DE1788025A1

DE1788025A1 - Verfahren zur elektrogasdynamischen energieumwandlung und elektrogasdynamischer wandler hierzu

Info

Publication number: DE1788025A1
Application number: DE19681788025
Authority: DE
Inventors: Edward L Collier; Meredith C Gourdine; Harold W Mccrae
Original assignee: Gourdine Systems Inc
Current assignee: Gourdine Systems Inc
Priority date: 1967-10-05
Filing date: 1968-09-18
Publication date: 1975-07-31
Also published as: DE1788025C3; DE1788025B2; GB1237939A; US3612923A; FR1582476A

Description

PATENTANWÄLTE DIPL·. ING. C. STOEPEL · DIPL. ING. W. GOLLWITZEB · DIPL. ING. MOLL

674 IiANDAU/FFAIZ · AM SCHÜTZENHOP POSTSCHECK: 67 LtTOWIGBHAFBIr 17 SSS · BAXKt DBTTTBCKK BAVK 074

Gourdine Systems Inc. , Livingston, N. J. , USA

"Verfahren zur elektrogasdynamischen Energieumwandlung und elektrogasdynamischer Wandler hierzu"

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrogasdynamisches Verfahren zur Energieumwandlung und einen elektrogasdynamischen Wandler mit einem Kanal für die Gasströmung, die in Austausch ihrer kinetischen und Wärmeenergien Ladungsteilchen gegen ein die Ladungen abstoßendes elektrisches Feld in dem Kanal bewegt. Gemäss der Erfindung soll die seitliche Strömungsbegrenzung durch einen Hochwiderstandsfilm im Bereich des die Ladungen abstoßenden Feldes gebildet werden, um die Bildung eines Kriechstromes aus den Ladungen in der Strömung zu ermöglichen.

Es ist allgemein bekannt, daß elektrogasdynamisch^ Wandler sehr wirksam und von größtem Nutzeffekt sind, wenn die Ladungskonzentration in der Arbeitsgasströmung, die durch den Kanal verläuft, so hoch als praktisch möglich gemacht

509831/0005

werden kann. Um hohe UmwandlungsWirkungsgrade zu erzielen, wurden zahlreiche Versuche gemacht, umso viele Ladungen als möglich zwischen die Ionisierungs- und Sammelelektroden des Wandlers zu bringen, um so eine hohe Ausgangsleistung zu erzielen. Bei mit Gleichstrom arbeitenden elektrogasdynamischen Wandlern entspricht die abgegebene Nutzleistung dem Produkt aus Spannung und Strom an einem äußeren Verbraucher, der zwischen den Sammel- und Ionisierungselektroden angeschlossen ist. Es erschien daher nur logisch, ein stromauf gerichtetes Zurückkehren der Ladungen in dem Kanal zu verhindern, da solche zurückfließenden Ladungen dann nicht zur Verfügung stehen, um im Verbraucher nützliche Arbeit zu leisten.

In der elektrogasdynamischen Technik ist es weiterhin bereits bekannt, daß höhere Ladungskonzentf ationen im Strömungskanal durch die Verwendung eines eingespritzten Aerosols von multimolekularer Größe erreicht werden können, dessen einzelnen Teilchen eine beträchtliche Ladung vermittelt werden kann, die sich der Sättigung nähert. Derartige Teilchen können wegen ihrer geringeren Beweglichkeit und größeren Masse wirksam elektrische Ladungen zum Sammelbereich gegen das die Ladungen abweisende Feld transportieren. Mit höheren Ladungskonzentrationen hat jedoch der Raumladungsfeldgradient senkrecht zur Strömungsrichtung auch die erhöhte Neigung, eine größere Ablagerung von Ladungen und geladenen Teilchen an der seitlichen Strömungsbegrenzung zu bewirken, bevor sie die Sammelelektrode erreichen, wobei diese Erscheinung besonders bei Ladungen und Ladungsträgern höherer Beweglichkeit und geringerer Masse auftritt.

Der Kanal eines elektrogasdynamischen Wandlers ist im allgemeinen aus nicht leitenden Werkstoffen von hoher Dielektrizität gebaut, um einem dielektrischen Zusammenbruch bei

509831/0005

höheren Spannungen im Sammelbereich entgegenzuwirken. Wenn die Spannung an der Sammelelektrode zunimmt, ergibt sich jedoch eine entsprechende Verstärkung des die Ladung abstoßenden Feldes, so daß die Neigung besteht, die Ladungsträger zu verlangsamen. Dies führt zu einer vorzeitigen Ablagerung von Ladungen und Ladungsträgern an der Seitenbegrenzung des ' Strömungskanales und so dort zu einer ständig zunehmenden Ladungskonzentration. Schließlich beschleunigen derartige unerwünschte Ladungskonzentrationen den Zusammenbruch des Arbeitsstromes (und vielleicht von Teilen des Strömungskanales), lange bevor die beabsichtigte optimale Spannung im Sammelbereich erreicht ist. Außerdem hat, obwohl der Wandler so gebaut werden kann, daß er unter Bedingungen arbeitet, unter denen periodische Zusammenbrüche auftreten, die Aus gangsspannung die Neigung, unstabil oder unregelmässig zu sein. Entgegen aller Erwartung können nun derartige dielektrische Zusammenbrüche vermieden und die Arbeitsweise des Wandlers verbessert werden, indem, wie erfindungsgemäss vorgeschlagen, absichtlich ein leitender Film für die abgelagerten Ladungen an der Kanalwandung vorgesehen wird.

