产生热量的装置和方法
【专利说明】
[0001]交叉引用相关的应用程序 本申请请求2013年5月2日申请的名称为"热能的产生装置以及方法"的美国临时专利 申请US61/818,553和2013年5月3日申请的名称为"用于产热的典型装置以及方法"的美国 临时专利申请US61/819,058以及2013年5月10日申请的名称为"用于产生有用热量的新方 法及其装置"的美国临时专利申请US61 /821，914的优先权，现以引用方式并入其中的全部 内容。
技术领域
[0002] 本发明涉及从紧凑的燃料来源更可靠和充足地释放热能。尤其是，由热输入与燃 料相结合而引起的热反应装置和方法。
【背景技术】
[0003] 尽管正在进行的世界范围内的关于人类活动是否引起全球气候变化的辩论，但是 从对化石燃料的依赖和其明显的污染影响中解除出来将有极大的好处。燃烧化石燃料至少 在某些程度上不可避免地释放二氧化碳和一氧化碳，并在某些情况下产生并不想要的主权 相互依赖关系。因此，对化石燃料以外的能源的追求超出人类长期以来的兴趣。
[0004] 很多替代的能源都在被考虑，包括太阳能、风能、潮汐能等。这类能源的追求者是 大自然资源保护论者。太阳能面板和风能设备已经出现了，但是，要么是规模小，导致结果 不可靠，要么大规模的设备，需要为其可靠性提供特定的场地，这些都限制了这些能源最终 成功的服务于广泛分布的大范围人群。依赖于充足可靠的能源形式，那么是否存在能随不 同的天气条件和季节性影响而变化的能源形式，可以最终解决社会和工业的需求水平，这 一点还是没有被完全肯定。
[0005]核能已经有一定程度的成功，尤其是在欧洲。然而，最近发生在日本的事件提醒我 们，目前的核裂变技术对环境仍旧存在重大的危害。典型的核裂变反应产生的放射性废料 的危害性会持续多年，对生活在放射性废料附近的居民具有重大危害。众所周知的几次灾 害令公众一直处于恐慌中，所以核设施的安全操作仍然是关注的焦点。
[0006] 之前有过报道，在含有金属和气态氢的密封容器里产生热。尤其是关于镍和氢在 气态氢形成的高压环境下发生放热反应的重要研究。这些表明，热输入结合燃料输入产生 可用的热输出具有许多应用。
[0007] 概要 本概要引入了一系列简单形式的概念，并进一步在下述实施例的详细说明中描述。本 概要并不旨在于标识保护主体的关键特征或必要特征，也不旨在于用于限制保护主体的范 围。
[0008] 根据至少一个实施例，反应装置包括一个定义内部的密封容器、所述密封容器内 部的燃料和邻近所述密封容器的加热元件，燃料包括由镍和氢组成的固体燃料。
[0009] 在至少一个实施例中，所述密封容器内包含微量的气态氢。所述密封容器被密封， 以防止气体的进出。
[0010] 在至少一个实施例中，在所述密封容器和加热元件之间设置第一陶瓷壳，围绕第 一陶瓷壳和加热元件设置有第二陶瓷壳。
[0011] 所述密封容器由钢材组成。
[0012] 在至少一个实施例中，所述密封容器包括具有两个被钢制端盖密封的端部的钢 管。
[0013] 在至少一个实施例中，所述密封容器的内部是圆柱形的，所述燃料均匀分布在密 封容器内。
[0014] 在至少一个实施例中，所述加热元件围绕所述密封容器。
[0015] 在至少一个实施例中，围绕所述密封容器的所述第一陶瓷壳被所述加热元件围 绕，第二陶瓷壳围绕所述加热元件。
[0016] 所述加热元件包括电阻线圈组件。
[0017] 在至少一个实施例中，一种方法包括提供一个密封容器，在没有原料进入密封容 器或从密封容器出来的情况下，利用输入能量的加热密封容器;和接收密封容器中输出的 热能超过输入的能量的部分。
[0018] 在至少一个实施例中，加热所述密封容器包括从密封容器外部加热密封容器。
[0019] 在至少一个实施例中，输出的热量与输入的能量的比值超过5.0。
[0020] 在至少一个实施例中，加热所述密封容器需要启动密封容器内燃料的反应，所述 燃料的比能量大于I X l〇5wh/kg。
[0021] 在至少一个实施例中，加热所述密封容器包括启动密封容器内大于任何基于化学 反应的能量来源的比能量的燃料的反应。
[0022] 加热所述密封容器需要加热元件在打开和关闭状态之间交替。
[0023] 在至少一个实施例中，加热元件在打开和关闭状态之间交替是通过周期性地向电 阻线圈组件提供电流。
[0024] 在至少一个实施例中，所述密封容器包含固体燃料和不超过微量的气态氢。固体 燃料可包含镍和氢。
[0025] 在一个或多个实施例中，提供一种将输入的热量和燃料转化为输出的热量的系 统，该系统包含一个装置，该装置包括一个定义内部的密封容器、靠近所述密封容器的加热 元件以及在密封容器内部的燃料，该燃料包括包含有镍和氢的固体燃料，加热元件有选择 性地被激活以给密封容器提供热能。所述密封容器的内部在激活所述加热元件之前的初始 状态不预装压缩气体。所述系统还包括一个与所述装置连接的用于测量温度的温度测量仪 和一个与所述加热元件和所述温度测量仪相连的控制器，所述控制器根据温度测量仪的反 馈的测量结果来激活所述加热元件。
【附图说明】
