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Durch eine Quecksilberlegierung gekühltes Ventil-Die Erfindung betrifft
ein durch eine Quecksilberlegierung gekühltes Ventil, insbesondere für Brennkraftmaschinen,
oder einen ähnlichen hin und her gehendgn hohlen metallischen Bauteil.
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Es ist bereits bekannt, Kalium, Lithium oder Natrium oder ;ein Gemenge
(Legierungen) dieser Metalle zur Kühltmg von Ventilen zu benutzen. Diese Stoffe
besitzen eine verhältnismäßig hohe Schmelztemperatur, so daß sie k. festem Zustand
:eingefüllt werden müssen, während sie zu ihrer Wirksamkeit als Kühlflüssigkeit
im Ventil im Betrieb hoch erhitzt werden müssen. Ferner wurde schon eine kleine
Menge Quecksilber als Kühlmittel für ein hohles Velntil vorgeschlagen, wobei das
Quecksilber im Betrieb am heißen Ventilkopf verdampft und längs des Ventilschaftes
in der Kühlwirkung rund Wärmeübertragung kondensiert. Dabei ist zur Erhöhung der
mechanischen Berührung des Quecksilbers mit dem Ventilschaft die Innenfläche der
Ventilhöhlung mit einem Amalgam, zweck= mäßig Eisenamalgam, überzogen. Zur Leistungssteigerung
seines Quecksilberdampfkessels wurde ,auch der Zusatz von i/4% Natrium oder Kalium
zum Quecksilber angeregt. Gemäß der Erfindung enthält die Quecksilbierlegierung
mehr ,als 3o Hundertteile eines Alkalimetalls, insbesondere Natrium, so daß sie
vom Schmelzpunkt (bei :etwa 2¢° C) ab bis etwa rooo° C ,eine stabile Flüssigkeit,
;nur wenige Male schwerer als Wasser, ist. Hierdurch ist ,ein Kühlmittel geschaffen,
das einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt und einen sehr hohen Verdampfungspunkt
besitzt und weiterhin .die Eigenschaft der Benetzung von Stahl und eines leichten
Gewichtes -aufweist. Weiterhin läßt sich das Kühlmittel wegen seiInes niedrigen
Schmelzpunktes leicht @n das Ventil einfüllen.
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Die Erfindung ist bei Auspuffventilen und anderen Arbeitsteilen, wie
z. B. Kolben, von Brennkr,aftmaschinen uAgl. oder bei einem sonstigen heißen Arbeitsteil,
bei welchem eine wirksame, Wärmeüb,ertra-gung erwünscht ist, anwendbar: Dabei ist
die das Kühlmittel enthaltende :geschlossene Kammer im Ventil oder Arbeitsteil teilweise
mit einer Legierung aus Quecksilber -und Natrium gefüllt, bei welchem die Gqn"dchtsanteile
vorzugsweise etwa 6o % Quecksilber und 4o % Natrium betragen. Die verwendete Menge
ist so groß, daß sie ,annähernd 6o oder 70 Räumteile der ge=
samten
Kammer .des Ventils oder Arbeitsteils füllt. Die Wärme wird rasch von einem Abschnitt,
z. B. vom Kopf des Ventils; zu einem anderen kühleren Abschnitt, z. B. Schaftteil.,-'.'
durch den turbulenten .oder heftigen Umleü .. des Kühlmittels in. flüssigem Zustande
üb41 tragen, wenn das Ventil oder der Arbeitsteil. rasch hin und her geht und dabei
das Kühlmittel von deinem Ende der Kammer zum anderen schludert.
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Quecksilber allein ist kein zufriedenstellendes Kühlmittel für Auslaßventile
u. dgl. von Brennkraftmaschinen, welche bei hohen Temperaturen von mehreren hundert
Grad Celsius arbeiten, da Quecksilber einen verhältnismäßig ;niedrigen Verdampftmgspunkt
besitzt und hohe Drücke bei hohen Arbeitstemperaturen erzeugt. Fernerhin hat Quecksilber
nicht die Eigenschaft, Eisen oder Stahl zu benetzen und daran zu,hafben. Ein anderer
Nachbeil von Quecksilber ist sein ungewöhnlich hohes spezifisches Gewicht. Natrium
allein arbeitet unter gewissen Bedingungen, wenn es als Kühlmittel verwendet wird,
ganz zufriedenstellend, ist aber ,als Flüssigkeit ziemlich träge, schnva:erig zu
behandeln und besitzt einen Schmelzpunkt, der ganz beträchtlich oberhalb der gewöhnlichen
Zimmertemperaturen liegt.
