DE102018213858A1

DE102018213858A1 - tempering

Info

Publication number: DE102018213858A1
Application number: DE102018213858.3A
Authority: DE
Inventors: Marco Stocker; Georg Berner; Elvira Stegmeyer
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2020-02-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperiereinrichtung zur Temperierung eines Fluids (7), mit einer Versorgungseinrichtung (2), die eine erste Magneteinrichtung (12) für eine Bereitstellung von Tragkräften und eine Spulenanordnung (6) zur Bereitstellung eines elektromagnetischen Wechselfelds umfasst, sowie mit einer Nutzeinrichtung (3; 23), die eine zweite Magneteinrichtung (8) für eine Bereitstellung von Tragkräften und eine Induktionseinrichtung (9; 24) zur Auskopplung von Energie aus einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgebildet ist, wobei die erste Magneteinrichtung (12) einen Supraleiter umfasst und wobei die zweite Magneteinrichtung (8) eine Permanentmagnetanordnung umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Induktionseinrichtung (9; 24) eine Empfangsspule (24) für das elektromagnetische Wechselfeld und einen zugeordneten Stromkreislauf mit wenigstens einem Heizwiderstand (31) und/oder einen Wirbelstromkörper (9), der für eine unmittelbare Umsetzung des elektromagnetisches Wechselfelds in Wärme ausgebildet ist, umfasst.The invention relates to a temperature control device for temperature control of a fluid (7), with a supply device (2), which comprises a first magnet device (12) for providing load capacities and a coil arrangement (6) for providing an alternating electromagnetic field, and with a use device ( 3; 23), which is designed as a second magnet device (8) for providing load capacities and an induction device (9; 24) for decoupling energy from an alternating electromagnetic field, the first magnet device (12) comprising a superconductor and the second Magnet device (8) comprises a permanent magnet arrangement. According to the invention, the induction device (9; 24) has a receiving coil (24) for the alternating electromagnetic field and an associated circuit with at least one heating resistor (31) and / or an eddy current body (9) which is used for a direct conversion of the alternating electromagnetic field into Heat is formed includes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperiereinrichtung zur Temperierung eines Fluids, mit einer Versorgungseinrichtung, die eine erste Magneteinrichtung für eine Bereitstellung von Tragkräften und eine Spulenanordnung zur Bereitstellung eines elektromagnetischen Wechselfelds umfasst, sowie mit einer Nutzeinrichtung, die eine zweite Magneteinrichtung für eine Bereitstellung von Tragkräften und eine Induktionseinrichtung zur Auskopplung von Energie aus einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgebildet ist, wobei die erste Magneteinrichtung einen Supraleiter umfasst und wobei die zweite Magneteinrichtung eine Permanentmagnetanordnung umfasst.The invention relates to a temperature control device for temperature control of a fluid, with a supply device which comprises a first magnetic device for providing load capacities and a coil arrangement for providing an electromagnetic alternating field, and with a use device which has a second magnet device for providing load capacities and an induction device is designed for decoupling energy from an alternating electromagnetic field, the first magnet device comprising a superconductor and the second magnet device comprising a permanent magnet arrangement.

Temperiereinrichtungen zur Temperierung eines Fluids sind in unterschiedlichen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt. Üblicherweise ist eine Temperiereinrichtung im Inneren eines Behälters angeordnet und als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet, bei der eine Energieversorgung über elektrische Anschlussleitungen erfolgt. Dementsprechend muss entweder eine Wand des Behälters von den elektrischen Anschlussleitungen durchsetzt werden oder es muss eine Zuführung der elektrischen Anschlussleitungen durch eine Behälteröffnung erfolgen. Bei einer Verlegung der elektrischen Anschlussleitungen durch die Wand des Behälters ergeben sich Problemstellungen im Hinblick auf die Abdichtung der für die Anschlussleitungen erforderlichen Ausnehmungen. Bei einer Zuführung der elektrischen Anschlussleitungen durch eine Behälteröffnung steht das Behälterinnere in Verbindung mit der Umgebung des Behälters, was für manche Herstellprozesse von Nachteil ist und dann gegebenenfalls aufwendige Dichtmaßnahmen erfordert.Temperature control devices for temperature control of a fluid are known in various embodiments from the prior art. A temperature control device is usually arranged in the interior of a container and is designed as an electrical resistance heater, in which energy is supplied via electrical connecting lines. Accordingly, either a wall of the container must be penetrated by the electrical connection lines or the electrical connection lines must be fed through a container opening. When the electrical connection lines are laid through the wall of the container, problems arise with regard to the sealing of the recesses required for the connection lines. When the electrical connection lines are fed through a container opening, the interior of the container is connected to the surroundings of the container, which is disadvantageous for some manufacturing processes and may then require complex sealing measures.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Temperiereinrichtung bereitzustellen, bei der eine Erwärmung im Inneren eines Behälters erzielt werden kann, ohne elektrische Anschlussleitungen durch die Wand des Behälters führen zu müssen.The object of the invention is to provide a temperature control device in which heating in the interior of a container can be achieved without having to lead electrical connection lines through the wall of the container.

Diese Aufgabe wird für eine Temperiereinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die Induktionseinrichtung eine Empfangsspule für das elektromagnetische Wechselfeld und einen zugeordneten Stromkreislauf mit wenigstens einem Heizwiderstand und/oder einen Wirbelstromkörper, der für eine unmittelbare Umsetzung des elektromagnetisches Wechselfelds in Wärme ausgebildet ist, umfasst.This object is achieved for a temperature control device of the type mentioned with the features of claim 1. It is provided here that the induction device comprises a receiving coil for the alternating electromagnetic field and an associated circuit with at least one heating resistor and / or an eddy current body which is designed for a direct conversion of the alternating electromagnetic field into heat.

