DE4316495A1 - Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat, bestehend (neben der Langstatorwicklung) aus kombinierten Trag-/Führ-/Erreger-Hochtemperatur-Supraleiter-Permanentmagneten, Flüssigwasserstoff-gekühlt, für Normalfahrt und Flüssigwasserstoff-Verbrennungskraftmaschine für Notfahrt - Google Patents
Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat, bestehend (neben der Langstatorwicklung) aus kombinierten Trag-/Führ-/Erreger-Hochtemperatur-Supraleiter-Permanentmagneten, Flüssigwasserstoff-gekühlt, für Normalfahrt und Flüssigwasserstoff-Verbrennungskraftmaschine für NotfahrtInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggre
gat, dessen Linearmotor-Rotor aus kombinierten Trag-/Führ-/
Erreger-HTSL-Permanentmagneten besteht, die mit demselben
Flüssigwasserstoff gekühlt werden mit dem die Verbrennungs
kraftmaschine als Reserveaggregat betrieben wird. Die Erfin
dung dient dem Zweck, ein Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggre
gat zu schaffen, das für Normalfahrt elektromagnetisch und
für Notfahrt thermomechanisch betrieben werden kann. Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im HTSL-Permanent
magnet-Rotor Trag-/Führ-/Erreger-Funktionen zu kombi
nieren und damit auf zusätzliche Führmagnete zu verzichten.
Es sind prinzipiell drei verschiedene Magnetschwebebahn-
Varianten bekannt: 1. das elektrodynamische Prinzip (EDS),
2. das elektromagnetische Prinzip (EMS), 3. das passive
Permanentmagnet-Prinzip (M-Bahn). Als Antrieb und
Bremse dient für alle drei Systeme ein synchroner Langsta
tor-Linearmotor, der ein magnetisches Wanderfeld erzeugt.
Da es nicht möglich ist, eine Synchronmaschine ohne strom
führende Wicklungen zu konzipieren, verfügt jedes System
über eine Dreiphasen-Wanderfeld-Wicklung, entweder im
Fahrzeug oder Fahrweg. Der jeweils komplementäre Teil enthält
die Erregermagneten, die im Prinzip 2. gleichzeitig Trag
magnete sind. Die Bereitstellung der an Bord notwendigen
Energie erfolgt über Lineargeneratoren.
1. Das elektrodynamische Prinzip (EDS) basiert auf elektro
magnetischen Abstoßungskräften, die nach einer Anlaufzeit
eine freie Luftspalte von ca. 10 cm ermöglichen. Bei lang
samer Fahrt und im Stand brauchen EDS-Systeme Stütz- und
Führungsräder. Das japanische MLU-System setzt Niedertempe
ratur-Supraleiter-Spulen (LHe-gekühlt) im Fahrzeug ein,
deren starke Trag-Magnetfelder ein entgegengerichtetes
Magnetfeld in den passiven Reaktionsspulen im Fahrweg in
duzieren. Die Seitenwand des Fahrwegs enthält die passive
Bodenspule für Führung und Antrieb. 2. Das elektromagneti
sche Prinzip (EMS) beruht auf den anziehenden Kräften
zwischen den in der Bodengruppe des Fahrzeugs angeordneten
einzelnen geregelten Elektromagneten und den ferromagneti
schen Statorpaketen, die unterhalb des Fahr
wegs installiert sind (Transrapid). Die Tragmagnete ziehen
das Fahrzeug von unten an den Fahrweg heran, die Führmagnete
halten es seitlich in der Spur. Ein elektronisches Regel
system stellt sicher, daß das Fahrzeug stets in einem Ab
stand von 10 mm zu seinem Fahrweg schwebt. Der Abstand
zwischen dem Fahrwegtisch und der Unterseite des Fahrzeugs
beträgt im Schwebezustand 13 cm. 3. Das passive Permanent
magnet-Prinzip (M-Bahn) bezieht sich auf passive Perma
nentmagnete. Da der physikalisch instabile Schwebezustand
nur mit aktiver Magnetregelung aufrecht erhalten werden
kann, muß die M-Bahn von einem Fahrgestell getragen und
geführt werden. Die Magnete dienen lediglich als Erreger
teil für den Langstator-Linearmotor und zur Gewichtsent
lastung für das Rollengestell. Neuere Entwicklungen (H. Weh,
Patentschrift DE 39 27 453 C2 vom 23.5.91) haben das Prinzip
der permanenterregten Transversalfluß-Maschine mit Seltene-
Erden-Permanentmagneten und z. B. supraleitenden Ankerspu
len (Anspruch 10) eingeführt. Hierdurch kann die Führung
transversal durch Permanentmagnete geregelt werden.
