DE1907364B2 - Flüssigkeitswiderstand zur Steuerung elektrischer Ströme - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitswiderstand zur Steuerung elektrischer Ströme mit einer ersten, unteren Kammer und einer zweiten, darüber angeordneten, oberen Kammer, die beide eine leitfähige Flüssigkeit zwischen je zwei senkrechten Elektroden enthalten und durch eine erste, im unteren Teil der unteren Kammer beginnende und im Boden der oberen Kammer endende Rohrleitung mit geringem Strömungswiderstand für die Flüssigkeit sowie durch eine zweite, im oberen Teil der unteren Kammer beginnende und in der oberen Kammer endende Rohrleitung für den Austritt von Gas oder Dampf aus der unteren Kammer verbunden sind.

Ein derartiger Flüssigkeitswiderstand ist aus der französischen Patentschrift 1 492 814 bekannt. Bei diesem wird der maßgebende Widerstandswert durch die Flüssigkeit zwischen den Elektroden der unteren Kammer gebildet. Die obere Kammer dient in erster Linie als Flüssigkeitsvorrat. Diese Kammer ist gegen die Umgebung offen, so daß sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels kein Druck aufbauen kann. Die in die Flüssig keit in der oberen Kammer eintauchenden Elektroden sind mit je einer Elektrode in der unteren Kammer unmittelbar leitend verbunden. Die Flüssigkeit in da· oberen Kammer wirkt so gleichzeitig als Nebenschlußwiderstand zu dem eigentlichen Flüssigkeitswiderstand der unteren Kammer, wobei die Bemessung so gewählt ist daß dieser Nebenschlußwiderstand einen vergleichsweise großen Wert gegenüber dem Flüssigkeitswiderstand der unteren Kammer hat Die zweite Rohrleitung von der unteren in die obere Kammer endet unterhalb des Flüssigkeitsspiegels der oberen Kammer, so daß der im Betrieb in der unteren Kammer entstehende Dampf zumindest teilweise durch die Flüssigkeit in der oberen Kammer rückgekühlt und kondensiert wird. Bei dem bekannten Flüssigkeitswiderstand ist noch eine dritte Rohrleitung mit gleichem Verlauf wie die zweite Rohrleitung vorgesehen, die jedoch einen größeren Querschnitt als die zweite Rohrleitung besitzt und darüber hinaus an ihrem oberen Ende durch ein Überdruckventil verschlossen ist. Wenn dieses Überdruckventil die Mündung der dritten Rohrleitung freigibt, so entweicht der Überdruck und die Flüssigkeit strömt wieder in die untere Kammer zurück, wodurch sich der Widerstandswert wieder entsprechend ernie drigt.

Dieser an sich für bestimmte Anwendungsfälle durchaus geeignete, bekannte Flüssigkeitswiderstand weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf: Da die obere Kammer gegen die Umgebungsluft nicht druck fest abgeschlossen ist, darf der Widerstand nicht gekippt werden: aus dem gleichen Grund muß der Flüs sigkeiisvorrat von Zeit zu Zeit ergänzt werden. Bei der steuerbaren Ausführung ist außerdem nachteilig, daß beim Einschalten des Stromes kurzzeitig wegen des niedrigen Widerstandes bis zur Entwicklung einer ausreichenden Dampf- und/oder Gasmenge ein sehr hoher Stromstoß auftritt, der vor allem bei der bevorzugten Anwendung als Motoranlaufwiderstand wegen der in diesem Augenblick fehlenden Gegen EMK erhebliche Werte annehmen kann.