Erfindungsgemäss wird ein Hochwider standiilm an der

weg
seitlichen Strömungs|begrenzung des Mittelbereiches des Kanäles zwischen der Sammei- und Ionisierungselektrode vorgesehen. Der Hochwiderstandsfilm schafft eine Rückkehr- oder Leckmöglichkeit für die Ladungen, die die Strömungs be grenzung vor dem Sammelbereich erreichen, um dadurch unerwünschte Ladungskonzentrationen abzubauen. Der Gesamtwiderstand des Filmes zwischen der Sammei- und der Ionisierungselektrode wird so gewählt, daß er gleich oder größer ist als der Ladungswiderstand, mit dem der Wandler arbeiten soll, so daß der größere Teil der Ausgangskraft im Verbraucher und nicht am Hochwiderstandsfilm entwickelt wird. Der Ilochwiderstandsfilm

509831 /0005

neben der seitlichen Strömungsbegrenzung des Kanals kann entweder aus einem flüssigen oder einem festen Material bestehen. Wenn ein Flüssigkeitsfilm verwendet wird, ist erfindungsgemäss ein Wandler vorgesehen, der eine Leitung aufweist, die die * Strömung und die überschüssigen Flüssigkeitsteilchen vom Wandlerauslass abführt.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Wandlers kann der Leckstromkreis hohen Widerstandes durch eine Reihe von leitenden Elementen gebildet werden, die in Strömungsrichtung in Abstand zueinander angeordnet sind und sich durch die Wandung des Kanäles zur Verbindung mit einer dünnen Filmablagerung hohen Widerstandes an der Außenseite des Kanales erstrecken.

Weitere Merkmale/und Einzelheiten der durch dieselbe erzielten Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch einenlelektrogasdynamischen Wandlerkanal nach der Erfindung mit einem Widerstandspfad aus einem dünnen Film neben der Fliesspfadgrenze im Innern des Kanals,

Fig. 2 ist eine teilweise Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Konverterkanals, worin leitende Abschnitte verwendet werden, die zur Fliesspfadgrenze freiliegen, um einen wirksamen Widerstandspfad am Kanalinneren zu bilden,

509831/0005

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer ringförmigen Auslassleitung für den Konverterdurchfluss,

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht des stromab gelegenen

Endes eines elektrogasdynamischen Konverters unter Verwendung einer ringförmigen Auslassleitung, die einen elektrischen Verbraucher umgibt,

Fig. 5 ist eine bildliche Darstellung eines elektrogasdynamischen Konverters unter Verwendung einer schraubenförmigen Auslassleitung, die den Durchflußkanal umgibt und

Fig. 6 und 6 A sind Querschnittsansichten eines elektrogasdynamischen Konverters, der eine Vielzahl von kleinen Auslassrohren verwendet.

Fig. 1 zeigt eine Grundausführungsform eines Wandlers, der den dünnen Widerstandsfilm nach der Erfindung im Inneren des Kanales aufweist. Der Wandler entspricht einer früheren Ausführungsform nach Entwicklungen des Erfinders, aber die nachstehend erläuterten Gedanken sind auch auf andere Formen elektrogasdynamische Wandlerkanäle anwendbar.

Der Wandler besteht aus einem stromauf gelegenen dielektrischen Abschnitt 10a, einem folgenden dielektrischen Abschnitt 10 b und einem stromabgelegenen Sammelabschnitt 10c. Zur Vereinfachung des Zusammenbaus und Auseinandernehmens sind die Abschnitte 10a , 10 b und 10 c mit Gewinden 11 versehen und aneinanderstoßende Abschnitte sind mit gemeinsamen

509831/0005

geeigneten O-Ring-Dichtungen lla versehen, die in einander zugeordnete ringförmige Nuten passen.

