(57)【要約】  陽極及び陰極の間に存在するプラズマアークを用いる本発明による熱エネルギーの生成方法は、融合プロセスに適した軽元素に電気エネルギーを供給してプラズマ状態とし、プラズマ中で生成した微粒子を拡散させ、金属格子において融合プロセスを可能とするのに適した金属を陽極として用いる。本方法を用いた設備は高効率で運転できるので、従来は化石燃料及び／又は再生燃料及び／又は合成燃料に頼っていた全ての場所において、熱エネルギーを直接又は他のエネルギー形態に変換して使えるようになった。
2009509130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極及び陰極の間に存在するプラズマアークを用いて熱エネルギーの生成方法であって、
融合プロセスに適した軽元素に電気エネルギーを供給してプラズマ状態とし、
プラズマ中で生成した微粒子を拡散させ、金属格子において融合プロセスを可能とするのに適した金属を陽極として用いることを特徴とする熱エネルギーの生成方法。
【請求項２】
所望のプラズマ状態を生成するために、３Ａ以上の電流を用いることを特徴とする請求項１に記載の熱エネルギーの生成方法。
【請求項３】
固体及びプラズマ中の電位を変化させる迅速に変化する電流インパルスをプラズマに衝突させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱エネルギーの生成方法。
【請求項４】
十分な時間に渉って、プラズマ中に微粒子が生成される温度及び密度条件に保持されるのに十分な電流値のインパルス及びインパルス幅が用いられることを特徴とする請求項３に記載の熱エネルギー生成方法。
【請求項５】
プラズマアークは、連続的な電流の代わりに、単位時間当たり十分な頻度のインパルスにより駆動されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の熱エネルギーの生成方法。
【請求項６】
コンデンサを備えた高圧電源及び火花ギャップにより前記インパルスが生成されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の熱エネルギーの生成方法。
【請求項７】
前記プラズマアークに、イオンプラズマ周波数よりも低い周波数の高周波の形でエネルギーが投入付加されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の熱エネルギーの生成方法。
【請求項８】
連続的に所定の水素同位体が負荷されたパラジウム製の陽極に、融合に適した別の同位体を衝突させることを特徴とする請求項７に記載の熱エネルギーの生成方法。
【請求項９】
陽極からの電流が最小となるように、条件が調整されることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の熱エネルギーの生成方法。
【請求項１０】
前記陽極が冷却されることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の熱エネルギーの生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーにより軽元素を解離、イオン化させて融合させる熱エネルギーの生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマアークを用いて、電気エネルギーを供給することにより水蒸気を水素と酸素に解離させ、水素イオンを得る炎の生成方法については欧州特許出願公開第０９１９３１７Ａ１号明細書に開示されており、この方法は金属の熱間加工に用いられる。この方法では水蒸気がノズルにより電極室へ送られ、そこに電気エネルーを供給することによりプラズマアークが点火される。商業的には、ピストル型のプラズマバーナーはこの方法に基づいた装置であり、通常の電力網から電源装置を介して電気エネルギーが供給される。バーナー管の内部の陽極ノズルと陰極との間に電気アークが生じ、そこに在る水蒸気をプラズマ状態へと転移させる。水分子は解離し、イオン化され、形成された圧力によりプラズマ線としてバーナーノズルから放出される。このプラズマ線を用いて、金属の切断、溶接、半田付け及びその他の熱間加工を行うことができる。基本的には、プラズマバーナーは、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、煉瓦、コンクリート、セラミックを含むレーザ光で加工できる不燃性の素材が適している。
【０００３】
欧州特許第４６３０８９Ｂ１号明細書にはいわゆる低温融合において、電解により重水素を結晶構造の格子内に送り、格子を崩壊させることなく核融合による熱の生成が可能であることが記載されている。そこには、電解に関連して、原料及び反応生成物の物理的過程も記載されている。そこに記載されたプロセスは過去に学術的に研究されたものであり、従って当該分野の専門家には標準的な知識に属するものである。
【０００４】
