Vorrichtung zur Umwandlung von Energie von einer Form in Energie einer anderen Form
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Energie einer Form in Energie einer anderen Form, mit mindestens einer magnetischen Komponente, Mitteln zum Zuführen von Energie einer Form zu der magnetischen Komponente und Mitteln zur Abnahme von Energie in einer anderen Form von der magnetischen Komponente.
Ferromagnetische Materialien sind in Vorrichtungen verwendet worden, die Energie von einer Form in eine andere umwandeln können. Einige dieser Vorrichtungen, z. B. der übliche, auf einem temperaturempfindlichen Bimetallelement basierende Haushaltsthermostat, verwenden einen permanenten Magneten als Hilfsvorrichtung zur Verbesserung der Leistung. In Vorrichtungen eines anderen Typs ist das magnetische Element selbst in erster Linie für die Wirksamkeit massgebend. Zu diesen Vorrichtungen gehören der Motor von Van der Maas und Purvis (Am J. Phys, 24,176 - 1956-) und der thermoelektrische Generator von Schwarzkopf (U. S. Patent Nr. 2 016 100).
Die Wirkungsweise und die Art der Konstruktion derartiger Vorrichtungen werden durch die Tatsache beeinflusst, dass bei den meisten ferromagnetischen Materialien die Sättigung mit steigender Temperatur bis zum Curiepunkt gleichmässig abnimmt. Z. B. muss beim Betrieb des oben erwähnten Motors soviel Wärme zugeführt werden, dass die Temperatur des Rotors wesentlich erhöht wird.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Komponente eine plötzliche und reversible Zunahme der Sättigungsinduktion bei einer Temperatur unter ihrem Curie-Punkt aufweist.
Für die erfindungsgemässe Vorrichtung vorteilhaft brauchbare Materialien sind in dem U.S. Patent Nr.
3 126 347 von T. J. Swoboda beschrieben.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die magnetische Komponente zumindest zwei der Elemente Vanadium, Chrom, Mangan, Niob, Molybdän, Tantal, Wolfram und Rhenium aufweisen, wobei zumindest eines der Elemente Vanadium, Chrom oder Mangan ist und die beiden Elemente in einem Totalanteil von 35 bis 95 Atomprozent vorhanden sind, wobei jedes Element in einem Betrag von mindestens 0,1 Atomprozent bezogen auf die Gesamtzusammensetzung vorhanden ist und zumindest eines der Elemente Arsen oder Antimon im Betrag von 5 bis 40 Atomprozent beigefügt ist, wobei die magnetische Komponente bei diesem Ausführungsbeispiel eine maximale Sättigungsinduktion bei einer Temperatur unterhalb des Curie-Punktes besitzt.
Mischungen mit einer maximalen Sättigungsinduktion zwischen -150 0C und +200 OC sind für diese Verwendungszwecke besonders nützlich. Obwohl die Elemente Arsen oder Antimon fünf bis vierzig Atomprozent des Ganzen ausmachen können, werden sie doch im allgemeinen im Bereich von 5 bis 35 Atomprozent sein.
Energie kann in irgendeiner ihrer verschiedenen Formen, z. B. als Strahlung, elektrische oder magnetische Energie, Wärme oder mechanische Energie in die erfindungsgemässe Vorrichtung eingeführt oder aus ihr entnommen werden. Daher sind mittels dieser Vorrichtung eine Vielzahl von Energieumwandlungen möglich, da Energie in irgendeiner der obigen Formen abgegeben werden kann. Z. B. kann Wärmeenergie in magnetische, mechanische oder elektrische Energie übergeführt werden. Umgekehrt kann elektrische, mechanische oder magnetische Energie in Wärmeenergie umgewandelt werden.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung auf die folgende, ins einzelne gehende Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung verwiesen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines magnetisch betätigten Schalters mit einer magnetischen Komponente,
Fig. 2 eine teilweise schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Messen von Strahlungsintensitäten.
Fig. 3 eine teilweise schematische Darstellung eines Motors mit hin- und hergehender Bewegung,
Fig. 4 zwei Magnetisierungs-Temperatur-Kurvendar- stellungen für zwei Typen von zusammengesetzten Materialien, die als magnetische Komponenten in erfindungsgemässen Vorrichtungen verwendbar sind und zwar Fig. 4 A eine Magnetisierungs-Temperatur-Kurve mit einem ausgeprägten Maximum und Fig. 4 B eine mit einem ausgeprägten Minimum der Sättigungsinduktion im Verlauf der Temperaturänderung,
Fig. 5 eine teilweise schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperaturdifferenz zwischen zwei Kammern, bei der die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie genutzt wird,
Fig. 6 eine teilweise schematische Darstellung einer magnetischen Waage mit Umwandlung von thermischer in mechanische Energie,
Fig.
7 eine teilweise schematische Darstellung eines Längsschni. tes einer einstufigen Wärmepumpe , bei der eine Umwandlung von magnetischer in thermische Energie erfolgt und die Einzelheiten der Stromzuführung und der Regelschaltung zur Vereinfachung der Zeichnung weggelassen sind,
Fig. 8 einen Längsschnitt einer vierstufigen Apparatur mit vier einzelnen Wärmepumpen der in Fig. 7 gezeigten Bauart in Kaskaden anordnung (hintereinandergeschaltet),
Fig. 9 einen teilweise schematischen Seitenaufriss einer Ausführungsart einer einstufigen Wärmepumpe einschliesslich des damit verbundenen Stromkreises, bei der ein stationäres Wärmeübertragungsmittel und eine bewegliche Wärmequelle und Wärmesenke verwendet werden.
Fig. 10 eine vergrösserte Seitenansicht eines Schnittes des Wärmeübertragerbehälters des Apparates von Fig. 9,
Fig. 11 einen durch die Linie V-V in Fig. 9 gelegten Schnitt,
Fig. 12 eine teilweise schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsart eines temperaturabhängigen Induktors, der mit Umwandlung thermischer in magnetische Energie arbeitet,
Fig. 13 eine typische Temperatur-Induktivitäts-Kurve für den Induktor von Fig. 12,
Fig. 14 eine schematische Darstellung einer Temperaturregelschaltung unter Verwendung eines Induktors des in Fig. 12 im Detail dargestellten Typs,
Fig. 15 eine Temperatur-Potentiometereinstellungs- Kurve für die Vorrichtung nach Fig. 14,
Fig.
16 eine Stromstärke-Widerstands-Kurvendarstellung für sechs gegebene Temperaturen für einen temperaturabhängigen Induktor, der mit Umwandlung von Energie arbeitet und in Reihe mit einem 100-Ohm Widerstand in einer Schaltung für Wechselstrom 60 Hz verbunden ist, und
Fig. 17 eine Temperatur-Stromstärke-Kurve für einen typischen temperaturabhängigen Induktor, an den eine annähernd konstante Wechselspannung von 50 V und 60 Hz angelegt ist.
Die als Element für die Umwandlung von Energie von einer Form in die andere in den hier zu beschreibenden Vorrichtungen verwendeten Substanzen besitzen die charakteristische Eigenschaft, den sogenannten Über- gang erster Ordnung unterhalb ihres Curie-Punktes bei einem Temperaturanstieg zu durchlaufen.
Diese Umwandlung erster Ordnung oder auch erster Art ist eine Umwandlung, bei der eine Unstetigkeit in den ersten Ableitungen der Gibbs'schen freien Energie auftritt.
Eine Umwandlung zweiter Ordnung ist eine Umwandlung, bei der die zweite Ableitung der Funktion der freien Energie unstetig ist, die erste Ableitung aber stetig ist. Mit anderen Worten: bei einer Umwandlung zweiter Ordnung ändern sich die Energie, das Volumen und bei einer magnetischen Substanz die Magnetisierung stetig, aber die Ableitungen dieser Grössen nach der Temperatur haben Singularitäten. Der Curiepunkt eines magnetischen Materials ist ein Beispiel einer Umwandlung zweiter Ordnung.
Eine weitere Diskussion von Umwandlungen erster und zweiter Ordnung findet sich in Swalin, Thermodynamics of Solids , John Wiley and Sons., Inc., New York 1962, Seiten 72 und 73, sowie in Phase Transformations in Solids (Symposium at Cornell University, 23. bis 28. August 1948), John Wiley and Sons, Inc., New York 1951, Kapitel I von L. Tisza, Seiten 1 und 2.
Gleichzeitig mit dem Durchlaufen der Umwandlung tritt eine Veränderung des magnetischen Zustandes ein, der im Übergang von paramagnetisch oder antiferromagnetisch einerseits in ferromagnetisch oder ferrimagnetisch andererseits besteht, obgleich die spezifischen magnetischen Zustände sich in manchen Fällen nur schwierig identifizieren lassen und es scheint, dass gelegentlich verschiedene magnetische Zustände in lokalisierten Gebieten einer gegebenen Probe nebeneinander existieren können. Überdies kann bei Substanzen, bei denen die Umwandlung über einen verhältnismässig breiten Bereich von magnetischen Feldstärken eintritt, der Übergang aus einem magnetischen Zustand in einen anderen ziemlich allmählich sein, und das für den Untersucher wahrnehmbare Fortschreiten kann daher etwas zweideutig und schlecht definiert sein.
Die Gründe für diese Effekte können in der inhomogenen Zusammensetzung einer gegebenen Probe oder in dem Verharren in metastabilen Zuständen liegen, und es gibt wahrscheinlich andere Ursachen, die zur Zeit noch nicht aufgeklärt sind. Nichtsdestoweniger werden die Substanzen alle durch ein magnetisches Feld durch ihre Umwandlungen getrieben, obgleich etwas stärkere Felder als im Falle idealer Proben erforderlich sind.
Die Umwandlung erster Ordnung kann bei einer vorgewählten Temperatur innerhalb von Grenzen durch die Ausübung von Druckkraft auf das Material eintreten, wodurch eine Änderung der Temperaturansprechempfindlichkeit eintritt die für die im folgenden beschriebenen Antimonide eine Grösse von ca. 3 bis 4 "C pro 1050 kg/cm Druck in Richtung einer zunehmenden Temperatur hat. Dies liefert nicht nur ein Mittel für kleine Veränderungen der Kennlinie zur Erleichterung der Eichung mit Hilfe von zur Druckbelastung verwendeten Feststellschrauben oder dergl., sondern ermöglicht auch ein Ansprechen auf eine kombinierte Einwirkung von Temperatur und Druck.
Eine Umwandlung erster Ordnung ist immer von einer Veränderung der inneren Energie der die Umwandlung erfahrenden Substanz begleitet, und diese Veränderung wird durch eine latente Wärme angezeigt, die bei einer Umwandlung, bei der der Gehalt an innerer Energie gesenkt wird, als Wärme abgegeben wird und für die Übertragung durch Leitung und die anderen Arten der Wärmeübertragung an eine Umgebung, in Bezug auf welche ein positives Wärmegefälle besteht, verfügbar wird. Wo umgekehrt der Zustand nach dem Umwandlungspunkt einen erhöhten Gehalt an innerer Energie hat, sucht die Substanz Wärme aus ihrer Umgebung aufzunehmen und entzieht demgemäss einer Umgebung, in Bezug auf welche ein negatives Wärmegefälle besteht, Wärme.
Spezifische Materialien, die bei Anlegung eines magnetischen Feldes eine Umwandlung erster Ordnung von einer festen Phase zu einer festen Phase erfahren, wobei das Durchlaufen der Umwandlung in diesem Fall durch einen Abfall der Temperatur der Substanzen und einen Übergang aus dem nichtmagnetischen in den magnetischen Zustand begleitet ist, enthalten 35 bis 95 Atomprozent der Elemente Chrom, Vanadium, Mangan, Niob, Molybdän, Tantal, Wolfram und Rhenium und insgesamt 5 bis 40 Atomprozent mindestens eines Elementes der Gruppe Va des periodischen Systems, und weisen die Umwandlung erster Ordnung innerhalb eines Temperaturbereiches, z. B. vom absoluten Nullpunkt bis + 200 OC auf, der für eine grosse Anzahl Steuerungszwecke besonders erwünscht ist. Materialien, die im wesentlichen vier chemische Elemente enthalten, haben sich bewährt.
Solche quaternären Materialien enthalten gewöhnlich 5 bis 35 Atomprozent Antimon, 35 bis 70 Atomprozent Mangan, 0,8 bis 25 Atomprozent mindestens eines der Metalle Chrom und Vanadium und 0 bis 30 Atomprozent mindestens eines der Elemente der Gruppen II bis IV des periodischen Systems, insbesondere Gallium, Indium, Cadmium, Blei, Thallium, Zinn, Zirkonium, Scandium, Yttrium, Magnesium und Zink, wobei die Prozentsätze so gewählt sind, dass sich zusammen 100 O/o ergeben. Andere Substanzen, welche die vorstehend angegebenen allgemeinen Anforderungen für die gewünschte Funktion erfüllen, z. B. Materialien, die eine Umwandlung erster Ordnung im umgekehrten Sinne aufweisen, d. h. mit begleitender Temperaturzunahme aus einem magnetischen in einem nichtmagnetischen Zustand übergehen, können ebenfalls verwendet werden.
Die vorstehenden Materialien zeigen einen verhältnismässig hohen Betrag der Änderung der Magnetisierung mit der Temperatur im Vergleich zu allen anderen bekannten Substanzen und sind daher für die in Betracht kommenden Anwendungen besonders geeignet.
Als Beispiel eines quaternären Materials, das eine Umwandlung erster Ordnung mit begleitender Anderung der Temperatur zeigte, wurde ein 8 g wiegen- der Einkristall mit der folgenden Zusammensetzung hergestellt: 45,620/o Mn, 2,250/o Cr, 0,l20/o In und 52,01 O/o Sb.
Wenn dieser Kristall plötzlich zwischen die Pole eines Dauermagneten mit einer Nennfeldstärke von 5000 Örsted geschoben wurde, nahm die Temperatur des Kristalles, die durch ein an dem Kristall befestigtes Thermoelement gemessen wurde, um 0,67 OC ab, was anzeigte, dass das Niveau der inneren Energie der Substanz, die den Kristall bildete, zugenommen hatte, wodurch ein Wärmebedarf auf dem Teil des ri- stalles in Bezug auf die Umgebung entstand.
In einem zweiten Versuch unter Verwendung eines Mangan-Chrom-Antimonids, das 4S,S40/o Mn, 2,8l0/o Cr und 51,67 O/o Sb enthielt, erzeugte eine plötzliche Einwirkung des gleichen magnetischen Feldes eine Tempe raturabnahme um 1 "C.
Als Grundbauteil der erfindungsgemässen Vorrichtungen können beliebige magnetische Materialien verwendet werden, die Eigenschaften der oben beschriebenen Art aufweisen. Mit anderen Worten, jedes Material, das im Bereich einer Temperatur unterhalb seines Curiepunktes bei Temperaturerhöhung eine plötzlich starke Zunahme der Sättigungsinduktion aufweist, kann als magnetische Komponente in diesen Vorrichtungen verwendet werden. Für viele Verwendungszwecke wird für die Vorrichtungen eine Komponente verwendet, die zwischen -150 "C und +200 OC eine plötzliche starke Steigerung der Sättigungsinduktion zeigt.
