Einrichtung zur Beeinflussung des Stromflusses in einem elektrischen Stromkreis. Es ist bekannt, den Stramfluss in einem elektrischen Stromkreis mit Hilfe von Wi derständen zu beeinflussen. Fast alle elek trischen Leiter, die für solche Zwecke ver wendet werden können, ändern ihren spezi fischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur, und zwar wird dieser entweder mit zunehmender Temperatur grösser oder kleiner.
Eine sogenannte negative Tempera turabhängigkeit der Leitfähigkeit, bei der der Widerstand mit zunehmender Tempera tur zunimmt, die Leitfähigkeit also, abnimmt, haben beispielsweise die Metalle, worunter bestimmte, wie beispielsweise Eisen, eine Sonderstellung einnehmen, da die Leitfähig keit bis etwa auf den zehnten Teil des An fangswertes verringert werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Beein flussung des Stromflusses in einem elektri schen Stromkreis mit Hilfe eines temperatur abhängigen, nichtmetallischen Flüssigkeits- leiters zu schaffen. Nach der Erfindung werden hierzu Zusammensetzung und Druck des Flüssigkeitsleiters derart gewählt, dass er im verwendeten Arbeitsbereich wenigstens überwiegend mit negativem Temperaturkoeffi zienten der Laitfähigkeit arbeitet. Bisher wurden temperaturabhängige Elektrolytleiter zur Erreichung einer positiven Temperatur abhängigkeit der Leitfähigkeit verwendet.
Man kann bei vorliegender Erfindung er reichen, dass innerhalb bestimmter Tempera turintervalle bereits bei sehr geringen Tem peraturänderungen eine beachtliche Ände rung der Leitfähigkeit eintritt, anderseits aber auch der Temperaturbereieh, der für solche Änderungen ausgenutzt werden kann, sehr gross ist, so dass der Umfang, in dem eine Änderung der Leitfähigkeit erreicht werden kann, besonders gross wird. Mit besonderem Vorteil kann die Bemessung von Zusammensetzung und Druck des Flüssigkeitsleiters derart gewählt werden, dass der Umkehrpunkt, in dem der Tem peraturkoeffizient der Leitfähigkeit.
sein Vor zeichen ändert, im Bereiche der Raumtempe ratur liegt. Wird als Flüssigkeit ein aus einer Lösung bestehender Elektrolyt ver wendet, kann es zweckmässig sein, durch ge eignete Wahl von Zusammensetzuu',g, Kon zentration und Druck dafür zu sorgen, dass der Arbeitsbereich sich bis zu dem kritischen Punkt des Lösungsmittels erstreckt. Die Xn- derung der Temperatur kann je nach Be darf entweder durch Fremdheizung erfolgen oder aber auch durch die Strombelastung des Leiters hervorgerufen sein. Gegebenen falls können auch beide Effekte miteinander kombiniert werden.
Ebenso ist es auch mög lich, den Leiter - gewissermassen alts Vor spannung - zunächst auf einen bestimmten statischen Druck zu beringen und den Druck, abgesehen von der Rückwirkung, die durch die Temperaturänderung ihrerseits bedingt wird, nicht zu beeinflussen. Unter Umstän den kann es aber auch von Vorteil sein, wäh- rend,der Temperaturänderung bezw. während der beabsichtigten Widerstandsänderung (während des Regelvorganges)
den Druck konstant zu halten oder auch den .statischen Druck durch andere Einflüsse zu ändern.
Eine Möglichkeit zur Stromleitung mit tels Flüssigkeiten besteht in der Verwendung von flüssigen Elektrolyten. Unter Atmosphä rendruck gehören flüssige Elektrolyte im all gemeinen zu Leitern mit negativ temperatur- abhängigem Widerstandskoeffizienten. Bei der Erwärmung unter erhöhtem Druck wird jedoch der Widerstandskoeffizient positiv. Der Druck wird hierbei mit Vorteil so ge wählt, dass wenigstens innerhalb des grössten Teils des Arbeitsbereichs die Flüssigkeit nicht siedet.
