DE2122733A1 - Optischer Generator mit einem elektrischen Feld - Google Patents

Description

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Optischer Generator mit einem elektrischen Feld

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Generator mit einem elektrostatischen Feld und Längsschwingungen im Bereich der Lichtfrequenzen zur Verwendung in elektrischen Stromkreisen·

Das Maß für die Leistungsfähigkeit eines elektrischen Stromkreises kann, ganz allgemein gesprochen« durch das Verhältnis zwischen der Ausgangsenergie in der gewünschten Form (beispielsweise Licht in einem Beleuchtungsstromkreis) und der elektrischen Eingangsenergie definiert wordene Bisher ist die Leistungsfähigkeit bzw* der Wirkungsgrad vieler Stromkreise nicht sehr hoch gewesen· So werden beispielsweise in einem Beleuchtungsstromkreis mit 40 Watt Leuchtstofflampen nur etwa 8₉8 Watt der Eingangsenergie pro Lampe effektiv in sichtbares Licht umgesetzt« was einem Wirkungsgrad von nur 22 % entspricht α Die restlichen 3I₅ 2 Watt werden hauptsächlich als Wärme vergeudete

wurde bereits für Beleuchtungsstromkreise mit Leuchtstoffröhren vorgeschlagen« die Frequenz des angelegten Stromes zu erhöhen,, Während sich jedoch bei einer Frequenz von 60 Hz ein Wirkungsgrad von 22 % ergibt, stellt sich bei einer Erhöhung der Frequenz auf 10 Hz nur ein Wirkungsgrad von etwa 25,5 % ein.

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Entsprechend würde sich bei einer Frequenzerhöhung auf 10 "^ Hz nur ein Wirkungsgrad von 35 % ergeben«

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrund·, Stromkreise bsw· .-Strom«' kreise lesiente zu schaffen, mit* denen sich eine weitere Frequenzerhöhung und damit eine beträchtliche Wlrkungsgraöerholnmg erreich ijn lässt*

Ea wurde gefunden,; dasα sich dieses erreichen lässt durch «inen optisshsn Generator mit einem elektrostatischen Feld_e dar ein Gaserrtladungsrohr mit einem Paar im Abstand voneinander angeordneter Elektroden, einer einachliessenden tbihüllung, die dl· Übertragung von Lichtfrequenzen erlaubt und einem ionisierbaren .Gas« mindestens eine im Abstand angeordnete, relative Kondensatorplatte neben einer der Elektroden, ein Dielektrikum, welches das Gasentladungsrohr umgibt und eine elektrisch leitende Qriiüllung, die das Gasentladungsrohr und das Dielektrikum einschli«sst, jedoch von den Elektroden Isoliert ist und mit dem Gasentladungsrohr und den Kondensatorplatten einen absoluten Kondensator bildete

Der erflndungsgontässe optische elektrostatische Generator erzeugt

- j& hohe Frequenzen im Bereich des sichtbaren Lichts von etwa 10

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bis 10 ^J Hz« Die Arbeitsweise und die Theorie des optischen ' elektrostatischen Generators sind in der amerikanischen Haupt anmeldung Ser_eN©. 5248 vom 23,1*1970 besehrieben und abgehandelt. worden· Dort wird auch dargelegt, dass der erfindungsgesSsse . optische elektrostatische Generator niefet in Übereinstlaarang mit den anerkannten Normen und Grundsätzen £wr die gewöhnlichen elektromagnetischen Frequenzen arbeitet muß ausgebildet ist·

Der In Verbindung mit der vorliogenisn Erfindung verwendete optische Generator kann Prequenzen innerisaib eines grossen Bereiches zwischen einigen Hertz und Liefctfrequonzen erzeugen« Es. ist daher <sin Gegenstand dor vorliegenden Erfindung, verbesserte ',-elektrische Energie-Stromkreise zu schaffen, die den erfiiidungs-r geniäasen optischen elektrostatischen Generator verwenden, wodurch sich die abgegebene Energie in der gewünschten Form mit einem besseren Wirkungsgrad erzielen lässt, als es bisher mit Standard-

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Stromkreisen bssw« Stromkreise lementen möglich "war, Bs ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung* einen solchen Stromkreis für Leuchtstoffröhren oder andere Beleuchtungsawecke am schaffen· Weiterhin sollte ein Stromkreis geschaffen werden« der in Verbindung mit elektrostatischen Niedersehlagskammem für Staub« oder Partikelsammlung und Beseitigung ebenso verwendbar ist trie für viole andere Zwecke, die einem Fachmann geläufig sind,

Ausfuhrungsbeispiele sind in der nachfolgenden Beschreibung er» läutert und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt«

Bs zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines optischen elektrostatischen Generators in einem Beleuchtungsstromkreis für Leuchtstoffröhren«

