(57)【要約】  本発明は、電極(29)を配置した反応室(19)で水素・酸素混合物もしくはブラウンガスを発生させるためのガス発生器(6)を有するエネルギー変換装置に関する。反応室(19)は軸心(18)に関して回転対称に形成されており、反応室(19)の内側境界面(20)が当該反応室(19)の外周(21)の領域で少なくとも部分領域的にガス発生器(6)の電極(29)の内側電極面(30,31)によって形成されている。
2007508454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極(29)を配置した反応室(19)で水素・酸素混合物もしくはブラウンガスを発生させるためのガス発生器(6)を備えたエネルギー変換装置であって、反応室(19)が軸心(18)に関して回転対称に形成されており、反応室(19)の内側境界面(20)が当該反応室(19)の外周(21)の領域で少なくとも部分領域的にガス発生器(6)の電極(29)の内側電極面(30,31)によって形成されていることを特徴とする、エネルギー変換装置。
【請求項２】
前記反応室(19)の外周(21)に対して接線方向に位置調整された、少なくとも1つの作業媒質(24)用の流入スリーブ(2)が当該外周(21)内に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項３】
ガス発生器(6)内に回転軸心(33)を有する回転体(32)が形成されており、当該回転軸心(33)が反応室(19)の軸心(18)に関して同軸的に位置調整されていることを特徴とする請求項1または2に記載の装置。
【請求項４】
前記回転体(32)は角速度(34)の値が10s-1〜25s-1の範囲にある回転を生み出すように構成されていることを特徴とする請求項3に記載の装置。
【請求項５】
反応室(19)を閉じている底板(22)および／または天板(23)内に流出口(26)が形成されており、当該流出口(26)が反応室(19)の軸心(18)に関して同軸的に配置されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置。
【請求項６】
前記流出口(26)が反応室(19)の軸心(18)の方向に対して平行に移動可能な吸入ランス(37)によって形成されていることを特徴とする請求項5に記載の装置。
【請求項７】
前記流出口(26)が吸入ホッパ(43)によって形成されていることを特徴とする請求項5または6に記載の装置。
【請求項８】
前記吸入ランス(37)内に相分離装置(44)が配置されていることを特徴とする請求項6または7に記載の装置。
【請求項９】
流出口(26)に接続している管(7)内に絞り弁もしくはバルブ(45)が配置されており、かつ反応室(19)が圧力容器として形成されていることを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１０】
ガス発生器(6)が音源(38)を備えていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１１】
前記音源(38)が25kHz 〜55kHz 、好ましくは38.5kHz〜41.5kHzの範囲の周波数、特に40.5kHzの音響を発生するように構成されていることを特徴とする請求項10に記載の装置。
【請求項１２】
前記音源(38)が反応室(19)の軸心(18)に関して同軸的に位置調整されていることを特徴とする請求項10または11に記載の装置。
【請求項１３】
反応室(19)の内側境界面(20)の少なくとも部分領域が、音響を集中させる反射板(39)として成形されていることを特徴とする請求項10〜12のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１４】
ガス発生器(6)が赤外源を備えていることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１５】
ガス発生器(6)が磁石(41)を備えていることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１６】
磁石の磁界方向が反応室(19)の軸心(18)の領域で回転体(32)の角速度(34)の方向に対して非平行に位置調整されていることを特徴とする請求項15に記載の装置。
【請求項１７】
作業媒質(24)用の圧力容器(4)が形成されていることを特徴とする請求項1〜16のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１８】
発熱装置(2)を備えた加熱装置(1)として構成されていて、発熱装置(2)の内室が焼結材料(17)によって形成されていることを特徴とする請求項1〜1７のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１９】
ガス発生器(6)、発熱装置(2)、熱交換器(3)、圧力容器(4)およびポンプ(5)が互いに接続されて、作業媒質(24)のための閉じた循環路を構成していることを特徴とする請求項18に記載の装置。
【請求項２０】
熱交換器(3)に当該熱交換器(3)から出る熱を排出するためのファン(14)が配置されていることを特徴とする請求項19に記載の装置。
【請求項２１】
運転状態を制御するための制御装置(13)が構成されていることを特徴とする請求項1〜20のいずれか1項に記載の装置。
【請求項２２】
自動制御のための制御装置(13)が構成されていることを特徴とする請求項21に記載の装置。
【請求項２３】
酸素と水素の混合ガスもしくはブラウンガスを用いてエネルギーを変換するための方法であって、軸心(18)に関して回転対称に形成された反応室(19)内に作業媒質(24)もしくは水を導入して、電極(29)間に電界(35)を印加し、その際に電界方向が反応室(19)の軸心(18)に対して直角に位置調整されていて、水を回転させるようになっており、さらに水の回転軸心(33)が反応室(19)の軸心(18)に関して同軸的に位置調整されていて、反応室(19)の軸心(18)の領域で形成された水素・酸素混合物もしくはブラウンガスが反応室(19)から排出され、水素・酸素混合物もしくはブラウンガスが水に再結合されるようにしたことを特徴とする、エネルギー変換方法。
