DE4128362A1 - Hochtemperatur- supraleiter magnetokalorischer wasserstoff-verfluessiger (linear und rotierend) integriert in htsl-spule/hohlzylinder-speicher/akku und kfz-htsl-motor/generator, beide fluessigwasserstoff gekuehlt - Google Patents
Hochtemperatur- supraleiter magnetokalorischer wasserstoff-verfluessiger (linear und rotierend) integriert in htsl-spule/hohlzylinder-speicher/akku und kfz-htsl-motor/generator, beide fluessigwasserstoff gekuehltInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen HTSL-Wasserstoffverflüssiger,
dessen Regenerator - bestehend aus HTSL mit sukzessiv abnehmender
Sprungtemperatur - sich gegen das magnetische
Feld bewegt. Die Erfindung dient dem Zweck, einen derartigen
Wasserstoffverflüssiger in eine HTSL-Spule/
Hohlzylinder-Speicher/Akku und eine HTSl-elektrische
Maschine zum Kfz-Antrieb zu integrieren, um den verdampfenden
Wasserstoff zur Kühlung des HTSLs wieder zu verflüssigen
und ihn in den Flüssigwasserstoff-Kreislauf zurückzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zu schaffen, mittels derer der Wasserstoff stets in
flüssigem Zustand in einem Flüssigwasserstoff-Tank mit
eingeschlossener HTSL-Spule/Hohlzylinder-Speicher/Akku
und in den Kühlschlangen einer HTSL-elektrischen Maschine
zum Kfz-Antrieb gehalten werden kann.
Die magnetokalorische Kühlung verhält sich analog der
thermodynamischen Kühlung (W. Peschka; Flüssiger Wasserstoff
als Energieträger). Im T/s-Diagramm wird die
thermodynamische Entropie durch die magnetische Entropie
und die Isobaren durch Linien gleicher magnetischer
Flußdichte ersetzt (magnetischer Carnot-, Brayton-,
Ericson-, Stirling-Prozeß). Das Arbeitsmedium ist nicht
mehr ein Gas, sondern ein magnetisches Material. In den
meisten Fällen wird eine Abkühlung über größere Temperaturspannen
und Entropieänderungen (z. B. von Raumtemperatur
zum Siedepunkt von Wasserstoff 20,4 K) verlangt, als
mit Hilfe eines einzigen magnetischen Materials in der
Umgebung seines Curie-Punktes erreicht werden
kann. Der Curie-Punkt ist die Temperatur, bei der das
Material seine ferromagnetischen Eigenschaften verliert.
Im Falle von Hochtempertur-Supraleitern ist die Sprungtemperatur
ungefähr gleich dem Curie-Punkt. Es besteht nun
die Möglichkeit, den Regenerator (bestehend aus magnetischem
Material) stufenweise aus einer Folge magnetischer
Stoffe mit sukzessiv abnehmender Sprungtemperatur auszubauen.
Als Beispiel steht hier eine Folge von Hochtemperatur-
Supraleiter-Keramiken, deren Sprungtemperatur sukzessiv
von 125 K bis 20 K (Siedepunkt des Wasserstoffes) reichen:
Tl-Ba-Ca-Cu-O|125 K | |
Bi-Sr-Ca-Cu-O | 120 K |
Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O | 107 K |
Y-Ba-Cu-O | 93 K |
La-Sr-Cu-O | 54 K |
La-Ba-Cu-O | 35 K |
Bi-Pb-Ba-O | 20 K |
Ein magnetokalorischer Verflüssiger kann so aus mehreren
Regenerator-Stufen bestehen, welche mit Wärmetauschern
zur Abkühlung des zu verflüssigenden Wasserstoffes gekoppelt
sind. Die mechanische Verflüssigungsarbeit wird aufgebracht
mit der Bewegung der Regenerator-Stufen gegen
das magnetische Feld, das auf das Regeneratormaterial
wirkt. Für die Regenerator-Stufen ist ein gemeinsames
Magnetfeld vorgesehen, welches von HTSL-Spule und HTSL-
Hohlzylinder erzeugt wird.
