DE3301786A1

DE3301786A1 - Magnetische kuehlanordnung der radbauart

Info

Publication number: DE3301786A1
Application number: DE19833301786
Authority: DE
Inventors: John Arthur 87544 Alamos N.Mex. Barclay
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1982-01-20
Filing date: 1983-01-20
Publication date: 1983-09-08
Also published as: JPH0325710B2; GB2113371A; FR2520094A1; CA1202375A; GB2113371B; JPS58124178A; US4408463A; FR2520094B1

Description

R-5662

United States Department of Energy, Washington, D.C, 20585 V.St-A.

Magnetische Kühlanordnung der Radbauart

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kühlung und insbesondere auf die magnetische Kühlung unter Verwendung einer Vorrichtung der Radbauart.

Die Attraktivität der Verwendung flüssigen Wasserstoffs als ein tragbarer Brennstoff wird durch die Kosten und den schlechten Energiewirkungsgrad üblicher Verflüssigungsverfahren verschlechtert. Könnte man diese Faktoren beträchtlich vermindern, so wäre flüssiger Wasserstoff· mit großer Wahrscheinlichkeit ein Brennstoff, der in vielen Anwendungsfällen fossile Brennstoffe ersetzen würde, und zwar insbesondere auch in naher Zeit als Brennstoff für Düsenflugzeuge. Die vorliegende Erfindung sieht die Verflüssigung von kryogenen Stoffen und insbesondere Wasserstoff vor, und zwar mit Wirkungsgraden, die mindestens das Doppelte von konventionellen Verfiüssigungsanlagen sind. Die erfindungsgemäß ausgeführte magnetische Kühlung basiert auf der Abhängigkeit.der Entropie gewisser Materialien von dem magnetischen Feld und der Temperatur, d.h. dem magr.etocalori sehen Effekt.

Die Erfindung verwendet das Konzept einer aktiven magnetischen Kühlung, bei der eine thermische Wellenfront zurück und vorwärts durch einen Regenerator während eines magnetischen Zyklus fortgepflanzt wird. Der.aus einer oder einer Vielzahl von Lagen aus porösen ferromagnetischen Materialien aufgebaute Regenerator, mit Curie-Temperaturen nahe den Betriebstemperaturen im Regenerator, sollte in der Lage sein, große Temperaturdifferenzen zu überspannen. Mehrere magnetische Zyklen, wie beispielsweise Carnot, Brayton oder Stirling,können verwendet werden. Das hier beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet einen Brayton-Zyklus. Der Betrieb einer solchen Kühlanordnung erfordert .ein Strömungsmittel, um den porösen magnetischen.Feststoff mit der Wärmequelle und der Wärmefalle zu koppeln. Auf die US-Patentanmeldung S.N. 228 836 vom 27. Januar 1981 sei hingewiesen; dort ist eine hin- und hergehende Vorrichtung beschrieben, welche das Konzept der aktiven magnetischen Regeneration verwendet.

Vorhandene 60 W Gas/Zyklus-Verflüssiger, beispielsweise des Claude-Zyklus, arbeiten mit ungefähr 10% des Carnot-Wirkungsgrades. Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung kann in einem Bereich von ungefähr 60 bis 90% Carnot für einen 20 K bis 300 K-Verflüssiger arbeiten, und zwar mit einer 60 W-Kühlleistung, betrieben bei 20 K. Ein Hauptgrund für die beträchtliche Erhöhung des Wirkungsgrades bei magnetischen Kühlanordnungen gemäß der Erfindung besteht in der Eliminierung von Raumtemperatur-Kompressoren und Expandern, die typischerweise in üblichen Systemen vorhanden sind. Somit benötigt ein magnetisches Kühlsystem gemäß der Erfindung keine Komponenten, die große Verluste erzeugen. Ein erfindungsgemäßes magnetisches Kühlsystem wird in signifikanter Weise billiger zu bauen und zu betreiben sein, als dies für konventionelle Systeme der gleichen Kapazität gilt.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Kosten zur Herstellung synthetischen kryogenen Brennstoffs, wie beispielsweise Wasserstoffs, zu vermindern. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist darin zu sehen, die Wirkungsgrade von Kühl systemen zu erhöhen. Ferner bezweckt die Erfindung, bei Raumtemperatur arbeitende Kompressoren aus den Kühlsystemen zu eliminieren.

