DE1464920A1

DE1464920A1 - Verbesserungen an einem Geraet mit dielektrischem Medium

Info

Publication number: DE1464920A1
Application number: DE19641464920
Authority: DE
Inventors: Briere Georges Bernhard; Noel Felici
Original assignee: BRIERE GEORGES BERNHARD
Current assignee: BRIERE GEORGES BERNHARD
Priority date: 1963-08-12
Filing date: 1964-08-07
Publication date: 1969-04-30
Also published as: GB1080624A; FR1381307A; SE315756B; BE651684A; NL6409270A; US3443856A; CH431721A

Description

Noel FELICI, 1> rue Charles Peguy, Grenoble (Isere) und Georges Bernhard BRIERE, 1 boulevard Marechal Joffre, Grenoble (Isere) Prankreich,

" Verbesserungen an einem Gerät mit dielektrischem

Medium."

Französische Priorität vom 12.August 19S3 aus der französischen Patentanmeldung Nr. 4 Goh (Isere).

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Gerät, das ein flüssiges Medium mit hoher dielektrischen Konstante verwendet. Es gibt viele verschiedene Arten von elektrischen Instrumenten und Vorrichtungen, bei denen bei der Verwendung ein starkes elektrisches Feld zwischen einem Elektrodenpaar verwendet wird und die infolgedessen die Anordnung eines Stoffkörpers erfordern, der einen äusserst hohen spezifischen Widerstand, eine hohe dielektrische Konstante und. Zusammenbruchspannuhg in dem Bereich des intensiven Feldes erfordern.

Gegenstand der Erfindung ist, ein Gerät dieser Art zu schaffen, das sehr stark verbesserte Arbeitsmerkmale im

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Vergleich zu entsprechenden Geräten herkömmlicher Art haben und insbesondere Geräte., die die Verwendung von PolarflUssigkeiten als dielektrisches Medium während langer Zeitdauern in verschiedenen Arten von elektrischen Geräten erlauben, bei denen während des Betriebes ein starkes elektrisches Feld in dem Medium vorhanden ist.

Ein weiterer Gegenstand ist, ein Verfahren und Gerät zu schaffen, um Polarflüssigkeiten mit hoher dielektrischer Konstante und hoher Reinheit und hohem spezifischem Widerstand zu erzeugen. Weitere Gegenstände der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden.

Es wurde schon vorgeschlagen, PolarflUssigkeiten mit hoher Reinheit, wie sie erzeugt werden, wenn die Flüssigkeit einem Ionenaustauscher-Reinigungsverfahren ausgesetzt wird, als dielektrisches Medium in verschleiß denen Geräten zu verwenden, die starken elektrischen Feldern ausgesetzt sind und es hat sich gezeigt, daß so gereinigte Polarflüssigkeit ursprünglich bemerkenswert hohe dielektrische Eigenschaften besitzen, die von den meisten anderen Stoffarten nicht erreicht werden können. Jedoch wurde festgestellt, daß diese ursprünglich hohen Merkmale nicht beibehalten werden, sondern während des Betriebes des Gerätes infolge der Verunreinigung der Flüssigkeit aus verschiedenen Quellen scharf abfallen. Susserst kleine Mengen von

Verunreinigungen, wie etwa' die Kleinstkonzentrationen von Stoffen, die von den Wandoberflächen der Glasgefässe od. dgl. abgelöst werden, in denen die Flüssigkeiten enthalten sind, genügen, urn einen scharfen Abfall der dielektrischen Eigenschaften der Flüssigkeit zu verursachen und infolgedessen die bei der Verwendung von Polarflüssigkeiten erwarteten Vorteile zu zerstören.

Es wurde schon vorgeschlagen, diese Schwierigkeit zu . d überwinden, indem Mittel vorgesehen werden, mit denen die dielektrische Flüssigkeit während des Betriebes des Gerätes, in dein sie verwendet wird, kontinuierlich gereinigt wird, wie etwa durch eine kontinuierliche Zirkulation der Flüssigkeit durch einen geschlossenen Flüssigkeitskreis, indem sich das Gerät befindet und in dem Reinigungsmittel ausserhalb des Gerätes angeordnet sind, während Zirlculierungsmittel die Flüssigkeit kontinuierlich in dem Kreis in Umlauf setzen, um gereinigte Flüssigkeit in das Gerät einzuführen. Ein derartiger Aufbau hat sich in vielen Fällen als recht zufriedenstellend erwiesen, wenn die Abmessungen und die Kompliziertheit nicht begrenzende Faktoren bilden und die kontinuierliche Anwesenheit von gereinigter Polarflüssigkeit mit Widerstandswerten und dielektrischen Eigenschaften innerhalb des elektrischen Feldes des Gerätes ermöglicht, die bisher durch andere Mittel noch nicht erreicht werden konnten. Es ist jedoch leicht vei'fjtändlich, daß eine derartige Anordnung für