Für das gemeinsame Magnetfeld kann neben einem Typ-I-
Supraleiter auch ein Typ-II-HTSL herangezogen werden.
Typ II unterscheidet sich vom Typ-I-HTSL dadurch, daß
er nicht dem Meißner-Effekt folgt, d. h., daß das Innenfeld
des Körpers nur zu einem geringen Teil herausgedrängt
wird (Siemens Offenlegungsschrift DE 38 25 710 A1
vom 11. Mai 1989). Typ II sind HTSL, die zwar keinen ausreichenden
Transportstrom zulassen, aber einen hinreichenden
Flußdichtegradienten ermöglichen. Wird ein Typ-II-Material
einem hohen Magnetfeld ausgesetzt, das dann wieder abgeschaltet
wird, so dringt zunächst magnetischer Fluß in Form
von Flußfäden in das Material ein (Aufmagnetisierung). Nach
Abschalten des Magnetfeldes verbleibt dann eine Magnetisierung
des Materials (Remanenz). Das Material muß dabei mittels
eines kryogenen Mediums unterhalb seiner kritischen
Temperatur gehalten werden.
Die magnetische Energiedichte einer Spule ist gegeben durch
die Formel
woraus zu ersehen ist, daß alle ferromagnetischen Werkstoffe
wegen der hohen Permeabilität zum Bau magnetischer Energiespeicher
ausscheiden. Eine wirtschaftliche Flußdichte sollte
mindestens 4 bis 5 Tesla erreichen. Bei einem Spulenstrom i
ist die gespeicherte magnetische Energie im felderfüllten
Raum
Die Formel für den Wirkungsgrad einer F.H.S.-Spule hängt
im wesentlichen von der Kühlleistung und der Zykluszeit ab.
Die veröffentlichten Wirkungsgrade liegen zwischen 80% und
90% (H. W. Lorenzen; Energiespeicherung mit supraleitenden
Spulen). Als Spulendraht wird Ag-ummantelte, gesinterte
Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O-Keramik verwendet. In der Offenlegungsschrift
DE 29 20 680 A1, Berling, 23. Juni 1989, wurde postuliert, daß
für HTSL-Feldanwendungen (Spule, Trafo, elektrische
Maschine) die erforderlichen 4-5 Tesla kritische Flußdichte
und die 10⁵ A/cm² kritische Stromdichte mit
Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O nur bei 20 Kelvin (Siedepunkt von Flüssigwasserstoff
im Normzustand) zu erreichen sind. 77 K des
Flüssigstickstoffes ist für Feldanwendungen nicht ausreichend
(magnetische Entropieänderung, s. magnetische Kühlung,
s. Siemens, Statusseminar BMFT, 25. bis 27. Februar 1991, und
Sumitomo, Appl. Phys. Lett. 57, 29. Oktober 1990). Die Sumitomo-
Werte bei 20 K für Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O-Tape sind 0,55×10⁵ A/cm²
kritische Stromdichte und 20 Tesla kritische Flußdichte.
Bei 4-5 Teslag und 20 K ergibt sich eine kritische
Stromdichte von ca. 10⁵ A/cm².