【請求項２４】
反応室(19)内で水および／またはブラウンガスを磁界で付勢し、その際に磁気誘導(42)が反応室(19)の軸心(18)の領域で角速度(34)の方向に対して非平行に位置調整されることを特徴とする請求項23に記載の方法。
【請求項２５】
反応室(19)内で水および／またはブラウンガスを音響エネルギーで付勢することを特徴とする請求項23または24に記載の方法。
【請求項２６】
反応室(19)内で水および／またはブラウンガスを赤外線で付勢することを特徴とする請求項23〜25のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２７】
水およびブラウンガスを閉じた循環路内で搬送することを特徴とする請求項23〜26のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２８】
反応室(19)内で水の回転の角速度(34)を周期的に変化させることを特徴とする請求項23〜27のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２９】
循環路内の作業媒質(24)の圧力を周期的に変化させることを特徴とする請求項23〜28のいずれか1項に記載の方法。
【請求項３０】
反応室(19)内の音源(38)の音響強度を周期的に変化させることを特徴とする請求項23〜29のいずれか1項に記載の方法。
【請求項３１】
作業媒質(24)の圧力の周期的変化が音源(38)の音響強度の周期的変化に対して逆相で行われることを特徴とする請求項30に記載の方法。
【請求項３２】
作業媒質(24)の圧力および／または音源(38)の音響強度および／または角速度(34)の周期的変化の周波数の値を0.1Hz と10Hz の間の範囲で選択することを特徴とする請求項23〜31のいずれか1項に記載の方法。
【請求項３３】
発熱装置(2)内で水素・酸素混合物もしくはブラウンガスの再結合を行い、その際に形成される熱を水と一緒に排出することを特徴とする請求項23〜32のいずれか1項に記載の方法。
【請求項３４】
発熱装置(2)内でブラウンガスを焼結材料(17)に通して案内することを特徴とする請求項33に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項1および23の前提部に記載された特徴に従い、水素・酸素混合物もしくはブラウンガスを発生させるためのガス発生器を有する、エネルギーを変換するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第6443725号明細書により、ブラウンガスを周期的に燃焼させることに基づいて熱を発生させるための加熱装置もしくは方法がすでに知られている。ブラウンガスは、いわゆるブラウンガス発生器内で水を特殊な方法で電気分解することによって生成される。ブラウンガス発生器内で水を電解処理することにより、水は特殊な状態に移行して、解離した水素原子と酸素原子との混合体となる。米国特許第6443725号明細書に従い、ブラウンガスは燃焼室に供給され、燃焼された後に再び水素分子に戻る。次いで水素分子は赤外線を吸収することによって酸素と水素にイオン化される。
【０００３】
米国特許第4014777号明細書により、水素と酸素をブラウンガスとして生成させるための装置および方法が知られている。生成後、このブラウンガスは溶接または半田付けに使用される。ブラウンガス発生器の実施の形態では、電極板を直列に配置した電解セルが記載されている。これらの電極板は絶縁材料からなる管内に固定されており、それぞれ隣接する電極間に管の開口部が設けられている。管の端部領域にある電極は外方に向いて給電部と電気的に接触している。これらの管は電極と一緒に水素とKOHからなる溶液中に浸漬されている。管に設けた開口部を通って一方では溶液が電極間に進入し、他方では生成したガスが電極間から進出できる。この装置は従来型のガス溶接装置と比べて、水素と酸素が自動的に適切な比率で形成されて、中性的な火炎を発生できるという利点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、水素・酸素混合物もしくはブラウンガスを用いて高い効率でエネルギーを変換するための装置および方法を提供することである。本発明の別の課題は、水素・酸素混合物もしくはブラウンガスの形成時に高い生産性を達成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の上記の課題は、請求項1の特徴部に記載したエネルギー変換装置によって解決される。この装置の利点は、ガス発生器の反応室を回転対称に形成することにより電界と回転運動が同時に作業媒質に作用できるようにし、その結果としてブラウンガスの生成もしくはその生成率を増すことによって、より高い効率を達成できる点にある。
【０００６】
さらに、反応室の外周に対して接線方向に位置調整された、少なくとも1つの作業媒質用の流入スリーブが当該外周内に形成されているように構成することも好都合である。なぜならばこのように構成することにより、作業媒質が反応室内に流入する運動だけでも当該作業媒質の回転が得られるからである。
【０００７】
このエネルギー変換装置の別の構成において、ガス発生器内に回転軸心を有する回転体が形成されており、当該回転軸心が反応室の軸心に関して同軸的に位置調整されているか、または回転体が10s-1〜25s-1の範囲の角速度の値の回転を生み出すようにすると有利である。
【０００８】
反応室を閉じている底板および／または天板内に流出口が形成され、当該流出口が反応室の軸心に関して同軸的に配置されているようにしたエネルギー変換装置の別の構成は、反応室の軸心の領域で生成するブラウンガスをこの流出口から容易に吸入できるという利点がある。
【０００９】