Grundsätzlich ist vorgesehen, dass die Nutzeinrichtung durch magnetische Wechselwirkung zwischen der ersten Magneteinrichtung und der zweiten Magneteinrichtung schwebend relativ zur Versorgungseinrichtung positioniert ist. Dementsprechend ist eine kontaktlose Energieversorgung für die Nutzeinrichtung vorzusehen, damit diese das Fluid erwärmen kann. Bei einer Ausgestaltung der Induktionseinrichtung mit einer Empfangsspule ist vorgesehen, dass das von der Spulenanordnung der Versorgungseinrichtung bereitgestellte elektromagnetische Wechselfeld, das kontaktlos zur Induktionseinrichtung übertragen wird, in der Induktionseinrichtung durch die Empfangsspule in einen elektrischen Wechselstrom umgesetzt wird, mit dessen Hilfe insbesondere ein Heizwiderstand betrieben werden kann. Hierzu ist der Heizwiderstand in einem gemeinsamen Stromkreislauf mit der Empfangsspule angeordnet und ermöglicht bei Vorliegen eines Stromflusses eine Abgabe von Wärme an ein umgebendes Fluid. Ergänzend oder alternativ kann die Induktionseinrichtung einen Wirbelstromkörper umfassen, der aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist und der bei einer Anordnung im elektromagnetischen Wechselfeld, das von der Spulenanordnung der Versorgungseinrichtung bereitgestellt wird, mit Wirbelström beaufschlagt wird, die zu einer Erwärmung des Wirbelstromkörpers und damit des umgebenden Fluids führen. Dementsprechend dient der Wirbelstromkörper für eine unmittelbare Umsetzung des elektromagnetischen Wechselfelds in Wärme, die an das umgebende Fluid abgegeben werden kann.Basically, it is provided that the use device is positioned in a floating manner relative to the supply device by magnetic interaction between the first magnet device and the second magnet device. Accordingly, a contactless energy supply must be provided for the user device so that it can heat the fluid. In an embodiment of the induction device with a receiving coil, it is provided that the electromagnetic alternating field provided by the coil arrangement of the supply device, which is transmitted contactlessly to the induction device, is converted in the induction device by the receiving coil into an alternating electrical current, with the aid of which, in particular, a heating resistor is operated can. For this purpose, the heating resistor is arranged in a common circuit with the receiving coil and, when there is a current flow, enables heat to be given off to a surrounding fluid. Additionally or alternatively, the induction device can comprise an eddy current body, which is made of an electrically conductive material and which, in the case of an arrangement in the alternating electromagnetic field, which is provided by the coil arrangement of the supply device, is subjected to eddy current, which heats the eddy current body and thus the surrounding fluid. Accordingly, the eddy current body serves for a direct conversion of the electromagnetic alternating field into heat, which can be given off to the surrounding fluid.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Zweckmäßig ist es, wenn zwischen der zweiten Magneteinrichtung und der Induktionseinrichtung ein Isoliermittel angeordnet ist. Grundsätzlich besteht die Aufgabe der Nutzeinrichtung darin, eine Erwärmung des Fluids von innen heraus, also abseits einer Wand des Fluidbehälters, in dem das Fluid aufgenommen ist, zu erzielen. Hierzu umfasst die Nutzeinrichtung die zweite Magneteinrichtung sowie die Induktionseinrichtung. Die zweite Magneteinrichtung ist für eine magnetische Wechselwirkung mit der ersten Magneteinrichtung der Versorgungseinrichtung ausgebildet, um kontaktlos in einem vorgebbaren Abstand zur Versorgungseinrichtung positioniert zu werden. Hingegen besteht die Aufgabe der Induktionseinrichtung darin, das von der Spulenanordnung der Versorgungseinrichtung bereitgestellte elektromagnetische Wechselfeld in Wärme umzusetzen, um dadurch die gewünschte Erwärmung des Fluids hervorzurufen. Um eine Beeinträchtigung der Magnetisierung der zweiten Magneteinrichtung zu vermeiden, ist zwischen der zweiten Magneteinrichtung und der Induktionseinrichtung ein Isoliermittel angeordnet, das beispielsweise aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein kann. Ergänzend oder alternativ ist vorgesehen, dass ein Querschnitt von Verbindungselementen für eine mechanische Kopplung zwischen der zweiten Magneteinrichtung und der Induktionseinrichtung möglichst gering gewählt wird, um einen möglichst hohen thermischen Widerstand zwischen der zweiten Magneteinrichtung und der Induktionseinrichtung zu gewährleisten.It is expedient if an insulating means is arranged between the second magnet device and the induction device. Basically, the object of the use device is to achieve heating of the fluid from the inside, that is to say away from a wall of the fluid container in which the fluid is received. For this purpose, the use device comprises the second magnet device and the induction device. The second magnet device is designed for magnetic interaction with the first magnet device of the supply device in order to be positioned contactlessly at a predeterminable distance from the supply device. In contrast, the task of the induction device is to convert the electromagnetic alternating field provided by the coil arrangement of the supply device into heat, in order to thereby cause the desired heating of the fluid. In order to avoid impairing the magnetization of the second magnet device, an insulating means is arranged between the second magnet device and the induction device, which can be made, for example, from a material with low thermal conductivity. Additionally or alternatively, it is provided that a cross section of connecting elements for a mechanical coupling between the second magnet device and the induction device is as small as possible is selected to ensure the highest possible thermal resistance between the second magnet device and the induction device.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Magneteinrichtung ringförmig ausgebildet ist und die kreisscheibenförmig ausgebildete Induktionseinrichtung umgibt. Hierdurch lässt sich eine kompakte Ausgestaltung der Nutzeinrichtung verwirklichen, bei der aufgrund der kreisscheibenförmigen Ausgestaltung der Induktionseinrichtung eine besonders vorteilhafte Ausbildung von Wirbelströmen und damit eine effiziente Umsetzung des elektromagnetischen Wechselfelds in Wärme gewährleistet werden kann.In a further development of the invention, it is provided that the second magnet device is ring-shaped and surrounds the circular disk-shaped induction device. In this way, a compact configuration of the use device can be realized, in which, due to the circular disk-shaped configuration of the induction device, a particularly advantageous formation of eddy currents and thus an efficient conversion of the alternating electromagnetic field into heat can be guaranteed.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Magneteinrichtung mehrere Permanentmagnete umfasst, die in einer Halbach-Anordnung zueinander ausgerichtet sind. Hierdurch lässt sich ein vorteilhafter Wirkungsgrad für die zweite Magneteinrichtung erzielen. Bei einer Halbach-Anordnung werden die Permanentmagnete mit ihren magnetischen Nordpolen und ihren magnetischen Südpolen derart gegeneinander ausgerichtet, dass eine Konzentration des von der Magneteinrichtung abgegebenen Magnetfelds stattfindet.In a further embodiment of the invention it is provided that the second magnet device comprises a plurality of permanent magnets which are aligned with one another in a Halbach arrangement. This enables an advantageous efficiency for the second magnet device to be achieved. In a Halbach arrangement, the permanent magnets with their magnetic north poles and their magnetic south poles are aligned with one another in such a way that the magnetic field emitted by the magnetic device is concentrated.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass Spulenwindungen der Spulenanordnung aus einem supraleitenden Material hergestellt sind. Als Material für die Spulenwindungen kommt insbesondere ein Typ-II-Supraleiter (Hochtemperatur-Supraleiter) in Frage, der vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Supraleiter der ersten Magneteinrichtung ausgebildet ist. Als eines von mehreren Materialien, die als Hochtemperatur-Supraleiter in Frage kommen, ist Yttriumbariumkupferoxid (YBCO) zu nennen, dessen materialspezifische Sprungtemperatur bei ca. 92 Kelvin (-181,15 Grad Celius) liegt und das bei Abkühlung unter diese materialspezifische Sprungtemperatur supraleitende Eigenschaften aufweist. Durch eine Ausgestaltung der Spulenwindungen aus einem derartigen Material weist die Spulenanordnung bei einer Abkühlung unter die materialspezifische Sprungtemperatur keinen elektrischen Widerstand auf und kann somit in besonders effizienter Weise für eine Umsetzung von bereitgestellter elektrischer Energie in ein elektromagnetisches Wechselfeld genutzt werden.In an advantageous development of the invention, it is provided that coil turns of the coil arrangement are made from a superconducting material. In particular, a type II superconductor (high-temperature superconductor), which is preferably made of the same material as the superconductor of the first magnet device, is suitable as material for the coil turns. One of several materials that can be used as high-temperature superconductors is yttrium barium copper oxide (YBCO), whose material-specific transition temperature is approx. 92 Kelvin (-181.15 degrees Celius) and that has superconducting properties when cooled below this material-specific transition temperature having. By designing the coil turns from such a material, the coil arrangement has no electrical resistance when it cools below the material-specific transition temperature and can thus be used in a particularly efficient manner for converting the electrical energy provided into an alternating electromagnetic field.

