 각 접합은 독립적인 전기 연결 또는 버스 바에 연결될 수 있다. 독립 버스 바는 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 각각의 전기적으로 독립된 접합을 위한 전기 접점은 그리드 와이어를 포함할 수 있다. 전선 그림자 영역은 독립적인 접합 또는 접합 그룹에 대한 다중 병렬 회로 또는 상호 연결에 대한 전류 분배로 인해 최소화될 수 있다. 전류는 측면에서 제거될 수 있다. 웨이퍼 본딩층은 투명 전도층을 포함할 수 있다. 예시적인 투명 도전체는 인듐 주석 산화물(ITO), 불소 도핑된 주석 산화물(FTO) 및 도핑된 산화아연과 같은 투명 전도성 산화물(TCO) 및 전도성 중합체, 그래핀, 및 탄소 나노튜브 및 당업자에게 공지된 기타 당업자에게 공지된 것이다. 벤조사이클로부텐(BCB)은 중간 결합층을 포함할 수 있다. 결합은 붕규산 유리와 같은 유리와 같은 투명 재료와 PV 반도체 재료 사이에 있을 수 있다. 예시적인 2-접합 셀 GaAs(GaInP//GaAs)의 하부층에 결합된 GaInP 웨이퍼의 상부층을 포함하는 셀이다. 예시적인 4-접합 셀은 InP 기판 상의 GaInP/GaAs/GaInAsP/GaInAs를 포함하며, 여기서 각각의 접합은 터널 다이오드(/) 또는 InP 상의 GaInP//GaAs//GaInAsP//GaInAs에 의해 주어진 셀과 같은 격리된 투명 웨이퍼 본딩층(//)에 의해 개별적으로 분리된다. PV 셀은 InGaP//GaAs//InGaAsNSb//도전층//도전층//GaSb//InGaAsSb를 포함할 수 있다. 기판은 GaAs 또는 Ge일 수 있다. PV 셀은 Si-Ge-Sn 및 합금을 포함할 수 있다. 다이오드 및 웨이퍼 결합의 모든 조합은 본 개시의 범위 내에 있다. AM1.5d 스펙트럼의 297배 농도에서 44.7% 변환 효율을 갖는 예시적인 4-접합 셀은 프랑스의 SOITEC에서 제조한다. PV 셀은 단일 접합을 포함할 수 있다. 예시적인 단일 접합 PV 셀은 Sater 등 (B. L. Sater, N. D. Sater, "High voltage silicon VMJ solar cells for up to 1000 suns intensities", Photovoltaic Specialists Conference, 2002. Conference Record of the Twenty-Ninth IEEE, 19-24 May 2002, pp. 1019 - 1022.)에 나와 있으며, 그 전체가 본원에 원용된다. 대안적으로, 단일 접합 전지는 III족 및 V족 원소와 같은 다른 원소로 도핑된 GaAs 또는 GaAs를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, PV 셀은 약 1000 suns에서 작동되는 삼중 접합 집광기 PV 셀 또는 GaAs PV 셀을 포함한다. 또 다른 예시적인 실시예에서, PV 셀은 250 suns에서 작동되는 c-Si를 포함한다. 예시적인 실시예에서, PV는 900 nm 미만의 파장에 선택적으로 반응할 수 있는 GaAs 및 900 nm 내지 1800 nm 영역의 파장에 선택적으로 반응할 수 있는 InP, GaAs 및 Ge 중 적어도 하나 상의 InGaAs를 포함할 수 있다. InP에 GaAs 및 InGaAs를 포함하는 두 가지 유형의 PV 셀을 조합하여 효율을 높일 수 있다. 2개의 이러한 단일 접합 유형 전지는 이중 접합 전지의 효과를 갖도록 사용될 수 있다. 이 조합은 다이크로익 미러, 다이크로익 필터 및 셀의 구조 중 적어도 하나를 단독으로 사용하거나 본 개시에서 주어진 바와 같이 광의 다중 바운스 또는 반사를 달성하기 위한 미러와 조합하여 구현될 수 있다. 실시예에서, 각각의 PV 셀은 들어오는 광을 분리 및 분류하는 다색 층을 포함하여 다중 접합 전지의 특정 층을 공격하도록 방향을 바꾼다. 예시적인 실시예에서, 전지는 가시광선용 인듐 갈륨 인화물 층 및 상응하는 광이 지향되는 적외선용 갈륨 비소층을 포함한다. PV 셀은 GaAs1-x-yNxBiy 합금을 포함할 수 있다.
PV 전지는 실리콘을 포함할 수 있다. 실리콘 PV 셀은 약 5 내지 2000 suns의 강도 범위에서 작동할 수 있는 집광기 셀을 포함할 수 있다. 실리콘 PV 셀은 결정질 실리콘을 포함할 수 있고 적어도 하나의 표면은 결정질 Si 층과 상이한 밴드갭을 가질 수 있는 비정질 실리콘을 더 포함할 수 있다. 비정질 실리콘은 결정질 실리콘보다 더 넓은 밴드갭을 가질 수 있다. 비정질 실리콘층은 셀을 전자투명하게 하고 표면에서 전자-정공 쌍 재결합을 방지하는 적어도 하나의 기능을 수행할 수 있다. 실리콘 셀은 다중접합 셀을 포함할 수 있다. 층은 개별 셀을 포함할 수 있다. Ga, As, InP, Al 및 In 중 적어도 하나를 포함하는 것과 같은 상부 셀과 같은 적어도 하나의 셀은 이온 슬라이스되고 Si 하부 셀과 같은 Si 셀 상에 기계적으로 적층될 수 있다. 다중접합 전지의 층 및 직렬로 연결된 전지 중 적어도 하나는 전지의 층 사이의 전류 불일치로 인한 전류 및 전력 손실을 최소화하기 위해 바이패스 다이오드를 포함할 수 있다. 셀 표면은 셀로의 광 투과를 용이하게 하기 위해 텍스처화될 수 있다. 셀은 셀로의 광 침투를 향상시키기 위해 반사 방지 코팅을 포함할 수 있다. 반사 방지 코팅은 밴드갭 에너지 미만의 파장을 추가로 반사할 수 있다. 코팅은 약 2개 내지 20개 층과 같은 복수의 층을 포함할 수 있다. 증가된 층의 수는 밴드갭 에너지보다 높은 광과 같은 원하는 파장 범위를 밴드 통과시키고 밴드갭 에너지보다 낮은 파장과 같은 다른 범위를 반사하도록 선택성을 향상시킬 수 있다. 셀 표면에서 반사된 광은 광을 흡수할 수 있는 적어도 하나의 다른 셀로 반사될 수 있다. PV 변환기는 PV 흡수 및 변환을 위한 단면을 증가시키기 위해 반사광의 다중 바운스를 제공하는 측지선 돔과 같은 폐쇄 구조를 포함할 수 있다. 측지선 돔은 PV 셀(15)로 덮인 삼각형 유닛과 같은 복수의 수신기 유닛(200)(도 11)을 포함할 수 있다. 돔은 적분구의 역할을 할 수 있다. 변환되지 않은 광은 재활용될 수 있다. 광의 재활용은 측지선 돔과 같은 부재 수신기 유닛 사이에서 반사를 통해 발생할 수 있다. 표면은 셀의 밴드갭 에너지 미만의 파장을 반사할 수 있는 필터를 포함할 수 있다. 셀은 셀을 통해 다시 반사기 비흡수 광에 대한 은 또는 금 바닥층과 같은 바닥 거울을 포함할 수 있다. 추가로 흡수되지 않은 광과 셀 표면 필터에 의해 반사된 광은 흑체 방사체에 의해 흡수되어 PV 셀로 재방출될 수 있으며, 여기서 흑체 방사선은 반응 셀의 적어도 하나의 챔버와 저장소의 벽과 같은 SunCell의 구성요소 중 적어도 하나를 포함한다. 실시예에서, PV 기판은 바닥 셀로부터 기판 후면의 반사기로 전달되는 광에 대해 투명한 재료를 포함할 수 있다. 투명 기판을 갖는 예시적인 삼중 접합 셀은 InGaAsP(1.3 eV), InGaAsP(0.96 eV), InGaAs(0.73 eV), InP 기판 및 구리 또는 금 IR 반사기이다. 실시예에서, PV 셀은 집광기 실리콘 셀을 포함할 수 있다. 다중접합 III-V 셀은 더 높은 전압을 위해 선택되거나 Si 셀은 더 낮은 비용을 위해 선택될 수 있다. 버스 바 그림자는 투명 전도성 산화물(TCO)과 같은 투명 전도체를 사용하여 줄일 수 있다.
PV 셀은 페로브스카이트 전지를 포함할 수 있다. 예시적인 페로브스카이트 셀은 Au, Ni, Al, Ti, GaN, CH3NH3SnI3, 단층 h-BN, CH3NH3PbI3-xBrx, HTM/GA, 바닥 접촉(Au)의 층을 상부에서 하부로 포함한다.
셀은 각각 AlN 상부층 및 GaN 하부층을 포함하는 셀과 같은 다중 p-n 접합 셀을 포함하여 각각 EUV 및 UV로 변환한다. 실시예에서, 광전지는 UV 및 EUV와 같은 단파장 광의 과도한 감쇠를 피하기 위해 표면 근처에 무거운 p-도핑을 갖는 GaN p-층 셀을 포함할 수 있다. n형 바닥층은 AlGaN 또는 AlN을 포함할 수 있다. 실시예에서, PV 셀은 GaN 및 p-n 접합의 최상층에 많이 p-도핑된 AlxGa1-xN을 포함하고, p-도핑된 층은 2차원 정공 가스를 포함한다. 실시예에서, PV 셀은 반도체 접합부를 갖는 GaN, AlGaN 및 AlN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 실시예에서, PV 셀은 금속 접합부를 갖는 n형 AlGaN 또는 AlN을 포함할 수 있다. 실시예에서, PV 전지는 다중 전자-정공 쌍을 갖는 PV 재료의 밴드 갭 위의 고에너지 광에 반응한다. 광의 강도는 효율을 향상시키기 위해 재결합 메커니즘을 포화시키기에 충분할 수 있다.
변환기는 (i) GaN, (ii) AlGaN 또는 AlN p-n 접합, 및 (iii) 얕은 초박형 p-n 헤테로접합 광전지 중 적어도 하나의 다수를 포함할 수 있고, 각각은 n형 AlGaN 또는 AlN 베이스 영역 상GaN의 p형 2차원 정공 가스를 포함한다. 각각은 Al 박막층, n-타입 층, 공핍층, p-타입 층과 같은 금속 필름층에 대한 리드 및 단파장 광 및 진공 작동으로 인한 패시베이션 층을 갖지 않는 Al 박막층과 같은 금속 필름층에 대한 리드를 포함할 수 있다. AlGaN 또는 AlN n-타입 층을 포함하는 광전지의 실시예에서, 적절한 일 함수의 금속은 쇼트키 장벽 금속/반도체 광전지를 포함하도록 쇼트키 정류 장벽을 포함하도록 p-층을 대체할 수 있다.