Gemäß der Erfindung ist ein magnetischer regenerativer Radkühlapparat vorgesehen, der ein im wesentlichen kreisförmiges Rad aufweist, das eine Drehachse sowie konzentrische innere und äußere Ränder oder Felgen besitzt; Ein ferromagnetisches oder paramagnetisches poröses Material ist innerhalb des Rades zwischen den inneren und äußeren Felgen angeordnet. Das Material weist mindestens eine Substanz auf, kann aber mehrere benachbarte konzentrische Lagen aufweisen, die Curie-Temperaturen nahe einer Kalttemperatur T„ nahe der inneren Felge und eine Curie-Temperatur nahe einer Heißtemperatur T,, nahe der äußeren

Felge besitzen. Ein annähernd solenoidförmiger Magnet, wie beispielsweise ein superleitender Magnet, ist vorgesehen, um ein Magnetfeld zu' erzeugen, welches im wesentlichen senkrecht zur Achse des Rades und parallel zu dessen Drehrichtung verläuft. Eine Raddrehvorrichtung, wie beispielsweise eine Antriebsweile, wird zum Antrieb des Rads um seine Drehachse und durch das Magnetfeld verwendet. Führungsvorrich/tungen, wie beispielsweise Trag- und Führungsräder, werden benutzt, um das Rad in seiner richtigen Orientierung zu halten. Erste und zweite inrrere Strömungsmi ttei-Sammeliei tungen sind benachbart zur Innenfelge des Rades angeordnet, und erste und zweite äußere Strömungsmittel-Sammeileitungen sind benachbart zur äußeren Feige des Rades angeordnet. Thermische Lastaustausch- und Wärmeabfuhraustausch-Vorrichtungen, die mit den Sammelleitungen in Verbindung stehen, sind vorgesehen. Eine Pumpe bewegt ein wärmeleitendes Strömungsmittel von dem Wärmeabfuhr oder Zurückweisungsaustauscher durch die erste äußere Sammelleitung, durch einen ersten

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Teil des Materials im Rad benachbart zur ersten äußeren Sammelleitung von der äußeren Felge des Rads zu seiner inneren Felge. Sodann wird das Strömungsmittel durch die erste innere Sammelleitung zum thermischen Lastaustausch gepumpt und von dort durch die zweite innere Sammelleitung durch einen zweiten Teil des Materials im Rad benachbart zur inneren Sammelleitung hin und durch das Material und in die zweite äußere Sammelleitung und zurück zum Wärmezurückweisungsaustausch .

Ein Vorteil, der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine kontinuierliche Kühlung einer thermischen Last vorgesehen wird. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung außerordentlich effizient ist, weil keine großen Quelle irreversibler Entropie vorhanden sind.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß in einfacher Weise ein Stufenaufbau dadurch erreicht werden kann, daß man eine zusätzliche Lage od^r zusätzliche Lagen dem Innendurchmesser hinzufügt, um so jeden Temperaturbereich zwischen ungefähr 2 K und ungefähr 300 K zu überspannen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht noch darin, daß Magnetkräfte am Rad automatisch kompensiert werden durch Kräfte im Rad, die in den Magnet gehen, wobei partiell die aus dem Magnet kommenden Kräfte ausgelöscht werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung mit geringer Geschwindigkeit betrieben werden kann, was eine lange Lebensdauer bedeutet. Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Erfindung leicht an eine verteilte thermische Last auf verschiedenen Temperaturen angepaßt werden kann, so daß ein Verflüssiger leicht herstellbar ist.