Bei Typ II-Supraleitern (dies gilt insbesondere für HTSL)
muß unterschieden werden zwischen der Meissner-Phase (bis
Bc1) und der Shubnikov-Abrikosov-Vortex (bis Bc2), die
mit Fremdteilchen zur Ausbildung von Haftzentren (pinning
centers) angereichert wird (E. Berling, DE 40 29 443 A1
vom 17.9.90). In diesem Fall fließen große virtuelle Supra
ströme durch die Vortex und resultieren zusammen mit dem
magnetischen Feld sowohl in abstoßende als auch anziehende
Kräfte gemäß dem ersten Maxwellschen Hauptsatz
und bei eindimensionaler Betrachtung in y-Richtung (Einheitsvektor)
Da die abstoßenden Kräfte
der Meissner-Phase gering sind, wird für die Anwendung
sowohl der anziehenden als auch der abstoßenden Kräfte
ausschließlich die Shubnikov-Abrikosov-Vortex angewendet
gemäß der Lorentz-Kraft F=∫Jc×B dv, in der das ein
dringende magnetische Feld auf den durch die Haftzentren
geführten Suprastrom einwirkt. Als HTSL-Material wird
der großen Korngröße wegen YBaCuO verwendet. ISTEC, Tokio,
(M. Murakami, Novel Application of high Tc Bulk-Super
conductors) verwendet zur Herstellung des Magnetkörpers
den Melt-Powder-Melt-Growth (MPMG)-Prozeß und ver
wendet als Haftzentren Y2O3-Teilchen. Nippon Steel Corp.
(M. Tanaka et al., Giant Flux Jump of YBaCuO Superconduc
tor and Application to Permanent Magnet) benutzt den Quench
and-Melt-Growth (QMG)-Prozeß und verwendet SmBaCuO
als Haftzentrum-Kristall. M. Tanaka et al. insbesondere
weisen auf das erhebliche Problem der Flußsprünge hin
(vergl. Barkhausen-Effekt bei Ferromagneten), das be
grenzt werden kann durch Aufteilung in Scheiben mit da
zwischenliegenden Aluminium-Kühlkörpern, optimale Kühlung
bei 20 K, Silberdotierung etc. Die Daten von M. Tanaka
et al. weisen eine um mindestens eine Größenordnung höhere
Stromdichte bei 20 K (Flüssigwasserstoff) als bei 77 K
(Flüssigstickstoff) aus. Interessanterweise sind die 20-K-
Werte besser als selbst die 4.2-K-(Flüssighelium)-Werte.
Flüssigwasserstoff-Kühlung ist also bei Bulk-Anwendungen
das optimalste aller Kühlmedien. Das Texas-Center for
Superconductivity, TCSUH (R. Weinstein et al., Materials,
Characterization and Application for High Tc Superconduc
ting Permanent Magnets) weist nach, daß die kritische Strom
dichte von Bulkmaterial durch Protonenbestrahlung verbessert
wird (E. Berling, DE 42 03 419 A1 vom 6.2.92).
Da Wasserstoff auch im ionisierten Zustand auftritt, kann
Wasserstoff-Kühlung auch aus diesem Grund Supraleitung
verbessern (Mattias′sche Regel der Tc-Abhängigkeit
von der Anzahl der Valenzelektronen).
Die Shubnikov-Abrikosov-Vortex kann angewendet werden
wegen seiner anziehenden und abstoßenden Lorentz-Kraft.
Da der Suprastrom durch die eingeschlossenen Haftzentren
geführt wird, können magnetische Flußmuster einprogrammiert
werden. Dadurch können Trag-/Führ-Kräfte einer Magnetschwe
bebahn von ein und demselben HTSL-Magneten ausgeübt werden.
Während es sich bei dem elektrodynamischen Prinzip um absto
ßende Kräfte handelt, bezieht sich das elektromagnetische
Prinzip auf anziehende Kräfte. Bei diesem vorliegenden
Vorschlag haben wir es - wie beim Transrapid - ausschließ
lich mit anziehenden Kräften zu tun, die die Magnetschwebe
bahn mit ihrer über den Fahrwegtisch übergreifenden Flanke
von unten an die untere Seite des Fahrwegtisches heranzie
hen und das Fahrzeug gleichzeitig führen. Anziehende Mag
netkräfte werden in der Shubnikov-Abrikosov-Vortex dadurch
optimiert, daß ein höchstmögliches magnetisches Feld während
des Kühlvorgangs eingeprägt wird. Wird nach dem Kühl
prozeß das äußere Feld entfernt, ist das eingeprägte Feld
gefangen, eingefroren. Die variablen magnetischen Führ-/
Erreger-Felder werden dem statischen eingefrorenen Trag
feld überlagert.
Die Langstatorwicklung induziert einen Suprastrom im
HTSL-Trag-/Führ-/Erreger-Magneten. Trag-/Führ-/
Erreger-Funktionen sind in einem HTSL-Permanent-Magne
ten, Flüssigwasserstoff-gekühlt, kombiniert. Da eine Syn
chronmaschine nur mit stromführenden Wicklungen konzipiert
werden kann, verwenden wir dasselbe Fahrwegprinzip mit
konventionellen Wicklungen wie das elektromagnetische
Prinzip des Transrapid. Eine Supraleiter-Kühlung ist nur
sinnvoll im Fahrzeug selbst, da sonst Kühlaggregate über
den gesamten Fahrweg bereitgestellt werden müßten.
Für den Linearmotor-Rotor verwenden wir HTSL-Permanent
magnete aus z. B. YBaCuO-Bulk-Material mit z. B. Y2O3-
Haftzentren für die Shubnikov-Abrikosov-Vortex. Das
statische Tragfeld wird während des Kühlvorganges aufge
prägt (Field-Cooled-Process). Es kann dafür die HTSL-
Erregerwicklung (z. B. BiPbSrCaCuO) verwendet werden, die
mit demselben Flüssigwasserstoff-Kühlsystem wie der Per
manentmagnet gekühlt wird.