다른 실시예에서, 변환기는 광전지(PV) 셀, 광전(PE) 셀, 및 PV 셀과 PE 셀의 하이브리드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. PE 셀은 GaN PE 셀과 같은 고체 상태 셀을 포함할 수 있다. PE 셀은 각각 광캐소드, 간극층 및 애노드를 포함할 수 있다. 예시적인 PE 셀은 중단될 수 있는 GaN(캐소드) /AlN(분리막 또는 갭)/중단될 수 있는Al, Yb 또는 Eu(애노드)를 포함한다. PV 셀은 각각 본 개시의 GaN, AlGaN 및 AlN PV 셀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. PE 셀은 하이브리드의 상단 층일 수 있고 PV 셀은 하단 층일 수 있다. PE 셀은 가장 짧은 파장의 광을 변환할 수 있다. 실시예에서, PE 셀의 캐소드 및 애노드 층과 PV 셀의 p-층 및 n-층 중 적어도 하나는 거꾸로 뒤집힐 수 있다. 아키텍처는 현재 컬렉션을 개선하기 위해 변경될 수 있다. 실시예에서, 연료의 점화로부터의 광 방출은 편광되고 변환기는 셀의 활성층으로의 광 침투를 최적화하기 위해 광 편광 선택적 재료를 사용하도록 최적화된다.
실시예에서, 반응 셀 챔버 내의 하이드리노 플라즈마로부터 PV 창을 통해 PV 변환기로의 광 방출은 주로 자외선 광 및 약 10 nm 내지 300 nm의 파장 영역의 광과 같은 극자외선을 포함할 수 있다. PV 셀은 약 10 nm 내지 300 nm의 파장 영역의 적어도 일부에 응답할 수 있다. PV 셀은 집광기 UV 셀을 포함할 수 있다. 셀은 흑체 방사선에 반응할 수 있다. 흑체 방사선은 약 1000 K 내지 6000 K의 적어도 하나의 온도 범위에 대응하는 것일 수 있다. 입사광 강도는 약 2 내지 100,000 suns 및 10 내지 10,000 suns 중 적어도 하나의 범위일 수 있다. 셀은 약 300 °C 미만 및 150°C 미만의 적어도 하나의 온도 범위와 같은 당업계에 공지된 온도 범위에서 작동될 수 있다. PV 셀은 InGaN, GaN 및 AlGaN 중 적어도 하나와 같은 III족 질화물을 포함할 수 있다. 실시예에서, PV 셀은 복수의 접합을 포함할 수 있다. 접합은 직렬로 적층될 수 있다. 다른 실시예에서, 접합은 독립적이거나 전기적으로 평행하다. 독립적인 접합은 기계적으로 적층되거나 웨이퍼 본딩될 수 있다. 예시적인 다중 접합 PV 셀은 InGaN, GaN 및 AlGaN 그룹으로부터의 복수와 같은 n-p 도핑된 반도체를 포함하는 적어도 2개의 접합을 포함한다. GaN의 n 도펀트는 산소를 포함할 수 있고, p 도펀트는 Mg를 포함할 수 있다. 예시적인 삼중 접합 셀은 InGaN//GaN//AlGaN을 포함할 수 있으며, 여기서 //는 절연 투명 웨이퍼 본딩층 또는 기계적 적층을 지칭할 수 있다. PV는 집광기 광전지(CPV)와 동등한 높은 광도에서 가동될 수 있다. 기판은 사파이어, Si, SiC 및 GaN 중 적어도 하나일 수 있으며, 후자의 2개는 CPV 애플리케이션에 대해 최상의 격자 정합을 제공한다. 당업계에 공지된 유기 금속 증기형 에피택시(MOVPE) 방법을 사용하여 층을 증착할 수 있다. 셀은 CPV에 사용되는 냉각판 또는 상용 GaN 다이오드 레이저와 같은 다이오드 레이저에 의해 냉각될 수 있다. 그리드 접촉점은 CPV 셀의 경우와 마찬가지로 셀의 전면과 후면에 장착될 수 있다. 실시예에서, GaN, AlN 및 GaAlN 중 적어도 하나를 포함하는 것과 같은 PV 전지의 표면은 종단될 수 있다. 종단층은 H 및 F 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 종단은 결함의 캐리어 재결합 효과를 감소시킬 수 있다. 표면은 AlN과 같은 창으로 종단될 수 있다.
실시예에서, 광전지(PV) 및 광전(PE) 변환기의 PV 창 및 보호 창 중 적어도 하나는 반응하는 광에 대해 실질적으로 투명할 수 있다. 창은 반응하는 광에 대해 적어도 10% 투명할 수 있다. 창은 UV 광에 투명할 수 있다. 창은 PV 또는 PE 셀 상의 UV 투명 코팅과 같은 코팅을 포함할 수 있다. 코팅은 기상 증착과 같은 증착에 의해 도포될 수 있다. 코팅은 사파이어 또는 MgF2 창과 같은 본 개시의 UV 창의 재료를 포함할 수 있다. 다른 적합한 창은 LiF 및 CaF2를 포함한다. MgF2 창과 같은 모든 창은 EUV 감쇠를 제한하기 위해 얇게 만들 수 있다. 실시예에서, GaN과 같은 단단한 유리 유사 물질과 같은 PV 또는 PE 물질은 세정 가능한 표면 역할을 한다. GaN과 같은 PV 재료는 창 역할을 할 수 있다. 실시예에서, PV 또는 PE 셀의 표면 전극은 창을 포함할 수 있다. 전극 및 윈도우는 알루미늄을 포함할 수 있다. 창은 알루미늄, 탄소, 흑연, 지르코니아, 그래핀, MgF2, 알칼리토류 불화물, 알칼리토류 할로겐화물, Al2O3 및 사파이어 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 창은 셀로부터의 UV 및 EUV 방출에 투명하도록 약 1 내지 100 두께와 같이 매우 얇을 수 있다. 예시적인 얇은 투명 박막은 Al, Yb 및 Eu 박막이다. 막은 MOCVD, 기상 증착, 스퍼터링 및 당업계에 공지된 다른 방법에 의해 도포될 수 있다.
실시예에서, 셀은 광기전력 효과, 광전 효과, 열이온 효과 및 열전 효과의 그룹으로부터의 적어도 하나의 메커니즘과 같은 적어도 하나의 메커니즘에 의해 입사광을 전기로 변환할 수 있다. 변환기는 각각 광전지층 상부에 광전층을 갖는 듀얼층 전지를 포함할 수 있다. 극자외선과 같은 더 높은 에너지의 광은 선택적으로 흡수되어 상부층에 의해 변환될 수 있다. 복수의 층의 층은 MgF2 창과 같은 UV 창을 포함할 수 있다. UV 창은 희미한 X선 방사선에 의한 손상과 같은 전리 방사선에 의한 손상으로부터 자외선UV PV를 보호할 수 있다. 실시예에서, UV PV를 손상시킬 방사선을 선택적으로 감쇠시키기 위해 저압 셀 가스가 추가될 수 있다. 대안적으로, 이 방사선은 적어도 부분적으로 전기로 변환될 수 있고 적어도 부분적으로 광전자 변환기 상부 층에 의해 UV PV로부터 차단될 수 있다. 다른 실시예에서, GaN과 같은 UV PV 재료는 또한 광전지 효과 및 광전 효과 중 적어도 하나를 사용하여 전지로부터의 극자외선 방출의 적어도 일부를 전기로 변환할 수 있다.
광전지 변환기는 자외선을 전기로 변환하는 PV 셀을 포함할 수 있다. 예시적인 자외선 PV 셀은 p형 반도체 중합체 PEDOT-PSS:Nb-도핑된 산화티타늄(SrTiO3:Nb)상에 증착된 폴리(4-스티렌술포네이트)필름에 의해 도핑된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (PEDOT-PSS/SrTiO3:Nb 헤테로 구조), GaN, 망간, SiC, 다이아몬드, Si 및 TiO2와 같은 전이 금속으로 도핑된 GaN 중 적어도 하나를 포함한다. 다른 예시적인 PV 광전지는 n-ZnO/p-GaN 헤테로접합 셀을 포함한다.
고강도 광을 전기로 변환하기 위해서, 발전기는 도 10에 도시된 것과 같은 광 분배 시스템 및 광전지 변환기(26a)를 포함할 수 있다. 광 분배 시스템은 셀에서 방출되는 광의 전파 축을 따라 루버 스택으로 배열된 복수의 반투명 거울을 포함할 수 있으며, 여기서 스택의 각각의 거울 부재(23)에서, 광은 횡방향으로 반사된 광을 수용하기 위해 광 전파 방향과 평행하게 정렬된 것과 같은 PV 셀(15) 상으로 적어도 부분적으로 반사된다. 전기 패널(15)에 대한 광은 PE, PV 및 열전자 셀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 변환기에 대한 창은 약 1000 K 내지 4000 K의 온도에 대응하는 것과 같은 단파장 광 또는 흑체 방사선과 같은 셀 방출 광에 대해 투명할 수 있으며, 전력 변환기는 열광전지(TPV) 전력 변환기를 포함할 수 있다. PV 창 또는 PV 변환기에 대한 창은 사파이어, 산질화알루미늄, LiF, MgF2 및 CaF2, BaF2, CdF2, 석영, 용융 석영, UV 유리, 보로실리케이트 및 Infrasil(ThorLabs)와 같은 불화물과 같은 다른 알칼리 토금속 할로겐화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 반투명 거울(23)은 단파장 광에 대해 투명할 수 있다. 재료는 UV 거울과 같은 거울과 같은 반사 재료의 부분적 커버리지를 갖는 PV 변환기 창의 재료와 동일할 수 있다. 반투명 거울(23)은 MgF2-코팅된 Al 및 알루미늄 상의 MgF2 또는 LiF 필름 또는 SiC 필름과 같은 얇은 불화물 필름 중 적어도 하나와 같은 UV 거울과 같은 반사 재료의 체크 패턴을 포함할 수 있다.