Die Innenwand 12 des Wandlers ist so ausgebildet, dass sie einen sich axial erstreckenden, zunächst stromab konvergierenden, dann divergierenden Strömungskanal, also eine Düse, bildet. An der engsten Stelle 13 der Düse ist eine ringförmige Anziehungselektrode 14 angeordnet, die etwas stromab von der Spitze einer Koronaelektrode 16 liegt, die auch einen Düsenstöpsel bildet, der von einem Haltekreuz aus sich radial erstreckenden Armen 16a getragen wird. Zwischen den Elektroden 14, 16 befindet sich eine Koronastromquelle, dargestellt durch die Batterie 17, um ein Ionisierungsfeld im Strömungskanal in der Nähe der engsten Stelle 13 der Düse zu bilden.

er

Von der engsten Stelle 13 der Düse/weitert sich die Wandung 12 progressiv, bis der Kanal eine Sammelelektrode 18 erreicht, die in dem Kanal von einem Haltekreuz 18a gehalten wird. Zusammen bilden die Koronaelektrode 16 und die auseinandergehenden und zusammenlaufenden Teile der Kanalwandung 12 eine Laval-Düse für das Arbeitsgas, das in die stromauf gelegene Verlängerung 2o aus dielektrischem Werkstoff eintritt (wie vom Pfeil 19 angedeutet)^ die auf den von ihr stromab gelegenen dielektrischen Abschnitt loa aufgeschraubt ist.

Wie bereits oben angedeutet, ist es allgemein bekannt, daß Teilchen, die in einer elektrogasdynamischen Strömung dispergiert sind, geladen werden können, um die Ionen (Ladungs-) Konzentration in der Strömung zu verbessern und so den Wirkungsgrad des Wandlers zu erhöhen. In Fig. 1 wird eine Aerosolflüssigkeit, z.B. Alkohol, mit verhältnismässig niederer Leitfähigkeit (hohem Widerstand) von einer Quelle 22 in eine

509831/0005

Zuleitung 24 geleitet, die mit der dielektrischen Verlängerung 2ο verbunden ist. Diese ist mit einem ringförmigen Kanal 26 ausgebildet, der die Flüssigkeit von einem kleinen inneren Zuleitungskanal 27 empfängt, der mit der Zuleitung 24 in Verbindung steht. Der ringförmige Kanal 26 steht seinerseits mit dem Inneren des Wandlerkanales unmittelbar stromauf von der Koronaelektrode 16 durch eine Reihe kleiner Öffnungen 28 in Verbindung, durch die die Flüssigkeit in die Strömung als fein verteilter Flüssigkeitsnebel oder Aerosol eingesprüht wird. Während die Aerosolteilchen 29 von der Strömung in den Ionisierungsfeldbereich zwischen der Elektrode 16 und der Anziehungselektrode 14 geführt werden, werden sie ionisiert oder geladen und setzen ihre Bewegung in dem Kanal auf die Sammelelektrode 18 zu fort. Wegen des quer gerichteten Gradienten des Ladungsfeldes in dem Kanal zwischen der Anziehungselektrode 14 und der Sammelelektrode 18 wird jedoch ein gewisser Anteil der flüssigen Teilchen an der Innenwandung des Kanals niedergeschlagen. Wahrend des Betriebes wird das Zufliessen der Aerosolflüssigkeit von der Quelle 22 eingestellt und auf einer Höhe gehalten, die genügt, um eine Anzahl von Aerosolteilchen in der Strömung zu erzeugen, deren Niederschlag oder Kondensation einen dünnen Widerstandsfilm 3o bildet, der die Innenwand 12 mindestens zwischen der Anziehungselektrode 14 und der Sammelelektrode 18 überzieht.

Die Ionen und geladenen Teilchen, die nicht an der Innenwandung des Kanales niedergeschlagen werden, werden von der Sammelelektrode 18 aufgenommen, die so ausgebildet ist, daß sie die Ladungen in der Strömung durch eine Wirkung neutralisiert, die einer Abgabe von Ionen von entgegengesetzter Polarität gleichgesetzt werden kann. Der Fluss des Neutralisie rungs stromes durch die Sammelelektrode 18 stellt einen

Stromfluss i durch einen äußeren Verbraucher R her, der J-i L

509831/0005

zwischen der Koronaelektrode 16 und der Sammelelektrode 18 geschaltet ist. Der Stromfluss i entwickelt seinerseits eine Spannung im Verbraucher gleich der Spannung an der Sammelelektrode. Diese gleiche Spannung bewirkt auch die Aufrechterhaltung eines ladungsabstoßenden, axialen Feldes innerhalb des durch die Wandung 12 gebildeten Strömungskanales. Die Spannungsenergie der geladenen Teilchen in der Strömung wird vergrössert, während die Bewegung gegen das genannte Feld erfolgt, wobei die kinetische Energie der Strömung in elektrische Energie am Verbraucher R gewandelt wird.

Beim Vorüber strömen an der Sammelelektrode 18 führen das Arbeitsgas und die überschüssigen Aerosolteilchen ihre Fließbewegung stromab weiter und durch den Kanalauslass 31 in einen dielektrischen Schlauch 31a am Ende des Abschnittes Io c. Der Zweck dieses Schlauches 31a wird später im einzelnen erläutert.

j Aus vorstehendem ergibt sich, daß der dünne Widerstandsfilm 3o, der auf der Innenwand 12 des Strömungskanales gebildet wird, einen inneren Strom weg entlang der Strömungsbegrenzung bildet und sich zwischen der Sammelelektrode 18 und der Anziehungselektrode 14 erstreckt. Der Widerstand des Filmes 3o kann durch einen inneren Ladungswiderstand R. dargestellt werden. Ladungen, die zur Strömungsbegrenzung unter dem Einfluss der Raumladung getrieben werden, werden durch mindestens einen Teil des Widerstandes R. geleitet und verhüten demgenaäss den Aufbau von örtlich hohen Spannungen und elektrischen Beanspruchungen innerhalb des Kanales. Als Ergebnis kann die Spannung an der Sammelelektrode beträchtlich erhöht werden, etwa durch Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums und der Ionenkonzentrat^ion innerhalb des Kanales, ohne daß ein dielek-trischer Zusammenbruch

509831/0005

des Arbeitsgases oder Kanales erfolgt.

