DE2252443A1

DE2252443A1 - Elektrostatischer generator

Info

Publication number: DE2252443A1
Application number: DE19722252443
Authority: DE
Inventors: William Douglas Allen; Michael Morris
Original assignee: Science Research Council
Current assignee: Science Research Council
Priority date: 1971-10-28
Filing date: 1972-10-26
Publication date: 1973-05-03
Also published as: FR2158329B1; SE388086B; FR2158329A1; CA955636A; JPS4851219A; GB1401182A; NL7214609A; JPS563747B2; IT975397B

Description

PATENTANWALT Telefon: (0271)32409 DiPL-ING. ERICH SCHUBERT tc^—a*.,***,*.s_iege„ Postscheckkonten:

Köln 106931, Essen 20362

Bankkonten: Abs.: Patentanwalt Oipl.-lng. SCHUBEST, 59 Siegen, Bsemer Straße 227 Deutsche Bank AG., Postfach 462 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)

24. ORT. 1972

72 050 Fl

SCIENCE EESEARCH COMCIL, State House, High Holborn,

London, ¥. G_e 1 / England

Eiir diese Anmeldung wird die Patorität aus der britischen Patentanmeldung Wr* 50287/71 vom 28_O Oktober 1971 beanspruelit.

Elektrostatischer Generator

Die Erfindung bezieht sich auf elektrostatische Generatoren.

Bei der Van-de-Graaff-Bauart eines elektrostatischen Generators werden elektrische Ladungen mittels eines sich rasch bewegenden endlosen Bandes aus isolierendem Material nach einem Hochspannungsanschluß hin übermittelt· Die Ladungen werden bei oder mit Erdpotential von scharfen Koronaspitzen her aufgesprüht und bei Hochspannung von anderen Koronaspitzen her aufgefangen und gesammelt_o

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Diese Anordnung weist jedoch verschiedene Nachteile auf. Beispielsweise bringt die Anordnung die Bildung von Bandstaub mit sich sowie die Bildung von korrosiven Produkten von den Koronaentladungen her, und daraus ergibt sich insbesondere eine Tendenz zur Spannungsstoßfortpflanzung längs des Bandesο

Ein verbessertes Verfahren zur Übermittlung elektrischer Ladungen nach einem Hochspannungsanschluß hin ist durch R. G. Herb et al. vorgeschlagen worden (siehe britische Patentschrift 1 254 878 und die entsprechende USA-Patentschrift 3 ^69 118). Hier ist eine endlose Kette aus zylindrischen Metallpellets, welche gegeneinander isoliert sind, vorgesehen. Die Kette wird durch ein Paar von elektrisch leitfähigen Scheiben, zwischen diesen laufend, abgestützt, und die Pellets der Kette werden durch Induktion geladen. Beispielsweise wird diejenige Scheibe, welche dem Hochspannungsanschluß abgelegen ist, auf Erdpotential gehalten, und wenn jedes Pellet ungefähr diese Scheibe verläßt, gelangt es in ein Hochspannungsfeld, welches durch eine Induktionselektrode nahe der Scheibe auferlegt wird, und bei einer hohen negativen Spannung relativ dazu· Diese Elektrode induziert eine positive Ladung am Pellet, welche nach dem Hochspannungsanschluß hin über die andere Scheibe und eine Entladeelektrode nahe daran übermittelt wird. Das Herb-et-alii-Verfahren bietet verschiedene Vorteile gegenüber den Van-de-Graaff-Typ-Generatoren. Beispielsweise bietet das Herb-et-alii-Verfahren Unabhängigkeit von den Wirkungen und Auswirkungen der Korona, vom Bandstaub und insbesondere von Durchschlägen, da die Durchschläge sich über die Metallraupen bzw. -ränder /metal beads/ bewegen. Jedoch besteht dessen eine und bedeutsame Begrenzung darin, daß seine stromführende Kapazität auf Ströme von etwa 100 Mikroampere beschränkt ist.

Andererseits sollte ein elektrostatischer Generator gemäß der Erfindung in der Lage sein, Ströme zu führen,

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- 3 welche wesentlich holier sind als 100 Mikroampere.