실시예에서, TPV 변환 효율은 흑체 이미터(5b4c)의 표면 상의 이테르븀과 같은 선택적 이미터를 사용함으로써 증가될 수 있다. 이터븀은 일반적인 흑체 스펙트럼을 방출하는 대신 선 복사 스펙트럼과 유사한 스펙트럼을 방출하는 희토류 금속 부류의 대표적인 구성원이다. 이는 비교적 좁은 방출 에너지 스펙트럼이 TPV 셀의 밴드갭에 매우 가깝게 일치하도록 한다.
실시예에서, PV 변환기(26a)(예, 도 12-13 참조)는 복수의 삼각형 수신기 유닛(TRU)을 포함할 수 있으며, 각각은 전면 집광기, 장착 플레이트 및 마운팅 플레이트 뒷면의 냉각기와 같은 복수의 광전지를 포함할 수 있다. 냉각기는 다중 채널 플레이트, 냉각제 상 변화를 지지하는 표면 및 열 파이프 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 삼각형 수신기 유닛은 함께 연결되어 적어도 부분적인 측지선 돔을 형성할 수 있다. TRU는 전기 연결, 버스 바 및 냉각제 채널 중 적어도 하나의 상호 연결을 더 포함할 수 있다. 실시예에서, 수신기 유닛 및 연결 패턴은 냉각 시스템의 복잡성을 감소시키는 기하학적 구조를 포함할 수 있다. 측지식 구형 PV 변환기의 삼각형 수신기 유닛의 수와 같은 PV 변환기 부품의 수는 감소될 수 있다. PV 변환기는 복수의 섹션을 포함할 수 있다. 섹션들은 함께 결합하여 흑체 방사체(5b4c) 또는 PV 창(5b4) 주위에 부분 인클로저를 형성할 수 있다. PV 변환기 및 흑체 방사체(5b4c) 중 적어도 하나는 다면적일 수 있고, 흑체 방사체 및 수신기 유닛의 표면은 기하학적으로 일치될 수 있다. PV 창은 또한 부분 돔 PV 창(5b4)(도 13) 및 부분 측지선 돔 PV 변환기(26a)의 경우에서와 같이 PV 변환기(26a)와 유사한 기하학적 정합을 가질 수 있다. 예를 들어, PV 창은 구형 또는 반구형일 수 있고 PV 변환기는 측지선 돔 구성의 여러 PV 패널을 포함할 수 있으며, 선택적으로 PV 창 구의 중심과 측지선 돔의 중심은 동일하거나 거의 동일하다(예, 1 cm 이내). PV 변환기 인클로저는 삼각형, 정사각형, 직사각형, 원통형 또는 기타 기하학적 단위 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 흑체 방사체(5b4c) 또는 PV 창(5b4)은 정사각형, 부분 구형 또는 PV 변환기의 유닛을 조사하기 위한 다른 바람직한 형상 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 변환기 인클로저는 구형, 직사각형 또는 정사각형일 수 있는 흑체 방사체(5b4c) 또는 PV 창(5b4) 주위에 5개의 정사각형 유닛을 포함할 수 있다. 변환기 인클로저는 흑체 방사체 또는 PV 창의 베이스로부터 광을 수신하기 위한 수신기 유닛을 더 포함할 수 있다. 베이스 유닛의 기하학적 구조는 집광을 최적화하는 것일 수 있다. 인클로저는 정사각형과 삼각형의 조합을 포함할 수 있다. 인클로저는 부분적 또는 하단 사각형을 갖지 않는 연결된 4개의 교차하는 정사각형 및 삼각형 쌍을 포함하는 적어도 부분적 하단 섹션에 연결되고, 중간 섹션으로서 6개의 정사각형에 연결되고, 4개의 교차하는 정사각형 및 삼각형 쌍을 포함하는 적어도 부분적인 상부 섹션에 연결되는 상단 사각형을 포함할 수 있다.
광전지 변환기의 측지선 조밀한 수신기 어레이의 삼각형 요소의 개략도가 도 11에 도시되어 있다. 측지선 돔(예, 도 12-13 참조)의 PV 변환기(26a)는 삼각형 요소들(200)로 구성된 조밀한 수신기 어레이를 포함하며, 각각의 요소는 흑체 방사체(5b4c) 또는 PV 창(5b4)으로부터의 광을 전기로 변환할 수 있는 복수의 집광기 광전지(15)로 구성된다. PV 셀(15)은 GaAs N 웨이퍼 상의 GaAs P/N 셀, InP 상의 InAlGaAs 및 GaAs 상의 InAlGaAs 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 셀은 각각 적어도 하나의 접합을 포함할 수 있다. 삼각형 요소(200)는 스탬핑된 코바아 시트를 포함하는 것과 같은 커버 바디(201), 압입 튜브를 포함하는 것과 같은 핫 포트(202) 및 콜드 포트(204), 및 인접한 삼각형 요소들(200)을 연결하기 위한 스탬핑된 코바아 시트를 포함하는 것과 같은 부착 플랜지(203)를 포함할 수 있다.
화력원을 포함하는 실시예에서, PV 변환기(26a)의 열교환기는 도 11에 도시된 삼각형 요소(200)와 같은 복수의 열교환기 요소(200)를 포함하며, 각각은 고온 냉각제 유출구(202), 저온 냉각제 유입구(204) 및 광을 흡수하는 수단을 포함한다. 광은 PV 창(5b4)을 통해 하이드리노 플라즈마 또는 반응 셀 챔버 벽과 같은 흑체 방사체(5b4c)로부터 나올 수 있다. 열교환기 요소(200) 각각은 전기로 변환되지 않은 전력을 열로 열교환기 요소를 통해 흐르는 냉각제로 전달할 수 있다. 냉각제 유입구와 유출구 중 적어도 하나는 공통 물 매니폴드에 부착될 수 있다. 열교환기 시스템은 냉각제 펌프, 냉각제 탱크, 및 라디에이터를 통한 공기 흐름으로 부하에 뜨거운 공기를 제공하는 라디에이터 및 공기 팬과 같은 부하 열교환기를 더 포함할 수 있다.
각각의 수신기 유닛의 냉각기 또는 열 교환기는 적어도 하나의 냉각제 유입구 및 하나의 냉각제 유출구를 포함하는 냉각제 하우징, 통로가 있는 플레이트와 같은 흐름 전환기 배플과 같은 적어도 하나의 냉각제 분배 구조, 및 PV 셀 장착 플레이트에 장착된 복수의 냉각제 핀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 핀은 은, 구리 또는 알루미늄과 같은 열 전도성이 높은 재료로 구성될 수 있다. 핀의 높이, 간격 및 분포는 PV 셀 영역에 걸쳐 균일한 온도를 달성하도록 선택될 수 있다. 냉각기는 열 에폭시에 의해 장착 플레이트와 PV 셀 중 적어도 하나에 장착될 수 있다. PV 셀은 전면(초사된 측면)에서 클로버 유리 또는 창으로 보호될 수 있다. 실시예에서, 수신기 유닛을 포함하는 인클로저는 압력 용기를 포함할 수 있다. 압력 용기의 압력은 반응 셀 챔버(5b31) 내부의 용융 금속 증기압의 내부 압력과 적어도 부분적으로 균형을 이루도록 조정될 수 있다.
실시예에서, SunCell의 전력은 플라즈마 흑체 방사선 및 온도를 기록할 수 있는 광 파워 미터 또는 분광계에 의해 광학적으로 감지될 수 있다. PV 창(5b4)을 통해 전달되는 것과 같은 기록된 전력은 제어기에 의해 원하는 전력 출력을 유지하기 위해 본 개시의 것과 같은 하이드리노 반응 조건을 제어하는 데 사용될 수 있다.
실시예(도 12-13)에서, PV 변환기의 반경은 흑체 방사체(5b4c) 또는 PV 창(5b4)의 반경에 비해 증가되어 광속의 역 반경 제곱 의존성에 기초하여 광 강도를 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 광 강도는 입사광을 부분적으로 PV 셀(15)에 반사시키고 추가로 광의 일부를 PV 셀(15)에 투과시키고 일련의 다음 멤버에 추가로 광의 일부를 전달하는 흑체 방사체 광선 경로(도 10)를 따라 일련의 반투명 거울(23)을 포함하는 광 분배 시스템에 의해 감소될 수 있다. 광 분배 시스템은 방사상 경로, 지그재그 경로, 또는 일련의 PV 전지 및 거울을 적층하기에 편리한 다른 경로를 따라 광 강도를 감소시키는 미러를 포함하여 원하는 광 강도 분포 및 변환을 달성한다. 실시예에서, 흑체 방사체(5b4c) 또는 PV 창(5b4)은 일련의 거울, 렌즈 또는 필터를 대응하는 PV 셀과 조합하여 포함하는 광 분포 및 PV 변환 시스템에 정합되는 기하학적 구조를 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 흑체 방사체 또는 PV 창은 정사각형일 수 있고 직선 광 분포 및 PV 변환 시스템 기하학적 구조와 일치할 수 있다.
냉각 시스템의 매개변수는 발전기의 비용, 성능 및 출력을 최적화하도록 선택될 수 있다. 예시적인 파라미터는 냉각제의 정체, 냉각제의 상 변화, 냉각수 압력, PV 온도, 냉각제 온도 및 온도 범위, 냉각제 유량, 흑체 방사기의 반경에 대한 PV 변환기 및 냉각제 시스템의 반경, 및 PV에의해 전기로 변환될 수 없는 PV 입사광의 양을 감소시키거나 PV 셀을 통과할 때 변환에 실패한 광을 재활용시키기 위해 PV의 전방 또는 후방 상의 광 재활용 및 파장 대역 선택 필터 또는 반사기이다. 예시적인 냉각제 시스템은 i.) PV 셀에서 증기를 형성하고, 증기를 수송하고, 증기를 응축하여 주변과의 교환 인터페이스에서 열을 방출하는 것, ii.) PV 셀에서 스트림을 형성하고, 이를 응축시키고 액체로 되돌리고, 라디에이터와 같은 주변이 있는 열 교환기에서 단일 위상의 열을 거부하는 것, 및 iii.) 마이크로채널 플레이트를 갖는 PV 셀에서 열을 제거하고 주변의 열 교환기에서 열을 거부하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 시스템이다. 냉각제는 PV 셀을 냉각하는 동안 단일 위상으로 남아 있을 수 있다.
PV 셀은 냉각 플레이트에 장착할 수 있다. 열은 냉각 매니폴드에 대한 냉각제 도관 또는 냉각제 파이프에 의해 냉각 플레이트에서 제거될 수 있다. 매니폴드는 PV 변환기의 수직축 또는 z-축을 따라 이격될 수 있는 PV 변환기 주위에 원주를 이루는 복수의 환형 파이프를 포함할 수 있고, 그것으로부터 나오는 냉각제 도관 또는 냉각제 파이프를 포함할 수 있다. 실시예에서, 가열된 냉각제는 부하에 화력을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 냉각 시스템은 냉각제를 냉각하고 열 부하에 열을 제공하기 위한 적어도 하나의 추가 열 교환기를 포함할 수 있다. 냉각된 냉각제는 펌프에 의해 냉각 플레이트로 재순환될 수 있다.
