Kältemaschine. Die Erfindung betrifft eine Kälte maschine, bei welcher erfindungsgemäss die Betriebsenergie dadurch zugeführt wird, d.ass unter der Einwirkung eines Magnetfeldes, ein durch elektrischen Strom durchflossenes flüssiges Metall fortbewegt wird. Als flüs siges Metall kommen, neben Quecksilber, be sonders auch Leichtmetalle in flüssigem Zu stande in Frage, zum Beispiel Natrium- Kaliumlegierungen, insbesondere solche mit etwa 7 5 % K.
Um nicht zu viele Amperewindungen auf wenden zu müssen, wird man. dazu geführt die Einrichtung so zu treffen, dass die mag netische Kraftlinie zum grössten Teil in Eisen verläuft und nur auf eine kurze Strecke das flüssige Metall durchsetzt, das heisst das flüs sige Metall wird in einem Spalte, .dessen Breite nur klein ist, die bewegende elektro magnetische Kraft erfahren.
Da dort, wo die bewegende Wirkung auf das Metall erfolgt, die Dicke (des MetaAles im Verhältnis zur Breite und Länge klein ist, kann man ver einfachend auch sagen, dass das Metall auf einer Fläche sich fortbewegt, und das Vek- torfeld der ponderomotorischen Kraft auf dieser Fläche (2. dimensionales Gebilde) be trachten.
Man wird nun zweckmässigerweise die Anordnung so treffen, dass dieses Vektorfeld der ponderomotorischen Kraft wirbelfrei ist, das heisst dass für jede geschlossene, inner halb der Fläche verlaufende (innerhalb des flüssigen Metalles im Spalt) Linie das Linienintegral der ponderomotorischen Kraft - 0 ist. Raben wir es mit einer ebenen Fläche zu tun, so ist die mathematische Be dingung hierfür
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wobei<I>x</I> und<I>y</I> die kartesischen Koordinaten innerhalb der Ebene und X, Y die KraA- komponenten bedeuten.
Wäre:dieses Vektorfeld der pon:deromotori- schen Kraft nicht wirbelfrei, so würden Strö mungen in der Flüssigkeit entstehen, die viel Energie verbrauchen und den Wirkungsgrad der Anordnung auf eine kleine Zahl herun terdrücken würden.
Während es bei dgr Be wegung eines festen Körpers zum Beispiel der Bewegung des Ankers eines Elektro motors nur auf die Resultierende, der auf den Anker wirkenden Kraft ankommt, ist es bei der Bewegung von Flüssigkeitdurch elektro- magnetische Volumenkräfte keineswegs gleichgültig, wie das Kraftfeld im einzelnen aufgebaut ist.
Man kann nun solche wirbelfreien Kraft felder im flüssigen Metall beispielsweise da durch gewinnen, dass man den Strom in die Flüssigkeitsschicht durch feste Körper (Elek troeden) eintreten lässt, wobei der Wert der Normalkomponente der magnetischen Kraft in allen Punkten der obbesagten Fläche gleich gross vorausgesetzt wird. Steht Wech selstrom zur Verfügung, so kann man die Verwendung von Elektroden vermeiden, in dem der elektrische Strom nicht durch Elek troden in die Flüssigkeit eingeleitet wird, sondern in der Flüssigkeit dergestalt indu ziert wird, dass die Stromlinie des elektrischen Stromes ganz in der Flüssigkeit: verläuft und sich in ihm schliesst.
Man erhält .solchermassen ein wirbelfreies Kraftfeld im flüssigen Metall, indem man folgendermassen vorgeht: Man gestaltet den Spalt, in dem die pon- deromotorische Kraft auf die Flüssigkeit wirkt so, dass sie durch eine zweifache zu sammenhängende Fläche dargestellt sei, also zum Beispiel durch die Miintelfläche eires Zylinders oder etwa. die Mantelfläche eines flachen Kegels.
In dem ;auf diese Weise ent stehenden Ringraum werden Jann durch das Magnetfeld Ringströme induziert, welche den Zylinder bezw. den flachen Kegel (allgemein den durch den geschlossenen 'Ringspalt ab gegrenzten Raumteil) umkreisen, und die ponderomotorische Kraft wirkt dann senk recht zu dem elektrischen Strom, und zwar in Richtung der Erzeugender. des Zylinders bezw. Kegels.