Aus der FR-PS 1 216 101 ist zwar auch schon ein Flüssigkeitswiderstand anderer Bauart bekannt, bei dem dieser letztgenannte Mangel vermieden ist, also der Widerstandswert innerhalb gewisser Grenzen kontinuierlich veränderbar ist. Zu diesem Z*eck wird die untere Kammer nur teilweise mit Flüssigkeit gefüllt gehalten, und in dem Raum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels ist ein Heizwiderstand angeordnet, der von einem Steuerstrom durchflossen wird. Diese Ausführung hat zwei Nachteile: Zum einen ist eine für manche Anwendungsfälle wünschenswerte Wechselwirkung zwischen dem Steuerstrom und dem gesteuerten Strom nicht vorgesehen; zum anderen besitzt dieser bekannte Flüssigkeitswiderstand eine erhebliche Trägheit, da die Wärmeleitung in Gasen bekanntlich verhältnismäßig schlecht ist, so daß es bei Steuerströmen vernünftiger Größenordnung verhältnismäßig lange dauert, bis ein ausreichender Gasdruck oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der unteren Kammer erzeugt ist.

Der Vollständigkeit halber ist noch zu erwähnen, daß aus der USA.-Patentschrift 2 855 545 ein weiterer Flüssigkeitswiderstand mit mehreren Kammern bekannt ist, bei dem jede Kammer einen anderen Stromkreis, nämlich verschiedenen Zuleitungen eines Drehstromverbrauchers zugeordnet ist. Eine Steuerung, insbesondere eine kontinuierliche Steuerung, der Ströme durch die verschiedenen Kammern mittels eines Steuerstromes ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitswiderstand der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, dessen Widerstandswert für einen Haüptstrom durch einen Steuerstrom innerhalb vorgegebener Grenzen kontinuierlich veränderbar ist

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Durch diese Ausbildung wird zunächst einmal in vorteilhafter Weise erreicht, daß weder Flüssigkeit noch Gase oder Dämpfe in die Umgebung austreten können, so daß der Flüssigkeitswiderstand eine geschlossene Einheit bildet, die gegen Kippen unempfindlich ist und bei der im Normalfall keine Flüssigkeit nachgefüllt zu werden braucht Der Steuerstrom durchquert die untere Kammer, während der gesteuerte Strom die obere Kammer durchfließt Das geschlossene System ermöglicht darüber Hnaus auch erst die kontinuierliche Änderung des Widerstandswertes der oberen Kammer in Abhängigkeit von der Höhe des Steuerstromes in der unteren Kammer, wobei die Steuerkennlinie durch die Einstellung der Drosselschraube sowie die Formgebung der Elektroden insbesondere in der unteren Kammer, also der Steuerkammer, bestimmt ist Des weiteren ist mit dem geschlossenen System nicht nur eine kontinuierliche Steuerung des Stromes durch die obere Kammer möglich, sondern auch eine Wechselwirkung des gesteuerten Stromes mit dem Steuerstrom. Schließlich ist noch hervorzuheben, daß anders als bei den bekannten Flüssigkeitswiderständen die obere Kammer bereits beim Einschalten einen sehr hohen Widerstandswert besitzt somit ein Einschaltstromstoß vermieden wird, welcher Widerstandswert dann kontinuierlich mit wachsendem Flüssigkeitsspiegel bis auf den durch die Bemessung vorgegebenen Minimalwert sinkt.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Flüssigkeitswiderstandes nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In den Zeichnungen ist der Flüssigkeitswiderstand nach der Erfindung an Hand beispielsweise gewählter Ausführungsformen und in einem Schaltbild als Anwendungsbeispiel schematisch dargestellt wobei

F i g. 1 eine Schnittdarstellung eines solchen Flüssigkeitswiderstandes,

F i g. 2 und 3 Schnittdarstellungen H-Il und I1I-1II der Fig. 1,

F i g. 4 ein Anwendungsbeispiel mit einem erfindungsgemäßen Flüssigkeitswiderstand,

F i g. 5 und 6 in Schnittdarstellungen analog zu F i g. 1 zwei Ausführungsformen der Steuerkammer und F i g. 7 eine Schnittdarstellung VlI-VIl der F i g. 6

zum Gegenstand hai.

