Vorrichtung zur elektrischen Depolarisation von Primärelementen. Sekundärelemente sind bekanntlich gal vanische Elemente, die nacherfolgter Ent ladung durch Zufuhr von elektrischem Strom wieder aufgeladen werden können.
Ein Bei spiel hierfür ist der Bleiakkumulator. Primär- elemente werden hingegen nacherfolgter Ent ladung nicht mehr verwendet, obwohl nur ein geringer Teil der im Elemente enthaltenen Chemikalien für die Lieferung elektrischer Energie verbraucht wurde.
Der Grund hier für Hegt in einer Peilre chemischer Umset zungen. die sich im Elemente während der Entladung vollzieht und die elektromotorische Kraft dessellmn ausserordentlich schzvächeri. So ist beispielsweise beim Lec1ancheelement (Zink-Saliniak-Kohle) die Bildung von Was serstoff am Kohlepol sehr störend, weil da durch. eine der ursprünglichen entgegenge setzt gerichtete, elektromotorische Kraft ent steht. Diesen Vorgang nennt man Polarisa tion.
Ein polarisiertes Element zeigt während der Entladung eine schnell abnehmende Klemmenspannung. Zur Entfernung dieses schädlichen Was serstoffes hat man seit Jahrzehnten die chemische Depolarisation angewendet. Der Kohlepol wird mit AZangansuperogyd ver sehen, welches Sauerstoff zur Bindung des Wasserstoffes entwickelt. Aber auch ,die .
chemische Depolarisation kann den ohnehin schlechten Wirkungsgrad der galvanischen Primärelemente nur um ein geringes verbes sern. Mit der Zeit sinkt die Klemmenspan nung immer mehr, die Erholung .des Elemen tes wird immer schwächer.
Primärelemente können, daher dort, wo eine verhältnismässig grössere Belastung, ins besondere aber eine möglichst konstante Klemmenspannung verlangt wird, kaum an gewendet werden. Dies gilt beispielsweise für stark beanspruchte Telefonanlagen. Für diese und andere Zwecke hat man daher Sekundär- elemente (Akkumulatoren) herangezogen. Akkumulatoren haben ,jedoch eine Reihe von Nachteilen. Vor allein sind sie teuer und schwer.
Sie verlanen eine sorgfältige War- z:# tung, sind empfindlich gegen längeren Nicht gebrauch und anderes mehr. Ihr Ersatz durch einfache und billige galvanische Pri- mäTel:emente, :die aufgeladen werden können, wäre daher ein erheblicher Fortschritt.
Man hat schon versucht, eine Wiederauf- ladung bereits entladener Primärelemente, durch Einleiten von Strom in dieselben her- beizuführen. Diese Versuche haben jedoch zu keinem praktischen Ergebnis geführt, vor allem deshalb,
weil man die Wirkungen des elektrischen Stromes beim Laden des Ele- mentes nicht genügend erfasst hat und die Zu fuhr des elektrischen Stromes nicht entspre chend geregelt hat. Die Folge davon war eine Zerstörung :des Elementes.
Die vorliegende Erfindung gründet sich auf ausführliche Versuche, die das Studium der Wirkung des Ladestromes im Priznärele- ment zum Gegenstande hatten.
Es zeigt sich, :dass bei der Aufladung von Primärelementen durch hinzugeführten Fremdstrom, infolge Zersetzung einer kleinen Menge :des Elektro lyten Sauerstoff am Kohlepol entwickelt wird, :der, wie .der Sauerstoff .des Mangan superoxydes, den Polarisationswasserstoff unschädlich macht.
Zur chemischen Depola- risation tritt die elektrische Depolarisation. Ausserdem finden noch eine Reihe chemi scher Umsetzungen statt, die, der Entladung gegenüber, als rückläufige Reaktionen anzu sehen sind. So wird beispielsweise ein grosser Teil des während der Entladung in Lösung gegangenen Zinkes wieder auf der Zinkelek trode niedergeschlagen.