Man kann als flüssiges M2tail für die Zwecke der Erfindung statt Quecksilber auch mit Vorteil ein flüssiges Leichtmetall, zum. Beispiel ein Alkalimetall; im besonderen Kalium oder eine flüssige Legi.e@i.mg eines Leichtmetalles verwenden.
Der Wirkungs- @rad der Artriebsvor- richtung wird dadurch ein erheblich besserer, und zwar ist der bessere Wirkungsgrad be dingt einerseits .durch die hohe elektrische Leitfähigkeit, andererseits :durch die geringe Dichte der flüssigen Leichtmetalle.
In ider ver hältnismässig schmalen Spalte, in ,der :die elek- troldyna:mische Kraft :auf :das flüssige Metall einwirkt, findet nämlich eine turbulente Strömung statt, und die dabei auftretenden Energieverluste sind bei kleiner Dichte des flüssigen Netalles sehr erniedrigt.
Verwendet man das flüssige Leichtmetall in einer Flüssigkeitsstrahlpumpe oder in ähn lichen Apparaten, so erzielt man da auch sehr gute Wirkungsgrade, und zwar sowohl absolut als auch bezogen auf die Apparate dimensionen. Es sind nämlich die erzielbaren Geschwindigkeiten bei gegebenen Antriebs verhältnissen bei dem flüssigen Leichtmetall verhältnismässig sehr gross.
Von grosser Bedeutung ist auch der nie drige Dampfdruck der Leichtmetalle, weicher dafür sorgt, da.ss das Betriebsmittel nicht in jene Teile der Apparatur hinüberdestilliert, in denen es Störungen verursachen würde.
Die reinen Leichtmetalle sind bei Zim mertemperatur nicht flüssig, so dass, wenn sie rein verwendet werden, die Temperatur der Apparatur höher gehalten werden muss, was dann zugleich die Kondensation ander weitiger Dämpfe in der Pumpe in erwünsch ter Weise unterbindet. Man kann aber auch Legierungen von Leichtmetallen finit andern Metallen oder untereinander verwenden, wel che niedriger schmelzen als das niedrigst schmelzende Leichtmetall, zum Beispiel eine Natrium-Kaliumlegierung. Eine solche kann bei geeigneter Zusammensetzung aus den bei den Komponenten (zirka<B>77%</B> Kalium),
bis zu minus 12 herunter flüssig bleiben. Diese Legierung wird selbst bei der Temperatur im Verdampfer der Kältemaschine nicht fest und gestaltet sich auch im Preise sehr billig.
Die flüssigen Leichtmetalle, wie zum Bei spiel die erwähnte Kalium-Natriumlegierung, greifen die meisten Metalle an, können aber in Apparaturen aus Eisen unter Luftabschluss störungsfrei verwendet werden.
Als Kältemit tel kommen neben Kohlenwasserstoffen, wie Propan (C2, H3), Butan (C4, Hl,), Pentan (C5, R12) usw., unter :
anderem auch Äther in Frage, und zwar sowohl Äthyläther <B>(C,</B> N, - 0 - C-,H,) als auch andere Äther zum Beispiel Methyl-Äthyläther (CH, - 0 - C2H').
Die Zeichnung betrifft mehrere Ausfüh rungsbeispiele. F'ig. 1 ist das Schema eines solchen. 1 ist die Vorrichtung, in welcher das flüssige Metall auf elektrodynamischem Wege in Bewegung versetzt wird. Das flüs sige Metall wird in das Rohr 2 hineinge drückt und in die Flüssigkeitsstrahlpum,pe 3 befördert. Hier wird über die Leitung 4 der Dampf eines Kältemittels (bei spielsweise Methylalkohol oder irgendein Kohlenwasserstoff) abgesaugt und in einem vertikal aufwärts steigenden Rohre 5 ver dichtet und in den Gasabscheideraum 6 hin eingedrückt.
Von hier fliesst das flüssige Me tall über die abwärts führende Leitung 7 in die Vorrichtung 1 zurück, während,der Dampf des Kältemittels über die Leitung 8 in den luftgekühlten Kondensator 9 strömt und dort verflüssigt wird. Von hier fliesst das Kältemittel über eine Drossel 10 in den Ver dampfer 11.
