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Nikola Tesla Patents

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Nikola Tesla German Patent 109865 - Circuit Breaker with Liquid Conductor

Patentschrift Nr. 109 865

Klasse 21: Elektrische Apparate und Maschinen.

Nikola Tesla in New York (V. ST. A.).

Stromunterbrecher mit Flueßigem Leiter.

Patentiert im Deutschen Reich vorn 19. Juni 1898 ab. Ausgegeben den 19. April 1900.

Der Erfinder hat bisher mehrere Verfahren und Apparate erdacht und unter Patentschutz stellen lassen, welche die Erzeugung, die Umsetzung und die Nutzbarmachung elektrischer Ströme von sehr hoher Wechselzahl bezweckte und auf dem Prinzip beruhten, einen Kondensator zu laden und ihn im allgemeinen durch die Primärspule eines Transformators wieder zu entladen, in dessen Sekundärspule die Arbeitsströme erzeugt wurden, und zwar unter derartigen Bedingungen, daß man einen schwingenden oder sich schnell unterbrechenden Strom erzielte.

Bei einigen der Apparate, welche der Erfinder bisher zur Ausführung des oben angegebenen Verfahrens gebaut hat, hat er eine Vorrichtung zum Schließen und Unterbrechen eines elektrischen Stromkreises oder eines Zweigkreises desselben benutzt, zum Zweck, den Transformator zu laden und zu entladen.

Gegenstand vorliegenden Patentes ist nun ein Stromunterbrecher, bei welchem ähnlich wie bei dem Gegenstand des Patents 52598 bezw. 103 704 ein in Bewegung versetzter flüssiger Leiter als Kontakt dient. Der Grundgedanke der Anordnung und der Wirkung des nach vorliegender Erfindung ausgeführten Apparates läßt sich leicht verstehen aus der folgenden Erklärung seiner Natur und der Art und Weise seines Gebrauches. Bei jeder Vorrichtung, welche einen elektrischen Stromkreis mit ziemlicher Plötzlichkeit schließt und unterbricht, erfolgt ein Energieverlust während der Zeitdauer des Schließens und Unterbrechens oder während beider, der seinen Grund in dem Stromübergang findet, der durch den zwischen den sich nähernden oder entfernenden Klemmen sich bildenden Flammenbogen oder, allgemein, über einen Weg von hohem Widerstand stattfindet. Das Beharrungsvermögen des Stromes nach jeder augenblicklichen Trennung oder sein Bestreben, der Verbindung der Klemmen vorauszueilen, ist bei den verschiedenen Formen von Apparaten verschieden groß, entsprechend den besonderen Bedingungen. Z.B. bei einer gewöhnlichen Induktionsspule ist die Neigung zur Lichtbogenbildung beim Unterbrechen im allgemeinen größer, während bei einigen Apparaten zur Ausnutzung der Entladung eines Kondensators, wie vorhin erwähnt, diese Neigung am größten ist in dem Augenblick, der unmittelbar der Vereinigung der Kontakte des Stromunterbrechers, der die Entladung des Kondensators bewirkt, vorausgeht. Der durch die erwähnten Ursachen erzeugte Energieverlust kann ziemlich beträchtlich sein und ist im allgemeinen der Art, daß er die Anwendung des Stromunterbrechers wesentlich beschränkt und eine praktische und wirtschaftliche Umwandlung einer erheblichen Menge elektrischer Energie durch seine Anwendung nahezu unmöglich macht, besonders in Fällen, wo eine sehr schnelle Aufeinanderfolge der Stromschlüsse und Unterbrechungen verlang wird.

Ausgedehnte Versuche und einige Nachforschungen zum Zweck, ein Mittel zu entdecken, um den bei dem Gebrauch der gewöhnlichen Stromunterbrecher vorkommenden Energieverlust zu vermeiden, haben den Erfinder dahin geführt, gewisse Gesetze zu erkennen, welche diesen Energieverlust regeln, und zeigen, daß er hauptsächlich von der Geschwindigkeit abhängt, mit der die Klemmen einander sich nähern oder entfernen, also mehr oder weniger von der Form der Stromwelle. Kurz gesagt, sowohl aus den theoretischen Ueberlegungen, wie aus dem praktischen Versuch hat sich ergeben, daß der Energieverlust bei einer Vorrichtung zum Schließen und Unterbrechen eines Stromkreises unter sonst gleichen Voraussetzungen umgekehrt proportional ist eher dem Quadrat, als der ersten Potenz der Geschwindigkeit oder der verhältnismäßigen Beschleunigung der Klemmen gegen einander beim Annähern und Zurückgehen in jedem Augenblick, wenn die Stromwelle nicht so steil ist, daß sie wesentlich von einem Wert abweicht, der als eine Sinusfunktion der Zeit dargestellt werden kann.

Ein derartiger Fall kommt jedoch in der Praxis nur selten vor; im Gegenteil, die aus einem Stromschluß und einer Stromunterbrechung sich ergebende Stromkurve ist im allgemeinen sehr steil, und zwar besonders, wenn, wie bei dem vorliegenden System, der Stromunterbrecher das Laden und Entladen eines Kondensators bewirkt; infolge dessen wird der Energieverlust noch mehr verkleinert durch eine Vergrößerung der Geschwindigkeit beim Annähern und Entfernen der Klemmen. Die Feststellung dieser Tatsache und die Erkenntnis der Unmöglichkeit, die gewünschten Erfolge durch Anwendung bekannter Formen von Stromunterbrechern zu erreichen, haben den Erfinder darauf hingeführt, einen Apparat zum Schließen und Unterbrechen eines Stromkreises zu erfinden, der in verschiedenen abgeänderten Ausführungsformen den Gegenstand vorliegenden Patentes bildet.

