PL221044B1 - Silnik magnetohydrodynamiczny z wewnętrznym zasilaniem - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest silnik magnetohydrodynamiczny z wewnętrznym zasilaniem, mający zastosowanie do napędu eksperymentalnych jednostek pływających w akwenach zasolonych, m.in. takich jednostek, które nie powinny powodować zaburzeń otaczającej wody, jak statki i łodzie podwodne. Silnik może być również używany w pracowniach fizycznych do celów badawczych oraz jako środek dydaktyczny, pozwalający wyjaśnić wytwarzanie siły elektromotorycznej w wyniku reakcji chemicznych i siły elektrodynamicznej, działającej na elektrolit.

Dwa znane silniki magnetohydrodynamiczne z wewnętrznym zasilaniem ujawnione są w polskim opisie patentowym nr 169 292. Pierwszy z nich daje postępowy ruch elektrolitu i składa się z dwóch płaskich elektrod wykonanych z metali o różnej pozycji w szeregu elektrochemicznym i umieszczonych poziomo lub pionowo w naczyniu z elektrolitem. Elektrody te połączone są z końcami uzwojenia nawiniętego na karkasie umieszczonym na środkowym ramieniu ferromagnetycznego rdzenia w kształcie litery C. Naczynie z elektrolitem znajduje się między bocznymi ramionami tego rdzenia. Zasada działania znanego silnika polega na tym, że w wyniku kontaktu elektrod z elektrolitem wytwarza się siła elektromotoryczna, powodująca przepływ prądu elektrycznego przez elektrolit, elektrody i uzwojenie. Uzwojenie wytwarza strumień indukcji pola magnetycznego, który przechodzi przez rdzeń i elektrolit. Kierunek wektora indukcji pola jest prostopadły do kierunku przepływu prądu elektrycznego przez elektrolit. W wyniku tego na elektrolit działa siła elektrodynamiczna, wprawiająca go w ruch postępowy.

Drugi silnik magnetohydrodynamiczny z wewnętrznym zasilaniem, ujawniony we wspomnianym opisie patentowym, wytwarza obrotowy ruch elektrolitu i składa się ze szklanego, cylindrycznego, otwartego od góry naczynia, którym umieszczone są współosiowo dwie elektrody wykonane z metali o różnej pozycji w szeregu elektrochemicznym. Jedną z nich stanowi pręt, a drugą cylinder. Obie elektrody zanurzone są w elektrolicie i połączone z końcami uzwojenia nawiniętego na karkasie umieszczonym na środkowym ramieniu rdzenia, którego boczne ramiona mają kierunek poziomy i między nimi znajduje się naczynie z elektrolitem. Zasada działania tej, znanej wersji silnika polega na tym, że w wyniku kontaktu elektrolitu z elektrodami wytwarzana jest siła elektromotoryczna, powodująca przepływ prądu elektrycznego w kierunku radialnym przez elektrolit, a następnie przez elektrody i uzwojenie, które wytwarza strumień indukcji pola magnetycznego przechodzący przez rdzeń i naczynie z elektrolitem. Kierunek wektora indukcji tego pola w elektrolicie jest pionowy, czyli prostopadły do kierunku przepływu prądu elektrycznego przez elektrolit. W wyniku tego na elektrolit działa siła elektrodynamiczna w kierunku obwodowym, powodująca ruch obrotowy elektrolitu.

Inny silnik magnetohydrodynamiczny z wewnętrznym zasilaniem znany jest polskiego opisu patentowego nr 167 056 i składa się ze szklanego, cylindrycznego i otwartego od góry naczynia wypełnionego elektrolitem. W naczyniu zanurzone są dwie współosiowe elektrody w kształcie cylindrów wykonanych z materiałów o różnym położeniu w szeregu elektrochemicznym. Elektrody połączone są z końcami uzwojenia nawiniętego na cylindrycznym karkasie, do którego wstawione zostało naczynie z elektrolitem. Na uzwojenie nałożony jest współosiowy, ferromagnetyczny i również cylindryczny korpus, zaopatrzony w ferromagnetyczne pokrywy z otworami, umożliwiającymi obserwację naczynia. Zasada działania tej znanej wersji silnika jest analogiczna, jak drugiego silnika ujawnionego w cytowanym, polskim opisie patentowym nr 169 292, z tą różnicą, że strumień indukcji pola magnetycznego, wytwarzany przez uzwojenie przechodzi przez cylindryczny korpus i jego pokrywy.

