专利名称：结构引发非平衡电离磁流体发电机的制作方法
磁流体发电机是一种把热能直接转变为电能的发电装置。本来，这种发电方式很先进，但科学家对它已研究数十年了，至今却未能得到实际的应用。原因是它的工质气体采用热电离，而单纯热电离要达到发电所必需的20西/米以上的电导率，工质温度需高达6000K左右。当工质中加入低电离电位的钾、铯等种子后，要达到相同的电导率，工质温度亦需要2500K左右，这是当今的耐火材料所无法长时间承受的。若在加钾或铯热电离的基础上再增加非平衡电离(非热电离)措施，要使工质气体在2000K左右的温度下有20西/米以上的电导率，则必需大量消耗其它高附加值的非热能，例如对工质气体外加电场、电磁辐射等以使工质中的钾或铯原子电离。但这些非平衡电离措施效率甚低，经济上很不合算，因而亦无实用价值。
我现今仅仅通过发电机的结构特征而引发的正电荷吸引力和阳极吸引力，可以毫不消耗其它非热能，便能使加钾或铯工质气体产生非平衡电离而提高工质气体的电离度和电导率，使发电机工质在2000K左右的温度下达到较高的热电转换效率。
为使以下论述能结合附图进行，得首先对附图作图面说明如下阴极1、阳极板2、阳极基板3、外层结构4、发电通道入口5、发电通道6、阳极板间隙7、燃烧室8、发电机所有阳极板正电荷中心9、发电机所有阳极板负电荷中心10、排气孔11、正电荷鞘层12、磁极对13(图中虚线长方形表示磁极对，N极在上，S极在下。)、磁极对14(图中虚线长方形表示磁极对，S极在上，N极在下。)、通道前段15、通道后段16和绝缘间隔17。
图1结构引发非平衡电离磁流体发电机横剖面示意图。
图2结构引发非平衡电离磁流体发电机侧面纵剖面示意图。
图3受热不均匀的金属导体其冷、热两端产生了电位差(即产生了正、负电荷分离)说明图。
图4原有的磁流体发电机没有阳极吸引力说明图。
图5连续电极已分段之后的结构引发非平衡电离磁流体发电机横剖面示意图。
图6共用一个燃烧室、对称结合在一起的两个结构引发非平衡电离磁流体发电机侧面纵剖面示意图。
为使所属专业人员能够充分理解本发电机通过其结构特征，使工质气体产生非平衡电离(非热电离)而提高工质气体电导率的原理，有必要详细论述有关技术方案(1)发电机制作用材1、2、3均是耐高温、抗腐蚀的合金良导体。可选用FS-85合金(《材料手册》美G·S布拉德H·R克劳瑟著，科学出版社89年版641页)。其成分是铌60.6％、钽28％、钨10.5％和锆0.9％。这种合金的熔点为2863K，在高于1644K时抗拉强度103Mpa。FS-85合金主要成份的相对电导率为(银为100)铌12.2、钽54.63、钨14(《材料手册》640页及1244页)。铌、钽、钨都有很强的抗酸、碱腐蚀性能(《材料手册》640页，888页及965页)。由此可见，必需耐受高温、抗酸碱腐蚀、导电良好的本发电机的1、2、3，很适宜用FS-85合金制作。此外，可供选用的难熔、抗腐蚀、导电良好的金属或合金还有许多。(2)4使用密封、绝缘、隔热、抗腐蚀、耐高温的氧化镁镶块制作。外加石棉层，石棉之处更以不锈钢薄板作基板面把氧化镁镶块固定其上，在不锈钢薄板之外则以不锈钢框架作骨架。15和16均用氧化镁陶瓷制作。(3)1与3相平行，2与3相垂直，2与3是连接为一体的(见附图1、2)。2的两侧边固定在发电机的4上，并与4保持电绝缘(见附图1)。因2四条边中已有三条边得到了固定，因此是很牢固的。在6高温、高速工质气体(高温、高速工质气体的流向与2的上边相平行)的冲击下，不会造成弯曲倒伏。