Gewisse der neuen hier zu beschreibenden Vorrichtungen verwenden eine zusammengesetzte magnetische Komponente, die aus einem magnetischen Material des oben beschriebenen Typs (erstes Element) in Verbindung mit einem magnetischen Material des üblichen Typs, nämlich einem Material, dessen Magnetisierbarkeit hoch ist bei Temperaturen unterhalb einer als Curiepunkt bezeichneten Grenztemperatur und bei höheren Temperaturen Null ist, (zweites Element). Durch zweckdienliche Wahl dieser Elemente können zusammengesetzte magnetische Komponenten konstruiert werden, die ein ausgeprägtes Maximum der Sättigungsinduktion in einem schmalen Temperaturbereich und eine viel niedrigere Sättigungsinduktion sowohl bei niedrigen als bei höheren Temperaturen aufweisen.
Es können auch zusammengesetzte Komponenten konstruiert werden, deren Sättigungsinduktion innerhalb eines schmalen Temperaturbereiches ein Minimum ist. Die magnetischen Elemente, aus denen die zusammengesetzte Komponente besteht, können in einer beliebigen Weise zusammengefügt werden, die ihre individuellen magnetischen Eigenschaften nicht beeinflusst, z. B. durch Schichtung von flächenförmigen Stücken, Aneinanderfügen massiver Formen, Pressen pulverförmiger Gemische und dergleichen.
Wenn eine zusammengesetzte magnetische Komponente verwendet wird, wird das zweite ferromagnetische Element, das heisst das Element rnit üblicher Temperaturabhängigkeit der Sättigungsinduktion, auf Grund seines Curiepunktes und seiner Sättigungsinduktion im Verhältnis zu der unteren Übergangstemperatur und der Sättigungsinduktion des ersten Bestandteils ausgewählt.
Die Lage und Breite des Temperaturbereichs, über den die zusammengesetzte Komponente maximale oder minimale Sättigungsinduktion zeigt, hängt von dem Verhältnis der Temperaturen ab, bei denen der Curiepunkt und der untere Übergangspunkt auftreten. Z. B. weist eine zusammengesetzte Komponente, die aus Mangangermanid (Curiepunkt 40 OC) und Mangan-Chrom-In- dium-Antimonid mit einer unteren Ubergangstempera- tur von 40 OC gebildet ist, ein ausgeprägtes Minimum der Sättigungsinduktion bei ca. 40 C auf.
Durch zweckdienliche Wahl des Mengenverhältnisses von Mangangermanid zu quaternärem Antimonid, die in diesem zusammengesetzten Körper verwendet werden, kann die Sättigungsinduktion bei Temperaturen ober halb ca. 80 OC gleich, höher oder niedriger als die Sättigungsinduktion bei Temperaturen unter ca. 25 "C gemacht werden.
In den neuen hier zu beschreibenden Vorrichtungen sind die Bauteile, die den magnetischen Komponente Wärme liefern oder ihr Wärme entziehen, die die magnetische Komponente magnetisieren und entmagnetisieren und die die neue Energieform, die erzeugt wird, sammeln und nachweisen, die in der Technik üblichen.
Z. B. kann durch Einführen eines verschwenkbaren Teiles mit einer magnetischen Komponente der gerade beschriebenen Art in Vorrichtungen zum Magnetisieren der magnetischen Komponente in einem magnetischen Feld bewirkt werden, dass der verschwenkbare Teil sich in dem magnetischen Feld bewegt. Auf diese Weise kann mechanische Arbeit geleistet werden. Das verschwenkbare Element kann ein Anker, ein pendelnder Arm oder eine Messvorrichtung sein.
Die hier zu beschreibende Vorrichtung wird durch die folgenden Beispiele erläutert.
Beispiel 1
Dieses Beispiel erläutert die Verwendung eines Mangan-Chrom-Indium-Antimonids für die Konstruktion eines thermomagnetischen Generators. Aus einem Gemisch von Mangan-Chrom-Indium-Antimonid, das die Elemente im atomaren Verhältnis 7,2 : 0,8:1,0: 3,0 enthielt, wurde durch Pressen bei Raumtemperatur in eine Form unter einem Druck von ca. 2110 kg pro cm2 eine flache 1,143 mm dicke Scheibe mit einem Durchmesser von 12,7 mm gebildet. Diese Scheibe wurde quer über den Polen eines Magneten mit einer Feldstärke von ca. 1000 Gauss und in Berührung mit denselben angeordnet.
Eine aus 300 Windungen von emailliertem Kupferlackdraht vom Durchmesser von 0,05 mm bestehende Wicklung wurde um den Magneten herumgewickelt und mit einem Mikrovoltverstärker verbunden, der seinerseits mit einem Registriergerät verbunden war. Die Scheibe wurde mit einem Lichtstrahl beleuchtet, der durch eine Mikroskopbeleuch tungsvorrichtung mit einer 108-W-Lampe erzeugt wurde. Mittels einer von Hand betätigten Blende wurde die Scheibe abwechselnd während ca. 10 Sek. beleuchtet und während etwa 10 Sek. unbeleuchtet gelassen.
Dabei traten Spannungsschwankungen auf, die den Schwankungen der Lichtintensität entsprachen, und es wurden Höchstspannungen von 4 Mikrovolt beobachtet.
Beispiel 2
Dieses Beispiel erläutert die Verwendung eines Mangan-Chrom-Indium-Antimonids bei der Konstruktion eines Sonnenmotors, der mit einem Heiz- und Kühl-Kreisprozess im Gebiet der unteren ferromagnetischen Übergangstemperatur arbeitet. Dieser Motor besitzt insofern einen Vorzug gegenüber ähnlichen, mit herkömmlichen magnetischen Materialien konstruierten Motoren, als das magnetische Material nur auf eine verhältnismässig niedrige Temperatur erhitzt zu werden braucht, um den Motor anzutreiben, während beim Curiepunkt arbeitende Motoren eine starke Erhitzung des magnetischen Materials erfordern. Daher verbraucht der vorliegende Motor weniger Energie zum Betrieb.
Eine Scheibe von annähernd 50,8 mm Durchmesser wurde sorgfältig aus einer dünnen Glimmerplatte ausgeschnitten, und durch den Mittelpunkt ein schmales Loch gebohrt. Durch dieses Loch wurde senkrecht zu der Ebene der Scheibe ein dünnes Pyrexglasrohr geschoben, um als Lager zu dienen. Die Scheibe wurde mit Kitt an diesem Rohr befestigt. Eine Achse wurde in das Rohr gesteckt und an den Enden abgestützt.
Aus einem Gemisch von Mangan-Chrom-Indium Antimonid, das die genannten Elemente in atomaren Verhältnis 7,2: 0,8 :1,0: 3,0 enthielt, wurden magnetische Produkte hergestellt. Diese wurden mittels einer Silberpaste vom lufttrocknenden Typ am Rande jeder Seite des Laufrads in einem 3,175 mm breiten Streifen angeklebt. Nach gründlichem Trocknen wurde die Randzone des Laufrades mit einer kleinen Kerze mit Russ überzogen, um die Wärmeaufnahme zu steigern.
Der Stator des Motors war ein Magnet, der eine Feldstärke von 4800 Gauss hatte, mit einander gegen überliegenden 19,05 mm voneinander entfernten Polschuhen von annähernd 19,050 mm Durchmesser. Die Achse wurde in horizontaler Lage parallel zu und ca.
38,1 mm entfernt von der Mittellinie der Polschuhe eingebaut, wobei die Eebene des Glimmerrades zentrisch im Spalt eingestellt wurde. Ein Lichtstrahl einer bei 6 Volt 6 Ampere verbrauchenden Lampe wurde so eingestellt, dass auf jeder Seite der Randzone des Rades an einer Stelle gerade oberhalb der Polschuhe ein Bild des Fadens erzeugt wurde. Wenn das Licht eingeschaltet wurde, drehte sich das Rad gleichförmig, wobei es in etwas weniger als einer Minute eine ganze Umdrehung ausführte. Dieser Motor hob leicht eine in 2 cm Entfernung vom Umdrehungsmittelpunkt angebrachte Masse von 255 mg.
Statt Licht von einer Lampe wurde unter Verwendung einer sphärischen Linse von 8,5 mm Hauptbrennweite und 82,550 mm Durchmesser Sonnenlicht auf dem Laufrad im Brennpunkt vereinigt. Um Überhitzung zu verhindern, wurde das Bild der Sonne etwas unscharf eingestellt, und nur die Hälfte der Fläche des Brennflecks auf das Rad geworfen. Unter diesen Bedingungen drehte sich der Motor leicht und hob das Gewicht von 255 mg in ca. 18 Sekunden.
Beispiel 3
Dieses Beispiel erläutert die Konstruktion eines magnetisch betätigten Schalters, der in automatischen Steuer- und Alarmeinrichtungen nützlich ist.
Eine biegsame Messingblattfeder 4 (in Fig. 1) die 0,203 mm dick, 0,794 mm breit und 19,05 mm lang war, wurde so an einem Ende fest befestigt, dass das freie Ende nahe bei den Polen eines Hufeisenmagneten 5 war. An diesem Ende wurden, für gewöhnlich geschlossene, elektrische Kontakte und ein kleines Stück Mangan-Chrom-Indium-Antimonids 6 befestigt, das aus einem Gemisch hergestellt war, das diese Elemente im atomaren Verhältnis 0,8 : 7,2 : 0,6 : 3,4 enthielt. (Dieses Antimonid wies eine unter Ubergangstem- peratur von ca. 40 C und eine maximale Sättigungsinduktion bei ca. 100 "C auf).
Wenn das Antimonid auf eine Temperatur oberhalb von 40 OC erwärmt wurde, wurde es von den Polen des Hufeiseumagneten angezo- gen, wodurch es bewirkte, dass die elektrischen Kontakte sich öffneten. Wie in Fig. 1 veranschaulicht, lag dieser Schalter 1 in Reihe mit einer 6-V-Trockenbatterie 2, einem kleinen Widerstand 3 von ca. 8,6 Ohm und einer Tascheniampenbirne 7. Der Widerstand war so angebracht, dass er bei Stromdurchfluss durch die erzeugte Wärme das quaternäre Antimonid aufheizte. War die Vorrichtung in Betrieb, so floss bei geschlossenem Schalter Strom durch den Widerstand und die Birne, bis die von dem Widerstand herrührende Wärme bewirkte, dass das Antimonid merklich ferromagnetisch wurde.
Wenn dies eintrat,wurde das Antimonid von dem Magneten angezogen, wodurch es die elektrischen Kontakte öffnete und den Stromfluss unterbrach. Wenn sich das Antimonid wieder zu einem weniger stark ferromagnetischen Zustand abgekühlt hatte, wurde es nicht mehr von dem Magneten angezogen und kehrte in seine ursprüngliche Lage zurück, wodurch die elektrischen Kontakte geschlossen wurden und der Strom wieder floss.
Auf diese Weise wirkte diese Vorrichtung als Blinklicht.
Die Schalttemperatur einer solchen Vorrichtung kann durch die Wahl der geeigneten Zusammensetzung für das magnetische Material sehr genau und reproduzierbar eingestellt werden und bleibt über längere Zeiträume hinweg äusserst stabil.
Jede beliebige zweckmässige Vorrichtung kann verwendet werden, um das Gerät in seine ursprüngliche Lage zurückbringen. Dazu gehören z. B. Federn, biegsame Stäbe oder die Schwerkraft, wenn die Vorrichtung in die geeignete Lage gebracht ist. Natürlich kann die Stellung der Antimonidkomponente 6 und der Magnetpol 5 erwünschtenfalls vertauscht werden.
Beispiel 4
Dieses Beispiel erläutert die Konstruktion eines Radiometers, das heisst einer Vorrichtung zum Messen von Strahlungsintensität (siehe Fig. 2). Zu dieser wurde eine scheibenförmige Tablette 16 mit annähernd 12,7 mm Durchmesser und 1,587 mm Dicke aus einem kristallinen Pulver von Mangan-Chrom-Indium-Antimonid verwendet, bei der infolge des Herstellungsverfahrens die Richtungen leichter Magnetisierung, das heisst die tetragonalen Achsen, der winzigen das Pulver bildenden Kristalle in einem mittleren Winkel von ca. 60 zu den breiten Flächen der Tablette ausgerichtet waren. Eine kleine Menge Manganantimonid, Mn Sb, war willkürlich über die ganze Tablette verteilt. Diese Tablette wurde auf die Mitte des Wolframstabes 17 gekittet, der scharf zugespitzte Enden hatte.
Der Stab war vertikal zwischen zwei Kupferlagern 17 montiert, so dass die Tablette zwischen den Polen eines permanenten Magneten mit einer Feldstärke von ca. 4800 Oersted zentrisch eingestellt war. Wegen des Fehlens von Kristallanisotropie bezüglich der Magnetisierbarkeit des willkürlich orientierten Mn Sb nahm die Tablette eine derartige Lage ein, dass ihre breiten Flächen zur Mittellinie der Polschuhe parallel waren. Dann wurde eine Seite der Tablette unter Verwendung einer Mikroskopbeleuchtungsvorrichtung mit einer Lampe von 108 W beleuchtet.
Der Glühfaden der Lampe wurde auf die Oberfläche der Tablette scharf eingestellt. Unter diesen Bedingungen wurde beobachtet, dass sich die Tablette um einen Winkel von ca. 60 drehte. Wenn die Intensität der auf die Tablette fallenden Strahlung durch Einführen von Neutral-Lichtfiltern in den Lichtstrahl herabgesetzt wurde, nahm der Winkel, um den sich die Tablette gedreht hatte, stufenweise ab. Sie wurde durch Ausschalten des Lichtes in ihre Anfangslage zurückgebracht.
Demgemäss wurde die Intensität der auf die Tablette fallenden Strahlung durch den Winkel, um den sich die Tablette drehte, gemessen. Erwünschtenfalls kann zur Vorrichtung ein Zeiger oder ein optisches System zugefügt werden, wodurch es möglich wird, mit einer in geeigneter Weise geeichten Skala die Beleuchtungsintensität unmittelbar abzulesen.
Der Ablenkungswiderstand der Tablette kann erhöht und der zu messende Intensitätsbereich kann vergrössert werden, indem der Anteil an herkömmlichen magnetischen Material, z. B. Mn Sb in der Tablette höher gewählt wird oder geeignete mechanische Komponenten, wie z. B. Federn vorgesehen werden.
Beispiel 5
In diesem Beispiel wird ein Motor mit hin- und hergehender Bewegung erläutert (siehe Fig. 3). Eine Tablette 20 (ca. 0,33 g) aus Mangan-Chrom-Indium-Antimonid, hergestellt aus einem Gemisch, das die Elemente im atomaren Verhältnis 7,2 : 0,8 : 3,8 : 0,2 (untere Übergangstemperatur 80 C ; Temperatur der maximalen Sättigungsinduktion 120 OC) wurde an einem Ende eines Phenolformaldehydharzrohres 21 von 3,175 mm Durchmesser und 50,8 mm Länge befestigt. An dem anderen Ende des Rohres wurde eine ähnliche Tablette 22 aus Mn5Ge3 (Curietemperatur 45 "C) befestigt. Das die Tablette tragende Rohr wurde in der Mitte rechtwinklig an dem hinteren Ende eines ähnlichen 203,2 mm langen Rohres als Pendel 23 befestigt, so dass die Tabletten in der Ebene der Pendelschwingung lagen.
Ein Pol (ca. 25,4 mm breit) eines Hufeisenmagneten 24 mit einer Feldstärke von ca.
