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Fluidkolben-Antriebsvorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Fluidkolben-Antriebsvorrichtung gemäß
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-PS 11 22 403 als Wasserreaktionsmotor
für Wasserfahrzeuge bekannt. Die dort vorgesehene Vorrichtung benötigt für ihre
intermittierende Arbeitsweise einen oszillierenden Ventilkörper zum periodischen
Verschließen des Einlaufes, beim jeweiligen Wassersäulen- oder -kolbenausstoß entgegen
der Bewegungsrichtung des Wasserfahrzeuges. Das Erfordernis eines solchen oszillierenden
Ventilkörpers bedingt erheblichen konstruktiven Aufwand und schränkt die Wasserausstoßmenge
und damit die mit einem solchen Wasserreaktionsmotor erreichbare Fahrzeuggeschwindigkeit
erheblich ein. Als weiterer Nachteil bei jener vorbekannten Vorrichtung ist anzusehen,
daß die in dem oder hinter dem Ventilkörper stattfindenden Verbrennungsvorgänge
nur zu einem sehr mäßigen thermodynamischen Wirkungsgrad der Vorrichtung führen
können, weil aufgrund der beschränkten Arbeitsfrequenz des Ventilkörpers jeweils
über vergleichsweise lange Zeitspannen relativ große Wärmemengen aus dem Verbrennungsraum
in das ausströmende Wasser abgegeben werden.
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In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Antriebsvorrichtung gattungsgemäßer Art dahingehend weiterzubilden7
daß sich bei wesentlicher Verbesserung des Wirkungsgrades höhere Ausstoßfrequenzen
bei störunanfälligerer Arbeitsweise erreichen lassen.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Antriebsvorrichtung im
wesentlichen durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Danach liegt der tragende Lösungsgedanke darin, daß sich sowohl der
dem Wirkungsgrad abträgliche Wärmeverlust an das Fluid wie auch die konstruktiven
Probleme und betriebstechnischen Einschränkungen eines mechanischen, oszillierenden
Ventilkörpers dadurch vermeiden lassen, daß zum Abtrennen eines auszuschiebenden
Fluidkolbens und für dessen Ausstoß die expandierende Wirkung einer (zunächst relativ
kleinen, hoch komprimierten) Reaktionsgasblase nutzbar ist, wenn (aufgrund der Formgebung
in der Umgebung des Expansionsraumes im Inneren der Vorrichtung) während der Expansion
dieser Blase eine dynamische Verdämmung gegenüber der relativ trägen und inkompressiblen
einströmenden Fluidmasse stattfindet. Die außerordentlich schnell erfolgende Expansion
der Gasblase führt zur Abtrennung eines Fluidkolbens von der Einströmung mit dynamischer-Verdämmung
entgegen der Kolbenausschubrichtung; und aufgrund des überaus raschen Anstieges
des Gasdruckes, bei schlechten Wärmeübertragungsverhältnissen an der Grenzfläche
der Gasblase zum umgebenen Fluid, ergibt sich nur ein extrem geringer Wärmeverlust
aus der Gasblase in das Fluid und deshalb ein hoher thermodynamischer Wirkungsgrad.
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Die Folge der Reaktionsgasblasen kann im Innern der Antriebsvorrichtung,
unmittelbar im Expansionsraum selbst, erzeugt werden, indem geeignete feste oder
flüssige Reaktionsstoffe dort eingeführt und miteinander zur Reaktion gebracht werden;
wobei diese Stoffe zweckmäßigerweise so gewählt sind, daß das Fluid (insbesondere
Wasser) selbst einen der Reaktionspartner darstellt. Es kann aber auch vorgesehen
sein, außerhalb des Innern der Antriebsvorrichtung eigens einen Gasgenerator für
periodischen Betrieb mit festen oder flüssigen Treibstoffen auszubilden, deren Reaktionsgase
nach Überschreiten eines vorgebbaren Mindestdruckes über einen stoßwellenrohrartigen
Strömungskanal in den Expansionsraum eingeleitet werden. Bezüglich geeigneter Reaktionspartner
für die Reaktionsgasgewinnung wird vollinhaltlich auf die eigene heutige Parallelanmeldung
"Gasgenerator, Verfahren zum Gewinnen von Reaktionsblasen und Verwendung eines Metallhydrides
sowie seiner Reaktionsgase" Bezug genommen, um insoweit Wiederholungen zu vermeiden.
