-
Elektromagnetische Pumpe für eine elektrisch leitende Flüssigkeit
Die Erfindung betrifft elektromagnetische Pumpen zur Förderung elektrisch leitender
Flüssigkeiten von der Art, bei denen der Pumpvorgang durch die direkte Wechselwirkung
eines magnetischen Flusses und eines durch die zu fördernde elektrisch leitende
Flüssigkeit hindurchfließenden elektrischen Stromes bewirkt wird.
-
Das mit einem stromführenden Leiter verbundene Magnetfeld verursacht
eine stromaufwärts gerichtete Verschiebung im Magnetfeld gegen den Pumpen= oder
Kanaleinlaß hin. Auch führt die strömende, einen Leiter darstellende leitende Flüssigkeit
dazu, daß der elektrische Strom stromabwärts gegen den Pumpenausgang hin konzentriert
wird. Dies zerstört weiterhin die gewünschte gleichmäßige Verteilung des magnetischen
Flusses und des elektrischen Stromes, die aufeinander einwirken. Dieser als Ankerrückwirkung
bekannte Effekt führt zu einer starken Schwächung der Pumpwirkung. Auch ist der
mit einer solchen Einwegpumpe zu erhaltende Druck begrenzt.
-
Um den Pumpenwirkungsgrad zu verbessern und höhere Drücke zu erhalten,
wurden Zentrifugalpumpen entwickelt. Bei einer bekannten Pumpe dieser Art strömt
eine leitende Flüssigkeit spiralenförmig zwischen dem Zentrum und dem Umfang einer
scheibenförmigen Kammer, wobei ein Magnetfeld die Kammer senkrecht durchsetzt und
ein elektrischer Strom in radialer Richtung durch die Kammer und die in ihr befindliche
leitende Flüssigkeit fließt. Bei dieser Pumpe ist bei Vorhandensein eines gleichmäßigen
magnetischen Feldes die Ankerrückwirkung infolge der tangentialen Bewegung der Flüssigkeit
gering. Die Ankerrückwirkung infolge der radialen Bewegung der Flüssigkeit ist jedoch
immer noch vorhanden.
-
Die Dynamik oder Geschwindigkeit, die der leitenden Flüssigkeit in
einer solchen Zentrifugalpumpe erteilt wird, wird durchZentrifugalkräfte hervorgerufen.
Deshalb sind, um einen hohen Druck bei der Umwandlung von hoher Geschwindigkeit
in hohen Druck zu erhalten, eine Kammer mit relativ großem Radius und eine große
Dreh- und Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit erforderlich. Eine hohe Drehgeschwindigkeit
hat einen Leistungsverlust zur Folge, da die Reibung der schnellen Flüssigkeitsströmung
entlang der Wände der Pumpenkammer überwunden werden muß. Auch erfordert der große
Radius der Pumpenkammer eine wirkungslose Verwendung von Material.
-
Es ist ferner eine elektromagnetische Pumpe bekannt, welche in elektrischer
Hinsicht die Eigenschaft eines Synchronmotors mit einem Drehfeld aufweist. Dies
bedingt eine komplizierte elektrische Anordnung. Außerdem ist die Leistungsfähigkeit
begrenzt.
-
Das Ziel der Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte elektromagnetische
Mehrwegpumpe zu schaffen, welche einen hohen Wirkungsgrad bei der Erzengung eines
großen Drucks mit kleiner Strömungsgeschwindigkeit besitzt.
-
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei einer Zentrifugalpumpe
der erstgenannten Art der die Kammer durchsetzende magnetische Fluß im Mittelbereich
der Kammer eine größere Dichte aufweist als an ihrem Umfang.
-
Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines ungleichförmigen Magnetfeldes,
das in der Mitte der Pumpenkammer am größten ist und radial gegen den Umfang der
Kammer hin abnimmt, wird die Ankerrückwirkung infolge der radialen Bewegung des
in der Pumpe strömenden Mediums beseitigt. Dies schafft eine hochwirksame Pumpe,
die einen großen Druck bei kleiner Strömungsgeschwindigkeit zu liefern imstande
ist.
-
Beispielsweise Ausführungen der Erfindung zeigt die Zeichnung. Darin
ist Fig. 1 ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe, Fig. 1 a ein Diagramm
zur Erläuterung der Arbeitsweise der elektromagnetischen Pumpe gemäß Fig. 1 und
Fig. 2 ein Schnitt durch einen Teil der Pumpe gemäß Fig. 1 entlang der Linie 2-2
der Fig. 1.
-
Fig.1 zeigt eine elektromagnetische Pumpe im Querschnitt, die einen
magnetischen Kern 10 und eine scheibenförmige Kammer 11 umfaßt. Der
Magnetkern
10 enthält einen oberen Pol 12 und einen unteren Pol
13, die an oberen bzw. unteren Scheiben 14 bzw. 15 befestigt sind, wobei alle von
ihnen aus passendem magnetischem Material, wie beispielsweise weichem Eisen, gefertigt
sind. Die Pole 12 und 13 tragen die flachen Wände der Kammer 11, und sie
nehmen die Kraft des inneren Pumpendruckes auf und machen dadurch die Notwendigkeit
von schweren Versteifungsteilen an der Kammer 11 unnötig.
