DE2807093A1

DE2807093A1 - Kuehlvorrichtung

Info

Publication number: DE2807093A1
Application number: DE19782807093
Authority: DE
Inventors: Jun William Albert Steyert
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1977-03-10
Filing date: 1978-02-20
Publication date: 1978-09-14
Also published as: JPS53113355A; IT7821027A0; CA1095596A; FR2383410A1; US4107935A; IT1093658B

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. * GOOO MÜNCHEN 22 KARL H. WAGNER GE\ft,&RZMOHLSRASSE 5

POSTFACH 246

78-R-3O59

United States Department of Energy, Washington, DoC. 20545, V.St.A.

Kühlvorrichtung

Die vorliegende Erfindung sieht eine kompakte magnetische Kühlvorrichtung vor, die eine hohe Kapazität aufweist, effizient arbeitet und dabei preiswert und kompakt herstellbar ist, wobei die Kühlvorrichtung im Temperaturbereich von 2 K bis Raumtemperatur (293 K) arbeitet. Bei der magnetischen Kühlung erfolgt das Ausstossen von Wärme in eine Hochtemperaturfalle oder einen Kühlkörper, und zwar von dem magnetischen Arbeitsmaterial,durch die Anwendung eines Magnetfeldes. Die darauffolgende Entfernung des Magnetfeldes kühlt das Arbeitsmaterial und gestattet die Absorption der Wärme aus einem Niedertemperaturbad. Dieses Verfahren sowie diese Vorrichtung arbeiten mit einem hohen Carnot'sehen Wirkungsgrad, ohne daß massive Gaskompressoren erforderlich sind, wobei sich ferner ein kompakter Aufbau ergibt, weil feste Körper an Stelle von Gasen als Arbeitsmaterial verwendet werden.

Beim Gebrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich herausgestellt, daß bei hohen Temperaturen der Gitter- und elektronische Beitrag zur spezifischen Wärme des Arbeitsmaterials sehr groß ist. Obwohl das Arbeitsmaterial in der Lage ist, eine große Wärmemenge aus dem zu kühlenden Strömungsmittel zu entfernen und das Strömungsmittel abzukühlen, so ist es nicht in der Lage, eine sehr weitreichende Kühlung (nicht oberhalb einer

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TELEFON: (089)298527 TELEGRAMM=PATtAWMONCHEN

30 K-Spanne) vorzusehen, und zwar wegen seiner eigenen großen spezifischen Wärme; dieses Problem wird durch die Erfindung jedoch gelöst, und zwar dadurch, daß man ein kaltes Strömungsmittel dazu zwingt, in innigem Kontakt durch ein permeables Rad aus magnetischem Arbeitsmaterial zu fließen, um auf diese Weise das Rad in einem hohen magnetischen Feld zu kühlen. Wenn sich das Arbeitsmaterial aus der Zone hohen Feldes herausverdreht, so wird es noch kalter. Dieses sehr kalte Rad wird sodann dazu benutzt, das Strömungsmittel auf diese sehr niedrige Temperatur abzukühlen. Nunmehr kann das sehr kalte Strömungsmittel Wärme aus einer thermischen Last abs'orbieren. Beim Kühlen dieses Strömungsmittels hat sich jedoch das Rad erwärmt, und zwar in Vorbereitung für die erneute Abkühlung durch das Strömungsmittel nach dem Eintreten in die Hochfeldzone oder -region. Während des Zyklus wird Wärme durch das Strömungsmittel in das thermische Reservoir ausgestossen. Die magnetischen Arbeitsmaterialien werden nahe ihrer ferromagnetischen Curietemperaturen betrieben; auf diese Weise verstärkt ihre eigene Spin-Spin-Kopplung das extern angelegte Magnetfeld.

Das Prinzip der magnetischen Kühlung ist sehr alt und besagt einfach ausgedrückt, daß das Anlegen eines magnetischen Feldes an ein Material dieses erwärmt und Wärme aus dem Material in ein Hochtemperatur-Thermalreservoir treibt. Die darauffolgende Entfernung des Magnetfeldes bewirkt, daß sich das Material abkühlt und Wärme aus der zu kühlenden Substanz absorbiert. Im folgenden sei der Stand der Technik diskutiert.