Der in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Flüssigkeitswiderstand umfaßt einen parallelflächigen Behälter aus Isolierstoff 1, der durch eine Trennwand 2 aus Isolierstoff in zwei Kammern 3 und 4 unterteilt und von einem druckfest sitzenden Deckel 5 aus Isolierstoff abgeschlossen ist

Die Kammern 3 und 4 stehen darüber hinaus in ihrem unteren Teil über eine mit der Wandung 2 fest verbundene Rohrleitung 6 und ihrem oberen Teil über eine Rohrleitung 7 miteinander in Verbindung,. Die Rohrleitung 7 kann durch eine spitz zulaufende Drosselschraube 8, die in einem Gewinde 9 des Deckels 5 läuft, mehr oder weniger geschlossen werden . ⁶S

An den schmalen Seiten der Kammer 3 liegen zwei rechteckige Elektroden 11 und 12, die je mit einer äußeren Klemme 13 und 14 verbunden sind, deren Anschiußstücke durch die Wandungen des Behälters 1 zur Befestigung der Elektroden geführt sind.

An den langen Seiten der Kammer 4 liegen zwei Elektroden 15 und 16 frei gewählter Form, die insbesondere an ihrem unteren TeH schmaler als an ihrein oberen Teil ausgeführt sind, wodurch erreicht wird, daß die nach und nach von der steigenden Flüssigkeit bedeckte Elektrodenfläche schneller zunimmt als der Flüssigkeitsstand (NX

Die Elektroden 15 und 16 sind mit je einer Klemme 18 und 19 verbunden, die sich im Deckel 5 befinden.

Die Wandung 2 und der Deckel 5 sind mit kleinen öffnungen 22 und 22a für das Entweichen der Elektrolysegase versehen. Der Deckel 5 ist darüber hinaus mit einem geeichten Sicherheitsventil 20 ausgerüstet, während die Wandung 2 an der mit 21 bezeichneten Stelle dünner gehalten ist um im Falle eines Überdrucks nachzugeben.

Arbeitsweise des Flüssigkeitswiderstandes:

Zuerst füllt die Flüssigkeit die Kammer 3 vollkommen aus, und nur eine geringe Flüssigkeitsmenge befindet sich am Boden der Kammer 4, so daß der untere Teil der Elektroden 15 und 16 von der Flüssigkeit gegebenenfalls gerade erreicht wird. Der elektrische Widerstand zwischen diesen Elektroden ist demnach sehr hoch und kann praktisch unbegrenzt sein.

Schlieft man nun eine Spannungsquelle an die Klemmen 13 und 14, so wird durch den fließenden Strom eine Erhitzung der Flüssigkeit in der Kammer 3 bewirkt. 1st die Stärke dieses Stroms so hoch, daß die Flüssigkeit in der Kammer 3 zu verdampfen beginnt so wird diese Flüssigkeit infolge des Dampfdruckes schnell durch die Rohrleitung 6 gepreßt, wobei der Dampf nur sehr langsam durch die Rohrleitung 7 entweichen kann, um in die Kammer 4 zu gelangen.

In dem Maße wie der Flüssigkeitsstand N in der Kammer 4 ansteigt, verringert sich der Widerstand zwischen den Elektroden 15 und 16.

Somit bewirkt eine Zunahme der Stromstärke zwischen den Elektroden 11 und 12 eine Widerstandsabnahme zwischen den Elektroden 15 und 16, und somit erfolgt eine Zunahme des Stroms über die Klemmen 18 und 19 dieser beiden Elektroden 15 und 16.

Für wäßrige Flüssigkeiten kann angenommen werden, daß im Bereich der Siedetemperatur eine Energie von zwei Joule ausreicht, um einen Kubikzentimeter Dampf zu erzeugen. Das Volumen der Kammern zur Steuerung nennenswerter Leistungen und unter Annahme von etwa zehn Kilowatt kann einige zehn Kubikzentimeter betragen. Es ist demnach ohne weiteres möglich, vorausgesetzt man verwendet eine relativ weite Rohrleitung 6 sowie eine nahezu verschlossene Rohrleitung 7, die Flüssigkeitsmenge der Kammer 3 sehr schnell umzuleiten. Verwendet man für einen umgekehrten Fall eine Rohrleitung 6 geringen Durchmessers, beispielsweise 1 bis 2 mm, sowie eine Rohrleitung 7, die einen nennenswerten Dampfaustritt zuläßt, so kann sich die Umleitung der Flüssigkeitsmenge über einen wesentlich längeren Zeitraum erstrecken.

