DE68922077T2

DE68922077T2 - Flüssigabgedichteter Flügelzellenoszillator.

Info

Publication number: DE68922077T2
Application number: DE68922077T
Authority: DE
Inventors: Leif Blumenau; Research Development Technion
Original assignee: Technion Research and Development Foundation Ltd
Current assignee: Iso Comp Ltd Hefer Il
Priority date: 1988-12-21
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2009-12-19
Also published as: US5115157A; CA2005918A1; IL88759A; EP0374798A2; ATE120831T1; IL88759A0; DE68922077D1; EP0374798B1; EP0374798A3

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Flügelzellenoszillatoren. Spezieller bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur dynamischen Abdichtung von Flügelzellenoszillatoren und auf dadurch erzielte, intern abgedichtete Flügelzellenoszillatoren. Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf ein Verfahren zur magnetischen Kopplung dieser Oszillatoren und auf besondere Anwendungen der dynamisch abgedichteten und magnetisch gekoppelten Flügelzellenoszillatoren.

Hintergrund der Erfindung

Sich hin- und herbewegende Kolben (Oszillatoren) werden in einer großen Vielzahl von Fluidflußmaschinerien eingesetzt und sind auf dem Fachgebiet allgemein bekannt. Zwei Typen von Oszillatoren werden verwendet, nämlich "Null-Nettofluidfluß", bei dem kein Durchfluß von Fluid vorliegt und das Fluid, auf das der Oszillator wirkt, lediglich Druckschwankungen erfährt, wenn es mit dem Oszillatorelement in Wechselwirkung tritt, und der "Nettofluidfluß", bei dem ein Fluid mittels Induktion und Zufuhrventilen durch den Oszillator fließt und entweder eine Fluidkompressions-/Fluidpumpwirkung oder eine Fluidausdehnung erfährt.
In jedem Fall werden zwei Typen von Druckfluidoszillatoren verwendet, und die vorliegende Erfindung zielt auf beide dieser Typen ab. Diese sind die "Verschiebungsoszillatoren", die lediglich als durch einen pulsierenden Fluiddruck angetriebene Rückstoß- oder Rückschlagoszillatoren dienen, und die "Leistungsoszillatoren", die über das Oszillatorelement Leistung von einem pulsierenden Fluiddruck in mechanische oder elektrische Leistung oder umgekehrt umwandeln.

Der Stand der Technik

Oszillatoren des Standes der Technik beinhalten mechanisch verbundene/geführte Kolben, z.B. mit rhombischen Kurbelwellenantrieben etc., oder freie Kolben ohne mechanische Verbindung, die über Gasfedern gekoppelt sind oder hydraulische oder magnetische Kopplungen über elektromagnetische Induktion aufweisen. Es gibt außerdem Flügelzellenoszillatoren mit einer in den Außenraum weisenden Flügelwelle.
Ein Beispiel für derartige Flügelzellenoszillatoren ist in US-A-2 359 819 beschrieben. Das in diesem Dokument des Standes der Technik gezeigte Bauelement beinhaltet insbesondere zwei positiv aufgehängte Flügel, die von einer zentralen Welle gehalten sind, welche die Abdichtung gegenüber zwei Gleitblöcken bereitstellt.
Wenngleich die Flügel mit der Flüssigkeit in den engen Spalten zwischen den Flügel und den Hohlraumwänden symmetrisch oszillieren können, wobei eine dynamische Flüssigkeitsabdichtung relativ zu den zwei gegenüberliegenden Druckkammern über die Flügel hinweg bereitgestellt wird, würde das bekannte Bauelement unvermeidlich an einer Undichtigkeit durch die Welle leiden.
Praktisch alle Oszillatoren des Standes der Technik sind intern durch entweder mechanische oder gasdynamische Dichtungen abgedichtet, die mehrere ernsthafte Nachteile aufweisen. Insbesondere können sie nicht hermetisch abgeschlossen werden, was den Einschluß von Gasen mit niedrigem Atomgewicht, z.B. Helium, schwierig macht und gefährlich sein kann, wenn radioaktive, toxische oder entflammbare Gase, insbesondere jene mit niedrigem Atomgewicht, enthalten sein sollen.

