DE3781364T2 - Magnetisches kuehlgeraet und kuehlverfahren mit waermeuebertragung durch leitung. - Google Patents

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft elektrische Kühlvorrichtungen
STAND DER TECHNIK
• Die derzeitigen Kühlsysteme, einschließlich der für Tiefkühlzwecke bestimmten, arbeiten fast ausschließlich mit auf einander folgenden, aus Kompression und Expansion bestehenden Gas-Kreisprozessen. Der Wirkungsgrad von ausgeführten Kühlvorrichtungen, die mit einem Gas-Kreisprozeß arbeiten, ist nur ein Bruchteil des Wirkungsgrades eines idealen Carnotschen Kreisprozesses. Im allgemeinen nimmt der Wirkungsgrad mit abnehmender Größe der Kühlvorrichtung zu. Der Wirkungsgrad von mit einem Gas- Kreisprozeß arbeitenden, in Kühlvorrichtungen ist bei Tiefsttemperaturenbereich, z. B. im Bereich von 2 Kelvin (k) bis 20 K, besonders niedrig.
• Seit langem ist es bekannt, daß bestimmte magnetische Werkstoffe einen magnetokalorischen Effekt zeigen, weil ihre Temperatur bei ihrem Einbringen in ein magnetisches Feld zunimmt und bei ihrem Entfernen aus dem Feld abnimmt. Die Einwirkung eines magnetischen Feldes auf derartige feste magnetische Werkstoffe ist dem Komprimieren (Erwärmen) eines Gases analog, und das Wegnehmen des Feldes von dem Feststoff ist dem Expandieren (Abkühlen) eines Gases analog. Daher ist erkannt worden, daß zum Kühlen, analog der Kühlung durch Gas- Kreisprozeß ein thermodynamischer Kreisprozeß durchgeführt werden kann, in dem als Arbeitsmaterial ein magnetischer Werkstoff verwendet wird. Beipsiele von neueren Konstruktionen, die für magnetische Kühlvorrichtungen vorgeschlagen worden sind, gehen aus den US-PSen 4 033 734, 4 069 028, 4 107 935, 4 332 135, 4 392 356, 4 408 463, 4 441 325, 4 457 135, 4 459 811, 4 464 903, 4 507 927 und 4 507 928 hervor.
• Allgemein kann bei jedem magnetischen Feststoff der magnetokolorische Effekt nur in einem Temperaturbereich erzielt werden, der viel kleiner ist als der Arbeitstemperaturbereich von Gasen. Eine magnetische Kühlvorrichtung mit einem einzigen magnetischen Werkstoff hat gewöhnlich auf beiden Seiten der Ordnungstemperatur TO desselben einen ausnutzbaren Temperaturbereich, während außerhalb dieses Bereiches der Werkstoff entweder magnetisch gesättigt oder nur schwach magnetisch ist. Dagegen kann man große Temperaturunterschiede zwischen der Umgebung und dem gekühlten Medium durch kaskadenartig aufgebaute magnetische Kühlvorrichtungen erzielen, in denen Werkstoffe mit geeigneten magnetischen Ordnungstemperaturen verwendet werden.
• Die Stärke des magnetokolorischen Effekts ist bei einem gegebenen Werkstoff direkt von der Stärke des auf den Werkstoff einwirkenden magnetischen Feldes abhängig. Damit der magnetokalorische Effekt voll ausgenutzt werden kann, sind sehr starke magnetische Felder vorzugsweise von mehreren Tesla erforderlich. Daher müssen gewöhnlich supraleitende Magnete verwendet werden, während bei Magneten normaler Leitfähigkeit der Wirkungsgrad niedriger ist. In den bekannten magnetischen Kühlvorrichtungen werden gewöhnlich Flüssigheliumbäder zum Kühlen der supraleitenden Magnetwicklungen unter die Sprungtemperatur des verwendeten Supraleiters verwendet. Derartige Kühlvorrichtungen müssen daher zunächst mit flüssigem Helium vorgekühlt werden, ehe sie arbeiten können. Es ist aber nicht nur notwendig, den Kühlvorrichtungen Flüssighelium zum Kühlen der supraleitenden Spulen zuzuführen, sondern es ist für den Wärmeübertragungsmechanismus der meisten vorgeschlagenen magnetischen Kühlvorrichtungen auch notwendig, daß zum Erzielen einer Wärmeübertragung ein Gas oder eine Flüssigkeit gepumpt wird. Als Alternative zu der aktiven Wärmeübertragung in magnetischen Kühlvorrichtungen durch ein Gas oder eine Flüssigkeit ist vorgeschlagen worden, in unter 20 K arbeitenden Kühlvorrichtungen Wärmerohre zu verwenden, in denen ein Wärmetransport durch einen aus dem Verdampfen und Kondensieren von Flüssighelium oder Wasserstoff bestehenden Kreisprozeß durchgeführt wird.
• Die Tatsache, daß für ein Vorhandensein von Flüssighelium gesorgt werden muß, ehe eine magnetische Tiefkühlvorrichtung in Betrieb gesetzt werden kann, ist u. U. ein beträchtlicher Nachteil, insbesondere wenn die magnetische Kühlvorrichtung als Reserve-Kühlvorrichtung arbeiten soll und von anderen Tiefkühlgeräten entfernt ist, die Flüssighelium liefern könnten. Dies kann beispielsweise in der Raumfahrt der Fall sein. Ein Inbetriebsetzen ohne Flüssighelium ist auch bei Geräten erwünscht, die nur von Zeit zu Zeit oder periodisch betrieben werden, wie dies bei medizinischen Geräten der Fall ist, in denen supraleitende Magnete gekühlt werden müssen und bei denen es unangenehm oder aufwendig ist, zum Vorbereiten des Inbetriebsetzens der Maschine Flüssighelium zu beschaffen und zu speichern.
• Bei der Verwendung von supraleitenden Magneten mit starken Magnetfeldern zum magnetischen Kühlen mit höchstem Wirkungsgrad ist die Tragkonstruktion der Vorrichtung beträchtlichen mechanischen Belastungen unterworfen. Die Tragkonstruktion muß so massiv und starr sein, daß sie den auf sie ausgeübten Kräften ohne beträchtliche Verformung gewachsen ist, darf aber nicht den mechanischen Betrieb der magnetischen Kühlvorrichtung behindern oder eine beträchtliche Wärmemenge zuführen, was den Wirkungsgrad der Kühlung beeinträchtigen würde, und darf keine übermäßig starke Wärmeübertargung zwischen warmen und kalten Bereichen zulassen.
• In der US-A-4 599 866 ist eine Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dargestellt, in der kondensierendes Helium zum Übertragen von Wärme von einer Tieftemperaturquelle zu magnetischen Werkstoff verwendet wird.
• In der im Anspruch 1 angegebenen magnetischen Kühlvorrichtung und dem in Anspruch 22 angegebenen magnetischen Kühlverfahren gemäß der Erfindung wird Wärme durch Leitung vorwiegend durch feste Leiter und durch ein gasförmiges Tieftemperaturmedium übertragen anstatt durch eine Kondensation des Tieftemperaturmediums. Infolgedessen sind für den Betrieb der Kühlvorrichtung keine Pumpen oder Wärmerohre erforderlich. Die Vorrichtung ist insbesondere für den Betrieb bei sehr niedrigen Temperaturen im Bereich von 2 K bis 20 K geeignet, bei denen das magnetische Feld in der Vorrichtung durch supraleitende Magnete erzeugt wird. Da die Wärmeübertragung in der Vorrichtung vollständig durch Wärmeleitung vorzugsweise durch feste Körper, bewirkt wird, kann man die Kühlvorrichtung bei sehr niedrigen Temperaturen betreiben, ohne daß sie mit Flüssighelium vorgekühlt werden muß, weil die Kühlvorrichtung auf Temperaturen unter den Sprungtemperaturen der supraleitenden Spulen gekühlt werden kann, ohne daß zum Vorkühlen der Spulen Flüssighelium benötigt wird.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt ein aus paramagnetischem oder ferromagnetischem Werkstoff bestehendes Rad, durch dessen Drehung alle Stellen des Rades periodisch in ein von den supraleitenden Magneten erzeugtes, starkes magnetisches Feld hinein- und aus diesem Feld herausbewegt werden. Beim Eintritt in das magnetische Feld in einem auf einer hohen Temperatur befindlichen Wärmeübertragungsbereich wird der magnetische Werkstoff des Rades erwärmt und gibt er Wärmee an Wärmeübertragungsplatten einer Wärmeabführeinrichtung ab, die Wärme durch Wärmeleitung in einer aus einem festen Leiter bestehenden Leitung an einen Schnittstellenanschluß für Hochtemperaturwärme abgibt, der mit einem kalten Anschluß einer anderen Kühlvorrichtung oder einer anderen Wärmesenke verbunden sein kann. Ein das magnetische Feld verlassender Teil des Rades kühlt sich ab und gelangt in einen Übertragungsbereich für Niedertemperaturwärme, in dem Wärme zu dem Werkstoff des Rades von Wärmeübertragungsplatten einer Abführeinrichtung für Niedertemperaturwärme übertragen wird, in der Wärme durch Wärmeleitung in einer festen Leitung von einem Niedertemperaturanschluß der Kühlvorrichtung zu den Wärmeübertragungsplatten übertragen wird. Die Platten der Abführeinrichtungen für Hoch- bzw. Niedertemperaturwärme sind von dem magnetischen Rad durch einen kleinen Zwischenraum getrennt, der mit Heliumgas gefüllt ist, so daß durch den Spalt übertragene Wärme durch das Helium geleitet wird. Damit Wärmeübertragungsleistung durch den Heliumspalt möglichst groß und die Bewegung des Heliumgases möglichst schwach ist, wird zwischen den ortsfesten Wärmeübertragungsplatten und dem rotierenden Rad nur ein sehr kleiner Abstand aufrechterhalten. Infolgedessen wird Wärme von dem Schnittstellenanschluß für Niedertemperaturwärme zu dem Schnittstellenanschluß für Hochtemperaturwärme fast ausschließlich durch Wärmeleitung in einem Feststoff übertragen, während eine Übertragung durch einen nichtfesten Spalt nur zwischen dem rotierenden Rad und den Wärmeübertragungsplatten stattfindet.
