DE1542192A1 - Verdampfer von fluessigem Metall - Google Patents

Description

Anmelder: General Eleotrio Company, Soheneotady, New York, N.Y. USA

Verdampfer von flüssigem Metall

Die Erfindung betrifft die Verdampfung von vorherbestimmten kleinen Mengen flüssigen Metalls, insbesondere für einrichtungen, in denen ein lohub durch den Austritt von Dampfen oder Gasen mit hoher Sesehwindigkeit erieugt wird.

Ee ist Bereits bekannt, kleine Mengen von Dampf oder (Jae als Arbeitenj,ttel strömen su lassen,,, um sum Beispiel in einem Raumfahrzeug einen ßohub au erzeugen, Bei derartigen Sinriehtungen ist ee wünsehenswert, das Freisetzen des Arbeitsmittels duroh eine mugliohet einfaohe linriohtunf su kontrollieren, die nur ein-(und trotsdem sehr suverleesife) Absperrorgan* oder überkeine verwendei» pie Brfin4uil| ||biin eiA·« Ausführungebeieiöe iinriohtung *», d£s flüssig»» Metall wie Queokeilber eint einiftflhe #lektriiohe Viederspai»ungeeinriohtung in doer Menge verdampft, die weitgehend von den Abmessungen der lohtung abhängt. Dabei wird das Reservoir an flüssigem Metall tmter leichtem Druok gehalten, damit ee immer betriebsbereit iet, abef dureh die Oberfllohenepannung daran gehindert, im flüssigen iWtend au«, der »inriehtumr sü strOmen. In einem wahlweieen und

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für manche Zwecke verbesserten Ausführungsbeispiel eines dosierenden Verdampfers flüssigen Metalls ist die Dosterkammer so angeordnet, daß sie das enthaltende flüssige Metall einen geschlossenen elektrischen Stromkreis bilden läßt, ferner ist eine Inductions einrichtung vorhanden, um das Metall in der Dosierkammer durch Induktion eines elektrischen Stromes in ihr zu verdampfen, ohne daß eine direkte elektrische Verbindung zwisohen dem flüssigen Metall und irgendeiner Energiequelle beeteht. < , —

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Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Mg. 1 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung; und Fig. 2 ein anderes· Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.

Pig. 1 zeigt im Schnitt einen Zylinder 10, der aus rostfreiem Stahl bestehen kann und einen geflanschten Grundteil 12 hat. An dem zum Teil 12 entgegengesetzten Ende des Zylinders 10 befindet sich ein Stöpsel 14 aus Metall, der zweckmäßigerweise aus rostfreiem Stahl bestehen kann und ein Loch 16 hat. Auf dem Stb'piel 14 ruht ein elektrisch isolierender Stöpsel 18, der zweckmäßigerweise aus einem bearbeitbareii keramischen Werkstoff bestenen kann und eine zentrale Dosieröffnung 20 hat. Verlängerungen des isolierenden Stöpsels 1Ö, die sich entlang der Innenseite eines Glasrohre 22 erstrecken, das seinerseits entlang von Wänden des Zylinders 10 verläuft, isolieren die Wände des Zylinders von flüssigem Metall 24, das in einem '■- \?u^ ..,.-probten Ausführungsbeispiel Quecksilber war. Ein Kolben 2i aas He call, d-?.s indem erwähnten Ausführungsbeispiel rostfreier Stahl war, hat einen O-Rlng 28, um den Kolben gegen die Innenwände des Rohrs gut abzudichten. Mit dem Kolben 26 ist einstückig eine Kolbenstange 30 ausgebildet, die aus dem gleichen Material besteht und sich durch eine Stopfbuchse oder Kappe 32 erstreckt, die !Peil eines Flansches 34 ist, der durch isolierende Schrauben 35 am flansch 12 starr festgehalten wird. Ein Rohr 36 verläuft durch den Plansch 34 und ist mit dem Innenraum des Zylinders 10 verbunden, um eine Evakuierung oder Druckversorgung des Zwischenraums aus weiter unten zu erläuternden Gründen zu erlauben, und der Zwischenraum zwiacnen den Planschen 12 und 3 4 ist durch ei::en

O-Ring 37 abgedichtet. ■■""-"*

BAD

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Eine Stromversorgung 38 ist mit der Kolbenstange 30 und über einen Kondensator 40 und einen Thyristor (silicon controlled rectifier) 42 mit dem Flansch 12 verbunden. Die Verbindung des Flansches 12 mit dem Stöpsel 14 schließt über das flüssige Me-· tall 24 in der Dosierkammer 20 einen elektrischen Stromkreis.