Zusammenfassung der Erfindung

Nun wurde festgestellt, und dies ist eine Aufgabe der voiliegenden Erfindung, daß es möglich ist, im wesentlichen hermetisch abgeschlossene, dynamisch flüssigkeitsabgedichtete Verschiebungs- und Leistungsoszillatoren bereitzustellen, welche die zuvor erwähnten Nachteile überwinden und welche viele zusätzliche Vorteile bereitstellen. Ein derartiger zusätzlicher Vorteil, der ins Spiel kommt, wenn die Erfindung auf Leistungsoszillatoren mit freien Kolben angewendet wird, besteht darin, daß Leistung durch das Verfahren elektromagnetischer Leitung übertragen wird, was effektiver durchgeführt werden kann als elektromagnetische Induktion und was zu einer höheren Leistungsdichte führen sollte. Dies wird durch die folgenden Überlegungen besser verständlich werden.
Eine elektromagnetische "Leitungsmaschine" ist eine solche, bei der mittels einer Solenoidfeldwindung, eines Dauermagneten etc., ein statisches Magnetfeld der Stärke B extern angelegt und Strom durch das Bauelement mittels eines Satzes von Elektroden geleitet wird. Diese Maschinen werden häufig als Gleichstrom-Faraday-Bauelemente bezeichnet. Beispiele für dieselben sind Gleichpolmaschinen (häufig als Faraday-Räder (-Scheiben) bezeichnet) und Gleichstrom-Faraday-MHD-Kanäle, bei denen der sich bewegende Leiter aus einem Flüssigmetall besteht.
Bei einer "Induktionsmaschine" werden sowohl das Magnetfeld als auch der Strom in dem sich bewegenden Leiter als zueinander senkrechte fortschreitende Wellen mittels komplizierter Feldwindungen, die in Form von Bündeln angeordnet sind, und in einigen Fällen dadurch induziert, daß von elektrischen Oszillatorbrücken Gebrauch gemacht wird. Beispiele für Induktionsbauelemente sind asynchrone Motoren/Generatoren und lineare MAG-Schubeinrichtungen. In beiden Fällen agiert oder reagiert eine ponderomotorische Kraft (JxB) N/m³ auf den sich bewegenden Leiter.
Allgemein gesagt sind aufgrund von Stör-Wirbelstromerzeugung und Schwierigkeiten bei der Vermeidung von Endverlusten induktive Bauelemente nicht so effizient wie leitende Bauelemente. Die Mechanik der Feldwindungen für die fortschreitende Welle ist derart, daß sie diese raumverbrauchend werden lassen, und aufgrund von strukturellen Schwierigkeiten muß das Magnetfeld gering sein ( 0,5 T). Normalerweise gibt es Endverluste auch in linearen leitenden Bauelementen, jedoch nicht in den Bauelementen gemäß der Erfindung, da bei jenen; wie später offensichtlich werden wird, der leitende Flügel abrupt endet. Somit kommt die Effizienz dem theoretischen Maximum nahe, das gleich dem Lastfaktor für Generatoren und dem Inversen des Lastfaktors für Motoren ist. Der Lastfaktor K kann einem solchen angenähert werden, bei dem noch eine vernünftige Leistungsdichte erzielt wird (K=1 ergibt keinen Leistungsaustausch). Die homöoplare Bauelementtheorie ist insgesamt auf dieses Bauelement anwendbar, wenn berücksichtigt wird, daß die Winkelgeschwindigkeit ω=dφ/dt hier nicht konstant, sondern eine harmonische Funktion ist. Dies stellt eine Neuheit dar, da mit dem vorliegenden oszillierenden Faraday-Rad (lies Flügel) Wechselstrom erzeugt oder angenommen wird, während mit einer konstanten Leiterbewegung ein Gleichstrom erzeugt oder angenommen wird (von diesem Gleichstrom-Faraday-Bauelement), wie in der Gleichpolmaschine. So weit der Anmelderin bekannt ist, wurde vor dieser Erfindung kein wechselstromleitendes Faraday-Bauelement offenbart. Das leitende Bauelement weist eine hohe Leistungsdichte auf, da die Windungskonfiguration, z.B. ein Solenoid, kompakt ist und leicht so ausgeführt werden kann, daß hohe Magnetfelder, z.B. bis zu 2T, wenn ein Eisenjoch verwendet wird, und ansonsten bis zu 15T mit supraleitenden Windungen in Magneten mit Luftspalt erzeugt werden.
Des weiteren wurde festgestellt, und dies ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, daß die Oszillatoren der Erfindung für einen direkten inneren Kontakt-Wärmeaustausch, Flüssigkeit zu Gas, angepaßt werden können, wobei die Abdichtungsflüssigkeit selbst oder eine andere verwendete Pufferflüssigkeit benutzt wird, wobei damit verknüpfte Gaskompressions-/Gasexpansions-Prozesse nahezu isothermisch gemacht werden. Dies kann in Bauelementen mit Carnot-ähnlichem thermodynamischem Zyklus, z.B. jenen, die auf Stirling- und Ericsson-Zyklen basieren, die definitionsgemäß isothermische Kompressions-/Expansions-Prozesse verwenden, vollständig ausgenutzt werden.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Der Oszillator gemäß der Erfindung ist gemäß den beigefügten Ansprüchen gekennzeichnet.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Flüssigkeitsabdichtung durch Verwendung einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit als der in dem Behälter aufgenommenen Flüssigkeit und Anlegen eines Magnetfeldes über die Flüssigkeit in den Spalten zwischen dem Flügel und der Innenwand des Behälters hinweg verbessert, wodurch bewirkt wird, daß die Abdichtungsflüssigkeit durch den magnetoflüssigkeitsdynamischen Effekt an dem sich bewegenden Flügel haftet. Bevorzugte elektrisch leitfähige Abdichtungsflüssigkeiten umfassen Flüssigmetalle oder Legierungen derselben, z.B: Hg, Ga, NaK, GaInSn etc.. Der MLD(magnetoflüssigkeitsdynamischer)-Effekt, auf den oben Bezug genommen wird, ist auf dem Fachgebiet als "Hartmann-Fluß in engen Spalten" bekannt. Eine mathematische Theorie desselben wird in einer Veröffentlichung von Xu, J.J. und Woo, J.T. "Asymptotic Solutions of Steady Magneto-Fluid-Dynamic Motion between two Rotating Discs with a small Gap", Phys. Fluids 30 (12), Dez. 1987 entwickelt. Er wurde jedoch niemals dafür ausgenutzt, Flüssigkeitsabdichtungen des hierin beschriebenen und beanspruchten Typs bereitzustellen.
Der MLD-Effekt wächst mit zunehmender Hartmann-Zahl stärker an, wobei diese Zahl als
Ha = Bw( /u)1/2 (1)
definiert ist,
wobei
B = Magnetfeldstärke über den Flüssigkeitsspalt hinweg
w = Breite des Flüssigkeitsspalts
= elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit
u = Viskosität der Flüssigkeit
Um den MLD-Abdichtungseffekt zu erzeugen, muß die Abdichtungsflüssigkeit, wie gesagt, elektrisch leitfähig sein. Das Druckfluid jedoch, nämlich das Fluid, das in Null- Nettofluidfluß- Oszillatoren Druckschwankungen erfährt oder durch Netto-Fluidfluß- Oszillatoren fließt, sollte dielektrisch sein und kann ein Gas oder eine Flüssigkeit oder eine Kombination der beiden sein, wie im folgenden erläutert werden wird. Des weiteren sollten hierbei die Innenseiten des Oszillationsraums, die von der elektrodynamischen Flüssigkeit benetzt werden, elektrisch isoliert sein.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Oszillatorraum von einem ringförmigen Hohlraum mit einem rechtwinkligen Querschnitt in einer Ebene, die durch die horizontale Achse des Hohlraums geht, gebildet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Flügel vollständig in die elektrodynamische Abdichtungsflüssigkeit eingetaucht, diese letztere bedeckt jedoch vorzugsweise gerade noch seine oberste Oberfläche.
Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Oberfläche des Flügels, die in passender Beziehung zu der inneren Behälteroberfläche steht, einen Spielraum zu dieser letzteren Oberfläche in der Größenordnung von einem Millimeter auf und weist vorzugsweise ähnliche Spielräume zu den Oberflächen auf, die den Oszillatorraum axial begrenzen, nämlich den Seitenwänden des Behälters.
Noch bevorzugter weist der Flügel ein Gewicht auf, das geringer als der Schub ist, der durch die Abdichtungsflüssigkeit auf denselben ausgeübt wird, so daß er einen positiven Auftrieb besitzt. Dann sollte der Flügel vorzugsweise die Bedingungen für ein statisches Rotationsgleichgewicht erfüllen, die im folgenden genauer geschildert werden. Zu diesem Zweck ist es bei Verwendung als Verschiebungsoszillator wünschenswert, wenngleich nicht notwendig, daß der Flügel hohl ist.
Die zweifach wirkenden Flügelzellenoszillatoren sind vorzugsweise mit Anschlüssen in ihren Druckkammern versehen - nämlich in den Räumen über dem Flügel auf den zwei Seiten des Oszillators, die von dem Druckfluid belegt sind -, um mit dem Außenraum in Verbindung zu stehen. Die Anschlüsse können einfach sein, wie im Fall der Null- Nettofluidflußanwendung, oder können mit einem Satz von Induktions- und Zuführventilen ausgerüstet sein, wie im Fall von Netto-Fluidflußanwendungen. Außerdem kann eine Druckkammer abgesperrt sein, um einen sogenannten Rückprallraum bereitzustellen.
Noch bevorzugter ist der Flügel mit positiven Aufhängemitteln versehen, d.h. er ist an einer Mittelachse befestigt. In diesem Fall kann der Flügel schwerer sein als die Flüssigkeit, die er verschiebt, und natürlicherweise ein statisches Rotationsgleichgewicht zeigen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind Mittel vorgesehen, um im wesentlichen isotherme Expansions- und/oder Kompressions-Prozesse auszuführen. Zu diesem Zweck ist ein Oszillator mit Mitteln zur Übertragung von Puffer- oder Abdichtungsflüssigkeit von dem Oszillatorhohlraum zu den jeweiligen Druckkammern über einen Wärmetauscher und vorzugsweise über Sprühdüsen oder andere geeignete Mittel zum Zerstäuben der Flüssigkeit innerhalb der Kammer, zu der sie übertragen wird, und zum augenblicklichen Erzeugen einer innigen Vermischung der Flüssigkeit mit dem durch den Oszillator benutzten Druckfluid versehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden thermodynamische Bauelemente mit Stirling-Zyklus bereitgestellt, die Mittel zum Erwärmen/Abkühlen des thermodynamischen Fluides über das zuvor erwähnte Verfahren zum Wärmeaustausch durch direkten Kontakt beinhalten. Die Bauelemente sind gemäß der grundlegenden Alpha- Konfiguration eines Stirling-Bauelementes oder Variationen derselben angeordnet. Kolben-(sprich Flügel-)Antriebe funktionieren mittels Freikolben- oder kinematischer Verfahren entsprechend Fällen, in denen die einfache Alpha-Konfiguration möglicherweise für freie Oszillationen beim Maschinenbetrieb mit dem Freikolben-Antriebsverfahren unzweckmäßig ist.