In Fig. 2 ist die Vorrichtung 1 in ihren Einzelheiten gezeichnet. In dem zylindri schen Eisenrohr 12- befindet sich ein Eisen kern 13. Im zylindrischen Ringraume 20 zwischen dem Eisenkern und dem Rohre 12 fliesst Quecksilber unter der Einwirkung der durch die Wicklungen 14 bis 17 erzeugten magnetischen Felder in Richtung der Erzeu genden des Zylinders. und zwar bei passen der Polurig von oben nach unten. Die Wick lungen 14 bis 17 umschliessen das Rohr 12.
Die Ströme, die in den benachbarten Wick lungen fliessen, sind gegeneinander annähernd um<B>9,0'</B> verschoben; dagegen können .die Wicklungen 14 und 15 und ebenso die Wick lungen 1 5 und 17 hintereinandergeschaltet sein, und zwar so, dass der :Strom in der einen Wicklung im entgegengesetzten Sinne den Eisenkern 13 umkreist als in der andern. 18 und 19 sind Eisenbleche, die zu dem in Schnitt A-B in Fig. 2a sichtbaren Blech paket gehören.
Bei richtiger Polurig bewegt sich das Magnetfeld, welches das Quecksilber im zylindrischen Spalt durchsetzt, von oben nach unten; die Geschwindigkeit der Ver schiebung des Magnetfeldes ergibt sich aus Periodenzahl und Identitätsabstand der Wicklungen durch Multiplizieren der beiden. Im Quecksilber wird ein elektrischer Strom induziert, der den Eisenkern 13 umkreist.
In der Fig. 2 ist eine solche Stromlinie ge zeichnet. Die Kraft, welche auf das Queck silber .einwir'kt, seht berall parallel zur Zy- lin-d-erach.se und das Kraftfeld ist praktisch wirbelfrei.
Die Herstellung der 90 Phasenverschie- bung,zwischen den Strömen der benachbarten Wicklungen erfolgt in an sich bekannter Weise etwa. so, wie dies bei der Herstellung der Kunstphasen für Asynchronmotore vor geschlagen wurde. Zur Kompensation der Blindleistung kann ein Kondensator parallel zur Vorrichtung an das Netz angeschlossen werden.
Falls Drehstrom zur Verfügung steht, wird die Vorrichtung nach Fig. '2 derart an die Stromquelle angeschlossen, dass ein 0 e, le icliförmig bewegtes magnetisches Feld entsteht, das heisst es werden die Wicklungen 14 und 15 usw. derart angeschlossen, wie die Wicklungen eines Drehstrommotors.
Bei Verwendung beispielsweise einer Na-K-Legierung kann man, infolge der Kleinheit der Bewegungswiderstände die An- ordnung nach Fig. 2 auch in einer andern Weise betreiben, wobei die Wirkungsweise dann nicht an den Mehrphasenmotor, sondern an .den Einpha.senm-otör erinnert. Es können hier alle Wicklungen hintereinander geschal- tet im Betriebszustand verwendet werden, und zwar so gepolt,
da.ss in den bena.chbar- i en Wicklungen der elektrische Strom in um gekehrtem Sinne den Zylinder umkreist. Strömt das flüssige Leichtmetall bereits durch den Zylinder, so wird diese Strömung durch -die elektroina.gnetischen Kräfte eben so aufrechterhalten, wie die Bewegung des Rotors eines Einphasensynchronmotors erhal ten bleibt, wenn der Motor einmal angelassen ist. Die Kleinheit der Bewegungswiderstände spielt deshalb eine erhebliche Rolle, weil die Kräfte erst bei relativ hohen Flüssigkeits geschwindigkeiten erheblich werden.
Das Anlassen kann in unserem Falle ebenfalls dadurch erfolgen, da.ss für kurze Zeit eine Kunstphase ein bewegtes Magnetfeld erzeugt.
