Magnetohydrodynamischer Generator Die Erfindung betrifft einen magnetohydrodyna- mischen Generator (im folgenden mit MHD'y> abge kürzt), bei dem ein elektrisch - leitendes, erhitztes Gas durch einen Kanal und durch ein Magnetfeld strömt, das von einer Magnetspulenanordnung erzeugt wird.
Grundsätzlich erzeugen MHD-Generatoren elek trische Leistung durch die Bewegung eines elektrisch leitenden Mittels relativ zu einem Magnetfeld. Das verwendete Mittel ist gewöhnlich ein,
elektrisch leiten- des Gas aus einer Hochdruckquelle hoher Tempera- tur. Von dieser Quelle strömt das Gas durch den Generator und erzeugt infolge seiner Relativbewegung zum Magnetfeld eine elektromotorische Kraft zwi schen sich gegenüberstehenden Elektroden im Gene rator.
Das Gas kann in einen Niederdruckbereich ab strömen, der in einfacher Weise von der Atmosphäre gebildet werden, kann oder, in verwickelteren Syste men, von einem Rückgewinnungssystem, das Pump- einrichtungen zur Rückförderung des Gases. in die Gasquellen einschliesst.
Es können verschiedene Gase verwendet werden. Das Gas kann in einfacher Weise Luft oder ein Ver brennungsprodukt sein, oder es kann inertes Gas, wie Helium oder Argon, enthalten,. In offenen Systemen, d. h. solchen, in denen die Gase nach dem Passieren des Maschinensatzes, nicht wiedergewonnen werden, werden normalerweise Luft oder Verbrennungspro dukte verwendet.
In geschlossenen Systemen, in denen die Gase wiedergewonnen werden und erneut um laufen, ist es möglich, verhältnismässig teure Gase, wie Helium oder Argon, zu verwenden.
Um die Leit fähigkeit zu verbessern, werden die Gase auf hohe Temperaturen erhitzt. Die Leitfähigkeit kann ferner durch den Zusatz eines Stoffes verbessert werden, der bei der Betriebstemperatur leicht ionisiert. Unab hängig von dem verwendeten Gas besteht das Mittel aus einer Mischung von Elektronen, positiven Ionen und negativen Ionen, die der Bequemlichkeit halber als Plasmas bezeichnet werden soll.
Da die elektrische Leitfähigkeit des Plasmas mit steigender Temperatur zunimmt, ist es dadurch, dass das Plasma unter sehr hohen Temperaturen in den Generator eingeleitet wird, möglich, einen gegebenen Leistungsbetrag in einem kleineren Generator zu er zeugen als bei Verwendung eines Plasmas tieferer Temperatur. Ferner lässt sich die Länge des Genera- tors verringern, wenn die magnetische Feldstärke des Generators erhöht wird.
In der Regel sind somit die Abmessungen eines MHD-Generators gegebener Lei stungsabgabe um so geringer, je höher die Gastempe- ratur und je höher die magnetische Feldstärke ist. Es wurde festgestellt, dass die Kanallänge eines MHD- Generators umgekehrt proportional dem Quadrat der magnetischen Feldstärke ist.
Da der Wärmeabgang durch die Wand des Kaiales und die erforderliche Leistung zum Erregen der Feldspulen, die Haupt- verlustqueilen in MHD-Generatoren mit hoher Be triebstemperatur darstellen, ist das Bedürfnis nach einer Magnetspulenanordnung hoher Feldstärke mit geringer Verlustleistung augenscheinlich.
Offensichtlich muss ein MHD-Generator, der zur Erzeugung elektrischer Energie konstruiert ist, not wendigerweise eine grosse Magnetspulenanordnung aufweisen, um die erforderliche Feldstärke, die 100 000 G oder mehr betragen kann, aufzubringen.
Da ferner ferromagnetische Materialien bei grossen Feldstärken nur wenig helfen, wurden bisher Luft- spulen verwendet, bei denen die erzielbaren Feld stärken nur von den erreichbaren Amperewindungen und einfachen geometrischen Faktoren abhängen.
Zur Erläuterung sei gesagt, dass Luftspulen. solche Spulen sind, die einen Luftkern aufweisen: und rieht wesent- lieh von der Verwendung eines ferromagnetischen Materials zur Erzeugung des magnetischen Feldes abhängen oder Gebrauch machen. Für den Fall der Luftspulen ist die Begrenzung der erreichbaren Feld stärken durch die Erwärmung der Spulenleiter und die Probleme des Wärmeüberganges und der Bean spruchung innerhalb der Spulen gegeben.
Deshalb hat das Unvermögen, die genannten Grenzen. in bezug auf das Erreichen der erforderlichen magnetischen Feldstärken zu beseitigen oder zufriedenstellend zu überwinden, die Konstruktion von MHD-Generatoren und den Gesamtbetrag der von diesen zur Verfügung stehenden Leistung beschränkt. Ausserdem lassen sich nur geringe Wirkungsgrade erzielen,, was eben falls darauf zurückzuführen ist,
dass der Magnet spulenanordnung verhältnismässig hohe Erregungs energien zugeführt werden müssen, um das für den Betrieb des MHD-Generators erforderliche Magnet feld zu erzeugen.
Zur Vermeidung dieser Nachteile besitzt der MHD-Generator nach der Erfindung Kühleinrichtun gen zur Kühlung der Magnetspulenanordnung, die derart ausgebildet sind, dass sie eine Kühlung der Spulenanordnung auf tiefere Temperaturen als etwa -150 C gestatten.
Bei sehr tiefen oder sogenannten kryogenen Tem peraturen sinkt der Widerstand vieler reiner Metalle auf einen kleinen Bruchteil seines Wertes bei Zimmer temperatur.
Diese Tatsache bedeutet, dass bei gegebe nem Stromwert die Verlustleistung geringer ist und dass die Wärmeübergangsraten bei kryogenen Tem peraturen beträchtlich kleiner sind als bei Zimmer temperatur.
Ferner sinkt bei einigen Materialien der Widerstand mit der Temperatur schneller als die er forderliche Kühlleistung ansteigt, so dass sich durch eine Absenkung der Betriebstemperatur eine Netto ersparnis in bezug auf die für die Erzeugung eines Magnetfeldes in einem vorgegebenen Volumen er forderliche Leistung ergibt.
Falls also die Verringe rung der Verlustleistung, die durch die Absenkung der Betriebstemperatur einer magnetischen Spule erreicht wird, grösser ist als die Kühlleistung, ist eine nutzbare Verringerung der insgesamt zur Erzeugung eines ge gebenen Magnetfeldes benötigten Leistung möglich.
Für verschiedene Materialien gibt es bei gegebe ner magnetischer Feldstärke eine optimale kryogene Betriebstemperatur, die den maximalen Gewinn ge genüber einer bei Zimmertemperatur betriebenen Spule bestimmt. Diel Existenz einer optimalen kryo- genen Temperatur ist folgendermassen begründet:
Wenn eine Spule aus gegebenem Material anfänglich bei einer höheren als der optimalen Temperatur be trieben wird, dann. ist die durch eine Absenkung der Temperatur von der anfänglichen Betriebstemperatur auf die optimale Temperatur erhaltene Verringerung der Verlustleistung der Spule grösser als:
der zusätz- liche Leistungsaufwand für die Kühleinrichtung, um die Absenkung der Betriebstemperatur auf die opti male Temperatur herbeizuführen. Sofern jedoch die Betriebstemperatur der Spule auf einen unterhalb der optimalen Temperatur liegenden Wert abgesenkt wird,
dann ist die durch diese weitere Absenkung der Tem peratur erzielbare Verringerung der Spulenverlust- leistung kleiner als die zum Erreichen dieser tieferen Temperatur erforderliche Kühlleistung.
Wie bereits erwähnt wurde, ist die Leistung eines MHD-Generato:rs gegebener Grösse ungefähr dem Quadrat der magnetischen Feldstärke proportional. Die gesamte Leistung, die für die Erregung einer Magnetspulenanordnung benötigt wird,
ist proportio- nal dem Quadrat der magnetischen Feldstärke und eine Funktion der Betriebstemperatur der Magnet spulenanordnung, des Wirkungsgrades der Kühlein richtung und des Materials für die Leiter der Magnet spulen.
Diesbezügliche Berechnungen zeigen, dass die für den Aufbau eines Magnetfeldeis eines erfindungs- gemässen MHD-Generators; benötigte Leistung theo retisch um den Faktor 10 verringert werden kann, im Vergleich zu Generatoren gleicher Nennleistung, die nach den Lehren der früheren Technik gebaut sind, d. h. bei denen die Feldspulen etwa auf Zimmer temperatur gekühlt sind.
Dies bedeutet, dass mit der gleichen Erregungs leistung bei Verminderung der Betriebstemperatur auf kryogene Werte eine Vergrösserung des Quadrates der elektrischen Feldstärke um den Faktor 10 erwartet werden kann.
Mithin kann durch die Verwendung einer auf kryogena Temperatur abgekühlten Magnet spulenanordnung und ohne Vergrösserung der für die Erregung derselben aufgewendeten Leistung eine er hebliche Vergrösserung der Leistungsabgabe des Ge- nerators, z. B. um den Faktor 10 oder mehr, erreicht werden.