Als Spaltsensor verwenden wir ein Hall-HTSL-Halbleiter
element aus dotiertem BiPbSrHoCuO, ebenfalls mit demselben
Flüssigwasserstoff gekühlt wie Erregerwicklung und Trag-/
Führ-/Erreger-HTSL-Permanentmagnet. Mit der Spaltbreite
verändert sich die Flußdichte und damit der senkrecht dazu
stehende Stromvektor im Hallelement. Senkrecht zu beiden
steht der Hall-Spannungsvektor, der abgegriffen und über
die Erregerwicklung rückgekoppelt wird.
Parallel dazu setzen wir ein druckabhängiges HTSL-Piezo-
Element, Flüssigwasserstoff-gekühlt (z. B. YBaCuO) ein,
bei dem eine Spannung abgegriffen wird, sobald es von einer
vom Fahrzeug in den Spalt hereinragenden Schiene berührt
wird. Diese Piezo-Spannung induziert einen Rückkopplungs
strom in der Erregerwicklung.
Die Spur wird geführt durch den magnetischen Fluß (vir
tuellen Suprastrom) der Langstatorwicklung induziert in
den HTSL-Permanentmagneten. Dadurch kann auf die magneti
sche Seitenführung verzichtet werden, die besonders bei
Geschwindigkeiten bis 100 km/h infolge von Wirbelströmen
in den Schienen erheblichen Fahrtwiderstand hervorruft
und Energie verbraucht. Die geometrische Anordnung von
Haftzentren im HTSL-Tragmagnet kann so vorgenommen wer
den, daß sie einer optimalen Führung durch den von der
Langstatorwicklung induzierten Suprastrom entspricht.
(Aufprägen eines Haftzentrenmusters gemäß dem magneti
schen Feld der Langstatorwicklung des Fahrwegs. Eindring
tiefe x=Ha/Jc).
Es muß Vorsorge getroffen werden, daß die Magnetschwebe
bahn im Falle einer Störung (Stromausfall, Quenchen der
Supraleiter) ihre Fahrt fortsetzen kann. Hitachi, Tokio
(DE 39 41 525 A1 vom 15.12.89) hat deshalb für das elek
trodynamische Prinzip eine Notfahrt-Hilfsspule eingeführt,
die in dem Augenblick induziert wird, in dem die Hauptspule
ausfällt. Da aber Haupt- und Hilfs-Spulensystem nicht voll
ständig voneinander getrennt werden können, wird für die
Notfahrt der Einsatz einer Verbrennungskraftmaschine vor
geschlagen, um auf ausfahrbaren Reserverädern die nächste
Station zu erreichen. Die Verbrennungskraftmaschine wird
mit demselben Flüssigwasserstoff betrieben mit dem die
Hochtemperatur-Supraleiter gekühlt werden. Bei der Ver
brennungskraftmaschine handelt es sich vorzugsweise um
einen Mehrkammer-Wankelmotor (Kreiskolbenmotor) mit
Keramik- ausgekleidetem Kreiskolbenhubraum, um die Wider
standsfähigkeit gegenüber Wasserstoff zu erhöhen. Der
Keramik-Verschleiß ist beim Kreiskolbenmotor im Vergleich
zum Hubkolbenmotor optimiert. Außerdem neigt der Wankel
motor weniger zu Fehlzündungen als der Hubkolbenmotor,
was bei Wasserstoff von Bedeutung ist.
Die magnetokalorische Kühlung verhält sich analog der
thermodynamischen Kühlung. Im T/s-Diagramm wird die
thermodynamische Entropie durch die magnetische Entropie
und die Isobaren durch Linien gleicher magnetischer Fluß
dichte ersetzt (magnetischer Carnot-Prozeß). Das Arbeits
medium ist nicht mehr ein Gas, sondern ein magnetisches
Material. In den meisten Fällen wird eine Abkühlung über
größere Temperaturspannen und Entropieänderungen verlangt,
als mit Hilfe eines einzigen magnetischen Materials in der
Umgebung seines Curiepunktes erreicht werden kann
(W. Peschka, flüssiger Wasserstoff als Energieträger).
Im Falle von Supraleitern verwenden wir die Shubnikov-
Abrikosov-Vortex eines Typ II-HTSL-Permanentmagneten.
Für die Curietemperatur eines konventionellen Ferromagne
ten setzen wir die Sprungtemperatur des HTSL, Flüssig
helium/Flüssigwasserstoff-gekühlt (E. Berling,
DE 41 28 362 A1 vom 27.8.91). Die Regenerator-Stufen
konventioneller Ferromagnete und HTSL-Permanentmagnete
werden in einem Magnetfeld aufmagnetisiert, wobei Wärme
entsteht. Diese Wärme wird mittels Wärmetauscher zu Heiz
zwecken der Magnetbahn abgeführt. Verringert sich das
Magnetfeld, werden die Regeneratorstufen abgekühlt, die
Kälte wird über Wärmetauscher zur Kühlung der HTSL-Kom
ponenten abgeleitet. Es besteht nun die Möglichkeit, die
Regeneratorstufen stufenweise aus einer Folge von Materia
lien mit sukzessiv abnehmender Curie-/Sprungtemperatur
auszugestalten. Als Beispiel steht hier eine Folge von
HTSL-Keramiken ergänzt durch Niedertemperatur-Supralei
ter bis zum Siedepunkt des Heliums (4.2 K) auf der einen
Seite und konventionellen Seltene-Erden-Ferromagneten
(Gadolinium-Verbindungen/Legierungen) bis zur Curie
temperatur von 293 K auf der anderen Seite.