Die Erfindung führt eine zweifach wirkende Abkühlungs/Erwärmungs-Freikolbenpumpe von einfacher Alpha-Konfiguration ein, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie den thermodynamischen Raum, der durch alle mit den zweifach wirkenden Leistungs- und Verschiebungsoszillatoren verknüpften Druckkammern gebildet wird, voll nutzt.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein thermodynamisches Freikolben- Bauelement mit Stirling-Zyklus vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine zweifache Alpha-Konfiguration besitzt und bevorzugt Oszillatoren gemäß der Erfindung beinhaltet. Die zweifache Alpha-Konfiguration, die im folgenden vollständig beschrieben wird, ist als solche neu und ursprünglich. Spezieller ist die Konfiguration gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Leistungsoszillator aufweist, dessen zwei Druckkammern über bidirektionale Regeneratoren mit einer Druckkammer von zwei Verschiebungsoszillatoren verbunden sind, deren andere Druckkammern geschlossen sind und daher zu Rückprallkammern werden. Diese Konfiguration kann als eine Wärmekraftmaschine oder als ein thermisch betriebener Kühlapparat oder alternativ in Kombinationsbetriebsarten arbeiten.
Während mit jedem Oszillator verknüpfte Expansions-/Kompressionsprozesse bei Wärmeaustausch durch direkten Kontakt nahezu isotherm werden, kann das Temperaturdifferential beim Wärmeaustausch trotzdem dadurch relativ groß gemacht und somit die Pumpleistung innerhalb von Grenzen gehalten werden, daß man das Wärmeübertragungsfluid zwei oder mehr Oszillatoren in Serie durchqueren läßt. Aus diesem Grund wird eine zweifach wirkende Doppel-Alpha-Freikolbenkonfiguration eingeführt, die vier Oszillatoren über Regeneratoren in einem geschlossenen Ring verbindet. Dies vermeidet Rückprallräume, die mit der zuvor erwähnten Doppel-Alpha-Konfiguration verküpft sind. Somit wird der thermodynamische Raum voll genutzt. Diese Konfiguratin ist sowohl für thermisch betriebene Wärmekraftmaschinen mit freier Oszillation als auch für Kühlapparate nützlich.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Abkühlungs/Erwärmungs- Freikolbenpumpe mit Ericsson-Zyklus vorgesehen, welche die theoretische Schwierigkeit bei Hochleistungs-Abkühlungs/Erwärmungspumpen mit Stirling-Zyklus überwindet. Dieses Bauelement beinhaltet einen Verschiebungs- und einen Leistungsoszillator in im wesentlichen einer Alpha-Konfiguration, wobei die Oszillatoren Nettofluidfluß- Bauelemente sind, eine Druckkammer des Leistungsoszillators ein Rückprallraum ist und die andere Druckkammer desselben über einen regenerativen Wärmetauscher mit einer Druckkammer des Verschiebungsoszillators verbunden ist, dessen andere Kammer ein Rückprallraum ist.
Die obigen und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende illustrative und nicht beschränkende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich werden, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines grundlegenden Flüssigkeitsoszillators ist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Oszillators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in transversalem Querschnitt ist;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Oszillators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in einem Querschnitt entlang der Linie III-III-III von Fig. 2 ist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung in axialem Querschnitt eines Flügelzellen- Leistungsoszillators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist, der als elektrischer Leistungsoszillator verwendet wird;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Bauelements zur Ausführung von im wesentlichen isothermen Expansions- und/oder Kompressionszyklen ist, das einen Oszillator gemäß der Erfindung beinhaltet;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Freikolben-Wärmekraftmaschine mit Stirling-Zyklus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Freikolben-Abkühlungs/Erwärmungspumpe mit Ericsson-Zyklus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 8 eine Darstellung eines 4-stufigen Leistungsoszillators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 9 eine Darstellung einer zweifach wirkenden Doppel-Alpha-Stirling-Wärmekraftmaschine ist;
Fig. 10 eine Darstellung einer zweifach wirkenden Abkühlungs/Erwärmungspumpe mit Alpha-Konfiguration ist; und
Fig. 11 den Abfluß von Fluid durch eine hohle Achse darstellt.
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 1, ist der Oszillator grundsätzlich einer, der von einem einfachen Flüssigkeitsoszillator mit U-Röhre abgeleitet ist, bei dem eine oszillierende Flüssigkeitssäule in einem U-förmigen Behälter eingeschlossen ist, dessen vertikale Doppelschenkel zur Atmosphäre hin offen sind. Die natürliche Frequenz eines derartigen Flüssigkeitsoszillators mit U-Röhre ist von der Schwerkraft abhängig und nimmt mit der inversen Quadratwurzel der Länge der Flüssigkeitssäule zu. Wenn die Schenkel der U-Röhre gegenüber Atmosphäre abgeschlossen werden, geben die resultierenden Gasfedern in den Schenkeln der U-Röhre Anlaß für Rückstellkräfte. Wenn derartige Rückstellkräfte über die Gravitationsrückstellkräfte dominieren, ist die natürliche Frequenz nahezu proportional zur Quadratwurzel des Verhältnisses des belastenden Drucks zu der Länge der Flüssigkeitssäule. Um Frequenzen in der Größenordnung von 50 Hz bis 60 Hz mit einem minimalen belastenden Druck zu erreichen, muß die Länge oder Gesamtmasse der Flüssigkeitssäule so klein wie möglich gemacht werden. Dies tritt auf, wenn im wesentlichen lediglich 4er "gekrümmte Teil" der U-Röhre gestaut wird.
Eine derartige Situation ist in Fig. 1 gezeigt, in der die "U-Röhre" in einen ringförmigen Hohlraum umgeformt wurde, der einen rechtwinkligen Querschnitt in einer axialen Ebene, nämlich in einer Ebene, die senkrecht zur Zeichenebene liegt und durch den Mittelpunkt des ringförmigen Hohlraums hindurchgeht, aufweist. Der Hohlraum ist intern durch eine Nabe (1) und extern durch einen zylindrischen Mantel (2) begrenzt und ist mit einer mit (4) bezeichneten Abdichtungsflüssigkeit gefüllt. Oben auf dem Oszillator ist eine Teilungsbarriere (3) vorgesehen, wodurch zwei Kammern (5a) und (5b) über der Flüssigkeit erzeugt werden. Die Kammern (5a) und (5b) sind mit einem Druckfluid gefüllt, das eine geringere Dichte als jene der Flüssigkeit (4) aufweist, so daß es innerhalb der oberen Kammern bleibt und sich nicht wesentlich mit der Flüssigkeit 4 vermischt. Das Druckfluid kann des weiteren mit einem außenseitigen Druckvolumen über die Anschlußöffnungen (6a) und (6b) in Verbindung stehen. Die Flüssigkeit ist in der Zeichnung zu einem Zeitpunkt gezeigt, zu dem sie um einen Winkel φ aus ihrer statischen Gleichgewichtsposition verschoben ist.
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 2 beinhaltet der in der Figur gezeigte Oszillator einen zylindrischen Behälter (10), der auf der Innenseite durch einen zylindrischen Mantel (11) festgelegt ist, in dem ein Flügel (13) untergebracht ist, der in eine Abdichtungsflüssigkeit (14) eingetaucht ist. Der Zweck des Flügels besteht darin, ein Aufbrechen der Flüssigkeitssäule (14) während der Oszillation zu verhindern, was für ein richtiges Funktionieren des Bauelements erforderlich ist. Der Flügel (13) füllt den ringförmigen Hohlraum, der zwischen einer inneren Nabe (11) und dem äußeren Mantel (12) enthalten ist, nahezu vollständig und ist ganz in die Flüssigkeit (14) eingetaucht, wenngleich die Flüssigkeit in der beschriebenen Ausführungsform die oberste Oberfläche des Flügels (13) gerade noch bedeckt. Lediglich kleine Spielräume in der Größenordnung von 1 mm verbleiben zwischen der äußeren, im wesentlichen halbzylindrischen Oberfläche (19) des Flügels und dem Teil der zylindrischen Innenseite (18) des Oszillatormantels, zu dem sie während der Oszillation des Flügels in gegenüberliegender, passender Beziehung steht. Bei der hierin beschriebenen, speziellen Ausführungsform ist der Flügel positiv aufgehängt, z.B. mittels einer drehbaren Zylinderachse, die in die innere Nabe (11) eingesetzt und mit dem Flügel mittels eines Bolzens (17) verbunden ist. Diese Aufhängung eliminiert praktisch ein Schaukeln und erlaubt die Verwendung eines Flügels, der schwerer als der Schub ist, den er von der Flüssigkeit (14) empfängt. Sie ist jedoch kein wesentliches Element des Oszillators der Erfindung. Zwei Kammern (15a) und (15b) sind innerhalb des Behälters (10) ausgebildet, sind von dem Druckfluid belegt und stehen mit dem Außenraum über die Anschlüsse (16a) und (16b) in Verbindung. (20) ist eine Membran, welche die zwei Kammern trennt.
Im dynamischen Betrieb wird allgemein gesagt, wenngleich viskose Kräfte bewirken, daß die Flüssigkeit (14) dem Flügel (13) folgt, daß ein endlicher Schlupf zwischen der Flüssigkeit und dem Flügel existiert. Jedoch ist das Vorhandensein spezieller dynamischer Bedingungen festzustellen, bei denen die Abdichtungsflüssigkeit sowohl an der Oberfläche des Oszillatorflügelkörpers als auch an den stationären Oberflächen haftet, der sogenannte schwappfreie Zustand. Dies kann analytisch aus der die Flüssigkeit in den Spielräumen betreffenden Bewegungsgleichung abgeleitet werden. Unter der Annahme viskoser Strömung und vernachlässigbarer Trägheitseffekte kann beispielsweise die primäre Gleichung für den Spalt an der äußeren Begrenzung folgendermaßen geschrieben werden:
(u/ )(∂²u/∂y²) - (∂u/∂t) = (ΔPo/roΔα PR)cos(νt + β), (2)
wobei
u = Geschwindigkeit als Funktion der Spaltkoordinate y; 0≤y≤w
ΔPo = differentielle Druckamplitude über den Flügel hinweg
ro = Außenradius des Flügels
