專利名稱：電磁水制氣機的制作方法
電磁水制氣機應(yīng)用的是化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)，是對理想氫能源的開發(fā)。
目前，能源處于危機狀態(tài)，加之常規(guī)能源對大氣、土壤的污染，給生產(chǎn)和人們生活帶來許多危害。開發(fā)、利用理想能源是急待解決的課題，是時代的要求。特別是產(chǎn)源豐富、含能高、無污染的新能源。無論從環(huán)境效益還是社會效益上講都是最理想、最有發(fā)展前景的能源。氫氣便是這種能源之一，而且氫氣還有其它廣泛用途，在冶金工業(yè)、電子工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等部門都顯示了它的獨特化學(xué)性質(zhì)。自然界中氫主要以化合物形式存在，其中水是含氫最多的化合物，而水資源是自然界最豐富的資源，地球表面的70.8%是水資源，開發(fā)、利用氫氣有雄厚的水資源為基礎(chǔ)。目前，工業(yè)中分解水是直接在電場中進行，鍵的打開和離子氧化還原反應(yīng)都是靠電場能來完成，而且鍵是靠電場能直接打開的，需要消耗很大電能才會把氫鍵和氫氧鍵打開，鍵的離解速率慢，從而水分解也慢。有的往水中投加某種電解質(zhì)，來增強水的導(dǎo)電性，水分解會快些;但隨著電解質(zhì)的不斷加入，會有副產(chǎn)品生成，因而額外消耗了部分電能，近而影響氫氣和氧氣的生成。普通法分解水耗能高、產(chǎn)量低。不能使氫氣大批量工業(yè)化生產(chǎn)，限制了理想氫能源的普及應(yīng)用。
本發(fā)明目的要解決當(dāng)前工業(yè)中電解水耗能大、產(chǎn)量低問題;使理想氫能源大批量工業(yè)化生產(chǎn)，緩解能源危機，減少常規(guī)能源對環(huán)境的污染。
普通法分解水，無論直接利用電場能，還是向水中投加某種物質(zhì)，都是從外界因素著手的，而沒有同時從內(nèi)在因素-水分子結(jié)構(gòu)及其鍵的結(jié)構(gòu)著手。電磁水制氣機則是從內(nèi)、外兩方面因素著手。電磁水制氣機包括磁化系統(tǒng)和電解室兩部分。分解水是兩步完成的，先往水中加電子，將含電子的水經(jīng)磁化系統(tǒng)處理，把分子間氫鍵及其內(nèi)部氫氧鍵打開，鍵不是直接打開的，是分步進行的;然后把含有H3O+、OH-離子的水注入電解室，在電場和脈沖強磁場共同作用下使離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)。
磁化系統(tǒng)既參與鍵的離解又參與了離子反應(yīng)，是電磁水制氣機的核心部分，它由方形螺旋管、磁單體、電容放電式脈沖磁化裝置、電子發(fā)生器、導(dǎo)水泵及制冷設(shè)備組成。磁化系統(tǒng)是這樣分步打開鍵的將水注入方形螺旋管內(nèi)，在泵的推動下，以一定速率在管內(nèi)循環(huán)流動。電子發(fā)生器供給水電子，水分子帶有電荷。在脈沖強磁場作用下，水分子中的氫核會吸附電子發(fā)生器提供的電子。這是由于，一方面水分子結(jié)構(gòu)特點，在水分子中氫與氧以共價鍵結(jié)合，氧的電負性較大，電子對被強烈地引向氧的一方，而使氫顯正電性，同時氫原子用自己唯一電子形成共價鍵后，已無內(nèi)層電子，氫核半徑這時很小，易得電子;另一方面，當(dāng)水流經(jīng)磁單體時，含電子的水相當(dāng)于導(dǎo)體，與方形螺旋管中直螺紋管的特殊裝置構(gòu)成閉合回路。當(dāng)磁單體上產(chǎn)生脈沖強磁場時，流經(jīng)磁單體區(qū)域的水，在垂直水流方向上會有強感生電流通過，使水分子中(水分子空間結(jié)構(gòu)
