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Magnetodynamische Pumpe für elektrisch leitende Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft eine magnetodynamische Pumpe für elektrisch leitende Flüssigkeiten, insbesondere flüssige Metalle, die längs einer einen Einlass und einen Auslass aufweisenden, bogenförmig gekrümmten Flüssigkeitskammer für das zu pumpende Medium eine gerade Anzahl von um eine Drehachse umlaufenden, im Abstand voneinander angeordneten Paaren von Magnetpolen aufweist, welch letztere zu beiden Seiten der Flüssigkeitskammer angeordnet sind, so dass ihre Felder die letztere durchsetzen ; es handelt sich dabei um Mehrphaseninduktionsschraubengangpumpen, gestreckte Mehrphaseninduktionspumpen, Einstein-Szilard-Pumpen, Radialmagnet-Rotorpumpen, elektromagnetische Zentrifugalpumpen und elektrodynamische Pumpen.
Eine Pumpe der oben erwähnten Art ist in der USA-Patentschrift Nr. 2, 928, 349 beschrieben. Bei einer bekannten Pumpe sind die Felder aller Magnetpolpaare gleichgerichtet, weshalb verhältnismässig grosse Zwischenräume zwischen einander benachbarten Magnetpolen erforderlich sind, um den negativen Pumpeffekt, d. h., ein Pumpen entgegengesetzt der gewünschten Richtung soweit wie möglich zu unterdrücken. Zu beiden Seiten der Pumpenkammer sind hier im wesentlichen topfförmige Elektromagnete angeordnet, in denen auf einen Kern eine Spule gewickelt ist. Jede Spule erzeugt bei Gleichstrom ein axiales, d. h. längs des Kerns verlaufendes Feld, welches für alle auf einer Seite der Pumpenkammer liegende Pole die gleiche Polarität bewirkt. Wie bereits erwähnt, ist eine derartige Anordnung nachteilig.
Es ist auch bereits bekanntgeworden, bei einer Vorrichtung zum Pumpen von flüssigem Metall zu beiden Seiten einer ringförmigen Flüssigkeitsleitung Magnete auf einer gemeinsamen Achse anzuordnen, wobei sich Nord-und Südpole der Magnete mit Bezug auf die Flüssigkeitsleitung jeweils gegenüberstehen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine magnetodynamische Pumpe der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der weder negative Pumpeffekte noch Zonen auftreten, in denen überhaupt nicht gepumpt wird ; diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Magnetfelder abwechselnd gegenläufig gerichtet sind, und dass der Abstand von Kante zu Kante zweier einander auf einer Seite der Flüssigkeitskammer benachbarter Magnetpole mindestens einmal und höchstens viermal so gross wie der Spalt zwischen den Magnetpolpaaren ist.
Zweckmässig werden bei einer Pumpe mit sich in Richtung auf die Flüssigkeitskammer verbreiternden Magnetpolenden die Magnetpolenden in Längsrichtung der Flüssigkeitskammer verbreitert.
Die erfindungsgemässe Konstruktion gestattet es, die Zwischenräume zwischen einander benachbarten Magnetpolenden auf derselben Seite der Rohrleitung wesentlich kleiner als bei den bekannten Pumpen zu halten. Die Feldverteilung des gemäss der Erfindung erzeugten magnetischen Drehfeldes gleicht einer Reihe von magnetischen Rechteckimpulsen mit abwechselnder Richtung und ausserordentlich schnellem Richtungswechsel innerhalb eines sehr kleinen Bereiches.
Die erfindungsgemässe Pumpe hat gegenüber den bekannten elektrodynamischen Pumpen drei wesentliche Vorteile :
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1. Ein grösserer Teil der in der Rohrleitung enthaltenen Flüssigkeit wird von einem Magnetfeld hoher Flussdichte durchsetzt.
2. Höhere Wirbelstromstärke, da die Wirbelstrombahnen kürzer und breiter sind und infolgedessen einen geringeren Widerstand aufweisen.
3. Stärkeres Zusammenwirken der Wirbelströme mit dem Magnetfeld und Erhöhung der Pumpleistung durch Beseitigung der feldfreien Bereiche.
Die Geschwindigkeit der erfindungsgemässen elektrodynamischen Pumpe kann leicht durch eine entsprechende Wahl des Durchmessers der Riemenscheibe verändert werden.
Erfindungsgemässe elektrodynamische Pumpen können ohne weiteres in einer Umgebung verwendet werden, in der eine ausreichende Kühlung durch die die Pumpe umgebende Atmosphäre nicht gewährleistet ist. Die Pumpen lassen sich im Vakuum oder in verdünnten Atmosphären verwenden, wie sie beispielsweise in Reaktoren von Fahrzeugen oder Satelliten od. dgl. vorhanden sind.