3 000 Oersted wurde so angebracht, dass die Polfläche sich ca. 6,35 mm unterhalb der Ruhelage des Pendels befand. Die Scheibe aus Mn5Ge3 wurde von dem magnetischen Pol angezogen, wodurch das Pendel aus der Vertikalen abgelenkt wurde. Zwei Projektionslampen 25 waren so angeordnet, dass das Licht von der einen auf die Mn5Ge0-Tablette fiel. Die Strahlung der Lampen hatte zur Folge, dass die Tabletten die Curietemperatur bzw. die untere Übergangstemperatur überschritten. Wenn dies eintrat, wurde die Mn5Ge3- Tablette nicht mehr von dem Magnetpol angezogen, während die Antimonid-Tablette von ihm angezogen und das Pendel in eine Lage (in Fig. 3 mit punktierten Linien angedeutet) angezogen wurde, in der die Antimonid-Tablette nahe der Polfläche war.
In dieser Lage wurden die Tabletten nicht mehr durch die Pr
Beispiel 6
Eine Registriervorrichtung, die anzeigt, ob eine vorher festgesetzte Temperatur erreicht worden ist, wurde als Transformator konstruiert. Der Kern dieses Transformators bestand aus einem Stab, der aus einem Material mit einer unteren Übergangstemperatur gleich annähernd der vorherbestimmten Temperatur bestand und zwischen die Enden eines Weicheisenjochs gebracht war. Eine primäre Magnetisierungsspule von 15 Windungen Kupferlackdraht von 1 mm 0 wurde um den Stab gewickelt und eine Sekundär- oder Abgabespule von ca. 100 Windungen aus Formvar-Kupferdraht von 0,12 mm $ wurde auf das Joch gewickelt. Wenn der Primärspule ein Strom von 1,3 Ampere bei einer Frequenz von 1000 Hertz zugeführt wurde, wurde eine Ausgangsspannung von 10,3 mV aus der Sekundärspule beobachtet.
Die Vorrichtung wurde der Strahlung einer Infrarotheizlampe während eines ausreichenden Zeitraumes ausgesetzt, um ihre Temperatur über die untere Übergangstemperatur zu erhöhen, worauf die Temperatur wieder auf Raumtemperatur herabgesetzt wurde. Die Ausbeute betrug jetzt 25,0 mV. Damit brachte die Einwirkung der erhöhten Temperatur eine Ausbeutesteigerung von 14,7 mV. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes mit 60 Hertz an die Primärseite wurde der Transformator in seinen ursprünglichen Zustand zurückgebracht und konnte wieder verwendet werden um anzuzeigen, wenn er hohen Temperaturen ausgesetzt wurde. Die Erhöhung der Ausbeute, die während des Zeitraumes der Temperaturerhöhung eintritt, kann auch als unmittelbare Temperaturanzeige verwendet werden.
Der oben beschriebene temperaturempfindliche Transformator kann verwendet werden, um irgendeine gewünschte Massnahme oder Folge von Massnahmen einzuleiten. Z. B. kann ein derartiger Transformator verwendet werden, um den dem Heizelement eines Ofens zugeführten Strom zu regeln und dient dann als Thermostat für den Ofen.
Beispiel 7
Dieses Beispiel betrifft Einrichtungen, in denen ein Bauteil aus einer magnetischen Zusammensetzung der oben beschriebenen Art verwendet wird. Die Magnetisierungs-Temperaturkurven derartiger Zusammensetzungen zeigen bei Temperaturveränderung entweder ein deutliches Maximum (Type A) oder ein deutliches Minimum (Type B) der Sättigungsinduktion (siehe Figur 4). Diese Materialien können beispielsweise in Einrichtungen verwendet werden, die einen konstanten Temperaturunterschied zwischen zwei Kammern aufrechterhalten oder die bei Temperaturveränderungen in einer Kammer damit in Beziehung stehende Temperaturver änderungen in einer anderen Kammer bewirken.
Eine derartige Einrichtung ist in Fig. 5 gezeigt. In dieser Figur sind zwei Kammern 26 und 27 so isoliert, dass eine Wärmeübertragung an die Umgebung verhindert wird, und so angeordnet, dass ihre seitlichen Öffnungen einander benachbart sind. Ein in der Mitte schwenkbar gelagerter nichtmagnetischer Stab 28 ist zwischen den Kammern angeordnet und ragt mit seinen Enden in je eine der Kammern hinein. An den Enden trägt der Stab aus einer magnetischen Zusammensetzung bestehende Scheiben 29, die im Bereich von Magnetpolen 30 angeordnet sind. Zwischen den Scheiben und den Magnetspulen sind Anschläge 31 angeordnet, die ein übermässig starkes Kippen des Stabes verhindern.
Das in der Kammer 27 angeordnete Ende des Stabes betätigt einen Schalter 32, der über ein Relais 33 einen Heizkörper 34 steuert. Der Kontakt des Schalters 32 kann sich in der Stellung (a) oder (b) befinden, und das Relais 33 kann als Arbeitskontaktrelais (wie dargestellt) oder als Ruhekontaktrelais ausgebildet sein. Die Temperatur in der Kammer 26 wird durch den Heizkörper 35 gesteuert, der durch den thermostatischen Schalter 36 betätigt wird.
In einer Einrichtung wurde ein Material der Type B verwendet, das aus einem Gemisch von 1 Gewichtsteil MnsGes und 2,5 Teilen Chrom-Mangan-Indium Antimonid (erzeugt durch Erhitzung der Elemente in dem durch die Formel Cr0,5Mn75In0,2Sb3,8 ausgedrück- ten Verhältnis) bestand. Die Sättigungsinduktionskurve dieser Zusammensetzung zeigte ein deutliches Minimum bei etwa 45 "C. Diese Einrichtung wurde in einer Versuchsreihe (Versuche 1-3, Tabelle 6) verwendet, wobei das Relais 33 als Ruhekontaktrelais angeordnet war und sich der Kontakt des Schalters 32 in der Stellung (a) befand. Der Thermostat wurde so eingestellt, dass er in der Kammer 26 die in der Tabelle angegebene Temperatur T1 (Fig. 4) aufrechterhielt.
Der Schalter 32 wurde von Hand geschlossen, um den Heizkörper in der Kammer 27 einzuschalten, bis eine Temperatur im Bereich der erwünschten Steuertemperatur T2 erreicht war. Die bei verschiedenen Temperaturen in der Kammer 26 von der Einrichtung in der Kammer 27 aufrechterhaltene Temperatur ist in der Tabelle 6 angegeben.
In einer zweiten Versuchsreihe (Versuche 4 und 5), (Tabelle VI) war der Relaisschalter 33 ein Arbeitskontakt und befand sich der Kontakt des Schalters 32 in der Stellung (b). Während dieser Versuche wurden die Temperaturen in beiden Kammern 26 und 27 im Bereich von T1 der Fig. 4 gehalten, d. h. unter der Temperatur für das Minimum. Bei Anwendung desselben Aufheizverfahrens wie in den Versuchen 1-3 hält die in den Versuchen 4 und 5 verwendete Einrichtung in der Kammer 27 Temperaturen im Bereich von T9 aufrecht.
Tabelle 6
Versuchs- Temperatur aufrechterhalten in
Nummer Kammer 26 Kammer 27
1 24 OC 69 "C
2 30 OC 64 OC
3 32 CC 58 "C
4 30 "C 30 "C
5 35 "C 35 OC
Beispiel 8
Dieses Beispiel beschreibt die Ausbildung einer magnetischen Waage, die zur Bestimmung der Veränderung der magnetischen Ansprache bei einer Temperaturveränderung eines magnetischen Materials verwendet wurde. Durch einfache Abänderung kann die Waage natürlich auch für andere Zwecke eingerichtet werden.
Gemäss Fig. 6 besteht die Waage aus einem Hebel mit einem Drehpunkt 11. Das eine Ende des Hebels besteht aus einem Rohr 9 aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise Glas. Durch die Mitte dieses Rohres führen die Zuleitungen 10 eines Thermoelementes. Das andere Ende des Hebels besteht aus einem Stab, der verstellbare Gewichte 15 trägt. Eine übermässige Bewegung des Hebels wird durch Anschläge 14 verhindert. Auf das offene Ende des Rohres 9 wird eine satt passende Kappe, welche das magnetische Material 8 trägt, in einer solchen Stellung aufgesetzt, dass das Thermoelement mit dem magnetischen Material in Berührung steht. Dieses Ende des Hebels mit der daran angebrachten magnetischen Komponente wird in eine Kammer 13 eingebracht, die je nach dem zu verwendenden Temperaturbereich auf übliche Weise geheizt oder gekühlt werden kann.
Ausserhalb dieser Kammer werden Magnetpole 12 in nächster Nähe des magnetischen Materials so angeordnet, dass das magnetische Material einem ungleichförmigen Magnetfeld ausgesetzt ist.
Im Betrieb werden die Gewichte 15 so lange verstellt, bis die von dem Magnetfeld auf das magnetische Material 8 ausgeübte Anziehungskraft eben ausgeglichen ist. Dann wird die Temperatur des magnetischen Materials verändert und werden die Gewichte erneut eingestellt. Durch Wiederholung dieses Vorganges bei verschiedenen Temperaturen kann die Wirkung der Temperatur auf die von dem Feld auf das magnetische Material ausgeübte Anziehungskraft bestimmt werden.
Wenn man an einem der Anschläge 14 einen elektrischen Kontakt anbringt und über den Hebel einen Stromkreis schliesst, kann die Einrichtung in einen temperaturabhängigen Schalter umgewandelt werden. Dieser Schalter hält die Temperatur des Raumes, in dem das magnetische Material angeordnet ist, beispielsweise der Kammer 13, innerhalb der gewünschten Grenzen.
Beispiel 9
Dieses Beispiel erläutert eine Einrichtung zur Wärmeübertragung, wobei die Einrichtung eine Art Wärmepumpe bildet.
In der Einrichtung nach diesem Beispiel wird als Wärmeübertragungsmedium eine Komponente verwendet, die bei einem Übergang erster Ordnung von einer festen Phase in eine andere feste Phase eine relativ grosse Veränderung der inneren Energie erfährt. Ferner umfasst die Einrichtung magnetische Mittel zur zyklischen Herbeiführung dieser Umwandlung in einer solchen Richtung, dass die Temperatur der Substanz gesenkt wird, wenn die eine feste Phase erreicht ist, und die Temperatur erhöht wird, wenn die andere feste Phase erreicht ist. Dabei ist der einen Festzustandsphase eine Wärmequelle und der zweiten Festzustandsphase ein Wärmeaufnahmeorgan zugeordnet, um bezüglich der Substanz nacheinander einen Wärmetransport zu bewirken.
Die als Wärmeübertragungsmedium verwendete und nachstehend einfach als Träger bezeichnete Komponente ist metallischer Art und kann unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes geeigneter Stärke wenigstens teilweise eine Umwandlung erster Ordnung von einer festen Phase in eine andere feste Phase erfahren.
Wenn das magnetische Feld genügend stark ist, kann es die vollständige Umwandlung bewirken. Auch etwas schwächere Felder können jedoch die vollständige Umwandlung verursachen, wenn das Feld so stark ist, dass es die Umwandlung einleitet, die dann durch die Wärmeübertragung zwischen der Substanz und ihrer Umgebung vollständig durchgeführt wird. Infolgedessen kann eine Wärmeübertragung hinsichtlich der Substanz des Trägers praktisch isotherm erfolgen, wenn man zum Ausgleich der der Umwandlung zugeordneten latenten Wärme vorzugsweise während der Umwandlung oder sofort anschliessend eine Wärmezufuhr oder -abfuhr bewirkt, so dass die Verluste nach aussen auf ein Minimum reduziert werden.
In beiden Fällen setzt das die Umwandlung herbeiführende Magnetfeld die Temperatur der Trägersubstanz zu Beginn herab, so dass die zur Durchführung der Wärmeübertragung erforderliche Temperaturdifferenz erzeugt wird.
Gleichzeitig mit der Umwandlung erfolgt eine Ver änderung des magnetischen Zustandes, wobei das Material aus dem paramagnetischen oder anti-ferromagnetischen in den ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Zustand übergeht. Manchmal sind die magnetischen Zustände schwer zu bestimmen. Es scheint, dass in einem Körper gelegentlich verschiedene magnetische Zustände in begrenzten Bereichen nebeneinander bestehen können. In Substanzen, in denen die Umwandlug in einem relativ breiten Bereich der magnetischen Feldstärke erfolgt, kann die Umwandlung von einem magnetischen Zustand in einen anderen ganz allmählich erfolgen, so dass der wahrnehmbare Fortschritt undeutlich und schwer zu bestimmen ist. Die Ursachen dieser Erscheinungen können in der nichthomogenen Zusammensetzung eines Körpers oder in der Fortdauer von metastabilen Zuständen liegen.
Wahrscheinlich gibt es noch andere Ursachen, die noch nicht erkannt sind.
Trotzdem bewirkt ein magnetisches Feld in allen diesen Substanzen eine Umwandlung, wenn auch etwas stärkere Felder als bei idealen Körpern erforderlich sind.
Dies ist für die Zwecke der Vorrichtung kein Nachteil, weil die magnetischen Zustände an sich für die Wirkung nach aussen völlig nebensächlich sind, mit Ausnahme des Sonderfalles der Anwendung der magnetischen Anziehung zur Förderung des Trägers aus der Wärmeübertragungsbeziehung mit einer Wärmequelle zu einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einem Wärmeaufnahmeorgan. In diesem Fall muss natürlich ein relativ scharfer Unterschied zwischen den magnetischen Eigenschaften auf der einen und den magnetischen Eigenschaften auf der anderen Seite der Umwandlung vorhanden sein. Dies wird nachstehend an Hand der in Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsform erläutert.
In einer Substanz, die eine Umwandlung erster Ordnung erfährt, findet stets eine Veränderung der inneren Energie statt. Diese Veränderung drückt sich in einer latenten Wärme aus, die in dem Zustand des Trägers, in dem dieser einen geringeren inneren Energiegehalt hat, als fühlbare Wärme verfügbar wird, die durch Leitung und andere Arten der Wärmeübertragung an ein benachbartes Wärmeaufnahmeorgan abgegeben werden kann, zu dem ein positives Wärmegefälle besteht.
Wenn der Träger jenseits des Umwandlungspunktes einen höheren inneren Energiegehalt hat, trachtet der Träger, aus seiner Umgebung Wärme aufzunehmen, so dass er einer Wärmequelle, zu der ein negatives Wärmegefälle vorhanden ist, Wärme entzieht. Auf diese Weise wird eine Wärmepumpwirkung erhalten, die bei entsprechend gewählten Konstruktionsbedingungen zum Heizen und Kühlen verwendet werden kann.
Zusammensetzungen von im wesentlichen vier chemischen Elementen haben sich als sehr wirksame Träger erwiesen. Derartige quaternäre Zusammensetzun gen enthalten gewöhnlich 5-35 Atomprozent Antimon,
35-70 Atomprozent Mangan, 0,8-25 Atomprozent wenigstens eines der Metalle Chrom und Vanadin und
0-30 Atomprozent wenigstens eines der Elemente der
Gruppen II-IV des periodischen Systems, insbeson dere Gallium, Indium, Cadmium, Blei, Thallium, Zinn, Zirkon, Scandium, Yttrium, Magnesium und Zink, wo bei die Anteile so gewählt sind, dass sie insgesamt
1000/o ergeben.