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Die Natrium-Quecksilber-Legierung der Erfindung ist .ein außerordentlich
zufriedenstellendes Kühlmittel für die Verwendung bei Auspuffventilen u. dgl. von
Brennkraftmaschinen. Sie besitzt den niedrigen Schmelzpunkt von ;etwa 2q.° C, der
je hach dem verwendeten Quecksilberanteil verhältnismäßig gering schwankt, sowie
einen sehr hohen Verdampfungspunkt weit oberhalb der manchmal bei :etwa 427 bis
87i° C liegenden Arbeitstemperatur der heißen Teile vorn Ventilen bei Brennkraftmaschinen.
Daher ist ein sehr weiter Arbeitsbereich von etwa 2q.° C bis zu oberhalb 1o38° C
möglich, so daß ein das Kühlmittel enthaltender Teil unter den Arbeitsbedingungen
nicht durch entstehende innere hohe Drücke- gesprengt oder verformt wird. Schon
bei sehr ;niedrigen Arbeitstemperaturen beginnt eine Wärmnefortleitung, da das Kühlmittel
bei gewöhnlich warmen Zimmertemperaturen Beine Flüssigkeit ist und in dem geschlossenen
Raum des Ventils einen Umlauf vom wärmeren zum kühleren Teil vollführt. Da die Legierung
bei gewöhnlichen Temperaturen eine Flüssigkeit ist, kann sie leicht bei .der Füllung
von Ventilen u. dgl. gehandhabt werden.
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Diese Legierung ist schnellfließend und wirksam bei der Wärmeübertragung,
von den heißen Abschnitten zu den kalten Abschnitten des Behälterteils arbeitend.
Sie besitzt ferner die Fähigkeit, die Stahlfläche zu benetzen oder an ihr zu haften
und arbeitet daher wirksam als Wärmeleiter in inniger Wärmeberührung mit den Wänden
des Ven-Als- oder sonstigen Behälterteils.
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'#e Legierung hat ferner ein verhältnis-#äßi bge niedriges spezifisches
Gewicht und er-,höht daher nicht übermäßig das Gewicht des Ventils oder sonstigen
sich rasch bewegenden Teils, bei welchem leichtes Gewicht erwünscht ist. Das spezifische
Gewicht von Quecksilber ist zwar größer als 13, aber das Natrium ist leichter als
Wasser, und die Verbindung, bei welcher etwa zehnmal so viel Natriumraumteile vorhanden
sind ,als Quecksilber, schafft eine Flüssigkeit, die nur wenige Male schwerer .als
Wasser ist. Das spezifische Gewicht ein-er Legierung, bei welcher 4.o Gewichtsprozent
Natrium und 6o Gewichtsprozent Quecksilber vorhanden sind, liegt nur etwas über
2. Diese Legierung ist zwar etwas schwerer als die gleiche Menge Natrium allein,
aber ein gefülltes Auspuffventil würde wenig schwerer sein als ein mit Natrium gefülltes
Ventil.
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Die Legierung ist eine stabile Flüssigkeit, deren Eigenschaften sich
von denen seiner beiden. Bestandteile unterscheiden. Die Flüssigkeit zersefzt sich
oder zerfällt nicht unter Arbeits- oder Betriebstemperaturen, so daß sie selbst
und ihr Quecksilberbestandteil nicht abwechselnd verdampfen und kondensieren. Ferner
kann sie von Zixmnertemperatur auf etwa 87"C oder 982°C erhitzt werden, ohne daß
wesentliche innere Drücke erzeugt werden, die ein Ventil oder einen sonstigen Behälterteil
verformen würden. Sie wird auch nicht davon be:einflußt, ,daß sie hohen T,emperaturen
während- langer Zeit unterworfen ist. Ein die erwähnte Quecksilber-Natrium-Legierung
enthaltendes Ventil wurde z. B. q.oo Stunden lang einer Temperatur von etwa 76o'
C unterworfen, und es wurde dann festgestellt, .daß die ausgegossene Legierung im
wesentlichen sich in gleichem Zustande befand wie zur Zeit der Einfüllung.
