RU2277643C1

RU2277643C1 - Plasma power source

Info

Publication number: RU2277643C1
Application number: RU2004133645/06A
Authority: RU
Inventors: Рудольф Клавдиевич Катаргин (RU); Рудольф Клавдиевич Катаргин
Original assignee: Рудольф Клавдиевич Катаргин
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2006-06-10
Also published as: RU2004133645A

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: plasma power source comprises two ion sources of opposite charge: the hydrogen (fuel) source with positive ions and the oxygen (oxidizing ) source with the negative ions. The both of the sources are arranged at an angle one with respect to the other so that the discharging ion jets are mutually intersected and compensate the chargers. The hydrogen source generates electrons near the bottom which flow to the grid of the oxygen source through the load (lamp or electric motor). The heated oxygen absorbs the electrons inflowing from the hydrogen source thus converting them into electrically negative ions. The current ring from the oxygen grid passes through the ion flows closed in the space over the plasma of the hydrogen source housing to the grid and, then, through the load to the oxygen electrode. The magnetic field is the main factor that separates electron and ion flows of fuel and oxidizer.

EFFECT: expanded functional capabilities.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к плазменным источникам ионов, предназначенных для выработки электроэнергии и выполняющих функцию магнитогидродинамического генератора тока (МГД).The invention relates to the field of engineering, in particular to plasma ion sources intended for generating electricity and performing the function of a magnetohydrodynamic current generator (MHD).

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].Known MHDs are converters of the chemical energy of fuel into electrical energy by temperature ionization of the gas stream and its separation into electronic and ionic components by blowing in a transverse magnetic field. Further connection of the flows of electrons and ions through the payload conductors (light bulbs, electric motors, etc.) gives the necessary amount of electric power for consumers. The principle of such electricity generation is theoretically very promising, however, did not go into further practice due to the low resistance to temperatures of structural materials of our time [Mirdel G. Electrophysics, M .: Mir, 1972, p.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.On the principle of separation of gaseous substances into ions and electrons, ion sources with both positive and negative ions are created and successfully used [Physics and Technology of Ion Sources, ed. J. Brown, M., World, p. 388]. On the basis of ion sources, electric propulsion engines for spacecraft were made, which are used to correct the orientation of earth satellites in space. Due to such promising developments, ion sources on engines have been brought to high efficiency, the efficiency coefficient (Efficiency) reaches up to 70-80% [Favorsky ON et al. Fundamentals of the theory of space electric propulsion systems. M .: Higher School, 1978, p. 170], which is quite comparable with the efficiency of fuel cells.

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.In principle, an electric jet engine is an ion source, just dressed in a case-shell. Thanks to the motor application of ion sources outside the atmosphere, a very unusual feature was revealed. When an accelerated ion flux into outer space, usually positive, flows out of the nozzle, a charge of the opposite sign is formed on the engine body and, if the necessary measures are not taken, the Coulomb force stops the ion flux, and all charged particles escaping are forced to return. And no matter how powerful a source of electric current works to create an ion stream, the return of ions is ensured. In view of this, another source of the opposite charge (usually electronic) is installed near the nozzle exit to neutralize the ion stream, fusion with electrons compensates the charge of the main stream [S. Grishin. and others. Electric rocket engines. M .: Mashinostroenie, 1975, p.111] and thereby the charge is removed from the housing due to the electrical connection by wires of the neutralizing device of electrons to the engine electrode farthest from the nozzle. On this principle, it is possible to create a current source for direct energy conversion during the oxidation of fuel into electrical energy, similarly to the MHD generator.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение эффективности получения электроэнергии.The technical result to which the invention is directed is to increase the efficiency of generating electricity.

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.The specified technical result is achieved in that the plasma current source, which includes an ionic electric jet engine with an ion source and electric electrodes that are closed through the payload, contains a second electric jet engine with a second ion source of opposite charges, located at an angle to the first engine, to ensure intersection jets coming out of the nozzles and neutralizing their charges, the electric electrodes of the engines being made in the form of a grid, the oxidizing gas is heated lko to atomic state as a result of excitation and it takes the electrons from the output electrode grid (at the oxygen source nozzles), and it, in turn, receives them from the fuel source of positive ions from the electrode, remote from the nozzle.

