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Technisches
Gebiet und Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen thermoakustischen Wellenerzeuger sowie
einen Energiewandler mit einem thermoakustischen Wellenerzeuger.
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Ein
thermoakustischer Wellenerzeuger erzeugt Schallenergie ausgehend
von Wärmeenergie. Die
Erfindung findet in jeglichem Gebiet Anwendung, bei dem eine Umwandlung
von Wärmeenergie
in Schallenergie und/oder in elektrische Energie angestrebt werden
kann, wie beispielsweise bei der Raumfahrt oder im Automobilbereich.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Anwendung betrifft die Erfindung einen thermoakustischen
MHD-Wandler, der elektrische Energie ausgehend von Wärmeenergie
erzeugt, die zuvor in Schallenergie umgewandelt wurde. Ein erfindungsgemäßer thermoakustischer
MHD-Wandler erzeugt
somit eine hohe elektrische Leistung, beispielsweise in der Größenordnung
von 200 kW, ausgehend von einer thermischen Leistung zwischen 800
und 1000 kW.
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Der
erfindungsgemäße thermoakustische Wellenerzeuger
ist vom Typ mit einer Stapelung von Platten. Ein prinzipielles Schema
eines thermoakustischen Wellenerzeugers mit Plattenstapelung aus dem
Stand der Technik ist in 1 dargestellt.
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Der
Wellenerzeuger enthält
eine Stapelung von Platten 1, die voneinander beabstandet
gehalten werden und in einem Mantel 2 eingesetzt sind.
Luft 3 füllt
den Innenraum des Mantels 2 und davon ausgehend den Zwischenraum
zwischen den Platten. Zwischen den Enden E1 und E2 der Plattenstapelung besteht
ein Wärmefluss.
Dazu wird das Ende E1 auf eine höhere
Temperatur T1 und das Ende E2 auf eine niedrigere Temperatur T2
gebracht. Das zwischen den Enden E1 und E2 bestehende Temperaturgefälle führt somit
zum Auftreten von thermodynamischen Mikrozyklen in der die Platten
füllenden
Luft. Ein Teil des Wärmeflusses
wird in Schallwellen umgewandelt. Schallwellenebenen P treten in
der Luft auf, die sich auf der Seite des auf niedrigere Temperatur
gebrachten Endes befindet.
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Ein
Problem, das sich bei der Auslegung eines thermoakustischen Wellenerzeugers
stellt, liegt in der Zirkulation des Wärmeflusses in den Platten. Es
ist nämlich
dabei erforderlich, einerseits Mittel vorzusehen, welche den Wärmefluss
in diese eindringen lassen, sowie andererseits Mittel, welche diesen Fluss
abführen
können.
Dieses Problem wird insbesondere dann kritisch, wenn angestrebt
wird, Schallwellen mit hoher Leistung zu erzeugen.
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Darlegung
der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße thermoakustische Wellenerzeuger
löst das
oben erwähnte
Problem in einfacher und wirkungsvoller Weise gemäß Anspruch 1
und findet eine besonders vorteilhafte Anwendung bei der Erzeugung
von Schallwellen hoher Leistung.
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Die
Erfindung betrifft somit einen thermoakustischen Wellenerzeuger,
enthaltend:
- – eine Einheit von Platten,
die in einem mit einem thermodynamischen Medium gefüllten Mantel
parallel zueinander angeordnet sind, wobei zwei aufeinanderfolgende
Platten der Stapelung so voneinander beabstandet sind, dass das
thermodynamische Medium den Raum zwischen den Platten ausfüllt, und
- – Mittel,
die einen Wärmefluss
zwischen einem ersten Ende der Platteneinheit und einem dem ersten
Ende entgegengesetzten zweiten Ende der Platteneinheit herstellen
können.