Man hat bisher vielfache Vorrichtungen zum Schließen und Unterbrechen eines elektrischen Stromes benutzt oder vorgeschlagen, bei denen die den Stromschluß bewirkenden Kontaktspitzen oder Klemmen in einem luftleeren Behälter angeordnet oder durch eine unwirksame Atmosphäre umgeben waren; aber gewisse theoretische Bedingungen, welche für einen vollständigen Erfolg notwendig sind, wie der Erfinder erkannt hat, konnten mit den bisher angewendeten Mitteln nicht erreicht werden. Diese Bedingungen mögen im Folgenden aufgezählt werden:

1. Das Medium, von dem die Kontaktspitzen umgeben sind, muß eine möglichst hohe isolierende Wirkung haben, so daß die Klemmen auf einen außerordentlich kleinen Abstand genähert werden können, bevor der Strom über den Zwischenraum überspringt.

2. Bei der Stromunterbrechung mußte die dielektrische Masse sofort wieder zwischen die Kontaktteile treten, oder mit anderen Worten, die Wiederherstellung der isolierenden Kraft müßte augenblicklich erfolgen, um die Zeit, während welcher der Verlust hauptsächlich stattfindet, auf ein Minimum herabzusetzen.

3. Das Medium müßte chemisch unwirksam sein so daß die Zerstörung der Elektroden so viel als möglich verringert und chemische Prozesse verhindert werden, die durch die Wärmeentwicklung oder ganz allgemein durch den Energieverlust erzeugt werden können.

4. Die Freigabe des Stromüberganges durch das Medium unter Anwendung elektrischer Spannung dürfte nicht allmählich erfolgen, sondern müßte sehr plötzlich wirken, in der Art eines Bruches, ähnlich dem eines festen Stückes, wie z.B. eines Glasstückes wenn es in einen Schraubstock eingepreßt wird.

5. Am wichtigsten ist, daß das Medium der Art sein muß, daß der Bogen, wenn er sich gebildet hat, auf die geringstmöglichen linearen Dimensionen beschränkt wird und sich nicht ausdehnt oder ausbreitet.

Als eine Stufe in der Richtung die theoretischen Anforderungen hat der Erfinder bisher bei einigen seiner Stromunterbrecher eine Flüssigkeit von hoher isolierender Fähigkeit benutzt, wie z.B. Kohlenwasserstoff in flüssigem Zustand, und hat diesen am besten mit großer Geschwindigkeit zwischen die sich nähernden und entfernenden Kontaktspitzen des Stromunterbrechers gedrückt. Durch Anwendung einer derartigen flüssigen Isolierung wurde ein sehr gut sich kennzeichnender Fortschritt erreicht, wobei einige von den obigen Anforderungen auf diesem Weg erreicht wurden, andere Fehler aber noch blieben, vorzüglich derjenige, der auf der Tatsache beruht, daß die isolierende Flüssigkeit ebenso wie ein leerer Raum, allerdings in geringerem Grad, die Ausdehnung des Bogens in der Länge und Stärke ermöglicht, so daß er alle Grade des Widerstandes annehmen kann und dadurch einen größeren oder geringeren Energieverlust bewirkt.

Um diesen Uebelstand zu beseitigen und die theoretischen Bedingungen noch besser zu erfüllen, die für ein wirksames Arbeiten der Stromunterbrecher notwendig sind, ist der Erfinder schließlich darauf geführt worden, ein gasförmiges Isoliermedium zu benutzen, das einem hohen Druck ausgesetzt ist. Die Anwendung eines hohen Druckes auf das Medium, in welchem der Stromschluß und die Stromunterbrechung stattfindet, bringt eine Anzahl besonderer Vorteile mit sich. Der eine dieser Vorteile läßt sich am besten durch gut durchgeführte Versuche beweisen, welche zeigen, daß die Schlagweite eines Bogens ungefähr umgekehrt proportional ist zu dem Druck des gasförmigen Mediums, in welchem sich der Bogen bildet. Aber mit Rücksicht auf die Tatsache, daß in den meisten in der Praxis vorkommenden Fällen die Schlagweite sehr gering ist, da die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden gewöhnlich nicht mehr als einige hundert Volt beträgt, so sind die wirtschaftlichen Vorteile, die sich aus der Verringerung der Schlagweite, besonders beim Nähern der Klemmen ergeben, nicht von einer sehr großen praktischen Bedeutung. Ein viel bedeutenderer Vorteil, den der Erfinder als eine neue Wirkung gefunden hat, die seiner Beobachtung nach sich aus der Wirkung eines derartigen unter Druck stehenden Mediums auf den Bogen ergibt, ist der, daß der Querschnitt des Bogens ungefähr im umgekehrten Verhältnis zum Druck verringert wird. Da also unter sonst gleichen Bedingungen der Energieverlust in einem Bogen proportional zu dem Querschnitt desselben ist, so folgt hieraus ganz allgemein ein sehr bedeutender Gewinn für die Ausnutzung der elektrischen Energie. Ein Merkmal von großem praktischen Wert liegt ebenso in der Tatsache, daß die isolierende Wirkung des unter Druck stehenden Mediums nicht wesentlich geschwächt wird, sogar bei erheblichem Anwachsen der Temperatur, und ferner darin, daß Druckänderungen innerhalb weiter Grenzen, wenn der Apparat richtig gebaut ist, nicht merkbar die Wirkung des Stromunterbrechers beeinflussen. In mancher anderen Hinsicht dagegen erfüllt ein Gas unter starkem Druck nahezu alle oben erwähnten Anforderungen, was das plötzliche Abbrechen und die schnelle Wiederherstellung der Isolierwirkung betrifft, und ebenso auch in Bezug auf die chemische Unwirksamkeit, die man durch geeignete Auswahl des Gases leicht erreichen kann.