Mit Vorteil wird der Druck so bemessen, dass am Ende :des Arbeitsbereichs bei der kritischen Temperatur auch der kri tische Druck erreicht wird. Der Verlauf des Widerstandes eines derartigen Leiters in Ab hängigkeit von der Temperatur bei konstan tem Druck geht zunächst nach unten, er reicht als Umkehrpunkt ein ausgeprägtes Minimum, steigt dann allmählich an, bis bei der Annäherung der Temperatur an Werte in der Nähe der kritischen Temperatur eine sehr starke Steigerung des Widerstandes einsetzt. Eine besonders hohe Gesamtänderung des Widerstandes (z.
B. bis auf etwa das 10000- fache des Anfangswertes) kann also erreicht werden, wenn die Temperatur von niedrigen Werten ausgehend bis auf die kritische Temperatur bei kritischem Druck (bis 100 Atm. und noch mehr, je nach verwendetem Elektrolyt) gesteigert wird.
Für viele An- w endungszwecke ist es vorteilhaft, durch ent sprechende Auswahl des Elektrolyten, dessen Konzentration sowie des Ausgangsdrucks da für zu sorgen, dass das Minimum des Wider standes etwa bei Zimmertemperatur liegt. Al:: Leiter können zweclzmässig flüssige Salze, z. B. in geschmolzenem Zustand oder Salze in Lösungen verwendet, werden.
Die Verwen dung von wässrigen Lösungen bietet hierbei den Vorteil, da.ss die Leitfähigkeit verhältnis mässig hoch ist, jedoch liegt hierbei der kri- tiscbe Druclz- gleichfalls verhältnismässig hoch. Salze in niehtwässrigen Lösungen ha ben den Vorteil, dass der kritische Druck ver hältnismässig niedrig liegt. Einen besonders niedrigen kritischen Druclz hat beispielsweise Schwefeldioxyd, worin Alkali-, insbesondere Natriumsalze gelöst- .ein können.
Mit Vorteil können beispielsweise Lösungen von NaJ, KJ, KBr, KCl in Schwefeldioxy d verwendet werden.
Mit besonderem Vorteil kann als Flüssig keitsleiter auch eine Lösun-, von Alkalimetal- len oder Erdalkalimetallen@in Ammoniak ver wendet werden. Die Äquivalentleitfä.higkeit solcher Lösungen ist bei grösster Verdünnung . etwas grösser als die von wässrigen Elektro lyten. Mit zunehmender Konzentration fällt die rlquivalentleitfähigkeit zunächst etwas ab. Bei einer bestimmten Konzentration er reicht sie ein Minimum und steigt dann mit wachsender Konzentration sehr stark an. Bei gesättigter Lösung ist sie etwa. tausendfach so gross als bei grösster Verdünnung.
Das Mi nimum liegt beispielsweise bei der Verwen dung von Natrium bei einer Lösung von 1,7 g Na in 1 kg NH.,, bei Verwendung von Li- thium bei der Lösung von 0,6 g Li in 1 kg NH3. Bei der gesättigten Lösung, bei der 245g Na in 1 kg NH3 gelöst sind, ist die spezifische Leitfähigkeit 5. 10352-1 cm -1.
Für die Zwecke der Erfindung wird mit besonderem Vorteil der Bereich zwischen der Konzentration der minimalen Äquivalentleit- fähigkeit und der Sättigungskonzentration ausgenutzt. Der Temperaturkoeffizient der Leitfähigkeit ist bei derartigen Lösungen zu nächst positiv, wird jedoch bei höheren Tem peraturen in der Nähe der kritischen Tempe ratur negativ. Diese Eigenschaft macht solche Lösungen als Flüssigkeitsleiter für Schalt- und Regelzwecke besonders geeignet.
Der grosse Vorteil gerade dieses Leiters be steht in der hohen Leitfähigkeit der gesättig ten Lösung, die es insbesondere ermöglicht, den neuen Leiter auch an Anwendungsstellen heranzuziehen, in denen ein kleiner Wider stand wesentlich ist, wobei gleichzeitig das Volumen des Leiters verhältnismässig gering gehalten werden kann.