Jeszcze inny silnik magnetohydrodynamiczny z wewnętrznym zasilaniem znany jest z polskiego opisu wzoru użytkowego nr 58 178 i składa się z dwóch płaskich elektrod wykonanych z metali o różnym położeniu w szeregu elektrochemicznym. Elektrody umieszczone są naprzeciw siebie i przymocowane od góry do przewodzącej płyty umieszczonej miedzy nimi, a od dołu do analogicznej płyty izolacyjnej. Między płytami oraz w ich otoczeniu znajduje się elektrolit, zaś po stronie zewnętrznej do każdej z elektrod przymocowane zostały płytowe magnesy trwałe, w taki sposób, że kierunek linii pola magnetycznego, wytwarzanego przez te magnesy jest pionowy. Opisany układ przymocowany został do dolnej części pływaka w kształcie łodzi. Zasada działania tego silnika polega na tym, że w wyniku kontaktu elektrod z elektrolitem wytwarzana jest siła elektromotoryczna, powodująca przepływ prądu elektrycznego przez elektrolit, elektrody i łączącą je metalową płytę. Płytowe magnesy trwałe wytwarzają pole magnetyczne o liniach indukcji w obszarze między elektrodami zwróconych pionowo. W wyniku tego elektrolit, przez który przepływa prąd znajduje się w polu magnetycznym o indukcji prostopadłej do kierunku przepływu prądu, przez co podlega działaniu siły elektrodynamicznej zwróPL 221 044 B1 conej poziomo ku tyłowi pływaka i wzdłuż elektrod. Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona na pływak działa siła reakcji, powodująca jego ruch do przodu.

Także znany silnik magnetohydrodynamiczny z wewnętrznym zasilaniem opisany został w artykule pt. „Self powered magnetohydrodynamic motors”, opublikowanym w czasopiśmie pt. „American Journal of Physics”, nr 1, tom 64, str. 90 w 1996 r. Znany silnik składa się ze szklanego, cylindrycznego i otwartego od góry naczynia, wypełnionego wodnym roztworem kwasu siarkowego. Współosiowo w naczyniu umieszczona jest podstawka zaopatrzona w pionowy pręt zakończony ostrzem. Na ostrzu oparte jest łożysko wirnika, składającego się z poziomej, izolacyjnej tarczy, do której przymocowane są radialnie i odgięte ku dołowi ramiona wykonane z blachy miedzianej albo cynkowej, przy czym naprzeciw ramienia cynkowego znajduje się ramię miedziane. Naczynie umieszczone jest między biegunami magnesu trwałego, wytwarzającego pole magnetyczne o liniach skierowanych pionowo. Zasada działania tego silnika polega na tym, że w miedziane i cynkowe ramiona, kontaktujące się z wodnym roztworem kwasu siarkowego stanowią ogniwo Volty, wytwarzające siłę elektromotoryczną, powodującą przepływ prądu elektrycznego w kierunku radialnym przez ramiona i zawarty między nimi elektrolit. Ponieważ ramiona znajdują się w polu magnetycznym o indukcji skierowanej pionowo i prostopadle do kierunku przepływu prądu, to działa na nie siła elektrodynamiczna skierowana obwodowo i powodująca obrót wirnika.