Bei Anwendung dieses Merkmales der vorliegenden Erfindung kann das Medium unter Druck erzeugt oder erhalten werden in irgend einer geeigneten Weise, da sich die Anordnung nicht auf irgend eine spezielle Vorrichtung für diesen Zweck beschränkt. Der Erfinder zieht jedoch vor, den gewünschten Erfolg dadurch zu erreichen, daß er den Stromunterbrecher oder wenigstens so viel von demselben, daß die Stromklemmen mit eingeschlossen sind, in eine geschlossene Kammer oder einen Behälter mit festen Wänden einschließt, dessen Inneres mit einem kleinen Behälter für verflüssigtes Gas in Verbindung steht.

Mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen soll nun eine mehr ins einzelne gehende Beschreibung dieses Apparates gegeben werden.

Fig. 1 ist ein Schema, das die allgemeine Anordnung eines Stromunterbrechers und die besondere Art, in welcher er benutzt werden soll, veranschaulicht. Fig. 2 ist eine Aufsicht auf den Stromunterbrecher. Fig. 3 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines vollständigen, in Fig. 1 schematisch angedeuteten Apparates. Die übrigen Figuren sind Schnittdarstellungen von abgeänderten Ausführungsformen des Apparates.

Das allgemeine Schema des Systems, für das der vorliegende Stromunterbrecher im besonderen bestimmt ist, läßt sich aus Fig. 1 verstehen. In dieser Figur bedeuten X X die Klemmen einer Stromquelle, A’ ist eine Selbstinduktions- oder Drosselspule, die in den einen Zweig des Stromkreises eingeschlossen und dauernd mit der einen Seite des Kondensators A’ verbunden ist. Die andere Klemme dieses Kondensators ist mit der anderen Klemme der Stromquelle durch die Primärspule A3 eines Transformators verbunden, dessen Sekundärspule A4 den Arbeitsstromkreis bildet, in welchen ein geeigneter Verbrauchsapparat A5 eingeschlossen ist.

Der Stromunterbrecher A, der hier nur schematisch angedeutet ist, bewirkt die Schließung und Unterbrechung einer Brücke von der einen Klemme der Stromquelle zu einem Punkte zwischen der Drosselspule A’ und dem Kondensator A”, so daß, wenn der Stromkreis durch den Stromunterbrecher vervollständigt ist, die Drosselspule A’ unmittelbar an die Stromquelle (X X) angeschlossen ist und Energie aufspeichert, welche in den Kondensator geladen wird, wenn der Stromkreis von dem Stromunterbrecher unterbrochen wird, und wiederum aus dem Kondensator durch die Primärspule A3 entladen wird, wenn der Kondensator und die Primärspule durch die folgende Vervollständigung des Stromkreises des Stromunterbrechers kurzgeschlossen werden.

Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen eine typische Form des Stromunterbrechers. Die mit A und B bezeich-neten Teile bilden einen geschlossenen Behälter von zylindrischer Form, der einen Dom oder Aufsatz von geringerem Durchmesser besitzt. Der Behälter ist auf dem Ende einer Spindel a befestigt, welche senkrecht in Lagern von irgend einer beliebigen, für diesen Zweck geeigneten Bauart gelagert ist.

Dieses Gehäuse wird auf irgend eine beliebige Art in schnelle Umdrehung versetzt, z.B. durch einen Feldmagneten a’ der auf der Grundplatte oder dem Rahmen befestigt ist, und durch einen ringförmigen Anker a” an dem Behälter A. Die Spulen des Ankers sind mit den Platten c eines am Behälter A angeordneten Kommutators verbunden und sind zylindrisch angeordnet, so daß sie das Lager, in welchem sich die Spindel a dreht, umgeben.

Ein Körper aus magnetischem Material c1, der als Anker dient, ist auf reibungslosen Lagern auf einer Verlängerung, der Spindel a befestigt, so daß der Behälter und der Körper c1 sich frei und unabhängig voneinander drehen können.

Den Dom B, in welchem sich der Anker befindet, umgibt ein Eisenkern mit Polstücken c”, welche durch Wicklungen b auf diesem Kern magnetisiert werden. Dieser Kern ist feststehend und wird von Armen b’ (Fig. 2) unabhängig von dem Gehäuse getragen, so daß, wenn der Behälter sich dreht und der Kern erregt wird, die Anziehungskraft, welche von den Polen c” auf den Anker c’ in dem Behälter A ausgeübt wird, diesen Anker an einer Drehung verhindert. Um Verluste infolge von sich in dem Gehäuse des Domes B bildenden Strömen zu verhindern, sollte dieser am besten aus Neusilber hergestellt oder irgend eine andere Vorsichtsmaßregel getroffen werden.

An dem Anker c’ ist innerhalb des Behälters A ein Arm b” befestigt, welcher an seinem Ende ein kurzes Rohr d trägt, das, wie in Fig. 2 dargestellt, so gebogen ist, daß sein eines Ende tangential zu der Behälterwand liegt, das andere dagegen nach dem Mittelpunkt des Behälters gerichtet ist.

An der Deckelplatte des Behälters A sind mehrere Stromleiterplatten d’ befestigt. Der Teil der Deckelplatte d”, von dem diese Stromleiterplatten herabgehen, ist von dem eigentlichen Behälter durch isolierende Packungen getrennt, steht aber in elektrischer Leitung mit dem Dom B, und um eine elektrische Verbindung von der äußeren Leitung zu den Leitern d’ herzustellen, ist in den oberen Teil des Domes ein kleiner Becher e mit Quecksilber eingesetzt, in den der Zapfen einer feststehenden Klemme e’ hineinreicht.

Eine geringe Menge einer leitenden Flüssigkeit, z.B. Quecksilber, wird in den Behälter A eingeführt; wird dieser gedreht, so wird das Quecksilber infolge der Zentrifugalkraft nach der Peripherie geschleudert und steigt an der inneren Wand des Behälters in die Höhe. Wenn es die Höhe der Öffnung des Rohres d erreicht, so wird dieses, weil es feststeht, einen Teil Quecksilber aufnehmen, der infolge seiner lebendigen Kraft durch das Rohr gedrückt und gegen die Leiter d’ geschleudert wird, wenn diese in schneller Aufeinanderfolge an der Öffnung des Rohres vorbeigehen.