Der Flansch 12 ist starr an einer evakuierten Kammer 44 befestigt und durch einen O-Ring gegen eine Öffnung von ihr abgedichtet, welche Kammer nur schematisch und unvollständig gezeigt ist, da evakuierbare Kammern an sich bekannt sind.

Während des Betriebs des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 wird der Kolben 26 zunächst durch Bewegung der Stange 30 durch die Stopfbüchse 32 nach oben zurückgezogen, so daß der O-Ring 28 das Glasrohr 22 verläßt. Durch Auspumpen über das Rohr 36 durch eine übliche Vakuumpumpe, die hier nicht abgebildet ist, wird das Gas über dem flüssigen Metall 24 entfernt. Die Kammer 44, in der sich die ganze Anordnung befindet, wird auf ungefähr den gleichen Druck evakuiert, so daß keine sehr große Druckdifferenz auftritt, die das Quecksilber durch die öffnung 16 drücken würde. Nachdem die Kammer 44 und der Zylinder 10 evakuiert worden sind, wird der Kolben 26 zu der Oberfläche des flüssigen Metalls 24 nach unten bewegt, wodurch der O-Ring 28 in das Rohr 22 gelangt, und Gas (das ein trockenes inertes Gas sein kann) mit einem Druck von etwa 1 Atmosphäre wird über das Rohr 36 eingeleitet, um auf den Kolben 26 einen Druck auszuüben, welcher Druck auf das flüssige Metall 24 übertragen wird. Wenn, die Stromversorgung 38 eo eingeregelt wird, daß sie eine Spannung von etwa 170 V hat und der !Enyristor 42 durch eine nicht ^v abgebildete übliche Einrichtung getriggert wird, damit ladung von dem Kondensator 40 durch ii;» ihn fließt, dann wird eint

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Quecksilberdampfentladung in der Nähe der Kapillare 16 durch, einen kleinen Ionisationsmesser festgestellt, der sich in der Vakuumkammer 44 befindet. Wenn der Thyristor 42 mehrere Male getriggert sowie die Vakuumkammer 44 mit Luft gefüllt und geöffnet sowie geprüft worden ist, befinden sich in ihr kondensierte Quecksilberdampf tropf chen .

Es wurde erkannt, daß ohne Druckzufuhr dem flüssigen Metall 24 durch den Kolben 26 nur eine Entladung auftritt. Das ist der Fall, weil die Dosierkammer 20 durch die Verdampfung während der ersten Entladung von Quecksilber geleert worden ist, und weil wegen ihres eigenen kleinen Durohmessers und der hohen Oberflächenspannung von Quecksilber kein Quecksilber mehr nachfließt. Es ist ersichtlich, daß der im Vergleich zu dem Durchmesser der Kammer 20 große Durchmesser des Zylinders 10 bewirkt, daß das flüssige Metall zwischen dem Kolben 26 und dem Eingang der Kammer 20 einen viel größeren Querschnitt und damit einen viel kleineren Widerstand als das Metall in der Kammer 20 hat! Wenn daher die Verdaiupf ungs ent ladung stattfindet, wird der größte Teil der Energie in der dosierten Menge des flüssigen Metalls in der Kammer 20 verbraucht. Es wurde festgestellt, daß die zum Verdampfen des in der Kammer 20 enthaltenen Quecksilbers erforderliche berechnete Energie ungefähr 5,5 raJ betrug, während die tatsächlich verbrauchte Energie zwischen 5.»5.und 7,2 BiJ schwankt3-, Der höhere Wert ist . vorzuziehen» damit kleine .-^v 'f * (_t mv hu . -... kungen keine Störung verursachen» da es &on*ilt ^T-_f u, ι . „.r Verdampfung <iea gesamtem "in der Kmumav / \ . λ <