US-PS 2 510 800 bezieht sich auf die Umwandlung von thermischer Energie in mechanische oder elektrische Energie unter Verwendung paramagnetischer Körper oder ferromagnetischer Körper, und zwar unter Benutzung des Curie-Punktes der Materialien zur Bewirkung des Wechsels von thermischer zu elektrischer Energie. Zudem schlägt dieses Patent die Verwendung flüssiger Metalle vor. Ein Unterschied zwischen diesem bekannten Verfahren sowie der bekannten Vorrichtung gegenüber der Erfindung besteht darin, daß das stationäre Arbeitsmaterial nicht einem sich verändernden

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magnetischen Feld ausgesetzt ist. Das rotierende Arbeitsmaterial ist sowohl sehr großen Magnetfeldern, als auch Magnetfeldern von der Größe Null während eines Zyklus ausgesetzt. Das bekannte Verfahren ist jedoch ineffizient, da die Magnetisierung eines Ferromagneten sich nicht plötzlich mit der Temperatur bei einem angelegten Feld, selbst nahe des Curie-Punktes, ändert. US-PS 2 589 775 beschreibt ein Verfahren zur Kühlung in einer Vorrichtung, die ferromagnetische Abschnitte enthält, die Curie-Punkt-Temperaturen besitzen, welche die gewünschte Kühltemperatur annähern, und zwar sind diese Abschnitte in Spalten in einem geschlossen ferromagnetischen Anker angeordnet, wobei ein Magnetfluß veranlaßt wird, den Anker zu durchsetzen, wobei die ferromagnetischen Abschnitte alternativ der Magnetisierung und Entmagnetisierung ausgesetzt sind, wobei ferner ein Strömungsmittel in Wärmeaustauschbeziehung mit den erwähnten Abschnitten alternativ in entgegengesetzten Richtungen steht, wobei der Strömungsmitteldurchgang derart zeitlich gesteuert ist, daß die Phase der Magnetisierung jedes Abschnitts mit dem Strömungsmitteldurchgang in einer Richtung zusammenfällt, während die Phase der Entmagnetisierung mit dem Durchgang in der entgegengesetzten Richtung zusammenfällt, und wobei ferner Wärme aus dem Strömungsmittel entfernt wird, nach dem Durchtritt durch einen Abschnitt in der erstgenannten Richtung, und wobei Wärme an das Strömungsmittel geliefert wird, nach dem Durchgang eines Abschnitts in der letztgenannten Richtung, und wodurch der Raum, von dem die Wärme geliefert wird, gekühlt wird. Dieses U.S. Patent 2 589 775 unterscheidet sich insbesondere in folgenden Beziehungen gegenüber der Erfindung, als letztere seltene Erden an Stelle der drei d-Elemente (periodisches Systems) verwendet, und zwar wegen deren wesentlich größerem magnetischen Moment, und wobei ferner ein superleitender Magnet mit einem intenstiven und hohen Feld an Stelle eines Eisenmagneten benutzt wird. Der Primärunterschied besteht darin, daß bei der Erfindung das zu kühlende Material in ein magnetisches Feld hinein-und aus diesem herausverdreht wird, wohingegen in US-PS 2 589 775 das Arbeitsmaterial stationär ist. US-PS 3 841 107. Ein magnetisches Kühlsystem weist thermische tfbertragungsmittel auf, die eine Serienanordnung von magnetocalorischen Elementen und einer Quelle eines Magnetfelds

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umfaßt. Die Serienanordnung weist ein Material mit einem grossen negativen magnetocalorischen Effekt auf, welches beim Anlegen eines Magnetfeldes kühlt; ein paramagnetisches Material in Anlage damit kühlt sich bei Entfernung eines Magnetfeldes; Endelemente arbeiten schließlich als thermische Schalter. Das Magnetfeld wird veranlaßt, sich längs der Serienanordnung zu bewegen, wodurch es gestattet wird, daß Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmefalle übertragen wird. Durch die Kaskadenanordnung der Serienanordnungen wird der Kühleffekt vergrößert.

