DE2856558C2 - Anordnung zur wirbelstrominduzierten Beschleunigung von kleinen Massen und Staub - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Beschleuniger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Herkömmliche elektromagnetische Beschleuniger arbeiten kontinuierlich, wobei sie nach dem Prinzip des Linearmotors die kinetische Energie von Massen aus elektrisch leitfähigem Material in langen Beschleunigungsstrecken erhöhen.

Ein derartiger Beschleuniger ist zum Beispiel aus der DE-OS 24 60 507 bekannt Dort werden die aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden Geschosse als Läufer eines elektrischen Linearmotors ausgebildet, dessen Ständer aus einer Mehrzahl von längs des Rohres hintereinander angeordneten Elektromagnetspulen gebildet ist, die unter Erzeugung eines zur Rohrmündung hin laufenden magnetischen Wanderfeldes erregbar sind.

Ein Nachteil einer derartigen Vorrichtung besteht darin, daß die Regelung der Spulen sehr schwierig, aufwendig und kostenträchtig ist Zudem werden die Abmessungen des Gerätes groß. Außerdem muß den Spulen über einen längeren Zeitraum stetig eine große Energiemenge zugeführt werden, Staub oder kleine Teilchen im μΐτι-Bereich können nicht mit ein- und demselben Aufbau beschleunigt werden. Der Wartungsaufwand ist hoch.

Teilchen der letztgenannten Kategorie lassen sich mittels elektrodynamischer bzw. elektrostatischer Effekte beschleunigen.

Das dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegende physikalische Prinzip derartiger Beschleuniger ist bei elektrodynamischen Schnellschaltern zum Ein- bzw. Ausschalten von hohen Strömen in Gleich- oder Wechselstromanlagen (ETZ-B, Bd. 14, Heft 19, 1962) bekannt. Dort drückt ein geführter Metallstößel auf einen Kontakthebel. Die zum Bewegen des Hebels notwendige Kraft wird erzeugt durch die Entladung eines geladenen Kondensators über eine Spule, die vor dem Stößel angebracht ist.

Von diesem Stand der Technik her ist es Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige und relativ einfache Anordnung zur Beschleunigung zu schaffen, mit der es gelingt, Staub oder kleine Teilchen im μιη-Bereich und Flüssigkeitstropfen zu beschleunigen sowie Stoßwellen in flüssigen und festen Medien zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird für kleine Masseteilchen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, die Erzeugung von Stoßwellen geschieht mit den im Anspruch 11 gekennzeichneten Merkmalen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Vorteile der Anordnung sind die kleinen Abmessungen, der einfache Aufbau, die einfache Handhabung sowie die Betriebssicherheit. Die für den Betrieb der Anordnung benötigte Energie braucht nur einmal, vor der Beschleunigung, gespeichert zu werden,

einer externen Energiequelle braucht während der Beschleunigung keine Energie entzogen zu werden.

Außer einem Schalter (13) wird während der Beschleunigung kein Regelmechanismus oder eine sonstige Beeinflussung der Anordnung benötigt

Trotzdem werden das Reaktionsteil (3) bzw. die Masseteilchen (4) jedes Mal auf die gleiche, gewünschte Endgeschwindigkeit beschleunigt

Da kein flüssiges oder gasförmiges Medium zur Übertragung der Energie auf die zu beschleunigende Masse benötigt wird, erfolgt auch keine Verunreinigung. Der Beschleuniger arbeitet deshalb auch bei extremen Umweltbedingungen, so bei hohen oder niedrigen Temperaturen und im Vakuum.

Die in den Ansprücher, gekennzeichnete Anordnung is läßt sich für folgende Zwecke einsetzen:

1. Beschleunigung stumpfer Körper mit Beschleunigungen bis zu 5 · 1O⁺⁷ g zu Simulations- oder Trennzwecken (Zentrifuge).

2. Simulation von kometarem Staub im Geschwindigkeitsbereich von I bis lOOOm/sec unter Hochvakuumbedingungen.

3. Kalte Nachfüllung (Brennstoffzuführung) von Fusionsplasmen in Fusionsreaktoren.

4. Vorbeschleunigung oder Injektion von Massen in andere Teilchenbeschleuniger (Stufungsprinzip).

5. Aufgrund seines reproduzierbaren Betriebes im gesamten Geschwindigkeitsbereich zwischen 1 und ca. 1000m/sec Einsatz als Meßnormal in der Geschwindigkeitsmeßtechnik (z. B. für Dopplerradar-Meßgeräte).

6. Schnelle und zeitlich auf 1 μ5βο genau triggerbare Zerstäubung von kleinen flüssigen Massen (z. B. Wasser- oder öltropfen).