반응 셀 챔버, 저장소 및 EM 펌프 중 적어도 하나는 물과 같은 냉각제에 의해 냉각될 수 있다. 냉각제는 본 개시에 따라 열교환기를 통해 수동적으로 순환되거나 펌프에 의해 능동적으로 순환되어 열을 제거할 수 있다. 수동 순환은 증기 형성 및 응축 열 전달 주기를 포함할 수 있다. PV 셀 및 PV 창 중 적어도 하나는 순환하는 냉각수에 의해 냉각될 수 있다. 실시예에서, PV 변환기(26a)는 PV 셀의 조밀한 수신기 어레이, PV 창, PV 변환기를 수용하는 하우징, 적어도 하나의 펌프, 적어도 하나의 펌프에 의해 하우징을 통해 순환되는 냉각제, 열교환기, 적어도 하나의 온도 센서, 적어도 하나의 유량 센서, 및 PC 셀과 PV 창 중 적어도 하나에서 열을 제거하기 위한 열 교환기를 포함한다. 냉각제는 광이 재활용될 수 있는 PV 창으로 또는 PV 창으로부터 방출된 광의 스펙트럼 영역에서 낮은 광 흡수 계수를 가질 수 있다. 냉각제는 물을 포함할 수 있다. 냉각제는 PV 창 및 PV 셀 중 적어도 하나의 작동 온도에 대해 선택되고 방출 또는 재순환된 광에 대해 낮은 흡수 계수를 갖는 용융염을 포함할 수 있다. PV 창과 PV 전지 사이의 광로 길이는 방출되거나 재활용된 광의 흡수를 줄이기 위해 최소화될 수 있다. 안정한 윈도우 온도를 유지하기 위해 PV 창을 냉각시키기 위해 펌프에 의해 냉각제 유량이 유지될 수 있다. 대안적인 실시예에서, PV 창은 PV 셀에 대한 흑체 방사선이 작동 온도를 유지하기에 충분한 냉각을 제공하는 온도에서 작동된다. 실시예에서, PV 창 캐비티는 PV 창에 의한 광 흡수가 플라즈마 가열과 비교하여 PV 창의 가열에 상당한 기여를 하도록 충분히 크며, 여기서 플라즈마로부터 창 벽의 거리가 플라즈마 가열을 감소시킨다.
실시예에서, PV 밴드 갭 아래의 광은 PV 셀로부터 반사되고, 흑체 방사체(5b4c)에 의해 흡수되어 약 1000 K 내지 4000 K 범위와 같은 흑체 방사체의 작동 온도에서 흑체 방사선으로서 재방출됨으로써 재순환될 수 있다. 흑체 방사체는 외부 SunCell 벽 또는 PV 창과 하이드리노 반응 플라즈마를 포함할 수 있다. 실시예에서, 밴드 갭 아래에 있는 반사된 방사선은 반응 셀 챔버(5b31) 가스 및 플라즈마에 의해 흡수되도록 PV 창에 대해 투명할 수 있다. 흡수된 반사 전력은 흑체 방사체를 가열하여 그 온도를 유지하는 데 도움을 주어 밴드 갭 아래에서 반사된 광의 재활용을 달성할 수 있다. 외부 SunCell 벽과 같은 흑체 방사체를 포함하는 실시예에서 높은 방사율이 표면에 적용될 수 있다. 코팅은 탄소, 탄화물, 붕소화물, 산화물, 질화물, 또는 본 개시의 다른 내화성 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 코팅은 흑연, ZrB2, 지르코늄 탄화물, 및 ZrC-ZrB2 및 ZrC-ZrB2-SiC와 같은 ZrC 합성물이다. 코팅은 분말층을 포함할 수 있다.
SunCell에서 전달된 방사 전력 밀도를 열광전지(TPV) 셀의 허용 가능한 작동 전력 밀도와 일치시키기 위해, SunCell에서 생성된 전력은 반응 셀 챔버 및 저장소 중 적어도 하나의 기하학적 면적을 증가시킴으로써 반응 셀 챔버 중 적어도 하나의 더 넓은 표면적에 걸쳐 분산될 수 있다. 실시예에서, 반응 셀 챔버 및 저장소 벽 중 적어도 하나에 의해 방사되는 원하는 전력 밀도는 대응하는 벽 표면적을 증가시키기 위해 SunCell의 적어도 하나의 치수를 증가시킴으로써 SunCell에 의해 생성된 전력과 일치된다. TPV 셀은 벽에서 방출되어 TPV 셀에 입사되는 광의 해당 농도에서 높은 효율을 갖도록 선택된다. 농도가 TPV 셀의 용량 또는 TPV 셀의 냉각 시스템 중 적어도 하나를 초과하는 PV 창을 포함하는 실시예에서, 광 집중은 도 8E에 도시된 바와 같이 PV 창(5b4)로부터 더 먼 거리에 있는 PV 변환기(26a)의 TPV 셀의 배치에 의해 적절한 수준으로 감소될 수 있다. 예시적인 실시예에서, PV 변환기(26a)는 PV 창(5b4)을 둘러싸는 6면 입방체 또는 직사각형 캐비티를 포함할 수 있다. PV 컨버터의 하부 패널은 PV 창 플랜지(26d)에 부착될 수 있다. 연결부는 PV 패널과 플랜지 연결부 사이의 열 절연체를 포함할 수 있다. 실시예에서, 역 Y 형상 SunCell의 직선 기하학 섹션을 포함하는 PV 창은 더 넓은 영역에 걸쳐 광을 퍼뜨리기 위해 크기가 증가될 수 있다. 예시적인 PV 기하학적 구조는 역 V 형상 섹션의 플랜지가 있는 조인트의 단면보다 더 큰 단면을 갖는 몸체를 가진 원통형 또는 직사각형 저그이다. 다른 실시예에서, PV 창에 대한 열 부하는 PV 창을 더 크게 함으로써 그 표면적을 증가시킴으로써 감소될 수 있으며, 더 큰 면적은 원하는 창 작동 온도를 유지하기 위해 열 손실을 증가시킨다.
실시예에서, TPV 변환기는 진공, 대기압 및 대기압 이상 중 적어도 하나가 가능한 챔버에 수용된다. TPV 변환기는 진공 또는 아르곤 분위기와 같은 희가스 분위기와 같은 불활성 분위기 하에서 유지될 수 있다. 챔버는 점화, EM 펌프 및 플라즈마 방전 셀(900) 전류 뿐만 아니라 온도, 가스 흐름, 가스 압력, 광학 전력 및 광학 스펙트럼 센서와 같은 센서를 위한 다른 전기 연결을 위한 전기 피드스루를 포함할 수 있다.
실시예에서, 적어도 하나의 점화 전력, EM 펌프 전력, 진공 펌프 전력, 제어기 전력, 냉각기 또는 냉각기 전력 및 송풍기 전력 중 적어도 하나와 같은, 본 개시의 SunCell, 보일러 및 공기 열 교환기 중 적어도 하나를 작동시키는 전력의 적어도 일부는 SunCell 열광전지 변환기에서 공급할 수 있다. SunCell을 작동시키는 전력이 적어도 부분적으로 SunCell 방출의 TPV 변환에 의해 제공되는 SunCell-TPV-공기 열 교환기 시스템의 예시적인 실시예에서(도 9F 및 9I), 반응 챔버 벽 중 적어도 하나로부터의 흑체 방출, 저장소 벽 및 PV 창은 PV 변환기에 입사될 수 있으며 SunCell에 의해 생성된 나머지 화력은 도 9G-H 또는 도 7G에 도시된 것과 같은 공기 열 교환기에 의해 공기로 전달될 수 있다. 보일러 점화 전원 공급 장치 실시예에서, 점화 전원의 역할을 하는 적어도 일부 전기를 제공하기 위한 PV 창 및 PV 변환기는 방수 및 밀폐 중 적어도 하나인 하우징과 같은 하우징에 포함될 수 있다.
실시예에서, 광학 화력 소스는 도 2-5, 8A-8L, 13 및 9J에 도시된 바와 같은 PV 창(5b4)을 포함하는 SunCell(812)을 포함하며, 여기서 가열될 부하는 SunCell으로부터의 플라즈마, 흑체, UV, 가시광선 및 적외선 방출 중 적어도 하나로 직접 또는 간접적으로 조사된다. 방사선은 하나 이상의 거울 및 렌즈 중 적어도 하나에 의해 원하는 위치로 반사될 수 있다. 광은 해당 반사기를 사용하여 지그재그 광선 경로를 통해 도입될 수 있다. 도 9J에 도시된 실시예에서, 방사선은 공기 순환기(929) 및 컨베이어(932)를 추가로 포함하는 것과 같은 오븐 시스템(928)의 열적으로 절연된 것(930)과 같은 열 캐비티와 같은 하우징에 한정될 수 있다. 열 캐비티는 광학 열 오븐을 포함할 수 있다. 오븐 벽 중 적어도 하나는 흑체 캐비티 또는 라디에이터를 포함할 수 있다. SunCell(812)는 가열 램프를 포함할 수 있다. 캐비티 벽의 단열재는 알루미나, 실리카, 마그네시아, 하프니아, 지르코니아, BN 또는 흑연과 같은 본 개시 의 것과 같은 세라믹과 같은 고온 가능 단열재를 포함할 수 있다. 광학 열 오븐은 오븐의 내부 온도를 제어하기 위해 열 센서와 같은 센서 및 SunCell 광학 전력 출력 제어와 같은 제어를 더 포함할 수 있다. 오븐은 SunCell 시동 오븐(931)을 포함할 수 있다. 시동 오븐(931)은 주석과 같은 용융 금속을 녹일 수 있다. 시동 오븐은 시동 중에 SunCell을 가열하는 것에서 시동 후 SunCell의 전원에 의해 가열되는 오븐으로 전환될 수 있다. 광학 열 오븐은 SunCell(931)을 수용하는 것과 PV 창(5b4)으로부터 가열될 광을 수용하는 또 다른 작업 오븐 챔버(930)와 같은 하나 이상의 캐비티를 포함할 수 있다. SunCell(931)을 수용하는 오븐 캐비티는 시동 오븐을 포함할 수 있다. 복수의 챔버를 포함하는 실시예에서, 하나의 챔버(931)는 SunCell을 수용할 수 있고 다른 하나는 작업 챔버에 배치된 원하는 재료 또는 물체를 가열하는 작업 챔버(930)를 포함할 수 있다. 실시예에서, PV 창은 플라즈마 방사선의 적어도 일부를 전기로 변환하기 위해 PV 변환기(26a)의 PV 셀에 의해 적어도 부분적으로 덮일 수 있다. 전기는 점화 전력, EM 펌프 전력, 제어기 전력, 글로우 방전 전력 및 진공 펌프 전력과 같은 기생 부하에 전력을 공급하기 위해 전력 조절기, 공급 장치 및 제어기(2)에 의해 적어도 부분적으로 조정될 수 있다. 보일러 및 증기-공기 열 교환기의 전력과 함께 산업용 오븐 및 용광로에 열을 공급하는 광 전력은 공간 및 프로세스 가열, 증기 처리, 요리, 굽기, 굽기, 건조, 경화, 제련, 정제, 합성 연료 생산, 암모니아 생산, 담수화, 정화 및 시멘트 생산과 같은 많은 시장에 서비스를 제공할 수 있다.