Als eine Alternative zur Verwendung eines flüssigen Aerosols hohen Widerstandes, um den Widerstandsfilm 3o zu bilden, kann der Film aus einer Ablagerung von festem Material im Bereich der Strömungsbegrenzung an der Kanalwand 12 bestehen, um das gleiche Ergebnis zu erreichen. Im allgemeinen kann jedes beliebige geeignete Material für diesen Zweck verwendet werden, unter Erfüllung der Voraussetzung, daß seine Leitfähigkeit den Filmwiderstand gleich oder größer als den Verbraucherwiderstand für den besten Wirkungsgrad macht. Die Spitzenabgabeleistung wird erreicht, wenn R . * R . Aber höhere

1 JLi

Ausgangsspannungen können erzielt werden, wenn R.> R .

1 JL*

Eine weitere Möglichkeit bildet der Aufbau des Zwischenabschnittes lob aus jedem beliebigen Material hohen Widerstandes, wie beispielsweise einem leitenden Keramikmaterial. In diesem Falle weist das Material eine niedrigere Leitfähigkeit auf dls das Material, das für den dünnen Film verwendet wird wegen des größeren leitenden Querschnittes, der zur Verfügung steht. Eine weitere Alternative ist in Fig. 2 gezeigt.

In der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung ist der einzelne Zwischenabschnitt 10 b in Fig. 1 durch eine Reihe dielektrischer Abschnitte 32a - 32e ersetzt, die, wie gezeigt, bei 34 zum leichten Zusammenbau mit Gewinde versehen sind. Zwischen dem stromauf gelegenen Düsenabschnitt 10a und dem Abschnitt 32a und zwischen einander zugeordneten benachbarten Abschnitten 32b - e und 10c befinden sich jeweils dünne Metallringe 36, die den Strömungsquerschnitt umgeben und kreisförmige Oberflächen 36a bilden, die im wesentlichen glatt mit der Innenwand 12 abschliessen und dem Gasstrom ausgesetzt

509831/0005

- Io -

sind. Diese dünnen Metallringe 36 sind elektrisch durch Leitungen 38 mit einem Netz 4o hohen Widerstandes verbunden, das zwischen der Sammelelektrode 18 und der Anziehungselektrode 14 angeschlossen ist. Die Leitungen 38 enden an getrennten Punkten verschiedenen Spannungen in dem Netz 4o hohen Widerstandes, die durch Einzelwiderstände 4oa voneinander getrennt sind. Das Netz 4o bildet so mehrere leitende Oberflächen in der Strömungsbegrenzung, die voneinander abweichende Spannungen haben und es können sich leitende keranaische Ablagerungen auf den Oberflächen der Abschnitte 32a - e bilden.

36 Die Anzahl der dünnen Metallringe hängt von der Länge

und der Konstruktion des betreffenden Kanales ab, die Erfindung ist nicht auf irgend eine besondere Anzahl von leitenden Metallringen 36 oder irgend einen besonderen Abstand zwischen ihnen beschränkt. Es muß jedoch bemerkt werden, daß aufgrund der Anzahl und des Abstandes der leitenden Metallringe 36 ein wirksames inneres Widerstandsnetz gebildet werden sollte, das sich eignet, um einen Leckstrom (i.) von einer Größe aufzubauen, die genügt, um" einanjglektrischen Zusammenbruch im Strömungskanal zu verhüten. Zusätzlich sollte der Abstand und der Widerstand R. so gewählt werden, daß sekundäre elektrische Entladungen zwischen benachbarten leitenden Elementen vermieden werden.

Das Netz 4o stellt einen hohen Widerstand (R.) dar, der gleich dem inneren hohen Widerstand zwischen der Sammelelektrode 18 und der Anziehungselektrode 14 ist, der sich durch den Flüssigkeitsfilm in der Anordnung nach Pig. I ergibt. Wie bereits bemerkt, ist der Widerstand R. gleich oder größer als der Ladungswiderstand R , so daß der größte Teil des

Stromes (dq/dt) in der Strömung an der Sammelelektrode 18 zur

509831/0005

-u-

Zuführung zum Verbraucher R neutralisiert wird.