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Hochspannungsstromkreises mit einem optischen elektrostatischen Generator«

Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines optischen elektrostatischen Generators« vorzugsweise für Wechselstromkreisen der jedoch auch in Gleichstromkreisen verwendet worden kann«

Figur 1 zeigt einen Niederspannungsstromkreis, der einen optischen elektrostatischen Generator nach der Erfindung verwendet· Eine elektrische VechseIstromquelle 10 ist an einen Beleuchtungsstrom» kreis angeschlossen· Mit der einen Klemme der Stromversorgung 10 ist ein Gleichrichter 12 verbunden« der vorwendet wird« wenn Gleichstrom erforderlich istο Der dargestellte Stromkreis ist mit einem Schalter Ik versehen_P der geöffnet oder geschlossen werden kann« Je nachdem, ob Gleich- oder Wechselstrom gewünscht ist. Bin Schalter 16 ist vorgesehen und geschlossen? wenn der Stromlsreis Wechselstrom erfordert» Dann ist Sehalter l4 offen«. Wenn Schalter l6 offen und Schalter Ik geschlossen ist« arbeitet die Anordnung als Gleichstromkreise

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Von den Schaltern 14 und l6 führt ein Leiter 18 an den optischen elektrostatischen Generator 20 _v» der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist· Der Leiter 18 ist durch ' einen Isolator 22 hindurchgeführt und mit einer Elektrode 24 verbundene Xm Abstand von der Elektrode 24 ist eine zweite Elektrode 25 vorgesehene Die Elektroden 24 und 25» die vorzugsweise aus . Wolfram oder ähnlichem Material hergestellt sind, werden eingeschlossen von einem Qaarzglasrohr 26, welches mit einem ionisier* baren Gas 28, beispielsweise Xenon» gefüllt ist« Es kann auch ein beliebiges anderes übliches ionisierbares Gas, wie z«B· Argon, Kryptenβ Neon, Stickstoff oder Wasserstoff verwendet werden· ■

ISa jedes Ende des Rohres 26 herum und neben jeder Elektrode 24 '· und 25 sind Kondensaterplatten 30 und 32 in Form von Kappen vor» gesehene Die Elektrode 25 ist an einen Leiter angeschlossen, der durch den zweiten Isolator 34 herausgeführt 1st« Um das Rohr» die; Elektroden und die Kondensatorkappen herum ist eine Metallumhtillung aus dünnem Kupfer oder einem anderen Metall, beispielsweise Aluminium, angeordnet* Die Umhüllung 36 1st von den Leitungen getrennte die vermittels der Isolatoren 22 und 34 in den Generator hinein· und aus ihm herausgeführt werden· Die Umhüllung 56 ist gefüllt mit dielektrischem Material, beispielsweise mit Transfer·* mat or öl, hochreinem, destilliertem Wasser, Nitrobenzol oder miteinem anderen üblichen flüssigen Dielektrikum. In Einzelfällen kann das Dielektrikum auch fest sein, beispielsweise aus kerarai-3Chem Material mit relativ kleinen Molekülen bestehen«

Bin an die Elektrode 25 angeschlossener Leiter 40 ist durch den Isolator 34 geführt und dann an Leuchtstofflampen 42 angesehlos- ' sen, die in Reihenschaltung miteinander verbunden sind· Die Lampen 42 dienen zur Messung des Wirkungsgrades dos Stromkreises .. mit dem sptiech-olöktrostatischen Generator 20, Ein Loiter 44 . ·_:. komplettiert den Stromkreis zwischen den Leuchtstofflampen und' '* der Kletsme u&r elektrischen Wechselstromquello 10« Zusätzlich ist der Stromkreis mittels .eines Letters 48 an Erde 46 angeschlossen· Die Umhüllung 36 ist ebenfalls mittels einer Leitung $0 geerdet« '

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die in Figur 1 an den Leiter 44 angeschlossen ist«

Die Kondensatorkappen oder -platten 30 und 32 bilden einen relativen Kondensator mit dem Entladungsrohr, wie dieses in der ame« rikanischen Anmeldung Ser»No. 5248 vom 23·1,1970 erläutert ist. Hiernach tritt auch ein Sehwingungseffekt zwischen dem ionisierten Gas in dem Entladungsrohr und der metallischen Umhüllung 36 auf« der auch dann vorhanden ist« wenn die Kondensatorkappen eliminiert sind« Dadurch wird aber die Wirksamkeit des elektrostatischen Generators wesentlich herabgesetzt»

Die Elektroden kennen jede gewünschte Gestalt haben· Bs wurde gefunden« dass ein Kegel von 60° hinreicht und es ist anzunehmen« dass er einen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Generators ausübt.