)趨向分子兩端的氫、氧原子阻顯電性不同而受到瞬時相反方向的強大磁力作用，使得氫、氧原子向分子兩端運動，這樣極性水分子的極性更加明顯;而氧原子的電負性較大于氫，使鍵電子被吸向氧的一方，從而鍵電子在氫核周圍出現(xiàn)的機會急劇減少，這時的氫核接近裸露態(tài)，正電性更強，更易得電子。從氧原子這方面來說，氧原子這時負電性增強，氧已達8個電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，若再附加一個電子要克服電子間排斥力而消耗一定能量，因此氧原子再得電子是難的;況且氫氧都是非金屬，電負性值(氧為3.44，氫為2.20)相差并不懸殊，即對電子吸引能力相差不大。否則會形成離子鍵，而不是共價鍵。
上述兩方面因素同時存在，使水分子中氫核得到電子發(fā)生器提供的電子。當(dāng)氫核吸附電子發(fā)生器的電子后，會使氫氧鍵及氫鍵的作用力減小。因磁化系統(tǒng)采用的是脈沖電流，產(chǎn)生的是脈沖強磁場，并且?guī)в幸欢ㄖ芷谛?，這樣使水分子的氫氧鍵及氫鍵處于松馳狀態(tài)，水分子空間結(jié)構(gòu)趨向解體。
接下來是鍵的斷裂一方面，極性水分子空間結(jié)構(gòu)為
，氫、氧原子趨向分子兩端，特別是當(dāng)水分子中氫核吸附電子發(fā)生器的電子后，鍵的作用力減小，使極性水分子的極性明顯化。如前面所述，水流經(jīng)磁單體時，在垂直水流方向上產(chǎn)生的感生電流會更強，使極性水分子中的氫、氧原子受到瞬時強磁場力也越大。由于氫、氧原子顯電性不同而受到相反方向的洛侖茲力作用，使得氫、氧原子向分子兩端運動，力的方向垂直磁力線，力值為eBV牛頓，其中e為基本電荷電量為1.6×10-19庫侖;B為磁感應(yīng)強度，B＝Ur·Hm，Ur為軟磁性材料坡莫合金的磁導(dǎo)率，Ur＝105，Hm為磁場強度，Hm≥5×107安培/米(Hm值由脈沖電流、線圈及磁單體材料確定);V為水在直螺紋管內(nèi)流速，V≥1米/秒，這樣水分子中氫、氧原子受到最小洛侖茲力是8.0×10-7牛頓。
在水分子中，氫、氧原子以共價鍵結(jié)合，而共價鍵是沿原子軌道最大重疊的方向形成，也就是說，軌道重疊越多，鍵電子在兩核間出現(xiàn)機會越多。由于氧原子的電負性大于氫，鍵電子在兩核間出現(xiàn)主要呈氧核對鍵電子的引力(指合力而言)。若有一個作用在氫核上的力大于氧核對氫核電子的引力，那么氫核便會擺脫氧核的束縛。使O-H鍵離解。前面說過，水流經(jīng)磁單體時，水分子中氫原子受到強大洛侖茲力，值為8.0×10-7牛頓。氧核對氫核電子的引力F= (Z＊e2)/(r2) Z＊為有效核電荷，Z＊＝Z-δ，Z為核電荷數(shù)，δ為屏蔽常數(shù)，δ＝0.35，e為基本電荷。K為靜電常數(shù)，r為共價半徑，r為4.95×10-11米，這樣F約為7.25×10-7牛頓，小于氫原子受的洛侖茲力，即水分子中氫、氧原子向分子兩端運動的力大于水分子中氫、氧以共價鍵結(jié)合力，從而使O-H鍵離解。由于氫鍵中氫、氧的結(jié)合力小于水分子內(nèi)氫、氧以共價鍵結(jié)合力，所以氫鍵也會離解。
