改进的磁流体发电机 本发明涉及一种改进的、磁流体(MHD)发电机，并且涉及它在一种混合式发动机中的应用，这种混合式发动机以很高的热力效率和很高的能量转换率把燃料的热能和/或存储在空气中的热能转换成电能。
更具体地说，本发明涉及对美国专利No.4,500,803公开的一种MHD发电机和混合式发动机的改进，该专利以本发明人的姓名在1985年2月19日发行。
上述美国专利No.4,500,803公开了一种MHD发电机，其中在闭合循环中流动的气体被一个激光器光电离并经过一个磁场，以便在一对分别垂直于气流和垂直于磁场的电极之间发电。用来光电离MHD发电机气体的激光器是一个气体激光器，该气体激光器把一个通过膨胀使气体产生激光的扩散喷嘴与一个通过电刺激使气体产生激光的射频发生器相组合。该气体激光器还包括一个光学系统，该光学系统用来会聚激光并把激光聚焦在电极和磁场上游的气流上。这个光学系统包括一个分别在气流上游和下游的第一对反射镜，用来在气流的轴线方向上聚焦激光。它还包括一个用来在横交气流的方向上会聚激光地光学子系统和另一对用来聚焦子系统在横交气流方向上会聚激光的聚焦反射镜。提供一个热交换器，用来加热通过电极之前的气体。还提供一个压缩机，用来使气体通过闭合循环而循环。
美国专利No.4,500,803还公开了上述MHD发电机与一种传统的、开式循环燃料发动机的组合。生成的结构形成一种混合式发动机，用来以很高的热力效率和很高的能量转换率把燃料的热能和/或存储在空气中的热能转换成电能。在这种具体的组合中，开式循环燃料发动机顺序包括一个经其燃烧空气和燃料的燃烧室、MHD发电机的热交换器和一个用来运行MHD发电机的压缩机的热力发动机。
在对以上专利中公开的MHD发电机进行了进一步的研究和试验之后，本发明人惊奇地发现：如果通过电刺激、热感应和/或气体膨胀产生的相干光被会聚并聚焦到在磁铁与集电板之间运动的气体等离子体上，则在效率方面能显著改进其早先的发明。本发明人还发现：当气体分子的一些，特别是CO2，分离时，如果适当地控制和调节激光气体混合物的燃烧以补偿在操作中出现的不可避免损失，则还能实现显著改进。
于是，根据本发明，提供了一种包括一个S形导管的磁流体(MHD)发电机，该导管带有一个起进口作用的端部，以便在高于1100℃的温度下在压力下供给激光气体混合物。该导管带有穿过和沿着一根公共轴线延伸的三个隔开部分。
这些部分中的第一个靠近进口并穿过公共轴线延伸。它被设计成限定一个第一激光发生区域，在该区域中使激光气体混合物产生激光。还把第一部分设计成一个包括一个第一对相对反射镜的第一光谐振腔，该第一对相对反射镜对准公共轴线，并调节以聚焦其会聚的相干光。该第一对反射镜的一个，即相邻第二部分的一个，是一个部分反射镜，以便让在第一区产生和会聚的相干光沿公共轴线向这些导管部分的第二个和第三个传送。
把导管的第二部分设置在过了第一部分的一个扩散喷嘴之后，并且也穿过公共轴线延伸。这个第二部分限定了一个第二激光发生区域，在该区域中通过膨胀使激光气体混合物产生激光。还把这个第二部分设计成一个包括一个第二对相对反射镜的第二光谐振腔，该第二对相对反射镜对准公共轴线，并调节以聚焦其会聚的相干光。第二对反射镜的两个都是部分反射镜，以便让在第一区域会聚的相干光进入第二区域且增加在第二区域会聚的相干光，然后把如此增加的相干光传送到导管的第三部分。
导管的第三部分对准公共轴线并取向成面对着这个导管的第一和第二部分。把这个第三部分设计成一个包括一个第三对反射镜的第三轴向延伸光谐振腔，该第三对反射镜对准公共轴线，并调节以把来自第一和第二区域的相干光聚焦成一个轴向定位的光点，该光点使通过第三部分的气体混合物离子化并由此转化成等离子体。该第三对反射镜的一个，即相邻导管第二部分的一个，是一个部分反射镜，以让相干光进入第三部分。
MHD发电机还包括多个沿导管的第三部分延伸的永久磁铁。每个磁铁具有相对于公共轴线对称定位的正极和负极。
MHD发电机还包括多块沿导管第三部分延伸的集电板。这些板相对于公共轴线按对称定位成对分组，以便垂直于沿公共轴线流经导管第三部分的气体混合物和诸磁铁。诸板的每一块都可与一个负载连接，并且支撑着也可与该负载连接的一个绕组。