Ein Unterschied des genannten Patents gegenüber der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß US-PS 3 841 107 magnetische Schalter verwendet und daher nur als ein Kühlgerät mit sehr geringer Leistung verwendbar ist, da Metalle Wärme, verglichen mit der erzwungenen Strömung gemäß der Erfindung, schlecht mitführen. Zudem sieht die Erfindung die Verdrehung des magnetischen Materials vor, auf welche Weise sehr schnelle Zyklusraten vorgesehen werden.

US-PS 3 108 444 zeigt einen magnetocalorischen cryogenen Kühlapparat, der folgendes aufweist: Ein Paar von mit Abstand angeordneten, thermisch isolierten Wärmereservoirs, ein Material mit super leitenden Eigenschaften, welches di.e Reservoirs miteinander verbindet, wobei das erwähnte Material die einzigen thermischen Verbindungsmittel zwischen den Reservoirs bildet, Mittel, um das Material einer Temperatur auszusetzen, die hinreichend niedrig liegt, um darin Superleitfähigkeit zu bewirken, Mittel, um hur einen Teil des Materials einem Magnetfeld von kritischer Feldintensität auszusetzen, um den ausgesetzten Teil, während er thermisch isoliert ist, in seinen normalen Zustand zurückzubringen mit einer darauffolgenden Temperaturabnahme, und wobei schließlich Mittel vorgesehen sind, um eine effektive progressive Relativbewegung zwischen dem Material und dem Magnetfeld hervorzurufen, um eine Nettowärmeübertragung von einem Reservoir zum anderen zu bewirken.

Das genannte Patent verwendet Superleiter, wohingegen die erfindungsgemäße Vorrichtung Paramagnete und Ferromagnete benutzt.

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—, 4L· —

Ferner trennt US-PS 3 108 444 das Feld vom Strömungsmittel durch eine Membran und hat somit einen schlechten Kontakt zwischen dem Arbeitsmaterial und dem Strömungsmittel. Die vorliegende Erfindung zwingt das Strömungsmittel durch permeables magnetisches Arbeitsmaterial.

Beim US-PS 3 393 526 wird Wärme von einer Kammer, die sich unterhalb der kritischen Temperatur eines superleitenden Materials befindet, in eine andere Kammer gepumpt, welche ebenfalls unterhalb der kritischen Temperatur liegt, und zwar durch Anordnen der Enden einer Stange oder von Stangen aus diesem Material in -Wärmeübertragungsbeziehung zu den zwei Kammern und durch Anlegen eines Magnetfeldes, welches stark genug ist, um zu bewirken, daß eine Zone der Stange oder Stangen normal wird, an das Ende der Stange oder Stangen, die sich in Wärmeübertragungsbeziehung mit der ersten Kammer befindet. Wenn die Zone auf den Stangen normal wird, entzieht sie der ersten Kammer Wärme und kühlt sie dadurch» Sodann wird das Magnetfeld,und daher die Normalzone, längs der Stange zur zweiten Kammer bewegt, wodurch die zweite Kammer die Wärme absorbiert, die in der Normalzone eingefangen ist und sich mit dieser bewegt. Das Verfahren kann zur weiteren Kühlung der ersten Kammer wiederholt werden. Das zuletzt genannte Patent unterscheidet sich von der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Kühlvorrichtung insoferne, als es Metall in einem erzwungenen Massentransport verwendet, um die Wärme mitzufuhren, und ferner dadurch, daß ein Superleiter an Stelle eines rotorienden Para- oder Ferromagneten verwendet wird.

US-PS 3 4t3 814 beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kälte, bei dem die Entropie einer paramagnetischen Substanz alternativ dadurch variiert wird, daß man einen externen Parameter, wie beispielsweise ein Magnetfeld, variiert, und wobei ein Strömungsmedium, wie* beispielsweise Heliumgas, in abwechselnden Richtungen in Wärmeaustauschbeziehung mit der Substanz fließt. Während der Richtungsströmlingen oder -flüsse wird Wärme bzw. Kälte von der Substanz an das Strömungsmittel verteilt und entsprechend diesen Strömungen· gibt es eine Wärmeaustauschbeziehung zuerst durch einen Teil des Strömungsmittels mit einer Wärme aus dem Strömungsmittel absorbierenden Fläche,