Ausserdem gestattet die Erfindung, wie im folgen den näher ausgeführt wird, die Konstruktion von MHD-Generatoren mit grösseren Einlassdrücken, als dies mit den üblichen MHD-Generatoren, die Kupfer spulen bei Zimmertemperatur verwenden, möglich ist. Hieraus, ergibt sich eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrades.
Wie auf dem Gebiet der Elektri zitätserzeugung bekannt ist, besteht der Nutzeffekt höherer Druckverhältnisse in üblichen Turbinengene- ratoreinheiten in einer Erhöhung des Wirkungsgrades, mit dem Wärme in Elektrizität umgesetzt wird.
Die gleiche Erhöhung des Wirkungsgrades ergibt sich auch in einem MHD-Generator. Auf diese Weise bringt die Erfindung dadurch, dass sie eine weitgehende Ver ringerung der für die Erregung der Magnetspulen er forderlichen Leistung gestattet und eine Verbesserung des Wirkungsgrades: des MHD-Generatorsystems er möglicht, einen wesentlichen Fortschritt auf dem Ge biet der MHD-Generatoren.
Die Erfindung gestattet ferner den Bau von MHD- Generatoren mit einer verringerten Betriebstemperatur ohne Einbusse an Wirtschaftlichkeit. Dies: ist beson ders wichtig, weil eine der grössten Schwierigkeiten beim Bau und Betrieb von MHD-Generatoren in der Verfügbarkeit von Materialien besteht, die den Tem peraturen standhalten können, bei denen der Gene rator betrieben werden muss.
Die Magnetspulenanordnung kann umfassen: Lei ter, die um den MHD-Generator so angeordnet sind, dass bei Erregung ein Magnetfeld entsteht, das quer zum Kanal im wesentlichen homogen verläuft und am Eingang des Kaiales stärker ist als am Ausgang; Mit tel für die Zu- und Abfuhr eines, Kühlmittels, mit dem die Leiter auf ihrer optimalen Temperatur gehalten werden; geeignete Isoliermittel für die Leiter und den Leitern zugeordnete Befestigungsmittel, die die not wendige bauliche Festigkeit ergeben.
Der Kanal kann so gestaltet sein, dass er den Betrieb des Generators bei grösseren Druckverhältnissen gestattet als die grössten praktischen Druckverhältnisse, die bisher für eine gegebene Reihe von Betriebsbedingungen erreich bar waren.
Die Erfindung wird sowohl in bezug auf Ausbau wie auf Wirkungsweise am besten aus, der folgenden Beschreibung einer beispielsweisen Ausführungsform anhand der beiliegenden Zeichnung verständlich.
Dabei zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines MHD- Generators; Fig. 2 eine schematische Darstellung des. MHD- Generators gemüiss der Erfindung zum Teil im Schnitt; Fig. 3 eine Seitenansicht einer zum Teil zusam rnengebauten Spule der Magnetspulenanordnung;
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Lage nach Fig. 3, wobei einzelne Teile herausgebrochen sind; Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V/V der Fig. 4; Fig. 6 eine Teilansicht, die in grösserem Masstab einenTeil der Hülsen,Kühlkanäle undLeiter darstellt; Fig. 7 eine schematische Darstellung, die ein Ver fahren zum Wickeln der Spule zeigt;
Fig.8 eine schematische Darstellung, die ein anderes Verfahren zum Wickeln der Spule zeigt; Fig. 9 einen Schnitt durch eine Anordnung für die Zufuhr des Kühlmittels in die Spule; Fig. 10 eine schematische Darstellung einer An ordnung, mit der das Kühlmittel durch die Spule ge führt wird; Fig. 11 einen Querschnitt mit Einzelheiten einer Spule, die ein im wesentlichen homogenes.
Feld senk recht zur Richtung der Gasströme erzeugt; Fig. 12 einen Querschnitt mit Einzelheiten der Verstärkung, die eine Verformung der Spule unter dem Einfluss elektrodynamischer Kräfte verhindert; Fig. 13 in perspektivischer Ansicht Einzelheiten der Verstärkungshülsen gemäss der Ausführungsform nach Fig. 12;
Fig. 14 eine graphische Darstellung, die den Ver lauf des magnetischen Feldes längs der Spule erken nen lässt; und Fig. 15 ein Schaubild, das den Verlauf der erfor derlichen Leistung in Abhängigkeit von der Tempe ratur und der Feldstärke im Vergleich zum Leistungs bedarf einer Kupferspule bei Zimmertemperatur dar stellt.
Da eine Kenntnis der allgemeinen Grundsätze von MHD-Generatoren das Verständnis der Erfindung fördert, ist in F'ig. 1 eine schematische Darstellung eines MHD-Generators gezeigt. Wie aus Fig. 1 er sichtlich ist, enthält der Generator einen Kanal 1 mit gleichmässig zunehmendem Querschnitt.
In den Kanal wird in Richtung des Pfeiles 2 elektrisch leitendes Plasma mit hoher Temperatur und unter hohem Druck eingeführt, welches den Kanal in Richtung des Pfeiles 3 wieder verlässt. Der Druck auf der Aus gangsseite des Kanals ist kleiner als auf der Eingangs seite. Deshalb bewegt sich das Plasma mit hoher Ge schwindigkeit in Richtung des Pfeiles 4 durch den Kanal 1.
Durch geeignete Wahl der Druckdifferenz und der Form des Kanals kann das, Plasma zu einer Bewegung mit im wesentlichen konstanter Geschwin- digkeit durch den Kanal veranlasst werden. Dies ist für den Betrieb des Generators wünschenswert, jedoch nicht notwendig.
Das, Äussere des Kanals, wird von einem durchgehenden, - elektrischen Leiter in Form einer Spule 5 umgeben, der mit Gleichstrom. von einer üblichen Stromquelle oder vorm Generator selbst ge speist werden kann. Der durch die Spule fliessende Strom erzeugt einen magnetischen Fluss, der senk recht zur Richtung der Plasmaströmung und zur Zeichenebene durch den Kanal 1 verläuft.
Im Kanal sind sich gegenüberstehende Elektroden 6 und 7 angeordnet. Diese Elektroden können, sich längs, der Innenseite des Kanals parallel zur Richtung der Plasmabewegung erstrecken und auf einer sowohl zur Richtung der Plasmabewegung als. auch zur Rich tung des, magnetischen Flusses senkrecht verlaufenden Achse einander gegenüberstehend angeordnet sein.
Das mit hoher Geschwindigkeit durch das. Magnetfeld bewegte elektrisch leitende Plasma erzeugt zwischen den Elektroden eine elektromotorische Kraft in. der durch die Pfeile 8 angedeuteten Richtung. Die<B>Elek-</B> troden 6 und 7 sind über eine Leitung 9 an eine Be lastung 10 angeschlossen, durch die infolge der an den Elektroden induzierten EMK ein elektrischer Strom fliesst.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu erken nen, dass ein MHD-Generator der beschriebenen Art ein stationäres Magnetfeld und einen gleichgerichteten Gasstrom verwendet. Deshalb ist ein solcher Gene rator von Natur aus. eine Gleichstromquelle. Falls Wechselstrom gewünscht wird, müssen besonders aus gebildete Generatoren oder Hilfseinrichtungen vor gesehen sein, die Gleichstrom in Wechselstrom um> wandeln.
In Fig.2 ist zum Teil im Schnitt eine Brenn- kammer 20, eine Magnetspulenanordnung 21 und ein Kanal 22 zur Führung eines heissen und elektrisch leitenden Gases dargestellt. Der elektrisch nichtlei- tende Kanal 22, der einen konvergierenden-divergie- renden Einlass 23 aufweist, ist von einer Spule 21 umgeben,
die aus zwei gegenüberliegend angeordneten Teilen 24a, 24b besteht (Vgl. Fig. 3 und 11) und in eine Vakuumkammer 25 eingeschlossen ist, die als Isolierung der Spule dient. Die innere Oberfläche 26 der Vakuumkammer 25 wird in Abstand von der Aussenfläche 27 des Kanals. 22 gehalten., damit die im Innern des Kanals gelegenen Elektroden 28 sowie nicht dargestellte Mittel, die z. B. den Kanal auf einer gewünschten Temperatur halten, zugänglich sind.
Der Zwischenraum 29 kann, falls erwünscht, mit einem geeigneten Isoliermaterial gefüllt sein. Die gegenüber liegend angeordneten Spulenteile <I>24a, 24b</I> bestehen jeweils aus einer Anzahl Lagen 31 in Reihe geschal- teter Leiter 32. Die Leiter sind auf sie tragende Metallhülsen 33 aufgewickelt, die eine Anzahl axialer Durchlässe aufweisen. Die Durchlässe ermöglichen es, ein. Kühlmittel über mindestens einige, vorzugsweise alle Lagen 31 der Spule strömen zu lassen.
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen Einzelheiten der Spu- lenlagen 31. Die am Einlass und Auslass des Kanals liegenden Spulenköpfe 35, 36 jeder Leiterlage sind derart gekrümmt, dass sie den Kanal 22 im wesent lichen zur Hälfte umfassen. Die Länge der Spulen 21 ist so bemessen, dass mindestens die wirksame Länge des Kanals umschlossen wird.
Die Spulenteile 24a, 24b sind vorzugsweise sym metrisch in bezug auf die Ebene 38 angeordnet, die senkrecht zu den Elektroden steht und durch die Längsachse des Kanals verläuft. Sie erzeugen ein Magnetfeld, das praktisch konstant ist und senkrecht zur Symmetrieebene 38 verläuft. In Richtung des Auslasses oder weiteren Endes des Kanals nimmt das Magnetfeld über die Länge der Spule ab-, wie später näher erläutert wird.