Andere Substanzen, die den vorstehend angegebenen, an einen Träger zu stellenden Anforderungen genügen, beispielsweise Materialien, die eine Umwandlung erster Ordnung im umgekehrten Sinn erfahren, d. h. beim Übergang aus einem magnetischen in einen nichtmagnetischen Zustand einen Temperaturanstieg erfahren, können ebenfalls verwendet werden.
Ein Beispiel einer ternären Zusammensetzung, welche bei einer Umwandlung erster Ordnung eine Veränderung der fühlbaren Temperatur zeigt, ist ein Einkri stall von 8 g mit der Zusammensetzung 45,62 /o Mn, 2,250/o Cr, 0,120/o In und 52,01ovo Sb. Wenn dieser Kristall plötzlich zwischen die Pole eines Dauermagneten mit einer Feldstärke von 5000 Oersted eingeschoben wurde, nahm die Temperatur des Kristalls, die mit einem an dem Kristall angebrachten Thermoelement gemessen wurde, um 0,67 OC ab. Dies zeigte, dass der innere Energiegehalt der den Kristall bildenden Substanz erhöht worden war und der Kristall seiner Umgebung Wärme entzog.
In einem zweiten Versuch wurde ein Mangan Chrom-Antimonid verwendet, das 45,540/o Mn, 2,8 101o Cr und 5 1,6701o Sb enthielt und dessen Temperatur bei plötzlicher Einwirkung desselben magnetischen Feldes um 1 "C sank.
Eine einfache Konstruktion einer Wärmepumpe, mit der die vorstehenden Versuchsergebnisse in etwas grösserem Masstab erzielt werden können, ist in Fig. 7 dargestellt. Hier besteht die magnetische Komponente aus einem hin- und herbewegbaren Körper 1 aus einem Material, das unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes eine Umwandlung erster Ordnung, wie vorstehend beschrieben, erfährt. In diesem Fall ist es zweckmässig, einen zylindrischen Körper zu verwenden, doch ist dies nicht wesentlich. Das gewählte Material war in einem magnetischen Feld stark magnetisch und in Abwesenheit eines Feldes im wesentlichen nichtmagnetisch, so dass diese Erscheinung dazu verwendet werden konnte, den Körper unter dem Einfluss eines Magnetfeldes von dem untersten Wärmespeicher 5 in Berührung mit dem oberen Wärmespeicher 4 zu bewegen, der vertikal über 5 angeordnet war.
Dieses Magnetfeld wird durch eine Kupferspule 3 erzeugt, die näher bei dem Speicher 4 als bei dem Speicher 5 angeordnet ist. Wie dargestellt, sind die Wärmespeicher 4 und 5 einfache massive Metallplatten aus einer nichtmagnetischen Substanz wie beispielsweise Kupfer. Da der Körper 1 in einem seiner beiden Zustände magnetisch war, wurde zwischen dem Körper 1 und der Spule 3 eine Sperre in Form eines zwischen den Speichern angeordneten Rohres 2 aus Polytetrafluoräthylenharz vorgesehen.
Wenn sich im Betrieb zu Beginn alle Teile auf derselben Temperatur befinden und dann die Spule 3 von einem genügend starken elektrischen Strom durchflossen wird, wirkt auf den Körper 1 ein Magnetfeld ein, so dass die Substanz ihre Umwandlung erster Ordnung erfährt und die fühlbare Wärme des Körpers herabge setzt wird. Der jetzt in seinen magnetischen Zustand überführte Körper wird unter dem Einfluss des nicht kompensierten Feldes der Spule 3 in 2 angehoben, bis er an der Unterseite des Wärmespeichers 4 anstösst, mit dem er in satter Berührung verbleibt so dass dem Speicher 4, der nach der üblichen thermodynamischen Terminologie eine Wärmequelle darstellt, Wärme durch Wärmeleitung entzogen wird. Nach einer gewissen Zeit, während der die Temperatur der Wärmequelle 4 zu der des Körpers 1 hin absinkt, wird der Stromfluss durch die Spule 3 abgeschaltet.
Sofort erfährt das Material des Körpers 1 die Umwandlung in seinen anderen (nichtmagnetischen Zustand), worauf der innere Energiebedarf sinkt, so dass die fühlbare Temperatur über die des anfänglichen Gleichgewichtszustandes steigt. Gleichzeitig fällt der Körper 1 unter dem Einfluss der Schwerkraft in seine Ausgangsstellung herunter, in der er auf der Oberseite des Speichers 5 aufliegt, der jetzt ein Wärmeaufnahmeorgan ist, dem von dem Körper 1 Wärme durch Wärmeleitung übertragen wird. Nach einer gewissen Zeit der Wärmeübertragung von dem Träger wird das Spiel wiederholt.
In einer nach Fig. 7 ausgebildeten Versuchseinrichtung wurde ein zylindrischer Körper 1 mit einem Durchmesser von 7 mm und einer Länge von 9 mm verwendet, der aus der folgenden quaternären Zusammensetzung bestand (alle Angaben in Gewichtsprozent): Mn 45,620/o, Cr. 2,250/o, In 0,120/o, Sb 52,010/o.
Der Körper 1 wurde in ein vertikal angeordnetes Polyäthylenrohr 2 mit einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Länge von 15 mm eingesetzt, dessen Enden oben und unten mit Kupferplatten bedeckt waren, die der Wärmequelle 4 und der wärmeaufnehmenden Einrichtung 5 entsprechen. Die Einrichtung wurde in ein horizontales Magnetfeld von etwa 7000 Oersted eingesetzt, das von einem Elektromagnet erzeugt wurde.
Die Einrichtung wurde in einem Kreisprozess von 10 Minuten Dauer betrieben. Dabei war die Spule 3 fünf Minuten lang stromdurchflossen und 5 Minuten lang stromlos. Selbst unter diesen relativ ungünstigen Betriebsbedingungen wurde die Temperatur der Platte 4 fortschreitend herabgesetzt, bis nach 50 Minuten die gemessene Temperatur der Platte 4 um 1,5" niedriger war als die der Platte 5.
Bei Abwesenheit der auf die Durchführung der Umwandlung erster Ordnung des Trägers in wechselnden Richtungen zurückzuführenden Kühlwirkung genügte die von dem Magneten infolge von Widerstandsverlusten und dergleichen freigesetzte Wärme, um die Temperatur der Platte 4 infolge der unsymmetrischen Anordnung der Spule 3 um 1 "C über der der unteren Platte 5 zu halten. Es versteht sich, dass gegebenenfalls der Körper 1 zyklisch von dem Wärmeaufnahmeorgan 5 zu der Wärmequelle 4 bewegt werden kann, wenn an dem Körper ähnlich wie bei einem Kolben mit Kolbenstange eine mechanisch angetriebene, starre Stange angebracht und in einem geeigneten Gleitlager in einer oder beiden der Platten geführt wird, so dass die magnetisch erzeugte hin- und hergehende Bewegung überflüssig wird. In diesem Fall kann auch das Rohr 2 entfallen.
Das Führungsrohr kann auch bei magnetischem Heben weggelassen werden, wenn der Körper 1 einfach auf einem starren Draht oder einer starren Stange verschiebbar und dieser Draht oder diese Stange zentrisch zu der Wärmequelle 4 und dem Wärmeaufnahmeorgan 5 angeordnet ist. In diesem Fall ist der Körper 1 mit einer Längsbohrung versehen, durch die sich die Stange erstreckt.
Beispiel 10
Es ist ferner möglich, die Umwandlungspunkte von als Träger verwendeten Substanzen durch eine entsprechende Veränderung der chemischen Zusammensetzungen so zu verlagern, dass die in Beispiel 11 beschriebene Umwandlung erster Ordnung in verschiedenen Trägern bei Einwirkung derselben oder annähernd derselben Magnetfelder bei fortschreitend abgestuften Temperaturen erfolgt. Auf diese Weise ist eine mehrstufige Wärmeübertragung in mehreren Stufen und daher in einem viel grösseren Bereich möglich, indem eine Anzahl von einzelnen Wärmepumpen in Kaskaden geschaltet werden. Fig. 8 zeigt eine derartige Anordnung von vier Stufen, die aus je einer Pumpe nach Fig. 7 bestehen.
In Fig. 8 ist angenommen, dass die kalte Wärmequelle die oberste Platte 8 der Reihe ist, während das heisse Wärmeaufnahmeorgan 9 unten angeordnet ist.
Die verschiedenen Stufen sind mit A, B, C und D bezeichnet. Die Zusammensetzungen der Träger dieser Stufen sind so gewählt, dass sie in der angegebenen Reihenfolge von oben nach unten fortschreitend höhere Umwandlungstemperaturen haben. Bei sorgfältiger Einstellung der Analyse der vorstehend beschriebenen quaternären Zusammensetzungen hat es sich als möglich erwiesen, ein im wesentlichen kontinuierliches Spektrum der Umwandlungstemperaturwerte in Abständen von 3-5 OC von Stufe zu Stufe zu erhalten, so dass bei der Erzeugung im wesentlichen desselben Magnetfeldes durch die zugeordneten Spulen nacheinander Wärme von der jeweils höheren Einheit zu der nächst niederen Einheit übertragen wird.
Unter diesen Umständen können gegebenenfalls alle Spulen elektrisch hintereinandergeschaltet werden oder die Spulen können zur leichteren Anpassung der Felder an die Umwandlungstemperaturen einzeln gespeist werden. Auch die Trägerkörper der einzelnen Stufen können gegebenenfalls gemeinsam in jeder anderen zweckmässigen zeitlichen Reihenfolge magnetisch gehoben werden, weil die einzelnen Platten vorübergehend als Wärmespeicher genügender Kapazität wirken, so dass dies kein kritischer Faktor ist.
Beispiel 11
In den Beispielen 9 und 10 wurden ortsfeste Wärmespeicher und ein begweglicher Träger verwendet.
Das Wärmepumpen kann aber ebensogut dadurch bewirkt werden, dass ein in dem Speicher befindliches strömungsfähiges Medium relativ zu dem Träger bewegt wird. Eine einstufige Anordnung dieser Art ist in Fig. 9 gezeigt.
Hier bestehen die strömungsfähigen Medien aus zwei Flüssigkeiten, von denen jede einen Umwälzkreis besitzt und eine nach der andern durch einen ortsfesten Träger 12 gepumpt wird, die in zeitlicher Abstimmung mit dem Pumpvorgang unter der Wirkung eines Magnetfeldes eine Umwandlung erfährt, so dass abwechselnd zunächst die eine Flüssigkeit gekühlt wird, so dass sie eine Wärmequelle bildet, und dann die andere Flüssigkeit erhitzt wird, so dass sie zum Wärmeaufnahmeorgan wird.
Gemäss Fig. 10 besteht der Träger 12 vorzugsweise aus einer Masse einer körnigen Substanz, die eine Korngrösse der Grössenordnung von 4 Maschen pro cm hat und in einem Behälter 14 gehalten wird, der wenigstens oben und unten aus ebenen Flächen besteht, so dass es gemäss Fig. 9 und 10 in nächster Nähe der einander entgegengesetzten Polflächen des Elektromagneten 15 angeordnet werden kann. An entgegengesetzten Enden von 14 angeordnete Siebe 16 und 17 halten den Träger fest, gestatten aber einen relativ freien Durchtritt von strömungsfähigen Medien. Eine Öffnung 18 ist mit dem Dreiweghahn 19 und eine andere Öffnung 20 mit dem Dreiweghahn 21 verbunden.
Der kalte Speicher 24, d. h. der kalte Flüssigkeit enthaltende Speicher wird mit Flüssigkeit gespeist, die von der Pumpe 27 im Uhrzeigersinn aus dem Behälter 14 durch den Hahn 19 angesaugt und über die Leitung 28 dem Speicher zugeführt wird. Während der gleichen Zeit steht der kalte Speicher 24 über den Hahn 21 und die Öffnung 20 mit dem Behälter 14 in Verbindung, so dass die kalte Flüssigkeit in 14 zurückgeführt wird.
In ähnlicher Weise nimmt der warme Speicher (das Wärmeaufnahmeorgan) 29, d. h. der die warme H;lüssig- keit aufnehmende Speicher, die Flüssigkeit auf, die von der Pumpe 30 im Gegensinn des Uhrzeigers über den Hahn 21 aus dem Behälter 14 gesaugt wird, wobei die Druckseite der Pumpe 30 an die Leitung 31 angeschlossen ist. Diese Flüssigkeit wird über den oberen Durchlass des Hahns 19 und die Öffnung 18 in den Behälter 14 umgewälzt, wenn dieser Weg während der folgenden Halbperiode offen ist.
Die elektrische Schaltung für die Ausführungsform nach Fig. 9 ist ganz einfach. Sie besteht aus den Spulen 33 und 34, die hintereinander um die entgegengesetzten Pole von 15 gewickelt und über einen einpoligen Ein- und Ausschalter 36 an eine Gleichstromquelle 35 angeschlossen sind. Synchron mit der Drehung der Dreiweghähne 19 und 21 aus ihren in Fig. 9 gezeigten, in die schematisch strichliert angedeuteten entgegengesetzten Stellungen wird der Schalter 36 durch eine übliche Zeitsteuerung 37 während vorgewählter Zeitabschnitte abwechselnd geschlossen und geöffnet.
Wenn im Betrieb die Dreiweghähne 19 und 21 die Stellung nach Fig. 9 einnehmen und durch Einschalten des Stromflusses durch die Wicklungen 33 und 34 ein genügend starkes Magnetfeld auf den Träger zur Einwirkung gebracht wird, erfährt dieser eine Umwandlung, wobei seine Temperatur sinkt und der von der Pumpe 27 durch die Leitung 28 geförderten Flüssigkeit Wärme entzieht. Wenn nach einem zum Temperaturausgleich zwischen der kalten Flüssigkeit und dem Träger 12 fast ausreichenden Zeitabschnitt der Strom abgeschaltet wird, erfährt der Träger die Umwandlung in der entgegengesetzten Richtung. Da sich die Hähne 19 und 21 dann in der der Fig. 9 entgegengesetzten Stellung befinden, fördert die Pumpe heisse Flüssigkeit aus dem Speicher 29 durch den Träger 12, den Hahn 21 und die Rückleitung 31, so dass dem Träger Wärme entzogen wird.
Nach einem entsprechenden Zeitabschnitt wird der kalte Speicher 24 wieder eingeschaltet und das ganze Spiel wiederholt, so dass während aufeinanderfolgender Zeitabschnitte dem kalten Medium Wärme entzogen und dem warmen Medium zugeführt wird.
Hinsichtlich der kalten Wärmequelle und des warmen Wärmeaufnahmeorgans wird die Ausführungsform nach Fig. 9-11 intermittierend betrieben. Wenn jedoch zwei getrennte Träger parallelgeschaltet und Schalter zur Steuerung der Flüssigkeitsströmung abwechselnd geschaltet werden, erhält man einen kontinuierlichen Betrieb, wobei der eine Träger Wärme entzieht und der andere gleichzeitig Wärme abgibt.
