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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermomagnetischen Generator, eingerichtet zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie unter Nutzung des magnetokalorischen Effektes gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 052 784 A1 ist eine elektrische Einrichtung mit einem thermomagnetischen Generator unter Nutzung des magnetokalorischen Effektes bekannt. Dazu ist wenigstens ein Permanent- oder Dauermagnet zur Erzeugung eines Magnetfeldes vorgesehen, in dessen Einflussbereich eine Spule angeordnet ist, so dass durch Änderungen im Magnetfeld elektrische Spannungen in der Spule induzierbar und nutzbar sind. Die Änderungen im Magnetfeld werden mittels eines magnetokalorischen Kernelementes bewirkt, welches zur Beeinflussung des Magnetfeldes in Abhängigkeit der ferromagnetischen oder paramagnetischen Eigenschaften zumindest anteilig im Magnetfeld angeordnet ist. Die temperaturabhängigen ferromagnetischen oder paramagnetischen Eigenschaften des Kernelementes werden durch den zyklischen, wechselseitigen Kontakt mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke hervorgerufen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 020 486 A1 ist ein thermomagnetischer Generator bekannt, bei welchem mittels eines Schaltventils heiße und kalte Fluide zu einem magnetokalorischen Element in einem Magnetkreis geführt werden. Das Schaltventil schaltet mit einer vorgegebenen Frequenz wiederholt und abwechselnd, um das magnetokalorische Element durch die kalten oder heißen Fluide zu magnetisieren oder zu entmagnetisieren und demnach das Magnetfeld des Magnetkreises zu verändern. In einer Spule des Magnetkreises wird durch die Veränderung des Magnetfeldes eine nutzbare Spannung induziert.
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Aus der Offenlegungsschrift
US 2015/0369386 A1 ist ein magnetokalorisches Ventil bekannt, welches ein magnetokalorisches Material aufweist, das alternativ erwärmt oder gekühlt wird. Das Ventil weist ein federbelastetes Verschlussglied auf, welches alternativ einen Fluidkanal freigeben oder verschließen kann.
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Aus der Offenlegungsschrift
US 2015/0369231 A1 ist ein magnetokalorischer Antrieb bekannt, bei welchem innerhalb eines Zylinders ein Kolben aus magnetokalorischem Material eingesetzt ist, der innerhalb des Zylinders Medienräume unterschiedlicher Temperatur abteilt. Die Lage des Kolbens stellt sich gemäß einem Kräftegleichgewicht ein, welches von einem Magneten, der auf den Kolben wirkt, und einer Gegenkraft, die von einer Feder erzeugt wird, gebildet wird. Die Feder bringt dabei eine der Magnetkraft entgegen gerichtete Kraft auf. Der Kolben ist von einem Medium erwärm- bzw. kühlbar, so dass dieser aufgrund der sich temperaturabhängig ändernden magnetischen Eigenschaften seine Position innerhalb des Zylinders verändert. Die Kolbenbewegung wird zur Erzeugung mechanischer Energie oder zum Pumpen eines Fluids genutzt.
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Aus der Patentschrift
GB 655,087 A ist eine magnetokalorische Einrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie bekannt, bei welcher ein magnetokalorisches Material von einer Spule umgeben ist. Das magnetokalorische Material ist von einem Fluid durchströmbar, welches durch Aufheizen und Kühlen periodisch wechselnde Temperaturen aufweist. Der Temperaturbereich des Fluids ist so gewählt, dass durch Heizen und Kühlen des magnetokalorischen Materials dessen Temperatur um den Curie-Punkt schwankt, so dass aufgrund der so erzeugten Änderung des magnetischen Flusses innerhalb der Spule in dieser ein elektrischer Strom induziert wird.