Ein Kühlmittel, wie Helium, wird unter Druck durch die Vakuumkammer 25 in die Magnetspulenanordnung eingeführt, wie durch die Pfeile 41 angedeutet ist. Das Kühlmittel wird von einer Tieftemperaturquelle, beispielsweise einer ge wöhnlichen, nicht dargestellten Kältemaschine, ge- liefert, die in der Lage ist,
das Kühlmittel auf kryogene Temperaturen zu kühlen. Als kryogene Temperaturen werden Temperaturen unter etwa -150 C betrachtet. Für den Fall, dass. das Kühlmittel die Magnetspulen anordnung durchläuft, kann eine Kältemaschine mit Heliumgas-Kreislauf verwendet werden. Das, Kühl mittel wird an den durch die Pfeile 42 angedeuteten Stellen abgelassen und in üblicher Weise zur Kälte maschine zurückgeführt.
Es ist erwünscht, dass die Feldstärke in Rich tung auf den Kanalauslass zu abnimmt, um zu ver hindern, dass das Verhältnis des magnetischen Flusses B zur Leistung P zu gross
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wird und starke Hall Effekte herbeiführt, die einen schädlichen Ein fluss auf den Generator haben könnten. Obwohl bereits die natürliche Vergrösserung der Ab@messun- gen eines sich erweiternden Kanals dazu beiträgt, kann die gewünschte Verringerung z.
B. dadurch zu stande gebracht werden, dass, wie in Fig. 3 und 4 dar gestellt ist, zwischen die Leitergruppen sich in Rich tung auf den Kanalauslass zu erweiternde Zwischen räume 51 bis 53 vorgesehen werden. Die Zwischen räume 51 bis 53 sind mit einem im wesentlichen nicht kompressiblen und nicht leitenden Material, wie z. B. einem warmhärtenden Kunststoff, gefüllt.
Anderseits können auch die entsprechenden Teile jedes Leiters einer Lage mit gleichmässigem Abstand voneinander angeordnet sein, um dasselbe Ergebnis zu erhalten, d. h. ein Magnetfeld, das, in Richtung des Kanalaus- lasses und parallel zur Richtung der Gasströmung ab nimmt, während gleichzeitig ein im wesentlichen kon stantes., den Kanal senkrecht zur Richtung des Gas stromes durchquerendes Magnetfeld erhalten wird.
Ferner können auch andere zufriedenstellende Mass- nahmen, darunter Änderungen des Spulendurch- messers und/oder Änderungen der Amperewindungen der Magnetspulenanordnung, getroffen werden.
Um ein gewünschtes: Magnetfeld zu erhalten, kön nen Stromdichte, Spulenquerschnitt, Leiteranordnung und dergleichen auf Kosten der Einfachheit der Bau weise geändert werden. Die Konstruktionsmittel magnetischer Spulen, mit denen ein bestimmtes ma gnetisches Feld geschaffen werden soll, sind an sich bekannt. Aluminium und Natrium scheinen die gün stigsten Leitermaterialien zu sein. Wegen gewisser besonderer wünschenswerter Eigenschaften wird im folgenden als Beispiel Natrium verwendet.
Da metal lisches Natrium mechanische Festigkeit vermissen lässt, kann der Leiter aus metallischem Natrium in quadratische dünnwandige Rohre aus rostfreiem Stahl eingegossen sein, um die Handhabung des Leiters und Herstellung der kompletten Magnetspule zu erleich tern. Eine Isolation des Leiters kann z. B. durch Oxydation oder durch Aufstreichen eines geeigneten Isoliermaterials auf alle Seiten des, Leiters, ausge nommen die, welche dem Kühlmittel ausgesetzt ist, geschaffen werden:.
Ein Kurzschluss vom Leiter zu einer diesen tragenden Metallhülse kann am besten durch eine Isolation auf der Innenseite jener Hülse verhindert werden, die an die dem Kühlmittel aus- gesetzte und nicht isolierte Fläche des Leiters angrenzt und in der oben beschriebenen Weise, beschaffen ist. Der Leiter, der die Spulenteile bildet, wird dadurch gekühlt, dass ein geeignetes Kühlmittel durch längs verlaufende Durchlässe geschickt wird, die in oder an den Metallhülsen gebildet sind.
So ist, wie, in Fig. 6 dargestellt ist, die äussere Oberfläche 54 jeder Hülse, die aus Stahl grosser Festigkeit bestehen kann, mit einer Schicht 55 aus einem anderen Material, z. B. Aluminium, bedeckt. Die Aluminiumschicht 55 be deckt jede Hülse 33 und ist mit längsverlaufenden Durchlässen 56 versehen. Falls. erwünscht, kann das Aluminium mit der Hülse verbunden sein. Die Durch- lässe, bei denen das Verhältnis von Höhe zu Breite in weiten Grenzen schwanken. kann, können mecha nisch oder durch Ätzung hergestellt sein, da die Ab messungen jedes.
Durchlasses verhältnismässig klein sind.
Wie am besten aus Fig. 6 hervorgeht, sind unter jedem Leiter mehrere, Durchlässe 56 vorgesehen, um ein Maximum an Wärmeübergang vom Leiter auf das Kühlmittel sicherzustellen. Obwohl die gesamte äus sere Oberfläche jeder Schicht 55 mit Isolation be deckt, z.
B. lackiert oder oxydiert sein kann, um einen Kurzschluss zwischen der nicht isolierten Oberfläche 57 des Leiters und der runden Hülse zu vermeiden, kann man offensichtlich das gleiche Ergebnis und dazu einen verbesserten Wärmeübergang dadurch erhalten, dass nur die Kuppen. 58 der Vorsprünge 59 isoliert sind.
Die Oberflächen des Leiters, die nicht direkt dem Kühlmittel ausgesetzt sind, sind in der vorher genanntem Weise mit Isoliermaterial 60 überzogen. Die dem Kühlmittel ausgesetzte Seite 57 des Leiters ist vorzugsweise nicht mit Isoliermaterial. bedeckt, um ein Maximum an Wärmeübergang vom Leiter auf das Kühlmittel zu ermöglichen.
Obwohl eine spezielle Anordnung für den Durch lauf des Kühlmittels durch die Magnetspulenanord- nung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. So kann das Kühlmittel beispiels weise auch in Richtung auf den Kanalauslass zu durch die Magnetspulenanordnung strömen oder am Um fang derselben oder radial durch diese zirkulieren.
Eine komplette Magnetspulenanordnung kann z. B. in der folgenden Weise gewickelt werden: Unter Bezug auf Fig. 7 kann, beginnend mit der ersten oder innersten Lage des einen Spulenteiles, der zum besse ren Verständnis als oberer Spulenteil (vergl. Fig. 3) bezeichnet wird, zuerst so gewickelt werden, dass mit dem innersten Punkt der Lage angefangen wird (einem Punkt, der in einer Ebene liegt,
die durch die Längsachse der Spule und rechtwinklig zur Ebene 38 verläuft). Von dort aus schreitet man zu einem äus- sersten, an die Ebene 38 angrenzendem. Punkt der Spule fort.
Nach der Fertigstellung dieser ersten Lage, die nun eine Hälfte des Kanals umgibt, wird der Leiter dann nach unten gebogen und so gewickelt, dass er die innerste oder erste Lage des gegenüberliegenden oder unteren Spulenteiles bildet (Spulenteil 24b in Fig. 3). Diese Lage wird von aussen nach innen ge wickelt und umgibt die andere. Hälfte des Kanals.
Die freien Enden des Leiters, der die vorgenannten ersten Lagen des oberen und unteren Spulenteiles bildet, liegen nun beide im Inneren jeder Lage, d. h. in der Ebene, die durch die Längsachse der Spule und rechtwinklig zur Ebene 38 verläuft.
Diese freien Enden des Leiters können nun durch einander gegen überliegende Öffnungen, ähnlich den Öffnungen 37 (Fig. 4), durch die nächste oder zweite Traghülse der nächsten oder zweiten Lage geführt werden. Nach der Installierung der zweiten Hülse kann die nächste oder zweite Lage jedes Spulenteiles darauf gewickelt wer den, wobei man von ihrem innersten zu ihrem äusser- sten Punkt fortschreitet. Die freien Enden des Leiters, der die zweite Lage bildet,
liegen nun an einem äus- sersten Punkt dieser Lagen. Infolgedessen müssen in der nächstfolgenden oder dritten Hülse zwei Öff nungen geeignet angeordnet werden, damit die freien Enden zur Bildung der nächstfolgenden oder dritten Lage hindurch geführt werden können.
Dann kann die dritte Lage jedes S.pulenteiles wieder von ihrem äussersten zu ihrem innersten Punkt gewickelt wer den. Der anhand der zweiten und dritten Lage be- schriebene Vorgang kann nun wiederholt werden, bis die gewünschte Anzahl Lagen gewickelt ist.
Diese Wickelmethode hat den. Vorteil kurzer Anschluss- leitungen und der leichten Zu- und Abfuhr des Kühl- mittels, da die Anschlussleitungen unmittelbar neben einander angeordnet werden. können.
