DE3222187A1

DE3222187A1 - Hydrid-schnellschalter

Info

Publication number: DE3222187A1
Application number: DE19823222187
Authority: DE
Inventors: Peter Mark 07481 Wyckoff N.J. Golben
Original assignee: MPD Technology Corp
Current assignee: MPD Technology Corp
Priority date: 1981-06-15
Filing date: 1982-06-12
Publication date: 1982-12-30
Also published as: JPS5848783A; GB2101314A; CA1169114A; JPH0361171U; US4385494A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen sich insbesondere selbst zurückstellenden Hydrid-Schnellschalter mit einer Wasserstoffkammer und einer durch eine Änderung des Wasserstoffdrucks induzierten Schaltkraft.

Derartige Schnellschalter sind bekannt; sie besitzen einen Widerstand aus Metallhydrid, der beim Erwärmen Wasserstoff freigibt und damit eine als Schaltkraft geeignete Druckerhöhung bewirkt. Die bekannten Schalter arbeiten jedoch mit besonderen Heizwiderständen oder Heizröhrchen zum Erwärmen des Metallhydrids und erfordern daher in Anbetracht der zu erwärmenden Massen verhältnismäßig große Energiemengen. Hinzu kommt, daß die Desorptionswärme zunächst das Heizelement selbst durchströmen muß, ehe sie das jeweilige Hydrid aufheizt. Damit ist jedoch ein erheblicher Zeitverlust verbunden, ehe der Schalter anspricht. Dieser Zeitverlust beträgt normalerweise mindestens 30 Sekunden.

Insgesamt sind die bekannten Hydrid-Schnellschalter insofern nachteilig, als sie ohne einen entsprechend hohen Energieaufwand keine sehr großen Schaltkräfte ergeben, äußerst vibrations-, stoß- und umweltempfindlich beispielsweise gegen Wasser, Chemikalien und extreme Temperaturwechsel sind und ziemlich langsam ansprechen, d. h. teilweise eine Minute oder mehr Zeit brauchen, ehe ihre Schaltkraft wirksam wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen diese Nachteile nicht aufweisenden, sich insbesondere selbst zurückstellenden Hydrid-Schnellschalter zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, das Metall-Hydrid mit Hilfe eines elektrischen Stroms direkt zu erwärmen.

Im einzelnen besteht die Lösung in einem Schnellschalter der eingangs erwähnten Art, bei dem sich in der Wasserstoffkammer ein elektrischer Widerstand aus einem hydrierbaren und mit einer Spannungsquelle verbundenen elektrischen Leiter befindet.

Der elektrische Widerstand kann formbeständig sein oder beim Erwärmen zerfallen. Als formbeständiger Widerstand eignet sich insbesondere eine um einen nichtleitenden Kern gewickelte Drahtspirale beispielsweise aus Palladium oder einer palladiumreichen Legierung wie Palladium-Silber mit 1 bis 25 % Silber. Andererseits kann der Widerstand jedoch auch aus einer dünnen Schicht oder Folie bestehen oder massiv ausgebildet sein.

Als hydrierbare Stoffe für den elektrischen Widerstand eignen sich auch intermetallische Verbindungen des Typs AB₁-in metallischer Bindung, die während des Absorptions-/ Desorptions-Zyklus beständig sind. So läßt sich beispielsweise LaNiπ mit Nickelpulver versintern, um einen pelletartigen Stoff zu schaffen, der während des Absorptions-/ Desorptions-Zyklus seine Form beibehält, sofern der Nickelgehalt ausreichend ist. Der Gehalt an freiem Nickel sollte daher 50 bis 75 % des Gesamtgewichts ausmachen. Ein derartiges Sintergranulat eignet sich zur Verwendung in einem porös-keramischen Röhrchen mit elektrischen Anschlüssen an den Enden. Nickelgebundenes LaNi₅ mit 75 bis 90 % freiem Nickel eignet sich als Widerstand auch zum Herstellen gesinterten oder gesinterten und gezogenen Drahts oder auch für sich oder als gesinterter Überzug auf einem Nickelträger. In ähnlicher Weise eignet sich ein poröser Sinterüberzug aus einem Inertpulver auf einem Titan- oder Palladiumdraht. Ein derartiger, wasserstoffabsorbierender Draht läßt sich dann als Spirale auf einen keramischen Kern wickeln.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Hydridschalter in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen der Darstellung in Fig. 1 entsprechenden Schnitt durch einen anderen Hydridschalter und

Fig. 5 den Querschnitt eines Hydridwiderstands für einen Schalter.