この提案に基づいて、多くの研究及び提案が為されたが、知る限りにおいては、ガス、石油、石炭あるいはウランなど、直接に熱生成するとか、発電するとか、機械的な駆動などへと転換して、自在に生成エネルギーを多岐に渉って使用できる、従来のエネルギー源のように一般化された提案は無い。このことは、大規模な設備、家庭用の小規模な設備でも提案されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の課題に基づいて、低温融合熱を用いて、小型の設備においても熱の生成を可能とする方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の課題は、主請求項に記載の特徴によって解決される。更に、その従属請求項には発展した形態が記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明によれば、融合プロセスに適した軽元素に電気エネルギーを供給することによりプラズマ状態とすることが可能な熱エネルギーを生成させる陽極と陰極（極性は交換可能）の間に在るプラズマアークが利用される。このため、プラズマ中に生成された微粒子を拡散させ、金属格子中において融合プロセスが可能となる金属性の陽極が用いられる。
【０００８】
２つの電極間に存在するプラズマアークは電気エネルギーにより直立に保持される。プラズマアークは、水素、重水素又は３重水素原子及びそれらのイオン並びにリチウム原子及びそのイオンのような核融合に必要な元素を含む素材の雰囲気中に直立に保たれる。その際の原料物質として、同位体を伴う単純な水、又は効率を高めるために、重水、３重水素に置換した２重水素水及び／又はそれらと通常の水との混合物であってもよい。要求される軽い元素は固体、液体又は気体として調整し、プラズマアークの近傍に送られる。気体の場合には、直接に吹き込まれ、液体の場合には、例えばプラズマアークの熱による気化の工程が必要となる。プラズマアーク中では、これらの微粒子はプラズマ状態となり、プラズマ中において十分な量が生成し、陽極へ向かう適切なイオン流（Ｈ＋、Ｄ＋、Ｔ＋、Ｌｉ＋….但しＯ＋又はＮ＋は含まない）が可能となるように、３A以上の電流により運転される。イオンは陽極を通過した後、所定量のエネルギーが陽極に衝突し、陽極におけるイオン密度が極めて高くなることが期待できる。
【０００９】
金属格子を備えている素材を用いて陽極を製造すると、余剰の熱が生成し融合プロセスが可能となる。この場合、陽極は全体がその素材でもよいし、被覆されたものでもよい。基本的には、周期律表の８族及び４A族の金属又その合金が陽極の素材に適している。特に、パラジウム、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム及びその合金が重要である。陽極に向かって移動する微粒子は陽極の素材の格子内に拡散し、そこで文献に記載の核融合を引き起し、それにより熱を生成する。生成した熱は、専門家に周知の種々方法、例えば流動性媒質を用いて搬出することができるので、直接的又は間接的に多様な方法により、例えば電気又は機械エネルギーに変換することができる。
【００１０】
特のパラジウムの電子の仕事関数は他の素材と比較して高く５．６ｅＶであり、陽極の素材に適している。陽極の冷却に際して、陽極の熱によって生成した電流はプラズマアークに妨げられ、プラズマアークは熱エネルギー生成プロセスには全く寄与しないか、むしろ妨害するので、陽極中において核融合を喚起させる陽極へ向かう微粒子の流れは生じないか又は妨げられる。他の素材を用いて同様な結果を得るためには、冷却効率が低いので、陽極からの電極流を防ぐか又は可能な限り少なくすることが必要である。
【００１１】
陽極の形状及び大きさ並びに陽極を流れる電流密度が、金属の所定の電位により生成する熱量を決定する。陰極も上記と同じ素材をメッキするか又は同じ素材で製造してもよい。しかし、代わりに、好ましくない反応が生じないように、白金、ニッケル、炭素又は銅のように工程の部品とは反応しない任意の導電性素材用いてもよいと思われる。プラズマとの相互作用を行う陽極の大きな面に対する陰極の好ましい構成が得られる。
【００１２】
別の好ましい構成は、プラズマに電流のインパルスを与えることである。電流のインパルスは連続電流の代わりか又は連続電流に付加して、短時間の間、電流値を極めて高くすることによりプラズマアーク内の温度が高くなるので、所望の微粒子を大量に生成でき、上述したように陽極への微粒子流が周囲と作用し、陽極素材と核融合が生じ、プラズマアークの駆動に必要な熱よりも大量の熱エネルギーが生成される。アークを駆動する電流の強さに対応して、マイクロ秒から秒の間、インパルスを持続させる。必要な温度を得るために、例えばパラジウムでは、電流インパルスは、６０Aの電流において１マイクロ秒でよい。電流の強さ及びインパルスの持続時間に応じて、水素の同位体（Ｈ＋、Ｄ＋、Ｔ＋、…）又は適当な他のイオン（Ｌｉ＋）が生成され、核融合に供される。その際、当然ではあるが、陽極素材が破壊されないような電流強度を選択する必要がある。電流インパルスには次の３通りの作用がある。第一は微粒子Ｄ＋、Ｔ＋を生成させる上述した短時間の加熱、第二は好ましくない電流による熱的に不活性な電極素材が強く加熱されることを防ぎ、更に、融合プロセスの効率を高めることにあるので、高電流におけるパラジウム結晶内の融合プロセスは、固体内及びプラズマ内における迅速な電流変化及びそれに伴う迅速な（マイクロ秒オーダー）電位変化に対し効果的である。