Vorteilhaft ist es, wenn die Spulenanordnung und die erste Magneteinrichtung in einem gemeinsamen Kühlbehälter, vorzugsweise einem Kryostaten, insbesondere einem Kryostaten, der aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, aufgenommen sind. Hierdurch wird eine gemeinsame Kühlung der Spulenanordnung und der ersten Magneteinrichtung unter die materialspezifische Sprungtemperatur dieser beiden Komponenten ermöglicht. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Spulenwindungen der Spulenanordnung und die erste Magneteinrichtung aus dem gleichen Material hergestellt sind, so dass beide Komponenten bei Einhaltung einer vorgebbaren Temperatur ihre supraleitenden Eigenschaften aufweisen. Üblicherweise wird eine Temperiereinrichtung in einer Umgebung, beispielsweise in Laborräumen oder Produktionsräumen, eingesetzt, wo Raumtemperaturen im Bereich zwischen 10 Grad Celsius und 30 Grad Celsius vorliegen. Für diesen Fall ist es vorteilhaft, wenn die Spulenanordnung und die erste Magneteinrichtung in einem als Kryostaten ausgebildeten Kühlbehälter aufgenommen sind. Der Kryostat gewährleistet eine ausgewiesene thermische Isolation eines inneren Volumens, in dem die Spulenanordnung und die Magneteinrichtung aufgenommen sind, gegenüber der Umgebung. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Innenvolumen des Kryostaten evakuiert ist, um eine möglichst geringe Wärmekopplung zwischen der Umgebung und den im Kryostaten aufgenommenen Komponenten zu gewährleisten. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kryostat aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, um das von der Spulenanordnung bereitgestellte elektromagnetische Wechselfeld möglichst nicht zu dämpfen.It is advantageous if the coil arrangement and the first magnet device are accommodated in a common cooling container, preferably a cryostat, in particular a cryostat, which is made of an electrically insulating material. This enables a common cooling of the coil arrangement and the first magnet device below the material-specific jump temperature of these two components. It is preferably provided that the coil turns of the coil arrangement and the first magnet device are made of the same material, so that both components have their superconducting properties while maintaining a predeterminable temperature. A temperature control device is usually used in an environment, for example in laboratory rooms or production rooms, where room temperatures are in the range between 10 degrees Celsius and 30 degrees Celsius. In this case, it is advantageous if the coil arrangement and the first magnet device are accommodated in a cooling container designed as a cryostat. The cryostat ensures a proven thermal insulation of an inner volume, in which the coil arrangement and the magnet device are accommodated, from the environment. It is preferably provided that the inner volume of the cryostat is evacuated in order to ensure the lowest possible heat coupling between the surroundings and the components accommodated in the cryostat. It is particularly advantageous if the cryostat is made of an electrically insulating material in order not to dampen the alternating electromagnetic field provided by the coil arrangement as far as possible.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass in einem Koppelspalt zwischen der Versorgungseinrichtung und der Nutzeinrichtung ein Fluidbehälter angeordnet ist, der aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. Die Versorgungseinrichtung und die Nutzeinrichtung sind dazu ausgebildet, eine kontaktlose Übertragung von Stützkräften und von Energie zwischen der Versorgungseinrichtung und der Nutzeinrichtung zu gewährleisten. Im Koppelspalt zwischen der Versorgungseinrichtung und der Nutzeinrichtung kann somit ein Fluidbehälter angeordnet werden, der zur Aufnahme des mit Hilfe der Temperiereinrichtung zu temperierenden Fluids ausgebildet ist und bei dem es sich wahlweise um einen offenen oder um einen geschlossenen Behälter handeln kann. Um eine möglichst geringe Dämpfung für das von der Spulenanordnung der Versorgungseinrichtung bereitgestellte elektromagnetische Wechselfeld zu gewährleisten, ist der Fluidbehälter aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, so dass der Wandabschnitt des Fluidbehälters, der im Koppelspalt angeordnet ist, möglichst keine Wirbelströme ausbildet.It is preferably provided that a fluid container, which is made of an electrically insulating material, is arranged in a coupling gap between the supply device and the use device. The supply device and the use device are designed to ensure contactless transmission of supporting forces and energy between the supply device and the use device. A fluid container can thus be arranged in the coupling gap between the supply device and the use device, which is designed to hold the fluid to be temperature-controlled with the aid of the temperature control device and which can be either an open or a closed container. In order to ensure the lowest possible damping for the electromagnetic alternating field provided by the coil arrangement of the supply device, the fluid container is made of an electrically insulating material, so that the wall section of the fluid container, which is arranged in the coupling gap, does not form any eddy currents.