流出口を反応室の軸心の方向に対して平行に移動可能な吸入ランスによって形成した構成は、反応室内で吸入ランスの挿入深さを調節して、流出口をブラウンガスの発生地点にできるだけ近く引き寄せることによって、反応室内で生成したブラウンガスと一緒に作業媒質が吸入される望ましくない現象を最小限に抑えることができる利点がある。
【００１０】
周波数が25kHz 〜55kHz 、好ましくは38.5kHz〜41.5kHz、特に40.5kHzの範囲の周波数の音響を発生するように構成された音源をエネルギー変換装置に装備すると、作業媒質をこの音響で付勢することにより、ブラウンガスの生成率を増すことができるという利点が得られる。
【００１１】
音源が反応室の軸心に関して同軸的に位置調整されているようにするか、または反応室の内側境界面の少なくとも部分領域を、音響を集中させる反射板として成形するようにした装置の構成も有利である。なぜならばこのようにすると軸心の領域で音響を集中させ、または軸心の領域で音圧を高めることができるからである。
【００１２】
さらに、ガス発生器が赤外源を備えてなるようにした装置の構成も有利である。なぜならば、作業媒質を赤外源で付勢することによってブラウンガスの生成にも肯定的な影響を与えることができ、またはブラウンガスの生成が加速されるからである。
【００１３】
ガス発生器が磁石を備えてなるか、または磁石の磁界方向が反応室の軸心の領域で回転体の角速度の方向もしくは反応室内への作業媒質の運動方向に対して非平行に位置調整されているようにエネルギー変換装置を構成することにより、両電極における酸素分子もしくは水素分子の析出が抑制されて、ブラウンガスの生成が助長される。作業媒質の回転運動の角速度に対して磁界方向を非平行に調整した磁石の磁界内で作業媒質が回転運動することにより、磁界によって作業媒質内のイオンに合成力が作用し、反応室の軸心に向かって延びる螺旋形の運動軌道をイオンに強いる。これにより、イオンが電極に接近して、そこで析出することが防止される。
【００１４】
エネルギー変換装置が作業媒質用の圧力容器を備えてなるように構成すると、装置内の作業媒質の圧力を最適に調整でき、それによってブラウンガスの生成率が助長されるので好都合である。
【００１５】
エネルギーを変換するための装置が発熱装置を備えた加熱装置として形成されて、発熱装置の内室が焼結材料もしくは焼結金属によって形成されているか、または満たされているように構成することも得策である。なぜならば、そうすることによってブラウンガスが焼結材料を貫流する際に再結合もしくは水への変換が比較的緩慢に行われ、露出火炎の生成が抑えられるからである。
【００１６】
ガス発生器、発熱装置、熱交換器、圧力容器およびポンプが互いに接続されて、作業媒質のための閉じた循環路を形成するように加熱装置を構成すると、作業媒質が循環路中に滞留でき、廃水もしくは残留物質の処分が必要ない点が有利である。それによって特に、作業媒質中に場合によって持ち込まれた電解質が徐々に消費され、もしくは失われるということが回避される。
【００１７】
熱交換器に当該熱交換器から出る熱を排出するためのファンが配置されているように加熱装置を構成することにより、熱交換器を貫流する空気量を変えることによって排熱の程度を制御できるという利点が達成される。
【００１８】
運転状態を制御する制御装置を備えるようにエネルギー変換装置を構成すると、装置の個々の構成要素のすべてのパラメータを集中的に調整できるという利点がある。
【００１９】
自動化された制御もしくはプログラムされた制御を行うように制御装置を構成することも有利である。なぜならば、それによって熱の最適な回収もしくはガス発生器内でのブラウンガスの生成のために運転状態の調整、特に自動化された補正制御が自動的に行われ得るからである。
【００２０】
本発明の課題は、請求項23に記載された特徴に従い水素・酸素混合物もしくはブラウンガスを用いてエネルギーを変換するための方法によっても独自に解決される。この方法により高い効率を達成できることが利点である。
【００２１】
反応室内で水および／またはブラウンガスを磁界で付勢し、その際に磁気誘導が反応室の軸心の領域で角速度の方向に対して非平行に位置調整されているように上記方法を構成すると、回転する作業媒質中に存在するイオンに磁界により回転運動の軸心に向けられた力の作用が及ぼされ、そうすることによって作業媒質の回転運動の軸心領域でブラウンガスの生成が促進される点が好都合である。
【００２２】
本方法の別の構成において、反応室内で水および／またはブラウンガスを音響エネルギーで付勢するか、または反応室内で水および／またはブラウンガスを赤外線で付勢することにより、ブラウンガスの生成率が高められるという利点が得られる。
【００２３】
本方法のさらに別の構成に従い、水および／またはブラウンガスを閉じた循環路内で搬送することも有利である。なぜならば、一方では残留物質を処分する必要がなく、他方では作業媒質もしくは水中に持ち込まれた電解質が消費されないからである。
【００２４】
ブラウンガスの生成率の最適化は、反応室内で水の回転の角速度を周期的に変化させるか、または循環路内の作業媒質の圧力を周期的に変化させるか、または音源の音響強度を周期的に変化させることによっても有利に実現できる。これに寄与するために、作業媒質の圧力の周期的変化を音源の音響強度の周期的変化に対して逆相で行うか、または作業媒質の圧力および／または音源の音響強度および／または角速度の周期的変化の周波数の値が0.1Hz と10Hz の間の範囲で選択することも可能である。
【００２５】
本方法のさらに別の構成に従い、発熱装置内で水素・酸素混合物もしくはブラウンガスの水への最結合が行われ、その際に発生する熱を水と一緒に排出させることも有利である。なぜならば、熱を輸送するための別個の媒体が必要ないからである。
【００２６】
発熱装置内でブラウンガスを焼結材料に通して案内するように方法を構成することにより、ブラウンガスが水に再結合する際に火炎の発生が起こらず、ブラウンガスの水への転化が比較的緩慢に行われるという利点が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の理解を高めるために、以下に本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２８】