Als Folge dieser Zu fuhr von Fremdstrom zeigt sich tatsächlich ein Anstieg der Klemmenspannung des Ele mentes, das nun wieder befähigt ist, elektri sche Energie abzugeben. Im nachfolgenden sollen die oben geschilderten Wirkungen der Depolarisation und Wiederaufladung der Kürze halber als elektrische Depolarisation bezeichnet werden.
Durch die Versuche, die zu der vorliegen den Erfindung geführt haben, wurde festge stellt, dass die Ursache der früher beobachte ten Zerstörung von Primärelementen bei Ein-- leiten. von Fremdstrom -darin zu suchen ist, dass die Primärelemente gegenüber unrielitig durchgeführten Aufladungen sehr empfind lich sind, und zwar nicht nur gegen Über ladungen, sondern auch gegen Aufladungen mit zu grosser Stromstärke.
An einem Beispiel soll gezeigt werden, welche Ladeverhältnisse sich ergeben, wenn die selbsttätig wirkende Vorrichtung gemäss der Erfindung fehlt. .
Eine Primärbatterie soll .durch Netzwech selstrom aufgeladen "verden. In diesem Falle wird man einen Transformator und einen Gleichrichter verwenden. Für eine Batterie von 4 Leclancheelementen, die im frischen Zustande eine Klemmenspannung von 1-2 Vol t aufweist, wird man ein Transformatorgleich- richter-Aggregat verwenden, das eine Lade spannung von 12 Volt hat.
Die Spannung dieses Ladeaggregates soll auch bei grösseren Entnahmen nicht wesentlich absinken, was der Fall ist, wenn man einen sogenannten Leistungstransformator verwendet. Ist nun die Spannung der Batterie, infolge stärkerer Entnahme, auf etwa 6 Volt gesunken. so wird wegen der grossen Potentialdifferenz zwischen -der Batterie und der La-destrom quelle ein verhältnismässig grosser Ladestrom in die Batterie fliessen.
Die chemische Reak tion wird stürmisch verlaufen und eine Schä digung der Elemente herbeiführen. Ist in einem andern Falle die Spannung :des Lei- stungstrans:formators etwas höher als 12 Volt. so wird auch nach erfolgter Depolarisation. d. h. nachdem die Batterie die ursprüngliche Klemmenspannung von 12 Volt wieder er reicht hat, infolge der noch immer vorhande nen, wenn auch kleinen Potentialdifferenz der Ladestrom unaufhörlich weiter in die Batterie fliessen und den Elektrolyten lang sam vollständig zersetzen.
Die erfindungs gemässen Einrichtungen müssen daher, sollen sie eine Zerstörung der Elemente wirksam hintanhalten können. imstande sein, den den Primärelementen zugeführten Depolari- sationsstrom entsprechend zu regeln.
Als eine Einrichtung zur selbsttätigen Regelung des Depolarisationsstromes kann beispielsweise ein Transformator, mit zu.- sammenbrechender Stromspannungscharakte- ristik, ein sogenannter Streutransformator, verwendet werden.
Die Haupteigenschaft eines solchen Transformators besteht be kanntlich darin, datl er liei grösseren Bela stungen in seiner Stromspannungseharakteri- stih:einen grossen Abfall zeigt.
Wenn bei dem oben angeführten Beispiel statt eines Streutransformators ein normaler Transfor inator von 12, Volt angewendet wird und die Spannung der entladenen Batterie 6 Volt be- trägt, so wird, je nach dem innern Wider stand der Elemente, ein bestimmter La,de- strom, beispielsweise 600 mA in die Batterie fliessen, wobei die Spannung des Transfor mators sich kaum verändern wird.
Ein Strom von 60.0 mA ist aber für die als Beispiel an- genommene Batterie, als schädlich zu be trachten. Wird nun statt des normalen Trans formators ein Streutransformator verwendet. so bricht bei der erwähnten Potentialdiff,@- renz von 6 Volt seine Spannung und damit auch seine Stromstärke zusammen.