• Damit Wärme durch Wärmeleitung mit hohem Wirkungsgrad übertragen wird, besitzen die Wärmeabführeinrichtungen der Kühlvorrichtung zentrale ortsfeste Wärmeleitungen aus einem Werkstoff, der bei Tiefsttemperaturen gut leitet, beispielsweise aus Kupfer. Eine dieser Leitungen erstreckt sich längs der Mittelachse von einem Niedertemperaturanschluß zur Mitte der Kühlvorrichtung hin. Die andere Leitung erstreckt von dem Hochtemperaturanschluß längs der Mittelachse zu der Mitte hin und nähert sich der Leitung für Niedertemperaturwärme, ohne sie aber zu berühren, so daß die Wärmeisolierung zwischen ihnen aufrechterhalten wird. Die Übertrgungsplatten der Abführeinrichtungen für Hoch- und Niedertemperaturwärme bestehen vorzugsweise aus einer Mehrzahl von leitenden Platten, die mit den zugeordneten Leitungen vorzugsweise einstückig sind undd sich von der Mitte der Vorrichtung radial auswärts erstrecken. Dabei sind die Platten für Niedertemperaturwärme und die Platten für Hochtemperaturwärme um die Mittelachse herum im Winkelabstand voneinander angeordnet. Das magnetische Rad besteht vorzugsweise aus einer Mehrzahl von Ringen aus magnetischem Werkstoff, die in Abständen voneinander an einer Außenfelge befestigt sind und zwischen denen sich die Übertragungsplatten der Abführeinrichtungen für Hoch- bzw. Niedertemperaturwärme erstrecken.
• Die supraleitenden Magnete bestehen vorzugsweise aus über und unter dem magnetischen Rad angeordneten Magnetspulen, so daß Teile des Rades das magnetische Feld zwischen den Magnetspulen zyklisch durchwandern. In einer bevorzugten Ausführungsform sind auf einander entgegengesetzten Seiten der Mittelachse der Kühlvorrichtung zwei Sätze von supraleitenden Magneten so angeordent, daß jeder Teil des magnetischen Rades während jeder Umdrehung desselben zweimal durch ein Magnetfeld wandert. Daher sind auch zwei Sätze von Übertragungsplatten für Hoch- und Niedertemperaturwärme vorhanden, die im Abstand von 90º voneinander angeordnet sind. Dabei sind die Übertragungsplatten für Hochtemperaturwärme unter den Magneten und die Übertragunsplatten für Hochtemperaturwärme im Abstand von 90º dazu an Stellen angeordnet, an denen im wesentlichen kein magnetisches Feld vorhanden ist. Zwischen den Enden der Magnetspulen sind aus einem Werkstoff von hoher Permeabilität, wie Weicheisen, bestehende Kraftflußbündelungsstäbe so angeordnet, daß der Kraftflußweg von einem Satz der Magnetspulen zum anderen führt. Zur Aufnahme der starken von dem magnetischen Feld auf die supraleitenden Magnete ausgeübten Kräfte sind die Magnete vorzugsweise mit einer externen, kugelschalenartigen Stützkonstruktion abgestützt, an der die Magnete oben und unten angreifen, damit sie gegen die zwischen den Magneten ausgeübten Anziehungskräfte gehalten werden.
• Zum Kühlen der Magnete ist vorzugsweise zwischen der in der Vorrichtung vorgesehenen Leitung zum Abführen von Niedertemperaturwärme und den supraleitenden Magneten eine leitende Brücke vorgesehen, so daß diese Magnete durch reine Wärmeleitung gekühlt werden können und nicht in Flüssighelium tauchen müssen. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die magnetische Kühlvorrichtung in Betrieb gesetzt werden kann, ohne daß das System zunächst mit Flüssighelium beschickt werden muß. Zu diesem Zweck kann man zunächst mit einer mit einem Gas- Kreisprozeß arbeitenden Kühlvorrichtung den Hochtemperaturwärme- Schnittstellenanschluß der Kühlvorrichtung auf eine Temperatur in der Nähe oder unter der Sprungtemperatur der Supraleiter der Magnetspulen kühlen, beispielsweise auf eine Temperatur von etwa 15 K bis 20 K, wenn als Supraleiter Nb&sub3;Sn mit einer Sprungtemperatur von 18 K verwendet wird. Wenn man in den Magneten für einen remanenten Magnetismus sorgt, z. B. in den supraleitenden Magneten Dauermagneten angeordnet werden oder indem die supraleitenden Magnete zunächst zum Erzeugen eines kleinen magnetischen Feldes magnetisiert werden, kann die magnetische Kühlvorrichtung derart betrieben werden, daß die Leitung zum Übertragen von Niedertemperaturwärme unter die Temperatur des Anschlusses für Hochtemperaturwärme und gegebenenfalls auf eine Temperatur abgekühlt wird, die unter der Sprungtemperatur des Supraleiters bei der dann auf die Spule einwirkenden Feldstärke liegt. Wenn die Temperatur des Supraleiters unter seiner Sprungtemperatur liegt, kann die Stromstärke in dem Supraleiter beispielsweise durch eine Kraftflußpumpe derart erhöht werden, daß die Spule eine höhere Feldstärke erzeugt, die aber immer noch niedriger ist als die Feldstärke, bei der der Supraleiter in den Normalzustand übergehen würde. Durch fortgesetzten Betrieb der magnetischen Kühlvorrichtung werden die supraleitenden Magnete dann auf eine niedrigere Temperatur gekühlt, bei der sie einen noch stärkeren Strom führen (und höhere Feldstärken erzeugen) können, ohne daß die supraleitenden Spulen in den Normalzustand übergehen. Wenn man auf diese Weise schrittweise vorgeht, kann die Stromstärke in den supraleitenden Spulen auf ihr Maximum erhöht werden, bei dem das erzeugte magnetische Feld so stark ist, daß an dem Niedertemperaturanschluß der Kühlvorrichtung Temperaturen im Bereich von 2 K bis 6 K erreicht werden können.
• Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung an Hand der beigefügten Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• In den Zeichnungen zeigt
• Figur 1 schematisch ein Kühlsystem mit der magnetischen Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung,
• Figur 2 schaubildlich die magnetische Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung mit zur Darstellung des Innenaufbaus der Kühlvorrichtung weggebrochenen Teilen,
• Figur 3 die magnetische Kühlvorrichtung in einem Querschnitt nach der Linie 3-3 in Figur 2,
• Figur 4 in einer Draufsicht die in den Abführeinrichtungen für Hoch- und Niedertemperaturwärme vorgesehenen Übertragungsplatten für Hoch- bzw. Niedertemperaturwärme und
• Figur 5 in Draufsicht das magnetische Rad der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
• Gemäß der Figur 1 bildet die schematisch dargestellte und mit 10 bezeichnete magnetische Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung einen Teil eines Kühlsystems 11, das zum Kühlen einer Last 12, z. B. zum Kühlen von verdampftem Heliumgas auf Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes, z. B. von 2 K bis 6 K, betrieben wird. Alle Bauteile der magnetischen Kühlvorrichtung 10 werden auf Tiefsttemperaturen, z. B. unter 20 K, gekühlt. Zum Abschirmen von der Umgebungswärme ist die Kühlvorrichtung 10 von einem Dewar-Gefäß 14 umschlossen und von einer Wärmeabschirmung 15 umgeben, die beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium besteht, das vorzugsweise mit Schichten aus metallüberzogenem Kunststoff oder Superisoliermaterial bedeckt ist. Damit die Wärmeübertragung durch Konvektion von den Wänden des Dewar-Gefäßes 14 zu der magnetischen Kühlvorrichtung 10 und der Last 12 und zu den anderen in dem Dewar-Gefäß befindlichen Teilen des Systems möglichst gering ist, wird das Innere des Dewar-Gefäßes evakuiert. Zu den genannten anderen Bestandteilen gehören eine Kraftflußpumpe 16, die zum Zuführen von elektrischer Energie zu den Magnetspulen der magnetischen Kühlvorrichtung dient, und ein Heliumgasspeicher 17, der die Gaszufuhr zu der magnetischen Kühlvorrichtung steuert, wie nachstehend näher erläutert wird. In dem Dewar-Gefäß 14 ist ferner ein Evakuierungsanschluß 18 vorgesehen, über den eine Vakuumpumpe mit dem Innern des Dewar-Gefäßes 14 verbunden werden kann.