Andere Möglichkeiten zur Herstellung der Ma- gnetspulenanordnung werden sich für den Fachmann. leicht ergeben. Z. B. kann. die Wicklung auch mit einer geringen Zahl Durchquerungen der Hülsen er folgen.
Dies. kann in der folgenden Weise geschehen: Wie Fig. 8 zeigt, werden die innersten Lagen, jedes Spulenteiles in der anhand der Fig. 7 beschriebenen Weise gewickelt. Anstatt jedoch anschliessend jede weitere Lage gemäss Fig. 7 zu wickeln, wird jede Spulenlage vor einer Durchquerung einer Hülse ge wickelt.
Dementsprechend wird nach der Fertigstel lung der innersten Lage jedes, Spulenteiles nur eine einzige Durchführung durch die folgende oder zweite Hülse für das freie Ende des Leiters an einem inner- sten Punkt vorgenommen. Die nächstfolgende oder zweite Lage, beispielsweise des oberen Spulenteiles,
wird dann von ihrem innersten zu ihrem äussersten Punkt gewickelt.
Danach wird der Leiter nach unten gebogen und die Lage für den unteren Spulenteil von ihrem äusser- sten zu ihrem innersten Punkt gewickelt. Dann wird eine einzige Durchführung durch die nächstfolgende oder dritte Hülse vorgenommen, worauf die dritte Lage beider Spulenteile in der beschriebenen Weise ausgeführt wird. Der Vorgang wird wiederholt, bis die gewünschte Anzahl Lagen erreicht ist.
Ferner ergeben sich für den Fachmann auch andere Möglichkeiten, die Spulenleiter zu verbinden und/oder die Magnetspulenanordnung an mehr als eine Stromquelle anzuschliessen. Z.
B. ist es für die Erfindung nicht unbedingt erforderlich, dass eine als Reihenwicklung ausgebildete Magnetspulenanordnung vorgesehen und an eine einzige Stromquelle ange schlossen ist, obwohl eine solche Anordnung für ge wisse Zwecke am günstigsten ist, da sie sicherstellt, dass in allen Teilen der Magnetspulenanordnung der gleiche Strom fliesst. Es können also auch andere Anordnungen, die das erforderliche Magnetfeld er zeugen,
vorgezogen werden oder durch Erfordernisse der Konstruktion oder des. Betriebes bestimmt sein.
Das Eindringen von Wärme in den inneren oder Tieftemperaturbereich der Magnetspulenanordnung längs der beiden elektrischen Anschlussleitungen ist unvermeidbar, da diese Anschlussleitungen an einem Punkt der Raumtemperatur ausgesetzt werden müs sen.
Das Ausmass dieses Wärmeeinbruchs ist jedoch selbst für unisolierte Anschlussleitungen, verhältnis- mässig gering und dürfte 5 bis 101/o der gesamten Wärmebelastung nicht überschreiten. Werden jedoch die warmen Enden der Anschlussleitungen etwa auf der Temperatur von flüssigem: Stickstoff gehalten, so kann der Wärmeeinbruch noch wesentlich herabge setzt werden.
Die Fig. 9 zeigt eine Anordnung zum Anschluss der Magnetspulenanordnung an eine Stromquelle, mit der die eindringende Wärmemenge auf einem mini malen Wort gehalten werden kann. Gemäss Fig. 9 dient das vorstehende Ende 61 eines elektrischen An- schlussleiters 62 zum Anschluss der Magnetspulen anordnung zwecks Erregung derselben an eine Gleich stromquelle.
Der Leiter 62 führt durch ein Bad 63 flüssigen Stickstoffs, der von einer nicht dargestellten Quelle geliefert wird, durch einen hohlen Vakuum isolierraum 64, der mit einem Verteilungsstück 65 verbunden ist, und durch einen zweitem Vakuum- isolierraum 66, der zwischen das Stickstoffbad 63 und den mit dem Verteilungsstück 65 verbundenen Va- kuumisolierraum 64 eingeschoben ist.
Von einer nicht dargestellten üblichen Kältemaschine wird ein Kühl- mittel, wie Heliumgas, dem Rohr 67 zugeführt. Von dort gelangt das Kühlmittel über die Leitung 68, die den Anschlussleiter 62 umgibt, und das Verteiler stück 65 in die Durchlassöffnungen 56 in den Metall hülsen 33.
Der andere Anschlussleiter der Magnet- spulenanordnung ist mit der anderen Klemme der Gleichstromquelle über eine Anordnung verbunden, die im wesentlichen gleich ausgebildet ist, wie die in Fig.9 dargestellte. In diesem Fall wird jedoch das Kühlmittel durch ein dem Rohr 67 ähnliches Rohr abgelassen.
Die Fig. 10 zeigt schematisch eine Anordnung, bei der getrennte Teile des Kühlgases. die Magnet spulenanordnung mehrmals durchqueren, bevor sie in eine Sammelleitung abgelassen werden.
Wie aus der Fig. 10 zu ersehen ist, wird das in Richtung des Pfeiles 69 zugeführte Kühlmittel unter Druck in ein Verteilerstück 65 und von dort in eine Anzahl sepa rater Einlasskühlkanäle 71 geliefert. Abwechselnde Leitbleche 72 sind bei 73 an der Einlasseite der Ma gnetspulenanordnung vorgesehen, so dass das Kühl mittel nur in die Einlasskanäle 71 gelangen kann.
Die gegenüberliegenden anderen Leitbleche 72 sind an der Auslasseite bei 74 wirksam, so dass das. Kühl- mittel durch die Rückführleitung 75 und die Auslass leitung 76 strömen muss. Das Kühlnuttel wird dann in der Sammelleitung 77 aufgefangen, die auf einem kleineren Druck gehalten wird. Von dort wird das Kühlmittel in die Kältemaschine zurückgeführt, wie durch den Pfeil 78 angedeutet ist.
In Fig. 11, die einen Schnitt durch die Magnet- spulenanordnung zwischen ihren Enden darstellt, ist eine der Leiteranordnungen gezeigt, die ein im all gemeinen gewünschtes homogenes Magnetfeld quer durch den Kanal in Richtung des Pfeiles B liefert. In der Praxis kann die Leiteranordnung davon ab weichen, da sie durch das gewünschte Feld bestimmt ist. Eine Anzahl Hülsen 33 und Leiter 32, die einen Kanal umgeben, sind schematisch dargestellt. Durch zwei sich überschneidende, gestrichelt gezeichnete Kreise 91, 92 sind sechs. Räume 93, 94, 95, 96, 97 und 98 begrenzt.
Die verschiedenen Lagen jedes Spulenteiles sind so gewickelt, dass die Längsteile der Leiter, die die Lagen bilden, im wesentlichen nur die Räume 93 und 94 ausfüllen. Der obere Teil der Leiter in den Räumen 93 und 94 bildet z. B. den Spulenteil 24a, und der untere Teil der Leiter in den Räumen 93 und 94 bildet den Spulenteil 24b.
Die Räume 95, 96, 97 und 98 sind mit einem geeigneten, weitgehend inkompressiblen und nicht leitenden Material 99, wie beispielsweise einem warmhärtenden Harz, gefüllt, um eine Verschiebung der Leiter in diese Räume beim Betrieb der Magnetspulenanordnung zu verhindern. Das den Raum, zwischen den Hülsen ausfüllende Ma terial 99 kann massiv sein, oder es kann aus Längs streifen bestehen, um den Zusammenbau der Magnet spulenanordnung zu erleichtern.
Die Fig. 12 und 13 zeigen Mittel zur Versteifung einer Magnetspulenanordnung für hohe Feldstärken, wobei die Leiter in der in Fig. 11 dargestellten Weise angeordnet sind. Es ist eine Anordnung mit vier Stütz teilen 111, 112, 113 und<B>11</B>4 dargestellt, die an ihren Längsseiten mit der innersten und äussersten Hülse 115 bzw. 116 fest verbunden sind. Eine ausreichende Anzahl von derartigen Sätzen radialer Stützteile sind mit Abstand voneinander längs der Magnetspulen anordnung vorgesehen, um eine Verformung der letzteren zu verhindern.
Die Stützteile 111 bis 114 ragen durch COffnungen 117 in jeder der Hülsen und sind mit inkompressiblen Distanzstücken 118 versehen, die je zwischen zwei Hülsen in Berührung mit diesen angeordnet sind. Die Stützteile 111 bis. 114 und die damit fest verbundenen Distanzstücke 118 dienen dazu, die auf die innere Hülse 115 ausgeübten Kräfte auf die äussere Hülse 116 zu übertragen. Beim Betrieb der Magnetspulen anordnung haben die von dieser hervorgerufenen Kräfte z. B. die Tendenz, die innere Hülse<B>115</B> bei den Stützteilen<B>111</B> und 112 in Richtung derselben nach aussen zu drücken.
Gleichzeitig haben diese Kräfte die Neigung, die innere Hülse 115 bei den Stützteilen 113 und 114 in Richtung derselben nach innen zu drücken. Infolgedessen sind die Stützteile 111 und 112 auf Druck und die Stützteile 113 und 114 auf Zug beansprucht, wenn die äussere Hülse<B>116</B> ausreichend fest ist. Falls eine ausreichende Anzahl Stützteile vorgesehen ist, und die Beanspruchungs grenzen der Stützteile und der äusseren Hülsen nicht überschritten werden., kann eine Verformung der inneren Hülse und folglich der Magnetspulenanord- nung vermieden werden.