Man kann das flüssige Leichtmetall, in dem man dafür sorgt, dass seine Strömungs richtung im Spalt periodisch umgekehrt. wird, mit Hilfe der letzthin beschriebenen Schal tung, bei der die Kraft jeweils im Sinne :der bereits vorhandenen Bewegung wirkt, auch in einer hin- und hergehenden Bewegung hal ten, ohne dass ein periodisches Schalten des Stromes (Umschalten) notwendig wäre.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbei- spiel der Erfindung im Schema gezeichnet. 21 ist :die Vorrichtung, in welcher eine Kraft wirkung auf elektromagnetischem Wege auf das flüssige Metall ausgeübt und dieses aus dem Zylinder 22 in den Zylinder 23 hinein gepresst und bei Umpolung der Elektroden 21 und 25 :aus dem Zylinder 23 in den Zylin der 22 befördert wird.
Die Umpolung erfolgt selbsttätig mit Hilfe der Kontakte 26 und 27, die in den seitlichen Ansatzrohren 28 bezw. 29 untergebracht sind und bei Berührung mit dem :Spiegel in diesen Ansatzrohren je einen Hilfsstromkreis schliessen.
Die genannten An satzrohre sind durch dünne Leitungen 30 bezw. 31 mit den Zylindern 22 bezw. 23 in Verbindung, durch welche das flüssige Me tall in sie -eindringt, wenn der Quecksilber spiegel im entsprechenden Zylinder hoch- gestiegen ist, und durch welche das Metall aus .dem Ansatz herausfliesst, wenn der Me tallspiegel im betreffenden Zylinder her- untergesunken ist. Bei dieser Anordnung ist die Lage des Spiegels im Ansatzrohr keine eindeutige Funktion der Lage des Spiegels im Zylinder.
Die Verhältnisse liegen viel mehr so, dass, wenn die grosse Masse des Me- talles zwischen den beiden Zylindern 22 und \?3 hin- und herpendelt, das flüssige Metall in den Ansatzrohren 28 und 29 mit grosser Phasenverschiebung folgt.
Trifft man die Anordnung so, da.ss durch den Kontakt 27 beim .Schliessen des betreffenden Hilfsstrom kreises (wenn also das Metall im Zylinder 23 hochgestiegen ist), der elektrische Strom im Stromkreise der Elektroden 24 und 25 um- g ekehrt und damit zugleich die Kraft, wel che das flüssige Metall zwischen den beiden Zylindern hin- und hertreibt, umgekehrt wird,
so wird nach Stromschluss des Kontak- ies 27 das Metall aus dem Zylinder 23 an- @resaugt und in den Zylinder 22 hineinge- ,c(rückt; obwohl der Metallspiegel im Zylin der 23 sofort nach :
Stromumkehr herunter zusinken beginnt, steigt entsprechend der ge nannten Phasenverschiebung im Ansatzrohre ?9 der Metallspiegel noch eine Zeitlang an (solange, bis die beiden Spiegel gleich hoch stehen), und der Hilfsstromkreis des Kontah- tes 27 wird erst unterbrochen, wenn der Me- allspiegel im Zylinder 23 weit unter die liontaktstelle gesunken ist.
Wird nun bei Stromöffnung im Hilfskreise des Kontaktes 27 der Strom im Kreise der Elektroden 24 und 295 abermals umgekehrt, so beginnt jetzt wieder das flüssige Metall aus dem Zylinder ?2 in :den Zylinder 23 hinüberzufliessen, und der Metallspiegel im Zylinder 23 steigt dann wieder, wobei aber zunächst der Spiegel im Ansatzrohr 29 noch eine Zeitlang weiter her untersinkt. Auf diese Weise liegt ein schwin gungsfähiges Gebilde vor, und da.s flüssige Metall pendelt zwischen den beiden Zylindern 22 und 23 dauernd hin und her. Obwohl man im Prinzip mit einer Kontaktstelle 27 aus kommt, sind in der Figur zwei Ansatzrohre mit Kontakten gezeichnet.
Im Zylinder 23 werden die Dämpfe des Kältemittels beim Heruntersinken des Me tallspiegels aus der Leitung<B>32</B> über das Ven- til 38 angesaugt, während zur gleichen Zeit im Zylinder 22 bei steigendem Metailspiegel die Dämpfe verdichtet und über das Ventil 34 in die Druckleitung 35 hineingedrückt werden.