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.For this it is necessary to use two electro-jet engines, one of which gives a stream of, say, positive hydrogen ions (fuel), the other oxygen (oxidizer) emits a stream of negative ions. Imagine that the engine housings are not electrically connected, try to start them and allow both ion jets to intersect (unite). The released ion flows compensate their charges in the space behind the engines, but only at the beginning. The outflow of both jets after the first impulse will stop, since both engine shells will be charged by the amount of emitted ions. The hydrogen casing has a negative sign - an excess of electrons, while the oxygen one is charged with a positive sign - a lack of electrons. If we connect the engine housings with a conductor through an electric lamp or electric motor, then we give the opportunity to flow electrons from the hydrogen housing to the oxygen one, and then the ion flows from the nozzles will flow normally with further formation of water vapor when connected in space and the electric motor will rotate or the lamp will burn. The movement of electrons along the conductor is an electric current, i.e. it turns out the current generator.

На фиг.1 приведен пример конструктивного выполнения электрореактивного двигателя.Figure 1 shows an example of a structural embodiment of an electric jet engine.

На фиг.2 приведена схема источника тока, включающего два электрореактивных двигателя.Figure 2 shows a diagram of a current source comprising two electric jet engines.

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.For an example of constructive execution of the indicated principle of current formation, it is reasonable to use the simplest, in our opinion, RIT-10 electric propulsion engine developed in Germany in the early seventies [SD Grishin and others. Electric rocket engines. M .: Mechanical Engineering, 1975, p.97]. The engine is (Fig. 1) a quartz cylinder 1 with a bottom (like a glass), encircled by an inductor 2 of a high-frequency electromagnetic field with a frequency in the range of 10-300 MHz. Hydrogen is introduced from the cylinder 4 through the bottom and the electric electrode - the anode grid 3, which immediately enters the high-frequency electromagnetic field of the inductor, resulting in the formation of plasma. In it, under the action of a high frequency, gas atoms decay into ions and electrons, and the latter, due to a negative charge, are forced to return back to the anode grid 3, positively charged from the current source. Hydrogen ions, having a positive charge, are accelerated by the electric field of the current source to the negative electrode of the cathode 5 and, due to the large mass (compared to the electron) and speed, the grid 5, which is the outflow nozzle, skips, where they fly out into outer space. Here, near the nozzle, a little to the side, a neutralizer is usually placed in the form of a source of electrons, which emits them in the direction of the positive jet, to compensate for the positive charge of the jet.

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.If not electrons are used as a neutralizer, but a source of negative oxygen ions, the atom of which, as we know, can easily be converted into a minus ion due to the high affinity for the additional electron (ozone in nature), then the hydrogen charge is compensated by combining the ions to form water vapor.

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].For a specific example, figure 2 shows the installation of two electric jet engines, one hydrogen, the other oxygen, located at the right angles of the gas axes for the intersection of jet jets. In addition to the high-frequency inductor 2, an additional coil 6 of a constant magnetic field is located on the hydrogen casing 1 of the engine along the axis of the casing; a coil 9 is installed with the purpose of local magnetic field amplification to create a magnetic plug at the nozzle. The same principle of using magnetic plugs was very successfully tested on an A. I. Morozov’s electro-jet engine (SPD) [O. Favorsky. et al. Fundamentals of the theory of space electric propulsion systems. M .: Higher school, 1978, p.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.The operation of the installation is in principle similar to the previously described single engine. When gas is supplied from cylinder 4 into the cavity of the hydrogen (fuel) cylinder in the high-frequency field of the inductor, the gas becomes a bunch of plasma heated to 14-19 thousand degrees [High-frequency electrotherm. Handbook, ed. A.V. Donskoy, Moscow: Engineering, 1965, p.275] and decays into ions and electrons. By virtue of their negative charge, electrons in the longitudinal magnetic field of coil 3 rotate around the magnetic field lines and are forced to drift to the left to the bottom of the cylinder and settle on the electric electrode - grid 5 [L. Artsimovich and others. The movement of charged particles in electric and magnetic fields. M .: Nauka, 1972, p. 55, p. 207]. If by chance an electron goes to the right along the magnetic line, it enters the strong field region of the magnetic plug of coil 9, is reflected and rushes back to grid 3. Hydrogen ions, having a positive charge, and also due to rotation from the Lorentz force, rush to the right along magnetic lines and beyond due to the increased mass, the magnetic plug slips through and fly out through ring 7 from the engine nozzle into space. The ion which has accidentally left towards the bottom (to the left side) loses energy for dissociation and ionization of 4 molecules coming from the balloon and will return to the center of the high-frequency field. Similarly, in MHD generators, gas is separated into ionic and electronic components by a magnetic field, where ions and electrons, due to different charge signs, are wound onto magnetic lines in opposite directions and drift to their electrodes.