Auf diese Weise wird der Stromkreis zwischen dem Behälter und den Leitern d’ vervollständigt während der Perioden, in welchen der Quecksilberstrom- oder strahl auf einen dieser Leiter trifft; der Stromkreis wird unterbrochen, sobald der Quecksilberstrahl in den Zwischenraum zwischen den Leitern geschleudert wird.

Der Teil der vorliegenden Erfindung, der darin besteht, eine Atmosphäre von unwirksamem Gas unter Druck in dem den Stromunterbrecher enthaltenden Behälter aufrecht zu erhalten, läßt sich bei allen hier beschriebenen Ausführungsformen von Stromunterbrechern anwenden.

Fig. 4 veranschaulicht eine Abänderung des Stromunterbrechers, welche zwei bedeutende, bei Vorrichtungen dieser Art wertvolle Merkmale aufweist. Das eine besteht darin, daß in einem sich drehenden Behälter ein dauernder Strom (oder Ströme) des flüssigen Leiters unterhalten wird, welcher auf einen festen Leiter trifft und diesen in Umdrehung versetzt, so daß dadurch der erforderliche, schnell und häufig unterbrochene Kontakt zwischen den beiden hergestellt wird; das andere Merkmal besteht darin, daß man die Umdrehung eines derartigen festen Leiters als Mittel benutzt, die Bewegung seiner Träger in der Richtung der Drehung des Behälters zu verhindern, so daß man außer anderem eine nahezu konstante Bewegung zwischen den einzelnen Teilen aufrecht erhält, eine Wirkung, welche bei Vorrichtungen dieser Art oft sehr wünschenswert ist.

In Fig. 4 ist der Behälter A mit Zapfen versehen, welche ihre Lage in Ständern f” haben und eine Umdrehung des Behälters um eine waagerechte Achse ermöglichen.

Bei der besonderen Ausführungsform der besprochenen Vorrichtung ist der Behälter in zwei Teile getrennt, welche durch eine Scheibe G voneinander isoliert und durch isolierte Bolzen G’ mit Muttern G” zusammengehalten werden.

Ein Block l wird von Zapfen g getragen, welche in den Ansätzen des Behälters und konzentrisch mit der Drehungsachse gelagert sind. Das Gewicht dieses Blockes l, der zu seiner Drehungsachse konzentrisch liegt, verhindert seine Drehung um die Achse, wenn der Behälter gedreht wird.

Auf dem Block l, jedoch isoliert von demselben, ist ein senkrechter Ständer g’ befestigt, in welchem eine frei drehbare Welle f’ angeordnet ist, die eine Scheibe g” trägt, deren radiale Arme zu der Ebene der Scheibe geneigt sind, so daß sie Flügel d’ bilden.

An dem Blocke l sind ferner Arme i i’ angeordnet, die an ihren Enden Kanäle oder Rohre d tragen, deren eines Ende sich gegen die Flügel d’ öffnet, während ihr anderes Ende dicht an der Innenseite des Behälters anliegt und sich in entgegengesetzter Richtung zu der Umdrehung des Behälters öffnet.

In den Behälter wird vor Schließung und Verlötung desselben eine genügende Menge Quecksilber eingeführt.

Die Wirkung dieser Vorrichtung (Fig. 4) ist folgende:

Der Behälter wird in Umdrehung versetzt, und das Quecksilber oder eine sonstige leitende Flüssigkeit wird dann durch die Zentrifugalkraft, wenn der Behälter eine hohe Geschwindigkeit erlangt hat, gezwungen, sich in einer dünnen Lage über die ganze Innenfläche des Behälters zu verteilen.

Da die Rohre d nicht an der Umdrehung der Flüssigkeit teilnehmen, sondern durch den schweren Block l in ihrer Stellung festgehalten werden, so nehmen sie etwas Quecksilber auf, sobald es zu den Punkten gelangt, wo sich die Rohre öffnen, und leiten es auf die Flügel der Scheibe g”.

Hierdurch wird diese Scheibe in schnelle Umdrehung versetzt, wodurch der Kontakt zwischen den beiden Teilen des Behälters, die die beiden Klemmen des Stromunterbrechers bilden, hergestellt wird, wenn die beiden Ströme oder Strahlen der Flüssigkeit gleichzeitig in Berührung mit den Flügeln stehen; der Kontakt wird unterbrochen, sobald die Strahlen durch den Raum zwischen den Flügeln hindurchgehen.

Der wesentliche Zweck der Anwendung zweier isolierter Strahlen anstatt eines besteht darin, daß man eine größere Geschwindigkeit im Annähern und Trennen der einzelnen Teile erhält, und in dieser Hinsicht kann die Vorrichtung noch weiter verbessert werden dadurch, daß man eine beliebige Anzahl derartiger isolierter Teile und Strahlen und eine entsprechende Anzahl sich drehender fester Leiter anordnet.

Die Scheibe g” wirkt, sobald sie eine sehr hohe Umdrehungsgeschwindigkeit erlangt hat, gyrostatisch auf den Block l und hindert ihn so, sich zu drehen oder in schwingende Bewegung zu geraten, da andernfalls eine derartige Bewegung die Drehungsebene der Scheibe verändern würde. Daher ist die Bewegung der Teile und die Wirkung der Vorrichtung in ihrer Gesamtheit eine sehr ruhige und gleichförmige, und man erzielt damit einen wesentlichen praktischen Vorteil. Die Geschwindigkeit der Scheibe wird hauptsächlich von der Geschwindigkeit der Flüssigkeitsstrahlen und der Neigung der Flügel abhängen; es ist daher notwendig, um eine gleichmäßige Umdrehungsgeschwindigkeit der Scheibe zu erzielen, daß die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsstrahlen eine konstante sei. Dies wird erreicht dadurch, daß der Behälter mit konstanter Geschwindigkeit gedreht wird; ist dieses jedoch unmöglich durchzuführen, andererseits aber die Gleichmäßigkeit in der Bewegung der Scheibe sehr wünschenswert, so nimmt der Erfinder zu besonderen Vorrichtungen Zuflucht, um diese Wirkung zu erzielen, wie z.B. zu der Benutzung von Ueberlaufbehältern i” i”, wie in punktierten Linien angedeutet, aus denen die Flüssigkeit auf die Flügel mit gleichmäßiger Geschwindigkeit strömt, obwohl die Geschwindigkeit des Behälters innerhalb weiter Grenzen schwanken kann.