J-I

Fig. 3 - 6 A zeigen verschiedene Formen und Abwandlungen des grundlegenden elektrogasdynamischen Wandlers nach Fig. 1. Sie sind zur Verwendung mit einer flüssigen Aerosolquelle für die Bildung des flüssigen Hochwiderstandsfilmes gedacht. Beim Betreiben eines elektrogasdynamischen Wandlers mit einer gasförmigen Strömung, die mit Aerosolteilchen angereichert ist, ist es normalerweise wünschenswert, die Teilchen zur Quelle des flüssigen Aerosols zum Wiedereinsprühen in das System zurückzuleiten. Teilweise aus diesem Grund ist das Rohr 31 a am Auslass des Wandlers in Fig. 1 vorgesehen.

In der Praxis wird das Rohr 31 a zu der Quelle 22, wie gezeigt, zurückgeführt, um das Aerosol zu kondensieren und die Quelle wieder neu aufzufüllen. Wenn jedoch das Aerosol wieder in den Kreislauf eingebracht wird, kann sich ein dielektrischer Zusammenbruch in der Auslassrückleitung ergeben, wenn nicht die Konzentration der geladenen Teilchen in dem Auslassystem durch richtige Konstruktion des Gerätes verhütet wird. Außerdem kann das Aerosol, das verwendet wird, um den Film in dem elektrogasdynamischen Kanal zu bilden, auch den dünnen Widerstandsfilm in der Auslassrückleitung bilden, um so einen dritten Widerstand in das System parallel mit dem Verbraucher R zu schalten. Im allgemeinen sollte daher die Gesamtimpedanz der Auslassrückleitung stark über die Impedanz des Verbrauchers R hinausgehen, so daß die in dem Wandler erzeugte Spannung in erster Linie von den elektrogasdynamischen Parameten des Wandlers abhängt und nicht von den elektrischen und physikalischen Merkmalen der Rückleitung. Wenn vorstehende Bedingungen beachtet werden, nützt jeder Widerstandsfilm, der im Inneren der Auslassrückleitung gebildet

509831/0006

wird, dem System, indem er eine Leckage in dieser Leitung für das Ableiten von überschüssigen Ladungen schafft, wodurch ein dielektrischer Zusammenbruch in diesem Teil des Systems verhütet wird. Die Wandler nach Pig. 3 - 6 A sind unter Berücksichtigung der vorstehenden Überlegungen gebaut.

Nach Fig. 3 ist der dielektrische Kanal 10 an seinem stromauf gelegenen Ende durch eine ringförmige Endplatte 44 gehaltert. Die Endplatte 44 ist etwa durch Schraubenbolzen 45 an dem sich radial erstreckenden Flansch 46 einer im allgemeinen zylindrischen Kammer 47 befestigt, die am stromab gelegenen Ende des Kanales durch ein Bauteil 47 a und am oberen Ende durch die Platte 44 abgeschlossen ist. Das Bauteil 47 a ist ebenfalls mit einem Flansch zur Befestigung an dem dazugehörigen Flansch 46 a der Kammer 47 versehen und ist mit einem glatten, ringförmigen Einschnitt 48 ausgebildet, der dazu dient, den dynamischen Strömungswiderstand zu verringern und einen verhältnismässig glatten Übergang für die Richtungsänderung der Gasströmung zu schaffen. Der dielektrische Kanal 10 wird durch die Wände der Kammer 47 umgeben, um einen ringförmigen Rückfluss weg oder Kanal 49 zu bilden, der die Strömung aus dem elektrogasdynamischen Strömungskanal aufnimmt, der durch die Wand 12 gebildet wird. Beim Austritt aus dem Auslass 31 des Kanales 10 wird die Strömungsrichtung durch den Teil 47 a umgekehrt und die Strömung wird im Inneren des ringförmigen Kanales 49 in einer Richtung entgegen der Strömung im Kanal 10 weiter geleitet. In der Wand der Kammer in der Nähe der Endplatte 44 sind ein oder mehrere Auslässe 5o vorgesehen, die mit der Auslassrückleitung zur Quelle des flüssigen Aerosols verbunden sein können. Die Einheit nach Fig. 3 kann milfeinem Durchmesser gebaut werden, der ungefähr dem Doppelten des Durchmessers des Kanales selbst entspricht ohne eine wesentliche Vergrösserung der Länge.