Der Flüssigkeitsleiter wird mit besonde rem Vorteil innerhalb eines Behälters aus nichtleitendem oder verhältnismässig schlecht leitendem Material von der erforderlichen Druckfestigkeit untergebracht. Er kann bei spielsweise in einem Rohrkörper aus kerami schem Material angeordnet sein. Unter Tim- ständen ist es zweckmässig, die Festigkeit eines solchen Behälters durch Schutzhüllen, beispielsweise aus Metall, durch Bandagen, Rohre, Stahlmäntel und dergl. zu steigern. Innerhalb dieser Behälter kann die Flüssig keit unter dem erforderlichen Druck (Vor spannung) eingefüllt sein, wobei durch geeig nete, in das Gefäss eingeführte Elektroden für die Stromzuführung gesorgt wird.
Um zu verhindern, dass Teile der Elektroden in der Flüssigkeit in Lösung gehen und dadurch dessen Leitfähigkeit verändern, kann es zweckmässig sein, die Elektroden aus Kohle oder Graphit oder ähnlichem Material zu ma chen. Es ist auch möglich, besondere Mittel, beispielsweise nach Art von verschiebbaren Kolben, anzuordnen, mit deren Hilfe der Druck nachträglich oder während der Steuer- oder Regelvorgänge zusätzlich beeinflusst werden kann. Ausserdem ist es möglich, be sondere Heizeinrichtungen (bezw. Kühlein richtungen) für die Änderung der Tempera tur vorzusehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Innerhalb eines Hohlkörpers, der aus zwei keramischen Teilen 2 gebildet wird, die ihrerseits über einen elastischen Teil 3 miteinander verbun den sind und in die zu den beiden Seiten Elektroden 4 eingeführt sind, ist eine Elek- trolytfüllung 5 eingebracht. Die Hohlkörper können hierbei zur Vergrösserung des Kriech weges mit Ionenbarrieren 6 versehen sein.
Die Verbindung der einzelnen Teile erfolgt mit Vorteil durch Löten oder Schweissen, eventuell an aufgebrachten Metall- oder Glas überzügen, in der Weise, wie dies für hoch vakuumdichte Behälter bekannt geworden ist. Die Füllung wird hierbei. zweckmässig von vornherein auf den kritischen Druck gebracht, der dann über den ganzen Arbeitsbereich infolge der Elastizität des Balgens 3 prak tisch konstant aufrechterhalten bleibt.
Die Widerstände auf der neuen Grund lage eignen sich für viele Verwendungs zwecke, insbesondere für Regelvorgänge. So kann beispielsweise mit Hilfe derartiger Wi derstände ein elektrischer Strom in einem Stromkreis vor einer Unterbrechung auf ge ringe, leicht zu unterbrechende Restwerte herabgedrückt werden. Besonderen Vorteil bietet also ein derartiger Leiter als Wider-. stand für Schalt- und Regelvorgänge, wie diese im Schweizer Patent Nr. 236 475 ange geben sind.
Solche Widerstandskörper kön nen dann mit Hilfe von Parallelschaltern in Stromkreise eingeschaltet werden, wobei unter Umständen eine Synchronsteuerung im Hin blick auf den Normalstrom zweckmässig sein kann oder ein Einbringen mit möglichst ge ringer Verzögerung beim Auftreten von Kurzschlüssen. Bei derartigen Anwendungen bietet es besondere Vorteile, die Erwärmung des Widerstandes durch den Belastungsstrom selbst hervorzurufen.
Wenn hierbei das Mi nimum des spezifischen Widerstandes in der Nähe der Zimmertemperatur liegt, wird zu nächst die Spannung am Widerstand sehr langsam, dann aber sehr schnell ansteigen, was sowohl die Einschaltung des Widerstan- s des in den Stromkreis als auch eine etwa. er forderliche nachfolgende Reststromunterbre- chung erheblich erleichtert. Die neuen Leiter können auch für eine selbsttätige Konstanthaltung von elektrischen Grössen, wie beispielsweise Regelung einer Spannung auf konstanten Wert, verwendet werden.