Es ist selbstverständlich, daß die Strahlen, die den elektrischen Kontakt hersteilen, nicht notwendigerweise zum Antrieb der Scheibe benutzt werden müssen, es können vielmehr für diesen speziellen Zweck besondere Strahlen vorgesehen und auf einen isolierten Teil der Scheibe oder einen mit dieser verbundenen Körper geleitet werden, in welchem Fall diese Strahlen anstatt auf die weiter außen liegenden Teile auf Teile treffen, welche der Rotationsachse näher liegen, so daß auf diese Weise noch eine schnellere Bewegung der Scheibe erzielt wird. Diese Strahlen können in irgend einer beliebigen Weise erzeugt werden.

Um den Grad der Bewegung der Kontaktteile gegeneinander noch mehr zu erhöhen, können sie in entgegengesetzter Richtung gedreht werden. Man kann dies in verschiedener Weise erreichen; die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform ist ein Beispiel hierfür. In dieser Figur bezeichnet H ein Gehäuse von zylindrischer Gestalt, in welchem ein Ständer angeordnet ist, in dem eine senkrechte Welle a läuft, welche den Stromunterbrecher trägt.

Der Mechanismus des Stromunterbrechers ist in einem Gehäuse enthalten, dessen Deckel aus einer ringförmigen Platte und einer Kappe oder einem Dom besteht, welch letzterer aus Isoliermaterial oder einem Metall von verhältnismäßig hohem spezifischen Widerstand, wie z.B. Neusilber, besteht. Um die Umdrehung des Behälters zu erzielen, kann man irgend ein beliebiges Mittel anwenden; die in der Zeichnung dargestellte spezielle Vorrichtung für diesen Zweck stellt sich als ein elektromagnetischer Motor dar, dessen eines Element a’ an der Welle a oder dem Behälter A und dessen anderes Element an dem Gehäuse H befestigt ist. In dem Behälter A ist an der Decke desselben, jedoch isoliert davon, ein kreisförmiger Leiter mit nach unten gehenden Vorsprüngen oder Zähnen d’ befestigt. Dieser Leiter wird in elektrischer Verbindung mit einer Platte H’ außerhalb des Behälters gehalten vermittels Schrauben oder Bolzen H”, welche durch isolierte Öffnungen in dem Deckel des Behälters A hindurchgehen.

In dem Behälter befindet sich ein Ständer h, in dem eine Welle h’ konzentrisch mit der Achse des Behälters angeordnet ist.

Um diese Welle unabhängig von dem Behälter A zu drehen, kann man beliebige Vorrichtungen benutzen; der Erfinder wendet zu diesem Zweck wieder einen elektromagnetischen Motor an, dessen eines Element h” auf der Welle h’ in dem Behälter A und dessen anderes Element j an dem Gehäuse Fl befestigt ist und den Aufsatz oder Dom B, in dem sich der Anker h” befindet, umgibt. Mit der Welle h’ oder dem Anker h” ist ein Zylinder verbunden, an welchem Arme b” b” befestigt sind, die radial nach außen gehen und kurze Rohre d zwischen den Seitenwänden des Behälters A und den Zähnen oder Vorsprüngen d’ tragen.

Die Rohre d haben an der einen Seite Öffnungen ganz nahe an der Innenseite des Behälters A und sind in entgegengesetzter Richtung gebogen als die Drehrichtung des Behälters A, an der anderen Seite haben sie Öffnungen, welche einen Strom oder Strahl einer Flüssigkeit gegen die Vorsprünge d1 richten können.

Um diesen Apparat in Wirkung zu setzen, werden sowohl der Behälter A, in den vorher eine genügende Menge Quecksilber eingefüllt ist, und die Welle h’ durch ihre Motoren in entgegengesetzter Richtung in Umdrehung versetzt. Durch die Umdrehung des Behälters A wird die leitende Flüssigkeit infolge der Zentrifugalkraft auf die Seitenwände desselben geleitet und von den Rohren d aufgenommen, welche die Flüssigkeit gegen die sich drehenden Leiter d’ führen. Wenn daher die eine Klemme des Stromkreises mit dem einen Teil des Behälters A oder mit Metallteilen des Instruments, welche mit demselben in elektrischer Verbindung stehen, verbunden ist, und die andere Klemme in gleicher Weise mit der Platte H’, so wird ein Stromkreis zwischen diesen Klemmen geschlossen, sobald ein Strahl aus einer der Röhren d gegen einen der Vorsprünge d’ geleitet wird, und unterbrochen, sobald die Strahlen durch die Zwischenräume zwischen diesen Vorsprüngen hindurchgeführt werden. An Stelle eines festen Leiters für das eine dieser Kontaktstücke und einer leitenden Flüssigkeit für das andere kann der Erfinder auch eine leitende Flüssigkeit für beide benutzen, so zwar, daß der eine der flüssigen Leiter durch einen um seine Achse rotierenden Quecksilberstrahl (Patentschrift 103704) gebildet wird, und unter Umständen, welche einen plötzlich und schnell unterbrochenen Kontakt zwischen ihnen herstellen, wie dies aus Fig. 6 ersichtlich ist.

Der in dieser Figur dargestellte Behälter besteht aus zwei Teilen, die voneinander isoliert sind und durch Zapfen getragen werden, so daß sie sich um eine waagerechte Achse drehen. Die anliegenden Enden dieser beiden Teile sind mit nach innen gehenden Flanschen J’ versehen, welche den inneren Teil des Behälters in zwei Abteile J” und K” trennen.