• Die magnetische Kühlvorrichtung 10 bewirkt, daß Wärme von der Last 12 zu einem Schnittstellenanschluß 20 für Niedertemperaturwärme- und von dort über eine Abführeinrichtung 21 für Niedertemperaturwärme in die magnetische Kühlvorrichtung 10 übertragen wird. In der Kühlvorrichtung 10 wird diese Wärme zu einer Abführeinrichtung 22 für Hochtemperaturwärme und von dort zu einem Schnittstellenanschluß 23 für Hochtemperaturwärme übertragen. Gemäß der Figur 1 kann der Anschluß 23 mit der kalten Platte 24 am Ende des unteren Teils 25 eines anderen Kühlsystems 26 in Berührung gehalten werden. In der mit einem Gas-Kreisprozeß arbeitenden Kühlvorrichtung 26 wird die Wärme von der Platte 24 aufwärts abgeführt und dann an die Umgebungsatmosphäre abgegeben. Die mit einem Kompressor 27 betriebene Kühlvorrichtung 26 kann die kalte Platte 24 auf eine Temperatur kühlen, die in der Nähe der oberen Temperaturgrenze für den Betrieb der magnetischen Kühlvorrichtung 10 liegt. Beispielsweise kann die Kühlvorrichtung 10 dazu dienen, Wärme von einer auf einer Temperatur von 2 K bis 6 K befindlichen Last abzuziehen und zu der kalten Platte 24 zu übertragen, die von der mit einem Gas-Kreisprozeß arbeitenden Kühlvorrichtung 26 auf einer Temperatur im Bereich von 20 K gehalten wird. Die mechanische Leistung für den Betrieb der magnetischen Kühlvorrichtung 10 wird von einem außerhalb des Dewar- Gefäßes 14 angeordneten Antriebsmotor 28 abgegeben, dessen Abtriebswelle sich durch ein sie ummanteldes Rohr 29 in die magnetische Kühlvorrichtung 10 erstreckt. Der Antriebsmotor 28 wird vorzugsweise außerhalb des Dewar-Gefäßes angeordnet, damit der Motor im Bedarfsfall leicht gewartet und ausgetauscht werden kann und damit die kalten Bauteile des Systems gegenüber der von dem Antriebsmotor 28 abgegebenen Wärme so gut wie möglich isoliert sind. Während des Inbetriebsetzens, des Betriebes bei konstanter Temperatur und des Außerbetriebnehmens des Systems werden dessen verschiedenen Komponenten von einem Regler 30 gesteuert, der durch Steuerleitungen 31 bis 34 mit den verschiedenen Komponenten des Systems verbunden ist. Die eine Steuerleitung 34 durchsetzt eine Meßdurchführung 35 des Dewar-Gefäßes 14 und dient zur Stromversorgung der Kraftflußpumpe 16 und ist ferner mit verschiedenen nicht gezeigten Sensoren verbunden, die in dem Dewar-Gefäß angeordnet sind und über die der Regler die Bedingungen in der Kühlvorrichtung, beispielsweise die Temperatur und den Druck in dem in dem Dewar-Gefäß angeordneten Komponenten erfassen kann.
• Das vorstehend beschriebene System kann mit besonderem Vorteil zum Kühlen der Last 12 bis herunter auf Tiefsttemperaturen verwendet werden, bei denen mit einem Gas-Kreisprozeß arbeitende Kühlvorrichtungen nur mit sehr niedrigem Wirkungsgrad arbeiten. Wenn man einen mit einem Gas-Kreisprozeß arbeitende Kühlvorrichtung 26, mit der mäßig niedrige Temperaturen, z. B. im Bereich von 20 K bis 30 K, erzielt werden können, mit einer magnetischen Kühlvorrichtung 10 kombiniert, die zum Kühlen in dem begrenzten Bereich von 20 K bis herunter auf 2 K bis 6 K dient, kann ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß anstelle der mit einem Gas-Kreisprozeß arbeitenden Kühlvorrichtung 26 auch mehrere magnetische Kühlstufen verwendet werden können, von denen jede einen begrenzten Temperaturbereich, z. B. von 40 K bis 60 K, überbrückt.
• Die Anordnung der von Teilen der magnetischen Kühlvorrichtung 10 ist teilweise weggebrochen in der Figur 2 und im Querschnitt in der Figur 3 gezeigt. Die Kühlvorrichtung 10 ist mit Stützpfosten 38 an einer Aufhängekonstruktion 37 aufgehängt, die gemäß der Figur 3 in dem Dewar-Gefäß 14 angeordnet ist und in der die Pfosten 38 an einer ebenen kreisförmigen oberen Tragplatte 39 angreifen. Die Tragkonstruktion besitzt ferner eine allgemein kugelige äußere Tragschale mit einem halbkugeligen Schalenoberteil 41, der an der Oberseite der Platte 39 angreift, ferner einen halbkugelförmigen Schalenunterteil 42, der an einer kreisförmigen, ebenen unteren Tragplatte 43 angreift, und Verbindungsflansche 44 und 45, die an den halbkugelförmigen Schalenteilen 41 bzw. 42 angreifen und an einer medialen Fuge passend aneinanderliegen. An der oberen Platte 39 sind mit Flanschschrauben 50 Stangen 49 befestigt, mit denen Magnetspulen 47 und 48 aus supraleitendem Draht an der oberen Platte 39 befestigt sind.
• Ferner sind Magnetspulen 52 und 53 aus supraleitendem Draht unter je einer der Magnetspulen 47 und 48 angeordnet. Die Stromrichtung in den Spulen 47 und 52 ist der Stromrichtung in den Spulen 48 und 53 entgegengesetzt. Die beiden Spulen 52 und 53 sind mit Stangen festelegt, die mit Flanschschrauben 55 an der unteren Tragplatte 43 befestigt sind. Zwischen den oberen Enden der Spulen 47 und 48 erstreckt sich ein aus einem Werkstoff von hoher Permeabilität, wie Weicheisen, bestehender Kraftflußbündelungsstab 57, der mit Stangen 49 festgelegt ist, die die Spulen 47 und 48 mit der oberen Tragplatte 39 verbinden. Ferner ist zwischen den Spulen 52 und 53 und der unteren Tragplatte 43 ein aus einem Werkstoff von hoher Permeabilität bestehender Kraftflußbündelungsstab 58 angeordnet, der mit den Stangen 54 festgelegt ist. Die Kraftflußrückleitstäbe 57 und 58 bilden zwischen den Spulen 47 und 48 bzw. zwischen den Spulen 52 und 53 Kraftflußwegen von hoher Permeabilität, so daß der von den vier supraleitenden Spulen erzeugte magnetische Kraftfluß in einem Kreislauf durch jede der Spulen wandert und zwischen den im seitlichen Abstand voneinander angeordneten Spulen von den Kraftflußbündelungsstäben 57 und 58 zurückgeführt wird. An den unteren Enden der supraleitenden Magnete 47 und 48 ist eine Platte 60 aus einem wärmeleitenden Werkstoff montiert, die zum Abführen von Wärme von den Magneten dient. Ferner ist an den oberen Enden der supraleitenden Magnete 52 und 53 eine leitende Platte 61 zum Abführen der Wärme von diesen Magneten montiert. Wie nachstehend näher erläutert wird, wird durch die zum Abführen von Wärme von den Magneten dienenden Platten 60 und 61 die Wärme zu der Wärmeübertragungsleitung für Niedertemperaturwärme geleitet, damit die Magnete auf einer Temperatur unter der ihrer Sprungtemperatur gehalten werden. Somit werden die supraleitenden Magnete 47, 48, 52 und 53 in erster Linie von der außen angeordneteten Tragkonstruktion getragen und hängt jede Magnetspule der Paare 47, 52 und 48, 53 im Abstand von der anderen Spule des Paares, so daß zwischen den Magneten ein freier Raum vorhanden ist.