Weitere Ziele, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand vor. AusfUhrungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt

sind; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1, 2 und 3 Entropie-Temperaturdiagramme für Magnetmaterial bei unterschiedlichen Durchmessern innerhalb des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 das Prinzip der magnetischen regenerativen

Radarbeitsweisel

Fig. 5 schematisch ein magnetisches regeneratives

Rad gemäß der Erfindung;

Figl 6 schematisch ein bevorzugtes Ausführungs

beispiel der Erfindung unter Verwendung eines regenerativen Radkühlers;

Fig. 7 schematisch die Arbeitsweise eines erfindun

gemäßen magnetischen regenerativen Radkühlers zum Zwecke der Verflüssigung von Wasserstoff.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist im allgemeinen ein Rad auf, welches aus einer oder mehreren Lagen von konzentrisch angeordneten ferromagnetischen oder paramagnetischen porösen Materialien besteht, und zwar derart, daß die Curie-Temperatur, die auch als "Ordering"-Temperatur bekannt ist, die gewünschten Kühltemperaturen überspannt, wie beispielsweise 2 K bis 300 K. Die innerste Lage ist derart ausgewählt, daß sie eine Curie-Temperatur nahe einer Kalttemperatur T„ besitzt, und· die äußerste Lage ist derart ausgewählt, daß sie eine Curie-Temperatur nahe einer Heißtemperatur T_u besitzt. Die Zwischenlagen sind

derart ausgewählt, daß sie Curie-Temperaturen nahe der mittleren Temperatur an diesem Durchmesser des Rades besitzen, d.h. ansteigende Curie-T-mperaturen von der

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Innenseite des Rades zur Außenseite des Rades hin. Jedes Material führt einen magnetischen Brayton-Zyklus aus, und zwar mit einer minimalen Temperaturexkursion von zweimal ΔΤ, wobei die adiabatische Temperaturänderung wie in Fig. 1 gezeigt verläuft.

Das Arbeitsprinzip eines regenerativen magnetischen Rads gemäß der Erfindung ist das folgende. Es sei das schematische Diagramm der Fig. 2 betrachtet, wo die Hochfeid-Zone, die Niedrigfeld-Zone und Temperaturprofile an unterschiedlichen Stellen des Rades dargestellt sind. Es sei nunmehr auf Fig. 4 und auf Fig. 2 Bezug genommen und sei mit einem tortenförmigen Materialabschnitt begonnen, der die Punkte O, P und Q bei einer Temperatur T umschließt. Wenn das Material an P in die Hochfeld-Zone rotiert, so erhitzt es sich adiabatisch auf T + ΔΤ , wobei ΔΤ' die adiabatische magneto-calorische Temperaturänderung ist. Die thermische Masse des Hinzuzufügenden, wie beispielsweise eingefangenes Strömungsmittel, kann klein gemacht werden verglichen mit der thermischen Masse des magnetischen Materials, so daß nahezu die volle adiabatische Temperaturänderung erhalten wird. Material an den Punkten O und Q erfährt auch eine Temperaturerhöhung um ungefähr ΔΤ¹, was das Temperaturprofil Nr. 1 in Fig. 4 zur Folge hat. Sobald das Rad in die Hochfeid-Zone eintritt, tritt Strömungsmittel in den Innendurchmessr dieses Abschnitts mit T„ ein und tritt aus am Aussendurchmesser mit T„ + ΔΤ..·. Eine thermische Welienfront

Π π

pflanzt sich radial nach außen fort, wenn das Rad durch die Hochfeld-Zone rotiert, was das Temperaturprofil Nr. in Fig. 4 nahe dem Ende dieser Zone zur Folge hat. Der Strömungsmitteifiuß durch den Abschnitt hört auf, wenn das Material die Hochfeld-Zone verläßt, und der Abschnitt des magnetischen Materials demagnetisiert adiabatisch und kühlt sich um ungefähr ΔΤ'' ab, um das Temperaturprofil Nr. 3 in Fig. 4 zu ergeben. Sobald der Abschnitt

des Materials in die Niedrigfeid-Zone eintritt, tritt Strömungsmittel am Außendurchmesser mit einer Temperatur T„ ein. Dieses Strömungsmittel ist das gleiche wie das welches am entgegengesetzten.Außendurchmesser mit T„ + AT_U