Gemäß der Erfindung setzt sich ein elektrostatischer Generator zusammen aus einem Hochspannungsanschluß, einem Paar von Seite an Seite angeordneten endlosen Ketten, die mit ihren Biegungen um gemeinsame Achsen drehbar sind, wobei jede der Ketten durch eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Pellets o. dgl. gebildet wird, welche gegeneinander isoliert sind, wobei seitlich angeordnete elektrisch leitfähige Bauteile die Pellets der einen Kette mit den Pellets der anderen Kette verbinden, aus Mitteln zum Drehen der Ketten, aus Mitteln zum Laden der Pellets und der Bauteile, wenn sich die Ketten drehen, sowie aus Mitteln für das Übermitteln der Ladungen nach dem Hochspannungsanschluß' hin.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden schematischen Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines elektrostatischen Generators,

Fig. 2, in vergrößertem Maßstab, einen Schnitt nach der Linie II - II der Fig. 1, während

Fig. 3 eine Seitenansicht einer abgeänderten Ausführungsform des Generators wiedergibt. >

Wie die Fign. 1 und 2 zeigen, umfaßt ein elektrostatischer Hochspannungsgenerator 1, welcher einen Teil eines Teilchenbeschleunigers bildet, einen Hochspannungsanschluß 2 sowie ein Paar von Seite an Seite angeordneten endlosen Ketten 3» wobei ihre Biegungen um gemeinsame Achsen, welche durch Wellen 4, 5 vorgesehen sind, drehbar angeordnet sind. Jede Kette 3 besteht aus einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Pellets 6, welche durch Nylonverbindungsglieder 7 gegeneinander isoliert sind. Seitlich angeordnete elektrisch leitfähige- Bauteile 8 verbinden die Pellets 6 der einen Kette 3 «lit den Pellets der anderen Kette 3» indem sie

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aufeinander zu gerichtete Pellets 6 der Ketten 3 miteinander verbinden. Die Ketten 3 werden durch eine elektrische Antriebseinheit 9 in Drehung versetzt· Lademittel 10 sind vorgesehen, welche die Pellets 6 laden« wenn sich die Ketten 3 drehen, und zum Befördern der Ladungen nach dem Hochspannungsanschluß 2 hin sind Entlademittel 11 vorgesehen.

Im einzelnen befindet sich der Generator 1 in einem Druckkessel 12, welcher mit einem isolierenden Gas hoher Dichte gefüllt ist. Jede Kette 3 ist identisch. Die Pellets 6 bestehen aus Rostfrei- bzw. Edelstahl, und die seitlichen Bauteile 8 bestehen aus Aluminium. Die Ketten 3 werden jeweils durch mit Rillen versehene Metall-Scheiben 131 lA abgestützt und bewegen sich zwischen diesen· Die elektrische Antriebseinheit 9 dreht eine der Scheiben 13» und die Kette 3, welche an der anderen Scheibe 13 angebracht ist, wird um die seitlichen Bauteile 8 herum gezogen· Auf diese Weise treibt die eine Kette 3 die andere·

Die Pellets 6 weisen rohrartige Form auf, und die seitlichen Bauteile 8 umfassen Streifen aus Rostfrei- bzw. Edelstahl. Ein Paar von vertikal im Abstand voneinander angeordneten seitlichen Bauteilen 8 verbindet jedes aufeinander zu gerichtete l'aar von Pellets 6. In der Draufsicht weisen die Ketten 3 und die seitlichen Bauteile 8 dazwischen eine leiterähnliche Form auf.

Die Ketten 3 und die seitlichen Bauteile 8 laufen durch Durchlässe hindurch, welche in einem horizontal angeordneten Isolator-"Stapel" 15 vorhanden sind, der Glas-Isolatorplatten l6 umfaßt, die zwischen Metallabschirmungsplatten 17 in Sandwich-Bauart vorgesehen sind. Der Isolator-"Stapel" 15 wird dazu benutzt, den Ilochspannungsanschluß 2 innerhalb des Druckkessels 12 abzustützen und ihn gegen diesen zu isolieren.

Die Lademittel 10 umfassen obere und untere Induktions-

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elektroden 20, 21, welche oberhalb und unterhalb der Paare von seitlichen Bauteilen 8 und in enger Nachbarschaft mit den Scheiben 13 angeordnet werden. Eine Leistungszuführung 22 wird dazu verwendet, eine negative Spannung zwischen den zusammenwirkenden Paaren von Induktionselektroden 20, 21 und den Scheiben 13 aufzubringen bzw. anzulegen, wobei die Scheiben über ihre gemeinsame Welle 4 geerdet sind« Die Oberflächen der Elektroden 20, .21 nahe den Pellets 6 und den Bauteilen 8 sind glatt vorgesehen, so daß Funkenbildung bzw· Überschläge im wesentlichen vermieden werden. Ahnlich sind die Oberflächen der Pellets 6 und der Bauteile 8 glatt vorgesehen.