509831/0005

In Pig. 4 ist der ringförmige Auslasskanal durch eine ähnliche zylindrische Kammer 52 gebildet, die sich in diesem Falle an das stromab gelegene Ende des dielektrischen Kanales 10 anschließt. Auf einer Endplatte 54 gehaltert, die an der zylindrischen Kammer 52 befestigt ist, befindet sich ein innerer zylindrischer Abschnitt 56, der zusammen mit der äußeren Kammer 52 einen ringförmigen Auslasskanal 58 bildet und eine Ausnehmung 56a aufweist. Am stromauf gelegenen Ende des inneren Zylinders 56 befindet sich eine Platte 59, die die Sammelelektrode 18 hält. In der Ausnehmung 56a der inneren Kammer 56 und an der Platte 59 befestigt, befindet sich eine elektrische Anschlussklemme 6ο zur Verbindung mit einem Verbraucher, wie etwa einer Röntgenröhre 62, die sich von der Anschlussklemme 6o durch eine Öffnung 63 in der Endplatte 54 erstreckt. Geeignete Verbindungen für eine Stromrückleitung zum Ionisierungselektrodenstromkreis können ebenfalls vorgesehen werden, wie etwa durch eine elektrische Verbindung von der Eridplatte 54 die elektrisch mit der nicht gezeigten Koronaelektrode verbunden ist. In der Vorrichtung nach Fig. 4 geht die Strömung, die vom Auslass 31 des Abschnittes Io kommt, entlang der Sammelelektrode 18 durch den ringförmigen Kanal 58 zwischen den Kammern 52 und 56 und durch die Öffnungen 65 zur Rückkehr zu dem Aerosoleinspritzsystem.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Anordnung, die nützlich ist, wenn extrem hohe Spannungen erwünscht sind. Daher wird der dielektrische Kanal 10 in einen Behälter 67 getaucht, der ein Isolations ölbad enthält. Die rohrförmige Rückflußauslaßleitung 31a (siehe auch Fig. 1) ist in diesem Falle schraubenförmig um den Kanal 10 gelegt, um die Strömung vom stromab gelegenen Ende des Kanales 10 zum stromauf gelegenen Ende an der Behälterabschlussplatte 68 zurückzuleiten. Von dort aus können die Aerosolteilchen in der Aerosolquelle 22 kondensiert

609831/0006

und zum Abschnitt 10 zurückgeleitet werden, wie schematisch durch die Strömungspfeile angedeutet.

Im allgemeinen sollte, wenn die Auslassleitung als Rückleitung für das Aerosol verwendet wird, die Gesamtlänge L der Leitung gleich V/20 oder größer sein, wobei V die erwünschte Ausgangsspannung in Kilovolt ist und L in Fuß gemessen ist. In einer typischen Bauweise dieser Art nach Fig. hat es sich gezeigt, daß die Aus gangs spannung von ungefähr loo kv auf 15ο kv erhöht werden kann, wenn die Spiralanordnung des Auslassrohres 31 a anstatt eines geraden einzelnen Strömungsrohres stromab von der Sammelelektrode verwendet wird.

In Fig. 6 und 6 A ist der Strömungskanal 10 in einer besonderen dielektrischen Kammer 7ο in einer Art und Weise gehalten, die ähnlich der Anordnung nach Fig. 3 ist. In Fig. 6

Lang

bildet jedoch die Kammer 7o eine Reine; gestreckter Auslasskanäle 72, die um den Umfang des Kanäles 10 angeordnet sind und an ihren Endewmit Räumen 74 und 75 in Verbindung stehen. Der obere Raum 75 steht mit dem Auslass 31 des elektrogasdynamischen Kanales in Verbindung und dient dazu, den Ausgangsstrom zwischen den Auslasskanälen 72 zu verteilen, während der untere Raum 74 den Strom von jedem dieser Kanäle aufnimmt und ihn zu einer Auslassöffnung 77 leitet. Von dort werden die Aerosoldämpfe zur (nicht gezeigten) Flüssigke its quelle zurückgeleitet.

Die Leistung eines elektrogasdynamischen Wandlers mit einem inneren Widerstandsfilm auf der Kanalwandung entsprechend der Erfindung kann mit den folgenden Formeln beschrieben und berechnet werden:

509831/0005

worin λ *	uG /N ek ο' ο
¹L ⁼
V OC	I R. SC 1
^VL -	¹L¹⁵L
^PL *	Vl
P * max	1/4V I ' OC SC
worin I SC	Kur zschlus strom

In (1 τ (2) (3) (4) (5) (6)

I - Strom, der in die Ionenquelle injiziert wird

L - Länge des Kanäles

L - Verbraucherstrom

J-I

R - Verbraucherwiderstand Li

R. - Filmwiderstand ι

V - Spannung im offenen Stromkreis

P - Leistung

- absolute Dielektrizitätskonstante eines freien Raumes

te - Gasgeschwindigkeit

N - Ladungskonzentration in Ionenquelle

e - elektronische Ladung

k - Teilchenbeweglichkeit.

509831/0005

Im allgemeinen wird die Gestaltung des äußeren Auslassgehäuses oder der Kammer so gewählt, daß eine maximale Strömungsgeschwindigkeit in dem ringförmigen Raum geschaffen wird (Fig. 3 und 4} mit einem Minimum an Strömungswider- stand, während gleichzeitig die Bildung eines Flüssigkeitsfilmes auf den Innenoberflächen des Auslassbereiches ermöglicht wird. Wie bereits vorher erwähnt, erleichtert die Bildung eines Flüssigkeitsfilmes an der Innenwand des Auslasskanales das Ableiten von überschüssigen Ladungen. In diesem Zusammenhang zeigteies sich, daß die Wandler von der Gestalt, wie in Fig. 3 gezeigt, eine erstklassige Leistung bei 6o-9o kv ergeben, wobei der ringförmige Auslasskanal für die umgekehrte Strömung einen Leckstrom von ungefähr 3-5 Mikroampere entstehen lässt. Wenn beliebige der beschriebenen Wandler mit einer flüssigen Aerosolsubstanz hohen Widerstandes betrieben werden, wird die Strömungsgeschwindigkeit des Aerosols nach und nach erhöht, bis der Kurzschlusstrom I stabil wird und