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Über die Periodizität der Gasblasenexpansion, abgestimmt auf die Einströmverhältnisse
des Fluids in die Antriebsvorrichtung, läßt sich die Ausschubfrequenz - und damit
die quasi-kontinuierliche Geschwindigkeit der Vorrichtung relativ zum umgebenden
bzw. durchströmenden Fluid - beeinflussen. Weil mit einem Geschwindigkeitsanstieg
die aus dem Fluid herrührenden Widerstandskräfte exponentiell ansteigen, kann es
zweckmäßig sein, den Energieinhalt der Gasblasen (bspw. über die Dosierung der miteinander
reagierenden Materialien) proportional mit der Frequenz der Gasblasen-Nachlieferung
zu steigern, damit eine Geschwindigkeitsvariation über einen großen Betriebsbereich
erzielbar wird.
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Die Antriebsvorrichtung eignet sich insbesondere gleichermaßen als
Fortbewegungseinrichtung für Oberflächen-Wasserfahrzeuge oder als Antriebseinrichtung
an Unterwasser-Laufkörpern, sowohl zur Anfangsbeschleunigung wie auch zur Aufrechterhaltung
oder Steigerung der Laufgeschwindigkeit nach anderweitiger Anfangsbeschleunigung;
wobei in diesen Fällen das umgebende Wasser selbst das Fluid darstellt.
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Die Antriebsvorrichtung kann aber auch stationär eingesetzt werden,
bspw. als Antriebseinheit im Strömungskreislauf einer hydrodynamischen Maschine,
wie sie bspw. als Hydro-Motor oder als Hydro-Getriebe bekannt ist (vgl. VOITH-Firmendruckschrift
G 671 vom Oktober 1979).
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Während bspw. bei Unterwasser-Laufkörpern, insbesondere aus Gründen
der Kavitationsbiidung am herkömmlichen Schraubenantrieb, bestimmte Geschwindigkeitsgrenzen
(in der Größenordnung von bis zu 30m/s) nicht ohne weiteres überschritten werden
können, ist mit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung (ohne bewegte Konstruktionsteile
im Antrieb selbst) problemlos im Wasser die doppelte Geschwindigkeit erreichbar,
und durch Abstimmung der Geometrie der Antriebsvorrichtung auf die Folgefrequenz
und den Energieeinhalt der Gasblasen auch noch steigerbar; und Handhabungsprobleme
hinsichtlich Unfallgefahren in Propellerbereichen sind gänzlich entfallen. Eine
weitere Steigerung der Wirkungsgrades und der Relativgeschwindigkeit ist durch Abstimmung
des Fluids auf das Verhalten der expandierenden Gasblasen insbesondere dann möglich,
wenn die Antriebsvorrichtung Bestandteil eines geschlossenen Strömungskreislaufes
(bspw. einer stationären Anlage) ist,
also entgegen den Gegebenheiten
bei einem Wasserfahrzeug ohnehin das Fluid gesondert beizustellen ist und deshalb
hinsichtlich der Antriebsreaktion optimiert werden kann.
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Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung von in der
Zeichnung, unter Beschränkung auf das Wesentliche aber angenähert proportionsgerecht,
skizzierten prinzipiellen Ausführungsbeispielen zur erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
und zu bevorzugten Einsatzmöglichkeiten.
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Es zeigt: Fig. 1 eine Fluidkolben-Antriebsvorrichtung in der Form
einer raschlaufenden Schubzelle mit außerhalb ihres Gasblasen-Expansionsraumes angeordnetem
Gasgenerator; Fig. 2 den Funktionsmechanismus der Antriebsvorrichtungen in unterschiedlichen,
aufeinanderfolgenden Funktionsphasen (Fig. 2a bis Fig. 2f); Fig. 3 ein qualitatives
Zeitdiagramm über Druck- und Bewegungsabläufe, entsprechend der Funktion gemäß Fig.