7. Ansteuerung aktiver im μδβΰ-ΒβΓείοη schaltender Ventile (Gase, Flüssigkeiten, elektrischer Strom) mit hohem Kraftbedarf.

8. Erzeugung von Stoßwellen in Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen.

9. Dynamische Werkstoffprüfung ähnlich den Fallhammerversuchen. Es sind hier jedoch gegenüber den Fallhammergeräten sehr viel höhere Kraftanstiege (50 kN in 5 μ5εο bzw. äquivalente Fallhöhen von 50 km zu erzielen!).

10. Erzeugung von μϊεο-Lichtblitzen hoher Intensität.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel·: näher erläutert. Es zeigen· so

F i g. 1 das elektrische Ersatzschaltbild der Beschleunigungsanordnung; Beschleunigung der scheibenförmigen, aus leitfähigem Material bestehenden Reaktionsteile;

F i g. 2 eine kegelig gewickelte Spule; F i g. 3 eine spiralförmig gewickelte Spule;

F i g. 4a und 4b je eine gewundene (mäanderförmige) Spule;

F i g. 5a bis 5e 5 Anordnungen, welche die in den Ansprüchen 1 — 14 niedergelegten Weiterbildungen skizzieren.

Die Beschleunigung des Reaktionsteils (3) geschieht wie folgt (vgl. F i g. 1):

Eine Kondensatorbatterie (2) wird in einem induktivitäts und widerstandsarmen Kreis über eine Spule (1) ( = Primärspule) entladen. Der Entladungsstrom zeigt einen sinusförmigen Verlauf mit Dämpfung. Durch die zeitliche Änderung des durch die Spule (1) erzeugten magnetischen Flusses wird in einem unmittelbar vor der Spule konzentrisch angebrachten Reaktionsteil (3) (=Sekundärspule) ein Strom induziert Dieser induzierte Strom ist aufgrund des geringen Widerstandes der Scheibe ein Kurzschlußstrom und besitzt gegenüber dem Strom der Primärspule im günstigsten Fall die Phasenverschiebung π. Beide Ströme sind dann in jedem Augenblick entgegengerichtet und stoßen sich ab. Diese axial wirkende Kraft beschleunigt das Reaktionsteil (3). Die Spule (1) selbst ist hierbei zylindrisch, kegel- oder spiralförmig gewickelt Als Spulendraht (8) für die kegelförmige Spule eignet sich in besonderer Weise weichgeglühtes Kupferband, das mit Schrumpfschlauch isoliert ist Der Spulenkörper (9) besteht aus Nylon oder einem anderen, elektrisch nicht leitenden, jedoch zugfesten und zähen Werkstoff. Die S pulen windungen sind im Spulenkörper eingegossen oder einfach nur eingelegt Bei größeren Wandstärken des Spulendrahtes kann auf diesen Spulenkörper verzichtet werden. (Vgl. F i g. 2, 3, 4a und 4b.) Wird die Spule (1) extrem belastet, so werden die Spulenwindungen als blankes Kupferband direkt in Blei oder in Woodsches Metall ohne elektrische Isolation eingegossen. Der hierbei im Bleispulenkörper fließende Kurzschlußstrom ist tolerierbar.

Bei vorgegebener Spulengeometrie ist die auf das Reaktionsteil wirkende axiale Kraft proportional dem Produkt der fließenden Ströme; die Beschleunigung des Reaktionsteils ist umgekehrt proportional zu seiner Masse. Da der im Reaktionsteil induzierte Strom von der elektrischen Leitfähigkeit des Materials abhängt, läßt sich die Quotient aus elektrischer Leitfähigkeit und Dichte des Reaktionsteils als ein für die Beschleunigung charakteristischer Wert ansehen:

m ρ
wobei bedeuten:

F auf Reaktionsteil wirkende Kraft (N)

/77 beschleunigte Masse des Reaktionsteils (kg) K Leitfähigkeit des Materials des

Reaktionsteils (A/V)

ρ spez. Dichte des Reaktionsteils (kg/m³)

Die vorteilhafte Verwendung von Aluminium ergibt sich aus der folgenden Gegenüberstellung:

Material des
Reaktionsteils Al

Stahl Au Cu Ag Ms

* - ΙΟ"³
P

13,3 1,34 2,3 6,3

Fig.5a verdeutlicht die Beschleunigung von kleinen Masseteilchen (4) durch das Reaktionsteil (3). Die auf der Oberfläche haftenden Teilchen werden beschleunigt und fliegen nach der Abbremsung des Reaktionsteils an der Prallplatte (5) frei weiter. Zu diesem Zweck ist in der Prallplatte (5) eine öffnung vorgesehen durch welche die Teilchen die Prallplatte (5) frei passieren können.