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.The body of the oxygen engine 8 does not have a constant magnetic field as unnecessary, the high-frequency field of the inductor by limited heating of the gas causes the molecules to decay into individual atoms and no more. Such atoms are thermally excited and, under pressure from the gas mass from the balloon, are forced to approach the grid 5, on which they, due to their high electron affinity [G. Gray. Electrons and chemical bonding. M .: Mir, 1967, p.45] they take away the electrons they need from the grid and come out negatively charged from the nozzle towards the positively charged hydrogen ions. The resulting water molecules inertia escape into the surrounding space. The grid 5, depleted of electrons in contact with oxygen atoms, through the conductors of the electric circuit, through the electric motor 10 receives an excess of electrons from the electrode 3, which again and again receive hydrogen electrons from the plasma of a high-frequency discharge of a hydrogen engine due to the magnetic field of the solenoids. A closed ring chain of charge motion is formed, consisting of two closed ion flows and one electron, like a ring current chain formed during operation of a fuel cell [N. Korovin New chemical current sources. M .: Energy, 1978, p.77]. An electric circuit with a current source, switch 11 (figure 2) and ring 7 is necessary only for initial ignition, and after starting the process, it is turned off as unnecessary.

Конечно можно успешно работать и при включенном источнике тока, однако, в целях экономии допустимо отключить.Of course, you can successfully work with the power source turned on, however, in order to save, it is permissible to disable it.

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.High-frequency inductors for gas heating usually consume relatively little electricity, but more than solenoid coils. To increase the efficiency of the installation, it is quite reasonable to introduce a limited amount of oxygen into the hydrogen stream, then in the high-frequency zone, when a certain amount of heat is released from a partial chemical reaction, the inductor will need less energy to create the same result of dissociation and ionization of gas molecules, which reduces the electric power of the high-frequency inductor.

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.The use of a plasma current source is promising especially in the field of transport engineering. Since the proposed plasma current source is lighter in weight per unit of power and incomparably more durable in the operation of a conventional fuel cell, it can be used on electric vehicles, autonomous electric units, in general, where current sources of medium and high electric power are required in technology. The described method of generating electricity allows the use of various types of fuel instead of hydrogen up to colloidal coal powder, which significantly expands the area of application of the plasma current source in household, industry and agriculture.

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.Due to the absence of contact current electrodes, high-frequency plasma sources using gases have been perfected by the modern industry to the technical level. They are used as high-temperature burners where it is necessary to melt or obtain chemically pure refractory materials, as well as for heating gas flows during aerodynamic tests of models and materials intended for supersonic and space flights [High-frequency electrothermies, Handbook, ed. A.V. Donskoy. M .: Engineering, 1965, p.278] in the paint and varnish industry, for the smelting of metals and many other areas. Using them to produce electric current will enrich the practice with a completely new direction in the development of technology along with other types of ion sources, which can equally well be used as electric generators.

Claims

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.A plasma current source including an ionic electric jet engine with an ion source and electric electrodes closing through a payload, characterized in that it contains a second electric jet engine with a second ion source of opposite charges, located at an angle to the first engine, to ensure intersection of the nozzles exiting jets and neutralize their charges, and the electric electrodes of the engines are made in the form of a grid, the oxidizer gas is heated only to the atomic state and it takes the excitation of electrons from the output electrode grid (at the oxygen source nozzles), and it, in turn, through the electric circuit conductors payload receives them from the fuel source of positive ions from the electrode, remote from the nozzle.