Zusammen mit der HTSL-Spule wird ein HTSL-Hohlzylinder
als Energiespeicher kombiniert. Als Material des HTSL-
Hohlzylinders wird vorzugsweise ein Typ-II- oder Hochfeld-
HTSL (siehe 1) wie z. B. Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O gewählt,
der nicht vollständig dem Meißner-Effekt folgt. Der
Hohlzylinder wird mittels eines hohen äußeren Feldes
bei 20 K (Flüssigwasserstoff) aufmagnetisiert, indem
magnetischer Fluß in Form von Flußfäden in das Material
eindringt. Dieser Fluß wird dann nach Abschalten des
äußeren Magnetfeldes (nach dem Aufladen) in dem Material
eingefroren (bei 20 K). Die Wandstärke des Hohlzylinders
ergibt sich aus der gewünschten Flußdichte im Innern und
dem Flußdichtegradienten des Materials. Bei den für die
Spule vorgeschlagenen 4-5 Tesla und 1 T/cm würde sich
eine Wandstärke von 4-5 cm ergeben. Da sich die magnetischen
Felder von Spule und Hohlzylinder jedoch überlagern,
kann bei einem Gesamtfeld von 4-5 Teslag sowohl das Spulenfeld
als auch die Hohlzylinder-Wandstärke halbiert
werden. Das Spulenfeld wirkt der Entmagnetisierung des
Typ-II-HTSL-Hohlzylinders entgegen.
Das magnetische Feld des kombinierten Spule/Hohlzylinder-
Energiespeichers wird durch einen Flüssigwasserstoff-gekühlten
HTSL-Magnetschirm abgeschirmt gegen die Außenwelt.
Im Gegensatz zu einem metallischen Schirm (Faraday-
Käfig) verlaufen bei einem HTSL-Schirm die magnetischen
Feldlinien über die Oberfläche der HTSL-Schicht. Wenn die
magnetischen Feldlinien sich innerhalb des Schirms konzentrieren
sollen, wird die Innenseite des Schirms mit
einer HTSL-Schicht belegt. Zu diesem Zweck wird mittels
eines Plasmastrahls Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O auf die Cu-Ni-
Schirmwand gesprüht.
Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O-HTSL-Schirm, -Spule und -Hohlzylinder
bilden die Außenwand des Flüssigwasserstoff-Kfz-Tanks,
der thermisch gegen die Außenwelt abisoliert ist. Auf
diese Weise ist der Kfz-HTSL-Akku im Kfz-Tank integriert,
ohne zusätzlich Raum zu beanspruchen. Verdampfender
Wasserstoff wird durch den sich gegen das Magnetfeld
bewegenden magnetokalorischen Verflüssiger wieder verflüssigt.
Durch eine sich im Spulen/Hohlzylinder bewegende
Spule kann elektrische Leistung abgenommen werden.
Die elektrische Kfz-Antriebsmaschine soll die Funktionen
von Kfz-Drehstromgenerator und Kfz-Anlassermotor mit
übernehmen. Nachdem in den vergangenen 40 Jahren die erforderliche
Generatorleistung um mehr als das Fünffache
angestiegen ist, bietet sich eine Integration mit dem
Antriebsmotor an. Als Generator wird ein Drehstromgenerator
als Synchronmaschine gewählt, die durch ihren wesentlich
größeren Drehzahlbereich im Gegensatz zum Gleichstromgenerator
in der Lage ist, bereits bei Leerlauf des Verbrennungsmotors
Leistung abzugeben (ein Drittel ihrer
Nennleistung). Drehstromgeneratoren und Anlasser von
größeren Nutzfahrzeugen liegen heute leistungsmäßig
bereits in der Größenordnung von Pkw-Elektroantrieben
10-15 kW).
Der Rotor der HTSL-Synchron-Antriebsmaschine besteht vorzugsweise
aus einem Flüssigwasserstoff-gekühlten, permanentmagnetischen
Typ-II-Hochfeld-HTSL-Polrad (siehe 2).