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und darauffolgend durch einen entfernten Teil des Strömungsmittels mit einer zu kühlenden Fläche. Strömungsmittel in der ersten Fläche befindet sich im allgemeinen auf einer höheren Temperatur als das Strömungsmittel in der zu kühlenden Fläche, und Teile des Strömungsmittels in den zwei Flächen werden nicht vermischt. Bei diesem Patent werden nichtrotierende Nicht-Ferromagnete verwendet, wohingegen die Erfindung sich auf rotierende Para- oder Ferromagnete bezieht, da Kühlung bei ungefähr 2O°K erfolgen soll, was die Verwendung von Ferromagneten zweckmäßig macht. US-PS 3 413 814 lehrt, daß das zu irgendeinem Zeitpunkt in einer gekühlten Fläche vorhandene Strömungsmittel niemals die zu kühlende Fläche erreicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lehrt demgegenüber das Gegenteil insoferne, als das ganze Strömungsmittel in der gekühlten Fläche die zu kühlende Fläche erreichen wird, wobei sich das magnetische Material in das Magnetfeld hinein und aus diesem heraus verdreht, und wobei schließlich das Strömungsmittel durch das Material gepumpt wird. Auf diese Weise werden schnelle Zyklusraten bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gestattet. Der beträchtliche Nutzen sowie die Anwendungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Kosten der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Magnetkühlvorrichtung nur ein Zehntel der Kosten eines äquivalenten Gaskühlgerätes betragen, und wobei ferner nur ein Fünftel der elektrischen Leistung benötigt wird. Da Hochdruckkompressoren und Gas-Gaswärmeaustauscher nicht erforderlich sind, besitzt der erfindungsgemäße magnetische Kühlapparat ein hohes Maß an mechanischer Zuverlässigkeit. Zusätzlich zu seiner Verwendung als ein Niedertemperatur-Magnetkühlgerät kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner als ein magnetischer Motor benutzt werden, d.h. als ein Kühlgerät, welches in umgekehrter Weise betrieben wird. Der Motor ist dabei in der Lage, geringwertige Wärme, beispielsweise Reaktorabwärme, geothermische Wärme, Sonnenwärme und Ozeanwärme in Elektrizität umzuwandeln, und zwar in einer außerordentlich effizienten und wirtschaftlichen Weise.

Zusammenfassung der Erfindung. Die Erfindung sieht eine magnetische Hochtemperatur-Kühlvorrichtung vor mit einem Carnot-Wirkungsgrad von mehr als 70% und für den Betrieb von ungefähr 2°K

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bis oberhalb Raumtemperatur, wobei ein motorgetriebenes Rad vorgesehen ist, um welches herum eine Zone hochen Magnetfeldes angeordnet ist, und zwar gefolgt von einer Zone eines Null-Magnetfeldes, und wobei das Rad ferner eine Felge oder einen Rand aus einer seltenen Erde besitzt, wobei das Radgehäuse auf dem Aussenumfang angeordnete Einlasse und Auslässe besitzt, und wobei schließlich ein Arbeitsströmungsmittel sich in thermischem Kontakt mit der Felge, einer externen Wärmelast und Reservoirs befindet, so daß durch das Strömungsmittel von der Niedertemperaturwärmelast absorbierte Wärme extern durch das Strömungsmittel an das Hochtemperatur-Thermalreservoir abgegeben wird.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet bei einem Kühlzyklus;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen Entropie und der Temperatur für das Arbeitsmaterial, bestehend aus Gd-MetaHchips öder Stückchen,während eines typischen Kühlzyklus unter Verwendung der Erfindung ;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer· Radgehäusezone im Querschnitt;

Fig. 4 eine Draufsicht im Querschnitt von Gehäuse und der permeablen, aus einer seltenen Erde bestehenden Felge des Rads der Fig. 3;

Fig. 5 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Rads der Fig. 3;

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Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Rads der

Fig^ 3 mit auseinandergezogenen Ansichten 6a und 6b, welche spezielle Merkmale der Felge dieses Rades darstellen;

Fig. 7 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, angewandt bei einem Wärmemotor.

Es sei nunmehr das bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben.

