ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 2006 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к плазменным источникам ионов, предназначенных для выработки электроэнергии и выполняющих функцию магнитогидродинамического генератора тока (МГД).

Известные МГД являются преобразователями химической энергии топлива в электрическую путем температурной ионизации газового потока и разделения его на электронную и ионную компоненты за счет продувания в поперечном магнитном поле. Дальнейшее соединение потоков электронов и ионов через проводники полезной нагрузки (лампочки, электродвигатели и т.д.) дает необходимое количество электрической мощности для потребителей. Принцип подобного получения электричества теоретически очень перспективный, однако, в дальнейшую практику не пошел из-за низкой стойкости к температурам конструкционных материалов современности [Мирдель Г. Электрофизика, М.: Мир, 1972, с.242].

На принципе разделения газообразных веществ на ионы и электроны создаются и успешно используются также и ионные источники как с положительными, так и с отрицательными ионами [Физика и технология источников ионов, ред. Я.Браун, М., Мир, с.382]. На базе ионных источников выполнены электрореактивные двигатели для космических аппаратов, применяемые для коррекции ориентации спутников земли в пространстве. За счет подобных перспективных разработок ионные источники на двигателях доведены до высокой работоспособности, коэффициент полезного действия (КПД) достигает до 70-80% [Фаворский О.Н. и др. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М.: Высшая школа, 1978, с.170], что вполне сравнимо с результативностью топливных элементов.

В принципе, электрореактивный двигатель - это ионный источник, всего лишь одетый в чехол-корпус. Благодаря двигательному применению источников ионов вне атмосферы выявилась очень необычная особенность. При истечении из сопла ускоренного ионного потока в космическое пространство, обычно положительного, на корпусе двигателя образуется заряд противоположного знака и, если не принять необходимых мер, то кулоновская сила останавливает ионный поток, и все вылетевшие заряженные частицы вынужденно возвращаются назад. И какой бы мощный источник электрического тока не работал на создание ионной струи, возврат ионов назад обеспечен. Ввиду этого возле среза сопла устанавливают другой источник противоположного заряда (обычно электронный) для нейтрализации струи ионов, слияние с электронами компенсирует заряд основного потока [Гришин С.Д. и др. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975, с.111] и тем самым снимается заряд с корпуса за счет электрического соединения проводами нейтрализующего устройства электронов с дальним от сопла электродом двигателя. На данном принципе есть возможность создания источника тока по прямому преобразованию энергии при окислении топлива в электрическую энергию аналогично МГД генератору.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение эффективности получения электроэнергии.

Указанный технический результат достигается тем, что плазменный источник тока, включающий в себя ионный электрореактивный двигатель с источником ионов и электрические электроды, замыкающиеся через полезную нагрузку, содержит второй электрореактивный двигатель со вторым источником ионов противоположных зарядов, расположенный под углом к первому двигателю, для обеспечения пересечения выходящими из сопел струями и нейтрализации их зарядов, причем электрические электроды двигателей выполнены в виде сетки, газ окислителя разогревают только до атомарного состояния и в результате возбуждения он забирает электроны с выходного электрода-сетки (у сопла кислородного источника), а она, в свою очередь, получает их у топливного источника положительных ионов с электрода, дальнего от сопла.

Для этого необходимо применить два электрореактивных двигателя, один из которых дает струю, скажем, положительных ионов водорода (топливо), другой кислородный (окислитель) испускает поток отрицательных ионов. Представим себе, что корпуса двигателей не соединены между собой электрически, попробуем запустить их и дать возможность обеим ионным струям пересечься (объединится). Вылетевшие потоки ионов компенсируют свои заряды в пространстве за двигателями, но только вначале. Истечение обеих струй после первого импульса остановится, поскольку зарядятся оба корпуса двигателей на величину вылетевших ионов. Водородный корпус отрицательным знаком - избытком электронов, кислородный же зарядится положительным знаком - нехваткой электронов. Если соединить корпуса двигателей проводником через электролампу или электродвигатель, то мы даем возможность перетекать электронам с водородного корпуса на кислородный, и тогда потоки ионов из сопел потекут нормально с дальнейшим образованием паров воды при соединении в пространстве и при этом будет вращаться электродвигатель или гореть лампочка. Движение электронов по проводнику и есть электрический ток, т.е. получается генератор тока.

На фиг.1 приведен пример конструктивного выполнения электрореактивного двигателя.

На фиг.2 приведена схема источника тока, включающего два электрореактивных двигателя.