最初に確認しておくと、種々異なる実施の形態において同じ部材には等しい参照符号もしくは部材名称を付けた。この場合、明細書全体に含まれている開示内容は、等しい参照符号もしくは等しい部材名称を付けた同じ部材にも準用され得る。また明細書中で選択された位置指示、たとえば「上」、「下」、「側方」なども、直接記載された説明と表示された図面を基準としており、位置が変化する場合もそれぞれ新しい位置に準用される。さらに図示および説明された種々異なる実施例に基づく個々の特徴または特徴の組み合わせは、それ自体で独自の発明的な解決または発明による解決と見なすことができる。
【００２９】
図1は、加熱装置1の設備概観図を空気加熱系のブロック回路図として示している。
【００３０】
加熱装置１は、エネルギー変換装置の一例を示すものであり、これを用いて以下に本発明について詳しく説明する。
【００３１】
発熱装置2、熱交換器3、圧力容器4、ポンプ5およびガス発生器6が互いに接続されて、作業媒質用の閉じた循環路を形成している。作業媒質として水が用いられ、ガス発生器6内で水素・酸素混合物もしくはブラウンガスに変換される。ブラウンガスは管7を通って発熱装置2に達し、そこでブラウンガスが水に変換されることによって熱が発生し、次いでこの熱は水と一緒に管8を通って熱交換器3に輸送される。この熱交換器3により熱は周囲の空気に放出され、その際に作業媒質もしくは水の温度が相応に減少する。熱交換器3と圧力容器4との間の管9、圧力容器4とポンプ5との間の管10、最後にポンプ5とガス発生器6との間の管11を通って冷却された水が再びガス発生器6に戻される。さらに加熱装置1は電力を供給するための電源装置12と制御装置13を備えている。熱交換器3による周囲空気への熱の放出は、さらにファン14によっても調節できる。このために流入する空気の温度を温度センサ15で測定し、排出される高温の空気の温度を温度センサ16で測定する。これにより熱交換器を貫流する空気の体積もしくは量と、両温度センサ15,16の温度差から、周囲空気に放出された合計熱量を把握できる。温度センサ15,16によって測定された温度を把握し、またファン14を操作もしくは調節するために、これらは制御装置13と接続していて、自動化またはプログラム制御により相応の調整を行うことができる。同様にポンプ5、圧力容器4およびまたガス発生器6は制御装置13と接続している。見やすくするために、制御装置13と加熱装置1の個々の構成要素との間の相応の信号線は図1には記入していない。
【００３２】
第1の実施例に従い、発熱装置2の内部は、開孔性の焼結材料17もしくは焼結金属で満たされている。ブラウンガスは管7を通って発熱装置2内に送られ、焼結材料17に開いた孔の非常に大きい内側表面において触媒作用により水への再結合もしくは変換が誘発される。水素・酸素混合物もしくはブラウンガスが水に変換する際に熱が遊離して、発生した水が蓄熱体もしくはエネルギー媒体として管を通って熱交換器3内に輸送される。この場合、焼結材料17中でブラウンガスの水への再結合が比較的緩慢に火炎を生じることなく進行する。
【００３３】
加熱装置1の別の実施例において、発熱装置2は燃焼室によって構成されており、管7と発熱装置2との間に火炎後退防止（図示せず）が設けられている。発熱装置2内で燃焼プロセスを開始させるために、発熱装置2は点火装置（図示せず）も装備している。
【００３４】
図2は、加熱装置１の詳細図としてガス発生器６の構造を概略的に示す。
【００３５】
ガス発生器6の内部は軸心18を中心にして回転対称に成形された反応室19によって構成されている。見やすくするためにこの反応室19のうち、破線で略示した外側境界面20のみ示す。この実施例に従い、反応室19は円筒状に形成されており、したがって境界面20は外周21と、円板状の底板22もしくは同様に円板上の天板23によって構成されている。
【００３６】
主として水からなる作業媒質24は管11を通って反応室19に送られる。その際に管11の流入スリーブ25もしくは反応室19への流入口は軸心18に対して接線方向に位置調整されている。管7内に移行する反応室19の流出口26は、反応室19の軸心18を中心に共軸的に配置または位置調整されている。反応室19の外周21には陽極27もしくは陰極28として構成された2つの電極29が配置されている。この場合、内側の電極表面30もしくは31は、反応室19の外周21の領域で少なくとも部分領域的に境界面20を形成している。すなわち、外周21の領域の境界面20は連続的に電極表面30もしくは31に移行しており、したがってこれらの面が共に円筒周面を形成している。このようにすることによって、作業媒質が電極表面30もしくは31の縁部を通って流れる際に作業媒質24の渦形成を避けることができる。すなわち作業媒質24は回転体32によって回転運動もしくは回転させられる。回転体32は底板22の領域に配置されており、その回転軸心33は回転室19の軸心18を中心にして共軸的に位置調整されている。回転体32の回転運動は、ベクトル方向34が反応室19の軸心18に対して平行に天板23に向かって位置調整された角速度34で行われる。そのため外周21の領域では、流入スリーブ25から接線方向に流入する作業媒質の運動と、反応室19内で回転運動をしている作業媒質の運動が同じ方向で行われる。これにより流入スリーブ25の領域で作業媒質が渦を形成することが回避される。回転体32もしくは当該回転体32を駆動する電動機は、回転が10s-1〜25s-1の範囲の値の角速度で行われるように構成されている。
【００３７】