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Versorgungseinrichtung eine Stelleinrichtung zugeordnet ist, die für eine Verlagerung der Versorgungseinrichtung sowie der Nutzeinrichtung gegenüber dem Fluidbehälter ausgebildet ist. Bei der Stelleinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Linearaktor wie einen Pneumatikzylinder handeln, der beispielsweise an einem Trägergestell angeordnet ist, wobei das Trägergestell auch zur Aufnahme des Fluidbehälters ausgebildet ist. Beispielhaft ist die Versorgungseinrichtung einer linearbeweglich an einem Zylindergehäuse gelagerten Kolbenstange der Stelleinrichtung zugeordnet und kann damit linear relativ zum Aufnahmegestell verlagert werden. Durch die magnetische Kopplung zwischen der Versorgungseinrichtung und der Nutzeinrichtung, (die auch als stabile Schwebelagerung bezeichnet werden kann) -, folgt die Nutzeinrichtung der Verlagerung der Versorgungseinrichtung. Der in diesem exemplarischen Fall am Trägergestell aufliegende Fluidbehälter wird hingegen nicht bewegt, so dass die gewünschte Relativbewegung zwischen Nutzeinrichtung und Fluidbehälter gewährleistet wird.In an advantageous further development of the invention, it is provided that the supply device is assigned an actuating device which is designed to relocate the supply device and the use device relative to the fluid container. The actuating device can be, for example, a linear actuator such as a pneumatic cylinder, which is arranged, for example, on a support frame, the Support frame is also designed to hold the fluid container. By way of example, the supply device is assigned to a piston rod of the actuating device, which piston is mounted so as to be linearly movable on a cylinder housing, and can thus be displaced linearly relative to the receiving frame. Due to the magnetic coupling between the supply device and the use device (which can also be referred to as a stable suspension), the use device follows the displacement of the supply device. In contrast, the fluid container resting on the carrier frame in this exemplary case is not moved, so that the desired relative movement between the use device and the fluid container is ensured.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stromkreislauf, der mit der Empfangsspule der Induktionseinrichtung gekoppelt ist, mit wenigstens einer Sensoreinrichtung verbunden ist, die für eine Erfassung wenigstens eines Fluidmesswerts und für eine berührungslose Weiterleitung eines aus dem Fluidmesswert ermittelten Sensorsignals der Sensoreinrichtung an die Versorgungseinrichtung ausgebildet ist. Hierdurch wird eine Ermittlung und Übertragung von fluidbezogenen Informationen aus dem Fluidbehälter zur Versorgungseinrichtung ermöglicht. Für die berührungslose Weiterleitung des aus dem Fluidmesswert des Sensors ermittelten Sensorsignals kann wahlweise eine von vom elektromagnetischen Wechselfeld unabhängige Signalübertragung oder eine beispielsweise durch gezielte Dämpfung oder Verzerrung des elektromagnetischen Wechselfelds stattfindende Signalübertragung vorgesehen sein. Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise einen Sensor aus der Gruppe: Temperatursensor, pH-Sensor, elektrischer Leitfähigkeitssensor, umfassen. Für eine berührungslose Übertragung des Sensorsignals abseits des elektromagnetischen Wechselfelds können beispielsweise Techniken benutzt werden, wie sie zur Abfrage von RFID-Etiketten genutzt werden. Alternativ können auch Kommunikationswege wie Bluetooth oder NFC eingesetzt werden.In an advantageous further development of the invention, it is provided that the circuit, which is coupled to the receiving coil of the induction device, is connected to at least one sensor device which is used to detect at least one fluid measured value and for contactless forwarding of a sensor signal determined from the fluid measured value the supply device is designed. This enables determination and transmission of fluid-related information from the fluid container to the supply device. For the contactless forwarding of the sensor signal determined from the fluid measured value of the sensor, a signal transmission that is independent of the alternating electromagnetic field or a signal transmission that takes place, for example, through targeted damping or distortion of the alternating electromagnetic field can be provided. The sensor device can comprise, for example, a sensor from the group: temperature sensor, pH sensor, electrical conductivity sensor. For a contactless transmission of the sensor signal away from the electromagnetic alternating field, techniques can be used, for example, as are used to query RFID tags. Alternatively, communication channels such as Bluetooth or NFC can also be used.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Magneteinrichtung kreisringförmig, insbesondere als Abschnitt einer kreiszylindrischen Hülse, ausgebildet ist und dass die Spulenanordnung aus einer Vielzahl von Spulenwindungen gebildet ist, die einen koaxial zur ersten Magneteinrichtung angeordneten und kreisringförmig ausgebildeten Wickelkörper umgeben. Hierdurch lässt sich eine kompakte Anordnung der ersten Magneteinrichtung und der Spulenanordnung erzielen, was insbesondere für eine Kühlung der Versorgungseinrichtung unter eine materialspezifische Sprungtemperatur des Supraleitermaterials von Vorteil ist.Provision is preferably made for the first magnet device to be in the form of a ring, in particular as a section of a circular-cylindrical sleeve, and for the coil arrangement to be formed from a multiplicity of coil turns which surround a winding body which is arranged coaxially with the first magnet device and is in the form of a ring. In this way, a compact arrangement of the first magnet device and the coil arrangement can be achieved, which is particularly advantageous for cooling the supply device below a material-specific transition temperature of the superconductor material.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:

1 eine rein schematische Schnittdarstellung einer Temperiereinrichtung mit einem geschlossenen Fluidbehälter, bei der die Versorgungseinrichtung in einem unterhalb des Fluidbehälters angeordneten Isolierbehälter aufgenommen ist,
2 eine Draufsicht auf die im Fluidbehälter gemäß der 1 aufgenommene Nutzeinrichtung,
3 eine Draufsicht auf die im Isolierbehälter gemäß der 1 aufgenommene Versorgungseinrichtung,
4 eine Schnittdarstellung der Versorgungseinrichtung gemäß der 3, und
5 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer Nutzeinrichtung.

An advantageous embodiment of the invention is shown in the drawing. Here shows:

1 1 shows a purely schematic sectional illustration of a temperature control device with a closed fluid container, in which the supply device is accommodated in an insulating container arranged below the fluid container,
2 a plan view of the in the fluid container according to the 1 included usage device,
3 a plan view of the in the insulating container according to the 1 included supply facility,
4 a sectional view of the supply device according to the 3 , and
5 a plan view of an alternative embodiment of a utility device.

Eine in der 1 dargestellte Temperiereinrichtung 1 umfasst eine Versorgungseinrichtung 2 sowie eine Nutzeinrichtung 3. Der Temperiereinrichtung 1 sind ein Isolierbehälter 4 und ein Fluidbehälter 5 zugeordnet, die gegebenenfalls auch als Bestandteile der Temperiereinrichtung 1 angesehen werden können, insbesondere wenn der Isolierbehälter 4 fest mit dem Fluidbehälter 5 gekoppelt ist. Die Versorgungseinrichtung 2 ist in dem hermetisch abgeschlossenen Isolierbehälter 4 angeordnet, während die Nutzeinrichtung 3 im beispielhaft geschlossen ausgebildeten Fluidbehälter 5 angeordnet ist. Exemplarisch ist vorgesehen, dass der Isolierbehälter 4 als Kryostat ausgebildet ist und die Versorgungseinrichtung 2 im Isolierbehälter 4 durch nicht näher dargestellte Haltemittel mechanisch in der gezeigten Position gehalten wird, wobei diese Haltemittel für eine zumindest weitgehende thermische Entkopplung der Versorgungseinrichtung 2 vom Wandbereich des Isolierbehälters 4 ausgebildet sind. Ferner ist der Versorgungseinrichtung 2 eine nicht näher dargestellte Anschlussleitung zugeordnet, mit deren Hilfe die nachstehend näher beschriebene Spulenanordnung 6 der Versorgungseinrichtung 2 mit elektrischem Strom versorgt werden kann. Im Fluidbehälter 5, der aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, ist neben der Nutzeinrichtung 3 ein Fluid 7 aufgenommen, das mit Hilfe der Temperiereinrichtung 1 auf eine vorgebbare Temperatur erwärmt werden soll. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Fluidbehälter 5 vollständig geschlossen ist und dass eine Zufuhr von Energie zur Temperierung des Fluids 7 ausschließlich kontaktlos durch die nachstehend näher beschriebenen Wechselwirkungen zwischen der Versorgungseinrichtung 2 und der Nutzeinrichtung 3 gewährleistet ist.One in the 1 shown temperature control 1 comprises a supply facility 2 and a utility device 3 , The temperature control device 1 are an insulated container 4 and a fluid container 5 assigned, which may also be part of the temperature control device 1 can be viewed, especially if the insulated container 4 firmly with the fluid container 5 is coupled. The utilities 2 is in the hermetically sealed insulated container 4 arranged while the utility 3 in the example closed fluid container 5 is arranged. As an example, it is provided that the insulated container 4 is designed as a cryostat and the supply device 2 in the insulated container 4 is held mechanically in the position shown by holding means, not shown, these holding means for at least largely thermal decoupling of the supply device 2 from the wall area of the insulated container 4 are trained. Furthermore, the supply facility 2 assigned a connection line, not shown, with the help of which the coil arrangement described in more detail below 6 the utility 2 can be supplied with electrical current. In the fluid container 5 , which is made of an electrically insulating material, is next to the utility device 3 a fluid 7 recorded that with the help of the temperature control 1 is to be heated to a predetermined temperature. As an example, it is provided that the fluid container 5 is completely closed and that a supply of energy to temper the fluid 7 exclusively contactless due to the interactions between the supply facility described in more detail below 2 and the utility 3 is guaranteed.