Для примера конструктивного исполнения указанного принципа токообразования разумно использовать самый простой, на наш взгляд, электрореактивный двигатель RIT-10, разработанный в ФРГ в начале семидесятых годов [Гришин С.Д. и др. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975, с.97]. Двигатель представляет собой (фиг.1) кварцевый цилиндр 1 с днищем (подобно стакану), обхваченный индуктором 2 высокочастотного электромагнитного поля с частотой в пределах 10-300 МГц. Через днище и электрический электрод - анодную сетку 3 вводится водород из баллона 4, который сразу же попадает в высокочастотное электромагнитное поле индуктора, в результате образуется плазма. В ней под действием высокой частоты атомы газа распадаются на ионы и электроны, а последние благодаря отрицательному заряду вынужденно возвращаются назад на анодную сетку 3, заряженную положительно от источника тока. Ионы водорода, имея положительный заряд, разгоняются электрическим полем источника тока к отрицательному электроду катода 5 и в силу большой массы (по сравнению с электроном) и скорости проскакивают сетку 5, которая является соплом истечения, где и вылетают струей в космическое пространство. Вот здесь у сопла, немного сбоку, для компенсации положительного заряда струи обычно ставится нейтрализатор в виде источника электронов, который эмитирует их в направлении положительной струи.

Если в качестве нейтрализатора применить не электроны, а источник отрицательных ионов кислорода, атом которого, как мы знаем, легко превращается в минус-ион благодаря высокому значению сродства к дополнительному электрону (озон в природе), тогда компенсация заряда водородной струи обеспечивается соединением ионов с образованием водяного пара.

Для конкретного примера на фиг.2 изображена установка из двух электрореактивных двигателей, одного водородного, другого кислородного, расположенных осями движения газов под прямым углом для пересечения реактивными струями. На водородном корпусе 1 двигателя кроме высокочастотного индуктора 2 расположена дополнительно катушка 6 постоянного магнитного поля вдоль оси корпуса, целью устройства местного усиления магнитного поля устанавливается катушка 9 для создания магнитной пробки у сопла. Такой же принцип использования магнитной пробки был очень удачно апробирован на электрореактивном двигателе (СПД) А.И.Морозова [Фаворский О.Н. и др. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М.: Высшая школа, 1978, с.162].

Работа установки в принципе аналогична ранее описанному одиночному двигателю. При подаче газа из баллона 4 в полость водородного (топливного) цилиндра в высокочастотном поле индуктора газ становится сгустком плазмы раскаляется до 14-19 тыс. градусов [Высокочастотная электротермия. Справочник, ред. А.В.Донской, М.: Машиностроение, 1965, с.275] и распадается на ионы и электроны. В продольном магнитном поле катушки 3 электроны в силу своего отрицательного заряда вращаются вокруг силовых линий магнитного поля и вынуждены дрейфовать влево к днищу цилиндра и оседать на электрическом электроде - сетке 5 [Арцимович Л.А. и др. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. М.: Наука, 1972, с.55, с.207]. Если случайно электрон пойдет вдоль магнитной линии вправо, он попадет в область сильного поля магнитной пробки катушки 9, отразится и устремится назад к сетке 3. Ионы водорода, имея положительный заряд, и тоже благодаря вращению от силы Лоренца, устремляются вправо вдоль магнитных линий и за счет повышенной массы проскакивают магнитную пробку и вылетают через кольцо 7 из сопла двигателя в пространство. Случайно ушедший ион в сторону днища (в левую сторону) растеряет энергию на диссоциацию и ионизацию поступающих из баллона 4 молекул и вернется в центр высокочастотного поля. Точно также в МГД генераторах газ разделяется на ионные и электронные компоненты магнитным полем, где ионы и электроны благодаря разным знакам заряда навиваются на магнитные линии в противоположных направлениях и дрейфуют к своим электродам.

Корпус кислородного двигателя 8 не имеет постоянного магнитного поля за ненадобностью, высокочастотное поле индуктора путем ограниченного нагрева газа заставляет молекулы распадаться на отдельные атомы и не более. Такие атомы термически возбуждены и под давлением массы газа из баллона вынуждены подойти к сетке 5, на которой они в силу большого сродства к электрону [Г.Грей. Электроны и химическая связь. М.: Мир, 1967, с.45] забирают необходимые им электроны с сетки и выходят отрицательно заряженные из сопла навстречу с положительно заряженными водородными ионами. Образующиеся молекулы воды по инерции отходят в окружающее пространство. Сетка 5, обедненная электронами соприкосновением с атомами кислорода, по проводникам электрической цепи, через электродвигатель 10 получает избыток электронов с электрода 3, на который вновь и вновь поступают водородные электроны из плазмы высокочастотного разряда водородного двигателя благодаря магнитному полю соленоидов. Образуется замкнутая кольцевая цепь движения зарядов, состоящая из двух замыкающихся ионных потоков и одного электронного, подобно кольцевой цепочке тока, образуемой при работе топливного элемента [Коровин Н.В. Новые химические источники тока. М.: Энергия, 1978, с.77]. Электрическая цепь с источником тока, выключателем 11 (фиг.2) и кольцом 7 необходима только для начального зажигания, а после запуска процесса отключается за ненадобностью.