H π

ausgetreten ist, aber es wurde auf T„ in einem externen Wärmeaustauscher, wie er beispielsweise in Fig. 6 gezeigt ist und im folgenden beschrieben wird, abgekühlt. Das Strömungsmittel verläßt den Innendurchmesser in der Niedrigfeld-Zone mit T~ - ΔΤ«. Wenn dieser Abschnitt durch die Niedrigfeld-Zone rotiert, wobei Strömungsmittel mit T₀

rl

eintritt, so ergibt sich eine nach innen sich fortpflanzende thermische Wellenfront, was das in Fig. 4 zu sehende Temperaturprofil Nr. 4 nahe dem Ende der Niedrigfeldzone zur Folge hat. Der Strömungsmittelfluß stoppt, wenn das Material zu seiner ursprunglichen Position zurückkehrt und ist bereit, wiederum adiabatisch magnetisiert zu werden. Kaltes mit T_c - AT„ austretendes Strömungsmittel wird durch einen Lastwärmeaustauscher, der ebenfalls in Fig. 6 gezeigt ist, gegeben und wird darinnen auf T_c erhitzt, bevor es in den Innendurchmesser der Hochfeld-Zone eintritt.

Fig. 6 zeigt ein Schema eines erfindungsgemäßen Systems. Wie man dort sieht, wird ein Magnet, der im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein superleitender Magnet 12 ist, durch ein superisoliertes Flüssighelium-Dewargefäß 14 gekühl.. Der Fachmann erkennt, daß trotz der Verwendung eines supergekühlten Magneten im bevorzugten dargestellten Ausführungsbeispiel andere Magnetarten zur Durchführung der Erfindung verwendet werden können. Der superleitende Magnet 12 kann in der Lage sein, vormagnetische Felder, wie beispielsweise von ungefähr 5 bis 6 Telsa, zu erzeugen, erzeugt aber normalerweise ein Magnetfeld in .der Größenordnung von beispielsweise 4 bis 9 Telsa. Ein Wärmeabfuhr oder Wärmezurückweisungsaustauscher 16 ist zu-.sammen mit einem thermischen Lastaustauscher 18 vorgesehen. Der Wärmezurückweisungsaustauscher 16 wird bei Umgebungstemperatur betrieben, und der thermische Lastaustauscher wird bei einer Kalttemperatur betrieben. Ein Xagnetrad 20 wird

/η

durch einen Antriebsmotor 22 und Antriebswelle 24 angetrieben. Das Rad wird durch Träger und Führungsradstrukturen 26 gestützt. Es sei darauf hingewiesen, daß ein einfaches Felgenantriebsrad im bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 verwendet wird, wobei aber -auch ein magnetischer Antrieb oder ein anderer Antrieb zur Drehung des Rades Verwendung finden kann. Obwohl Stützungmittel oder Halterungsmittel und Führungsräder zur Positionierung und zum Halten der Position des Rades im bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet werden, so können doch in gleicher Weise auch andere Vorrichtungen verwendet werden, um das Rad in seiner Position zu halten. Das Magnetrad 20 enthält das zuvor erwähnte poröse Material. Ein Strömungsmittel, wie beispielsweise Helium oder Wasserstoffgas, wird durch eine Leitung 30 mittels einer Pumpe 32 gepumpt, und ferner durch den Wärmeaustauscher 16, durch die Leitung 30 in eine erste Außensammelleitung 34, durch das poröse Material im Rad, und durch die erste innere Sammelleitung 36 und ferner durch Leitung 30 zu dem thermischen Lastaustauscher 18, und von dort aus .schließlich zurück durch Leitung 30 in eine zweite innere Sammelleitung 38, durch das poröse Material im Rad in eine zweite äußere Sammelleitung 40 und schließlich zurück durch Leitung 30 in die Pumpe 32. Die Pfeile zeigen die Strömungsmittelflußrichtung an.