【００１３】
更に発展させた方法によれば、連続的な電流の代わりに、単位時間当り十分な頻度のインパルスでも、プラズマアークを駆動することができる。この場合、周波数が高いので、連続的駆動用電圧を負荷しなくても駆動できるように先行するインパルスの残光（アフターグロウ）中のプラズマアークは既に直近のインパルスを含んでいる。
【００１４】
好適な発展形態によれば、電流インパルスは、コンデンサ及び切換式火花ギャップを備えた高圧電源を介して生成される。その際、必要最小限のインパルス時間により必要最小限の電流強度が継続的に維持できるように、十分に高い容量のコンデンサを用いることが好ましい。
【００１５】
更に、プラズマアークに高周波の形でエネルギーを投入付加することが好ましい。それぞれの水素の同位体又はその他の融合すべき適当な同位体のイオンプラズマ周波数ωｐｉ（ｉ＝Ｈ＋、Ｄ＋、Ｔ＋）での、高周波のエネルギーの投入となるので、融合プロセスに有効に作用するように、エネルギーが高められる。高周波場の周波数ωＨＦが、各々のイオンプラズマ周波数ωｐｉより低く選定されると、１００ｅＶ〜１０００ｅＶのイオンを陽極のパラジウム表面に衝突させことを可能とし且つ融合プロセスを増大させる高周波の表面層がプラズマと陽極表面の間に生成する。プラズマ光の高周波鋸歯状変調のような電位の変更プロセスは、表面層の生成にも適している。
【００１６】
全てのプラズマ及び固体において電位の比率が高速で変化することにより、マイクロ秒オーダーにおいて融合プロセスに有効に作用する。これは、外部から加えられた電位によるか、又はプラズマ光の固有な高周波鋸歯変調のような固有の電位の変化過程により引き起こされる。
【００１７】
エネルギーに富んだ水素の同位体の連続的な衝突及びマイクロ秒オーダーで高速に変化する（プラズマ及び固体における）電位の比率が、時間的に相互に起こる場合、特に２つ事象が同時に起こる場合には、融合プロセスは極めて効果的である。
【００１８】
更に、例えば、Ｄ−Ｄ又はＤ−Ｔの様に的を定めて特別な反応が起こるように、好ましくはパラジウムの陽極は、先ず連続的に所定の水素同位体が負荷され、次いで別の融合に適した同位体を衝突させる。
【００１９】
陽極素材は、表面ばかりでなく全体が、適当な方法により冷却される。例えば、陽極は原料元素により冷却され、その元素は気化されプラズマ状となる。同様に、プラズマへ原料元素を別に投入して、陽極を積極的な冷却することも可能である。陽極が低い最適な温度に保持されると融合プロセスは特に効果的である。陽極素材からの電流が最小となるように、条件が調整されることが好ましい。このことは、可能な限り高い仕事関数及び冷却効果を有する融合に適した、パラジウム又は別の素材などを選択することにより達成できる。
【実施例】
【００２０】
以下、図面を用いて本発明による実施例を説明する。
【００２１】
既に説明したように、専門家には周知のやり方及び方法のよって、余剰のエネルギーが取り出される。図１には、方法を実施するための模範的な配置であり、余剰のエネルギーは炎の形で取り出されるように図示されている。絶縁体９により互いに絶縁された陰極３及び陽極４を有する燃焼室１内に、例えば水蒸気のような、適当な媒質が在る。プラズマアークを安定化させるために、水蒸気を旋回させながら燃焼室１に導入することは、文献から周知である。陰極３には、プラズマアーク１０から生成した炎の取り出しノズル２が備えられている。取り出しノズルは用途に応じて適当な形状（例えば、ラバルノスル）を有する。電極は、標準的な操作におけるプラズマアークに必要なエネルギーを供給する切換え電源５に連結される。コンデンサ又はコンデンサ式電池７及び高圧電源８は、火花ギャップ６を介して切換え電源５に並列に連結されている。
【００２２】
冒頭に述べた熱間加工装置として供されるマルチプラッツ，アーゲー社の市販装置（Multiplatz 2500）を用いて、本発明を試験的に実施した。この装置では、水を用い、（約１５０〜２５０Ｖの直流成分を有し、約２５ＫＨｚの）鋸歯状電圧を有するプラズマアークを直立に保持した。１μＦのコンデンサ７を備えた高圧電源８を付け加えることにより、火花ギャップ６を介して、例えば約１−２マイクロ秒の時間において６０Ａとなるパラジウム陽極では、プラズマ中に適当な電流強度の駆動電圧とするインパルスが生成される。これにより、従来よりも高出力が生成できるようになった。
【００２３】
この方法により、熱を安価に生成することが可能となり、従来は化石燃料及び／又は再生燃料及び／又は合成燃料に頼っていた全ての場所において、熱エネルギーを直接又は他のエネルギー形態（機械エネルギー、電気エネルギー）に変換して使えるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による融合プロセスの構成を示す図
【図１】
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【国際調査報告】
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