실시예에서, 도 9K에 도시된 SunCell 보일러는 SunCell(812)에 의해 보일러 챔버(116)를 외부적으로 가열하기 위해 도 9J에 도시된 것과 같은 오븐 또는 용광로를 포함한다. 외부 보충수 탱크(36)는 보충수를 공급하고 보일러 챔버(116) 내의 물 난류를 약화시킬 수 있다. SunCell 보일러는 도 8A-8L 및 도 9J에 도시된 플라즈마 창(5b4 및 5ab4)을 갖는 SunCell(812), 벽 또는 베이스와 같은 보일러 챔버(116) 외부의 흑체 흡수기(942), 및 가열된 물과 증기 중 적어도 하나를 생성하기 위해 흑체 흡수기(942)로부터 보일러 챔버(116) 내부의 물로 열을 전달하는 열 교환기(943)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 흑체 흡수체(942)는 양극 처리된 구리 또는 알루미늄과 같은 높은 열 전달 계수를 갖는 것과 같은 양극 처리된 금속을 포함할 수 있다. PV 창(5b4 및 5ab4)과 같은 SunCell의 적어도 일부는 챔버(931A)에 수용될 수 있다. 챔버(931A)는 하나의 상부 챔버(931A) 및 다른 하부 챔버(931B)와 같은 복수의 챔버를 포함할 수 있으며, 여기서 상부 챔버는 하부 챔버보다 더 뜨겁게 유지된다. 하부 챔버는 하이드리노 플라즈마가 개시된 후에 EM 펌프(5kk)를 냉각시키기 위한 팬(946)과 같은 수단을 더 포함할 수 있고, 여기서 양쪽 챔버는 하이드리노 반응을 시작하기 위해 용융 금속을 녹이는 히터 오븐의 역할을 할 수 있다. 열 교환기(943)는 구리 또는 알루미늄 막대와 같은 열 전달 로드 또는 보일러 캐비티(116) 벽을 관통하는 열 파이프를 포함할 수 있고 로드 또는 열 파이프에 연결된 튜브 또는 핀과 같은 열 전달 표면을 추가로 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, SunCell 창(5b4)은 보일러 탱크(116)의 외부 베이스에서 흡수기 플레이트(942)를 가열하기 위해 광학 전력을 전달하며, 여기서 플레이트(942)는 탱크 베이스의 반대측에 있는 탱크 물에서 열 전달 핀(943)을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 5b4와 같은 PV 창 및 단열될 수 있는 반응 셀 챔버(5b31)의 일부와 같은 SunCell의 일부 중 적어도 하나는 보일러 챔버의 관통을 통해 보일러 챔버(116)의 내부에 있어 직접 플라즈마 복사와 열 대류 및 전도에 의해 보일러 물이 가열될 수 있도록 한다.
SunCell은 기생 부하에 전력을 공급하는 PV 변환기(26a)를 포함할 수 있다. 도 9J 및 9K에 도시된 것과 같은 PV 변환기(26a)는 방출된 광 전력 및 전력의 캐비티 생성을 허용하도록 PV 창(5ab4 및 5b4)에 대해 원주형일 수 있다. SunCell은 반응 챔버 벽에 대한 높은 하이드리노 반응율 및 높은 하이드리노 반응 생성물 투과성 중 적어도 하나를 유지하기 위해 약 110°C내지 3000°C범위와 같은 고온에서 반응 셀 챔버 및 반응 셀 챔버(5b31)의 벽 중 적어도 하나와 함께 작동될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 13에 도시된 것과 같은 SunCell(812)은 하이드리노 반응에 의해 생성된 전력의 대부분을 전기로 출력하는 PV 변환기(26a)를 포함할 수 있다. 도 9K에 도시된 것과 같은 보일러는 보일러 흑체 흡수체를 물 열 교환기(943)로 대체하고 SunCell에 의해 출력되는 전기에 의해 동력을 공급받는 전기 가열 요소를 포함할 수 있다.
실시예에서, 광학 열 오븐의 PV 창과 같은 SunCell의 PV 창은 내부 창 또는 판유리(5ab4) 및 외부 창 또는 판유리(5b4)를 포함하는 도 8I 및 8L 및 13에 도시된 것과 같은 공간적으로 분리된 판유리와 같은 복수의 창을 포함할 수 있다. 분리된 판유리는 캐비티를 형성할 수 있다. PV 창은 진공 펌프를 포함할 수 있다. 캐비티는 캐비티 내의 적어도 부분적인 진공을 유지하기 위해 진공 펌프에 의해 차등적으로 펌핑될 수 있다. 차동 펌핑은 공기 누출을 완화할 수 있다. 외부 판유리는 적어도 부분적으로 진공이 가능할 수 있다. 내부 판유리는 캐비티로부터 용융 금속 및 플라즈마를 적어도 부분적으로 밀봉할 수 있다. 다른 실시예에서, SunCell은 아르곤과 같은 불활성 가스의 탱크, 적어도 하나의 밸브, 유량 제어기, 압력 센서, 대기압보다 높은 압력과 같은 캐비티 내의 가스의 원하는 압력을 유지하기 위한 제어기를 포함할 수 있다. 실시예에서, 오븐은 진공 가능하거나 밀폐된 용기 또는 캐비티를 포함할 수 있고, 진공 가능하거나 밀폐된 오븐은 챔버(916)에 연결되거나 이를 포함할 수 있다(도 8G, 8I 및 8L). 챔버(916)는 차동 진공 펌프에 의해 진공 상태로 유지되거나 불활성 가스 분위기와 같은 원하는 분위기의 원하는 압력으로 유지될 수 있다.
실시예에서, 반응 셀 챔버에서 생성된 광 전력은 PV 창을 통해 본 개시의 광전지 변환기로 전달되어 전기로 변환될 수 있다. 전기는 저항 가열, 에어 컨디셔닝, 전기 오븐, 고온 전기로, 전기 아크로, 전기 증기 보일러, 열 펌프, 조명, 동력 전달 장치, 전기 모터, 가전 제품, 전동 공구, 컴퓨터, 오디오-비디오 시스템 및 데이터 센터 그룹의 예시적인 적용 또는 부하와 같은 당업계에 공지된 전기의 임의의 적용에 사용될 수 있다. SunCell은 원하는 부하 요구 사항을 충족하기 위해 원하는 크기로 만들거나 SunCell을 원하는 크기로 묶을 수 있다. PV 변환기는 원하는 전류 및 전압 범위를 출력하도록 설계될 수 있다. SunCell은 적어도 하나의 인버터, 변압기 및 DC-DC 변환기, DC-DC 전압 변환기 및 조정기와 같은 애플리케이션을 위한 대응하는 전력 조절 시스템을 포함할 수 있다.
실시예에서, SunCell의 출력 전력은 본 개시의 것과 같은 하이드리노 반응 속도를 결정하는 파라미터를 제어함으로써 원하는 수준으로 제어될 수 있다. 출력 전력은 (i) 포토다이오드와 같은 광 센서에 의해 감지되는 SunCell 광 전력, (ii) PV 변환기(26a)의 전력 출력 및 (iii) 광학 고온계 또는 열전쌍과 같은 열센서에 의해 감지된 화력 중 적어도 하나에 의해 감지될 수 있다. 출력 전력은 약 1 Hz 내지 30,000 Hz 범위일 수 있는 하이드리노 반응에 의해 생성된 소리의 강도 및 주파수에 의해 감지될 수 있는 하이드리노 반응 속도에 의해 결정된다. 본 개시의 것과 같은 하이드리노 반응 속도를 결정하는 제어 파라미터(예를 들어, H2, O2, H2O 유량, EM 펌핑 속도, 점화 전류, 및 작동 온도)는 플라즈마 사운드 및 주파수 중 적어도 하나에 기초하여 변경되어 원하는 하이드리노 반응 속도를 달성한다.
실시예에서, 중력의 부족은 관성력 또는 차압에 의해 보상될 수 있다. 구체적으로, 항공우주 실시예에서, EM 펌프는 용융 금속 주입을 유지하면서 원하는 용융 금속 높이 수준에서 대응하는 저장소의 용융 금속을 유지하기에 충분히 빠르고 강력하게 펌핑한다. 실시예에서, EM 펌프는 관성력을 사용하여 SunCell의 움직임으로 인해 발생할 수 있는 중력 및 원심력을 극복한다. EM 펌프는 반응 셀 챔버에서 용융 금속을 펌핑할 수 있다. EM 펌프는 EM 펌프(5k61)의 주입 부분을 통한 주입 흐름을 유지하기 위해 용융 금속을 저장소 및 EM 펌프 유입구로 이송할 수 있다. 다른 실시예에서, SunCell은 용융 금속 흐름을 되돌리기 위한 중력을 대체하기 위해 각 EM 펌프 저장소의 베이스 방향으로 원심력을 생성하도록 회전되는 갠트리 기중기에 장착될 수 있다. 도 8C-D에 도시된 또 다른 실시예에서, 광 재순환을 이용한 열광전지(TPV) 변환을 위한 SunCell은 역 Y 형상을 포함하며, 여기서 역 Y 형상의 역 "V" 부분은 반응 셀 챔버(5b31)에 연결되는 2개의 주입 저장소(5c) 및 흑체 방사체 또는 PV 창(5b4)를 포함하는 역 Y 형상의 직선 부분을 포함한다. 고온 플라즈마 및 반응 셀 챔버 가스의 용융 금속 체적 변위 중 적어도 하나는 반응 셀 챔버(5b31) 및 용융 금속에 힘을 가하여 용융 금속을 다시 흐르게 하고 용융 금속이 표면 장력으로 인해 고이는 저장소에서 유지되도록 하는 캐비티를 포함하는 PV 창으로부터 가스 압력 구배를 생성할 수 있다.