TT

Wie in Fig. 1 gezeigt, erwärmt bei "IO bei einer Temperatur T gepumptes Strömungsmittel 17 den Kranz oder die Felge 4 des Rades in der Niedrigfeldzone und verläßt diese mit einer KaIt-

C C

temperatur T 5. Das Strömungsmittel absorbiert Wärme Q , kühlt

H C

sodann den Kranz von T +Δ herab auf T +Δ 23, wobei der Kranz

auf T + A 9 zurückbleibt. Das erwähnte Strömungsmittel wird auf

H TT

T abgekühlt, gibt Wärme Q ab und tritt wieder in das Rad ein. Delta (Δ). ist der Temperaturanstieg des Arbeitsmaterials, wenn dies dem magnetischen Feld ausgesetzt ist. Arbeit wird zur

C H
Wärmepumpung von T auf T geleistet. Dies kommt von der zur Drehung des Rades erforderlichen Energie, da die Seite des Kranzes 4 des in die Hochfeldzone eintretendes Rades heiß ist und verhältnismäßig nichtmagnetisch, während die das Feld verlassende Zone kalt und stark magnetisch ist.

Fig. 2 zeigt die Entropie-Temperaturkurven für ferromagentisches Gadoliniummetall. Das Gadoliniummetall wird durch das Strömungsmittel im Null-Feld von T^C (268 K) zu T^H (308 K) erhitzt. Der

Kranz des Rades wird dann adiabatisch magnetisiert auf T + Δ (316 K) beim Eintritt in die Hochstromungsmittelzone. Sodann erfolgt die

Abkühlung durch das Strömungsmittel im Hochfeld (7 T) auf T +

Δ(276 K), die adiabatische Entmagnetisierung auf T (268 K), worauf dann ein neuer Zyklus wiederum beginnen kann. Die zur Erzeugung dieses Zyklus erforderliche Arbeit ist durch die Fläche der parallelogrammartigen graphischen Darstellung gegeben und ist grob gesagt 8 J/Mol-K χ 8 K = 64 J/Mol.

Es kann vorteilhaft sein, ein kleines Magnetfeld (1 T) an die Mitte der Null-Feldzone 1 der Fig. 1 anzulegen, um die tatsächlichen

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Gd-Entropiekurven dichter entsprechend zu dem Sachverhalt gezeigt in Fig. 2 zwischen T und T zu machen.

Wie in Fig. 3 gezeigt, verläßt ein kaltes Strömungsmittel mit

der Temperatur T das Gehäuse 3 am Auslaß 5 und absorbiert Wärme von der Last 13, die in diesem Fall durch einen Gegenstromwärmeaustauscher dargestellt ist, bei dem Strömungsmittel von der Last bei 7 eintritt und durch das Strömungsmittel gekühlt wird, bevor es bei 6 austritt. Das Strömungsmittel mit einer Temperatur T +& tritt im Gehäuse 3 bei 2 3 ein, absorbiert Wärme im Feld des Magneten 8 vom Kranz 4 des Rades und entweicht durch Rohr 9 mit einer Temperatur T + A . Das Strömungsmittel fließt ferner durch die Zirkulationspumpe 10 und gibt die Wärme im thermischen Reservoirströmungsmittel des Austauschers 11 ab, auf welche Weise das Strömungsmittel auf die ' Temperatur T abgekühlt wird. Das Strömungsmittel mit der Tempe-

TT

ratur T tritt in das Gehäuse 3 durch Rohr 17 ein, gibt die Wärme beim Durchfließen durch den permeablen Kranz 4 des Rades ab, wodurch die Temperatur des Strömungsmittels auf T reduziert wird, nachdem es mehrfache Axialdurchgänge durch den Kranz 4 durch Kanal 16 macht, wobei jeder durch eine Trennvorrichtung 15 getrennt ist, und darauf verläßt das Strömungsmittel das Rad mittels des Auslasses 5. Das Rad wird durch eine mit Motor verbundene Welle 2 angetrieben und dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn. Das thermische Reservoirströmungsmittel tritt in den Austauscher 11 durch Einlaß 12 ein und verläßt diesen durch Auslaß 14. Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung besteht aus einem 12 Zoll-Rad mit einem seltenen Erden-Kranz, der sich mit 0,3 bis 3 Umdrehungen pro Sekunde dreht. Das Rad ist ein halbes Zoll dick,mit einer Kranzdimension von 2 Zoll und enthält permeable seltene Erde, wie beispielsweise Gadoliniummetallstückchen .