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Die Legierung kann leicht gehandhabt werden. Die richtigen Mengen
von gewöhnlichem Natrium und Quecksilber können in ein Gefäß gebracht werden, das
mit Stickstoffgas überflutet werden kann. Das Gefäß kann dann auf etwa 93° C erwärmt
werden, wobei sich Natrium und Quecksilber unter Entwicklung beträchtlicher Wärme
verbinden. Das Ergebnis dieser Erwärmung ist die Bildung der gewünschten flüssigen
Legierung mit einer gewissen Menge von Satz oder Schlacke, die leichtentfernt werden
kann. Die flüssige Legierung kaain . dann mit Rohren unter Luftabschlüß ,abgezogen
und in einen Behälter gebracht werden, aus welchem sie unmittelbar in die Ventile
eingefüllt werden kann.
Es ist selbstverständlich, daß die Stoffe
bis zum Einbringen in das Gefäß für ihre Verbinduing sorgfältig verwahrt werden,
das Natrium muß zur Verhinderung des Zerfalles, sich bis zum Verwendungszeitpunkt
in einer' geeigneten Flüssigkeit, wie z. B. Petroleum, befinden. m Legierungen von
Natrium und Quecksilber, in denen Natrium im wesentlichen in Anteilen über 500/0
oder weniger als 35% enthalten ist, ergeben kein zufriedenstellendes Kühlmittel.
Wenn die Natriummenge nur etwa 2% des Gewichtes der Mischung beträgt, dann ist diese
Mischung außerordentlich schwer und hat einen so niedrigen Verdampfungspunkt, daß
bei einer Einfüllung bis etwa zur Hälfte der Ventilhöhlung bei etwa 815° Ceine Verformung
eintritt und bei etwa 982° C eine Zerstörung des Ventils eintritt, wie durch Versuch
festgestellt worden ist. Ist Natrium in Mengen 'von etwa 15 Gewichtsprozent vorhanden,
dann liegt der Schmelzpunkt der Legierung weit .oberhalb 93° C, und ihr Gewicht
liegt hoch. Bei einer Zusammensetzung der Legierung aus 40 bis 45 Gawichtshundertteilen
Natrium. mit dem Rest Quecksilber liegt jedoch der Schmelzpunkt bei- etwa 24° C,
wobei der gereue Schmelzpunkt eintspnechend dem verwendeten genauen Quecksilberanteil
schwankt, während der Verdampfungspunkt sehr hoch ist. Dieser Schmelzpunkt ist für
eine zufriedenstelllende Wirkung und Handhabung der Legierung tief genug, selbst
wenn die Natriummenge 35 oder 5o Gewichtshundertteile beträgt. Wenn aber in der
Legierung weniger .als etwa 35% oder mehr ,als 5o % Natrium @enthalten ist, dann
erhöht sich der Schmelzpunkt des Gemisches ganz beträchtlich. Es wird daher vorgezogen,
die Natriummenge annähernd im Bereich von 4o bis 45 % des Gesamtgewichtes ` zu halten,
da :dieser Bereich eine sog. eutektische Verbindung ergibt, die einen sehr niedrigen
Schmelzpunkt hat ,und auch über einen sehr `weiten Temperaturbereich, selbst bis
zu Temperaturen über 1o38° C, stabil flüssig bleibt, ohne freies Quecksilber freizugeben,
das im geschlossenen Hohlraum des Körpers, z. B. des Auspuffventils, Drücke exzeugen
würde.
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Obgleich Natrium vorzugsweise als Bestandteil der Quecksilberlegierung
für den angegebenen Zweck verwendet wird, können doch .auch andere Metalle .der
Alkalimexallgruppe, wie, z. B. Kalium oder Lithium, zusammen mit Quecksilber benutzt
werden, um ein zufriedenstellendes Kühlmittel zu erhalten, wenn diese Stoffe mit
Quecksilber in solchen Anteilen vereinigt werden, daß eine eutektische Legierung
gebildet wird.