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Aus der Patentschrift
FR 1 104 774 A ist eine magnetokalorische Einrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie bekannt, bei welcher ein magnetokalorisches Material von einer Spule umgeben ist. Das magnetokalorische Material ist alternativ von einem Fluid unterschiedlicher Temperatur durchströmbar, wodurch das magnetokalorische Material periodisch wechselnd auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt bzw. abgekühlt wird. Der Temperaturbereich des Fluids ist so gewählt, dass durch periodisches Erwärmen und Kühlen des magnetokalorischen Materials dessen Temperatur um den Curie-Punkt schwankt, so dass aufgrund der so erzeugten Änderung des magnetischen Flusses innerhalb der Spule in dieser ein elektrischer Strom induziert wird. Die Zuführung des Mediums erfolgt in Abhängigkeit der Stellung eines gesondert betätigten Wegeventils, wobei wahlweise der Strom erwärmten oder kühlenden Fluids freigegeben bzw. abgesperrt wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen besonders vorteilhaften thermomagnetischen Generator bereitzustellen, welcher zur Umwandlung von thermischer Energie eines Fluids in elektrische Energie unter Nutzung des magnetokalorischen Effektes eingerichtet ist.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch einen thermomagnetischen Generator nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt einen erfindungsgemäß vorteilhaften thermomagnetischen Generator zur Verfügung. Mittels des thermomagnetischen Generators wird unter Nutzung des magnetokalorischen Effektes thermische Energie eines Fluids in elektrische Energie umgewandelt.
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Der erfindungsgemäß vorteilhafte thermomagnetische Generator weist dazu eine Spule, einen Dauermagnet, einen ersten Fluidzulauf, einen zweiten Fluidzulauf, einen Fluidablauf sowie ein Wegeventil mit einem Verschlusselement auf.
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Mittels des Dauermagnets wird ein Magnetfeld erzeugt, in dessen Einflussbereich die Spule angeordnet ist. Der Dauermagnet ist dabei in vorteilhafter Weise als Spulenträger der Spule ausgebildet, so dass die voneinander isolierten Drahtwindungen der Spule um den Dauermagneten aufgewickelt sind und sich das Magnetfeld des Dauermagnets optimal über die Spule erstreckt. Demnach nimmt der Spulenträger die Spule auf.
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In vorteilhafter Weise sind der erste Fluidzulauf und der zweite Fluidzulauf gegenüberliegend angeordnet, wobei vorzugsweise der erste Fluidzulauf koaxial im Spulenträger der Spule geführt ist. Zwischen dem entgegengerichteten ersten Fluidzulauf und dem zweiten Fluidzulauf ist das Wegeventil mit dem Verschlusselement angeordnet. Im Wegeventil weist der erste Fluidzulauf einen ersten Ventilsitz und der zweite Fluidzulauf einen dem ersten Ventilsitz entgegengesetzten zweiten Ventilsitz auf, so dass das Verschlusselement einerseits mit dem ersten Ventilsitz zum Verschluss des ersten Fluidzulaufs oder andererseits mit dem zweiten Ventilsitz zum Verschluss des zweiten Fluidzulaufs abdichtend in Kontakt tritt.
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Das Wegeventil ist als direktgesteuertes 3/2-Wegeventil ausgeführt, um den ersten Fluidzulauf oder den zweiten Fluidzulauf abwechselnd mit dem Fluidablauf zu verbinden, so dass entweder der erste Fluidzulauf mit dem Fluidablauf oder der zweite Fluidzulauf mit dem Fluidablauf fluidverbunden ist. Das Verschlusselement des Wegeventils ist zumindest teilweise aus magnetokalorischem Material gebildet und weist somit in Abhängigkeit der Temperatur ferromagnetische oder paramagnetische Eigenschaften auf. Zudem ist das Verschlusselement für die Direktsteuerung mittels einer Feder einseitig federbelastet und im Wirkbereich des Magnetfeldes des Dauermagneten angeordnet. Die auf das Verschlusselement wirkende Anziehungskraft des Dauermagneten und die Federkraft der Feder sind zueinander entgegengesetzt ausgerichtet, so dass sich diese in Abhängigkeit der ferromagnetischen oder paramagnetischen Eigenschaften des magnetokalorischen Materials teilweise kompensieren. Dabei bewirken die Anziehungskraft des Dauermagneten, dass das Verschlusselement in Richtung des ersten Ventilsitzes drängt, und die Federkraft der Feder, dass das Verschlusselement in Richtung des zweiten Ventilsitzes drängt.