-
Eine Wicklung 16 aus spiralförmig gewickeltem Magnetmaterial, welches
einen passenden, allseitig wirksamen Isolationsüberzug trägt, liegt zwischen den
Endplatten 14 und 15 und ist von ihnen mittels isolierender Abstandshalter 17 und
18 isoliert. Eine in Serie zur Wicklung 16 geschaltete Wicklung 16' ruft ein Zusammenlaufen
des Magnetflußfeldes in derWeise hervor, daß der Fluß im Zentrum am größten ist
und gegen den Umfang der Kammer 11 hin abnimmt. Dieses spitz zulaufende magnetische
Feld kompensiert wirksam die Ankerrückwirkung, welche von der radialen Geschwindigkeit
der geförderten Flüssigkeit herrührt.
-
Metallstreifen 19 und 20 an der Wicklung 16 und isolierte Abgriffe
19' und 20' schaffen einen Zugang für elektrische Verbindungsleitungen, damit ein
magnetisierender Strom durch die Wicklungen 16 und 16' geschickt werden kann. Folglich
gestatten die Wicklungen 16 und 16' das Fließen eines magnetisierenden Stromes,
und sie schließen den magnetischen Kreis, welcher aus den Wicklungen 16 und 16',
der Platte 14, den Polen 12 und 13 und der Platte 15 besteht. Die Richtung des magnetischen
Flusses durch den magnetischen Kreis und die Kammer 11 wird durch die gestrichelten
Pfeile 21 angezeigt.
-
Die Pumpenkammer 11 steht mit einer Pumpeneinlaßanordnung 22 und einer
Pumpenauslaßanordnung 44 (Fig. 2) in Verbindung. Eine spiralförmig gewundene, elektrisch
leitende Rippe 41 ist mit der Kammer 11 verbunden und bildet mit dieser einen spiralförmigen,
in radialer Richtung fortschreitenden Strömungsweg für das strömungsfähige Medium.
-
Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, tritt die elektrisch leitende
Flüssigkeit durch die Pumpeneinlaßvorrichtung 22 ein und fließt infolge der gegenseitigen
Einwirkung des elektrischen Stromes und des magnetischen Flusses, wie durch die
Pfeile 43 angezeigt, gegen den Uhrzeigersinn durch den durch die Rippe 41 und die
Kammer 11 gebildeten Flüssigkeitsströmungsweg nach außen zu der Peripherie der Kammer,
wo die leitende Flüssigkeit durch den Auslaß 44 abgeleitet wird. Der Querschnitt
des Flüssigkeitsströmungsweges nimmt in der Nähe des Auslasses 44 zu, um eine teilweise
Umwandlung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit in Druck zu bewirken.
-
In Fig. 1 sind durch Isolatoren 33 und 34 getragene Elektroden 31
bzw. 32 gezeigt, wobei die erstere an der Einlaßanordnung 22 befestigt ist und die
letztere mit dem Abgriff 20' der Wicklung 16' in Verbindung steht. Die Elektrode
31 ist mit einem elektrisch nichtleitenden Überzug 35 versehen oder mit einem Überzug,
welcher durch die geförderte leitende Flüssigkeit nicht durchnäßt wird. Der Überzug
erstreckt sich über die ganze Länge der Elektrode ausschließlich des kurzen Stückes
der Elektrode, welches in den Mittelbereich der Pumpenkammer 11 hineinragt. Die
elektrische Leistung, die. den magnetischen Fluß und den elektrischen Stromfluß
durch das zu pumpende, elektrisch leitende Medium hervorruft, wird durch irgendeine
geeignete Quelle, beispielsweise die Gleichstromquelle 37, geliefert. Elektrische
Leitungen 38 und 40 schließen den Serienkreis von der Energiequelle 37 durch die
Elektrode 31, das zu pumpende, elektrisch leitende Medium, die Elektroden 42 und
32, die Wicklungen 16 und 16' und zurück zur Energiequelle 37 durch die elektrische
Leitung 40.
-
Im Betrieb füllt das elektrisch leitende Medium die Pumpe vom Einlaß
22 bis zum Auslaß 44. Der elektrische Strom fließt von dem nicht isolierten Endteil
der Elektrode 31 zum elektrisch leitenden Medium, welches gepumpt wird, und weiter
radial nach außen durch das leitende Medium und durch die schmalen Abmessungen der
leitenden Rippe 41 zum Umfang der Pumpenkammer 11 und dann nach außen durch den
Auslaß 44.
-
Die Beziehung zwischen dem Magnetfeld B, dem elektrischen Strom I
und der auf das leitende Medium ausgeübten Kraft F im oberen linken Teil des Querschnittes
der in Fig. 1 dargestellten Pumpe ist aus der schaubildartigen Darstellung der Fig.