在使用中，当把一种气体混合物供入导管中并使之在导管的第一部分和第二部分中产生激光时，就通过传统的磁流体作用并且同时通过法拉第效应以非常有效的方式，在导管的第三部分发电。
导管的第一部分可以可操作地连接到一个射频发生器上，以便利用经第一部分中射频感应的电刺激或利用直接放电，使气体混合物产生激光。
导管的第一部分也可以可操作地连接到一个气体燃烧器上，以便利用燃烧使气体混合物产生激光。
有利的是，MHD发电机还可以包括一个气体控制装置，该气体控制装置包括至少一个设置在导管内的气体传感器，以便检查气体混合物的成分并给出一个信号以控制气体混合物。这样一种控制装置最好这样设计，从而调节供入导管进口的激光气体混合物，使之含有88至89％的N2(氮气)、8至10％的CO2(二氧化碳)和小于4％的H2O(水)。
根据本发明，还提供了一种混合式发动机，用来以很高的热力效率和很高的能量转换率，把燃料的热能和/或存储在空气中的热能转换成电能。这种混合式发动机组合地包括：
(a)一个闭式循环MHD发电机系统，该系统顺序包括一个如上公开的、改进的MHD发电机和一个把激光气体混合物经一个热交换器供入该MHD发电机的压缩机，该系统还包括一个产生激光气体混合物并把其加热的激光气室发生器、闭式循环和一个除尘器；和
(b)一个开式循环燃料发动机，该发动机顺序包括一个经其燃烧空气和燃料的燃烧室、MHD发电机系统的热交换器和一个用来运转MHD发电机系统的压缩机的热力发动机。
参照附图，阅读本发明两个最佳实施例的如下非限制性描述，可以更好地理解本发明。
图1是示意图，表示根据本发明一个第一最佳实施例的改进的一个MHD发电机；
图2是方块图，表示图1的MHD发电机和操作该发电机所需的其他元件；
图3是示意图，表示根据本发明一个第二最佳实施例的一个改进的MHD发电机的进口；和
图4是示意图，表示一个把图2的MHD发电机与一个燃料发动机相组合的混合式发动机。
如图2中所示，打算向根据本发明第一最佳实施例的(MHG)发电机供应一种激光气体混合物，这种混合物最好包括88至89％的N2、和8至12％的CO2，其余的是H2O。这样一种激光气体混合物来自一个激光气体源3，该气体源可以包括一个存储箱(没有表示)，或一个其中C6H6与N2O相燃烧或者C6H10或C6H12与空气相燃烧的燃烧器。这种激光气体混合物因为其效率众所周知，并且能够工业生产的方法在已有技术中是众所周知的，不需要进一步描述。
来自激光气体源3的激光气体混合物进入一个压缩机5，在约140Psi(约10个大气压)的压力下，压缩机5把激光气体混合物供到MHD发电机1。压缩机5由一个外部动力源运行，如在下文中将要描述的那样。在进入MHD发电机之前，离开压缩机5的激光气体混合物经过一个热交换器7，热交换器7的目的在于，如果需要，即如果来自激光气体源3和压缩机5的激光气体混合物还没有达到足以实现要求的激光效率的温度，就把该混合物加热到高于1100℃。
离开MHD发电机1的激光气体混合物经过一个可以是涡轮式或斯特林式发动机的热力发动机9。这个热力发动机9的目的基本在于，从离开MHD发电机1的激光气体混合物中回收尽可能多的能量，并且把这些回收的能量经一根动力驱动轴11送回压缩机5。
现在参照图1，根据第一最佳实施例发明的MHD发电机1包括一个S形导管13，S形导管13带有一个进口15，经过该进口，供应在要求温度和压力下的选择激光气体混合物。因为这种形状，导管13带有穿过和沿着一根公共轴线“A”延伸的三个隔开的部分，其标号分别为17、19和21。