Die an die Batterie gelieferte Stromstärke wird statt 600 mA (wie beim normalen Transformator) Jetzt beispielsweise nur 180 mA betragen. Ist auch dieser Wert für die betreffende Batte rie als schädlich anzusehen, so wird man einen Streutransformator mit noch grösserer Streuung ver-,venden. welcher bei den ge schilderten Verhältnissen beispielsweise nur 120 mA liefern wird.
Will man ein LTni- versalladegerät mit :einem Streutransforma tor bauen, der für verschieden grosse Batte- rien angewendet werden kann, so wird man zweckmässig einen Transformator mit regu lierbarer Streuung verwenden. Die Mittel. mit welchen man die Streuung des Transfor mators entsprechend variieren kann, werden weiter unten noch näher beschrieben.
Steigt die Klemmenspannung der Batte- rie infolge der elektrischen Depolarisation, so wirkt diese Spannung der Transformator- spa.nnung in zunehmendem Masse entgegen, wodurch der Ladestrom abgebremst wird.
Die Ladestromstärke, d. h. die Belastung sinkt und dadurch erholt sich der Streutrans- forma4or. Seine Spannung steigt allmählich, so dass sie immer noch über der ebenfalls an steigenden Klemmenspannung der Batterie liegt, während der Depolarisationsetrom im mer schwächer wird, bis er bei Erreichung der vollen Klemmenspannung .der Batterie Null oder fast Null wird.
Es macht hierbei gar nichts aus, wenn die höchste Transfor- matorspannung um ein geringes übender. nor malen Klemmenspannung der Batterie, im vorliegenden Falle beispielsweise etwas über 12 Volt liegt, denn der Streutransformator wird eben infolge der oben geschilderten Stromspannungseharakteristik, einen mini malen Strom, der zum Beispiel Bruchteile eines mA beträgt,
durch .die Batterie schik- ken. Ein solch geringer Strom isst vollständig ungefährlich. Bei einem normalen Transfor mator wird jedoch, wie schon oben ausge- führt, meinem solchen Falle eine beträcht liche Strommenge unaufhörlich in die Bat terie fliessen, wodurch der Elektrolyt schliess lich vollständig zersetzt wird.
Die Einrichtung kann man im Zusam menbau mit den Primärelementen in allen in Betracht kommenden Schaltungen verwen den. So kann man beispielsweise die bei Akkumulatoren bekannte sogenannte Puffer schaltung benützen, bei welcher die Primär elemente parallel zum Verbraucher geschaltet sind und in ständiger Verbindung mit dem Verbraucher und der La.destromquelle (Netz streutransformator-Gleichrichter) stehen. Man kann aber auch eine Schaltung anwenden, bei welcher die Primärelemente mit der Lade stromquelle verbunden sind, während der Verbraucher abgeschaltet ist.
Wird dann ider Verbraucher eingeschaltet (z. B.. durch Ab heben dec Telefonhörers) so kann durch ein Relais die Verbindung der Primärbatterie mit der Ladestromquelle unterbrochen, und die Verbindung der Primärbatterie mit dem Verbraucher lhergestellt werden. Die Batterie speist nun den Verbraucher.
In der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel der Einrichtung nach .der Erfindung, und zwar ein Streutransformator mit varia bler Reluktanz in Pufferschaltung darge stellt. Der Transformatorkern a iet in, üh1R- cher Weise aus übereinandergelegten Eisen lamellen angefertigt.
Er besitzt bei b zwei Luftspalte. Das zwischen beiden Luftspalten befindliche Kernstück c ist um eine senk rechte, in der Kernebene liegende Achse d drehbar angeordnet. Fig. 2 stellt den Grund- rissL des Transformatorkernes .dar.
Wird das Eisenkernstück c um die Achse d um<B>90,'</B> gedreht, wie dies in Fig. 2. striehliert ange deutet ist, so werden ,dadurch die Luftspalte b vergrössert. Das Kernstück c kann selbst verständlich auch statt um eine vertikale Achse, um eine horizontale, zur Kernebene senkrechte Achse drehbar angeordnet sein.
Durch die auf :diese Weise bewirkte Verän- derung,der Luftspalte wird der magnetische Kraftlinienfluss verändert.