Die Förderung von Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf, wie sie für die Ausführungsform nach Fig. 9-11 beschrieben wurde, eignet sich besonders für die einstufige Wärmeübertragung, doch kann auch eine Kaskadenschaltung der in Fig. 8 gezeigten Art angewendet werden, wenn ein mehrstufiges Arbeiten erwünscht ist. Für diesen Fall ist jedoch ein etwas einfacheres System möglich, in dem eine einfache umsteuerbare Pumpe verwendet und die Flüssigkeit durch den ortsfesten Träger in dessen Gehäuse vor- und rückwärts bewegt und von einem heissen bzw. einem kalten Speicher aufgenommen wird, die jenseits der entgegengesetzten Enden des Gehäuses angeordnet sind. Jeder Speicher kann mit Wärmeübertragungs-Rohrschlangen versehen sein, die einen indirekten Wärmetausch zur Kühlung bzw. Erhitzung der hin- und herströmenden Flüssigkeit ermöglichen.
Zur Aufrechterhaltung einer scharfen Unterscheidung zwischen der kalten und der heissen Flüssigkeit können zwei miteinander nicht mischbare Flüssigkeiten gleichzeitig verwendet werden, von denen die eine nur zum Wärmetausch bei hoher Temperatur und die andere nur zum Wärmetausch bei niedriger Temperatur dient, wobei jede von ihnen in einer solchen Menge vorhanden ist, dass während jeder Halbperiode eine kontinuierliche Wärmeübertragung erfolgen kann.
Ein stufenweises Arbeiten ist ferner möglich, wenn ein einstückiger Träger hergestellt wird, dessen Zusammensetzung sich über seine Länge fortschreitend derart ändert, dass eine temperaturverändernde Umwandlung entweder unter dem Einfluss eines einzigen Magnetfeldes oder von mehreren aufeinanderfolgenden, längs des Trägers in Abständen voneinander angeordneten Magnetfeldern erhalten wird, so dass der Gesamtbereich der Wärmeübertragung proportional erweitert wird.
Es versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung verschiedene Typen und Kombinationen von festen und beweglichen Trägern mit ortsfesten oder beweglichen Wärmequellen und Wärmeaufnahmemitteln verwendet werden können, unter anderem unter Anwendung der Wirbelschichttechnik und Feststoffmitnahme.
Verschiedene erwünschte Steuerwirkungen können ferner durch Einsatz von magnetischen Abschirmungen zwischen den Magnetpolen und dem Träger erzielt werden, wobei dieser Einsatz zyklisch oder nach einem bestimmten, festgelegten Schema erfolgen kann.
Das Verfahren und die Einrichtungen nach diesen Ausführungsbeispielen können auch in anderer Weise im Rahmen des Erfindungsgedankens in weitem Umfang abgeändert werden.
Beispiel 12
Dieses Beispiel erläutert einen temperaturabhängigen Induktor, der einen wenigstens teilweise aus der magnetischen Komponente bestehenden Kern und einen um diesen Kern gewickelten elektrischen Leiter aufweist.
Die in den Induktoren nach diesem Beispiel als temperaturabhängige Elemente verwendeten Substanzen haben die Eigenschaft, dass sie bei einem temperaturabhängigen Übergang erster Ordnung aus einer festen Phase in eine andere feste Phase, z. B. aus einem paramagnetischen oder anüferromagnetischen Zustand in einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Zustand überführt werden. Der Übergang erster Ordnung kann bei vorgewählten Temperaturen inner nären Antimonide unterhalb des Umwandlungspunktes im wesentlichen nichtmagnetisch und haben dann praktisch die Permeabilität 1. Wenn das Material erhitzt wird und die Magnetisierung zunimmt, steigt die Permeabilität jedoch auf 20-30 oder noch mehr.
Wenn sich das Material im magnetischen Zustand befindet, ähnelt sein Verhalten den meisten bekannten magnetischen Materialien insofern, als die Permeabilität nicht nur durch die magnetische und Wärmegeschichte und ähnliche Faktoren, sondern auch durch die Feldstärke beeinflusst wird.
In einem Induktor mit einem Kern aus magnetischem Material kann die Induktivität L wie folgt ausgedrückt werden:
L = KN2
Dabei ist
L = Induktivität in Henry
N = Windungszahl des den Kern umgebenden
Leiters = u = Permeabilität des magnetischen Kerns und
K = von der geometrischen Gestalt des Induktors abhängige Konstante.
Wenn in diesem Beispiel ein magnetischer Kern verwendet wird, dessen Permeabilität eine Funktion der Temperatur ist, = = f(T), dann ist die Induktivität L = KN2f(T), bzw. wenn die Permeabilitätsfunktion wie im vorliegenden Fall linear ist, L = KkN2T.
Die vorstehend erwähnten magnetischen Antimonide sind magnetisch anisotropisch und haben daher eine bevorzugte Richtung der Magnetisierung, die bei Temperaturen über etwa -20 "C im wesentlichen längs der c-Achse des Einkristallmaterials verläuft, bei etwas unter diesem Wert liegenden Temperaturen allmählich in die a-Ebene übergeht und unter etwa -50 OC im wesentlichen vollständig in der a-Ebene liegt. Daher ist es vorteilhaft, wenn diese Materialien in dem Kern so angeordnet sind, dass die Richtung der Kraftlinien im wesentlichen mit der bei der Verwendungstemperatur bevorzugten Magnetisierungsrichtung übereinstimmt.
Die beschriebene Orientierung ist mit Hilfe bekannter Verfahren ohne weiteres erzielbar, beispielsweise indem Antimonidteilchen in einem Starken Magnetfeld geradlinig aneinandergereiht und dann mit einem geeigneten magnetischen Bindemittel zu einem einheitlichen Körper vereinigt werden. Vorzugsweise werden jedoch Einkristalle verwendet, die mit Hilfe von Kristallzieh- oder ähnlichen Vorrichtungen in vorgewählten Abmessungen geformt wurden, weil diese Einkristalle die höchsten Permeabilitätswerte besitzen.
Fig. 12 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Induktors zur Erzielung einer temperaturabhängigen Wirkung gemäss dem vorliegenden Beispiel. In diesem Fall weist der Kern zwei hufeisenförmige Stücke aus Siliciumeisenband 10 und 11 mit einem Rechteckquerschnitt von 12,7 x 19 mm auf, zwischen deren einander entgegengesetzte Enden in Berührung mit ihnen zwei aus einer Antimonidzusammensetzung 12 und 14 bestehende Stücke mit einer Stärke von 2,5 mm eingesetzt werden. Das Antimonidmaterial der Einsätze hatte in Atomanteilen folgende Analyse:
0,4 Chrom
7,6 Mangan
3,99 Antimon
0,01 Indium
Die Wicklung des Induktors war zweckmässig in Form von zwei hintereinandergeschalteten Spulen 15 und 16 zu je 1000 Windungen vorgesehen, die über je einem geraden Teil der Hufeisenstücke und über den Einsätzen 12 und 14 angeordnet waren. Die Wicklungsanordnung ist jedoch nicht kritisch.
Wenn beispielsweise zur besseren Wärmeübertragung eine freie Zugänglichkeit der Einsätze 12 und 14 von aussen erwünscht ist, können die Wicklungen in anderen Bereichen angeordnet werden.
Die Induktivitäts-Temperatur-Kennlinie des Induktors der Fig. 12 wurde mit Hilfe eines temperaturgeregelten Ölbades und einer Impedanzbrücke der Type General Radio 1650-A bestimmt. Diese Brücke wurde mit 110 Volt, 60 Hz, gespeist. Die Kennlinie ist in Fig. 13 dargestellt und zeigt deutlich eine Temperaturabhängigkeit, die besagt, dass dieser Induktor für eine Temperaturmessung im Bereich von etwa 40-60 OC geeignet ist. Man kann Antimonidzusammensetzungen mit verschiedenen Analysen herstellen, die Umwandlungen in verschiedenen, vorgewählten Temperaturbereichen erfahren, so dass temperaturabhängige Wirkungen in einem weiten Bereich für bestimmte Anwendungszwekke zur Verfügung stehen.
Beispiel 13
Fig. 14 zeigt die Schaltung eines Temperaturreglers mit einer Brücke und dem temperaturabhängigen Induktor der Fig. 12, der mit 18 bezeichnet ist. Der Induktor ist in einem Ölbad 19 angeordnet, das mit Hilfe eines in dem Öl eingetauchten Heizkörpers 20, der über die Zuleitungen 21 und 22 und den relaisbetätigten Schalter 23 mit 110 V, 60 Hz, gespeist wird, auf einer gegebenen Temperatur gehalten werden soll.
Der Induktor 18 ist in Brückenschaltung mit einem Induktor 26 angeordnet, der mit 18 identisch ist, mit der Ausnahme, dass die Antimonideinsätze durch Luftspalte ersetzt sind. Zur Vervollständigung der Brückenschaltung ist auf der einen Seite ein Ausgleichspotentiometer 27 und auf der anderen ein phasenempfindlicher Verstärker 28 (beispielsweise ein einstufiger Transistorverstärker, dessen Kollektor mit Wechselstrom von 60 Hz gespeist wird) eingeschaltet, der über Erde die Relaisspule 29 des Schalters 23 speist. Schliesslich wird die Brücke von der Sekundärwicklung des Abwärtstransformators 30 (12 Volt-Sekundärwicklung) gespeist, dessen Primärwicklung an das übliche Netz von 110 V, 60 Hz angeschlossen ist.
Eine typische Eichkurve der Temperatur in Abhängigkeit von der Potentiometereinstellung (nach einem willkürlich gewählten Masstab) für die Einrichtung nach Fig. 14 ist in Fig. 15 gezeigt. Nach dieser Kurve kann jede Temperatur in dem Bereich der Temperaturabhängigkeit der Einrichtung durch eine geeignete Einstellung der Anzapfung des Widerstandes 27 gewählt werden.
Mit dem Ölbadtemperaturregler wurde eine Reihe von Betriebsversuchen in dem Bereich von 35-50 OC durchgeführt. Dabei zeigte es sich, dass die Einrichtung die Öltemperatur innerhalb von + 0 25 0C auf dem eingestellten Wert hält.
Beispiel 16
Der Induktor kann auch in einer Regeleinrichtung verwendet werden, indem beispielsweise der Induktor in einem Wechselstromkreis in Reihe mit einem Widerstand geschaltet wird, wodurch ein kompletter Temperaturregler erhalten wird. In einer derartigen Schaltung ist bei vernachlässigbar kleiner Kapazität der absolute Wert der Stromstärke:
EMI12.1
Dabei ist E = angelegte Spannung R = Widerstand des Stromkreises L = Induktivität des Stromkreises o = Kreisfrequenz
Bei Verwendung eines temperaturabhängigen Antimonidinduktors wie 18 in Reihe mit einem Widerstand der beschriebenen Art erkennt man, dass bei steigender Temperatur des Induktors auch L zunimmt und die Strom stärke abnimmt. Da die Wärmeleistung eines elektrischen Heizkörpers W = i2R ist, nimmt bei abnehmender Temperatur auch die Wärmeerzeugung durch den Widerstand zu.
Diese Schaltung weist daher die Grundelemente einer Regeleinrichtung auf.
Induktoren mit ferromagnetischem Kern haben ferner eine Eigenschaft, die in vorteilhafter Weise mit der Temperaturabhängigkeit der Induktivität kombiniert werden kann, um den brauchbaren Regelbereich zu erweitern. Infolge der Abhängigkeit der Permeabilität von ferrornagnetischem Material von seiner Magnetisierung ist die Permeabilität nämlich auch eine Funktion des durch den Induktor fliessenden Stroms. Die kombinierte Wirkung ist am besten aus der Abhängigkeit der Impedanz (Z = 1/R2 + w2 L2) von der Stromstärke ersichtlich. Dies ist in Fig. 15 an Hand von sechs Temperaturen dargestellt, die in einem Abstand von 5 "C über den Bereich von 30 "C bis 55 OC verteilt sind. Die in Fig. 16 gezeigte Kurvenschar zeigt: 1.
Die Abhängigkeit der Impedanz des Stromkreises von der Temperatur bei gleichbleibender Stromstärke und 2. die Abhängigkeit der Impedanz des Stromkreises von der Stromstärke bei gleichbleibender Temperatur.
Die kombinierte Wirkung ist in Fig. 17 an Hand einer Schaltung gezeigt, in welcher der Widerstand einen Wert von 100 Ohm hatte, die Spannung bei 60 "C auf etwa 50 Volt gehalten wurde und als Induktor 18 der vorstehend an Hand der Fig. 1 und 2 beschriebene verwendet wurde. Aus Fig. 17 geht hervor, dass die Abhängigkeit der Stromstärke von der Temperatur in einem wesentlich weiteren als dem in Fig. 16 angegebenen Bereich vorhanden ist, was für die praktische Verwertung sehr wertvoll ist.
Im Betrieb wurde die beschriebene Einrichtung zur Regelung der Temperatur eines kleinen Ölbades verwendet. Die ganze aus dem Induktor und dem Widerstand bestehende Schaltung war zusammen mit einem in Reihe damit geschalteten Heizkörper von etwa 2 Watt in dem Ö1 eingetaucht. Die Bedingungen waren derart, dass bei geschlossenem Baddeckel eine stabile Temperatur von 40,8 0C aufrechterhalten wurde. Durch Abnahme des Deckels wurden die Wärmeverluste dann vergrössert, so dass die Öltemperatur zu sinken begann.
Die aus dem Induktor und dem Widerstand bestehende Regelschaltung bewirkte eine automatische Kompensation durch Erhöhung der dem Heizwiderstand zugeführten Stromstärke, worauf die Temperatur bei 38 C stabilisiert wurde. Ein in der gleichen Umgebung ohne den Regler durchgeführter Versuch ergab eine Herabsetzung der Temperatur auf 32 OC vor Erzielung des Wärmegleichgewichts.
Die vorstehend beschriebenen Anwendungsbeispiele erläutern deutlich die dabei angewendeten Regelvorgänge. Es versteht sich jedoch, dass temperaturabhängige Induktoren nach diesem Beispiel für die verschiedensten Zwecke in jeder Schaltung verwendet werden können, in der die Induktivität eine wichtige Grösse ist.
Die Induktoren können beispielsweise als ein Element in dem frequenzbestimmenden Kreis eines Sinuswellenoszillators verwendet werden oder als eine Uberhit- zungssicherung, welche den Strom bei Temperaturanstieg herabsetzt, oder als Stromstärkerregler, in dem der zu regelnde Strom durch eine Heizwicklung des temperaturabhängigen Induktors fliesst. Ausserdem können die temperaturabhängigen Induktoren zusammen mit den verschiedenartigsten üblichen Kernmaterialien, beispeilsweise metallischer und oxydischer Art verwendet werden. Ein Beispiel der letzteren sind die Ferrite.
Device for converting energy from one form into energy in another form
The present invention relates to a device for converting energy of one form into energy of another form, having at least one magnetic component, means for supplying energy of one form to the magnetic component and means for removing energy in another form from the magnetic component.
Ferromagnetic materials have been used in devices that can convert energy from one form to another. Some of these devices, e.g. B. the usual, based on a temperature-sensitive bimetal element household thermostat, use a permanent magnet as an auxiliary device to improve performance. In devices of another type, the magnetic element itself is primarily decisive for effectiveness. These devices include the Van der Maas and Purvis motor (Am J. Phys, 24,176-1956-) and the Schwarzkopf thermoelectric generator (U.S. Patent No. 2,016,100).
The mode of operation and the type of construction of such devices are influenced by the fact that with most ferromagnetic materials the saturation decreases uniformly with increasing temperature up to the Curie point. For example, when operating the above-mentioned motor, so much heat must be supplied that the temperature of the rotor is significantly increased.