Der erfindungsgemäße Hydrid- bzw. Schnellschalter 1 besteht aus einem mit einem Deckel 12 verschlossenen und einem Kolben 13 versehenen Zylinder 11. Der Zylinder, der Deckel und der Kolben mit seinen Dichtungsringen 14 umschließen eine Wasserstoffkammer 15. Innerhalb der Wasserstoffkammer 15 befindet sich auf Haltestücken 16 ein keramischer Tragzylinder 17 als Kern einer Spirale 18 aus Palladiumdraht. Die Länge der Drahtspirale 18 beträgt beispielsweise 0,3211 bis 0,1426 mm und gewährleistet sowohl einen ausreichenden ohmschen Widerstand als auch eine ausreich-ende Wasserstoffkapazität. Von den Enden der Drahtspirale 18 erstrecken sich elektrische Leitungen 19 durch eine Dichtung 20 über einen Auslöser 21 zu einer Gleichstrom- oder Wechselstromquelle 22. Von der Kolbenrückseite 28 erstreckt sich eine Kolbenstange 23 durch eine Öffnung 26 mit einer lose berührenden Gleitdichtung 24 im Boden 25 des Zylinders

Der Zylinder*) ο den 25 weist eine Belüftungsbohrung 27 auf und gewährleistet damit eine Druckentlastung der Kolbenrückseite 28. Mit Hilfe zweier Befestigungsstücke 29 läßt sich der Schalter 1 in beliebiger Lage montieren. Das freie Ende der Kolbenstange 23 führt zu einem nicht dargestellten System, das einen druckartigen Schaltimpuls erfordert.

Im Betrieb absorbiert der Palladiumdraht 18 bei niedrigen Temperaturen Wasserstoff, den er nach einem Betätigen des Auslösers 21 bzw. Einschalten der Spannungsquelle 22 aufgrund der Erhöhung der Drahttemperatur nach dem Ohmschen

Gesetz I R wieder abgibt. Im einzelnen bewirkt die Temperaturerhöhung der Drahtspirale 18 in erster Linie ein rasches Freisetzen des absorbierten Wasserstoffs und als Nebenwirkung auch ein Aufheizen des in der Kammer 15 befindlichen Wasserstoffs aufgrund einer thermischen Energie, die der Differenz zwischen der Leistungsaufnahme in Abhängigkeit

von I RT und der Desorptionsenergie entspricht. Beides bewirkt einen Druckanstieg in der Kammer 15 und ein Verschieben des Kolbens 13 mit der Kolbenstange 23 nach außen mit der erwünschten Schaltbewegung. Die dabei wirksame Schältkraft ist beträchtlich; sie beträgt bei einem Kammervolumen von 1,632 cm , einer Palladiummenge von 0,308 g einem anfänglichen Wasserstoffdruck von 0,0082 ata einem Kolben-

P
querschnitt von 3,871 cm und einer Temperaturerhöhung

des Palladium-Palladiumhydrid-Widerstands von etwa 246° C

2
immerhin etwa 13,2 kg cm über eine Arbeitsstrecke von 4,22 mm bei einer nur geringen Leistungsaufnahme von 53,6 J. Unter der Annahme einer Wechselspannung von 24 Volt ergibt sich bei einer Stromstärke von 2 A eine Reaktionszeit von nur 1,125 s. Wird hingegen die Stromzufuhr zu der Draht-

spirale 18 durch erneutes Betätigen des Auslösers 21 unterbrochen, dann kühlt sich die Drahtspirale 18 rasch ab und resorbiert den Wasserstoff, um schließlich zu dem Ausgangszustand zurückzukehren. Bei sehr raschem Schaltzyklus empfiehlt sich eine Außenkühlung des Schalters 1 nach dem Ausschalten.