se

örtliche Zusammenbrüche im Kanal (oder Bogenüberschläge) aufhören. Unter diesen Umständen wird der Widerstandsfilm an der Kanalwandung aufgebaut. Außerdem kann, wenn der Kurzschlusstrom sich einmal stabilisiert hat, der flüssige Aerosolstrom durch den Kanal ganz beträchtlich, beispielsweise bis zu loo ⁰Jo vergrößert werden, ohne daß ernsthafte Schwankungen in der Leistung auftreten.

Alkohol wurde bereits als ein geeignetes Aerosolmaterial für die praktische Arbeit mit dem Erfindungsgegenstand genannt und in diese Kategorie können Äthanol und Methanol und Mischungen dieser Alkohole mit Wasser eingeschlossen werden. Ebenso geeignet sind "Freon 22", Tetrachlorkohlenstoff, Azeton usw. Die Auswahl des Materials für den Widerstandsfilm

509831 /0006

kann unter Berücksichtigung des optimalen Leistungsauslasses und unter Berücksichtigung der Tatsache erfolgen, daß die physikalischen Eigenschaften des Dampfes, der von der Aerosolflüssigkeit gebildet wird, wichtig ist. Zuerst muß die Viskosität des Materials zur Bildung und Aufrechterhaltung des Flüssigkeitsfilmes auf die Fliessmengen und Strömungsgeschwindigkeiten abgestellt sein, mit denen der Wandler arbeiten soll. Zweitens sollte die Leitfähigkeit niedrig genug sein, damit der Filmwiderstand gleich oder höher ist als der Ladungswiderstand. Vorzugsweise hat das Filmmaterial dielektrische Werte, die über 3 χ Io Volt/Meter hinausgeht und eine Leitfähigkeit im Bereich zwischen ungefähr 10 mhos/Meter und Io mhos/Meter.

509831 /0005

Claims

Patentansprüche:

1.) Verfahren zur elektrogasdynamischen Energieumwandlung, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom in einem stromauf gelegenen Abschnitt eines umgrenzten Strömungsweges zur Bildung von Ladungen ionisiert wird, daß die Ladungen an einem stromab gelegenen Abschnitt des Strömungsweges neutralisiert werden und ein axiales, die Ladungen abstoßendes Feld im Strömungsweg über einen Mittelbereich zwischen den stromauf und stromab gelegenen Abschnitten aufgebaut wird, wobei die Strömungswegbegrenzung im Mittelbereich durch einen Hochwiderstandsfilm gebildet wird, in welchem die Ladungen, die die Strömungswegbegrenzung berühren, zu dem stromauf gelegenen Abschnitt geführt werden.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Widerstandsfilmes in die Strömung eine "bestimmte Menge von Flüssigkeitsteilchen geeigneter Viskosität eingebracht wird, die in der Strömung aufgeladen werden und einen dünnen Flüssigkeitsfilm an der Strömungsbegrenzung bilden.

3.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Flüssigke its strang stromab von der Neutralisierungsstelle der Ladungen zum Abführen der überschüssigen Flüssigkeitsteilchen vorgesehen ist.

4.) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Flüssigkeitsstrang eine Länge hat, die über die Länge des Mittelbereiches des Strömungs-

50983 1/0005

we ge s hinausgeht, um einen größeren Widerstand als im Mittelbereich zu erzielen.

5.) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere anschließende Flüssigkeitsstrang den wirksamen Strömungsweg ringmantelförmig umgibt, und so eine stromab gelegene Kammer bildet, in welcher die Strömungsrichtung entgegengesetzt derjenigen im wirksamen Strömungsweg ist.

6.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsteilchen durch Injizieren der Dämpfe einer kondensierbaren Flüssigkeit in die Strömung gebildet werden.

7.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als kondensierbare Flüssigkeit Alkohol verwendet wird.

8.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Film durch Vermischung eines Anteiles der dampfförmigen Substanz mit der Gasströmung gebildet wird, der genügt, um die Geschwindigkeit zu stabilisieren, mit der Ladungen durch den Widerstandsfilm geleitet werden und um ein Zusammenbrechen des elektrischen Feldes innerhalb der Gasströmung zu verhindern.

9.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsfilm in Verbindung mit einer Vielzahl von in Längsrichtung im Abstand voneinander angeordneten Flüssigkeitssträngen einer hohen elektrischen Impedanz außerhalb des Gasströmungsweges geschaffen wird.