• Die Abführeinrichtung 22 für Hochtemperaturwärme besitzt eine Wärmeübertragungsleitung 62, die sich von dem Hochtemperaturanschluß 23 abwärts durch Öffnungen in der oberen Platte 39 und dem Kraftflußbündelungsstab 57 hindurch und von dort zwischen den supraleitenden Magneten 47 und 48 erstreckt. Gemäß der Figur 3 besitzt auch die Abführeinrichtung 21 für Niedertemperaturwärme eine Wärmeübertragungsleitung 63, die sich von dem Niedertemperaturanschluß 20 aufwärts durch Öffnungen in der unteren Tragplatte 43 und dem unteren Kraftflußbündelungsstab 58 und von dort zwischen den supraleitenden Magneten 52 und 53 erstreckt. Die beiden Wärmeübertragungsleitungen 62 und 63 erstrecken sich vorzugsweise allgemein längs der Mittelachse der Kühlvorrichtung 10 und sind einander in der Nähe der Mitte der Kühlvorrichtung nahe benachbart, ohne einander zu berühren.
• Die Hochtemperaturleitung 62 besitzt zwei im wesentlich horizontale Teile 64, die in einer Mehrzahl von im Vertikalabstand voneinander angeordneten Wärmeübertragungsplatten 65 enden. Wie am besten in der vollständig im Querschnitt gezeichneten Figur 3 erkennbar ist, bestehen der vertikale Teil der Hochtemperaturleitung 62, deren horizontale Teile 64 und die Platten 65 aus einem festen Werkstoff, der bei der Betriebstemperatur der Kühlvorrichtung ein guter Wärmeleiter ist, und bilden sie einen durchgehenden Wärmeübertragungsweg durch den Feststoff. Beispielsweise hat es sich gezeigt, daß bei Tiefsttemperaturen zwischen 2 K und 20 K hochraffiniertes Kupfer (z. B. sauerstoffreies Kupfer hoher Leitfähigkeit der attestierten Güteklasse Nr. 101) ein ausgezeichneter Wärmeleiter ist und wahrscheinlich dier Werkstoff ist, aus dem die Teile 62, 64 und 65 der Abführeinrichtung für Hochtemperaturwärme vorzugsweise hergestellt werden sollen. Man kann auch Aluminium sehr hoher Reinheit für den Betrieb bei Tiefsttemperaturen verwenden, und in anderen Betriebstemperaturbereichen kann man gegebenenfalls auch andere Werkstoffe verwenden. Die verschiedenen Teile der Wärmeabführeinrichtungen können eine einstückige Konstruktion bilden oder aus mehrenen Teilen zusammengesetzt sein, die zur Bildung eines kontinuierlichen Wärmeübertragungsweges durch die Wärmeabführeinrichtung zusammengeschweißt werden. In den Zwischenräumen zwischen den übereinander angeordneten Platten 65 sind mehrere dünne, flache Ringe 67 angeordnet, von denen drei gezeigt sind und die aus einem magnetischen Werkstoff bestehen, der so ausgewählt ist, daß er bei der Betriebstemperatur der magnetischen Kühlvorrichtung 10 den gewünschten magnetokalorischen Effekt zeigt. Die Ringe 67 sitzen fest in den Schlitzen in einer kreisförmigen äußeren Felge 68, die vorzugsweise aus einem Werkstoff besteht, der bei Tiefsttemperaturen ein schlechter Wärmeleiter ist, beispielsweise aus Titanlegierungen oder nichtrostendem Stahl. Die Ringe 67 können in den Schlitzen in Preßpassung angeordnet und mit einem flüssigen Klebstoff (z. B. einem füllstoffhaltigen Epoxidharz) stoffschlüssig festgelegt sein, der durch radiale Einspritzlöcher in einen kleinen Raum am Außenumfang der Ringe 67 gespritzt wird. Am Außenumfang der Felge 68 ist ein flanschartiger Zahnkranz 69 befestigt, der an seinem Umfang mit Zähnen 70 ausgebildet ist. Die magnetischen Ringe 67, die sie haltende Felge 68 und der Zahnkranz 69 bilden zusammen ein magnetisches Rad 71, das drehbar in einem Lager 72 gelagert ist, das zwischen dem drehbaren magnetischen Rad 71 und einem Radgehäuse 74 angeordnet ist. Da sich das Lager in dem magnetischem Feld dreht, besteht das Lager vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, wie Monelmetall. Das Radgehäuse 74 ist mit seinem kreisförmigen inneren Umfangsrand an den horizontalen Teilen 64 der Leitung 62 befestigt und an ihr mit einer Dichtnut und einem Dichtdraht 75 aus Indium oder auf andere geeignete Weise abgedichtet und ist an seinem kreisförmigen äußeren Umfangsrand mit Flanschen 75 abgestützt, die an den Flanschen 44 und 45 der Tragkonstruktion befestigt sind. Eine kreisscheibenförmige obere Deckplatte 77 ist mit ihrem inneren Umfangsrand am oberen Rand der horizontalen Teile 64 der Leitung 62 befestigt und an ihr mit einer Nut6 und einem Dichtdraht 78 aus Indium abgedichtet und ist an ihren äußeren Umfangsrändern an dem Flanschteil 76 des Radhäuses abgedichtet. Infolgedessen ist das magnetische Rad 71 an dem Radgehäuse 74, der Leitung 62 zum Übertragen von Hochtemperaturwärme und der Deckplatte 77 abgedichtet. Zum Drehen des magnetischen Rades 71 dreht der Motor 28 über eine Abtriebswelle 79 ein Antriebszahnrad 80, dessen Zähne mit den Zähnen 70 des Zahnkranzes 69 kämmen. Das Zahnrad 80 ist in einem Gehäuse gelagte, das einen an dem oberen Abdeckteil 77 abgedichteten, oberen Gehäuseteil 82 besitzt. In einem in dem Gehäuse 82 montierten Lager 83 ist die Antriebswelle 79 an ihrem Ende um eine vertikale Achse drehbar gelagert. Zum Übertragen des Abtriebsdrehmoments von dem Motor 28 auf die untere Welle 79 kann man eine isolierte und abgedichtete Kupplung 84, beispielsweise eine Magnetkupplung, verwenden.
• Die Übertragungsleitung 63 für Niedertemperaturwärme besitzt ebenfalls horizontale Teile 85, von denen einer in der Figur 2 gezeigt ist und die den horizontalen Teilen 64 der Leitung 62 zum Abführen von Hochtemperaturwärme im wesentlichen ähneln und gegenüber den horizontalen Teilen 64 um 90º versetzt sind. Von den horizontalen Teilen 85 erstrecken sich mehrere in Vertikalabständen voneinander angeordnete Wärmeübertragungsplatten 86, die im wesentlichen ebenso angeordnet sind wie die Platten 65 der Abführeinrichtung 22 für Hochtemperaturwärme. In den Zwischenräumen zwischen den Platten 86 sind die Ringe 67 aus magnetischem Werkstoff angeordnet. Jeder der Teile 85 ist oben und unten mit einer Erhöhung 87 ausgebildet. Die Erhöhungen 87 stehen mit den Platten 60 und 61 der magnetischen Wärmeabführplatten 60 und 61 in fester wärmeübertragender Berührung, so daß von den supraleitenden Spulen zu der Übertragunsleitung für Niedertemperaturwärme ein durchgehender Wärmeabführweg vorhanden ist. Wie am besten in der Figur 3 erkennbar ist, ist zwiwchen den nahe beieinander angeordenten zentralen Innenteilen der Leitung 82 für Hochtemperaturwärme 82 und der Leitung 63 zum Übertragen von Niedertemperaturwärme ein kleiner Zwischenraum 89 vorhanden. Die Leitung 63 für Niedertemperaturwärme, einschließlich ihres sich längs der vertikalen Mittelachse der Kühlvorrichtung erstreckenden, vertikalen Teils und der horizontalen Teile 85, und die Wärmeübertragungsplatten 86 bilden vorzugsweise zusammen einen durchgehenden Wärmeübertragungsweg und bestehen aus einem festen Werkstoff, der bei Tiefsttemperaturen ein guter Wärmeleiter ist, beispielsweise ausch hochraffiniertem Kupfer.