Δα = Flügelwinkel
β = willkürlicher Phasenwinkel für Druckvariation
ν = Kreisfrequenz von Druckvariation und Flügelbewegung
Für den schwappfreien Zustand müssen die folgenden Randbedingungen erfüllt sein:
u(y=w)=0 (3.A)
u(y=0)=-uo sin(νt + α) (3.B)
wobei
w = Spaltbreite am Außenradius (beachte w«r)
α = willkürlicher Phasenwinkel für Flügelbewegung
uo = Geschwindigkeitsamplitude am Außenradius
PR oben ist ein Flüssigkeit-zu-Flügel-Kopplungsfaktor. Je größer der Wert für PR ist, desto höher ist das erlaubte Druckdifferential ΔPo. Um die Flüssigkeit besser an die Außenflächen des Flügels (13) zu koppeln, sind Kerbzähne in der Oberfläche (19) des Flügels vorgesehen, der sich in angrenzender, passender Beziehung zu der Innenseite (18) des Oszillatorbehälters (10) bewegt. Die wünschenswerteste Form eines Kerbzahns ist eine, welche die Flüssigkeit schaufelt und bidirektional, d.h. effektiv in beiden Richtungen, ist. Eine Reihe von Löchern, wie bei (21) gezeigt, kann entlang der Oberfläche (19) gebohrt oder gefräst sein, um als derartige bidirektionale Schaufeln zu wirken: Es können jedoch weitere Formen und Typen von Kerbzähnen gewählt werden, um eine hydrodynamische Abdichtung zu bewirken, wie für den Fachmann ersichtlich ist. Des weiteren sind ähnliche Kerbzähne (21) vorzugsweise in der inneren, im wesentlichen halbzylindrischen Oberfläche (22) des Flügels (13) vorgesehen, die sich in angrenzender, passender Beziehung zu der Außenseite der Nabe (11) bewegt.
Die Flüssigkeitsabdichtung kann durch eine Anwendung des magnetoflüssigkeitsdynamischen Abdichtungseffekts weiter verbessert werden. Dies wird durch Anlegen eines konstanten Magnetfelds in Axialrichtung über die lateralen Flüssigkeitsspalte hinweg erreicht. Dies resultiert in der Unterdrückung von sekundären Flüssigkeitskreiszirkulationen in den lateralen Spalten sowohl mit radialen als auch axialen Komponenten als Folge des MLD-Effekts.
Um den MLD-Effekt zu nutzen, muß, wie für den Fachmann offensichtlich ist, die Abdichtungsflüssigkeit (14) elektrisch leitfähig sein, z.B. ein Flüssigmetall wie Hg, Ga etc., oder eine Legierung, wie NaK, GaInSn oder dergleichen, während das Druckfluid dielektrisch sein muß. Des weiteren müssen die Innenseiten des Oszillatorbehälters, die von der Flüssigkeit benetzt werden, elektrisch isoliert sein, z.B. durch eine geeignete dielektrische Beschichtung, oder zu Körpern gehören, die aus dielektrischem Material bestehen. Die Formel für die Hartmann-Zahl Ha, die oben angegeben ist, erlaubt die Berechnung der erforderlichen Magnetfeldstärke in jedem speziellen Fall, z.B. ist, da ein ausreichender Wert von Ha 10 ist (entsprechend der zuvor zitierten Veröffentlichung von Xu, J.J. und Woo, J.T.), B gleich 0,769 T, wenn das Flüssigmetall Hg und w=0,5x10&supmin;³m ist.
Das Druckfluid kann ein beliebiges geeignetes Gas oder eine geeignete Flüssigkeit sein, die elektrisch nicht leitfähig ist. Beispiele für geeignete Druckfluide sind Luft, Öl, Helium, Stickstoff und Kerosin.
Fig. 3 zeigt einen mechanischen Leistungsoszillator mit einer Welle im Querschnitt entlang der Axialebene der Membran (20) und der Axialebene, die durch die Achse des Bolzens (17) hindurchgeht, wie bei III-III-III in Fig. 2 gezeigt. Die gleiche, in der Figur gezeigte Struktur stellt einen Verschiebungsoszillator bereit, wenn die Welle weggelassen wird. Daher ist die Welle (30) in der Zeichnung mit durchbrochenen Linien gezeigt. Da der Flügel (13) über den Bolzen (17) mit einer Nabe (11) starr verbunden ist und die Nabe einteilig mit der Welle (30) oder starr mit derselben verbunden ist, die sich zu der Außenseite des Oszillators erstreckt, fallen die Bewegungen des Flügels und der Welle zusammen. Eine oszillierende mechanische Wellenleistung kann somit von außen zugeführt werden, z,B. über eine Grashof-Kette, eine Verbindung über 4 Glieder, die eine harmonisch variierende Pendelbewegung in eine Rotation mit konstanter Geschwindigkeit überführt oder umgekehrt, was einen internen pulsierenden Druck verursacht. Alternativ kann unter der Annahme, daß ein interner pulsierender Druck über miteinander in Verbindung stehende, nicht gezeigte Anschlußöffnungen, wie (16a) und (16b) von Fig. 2, erzeugt wurde, Leistung von dem Oszillator über die oszillierende mechanische Welle (30) geliefert werden. Der in Fig. 3 dargestellte mechanische Leistungsoszillator leidet an der Notwendigkeit, eine Wellendurchführung durch die Druckbegrenzung, die durch eine Abdichtung, wie eine Dichtung (31), bereitgestellt wird, vorzusehen. So wie er konfiguriert ist, stellt der Flügelzellenoszillator mit Wellendurchführung einen hermetischen Abschluß des Raumes bereit, der das thermodynamische Fluid enthält, da dieser oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche eingeschlossen ist, die nicht verschoben werden kann. Die Flüssigkeit selbst kann selbstverständlich einem Leckverlust durch die Dichtung (31) hindurch unterliegen.
Ein Magnetfeld kann angelegt werden, um eine verbesserte interne Flüssigkeitsabdichtung durch MLD bereitzustellen, wie schematisch in der Zeichnung durch Pfeile (32) gezeigt ist. Wie oben erwähnt, kann B etwa 0,7 T betragen. Bei Verwendung ferromagnetischer Materialien sind nicht ferromagnetische Spalte eng, z.B. einige mm. Somit sind nur sehr wenige Amperewindungen in den Solenoid-Magnetfeldwindungen (29a) und (29b) erforderlich, um das benötigte Feld zu erzeugen.
Wie zuvor hierin erwähnt, sollten, wenn ein Magnetfeld verwendet wird, die Abdichtungsflüssigkeit leitfähig und das Druckfluid dielektrisch sein. Es sollte nun betont werden, daß das dielektrische Druckfluid eine Flüssigkeit oder ein Gas oder eine Kombination der beiden sein kann. In diesem letzteren Fall kann eine dielektrische Flüssigkeit zwischen die leitfähige Abdichtungsflüssigkeit, z.B. Flüssigmetall, die sich unterhalb derselben befindet, und ein Gas geschichtet sein, das sich oberhalb derselben befindet. Es ist außerdem gänzlich möglich, daß eine dielektrische Flüssigkeit eine Druckkammer füllt und ein dielektrisches Gas die andere Druckkammer. Es ist natürlich erforderlich, daß die jeweiligen Fluide, die aneinander und an umgebende Teile des Oszillatorbehälters angrenzen, wechselseitig inert sind, d.h. daß sie weder miteinander chemisch reagieren noch sich ineinander durch Diffusion über wechselseitige Grenzen hinweg lösen. Darin liegt einer der Gründe für die Verwendung einer dielektrischen Zwischenflüssigkeit als Puffer zwischen der Abdichtungsflüssigkeit und einem Druckgas. Sie kann als Barriere zwischen dem Gas und der Flüssigkeit dienen, wenn diese dazu tendieren, miteinander zu reagieren. Außerdem kann die Pufferflüssigkeit verwendet werden, um die Oszillatordynamik zu modifizieren, und, am wichtigsten, für einen Wärmeaustausch durch direkten Kontakt mit dem Druckgas. Das Druckfluid sollte eine geringere Dichte als das abdichtende Flüssigmetall und die Pufferflüssigkeit aufweisen, wenn diese letztere eingesetzt wird. Einige mögliche Fluidkombinationen sind in Tabelle 1 vorgeschlagen.
Am häufigsten wird mechanische Wellenleistung entweder auf einen elektrischen Generator übertragen oder von einem elektrischen Motor geliefert. Der grundlegende Verschiebungsoszillator gemäß der Erfindung kann durch Einbringen einiger Änderungen wie folgt in einen elektrischen Leistungsoszillator übergeführt werden. TABELLE 1 ARBEITSFLUIDKOMBINATIONEN Druckfluid Pufferflüssigkeit elektrodynamische Flüssigkeit Luft Wasser Quecksilber Öl Gallium Helium Stickstoff Kerosin
Bezugnehmend auf Fig. 4, stellt diese die Verwendung eines Oszillators gemäß der Erfindung als elektrischer Leistungsoszillator dar. Die innere Nabe (41) und den äußeren Mantel (42) des Oszillatorbehälters läßt man als Elektroden wirken. Sie sind über den internen Anker und den externen elektrischen Schaltkreis (46) je nach Fall mit einer elektrischen Last oder einer Wechselstromquelle verbunden. Ein axiales Magnetfeld, wie z.B. durch die Pfeile 45 angezeigt, wird über dem gesamten Bereich des Flügels (43) und nicht nur in den lateralen Flüssigkeitsspalten wie in dem Verschiebungsoszillator bereitgestellt. Die magnetomotorische Kraft wird durch das Solenoid (48) geliefert. Es ist hier erforderlich, daß der Flügel (43) einteilig und in der radialen Richtung elektrisch leitfähig ist. Für den Fall, daß die Magnetfeldstärke weniger als 2 T beträgt, ist es außerdem wünschenswert, daß der Flügel aus ferromagnetischem Material besteht, wobei er der externe Strömungsrückkehrpfad wäre. Dies führt dazu, daß lediglich wenige Amperewindungen bereitzustellen wären, da die nichtmagnetischen Flüssigkeitsspalte eng sind. Das Flüssigmetall 44, das die Flüssigkeitsabdichtung bildet, dient außerdem als das Stromübertragungsmittel, das Strom radial zwischen dem Flügel (43) und den Ringelektroden (41) beziehungsweise (42) überträgt. Somit wird bewirkt, daß Strom in dem Flügel (43) in radialer Richtung zwischen den Ringelektroden fließt, in Resonanz mit der Oszillationsbewegung des Flügels. Bei Betrieb des Bauelements als Motor oder als Pumpe wird der Flügel durch Verbinden der Elektroden mit einer externen Wechselstromquelle elektrisch angetrieben. Wenn der Flügel intern durch einen pulsierenden Fluiddruck angetrieben wird und der Oszillator als ein Generator arbeitet, geht der erzeugte Wechselstrom durch eine externe elektrische Last hindurch.
Der Aufbau gemäß Fig. 4 zeigt einen hohen Grad an Designintegration zwischen elektrischen und magnetischen Schaltkreisen, z.B. geht der durch einen Pfeil (50) bezeichnete Strompfad größtenteils durch die gleichen Elemente hindurch, wie sie für den magnetischen Schaltkreis verwendet werden. Dies erfordert natürlich, daß selektive Teile des elektrischen Leiters ferromagnetisch sind.