Również znany silnik magnetohydrodynamiczny z wewnętrznym zasilaniem, tak samo zbudowany i o takiej samej zasadzie działania, jak to zostało podane powyżej jest ujawniony w polskim opisie wzoru użytkowego nr 58 190. Także w cytowanym artykule z czasopisma „American Journal of Physics” ujawniony został silnik magnetohydrodynamiczny z wewnętrznym zasilaniem o takiej samej budowie takiej samej zasadzie działania, jak w przedstawionym polskim opisie wzoru użytkowego nr 58 178.

Cztery znane silniki magnetohydrodynamiczne z wewnętrznym zasilaniem ujawnione są także w artykule pt. „Samozasilające się silniki magnetohydrodynamiczne”, opublikowanym w czasopiśmie pt. „Acta Universitatis Lodziensis, Folia Physica” nr 20, str. 155, w 1997 r. Pierwsze dwa z ujawnionych silników są tak samo zbudowane i działają według takiej samej zasady, jak silniki opisane we wcześniej cytowanym czasopiśmie „American Journal of Physics” i w polskim opisie ochronnym wzoru użytkowego nr 58 178. Trzeci z ujawnionych silników zbudowany jest podobnie, jak silnik znany z cytowanego opisu ochronnego nr 58 178, z tą różnicą, że zamiast magnesów płytowych, umieszczonych na zewnątrz elektrod oraz metalowej i izolacyjnej płyty, ma dwa prostokątne uzwojenia nawinięte w tym samym kierunku na karkasach i umieszczone poziomo między płytami. Jedno z uzwojeń znajduje się w pobliżu górnej, a drugie w pobliżu dolnej krawędzi płyt. Końce uzwojeń połączone są z płytami tak, żeby wszystkie te elementy tworzyły obwód szeregowy. Wewnątrz karkasów uzwojeń umieszczone są prostokątne, ferromagnetyczne rdzenie, a boczne powierzchnie tych rdzeni zostały zwarte ferromagnetycznymi, prostokątnymi płytami umieszczonymi na zewnątrz elektrod. Zasada działania tego silnika jest taka sama, jak silnika znanego z opisu ochronnego wzoru użytkowego nr 58 178, tą różnicą, że pole magnetyczne w obszarze między elektrodami wytwarzane jest przez uzwojenia zasilane prądem dopływającym z elektrod. Czwarty z ujawnionych w tym artykule silników, zbudowany jest podobnie, jak silnik znany z opisu ochronnego wzoru użytkowego nr 58 178, tą różnicą, że zamiast płytowych magnesów na zewnątrz elektrod oraz metalowej i izolacyjnej płyty, ma szereg grubych, miedzianych prętów umieszczonych wzdłuż jednej linii w pobliżu jednego z pionowych boków elektrod i połączonych z nimi galwanicznie. Zasada działania tego silnika jest taka sama, jak silnika znanego z opisu wzoru użytkowego nr 58 178, tą różnicą, że pole magnetyczne w obszarze między płytami wytwarzane jest przez prądy elektryczne, płynące w prętach łączących elektrody.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że silnik magnetohydrodynamiczny z wewnętrznym zasilaniem ma konstrukcję modułową. Każdy moduł ma magnetowód i umieszczany w nim wymienny zespołów płaskich, równoległych elektrod, wykonanych z metali zajmujących różne miejsca w szeregu elektrochemicznym, między którymi oraz na zewnątrz silnika znajduje się elektrolit. W przypadku silników pracujących w akwenach, zawierających wodny roztwór chlorku sodu, elektrody wykonane są korzystnie z miedzi i cynku. Od góry elektrody przymocowane zostały do metalowej przekładki, a od dołu do izolacyjnej przekładki, o takiej samej szerokości. Zewnętrzne powierzchnie zespołu elektrod pokryte są warstwą kwasoodpornej substancji elektroizolacyjnej, korzystnie polietylenu. Zespoły elektrod są złożone w pakiety tak, że płyty wykonane z danego metalu, znajdują się zawsze po tej samej stronie i pakiety te mogą być wsuwane do magnetowodu, złożonego z dwóch magnesów trwałych, korzystnie żelazowo-neodymowo-borowych, w kształcie prostopadłościennych płyt o długości takiej samej, jak długość elektrod magnesy pokryte są warstwą niklu. Kierunek namagnesowania