• Gemäß der Figur 4 sind in den Bereichen zwischen den horizontalen Leitungsteilen 64 und den Platten 65 der Abführeinrichtung 22 für Hochtemperaturwärme und den horizontalen Teilen 85 und den Platten 86 der Abführeinrichtung für Niedertemperaturwärme sind keilförmige Isolierplatten 90 angeordnet. Die isolierenden Keilpaltten 90 sind zwischen den einander benachbarten Platten 65 und 86 in Vertikalabständen voneinander angeordnet, damit die magnetischen Ringe 67 zwischen ihnen hindurchtreten können. Die Isolierpaltten 90 bestehen aus einem gut tragfähigen Werkstoff, der bei Tiefsttemperaturen ein schlechter Wärmeleiter ist. Es hat sich gezeigt, daß ein besonders vorteilhafter Werkstoff für die Platten 90 nichtrostender Stahl (z. B. nichtrostender Stahl 310) ist, weil er eine ausgezeichnet Tragfähigkeit und einen ähnlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie Kupfer, aber bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes ein schlechter Wärmeleiter ist und daher die Übertragungsplatten 65 für Hochtemperaturwärme von den Übertragungsplatten 86 für Niedertemperaturwärme isolieren kann. Man kann auch andere geeignete Werkstoffe verwenden, z. B. eine Titanlegierung, wie Ti-6A1-4V. Wie am besten in der Figur 2 erkennbar ist, ist die obere Abschlußplatte 77 an der Oberseite der isolierenden Keilplatten 90 und der Teile 85 der Abführeinrichtung für Niedertemperaturwärme abgedichtet, so daß das rotierende magnetische Rad 71 gegenüber dem die magnetische Kühlvorrichtung umgebenden Raum vollständig abgedichtet ist. Das dicht abgeschlossene Volumen, in dem das magnetische Rad rotiert, ist mit einem Wärmeübertragungsgas, vorzugsweise Helium 3 oder Helium 4, gefüllt, das zwischen den Abführplatten 65 oder 86 und den magnetischen Ringen 67 Wärme durch Leitung und Konvektion überträgt, wie nachstehend erläutert wird. Die Platten 65, 86 und 90 haben vorzugsweise dieselbe Dicke, die so gewählt werden kann, daß eine gewünschte Kombination eines hohen Wirkungsgrades der Wärmeübertragung und einer hohen Tragfähigkeit erzielt wird, und sind vorzugsweise zu einer einstückigen Konstruktion zusammengeschweißt. Plattendicken im Bereich von 0,76 bis 3,8 mm haben sich für den Betrieb bei Tiefsttemperaturen als zweckmäßig erwiesen, doch können gegebenenfalls auch andere Abmessungen gewählt werden. Da die Platten 90 zwischen den Abführeinrichtungen 22 und 21 für Hoch- bzw. Niedertemperaturwärme eine lastaufnahmefähige Verbindung herstellen, kann das Gewicht der beiden Abführeinrichtungen dadurch aufgenommen werden, daß der Hochtemperaturanschluß 23 an der kalten Platte 24 der mit einem Gas-Kreisprozeß arbeitenden Kühlvorrichtung angebracht wird. Bei einer derartigen Abstützung sind keine starken, lastaufnahmefähigen Verbindungen zwischen den Wärmeabführeinrichtungen und der äußeren Tragschale erforderlich.
• Eine bevorzugte Ausbildung der magnetischen Ringe 67 ist in der Figur 5 gezeigt. Dort besteht der Ring 67 aus einer Mehrzahl von voneinander getrennten Segmenten 92. Die Fugen 93 zwischen den einzelnen Segmenten können mit einem Isoliermaterial (z. B. tieftemperaturfesten Epoxidharz) ausgefüllt sein oder können vorzugsweise so ausgebildet sein, daß zwischen den Segmenten kleine Abstände vorhanden sind, die mit dem sie umgebenden Heliumgas gefüllt sind, so daß zwischen den Segmenten eine wirksame Wärmesperre vorhanden ist. Vorzugsweise besteht der magnetische Ring 67 aus zahlreichen voneinander getrennten Segmenten, weil bei dieser Konstruktion bei rotierendem magnetischen Rad, wenn Teile der magnetischen Ringen in das magnetische Feld ein- und aus ihm heraustreten, die Wämeübertragung zwischen den Segmaten auf ein Minimum herabgesetzt ist. Vorzugsweise soll der Temperaturunterschied zwischen in dem magnetischen Feld und außerhalb desselben befindlichen Teilen aus den magnetischen Werkstoff möglichst groß, un daher die Wärmeleitung in der Umfangsrichtung der Ringe möglichst klein sein.
• Die Ringe 67 können aus zahlreichen Werkstoffen hergestellt werden, beispielsweise aus den verschiedenen Werkstoffen, die in der US-PS 4 408 463 (Barclay) angegeben sind, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Ein bevorzugter Werkstoff ist Gadoliniumgalliumgranat, der bei Tiefsttemperaturen, insbesondere im Bereich von 2 K bis 20 K, einen befriedigenden magnetokalorischen Effekt zeigt und der befriedigende wärmetechnische und Festigkeitseigenschaften hat. Insbesondere wird mit magnetischen Ringen 67 mit Segmenten aus Gadoliniumgalliumgranat in einem keramischen Körper mit geeigneten Abmessungen von z. B. von etwa 3,2 mm eine genügende axiale Wärmeleitung durch den Werkstoff erzielt, so daß die Wärme mit hohen Wirkungsgrad zu und von dem Werkstoff übertragen wird, wenn er in das magnetische Feld ein- und aus ihm heraustritt. Bei der Verwendung von Werkstoffen wie dem Gadoliniumgalliumgranat ist es besonders zweckmäßig, die in der Figur 5 gezeigten, segmentierten magnetischen Ringe zu verwenden, und zwar entweder mit in Abstand voneinander angeordneten Segmenten oder mit einem Wärmeisolator, wie Epoxidharz, ausgefüllten Fugen, weil sonst in dem Ring unzulässig große Wärmemengen in Umfangsrichtung übertragen werden könnten. Man kann aber auch einen porösen Gadoliniumgalliumgranat verwenden, der eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat.
• Vorstehend wurde angegeben, daß das rotierende magnetische Rad 71 durch den unteren Gehäuseteil 74 und die obere Deckplatte 77 gegenüber dem umgebenden Raum abgedichtet ist und daß das Innenvolumen mit Helium gefüllt ist, und zwar mit Helium 3 oder Helium 4, das unter einem gewünschten optimalen Druck steht, der bei Helium 3 vorzugsweise etwa 1,5 Atmosphären beträgt. Die vorstehend beschriebene, bevorzugte Ausführungsform, in der das magnetische Rad 71 um ortsfeste Wärmeabführeinrichtungen 21 und 22 herumläuft, hat den besonderen Vorteil, daß das um das rotierende Rad herum vorhandene, abgedichtete Heliumvolumen kleiner sein kann als es bei einem zentral angeordneten und von ortsfesten Wärmeabführeinrichtungen umgebenen Rad erforderlich wäre. Damit eine möglichst hohe Wärmeübertragunsleistung durch den Spalt zwischen den magnetischen Ringen 67 und den Wärmeübertragungsplatten 65 und 86 erzielt wird, ist dieser Spalt möglichst klein. Es hat sich gezeigt, daß mit einem Spalt im Bereich von 0,025 bis 0,25 mm eine befriedigende Wärmeübertragung erzielt wird, doch kann auch ein Spalt von bis zu 0,51 mm verwendet werden, ohne daß die Wärmeübertragung durch eine kative Konvektion oder durch ein Pumpen des Heliums unterstützt zu werden braucht. Man kann in den Spalten auch flexible Schleifdichtungen montieren, um eine Gasströmung in der Umfangsrichtung zu hemmen.
• Die magnetische Kühlvorrichtung 10 gemäß der Erfindung ist für den Betrieb im Tiefsttemperaturbereich, z. B. zum Übertrag von Wärme von einer zu kühlenden Last 12 mit einer Temperatur von etwa 4 K auf den Schnittstellenanschluß 23 für Hochtemperaturwärme geeignet, der sich auch auf einer Temperatur von oder büer etwa 15 K befindet. Die Drehzahl des magnetischen Rades kann so gewählt werden, daß zwischen der Wärmeübertragung und dem Wirkungsgrad eine optimale Beziehung erzielt wird. Bei jeder Vierteldrehung des magnetischen Rades tritt mindestens eines der aus magnetischem Werkstoff bestehenden Segmente 93 der Ringe 67 aus einem starken magnetischen Feld in einem Bereich zum Übertragen von Hochtemperaturwärme in ein schwaches Mangetfeld in einem Bereich zum Übertragen von Niedertemperaturwärme, in dem sich das Segment auf einer Temperatur von 2 K bis 4 K befinden kann. Für die Wärmeübertragung zwischen den Segmenten 92 der magnetischen Ringe und den Wärmeübertragungsplatten 65 oder 86 muß genügend Zeit zur Verfügung stehen. In einer Kühlvorrichtung 10 mit den vorstehend bespielsweise angegebenen Abmessungen hat sich eine Drehzahl von 10 bis 30 U/min als befriedigend erwiesen.