Hierbei ist zu bemerken, daß man zur Vermeidung von Verlustströmen zwischen Elektroden verschiedener Kammern bestrebt sein wird, die Flüssigkeitsverlagerungen zwischen den beiden Kammern zu beschränken, d. h. daß in jedem Falle eine Rohrleitung 6 relativ kleinen Querschnitts verwendet wird. Die beschriebenen Möglichkeiten lassen erkennen, daß man wahlweise entweder ein direktes oder ein verzögertes Ansprechen bewirken kann, wobei die letztgenannte

Möglichkeit insbesondere innerhalb automatisch arbeitender Vorrichtungen Vorteile bietet, so daß sich Stöße und Pumpeffekte vermeiden lassen.

Bei der in F i g. 1 gezeigten Bauart ist bei vergleichbarem Pegelstand der Widerstand zwischen den Kleinmen 13 und 14 wesentlich höher als zwischen den Klemmen 18 und 19. Die Erklärung hierfür liegt sowohl im Abstand der Elektroden als auch in ihrer Fläche. Diese Vorrichtung arbeitet demnach als Stromverstärker, wobei der Steuerstrom durch die Kammer 3 und der gesteuerte Strom (Hauptstrom) durch die Kammer 4 fließt.

Für gewisse Anwendungsfälle kann es erforderlich sein, die Flüssigkeit in der Steuerkammer schnell aufzuheizen, um den Hauptstrom schnell einzuschalten, wobei die anschließenden Dampfentwicklung sofort gebremst werden soll. Dies läßt sich mit den in den F i g. 5,6 und 7 gezeigten Steuerkammern erreichen.

In Fi g. 5 sind die Elektroden U und 12 dargestellt, deren jeweils oberer Teil 23 und 24 sehr nahe aneinandergebracht ist, deren Mittelstück 25 und 26 sich horizontal verlaufend voneinander entfernen und deren untere Teile 27 und 28 schräg verlaufen. In dem MaBi, wie sich der Flüssigkeitsstand in der Kammer 3 senkt, nimmt der Widerstand zwischen den Elektroden zu, und die Dampfbildung nimmt ab.

Ein entsprechendes Ergebnis wird mit der in den F i g. 6 und 7 gezeigten Kammer erzielt.

In der Kammer 3 sind zwischen den Elektroden 11 und 12 relativ hohe Zwischenwände 31,32 und 33 sowie niedrigere Zwischenwände 34 bis 39 angeordnet. Ist die Kammer 3 nun gefüllt, so ist der Stromdurchgang zwischen den Elektroden 11 und 12 als direkt anzusehen. Sinkt aber der Flüssigkeitsstand unter die Höhe der Zwischenwände 31 bis 33, so fließt der Strom in Form einer Wellenlinie 40. Sinkt nun der Flüssigkeitsstand weiter bis unter die Höhe der Zwischenwände 34 bis 39, so folgt der Strom der Linie 41 (F i g. 7), und die vom Strom durchflossene Strecke wird noch länger.

Eine Stromverstärker-Schaltung ist in F i g. 4 dargestellt.

Eine elektrische Last IV wird an die Klemmen einer Spannungsquelle, deren Spannungswert i/ist über eine Parallelschaltung des Flüssigkeitswiderstands R zwischen den Klemmen 18 und 19 und eines Widerstandes R\ sowie eines Widerstandes Ä2 in Serie mit dieser Parallelschaltung angeschlossen.

An den Klemmen 13 und 14 ist eine Hilfsquelle u über einen Stellwiderstand P angeschlossen. Ändert man die Einstellung dieses Stellwiderstandes, so ändert sich die Stromstärke in der Kammer 3, demnach die Menge des erzeugten Dampfes und der Wert des Flüssigkeitswiderstandes R sowie die Stromstärke in der Last W.