陽極27と陰極28との間の電極29に電圧を印加することによって電界35が形成されると、作業媒質24中に存在するイオンが相応の運動をし、その結果として陽極27では酸素分子が形成され、陰極28では水素分子が形成される。通常の水の電気分解では電極表面30もしくは31で酸素もしくは水素が析出する。電気分解により変化した水の特殊な形態であるブラウンガスの生成について、ブラウンガスは両電極29の中間で生成し、したがって反応室19の軸心18の領域で気泡36の形で集合することが知られている。生成したブラウンガスの気泡36は、作業媒質24の回転運動に制約されて、反応室19の軸心18の領域に集中し、他方では反応室19内の浮力に制約されて流出口26に向かって上昇し、そのため容易に管７により吸入され得る。回転体32を用いて反応室19内に作業媒質24の回転運動を形成することにより、発生するブラウンガスの気泡36に力の作用が及ぼされ、それによって気泡はさらに反応室19の軸心18の領域に集中し、次いで生成したブラウンガスは流入口26もしくは管7を通して反応室19から吸入され得る。しかしまた他方で作業媒質の回転流により、電極29に向かう、もしくは電界35の方向に従うイオンの拡散運動が不断に転向運動を被り、それによって電極29における酸素分子もしくは水素分子の析出が防止もしくは抑制され、その反対に気泡36内におけるブラウンガスの生成が促進される。これによりガス発生器6内で生成するブラウンガスの収率は著しく改善される。
【００３８】
図3は、円筒状の反応室19を有する加熱装置1のガス発生器6の別の実施例を示している。
【００３９】
電極29は反応室19の外周21の内側に埋設されているので、内側電極表面30もしくは31は反応室19の内側境界面20と共に円筒面を形成する。反応室19を限定している底板22、天板23および外周21は、非導電性材料、好ましくはプラスチックから作られている。
【００４０】
管7に続いている流出口26は、天板23の領域で反応室19の軸心18に対してやはり共軸的に配置されている。これに加えて、吸入ランス37の前端領域に流出口26が形成されている。この吸入ランス37は反応室19の軸心18に対して平行な方向に移動可能に配置されているため、反応室19内に種々異なる程度に挿入され得る。吸入ランス37を適当に調整することにより、ブラウンガスの気泡36と一緒にごく少量の作業媒質34しか吸入されないようにすることができる。すでに説明したように、作業媒質24は流入スリーブ25を通って反応室19内に持ち込まれ、回転体32により角速度34に従って回転運動させられる。電界35と角速度34に従う回転運動が同時に作用することによって、ブラウンガスが気泡36内に生成し、これらの気泡36は吸入ランス37によって反応室19の軸心18の領域から吸入される。
【００４１】
図4は、反応室19内に音源38を配置した加熱装置1のガス発生器6の実施例を示す。
【００４２】
音源38は底板22の領域に、反応室19の軸心18を中心にして共軸的に配置されている。さらにこの実施例に従い、音源38は回転体32に取り付けられるようになっている。この音源38により周波数が25kHz 〜55kHz 、好ましくは38.5kHz〜41.5kHzの範囲の超音波が反応室19内に入射され、それによって作業媒質24を付勢する。特に40.5kHzの周波数が好ましいことが分かった。反応室39内に音源38を配置することに加えて、反応室19の内側境界面20は軸心18に対して平行な方向にも湾曲した面、この実施例では球面によって形成されている。すなわち、反応室19の内側境界面20の少なくとも部分領域は、音源を集中させる反射板39によって形成されている。それにより内側電極表面30もしくは31は、同様に反射板39の部分領域をなしている。球状に形成された反射板39によって、軸心18の領域に配置された音源と組み合わせて、音響を集中させる作用が達成される。この場合、反応室19の領域において軸心18の長さにわたって音圧が上昇もしくは集中する。反射板39は放物線状に成形されていないので、音響集中が唯一のポイントまたは焦点で行われず、反応室19内の軸心18の広い長さ範囲にわたって行われる。この軸心18の長さ範囲は、気泡36内におけるブラウンガスの生成が観察され得る範囲でもある。作業媒質24、もしくは軸心18の周囲でブラウンガスが気泡36として発生する領域を超音波で付勢することにより、ブラウンガスの生成を著しく強化できることが分かった。
【００４３】
音源38を回転体32に取り付けて、これと一緒に回転させることは必ずしも必要ではないが、他方でこれは、音源38の放射特性が軸心18に対して非回転対称でない場合は、回転体32と一緒に回転運動をすることにより、回転体32がそれぞれ1回転する度に音圧の空間的分布の時間的平均化もしくは均等化が行われるという利点がある。
【００４４】
図5は、音源40と磁石41を有する加熱装置1のガス発生器6の実施例を示す。
【００４５】
赤外源40が天板23の領域で境界面20内に埋設して取り付けられて、反応室19の領域で赤外線を放射する。作業媒質24を赤外線で付勢することにより、同様に気泡36中のブラウンガスの生成に対して肯定的な影響が引き起こされ、それによってブラウンガスの生成が加速され得ることが分かった。この作用にとって、赤外源が反応室19内に配置されている位置は決定的な意味を持っていない。本質的なのは、作業媒質24を赤外線で付勢すること自体である。
【００４６】
磁石41も同様に天板43の領域に配置されている。この場合、磁石41は、反応室19の軸心18の領域で磁気誘導42が角速度34もしくはその方向に対して非平行になるように位置調整されている。回転体32によって引き起こされる作業媒質24の回転と電界35との共同作用の下で、作業媒質24のイオンはほぼ円形軌道を案内される。磁界によって当該磁界中を移動する電荷に及ぼされる力に応じて、角速度34に対して非平行に位置調整された磁気誘導が、ほぼ反応室19の軸心18に向かう追加的な力を働かせる。この追加的な力の作用により、作業媒質24中のイオンは螺線形の軌道を強いられて、反応室19の軸心18にますます接近していく。したがって磁石41の力の作用により、作業媒質24のイオンが陽極27もしくは陰極28に到達し、そこで酸素分子または水素分子の生成を来たすことが防止され、他方でイオンが軸心18の領域に集中し、そこで気泡36中にブラウンガスが生成するプロセスが強化される。
【００４７】