2; Fig. 4 ein Beispiel für die Blasenerzeugung unmittelbar im Expansionsraum; Fig.
5 eine abgewandelte Antriebsvorrichtung ähnlich der nach Fig. 1 an einem Unterwasser-Lauf-körper;
Fig. 6 eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Antriebsvorrichtung, eingesetzt im Kreisprozeß
einer hydrodynamischen Maschine, und
Fig. 7 eine Zündeinrichtung
für einen festen Gasblasen-Reaktionspartner.
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Die in Fig. 1 im Axial-Längsschnitt skizzierte Grundform einer erfindungsgemäßen
Fluidkolben-Antriebsvorrichtung 1 als Schubzelle ist im wesentlichen ein strömungsgünstig
konfiguriertes düsenförmiges Gebilde zwischen einem Fluid-Einlauf 2 und einem dagegen
längeren, m Verhältnis zum Durchmesser aber doch noch relativ kurzen Ausschubrohr
3. Hinter dem Einlauf 2 ist eine Fluid-Eintrittsdüse 4 ausgebildet, nämlich in Form
eines zunächst relativ rasch verjüngten und dann weniger steil wieder auf ein Mehrfaches
aufgeweiteten Querschnitts. Die Querschnittsgeometrie kann derjenigen der Antriebsvorrichtung
1 selbst entsprechen, also z.B. kreisförmig oder ringsegmentförmig sein. Der sich,
vom Einlauf 2 her gesehen,wieder aufweitende Querschnitt hinter der Eintrittsdüse
4 wirkt als Diffusor 5, dessen größter Querschnitt dann in das strömungsgünstig
profilierte Ausschubrohr 3 übergeht. Der Umgebungsraum des Überganges vom Diffusor
5 zum Ausschubrohr 3 dient als Expansionsraum 6, wie unten noch näher erläutert
wird. In diesen mündet, wenn ein gesonderter Gasgenerator 8 außerhalb des Expansionsraumes
6 vorgesehen ist, wenigstens ein stoßwellenrohrartiger (also im Verhältnis zu seiner
Länge sehr dünner) Strömungskanal 10; der über ein Grenzdruckventil 24 (vgl. Fig.
6) immer dann kurzzeitig an den Generator 8 angeschlossen ist, wenn die Reaktionsgase
in jenem diesen Mindestdruck übersteigen, um sie als komprimierte Gasblase 15 mit
steiler Druckwellen front in den Expansionsraum 6 zu überführen.
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Wenn die Antriebsvorrichtung 1 nicht stationär angeordnet ist, sondern
sich durch das umgebende Fluid 11, insbesondere z.B. durch Wasser, fortbewegen soll,
dann ist auch das Äußere der Antriebsvorrichtung 1 strömungsgünstig ausgebildet,
bspw. durch einen den Gasgenerator 8 umgebenden Mantel 12 abgedeckt.
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Die Antriebsvorrichtung 1 und damit ihre Eintrittsdüse 4 bewegen sich
relativ zum Fluid 11 in derartiger Orientierung, daß das Fluid 11 in Staudruckrichtung
13 durch die Eintrittsdüse 4 hindurch in den Diffusor 5 eintritt, wie in Fig. 2a
skizziert. Wenn die Fluidsäule 14 auch das Innere des Ausschubrohres 3 - wenigstens
im wesentlichen -gefüllt hat (Fig. 2b), läßt man eine relativ kleine aber stark
verdichteter,energiereiche Reaktionsgasblase 15 im Raum 6 expandieren.