중성미자(Neutrino) 통신 시스템
하이드리노 분자는 단일 분자 오비탈(MO)에 2개의 수소 동위원소 핵과 2개의 전자를 포함한다. 독특하게 MO는 쌍을 이룬 전자와 짝을 이루지 않은 전자로 구성된다(Mills GUT, H2(1/4) 섹션의 스핀 자기 모멘트로 인한 매개변수 및 자기 에너지). 두 하이드리노 원자 사이의 결합이 형성되는 동안 스핀 각운동량을 보존하기 위해 결합 에너지는 스핀 ½의 전자 중성미자와 같은 중성미자로 방출되어야 한다.
(38)
구체적으로, 중성미자는 전기장과 자기장에서 각운동량을 갖는 광자를 포함한다(Mills GUT, Neutrinos 섹션). 식 (38)의 반응 동안, 반응물의 각운동량은 생성물에서 보존되는데, 여기서 두 개의 반응 하이드리노 원자 각각은 전자 스핀의 ½이고, 생성물 분자 하이드리노와 전자 중성미자 또한 각각 스핀의 ½이다. 중성미자 방출 반응(식 (38))은 통신을 위해 이용될 수 있다.
실시예에서, 중성미자 통신 시스템 및 방법은 하이드리노를 형성하기 위한 반응 시스템을 포함하는 중성미자 이미터를 포함하며, 여기서 하이드리노 반응 속도 및 분자 하이드리노의 형성 속도 중 적어도 하나는 수반되는 시간 변조 중성미자 방출과의 반응과 함께 일시적으로 변조된 하이드리노를 야기하기 위해 시간 및 강도에서 변할 수 있다. 실시예에서, 하이드리노 반응 속도는 점화 전류, EM 펌프 전류 및 반응물의 흐름을 제어함으로써 변조될 수 있다. 변조는 주파수 분할 다중화, 진폭 변조, 및 당업계에 공지된 다른 방법을 포함하여 복수의 개별 통신, 비디오 또는 데이터를 동시에 전달할 수 있다. 중성미자 통신 시스템은 하이드리노 반응 속도 및 분자 하이드리노 형성 속도 중 적어도 하나의 속도 조절기를 더 포함할 수 있다. 속도 조절기는 전기장 소스, 자기장, 광자 빔 및 입자 빔 중 적어도 하나와 같은 적어도 하나의 필드 소스 및 빔 소스를 포함할 수 있다. 입자 빔은 전자 빔을 포함할 수 있다. 광자 빔은 UV, 가시광선 또는 적외선 가스 또는 다이오드 레이저와 같은 레이저를 포함할 수 있다. 속도 조절기는 광자 또는 레이저 윈도우 또는 입자 빔 창과 같은 창을 포함할 수 있다. 레이저 윈도우는 PV 창을 포함할 수 있다. 예시적인 전자 빔 창은 실리콘 질화물 창을 포함한다. 속도 조절기는 통신 정보를 인코딩하는 중성미자의 방출에 일치하는 변화를 야기하기 위해 시간에 따라 펄스화되고 세기가 변조되는 것 중 적어도 하나일 수 있다.
실시예에서, 중성미자 통신 시스템은 통신 신호 또는 데이터 스트림을 생성하기 위한 오디오 또는 비디오 변환기와 같은 적어도 하나의 변환기, 컴퓨터와 같은 프로세서, 컴퓨터에 저장되거나 처리된 데이터와 같은 데이터 스트림, 통신 신호 또는 데이터 스트림, 데이터 스트림 및 프로세서로부터 출력되는 통신 신호를 저장하고 제공하는 적어도 하나의 메모리 요소, 및 프로세서로부터 출력되는 데이터 스트림 및 통신 신호를 수신하고 하이드리노 반응 속도를 제어하는 제어기 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예에서, 하이드리노 반응 혼합물은 (i) 수소 분자, 수소화물 또는 유기 화합물 중 적어도 하나와 같은 수소 소스, 및 (ii) 물, 수산화물, 과산화물, 수소, 산화물, 산소, 초과산화물, 및 수소 및 산소 중 적어도 하나를 포함하는 물질의 조성물과 같은 HOH 촉매 소스를 포함하는 고체 매트릭스를 포함할 수 있다. 알칼리성 또는 알칼리 토금속 할로겐화물, 다이아몬드, 석영 또는 다른 무기 결정질 화합물과 같은 결정질 매트릭스와 같은 매트릭스는 UV, 가시광선 또는 적외선 레이저와 같은 레이저에 대해 투명할 수 있다. 레이저 출력은 하이드리노 반응물을 포함하는 고체 매트릭스의 조명에 의해 하이드리노 반응을 일으키기에 충분할 수 있다.
실시예에서, 하이드리노를 형성하기 위한 반응 시스템은 (i) 수증기, 수소 가스 및 산소 가스 중 적어도 하나와 같은 하이드리노 반응 혼합물을 함유하는 반응 챔버, (ii) 가스 탱크, 밸브, 라인, 유량계, 압력계, 압력 조절기, 제어기 및 레이저와 같은 반응 혼합물의 적어도 하나의 소스를 포함하며, 여기서 하이드리노 반응 속도와 분자 하이드리노 형성 속도 중 적어도 하나는 동시 시간 변조 중성미자 방출과 함께 일시적으로 변조된 하이드리노 반응을 일으키는 레이저 펄스에 의해 시간과 강도에 따라 시간적으로 조절될 수 있다. 레이저는 반응 혼합물에서 일시적으로 변조된 플라즈마를 발생시켜 변조된 하이드리노 반응 속도 및 중성미자 방출 통신 신호를 야기할 수 있다.
본 개시는 또한 중성미자 통신 시스템 및 통신 방법을 포함한다. 이는 이미터 신호를 구성하기 위해 결합 형성 동안 중성미자를 방출한 하이드리노 분자의 결합 에너지와 등가인 결합 에너지를 갖는 분자 하이드리노의 소스를 포함하는 중성미자 수신기를 포함할 수 있다. 리시버 분자 하이드리노는 입사 중성미자를 흡수하여 결합이 끊어져 두 개의 하이드리노 원자를 형성할 수 있다. 분자 하이드리노의 하이드리노 원자로의 전환 및 하이드리노 분자에 의한 중성미자의 흡수로부터 생성된 하이드리노 원자 중 적어도 하나는 하이드리노 통신 센서에 의해 시간과 농도에서 모니터링될 수 있다. 센서는 rf SQUID와 같은 초전도 양자 추론 장치(SQUID)를 포함할 수 있다. 센서는 rf-SQUID와 같은 SQUID에 결합된 초전도 변압기와 같은 변압기를 포함할 수 있다. 매우 높은 감도의 예시적인 rf SQUID 센서는 다음을 포함한다: R. M. Weisskoff 외의 "rf SQUID detector for single-ion trapping experiments", Journal of Applied Physics. Vol. 63, p. 4599 (1988); https://doi.org/10.1063/1.340137. 센서 감도를 높이기 위해 센서를 자화할 수 있다. SQUID 센서는 하이드리노 분자에 대한 하이드리노 원자의 상대적으로 느린 역반응으로 인해 저주파 신호의 배경을 통해 방출기로부터의 고주파 통신 신호에 응답할 수 있다. SQUID 센서는 입력 신호를 출력 통신 신호로 처리하기 위해 당업계에 알려진 것과 같은 적어도 하나의 신호 처리 요소 및 방법을 포함할 수 있다. 처리 요소는 (i) 원하는 신호 또는 처리된 신호 주파수 대역을 선택하기 위한 고, 저 및 대역 통과 필터 중 하나와 같은 적어도 하나의 필터, (ii) 신호의 위상을 시?Zㅡ하기 위한 위상 시프터, (iii) 신호를 증폭하는 증폭기, (iv) 통신 신호에 관련된 노이즈 신호를 억제하고 SQUID를 안정화하는 피드백 회로, (v) 원하는 임피던스, 공진 주파수 및 품질 계수 Q 중 적어도 하나를 제공하기 위한 적어도 하나의 인덕터, 커패시터 및 저항기, (vi) SQUID 센서 신호의 주파수 및 위상 중 적어도 하나를 시프트하기 위한 믹서, 헤테로다인, 변조기, 복조기 또는 주파수 시프터, 및 (vii) 신호를 처리하고 통신 신호를 출력하는 컴퓨터와 같은 프로세서 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. SQUID 센서는 적어도 하나의 하이드리노 분자가 상응하는 하이드리노 원자로 변환됨으로써 발생하는 플럭스 변화에 반응할 수 있다. SQUID 조셉슨 접합은 적어도 하나의 하이드리노 분자를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 센서는 전자-핵 스핀 플립 전이에 관한 초미세 구조 라인에 반응하는 것과 같은 하이드리노 원자의 센서를 포함할 수 있다. 초미세 구조 센서는 하이드리노 원자 초미세 전이의 공명 흡수를 생성할 수 있는 전자기 방사선 소스, 공진 전자기 방사선 흡수의 검출기, 및 프로세서를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, H(1/4) 초미세 구조는 약 21.4 cm-1의 공진 주파수를 갖는다. 다른 실시예에서, 하이드리노 원자 센서는 인가된 자기장에서 하이드리노 원자 핵 또는 전자 스핀 플립 중 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있으며, 여기서 하이드리노 원자 센서 또는 모니터링 시스템은 하이드리노 원자에 자기장을 인가하는 영구자석 또는 전자석과 같은 자기장의 소스, 인가된 자기장에 하이드리노 원자 핵 또는 전자 스핀 플립 전이의 공명 흡수를 생성할 수 있는 전자기 방사선의 소스, 공진 전자기 방사선 흡수의 검출기, 및 프로세서를 포함한다. 다른 실시예에서, 센서는 하이드리노 수소화물 이온을 형성하기 위해 대응하는 하이드리노 원자에 대한 전자의 결합으로부터의 방출에 반응하는 센서와 같은 하이드리노 수소화물 이온의 센서를 포함할 수 있다. 센서는 적어도 하나의 포토다이오드 및 적어도 하나의 필터와 같은 적어도 하나의 특정 파장 또는 대역을 검출할 수 있는 광학 검출기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 센서는 하이드리노 수소화물 방출에 반응하는 분광계를 포함할 수 있다. 하이드리노 수소화물 이온(H-) 방출은 식(19) 에 따른 결합 에너지에 해당할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 식(19) 에서 내지 일때, 수소화물 이온 결합 에너지는 각각 3, 6.6, 11.2, 16.7, 22.8, 29.3, 36.1, 42.8, 49.4, 55.5, 61.0, 65.6, 69.2, 71.6, 72.4, 71.6, 68.8, 64.0, 56.8, 47.1, 34.7, 19.3, 및 0.69 eV이다. 방출은 결합 에너지의 컷오프를 갖는 연속 방사선을 포함할 수 있고 수소화물 이온 방출의 플럭슨 연결 구조를 추가로 포함할 수 있다.