Gd | |
293 K (Gruppe 1) | |
GdY-Legierungen/Verbindungen | 281-211 K |
GdLa | 185 K |
GdAl | 153 K |
Tl-Ba-Ca-Cu-O | 125 K (Gruppe 2) |
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 |
Nb₃Sn | 18.1 K (Gruppe 3) |
Nb₃Sn₂ | 16.6 K (Gruppe 4) |
Nb₃Ga | 14.5 K |
Nb₃Au | 11.5 K |
Sn-Hg | 4.2 K |
Gruppe 1 - W. Peschka, flüssiger Wasserstoff als Energie
träger. Gruppe 2 - zusammengestellte HTSL. Gruppe 3 -
Journal of Applied Physics, Nov. 1962. Gruppe 4 - E. Justi,
Leitungsmechanismus und Energieumwandlung in Festkörpern.
Gemäß Veröffentlichungen der Hoechst AG kann die Lücke
zwischen 93 K und 54 K gefüllt werden durch Bi(SrCa)CuO
und Bi(SrY)CuO, wobei die (SrCa)- und (SrY)-stöchiometri
schen Verhältnisse variiert werden.
Ein magnetokalorischer Verflüssiger kann so aus mehreren
Regenerator-Stufen dieser vier Material-Gruppen bestehen.
Die mechanische Kühl-Arbeit wird aufgebracht mit der Bewe
gung der Regeneratorstufen gegen das magnetische Feld, das
auf das Regeneratormaterial wirkt. Das magnetische Feld
wird erzeugt durch eine HTSL-Toroid-Spule, die die Rege
neratorstufen (in unserem Beispiel fünf) umschließt.
Sowohl die HTSL-Toroid-Spule als auch die Supraleiter
Regeneratorstufen sind Flüssighelium/Flüssigwasserstoff-
gekühlt. Es gibt drei Möglichkeiten, die mechanische Kühl-/
Erwärmungsarbeit umzusetzen - 1. die Toroid-Spule bewegt
sich entlang der Regenerator-Stufen, 2. die Regenerator
stufen bewegen sich innerhalb der Toroid-Spule und 3.
zwischen Toroid-Spule und Regenerator-Stufen bewegt sich
ein HTSL-Schirm, der die Regeneratorstufen periodisch
von dem magnetischen Feld der Toroid-Spule abschirmt
(Toroid-Spule und Regenerstor-Stufen stationär).
Toroid-Spule und Regenerator-Stufen besetzen nur einen
Teil der Peripherie, so daß sich die Regenerator-Stufen
nach Verlassen/Abschirmung des magnetischen Feldes ent
magnetisieren können.
Wenn z. B. bei dem HTSL BiPbSrCaCuO das Kalzium durch das
seltene-Erden-Element Holmium substituiert wird, wird
dieser HTSL unterhalb seiner Sprungtemperatur halbleitend
(K. Herz et al., Universität Tübingen). Um gemäß der
Peltier-Kühlung einen p-Typ und einen n-Typ-Schenkel
zu erhalten, dotieren wir den HTSL BiPbSrHoCuO sowie
andere HTSL verschiedener Sprungtemperatur mit z. B. Bor,
Aluminium, Gallium etc. (p-Typ) und mit z. B. Phosphor,
Arsen, Antimon etc. (n-Typ). Legen wir eine Spannung an,
erhalten wir an der kalten Lötstelle eine Kühltemperatur,
mit der das Kühlmedium des HTSL BiPbSrHoCuO zusätzlich ge
kühlt werden kann.
Die Geschichte der kalten Wasserstoff/Deuterium-Helium-
Fusion ist bekannt (F. Paneth, K. Peters, J. Tanberg,
J. Chadwick - Entdecker des Neutron 1932, E. Rutherford,
S. Bose, S. Jones, P. Pons, M. Fleischmann).
E. Yamaguchi (Nippon Telegraph & Telephone Corp.) hat
während der Third International Conference on Cold Fusion,
21.-25.10.92 in Nagoya (News Release NTT 22.10.92, New
Technology Japan, Vol. 20, No. 9, Dezember 1992) die Haupt
reaktion der kalten Fusion vorgestellt:
1. d+d→4He (76 keV)+γ/Photonen/Phononen
(24 MeV) bei 2.6×1011 Reaktionen pro Sekunde zur Erzeugung von 1 W. Die Nebenreaktionen sind vernachlässigbar
2. d+d→3He (0.8 MeV)+n (2.5 MeV) bei 1.9×1012 Reaktionen pro Sekunde zur Erzeugung von 1 W.