Wie im Fall des HTSL-Hohlzylinders wird das Polrad mittels
eines hohen äußeren Feldes bei 20 K aufmagnetisiert, indem
magnetischer Fluß in Form von Flußfäden in das Material
eindringt. Dieser Fluß wird dann nach Anschalten des
äußeren Feldes in dem Material eingefroren. Die Pole des
Polrades werden von Kühlschlangen durchzogen, durch die
Flüssigwasserstoff fließt. Zwischen Nord- und Südpol
des Polrades sind die beiden magnetokalorischen Wasserstoffverflüssiger
eingebettet, die verdampfenden Wasserstoff
wieder zu Flüssigwasserstoff regeneriern. Wie
im Falle des HTSL-Akku/Tanks bestehen die Verflüssiger
aus einer Folge magnetischer Stoffe mit sukzessiv abnehmender
Sprungtemperatur. Die mechanische Verflüssigungsarbeit
wird aufgebracht mit der Bewegung der Regeneratorstufen
des Polrades gegen das magnetische Feld des Stators,
das auf das HTSL-Regeneratormaterial wirkt. Mittels
einer Reihe von Wärmetauschern (einer pro Regeneratorstufe)
wird die Temperatur der Regeneratorstufen (sukzessiv
bis 20 K) auf die durch das Zentrum laufende Kühlschlange
übertragen und so verdampfender Wasserstoff
wieder verflüssigt. Das Joch des Stators kann ebenfalls
aus Typ-II-Hochfeld-HTSL-Material aufgebaut werden
(Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O). Normalerweise ist die Ständerwicklung
konventionell aufgebaut. Im Falle einer HTSL-Wicklung
bietet sich Ag-ummantelter Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O-Draht
mit einer kritischen Stromdichte von 10⁵ A/cm² und einer
kritischen Flußdichte von 4-5 Tesla bei 20 K an (siehe
HTSL-Speicherspule). Falls eine Gleichstrommaschine
gewählt werden sollte, befinden sich analog zur Synchronmaschine
die permanentmagnetischen Typ-II-Hochfeld-HTSL-
Pole, Flüssigwasserstoff-gekühlt, im Stator und die
magnetokalorischen Wasserstoffverflüssiger zwischen
den Statorpolen. Analog einer mechanischen Verflüssigungsarbeit
mit der linearen Bewegung der Regeneratorstufen
gegen das magnetische Feld (siehe 2) kann auch
eine rotierende Bewegung in Gestalt des Rotors einer
elektrischen Maschine erfolgen. Die Achse des magnetischen
Flusses des Rotors steht dann senkrecht zur
Achse des magnetischen Flusses des Stators.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen besonders
darin, den im Tank und in der elektrischen Maschine
verdampfenden Wasserstoff mittels magnetokalorischem Verflüssiger
wieder zu verflüssigen. Dabei wird der HTSL-
Spule/Hohlzylinder-Speicher direkt in den Flüssigwasserstoff-
Tank integriert, was eine entscheidende Raumeinsparung
bedeutet.
Die lineare und rotierende magnetokalorische Wasserstoffverflüssigung
ist in den folgenden vier Figuren dargestellt.
Es zeigt
Fig. 1 - Linearer magnetokalorischer Wasserstoffverflüssiger
zusammen mit einem HTSL-Spule/Hohlzylinder-Speicher,
integriert in einen Flüssigwasserstoff-Tank. Der Verflüssiger
wird umschlossen durch die thermische Isolierung (1),
den HTSL-Magnetschirm (2), die HTSL-Spule (3) und den
Typ-II-Hochfeld-HTSL-Hohlzylinder (4) aus Bi-Pb-Sr-Ca-
Cu-O-Material, Flüssigwasserstoff-gekühlt. Für den Verflüssiger
wurden repräsentativ aus einer Folge HTSL-Keramiken
mit sukzessiv abnehmender Sprungtemperatur die folgenden
drei Materialien ausgewählt: Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O (Sprungstemperatur