In den einen dieser Abteile, z.B. J”, geht eine Welle, welche in dem einen Ende des Behälters A gelagert ist, bezw. in dem an dem Behälter sitzenden Drehzapfen. In dem anderen Abteil K” befindet sich eine Welle K’, welche in ähnlicher Weise in dem anderen Ende des Behälters A, bezw. in seinem Drehzapfen gelagert ist. Jede Welle trägt einen schweren Arm I, der in senkrechter Lage verbleibt und seine Welle festhält, wenn der Behälter umgedreht wird.

An dem schweren Arm l der Welle K ist ein Träger L befestigt, der ein Rohr d trägt, dessen eines offene Ende ganz nahe an der Innenwand des Abteiles J” liegt und dessen anderes Ende sich nach der Achse zu erstreckt, jedoch nach dem anderen Abteil zu gebogen ist. An dem anderen schweren Arm der Welle K’ ist in ähnlicher Weise ein Halter L’ befestigt, der hohl ist und einen Teil eines Kanals bildet, der durch einen Teil der Welle hindurchgeht und mit dem Stutzen I” in eine kreisförmige Kammer in der Wand des Behälters ausläuft. Von dieser Kammer gehen Kanäle I’ zu Düsen m, welche so angeordnet sind, daß sie Flüssigkeitsstrahlen oder Ströme in einer derartigen Richtung fortleiten können, daß dadurch, wenn diese Düsen gedreht werden, ein aus dem Ende des Rohres d kommender Strom geschnitten wird. In jedem Abteil des Behälters ist eine gewisse Menge Quecksilber vorhanden, und die Enden der Rohre sind mit Öffnungen versehen, welche etwas Quecksilber aufnehmen, wenn bei der Umdrehung des Behälters dieses durch die Zentrifugalkraft über die Innenwand verteilt ist. Das durch das Rohr d entnommene Quecksilber geht in einem Strom oder Strahl durch das Rohr hindurch und wird in das Abteil K” geleitet. Das durch das Rohr L’ aufgenommene Quecksilber läuft in die kreisförmige Kammer l, aus der es durch die Kanäle l’ in die Düsen m getrieben wird: aus diesen tritt es in Strahlen oder Strömen heraus, welche in den Abteil J” gerichtet sind. Da die Düsen m sich drehen, so werden die Ströme, die aus diesen Düsen kommen, durch die Bahn des Stromes hindurchgeführt werden, der aus dem Rohr d herauskommt und feststehend ist; es wird also ein Stromkreis zwischen den beiden Abteilen geschlossen, wenn die Ströme sich schneiden, und alsdann wieder unterbrochen.

Die Kontinuität der Ströme oder Strahlen wird im allgemeinen nicht auf eine große Entfernung unterhalb der Öffnungen, aus denen sie austreten, vorhalten, und infolgedessen werden sie nicht als Leiter zur elektrischen Verbindung der beiden Seitenteile des Behälters an einer anderen Stelle als dort, wo sie einander treffen, dienen. Es ist selbstverständlich, daß, was dieses allgemeine Merkmal der Unterhaltung von leitenden Strömen anbetrifft, sehr verschiedene Mittel zur Erreichung dieses Zweckes benutzt werden können, und daß die in Lagern konzentrisch zu der Drehungsachse des Behälters liegenden und durch ihre belasteten Arme gegen Drehung verhinderten Wellen nur einen besonderen Weg zur Erreichung dieses Erfolges zeigen. Diese besondere Ausführungsform hat jedoch bestimmte Vorteile und kann ganz allgemein bei Stromunterbrechern dieser Gattung angewendet werden, wenn immer es notwendig ist, einem feststehenden oder nahezu feststehenden Körper in einen sich drehenden Gehäuse anzuordnen.

Es folgt ferner aus der Natur der Sache, daß es nicht wichtig ist, daß der oder die Strahlen in dem einen Behälter des Apparates feststehen und die anderen sich drehen, sondern nur daß eine derartige Bewegung beider gegeneinander vorhanden ist, daß die beiden verschiedenen Sätze von Strahlen gezwungen werden, beim Betrieb des Apparates in einen plötzlichen und sehr schnell hintereinander unterbrochenen Kontakt zu kommen. Die Anzahl der feststehenden oder sich drehenden Strahlen kann nach Belieben gewählt werden, jedoch da die leitende Flüssigkeit von dem einen Abteil in das anderen geleitet wird und umgekehrt, so müßte die Menge, welche unter gewöhnlichen Umständen aus den Abteilen herausgeleitet wird, annähernd gleich sein. Da aber immer ein gewisses Bestreben vorhanden sein wird, eine größere Flüssigkeitsmenge aus dem Abteil zu übertragen, welcher die größere Menge enthält, in denjenigen, der die geringere Menge enthält, so wird man in dieser Richtung zur Aufrechterhaltung der zur befriedigenden Wirkung des Apparates notwendigen Bedingungen keine Schwierigkeiten finden.

Ein praktischer Vorteil, welcher hauptsächlich wichtig ist, wenn eine große Anzahl von Unterbrechungen in der Zeiteinheit verlangt wird, kann erreicht werden dadurch, daß man die Anzahl der Strahlen in dem einen Abteil gerade und in dem anderen Abteil ungerade macht und jeden Strahl symmetrisch zu dem Rotationsmittelpunkt anordnet. Die Differenz zwischen den Zahlen der Strahlen sollte am besten gleich sein. Hierdurch werden die Zwischenräume zwischen den Strahlen eines jeden Satzes so groß als möglich und schädliche Kurzschlüsse vermieden.

Um die Sache zu erläutern, sei angenommen, daß die Anzahl der Strahlen oder Rohre d in dem einen Behälter 9 sei und die Zahl der Düsen in dem anderen Abteil 10 beträgt, dann werden durch eine Umdrehung des Behälters 90 Stromschlüsse und Unterbrechungen bewirkt.