Wie am besten aus Fig. 13 hervorgeht, wird die äussere Hülse 116 dadurch versteift, dass auf ihr eine Reihe von Ringen mit axialem Abstand voneinander zur radialen Verstärkung vorgesehen sind. Die Ringe 119 können z. B. durch Schweissen fest mit der Aus senfläche der äusseren Hülse 116 verbunden sein. Da die Verstärkungsringe in der Vakuumkammer 25 liegen, welche die Ma.gnetspulenanordnung umgibt, braucht das Anbringen dieser Ringe nicht zu einer spürbaren Vergrösserung des Durchmessers, der Ma gnetspulenanordnung zu führen.
Die Stärke des. magnetischen Feldes bestimmt wesentlich die Grösse der auf die äussere Hülse 116 ausgeübten oder übertragenen Kräfte. Infolgedessen muss eine ausreichende, durch die auf die äussere Hülse zu übertragende; Kraft bestimmte Anzahl Ver stärkungsringe vorgesehen sein, um der äusseren Hülse<I>eine</I> genügende Festigkeit zu verleihen. Jeder Satz der erwähnten Stützteile kann einem Verstär kungsring zugeordnet sein und in der gleichen Ebene mit diesem liegen.
Es wurde bereits angedeutet, dass das magnetische Feld der Magnetspulenanordnung vorzugsweise quer zum Kanal praktisch homogen ist und längs der Ma- gnetspulenanordnung in Richtung auf den Kanalaus- lass hin abnimmt. Die Fig. 14 zeigt als Beispiel den Verlauf der Feldstärke über die Länge des Kanals.
Wie daraus ersichtlich ist, ändert die Feldstärke ihre Richtung in den Punkten<B>131</B> und 132, welche ein kleines Stück nach links vom äussersten rechten Ende bzw. ein kleines Stück nach rechts vom äussersten linken Ende der Magnetspulenanordnung 21 in Fig. 2 entfernt sind.
Es, ist ferner wichtig festzuhalten, dass die Magnetspulenanordnung 21 die Einschnürung 23 des Kanals und mindestens einen Teil der Brenn- kammer 20 umgibt. Die Brennkammer oder Quelle leitenden Gases umfasst alle Teile, die sich rechts von der Einschnürung 23 gemäss. Fig. 2 befinden und mit dieser in Verbindung stehen.
Wenn man vom Punkt 131 aus in der Ström- richtun;g (in Fig. 14 von rechts nach links) fortschrei tet, so steigt die Feldstärke zunächst rasch an und erreicht etwa im Punkt<B>133</B> ihr Maximum. Dieser Punkt liegt um eine kurze Entfernung stromabwärts von der Kanaleinschnürung 23 ab.
Im Punkt 134, der der Einschnürungsstelle zugeordnet ist, beträgt die Feldstärke vorzugsweise etwas weniger als der Maxi malwert im Punkt 133. Hinter dem Punkt 133 nimmt die Feldstärke mehr oder weniger gleichmässig ab, bis der Punkt 135 erreicht ist. Danach nimmt die Feld stärke rascher ab-. Punkt 135 entspricht etwa dem stromabwärts liegenden Ende des längsverlaufenden Teiles der Spulenleiter.
Obwohl sich die Feldstärke der Magnetspulen- anordnung nicht notwendigerweise so ändern muss, wie es in Fig. 14 dargestellt ist, vielmehr deren Ver lauf jeweils so gewählt werden kann, dass die Kon struktionserfordernisse erfüllt werden, sind der dar gestellte Verlauf und die Grösse der Feldstärke bei spielsweise deshalb erwünscht,
weil damit der Gas strom durch den Kanal erleichtert und dadurch ein günstiger Stromverlauf zwischen den Elektroden er halten wird und die Auswirkungen von Kurzschlüssen vermindert werden.
Im folgenden werden in quantitativer Hinsicht die Vorteile erläutert, die durch die Absenkung der Tem peratur in der vorstehend beschriebenen Magnet spulenanordnung erhalten werden. Das erreichbare Mass der Verringerung der Spulenverluste hängt von der Temperatur ab, auf welche die Magnetspulen anordnung 21 heruntergebracht wird, ferner von der Reinheit des Leitermetaller und der magnetischen Feldstärke, die erreicht werden soll.
Der erreichbaren Verringerung der Spulenverluste steht die Tatsache gegenüber, dass die Energie, die beim Betrieb der Kältemaschine irreversibel verloren geht, um so grös- ser ist, je niedriger die angestrebte Betriebstemperatur ist. Ob. sich eine nutzbare Verringerung der Energie- verloste ergibt, hängt von verschiedenen Faktoren ab.
Ein Faktor, der in Betracht gezogen werden muss, ist die Energie, die in der Kältemaschine aufgewendet werden muss, um die in der Magnetspulenanordnung erzeugte Wärme von ihrer stationären niedrigen Be- triebstemperatur auf die Temperatur der Wärme abgabeseite der Kältemaschine, d. h. auf Raumtem peratur, zu bringen.
Diese Energie muss, zu der in der Magnetspulenanordnung tatsächlich verbrauchten Energie hinzugezählt werden, um den gesamten Ener gieaufwand für die Erzeugung des magnetischen Feldes zu erhalten.
Der Wirkungsgrad einer solchen Kältemaschine, die dazu dient, Wärme geringerer Temperatur von der Magnetspulenanordnung auf zunehmen. und sie bei Raumtemperatur abzugeben, kann ausgedrückt werden als Wirkungsgrad eines idealen Carnotschen Kältekreisprozesses, multipli ziert mit einem mechanischen Wirkungsgrad nR,
der den Einfluss zusätzlicher mechanischer und thermi scher Verluste im tatsächlichen Kältesystem darstellt. Der Carno:tsche Wirkungsgrad befasst sich bekannt lich mit der Arbeit W, die erforderlich ist, um unter Verwendung einer idealen Wärmekraftmas.chine eine Wärmemenge Q von einer Wärmequelle mit einer tiefen Temperatur To zu einer Wärmesenke mit einer höheren Temperatur TE zu pumpen.
Es lässt sich zeigen, dass der gesamte Betrag der Energie WT, die in die Senke abgeführt wird, gleich der Summe der übertragenen Wärme Q und der zur Übertragung erforderlichen Arbeit WR ist: WT=Q+WR Für einen stationären Zustand ist Q gleich der in der Magnetspulenanordnung tatsächlich frei werdenden Jouleschen Wärme.
Bezeichnet QTo die magnetischen Verluste bei der Temperatur To, dann kann die Ge samtenergie, die zum Erzeugen des magnetischen Feldes aufgewendet werden muss, durch Multiplizie ren von QTo mit einem Kühlfaktor GR gefunden werden, wobei
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ist.
Der über alles berechnete Gewinn, der durch die Kühlung erhalten werden kann, ist proportional dem Produkt aus dem mittleren spezifischen Widerstand des. in der Magnetspulenanordnung verwendeten Lei termaterials und dem Kühlfaktor GR.
Dieses Produkt bestimmt einen wirksamen spezifischen Widerstand für die Magnetspulenanordnung. Verwendet man diesen Begriff, um den gesamten Gewinn, zu bestim men, der durch die Verwendung einer Kühlung er- halten werden kann, so sind zwei Betrachtungen von besonderem Interesse.
Die eine ist die Wahl des spe ziellen Metalls, aus dem der Leiter hergestellt ist, und die andere ist die Wahl einer optimalen Betriebstem peratur für die Magnetspulenanordnung. Deshalb ist es zweckmässig, sich bei Vergleichen auf eine Norm oder einen Standardfall zu beziehen. Als Norm möge reines Kupfer bei 300 K (27 C) dienen, das einen mit o, bezeichneten spezifischen Widerstand von 1,73 .
10-6Q cm aufweist. Deshalb kann unter der An- nahm-, von TF=300 K (Raumtemperatur) das Ver hältnis
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bei dem orTo; der tatsächliche spezifische Widerstand des Materials bei der Temperatur To ist, als. Funktion der Temperatur für irgendein reines Metall berechnet werden, um die Verringerung der Leistungsverluste zu bestimmen, die durch Kühlung erreicht werden kann.
Aus dem Vorstehenden wird klar, dass ein reines Metall, dessen Widerstand nicht auf weniger als das
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des Widerstandes von Kupfer bei 300 K sinkt, keinen Gewinn bringen, kann..
Da gewisse Ergebnisse, die durch die Erfindung erreichbar sind, augenscheinlich vom mechanischen Wirkungsgrad der Kältemaschine abhängen, ist nun eine kurze Diskussion der praktischen Aspekte dieser Maschine angebracht. Die Grösse des mechanischen Wirkungsgrades n, der Kältemaschine ist offensicht lich begrenzt durch den Stand der Kältetechnik zur Erreichung der gewünschten niedrigen Temperaturen und die Grösse der verwendeten Kältemaschine. Die heutigen kleinen Einheiten haben typische Werte für nR, von 0,25 oder sogar noch weniger, während grosse,
sorgfältig konstruierte Einheiten typisch mechanische Wirkungsgrade von 0,50 oder mehr erreichen können.
Zur Bestimmung des, spezifischen Widerstandes oIT", bei kryogenen Temperaturen ist es notwendig, die Faktoren zu beachten, die den Widerstand von Metallen bei niedrigen oder kryogenen Temperaturen beeinflussen. Der elektrische Widerstand vieler nahezu reiner Metalle in weichgeglühtem Zustand kann als Summe dreier Komponenten beschrieben werden.