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Die
Mittel zum Herstellen eines Wärmeflusses
enthalten einerseits zwei Wärmetauscher,
die parallel geschaltet sind und sich beiderseits des ersten Endes
befinden, und weisen andererseits zwei Wärmetaucher auf, die parallel
geschaltet sind und sich beiderseits des zweiten Endes befinden,
wobei jeder Wärmetauscher
aus einer wechselweisen Stapelung von Lappen und Keilen besteht,
wobei ein Lappen aus einem mit zumindest einer Bohrung versehenen
Plattenabschnitt gebildet ist, wobei jeder Keil zumindest eine Öffnung aufweist,
so dass die Öffnung
eines Keils gegenüber
zumindest einer Bohrung zu liegen kommt.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung weist ein Lappen eine Mehrzahl von
Bohrungen auf, die gleichmäßig über die
Fläche
des Lappens verteilt sind.
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Gemäß einem
noch weiteren Merkmal der Erfindung beträgt die gesamte Öffnung,
welche die Bohrung bzw. Bohrungen eines Lappens darstellen, im wesentlichen
60 % der Gesamtfläche
des Lappens.
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Gemäß einem
noch weiteren Merkmal der Erfindung sind die Lappen und die Keile
einer Wärmetauscherstapelung
verschweißt
oder verklebt.
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Gemäß einem
noch weiteren Merkmal der Erfindung ist das thermodynamische Medium
flüssiges
Natrium oder eine Salzlösung.
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Gemäß einem
noch weiteren Merkmal der Erfindung weist der Wellenerzeuger eine
Druckkapazität
auf, in welcher die thermodynamische Flüssigkeit unter Druck gehalten
wird.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung bilden die Bohrungen der Lappen und die Öffnungen
der Keile eines gleichen Wärmetauschers zumindest
eine Leitung zur Zirkulation eines Wärmeträgermediums.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der ersten Ausführungsform
der Erfindung enthalten die Mittel zum Herstellen eines Wärmeflusses
Leitungen zum Speisen der Wärmetauscher
mit Wärmeträgermedium.
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Die
Leitungen enthalten gemäß einem
noch weiteren Merkmal der ersten Ausführungsform der Erfindung Leitungen
zum Speisen der beiden einen heißen Punkt für den Wärmefluss bildenden Wärmetauscher
mit einem ersten Wärmeträgermedium
und Leitungen zum Speisen der beiden einen kalten Punkt für den Wärmefluss
bildenden Wärmetauscher mit
einem zweiten Wärmeträgermedium,
wobei die Leitungen zum Speisen mit dem ersten Wärmeträgermedium in fester Stellung
bezüglich
der beiden Wärmetauscher
gehalten werden, welche den kalten Punkt bilden, wohingegen die
Leitungen zum Speisen mit dem zweiten Wärmeträgermedium unter der Wirkung
von Wärmeausdehnungen,
die zwischen heißem
Punkt und kaltem Punkt auftreten, frei verstellbar sind.
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Gemäß einem
noch weiteren Merkmal der ersten Ausführungsform der Erfindung kreuzen
sich die Leitungen zum Speisen mit dem zweiten Wärmeträgermedium im Bereich eines
Halteflansches, um Längsbewegungen
in Drehbewegungen umzuwandeln.
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Gemäß einem
noch weiteren Merkmal der ersten Ausführungsform der Erfindung sind
das erste und das zweite Wärmeträgermedium
flüssiges
Natrium oder ein NaK-Eutektikum (Natrium/Kalium).