Eine schematische Querschnittsansicht des Rades ist in Fig. 5 dargestellt. Diese zeigt, wo belastete Teflondichtungen 40 zwischen den Sammelleitungen und dem Rad angeordnet werden können. Weicheisenabschirmmaterial 42 ist vorgesehen, um sicherzustellen, daß ein niedriges Feld über dem Radabschnitt zwischen den am weitesten rechts gelegenen Sammelleitungen.herrscht. Ein Felgenantriebszahnrad 49 ist an der Antriebswelle 24 angeordnet. Ferner sind superleitende Magnetwicklungen 46 dargestellt, ein Dewarwand- und Isolationsraum 48 sowie Bett-Teile 50, die verhindern, daß Strömungsmittel längs der Richtung der Radfelge fließt, wodurch der

nach innen oder außen gerichtete Fluß des Strömungsmittels aufrechterhalten wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiei sind adiabatische Dichtungs-Flächenelemente 52 für adiabatische Abschnitte des Rades vorgesehen, so daß Dichtungsleckstoffe von der Sammelleitung das System nicht verlassen. Fig. 4 zeigt wie ferromagnetisches oder magnetisches Material in konzentrischen Lagen abgeschieden werden kann, wie beispielsweise bei nl, n? und n3 bis hinaus zu einer abschließende Lage nN.

Als ferromagnetische oder paramagnetische Materialien im Rad können mindestens die folgenden verwendet werden:

TABELLE I

Verbindung Curie-Temperatur

Verbindung Curie-Temperatu

Gd	293 K	MnAs	318 K
Gd₃Al₂	287 K	MnP	298 K
Gd_cSi. D 4	336	CrTe	333
Gd₆Mn₂₃	480 K	GdFe₂	795 K
Gd₂Fe₁₇	490 K	GdRu₂	83 K
GdOs₂	65 K	GdMg	1.20 K
GdMg₂	81 K	GdZn	268 K
GdCd	"250 K	GdAl₂	"165 K
GdGa	190 K	Gd₃In	"213 K ·
Gd₄Co₃	"220 K	GdCo₃	"610 K
GdCo₅	"1000 K	Gd₂Co₁₇	"1200 K
GdRh	25 K	GdRh₂	74 K
GdIr₀	89 K	GdNi	"70 K
GdNi₀	"72 K	GdNi₃	"118 K
4m Gd₀Ni₇	"120 K	GdNi₅	"30 K
Gd₂Ni₁₇	"200 K	Gd₅Pd₂	335 K
GdPd	"40 K	GdPt₂	"50 K

Es auch viele ternäre Verbindungen, die eine Einstellung der Curie-Temperatur entsprechend der Stöchiometri'e gestatten, beispielsweise sei auf Tabelle II verwiesen:

	.,TABELLE	II	K,	variabel mit Ni oder Al
GdNiAl	^TC	- 61-70	K
GdCuAl	^TC	« 67-90
GdNiIn	^Tc	- 83
GdPdIn	• ^Tc	« 102	« 300-336	K
^Gd5^si4-X^GeX	^Tc

Paramagnetische Materialien von Interesse sind die folgenden:

TABELLE III

Gittersystem Verbindung

Triclinisch

Gd(NO₃)₃'6H₂O

Monociinisch GdPO.
4

GdOOH

₂ GdCl₃'6H₂O

Orthorhombisch

Gd₂(C₂O₄O)¹IOH₂O GdP₅O₁₄ GdBr₃'6H₂O B-form Gd₂O₃ GdAlO₃ GdFeO₃ GdCrO₃ GdScO₃ GdVO₃

GdTiO₃ GdMnO₃ GdCoO₃ GdGaO₃ GdRhO₃ - GdInO₃

P-Gd₂(MoO₄J₃ Gd₂O₂SO₄

TABELLE III (Fortsetzung

Gittersystem Tetragonal Verbindung

GdNbO₄ GdVO₄ GdAsO₄ Gd₂GeMoO₈ Gd₂GeWOg GdOF

GdOCi

GdOBr

GdOI

Hexagonal Cubisch ₂₂ Gd(OH)₃ GdCl₃ GdBr₃ GdI₃ GdF₃ Α-form GdH₃ Gd₃NbO₇ GdB₆ Gd(C₂H₅SO₄)'9H₂O

GdH

2.01

Gd₃(Al₉Fe,Ga)₅O₁₂ Gd₄(P₂O₇)₃ C-form Gd₂O₃ Gd₃NF₆

abschirmung erreicht wird. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiei kann das FeLd in der Hochfeid-Zone ungefähr 6T betragen, und zwar bei einem FeJd von weniger als 0,5 T in der Niedrigfeld-Zone.