第一部分17靠近进口15，并且穿过轴线“A”延伸。把第一部分17设计成限定一个第一激光发生区域，在该区域中，通过电刺激或射频(RF)感应使激光气体混合物产生激光，射频感应是用一个连接到一个环形激光谐振腔、一个弯曲反射镜谐振腔或一个孔偶合谐振腔上的RF发生器获得的。这种设备在已有技术中是众所周知的，不需要进一步描述。还把导管的第一部分17设计成一个第一光谐振腔。为此目的，第一部分17包括一对相对的反射镜25和27，他们可以用水冷却，并与轴线A对准，且被调节以聚焦他们会聚的相干光。在S形导管顶部的反射镜25是一个平面反射镜。面对着反射镜25的反射镜27是一个部分反射镜，这个部分反射镜可以是用作横向模式输出和微波调节器的球形Brewster玻璃、缝隙反射镜。这个反射镜27让在第一部分17中在反射镜25与27之间产生的相干光以横向会聚，并送向导管的第二和第三部分19和21，如将要解释的那样。
离开导管13第一部分17的激光气体混合物随后经过一个扩散喷嘴29，扩散喷嘴29延伸到导管第二部分19的上游。在导管第二部分19内，通过膨胀使经过这个喷嘴29膨胀的气体产生激光，由此限定一个第二激光发生区域。与第一区域相似，把第二激光发生区域设计成一个第二光谐振腔。为此目的，它包括一对相对的部分反射镜31和33，这对反射镜与轴线A对准并被调节以聚焦他们在扩散喷嘴29上游会聚的相干光。这些部分反射镜31和33是导光的，并且可以用水冷却。他们让在第一区域产生的相干光穿过，并由此“增加”在第二激光发生区域内的相干光。
最后，离开第二部分19的激光气体混合物到达S形导管的第三部分21，与第一和第二部分17和19不同，第三部分不是与轴线A横交而是与之对准的，并且这样取向，从而面对着第一和第二部分，如在图1中清楚地所示。同样，第三部分21也设计成一个第三轴向延伸的光谐振腔。为此目的，它包括一对相对的反射镜35和37，这对反射镜与轴线A对准并被调节以便把来自第一和第二激光发生区域的相干光聚焦成一个光点39，当然光点39位于轴线A上。当然，为了让相干光进入第三部分21，相邻第二部分19的反射镜35必须是导光的。另一个反射镜37是普通的，并且如果需要，他们两者都可以用水冷却。
如图所示，导管13第三部分21的两侧与多个永久磁铁41排成一线，水久磁铁41的正极和负极相对于轴线“A”对称地布置。导管第三部分21的两侧还与多个绕组支撑板43排成一线，绕组支撑板43最好分段并且相对于轴线“A”以对称布置的对延伸。
现在可以理解，由所有的相干光产生光点39，这些相干光在导管的第一和第二部分17和19内会聚和聚焦，并以与轴线A同轴的激光束形式经反射镜27、31、33和35被送入导管第三部分21内。通过用反射镜35和37聚焦激光束获得的光点39，电离沿轴线A经这个第三部分21运动的气体，并由此产生通过磁铁41与板43之间的等离子体，延伸的磁铁41和板43相互垂直且垂直于轴线A。这也通过常规的磁流体动力作用导致发电，通过既垂直于气流又垂直于磁铁的板43收集产生的电流，并供给一个负载(未表示)。
也如理解的那样，由光点39产生的等离子体可以沿轴线A向激光源(即向由导管的第一和第二部分17和19限定的第一和第二光谐振腔)运动，光点39本身是由进入导管第三部分21的激光束产生的。等离子体向激光束的运动特别重要，因为通过法拉第效应产生附加的电流。这些附加的电流收集在围绕板43的绕组中，并且也供给负载。
如进一步理解的那样，等离子体的导光性随温度而变，并且从透明变为不透明。在后一种情况下，没有保持等离子体结构的能量进入，等离子体又变成透明的。然后，形成一个新的光点，并且在边界处再次向前运动。当然，在MHD发电机运行的同时，永久地这样重复。这样，MHD发电机1的特殊结构使光点39能在导管的第三部分21内运动。由于光点39的任何运动必须沿轴线A，所以通过法拉第效应将永久地产生附加能量，如上面解释的那样。如有必要，也可以提供存储电容器，以中和光点反向运动时的返回电流。
为了产生尽可能多的能量，重要的是，通过导管第三部分21的气体混合物的密度必须很高。为了实现这一要求，或者可以变小导管第三部分的直径，如图1中所示，或者在第三部分的进口处提供一个或多个附加的气体注射器44，以增加经过这部分的气体量。有利的是，可以把这些注射器设置成，注射靠近第三部分内壁的气体，以便“防护”磁铁和收集板43。