PL 221 044 B1 magnesów jest wzdłuż ich najmniejszego wymiaru, a magnesy te zorientowano tak, że ich największe powierzchnie są równoległe do siebie i bieguny różnoimienne magnesów zwrócone są ku sobie. Oba magnesy umieszczone są wewnątrz magnetowodu, złożonego z połączonych ze sobą, prostokątnych, ferromagnetycznych płyt, z których dwie przylegają na zewnątrz do największych powierzchni magnesów, a dwie pozostałe przylegają do bocznych powierzchni magnesów. Długość wszystkich płyt jest równa długości elektrod, a płyty wykonane są z materiału magnetycznie miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej, korzystnie z permaloju lub żelaza chemicznie czystego. Zewnętrzne powierzchnie płyt magnetowodu pokryte są warstwą kwasoodpornej substancji elektroizolacyjnej, korzystnie polietylenu. Warstwy izolacyjne zapobiegają przepływowi prądów elektrycznych między zewnętrznymi powierzchniami elektrod oraz magnetowodu i powodują zwiększenie jego natężenia w obszarze między elektrodami, a także chronią elementy silnika przed korozyjnym działaniem elektrolitu.

Moduły silnika magnetohydrodynamicznego z wewnętrznym zasilaniem, łączone są w zestawy, utrzymujące się jako całość ze sobą oraz ze stalowym dnem kadłuba jednostki pływającej, zanurzonej w elektrolicie, dzięki siłom przyciągania magnetowodów za pośrednictwem rozpraszanego przez nie na zewnątrz niewielkiego strumienia magnetycznego, przy czym usytuowanie silników w zestawie powinno być takie, żeby siły ciągów poszczególnych silników miały ten sam zwrot.

Główną zaletą silnika magnetohydrodynamicznego z wewnętrznym zasilaniem według wynalazku jest zwiększenie 5-8 razy jego siły ciągu, przypadającej na jednostkę objętości elektrolitu zawartego w obszarze roboczym między elektrodami, w porównaniu ze znanymi ze stanu techniki rozwiązaniami. Osiągnięte to zostało dzięki wzrostowi wartości indukcji magnetycznej, wytwarzanej przez prostokątny magnetowód w obszarze roboczym. Dzięki zastosowaniu magnetowodu strumień magnetyczny, wytwarzany przez magnesy prawie nie rozprasza się na zewnątrz, lecz koncentruje w płytach, a następnie przechodzi w przestrzeni między elektrodami, przez co wartość indukcji pola magnetycznego w tej przestrzeni ulega zwiększeniu.

Dodatkowymi zaletami silnika według wynalazku są szybka i łatwa wymiana zespołu zużytych elektrod oraz możliwość doboru siły ciągu silnika do wielkości jednostki pływającej. Zalety te uzyskano dzięki modułowej konstrukcji i łączeniu silników w zestawy. Dodatkowymi zaletami są także prosta budowa oraz niezawodność działania, przejawiająca się pracą silnika nawet w przypadku awarii lub zużycia niektórych zespołów elektrod.

Przedmiot wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok z tyłu jednego z modułów silnika magnetohydrodynamicznego z wewnętrznym zasilaniem i podwójnym zespołem elektrod, a fig. 2 pokazuje moduł w przekroju podłużnym płaszczyzną A-A, z kolei fig. 3 przedstawia widok z tyłu zespołu ośmiu modułów tego silnika podwieszonych pod kadłubem jednostki pływającej, natomiast fig. 4 pokazuje zespół modułów w przekroju podłużnym płaszczyzną A-A.