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sehr viele Verwendungszwecke ungeeignet ist, wie beispielsweise für Kleinstinstrumente, bei denen Sperrigkeit, Gewicht, niedriger Stromverbrauch und Einfachheit wesentliche Vorbedingungen sind und daß es in jeden Falle äusserst wünschenswert ist, die äusserst hohen dielektrischen Werte der Polarflüssigkeiten dauerhaft während der ganzen Lebensdauer des Gerätes au erzielen, ohne daß störende und komplizierte Mittel vorgesehen vier den müssen, wie etwa die Zirkulierungs- und fieinigungs-Mittel, sowie den überschüssigen Flüssigkeitskürper, der in einer solchen Anordnung unerlässlich ist. Ein besonderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, dieses Ergebnis zu erzielen.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wurde entdeckt, dai3 eine einen starken elektrischen Feld ausgesezte Polarflüssigkeit kontinuierlich in in situ gereinigt und in einen Zustand maximaler dielektrischer Eigenschaften gebracht und dort gehalten werden kann, wenn die Flüssigkeit in den mittleren von drei nebeneinander liegenden, mit Flüssigkeit gefüllten Abteilen in einem Behälter angeordnet ist, welches mittlere Abteil von den seitlichen Abteilen durch halb durchlässige Membranen von kathodischem bzw. anodischem Charakter getrennt werden und wenn die Kathode bzw. Anode-Elektroden in den seitlichen Abteiljen angeordnet und mit entsprechenden Klemmen einer Hochspannungsquelle verbunden

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sind, um das elektrische Feld zu erzeugen.

Es ist offensichtlich, daß die Gesamtarbeitsweise eines solchen Systemes derjenigen einer Elektrodialysezelle insofern ähnelt, als eine wahlweise und vorzugsweise Wanderung von positiven Ionen vom mittigen Abteil durch eine halb durchlässige Membran in das die Kathode enthaltende Abteil und eine wahlweise Wanderung von negativen Ionen von dem mittleren Abteil durch die andere halbdurchlässige Membran in das Abteil der anderen Seite besteht, das die Anode ™

enthält, wodurch ein Auszug von Ionen jedes Vorzeichens aus dem mittigen Abteil und infolgedessen eine Reinigung der das Abteil füllenden Flüssigkeit erzielt wird. Experimente haben jedoch gezeigt, daß gleichzeitig mit diesem Auswärts-" ionenfluß von dem mittigen in die äußeren Abteile offensichtlich ein gleichzeitiger Einwärtsionenfluß von den äußeren in das mittlere Abteil stattfindet und zwar mit einer beträchtlich geringeren Flußgeschwindigkeit als

die AufwärtsfluJSgeschwindlgkeit und daß die so in das {

mittlere Abteile eintretenden Ionen sich darin verbinden um eine flüssige Verbindung zu bilden, deren Zusammensetzung mit derjenigen der ursprünglichen Flüssigkeit identisch oder davon verschieden sein kann, die jedoch unweigerlich eine äußerst hohe dielektrische Konstante und einen äußerst geringen Leitwert besitzt.

Während die ursprünglich in die Seitenabteile eingeführten Flüssigkeiten von der in das mittlere Abteil eingeführte

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Flüssigkeit verschieden sein können, wurden besonders gute Ergebnisse erzielt, wenn eine gemeinsame Flüssigkeit verwendet wird, um ursprünglich alle drei Abteile zu füllen.

Die Erfindung wird im Folgenden zu Darstellungszwecken und nicht begrenzend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnur^n beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer einfachen Ausführungsform der Erfindung ist, die das angewendete Arbeitsprinzip darstellt,

Fig. 2 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Kerr-Zellenvorrichtung ist, die gemäß der Lehre der Erfindung konstruiert worden ist,

Fig. jj eine graphische Darstellung ist, die die Auslösefähigkeit der Membran als Funktion der Ionenkonzentrationen in den seitlichen Abteilen zeigt;

Fig. 4 und 5 graphische Darstellungen sind, die den Spannungsabfall durch verschiedene Teil des Drei-Abteil-Systemes nach der Erfindung In zwei verschiedenen Perioden zeigen.

Wie schon oben angeführt, kann die Erfindung in einer großen Anzahl von elektrischen Systemen verwendet werden, die die Schaffung von starken Feldern mit einer einzigen Richtung umfassen. Die einfache, erfindungsgemäße

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Ausführungsform, wie sie in Fig. 1 dargestellt worden ist, kann als Bestandteil eines solchen Gerätes und beispielsweise eines Kondensators mit hoher Kapazität betrachtet werden.

Das gezeigte Gerät besitzt ein Gehäuse 1 aus einem beliebigen geeigneten FlUssigkeits-dichten und elektrisch isolierenden Material von jeder geeigneten Form, beispielsweise rechteckig, prallelpipedisch oder zylindrisch. Im Abstand in dem Gehäuse 1 sind zwei halbdurchlässige oder durchlässigkeits-auswahlfähige Membranen 8 und 9 I

so angeordnet, daß sie darin drei nebeneinanderliegende Abteile 2, 3 und, ^ bilden. Diese Membranen können aus beliebigen geeigneten Ionen-austauscherraaterialien hergestellt sein und sind aus verschiedenen Quellen auf dem Markt verfügbar, beispielsweise von der American Machine Foundry Corporation oder von Ionics Incorporated. In dem Beispiel ist die auswahlfähige Membran 8 von anodischer Art,d.h. von solcher Art, daß leichter negative als positive Ionen durchgelassen werden, während die auswahlfähige Membrane 9 von entgegengesetzter oder kathodischer Art ist. Die Membranen 8 und 9 sind an ihrem Umfang mit der Innenwandung des Gehäuses 1 durch geeignete elektrisch isolierende Klebemittel befestigt, wobei die Klebestellen stark genug sein müssen, um die Membranen 8 und trotz den verhältnismässig starken elektrostatischen Anziehungskräften in ihrer Lage zu halten, die während des Betriebes auf die Membranen einwirken.