Bei dem Schalter 2 gemäß Fig. 2 liegen beiderseits einer Trennwand 32 mit einer Durchiaßöffnung 33 eine Wasserstoffkammer 30 und eine Kolbenkammer 31. In der Kolbenkammer 31 befindet sich ein beweglicher Kolben 34 mit einem rückwärtigen, in die Öffnung 33 eingreifenden und als Kolben mit geringem Querschnitt fungierenden Zapfen 35. Die Wasserstoffkammer 30 läßt sich mit Hilfe einer Wasserstoff-Druckquelle 36 und die Kolbenkammer 31 mit Hilfe einer gegebenenfalls anderen Druckquelle 37 unter Druck setzen, um die am Kolben 34 wirksamen Kräfte derart auszugleichen, daß P^ · A gleich oder allenfalls etwas größer als P-^₀ · A ist. Wird der Auslöser 21 betätigt, dann erhitzt der von der Spannungsquelle 22 kommende Strom die Drahtspirale 18 und bewirkt eine Wasserstoffdesorption mit einem entsprechenden Druckanstieg in der Wasserstoffkammer 30. Aufgrund dieses Druckanstiegs bewegt sich der Kolben 34 ein kleines Stück in Richtung der Kolbenstange 23 und setzt damit seine gesamte Oberfläche dem hohen Druck aus der Wasserstoff-Druckquelle 36 aus. Aufgrund des sich dabei einstellenden hohen Druckunterschieds bewegt sich der Kolben 34 mit seiner Kolbenstange 23 spontan in Richtung der Kolbenstange. Bei einer Stromunterbrechung kühlt die Drahtspule 18 unabhängig von einer etwaigen Belüftung ab und resorbiert nach dem Wiedereinstellen des Drucks in der Kolbenkammer 31 den Wasserstoff in der Kammer 30, womit der Druckausgleich zwischen den bei-

— Q —

den Kammern 30, 31 wieder hergestellt ist.

Anstelle der Verwendung eines formbeständigen Metallhydrids als Hydrid-Widerstand eignet sich auch ein beim Erwärmen zerfallender hydrierbarer Stoff in physikalischer oder mechanischer Bindung mit einem Metall. Derartige Stoffe zerfallen normalerweise spontan zu einem Pulver während eines Absorptions-Desorptions-Zyklus.

Der in Fig. 3 dargestellte Hydrid-Widerstand 3 kann an die Stelle der Widerstände 17, 18 der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 1 und 2 treten. Dieser Hydrid-Widerstand besteht aus einem porös-keramischen Rohr 38 mit einem Granulat 39 aus einem zerfallenden Metallhydrid in metallurgischer Bindung mit einem Bettungsmetall sowie zwei elektrischen Kontakten 40 an einander gegenüberliegenden Seiten. Als Metallhydrid eignen sich einzeln oder nebeneinander LaNi₁-, Mischmetall (M)Ni₅, FeTi, (Fe_Q gNi_o2)Ci, CaNi₅, Mg₂Ni, MgpCu oder andere hydrierbare Metalle, Bei dem nichthydrierbaren Bettungsmetall handelt es sich vorzugsweise um Nickel, wenngleich andere Metalle mit merklischem elektrischem Widerstand und verhältnismäßig hohem Schmelzpunkt wie beispielsweise Nickel-Kupfer-Legierungen, Eisen und Nickel-Chrom-Legierungen ebenfalls in Frage kommen. Das Bettungsmetall und das hydrierbare Metall werden normalerweise zu Granulat miteinander versintert, ohne daß es zu wesentlichen Reaktionen zwischen den Partnern kommt. Bei der Verwendung von Aluminium als Bettungsmetall ist jedoch Vorsicht geboten; denn es reagiert bei höheren Temperaturen mindestens in geringem Umfange mit ANi₁- und bildet dabei nichthydrierbare intermeiaLlische Verbindungen wie NiAl und NiAl₇,.