The device according to the invention is characterized in that the magnetic component exhibits a sudden and reversible increase in the saturation induction at a temperature below its Curie point.
Materials advantageously useful in the device of the invention are disclosed in U.S. Pat. Patent no.
3,126,347 by T. J. Swoboda.
In one embodiment of the present invention, the magnetic component consists of at least two of the elements vanadium, chromium, manganese, niobium, molybdenum, tantalum, tungsten and rhenium, at least one of the elements being vanadium, chromium or manganese and the two elements in a total proportion of 35 to 95 atomic percent are present, each element being present in an amount of at least 0.1 atomic percent based on the total composition and at least one of the elements arsenic or antimony is added in an amount of 5 to 40 atomic percent, the magnetic component in this embodiment has a maximum saturation induction at a temperature below the Curie point.
Mixtures with a maximum saturation induction between -150 ° C and +200 ° C are particularly useful for these uses. Although the elements arsenic or antimony can constitute five to forty atomic percent of the whole, they will generally be in the range of 5 to 35 atomic percent.
Energy can be in any of its various forms, e.g. B. as radiation, electrical or magnetic energy, heat or mechanical energy can be introduced into the device according to the invention or removed from it. Therefore, a variety of energy conversions are possible by means of this device, since energy can be delivered in any of the above forms. For example, thermal energy can be converted into magnetic, mechanical or electrical energy. Conversely, electrical, mechanical or magnetic energy can be converted into thermal energy.
For a better understanding of the present invention, reference is made to the following, detailed description of exemplary embodiments of the invention in conjunction with the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 is a schematic representation of a magnetically operated switch with a magnetic component,
2 shows a partially schematic representation of a device for measuring radiation intensities.
3 shows a partially schematic representation of a motor with a reciprocating motion;
4 shows two magnetization-temperature curves for two types of composite materials which can be used as magnetic components in devices according to the invention, namely FIG. 4A a magnetization-temperature curve with a pronounced maximum and FIG. 4B one with a pronounced minimum of the saturation induction in the course of the temperature change,
5 shows a partially schematic representation of a device for maintaining a constant temperature difference between two chambers, in which the conversion of thermal into mechanical energy is used,
6 shows a partially schematic representation of a magnetic balance with conversion of thermal into mechanical energy,
Fig.
7 is a partially schematic representation of a longitudinal section. tes of a single-stage heat pump in which magnetic energy is converted into thermal energy and the details of the power supply and the control circuit have been omitted to simplify the drawing,
8 shows a longitudinal section of a four-stage apparatus with four individual heat pumps of the type shown in FIG. 7 in a cascade arrangement (connected in series),
Fig. 9 is a partially schematic side elevational view of one embodiment of a single stage heat pump, including associated circuitry, employing a stationary heat transfer medium and a movable heat source and heat sink.
FIG. 10 shows an enlarged side view of a section of the heat exchanger container of the apparatus from FIG. 9,
11 shows a section taken through the line V-V in FIG. 9,
12 is a partially schematic side view of a preferred embodiment of a temperature-dependent inductor which operates with conversion of thermal energy into magnetic energy.
FIG. 13 shows a typical temperature-inductance curve for the inductor of FIG. 12;
14 is a schematic representation of a temperature control circuit using an inductor of the type shown in detail in FIG. 12;
Fig. 15 is a temperature-potentiometer setting curve for the device of Fig. 14;
Fig.
16 is a current-resistance graph for six given temperatures for a temperature-dependent inductor operating by converting energy and connected in series with a 100-ohm resistor in a circuit for alternating current 60 Hz, and
17 shows a temperature-current intensity curve for a typical temperature-dependent inductor to which an approximately constant alternating voltage of 50 V and 60 Hz is applied.
The substances used as an element for the conversion of energy from one form to the other in the devices to be described here have the characteristic property of going through the so-called first-order transition below their Curie point when the temperature rises.
This first order or first type conversion is a conversion in which a discontinuity occurs in the first derivatives of the Gibbs free energy.
A second order transformation is one where the second derivative of the free energy function is discontinuous but the first derivative is continuous. In other words: in the case of a second order conversion, the energy, the volume and, in the case of a magnetic substance, the magnetization change continuously, but the derivatives of these quantities according to temperature have singularities. The Curie point of a magnetic material is an example of a second order conversion.
A further discussion of first and second order transformations can be found in Swalin, Thermodynamics of Solids, John Wiley and Sons., Inc., New York 1962, pages 72 and 73, and in Phase Transformations in Solids (Symposium at Cornell University, 23. through August 28, 1948), John Wiley and Sons, Inc., New York 1951, Chapter I by L. Tisza, pages 1 and 2.
At the same time as the transformation goes through, a change in the magnetic state occurs, which consists of the transition from paramagnetic or antiferromagnetic on the one hand to ferromagnetic or ferrimagnetic on the other hand, although the specific magnetic states are difficult to identify in some cases and it seems that different magnetic ones occasionally States can coexist in localized areas of a given sample. Moreover, in substances which undergo conversion over a relatively wide range of magnetic field strengths, the transition from one magnetic state to another can be fairly gradual and the progression perceptible to the examiner can therefore be somewhat ambiguous and ill-defined.
The reasons for these effects can lie in the inhomogeneous composition of a given sample or in the persistence in metastable states, and there are probably other causes which have not yet been clarified. Nevertheless, the substances are all driven through their transformations by a magnetic field, although somewhat stronger fields than in the case of ideal samples are required.
The first order conversion can occur at a preselected temperature within limits by the exertion of compressive force on the material, whereby a change in the temperature sensitivity occurs, which for the antimonides described below is about 3 to 4 "C per 1050 kg / cm This not only provides a means for small changes in the characteristic curve to facilitate calibration with the aid of set screws or the like used for pressure loading, but also enables a response to a combined action of temperature and pressure.
A first order transformation is always accompanied by a change in the internal energy of the substance undergoing the transformation, and this change is indicated by a latent heat which, in a transformation in which the internal energy content is lowered, is given off as heat and for conduction and the other types of heat transfer to an environment in relation to which there is a positive heat gradient becomes available. Conversely, where the state after the transition point has an increased content of internal energy, the substance seeks to absorb heat from its environment and accordingly withdraws heat from an environment in relation to which there is a negative heat gradient.
Specific materials which, when a magnetic field is applied, undergo a first-order conversion from a solid phase to a solid phase, in which case the transition is accompanied by a drop in the temperature of the substances and a transition from the non-magnetic to the magnetic state , contain 35 to 95 atomic percent of the elements chromium, vanadium, manganese, niobium, molybdenum, tantalum, tungsten and rhenium and a total of 5 to 40 atomic percent of at least one element of group Va of the periodic table, and show the conversion of the first order within a temperature range, e.g. . B. from absolute zero to + 200 OC, which is particularly desirable for a large number of control purposes. Materials that essentially contain four chemical elements have proven effective.
Such quaternary materials usually contain 5 to 35 atomic percent antimony, 35 to 70 atomic percent manganese, 0.8 to 25 atomic percent of at least one of the metals chromium and vanadium, and 0 to 30 atomic percent of at least one of the elements of groups II to IV of the periodic table, especially gallium , Indium, cadmium, lead, thallium, tin, zirconium, scandium, yttrium, magnesium and zinc, the percentages being chosen so that a total of 100%. Other substances which meet the general requirements set out above for the desired function, e.g. B. Materials exhibiting a first order conversion in the opposite sense, d. H. transition from a magnetic to a non-magnetic state with an accompanying increase in temperature can also be used.
The above materials show a relatively large amount of change in magnetization with temperature compared to all other known substances and are therefore particularly suitable for the applications under consideration.
As an example of a quaternary material showing first-order conversion with accompanying change in temperature, a single crystal weighing 8 g and having the following composition was prepared: 45.620 / o Mn, 2.250 / o Cr, 0.120 / o In and 52 , 01 O / o Sb.
When this crystal was suddenly pushed between the poles of a permanent magnet with a nominal field strength of 5000 Örsted, the temperature of the crystal, as measured by a thermocouple attached to the crystal, decreased by 0.67 OC, indicating that the level of the inner The energy of the substance that made up the crystal had increased, creating a need for heat on the part of the crystal in relation to the surroundings.
In a second experiment using a manganese-chromium-antimonide containing 4S, S40 / o Mn, 2.810 / o Cr and 51.67 O / o Sb, sudden exposure to the same magnetic field produced a temperature decrease of 1 "C.
Any magnetic materials which have properties of the type described above can be used as the basic component of the devices according to the invention. In other words, any material which, in the range of a temperature below its Curie point, exhibits a sudden large increase in the saturation induction when the temperature rises, can be used as a magnetic component in these devices. For many purposes, a component is used for the devices which shows a sudden strong increase in the saturation induction between -150 "C and +200 OC.
Certain of the new devices to be described here use a composite magnetic component composed of a magnetic material of the type described above (first element) in conjunction with a magnetic material of the usual type, namely a material whose magnetizability is high at temperatures below a Curie point designated limit temperature and zero at higher temperatures (second element). By the appropriate choice of these elements, composite magnetic components can be constructed which have a pronounced maximum saturation induction in a narrow temperature range and a much lower saturation induction at both lower and higher temperatures.
It is also possible to construct composite components whose saturation induction is a minimum within a narrow temperature range. The magnetic elements that make up the composite component can be assembled in any manner that does not affect their individual magnetic properties, e.g. B. by layering sheet-like pieces, joining solid forms, pressing powdery mixtures and the like.
If a composite magnetic component is used, the second ferromagnetic element, i.e. the element with the usual temperature dependence of the saturation induction, is selected on the basis of its Curie point and its saturation induction in relation to the lower transition temperature and the saturation induction of the first component.
The location and breadth of the temperature range over which the composite component exhibits maximum or minimum saturation induction depends on the ratio of the temperatures at which the Curie point and the lower transition point occur. For example, a composite component formed from manganese germanide (Curie point 40 ° C.) and manganese-chromium-indium-antimonide with a lower transition temperature of 40 ° C. has a pronounced minimum of saturation induction at approx. 40 ° C.
By appropriate choice of the proportions of manganese germanide to quaternary antimonide used in this composite body, the saturation induction at temperatures above about 80 ° C can be made the same, higher or lower than the saturation induction at temperatures below about 25 ° C.
In the new devices to be described here, the components that supply heat to or extract heat from the magnetic component, that magnetize and demagnetize the magnetic component, and that collect and detect the new form of energy that is generated are common in the art.
For example, by introducing a pivotable part with a magnetic component of the type just described into devices for magnetizing the magnetic component in a magnetic field, the pivotable part can be caused to move in the magnetic field. In this way mechanical work can be done. The pivotable element can be an anchor, a pendulum arm or a measuring device.
The device to be described here is illustrated by the following examples.
example 1
This example illustrates the use of a manganese-chromium-indium-antimonide for the construction of a thermomagnetic generator. A mixture of manganese-chromium-indium-antimonide, which contained the elements in an atomic ratio of 7.2: 0.8: 1.0: 3.0, was pressed at room temperature into a mold under a pressure of approx kg per cm2 formed a flat 1.143 mm thick disc with a diameter of 12.7 mm. This disk was placed across and in contact with the poles of a magnet with a field strength of approx. 1000 Gauss.
A winding consisting of 300 turns of enamelled enamelled copper wire with a diameter of 0.05 mm was wound around the magnet and connected to a microvolt amplifier, which in turn was connected to a recorder. The disc was illuminated with a beam of light generated by a microscope illuminator with a 108 W lamp. By means of a manually operated shutter, the pane was alternately illuminated for about 10 seconds and left unilluminated for about 10 seconds.
Voltage fluctuations occurred that corresponded to the fluctuations in the light intensity, and maximum voltages of 4 microvolt were observed.
Example 2
This example explains the use of a manganese-chromium-indium-antimonide in the construction of a solar motor that works with a heating and cooling cycle in the area of the lower ferromagnetic transition temperature. This motor has an advantage over similar motors constructed with conventional magnetic materials in that the magnetic material only needs to be heated to a relatively low temperature to drive the motor, while motors operating at the Curie point require extensive heating of the magnetic material. Therefore, the present motor consumes less energy to operate.
A disk approximately 50.8 mm in diameter was carefully cut from a thin sheet of mica and a narrow hole drilled through the center. A thin Pyrex glass tube was pushed through this hole perpendicular to the plane of the disk to serve as a bearing. The disc was attached to this pipe with putty. An axle was inserted into the tube and supported at the ends.
Magnetic products were produced from a mixture of manganese-chromium-indium-antimonide, which contained the elements mentioned in an atomic ratio of 7.2: 0.8: 1.0: 3.0. These were adhered to the edge of each side of the impeller in a 3.175 mm wide strip using an air-drying type silver paste. After thorough drying, the edge zone of the impeller was covered with soot with a small candle in order to increase the heat absorption.
The stator of the motor was a magnet with a field strength of 4800 gauss, with opposing pole pieces 19.05 mm apart and approximately 19.050 mm in diameter. The axis was parallel to and approx.
Installed 38.1 mm away from the center line of the pole shoes, the plane of the mica wheel being set centrally in the gap. A light beam from a lamp consuming 6 amperes at 6 volts was adjusted so that an image of the thread was created on each side of the rim of the wheel at a point just above the pole pieces. When the light was turned on, the wheel spun smoothly, making a full revolution in a little under a minute. This motor easily lifted a mass of 255 mg applied 2 cm from the center of rotation.
Instead of light from a lamp, sunlight was focused on the impeller using a spherical lens with a main focal length of 8.5 mm and a diameter of 82.550 mm. To prevent overheating, the image of the sun was set a little out of focus and only half of the area of the focal spot was thrown onto the wheel. Under these conditions the engine turned slightly and lifted the weight of 255 mg in about 18 seconds.
Example 3
This example illustrates the construction of a magnetically operated switch which is useful in automatic control and alarm devices.
A flexible brass leaf spring 4 (in FIG. 1) that was 0.203 mm thick, 0.794 mm wide and 19.05 mm long was fixedly attached to one end so that the free end was close to the poles of a horseshoe magnet 5. At this end, usually closed, electrical contacts and a small piece of manganese-chromium-indium-antimonide 6, which was made from a mixture containing these elements in an atomic ratio of 0.8: 7.2: 0.6: 3.4 contained. (This antimonide exhibited a below transition temperature of approx. 40 ° C. and a maximum saturation induction at approx. 100 ° C.).
When the antimonide was heated to a temperature above 40 ° C, it was attracted to the poles of the horseshoe magnet, causing the electrical contacts to open. As illustrated in FIG. 1, this switch 1 was in series with a 6 V dry battery 2, a small resistor 3 of approximately 8.6 ohms and a flashlight bulb 7. The resistor was mounted so that it would turn off when current was flowing through the generated heat heated the quaternary antimonide. When the device was in operation, current flowed through the resistor and the bulb with the switch closed until the heat from the resistor caused the antimonide to become noticeably ferromagnetic.
When this happened, the antimonide would be attracted to the magnet, opening the electrical contacts and cutting off the flow of current. When the antimonide had cooled down again to a less strongly ferromagnetic state, it was no longer attracted by the magnet and returned to its original position, whereby the electrical contacts were closed and the current flowed again.
In this way this device acted as a flashing light.
The switching temperature of such a device can be set very precisely and reproducibly through the choice of the suitable composition for the magnetic material and remains extremely stable over long periods of time.