Ausserdem gilt es nach dem neuesten Stand der Entwicklungen auch flüssige Metalle zu pumpen, deren Temperaturen über dem Curie-Punkt des Werkstoffes der Magnete und der Polstücke liegen.
Weitere, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung darstellende Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die der genaueren Erläuterung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung dient, wie sie die Zeichnungen zeigen. Es zeigen : Fig. 1 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, eines bevorzugten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemässen, elektrodynamischen Pumpe ; Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Flüssigkeitskammer der elektrodynamischen Pumpe gemäss Fig. 1 mit Darstellung der Wirbelströme ; Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 16-16 in Fig. 2 in grösserem Massstab als diese ; Fig. 4 eine Teildarstellung der Pumpe gemäss Fig. l in grösserem Massstab als diese, die zwei Magnetpolpaare sowie die Magnetfeldverteilung zeigt :
Fig. 5 eine schematische Darstellung der räumlichen Verteilung der ursprünglichen Magnetflussdichte in einer elektrodynamischen Pumpe gemäss Fig. 1 unter Vernachlässigung der Gegenmagnetisierung durch die Wirbelströme ; Fig. 6 eine Teilseitenansicht der Flüssigkeitskammer sowie der zugeordneten elektrischen Leiter und der Magnetpole in grösserer Darstellung als in den übrigen Figuren, aus der die Richtungen der Wirbelströme und der Magnetfelder erkennbar sind, wobei der Effekt der Gegenmagnetisierung durch die Wirbelströme vernachlässigt wurde ; Fig. 7 eine der Fig. 5 entsprechende schematische Darstellung der resultierenden Flussdichte, aus der die kleine Verschiebung der Nullebene des Magnetflusses infolge der Gegenmagnetisierung durch die Wirbelströme erkennbar ist ;
Fig. 8 eine der Fig. 1 entsprechende Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemässen Pumpe unter besonderer
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dgl.- 124-- befestigte Trägerscheibe --122-- und eine an der Welle --125-- befestigte Trägerscheibe--123-, an denen Magnetpolpaare--132 bis 134-und--131 bis 133--befestigt sind. Die Wellen-124 und 125-sind in Wälzlagern-126 und 128-gelagert und werden über eine Riemenscheibe--130--von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben. Die Magnetpole - 131 bis 134--sind als Elektromagnete dargestellt, es könnte sich jedoch auch um Permanentmagnete handeln.
Die dargestellten Elektromagnete werden über Bürsten--139 und 141--
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von Polstücken aber auch Magnetpole-131 bis 134--verwendet werden, die an ihren freien Enden so geformt sind, wie die dargestellten Polstücke. Um eine abwechselnde Polarität einander benachbarter Magnetpole zu erzielen, ist es erforderlich, dass gemäss der Erfindung eine gerade Anzahl von Magnetpolpaaren verwendet wird.
Die Fig. 1, 3, 4, 5 und 7 lassen besonders deutlich die erfindungsgemässe Formgebung der Polstücke bzw. der freien Enden der Magnetpole erkennen. Danach verjüngen sich diese Polstücke in einer Ebene in Richtung auf ihre vorderen Stirnflächen, wohingegen sie sich in einer Ebene senkrecht dazu nach vorn verbreitern, um den erfindungsgemässen Feldverlauf zu erreichen.
Fig. 2 zeigt die Rohrleitung-HO-, an der der Aussenleiter --116-- und der Innenleiter - -118-- so befestigt sind, dass ein guter elektrischer Kontakt zwischen diesen Bauelementen besteht.
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Vorzugsweise wird die Rohrleitung-l 10-aus einem korrosionsbeständigen Material wie rostfreiem Stahl oder aus einem hochtemperaturbeständigen Metall, wie Niob oder Tantal gefertigt, wohingegen
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ganz aus einem nichtleitenden Werkstoff, beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff, besteht, oder sie kann aus einer Kombination zweier Werkstoffe, wie beispielsweise einem Keramikwerkstoff und einem geeigneten Metall, hergestellt sein.