このようにして加熱装置１によりブラウンガスによって熱を形成するための方法を実施できる。このために最初に軸心18を基準にして回転対称に成形された反応室19内に作業媒質２４もしくは水を導入して、電界35を印加する。このとき電界方向は反応室19の軸心18に対して直角に位置調整されており、作業媒質24もしくは水を回転させる。水の回転軸心は反応室19の軸心18を中心にして共軸的に位置調整されている。すなわち、他方で電界35の方向は水の回転軸心に対して直角に向けられている。後続の段階では、反応室19内で電界35および回転の影響により作業媒質24もしくは水から生成したブラウンガスが反応室19から導き出された後、発熱装置2内で水に再結合され、その際に排熱プロセスにより熱が放出される。発熱装置2内で生成した水は、好ましくは熱の輸送媒質としても使用され、発生した熱をこの水もしくは作業媒質24と一緒に熱交換器3に輸送する。この熱交換器3から出た作業媒質24もしくは水は圧力容器4およびポンプ5を通って再びガス発生器6に戻り、そこで再びブラウンガスの生成に提供される。したがって作業媒質24もしくは水は閉じた循環路で案内される。
【００４８】
圧力容器4を用いて循環路内の作業媒質24の圧力を加減できる。循環路内の作業媒質24の流速はポンプ5によって規定され、ブラウンガスの生成量に応じて加減される。ポンプ出力は、なるべく発生したブラウンガスだけが管7を通ってガス発生器6から導き出されるように調整される。これによりブラウンガスと一緒に管内に入る作業媒質24の割合は、できるだけ少なく抑えられる。加熱装置1の運転状態の種々のパラメータの調整は、好ましくは制御装置13でプログラム制御されて行われる。
【００４９】
加熱装置1のガス発生器6におけるブラウンガスの生成プロセスは、好ましくは音響エネルギーを追加的に作用させて行われ、音響エネルギーは音源38により超音波の形で作業媒質24に作用する。さらにブラウンガスの生成が、磁石41の磁界もしくは赤外源40の赤外線の作用下で行われるようになっていることが好ましい。音源38の音圧の調整も、赤外源40の赤外線および磁石41の磁気誘導42の強度も、好ましくは制御装置13によりプログラム制御されて行われる。
【００５０】
さらに、ブラウンガスによって熱を形成するための方法の効率は、循環路内の作業媒質24の圧力と音源38の音響強度のいずれも、最小値と最大値の間で経時的に上昇および下降するように、周期的に変化させることによって高められることが分かった。この場合、圧力の変化は音響強度の変化に対して不規則な周期で進行する。この圧力と音響強度の上昇および下降の経時的変化は、比較的緩慢に行われることができ、この変化の周波数の値は0.1Hz と10Hz の間の範囲にある。
【００５１】
図6は、ガス発生器6の別の実施例を示す。
【００５２】
反応室19の内側境界面20と電極表面30および31は、共に音源38から発生する音響を集中させる働きをする球面の内側を形成している。すなわち境界表面20と電極表面30および31は、一緒になって反応室19の軸心18の領域で音響エネルギーを集中させるための反射板39を形成している。境界面20に対して接線方向で、かつ反応室19の軸心18に対して直角に位置調整されている流入スリーブを通って、水が反応室19内に流入する。流入スリーブ25によって流入方向が指定されることにより、反応室19内にある水もしくは作業媒質は、反応室19の軸心18を回転軸心として行われる回転運動が与えられる。この場合、回転運動を形成するために別個の回転体は設けられておらず、流入する作業媒質の衝撃だけで十分である。
【００５３】
ガス発生器6のこの実施例では、吸入ランス37の流出口26が吸入ホッパ43によって形成されている。吸入ランス37はこの吸入ホッパ43に続いて相分離装置44も装備されている。この相分離装置44によって、液相の作業媒質が気泡36と一緒に上昇する水素・酸素・混合物もしくはブラウンガスから分離されて、反応室19内に留まることが達成される。さらに吸入ランス37に続く管7内に絞り弁もしくはバルブ45が設けられている。管7内にバルブ45および管11内にポンプ5(図1参照)を配置することにより、絞り弁もしくはバルブ45が作業媒質もしくは流出するガスに対してポンプ5によって形成された圧力に抗して相応の抵抗を生み出すことにより、反応室19は同時に圧力容器ともなる。
【００５４】
電界35と反応室19内で行われる作業媒質の回転運動とが協働することにより、反応室19の軸心18の領域で水素・酸素混合物もしくはブラウンガスが生成する。さらに音源38、赤外源40および磁石41の作用により、ガス発生器内におけるガスの生成率を高めることができる。この実施例に従い、天板23の領域にも底板22の領域にも磁石41が配置されており、それによって反応室19の軸心18の領域で磁界もしくは磁気誘導42の均一な分布が達成される。
【００５５】
この実施例では、ガス発生器6はエネルギー変換装置の構成部材であり、作業媒質もしくは水は閉じた循環路を案内されない。ガス発生器6によって形成された水素・酸素混合物もしくはブラウンガスは溶接に用いられる。溶接バーナの火炎内で水素・酸素混合物もしくはブラウンガスが燃焼した後に、生成した水蒸気が周囲に放出される。
【００５６】
本実施例はエネルギー変換装置の可能な実施態様を示しているが、ここで注記しておくと、本発明は特に上述した実施態様に制限されるものではなく、個々の実施態様を種々に組み合わせることも可能であり、本発明による技術的活動に関する教理に基づく種々の態様の可能性は、当該技術分野に従事する当業者の能力の範囲内にある。それゆえ、上に図示および説明された実施態様の個々の詳細を組み合わせることによって可能となる、考えられる限りの実施態様も保護範囲に含まれている。
【００５７】
最後に補足すると、エネルギー変換装置の構造を理解しやすくするために、この装置もしくはその構成部材は一部縮尺通りではなく、拡大したり、縮小したりして表現した。
【００５８】
本発明による独自の解決の基礎をなす課題は、明細書から読み取ることができる。
【００５９】
特に図1、図2、図3、図4、図5および図6に示されている個々の構成は、本発明による独自の解決の対象物をなしている。これに関する本発明の課題および解決は、これらの図面の詳細な説明から理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】加熱装置の設備の概観を空気加熱系のブロック回路図として示した概略図である。