509831 /0005

Ιο.) Elektrogasdynamischer Wandler zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9 mit einem Kanal für die Gasströmung, einer Ionisierungselektrode in einem stromauf gelegenen Abschnitt eines Kanales zum Aufbau eines elektrischen Entladungsfeldes, der bewegliche Ladungen in der ' Strömung erzufegt und mit einer Sammelelektrode, die von der Ionisierungselektrode in Strömungsrichtung in Abstand liegt, um Ladungen zu neutralisieren, die von der Strömung in ihrem Bereich getragen werden, um so eine elektrische Spannung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Ausbildung eines Hochwiderstandsfilmes für Ladungen an der seitlichen Strömungswegbegrenzung des Kanales, die zu dieser Begrenzung getrieben werden, vorgesehen ist, wobei der Hochwiderstandsfilm sich über einen Mittelbereich des Kanales zwischen der Sammelelektrode unc|der Ionisierungselektrode erstreckt.

11.) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsfilm aus einem dünnen Film aus leitendem Widerstandsmaterial besteht, der die Strömungsbegrenzung im Mittelbereich bildet,

12. ) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Widerstandsmaterial ein fester Stoff ist.

13.) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Widerstandsmaterial flüssig ist.

14.) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Einrichtung zum Einsprühen von Teilchen einer flüssigen Substanz, die an der seit-

509831 /0005

lichen Strömungsbegrenzung des Widerstandsfilmes zur Bildung abgelagert werden sollen an einer Stelle stromauf von der Ionisierungselektrode aufweist.

15.) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Quelle für die flüssige Widerstandssubstanz aufweist, wobei der dielektrische Wide
Meter hinausgeht.

dielektrische Widerstand derselben über 3 χ 10 Volt je

16,) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz eine Leitfähigkeit im Bereich zwischen und einschließlich von

η Ο

ungefähr 10 mhos je Meter bis 10 mhos je Meter aufweist.

17.) Elektroga sdynamischer Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz aus der Gruppe Alkohol, Tetrachlorkohlenstoff, Azeton, Freon 22 und einer Mischung irgendeiner der vorstehenden Substanzen mit Wasser ausgewählt ist.

18.) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung überschüssiger Flüssigkeitsteilchen aus dem Kanal eine Leitung stromab von der Sammelelektrode vorgesehen ist,

19,) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß diese Leitung den Strömungskanal umgibt, so einen ringförmigen Kanal zur Umlenkung der Strömung in eine der Strömungsrichtung im Kanal entgegengesetzte Richtung bildend.

5 0 9 8 3 1/0005

2o,) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß diese Leitung aus einer Reihe von im gegenseitigen Abstand liegenden Rohren besteht, die um die Außenseite des Kanales angeordnet sind und sich im wesentlichen parallel zur Achse des Kanales erstrecken,

21.) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung ringförmig ist und koaxial stromab vom Kanal liegt.

22.) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Leitung eine zentrische Ausnehmung zur Aufnahme eines beliebigen elektrischen Verbauchers aufweist und eine leitende Verbindung im Innern des Gerätes zwischen der Sammelelektrode und der Ausnehmung zur Bildung eines Anschlusses für den Verbraucher vorgesehen ist.

23,) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung eine Länge hat, die über die axiale Entfernung zwischen der Sammel- und der Ionisierungselektrode im Strömungskanal hinausgeht.

24.) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung den Kanal schraubenförmig umgibt,

25,) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung eine Länge in Puss hat, die mindestens gleich 1/20 der Spannung in Kilovolt an der Sammelelektrode ausmacht.

509831/0005

26.) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal aus einem dielektrischen Werkstoff aufgebaut ist und in den Widerstandsfilm eine Reihe leitender Elemente gelegt ist, die in gegenseitigen Abstand in Strömungsrichtung durch dielektrische Teile des Kanales gehalten sind und elektrisch wirksam der Strömung ausgesetzt sind und mit ihren Oberflächen in der Wandungsebene des Kanales liegen, wobei die Elemente entsprechende Anschlußklemmen an der Außenseite des Kanales bilden und ein leitendes Hochimpedanzelement zwischen jede der aufeinanderfolgenden Anschlußklemmen geschaltet ist.

27.) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Elemente zur Bildung einer Reihe von dünnen, kreisförmigen, leitenden Oberflächen an der Strömungsbegrenzung ringförmig ausgebildet sind.

28.) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente hoher Impedanz außerhalb des Kanales aus einem kontinuierlichen, dünnen Widerstandsfilm bestehen.

29. ) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelbereich des Kanales zwischen der Sammel- und der Ionisierungselektrode aus einem leitenden Werkstoff besteht, der zwischen der Sammel- und Ionisierungselektrode einen Strom weg hohen Widerstandes für die Ladungen schafft.

509831 /0005

3ο.) Elektrogasdyfaamischer Wandler nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem elektrischen Verbraucher zusammengeschaltet ist, der außen zwischen der Sammel- und der Ionisierungselektrode angeschlossen ist, wobei der Hochwiderstandsfilm eine Impedanz hat, die höher ist als die Impedanz des elektrischen Verbrauchers.

509831/0005

Leerseite