Die axiale Abmessung des Flügels von Einzelstufen-Leistungsoszillatoren ist begrenzt, um zu erlauben, daß der Strom sich so gleichförmig wie möglich über den Flügelzellenbereich ausbreitet. Bei hohen Betriebsfrequenzen müssen sogenannte Oberflächenströme vermieden werden. Somit muß die axiale Abmessung des Flügels zumindestens geringer als die Stromeindringtiefe sein. Aus diesem Grund können mehrere Stufen erforderlich sein, um hohe Leistungen zu handhaben.
Es wird angestrebt, daß der Leistungsoszillator eine elektrische Leistung entsprechend dem elektrischen Netz, d.h. 60 Hz, 120 V in USA und 50 Hz, 240 V fast überall sonst abgibt oder erzielt. Da der zuvor beschriebene Leistungsoszillator ein Einwindungs- Bauelement ist, ist die Potentialdifferenz über Sammelschienenleiteranschlüsse ziemlich gering. Somit ist ein Mehrwindungsverhältniswandler erforderlich. Der Einbau desselben wird später hierin gezeigt. Es versteht sich von selbst, daß, wenn mehrere interne elektrische Stufen, die in Serie geschaltet sind, verwendet werden, das Windungsverhältnis des Wandlers vergleichsweise kleiner ist, womit sich ein kleinerer Wandler ergibt. Es ist außerdem offensichtlich, daß sich das Verhältnis von Fördervolumen zu Gesamtvolumen einschließlich Strömungsrückkehrpfad und Wandler mit verwendeter Anzahl von Stufen drastisch erhöht. Somit erhöht sich die Leistungsdichte mit der Bildung von mehr Stufen.
Fig. 8 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, die einen 4-Stufen-Leistungsoszillator darstellt. Jede Stufe ist ähnlich jener in Fig. 4 dargestellten, mit gewissen Änderungen. So sind die magnetischen und elektrischen Stromkreise weiterhin hoch integriert, wobei im wesentlichen die gleichen Elemente verwendet werden. Beispielsweise wurde die Magnetfeldwindung (48) zugunsten eines Permanentmagnetrings (85) eliminiert, der hier die notwendige magnetomotorische Kraft bereitstellt. Der externe elektrische Schaltkreis ist hier innerhalb des Bauelements in Form eines induktiv gekoppelten Wandlers integriert. So besteht keine Notwendigkeit für Sammelschienenleiter mit hohen Strömen, die mit dem Außenraum in Verbindung stehen. An der Stelle, die in Fig. 4 durch die Magnetfeldwindung (48) belegt ist, ist ein toroidaler Feldwandler mit Ferritkern (86), Sekundärwindungen (88) und Niederstrom/Hochspannungs- Leistungsleitungen (87) gezeigt. Die Einzelwindungs-Primärseite des Wandlers wird durch den Strompfad über das Ringelement (89), einen Teil der Seitenabdeckungen (90) und (91) und im wesentlichen die äußeren Ringelektroden (92a) bis (92d) gebildet.
Während alle Stufen elektrisch in Serie geschaltet sind, sind die Druckfluidkammern der jeweiligen Stufen integriert, so daß sich lediglich zwei Kammern auf jeder Seite der Barrieren (103a) bis (103d) befinden. Dies wird dadurch möglich gemacht, daß die in Fig. 4 mit (49) bezeichnete Abdeckung zwischen Kammern oberhalb der Grundebenen mit maximaler Amplitude, die in Fig. 5 mit EL-EL bezeichnet sind, weggeschnitten wird. Beispielsweise ist ein Rohr (105) durch alle Barrieren (103a) bis (103d) hindurch an ein gebohrtes Loch ansgeschlossen, das mit einer der zwei Druckkammern über die Anschlußöffnung (106) in Verbindung steht.
Die Oszillatordynamik ist selbstverständlich stark davon abhängig, wie die vorliegenden Oszillatoren mit weiteren Oszillatoren oder Trägheitsmassen gekoppelt sind, von der Natur des Druckfluides und von Kraftfunktionen sowie von der Betriebsart. Dennoch erlaubt es die folgende Analyse, die grundlegenden Bedingungen für ein System, das Verschiebungs- und Leistungsoszillatoren verwendet, zu identifizieren.
Bezugnehmend auf Fig. 5, kann die Bewegungsgleichung für einen Oszillator, sei es ein Verschiebungsoszillator oder ein Leistungsoszillator, folgendermaßen geschrieben werden:
JTOT + (AHA + AGEN) + BBUOYφ + ΔprmA = T(t) (4)
Hier beinhaltet JToT das Massenträgheitsmoment aller Trägheitsmassen, die sich von dem Flügel (13), der Zylinderachse (11) und der Pufferflüssigkeit ableiten. Der Dämpfungskoeffizient AHA wird vom Flüssigmetall-Hartmann-Fluß in engen Spalten und der Theorie sich hin- und herbewegender hydrodynamischer Flüsse abgeleitet, wie z.B. zuvor in bezug auf die Gleichungen 2 und 3 gezeigt. Der Koeffizient BBUOY leitet sich von Gravitations- und Auftriebs- Rückstellmomenten ab. Für kleine Winkelauslenkungen (φ sinφ) gilt:
BBUOY=WGrc - WB(rc - a) (5)
wobei WG die von der Masse des Flügels und der Pufferflüssigkeit ausgeübte Gravitationskraft ist, die am Gravitationsmittelpunkt "GC" wirkt, und WB die Auftriebskraft ist, die sich von der Masse der durch das Volumen des als Metazentrum "MC" wirkenden Flügels verschobenen Flüssigkeit ableitet. Um zu verhindern, daß der Flügel nach einer Seite aus der Flüssigkeit herausschnellt, wenn er sich in Ruhe befindet, ist es erforderlich, daß der eingetauchte Flügel einen Zustand eines statischen Rotationsgleichgewichts aufweist. Dies ist erfüllt, wenn die Größe BBUOY positiv ist.
Der vierte Term in der Bewegungsgleichung ist in einem differentiellen Druckrückstellmoment begründet. Für kleine Amplituden wird die Druckdifferenz Δp = pB - pA eine lineare Funktion der Winkelauslenkung φ und allgemein gesagt auch der Verschiebung eines weiteren Oszillators, mit dem der vorliegende Oszillator dynamisch gekoppelt ist.
In der Motorbetriebsart eines elektrischen Leistungsoszillators wird die Kraftfunktion identifiziert als:
T(t) = 0,5N Bz(r02-ri2)I0cos t (6)
wobei:
N = Anzahl elektrischer Stufen (Flügel)
Bz = axiales Magnetfeld
r&sub0;, ri = äußerer und innerer Radius des ringförmigen Hohlraums
I&sub0; = Stromamplitude
= Kraftfrequenz
In der Generatorbetriebsart eines Leistungsoszillators ist T(t) = 0, während der Dämpfungskoeffizient AGEN Anwendung findet. Dies ist unter Verwendung der Gleichpolmaschinentheorie leicht aus dem obigen Ausdruck für T(t) abzuleiten.
Bei pneumatischen und thermodynamischen Anwendungen der Oszillatoren gemäß der Erfindung können Gaskompression und -expansion nahezu isotherm gemacht werden. Bezugnehmend auf Fig. 2, wird Abdichtungsflüssigkeit aus dem Boden des ringförmigen Hohlraums durch einen Auslaß (200) entleert, mittels einer Pumpe (201) durch einen externen Wärmetauscher (202) gepumpt, welcher fallweise der Flüssigkeit entweder Wärme entziehen oder der Flüssigkeit Wärme zuführen kann und den jeweiligen Druckkammern über Rückschlagventile (203) und Flüssigkeitssprühinjektionsdüsen (204) zugeführt.
Fig. 5 zeigt schematisch im Querschnitt einen Oszillator ähnlich jenem in Fig. 2 gezeigten, der eine Nabe (51), einen äußeren Mantel (52) und einen Flügel (53) beinhaltet. (58) bezeichnet eine Pufferflüssigkeit. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird Flüssigkeit, die in diesem Fall als die Pufferflügssigkeit bezeichnet wird, die jedoch auch die Abdichtungsflüssigkeit sein könnte, von einer Kammer (55a) in eine Kammer (55b) gepumpt. Die Flüssigkeit wird oberhalb der Grundebenen der maximalen Flügelamplitude (nämlich der EL-Ebenen) durch schematisch mit (59a) und (59b) bezeichnete Flüssigkeitsabzugsrohre leergehebert, und es wird bewirkt, daß sie einen externen Wärmetauscher (56), der, je nach Fall, entweder der Flüssigkeit Wärme entziehen oder die Flüssigkeit aufwärmen kann, über Rückschlagventile (58a) und (58b) durchquert, und sie wird der gegenüberliegenden Druckkammer über Flüssigkeitssprühinjektionsdüsen (60a) und (60b) zugeführt. Auf diese Weise kann zum Beispiel alle Wärme, die innerhalb des Bauelements aufgrund elektromagnetischer oder mechanischer Verluste erzeugt wurde, abgezogen werden, bevor die Flüssigkeit in die Kammer (55b) überführt wird und umgekehrt, wenn die Flüssigkeit von (55b) nach (55a) überführt wird. Bei anderen Anwendungen, wenn zum Beispiel Gas in der Expansions- oder Kompressionsphase eines thermodynamischen Zyklus durch das Bauelement gepumpt wird, kann es sein, daß dem komprimierten Gas Wärme zu entziehen oder dem expandierten Gas Wärme zuzuführen ist, und dies wird in der gleichen Weise mittels des zuvor erwähnten Wärmetauschers bewerkstelligt. Pumpen (107) und (108) sind zum Pumpen von Fluid vorgesehen. Auf diese Weise wird der Oszillator gemäß der Erfindung als ein Wärmetauscher verwendet, und es kann eine nahezu isotherme Kompression oder Expansion von Gasen erzeugt werden. Weiterhin unter Bezugnahme auf die gleiche Figur stellen Anschlüsse (60a) und (60b) Sprühinjektionsanschlüsse dar, durch welche die Flüssigkeit in die eine Kammer von der anderen Kammer injiziert wird. Indem die Flüssigkeit so gesprüht wird, vermischt sie sich innig mit dem Gas, das durch das Bauelement überführt und/oder einer Expansion und/oder Kompression unterworfen wird und das die den Anschlüssen (6a) und (6b) von Fig. 2 entsprechenden und in dieser Figur nicht gezeigten Anschlüsse durchquert, und in diesem Gemisch aus Flüssigkeitssprühnebel und Gas wird Wärme von der Flüssigkeit zu dem Gas ausgetauscht. Da die Flüssigkeit eine viel höhere Wärmekapazität als das Gas aufweist, tendiert dieses letztere dazu, die Temperatur der Flüssigkeit anzunehmen, von der lediglich ein kleines Volumen relativ zu dem Gas erforderlich ist. Somit werden nahezu isotherme Bedingungen erzielt.
Fig. 11 zeigt eine praktische Anordnung für einen Fluidtransport in einem flügelkörperoszillator. Der Flügelzellenoszillator (225) gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist mit einer hohlen Achse (226) versehen, die an ihrem Ende einen (nicht gezeigten) Entleerungsauslaß aufweist. Die Achse besitzt eine Öffnung auf jeder Seite, der eine Öffnung in dem Flügel (227) entspricht, die von einem Kanaltyp ist. Somit öffnet sich, wenn sich die zwei Öffnungen gegenüberliegen, ein Durchgang (228), der einen Fluidfluß aus dem Flügelzellenoszillator durch die zentrale hohle Achse erlaubt.