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Die
Erfindung betrifft auch einen thermoakustischen MHD-Wandler, dadurch
gekennzeichnet, dass er einen thermoakustischen Wellenerzeuger nach
der Erfindung aufweist, um Schallwellen ausgehend von Wärmeenergie
zu bilden, sowie eine magnetohydrodynamische Vorrichtung, um ausgehend von
den Schallwellen elektrische Energie zu liefern.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Raumfahrtreaktor, dadurch gekennzeichnet,
dass er einen thermoakustischen MHD-Wandler nach der Erfindung enthält.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Stromgenerator für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass
er einen thermoakustischen MHD-Wandler
mit einem thermoakustischen Wellenerzeuger nach der Erfindung enthält, um Schallwellen
ausgehend von Wärmeenergie
zu bilden, sowie eine magnetohydrodynamische Vorrichtung, um ausgehend
von den Schallwellen elektrische Energie zu liefern, dass das erste
Wärmeträgermedium
ein Luft-Wasserstoff-Gemisch ist und dass das zweite Wärmeträgermedium aus
Umgebungsluft besteht.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung bilden die Bohrungen der Lappen und die Öffnungen
der Keile eines gleichen Wärmetauschers eine
Einheit von Hohlräumen,
wobei ein Radioisotop enthaltende Kapseln innerhalb der Hohlräume eingesetzt
sind, die in den Wärmetauschern
gebildet sind, die sich beiderseits des ersten Endes der Platteneinheit
befinden.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der zweiten Ausführungsform der Erfindung sind
Wärmerohre, die
mit zumindest einem Strahler verbunden sind, innerhalb der Hohlräume eingesetzt,
die in den Wärmetauschern
gebildet sind, die sich beiderseits des zweiten Endes der Platteneinheit
befinden.
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Gemäß einem
noch weiteren Merkmal der zweiten Ausführungsform der Erfindung sind
die Hohlräume,
die in den Wärmetauschern
gebildet sind, welche sich beiderseits des zweiten Endes der Platteneinheit
befinden, mit Leitungen verbunden, durch die ein Wärmeträgermedium
in den Hohlräumen
zirkulieren kann.
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Gemäß einem
noch weiteren Merkmal der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist
das Wärmeträgermedium
flüssiges
Natrium oder ein NaK-Eutektikum (Natrium/Kalium) oder ein Gas oder
flüssiges
Cäsium
oder Quersilber.
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Gemäß einem
noch weiteren Merkmal der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist
das Radioisotop Tritiumhydridpulver oder PU 235.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Energiewandler mit einem thermoakustischen
Wellenerzeuger und Mitteln zum Umwandeln von Schallenergie in elektrische
Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoakustische Wellenerzeuger
ein Wellenerzeuger nach der Erfindung ist und die Mittel zum Umwandeln
von Schallenergie in elektrische Energie zumindest einen piezoelektrischen
Sensor enthalten.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Raumfahrtreaktor, dadurch gekennzeichnet,
dass er einen Energiewandler nach der Erfindung enthält.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Stromgenerator für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass
er einen Energiewandler nach der Erfindung enthält.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich beim Lesen einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen,
worin zeigt:
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1 ein
prinzipielles Schema eines Schallwellenerzeugers mit Plattenstapelung
nach dem Stand der Technik,
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2 eine
Plattenstapelung für
einen Schallwellenerzeuger nach einer ersten Ausführungsform
der Erfindung,
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3 eine
Teilexplosionsansicht der in 2 dargestellten
Stapelung,
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4 einen
Aufbau einer Plattenstapelung für
einen Schallwellenerzeuger nach der ersten Ausführungsform der Erfindung,
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5 eine
Schnittansicht eines Abschnitts des in 4 gezeigten
Aufbaus,
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6 eine
Schnittansicht einer thermoakustischen MHD-Wandlers nach der ersten
Ausführungsform
der Erfindung,
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7 eine
perspektivische Ansicht einen thermoakustischen MHD-Wandlers nach der
ersten Ausführungsform
der Erfindung, der mit einer Druckkapazität ausgestattet ist,
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8,
eine Plattenstapelung für
einen Schallwellenerzeuger nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung,
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9 eine
Teilexplosionsansicht der in 8 dargestellten
Stapelung,
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10 einen
Aufbau eines Energiewandlers nach der zweiten Ausführungsform
der Erfindung,
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11 eine
Variante zu dem in 10 dargestellten Aufbau, und
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12 eine
Schnittansicht eines Energiewandlers nach der zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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In
sämtlichen
Figuren sind gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet.