如前面所述，重要的是，激光气体混合物含有88至89％的N2、8至10％的CO2和小于4％的H2O，以实现高效率。在运行中已经发现，激光气体混合物的成分基本上可以随时间而变，特别是如果重复利用气体混合物，因为“撞击”CO2分子的激光束使之分解。为了保证供入MHD发电机1的激光气体混合物的成分保持正确，可以利用一个包括一个或多个气体传感器的气体控制装置45，传感器可以设置在第一与第二部分17与19之间的导管13内，以便检查在混合物中的存在的CO2和/或N2和/或H2O的量，并因而调节激光源3(见图2)。
现在参照图3，根据本发明第二实施例的MHG发电机1′与图1所示的非常相似。为此，相同结构的元件用与图1中相同的标号确认。事实上，在这个第二最佳实施例与第一个之间的不同之处仅在于，在由导管13的第一部分17限定的第一激光发生区域内，用来使气体混合物产生激光的装置种类。在第一光谐振腔内，通过由一个气体燃烧器49(见图4)的火焰47产生的热量来刺激气体混合物，而不是用电来刺激气体混合物。这种可选择的技术特别重要，因为：
(1)它不需要电流，因而不影响整个系统的净电效率；
(2)它保证进入发电机1的气体在要求的高温下，由此可选择地在MHD发电机的上游安装一个热交换器7，如图1中所示；及
(3)它能用来调节和/或纠正激光气体混合物的浓度，由此可选择地由气体控制系统45来控制激光气体源3。
如前所述，不管本发明的选择实施例是哪一个，都利用由外部动力源运行的压缩机5，经MHD发电机的导管13来循环气体。离开热力发动机9的气体可以再循环到激光气体源3，以便形成一个闭式的环或循环51(见图4)。在这种情况下，可以提供一个向大气开放的除尘器53，以保证在闭式环内的气体量保持恒定，即使为了调节进入MHD发电机的激光气体混合物的浓度，通过激光气体源或燃烧器在闭式环中引入附加的气体时也是如此。在任何情况下应该理解，在这种情况下，由于在闭式循环中循环气体，所以与已知的发电机相比，系统的热力效率非常好。
根据图4中所示本发明的另一个方面，运行压缩机5所需的外部动力源可以便利地包括一个开式循环燃料发坳机，该开式循环燃料发动机把开式循环中的燃料和/或空气的热能用作用于压缩机5的动力源和用作用于热交换器7的热源。
这个开式循环燃料发动机可以包括一个空气吸入口55，通过它从外部吸入空气。这些空气可以已经具有由一个太阳能收集器、一个风收集器或其两者存储在其中的热能。但是，也可以只是普通的空气。
这些空气经一个压缩机57送入一个燃烧室59中，如果空气没有足够的存储能量，则在燃烧室59中与燃料燃烧。燃烧室59连接于热交换器7，或装有热交换器7，在热交换器7中，加热循环进入闭式循环51的气体激光混合物。从一个存储箱(未表示)经一根油管61把燃料供给燃烧室，如本身已知的那样。把离开燃烧室59的热燃烧气体和/或空气供给一个可以包括一个涡轮式或一个斯特林式发动机的热力发动机63，以便得到运行压缩机57的能量。得到的能量还用来经一根驱动轴运行闭式循环51的压缩机5。
应该注意，当诸涡轮用作热力发动机时，所有的压缩机和涡轮都能便利地安装在与图4中所示相同的轴11上，并且两个循环都能通过也安装在相同轴11上的一个起动电动机65来同时起动。还应该注意，还能经一个另外的热交换器67，把从热力发动机63排出的气体和/或空气，用来加热循环的进入空气，以便再提高混合式发动机的效率。
上述的混合式发动机非常有效地把燃料的热能或存储在空气中的热能转化成电能。由于与排气温度相比激光的温度高，所以其热力效率就高。
而且，由于燃料在一个外部燃烧室59内燃烧，所以可以控制发动机的温度和压力。于是，还能控制和降低污染。可以使用任何燃料，甚至煤炭，由此使本发明在煤炭易于得到而电能不易得到的一些国家特别有用。如果在燃烧室内用煤炭作热源，则排气不能直接进入热涡轮，因为炭灰问题会损坏叶片。于是，在这种情况下，可以使用利用空气的一种热交换器，把热能传输到涡轮和压缩机。
上述的发动机易于按比例增缩。因此，能输出从几瓦到几千千瓦的动力。
当然，在发动机零件的形状、尺寸、和布置方面可以进行各种变更。例如，等效元件可以代替这里说明和描述的那些，并且可以更换零件。而且，可以利用本发明的、独立于其他特征的一些特征，而不脱离附属权利要求书中所限定的本发明的精神或范围。