(4)根据气体热电离理论，若要使电离气体成为宏观电中性的等离子体，那么电离气体所在系统的线度L，必须远远大于德拜长度λD(λD＝6.9×10-3厘米)即L＞＞λD。我把7的宽度，设定为0.8-1厘米之间，就是为了使7内基本保持宏观电中性，确保钾或铯原子电离产生的钾或铯离子能作为宏观电中性的粒子顺利进入7内，为在发电机内电路中产生结构引发的正电荷吸引力作好准备。(5)金属导体受热不均匀时，将产生正、负电荷分离现象，即在金属导体的冷、热两端产生了一定的电位差(见附图3)。原理是因为电子热运动的速度与温度关系密切，温度越高，电子运动速度越快。当金属导体受到不均匀加热时，热端的自由电子就比冷端的运动得快，运动较快的电子常常从热端迁移至冷端，进入冷端的快速电子与冷端的运动较慢的电子之间发生碰撞时，将自己一部分动能传递给慢速电子后，速度就减慢了，最后以与它周围的自由电子几乎相同的速度运动。这样，从热端进入冷端的自由电子好像被“卡”在冷端了，因而从冷端进入热端的自由电子是非常少的。由此可见，不均匀加热使较多的自由电子聚集在金属导体的冷端，冷端成了负极，热端缺少电子，成了正极，因而冷、热两端之间产生了正、负电荷分离现象，即产生了一定的电位差。冷、热两端温差愈大，两端间的电位差也愈大。(6)1的正、负电荷分离据上原理，当1受到8加热，1受热面上将出现空穴(缺少电子)，带正电荷；1背热面上则聚集着较多的自由电子，带负电荷(见附图1、2)。(7)2的正、负电荷分离同理，2近热段出现了空穴(缺少电子)，带正电荷；2远热段则聚集着较多的自由电子，带负电荷(见附图1、2)。(8)3带负电荷因为3是与许多2连接为一体的，即3属于2远热段的延伸，因此3与2远热段一样，亦聚集着较多的自由电子，带负电荷(见附图2)。(9)热能对电子的定向推力的产生当将温度为2000K的惰性工质气体(内含钾或铯种子)从5以800-1000米/秒的速度射入6并直达11时，又以2300K的温度在8加热1受热面(1受热面在8内)。根据热传导理论，可知6内工质的温度此时已不是2000K，而是已上升为2100K左右。但当工质从6扩散至3时，工质温度却又下降到2000K左右了。即是说，在1与3之间已形成了由2300K向2000K左右逐渐递降的温度梯度。根据热传导理论，1一侧工质气体的动能，将向3一侧定向迁移，在此过程中，1发射的电子及内电路电子(6内惰性工质气体在2100K左右的温度下，产生了较弱的热电离，因此工质中已有少量的电子和正离子)亦随工质气体动能的定向迁移而获得定向加速(电子从1向3加速运动)。我将热能对电子的这种定向作用力，称之为热能对电子的定向推力。(10)洛仑兹力的产生我们知道，工质气流方向、磁力线方向和感生电流方向是互成直角的。当惰性工质气体从5一侧高速射向11一侧，途经6时因切割磁力线而产生感生电流。而感生电流的方向正是洛仑兹力的反方向，可知洛仑兹力的方向是由1指向3的(电子在洛仑兹力作用下由1向3加速运动)。(11)正电荷鞘层的形成7惰性工质气体中的钾或铯离子因受到2远热段所带电子负电荷的吸引力，将在2远热段表面附近空间，形成一层稳定的、薄薄的钾或铯离子薄层，即正电荷鞘层(见附图2)。
同理，由于3与2的远热段一样带负电荷，因而在3表面附近空间亦形成一层稳定的、薄薄的钾或铯离子层，即正电荷鞘层(见附图2)。(12)正电荷吸引力的产生由于2远热段和3聚集着较多的自由电子负电荷，因而将把惰性工质气体中的钾或铯离子吸附在其表面附近空间，并形成稳定的钾或铯离子薄层，即正电荷鞘层。本文所称的正电荷吸引力，正是由于这些正电荷鞘层的正电荷，对1发射的电子及内电路电子负电荷，产生了库仑长程吸引力而言。