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Weist das magnetokalorische Material ferromagnetische Eigenschaften auf, ist die magnetische Wechselwirkung zwischen Verschlusselement und Dauermanget so hoch, dass die Anziehungskraft die Federkraft übersteigt. Weist das magnetokalorische Material hingegen paramagnetische Eigenschaften auf, ist die magnetische Wechselwirkung zwischen Verschlusselement und Dauermagnet so gering, dass die Federkraft die Anziehungskraft übersteigt.
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Weist das magnetokalorische Material des Verschlusselementes ferromagnetische Eigenschaften auf, wenn die Temperatur des magnetokalorischen Materials unter der stoffspezifischen Curie-Temperatur liegt, wird das Verschlusselement mittels der Anziehungskraft entgegen der geringeren Federkraft in den ersten Ventilsitz des ersten Fluidzulaufs gedrückt und somit der erste Fluidzulauf versperrt und eine Fluidverbindung zwischen zweitem Fluidzulauf und Fluidablauf hergestellt.
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Weist das magnetokalorische Material des Verschlusselementes paramagnetische Eigenschaften auf, wenn die Temperatur des magnetokalorischen Materials über der stoffspezifischen Curie-Temperatur liegt, wird das Verschlusselement durch die Federkraft entgegen der geringeren Anziehungskraft in den zweiten Ventilsitz des zweiten Fluidzulaufs gedrückt und somit der zweite Fluidzulauf versperrt und eine Fluidverbindung zwischen erstem Fluidzulauf und Fluidablauf hergestellt.
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Die abwechselnde Abkühlung unter die Curie-Temperatur oder Erwärmung über die Curie-Temperatur des magnetokalorischen Materials des Verschlusselementes erfolgt durch den abwechselnden Kontakt des Verschlusselementes mit kaltem Fluid, welches bei der Fluidverbindung vom ersten Fluidzulauf und Fluidablauf durch den Fluidablauf strömt, oder mit warmer Fluid, welches bei der Fluidverbindung vom zweiten Fluidzulauf und Fluidablauf durch den Fluidablauf strömt. Dabei liegt die Temperatur des kalten Fluids unterhalb und die Temperatur des warmen Fluids oberhalb der Curie-Temperatur des magnetokalorischen Materials.
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Durch die abwechselnde Erwärmung des magnetokalorischen Materials über die Curie-Temperatur und Abkühlung des magnetokalorischen Materials unter die Curie-Temperatur weist das magnetokalorische Material abwechselnde paramagnetische oder ferromagnetische Eigenschaften auf, welche das Magnetfeld des Dauermagneten beeinflussen. Weist das magnetokalorische Material im Magnetfeld des Dauermagneten ferromagnetische Eigenschaften auf, wird die magnetische Flussdichte des Magnetfeldes erhöht. Weist das magnetokalorische Material im Magnetfeld des Dauermagneten jedoch paramagnetische Eigenschaften auf, wird die magnetische Flussdichte des Magnetfeldes für die hier zu Grunde liegende Anwendung nur vernachlässigbar erhöht. Durch die daraus resultierenden Änderungen im Magnetfeld infolge des Wechsels zwischen ferromagnetischen oder paramagnetischen Eigenschaften des magnetokalorischen Materials wird in der Spule eine Spannung induziert, welche dann mittels elektrischer Kontakte nutzbar ist.
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Weiter wird durch die abwechselnden paramagnetischen oder ferromagnetischen Eigenschaften des magnetokalorischen Materials das Wegeventil direkt geschalten, so dass die Erwärmung und Abkühlung des Verschlusselements durch das warme Fluid oder das kalte Fluid aufeinander folgen und wiederum ein Wechsel der paramagnetischen oder ferromagnetischen Eigenschaften des magnetokalorischen Materials erfolgen kann.