Конечно можно успешно работать и при включенном источнике тока, однако, в целях экономии допустимо отключить.

Высокочастотные индукторы для нагрева газа обычно расходуют сравнительно немного электроэнергии, но больше, чем соленоидные катушки. Для повышения КПД установки в поток водорода вполне разумно вводить ограниченное количество кислорода, тогда в высокочастотной зоне при выделении определенного количества тепла от частичной химической реакции индуктору потребуется меньше энергии для создания того же результата диссоциации и ионизации молекул газа, что уменьшает электрическую мощность высокочастотного индуктора.

Применение плазменного источника тока имеет перспективное значение особенно в области транспортного машиностроения. Поскольку предлагаемый плазменный источник тока легче по весу на единицу мощности и несравненно долговечнее в работе обычного топливного элемента, его вполне можно использовать на электромобилях, автономных электроагрегатах, в общем, там, где в технике требуются источники тока на средние и большие электрические мощности. Описанный метод получения электричества позволяет применять разнообразные виды топлива вместо водорода вплоть до коллоидного угольного порошка, что значительно расширяет зону применения плазменного источника тока в быту, промышленности и сельском хозяйстве.

Высокочастотные плазменные источники с использованием газов благодаря отсутствию контактных токовых электродов отработаны современной промышленностью в техническом плане до совершенства. Их используют в качестве высокотемпературных горелок там, где необходимо плавить или получать химически чистые тугоплавкие материалы, а также для нагрева газовых потоков при аэродинамических испытаниях моделей и материалов, предназначенных для сверхзвуковых и космических полетов [Высокочастотная электротермия, Справочник, ред. А.В.Донской. М.: Машиностроение, 1965, с.278] в лакокрасочной промышленности, для плавки металлов и многих других областях. Использование их для получения электрического тока обогатит практику совершенно новым направлением развития техники наряду с другими типами ионных источников, которые с таким же успехом можно использовать в качестве электрогенераторов.

Изобретение относится к области машиностроения. Плазменный источник тока представляет собой прототип магнитогидродинамического генератора тока. Состоит из двух источников ионов противоположного заряда, один из них водородный (топливный) с положительными ионами, другой кислородный (окислительный) с отрицательными ионами. Оба источника расположены под углом друг к другу, чтобы их истекающие ионные струи пересекались и взаимно компенсировали заряды. Водородный источник при помощи высокочастотной плазмы и магнитного поля вырабатывает на сетке у днища кварцевого цилиндра электроны, которые по электрическим проводникам через полезную нагрузку (лампочку или электродвигатель) перетекают на сетку кислородного источника. Здесь кислород, тоже подогретый уже своим высокочастотным индуктором до атомарного состояния, в силу своего свойства сродства к электрону, поглощает пришедшие от водорода электроны, превращаясь в электроотрицательные ионы. Кольцо тока от кислородной сетки проходит через замкнутые в пространстве ионные потоки - по плазме водородного корпуса до сетки, откуда через нагрузку (электродвигатель или лампу) доходит до кислородного электрода - сетки. Магнитное поле является, как и в МГД генераторах, главным действующим элементом, пространственно разделяющим электронный и ионные потоки топлива и окислителя, для свершения полезной работы в электродвигателе. Изобретение позволяет одновременно получить электроэнергию и нейтрализовать заряды электродвигателей. 2 ил.

Плазменный источник тока, включающий в себя ионный электрореактивный двигатель с источником ионов и электрические электроды, замыкающиеся через полезную нагрузку, отличающийся тем, что содержит второй электрореактивный двигатель со вторым источником ионов противоположных зарядов, расположенный под углом к первому двигателю, для обеспечения пересечения выходящими из сопел струями и нейтрализации их зарядов, причем электрические электроды двигателей выполнены в виде сетки, газ окислителя разогревают только до атомарного состояния и в результате возбуждения он забирает электроны с выходного электрода-сетки (у сопла кислородного источника), а она, в свою очередь, проводниками электрической цепи через полезную нагрузку получает их у топливного источника положительных ионов с электрода, дальнего от сопла.