In den seitlichen Abteilen 8 und 9 sind nahe den äußeren JSnden des Gehäuses 1 ein Paar von Plattenelektroden 5 bzw.

mit großem Flächenbereich angeordnet, die mit den positiven, bzw. negativen (Masse)Klemmen einer Hochspannungsgleichstromquelle 7 verbunden sind, wie beispielsweise einem elektrostatischen Generator. Die drei Abteile 2, 5 und 4 sind mit Füllöffnungen lo, 11, 12 versehen, die mit Stöpseln aus isolierendem Material abgedichtet werden.

Das mittige Abteil wird vor dem Abdichten bei 10 mit einer organischen Polarflüssigkeit gefüllt, die so ausgewählt ist, daß sie beinahe keine natürliche Ionisierung oder nur einen sehr natürlichen geringen Ionisierungsfaktor besitzt, sodaß ihr theoretischer spezifischer Widerstand, der direkt mit der ionischen Abscheidungskonstante und der Ionenbeweglichkeit in Beziehung steht, sehr hoch ist. Nitrobenzol, Nitrotoluol, Azetone und Azetonitile sind Polarflüssigkeiten, die zur Verwendung in dem mittleren Abteil eines erfindungsgemässen Systemes sehr zufriedenstellend sind. Die seitlichen Abteile J und 4 werden ähnlich durch die Füllöffnungen 11, 12 mit Flüssigkeit gefüllt, bevor sie mit Hilfe der Stöpsel abgedichtet werden. In einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die nicht nur sehr einfach ist, sondern offensichtlich auch den nöchsten Wirkungsgrad ergibt, werden die seitlichen /ibteile 3 und4 ursprünglich mit der gleichen Flüssigkeit gefüllt wie das mittlere Abteil 2. In der Praxis hat sich ergeben, daß die äußerst niedrige natürliche Ionisierung in der Flüssigkeit in dem mittleren Abteil genügend ist, um eine Elektrodialysewirkung zu veranlassen, wodurch eine selektive Wanderung von positiven und negativen Ionen von dem mittleren Abteil 2 durch die halbdurchlässig^] Membrane << bzw. 9 in uie seitlichen Abteile ;■

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und 4 auftritt. Die Ionenkonzentration in dem mittleren Abteil nimmt ab und der Widerstand steigt. Innerhalb eines sehr kurzen Zeitraumes im Bereich von einigen Sekunden erreicht der Widerstand der Flüssigkeit in dem mittleren Abteil einen Wert, der annähernd gleich dem theoretischen Maximum ist und der Verluststrom durch den durch die Elektrodenplatten 5 und 6 gebildeten Kondensator fällt auf einen vernachlässigenswerten Wert. Die volle Spannung an den Elektroden ist zur Erzeugung eines intensiven elektrischen Feldes durch das flüssige Dielektrikum in dem rnittigen Abteil verfügbar. Diese optimalen Arbeitsbedignngen werden während praktisch unendlichen Zeitperioden während der Lebensdauer des Gerätes beibehalten, ohne daß es erforderlich ist, die Flüssigkeit in dem mittleren oder in dem seitlichen Abteil irgendwann zu erneuern oder zu regenerieren. Das Gehäuse 1 kann daher dauerhaft abgedichtet bleiben, sodaß diesbezügliche Wartungs- und Unterhaltsprobleme vollständig ausgeschaltet werden.

Falls erwünscht, kann zur Vermeidung einer möglichen Bildung von Konzentrationsgefällen in den seitlichen Abteilen neben den Elektroden die darin befindliche Flüssigkeit gerührt werden, beispielsweise während aufeinanderfolgenden Perioden. Diese Vorsichtsmaßnahme hat sich jedoch in den meisten Fällen als überflüssig erwiesen. In manchen Fällen kann es ebenfalls wünschenswert erachtet werden, eine Flüssigkeitszirkulation durch das mittlere Abteil zu schaffen, beispielsweise zur Temperatursteuerung oder aus anderen Gründen. Um diese Möglichkeit anzuzeigen, ist eine Flüssigkeits-

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ausgangsleitung in gestrichelten Linien bei Ij5 dargestellt, wobei es offensichtlich ist, daß unter diesen Umständen der Stöpsel der Füllöffnung 10 weggelassen wird und die Öffnungen 10 und I^ mit entsprechenden Einlaß- und Auslaß-Leitungen für die Flüssigkeit verbunden werden. E±e solche Flüssigkeitszirkulation sollte, wenn sie in einem erfindungsgemässen System verwendet wird, mit einer Flußgeschwindigkeit durchgeführt werden, die langsam genug ist, um die ungestörte Durchführung des die Erfindung kennzeichnenden Elektrodialyseverfahrens zu gewährleisten. Es wird wieder betont, daß die Arbeitsweise der Erfindung eine Zirkulation der dielektrischen Flüssigkeit nicht erfordert und daß bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung eine solche Zirkulation nicht vorgesehen ist und daß mittige sowie die seitlichen Abteile vorzugsweise dauerhaft abgedichtet sind.

Als ein Beispiel für die vielen und verschiedenen Arten von Geräten, bei denen die Lehre der Erfindung anwendbar ist, stellt Fig. 2 eine Kerr-Zelle der allgemeinen Art dar, wie sie allgemein bei der elektro-optischen Aufnahme von Ton auf Kinofilm-Tonspuren sowie für andere Zwecke verwendet wird.