107 K), Y-Ba-Cu-O (93 K), Bi-Pb-Ba-O (20 K).
Aus diesen Materialien bestehen die z. B. drei Hohlzylinder (5),
die gegen das magnetische Feld bewegt werden. Konzentrisch
im Innern der HTSL-Hohlzylinder befinden sich die mit
diesen verbundenen Wärmetauscher (6), die die sukzessiv
abnehmende Temperatur (bis 20 K) an die Wasserstoffleitung
(7) abgeben. Der oben von der Leitung aufgenommene
gasförmige Wasserstoff wird unten wieder als Flüssigwasserstoff
in den Tank abgegeben, der durch den Verschluß (8)
gefüllt wird. In die Wand des eigentlichen Tanks wird
der HTSL-Spule/Hohlzylinder-Speicher integriert. Die
Wand besteht aus der thermischen Isolationsschicht (1),
dem Magnetschirm (10), der Spule (11) und dem Hohlzylinder
(12) aus Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O-Material, das von dem Flüssigwasserstoff
des Tanks gekühlt ist. Die Spule (9), die
im Magnetfeld des Tanks bewegt wird, nimmt elektrische
Energie ab.
Fig. 2 - Ein schematisch dargestellter magnetokalorischer Wasserstoffverflüssiger
besteht aus drei repräsentativ ausgewählten
HTSL-Regeneratorstufen (1). Der Regenerator
wird in einem magnetischen Feld, erzeugt durch LH₂-gekühlte
HTSL-Spule (2) und HTSL-Hohlzylinder (3), bewegt.
Das magnetische Feld ist zweigeteilt und in entgegengesetzte
Richtung gerichtet, so daß der Regenerator
bei gleicher Bewegungsrichtung magnetisiert als auch entmagnetisiert
werden kann. Die zu jeder Regeneratorstufe
gehörenden Wärmetauscher (4) geben die sukzessiv tieferen
Temperaturen (bis 20 K() an die Wasserstoffleitung (5)
ab.
Fig. 3 - Das Polrad (4) der Synchron-Antriebsmaschine, die auch
als Drehstromgenerator (Lichtmaschine) und Anlasser
verwendet werden kann, besteht aus permanentmagnetischen
Typ-I- oder Typ-II-Hochfeld-HTSL-N/S-Polschuhen (1)
und dazwischen eingebauten rotierenden magnetokalorischen
Wasserstoffverflüssigern. Die Polschuhe werden von
einer LH₂-Kühlschlange (7) durchzogen, die konzentrisch
durch den Regenerator verläuft. Wieder repräsentativ
wurden drei HTSL-Keramiken mit sukzessiv abnehmender
Sprungtemperatur ausgewählt, z. B. Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O
(Sprungtemperatur 107 K), Y-Ba-Cu-O (93 K) und Bi-Pb-Ba-O
(20 K) (5). Über die Wärmetauscher (6) wird die sukzessiv
abnehmende Temperatur an die konzentrisch in der Mitte verlaufende
Wasserstoffleitung abgegeben (7). Analog einer
mechanischen Verflüssigungsarbeit mit der linearen Bewegung
der Regeneratorstufen gegen das magnetische Feld
kann auch eine rotierende Bewegung in Gestalt eines Rotors
erfolgen. Für das Statorjoch (3) kann ein Flüssigwasserstoff-
gekühlter Typ-II-Hochfeld-HTSL verwendet werden.
Die Statorwicklung (2) ist normalerweise konventionell
ausgeführt, da die Leiter dem Drehfeld ausgesetzt sind,
Wechselstrom führen und deshalb Verlust produzieren.
Diese Verluste in Supraleitern sind zwar kleiner als die
ohmschen Verluste einer Kupferwicklung, doch muß die Leistung
bei tiefer Temperatur über den Verflüssiger abgeführt
werden, was die Wirtschaftlichkeit zunichte machen
kann. Im Falle einer Niedertemperatur-Supraleiter-Wicklung
können metallische Supraleiter mit Sprungtemperaturen
über 18 K verwendet werden, wenn der Flüssigwasserstoff
auf einen Unterdruck von 100 Torr abgesenkt wird
und damit eine Siedetemperatur von 15 K erhält.
