DE1788025A1 - Verfahren zur elektrogasdynamischen energieumwandlung und elektrogasdynamischer wandler hierzu - Google Patents
Verfahren zur elektrogasdynamischen energieumwandlung und elektrogasdynamischer wandler hierzuInfo
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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
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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
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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
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
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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,
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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
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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
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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
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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
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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
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- 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
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-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
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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.
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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
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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:
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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.
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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
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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.
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Claims (1)
- 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 1/0005we 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 /0005Ιο.) 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 /0005lichen 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 je16,) Elektrogasdynamischer Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz eine Leitfähigkeit im Bereich zwischen und einschließlich vonη Οungefähr 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 1/00052o,) 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.509831/000526.) 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 /00053ο.) 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.509831/0005Leerseite
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