Besteht sie ganz aus einem den elektrischen Strom nichtleitenden Werkstoff, so entfallen der Aussen-und der Innenleiter-116 bzw. 118--. Bei Verwendung einer Keramik-Metallkombination müssen metallische Oberflächen in gutem Kontakt mit den Leitern-116 und 118-stehen, während keramische Oberflächen die übrigen Oberflächenbereiche der Rohrleitung bilden können. Wirbelstromschleifen--144--zeigen die Wirbelstrombahnen durch die beiden Leiter - 116 und 118--. Diese Wirbelstromschleifen bilden sich infolge der Drehung des Magnetrotors in
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der Rohrleitung und der in ihr enthaltenen Flüssigkeit. Der Pumpeffekt wird dadurch etwas herabgesetzt, jedoch kann dies in einigen Fällen in Kauf genommen werden.
Fig. 4 zeigt eine etwas grössere Darstellung der Magnetpole--131 bis 134--mit darauf befestigten Polstücken--135 bis 138--. Die Pfeile im Diagramm zeigen d Richtung des Magnetflusses von den Nord-zu den Südpolen durch die Trägerscheiben --122 und 124--, die Luftspalte und die Rohrleitung an. Auch hier ist die Breite des Luftspaltes wieder mit dem Buchstaben--G--und der
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verbreitert sich in der Zeichnungsebene nach aussen, jedoch so, dass es der Krümmung der Rohrleitung folgt ; es läuft in verhältnismässig scharfkantige Ränder in der Nachbarschaft der benachbarten Polstücke aus. Diese neue Formgebung führt zu dem in Fig. 4 dargestellten Feldverlauf.
Durch die erfmdungsgemässe Ausbildung der Polstücke bzw. der Enden der Magnetpole werden folgende Vorteile erreicht :
1. Die Rohrleitung und infolgedessen die zu pumpende Flüssigkeit liegt im wesentlichen über ihre ganze Länge zwischen den Magnetpolen und infolgedessen im Magnetfeld, das seine Richtung beim Fortschreiten vom einen zum nächsten Magnetpolpaar umkehrt.
2. Das Streufeld zwischen den Polstücken wird auf ein Minimum reduziert, obwohl in der zu pumpenden Flüssigkeit eine erwünschte hohe Flussdichte auftritt.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des mittleren Magnetflussverlaufes --147-- im Luftspalt längs dessen Mittellinie. Mit--148 bis 150--sind Magnetpole bezeichnet, die längs des Luftspaltes angeordnet sind. Einander benachbarte Polstücke haben entgegengesetzte Polarität. Wie Fig. 5 zeigt, ist die Flussdichte vor jedem Polstück und innerhalb seiner Begrenzungsebenen ungefähr gleich und nimmt ein Maximum ein, während sie in der Mittelebene --154-- jeweils Null ist. Im Bereich zwischen den Polstücken ändert sich die Feldrichtung auf einer kurzen Strecke sehr schnell, was zur Folge hat, dass lediglich die Mittelebene --154-- feldfrei ist. Es existiert also in der Rohrleitung kein Bereich, in dem nicht gepumpt wird.
Ausserdem ist der Pumpeffekt längs der ganzen gebogenen Rohrleitung, die von den Magnetpolen überstrichen wird, positiv, d. h., in ein und derselben Richtung gerichtet. Dies zeigt sich an Hand der Fig. 6, in der eine Wirbelstromschleife--156--dargestellt ist, deren Wirbelstrbahnen mit die Stromrichtung anzeigenden Pfeilen versehen sind. Die Richtung des Magnetfeldes ist so angedeutet, dass Pluszeichen in Richtung auf die Zeichnungen verlaufenden Magnetfluss andeuten, während die Punkte aus der Zeichenebene heraus gerichteten Magnetfluss bedeuten.
Die Leiter-116 und 118-dienen als Rückschluss für die Wirbelströme. Fig. 6 zeigt, dass die Wirbelströme innerhalb der Rohrleitung --110-- immer dann abwärts gerichtet sind, wenn das Magnetfeld in Richtung auf die Zeichenebene verläuft, während bei aufwärts gerichteten Wirbelströmen das Magnetfeld aus der Zeichenebene heraus gerichtet ist. Der Pumpeffekt weist also immer dieselbe Richtungauf.
In den Fig. 5 und 6 wurde der Gegenmagnetisierungseffekt der Wirbelströme vernachlässigt.
Tatsächlich gibt es diesen Zustand in den Pumpen jedoch nicht, so dass es erforderlich ist, den Einfluss der Gegenmagnetisierung auf den Pumpeffekt zu berücksichtigen. Die Fig. 7 zeigt den idealen Magnetflussverlauf-147--längs der Luftspaltmittellinie ohne Berücksichtigung der Gegenmagnetisierung durch die Wirbelströme in gestrichelten Linien ;--151, 148 und 149-- sind die längs des Luftspaltes angeordneten Magnetpole. Die Kurve--158--zeigt den Gegenmagnetisierungsflussverlauf,
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der vo den Wirbelströmen herrührt, während der resultierende Magnetflussverlauf mit-160bezeichnet ist ; die Kurve --160-- ergibt sich durch algebraische Addition der Kurven-147 und 158--.