Auch ist es möglich, die neuen Lei ter als Ersatz für Drosselspulen zu verwen den, da insbesondere bei Anordnungen mit, verhältnismässig geringer Wärmeträgheit beim plötzlichen Stromanstieg eine starke Widerstandserhöhung eintritt, also eine ähn liche, plötzlichen Stromänderungen entgegen arbeitende Wirkung eintritt wie bei Dros selspulen.
Da der spezifische Widerstand der in Frage kommenden Flüssigkeiten meist ver hältnismässig hoch ist - etwa in der Grössen ordnung von 100 Ohm. cm - ist für geringe Widerstandswerte, wie sie beim Einschalten eines Parallelschalters in einen Hochlei- stungsstromkreis erforderlich sind, entweder ein verhältnismässig grosser Flüssigkeitsquer schnitt oder ein sehr geringer Elektrodenab- stand erforderlich. Je kurzzeitiger die Bela stung des Widerstandes ist, um so geringer kann die verwendete Flüssigkeitsmenge be messen werden.
Bei grösserer Flüssigkeit- menge wird aber anderseits der Vorteil er reicht, dass die Spannung des Widerstandes langsam ansteigt, so dass ein Parallelschal ter, durch dessen Öffnung der Leiter in den Stromkreis gebracht wird, ohne Schwierig keit und ohne besondere Hilfsmittel für eine Lichtbogenlöschung geöffnet werden kann.
Ein besonderer Vorteil der neuen temperatur abhängigen Leiter besteht darin, da.ss in Kurzschlussfällen die Erwärmung und damit Widerstandsänderung in viel kürzerer Zeit vor sich geht als bei normalen Belastungen, wodurch es möglich ist, den Kurzschlussstrom sehr schnell auf ungefährliche geringe Werte zu begrenzen. Die Steuerung und Einschal tung des Widerstandes kann hierbei auf be liebige Weise - vergleiche hierzu die Vor-, schläge des obeiigenannten Schweizer Patentes - erfolgen.
Unter Umständen kann es vor- leilhaft sein, die Anordnung so zu bemessen, dass der Elektrolyt bei dem Erwärmungsvor gang verdampft, wodurch auch die Rest- ,. stromunterbreehung selbst. mit Hilfe der neuen Einrichtung durchgeführt. werden kann, so dass es lediglich noch erforderlich ist, eine etwa. in Reihe hiermit angeordnete Trennstrecke zu öffnen. Bei wiederholt , ablaufenden Regelvorgängen ist auch das Kühlproblem wichtig. Hierzu kann bei spielsweise eine Umlaufkühlung verwendet werden, wobei die Flüssigkeit selbst um läuft und dadurch schnell wieder auf die erforderliche geringe Temperatur gebracht wird.
Unter Umständen kann die Kühlung durch Expansion, beispielsweise mit Hilfe eines Ventils, wirksam unterstützt werden, da, die -#Terdampfungswärme sehr gross sein kann, also zur Abkühlung nur verhältnis mässig geringe Flüssigkeitsmengen benötigt werden. Es ist. auch möglich, eine Fremdküh lung für die Flüssigkeitsleiter vorzusehen, die mit Vorteil abwechselnd mit. den Regelvor gängen in Wirksamkeit gesetzt werden kann. Im Bedarfsfalle kann auch die Verringerung des Widerstandes, die bei der Abkühlung eintritt, selbst für Regelvorgänge ausgenutzt werden.
Wenn es darauf ankommt, bei ver hältnismässig geringen Temperaturänderun gen<I>grosse</I> _NSriderstandsänderungen hervorzu rufen, wird mit Vorteil der Arbeitsbereich etwa ir. die Mitte zwischen kritische Tempe ratur und der Temperatur, bei der der ge ringste Widerstand besteht, gelegt, da an dieser Stelle der Gradient der Änderung des Widerstandes am steilsten ist.
Die Einrichtung der Erfindung kann in allen Fällen angewendet werden, wo es dar auf ankommt, Stromänderungen in einem Stromkreis möglichst stufenlos und ohne Schaltvorgänge durchzuführen, insbesondere wenn hierbei der Umfang der Stromänderung tinge@vöhnlich gross sein soll.