Die Nutzeinrichtung 3, die für eine kontaktlos schwebende Lagerung oberhalb der Versorgungseinrichtung 2 ausgebildet ist, umfasst gemäß der 2 einen außenliegenden Permanentmagnetring 8, der auch als zweite Magneteinrichtung oder als Permanentmagnetanordnung bezeichnet werden kann, sowie einen koaxial zum Permanentmagnetring 8 angeordneten, rein exemplarisch kreisscheibenförmig ausgebildeten, insbesondere aus einem ferritischen Material wie Eisen hergestellten, Leiter 9, der auch als Induktionseinrichtung bezeichnet werden kann. Zwischen dem Leiter 9 und dem Permanentmagnetring 8 ist ein Isolierring 10 angeordnet, der für eine thermische Entkopplung des Permanentmagnetrings 8 vom Leiter 9 ausgebildet ist. Der Permanentmagnetring 8 umfasst mehrere Permanentmagnete 11, deren magnetische Polung in der Art einer Halbach-Anordnung ausgerichtet ist, wie dies durch die Richtungspfeile und die mit N und S angegebenen Polausrichtungen in den 1 und 2 symolisiert ist. Durch diese Halbach-Anordnung der Permanentmagnete 11 wird eine vorteilhafte räumliche Konzentration der einzelnen magnetischen Flüsse der Permanentmagnete 11 erzielt, so dass der Permanentmagnetring 8 bezogen auf sein Volumen einen vorteilhaften magnetischen Fluss bereitstellen kann.The utility 3 for contactless floating storage above the supply facility 2 is formed according to the 2 an external permanent magnet ring 8th who is also second Magnetic device or as a permanent magnet arrangement, and a coaxial to the permanent magnet ring 8th arranged, purely exemplary circular disc-shaped, in particular made of a ferritic material such as iron, conductor 9 , which can also be called an induction device. Between the leader 9 and the permanent magnet ring 8th is an insulating ring 10 arranged for thermal decoupling of the permanent magnet ring 8th from the leader 9 is trained. The permanent magnet ring 8th includes several permanent magnets 11 , whose magnetic polarity is aligned in the manner of a Halbach arrangement, as indicated by the directional arrows and the pole orientations indicated by N and S in the 1 and 2 is symbolized. This Halbach arrangement of the permanent magnets 11 becomes an advantageous spatial concentration of the individual magnetic fluxes of the permanent magnets 11 achieved so that the permanent magnet ring 8th can provide an advantageous magnetic flux based on its volume.

Der Permanentmagnetring 8 ist für eine Bereitstellung von Tragkräften für die Nutzeinrichtung 3 ausgebildet, während der Leiter 9 für eine Umwandlung eines elektromagnetischen Wechselfelds, das von der Versorgungseinrichtung 2 bereitgestellt werden kann, in Wärme ausgebildet ist.The permanent magnet ring 8th is for the provision of load capacities for the user equipment 3 trained while the leader 9 for converting an alternating electromagnetic field generated by the supply device 2 can be provided, is formed in heat.

Der Isolierring 10 ist aus einem Material mit hohem thermischen Widerstand hergestellt, beispielsweise einem Keramikmaterial, und dient zur thermischen Isolierung des Permanentmagnetrings 8 gegenüber dem Leiter 9. Darüber hinaus kann der Isolierring 10 bei geeigneter Materialauswahl auch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leiters 9 und des Permanentmagnetrings 8 ausgleichen, so dass innere Spannungen in der Nutzeinrichtung 3 während des Erwärmungsvorgangs zumindest weitgehend vermieden werden.The insulating ring 10 is made of a material with high thermal resistance, such as a ceramic material, and is used for thermal insulation of the permanent magnet ring 8th towards the leader 9 , In addition, the insulating ring 10 with a suitable choice of material, different coefficients of thermal expansion of the conductor 9 and the permanent magnet ring 8th compensate, so that internal stresses in the usage device 3 at least largely avoided during the heating process.

Die in den 3 und 4 näher dargestellte Versorgungseinrichtung 2 ist rein exemplarisch als Anordnung eines kreisringförmigen Supraleiters 12 sowie der koaxial zum Supraleiter 12 angeordneten Spulenanordnung 6 ausgebildet. Dabei ist die Spulenanordnung 6 in einer zentralen Öffnung 16 des Supraleiters 12 angeordnet und ist in nicht näher dargestellter Weise mit dem Supraleiter 12 mechanisch verbunden. Rein exemplarisch umfasst die Spulenanordnung 6 einen kreisringförmig ausgebildeten Wickelkern 17, der von einer Mehrzahl von Spulenwindungen 18 umgeben ist, die aus einem einzigen Spulendraht gewickelt sind. Der Spulendraht ist in gleicher Weise wie der Supraleiter 12 aus einem Material hergestellt, das Supraleitungseigenschaften aufweist, sofern der Supraleiter 12 und die Spulenwindungen 18 unterhalb einer materialspezifischen Sprungtemperatur des supraleitenden Materials abgekühlt sind. Dies wird durch die Anordnung der Versorgungseinrichtung 2 im Isolierbehälter 4 erzielt, wobei dem Isolierbehälter 4 eine nicht näher dargestellte Kühleinrichtung, insbesondere in Form eines Stirlingmotors, zugeordnet sein kann.The in the 3 and 4 Supply facility shown in detail 2 is purely exemplary as an arrangement of an annular superconductor 12 as well as the coaxial to the superconductor 12 arranged coil arrangement 6 educated. Here is the coil arrangement 6 in a central opening 16 of the superconductor 12 arranged and is in a manner not shown with the superconductor 12 mechanically connected. The coil arrangement comprises purely by way of example 6 an annular winding core 17 by a plurality of coil turns 18 is surrounded, which are wound from a single coil wire. The coil wire is the same as the superconductor 12 made of a material that has superconducting properties, provided the superconductor 12 and the coil turns 18 have cooled below a material-specific transition temperature of the superconducting material. This is due to the arrangement of the supply facility 2 in the insulated container 4 achieved, the insulated container 4 a cooling device, not shown, can be assigned, in particular in the form of a Stirling engine.

Eine Funktionsweise der Temperiereinrichtung 1 kann wie folgt beschrieben werden:

Zunächst wird die Nutzeinrichtung 3 in den mit Fluid 7 gefüllten Fluidbehälter 5 eingebracht und der Fluidbehälter 5 in nicht näher dargestellter Weise verschlossen.

A mode of operation of the temperature control device 1 can be described as follows:

First, the utility 3 in the with fluid 7 filled fluid container 5 introduced and the fluid container 5 closed in a manner not shown.