• Besonders wichtig ist es, daß als Wärmeübertragungsmedium gasförmiges Helium, und zwar Helium 3 oder Helium 4, bei überkritischen Temperaturen verwendet werden kann, so daß ein Betrieb mit Lasten mit einer Nenntemperatur von nur 4,2 K möglich ist und die Last bis auf 2 K heruntergekühlt werden kann. Helium 4 muß unter 4,2 K unter einem Druck von mindestens 2,2, bar gehalten werden und kann unter 2,2 K nicht verwendet werden, weil es dann in einen supraflüssigen Zustand übergeht. Helium 3 ist ein vorteilhaftes Wärmeübertragungsmedium, weil es einen Betrieb bei niedrigeren Temperaturen und unter niedrigeren Drücken ermöglicht. Damit es nicht notwendig ist, beim Abkühlen und Aufwärmen der magnetischen Kühlvorrichtung den das rotierende magnetische Rad 71 umgebenden, abgedichteten Raum zu füllen und zu entleeren, besteht der Heliumgasspeicher 17 aus einem mit Kunstkohle gefüllten Hilfsbehälter, der durch ein nciht gezeigtes Ventil mit dem das magnetische Rad umgebenden, abgedichteten Raum verbindbar ist, so daß Helium in der dem Behälter befindlichen Kunstkohle eingeschlossen bleibt, bis die Maschine annähernd bis auf die Betriebstemperatur heruntergekühlt worden ist, z. B. durch den Betrieb der mit einem Gas-Kreisprozeß arbeitenden Kühlvorrichtung 26, die magnetische Kühlvorrichtung auf etwa 20 K bis 15 K heruntergekühlt worden ist. Bei dieser Temperatur kann der Hilfsbehälter, in dem Helium in Kunstkohle eingeschlossen ist, mit dem abgeschlossenen Raum in Verbindung gebracht und kann durch Erwärmen der Kunstkohle das Helium in den dicht abgeschlossenen Raum ausgetrieben werden, bis ein gewünschter Druck erreicht ist. Dann kann durch Schließen des Ventils der Hilfsbehälter von dem abgedichteten Raum abgesperrt und kann die Kühlvorrichtung weiter heruntergekühlt werden. Zum Aufwärmen der Kühlvorrichtung kann der Hilfsbehälter 17 mit Kunstkohle wieder mit dem dicht abgeschlossenen Raum in Verbindung gebracht werden, so daß beim Aufwärmen der Kühlvorrichtung das Helium in den Hilfsbehälter mit Kunstkohle getrieben und in der Kunstkohle eingeschlossen wird, und daher der Druck des Heliums in dem dicht abgeschlossenen Raum relativ konstant bleibt und nicht auf einen zu hohen Wert ansteigt. Bei Verwendung des Kunstkohle enthaltenden Hilfsbehälters 17 brauchen das Radgehäuse 74 und die Deckplatt 77 nicht für extrem große Druckunterschiede ausgelegt zu sein. Ferner ist es dank der Anordnung eines unabhängigen Heliumvorrats für die Kühlvorrichtung nicht notwendig, diese zum Inbetriebsetzten von einer externen Quelle aus mit Heliumgas zu beschicken.
• Ein besonderer Vorteil der eine Wärmeübertragung vollständig durch Wärmeleitung bewirkenden Konstruktion gemäß der Erfindung besteht darin, daß zum Inbetriebsetzen der Kühlvorrichtung und zu ihrem Herungerkühlen auf Teifsttemperaturen kein Flüssighelium benötigt wird. Beispielsweise kann zum Inbetriebsetzen die mit einem Gas-Kreisprozeß arbeitende Kühlvorrichtung 26 betrieben werden, bis sich deren kalte Platte 24 und der Schnittstellenanschluß 23 der magnetischen Kühlvorrichtung auf einer Temperatur am unteren Ende des Betriebstemperaturbereiches der mit einem Gas-Kreisprozeß arbeitenden Kühlvorrichtung befinden, beispielsweise auf einer Temperatur von 15 K bis 20 K. Dann kann in den das magnetische Rad 71 umgebenden, abgedichteten Raum Helium bis zum Erreichen des gewünschten Druckes eingeleitet und der Antriebsmotor 28 zum Drehen des magnetischen Rades in Betrieb gesetzt werden.
• Die supraleitenden Magnetspulen 47, 48, 52 und 53 bestehen vorzugsweise aus einem supraleitenden Werkstoff, dessen Sprungtemperatur in der Nähe oder oberhalb der tiefsten Temperatur liegt, die mit einem Gas-Kreisprozeß arbeitende Kühlvorrichtung erzeugen kann. Ein geeigneter Supraleiter ist Niobium-Zinn (Nb&sub3;Sn), dessen Sprungtemperatur bei der Feldstärke Null bei etwa 18 K liegt Wenn man daher die Temperatur der Spulen der magnetischen Kühlvorrichtung 10 unter die Sprungtemperatur setzt, z. B. auf etwa 15 K, können die Spulen im supraleitenden Zustand arbeiten. Strom kann den Spulen auf verschiedene Weise zugeführt werden, beispielsweise mit Hilfe einer Kraftflußpumpeinrichtung 16, die für eine induktive Kopplung zwischen einer außen angeordenten Primärspule und einer aus einer oder zwei Windungen bestehenden, supraleitenden Sekundärspule für die Magnetspulen 47, 48, 52 und 52 sorgt. Ein Beispiel eines geeigneten Kraftflußpumpsystems ist in dem Artikel "Automated Flux Pump for Energizing High Current Superconducting Loads," Rev. Sci. Instrum., Vol. 46, No. 5, Mai 1975, auf S. 582 bis 585, beschrieben, auf den hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Wenn in den Magnetspulen ein relativ schwacher Strom induziert wird, der bei der vorhandenen Temperatur der Spulen ein magnetisches Feld mit einer niedrigeren als der kritischen Feldstärke erzeugt, kann die magnetische Kühlvorrichtung damit beginnen, die Temperatur der Abführeinrichtung 21 für Niedertemperaturwärme abzusenken, so daß die Magnetspulen durch die Wirkung der magnetischen Wärmeabführplatten 60 und 61 heruntergekühlt werden, die mit der Wärmeübertragungsleitung 63 leitend verbunden sind. Die Temperatur, auf die die Abführeinrichtung für Niedertemperaturwärme heruntergekühlt werden kann, steht mit der Feldstärke des von diesen Magnetspulen erzeugten Magnetfeldes direkt in Beziehung. Daher kann der schwache in den Spulen induzierte Strom diese um einige Grade herunterkühlen. In den kälteren Spulen können dann durch Kraftflußpumpen stärkere Ströme induziert werden, weil die gekühlten Spulen auch bei höheren Stromstärken und daher höheren Feldstärken in dem supraleitenden Zustand verbleiben. Indem man in aufeinanderfolgenden Schritten jeweils die Kühlvorrichtung auf eine niedrigere Temperatur kühlt und dann in den Spulen einen stärkeren Strom induziert, kann man die magnetische Kühlvorrichtung auf eine Temperatur herunterkühlen, bei der die Spulen das gewünschte maximale magnetische Feld erzeugen können. Wenn die Spulen die maximale Feldstärke erzeugen, kann die Kühlvorrichtung in ihrem niedrigsten Temperaturbereich arbeiten, in dem der Schnittstellenanschluß 20 für Niedertemperaturwärme bis in den Bereich von 2 K bis 4 K heruntergekühlt werden kann.
• Anstelle der Maßnahme, die supraleitenden Spulen zunächst zum Erzeugen eines Magnetfeldes zu veranlassen kann man innerhalb der Spulen 47, 48, 52 und 53 Hilfsdauermagnete anordnen, die eine relativ niedrige Feldstärke haben und die beispielsweise die Stangen 49 und 54 bilden können. Auf diese Weise kann das magnetische Rad 71 auch dann von einem magnetischen Feld durchsetzt werden, wenn kein Strom in den Spulen fließt. Bei Verwendung derartiger Dauermagnete kann die magnetische Kühlvorrichtung 10 auch dann in Betrieb gesetzt werden, wenn die Temperatur der Spulen über ihrer Sprungtemperatur liegt. Dank des von den Dauermagneten erzeugten Magnetfeldes kann die Kühlvorrichtung 10 die Temperatur der Abführeinrichtung 21 für Niedertemperaturwärme und damit auch die Temperatur der supraleitenden Spulen unter deren Sprungtemperatur senken. Dann kann in den Spulen zunächst ein relativ schwacher Strom induziert werden und kann danach die Kühlvorrichtung schrittweise auf die gewünschte Endtemperatur heruntergekühlt werden.