Um dasselbe Resultat nur mit einem Strahl d zu erreichen, würde es notwendig sein, 90 Strahlen m in dem anderen Abteil zu benutzen, und dies würde Schwierigkeiten mit sich bringen, nicht allein infolge der nahen Lage der Ströme oder Strahlen aneinander, sondern ebenso auch mit Rücksicht auf die große Flüssigkeitsmenge, welche zur Unterhaltung aller dieser Strahlen notwendig wäre.

Bei Benutzung dieses Apparates als Stromunterbrecher ist es lediglich notwendig, die beiden voneinander isolierten Teile des Behälters mit den beiden Teilen des Stromkreises zu verbinden.

Bei Apparaten dieser Gattung, bei welchen die beiden Kontaktelemente aus einem flüssigen Elemente bestehen, wird keine Abnutzung oder Zerstörung der Kontaktelemente erfolgen, so daß der Kontakt zwischen diesen stets ein vollkommener sein wird. Die Widerstandsfähigkeit und Wirksamkeit derartiger Vorrichtungen wird also dadurch wesentlich vergrößert.

Zu demselben Zwecke kann der Erfinder auch eine abgeänderte Ausführungsform eines Stromunterbrechers benutzen, bei welchem der Stromschluß durch zwei Teile einer leitenden Flüssigkeit hergestellt wird; in diesem Falle werden aber diese beiden Teile, anstatt den Stromkreis durch ihre Bewegung zu unterbrechen, periodisch durch Zwischenschaltung eines Isolators getrennt, der am besten aus einer festen widerstandsfähigen Masse bestellt.

Man ordnet z.B. eine Platte oder Scheibe mit Zähnen oder Vorsprüngen an, und zwar aus Glas, Lava oder einer ähnlichen Masse, welche infolge der Umdrehung der Scheibe durch den Strahl oder flüssigen Leiter hindurchgehen und dadurch das Schließen und Unterbrechen des Stromkreises bewirken.

Vermöge einer derartigen Vorrichtung finden die Unterbrechungen nur zwischen flüssigen Kontaktteilen statt; es kann also eine Zerstörung und infolge dessen eine Verminderung der Wirkung des Apparates niemals eintreten.

In Fig. 7, welche diese Ausführungsform des Stromunterbrechers darstellt, ist der Behälter, der die Kontaktteile enthält, auf einer Welle a in einem Halter oder Lager angeordnet, so daß er sich frei drehen kann.

Die Vorrichtungen zur Umdrehung des Behälters sind dieselben wie in Fig. 3, obwohl auch andere angewendet werden können.

In der Welle a und konzentrisch mit ihrer Achse ist eine Welle M auf Kugellagern oder in sonst einer beliebigen Weise angeordnet, so daß sie sich frei gegen die Welle a drehen kann und so wenig als möglich von der Drehung der letzteren beeinflußt wird.

Um die Drehung der Welle M bei der Umdrehung des Behälters zu verhindern, können beliebige Mittel angewendet werden. Bei der hier dargestellten besonderen Ausführungsform ist an der Welle M ein Gewicht oder ein belasteter Arm l exzentrisch zu der Achse der Welle angeordnet, und da das Lager der Welle a diese in einem Winkel gegen die Senkrechte hält, so wirkt dies Gewicht durch seine Schwere derart, daß es die Welle M festhält. An der Decke des Behälters A ist durch einen Bolzen m’, welcher durch eine isolierte Öffnung in dem Deckei hindurchgeht und mittels einer Mutter m” festgehalten wird, eine kreisförmige Scheibe M’ aus leitendem Material, am besten Stahl oder Eisen, befestigt, deren Seitenkanten abwärts und dann nach innen gebogen sind, so daß sie eine ringförmige Mulde an der Unterseite der Scheibe bilden.

An der Unterseite der Scheibe M’ ist ferner eine zweite Scheibe M” angeordnet, welche mit nach unten geneigten, rings herum angeordneten Vorsprüngen n n aus isolierendem und am besten widerstandsfähigem Material in einem zu der Scheibe M’ konzentrischen Kreis versehen ist.

Ein Rohr d ist an der Welle M oder an dem Gewicht l befestigt und so angeordnet, daß die Öffnung an dem einen Ende sich nach außen in die Mulde an der Scheibe M’ richtet, während die andere Öffnung dicht an der Innenseite des Gehäuses liegt, so daß, wenn eine gewisse Menge Quecksilber oder einer anderen leitenden Flüssigkeit in dem Gehäuse vorhanden ist und dies sich dreht, das Rohr d, das festgehalten wird, etwas von der Flüssigkeit aufnehmen wird, die durch die Zentrifugalkraft an der Seitenwand des Behälters hinausgetrieben wird, und diese in einem Strom oder Strahl gegen die Mulde oder den Flansch der Scheibe M’ oder gegen die inneren Flächen der Vorsprünge n der Scheibe M” führt, je nach der Lage.

Da nun die beiden Scheiben M’ und M” sich in Bezug auf den aus dem Rohre d kommenden Strom oder Strahl drehen, so wird eine elektrische Verbindung zwischen dem Behälter und der Scheibe M’ durch die Flüssigkeit hergestellt, wenn der Strahl zwischen den Vorsprüngen n zu der Scheibe M’ gelangt; diese Verbindung wird aber unterbrochen, wenn der Strahl durch die Vorsprünge unterbrochen wird.

Die Schnelligkeit und die Dauer der Stromschlüsse und Unterbrechungen ist durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Behälters und die Anzahl und Länge der unterbrechenden Vorsprünge n bestimmt.