3. d+d→t (Triton, 1 MeV)+p (Proton, 3 MeV) bei 1.5×1012 Reaktionen pro Sekunde zur Erzeugung von 1 W.
Am 4.7.1989 wurde eine Temperatur von ca. 1000 K erreicht.
(24 MeV) bei 2.6×1011 Reaktionen pro Sekunde zur Erzeugung von 1 W. Die Nebenreaktionen sind vernachlässigbar
2. d+d→3He (0.8 MeV)+n (2.5 MeV) bei 1.9×1012 Reaktionen pro Sekunde zur Erzeugung von 1 W.
3. d+d→t (Triton, 1 MeV)+p (Proton, 3 MeV) bei 1.5×1012 Reaktionen pro Sekunde zur Erzeugung von 1 W.
Am 4.7.1989 wurde eine Temperatur von ca. 1000 K erreicht.
Bei der heißen Fusion sind die Verhältnisse genau umgekehrt.
Bei der kalten Fusion haben wir es mit der Verschmelzung
von zwei Deuteronen zu einem 4He-Kern zu tun, wobei die
der Massedifferenz entsprechende Energie von 0.64 Masse
prozent in Form eines Gammaquants von 24 MeV abgestrahlt
wird. Bei der heißen Fusion ist der Anteil der 1. Reaktion
millionenfach kleiner als der der Reaktionen 2. und 3. Die
kalte Fusion der Deuteronen findet unter Vakuum (nicht
elektrolytisch) in einem Palladium-Körper statt, der das
760fache seines eigenen Volumens an Deuterium-Volumen
absorbieren kann. Der durch zusätzliche Gitterschwingungen
entstehende Druck liefert die Fusions-Energie. Ein Deuteron,
das sich nahe an einem Palladiumatom vorbeibewegt, beein
flußt den Kern dieses Atoms. Es ist möglich, daß deshalb
der Palladiumkern als Katalysator zwischen zwei Deuteronen
wirkt. Protonen erfahren eine starke Anziehungskraft, wenn
sie sich gegenseitig berühren, viel stärker als die Elektro
magnetische Wechselwirkung, die versucht, sie auseinanderzu
treiben. Diese starke Wechselwirkung hält den Kern zusam
men. Die Erklärung für die kalte Fusion wird wohl auf der
Ebene der Quarks zu suchen sein. Die starke Wechselwirkung
wird hervorgerufen durch den Austausch eines Gluons zwischen
zwei freien Quarks bei geringem Abstand (Quantenchromodyna
mik), die schwache/elektromagnetische Wechselwirkung durch
den Austausch eines W-Bosons/Photons/Phonons bei großen
Abständen.
Es bietet sich eine Analogie zwischen der starken Wechsel
wirkung der Quarks und der schwachen Wechselwirkung der
Elektronen (Cooper-Paare) bei der Supraleitung an. Die
Supraleitung von Palladium-Wasserstoff wurde 1972 von
Skoskiewicz entdeckt (Sprungtemperatur 9 K). Ein unerwarte
tes Ergebnis brachte der Übergang von Wasserstoff zu Deu
terium. Aufgrund des Isotopeneffekts würde man eine etwas
kleinere Sprungtemperatur erwarten. Die Sprungtemperatur
liegt hier jedoch bei 11 K. Eine weitere Überraschung brach
ten Experimente an Pd-Edelmetall-Legierungen. Hier wurden
nach der Implantation von Wasserstoff Sprungtemperaturen
bis zu 17 K beobachtet. Ersetzen wir jetzt Wasserstoff
durch Deuterium so wird die Sprungtemperatur der Pd-Edel
metall-Legierung bei etwas unter 20 K liegen. Der Tripel-
Punkt des Flüssigdeuteriums ist 18.7 K bei 125 Torr (der
Siedepunkt von Deuterium, ist 23.6 K unter Normbedingungen).
Daraus folgt, daß Flüssigdeuterium am Tripelpunkt Pd-Edel
metall-Legierungen supraleitend macht.
So wie wir den Peltier-Effekt für die Kühlung anwandten,
benutzen wir den Seebeck-Effekt für die Stromerzeugung,
die sich aus der Fusionswärme von ca. 1000 K ergibt. Da
bei der 1. Fusionsreaktion 4He entsteht, verflüssigen wir
Helium bei 4.2 K magnetokalorisch und verwenden es als
zusätzliches Kühlmittel für den Palladium-Edelmetall-
Fusionskörper, um Supraleitung herzustellen. Gemäß
F. Scaramuzzi (ENEA Frascati) dient die Kühlung gleich
zeitig zur Vergrößerung der inneren Oberfläche des Palla
dium-Edelmetall-Körpers, um ein Optimum an Deuterium zu
absorbieren.
Als Fusionsgenerator kann der Typ des rotierenden magneto
kalorischen Verflüssigers verwendet werden, indem das zen
trale Kühlrohr durch einen Pd-Edelmetall-Fusionskörper
und das durchfließende Kühlmedium durch Deuterium ersetzt
werden. Während der Entmagnetisierung wird das Deuterium
bei 23.6 K flüssig. Bei einem Unterdruck von 125 Torr und
18.7 K des Flüssigdeuteriums wird der Pd-Edelmetall-Fusions
körper supraleitend. Das bei der Fusion entstehende Helium
wird ebenfalls magnetokalorisch bei 4.2 K verflüssigt und
dient als zusätzliches Kühlmedium. In der Magnetisierungs
phase wird der Pd-Edelmetall-Fusionskörper durch Fusion
und Magnetfeld erwärmt. In den beiden adiabatischen Zonen
zwischen Entmagnetisierung und Magnetisierung wird Kälte
und Wärme durch Wärmetauscher abgeführt und die elektrische
Spannung mittels Seebeck-Element abgegriffen.