正电荷吸引力将能大大加快1发射的电子及6内电路电子由1向2和3迁移的运动速度。而对电子的加速正是非平衡电离(非热电离)的成因。(13)阳极吸引力的产生所谓阳极吸引力，其值等于2近热段空穴所带正电荷对1发射的电子负电荷所产生的库仑长程吸引力，减去2远热段所带电子负电荷对1发射的电子负电荷所产生的库仑长程斥力。
产生阳极吸引力的根本原因是因为2与1相垂直，是因为2的方向与发电机内惰性工质气体的热传导方向相平行。这种方向的2，必然受热不均匀。根据上第3页“(5)”的原理。由于2近热段比2远热段更较近发电机的8，因此2近热段的温度＞2远热段的温度。此情况下，2近热段上快速运动的自由电子，将向2远热段迁移。当进入2远热段的快速电子与2远热段上运动较慢的电子之间发生碰撞时，将自己一部分动能传递给慢速电子后，速度就减慢了，最后以与它周围的自由电子几乎相同的速度运动。这样，从2近热段进入2远热段的自由电子，好像被“卡”在2远热段了，因而从2远热段进入2近热段的自由电子是非常少的。由此可见，与发电机内惰性工质气体的热传导方向相平行的2，受到如上不均匀加热后，将有较多的自由电子聚集在2的远热段，因而带负电荷；而在2近热段，由于出现了空穴(缺少电子)，因而带正电荷(见附图1、2)。
2之所以能对1发射的电子及内电路电子产生巨大的吸引力，大大加快电子由1迁至2和3的运动速度，并促进1顺利、大量发射电子，原因有以下两方面A、有利因素得到大发扬由于2与1相垂直，当2密集排列时(即7很狭窄)，发电机内所有2近热段上的空穴正电荷，便大集中于距离1较近的位置，即9距离1较近。根据库仑定律F＝Qq/εr2关于两点电荷之间的作用力与其距离的平方成反比的原理，9便必然要对1发射的电子及6内的电子负电荷产生很强的库仑长程吸引力。因而大大加快电子由1迁至2和3的运动速度，而对电子的加速正是非平衡电离(非热电离)的成因。B、不利因素得到大抑制由于2与1相垂直，当2密集排列时(即7很狭窄)，发电机内所有2远热段上的电子负电荷，便大集中于距离1较远的位置，即10距离1较远。好得很！这些在发电机内能对1发射的电子及6内电子产生同性相斥力，即具有阻碍、减慢1发射的电子及6内电子由1向2和3迁移的不利因素(亦即限制1大量、顺利发射电子的不利因素)，今已大集中于距离1较远的位置上去了。根据库仑定律F＝Qq/εr2关于两点电荷之间的作用力与其距离的平方成反比的原理，负电荷大集中于距离1较远的位置上(即10位于距离1较远的位置)，无疑将使1发射的电子及6内电子由1向2和3迁移的阻力大大减弱了。阻力既已得到减弱，电子便可加快由1向2和3迁移的运动速度了。而对电子的加速正是非平衡电离(非热电离)的成因。
总结以上A、B两方面的因素，即可得出结论
发电机所有2近热段上的空穴正电荷对1发射的电子负电荷所产生的总的库仑长程吸引力》(远远大于)发电机所有2.远热段上的电子负电荷对1发射的电子负电荷所产生的总的库仑长程斥力。
因而电子得以大大加快由1迁至2和3的运动速度。面对电子的加速正是非平衡电离(非热电离)的成因。以上就是阳极吸引力使工质气体产生非平衡电离的总根源。(14)原有的磁流体发电机因何没有阳极吸引力？答原因是它的3与1相平行，但却没有与1相垂直的2(见附图4)。假设原有的磁流体发电机3的厚度为0.5厘米，此情况下，3受热面与3背热面之间的正、负电荷分离的距离也就只有0.5厘米了。这样小的3正、负电荷分离的距离是谈不上有什么阳极吸引力的。因为决定阳极吸引力值的大小，有两个根本的要素①3正、负电荷分离的距离。