另一方面，水分子中各電子的自旋和繞核運動會產(chǎn)生分子磁場，它可用一個等效園電流-分子電流表示，在脈沖強磁場作用下，分子電流的法線方向趨向于外磁場方向，外磁場強度越強這種趨向性也越強，而分子電流法線方向的改變是通過分子轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的，這樣水分子要在平行磁力線的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，這種轉(zhuǎn)動與水分子中氫、氧原子受到的洛侖茲力是同時進行的而方向垂直，從而使水分子空間結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲，由于是脈沖強磁場作用，因而有利于鍵的離解，使鍵的斷裂速度加快。
考慮能量的損失和其它干擾因素的存在，水中會有部分鍵未被打開，但隨著水在方形螺旋管內(nèi)的循環(huán)流動，在周期性脈沖強磁場作用下絕大部分鍵斷裂。
電磁水制氣機的電解室置于磁化系統(tǒng)中方形螺旋管內(nèi)，離子的氧化還原反應(yīng)在電解室進行。將磁化系統(tǒng)處理的，含有H3O+·OH-離子的水-離子水注入電解室，在水波輪的作用下離子水順時針流動。由于電解室在方形螺旋管內(nèi)，電解室內(nèi)磁力線方向自下而上，這樣運動的離子在受電場力作用同時還受到方向一致的洛侖茲力作用。使水中的陰、陽離子向相應(yīng)的極板移動，失去或得到電子，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在陰、陽極分別產(chǎn)生氫氣和氧氣。
電磁水制氣機的優(yōu)點在于水分子中鍵的打開和離子氧化還原反應(yīng)是分開進行的，而且鍵不是直接打開的，是分步離解的。磁化系統(tǒng)的磁場能由脈沖電流提供，持續(xù)時間短，電能消耗不大。這要比普通法利用電場能直接打開鍵節(jié)省電能，而且鍵的離解速率也要高于普通法。
電磁水制氣機的優(yōu)點還在于電解室置于方形螺旋管內(nèi)，離子的氧化還原反應(yīng)是在電場和脈沖強磁場共同作用下完成的，充分利用了方形螺旋管上的磁場能，從而減少了電場能的消耗;況且離子氧化還原反應(yīng)本身不需要很大電能。
總的來說，電磁水制氣機無論從能耗還是分解水速率上都優(yōu)越于普通電解法。
下面說明電磁水制氣機實施中部分結(jié)構(gòu)畫和最佳實施方案。
圖一磁單體(1)頭部(2)尾部(3)頭部突起的棱(4)寬與高圍成的面和高與長圍成面夾角α＝75°(5)頭部與尾部夾角β＝75°(6)尾部園柱體半徑R(圖A為主視圖，圖B為左視圖，圖C為俯視圖)圖二直螺紋管橫截面(7)上底面(8)外片(9)里片(10)下底面圖三直螺紋管外片橫截面(11)里側(cè)邊緣槽(12)外側(cè)邊緣螺栓(13)橫向中線上的孔圖四直螺紋管內(nèi)片橫截面(14)上短橫板(15)下長橫板(16)下長橫板上的螺栓(17)“工”字的豎(18)銅片(里片橫截面呈“工”字形)圖五彎管支架(19)長方形彎管(20)支架圖六電解室縱向剖面圖(21)外殼(22)陰極園筒形極板(23)陽極園筒形極板(24)隔膜(25)轉(zhuǎn)動軸(26)水波輪(27)排氣孔(28)加水口(29)外殼上底面(30)塑料墊(31)陰極固定架(外殼側(cè)面里邊伸出短圓柱支承)電磁水制氣機采用專門設(shè)計的磁化系統(tǒng)和電解室設(shè)備。磁化系統(tǒng)包括方形螺旋管、磁單體、電容放電式脈沖磁化裝置、電子發(fā)生器、導(dǎo)水泵及制冷設(shè)備。磁化系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)是閉合式方形螺旋管，它由直螺紋管、彎管支架、牛角形連接管組成。