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Demnach steuert das Verschlusselement mit Hilfe des magnetokalorischen Materials, dem Magnetfeld des Dauermagneten einerseits und der Federkraft der Feder andererseits seine Erwärmung und Abkühlung selbst.
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Weist das Verschlusselement eine Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur des magnetokalorischen Materials auf, so hat das magnetokalorische Material ferromagnetische Eigenschaften. Dadurch wird das dem Magnetfeld des Dauermagneten ausgesetzte Verschlusselement durch eine Anziehungskraft des Dauermagneten, welche die entgegengerichtete Federkraft der Feder übersteigt, in den ersten Ventilsitz gedrückt und somit der erste Fluidzulauf versperrt und eine Fluidverbindung zwischen zweitem Fluidzulauf und Fluidablauf hergestellt. Das warme Fluid mit einer Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur strömt durch den Fluidablauf und erwärmt das Verschlusselement. Die Temperatur des Verschlusselementes steigt über die Curie-Temperatur des magnetokalorischen Materials, wodurch das magnetokalorische Material die ferromagnetischen Eigenschaften verliert und paramagnetische Eigenschaften annimmt. Durch den Wechsel der magnetischen Eigenschaften des magnetokalorischen Materials kommt es zu einer Änderung der Beeinflussung des Magnetfelds und somit zu einer Änderung des Magnetfeldes, so dass in der Spule eine nutzbare Spannung induziert wird.
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Infolge der paramagnetischen Eigenschaften des magnetokalorischen Materials verringert sich die Anziehungskraft des Dauermagnetes gegenüber dem Verschlusselement, so dass die Federkraft der Feder die Anziehungskraft des Dauermagneten übersteigt und das Verschlusselement in den zweiten Ventilsitz drückt und somit der zweite Fluidzulauf versperrt und eine Fluidverbindung zwischen ersten Fluidzulauf und Fluidablauf hergestellt wird. Die Federkraft der Feder ist dabei an den Fluiddruck des zweiten Fluidzulaufs angepasst. Das kalte Fluid mit einer Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur strömt durch den Fluidablauf und kühlt das Verschlusselement ab. Die Temperatur des Verschlusselementes fällt unter die Curie-Temperatur des magnetokalorischen Materials, wodurch das magnetokalorische Material die paramagnetischen Eigenschaften verliert und ferromagnetische Eigenschaften annimmt. Durch den Wechsel der magnetischen Eigenschaften des magnetokalorischen Materials kommt es erneut zu einer Änderung der Beeinflussung des Magnetfelds und somit zu einer Änderung des Magnetfeldes, so dass in der Spule eine nutzbare Spannung induziert wird.
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Für eine optimale Wärmeübertragung zwischen dem durch den Fluidablauf strömenden kalten Fluid oder warmem Fluid und dem Verschlusselement ist das Verschlusselement derart ausgeführt, dass sich das Verschlusselement hauptsächlich über den Fluidablauf erstreckt, um somit eine möglichst große Kontaktfläche für die Wärmeübertragung bereitzustellen. Weiter kann die Bewegung des Verschlusselementes zwischen dem erstem Ventilsitz und dem zweiten Ventilsitz mittels eines Getriebes mechanisch ausgekoppelt und somit als mechanische Energie nutzbar gemacht werden.
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Ausführungsbeispiel
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
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1: eine schematische Darstellung eines thermomagnetischen Generators (1) in einem ersten Zustand und
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2: eine schematische Darstellung des thermomagnetischen Generators (1) in einem zweiten Zustand.