Die Gegenmagnetisierung hat zweierlei zur Folge : Erstens, die Form des Magnetflussverlaufes wird verzerrt, und zweitens, die Lage des feldfreien Punktes wird aus der Mittelebene heraus geringfügig verschoben, und diese Nullpunktsverschiebung ist bei --162-- angedeutet.
Die Verzerrung des Kurvenverlaufs rührt daher, dass über die eine Hälfte des Polstückes die Gegenmagnetisierung der Wirbelströme der Hauptmagnetisierung entgegengerichtet ist, während über die andere Hälfte des Polstückes das von den Wirbelströmen herrührende Magnetfeld das Hauptmagnetfeld verstärkt. Da der Sättigungseffekt in den Polstücken normalerweise wegen seiner Kleinheit vernachlässigt werden kann, zeigt die Darstellung, dass die entgegengerichteten Effekte sich hinsichtlich der Pumpwirkung nahezu aufheben. Auch die Nullpunktsverschiebung hat keinen wesentlichen Einfluss auf den Gesamtpumpeffekt.
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Vakuum.
Um diese Strahlung grösstenteils unwirksam zu machen und eine maximale Pumpleistung aufrecht zu erhalten, indem die Temperatur der Magnete und der Polstücke unterhalb deren Curie-Temperatur gehalten wird, kann eine Konstruktion gemäss Fig. 8 Verwendung finden. Diese Konstruktion eignet sich für Permament-oder Elektromagnete.
Es sind Hitzeschilde-164 und 166-vorgesehen, die sich jeweils mit einem der Magnetrotoren drehen. Diese Hitzeschilde bestehen vorzugsweise aus rostfreiem Stahl oder Inconel und verhindern die
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heranreichen. Wo der Abstand zwischen den Polstücken und der Rohrleitung nicht kritisch ist, können die Hitzeschilde auch ohne Öffnungen ausgeführt werden ; in diesem Fall ist es möglich, sie direkt am Gestell fest zu montieren. Die der Rohrleitung zugekehrte Oberfläche des jeweiligen Hitzeschildes sollte koplanar oder parallel zu den Stirnflächen der zugehörigen Polstücke sein.
Zweckmässigerweise werden die Oberflächen der verschiedenen Elemente der erfindungsgemässen Pumpe so behandelt, dass die Wärmestrahlung zu den Magneten möglichst weitgehend reduziert wird, während die Magnete selbst Wärme abstrahlen können, damit sie so kühl wie möglich bleiben.
Zu diesem Zweck werden vorteilhafterweise die der Rohrleitung zugekehrten Stirnflächen der Polstücke mit Gold plattiert, damit sie möglichst wenig Wärme absorbieren. Alle andern Oberflächen der Polstücke sowie der Magnetpole selbst, die gegenüber dem Pumpengehäuse freiliegen, sind beispielsweise durch Oxydation oder eine Beschichtung geschwärzt, so dass ihr Emissionskoeffizient mindestens 0, 5 beträgt. Die dem Pumpengehäuse zugekehrten Oberflächen der Hitzeschilde sind ebenfalls geschwärzt, während die der Rohrleitung zugekehrten Oberflächen der Hitzeschilde mit Gold plattiert sind. Beim Umpumpen weniger heisser Flüssigkeiten können diese Oberflächen der Hitzeschilde unplattiert bleiben ; unter diesen Umständen kann es ausreichend sein, diese Oberflächen gut zu polieren. Ausserdem ist es auch nicht immer notwendig, alle übrigen Oberflächen zu schwärzen.
Die Wirkungsweise der in den Fig. 1 und 8 dargestellten Pumpen ist wie folgt :
Die Wellen--124 und 125--werden mittels eines über die Riemenscheibe--130-angekuppelten Elektromotors, der nicht dargestellt ist, angetrieben. Infolgedessen drehen sich die mit den Wellen verbundenen Magnetrotoren, so dass sich auch die magnetischen Felder drehen ; diese erzeugen Wirbelstromschleifen in der in der Rohrleitung --110-- enthaltenen Flüssigkeit, wobei sich diese Wirbelstromschleifen ebenfalls in der Drehrichtung des magnetischen Drehfeldes bewegen. Das Zusammenwirken des magnetischen Drehfeldes mit den Wirbelströmen transportiert das flüssige Metall längs der Rohrleitung-110-vom Einlass-112-zum Auslass-114-.
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