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Nähere Beschreibung
von Ausführungsformen
der Erfindung
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2 zeigt
eine Stapelung E von Platten für einen
Schallwellenerzeuger nach der ersten Ausführungsform der Erfindung und 3 zeigt
eine Teilexplosionsansicht der in 2 dargestellten
Stapelung E.
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Jede
Platte 4 enthält
einen rechteckförmigen Mittelkörper 5 und
vier Abschnitte bzw. Lappen 6, die mit Bohrungen 7 versehen
sind. Die Lappen 6 sind an den Enden der Platte beiderseits
des Mittelkörpers 5 angeordnet.
Jede Platte 4 der Stapelung ist von der nächsten Platte
durch vier Keile 8 getrennt. Jeder Keil 8 ist
mit einer Öffnung 9 versehen.
Die Keile 8 sind zwischen die Platten im Bereich der Lappen 6 eingefügt. Eine
aus einer Folge von Lappen 6 und Keilen 8 gebildete
Stapelung bildet einen Wärmetauscher,
der für
die Zirkulation eines Wärmeträgermediums
geeignet ist.
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Die
Plattenstapelung kann mehrere hundert Platten enthalten, beispielsweise
400, mit einer Dicke e im wesentlichen zwischen 0,2 und 0,3 mm.
Die Keile 8 haben vorzugsweise im wesentlichen die gleiche Dicke
wie die Platten 4. Beispielhaft und nicht einschränkend hat
der rechteckförmige
Mittelkörper 5 einer
Platte eine Länge
L von 500 mm und eine Breite 1 von 200 mm. Die Lappen 6 haben
vorzugsweise eine quadratische Form mit einer Seitenlänge von 150
mm. Die in den Lappen 6 gebildeten Durchgangsbohrungen 7 sind
vorzugsweise gleichmäßig über die
Fläche
des Lappens verteilt. Die gesamte Öffnung, welche die Bohrungen 7 darstellen,
liegt beispielsweise in der Größenordnung
von 60 % der Gesamtfläche
des Lappens. Der Durchmesser einer Bohrung kann beispielsweise 10
mm betragen.
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Allgemein
erfolgt die Bemessung der Platten in Abhängigkeit von der erzeugten
Leistung und von der Art und dem Druck des thermodynamischen Mediums.
Ebenso ist der Durchmesser der Bohrungen der Lappen Funktion von
Art und Durchsatz des Wärmeträgermediums.
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Die
Platten 4 und die Keile 8 sind aus einem wärmeleitenden
Material hergestellt, wie beispielsweise aus Inconel oder Incoloy
(Eisen-Nickel- bzw. Nickel-Chrom-Legierung).
Die Keile 8 sind an die Platten 4 angelöst bzw.
angeklebt. Vorzugsweise werden die gesamten Platten und Keile je
nach Herstellungstechnik der Plattentauscher auf einmal gelötet. Der
eine Platte der Stapelung durchströmende Wärmefluss ist mit den Pfeilen
F in 3 dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
gewährleistet vorteilhaft
eine sehr gute Wärmeleitung.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung ist eine Platte I-förmig
und die Lappen und Keile mit quadratischem bzw. rechteckförmigem Querschnitt
ausgebildet. Weitere Formen von Lappen und Keilen sind ebenfalls
möglich,
wie beispielsweise halbkreisförmige
oder halbsechseckförmige Lappen
und Keile oder dergleichen.
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4 zeigt
einen Plattenstapelaufbau für Schallwellenerzeuger
nach der ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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Ein
System aus Leitungen 10, 11, 12, 13 sorgt
für die
Zirkulation der Wärmeträgermedien.
