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 gekuehlt

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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.
1. Magnetokalorischer Wasserstoffverflüssiger
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.
2. Flüssigwasserstoff-HTSL-Spule, HTSL-Hohlzylinder und HTSL-Magnetschirm
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.
3. Flüssigwasserstoff-HTSL-Motor/Generator
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.
DE4128362A 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 Ceased DE4128362A1 (de)

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