[0026] 本发明可通过阅读前述总结和下述优选实施例的详细描述并结合附图，可以更好 地理解。然而，概要和详细说明并不局限于这些明确说明的实施方案和特征。
[0027] 图1为根据至少一个实施例公开的反应装置的纵向剖视图。
[0028] 图2为图1所示反应装置的横向剖视图。
[0029] 图3A为图1所示反应装置的热图像采集。
[0030] 图3B为从图3A所示图像收集到的X轮廓图。
[0031] 图3C为从图3A所示图像收集到的Y轮廓图。
[0032]图4为根据另一个实施例公开的反应装置的纵向剖视图。
[0033] 图5为图4所示反应装置的横向剖视图。
[0034] 图6为图4所示反应装置的侧视图。
[0035]图7是图解用于图4所示反应装置评估的试验装置。
[0036]图8是根据图4所示反应装置的测量值得到的辐射热能对应时间的曲线。
[0037]图9是根据图4所示反应装置的测量值得到的辐射能量和产生的总能量关于消耗 的电能的曲线。
[0038I图10是表示不同化学能量来源的单位质量的最大功率和比能量的Ragone图表。
[0039] 图11是另一实施例所示反应装置的纵向剖视图。
[0040] 图12是图11所示反应装置的横向剖视图。
[0041]图13是图解用于图11所示反应装置评估的试验装置。
[0042]图14是根据图11所示反应装置的测量值得到的平均温度对应时间的曲线。
[0043]图15是根据图11所示反应装置的测量值得到的能量的产生随时间变化的曲线图， 和在同一时间段内能量消耗的曲线图。
[0044] 图16是根据图11所示反应装置所得到的产生的能量和消耗的能量之间比值的曲 线。
[0045] 图17是根据至少一个实施例公开的产生热的系统的图解。
[0046] 详细说明 该说明提出足够的细节是为了理解更广发明主题的一个或多个具体的实施例。这些说 明阐述和例证了那些具体实施例的特定特征，并没有限制明确描述的实施例和特征的发明 主题。考虑针对这些描述可能会产生额外的和类似的实施例和特征没有离开创新题材的范 围。尽管所使用的术语"步骤"可能是明确或隐含相关特性的过程或方法，没有暗示任何特 定的顺序或在这样的表达或暗示的步骤序列，除非顺序或序列是明确规定的。
[0047]反应装置100和第一个实验的结果 一种多层的管状反应装置100,如图1所示的是其剖视图，用于第一个三次实验中。图1 所示的剖视图是在管状反应装置100延伸的纵向轴中线延伸所在平面上。密封刚制内管Iio 包括延伸至两个端盖114之间的圆柱形壁112,内管110包含位于两个不同纵向位置的反应 燃料116。如下所述，在另外两个实验中，反应燃料分布得更广泛、更均匀。在第一个实验中， 第一圆柱形陶瓷壳层118围绕内管110。每16个电阻线圈120在第一陶瓷壳层118与更外面的 第二陶瓷壳层122之间围绕反应装置100内部一圈。如图2所示，电阻线圈120围绕第一陶瓷 壳层118呈圆周分布，为了在电流通过线圈时能够均匀产热。图2所示的剖视图为垂直于多 层管状反应装置的中心纵向轴所在平面。电阻线圈在以约一千瓦功率持续工作，并定期采 集反应装置100外部的热影像。
[0048]统计分析了几个实施例中在多层管状反应装置内产热的实验研究。在每一个实施 例中，反应装置都充满载有少量氢的镍粉，放热反应的起始是依靠反应装置内的电阻线圈 产热。通过高分辨率的热成像摄像机来测定产生的热量，记录每秒来自热反应装置的数据。 用一个大宽带三相位功率分析仪测量了输入的电功率。虽然这三个实验取得了有趣的结 果，在三次实验的首次中，反应装置100被损坏。之后的两次实验在没有设备故障下进行，之 后的两次实验的数据分别在运行持续96小时和116小时收集。每个实验中都显示有热产生， 116个小时的实验还包括实验装置的校准，在一个虚拟的管状反应装置中没有激活的燃料。 在虚拟的反应装置情况下，没有超过来自电输入的预期热量的额外热量生成。
[0049]计算96小时和116小时的体积和重量能量密度，发现远高于任何已知的化学来源。 即使测量误差按照最保守的假设，结果也仍然比传统的化学能量来源大一个数量级以上。 同样，这里所述的反应装置与已知的化学工艺相比，每单位重量燃料产生的能量多出很多。
[0050] 图示的和这里描述的反应装置可以说成是一种能量催化高温反应装置。这里公开 的反应装置中的放热反应是以镍、氢及一种催化剂的混合物作为燃料的。在这些摘要详细 描述的实施例中，热能是在一个分层管状反应装置的最内层管中由位于最内层管外的电阻 线圈产热而激活的反应后产生的。一旦操作温度达到，就可以通过调整电阻线圈的功率来 控制反应。这些公开的关于反应装置测试的描述是在控制条件下用高精度仪器得到的。高 精确度和可靠性的测量结果意味着一个超过任何已知化学工艺的热生产被建立了。
[0051] 图3A-3C显示了第一个实验得到的热数据。一台欧普士 IR热成像摄像机监测了分 层管状反应装置100的外部表面温度。然后用一台笔记本电脑从热成像摄像机获取信息。热 数据结果显示最热区域的温度约为860°C。图3A是一张热成像图。图中用圆圈和十字交叉标 记了 859°C高温的区域。图3B和3C显示了监测到的沿着两条可见线上的温度分布：图3B中的 X轮廓线指