Da die Oszillatoren zweifach wirkend sind und harmonischen Oszillationen unterliegen, existiert eine zyklische Druckdifferenz zwischen den zwei Druckkammern. Einerseits kann sie schädlich für die Zirkulationspumpe und ihre Übertragung sein. Andererseits kann sie im Prinzip auch zum Pumpen von Flüssigkeit von einer Kammer zu der anderen ohne die Verwendung von Pumpen, d.h. zum automatischen Pumpen, verwendet werden. Der externe Wärmetransportkreis kann einer geschlossenen, vertikal orientierten U-Röhre, die teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist und eine harmonisch variierende Druckdifferenz zwischen den zwei Gasräumen Δp = Δp&sub0; cos t aufweist, angenähert werden. Für diese Situation kann die Flüssigkeitsbewegung unter Verwendung vereinfachender Annahmen durch eine gewöhnliche Differentialgleichung zweiter Ordnung mit einer sinusförmigen Kraftfunktion modelliert werden. Somit besitzt die Bewegung die klassische Lösung:
Z = Z&sub0;cos(νt - Φ) (7)
wobei die Amplitude folgendermaßen geschrieben werden kann:
Z&sub0; = (ΔP&sub0;/2g) ((1 - (ν/ω)²)² + (2&epsi;ν/ω)²)-1/2 (8)
Oben ist ω die natürliche Frequenz ω = (2g/L)1/2, wobei L die Länge der Flüssigkeitssäule und g die Gravitationskonstante ist. In den meisten Fällen ist für den Betrieb der Oszillatoren die natürliche Frequenz des Wärmetransportkreises der Flüssigkeit ω ziemlich klein im Vergleich zu der Kraftfrequenz ν. Somit ist die Flüssigkeitsamplitude gemäß Gl. 8 klein und die resultierende Fluktuation in der Druckhöhe klein. Dies sieht gut aus für die nutzbare Lebensdauer der Pumpe und ihre Übertragung, ebenso wie dies eine konstante Flüssigkeitsinjektion über den gesamten Druckzyklus hinweg gewährleistet. Lediglich für sehr kleine Einheiten, bei denen die Länge des Flüssigkeitskreises klein ist und folglich die natürliche Frequenz des Kreises der Kraftfrequenz nahekommt, ergibt sich die Möglichkeit, automatisches Pumpen zu erreichen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung von thermodynamischen Bauelementen mit Stirling-Zyklus, die Oszillatoren gemäß der Erfindung verwenden. Wie allgemein bekannt, besteht das grundlegende thermodynamische Bauelement mit Stirling-Zyklus aus einem bidirektionalen Regenerator, der auf jeder Seite von Kompressions- und Expansionsräumen umgeben ist, die auf konstanten differentiellen Temperaturen relativ zueinander mittels eines Heizers und eines Kühlers gehalten werden. Sich hin- und herbewegende Kolben wirken auf die Expansions- und Kompressionsräume ein. Einer der Kolben, üblicherweise derjenige, der nahe der Umgebungstemperatur arbeitet, wird entsprechend den Betriebsfällen zur Leistungseinspeisung/abgabe verwendet. Dieser wird als der Leistungskolben bezeichnet. Der andere Kolben ist definitionsgemäß ein Verschiebungskolben. Die Kolben bewegen sich in einer harmonischen Bewegung mit der gleichen Frequenz, weisen jedoch eine Phasenverschiebung relativ zueinander auf. Dies wird als die Alpha-Konfiguration für Bauelemente mit Stirling-Zyklus bezeichnet. Tatsächlich ist die vorliegende Erfindung für Bauelemente mit Stirling-Zyklus von einer Alpha-Konfiguration oder Variationen derselben. Die flüssigkeitsabgedichteten Flügeloszillatoren werden eingebaut, um den Platz der sich hin- und herbewegenden Kolben einzunehmen. Außerdem sind, da sie Mittel zur Wärmezuführung/-abführung über das oben beschriebene Verfahren zum Wärmeaustausch durch direkten Kontakt einbringen, die Erwärmungs- und Abkühlfunktionen tatsächlich in die Oszillatoren selbst eingebaut. Somit werden separate Heizer und Kühler, die beim Stand der Technik notwendig sind, nicht verwendet.
Es werden Optionen für Kolbenantriebe verfügbar gemacht, die sowohl kinematische als auch Freikolben-Maschinen beeinflussen. Der mechanische Leistungsoszillator, derjenige, der mit einer Wellendurchführung versehen ist, kann mit jedem Antriebsverfahren verwendet werden, während der elektrische Leistungsoszillator auf die Verwendung in Freikolben-Bauelementen begrenzt ist.
Im allgemeinen weisen die alpha-konfigurierten Maschinen den Vorteil auf, daß sie die Verschiebungs- und Leistungsoszillatoren ohne direkten Stromleitungspfad zueinander voneinander entfernt halten, so daß thermische Stromleitungsverluste, mit denen die sogenannten Beta- und Gamma-Konfigurationen behaftet sind, vermieden werden. Die Alpha-Konfiguration weist, wenn sie auf Freikolben-Bauelemente angewendet wird, den Nachteil auf, daß sie möglicherweise nicht selbstoszillierend mit einer von der Last unabhängigen Betriebsfrequenz ist. Vielleicht waren aus diesem Grund andere Freikolben- Bauelemente mit Stirling-Zyklus des Standes der Technik, die W. Beale zugeschrieben werden, in der sogenannten Beta-Konfiguration.
Bei einer elektrisch betriebenen Abkühlungs/Erwärmungs-Freikolbenpumpe sind freie Oszillationen naturgemäß nicht erforderlich. Daher ist die einfache Alpha-Konfiguration in diesem Fall definitiv bevorzugt. Noch besser wird hier, um den thermodynamischen Raum aufs vollste auszunutzen, unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Oszillatoren zweifach wirkend sind, eine zweifach wirkende Alpha-Konfiguration offenbart, die einen Satz von zwei Regeneratoren verwendet. Diese Konfiguration ist in Fig. 10 gezeigt, in welcher der Leistungsoszillator (217) und der Verschiebungsoszillator (218) über bidirektionale Regeneratoren (219) und (219') verbunden sind. Es sind externe Wärmetauscher für Wärmeabsorption (220) und -abführung (221) vorgesehen. Das Wärmeübertragungsfluid wird mittels Pumpen (222) und (223) gepumpt. Der Leistungsoszillator (217) vom mechanischen Typ ist mit einem Antriebsmotor (224) über eine Grashof-Kette (225) verbunden. Die letztere überträgt die Achsrotation mit konstanter Geschwindigkeit des Motors (224) in eine harmonisch variierende Pendelbewegung an der Achse des Leistungsoszillators (217). Der Verschiebungsoszillator (218) wird über den pulsierenden Druck angetrieben, der ihm über die Regeneratoren vermittelt wird.
Als eine Abkühlungs/Erwärmungspumpe ist die Temperatur TH höher als die Temperatur TK. Wird das Bauelement stattdessen als eine Wärmekraftmaschine betrieben, dann ist TK> TH, und naturgemäß wird der Motor (222) dann für einen Generator eingesetzt. Da eine freie Oszillation in diesem Fall eine Frequenzabhängigkeit von der Last aufweist, kann eine kinetische Verbindung der jeweiligen Oszillatoren wünschenswert sein, um dieses nachteilige Merkmal zu überwinden. Gemäß einer Vorgehensweise wird dies durch Koppeln der Wellen der Oszillatoren über Getrieberäder (in Fig. 10 nicht gezeigt) bewirkt.
Es wurde zuvor erwähnt, daß die einfache Alpha-Konfiguration in einem Freikolben- Bauelement unerwünschte dynamische Eigenschaften haben kann. Der Erfinder hat mittels Durchführung einer dynamischen Analyse festgestellt, daß eine Zweifach-Alpha- Freikolbenkonfiguration positiv selbstoszillierend ist.
Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Leistungsoszillator beinhaltet, dessen zwei Druckkammern über Regeneratoren mit einer Druckkammer von zwei Verschiebungsoszillatoren verbunden sind, deren andere Druckkammer geschlossen ist und daher zu einer Rückprallkammer wird. Die Regeneratoren sind bidirektionale Regeneratoren. Das Bauelement kann in verschiedenen Betriebsarten verwendet werden, zum Beispiel:
A - Reine Generatorbetriebsart mit den Temperaturbedingungen TH1 > TK und TH2 > TK;
B - Koerzeugungs-Betriebsart mit Abkühlungs- und Elektrizitätserzeugung, TH1 > TK > TH2;
C - reine Wärmepumpen- oder Abkühlungs-Betriebsart, TK > TH1 und TK > TH2.
Bezugnehmend auf Fig. 6 sind die zwei Druckkammern des zweifach wirkenden Leistungsoszillators (70) gemäß der vorliegenden Erfindung oder einem äquivalenten des Fachgebiets mit jeder Seite über zwei separate Regeneratoren (72) und (73) mit zwei separaten Verschiebungsoszillatoren (71) und (69) gemäß der vorliegenden Erfindung oder äquivalenten des Fachgebiets verbunden. Eine Druckkammer (74a) des Oszillators (70) ist mit einer Druckkammer (75b) des Oszillators (69) verbunden, dessen andere Druckkammer (75a) geschlossen ist und eine Rückprallkammer wird. Die Druckkammer (74b) des Oszillators (70) ist mit einer Druckkammer (76a) des Oszillators (71) verbunden, dessen andere Druckkammer (76b) geschlossen ist und eine Rückprallkammer wird. Um freie Oszillationen in dieser Konfiguration zu erzielen, ist es wesentlich, daß die dynamischen Eigenschaften der jeweiligen Verschiebungsoszillatoren im wesentlichen die gleichen sind. Dann kann die natürliche Frequenz als ω = (a1 BBUOY + a&sub2; P0)1/2 geschrieben werden, wobei BBUOY vorstehend definiert wurde und P&sub0; der belastende Druck ist. Üblicherweise dominiert der zweite Term, somit ist die natürliche Frequenz proportional zur Quadratwurzel des belastenden Drucks. Es ist außerdem erkennbar, daß, wenn der belastende Druck gering ist, ein negativer Wert für die Größe BBUOY das Argument der Quadratwurzel negativ machen kann. So wäre die Konfiguration wiederum nicht selbstoszillierend. Dies verstärkt die zuvor erwähnte Erfordernis eines statischen Rotationsgleichgewichts.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Leistungsoszillator (70) durch einen Verschiebungsoszillator ersetzt werden, wobei die übrigen Teile des Bauelements die gleichen sind. Diese Ausführungsform kann nur in der Abkühlungsbetriebsart arbeiten.