Zusätzlich beeinflussen das Gas und sein Druck im Rohr 26 den Wirkungsgrad des Generators und infolgedessen auch den Wirkungsgrad des elektrischen Stromkreises·

Vm die mit der Erfindung verbesserte Wirksamkeit eines elektrischen Stromkreises zu erläutern« der erfindungsgemäss mit einem optischen elektrostatischen Generator betrieben wird« und um ebenso die Beziehung zwischen dem Gasdruck und der elektrischen Wirksamkeit zu demonstrieren₉ kann ein Stromkreis« wie er in Figur 1 angedeutet wird« 100 in Serie geschalteter Standard-Kaltlicht-Leuchtstoffröhren mit je 40 Watt enthalten· Der optische elektrostatische Generator enthält ein Quarzglasrohr, welches mit Xenon gefüllt ist und wird wegen der unterschiedlichen Prüfdrucke mit einer Reihe unterschiedlicher Quarglas~ röhren betrieben·

Tabelle X zeigt Angaben über den optischen elektrostatischen Generator· Tabelle II zeigt für jeden Versuchsaufbau gemäes Tabelle I Eigenschaften und Wirksamkeiten der Lampe·

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Die Bezeichnungen in den Spalten der Tabellen Z und II haben folgende Bedeutung:

B Im Entladungsrohr verwendetes 6as₈

C Gasdruck Im Entladungsrohr«

D Feldstärke im Entladungsrohr, gemessen in V/cm« Länge zwischen den Elektroden,

Ξ Stromdichte in A/mm Rohrquerschnitt sflache _f

F Strom in A₉

G Energiestärke am Entladungsrohr? gemessen in W/cm Länge zwischen den Elektroden«

H Spannung pro Lampe, gemessen ±n V,

K Strom in A,

L berechneter Widerstand _g

M Eingangsarbeit pro Lampe in W und

N Licht-Ausgang in Lumen«

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Dor Entwurf eines Sntladungs·*» rohres für einen optischen elektrostatischen Generator« wie er beispielsweise im Stromkreis nach Figur. 1 verwendet wird, kann begleitet aein church Überlegungen über den Radius des Entladungsrohres₉ die Länge zwischen den Elektroden und die Leistung eines Rohres·

Wenn mit R der minimale Innenradius des Entladungsrohres in cm, mit L die minimale Länge zwischen den Elektroden in cm und mit W die Energie am Rohr in Watt bezeichnet wird, lassen sich folgende Beziehungen aus der Tabelle I gewinnen:

ο Strom (A)/ Stromdichte (A) / mm

ir ·

L * 8 R,

W « L (V/cm) . A_n

Beispielsweise ergeben sich für den Versuch Nr. 18 in Tabelle X der Strom zu O,l8l8 A (Spalte P)₉ die Stromdichte zu 0_f000353 A/mm² (Spalte E) und die Feldstärke zu 122_t8 V/cm (Spalte B).

Deshalb ist:

0,1818 A

R » 0,000353 A/tam² _m ^₈₀ ^

3,14

L « 12β80 .8a 102,4 mm bzw· 10,2 cm, W » 10,2 · 122„8 . O,l8l8 a 227-7 VA S 227,7 W_e

Der Wirkungsgrad bzw· die prozentuale Wirksamkeit der Leuchtstoffröhren in Versuch Nr · 18 kann dann wie folgt errechnet werden i

% EFF. - a^SOSQbene Energie _(looK

Eingangsenergie

Die Spannung an einer einzigen Leuchtstoffröhre beträgt 60 V, der Strom O₉l8l8 A« Deshalb ist die Eingangsenergie der Lampe kZ 1O₉90 Wo Die abgegebene Energie der Leuchtstofflampe beträft 3200 Lumen, was 8,8 W Lichtenergie bedeutet« Daher arbeitet eine

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OHOJXAL SN«f»EGTED

Leuchtstoffröhre unter diesen Bedingungen mit einem Wirkungsgrad

Wenn nun derselbe optische Generator nach Versuch l8 mit 100 !euchtstofflampen in Serie geschaltet wird_e ist die aufgenommene '' leistung 227_f7 W für den optischen Generator und 1090 W für 100 Leuchtstofflampen oder insgesamt I318 W« In normalen Stromkreisen -wäre die gesamte aufgenommene Leistung für 100 Leuchtstofflampen etwa 1000 ac 40 W oder 4000 W. Durch den erflndungsgemSasen Generator werden sonach 2680 W an Energie geapart ο

Die Tabelle I zeigt beispielsweise Funktionen äsr Erfindung Verbindung mit einer bestimmten Leuchtstofflampe C40 Watt, kaltes» weis se 3 Lieht) ο Gleichwohl können Fachleute entsprechende Worte mit anderen Be louchtungsonws ndungen err eichene

Xn Figur 2 ist ein Stromkreis mit einem optischen elektrostahl*· sehen Generator 20 a gezeigt, der dem Generator 20 der Figur 1 ähnelt» Zm Generator 20a wird lediglich eine Kondonsatorkappe 32a verwendet· Er hat ist wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt· Zusätzlich ist die streite Elektrode 25a direkt über einen Leiter mit dem Riiekführleltor 52 verbunden^ ' ~.