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Die Gasblase 15 entspannt sich in der Fluidsäule 14 praktisch explosionsartig,
gegenüber der Verdämmungswirkung der relativ trägen Masse des umgebenden Fluids
11. Aufgrund der Querschnitts-Verjüngung im Diffusor 5 ist die Verdämmungswirkung
der Staudruckrichtung 13 entgegen am größten. Deshalb liegt die größte Wachstumskomponente
der sich entspannenden Gasblase 15 etwa koaxial im Ausschubrohr 3,in Ausschubrichtung
16 (Fig. 2c - Fig. 2d); mit der Folge, daß im Übergangsbereich vom Diffusor 5 zum
Ausschubrohr 3 von der Fluidsäule 14 ein Fluidkolben 17 abgetrennt und in Staudruckrichtung
13 (dem Einlauf 2 gegenüber) aus dem Ausschubrohr 3 in das umgebende Fluid 11 hinausgedrückt
wird. Die mechanische Stützreaktion erfolgt über die aufgeweitete Gasblase 15 gegen
den sich verjüngenden Querschnitt des Diffusors 5, weshalb die Antriebsvorrichtung
1 relativ zum umgebenden Fluid 11 in Antriebsrichtung 18, also der Einlauf- oder
Staudruckrichtung 13 entgegen, bewegt wird (Fig. 2e); was das erneute Füllen des
Inneren der Antriebsvorrichtung 1 mit einer Fluidsäule 14 fördert (Fig. 2f - Fig.
2a). Nun kann der Vorgang durch Bereitstellen einer weiteren komprimierten Expansionsgasblase
15 im Raum 6 wiederholt werden (Fig. 2b bis Fig. 2e).
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Wie in Fig, 3 mittels vereinfachter (idealisierter) Zeitdiagramme
angedeutet, tritt das Fluid 11 mit einer relativ konstanten Einlaufgeschwindigkeit
v13 in den Einlauf 2 ein. Wenn die Antriebsvorrichtung 1 mit der Fluidsäule 14 zum
Zeitpunkt t14 gefüllt ist, wird die Gasblase 15 im Expansionsraum 6 bereitgestellt.
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In ihm findet mit der Expansion der Blase 15 ein sehr steiler, im
Maximum kurzzeitig abgeflacht verlaufender, Anstieg des Druckes p6(t) statt. Der
steile Druckanstieg und die träge Masse des durch die Eintrittsdüse 4 anstehenden
Fluids 11 erzwingen, aufgrund der Expansion der geschlossenen Gasblase 15, unter
Abbau des Druckes p6 eine Abtrennung des Fluidkolbens 17 aus der Fluidsäule 14 mit
wachsender Ausschubgeschwindigkeit v14/17(t).
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Die Expansionseigenschaften der Gasblase 15 und der Durchmesser sowie
die Kürze des Ausschubbohrers 3 sind vorzugsweise derart aufeinander abgestimmt,
daß der Fluidkolben 17 möglichst gerade beim Erreichen seiner maximalen Geschwindigkeit
v17 aus der rückwärtigen Öffnung 19 des Ausschubrohres 3 ausgetreten ist (Fig. 2e).
Denn dadurch wird einem Aufbau der Unterdruck im Raum 6 vorgebeugt, also eine den
Wirkungsgrad vermindernde Saugwirkung auf den herauszuschiebenden Fluidkolben 17
vermieden. Ebenfalls im Interesse eines günstigen Wirkungsgrades sind die Geometrie
der Eintrittsdüse 4 und die periodische Bereitstellung expandierender Reaktionsgasblasen
15 vorzugsweise derart aufeinander abgestimmt, daß die nächste Füllung des Ausschubbohres
3 mit einer Fluidsäule 14, und dann das Abtrennen und Ausschieben des Fluidkolbens
17, sich so rasch anschließt, daß der die Ausschub-Öffnung 19 verlassende Fluidkolben
17 dort noch einen Hohlraum oder jedenfalls eine Unterdruck vorfindet, also möglichst
wenig von der trägen Masse des hinter der Antriebsvorrichtung 1 anstehenden Fluids
11 verdrängen muß.