Dadurch, daß man den Teil der Scheibe M’, mit dem der Strahl in Berührung tritt, in Form einer Mulde ausbildet, welche bei der Umdrehung einen Teil der gegen sie geführten Flüssigkeit zurückhält, wird eine sehr nützliche Eigenschaft geschaffen. Die Flüssigkeit sammelt sich unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft in dieser Mulde und verteilt sich über die ganze Innenfläche der Mulde, so daß sie an der Innenseite derselben eine dünne Schicht bildet, auf die der Strahl auftrifft. Hierdurch wird ein sehr guter Kontakt erzielt und eine Zerstörung der Kontaktflächen vermieden.

Es ist nicht notwendig, daß die leitende Flüssigkeit, welche den einen der Kontaktteile bildet, in Form eines aus der Öffnung eines Rohres austretenden Strahles zur Anwendung gelangt. Dieselbe Wirkung läßt sich erzielen durch die Anwendung eines Stromes der Flüssigkeit, welcher in anderer Weise in schneller Bewegung erhalten wird. In den Fig. 8 und 9 ist eine Vorrichtung zur Erfüllung dieses Zweckes dargestellt.

Der Behälter A wird ähnlich wie in Fig. 7 angeordnet und umgetrieben, ebenso ist auch eine Welle M mit einem exzentrischen Gewicht l vorgesehen. An der Welle M oder an dem Gewicht l ist ein isolierter Halter O befestigt, der einen Ständer oder eine Hülse O’ trägt, in welcher auf Kugellagern eine Welle O” läuft. An dieser ist eine Platte mit radialen Armen o befestigt, von denen Flügel oder Schaufelblätter o’ mit Vorsprüngen o” radial an denselben herabgehen. Ein Schild oder Schirm P schließt die Flügel ab, ausgenommen nach der Seite, welche der Innenwand des Behälters A gegenüberliegt. In dem Behälter befindet sich eine geringe Menge einer leitenden Flüssigkeit; um eine gute elektrische Verbindung zwischen den Flügeln o’ und einer Klemme außerhalb des Behälters herzustellen, ist an dem Gewicht l eine kleine Quecksilberschale in metallischem Kontakt mit den Flügeln durch den Halter O und die Hülse O’ befestigt. Ein Metallbolzen, der in den isolierten Bolzen m’ eingesetzt ist, geht durch eine mit Packung versehene Öffnung in dem Deckel der Schale p in diese hinein. Die eine Klemme des Stromunterbrechers bildet also einen Teil des metallenen Behälters, während die andere der isolierte Bolzen m’ ist.

Um den Apparat in Wirkung zu setzen, wird der Behälter in Umdrehung gebracht, so daß bei Anwachsen seiner Geschwindigkeit das Quecksilber oder die sonstige in ihm enthaltene leitende Flüssigkeit durch die Zentrifugalkraft an den inneren Seiten des Behälters aufwärts getrieben wird, über welche sie sich in einer dünnen Schicht ausbreitet. Wenn diese Schicht genügend angestiegen ist, um die Vorsprünge o” der Flügel o’ zu berühren, so werden diese in schnelle Umdrehung versetzt und eine elektrische Verbindung zwischen den Klemmen des Apparates hergestellt und unterbrochen, und zwar mit sehr großer Geschwindigkeit. Die Vorsprünge o” sind am besten in verschiedener Höhe an den Flügeln o’ angeordnet, so daß dadurch eine größere Sicherheit in der Herstellung eines guten Kontaktes mit der Quecksilberschicht erzielt wird, wenn sich die Teile in schneller Umdrehung befinden.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen des Stromunterbrechers, bei denen ein Umlauf der leitenden Flüssigkeit durch Rohre oder Kanäle erzielt wird, ist die Kraft, welche die Flüssigkeit antreibt, von derselben Quelle hergeleitet wie diejenige, welche den Behälter direkt oder die Bewegung der Kontaktstücke gegeneinander aufrecht erhält. Mit anderen Worten, anstatt eine unabhängige Pumpe oder eine ähnliche Vorrichtung zu benutzen, um die Flüssigkeit durch die Kanäle zu drücken, verbindet der Erfinder die beiden Mechanismen - den Unterbrecher und die Vorrichtung zur Unterhaltung eines Umlaufes der leitenden Flüssigkeit - zu einem einzigen.

Patentansprueche:

1. Stromunterbrecher mit flüssigem Leiter, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Leiter infolge Umdrehung seines Behälters (A) an der Behälterwand zum Aufstieg gebracht wird und in Form eines ruhenden Strahles mit rotierenden Leitern (d’) den Stromschluß bewirkt.

2. Eine Ausführungsform des im Anspruch 1 gekennzeichneten Stromunterbrechers, bei welcher das an der Wand des horizontal (Fig. 3 und 5) oder vertikal (Fig. 4) in Umdrehung versetzten Behälters (A) aufsteigende Quecksilber durch ein horizontales bezw. vertikales, feststehend im Behälter angeordnetes Rohr (d) aufgenommen und gegen die horizontal rotierenden festen Leiter (d’) geleitet wird.

3. Eine Ausführungsform des im Anspruch 1 gekennzeichneten Stromunterbrechers, bei welcher der rotierende Leiter durch einen Quecksilberstrahl nach Patent 103704 in der Weise gebildet wird, daß das an der Behälterwand aufsteigende Quecksilber durch ein feststehendes Rohr (L’) aufgenommen und zu einer Kammer (l) der Behälterwand und aus dieser durch Kanäle (l’) zu den Düsen (m) geführt wird (Fig. 6).

4. Eine Ausführungsform des Stromunterbrechers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Aufnahme und Fortleitung des Quecksilbers gegen den rotierenden festen Leiter (M’ M”) dienende feststehende Rohr (d) im tiefsten Teil des unter einem Winkel zur vertikalen rotierenden Behälters (A) angeordnet ist (Fig. 7).

5. Eine Ausführungsform des im Anspruch 1 gekennzeichneten Stromunterbrechers, bei welcher das an der Behälterwand aufsteigende Quecksilber unmittelbar mit leitenden Nasen (o”) des im Behälter drehbar angeordneten festen Leiters in Berührung tritt (Fig. 8 und 9).

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