Die in Fig. 2 gezeigte Kerr-Zelleneinheit besitzt einen im wesentlichen ringförmigen Körper 20, der geeignerweise aus dem Material hergestellt ist, das unter dem Handelsnamen Teflon bekannt ist. In den Enden des Körpers 20 sind linter- und Oberteile 21 und 22 montiert,die aus ähnlichem Material wie der Körper hergestellt sein können und die mit geeigneten,

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nicht dargestellten Mitteln, wie etwa durch Schrauben od. dgl. in den Endöffnungen des Körpers 2o befestigt sind. Die Teile 21 und 22 besitzen vorstehende innere Endabschnitte, die gegeneinander vorstehen, deren innere Enden jedoch im Abstand voneinander liegen. Ein Paar von halbdurchlässigen Ionenaustauschermembranen 2j5 und 24 aus elastisch biegsamen IonenaustauscherbogenMaterial sind mit ihren Randteilen an Schultern 25, 26 angeklemmt, die durch Einschnitte in dem Körper 2o gebildet werden und zwar mit Hilfe von Klemmrini.;en 27 bzw. 28, die aus rostfreiem Stahl, Nylon oder einem anderen geeigneten Material bestehen können. Die Klemmringe, 27* 28 werden wiederum durch Eingriff mit Flanschen an den Unter- und Ober-Teilen 21, in ihrer Lage gehalten. Die Membranen 2j5, 24, besitzen radiale Zwischenbereiche, die zwischen nebeneinander liegenden abgerundeten Oberflächen des Körpers 2o und des entsprechenden Endteiles 21 ±>d er 22 wie gezeigt verlaufen und besitzen mittige Abschnitte, die in elastisch gestrecktem Zustand über die Endüffnungen von Einschnitten 29 bzw. Jo verlaufen, die in den vorstehenden Endteilen der Unter- und Ober-Teile 21 und 22 ausgebildet sind. Es ist klar, daß die Zeichnung die verschiedenen Teile der Einheit in auseinandergezogenem oder gedehntem Verhältnis zur Steigerung der Klarheit gezeigt sind und daß unter Arbeitsbedingungen, die Teile in einander verklemmt sind, sodaß die Membranen 2^ und 24 dann den inneren Raum zwischen den Teilen 2o, 21 und 22 in drei getrennte Flüesigkeitsdichte Abteile trennen, d.h. daß zwei äussere Abteile 29 und Jo in den Endeinschnitten der TeiL-e 21 und 2?. gebildet werden, und zwar ausserhalb \G^

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der mittigen Bereiche der Membranen 23 und 24 und daß ein mittleres Abteil 31 zwischen den zwei Membranen 23 und 24 gebildet wird, das seitlich durch die innere Seitenwandungsoberfläche des Körpers 2o begrenzt wird.

In den fraglichen Abteilen 29 und 3o ist neben den inneren Endoberflächen der Einschnitte in den Teilen 21, 22 ein Paar von Elektrodenplatten 32 und 33 ^aus sehr unoxydierbarem Material, wie etwa Platin angeordnet. Die Elektroden sind durch Drähte 34, 35, die durch die Teile 21,22 verlaufen mit äusseren, nicht gezeigten Klemmen verbunden.

Durch eine Seite des Körpers 2o ist ein Querdurchlaß 36 zur Verbindung mit dem mittleren Abteil 3I darin angeordnet. Der Durchlaß 36 besitzt eine vergrößerte öffnung an seinem äusseren Ende, die mit einem nicht gezeigten Stöpsel abgedichtet werden kann, und die zur Einführung von Flüssigkeit in das mittlere Abteil dient.

Der Teil 2o ist weiterhin mit einem Diametraldurchlaß rechtwinklig zu dem Durchlaß 36 versehen. Die radialinneren Enden des Durchlasses 37 neben den Abteilen 29, 3°* 31 werden von dem Inneren der Abteile mit Hilfe eines geeigneten durchsichtigen Materiales, wie etwa Glas, oder einem geeigneten durchsichtigen Kunststoff abgedichtet, das nicht gezeigt ist. Mit den entsprechenden radialen Abschnitten des Durchlasses 37 sind auf gegenüberliegenden Seiten des mittleren Abteiles ein nicht gezeigtes Lichtpolarisierelement und ein Analysieren ement herkömmlicher Bauart verbunden.

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Zur Vorbereitung der beschriebenen Kerr Zelle für den Betrieb wird eine Polarflüssigkeit mit dem erwünschten hohen Widerstand und ausserdem mit der hohen erforderlichen elektrischen Doppelbeugung sowohl in die seitlichen Abteile 29, 5o, als auch in das mittlere Abteil 51 durch die Füllöffnung 56 eingeführt. Die öffnung 56 kann dann dauerhaft ver schlossen werden. Die in alle drei Abteile eingeführte gemeinsame Flüssigkeit kann geeigneterweise Nitrobenzol sein.