Obwohl zur schematischen Darstellung ein Felgenantrieb dargestellt ist, kann am Rad auch ein Magnetantrieb verwendet werden. Der Antrieb ist vorzugsweise auf .dem Rad nahe der Außenfelge angeordnet, was stets nahe der Heißtemperatur,übl icherweise der Raumtemperatur ist. Trag- und Führungsrollen halten das Rad in der richtigen Orientierung und sind ebenfalls nahe der auf Heißtemperatur liegenden Außenfelgenzone des Rades angeordnet.

Jede Sammelleitung verbleibt nahe einer festen Temperatur und kann für beispielsweise 1 MPa Heliumgas ausgelegt sein. Die Sammelleitungen sind miteinander an den Innen- und Außendurchmessern des Rades verbunden, und zwar durch Flächenelemente aus einem eine niedrige thermische Masse aufweisenden Material, um zu verhindern, daß Strömungsmittel längs des porösen Rades und nach außen in die Umgebung leckt. Die Dichtungen in den Sammelleitungskanten können aus einem belasteten Teflonmaterial für lange Lebensdauer hergestellt sein. Andere geeignete Materialien sind dem Fachmann bekannt. Die Dichtungen sind umfangsmäßig vorgesehen und brauchen nicht vollkommen zu sein, da die inneren und äußeren Sammelleitungen, wenn notwendig, durch ein Flächenelement mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit und niedrigen thermischen Masse, wie beispielsweise. Fiberglas oder Mylar, verbunden sein können, um das Wärmeaustauschstörmungsmittelsystem vollständig hermetisch abzudichten. Das poröse magnetische Material kann aus Einzelteilchen aufgebaut sein, einem festen Material mit radial gebohrten Löchern, einem Maschenmaterial oder dgl.. Im bevorzugten Ausführurigsbeispiel können sphärische Teilchen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 0,1 bis 1 mm verwendet

TABELLE III (Fortsetzung)

Gittersytem

Verbindung

Andere

(amorph, gemischt, usw. )

Gd

_0t

Gd₂Ti₂O

₂O₇

Gd₂GaSbO₇ Gd₂CrSbO₇ Gd₂RU₂O₇ Gd₂Ir₂O₇

Gd₂SrO₄

Gd	2^S	3	CO	Se	2.99
Gd Gd	3^S MO	4		>3
Gd	2.	oi¹		3⁾	3
Gd	(PO₃
Gd	2<

Gd(HCCO)₃ GdBO-,

Der Fachmann erkennt, daß jedes spezielle ferromagnetische Material nur ungefähr 40 bis 50 K überspannen kann und jedes spezielle paramagnetische Material kann nur-unterhalb .ungefähr 25 K verwendet werden. Wenn größere Temperaturbereiche erforderlich sind, so müssen mehrere Materialien verwendet werden.

Der dargestellte Magnet ist annähernd solenoidförmig. Ein Magnet in solcher Form ist. deshalb vorzuziehen, weil er ein Magnetfeld senkrecht zur Radachse- und parallel zur Drehrichtung des Rade? erzeugt. Diese Ff¹J dori ent ie rung ist sehr wichtig und signifikant, weil dies gestattet, daß eine Niedrigfeld-Zone ohne weiteres durch ein Minimum an Weicheisen-

werden. Schirme sind auf den Innen- und Außendurchmessern jeder Teilchenlage angeordnet, um die Teilchen zurückzuhalten und doch im wesentlichen keinen zusätzlichen Druckabfall vorzusehen. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Rades verwendet Teilmittel 50, die am besten in Fig. 5 zu sehen sind, um den Strömungsmitteifiuß längs der Radfeige von den Hochfeld-Sammelleitungen zu den Niedrigfeid-Sammelleitungen zu stoppen.Das Material kann ebenfalls dünnes, mit engem Abstand angeordnete Flächenelemente aus magnetischem Material umfassen, und zwar radial orientiert anstelle daß poröses, solides oder teilchenförmiges Material verwendet wird.

Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel eine äußerst wirtschaftliche Verwendung eines Windungsvolumens zeigt und sein B-Feld senkrecht zur Radachse und parallel zur Drehrichtung des Rades aufweist, so kann es doch zweckmäßig sein, Helmholtz-Spulen auf jeder Seite des Rades in einer Hochfeld-Zone anzuordnen, um ein B-Feld parallel zur Achse und senkrecht zur Drehrichtung zu erzeugen. Eine weitere alternative Struktur besteht in der Verwendung einer rennbahnförmigen Spule über der Hochfeld-Zone des Rades, um ein B-Feld zu erzeugen, welches senkrecht zur Achse und senkrecht zu seiner Drehrichtung verläuft. Der Fachmann erkennt, daß die unterschiedlichsten exotischen Spulenformen verwendet werden, wie beispielsweise Spulen der Ying-Yang-Bauart. Die Struktur des bevorzugten Ausführungsbeispiels wurde deshalb verwendet, weil diese "Struktur eine sehr niedrige Feldzone nahe der Hochfeid-Zone erzeugt. Abschirm- und möglicherweise Kompensations-Spulen (Leitungen) können benutzt werden, um eine gute Niedrigfeld-Zone sicherzustellen.

Gemäß der Erfindung kann der magnetische Kühler leicht als ein magnetischer Verflüssiger verwendet werden, und zuwar wegen der Fähigkeit der verteilten Kühlung bei irgendeiner gewünschten Temperatur. Dies s-teht in starkem

Gegensatz zu einem Gaszykius-Verfiüssiger, wo Kühiung nur bei diskreten Temperaturen vorgesehen wird, wenn die Expansion des Gases auftritt. Das regenerative Rad kann, wie in Fig. 7 gezeigt, als ein Wasserstoffverflüssiger verwendet werden. Diese spezielie Konstruktion liefert beträchtliche Wirkungsgraderhöhungen für die Wasserstoffverflüssigung, wodurch die Kosten zur Hersteilung flüssigen Wasserstoffs beträchtlich vermindert werden. Eine Analyse der Kosten für die Hersteilung flüssigen Wasserstoffs zeigt, daß ungefähr die Hälfte der Kosten für die Ausgangsmaterialversorgung aufzuwenden ist, während die andere Hälfte für den Verfiüssigungsprozess benötigt wird. Derzeitige Verfahren zur Verflüssigung von Wasserstoff und von anderen Kryogenen basieren auf Gaskühlverfahren, die im allgemeinen einen geringen Wirkungsgrad besitzen, und zwar mit maximalen Wirkungsgraden von ungefähr 35% des· idealen Wirkungsgrades. Die magnetischen Kühlgeräte eliminieren die Hauptquellen dieser Ineffizienz und sollten in der Lage sein, bei Wirkungsgraden zu arbeiten, die das Doppelte derjenigen von Gaskühlern sind, und wodurch die Verfiüssigungskosten in signifikanter Weise reduziert werden.

Das magnetische Material muß eine ausgezeichnete Wärmeübertragungsfähigkeit besitzen, was im allgemeinen eine große Oberflächenkonfiguration bedeutet, wie beispielsweise dicht gepackte dünne Flächenelemente, ein poröses Bett aus Teilchen, wie beispielsweise Chips oder Kübelchen, oder·einen Block mit vielen Radialkanäien, die hindurchverlaufen. Am einfachsten herzusteilen ist ein gepacktes poröses Bett aus Teilchen. Die Konstruktionswahl der Bettgröße und -form für eine gegebene Kühlleistung hängt von dem Gleichgewicht zwischen der maximalen Wärmeübertragung für minimalen Druckabfallveriust und Längsleitungsverlust einschließlich diffuser Mischung ab. Die Auswahl des Strömungsmittels für die Wärmeübertragung hängt von der Temperaturspanne und dem Anwendungsfall ab. Im allgemeinen machen große Temperaturspannen ein Gas, wie beispielsweise

Helium oder Wasserstoff, erforderlich; es können aber auch Flüssigkeiten ins Auge gefaßt werden, wenn mehrere Zwischenstufen-Wärmeaustauscher verwendet werden.