Metalle 'nicht ausreleiieiKle liriwr-giemeiigy ir > ,μ, sseugt. Dar 8thr'kleine

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einen so großen Druck, um das flüssige Quecksilber in sie hineinzudrücken, daß ein Druck, der das flüssige Metall 24 zum Füllen der Dosierkammer 20 hineindrückt und da.s quecksilber in Berührung mit dem Stöpsel 14 bringt, nicht ausreicht, um das flüssige Metall durch die Kapillare 16 zu drücken. Dagegen kann sich das verdampfte Metall frei durch' die Kapillare bewegen, so daß nach Verdampfung der dosierten Menge in der Kammer 20 durch eine elektrische Entladung wie beschrieben Dampf in der Kapillare 16 vorhanden ist und der durch den Kolben 26 ausgeübte Druck das flüssige Metall in die Kammer 20 zu deren Wiederauffüllung hineindrückt, so daß eine andere Entladung durchgeführt werden kann, wobei aber das flüssige Metall nicht aus dem Zylinder herausgedrückt wird.

In dem in Pig. 2 abgebildeten. Ausführungsbeispiel kann der Kreiszylinder 10 gewöhnlich aus Kupfer sein. Im Zylinder 10 befindet sich ein Keramikblock 15 mit der äußeren Form eines Zylinders, der aus einem Aluminiumoxyd bestehen kann. Eine kreisförmige Öffnung 13 erstreckt sich zu einem Teil in den Block 15. Von der so ausgebildeten Kammer verlaufen kleine Röhre 17 zur Frontseite des Blocks. An der gleichen Frontseite des Blocks 15, zu dem die Rohre 17 verlaufen, befindet sich eine ringförmige öffnung 23, die konzentrisch zum äußeren Abschnitt des Blocks 15 verläuft und die Rohre 17 umgibt. In der öffnung 23 befindet sich eins Spule 25. Von der Spule 25 verlaufen über eine Öffnung euer eic Eohr im Block 15 zwei Leitungen 27» "die der Einfaohheit iialati? als eine einzige Mnie abgebildet aind, die mit eii>,r ;·■ Woiaimpulsquelle 29 verbunden ist.

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angebracht, dessen innerer Umfang mit den Enden der Rohre 17 zusammenfällt und abgefast isti Eine Keramikscheibe 45 füllt fast vollständig die innere Öffnung des Rings 43 aus. Wie in der vergrößerten Teilabbildung Pig. 2a zu sehen ist, sind der Ring 43 und die Scheibe 45 an beiden Seiten abgefast, um eine große, etwa V-förmige ringförmige Öffnung 46 und eine kleinere ringförmige Öffnung 48 zu ergeben, die einen Kapillarring zum Ende des Blocks 15 bildet und mit den Enden der Rohre 17 verbunden ist. Während des Betriebs wird eine Menge flüssigen Metalls 24 in de?r Öffnung 13 aufbewahrt und durch Einwirkung des Kolbens 26 in der bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Weise unter Druck gehalten. Dieser Druck bewirkt, daß das flüssige Metall 24 durch die Rohre 17 in den Kapillarring fließt, dessen Querschnitt an der Stelle 48 der vergrößerten Ansicht 2a dargestellt ist. Da der größte Durchmesser der Scheibe 45 ungefähr so groß wie der kleinste Innendurchmesser .Γ"»θ Sii%s 43 ist, verhindert die Oberflächenspannung, daß flüssiges Metall in die größere Öffnung 46 abfließt. Auf diese Weise ist ein Ring von flüssigem Metall vorhanden, der einen geschlossenen elektrischen Stromkreis bildet," der, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, mit der Spule oder dem Solenoid 25 gekoppelt ist. Wenn ein Stromimpuls von der regelbaren Stromimpulsquelle 29 über die Zuleitungen 27 der Spule 25 zugeführt wird, wird in dem Ring flüssigen Metalls ein Strom induziert, der bei aausreichender Amplitude und bei genügend schnellem Anstieg des Impulses genügend Energie induziert, um das flüssige Metall im Ring zu verdampfen. Da der so hergestellte Dampf nicht duroh die Oberflächenspannung wie das flüssige Metall zurückgehalten wird, strömt er in den Ring 46 und dann in die evakuierbare Kammer 44. Da das Dampfvolumen größer ala das Volumen

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des flüssigen Metalls ist, aus dem er hergestellt wurde, wird der Dampf zwischen dem Ring 48 und der Scheibe 45 beschleunigt und erwirkt dabei bekanntlich einen Impuls, wodurch die abgebildete Einrichtung einen Rückstoß erfährt.