Die Entlademittel 11 umfassen ein Paar von zusammenwirkenden Induktionselektroden, welche in der Form den Elektroden 20, 21 entsprechen, und diese Elektroden werden ebenfalls in enger Nachbarschaft mit den Scheiben 13, 14 angeordnet bzw. vorgesehen. Die gemeinsame Welle 5 der Scheiben 13» 14 wird mit dem Hochspannungsanschluß 2 durch einen ' Konduktor 23 elektrisch verbunden, und die Entlademittel werden negativ geladen, relativ zum Anschluß 2.

Die Lade- und Entlademittel 10, 11 werden so angeordnet, daß die oberen Bahnen der Ketten 3 zwischen ihren zusammenwirkenden Elektroden bewegt werden. Ähnliche zusammenwirkende Paare von Elektroden, bei 24 und 25 dargestellt, sind so angeordnet, daß die unteren Bahnen der Ketten 3 zwischen diesen bewegt werden. Die Elektroden 24 sind in enger Nachbarschaft mit den Scheiben 13 vorgesehen, und die Elektroden 25 sind in enger Nachbarschaft mit den Scheiben l4 vorgesehen. Eine Leistungszuführung 26 wird dazu benutzt, eine positive Spannung zwischen den Elektroden 24 und den

25

Scheiben 13 anzulegen. Die Elektroden^werden positiv geladen, relativ zum Hochspannungsanschluß 2.

Ein Weg, die Mittel 11 negativ und die Elektroden 25 positiv zu laden, beides relativ zum Hochspannungsanschluß

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2, ist in der voraufgeführten britischen Patentschrift 1 25k 878 bzw. in der entsprechenden USA-Patentschrift 3 ^69 118 (Herb et aiii) enthalten. (Siehe insbesondere Figo 8 jener Patentschrift).

Eingeschaltet wird die Antriebseinheit 9 dazu benutzt, die Bauteilgruppe der Ketten 3 und der seitlichen Bauteile

8 um die Scheiben 13t ¹^ herum und in der Richtung, die durch den Pfeil nahe der Scheibe 13 angedeutet ist^ zu drehen.

Die Lademittel 10 dienen dazu, positive Ladungen in einer glatten Speise in die Pellets 6 und die verbindenden seitlichen Bauteile 8 hinein zu ziehen, bevor sie den Kontakt mit den Scheiben 13 unterbrechen. Diese Ladungen sind an die Pellets 6 und die Bauteile 8 gebunden, bevor sie den Kontakt mit den Scheiben 13 unterbrechen, so daß keine wesentliche Funkenbildung bei Kontaktbeendigung auftritt«

Da die positiv geladenen Pellets 6 und die Bauteile

9 (8) in die negativ geladenen Entlademittel 11 gelangen, geben erstere ihre Ladungen ab, welche nach dem Hochspannungsanschluß 2 hin geleitet werden, und zwar über die Scheiben lA,.wo die Ladungen an der Oberfläche des Anschlusses 2 sich aufspeichern. Wiederum ist die Anordnung so getroffen, daß die Ladungen von den Pellets 6 und den Bauteilen 8 her glatt fließen, ohne wesentliche Funkenbildung.

tfenn die Pellets 6 und die Bauteile 8 die Scheiben Ik verlassen, werden negative Ladungen an diesen gebunden, mittels der Elektroden 25· Sie bewegen sich dann weiter, so daß sie zwischen die Elektroden 2k geraten, wo eine positive Spannung die negativen Ladungen an bzw» auf den Pellets 6 und Bauteilen 8 so lange bindet bzw· aufhält, bis sie die Scheiben 13 berührt haben. Auf diese Weise wird Funkenbildung im wesentlichen vermieden«

Die Pellets 6 und die JJauteii. _{8 wer}den dann um die

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Peripherien der Scheiben 13 herum bewegt, um erneut geladen zu werden, und der oben erläuterte Zyklus wiederholt sich.

Durch die Erfindung wird ein elektrostatischer Generator von erhöhter stromführender Kapazität geschaffen, wobei Strom in Milliampere statt 100 Mikroampere, oder dergleichen, gemessen werden kann·

Dies kommt daher, weil die Bereiche der Pellets 6 und seitlichen Bauteile 8 dazwischen wesentlich größer als die Pellets an sich vorgesehen sind. Somit kann die stromführende Kapazität von Generatoren gemäß der Erfindung um einen Faktor von zumindest 10 größer sein, verglichen mit der Kapazität von Generatoren, bei welchen nur Pellets verwendet werden.

Im Vergleich zu Anordnungen, bei welchen nur endlose Ketten von Pellets und keine seitlichen Bauteile dazwischen verwendet werden, wird ferner die Vibration in Ebenen parallel zu den Achsen der Scheiben wesentlich reduziert, und die Vibration lotrecht zu den Ebenen dürfte durch das dichte, isolierende Gas im Druckkessel 12 wirksam und wirkungsvoll gedämpft werden. Außerdem wird, da das Verdrehen

an der Ketten 3 wesentlich reduziert wird, die Abnutzung^den

isolierenden Verbindungsgliedern entsprechend verringert.