Die beiden Wärmetauscher,
die sich beiderseits eines gleichen Endes der Platteneinheit befinden,
sind parallel geschaltet. Die Leitungen 10 und 11 ermöglichen
das Einleiten bzw. Ableiten eines ersten Wärmeträgermediums C1 in den beiden
Wärmetauschern,
die beiderseits des ersten Endes (heiße Quelle bzw. Wärmereservoir
mit hoher Temperatur) liegen, während
die Leitungen 12 und 13 das Einleiten und Ableiten
eines zweiten Wärmeträgermediums
C2 in den beiden Wärmetauschern
gestatten, die beiderseits des zweiten Endes (kalte Quelle bzw. Wärmereservoir
mit niedriger Temperatur) liegen.
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Wie
vorangehend erwähnt
wurde, ist in dem Raum, der die Platten trennt, ein thermodynamisches Medium
vorhanden. Im Betrieb treten thermodynamische Mikrozyklen in dem
thermodynamischen Medium auf und der Schallwellenerzeuger schwingt
mit hoher Frequenz. Es ist wichtig, die Temperaturunterschiede und
Schwingungen des Schallwellenerzeugers zu berücksichtigen, um die Auslegung
der Leitungen 10, 11, 12, 13 zu
wählen,
und davon ausgehend die mechanischen Spannungen, die an diesen Leitungen
anstehen. Vorzugsweise wird der "heiße" Teil des Plattenaufbaus,
d. h. der auf die höchste Temperatur
gebrachte Teil des Plattenaufbaus feststehend gehalten und der "kalte" Teil, d. h. der
Teil des Plattenaufbaus, der auf die niedrigste Temperatur gebracht
wird, kann sich je nach Dehnung frei verlagern. Um diese Dehnungen
zu ermöglichen
und ein Abscheren der Platten zu vermeiden, kreuzen sich die Wärmeträgerleitungen 12 und 13,
welche den "kalten" Teil speisen, im
Bereich eines Halteflansches (in der Figur nicht dargestellt), so
dass Längsbewegungen
in Drehbewegungen umgewandelt werden.
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5 zeigt
eine Schnittansicht eines Teilabschnitts des in 4 gezeigten
Aufbaus. Insbesondere stellt 5 die Verbindung
zwischen Wärmeträgermediumzulaufleitung
und Plattenstapelung dar. Der Kollektor weist eine Erweiterung 14 auf,
um eine optimale Strömung
der Wärmeträgermedien
C1, C2 zu gewährleisten.
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6 zeigt
in Schnittansicht schematisch das Prinzip eines thermoakustischen
MHD-Wandlers nach der ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Wandler
enthält
einen erfindungsgemäßen Schallwellenerzeuger 15 und
eine magnetohydrodynamische Vorrichtung 16. Der Schallwellenerzeuger 15 enthält einen
Aufbau, wie er in 2 dargestellt ist (Plattenstapelung
und Leitungen), der in einem mit thermodynamischen Medium 17 gefüllten Mantel 18 gelagert
ist. Die Leitungen 10 und 11 ermöglichen das
Einleiten bzw.
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Ableiten
des Wärmeträgermediums
C1, während
die Leitungen 12 und 13 das Einleiten bzw. Ableiten
des Wärmeträgermediums
C2 gestatten. Das thermodynamische Medium 17 wird mit Druck beaufschlagt,
beispielsweise auf einen Wert im wesentlichen gleich 70 bar. Das
thermodynamische Medium kann Flüssigmetall
sein, wie beispielsweise flüssiges
Natrium oder auch eine Salzlösung,
wie etwa eine NaK-Lösung
(Natrium/Kalium). Ein erstes Wärmeträgermedium
C1, beispielsweise flüssiges Natrium
oder ein NaK-Eutektikum (Natrium/Kalium), das auf eine höhere Temperatur
von beispielsweise 750°C
gebracht wird, findet Anwendung, um das erste Ende der Plattenstapelung
zu erhitzen (heiße Quelle).