센서 응답의 시간적 변화 및 강도는 전송된 중성미자 신호의 통신을 수신하기 위해 프로세서에 의해 처리될 수 있다. 신호 처리는 헤테로다인 시프팅(heterodyne shifting), 필터링, 및 신호 대 잡음비를 개선하고 임의의 배경 신호를 줄이기 위해 당업계에 공지된 다른 기술을 포함할 수 있다. 예시적인 분자 하이드리노 소스는 KCl:H2(1/4) 또는 GaOOH:H2(1/4)와 같은 결정질 화합물에 내장된 분자 하이드리노를 포함한다. 또 다른 소스는 박막 알루미늄 또는 지르코늄과 같은 금속 격자와 같은 전자 소스 역할을 하는 격자에 매립된 분자 하이드리노를 포함하며, 여기서 소스는 중성미자 검출 동안 격자에서 형성된 하이드리노 수소화물 방출에 대해 적어도 부분적으로 투명하다.
중성미자 방출은 가시선과 같이 방향성일 수 있다. 가시선은 물리적 구조 또는 지구를 통해 이루어질 수 있다. 이미터와 수신기의 정렬은 이미터와 수신기의 GPS 좌표와 같은 위치 정보에 의해 결정될 수 있다. 실시예에서, 통신 시스템은 방향성 중성미자 방출을 야기하는 레이저와 같은 조종 가능한 자기장 소스 및 조종 가능한 광자 소스 중 적어도 하나를 더 포함한다. 방향성은 하이드리노 원자의 핵 및 전자 스핀 중 적어도 하나의 자기 정렬 및 생성된 분자 하이드리노, 및 원자 및 분자 중 적어도 하나의 전자 및 핵 스핀 중 적어도 하나의 분극화에 의해 달성될 수 있다. 분극화는 레이저 조사에 의해 달성될 수 있다. 다른 실시예에서, 중성미자 방출을 변조하는 추가 방법은 중성미자 방출을 분자 하이드리노 여기에 결합함으로써 달성된다. 분자 하이드리노 여기(molecular hydrino excitation)는 하이드리노 분자 회전, 진동, 스핀 플립(spin flip), 스핀 오비탈 커플링, 플럭슨 연결(fluxon linkage), 중성미자 방출 동안의 자기 기울기 에너지 전이 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 여기서 변조는 에너지 이동 및 시간적 변화 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 중성미자 통신 시스템은 영구자석 또는 전자석과 같은 자기장의 소스, 무선 주파수 방사선 소스와 같은 전자기 방사선 소스 중 적어도 하나를 포함하는 공진 분자 하이드리노 여기를 유발하는 중성미자 방출 변조 시스템 및 레이저와 같은 광자 소스를 더 포함할 수 있다. 변조 시스템은 전자 상자성 공명(EPR) 분광계 및 라만 분광계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 실시예에서, 중성미자는 분극화될 수 있다. 분극화는 반응 셀 챔버에 자기장을 인가함으로써 달성될 수 있으며, 여기서 방출 신호 변조는 무선 주파수, 레이저 또는 전자 빔 조사 중 적어도 하나에 의해 인코딩될 수 있다.
본원에서 부록 또는 부부록에 대한 참조는 2021년 8월 23일에 출원된 미국 특허 번호 62/236,198의 부록을 지칭하며, 이 전체는 본원에 원용되고, 특히 본 개시의 시스템에 의해 생성되고 그에 따라 수집된 재료의 EPR 및 라만과 같은 분광 측정이 본원에 포함된다.
실시예
실시예 1
창의 다양한 변경은 시스템 작동 중에 이를 통한 플라즈마 광의 광학적 투과를 향상시키기 위해 수행되었다. 본 개시의 듀얼 용융 금속 스트림 주입 시스템은 시스템 작동성을 보장하기 위해 창에 대한 적절한 변경을 식별하는 데 사용되었다. 이 시스템은 10-12 kg의 용융 주석을 사용했는데, 이 용융 주석은 전기적으로 분리된 저장소에서 2개의 전자기 펌프와 해당 노즐을 통해 지속적으로 흘러 용융 스트림을 교차하고 폐쇄 전기 회로를 형성하였다.
첫 번째 실험 세트에서는 용융 실리카 창을 사용하였다. 플라즈마 생성 동안 용융 금속 및 용융 금속 산화물에 부여된 운동 에너지는 창 내부에 축적을 유도했다. 이러한 결함은 광학 전송을 방해하여 제한된 작동 후 에너지 수집을 제한했다. 시스템 작동으로 인해 두 번째 플라즈마 생성 중에 용융 실리카가 녹고 변형되었다.
PV 창은 주석 저장소와 유체 연통하는 전자기 펌프에서 제2 플라즈마를 생성하는 동안 그 표면에 주석을 주입함으로써 궁극적인 에너지 수집을 위한 PV 창을 통한 작동성 전송을 증가시키기 위해 변경되었다.
이 변경 사항을 PV 창 및 시스템 설정에 통합함으로써 PV 창을 통한 광학 전송이 증가하여 방출 스펙트럼을 측정할 수 있는 지속적으로 작동하는 창을 제공한다. 이러한 변경은 주석이 제2 플라즈마 형성 반응에서 용융 금속으로 사용되었을 때(예: 갈륨과 비교할 때) 매우 잘 작동하는 것으로 밝혀졌다.
실시예 2
본 개시의 듀얼 용융 금속 스트림 주입 시스템을 사용하여 제2 플라즈마로부터 방출된 스펙트럼을 측정하였다. 이 시스템은 10-12 kg의 용융 주석을 사용했는데, 이 용융 주석은 전기적으로 분리된 저장소에서 2개의 전자기 펌프와 해당 노즐을 통해 지속적으로 흘러 용융 스트림을 교차하고 폐쇄 전기 회로를 형성했다. 전자기 펌프 저장소는 정전류 모드로 설정된 전기 공급으로 교차 스트림을 통해 전류를 흐르게 하기 위해 반대로 바이어싱되었다. 예를 들어, 일부 실험에서는 입력 전류가 790 A로 유지되는 등 반복 테스트가 수행되었다.
수소 가스(H2)와 산소 가스(O2)는 글로우 방전 셀로 흐르고 유출물은 교차하는 바이어싱된 용융 주석 스트림으로 향한다. 수소는 2000 sccm의 흐름을 가졌고 산소는 글로우 방전 셀 내로 30 sccm의 흐름을 가져서 제2 플라즈마의 형성을 개시하였다.
Mightex UV-Vis_IR 분광기를 사용하여 100 ms 샘플링 시간과 25 μm 슬릿으로 180 nm에서 800 nm 범위에 걸쳐 제2 플라즈마의 방출 스펙트럼을 측정했다. 제2 플라즈마의 방출 스펙트럼은 실시예 1에서 논의된 PV 창 변경을 사용하여 측정되었다. 도 14는 작동 중에 시스템에서 생성된 제2 플라즈마에서 측정된 방출 스펙트럼을 제공한다. 알 수 있는 바와 같이, 방출 스펙트럼에는 일부 포화 기능이 포함되어 있다.
실행하는 동안 초기 물과 원자 수소의 농도가 반응 셀에서 감소하여 전력 출력을 대폭 완화하였다. 도 15는 플라즈마의 방출 피크가 명확하게 식별될 수 있는 이러한 제한된 반응물 조건에서 생성된 플라즈마의 방출 스펙트럼을 제공한다. 알 수 있는 바와 같이, 광 출력은 입력 반응물 농도의 변화에 의해 제어될 수 있다.
글로우 방전 셀로의 수소 및 미량 산소의 전달을 중단하고 총 압력의 일정한 5 Torr을 유지하는 속도로 흐르는 아르곤으로 대체했다. 입력 전류는 790 A로 유지되지만, 반응물이 제거되면, 전압이 초기 48 V(플라즈마 생성 중 전압)에서 61 V로 증가하여 플라즈마 광 강도가 감소한다. 36 kW 입력 전력에서 높은 하이드리노 전력 간격에 대한 전체 파장 범위에 대한 통합 광 강도는 전자의 경우 470 kW 광 전력 출력에 해당하는 40 kW 입력 전력에서 낮은 플라즈마 전력 간격의 11.7배였다. 도 14는 470 kW의 측정된 광 전력 출력을 야기하는 바이어스된 스트림에 걸쳐 제공된 36 kW 입력 전력을 취한 것이다. 도 15에서 취해진 방출은 감소된 H2 농도로 인해 11.7배 초과의 적은 광 출력을 나타내지만 입력 전력은 40 kW에서 더 컸다(정전류 방식에서). 출력이 낮은 플라즈마는 시스템 구동에 도움이 되는 플라즈마 전력 출력의 감소로 인해 더 높은 전압이 필요하였다.
실시예 3
본 개시의 듀얼 용융 금속 스트림 주입 시스템을 사용하여 제2 플라즈마로부터 방출된 스펙트럼을 측정하였다. 이 시스템은 10-12 kg의 용융 주석을 사용했는데, 이 용융 주석은 전기적으로 분리된 저장소에서 2개의 전자기 펌프와 해당 노즐을 통해 지속적으로 흘러 용융 스트림을 교차하고 폐쇄 전기 회로를 형성하였다. 전자기 저장소는 정전류 모드로 설정된 전기 공급으로 교차 스트림을 통해 전류를 흐르게 하기 위해 반대로 바이어스되었다.
이 시스템은 실시예 1에서 식별된 변경을 사용하는 제2 플라즈마에 인접한 6" 직경의 제1 PV 창을 포함하였다. 제2 창은 제1 PV 창을 둘러싸서 SunCell 반응 셀 챔버를 진공 상태로 유지하고 집광기 광전지 셀들의 앙상블을 갖는 조밀한 수신기 어레이로 광을 지향시키는 것을 돕는다.
시스템 내 내화성 라이너의 두께는 반응 셀의 시스템 영역에서 시스템의 내부 온도를 변경하기 위해 조정되었다. 예를 들어, 적절한 라이너가 있는 시스템 영역은 3000 K 내부 온도에 도달할 수 있었다. 이러한 내화 라이닝된 반응 셀 챔버는 흑체 캐비티로 작동했다. 플라즈마 생성은 제어된 온도에서 흑체 방사선을 유도하는 이 라이너에 에너지를 전달한다. 3000 K에서 조밀한 수신기 어레이는 흑체 광 출력과 일치하여 광 재순환을 활용하고 시스템 효율성을 높였다.