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So wird das durch das Ausschubrohr 3 strömende Fluid 11 mittels der
Expansionsgas-Blasen 15 periodisch derart beschleunigt, daß ein pulsierender, aber
praktisch kompakter Strahl (in der Folge der Fluidkolben 17) ausgestoßen wird, deren
Schubreaktionsimpulse zur Relativbewegung der Antriebsvorrichtung 1 gegenüber dem
Fluid 11 führen. Dabei stellt sich ein besonders günstiger thermischer und mechanischer
Wirkungsgrad ein, weil immer nur einzelne, hoch-komprimierte Gasblasen 15 mit dem
umgebenden Fluid 11 über jeweils nur extrem kurze Zeitspannen reagieren; und weil
die Verdämmungswirkung der expandierenden Blasen 15 gegenüber der im Diffusor 5
anstehenden
Fluidsäule 14 jegliche mechanisch-konstruktive Ventilausbildung überflüssig macht,
die Druckwirkung während des Ausstoßes des Fluidkolbens 17 also nicht gegen ein
bewegtes mechnisches System arbeitet; es erfolgt unmittelbar über die Verdämmungswirkung
des Fluids 11 selbst eine Impulsübertragung auf das Innere der Antriebsvorrichtung
1, im Bereiche des Übergangs vom Ausschubrohr 3 zum Diffusor 5.
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Die relativ hohen Schub impulse können mit relativ kleinen Reaktionspartnermengen
erzielt werden, die unmittelbar im Expansionsraum 6 oder aber in einem gesonderten
Gasgenerator 8 periodisch miteinander zur Reaktion gebracht werden. Zur Lieferung
der Blasen 15 eignen sich die aus der Pyrotechnik bekannten reaktionsschnellen und
gasreichen festen und flüssigen Treibstoffe; z.B. hypergole Komponenten oder monergole
Treibstoffe (wie Nitromethan) in einer Diesel-Zündeinrichtung. Apparativ einfacher
ist die Reaktion von Strahlen z.B.
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aus Salpetersäure und Hydrazin, unmittelbar im Expansionsraum 6.
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Einen noch günstigeren Zeitverlauf des Druckes p6(t) hinsichtlich
der anzustrebenden steilen Druckeinsatzflanke liefern die volumenreicheren und höher
komprimierten Reaktionsgase, die bei der Reduktion von (bisher nicht als Treibladungen,
sondern für Reduktionsaufgaben benutzten) Natriumhydriden mit sauren Reagenzien
und Wasser anfallen; bezüglich Einzelheiten wird auf die oben zitierte Parallelanmeldung
verwiesen. Der Anbau eines eigenständig zu betreibenden Gasgenerators 8 erübrigt
sich also, wenn gemäß Fig. 4 ein Stab.7 aus z.B. Natriumboranat in den Expansionsraum
6 vorgeschoben wird und dort aus einer Düse 9 periodisch mit z.B. Salpetersäure
angespritzt wird.
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Über die Expansionsfrequenz der Blasen 15 läßt sich die mit der Antriebsvorrichtung
1 erreichbare Beschleunigung, und damit die Geschwindigkeit v14/17 gegenüber dem
Fluid 11, variieren. Allerdings steigen die vom Fluid 11 ausgeübten Widerstandskräfte
mit dem Quadrat der Geschwindigkeit v17. Deshalb ist es zweckmäßig, für eine Geschwindigkeitssteigerung
nicht nur die Frequenz der Bereitstellung der Blasen 15, sondern auch deren Energieinhalt,
also z.B. die
jeweils für die Gasgewinnung zur Verfügung gestellte
Treibstoff- oder Säuremenge zu erhöhen, um die geschwindigkeitsabhängig ansteigenden
Widerstandskräfte zu überwinden. Mit fester Blasenfrequenz und fest vorgegebener
Masse der zur Blasenbildung eingesetzten Reaktionspartner stellt sich dagegen eine
bestimmte Maximalgeschwindigkeit v17 ein, wie in Fig. 3 berücksichtigt.