直螺紋管為長方體結(jié)構(gòu)，上、下底面為磁導(dǎo)率高的材料，且橫向兩邊向里折一定長度，與水平面成90°角;左右側(cè)面為抗磁性材料做的夾板，使磁力線盡可能經(jīng)直螺紋管上、下底面穿過流經(jīng)磁單體區(qū)域的水。夾板分里、外兩片，里片橫截面為“工”字形，上短橫板鑲有一定寬度的銅片，“工”字的豎長度為1.5厘米，下長橫板的橫向中線上帶有六個等距離螺栓，其間距為磁單體頭部長度，兩端的螺栓距端點5厘米，并且這兩個螺栓與“工”字上短橫板上的銅片相連，同時這兩個螺栓在直螺紋管外面，用導(dǎo)線分別與各自對面的螺栓連接，使直螺紋管內(nèi)的水在垂直水流方向上，螺栓、銅片、導(dǎo)線構(gòu)成閉合回路。當(dāng)磁單體上產(chǎn)生脈沖強磁場時，流經(jīng)磁單體區(qū)域的水會在垂直水流方向上產(chǎn)生感生電流，使水分子受到脈沖磁場力作用;外片上、下邊緣里側(cè)有槽，用來固定磁單體，其橫向中線上有與里片螺栓對應(yīng)的六個孔，在外片的外側(cè)面兩邊有與六個孔位置錯開的四個螺栓，用來固定磁單體上制冷設(shè)備的冷箱板。夾板的里、外片分別夾住直螺紋管上、下底面板的里折部分，用螺母將里、外片固定封閉，使管內(nèi)水不能夠外溢，這樣構(gòu)成直螺紋管，長方體直螺紋管的厚度不超過5厘米，以獲得最佳磁化效果。彎管支架是帶有長方形彎管的支架，由它來連接并支承兩直螺紋管，使直螺紋管左低右高，與水平面成15°角，這樣連成方形螺旋管。牛角形連接管是一端粗一端細的彎管，由兩牛角形連接管的細端與方形螺旋管上、下端直螺紋管口連接，兩牛角形連接管粗端與導(dǎo)水泵連在一起，使整個管道呈閉合態(tài)。導(dǎo)水泵的功率能使水在管內(nèi)以大于1米/秒的速率循環(huán)流動。導(dǎo)水泵由空氣壓縮制冷機的電動機帶動。牛角形連接管粗端是細端的兩倍以上。
在上端直螺紋管口處按有向電解室加水的閥門，閥門是自動調(diào)控的，能根據(jù)電解室水分解速率來確定加水量。在下端直螺紋管口處按有向直螺紋管內(nèi)加水的閥門，也是自動調(diào)控的，與上端閥門使用一臺自動調(diào)控器。自動調(diào)控器要在閉合方形螺旋管內(nèi)已注滿水且電解室內(nèi)也已有一定量離子水時方可啟動，進入自動控制狀態(tài)。
在上端牛角形連接管，靠近管弧度大的地方的外側(cè)按有一個把電子轉(zhuǎn)移水中裝置，它由偏轉(zhuǎn)磁場和鐵片圍成的園錐組成，偏轉(zhuǎn)磁場在管的外邊與電子槍的加速電場相通，使偏轉(zhuǎn)磁場的磁力線與電子槍的加速電場的電力線在同一平面內(nèi)相交且垂直。鐵片圍成的園錐按在外側(cè)管壁上，園錐的尖部伸向管內(nèi)，伸的長度要略大于此處管的半徑，園錐的外表面不與管壁直接接觸，其間墊有絕緣材料。園錐與封閉的加速電場、偏轉(zhuǎn)磁場外殼相連通。電子槍射出的電子束是不連續(xù)的，電子槍的電子在偏轉(zhuǎn)磁場作用下恰好打在園錐內(nèi)壁上，根據(jù)帶電導(dǎo)體處靜電平衡時的性質(zhì)，電子會跑到園錐外表面上，水在園錐尖部外表面流過，把聚集在那里的電子帶走。園錐把管內(nèi)的水與電子槍的加速電場及偏轉(zhuǎn)磁場隔開，這樣通過偏轉(zhuǎn)磁場和鐵片圍成的園錐把電子從外部轉(zhuǎn)移到水中。