Die eine Komponente, der natürliche spezifische Widerstand o", ist eine Eigenschaft des, reinen Stoffes bei der Temperatur T selbst. Die zweite Komponente, der durch Verunreinigungen verursachte spezifische Widerstand oi, ergibt sich aus Verunreinigungsatomen oder Kristallgitterdefekten, und die dritte Kompo nente, der spezifische magnetische Widerstand op, ist mit der Wirkung des magnetischen Feldes verbunden.
Für kleine Gehalte an Verunreinigungen summieren sich die drei Komponenten im wesentlichen unab hängig, so dass der gesamte spezifische Widerstand in einfacher Weise als p-PO ,T) +pi+QE ausgedrückt werden kann.
In vernünftiger Annäherung ist der Ausdruck für den von Verunreinigungen herrührenden Widerstand 2i unabhängig von der Temperatur und erscheint nur als additive Konstante (Mattehiesensche Regel). Dies gilt auch angenähert für den spezifischen magneti- schon Widerstand oE. Der eigentliche spezifische Widerstand 9o ändert sich dagegen ausgeprägt mit der Temperatur, insbesondere bei niedrigen Tempera turen.
Die Änderung von o" mit der Temperatur kann für gewisse nahezu reine Metalle über einen weiten Temperaturbereich durch einen theoretischen Aus druck dargestellt werden, der auf quantenmechani schen Berechnungen beruht. Aus dieser Theorie kann eine allgemeine Widerstandskurve (die Bloch Grueneisen-Funktion) abgeleitet werden, die zu einer Aussage über die ungefähre Temperaturabhängigkeit des wahren spezifischen Widerstandes o" vieler reiner Metalle, z. B. Kupfer, Aluminium, Natrium und der gleichen, verwendet werden kann, und zwar ausge drückt durch eine charakteristische Widerstands temperatur 0, die für jedes Metall gefunden werden kann.
Die Werte von 0 betragen für reine Metalle wenige 100 K, d. h. sie liegen in der Grössenordnung der Raumtemperatur. Die Bloch-Grueneisen-Funktion ist von Nutzen, um analytische Ausdrücke für die Energieverluste zu erhalten und das optimale in der Magetspulenanord'nung zu verwendende Leitermate rial vorauszubestimmen.
Die erwähnte allgemeine Widerstandskurve kann dadurch erhalten werden, dass die Temperatur in dimensionsloser Grösse
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und der spezifische Widerstand in dimensionsloser Grösse
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aus gedrückt werden. Dies bedeutet, dass. r das, Verhältnis des spezifischen Widerstandes bei der Temperatur t zu dem bei der Temperatur D ist.
Ein kennzeichnen des Merkmal der allgemeinen Widerstandskurve be steht darin, dass, sich der relative Widerstand bei Zimmertemperatur t=1,0, und darunter bis zu Tem peraturen von etwa t=0,2 linear mit der Temperatur ändert. Für Temperaturen unterhalb etwa t=0,15 ändert sich r dagegen mit t5. Es fällt also r sehr schnell auf kleine Werte ab, wenn sich die Temperatur dem Bereich von 0 K nähert. In diesem Bereich können mithin die grössten Gewinne durch Kühlung ver wirklicht werden.
Der wahre Widerstand des Leiters, d. h. der Widerstand des Leiters bei der Temperatur T, kann durch Absenken der Temperatur nicht auf einen be liebig kleinen Wert verringert werden, so dass auch die Energieverluste in der Magnetspule nicht beliebig verkleinert werden können. Dies ist darauf zurück- zuführen, dass bei sehr niedrigen Temperaturen die.
Verunreinigungen und der spezifische magnetische Widerstand erheblichen, wenn, nicht sogar beherr- schenden Einfluss gewinnen.
Da die Verunreinigungen und der spezifische ma gnetische Widerstand kennzeichnend sind für das Metall, das für den Leiter verwendet wird, ist nun eine Erörterung des für den Leiter ausgewählten Metallos angebracht. Vom praktischen Standpunkt aus gesehen sollte das Metall billig und in reiner Form leicht erhältlich sein. Die wichtigsten Erforder- nisse sind jedoch, dass das Metall einen niedrigen wahren Widerstand und den kleinsten möglichen spezifischen magnetischen Widerstand aufweist.
Me talle, die gegenwärtig am günstigsten zu sein scheinen, sind Kupfer, Aluminium und Natrium. Von diesen drei Metallen ist Kupfer auf Grund seiner leichten Verfügbarkeit in reiner Form sowie deswegen attrak tiv, weil es gut zu bearbeiten und zu isolieren ist. Auf der andern Seite scheint Aluminium dem Kupfer etwas in bezug auf die zu erwartenden Gewinne überlegen zu sein. Natrium verspricht jedoch noch weit grössere Gewinne, als je mit Kupfer erreicht werden könnten.
Es kann gezeigt werden, dass bei Temperaturen oberhalb von 0 K, aber unterhalb von 30 K für Kupfer, 39 K für Aluminium und 20 K für Natrium der wahre Widerstand dieser Metalle schnell auf einen kleinen Bruchteil seines Wertes bei Zimmertempera tur abfällt. Bei diesen und vielleicht tieferen Tempera turen können die grössten Gewinne durch Kühlung erwartet werden.
Im folgenden soll der magnetische Widerstand von Metallen betrachtet werden. Er erwächst aus zusätzlichen kleinen Streuverlusten, die auf die an der Leitung beteiligten Elektronen eines Metalls ausgeübt werden, wenn sich diese in einem starken Magnetfeld und in den resultierenden elektrischen Hall-Feldern bewegen. Die Wirkung des magnetischen Wider standes ist im allgemeinen nur bei starken Feldern von Bedeutung. Er ist am ausgeprägtesten, wenn die Rich tung des.
Stromes rechtwinklig zur Feldstärke verläuft. Für einen Strom parallel zur Richtung des. Feldes ist der Effekt wesentlich kleiner, da bei dem Aufbau des Feldes keine Hall-Potentiale erzeugt werden. Da der Effekt sehr klein ist, ist er nur bei sehr tiefen Tem peraturen zu beobachten und theoretisch nicht ange messen vorauszubestimmen.
Wie nunmehr ersichtlich ist, bildet der magneti sche Widerstand, obgleich bei schwachen Feldern vernachlässigbar, bei starken Feldern von 105G und mehr einen wesentlichen., wenn. nicht beherrschenden Teil des Widerstandes bei niedrigen Temperaturen. Aus diesem Grunde kann es vorteilhaft sein, das Kühlmittel in Richtung auf den Kanaleinlass durch die Magnetspulenanordnung fliessen zu lassen.
Bei hohen Feldstärken bildet der magnetische Widerstand der Spulenleiter, die dem Kanaleinlass unmittelbar benachbart sind, den grösseren Anteil am gesamten Widerstand der Spulenleiter an dieser Stelle. Dieser gesamte Widerstand hat dabei einen grösseren Wert als der Widerstand solcher Leiter<B>bei</B> optimaler Temperatur ohne Anwesenheit eines starken magneti schen Feldes, wie das am Kanalauslass der Fall ist.
Deshalb ist hinsichtlich des Widerstandes die Ein führung des Kühlmittels an dem dem Auslass benach barten Ende der Magnetspulenanordnung wirksamer, da hier der minimale Widerstand sichergestellt werden kann, wogegen am Einlass des Kanals wegen des Ein flusses des magnetischen Widerstandes der Kleinst- wert des, Wid'erstand'es ohnehin nicht erreicht werden kann, gleichgültig,
ob die Spulenleiter dort ihre optimale Temperatur haben oder nicht.
Falls der Einfluss-, den der magnetische Wider stand auf die Widerstandsverluste in der Magnet- spulen:anordnung hat, quantitativ bestimmt werden soll, ist es notwendig, das Problem in grösserer Aus- führlichkeit zu betrachten, als dies im, vorliegenden Fall gerechtfertigt erscheint.
Es sei lediglich kurz an gegeben, dass, bei der Berechnung des magnetischen Widerstandes in der Magnetspulenanordnung die Änderung des. magnetischen Feldes, innerhalb der Windungen selbst zu berücksichtigen ist, da die tat sächliche Erhöhung des mittleren spezifischen Wider standes hierdurch verringert wird.
Der Betrag dieser Verringerung hängt von der Verteilung des magneti schen Feldes in den Windungen ab, die ihrerseits durch die Stromverteilung gegeben ist. Eine grund legende Erörterung der allgemeinen Probleme bei Magneten hoher Feldstärke und magnetischen Ver lusten findet sich in The Review of Scientific Instru ments , Bd.7, Seite 479 (1936); Bd.8, Seite 318 (1937); Bd. 10, Seite 373 (1939) von F. Bitter.
Wie bereits oben ausgeführt wurde, ist es not wendig, dass der Leiter aus einem geeigneten Metall grosser Reinheit besteht, um sicherzustellen, dass der durch Verunreinigungen verursachte Widerstand so klein wie möglich gehalten wird. Jedoch kann der durch Verunreinigungen verursachte Widerstand immer dann vernachlässigt werden, wenn. er klein ist im Verhältnis zum magnetischen Widerstand, was bei allen praktischen Zwecken;
der Fall sein. wird.