②3空穴正电荷的密集程度和3电子负电荷的密集程度。(15)本发电机内惰性工质气体产生非平衡电离(非热电离)的成因由于6和7内惰性工质气体中的电子受到上述①洛仑兹力②热能对电子的定向推力、③正电荷吸引力和④阳极吸引力四个同方向作用力的共同作用而加速，使电子大大加快由1向2和3迁移的运动速度。当高速电子与惰性工质气体中尚未电离的钾或铯原子发生碰撞，因而又产生出更多的自由电子和钾或铯离子(即产生碰撞电离)，这就进一步提高了惰性工质气体的电离度和电导率。因此，本发电机内惰性工质气体虽仅有2300-2000K之间的温度梯度，但其电离度和电导率将达发电所必需的水平。(16)由FS-85合金制作的1、2和3，能耐受2300-2000K的温度梯度吗？发电机内的温度梯度虽为2300-2000K之间，但此时6中的惰性工质气体的平均温度为2100K左右。而在7中的惰性工质气体的平均温度，则仅有2000K左右。在此一温度下，使用FS-85合金(见上2页叙述)制作的2和3，是基本能够承受的，因而其连续工作的使用寿命较长。1虽长期经受2300K的高温，使用寿命相对较短，但对发电机仅单独一块的1作新旧更换是很容易办的。故从整个发电机的整体使用寿命而言，就可达到连续使用数千小时的期限，这对发电成本是重要的。因而本发电机已完全具备了大规模工业，民用发电的条件。(17)本发电机有两种发电方式I、磁流体兼热电子发电方式在上述四个同方向作用力的共同作用下，1发射的电子遵循电力线的轨迹由1迁移至2和3，并最后进入了2和3，称为磁流体兼热电子发电。
II、鞘层发电方式由于电子的扩散迁移速率远大于离子的扩散迁移速率。当7惰性工质气体中的各种粒子依靠粒子本身所具动能而进行无规热运动时(扩散时)，因惰性工质气体中电子的扩散速度比离子快得多，所以电子将首先扩散到达2和3的表面，电子将随即进入2和3。电子在7通过无规热运动的扩散作用而进入2和3的，称为鞘层发电。
等离子体在其固体容器内，等离子体中的电子由于扩散迁移速率远大于等离子体中的离子的扩散迁移速率，困此等离子体中的电子将首先扩散到达固体容器的壁面上形成一层德拜厚度的电子鞘层。由于鞘层发电类似于等离子体中的电子在其固体容器内的电子成鞘运动(电子扩散作用)过程，故称之为鞘层发电。
由于发电机2是密集排列的，发电机总的2表面积十分巨大，因此电子在7通过电子成鞘运动(电子扩散作用)而进入2和3的机遇极大，所以这种发电方式发出的总电量很大，值得高度重视。(18)本发电机所使用的惰性工质气体和钾或铯种子是反复循环使用的，因此回收率很高。(19)按照磁流体发电的理论，磁流体发电机的连续电极必须分段(见附图5)。
这个问题的解决办法是将1、2和3适当分成多段。使用耐高温、抗腐蚀和绝缘的材料制作的17，把1、2和3已分离的各段按原位置和方向重新夹持、固定成一整体。此时，17便作为1、2和3已分离各段的支撑、固定骨架。(20)为了充分利用8发出的热能来发电以提高热电转换效率，可把多个结构引发非平衡电离磁流体发电机以同一个8为中心对称地组合在一起。例如，两个结构引发非平衡电离磁流体发电机对称设在一个8的两侧，即两个发电机分别有各自的6，但共用同一个8发出的热能来发电(见附图6)I、设8内的温度为2300K[见上第4页“(9)热能对电子的定向推力的产生”一段论述]。
II、由于13与14的磁力线方向正相反，当将温度为2000K的惰性工质气体(内含钾或铯种子)以800-1000米/秒的速度和垂直于图纸的方向分别射入两个对称发电机的两个6内时，根据右手法则，可知对称于8的两个发电机各自产生的感生电流的方向是相反的。结果两个发电机各自的1发射的电子，分别由各自的1一侧迁向各自的2和3一侧。这正是我们所要求。