Die allgemeine Arbeitsweise der Kerr Zelle ist bekannt und wird nur kurz beschrieben. Es wird angenommen, daß die Vorrichtung zur Aufnahme von Ton beispielsweise von einer Bandaufnahme auf einen fotografischen Film zur Erzeugung einer Tonspur verwendet wird. In diesem Falle wird ein Lichtstrahl konstanter Stärke von einer geeigneten Quelle gebildet und durch den Durchlaß 57 von einer Seite der Kerr-Zelle ( beispielsweise unter der Ebene der Zeichnung in Fig. 2) ausgerichtet und wird von dem geeignet an der anderen Seite der Einheit ( über der Ebene der Zeichnung ) angeordneten Film aufgenommen. Die oben angeführten optischem Polarisier- und Analysier-Elemente, die mit den Lichteingangs- bzw. Lichtausgangs- Seiten des Durchlasses 57 verbunden sind, werden im Verhältnis zueinander in einer gekreuzten Lage angeordnet, sodaß der von der Quelle austretende Lichtstrahl normalerweise infolge des gekreuzten Polarisiereffektes gelöscht wird, sodaß kein Licht auf den Film auftrifft. Wenn eine Gleichstromspannung an den Elektroden 52, 55 von einer bei 4o gezeigten Quelle angewandt wird, um ein starkes elektrisches Feld in dem

mittleren Bereich des Durchlasses 37 zu bilden, während der Feldvektor senkrecht zum Weg des Lichtstrahles liegt, tritt ,eine doppelte Beugung auf und die Lichtwellen des aussergewöhnlichen Strahles werden so gedreht, daß Licht am Ausgangsende des Durchlasses 37 austritt und den Film belichtet. Dies ist der bekannte elektrooptische Kerr-Effekt. Die auf den Film fallende Lichtmenge steht zu dem Quadrat des Spannungswertes an den Elektroden 32, 33 in Beziehung. fc Wenn daher zusätzlich zu der kontanten Hochspannung an den Drähten, 34, 35 eine modulierte Spannung von einem Ablesekopf eines Tonaufnahmegerätes oder von einem anderen geeigneten Tonaufnahmegerät zur Einwirkung gebracht wird, dann wird die erwünschte Tonspur auf dem Film erzeugt.

Es ist klar, daß in der oben beschriebenen Bauart einer ansonsten auf herkömmliche Art und Weise arbeitenden Kerr-Zelle-einheit, die durch die vorliegende Erfindung geschaffene Verbesserung im wesentlichen in der Schaffung der zwei im Abstand liegenden durchlässigkeitsauswahlfähigen Membranen 23, 24 besteht, die die drei nebeneinander liegenden Abteile 29, 3o, 31 bilden, sowie der Felderzeugungselektroden 32, 33 in den seitlichen Abteilen 29, 30. Wie schon früher erklärt, erreicht die in das mittlere Abteil 31 eingeführte Polarflüssigkeit, beispielsweise Nitrobenzol, schon nach einem sehr kurzem Zeitraum nach der Einwirkung des hohen Gleichstromfeldes zwischen den Elektroden 32, 33 einen äusserst hohen Reinheitsgrad und behält diesen Reinheitsgrad danach bei, sowie eine entsprechend hohe dielektrische Konstante und einen entsprechend hohen Widerstand und zwar praktisch

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während unendlichen Zeitperioden. Entsprechend werden die Flüssigkeitsköpper in den seitlichen Abteilen 29, Jo, die ursprünglich eine gleiche chemische Zusammensetzung hatten, wie die Flüssigkeit in dem mittleren Abteil, allmählich verunreinigt und ihr Widerstand nimmt entsprechend ab.

EiBe wie oben beschriebene Kerr-Zelle hat hervorstechende Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen. Der Huuptvorteil liegt in der Tatsache, daß die Erfindung es er-. , möglicht, reine PolarflUssigkeiten während sehr langer Zeitperioden als dielektrisches Medium der Zelle zu verwenden, anstatt von herkömmlicheren, durchsichtigen dielektrikam wie etwa Kohlenstoffsulfid, wie sie bisher allgemein in Kerrzellen verwendet wurden. Kerr-Konstante ( die als der Drehwinkel der Lichtwellanpro Feldstärkeeinheit definiert werden kann) der Polarflüssigkeiten ist äusserst hoch. Die Kerr-Konstante von reinem Nitrobenzol oder Nitrotoluol, deren Verwendung während langer Zeitperioden durch die Erfindung ermöglicht wird, ist demgemäss ungefähr loo χ (

größer, als die Kerr-Konstante des üblichen Kohlenstoffsulfiddielektrikums. Infolgedessen hat das wie mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben konstruierte Gerät im Vergleich zu herkömmlichen Kerrzellenvorrichtungen eine entsprechend größere Empfindlichkeit und arbeitet mit entsprechend niedrigeren Spannungen. Der hohe Widerstand und die hohe Reinheit des flüssigen Dielektrikums in der beschriebenen Vorrichtung verringert Joule-Verlusteffekte beträchtlich, sodaß das Gerät kontinuierlich während langer Zeiträume ohne Neigung zur Verzerrung des elektrischen Feldes und

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ohne entsprechende Verzerrung der Tonaufnahme betrieben werden kann, wie sie bei vorheringen Vereuohen zur Verwendung von PolarflUssigkeiten als Dielektrikum ( beispielsweiße Nitrobenzol) in Kerrzellen aufgetreten sind.

Diebezüglich ist es wichtig zu beachten, daü bei früheren Geräten, in denen die flüssigen Dielektrika starken elektrischen Feldern von in der Flüssigkeit eingetauchten Elektroden ausgesetzt waren, die Arbeitsweise infolge von nicht gleichraässigen Feldverteilungen häufig unzufriedeneteilend war, die in der Flüssigkeit in der Nähe der ELektrodenoberflachen auftreten und die eine örtliche Ionenansammlung erzeugen und infolgedessen louleverluate von sehr beträchtlichem Wert. Diese Raumladungseffekte haben bisher die Feldstärken ode.r das Spannungsgefälle begrenzt, mit dem flüssige dielektrische Medien verwendet werden könnten.