Ebenso wird ein zweites Wärmeträgermedium
C2 verwendet, beispielsweise auch Natrium oder ein NaK-Eutektikum
(Natrium/Kalium), das auf eine niedrigere Temperatur von beispielsweise
450°C gebracht
wird, um die Hitze im Bereich des zweiten Endes der Plattenstapelung
abzuleiten (kalte Quelle).
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Die
erzeugten Schallwellen werden in Form von Wellenebenen P in Richtung
der magnetohydrodynamischen Vorrichtung ausgegeben. Die magnetohydrodynamische
Vorrichtung 16 kann somit beispielsweise eine elektrische
Leistung von 200 kW ausgehend von einer thermischen Leistung beispielweise
zwischen 800 und 1000 kW liefern. Vorteilhaft wandelt der erfindungsgemäße MHD-Wandler
eine große
Menge von Wärmeenergie über mechanische Schwingungen
kleiner Amplitude, d. h. praktisch ohne mechanische Teile zu bewegen,
in elektrische Energie um.
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7 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines thermoakustischen MHD-Wandlers
nach der ersten Ausführungsform
der Erfindung, der mit einer Druckkapazität ausgestattet ist.
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Die
Druckkapazität 19 ist
eine kolbenförmige Hülle, welche
sämtliche
der in 6 gezeigten Teile beinhaltet, nämlich eine
magnetohydrodynamische Vorrichtung 16 und einen Mantel 18,
welcher eine Stapelung von Platten und Keile mit Leitungen und ein
thermodynamisches Medium 17 enthält. Die Druckkapazität 19 hat
die Aufgabe, die thermodynamische Flüssigkeit unter Druck zu halten, beispielsweise
unter einem Druck von 70 bar. Vorteilhaft hat ein Aufbau, wie er
in 7 dargestellt ist, einen geringen Platzbedarf.
Die Druckkapazität 19 kann
eine Höhe
A typischerweise zwischen 0,5 und 1 m, eine Tiefe B typischerweise
zwischen 0,1 und 0,5 m und eine Breite typischerweise von 0,1 und
0,5 m haben. Derartige Abmessungen, die den oben erwähnten elektrischen
Leistungen entsprechen, ermöglichen besonders
vorteilhafte Anwendungen des erfindungsgemäßen MHD-Wandlers im Bereich
der Raumfahrt und im Automobilbereich.
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Im
Bereich der Raumfahrt kann ein erfindungsgemäßer MHD-Wandler in einem Raumfahrtreaktor
integriert sein. Die heiße
Quelle kann dann ein Atomreaktor mit hoher Temperatur sein und die
kalte Quelle kann ein in das Weltraumvakuum abstrahlender Strahler
sein. Die Wärmeträgermedien
können beispielsweise
Helium, NaK, Cäsium,
Quecksilber sein.
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Im
Automobilbereich kann die heiße
Quelle ausgehend von einem Luft-Wasserstoff-Gemisch gebildet sein,
das auf eine hohe Temperatur gebracht wird, und die kalte Quelle
kann ausgehend von der Umgebungsluft gebildet sein. Die vom erfindungsgemäßen MHD-Wandler stammende
elektrische Energie wird dann auf vier grundlegende Elektromotoren verteilt,
wobei jeder Elektromotor ein Rad des Kraftfahrzeugs antreibt.
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8 zeigt
eine Plattenstapelung E für
einen Schallwellenerzeuger nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung und 9 zeigt
eine Teilexplosionsansicht der in 8 gezeigten
Stapelung.
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Jede
Platte 4 enthält
einen rechteckförmigen Mittelkörper 5 und
vier Abschnitte bzw. Lappen 6, die mit Bohrungen 7 versehen
sind. Die Lappen 6 sind an den Enden der Platte beiderseits
des Mittelkörpers 5 vorgesehen.
Keile 8 trennen zwei aufeinanderfolgende Platten der Stapelung.