Diese Anordnung 1st vorzugsweise für Stromkreise mit sehr hoher Spannung vorgesehen und der Generator ist im wesentlichen für Gleichstrom entworfen· .*"'-'-,·.

Xn Figur 2 haben gleiche Elemente dieselbe Basugsnummer wie in , . Figur 1 erhalten.

In Figur 5 ist noch ein anderes Ausfiihrungsbeispiel des optischen elektrostatischen Generators 20b dargestellt» Dieser Generator /; ist vorzugsweise für die Verwendung in Wechselstromkreisen bestimmt· D.io Kondsnsatorplatton 30b und 32b weisen Flansche 5^ und 56 auf * die sich nach aus sen in Richtung auf die umhüllung 56 zu erstrecken« Obzwar der optische elektrostatische Generator in

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Verbindung mit Stromkreisen beschrieben wurde _p die Leuchtstofflampen enthalten, ist es verständlich? dass zahlreiche anders Sear tote Stromkreise verwendet werden können« Beispielsweise kann die Hochspannungsanordnung in vielen Stromkreisen, beispielsweise stii; Signallampen, Hoehgeschwindigkeits-Steuerelnrich·· tungen, Laserstrahlen nnd Kochenergielnpulsen verwendet werden· Der Generator iat vorzugsweise auch anwendbar in einem Stromkreis« der 2« B* einen elektrostatischen Teilchen- b&w» Staubsammelbehälter in Hontrollvorrichtungen für Luftverschmutzung» eine Vorrichtung srar Durchführung chemischer Synthesen in elektrischen Sntladungssystomen₉ so beispielsweise Ozongeneratoren, Ladevorrichtungen für Hochspannungsgeneratoren des Vandegraff-Typs cder auch Teilchenbeachlouniger elnschliesst«

Die Erfindung erschliesst dem Fachmann zahlreiche andere Auwendttngsmöglichkeiteno

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Claims (1)

1. Ansprüche ϊ

   Optischer Generator mit einem elektrostatischen Feld und Längsschwixigungen im Bereich dar Lichtfrequenzen zur Venren-· dung in elektrischen Stromkreisen,,
   gekennzeichnet durch

   ein Gasentladxsngsrohr (26) mit einem Paar im Abstand voneinander angeordneter Elektroden (24, 25)» einer einschliesson- <2en Ifehüllungi, die die Übertragung von Licht frequenz en er- ... · laubt und einem ionisierbaren Gas (23); mindestens eine_? im Abstand angeordnete, relative Kondensator· platte (30» 32; 30&S32b) neben einer atsr Elektroden (24, 25) ein Dielektrikum (38)_e welches das Gasentladr.ngsrohr (26). tuagibt und "

   eine elektrisch leitende Ifehüllung (36) ₀ die das Gasentla- "·, dunggrohr und das Dielektrikum einschliefst, jedoch von den Elektroden (24, 25) isoliert ist und mit dem Gasentladungsrohr und den Kondensatorpiatfen einen absoluten Kondensator bildet»

   2β Optisch elektrostatischer Generator nach Anspruch l_fl dadurch gekennzeichnet«

   dass die Elektroden (24, 25) im Gasentladungsrohr (26) kegel· förmige Gestalt haben* . . ' . %

   Optisch elektrostatischer Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
   dass die Elektroden (24« 25) 6c°-förmigo Kegelenden hab^n,

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   4« Optisch elektrostatischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _t

   . dass die relativen Kondensatorplatten (30_a 32; 30bj 32b) neben Jeder Elektrode (24» 25) angeordnet sind»

   5» Optisch elektrostatischer Generator nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet_t dass der elektrische Stromkreis ein in Serie arbeitender Beleuchtungsstromkreis mit mindestens einer Leuchtstofflampe ist·

   6· Optisch elektrostatischer Generator nach Anspruch 1« dadurch gekennzeichnet ₉ dass der elektrische Stromkreis eine elektrostatische Staub» Niederschlagskammer oder dergleichen enthält«

   • *

   7β Optisch elektrostatischer Generator nach Anspruch dadurch gekennzeichnet« dass die leitende Umhüllung (36) geerdet ist.

   8ο Optischer Generator nach Anspruch dadurch gekennzeichnet« dass ansteigender Gasdruck im Gasentladungsrohr (26) eine Vergrösserung des Wirkungsgrades desjenigen Stromkreises bewirkt, der den Generator (2O₉ 2Oa₉ 20b) enthält·

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   Lee rVe i t e