Das Seebeck-Element besteht auf seinem p-Typ-Schenkel
aus dotiertem MnTe, GeTe, GeBiTe, CdZnSb, BiSbTe und auf
seinem n-Typ-Schenkel aus dotiertem InAsP, PbTe, BiTeSe
(System Westinghouse) sowie auf dem p-Typ-Schenkel aus
Konstantan, p-dotiertem BiPbSrHoCuO und auf dem n-Typ-
Schenkel aus Kupfer, n-dotiertem BiPbSrHoCuO bis zur
magnetokalorisch erzeugten Siedetemperatur des Heliums von
4.2 K. Im Bereich von 4.2 K bis ca. 100 K können wir den
p- und n-dotierten HTSL BiPbSrHoCuO als halbleitendes
Seebeck-Element einsetzen. Am Gesamt-Seebeck-Element
greifen wir die durch die Temperaturdifferenz von ca. 1000 K
erzeugte Spannung für das 24 V Bordnetz ab. Zur Bereitstel
lung dieser Spannung muß eine Vielzahl der beschriebenen
Seebeck-Elemente parallelgeschaltet werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin,
ein Hydrid-Magnetschwebebahn-Aggregat zu schaffen, dessen
Flüssigwasserstoff-gekühlte HTSL-Permanentmagnete Trag-/
Führ-/Erreger-Funktionen miteinander kombinieren. Für die
Notfahrt wird eine Verbrennungskraftmaschine erforderlich,
die mit demselben Flüssigwasserstoff betrieben wird, mit dem
die HTSL des Aggregats gekühlt werden. Kühlung und Wärme
(auch durch kalte Fusion) werden magnetokalorisch durch
in einem Magnetfeld rotierende HTSL-Permanentmagnete er
zeugt. Es werden Magnetschwebebahn-Anwendungen auf der
Basis des druckabhängigen HTSL-Piezo-Effekts und der
Halbleiter-HTSL-Seebeck-/Peltier-/Hall-Effekte vor
geschlagen.
Verschiedene Elemente des Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggre
gats werden in sieben Figuren dargestellt.
Fig. 1: Der Fahrweg, bestehend aus dem Langstator eines
synchronen Linearmotors, ist konventionell aufgebaut. Im
Fahrzeug befinden sich die kombinierten Trag-/Führ-/Erre
ger-Magnete (1), die aus HTSL-Permanentmagnetmaterial be
stehen und mit Flüssigwasserstoff (2) gekühlt werden. Die
Erregerwicklung (3) besteht aus Flüssigwasserstoff-gekühl
tem HTSL-Draht. Das HTSL-Hall-Element (4) regelt über die
Erregerwicklung die Spaltbreite, das HTSL-Piezo-Element
(5) kontrolliert bei Berühren der Schiene (6) den Abstand
zwischen Fahrweg und Fahrzeug.
Fig. 2 zeigt drei typische Feldverteilungen über den
Querschnitt eines HTSL-Permanentmagneten. Querschnitt (1)
stellt die Feldverteilung dar, wenn ein äußeres Feld Ha
nach dem Kühlprozeß aufgeprägt wird (zero-field cooled
process, variable Feldverteilung). Querschnitt (2) zeigt
die Feldverteilung, wenn ein äußeres Feld während des
Kühlprozesses aufgeprägt und damit eingefroren wird (field
cooled process, stationäre Feldverteilung für die konstante
Tragfunktion). Bei Querschnitt (3) haben wir es mit der
Überlagerung von stationärem Tragfeld und variablen Führ-
und Erreger-Feldern zu tun. Bei dem Tragfeld handelt es
sich um eine eingefrorene remanente Magnetisierung.
Fig. 3 zeigt die beiden wichtigsten HTSL-Phasen,
die Meissner-Phase bis Bc1 und die mit Haftzentren ver
sehene Shubnikov-Abrikosov-Vortex bis Bc2 in die das
magnetische Feld eindringt. Bei den behandelten HTSL-
Permanentmagnet-Anwendungen haben wir es ausschließlich
mit der Shubnikov-Abrikosov-Vortex zu tun.
Fig. 4 zeigt die p-Typ und n-Typ-Schenkel des
Seebeck-Elements, von 300 K bis 1000 K auf Halbleiter
basis (Typ Westinghouse). Von 100 K bis 300 K verwenden
wir die konventionellen Metalle Konstantan und Kupfer.
Im Bereich 4.2 K (Siedepunkt des Heliums) und ca. 100 K
(Sprungtemperatur von HTSL) setzen wir halbleitende
dotierte HTSL ein (z. B. BiPbSrHoCuO).