每個直螺紋管上依次排列著五組磁單體，每組兩個，在直螺紋管上、下底面相對排列著。磁單體由頭部和尾部組成。頭部是斜長方體，長與寬圍成底面和高與寬圍成側(cè)面夾角為75°;尾部是園柱體，其上、下底面平行，且與水平面成15°角。頭部與尾部成75°角連為一體，勻由軟磁性材料制成。在頭部斜長方體下底面兩邊(長所在的邊)各有突起的棱，能鑲在直螺紋管的夾板外片上的槽內(nèi)，使磁單體固定在直螺紋管的上、下底面上。在尾部園柱體上繞有線圈，線圈的導(dǎo)線間及上、下層間要有一定的間隙。導(dǎo)線的繞向，在直螺紋管下側(cè)的磁單體，從尾部末端最里層線圈看為順時針，即在直螺紋管下側(cè)的磁單體上端為N極下端為S極，在上側(cè)與之對著的磁單體尾部線圈的繞向側(cè)相反。直螺紋管同側(cè)的磁單體前后以串聯(lián)方式連接，整個方形螺旋管上的磁單體用一根導(dǎo)線繞成，引出上下兩個接線端，與電容放電式脈沖磁化裝置相接，脈沖電流從下邊的接線端輸入，使整個方形螺旋管內(nèi)部磁力線方向為自下而上。
電容放電式脈沖磁化裝置輸出周期性強大脈沖電流，在磁單體上產(chǎn)生強大脈沖磁場，磁場強度Hm≥5×107安培/米，持續(xù)時間tk＝ (2R)/(V) 秒。R為磁單體尾部園柱體的半徑。V為水在直螺紋管內(nèi)流速。裝置中電容的充電時間為0.8～1.0秒，放電時間為tk秒，電容殘余電壓清除時間為0.2～0.3秒。必須保證電容每兩次放電的間隔時間大于放電時間，并且各步勻有定時開關(guān)控制。
方形螺旋管的制冷設(shè)備由空氣壓縮制冷機和塑料板箱組成。板箱分里、外兩片，能固定在直螺紋管的外片上，將磁單體尾部依依封起來，使整個方形螺旋磁單體的尾部呈彼此相通的管道，板箱構(gòu)成的管道與空氣壓縮制冷機相通。板箱里、外片的里側(cè)有凸出來的三角棱，棱尖伸向每兩磁單體尾部中間一定長度，讓空氣壓縮制冷機的冷空氣從磁單體尾部線圈周圍及空隙間通過，將線圈因強電流通過產(chǎn)生的熱量帶走，以防線圈燒毀。
電磁水制氣機的電解室置于方形螺旋管內(nèi)，包括外殼、陰極、陽極、隔膜、轉(zhuǎn)動軸和水波輪。外殼的上底面是軟磁性材料制成，外殼的側(cè)面和下底面是磁導(dǎo)率低的材料，可使方形螺旋管上的磁力線穿過電解室，把磁單體上產(chǎn)生的磁場能充分利用起來。陰陽極是不同口徑的園筒形極板，陰極在外側(cè)，陽極在電解室中心位置上。在陰、陽極間有園筒形隔膜，它不與外殼上底面直接接觸，期間有絕緣材料墊，但隔膜與外殼上底面是封閉的，不透氣，把電解室分成含有陰極、陽極的兩個區(qū)域，這兩個區(qū)域在外殼底部是相通的，只有當(dāng)電解室內(nèi)注入一定量水后，兩個區(qū)域才會在電解室上方形成兩個隔離的空間。在陰極板與隔膜間的外殼上底面有排氫氣孔，在陽極板與隔膜間的外殼上底面有排氧氣孔。隔膜是具有導(dǎo)電性的金屬材料，距外殼下底面12厘米。陽極距外殼下底面16厘米，陰極距外殼下底面16厘米，距上底面5厘米。陰、陽極接線端在外殼上底面上。電解室中心有個轉(zhuǎn)動軸，它在陽極園筒形極板內(nèi)，轉(zhuǎn)動軸由空氣壓縮制冷機的電動機驅(qū)動。水波輪由轉(zhuǎn)動軸帶動，使離子水在電解室內(nèi)順時針流動，以保證水中離子受到的洛侖茲力與同時受到的電場力方向一致，來提高離子氧化還原反應(yīng)速度。水波輪距外殼下底面4厘米，水波輪葉片縱向高6厘米。
具有上述結(jié)構(gòu)的電磁水制氣機，分解水可進行工業(yè)化生產(chǎn)，而且耗能低，產(chǎn)量高，可獲得廉價的氫氣和氧氣。氫氣可廣泛用于化工、凍金、電子等工業(yè)及其他需燃料的生產(chǎn)部門。
權(quán)利要求