1 a zu ersehen. Das magnetische Feld, der Strom und die resultierende Kraft auf
die leitende Flüssigkeit stehen gemäß der Regel, die gebräuchlicherweise als »linke
Handregel« bezeichnet wird, aufeinander senkrecht, d. h. daß die Wechselwirkung
des elektrischen Stromes und des magnetischen Feldes cineKraft auf die elektrisch
leitende Flüssigkeit erzeugt, die, wie in Fig.1 durch den Pfeil 43 und in Fig. 1
a durch den Vektor F dargestellt, aus der Papierebene heraus gerichtet ist. Daher
strömt die durch die Einlaßvorrichtung 22 eingeführte elektrisch leitende Flüssigkeit
(Pfeil 22') bei Betrachtung von der Oberseite der Pumpe her infolge der Wechselwirkung
des elektrischen Stromes und des magnetischen Flusses gegen den Uhrzeigersinn spiralenförmig
nach außen zu der Peripherie der Kammer 11, und sie tritt durch die Auslaßvorrichtung
44 aus.
-
Die erwünschten Eigenschaften der erfindungsgemäßen elektromagnetischen
Pumpe sind leicht aus der folgenden Tabelle zu ersehen, in der ein Vergleich zwischen
einer erfindungsgemäßen elektrischen Pumpe und einer typischen elektromagnetischen
Zentrifugalpumpe gemäß der bekannten Art gezogen wird.
| Erfindungs- Pumpe |
| Eigenschaften gemäße Pumpe gemäß der |
| bekannten Art |
| Abmessungen ....... 30 cm Durch- 38 cm Durch- |
| messer bei messec bei |
| 33 cm Höhe 30 cm Höhe |
| Flüssigkeits- |
| strömungsgeschwin- |
| digkeit .......... 1,181/sec 1,181/sec |
| Ausgangsdruck ...... 7,73 kg/em2 7,73 kg/cm2 |
| Leistungsverbrauch .. 2480 Watt 5600 Watt |
| Wirkungsgrad (am |
| Fludenausgang ab- |
| gegebene Leistung/ |
| aufgenommene elek- |
| trische Leistung) .. 36°/o 16% |
Wie bereits bemerkt, kann der Kern aus irgendeinem passenden magnetischen Material,
wie beispielsweise weichem Eisen, hergestellt werden, und er kann durch andere Mittel
wie die kombinierte Kern- und Wicklungsanordnung 16, 16' magnetisiert werden. Es
kann beispielsweise ein Permanentmagnet für die Herstellung des magnetischen Flusses
einer mit Gleichstrom arbeitenden-Pumpe verwendet werden. Obwohl
in
diesem speziellen Beispiel die Pumpe mit Gleichstrom arbeitet, ist leicht zu ersehen,
daß sie mit dem lamellierten Kern auch mit Wechselstrom betrieben werden kann. Auch
können der magnetische Kreis und der Stromkreis durch die leitende Flüssigkeit parallel
geschaltet werden und nicht, wie in Fig. 1 dieses Beispiels gezeigt, in Serie.
-
Es ist wünschenswert, die Wände der Kammer 11 und die leitenden Rippen,
durch die der Strom hindurchfließen muß, entlang deren jedoch ein Minimum an Stromfluß
erwünscht ist, so dünn wie möglich und mit der notwendigen baulichen Festigkeit
vereinbar auszuführen. Die Kammer 11 und die zugehörige Einlaß- und Auslaßvorrichtung
können aus elektrisch nichtleitendem Material hergestellt werden oder aus irgendeinem
leitenden Material, das einen hinreichend hohen elektrischen Widerstand in bezug
auf den Widerstand der leitenden Flüssigkeit, die gefördert wird, aufweist.
-
Beispielsweise kann die Kammer 11 einschließlich der Einlaß- und Auslaßvorrichtungen
aus rostfreien Stahl- oder Nickellegierungen hergestellt werden, die einen spezifischen
Widerstand von annähernd 101,6 bis 127 Mikroohm pro Zentimeter aufweisen. Dieser
elektrische Widerstand ist genügend groß im Vergleich zu dem spezifischen Widerstand
eines flüssigen Metalls, wie beispielsweise Natrium, das einen spezifischen Widerstand
von annähernd 25,4 Mikroohm pro Zentimeter aufweist, so daß ein Minimum an Stromverlust
durch die Wände der Kammer 11 auftritt und eine wirksame Pumptätigkeit zu erhalten
ist. Die Rippe 41 kann aus dünnem Blechmaterial, beispielsweise rostfreiem Stahl,
hergestellt werden. Die Flüssigkeit kann natürlich auch am Boden der in Fig. 1 und
2 gezeigten Pumpe eintreten, während der stromführende Leiter 31 am oberen Ende
der Pumpe eintritt.
-
Die elektromagnetische Pumpe nach der Erfindung eignet sich zum Pumpen
elektrisch leitender Fluden, z. B. flüssiger Metalle, wie Natrium, Quecksilber und
Wismut, und zum Pumpen von strömungsfähigen Medien mit elektrisch leitendem Material
in Lösung oder in Suspension.