Any convenient device can be used to return the device to its original position. These include B. springs, flexible rods or gravity when the device is in the appropriate position. Of course, the position of the antimonide component 6 and the magnetic pole 5 can be reversed if desired.
Example 4
This example explains the construction of a radiometer, i.e. a device for measuring radiation intensity (see FIG. 2). For this, a disk-shaped tablet 16 with a diameter of approximately 12.7 mm and a thickness of 1.587 mm made of a crystalline powder of manganese-chromium-indium-antimonide was used, in which, as a result of the manufacturing process, the directions of easy magnetization, i.e. the tetragonal axes, of the tiny the crystals forming the powder were oriented at an average angle of about 60 to the broad faces of the tablet. A small amount of manganese antimonide, Mn Sb, was randomly distributed all over the tablet. This tablet was cemented onto the center of the tungsten rod 17, which had sharply pointed ends.
The rod was mounted vertically between two copper bearings 17 so that the tablet was positioned centrally between the poles of a permanent magnet with a field strength of approx. 4800 Oersteds. Because of the lack of crystal anisotropy with respect to the magnetizability of the randomly oriented Mn Sb, the tablet was in such a position that its broad faces were parallel to the center line of the pole pieces. Then one side of the tablet was illuminated with a 108 W lamp using a microscope illuminator.
The filament of the lamp was focused on the surface of the tablet. Under these conditions, the tablet was observed to rotate through an angle of approximately 60 degrees. As the intensity of the radiation falling on the tablet was reduced by introducing neutral light filters into the light beam, the angle through which the tablet had rotated gradually decreased. It was returned to its initial position by turning off the light.
Accordingly, the intensity of the radiation falling on the tablet was measured by the angle through which the tablet rotated. If desired, a pointer or an optical system can be added to the device, which makes it possible to read the illumination intensity directly with a suitably calibrated scale.
The deflection resistance of the tablet can be increased and the intensity range to be measured can be enlarged by adding the proportion of conventional magnetic material, e.g. B. Mn Sb is chosen higher in the tablet or suitable mechanical components, such as. B. springs are provided.
Example 5
In this example, a reciprocating motor is explained (see Fig. 3). A tablet 20 (approx. 0.33 g) made of manganese-chromium-indium-antimonide, made from a mixture containing the elements in an atomic ratio of 7.2: 0.8: 3.8: 0.2 (lower transition temperature 80 C; temperature of maximum saturation induction 120 OC) was attached to one end of a phenol-formaldehyde resin pipe 21 of 3.175 mm in diameter and 50.8 mm in length. A similar tablet 22 made of Mn5Ge3 (Curie temperature 45 "C) was attached to the other end of the tube. The tube carrying the tablet was attached in the middle at right angles to the rear end of a similar 203.2 mm long tube as a pendulum 23, so that the tablets were in the plane of the pendulum oscillation.
One pole (approx.25.4 mm wide) of a horseshoe magnet 24 with a field strength of approx.
3,000 Oersteds were placed so that the pole face was about 6.35 mm below the rest position of the pendulum. The Mn5Ge3 disc was attracted to the magnetic pole, deflecting the pendulum from the vertical. Two projection lamps 25 were arranged so that the light from one fell on the Mn5Ge0 tablet. The radiation from the lamps caused the tablets to exceed the Curie temperature or the lower transition temperature. When this occurred, the Mn5Ge3 tablet was no longer attracted to the magnetic pole, while the antimonide tablet was attracted by it and the pendulum was attracted to a position (indicated with dotted lines in FIG. 3) in which the antimonide tablet was close the pole face was.
In this situation, the tablets were no longer approved by the Pr
Example 6
A recorder which indicates whether a predetermined temperature has been reached was constructed as a transformer. The core of this transformer consisted of a rod made of a material with a lower transition temperature approximately equal to the predetermined temperature and placed between the ends of a soft iron yoke. A primary magnetizing coil of 15 turns of 1mm0 enamelled copper wire was wound around the rod and a secondary or output coil of about 100 turns of 0.12mm0 Formvar copper wire was wound on the yoke. When the primary coil was supplied with a current of 1.3 amps at a frequency of 1000 Hertz, an output voltage of 10.3 mV was observed from the secondary coil.
The device was exposed to radiation from an infrared heating lamp for a period of time sufficient to raise its temperature above the lower transition temperature, and then the temperature was decreased back to room temperature. The yield was now 25.0 mV. The effect of the increased temperature thus increased the yield by 14.7 mV. By applying a 60 Hertz electric field to the primary, the transformer was returned to its original condition and could be used again to indicate when exposed to high temperatures. The increase in yield that occurs during the period of temperature increase can also be used as an immediate temperature indicator.
The temperature sensitive transformer described above can be used to initiate any desired measure or sequence of measures. For example, such a transformer can be used to regulate the current supplied to the heating element of an oven and then serves as a thermostat for the oven.
Example 7
This example relates to devices in which a component made of a magnetic composition of the type described above is used. The magnetization-temperature curves of such compositions show either a clear maximum (type A) or a clear minimum (type B) of the saturation induction when the temperature changes (see FIG. 4). These materials can be used, for example, in devices which maintain a constant temperature difference between two chambers or which cause temperature changes in another chamber that are related to temperature changes in one chamber.
Such a device is shown in FIG. In this figure, two chambers 26 and 27 are insulated in such a way that heat transfer to the surroundings is prevented and are arranged so that their side openings are adjacent to one another. A non-magnetic rod 28 pivotably mounted in the center is arranged between the chambers and protrudes with its ends into one of the chambers. At the ends of the rod carries disks 29 made of a magnetic composition, which are arranged in the region of magnetic poles 30. Stops 31 are arranged between the discs and the magnet coils, which prevent the rod from tilting excessively.
The end of the rod arranged in the chamber 27 actuates a switch 32 which controls a heating element 34 via a relay 33. The contact of switch 32 can be in position (a) or (b), and relay 33 can be designed as a normally open relay (as shown) or a normally closed relay. The temperature in the chamber 26 is controlled by the heating element 35 which is operated by the thermostatic switch 36.
A type B material was used in one device, made from a mixture of 1 part by weight of MnsGes and 2.5 parts of chromium-manganese-indium antimonide (produced by heating the elements in the material expressed by the formula Cr0.5Mn75In0.2Sb3.8. ten ratio) existed. The saturation induction curve of this composition showed a clear minimum at about 45 "C. This device was used in a series of tests (Tests 1-3, Table 6), the relay 33 being arranged as a normally closed relay and the contact of switch 32 being in the position ( a) The thermostat was set so that it maintained the temperature T1 (FIG. 4) given in the table in the chamber 26.
The switch 32 was closed by hand in order to switch on the heating element in the chamber 27 until a temperature in the range of the desired control temperature T2 was reached. The temperature maintained by the device in chamber 27 at various temperatures in chamber 26 is shown in Table 6.
In a second series of experiments (experiments 4 and 5), (Table VI) the relay switch 33 was a normally open contact and the contact of switch 32 was in position (b). During these tests the temperatures in both chambers 26 and 27 were kept in the region of T1 of FIG. H. below the temperature for the minimum. Using the same heating procedure as in Experiments 1-3, the equipment used in Experiments 4 and 5 maintains temperatures in the chamber 27 in the region of T9.
Table 6
Maintained experimental temperature in
Number Chamber 26 Chamber 27
1 24 OC 69 "C
2 30 OC 64 OC
3 32 CC 58 "C
4 30 "C 30" C
5 35 "C 35 OC
Example 8
This example describes the design of a magnetic balance that was used to determine the change in magnetic response with a change in temperature of a magnetic material. The balance can of course also be set up for other purposes by simple changes.
According to FIG. 6, the balance consists of a lever with a pivot point 11. One end of the lever consists of a tube 9 made of non-magnetic material, for example glass. The supply lines 10 of a thermocouple run through the middle of this tube. The other end of the lever consists of a rod which carries adjustable weights 15. Excessive movement of the lever is prevented by stops 14. A snugly fitting cap, which carries the magnetic material 8, is placed on the open end of the tube 9 in such a position that the thermocouple is in contact with the magnetic material. This end of the lever with the magnetic component attached is placed in a chamber 13 which, depending on the temperature range to be used, can be heated or cooled in the usual way.
Outside this chamber, magnetic poles 12 are arranged in close proximity to the magnetic material in such a way that the magnetic material is exposed to a non-uniform magnetic field.
During operation, the weights 15 are adjusted until the force of attraction exerted on the magnetic material 8 by the magnetic field is evened out. Then the temperature of the magnetic material is changed and the weights are adjusted again. By repeating this process at different temperatures, the effect of the temperature on the attractive force exerted by the field on the magnetic material can be determined.
If you attach an electrical contact to one of the stops 14 and close a circuit via the lever, the device can be converted into a temperature-dependent switch. This switch keeps the temperature of the room in which the magnetic material is arranged, for example the chamber 13, within the desired limits.
Example 9
This example explains a device for heat transfer, the device forming a type of heat pump.
In the device according to this example, a component is used as the heat transfer medium which experiences a relatively large change in internal energy during a transition of the first order from one solid phase to another solid phase. The device further comprises magnetic means for bringing about this conversion cyclically in such a direction that the temperature of the substance is lowered when the one solid phase is reached and the temperature is increased when the other solid phase is reached. A heat source is assigned to the one solid state phase and a heat absorbing element is assigned to the second solid state phase in order to effect a heat transport with respect to the substance one after the other.
The component used as the heat transfer medium and hereinafter referred to simply as the carrier is of a metallic type and can undergo at least partially a first-order conversion from one solid phase to another solid phase under the influence of a magnetic field of suitable strength.
If the magnetic field is strong enough, it can bring about complete conversion. However, even slightly weaker fields can cause the complete transformation if the field is so strong that it initiates the transformation, which is then completely carried out by the heat transfer between the substance and its surroundings. As a result, a heat transfer with respect to the substance of the carrier can take place practically isothermally if, to compensate for the latent heat associated with the conversion, heat is supplied or removed, preferably during the conversion or immediately thereafter, so that the losses to the outside are reduced to a minimum.
In both cases, the magnetic field causing the conversion lowers the temperature of the carrier substance at the beginning, so that the temperature difference required to carry out the heat transfer is generated.
Simultaneously with the conversion, there is a change in the magnetic state, the material changing from the paramagnetic or anti-ferromagnetic to the ferromagnetic or ferrimagnetic state. Sometimes the magnetic states are difficult to determine. It seems that different magnetic states can occasionally coexist in limited areas in a body. In substances in which the conversion takes place in a relatively wide range of the magnetic field strength, the conversion from one magnetic state to another can take place very gradually, so that the perceptible progress is indistinct and difficult to determine. The causes of these phenomena can lie in the inhomogeneous composition of a body or in the persistence of metastable states.
There are probably other causes that are not yet recognized.
Nevertheless, a magnetic field causes a transformation in all of these substances, even if somewhat stronger fields than in ideal bodies are required.
This is not a disadvantage for the purposes of the device, because the magnetic states per se are completely irrelevant for the external effect, with the exception of the special case of the use of magnetic attraction to promote the carrier from the heat transfer relationship with a heat source to a heat transfer relationship with a heat absorbing organ . In this case, of course, there must be a relatively sharp difference between the magnetic properties on the one hand and the magnetic properties on the other side of the conversion. This is explained below with reference to the embodiment shown in FIGS. 7 and 8.
In a substance that undergoes a first-order transformation, there is always a change in internal energy. This change is expressed in a latent heat which, in the state of the wearer in which the latter has a lower internal energy content, becomes available as sensible heat, which can be given off by conduction and other types of heat transfer to a neighboring heat-absorbing element to which there is a positive heat gradient.
If the wearer has a higher internal energy content beyond the transition point, the wearer tries to absorb heat from its surroundings, so that it extracts heat from a heat source to which there is a negative heat gradient. In this way, a heat pumping effect is obtained which can be used for heating and cooling if the design conditions are appropriately chosen.
Compositions of essentially four chemical elements have been found to be very effective carriers. Such quaternary compositions usually contain 5-35 atomic percent antimony,
35-70 atomic percent manganese, 0.8-25 atomic percent of at least one of the metals chromium and vanadium and
0-30 atomic percent of at least one of the elements of
Groups II-IV of the periodic system, in particular gallium, indium, cadmium, lead, thallium, tin, zircon, scandium, yttrium, magnesium and zinc, where the proportions are chosen so that they are total
1000 / o result.
Other substances which meet the above-mentioned requirements to be imposed on a carrier, for example materials which undergo a first-order conversion in the opposite sense, i. H. experience a temperature rise on transition from a magnetic to a non-magnetic state can also be used.
An example of a ternary composition which shows a change in sensible temperature with a first order conversion is a single crystal of 8 g with the composition 45.62 / o Mn, 2.250 / o Cr, 0.120 / o In and 52.01ovo Sb When this crystal was suddenly inserted between the poles of a permanent magnet with a field strength of 5000 Oersted, the temperature of the crystal, as measured by a thermocouple attached to the crystal, decreased by 0.67 ° C. This indicated that the internal energy content of the substance forming the crystal had increased and the crystal was drawing heat from its surroundings.
In a second experiment, a manganese chromium antimonide was used which contained 45.540% Mn, 2.8 101 ° Cr and 5 1.67010 Sb and whose temperature fell by 1 "C when the same magnetic field was suddenly applied.
A simple construction of a heat pump with which the above test results can be achieved on a somewhat larger scale is shown in FIG. Here, the magnetic component consists of a body 1 which can be moved back and forth made of a material which, under the influence of a magnetic field, undergoes a first-order conversion, as described above. In this case it is convenient to use a cylindrical body, but this is not essential. The material chosen was strongly magnetic in a magnetic field and essentially non-magnetic in the absence of a field, so that this phenomenon could be used to move the body under the influence of a magnetic field from the lowest heat accumulator 5 into contact with the upper heat accumulator 4, which was arranged vertically above 5.
This magnetic field is generated by a copper coil 3 which is arranged closer to the memory 4 than to the memory 5. As shown, the heat accumulators 4 and 5 are simple solid metal plates made of a non-magnetic substance such as copper. Since the body 1 was magnetic in one of its two states, a barrier in the form of a tube 2 made of polytetrafluoroethylene resin was provided between the body 1 and the coil 3.
If all parts are at the same temperature at the beginning during operation and a sufficiently strong electric current then flows through the coil 3, a magnetic field acts on the body 1, so that the substance undergoes its first-order transformation and the sensible heat of the body is reduced. The body, which has now been converted into its magnetic state, is lifted under the influence of the uncompensated field of the coil 3 in FIG. 2 until it hits the underside of the heat accumulator 4, with which it remains in full contact so that the memory 4, which after the usual thermodynamic terminology represents a source of heat, heat is extracted by conduction. After a certain time, during which the temperature of the heat source 4 drops to that of the body 1, the current flow through the coil 3 is switched off.
The material of the body 1 is immediately transformed into its other (non-magnetic state), whereupon the internal energy requirement drops, so that the temperature that can be felt rises above that of the initial state of equilibrium. At the same time, the body 1 falls under the influence of gravity into its starting position, in which it rests on the top of the memory 5, which is now a heat absorbing organ, to which heat is transferred from the body 1 by conduction. After a certain time of heat transfer from the carrier, the game is repeated.