Nach erfolgter Stromumkehr wird im Zylinder 22 über das Ventil 36 aus der Saugleitung 32 Dampf angesaugt, während zugleich im Zylinder 23 die Dämpfe verdich tet und über das Ventil 37 in die Drucklei tung 35 hineingeleitet werden. Wie man sieht, repräsentiert der beschriebene Apparat nach Fig. 3 eine @do.ppeltwirkernde Kolbenpumpe. Die Druckleitung 35 ist mit dem luftgekühl ten Kondensator 38 durch die Leitung 39 verbunden, während der Verdampfer 40,
in welchen das im Kondensator 38 verflüssigte Kältemittel über die Leitung, 11 hineinfliesst, durch,die Leitung 42 mit .der Sajugleitung 32 er len ist.
v 'bunc In Fig. 4a und 4b ist eine andere Aus- führungsform der elektromagnetisch wirken den Flüssigkeitsantriebsvorrichtung wieder gegeben.
In Fig. 4a sieht man im Schnitt die Elek troden 43 und 44, zwischen denen sich ein Spalt 45 von 1 .mm X 20 mm Querschnitt und -etwa 6 cm Länge befindet. Der Spalt mündet auf beiden,offenen Seiten rechts und links in den allmählich in die Querschnitts- form .des Spaltes übergehenden Leitungen 46 und 47 und ist auf der schmalen Seite durch ,die genannten Elektronen auf der breiteren Seite durch nie im Schnitt A-B in Fig. 4b sichtbaren isolierenden Platten 48 und 49 be grenzt.
Durch den in Fig. 4b sichtbaren Elek tromagneten wird ein magnetisches Feld im Spalt, der mit flüssigem Metall gefüllt ist, aufrechterhalten, während durch die Elek troden elektrischer Strom durch das flüssige Metaill geschickt wird.
Es entsteht dann eine Kraftwirkung auf das Metall, welche senk recht zu den magnetischen Kraftlinien und auch senkrecht zu den elektrischen Strom linien steht und das flüssige Metallbei pas sender Polung aus der Leitung 46 in die Leitung 47 hineindrückt. Wird statt Gleichstrom Wechselstrom verwendet, so ist darauf zu achten, dass das magne- tische Feld und der elektrische iStrom im flüssigen Metall in Phase sind.
Dies wird hier erreicht, indem die Wicklung 50 des Elektromagnetes mit der Primärwick- lung des Transformators 51 in Reihe ge schaltet wird, während der Sekundärkreis des Transformators an nie Elektroden ange- schlossen ist. Es kann natürlich die Wick lung 50 ohne Zwischenschaltung eines Trans formators direkt an die Elektroden ange schlossen sein.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungs- farm, der elektromagnetisch wirkenden Flüs sigkeitsantriebsvorrichtung. 52 ist der Eisen- kern. dies Elektromagnetes, dessen Wicklung (in Fig. 5a nicht eingezeichnet) in den Nu ten 53 und 54 untergebracht wird.
Die mag netischen Kraftlinien durchsetzen das Rohr 55, das aus einem in der Hauptsache aus Eisen bestehendem Material von. hohem spe zifischen Widerstand gebildet ist, verlaufen ein Stück weit im Blechpaket 56 im Innern der Röhre, durchsetzen dann den quecksilber gefüllten Spalt 57 und schliessen sich dann.
nachdem sne nochmals durch die Wandung der Röhre 53 hindurchgetreten sind, im Eisenkern 52. In der Fig. 5a ist eine solche magnetische Kraftlinie eingezeichnet. Die S%romzuf'ührung zu dem Quecksilber im Spalte erfolgt durch die Elektroden 58 und 59, welche in der Hauptsache aus Eisen be stehen.
Die Elektroden werden am besten an den Sekundärkreis eines Transformators, au geschlossen, von dem ein Teil des Kernes, samt der Sekundärwicklung, sich innerhalb des hermetisch abgeschlossenen Rohres 55 be findet. Unter der Wirkung der im Spalt 57 am Quecksilber angreifenden Kräfte wird dieses bei entsprechender Polung aus der Lei tung 60 angesaugt und in die Leitung 61 hineingedrückt.