Fig. 5: Wie in Beschreibung 5 beschrieben, ersetzen
wir formal den Druck durch die magnetische Feldstärke/
Flußdichte. Damit erhalten wir aus dem thermodynamischen
Carnot-Prozeß des T/s-Diagramms den magnetischen Garnot-
Prozeß. Der magnetische Garnot-Prozeß besteht aus zwei
Isothermen und zwei Isentropen (Adiabaten). Entlang
1→2 erfolgt isotherme Magnetisierung bei der Tempera
tur T2 unter Wärmeabgabe der magnetisierten Regenerator
stufen des Verflüssigers. Durch Entmagnetisierung kommt
es zur Abkühlung auf T1. Nach Kontakt mit wärmerem Helium/
Wasserstoff/Deuterium wird die Entmagnetisierung unter
Wärmeaufnahme isotherm von 3→4 zu Ende geführt.
Fig. 6: Fünf repräsentative magnetische Regenerator-
Stufen wurden ausgewählt. Gadolinium (1) mit einer Curie-
Temperatur von 293 K (Raumtemperatur), drei typische
Flüssighelium/Flüssigwasserstoff-gekühlte HTSL-Perma
nentmagnet-Regeneratorstufen (2) bis 20 K (Siedetempe
ratur von Wasserstoff und Deuterium bei 125 Torr) sowie
Zinn-Quecksilber-NTSL-Permanentmagnet-Regeneratorstufe (3)
(Flüssighelium gekühlt) bis 4.2 K (Siedetemperatur des
Heliums). Bei Entmagnetisierung kommt es zur sukzessiven
Abkühlung der Regenerator-Stufen in der Umgebung ihrer
jeweiligen Curie- und Sprungtemperaturen. NTSL und HTSL
Permanentmagnete verlieren ihre permanentmagnetischen Ei
genschaften bei Überschreiten der Sprungtemperatur in der
selben Weise wie Ferromagnete bei Überschreiten der Curie-
Temperatur. Über Wärmetauscher (4) wird durchfließendes
Helium heruntergekühlt und durch die letzte Regenerator
stufe bei 4.2 K verflüssigt.
Fig. 7: Die fünf ausgewählten repräsentativen Regene
rator-Stufen werden an einem Teil des Rotors des Helium/
Wasserstoff/Deuterium-Verflüssigers eingebaut (1). Ein
Teil des Stators besteht aus Toroid-Spulen (2), die die
Regeneratorstufen magnetisieren. Innerhalb der röhrenför
migen Regeneratorstufen (1) befindet sich der röhrenförmige
Wärmetauscher (3), durch den das Kühlrohr (4) geführt
wird. Im Falle des Verflüssigers wird in der kalten adia
batischen Zone dem Behälter/Wärmetauscher (5) Flüssighelium/
Flüssigwasserstoff zur Kühlung der Supraleiter entnommen.
Im Falle des Fusionsgenerators ersetzen wir das Kühlrohr (4)
durch einen Palladium-Edelmetall-Fusionskörper. In den
Behälter (5) wird dann in der warmen adiabatischen Zone
Deuterium bei 125 Torr eingefüllt. Der Wärmetauscher (6)
führt die bei der Magnetisierung sowie bei der Deuterium/
Helium-Fusion entstandene Wärme in der warmen adiabati
schen Zone ab. Wie in Beschreibung 5 beschrieben, können
auch die Regeneratorstufen fest stehen und die Toroid-Spulen
rotieren, als auch ein Supraleiter-Schirm zwischen fest
stehenden Regeneratorstufen und Toroid-Spulen bewegt
werden. Alle sich bewegenden Teile werden extern angetrie
ben (U.S. Department of Energy, Energy Applications of
High-Temperature Superconductors, ER-6682, Februar 1990).
Claims (20)
1. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat, dadurch gekenn
zeichnet, daß es neben der Langstatorwicklung im Fahrweg
aus einem Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL)-Linear-
Motor-Rotor im Fahrzeug für Normalfahrt sowie einer
Verbrennungskraftmaschine für Notfahrt besteht, die mit
demselben Flüssigwasserstoff betrieben wird, mit dem der
HTSL-Linearmotor-Rotor gekühlt wird.
2. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei Notfahrt Reserveräder ausgefahren werden,
die angetrieben werden von einer Mehrkammer-Kreiskolben
maschine, betrieben mit Flüssigwasserstoff.
3. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Magnete des Linearmotor-Rotors Flüs
sigwasserstoff-gekühlte HTSL-Permanentmagnete sind,
die Trag-/Führ-und Erreger-Funktionen in demselben
Magneten kombinieren.
4. HTSL-Trag-/Führ-/Erreger-Magnet der Shubnikov-
Abrikosov-Vortex, Flüssigwasserstoff gekühlt, dadurch
gekennzeichnet, daß das Magnetfeld für die Tragfunktion
während des Kühlvorgangs eingefroren wird und remanent
magnetisiert verbleibt.
5. HTSL-Trag-/Führ-/Erreger-Magnet der Shubnikov-
Abrikosov-Vortex, Flüssigwasserstoff gekühlt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Magnetfelder für die Führ- und
Erreger-Funktionen nach dem Kühlvorgang variabel aufge
prägt werden.