Ferner wird die im Isolierbehälter 4 aufgenommene Versorgungseinrichtung 2 mit Hilfe einer dem Isolierbehälter 4 zugeordneten Kühleinrichtung unter eine materialspezifische Sprungtemperatur des Supraleiters 12 sowie der Spulenwindung 18 abgekühlt. Während dieses Abkühlungsvorgangs und vor Erreichen der materialspezifischen Sprungtemperatur wird ein nicht näher dargestellter Programmiermagnet, der die gleiche magnetische Charakteristik wie die Nutzeinrichtung 3 aufweist, in einem für den Schwebeabstand zwischen Nutzeinrichtung 3 und Versorgungseinrichtung 2 vorgesehenen Abstand gegenüber dem Supraleiter 12 positioniert. Hierdurch wird das Magnetfeld dieses Programmiermagneten in den Supraleiter 12 eingeprägt, sobald dieser die Sprungtemperatur unterschreitet. Hierbei bilden sich im Supraleiter sogenannte Flussschläuche aus, was auch als Pinning bezeichnet wird, die einer Veränderung eines von außen auf der Supraleiter 12 einwirkenden Magnetfelds entgegenwirken. Hierdurch kann der Permanentmagnetring 8 der Nutzeinrichtung 3 kontaktlos schwebend gegenüber der Versorgungseinrichtung 2 positioniert werden. Furthermore, the in the insulated container 4 recorded supply facility 2 with the help of an insulated container 4 assigned cooling device below a material-specific crack temperature of the superconductor 12 as well as the coil turn 18 cooled. During this cooling process and before the material-specific jump temperature is reached, a programming magnet (not shown in more detail) that has the same magnetic characteristic as the user device 3 has, in one for the floating distance between the use device 3 and utilities 2 intended distance from the superconductor 12 positioned. This turns the magnetic field of this programming magnet into the superconductor 12 embossed as soon as it falls below the crack temperature. In this case, so-called flow tubes form in the superconductor, which is also referred to as pinning, which means a change from the outside on the superconductor 12 counteracting magnetic field. This allows the permanent magnet ring 8th the utility 3 floating contactless in relation to the supply facility 2 be positioned.

Sobald die Sprungtemperatur des Supraleiters 12 und der Spulenwindung 18 unterschritten wurde, kann der nicht näher dargestellte Programmiermagnet entfernt werden. In einem nachfolgenden Schritt kann der Fluidbehälter 5 mit den darin aufgenommenen Fluid 7 sowie der Nutzeinrichtung 3 rein exemplarisch unmittelbar auf den Isolierbehälter 4 gestellt werden.As soon as the step temperature of the superconductor 12 and the coil turn 18 the programming magnet, not shown, can be removed. In a subsequent step, the fluid container 5 with the fluid in it 7 and the utility 3 purely by way of example directly onto the insulated container 4 be put.

Alternativ kann auch vorgesehen sein kann, dass der Fluidbehälter 5 vor der Durchführung des Abkühlvorgangs auf ein nicht dargestelltes Trägergestell gestellt wird, unterhalb dessen der Isolierbehälter 4 angeordnet ist. Aufgrund der im Supraleiter 12 nach der Abkühlung unter die materialspezifische Sprungtemperatur als Flussschläuche gespeicherten Magnetfeldinformation verbleibt die Nutzeinrichtung 3 nach einer Entfernung des Trägergestells und einem Absenken des Fluidbehälters 5 aufgrund der magnetischen Wechselwirkung mit dem Supraleiter 12 auf dem in der 1 dargestellten Niveau und verbleibt dort solange, bis entweder der Fluidbehälter 5 vom Isolierbehälter 4 entfernt wird oder eine Erwärmung des Supraleiters 12 über seine Sprungtemperatur erfolgt, wodurch die gespeicherten Flussschläuche verloren gehen.Alternatively, it can also be provided that the fluid container 5 before carrying out the cooling process is placed on a support frame, not shown, below which the insulating container 4 is arranged. Because of the superconductor 12 after cooling below the material-specific transition temperature magnetic field information stored as flux tubes, the user device remains 3 after removing the support frame and lowering the fluid container 5 due to the magnetic interaction with the superconductor 12 on the in the 1 level shown and remains there until either the fluid container 5 from the insulated container 4 is removed or heating of the superconductor 12 occurs above its transition temperature, whereby the stored flow hoses are lost.

Anschließend kann eine elektrische Versorgung der Spulenanordnung 6 vorgenommen werden, wobei die Spulenwindungen 18 von einem elektrischen Strom durchflossen werden und dabei ein elektromagnetisches Wechselfeld abgeben, das den Isolierbehälter 4 und den Fluidbehälter 5 durchsetzt und zu Wirbelströmen im Leiter 9 führt. Aufgrund dieser Wirbelströme erfolgt eine Erwärmung des Leiters 9, wobei die durch die Wirbelströme im Leiter 9 hervorgerufene Wärme auch an das Fluid 7 bereitgestellt wird, das seinerseits ebenfalls erwärmt wird.Subsequently, an electrical supply to the coil arrangement 6 be made, the coil turns 18 be flowed through by an electric current and thereby emit an alternating electromagnetic field that the insulating container 4 and the fluid container 5 interspersed and to eddy currents in the conductor 9 leads. Because of these eddy currents, the conductor heats up 9 , which is due to the eddy currents in the conductor 9 caused heat also to the fluid 7 is provided, which in turn is also heated.

Bei der in der 5 gezeigten alternativen Ausführungsform einer Nutzeinrichtung 23 sind ebenfalls ein nicht näher gezeigter Permanentmagnetring 8 und ein Isolierring 10 vorgesehen. Anstelle des Leiters 9 ist bei der Nutzeinrichtung 23 eine Empfangsspule 24 vorgesehen, die rein exemplarisch die gleiche Aufbauweise wie die Spulenanordnung 6 mit einem Wickelkörper 25 und einer Spulenwicklung 26 aufweist. Abweichend von der Spulenanordnung 6 ist die Spulenwindung 26 jedoch aus einem konventionellen elektrisch leitenden Material, insbesondere aus einem Kupferdraht, hergestellt.At the in the 5 shown alternative embodiment of a utility device 23 are also a permanent magnet ring, not shown 8th and an insulating ring 10 intended. Instead of the leader 9 is with the utility 23 a receiving coil 24 provided, purely as an example, the same construction as the coil arrangement 6 with a winding body 25 and a coil winding 26 having. Deviating from the coil arrangement 6 is the coil turn 26 however, made from a conventional electrically conductive material, in particular from a copper wire.