Die Keile 8 sind zwischen Platten im Bereich der Lappen 6 eingefügt. Wie
aus 9 hervorgeht, ist jeder Keil 8 mit Öffnungen 9 versehen,
deren Abmessungen im wesentlichen identisch zu den Abmessungen der Öffnungen
der Lappen sind. Die Öffnungen 7 der
Lappen und die Öffnungen 9 der
Keile überlagern
einander, so dass sie eine Einheit von Hohlräumen 20 bilden (siehe 8).
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Ebenso
wie bei der ersten Ausführungsform der
Erfindung kann die Plattenstapelung mehrere hundert Platten enthalten,
beispielsweise 400, mit einer Dicke e im wesentlichen zwischen 0,2
und 0,3 mm. Die Keile 8 haben vorzugsweise im wesentlichen
die gleiche Dicke wie die Platten 4. Beispielhaft und nicht
einschränkend
hat der rechteckförmige
Mittelkörper 5 einer
Platte eine Länge
L von 500 mm und eine Breite 1 von 200 mm. Die Lappen 6 haben
vorzugsweise eine quadratische Form mit einer Seitenlänge von
150 mm. Die in jedem Lappen 6 gebildeten Bohrungen 7 sind
vorzugsweise gleichmäßig über die
Fläche
des Lappens verteilt und stellen beispielsweise etwa 60 % der Gesamtfläche des
Lappens dar. Allgemein sind die Abmessungen der Platten und die Fläche der Öffnungen
Funktion von der erzeugten Leistung.
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Die
Platten 4 und die Keile 8 sind aus einem wärmeleitenden
Material hergestellt, wie beispielsweise aus Inconel oder Incoloy
(Eisen-Nickel- bzw. Nickel-Chrom-Legierung).
Die Keile 8 sind an die Platten 4 angelötet bzw.
angeklebt. Vorzugsweise werden die gesamten Platten und Keile je
nach bekannter Herstellungstechnik der Plattentauscher auf einmal
gelötet.
Der eine Platte der Stapelung durchströmende Wärmefluss ist mit den Pfeilen
F in 3 dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
gewährleistet
vorteilhaft eine sehr gute Wärmeleitung.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung ist eine Platte I-förmig
und die Lappen und Keile sind mit quadratischem bzw. rechteckförmigem Querschnitt
ausgebildet. Weitere Formen von Lappen und Keilen sind ebenfalls
möglich,
wie beispielsweise halbkreisförmige
oder halbsechseckförmige
Lappen und Keile oder dergleichen. Ferner weist im Beispiel nach 8 und 9 jeder
Keil und jeder Lappen sechs Öffnungen
auf. Die Erfindung betrifft jedoch auch zahlreiche andere Arten
von Ausführungen.
Somit kann jeder Keil und jeder Lappen beispielsweise nur eine Öffnung besitzen.
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10 zeigt
einen Aufbau für
einen Energiewandler nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Der
Wandler enthält
eine Stapelung E von Platten und Keilen, wie sie oben beschrieben
wurde, Teile 21, die eine heiße Quelle bilden, Teile 22, 23, die
eine kalte Quelle bilden und piezoelektrische Sensoren 24, 25.
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Die
Teile 21, welche die heiße Quelle bilden, sind Kapseln,
die ein Radioisotop enthalten, das Wärmeenergie erzeugt, wie etwa
Tritiumhydridpulver oder auch PU 235. Tritiumhydridpulver hat den
Vorteil, dass es leicht ist und eine ausgezeichnete Anwendungssicherheit
bietet. Die Kapseln 21 sind innerhalb der Hohlräume 20 angeordnet,
die sich an einem ersten Ende der Stapelung befinden. Es wird ein enger
Wärmekontakt
zwischen jeder Kapsel und dem Inneren des die Kapsel aufnehmenden
Hohlraums gewährleistet.