Im Hinblick auf die vorstehende Erörterung ist nun die Fig. 15 zu beachten, die den relativen Lei stungsaufwand
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(W ist die Leistung der Kältemaschine, Q sind die Spulenverluste und Q, die Verluste einer Kupferspule bei Raumtemperatur) für Natrium- und Kupferspulen bei Feldstärken. von 5 . 1(J' und 105 G beim Absenken der Temperatur (in Grad Kelvin) zeigt.
Aus der Fig. 15 kann ersehen werden, dass in bezug auf Kupfer bei Raumtemperatur die Kühlung nur eine Vergrösserung der Nettoverlustleistung bringt, solange keine genügend tiefe Temperatur er reicht wird, da die Energie zum Betrieb der Kälte maschine nicht ausreichend durch eine Verringerung der Spulenverluste ausgeglichen wird.
Es kann ferner entnommen werden, dass alle Kurven Minima zeigen, durch die optimale Betriebstemperaturen definiert sind. Z. B. geht aus Fig. 15 hervor, dass die optimale Betriehstemperatur einer Kupferspule ungefähr 30 K beträgt. Für Natrium sind die möglichen Gewinne noch viel ausgeprägter.
Die voraussichtlichen Gesamt verluste betragen ungefähr 4 bis 8 % der Leistungs verluste einer Kupferspule bei Raumtemperatur. Jedoch ergibt sich bei der Verwendung von Natrium eine leichte Vergrösserung des Kühlproblems:, da die optimale Betriebstemperatur für Natrium in der Nähe von 10 K im Vergleich zu 30 K bei Kupfer liegt.
Für eine weitere und. vollständigere Erörterung dieser Probleme wird auf die Sitzungsberichte Air Core Cryogenic Magnetic Coils for Fusion Research and High Energy Nuclerar Physies Applications und The Design of Large Cryogenic Magnet Coils der <B> 1959</B> Cryogenie Engineering
Conference vom Sep tember 1959 von R. F. Post und C. E. Taylor, Law- rence Radiation Laboratory, Unive:rsity of California, Livermore, California, verwiesen.
Nachdem nun einige der wesentlichsten Konstruk- tions- und Baumerkmale der Magnetspulenanordnung beschrieben wurden, wird im folgenden gezeigt, dass ein in übereinstimmung mit der früheren Technik gebauter MHD-Generator für eine gegebene Reihe von. Betriebsbedingungen nur bei einem maximalen praktischen Druckverhältnis PR betrieben werden kann, während ein MHD-Generator gemäss der vor liegenden Erfindung auch so ausgelegt werden kann,
dass er bei grösseren Druckverhältnissen als bei Pi. bei sonst im wesentlichen den gleichen Betriebsbedin gungen arbeiten kann. Durch diese Tatsache wird eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht, mit dem die Energie des leitenden Gases oder Plasmas in elektrische Energie umgewandelt wird. Hierbei bedeutet PR das Verhältnis des höchsten anwendbaren Gasdruckes auf der Einlasseite eines MHD-Generatorkanals zum kleinsten praktischen Gasdruck am Kanalauslass.
Der Ausdruck Betriebs- bedingungen kann beispielsweise umfassen: Durch- flussmenge und Zustand des Gases, Gasgeschwindig keit, Menge der Zusätze (Keime) zur Vergrösserung der Leitfähigkeit, Belastungsfaktor und Grösse des magnetischen Feldes sowie dessen Verlauf längs des Kanals.
Die Leistung, die auf einer kleinen Länge 4 x in einem MHD-Generatorkanal erzeugt wird, ist: J PG=6 u2 B2 n. (1 -n) A d x Dabei ist über die Länge d x des Kanals gesehen ,9 Pc die erzeugte Leistung, a die Leitfähigkeit des Gases, u die Gasgeschwindigkeit, B die magnetische Feldstärke, A die Querschnittsfläche des Kanals und n der Belastungsfaktor mit 0 G n G 1.
Der Be lastungsfaktor ist gleich der Betriebsklemmspannung geteilt durch die Leerlaufspannung.
Auf der Länge d x wird ein gegebener Betrag an Leistung benötigt, um das mangetische Feld zu er zeugen. Für eine Magnetspulenanordnung, bei der alle Querschnitte geometrisch ähnlich sind, beträgt die Leistung d P@i, die zum Erzeugen des magneti schen Feldes über die Länge J x erforderlich ist:
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Dabei bedeutet, über die Länge J x des Kanals ge sehen: B P'@i die Leistung zur Erzeugung des Magnet feldes, o den spezifischen Widerstand des Spulen leiters, der eine Funktion der Betriebstemperatur der Magnetspulenanordnung ist, .1 den Spulenfüllfaktor, G einen geometrischen Faktor und GR einen Faktor, der jegliche Arbeit der Kältemaschine zur Kühlung der Magnetspulenanordnung berücksichtigt.
Der Füll faktor ist der von den Leitern eingenommene Bruch teil einer Einheitsfläche des Spulenquerschnittes, G ist bestimmt durch die Geometrie der Spule und GR ist der früher definierte Kühlfaktor. Die nutzbare Lei stung .A P"", die auf der Länge J x des Generators erzeugt wird, kann am bequemsten ausgedrückt wer den in der Form:
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In einem gegebenen Generator ist das Produkt ss u2 im wesentlichen festgelegt durch die Zusammen setzung des Gases und seine: Temperatur, und der Wert
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bleibt konstant.
Deshalb ergibt sich aus der vorstehenden Gleichung für eine gegebene Geometrie und einen gegebenen Füllfaktor, dass die Querschnittsfläche A nicht kleiner sein kann als eine bestimmte Grösse:, sonst wird mehr Energie dazu be nötigt, das magnetische Feld aufzubringen, als im Generator erzeugt werden kann. Eine Untersuchung der vorstehend angegebenen Gleichung für die Nutz leistung d PI"" zeigt, dass für kleiner werdendes A der rechte Ausdruck der Gleichung Null oder sogar ne gativ wird.
Um ein besseres Verständnis der Erörterung zu ermöglichen, ist es nützlich, die Fläche: A. über die Länge d x des Generators in Funktion des örtlichen Gasdruckes und Wärmeflusses anzugeben. Dabei ergibt sich
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Q ist dabei der gesamte Wärmefluss am Kanaleingang, T die örtliche Gastemperatur längs, des Stückes d x, P der örtliche Gasdruck längs, des Stückes J x;
h" ist die Enthalpie für ruhendes Gas am Kanaleinlass,, R ist die Gaskonstante für das spezielle verwendete Gas und u ist die Gasgeschwindigkeit.
Im allgemeinen sind der Druck P und die Tem peratur T die einzigen Variablen in dem unmittelbar vorstehend angegebenen Ausdruck, welche: sich längs des Kanals beträchtlich ändern. Sowohl der Druck als auch die Temperatur des, Gases nehmen über die Länge des. Kanals ab. Dabei ist die Änderung des Druckes, im allgemeinen viel grösser als die Änderung der Temperatur. Z.
B. kann ein typischer Generator, der nach den Lehren der früheren Technik gebaut wurde, ein Druckverhältnis von 16:1 zwischen Einlass und Auslass haben, während das Temperaturverhält nis kleiner ist als 2:1 zwischen Einlass und Auslass. Deshalb kann die Temperatur des Gases für kleine Druckänderungen im wesentlichen als konstant an genommen werden.
Unter Anwendung dieser Ver einfachung kann die Nutzleistung nunmehr wie folgt ausgedrückt werden:
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wobei die Grössen in runden Klammern im zweiten Summanden innerhalb der eckigen Klammern über eine kleine Länge d x als konstant angesehen werden. Die Grösse
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ist die erzeugte Nutzleistung pro Volumeneinheit. Wenn, der Druck P steigt, wird der zweite Summand grösser, so dass der Wert der eckigen Klammer kleiner wird. Eine Grenze besteht darin, dass die Leistung für genügend hohe Drücke gegen Null geht.
Es ist also nunmehr ersichtlich, dass die Leistung pro Volumeneinheit Null oder sogar negativ wird, wenn der Druck hoch genug wird. Daraus erhält man, dass ein maximaler praktischer Druck beispiels weise für den Kanaleinlass existiert, und dass dieser Druck das maximal mögliche Druckverhältnis PR, bestimmt.
Es ist nunmehr möglich, MHD-Generatoren, die nach den Regeln der früheren Technik gebaut wurden, mit MHD-Generatoren nach der Erfindung zu ver gleichen. Für Magnetspulenanordnungen gleicher Geometrie kann der Faktor
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bei Raumtempe ratur um das 10-Fache grösser sein als bei kryogenen Temperaturen.
Deshalb ist für den gleichen Wärme- fluss und die gleichen Bedingungen im Einlass des Gases der zweite Summand in der eckigen Klammer der zuletzt angegebenen Gleichung um das 10-Fache grösser für Magnetspulenanordnungen auf Raum temperatur als für solche auf kryogene:n Tempera turen bei gleichem Wert des Gasdruckes.
Dies be deutet, dass für eine gegebene Reihe von Betriebs bedingungen ein höherer Druck in einem Generator gemäss der Erfindung verwendet werden kann, bei dem eine. auf kryogene Temperatur gekühlte Magnet spulenanordnung verwendet wird, im Gegensatz zu einem Generator nach den Lehren, der früheren Tech, nik, bei dem auf Raumtemperatur gehaltene Magnet spulen verwendet werden.