【図２】加熱装置の詳細図としてガス発生器の構造を示した概略図である。
【図３】円筒状の反応室を有する加熱装置のガス発生器の別の実施例を概略的に示した断面図である。
【図４】反応室内に音源を配置した加熱装置のガス発生器の実施例を概略的に示した断面図である。
【図５】音源と磁石を有する加熱装置のガス発生器の実施例を概略的に示した断面図である。
【図６】ガス発生器の別の実施例を概略的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
1    加熱装置
2    発熱装置
3    熱交換器
4    圧力容器
5    ポンプ
6    ガス発生器
7    管
8    管
9    管
10    管
11    管
12    電源装置
13    制御装置
14    ファン
15    温度センサ
16    温度センサ
17    焼結材料
18    軸心
19    反応室
20    境界面
21    外周
22    底板
23    天板
24    作業媒質
25    流入スリーブ
26    流出口
27    陽極
28    陰極
29    電極
30    電極表面
31    電極表面
32    回転体
33    回転軸心
34    角速度
35    電界
36    気泡
37    吸入ランス
38    音源
39    反射板
40    赤外源
41    磁石
42    誘導
43    吸入ホッパ
44    相分離装置
45    バルブ
【図１】
2007508454.tif 000003
【図２】
2007508454.tif 000004
【図３】
2007508454.tif 000005
【図４】
2007508454.tif 000006
【図５】
2007508454.tif 000007
【図６】
2007508454.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成17年5月23日(2005.5.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極(29)を配置した反応室(19)で水素・酸素混合物もしくはブラウンガスを発生させるためのガス発生器(6)を備えたエネルギー変換装置であって、反応室(19)が軸心(18)に関して回転対称に形成されており、反応室(19)の内側境界面(20)が当該反応室(19)の外周(21)の領域で少なくとも部分領域的にガス発生器(6)の電極(29)の内側電極面(30,31)によって形成されているものにおいて、ガス発生器(6)内に回転軸心(33)を有する回転体(32)が形成されており、当該回転軸心(33)が反応室(19)の軸心(18)に関して同軸的に位置調整されていることを特徴とするエネルギー変換装置。
【請求項２】
前記反応室(19)の外周(21)に対して接線方向に位置調整された、少なくとも1つの作業媒質(24)用の流入スリーブ(2)が当該外周(21)内に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記回転体(32)は角速度(34)の値が10s-1〜25s-1の範囲にある回転を生み出すように構成されていることを特徴とする請求項2に記載の装置。
【請求項４】
反応室(19)を閉じている底板(22)および／または天板(23)内に流出口(26)が形成されており、当該流出口(26)が反応室(19)の軸心(18)に関して同軸的に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の装置。
【請求項５】
前記流出口(26)が反応室(19)の軸心(18)の方向に対して平行に移動可能な吸入ランス(37)によって形成されていることを特徴とする請求項4に記載の装置。
【請求項６】
前記流出口(26)が吸入ホッパ(43)によって形成されていることを特徴とする請求項4または5に記載の装置。
【請求項７】
前記吸入ランス(37)内に相分離装置(44)が配置されていることを特徴とする請求項5または6に記載の装置。
【請求項８】
流出口(26)に接続している管(7)内に絞り弁もしくはバルブ(45)が配置されており、かつ反応室(19)が圧力容器として形成されていることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の装置。
【請求項９】
ガス発生器(6)が音源(38)を備えていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１０】
前記音源(38)が25kHz 〜55kHz 、好ましくは38.5kHz〜41.5kHzの範囲の周波数、特に40.5kHzの音響を発生するように構成されていることを特徴とする請求項9に記載の装置。
【請求項１１】
前記音源(38)が反応室(19)の軸心(18)に関して同軸的に位置調整されていることを特徴とする請求項9または10に記載の装置。
【請求項１２】
反応室(19)の内側境界面(20)の少なくとも部分領域が、音響を集中させる反射板(39)として成形されていることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１３】
ガス発生器(6)が赤外源を備えていることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１４】
ガス発生器(6)が磁石(41)を備えていることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１５】
磁石の磁界方向が反応室(19)の軸心(18)の領域で回転体(32)の角速度(34)の方向に対して非平行に位置調整されていることを特徴とする請求項14に記載の装置。
【請求項１６】
作業媒質(24)用の圧力容器(4)が形成されていることを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１７】
