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Elektro-thermisches Gerät zur Verrichtung mechanischer Arbeit Die
Erfindung betrifft elektro-thermische Geräte mit einem Hohlraum, dessen Begrenzungswände
oder Teile davon zur Verrichtung mechanischer Arbeit verschiebbar sind und der ferner
mit einer Arbeitsflüssigkeit angefüllt ist, die durch Zuführung von elektrischer
Energie verdampft wird. Solche Geräte sind bekannt. Bei einem dieser bekannten Geräte
taucht entsprechend seiner Arbeitsstellung eine Elektrode mehr oder weniger tief
in die Arbeitsflüssigkeit ein, der hierdurch elektrischer Strom zugeleitet wird.
Die Arbeitsflüssigkeit bildet einen Ohmschen Widerstand, so daß beim Stromdurchgang
eine Erhitzung der Flüssigkeit bewirkt wird. Bei einem ebenfalls bereits vorgeschlagenen
Arbeitsgerät der bezeichneten Gattung ist in die Arbeitsflüssigkeit eine elektrische
Heizspirale eingebettet, die beim Stromdurchgang als Ohmscher Widerstand Wärme entwickelt,
die an die Arbeitsflüssigkeit abgegeben wird. Diesem letzteren Arbeitsgerät liegt
die Aufgabe zugrunde, einen Arbeitsprozeß in kurzer Zeit zu verrichten.
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Mit der Erfindung ist die Schaffung eines Arbeitsgerätes bezweckt,
welches bei gleichem Gewicht und den gleichen Abmessungen wie ein Elektromagnet
in der Lage ist, mit wesentlich größerer mechanischer Arbeit als ein Elektromagnet
einen Arbeitsprozeß in kurzer Zeit zu verrichten. Der Erfindung liegt die Erkenntnis
zugrunde, daß für die Erreichung des Erfindungszieles ausschlaggebend ist die Größe
der der ..-%,rI)eitsflüssigl#:eit zugeführten elektrischen Leistung, bezogen auf
das Gewicht der Arbeitsflüssigkeit. Ge mäß der Erfindung beträgt das Verhältnis
der elek:-trischen Leistung zum Flüssigkeitsgewicht mindestens 500 W/g. Durch
dieses in der Technik bisher nicht übliche sehr hohe Verhältnis von zugeführter
elektrischer Leistung zum Gewicht der Arbeitsflüssigkeit ist das Gerät dazu befähigt,
in beträchtlich kurzer Zeit mit erheblichen Kräften eine Arbeit zu verrichten. Die
zugeführte hohe Leistung kann dabei sowohl in der Flüssigkeit, die dann als Ohmscher
Widerstand dient, in Wärme umgewandelt werden, oder es kann diese Umwandlung auch
in der in die Arbeitsflüssigkeit eingebauten Heizspirale erfolgen, %velche die in
ihr erzeugte Wärme an die Arbeitsflüssigkeit ab-ibt.
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Im Fall einer Verwendung einer in die Arbeitsflüssigkeit eingebetteten
Heizspirale wird erfindungsgemäß deren Belastung so hoch gewählt, daß die elektrische
Leistung, bezogen auf die Heizdrahtoberfläche, mindestens 20 W/CM2 beträgt. Eine
solche ungewöhnlich hohe Belastung wird dadurch ermöglicht, daß die Heizspirale
in unmittelbarer Berührung mit der Arbeitsflüssigkeit und gegebenenfalls auch dem
daraus entstandenen hochgespannten Dampf entsteht, wodurch gute Wärmeübergangsverhältnisse
gewährleistet sind.
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Bei Geräten der erfindungsgemäßen Art wird in den meisten Anwendungsfällen
nur eine sehr geringe Menge Arbeitsflüssigkeit verwendet. Um eine sichere Arbeitsweise
des Gerätes über lange Gebrauchszeiten zu gewährleisten, muß Vorsorge getroffen
sein, daß keinerlei Verluste an Arbeitsflüssigkeit auftreten. Zu diesem Zweck ist
bei Verwendung eines den Hohlraum umgrenzenden Zylinders mit Arbeitskolben zwischen
dem Zylinderboden und dem Arbeitskolben ein zweiter fliegender Kolben im Zylinder
angeordnet, der die Arbeitsflüssigkeit von einer auf den Arbeitskolben wirkenden
Schmier- und Dichtflüssigkeit trennt. Dieser schwimmende Kolben ist stets auf beiden
Seiten den gleichen hydrostatischen Drücken seitens der Arbeitsflüssigkeit und der
Schmier' und Dichtungsflüssigkeit ausgesetzt, so daß für beide Flüssigkeiten kein
Bestreben vorhanden ist, durch den Ringspalt zwischen den schwimmenden Kolben und
dem Zylinder hindurchzudringen. Treten geringe Undichtigkeiten am Arbeitskolben
auf, so entweicht die Dichtflüssigkeit aus dem Zylinder, und der Abstand zwischen
beiden Kolben verringert sich. Die Arbeitsflüssigkeit hingegen bleibt erhalten.