Derartige Raumladungseffekte sind in dem erfindungsgemässen Gerät nicht vorhanden, da die Elektroden nicht in dem Körper der dielektrischen Flüssigkeit selbst, sondern in davon durch durchlässigkeitsauswahlfählge Membrane getrennten Flüssigkeitskörpern eingetaucht wind. Beim Betrieb einer solchen Vorrichtung übernehmen diese Membranen in jeder Hinsicht die Aufgaben der Elektroden und, da die Membranen vollständig " offenmaschig" sind, was die Tone der entsprechenden Polarität anbetrifft, tritt keine Ladungsansatnmlung nahe ihren Oberflächen auf. Demgemäss bleibt der dielektrische

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FlUssigkeitskörper in dem Abteil zwischen den Membranen ( in elektrischer und chemischer Hinsicht ) vollständig gleich-

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f örraig und vollständig rein, und zwar während unbegrenzter

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Zeitperioden. Di© Flüssigkeit behält also ihre maximalen dielektrischen Merkmale, hoher Widerstand und hohe Steifheit inbegriffen, bei. Ss treten keine Verluste derart auf, ' wie sie mit flüssigen Dielektrika in der Vergangenheit vorgekommen sind und keine Gefahr eines Zusammenbruches, bis Spannungsgefälle erreicht sind, die sich sehr stark dem äusserst hohen theoretischen oder inherenten Feldzusammenbruohswert der PolarflUssigkeiten annähern.' In der Praxis f wurden pulsierende Feldwerte von 1/2 Megavolt pro cm und mehr in einem erfindungsgemäss konstruirten Gerät erzeüzt, ohne daß nachteilige Effekte aufgetreten sind.

Wie schon früher angeführt, können die in den äusseren Abteilen eines erfindungsgemässen Systemes befindlichen Flüssigkeiten gleich oder von der in dem mittleren Abteil verwendeten Flüssigkeit verschieden sein. Demgemäss können saure und basische Flüssigkeit ursprünglich in die seitlichen Abteile eingeführt werden ( die Ausdrücke sauer und basisch v/erden hier in ihrem erweiterten Sinn für organische Medien verwendet, wobei " Basen" als Proton-Annehmer gemäss der Brönsted'sehen Theorie definert werden). Gegigneterweise können die Flüssigkeiten in den seitlichen Abteilungen Lösungen geeigneter Verbindungen in einem Lösungsmittel sein, das die in dem mittleren Abteil verwendete Flüssigkeit bildet.

us hat sich jedoch ergeben, daß die Verwendung einer gemein Garnen Polarflüssigkeit, die ursprünglich in alle drei Abteile dos erfindungsgemässen Systemes eingeführt wird,

nur das Verfahren vereinfacht, sondern in vielen Fällen auch die Ergebnisse verbessert.

„ Zur Erklärung dieses etwas unerwarteten Merkmales und gleichzeitig zur Ermöglichung eines besseren Verständnisses der Arbeitsweise der Erfindung wird Bezug auf Pig· 5 genommen, die eine grafische Darstellung der Auswahlfähigkeit s einer halbdurchlässigen Membran in Punktion

_fc . der Konzentration ca der Flüssigkeit in einem der äusseren Abteile ( Abteil A) neben der Membran ist. Es muß bemerkt werden, daß die Auswahlfähigkeit s zunimmt, wenn die Konzentration Cß fällt und sich bei sehr niedrigen Konzentrationswerten asymptotisch einer Einheit als maximal Wert nähert. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, daß die Auswahlfähigkeit der Membran ähnlich steigt, wenn das Verhältnis R= -|-^ fällt, worin 9 a ¹^ ^ B die Widerstände eines seitlichen Abteiles und eines mittleren Abteiles sind. Die Kurve ist in diesem Falle im wesentlichen ähnlich der

► in Fig. 4 gezeigten Kurve. Es ist also offensichtlich, daß die Auswahlfähigkeit der Membranen und infolgedessen die Wirksamkeit des Verfahrens durch Verwendung einer gemeinsamen Flüssigkeit, die ursprünglich in alle drei Abteile der Erfindung eingeführt wird, auf ein Höchstmaß gesteigert werden kann.

Es ist klar, daß diese ursprüngliche Übereinstimmung zwischen den FlUssigkeitsinhalten der drei Abteile ein Zustand ist, der nur während einer sehr kurzen Zeit nach der Einwirkung eines Spannungsunterschiedes zwischen den Elektroden und in der r Flüssigkeit in den drei Abteilen vorhanden ist. Infolge der

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niedrigen» aber unvermeidlichen, in jeder Polarflüssigkeit inherenten Ionisierung tritt ein© Elektrodialyse , auf« die eine Übertragung der lone bei der Polaritäten von dem mittleren Abteil in die seitlichen Abteile, wie oben beschrieben erzeugt. Die Flüssigkeit in dem mittleren Teil verliert ihre Ione und ihr Widerstand steigt beträchtlich, während die Ionenkonzentration in den seitlichen Abteilen zunimmt. Nach einer sehr kurzen Zeltdauer sind die chemischen und elektrischen Merkmale der Flüssigkeiten . . λ körper in den seitlichen Abteilen von denjenigen in dem mittleren Abteil verschieden. Die Flüssigkeit in dem mittleren Abteil erreicht eine sehr hohe Reinheit und sehr hohe Widerstands- und dielektrische Paktoren, während die Reinheit und der Widerstand der Flüssigkeiten in den seitlichen Abteilen allmählich mit der Zeit abnimmt, wenn der Fltissigkeitskörper in dem Gehäuse als Ganzes wie etwa beispielsweise durch die längsame Auflösung von Molekülen der Behälterwandungen und anderer unvermeidlicher Verunreinigungsquellen verunreinigt wird. '