Es ist offensichtlich, daß die Zweifach-Alpha-Konfiguration nur ein Spezialfall einer zweifach wirkenden Oszillatoranordnung ist, die mehrere Oszillatoren in einer offenen oder geschlossenen Kette einbaut. Das Kettenkonzept wurde zuvor von Herra Rinia von den Philips Research Laboratories in den Niederlanden vorgeschlagen, jedoch einzig als Anwendung auf kinematische Maschinen unter Verwendung herkömmlicher zweifach wirkender Kolbenoszillatoren. Die Rinia-Anordnung wurde nach dem Wissen des Erfinders nie auf Freikolben-Bauelemente angewendet und sicher nicht auf Bauelemente, welche die vorliegenden flüssigkeitsabgedichteten Flügeloszillatoren verwenden. Der eigentliche Wert der Kettenanordnung besteht darin, daß sie eine Wärmezuführung und -abführung mit großen differentiellen Temperaturen ermöglicht, auch wenn Expansions- und Kompressionsprozesse nahezu isotherm sind. Dies erleichtert eine Anpassung des Stirling-Zyklus, tatsächlich weisen viele Zyklen verschieden hohe und tiefe Temperaturen auf, an die Wärmequelle/-senke, die in ihrer Natur nicht isotherm sind. Es resultieren geringere Energieverluste beim Wärmeaustausch von und zu den Zyklen, und die Pumpleistung, die in Wärmetransportkreisen aufgewendet wird, wird reduziert. Des weiteren besteht, wenn die Kette geschlossen ist, kein Bedarf an sogenannten Rückprallräumen, deren einziger Zweck darin besteht, Gasfedern in Freikolben-Bauelementen bereitzustellen. Dies erhöht selbstverständlich die Nutzbarkeit des thermodynamischen Raums, und mit den Gasfedern verknüpfte Gashystereseverluste werden positiv entfernt.
Fig. 9 zeigt eine zweifache Alpha-Anordnung mit einem zusätzlichen Satz von einem Oszillator mit umgebenden Regeneratoren (209 bis 209"'), die zur Bildung einer geschlossenen Kette zusammengestellt sind. Die Konfiguration wird hier als doppelt wirkende Zweifach-Alpha-Konfiguration bezeichnet. In der Wärmekraftmaschinen- Betriebsart wird den zwei entgegengesetzt liegenden Verschiebungsoszillatoren (208) und (208"), die hohe Temperaturen TH1 beziehungsweise TH2 annehmen, wobei TH1> TH2, Wärme zugeführt, wenn extern erwärmtes Wärmeübertragungsfluid dieselben in Serie durchquert und seine merkliche Wärme abgibt. Von der Wärmekraftmaschine wird Wärme von den Oszillatoren (208') und (205), die Temperaturen TK1 beziehungsweise TK2 annehmen, wobei TK1> TK2, abgegeben, wenn extern abgekühltes Wärmeübertragungsfluid dieselbe in Serie durchquert und merkliche Wärme absorbiert. Wenigstens einer des letzteren Satzes von Oszillatoren, z.B. Oszillator (205), dient als ein Leistungsoszillator. Es wird hier angegeben, daß er von der Version mit einer mechanischen Welle ist, deren harmonisch variierende Pendelbewegung über eine Grashof-Kette (206) auf einen Generator (207) mit konstanter Geschwindigkeit übertragen wird.
Eine Verwendung der Zweifach-Alpha-Konfiguration für ein thermisch angetriebenes Kühl-/Klimagerät impliziert, daß alle Oszillatoren Verschiebungsoszillatoren sein können, die integrierte Leistungs- und Abkühlungszyklen ausführen. Bei der Temperatur TH1 wird Wärme zugeführt und über die Wärmeabgabetemperaturen TK1 und TK2 angehoben. Bei einer Temperatur TH2 unter Umgebungstemperatur wird Wärme absorbiert. Unter der Annahme, daß die Wärmequelle ein Solarkollektor ist, kann es nützlich sein, zu Zeiten, wenn Sonnenenergie nicht zur Verfügung steht, auf ein elektrisch angetriebenes System zu wechseln. Es ist dann günstig, wenn einer der Wärmeabgabeoszillatoren in zwei alternativen Betriebsarten betrieben wird, d.h. normalerweise als ein Verschiebungsoszillator, wenn die Wärmequelle zur Verfügung steht, und zu anderen Zeiten als ein Leistungsoszillator. So kann der bezeichnete Leistungsoszillator (205) je nach Fall relativ zu dem Antriebsmotor geeignet ein- und ausgekuppelt werden. Man beachte, daß der Generator (207) in Fig. 9 nun als Motor mit elektrischer Leistungseinspeisung dient.
Bei den obigen Bauelementen mit Stirling-Zyklen sind Expansions/Kompressionsprozesse außer in den Rückprallräumen in Übereinstimmung mit dem idealen thermodynamischen Stirling-Zyklus nahezu isotherm. Dies ist jedoch bei den Bauelementen mit Stirling-Zyklus des Standes der Technik, die selbstverständlich nicht unendlich große interne Wärmetauscher verwenden können und bei denen es weit wahrscheinlicher ist, daß die Arbeitsräume adiabatischen Bedingungen nahekommen, nicht wirklich der Fall. Mit der Einbringung des mit den vorliegenden Leistungs- und Verschiebungsoszillatoren verknüpften Merkmals eines Wärmeaustauschs durch direkten Kontakt können die Arbeitsräume einschließlich der Rückprallräume vermutlich tatsächlich der idealen isothermen Bedingung nahekommen. Dies ist nicht nur für die Erzeugung einer an sich gesagt hohen thermodynamischen Effizienz wichtig, sondern es minimiert auch die erforderliche Temperaturdifferenz zwischen der externen Wärmeqelle/-senke relativ zu den tatsächlichen Temperaturgrenzen des thermodynamischen Zyklus. Letzteres impliziert, daß die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke für die Erzielung einer gewünschten Effizienz relativ kleiner sein kann. Somit können Solarenergie und Abwärme mit einer relativ gering über diejenige der Umgebung angehobenen Temperatur bei nicht unerheblichen Eiffizienzen möglicherweise ausgenutzt werden, wo dies bislang nicht als praktisch oder durchführbar angesehen wurde, z.B. wurde wirtschaftliche solarbetriebene Kühlung bis heute als ein schwer erreichbares Ziel angesehen.
Selbstverständlich können die vorliegenden Konfigurationen mit Stirling-Zyklus unter der Annahme einer relativ großen Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und -senke auch normale zweifach wirkende Verschiebungs- und Leistungskolben mit internen Wärmetauschern anstelle der vorliegenden Oszillatoren verwenden. Sie wären jedoch wahrscheinlich, auch aus den vielen anderen, früher ausgeführten Gründen, nicht so effizient, und außerdem können interne und externe Wärmetauscher ziemlich raumverbrauchend werden.
Im allgemeinen ist es für eine Abkühlungs/Erwärmungspumpe mit Stirling-Zyklus, um einen dem theoretische Ideal nahekommenden Kühlmaschinen-Wirkungsgrad zu erzielen, neben anderen Dingen erforderlich, daß der Druckamplitudenfaktor C (in p = p&sub0;(1+C sinνt) ziemlich groß ist, z.B. um 0,5 für eine Regeneratoreffektivität von bereits bis 98% (eine üblicherweise geforderte Effektivität). Wenngleich derartige hohe Druckamplitudenfaktoren in der Praxis erzielbar sind, können die linearisierten dynamischen und thermodynamischen Modelle, die zu ihrer Analyse verwendet werden, ungültig werden. Andererseits sind Ericsson-Zyklen nicht so empfindlich für das Druckverhältnis wie die Effektivität von regenerativen Wärmetauschern. Die vorliegende Erfindung stellt in einem weiteren Aspekt derselben, der in Fig. 7 dargestellt ist, eine Abkühlungs/Erwärmungspumpe mit Ericsson-Zykus bereit, die einen Verschiebungsoszillator (80) und einen Leistungsoszillator (81) im wesentlichen in einer Alpha-Konfiguration verwendet. In diesem Fall sind die Oszillatoren Netto-Fluidflußbauelemente (im Gegensatz zu den vorigen Bauelementen mit Stirling- Zyklus). Induktions- und Zufuhrventile (82) beziehungsweise (83) sind an einer Druckkammer des Leistungsoszillators (81) angebracht (wobei die andere ein Rückprallraum ist), was ihn effektiv zu einem einfach wirkenden Kompressor macht. Die Induktionsund Zufuhrgasleitungen gehören über einen regenerativen Wärmetauscher (84) zu einer Druckkammer des Verschiebungsoszillators (80) (wobei die andere ein Rückprallraum ist). Diese Anordnung erlaubt eine isotherme Kompression bei der hohen Temperatur TK des Zyklus (oberhalb der Umgebungstemperatur) und eine konstante Hochdruckzuführng über die Hochtemperaturseite des regenerativen Wärmetauschers sowie eine nachfolgende isotherme Expansion bei der niedrigen Temperatur TH des Zyklus (unterhalb der Temperatur des gekühlten Objektes) und eine konstante Niederdruckinduktion über die kalte Seite des regenerativen Wärmetauschers.
Die Verschiebungs- und Leistungsoszillatoren gemäß der Erfindung können auf praktisch jedem Gebiet Anwendung finden, auf dem zweifach wirkende Kolbenbauelemente eingesetzt werden. In vielen Fällen zeigen sie eine bessere Leistungsfähigkeit als jene des Standes der Technik. Das liegt daran, daß viele der üblichen und/oder schwierig zu quantifizierenden Verlustmechanismen entweder völlig fehlen oder besser definiert sind. Verluste, die den Oszillatoren der Erfindung eigen sein können, z.B. Reibungsverluste aufgrund von Hartmann-Fluß, können einer adäquaten theoretischen Abschätzung unterworfen werden. Die Verwendung von Flüssigkeitsabdichtungen anstelle von gasdynamischen Abdichtungen impliziert das Fehlen eines Abdichtungslecks. In thermodynamischen/pneumatischen Bauelementen gibt es keine der sogenannten Abdichtungszusatzerluste, und die Verwendung eines Wärmeaustauschs durch direkten Kontakt nahe isothermer Kompression/Expansion ist erreichbar, was zu einer hohen isothermen Effizienz führt. Vernachlässigbare Gashystereseverluste in Gasfedern (in den Rückprallräumen.) können auftreten, und schwierig zu quantifizierende Gasreibungsverluste in einem sich hin- und herbewegenden Fluß über interne Wärmeaustauschoberflächen hinaus fehlen. Durch die Oszillatoren gemäß der Erfindung können eine noch nie dagewesene Kompaktheit und Volumenleistungsdichte erzielt werden. Die Verwendung von ferromagnetischen Materialien mit geringem Gewicht in den magnetischen Kreisen erlaubt es, auch die Massenleistungsdichte ziemlich hoch zu machen. Des weiteren weisen die externen Flüssigkeit-zu-Flüssigkeit-Wärmetauscher, die in Verbindung mit Wärmeaustausch durch direkten Kontakt verwendet werden, nur einen Bruchteil der Abmessung von entsprechenden Gas-zu-Flüssigkeit-Wärmetauschern auf, die im Stand der Technik verwendet werden. Dies ist von Bedutung, da bei thermodynamischen/pneumatischen Anwendungen externe Wärmetauscher häufig die Gesamtabmessung der Maschinen bestimmen. Der hermetische Abschluß des thermodynamischen Raums erleichtert den Einschluß von Gasen mit niedrigem Atomgewicht, toxischen, radioaktiven und entflammbaren Gasen. Schließlich stellen die vorliegenden Bauelemente niedrige Anforderungen an feine Toleranzen, da die Flüssigkeitsspalte in der Größenordnung von einem Millimeter liegen können.