Fig. 3 veranschaulicht eine Modifikation, welche den sogenannten ⁿTandem"-Beschleuniger-Systemen mehr ähnelt, bei welchen doppelte Ladung Anwendung findet.

In Fig. 3 verwendet der Generator la erste und zweite Ladungsmittel 10a und 10b. Die positiven Ladungen an den Pellets 6 und seitlichen Bauteilen 8 (letztere sind in dieser Figur nicht dargestellt) werden nach einem zentralen „iochspannungsanschluß 2a abgegeben, und zwar über Scheiben l4a und Konduktoren 23a_e Der Anschluß 2a ist zwischen Isolatorstapelstücken 15a, 15b angeordnet und wird durch diese

abgestützt. iSrste und zweite entladende und vorzeichenura-

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kehrende Mittel, welche den Elektroden 11_t 25 der Fig» I entsprechen, sind in Fig. 3» der Klarheit wegen, nicht dargestellt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß solche Mittel tatsächlich nahe den Scheiben lAa angeordnet sind.

In Fig. 3 werden die Biegungen der Ketten 3 durch zwei Scheiben 13 abgestützt, von welchen jede geerdet ist. Somit erhalten beim Betrieb die Pellets 6 und die seitlichen Bauteile 8 positive Ladungen an den Lademitteln 10, und diese Ladungen werden dann nach dem Hochspannungsanschluß 2a hin über die obere Scheibe l4a abgegeben· Die Pellets 6 und die seitlichen Bauteile 8 empfangen negative Ladungen, wenn sie die obere Scheibe l4a verlassen, wobei die Ladungen durch die Elektroden 24b an diese gebunden werden. Sie werden dann durch die Lademittel 10b erneut positiv geladen.

Sie geben dann ihre Ladungen noch einmal an den Hochspannungsanschluß 2a ab, aber diesmal über die untere Scheibe l4a. Wenn sie diese Scheibe verlassen, empfangen sie negative Ladungen, welche an diesen durch die Elektroden 24a gebunden werden. Dann wiederholt sich der Zyklus.

Auf diese Weise entspricht die stromführende Kapazität des Generators la der Fig. 3 zweimal derjenigen des Generators 1 der Fign. 1 und 2.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen -- oder in Kombination -- in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

_ 9 — Patentansprüche

1. Elektrostatischer Generator, bestehend aus einem Hochspannungsanschluß, einer endlosen Kette, die durch eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Pellets gebildet wird, welche gegeneinander isoliert sind, sowie aus Mitteln zum Drehen der Kette, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Seite an Seite angeordneten, endlosen Ketten (3)9 wobei deren Biegungen um gemeinsame Achsen drehbar angeordnet sind, vorgesehen ist, daß seitlich angeordnete, elektrisch leitfähige Bauteile (8) die Pellets (6) der einen Kette (3) mit den Pellets (6) der anderen Kette (3) verbinden, daß Lademittel (10, 10a, 10b) vorgesehen sind für das Laden der Pellets (6) wie auch der Bauteile (8), wenn sich die Ketten (3) drehen, und daß Entlademittel (11) für das Übermitteln der Ladungen nach dem Hochspannungsanschluß (2, 2a) hin vorgesehen sind·

2* Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pellets (6) eine rohrartige Form aufweisen.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlich angeordneten Bauteile (8) Paare von Metallstreifen aufweisen.

4, Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Lademittel (10, 10a, 10b) Induktionselektroden-Mittel aufweisen.

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5. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis ^t, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlademittel (11) Induktionselektroden-Mittel aufweisen.

6. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß dieser innerhalb eines tjruckkessels (12) angeordnet ist, welcher mit einem isolierenden Gas gefüllt ist.

7· Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Lademittel (lOa, 10b) für das Laden der Pellets (6) wie auch der seitlich angeordneten Bauteile (8) vorgesehen sind, und daß erste und zweite Übertragungsmittel (nicht dargestellt) für das Übermitteln der Ladungen nach dem Hochspannungsanschluß (2, 2a) hin vorgesehen sind.

8. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß dieser mit einem isolierenden Stapel (15» 15a, 15b) zum Abstützen des Ilochspannungsanschlus se s (2_f 2a) versehen ist, und daß Mittel (nicht dargestellt) vorgesehen sind, um den Durchlauf der Pellets (6) wie auch der seitlich angeordneten Bauteile (8) durch den isolierenden Stapel hindurch zuzulassen.

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