Fig. 4 - Magnetischer Carnot-Prozeß -
Der magnetische Carnot-Prozeß besteht aus zwei Isothermen
und zwei Isotropen. Entlang 1, 2 erfolgt isostherme
Magnetisierung bei der Temperatur T₂ unter Wärmeabgabe
der magnetisierten Regeneratorstufen des Verflüssigers
im Tank und in den Polschuhen. Durch Entmagnetisierung
kommt es zur Abkühlung auf T₁. Nach Kontakt mit wärmerem
Wasserstoff wird die Entmagnetisierung unter Wärmeaufnahme
isotherm von 3, 4 zu Ende geführt.
Claims (9)
1. Linearer magnetokalorischer Wasserstoffverflüssiger,
dadurch gekennzeichnet, daß seine Regeneratorstufen aus
Hochtemperatur-Supraleiter-Keramiken mit sukzessiv abnehmenden
Sprungtemperaturen bestehen.
2. Linearer magnetokalorischer Wasserstoffverflüssiger,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneratorstufen als
Hohlzylinder (Hohlkörper) ausgebildet sind, in denen konzentrisch
Wärmetauscher und Wasserstoffleitung eingebaut
sind.
3. Linearer magnetokalorischer Wasserstoffverflüssiger,
dadurch gekennzeichnet, daß er in einen Flüssigwasserstoff-
Tank integriert ist und verdampfenden Wasserstoff wieder
verflüssigt.
4. Hochtemperatur-Supraleiter-Speicherspule und Typ-I-
oder Typ-II-permanentmagnetischer Hochfeld-HTSL-Hohlzylinder-
Speicher, dadurch gekennzeichnet, daß sie als
Akku im Flüssigwasserstoff-Tank integriert sind.
5. Elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß die
Polschuhe aus Typ-I- oder Typ-II-permanentmagnetischem
Hochfeld-HTSL-Material, Flüssigwasserstoff-gekühlt,
bestehen.
6. Rotor einer elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen seinen Polschuhen magnetokalorische
Wasserstoffverflüssiger angeordnet sind.
7. Rotierender magnetokalorischer Wasserstoffverflüssiger
einer elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet,
daß seine Regeneratorstufen aus Hochtemperatur-Supraleiter-
Keramiken mit sukzessiv abnehmenden Sprungtemperaturen
bestehen.
8. Rotierender magnetokalorischer Wasserstoffverflüssiger
einer elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß
die HTSL-Regeneratorstufen als Hohlzylinder (Hohlkörper)
ausgebildet sind, in denen konzentrisch Wärmetauscher und
Wasserstoffleitung - die auch durch die Polschuhe führt -
eingebaut sind.
9. Elektrische Maschine mit Flüssigwasserstoff-gekühlten
Hochtemperatur-Supraleiter-Polschuhen und magnetokalorischem
Wasserstoffverflüssiger, dadurch gekennzeichnet,
daß sie gleichzeitig als Kfz-Antriebsmotor, Drehstromgenerator
(Lichtmaschine) und Anlasser verwendet werden
kann.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE4128362A DE4128362A1 (de) | 1991-08-27 | 1991-08-27 | Hochtemperatur- supraleiter magnetokalorischer wasserstoff-verfluessiger (linear und rotierend) integriert in htsl-spule/hohlzylinder-speicher/akku und kfz-htsl-motor/generator, beide fluessigwasserstoff gekuehlt |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4128362A DE4128362A1 (de) | 1991-08-27 | 1991-08-27 | Hochtemperatur- supraleiter magnetokalorischer wasserstoff-verfluessiger (linear und rotierend) integriert in htsl-spule/hohlzylinder-speicher/akku und kfz-htsl-motor/generator, beide fluessigwasserstoff gekuehlt |
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DE4128362A1 true DE4128362A1 (de) | 1992-03-12 |
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ID=6439200
Family Applications (1)
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DE4128362A Ceased DE4128362A1 (de) | 1991-08-27 | 1991-08-27 | Hochtemperatur- supraleiter magnetokalorischer wasserstoff-verfluessiger (linear und rotierend) integriert in htsl-spule/hohlzylinder-speicher/akku und kfz-htsl-motor/generator, beide fluessigwasserstoff gekuehlt |
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