Zur Minimierung des Lecks - vgl. Fig. 4 - zwischen den Zonen hohen und niedrigen magnetischen Feldes sieht die Erfindung ein spezielles Gehäuse vor, welches den Strömungsmittelfluß

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in einer Richtung axial zum Rad fördert. Das Strömungsmittel fließt rückwärts und vorwärts durch den Kranz 4, wie die Pfeile dies anzeigen, wobei das Strömungsmittel am Einlaß 17 sicn auf

T befindet und rückwärts und vorwärts durch das Rad mittels der Kanäle 16 im Gehäuse 3 fließt, bis es den Auslaß 5 erreicht. Das Gehäuse 3 ist derart konstruiert, daß die Toleranzen zwischen dem Gehäuse und dem Rad in der Größenordnung von wenigen Tausendstel Zoll liegen, auf welche Weise irgendein signifikanter Fluß längs der Grenzkante zwischen dem Kranz und dem Rad 4 und den Separatoren 15 vermieden wird. Der Fluß durch den porösen Kranz 4 des Rades ist größer als der Leckfluß durch die Rad-Gehäusespalte.

Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Kranzes 4, bei dem Mehrfach-Radiallöcher 22 axial durch den Kranz gebohrt sind. Der Durchmesser dieser Löcher liegt in der Größenordnung von 0,005 Zoll und diese Löcher nehmen 10 bis 40% des Kranzvolumens ein.

Fig. 6 ist eine weitere Seitenansicht des Kranzes 4 des Rades, wobei Vergrößerungen zwei alternative Konstruktionen mit quer (axial) zum Kranz verlaufenden Nuten darstellen. Insbesondere zeigt Fig. 6a Schichten aus Gadoliniummetall in der Form eines Bandes oder Streifens, wobei dieses Band ungefähr O,O1 Zoll dick ist und mittels Drähten 19 mit Abstand angeordnet ist, welche einen Durchmesser von ungefähr 0,001 Zoll aufweisen und als Abstandsstücke dienen. Zusätzlich zu den Abstandsstücken 19 besitzen die Bänder 20 und 21 Nuten 18, die das Band eingeprägt sind und eine Tiefe von ungefähr 0,005 Zoll aufweisen. Der Zweck der Nuten 18 und der Abstandsstücke 19 zwischen den Bändern 20 und 21 besteht darin, Kanalmittel für das Strömungsmittel vorzusehen, welches über das mit Abstand angeordnete Gadoliniumband fließt. Die Anzahl der Windungen des Bandes liegt in der Größenordnung von 200 bis 300. Die Nuten fördern den Strömungsmittelfluß über das Band und sehen einen schnellen Wärmekontakt zwischen dem Strömungsmittel und dem Arbeitsmaterial-Gadoliniumband vor. Fig. 6b ist ähnlich der Fig. 6a, mit der Ausnahme, daß der Fluß mittels Abstandsstücken 19 (Drähten

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von 0,0Ol Zoll Durchmess er ]r erreicht wird, die zwischen aufeinanderfolgende Lagen des Bandes 20 und 21 eingesetzt sind.

Fig. 7 ist ein schematisches Flußdiagramm, bei der die erfindungsgemäße Vorrichtung als ein Wärmemotor betrieben werden könnte. Bei diesem AnWendungsfall wird das Arbeitsmaterial durch das heiße Strömungsmittel erhitzt, während es sich innerhalb des Magnetfeldes befindet. Weil das Arbeitsmaterial heiß ist, ist der Ferromagnet nicht sehr magnetisch und wenig Energie wird verbraucht beim Vorgang des Herausverdrehens .aus dem hohen Feld. Kaltes Strömungsmittel kühlt das Arbeitsmaterial, während es sich außerhalb des Magnetfeldes befindet, wobei zu diesem Zeitpunkt das Arbeitsmaterial magnetischer ist und Drehleistung an die Welle 2 liefert, und zwar beim Eintritt in die Zone hohen Feldes.