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Der erfindungsgemäß vorteilhafte thermomagnetische Generator (1), dargestellt in 1 und 2, besteht aus einer Spule (2), einem als Spulenträger der Spule (2) ausgebildeten Dauermagneten (3) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (4) und einem Wegeventil (5) mit einem Verschlusselement (6), wobei das Wegeventil (5) einen ersten Fluidzulauf (7), einen dem ersten Fluidzulauf (7) entgegengesetzt ausgerichteten zweiten Fluidzulauf (8) sowie einen Fluidablauf (9) umfasst und das Verschlusselement (6) zwischen dem ersten Fluidzulauf (7) und dem zweiten Fluidzulauf (8) angeordnet ist.
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Im Wegeventil (5) weist der erste Fluidzulauf (7) einen ersten Ventilsitz (10) und der zweite Fluidzulauf (8) einen dem ersten Ventilsitz (10) entgegengesetzten zweiten Ventilsitz (11) auf, so dass das Verschlusselement (6) einerseits mit dem ersten Ventilsitz (10) zum Verschluss des ersten Fluidzulaufs (7), dargestellt in 1, oder andererseits mit dem zweiten Ventilsitz (11) zum Verschluss des zweiten Fluidzulaufs (8), dargestellt in 2, abdichtend in Kontakt tritt. Mittels des Verschlusselementes (6) wird der erste Fluidzulauf (7) oder der zweite Fluidzulauf (8) abwechselnd mit dem Fluidablauf (9) in Fluidverbindung gebracht, so dass entweder kaltes Fluid (12) aus dem ersten Fluidzulauf (7) oder warmes Fluid (13) aus dem zweiten Fluidzulauf (8) über das Verschlusselement (6) durch den Fluidablauf (9) strömt.
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Das Wegeventil (5) ist in erfindungsgemäß vorteilhafter Weise als direktgesteuertes Wegeventil (5) ausgeführt, wobei das Verschlusselement (6) zumindest teilweise aus magnetokalorischem Material gebildet ist. Zudem ist das Verschlusselement (6) für die Direktsteuerung mittels einer Feder (14) einseitig federbelastet und im Wirkbereich des Magnetfeldes (4) des Dauermagneten (3) angeordnet, so dass die auf das Verschlusselement (6) wirkende Anziehungskraft des Dauermagneten (3) und die Federkraft der Feder (14) zueinander entgegengesetzt ausgerichtet sind.
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Die auf das Verschlusselement (6) wirkende Anziehungskraft des Dauermagneten (3) und die Federkraft der Feder (14) kompensieren sich gegenseitig teilweise in Abhängigkeit der ferromagnetischen oder paramagnetischen Eigenschaften des magnetokalorischen Materials, so dass die Anziehungskraft des Dauermagneten (3) das Verschlusselement (6) an den ersten Ventilsitz (10) drückt und die Fluidverbindung zwischen dem zweiten Fluidzulauf (8) und dem Fluidablauf (9) herstellt, wenn das magnetokalorische Material ferromagnetische Eigenschaften aufweist, oder die Federkraft der Feder (14) das Verschlusselement (6) an den zweiten Ventilsitz (11) drückt und die Fluidverbindung zwischen dem ersten Fluidzulauf (7) und dem Fluidablauf (9) herstellt, wenn das magnetokalorische Material paramagnetische Eigenschaften aufweist.
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Dadurch erfolgt eine wechselnde Abkühlung unter die Curie-Temperatur oder Erwärmung über die Curie-Temperatur des Verschlusselements (6), insbesondere des magnetokalorischen Materials, so dass die dadurch hervorgerufenen Änderungen im magnetischen Fluss des Magnetfeldes (4) zu einer nutzbaren Spannungsinduktion in der Spule (2) führen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- thermomagnetischer Generator
- 2
- Spule
- 3
- Dauermagnet
- 4
- Magnetfeld
- 5
- Wegeventil
- 6
- Verschlusselement
- 7
- erster Fluidzulauf
- 8
- zweiter Fluidzulauf
- 9
- Fluidablauf
- 10
- erster Ventilsitz
- 11
- zweiter Ventilsitz
- 12
- kaltes Fluid
- 13
- warmes Fluid
- 14
- Feder