权利要求
1.由发电机的结构特征而引发的阳极吸引力(达到本发明目的的必要技术特征之一)。其特征是在发电机阳极基板(3)之上，连接着无数的垂直于阳极基板(3)、密集排列的阳极板(2)。阳极板(2)平面与发电机内工质热传导方向相平行、与阴极(1)平面相垂直，因而受热不均匀，所以在其近热段与远热段之间产生了一定的电位差。近热段带正电荷，远热段带负电荷。阳极板(2)近热段所带正电荷对阴极(1)发射的电子负电荷和内电路电子负电荷产生了库仑长程吸引力；阳极板(2)远热段所带负电荷对阴极(1)发射的电子负电荷和内电路电子负电荷产生了库仑长程斥力。因阳极板(2)近热段比其远热段更接近阴极(1)，根据库仑定律两点电荷之间的作用力与其距离的平方成反比的原理，可知上述的库仑长程吸引力＞上述的库仑长程斥力。所谓阳极吸引力，其值等于上述的库仑长程吸引力，减去上述的库仑长程斥力。因此，阳极吸引力能加快电子由阴极(1)一侧迁向阳极板(2)和阳极基板(3)一侧的运动速度。而对电子的加速是非平衡电离(非热电离)的成因，故能提高磁流体发电机的工质电导率和热电效率。
2.由发电机的结构特征而引发的正电荷吸引力(达到本发明目的的必要技术特征之二)。其特征是在发电机阳极基板(3)之上，连接着无数的垂直于阳极基板(3)、密集排列的阳极板(2)。阳极板(2)平面与发电机内工质热传导方向相平行、与阴极(1)平面相垂直，因而受热不均匀，所以在其近热段与远热段之间产生了电位差。近热段带正电荷，远热段带负电荷。阳极板(2)远热段所带负电荷对阳极板间隙(7)工质中正离子产生了吸引力，把正离子吸到其周围，因而在阳极板(2)远热段表面形成了一层稳定的正离子薄层，即正电荷鞘层。由于鞘正电荷对阴极(1)发射的电子负电荷和内电路电子负电荷产生了库仑长程吸引力，因而加快电子由阴极(1)一侧迁向阳极板(2)和阳极基板(3)一侧的运动速度。而对电子的加速是非平衡电离(非热电离)的成因，故能提高磁流体发电机的工质电导率和热电效率。
3.由发电机的结构特征而产生的鞘层发电方式(达到本发明目的的必要技术特征之三)。其特征是由于与阴极(1)平面相垂直的阳极板(2)平面是密集排列的，即相邻两阳极板(2)之间的空间——阳极板间隙(7)很狭窄，当宏观电中性的电离工质气体进入这样狭窄的空间后，工质中的电子依靠本身的动能在进行无规热运动的过程中，极其频繁地与其周围的阳极板(2)的表面相碰撞而进入阳极板(2)。由于发电机所有阳极板(2)总的表面积巨大，所以电子在阳极板间隙(7)通过这种方式进入阳极板(2)的机遇极大，即鞘层发电发出的总电量将很大。本发电机由于在磁流体发电方式的基础上又增加了鞘层发电方式，因而将大大提高总的热电转换效率。
全文摘要
本发电机属磁流体发电领域。其特征及用途是因密集排列的阳极板与工质热传导方向相平行，与阴极相垂直而受热不均，其冷热两端产生了电位差，热端带正，冷端带负。这种阳极板能对内电路电子产生吸引力。另外，阳极板冷端负电荷吸引工质中正离子，在其表面形成了正电荷鞘，而鞘正电荷亦对内电路电子产生吸引力。以上两个吸引力对电子加速使工质产生非平衡电离而提高磁流体发电的工质电导率。而发电机的结构特征又可产生新的鞘层发电方式。因而提高了热电效率。
文档编号H02N3/00GK1144986SQ96104410
公开日1997年3月12日 申请日期1996年4月9日 优先权日1996年4月9日
发明者徐贻诚 申请人:徐贻诚