r Der Temperaturbereich für die Kühllast T für verschiedene Strömungsmittel ist in Tabelle 1 und das Arbeitsmaterial ist in Tabelle 2 angegeben. Diese Strömungsmittel werden, wenn sie sich in gasförmiger Form befinden, auf ungefähr 10 Atmosphären unter Druck gesetzt oder aber unter einen hinreichenden Druck gesetzt, um eine hohe Dichte für eine gute Wärmeübertragung zu erhalten. Im allgemeinen würde man das höchste magnetische Feld verwenden, und zwar typischerweise 7 T. Die größten Felder ergeben die größte Kapazität (schnellstes Kühlen) und die größte Temperaturspanne .

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-TA·.-

T a b e 11 e 1

Strömungsmittel Bereich für T , K

Flüssige Na-K-Legierung Was ser-Äthanolmi s chung (unter Druck gesetzt)

Propan (unter Druck gesetzt) N„ (unter Druck gesetzt) Ne (unter Druck gesetzt) H₂ (unter Druck gesetzt) He (unter Druck gesetzt)

-+ 400

-> 400 90 -» 190 65-* 120 30 -* 90 25 -* 80 2 -> 25

Tabelle

Arbeitsmaterial

Gadoliniummetall

Bereich für T

l^uy61

Ί 2*^88
GdN

255-* 318 140 -»255

80 ■+ ΐ6Ο 40 -* 100

8 -* 60

Curie-Temperatur, K

293 193 120

65

25

Zum Erreichen optimaler Leistungsfähigkeit der rerfindungsgemäßen Vorrichtung ist es onotwendig, daß die Rad- und Strömungsmittelkapazxtätflußraten genau gleich sind, d.h. daß folgendes gilt:

^Mf ^Cf - ^Mw^Cw '

dabei ist M_f die Masse des Strömungsmittels pro Sekunde, die sich vom Einlaß zum Auslaß bewegt, und M ist die Masse des Arbeitsmaterials pro Sekunde, die sich vom Strömungsmittelauslaß zum Strömungsmitteleinlaß bewegt. Die Cs sind die entsprechenden spezifischen Wärmen pro Einheitsmasse.

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- T3- -

Das Kriterium für adequate Wärmeübertragung besteht darin, daß M_fC_fT^H/hA kleiner als ungefähr 1 ist. hA ist das Produkt aus dem Wärmeströmungsmittel-Radwärmeübertragungskoeffizienten und A ist die Fläche dieser Berührung. Die Kühlkapazität ist gege-

ben durch Q = M C A , wenn die Wärmeübertragung ideal ist.

Zusammenfassend sieht die Erfindung eine Hochtemperatur-Magnetkühlvorrichtung vor, die einen sterlingartigen Kreislauf verwendet, bei dem rotierendes magnetisches Arbeitsmaterial in einem Null-Feld erhitzt wird und adiabatisch magnetisiert wird, worauf die Abkühlung in einem hohen Feld erfolgt und dann eine adiabatische Entmagnetisierung. Während dieses Zyklus befindet sich das Arbeitsmaterial in Wärmeaustausch mit einem gepumpten Strömungsmittel, welches Wärme von einer Niedertemperaturwärmequelle absorbiert und Wärme in einem Hochtemperaturreservoir abgibt. Der magnetische Kühlzyklus arbeitet mit einem 70%-igen Carnot-Wirkungsgrad.

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9 .

Le e rs e i t e

Claims

Ansprüche

Magnetische Hochtemperatur-Kühlvorrichtung für einen Temperaturbereich einer Kühllast von 2 K bis 400 K sowie für den Betrieb mit einem Carnot-Wirkungsgrad größer als 70%, gekennzeichnet durch

a) einen Motor (1) und eine Welle (2) zur Drehung eines Rades, welches in einem Gehäuse (3) enthalten ist,

b) einen superleitenden Magnet (8) mit einer Feldstärke von ungefähr 7 Telsa, angeordnet einen Teil des Gehäuses umgebend, wobei sich das Rad in dieses Magnetfeld hinein und aus diesem heraus verdreht,