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Beim Anwendungsfall von Schub zellen gemäß der Antriebsvorrichtung
1 nach Fig. 5 geht es um die Beschleunigung eines Unterwasser-Laufkörpers 25. Die
Antriebsvorrichtung 1 kann koaxial um und hinter dessen Heck 26 angeordnet sein,
so daß sich ringspaltförmige Geometrien für die Eintrittsdüse 4 und den Diffusor
5 ergeben. Zweckmäßiger ist jedoch eine Gruppierung aus mehreren peripher nebeneinander
angeordneten Schutzzellen mit dem Querschnitt von Kreisringsegmenten am Laufkörper-Heck
und z.B. mit zentralem Gasgenerator 8 für alle Segmente im Laufkörper 25. Die Stoßwellen-Strömungskanäle
10 führen dann vom Ventil 24 zu den Expansionsräumen 6 - wenn nicht die Treibmittel
entsprechend Fig. 4 direkt in diesen zur Reaktion gebracht werden.
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Wie in Fig. 6 für eine relativ langsam laufende stationäre hydrodynamische
Maschine skizziert, kann die Antriebsvorrichtung 1 auch (anstelle Ausbildung als
freilaufender oder mitlaufender Schubzelle nach Fig, 1, 4 oder 5) in einem geschlossenen
Fluidkreis 20 eingesetzt sein, in dem z.B. zur Bewegungsauskopplung ein sich um
eine Welle 21 drehendes Schaufelrad 22 möglichst dicht hinter dem Ausschubrohr 3
der Schubzelle angeordnet ist. Ein Filter 23 dient dem Ausscheiden von Verunreinigungen
aus dem Fluid 11 vor seiner Rückführung in die Schubzellen-Antriebsvorrichtung 1.
Der Anfall an Reaktionsrückständen kann aber sehr gering gehalten werden, wenn (gemäß
obigem Beispiel ein Reaktionsprodukt als den Gasblasen 15 erzeugt wird das z.B.
wie das Fluid 11 Wasser ist.
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Auch im Beispiel nach Fig. 7 findet die Erzeugung des Reaktionsgases,
zur periodischen Lieferung der Expansionsblasen 15 - direkt im Bereiche des Expansionsraumes
6 statt. Hierfür ist eine Vibrationseinrichtung 27 vorgesehen, die einen Stab 28
periodisch kurzzeitig gegen einen (gegenüber dem Stab 28 auf elektrisch positierem
Potential liegenden) Gegenelektroden 29 aus einem Material andrückt, das mit dem
des Stabes nicht leicht verschmilgt. Beim Abheben entsteht (wie aus der Technologie
Elektroschweißens bekannt) ein Abreißfunken, dessen Energie zum Schmelzen und Verdampfen
von Partikeln am Stirnende des Stabes 28 führt. Bei entsprechendem Material (insbesondere
Aluminium gegenüber einem Kupferblock) reagieren diese Gase unter heftiger Gasentwicklung
mit dem umgebenden Fluid 11, hier Wasser. Für intensive Vermengung ragt die Kontaktstelle
in den Expansionsraum 6 hinein, oder (aus strömungstechnischen Gründen - wie in
Fig. 7 skizziert) in einen in die Innenwandung der Vorrichtung 1 eingestochenen
und deshalb mit durchströmten Längs-Kanal 30; die Anordnung des Stabes 28 kann aber
auch quer zur dargestellten Längsrichtung orientiert sein. Zweckmäßigerweise ist
der Stab 28 hohl ausgebildet und mit einem Expansions-Material 31 gefüllt, das an
der Abbrandstirn des Stabes 28 die Schmelzpartikel und Dämpfe heftig fortschleudert,
also durch innige Mischung zu heftiger Reaktionsgasbildung mit dem Fluid 11 im Expansionsraum
6 beiträgt. Dieses Material 31 kann das Fluid-Wasser selbst sein, das beispielsweise
durch einen Zulauf 32 in den hohlen Stab 28 eingeführt wird. An der Abbrand-Stirn
des wassergefüllten Aluminiumrohres findet dann die kräftigste Reaktion und Gasdruckerhöhung
statt, wodurch die Dämpfe und Schmelzpartikel in den Expansionsraum 6 eingeschleudert
werden.
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So ist ein überaus funktionssicherer Expansionsgaserzeuger geschaffen,
der sich insbesondere für stationär betriebene hydrodynamische Anlagen entsprechend
Fig. 6 eignet.