3000 K-5000 K의 내부 온도에서 작동하기에 충분한 내화성 라이너를 갖는 시스템이 작동되었다. 이 시스템은 전력 밀도가 4.6 내지 35 MW/m2인 방사선을 생성했다. 고밀도 수신기 어레이와 적외선 재순환을 활용하면 에너지 수집 효율을 50% 이상 높일 수 있다.
Claims (36)
- 발전 시스템으로서:
a) 반응 챔버를 포함하는 대기압 미만의 압력을 유지할 수 있는 적어도 하나의 용기;
b) 회로를 완성하기 위해 그 사이에 용융 금속 흐름을 허용하도록 구성된 2개의 전극;
c) 상기 회로가 닫힐 때 두 전극 사이에 점화 전류를 인가하기 위해 상기 두 개의 전극에 연결된 전원;
d) 전달된 가스로부터 제1 플라즈마 형성을 유도하는 플라즈마 발생 셀(예, 글로우 방전 셀); 여기서 플라즈마 생성 셀의 유출물은 회로(예, 용융 금속, 애노드, 캐소드, 용융 금속 저장소에 잠긴 전극)를 향하고;
여기서 전류가 회로에 인가될 때, 플라즈마 생성 셀의 유출물은 제2 플라즈마 및 반응 생성물을 생성하는 반응을 겪고; 및
e) 에너지를 제2 플라즈마로부터 기계적, 열적, 및/또는 전기적 에너지로 변환 및/또는 전달하도록 구성된 열광전지 변환기를 포함하는 전원 어댑터;를 포함하며,
여기서 제 2 플라즈마로부터의 에너지는 흑체 방사체에 흡수되어 흑체 방사선를 생성하고 상기 흑체 방사선은 열광전지 변환기에서 변환되는, 발전 시스템. - 제1항에 있어서,
플라즈마 발생 셀 내의 상기 가스는 수소(H2)와 산소(O2)의 혼합물을 포함하는, 발전 시스템. - 제2항에 있어서,
산소 대 수소의 상대 몰비는 0.01-50(예, 0.1-20, 0.1-15 등)인, 발전 시스템. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용융 금속은 주석인, 발전 시스템. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원 어댑터는 열광전지 어댑터인, 발전 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 열광전지 어댑터는 측지선 돔(예, 도 12 참조)에 있는 광전지 변환기를 포함하고, 상기 태양광 변환기는 삼각형 요소로 구성된 수신기 어레이(예, 조밀한 수신기 어레이)를 포함하며; 및
여기서 각각의 삼각형 요소는 흑체 방사선을 전기로 변환할 수 있는 복수의 집광기 광전지 셀을 포함하는, 발전 시스템. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
2개의 전극 중 양으로 바이어싱된 전극은 흑체 방사체이거나, 이를 포함하거나 또는 이에 연결되는, 전력 시스템. - 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
광전지 셀의 밴드갭보다 작은 에너지를 갖는 광자는 플라즈마 생성 셀을 향해 다시 반사되는, 전력 시스템. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 플라즈마를 포함하는 반응 셀과 열광전지 변환기 사이에 PV 창을 더 포함하는, 전력 시스템. - 제9항에 있어서,
주석은 PV 창을 적시지 않는, 전력 시스템. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스는 주석을 산화시키지 않는 반응 혼합물을 포함하는, 전력 시스템. - 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
PV 창은 편평한 표면을 포함하고(또는 주로 포함하고), 전원 어댑터는 광전지(PV) 변환기를 포함하고, PV 변환기는 PV 창과 일치하는 기하학적 구조를 갖는 PV 창을 통한 플라즈마 방출 수신을 위한 편평한 고밀도 수신기 어레이 패널을 포함하는, 전력 시스템. - 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 PV 창은 석영, 사파이어, 산질화알루미늄, CaF2 및 MgF2 중 적어도 하나를 포함하는, 전력 시스템. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 생성물 PV 창을 적시지 않는(예, 용융 금속이 주석을 포함하거나 주석인 경우), 발전 시스템. - 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2개의 전극 중 각각은 용융 금속 저장소 및 그 내부의 용융 금속에만 전류를 공급하여 점화 전류를 공급하는 전기 피드스루(feedthrough)를 포함하는, 발전 시스템. - 제15항에 있어서,
저장소에 연결된 반응 셀 챔버를 더 포함하고, 저장소 및 반응 셀 챔버 중 적어도 하나의 벽은 세라믹 코팅 및 라이너 중 적어도 하나에 의해 전기적으로 절연되는, 발전 시스템. - 제16항에 있어서,
저장소 및 반응 셀 챔버 중 적어도 하나는 라이너에 의해 단열되는, 발전 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 라이너는 탄소 및 텅스텐 중 적어도 하나를 포함하는, 발전 시스템. - 제18항에 있어서,
상기 라이너는 세라믹 코팅으로 코팅되는, 발전 시스템. - 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
2개의 전극 사이를 흐르는 용융 금속은 용융 금속을 포함하는 하나 이상의 용융 금속 저장소와 독립적으로 유체 연통하는 듀얼 용융 금속 주입 시스템으로부터 형성되고;
여기서 각각의 용융 금속 주입 시스템은 전자기 펌프 및 노즐을 포함하고, 각각의 전자기 펌프는 용융 금속의 스트림을 형성하기 위해 노즐을 통해 용융 금속을 흐르게 하고;
상기 전극은 용융 금속 스트림과 연통하여 반대 극성의 듀얼 용융 금속 스트림을 형성하고; 및
상기 완전한 회로는 듀얼 용융 금속 스트림의 교차에 의해 형성되는, 발전 시스템. - 제20항에 있어서,
적어도 하나의 저장소는 전극을 서로 전기적으로 절연시키기 위한 전기 절연체를 포함하는, 발전 시스템. - 제20항 또는 제21항에 있어서,
용융 금속 스트림의 정렬을 야기하기 위해 저장소의 주입기 전극을 기울이기 위한 가요성 요소 및 적어도 하나의 액추에이터를 더 포함하는, 발전 시스템. - 제22항에 있어서,
저장소는 복수의 지지체에 의해 지지되는 베이스플레이트를 포함하고, 저장소의 주입기 전극을 기울이기 위한 적어도 하나의 액추에이터는 적어도 하나의 지지체를 늘리거나 줄이는, 발전 시스템. - 제22항에 있어서,
가요성 요소는 한쪽 단부에 고정 프레임 및 반대쪽 단부에 가동 프레임을 포함하고, 가동 프레임 및 프레임에 부착된 적어도 하나의 액추에이터를 추가로 포함하고, 액추에이터는 일 측면 상에서 수축하고 가요성 요소의 반대쪽 측면에서 팽창하여 주입기가 기울어지게 하는, 발전 시스템. - 제22항에 있어서,
상기 가요성 요소는 벨로우즈(bellows)를 포함하는, 발전 시스템. - 제20항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
듀얼 용융 스트림은 창을 포함하는 챔버에서 교차하고, 제2 플라즈마 또는 흑체 방사선으로부터 생성된 광은 창을 빠져나와 부하를 가열하는, 발전 시스템. - 제26항에 있어서,
부하는 제2 플라즈마로부터 생성된 광 또는 흑체 방사선에 의해 가열된 오븐 챔버(또는 그 내부의 공기/물/증기)인, 발전 시스템. - 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 플라즈마 반응은 PV 창을 포함하는 반응 챔버에서 발생하고; 및
여기서 상기 용융 금속 또는 산화된 용융 금속은 PV로부터 제거되고:
a) PV 창은 석영, 사파이어, 산질화알루미늄, CaF2 및 MgF2 중 적어도 하나를 포함하고;
b) PV 창은 용융 금속의 산화물(예: 주석 산화물)의 융점 이상으로 가열되고;
c) 용융 금속 산화물의 수소 환원은 상기 수소 환원을 달성하기에 충분한 압력에서 반응 챔버 내로 수소 가스를 흘림으로써 발생하며; 및/또는
d) PV 창은 제2 플라즈마의 생성 동안(예, 전자기 펌프로부터) 그 표면에 용융 금속이 주입되는, 발전 시스템. - 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 PV 창 및 적어도 하나의 열 흡수기를 포함하고, 제2 플라즈마 반응으로부터의 광 전력이 복사 전력 전달에 의해 PV 창을 통해 열 흡수기로 전달되고, 상기 열 흡수기는 상기 복사 동력 전달로부터 화력을 전달하는, 발전 시스템. - 제29항에 있어서,
열 흡수기로부터의 화력에 의해 가열되는 물 보일러를 더 포함하는, 발전 시스템. - 제29항에 있어서,
상기 열 흡수기로부터의 화력에 의해 가열되는 공기 열교환기를 더 포함하는, 발전 시스템. - PV 창으로부터 용융 금속 산화물(예, 주석 산화물)을 제거하기 위한 시스템으로서;
탈축적 물질의 공급원; 여기서 상기 탈축적 물질은 상기 PV 창을 향하고;
상기 탈축적 물질은 수소 가스 또는 용융 금속 산화물의 용융 금속인, 시스템. - 플라즈마 생성 자외선을 형성하는 방법으로서:
a) 전달되는 가스로부터 글로우 방전 셀에 제1 플라즈마를 형성하는 단계;
b) 전기적으로 바이어싱된 용융 금속 스트림을 생성하는 단계;
c) 유출물을 글로우 방전 셀로부터 전기적으로 바이어싱된 용융 금속을 향해 지향시켜 자외선을 생성하는 제2 플라즈마를 형성하는 단계를 포함하는, 방법. - 제32항에 있어서,
플라즈마 생성 셀 내의 상기 가스는 수소(H2)와 산소(O2)의 혼합물을 포함하는, 방법. - PV 창으로부터 용융 금속 산화물(예, 주석 산화물)을 제거하는 방법으로서,
상기 PV 창을 향해 탈축척 물질을 지향시키는 단계를 포함하고;
여기서 상기 탈축적 물질은 수소 가스 또는 용융 금속 산화물의 용융 금속인, 방법. - 제34항에 있어서,
상기 탈축적 물질은 용융 금속(예, 주석)이고, 여기서 창은 플라즈마에 노출되고 용융 금속은 과열과 관련된 창의 구조적 변형(예: 뒤틀림, 균열, 투명도 감소)을 방지하거나 감소시키는 속도로 창으로 향하고 또는 과열과 관련된 구조적 변형(예: 뒤틀림, 균열)이 발생하는, 방법.
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