Silnik magnetohydrodynamiczny z wewnętrznym zasilaniem według wynalazku ma konstrukcję modułową, złożoną z magnetowodu i umieszczanych w nim wymiennych zespołów płaskich, równoległych elektrod 1, 2, wykonanych z metali zajmujących różne miejsca w szeregu elektrochemicznym, między którymi oraz na zewnątrz silnika znajduje się elektrolit 3. W przypadku silników pracujących w akwenach, zawierających wodny roztwór chlorku sodu NaCl, elektrody wykonane są korzystnie z miedzi i cynku. Od góry elektrody przymocowane zostały do metalowej przekładki 4, a od dołu do izolacyjnej przekładki 5, o takiej samej szerokości. Zewnętrzne powierzchnie zespołu elektrod pokryte są warstwą kwasoodpornej substancji elektroizolacyjnej 6, korzystnie polietylenu. Opisane zespoły elektrod mogą być składane w pakiety tak, żeby płyty wykonane z danego metalu, np. miedzi, znajdowały się zawsze po tej samej stronie i pakiety te mogą być wsuwane do magnetowodu, złożonego z dwóch magnesów trwałych 7, 8, korzystnie żelazowo-neodymowo-borowych, w kształcie prostopadłościennych płyt o długości takiej samej, jak długość elektrod 1, 2 i magnesy są pokryte warstwą niklu. Kierunek namagnesowania magnesów 7, 8 jest wzdłuż ich najmniejszego wymiaru, a magnesy te zorientowano tak, że ich największe powierzchnie są równoległe do siebie i bieguny różnoimienne N, S magnesów zwrócone są ku sobie. Oba magnesy 7, 8 umieszczone są wewnątrz magnetowodu, złożonego z połączonych ze sobą prostokątnych, ferromagnetycznych płyt, z których dwie 9, 10 przylegają na zewnątrz do największych powierzchni magnesów 7, 8, a dwie pozostałe 11, 12 przylegają do bocznych powierzchni magnesów 7, 8. Długość wszystkich płyt jest równa długości elektrod 1, 2, a płyty wykonane są z materiału magnetycznie miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej, korzystnie z permaloju lub żelaza chemicznie czystego. Zewnętrzne powierzchnie płyt magnetowodu pokryte są warstwą kwasoodpornej substancji elektroizolacyjnej 13, korzystnie polietylenu. Warstwy

PL 221 044 B1 izolacyjne 6 i 13 zapobiegają przepływowi prądów elektrycznych między zewnętrznymi powierzchniami elektrod oraz magnetowodu i powodują zwiększenie jego natężenia w obszarze między elektrodami 1, 2, a także chronią elementy silnika przed korozyjnym działaniem elektrolitu 3. Opisane moduły silnika magnetohydrodynamicznego z wewnętrznym zasilaniem 14, łączone są w zestawy, utrzymujące się jako całość ze sobą oraz ze stalowym dnem kadłuba jednostki pływającej 15, zanurzonej w elektrolicie 3, dzięki siłom przyciągania magnetowodów za pośrednictwem rozpraszanego przez nie na zewnątrz niewielkiego strumienia magnetycznego, przy czym usytuowanie silników w zestawie powinno być takie, żeby siły ciągów FN poszczególnych silników miały ten sam zwrot. W ten sposób zwiększa się siłę ciągu FN w zależności od wielkości jednostki pływającej.

Zasada działania silnika magnetohydrodynamicznego z wewnętrznym zasilaniem według wynalazku polega na tym, że w wyniku kontaktu elektrod 1, 2, wykonanych z metali, zajmujących różne miejsca w szeregu elektrochemicznym z elektrolitem 3, wytwarza się siła elektromotoryczna pod wpływem, której następuje przepływ prądu elektrycznego o natężeniu I przez elektrolit 3 zawarty między elektrodami oraz elektrodę 1, metalową przekładkę 4 i elektrodę 2. Ponieważ elektrolit 3 z przepływającym w nim prądem znajduje się polu magnetycznym o indukcji B skierowanej prostopadle do kierunku tego przepływu, to na elektrolit działa siła elektrodynamiczna F0 wypychająca go ku tyłowi jednostki pływającej. W tej sytuacji, zgodnie z trzecią zasadą dynamiki, na zestaw silników 14 i połączoną z nim jednostkę pływającą 15, działa siła napędowa FN, która ma taki sam kierunek i wartość, jak siła F0, ale jest przeciwnie zwrócona do F0, przez co powoduje ruch jednostki pływającej 15 do przodu.