発熱装置(2)を備えた加熱装置(1)として構成されていて、発熱装置(2)の内室が焼結材料(17)によって形成されていることを特徴とする請求項1〜16のいずれか1項に記載の装置。
【請求項１８】
ガス発生器(6)、発熱装置(2)、熱交換器(3)、圧力容器(4)およびポンプ(5)が互いに接続されて、作業媒質(24)のための閉じた循環路を構成していることを特徴とする請求項17に記載の装置。
【請求項１９】
熱交換器(3)に当該熱交換器(3)から出る熱を排出するためのファン(14)が配置されていることを特徴とする請求項18に記載の装置。
【請求項２０】
運転状態を制御するための制御装置(13)が構成されていることを特徴とする請求項1〜19のいずれか1項に記載の装置。
【請求項２１】
自動制御のための制御装置(13)が構成されていることを特徴とする請求項20に記載の装置。
【請求項２２】
酸素と水素の混合ガスもしくはブラウンガスを用いてエネルギーを変換するための方法であって、軸心(18)に関して回転対称に形成された反応室(19)内に作業媒質(24)もしくは水を導入して、電極(29)間に電界(35)を印加し、その際に電界方向が反応室(19)の軸心(18)に対して直角に位置調整されていて、水を回転させるようになっており、さらに水の回転軸心(33)が反応室(19)の軸心(18)に関して同軸的に位置調整されていて、反応室(19)の軸心(18)の領域で形成された水素・酸素混合物もしくはブラウンガスが反応室(19)から排出され、水素・酸素混合物もしくはブラウンガスが水に再結合されるようにしたことを特徴とする、エネルギー変換方法。
【請求項２３】
反応室(19)内で水および／またはブラウンガスを磁界で付勢し、その際に磁気誘導(42)が反応室(19)の軸心(18)の領域で角速度(34)の方向に対して非平行に位置調整されることを特徴とする請求項22に記載の方法。
【請求項２４】
反応室(19)内で水および／またはブラウンガスを音響エネルギーで付勢することを特徴とする請求項22または23に記載の方法。
【請求項２５】
反応室(19)内で水および／またはブラウンガスを赤外線で付勢することを特徴とする請求項22〜24のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２６】
水およびブラウンガスを閉じた循環路内で搬送することを特徴とする請求項22〜25のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２７】
反応室(19)内で水の回転の角速度(34)を周期的に変化させることを特徴とする請求項22〜26のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２８】
循環路内の作業媒質(24)の圧力を周期的に変化させることを特徴とする請求項22〜27のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２９】
反応室(19)内の音源(38)の音響強度を周期的に変化させることを特徴とする請求項22〜28のいずれか1項に記載の方法。
【請求項３０】
作業媒質(24)の圧力の周期的変化が音源(38)の音響強度の周期的変化に対して逆相で行われることを特徴とする請求項29に記載の方法。
【請求項３１】
作業媒質(24)の圧力および／または音源(38)の音響強度および／または角速度(34)の周期的変化の周波数の値を0.1Hz と10Hz の間の範囲で選択することを特徴とする請求項22〜30のいずれか1項に記載の方法。
【請求項３２】
発熱装置(2)内で水素・酸素混合物もしくはブラウンガスの再結合を行い、その際に形成される熱を水と一緒に排出することを特徴とする請求項22〜31のいずれか1項に記載の方法。
【請求項３３】
発熱装置(2)内でブラウンガスを焼結材料(17)に通して案内することを特徴とする請求項32に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
米国特許第4014777号明細書により、水素と酸素をブラウンガスとして生成させるための装置および方法が知られている。生成後、このブラウンガスは溶接または半田付けに使用される。ブラウンガス発生器の実施の形態では、電極板を直列に配置した電解セルが記載されている。これらの電極板は絶縁材料からなる管内に固定されており、それぞれ隣接する電極間に管の開口部が設けられている。管の端部領域にある電極は外方に向いて給電部と電気的に接触している。これらの管は電極と一緒に水素とKOHからなる溶液中に浸漬されている。管に設けた開口部を通って一方では溶液が電極間に進入し、他方では生成したガスが電極間から進出できる。この装置は従来型のガス溶接装置と比べて、水素と酸素が自動的に適切な比率で形成されて、中性的な火炎を発生できるという利点がある。
国際公開第03/066935号パンフレットに記載されているブラウンガス発生器は、電解槽内部の種々異なる箇所で互いに独立にブラウンガスが生成されるようになっている。種々異なる各々の領域に給水および水冷が設けられているため、電解槽の温度は最適な水準に保たれ、ブラウンガス発生の効率が高まる。このWO-A明細書の図1には、外周内に電極を同心円状に配置した従来型のブラウンガス槽が示されている。水もしくはブラウンガスの供給もしくは排出は、軸方向に配置された供給路もしくは排出路を通して行われる。
国際公開第00/66811号パンフレットは、国際公開第03/066935号パンフレットに非常によく似た、ブラウンガス発生器もしくは水を電気分解するための電解槽を開示している。電解槽内では短時間で大量の水が酸素ガスと水素ガスとに分解される。電解槽は直流電源と接続された酸素発生器と水素発生器を有している。さらに混合ガスの不純物を除去するためにフィルタが設けられている。
【国際調査報告】
2007508454.tif 000009
2007508454.tif 000010
2007508454.tif 000011
2007508454.tif 000012
2007508454.tif 000013
2007508454.tif 000014