- ίο -

Der erfindungsgeraäße Schnellschalter kann auch mit einem Anzeigegerät 41 verbunden sein, das den elektrischen Widerstand des Drahts 18 anzeigt. Dabei braucht das Anzeigegerät 41 nicht, wie in Fig. 1 dargestellt, mit dem Auslöser 41 verbunden zu sein; es kann vielmehr auch an anderer Stelle direkt oder indirekt mit der Drahtspirale 18 verbunden sein. Das Anzeigegerät 41 nutzt den unterschiedlichen elektrischen Widerstand zwischen dem Metall und seinem Hydrid aus. So ist der Widerstand des Palladiumhydrids bei 2O⁰C etwa doppelt so groß wie der Widerstand des reinen Palladiums. Auf diese Weise läßt sich mit Hilfe der Änderung eines niedrigen Meßstroms der Hydriergrad der Drahtspirale 18 und damit der Zustand des Schalters an dem Anzeigegerät 41 ablesen. Bei der Verwendung anderer Metalle ändert sich der Widerstand in anderer Weise. So fällt der Widerstand des Vanadiums in dem Maße ab, wie die Menge des Vanadiumhydrids zunimmt. Insofern muß das Anzeigegerät 41 für das jeweilige Widerstandsmetall bzw. Hydrid ausgelegt sein.

Bei Schnellschaltern mit einem Widerstand aus Palladium, einer Palladium-Legerung oder einem ähnlichen hydrierbaren Metall kann das schnelle Ansprechen mindestens zum Teil von dem Grad des mit der Wasserstoffdesorption einhergehenden Widerstandsabfalls abhängen. Ein Widerstandsabfall bewirkt gleichzeitig ein stärkeres Erwärmen aufgrund des Joule-Effekts, der seinerseits die Wasserstoffabgäbe beschleunigt.

Der erfindungsgemäße Schnellschalter eignet sich insbesondere dann, wenn"es auf Robustheit und Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen ankommt, wie beispielsweise bei automatischen Feuerschutzsystemen für Arbeitsmaschinen, beispielsweise Bergbaumaschinen. Hierfür geeignete Schalter

müssen ständige Vibrationen und starke Umwelteinflüsse aushalten sowie auf ein Signal spontan schalten und alsdann selbsttätig in den Ausgangszustand zurückkehren. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind der Feuerschutz von Plugzeugmotoren, bei denen ein rascher Alarm und für den Fall mehrerer Brände auch die Rückkehr in den Ausgangszustand von wesentlicher Bedeutung sind.

Leerseite

Claims

Dn.-lng. Reimar König · Dipl.-lng. Klaus Bergen Cecilienallee "7B 4 Düsseldorf 3D Telefon 45SOOB Patentanwälte

11. Juni 1982 34 552 K

MPD Technology Corporation, 681 Lawlins Road,

Wyckoff, New Jersey 07481, U.S.A.

"Hydrid-Schnellschalter"

Patentansprüche:

Schnellschalter mit einer Wasserstoffkammer und einer durch eine Änderung des Wasserstoffdrucks induzierten Schaltkraft, gekennzeichnet durch einen in einer Wasserstoffkammer (1.5, 30) angeordneten Widerstand (3, 18) aus einem mit einer Spannungsquelle (22) verbundenen hydrierbaren elektrischen Leiter.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wasserstoffkammer (15, 30) auf einer Seite mindestens teilweise durch einen verschiebbaren Kolben (13, 34, 35) begrenzt ist.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand (18) aus einem formbeständigen Metall besteht.

4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand (18) aus Palladium besteht.

5. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand (18) aus einer Palladium-Silber-Legierung mit 1 bis 25 % Silber besteht.

6. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand (3) aus einem nicht formbeständigen Metall in physikalischer und/oder mechanischer Bindung mit einem nicht hydrierbaren Metall besteht.

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das nicht formbeständige und das nicht hydrierbare Metall metallurgisch miteinander verbunden sind.

8. Schalter nach Anspruch β oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Metalle als Granulat (39) in einem porös-keramischen Röhrchen (38) befinden.

9. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein den elektrischen Widerstand des Widerstands (3, 18) anzeigendes Gerät (41).

10. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (13, 34) in einem zylindrischen Gehäuse (11) angeordnet ist.

11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits des Kolbens (34) befindliche Kammern (30, 31) jeweils mit einer Druckquelle (36, 37) verbunden sind.

12. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1

bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (34) mit einem Kolbenzapfen (35) in eine Öffnung (33) einer Trennwand (32) zwischen zwei Kammern (30, 31) eingreift.