Man kann demnach durch einen Hilfsstrom einen Elektromotor anlassen, dessen Anlaßwiderstand durch den Widerstand zwischen den Elektroden 15 und 16 gebildet wird. Dieser Hilfsstrom kann auf mehrere Arten vom Motorstrom abgeleitet werden. So kann man beispielsweise die Klemmen 13 und 14 mit den Klemmen des anzulassenden Elektromotors verbinden.

Die Kammer 4 und insbesondere der Deckel 5 können entweder mit Kühlrippen versehen sein oder zusätzlich gekühlt werden, und zwar, um die Kondensation des Dampfes sicherzustellen, der von der Rohrleitung 7 herangeführt wird. Auf diese Weise kann der Flüssigkeitsverlust, selbst bei Dauerbetrieb, beträchtlich verringert werden.

Mit Hilfe eines geeigneten Steuerstroms, der in der Kammer 3 einen Dampfdruck erzeugt, der die Flüssigkeit in der Kammer 4 hält, kann man auf eine zusätzliche Vorrichtung zur Kurzschließung der Klemmen 18 und 19 im Normalbetrieb verzichten. Eine solche Vorrichtung kann für Leistungen von mehreren Kilowatt vorgesehen werden.

Die Anordnung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitswiderstands ist normalerweise für Wechselstrom ausgelegt, eignet sich jedoch ebenfalls für Gleichstrom, und zwar unter der Voraussetzung, daß die durch den Elektrolyseeffekt frei werdenden Gasmengen vernachlässigbar klein sind bzw. wenn die verwendete Flüssigkeit nicht elektrolysierfähig ist (Quecksilber).

In gleicher Weise können innerhalb ein und derselben Kammer für den Durchgang eines Drehstroms Elektroden auch in Stern- oder Dreieck-Anordnung vorgesehen werden. Darüber hinaus ist es möglich, von einer einzigen Steuerkammer aus auf den Flüssigkeitsstand dreier Kammern einzuwirken, von denen jede mit einem Elektrodenpaar für den Durchgang von Drehstrom ausgerüstet isL

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Flüssigkeitswiderstand zur Steuerung elektrischer Ströme mit einer ersten, unteren Kammer und einer zweiten, darüber angeordneten, oberen Kammer, die beide eine leitfähige Flüssigkeit zwischen je zwei senkrechten Elektroden enthalten und durch eine erste, im unteren Teil der unteren Kammer beginnende und im Boden der oberen Kammer endende Rohrleitung mit geringem Strömungswiderstand für die Flüssigkeit sowie durch eine zweite, im oberen Teil der unteren Kammer beginnende und in der oberen Kammer endende Rohrleitung für den Austritt von Gas oder Dampf aus der unteren Kammer verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede der vier Elektroden {11, 12, 15, 16) einen eigenen Anschluß (13, 14, 18, 19) besitzt, daß nie Elektroden (11. 12) der unteren Kammer (3) mit einem Steuerstromkreis, die Elektroden (15, 16) der oberen Kammer (4) mit einem von ersterem gesteuerten Stromkreis verbunden sind, daß die obere Kammer (4) gegen die Umge bung druckfest abgeschlossen ist und daß ferner die zweite Rohrleitung (7) oberhalb des höchstmöglichen Flüssigkeitsspiegels in der oberen Kammer (4) endet und an dem oberen Ende der zweiten Rohrleitung eine Drosselschraube (8) vorgesehen ist

2. Flüssigkeitswiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Elektroden (15, 16) in der oberen Kammer (4) von üben nach unten gleichförmig abnimmt.

3. Flüssigkeitswiderstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (11,12) der unteren Kammer (3) in ihrem oberen Bereich einen geringen, in ihrem unteren Bereich einen großen gegenseitigen Abstand besitzen (F i g. 5).

4. Flüssigkeitswiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil der unteren Kammer (3) senkrecht stehende Zwischenwände (31 bis 33; 34 bis 39) so angeordnet sind, daß sie den Widerstandswert in der unteren Kammer (3) erhöhen.