F i g. 5b zeigt eine Anordnung zur Erzeugung von Stoßwellen in Flüssigkeiten oder Gasen (14), die elektrisch nicht leitfähig sind. Die Anordnung findet Anwendung zur Simulation stark beschleunigter Körper

(u. a. Fahrzeuge) in Medien. Als Stoßwellenerzeuger dient ein Reaktionsteil (3), welches im Tank (17) durch die Spule (1) plötzlich aus einer Ruhelage heraus beschleunigt wird.

Fig.5c verdeutlicht eine Anordnung zur direkten Erzeugung von Stoßwellen in elektrisch leitenden Flüssigkeiten oder Gasen (6). Es wird hierbei kein Kraftübertrager etwa nach der Anordnung von F i g. 5b benötigt.

Fig.5d zeigt eine Ausführung der Erfindung zur Erzeugung von Stoßwellen in elektrisch leitenden,

festen Körpern (7). Diese können die Funktionen eines Druckleiters übernehmen.

F i g. 5e zeigt den Aufbau für zweistufige Beschleunigung. Die erste Spule (1) beschleunigt das Reaktionsteil (3) in Richtung der zweiten Spule. Passiert das Reaktionsteil (3) die zweite Spule, wo wird durch sie Strom geschickt, das Reaktionsteil (3) wird weiter beschleunigt (nachbeschleunigt). Hierdurch läßt sich eine höhere Teilchenendgeschwindigkeit erzielen sowie eine weichere Beschleunigung des Reaktionsteiles (3).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Beschleunigung mittels einer elektromagnetischen Spule (1), welche ihre Energie aus der Stoßentladung einer zuvor aufgeladenen Kondensatorbatterie (2) erhält und die in einem elektrisch leitenden Reaktionsteil (3), das sich vor der Beschleunigung auf der geometrischen Spulenachse befindet, Wirbelströme induziert, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der spulenabgewandten Seite des Reaktionsteils (3) kleine Masseteilchen (4) befinden und daß nach dor Beschleunigung das Reaktionsteil (3) von einer Prallplatte (5) abgebremst wird, die die kleinen Masseteilchen (4) durch eine öffnung in ihr ungehindert passieren läßt (Fig. t,5a).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (I) aus einem Spulendraht gewickelt ist, der in einem elektrisch nicht leitenden Spulenkörper (9) eingegossen ist

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) die geometrische Form eines Kegels hat und aus einem Spulenband (8) selbsttragend gewickelt ist (F i g. 2).

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht isolierte Spulenband (8) in entsprechende Nuten eines elektrisch nicht leitenden Spulenkörpers (9) eingelegt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (9) gefertigt ist aus einem Material mit einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit als der des Materials des nichtisolierten Spulenbandes (8).

6. Anordnung nach Anspruch 3,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulenband (8) hohl ist und von innen gekühlt wird.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulenband (8) mäanderförmig gewickelt ist (F i g. 4a und 4b).

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spule (1) eine zweite Spule gegenübersteht, die das von der Spule (1) beschleunigte Reaktionsteil (3) anstelle der Prallplatte (5) elektromagnetisch abbremst.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Reaktionsteil (3) aus elektrisch nicht oder nur schlecht leitendem Material Kurzschlußringe eingelassen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Reaktionsteil (3) in einer Flüssigkeit (14) befindet, in der sie bei der Stoßentladung Stoßwellen erzeugt (F i g. 5b).

11. Anordnung zur Beschleunigung mittels einer elektromagnetischen Spule (1), welche ihre Energie aus der Stoßentladung einer zuvor aufgeladenen Kondensatorbatterie (2) erhält und die in einem elektrisch leitenden Reaktionsteil (3), das sich vor der Beschleunigung auf der geometrischen Spulenachse befindet, Wirbelströme induziert, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsteil (3) eine feste, teigige oder flüssige, elektrisch leitende Masse ist, in der die Stoßströme induziert werden (F i g. 5c).

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die als Reaktionsteil wirkende feste Masse ein Druckleiter (7) ist, der vor der Spule (1) auf deren geometrischen Achse montiert ist (Fig.5d).

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckleiter (7) aus elektrisch schlecht oder nicht leitendem Material besteht und eine oder mehrere Kurzschlußwindungen aus elektrisch leitfähigem Material aufweist.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 —8, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsteil (3) nacheinander durch zwei Spulen (1) beschleunigt wird (F i g. 5e).