c) einen Kranz (4) auf dem Rad und bestehend aus einer permeablen seltenen Erde, wobei ferner der Kranz einen Einlaß (17) sowie einen Auslaß (5) am Aussenumfang aufweist, und

d) eine Pumpe (10), mittels welcher ein Strömungsmittel innerhalb des Gehäuses (3) zirkuliert wird und sich in thermischem Kontakt mit dem Kranz (4) befindet, und zwar durch das Rückwärts- und Vorwärtsdurchlaufen mittels mehrfacher Separatoren oder Trennvorrichtungen (15) durch den Kranz (4) hindurch, worauf dann das Strömungsmittel durch eine Kühllast (13) und einen Wärmeaustauscher (11) fließt, und zwar mittels des Einlasses (7, 12) und des Auslasses (6, 14).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der seltene Erden-Kranz eine Abmessung von 1/2 Zoll Breite und 2 Zoll Radialtiefe aufweist und Löcher mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 0,005 Zoll besitzt, die axial durch den Kranz derart gebohrt sind, daß diese Löcher 10% bis 40% des Kranzvolumens einnehmen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der permeable seltene Erden- Kranz aus Lagen aus Gd-Metallband besteht, wobei dieses Band ungefähr 0,01 Zoll dick ist und mit Abstand gegenüber jeder Lage durch Mehrfachdrähte angeordnet ist, die axial eingesetzt sind, wobei diese Drähte einen Abstand von ungefähr 0,001 Zoll zwischen jeder Lage erzeugen, und wobei

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ferner das Band axial eingeprägte Nuten in der oberen Oberfläche des Bandes aufweist, und zwar auf eine Tiefe von ungefähr 0,OO5 Zoll_r und wobei die Anzahl der Bandlagen in der Grössenordnung von 200 bis 300 liegt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Strömungsmittel aus der folgenden Klasse ausgewählt ist: Flüssige Natrium-Kalium-Legierung, unter Druck gesetzte Wasser-Äthanol-Mischung, unter Druck gesetztes Propan, unter Druck gesetzter Stickstoff, unter Druck gesetztes Neon, unter Druck gesetzter Wasserstoff und unter Druck gesetztes Helium.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich der Kühllast (T^C) 261 K bis 400 K ist, und daß das Strömungsmittel flüssiges Natrium-Kalium ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich der Kühllast (T^C) 156 K bis 400 K ist, und daß das Strömungsmittel unter Druck gesetzte Wasser-Äthanol-Mischung ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich der Kühllast (T^C) 90 K bis 190 K ist, und daß das Strömungsmittel unter Druck gesetztes Propan ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich der Kühllast (T^C) 65 K bis 120 K ist, und daß das Strömungsmittel unter Druck gesetzter Stickstoff ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich der Kühllast (T^C) 30 K bis 90 K ist, und daß das Strömungsmittel unter Druck gesetztes Neon ist.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich der Kühllast (T^C) 20 K bis 80 K ist,und daß das Strömungsmittel unter Druck ges-etzter Wasserstoff ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich der Kühllast (T^C) 2 K bis 25 K ist, und daß das Strömungsmittel unter Druck gesetztes Helium ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der seltene Erden-Kranz aus mindestens einem der folgenden Arbeitsmaterialien besteht: Gd-Metall, Gd₃₉Dy₆., Gd₁₂ ⁰Y₈Q' GdN und Dy₂Er₀^₈Al_Oi2^.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmaterial Gd-Metall ist und der Temperaturbereich der Kühllast (T^C) im Bereich von 255 K bis 318 K liegt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmaterial Gd Dy,- ist und der Temperaturbereich der Kühllast (T^C) 140 K bis 255 K ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmaterial Gd₁-Dy₀₀ ist und daß der Temperaturbereich der Kühllast (T ) 80 K bis 160 K ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmaterial GdN ist und der Temperaturbereich der Kühllast (T^C) 40 K bis 100 K ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmaterial Dy_Er,_ _OA1^ „ ist und der Temperatur-

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bereich der Kühllast (T^C) 8 K bis 60 K ist.

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18. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 1 als Wärmemotor, wobei dieser Wärme bei der höheren Temperatur aufnimmt und bei der niedrigeren Temperatur zurückweist und Arbeit durch Verdrehung der Welle leistet.

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