Der Transforina- tor erhält dadurch die gewünschte Streu charakteristik, die ihn befähigt, eine zu starke Aufladung der Batterie bei grosser Potentialdifferenz zwischen Ladegerät und Batterie hintanzuhalten und beim Ansteigen der Spannung der Batterie den DepoIarisa- tionsstrom allmählich abzudrosseln, zwecks Verhinderung einer etwaigen Überladung der Batterie.
Der Depolari@3ationsstrom wird der Primär spule e des Transformators aus dem Wech- selstromnetz zugeführt. Von der !Sekundär spule f geht der Strom in den Gleichrichter Gl: und von dort zur Batterie B. Die Batte rie ist an einen oder mehrere Verbraucher V angeschaltet. Diese sogenannte Pufferschal tung wird besonders :dort angewendet werden, wo ein häufiges Absinken der #,letzspannung unter die Normalspannung auftritt.
In einem solchen Momente tritt die Batterie mit ihrer vollen Spannung als Stromlieferer für den Verbraucher ein. Vermöge ihrer Kapazität ist sie imstande, eine Zeitlang eine konstante Stromstärke abzugeben. Inzwischen hat sich die Netzspannung wieder erholt und das Netz liefert nun wieder seinerseits Strom an den Verbraucher, anderseits an die Batterie, die dadurch wieder depolarisiert bezw. aufge laden wird.
Das Kernstück c des Transformators vTird entsprechend der gewiin,schten. Leistung und Charakteristik (Streuung), im Hinblicke auf die angewendete Primärbatterie, insbesondere hinsichtlich ihres innern Widerstandes und der für sie höchst zulässigen Ladestromstärke bei der Inbenützungsnah.me eingestellt,
so dass die Grösse -der Luftspalte ein für allemal fixiert wird. Handelt es sich um Serienher stellung von Transformatoren, die eine be- stimmte Leistung und Charakteristik für eine Primärbatterie bestimmter Grösse auf weisen sollen, so ist es einfacher, das Kern stüek c nicht drehbar anzuordnen, sondern die Grösse .der Luftspalte von vornherein end gültig zu fixieren.
Man kann in diesem Falle sogar mit einem, einzigen Luftspalt auskom men, dessen Wirkung selbstverständlich den in -den Figurendargestellten zwei Luftspal ten b gleichkommen muss, In diesem Falls kann man,das Mittelkernstück c einfach weg lassen und den entsprechenden Schenkel -des Transformatorkerns a verlängern, so,dass ein einziger Luftspalt bestimmter Grösse und be stimmter Wirkung gebildet wird.
Man kann die Reluktanz des Transfor mators auch durch Anwendung eines magne- hschen Nebenschlusses variabel gestalten. Zix diesem Zwecke kann man beispielsweise ein Eisenstück am Transforrn.ätor drehbar an ordnen.
Liegt das Eisenstück parallel zu den beiden Transformatorschenkeln. die die Spix- len tragen, so wird dadurch der Nord- und Südpol des im Transformatorkern sieh aus bildenden Magneten durch das Eisenstück verbunden und zum Teil kurzgeschlossen. In dieser Lage ist die Streuung des Transfor mators am grössten. Liegt das Eisenstück quer zu den beiden Schenkeln, so ist die Streuung am kleinsten.
Die gleiche Wirkung kann man durch Anwendung eines regulierbaren Belastungs kreises erreichen. Zu diesem Zwecke wird eine dritte Spule an einem freien Teil des Transformatorkernes angeordnet und diese Spule über einen Widerstand zu einem geson derten Kreise geschaltet. Durch Einstellung des Widerstandes auf einen bestimmten Wert wird das Fliessen eines Stromes bestimmter Grösse in diesem Belastungskreis herbeige- führt,
wodurch die Leistungsabgabe an die Sekundärspule entsprechend geschwächt wird. Auch durch diese Anordnung wird eine Streucharakteristik erreicht.
Die gleichen Anordnungen können auch lfei Drosseln vorgesehen werden.