Aus der vorstehenden Erörterung ergibt sich also, dass, falls. PR das maximale praktische Druckver- hältnis für einen Generator mit auf Raumtemperatur gekühlten Magnetspulen und eine gegebene Reihe von Betriebsbedingungen ist, ein Generator gemüs.s der Erfindung mit im wesentlichen den gleichen Betriebs bedingungen für ein Druckverhältnis ausgelegt werden kann, das grösser ist, als. es sonst praktisch möglich wäre. Z.
B. kann der divergierende Kanal eines üblichen Generators ohne Einbusse an Wirkungsgrad in Einlassrichtung verlängert werden, um einen klei neren Einlassquerschnitt zu schaffen. Tatsächlich kann sogar eine Vergrösserung des Wirkungsgrades erhalten werden. Auf der anderen Seite würde die gleiche Verlängerung eines richtig konstruierten übli chen Generators in der Tat eine Verringerung des Wirkungsgrades aus den vorher genannten Gründen ergeben.
Es ist nunmehr leicht einzusehen,, dass ein spe zifischer Maximalwert von PR (das maximale prak tikable Druckverhältnis für einen Generator, dessen Magnetspulen auf Raumtemperatur gekühlt sind) nicht angegeben worden kann, da viele Faktoren der Generatorkonstruktion, die das genaue Druckver hältnis bestimmen, in mehr oder weniger weiten Gren zen schwanken, können.
Es ist jedoch festzuhalten, dass ein maximal mögliches. Druckverhältnis PR für MHD-Generatoren besteht, die in übereinstimmung niit den Lehren der früheren Technik gebaut sind, und dass dieses Verhältnis, wie gross es auch immer sein mag, bei einem Generator gemäss der Erfindung über schritten werden kann. mit allen sich daraus ergeben den Vorteilen.
Als Beispiel sei angenommen, dass ein Maschinen satz für 500 MW Nennleistung, zu dem ein üblicher MHD-Generator mit Kupferspulen, die auf Raum temperatur gekühlt sind, folgende Betriebsbedingun- gen aufweise:
Ein Plasma oder Gas, bestehend aus den Verbrennungsprodukten von Heizöl und einer Stickstoff-Sauerstoffmischung mit einem
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Mol- Verhältnis gleich 1, dem 0,4 1/o Kalium als Ionisie- rungskeim zugesetzt ist und das eine Temperatur von 3220 C aufweist; ein Wärmefluss, von 1000 MW;
eine Vorwärmetemperatur vom 1110 C; eine Verlust leistung des magnetischen Feldes von 45 MW; eine Leistungsabgabe von 350 MW und ein maximales Druckverhältnis von 16:1 mit Gasaustritt bei 1 at Gesamtdruck. Bei der Bestimmung der oben genann ten Werte wurde nicht nur die Verlustleistung in den Magnetspulen berücksichtigt,
sondern auch die Kom- pressorleistung für die Bereitstellung des Sauerstoffes zur Unterhaltung der Heizölverbrennung. Ferner wurde eine bestimmte Reihe von Bedingungen ange nommen. Falls eine Verbesserung einer oderer meh- rerer dieser Bedingungen möglich ist, könnte dies offensichtlich eine begrenzte Verbesserung des Druck verhältnisses gestatten.
Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen ist nunmehr klar, dass dank der durch die Erfindung erreichbaren grossen Verringerung der zur Aufbrin gung einer gegebenen, Feldstärke notwendigenVerhust- leistung im Vergleich zu einer üblichen Magnetspule höhere Feldstärken,
ohne grössere Verluste als bei üblichen Magnetspulen angewendet werden können. Die Verwendung höherer Feldstärken gestattet die Verwendung kürzerer Generatorlängen mit einer daraus folgenden Verringerung der Kanalwandfläche. Dies, wiederum ergibt eine höchst vorteilhafte,
anders nicht mögliche Verringerung der Wärmeabfuhr an die Kanalwand, die eine der grössten einzelnen Verlust quellen eines MHD@-Generators bildet. Ausserdem ist, von einem sehr praktischen. Gesichtspunkt aus, ge- sehen,
die durch die Verringerung der Generatorlänge erreichte Verringerung der Generatorkosten von gleicher, wenn. nicht grösserer Bedeutung.
Wie nunmehr ersichtlich ist, ermöglicht die vor liegende Erfindung unter anderem die Kombination einer auf kryogener Temperatur gehaltenen Magnet spulenanordnung und eines Kanals, der bei gleicher Durchflussmenge und gleichen Betriebsparametern mit einem höheren Druckverhältnis betrieben werden kann, als dies mit einem MHD-Generator nach den Lehren der früheren Technik praktisch möglich ist.
Zusätzlich zu der möglichen Verringerung der zur Erzeugung des magnetischen Feldes erforderlichen Leistung und der Verwendung eines. Druckverhältnis- ses grösser als PP, gestattet die Erfindung auch den Betrieb bei niedrigeren Werten der maximalen Tem peratur, als sonst praktisch möglich wäre. Dass dies in der Tat der Fall ist, kann aus folgenden Ausfüh rungen ersehen werden.
Die in einem MHD-Generator erzeugte Leistung PG ist:
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Nimmt man. nun an, dass für einen MHD-Generator üblicher Bauart und festgelegter Grösse eine auf kryo- gene Temperaturen gekühlte Magnetspulenanordnung an die Stelle einer auf Raumtemperatur gekühlten Kupferspule gesetzt werden kann und dass. die Ma gnetspulenanordnung so bemessen ist, dass sich für
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Da,
wie vorstehend ausgeführt wurde, der Ausdruck
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für übliche Magnetspulen, auf Raumtempe ratur das 10-Fache dessen für Magnetspulen auf kryogener Temperatur beträgt, ist offensichtlich Löst man den linken Teil der Gleichung nach a, u._, auf und setzt auf der rechten Seite der Gleichung die zuletzt angegebene Gleichung ein, so kann gezeigtwerden, dass:
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Nun ist das Produkt a u@ im allgemeinen lediglich eine Funktion der Temperatur des Gases im Ruhe zustand. Ausserdem wäre es sehr wünschenswert, wenn der gleiche Betrag an Leistung mit kleineren Werten von a u2 erzeugt werden könnte.
Für den Fall, dass Bl=B.. ist, kann gezeigt werden, dass PC,=a u2 B= n (1 -n) V Dabei ist a die Leitfähigkeit des Gases, u die Gas geschwindigkeit, B die magnetische Feldstärke, V das Volumen des, Kanals und n der Belastungsfaktor mit 1 @n'-, 0.
Die zum Erzeugen des magnetischen Feldes not wendige Leistung PjI ist
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Dabei ist G der Geometriefaktor, GR der Kühlfaktor, der die Steigerung der erforderlichen Leistung auf Grund der Leistung für die Kühlung berücksichtigt, o der spezifische Widerstand des Leiters, # der Füll faktor und L die Länge des Generatorkanals.
Die Nettoleistungsabgabe des Generators ist die im Generator erzeugte Leistung, verringert um die Leistung zur Erzeugung des magnetischen Feldes oder beide Generatoren die gleiche Nettoleistungsabgabe ergibt, so kann die folgende Gleichung aufgestellt werden, in der der Generator mit üblichen Magnet spulen den Index 1 und der Generator mit auf kryo- gene Temperatur gekühlten Magnetspulen den Index 2 erhält:
EMI0012.0092
EMI0012.0093
Für übliche Kupferspulen liegt
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in der Grössen- ordnung von 10 %,
d. h. dass die zur Erzeugung des magnetischen Feldes erforderliche Leistung etwa 10 % der im Generator erzeugten Leistung ausmacht.
Daraus ergibt sich: ss2 u\2 0,91 e,1 u12 Aus der obigen Gleichung geht hervor, dass die Verwendung von auf kryogener Temperatur gehalte nen Magnetspulen in der Tat die Erzeugung der gleichen Leistung mit einem kleineren Wert von a uz gestattet.
Vor allem sind, wie bereits erwähnt wurde und nunmehr ersichtlich ist, bei einer auf kryogene Tem peratur gekühlten; Magnetspulenanordnung wesentlich höhere Feldstärken möglich, ohne Erhöhung des Lei- stungsbedarfes für den Aufbau des Magnetfeldes.
Ferner sind, falls Bz grösser als B1 ist, grössere Ge- winne erreichbar, da die in einem MHD-Generator gegebener Grösse erzeugte Leistung dem Quadrat der magnetischen Feldstärke proportional ist.
Für den Fall, dass Bz2=2B12 ist, gilt
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Falls wiederum
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mit 10 % angenommen wird, so ergibt sich:
6z u22=0,46 6l u12 Es dürfte nunmehr klar ersichtlich sein, dass bei einem in Übereinstimmung mit der Erfindung ge bauten Generator eine beträchtliche Verringerung der Gastemperatur in der Tat erreicht werden kann.
Mit hin kann durch die mögliche Verringerung der für die Magnetspulenanordnung und/oder den Betrieb der selben bei höheren Feldstärken erforderlichen Lei stung ein Generator, der in Übereinstimmung mit der Erfindung gebaut wurde, so ausgelegt werden,
dass er im Vergleich zu früheren Generatoren bei geringeren Gastemperaturen arbeitet und dennoch die gleiche Nutzleistung abgibt.