Das vorstehende Ausführungsbeispiel dient zur Erläuterung der Erfindung, soll aber nicht einschränkend verstanden werden. Ausgestaltungen der Erfindung sind dem FAchmann gegeben.

Zusammenfassend sieht die Erfindung somit eine magnetische Kühlvorrichtung der Rad-Bauart vor, die in der Lage-ist, eine Kühlung über einen großen Temperaturbereich hinweg auszuführen. Ferromagnetische oder paramagnetische poröse Materialien sind umfangsmäßig entsprechend ihrer Curie-Temperatur geschichtet. Die am weitesten innen gelegene Lage oder Schicht besitzt die niedrigste Curie-Temperatur und die am weitesten außen gelegene Lage oder Schicht hat die höchste Curie-Temepratur. Das Rad wird durch ein Magnetfeld senkrecht zur Radachse und parallel zu seiner Drehrichtung verdreht. Ein Strömungsmittel wird durch Teile der Lagen gepumpt, und zwar unter Verwendung innerer und äußerer Sammelleitungen, um die Kühlung einer thermischen last zu erreichen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1/ Magnetische regenerative Radkühlvorrichtung,

ekennzeichnet durch ein im wesentlichen kreisförmiges Rad, welches eine Drehachse und konzentrische Innen- und Außenfelgen aufweist, ferromagnetische oder paramagnetisches poröses Material, angeordnet innerhalb des Rades zwischen den inneren und äußeren Felgen, wobei das Material mindestens eine Substanz aufweist, und wobei das Material eine Curie-Temperatur nahe einer Kaittemperatur T_ nahe der inneren Felge und eine Curie-Temperatur nahe einer Heißtemperatur T„ nahe der äußeren Felge besitzt,

einen annähernd solenoidförmigen Magenten, angeordnet zur Erzeugung eines Magnetfeldes im wesentlichen senkrecht zur Radachse und parallel zu dessen Drehrichtung, Mittel zum Antrieb des Rades um seine Drehachse und durch das Magnetfeld,

Mittel zur Halterung des Rades in richtiger Orientierung, erste und zweite innere Strömungsmittel-Sammelleitungen benachbart zur Innenfelge des Rades, erste und zweite äußere Sammelleitungen benachbart zur äußeren Felge des Rades,
thermische Lastaustauschmittel,
Wärmezurückweisungs-Austauschmi ttel, und Mittel zum Pumpen und Leiten eines Strömungsmittels von den Wärmezurückweisungs-AustauschmitteIn durch die erste äußere Sammelleitung, durch einen ersten Teil des Materials in dem Rad benachbart zur ersten äußeren Sammelleitung, von der äußeren Felge zur inneren Felge, in und durch die erste'innere Sammelleitung zu den thermischen Lastaustauschmitteln und von dort durch die zweite innere Sammelleitung durch einen zweiten Teil des Materials in dem Rad benachbart zur zweiten Sammelleitung in und durch die zweite Sammelleitung und zurück zu den Wärmezurückweisungsmittelη.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet einen superieitenden Magnet aufweist und Mittel zu dessen Kühlung.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Strömungsmittel Wasserstoff ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Radantriebsmittei einen Motor aufweisen sowie eine Antriebswelle und ein Felgenantriebszahnrad.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Antriebsmittel die Außenfelge des Rades antreiben.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Radantriebsmittel einen Magnetantrieb umfassen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel die Außenfelge des Rades antreiben.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel einen Reibungsantrieb umfassen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel die Außenfelge des Rades antreiben.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische oder paramagnetische Material eine Vielzahl von konzentrischen Lagen oder Schichten aufweist, daß die Innenlage eine Curie-Temperatur nahe T-, und die Außenlage eine Curie-Temperatur nahe T„ besitzt, wobei jedwede ineinander greifende Lagen an-

steigende Curie-Temperaturen von der inneren zur äußeren Anordnung gemäß deren Stelle besitzen.