Es ist ersichtlich, daß verschiedene Geometrien sowie verschiedene elektrische Stromkreise verwendet werden können, um die angegebenen Betriebsweisen zu erreichen. Obwohl Quecksilber ein übliches Metall ist, da es bei gewöhnlichen Temperaturen flüssig ist, können bei Durchführung geeigneter Yoreichtsmaßnahmen auch andere flüssige Metalle wie Alkali-Metalle verwendet werden. Zum Beispiel kann das Reservoir des flüssigen Metalls 24 einfach der Atmosphäre ausgesetzt sein, indem das Rohr 56 ..in der Atmosphäre mündet, und der Kolben 26 und seine zugehörigen Teile können weggelassen werden. Ferner braucht die Geometrie der kapillaren geschlossenen Schleife, die durch den Ring 43 und die Scheibe 45 erzeugt wird, kein Kreis zu sein, vorausgesetzt, daß eine geschlossene Schleife vorhanden ist, mit der die Spule 25 wirksam gekoppelt ist.

Es ist auch ersichtlich, daß die Erfindung benutzt werden kann, um kleine Rückstöße direkt ohne Verstärkung zu erzeugen (da der Ausstoß des verdampften Metalls notwendigerweise einen Impuls auf ihn überträgt, wodurch die Einrichtung einen Rückstoß erfährt), oder die Einrichtung kann zur Herstellung von dosierten Mengen von Metalldampf für andere Zwecke verwendet werden, einschließlich der geregelten Versorgung mit einer Arbeitsfltissigkeit für elektrische oder andere Dampf- oder Plasmabeschleuniger.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. 20.Oktober 1966

   EH/S

   Unsere Akte: 1678

   Patentansprüche

   1. Dosierbarer Verdampfer von flüssigem Metall, g e k e η η zeichnet durch eine Vorratskammer (1_6) für die Aufbewahrung einer größeren Menge flüssigen Metalls (24), durch eine mit der Vorratskammer verbundene Deckeinrichtung (26) zur Aufrechterhaltung eines Drucks in dem dort gespeicherten flüssigen Metall} durch eine mit der Vorratskammer verbundene Dosierkammer (48}20) zur Aufnahme unter Druok eines Volumens von zu verdampfendem flüssigem Metall} durch eine von der Dosierkammer ausgehende kapillare Austrittseinrichtung (16}46), die eng genug ist, um das Metall durch seine Oberflächenspannung am Austritt aus der Vorratskammer zu hindern, die durch die Druckeinrichtung unter Druck steht} und durch eine regelbare elektrische Versorgungseinrichtung (38,40,42;25,29) zur Zufuhr elektrischer Energie zu dem in der Vorratskammer gespeicherten flüssigen Metall, um dieses zu verdampfen und durch die kapillare Austrittseinrichtung auszustoßen.

   2. Dosiereinrichtung nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die kapillare Austrittseinrichtung eine erate elektrische Verbindung mit der regelbaren elektrischen VerBorgungseiii.richtung hat, und. daß die Dosierkammer durch eine zweite elektrische.Verbindung mit der .regelbaren elektrischen Versorgungseinrichtung.verbunden ist (Pig*1).'

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   ■ . - ίο -

   •3. Dosiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierkammer von der" Vorratskammer getrennt und mit dieser durch Leitungen (17) verbunden ist und eine solche Form hat, daß sie mindestens einen geschlossenen Stromkreis aufweist.

   4. Dosiereinrichtung naoh Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Induktionseinrichtung (25) zur Induktion eines elektrischen Stroms in dem flüssigen Metall in dem geschlossenen Stromkreis mit der

   *
   regelbaren elektrischen Versorgungseinrichtung verbunden ist.

   5. Dosiereinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennz eichnet, daß die Dosierkammer nur einen geschlossenen Stromkreis hat (Pig. 2).

   6. Dosiereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e kennzeich· net, daß die elektrische Induktionseinrichtung ein Solenoid (25) ist.

   7. Dosiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare elektrische Versorgungseinrichtung ein Stromimpulsgenerator (29}38,40,42) ist.

   8. Dosiereinrichtung naoh Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Stromimpulsgenerator durch einen Hhjristor (42) getriggert wird.

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