Claims

1. Mechanischer Leistungsoszillator mit einem stationären Oszillationsraum, der durch einen Sektor eines ringtörmigen Hohlraums mit rechtwinkligem Querschnitt in einer Ebene durch die Achse des Hohlraums und vertikal orientierter Symmetrieebene gebildet ist, wobei der Hohlraum eine Abdichtungsflüssigkeit (14), zwei gegenüberliegende Druckkammern (15a-15b) oben auf dem Oszillator, wobei die Kammern mit dem Außenraum in Verbindnng stehende Anschlüsse besitzen, und einen frei gehaltenen Flügelkörper enthält, der einen kleineren Sektorwinkel einnimmt als der Oszillationshohlraum und dessen Oberfläche (19) in eng passender Beziehung zu der gegenüberliegenden Innenwand (18) des Hohlraums steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (13) in die Abdichtungsfiüssigkeit (14) eingetaucht ist, welche die oberste Fläche des Flügels bedeckt, und daß er mit der Flüssigkeit (14) in den engen Zwischenräumen zwischen dem Flügel (13) und den Hohlraumwänden (11) symmetrisch oszillieren kann, wodurch eine dynamische Flüssigkeitsabdichtung bezüglich den zwei gegenüberliegenden Druckkammern (15a-15b) über den Flügel (13) hinweg bereitgestellt ist.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Oberfläche des Flügels, welcher an die Wand des Oszillationshohlraumes angrenzt und sich an diese angepaßt bewegt, mit bevorzugt bidirektionalen Kerbzähnen (21) versehen ist, um die dynamische Flüssigkeitsabdichtung zu verbessern.

3. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungsflüssigkeit (14) elektrisch leitfähig ist und dadurch, daß er Mittel (29a-29b) zum Anlegen eines magnetischen Feldes über die Abdichtungsflüssigkeit in den Zwischenräumen zwischen dem Flügel und der Innenwand hinweg beinhaltet, wodurch die Abdichtungsflüssigkeit durch den magnetoflüssigkeitsdynamischen Effekt an Ort und Stelle gehalten wird.

4. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (13) vollständig in die Abdichtungsflüssigkeit (14) eingetaucht ist, daß die letztere (14) jedoch den Oszillationsraum nicht vollständig füllt, womit effektiv zwei separate, symmetrische Druckkammern (15a-15b) oberhalb der freien Oberfläche der Flüssigkeit verbleiben, und daß die Druckkammern ein Druckfluid, vorzugsweise ein Edelgas, enthalten.

5. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer zwischen die Abdichtungsflüssigkeit und das Druckfluid eingefügten Pufferflüssigkeit versehen ist.

6. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oszillierende Flügel (13) mit starren Mitteln (17) versehen ist, um ihn in den Oszillatorbehälter (10) zu hängen.

7. Mechanischer Leistungsoszillator nach Anspruch 6, da durch gekennzeichnet, daß er mit einer Welleneinrichtung (11) zum Austausch von mechanischer Leistung mit anderen angetriebenen oder antreibenden Vorrichtungen versehen ist.

8. Leistungsoszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er einen inneren und einen äußeren Ring (41-42) beinhaltet, die als Ringelektroden fungieren, wobei die Abdichtungsflüssigkeit (44) und der Flügel (43) elektrisch leitfähig sind, die durch die Abdichtungsflüssigkeit benetzten lateralen Hohlraumwände bezüglich der Flüssigkeit elektrisch isoliert sind und die Ringelektroden sowie das Druckfluid dielektrisch sind; und daß er des weiteren Mittel zum Anlegen eines statischen Magnetfeldes senkrecht über die radiale Ausdehnung des Flügels (43) hinweg beinhaltet, wodurch die Flügelwände, wenn ein elektrischer Wechselstrom von einer externen Stromquelle an die Elektroden (41-42) angelegt wird, zum Oszillieren veranlaßt werden, und wodurch, wenn Druckpulsationen in den Druckfluidkammern verursacht werden, ein Wechselstrom erzeugt wird, der durch eine externe, an die Elektroden angeschlossene Last geleitet werden kann.

9. Leistungsoszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den elektrischen Strom leitende innere Armatur einchließlich des Flügels (43) und der Elektroden (41-42) aus ferromagnetischem Material bestehen und daß ein externer Flußrückführungspfad ebenfalls aus ferromagnetischem Material vorgesehen ist, wobei alle diese Elemente einen magnetischen Kreis bilden, der lediglich kleine, nicht-ferromagnetische Zwischenräume aufweist, die mit den lateralen Flüssigkeitszwischenräumen zusammenfallen, die zwischen dem Flügel und den lateralen Seitenwänden auftreten.

10. Leistungsoszillator nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß er einen elektrischen Transformator beinhaltet, bei dem die den elektrischen Strom zwischen den Elektroden leitende innere Armatur eine Primärseite aus einer einzelnen Wicklung für den Transtormator bildet, dessen verbindender Fluß toroidal orientiert ist.

11. Mehrstufiger Leistungsoszillator mit einer Anzahl von Oszillatorstufen nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stufen elektrisch in Reihe geschaltet und die Druckkammern der jeweiligen Stufen integriert gebildet sind.

12. Mechanischer Leistungsoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Ausführung von im wesentlichen isothermen Expansions- und /oder Kompressionsprozessen, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Oszillator, einen Wärmetauscher (202) sowie Mittel (201) zum Übertragen von Puffer- oder Abdichtungsflüssigkeit (14) beinhaltet, womit eine von diesen zur Wärmeübertragungsflüssigkeit von dem Flüssigkeitsreservoir des Oszillatorhohlraums zu den jeweiligen Druckkammern (15a-15b) des Oszillators über den Wärmetauscher (202) und bevorzugt über Mittel (204) zum Zerstäuben der Flüssigkeit innerhalb der Kammer wird, zu der sie übertragen wird, und eine innige Vermischung der Flüssigkeit mit dem durch den Oszillator benutzten Druckfluid erzeugt wird.

13. Mechanischer Leistungsoszillator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsflüssigkeit in zwei lokale und gegenüberliegende Kanäle, die in dem doppelseitig gefertigten Flügel vorgesehen sind, abläuft, dann bezüglich Position und Größe zu den Kanälen passende Öffnungen in einer Innennabe und einer mittigen, doppelseitigen, hohlen Achse durchquert, an deren Ende die zwei Flüssigkeitsströme zusammenlaufen und eine optionale Zirkulationspumpe eine ausreichende Druckhöhe erzeugt, um Fließwiderstände in dem stromabwärts gelegenen externen Wärmetauscher, den Injektionsräumen und zugehörigen Sprühdüsen zu überwinden.