Der Empfangsspule 24 ist eine rein exemplarisch kreisringförmig ausgebildete gedruckte Schaltung 27 zugeordnet, die beispielhaft koaxial zum Permanentmagnetring 8 angeordnet ist. Auf der gedruckten Schaltung 27 sind ein Temperatursensor 28 sowie eine Auswerteschaltung 29, eine Sendeeinrichtung 30 und ein Heizwiderstand 31 angeordnet, die in nicht näher dargestellter Weise zusammen mit der Empfangsspule 24 einen elektrischen Stromkreis bilden und somit bei einer Bereitstellung eines elektrischen Wechselfelds an die Empfangsspule 24 mit elektrischem Wechselstrom versorgt werden können. Hierbei dient der elektrische Heizwiderstand 31 zur Erwärmung des umgebenden Fluids 7. Der Temperatursensor 28 ermittelt eine Temperatur seiner Umgebung, insbesondere des Fluids 7, und stellt einen Signalpegel an die Auswerteschaltung 29 bereit. Die Auswerteschaltung 29 setzt den Signalpegel des Temperatursensor 28 in ein, insbesondere digitales, Datenformat um und stellt dieses Datenformat an die Sendeeinrichtung 30 bereit. Die Sendeeinrichtung 30 ist beispielsweise zur Abgabe eines elektromagnetischen Signals ausgebildet, das durch das Fluid 7 hindurch bis zur Versorgungseinrichtung 2 gelangt und dort von einer nicht näher gezeigten Empfangseinrichtung empfangen werden kann. Beispielhaft ist vorgesehen, dass in der Versorgungseinrichtung 2 ein Temperaturregler ausgebildet ist, der das elektromagnetische Wechselfeld, das von der Spulenanordnung 6 bereitgestellt wird, regeln kann und hierdurch die an die Empfangsspule 24 bereitgestellte Energiemenge beeinflusst. Hierdurch wird die Wärmeabgabe durch den Heizwiderstand 31 in das Fluid beeinflusst, wodurch eine geschlossene Regelschleife für die Temperaturregelung des Fluids 7 verwirklicht werden kann.The receiving coil 24 is a purely exemplary circular circuit printed circuit 27 assigned, for example, coaxial to the permanent magnet ring 8th is arranged. On the printed circuit 27 are a temperature sensor 28 as well as an evaluation circuit 29 , a transmitter 30 and a heating resistor 31 arranged, in a manner not shown together with the receiving coil 24 form an electrical circuit and thus when an alternating electrical field is provided to the receiving coil 24 can be supplied with alternating electrical current. The electrical heating resistor is used here 31 for heating the surrounding fluid 7 , The temperature sensor 28 determines a temperature of its surroundings, especially the fluid 7 , and provides a signal level to the evaluation circuit 29 ready. The evaluation circuit 29 sets the signal level of the temperature sensor 28 into a, in particular digital, data format and sends this data format to the transmitting device 30 ready. The sending device 30 is designed, for example, to emit an electromagnetic signal which is generated by the fluid 7 through to the supply facility 2 arrives and can be received there by a receiving device, not shown. As an example, it is provided that in the supply facility 2 a temperature controller is formed, which the alternating electromagnetic field from the coil assembly 6 is provided, can regulate and thereby to the receiving coil 24 provided amount of energy influenced. As a result, the heat output through the heating resistor 31 in the fluid, creating a closed control loop for temperature control of the fluid 7 can be realized.

Claims

Temperature control device for temperature control of a fluid (7), with a supply device (2), which comprises a first magnet device (12) for providing load capacities and a coil arrangement (6) for providing an alternating electromagnetic field, and with a use device (3; 23) The second magnet device (8) is designed to provide load capacities and an induction device (9; 24) for decoupling energy from an alternating electromagnetic field, the first magnet device (12) comprising a superconductor and the second magnet device (8) comprises a permanent magnet arrangement, characterized in that the induction device (9; 24) has a receiving coil (24) for the electromagnetic alternating field and an associated circuit with at least one heating resistor (31) and / or an eddy current body (9) which is used for a direct implementation of the alternating electromagnetic field in heat ldet is included.

Temperature control device after Claim 1 , characterized in that an insulating means (10) is arranged between the second magnet device (8) and the induction device (9).

Temperature control device after Claim 1 or 2 , characterized in that the second magnet device (8) is annular and surrounds the circular disk-shaped induction device (9).

Temperature control device after Claim 1 . 2 or 3 , characterized in that the second magnet device (8) comprises a plurality of permanent magnets (11) which are aligned with one another in a Halbach arrangement.

Temperature control device according to one of the preceding claims, characterized in that coil turns (18) of the coil arrangement (6) are made of a superconducting material.

Temperature control device after Claim 5 , characterized in that the coil arrangement (6) and the first magnet device (12) are accommodated in a common cooling container (4), preferably a cryostat, in particular in a cryostat, which is made of an electrically insulating material.

Temperature control device according to one of the preceding claims, characterized in that a fluid container (5) which is made from an electrically insulating material is arranged in a coupling gap between the supply device (2) and the use device (3; 23).

Temperature control device after Claim 7 , characterized in that the supply device (2) is assigned an actuating device which is designed to relocate the supply device and the use device (3) relative to the fluid container (7).

Temperature control device according to one of the preceding claims, characterized in that the current circuit, which is coupled to the receiving coil (24) of the induction device, is connected to at least one sensor device (28) which is used for detecting at least one fluid measured value and for contactless forwarding of one sensor signal (28) to the supply device (2) is determined based on the fluid measured value.

Temperature control device after Claim 1 , characterized in that the first magnet device (12) is annular, in particular as a section of a cylindrical sleeve, and that the coil arrangement (6) is formed from a plurality of coil turns which are arranged coaxially with the first magnet device (12) and are annular Surround winding body (17).