6. HTSL-Trag-/Führ-/Erreger-Magnet der Shubnikov-
Abrikosov-Vortex, Flüssigwasserstoff gekühlt, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Führ-Funktion ein Magnet
feldmuster im Magneten einprogrammiert und aufgeprägt
wird, damit die Spur der Bahn optimal gehalten werden
kann.
7. HTSL-Trag-/Führ-/Erreger-Magnet der Shubnikov-
Abrikosov-Vortex, Flüssigwasserstoff gekühlt, dadurch
gekennzeichnet, daß die variablen aufgeprägten Führ-
und Erreger-Magnetfelder dem stationären eingefrorenen
remanenten Tragfeld überlagert werden.
8. HTSL-Trag-/Führ-/Erreger-Magnet, Flüssigwasser
stoff gekühlt, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig
wasserstoff-gekühlte HTSL-Erregerwicklung das Tragfeld
der Permanentmagneten während des Kühlvorganges aufprägt
und einfriert.
9. Spaltsensor zur Regelung der Spaltbreite zwischen
Fahrweg und Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß er
aus einem Flüssigwasserstoff-gekühlten HTSL-Hall-Halb
leiterelement besteht.
10. Spaltsensor, dadurch gekennzeichnet, daß er aus
einem berührungsempfindlichen druckabhängigen HTSL-
Piezo-Element, Flüssigwasserstoff gekühlt, besteht.
11. Druckabhängiges HTSL-Piezo-Ventil, Flüssigwasser
stoff gekühlt, dadurch gekennzeichnet, daß es bei
steigendem Druck und steigender Temperatur seine Supra
leitfähigkeit verliert (Quench) und magnetischen Fluß
passieren läßt.
12. Magnetokalorischer Kühler isentroper Entmagnetisie
rung, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneratorstufen
aus einer Folge permanentmagnetischer Gadolinium-Verbin
dungen/Legierungen, keramischer Supraleiter-Permanent
magnete und metallischer Supraleiter-Permanentmagnete,
die Supraleiter Flüssighelium/Flüssigwasserstoff gekühlt,
mit sukzessiv abnehmender Curie-/Sprungtemperatur bestehen.
13. Magnetische Heizung isentroper Magnetisierung, da
durch gekennzeichnet, daß die Regeneratorstufen aus demsel
ben Material bestehen wie in Anspruch 12 beschrieben.
14. Magnetokalorische Kühlung/Heizung, dadurch gekenn
zeichnet, daß sich rotierende Regeneratorstufen, bestehend
aus permanentmagnetischen Gadolinium-Verbindungen/Legierun
gen, keramischen und metallischen Supraleiter-Permanent
magneten, Flüssighelium/Flüssigwasserstoff gekühlt, durch
eine HTSL-Toroid-Spule bewegen oder daß eine rotierende
HTSL-Toroid-Spule sich über die beschriebenen Regenera
torstufen bewegt.
15. Magnetokalorische Kühlung/Heizung, dadurch gekenn
zeichnet, daß Magnetisierung und Entmagnetisierung von
permanentmagnetischen Gadolinium-Verbindungen/Legierungen
und keramischen sowie metallischen Supraleiter-Magneten
durch einen rotierenden magnetischen HTSL-Schirm zwischen
Toroid-Spule und Regeneratorstufen erfolgt.
16. Elektrokalorischer Kühler gemäß dem Peltier-Effekt,
dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei Schenkeln mit n-
dotierten und p-dotierten HTSL-Halbleitern, Flüssighelium/
Flüssigwasserstoff gekühlt, besteht.
17. Kalte Deuterium-Helium-Fusion, dadurch gekennzeichnet,
daß sie in einem supraleitenden Palladium-Edelmetall-Fusions
körper bei 18.7 K und 125 Torr stattfindet.
18. Kalte Deuterium-Helium-Fusion, dadurch gekennzeichnet,
daß entstehendes Helium, magnetokalorisch verflüssigt, als
zusätzliches Kühlmittel für die Supraleitung verwendet werden
kann.
19. Stromerzeugung aus Fusionswärme gemäß dem Seebeck-Effekt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel des Seebeck-Elements
neben Kupfer/Konstantan und dotierten Halbleitern auch aus
n-dotierten und p-dotierten Typ-II-HTSL-Halbleitern,
Flüssighelium/Flüssigwasserstoff gekühlt, bestehen.
20. Typ II-Hochtemperatur-Supraleiter-Elemente gemäß dem
Nernst-, Ettingshausen-, Piezo-, Hall-, Peltier- und Seebeck-
Effekt, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Flüssigwasser
stoff mit Flüssighelium (4 K), Flüssigdeuterium (24 K),
Flüssigneon (27 K), Flüssigstickstoff (77 K), Flüssigargon
(87 K), Flüssigsauerstoff (90 K) und Flüssigerdgas (103 K)
gekühlt werden.
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DE4316495A DE4316495C2 (de) | 1993-05-17 | 1993-05-17 | Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat, bestehend (neben der Langstatorwicklung) aus kombinierten Trag-/Führ-/Erreger-Hochtemperatur-Supraleiter-Permanentmagneten, Flüssigwasserstoff gekühlt, für Normalfahrt und Flüssigwasserstoff-Verbrennungskraftmaschine für An-/Notfahrt |
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