Das obige kann mit Bezug auf die grafischen Darstellungen der Fig. k und 5 kurz zusammengefasst werden, die den Spannungsabfall durch die drei Abteiie des erfindüngsgemässen Systemes darstellen, wenn es unter Gleiehstrombedlngungen betrieben wird, und zwar in dem Augenblick, in dem die Spannung den isie'kt roden zuerst' zugeführt wird (Fig. 4 ) und bei dem Gieiohgewiöhtszustand', der nach einer sehr, kurzen Betriebszeitim ^Bör^icii ^;vori Sekunden oder Minuten erreicht wli*d < Fig. Vj .^s ißt ereichtlich, da& in Fig. 4 der Widerstand.

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und infolgedessen der Spannungsabfall, wie er durch die Neigung der Spannungskurve dargestellt ist, in allen drei Abteilen gleich ist, die hier mit A, B und C bezeichnet sind, und daß der gemeinsame Wert verhältnismässig klein ist, sodaß sich ein verhältnismässig geringer insgesamter Spannungsabfall i V an den Elektroden ergibt, die hier mit E- und E+ bezeichnet sind. In Fig. 5 weist die Spannungskurve einen mittigen Schenkel mit sehr viel größerer Neigung auf, der eine entsprechend scharfe Stei- · gerung des Widerstandes der Flüssigkeit in dem mittigen Abteil anzeigt, während die Endschenkel der Kurve Widerstandswerte angeben, die etwas geringer sind, als die ursprünglichen Vierte. Das Nettoergebnis ist ein sehr viel, grösserer insgesamter Spannungsabfall -^ V ' an den Elektroden ( unter den hier angenommenen Gleichstromarbeitsbedingungen).

Unabhängig davon, ob die in dem mittigen Abteil verwendete aktive Flüssigkeit die gleiche ist, oder von den in die seitlichen Abteile eingefüllten Flüssigkeiten verschieden ist, ist es natürlihh wünschenswert, daß die Flüssigkeit einen verhältnismässig hohen Reinigungsgrad im Zustand vor dem Betrieb des Gerätes aufweist. Eine vorläufige Reinigung kann vor der Einflillung der Flüssigkeit in das Gerät mit beliebigen herkömmlichen Mitteln, wie etwa Elution über geeigneten Ionaustauscherstoffen durchgeführt werden. Anstatt oder vorzugsweise zusätzlich zu diesem Vorreinigungsschritt ist es möglich, eine Vorreinigung in situ durchzuführen. Dazu wird die Flüssigkeit oder die Flüssigkeiten in massig

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reinem Zustand in die drei Abteile eingeführt, wonach diese abgedichtet und einer Spannung an Dlelektroden angelegt wird. Das erfindungsgemässe Reinigungsverfahren wird während der erforderlichen kurzen Zeitperiode durhhgefUhrt, wonahh die Spannung abgeschaltet wird und die äusseren Abteile geöffnet und von ihrem Inhalt von verhältnismassig verunreinigter Flüssigkeit entleert werden, während die gereinigte Flüssigkeit in dem mittigen Abteil beibehalten wird. Die seitlichen Abteile werden mit der ursprünglich verwendeten, massig reinen Flüssigkeit gefüllt und wieder abgedichtet. Das Gerät kann dann dauerhaft abgedichtet werden, ohne eine weitere Auffüllung irgendeines der Abteile während der Arbeltslebensdauer zu erfordern.

Wie schon früher angeführt, sollte das Widerstandsverhältnis von den mittleren au den Seitenabteilen verhältnismäßig gering bleiben, um die bestmögliche Arbeitsweise zu erzielen, was In der Praxis bedeutet, daß dieses Verhältnis im allgemeinen nicht einen Bereich von Io5 überschreitet. Der Endwiderstand, der in der Flüssigkeit ( beispielsweise Nitrobenzol) des mittigen Abteiles erreicht und aufrecht erhalten wird, ist größer als io¹¹ oder lo¹² Ohm χ Zentimeter als Größenangaben bei Normalteraperätur. Der entsprechende T erlustwinke1/ der unter Oszillatörbedingungen mit einer 5o Hertz Sinuswelle gemessen wurde, liegt im Bereich von lo"² bis lo~2 und ist im wesentlichen unabhängig von der Stärke des angewandten Feldes, bis zu und über gleiohmässigen Feldwerten von loo Kilovolt pro ,Zentimeter.

Es ist also ersichtlich, daß die Erfindung ein Mittel geschaffen hat, um die Arbeitsmerkmale von elektrischen Geräten der allgemeinen Art, bei denen ein starkes elektrisbhes Feld während des Betriebes an einem dielektrischen Medium aufrecht erhalten wird, stark zu verbessern. Obwohl nur einige Beispiele von erfindungsgemässen Vorrichtungen besehrieben und gezeigt worden sind, ist es offensichtlich, daß die Erfindung in keiner Weise darauf begrenzt ist, sondern in verschiedenen anderen Gerätearten verwendet werden kann und daß die besonderen Struktureinzelheiten in einer solchen Ausführungsform von der Art und den Merkmalen des Gerätes abhängen, an dem die Erfindung angewendet wird.