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Der Erfindungsgegenstand ist in den Abbildungen in zwei Ausführungsbeispielen
dargestellt, und zwar zeigt Abb. 1 einen Längsschnitt durch ein Arbeitsgerät
mit Elektroden und einer Arbeitsflüssigkeit, die als Ohmscher Widerstand wirkt,
Abb. 2 einen Längsschnitt durch ein Arbeitsgerät, dessen Arbeitsflüssigkeit durch
eine elektrische Widerstandsspirale erhitzt wird.
Das Arbeitsgerät
gemäß Abb. 1 besteht aus dem Zylinder 1, in dem ein Arbeitskolben
2 verschieblich angeordnet ist. Ferner befindet sich im Zylinder 1 ein schwimmender
Kolben 3, der zusammen mit dem Arbeitskolben 2 einen Zvlinderrauni
7 begrenzt, in dem eine Schmier- und Dichtflüssigkeit eingeschlossen ist.
Andererseits begrenzt der schwimmende Kolben 3
mit dem Boden des Zylinders
1 einen Zylinderraum 6,
der durch eine verdampfbare Arbeitsflüssigkeit
angefüllt ist. Diese Arbeitsflüssigkeit bildet einen Ohmschen Widerstand, und es
sind Elektroden 4 angeordnet, die an eine Stromquelle 5 anschließbar sind
und der Arbeitsflüssigkeit elektrischen Strom zuführen. Beim Stromdurchgang durch
die im Raum 6 befindliche Arbeitsflüssigkeit wird diese durch innere Widerstandserhitzung
verdampft, so daß unter Verrichtung mechanischer Arbeit der schwimmende Kolben
3 und über die Schmier- und Dichtflüssigkeit im Raum 7 der Arbeitskolben
2 verschoben wird. Bei dieser Arbeitsverrichtung herrschen beiderseits des schwimmenden
Kolbens 3 gleiche hydrostatische Drücke, so daß ein Verlust von Arbeitsflüssigkeit
aus dem Raum 6 vermieden ist.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 2 dient zur Erwärmung der im Zylinderratim
6 eingeschlossenen Arbeitsflüssigkeit die elektrische Heizspirale 4#, die
an die Stromquelle 5 anschließbar ist. Der mit der Schmier- und Dichtflüssigkeit
angefüllte Zylinderraum 7 steht in offener Verbindung mit dem Innenraum eines
zusätzlichen Zylinders l', der den Arbeitskolben 2 enthält und den Zylinder
1 mit Abstand umgibt. Infoleedessen wirkt die Schmier- und Dichtflüssigkeit
zugleich auf die Außenflächen des Zylinders 1, wodurch dieser schwimmend
gehalten ist und somit aus einem empfindlichen Werkstoff, beispielsweise Keramik,
bestehen kann.
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Bei beiden Ausführungsbeispielen beträgt die zugeführte elektrische
Leistung, bezogen auf das Gewicht der Arbeitsflüssigkeit im Raum 6, mindestens
500 MI/g. Ferner ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 2 die Heizspirale
4#, bezogen auf ihre Oberfläche, mit mindestens 20 W/cm2 belastet. Als Ergebnis
des bezeichneten Verhältnisses der zugeführten elektrischen Leistung zum Gewicht
der im Raum 6
eingeschlossenen Arbeitsflüssigkeit ergibt sich eine Verrichtung
des Arbeitsprozesses in einer sehr kurzen Zeit. Zugleich ist hierdurch aber auch
ein schnelleres Rückkehren des Arbeitsgerätes in die Ausgangsstellung gewährleistet,
da die Zylinderwandung bei der Kürze der Schaltzeit des elektrischen Stromes relativ
kühl bleibt und daher imstande ist, durch Wärmeabfuhr den gebildeten Dampf schnell
zu kondensieren.