• Das von den starken Strömen in den Magnetspulen 47, 48, 52 und 53 erzeugte Magnetfeld übt äußerst starke Kräft aus, die allgemein trachten, die Spulen 47 und 52 zueinander hin zu ziehen und die Spulen 58 und 53 zueinander hin zu ziehen. Diese Kräfte werden von den Stangen 49 und 54 aufgenommen, mit denen die Spulen an den Endplatten 39 und 43 befestigt sind. Von den halbkugelförmigen Schalenteilen 41 und 42 werden die auf die Endplatten 39 und 40 ausgeübten Kräfte auf die Flansche 44 und 45 verteilt. Die Teile der Außenschale sind vorzugsweise kugelförmig, weil sie mit dieser Ausbildung eine relativ hohe Festigkeit haben und daher den im wesentlichen aus Druckkräften bestehenden Kräften gewachsen sind, die von den Magnetspulen auf die Endplatten 39 und 43 ausgeübt werden. Dank dieser Kugelform ist für die Spulen eine sehr feste und starre Tragkonstruktion vorhanden, deren im Betrieb der Kühlvorrichtung zu kühlende Masse nur sehr klein ist. Die Außenschale ist mit einer von einer Rippe umgebenden Öffnung 46 ausgebildet, durch die hindurch die Abtriebswelle 79 und das sie umgebende Rohr 29 eingeführt werden können, die aber die Starrheit der Gesamtkonstruktion nicht nennenswert beeinträchtigt, weil die mechanischen Kräfte um die Öffnung 46 herum durch die sie umgebenden Teile der Schale 41 verteilt werden.
• Die dargestellte magnetische Kühlvorrichtung 10 besitzt zwei Magnetspulenpaare, und zwar ein erstes Paar 47 und 52 und ein zweites Paar 48 und 51. Natürlich kann man gegebenenfalls auch nur ein einziges Magnetspulenpaar verwenden. Die dargestellte Verwendung von zwei Spulensätzen hat aber den besonderen Vorteil, daß die von den Spulen ausgeübten Kräfte in Bezug auf die Mittelachse der magnetischen Kühlvorrichtung gegengleich sein können, wenn die Ströme in den Spulen jedes Paares in einander entgegengesetzten Richtungen fließen und daher um die Mitte der Kühlvorrichtung herum ein geschlossener Kraftflußrückleitweg vorhanden ist. Ferner kann man die Spulenpaare so betreiben, daß das magnetische Rad in verschiedenen Stellungen unsymmetrischen magnetischen Feldern ausgesetzt ist, so daß ein unsymmetrisches Feldprofil erhalten wird, was in Kühlvorrichtungen mit hin- und hergehender Bewegung im allgemeinen nicht erzielbar ist. Zum Erhöhen des themodynamischen Wirkungsgrades ist es allgemein vorteilhaft, wenn die Feldstärke als Funktion der Drehstellung nicht vollkommen symmetrisch ist. Ein von den supraleitenden Spulen erzeugtes asymmetrisches Feld kann auf verschiedene Weise erhalten werden. Beispielsweise können die Magnete gegenüber den Wärmeübertragungsplatten der Abführeinrichtungen exzentrisch angeordnet sein oder es können zum Verzerren des Feldes unter der Spule permeable Eisenplatten oder -keile angeordnet werden, oder die Magnete können so gewickelt sein, daß sie keinen kreisförmigen, sondern einen elliptischen oder unregelmäßigen Querschnitt haben.
• In der dargestellten Kühlvorrichtung dreht sich das magnetische Rad 71 um zentral angeordnete, ortsfeste Wärmeabführeinrichtungen 21 und 22 herum. Das magnetische Rad könnte aber natürlcih auch um eine Mittelachse umlaufen, und die Wärmeabführeinrichtungen 21 und 22 könnten den Umfang des Rades umgeben. Die hier dargestellte und beschriebene Ausführungsform wird bevorzugt, weil über die aus Feststoff bestehende Wärmeabführleitungen Wärme auf einem sehr kurzen Weg übertragen werden kann, wenn mehr als ein Magnetpaar verwendet wird und daher eine Wärmeübertragung zu und von dem rotierenden magnetischen Rad in mehr als einer Stellung desselben stattfindet.

Claims (26)

1. Magnetische Kühlvorrichtung mit einem magnetokalorisch wirksamen, magnetischen Werkstoff (67), der beweglich gelagert ist; mit einer Einrichtung mit einer supraleitenden Spule (47, 48, 52, 53) zum Erzeugen eines magnetischen Feldes an einer über einem Teil des magnetischen Werkstoffes liegenden Stelle derart, daß beim Bewegen des Werkstoffes jeder Punkt des magnetischen Werkstoffes in das und aus dem magnetischen Feld bewegt werden kann; mit einer Hochtemperaturwärme-Abführeinrichtung (22) mit einer massiven leitfähigen Wärmeübertragungsleitung (62), die so angeordnet ist, daß sie einen unterbrochenen Leitweg von einer Wärmeübertragungsplatte (65) im Bereich des in dem magnetischen Feld befindlichen Teils des magnetischen Werkstoffes zu einem Hochtemperaturwärme-Schnittstellenanschluß (23) bildet; mit einer Kühleinrichtung (26) zum Abziehen von Wärme von dem Hochtemperaturwärme-Schnittstellenanschluß (23), so daß auch die supraleitende Spule gekühlt wird; und mit einer Niedertemperaturwärme-Abführeinrichtung (21) zum Übertragen von Wärme von einem Niedertemperaturwärme-Schnittstellenanschluß (20) zu dem magnetischen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedertemperaturwärme-Abführeinrichtung eine massive leitfähige Wärmeübertragungsleitung (63) besitzt, die von dem Niedertemperaturwärme-Schnittstellenanschluß (20) zu einer Wärmeübertragungsplatte (86) im Bereich einer außerhalb des magnetischen Feldes befindlichen Stelle des magnetischen Werkstoffes (67) führt, und daß eine Einrichtung (74, 77, 75, 78) vorgesehen ist, die dazu dient, ein unter den Arbeitsbedingungen, denen es unterworfen wird, nichtkondensierbares Wärmeübertragungsgas in dem Raum zwischen dem magnetischen Werkstoff (87) und der Wärmeübertragungsplatte (86) zu halten, so daß Wärme von der mit der Niedertemperaturwärme-Abführleitung (63) leitend verbundenen Wärmeübertragungsplatte (86) durch Wärmeleitung durch das Gas zu dem magnetischen Werkstoff (87) übertragen wird und Wärme von dem magnetischen Werkstoff (87) durch Wärmeleitung durch das Gas zu der Wärmeübertragungsplatte (65) übertragen wird, die mit der Hochtemperaturwärme-Abführleitung (62) leitend verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Werkstoff (67) ein Rad (71) ist und daß eine Einrichtung (28, 29) zum Drehantrieb des magnetischen Rades (71) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Rad (71) eine Mehrzahl von flachen Ringen (67) aus magnetischen Werkstoff besitzt, die auf einer den Ring umgebenden Haltefelge (68) montiert sind, die die magnetischen Ringe (67) in Abständen übereinander hält, und daß die Hochtemperaturwärme-Abführeinrichtung eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsplatten (65) besitzt, die in einem Hochtemperaturwärme-Übertragungsbereich zwischen die magnetischen Ringe (67) des magnetischen Rades (71) eingreifen, und daß die Niedertemperaturwärme-Abführeinrichtung eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsplatten (86) besitzt, die in einem Niedertemperaturwärme-Übertragungsbereich zwischen die magnetischen Ringe (67) eingreifen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsplatten (65) und die Wärmeübertragungsleitung (62) der Hochtemperaturwärme-Abführeinrichtung (22) einstückig aus einem festen Werkstoff bestehen, der bei krytotechnischen Temperaturen ein guter Wärmeleiter ist, und daß die Niedertemperaturwärme-Übertragungsplatten (86) und die Niedertemperaturwärme-Übertragungsleitung (63) einstückig aus einem Werkstoff bestehen, der bei krytotechnischen Temperaturen ein guter Wärmeleiter ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperaturwärme-Übertragungsleitung (62) von den Wärmeübertragungsplatten (65) allgemein längs der Mittelachse zu einem Hochtemperaturwärme-Schnittstellenanschluß (23) führt und daß die Niedertemperaturwärme-Übertragungsleitung (63) von den Wärmeübertragungsplatten (86) allgemein längs der Mittelachse zu einem Niedertemperaturwärme-Schnittstellenanschluß (20) führt und von der Hochtemperaturwärme-Übertragungsleitung (62) wärmeisoliert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochtemperaturwärme-Abführelement (22) einen zweiten Satz von Wärmeübertragungsplatten (65) bestizt, die sich von der Mittelachse der Vorrichtung in einer den Wärmeübertragungsplatten (65) des ersten Satzes entgegengesetzten Richtung auswärts erstrecken und einen zweiten Hochtemperaturwärme-Übertragungsbereich bilden, daß die Niedertemperaturwärme-Abführeinrichtung einen zweiten Satz von Wärmeübertragungsplatten (86) besitzt, die sich von der Mittelachse der Vorrichtung in einer den Wärmeabführplatten (86) des ersten Satzes entgegengesetzten Richtung auswärts erstrekken und einen zweiten Niedertemperaturwärme-Übertragungsbereich bilden und daß die Einrichtung (47, 48, 52, 53) zum Erzeugen eines Magnetfeldes ein Magnetfeld erzeugt, das sich durch beide Hochtemperaturwärme-Übertragungsbereiche auf den entgegengesetzten Seiten der Mittelachse erzeugt, und in den Niedertemperaturwärme-Übertragungsbereichen im wesentlichen kein Magnetfeld erzeugt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Ringe (67) in der Umfangsrichtung in zahlreiche einzelne Segmente (92) unterteilt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Segmente (92) voneinander isoliert sind (bei 93).