Weiterhin ist es offensichtlich, daß die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Hochpolarflüssigkeiten mit hoher Reinheit und hohem Widerstand geschaffen hat, welches Verfahren selbst in Fällen wertvoll sein kann, in denen es nicht einen Teil der normalen Arbeitsweise eines elektrischen Gerätes bildet· Wenn in Fällen, in denen die dielektrische Polarflüssigkeit während des nonaalen Betriebes einer elektrischen Vorrichtung, wie etwa einem Kondensator wechselanstatt Gleich-Spannungen ausgesetzt ist, können Schritte ergriffen werden, um das erforderliche unidirektionale Feld wahrend kurzen Zeitperloden Intermittierend von Hand oder automatisch zur Einwirkung zu bringen, um die erwünschte Aufreehterhaltung der hohen dielektrischen Konstante des flüssigen Dielektrikums zu erreichen. Als weitere Möglichkeit können die erwünschten Reinheits- und/oder dielektrischen Merkmale einem Körper Ton Polarflüssigkeit durch das erfin-

dungsgemäese Verfahren in einer getrennten Geräteeinheit gegeben werden, die besonders für diesen Zweck verwendet wird und der verarbeitete Flüssigkeitskörper kann dann von dem mittigen Abteil der Geräteeinheit an seinen Verwendungszweck gebracht werden. Gemäss diesem letzten Merkmal der Erfindung wird daß verbesserte Verfahren in einem Gerät ausgeführt, das einer Elektrodialyse zelle ähnelt; jedoch ist es von herkömmlichen Elektrodialyseverfahren sehr verschieden, und zear insbesondere mit Hinblick auf die Art der Flüssigkeit, die dem Verfahren unterworfen wird und auf die Merkmale des Endproduktes.

Claims

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PATENTANSPRÜCHE . 1464920

Elektrisches Gerät mit einem Paar von im Abstand liegenden Elektroden, die mit entsprechenden Potentialen verbunden werden können, um ein starkes elektrisches Feld in dem Kaum zwischen den Elektroden beim Betrieb des Gerätes zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von seitlichen Abteilen ( ^,4) die entsprechenden Elektroden (5,6) umgeben, ein Paar von im Abstand liegenden Auswahlfähigen W Membranen (G,9) zwischen den Elektroden (5,6) angeordnet ist, die Wandungen der entsprechenden seitlichen Abteile(5,4) bilden, Mittel ein mittleres Abteil (d) zwischen dem Membranen (8,9) bilden, das von den letzteren von den seitlichen Abteilen ( 5*^0 getrennt wird, ein Flüssigkeitskörper, das mittlere Abteil (2) füllt, der aus der Gruppe von Polarflüssigkeiten ausgewählt ist, die in der Lage sind, hohe Widerstands- und dielektrische Eigenschaften an zunehmen und eine zusätzliche Flüssigkeit, die seitlichen Abteile (5,4) ausfüllt, sodaß bei Erstellung des elektrischen Feldes die Flüssigkeit in dem mittleren Abteil (2) in einen Zustand gebracht und darin gehalten wird, in dem sie hohe Widerstandseigenschaften hat.

2.) Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auswahlfähigen Membranen (8,9) aus positiven bzw. negativen Ionaus tauschermaterialien bestehend.

5.) Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit der seitlichen Abteile (5,4) ursprünglich die gleiche ist, wie die Flüssigkeit in dem mittleren Abteil

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BAD ORIGINAL

4.) Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in den seitlichen Abteilen (3,4) ursprünglich von der Flüssigkeit in dem mittleren Abteil (2) verschieden ist.

5.) Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in einem seitlichen Abteil (2) sauer und diejenige in dem anderen seitlichen Abteil (4) basisch ist.

6.) Gerät nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (j>7) vorhanden sind, die einen optischen Weg für einen Lichtstrahl durch das mittlere Abteil (2) quer zur Richtung des elektrischen Feldes schaffen, und daß das öerät als eine Kerrzelle arbeitet.

7.) Gerät nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5,6) Platten mit einem großen Oberfläohenbereich in Bbenen sind, die im wesentlichen parallel zu den Membranen (8,9) liegen.

8.) Verfahren zur Erzeugung einer PolarflUssigkeit mit sehr hohem Widerstand und hohen dielektrischen Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abteil (2) mit Polarflüssigkeit zwischen zwei weiteren Abteilen (3*4) mit Flüssigkeit liegt und davon durch auswahlfähige Membranen (8,9) getrennt ist» während Elektroden (5*6) in den isifc

»Oteie/ΟβΜ

Flüssigkeit gefüllten Abteilen (2,4) eingetaucht sind lind ein großer Potentialunterschied an die Elektroden "(5,6) angelegt wird.

9.) . Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeiten in den Abteilen (2,4) ursprünglich ■ mit der Polarflüssigkeit in dem erstgenannten Abteil (2) identisch sind.

lo.) Verfahren nahh Anspruch 8 oder 9* dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in den Abteilen (5,4) zumindest einmal nach dem Anlegen des Potentialunterschiedes ersetzt wird.

11.) Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 8 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in den Abteilen (3,4) in Bewegung gesetzt wird.

12.) Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die PolarflUssigkeit in dem Abteil (2) langsam durch den Raum zwischen den Membranen (8,9) zirkuliert wird.

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