In a test device designed according to FIG. 7, a cylindrical body 1 with a diameter of 7 mm and a length of 9 mm was used, which consisted of the following quaternary composition (all data in percent by weight): Mn 45.620 / o, Cr. 2.250 / o, In 0.120 / o, Sb 52.010 / o.
The body 1 was inserted into a vertically arranged polyethylene pipe 2 having an inner diameter of 10 mm and a length of 15 mm, the ends of which were covered at the top and bottom with copper plates corresponding to the heat source 4 and the heat absorbing device 5. The device was placed in a horizontal magnetic field of about 7000 Oersted generated by an electromagnet.
The facility was operated in a cycle of 10 minutes. The coil 3 had current flowing through it for five minutes and no current for 5 minutes. Even under these relatively unfavorable operating conditions, the temperature of the plate 4 was gradually reduced until, after 50 minutes, the measured temperature of the plate 4 was 1.5 "lower than that of the plate 5.
In the absence of the cooling effect due to the implementation of the first order conversion of the carrier in alternating directions, the heat released by the magnet due to resistance losses and the like was sufficient to raise the temperature of the plate 4 by 1 "C above that of the due to the asymmetrical arrangement of the coil 3 lower plate 5. It goes without saying that, if necessary, the body 1 can be moved cyclically from the heat absorbing member 5 to the heat source 4 if a mechanically driven, rigid rod is attached to the body, similar to a piston with piston rod, and in a suitable one Plain bearing is guided in one or both of the plates, so that the magnetically generated reciprocating movement is superfluous.In this case, the tube 2 can also be omitted.
The guide tube can also be omitted in the case of magnetic lifting if the body 1 can simply be displaced on a rigid wire or a rigid rod and this wire or rod is arranged centrally to the heat source 4 and the heat absorbing element 5. In this case the body 1 is provided with a longitudinal bore through which the rod extends.
Example 10
It is also possible to shift the transition points of substances used as carriers by changing the chemical compositions accordingly so that the first-order conversion described in Example 11 takes place in different carriers upon exposure to the same or approximately the same magnetic fields at progressively graded temperatures. In this way, a multi-stage heat transfer in several stages and therefore in a much larger area is possible by connecting a number of individual heat pumps in cascade. FIG. 8 shows such an arrangement of four stages, each consisting of a pump according to FIG.
In Fig. 8 it is assumed that the cold heat source is the top plate 8 of the row, while the hot heat absorption element 9 is arranged below.
The different levels are labeled A, B, C and D. The compositions of the carriers in these stages are selected so that they have progressively higher conversion temperatures in the order given, from top to bottom. With careful adjustment of the analysis of the quaternary compositions described above, it has been found possible to obtain a substantially continuous spectrum of transition temperature values at intervals of 3-5 OC from stage to stage, so that when essentially the same magnetic field is generated by the associated Coils one after the other heat is transferred from the higher unit to the next lower unit.
Under these circumstances, all coils can optionally be connected electrically in series or the coils can be fed individually for easier adaptation of the fields to the conversion temperatures. The carrier bodies of the individual stages can also be magnetically lifted together in any other expedient chronological order, if necessary, because the individual plates temporarily act as heat accumulators of sufficient capacity, so that this is not a critical factor.
Example 11
In Examples 9 and 10, fixed heat storage and a portable carrier were used.
However, the heat pumping can just as well be effected by moving a flowable medium located in the reservoir relative to the carrier. A single stage arrangement of this type is shown in FIG.
Here the flowable media consist of two liquids, each of which has a circulation circuit and is pumped one after the other through a stationary carrier 12, which undergoes a transformation in time with the pumping process under the action of a magnetic field, so that one alternates at first Liquid is cooled so that it forms a heat source, and then the other liquid is heated so that it becomes the organ of heat absorption.
According to FIG. 10, the carrier 12 preferably consists of a mass of granular substance which has a grain size of the order of 4 meshes per cm and is held in a container 14 which consists of flat surfaces at least at the top and bottom, so that, according to FIG 9 and 10 can be arranged in close proximity to the opposite pole faces of the electromagnet 15. Screens 16 and 17 arranged at opposite ends of 14 hold the carrier in place, but allow a relatively free passage of flowable media. One opening 18 is connected to the three-way valve 19 and another opening 20 is connected to the three-way valve 21.
The cold store 24, i.e. H. the storage tank containing cold liquid is fed with liquid which is sucked in clockwise from the container 14 by the pump 27 through the tap 19 and fed via the line 28 to the storage tank. At the same time, the cold reservoir 24 is in communication with the container 14 via the tap 21 and the opening 20, so that the cold liquid is returned to 14.
Similarly, the warm accumulator (the heat absorbing organ) 29, i. H. the storage unit which receives the warm liquid holds the liquid which is sucked out of the container 14 by the pump 30 counterclockwise via the tap 21, the pressure side of the pump 30 being connected to the line 31. This liquid is circulated into the container 14 via the upper passage of the tap 19 and the opening 18 if this path is open during the following half-cycle.
The electrical circuit for the embodiment of Fig. 9 is quite simple. It consists of the coils 33 and 34, which are wound one behind the other around the opposite poles of 15 and are connected to a direct current source 35 via a single-pole on and off switch 36. Synchronously with the rotation of the three-way cocks 19 and 21 from their opposite positions shown in FIG. 9, indicated by dashed lines, the switch 36 is alternately closed and opened by a conventional time control 37 during preselected time segments.
When the three-way cocks 19 and 21 assume the position according to FIG. 9 during operation and a sufficiently strong magnetic field is applied to the carrier by switching on the current flow through the windings 33 and 34, the carrier undergoes a transformation, with its temperature falling and that of the pump 27 removes heat from the liquid conveyed through the line 28. If, after a period of time almost sufficient for the temperature between the cold liquid and the carrier 12 to equilibrate, the current is switched off, the carrier experiences the conversion in the opposite direction. Since the taps 19 and 21 are then in the opposite position to FIG. 9, the pump conveys hot liquid from the reservoir 29 through the carrier 12, the tap 21 and the return line 31, so that heat is extracted from the carrier.
After a corresponding period of time, the cold store 24 is switched on again and the entire game is repeated, so that heat is withdrawn from the cold medium and fed to the warm medium during successive periods of time.
With regard to the cold heat source and the warm heat absorbing element, the embodiment according to FIGS. 9-11 is operated intermittently. However, if two separate carriers are connected in parallel and switches for controlling the flow of liquid are switched alternately, continuous operation is obtained, with one carrier extracting heat and the other emitting heat at the same time.
The conveyance of liquid in a closed circuit, as has been described for the embodiment according to FIGS. 9-11, is particularly suitable for single-stage heat transfer, but a cascade connection of the type shown in FIG. 8 can also be used if multi-stage work is desirable. In this case, however, a somewhat simpler system is possible in which a simple reversible pump is used and the liquid is moved back and forth through the stationary support in its housing and is taken up by a hot or a cold reservoir, which is beyond the opposite ends of the housing are arranged. Each reservoir can be provided with heat transfer tube coils, which allow an indirect heat exchange for cooling or heating the liquid flowing back and forth.
In order to maintain a sharp distinction between the cold and the hot liquid, two immiscible liquids can be used at the same time, one of which is only used for heat exchange at high temperature and the other only for heat exchange at low temperature, each of them in one Amount is available that a continuous heat transfer can take place during each half cycle.
A step-by-step operation is also possible if a one-piece carrier is produced, the composition of which changes progressively along its length in such a way that a temperature-changing transformation is obtained either under the influence of a single magnetic field or of several successive magnetic fields spaced along the carrier so that the total area of heat transfer is proportionally expanded.
It goes without saying that, within the scope of the invention, various types and combinations of fixed and movable supports with stationary or movable heat sources and heat absorbing means can be used, including using fluidized bed technology and solids entrainment.
Various desired control effects can also be achieved by using magnetic shields between the magnetic poles and the carrier, this use being able to take place cyclically or according to a specific, fixed scheme.
The method and the devices according to these exemplary embodiments can also be modified to a large extent in other ways within the scope of the concept of the invention.
Example 12
This example illustrates a temperature-dependent inductor which has a core consisting at least partially of the magnetic component and an electrical conductor wound around this core.
The substances used as temperature-dependent elements in the inductors according to this example have the property that, in the event of a temperature-dependent transition of the first order from one solid phase to another solid phase, e.g. B. be converted from a paramagnetic or anüferromagnetischen state in a ferromagnetic or ferrimagnetic state. The first-order transition can be essentially non-magnetic at preselected temperatures below the transition point of internal antimonides and then practically have a permeability of 1. However, when the material is heated and the magnetization increases, the permeability increases to 20-30 or even more.
When the material is in the magnetic state, its behavior is similar to most known magnetic materials in that the permeability is influenced not only by magnetic and thermal history and similar factors, but also by field strength.
In an inductor with a core made of magnetic material, the inductance L can be expressed as follows:
L = KN2
It is
L = inductance in henry
N = number of turns of the surrounding core
Conductor = u = permeability of the magnetic core and
K = constant dependent on the geometric shape of the inductor.
If a magnetic core is used in this example, the permeability of which is a function of temperature, = = f (T), then the inductance L = KN2f (T), or if the permeability function is linear, as in the present case, L = KkN2T.
The above-mentioned magnetic antimonides are magnetically anisotropic and therefore have a preferred direction of magnetization which is essentially along the c-axis of the single crystal material at temperatures above about -20 "C, and gradually into the a-plane at temperatures slightly below this value and lies essentially completely in the a-plane below about -50 ° C. It is therefore advantageous if these materials are arranged in the core in such a way that the direction of the lines of force essentially coincides with the direction of magnetization preferred at the temperature of use.
The orientation described can easily be achieved with the aid of known methods, for example by stringing antimonide particles in a straight line in a strong magnetic field and then combining them with a suitable magnetic binder to form a unitary body. However, preference is given to using single crystals which have been shaped with the aid of crystal pulling or similar devices in preselected dimensions, because these single crystals have the highest permeability values.
12 shows a preferred embodiment of an inductor for achieving a temperature-dependent effect according to the present example. In this case, the core comprises two horseshoe-shaped pieces of silicon iron strip 10 and 11 with a rectangular cross-section of 12.7 x 19 mm, between the opposite ends of which in contact with them two pieces of an antimonide composition 12 and 14 with a thickness of 2, 5 mm can be used. The antimonide material of the inserts had the following analysis in atomic proportions:
0.4 chromium
7.6 manganese
3.99 antimony
0.01 indium
The winding of the inductor was expediently provided in the form of two coils 15 and 16 connected in series, each with 1000 turns, which were each arranged over a straight part of the horseshoe pieces and over the inserts 12 and 14. However, the winding arrangement is not critical.
If, for example, free access to the inserts 12 and 14 from the outside is desired for better heat transfer, the windings can be arranged in other areas.
The inductance-temperature characteristic of the inductor of FIG. 12 was determined with the aid of a temperature-controlled oil bath and an impedance bridge of the General Radio 1650-A type. This bridge was fed with 110 volts, 60 Hz. The characteristic curve is shown in FIG. 13 and clearly shows a temperature dependency, which means that this inductor is suitable for a temperature measurement in the range of approximately 40-60 ° C. One can produce antimonide compositions with different analyzes, which undergo transformations in different, preselected temperature ranges, so that temperature-dependent effects are available in a wide range for certain applications.
Example 13
FIG. 14 shows the circuit of a temperature regulator with a bridge and the temperature-dependent inductor of FIG. 12, which is designated by 18. The inductor is arranged in an oil bath 19, which is to be kept at a given temperature with the aid of a heater 20 immersed in the oil, which is fed via the supply lines 21 and 22 and the relay-operated switch 23 with 110 V, 60 Hz.
The inductor 18 is arranged in a bridge circuit with an inductor 26, which is identical to 18, with the exception that the antimonide inserts are replaced by air gaps. To complete the bridge circuit, an equalizing potentiometer 27 is switched on on one side and a phase-sensitive amplifier 28 (for example a single-stage transistor amplifier whose collector is fed with alternating current of 60 Hz) on the other, which feeds the relay coil 29 of the switch 23 via earth. Finally, the bridge is fed by the secondary winding of the step-down transformer 30 (12 volt secondary winding), the primary winding of which is connected to the usual 110 V, 60 Hz network.
A typical calibration curve of the temperature as a function of the potentiometer setting (according to an arbitrarily selected scale) for the device according to FIG. 14 is shown in FIG. According to this curve, any temperature in the range of the temperature dependence of the device can be selected by a suitable setting of the tapping of the resistor 27.
A series of operational tests in the range of 35-50 OC were carried out with the oil bath temperature controller. It was found that the device keeps the oil temperature within + 0-25 ° C at the set value.
Example 16
The inductor can also be used in a control device by, for example, connecting the inductor in an AC circuit in series with a resistor, whereby a complete temperature controller is obtained. In such a circuit, with negligibly small capacitance, the absolute value of the current is:
EMI12.1
Here E = applied voltage R = resistance of the circuit L = inductance of the circuit o = angular frequency
When using a temperature-dependent antimonide inductor such as 18 in series with a resistor of the type described, it can be seen that L increases and the current strength decreases as the temperature of the inductor increases. Since the heat output of an electric heater is W = i2R, the heat generated by the resistor increases as the temperature drops.
This circuit therefore has the basic elements of a control device.
Inductors with a ferromagnetic core also have a property which can be combined in an advantageous manner with the temperature dependence of the inductance in order to expand the usable control range. As a result of the dependence of the permeability of ferromagnetic material on its magnetization, the permeability is namely also a function of the current flowing through the inductor. The combined effect can best be seen from the dependence of the impedance (Z = 1 / R2 + w2 L2) on the current strength. This is shown in FIG. 15 on the basis of six temperatures which are distributed at a distance of 5 "C over the range from 30" C to 55 OC. The family of curves shown in FIG. 16 shows: 1.
The dependence of the impedance of the circuit on the temperature at constant current strength and 2. the dependence of the impedance of the circuit on the current strength at constant temperature.
The combined effect is shown in FIG. 17 with the aid of a circuit in which the resistance had a value of 100 ohms, the voltage at 60 "C. was held at about 50 volts and, as inductor 18, the above with reference to FIGS. 1 and 2. It can be seen from Fig. 17 that the dependence of the current intensity on the temperature is present in a significantly wider range than that indicated in Fig. 16, which is very valuable for practical use.
In operation, the device described was used to regulate the temperature of a small oil bath. The whole circuit, consisting of the inductor and the resistor, was immersed in the oil together with a heater of about 2 watts connected in series with it. The conditions were such that a stable temperature of 40.8 ° C. was maintained with the bath lid closed. By removing the cover, the heat losses were increased so that the oil temperature began to drop.
The control circuit consisting of the inductor and the resistor caused an automatic compensation by increasing the current intensity fed to the heating resistor, whereupon the temperature was stabilized at 38 ° C. An experiment carried out in the same environment without the regulator showed that the temperature was lowered to 32 ° C. before thermal equilibrium was achieved.
The application examples described above clearly explain the control processes used. It goes without saying, however, that temperature-dependent inductors according to this example can be used for the most varied of purposes in any circuit in which the inductance is an important variable.
The inductors can be used, for example, as an element in the frequency-determining circuit of a sine wave oscillator or as an overheating fuse which reduces the current when the temperature rises, or as a current regulator in which the current to be regulated flows through a heating winding of the temperature-dependent inductor. In addition, the temperature-dependent inductors can be used together with the most varied of conventional core materials, for example metallic and oxidic types. An example of the latter is the ferrites.