Dzięki zastosowaniu magnetowodu strumień magnetyczny wytwarzany przez magnesy 7, 8 prawie nie rozprasza się na zewnątrz, lecz koncentruje w płytach, a następnie przechodzi w przestrzeni między elektrodami 1, 2, przez co wartość indukcji pola magnetycznego B w tej przestrzeni ulega zwiększeniu.

Claims (3)

1. Silnik magnetohydrodynamiczny z wewnętrznym zasilaniem posiadający elektrody wykonane z metali o różnej pozycji w szeregu elektrochemicznym, znamienny tym, że ma konstrukcję modułową, przy czym każdy z modułów (14) ma magnetowód i umieszczane w nim wymienne zespoły płaskich, równoległych elektrod (1, 2) wykonanych z metali zajmujących różne miejsca w szeregu elektrochemicznym, korzystnie miedzi i cynku, między którymi oraz na zewnątrz silnika znajduje się elektrolit (3), przy czym od góry elektrody (1, 2) przymocowane są do metalowej przekładki (4), a od dołu do izolacyjnej przekładki (5) o takiej samej szerokości, zaś zewnętrzne powierzchnie zespołu elektrod (1, 2) pokryte są warstwą kwasoodpornej substancji elektroizolacyjnej (6), korzystnie polietylenu.

2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że zespoły elektrod (1, 2) są składane w pakiety tak, żeby płyty wykonane z danego metalu, znajdowały się zawsze po tej samej stronie i pakiety te umieszczone są suwliwie w magnetowodzie złożonym z dwóch magnesów trwałych (7, 8), korzystnie żelazowo-neodymowo-borowych, w kształcie prostopadłościennych płyt o długości takiej samej, jak długość elektrod (1, 2) i magnesy są pokryte warstwą niklu, zaś kierunek namagnesowania magnesów (7, 8) jest wzdłuż ich najmniejszego wymiaru, a magnesy te zorientowano tak, że ich największe powierzchnie są równoległe do siebie i bieguny różnoimienne (N, S) magnesów (7, 8) zwrócone są ku sobie, przy czym oba magnesy (7, 8) umieszczone są wewnątrz magnetowodu, złożonego z połączonych ze sobą bez szczelin powietrznych, prostokątnych, ferromagnetycznych płyt, z których dwie (9, 10) przylegają na zewnątrz do największych powierzchni magnesów (7, 8), a dwie pozostałe (11, 12) przylegają do bocznych powierzchni magnesów (7, 8) zaś długość wszystkich płyt (9, 10, 11, 12) jest równa długości elektrod (1, 2), a płyty wykonane są z materiału magnetycznie miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej, korzystnie z permaloju lub żelaza chemicznie czystego, zaś zewnętrzne powierzchnie płyt (9, 10, 11, 12) magnetowodu pokryte są warstwą kwasoodpornej substancji elektroizolacyjnej (13), korzystnie polietylenu.

3. Silnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że moduły (14) silnika magnetohydrodynamicznego z wewnętrznym zasilaniem łączone są w zestawy, utrzymujące się jako całość ze sobą oraz ze stalowym dnem kadłuba jednostki pływającej (15), zanurzonej w elektrolicie (3), dzięki siłom przyciągania magnetowodów za pośrednictwem rozpraszanego przez nie na zewnątrz niewielkiego strumienia magnetycznego, przy czym usytuowanie silników w zestawie jest takie, żeby siły ciągów FN poszczególnych silników miały ten sam zwrot.