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 mit Keilplatten (90), die in der Umfangsrichtung zwischen den Hochtemperaturwärme- und Niedertemperaturwärme-Übertragungsplatten (65, 86) montiert und derart übereinander angeordnet sind, daß sie zwischen die magnetischen Ringe (67) eingreifen, und daß die Keilplatten (90) aus einem Werkstoff bestehen, der bei der Betriebstemperatur der Kühlvorrichtung ein schlechter Wärmeleiter ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierenden Keilplatten (90) aus nichtrostendem Stahl bestehen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10 mit einer Einrichtung (16, 30) zum wahlweisen Zuführen und Abziehen von Energie zu bzw. von den supraleitfähigen Spulen (47, 48, 52, 53) derart, daß durch induktive Kupplung den Spulen ein Strom zugeführt und von ihnen abgezogen wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperaturwärme- und Niedertemperaturwärme-Abführleitungen (62, 63) und die Wärmeübertragungsplatten (65, 86) aus Kupfer hoher Reinheit bestehen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des magnetischen Feldes zwei Paare von Magnetspulen mit supraleitenden Wicklungen besitzt, daß die Magnetspulen (47, 52 und 48, 53) jedes Paares auf einander entgegengesetzten Seiten des rotierenden magnetischen Rades angeordnet sind und daß die Paare auf einander entgegengesetzten Seiten der Drehachse des Rades (71) angeordnet sind, so daß während jeder Umdrehung des magnetischen Rades (71) jeder Teil desselben dem magnetischen Feld zweimal ausgesetzt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13 mit einer Einrichtung (60, 61) zum Herstellen einer wärmeleitenden Verbindung zwischen den supraleitenden Spulen und dem Nidertemperaturwärme-Abführeinrichtung (21), so daß zum Kühlen der supraleitenden Spulen Wärme durch festen Werkstoff zu der Niedertemperaturwärme-Abführleitung geleitet wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14 mit einer Tragkonstruktion (10), die eine halbkugelförmige obere Tragschale (41) mit einer ebenen oberen Tragplatte (39) besitzt, ferner eine halbkugelförmige untere Schale (42) mit einer ebenen unteren Tragplatte (43), wobei die beiden halbkugelförmigen Schalen so miteinander verbunden sind, daß sie die supraleitenden Spulen (47,46, 54, 53) das rotierende magnetische Rad (71), die Hochtemperaturwärme- und Niedertemperaturwärme-Übertragungsleitungen (62, 63) und -Übertragungsplatten (65, 86) umgeben, wobei einander benachbarte supraleitende Magnetspulen einander entgegengesetzter Paare mit der oberen und der unteren Tragplatte verbunden und von ihnen so abgestützt sind, daß die Spulen jedes Paares im Abstand voneinander auf entgegengesetzten Seiten des rotierenden magnetischen Rades angeordnet sind und daß die auf die supraleitenden Magnete ausgeübten magnetischen Kräfte so auf die Tragschalen übertragen werden, daß diese Kräfte so auf die Tragschalen übertragen werden, daß diese Kräfte die Tragschalen gegeneinanderzudrücken trachten.

16. Vorrichtung anch einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Spulen aus Nb&sub3;Sn bestehen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich Kraftflußbündelungsstäbe (57, 58) aus einem Werkstoff mit hoher magnetischer Permeabilität quer über die oberen Seiten der einander entgegengesetzten Paare von Magnetspulen (47, 48; 52, 53) erstrecken und einen Kraftflußrückleitweg bilden, der von der einen supraleitenden Spule (47) des einen Paares durch einen der Kraftflußbündelungsstäbe (57) zu einer supraleitenden Spule (48) des entgegengesetzten Paares und von dort zwischen den beiden supraleitenden Spulen (48, 53) eines Paares und durch den zweiten Kraftflußbündelungsstab (58) in der Querrichtung zu der zweiten supraleitenden Spule (52) des ersten Paares führt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Wärmeübertragungsplatten (65, 86) der Hochtemperaturwärme- und Niedertemperaturwärme-Abführeinrichtungen und den magnetischen Ringen (67) im Bereich von 0,0025 bis 0,51 mm liegt.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Werkstoff Gadoliniumgalliumgranat ist.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das darin enthaltene Wärmeübertragungsgas aus Helium 3 und Helium 4 ausgewählt ist.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsgas Helium ist und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die dazu dient, das Helium unter einem Druck im Bereich von 0,5 bis 2,5 bar zu halten, wenn es sich auf einer Temperatur im Bereich von 4K bis 20K befindet.

22. Verfahren zum Abkühlen einer magnetischen Kühlvorrichtung mit einem aus einem magnetokalorisch wirksamen Werkstoff (67) bestehenden, magnetischen Rad (71), das um eine Mittelachse drehbar gelagert ist, ferner mit mindestens einer supraleitenden Magnetspule (47, 48, 52, 53), die an einer Stelle über einem Teil des magnetischen Rades derart montiert ist, daß bei sich drehendem Rad der Werkstoff an jeder Stelle des magnetischen Rades in das und aus dem Magnetfeld der Spule bewegt wird, mit einer Hochtemperaturwärme-Abführeinrichtung zum Übertragen von Wärme von dem magnetischen Rad (71), mit einer Niedertemperaturwärme-Abführeinrichtung (21) zum Übertragen von Wärme von einer Niedertemperaturwärme-Quelle (20) zu dem magnetischen Rad (71), wobei die Niedertemperaturwärme-Abführeinrichtung (21) eine massive leitfähige Wärmeübertragungsleitung (63) besitzt, die von der Niedertemperaturwärme-Quelle (20) zu einer Wärmeübertragungsplatte (86) führt, die einer außerhalb des Magnetfeldes der Spule angeordneten Stelle des magnetischen Rades benachbart ist, und mit einer Einrichtung (74, 77, 75, 78) zum Halten von ausschließlich in der gasförmigen Phase befindlichem Helium in dem Raum zwischen dem magnetischen Rad und der Wärmeübertragungsplatte, so daß von der Wärmeübertragungsplatte (86) Wärme durch das Heliumgas zu dem magnetischen Rad übertragen wird, mit folgenden Schritten:

(a) die supraleitende Spule wird auf eine Temperatur unter ihrer Sprungtemperatur bei der Feldstärke Null abgekühlt;

(b) in der supraleitenden Spule wird ein Strom mit einer solchen Stromstärke induziert, daß die supraleitende Spule ein magnetisches Feld erzeugt, dessen Feldstärke niedriger ist als die des kritischen Feldes der Spule bei der Temperatur der Spule;

(c) durch Drehen des magnetischen Rades wird von der supraleitenden Spule Wärme durch die Niedrigtemperaturwärme- Abführeinrichtung abgezogen und dadurch die Spule auf eine niedrigere Temperatur gebracht; und

(d) in der Spule wird ein stärkerer Strom induziert und dadurch in der supraleitenden Spule eine höhere Feldstärke erzeugt, die niedriger ist als die kritische Feldstärke bei der niedrigeren Temperatur, auf die die Spule abgekühlt worden ist.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte (c) und (d) wiederholt werden, bis an der Niedertemperaturwärme-Abführeinrichtung eine gewünschte minimale niedrige Temperatur erzielt worden ist.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Spule aus Nb&sub3;Sn besteht und daß beim Abkühlen der Spule auf eine Temperatur unterhalb ihrer Sprungtemperatur bei der Feldstärke Null die Spule auf eine Temperatur unter 18K abgekühlt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 22, 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß zum Induzieren eines Stromflusses in der Spule eine mit der supraleitenden Spule verbundene supraleitende Schleife induktiv mit einer externen Primärwicklung gekuppelt wird, um durch Kraftflußpumpen die Stromstärke in der Spule zu erhöhen.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, mit dem weiteren Schritt, in dem ein permanentes Magnetfeld erzeugt wird, das das magnetische Rad an einer der supraleitenden Spule benachbarten Stelle durchsetzt, und daß zum Abkühlen der Spule auf eine Temperatur unter ihrer Sprungtemperatur bei der Feldstärke Null die Spule von einer externen Quelle her auf eine Temperatur abgekühlt wird, die nur wenig höher ist als ihre Sprungtemperatur bei der Feldstärke Null, und das magnetische Rad durch permanente Magnetfeld gedreht wird, um Wärme von der supraleitenden Spule durch die Niedertemperaturwärme-Abführeinrichtung abzuziehen und von der Niedertemperaturwärme-Übertragungsplatte zu dem magnetischen Rad abzuziehen, bis die Spule unter ihre Sprungtemperatur bei der Feldstärke Null abgekühlt ist.