1.一種用磁化和電解方法將水分解為氫氣和氧的裝置，屬于化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域，是在現(xiàn)有電解法基礎(chǔ)上的改進，采用專門設(shè)計的磁化系統(tǒng)和電解室。其特征分解水是兩步完成。先往水中加電子，將含電子的水經(jīng)磁化系統(tǒng)處理，把水分子間氫鍵及其內(nèi)部氫氧鍵分步打開；然后在電場和脈沖強磁場共同作用下使離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)。
2.如權(quán)力1所述的磁化系統(tǒng)，包括方形螺旋管、磁單體、電容放電式脈沖磁化裝置、電子發(fā)生器、導(dǎo)水泵、制冷設(shè)備。其特征主體結(jié)構(gòu)為閉合式方形螺旋管;磁單體在方形螺旋管上排列，磁單體上安有制冷裝置;在連接方形螺旋管上、下端的連接管上安有導(dǎo)水泵和電子發(fā)生器;水在泵的推動下于方形螺旋管內(nèi)循環(huán)流動;方形螺旋管加排水由調(diào)控閥自動控制。
3.如權(quán)力1所述的電解室，包括外殼、陰極、陽極、隔膜、轉(zhuǎn)動軸、水波輪。其特征電解室置于方形螺旋管內(nèi);外殼為圓柱形，上底面為軟磁性材料;內(nèi)部陰、陽極為不同口徑的圓筒形極板，陰、陽極間有隔膜;中心陰極板內(nèi)有個轉(zhuǎn)動軸，驅(qū)動外殼下底面的水波輪順時針轉(zhuǎn)動。
4.如權(quán)力2所述磁化系統(tǒng)中的方形螺旋管，其特征由彎管支架連接并支承直螺紋管構(gòu)成，旋向為右旋，旋角為15°;直螺紋管上安有使水在垂直水流方向上與外部構(gòu)成閉合回路的裝置。
5.如權(quán)利2所述磁化系統(tǒng)中的磁單體，其特征由軟磁性材料制成;包括頭、尾兩部分，頭部能鑲在長方體直螺紋管的上、下底面上，尾部纏有線圈;整個方形螺旋管上的磁單體有兩個接線端，與電容放電式脈沖磁化裝置相接。
6.如權(quán)力2所述磁化系統(tǒng)中的電子發(fā)生器，其特征由電子槍和把電子轉(zhuǎn)移水中裝置構(gòu)成;電子槍射出的電子束是不連續(xù)的。
7.如權(quán)力2所述磁化系統(tǒng)中的電容放電式脈沖磁化裝置，其特征輸出周期性脈沖電流，在磁單體上產(chǎn)生磁場強度Hm≥5×107安培/米，持續(xù)時間tK＝ (2R)/(V) 秒，R為磁單體尾部圓柱體的半徑，V為水在直螺紋管內(nèi)流速。
全文摘要
電磁水制氣機涉及工業(yè)上電解水工藝和有關(guān)設(shè)備，屬于化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域，是對氫能源的開發(fā)。其目的是要解決當(dāng)前工業(yè)中直接用電場能分解水耗能大，產(chǎn)量低問題，使理想能源氫氣工業(yè)化生產(chǎn)，普及應(yīng)用。本發(fā)明特征分解水是兩步完成的，先往水中加電子，將含電子的水經(jīng)磁化系統(tǒng)處理，把水分子間氫鍵及其內(nèi)部氫氧鍵分步打開，然后在電場和脈沖磁場共同作用下使離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)。本發(fā)明采用專門設(shè)計的磁化系統(tǒng)和電解室。本機分解水可進行工業(yè)化生產(chǎn)，獲得廉價的氫氣和氧氣。氫氣可廣泛用于化工、冶金、電子等工業(yè)及其他需燃料的生產(chǎn)部門。
文檔編號C25B1/04GK1072220SQ92102118
公開日1993年5月19日 申請日期1992年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月17日
發(fā)明者萬士波 申請人:萬士波