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Die
Teile, die zur kalten Quelle beitragen, bestehen aus Wärmerohren 22,
die mit zumindest einem Strahler 23 verbunden sind. Die
Wärmerohre 22 sind
innerhalb der Hohlräume 20 eingesetzt,
die sich an dem Ende befinden, das dem ersten Ende der Stapelung
entgegengesetzt ist. Zwischen jedem Wärmerohr und dem Inneren des
das Wärmerohr aufnehmenden
Hohlraums wird für
einen engen Wärmekontakt
gesorgt.
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Wie
bereits vorangehend erwähnt
wurde, ist in dem die Platten trennenden Raum ein thermodynamisches
Medium vorhanden (in 10 nicht dargestellt). Im Betrieb
treten in dem thermodynamischen Medium thermodynamische Mikrozyklen
auf und der Schallwellenerzeuger schwingt mit hoher Frequenz. Dabei
werden flache Wellen beiderseits der Stapelung E erzeugt. Die piezoelektrischen
Sensoren 24 und 25, die parallel zur Ebene der
Schallwellen liegen, wandeln die mechanische Energie der Schallwellen
in elektrische Energie um.
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11 zeigt
eine Variante des in 10 dargestellten Aufbaus. Bei
der in 11 dargestellten Variante werden
die beiden Wärmetauscher,
die auf der Seite der kalten Quelle liegen, von einem Wärmeträgermedium
C3 durchflossen. Die Hohlräume 20 der
Stapelung E, die auf der Seite der kalten Quelle liegen, bilden
somit Leitungen, welche die Zirkulation des Wärmeträgermediums gestatten, wie sie
bei der ersten Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen ist. Leitungen 26, 27 gewährleisten
die Förderung von
Wärmeträgermedium
im Bereich der Wärmetauscher.
Das Wärmeträgermedium
C3 kann beispielsweise flüssiges
Natrium, ein NaK-Eutektikum (Natrium/Kalium), ein Gas, flüssiges Cäsium oder
Quersilber sein.
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12 zeigt
eine Schnittansicht eines Energiewandlers nach der zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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Der
Energiewandler enthält
eine Stapelung E von Platten und zwei piezoelektrische Sensoren 24, 25,
die in einem mit thermodynamischen Medium 28 gefüllten Mantel 29 gelagert
sind. Der Strahler 23 der kalten Quelle ist außerhalb
des Mantels 29 platziert und steht mit diesem in Kontakt.
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Ein
Vorteil des Energiewandlers nach der zweiten Ausführungsform
der Erfindung liegt im Vorhandensein der heißen Quelle (Kapseln 21)
und der kalten Quelle (Wärmerohre 22 und
Strahler 23) in dem eigentlichen Aufbau des Wandlers. Damit
besteht keine platzraubende mechanische Verbindung zwischen den
Wärmetauschern
und der heißen
und der kalten Quelle. Folglich wird die Integration des Energiewandlers
in einen Aufnahmeaufbau, wie etwa in einen Satelliten oder in ein
Kraftfahrzeug, in sehr vorteilhafter Weise vereinfacht. Die einzigen
Verbindungen nach außen
sind die Leitungsdrähte 30, 31, die
es ermöglich,
die elektrische Leitung des Wandlers abzugeben. Ferner wird das
thermodynamische Medium unter Druck gehalten. Dazu enthält der erfindungsgemäße thermoakustische
Wellenerzeuger eine Druckkapsel (in 12 nicht
dargestellt), in welcher das thermodynamische Medium gehalten wird.
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Die
erzeugen Schallwellen werden in Form von Wellenebenen in Richtung
der piezoelektrischen Sensoren 24, 25 ausgegeben.
Der Energiewandler kann somit beispielsweise eine elektrische Leistung von
200 kW ausgehend von einer Wärmeleistung beispielsweise
zwischen 800 und 1000 kW liefern. Ebenso wie bei der ersten Ausführungsform
der Erfindung wandelt der Energiewandler nach der zweiten Ausführungsform
der Erfindung eine große
Menge von Wärmeenergie über mechanische
Schwingungen geringer Amplitude, d. h. praktisch ohne mechanische
Teile zu bewegen, in elektrische Energie um.